JP4804752B2 - 犠牲層をエッチングするための導電性エッチストップ - Google Patents

Description

本発明は、概してマイクロデバイスに関し、より具体的には、排他的ではないけれども微小機械システム構造体および製造方法に関する。

背景技術の説明
微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）は一般に、電気信号を用いて付勢され得る微小機械構造体を含む。ＭＥＭＳデバイスの例は、カリフォルニア州サニーベイルのSilicon Light Machines,Inc.から入手可能なGrating Light Valve^TM（ＧＬＶ）デバイスである。ＧＬＶタイプのデバイスは、以下の特許文献で説明されている。即ち、それらの特許文献は、Bloom他に対する米国特許第５，３１１，３６０号、Bloom他に対する米国特許第５，８４１，５７９号、及びBornstein他に対する米国特許第５，６６１，５９２号であり、参照により本明細書にそっくりそのまま組み込まれる。

概して言えば、ＧＬＶタイプのデバイスは光変調器である。それは、例えば、ビデオ、印刷、及び光スイッチングを含む種々の用途に使用され得る。ＧＬＶタイプのデバイスは、「リボン」と呼ばれる可動構造体のアレイを含む。リボンは一般に、弾性の浮かされた状態の構造体上に形成された金属層を含む。リボンの下側は、上部電極として機能する金属層と連係して動作する下側電極である。エアギャップが下側電極を金属層から分離する。リボンと下側電極との間に電圧差を印加することにより、リボンを下側電極の方へ引き寄せる静電界が生成される。このように、反射金属層に当たる光は、印加電圧を制御することによって、反射または回折により変調され得る。

印加電圧のような制御信号に対するＧＬＶタイプのデバイスの応答は、「駆動特性」とも呼ばれる。前述の説明から理解され得るように、デバイスの駆動特性が良好であればあるほど、より良好に光を変調することができる。従って、比較的安定した駆動特性を有するＧＬＶタイプのデバイスを得ることが望ましい。

概要
一実施形態において、マイクロデバイスは、金属電極の上に犠牲層を堆積し、犠牲層の上に可動構造体を形成し、次いで希ガスのフッ化物でもって犠牲層をエッチングすることにより形成される。金属電極は、犠牲層のエッチングにおいてエッチストップとしても働く金属材料からなるので、電荷は、認められるほどに金属電極に蓄積しない。これは、可動構造体の駆動特性の安定化に役立つ。一実施形態において、可動構造体は、光変調器のリボンである。

本発明のこれらの、及び他の特徴は、添付図面および特許請求の範囲を含む本明細書の全てを読むことにより、当業者には容易に明らかになるであろう。

異なる図面において同じ参照符号を使用することにより、同じ又は類似のコンポーネントを示す。図面は、別に言及されない限り、必ずしも一定の縮尺ではない。

詳細な説明
本発明の開示において、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、プロセスのパラメータ、材料、プロセス工程、及び構造の例のような多くの特定の細部が提供される。しかしながら、当業者には理解されるように、本発明は、１つ又は複数の特定の細部を有さずに実施され得る。また、よく知られた細部は、本発明の態様を不明瞭にしないように図示または説明されない。

更に、本発明の実施形態は、本明細書においてＧＬＶタイプのデバイスの事例において説明される。しかしながら、本発明がそのように限定されず、一般にＭＥＭＳデバイスにおいて、又は可動微小機械構造体を有する集積回路のような他のマイクロデバイスにおいても使用され得ることは理解されたい。更に、留意すべきは、本明細書において使用される場合には、用語「上に」及び「下に」は、互いに直接的に接触しているか、又は接触していない２つの材料の相対的な配置を意味しており、即ち、２つの材料は、別の材料またはエアーギャップによって離されている場合もある。

ここで、図１を参照すると、従来のＧＬＶタイプのデバイス１００に関する断面図の略図が示される。留意すべきは、図１及び本明細書における他の全ての図面は、一定の縮尺ではない。また、ＧＬＶタイプのデバイスは一般に、２つ以上のリボンを含むが、例示の明瞭化のために、１つだけのリボンが図面に示される。

デバイス１００は、弾性構造体１０３及び金属層１０２からなるリボン１１０を含む。金属層１０２は一般にアルミニウムの層であり、弾性構造体１０３は一般に窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の層である。エアーギャップ１０１により、リボン１１０が下側電極１０７から離される。リボン１１０が下側電極１０７の方へ撓まされ得るので、リボン１１０は、「可動構造体」とも呼ばれ得る。金属層１０２とは異なり、下側電極１０７は一般に、ポリシリコンのような非金属材料からなる。ポリシリコンは、電極として使用され得るように、ｎ型ドーパント（例えば、リン）で高濃度にドーピングされる。ポリシリコンは、標準的な集積回路製造工程と適合するので、伝統的に良好な電極材料とみなされてきた。更に、ポリシリコンは、以下に説明されるように、少なくとも５５０℃まで、即ちアモルファスシリコン層が下側電極１０７の上に堆積される温度まで安定している。

エアーギャップ１０１は一般に、エアーギャップ１０１によって使用される空間にアモルファスシリコンを堆積し、二フッ化キセノン（ＸｅＦ_２）でもってアモルファスシリコンを等方性エッチングすることにより形成される。アモルファスシリコンは、約５５０℃の低圧化学蒸着法の工程を用いて下側電極１０７の上に堆積される。アモルファスシリコンのエッチング中にポリシリコンの下側電極１０７を保護するために、薄い二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）層１０４が下側電極１０７の上に堆積される。即ち、二酸化ケイ素層１０４は、アモルファスシリコンのエッチングに対するエッチストップとしての役割を果たす。図１に示されるように、下側電極１０７は、絶縁層１０５（例えば、二酸化ケイ素）の上に形成され、その絶縁層１０５は基板１０６（例えば、シリコン基板）の上にある。

リボン１１０の移動は、リボン１１０と下側電極１０７との間に電圧差を印加することにより制御され得る。電圧差により、リボン１１０を下側電極１０７の方へ引き寄せる電界が生成される。金属層１０２が特定の波長または特定の範囲の波長の光に対して障害のない（スムーズな）金属材料から形成されるので、適切な波長の入射光は、リボン１１０が引き寄せられるか否かに応じて、回折されるか、又は金属層１０２から反射され得る。

デバイス１００は大抵の用途に適しているが、その駆動特性は、経時変化する可能性がある。即ち、異なる時期に同じ電圧差を印加した場合に、リボン１１０が同じように移動するという結果にならない可能性がある。本発明者は、下側電極１０７の上に非導電性のエッチストップ（即ち、二酸化ケイ素層１０４）を使用することがこの問題の一因となることを発見した。非導電性のエッチストップが誘電体であるので、ランダムなイオン電荷が、エッチストップに面する下側電極１０７の表面上に蓄積される可能性がある。電荷の蓄積により、リボン１１０を移動させるために生成された電界が阻止される可能性があり、それによりデバイス１００の駆動特性に悪影響が及ぼされる。本発明の実施形態では、下側電極は金属材料からなる。また、金属材料は、望ましくない電荷の蓄積を防止するための導電性エッチストップとしても働く。

図２ａ〜図２ｍは、本発明の実施形態に従って製造されるＧＬＶタイプのデバイスに関する側断面図を概略的に示す。図２ａ〜図２ｍは一律の縮尺に従わずに描かれている。

図２ａにおいて、絶縁層２０５が基板２０６の上に堆積される。基板２０６はシリコン基板とすることができ、絶縁層２０５は、熱酸化により１μｍの厚さまで成長された二酸化ケイ素の層とすることができる。絶縁層２０５は、後に堆積される金属層２０７’を基板２０６から絶縁する。

図２ｂにおいて、金属層２０７’が絶縁層２０５の上に堆積される。以下に説明されるように、金属層２０７’は、物理蒸着法により約１００ｎｍ（１０００オングストローム）（即ち、１０００×１０^−１０ｍ）の厚さまで堆積されたチタンの層とすることができる。

図２ｃにおいて、金属電極２０７（即ち、２０７Ａ、２０７Ｂ）が、金属層２０７’をパターン形成してエッチングすることにより形成される。好適には、金属電極２０７は、良好な導電率を有する金属材料からなる。例えば、金属電極２０７は、２５０μΩ−ｃｍより少ない導電率を有することができる。更に、金属電極２０７は好適には、それがさらされることになる処理温度の範囲にわたって安定している材料からなる。例えば、金属電極２０７は好適には、約９００℃までの温度において、溶融せず、昇華せず、酸化せず、剥離せず、又は隣接する材料と不都合に反応しない。金属電極２０７は犠牲層を取り除くための後続のエッチング工程においてエッチストップとしても働くので、金属電極２０７は好適には、犠牲層のエッチャントによって認められるほどにエッチングされない材料からなる。

従来の集積回路の工場における金属電極２０７の集積化を容易にすることに役立つために、金属電極２０７は好適には、ＣＭＯＳ（相補形金属酸化膜半導体）のような標準的な集積回路製造プロセスと互換性のある金属材料からなる。同様に、金属電極２０７は好適には、従来のパターン形成およびエッチング技術を用いて形成され得る。

金属電極２０７は、（ａ）基板の上に金属層を堆積し、（ｂ）金属電極を形成するために金属層をパターン形成してエッチングし、（ｃ）比較的高い温度で「原料物質」と呼ばれる別の材料と反応させることによって、金属電極の組成を変更することにより、形成され得る。

一実施形態において、金属電極２０７は窒化チタン（ＴｉＮ）からなる。窒化チタンからなる金属電極２０７は、物理蒸着法により約１００ｎｍ（１０００オングストローム）の厚さまでチタンを最初に堆積することにより、絶縁層２０５上に形成され得る。次いで、チタンは、金属電極を形成するために、パターン形成されてエッチングされ得る。次いで、金属電極の形成には、約１０５０℃で約３０秒間のアンモニアベースの急速熱処理（ＲＴＰ）が後続する。急速熱処理におけるアンモニアは、チタンの金属電極に窒素を提供する、原料物質として働く。即ち、アンモニアは、チタンと反応して窒化チタンを形成する。

最初にチタン層をパターン形成してエッチングし、次いでチタンを窒素源にさらすことにより窒化チタンの金属電極２０７を形成することは、幾つかの利点を有する。その１つは、結果としての窒化チタンが、二酸化ケイ素の絶縁層２０５と反応し、それらの接触面において酸化チタンを形成することである。これにより、金属電極２０７と絶縁層２０５との間に良好な付着力が生じる。更に、チタンをアンモニアと反応させる前に、チタンをパターン形成してエッチングすることにより、金属電極２０７の側壁の全てがアンモニアにさらされ、窒化チタンの含有量の多い側壁が作成される。

用途に応じて、窒化チタンの金属電極２０７は、窒素を含む処理チャンバ内でチタンを反応性スパッタリングすることによっても形成され得る。

窒化チタンは、図２ａ〜図２ｍの製造プロセスの例において、金属電極２０７として適するようにする幾つかの特性を有する。窒化チタンは、良好な導電率（約５０〜１００μΩ−ｃｍ）を有し、少なくとも約１２００℃までの温度で安定しており、少なくとも約９００℃までの温度でシリコン（一実施形態において犠牲層として使用される材料）と反応せず、標準的な集積回路製造プロセスと互換性があり、良好な付着力を有し、紫外線（ＵＶ）〜赤外線（ＩＲ）の波長の光に対して光学的にスムーズである。更に、窒化チタンは、一実施形態においてアモルファスシリコンの犠牲層を取り除くために使用される二フッ化キセノンのエッチャントのような希ガスのフッ化物エッチャントによって認められるほどにエッチングされない。従って、窒化チタンの金属電極２０７は、アモルファスシリコンのエッチングにおいて導電性エッチストップとしても働くことができる。本発明の開示に鑑みて、当業者ならば、特定の用途のために他の金属材料を使用することができる。例えば、タングステンシリサイド（ＷＳｉ_２）も、金属電極の材料として使用されてもよい。

図２ｄに続くと、保護層２０４が図２ｃのサンプルの上に堆積される。以下に説明されるように、幾つかの金属電極２０７は、リボンの下側にある下側金属電極として使用され、他の金属電極２０７は、リードアレイにリボンを電気的に結合するための金属パッド（図２ｍを参照）として使用され得る。図２ａ〜図２ｍの例において、下側電極として使用されるべき金属電極２０７は、「金属電極２０７Ａ」と呼ばれ、金属パッドとして使用されるべき金属電極２０７は、「金属電極２０７Ｂ」と呼ばれる。保護層２０４は、金属電極２０７Ａのエッチング中に金属電極２０７Ｂを保護する。一実施形態において、保護層２０４は、プラズマ化学蒸着法によって約２００ｎｍ（２０００オングストローム）の厚さまで堆積された二酸化ケイ素の層である。

図２ｅにおいて、保護層２０４は、金属電極２０７Ａを露出するためにパターン形成されてエッチングされる。一実施形態において、保護層２０４は、フッ化水素酸（ＨＦ）からなるエッチャントを用いてエッチングされる。

図２ｆにおいて、犠牲層２１１が図２ｅのサンプルの上に堆積される。一実施形態において、犠牲層２１１は、約５５０℃の低圧化学蒸着法により約１μｍ〜３μｍの厚さまで堆積されたアモルファスシリコンの層である。犠牲層２１１は、金属電極２０７Ａとリボン２００（図２ｍを参照）との間にエアーギャップ２０１を形成するために、後に除去される。

図２ｇにおいて、犠牲層２１１は、パターン形成されてエッチングされ、金属電極２０７Ａの上にない犠牲層２１１の部分を除去し、かつキャビティ２１２が掘られる。キャビティ２１２は、後にリボン２００を堅固に固定するためにリボン材料で充填される。

図２ｈにおいて、リボン材料２０２が図２ｇのサンプルの上に堆積される。リボン材料２０２は好適には、壊れることなく繰り返して撓まされ得る弾性材料である。一実施形態において、リボン材料２０２は、低圧化学蒸着法により約１００ｎｍ（１０００オングストローム）の厚さまで堆積された窒化ケイ素からなる。

図２ｉにおいて、バイア２１３がリボン材料２０２と保護層２０４を貫いて形成される。バイア２１３は金属電極２０７Ｂを露出する。バイア２１３は、制御信号のような外部信号をリボン２００の上部電極に結合するための金属でもって後に充填される。

図２ｊにおいて、金属層２２１が図２ｉのサンプルの上に堆積される。金属層２２１は、後に堆積される金属層２２２（図２ｌを参照）と比べて比較的厚い。これにより、金属層２２１の堆積がバイア２１３を満たすための適切な工程範囲を有することが可能になる。一実施形態において、金属層２２１は、物理蒸着法によって約０．５μｍの厚さまで堆積されたアルミニウムからなる。

図２ｋにおいて、金属層２２１は、パターン形成されてエッチングされ、金属電極２０７Ａの上にある金属層２２１の部分が除去される。

図２ｌにおいて、金属層２２２が図２ｋのサンプルの上に堆積される。金属層２２２の一部がリボンの一部分になり、かつ光を変調するために撓まされることになるので、金属層２２２は金属層２２１に比べて比較的薄い。一実施形態において、金属層２２２は、物理蒸着法により７５ｎｍ（７５０オングストローム）の厚さまで堆積されたアルミニウムからなる。

図２ｍにおいて、金属電極２０７Ａとリボン材料２０２との間の犠牲層２１１の部分が、金属電極２０７Ａをエッチストップとして使用することにより除去される。このエッチング工程は、エアーギャップ２０１の形成という結果になる。一実施形態において、アモルファスシリコンの犠牲層２１１は、希ガスのフッ化物を含む環境内に図２ｌのサンプルを配置することにより除去される。好適には、希ガスのフッ化物は、二フッ化キセノンを含む。使用され得る他の希ガスのフッ化物は、クリプトン及びアルゴンのフッ化物を含む。留意されるべきは、二フッ化キセノンは、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）においてエッチャントとして使用されていた点である。例えば、Pisterに発行された米国特許第５，７２６，４８０号は、ＭＥＭＳデバイスの製造において二フッ化キセノンを使用することを開示する。また、Mike Brunerにより２００１年９月１３に出願され、「MICROELECTRONIC MECHANICAL SYSTEM AND METHODS」と題する米国特許出願第０９／９５２，６２６号（代理人整理番号ＳＬＭ−０８３００）も、エッチャントとして二フッ化キセノンを使用することを開示する。Pister及びBrunerによる前述の特許文献は、参照によりそっくりそのまま本明細書に組み込まれる。

図２ｍに示されるように、金属電極２０７Ａは、リボン材料２０２及び金属層２２２からなるリボン２００の下に形成される。リボン２００は、図２ｍにおいて波線の円によって示される。リボン２００は「可動構造体」の一例であり、それは、金属電極２０７Ａとリボン２００との間に電圧差を印加する場合に、リボン２００が金属電極２０７Ａの方へ撓まされ得るからである。電圧差を制御することにより、金属層２２２に入射する光の変調が可能になる。

図２ｍにおいて、金属層２２２は上部電極として働き、金属電極２０７Ａは下側電極として働く。リボン２００と金属電極２０７Ａとの間に電圧差を印加するために、電圧が金属層２２２に印加されると同時に、基板２０６は接地電位に保持される。電圧は、図２ｍに示されるように、金属電極２０７Ｂに結合されたリード（例えば、図示されない相互接続線またはワイヤ）に電圧を印加することにより、金属層２２２に印加されることができ、金属電極２０７Ｂは金属層２２１に結合され、金属層２２１は金属層２２２に結合されている。金属電極２０７Ｂは、電圧のような外部制御信号が金属層２２２に印加されることを可能にするリードアレイに結合された金属パッドとすることができる。留意すべきは、従来のリボンとは異なり、リボン２００は、電荷が下側電極に蓄積されることを防ぐのに役立つ、誘電体コーティングを有さない金属製下側電極を採用する点である。数ある利点の中で、これは、より安定した駆動特性を可能にする。

図３は、本発明の実施形態に従って、マイクロデバイスを形成する方法の流れ図を示す。ステップ３０２において、下側金属電極（例えば、金属電極２０７Ａ）が基板の上に形成される。

ステップ３０４において、犠牲層（例えば、犠牲層２１１）が下側金属電極の上に堆積される。

ステップ３０６において、可動構造体（例えば、リボン２００）が犠牲層の上に形成される。可動構造体は、弾性構造体（例えば、リボン材料２０２）、及び弾性構造体の上にある上部金属電極（例えば、金属層２２２）を含むことができる。

ステップ３０８において、可動構造体と下側金属電極との間の犠牲層が、希ガスのフッ化物エッチャントを用いて除去される。これによりエアーギャップが結果としてもたらされ、このエアーギャップにより、可動構造体が、電圧のような制御信号の印加と同時に下側金属電極の方へ撓むことが可能になる。

本発明の特定の実施形態が提供されたが、これらの実施形態は例示のためであり、制限のためではないことは理解されたい。本明細書を読むことにより、当業者には多くの更なる実施形態が明らかになるであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。

従来のＧＬＶタイプのデバイスに関する断面図を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に従って製造されるＧＬＶタイプのデバイスの側断面図を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に従って製造されるＧＬＶタイプのデバイスの側断面図を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に従って製造されるＧＬＶタイプのデバイスの側断面図を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に従って製造されるＧＬＶタイプのデバイスの側断面図を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に従って製造されるＧＬＶタイプのデバイスの側断面図を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に従って製造されるＧＬＶタイプのデバイスの側断面図を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に従って製造されるＧＬＶタイプのデバイスの側断面図を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に従って製造されるＧＬＶタイプのデバイスの側断面図を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に従って製造されるＧＬＶタイプのデバイスの側断面図を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に従って製造されるＧＬＶタイプのデバイスの側断面図を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に従って製造されるＧＬＶタイプのデバイスの側断面図を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に従って製造されるＧＬＶタイプのデバイスの側断面図を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に従って製造されるＧＬＶタイプのデバイスの側断面図を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に従ってマイクロデバイスを形成する方法の流れ図である。

Claims (17)

1. マイクロデバイスを形成する方法であって、その方法が、
   基板の上に絶縁層を堆積し、
   前記絶縁層の上に第１の金属電極を形成し、
   前記第１の金属電極の上に犠牲層を堆積し、
   前記犠牲層の上に可動構造体を形成し、前記可動構造体の下にある前記絶縁層が、前記第１の金属電極で前記犠牲層から隔てられており、及び
   前記第１の金属電極と前記可動構造体との間にエアーギャップを形成するように、前記絶縁層を保護するエッチストップとして前記第１の金属電極を使用して、前記可動構造体と前記第１の金属電極との間の前記犠牲層を希ガスのフッ化物でエッチングすることを含む、方法。
2. 前記第１の金属電極が窒化チタンからなる、請求項１の方法。
3. 前記犠牲層が５００℃より高い温度で堆積される、請求項１の方法。
4. 前記犠牲層がアモルファスシリコンからなる、請求項１の方法。
5. 希ガスのフッ化物が二フッ化キセノンからなる、請求項１の方法。
6. 前記犠牲層の上に可動構造体を形成することが、
   前記犠牲層の上にリボン材料を堆積し、及び
   前記リボン材料の上に金属を堆積することを含む、請求項１の方法。
7. 前記リボン材料が窒化ケイ素からなる、請求項６の方法。
8. 前記金属がアルミニウムからなる、請求項６の方法。
9. 前記第１の金属電極が、少なくとも９００℃まで安定している材料からなる、請求項１の方法。
10. 基板の上にチタンを堆積し、アンモニアを含む環境に前記チタンをさらすことにより、前記第１の金属電極を形成することを更に含む、請求項１の方法。
11. 前記絶縁層が二酸化ケイ素からなる、請求項１の方法。
12. 前記第１の金属電極が前記二酸化ケイ素の絶縁層と反応して、それらの間の付着力を増加させる、請求項１１の方法。
13. マイクロデバイスを形成する方法であって、その方法が、
    基板の上に絶縁層を堆積するステップと、
    前記絶縁層の上に第１の金属電極を形成するステップと、
    前記第１の金属電極の上に犠牲層を堆積するステップであって、前記絶縁層が、前記第１の金属電極で前記犠牲層から隔てられている、堆積するステップと、
    前記第１の金属電極と可動構造体との間にエアーギャップを形成するように、前記絶縁層を保護するエッチストップとして前記第１の金属電極を使用して、希ガスのフッ化物で前記犠牲層をエッチングするステップとを含む、方法。
14. 前記犠牲層を堆積するステップが、前記第１の金属電極の上にアモルファスシリコン層を堆積することを含む、請求項１３の方法。
15. 前記可動構造体が、
    前記犠牲層の上の弾性構造体と、
    前記弾性構造体の上にある第２の金属電極とを含む、請求項１２の方法。
16. 前記絶縁層が二酸化ケイ素からなる、請求項１３の方法。
17. 前記第１の金属電極が前記二酸化ケイ素の絶縁層と反応して、それらの間の付着力を増加させる、請求項１６の方法。

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