JP2006297502A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、半導体装置に係り、特に、中空構造を有する半導体素子と集積回路とが同一の半導体基板上に混載された半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device in which a semiconductor element having a hollow structure and an integrated circuit are mixedly mounted on the same semiconductor substrate.
近年、半導体基板上に中空構造を形成し、機械的可動部を有するデバイス、いわゆるMEMS(Mechanical Electrical Micro System)の研究開発が盛んに行われている。しかし、これらデバイスにおいては、機械的な可動を可能とする中空構造体を保持する必要があり、従来からLSIに用いられてきた樹脂モールドなどのパッケージング技術が転用できず、特殊なパッケージを必要としている。同時に、中空構造体表面に大気中の水分が付着すると、基板と中空構造体との間に表面張力が発生し、中空構造体が基板に癒着するスティッキングと呼ばれる現象が生ずる。このスティッキングは、機械的駆動に支障を与えることから、パッケージ内部は真空、或いは不活性ガス雰囲気に維持する必要がある。 In recent years, research and development of devices having a hollow structure formed on a semiconductor substrate and having mechanically movable parts, so-called MEMS (Mechanical Electrical Micro System), have been actively conducted. However, in these devices, it is necessary to hold a hollow structure that can be moved mechanically, and packaging technology such as resin molding that has been used in conventional LSI cannot be diverted, and a special package is required. It is said. At the same time, when atmospheric moisture adheres to the surface of the hollow structure, surface tension is generated between the substrate and the hollow structure, and a phenomenon called sticking occurs in which the hollow structure adheres to the substrate. Since this sticking impedes mechanical driving, it is necessary to maintain the inside of the package in a vacuum or an inert gas atmosphere.
このような中空構造体の具体例として、非冷却型赤外線固体撮像素子について以下に説明する。 As a specific example of such a hollow structure, an uncooled infrared solid-state imaging device will be described below.
非冷却型赤外線固体撮像素子は、入射赤外線を赤外線吸収部で熱に変換した上で、この微弱な熱により生じる感熱部の温度変化を熱電変換部により電気的信号に変換し、この電気的信号を読み出すことで赤外線画像情報を得ている。即ち、上記赤外線固体撮像素子では、入射赤外線を熱に変換する感熱部(赤外線吸収構造)とその熱を電気的信号に変換する熱電変換部とからなる赤外線検出部とを熱的に周囲から分離し、熱電変換効率を向上することが赤外線感度を向上する上で必須となっている。 The uncooled infrared solid-state image sensor converts incident infrared light into heat at the infrared absorption part, and converts the temperature change of the heat sensitive part caused by the weak heat into an electrical signal by the thermoelectric conversion part. The infrared image information is obtained by reading out. That is, in the above infrared solid-state imaging device, the infrared detection unit composed of a thermosensitive unit (infrared absorbing structure) that converts incident infrared rays into heat and a thermoelectric conversion unit that converts the heat into electrical signals is thermally separated from the surroundings. In order to improve the infrared sensitivity, it is essential to improve the thermoelectric conversion efficiency.
そこで、上記赤外線固体撮像素子は、赤外線検出部周辺のシリコン基板と素子分離酸化膜とをエッチング除去して空洞化すると共に、真空パッケージに実装し空洞部を真空状態にすることにより、支持基板への熱の拡散を抑える方法が取られている。 Therefore, the infrared solid-state imaging device is formed into a cavity by etching and removing the silicon substrate and the element isolation oxide film around the infrared detection unit, and is mounted on a vacuum package to make the cavity part in a vacuum state. The method of suppressing the diffusion of heat is taken.
一方、特許文献1に記載される従来技術では、検出チップに赤外線透過窓を直接接着し、気密封止する手段が提案されている。この特許文献1では、シリコン基板上に形成された赤外線検出アレイの前面に、両面が研磨され、反射防止膜を施し、シリコンで作られた赤外線透過窓が配置されている。この赤外線透過窓と赤外線検出アレイとは、空隙を介して配置され、透過窓は、赤外線検出アレイを囲むようにシリコン基板上に気密に接着して固定され、空隙の内部は、真空に保持されている。赤外線検出アレイと赤外線透過窓との空隙は、シリコン基板上の接着面に形成されたメタライズ層及び接着手段としてのハンダ層による凸段差を利用して形成されている。また、空隙の真空封止は、1×10−2torr以下の真空状態に維持するようにシリコン基板と赤外線透過窓とをハンダ接着することにより実現している。また、赤外線透過窓には、赤外線検知アレイの各画素と対となるマイクロレンズアレイが形成され、検出器に入射する赤外線がマイクロレンズアレイによって対応する画素に集光されている。
このように、従来のCMOS集積回路と、上記赤外線固体撮像素子のような中空構造を有するデバイスを同一基板上に形成しようとすると、従来から集積回路実装に用いられてきた樹脂モールドなどの安価なパッケージング技術が転用できず、特殊な真空パッケージが必要となる。これにより、チップの実装面積を増大し、特殊な封止構造を有するが故に、そのコストが増大する問題がある。 As described above, when a conventional CMOS integrated circuit and a device having a hollow structure such as the infrared solid-state imaging device are formed on the same substrate, an inexpensive resin mold or the like conventionally used for mounting an integrated circuit is used. Packaging technology cannot be diverted and a special vacuum package is required. Accordingly, there is a problem that the mounting area of the chip is increased and the cost is increased because the chip has a special sealing structure.
また、MEMSデバイスがたかだか3〜4層あれば十分であるのに対し、現在先端CMOS LSIにおいては、その配線層は6層から10層もあり、MEMSデバイスとCMOS LSIとの配線層段差は非常に大きく、同一基板上に混載する障害となっている。 In addition, while it is sufficient that the MEMS device has only 3 to 4 layers, the current CMOS LSI has 6 to 10 wiring layers, and the wiring layer difference between the MEMS device and the CMOS LSI is very large. However, it is an obstacle to be mixed on the same substrate.
また、MEMSデバイスには中空構造を形成する為の犠牲層プロセスが必要であるのに対し、CMOS LSIにはそのような層構造は存在しない。 Further, a sacrificial layer process for forming a hollow structure is required for a MEMS device, whereas such a layer structure does not exist in a CMOS LSI.
また、MEMSデバイスでは、中空構造体表面に大気中の水分が付着すると、基板と中空構造体との間に表面張力が発生し、中空構造体が基板に癒着するスティッキングと呼ばれる現象により、機械的駆動に支障をきたす為、パッケージ内部は真空、或いは不活性ガス雰囲気に維持する必要がある。この時、LSIとの混載においては、LSIを構成する膜に吸着された水分を囲い込み、MEMSの中空構造体表面に再付着しないようにする必要がある。 Further, in the MEMS device, when moisture in the atmosphere adheres to the surface of the hollow structure, surface tension is generated between the substrate and the hollow structure, and a mechanical phenomenon is caused by a phenomenon called sticking in which the hollow structure adheres to the substrate. In order to hinder driving, the inside of the package must be maintained in a vacuum or an inert gas atmosphere. At this time, in the mixed mounting with the LSI, it is necessary to enclose moisture adsorbed on the film constituting the LSI so as not to reattach to the surface of the MEMS hollow structure.
また、近年のLSIでは、電流消費によるジュール熱に起因する発熱が大きく、MEMSデバイスへの悪影響が懸念される。 Further, in recent LSIs, heat generation due to Joule heat due to current consumption is large, and there is a concern about adverse effects on MEMS devices.
以上より、本発明の目的は、MEMSデバイスをCMOS LSIと同一基板上に混載する点において、LSIプロセスと整合性良く、またLSI領域から発生する水分、熱などのMEMSデバイスへの影響を抑制することができる半導体装置を提供することにある。 As described above, the object of the present invention is to have a good consistency with the LSI process in that the MEMS device is mounted on the same substrate as the CMOS LSI, and to suppress the influence on the MEMS device such as moisture and heat generated from the LSI region. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device that can be used.
この発明によれば、
第1領域及びこの第1領域に隣接する第2領域を有する半導体基板と、
前記第2領域に形成される集積回路と、
前記第1領域と前記第2領域との境界に壁状に形成され、前記第1及び第2領域を電気的且つ空間的に分離する支柱構造体と、
この支柱構造体に支持され、前記第1及び第2領域上を覆うように積層形成されている薄膜構造体と、
前記第1領域にある前記薄膜構造体下部に形成される空間に配置される機械的可動部を備え、前記集積回路に電気的に接続されている素子と、
を具備することを特徴とする半導体装置が提供される。
According to this invention,
A semiconductor substrate having a first region and a second region adjacent to the first region;
An integrated circuit formed in the second region;
A pillar structure that is formed in a wall shape at the boundary between the first region and the second region, and that electrically and spatially separates the first and second regions;
A thin film structure that is supported by the support structure and is laminated so as to cover the first and second regions;
An element electrically connected to the integrated circuit, comprising a mechanically movable portion disposed in a space formed in the lower portion of the thin film structure in the first region;
A semiconductor device is provided.
また、この発明によれば、
半導体基板上の空間に形成されるべき機械的可動部を備える素子の為の素子配線、前記素子からの信号を処理する為の集積回路及び前記素子と前記集積回路とを接続する為の接続配線を形成し、
前記素子配線、前記集積回路、前記接続配線上に吸湿性の低い層間膜を形成し、
前記層間膜上に犠牲膜を堆積し、
前記素子配線及び前記集積回路の夫々に接続するように前記犠牲膜に配線層並びにコンタクトを形成するとともに前記素子を形成し、前記素子が形成される素子領域と前記集積回路が形成される集積回路領域との境界に壁状の支柱配線を形成し、
パッシベーション膜を堆積し、
前記素子領域上部の前記パッシベーション膜に第1の開口部を形成し、
前記第1の開口部から前記犠牲膜を除去してその内に第1の空間を形成して前記素子の前記可動部を前記空間内に配置し、
薄膜を堆積し、その横方向膜成長により前記開口部を密閉することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
Moreover, according to this invention,
Element wiring for an element having a mechanical movable part to be formed in a space on a semiconductor substrate, an integrated circuit for processing a signal from the element, and a connection wiring for connecting the element and the integrated circuit Form the
A low hygroscopic interlayer film is formed on the element wiring, the integrated circuit, and the connection wiring,
Depositing a sacrificial film on the interlayer film;
An integrated circuit in which a wiring layer and a contact are formed in the sacrificial film so as to be connected to the element wiring and the integrated circuit, and the element is formed, and an element region in which the element is formed and the integrated circuit is formed. Form a wall-shaped support wiring at the boundary with the area,
Deposit a passivation film,
Forming a first opening in the passivation film above the element region;
Removing the sacrificial film from the first opening to form a first space therein, and disposing the movable portion of the element in the space;
A method of manufacturing a semiconductor device is provided, wherein a thin film is deposited and the opening is sealed by lateral film growth.
MEMSデバイスをCMOS LSIと同一基板上に混載する点において、LSIプロセスと整合性良く、またLSI領域から発生する水分、熱などのMEMSデバイスへの影響を抑制することができる。 In the point that the MEMS device is mixedly mounted on the same substrate as the CMOS LSI, it is compatible with the LSI process, and the influence of moisture, heat, etc. generated from the LSI region on the MEMS device can be suppressed.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る半導体装置及びその製造方法ついて説明する。 Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第一実施形態]
図1、図4、図7、図10、図13、図16、図19及び図21は、本発明の第一の実施形態に係るMEMS領域に素子封止構造を有する半導体装置の製造過程を断面図で概略的に示している。また、図2、図5、図8、図11、図14、図17、図20及び図22は、夫々図1、図4、図7、図10、図13、図16、図19及び図21に示される半導体装置の平面図を示している。
[First embodiment]
1, 4, 7, 10, 13, 16, 19, and 21 illustrate a manufacturing process of a semiconductor device having an element sealing structure in the MEMS region according to the first embodiment of the present invention. This is schematically shown in cross-sectional view. 2, 5, 8, 11, 14, 17, 20, and 22 are respectively illustrated in FIGS. 1, 4, 7, 10, 13, 16, 19, and 19. FIG. 22 is a plan view of the semiconductor device shown in FIG.
尚、本実施の形態ではMEMSデバイスの例として非冷却赤外線センサを挙げているが、本発明はこれに限るものではなく、同様な中空構造を必要とする他のMEMSデバイスにも適用可能である。 In this embodiment, an uncooled infrared sensor is cited as an example of a MEMS device. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to other MEMS devices that require a similar hollow structure. .
また、図3、図6、図9、図12、図15、図18及び図23は、図1、図4、図7、図10、図13、図16、図19及び図21に示される同一の半導体チップ上に混載されるLSI(大規模集積回路)領域の各半導体装置の構造を示している。このLSIとしては、出力データを解析する為のロジック回路或いは出力データを保持するメモリなど、3層配線以上を有する他のデバイスであれば同一チップ上に形成可能である。当然MEMSデバイス単体でも同一チップ上に形成可能である。 3, 6, 9, 12, 15, 18, and 23 are shown in FIGS. 1, 4, 7, 10, 13, 16, 19, and 21. The structure of each semiconductor device in an LSI (Large Scale Integrated circuit) region mixedly mounted on the same semiconductor chip is shown. The LSI can be formed on the same chip as long as it is another device having three or more wiring layers, such as a logic circuit for analyzing output data or a memory for holding output data. Of course, a single MEMS device can be formed on the same chip.
尚、図1〜23においては、同一の部分或いは同一素子については同一符号を付してその説明を省略し、異なる構成或いは部分についてのみ他の符号を付していることに注意されたい。 In FIGS. 1 to 23, it should be noted that the same portions or the same elements are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted, and only different configurations or portions are denoted by other reference numerals.
この発明の第1実施形態に係る半導体装置においては、図1に示されるように、半導体基板として、単結晶シリコン支持基板100上に埋め込みシリコン酸化膜層101及び単結晶シリコン層102が順次積層されているいわゆるSOI基板が用いられている。
In the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, a buried silicon
図1及び図2に示すようにMEMS領域99では、通常の半導体プロセスを用いて、半導体素子としての赤外線センサ画素103が素子領域に形成され、赤外線センサ画素103の入出力配線となる支持配線104、105、赤外線センサ画素103を選択するとともにバイアス電圧を供給する水平配線106及び赤外線センサ画素103からの出力信号を読み出す垂直配線107が配線領域に形成されている。赤外線センサ画素103は、単結晶シリコン層102に形成された複数のpn接合ダイオード108とそれらを接続する画素内配線109及びシリコン酸化膜並びにシリコン窒化膜からなる赤外線吸収膜110から構成される。ここで、MEMS領域99には、単結晶シリコン支持基板100表面に達する溝111がドライプロセスにて選択的に形成される。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the
図3に示すLSI領域301においては、ゲート電極302、拡散層303、304、第一層間膜305、コンタクト306、1層配線106(水平配線と同時に共通に形成される)、第二層間膜307、2層配線107(垂直配線と同時に共通に形成される)、第三層間膜110(赤外線吸収膜)が形成されている。図1に示される溝111が形成される際には、図3に示すLSI領域301はレジストマスクにて保護される。
In the
次に、図4及び図5に示すように赤外線センサ画素103、LSI領域301以外の、支持脚、配線領域がドライプロセスにてエッチバックされる。この後、第一犠牲膜112が成膜され、その後第二犠牲膜113が成膜される。第一及び第二犠牲膜112、113の成膜には、例えばスピンコーターを用いてシクロキサン系の有機膜にSiを数%添加した膜を塗布し、乾燥ベークの工程を経て形成される。前記エッチバック量、第一及び第二犠牲膜112、113の膜厚、乾燥ベーク条件は、後に形成される薄膜構造体125(図21)の曲率を規定している。第一実施形態では、20μmの赤外線センサ画素に対して、エッチバック量は2μm、第一及び第二犠牲膜112、113の膜厚は1.5μm及びベーク温度は350℃としている。
Next, as shown in FIGS. 4 and 5, the support legs and the wiring area other than the
また、第一及び第二犠牲膜112、113は、デバイスのパッシベーション膜及びマイクロレンズ封止構造体の両方にエッチング選択性が存在する材質であれば良いが、CMOS LSI配線層間の寄生容量低減を考慮すると、いわゆる比誘電率が3.3未満のLow−k膜が望ましく、例えばSiOC、メチル基含有ポリシロキサン系SiO2(MSQ)、ポリイミド、パリレン系の有機膜、水素含有ポリシロキサン系SiO2(HSQ)、及びこれらの膜に空孔を導入した膜が望ましい。また、成膜法も、スピンコート(塗布法)に限るものではなく、CVDを用いても良い。
The first and second
また、図6に示すようにLSI領域301においては、第三層間膜110上に3層配線308が形成される。ここで、より望ましい形態としては、3層配線308の周囲に配線保護膜が形成される。具体的には、3層配線308成膜時に、その層構造として上下にバリアメタル、例えば、Ti、TiN或いはこれらの積層構造を形成する。その後、3層配線308をフォトグラフィー技術によりパターニングし、再度バリアメタルをスパッタ等により形成する。その後、バリアメタルをエッチバックし、3層配線側壁にバリアメタルを形成する。次に、第一犠牲膜112が成膜される。その後、3層−4層間コンタクト309が形成されるが、ここでもより望ましくは、コンタクトメタルの酸化防止として、周囲及び底面にバリアメタルが形成されているのが望ましい。その後、4層配線310が形成され、第二犠牲膜113が成膜される。4層配線310に関しても、3層配線309と同様バリアメタルが形成される。
As shown in FIG. 6, in the
次に、図7及び図8に示すように犠牲膜113のエッチング保護膜114、例えば、SiO2膜がCVD法にて0.1μmの厚さで犠牲膜113上に堆積され、レジスト115が塗布される。この後、リソグラフィー技術により、MEMS領域99においては、一つおき(偶数或いは奇数番目)の水平配線106及び垂直配線107上に第一の開口116が形成される。
Next, as shown in FIGS. 7 and 8, an etching
また、図9に示すようにLSI領域301においては、4層配線310の上部領域の一部に、フッ素系のドライエッチングにてエッチング保護膜114がエッチング除去される。
Further, as shown in FIG. 9, in the
次に、図10〜図12に示すようにO2系のRIEにて第一及び第二犠牲膜112、113がエッチング除去される。この時、第一及び第二犠牲膜112、113の合計が3μmと厚い為に、図9に示すレジスト115はこの時点で除去される。
Next, as shown in FIGS. 10 to 12, the first and second
次に、図13〜図15に示すようにフッ素系のドライエッチングにてエッチング保護膜114がエッチバックされる。この後、第一の薄いSiO2膜117が成膜され、このSiO2膜117上に第一の薄膜118が成膜され、また、この第一の薄膜118上に第二の薄いSiO2膜119が成膜される。例えば、本実施形態では、第一の薄いSiO2膜117はCVD法にて20nmの厚さで堆積され、第一の薄膜118は350度のCVD法にてアモルファスシリコン膜が0.1μmの厚さに堆積され、第二の薄いSiO2膜119はCVD法にて20nmの厚さで堆積される。第一の薄膜118の材質に関しては、本特許ではアモルファスシリコンに限るわけではなく、赤外線波長領域を透過させる材料、例えば、シリコン、塩化銅、ゲルマニウム、セレン化鉛、硫化亜鉛、硫化カドミウムのいずれかを含有する膜から構成されるものであれば良い。
Next, as shown in FIGS. 13 to 15, the
また、第一の薄膜118には、この後、第二の開口121、316が形成される必要上、マスクとなるレジスト120との選択比、エッチングアスペクト比の観点から、厚い膜は好ましくなく、より望ましくは1μm以下が良い。この後、レジスト120を塗布した後、リソグラフィー技術により、MEMS領域99には、第一の開口116が形成されなかった水平配線106及び垂直配線107上の領域に第二の開口パターン121が形成される。
The first
また、LSI領域301においては、第一の開口パターン315以外の領域に第二の開口パターン316が形成される。この後、フッ素系のドライエッチングにて第一の薄いSiO2膜117が除去され、CF系のドライエッチングにて第一の薄膜118が除去され、フッ素系のドライエッチングにて第二の薄いSiO2膜119が除去される。
In the
次に、図16〜図18に示すようにO2系の等方性ドライエッチング、例えばO2プラズマアッシャーにて第一及び第二犠牲膜112、113及びレジスト120が除去される。除去後、空隙部124が形成される。ここで、本実施形態においては、LSI領域301にLSIとして高速動作性を重要視するデバイスが混載され、配線容量低減の為に配線層間膜となる第一及び第二犠牲膜112、113が除去されて3層及び4層配線308、310が空間中を延びる空中配線化されているが、より信頼性を重要視するデバイスにおいては、LSI領域301における第一及び第二犠牲膜112、113を除去せず残しておいた方が望ましい。この場合、図15に示すLSI領域301における第二の開口パターン316を形成しなければ良い。
Next, as shown in FIGS. 16 to 18, the first and second
また、第一の薄膜118及び第二の薄膜123からなる薄膜構造体125が要求される強度及び第一及び第二犠牲膜112、113の除去性から、第一の開口116、315及び第二の開口121、316のパターンが決定され、MEMSデバイスのセルサイズ及びLSIの配線ピッチ等により最適なパターンは異なり、本実施形態に係る図面に示すパターンのみに限定されるものではない。
In addition, the
次に、図19及び図20に示すようにTMAH(Tetra-Methyl-Ammonium-Hydroxide)によるシリコン異方性ウエットエッチングにより、単結晶シリコン支持基板100の内部に中空構造122が形成される。この時、LSI領域301に存在する3層及び4層配線308、310は、それぞれ積層構造を有する3層−4層パッシベーション膜311、314によりカバーされている為、配線段差部に発生するエッチピット抑制に効果があり、TMAHによる配線のエッチングを防げることができる。この後、第一及び第二の薄いSiO2膜117、119をフッ素系の等方性エッチングにより除去される。
Next, as shown in FIGS. 19 and 20, a hollow structure 122 is formed inside the single crystal
次に、図21〜図23に示すように厚い第二の薄膜123が成膜される。例えば、第二の薄膜123は350度のCVD法にてアモルファスシリコン膜を3μmの厚さに堆積される。この時、第二の開口パターン121、316の幅を第二の薄膜123の膜厚と同等以下とする事により、第二の薄膜123のCVD横方向成長により第二の開口パターン121、316が塞がれる為、中空構造122及び赤外線センサ画素103上部及びLSI領域301上に形成される空隙部124、317はCVDプロセス時の真空度に保持され、薄膜構造体125が形成される。
Next, as shown in FIGS. 21 to 23, a thick second
上述したような製造方法によれば、図21〜図23に示されるように半導体基板100(単結晶シリコン支持基板100)上に半導体素子としての赤外線センサ画素103が二次元配列されて形成される。各赤外線センサ画素103は、半導体基板100上の素子領域に形成され、この赤外線センサ画素103を選択する水平配線106、赤外線センサ画素103からの信号を読み出す支持配線104、105、垂直配線107と、これらの配線(支持配線104、105、水平配線106、垂直配線107)が素子領域周囲の配線領域に配置されることとなる。残された赤外線吸収膜110がパッシベーション膜として支持配線104、105、水平配線106及び垂直配線107を被覆し、支持配線104、105が赤外線センサ画素103を支持するように空間を延出され、赤外線センサ画素103が支持配線104、105によって宙吊り状態で空間中に保持されることとなる。そして、薄膜構造体125が配線領域の少なくとも一部(例えば、図21に示すように垂直配線107の赤外線吸収膜110上部)から空隙部124上を覆い、赤外線センサ画素103を外部空間から気密に隔離する構造を構成している。
According to the manufacturing method as described above,
また、図21に示すように薄膜構造体125は、空隙部124に通ずる開口部121を備えた第一の薄膜118、開口部121を塞ぐ第二の薄膜123とで構成されている。この第一の薄膜118の膜厚は、既に述べたように第二の薄膜123の膜厚よりも薄く形成され、また、開口部121の幅は、第二の薄膜123の膜厚の2倍以下に定められるように形成されている。空隙部124には、真空状態もしくは不活性ガスが封入されている。
Further, as shown in FIG. 21, the
このような構造の半導体装置においては、薄膜構造体125が検出光を光検出素子としての赤外線センサ画素103に集光し、感度を向上させることができる。この赤外線センサ画素103は、入射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収膜110及び赤外線吸収膜110で発生した熱による温度変化を電気信号に変換する熱電変換部108(pn接合ダイオード108)で構成されることから、効率的に赤外線を電気信号に変換することが可能となる。
In the semiconductor device having such a structure, the
尚、本実施形態では第二の薄膜123形成に通常のCVDプロセスを用いたが、この場合N2、Arなどのキャリアガスが空隙部124内に残る為、赤外線センサ画素103の断熱性が若干悪くなり、赤外線センサの感度が低下される。そこで、第二の薄膜123形成にCVDプロセスガスの存在するプラズマ発生部と成膜部が離れた構造をとるECRスパッタを用いることにより、空隙部124の残留ガス(不活性ガス)圧を低下させ赤外線センサ感度が低下することを抑制することができる。
In this embodiment, a normal CVD process is used to form the second
また、図21に示すように赤外線センサ画素103、LSI領域301以外の領域のエッチバック量及び第一及び第二犠牲膜112、113の膜厚、乾燥ベーク条件により規定される薄膜構造体125に適切な曲率を与えることにより、赤外線センサ画素103周辺の不感領域に入射する赤外線を赤外線センサ画素103上に集光し、感度を向上させることができる。従って、上記半導体装置の素子封止構造により、量産性、信頼性、歩留まりが高く、コストを減少させることができる。
In addition, as shown in FIG. 21, the
[第二実施形態]
図24〜図33は、本発明の第二の実施形態に係るMEMSデバイスとLSIが同一基板上に形成され、かつ両デバイス領域を熱、水分拡散を分離する領域分離構造体が形成され、MEMSデバイス上に素子封止構造を有する半導体装置の製造過程を断面図で概略的に示している。
[Second Embodiment]
24 to 33, the MEMS device according to the second embodiment of the present invention and the LSI are formed on the same substrate, and a region isolation structure for separating both the device regions from heat and moisture diffusion is formed. The manufacturing process of the semiconductor device which has an element sealing structure on a device is shown roughly with sectional drawing.
まず、図24に示されるように、半導体基板500上にMEMS領域400(第1領域)とLSI領域401(第2領域)が定められ、分離部に相当する領域にトレンチ溝が形成され、このトレンチ溝が絶縁膜で埋め込まれて、MEMSデバイス間の素子分離部402、LSIを構成する素子、例えば、トランジスタ間の素子分離部403及びMEMS領域とLSI領域との領域分離部404が形成される。LSIを構成する素子やMEMSデバイスの種類、及びそれらの間の電気的、熱的分離性の要求により、このトレンチ溝の深さはそれぞれ異なっても良い。本実施例においては、LSI領域とMEMS領域の分離部は、通常、同時にSTI(Shallow Trench Isolation)として形成され、領域分離部のみ別途DTI(Deep Trench Isolation)として形成される。
First, as shown in FIG. 24, a MEMS region 400 (first region) and an LSI region 401 (second region) are defined on a
次に、図25に示されるように、LSI領域401にトランジスタ405が通常のイオン注入、熱拡散、酸化、CVD、フォトリソグラフィー工程にて形成される。MEMS領域400には、シリサイド化されたポリシリコン配線406が同様の工程にて形成される。この配線406は、LSI領域401に接続され、MEMS領域400とLSI領域401の入出力配線としても良いが、通常高抵抗である為、MEMS領域内の内部配線として用いることが望ましい。また、このポリシリコン電極406は、トランジスタ405のゲート配線と同一工程で形成すると、工程数の削減ができ、より望ましい。この後、半導体基板500上に第一層間膜407が形成され、第一層間膜407がCMP(Chemical Mechanical Polishing)により平坦化される。この第一層間膜407の材質としては、SiO2、SiN、TEOS等特段に吸湿性の高くない膜を用いることが好ましい。即ち、第一層間膜407は、Siを主成分としO、N、C、Hの少なくとも一つを含有する絶縁膜で形成される。この後、フォトリソグラフィーによりコンタクトホールがパターンニングされ、RIE(Reactive Ion Etching)により第一層間膜407に開口が形成され、バリアメタルTiNがスパッタされ、タングステンがCVDにより埋め込まれる。その後、その表面がCMPにて平坦化されて第一コンタクト配線408が形成される。
Next, as shown in FIG. 25, a
次に、図26に示されるように、1層配線409が形成され、1層配線409及び第一層間膜407上に第二層間膜410が成膜される。この1層配線409は、LSI領域401に接続され、MEMS領域400とLSI領域401の入出力配線となる。第二層間膜410の材質に関しては、第一層間膜407と同様である。
Next, as shown in FIG. 26, a
尚、図24〜図26には、A−A’が付記されているが、このA−A’は、後に参照される図28に示されるA−A’線に沿った断面であることを意味している。 In FIGS. 24 to 26, AA ′ is appended, and this AA ′ is a cross section taken along the line AA ′ shown in FIG. 28 referred later. I mean.
次に、図27に示されるように、第二層間膜410上に第一犠牲層膜411が塗布法により形成される。犠牲層の形成方法、材質等に関しては第一実施形態と同様である。この後、第二コンタクト配線412と2層配線413を形成する為の溝がフォトリソグラフィーとRIEにて形成され、酸化バリアとしてのバリアメタルとしてTaNが20nm程度の膜厚で形成され、次にメッキ用シード層としてCuが80nm程度の膜厚でスパッタ形成される。バリアメタルとしては、Ti、Ta、Coまたはこれらの窒化物、或いはこれらの積層構造を用いても良い。この後、Cuが0.3um程度の厚さにメッキ形成され、CMPにより第一犠牲層膜411表面が現れるまで研磨後退させる。
Next, as shown in FIG. 27, a first
尚、図27には、B−B’が付記されているが、このB−B’は、図28に示されるB−B’線に沿った断面であることを意味している。また、図28は、図27のB−B’に沿ったレイヤーで透視して示す平面図である。 In FIG. 27, B-B ′ is appended, and this B-B ′ means a cross section along the line B-B ′ shown in FIG. 28. FIG. 28 is a plan view seen through a layer along B-B ′ in FIG. 27.
図28に示されるようにMEMS領域400を囲うように、領域分離部404と領域分離構造体414(支柱構造体)が設けられることとなるが、領域分離部404は、LSI領域401で発生した熱とノイズが基板500を通してMEMS領域400に伝導するのを抑制する。また、領域分離構造体414では、2層配線413と第二コンタクト配線412が壁上に連続して形成され、LSI領域401にて消費された電力によるジュール熱と、第一犠牲層膜411に吸湿されていた水分がMEMS領域400に拡散するのを抑制する。但し、MEMS領域400とLSI領域401間を延出される1層配線409は、それ自体が絶縁被覆されているが、第二コンタクト配線412に交差しないように配置形成されて第二コンタクト配線412に電気的に接触されない。
As shown in FIG. 28, a
次に、図29に示されるように第二犠牲層膜415が塗布法により形成される。犠牲層415の形成方法、材質等に関しては第一の実施の形態と同様である。次に、3層配線416を、上記二層配線413と同様にして形成する。この時、領域分離構造体414は、3層配線416によるMEMS領域400周囲を取り囲む、断続のない壁状の構造を形成する。
Next, as shown in FIG. 29, a second
次に、図30に示されるように第三犠牲層膜417が塗布法により形成される。犠牲層417の形成方法、材質等に関しては第一の実施の形態と同様である。次に、4層配線418を、上記二層配線413と同様にして形成する。この時、領域分離構造体414は、4層配線418によるMEMS領域400周囲を取り囲み、断続のない壁状の構造を形成する。
Next, as shown in FIG. 30, a third
次に、図31に示されるように第一のパッシベーション膜419(薄膜構造体)、例えばSiN膜がCVD法にて0.1μmの厚さで第三犠牲膜417上に堆積され、レジスト420が塗布される。この後、リソグラフィー技術とフッ素系のRIEにより、MEMS領域400、LSI領域401の内配線寄生容量が問題となる高速デバイス領域421上に、第一の開口422が形成される。また、LSI領域401の内信頼性を重視するデバイス領域423上には、第一の開口422を形成しなければよい。
Next, as shown in FIG. 31, a first passivation film 419 (thin film structure), for example, a SiN film is deposited on the third
次に、図32に示されるようにO2系のRIEにて第一乃至第三犠牲膜411、415、417がエッチング除去される。この時、犠牲膜厚が厚い為に、レジスト420はこの時点で除去される。この時点で、犠牲層が存在していた領域が空洞426となり、中空MEMS構造424、中空配線425が形成される。本実施例では、MEMSデバイス424として、静電スイッチを試作した。また、LSI領域401内の高速デバイス領域421の形成には、LSI領域内に、高速デバイス領域421の周囲を取り囲むように領域分離構造体414と同様のものを形成すれば良い。同時に、これらの領域分離構造体414は、空洞426上に第一のパッシベーション膜419を支え、LSI領域で発生した熱を放散する役目も兼ねている。パッシベーション膜419の強度が不足、或いは熱が閉じ込められ温度上昇による弊害がある場所には、適宜領域分離構造414を柱状、壁状に形成すれば良い。
Next, as shown in FIG. 32, the first to third
次に、図33に示されるように厚い第二のパッシベーション膜427(薄膜構造体)が成膜される。例えば、第二のパッシベーション膜427は、Arをキャリアガスとするスパッタ法にてSiO2膜が0.5μmの厚さで堆積されて形成される。この時、第一の開口パターン422の幅を第二のパッシベーション膜427の膜厚の2倍以下とすることにより、第二のパッシベーション膜427の膜横方向成長により第一の開口パターン422が塞がれる為、MEMS領域400、高速デバイス領域421はプロセス時の減圧Ar雰囲気に保持される。
Next, as shown in FIG. 33, a thick second passivation film 427 (thin film structure) is formed. For example, the
99、400…MEMS領域、 100…単結晶シリコン支持基板、 101…埋め込みシリコン酸化膜層、 102…単結晶シリコン層、 103…赤外線センサ画素、 104、105…支持配線、 106…水平配線、1層配線、 107…垂直配線、2層配線、 108…pn接合ダイオード、 109…画素内配線; 110…赤外線吸収膜、第三層間膜、 111…溝、 112…第一犠牲膜; 113…第二犠牲膜、 114…エッチング保護膜、 115…レジスト、 116、315…第一の開口、 117…第一の薄いSiO2膜、 118…第一の薄膜、 119…第二の薄いSiO2膜、 120…レジスト、 121、316…第二の開口、 122…中空構造、 123…第二の薄膜、 124…空隙部、 125…薄膜構造体、 301、401…LSI領域、 302…ゲート電極、 303、304…拡散層、 305、407…第一層間膜、 306…コンタクト、 307、410…第二層間膜、 308…3層配線、 309…3層−4層コンタクト、 310…4層配線、 311…3層配線パッシベーション膜、 312…シリコン酸化膜、 313…シリコン窒化膜、 314…4層配線パッシベーション膜、 405…トランジスタ、 408…第一コンタクト配線、 409…1層配線、 411…第一犠牲膜、 412…第二コンタクト配線、 413…2層配線、 414…領域分離構造、 415…第二犠牲膜、 414…領域分離構造体、 416…3層配線、 417…第三犠牲層膜、418…4層配線、 419…第一のパッシベーション膜、 420…レジスト、 421…高速デバイス領域、 422…第一の開口、 423…デバイス領域、 424…MEMSデバイス、 425…中空配線、 426…空洞、 427…第二のパッシベーション膜
99, 400 ... MEMS region, 100 ... Single crystal silicon support substrate, 101 ... Embedded silicon oxide film layer, 102 ... Single crystal silicon layer, 103 ... Infrared sensor pixel, 104, 105 ... Support wiring, 106 ... Horizontal wiring, one layer Wiring, 107 ... vertical wiring, two-layer wiring, 108 ... pn junction diode, 109 ... intra-pixel wiring; 110 ... infrared absorption film, third interlayer film, 111 ... groove, 112 ... first sacrificial film; 113 ... second
Claims (14)
前記第2領域に形成される集積回路と、
前記第1領域と前記第2領域との境界に壁状に形成され、前記第1及び第2領域を電気的且つ空間的に分離する支柱構造体と、
この支柱構造体に支持され、前記第1及び第2領域上を覆うように積層形成されている薄膜構造体と、
前記第1領域にある前記薄膜構造体下部に形成される空間に配置される機械的可動部を備え、前記集積回路に電気的に接続されている素子と、
を具備することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate having a first region and a second region adjacent to the first region;
An integrated circuit formed in the second region;
A pillar structure that is formed in a wall shape at the boundary between the first region and the second region, and that electrically and spatially separates the first and second regions;
A thin film structure that is supported by the support structure and is laminated so as to cover the first and second regions;
An element electrically connected to the integrated circuit, comprising a mechanically movable portion disposed in a space formed in the lower portion of the thin film structure in the first region;
A semiconductor device comprising:
前記支柱構造体とは分離して形成される前記素子及び前記集積回路の為の入出力配線を具備することを特徴とする請求項1、2、4いずれかに記載の半導体装置。 An interlayer insulating layer composed of a plurality of layers covering the integrated circuit, and at least one set of two or more consecutive layers of the plurality of layers includes Si as a main component and at least one of O, N, C, and H An interlayer insulating layer formed of an insulating film containing
5. The semiconductor device according to claim 1, further comprising an input / output wiring for the integrated circuit and the element formed separately from the support structure.
前記空間には、減圧状態もしくは不活性ガスが封入されることを特徴とする請求項1乃至5いずれかに記載の半導体装置。 The thin film structure is composed of a first thin film in which an opening leading to the space is formed at a predetermined position, and a second thin film formed on the first thin film and closing the opening,
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the space is filled with a reduced pressure state or an inert gas.
前記入出力配線は、前記素子間に配列され、前記素子の選択あるいは前記素子からの信号を読み出し、
前記薄膜構造体の第一の薄膜は、前記入出力配線上に接続支持された支持部を備え、前記空間に通ずる前記開口部が前記支持部以外の領域に設けられることを特徴とする請求項1乃至5、6、7いずれかに記載の半導体装置。 The elements are two-dimensionally arranged in the space,
The input / output wiring is arranged between the elements and selects the element or reads a signal from the element,
The first thin film of the thin film structure includes a support portion that is connected and supported on the input / output wiring, and the opening that leads to the space is provided in a region other than the support portion. The semiconductor device according to any one of 1 to 5, 6, and 7.
前記赤外線吸収層で発生した熱による温度変化を電気信号に変換する熱電変換部と、
前記赤外線吸収層と熱伝変換部とを前記空隙部内に支持し、前記熱伝変換部の入出力端に接続された支持配線とを有することを特徴とする請求項1乃至5、8いずれかに記載の半導体装置。 The element comprises an infrared absorbing layer that absorbs incident infrared radiation and converts it into heat;
A thermoelectric conversion unit that converts a temperature change due to heat generated in the infrared absorption layer into an electrical signal;
9. The device according to claim 1, further comprising a support wiring that supports the infrared absorption layer and the heat transfer conversion portion in the gap portion and is connected to an input / output end of the heat transfer conversion portion. A semiconductor device according to 1.
前記素子、前記集積回路、前記接続配線上に吸湿性の低い層間膜を形成し、
前記層間膜上に犠牲膜を堆積し、
前記素子配線及び前記集積回路の夫々に接続するように前記犠牲膜に配線層並びにコンタクトを形成するとともに前記素子を形成し、前記素子が形成される素子領域と前記集積回路が形成される集積回路領域との境界に壁状の支柱配線を形成し、
パッシベーション膜を堆積し、
前記素子領域上部の前記パッシベーション膜に第1の開口部を形成し、
前記第1の開口部から前記犠牲膜を除去してその内に第1の空間を形成して前記素子の前記可動部を前記空間内に配置し、
薄膜を堆積し、その横方向膜成長により前記開口部を密閉することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Element wiring for an element having a mechanical movable part to be formed in a space on a semiconductor substrate, an integrated circuit for processing a signal from the element, and a connection wiring for connecting the element and the integrated circuit Form the
A low hygroscopic interlayer film is formed on the element, the integrated circuit, and the connection wiring,
Depositing a sacrificial film on the interlayer film;
An integrated circuit in which a wiring layer and a contact are formed in the sacrificial film so as to be connected to the element wiring and the integrated circuit, and the element is formed, and an element region in which the element is formed and the integrated circuit is formed. Form a wall-shaped support wiring at the boundary with the area,
Deposit a passivation film,
Forming a first opening in the passivation film above the element region;
Removing the sacrificial film from the first opening to form a first space therein, and disposing the movable portion of the element in the space;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising depositing a thin film and sealing the opening by lateral film growth.
前記第2の開口部から前記犠牲膜を除去してその内に第2の空間を形成して前記集積回路に接続される配線を前記第2の空間内に配置することを特徴とする請求項12又は13に記載の半導体装置。 Forming a second opening in the passivation film above the element region;
The sacrificial film is removed from the second opening to form a second space therein, and wiring connected to the integrated circuit is disposed in the second space. 14. The semiconductor device according to 12 or 13.
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