JP4333046B2 - メンブレン構造体を備えた半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線センサやガスセンサのような熱型センサ或いは圧力センサや加速度センサのような力学量センサなどに利用されるメンブレン構造体を備えた半導体素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板に対しフローティング状態とされたメンブレン構造体を備えた半導体素子の製造方法としては、従来より、シリコン基板上に酸化膜などから成る薄膜を形成すると共に、シリコン基板をＫＯＨやＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）などのアルカリ系水溶液を用いてエッチングすることにより、薄膜の下のシリコン基板に空洞を形成し、その空洞に対応した部分に薄膜を構成要素としたメンブレン構造体を形成するという手段が知られている。
【０００３】
このようなメンブレン構造体を備えたセンサを製造する場合、シリコン基板上にアルミ配線パターンやワイヤボンディング用のアルミパッドを形成すると共に、配線保護膜を成膜する必要があるが、アルミパッド領域には、これを覆うように成膜される配線保護膜を除去した状態の開口部を形成しなければならない。ところが、ＫＯＨやＴＭＡＨなどのアルカリ系水溶液を用いてシリコン基板をエッチングする場合、アルミニウムのシリコンに対するエッチング選択比が約１と全くないという事情があるため、アルミパッド上に開口部を形成した状態（つまり、アルミパッドを露出させた状態）でシリコン基板のエッチング処理を行うと、そのアルミパッドが浸食されてしまうという問題点が出てくる。
【０００４】
このため、従来では、特開平１０−３１２９８７号公報に見られるように、シリコン基板をエッチングする前の段階で、アルミパッドなどを形成した面の全域を、耐アルカリ性のＳｉＯ2 膜（パッシベーション膜）で２層に被覆すると共に、その上からアルミパッド領域のみが開口した形状の耐アルカリ性のエッチングマスク膜を形成した多層構造の保護膜を形成し、シリコン基板をアルカリ系水溶液でエッチングしてメンブレン構造体を形成した後に、エッチングマスク膜を利用したエッチング処理によりアルミパッド領域に対応したＳｉＯ2 膜を除去してアルミパッドを露出させるという製造方法が提供されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、メンブレン構造体の膜応力は、その座屈を防ぐために全体として弱い引張応力が働く状態とすることが望ましいが、従来の製造方法においてエッチング保護膜として使用されているＳｉＯ2 膜は圧縮方向の内部応力が大きいため、メンブレン構造体には圧縮応力が働くことになって、座屈に対する余裕度が小さくなるという問題点がある。特に、従来の製造方法では、シリコン基板のエッチング処理後に、多層構造のメンブレン構造体の最上層に位置するエッチングマスク膜を部分的に除去する構成となっているため、メンブレン構造体の膜応力のバランスが崩れて、当該メンブレン構造体の座屈を招く可能性が出てくるものであり、このような点が未解決の課題となっていた。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板上にフローティング状態のメンブレン構造体と共に電極パッドを形成する場合に、メンブレン構造体の膜構造についての自由度を高めることができて、その座屈を未然に防止することが可能になるメンブレン構造体を備えた半導体素子の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の製造方法によれば、半導体基板をエッチング処理液によりエッチングして、半導体基板上の第１膜及びこの第１膜上の第２膜を構成要素としたメンブレン構造体を形成する際には、電極パッド領域に対応した開口部が当該エッチング処理液に対して耐性を有する材料より成る第３膜により覆われた状態となっているから、その電極パッドが浸食される恐れがなくなる。また、上記メンブレン構造体を形成した後に、第２膜及び開口部の双方を覆った状態の第３膜の全体がエッチングにより除去されることになるから、開口部領域のみを部分的にエッチングする場合のようにメンブレン構造体の膜応力のバランスが崩れる恐れがなくなり、そのメンブレン構造体の座屈を未然に防止可能になる。また、第３膜は、第２膜並びに電極パッドに対しエッチング選択性を有するものであるから、そのエッチング時に第２膜や電極パッドが浸食される恐れがなくなる。しかも、最終的に全面エッチングされる第３膜は、第２膜並びに電極パッドに対しエッチング選択性を有し、且つ半導体基板のエッチング処理液に対して耐性を有する材料を選択すれば良いから、その第３膜並びに第２膜を形成するための材料についての選択範囲が広がるようになる。この結果、メンブレン構造体の膜構造についての自由度を高めることができて、その膜応力を全体として弱い引張応力が働く状態とすることが可能となり、これによりメンブレン構造体の座屈を防止する構造を容易に提供し得るようになる。
【０００８】
請求項２記載の製造方法によれば、第２膜及び開口部領域上の全体にごく薄い状態の合成樹脂膜を残すことが可能になるから、その後に行われる外観検査時において、合成樹脂膜の傷（接触痕跡）などを観察することにより、後工程で不良が発生したチップを容易にリジェクト可能になり、その検査を行う上で有益になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を赤外線センサに適用した一実施例について図面を参照しながら説明する。
図１には赤外線センサチップの基本構造が模式的な断面図により示されている（寸法比は正確ではない）。この図１において、シリコン基板１（本発明でいう半導体基板に相当）には、その表面側からの異方性エッチングにより空洞２が形成されている。また、シリコン基板１上には、絶縁膜３、赤外線の照射に応じた温度変化を抵抗値変化として検出するためのポリシリコン膜４、層間絶縁膜５、上記ポリシリコン膜４に接続されたアルミ配線６、外部に露出した状態のワイヤボンディング用アルミパッド７、アルミ配線６保護用の保護膜８が順に形成されており、空洞２に対応した部分に積層構造のメンブレン構造体９が形成された構造となっている。
【００１０】
図２及び図３には、上記構造の赤外線センサチップの製造工程が模式的な断面図を使用して示されており、以下これについて説明する。尚、メンブレン構造体を含む半導体素子の製造方法自体は既知であるので、各層のパターニング工程などについての詳細な説明は省略する。
【００１１】
即ち、まず、図２（ａ）に示すように、シリコンウエーハより成るシリコン基板１上に熱酸化または堆積により酸化膜を成膜することによって絶縁膜３（第１膜）を形成する工程（第１の工程）を行った後に、ポリシリコンの堆積及びパターニング工程を行うことにより所定形状のポリシリコン膜４を形成する。次いで、堆積によって酸化膜を成膜して層間絶縁膜５を形成すると共に、その層間絶縁膜５に前記ポリシリコン膜４と対応したコンタクトホール（符号なし）を形成する工程を行う。さらに、この状態から、真空蒸着やスパッタリングなどによりアルミニウム膜を成膜すると共に、そのアルミニウム膜をパターニングする工程（第２の工程）を行うことにより、所定形状のアルミ配線６（配線部）及びアルミパッド７（電極パッド）を形成する。
【００１２】
この後には図２（ｂ）に示すように、層間絶縁膜５、アルミ配線６及びアルミパッド７上に、窒化ケイ素を堆積して保護膜８（第２膜）を形成すると共に、アルミパッド７に対応した部分の保護膜８を除去する工程（第３の工程）を行い、アルミパッド開口領域１０（開口部）を形成する。
【００１３】
次いで、図３（ａ）に示すように、アルミパッド７及び保護膜８上に、それらアルミパッド７及び保護膜８とエッチング選択比が異なる材料より成るエッチング保護膜１１（第３膜）を堆積する工程（第４の工程）を実行する。本実施例の場合、上記エッチング保護膜１１の材料として、アルミパッド７及び窒化ケイ素より成る保護膜８に対するドライエッチング時のエッチング選択比が大きくなる特性を有した合成樹脂、例えばポリイミド樹脂を用いている。
【００１４】
次に、図３（ｂ）に示すように、絶縁膜３、層間絶縁膜５、保護膜８及びエッチング保護膜１１から成る膜構造体の所望の位置（実際には、前記メンブレン構造体９を画定する位置）に複数の溝１２（１個のみ図示）を形成するドライエッチングを行った後に、その溝１２を通じてシリコン基板１を異方性エッチングする工程（第５の工程）を行う。このときのエッチング処理液には、ＫＯＨやＴＭＡＨなどのアルカリ系水溶液を用いる。そして、このような異方性エッチングの結果、シリコン基板１に空洞２が形成されると共に、絶縁膜３、層間絶縁膜５及び保護膜８を構成要素としたメンブレン構造体９（図１参照）の原形が形成される。
【００１５】
この状態から、ポリイミド樹脂より成るエッチング保護膜１１の全体をドライエッチングする工程（第６の工程）を実行するものであるが、この工程では、ポリイミド樹脂より成るエッチング保護膜１１の膜厚が所定値以下（ごく薄い状態）となった時点でエッチングを停止するようになっている。このようなドライエッチング工程の実行に応じて、図１に示した状態の赤外線センサチップの基本構造が完成される。尚、最終的には、アルミパッド７上に残ったごく薄い状態のエッチング保護膜１１は除去される。
【００１６】
要するに、上記した本実施例による製造方法によれば、以下に述べるような作用・効果を奏するものである。
即ち、シリコン基板１をエッチング処理液（ＫＯＨやＴＭＡＨなどのアルカリ系水溶液）によりエッチングして、シリコン基板１上の絶縁膜３、層間絶縁膜５及び保護膜８を構成要素としたメンブレン構造体９を形成する時点では、アルミパッド開口領域１０が当該エッチング処理液に対して耐性を有する材料であるポリイミド樹脂より成るエッチング保護膜１１により覆われた状態となっているから、アルミパッド７が浸食される恐れがなくなる。尚、アルミパッド開口領域１０は、シリコン基板１に空洞２を形成するためのエッチング工程の前に形成される構成となっているから、その開口領域１０を形成するときに使用されるレジスト液などが空洞２に浸入する恐れがなくなるという利点もある。
【００１７】
また、上記メンブレン構造体９を形成した後に、保護膜８及びアルミパッド開口領域１０の双方を覆った状態のエッチング保護膜１１の全体がドライエッチングにより除去されることになるから、開口部領域のみを部分的にエッチングする従来の製造方法の場合のようにメンブレン構造体９の膜応力のバランスが崩れる恐れがなくなり、そのメンブレン構造体９の座屈を未然に防止可能になる。また、エッチング保護膜１１は、保護膜８並びにアルミパッド７に対しエッチング選択性を有するものであるから、そのドライエッチング時に保護膜８やアルミパッド７が浸食される恐れがなくなる。しかも、最終的に全面エッチングされるエッチング保護膜１１は、保護膜８並びにアルミパッド７に対しエッチング選択性を有し、且つシリコン基板１のエッチング処理液に対して耐性を有する材料を選択すれば良いから、エッチング保護膜１１並びにその下の保護膜８を形成するための材料についての選択範囲が広がるようになる。
【００１８】
具体的には、本実施例では、保護膜８の材料として窒化ケイ素、エッチング保護膜１１の材料としてポリイミド樹脂を用いる構成としたが、この他にも、保護膜８の材料として酸化ケイ素、エッチング保護膜１１の材料としてポリイミド樹脂を用いる構成、保護膜８の材料として酸化ケイ素、エッチング保護膜１１の材料として窒化ケイ素を用いる構成、保護膜８の材料として窒化ケイ素、エッチング保護膜１１の材料として酸化ケイ素を用いる構成、或いは、エッチング保護膜１１の材料としてポリイミド樹脂以外の合成樹脂を用いるなど、種々の組み合わせをが可能になる。この結果、メンブレン構造体９の膜構造についての自由度を高めることができて、その膜応力を全体として弱い引張応力が働く状態とすることが可能となり、これによりメンブレン構造体９の座屈を防止する構造を容易に提供し得るようになる。また、エッチング保護膜１１及び保護膜８の材料は、センサ特性に応じて種々選択することも可能となる。例えば、本実施例のような赤外線センサのようにメンブレン構造体９の断熱性が低い方が望ましい場合には、その材料として断熱性が高い性質がある窒化ケイ素を避けるなどの手法も考えられる。
【００１９】
また、ポリイミド樹脂より成るエッチング保護膜１１を除去するためのドライエッチング工程においては、その保護膜１１の膜厚が所定値以下（ごく薄い状態）となった時点でエッチングを停止する構成となっているから、保護膜８及びアルミパッド開口領域１０上の全体にごく薄い状態のポリイミド樹脂膜が残されることになる。この結果、その後に行われる外観検査時において、上記ポリイミド樹脂膜の傷（接触痕跡）などを観察することにより、後工程で不良が発生したチップを容易にリジェクト可能になり、その検査を行う上で有益になる。尚、この場合には、アルミパッド開口領域１０上のごく薄い状態のポリイミド樹脂膜を最終的に除去する必要があるが、その除去はきわめて容易に行い得るから支障を生ずることはない。
【００２０】
（その他の実施の形態）
尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、次のような変形または拡張が可能である。
上記実施例では、エッチング保護膜１１をドライエッチングする工程において、ポリイミド樹脂より成るエッチング保護膜１１の膜厚が所定値以下（ごく薄い状態）となった時点でエッチングを停止する構成としたが、その工程でエッチング保護膜１１を全面的に除去しても良い。また、上記実施例では、シリコン基板１に対し、その表面側から溝１２を介した異方性エッチングを行うことにより空洞２を形成する構成としたが、そのシリコン基板１の裏面側から浸漬により異方性エッチングを行うことにより、空洞を形成する構成としても良い。尚、この場合には、シリコン基板１の表面の一部を薄膜状に残すことにより、その残したシリコン部分をメンブレン構造体の構成要素とすることもできる。
さらに、本発明による製造方法は、上記実施例で適用した赤外線センサに限らず、ガスセンサや流量センサのような熱型センサ、或いは圧力センサ、のような力学量センサなど、メンブレン構造体を使用するセンサ全般に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す赤外線センサチップの模式的断面図
【図２】赤外線センサチップの製造工程を示す模式的断面図その１
【図３】赤外線センサチップの製造工程を示す模式的断面図その２
【符号の説明】
１はシリコン基板（半導体基板）、２は空洞、３は絶縁膜（第１膜）、４はポリシリコン膜、５は層間絶縁膜、６はアルミ配線（配線部）、７はアルミパッド（電極パッド）、８は保護膜（第２膜）、９はメンブレン構造体、１０はアルミパッド開口領域（開口部）、１１はエッチング保護膜（第３膜）、１２は溝を示す。

Claims (2)

1. 半導体基板上に最終的にメンブレン構造体の構成要素となる第１膜を形成する第１の工程、
   前記第１膜上に配線部及び電極パッドを形成する第２の工程、
   前記第１膜上に前記配線部を覆うと共に前記電極パッド領域に対応した開口部を備えた第２膜を形成する第３の工程、
   前記第２膜上に、当該第２膜並びに前記電極パッドに対しエッチング選択性を有し、且つ前記半導体基板のエッチング処理液に対して耐性を有する材料より成る第３膜を前記開口部を覆った状態で形成する第４の工程、
   前記第１膜、前記第２膜及び前記第３膜から成る膜構造体の所望の位置に複数の溝を形成するドライエッチングを行った後に、その溝を通じて前記半導体基板を前記エッチング処理液により異方性エッチングして空洞を形成することにより、当該空洞に対応した前記第１膜及び第２膜を構成要素としたメンブレン構造体を形成する第５の工程、
   前記第５の工程により前記メンブレン構造体を形成した後、前記第３膜の全体をエッチングする第６の工程、
   を実行することを特徴とするメンブレン構造体を備えた半導体素子の製造方法。
2. 前記第３膜の材料は合成樹脂とされ、
   前記第６の工程では、前記第３膜の膜厚が所定値以下となった時点でエッチングを停止することを特徴とする請求項１記載のメンブレン構造体を備えた半導体素子の製造方法

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