JP2010253650A - シリコンデバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンをエッチング液による侵食から保護するとともに、熱変形、剥がれ、シリコンの割れおよび不完全な侵食防止という不良の改善、製造工程の工数低減、作業性の改善およびコスト低減をすることができるシリコンデバイスの製造方法を提供すること。
【解決手段】物理量を検出する素子またはシリコンを変形させる素子をシリコンの一方の面に形成し、シリコンの他方の面の一部および一方の面を保護膜で覆い、シリコンをエッチングするシリコンデバイスの製造方法において、保護膜に金属膜を用いてシリコンの他方の面の一部および一方の面を覆う第１工程(Ｓ１２０)と、金属膜を侵食しないエッチング液を用いてシリコンをエッチングする第２工程（Ｓ１３０）と、素子に接続される電極を金属膜から形成する第３工程（Ｓ１４０）とを有することを特徴とするもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンデバイスの製造方法に関し、特に、シリコンデバイスをエッチング液から保護する方法に関するものである。

シリコンをエッチングしてシリコンデバイス（圧力センサ、加速度センサなど）を製造する方法として、以下の製造方法が知られている。

図５はシリコンデバイスの製造工程のフロー図、図６、７はこの製造工程によって製造されるシリコンデバイス１０、２０の構造断面図である。シリコンデバイスの製造方法について、図５を用いて説明する。

以下の説明中の符号は、図６、７に示した符号に対応し、図６、７を交えながら説明を行う。なお、図６は、エッチング保護面１２を第２保護膜１８で保護するもの、図７は、エッチング保護面１２を保護冶具２１で保護するものである。

図５の工程Ｓ１０において、シリコン１１のエッチング保護面１２（シリコン１１の一方の面）に、圧力などの物理量を検出する素子１４を形成する。

工程Ｓ２０において、例えば素子１４を囲むように、シリコン１１のエッチング保護面１２に酸化シリコンなどの絶縁層１５を形成する。

工程Ｓ３０において、絶縁層１５の上に、ボンディングパッドなどの電極１６、電極１６に接続されるアルミ膜パターンなどの配線（図示しない）を形成する。

電極１６は配線で素子１４に接続され、素子１４の信号は電極１６、配線を介して取り出される。絶縁層１５によって、シリコン１１のエッチング保護面１２と電極１６との絶縁が保たれる。

アルミ膜などの金属を電極１６または配線に用いた場合、アルカリ性のエッチング液（水酸化カリウム、水酸化テトラメチルアンモニウムなど）によってシリコン１１をエッチングすると、電極１６または配線が侵食されるので、これを防止するため、以下の工程Ｓ５０を行う。

図５の工程Ｓ４０において、シリコン１１のエッチング面１３の一部（シリコン１１の他方の面の一部）を第１保護膜１７で覆う。例えば、第１保護膜１７は、シリコン１１との選択比がとれ、緻密な膜である熱酸化膜または窒化膜などが用いられる。

なお、図６、７では一例として、第１保護膜１７は、エッチング面１３の中央部分（素子１４、電極１６に対向する部分）以外の部分を覆う。

図５の工程Ｓ５０において、エッチング保護面１２、電極１６、配線および素子１４を第２保護膜１８で覆う（図６参照）。例えば、第２保護膜１８は、アルミ膜などを用いた電極１６または配線を、工程Ｓ６０でのエッチングによる侵食から保護するために、低温度化学気相蒸着（ＣＶＤ）膜またはポリイミドなどの樹脂膜などが用いられる。なお、保護冶具２１で覆う場合（図７参照）については後述する。

図５の工程Ｓ６０において、シリコン１１をアルカリ性のエッチング液でエッチングする。第１保護膜１７が覆われていないエッチング面１３の部分がエッチングされて、ダイアフラム（図示しない）が形成される。

このとき、電極１６または配線は、第２保護膜１８で覆われてるので、アルカリ性のエッチング液によって侵食されない。

工程Ｓ７０において、第２保護膜１８をエッチングなどで除去して、製造工程は終了する。

つぎに、工程Ｓ５０において保護冶具２１で覆う場合について説明する。図７に示すように、エッチング保護面１２とエッチング面１３の両面からシリコン１１を挟むように保護冶具２１を取り付ける。これによって、保護冶具２１が、エッチング保護面１２、電極１６、配線および素子１４を覆う。

そして、図５の工程Ｓ６０においてエッチングを行ったとき、電極１６または配線は保護冶具２１で覆われてるので、アルカリ性のエッチング液によって侵食されない。

工程Ｓ７０において、保護冶具２１を取り外して、製造工程は終了する。

なお、保護膜で覆う製造方法が特許文献１に、保護冶具で覆う製造方法が特許文献２に記載されている。

特開平１１−１０３０７６号公報 特開平６−１３３６５号公報

しかしながら、背景技術には以下のような問題がある。
（１）シリコン１１のエッチング（図５の工程Ｓ６０）中に第２保護膜１８が剥がれるという問題のほかに、エッチング後に電極１６を侵食することなく第２保護膜１８を除去する作業（図５の工程Ｓ７０）が困難であるという問題がある。また、シリコン１１のエッチング前後に、第２保護膜１８を成膜し除去する工程（図５の工程Ｓ５０、Ｓ７０）は、コストが高く、多くの工数がかかるという問題がある。
（２）保護冶具２１で覆う場合（図５の工程Ｓ５０）、シリコン１１の割れの問題、およびシリコン１１と保護冶具２１との密着が不完全であれば電極１６または配線の侵食を完全に防止できないという問題がある。また、保護冶具２１の取り付けおよび取り外しは作業性が悪いほか、保護冶具２１は高価でありコストが高くなるという問題がある。

本発明の目的は、シリコンをエッチング液による侵食から保護するとともに、剥がれ、シリコンの割れおよび不完全な侵食防止という不良の改善、製造工程の工数低減、作業性の改善およびコスト低減をすることができるシリコンデバイスの製造方法を提供することである。

このような目的を達成するために、請求項１の発明は、
物理量を検出する素子またはシリコンを変形させる素子を前記シリコンの一方の面に形成し、前記シリコンの他方の面の一部および前記一方の面を保護膜で覆い、前記シリコンをエッチングするシリコンデバイスの製造方法において、
前記保護膜に金属膜を用いて前記シリコンの他方の面の一部および前記一方の面を覆う第１工程と、
前記金属膜を侵食しないエッチング液を用いて前記シリコンをエッチングする第２工程と、
前記素子に接続される電極を前記金属膜から形成する第３工程と
を有することを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記金属膜は、アルミ膜またはアルミ合金膜であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の発明において、
前記第２工程または前記第３工程の後に、前記シリコンをシンタリングする第４工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果がある。
（１）金属膜を侵食しないエッチング液を用いてエッチングするので、エッチング中の金属膜の剥離を防止できる。また、電極を金属膜から形成するため、電極の形成と金属膜の不要な部分の除去作業を同時にできるとともに、第２保護膜の成膜は必要無いので、製造工程の工数低減、作業性の改善およびコスト低減をすることができる。
（２）第１、２保護膜として金属膜を用い、金属膜を侵食しないエッチング液を用いてシリコンをエッチングすることによって、金属膜に覆われたシリコンの部分をエッチング液による侵食から保護できる。このため、保護冶具を用いなくてよいので、シリコンの割れを防止し、侵食を完全に防止でき、保護冶具の取り付けおよび取り外しの作業が無くなり作業性が改善され、コスト低減をすることができる。

本発明を適用したシリコンデバイスの製造工程のフロー図の例である。 図１の製造工程によって製造されるシリコンデバイスの構造断面図の例である。 シンタリングを用いたシリコンデバイスの製造工程のフロー図の例である。 多層膜を用いて製造されるシリコンデバイスの構造断面図の例である。 背景技術で示したシリコンデバイスの製造工程のフロー図の例である。 図５の製造工程によって製造されるシリコンデバイスの構造断面図の例である。 図５の製造工程によって製造されるシリコンデバイスの構造断面図の他の例である。

図１はシリコンデバイスの製造工程のフロー図、図２はこの製造工程によって製造されるシリコンデバイス１００の構造断面図である。本実施例にかかるシリコンデバイスの製造方法について、図１を用いて説明する。なお、図２、６、７において、同一の構成要素は同一符号を付してある。

以下の説明中の符号は、図２に示された符号に対応し、図２を交えながら説明を行う。なお、図２（ａ）は、図１の工程Ｓ１００〜Ｓ１２０に対応するシリコンデバイス１００の構造断面図、図２（ｂ）は、図１の工程Ｓ１３０〜Ｓ１４０に対応するシリコンデバイス１００の構造断面図である。

図１の工程Ｓ１００において、シリコン（半導体）１１のエッチング保護面１２（シリコン１１の一方の面）に素子１４を形成する。

工程Ｓ１１０において、例えば、素子１４の両側または囲むように、エッチング保護面１２に酸化シリコンなどの絶縁層１５を形成する。

本実施例の特徴の一つは、シリコン１１をエッチング液による侵食から保護するために、金属膜１１０、１１１でシリコン１１を覆い（工程Ｓ１２０）、金属膜１１０、１１１を侵食しないエッチング液を用いてシリコン１１をエッチングする点（工程Ｓ１３０）である。また、シリコン１１をエッチングした後に、金属膜１１１から電極を形成する点（工程Ｓ１４０）である。

以下に、本実施例の特徴について説明する。なお、金属膜１１０、１１１の例として、アルミ膜またはアルミ合金膜を用いて説明する。

工程Ｓ１２０（第１工程）において、シリコン１１のエッチング面１３の一部（シリコン１１の他方の面の一部）をアルミ膜（金属膜）１１０で覆う。また、エッチング保護面１２、素子１４および絶縁層１５をアルミ膜（金属膜）１１１で覆う。

アルミ膜１１０は、エッチング面１３の中央部分（素子１４、絶縁層１５に対向する部分）以外の部分を覆う（図２（ａ）参照）。

なお、アルミ膜１１０、１１１で覆った後、工程Ｓ１３０においてエッチングをするまでの間に、シンタリングまたは成膜による熱が加わる工程が行われると、アルミ膜１１０、１１１にピンホールなどの欠陥が生じることがある。このため、アルミ膜１１０、１１１はアズデポの状態で、工程Ｓ１３０が行われる。

アルミ膜１１０、１１１の欠陥の発生を防止するため、シンタリングは工程Ｓ１３０でのエッチング後に行うことが好ましく、これについては図３において説明する（後述）。

図１の工程Ｓ１３０（第２工程）において、アルミ膜１１０、１１１を侵食しないエッチング液を用いて、シリコン１１をエッチングする。これによって、エッチング面１３のうち、アルミ膜１１０によって覆われていない部分がエッチングされて、ダイアフラム１２０が形成される（図２（ｂ）参照）。

このとき、エッチング液によって、アルミ膜１１０、１１１は侵食されないので、アルミ膜１１０、１１１に覆われたシリコン１１の部分、素子１４および絶縁層１５は同様に侵食されない。

図１の工程Ｓ１４０（第３工程）において、絶縁層１５の上に、素子１４に接続される電極１３０をアルミ膜１１１から形成する（図２（ｂ）参照）。例えば、アルミ膜１１１をパターニングすることによって電極１３０を形成する。工程Ｓ１４０を実施して製造工程は終了する。

なお、アルミ合金膜には、例えば、シリコン（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）またはニッケル（Ｎｉ）などの少なくともいずれか一つの材料をアルミに含有させた合金を用いることができる。

そして、図１に示した製造工程によって、以下を実現することができる。
（１）アルミ膜１１０、１１１を侵食しないエッチング液を用いてエッチングするので、エッチング中のアルミ膜１１０、１１１の剥離を防止できる。また、電極１３０をアルミ膜１１１から形成するため、電極１３０の形成とアルミ膜１１１の不要な部分の除去作業を同時にできるとともに、第２保護膜１８（図６参照）の成膜は必要無いので、製造工程の工数低減、作業性の改善およびコスト低減をすることができる。

（２）アルミ膜１１０、１１１でシリコン１１を覆い、アルミ膜１１０、１１１を侵食しないエッチング液を用いてシリコン１１をエッチングすることによって、アルミ膜１１０、１１１に覆われたシリコン１１の部分をエッチング液による侵食から保護できる。このため、保護冶具２１（図７参照）を用いなくてよいので、シリコン１１の割れを防止し、侵食を完全に防止でき、保護冶具２１の取り付けおよび取り外しの作業が無くなり作業性が改善され、コスト低減をすることができる。

（３）アルミ膜１１１でシリコン１１を覆い、電極１３０をアルミ膜１１１から形成する。このため、電極１３０は高温にさらされないので、欠陥を防止できる。

なお、電極１３０にワイヤボンディングを行う場合には電気的な接続が良好であること（ボンディング性が良好）、シリコン１１とのオーミックコンタクト抵抗が小さいことが要求される。電極１３０に用いるアルミ膜またはアルミ合金膜は、これらとシリコン１１とのオーミックコンタクト抵抗を小さくすることができ、電極１３０として好ましい材料である。

また、アルミ膜またはアルミ合金膜は、熱処理によって生じるヒロック等の膜の欠陥および膜のピンホールなどを抑えることができる。

なお、アルミ膜またはアルミ合金膜以外でも、ボンディング性が良好であり、シリコン１１とのオーミックコンタクト抵抗が小さい材料、例えば、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）または銀（Ａｇ）などを電極１３０として用いることができる。

オーミックコンタクト抵抗値は、シリコンデバイスの特性によって定められる抵抗値より小さい値にすればよい。

つぎに、上述したシンタリングについて図３を用いて説明する。図３は、図１の製造工程にシンタリングを行う工程を追加したフロー図である。

図３において、工程Ｓ１００〜Ｓ１４０は、図１の工程Ｓ１００〜Ｓ１４０と同じである。図１との相違点は、工程Ｓ１４０の後に、シリコン１１をシンタリングする工程Ｓ１５０（第４工程）を追加した点である。

なお、工程Ｓ１５０のシンタリングは、工程Ｓ１３０でのエッチング後に行えばよいため、工程Ｓ１３０とＳ１４０との間で行ってもよい。

このように、シリコン１１をエッチングした後にシンタリングを行うことによって、アルミ膜１１０、１１１にピンホールなどの欠陥が生じることを防止でき、シリコン１１のエッチングを防止できる。

つぎに、図１、３の工程Ｓ１２０において、シリコン１１のエッチング保護面１２を覆うアルミ膜１１１を多層膜から形成する場合について、図４を用いて説明する。図４は、図２のアルミ膜１１１が多層膜２２０から形成されるシリコンデバイス２００の構造断面図である。

図４（ａ）は、図１、３の工程Ｓ１００〜Ｓ１２０に対応するシリコンデバイス２００の構造断面図、図４（ｂ）は、図１、３の工程Ｓ１３０以降に対応するシリコンデバイス２００の構造断面図である。なお、図２、４において、同一の構成要素は同一符号を付してある。

図４のシリコンデバイス２００を製造する工程は、基本的には図１、３の工程と同じであるが、工程Ｓ１２０において多層膜２２０で覆う点（図４（ａ）参照）、および工程Ｓ１４０において電極２３０が多層膜から形成される点（図４（ｂ）参照）が相違する。以下に、相違点について説明する。

図４（ａ）において、シリコン１１のエッチング保護面１２を多層膜２２０で覆う（図１、３の工程Ｓ１２０）。例えば、多層膜２２０は、エッチング保護面１２側から順に、Ａｌ（アルミ）膜２２０ａ、Ｃｒ（クロム）膜２２０ｂおよびＡｕ（金）膜２２０ｃから形成される。多層膜２２０の最上層の膜の材料はＡｕ（金）である。

シリコン１１と接する最下層には、オーミックコンタクト性の良好な材料を、最上層には、ボンディング性が良好な材料を用いる。中間層には、上層と下層との密着性の良好な膜を用いる。シリコン１１と共晶する金属の場合は、ブロック層となる金属を中間または下層に使用する。

図４（ｂ）において、絶縁層１５の上に、電極２３０を多層膜２２０から形成する（図１、３の工程Ｓ１４０）。電極２３０は、エッチング保護面１２側から順に、Ａｌ膜２２０ａ、Ｃｒ膜２２０ｂおよびＡｕ膜２２０ｃから形成される。

そして、多層膜２２０を用いることによって、以下を実現することができる。
（１）多層膜２２０を用いることによって、多層膜２２０にピンホールなどの欠陥が生じることを防止できる。また、多層膜２２０の膜厚は、緻密な膜形成が困難で厚い膜厚を必要とする第２保護膜１８（図６参照）より薄くできるので、図４（ａ）の状態において、多層膜２２０に覆われているシリコン１１および素子１４に生じる応力を低減できる。

（２）最上層膜をＡｕ膜２２０ｃから形成することによって、ボンディング性を良好にすることができる。

なお、最上層膜の材料には、Ａｕ（金）以外でもボンディング性が良好である、例えば、クロム、チタン、金、白金、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステン、パラジウムまたは銀などを用いることができる。

（３）多層膜２２０はシリコン１１と共晶することを避ける必要がある。Ａｕはシリコン１１と共晶するので、Ａｕ膜２２０ｃとシリコン１１との間に、共晶を防ぐためのブロック層２２０ｂと、シリコン１１とのオーミックコンタクト抵抗が小さい材料の膜（例えば、Ａｌ膜２２０ａ）とを形成することによって、多層膜２２０はシリコン１１と共晶することを避けることができる。

また、Ａｕ膜２２０ｃと、Ａｕ膜２２０ｃなどの表面酸化膜に対して密着性が得られない材料の膜との間には、表面酸化膜に対して密着性がある材料の膜を形成することが好ましい。

なお、素子１４は、物理量を検出する素子のほかに、アクチュエータなどのシリコン１１を変形させる素子（例えば、ヒーター、ピエゾ、バイメタル、静電構造）を用いることができる。

上述したシリコンデバイスの製造方法は、振動式または静電容量式圧力センサを含む圧力センサ、加速度センサ、角速度センサ、プロジェクタ用のミラー（反射部）およびインクジェット用のノズルなどのＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイス全般の製造方法に用いることができる。加速度センサおよびプロジェクタ用のミラーは、ダイアフラムではなく梁を形成する。

なお、本発明は、前述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲で、さらに多くの変更および変形を含む。

１１ シリコン
１２ エッチング保護面
１３ エッチング面
１４ 素子
１５ 絶縁層
１１０、１１１ 金属膜
１３０、２３０ 電極
１００、２００ シリコンデバイス
２２０ 多層膜
２２０ａ Ａｌ膜
２２０ｂ Ｃｒ膜
２２０ｃ Ａｕ膜

Claims (3)

1. 物理量を検出する素子またはシリコンを変形させる素子を前記シリコンの一方の面に形成し、前記シリコンの他方の面の一部および前記一方の面を保護膜で覆い、前記シリコンをエッチングするシリコンデバイスの製造方法において、
   前記保護膜に金属膜を用いて前記シリコンの他方の面の一部および前記一方の面を覆う第１工程と、
   前記金属膜を侵食しないエッチング液を用いて前記シリコンをエッチングする第２工程と、
   前記素子に接続される電極を前記金属膜から形成する第３工程と
   を有することを特徴とするシリコンデバイスの製造方法。
2. 前記金属膜は、アルミ膜またはアルミ合金膜であることを特徴とする請求項１に記載のシリコンデバイスの製造方法。
3. 前記第２工程または前記第３工程の後に、前記シリコンをシンタリングする第４工程を有することを特徴とする請求項１または２に記載のシリコンデバイスの製造方法。

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