JP4726927B2 - 集積化マイクロエレクトロメカニカルシステムおよびその製造方法 - Google Patents
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特許文献1は、回路の上層部にある配線層2層を活用して圧力センサを形成するものである。特許文献2は、回路の上層部にある配線層3層を活用して、2層目の配線層を可動部とする加速度センサ、角速度センサ、スイッチを最上層の配線層で封止する技術である。
まず考えられるのは、犠牲層1を除去し、その後に犠牲層2とM3層を積層する手順をとることである。しかし、M2層は可動部であるのでこのような手順を採用することは困難である。なぜならば、M2層には梁のような形状、すなわち周辺に空間を必要とする形状が多数存在するため、その上から犠牲層2、M3層を積層しても、梁周辺部の空間を埋め戻すことはできず、結果としてM3層を設計通りの形状に形成することが極めて困難だからである。
しかしながら上記の1回のエッチングプロセスによって犠牲層1と犠牲層2を同時に除去する方法では、エッチャントに接触する時間は、犠牲層2の方が長く、犠牲層1の方が短くなってしまう。なぜなら、エッチャントがまずM3層のエッチホールを通して犠牲層2を取り除かない限り、M2層のエッチホールまたは空隙にエッチャントが到達できないからである。
エッチング時間は、可動部(M2層)を完全にリリースするために、犠牲層1を多少オーバ気味にエッチングするのが好ましく、またエッチングレートの面内分布で一番遅い部分に合わせて決定することから長目になりがちであり、その結果、本来固定されるべき支持部や、隣接するMEMS構造体との境界領域、集積回路領域などへエッチングが進行し、支持部の剥がれや構造体の破損とそれによるMEMS部分の歩留、さらには回路部分の損傷を招きやすい。
例えば、M2層で20μm角程度のMEMS構造体可動部を形成しようとした時、M2層可動部にエッチングホールを設けないような最もエッチング時間が掛かる場合には、20μm角のMEMS構造体下部の犠牲層1を除去している間に、上部犠牲層2の両端は約14μmのサイドエッチが進行し、M2層可動部のリリース完了時には、犠牲層2の空洞領域は50μm角近くにもなる。隣接部との領域マージンを取らなかったとしても、20μm角のMEMS構造体可動部の為に、50μm角の領域が必要となり、この時、MEMS構造体全体の面積は、可動部の6倍以上にもなる。実際には、M2層可動部にエッチングホールを設ける事により、そこまでは増大しないものの、従来の方法では、犠牲層1と犠牲層2のエッチング時間差が原因の、犠牲層2部分の空洞面積増大による、MEMS部分全体面積のサイズ拡大の防止は困難であった。
本発明の目的は、LSIの配線層3層を使って、2層目の配線層を可動部とする半導体回路集積MEMSの形成において、前記課題を克服し、MEMS構造体の未構築および破損を防止しつつ、容易に小型化可能な、半導体回路集積MEMS構造および製造プロセスを提供する事である。
また、本発明では、LSIの配線層3層および配線2層を使った、異なる構造のMEMS構造体を同時に作製して形成する半導体回路集積MEMSにおいて、配線2層を使ったMEMS部分のエッチングホールを、充分に内側に配置することを特徴とするMEMS構造を提供する。
また、実施例を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
<実施例1>
本発明による、微小機械類と半導体集積回路装置とを半導体基板上に形成した集積化マイクロエレクトロメカニカルシステムの、実施例1による例を以下図1から図6A−Dに示す。
まず、本実施例1によるMEMS1軸慣性センサの製造プロセスを、図1〜図5に示した断面図により説明する。ここで説明する、本実施例1によるMEMS1軸慣性センサは、慣性センサエレメントを2個並べたアレイ形状である。
次に、下側犠牲層(犠牲層1)110を層間絶縁膜にて形成した後、MEMS慣性センサの錘121・配線兼用の梁122とその周辺の空隙123を含む中間可動層(M2)120を作製した。この時、中間可動層の必要な部分にはエッチングホール124を設け、また、下部配線層との電気的接続も形成した。さらに、中間可動層120を覆うように、上側犠牲層(犠牲層2)130を、層間絶縁膜をもちいて形成し、CMP法等を用いて上部の平坦化を行った(図2)。
次に、エッチングホール141,124および空隙123を介してエッチャントを導入し、中間可動層120の可動錘121および弾性梁122の周囲の上側犠牲層130および下側犠牲層110の一部をエッチング除去して、空洞部131および111を形成した(図4)。このとき、下部電極100により、下方へのエッチングは進行せず止められる。
その後、空洞部形成用の上部電極のエッチングホール141を絶縁膜142で塞いで空洞部131および111を封止し、続いて上部電極(M3)140の必要部分を、絶縁膜142と同時にパターニングして、MEMS1軸慣性センサ部分3を完成させた。最後に外部との電気的部分4を形成し、最終的に図5に示した断面形状を得た。
図5において、中間可動層120の錘121は弾性梁122に支えられて、断面図の上下方向に可動し、その際の上部電極140または下部電極100と、中間可動層120の静電容量値の変化を測定する事により、慣性センサとして用いる事ができる。
図6A−Dに、図5に示した集積化マイクロエレクトロメカニカルシステムのMEMS1軸慣性センサの、構成する各層におけるパターンの平面配置を示す模式図を示す。図6Aは下部電極層(M1)、図6Bは中間可動層(M2)、図6Cは上部電極層(M3)、図6Dは犠牲層1または犠牲層2の平面形状模式図である。
さらに、上部電極層140では、本発明に従い、中間可動層120の錘121上部には、密集して多数のエッチングホール141を設けた一方で、中間可動層120の梁122の上部は、エッチングホール141を疎に配置した。本実施例1における1例で、慣性センサ1エレメントを90μmで作製した場合は、密集部分のエッチホール数は9個/10μm角とし、一方で、疎部分では、16個/30μm角相当に配置した。
この時、中間可動層120の錘121上部に配置した、上部電極層140のエッチングホール141は、可能な限りその中心位置を、錘121に設けたエッチングホール124の中心位置と一致させた。それにより、上部電極層140のエッチングホール141から、錘121のエッチングホール124およびその直下の犠牲層1(110)最下部までの距離が最短となり、錘121直下の犠牲層1のエッチングを最も早く進行させる事が可能である。
本実施例1では、図5に示すように、MEMS部分3下部に集積回路部分2を配置したが、集積回路部分もMEMS部分作製プロセスの影響により性能低下等発生する事なく、良好に動作する事を確認した。
また、本実施例1では、MEMS構造体部分3層、空洞部分2層の5層構造の場合で説明したが、MEMS構造体部分および空洞部分数が増加した場合でも、適用により同様の効果が得られる。これは、本実施例1にかぎらず、他の実施例の場合でも同様である。
<実施例2>
本実施例2では、前記実施例1にて説明した慣性センサと同時に、種類・構造の異なるMEMSセンサ、本例ではダイアフラム型センサを同時に作製した例について、説明する。
ダイアフラム型センサ部分5は、下層側から下部電極220、直上空洞部231を含む犠牲層230、その上に絶縁膜で蓋をした、可動する上部電極240により構成される。上部電極層240は、図8断面図の上側からの力・圧力・振動などにより可動し、その際の上下電極の静電容量値の変化を測定する事により、ダイアフラム型センサとして用いる事ができる。
その後、慣性センサの犠牲層除去・空洞形成時に、同時にダイアフラム型センサの犠牲層230を一部除去し、空洞部231を形成する。その際、ダイアフラム型センサの空洞形成部分231は、慣性センサの上側犠牲層130の空洞部分131と同様に、慣性センサの下側犠牲層110の下側空洞が完全に形成されるまで、長時間エッチャントに曝される。その後、層間絶縁膜142にて、慣性センサ部分の封止と同時にエッチングホール241を封止する。
2…MEMSセンサ信号処理用の集積回路、
3…1軸慣性センサ、
4…外部接続部、
5…ダイアフラム型センサ、
10…信号処理用トランジスタ、
11…コンタクトホール、
12…第1層配線、
13…第4層配線、
14…層間絶縁膜、
15…ビアホール、
100…下部電極(M1層)、
110…下側犠牲層(犠牲層1)、
111…下側空洞部分、
120…中間可動層(M2層)、
121…錘、
122…梁、
123…空隙、
124…エッチングホール、
130…上側犠牲層(犠牲層2)、
131…上側空洞部分、
140…上部電極層(M3層)、
141…エッチングホール、
142…封止絶縁膜、
150…中間可動層(M2層)、
151…錘、
152…梁、
153…空隙、
154…エッチングホール、
155…可動容量電極、
156…検出電極、
220…下部電極(M2層)、
230…犠牲層、
231…空洞部、
240…上部電極(M3層)、
241…エッチングホール、
302…CV変換回路、
303…オペアンプ、
304…AD変換回路、
305…不揮発性メモリ、
306…マイクロプロセッサ、
307…出力用インターフェース回路。
Claims (4)
- 微小機械類と半導体集積回路装置とが半導体基板上に搭載された集積化マイクロエレクトロメカニカルシステムであって、
前記微小機械類が第1の構造体層と前記第1の構造体層の上方に設けられた第2の構造体層と、前記第1の構造体層と前記第2の構造体層との間に設けられた少なくとも一つの第3の構造体層とを有し、
前記第2の構造体層の前記微小機械類が設けられる第1の領域には、前記第2の構造体層を貫通して第1の細孔が設けられ、
前記第3の構造体層の前記微小機械類が設けられる第1の領域には、前記第3の構造体層を貫通して設けられた第2の細孔を含む錘、および、第1の空隙パターンを含んでなる構造体が設けられ、
前記錘の外周線を上方に延伸して前記第2の構造体層と交わる領域に位置する前記第1の細孔の面積当たりの細孔数が、前記第2の構造体層全体に設けられた細孔の面積当たりの細孔数の平均値よりも大きいことを特徴とする集積化マイクロエレクトロメカニカルシステム。 - 微小機械類と半導体集積回路装置とが半導体基板上に搭載された集積化マイクロエレクトロメカニカルシステムであって、
前記微小機械類が第1の構造体層と前記第1の構造体層の上方に設けられた第2の構造体層と、前記第1の構造体層と前記第2の構造体層との間に設けられた第3の構造体層とを有し、
前記第2の構造体層の前記微小機械類が設けられる第1の領域に、前記第2の構造体層を貫通して第1の細孔が設けられ、
前記第2の構造体層の第1の細孔が設けられた領域の下側に接して空洞が設けられ、
前記第2の構造体層の最外周に配設された第1の細孔の位置から前記半導体基板に対して垂直方向に立てた仮想線と、前記空洞の上端部までの距離が、前記第1の構造体層と前記第3の構造体層との層間距離に前記第3の構造体層の厚さを加え、さらに前記第2の構造体層と前記第3の構造体層との層間距離を加えた距離の和よりも大きいことを特徴とする集積化マイクロエレクトロメカニカルシステム。 - 前記微小機械類が、金属膜、または金属シリコン膜のいずれかを含むことを特徴とする請求項2に記載の集積化マイクロエレクトロメカニカルシステム。
- 微小機械類と半導体集積回路装置とが半導体基板上に搭載された集積化マイクロエレクトロメカニカルシステムの製造方法であって、
前記半導体基板上に半導体集積回路装置を形成する工程と、
前記半導体基板上に第1の構造体層を形成する工程と、
前記第1の構造体層上に第1の絶縁膜を形成し、さらに前記第1の絶縁膜上に第2の構造体層を形成する工程と、
前記第2の構造体層の前記微小機械類が設けられる第1の領域に、第1のエッチングホールを含む錘、および、第1の空隙パターンを形成する工程と、
前記第2の構造体層上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜上に第3の構造体層を形成する工程と、
前記第3の構造体層の前記微小機械類が設けられる第2の領域に第2のエッチングホールを形成する工程と、
前記第2のエッチングホールを通過したエッチャントにより前記第2の絶縁膜をエッチングし、前記第2の領域の下方に第1の空洞を形成する工程と、
前記第1のエッチングホールおよび前記第1の空隙パターンに堆積した前記第2の絶縁膜をエッチングし、その後に前記第1のエッチングホールおよび前記第1の空隙パターンを通過したエッチャントにより前記第1の絶縁膜をエッチングし、前記第1の領域の下方に第2の空洞を形成する工程と、を有し、
前記錘の外周線を上方に延伸して前記第3の構造体層と交わる領域に位置する前記第1の細孔の面積当たりの細孔数が、前記第3の構造体層全体に設けられた細孔の面積当りの細孔数の平均値よりも大きいことを特徴とする集積化マイクロエレクトロメカニカルシステムの製造方法。
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