JP2007160495A - Mems振動子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】MEMS構造体部分のサイドウォール状のエッチング残りを防止することにより、信頼性の高いMEMS振動子及びその製造方法を提供することにある。
【解決手段】MEMS振動子は、基板10と、基板10上に形成される固定電極12と、固定電極12に対向して配置され、固定電極12との間隙28に働く静電引力又は静電反発力により駆動する可動電極14と、を含み、可動電極14は、固定電極12に対向する可動電極14の支持梁24の内側面が傾斜面40を有する。
【選択図】図2

Description

本発明は、MEMS振動子及びその製造方法に関する。
近年MEMSは加速度センサ、映像デバイスなどで順調にその成長を見せている。MEMSは、Micro Electro Mechanical Systemの略称であり、その包含する概念範囲には種々の解釈があって、マイクロマシン、MST(Micro System Technology)と呼ばれる場合もあるが、通常、「半導体製造技術を用いて作製された微小な機能素子」を意味するものとされる。それらは従来の半導体で培われた微細加工技術をベースとして製造されている。ただ、現在ではMEMS単体での製造であるか又は、ICを製造後に後から作りこむなどのプロセスにより製造されている。
半導体デバイスの微細化、高集積化の傾向に伴い、スルーホール或いはコンタクトホール(以下単にホールと呼ぶ)は微細化し、そのためにメタル配線は高い信頼性が要求されるようになってきている。そのためにホールにおいては、配線メタルの高いカバレージ率が必要不可欠になり、スルーホール或いはコンタクトホールにおける配線メタルのカバレージ率の改善に関し、ホールのアスペクト比が大きい場合においても配線メタルのカバレージ率を改善することが可能な方法として、形成されるホールの底部近傍の、ホールを囲む位置に、予めストッパー膜を形成する工程と、ストッパー膜の内壁にサイドウォールを形成する工程と、による半導体デバイスの製造方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、厚いフィールド酸化膜を有する絶縁ゲート型等の半導体装置の製造方法においては、そのフィールド酸化膜の加工形状が悪いと、ゲート電極や主電流を流すAl等の主配線に、フィールド酸化膜の肩口で配線細りが生じ、極端な場合配線の段切れが発生して、電極配線の信頼性が著しく損なわれてしまう。このような問題を低減するためには、厚いフィールド酸化膜に対して任意の角度のテーパーを容易に形成することを可能にすると共に、テーパー角度の加工制御性を高めた半導体装置の製造方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開平5−6891号公報 特開平7−66280号公報
従来、MEMS振動子のMEMS構造体部分にサイドウォール状のエッチング残りが発生したとしても、強めのオーバーエッチングで取り除くか、又はそのまま残されていた。今後は、IC製造と同時に形成するMEMSプロセスにおいて、MEMS構造部の平坦化が必要になってくる。このことから、MEMS構造体部分のサイドウォール状のエッチング残りを防止することができれば、MEMS振動子の信頼性を高めることができる。
本発明の目的は、MEMS構造体部分のサイドウォール状のエッチング残りを防止することにより、信頼性の高いMEMS振動子及びその製造方法を提供することにある。
(1)本発明に係るMEMS振動子は、基板と、前記基板上に形成される固定電極と、前記固定電極に対向して配置され、前記固定電極との間隙に働く静電引力又は静電反発力により駆動する可動電極と、を含み、前記可動電極は、前記固定電極に対向する前記可動電極の支持梁の内側面が傾斜面を有する。
本発明によれば、可動電極の支持梁の内側面が傾斜面であることにより、可動電極の支持梁の断面形状を滑らかにすることが可能となり、可動電極のサイドウォール状のエッチング残りが防止できる。これにより、MEMS構造体の動作の妨げ又は電流リークなどが改善でき、信頼性の高いMEMS振動子を提供することができる。
(2)このMEMS振動子は、前記傾斜面は傾斜角を持ってもよい。
(3)本発明に係るMEMS振動子において、基板と、前記基板上に形成される固定電極と、前記固定電極に対向して配置され、前記固定電極との間隙に働く静電引力又は静電反発力により駆動する可動電極と、を含み、前記固定電極は側面部にテーパー面を有する。
本発明によれば、固定電極の側面部のテーパー面により、固定電極の側面部の断面形状を滑らかにすることが可能となり、可動電極のサイドウォール状のエッチング残りが防止できる。これにより、MEMS構造体の動作の妨げ又は電流リークなどが改善でき、信頼性の高いMEMS振動子を提供することができる。
(4)このMEMS振動子において、前記テーパー面は傾斜角を持ってもよい。
(5)このMEMS振動子は、前記間隙は一定の間隔であってもよい。
(6)本発明に係るMEMS振動子の製造方法は、基板上に、側面部にサイドウォールを有する固定電極を形成すること、前記固定電極上に間隙を設けて対向配置するように可動電極を形成することを含む。
本発明によれば、固定電極の側面部にサイドウォールを形成することにより、可動電極の支持梁の内側面を傾斜面にすることで、可動電極の支持梁の断面形状を滑らかにすることが可能となり、可動電極のサイドウォール状のエッチング残りが防止できる。これにより、MEMS構造体の動作の妨げ又は電流リークなどが改善でき、信頼性の高いMEMS振動子の製造方法を提供することができる。
(7)本発明に係るMEMS振動子の製造方法は、基板上に、側面部にテーパー面を有する固定電極を形成すること、前記固定電極上に間隙を設けて対向配置するように可動電極を形成することを含む。
本発明によれば、固定電極の側面部のテーパー面により、固定電極の側面部の断面形状を滑らかにすることが可能となり、可動電極のサイドウォール状のエッチング残りが防止できる。これにより、MEMS構造体の動作の妨げ又は電流リークなどが改善でき、信頼性の高いMEMS振動子の製造方法を提供することができる。
(8)このMEMS振動子の製造方法は、前記可動電極の形成は、前記固定電極上に犠牲膜を形成すること、その後、前記基板及び前記犠牲膜上に前記固定電極の少なくとも一部が対向配置されるように前記可動電極を形成することをさらに含んでもよい。
以下、本発明を適用した実施の形態について図面を参照して説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明を適用した第1の実施の形態に係るMEMS振動子を示す概略平面図である。図2は、本発明を適用した第1の実施の形態に係るMEMS振動子の断面図である。本実施の形態に係るMEMS振動子は、図2に示すように、基板10と、この表面上に設けられたMEMS構造体とによって構成されている。
基板10は、単結晶半導体基板、例えば、シリコン(Si)、ガリウム砒素(GaAs)などの基板を用いることができる。特に、単結晶シリコン基板であることが望ましい。基板10の表面上には、多結晶シリコンで構成された固定電極12及び可動電極14が形成されている。
固定電極12は全体として薄板状に構成され、絶縁膜11を介して基板10上に配置されている。固定電極12の側面部にサイドウォール16が形成されている。ここで、サイドウォールとは、固定電極12の基部側(基板10側)に近づくに従って厚みが増加する状態を示す。サイドウォール16の外周面は平面又は曲面であってもよい。サイドウォール16は傾斜角を持っていてもよい。サイドウォール16の傾斜角度は、例えば、5〜15度の傾斜を有する。固定電極12は、犠牲膜20及び絶縁膜22を貫通して絶縁膜22上に延びる配線層18に配線されている。固定電極12は、配線層18により配線されるが、配線層18とは異なる階層に設けられたCu,Al,Ta,Cr,W等の金属などからなる導電体により配線されるように構成してもよい。
可動電極14は、全体として薄板状に構成され、固定電極12の直上に配置されている。可動電極14は、支持梁24により、いわゆる片持ち梁式に構成されている。また、支持梁24は、帯状若しくは棒状に構成され、その端部に設けられた被固定部26は絶縁膜11を介して基板10上に設けられている。可動電極14は、両持ち梁式或いは3箇所以上の支持梁で構成されていてもよい。可動電極14は、間隙28を介して、固定電極12に対向して配置されている。間隙28は一定の間隔であってもよい。可動電極14は、固定電極12に対向する可動電極14の支持梁24の内側面が傾斜面40を有する。傾斜面40は平面又は曲面であってもよい。傾斜面40は可動電極14の支持梁24の内側面の全域に連続する面であってもよい。傾斜面40は傾斜角を持っていてもよい。傾斜面40の傾斜角度は、例えば、5〜15度の傾斜を有する。傾斜面40を設けることにより、支持梁24を長く設けてもよい。可動電極14の被固定部26は、絶縁膜22を貫通して絶縁膜22上に延びる配線層30に配線されている。可動電極14の被固定部26は、配線層30により配線されるが、配線層30とは異なる階層に設けられたCu,Al,Ta,Cr,W等の金属などからなる導電体により配線されるように構成してもよい。
開口部32は、固定電極12の一部及び可動電極14は可動電極14の可動部分にほぼ対応する領域で、可動電極14と固定電極12との間に所定の間隙28が確保されるように開口されている。
ここで、可動電極14は板状に構成され、支持梁24は梁状(細幅の帯状若しくは棒状)に構成されていることにより、可動電極14が後述するように固定電極12に対して接離する方向に移動するとき、主として支持梁24が撓み変形し、可動電極14は支持梁24に比べて変形しにくく構成されている。可動電極14は、支持梁24によって基板10上において下層の固定電極12との間に間隙28を有する状態で支持され、その結果、可動電極14は、支持梁24の弾性変形によって基板10側に移動可能な状態となっている。
配線層18,30上には配線層絶縁膜34が形成され、この配線層絶縁膜34上に保護膜36が形成されている。
本実施の形態に係るMEMS振動子は、可動電極14は固定電極12との間隙28に働く静電引力又は静電反発力により駆動する。配線層18と配線層30との間に周期的な変動電圧を印加することにより、固定電極12と可動電極14との間に静電引力又は静電反発力が周期的に発生し、可動電極14を振動させることができる。この場合、公知のように、可動電極14に交流電圧を印加して、直流的に接地された固定電極12との間に周期的な電圧変動を発生させてもよく、或いは、固定電極12と可動電極14との間にDCバイアスを印加した状態で交流電圧を供給するようにしてもよい。例えば、固定電極12と可動電極14との間に所定のDCバイアス電圧を設定して、可動電極14に入力信号(交流電圧)を供給するように構成することができる。
なお、本実施の形態に係るMEMS振動子は、基板10に半導体基板を用いる場合、上記可動電極を駆動するための駆動回路、出力信号を得るための出力回路、入力信号を導入するための入力回路、上記振動子構造体を組み込んだ発振回路などの種々の回路を半導体基板内に形成する。或いは、半導体基板上に形成することによって、振動子構造体を回路構造と一体化することができる。このような半導体装置の構成は、上記振動子構造体に相当する別の振動子素子を用いる場合や振動子構造体と回路構造とを別体に構成する場合に比べて、大幅なコンパクト化を可能にする。また、各回路間の配線における冗長性も排除できるため、特性の向上も期待できる。
本実施の形態に係るMEMS振動子では、可動電極14の支持梁24の内側面が傾斜面40であることにより、可動電極14の支持梁24の断面形状を滑らかにすることが可能となり、可動電極14のサイドウォール状のエッチング残りが防止できるので、可動電極14の振動動作への影響がなくなる。固定電極12と可動電極14との電気的リークパスの経路も無くなる。つまり、MEMS振動子の動作の妨げ又は電流リークなどを改善することができる。
次に、本発明を適用した第1の実施の形態に係るMEMS振動子の製造方法について図面を参照して説明する。
図3、図4は、本発明を適用した第1の実施の形態に係るMEMS振動子の製造方法ついて説明するための図である。本実施の形態に係るMEMS振動子の製造方法は、先ず、図3(A)に示すように、基板10を用意する。基板10の材料は、例えば、SiNである。基板10の厚さは、例えば、約100〜2000×0.1nm程度である。なお、この基板10の表面上には、スパッタリング法や熱酸化法などによって酸化シリコン(SiO2)などで構成される絶縁膜(図示しない)を形成してもよい。この絶縁膜は基板表面に自然に形成される自然酸化膜で構成してもよい。さらに、上記絶縁膜上にスパッタリング法やCVD(化学的気相成長)法などにより窒化シリコン(Si34)などで構成される絶縁膜11を形成してもよい。この絶縁膜11は、主として製造上の観点で設けられるものであり、例えば、後述する犠牲膜のエッチングを行う際のエッチングストップ膜として機能してもよい。
次に、基板10上に絶縁膜11を介して固定電極12Aを形成する。固定電極12Aの形成方法は、例えば、基板10上に形成されたMEMS下部構造体をエッチングする。MEMS下部構造体の材料は、例えば、POLY−Siである。MEMS下部構造体の厚さは、例えば、約1000〜4000×0.1nmである。
次に、図3(B)に示すように、絶縁膜11及び固定電極12A上に絶縁膜38を形成する。絶縁膜38の厚さは、例えば、約100〜4000×0.1nmである。絶縁膜38は、後述する可動電極14と固定電極12との間に間隙を形成するものである。絶縁膜38は、少なくとも後述する固定電極12Aの側面部領域に存在するようにパターニングされる。このとき、絶縁膜38が固定電極12Aの側面部領域にのみ限定して存在するようにパターニングされることが望ましい。
次に、図3(C)に示すように、絶縁膜38をエッチングしサイドウォール16を形成する。サイドウォール16は固定電極12Aの全周に連続する面であってもよい。固定電極12Aとサイドウォール16とを含んだ断面形状は下部が上部に対して幅が大きくなる。
次に、図3(D)に示すように、固定電極12A上に犠牲膜20を形成する。犠牲膜20を形成することにより犠牲膜20の下に固定電極12が形成される。犠牲膜20の形成方法は、例えば、熱酸化処理で形成する。犠牲膜20の厚さは、例えば、約100〜2000×0.1nmである。犠牲膜20は、後述する可動電極14と固定電極12との間に間隙を形成するものである。犠牲膜20は、少なくとも後述する可動電極14の形成領域を含む領域に存在するようにパターニングされる。このとき、犠牲膜20が可動電極14の形成領域にのみ限定して存在するようにパターニングされることが望ましい。
次に、図3(E)に示すように、絶縁膜11、犠牲膜20及びサイドウォール16上に固定電極12の少なくとも一部に対向配置されるように可動電極14を形成する。可動電極14は、固定電極12上に犠牲膜20及びサイドウォール16を介して対向配置するように形成される。可動電極14は、支持梁24により、いわゆる片持ち梁式に構成される。また、支持梁24は、帯状若しくは棒状に構成され、その端部に設けられた被固定部26は絶縁膜11を介して基板10上に設けられる。可動電極14の形成方法は、例えば、絶縁膜11及び犠牲膜20上に形成されたMEMS上部構造体をエッチングする。MEMS上部構造体の材料は、例えば、POLY−Siである。MEMS上部構造体の厚さは、例えば、約1000〜4000×0.1nmである。
次に、図4(A)に示すように、絶縁膜11、犠牲膜20、固定電極12及びサイドウォール16上に絶縁膜22を形成する。絶縁膜22の材料は、例えば、TEOS(テトラ・エチル・オルソ・シリケート)+BPSG(ボロンリンシリケートガラス)(シリケートガラス膜)などである。絶縁膜22の厚さは、例えば、TEOS(約1000×0.1nm)+BPSG(約8000×0.1nm)である。
次に、図4(B)に示すように、絶縁膜22上に配線層18,30を形成する。配線層18は、固定電極12に接続され、犠牲膜20及び絶縁膜22を貫通し絶縁膜22上に延びている。配線層30は、可動電極14の被固定部26に接続され、絶縁膜22を貫通し絶縁膜22上に延びている。配線層18,30の材料は、AlSiCuやAlCu(アルミニウムを含む合金)である。配線層18,30の厚みは、例えば、約5000〜20000×0.1nmである。この工程が終了すると、基板10上にはMEMS振動子を構成する全ての構造要素が形成される。
次に、図4(C)に示すように、絶縁膜22及び配線層18,30上に配線層絶縁膜34を形成する。配線層絶縁膜34の形成方法は、例えば、CVD法により形成する。配線層絶縁膜34の厚さは、例えば、約5000〜10000×0.1nmである。
さらに、配線層絶縁膜34上に保護膜36を形成する。保護膜36の形成方法は、例えば、CVD法により酸化膜+窒化膜を形成する。保護膜36の厚さは、例えば、酸化膜(約4000×0.1nm)+窒化膜(約4000〜10000×0.1nm)である。
次に、図4(D)に示すように、MEMSリリース窓を開口する。MEMSリリース窓は、保護膜36上から可動電極14上に至り、可動電極14の可動部分にほぼ対応する領域の開口部32Aである。
次に、図2に示すように、MEMS部をリリースする。MEMS部のリリースにより、開口部32Aに対応する部分において犠牲膜20及びサイドウォール16が除去され、これによって、可動電極14と固定電極12との間に所定の間隙28が確保されるように開口部32が形成される。MEMS部のリリースでは、フッ化水素酸系のエッチング液を用いてウエットエッチングを施すことにより、開口部32Aに対応する部分の犠牲膜20及びサイドウォール16が除去される。
本実施の形態に係るMEMS振動子の製造方法では、固定電極12の側面部にサイドウォール16を形成することにより、可動電極14の支持梁24の内側面を傾斜面40にでき、可動電極14の支持梁24の断面形状を滑らかにすることが可能となる。これにより、可動電極14のサイドウォール状のエッチング残りが防止できるので、リリースエッチングでのごみの発生が無くなる。リリースエッチングでのごみの発生が無くなる事により、リリースエッチングの時間的な加工マージンが増える。プロセス的な加工条件(可動電極14のエッチング)のマージンが増える。
(第2の実施の形態)
図5は、本発明を適用した第2の実施の形態に係るMEMS振動子を示す概略平面図である。図6は、本発明を適用した第2の実施の形態に係るMEMS振動子の断面図である。本実施の形態に係るMEMS振動子は、図6に示すように、基板10と、この表面上に設けられたMEMS構造体とによって構成されている。
固定電極12は側面部にテーパー面42を有している。ここで、テーパーとは、固定電極12の端部に近づくに従って固定電極12の厚みが減少する状態を示す。テーパー面42は平面又は曲面であってもよい。テーパー面42は固定電極12の全周に連続する面であってもよい。テーパー面42は傾斜角を持っていてもよい。テーパー面42の傾斜角度は、例えば、5〜15度の傾斜を有する。テーパー化された固定電極12の断面形状は、下部の幅が上部の幅よりも広くなる。
本実施の形態に係るMEMS振動子では、固定電極12の側面部のテーパー面42は、固定電極12の側面部の断面形状を滑らかにすることにより可動電極14のサイドウォール状のエッチング残りを防止するので、可動電極14の振動動作への影響がなくなる。固定電極12の側面部のテーパー面42と可動電極14とが対向するので、固定電極12と可動電極14との対向面積が増加する。よって、固定電極12と可動電極14との間の静電引力または静電反発力を増加させることができる。
次に、本発明を適用した第2の実施の形態に係るMEMS振動子の製造方法について図面を参照して説明する。
図7、図8は、本発明を適用した第2の実施の形態に係るMEMS振動子の製造方法ついて説明するための図である。本実施の形態に係るMEMS振動子の製造方法は、先ず、図7(A)に示すように、基板10を用意する。
次に、基板10上に絶縁膜11を介して側面部にテーパー面42Aを有する固定電極12Aを形成する。このとき側面に斜めにテーパーがつくようにMEMS下部構造体には不純物を導入し、エッチング条件を設定する。
次に、図7(B)に示すように、固定電極12A上に犠牲膜20を形成する。
次に、図7(C)に示すように、絶縁膜11及び犠牲膜20上に固定電極12の少なくとも一部が対向配置されるように可動電極14を形成する。可動電極14は、固定電極12上に犠牲膜20を介して対向配置するように形成される。
次に、図7(D)に示すように、絶縁膜11、犠牲膜20及び固定電極12上に絶縁膜22を、絶縁膜22の上面が平坦化するように形成する。
次に、図8(A)に示すように、絶縁膜22上に配線層18,30を形成する。この工程が終了すると、基板10上にはMEMS振動子を構成する全ての構造要素が形成される。
次に、図8(B)に示すように、絶縁膜22及び配線層18,30上に配線層絶縁膜34を形成する。
次に、図8(C)に示すように、配線層絶縁膜34上に保護膜36を形成する。
次に、図8(D)に示すように、MEMSリリース窓を開口する。MEMSリリース窓は、保護膜36上から可動電極14上に至り、可動電極14の可動部分にほぼ対応する領域の開口部32Aである。
次に、図6に示すように、MEMS部をリリースする。MEMS部のリリースにより、開口部32Aに対応する部分において犠牲膜20が除去され、これによって、可動電極14と固定電極12との間に所定の間隙28が確保されるように開口部32が形成される。MEMS部のリリースでは、フッ化水素酸系のエッチング液を用いてウエットエッチングを施すことにより、開口部32Aに対応する部分の犠牲膜20が除去される。
本実施の形態に係るMEMS振動子の製造方法では、固定電極12の側面部のテーパー面42は、固定電極12の側面部の断面形状を滑らかにすることにより可動電極14のサイドウォール状のエッチング残りを防止するので、リリースエッチングでのごみの発生が無くなる。その他の構成及び製造方法については、第1の実施の形態で説明した内容を適用することができる。
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、MEMS−CMOSインテグレーションプロセスにおいて全ての構造体形成に適用可能である。例えば、MEMSとしては、スイッチ、レゾネーター、加速度センサ、アクチュエータなどが列挙できる。
本発明を適用した第1の実施の形態に係るMEMS振動子を示す概略平面図である。 本発明を適用した第1の実施の形態に係るMEMS振動子の断面図である。 本発明を適用した第1の実施の形態に係るMEMS振動子の製造方法ついて説明するための図である。 本発明を適用した第1の実施の形態に係るMEMS振動子の製造方法ついて説明するための図である。 本発明を適用した第2の実施の形態に係るMEMS振動子を示す概略平面図である。 本発明を適用した第2の実施の形態に係るMEMS振動子の断面図である。 本発明を適用した第2の実施の形態に係るMEMS振動子の製造方法ついて説明するための図である。 本発明を適用した第2の実施の形態に係るMEMS振動子の製造方法ついて説明するための図である。
符号の説明
10…基板 11,22,38…絶縁膜 12,12A…固定電極 14…可動電極 16…サイドウォール 18,30…配線層 20…犠牲膜 24…支持梁 26…被固定部 28…間隙 32,32A…開口部 34…配線層絶縁膜 36…保護膜 40…傾斜面 42,42A…テーパー面。

Claims (8)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成される固定電極と、
    前記固定電極に対向して配置され、前記固定電極との間隙に働く静電引力又は静電反発力により駆動する可動電極と、
    を含み、
    前記可動電極は、前記固定電極に対向する前記可動電極の支持梁の内側面が傾斜面を有するMEMS振動子。
  2. 請求項1に記載されたMEMS振動子において、
    前記傾斜面は傾斜角を持つMEMS振動子。
  3. 基板と、
    前記基板上に形成される固定電極と、
    前記固定電極に対向して配置され、前記固定電極との間隙に働く静電引力又は静電反発力により駆動する可動電極と、
    を含み、
    前記固定電極は側面部にテーパー面を有するMEMS振動子。
  4. 請求項3に記載されたMEMS振動子において、
    前記テーパー面は傾斜角を持つMEMS振動子。
  5. 請求項1又は3に記載されたMEMS振動子において、
    前記間隙は一定の間隔であるMEMS振動子。
  6. 基板上に、側面部にサイドウォールを有する固定電極を形成すること、
    前記固定電極上に間隙を設けて対向配置するように可動電極を形成すること、
    を含むMEMS振動子の製造方法。
  7. 基板上に、側面部にテーパー面を有する固定電極を形成すること、
    前記固定電極上に間隙を設けて対向配置するように可動電極を形成すること、
    を含むMEMS振動子の製造方法。
  8. 請求項6又は7に記載されたMEMS振動子の製造方法において、
    前記可動電極の形成は、
    前記固定電極上に犠牲膜を形成すること、
    その後、前記基板及び前記犠牲膜上に前記固定電極の少なくとも一部が対向配置されるように前記可動電極を形成することをさらに含むMEMS振動子の製造方法。
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