JP2006297502A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Ikuo Fujiwara
郁夫 藤原
Hironaga Honda
浩大 本多
Kazuhiro Suzuki
和拓 鈴木
Yujiro Naruse
雄二郎 成瀬
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which has good conformity with an LSI process when MEMS devices and CMOS LSIs are mixedly mounted on the same substrate, and which can suppress the effects of moisture, heat, etc. generated from LSI regions on the MEMS devices. <P>SOLUTION: The semiconductor device comprises a semiconductor substrate (500) having a first region and a second region neighboring the first region, an integrated circuit (401) to be formed in the second region, a supporting column structure (414) which is formed on the boundary between the first region and the second region so as to have a wall shape and so as to electrically and spatially separate the first region and the second region, thin film structures (419, 427) which are supported by the supporting column structure and are laminated so as to cover the first region and the second region, and an element (424) which comprises a mechanical movable portion to be arranged in a space to be formed on the lower portion of the thin film structure existing in the first region, and which is electrically connected to the integrated circuit. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

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。
特開平10−115556公報
On the other hand, in the prior art described in Patent Document 1, a means for directly bonding an infrared transmitting window to a detection chip and hermetically sealing is proposed. In Patent Document 1, an infrared transmission window made of silicon is disposed on the front surface of an infrared detection array formed on a silicon substrate by polishing both surfaces and applying an antireflection film. The infrared transmission window and the infrared detection array are arranged through a gap, and the transmission window is hermetically bonded and fixed on the silicon substrate so as to surround the infrared detection array, and the inside of the gap is held in a vacuum. ing. The gap between the infrared detection array and the infrared transmission window is formed by using a convex step formed by a metallized layer formed on the bonding surface on the silicon substrate and a solder layer as bonding means. In addition, the vacuum sealing of the gap is realized by soldering the silicon substrate and the infrared transmission window so as to maintain a vacuum state of 1 × 10 −2 torr or less. In addition, a microlens array that is paired with each pixel of the infrared detection array is formed in the infrared transmission window, and infrared rays that are incident on the detector are condensed on the corresponding pixel by the microlens array.
JP-A-10-115556

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 oxide film layer 101 and a single crystal silicon layer 102 are sequentially stacked on a single crystal silicon support substrate 100 as a semiconductor substrate. So-called SOI substrates are used.

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 MEMS region 99, an infrared sensor pixel 103 as a semiconductor element is formed in the element region using a normal semiconductor process, and a support wiring 104 serving as an input / output wiring of the infrared sensor pixel 103. , 105, a horizontal wiring 106 for selecting the infrared sensor pixel 103 and supplying a bias voltage, and a vertical wiring 107 for reading out an output signal from the infrared sensor pixel 103 are formed in the wiring region. The infrared sensor pixel 103 includes a plurality of pn junction diodes 108 formed in the single crystal silicon layer 102, an intra-pixel wiring 109 connecting them, a silicon oxide film, and an infrared absorption film 110 made of a silicon nitride film. Here, a groove 111 reaching the surface of the single crystal silicon support substrate 100 is selectively formed in the MEMS region 99 by a dry process.

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 LSI region 301 shown in FIG. 3, a gate electrode 302, diffusion layers 303 and 304, a first interlayer film 305, a contact 306, a first-layer wiring 106 (formed in common with the horizontal wiring), a second interlayer film 307, a two-layer wiring 107 (formed in common with the vertical wiring), and a third interlayer film 110 (infrared absorbing film) are formed. When the groove 111 shown in FIG. 1 is formed, the LSI region 301 shown in FIG. 3 is protected by a resist mask.

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 infrared sensor pixel 103 and the LSI area 301 are etched back by a dry process. Thereafter, the first sacrificial film 112 is formed, and then the second sacrificial film 113 is formed. The first and second sacrificial films 112 and 113 are formed, for example, by applying a film obtained by adding several percent of Si to a cycloxan-based organic film using a spin coater and performing a dry baking process. The etching back amount, the thickness of the first and second sacrificial films 112 and 113, and the dry baking conditions define the curvature of the thin film structure 125 (FIG. 21) to be formed later. In the first embodiment, for an infrared sensor pixel of 20 μm, the etch back amount is 2 μm, the thicknesses of the first and second sacrificial films 112 and 113 are 1.5 μm, and the baking temperature is 350 ° C.

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 sacrificial films 112 and 113 may be any material that has etching selectivity in both the device passivation film and the microlens sealing structure. However, the parasitic capacitance between the CMOS LSI wiring layers can be reduced. In view of this, a low-k film having a so-called relative dielectric constant of less than 3.3 is desirable. For example, SiOC, methyl group-containing polysiloxane-based SiO2 (MSQ), polyimide, parylene-based organic film, hydrogen-containing polysiloxane-based SiO2 (HSQ ), And films in which pores are introduced into these films are desirable. Further, the film forming method is not limited to spin coating (coating method), and CVD may be used.

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 LSI region 301, a three-layer wiring 308 is formed on the third interlayer film 110. Here, as a more desirable form, a wiring protective film is formed around the three-layer wiring 308. Specifically, when the three-layer wiring 308 is formed, a barrier metal, for example, Ti, TiN, or a laminated structure thereof is formed as the layer structure on the top and bottom. Thereafter, the three-layer wiring 308 is patterned by photolithography, and a barrier metal is formed again by sputtering or the like. Thereafter, the barrier metal is etched back to form a barrier metal on the side wall of the third layer wiring. Next, a first sacrificial film 112 is formed. Thereafter, a three-layer / four-layer contact 309 is formed, but here again more desirably, barrier metal is formed on the periphery and the bottom in order to prevent oxidation of the contact metal. Thereafter, a four-layer wiring 310 is formed, and a second sacrificial film 113 is formed. For the four-layer wiring 310, a barrier metal is formed in the same manner as the three-layer wiring 309.

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 protective film 114 of the sacrificial film 113, for example, an SiO 2 film is deposited on the sacrificial film 113 to a thickness of 0.1 μm by a CVD method, and a resist 115 is applied. The Thereafter, in the MEMS region 99, first openings 116 are formed on every other (even or odd number) horizontal wiring 106 and vertical wiring 107 by lithography.

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 LSI region 301, the etching protection film 114 is removed by etching in a part of the upper region of the four-layer wiring 310 by fluorine-based dry etching.

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 sacrificial films 112 and 113 are etched away by O 2 RIE. At this time, since the total of the first and second sacrificial films 112 and 113 is as thick as 3 μm, the resist 115 shown in FIG. 9 is removed at this point.

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 etching protection film 114 is etched back by fluorine-based dry etching. Thereafter, a first thin SiO 2 film 117 is formed, a first thin film 118 is formed on the SiO 2 film 117, and a second thin SiO 2 film 119 is formed on the first thin film 118. Be filmed. For example, in the present embodiment, the first thin SiO 2 film 117 is deposited with a thickness of 20 nm by a CVD method, and the first thin film 118 is an amorphous silicon film with a thickness of 0.1 μm by a 350 ° CVD method. The second thin SiO2 film 119 is deposited with a thickness of 20 nm by a CVD method. The material of the first thin film 118 is not limited to amorphous silicon in this patent, but is a material that transmits an infrared wavelength region, such as silicon, copper chloride, germanium, lead selenide, zinc sulfide, or cadmium sulfide. What is necessary is just to be comprised from the film | membrane containing this.

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 thin film 118 needs to be formed with the second openings 121 and 316, and a thick film is not preferable from the viewpoint of the selection ratio with respect to the resist 120 serving as a mask and the etching aspect ratio. More preferably, it is 1 μm or less. Thereafter, after the resist 120 is applied, a second opening pattern 121 is formed in the MEMS region 99 in the region on the horizontal wiring 106 and the vertical wiring 107 where the first opening 116 is not formed by lithography. The

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 LSI region 301, the second opening pattern 316 is formed in a region other than the first opening pattern 315. Thereafter, the first thin SiO 2 film 117 is removed by fluorine-based dry etching, the first thin film 118 is removed by CF-based dry etching, and the second thin SiO 2 film is removed by fluorine-based dry etching. 119 is removed.

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 sacrificial films 112 and 113 and the resist 120 are removed by O 2 isotropic dry etching, for example, O 2 plasma asher. After removal, a void 124 is formed. Here, in the present embodiment, a device that places importance on high-speed operability as an LSI is mixedly mounted in the LSI region 301, and the first and second sacrificial films 112 and 113 that become wiring interlayer films are removed to reduce wiring capacitance. The three-layer and four-layer wirings 308 and 310 are formed as aerial wirings extending in the space. However, in a device in which reliability is more important, the first and second sacrificial films 112 and 113 in the LSI region 301 are formed. It is better to leave without removing. In this case, the second opening pattern 316 in the LSI region 301 shown in FIG.

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 first openings 116 and 315 and the second openings are obtained from the strength required for the thin film structure 125 including the first thin film 118 and the second thin film 123 and the removability of the first and second sacrificial films 112 and 113. The patterns of the openings 121 and 316 are determined, and the optimum pattern varies depending on the cell size of the MEMS device, the wiring pitch of the LSI, and the like, and is not limited to the pattern shown in the drawing according to the present embodiment.

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SiO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 silicon support substrate 100 by anisotropic silicon wet etching using TMAH (Tetra-Methyl-Ammonium-Hydroxide). At this time, since the three-layer and four-layer wirings 308 and 310 existing in the LSI region 301 are respectively covered by the three-layer and four-layer passivation films 311 and 314 having a laminated structure, etch pits generated in the wiring step portions. This is effective for suppression and can prevent etching of the wiring by TMAH. Thereafter, the first and second thin SiO 2 films 117 and 119 are removed by fluorine-based isotropic etching.

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 thin film 123 is formed. For example, the second thin film 123 is formed by depositing an amorphous silicon film with a thickness of 3 μm by a CVD method of 350 degrees. At this time, by setting the width of the second opening patterns 121 and 316 to be equal to or less than the film thickness of the second thin film 123, the second opening patterns 121 and 316 are formed by the CVD lateral growth of the second thin film 123. Since they are closed, the voids 124 and 317 formed on the hollow structure 122 and the infrared sensor pixel 103 and on the LSI region 301 are maintained at the degree of vacuum during the CVD process, and the thin film structure 125 is formed.

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, infrared sensor pixels 103 as semiconductor elements are two-dimensionally arranged and formed on a semiconductor substrate 100 (single crystal silicon support substrate 100) as shown in FIGS. . Each infrared sensor pixel 103 is formed in an element region on the semiconductor substrate 100, a horizontal wiring 106 for selecting the infrared sensor pixel 103, support wirings 104 and 105 for reading signals from the infrared sensor pixel 103, a vertical wiring 107, These wirings (support wirings 104 and 105, horizontal wiring 106, and vertical wiring 107) are arranged in a wiring region around the element region. The remaining infrared absorption film 110 covers the support wirings 104 and 105, the horizontal wiring 106 and the vertical wiring 107 as a passivation film, and the support wirings 104 and 105 are extended to support the infrared sensor pixel 103, and the infrared rays The sensor pixel 103 is held in the space in a suspended state by the support wirings 104 and 105. The thin film structure 125 covers the gap 124 from at least a part of the wiring region (for example, the upper part of the infrared absorption film 110 of the vertical wiring 107 as shown in FIG. 21), and the infrared sensor pixel 103 is airtight from the outside space. It constitutes the structure to be isolated.

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 thin film structure 125 includes a first thin film 118 having an opening 121 that communicates with the gap 124, and a second thin film 123 that closes the opening 121. As described above, the first thin film 118 is thinner than the second thin film 123, and the width of the opening 121 is twice the thickness of the second thin film 123. It is formed as defined below. The gap 124 is filled with a vacuum state or an inert gas.

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 thin film structure 125 can focus the detection light on the infrared sensor pixel 103 as a light detection element and improve the sensitivity. The infrared sensor pixel 103 includes an infrared absorption film 110 that absorbs incident infrared rays and converts the infrared rays into heat, and a thermoelectric conversion unit 108 (pn junction diode 108) that converts a temperature change caused by the heat generated in the infrared absorption film 110 into an electric signal. Since it is comprised, it becomes possible to convert infrared rays into an electric signal efficiently.

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 thin film 123. In this case, since the carrier gas such as N 2 and Ar remains in the gap 124, the heat insulation of the infrared sensor pixel 103 is slightly worse. Thus, the sensitivity of the infrared sensor is reduced. Therefore, the residual gas (inert gas) pressure in the gap 124 is reduced by using ECR sputtering in which the plasma generating part where the CVD process gas exists and the film forming part are separated in forming the second thin film 123. It can suppress that an infrared sensor sensitivity falls.

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 thin film structure 125 defined by the etch back amount of the region other than the infrared sensor pixel 103 and the LSI region 301, the thicknesses of the first and second sacrificial films 112 and 113, and the dry baking conditions is provided. By giving an appropriate curvature, the infrared rays incident on the insensitive area around the infrared sensor pixel 103 can be condensed on the infrared sensor pixel 103 and the sensitivity can be improved. Therefore, the element sealing structure of the semiconductor device has high mass productivity, high reliability, and high yield, and can reduce the cost.

[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 semiconductor substrate 500, and a trench groove is formed in a region corresponding to an isolation portion. The trench groove is filled with an insulating film to form an element isolation part 402 between MEMS devices, an element constituting an LSI, for example, an element isolation part 403 between transistors and an area isolation part 404 between the MEMS region and the LSI region. . Depending on the types of elements and MEMS devices constituting the LSI and the requirements for electrical and thermal isolation between them, the depth of the trench groove may be different. In the present embodiment, the separation portion of the LSI region and the MEMS region is normally formed simultaneously as STI (Shallow Trench Isolation), and only the region separation portion is separately formed as DTI (Deep Trench Isolation).

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 transistor 405 is formed in the LSI region 401 by ordinary ion implantation, thermal diffusion, oxidation, CVD, and photolithography. In the MEMS region 400, a silicided polysilicon wiring 406 is formed in the same process. The wiring 406 is connected to the LSI region 401 and may be used as an input / output wiring for the MEMS region 400 and the LSI region 401. However, since the wiring 406 is usually high resistance, it is desirable to use it as an internal wiring in the MEMS region. Further, it is more preferable that the polysilicon electrode 406 be formed in the same process as the gate wiring of the transistor 405 because the number of processes can be reduced. Thereafter, a first interlayer film 407 is formed on the semiconductor substrate 500, and the first interlayer film 407 is planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing). As the material of the first interlayer film 407, it is preferable to use a film that is not particularly highly hygroscopic, such as SiO2, SiN, TEOS. That is, the first interlayer film 407 is formed of an insulating film containing Si as a main component and containing at least one of O, N, C, and H. Thereafter, contact holes are patterned by photolithography, an opening is formed in the first interlayer film 407 by RIE (Reactive Ion Etching), barrier metal TiN is sputtered, and tungsten is buried by CVD. Thereafter, the surface is flattened by CMP to form the first contact wiring 408.

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 first layer wiring 409 is formed, and a second interlayer film 410 is formed on the first layer wiring 409 and the first interlayer film 407. This one-layer wiring 409 is connected to the LSI region 401 and serves as an input / output wiring for the MEMS region 400 and the LSI region 401. The material of the second interlayer film 410 is the same as that of the first interlayer film 407.

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 sacrificial layer film 411 is formed on the second interlayer film 410 by a coating method. The method for forming the sacrificial layer, the material, and the like are the same as in the first embodiment. Thereafter, a groove for forming the second contact wiring 412 and the two-layer wiring 413 is formed by photolithography and RIE, TaN is formed with a film thickness of about 20 nm as a barrier metal as an oxidation barrier, and then plated. As a seed layer, Cu is formed by sputtering with a film thickness of about 80 nm. As the barrier metal, Ti, Ta, Co, nitrides thereof, or a laminated structure thereof may be used. Thereafter, Cu is plated to a thickness of about 0.3 μm, and the polishing is retreated until the surface of the first sacrificial layer film 411 appears by CMP.

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 region separation unit 404 and a region separation structure 414 (post structure) are provided so as to surround the MEMS region 400. The region separation unit 404 is generated in the LSI region 401. Heat and noise are prevented from conducting to the MEMS region 400 through the substrate 500. In the region isolation structure 414, the two-layer wiring 413 and the second contact wiring 412 are continuously formed on the wall, and the Joule heat due to the power consumed in the LSI region 401 and the first sacrificial layer film 411 are formed. The moisture that has been absorbed is prevented from diffusing into the MEMS region 400. However, the single-layer wiring 409 extending between the MEMS region 400 and the LSI region 401 is covered with insulation, but is disposed and formed so as not to intersect the second contact wiring 412. There is no electrical contact.

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 sacrificial layer film 415 is formed by a coating method. The formation method, material, and the like of the sacrificial layer 415 are the same as those in the first embodiment. Next, the three-layer wiring 416 is formed in the same manner as the two-layer wiring 413. At this time, the region isolation structure 414 forms an uninterrupted wall-like structure surrounding the MEMS region 400 by the three-layer wiring 416.

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 sacrificial layer film 417 is formed by a coating method. The formation method, material, and the like of the sacrificial layer 417 are the same as those in the first embodiment. Next, the four-layer wiring 418 is formed in the same manner as the two-layer wiring 413. At this time, the region isolation structure 414 surrounds the periphery of the MEMS region 400 by the four-layer wiring 418 and forms a wall-like structure without interruption.

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 sacrificial film 417 to a thickness of 0.1 μm by CVD, and a resist 420 is formed. Applied. Thereafter, a first opening 422 is formed on the high-speed device region 421 in which the internal wiring parasitic capacitance of the MEMS region 400 and the LSI region 401 becomes a problem by lithography technology and fluorine-based RIE. Further, the first opening 422 may not be formed on the device region 423 that places importance on the internal reliability of the LSI region 401.

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 sacrificial films 411, 415, and 417 are etched away by O 2 RIE. At this time, since the sacrificial film thickness is large, the resist 420 is removed at this point. At this point, the region where the sacrificial layer was present becomes the cavity 426, and the hollow MEMS structure 424 and the hollow wiring 425 are formed. In this example, an electrostatic switch was prototyped as the MEMS device 424. The high-speed device region 421 in the LSI region 401 may be formed by forming the same region isolation structure 414 as surrounding the high-speed device region 421 in the LSI region. At the same time, these region isolation structures 414 also support the first passivation film 419 on the cavity 426 and also serve to dissipate heat generated in the LSI region. The region separation structure 414 may be appropriately formed in a columnar shape or a wall shape where the strength of the passivation film 419 is insufficient or heat is confined and there is a harmful effect due to temperature rise.

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 second passivation film 427 is formed by depositing a SiO 2 film with a thickness of 0.5 μm by a sputtering method using Ar as a carrier gas. At this time, by setting the width of the first opening pattern 422 to be equal to or less than twice the thickness of the second passivation film 427, the first opening pattern 422 is blocked by the lateral growth of the second passivation film 427. Therefore, the MEMS region 400 and the high-speed device region 421 are maintained in a reduced pressure Ar atmosphere during the process.

この発明の第一実施形態に係る半導体装置の製造工程におけるMEMS領域における素子封止構造を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the element sealing structure in the MEMS area | region in the manufacturing process of the semiconductor device which concerns on 1st embodiment of this invention. 図1に示される素子封止構造の半導体装置を概略的に示す平面図である。FIG. 2 is a plan view schematically showing a semiconductor device having an element sealing structure shown in FIG. 1. 図1に示される素子封止構造が形成される半導体装置のLSI領域における構造を概略的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a structure in an LSI region of the semiconductor device in which the element sealing structure shown in FIG. 1 is formed. 図1に示される製造工程に続く半導体装置の製造工程におけるMEMS領域における素子封止構造を概略的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an element sealing structure in a MEMS region in a semiconductor device manufacturing process following the manufacturing process shown in FIG. 1. 図4に示される素子封止構造の半導体装置を概略的に示す平面図である。FIG. 5 is a plan view schematically showing a semiconductor device having an element sealing structure shown in FIG. 4. 図4に示される素子封止構造が形成される半導体装置のLSI領域における構造を概略的に示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a structure in an LSI region of a semiconductor device in which the element sealing structure shown in FIG. 4 is formed. 図4に示される製造工程に続く半導体装置の製造工程におけるMEMS領域における素子封止構造を概略的に示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing an element sealing structure in a MEMS region in a semiconductor device manufacturing process following the manufacturing process shown in FIG. 4. 図7に示される素子封止構造の半導体装置を概略的に示す平面図である。FIG. 8 is a plan view schematically showing a semiconductor device having an element sealing structure shown in FIG. 7. 図7に示される素子封止構造が形成される半導体装置のLSI領域における構造を概略的に示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a structure in an LSI region of a semiconductor device in which the element sealing structure shown in FIG. 7 is formed. 図7に示される製造工程に続く半導体装置の製造工程におけるMEMS領域における素子封止構造を概略的に示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing an element sealing structure in a MEMS region in a semiconductor device manufacturing process following the manufacturing process shown in FIG. 7. 図10に示される素子封止構造の半導体装置を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the semiconductor device of the element sealing structure shown by FIG. 図10に示される素子封止構造が形成される半導体装置のLSI領域における構造を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the structure in the LSI area | region of the semiconductor device in which the element sealing structure shown by FIG. 10 is formed. 図10に示される製造工程に続く半導体装置の製造工程におけるMEMS領域における素子封止構造を概略的に示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing an element sealing structure in a MEMS region in a semiconductor device manufacturing process following the manufacturing process shown in FIG. 10. 図13に示される素子封止構造の半導体装置を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the semiconductor device of the element sealing structure shown by FIG. 図13に示される素子封止構造が形成される半導体装置のLSI領域における構造を概略的に示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing a structure in an LSI region of a semiconductor device in which the element sealing structure shown in FIG. 13 is formed. 図13に示される製造工程に続く半導体装置の製造工程におけるMEMS領域における素子封止構造を概略的に示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing an element sealing structure in a MEMS region in a semiconductor device manufacturing process following the manufacturing process shown in FIG. 13. 図16に示される素子封止構造の半導体装置を概略的に示す平面図である。FIG. 17 is a plan view schematically showing the semiconductor device having the element sealing structure shown in FIG. 16. 図16に示される素子封止構造が形成される半導体装置のLSI領域における構造を概略的に示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view schematically showing a structure in an LSI region of a semiconductor device in which the element sealing structure shown in FIG. 16 is formed. 図16に示される製造工程に続く半導体装置の製造工程におけるMEMS領域における素子封止構造を概略的に示す断面図である。FIG. 17 is a cross sectional view schematically showing an element sealing structure in a MEMS region in a semiconductor device manufacturing process following the manufacturing process shown in FIG. 16. 図19に示される素子封止構造が形成される半導体装置のLSI領域における構造を概略的に示す断面図である。FIG. 20 is a cross-sectional view schematically showing a structure in an LSI region of the semiconductor device in which the element sealing structure shown in FIG. 19 is formed. 図1〜図20の製造工程を経て完成された本発明の第一実施形態に係るMEMS領域における素子封止構造の半導体装置を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the semiconductor device of the element sealing structure in the MEMS area | region which concerns on 1st embodiment of this invention completed through the manufacturing process of FIGS. 図21に示される素子封止構造が形成される半導体装置のLSI領域における構造を概略的に示す断面図である。FIG. 22 is a cross-sectional view schematically showing a structure in an LSI region of the semiconductor device in which the element sealing structure shown in FIG. 21 is formed. 図21に示される素子封止構造が形成される半導体装置のLSI領域における構造を概略的に示す断面図である。FIG. 22 is a cross-sectional view schematically showing a structure in an LSI region of the semiconductor device in which the element sealing structure shown in FIG. 21 is formed. 本発明の第2実施形態に係るCMOSとLSIと同一基板上に混載し、素子封止構造を有する半導体装置の製造過程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the manufacture process of the semiconductor device which mixedly mounts CMOS and LSI which concern on 2nd Embodiment of this invention on the same board | substrate, and has an element sealing structure. CMOSとLSIと同一基板上に混載し、素子封止構造を有する半導体装置の製造過程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the manufacturing process of the semiconductor device which mixedly mounts CMOS and LSI on the same board | substrate, and has an element sealing structure. CMOSとLSIと同一基板上に混載し、素子封止構造を有する半導体装置の製造過程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the manufacturing process of the semiconductor device which mixedly mounts CMOS and LSI on the same board | substrate, and has an element sealing structure. CMOSとLSIと同一基板上に混載し、素子封止構造を有する半導体装置の製造過程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the manufacturing process of the semiconductor device which mixedly mounts CMOS and LSI on the same board | substrate, and has an element sealing structure. CMOSとLSIと同一基板上に混載し、素子封止構造を有する半導体装置を概略的に示す平面図である。It is a top view which shows roughly the semiconductor device which mixedly mounts CMOS and LSI on the same board | substrate, and has an element sealing structure. CMOSとLSIと同一基板上に混載し、素子封止構造を有する半導体装置の製造過程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the manufacturing process of the semiconductor device which mixedly mounts CMOS and LSI on the same board | substrate, and has an element sealing structure. CMOSとLSIと同一基板上に混載し、素子封止構造を有する半導体装置の製造過程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the manufacturing process of the semiconductor device which mixedly mounts CMOS and LSI on the same board | substrate, and has an element sealing structure. CMOSとLSIと同一基板上に混載し、素子封止構造を有する半導体装置の製造過程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the manufacturing process of the semiconductor device which mixedly mounts CMOS and LSI on the same board | substrate, and has an element sealing structure. CMOSとLSIと同一基板上に混載し、素子封止構造を有する半導体装置の製造過程を概略的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows roughly the manufacturing process of the semiconductor device which mixedly mounts CMOS and LSI on the same board | substrate, and has an element sealing structure. CMOSとLSIと同一基板上に混載し、素子封止構造を有する半導体装置を概略的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device in which a CMOS and an LSI are mixedly mounted on the same substrate and have an element sealing structure.

符号の説明Explanation of symbols

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 sacrificial film 114, Etching protection film, 115 ... Resist, 116, 315 ... First opening, 117 ... First thin SiO2 film, 118 ... First thin film, 119 ... Second thin SiO2 film, 120 ... Resist, 121, 316, second opening, 122, hollow structure, 123, second thin film, 124, gap, 125, thin film structure 301, 401 ... LSI region, 302 ... Gate electrode, 303, 304 ... Diffusion layer, 305, 407 ... First interlayer film, 306 ... Contact, 307, 410 ... Second interlayer film, 308 ... Three-layer wiring, 309 ... 3 layer-4 layer contact, 310 ... 4 layer wiring, 311 ... 3 layer wiring passivation film, 312 ... silicon oxide film, 313 ... silicon nitride film, 314 ... 4 layer wiring passivation film, 405 ... transistor, 408 ... first contact Wiring, 409... Single layer wiring, 411... First sacrificial film, 412... Second contact wiring, 413... Two layer wiring, 414 ... Area isolation structure, 415. Three-layer wiring, 417 ... third sacrificial layer film, 418 ... four-layer wiring, 419 ... first passivation film, 42 ... resist, 421 ... fast device region, 422 ... first opening, 423 ... device region, 424 ... MEMS device 425 ... hollow wire, 426 ... cavity, 427 ... second passivation film

Claims (14)

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。
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:
前記素子と前記集積回路とを接続し、前記支柱構造体とは電気的に絶縁されて前記支柱構造体を貫通して延出される配線を含む配線層を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。     2. The wiring layer including the wiring that connects the element and the integrated circuit, is electrically insulated from the support structure, and extends through the support structure. The semiconductor device described. 前記半導体基板には、前記第1及び第2領域を分離する絶縁膜が形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。     The semiconductor device according to claim 1, wherein an insulating film that separates the first and second regions is formed on the semiconductor substrate. 前記支柱構造体は、少なくともTi、Ta、Coまたはこれらの窒化物からなる酸化バリア層を表面に有するCuから構成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。     3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the pillar structure is made of Cu having an oxidation barrier layer made of at least Ti, Ta, Co, or a nitride thereof on a surface thereof. 前記集積回路を被覆する複数層から構成される層間絶縁層であって、この複数層の少なくとも一組以上の連続した2層は、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層間絶縁層と、
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.
前記薄膜構造体は、前記空間に通ずる開口部が所定位置に形成された第一の薄膜と、前記第一の薄膜上に形成され、この開口部を塞ぐ第二の薄膜とから構成され、
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.
前記開口部の幅は、前記第二の薄膜の膜厚の2倍以下であることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 6, wherein the width of the opening is not more than twice the film thickness of the second thin film. 前記素子は、前記空間内に二次元配列され、
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.
前記素子は、入射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収層と、
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.
前記薄膜構造体はシリコン、塩化銅、ゲルマニウム、セレン化鉛、硫化亜鉛、硫化カドミウムのうち少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 9, wherein the thin film structure includes at least one of silicon, copper chloride, germanium, lead selenide, zinc sulfide, and cadmium sulfide. 前記熱電変換部は、シリコンpn接合ダイオードからなることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 9, wherein the thermoelectric conversion unit includes a silicon pn junction diode. 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、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.
前記犠牲膜は、炭素を主骨格とする絶縁膜、もしくは膜中に空孔を有する絶縁膜であり、その誘電率が3.3未満であることを特徴とする請求項12に記載の半導体装置。   13. The semiconductor device according to claim 12, wherein the sacrificial film is an insulating film having carbon as a main skeleton or an insulating film having pores in the film, and has a dielectric constant of less than 3.3. . 前記素子領域上部の前記パッシベーション膜に第2の開口部を形成し、
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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