JP2014511775A

JP2014511775A - 変更した応力特性を有する薄膜を形成する方法

Info

Publication number: JP2014511775A
Application number: JP2014505345A
Authority: JP
Inventors: グラハム，アンドリュー・ビー; ヤマ，ゲイリー; オブライエン，ゲイリー
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2014-05-19
Also published as: SG194480A1; CN103534195B; US20120264250A1; US8906730B2; WO2012142431A1; WO2012142400A1; KR20140026473A; KR101932301B1; EP2697154A1; JP6346649B2; CN103534195A; JP2017052092A

Abstract

一実施形態における薄膜の応力特性を変更する方法は、薄膜層を用意するステップと、所望の応力変更を決定するステップと、決定した所望の応力変更に基づいて薄膜層内に少なくとも１つのトラフを形成するステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本出願は、２０１１年４月１４日出願の米国特許仮出願第６１／４７５，４３２号の利益を主張するものである。
[0001]本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）圧力センサデバイスまたは薄膜を組み込んだ半導体デバイスなどの薄膜ベースのデバイスに関する。

[0002]圧力センサなどの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）および薄膜を組み込んだ他のデバイスの製造は、デバイスの感度のために深刻な問題を提起する。通常、シリコン、（ポリシリコンまたはシリコンゲルマニウム）から作られるデバイスは、小さなまたは特定の応力勾配特性とともに低い応力値または所定の応力値を示さなければならない。したがって、応力低減は、通常、高温アニーリングプロセスの間の応力／応力勾配緩和ステップ中に達成される。

[0003]ＭＥＭＳデバイスは、しかしながら、他の恒久的な材料および／または一時的な（犠牲）材料と合体された多くの機械部品を有する非常に複雑なデバイスである場合がある。合体された部品は、サーマルバジェット（熱収支）に起因して有害な干渉を示すことがある。このように、後に続くアニーリングステップは、以前に堆積した／アニールした層に影響を及ぼすことがあり、これゆえ、デバイスの膜応力および応力勾配値を変化させることがある。このように、応力緩和が実行されるタイミングおよび方式は、注意深く設計されなければならない。これにより、製造プロセスに対する複雑さおよびコストが加算される。

[0004]従来技術において応力を制御するために、さまざまな試みが行われてきている。これらの試みの一部には、特化した膜の開発が含まれる。これらの膜は、応力を低減することに有効であるが、導電性の欠如、粗さ、および異常な電気的特性などのさまざまな弱点に苦しむ。別の手法として、ドーピングを使用し、または特定の雰囲気を制御し、膜を堆積することが含まれる。これらの手法は、膜の化学的組成に影響を及ぼす。

[0005]必要とされるものは、これゆえ、薄膜内部の応力特性の変更に対する簡単で効果的な手法である。さらには、薄膜の化学的組成を変えない、膜内の応力特性の変更に対する手法の必要性が存在する。

[0006]一実施形態における薄膜の応力特性を変更する方法は、薄膜層を用意するステップと、所望の応力変更を決定するステップと、決定した所望の応力変更に基づいて薄膜層内に少なくとも１つのトラフを形成するステップとを含む。

[0007]リリースされた薄膜を有するＭＥＭＳデバイスの垂直横断面図であり、本発明の原理に従って部分深さ応力変更トラフと全深さ応力変更トラフとの混合物を設計して組み込むことによって、応力特性が変更されている。 [0008]リリースされた薄膜領域の外側の薄膜層内で発生した応力からリリースされた薄膜を実質的に完全に分離するために使用される重なり合ったトラフを示す図１のＭＥＭＳデバイスの上平面図である。 [0009]重なり合ったトラフを含むＭＥＭＳデバイスの上平面図であり、リリースされた薄膜の剛性およびリリースされた薄膜の応力特性の両方を変更するために、トラフの一部がリリースされた薄膜の内側に位置する。 [0010]リリースされた薄膜の角部近くまで延びるトラフを有するＭＥＭＳデバイスの上平面図であり、図４のトラフは、図３のトラフよりも著しく広い。 [0011]薄膜の１つの端部に沿って間隔を空けて設けられたトラフを組み込んでいるリリースされた薄膜への圧力印加のモデル化した結果の図であり、間隔を空けて設けられたトラフ間の領域内に応力が集中するという結果をもたらし、トラフのない端部と比較して小さな領域の全体にわたり増加した応力レベルを生じる。 [0012]薄膜の各端部に沿って間隔を空けて設けられたトラフを組み込んでいるリリースされた薄膜を有するＭＥＭＳデバイスの斜視図であり、それぞれのピエゾ抵抗器によって占有されている間隔を空けて設けられたトラフ間の領域内に応力が集中するという結果をもたらす。 [0013]リリースされた薄膜の剛性ならびに薄膜層の応力特性の両方を変更するために、リリースされた薄膜部分内および薄膜層のリリースされていない部分内の両方の薄膜層中へと上に向かって延びるトラフを、リリースされた薄膜が含んでいるデバイスの垂直横断面図である。 [0014]スペーサ層の上への薄膜層の堆積の前に、犠牲リッジがスペーサ層上に設けられた図７の基板の垂直横断面図である。 [0015]スペーサ層の上への薄膜層の堆積の後に、犠牲リッジがスペーサ層上に設けられた図８の基板の垂直横断面図である。 [0016]接合リングの内側に上に向かって延びるトラフを組み込んでいるデバイスの製造段階の図である。接合リングの内側に上に向かって延びるトラフを組み込んでいるデバイスの製造段階の図である。接合リングの内側に上に向かって延びるトラフを組み込んでいるデバイスの製造段階の図である。接合リングの内側に上に向かって延びるトラフを組み込んでいるデバイスの製造段階の図である。

[0017]本発明の原理の理解を深める目的で、図面に示され下記の明細書に説明される実施形態をここで参照する。本発明の範囲が実施形態によって限定されないことが理解される。本発明は、図示した実施形態に対するすべての代替形態および変形形態を含み、本発明に関係する当業者なら普通に思い付くはずであるように本発明の原理のさらに多くの用途を含むことが、さらに理解される。

[0018]図１および図２は、例えば、圧力検出器である場合があるＭＥＭＳデバイス１００を表す。ＭＥＭＳデバイス１００は、基板層１０２、およびスペーサ層１０６によって基板層１０２から間隔を空けて設けられた薄膜層１０４を含む。薄膜層１０４は、シリコン層であってもよく、スペーサ層１０６は、酸化膜層であってもよい。

[0019]薄膜層１０４は、リリース（解放）された薄膜部分１０８を有する。薄膜部分１０８の内側の応力は、薄膜部分１０８の周りに全応力トラフ（全応力溝）１１０および部分応力トラフ（部分応力溝）１１２を配置することによって分離される。図１および図２の実施形態では、部分応力トラフ１１２は、全応力トラフ１１０の対向する端部部分間に位置するトラフでない領域１１４と重なる。部分応力トラフ１１２が薄膜層１０４を完全に貫通して延びないという理由で、薄膜層１０４の構造的な完全性は、全応力トラフ１１０の付近の領域内の薄膜層１０４の構造的な完全性と比較して部分応力トラフ１１２の付近の領域内では大きい。応力緩和は、しかしながらそれほど大きくない。

[0020]図１および図２の実施形態では、応力緩和トラフ１１０および１１２のすべてが、リリースされた薄膜１０８の外側に設置される。このように、リリースされた薄膜１０８は、スペーサ層１０６の上側表面に配置された重なった部分１１８によって十分に支持される。したがって、リリースされた薄膜１０８の剛性は、リリースされた薄膜１０８の厚さおよび材料によって基本的に規定されるが、全応力トラフ１１０の幅および近さが、リリースされた薄膜１０８の剛性のいくらかの低下をもたらす。

[0021]図３は、剛性低下の増大をもたらすＭＥＭＳデバイス１３０の実施形態を表す。ＭＥＭＳデバイス１３０は、複数のトラフ（溝）１３２および１３４を含む。所望の強度および応力変更に応じて全トラフであっても部分トラフであってもよいトラフ１３２は、リリースされた薄膜１３６に隣接して設置される。トラフ１３２は、このように、応力変更に著しい効果を有するが、薄膜１３６の剛性には小さな効果しか有さないであろう。トラフ１３４は、しかしながら、リリースされた薄膜１３６の外周の内側に設置される。したがって、トラフ１３２および１３４の組み合わせが、リリースされた薄膜１３６の外側に源を発する応力からリリースされた薄膜１３６の有効な分離を与える一方で、トラフ１３４はまた、薄膜１３６の剛性を著しく低下させる。

[0022]したがって、トラフは、応力を低下させるためだけでなく、薄膜の剛性を変更するためにも使用されることがある。トラフの向き、深さ、および位置を設計することによって、ＭＥＭＳデバイスの応力特性および剛性特性の両者が、個々の用途のために最適されることが可能である。

[0023]図４は、トラフ１４２およびリリースされた薄膜１４４を含むＭＥＭＳデバイス１４０を表す。トラフ１４２は、図１〜図３の実施形態におけるトラフよりも著しく広い。トラフ１４２は、しかしながら、薄膜１４４の角部のところだけに設置される。このように、薄膜１４４の剛性は、著しくは低下しないが、応力パターンは、トラフ１４２によって集中されるであろう。応力集中は、別の実施形態についての、図５に表された応力シミュレーション結果に示される。

[0024]図５は、多孔質シリコンダイアフラム１５０について実行された応力シミュレーションを表す。ダイアフラム１５０は、１２μｍ厚であり、２つの６μｍトラフ１５２および１５４を含む。表されたシミュレーションに関して、１００ｋＰａの力が、多孔質シリコンダイアフラム１５０の中心である位置１５６に加えられた。

[0025]得られた応力パターンは、加えられた力の直ぐ周りの領域１５８内に大きな応力（０．８８４Ｅ＋０８ｋＰａ）の領域を含んだ。応力は、何もトラフが無くても、端部１６０、１６２、および１６４のところでの多孔質シリコンダイアフラム１５０の支持の結果として集中した。端部１６０、１６２、および１６４のところの応力は、０．１１８Ｅ＋０９ｋＰａに達した。

[0026]応力は、残りの端部１６６のところでもやはり集中した。端部１６６のところの応力パターンは、しかしながらトラフ１５２および１５４によって変更される。応力は、小さな領域の全体にわたり集中し、０．１４７Ｅ＋０９ｋＰａに達する一連の応力領域１６８を結果的に生じる。このように、トラフ１５２および１５４は、所定の場所のところに集中する応力／歪を形成する。この所定の場所のところにピエゾ抵抗器を配置することによって、ピエゾ抵抗器出力の大きな変動が、所与の印加圧力に対して得られることがある。当然のことながら、応力変更は、ピエゾ抵抗器を組み込んだセンサに加えて、例えば、容量センサを含むさまざまなセンサタイプにおいて使用される場合がある。

[0027]トラフ１５２および１５４によって影響を受けた応力変更パターンは、このように、起伏の正確な幾何学的形状（幅、深さ、形状、等）が、トラフの効果を微調整するために使用される場合があることを示す。図６の実施形態は、薄膜のたわみに対するデバイスの感度を最大にするために、図５のトラフ１５２および１５４の基本的な配置を利用する。図６では、ＭＥＭＳデバイス１７０は、リリースされた薄膜１７２を含む。リリースされた薄膜１７２の各端部は、間隔を空けて設けられたトラフグループ１７４を含む。ピエゾ抵抗器１７６は、間隔を空けて設けられたトラフグループ１７４の間の領域内に配置される。

[0028]図５から明らかであるように、間隔を空けて設けられたトラフ１５２および１５４は、間隔を空けて設けられたトラフ１５２／１５４の間の領域内に応力を集中させる。同様に、間隔を空けて設けられたトラフグループ１７４は、ピエゾ抵抗器１７６によって占められた領域内に応力を集中させる。このように、薄膜１７２内のすべての応力は、印加された力の結果であろうと、薄膜１７２を横切る差圧の結果であろうと、ピエゾ抵抗器１７６によって占められた領域内へと間隔を空けて設けられたトラフ１５２および１５４によって集中される。必要に応じて、間隔を空けて設けられたトラフのグループがより多く又はより少なく、設けられてもよい。

[0029]上述の実施形態では、部分トラフは、デバイスの上側表面から下に向かって延びるように表されている。必要に応じて、薄膜層の下側表面から上に向かって延びるトラフが、やはり形成されてもよい。例えば、図６は、基板層１８２、およびスペーサ層１８６によって基板層１８２から間隔を空けて設けられた薄膜層１８４を含むＭＥＭＳデバイス１８０を表す。薄膜層１８４は、リリースされた薄膜部分１８８を有する。

[0030]薄膜部分１８８の内側の応力は、トラフ１９０および１９２によって変更される。トラフ１９０は、リリースされた薄膜１８８の内側に配置される。このようにトラフ１９０は、リリースされた薄膜１８８の剛性をやはり変更する。トラフ１９０および１９２は、数多くの異なる手法で形成されることが可能である。例えば、トラフ１９０および１９２は、薄膜層１８４中へとエッチングされてもよく、薄膜層１８４は、次にスペーサ層１８６によって結合されてもよい。

[0031]あるいは、犠牲リッジ１９４および１９６は、図８に表されたように薄膜層１８４の形成に先立ってスペーサ層１８６上に形成されてもよい。薄膜層１８４の堆積の後で（図９参照）、犠牲リッジ１９４および１９６は、次にエッチングされることがある。犠牲リッジ１９４は、薄膜１８８のリリースと同時にエッチングされてもよい。犠牲リッジ１９６は、犠牲リッジ１９６とスペーサ層１８６との間に配置されたエッチストップを使用する薄膜リリースとは別にまたは同時にエッチングされてもよい。

[0032]結合リングを組み込んだデバイスには、応力変更トラフをやはり設けることが可能である。このようなデバイスを製造する１つの手法が、図１０〜図１３を参照して以下に論じられる。図１０では、デバイス２００は、基板層２０２、スペーサ層２０４、およびデバイス層２０６を含む。デバイス層２０６は、リリースされた薄膜２０８を含む。結合リング２１０は、基板層２０２の下側表面上に設置される。結合リング２１０は、はんだ付け、共晶、または１つの基板をもう１つの基板と結合する際に有用な任意の他の手法によって形成されることがある。

[0033]この実施形態では、２つの異なる深さが、応力変更トラフ用に望まれる。したがって、第１のエッチングプロセスでは、応力変更トラフ２１２が、図１１に表されたように結合リングの内側の位置のところにエッチングされる。後に続くエッチングステップ中に、追加のトラフ２１４がエッチングされる（図１２）。第２のエッチングステップ中には、さらなる材料が、トラフ２１２からエッチングして除去される。必要に応じて、さまざまな幅のトラフが設けられてもよい。さまざまな深さを有するトラフを組み込むことは、応力変更を依然として与えながら、リリースされた薄膜２０８の下の基板強度の増加を可能にする。

[0034]所望のトラフが形成されると、結合リング２１０は、基板層２０２をベース基板層２１６に結合するために使用される。必要に応じて、ベース基板層２１６は、例えば、もう１つのＭＥＭＳデバイスのキャップ層であってもよい。

[0035]本発明が図面および上述の説明において詳細に図示され記載されてきたが、これらは、例示であり、特性を限定しないと考えるべきである。好ましい実施形態だけが、提示されてきており、すべての変更形態、変形形態、および本発明の精神内になるさらに多くの適用例が、保護されるべきものであることが理解される。

Claims

薄膜の応力特性を変更する方法であって、
薄膜層を用意するステップと、
所望の応力変更を決定するステップと、
前記決定した所望の応力変更に基づいて前記薄膜層内に少なくとも１つのトラフを形成するステップと
を含む方法。
前記薄膜層の下にあるハンドル層から前記薄膜層をリリースするステップ
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
少なくとも１つのトラフを形成するステップが、
前記決定した所望の応力変更に基づいて前記少なくとも１つのトラフについてのトラフ幾何学的形状を決定するステップ
を含む、請求項１に記載の方法。
トラフ幾何学的形状を決定するステップが、
前記決定した所望の応力変更に基づいて前記少なくとも１つのトラフの幅、深さ、および形状を決定するステップ
を含む、請求項３に記載の方法。
所望の応力変更を決定するステップが、前記薄膜の応力集中領域を決定するステップを含み、
少なくとも１つのトラフを形成するステップが、
前記決定した応力集中領域に基づいてトラフパターンを決定するステップと、
前記決定したトラフパターンに基づいて少なくとも１つのトラフを形成するステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
所望の応力変更を決定するステップが、前記薄膜の応力分離領域を決定するステップを含み、
少なくとも１つのトラフを形成するステップが、
前記決定した応力分離領域に基づいてトラフパターンを決定するステップと、
前記決定したトラフパターンに基づいて少なくとも１つのトラフを形成するステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
少なくとも１つのトラフを形成するステップが、前記決定した所望の応力変更に基づいてトラフパターンを決定するステップと、
前記決定したトラフパターンに基づいて少なくとも１つのトラフを形成するステップと
を含む、請求項３に記載の方法。
少なくとも１つのトラフを形成するステップが、前記薄膜層の薄膜部分に隣接した位置のところに少なくとも１つのトラフを形成するステップを含む、請求項７に記載の方法。
少なくとも１つのトラフを形成するステップが、前記薄膜層の薄膜部分の内側の位置のところに少なくとも１つのトラフを形成するステップを含む、請求項７に記載の方法。
少なくとも１つのトラフを形成するステップが、前記薄膜層の薄膜部分の端部に平行に少なくとも１つのトラフを形成するステップを含む、請求項７に記載の方法。
少なくとも１つのトラフを形成するステップが、
第１のトラフ深さを有する第１のトラフを形成するステップと、
第２のトラフ深さを有する第２のトラフを形成するステップとを含み、前記第１のトラフ深さが前記第２のトラフ深さよりも深い、
請求項７に記載の方法。
少なくとも１つのトラフを形成するステップが、
前記薄膜層の薄膜部分の端部に平行に第１のトラフの少なくとも一部分を形成するステップと、
前記薄膜層の前記薄膜部分の前記端部に平行に第２のトラフの少なくとも一部分を形成するステップと
を含む、請求項７に記載の方法。
前記第１のトラフの前記少なくとも一部分が、前記第２のトラフの前記少なくとも一部分に平行である、請求項１２に記載の方法。
前記第１のトラフが、前記第２のトラフと一部だけ重なる、請求項１３に記載の方法。
少なくとも１つのトラフを形成するステップが、少なくとも１つの湾曲したトラフを形成するステップ
を含む、請求項７に記載の方法。
少なくとも１つのトラフを形成するステップが、
前記薄膜層の上側表面を通る第１のトラフを形成するステップと、
前記薄膜層の下側表面を通る第２のトラフを形成するステップと
を含む、請求項７に記載の方法。