JP4602494B2 - 半導体可変コンデンサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大略、半導体装置及びその製造方法に関するものであって、更に詳細には、共通の半導体基板上に形成した集積回路の一つの要素として可変コンデンサを組込む技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
可変コンデンサは、一般的に、二つの対向した平行なプレートを分離させる距離即ち隣接する平行なプレートのオーバーラップする量を変化させることによって容量を変化させる可動性のプレートを使用している。この様な可変コンデンサを半導体装置の一部として移動プレートと共に集積化することは、半導体装置の製造上の本来的な制限に起因してある種の問題を発生させる。半導体基板上に集積化されている可変コンデンサの例は、米国特許第４，４９５，８２０号及び第４，６７２，８４９号において記載されており、それらの各特許は可動プレートと固定プレートとの間の距離における変化を検知する装置を開示している。本発明は構成を簡単化させ且つ半導体可変コンデンサを製造するプロセスを提供するためにこれらの先行する特許の可動プレートアプローチから逸脱するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述した如き従来技術の欠点を解消し、改良した半導体可変コンデンサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体装置内に集積化した可変コンデンサを提供しており、それは振動センサ、加速度計、圧力センサ、音響変換器において使用するのに適したものである。可変コンデンサの容量は、コンデンサの固定したプレートの間のギャップにおける誘電体物質からなるメンブレンを移動させることによって変化される。容量変化は、固定プレート間のギャップ内の誘電体の値を変化させることによって影響される。
【０００５】
本発明の可変コンデンサは、互いに離隔されている固定プレート及びそれらのプレートの間の空間即ちギャップ内において移動可能な誘電体メンブレンを有する積層構成体を構築する独特な一連のステップにおいて従来の製造技術及び物質を使用して半導体装置内に集積化させることが可能である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、大略参照番号１０として示した半導体装置の一部が示されており、その一部１０は本発明に基づいて製造された可変コンデンサ１２を包含している。可変コンデンサ１２は、可撓性メンブレン１４を有しており、それは、第二長尺導体２０と平行であり且つそれから離隔されている第一長尺導体１８を包含する下側に存在する特徴を示すために切欠部１６が示されている。導体１８と２０との間の空間はギャップ２２を画定しており、且つこれらの導体は、以下に説明するように装置１０のその他の回路要素（不図示）へ接続させることの可能な可変コンデンサ１２のプレートを形成している。理解されるように、例として、櫛型の第一及び第二導体及び導体の相互接続したアレイを包含するその他のレイアウトを使用して本発明に基づいて製造した可変コンデンサの容量を増加させることが可能である。
【０００７】
図２の断面を参照すると、装置１０は半導体基板２４の上に形成されており、該基板は、好適には、従来のシリコン基板であって且つその上側の表面領域を画定する従来の浅いエピタキシャル層を有することが可能である。基板２４は上表面２６を有しており、その上に第一絶縁層２８が形成される。第一絶縁層２８は、好適には、酸化物層であるが、任意の誘電体物質とすることが可能であり、又は少なくとも上部層が誘電体物質である二つ又はそれ以上の層からなる複合層とすることが可能である。
【０００８】
好適にはアルミニウムである第一及び第二導体１８及び２０が酸化物層２８の上側に存在している。第二絶縁層３０は、好適には、窒化シリコンであるが、第一及び第二導体１８及び２０の上側に存在しており且つ導体１８及び２０によって被覆されていない酸化物層２８の部分の上に存在している。第二絶縁層３０は導体１８及び２０の頂部表面及び側部表面に倣っている。
【０００９】
可撓性メンブレン１４は誘電体物質であって、好適には窒化シリコンから構成されている。一方、それは、ポリイミド層を有することが可能である。可撓性メンブレン１４は周辺部分３２を有しており、周辺部分３２は半導体基板２４によって中間層を介して支持されている。メンブレン１４及び下側に存在する窒化物層３０はそれらの間にキャビティ即ち凹所３４を画定している。キャビティ３４は、図２の断面に沿った方向及び図１から理解されるようにそれと直交する方向の両方においてメンブレン１４の周辺部３２へ延在している。
【００１０】
更に、図２を参照すると、メンブレン１４は第一及び第二導体１８及び２０の間のギャップ２２内へ部分的に延在するビーム３６を有している。メンブレン１４は可撓性があるので、ビーム３６はギャップ２２内を移動自在である。図２Ａはメンブレン１４が完全に屈曲した位置にある状態を示しており、ビーム３６はギャップ２２内へ下方向へ延在しており且つ窒化物層３０の上表面と当接している。図１及び３に示した開口即ちポート３８がメンブレン１４内に設けられており、空気がキャビティ３４内へ移動し且つキャビティ３４から排除されることを可能としており、メンブレン１４が移動することを容易なものとさせている。
【００１１】
外部刺激がメンブレン１４へ付与されると、ビーム３６はギャップ２２内において上下に移動し、それにより第一及び第二導体１８及び２０の間の誘電体特性を変化させる。ギャップ２２が基本的に空気であるので、可変コンデンサ１２の誘電体の値はビーム３６がギャップ２２内を移動する場合に変化し、それによりビーム３６の移動に比例して容量値を変化させる。
【００１２】
図３を参照すると、メンブレン１４がその周辺部３２において固定的に支持されている。この実施例においては、メンブレンの周辺部３２は下側に存在する窒化物層３０の一部の上に直接的に存在している。本装置の別の実施例を図３Ａに示しており、その場合には、メンブレンの周辺部は参照番号３２′で示されており、それは中間の絶縁層４０ｂの上側に存在しており、絶縁層４０ｂは窒化物層３０の上側に存在している。図３Ａの装置１０′は以下に説明するプロセスから得られる。
【００１３】
図４は好適な製造プロセスにおける早い段階における本発明の可変コンデンサの構造を示している。絶縁層２８が半導体基板２４の上側に所望の厚さに形成されており、その厚さは装置構成における可変コンデンサの位置及び同一の半導体装置の一部として製造されるその他の回路要素に対する処理条件に依存して最大で数ミクロンの厚さとすることが可能である。絶縁層２８は従来の処理技術を使用して基板２４の上に直接的に付着形成するか又は成長させた比較的薄い酸化物層とすることが可能である。一方、層２８は複数個の層からなる複合体とすることが可能であり、最も上側の層は酸化物層又はその他の誘電体層とすることが可能である。更に理解されるように、層２８は装置１０のその他の活性要素（不図示）の上方に形成することが可能である。
【００１４】
図５を参照すると、約０. ５乃至３ミクロンの厚さの導電体層を、好適には、従来のアルミニウム付着によって該構成体上に形成する。次いで、該導電層の選択した部分を、従来のパターン形成技術を使用して異方性エッチングし、第一導体１８及び第二導体２０を形成し、それらの間にギャップ２２を画定する。異方性エッチングは、導体１８及び２０に対して実質的に直線的な垂直のエッジを発生させるので好適なものであり、そのことは本発明の可変コンデンサのコンデンサプレートの対面する表面を形成する上で有益的である。次に、第二絶縁層３０を該構成体の上に形成し、その結果図５に示した構成体が得られる。このことは、好適には、従来の窒化シリコン付着によって達成される。
【００１５】
次に、図６を参照すると、第二絶縁層３０の上に第三絶縁層４０を形成する。好適には、この第三絶縁層４０はリン酸ガラス（ＰＳＧ）であって、約２乃至１０ｋÅの厚さへ付着形成させる。ＰＳＧは比較的速いレートでエッチングするので、第三絶縁層４０に対する好適な物質として選択される。又、フッ化水素酸を使用するスタンダードのウェットエッチングは、窒化シリコンに著しい影響を与えることなしにＰＳＧを優先的にエッチングする。
【００１６】
次いで、第三絶縁層４０の一部を、従来のホトリソグラフィ技術を使用して、図７に示したように、その周辺部において選択的にエッチングし、ＰＳＧ層４０ａを不変のまま残存させる。
【００１７】
次に、図８を参照すると、好適には、約３乃至１０ｋÅの厚さへ窒化シリコンを付着形成させることによって、該構成体の上にメンブレン１４を形成する。窒化シリコンメンブレン１４はＰＳＧ層４０ａの表面にならい、図示した如くビーム３６を形成する。
【００１８】
図９を参照すると、従来のパターン形成技術を使用してメンブレン１４の一部を選択的にエッチング除去することによって、メンブレン１４内にポート３８を形成し、且つ、そうすることによって、ＰＳＧ層４０ａの下側に存在する部分を露出させる。その後に、ＰＳＧ層４０ａを、好適には、ポート３８を介して導入させたスタンダードの弗化水素酸ウエットエッチ溶解液を使用して横方向にエッチングし、図３に示したようなキャビティ即ち凹所３４を形成する。ＰＳＧ層のこの除去によって、メンブレン１４を可撓的なものとさせ、従ってビーム３６は第一及び第二導体１８及び２０の間のギャップ２２内において上下に移動可能である。
【００１９】
本発明に基づくプロセスの変形例においては、図７の構成体を形成するためのホトリソグラフィパターン形成及びエッチングステップを取除くことが可能である。メンブレン１４を形成するための窒化シリコンを図６の構成体上に付着形成することが可能であり、且つその後において同一の態様で処理を継続することが可能である。ＰＳＧ層４０がメンブレン１４の下側において横方向にエッチングされる場合に、そのエッチング期間を制御し、従ってＰＳＧをギャップ２２内において且つビーム３６の下側において完全にエッチングし、次いで停止させる。その結果得られる空間３４を洗い流した後に、結果的に得られる構造は図３Ａに示したようなものとなる。オリジナルのＰＳＧ層の一部４０ｂはメンブレン１４の周辺部３２′下側に残存する。エッチング期間は、残存するＰＳＧ層４０ｂの端部がどこに位置されるかを決定し、従ってメンブレン１４の可撓性に関して何等かの影響を有している。図７の手順を使用するか又は使用しないかの決定は装置の設計及び処理コストの考慮に依存する。
【００２０】
図１０及び１１を参照して、本発明の可変コンデンサに対する修正した構成１１２について説明する。修正した可変コンデンサ１１２は半導体装置１０の一部として集積化されており、前に使用したものと同様の構成要素には同様の参照番号を付してある。可変コンデンサ１１２は離隔されている導体プレート１１８及び１２０を有しており、それらの間にギャップ１２２が画定されている。前に説明した可変コンデンサ１２の場合と同一の態様で、可撓性メンブレン１１４はプレート１１８と１２０との間のギャップ１２２において上下に移動するビーム部分１３６を有している。可撓性メンブレン１１４と第二絶縁層１３０との間のキャビティ即ち空間１３４がＰＳＧ層（不図示）をエッチングすることによって前に説明したのと同様の態様で形成される。然しながら、この修正した実施例においては、ポート１３８がプレート１１８及び１２０上から除去されており且つ図１０に示したように周辺部に位置されている。ＰＳＧを横方向にエッチングし且つメンブレン１１４下側の空間１３４から洗い流した後に、付加的な誘電体層１０２を付着形成し且つパターン形成して可変コンデンサ１１２の周辺部分の上側に残存させ、従って図１１に示したようにエッチポート１３８を被覆する。誘電体層１０２は、例えば従来のガラスパッシベーション又はポリイミド物質等の任意の適宜の物質とすることが可能である。
【００２１】
エッチポート１３８が被覆されるので、汚染物がメンブレン１１４下側の空間１３４内に入り込むことはない。然しながら、このことは、又、その下側に存在するエアークッションに起因してメンブレン１１４をより可撓性の低いものとさせる。従って、この修正した可変コンデンサ１１２は前に説明した可変コンデンサ１２とは異なった電気的特性を呈する。可変コンデンサ１１２は物理的に接触される感圧装置として使用するのにより適したものである。このようなコンデンサ１１２からなるアレイは指紋検知器として有用な適用例を有している。指紋検知器として使用されるコンデンサアレイの一例は米国特許第５，３２５，４４２号において記載されている。同様に、本発明に基づいて構成されたアレイは、人間の指が接触した場合に指紋イメージを提供することが可能である。指紋の山及び谷の変化する圧力は、逐次的な行走査及び列検知を使用してアレイ位置における孤立されたコンデンサの値を読取ることによって検知することが可能である。各可変コンデンサ位置において読取イネーブルトランジスタを設けることが可能であり、且つ従来のメモリ製品において使用されるのと同様の態様で基板及び基板上方の導体によって行及び列アクセスを与えることが可能である。
【００２２】
本発明の好適な可変コンデンサ実施例１２及び１１２は、例えば、振動センサー、加速度計、圧力センサー、音響変換器を包含する種々の適用場面において使用することが可能である。本発明の可変コンデンサのこのような殆どの適用場面は、可変コンデンサによって発生される信号の増幅を必要とする。図１２を参照すると、本発明の可変コンデンサと同一の半導体基板上に形成されている集積回路の要素を有する簡単化した回路２００について説明する。回路２００は参照符号Ｃ_v によって示される可変コンデンサの容量値変動と共に変化する電圧信号を検知し且つ増幅することを可能とさせる。可変コンデンサＣ_v は正電圧供給源Ｖと接地接続との間において固定値コンデンサＣ_f と直列に接続している。検知ノード２０１が可変コンデンサＣ_v と固定コンデンサＣ_f との間の接続部において画定されている。検知ノード２０１上の信号は高利得増幅器２０３によって増幅され、動作期間中に可変コンデンサＣ_v の容量値における変動変化を反映する出力２０５を発生する。該出力２０５は特定の適用場面に依存した形態とされるその他の回路（不図示）へ付与される。
【００２３】
理解されるように、本発明の可変コンデサを従来の集積回路装置の一部として集積化することは従来の半導体処理技術を使用して容易に達成される。図１３を参照すると、集積回路装置３００の一部が示されており、その場合に、適宜のコンタクトが前に説明したものと同様の可変コンデンサの１実施例に対して形成されている。この例においては、基板３２４は軽度にドープしたＰ型であり且つコンデンサプレート３１８と接触するＮ＋ドープ領域３０４を有しており、コンデンサプレート３１８は絶縁層３２８における開口を介して延在する接続部分を有している。Ｎ＋領域３０４は装置３００における接地線接続を画定することが可能である。第二レベル金属層において好適に形成されている導体３０６は、絶縁層３３０における開口を介してコンデンサプレート３２０の上表面と接触するために使用されている。従来のパッシベーション層３０２が該装置を被覆している。図１３におけるコンデンサプレート３１８及び３２０は、図１の実施例の周辺部３２を超えて延在する図１の修正した導体１８及び２０の延長部とすることが可能である。当業者によって理解されるように、図１３に示した相互接続方法は、例えば装置３００のような集積回路装置における可変コンデンサプレートへのコンタクト即ち接触を形成するために使用することが可能な種々の異なる技術のうちの単に１つに過ぎないものである。
【００２４】
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ制限されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１実施例に基づく半導体装置における可変コンデンサを示した概略平面図であって、該構成体の下側に存在する特徴を示すために可変コンデンサの上表面部分において切欠部を有している概略平面図。
【図２】 可撓性メンブレンがその屈曲されていない位置において示されている図１における２−２断面に沿ってとった図１に示した可変コンデンサの概略断面図。
【図２Ａ】 可撓性メンブレンが完全に屈曲した位置にある状態を示した図２と同様の概略断面図。
【図３】 図１における３−３断面に沿ってとった図１に示した可変コンデンサの概略断面図。
【図３Ａ】 本発明に基づく処理変動から発生する僅かに変化した構成体を示している図３と同様の概略断面図。
【図４】 本発明の１実施例に基づいて装置を製造するプロセスにおける１つの段階における構成体を示した概略断面図。
【図５】 本発明の１実施例に基づいて装置を製造するプロセスにおける１つの段階における構成体を示した概略断面図。
【図６】 本発明の１実施例に基づいて装置を製造するプロセスにおける１つの段階における構成体を示した概略断面図。
【図７】 本発明の１実施例に基づいて装置を製造するプロセスにおける１つの段階における構成体を示した概略断面図。
【図８】 本発明の１実施例に基づいて装置を製造するプロセスにおける１つの段階における構成体を示した概略断面図。
【図９】 本発明の１実施例に基づいて装置を製造するプロセスにおける１つの段階における構成体を示した概略断面図。
【図１０】 本発明の別の実施例に基づく半導体装置における可変コンデンサを示した概略平面図であって、点線で表面下側の特徴を示した概略平面図。
【図１１】 図１０における１１−１１断面に沿ってとった図１０に示した可変コンデンサの一部の概略断面図。
【図１２】 本発明の可変コンデンサの容量における変動を検知するための回路を示した概略回路図。
【図１３】 本発明の可変コンデンサが装置のその他の回路要素と集積化されている半導体装置においてコンデンサプレート延長部への接続を示したコンデンサプレート延長部を介しての概略断面図。
【符号の説明】
１０ 半導体装置の一部
１２ 可変コンデンサ
１４ 可撓性メンブレン
１６ 切欠部
１８ 第一長尺導体
２０ 第二長尺導体
２２ ギャップ
２４ 半導体基板
２６ 上表面
２８ 第一絶縁層
３０ 第二絶縁層
３２ 周辺部分
３４ キャビティ

Claims (20)

1. 半導体装置の一部として形成されている可変コンデンサにおいて、
   （ａ）半導体基板、
   （ｂ）前記半導体基板によって支持されている絶縁層、
   （ｃ）前記可変コンデンサの第一プレートを画定する前記絶縁層上に配設されている第一導体、
   （ｄ）前記絶縁層上に配設されており前記可変コンデンサの第二プレートを画定する第二導体であって、前記第一導体との間にギャップを画定するために前記第一導体から離隔されている第二導体、
   （ｅ）前記半導体基板によってその周辺部が支持されている可撓性メンブレンであって、誘電体物質を有しており且つ前記可変コンデンサの容量を変化させるために前記第一及び第二導体の間のギャップ内へ延在し且つ前記半導体基板に垂直な方向に移動可能な部分を有する可撓性メンブレン、
   を有することを特徴とする可変コンデンサ。
2. 請求項１において、更に、前記半導体基板上に形成されている集積回路の要素に対して前記第一及び第二導体を接続させるためのコンタクトを有していることを特徴とする可変コンデンサ。
3. 請求項１において、前記第一及び第二導体が０．５乃至３μｍの厚さを有していることを特徴とする可変コンデンサ。
4. 請求項１において、前記可撓性メンブレンが窒化シリコンから構成されていることを特徴とする可変コンデンサ。
5. 請求項１において、前記可撓性メンブレンがポリイミドから構成されていることを特徴とする可変コンデンサ。
6. 半導体装置を形成するために積層構成体を構築することによって可変コンデンサを製造する方法において、
   （ａ）前記構成体に対するベースとして半導体基板を用意するステップと、
   （ｂ）前記半導体基板の上に第一絶縁層を形成するステップと、
   （ｃ）前記第一絶縁層上に導電層を付着形成するステップと、
   （ｄ）前記導電層をパターン形成して前記構成体上に第一導体及び第二導体を形成し、前記パターン形成は前記第一及び第二導体間にギャップを画定するステップと、
   （ｅ）前記構成体の上に第二絶縁層を形成するステップと、
   （ｆ）前記第二絶縁層の上に第三絶縁層を形成するステップと、
   （ｇ）前記第三絶縁層の上側に存在し前記構成体の上にメンブレンを形成し、前記メンブレンは部分的に前記ギャップ内へ延在するビーム部分を有するステップと、
   （ｈ）前記メンブレンの一部を選択的にエッチングして前記第三絶縁層の一部を露出させるポートを形成するステップと、
   （ｉ）前記ポートを介して酸を導入することによって前記メンブレンの一部の下側の前記第三絶縁層を横方向にエッチングし、前記エッチングが前記第一及び第二導体の間の前記ギャップ内の前記第三絶縁層を除去し、従って前記ギャップ内にキャビティが形成され、それにより前記メンブレンの前記ビーム部分が前記ギャップ内を前記半導体基板に垂直な方向に移動可能であるステップと、
   を有することを特徴とする方法。
7. 請求項６において、更に、
   前記（ｇ）における前記構成体上にメンブレンを形成するステップの前に前記第三絶縁層の一部を選択的にエッチング除去して前記第一及び第二導体を被覆する前記第三絶縁層の領域を残存させるステップ、
   を有することを特徴とする方法。
8. 請求項６において、更に、
   前記（ｂ）ステップの後にコンタクトを形成し、前記第一導体を前記半導体装置における集積回路の要素へ接続させるステップと、
   前記（ｅ）ステップの後にコンタクトを形成し、前記第二導体を前記半導体装置内の集積回路の要素へ接続させるステップと、
   を有することを特徴とする方法。
9. 請求項６において、更に、
   前記（ｉ）ステップの後に前記メンブレンの選択した部分の上に誘電体層を形成し、前記誘電体層が前記ポートを被覆するステップ、
   を有することを特徴とする方法。
10. 請求項６において、前記（ｄ）における前記導電層をパターン形成するステップが、前記導電層の選択した部分を異方性エッチングすることを特徴とする方法。
11. 可変コンデンサを有する半導体装置において、
    （ａ）半導体基板、
    （ｂ）前記半導体基板によって支持されており前記可変コンデンサの第一プレートを画定する第一導体、
    （ｃ）前記半導体基板によって支持されている絶縁膜上に配設されており前記可変コンデンサの第二プレートを画定する第二導体であって、前記第一導体から離隔されており前記第一導体との間にギャップを画定している第二導体、
    （ｄ）前記半導体基板によってその周辺部が支持されている可撓性メンブレンであって、前記可撓性メンブレンに付加される外部刺激に応答して前記ギャップ内へ及び前記ギャップ内において前記半導体基板に垂直な方向に移動可能な誘電体物質からなるビームを有しており、前記ビームの運動が前記可変コンデンサの容量変化を発生させる可撓性メンブレン、
    を有することを特徴とする半導体装置。
12. 請求項１１において、更に、
    （ａ）前記第一及び第二導体を前記半導体基板上に形成した集積回路の要素へ接続させるコンタクト、
    を有することを特徴とする半導体装置。
13. 請求項１１において、前記可撓性メンブレンが一つ又はそれ以上のポートを画定する部分を有していることを特徴とする半導体装置。
14. 請求項１３において、前記ポートが前記第一及び第二導体の上側に存在していることを特徴とする半導体装置。
15. 請求項１３において、前記ポートが前記第一及び第二導体の上方から除去され且つ前記可変コンデンサの周辺部に位置されていることを特徴とする半導体装置。
16. 請求項１５において、更に、前記可撓性メンブレンの選択した部分の上に形成されている誘電体層を有しており、前記誘電体層が前記可撓性メンブレンによって画定されているポートを被覆していることを特徴とする半導体装置。
17. 請求項１６において、前記誘電体層がガラスパッシベーション物質から構成されていることを特徴とする半導体装置。
18. 請求項１６において、前記誘電体層がポリイミドから構成されていることを特徴とする半導体装置。
19. 請求項１２において、前記第一及び第二導体が前記可撓性メンブレンの周辺部を超えて、前記半導体基板上の前記可変コンデンサと一体的に形成されている集積回路の要素とのコンタクト点へ延在していることを特徴とする半導体装置。
20. 請求項１１において、更に、
    （ａ）前記可変コンデンサと直列接続している固定コンデンサ、
    （ｂ）前記固定コンデンサと前記可変コンデンサとの間の接続部において画定されている検知ノード、
    （ｃ）前記検知ノードへ接続している高利得増幅器であって、動作期間中に前記可変コンデンサの容量変化を反映する出力を発生することが可能な増幅器、
    を有することを特徴とする半導体装置。

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