JP2008544867A - Ｍｅｍｓ素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

デバイス（100）は、第一表面（1）とそれと反対側の第二表面（2）とを有する半導体材料から成る基板（10）、及び固定電極（52）と空洞（30）内にある可動電極（51）とを備えた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子（50）を有する。電極（51、52）の一方は基板（10）内に形作られている。可動電極（51）は、第１の離隔位置と第２の位置との間で固定電極（52）に対して近付いたり離れたりする方向に移動可能である。空洞（30）は、基板（10）の第二表面（2）で露出された基板（19）内の開口（18）によって開かれている。空洞（30）は、横方向で該空洞（30）を実質的に囲む基板（10）内の少なくとも１つのポスト（15）によって定められた高さを有する。

Description

本発明は、オープン位置において隙間によって互いに離隔される固定電極と該固定電極に対して近付いたり離れたりする方向に移動可能な可動電極と、を備えた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子を有する電子デバイスの製造方法であって：
− 基板の第一の面とは反対側の第二の面から基板内に、犠牲層の一部を露出させるように少なくとも１つのエッチング開口を設ける工程、及び
− 基板内の少なくとも１つのエッチング開口を介してエッチャントを用いて犠牲層を除去し、それにより、固定電極から可動電極を解放する工程；
を有する方法に関する。

本発明はまた、この方法を用いて製造される電子デバイスに関する。

上記のような方法及びデバイスは、特許文献１から知られている。既知のデバイスの処理基板は、底部の半導体層及び頂部の半導体層と中間埋込酸化物層を有している。この埋込酸化物層は犠牲層であり、可動電極及び固定電極は底部半導体層内にあって、基板表面から垂直に延在している。この埋込酸化物層の部分は保持される。埋込酸化物層内のコンタクトプラグにより、固定電極への電気的接続が提供される。犠牲層が除去された後、処理基板は好適に除去される。好ましくは、キャップ層として更なる基板が底部半導体層に接合される。底部半導体層は犠牲層の除去前に可動電極の領域で僅かに薄層化されているので、固定電極のみが接合されることになる。

既知のデバイス及び既知の方法の欠点は、犠牲層の除去の制御が困難なことである。この除去はアンダーエッチングを必要とするが、アンダーエッチ形状はエッチング時間によってしか決定されることができない。
国際公開第２００４／０７１９４３号パンフレット

本発明は、犠牲層を高い信頼性で除去することが可能な、ＭＥＭＳ素子を有する電子デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明はまた、様々な用途に適用可能で、様々なプロセスで集積化可能な、ＭＥＭＳ素子を有する電子デバイスを提供することを目的とする。

上記の目的は、基板の第二表面からエッチング開口を設ける工程に先立って、
− 基板を局所的に酸化することによって設けられ、基板の少なくとも１つのポストによって少なくとも横方向で少なくとも実質的に囲まれている犠牲層を、基板の第一表面に設ける工程；及び
− 基板の上記少なくとも１つのポストまで延在し且つコンタクトを備えている、固定電極及び可動電極の内の第１の電極を有する電極構造を設ける工程；
を有することにより達成される。

犠牲層の除去により、固定電極と可動電極との間に隙間が作り出される。

本発明に係る方法においては、犠牲層及び電極の少なくとも一方は基板上に存在する。これにより、犠牲層をエッチング停止層で覆うことが可能になり、その結果、犠牲層はアンダーエッチングの問題を生じさせることなく選択的にエッチングされることができる。エッチング停止層は別個の層であってもよいが、代替的に、可動電極がエッチング停止層それ自体として用いられることも可能である。犠牲層は、ここでは、基板を酸化することによって設けられる。それには、好ましくは、シャロー・トレンチ・アイソレーションとして知られる技術が用いられる。

また、犠牲層を形作るためにシャロー・トレンチ・アイソレーションを使用することにより、除去される材料、ひいては作り出される空洞を正確に画成することが可能になる。このシャロー・トレンチ・アイソレーションは第一の面での処理（例えば、フロントエンドプロセス）中に適用される。結果として、これはサブミクロンスケール、更には７５ｎｍ程度の最先端の一層小さいリソグラフィ寸法という高い解像度で良好に適用され得る。また、基板のポスト（支柱部）は犠牲層とは異なる材料から成り、犠牲層は基板に対して選択的にエッチングされることができる。さらに、高解像度のトレンチ・アイソレーション、及び具体的には基板ポストにより、ポストの機械的特性を調整することが可能である。具体的には、ポストは可撓性を有していてもよく、またバネのような特徴を有していてもよい。

関係していそうな方法が国際公開第００／００９４４０号パンフレットから知られている。この従来技術に係る方法においては、高濃度ドープ（ｎ^＋）の基板層と低濃度ドープ（ｎ⁻）の基板層とを有する基板が使用される。第一の面から高濃度ドープ（ｎ^＋）層を貫通するように開口群がエッチングされる。基板の第一の面の処理の完了後、ｎ^＋層とｎ⁻層との間の界面をエッチング停止層として用いて低濃度ドープ（ｎ⁻）層が部分的にエッチング除去される。この方法は、開口群のエッチングがフロント側のその他のエッチングと組み合わされる必要があるという欠点を有する。このことは、基板の第一の面にその他の素子も設けられる必要がある場合、極めて非実用的である。なぜなら、開口群は如何なる流体によっても容易に充填されるものであり、その流体は毛管作用のために適切に除去され得ないためである。さらに、この従来技術に係る方法によっては、基板内のポストによって膜（membrane）が支持された構造は得られない。

有利には、ＭＥＭＳ素子に隣接するトランジスタのゲート電極の画成のために使用される金属又はポリシリコンの層内に第１の電極が画成される。このとき、ゲート誘電体は犠牲層である。トランジスタと結合されるとき、第１の電極は、例えば基板表面と平行に、横方向に延在することが好ましい。しかしながら、これは完全に不可欠なことではない。第１の電極は、一実施形態においては固定電極であり、別の一実施形態においては可動電極である。

ＭＥＭＳ素子の可動電極としてポリシリコンゲートを使用すること自体は既知であり、例えばR.Maboudian及びR.T.Howe（1997年、J.Vac.Sci.Tech.B15、p.1-20）によって議論されている。しかしながら、この文献は単に頂面からのエッチングに関するものであり、例えば基板を介してといった底面からのエッチングに関するものではない。底面からのエッチングは毛管作用に伴う問題を軽減し得る。この問題は、この文献においても議論されているが、本質的に、毛管力の結果として犠牲層の除去後にもエッチャントが残留しやすいことを意味する。本発明により、犠牲層の除去において作り出される隙間へのアクセスは改善されることができる。隙間への短い経路を有するように基板が十分に薄くされるだけでなく、エッチング開口の数が増加されてもよい。また、それらの直径が大きくされてもよい。さらに、毛管力を克服するために一層多様な方法が使用されることを可能にする、従来の半導体製造方法とは別の処理が使用され得る。

本発明に係る方法の更なる利点であり且つ一層重要な利点は、従来のポリシリコン可動電極の解放処理と比較して、本発明の解放処理は処理基板上の層の処理の完了後に為され得ることである。これは、従来技術においては、エッチング開口は１つの開口であり、その上に堆積される如何なる層も開口内に入って構造を汚染し得るので問題であった。覆いを設けることがしばしば提案されてきたが、それはＭＥＭＳ素子ごとに個々に行われなければならない処理になりがちであり、実質的なコスト増加をもたらす。また、完全な基板の接合も提案されているが、これも注意深く行われる必要があるものである。特に、欧州特許出願公開第１３９６４７０号公報にて説明されているように、真空密接封止が所望される場合でなければ、それが全てであるが容易である。本発明においては、隙間の閉鎖はプロセスにおける最後の工程である。これは、所望されるのであれば、パッケージング手法と結合され得る。

第１の実施形態において、第１の電極の頂部上に第２の犠牲層が設けられ、除去工程にて第２の犠牲層が除去され、それにより、第１の電極が可動電極となる。第２の犠牲層も、好ましくは、可動電極へと横方向に延在している。機械的挙動の最適化とエッチャントの広がりの向上との双方のために、可動電極内にトレンチが存在していてもよい。それにより、導電性の基板領域に代えて、ポリシリコン又は金属が可動電極として使用されることができる。ポリシリコンから成る可動電極の使用は、その良好な機械的特性の点で、ＭＥＭＳ分野で既知である。この層は堆積されるものであるので、その組成、厚さ及び形状は適切な屈曲のために最適化され得る。他の例では、可動電極が一部を成す可動要素であって、該可動要素の屈曲を得るために薄膜圧電アクチュエータを更に有する可動要素が使用され得る。

好ましくは、ＭＥＭＳ素子の電極は基板に対して実質的に平行に向けられる（‘水平型’）が、これに代えて、‘垂直型’のＭＥＭＳ素子が設計されることもできる。水平型においては、固定電極は基板の一部、又は可動電極の反対側の導電層の何れに形作られてもよい。基板内に形作られる固定電極は、頑丈に形成され得るが、ＲＦ特性に関して基板の導電率が不十分なことがあるという欠点を有する。金属層内に固定電極を形作ることはこの欠点を有さない。さらに、固定電極は実質的な厚さを有する層内に設けられてもよい。この層は、ＲＦ用途に望ましいものである電気的損失の制限と十分に高いＱファクタとが得られるように、相互接続及びインダクタを形作ることに使用され得る。

非常に好適な変形例において、基板内の少なくとも１つのエッチング開口はシーリング材を設けることによって封止される。このシーリング材は、好ましくは、化学気相堆積法（ＣＶＤ）によって設けられる材料であり、例えば、フェーズ・エンハンストＣＶＤによって設けられた酸化物若しくは窒化物、又は低圧ＣＶＤによって設けられたリンケイ酸塩ガラス（ＰＳＧ）、窒化物若しくはポリシリコンである。この封止技術はC.Liu及びY.Tai（1999年、IEEE Journal of Microelectromechanical Systems、第8巻、p.135-145）によってそれ自体知られている。なお、この文献は参照することによりここに組み込まれる。

他の変形例においては、固定電極は基板内に形作られ、その目的のため、基板は隙間に隣接する領域で十分に導電性にされており、可動電極の反対側にある材料が該可動電極を露出させるように除去される。この変更により、ＭＥＭＳ素子はセンサ、特には圧力センサとしての使用に適したものとなる。より一層好ましくは、ＭＥＭＳ素子はマイクロホンとして使用される。そのため、可動電極は膜として具現化され、音響孔群として機能するように設計されたエッチング開口群が固定電極に備えられる。この膜は、好ましくは、特に米国特許第６５５７４１３号明細書からＲＦ−ＭＥＭＳ分野でそれ自体知られているように、バネ状構造によって吊り下げられる。このような吊り下げ型の膜は、そのコンプライアンスに関して自由に調整されることができ、故に、膜が例えば０．５×０．５ｍｍ^２の正方形の膜に対して１０ＭＰａ以上といった固有の大きい応力を有する場合に良好な音響性能を有する。さらに、このような膜は屈曲形状を有しておらず、音響信号の一層均一な送信をもたらす。しかしながら、欠点は、隙間による音響的ショートカットと、より破損しやすい構造であることである。

非常に好ましくは、特にこの実施形態に組み合わせて、処理基板にエッチング開口を設ける前に、電極構造を覆うように処理基板にハンドリング用基板が接着され、且つ該ハンドリング用基板が可動電極に重なる領域で除去されることにより可動電極が露出される。これにより、デバイスに所望の強度が与えられる。

他の一実施形態において、基板は可動電極として機能するように十分に薄くされ且つ十分にドープされ、第１の電極は固定電極である。この実施形態は、電極構造が犠牲層を覆うエッチング停止層と第１の電極に隣接して位置する更なる電極とを有することとの組み合わせにおいて特に有利である。換言すると、金属層内の固定電極と組み合わせてエッチング停止層を使用することにより、固定電極が更に小型化され、１つ以上の更なる電極がやはり可動電極に少なくとも部分的に重なるように固定電極に隣接して形作られることが可能になる。この更なる構造の画成は、金属層が基板の第一の面状に画成されることでも有効である。この面では、第二の面とは異なり、サブミクロンスケールの解像度でのリソグラフィは周知であり、トランジスタの画成のために習慣的に適用されている。故に、固定電極は斯くして可動電極より遙かに高い解像度でパターニングされることができる。

これの更なる変形例においては、第１の電極の領域に凹部を形成するために犠牲層が選択的にエッチングされる。このエッチングは、第１の電極と可動電極との間の隙間が駆動用の上記更なる電極と可動電極との間の隙間より小さくなるように、電極構造の堆積に先立って行われる。斯くして、第１の（調整用）電極は駆動用電極よりも、可動電極の近くにある。２つの隙間を有する設計は、調節可能なＭＥＭＳキャパシタに関してそれ自体知られており、ある一定の引き込み電圧を超えると可動電極が固定電極上に落下してしまうことになる引き込み（pull-in）現象の防止を狙ったものである。一般に、この２つの隙間を有する設計は、可動電極に３次元形状が与えられ、その一方で固定電極が平坦であるときに実施される。本発明に係る実施形態においては、逆の状況が与えられ、また空洞を作り出すために穏やかなエッチング工程が用いられる。この反転構造は、特に可動要素が可能な限り単純なままにされ得るので、より簡単に製造され得るという利点を有する。さらに、可動要素の屈曲は可動要素の一定の領域に制限されないので、機械的挙動が改善されると期待される。従来技術においては、調整用電極の領域は屈曲に利用され得ないので、可動要素の屈曲は可動要素の一定の領域に制限される傾向にある。さらに、本発明に係る方法においては、２つの隙間を有する設計を３つの隙間を有する設計、又は如何なる引き込みをも防止するための別の設計に拡張し、それと同時に、駆動電圧を低減し、且つ／或いは固定電極の可動電極への付着を抑制することが非常に容易である。

本発明はまた、基板と上述の種類のＭＥＭＳ素子とを備えた電子デバイスに関する。可動要素は、移動可能にされる空間内にあって第１の離隔位置と第２の位置との間で固定電極に対して近付いたり離れたりする方向に移動可能な可動電極を有する。このようなＭＥＭＳ素子を有する電子デバイスについては数多くの例が知られている。

ＭＥＭＳ素子の第１の種類は、基板の空洞内に具現化された素子、又は基板の一部として具現化された素子を含む。この種類のＭＥＭＳ素子は、例えば加速度センサ等のセンサに適用される。好ましくは、それらは１つの基板上で、センサによって提供される何らかの信号の検出に使用される能動回路と結合される。このようなデバイスは、センサは能動回路のプロセスの完了後に製造されなければならないという欠点を有する。このことは更なるプロセス工程を生じさせるだけでなく、空洞内でのエッチング及び／又は空洞のエッチングをかなり含むセンサ製造法において不良の危険性をも生じさせる。

ＭＥＭＳ素子の第２の種類は、基板表面上に存在する素子、及びＲＦ用途専用の素子を含む。これらは一般的に、インダクタの画成のために高い基板抵抗が必要であることから、トランジスタの集積回路に集積化されない。しかしながら、集積化されないことは欠点でもある。何故なら、特定のＭＥＭＳ用途ごとに特定のプロセスが必要になるからである。幾つかの小変更により様々な用途に使用可能なプロセスを有することが望まれる。第２の種類のＭＥＭＳ素子の別の１つの欠点は、その作動のために別個の駆動トランジスタが必要なことである。これらの別々の組立は費用効率が良くなく、また、駆動トランジスタと実際のＭＥＭＳ素子との間に比較的長い経路が存在することから比較的高い損失を生じさせ得る。

故に、本発明は、様々な用途に適用可能で、様々なプロセスで集積化され得る上述の種類の電子デバイスを提供することをも目的とする。

この目的は、可動要素の周囲の空間部分が基板の第一表面内の浅いトレンチとして形作られ、このトレンチは横方向で基板の少なくとも１つのポストによって囲まれ、エッチング開口が基板の第二表面から上記の空間部分まで存在することにより達成される。このデバイスは、第一表面からのプロセスによって形作られた空間を含んでおり、第一表面のプロセスの完了後に製造される。第一表面には電極の少なくとも一部も存在している。最も重要な工程群は、故に、第一表面のプロセス中に設定され、それは能動回路のプロセスに含まれ得る。しかしながら、基板の第一表面のプロセスにおいて空洞又は空間のエッチングは不要であり、故に、プロセスが続けられる前に空洞が再び閉鎖される必要はない。

第１の実施形態において、上記の空間部分は固定電極と可動電極との間に隙間を形成しており、固定電極及び可動電極の一方は、基板の第二表面に隣接する基板部分内に形作られ、他方は基板の第一表面上の導電層内に形作られている。この実施形態のＭＥＭＳ素子は基板に対して実質的に平行な電極を有している。これは集積化に関して有利であり、上記の空間は非常に高さがあるのでエッチャントの除去に伴う問題を軽減する傾向を有する。

これの具体的な変形例において、可動電極は、基板の第一表面上の導電層内に形作られ、また共振することが可能な膜として形作られており、上記の空間は基板とは反対側を向いた可動電極の他方側で延在している。

より具体的には、可動電極の他方側上の空間は、膜が露出されることにより、圧力センサとしてのＭＥＭＳ素子の使用が可能になるように延在している。

非常に好ましくは、ＭＥＭＳ素子はマイクロホンであり、基板内の少なくとも１つのエッチング開口は固定電極内の音響孔として画成されている。好適な開口率は表面積の２０％から４０％の範囲内であり、より好ましくは表面積の約２５％から３０％であることが見出されている。これは低い音響抵抗（これは帯域幅に比例する）と大きい電気的キャパシタンス（これは信号強度に比例する）との間の最適条件である。この音響孔は、好ましくは最大で約３０μmの大きさを有しており、如何なる形状を有していてもよい。好適な形状は正方形又は円形である。１０μm以下の直径を有する小さい開口が好ましい。何故なら、そのような開口は所与の開口率において一層低い音響抵抗をもたらすからである。さらに、薄い基板が好ましい。何故なら、深い開口は音響抵抗を増大させ、ひいては帯域幅を狭くするからである。基板の厚さはとりわけ、音響孔の直径と同程度かそれより小さくされる。

第２の実施形態において、可動要素及び固定電極は基板の第一表面上に形作られ、少なくとも１つのエッチング開口は、可動要素の周囲の空間を封止するためにシーリング材で封止されている。この実施形態においては、パッケージングが統合される。好ましくは、エッチング開口に隣接して基板内にコンタクトホールが存在しており、外部結合のためのコンタクトパッドがこれらのコンタクトホールによって露出されている。コンタクトパッドは、好ましくは、基板の第一表面上の金属又はポリシリコンから成る層内に形作られている。

好ましくは、ＭＥＭＳ素子の第１の電極がトランジスタのゲートと同一の層内に形作られるように、半導体基板層内又はその上にＭＥＭＳ素子に隣接してトランジスタが形作られている。これは、本発明に係るデバイスが元々有する構造物を効果的に活用するものである。

好ましくは、基板の第二表面からの薄層化及びエッチング中に第一表面上の如何なる構造をも覆うためのハンドリング用基板が存在する。

図面を参照しながら本発明のこれら及びその他の態様について更に説明する。図は縮尺通りに描かれておらず、相異なる図における似通った参照符号は同一、あるいは対応する部分を参照するものである。

図１−４は、本発明に係る方法の第１実施形態を断面図にて示している。

図１は、第一表面1と第二表面2とを有する基板10を示している。基板10は、この場合、十分な導電性を有するようにｎ型又はｐ型にドープされたシリコン基板である。このドーピングは、具体的には、１０−２０μmの深さまで延在する。第一表面1において、基板10は局所的に酸化されており、それに伴って、少なくとも１つのポスト（支柱部）15、犠牲層12及び更なる酸化物層部分11が作り出されている。この酸化は、S.M.Szeの「Semiconductor Physics and Technology」にて説明されているような、シャロートレンチ酸化として知られたプロセスを用いて実行され、この実施例では、後に更なる図にて示されるように、第１及び第２の隙間を備えたＭＥＭＳ素子が作り出される。これを実現するため、犠牲層12が再び構造化され、リセス（凹部）14が作り出される。ここでは図示されていないが、基板10は更に、特にはトランジスタやダイオードである何らかの他の素子を含んでいてもよい。

図２は、基板の第一表面1上で実行される更なる数工程後の基板10を示している。エッチング停止層21が犠牲層12上に堆積され、ポスト15まで延在している。エッチング停止層21は、この実施例では、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）法によって堆積された窒化シリコンから成る。その上には、好ましくはアルミニウム又はアルミニウム合金である金属パターン22、23が堆積されている。パターン22、23の双方は最終的なＭＥＭＳ素子において可動電極として機能することになる。パターン22はリセス14内に延在しており調整機能を有する。パターン23は犠牲層12上でのみ延在しており、駆動機能を有する。金属パターン22、23は、図示されていない相互接続を介してコンタクト又はその他の素子に好適に結合されている。金属パターン上には誘電体層24が設けられている。誘電体層24は、好ましくは、酸化物、窒化物、又は例えばベンゾシクロブタン（ＢＣＢ）等の有機誘電体の層を有している。この誘電体層を貫通して、コンタクト25が基板10まで延在している。このコンタクト25は、後に基板10内に形作られる可動電極に接触することを可能にするものである。

堆積された層群を有する基板10は封止構造40で覆われている。これは、この場合には、接着剤42で誘電体層24及びコンタクト25に取り付けられたガラス基板41である。他の例では、ガラス基板に代えてセラミック基板又は第２の半導体基板が取り付けられてもよい。また、例えばポリイミド又はエポキシ樹脂のオーバーモールド等の樹脂層が設けられてもよい。また、十分な厚さを有する金属層が、成長（ニッケル電気めっき若しくは無電解ニッケル）又は組立の何れかによって設けられることも可能である。同様にこれらの組み合わせも可能である。例えば、一時的なハンドリング用基板が樹脂層に取り付けられ、基板10の第二表面2の処理後に除去されてもよい。

図示されていないが、デバイスにはコンタクトパッドが一体化されている。このようなコンタクトパッドは、コンタクト25と同様に、基板10の第一表面1に形作られてもよい。これらのコンタクトパッドは、その後、基板を局所的に除去することによって露出される。これらのコンタクトパッドは、最も好ましくは、シリコンのポストによって横方向を囲まれた酸化物アイランドの頂部に設けられる。この酸化物が更なる工程において選択的に除去されるときに、これらのコンタクトパッドは露出され得る。他の例では、コンタクトパッドは封止構造に隣接して設けられ、基板10の第二表面2の処理後に露出されてもよい。このガラス基板41の実施例においては、コンタクトパッドを露出させることは、例えばシェルケイス（Shellcase）によってそれ自体知られているようなプロセスを伴う。取り外し可能なハンドリング用基板及び樹脂層の場合、更なる金属が樹脂層を貫通するように設けられてもよい。

ここでは図示されていないが、このデバイスには、基板10の第一表面1上での特定の層の堆積及びパターニングによって、例えばストリップライン、抵抗、インダクタ及びキャパシタ等の受動素子が集積されていてもよい。そのとき、金属層はここで図示されたパターン22、23より多くの層群を含むことになる。

図３は、基板10の第二表面2上で実行される更なる処理段階でのデバイス100を示している。このプロセスは、先ず、研削及び必要に応じての更なるウェットエッチング工程によって、基板を薄層化することを含んでいる。その後、基板10は開口18が作り出されるようにパターニングされる。それにより、犠牲層12は開口18によって露出される。

図４は、犠牲層12の除去後に得られる、空洞30が形成されたデバイス100を示している。このとき、酸化物層11のその他の部分は除去されない。何故なら、それらはエッチング溶液に晒されないからである。この酸化物層の除去にはウェットエッチング又はプラズマエッチングが使用され得る。この段階で、固定電極52、53と基板10内に形作られた可動電極51とを有するＭＥＭＳ素子50が形成されている。

図示されていないが、基板10の第二表面2上に更なるパッケージング層が設けられていてもよい。このようなパッケージング層は、好ましくは、組立工程にて設けられる。１つの特に好ましいプロセスは、はんだボールを設けるための開口を有する二重のフォトレジスト層を使用することである。このフォトレジスト層は、好ましくは、上記の空洞を満たしてしまうことを防止するためにシートとして設けられる。このプロセスは米国特許第６６２１１６３号明細書にて説明されている。別の１つの好適プロセスは、国際公開第２００３／０８４８６１号パンフレットにて説明されているように、固定用構造によって取り付けられた屈曲可能な基板を使用することである。更なる１つの好適プロセスにおいては、リング状のコンタクトパッドがＭＥＭＳ素子50の周囲に形作られ、それに、はんだが備えられる。リング状のはんだは、対向する担体上に組み立てられるとき、密封パッケージをもたらし得る。はんだと基板10との間の好適な電気絶縁を実現するため、このリングは好ましくは、リング状のシリコンポスト及び酸化物材料から成る別のリングによって囲まれている。

図５−８は、本発明に係る方法の第２実施形態の幾つかの段階を断面図にて示している。この実施形態は、ＣＭＯＳ集積回路を形成するように相互接続されたＭＥＭＳ素子50と能動素子60とを有するデバイス100をもたらすものである。この実施形態のＭＥＭＳ素子50はマイクロホンとして動作するように設計されているが、その設計は、例えば高周波共振器、センサ又はスイッチ等の別の用途に最適化されることができるものである。

図５は、第一表面1と第二表面2とを有する基板10を示している。第一表面1は局所的に酸化され、犠牲層12、少なくとも１つのポスト15、及び酸化物層の更なる部分11が作り出されている。更に、基板10には、１つ以上の能動素子60が作り出されるように、ドープト領域61、62が設けられている。これらのドープト領域は、この実施例においては、電界効果トランジスタ60のソース61及びドレイン62として機能し、チャネル63を介して相互に結合される。犠牲層12上には導電性パターン22が設けられている。この導電性パターンと同一の導電性材料層にゲート電極64が設けられている。この実施例においては、この導電性材料は、技術的に知られているように好適且つ十分にドープされたポリシリコンである。好適な導電性材料のその他の例には金属及びシリサイドが含まれる。トランジスタ60の形成後、１つ以上の誘電体層24及びコンタクト25と、図示されていない相互接続及びコンタクトパッドとが、当業者に知られているようにして設けられる。誘電体層24、コンタクト25及び相互接続を有するこの構造は、パッシベーション層26によって覆われる。コンタクトパッドは、第１実施形態に関して説明されたように、基板10の第一表面1に設けられ、基板の局所的な除去によって露出されてもよい。それに代えて、あるいは加えて、コンタクトパッドはパッシベーション層26の下に設けられ、該パッシベーション層内の開口を介して露出されてもよい。さらには、コンタクトパッドは利用可能な表面積を一層十分に使用できるように、パッシベーション層26上に存在させられてもよい。後述のように、この実施例においては後者の選択肢が好ましい。

図６は、パッシベーション層26のパターニング及び封止構造40の設置後の、プロセスの第２段階における基板10を示している。パッシベーション層26とその下にある誘電体層24とがパターニングされ、導電性パターン22が露出されている。この導電性パターン22はＭＥＭＳ素子50の可動電極として機能することになるものである。このパターン22を早く露出させることにより、その横方向寸法を明確に定めることが可能になる。それにより、特に共振周波数である性能に対して重要な可動電極52の大きさが設定される。層24、26のパターニングは、好ましくは、ウェットエッチング技術を用いて実行される。そのとき、導電性パターン22はエッチング停止層として効果的に機能することが可能である。その結果、パターニングされた層24、26内のアパーチャ241の直径は、導電性パターン22に向かって小さくなる。それにより、膜（membrane）として機能するように後のプロセス段階にて解放されることになる導電性パターン22は効果的に支えられる。結果として、機械的安定性が最適なものとなる。

パッシベーション層26の下にコンタクトパッドがある場合、好ましくは、コンタクトパッドは同一のパターニング工程にて露出される。コンタクトパッドは導電性材料で作られているので、それ自体がエッチング停止層として使用されることができ、導電性パターン22上のアパーチャ241はコンタクトパッド上のアパーチャより深くなる。

アパーチャ241は接着剤42で実質的に充たされ、ガラス板41で覆われる。その他の形態の封止構造40も可能であるが、この場合にはガラス板41は非常に好適である。何故なら、接着剤42は非平坦性を解消するために使用されることができ、ガラス板41はパウダー・ブラスティング又はそれ自体知られたその他の技術を用いてエポキシ樹脂より良好にパターニングされることができ、また、ガラス板は柔軟なポリイミド樹脂層より良好で十分な機械的剛性をもたらすからである。

さらに、導電性パターン22が板状の閉じた構造ではなく、開口群やスリット群を含んでいる場合でも、この封止プロセスは依然として適切に機能し、そのとき、ウェットエッチングプロセスはその開口群やスリット群を通じて広がって、更にはその下にある犠牲層12を部分的にエッチング除去し得る。このように支柱なしの膜として導電性パターン22を解放することは、基板10がその第二表面側から薄層化される後続プロセス工程中に悪影響を及ぼし得る。しかしながら、接着剤42は効果的に開口群を充填する。そして、接着剤42は更なるプロセス工程にて効率的に除去されることができる。

図７は、第二表面2からの基板10の処理後の更なるプロセス段階におけるデバイス100を示している。これは、研削及びウェット・ダメージ・エッチングによる１０−５０μmまでの基板10の薄層化を含んでいる。その後、開口群18が基板10内に設けられる。これはドライエッチングによって最も好適に実行される。犠牲層12はこのドライエッチングプロセスのエッチング停止層として機能する。

図８は、更なる除去工程後に得られたデバイス100を示している。これは、ガラス板41のパターニング、第二表面2からの犠牲層12のウェットエッチング、及び接着剤42の局所的な除去を含んでおり、これらにより、導電性パターン22が解放されて膜が形成される。接着剤の除去は酸素プラズマエッチングにて好適に実行される。この段階で、ＭＥＭＳ素子50が形成されており、膜22が可動電極51として機能し、基板領域が固定電極52として機能する。可動電極51はマイクロホンの振動膜（ダイアフラム）の機能を果たし、固定電極は背面板の機能を果たす。

この振動膜はポリシリコン層の解放によって作り出されているので、マイクロホンの性能はこの層の応力及び厚さに拘束される。０．５×０．５ｍｍ^２の振動膜では、低い引張応力、特には１０ＭＰａ未満の引張応力が好ましい。これが実現可能でない場合、梁によって吊り下げられた膜が用いられ得る。吊り下げ型の膜はそのコンプライアンスに関して自由に調整されることができ、屈曲形状の欠点を有さない。しかしながら、吊り下げ型の膜の使用は、隙間による音響的ショートカットと破損しやすい構造とを有するという欠点を有する。

好ましくは、振動膜はおよそ３００ｎｍの厚さと０．５×０．５ｍｍ^２の大きさを有する。密度２．３３×１０^３ｋｇ／ｍ^３のポリシリコンの場合、質量は吊り下げ型振動膜に対して１．７５×１０^−１０ｋｇであり、図示されるような膜に対して実効的に２．５２×１０^−１０ｋｇである。

本発明における空隙は一定であり、犠牲部分の厚さ、すなわち、基板内の酸化物層の厚さに相当する。この実施例においては、それは約１μmである。

マイクロホンの適正さの指標は、膜の共振周波数に関するＱファクタである。Ｑファクタは、空隙内の空気の音響抵抗Ｒ_ａ、振動膜の質量Ｌ_ｄ、及び振動膜のコンプライアンスＣ_ｄという項目で表現されることが可能である。音響放射線質量、空隙内の空気の質量、及び背面チャンバーボリュームのコンプライアンスが無視できるとき、Ｑファクタは、
Ｑ≒（１／Ｒ_ａ）×√（Ｌ_ｄ／Ｃ_ｄ） （１）
で近似され得る。

品質係数Ｑは大きい方が好ましい。Ｑ＞１であるとき、マイクロホンの帯域幅は膜の共振周波数に近接したものとなる。その場合、スペクトルは共振周波数の近傍での感度の増大を示す。しかしながら、Ｑ＜１である場合には、帯域幅は空隙の音響抵抗と膜のコンプライアンスによって決定される。

故に、大きい開口群及び大きい空隙を形成することによって音響抵抗Ｒ_ａを低減することが重要である。しかしながら、電気的な感度は、より大きい開口群と空隙の増大とによって低減される（Ｃ＝εＡ／ｄであるが、面積Ａは開口群によって減少され、距離ｄは空隙による隔たりである）。

従って、解決策は背面板内の音響孔群の形状を変更することにあると思われる。これはウェット化学エッチングという特定のエッチングプロセスによって好適に達成さ得ることが見出された。

図９は、ウェット化学エッチングを用いて形成された円錐状の開口群を有するマイクロホンと、ドライエッチングによって用意された真っ直ぐな音響孔群を有するマイクロホンとの二種類のマイクロホンについての、シミュレーションによる周波数スペクトルを示すグラフである。出力値は、音圧から膜動作への変換率という力学量にて与えられている。電気領域への変換率は周波数に無依存である。選定された開口構造において、ドライエッチングされたマイクロホンは開口群内の空気の抵抗のために完全な帯域幅を有していない。

０．５×０．５ｍｍ^２の振動膜の場合、基板内に５×５μm^２の正方形の音響孔群18を該開口群のエッチング密度１０^８／ｍ^２で設ける（背面板の２５％に開口が開けられる）ことは、典型的な好適構成であると思われる。音響抵抗Ｒ_ａは、空隙から押し出される空気の結果である“オリフィス”部と、基板内に形作られた固定電極52である背面板の厚さの結果であるチューブ（音響管）部とから成る。開口群が反応性イオンエッチングを用いて異方性エッチングされるとき、（上述の構成では）全音響抵抗の４０％が音響管の抵抗によって決定される。この成分は、図９から明らかなように、音響孔群のウェット化学エッチングを用いることによって除去されることが可能である。

図１０は、この第２実施形態の変形例を示している。この変形例では、パッシベーション層26及び誘電体層24は、導電性パターン22を局所的にのみ露出させるようにパターニングされている。具体的には、露出領域241はリング状又はそれに類似な形状をしている。これにより、可動電極51の頂部に質体54が作り出される。ここでは図示されていないが、この質体54はその重量を増大させるために幾つかの金属層を含んでいてもよい。他の例では、支持用ガラス基板のガラスから成る円盤の形態をした比較的大きい質体が設けられてもよい。得られたＭＥＭＳ素子50は加速度測定センサとして好適に応用され得る。

更なる工程において、基板10の第二表面2内の開口群18は、シーリング層19を設けることによって閉じられてもよい。このシーリング層19は、Chang Liu及びYu-Chong Tai（1999年、IEEE Journal of Microelectromechanical Systems、第8巻、p.135-145）によってそれ自体知られているように、減圧下でのフェーズ・エンハンスト化学気相堆積にて設けられ得る。シーリング層19は、例えば酸化物を有するが、窒化物又はその他の材料を有していてもよい。低い圧力の結果として、酸化は選択的に開口群18の外側で起こる。そして、得られた層は、開口群に橋を架け、それらを閉鎖する覆いによって構成される。開口群18は好ましくは５μm未満の幅を有し、より好ましくは０．５−２．５μmの範囲内である。開口群の一部は、例えば、コンタクトパッドを露出させるため、あるいは空洞30を開けるため、再び開けられてもよい。これは、ＭＥＭＳ素子をマイクロホン用途で使用するときに好ましいものである。

図１１は、第一表面1上に幾つかの層と封止構造40とを有する基板10を示している。ここでは、基板10は第二表面2から既に薄層化された状態で示されている。この基板10の薄層化は、ポスト15の厚さを除いて５０μm未満、好ましくは２０−３０μmの範囲内まで行われる。先述の実施形態においてのように、基板10はその第一表面1において局所的に酸化され、犠牲層12、ポスト15、及び酸化物層の更なる部分11が形成される。導電性パターン22の頂部には、第２の犠牲層27が例えばオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）から成る層として設けられる。その上には、好適にパターニングされた形態でエッチング停止層28が設けられる。この実施例においては、エッチング停止層28としての窒化物の堆積のために低圧化学気相堆積法（ＬＰＣＶＤ）が用いられる。その上には、コンタクト25及び更なるパターン32、33が設けられる。これらのパターン22、25、32、33の材料は、好ましくはポリシリコンであるが、それに代えて、例えば銅、銅若しくはアルミニウムの合金、又はＴｉＮやインジウム錫酸化物のような導電性の窒化物若しくは酸化物であってもよい。また、導電性パターン22はパターン25、32、33とは異なる材料で形成されることも可能である。好適な選択は、例えば、可動電極として機能する導電性パターン22はポリシリコンで形成され、その他のパターンは、必要に応じてＡｌを有するＴｉＮで形成されるものである。他の例では、導電性パターン22は例えば圧電層などの更なる層の上に設けられ、圧電性ＭＥＭＳデバイスがもたらされる。

パターン25、32、33の頂部にパッシベーション層26が塗布される。好ましくは、図示されていないが、相互接続、コンタクトパッド、並びに例えばカップラ、ストリップライン、キャパシタ、抵抗及びインダクタ等の何らかの受動部品を画成するための更なる誘電体層及び金属層が設けられる。また、基板10は例えばトランジスタ又はトレンチキャパシタ等の更なる素子を含んでいてもよい。好ましくは、この実施例においては、コンタクトパッドは基板10の側に設けられる。

封止構造40は、例えばガラス板41及び接着剤層を有するが、それに代えて、エポキシ樹脂などのオーバーモールドされた樹脂層、又はその他の何らかの層から成っていてもよい。封止構造40は、化学的な保護及び十分な安定性の提供のために必要とされるものであり、これらの要求を満たす如何なる構造も使用され得る。特に、この実施例においては、封止構造のパターニング、又は封止構造40の除去は不要である。

図１２は、基板10内にその第二表面2から開口群18が設けられ、且つ犠牲層12、27が除去された後のデバイス100を示している。この除去はウェット化学エッチングを用いて効果的に実行される。導電性パターン22は、有利には、エッチャントの効率的な分配を提供するとともに毛管作用に伴う問題を抑制するために、開口群又はスリット群を有している。上記の除去は、他の例では、少なくとも部分的にドライエッチングを用いて実行されてもよい。この除去工程により、ＭＥＭＳ素子50の可動電極51として使用される導電性パターン22が解放される。導電性パターン32、33はＭＥＭＳ素子50の固定電極52、53として露出される。具体的には、電極52は駆動用電極であり、電極53はセンス電極である。ここでは図示されていないが、開口群18周辺の基板領域は更なる固定電極として適用されてもよい。明らかであるように、この可動電極51の設計は単なる例示である。これに代えて二重あるいは多重クランプ型の可動電極51が設けられることも可能であるし、この可動電極51にバネ構造が組み込まれることも可能である。

図１３は、シーリング層19を有する最終的なデバイス100を示している。この実施例においては、ＰＥＣＶＤによる酸化物層が使用される。好ましくは、シーリング層19の厚さは開口群19の幅と同程度である。このとき、ＰＥＣＶＤによる酸化物の乏しいステップカバレッジによって、空洞30は自動的に閉じられることになる。空洞30内に得られる圧力は、ＰＥＣＶＤ酸化物の堆積のために使用される反応炉内の減圧された圧力と等しいか、同程度である。それは、例えば４００−８００ｍＴｏｒｒである。

本発明に係る方法の第１実施形態を示す断面図である。 本発明に係る方法の第１実施形態を示す断面図である。 本発明に係る方法の第１実施形態を示す断面図である。 本発明に係る方法の第１実施形態を示す断面図である。 本発明に係る方法及びデバイスの第２実施形態を示す断面図である。 本発明に係る方法及びデバイスの第２実施形態を示す断面図である。 本発明に係る方法及びデバイスの第２実施形態を示す断面図である。 本発明に係る方法及びデバイスの第２実施形態を示す断面図である。 図５−８の方法に従って製造された本発明に係るデバイスのマイクロホンの実施形態における変換率を示すグラフである。 第２実施形態の変形例を示す図である。 本発明に係る方法における更なる封止工程を例示する図である。 本発明に係る方法における更なる封止工程を例示する図である。 本発明に係る方法における更なる封止工程を例示する図である。

符号の説明

1 基板10の第一表面
2 基板10の第二表面
10 基板
11 酸化物層
12 犠牲層
14 リセス
15 ポスト
18 開口群
19 シーリング層
21 エッチング停止層
22、23 導電性パターン
24 誘電体層
25 コンタクト
26 パッシベーション層
27 第２の犠牲層
28 エッチング停止層
30 空洞
32、33 導電性パターン
40 封止構造
41 ガラス板
42 接着剤
50 ＭＥＭＳ素子
51 可動電極
52 固定電極
54 質体
60 能動素子（トランジスタ）
61 ドープト領域（ソース）
62 ドープト領域（ドレイン）
63 チャネル
64 ゲート電極
100 最終的なデバイス
241 アパーチャ

Claims (13)

1. 固定電極と、空洞内にあって第１の離隔位置と第２の位置との間で前記固定電極に対して近付いたり離れたりする方向に移動可能な可動電極と、を備えたＭＥＭＳ素子を有する電子デバイスを製造する方法であって：
   − 基板の第一表面に犠牲層を設ける工程；
   − 前記犠牲層上に、前記電極のうちの第１の電極を有する電極構造を設ける工程；
   − 前記基板内に前記第一表面とは反対側の第二表面から、前記犠牲層の一部を露出させるように延在する少なくとも１つのエッチング開口を設ける工程；及び
   − 前記基板内の前記少なくとも１つのエッチング開口を介して、エッチャントを用いて前記犠牲層を除去する除去工程であり、それにより、前記空洞、及び前記固定電極と前記可動電極との間の隙間を作り出す工程；
   を有し、
   前記犠牲層は、前記基板を局所的に酸化することによって設けられ、且つ前記基板の少なくとも１つのポストによって少なくとも実質的に囲まれており、前記電極構造は、前記基板の少なくとも１つのポストまで延在しており、且つコンタクトを備えている、方法。
2. 前記第１の電極上に第２の犠牲層が設けられ、前記除去工程にて前記第２の犠牲層が除去され、それにより、前記第１の電極が前記可動電極となる、請求項１に記載の方法。
3. 前記固定電極は、前記第２の犠牲層の頂部に設けられた金属層内に形作られる、請求項２に記載の方法。
4. 前記基板内の前記少なくとも１つのエッチング開口はシーリング材を設けることによって封止される、請求項３に記載の方法。
5. 前記固定電極は前記基板内に形作られ、その目的のため、前記基板は前記隙間に隣接する領域で十分に導電性にされている、請求項２に記載の方法。
6. 前記基板に前記エッチング開口を設ける前に、前記電極構造を覆うように前記基板にハンドリング用基板が接着され、且つ該ハンドリング用基板が前記可動電極に重なる領域で除去されることにより前記可動電極が露出される、請求項５に記載の方法。
7. 前記基板は前記可動電極として機能するように十分に薄くされ且つ十分にドープされ、前記第１の電極は前記固定電極である、請求項１に記載の方法。
8. 前記電極構造は、前記犠牲層を覆うエッチング停止層と、前記第１の電極の横方向に位置する更なる電極とを有する、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の電極と前記可動電極との間の隙間が駆動用の前記更なる電極と前記可動電極との間の隙間より小さくなるように、前記電極構造の堆積に先立って、前記第１の電極の領域に凹部を形成するために前記犠牲層が選択的にエッチングされる、請求項８に記載の方法。
10. 第一表面とそれと反対側の第二表面とを有する半導体材料から成る基板、及び固定電極と、空洞内にあって第１の離隔位置と第２の位置との間で前記固定電極に対して近付いたり離れたりする方向に移動可能な可動電極と、を備えたＭＥＭＳ素子、を有する電子デバイスであって、
    前記固定電極及び可動電極の少なくとも一方は前記基板内に形作られ、前記空洞は、前記基板の前記第二表面で露出された前記基板内の開口によって開かれており、前記空洞は、横方向で該空洞を実質的に囲む前記基板内の少なくとも１つのポストによって定められた高さを有する、電子デバイス。
11. 前記可動電極は前記基板の前記第一表面上の導電層内に形作られ、且つ前記空洞から離れた側でも露出された膜から成る、請求項１０に記載の電子デバイス。
12. 前記ＭＥＭＳ素子に隣接して前記半導体基板内あるいはその上にトランジスタが形作られており、前記ＭＥＭＳ素子の第１の電極は前記トランジスタのゲート電極と同一の層内に形作られている、請求項１０に記載の電子デバイス。
13. 第一表面とそれと反対側の第二表面とを有する半導体材料から成る基板、及び固定電極と、第１の離隔位置と第２の位置との間で前記固定電極に対して近付いたり離れたりする方向に移動可能な可動電極と、空洞とを備えたＭＥＭＳ素子、を有する電子デバイスであって、
    前記可動電極は前記基板上に存在し、前記可動電極の下で前記基板内に前記空洞が形成されており、前記空洞は、開口群と該開口群を閉じるパッシベーション層とを備えた前記基板の部分によって閉じられている、電子デバイス。

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