CN1966392A - Mems振子及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题是通过防止MEMS结构体部分的侧壁状的蚀刻残留物来提供可靠性高的MEMS振子及其制造方法。作为解决手段，本发明的MEMS振子包括：基板(10)；固定电极(12)，其形成于基板(10)上；以及可动电极(14)，其与固定电极(12)对置配置，通过作用于该可动电极(14)与固定电极(12)之间的缝隙(28)上的静电引力或静电斥力进行驱动，可动电极(14)在与固定电极(12)对置的可动电极(14)的支撑梁(24)的内侧面具有倾斜面(40)。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS振子及其制造方法。
背景技术
近年来，在加速度传感器、视频器件等中逐步看到MEMS的发展。MEMS是Micro Electro Mechanical System(微机电系统)的缩写，其包含的概念范围中存在各种解释，有时也被称为显微机械加工(micromachine)、MST(微系统技术：Micro System Technology)，但通常是指“使用半导体制造技术制作的微小的功能元件」。它是以现有的半导体中培养出的微细加工技术为基础制造的。但是，现在是以MEMS单体进行制造，或者利用制造IC后制作等的工艺进行制造。
随着半导体器件的微细化、高集成化的趋势，通孔或接触孔(下面简称为孔)微细化，因此要求金属配线具有高的可靠性。所以，在孔中，配线金属的高有效率是必不可少的，作为改善通孔或接触孔中的配线金属的有效率，即使在孔的长径比大的情况下也能改善配线金属的有效率的方法，已提出有如下的半导体器件的制造方法，所述制造方法包括：在所形成的孔的底部附近的包围孔的位置上预先形成阻止膜的工序；以及在阻止膜的内壁形成侧壁的工序(例如，参照专利文献1)。
并且，在具有厚的场氧化膜的绝缘栅型等半导体装置的制造方法中，若其场氧化膜的加工形状差，则栅电极、流入主电流的A1等的主配线上，在场氧化膜的肩口上配线变细，极端的情况下，产生配线的分段，电极配线的可靠性明显受损。为了解决这种问题，已提出有如下的半导体装置的制造方法，所述制造方法能够容易地在厚的场氧化膜上形成任意角度的锥形，并且，提高了锥形角度的加工控制性(例如，参照专利文献2)。
【专利文献1】日本特开平5-6891号公报
【专利文献2】日本特开平7-66280号公报
以往，即使在MEMS振子的MEMS结构体部分上产生侧壁状的蚀刻残留物，也仍用较强的过蚀刻(over etching)去除，或保留。今后，在与IC制造同时形成的MEMS工艺中，需要使MEMS结构部平坦化。所以，只要能够防止MEMS结构体部分的侧壁状的蚀刻残留物，就能够提高MEMS振子的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于，通过防止MEMS结构体部分的侧壁状的蚀刻残留物，提供可靠性高的MEMS振子及其制造方法。
(1)本发明的MEMS振子包括：基板；固定电极，其形成于所述基板上；以及可动电极，其与所述固定电极对置配置，通过作用于与所述固定电极之间的缝隙上的静电引力或静电斥力进行驱动，所述可动电极在与所述固定电极对置的所述可动电极的支撑梁的内侧面具有倾斜面。
根据本发明，可动电极的支撑梁的内侧面为倾斜面，可以使可动电极的支撑梁的截面形状光滑，能够防止可动电极的侧壁状的蚀刻残留物。由此，能够改善MEMS结构体的动作的妨碍或漏电等，能够提供可靠性高的MEMS振子。
(2)该MEMS振子的所述倾斜面也可以具有倾斜角。
(3)本发明的MEMS振子包括：基板；固定电极，其形成于所述基板上；以及可动电极，其与所述固定电极对置配置，通过作用于与所述固定电极之间的缝隙上的静电引力或静电斥力进行驱动，所述固定电极在侧面部具有锥形面。
根据本发明，通过固定电极的侧面部的锥形面，可使固定电极的侧面部的截面形状光滑，能够防止可动电极的侧壁状的蚀刻残留物。由此，能改善MEMS结构体的动作的妨碍或漏电等，能够提供可靠性高的MEMS振子。
(4)在该MEMS振子中，所述锥形面也可以具有倾斜角。
(5)该MEMS振子的所述缝隙也可以为恒定的间隔。
(6)本发明的MEMS振子的制造方法包括如下工序：在基板上形成在侧面部具有侧壁的固定电极；以及在所述固定电极上方设置缝隙而以对置配置的方式形成可动电极。
根据本发明，通过在固定电极的侧面部形成侧壁，使可动电极的支撑梁的内侧面为倾斜面，从而可使可动电极的支撑梁的截面形状光滑，防止可动电极的侧壁状的蚀刻残留物。由此，能够改善MEMS结构体的动作的妨碍或漏电等，能够提供可靠性高的MEMS振子的制造方法。
(7)本发明的MEMS振子的制造方法包括如下工序：在基板上形成在侧面部具有锥形面的固定电极；以及在所述固定电极上方设置缝隙而以对置配置的方式形成可动电极。
根据本发明，通过固定电极的侧面部的锥形面，可使固定电极的侧面部的截面形状光滑，防止可动电极的侧壁状的蚀刻残留物。由此，能够改善MEMS结构体的动作的妨碍或漏电等，能够提供可靠性高的MEMS振子的制造方法。
(8)该MEMS振子的制造方法，所述可动电极的形成还包括如下工序：在所述固定电极上形成牺牲膜(sacrifice film)；以及，之后在所述基板和所述牺牲膜上以与所述固定电极的至少一部分对置配置的方式形成所述可动电极。
附图说明
图1是示出应用了本发明的第1实施方式的MEMS振子的概要俯视图。
图2是应用了本发明的第1实施方式的MEMS振子的剖视图。
图3是用于说明应用了本发明的第1实施方式的MEMS振子的制造方法的图。
图4是用于说明应用了本发明的第1实施方式的MEMS振子的制造方法的图。
图5是示出应用了本发明的第2实施方式的MEMS振子的概要俯视图。
图6是应用了本发明的第2实施方式的MEMS振子的剖视图。
图7是用于说明应用了本发明的第2实施方式的MEMS振子的制造方法的图。
图8是用于说明应用了本发明的第2实施方式的MEMS振子的制造方法的图。
具体实施方式
下面，参照附图，说明应用了本发明的实施方式。
(第1实施方式)
图1是示出应用了本发明的第1实施方式的MEMS振子的概要俯视图。图2是应用了本发明的第1实施方式的MEMS振子的剖视图。如图2所示，本实施方式的MEMS振子由基板10和设置在该基板10表面上的MEMS结构体构成。
基板10可以使用单晶半导体基板，例如硅(Si)、镓砷(GaAs)等基板。特别优选单晶硅基板。在基板10的表面上形成有由多晶硅构成的固定电极12和可动电极14。
固定电极12整体构成为薄板状，隔着绝缘膜11配置在基板10上。固定电极12的侧面部形成有侧壁16。此处，侧壁示出厚度随着靠近固定电极12的基部侧(基板10侧)而增加的状态。侧壁16的外周面可以是平面或曲面。侧壁16可以具有倾斜角。侧壁16的倾斜角度具有例如5度～15度的倾斜度。固定电极12配线于配线层18上，所述配线层18贯通牺牲膜20和绝缘膜22并在绝缘膜22上延伸。固定电极12通过配线层18配线，而也可以构成为利用导体配线，所述导体设置在与配线层18不同的层上，并由Cu、Al、Ta、Cr、W等金属等构成。
可动电极14整体构成为薄板状，配置在固定电极12的正上方。可动电极14利用支撑梁24构成为所谓的单梁式。并且，支撑梁24构成为带状或棒状，设置于其端部的被固定部26隔着绝缘膜11设置在基板10上。可动电极14也可以由两梁式或3处以上的支撑梁构成。可动电极14隔着缝隙28与固定电极12对置配置。缝隙28可以为恒定的间隔。可动电极14在与固定电极12对置的可动电极14的支撑梁24的内侧面具有倾斜面40。倾斜面40可以是平面或曲面。倾斜面40可以是在可动电极14的支撑梁24的内侧面的整个区域上连续的面。倾斜面40可以具有倾斜角。倾斜面40的倾斜角度具有例如5度～15度的倾斜度。通过设置倾斜面40，可以将支撑梁24设置得较长。可动电极14的被固定部26配线于配线层30上，所述配线层30贯通绝缘膜22并在绝缘膜22上延伸。可动电极14的被固定部26通过配线层30配线，而也可以构成为利用导体配线，所述导体设置在与配线层30不同的层上，并由Cu、Al、Ta、Cr、W等金属等构成。
开口部32是在固定电极12的一部分和可动电极14的可动部分大致对应的区域上开口，以便在可动电极14和固定电极12之间确保预定的缝隙28。
此处，可动电极14构成为板状，支撑梁24构成为梁状(细宽的带状或棒状)，从而构成为当可动电极14像后述那样沿靠近或远离固定电极12的方向移动时，主要是支撑梁24挠曲变形，可动电极14相比于支撑梁24难以变形。可动电极14通过支撑梁24在基板10上与下层的固定电极12之间具有缝隙28的状态下进行支撑，其结果，可动电极14处于可通过支撑梁24的弹性变形向基板10侧移动的状态。
配线层18、30上形成有配线层绝缘膜34，在该配线层绝缘膜34上形成有保护膜36。
本实施方式的MEMS振子中，可动电极14利用在与固定电极12的缝隙28上作用的静电引力或静电斥力进行驱动。通过在配线层18和配线层30之间施加周期性的变动电压，在固定电极12和可动电极14之间产生周期性的静电引力或静电斥力，能够使可动电极14振动。该情况下，众所周知，也可以对可动电极14施加交流电压，在与直流接地的固定电极12之间产生周期性的电压变动，或在固定电极12和可动电极14之间施加DC偏压的状态下，供给交流电压。例如，在固定电极12和可动电极14之间设定预定的DC偏压，向可动电极14供给输入信号(交流电压)。
另外，本实施方式的MEMS振子，基板10使用半导体基板的情况下，在半导体基板内形成用于驱动上述可动电极的驱动电路、用于得到输出信号的输出电路、用于导入输入信号的输入电路、组入上述振子结构体的振荡电路等各种电路。或者，通过形成在半导体基板上，能够将振子结构体和电路结构一体化。这样的半导体装置的结构，与使用相当于上述振子结构体的其它振子元件的情况和独立构成振子结构体和电路结构的情况相比，可实现大幅度的压缩化。并且，也能够排除各电路间的配线上的冗余性，可期待特性提高。
在本实施方式的MEMS振子中，可动电极14的支撑梁24的内侧面为倾斜面40，从而能够使可动电极14的支撑梁24的截面形状光滑，防止可动电极14的侧壁状的蚀刻残留物，所以消除对可动电极14的振动动作的影响。也无需固定电极12和可动电极14之间的电漏总线的路径。即，能够改善MEMS振子的动作的妨碍或漏电等。
接着，参照附图，说明应用了本发明的第1实施方式的MEMS振子的制造方法。
图3、图4是用于说明应用了本发明的第1实施方式的MEMS振子的制造方法的图。本实施方式的MEMS振子的制造方法首先如图3(A)所示准备基板10。基板10的材料为例如SiN。基板10的厚度为例如约100～2000×0.1nm左右。另外，可以利用溅射法或热氧化法等在该基板10的表面上形成由氧化硅(SiO2)等构成的绝缘膜(未图示)。该绝缘膜也可以由自然形成于基板表面的自然氧化膜构成。而且，可以利用溅射法或CVD(化学气相沉积)法等在上述绝缘膜上形成由氮化硅(Si3N4)等构成的绝缘膜11。该绝缘膜11主要是以制造上的观点设置的，可以起到例如在进行后述的牺牲膜的蚀刻时的蚀刻阻止膜的作用。
接着，在基板10上隔着绝缘膜11形成固定电极12A。固定电极12A的形成方法为例如蚀刻形成于基板10上的MEMS下部结构体。MEMS下部结构体的材料为例如POLY-Si。MEMS下部结构体的厚度为例如约1000～4000×0.1nm。
然后，如图3(B)所示，在绝缘膜11和固定电极12A上形成绝缘膜38。绝缘膜38的厚度为例如约100～4000×0.1nm。绝缘膜38用于后述的在可动电极14和固定电极12之间形成缝隙时。绝缘膜38构图成至少存在于后述的固定电极12A的侧面部区域。此时，优选绝缘膜38构图成仅存在于固定电极12A的侧面部区域。
接着，如图3(C)所示，蚀刻绝缘膜38，形成侧壁16。侧壁16可以是在固定电极12A的全周上连续的面。包括固定电极12A和侧壁16的截面形状为其宽度的下部相对于上部而增大。
然后，如图3(D)所示，在固定电极12A上形成牺牲膜20。通过形成牺牲膜20，从而在牺牲膜20的下面形成固定电极12。牺牲膜20的形成方法是利用例如热氧化处理来形成。牺牲膜20的厚度为例如约100～2000×0.1nm。牺牲膜20用于在后述的在可动电极14和固定电极12之间形成缝隙时。牺牲膜20被构图成至少存在于包括后述的可动电极14的形成区域的区域。此时，优选牺牲膜20构图成仅限存在于可动电极14的形成区域。
然后，如图3(E)所示，在绝缘膜11、牺牲膜20和侧壁16上形成可动电极14，所述可动电极14与固定电极12的至少一部分成对置配置。可动电极14形成为在固定电极12上隔着牺牲膜20和侧壁16对置配置。可动电极14通过支撑梁24构成为所谓的单梁式。并且，支撑梁24构成为带状或棒状，设置于其端部的被固定部26隔着绝缘膜11设置在基板10上。可动电极14的形成方法为例如对形成于绝缘膜11和牺牲膜20上的MEMS上部结构体进行蚀刻。MEMS上部结构体的材料为例如POLY-Si。MEMS上部结构体的厚度为例如约1000～4000×0.1nm。
然后，如图4(A)所示，在绝缘膜11、牺牲膜20、固定电极12以及侧壁16上形成绝缘膜22。绝缘膜22的材料为例如TEOS(四乙基正硅酸盐)+BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)(硅酸盐玻璃膜)等。绝缘膜22的厚度为例如TEOS(约1000×0.1nm)+BPSG(约8000×0.1nm)。
然后，如图4(B)所示，在绝缘膜22上形成配线层18、30。配线层18与固定电极12连接，贯通牺牲膜20和绝缘膜22，在绝缘膜22上延伸。配线层30与可动电极14的被固定部26连接，贯通绝缘膜22，在绝缘膜22上延伸。配线层18、30的材料为AlSiCu或AlCu(含有铝的合金)。配线层18、30的厚度为例如约5000～20000×0.1nm。若该工序结束，则在基板10上形成有构成MEMS振子的所有的构成要素。
接着，如图4(C)所示，在绝缘膜22以及配线层18、30上形成配线层绝缘膜34。配线层绝缘膜34的形成方法为例如通过CVD法形成。配线层绝缘膜34的厚度为例如约5000～10000×0.1nm。
进一步，在配线层绝缘膜34上形成保护膜36。保护膜36的形成方法为例如通过CVD法形成氧化膜+氮化膜。保护膜36的厚度为例如氧化膜(约4000×0.1nm)+氮化膜(约4000～10000×0.1nm)。
接着，如图4(D)所示，使MEMS释放窗开口。MEMS释放窗从保护膜36上到可动电极14上，是与可动电极14的可动部分大致对应的区域的开口部32A。
然后，如图2所示，释放MEMS部。通过MEMS部的释放，在与开口部32A对应的部分上的牺牲膜20和侧壁16被去除，由此，形成开口部32，以便在可动电极14和固定电极12之间确保预定的缝隙28。在MEMS部的释放中，使用氢氟酸类的蚀刻液，实施湿式蚀刻，从而去除与开口部32A对应的部分的牺牲膜20和侧壁16。
在本实施方式的MEMS振子的制造方法中，在固定电极12的侧面部形成侧壁16，从而可以使可动电极14的支撑梁24的内侧面为倾斜面40，使可动电极14的支撑梁24的截面形状光滑。由此，能够防止可动电极14的侧壁状的蚀刻残留物，因此不会在释放蚀刻中产生尘垢。由于不会在释放蚀刻中产生尘垢，释放蚀刻的时间上的加工冗余增加。工艺上的加工条件(可动电极14的蚀刻)的冗余增加。
(第2实施方式)
图5是示出应用了本发明的第2实施方式的MEMS振子的概要俯视图。图6是应用了本发明的第2实施方式的MEMS振子的剖视图。如图6所示，本实施方式的MEMS振子由基板10和设置于基板10表面上的MEMS结构体构成。
固定电极12在侧面部具有锥形面42。此处，锥形是表示随着靠近固定电极12的端部，固定电极12的厚度减少的状态。锥形面42可以是平面或曲面。锥形面42可以是在固定电极12的全周连续面。锥形面42具有倾斜角。锥形面42的倾斜角度具有例如5～15度的倾斜度。锥形化的固定电极12的截面形状为下部的宽度大于上部的宽度。
在本实施方式的MEMS振子中，固定电极12的侧面部的锥形面42，通过使固定电极12的侧面部的截面形状光滑，防止可动电极14的侧壁状的蚀刻残留物，从而消除对可动电极14的振动动作的影响。固定电极12的侧面部的锥形面42和可动电极14对置，所以固定电极12与可动电极14的对置面积增加。因此，能够增加固定电极12与可动电极14之间的静电引力或静电斥力。
接着，参照附图，说明应用了本发明的第2实施方式的MEMS振子的制造方法。
图7、图8是用于说明应用了本发明的第2实施方式的MEMS振子的制造方法的图。本实施方式的MEMS振子的制造方法首先如图7(A)所示准备基板10。
接着，在基板10上隔着绝缘膜11在侧面部形成具有锥形面42A的固定电极12A。此时，向MEMS下部结构体导入杂质，以便使侧面具有倾斜的锥面，设定蚀刻条件。
然后，如图7(B)所示，在固定电极12A上形成牺牲膜20。
接着，如图7(C)所示，在绝缘膜11和牺牲膜20上形成可动电极14，所述可动电极14与固定电极12的至少一部分成对置配置。可动电极14形成为在固定电极12上隔着牺牲膜20对置配置。
然后，如图7(D)所示，在绝缘膜11、牺牲膜20以及固定电极12上形成绝缘膜22，绝缘膜22的上面为平坦化。
接着，如图8(A)所示，在绝缘膜22上形成配线层18、30。若该工序结束，则在基板10上形成有构成MEMS振子的所有的构成要素。
然后，如图8(B)所示，在绝缘膜22以及配线层18、30上形成配线层绝缘膜34。
接着，如图8(C)所示，在配线层绝缘膜34上形成保护膜36。
然后，如图8(D)所示，使MEMS释放窗开口。MEMS释放窗从保护膜36上到可动电极14上，是与可动电极14的可动部分大致对应的区域的开口部32A。
然后，如图6所示，释放MEMS部。通过MEMS部的释放，在与开口部32A对应的部分上的牺牲膜20被去除，由此，形成开口部32，以便在可动电极14和固定电极12之间确保预定的缝隙28。在MEMS部的释放中，使用氢氟酸类的蚀刻液，实施湿式蚀刻，从而去除与开口部32A对应的部分的牺牲膜20。
在本实施方式的MEMS振子的制造方法中，固定电极12的侧面部的锥形面42，通过使固定电极12的侧面部的截面形状光滑，防止可动电极14的侧壁状的蚀刻残留物，因此不会在释放蚀刻中产生尘垢。对于其它的结构和制造方法，可以应用在第1实施方式中说明的内容。
本发明不限于上述的实施方式，在MEMS-CMOS集成工艺中，可以应用于所有的结构体形成。例如，作为MEMS，可以举出开关、谐振器、加速度传感器、致动器等。
Claims (8)
1.一种MEMS振子，所述MEMS振子包括：
基板；
固定电极，其形成于所述基板上；以及
可动电极，其与所述固定电极对置配置，通过作用于该可动电极与所述固定电极之间的缝隙上的静电引力或静电斥力进行驱动，
所述可动电极在与所述固定电极对置的所述可动电极的支撑梁的内侧面具有倾斜面。
2.根据权利要求1所述的MEMS振子，其中，
所述倾斜面具有倾斜角。
3.一种MEMS振子，所述MEMS振子包括：
基板；
固定电极，其形成于所述基板上；以及
可动电极，其与所述固定电极对置配置，通过作用于该可动电极与所述固定电极之间的缝隙上的静电引力或静电斥力进行驱动，
所述固定电极在侧面部具有锥形面。
4.根据权利要求3所述的MEMS振子，其中，
所述锥形面具有倾斜角。
5.根据权利要求1或3所述的MEMS振子，其中，
所述缝隙为恒定的间隔。
6.一种MEMS振子的制造方法，所述制造方法包括如下工序：
在基板上形成固定电极，该固定电极在侧面部具有侧壁；以及
在所述固定电极上方设置缝隙而以对置配置的方式形成可动电极。
7.一种MEMS振子的制造方法，所述制造方法包括如下工序：
在基板上形成固定电极，该固定电极在侧面部具有锥形面；以及
在所述固定电极上方设置缝隙而以对置配置的方式形成可动电极。
8.根据权利要求6或7所述的MEMS振子的制造方法，其中，
所述可动电极的形成还包括如下工序：
在所述固定电极上形成牺牲膜；以及
之后在所述基板和所述牺牲膜上以与所述固定电极的至少一部分对置配置的方式形成所述可动电极。
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