JP2015123547A - ウエハ、電子部品、ウエハの製造方法及び電子部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン活性層にシリコン酸化膜を形成し温度特性を改善するとともに、製造過程におけるシリコン酸化膜の破断を防止したシリコン酸化膜を備えたウエハ、電子部品、ウエハの製造方法及び電子部品の製造方法を提供する。【解決手段】ウエハ１は、ボックス層１１と、ハンドル層１２と、からなる。ボックス層１１は、シリコン活性層１３とシリコン酸化膜１４とを備え、シリコン活性層１３の下層にシリコン酸化膜１４を形成して構成される。ハンドル層１２は、シリコンにより形成され、中央部に凹状のキャビティＣを形成してなる。ボックス層１１を構成するシリコン酸化膜１４は、切欠き１５を有する。切欠き１５は、シリコン活性層１３を加工した際に形成される溝Ｇと、キャビティＣとを連通させる位置に形成される。【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン酸化膜を備えたウエハと、このウエハを備えた電子部品、ウエハの製造方法及び電子部品の製造方法に関する。

従来、シリコン半導体層上に圧電薄膜を含む振動部が構成されているＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）構造が知られている。従来のＭＥＭＳ振動子では、シリコン活性層の上層と下層に、シリコン酸化膜を形成し、温度依存性を改善した技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

ＭＥＭＳ構造の製造に当たっては、図６（ａ）に示すように、シリコン活性層１００とシリコン酸化膜２００とから形成されるシリコンウエハ３００と、キャビティＣを形成したハンドルウエハ４００とを接合したキャビティＳＯＩ（以下、単にＣＳＯＩともいう。）５００を用いる。一般に、シリコンウエハ３００とハンドルウエハ４００との接合は、減圧下で行われるため、ＣＳＯＩ５００におけるキャビティＣ内部は減圧された状態になっている。

このＣＳＯＩ５００を用いてＭＥＭＳ振動子を製造する場合、図６（ｂ）に示すように、シリコンウエハ３００上に、絶縁層６００、電極７００、圧電層８００を形成した後、図６（ｃ）に示すように、ドライエッチングによりシリコン活性層１００及びシリコン酸化膜２００を加工して形成する。

一般的に、シリコン活性層１００とシリコン酸化膜２００とをドライエッチングするには、異なるドライエッチャーを用いる。例えば、ＭＥＭＳ振動子のように高アスペクト比、高精度な加工には、ボッシュプロセスを用いる。ボッシュプロセスを用いた場合、シリコン活性層１００をエッチングした後、シリコン酸化膜２００を残してエッチストップし、シリコン酸化膜２００の除去が可能なドライエッチャーを変えたうえで、シリコン酸化膜２００を除去してシリコン振動子１０００を形成する。

米国特許第８０９８００２明細書

ところで、上述のように、シリコン活性層１００をエッチングした後、シリコン酸化膜２００を加工するに当たって、減圧下に置かれていたウエハは、ドライエッチャーから排出され、別のドライエッチャーに搬送されるまでの間に大気開放される。

ウエハ内部に形成されたキャビティＣ内部は減圧されているため、大気開放した場合には、残存したシリコン酸化膜２００の表裏に大きな圧力差が生じる。このため、図６（ｃ）に示すように、シリコン活性層１００をエッチングした隙間の下端にあるシリコン酸化膜２００が破断し、破断したパーティクルＰがキャビティＣ内に残留してしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、シリコン活性層にシリコン酸化膜を形成し温度特性を改善しつつ、製造過程におけるシリコン酸化膜の破断を防止したウエハ、電子部品、ウエハの製造方法及び電子部品の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係るウエハは、シリコン活性層の少なくとも下層にシリコン酸化膜を形成したボックス層と、前記シリコン酸化膜を介して前記ボックス層と接合されるキャビティを有するハンドル層と、を備え、前記シリコン酸化膜は、前記シリコン活性層と前記キャビティとを連通させた切欠きを備え、前記キャビティ内は大気圧より減圧である。

また、本発明の一側面に係るウエハの製造方法では、シリコン活性層の少なくとも下層にシリコン酸化膜を形成し、ボックス層を作製する工程と、キャビティを有するハンドル層を作製する工程と、前記シリコン酸化膜に、前記シリコン活性層と前記キャビティとを連通させる切欠きを形成する工程と、減圧雰囲気下で、前記ボックス層と前記ハンドル層とを、前記シリコン酸化膜を介して接合する工程と、を実行する。

さらに、本発明の一側面に係る電子部品の製造方法では、上述のウエハの製造方法により製造されたウエハ上に、少なくとも圧電体と電極とを形成する工程と、圧電体、電極及びシリコン活性層を加工して溝を形成し、当該溝と前記切欠きとを連通させる工程と、を実行する。

以上の本発明によれば、シリコン酸化膜は、シリコン活性層を加工した場合に形成される溝と連通する位置に切欠きを備えることで、当該切欠きを介してキャビティと溝とが連通した状態になる。したがって、シリコン活性層の加工が終了した段階で、キャビティ内外の圧力差がなくなる。そのため、ウエハを大気開放した際に圧力差によりシリコン酸化膜が破断することを防止することができる。

第１の実施形態におけるウエハ及び電子部品の構成並びにその製造工程を示す図である。 図１のウエハの一部を平面視した図である。 図１の電子部品の一適用例を示す図である。 図１の電子部品の一適用例を示す図である。 第２の実施形態におけるウエハ及び電子部品の構成を示す図である。 従来のＭＥＭＳ振動子の製造工程における課題を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について図１〜図５を用いて具体的に説明する。

［１．第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態（以下、この項において「本実施形態」という。）に係るウエハをＭＥＭＳ振動子に適用した例について、その構成と製造工程を表す断面図である。図２は、図１のウエハを平面視した図である。また、図３及び図４は、本実施形態に係るＭＥＭＳ振動子の具体的な適用例を示す図である。

（構成）
図１（ｃ）に示すように、本実施形態のウエハ１は、それぞれ方形板状のボックス層１１と、ハンドル層１２と、から構成される。ボックス層１１は、シリコン活性層１３とシリコン酸化膜１４とを備え、本実施形態では、シリコン活性層１３の下層にシリコン酸化膜１４を形成して構成される。ハンドル層１２は、シリコンにより形成され、中央部に凹状のキャビティＣを形成してなる。

ボックス層１１を構成するシリコン酸化膜１４は、切欠き１５を有する。切欠き１５は、シリコン活性層１３を加工した場合に形成される溝Ｇ（図１（ｄ）参照）と、キャビティＣとを連通させる位置に形成される。

すなわち、一般的にＭＥＭＳ振動子は、図２に示すように、外部の振動の入力を受ける振動部Ｏを備え、この振動部Ｏの周囲は、腕部Ｏ１，Ｏ２を介して枠Ｆに固定される箇所以外はエッチング加工が施される。本実施形態では、後に図１（ｄ）において詳述するように、ＭＥＭＳ振動子１０の表面からキャビティＣに至るまでをエッチングして溝Ｇを形成し、振動部Ｏを構成する。このエッチング加工によりシリコン活性層１３に形成される溝ＧとキャビティＣとが連通する位置に、切欠き１５が形成される。

なお、後に図１（ｄ）を用いて説明するが、本実施形態のＭＥＭＳ振動子１０は、キャビティＳＯＩウエハ１に絶縁層１６、圧電層１７、内部電極１８及びパッド電極１９を形成して構成される。この絶縁層１６には、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、窒化シリコン（ＳｉＮ）などが用いられる。また、内部電極１８には、例えばモリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）などが用いられる。さらに、パッド電極１９には、例えばアルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）などが用いられる。

本実施形態では、切欠き１５は、シリコン酸化膜１４においてシリコン活性層１３に形成される溝Ｇに沿って形成される。例えば、図２にボックス層１１を下方から見た図を示すとおり、振動部Ｏの周囲に溝Ｇがコの字形状を向かい合わせに形成される場合、切欠き１５は、この溝Ｇの形状と同様の形状でシリコン酸化膜１４にパターニングされる。

なお、図２では、参考のため、ハンドル層１２に形成されるキャビティＣの位置を仮想線で示している。また、同図において、切欠き１５と溝Ｇとを完全に一致して形成した例を示しているが、これは最適な実施例を示すものであり、実際には、切欠き１５と溝とのアライメントのマージンが生じるので、切欠き１５のサイズ（幅）が大きめにパターニングされるのが一般的である。

（製造工程）
続いて、図１（ａ）〜（ｄ）を用いて、本実施形態のウエハ１及びＭＥＭＳ振動子１０の製造工程について説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は、ボックス層１１と、ハンドル層１２とを接合する前の図である。図１（ａ）に示す状態のボックス層１１に対して、同図（ｂ）に示すように、後の工程においてシリコン活性層１３に形成される溝Ｇのパターンに沿って切欠き１５を形成する。この切欠き１５は、例えばレーザ等によるパターン加工により形成することが可能である。

次に、同図（ｃ）に示すように、ボックス層１１とハンドル層１２とを、シリコン活性層１３の下層に形成されたシリコン酸化膜１４を介して接合し、キャビティＳＯＩウエハ１を形成する。ここで、ボックス層１１とハンドル層１２との接合は、１０Ｐａ以下の減圧雰囲気下で行われる。そのため、同図に示すキャビティＣ内は減圧された状態になっている。

続いて、同図（ｄ）に示すように、キャビティＳＯＩウエハ１に絶縁層１６、圧電層１７、内部電極１８及びパッド電極１９を形成する。そして、これら絶縁層１６、圧電層１７、内部電極１８及びパッド電極１９と、シリコン活性層１３に対して、例えばドライエッチングによる加工を施して、振動部Ｏを形成し、ＭＥＭＳ振動子１０を構成する。

（作用効果）
以上のような構成及び製造工程のウエハ１及びＭＥＭＳ振動子１０の作用効果について説明する。

上述のように、従来は、シリコン活性層をエッチングした後、シリコン酸化膜を加工するに当たって、減圧下に置かれていたウエハを別のドライエッチャーに搬送するため大気開放していた（図６参照）。キャビティ内部は減圧されているため、大気開放した場合には、残存したシリコン酸化膜の表裏に大きな圧力差が生じ、シリコン酸化膜が破断して、パーティクルがキャビティに残存することになっていた。

これに対して、本実施形態では、ボックス層１１とハンドル層１２とを接合する前に、シリコン酸化膜１４に対して、後にシリコン活性層１３に形成される溝Ｇのパターンに沿って切欠き１５を形成しておく。これにより、シリコン酸化膜１４の、シリコン活性層１３の溝ＧとキャビティＣとが連通する箇所が予め除去された状態になる。そのため、絶縁層１６、圧電層１７、内部電極１８及びパッド電極１９と、シリコン活性層１３をエッチングして溝Ｇを形成するだけで、ＭＥＭＳ振動子１０を構成することができる。

このようなウエハ１及びＭＥＭＳ振動子１０によれば、大気開放によりシリコン酸化膜１４に圧力差が生じることがなく、シリコン酸化膜１４が破断するようなことがない。

また、従来、ボッシュプロセスを用いた場合には、シリコン活性層をエッチングした後、シリコン酸化膜を残してエッチストップし、ドライエッチャーを切り替えて処理を行っていた。本実施形態のウエハ１では、切欠き１５が、シリコン活性層１３に形成される溝Ｇ全体に沿って設けられているので、シリコン活性層１３のエッチングで処理を行った後にシリコン酸化膜１４の加工を行う必要がない。したがって、ＭＥＭＳ振動子１０の製造に当たって、ドライエッチャーを変更して処理を行う必要がなく、処理工程を削減することができる。

以上のような本実施形態のウエハ及びＭＥＭＳ振動子によれば、シリコン酸化膜により温度特性を補償しつつ、製造工程においてシリコン酸化膜の破断により部品内にパーティクルが残存する課題を解決することができる。

（本実施形態の適用例）
続いて、図３及び図４を用いて、本実施形態の具体的な適用例について説明する。
図３に示す例は、図１に示した態様と基本構成を共通にする。異なるのは、ハンドル層１２がキャビティを並列して２つ備え、シリコン活性層１３とシリコン酸化膜１４とにより形成したボックス層１１において、振動部Ｏを並列して２つ形成し、これに合わせてエッチングパターンを構成した点である。また、この例では、圧電層１７に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系薄膜圧電体を用いている。

圧電層には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、圧電セラミックスの一種であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）など種々の圧電体材料を用いることができる。このうち、窒化アルミニウムは、一般的に膜応力を容易に調整できる特徴がある。ここで、シリコン活性層１３下層のシリコン酸化膜１４は、シリコン活性層１３を上反りさせる圧縮応力を有する。この点、本実施形態において、圧電層１７として、窒化アルミニウムを圧縮応力にて成膜することで、シリコン酸化膜１３の応力をキャンセルし、シリコン活性層１３をフラットにできるという効果がある。

図３に示す例においても、ボックス層１１とハンドル層１２とを接合する前に、シリコン酸化膜１４に対して、後にシリコン活性層１３に形成される溝Ｇに沿って切欠き１５をパターニングしておく。そのため、絶縁層１６、圧電層１７、内部電極１８及びパッド電極１９と、シリコン活性層１３をエッチングして溝Ｇを形成するだけで、ＭＥＭＳ振動子２０を構成することができる。したがって、大気開放によりシリコン酸化膜１４に圧力差が生じることがなく、シリコン酸化膜１４が破断するようなことがない。

なお、この例において、シリコン酸化膜１４をシリコン活性層１３の下層にのみ形成しているが、これに限らず、シリコン酸化膜１４をシリコン活性層１３の上層及び下層の両方に形成することも可能である。これにより温度特性がさらに改善する効果がある。

図４に示す例も、基本的な構成は図１に示した態様と同様であるところ、ハンドル層１２がキャビティを並列して２つ備え、ボックス層１１において振動部Ｏを並列して２つ形成した点、これに合わせてエッチングパターンを構成した点は図３と同様である。図４の例では、圧電層１７として、窒化アルミニウムにスカンジウムを添加した窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）薄膜の圧電体を用いている。

圧電層１７に窒化スカンジウムアルミニウム薄膜を用いることにより、圧電応答性の向上が見られる。一方、窒化スカンジウムアルミニウム薄膜は強い圧縮応力を示すため、振動部Ｏを下反りさせようとする。これに対して、振動部Ｏの下層に形成されたシリコン酸化膜１４も圧縮応力を示すため、シリコン活性層１３下層側シリコン酸化膜１４は振動子を上反りさせようとする。したがって、図４に示すように圧電層１７に窒化スカンジウムアルミニウム薄膜を用いた場合、シリコン酸化膜１４をシリコン活性層１３の下層のみに配置することにより、窒化スカンジウムアルミニウム薄膜による振動子の反りが緩和され、特性が改善する。また、他の実施態様として、シリコン酸化膜１４をシリコン活性層１３の上層と下層の両方に設けることも可能である。この場合には、上層に比べて下層の厚みを厚くし、上層よりも下層の圧縮応力を強くすることにより、同様の効果が得られつつ、温度特性をより改善させることが可能である。

［２．第２の実施形態］
続いて、本発明の第２の実施形態（以下、この項において「本実施形態」という。）に係るウエハを電子部品としてＭＥＭＳ振動子に適用した例について、図５を用いて説明する。

本実施形態におけるウエハ２及びＭＥＭＳ振動子２０では、切欠き２５の構成において第１の実施形態と相違するものであり、その他の構成については第１の実施形態におけるウエハ１及びＭＥＭＳ振動子１０と同様である。

図５（ａ）に示すように、本実施形態では、切欠き２５を、第１の実施形態における切欠き１５のようにシリコン活性層２３に形成される溝Ｇに沿って設けるのではなく、溝Ｇと連通する箇所の一部に設けて構成したものである。すなわち、図５（ｂ）に示すように、切欠き２５は、キャビティＣと溝Ｇとを空気的に連通する連通孔として形成されるものであれば良い。

このような構成のウエハ２及びＭＥＭＳ振動子２０では、図５（ａ）に示すウエハ２に対して、絶縁層１６、圧電層１７、内部電極１８、パッド電極１９及びシリコン活性層２３を積層して形成した後、図５（ｂ）に示すように、ドライエッチャーを用いて例えばボッシュプロセスにより溝Ｇを形成する。

この場合、シリコン酸化膜２４を残してエッチストップした場合でも、シリコン酸化膜２４の一部に切欠き２５が設けられていることにより、キャビティＣと溝Ｇとが少なくとも一部で空気的に連通した状態になる。

その上で、図５（ｃ）に示すように、他のドライエッチャーを用いて、残存するシリコン酸化膜２４を除去する。これにより、ＭＥＭＳ振動子２０が形成される。

以上のような本実施形態のウエハ２及びＭＥＭＳ振動子２０では、シリコン酸化膜２４に、キャビティＣと溝Ｇとを空気的に連通する連通孔として機能する切欠き２５を設けた。これにより、絶縁層１６、圧電層１７、内部電極１８及びパッド電極１９と、シリコン活性層１３をエッチングして溝Ｇを形成した際に、キャビティＣと溝Ｇとが、少なくとも一部において連通した状態になる。

したがって、例えば、ボッシュプロセスを用いて、シリコン活性層２３をエッチングした後、シリコン酸化膜２４を残してエッチストップし、ドライエッチャーを切り替えて処理を行った場合に、ウエハ２を大気開放したとしても、シリコン酸化膜２４に圧力差が生じることがない。そのため、大気開放によるシリコン酸化膜２４の破断を防止できる。

また、シリコン酸化膜２４において、切欠き２５は、キャビティＣと溝Ｇとを連通させるために、少なくとも一部に形成されていれば良い。したがって、シリコン活性層２３等に形成する溝Ｇの加工パターンと、切欠き２５の加工パターンとのアライメントずれが生じず、さらには溝Ｇと切欠き２５とが面一に加工することができるので、高精度な加工が可能になる。

以上のような本実施形態のウエハ及びＭＥＭＳ振動子によれば、シリコン酸化膜により温度特性を補償しつつ、製造工程においてシリコン酸化膜の破断により部品内にパーティクルが残存する課題を解決することができる。

［３．他の実施形態］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。すなわち、上記実施形態では、本発明の電子部品の適用例としてＭＥＭＳ振動子を用いて説明したが、これは最適な実施形態を示すものに過ぎない。本発明は、製造工程においてキャビティが減圧状態で形成される電子部品であれば、上記実施形態以外にも適用することは可能であり、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、上記実施形態で示したＭＥＭＳ振動子の絶縁層や圧電層の積層パターンやエッチングパターンは例示であって、電子部品の仕様によって適宜変更することが可能である。さらに、上記実施形態において、ウエハの形状を方形としたが、これは一例に過ぎずこれに限定されない。

上記実施形態において、エッチングといった場合、ドライエッチングを想定しているが、本発明ではいうまでもなく、ウエットエッチングや他のエッチング方法によりウエハ又は電子部品を形成することを否定するものではない。

１，２，３００…ウエハ
１０，２０，１０００…ＭＥＭＳ振動子
１１，２１…ボックス層
１２，２２…ハンドル層
１３，２３，１００…シリコン活性層
１４，２４，２００…シリコン酸化膜
１５，２５…切欠き
１６，６００…絶縁層
１７…圧電層
１８…内部電極
１９…パッド電極
４００…ハンドルウエハ
７００…電極
８００…圧電層
Ｃ…キャビティ
Ｇ…溝
Ｏ…振動部
Ｐ…パーティクル

Claims (9)

1. シリコン活性層の少なくとも下層にシリコン酸化膜を形成したボックス層と、
   前記シリコン酸化膜を介して前記ボックス層と接合されるキャビティを有するハンドル層と、を備え、
   前記シリコン酸化膜は、前記シリコン活性層と前記キャビティとを連通させた切欠きを備え、
   前記キャビティ内は大気圧より減圧である、ウエハ。
2. 前記切欠きは、前記シリコン活性層を加工した場合に形成される溝と、前記キャビティと、を連通させるものであり、
   前記切欠きと、前記溝の形成領域とは、平面視で少なくとも一部が重なるように形成された、請求項１記載のウエハ。
3. 請求項２のウエハにおいて、前記ボックス層上に少なくとも圧電体と電極とが形成され、
   前記圧電体、前記電極及び前記溝と、前記切欠きと、が連通した、電子部品。
4. 前記圧電体に、窒化アルミニウム膜を用い、
   前記シリコン酸化膜は、前記シリコン活性層の上層と下層の両方に形成された、請求項３記載の電子部品。
5. 前記圧電体に、スカンジウムを添加した窒化アルミニウム膜を用い、
   前記シリコン酸化膜は、前記シリコン活性層の上層と下層の両方に形成された、請求項３記載の電子部品。
6. 前記下層の膜が前記上層の膜よりも厚く形成された、請求項４または請求項５記載の電子部品。
7. シリコン活性層の少なくとも下層にシリコン酸化膜を形成し、ボックス層を作製する工程と、
   キャビティを有するハンドル層を作製する工程と、
   前記シリコン酸化膜に、前記シリコン活性層と前記キャビティとを連通させる切欠きを形成する工程と、
   減圧雰囲気下で、前記ボックス層と前記ハンドル層とを、前記シリコン酸化膜を介して接合する工程と、
   を実行するウエハの製造方法。
8. 請求項７のウエハの製造方法により製造されたウエハ上に、少なくとも圧電体と電極とを形成する工程と、
   前記圧電体、前記電極及び前記シリコン活性層を加工して前記溝を形成し、当該溝と前記切欠きとを連通させる工程と、
   を実行する、電子部品の製造方法。
9. 前記溝と前記切欠きと連通させた後、前記溝と前記キャビティとの間に前記シリコン酸化膜が残存している場合に、前記大気解放した後、残存する前記シリコン酸化膜を除去する工程と、
   を実行する、請求項８記載の電子部品の製造方法。

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