JP6180900B2 - 応力検知用素子および応力検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、応力検知用素子および応力検知方法に関し、特に半導体装置の製造プロセスにおいて製膜された薄膜の応力や、薄膜周囲の環境変化に伴う応力変化を検出することができる応力検知用素子および検知方法に関する。

半導体装置の製造プロセスでは、種々の薄膜を積層形成し、半導体装置を形成している。例えば、半導体装置の製造プロセスを用いたＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)素子では、半導体基板上に固定電極、犠牲層（絶縁膜）および可動電極を形成した後、犠牲層の一部を除去することで、スペーサーを介して固定された固定電極と可動電極との間にエアーギャップ（中空）構造が形成されている。

一例として、容量型のＭＥＭＳ素子であるコンデンサマイクロフォンでは、音圧を通過させる複数の貫通孔を備えた固定電極と、音圧を受けて振動する可動電極とを対向して配置し、音圧を受けて振動する可動電極の変位を電極間の容量変化として検出する構成となっている。

このような構造のＭＥＭＳ素子では、感度を上げるために可動電極の変位を大きくする必要があり、可動電極に引っ張り応力が残留する膜を用いるのが一般的である。一方この残留応力が大きすぎると可動電極の破損の原因となってしまう。そのため、残留応力のコントロールを行いたいところであるが、製造工程中で、実際の残留応力を測定することは、極めて困難であった。そのため、計算機によるシミュレーションを行い素子設計をするに留まり、製造プロセス中で、残留応力を測定するということは行っていない。シミュレーションによる素子設計の例は、例えば、特許文献１に記載されている。

一方、残留応力の変化を視覚的に検知する応力検知用素子として、例えば図４に示す構造のものが知られている。図４に示す応力検知用素子は、被測定用の薄膜により、長方形のプローブ１、このプローブ１を支持する支持部２は図示するように薄膜の一部が除去されており、支持部２を取り囲む薄膜には、プローブ１の先端に対向する位置にゲージ部３が形成されている。また、プローブ１の先端が、薄膜の残留応力によって変位するように、薄膜の下層の基板には空洞部４が形成されており、薄膜はその下層に残る基板部５によって支持された構造となっている。

このような構造において、被測定用の薄膜に引っ張り応力あるいは圧縮応力が加わると、プローブ１を支持する支持部２にそれぞれ所定の力が加わることになる。この支持部２は、図４に示すように、プローブ１に対してずれた位置に配置されているため、例えば、引っ張り応力が加わった薄膜に接続された支持部２にはその応力を開放する方向に力が加わる。具体的には、支持部２は短くなる方向に変形し、プローブ１が支持部２により両方から引っ張られ、プローブ１は左側（時計の回転方向と反対方向）に回転することになる。また、圧縮応力が加わった薄膜に接続された支持部２にはその応力を開放する方向に力が加わる。具体的には、支持部２は長くなる方向に変形し、プローブ１が支持部２により両方から押され、プローブ１は右側（時計の回転方向）に回転することになる。このようなプローブの範囲は、プローブ先端とゲージ部３との相対位置を比較することで、視覚的に認識できる構造となっている。

特開２００７−２１００８３号公報

従来提案されている応力検知用素子は、視覚的なチェックのみであり、客観的な試験方法としては適切ではなかった。本発明は、上記問題点を解消し、薄膜に加わる応力を電気的に検知することができる応力検知用素子および応力検知方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、薄膜の応力を検知する応力検知用素子であって、第１の電極部と、エアギャップを介して配置された前記薄膜を含む第２の電極部とを備え、前記第２の電極が前記薄膜の応力に応じて、当該第２の電極が配置されている面内で左右に回転するように前記第２の電極部を支持する支持部と、前記第１の電極部と前記第２の電極部との間の容量値を検出する検出部とを備えたことを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の応力検知用素子において、前記第１の電極部および前記第２の電極部は、長方形の形状を有し、前記第２の電極部を支持する支持部は、前記第２の電極部の長辺部に接続し、その接続部に加わる応力によって、前記第２の電極部が、当該第２の電極部が配置されている面内で左右に回転するように配置されていることを特徴とする。

願請求項３に係る発明は、第１の電極部と、エアギャップを介し、薄膜の応力によって、自身が配置されている面内で左右に回転するように支持された第２の電極部と、前記第１の電極部と前記第２の電極部との間の容量値を検出する検出部とを備えた応力検知用素子を用いて、被測定用の薄膜の応力を検知する応力検知方法において、前記薄膜の応力が第１の値のときの前記第１の電極部と前記第２の電極部との間の容量値と、前記薄膜の応力が第２の値のときの前記第１の電極部と前記第２の電極部との間の容量値とを比較し、前記薄膜に加わる応力が変化したことを容量値の変化として検知することを特徴とする。

本発明の応力検知用素子は、第２の電極部と一体となっている被測定用の薄膜の応力が、設計上の値から変化したことを、第１の電極部と第２の電極部との間の容量値の変化として検出することが可能となる。特に、半導体装置の製造プロセス途中で、視覚的な検査ではなく電気的な検査方法を採用することができ、半導体製造工程で行われるウエハテストにより電気的な検査を行うことが可能であり、製造コストの低減を計ることができる。

また本発明の応力検知方法は、容量値の変化を検出すればよいので、客観的な判断が可能な評価方法であり、利用価値が高い。

本発明の応力検知用素子の製造工程の説明図である。 本発明の応力検知用素子の説明図である。 本発明の応力検知用素子により測定可能な容量変化のシミュレーション図である。 従来のこの種の応力検知用素子の説明図である。

本発明に係る応力検知用素子は、固定されている第１の電極部と、被測定用の薄膜と一体となっている第２の電極部とがエアギャップを介して配置されており、第２の電極部は、薄膜の応力に応じて左右に回転するように支持されている。その結果、薄膜の応力が所定の場合には、第１の電極部と第２の電極部の相対位置は常にほぼ等しくなり、第１の電極部と第２の電極部との間の容量値は所定の値となる。しかし、薄膜の応力が変化した場合、第１の電極部と第２の電極部の相対位置が変化し、第１の電極部と第２の電極部との間の容量値は、所定の値からずれ、薄膜の応力変化を検知できる構成となっている。以下、本発明の応力検知用素子および応力検知方法について、実施例に従い、詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について、容量型ＭＥＭＳ素子の固定電極に相当する薄膜の残留応力の変化を検知する場合を例にとり説明する。図１において、左図が容量型ＭＥＭＳ素子の断面図、右図が応力検知用素子の断面図を示す。まず、表面の結晶方位が（１００）面のシリコン基板１１上に、厚さ０．３μｍ程度の熱酸化膜１２を形成し、熱酸化膜１２上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．１μｍの導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、ＭＥＭＳ素子の可動電極１３aと応力検知用素子の第１の電極１３ｂを形成する（図１ａ）。第１の電極１３ｂは、後述するように細い長方形の形状とし、図示しない引き出し電極が形成されている。

その後、表面全面に、厚さ２μｍのＵＳＧ（Undoped Silicate Glass）膜１４を積層する。このＵＳＧ膜は、エアーギャップを形成するスペーサーを構成する膜となる。さらにＵＳＧ膜１４上に、厚さ１．０μｍのポリシリコン膜を積層形成し、所定のパターニングを行うことで、ＭＥＭＳ素子の固定電極１５aと応力検知用素子の第２の電極１５ｂを形成する。その後、表面全面に厚さ０．２μｍのシリコン窒化膜１６を堆積形成する（図１ｂ）。ここで、本実施例では、シリコン窒化膜１６が応力変化を検知される薄膜となる。

次に、エアーギャップを形成する際、ＵＳＧ膜１４を後工程で除去するため、貫通孔１７を形成し、ＵＳＧ膜１４の表面の一部を露出させる。ここで、ＭＥＭＳ素子では、貫通孔１７は、所望の特性となるように径の大きさ、数、配置が設定される。一方応力検知用素子では、図２に示すように第２の電極１５ｂが、先に形成した第１の電極１３ｂと重なり合う形状となるように貫通孔１７を形成する。即ち、第２の電極１５ｂは、先に形成した第１の電極１３ｂ同様、長方形の形状とする。また第２の電極１５ｂも第１の電極１３ｂ同様、図示しない引き出し電極が形成されている。なお、図１（ｃ）左図に示すように、固定電極１５ａあるいは可動電極１３ａにそれぞれ接触する配線膜の形成予定領域のシリコン窒化膜１６の一部もエッチング除去する。同時に応力検知用素子においても、第１の電極１３ｂおよび第２の電極１５ｂにそれぞれ接続する配線膜の形成予定領域のシリコン窒化膜の一部もエッチング除去されるが、図１（ｃ）右図には図示されていない。

次に、ＭＥＭＳ素子の可動電極１３ａの一部を露出させ、露出した固定電極１３ａに接続する配線膜１８および固定電極１５ａに接触する配線膜１８を、それぞれ形成する。この配線膜１８は、アルミニウム等の導体膜から構成されている。一方応力検知用素子では、第１の電極１３ｂ、第２の電極１５に接触する図示しない配線膜が、それぞれ形成される（図１ｄ）。

その後、シリコン基板１１の裏面側から熱酸化膜１２が露出するまでシリコン基板１１を除去し、バックチャンバー１９を形成する（図１ｅ）。

ＭＥＭＳ素子の可動電極１３ａと固定電極１５ａの間を中空構造とするため、ＵＳＧ膜１４の一部をエッチング除去する。同様に応力検知用素子においても、ＵＳＧ膜１４の一部を除去する。このエッチング工程は、配線部１８を構成する配線材料とのエッチング選択性が高く、等方性エッチングが可能なエッチング方法とするのが好ましい。一例として、フッ酸、フッ化アンモニウムと酢酸の混合液を用いる。

その結果、ＵＳＧ膜からなるスペーサー２０を介して、エアギャップ２１が形成され、ＭＥＭＳ素子では可動電極１３ａと固定電極１５ａが対向する構造となり、応力検知用素子では、第１の電極１３ｂと第２の電極１５ｂが対向する構造となる。

次に、応力検知用素子の第１の電極１３ｂと第２の電極１５ｂのパターニング形状について説明する。図２の上図は、応力検知用素子の第２の電極１５ｂの形成パターンを示している。図１（ｆ）と関連して説明すれば、第２の電極１５ｂ上にはシリコン窒化膜１６が積層形成されており、少なくとも第２の電極１５ｂはエアギャップ上に配置されている。図２では、第２の電極１５ｂに接続するで配線部は図示していないが、図1（ｆ）の第１の電極１３ｂと第２の電極１５ｂとの間の容量値を測定する測定手段に接続されている。

図２上図に示すように、第２の電極１５ｂは、長方形をしており、支持部１５ｃによって支持されている。第２の電極支持部１５ｃも第２の電極１５ｂ同様、ポリシリコン膜とシリコン窒化膜が積層した構造となっている。ここで、第２の電極支持部１５ｃは、第２の電極１５ｂを挟んで、図面上、上下にずれた形状となっている。これは、第２の電極支持部１５ｃに伝わるわずかな応力によって、第２の電極１５ｂが左右に回転変位しやすくするためである。第２の電極支持部１５ｃが、第２電極１５ｂに対して左右から応力を伝えた場合、第２の電極支持部１５ｃが対象な形状をしていると、第２電極１５ｂの変位が小さくなるからである。

一方、図２下図は、第１の電極１３ｂの平面図を示している、第１の電極１３ｂは、熱酸化膜１２上に形成されており、本来変位が少ないが、第１電極支持部１３ｃを左右対称な位置に配置している。このように形成すると、熱酸化膜１２をエッチング除去した場合であっても、第１の電極１３ｂの変位をなくすことができるからである。

次に本発明の応力検知方法について説明する。例えば、図１左図に示したＭＥＭＳ素子では、固定電極１５ａとシリコン窒化膜１６の積層膜の残留応力は所定の値となるようにデバイス設計されている。このとき、同時に形成される応力検知用素子の第１の電極１３ｂと第２の電極１５ｂ間の容量値は、予め既知の所定の値となる。

ここで、製造プロセスの変動等により、固定電極を構成するポリシリコン膜の形成条件あるいはその上に形成されるシリコン窒化膜１６の形成条件が変化したとする。その結果、ポリシリコン膜とシリコン窒化膜の積層膜の残留応力が、素子設計時の値から変化することになる。

このような場合に、本発明の応力検知用素子では、第２の電極支持部１５ｃから第２の電極１５ｂに伝わる応力が変化し、第２の電極１５ｂが左右いずれかに回転する。ここで、第１の電極１３ｂの位置は変化しないので、第１の電極１３ｂと第２の電極１５ｂの間の容量値が変化し、残留応力が変化したことを確認できることになる。

次に第２の実施例について説明する。第２の実施例では、第１の電極１３ｂの残留応力を確認する場合について説明する。基本的な構成は第１の実施例と同一であるが、第１の実施例で説明した第１の電極支持部１３ｃを左右対称ではなく、第１の実施例の第２の電極支持部１５ｃのように上下にずれた形状とする。また第２の電極支持部１５ｃを左右対称にする。さらに第１の電極１３ａが変位するように、第１の電極１３ａ下の熱酸化膜１２を除去した形状とする。

このように形成すると、第１の電極１３ｃを構成するポリシリコン膜の残留応力の変化を、第１の実施例で説明した方法同様、確認することができることになる。

図３は、第１および第２の電極部の長手方向の長さ、第１の電極支持部および第２の電極支持部の幅、長さを種々変更したシミュレーション結果を示す。所定の薄膜の応力変化に応じて、長さ、幅等を適宜設定することで、所望のモニターを行うことができる。なお、上記説明では、容量を測定するための電極と被測定の薄膜のパターンも種々変更することができる。

以上本発明の実施例について、ＭＥＭＳ素子と同時に形成する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、応力検知用素子単独で形成してもよい。

さらに本発明の応力検知素子および応力検知方法によれば、応力の変化に伴う容量値の変化を予め記憶しておけば、応力変化をもたらす薄膜周囲の環境変化を検知することができ、センサ装置の検知部としても使用することができる。

１１：シリコン基板、１２：熱酸化膜、１３ａ：可動電極、１３ｂ：第１の電極、１３ｃ：第１の電極支持部、１４：ＵＳＧ膜、１５ａ：固定電極、１５ｂ：第２電極、１５ｃ：第２の電極支持部、１６：シリコン窒化膜、１７：貫通孔、１８：配線部、１９：バックチャンバー、２０：スペーサー

Claims (3)

1. 薄膜の応力を検知する応力検知用素子であって、
   第１の電極部と、エアギャップを介して配置された前記薄膜を含む第２の電極部とを備え、
   前記第２の電極が前記薄膜の応力に応じて、当該第２の電極が配置されている面内で左右に回転するように前記第２の電極部を支持する支持部と、
   前記第１の電極部と前記第２の電極部との間の容量値を検出する検出部とを備えたことを特徴とする応力検知用素子。
2. 請求項１記載の応力検知用素子において、
   前記第１の電極部および前記第２の電極部は、長方形の形状を有し、
   前記第２の電極部を支持する支持部は、前記第２の電極部の長辺部に接続し、その接続部に加わる応力によって、前記第２の電極部が、当該第２の電極部が配置されている面内で左右に回転するように配置されていることを特徴とする応力検知用素子。
3. 第１の電極部と、エアギャップを介し、薄膜の応力によって、自身が配置されている面内で左右に回転するように支持された第２の電極部と、前記第１の電極部と前記第２の電極部との間の容量値を検出する検出部とを備えた応力検知用素子を用いて、被測定用の薄膜の応力を検知する応力検知方法において、
   前記薄膜の応力が第１の値のときの前記第１の電極部と前記第２の電極部との間の容量値と、
   前記薄膜の応力が第２の値のときの前記第１の電極部と前記第２の電極部との間の容量値とを比較し、
   前記薄膜に加わる応力が変化したことを容量値の変化として検知することを特徴とする応力検知方法。

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