JP4271751B2

JP4271751B2 - 電子装置および電子装置のためのメンブレンを形成する方法

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Publication number: JP4271751B2
Application number: JP22525298A
Authority: JP
Inventors: ジャン・ポール・ガイルメット; マイリアム・コムベス; ステファン・アスタイ; エマニュエル・シェイド
Original assignee: NXP USA Inc
Current assignee: NXP USA Inc
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1998-07-24
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2018-07-24
Also published as: EP0893827B1; US6022754A; CN1213081A; EP0893827A1; JPH11166866A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に電子装置と、電子装置を形成する方法とに関する。さらに詳しくは、本発明は、低電力電子装置とその製造方法とに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
化学センサとは、液体または気体内の特定の化学種の濃度を監視する装置である。化学センサ装置は、センサ装置により検出される特定の化学物質に感作する感作層と、シリコン基板などの半導体基板上に一体化されるヒータとによって構成される。ヒータはセンサ装置の感度を上げるために感作層の温度を上げ、通常はセンサ装置の動作中は、感作層を摂氏２５度ないし６００度の範囲の温度まで加熱することを求められる。このような温度においては、シリコン基板を貫通する熱エネルギの損失が大きいので、このような装置の消費電力が高くなってしまう。
【０００３】
消費電力が高いということは、センサ装置がバッテリにより電力を供給される場合に、特に問題となる。たとえば、用途によってはバッテリ・バックアップ動作が必要になる。このようなバッテリにより電力を供給される用途に関しては、消費電力はDCモードにおいて摂氏４００度で約６０mw程度でなければならない。
半導体化学センサにおける消費電力を下げるために、バルク・シリコン基板の裏面を超精密加工（マイクロマシーニング）して、センサ装置の能動領域の下（すなわちヒータと感作層の下）に薄いメンブレン（膜部）を形成することが提案される。この例についてはフランス特許出願第FR-A- ２６１５２８７号を参照されたい。薄いメンブレンは、シリコン基板上にスピンオンにより酸化ホウ素（B₂O₃）をデポジションし、次に基板内にホウ素ドーパントを拡散させることにより形成される。この方法はバルク・シリコン基板に対する熱損失を軽減するが、メンブレンは、熱伝導度の高い（３５Wm^-1K^-1 ）P+型材料でドーピングされたシリコン層によって構成されるので、センサ使用中の熱損失、ひいては消費電力はバッテリ・バックアップ動作などの低電力動作にとっては依然として高すぎる。たとえば、摂氏４００度においてこのようなセンサの消費電力は、DCモードで２００mWにもなることがある。
【０００４】
熱損失を削減する別の方法が米国特許第５，５４５，３００号に開示される。この特許は、窒化シリコン薄膜上に形成されるガラス薄膜によって構成される複合メンブレンの利用を開示する。開示される方法による消費電力の削減は、複合メンブレン内に用いられる窒化シリコン薄膜の高い熱伝導度（２３Wm^-1K^-1 ）のために制約を受ける。この特許に開示される装置の消費電力は、DCモードにおいて摂氏４００度で１１０mWに近くなり、これでもバッテリ動作にとっては依然として高すぎる。
【０００５】
２つの異なる段階（窒化シリコン薄膜のデポジションとその後の酸化シリコン薄膜のデポジション）がメンブレンを実現するために必要とされるので、この特許も複数の製造段階を有するという前述のコスト上の欠点を有する。この特許で説明されるプロセスの別の欠点は、窒化シリコン層がシリコン基板の上にデポジションされると、このようなプロセス段階によりシリコン表面上に転位が起こることがあり、これは集積回路（IC）技術とは相容れないものである。言い換えると、このようなプロセスを用いると、同一基板上の制御チップをセンサ装置として一体化することができないことになる。
【０００６】
J.Werno, R.Kersjes, W.Mokwa およびH.Vogtにより「Sensors and Actuators A, 41-42（１９９４年）」に掲載された「Reduction of heat loss of silicon membranes by the use of trench-etching techiniques( トレンチ・エッチング技術を利用するシリコン・メンブレンの熱損失軽減）」と題された記事は、酸化物充填トレンチにより単結晶シリコン・メンブレンの断熱度を高めるための解決策を説明する。この方法による消費電力は、DCモードにおいて摂氏４００度で２３０mWであり、これはバッテリ動作にとっては高すぎる。さらに、説明されるトレンチ・エッチング技術は３つの連続するプロセス段階（SIMOX ／エピタキシ／酸化物充填トレンチ）を採用するために、その利用は製造コストに関して高価な技術となる。
【０００７】
従って、低電力で動作することができる改善された電子装置と、このような電子装置の形成方法とが必要である。
【０００８】
【発明の概要】
本発明の第１局面により、添付の請求項の請求項１記載の電子装置が提供される。
【０００９】
本発明の第２局面により、添付の請求項の請求項５記載の電子装置形成方法が提供される。
【００１０】
【実施例】
以下の説明においては、本発明は化学センサ装置に関して開示される。しかし、本発明は、熱センサ，熱量センサ，圧力センサ，マイクロフォン，インクジェット・センサ，マイクロポンプおよびマイクロシステムなど、メンブレンを用いて電子装置の能動領域をバルク基板内のキャビティ上に支持する他の任意の電子装置にも適応されることは言うまでもない。
【００１１】
本発明の好適な実施例により化学センサ装置を形成する方法を図１ないし図９に関連して説明するが、これらの図面は製造の種々の段階の間の化学センサ装置の一部分の簡略化された断面図である。以下の説明において、半導体基板，層および領域は一定の導電型を有し、ある材料により構成されるものとして説明されるが、これは説明のために過ぎない。本発明は、本明細書において引用される特定の導電型にも特定の材料にも制限されない。
【００１２】
まず図１を参照して、好ましくはシリコン＜１００＞基板である半導体基板２が準備される。半導体基板２は、第１表面４と、第１表面４に対向する第２表面６とを有する。酸窒化物材料の誘電層８が半導体基板２上で第１表面４の上に形成される。図２を参照されたい。誘電層８は、３０ナノメータないし３マイクロメータの範囲の厚み１０を有する。
【００１３】
好適な実施例においては、誘電層８は、SiO_xN_yの組成を有する酸窒化シリコン材料で形成される。この組成（すなわちx とy の値）は、誘電層８が優れた機械的特性と、１〜３０Wm^-1K^-1 の範囲（好ましくは５Wm^-1K^-1 ）の低い熱伝導度とを有するように選択される。優れた機械特性を有する誘電層８は、装置の高い（１００％までの）製造歩留まりを保証する。
【００１４】
誘電層８の機械的特性は、誘電層８を形成する酸窒化シリコン材料の伸び弾性率（Young's Modulus ）と、酸窒化シリコン材料の熱膨張とに依存する。酸窒化シリコン材料の組成は、材料の熱膨張が基板材料の熱膨張と実質的に等しくなるよう選択される。シリコン基板を有する好適な実施例においては、組成は、酸窒化シリコン材料の熱膨張がシリコンの熱膨張（すなわち２．５Ｘ１０^-6／℃）に実質的に等しくなるよう選択される。これにより、誘電層８は確実に残留応力のレベルが低くなる。
【００１５】
酸窒化シリコン材料の組成は、伸び弾性率が基板材料のそれに近くなるようにも選択される。シリコンは、１７０GPa の伸び弾性率を有するので、酸窒化シリコン材料は１００〜１８０GPa の範囲の伸び弾性率を有するよう設定される。
【００１６】
誘電層８は、プラズマ強化化学蒸着（PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition ）または化学蒸着（CVD: Chemical Vapour Deposition ）により形成することができる。プラズマの圧力および電力を調整することにより酸窒化物材料の組成の制御が容易になるので、PECVD のほうが好適である。それにより、酸窒化物誘電層８を低熱伝導および低応力の両方に関して最適化することができる。
【００１７】
好適な実施例においては、シラン，アンモニア，亜酸化窒素および窒素をそれぞれ０．１７：０．１４：０．１４：０．５５の割合で混合したものをPECVD プロセスで用いて、SiO_xN_y（ただしx=0.89，y=0.74）の組成を有する誘電層８を設ける。PECVD プロセスは、Applied Materials Inc.により供給されるCVD ５０００チャンバ内で実行され、このチャンバは摂氏４００度の温度まで加熱される。プラズマ圧力は４．５Torrで、プラズマ電力は３２５W である。
【００１８】
図３も参照して、酸化シリコン層１２が半導体基板２の第２表面６上に形成される。酸化シリコン層１２は、シリコン基板の熱酸化またはPECVD またはCVD によって形成することができる。シリコン基板の酸化中に、誘電層８が同時にアニーリングされるので熱酸化が好ましい。
【００１９】
誘電層８上に伝導層が形成される。次に伝導層がパターニングおよびエッチングされ、伝導層の一部分１４が残されて、これが化学センサ装置のヒータ１４となる。図４を参照されたい。伝導層は、優れた伝導度を有する多結晶シリコン層または金属層によって構成される。抵抗率は１０^-6ohm.cmないし１０^-3ohm.cmの範囲である。伝導層１４の厚み１６は、３０ナノメータないし３マイクロメータである。
【００２０】
図５において、半導体基板２の裏面上の酸化シリコン層１２上にマスキング層１８が形成される。マスキング層１８の厚み２０は、３０ナノメータないし３マイクロメータである。好適な実施例においては、窒化シリコン・マスキング層は、誘電層８のPECVD デポジションに用いられたものと同じ装置を用いて、酸化シリコン層１２上にPECVD デポジションされる。酸化シリコン層１２が必要とされるのは、窒化シリコン・マスキング層１８のシリコン基板２に対する付着力が弱いためである。マスキング層１８は、バルク・シリコン基板２の裏面精密加工の間に裏面ハード・マスクとして用いられる。あるいは、半導体基板２をエッチングするために用いられる溶液である水酸化カリウム溶液における酸窒化シリコン層のエッチング速度が非常に低いために、酸窒化シリコン層をマスキング層１８として用いることもできる。
【００２１】
次に、誘電層８と伝導層の部分１４との上に第１分離層２２がデポジションされる。好適な実施例においては、第１分離層２２は、PECVD または低圧化学蒸着（LPCVD: Low Pressure Chemical Vapour Deposition）により誘電層８の上にデポジションされる二酸化シリコン層によって構成される。第１分離層２２がパターニングおよびエッチングされて、伝導層まで延在するコンタクト開口部２４が形成される（図６）。
【００２２】
図７において、マスキング層１８がパターニングされ、次にマスキング層１８と酸化シリコン層１２とがエッチングされて、半導体基板２の第２表面６まで延在する開口部２６が形成される。開口部２６は、半導体基板２をエッチングする面積を規定する。
【００２３】
次に感作層３０がヒータ１４の上に重なるように第１分離層２２の部分の上に形成される（図８）。感作層３０は、まず、センサ装置により検知される化学種に感作する材料の層を装置全体にデポジション（スパタリング，蒸発，CVD またはスピンオンにより）し、次に層の部分を除去するためにパターニングを行い感作層３０を残すことにより形成される。好適な実施例においては、感作材料は、金属酸化物であり、標準的なリフトオフ技術が用いられる。重合体検知材料を用いてもよい。
【００２４】
次にヒータ１４と感作層３０に対して電気的コンタクトを作成する。クロミウム／チタン／プラチナ金属被覆などの金属被覆部が蒸発によりウェハ上に形成される。次に、リフトオフまたはエッチングにより金属被覆部がパターニングされてヒータ金属導体２８（図８）および感作層金属導体（図示せず）が残る。
【００２５】
感作層３０とヒータ１４とを含む領域である化学センサ装置の能動領域の断熱性を改善するために、開口部２６を通じて半導体基板２をエッチングまたはバルク精密加工して、図９に図示されるように半導体基板２の第２表面６から第１表面４まで延在するキャビティ３２を形成する。酸窒化物材料の単独の誘電層８が本発明による化学センサ装置のメンブレンを形成する。このメンブレンは、少なくともキャビティ３２の両端に延在し、化学センサ装置の能動領域を支持する。
バルク精密加工プロセスは、非等方性エッチング・プロセスである。好適な実施例においては、水酸化カリウム（KOH ）によって構成される湿式エッチング液を用いて、シリコン基板２のバルクを除去する。酸窒化物材料はKOH において極めて低いエッチング速度（毎時０．０４マイクロメータ）を有するので、誘電層８がエッチ・ストップ層として機能する。下記の表１は、異なる種類のメンブレンに関してKOH の機械的歩留まりと摂氏９０度におけるエッチング速度に関するデータを示す。
【００２６】
【表１】
メンブレン材料 KOH 歩留まり（％） KOH エッチング速度（μm ／ｈ）
酸化物２００．２５
酸窒化物１０００．０４
窒化物／酸化物９５０．０２
トレンチＮ／Ａ０．２５
P+シリコン１００１５
この極めて低いエッチング速度は、誘電性メンブレン８の厚みが正確に制御されており、そのためにセンサ装置の消費電力が１つのウェハ上，ウェハ間およびロット間で同一に制御されることを意味する。表１に示されるエッチング速度からわかるように、上記のフランス特許出願第No.FR-A-２６１５２８７号のメンブレンを形成するP+シリコン層にはこれは当てはまらない。
【００２７】
また、表１は異なる種類の材料のメンブレンに関する機械的歩留まりも示す。本発明によりPECVD によりデポジションされる酸窒化物メンブレンは、表１からわかるように、優れた機械的特性を有する。
【００２８】
上記の好適な実施例においては、シリコン基板の一部分が湿式エッチング・プロセスを用いる裏面精密加工により除去される。シリコン基板を除去してキャビティ上にメンブレンを残すためのその他の技術を用いることもできる。たとえば、シリコン基板を、湿式エッチング・プロセスを（第１表面４上に）用いて表面精密加工したり、プラズマ・エッチングなどの乾式エッチング・プロセスを用いてシリコン基板を裏面または表面精密加工したり、あるいは直接ウェハ・ボンディング技術を用いることもできる。後者の技術については、２つのウェハを結合させて、１つのウェハを精密加工してメンブレンとする。
【００２９】
本発明の酸窒化物メンブレン８は、バルク基板除去後は低い熱伝導を示し、またヒータと基板との間の分離層としても機能する。メンブレンにより与えられる断熱性の効果は、PECVD 酸窒化物メンブレンの熱伝導度により決定され、これは主としてメンブレンの組成に依存する。
【００３０】
図１０は、異なる種類のメンブレンに関して温度の関数としての消費電力を表すグラフである。曲線４０により示されるように、本発明による酸窒化物メンブレンは、広い温度範囲に亘りバッテリ動作の低電力要件を満たす。
【００３１】
要するに、本発明は熱伝導度が低く（すなわち消費電力が低く）、応力レベルが低く、KOH におけるエッチング速度が極めて低い酸窒化物材料の単独の誘電層によって構成される装置の能動領域を支持するメンブレンを有する装置であって、単独のプロセス段階しか必要としない装置を提供する。従って、本発明はバッテリ・バックアップなどの低電力動作に対応し、製造が簡単で高価でないメンブレンを提供する。
【図面の簡単な説明】
本発明による電子装置と電子装置形成方法とは、添付の図面を参照して説明されるが、これは例示されたに過ぎない。
【図１】本発明による電子装置の種々の製造段階における一部分の簡略化された断面図である。
【図２】本発明による電子装置の種々の製造段階における一部分の簡略化された断面図である。
【図３】本発明による電子装置の種々の製造段階における一部分の簡略化された断面図である。
【図４】本発明による電子装置の種々の製造段階における一部分の簡略化された断面図である。
【図５】本発明による電子装置の種々の製造段階における一部分の簡略化された断面図である。
【図６】本発明による電子装置の種々の製造段階における一部分の簡略化された断面図である。
【図７】本発明による電子装置の種々の製造段階における一部分の簡略化された断面図である。
【図８】本発明による電子装置の種々の製造段階における一部分の簡略化された断面図である。
【図９】本発明による電子装置の種々の製造段階における一部分の簡略化された断面図である。
【図１０】異なる種類のメンブレンに関する温度の関数として消費電力を示すグラフである。
【符号の説明】
２シリコン基板
４，６基板表面
８メンブレン
１２酸化シリコン層
１４，３０能動領域
１８マスキング層
２２分離層
２８金属導体
３２キャビティ

Claims

電子装置であって：
半導体材料から形成された半導体基板（２）であって、該基板内に延在するキャビティ（３２）を有する半導体基板；
前記半導体基板内の前記キャビティの両端に延在するよう、前記半導体基板上に形成されたメンブレン（８）；および
前記メンブレン（８）により支持され、前記キャビティ（３２）に隣接して配置された能動領域（１４，２２，３０）；
を具備し、前記メンブレン（８）がＳｉＯ_ｘＮ_ｙの組成を有する酸窒化シリコン材料により形成される単独の誘電層（８）によって構成され、但しｘおよびｙは前記酸窒化シリコン材料が前記半導体基板材料の伸び弾性率と実質的に同じ伸び弾性率と、前記半導体基板材料と実質的に同じ熱膨張率と、１〜３０Ｗｍ^−１Ｋ^−１の範囲の熱伝導度とを有するように選択されることを特徴とする電子装置。
前記酸窒化物材料がＳｉＯ_ｘＮ_ｙの組成を有し、但しｘ＝０．８９およびｙ＝０．７４であることを特徴とする請求項１記載の電子装置。
前記電子装置が半導体センサ装置によって構成され、かつ前記能動領域が：
前記メンブレン上に形成される伝導層（１４）；
前記伝導層上に形成される絶縁層（２２）；および
前記絶縁層上に形成される感応層（３０）；
を具備することを特徴とする請求項１または２記載の電子装置。
前記半導体基板は第１表面（４）および第２表面（６）を有し、かつ前記キャビティ（３２）が前記第２表面（６）および前記第１表面（４）の間に前記基板を通って延在することを特徴とする請求項１〜３の内のいずれか１項に記載の電子装置。
電子装置の能動領域（１４，２２，３０）を支持するメンブレンを形成する方法であって：
半導体材料で形成された半導体基板（２）を用意する段階；
前記半導体基板上に、酸窒化シリコン材料の単独の誘電層によって構成されるメンブレン（８）を形成する段階であって、前記酸窒化シリコン材料はＳｉＯ_ｘＮ_ｙの組成を有し、但しｘおよびｙは前記酸窒化シリコン材料が前記基板半導体材料の伸び弾性率と実質的に同じ伸び弾性率と、前記基板半導体材料と実質的に同じ熱膨張率と、１〜３０Ｗｍ^−１Ｋ^−１の範囲の熱伝導度とを有するように選択される、段階；
前記単独の誘電層（８）上に前記電子装置の前記能動領域を形成する段階；および
前記基板にキャビティ（３２）を設けるように前記半導体基板の一部を除去する段階であって、前記単独の誘電層（８）は前記キャビティ（３２）の両端に延在する、段階；
を具備することを特徴とする電子装置の能動領域（１４，２２，３０）を支持するメンブレンを形成する方法。
前記半導体基板は第１表面（４）および第２表面（６）を有し、前記メンブレン（８）を形成する段階は前記半導体基板の前記第１表面上に前記メンブレンを形成する段階からなり、かつ前記半導体基板の一部を除去する段階は：
前記メンブレンを形成した後に前記半導体基板の前記第２面（６）上にマスキング層（１８）を形成する段階；
前記マスキング層を通って前記第２表面へと延在する開口（２６）を設けるように前記マスキング層の一部を除去する段階；および
前記第２表面と前記メンブレンとの間に延在する前記キャビティ（３２）を設けるように前記開口を通って前記半導体基板をエッチングする段階；
を具備することを特徴とする請求項５記載の方法。
前記エッチングする段階は水酸化カリウムを含む溶液によって前記半導体基板をウェットエッチングする段階からなることを特徴とする請求項６に記載の方法。
前記半導体基板はシリコン基板からなり、かつ前記マスキング層は前記第２表面上の酸化シリコン層および前記酸化シリコン層上の窒化シリコン層を備えることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
前記メンブレンを形成する段階は前記半導体基板上に酸窒化シリコン材料の単独の誘電層を被着する段階を具備することを特徴とする請求項５，６，７または８のいずれか１項に記載の方法。
前記酸窒化材料はＳｉＯ_ｘＮ_ｙの組成を有し、但しｘ＝０．８９およびｙ＝０．７４であることを特徴とする請求項５，６，７，８または９のいずれか１項に記載の方法。
前記電子装置は半導体センサ装置であり、前記方法はさらに：
前記単独の誘電層（８）の一部の上に導電層（１４）を形成する段階；
前記単独の誘電層（８）および前記導電層（１４）上に第１絶縁層（２２）を形成する段階；
前記第１絶縁層（２２）の一部を除去して前記導電層（１４）へと延在するコンタクト開口（２４）を形成する段階；
前記第１絶縁層（２２）の一部上に感応層（３０）を形成する段階であって、該感応層は前記導電層上に延在するが前記コンタクト開口（２４）上には延在しない、段階；および
前記導電層および前記感応層への電気的コンタクトを形成する段階；
を具備することを特徴とする請求項５，６，７，８，９または１０のいずれか１項に記載の方法。