JP2015534044A - Memsセンサおよびセンサデバイスを形成する方法 - Google Patents

Memsセンサおよびセンサデバイスを形成する方法 Download PDF

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Abstract

センサデバイスを形成するためのシステムおよび方法は、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)ウェーハのデバイス層内に面内電極を画成するステップと、デバイス層の上部表面の上に位置するシリコンキャップ層内に面外電極を形成するステップと、シリコンキャップ層の上面にシリサイド形成金属を堆積させるステップと、堆積させたシリサイド形成金属をアニールしてシリコンキャップ層内にシリサイド部分を形成するステップとを含む。

Description

本出願は、2012年8月20日に出願された米国仮出願第61/691,157号の利益を主張する。
[0001]本開示は、容量性微小電気機械システム(MEMS)センサに関する。
[0002]容量性MEMS圧力センサは、印加圧力の下で互いに移動する2つの電極を必要とする。この構成は、ほとんどの場合、基板内に固定電極(以降下部電極と呼ばれる)を形成し、一方で検知されることになる圧力にさらされる変形可能な膜内に可動電極(以降上部電極と呼ばれる)を設けることによって達成される。電極の1つまたは複数は、典型的には、導電性フィルムの堆積、導電層の電気的絶縁によって、または2つの導電性材料間に酸化物層を加えることによって形成される。
[0003]図1は、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる、2011年9月14日に出願された米国特許出願第13/232,005号に記載されたようなMEMS圧力センサ10の側部断面図を示す。圧力センサ10は、互いに移動するように構成された1対の電極を含む。圧力センサ10は、ハンドル層(handle layer)12、埋め込み酸化物層14、およびデバイス層16を含む。酸化物層18は、デバイス層16をキャップ層20から分離する。不動態層(passive layer)22がキャップ層20の上に位置する。
[0004]デバイス層16内部で、面内電極24が2つのエッチ部分26および28によって画成される。面内電極24は、酸化物層18のエッチングされた部分30によってキャップ層20から絶縁される。エッチングされた部分26、28、および30は、キャップ層20によって閉じられるガス抜き穴32を通してエッチングされる。
[0005]面外電極34は、面内電極24の上に位置し、エッチングされた部分30によって面内電極24から電気的に絶縁される。面外電極34は、2つのスペーサ36および38によってキャップ層20のその他の部分から絶縁される。スペーサ36および38は、エッチングされた部分30から上方へ延在する下部窒化物部分40、および窒化物部分40からキャップ層20の上部表面まで延在する上部酸化物部分42を含む。
[0006]スペーサ36および38と同様に形成されるスペーサ44および46は、キャップ層20内のコネクタ48をキャップ層20のその他の部分から電気的に絶縁する。コネクタ48は、デバイス層16内のコネクタ50と電気的に通じる。コネクタ50は、面内電極24と電気的に通じ、絶縁ポスト52および54によってデバイス層16の残りの部分から絶縁される。絶縁ポスト52および54は、埋め込み酸化物層14から酸化物層18まで延在する。ボンドパッド(bond pad)またはトレース56は、不動態層22の上に位置し、コネクタ48と電気的に通じる。
[0007]センサデバイスのトレース、例えば図1の圧力センサ10のトレース56は、センサデバイスの上面に堆積させた金属の層から形成されることが多い。しかし、センサデバイスの上面に金属を配置することは、センサ特性の経年劣化およびドリフトにつながる可能性がある。これらの特性変化は、一般に金属膜の機械的安定性の不足による。さらに、センサの上面に堆積させた金属層は、様々なセンサ構成要素に個々の電気的接続を提供するために典型的にはパターニングされ、したがって、余分の処理ステップが加わる。
[0008]必要とされるものは、デバイス内部の電極に電気的接続を行うために施される金属層を使用しない容量性センサである。公知の作製プロセスで製造することができ、施される金属層を使用しないセンサは、さらに有益であろう。
[0009]一実施形態によると、センサデバイスを形成する方法は、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)ウェーハのデバイス層内に面内電極を画成するステップと、デバイス層の上部表面の上に位置するシリコンキャップ層内に面外電極を形成するステップと、シリコンキャップ層の上面にシリサイド形成金属を堆積させるステップと、堆積させたシリサイド形成金属をアニールしてシリコンキャップ層内にシリサイド部分を形成するステップとを含む。
[0010]別の実施形態では、センサデバイスは、面内電極と、面内電極の上部表面から離隔されたキャップ層と、キャップ層内に画成された面外電極と、キャップ層内に形成されたシリサイド部分とを含む。
[0011]金属層をセンサの上面に堆積させ、パターニングした公知のセンサデバイスの側部断面図である。 [0012]キャップ層の上部にシリサイドを含むセンサデバイスである。 [0013]面内電極を画成するためにデバイス層がエッチングされたウェーハの側部断面図である。 [0014]図3のウェーハの平面図である。 [0015]トレンチが酸化物材料で充填され、酸化物層がデバイス層の上に形成された図3のウェーハである。 [0016]図5のウェーハの平面図である。 [0017]デバイス層のコンタクト部分の上の酸化物層内に開口部がエッチングされた図5のウェーハである。 [0018]図7のウェーハの平面図である。 [0019]第1のキャップ層部分が酸化物層の上に形成され、トレンチが酸化物層内に形成された図7のウェーハである。 [0020]図9のウェーハの平面図である。 [0021]トレンチが絶縁材料で充填された図9のウェーハであり、絶縁材料が第1のキャップ層部分の上の層も形成し、エッチング停止層が絶縁層の上に形成されている。 [0022]図11のウェーハの平面図である。 [0023]絶縁層およびエッチング停止層がエッチングされ、面外電極およびデバイス層のコンタクトに対するガスケットを画成した後の図11のウェーハである。 [0024]図13のウェーハの平面図である。 [0025]第2のキャップ層部分を第1のキャップ層部分およびガスケットの上に堆積させ、第2のキャップ層部分を平坦化した後の図13のウェーハである。 [0026]図15のウェーハの平面図である。 [0027]気相エッチガス抜き孔が第1のキャップ層部分および第2のキャップ層部分を貫いてエッチングされ、酸化物層の一部、デバイス層内の酸化物材料、および埋め込み酸化物層の一部がエッチングされ、それによって、面内電極を電気的に絶縁し、面内電極の上の第1のキャップ層部分をリリースした後の図15のウェーハである。 [0028]図17のウェーハの平面図である。 [0029]気相エッチガス抜き孔が第3のキャップ層部分によって封止された後の図17のウェーハである。 [0030]図19のウェーハの平面図である。 [0031]トレンチが第3のキャップ層部分および第2のキャップ層部分を貫いてガスケットの上部表面まで形成された図19のウェーハである。 [0032]図21のウェーハの平面図である。 [0033]絶縁材料をトレンチ内部に堆積させ、シリサイド形成材料を第3のキャップ層部分の上部表面に沿って堆積させた図21のウェーハである。 [0034]図23のウェーハの平面図である。 [0033]キャップ層の上部部分に形成されたシリサイド層を含むウェーハの側部断面図である。
[0035]本開示の原理についての理解を促す目的で、図面に示され、以下の明細書に記載された実施形態をここで参照する。これによって本開示の範囲を限定することは意図されていないことを理解されたい。本開示が、例示される実施形態に対するいかなる変更形態および修正形態をも含み、本開示が関係する当業者が通常思い浮かぶような本開示の原理の適用形態をさらに含むことをさらに理解されたい。
[0036]これらの実施形態の多くでは、MEMSセンサは、加速度、圧力、または温度などの物理状態を検知するために、および検知された物理状態を表す電気的信号を提供するために使用されうる。各実施形態は、例えば、自動車、家電、ラップトップ、ハンドヘルドもしくはポータブルコンピュータ、移動電話、スマートフォン、無線デバイス、タブレット、個人用携帯情報端末(PDA)、MP3プレーヤ、カメラ、GPS受信機もしくはナビゲーションシステム、電子読み取り表示装置、プロジェクタ、コックピット操縦装置、ゲーム機、イヤホン、ヘッドセット、補聴器、ウェアラブル表示デバイス、セキュリティシステムなどの様々な用途で実施され、またはこれら様々な用途と関連付けられてもよい。
[0037]図2は、圧力センサ100を示す。圧力センサ100は、ハンドル層102、埋め込み酸化物層104、およびデバイス層106を含む。酸化物層108は、デバイス層106をキャップ層110から分離する。シリサイド層112は、キャップ層110の上に位置する。
[0038]デバイス層106内部で、面内電極114が2つのエッチ部分116および118によって画成される。面内電極114は、酸化物層108のエッチングされた部分120によってキャップ層110から絶縁される。エッチングされた部分116、118、および120は、キャップ層110によって閉じられたガス抜き孔122を通してエッチングされる。
[0039]面外電極124は、面内電極114の上に位置し、エッチングされた部分120によって面内電極114から電気的に絶縁される。面外電極124は、2つの非シリコンスペーサ126および128によってキャップ層110のその他の部分から絶縁される。スペーサ126および128は、エッチングされた部分120から上方へ延在する下部窒化物部分130、および窒化物部分130からキャップ層110の上部表面に延在する上部酸化物部分132を含む。検出信号は、電極114と124間の容量および/または静電容量の変化である。電極124は、外気圧に応じて曲がる。
[0040]スペーサ126および128と同様に形成されるスペーサ134および136は、キャップ層110内のコネクタ138をキャップ層110のその他の部分から電気的に絶縁する。コネクタ138は、デバイス層106内のコネクタ140と電気的に通じる。コネクタ140は、面内電極114と電気的に通じ、絶縁ポスト142および144によってデバイス層106の残りの部分から絶縁される。絶縁ポスト142および144は、埋め込み酸化物層104から酸化物層108まで延在する。
[0041]また、スペーサ126および128は、シリサイド部分146を画成し、シリサイド層112のその他の部分から電気的に分離するが、スペーサ134および136は、シリサイド部分148をシリサイド層112のその他の部分から電気的に分離する。
[0042]シリサイドは、半導体処理における一般的な材料である。シリサイドは、金属の抵抗に匹敵する非常に低い電気抵抗を有し、シリコンに匹敵する機械的性質を有する。さらに、シリサイドは、高導電性である。したがって、シリサイド材料は、機械的に感度のよい圧力センサ膜に適切である。
[0043]図2の圧力センサ100のシリサイド部分146および148によって、圧力センサ100の上面からコネクタ138、140および面内電極114と電気的に通じることができる。図1および図2を比較することによって示されるように、圧力センサ100内のシリサイド層112は、従来技術の圧力センサ10の不動態層22およびトレース56に取って代わる。それゆえ、不動態層22およびトレース56を形成するためのプロセスステップがなくなる。あるいは、不動態層22は、シリサイドの上に追加されてもよい。
[0044]圧力センサ100などのセンサを形成するプロセスについて、図3〜25を参照して論じる。最初に図3および4を参照すると、ハンドル層202、埋め込み酸化物層204、およびデバイス層206を含むSOIウェーハ200が最初にエッチングされ、面内電極208および面内電極208に対する下部コンタクト部分210を画成する。コネクタ212が面内電極208と下部コンタクト部分210との間にエッチングされる。面内電極208は、トレンチ部分214によって画成され、下部コンタクト部分210は、トレンチ部分216によって画成され、コネクタ212は、トレンチ部分218によって画成される。所望の場合、構造層またはハンドル層202は、圧力化学堆積(LPCVD)またはエピ・ポリシリコン層であってもよい。
[0045]次いで、共形の酸化物堆積を使用して、図5および6に示すようにトレンチ部分214、216、および218がトレンチ酸化物部分220によって充填される。酸化物堆積によって、結果としてデバイス層206の上部表面上の酸化物層222がさらに得られる。酸化物層222の厚さは、以下でより完全に論じるように2つの電極間のギャップを定める。酸化物層222は、化学機械研磨(CMP)などの任意の所望の技法(CMP)によって平坦化されてもよい。
[0046]図7および8を参照すると、次いで、コンタクト開口部224が酸化物層222を貫いてエッチングされ、下部コンタクト部分210の上部表面を露出する。図9および10に示すように、エピ・ポリ堆積は、エピ・ポリの下部中間コンタクト部分226によってコンタクト開口部224を充填し、一方で酸化物層222の上の下部キャップ層部分228を堆積させる。下部中間コンタクト部分226は、こうして下部コンタクト部分210の上部表面から下部キャップ層部分228の上部表面まで延在する。代替の実施形態では、下部キャップ層部分228は、溶融接合プロセス(fusion bonding process)とそれに続く、接合ウェーハのバルクを除去するための研削/研磨またはスマートカット(SmartCut)技術を使用して形成される単結晶シリコンであってもよい。この代替の実施形態では、電気的コンタクトは、溶融の後に形成されなければならない。さらなる実施形態では、研磨されたポリシリコンデバイス層が使用されてもよい。
[0047]図9および10は、下部キャップ層部分228のCMP後にエッチングされてもよいトレンチ230および232をさらに示す。トレンチ230は、下部キャップ層部分228の上部表面から酸化物層222の上部表面まで延在し、下部中間コンタクト部分226を画成する。トレンチ232は、下部面外電極部分236を画成するトレンチ部分234、コネクタ240を画成するトレンチ部分238、および下部面外電極部分236に対する下部コンタクト部分244を画成するトレンチ部分242を含む。
[0048]次いで、図11および12に示すように、低応力窒化物を使用して、トレンチ窒化物部分250および252によってトレンチ230および232を充填し、一方低応力窒化物層254を下部キャップ層部分228の上部表面上に堆積させる。薄い酸化物層256が低応力窒化物層254の上部表面上に設けられる。次いで、薄い酸化物層256および窒化物層254がパターニングおよびエッチングされ、結果として図13および14の構成が得られる。図13および14では、酸化物層256の残りの部分258、および窒化物層254の残りの部分260は、以下でより完全に説明する面外電極に対するガスケット262を形成する。酸化物層256の残りの部分264、および窒化物層254の残りの部分266は、面内電極208のコンタクトに対するガスケット268を形成する。断面で見たときのガスケット262および268の横方向の広がりは、これらガスケットによって画成される構成要素に所望の絶縁特性をもたらすように選択されてもよい。
[0049]次いで、薄いエピ・ポリ堆積層270が、下部キャップ部分228の上部表面、およびガスケット262および268の上部表面上に形成され、中間キャップ層部分272を形成する(図15および16参照)。エピ・ポリ堆積層は、Candlerらによる「Long−Term and Accelerated Life Testing of a Novel Single−Wafer Vacuum Encapsulation for MEMS Resonators(MEMS共振器に対する新奇な単一ウェーハ真空封入の長期および加速寿命試験)」、Journal of Microelectricalmechanical Systems、vol.15、no.6、2006年12月に記載された方法で堆積させてもよい。所望の場合、中間キャップ層部分272は、平坦化されてもよい。
[0050]図17および18を参照すると、ガス抜き孔274が形成された後、中間キャップ層部分272を面内電極208からリリースするHF気相エッチリリースが行われる。面内電極208の上部表面と中間キャップ層部分272の下部表面との間の酸化物層222のエッチングされた部分は、こうして面内電極208と面外電極になるものの下部表面との間にギャップを定める。次いで、ガス抜き孔274を封止するために清浄な高温封止がエピ反応炉内で行われる。あるいは、ガス抜き孔274は、酸化物、窒化物、シリコンマイグレーションなどを使用して封止されてもよい。結果として得られる構成が図19および20に示され、層部分276が中間キャップ層部分272の上に形成される。
[0051]次いで、図21および22に示すように、トレンチ280およびトレンチ282がエッチングされる。トレンチ280は、層部分276の上部表面からエッチストップとして働くガスケット262の上部表面まで延在する。トレンチ282は、層部分276の上部表面からエッチストップとして働くガスケット268の上部表面まで延在する。次いで、不動態化部分286および288を形成するために、酸化物、窒化物などであってもよい不動態化材料をトレンチ280および282内に堆積させ、パターニングし、シリサイド形成金属290を層部分276の上部表面上に堆積させる(図23および24を参照)。シリサイド形成材料290は、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ニッケル(Ni)、タングステン(W)、または白金(Pt)であってもよい。
[0052]シリサイド形成材料290を堆積させた後、組立体200は、アニールプロセスにかけられる。一部の実施形態では、アニールプロセスの持続時間は、1秒〜1分の範囲にあってもよい。これらの実施形態におけるアニールプロセスの温度は、プロセスで使用されるシリサイド形成金属190のタイプに応じて250℃〜800℃の範囲にあってもよい。一部の実施形態では、アニール温度は、450℃未満である。シリサイド形成には短いアニール時間のみが必要なため、これらの実施形態における450℃未満のアニール温度に限定されないことを理解されたい。
[0053]アニールプロセスでは、シリコン材料の真上にあるシリサイド形成材料は、シリコン材料と反応して図25に示すようにシリサイド292を形成する。不動態化部分286および288などの非シリコン材料の上にあるシリサイド形成材料は、反応しない。金属エッチングプロセスを使用して、シリサイドに変換されない残留金属を除去する。
[0054]一部の実施形態では、シリサイドは、キャップ層の上部にのみ形成される。そうした実施形態の一例は、シリサイドがキャップ層の上部に形成され、1つまたは複数の圧電抵抗素子への接続を提供する圧電抵抗圧力センサである。他の実施形態では、シリサイドは、キャップ層の深さすべてにわたって形成される。
[0055]この選択的なシリサイド形成プロセスは、上部にシリサイド形成金属を堆積させるパターニングされた不動態化層を使用して行われうる。アニールおよびシリサイド形成の後、金属エッチを使用して過剰な未反応金属が除去される。別の選択肢はアニールプロセスの前にシリサイド形成金属をパターニングすることである。
[0056]記載されたプロセスは、機械的特性に影響を与えずに、圧力センサ膜の他に、低抵抗を有する導電性構造を圧力センサ膜上におよび圧力センサ膜に近接して実現するためにさらに使用されうる。
[0057]本開示について図面および前述の記載において詳細に示され説明されたが、本開示は、性格上例示であって、限定していると考えられるべきではない。好ましい実施形態のみが提示されており、本開示の趣旨の範囲内に入るすべての変更形態、修正形態、および適用形態が保護されることが望まれることを理解されたい。
[0010]別の実施形態では、センサデバイスは、面内電極と、面内電極の上部表面から離隔されたキャップ層と、キャップ層内に画成された面外電極と、キャップ層内に形成されたシリサイド部分とを含む。
前記シリサイドが、前記キャップ層の上面に堆積させたシリサイド形成金属をアニールすることによって前記キャップ層内に形成されてもよい。
前記シリサイド形成金属がニッケル、タンタル、チタン、タングステン、および白金のうちの1つまたは複数であってもよい。
前記センサデバイスが圧力センサデバイスであり、前記シリサイドが前記キャップ層の深さ全体にわたって形成されてもよい。
前記センサデバイスが圧電抵抗圧力センサであり、前記シリサイドが1つまたは複数の圧電抵抗素子への電気的接続を提供するように前記キャップ層の上部部分に形成されてもよい。
前記センサデバイスは、前記キャップ層の上部表面から下方へ延在する非シリコンスペーサであって、前記シリサイド部分の第1の領域を前記シリサイド部分の第2の領域から電気的に絶縁する前記非シリコンスペーサ、をさらに備えてもよい。

Claims (15)

  1. シリコン・オン・インシュレータ(SOI)ウェーハのデバイス層内に面内電極を画成するステップと、
    前記デバイス層の上部表面の上に位置するシリコンキャップ層内に面外電極を形成するステップと、
    前記シリコンキャップ層の上面にシリサイド形成金属を堆積させるステップと、
    前記堆積させたシリサイド形成金属をアニールして前記シリコンキャップ層内にシリサイド部分を形成するステップと、
    を含む、センサデバイスを形成する方法。
  2. 前記堆積させたシリサイド形成金属をアニールするステップが、前記堆積させたシリサイド形成金属を急速熱アニールするステップを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記シリコンキャップ層の前記上面から残留シリサイド形成金属をエッチングするステップ、
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  4. 前記シリサイド形成金属を堆積させるステップが、
    ニッケル、タンタル、チタン、タングステン、および白金から成るグループから選択されたシリサイド形成金属を堆積させるステップ、
    を含む、請求項1に記載の方法。
  5. 前記堆積させたシリサイド形成金属をアニールするステップが、
    1秒〜10分の持続時間、前記堆積させたシリサイド形成金属をアニールするステップ、
    を含む、請求項1に記載の方法。
  6. 前記堆積させたシリサイド形成金属をアニールするステップが、
    250℃〜800℃の範囲の温度で前記堆積させたシリサイド形成金属をアニールするステップ、
    を含む、請求項1に記載の方法。
  7. 前記アニール温度が450℃未満である、請求項6に記載の方法。
  8. 前記堆積させたシリサイド形成金属をアニールするステップが、
    前記キャップ層全体がシリサイドに変換されるように前記堆積させたシリサイド形成金属をアニールするステップ
    を含む、請求項1に記載の方法。
  9. 前記シリサイド形成金属を堆積させる前に前記キャップ層内に少なくとも1つの非シリコンスペーサを形成するステップ、
    をさらに含む、請求項1に記載の方法。
  10. 面内電極と、
    前記面内電極の上部表面から離隔されたキャップ層と、
    前記キャップ層内に画成された面外電極と、
    前記キャップ層内に形成されたシリサイド部分と、
    を備える、センサデバイス。
  11. 前記シリサイドが、前記キャップ層の上面に堆積させたシリサイド形成金属をアニールすることによって前記キャップ層内に形成される、請求項10に記載のセンサデバイス。
  12. 前記シリサイド形成金属がニッケル、タンタル、チタン、タングステン、および白金のうちの1つまたは複数である、請求項11に記載のセンサデバイス。
  13. 前記センサデバイスが圧力センサデバイスであり、前記シリサイドが前記キャップ層の深さ全体にわたって形成される、請求項10に記載のセンサデバイス。
  14. 前記センサデバイスが圧電抵抗圧力センサであり、前記シリサイドが1つまたは複数の圧電抵抗素子への電気的接続を提供するように前記キャップ層の上部部分に形成される、請求項10に記載のセンサデバイス。
  15. 前記キャップ層の上部表面から下方へ延在する非シリコンスペーサであって、前記シリサイド部分の第1の領域を前記シリサイド部分の第2の領域から電気的に絶縁する前記非シリコンスペーサ、
    をさらに備える、請求項10に記載のセンサデバイス。
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