JP2005502481A - 微小電子機械システムと方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、カプセル封入されたリリース構造体、その中間物、及びそれらの製作方法を提供する。多層構造は、キャッピング層(211)を有し、その層(211)は好適には酸化シリコン及び／又は窒化シリコンからなり、耐エッチング基板(203)の上に形成される。好適には窒化シリコンからなるパターン形成された装置層(206)が、好適にはポリシリコンからなる犠牲材料(205,209)内に埋め込まれ、耐エッチング基板(203)とキャッピング層(211)との間に配置される。アクセストレンチまたはアクセス穴(219)がキャッピング層(211)内へ形成され、犠牲材料(205,209)がアクセストレンチ(219)を介して選択的にエッチングされ、装置層(206)の一部が犠牲材料(205,209)からリリース(解放)される。エッチャントは好適には、フッ化希ガスNgF2X（この場合、Ng = Xe、Kr、又はArであり、x =１、２、又は3）からなる。その犠牲材料(205,209)をエッチングした後、アクセストレンチ(219)が封止され、耐エッチング基板(203)とキャッピング層(211)との間にある装置層(206)のリリースされた部分がカプセル封入(241)される。本発明は、MEMS装置、マルチキャビティ装置、及び複数のリリース機構を有する装置を製作するために特に有用である。
【選択図】図３ｂ
【選択図】図３ｂ
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明はウエハー処理に関する。より具体的には、本発明は微小電子機械システムのカプセル封入の方法に関する。
【０００２】
発明の背景
微小電子機械システム（MEMS）と集積回路（IC）を組み合わせることにより、マイクロセンサ、トランスデューサ、およびアクチュエータをいくつでも作る可能性が与えられる。残念なことに、MEMSを作成するための一般的な方法は、ICを製作するために使用される方法とは互換性がない。そのため、MEMSとICは、通常別々に製造され、その後また別々の工程で手間をかけて組み合わせられる。
【０００３】
MEMSとICの処理の非互換性に加えて、MEMSは一般に、カプセル封入を必要とし、このカプセル封入により、MEMSの活動部分が制御された保管環境内に封止される。MEMSの活動部分をカプセル封入する方法の１つは、MEMSに適合した導電性のリード線で構成された固有のカスタマイズされたパッケージング構造を提供することである。代案として、MEMSは、パッケージング構造の底部として機能するウエハー基板上に形成され得る。MEMSが基板上に形成された後、適合する蓋の構造体が、適切な保管環境内のMEMS活動部分の上に接着またははんだ付けされる。例えば、Shookは、1998年7月29日に出願され、「METHOD OF AND APPARATUS FOR SEALING A HERMETIC LID TO A SEMICONDUCTOR DIE」と題する米国特許出願第09/124,710と米国特許出願第08/744,372号において、半導体基板上のMEMSを気密封止して不動態化するための方法と装置について説明しており、こらら2点の特許文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００４】
標準的なICウエハー処理と互換性のあるプロセスを用いて、ウエハー基板上にMEMSと他の構造体を作成し、それによりMEMSとICを同一のウエハーチップ上に製作できるための方法が必要とされている。さらに、MEMSを製作するための方法が必要とされており、この場合、MEMSの活動部分は、種々の適切な保管環境内に容易にカプセル封入される。
【０００５】
発明の概要
本発明は、カプセル封入されたリリース構造体を作成する方法を提供する。好適にはリリース構造体は、複数のリボンまたはビームを有し、さらに櫛型構造を有するMEMS装置である。本発明の一実施形態において、この装置は、周期的な波形の生成（例えば、クロックの生成）に使用され得る共振器を含む。他の実施形態において、この装置は、光学的な情報を生成および／または伝送するためのグレーティングライトバルブを含む。さらに他の実施形態において、この装置は、情報の無線伝送用の無線周波数（ＲＦ）発生器を含む。
【０００６】
リリース（release：解放）構造体は、多層構造の層間に形成される。多層構造は、同一でも互いに異なっていてもよい第１および第２のエッチストップ層と、この第１のエッチストップ層と第２のエッチストップ層の間に第１の犠牲層を含むことが好ましい。リリース機構は、第２のエッチストップ層の中へパターン形成される。好適には多層構造は、シリコンウエハー基板上に形成される。シリコンウエハー基板は、シリコンウエハー基板上に形成された集積回路（IC）とMEMS装置を結合するように構成される。
【０００７】
好適には多層構造は、シリコンウエハー基板の選択された領域の上に、またはその上方に堆積された第１のエッチストップ層とともに形成される。第１のエッチストップ層は、二酸化シリコン層、窒化シリコン層、またはそれらの組合せであることが好ましい。第１のエッチストップ層の表面上またはその上方に、第１の犠牲層が形成される。第１の犠牲層は、ポリシリコン材料からなることが好ましいが、他の材料も使用され得る。第２のエッチストップ層は、リリース構造体のリリース機構に対応するパターンでもって第１の犠牲層の上にまたはその上方に形成される。
【０００８】
第２のエッチストップ層には、任意の適切なパターンニング技術を用いてリリース構造の機構がパターン形成される。したがって、第２のエッチストップ層の一部を除去する前に、第２のエッチストップ層の上にまたはその上方に、パターン形成されたフォトレジストが形成され、パターン形成されたフォトレジストの下にある第２のエッチストップ層の部分間と内部にギャップを有する、パターン形成された第２のエッチストップ層を形成する。代案として、第１の犠牲層は、リリース構造の機構のポジ型を異方性エッチングされてもよい。リリース構造機構のポジ型は、第２のエッチストップ層の堆積中に第１の犠牲層のパターン形成された部分にリリース構造機構の急速な異方性成長のための核を提供する。ともかく、第２のエッチストップ層を形成するために使用される方法において、第１および第２の犠牲層の間にリリース構造機構を有する第２のエッチストップ層を挟むように、第２のエッチストップ層の上に第２の犠牲層が形成される。第２の犠牲層は、ポリシリコンからなることが好ましい。第２の犠牲層の表面上に、シーラント層またはキャッピング層が形成される。キャッピング層は、１つまたは複数の従来のパッシベーション層からなることが好ましいが、酸化シリコン層、窒化シリコン層、またはそれらの組合せからなることがさらに好ましい。
【０００９】
エッチストップ層は、何通りもの方法で形成され得る。エッチストップ層は、犠牲層（単数または複数）を形成する材料に対する所定のエッチング条件下でエッチングに対して耐性を示す任意の材料から形成され得る。本発明において、エッチストップ層の材料に対する犠牲材料（単数または複数）のエッチング速度（単位時間あたりにエッチングされる材料の質量または厚さ）が、10:1より大きいことが好ましく、50:1より大きければさらに好ましく、100:1より大きければ最も好ましい。本発明の開発において、約2500:1という実験結果が得られた。任意の特定のエッチストップ層は、１つまたは複数の層からなることができ、エッチストップ層が犠牲層のエッチャントに対して十分な耐性を示す限り、どのエッチストップ層が犠牲層のエッチャントにさらされてもよい。
【００１０】
本発明の一実施形態において、多層構造の１つまたは複数のエッチストップ層は、酸化シリコンからなる。酸化シリコンは、二酸化シリコンが好ましい。本明細書において酸化シリコンに言及する場合、二酸化シリコンが最も好適な実施形態であるが、従来のドーピングされた、および／または非化学量論的な二酸化シリコンも企図される。酸化シリコン層は、酸素源が存在する状態でシリコン表面を加熱することによって二酸化シリコン層を形成する熱成長により、形成され得る。代案として、酸素が存在する状態で有機シリコン蒸気源を分解する化学蒸着法により、酸化シリコン層は形成され得る。同様に、窒化シリコン層も熱成長または化学蒸着法により形成され得る。ポリシリコンの犠牲層は、化学蒸着、スパッタリング、またはプラズマ促進化学蒸着法（PECVD）などの標準的なIC処理の方法により形成されることが好ましい。次の層を形成する前であれば、堆積面をいつでも清浄または処理することができる。例えば、リリース構造のパターン形成の工程後、堆積面をN-メチル-2-ピロリドン（NMP）などの溶剤で処理または清浄し、残りのフォトレジストのポリマーを除去することができる。さらに、次の層を形成する前であれば、堆積面をいつでも機械的に平坦化することができる。
【００１１】
第１および第２の犠牲層の間に挟まれたリリース構造（例えば、第２のエッチストップからパターン形成される）で多層構造を形成した後、キャッピング層またはシーラント層にアクセス穴またはトレンチを形成し、その下側にある第２の犠牲層の領域が露出される。アクセストレンチは、本明細書において一般にキャッピング層またはシーラント層に形成されるキャビティを指し、そのキャビティによりエッチャントが下側にある犠牲層の材料をエッチングすることが可能になる。簡略化のために、キャッピング層またはシーラント層の細長いキャビテーションと対称的なキャビテーションの両方（例えば、裂け目、長方形、正方形、楕円形など）を包含するように、本明細書においてアクセストレンチという用語を使用する。
【００１２】
本発明によれば、アクセストレンチは、どのような形状や幾何学的配置でもよいが、急峻な壁の断面を有するように、異方性エッチングされることが好ましい。アクセストレンチは、ウェットエッチング処理および反応性イオンエッチング処理を含むエッチング技術により形成されることが好ましいが、他の従来技術を使用することができる。第２の犠牲層の露出した領域は、リリース構造体がキャッピング層またはシーラント層の下に懸架されるように、第１および第２の犠牲層の部分の大部分を選択的にエッチングする適切なエッチャントで処理される。
【００１３】
好適なエッチャントは、ニフッ化キセノンなどのフッ化希ガスからなる。好適には第２の犠牲層の露出した領域は、第１および第２の犠牲層を選択的にエッチングする前に、エチレングリコールとフッ化アンモニウムのプレエッチング溶液で処理され得る。プレエッチング溶液は、酸化物の形成を防止し、第２の犠牲層の露出された領域を清浄化し、ポリマーを除去し、および／またはエッチングが酸化物の形成により抑制されないことを保証することに役立つことができる。エッチング工程は、ガスをエッチャントとするチャンバ内で実行されることが好ましい。しかしながら、適切な液体のエッチャントは、本発明の範囲内にあると考えられ、それによってフッ化希ガスは液体であるか、または適切な溶媒に溶解される。
【００１４】
本発明の好適な方法において、多層構造は、約0.133パスカル（10−５トル）の圧力を有する真空状態に置かれる。ニフッ化キセノン結晶の入った容器が、圧力コントローラ（例えば、制御可能バルブ）を介してチャンバに結合される。結晶は、容器内で室温であり、約53.2キロパスカル（4.0トル）のニフッ化キセノンの圧力状態であることが好ましい。圧力コントローラは、チャンバ内の圧力が約665パスカル（50ミリトル）まで上昇するように調整される。この圧力または代わりの十分な圧力を与えて、制御可能なエッチング速度、チャンバへのニフッ化キセノンの確実な流入、およびエッチング処理の優れた均一性を確実にする。
【００１５】
エッチング工程の後、アクセストレンチは、第１のエッチストップ層とキャッピング層またはシーラント層との間に懸架されたリリース構造体をカプセル封入するためにおそらく封止される。封止工程は、マルチステーションウエハー処理システム内の別個の処理ステーションで実行されるか、または代案としてチャンバ装置内で実行される。アクセストレンチは、スパッタリング、化学蒸着（CVD）、プラズマ促進化学蒸着（PECVD）、スピンオングラスの方法を含むあらゆる方法により封止され得る。アクセストレンチは、金属、ポリマー、およびセラミックを含むあらゆる材料で封止され得る。好適にはアクセストレンチは、アクセストレンチとキャッピング層の上にアルミニウム層をスパッタリングすることにより封止される。光学用途の場合、適切な機械的または化学的な方法を用いてキャッピング層またはシーラント層から余分なアルミニウムが除去され得る。
【００１６】
本発明の代替の実施形態によれば、パターン形成された第２のエッチストップ層上に第２の犠牲層を堆積する前に、第２のエッチストップ層上に反射性材料を堆積させてもよい。反射性材料は、アルミニウムからなることが好ましい。したがって、犠牲層をエッチング除去した後、リリース機構は、光学用途に適した反射性の上面を有することが好ましい。
【００１７】
本発明のさらに他の実施形態において、キャッピング層またはシーラント層のアクセストレンチを封止する前に、キャッピング層またはシーラント層によってキャッピングされたキャビティの中に、チタンまたはチタンベースの合金などのゲッタリング材料が堆積され得る。ゲッタリング材料は、時間が経つにつれて装置の性能劣化につながる可能性がある湿気および／または酸素の残留物を削減するのに役立つように設けられる。リリース構造体は、以下に詳細に説明されるように、真空状態で封止されるか、または代案として適切な希ガス雰囲気の下で封止されることが好ましい。
【００１８】
本発明は、ICチップ上の封止されたMEMS装置、その中間要素、および好適には標準的なIC処理と互換性のある技術を用いて該MEMS装置を形成する方法も提供する。例えば、本発明の方法は、摂氏600℃未満の温度、およびより好適には摂氏550℃未満の温度で好適には行われる処理工程を提供する。さらに、本発明は、様々な雰囲気で気密封止された活性構造でMEMSを製作するための方法を提供する。本発明は、MEMSを作成することに限定されず、マイクロ流体の用途または内在化されたマルチキャビティのシリコンベース構造が好まれる任意の他の用途を有する、単純または複雑なあらゆるマルチキャビティ構造を作成するために使用され得る。また、この後の考察において明らかになるように、本発明の方法は、単一のエッチング処理内で別々の、または結合されたあらゆるリリース構造体を形成するために使用されることができ、およびより大きな装置が本発明の方法を用いて形成され得る。
【００１９】
発明の詳細な説明
一般に、本発明は、カプセル封入されたリリース構造体を有する装置を作成するための方法を提供する。本発明は、MEMS発振器、光学ディスプレイ装置、光伝送装置、ＲＦ装置、および関連装置を製作するために特に有用である。MEMS発振器は、単純または複雑な構造をいくつでも有することができるが、それらのすべては、結合した回路へタイミング信号を提供するために構造の基本発振周波数を用いた基本原理で動作する。図１を参照すると、共振器構造102は、一対の可動櫛型機構101と101'を有し、これらは対応するトランスデューサの一対の櫛105と105'との間で振動する。共振器構造102は、振り子のように基本の共振周波数を有する。櫛型機構101と101'は、固定機構103と103'によって接地板109に固定される。動作中、共振器102と接地板109との間にDCバイアスが印加される。櫛型トランスデューサ105と105'にAC励起周波数を加えることにより、可動櫛型機構101と101'が振動し、モーショナル出力電流を生じる。モーショナル出力電流は、電流電圧変換増幅器107により増幅され、共振器構造102へ戻される。この正のフィードバックループにより、発振器100が不安定化され、共振器構造102の持続振動につながる。第2のモーショナル出力電流は、発振器100により生成されるタイミング信号を受信するための回路に結合されている接続部108に生成される。
【００２０】
ここで、ウエハーの平面図を示す図2aを参照すると、ウエハー構造体200は好適には、シリコン基板201と第１のエッチストップ層203からなる。第１のエッチストップ層203は、特にシリコン基板201を完全にエッチング除去することなく犠牲層をエッチングできるほどシリコン基板201が十分に厚い場合には、本発明の方法を行う必要はないかもしれない。また、基板201自体は、第１のエッチストップ層203を形成する必要がないように、使用されるエッチャントに対して基板201に十分な耐性を与える材料から形成され得る、または係る材料でドーピングされ得る。しかしながら、代替の実施形態において、シリコン基板に対して選択的にエッチングされ得る材料を、犠牲層として選択または使用することができる。第１のエッチストップ層203は好適には、酸化シリコン、窒化シリコン、それらの組合せ、または第１の犠牲層をエッチングするために使用されるエッチャントに対して十分な耐性を示す任意の他の適切な材料からなる。
【００２１】
依然として、図2aを参照すると、ウエハー構造体200の領域251を使用してリリース構造体を形成する。ウエハー構造体200の他の部分は、領域251で形成されたリリース構造体に電気的に結合され得る、および係るリリース構造体の動作を制御できる集積回路を形成するために確保され得る。さらに、同じウエハー構造体200上には、いくつでもリリース構造体とリリース構造体領域251を形成することができる。
【００２２】
ここで、図2bを参照すると、領域251において、第１の犠牲層205が任意の従来技術を用いて第１のエッチストップ層203上に形成される。第１の犠牲層205は、下にある第１のエッチストップ層（単数または複数）に対して選択的にエッチングされる任意の適切な材料から形成されるが、好適にはポリシリコンからなる。
【００２３】
さて、図2cを参照すると、第２のエッチストップ層207が、第１の犠牲層205上に形成される。第２のエッチストップ層207は、第１のエッチストップ層203と同一の材料、または異なる材料から形成され得る。第２のエッチストップ層207は好適には、酸化シリコン、窒化シリコン、これらの組合せ、または使用されるエッチャントに対して十分な耐性を示す任意の他の適切な材料からなる。本発明の一実施形態において、第１の犠牲層205は、第２のエッチストップ層207を堆積する前にエッチングされ、次に形成されるリリース構造体を支持する盛り上がった支持機構215と215'を提供する。代案として、盛り上がった支持機構215と215'の形成に加えて、次のステップで形成されるリリース構造体の支持を行うために所定位置に支持ポスト216、216'、および216''を形成してもよい。好適には、支持ポスト216、216'、および216''は、以下に詳細に説明されるように、エッチストップ層203および／またはエッチストップ層207とキャッピング層211を形成するために使用された材料（単数または複数）と同一または異なる耐エッチング材料（単数または複数）から形成される。
【００２４】
支持機構215と215'および／または支持ポスト216、216'、216''を形成する代わりに、または支持機構215と215'および／または支持ポスト216、216'、216''の形成に加えて、図2dに示されるように、第２のエッチストップ層207は、下に犠牲層205がない領域251の部分に堆積され、第２のエッチストップ層207の係る部分は、第１のエッチストップ層203および／または基板201に対して直接的に堆積される、および／または取り付けられてもよい。第２のエッチストップ層207をパターン形成した後、犠牲層205をエッチングし、第１のエッチストップ層203に直接的に堆積された第２のエッチストップ層207の部分が、形成されるリリース構造体に構造的支持体を提供する。本発明の範囲内にあると考えられる、形成されるリリース構造体に物理的支持を提供する機構は、いくらでも存在する。
【００２５】
さて、図2eを参照すると、本発明の好適な実施形態によれば、反射層233は、第２のエッチストップ層207および／または支持機構215と215'および／または支持ポスト216、216'、216''の上に堆積される。反射層233は好適には、アルミニウムまたは他の適切な反射材料からなる。反射層233は好適には、犠牲層を除去する際に使用されるエッチャントに対して抵抗力があるが、フォトリソグラフィーおよびプラズマエッチングを含む他の適切な技術を用いてエッチングされることができ、この場合、次のステップで形成されるパターン形成されたリリース構造体は、光学用途に適した反射面を有する。好適には、１組のボンディングパッド226、227、228もウエハー構造体200上に形成され、これらは、リリース構造体（単数または複数）を含む、またはリリース構造体（単数または複数）からなる集積回路の外部の回路に対してリリース構造体（単数または複数）を電気的に結合する。当業者によって容易に理解されるように、代案として、リリース機構204と206が形成された後、反射層233がこれらの上に堆積されてもよい。
【００２６】
さて、図2fを参照すると、反射層233と第２のエッチストップ層207は、リリース構造体／機構204と206を形成するためにパターン形成される。反射層233と第２のエッチストップ層207は好適には、従来のフォトリソグラフィー技術および／または工程を用いてパターン形成される。例えば、フォトレジスト層を反射層233上に形成する。フォトレジストをパターン形成して現像し、パターン形成されたフォトレジストマスク（図示せず）を形成する。反射層233と第２のエッチストップ層207の一部は、従来技術を用いて除去され、パターン形成された機構204と206が残され、これらの機構204と206はフォトレジストマスクの下に反射層233を有する。以下に詳細に説明されるように、パターン形成されたフォトレジストマスクは、パターン形成された機構204と206から除去されることができ、パターン形成された機構204と206は、カプセル封入され得る。
【００２７】
代案として、第１の犠牲層205にリリース機構のポジ型（図示せず）をエッチングしてもよい。リリース機構のポジ型は、リリース構造の機構204と206の急速な異方性成長の核を提供する。リリース機構204と206は、図2fに櫛型構造として示される。しかしながら、以下に詳細に説明されるように、リリース機構は、櫛型構造、リボン構造、カンチレバー、または以下に限定されないが、ドメインセパレータ、支持構造体および／またはキャビティの壁を含む他のあらゆる構造とすることができることは明らかである。さらに、反射層233を設けることが好ましいが、マイクロ流体デバイスの場合など、パターン形成された機構204と206が光を反射するために使用されない場合には、反射層233を形成する追加のステップは不要である。直線270は、ウエハー構造体200のX軸を示し、直線271はウエハー構造体のY軸を示す。図2fのウエハー構造体のZ軸272は、示された図に対する法線である。
【００２８】
図2gは、反射層233を有するリリース機構204と206の上に第２の犠牲層209が堆積された後のウエハー構造体200の側断面図を示す。図2gにおいて、今度は、Y軸271が示された図に対する法線であり、Z軸272が示された図の平面内にある。リリース機構204と206は、犠牲層205と209との間に埋め込まれており、犠牲層205と209は好適には、リリース機構204と206の間にあるギャップ領域を介して接触状態にある。第２の犠牲層209は、リリース構造の装置を形成するために使用されるエッチストップ層（単数または複数）に対して選択的にエッチングされる任意の適切な材料から形成されるが、好適にはポリシリコンからなる。
【００２９】
さて、図2hを参照すると、第２の犠牲層209をリリース機構204と209の上に堆積した後、キャッピング層211が第２の犠牲層209の上に堆積される。キャッピング層211は好適には、ニ酸化シリコン、窒化シリコン、これらの任意の組合せ、または使用されるエッチャントに対して十分な耐性を示す任意の他の適切な材料（単体または複数）からなる。キャッピング層211は、第１のエッチストップ層203および／または第２のエッチストップ層207と同じ材料または異なる材料から形成され得る。さて、図3a〜図3fを用いて、図2hに示されたような、構造体200の部分250からカプセル封入されたリリース構造体を形成する好適な方法を示す。
【００３０】
さて、図3aを参照すると、上述したMEMS共振器構造体102のような、リリース構造体を有する装置は好適には、多層構造250から作成される。多層構造250は、前述したように、好適にはシリコンウエハー基板201の領域251上に形成された第１のエッチストップ層203を有する。第１のエッチストップ層203は、第１の犠牲層をエッチングするための条件下でエッチングに対して耐性を示す任意の材料（単数または複数）からなることができる。例えば、第１のエッチング犠牲層がポリシリコンからなり、第１の犠牲層のエッチャントがXeF2からなる場合、第１の犠牲層のエッチング条件は、ポリシリコンをXeF2でエッチングすることに関して後述される。第１のエッチストップ層203は好適には、層の厚さが50ｎｍ〜500ｎｍ（500〜5000オングストローム）の範囲である酸化シリコン層または窒化シリコン層からなる。
【００３１】
第１のエッチストップ層203の上には、形成された第１の犠牲層205がある。第１の犠牲層205は、下にある第１のエッチストップ層203（存在する場合）または基板201（第１のエッチストップ層がない場合）に対して選択的にエッチングされ得る任意の材料（単数または複数）からなることができる。しかしながら、第１のエッチストップ層203が酸化シリコンまたは窒化シリコンからなる場合、第１の犠牲層205は好適には、ポリシリコンからなる。代案として、第１の犠牲層205は、ホウ素、リン、あるいは第１の犠牲層205を基板201またはエッチストップ層203および／またはエッチストップ層206およびキャッピング層211上で選択的にエッチングされるようにする他の任意のドーパントでドーピングされたドープド酸化シリコン層からなることができ、詳細に後述される。第１の犠牲層205は好適には、0.1〜3.0μｍの範囲の層の厚みを有する。
【００３２】
第１の犠牲層205の上には、第２のエッチストップ層207が形成される。第２のエッチストップ層207は、リリース構造体に対応した機構206と204でパターン形成される。第１のエッチストップ層203は、第１の犠牲層をエッチングするための条件下でエッチングに対して耐性を示す任意の材料（単数または複数）からなることができる。例えば、第１の犠牲層205がポリシリコンからなり、第１の犠牲層のエッチャントがXeF2からなる場合、ポリシリコンをXeF2でエッチングすることに関して第１の犠牲層のエッチング条件は後述される。第２のエッチストップ層207は好適には、30ｎｍ〜500ｎｍ（300〜5000オングストローム）の範囲の層の厚みを有する酸化シリコン層または窒化シリコン層からなる。
【００３３】
第２のエッチストップ層207の上に、第２の犠牲層209が形成される。第２の犠牲層209は、下にある第２のエッチストップ層207および／または第１のエッチストップ層203（存在する場合）または基板（第１のエッチストップ層がない場合）に対して選択的にエッチングされ得る任意の材料（単数または複数）からなることができる。しかしながら、第１および第２のエッチストップ層203と207が酸化シリコンまたは窒化シリコンからなる場合、第２の犠牲層209は好適には、ポリシリコンからなる。代案として、第２の犠牲層209は、ホウ素、リン、あるいは犠牲層209を基板201またはエッチストップ層203と207の上で選択的にエッチングされるようにする任意の他のドーパントでドーピングされたドープド酸化シリコン層からなることができる。第２の犠牲層209は、0.1〜3.0μｍの範囲の層の厚みを有し、好適には犠牲層205と209は、パターン形成された領域208またはリリース構造体の機構206と204との間のギャップで互いに接触する。
【００３４】
キャッピング層またはシーラント層211は、第２の犠牲層209の上に堆積される。キャッピング層またはシーラント層211は好適には、従来のパッシベーション材料（例えば、酸化物、窒化物、および／または酸窒化シリコン、アルミニウムおよび／またはチタン）からなる。また、キャッピング層またはシーラント層211は、ホウ素および／またはリンなどの従来のドーパントでドーピングされたシリコンまたはアルミニウムベースのパッシベーション層からなることもできる。より好適には、キャッピング層またはシーラント層211は、1.0〜3.0μｍの範囲の層の厚みを有する酸化シリコン層からなる。当業者には明らかなように、上記の層は単層構造であるものとして好適に記載されているが、各層は、同様の結果を得るために既知の層からなるサンドイッチ状の構造から形成され得る。さらに、これらの層は次の層の上に形成されるものとして好適に教示されているが、様々な厚さの介在層を挿入できることは明らかである。
【００３５】
さて、図3bを参照すると、アクセストレンチ213と219が、キャッピング層211に形成され、これにより第２の犠牲層209の領域215と217が露出される。アクセストレンチ213と219は好適には、異方性エッチングされるが、アクセストレンチ213と219は、ウェットエッチング処理および／またはドライエッチング処理を含むあらゆる方法により形成され得る。例えば、キャッピング層にフォトレジストを設けて、露光と現像をしてアクセストレンチ213と219を異方性エッチングするためのパターンを提供する。代案として、エッチャントをアクセストレンチ213と219に対応したエッチストップ層211の部分に選択的に適用してもよい。例えば、適切なエッチャントの微小滴または細い流れが、マイクロシリンジ（micro-syringe）技術を用いてキャッピング層またはシーラント層211の表面に制御可能に適用されることができる。このマイクロシリンジ技術は、Dongsung Hongによる1999年6月29日に出願された米国特許出願第60/141,444号（代理人整理番号0325,00226）に説明されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００３６】
アクセストレンチ213と219をキャッピング層211に形成した後、第２の犠牲層がポリシリコンからなる場合、第２の犠牲層209の露出した領域215と217は、エチレングリコールとフッ化アンモニウムのプレエッチング溶液で処理され得る。エチレングリコールとフッ化アンモニウムを事前に混合した適切な溶液は、米国郵便番号95035、カリフォルニア州ミルピタスのACSI, Inc.により製造されるNOE Etch ITMという名前で市販されている。酸化物は、215および217のような露出したポリシリコン領域の表面に形成され得る。係る酸化物は、ポリシリコンのエッチングを妨害し、不完全なエッチングという結果になる可能性がある。プレエッチング溶液は、露出領域215と217の表面に酸化物が形成されるのを防止および／または抑制するか、あるいは酸化物が存在および／または形成されていた場合、犠牲層205と209の不完全なエッチングを防ぐために係る酸化物を除去すると考えられている。
【００３７】
さて、図3cを参照すると、アクセストレンチ213と219をキャッピング層211に形成した後、犠牲層205と209が、機構204と206をリリース（release：解放する、自由にする）するために選択的にエッチングされる。機構204と206は、異なる幾何学的形状をいくつでも有することができる。例えば、MEMS装置の製造において、リリース機構は櫛型構造またはリボン構造である。マイクロ流体デバイスの製造において、リリース機構はキャビティ221と223を相互接続する経路を提供する。電子水準器または電子加速度計の製造において、リリース機構はカンチレバーとすることができる。機構204と206をリリースした後、層211'のアクセストレンチ213と219が封止され、層203と211'の間にある機構204と206がカプセル封入される。
【００３８】
さて、図3dを参照すると、本発明のさらなる実施形態において、層211'にあるアクセストレンチ213と219を封止する前に、チタンたはチタンベースの合金のようなゲッタリング材料231が、アクセストレンチ213と219を通じて構造体のキャビティ221と223のうち少なくとも１つの内部に堆積され得る。代案として、ゲッタリング材料／ゲッタリング剤231は、反射層233を形成する時に堆積されてもよい。さらに別の実施形態において、ゲッタリング材料231は、犠牲層205と209のエッチング中にリリースされる犠牲層205と209内のドーパントである。
【００３９】
さて、図3eを参照すると、以下に詳細に説明されるように、キャビティ221と223の表面および／または機構204と206を処理して適切な環境を与えた後、アクセストレンチ213と219を封止することが好ましい。リリース機構204と206は、真空状態で封止されることが好ましいが、用途によっては所定の、または制御されたガスおよび／または液体内で封止されてもよい。アクセストレンチ213と219は、あらゆる方法によって、金属、ポリマー、および／または樹脂を含む多数の材料を用いて封止され得る。好適にはアクセストレンチ213と219は、アクセストレンチ213と219、およびキャッピング層211上に従来のスパッタ金属をスパッタリングすることにより封止され、より好適には、アクセストレンチ213と219およびキャッピング層上にアルミニウムをスパッタリングして層242を形成することにより封止される。
【００４０】
さて、図3fを参照すると、光学用途のために、栓構造体240と241がアクセストレンチ213と219に残るように、層242の一部は除去され得る。キャッピング層211は、光がリリース機構204と206上の層233まで透過できる光学窓を提供することができる。層242の一部は好適には、マイクロポリッシング技術により除去される。代案として、従来のフォトリソグラフィー技術を用いて層242の一部をエッチング除去してもよい。
【００４１】
本発明の一実施形態において、光がリリース機構204と206上の層233へ、および／または層233から透過できる光学アパーチャ（図示せず）をキャッピング層211が提供するように、層242の一部は選択的に除去される。
【００４２】
図4は、本発明の好適な方法による図3aに示された多層構造を形成するためのステップを概説するブロック図のフローチャート300である。図3aに示された多層構造は好適には、上述のように連続した堆積プロセスにより作成され、この場合、構造体の各層の均一性と厚さは、容易に制御される。
【００４３】
依然として図4を参照すると、ステップ301において、シリコン基板上の蒸気熱成長またはドライ熱成長により、あるいはシリコンウエハーまたは他の基板の選択された領域上の堆積により、二酸化シリコン層が形成される。好適にはニ酸化シリコン層は、25ｎｍ〜500ｎｍ（250〜5000オングストローム）の範囲の厚みまで、およびより好適には25ｎｍ〜75ｎｍ（250〜750オングストローム）の範囲まで熱成長される。制御された酸素雰囲気内に600〜800℃の範囲の温度でウエハー基板を置くことにより、熱酸化が生じる。ステップ303において、ポリシリコン層は好適には、0.1〜3.0μｍの範囲の厚みまで、およびより好適には0.5〜1.0μｍの範囲の厚みまで低圧化学蒸着法（LPCVD）により第１のエッチストップ層上に堆積される。アモルファスポリシリコンの低圧化学蒸着法は好適には、450〜550℃の範囲の温度で行われる。
【００４４】
第１のポリシリコン層がステップ303で堆積された後、ステップ305において、窒化シリコンの装置層が、第１のポリシリコン犠牲層上に形成される。好適には窒化シリコン層は、30ｎｍ〜500ｎｍ（300〜5000オングストローム）の範囲の厚みまで、およびより好適には75ｎｍ〜125ｎｍ（750〜1250オングストローム）の範囲の厚みまでLPCVDにより形成される。窒化シリコンの装置層は、アンモニアが存在する状態でジクロルシランの熱分解により形成され得る。
【００４５】
本発明の代替の実施形態によれば、窒化シリコン層は、ステップ303でフォトレジスト層を堆積し、露光して現像した（それによりエッチングマスクを形成した）後に、またはステップ303で形成された第１のポリシリコン層にパターンを選択的にエッチングして、ポリシリコン層のエッチングされた領域において窒化シリコンの急速な成長を生じさせることにより、構造体の機構をパターン形成される。好適には窒化シリコン層は、連続的な層として堆積され、従来のフォトレジストマスクを用いて選択的にエッチングされ、リリース構造体のリリース機構が形成される。
【００４６】
パターン形成された窒化シリコン層をステップ305で形成した後、ステップ307で第２の犠牲層が、パターン形成された窒化シリコン層上に形成され、第１および第２の犠牲層の間にパターン形成された層が挟まれる。また、第２の犠牲層は好適には、ポリシリコン層であり、0.1〜3.0μｍの範囲の厚みまで、およびより好適には0.5〜1.0μｍの範囲の厚みまでLPVCDにより堆積される。第２の犠牲層は好適には、前述のように、有機シリコン反応物の熱分解により形成される。好適には第１および第２のポリシリコン層が接触点を有し、それにより第１および第２のポリシリコン犠牲層の両方の一部をエッチング除去するためにエッチャントが第１および第２の犠牲層の間の接触点を通過することができる。好適にはステップ311において、ステップ305で第２のポリシリコン層を形成する前に、パターン形成された窒化シリコン層の堆積表面が、NMP（加熱され得る）などの溶剤で処理され、その表面が清浄化される。本発明の方法によれば、多層構造の形成中にいつでも表面を処理して、不十分な品質の膜につながる可能性がある残留物を除去することができる。
【００４７】
第２のポリシリコン層をステップ307で形成した後、ステップ309において、キャッピング層が第２のポリシリコン層上に形成される。キャッピング層は好適には、1.0〜3.0μｍの範囲の厚みまで、およびより好適には1.5〜2.0μｍの範囲の厚みまでプラズマ促進化学蒸着法（PECVD）により堆積された酸化シリコンのキャッピング層である。PECVDプロセスにおいて、テトラエチルオルソシリケート（TEOS）などの有機シリコン化合物が、分子酸素などの酸素源のある状態で分解され、酸化シリコンのキャッピング層が形成される。ステップ310において、ステップ309の前に、第２のポリシリコン層が平坦化および／または清浄化され、キャッピング層を堆積または形成するのに適した堆積表面が準備され得る。
【００４８】
図5は、図3aに示された多層構造から装置を形成する好適な方法を概説するブロック図のフローチャート400である。ステップ401において、アクセストレンチがキャッピング層に形成される。アクセストレンチは、0.4〜1.5μｍの範囲の直径、およびより好適には0.6〜0.8μｍの範囲の直径を有するように形成される。アクセストレンチは好適には、反応性イオンエッチングのプロセスを用いて酸化シリコンのキャッピング層に形成される。反応性イオンエッチングのプロセスは、既知の、または実験的に求められた条件下で、後続のステップで封止され得る傾斜した、または直立した壁を備えるトレンチをエッチングすることができる。アクセストレンチは好適には、キャッピング層を介してその下にある犠牲材料の露出した領域に形成される。好適にはステップ403の前のステップ402において、犠牲層の露出した領域は、エチレングリコールとフッ化アンモニウムのプレエッチング洗浄剤で処理され、その洗浄剤は、エチレングリコールに約10重量％のフッ化アンモニウムの溶液を溶解させたものからなる。ステップ402で犠牲層の露出した領域をプレエッチング溶液で処理した後、ステップ403において、ポリシリコン層がフッ化希ガスNgF2X（この場合、Ng = Xe、Kr、またはArであり、x =１、２、または3）からなるエッチャントで選択的にエッチングされる。より好適にはエッチャントは、２フッ化キセノンからなる。２フッ化キセノンのエッチャントを使用することに関するさらなる利点は、Pisterによる米国特許第5,726,480号に説明されており、その特許文献の内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００４９】
エッチングステップ403が完了した後、ステップ404において、ゲッタリング材料が、エッチングステップ403の間に形成された装置のキャビティへと１つまたは複数のアクセストレンチを介して堆積され得る。ステップ405において、アクセストレンチは、キャッピング層にアクセストレンチを封止するのに十分なアルミニウムをスパッタリングすることにより封止される。余分なアルミニウムは、化学研磨、機械研磨、またはフォトリソグラフィーなどの良く知られている方法によりキャッピング層から除去され得る。
【００５０】
図6は、図5に示されたステップ403でポリシリコンの犠牲層をエッチングする好適な方法を概説するブロック図である。上述のように、ステップ401でアクセストレンチを形成し、ステップ402でポリシリコン層の露出した領域を処理した後、ステップ501において、この構造体は、約0.133パスカル（10−５トル）の真空状態に置かれる。ステップ503において、2フッ化キセノン結晶は好適には、1.33〜1330キロパスカル（0.1〜100トル）の範囲の圧力で、より好適には6.65〜266キロパスカル（0.5〜20トル）の範囲の圧力で、および最も好適には約53.2キロパスカル（4.0トル）の圧力で昇華する。ステップ505において、制御された流れの２フッ化キセノンが、チャンバへ供給される。チャンバは好適には、２フッ化キセノンのチャンバに対する正の流れを保証するように、2フッ化キセノン結晶の昇華圧力より低い圧力で維持される。チャンバ内の圧力は好適には、1.33パスカル〜13.3キロパスカル（0.1ミリトル〜1.0トル）の範囲に、より好適には13.3パスカル〜1.33キロパスカル（1.0ミリトル〜100ミリトル）の範囲に、および最も好適には約0.665キロパスカル（50ミリトル（0.05トル））に維持される。
【００５１】
図7は、図5に示されたブロックフロー図500で説明されたエッチングステップを行うための装置600の概略図を示す。装置600は好適には、チャンバの雰囲気605'において真空引きができる真空源607と結合される。装置600は好適には、ユーザーがチャンバ610内の圧力をモニタできる圧力計測装置609を含む。エッチング源（例えば、２フッ化キセノンの結晶）を収容する容器608が、圧力コントローラまたは流量コントローラ613を介してチャンバ610に結合される。容器608は、容器608に結合された圧力計測装置611を有することができ、これによりユーザーは容器608内の圧力をモニタすることが可能になる。
【００５２】
稼動中に、前述したものと同様の多層構造620が、チャンバ610内に配置される。真空制御バルブを開き、真空源607がチャンバの雰囲気605'の圧力を好適には0.133パスカル（10−５トル）またはそれに近い数値まで低減し、真空状態を生み出す。既知の条件下で、室温の２フッ化キセノン結晶は、圧力計測装置611により測定されるように、約53.2キロパスカル（4.0トル）のXeF2の蒸気圧を生じる。圧力コントローラ613を調整して、チャンバの雰囲気605'の圧力を約66.5パスカル（50× 10−３トル）に変更する。構造体620は、構造体620のキャビティ621内にあるリリース構造体623を形成するのに十分な時間にわたってエッチングされる。このエッチングのプロセスは、選択されたエッチング圧力、構造体620の物理的な細部、およびチャンバ装置600の流量の動作態様に応じて、約20〜30分の期間にわたって行われる。
【００５３】
エッチングのステップが完了した後、適切な封止環境が与えられ得る。したがって、一実施形態において、分圧制御バルブ613を閉め、真空源607からの真空引きを用いて低圧の真空状態が再設定される。エッチングされた構造体620のトレンチは、スパッタリング装置630を使用してアルミニウムのスパッタビーム650により封止され得る。
【００５４】
代案として、低圧の真空状態を再設定した後、チャンバは希ガスで戻し充填されてもよい。したがって、希ガス源615は、制御バルブ612を介して制御チャンバ610に結合され得る。チャンバの雰囲気605'は、装置620のトレンチを封止する前に、ガスバルブ612を開くことにより希ガスで満たされる。装置620のトレンチは、ポリマーまたはセラミック材料で封止され、それにより装置620のキャビティ621内にあるチャンバの雰囲気605'の一部を捕捉する。
【００５５】
上記の例は、本発明の好適な実施形態を例示するために詳細に説明された。当業者には明らかなように、本発明に対する多くの変形態様が存在し、係る変形態様は本発明の範囲内にある。例えば、多層のリリース構造を有する装置は、本発明の教示を拡張して、2つ以上のパターン形成された層を有する多層構造を用いて形成され得る。さらに、結合された、および結合されていないリリース構造体を有する装置、ならびにマルチキャビティ構造を有する装置は、本発明の方法を用いていくつでも製造することができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】MEMS発振器の略図である。
【図２ａ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の上面図である。
【図２ｂ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の上面図である。
【図２ｃ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の上面図である。
【図２ｄ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の上面図である。
【図２ｅ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の上面図である。
【図２ｆ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の上面図である。
【図２ｇ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の断面図である。
【図２ｈ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の断面図である。
【図３ａ】本発明の好適な方法による、多層構造から形成されたリリース機構の断面図である。
【図３ｂ】本発明の好適な方法による、多層構造から形成されたリリース機構の断面図である。
【図３ｃ】本発明の好適な方法による、多層構造から形成されたリリース機構の断面図である。
【図３ｄ】本発明の好適な方法による、多層構造から形成されたリリース機構の断面図である。
【図３ｅ】本発明の好適な方法による、多層構造から形成されたリリース機構の断面図である。
【図３ｆ】本発明の好適な方法による、多層構造から形成されたリリース機構の断面図である。
【図４】図3aに示した多層構造を形成するためのステップを概説するブロック図である。
【図５】図2aに示した多層構造からリリース構造体を形成する方法を概説するブロック図である。
【図６】図2bに示した多層構造の犠牲層をエッチングするためのステップを概説するブロック図である。
【図７】本発明の方法にしたがって形成された多層構造をエッチングするように構成されたチャンバ装置の略図である。
【０００１】
本発明はウエハー処理に関する。より具体的には、本発明は微小電子機械システムのカプセル封入の方法に関する。
【０００２】
発明の背景
微小電子機械システム（MEMS）と集積回路（IC）を組み合わせることにより、マイクロセンサ、トランスデューサ、およびアクチュエータをいくつでも作る可能性が与えられる。残念なことに、MEMSを作成するための一般的な方法は、ICを製作するために使用される方法とは互換性がない。そのため、MEMSとICは、通常別々に製造され、その後また別々の工程で手間をかけて組み合わせられる。
【０００３】
MEMSとICの処理の非互換性に加えて、MEMSは一般に、カプセル封入を必要とし、このカプセル封入により、MEMSの活動部分が制御された保管環境内に封止される。MEMSの活動部分をカプセル封入する方法の１つは、MEMSに適合した導電性のリード線で構成された固有のカスタマイズされたパッケージング構造を提供することである。代案として、MEMSは、パッケージング構造の底部として機能するウエハー基板上に形成され得る。MEMSが基板上に形成された後、適合する蓋の構造体が、適切な保管環境内のMEMS活動部分の上に接着またははんだ付けされる。例えば、Shookは、1998年7月29日に出願され、「METHOD OF AND APPARATUS FOR SEALING A HERMETIC LID TO A SEMICONDUCTOR DIE」と題する米国特許出願第09/124,710と米国特許出願第08/744,372号において、半導体基板上のMEMSを気密封止して不動態化するための方法と装置について説明しており、こらら2点の特許文献の内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００４】
標準的なICウエハー処理と互換性のあるプロセスを用いて、ウエハー基板上にMEMSと他の構造体を作成し、それによりMEMSとICを同一のウエハーチップ上に製作できるための方法が必要とされている。さらに、MEMSを製作するための方法が必要とされており、この場合、MEMSの活動部分は、種々の適切な保管環境内に容易にカプセル封入される。
【０００５】
発明の概要
本発明は、カプセル封入されたリリース構造体を作成する方法を提供する。好適にはリリース構造体は、複数のリボンまたはビームを有し、さらに櫛型構造を有するMEMS装置である。本発明の一実施形態において、この装置は、周期的な波形の生成（例えば、クロックの生成）に使用され得る共振器を含む。他の実施形態において、この装置は、光学的な情報を生成および／または伝送するためのグレーティングライトバルブを含む。さらに他の実施形態において、この装置は、情報の無線伝送用の無線周波数（ＲＦ）発生器を含む。
【０００６】
リリース（release：解放）構造体は、多層構造の層間に形成される。多層構造は、同一でも互いに異なっていてもよい第１および第２のエッチストップ層と、この第１のエッチストップ層と第２のエッチストップ層の間に第１の犠牲層を含むことが好ましい。リリース機構は、第２のエッチストップ層の中へパターン形成される。好適には多層構造は、シリコンウエハー基板上に形成される。シリコンウエハー基板は、シリコンウエハー基板上に形成された集積回路（IC）とMEMS装置を結合するように構成される。
【０００７】
好適には多層構造は、シリコンウエハー基板の選択された領域の上に、またはその上方に堆積された第１のエッチストップ層とともに形成される。第１のエッチストップ層は、二酸化シリコン層、窒化シリコン層、またはそれらの組合せであることが好ましい。第１のエッチストップ層の表面上またはその上方に、第１の犠牲層が形成される。第１の犠牲層は、ポリシリコン材料からなることが好ましいが、他の材料も使用され得る。第２のエッチストップ層は、リリース構造体のリリース機構に対応するパターンでもって第１の犠牲層の上にまたはその上方に形成される。
【０００８】
第２のエッチストップ層には、任意の適切なパターンニング技術を用いてリリース構造の機構がパターン形成される。したがって、第２のエッチストップ層の一部を除去する前に、第２のエッチストップ層の上にまたはその上方に、パターン形成されたフォトレジストが形成され、パターン形成されたフォトレジストの下にある第２のエッチストップ層の部分間と内部にギャップを有する、パターン形成された第２のエッチストップ層を形成する。代案として、第１の犠牲層は、リリース構造の機構のポジ型を異方性エッチングされてもよい。リリース構造機構のポジ型は、第２のエッチストップ層の堆積中に第１の犠牲層のパターン形成された部分にリリース構造機構の急速な異方性成長のための核を提供する。ともかく、第２のエッチストップ層を形成するために使用される方法において、第１および第２の犠牲層の間にリリース構造機構を有する第２のエッチストップ層を挟むように、第２のエッチストップ層の上に第２の犠牲層が形成される。第２の犠牲層は、ポリシリコンからなることが好ましい。第２の犠牲層の表面上に、シーラント層またはキャッピング層が形成される。キャッピング層は、１つまたは複数の従来のパッシベーション層からなることが好ましいが、酸化シリコン層、窒化シリコン層、またはそれらの組合せからなることがさらに好ましい。
【０００９】
エッチストップ層は、何通りもの方法で形成され得る。エッチストップ層は、犠牲層（単数または複数）を形成する材料に対する所定のエッチング条件下でエッチングに対して耐性を示す任意の材料から形成され得る。本発明において、エッチストップ層の材料に対する犠牲材料（単数または複数）のエッチング速度（単位時間あたりにエッチングされる材料の質量または厚さ）が、10:1より大きいことが好ましく、50:1より大きければさらに好ましく、100:1より大きければ最も好ましい。本発明の開発において、約2500:1という実験結果が得られた。任意の特定のエッチストップ層は、１つまたは複数の層からなることができ、エッチストップ層が犠牲層のエッチャントに対して十分な耐性を示す限り、どのエッチストップ層が犠牲層のエッチャントにさらされてもよい。
【００１０】
本発明の一実施形態において、多層構造の１つまたは複数のエッチストップ層は、酸化シリコンからなる。酸化シリコンは、二酸化シリコンが好ましい。本明細書において酸化シリコンに言及する場合、二酸化シリコンが最も好適な実施形態であるが、従来のドーピングされた、および／または非化学量論的な二酸化シリコンも企図される。酸化シリコン層は、酸素源が存在する状態でシリコン表面を加熱することによって二酸化シリコン層を形成する熱成長により、形成され得る。代案として、酸素が存在する状態で有機シリコン蒸気源を分解する化学蒸着法により、酸化シリコン層は形成され得る。同様に、窒化シリコン層も熱成長または化学蒸着法により形成され得る。ポリシリコンの犠牲層は、化学蒸着、スパッタリング、またはプラズマ促進化学蒸着法（PECVD）などの標準的なIC処理の方法により形成されることが好ましい。次の層を形成する前であれば、堆積面をいつでも清浄または処理することができる。例えば、リリース構造のパターン形成の工程後、堆積面をN-メチル-2-ピロリドン（NMP）などの溶剤で処理または清浄し、残りのフォトレジストのポリマーを除去することができる。さらに、次の層を形成する前であれば、堆積面をいつでも機械的に平坦化することができる。
【００１１】
第１および第２の犠牲層の間に挟まれたリリース構造（例えば、第２のエッチストップからパターン形成される）で多層構造を形成した後、キャッピング層またはシーラント層にアクセス穴またはトレンチを形成し、その下側にある第２の犠牲層の領域が露出される。アクセストレンチは、本明細書において一般にキャッピング層またはシーラント層に形成されるキャビティを指し、そのキャビティによりエッチャントが下側にある犠牲層の材料をエッチングすることが可能になる。簡略化のために、キャッピング層またはシーラント層の細長いキャビテーションと対称的なキャビテーションの両方（例えば、裂け目、長方形、正方形、楕円形など）を包含するように、本明細書においてアクセストレンチという用語を使用する。
【００１２】
本発明によれば、アクセストレンチは、どのような形状や幾何学的配置でもよいが、急峻な壁の断面を有するように、異方性エッチングされることが好ましい。アクセストレンチは、ウェットエッチング処理および反応性イオンエッチング処理を含むエッチング技術により形成されることが好ましいが、他の従来技術を使用することができる。第２の犠牲層の露出した領域は、リリース構造体がキャッピング層またはシーラント層の下に懸架されるように、第１および第２の犠牲層の部分の大部分を選択的にエッチングする適切なエッチャントで処理される。
【００１３】
好適なエッチャントは、ニフッ化キセノンなどのフッ化希ガスからなる。好適には第２の犠牲層の露出した領域は、第１および第２の犠牲層を選択的にエッチングする前に、エチレングリコールとフッ化アンモニウムのプレエッチング溶液で処理され得る。プレエッチング溶液は、酸化物の形成を防止し、第２の犠牲層の露出された領域を清浄化し、ポリマーを除去し、および／またはエッチングが酸化物の形成により抑制されないことを保証することに役立つことができる。エッチング工程は、ガスをエッチャントとするチャンバ内で実行されることが好ましい。しかしながら、適切な液体のエッチャントは、本発明の範囲内にあると考えられ、それによってフッ化希ガスは液体であるか、または適切な溶媒に溶解される。
【００１４】
本発明の好適な方法において、多層構造は、約0.133パスカル（10−５トル）の圧力を有する真空状態に置かれる。ニフッ化キセノン結晶の入った容器が、圧力コントローラ（例えば、制御可能バルブ）を介してチャンバに結合される。結晶は、容器内で室温であり、約53.2キロパスカル（4.0トル）のニフッ化キセノンの圧力状態であることが好ましい。圧力コントローラは、チャンバ内の圧力が約665パスカル（50ミリトル）まで上昇するように調整される。この圧力または代わりの十分な圧力を与えて、制御可能なエッチング速度、チャンバへのニフッ化キセノンの確実な流入、およびエッチング処理の優れた均一性を確実にする。
【００１５】
エッチング工程の後、アクセストレンチは、第１のエッチストップ層とキャッピング層またはシーラント層との間に懸架されたリリース構造体をカプセル封入するためにおそらく封止される。封止工程は、マルチステーションウエハー処理システム内の別個の処理ステーションで実行されるか、または代案としてチャンバ装置内で実行される。アクセストレンチは、スパッタリング、化学蒸着（CVD）、プラズマ促進化学蒸着（PECVD）、スピンオングラスの方法を含むあらゆる方法により封止され得る。アクセストレンチは、金属、ポリマー、およびセラミックを含むあらゆる材料で封止され得る。好適にはアクセストレンチは、アクセストレンチとキャッピング層の上にアルミニウム層をスパッタリングすることにより封止される。光学用途の場合、適切な機械的または化学的な方法を用いてキャッピング層またはシーラント層から余分なアルミニウムが除去され得る。
【００１６】
本発明の代替の実施形態によれば、パターン形成された第２のエッチストップ層上に第２の犠牲層を堆積する前に、第２のエッチストップ層上に反射性材料を堆積させてもよい。反射性材料は、アルミニウムからなることが好ましい。したがって、犠牲層をエッチング除去した後、リリース機構は、光学用途に適した反射性の上面を有することが好ましい。
【００１７】
本発明のさらに他の実施形態において、キャッピング層またはシーラント層のアクセストレンチを封止する前に、キャッピング層またはシーラント層によってキャッピングされたキャビティの中に、チタンまたはチタンベースの合金などのゲッタリング材料が堆積され得る。ゲッタリング材料は、時間が経つにつれて装置の性能劣化につながる可能性がある湿気および／または酸素の残留物を削減するのに役立つように設けられる。リリース構造体は、以下に詳細に説明されるように、真空状態で封止されるか、または代案として適切な希ガス雰囲気の下で封止されることが好ましい。
【００１８】
本発明は、ICチップ上の封止されたMEMS装置、その中間要素、および好適には標準的なIC処理と互換性のある技術を用いて該MEMS装置を形成する方法も提供する。例えば、本発明の方法は、摂氏600℃未満の温度、およびより好適には摂氏550℃未満の温度で好適には行われる処理工程を提供する。さらに、本発明は、様々な雰囲気で気密封止された活性構造でMEMSを製作するための方法を提供する。本発明は、MEMSを作成することに限定されず、マイクロ流体の用途または内在化されたマルチキャビティのシリコンベース構造が好まれる任意の他の用途を有する、単純または複雑なあらゆるマルチキャビティ構造を作成するために使用され得る。また、この後の考察において明らかになるように、本発明の方法は、単一のエッチング処理内で別々の、または結合されたあらゆるリリース構造体を形成するために使用されることができ、およびより大きな装置が本発明の方法を用いて形成され得る。
【００１９】
発明の詳細な説明
一般に、本発明は、カプセル封入されたリリース構造体を有する装置を作成するための方法を提供する。本発明は、MEMS発振器、光学ディスプレイ装置、光伝送装置、ＲＦ装置、および関連装置を製作するために特に有用である。MEMS発振器は、単純または複雑な構造をいくつでも有することができるが、それらのすべては、結合した回路へタイミング信号を提供するために構造の基本発振周波数を用いた基本原理で動作する。図１を参照すると、共振器構造102は、一対の可動櫛型機構101と101'を有し、これらは対応するトランスデューサの一対の櫛105と105'との間で振動する。共振器構造102は、振り子のように基本の共振周波数を有する。櫛型機構101と101'は、固定機構103と103'によって接地板109に固定される。動作中、共振器102と接地板109との間にDCバイアスが印加される。櫛型トランスデューサ105と105'にAC励起周波数を加えることにより、可動櫛型機構101と101'が振動し、モーショナル出力電流を生じる。モーショナル出力電流は、電流電圧変換増幅器107により増幅され、共振器構造102へ戻される。この正のフィードバックループにより、発振器100が不安定化され、共振器構造102の持続振動につながる。第2のモーショナル出力電流は、発振器100により生成されるタイミング信号を受信するための回路に結合されている接続部108に生成される。
【００２０】
ここで、ウエハーの平面図を示す図2aを参照すると、ウエハー構造体200は好適には、シリコン基板201と第１のエッチストップ層203からなる。第１のエッチストップ層203は、特にシリコン基板201を完全にエッチング除去することなく犠牲層をエッチングできるほどシリコン基板201が十分に厚い場合には、本発明の方法を行う必要はないかもしれない。また、基板201自体は、第１のエッチストップ層203を形成する必要がないように、使用されるエッチャントに対して基板201に十分な耐性を与える材料から形成され得る、または係る材料でドーピングされ得る。しかしながら、代替の実施形態において、シリコン基板に対して選択的にエッチングされ得る材料を、犠牲層として選択または使用することができる。第１のエッチストップ層203は好適には、酸化シリコン、窒化シリコン、それらの組合せ、または第１の犠牲層をエッチングするために使用されるエッチャントに対して十分な耐性を示す任意の他の適切な材料からなる。
【００２１】
依然として、図2aを参照すると、ウエハー構造体200の領域251を使用してリリース構造体を形成する。ウエハー構造体200の他の部分は、領域251で形成されたリリース構造体に電気的に結合され得る、および係るリリース構造体の動作を制御できる集積回路を形成するために確保され得る。さらに、同じウエハー構造体200上には、いくつでもリリース構造体とリリース構造体領域251を形成することができる。
【００２２】
ここで、図2bを参照すると、領域251において、第１の犠牲層205が任意の従来技術を用いて第１のエッチストップ層203上に形成される。第１の犠牲層205は、下にある第１のエッチストップ層（単数または複数）に対して選択的にエッチングされる任意の適切な材料から形成されるが、好適にはポリシリコンからなる。
【００２３】
さて、図2cを参照すると、第２のエッチストップ層207が、第１の犠牲層205上に形成される。第２のエッチストップ層207は、第１のエッチストップ層203と同一の材料、または異なる材料から形成され得る。第２のエッチストップ層207は好適には、酸化シリコン、窒化シリコン、これらの組合せ、または使用されるエッチャントに対して十分な耐性を示す任意の他の適切な材料からなる。本発明の一実施形態において、第１の犠牲層205は、第２のエッチストップ層207を堆積する前にエッチングされ、次に形成されるリリース構造体を支持する盛り上がった支持機構215と215'を提供する。代案として、盛り上がった支持機構215と215'の形成に加えて、次のステップで形成されるリリース構造体の支持を行うために所定位置に支持ポスト216、216'、および216''を形成してもよい。好適には、支持ポスト216、216'、および216''は、以下に詳細に説明されるように、エッチストップ層203および／またはエッチストップ層207とキャッピング層211を形成するために使用された材料（単数または複数）と同一または異なる耐エッチング材料（単数または複数）から形成される。
【００２４】
支持機構215と215'および／または支持ポスト216、216'、216''を形成する代わりに、または支持機構215と215'および／または支持ポスト216、216'、216''の形成に加えて、図2dに示されるように、第２のエッチストップ層207は、下に犠牲層205がない領域251の部分に堆積され、第２のエッチストップ層207の係る部分は、第１のエッチストップ層203および／または基板201に対して直接的に堆積される、および／または取り付けられてもよい。第２のエッチストップ層207をパターン形成した後、犠牲層205をエッチングし、第１のエッチストップ層203に直接的に堆積された第２のエッチストップ層207の部分が、形成されるリリース構造体に構造的支持体を提供する。本発明の範囲内にあると考えられる、形成されるリリース構造体に物理的支持を提供する機構は、いくらでも存在する。
【００２５】
さて、図2eを参照すると、本発明の好適な実施形態によれば、反射層233は、第２のエッチストップ層207および／または支持機構215と215'および／または支持ポスト216、216'、216''の上に堆積される。反射層233は好適には、アルミニウムまたは他の適切な反射材料からなる。反射層233は好適には、犠牲層を除去する際に使用されるエッチャントに対して抵抗力があるが、フォトリソグラフィーおよびプラズマエッチングを含む他の適切な技術を用いてエッチングされることができ、この場合、次のステップで形成されるパターン形成されたリリース構造体は、光学用途に適した反射面を有する。好適には、１組のボンディングパッド226、227、228もウエハー構造体200上に形成され、これらは、リリース構造体（単数または複数）を含む、またはリリース構造体（単数または複数）からなる集積回路の外部の回路に対してリリース構造体（単数または複数）を電気的に結合する。当業者によって容易に理解されるように、代案として、リリース機構204と206が形成された後、反射層233がこれらの上に堆積されてもよい。
【００２６】
さて、図2fを参照すると、反射層233と第２のエッチストップ層207は、リリース構造体／機構204と206を形成するためにパターン形成される。反射層233と第２のエッチストップ層207は好適には、従来のフォトリソグラフィー技術および／または工程を用いてパターン形成される。例えば、フォトレジスト層を反射層233上に形成する。フォトレジストをパターン形成して現像し、パターン形成されたフォトレジストマスク（図示せず）を形成する。反射層233と第２のエッチストップ層207の一部は、従来技術を用いて除去され、パターン形成された機構204と206が残され、これらの機構204と206はフォトレジストマスクの下に反射層233を有する。以下に詳細に説明されるように、パターン形成されたフォトレジストマスクは、パターン形成された機構204と206から除去されることができ、パターン形成された機構204と206は、カプセル封入され得る。
【００２７】
代案として、第１の犠牲層205にリリース機構のポジ型（図示せず）をエッチングしてもよい。リリース機構のポジ型は、リリース構造の機構204と206の急速な異方性成長の核を提供する。リリース機構204と206は、図2fに櫛型構造として示される。しかしながら、以下に詳細に説明されるように、リリース機構は、櫛型構造、リボン構造、カンチレバー、または以下に限定されないが、ドメインセパレータ、支持構造体および／またはキャビティの壁を含む他のあらゆる構造とすることができることは明らかである。さらに、反射層233を設けることが好ましいが、マイクロ流体デバイスの場合など、パターン形成された機構204と206が光を反射するために使用されない場合には、反射層233を形成する追加のステップは不要である。直線270は、ウエハー構造体200のX軸を示し、直線271はウエハー構造体のY軸を示す。図2fのウエハー構造体のZ軸272は、示された図に対する法線である。
【００２８】
図2gは、反射層233を有するリリース機構204と206の上に第２の犠牲層209が堆積された後のウエハー構造体200の側断面図を示す。図2gにおいて、今度は、Y軸271が示された図に対する法線であり、Z軸272が示された図の平面内にある。リリース機構204と206は、犠牲層205と209との間に埋め込まれており、犠牲層205と209は好適には、リリース機構204と206の間にあるギャップ領域を介して接触状態にある。第２の犠牲層209は、リリース構造の装置を形成するために使用されるエッチストップ層（単数または複数）に対して選択的にエッチングされる任意の適切な材料から形成されるが、好適にはポリシリコンからなる。
【００２９】
さて、図2hを参照すると、第２の犠牲層209をリリース機構204と209の上に堆積した後、キャッピング層211が第２の犠牲層209の上に堆積される。キャッピング層211は好適には、ニ酸化シリコン、窒化シリコン、これらの任意の組合せ、または使用されるエッチャントに対して十分な耐性を示す任意の他の適切な材料（単体または複数）からなる。キャッピング層211は、第１のエッチストップ層203および／または第２のエッチストップ層207と同じ材料または異なる材料から形成され得る。さて、図3a〜図3fを用いて、図2hに示されたような、構造体200の部分250からカプセル封入されたリリース構造体を形成する好適な方法を示す。
【００３０】
さて、図3aを参照すると、上述したMEMS共振器構造体102のような、リリース構造体を有する装置は好適には、多層構造250から作成される。多層構造250は、前述したように、好適にはシリコンウエハー基板201の領域251上に形成された第１のエッチストップ層203を有する。第１のエッチストップ層203は、第１の犠牲層をエッチングするための条件下でエッチングに対して耐性を示す任意の材料（単数または複数）からなることができる。例えば、第１のエッチング犠牲層がポリシリコンからなり、第１の犠牲層のエッチャントがXeF2からなる場合、第１の犠牲層のエッチング条件は、ポリシリコンをXeF2でエッチングすることに関して後述される。第１のエッチストップ層203は好適には、層の厚さが50ｎｍ〜500ｎｍ（500〜5000オングストローム）の範囲である酸化シリコン層または窒化シリコン層からなる。
【００３１】
第１のエッチストップ層203の上には、形成された第１の犠牲層205がある。第１の犠牲層205は、下にある第１のエッチストップ層203（存在する場合）または基板201（第１のエッチストップ層がない場合）に対して選択的にエッチングされ得る任意の材料（単数または複数）からなることができる。しかしながら、第１のエッチストップ層203が酸化シリコンまたは窒化シリコンからなる場合、第１の犠牲層205は好適には、ポリシリコンからなる。代案として、第１の犠牲層205は、ホウ素、リン、あるいは第１の犠牲層205を基板201またはエッチストップ層203および／またはエッチストップ層206およびキャッピング層211上で選択的にエッチングされるようにする他の任意のドーパントでドーピングされたドープド酸化シリコン層からなることができ、詳細に後述される。第１の犠牲層205は好適には、0.1〜3.0μｍの範囲の層の厚みを有する。
【００３２】
第１の犠牲層205の上には、第２のエッチストップ層207が形成される。第２のエッチストップ層207は、リリース構造体に対応した機構206と204でパターン形成される。第１のエッチストップ層203は、第１の犠牲層をエッチングするための条件下でエッチングに対して耐性を示す任意の材料（単数または複数）からなることができる。例えば、第１の犠牲層205がポリシリコンからなり、第１の犠牲層のエッチャントがXeF2からなる場合、ポリシリコンをXeF2でエッチングすることに関して第１の犠牲層のエッチング条件は後述される。第２のエッチストップ層207は好適には、30ｎｍ〜500ｎｍ（300〜5000オングストローム）の範囲の層の厚みを有する酸化シリコン層または窒化シリコン層からなる。
【００３３】
第２のエッチストップ層207の上に、第２の犠牲層209が形成される。第２の犠牲層209は、下にある第２のエッチストップ層207および／または第１のエッチストップ層203（存在する場合）または基板（第１のエッチストップ層がない場合）に対して選択的にエッチングされ得る任意の材料（単数または複数）からなることができる。しかしながら、第１および第２のエッチストップ層203と207が酸化シリコンまたは窒化シリコンからなる場合、第２の犠牲層209は好適には、ポリシリコンからなる。代案として、第２の犠牲層209は、ホウ素、リン、あるいは犠牲層209を基板201またはエッチストップ層203と207の上で選択的にエッチングされるようにする任意の他のドーパントでドーピングされたドープド酸化シリコン層からなることができる。第２の犠牲層209は、0.1〜3.0μｍの範囲の層の厚みを有し、好適には犠牲層205と209は、パターン形成された領域208またはリリース構造体の機構206と204との間のギャップで互いに接触する。
【００３４】
キャッピング層またはシーラント層211は、第２の犠牲層209の上に堆積される。キャッピング層またはシーラント層211は好適には、従来のパッシベーション材料（例えば、酸化物、窒化物、および／または酸窒化シリコン、アルミニウムおよび／またはチタン）からなる。また、キャッピング層またはシーラント層211は、ホウ素および／またはリンなどの従来のドーパントでドーピングされたシリコンまたはアルミニウムベースのパッシベーション層からなることもできる。より好適には、キャッピング層またはシーラント層211は、1.0〜3.0μｍの範囲の層の厚みを有する酸化シリコン層からなる。当業者には明らかなように、上記の層は単層構造であるものとして好適に記載されているが、各層は、同様の結果を得るために既知の層からなるサンドイッチ状の構造から形成され得る。さらに、これらの層は次の層の上に形成されるものとして好適に教示されているが、様々な厚さの介在層を挿入できることは明らかである。
【００３５】
さて、図3bを参照すると、アクセストレンチ213と219が、キャッピング層211に形成され、これにより第２の犠牲層209の領域215と217が露出される。アクセストレンチ213と219は好適には、異方性エッチングされるが、アクセストレンチ213と219は、ウェットエッチング処理および／またはドライエッチング処理を含むあらゆる方法により形成され得る。例えば、キャッピング層にフォトレジストを設けて、露光と現像をしてアクセストレンチ213と219を異方性エッチングするためのパターンを提供する。代案として、エッチャントをアクセストレンチ213と219に対応したエッチストップ層211の部分に選択的に適用してもよい。例えば、適切なエッチャントの微小滴または細い流れが、マイクロシリンジ（micro-syringe）技術を用いてキャッピング層またはシーラント層211の表面に制御可能に適用されることができる。このマイクロシリンジ技術は、Dongsung Hongによる1999年6月29日に出願された米国特許出願第60/141,444号（代理人整理番号0325,00226）に説明されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００３６】
アクセストレンチ213と219をキャッピング層211に形成した後、第２の犠牲層がポリシリコンからなる場合、第２の犠牲層209の露出した領域215と217は、エチレングリコールとフッ化アンモニウムのプレエッチング溶液で処理され得る。エチレングリコールとフッ化アンモニウムを事前に混合した適切な溶液は、米国郵便番号95035、カリフォルニア州ミルピタスのACSI, Inc.により製造されるNOE Etch ITMという名前で市販されている。酸化物は、215および217のような露出したポリシリコン領域の表面に形成され得る。係る酸化物は、ポリシリコンのエッチングを妨害し、不完全なエッチングという結果になる可能性がある。プレエッチング溶液は、露出領域215と217の表面に酸化物が形成されるのを防止および／または抑制するか、あるいは酸化物が存在および／または形成されていた場合、犠牲層205と209の不完全なエッチングを防ぐために係る酸化物を除去すると考えられている。
【００３７】
さて、図3cを参照すると、アクセストレンチ213と219をキャッピング層211に形成した後、犠牲層205と209が、機構204と206をリリース（release：解放する、自由にする）するために選択的にエッチングされる。機構204と206は、異なる幾何学的形状をいくつでも有することができる。例えば、MEMS装置の製造において、リリース機構は櫛型構造またはリボン構造である。マイクロ流体デバイスの製造において、リリース機構はキャビティ221と223を相互接続する経路を提供する。電子水準器または電子加速度計の製造において、リリース機構はカンチレバーとすることができる。機構204と206をリリースした後、層211'のアクセストレンチ213と219が封止され、層203と211'の間にある機構204と206がカプセル封入される。
【００３８】
さて、図3dを参照すると、本発明のさらなる実施形態において、層211'にあるアクセストレンチ213と219を封止する前に、チタンたはチタンベースの合金のようなゲッタリング材料231が、アクセストレンチ213と219を通じて構造体のキャビティ221と223のうち少なくとも１つの内部に堆積され得る。代案として、ゲッタリング材料／ゲッタリング剤231は、反射層233を形成する時に堆積されてもよい。さらに別の実施形態において、ゲッタリング材料231は、犠牲層205と209のエッチング中にリリースされる犠牲層205と209内のドーパントである。
【００３９】
さて、図3eを参照すると、以下に詳細に説明されるように、キャビティ221と223の表面および／または機構204と206を処理して適切な環境を与えた後、アクセストレンチ213と219を封止することが好ましい。リリース機構204と206は、真空状態で封止されることが好ましいが、用途によっては所定の、または制御されたガスおよび／または液体内で封止されてもよい。アクセストレンチ213と219は、あらゆる方法によって、金属、ポリマー、および／または樹脂を含む多数の材料を用いて封止され得る。好適にはアクセストレンチ213と219は、アクセストレンチ213と219、およびキャッピング層211上に従来のスパッタ金属をスパッタリングすることにより封止され、より好適には、アクセストレンチ213と219およびキャッピング層上にアルミニウムをスパッタリングして層242を形成することにより封止される。
【００４０】
さて、図3fを参照すると、光学用途のために、栓構造体240と241がアクセストレンチ213と219に残るように、層242の一部は除去され得る。キャッピング層211は、光がリリース機構204と206上の層233まで透過できる光学窓を提供することができる。層242の一部は好適には、マイクロポリッシング技術により除去される。代案として、従来のフォトリソグラフィー技術を用いて層242の一部をエッチング除去してもよい。
【００４１】
本発明の一実施形態において、光がリリース機構204と206上の層233へ、および／または層233から透過できる光学アパーチャ（図示せず）をキャッピング層211が提供するように、層242の一部は選択的に除去される。
【００４２】
図4は、本発明の好適な方法による図3aに示された多層構造を形成するためのステップを概説するブロック図のフローチャート300である。図3aに示された多層構造は好適には、上述のように連続した堆積プロセスにより作成され、この場合、構造体の各層の均一性と厚さは、容易に制御される。
【００４３】
依然として図4を参照すると、ステップ301において、シリコン基板上の蒸気熱成長またはドライ熱成長により、あるいはシリコンウエハーまたは他の基板の選択された領域上の堆積により、二酸化シリコン層が形成される。好適にはニ酸化シリコン層は、25ｎｍ〜500ｎｍ（250〜5000オングストローム）の範囲の厚みまで、およびより好適には25ｎｍ〜75ｎｍ（250〜750オングストローム）の範囲まで熱成長される。制御された酸素雰囲気内に600〜800℃の範囲の温度でウエハー基板を置くことにより、熱酸化が生じる。ステップ303において、ポリシリコン層は好適には、0.1〜3.0μｍの範囲の厚みまで、およびより好適には0.5〜1.0μｍの範囲の厚みまで低圧化学蒸着法（LPCVD）により第１のエッチストップ層上に堆積される。アモルファスポリシリコンの低圧化学蒸着法は好適には、450〜550℃の範囲の温度で行われる。
【００４４】
第１のポリシリコン層がステップ303で堆積された後、ステップ305において、窒化シリコンの装置層が、第１のポリシリコン犠牲層上に形成される。好適には窒化シリコン層は、30ｎｍ〜500ｎｍ（300〜5000オングストローム）の範囲の厚みまで、およびより好適には75ｎｍ〜125ｎｍ（750〜1250オングストローム）の範囲の厚みまでLPCVDにより形成される。窒化シリコンの装置層は、アンモニアが存在する状態でジクロルシランの熱分解により形成され得る。
【００４５】
本発明の代替の実施形態によれば、窒化シリコン層は、ステップ303でフォトレジスト層を堆積し、露光して現像した（それによりエッチングマスクを形成した）後に、またはステップ303で形成された第１のポリシリコン層にパターンを選択的にエッチングして、ポリシリコン層のエッチングされた領域において窒化シリコンの急速な成長を生じさせることにより、構造体の機構をパターン形成される。好適には窒化シリコン層は、連続的な層として堆積され、従来のフォトレジストマスクを用いて選択的にエッチングされ、リリース構造体のリリース機構が形成される。
【００４６】
パターン形成された窒化シリコン層をステップ305で形成した後、ステップ307で第２の犠牲層が、パターン形成された窒化シリコン層上に形成され、第１および第２の犠牲層の間にパターン形成された層が挟まれる。また、第２の犠牲層は好適には、ポリシリコン層であり、0.1〜3.0μｍの範囲の厚みまで、およびより好適には0.5〜1.0μｍの範囲の厚みまでLPVCDにより堆積される。第２の犠牲層は好適には、前述のように、有機シリコン反応物の熱分解により形成される。好適には第１および第２のポリシリコン層が接触点を有し、それにより第１および第２のポリシリコン犠牲層の両方の一部をエッチング除去するためにエッチャントが第１および第２の犠牲層の間の接触点を通過することができる。好適にはステップ311において、ステップ305で第２のポリシリコン層を形成する前に、パターン形成された窒化シリコン層の堆積表面が、NMP（加熱され得る）などの溶剤で処理され、その表面が清浄化される。本発明の方法によれば、多層構造の形成中にいつでも表面を処理して、不十分な品質の膜につながる可能性がある残留物を除去することができる。
【００４７】
第２のポリシリコン層をステップ307で形成した後、ステップ309において、キャッピング層が第２のポリシリコン層上に形成される。キャッピング層は好適には、1.0〜3.0μｍの範囲の厚みまで、およびより好適には1.5〜2.0μｍの範囲の厚みまでプラズマ促進化学蒸着法（PECVD）により堆積された酸化シリコンのキャッピング層である。PECVDプロセスにおいて、テトラエチルオルソシリケート（TEOS）などの有機シリコン化合物が、分子酸素などの酸素源のある状態で分解され、酸化シリコンのキャッピング層が形成される。ステップ310において、ステップ309の前に、第２のポリシリコン層が平坦化および／または清浄化され、キャッピング層を堆積または形成するのに適した堆積表面が準備され得る。
【００４８】
図5は、図3aに示された多層構造から装置を形成する好適な方法を概説するブロック図のフローチャート400である。ステップ401において、アクセストレンチがキャッピング層に形成される。アクセストレンチは、0.4〜1.5μｍの範囲の直径、およびより好適には0.6〜0.8μｍの範囲の直径を有するように形成される。アクセストレンチは好適には、反応性イオンエッチングのプロセスを用いて酸化シリコンのキャッピング層に形成される。反応性イオンエッチングのプロセスは、既知の、または実験的に求められた条件下で、後続のステップで封止され得る傾斜した、または直立した壁を備えるトレンチをエッチングすることができる。アクセストレンチは好適には、キャッピング層を介してその下にある犠牲材料の露出した領域に形成される。好適にはステップ403の前のステップ402において、犠牲層の露出した領域は、エチレングリコールとフッ化アンモニウムのプレエッチング洗浄剤で処理され、その洗浄剤は、エチレングリコールに約10重量％のフッ化アンモニウムの溶液を溶解させたものからなる。ステップ402で犠牲層の露出した領域をプレエッチング溶液で処理した後、ステップ403において、ポリシリコン層がフッ化希ガスNgF2X（この場合、Ng = Xe、Kr、またはArであり、x =１、２、または3）からなるエッチャントで選択的にエッチングされる。より好適にはエッチャントは、２フッ化キセノンからなる。２フッ化キセノンのエッチャントを使用することに関するさらなる利点は、Pisterによる米国特許第5,726,480号に説明されており、その特許文献の内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【００４９】
エッチングステップ403が完了した後、ステップ404において、ゲッタリング材料が、エッチングステップ403の間に形成された装置のキャビティへと１つまたは複数のアクセストレンチを介して堆積され得る。ステップ405において、アクセストレンチは、キャッピング層にアクセストレンチを封止するのに十分なアルミニウムをスパッタリングすることにより封止される。余分なアルミニウムは、化学研磨、機械研磨、またはフォトリソグラフィーなどの良く知られている方法によりキャッピング層から除去され得る。
【００５０】
図6は、図5に示されたステップ403でポリシリコンの犠牲層をエッチングする好適な方法を概説するブロック図である。上述のように、ステップ401でアクセストレンチを形成し、ステップ402でポリシリコン層の露出した領域を処理した後、ステップ501において、この構造体は、約0.133パスカル（10−５トル）の真空状態に置かれる。ステップ503において、2フッ化キセノン結晶は好適には、1.33〜1330キロパスカル（0.1〜100トル）の範囲の圧力で、より好適には6.65〜266キロパスカル（0.5〜20トル）の範囲の圧力で、および最も好適には約53.2キロパスカル（4.0トル）の圧力で昇華する。ステップ505において、制御された流れの２フッ化キセノンが、チャンバへ供給される。チャンバは好適には、２フッ化キセノンのチャンバに対する正の流れを保証するように、2フッ化キセノン結晶の昇華圧力より低い圧力で維持される。チャンバ内の圧力は好適には、1.33パスカル〜13.3キロパスカル（0.1ミリトル〜1.0トル）の範囲に、より好適には13.3パスカル〜1.33キロパスカル（1.0ミリトル〜100ミリトル）の範囲に、および最も好適には約0.665キロパスカル（50ミリトル（0.05トル））に維持される。
【００５１】
図7は、図5に示されたブロックフロー図500で説明されたエッチングステップを行うための装置600の概略図を示す。装置600は好適には、チャンバの雰囲気605'において真空引きができる真空源607と結合される。装置600は好適には、ユーザーがチャンバ610内の圧力をモニタできる圧力計測装置609を含む。エッチング源（例えば、２フッ化キセノンの結晶）を収容する容器608が、圧力コントローラまたは流量コントローラ613を介してチャンバ610に結合される。容器608は、容器608に結合された圧力計測装置611を有することができ、これによりユーザーは容器608内の圧力をモニタすることが可能になる。
【００５２】
稼動中に、前述したものと同様の多層構造620が、チャンバ610内に配置される。真空制御バルブを開き、真空源607がチャンバの雰囲気605'の圧力を好適には0.133パスカル（10−５トル）またはそれに近い数値まで低減し、真空状態を生み出す。既知の条件下で、室温の２フッ化キセノン結晶は、圧力計測装置611により測定されるように、約53.2キロパスカル（4.0トル）のXeF2の蒸気圧を生じる。圧力コントローラ613を調整して、チャンバの雰囲気605'の圧力を約66.5パスカル（50× 10−３トル）に変更する。構造体620は、構造体620のキャビティ621内にあるリリース構造体623を形成するのに十分な時間にわたってエッチングされる。このエッチングのプロセスは、選択されたエッチング圧力、構造体620の物理的な細部、およびチャンバ装置600の流量の動作態様に応じて、約20〜30分の期間にわたって行われる。
【００５３】
エッチングのステップが完了した後、適切な封止環境が与えられ得る。したがって、一実施形態において、分圧制御バルブ613を閉め、真空源607からの真空引きを用いて低圧の真空状態が再設定される。エッチングされた構造体620のトレンチは、スパッタリング装置630を使用してアルミニウムのスパッタビーム650により封止され得る。
【００５４】
代案として、低圧の真空状態を再設定した後、チャンバは希ガスで戻し充填されてもよい。したがって、希ガス源615は、制御バルブ612を介して制御チャンバ610に結合され得る。チャンバの雰囲気605'は、装置620のトレンチを封止する前に、ガスバルブ612を開くことにより希ガスで満たされる。装置620のトレンチは、ポリマーまたはセラミック材料で封止され、それにより装置620のキャビティ621内にあるチャンバの雰囲気605'の一部を捕捉する。
【００５５】
上記の例は、本発明の好適な実施形態を例示するために詳細に説明された。当業者には明らかなように、本発明に対する多くの変形態様が存在し、係る変形態様は本発明の範囲内にある。例えば、多層のリリース構造を有する装置は、本発明の教示を拡張して、2つ以上のパターン形成された層を有する多層構造を用いて形成され得る。さらに、結合された、および結合されていないリリース構造体を有する装置、ならびにマルチキャビティ構造を有する装置は、本発明の方法を用いていくつでも製造することができることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】MEMS発振器の略図である。
【図２ａ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の上面図である。
【図２ｂ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の上面図である。
【図２ｃ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の上面図である。
【図２ｄ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の上面図である。
【図２ｅ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の上面図である。
【図２ｆ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の上面図である。
【図２ｇ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の断面図である。
【図２ｈ】本発明による、シリコンウエハー基板上に形成された多層構造の断面図である。
【図３ａ】本発明の好適な方法による、多層構造から形成されたリリース機構の断面図である。
【図３ｂ】本発明の好適な方法による、多層構造から形成されたリリース機構の断面図である。
【図３ｃ】本発明の好適な方法による、多層構造から形成されたリリース機構の断面図である。
【図３ｄ】本発明の好適な方法による、多層構造から形成されたリリース機構の断面図である。
【図３ｅ】本発明の好適な方法による、多層構造から形成されたリリース機構の断面図である。
【図３ｆ】本発明の好適な方法による、多層構造から形成されたリリース機構の断面図である。
【図４】図3aに示した多層構造を形成するためのステップを概説するブロック図である。
【図５】図2aに示した多層構造からリリース構造体を形成する方法を概説するブロック図である。
【図６】図2bに示した多層構造の犠牲層をエッチングするためのステップを概説するブロック図である。
【図７】本発明の方法にしたがって形成された多層構造をエッチングするように構成されたチャンバ装置の略図である。
Claims (58)
- 第１および第２のエッチストップ層と、前記第１および第２のエッチストップ層の間にある第１の犠牲層と、キャッピング層と、前記第２のエッチストップ層と少なくとも１つのアクセストレンチを有する前記キャッピング層との間にある第２の犠牲層とからなる多層構造からリリース構造体を作成する方法であって、前記第２のエッチストップ層がリリース機構を含み、この方法が、
a. 前記キャッピング層にアクセス開口を形成するステップと、および
b. 前記リリース構造体を形成するために、前記少なくとも１つのアクセス開口を介して前記第１および第２の犠牲層の一部をエッチングするステップとを含む、方法。 - 前記エッチングステップの前に、前記少なくとも１つのアクセストレンチ内にプレエッチング液を加えるステップをさらに含む、請求項１の方法。
- 前記第１および第２のエッチストップ層のそれぞれが、酸化物、酸窒化物、およびシリコン窒化物からなるグループから選択された材料から形成される、請求項１の方法。
- 前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層が、ポリシリコンからなる、請求項１の方法。
- 前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層が別個に、0.1〜3.0μｍの範囲の厚さを有する、請求項４の方法。
- 前記多層構造が、シリコン基板をさらに含む、請求項１の方法。
- 前記第１の犠牲層、前記第２のエッチストップ層、前記第２の犠牲層、および前記キャッピング層が、シリコン基板上に連続的に堆積することにより形成される、請求項６の方法。
- 前記アクセス開口が、前記キャッピング層を異方性エッチングすることにより形成される、請求項１の方法。
- 前記第１および第２の犠牲層の一部をエッチングすることが、フッ化希ガスからなるエッチャントで行われる、請求項１の方法。
- 前記第１および第２の犠牲層の一部をエッチングすることが、２フッ化キセノンからなるエッチャントで行われる、請求項１の方法。
- 前記アクセス開口をシール材料で封止することをさらに含む、請求項１の方法。
- 前記シール材料が、ポリマー、金属、およびセラミックからなるグループから選択された材料からなる、請求項１１の方法。
- 前記シール材料がアルミニウム金属である、請求項１１の方法。
- 前記リリース構造体が微小電子機械構造（MEMS）からなる、請求項１の方法。
- MEMS装置を作成する方法であって、
a. 基板上に第１の犠牲層を形成するステップと、
b. 前記第１の犠牲層の上に耐エッチング材料からなるMEM機構を形成するステップであって、MEM構造層が内部に少なくとも1つのギャップを有する、ステップと、
c. 前記MEM構造層上に第２の犠牲層を形成するステップと、および
d. 前記第２の犠牲層の上にキャッピング層を形成するステップとを含む、方法。 - a. 下にある前記第１の犠牲層の一部を露出するように前記キャッピング層を貫通する少なくとも１つのアクセス開口を設けるステップと、および
b. 少なくとも1つのアクセストレンチを介して前記第１および第２の犠牲層をエッチングして、前記第１および第２の犠牲層から前記MEM機構の一部をリリースするステップとをさらに含む、請求項１５の方法。 - 前記第１の犠牲層を形成する前に、処理ウエハー上に下側のエッチストップ層を形成するステップをさらに含む、請求項１５の方法。
- 前記エッチングが、フッ化希ガスからなるエッチャントで行われる、請求項１６の方法。
- 前記エッチングが、２フッ化キセノンからなるエッチャントで行われる、請求項１６の方法。
- 前記少なくとも１つのアクセス開口をシール材料で封止するステップをさらに含む、請求項１６の方法。
- 前記シール材料が、金属、ポリマー、およびセラミックからなるグループから選択される、請求項２０の方法。
- MEMSを製作するための構造体であって、
a. 基板と、
b. 前記基板の一部の上にあるキャッピング層と、および
c. リリース機構を有するリリース構造体であって、前記リリース機構が、ウエハー構造体の間に配置され、犠牲材料と共に埋め込まれている、リリース構造体とを含む、構造体。 - 前記犠牲材料が、フッ化希ガスからなるエッチャントにより前記キャッピング層に対して選択的にエッチングされ得る、請求項２２の構造体。
- 前記エッチャントが２フッ化キセノンからなる、請求項２２の構造体。
- 前記犠牲材料が、50:1を超える割合（質量／時間）で前記キャッピング層に対して選択的にエッチングされる、請求項２２の構造体。
- 前記基板が結晶性シリコンの層からなる、請求項２２の構造体。
- 前記結晶性シリコンの層が、ドーパントでドーピングされている、請求項２６の構造体。
- 前記ドーパントが、ボロンとリンからなるグループから選択された元素からなる、請求項２７の構造体。
- 前記基板が、前記犠牲材料と前記基板との間にエッチストップ層をさらに含む、請求項２２の構造体。
- 前記エッチストップ層が、酸化物、酸窒化物、およびシリコン窒化物からなるグループから選択された材料からなる、請求項２９の構造体。
- 前記キャッピング層が、複数のアクセス開口を含む、請求項２２の構造体。
- 前記犠牲材料がポリシリコンからなる、請求項２２の構造体。
- 前記リリース構造体が、酸化物、酸窒化物、およびシリコン窒化物からなるグループから選択された材料からなる、請求項２２の構造体。
- 前記キャッピング層が、酸化物、酸窒化物、およびシリコン窒化物からなるグループから選択された材料からなる、請求項２２の構造体。
- 前記リリース構造体が、微小電子機械構造（MEMS）である、請求項２２の構造体。
- 集積回路をさらに含み、その集積回路が前記リリース構造体に電気的に結合される、請求項２２の構造体。
- 複数の相互接続されたキャビティを形成するための構造体であって、
少なくとも第１のエッチストップ層、第２のエッチストップ層、キャッピング層、および前記第１および第２のエッチストップ層の間と前記第２のエッチストップ層と前記キャッピング層との間のポリシリコンからなる多層構造を含み、
前記複数の相互接続されたキャビティを形成するために、前記第２のエッチストップ層に少なくとも１つの内部通路をさらに含む、構造体。 - 下にある前記ポリシリコンにアクセスするために、前記キャッピング層を貫通する少なくとも穴をさらに含む、請求項３７の構造体。
- 前記第２のエッチストップ層が、リリース機構をパターン形成されており、前記少なくとも1つの内部通路が前記リリース機構の間にある、請求項３７の構造体。
- 前記リリース機構の少なくとも１つが、MEMS発振器の一部である、請求項３９の構造体。
- キャッピングが、１つまたは複数の選択された光の波長に対して透過的である光学窓を含む、請求項３９の構造体。
- MEMSであって、
a. ウエハー構造体と、
b. 前記ウエハー構造体上に形成されたキャッピング層と、および
c. 前記ウエハー構造体と前記キャッピング層との間にカプセル封入された複数の可動リリース機構を含むリリース構造体とを含む、MEMS。 - 前記キャッピング層が、複数の封止されたトレンチをさらに含む、請求項４２のMEMS。
- 前記複数の封止されたトレンチが、金属、ポリマー、およびセラミックからなるグループから選択された材料で封止される、請求項４３のMEMS。
- 前記複数の封止されたトレンチが、アルミニウムからなる材料で封止される、請求項４４のMEMS。
- 前記リリース構造体の一部が、反射材料の層を含む、請求項４２のMEMS。
- 前記反射材料がアルミニウムからなる、請求項４６のMEMS。
- 前記キャッピング層が、酸化物、酸窒化物、およびシリコン窒化物からなるグループから選択された材料からなる、請求項４２のMEMS。
- 前記キャッピング層の厚さが、1.0〜3.0μｍの範囲である、請求項４８のMEMS。
- 前記リリース構造体が、酸化物、酸窒化物、およびシリコン窒化物からなるグループから選択された材料からなる、請求項４２のMEMS。
- 前記複数の可動リリース機構が、30ｎｍ〜500ｎｍ（300〜5000オングストローム）の範囲の厚みの機構を有する、請求項５０のMEMS。
- 前記ウエハー構造体と前記リリース構造体との間に、耐エッチング層をさらに含む、請求項４２のMEMS。
- 前記耐エッチング層が、酸化物、酸窒化物、およびシリコン窒化物からなるグループから選択された材料からなる、請求項５２のMEMS。
- 前記耐エッチング層の厚みが、0.1〜3.0μｍの範囲である、請求項５３のMEMS。
- 前記ウエハー構造体上に集積回路をさらに含み、その集積回路が前記リリース構造体に電気的に結合される、請求項４２のMEMS。
- 前記リリース構造体が、共振器の櫛型機構からなる、請求項４２のMEMS。
- 前記リリース構造体が、複数のリボン型機構からなる、請求項４２のMEMS。
- 前記キャッピング層が、前記キャッピング層を介して光を透過するために少なくとも１つの光学アパーチャを含む、請求項４２のMEMS。
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