JP5305735B2

JP5305735B2 - 微小電気機械システム装置およびその製造方法

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Publication number: JP5305735B2
Application number: JP2008136618A
Authority: JP
Inventors: 宏明山崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2028-05-26
Also published as: US20090289313A1; US8581355B2; JP2009279733A

Description

本発明は、微小電気機械式システム（Micro Electro Mechanical System；以下、ＭＥＭＳと示す。）装置およびその製造方法に関する。

シリコン等の半導体基板上に形成された高周波ＭＥＭＳ素子は、従来からの半導体製造プロセスやその他の超微細加工プロセスを利用して容易に形成することができるという利点がある一方で、信号線にシリコン基板を介して寄生容量が接続されるため、高周波特性が劣化するという欠点があった。

このような信号線の金属とシリコン基板との間に生じる寄生容量を低減するために、信号線の下層に１０μｍ以上の厚さの絶縁膜を形成することが求められている。

しかし従来から、信号線の下層の絶縁膜としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によるシリコン酸化膜（以下、ＣＶＤ膜と示す。）が形成されており、このようなＣＶＤ膜では１０μｍ以上の厚膜を形成することが困難であった。そのため、半導体基板上にポリイミド等の樹脂からなる塗布層を形成し、その上にＣＶＤ膜を形成した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、半導体基板の全面にポリイミド等の樹脂塗布層を形成し、その上にＣＶＤ膜を成膜した構造では、その後の加熱工程等において、樹脂塗布層との熱膨張係数の違いによりＣＶＤ膜に大きな応力が作用するため、ＣＶＤ膜にクラックが発生するおそれがあった。
特開２００６−２２９２８２号公報

本発明は、半導体基板を介してＭＥＭＳ素子に印加される寄生容量が低減されており、信頼性に優れたＭＥＭＳ装置と、その製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るＭＥＭＳ装置は、基板と、前記基板上に島状に形成された、絶縁樹脂からなる第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層の上面および側面上に形成された、前記第１の絶縁層より膜厚が薄い第２の絶縁膜と、前記第１の絶縁層が形成された島状の領域において、前記第２の絶縁膜上に形成された配線層と、前記配線層の上に形成された微小電気機械システム素子とを具備することを特徴としている。

また、本発明の一態様に係るＭＥＭＳ装置の製造方法は、基板上に絶縁樹脂を含む塗布液を塗布し、フォトリソグラフィによりパターニングして、島状の第１の絶縁層を形成する工程と、前記第１の絶縁層の上面および側面上に前記第１の絶縁層より薄い第２の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁層が形成された島状の領域において、前記第２の絶縁膜上に配線層のパターンを形成する工程と、前記配線層の上に微小電気機械システム素子を形成する工程とを具備することを特徴としている。

本発明によれば、半導体基板を介してＭＥＭＳ素子に加えられる寄生容量が低減され、信頼性に優れたＭＥＭＳ装置と、その製造方法を得ることができる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の記載では本発明の実施形態を図面に基づいて述べるが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を示す平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。なお、図１（ａ）の平面図においては、無機絶縁膜および絶縁保護膜を除いた状態を示している。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、第１の実施形態のＭＥＭＳ装置は、シリコン基板等の半導体基板１と、この半導体基板１上に島状に形成された絶縁塗布層２と、この島状の絶縁塗布層２を覆うように半導体基板２の全面に形成された無機絶縁膜３と、絶縁塗布層２が形成された島状の領域において、無機絶縁膜３上に形成された配線層４のパターンと、配線層４のパターンの上に形成されたＭＥＭＳ素子５とを備えている。配線層４のパターンは、１対の接地線４ａ，４ｂのパターンと、それらの間に形成された信号線４ｃのパターンとから構成される。また、これらの配線層４および無機絶縁膜３の上等には絶縁保護膜６が形成されている。

島状に形成された絶縁塗布層２は、感光性ポリイミドのような絶縁樹脂から成る層や、ＳＯＧ（spin on glass）膜であることが好ましく、液状の有機または無機絶縁材料をスピンコート等により塗布し、パターニングすることにより形成される。この絶縁塗布層２の厚さは１０μｍ以上とすることが望ましい。絶縁塗布層２は、数１００μｍ〜数ｍｍ角の島状にパターニングされており、その島状の領域ごとに１個のＭＥＭＳ素子５が形成されて搭載されている。

無機絶縁膜３は、ＴＥＯＳ膜、すなわちＴＥＯＳ（tetraethoxysilane）を原料ガスとしてＣＶＤ法により形成したシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）であるか、あるいはプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成されたシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）であることが好ましい。無機絶縁膜３の厚さは島状の絶縁塗布層２よりはるかに薄く、１μｍ程度とすることができる。

接地線４ａ，４ｂおよび信号線４ｃは、例えば、Ａｕ、Ｃｒ、Ｒｔ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ等の金属、またはこれらの合金により構成される。これらの金属または合金の薄膜を多層積層した多層膜とすることもできる。また、接地線４ａ，４ｂおよび信号線４ｃは、それぞれ外部との接続用パッド７ａ，７ｂ，７ｃを有する。

ＭＥＭＳ素子５は、各接地線４ａ，４ｂの上に突出して形成された支持部５ａ，５ｂと、それら支持部５ａ，５ｂの間に載架された可動部５ｃを有する。支持部５ａ，５ｂは対応する接地線４ａ，４ｂに電気的に接続されている。これらの支持部５ａ，５ｂおよび可動部５ｃは、ＡｌやＮｉ等の金属から構成されている。

上述した第１の実施形態のＭＥＭＳ装置は、例えば以下のようにして製造される。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、第１の実施形態のＭＥＭＳ装置の製造方法を模式的な断面で示す工程図である。

まず図２（ａ）に示すように、シリコン基板等の半導体基板１上に、感光性ポリイミド等の絶縁塗布液をスピンコート法等により塗布し、フォトリソグラフィによりパターニングする。パターニングにおいては、孤立した島状の領域を残して周りの絶縁塗布層を下層の半導体基板１が露出するまで除去する。こうして、１０μｍ以上の厚さを有する孤立した島状の絶縁塗布層２が形成される。

次いで、図２（ｂ）に示すように、島状に形成された絶縁塗布層２を覆うように、半導体基板１の全面に、例えばＴＥＯＳを原料ガスとしてＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）のような無機絶縁膜３を成膜する。

次いで、図２（ｃ）に示すように、絶縁塗布層２が形成された島状の領域において、無機絶縁膜３上にスパッタリング法、金属蒸着法等により金属薄膜を形成した後、フォトリソグラフィおよびエッチングによりパターニングを行い、信号線４ｃのパターンおよび接地線４ａ，４ｂのパターンを形成する。その後、信号線４ｃのパターンおよび接地線４ａ，４ｂを覆うように、無機絶縁膜３上にＣＶＤ法等により絶縁保護膜６を形成した後、フォトリソグラフィとエッチングにより接地線４ａ，４ｂ上の絶縁保護膜６に接続用開口６ａを形成する。そして、その上にＭＥＭＳ素子５を形成する。

ＭＥＭＳ素子５を形成するには、信号線４ｃおよび接地線４ａ，４ｂの形成領域の絶縁保護膜６上に、例えば絶縁塗布膜２と同様の材料を用いて犠牲層（図示を省略。）を形成した後、その上にＭＥＭＳ構造体の支持部５ａ，５ｂおよび可動部５ｃを常法により形成する。支持部５ａ，５ｂは、絶縁保護膜６の接続用開口６ａを介して接地線４ａ，４ｂに接続されるように形成する。また、支持部５ａ，５ｂの間に架設されるように可動部５ｃを形成する。次いで、犠牲層をプラズマエッチング等により除去し、図２（ｄ）に示すように、可動部５ｃを自立させる。

このように製造される第１の実施形態のＭＥＭＳ装置においては、半導体基板１上に形成された絶縁塗布層２が、ＭＥＭＳ素子５の１個ごとに島状にパターニングされ、その島状の絶縁塗布層２の上に無機絶縁膜３が被覆・形成されているので、半導体基板１の全面に絶縁塗布層２が形成された構造のものに比べて、絶縁塗布層２の体積が減少しており、絶縁塗布層２の熱膨張に起因して無機絶縁膜３に生じる応力が低減される。したがって、加熱工程において無機絶縁膜３のクラックの発生が抑制される。

また、図３の等価回路図に示すように、ＭＥＭＳ素子５に高周波の電気信号を供給する信号線４ｃと半導体基板１との間に、厚膜の絶縁塗布層２とその上に積層・形成された薄膜の無機絶縁膜３の各容量が直列に接続されるため、寄生容量が低減される。そして、絶縁塗布層２が１０μｍ以上の層厚で形成されているので、大きな寄生容量低減効果が得られる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を模式的に示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。なお、図４（ａ）の平面図においては、無機絶縁膜および絶縁保護膜を除いた状態を示している。

第２の実施形態のＭＥＭＳ装置においては、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、シリコン基板等の半導体基板１上に形成された島状の絶縁塗布層２が、配線層４（特に信号線４ｃ）の下の領域に空洞部８を有する構造となっている。なお、その他の部分は第１の実施形態と同様に構成されているので、説明を省略する。

空洞部８の形成による物理的強度の低下をできるだけ抑えるために、空洞部８は信号線４ｃの下の領域にだけ形成してもよい。少なくとも空洞部８を囲むように枠状に絶縁塗布層２が残るように、空洞部８を設けることが望ましい。補強部としての機能を有する絶縁塗布層２の残留部は、ＭＥＭＳ素子５の長手方向の両端部に設けることができる。また、特にボンディングの際に圧力がかかるため、接地線４ａ，４ｂおよび信号線４ｃの接続用パッド７ａ，７ｂ，７ｃの下の領域には、空洞部８を設けないことが好ましい。すなわち、絶縁塗布層２の空洞部８は、接地線４ａ，４ｂおよび信号線４ｃの下の領域で接続用パッド７ａ，７ｂ，７ｃの下を避けて形成することが好ましい。

このような構造を有する第２の実施形態のＭＥＭＳ装置は、以下のようにして製造される。図５（ａ）〜図５（ｆ）は、第２の実施形態のＭＥＭＳ装置の製造方法を模式的な断面で示す工程図である。

まず、図５（ａ）に示すように、シリコン基板等の半導体基板１上に、感光性ポリイミド等の絶縁塗布液をスピンコート法等により塗布し、フォトリソグラフィによりパターニングして、１０μｍ以上の厚さを有する島状の絶縁塗布層２を形成する。

次いで、図５（ｂ）に示すように、島状に形成された絶縁塗布層２を覆うように、半導体基板１の全面に、例えばＴＥＯＳを原料ガスとしてＣＶＤ法等によりシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）のような無機絶縁膜３を成膜する。

次いで、図５（ｃ）に示すように、絶縁塗布層２が形成された島状の領域において、無機絶縁膜３上にスパッタリング法、金属蒸着法等により金属薄膜を形成した後、フォトリソグラフィおよびエッチングによりパターニングを行い、信号線４ｃのパターンおよび接地線４ａ，４ｂのパターンを形成する。その後、信号線４ｃのパターンおよび接地線４ａ，４ｂを覆うように、無機絶縁膜３上にＣＶＤ法等により絶縁保護膜６を形成した後、フォトリソグラフィとエッチングにより、接地線４ａ，４ｂ上の絶縁保護膜６に接続用開口６ａを形成する。またこのとき、接地線４ａ，４ｂ上および信号線４ｃ上を避けて、絶縁保護膜７の所定の位置（例えば、接地線４ａ，４ｂと信号線４ｃとの間の領域等）に所定の数の開口６ｂを形成する。

次いで、図５（ｄ）に示すように、無機絶縁膜３の絶縁保護膜６の開口６ｂと同じ位置に、同径の貫通孔３ａをエッチングにより形成する。こうして、無機絶縁膜３の貫通孔３ａを介して下層の絶縁塗布層２が露出するようにする。

次に、図５（ｅ）に示すように、信号線４ｃおよび接地線４ａ，４ｂの形成領域において、絶縁保護膜６の開口６ｂ上に、絶縁塗布膜２と同様の材料を用いて犠牲層９を形成した後、その上にＭＥＭＳ構造体の支持部５ａ，５ｂおよび可動部５ｃを常法により形成する。

次いで、図５（ｆ）に示すように、犠牲層９をプラズマエッチング等により除去すると同時に、無機絶縁膜３の貫通孔３ａを通して、接地線４ａ，４ｂおよび信号線４ｃの下の領域の絶縁塗布層２を除去し、絶縁塗布層２に空洞部８を形成する。なお、プラズマエッチングの際の抜き孔となる無機絶縁膜３の貫通孔３ａの位置と数、並びにエッチングの時間等をコントロールすることにより、絶縁塗布層２に形成される空洞部８の大きさおよび形状（平面形状）を制御することができる。

以上のように構成される第２の実施形態のＭＥＭＳ装置においては、半導体基板１上に形成された絶縁塗布層２が島状に形成され、その上に無機絶縁膜３が被覆・形成されているので、半導体基板１の全面に絶縁塗布層２が形成された構造のものに比べて、絶縁塗布層２の熱膨張に起因する応力が低減され、無機絶縁膜３へのクラックの発生が抑制される。

また、信号線４ｃと半導体基板１との間に、厚膜の絶縁塗布層２と薄膜の無機絶縁膜３の各容量が直列に接続されるため、寄生容量が低減される。さらに、島状の絶縁塗布層２が信号線４ｃの下の領域に空洞部８を有する構造となっており、空洞部８の誘電率は絶縁塗布層２の誘電率よりもさらに低くなっているので、第１の実施形態よりもさらに大きな寄生容量の低減効果が得られる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上述の第１および第２の実施形態において挙げた材料、構造、形状、基板、プロセス等はあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる材料、構造、形状、基板、プロセス等を用いてもよい。

本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。図１に示すＭＥＭＳ装置の製造工程を示し、（ａ）〜（ｄ）は各工程を模式的に示す断面図である。図１に示すＭＥＭＳ装置において、基板部分を等価回路で示す図である。本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を示し、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´断面図である。図４に示すＭＥＭＳ装置の製造工程を示し、（ａ）〜（ｆ）は各工程を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１…半導体基板、２…絶縁塗布層、３…無機絶縁膜、４ａ，４ｂ…接地線、４ｃ…信号線、５…ＭＥＭＳ素子、６…絶縁保護膜、７ａ，７ｂ，７ｃ…接続用パッド、８…空洞部、９…犠牲層。

Claims

基板と、
前記基板上に島状に形成された、絶縁樹脂からなる第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層の上面および側面上に形成された、前記第１の絶縁層より膜厚が薄い第２の絶縁膜と、
前記第１の絶縁層が形成された島状の領域において、前記第２の絶縁膜上に形成された配線層と、
前記配線層の上に形成された微小電気機械システム素子と
を具備することを特徴とする微小電気機械システム装置。
前記配線層および前記第２の絶縁膜の上に形成された第３の絶縁膜を有することを特徴とする請求項１記載の微小電気機械システム装置。
前記第２の絶縁膜は、無機絶縁膜であることを特徴とする請求項１記載の微小電気機械システム装置。
基板上に絶縁樹脂を含む塗布液を塗布し、フォトリソグラフィによりパターニングして、島状の第１の絶縁層を形成する工程と、
前記第１の絶縁層の上面および側面上に前記第１の絶縁層より薄い第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁層が形成された島状の領域において、前記第２の絶縁膜上に配線層のパターンを形成する工程と、
前記配線層の上に微小電気機械システム素子を形成する工程と
を具備することを特徴とする微小電気機械システム装置の製造方法。