JP3840768B2

JP3840768B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法

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Publication number: JP3840768B2
Application number: JP33586197A
Authority: JP
Inventors: 正樹廣田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: JPH11177107A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料を加工することにより作製される半導体装置、および半導体材料を加工して構造体を作製する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平８−２８５６８０号公報にシリコン基板上に製造される赤外線検出装置が開示されている。このような赤外線検出装置をマトリクス状に配列して被写体からの赤外線を捉えることにより、被写体像を撮像することができる。図９に示すように、赤外線検出装置はシリコン基板１０１と、赤外線による温度上昇を検出する赤外線検知部１０２と、赤外線検知部１０２を支持するとともに赤外線検知部１０２への電気的な接続を確保する橋部１０３とを備える。また、赤外線検出部１０２および橋部１０３の下方にはシリコン基板１０１をエッチングして形成された空洞１０１Ａを設けることにより、赤外線検出部１０２をシリコン基板１０１から熱的に分離するように構成されている。赤外線検出部１０２を熱的に分離するのは、赤外線検出部１０２から熱がすぐに流出しないように構成して赤外線検出感度を高めるためである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように高感度の赤外線センサを得るためには赤外線検出部１０２とシリコン基板１０１との間に空間を設ける必要があるので、赤外線検出部１０２および橋部１０３をメンブレン（膜）構造とする必要がある。しかし、メンブレン構造はそれ自体強度が弱くなりやすいうえに、赤外線検出部１０２の下方に空洞１０１Ａを形成するためには、製造工程においてシリコン基板に向けてエッチング液を十分に供給するための開口を設ける必要があり、ますます強度が小さくなるという問題がある。このような問題に対処するため、特開平８−２８５６８０号公報では、検出部１０２および橋部１０３の端部に梁１０２ａおよび梁１０３ａを設け、検出部１０２および橋部１０３の断面形状をコの字型に形成することで強度を補う構成が開示されている。
【０００４】
しかし、検出部１０２および橋部１０３をコの字型に形成すると、直角に折れ曲った部分に応力が集中するため破壊されやすい。そのうえ、製造上、直角に折れ曲った梁１０２ａ、１０３ａの付根部分、すなわち応力が集中する部分は膜厚が薄くなるため、ますます破壊されやすくなり、メンブレンの強度を大きく増加させることは困難である。
【０００５】
本発明の目的は、大きな強度を発揮することができる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態を示す図１〜図２に対応づけて説明すると、請求項１に記載の発明は、半導体基板１上に犠牲層１１を形成する犠牲層形成工程と、犠牲層１１を被覆する窒化膜４を形成する窒化膜形成工程と、窒化膜４を貫通する開口４０を形成するエッチング孔形成工程と、開口４０を介して犠牲層１１の一部を酸化して酸化層５を形成する酸化工程と、開口４０と連通し酸化層５を貫通して少なくとも犠牲層１１に到達するエッチング孔１２を酸化層５の端部が残るように形成するエッチング孔形成工程と、エッチング孔１２を介して犠牲層１１および半導体基板１をエッチングし窒化膜４と半導体基板１との間に空間１Ａを形成する空間形成工程とを備えることにより上述の目的が達成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、エッチング孔形成工程におけるエッチング孔を前記開口と同軸上で前記開口と同じ寸法にしたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、空間形成工程における半導体基板１のエッチングを異方性エッチングとしたものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、半導体基板は基板表面を（１００）面とするシリコン基板１であり、犠牲層１１は多結晶シリコンからなるものである。
請求項５に記載の発明の赤外線センサの製造方法は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、さらに赤外線検出機能要素を作製する工程を備えるものである。
請求項６に記載の発明の半導体装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法によって製造したものである。
請求項７に記載の発明の赤外線センサは、請求項５に記載の赤外線センサの製造方法によって製造したものである。
【０００７】
【発明の効果】
請求項１〜７に記載の発明によれば、窒化膜を貫通する開口を介して犠牲層の一部を酸化して酸化層を形成する酸化工程と、開口と連通し酸化層を貫通して少なくとも犠牲層に到達するエッチング孔を酸化層の端部が残るように形成するエッチング孔形成工程と、エッチング孔を介して犠牲層および半導体基板をエッチングし窒化膜と半導体基板との間に空間を形成する空間形成工程とを備えるので、メンブレンの強度を大きなものとすることができるとともに、空間形成工程の時間を短縮できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図８を用いて、本発明による半導体装置の一実施の形態について説明する。本実施の形態の半導体装置は熱型赤外線センサへの本発明の適用について示したものである。例えば、図１および図２に示す熱型赤外線センサを１つのシリコン基板１上にマトリクス状に配列することにより、被写体から放射される赤外線を捉えて被写体を撮像することができる。
【０００９】
図１は本実施の形態の装置の熱型赤外線センサの断面を、図２は図１におけるII−II方向から見た熱型赤外線センサの各層の配置を、図３はシリコン基板１を図１のIII−III方向から見た状態をそれぞれ示している。図１において、１は各センサがマトリクス状に配置されるシリコン基板であり、図１および図３に示すように、点Ｔ（図１および図３）を頂点とする四角錐の一部形状を呈する凹部１Ａが形成されている。この凹部１Ａは後述するメンブレンＭＢをシリコン基板１から熱的に分離することにより、センサの感度を高めるためのものである。
【００１０】
図１において、２はシリコン基板１のすぐ上層に設けられた酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）であり、シリコン基板１の一部をＬＯＣＯＳ（選択酸化法）により酸化し、あるいはシリコン基板１の全面に被覆酸化膜を設けた後、部分的に酸化膜を除去することにより形成される。後述するように、酸化膜２は凹部１Ａの領域を規定するという製造上の目的で設けられたものである。
【００１１】
図１においてＭＢはメンブレン（膜）であり、酸化膜２の上層に設けられる。図１および図２に示すように、メンブレンＭＢは酸化膜２を介してシリコン基板１に対して固定されるとともに、酸化膜２が形成された領域からほぼ面一に延設されて凹部１Ａを覆っている。メンブレンＭＢには矩形のエッチング孔１２が４つ開口され（図２）、メンブレンＭＢで仕切られる凹部１Ａの内部空間と、図１における上方の外部空間とがエッチング孔１２を介して互いに連通している。後述するように、エッチング孔１２は凹部１Ａを形成するためのシリコン基板１のエッチング工程において、エッチング液をシリコン基板１に到達させるためのものである。
【００１２】
図１および図２に示すように、メンブレンＭＢは窒化膜４、酸化膜５、酸化膜６、アルミニウム配線７ａ〜７ｅ、ｐ型ポリシリコン配線８ａ，８ｂ、ｎ型ポリシリコン配線９ａ，９ｂおよび吸収層１０から構成される。
【００１３】
図１および図２に示すように、窒化膜４は酸化膜２のすぐ上層においてメンブレンＭＢの全面にわたり形成され、図１に示すように、窒化膜４にはエッチング孔１２の全周にわたり上方に屈曲された端部４ａが形成されている。この端部４ａは後述する製造方法に起因して、その断面形状は滑らかな曲線を描いて屈曲している。また端部４ａの下面側には、エッチング孔１２の全周にわたり酸化膜５が固着されている。
【００１４】
窒化膜４の上面にはアルミニウム配線７ａ〜７ｅ、ｐ型ポリシリコン配線８ａ，８ｂおよびｎ型ポリシリコン配線９ａ，９ｂが形成され、図２に示すように、順に、アルミニウム配線７ａ、ｎ型ポリシリコン配線９ａ、アルミニウム配線７ｂ、ｐ型ポリシリコン８ａ、アルミニウム配線７ｃ、ｎ型ポリシリコン９ｂ、アルミニウム配線７ｄ、ｐ型ポリシリコン８ｂおよびアルミニウム配線７ｅが直列に接続されている。これにより、ｎ型ポリシリコンとｐ型ポリシリコンとを組合せてなる熱電対を２対直列接続した回路が形成される。
【００１５】
窒化膜４の上層には窒化膜４の全面にわたり酸化膜６が設けられており、この酸化膜６はエッチング孔１２の全周にわたる端部６ａにおいて、窒化膜４（端部４ａ）の形状に即して滑らかな形状に屈曲されている。
【００１６】
図１および図２に示すように、メンブレンの中央部には酸化層６の上に赤外線を吸収する吸収層１０が形成されている。吸収層１０の材料としては、例えば金黒が用いられ、図２に示すように、吸収層１０をｐ型ポリシリコン配線８ａ，８ｂおよびｎ型ポリシリコン配線９ａ，９ｂの一部に掛かるように設けることにより熱起電力の発生に必要な温度差を作り出すことができる。
【００１７】
次に、本実施の形態の装置の動作について説明する。図１において上方から吸収層１０に赤外線が照射されると、吸収層１０の部分の温度が上昇し、ｐ型ポリシリコン配線８ａ，８ｂおよびｎ型ポリシリコン配線９ａ，９ｂで構成される熱電対によってアルミニウム配線７ａおよびアルミニウム配線７ｅの間に温度変化に応じた電圧が発生する。したがってこの電圧に基づき、入射した赤外線の強度を測定することができる。例えば、１つのシリコン基板１にマトリクス上に赤外線センサを設けるとともに、被写体をシリコン基板１上に結像させる結像光学系を組合せることにより、被写体から到達する赤外線の被写体像を得ることができる。この場合、通常は、各センサを走査する走査回路を用いて各センサで生じる電圧を順次読み出すように構成される。
【００１８】
本実施の形態では、シリコン基板１に凹部１Ａを形成することによって、熱電対が形成されたメンブレンＭＢをシリコン基板１から熱的に分離しているので、吸収層１０に入射した赤外線に基づく熱がシリコン基板１に逃げず、赤外線の照射に基づくメンブレンＭＢの温度上昇の温度幅を大きくすることができる。このため高感度の赤外線センサを得ることができる。
【００１９】
また、本実施の形態ではメンブレンＭＢにはエッチング孔１２が設けられているので、メンブレンＭＢに力が加えられるとエッチング孔１２の周囲に応力が集中する。しかし、上述のようにエッチング孔１２の周囲では窒化膜４および酸化膜６が滑らかな断面形状で折り曲げられており、さらに窒化膜４のエッチング孔１２の周囲には酸化膜５が付着しているので、この部分での折り曲げ強度が大きく、メンブレンＭＢが壊れにくい。したがって、振動を受けた場合、あるいは例えば液体中での測定に際して液体からの力を受けた場合等に破損しにくいセンサを得ることができる。
【００２０】
＜製造方法＞
次に、図４〜図８を用いて、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。まず、半導体基板、例えば図４（ａ）に示すシリコン基板１を用意する。この半導体基板（シリコン基板１）の基板表面の主たる面方向は（１００）である。次に、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板１の上面に部分的に酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）２を形成する。図４（ｂ）はＬＯＣＯＳ（選択酸化法）により酸化膜２を形成した場合を示しているが、被覆酸化膜をシリコン基板１に全面に形成した後、その酸化膜を部分的にエッチングにより除去することにより同様のパターンの酸化膜を形成してもよい。ＬＯＣＯＳ（選択酸化法）は、例えば、窒化シリコン膜のマスクを予め形成しておき、窒化シリコン膜のない部分からシリコン基板１を酸化させる方法であり公知の技術である。ＬＯＣＯＳ（選択酸化法）によれば、バーズビークの現象により酸化膜２の端部の急激な段差が発生しないので、後工程との関係で有利となる。
【００２１】
次に、図５（ａ）に示すように、シリコン基板１が露出している部分に、全体として固有の面方位を有しない材料、例えば多結晶シリコン等による犠牲層１１を形成する。犠牲層１１は全面に層を形成した後、不要な部分をエッチングで除去することにより形成できる。図５（ａ）に示すように、犠牲層１１はシリコン基板１の露出部分の全面を覆うとともに、その端部が酸化膜２にかかるようにエッチングされる。
【００２２】
次に、図５（ｂ）に示すように、犠牲層１１および酸化膜２の上面全体に窒化膜４を形成する。本実施の形態では窒化膜４としたが、窒化膜に代えて、アルカリ系のシリコン異方性エッチング液、例えばヒドラジン、ＫＯＨあるいはＴＭＡＨ等に対して対腐食性があり、後述の酸化工程において酸化種を拡散させない他の材料を用いてもよい。なお、アルカリ系のエッチング液は後工程におけるシリコン基板１のエッチングに用いられる。
【００２３】
続いて、図６（ａ）に示すように、窒化膜４にシリコン基板１のエッチングのための開口４０を形成する。開口４０はエッチング孔１２に相当する形状とされる。
【００２４】
開口４０を形成した後、シリコン基板１を酸化炉に入れて、所定時間、高温の酸化雰囲気中で酸化する。窒化膜４がマスクとして機能し、ＬＯＣＯＳ（選択酸化法）による酸化が行われる。窒化膜４は酸化種を拡散させないため、上層に窒化膜４が形成された部分の犠牲層１１には変化が生じないが、開口４０の部分からは犠牲層１１に酸化種が拡散し、犠牲層１１が酸化されて酸化膜５が形成される。図６（ｂ）に示すように、犠牲層１１は酸化によって約２倍に体積が増加するため、酸化膜５は開口４０の部分で盛り上がる。酸化種は開口４０の領域よりもさらに横方向に拡散するが、開口４０から横方向に離れるにつれて酸化種の濃度が低下するため、体積の増加が徐々に小さくなる、いわゆるバーズビークの現象を生ずる。このため酸化種の拡散にともなって窒化膜４の端部４ａは開口４０の周囲に向けて反り上がるように変形するが、その断面形状は急激に折れ曲る部分がなく滑らかな形状を描く。なお、酸化膜５の厚みは最大でも犠牲層１１の約２倍よりも大きくならないので、端部４ａの断面形状の曲率半径を大きくするためには犠牲層１１の膜厚を大きくする必要がある。
【００２５】
次に、窒化膜４の上層にアルミニウム、ｐ型ポリシリコン、ｎ型ポリシリコンの各層について成膜およびエッチングを行い、図２に示すパターンのアルミニウム配線７ａ〜７ｅ、ｐ型ポリシリコン配線８ａ，８ｂおよびｎ型ポリシリコン配線９ａ，９ｂをそれぞれ形成する。さらに、図７（ａ）に示すように全面に酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）６を形成する。
【００２６】
次に、開口４０と同軸上に、開口４０と可能な限り同じ寸法のエッチング孔１２を形成する。このエッチング孔１２は、後述する液相異方性エッチングにおいてシリコン基板１を部分的に除去する際にエッチング液を供給するためのものである。したがって、エッチング孔１２は酸化膜５を貫通して、少なくとも下層の犠牲層１１、あるいはさらに犠牲層１１を貫通してシリコン基板１に到達するものでなければならない。エッチング孔１２の形成には、例えば、異方性の高い気相異方性エッチングを用いることができ、このような高い異方性を有するエッチング方法を使用した場合には、図７（ｂ）に示すように、酸化種の横方向への拡散により生じた酸化膜５の端部（バーズビークの先端部）がエッチングされずに残留する。なお、図７（ｂ）ではエッチング孔１２をシリコン基板１に到達するように形成しているが、上述のようにエッチング孔１２が少なくとも犠牲層１１に到達していさえすれば、後工程におけるシリコン基板１のエッチングが可能である。
【００２７】
続いて、酸化膜との選択比が高い液相エッチング液、例えばヒドラジン等を用いて犠牲層１１およびシリコン基板１のエッチングを行い、図８に示すように凹部１Ａを形成する。シリコン基板１の異方性エッチングにより凹部１Ａの形状が四角錐の一部を構成するような形状（図３）となるのは、シリコン基板１の（１００）面はエッチングされ易く、（１１１）面はエッチングされにくいため、酸化膜２によって規定される（１１１）面から先にエッチングがほとんど進行しないためである。
【００２８】
一方、犠牲層１１についてはエッチングの異方性がないため、エッチング液によりその全体が除去される。このため、犠牲層１１が除去されたシリコン基板１の上面側にもエッチング液が進入し、この部分からもシリコン基板１のエッチングが進行する。このように、本実施の形態では窒化膜４とシリコン基板１との間にエッチング液により除去可能な犠牲層１１を設けているので、犠牲層１１が除去された部位からエッチング液が進入し、よってシリコン基板１のエッチング速度を早めることができる。本実施の形態では犠牲層１１とシリコン基板１とを同時にエッチングしているが、犠牲層１１を構成する組成によっては、犠牲層１１およびシリコン基板１のエッチングをそれぞれ別工程で行うようにしてもよい。この場合には、犠牲層１１のみをエッチング液により除去した後、別のエッチング液を用いてシリコン基板１について異方性エッチングを行えばよい。
【００２９】
最後に、図１および図２に示すように、酸化層６の上にｐ型ポリシリコン配線８ａ，８ｂ、ｎ型ポリシリコン配線９ａ，９ｂの一部、アルミニウム配線７ｂおよび７ｄを覆うように金黒の吸収層１０を形成することで、本実施の形態の装置（赤外線センサ）が完成する。
【００３０】
本実施の形態では、エッチング孔１２の周囲において窒化膜４および酸化膜６が滑らかな断面形状となるように屈曲されており、厚みも均一であるから、直角に折り曲げられた形状の場合のように一部に応力が集中せず破壊しにくい。このためメンブレンＭＢの強度を大きくすることができる。
【００３１】
また、本実施の形態では、エッチング孔１２の周囲において窒化膜４および酸化膜６が滑らかな断面形状となるように屈曲されており、また窒化膜４の下面側に酸化膜５が残留している。したがって、仮に均一の厚みであれば応力が集中するエッチング孔１２に近い部分ほどメンブレンＭＢ全体の膜厚が大きくされているので、応力集中を防ぐことができる。このため、メンブレンＭＢの強度を大きくすることができる。
【００３２】
本実施の形態では、最終的に酸化膜５の一部を残すようにしているが、酸化膜５に相当する部分を最終的には除去するようにしてもよい。この部分がない場合であっても、エッチング孔の周囲において滑らかな断面形状となるようにメンブレンが屈曲していることにより、メンブレンの強度を大きなものとすることが可能である。なお、酸化膜５に相当する部分の除去はエッチングにより行うことができる。この場合、酸化膜５に相当する部分の組成は、他の部分の性質（耐エッチング性）との関係を考慮して、適宜選択される。
【００３３】
本実施の形態では、犠牲層を凹部１Ａの全体にかかるように形成しているので、シリコン基板１のエッチングに際してシリコン基板１の全面にエッチング液が進入する。このため、エッチング時間を短縮することができる。また、犠牲層１１を凹部１Ａの全体にかかるように形成しているために、エッチング孔１２の位置がどこであってもエッチングが短時間で終了し、製造上の問題を生じない。このため、エッチング孔１２を赤外線センサの性能に大きな影響を与えない位置に設定できるので、高性能の赤外線センサが得られる。
【００３４】
本実施の形態では、犠牲層の一部を酸化することによって体積を増大させ、その部分の厚みを増加させるようにしている。このため、例えば蒸着工程とエッチング工程とを組合せてその部分の厚みを増加させるような工程と比較した場合には、新たな追加マスクが不要等、工程が単純化できるうえ、厚みの制御が容易となる利点がある。また、このような薄膜のエッチングにより犠牲層に凹凸を形成する場合には、なだらかな形状の凹凸を形成することはできず、本実施の形態のように上層（窒化膜４および酸化膜６に相当）を滑らかに屈曲した形状とすることは困難である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態の半導体装置を示す断面図。
【図２】図１のII−II線方向から見た本実施の形態の半導体装置の構成要素の配置を示す図。
【図３】図１のIII−III線方向から見た本実施の形態の半導体装置のシリコン基板を示す平面図。
【図４】本実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図であり、（ａ）はシリコン基板を示す図、（ｂ）は酸化膜２を形成した状態を示す図。
【図５】本実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図であり、（ａ）は犠牲層を形成した状態を示す図、（ｂ）は窒化膜を形成した状態を示す図。
【図６】本実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図であり、（ａ）は開口を形成した状態を示す図、（ｂ）は酸化膜５を形成した状態を示す図。
【図７】本実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図であり、（ａ）は酸化膜６を形成した状態を示す図、（ｂ）はエッチング孔を形成した状態を示す図。
【図８】本実施の形態の半導体装置の製造工程において凹部を形成した状態を示す断面図。
【図９】従来の赤外線検出装置を示す図。
【符号の説明】
１シリコン基板
１Ａ凹部
４窒化膜
４ａ端部
５酸化膜
１１犠牲層
１２エッチング孔
４０開口
ＭＢメンブレン

Claims

半導体基板上に犠牲層を形成する犠牲層形成工程と、
前記犠牲層を被覆する窒化膜を形成する窒化膜形成工程と、
前記窒化膜を貫通する開口を形成する開口形成工程と、
前記開口を介して前記犠牲層の一部を酸化して酸化層を形成する酸化工程と、
前記開口と連通し前記酸化層を貫通して少なくとも前記犠牲層に到達するエッチング孔を前記酸化層の端部が残るように形成するエッチング孔形成工程と、
前記エッチング孔を介して前記犠牲層および前記半導体基板をエッチングし前記窒化膜と前記半導体基板との間に空間を形成する空間形成工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記エッチング孔形成工程は、前記開口と同軸上で前記開口と同じ寸法のエッチング孔を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記空間形成工程における前記半導体基板のエッチングは異方性エッチングであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
前記半導体基板は基板表面を（１００）面とするシリコン基板であり、前記犠牲層は多結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
さらに赤外線検出機能要素を作製する工程を備えることを特徴とする赤外線センサの製造方法。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法によって製造したことを特徴とする半導体装置。
請求項５に記載の赤外線センサの製造方法によって製造したことを特徴とする赤外線センサ。