JP2007203420A - Mems構造体およびその製造方法、並びにmems構造体混載半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】MEMS構造体に、低温成膜可能な金属シリコン化合物膜を用い、成膜時の温度T1を、成膜以降の製造プロセスで必須となる、高性能LSIの特性を劣化させない熱処理温度T2と、偽結晶化温度T3に照らし合わせて、任意に選択することにより、MEMS構造体の完成時点での残留応力を制御する。
【選択図】図4
Description
例えば、周囲から独立した可動部分が、片持ち梁のように、一端が固定されている場合、可動部に引っ張り圧力があれば、固定されて居ない他端が反り上がる事が知られている。
一般的には、ある形状を保持するには、残留応力を0に近付ける事が有効と言われている。応力制御は、その構造体材料となる薄膜を成膜する時の条件や、その後の熱工程により、ある程度可能である。
あるいは、Cu、W、WSi等の金属膜、金属合金膜、あるいは金属化合物膜を用いることも検討されている。これらの材料もスパッタリング等により成膜する事により、比較的低温で形成可能であり、成膜条件によって応力制御も可能な場合もある。
MEMSとLSIの集積化を目指した場合、LSI回路作製後に同一基板上にMEMS構造体を形成するプロセスも考え得る。この場合は、比較的低温度で成膜可能で応力制御も可能な前記金属、あるいは金属化合物膜でMEMS構造体を形成する事も可能である。しかし、LSI回路作製後の配線工程プロセスで簡便に用いられているMEMS構築可能な材料例を図11に示すが、W、Ta、Moなどの高融点金属は厚膜成膜が難しく、Alは耐腐食性に劣る。CuはLSI動作を汚染により阻害しないよう、Cu自身の拡散シールドを配置しなければならない等、プロセス上の制約が大きい。
電磁シールドに適用する場合も、MEMS可動部に密着する等MEMS構造本体またはそれに準ずる構造体となる事も多く、残留応力の制御が必要となる場合もある。
一方、MEMS構造体材料に金属膜を用いる場合は、たとえば、スパッタリング法により比較的低温で成膜可能であり、成膜時の温度、ガス流量、圧力等により応力制御が容易であるという利点がある。しかし、W等は厚い膜を形成する事が難しいため、犠牲層のウエットエッチング工程で、構造体が薄く物理的に自重を支えきれずにスティッキングが発生し、MEMS構造体が作製できない場合があるという課題がある。さらに、Cuの場合、特殊な成膜装置やLSIへの汚染防止プロセスが必須であるという課題がある。
背景技術で述べたように、非特許文献4には、室温から150℃程度の比較的低温でスパッタリング法で成膜したタングステンシリサイド薄膜が、300℃の後熱処理により残留応力が変化する、との記載がある。このような公知例から、我々はタングステンシリサイドのような金属シリサイド膜の応力が、半導体製造の配線工程で適用可能な比較的低温の熱処理でも、成膜直後と比べて変化する可能性があるのではないかと考え、種々の検討を行った。
一般に、バルク状態のタングステンシリサイドの結晶化温度は600℃以上と言われている。我々は、シリコン等の基板上に形成した、タングステンシリサイド薄膜が、400℃〜450℃程度の熱処理で、膜応力の急激な変化を伴う結晶化が進行する事を確認した。そのため、便宜上、ここでは、400℃〜450℃程度での結晶化を“偽結晶化”、その温度範囲T3を“偽結晶化温度”と表記する。450℃の加熱工程を経たWSi薄膜については、XRD測定により明瞭なWSi金属間化合物のピークを測定し、結晶化している事を確認済みである。
図1はT2<T1<T3の場合の例だが、成膜温度T1が結晶化領域温度T3より高い(T1≧T3)場合も同様に、“成膜直後の応力=最終的な残留応力”となる。
図2,3に示す、成膜時の温度T1が、それ以降の製造工程で経験する熱処理温度T2よりも低い場合は、T1と後工程温度T2および結晶化領域温度T3との関連によって最終的な残留応力は変化する。
図2に、実線で室温に近い温度T1で成膜した場合と、点線で後熱処理温度T2よりは低温だが実線で示した成膜温度T1よりは高温のT1'で成膜とした場合の、2パターンの応力変化を示す。どちらの場合も、昇温に伴い成膜温度以上の温度領域で応力が引っ張り方向へ変化する。これは、成膜温度よりも高い温度で、膜中で部分的な結晶化が起こり、体積が少しづつ減少するためと考えられる。
最終的な残留応力は、実線で示した温度T1で成膜例では、成膜時の応力は圧縮側だったのに対し、室温へ戻した時点での応力は引張り方向へ転じた。
これは、成膜温度T1'が高く、成膜時点ですでに部分結晶化した領域が存在したため、後熱処理時での部分結晶化が少なく、体積変化も少なくなり、引っ張り側への応力変化量が小さくなったと思われる。
つまり、T1<T2<T3の場合は、成膜温度T1が高くなると、成膜直後の応力はより引っ張り方向となる。しかし、後熱処理温度T2を経た後の最終的な残留応力は、もっと低い成膜温度の場合よりも引っ張り方向へは小さくなる。このように、成膜時の温度の選択により、最終的な残留応力の制御が可能である。
偽結晶化温度T3を通過する際に、応力は引っ張り方向へ大きく変化する。これは、急激な結晶化が起き、大きく体積が減少した為と推測される。最終的な残留応力は、1Gpa以上の引っ張りとなった。
ここではタングステンシリサイド膜の場合について、詳細に説明したが、他の金属シリコン化合物を用いた場合も、厳密な残留応力値に違いはあるものの、応力変化・制御方法の傾向は、タングステンシリサイド膜と同様である。
トランジスタ上部には酸化シリコン膜8が配置されており、拡散層上部には、コンタクトホール9が形成され、その内部は窒化チタン膜とタングステン膜からなるプラグ10となっている。
本実施例1のMEMS構造体である、圧力センサ・圧力検知部は、スルーホール18に接続された下部電極19a上部に、一部に空洞21を有する、酸化シリコン膜20を形成する。空洞25の内部は窒素を主成分とするほぼ1気圧の気体で満たされている。
酸化シリコン膜20上に形成されたタングステンシサイド膜22には、図中には記載ないが、複数の孔22aが開口され、そこからフッ酸を導入することにより、酸化シリコン膜20に空洞21を形成する。
なお、本実施例、図4では、圧力センサ・容量検知部の下部電極に第五配線層とは別の金属膜を形成したが、第五配線層での代用も可能である
また、図4について、配線層が窒化チタンバリア膜を有するアルミニウム合金である場合について詳細に説明したが、配線がアルミニウムあるいは銅または銅合金で形成された場合も、通常の半導体製造プロセスに必要な配慮、例えばLSI層内への金属拡散汚染防止対策等がなされれば、同様に適用、構成可能である。
図7および図8にて、本実施例の配線MEMS圧力センサ混載半導体装置の半導体回路部分の製造過程を説明する。混載半導体装置回路の最小設計寸法は0.35μmである。
片持ち梁を形成する、薄膜構造体は、タングステンシリサイドによるシールド層35/絶縁膜23/タングステンシリサイドによる上部電極の積層構造22である。積層膜全体の応力が500Mpaになるように、最上部に配置したシールド膜に応力により調整した。タングステンシリサイド膜の応力は、シールド形成後に、後熱処理を行うことで制御した。このように、シールド膜を配置して、積層膜全体の応力を制御した結果、片持ち梁を平坦性よく形状よく作製できた。本実施例による加速度センサで、加速度の計測を試みた所、線形性のよい出力値を得ることができた。
2…拡散領域、
3…ロコス(locos)、
4…ゲート酸化膜、
5…ゲート電極、
6…キャップ絶縁膜、
7…サイドウオール、
8…層間絶縁膜、
9…プラグ、
10…コンタクトホール、
11…第一配線層、
12…スルーホール、
13…第二配線層、
14…スルーホール、
15…第三配線層、
16…スルーホール、
17…第四配線層、
18…スルーホール、
19…第五配線層、
19a…下部電極、
20…酸化シリコン膜、
21…空洞、
22…タングステンシリコン膜、
(22a…エッチホール)、
23…シリコン化合物膜、
24…窒化シリコン膜、
25…感光性ポリイミド膜、
26…開口部、
27…配線MEMS圧力センサ、
28…開口部、
29…参照容量、
30…デジタル回路、
31…無線送受信部、
32…アナログ回路、
33…フラッシュメモリ回路、
34…パッド部、
35…シールド層。
Claims (17)
- 基板上に形成された、可動部を有するMEMS構造体の製造方法であって、
前記可動部を高融点金属のシリコン化合物を含む薄膜を用いて形成する可動部形成工程を有し、
前記可動部形成工程における前記薄膜の成膜熱処理温度T1を、T1≧350℃の温度範囲に設定するとともに、前記可動部形成工程の後続の工程における熱処理温度の上限温度T2を400℃≦T2≦450℃の温度範囲に設定することにより、前記薄膜が前記MEMS構造体の形成工程において有する応力を所定の値の引っ張り応力範囲に制御することを特徴とするMEMS構造体の製造方法。 - 請求項1において、
前記所定の値の引っ張り応力範囲が0Mpaから500MPaであることを特徴とするMEMS構造体の製造方法。 - 基板上に形成された、可動部を有するMEMS構造体の製造方法であって、
前記可動部を高融点金属のシリコン化合物を含む薄膜を用いて形成する可動部形成工程を有し、
前記可動部形成工程における前記薄膜の成膜熱処理温度T1を、T1<350℃の温度範囲に設定するとともに、前記可動部形成工程の後続の工程における熱処理温度の上限温度T2を400℃≦T2≦450℃の温度範囲に設定することにより、前記薄膜が前記MEMS構造体の形成工程において有する応力を所定の値の引っ張り応力範囲に制御することを特徴とするMEMS構造体の製造方法。 - 請求項3において、
前記所定の値の引っ張り応力範囲が500MPaから1GPaであることを特徴とするMEMS構造体の製造方法。 - 請求項1乃至3のいずれかにおいて、
前記可動部が、高融点金属のシリコン化合物を含む電極膜と、前記電極膜の上部に堆積してなる絶縁膜とからなる積層膜であることを特徴とするMEMS構造体の製造方法。 - 請求項1乃至3のいずれかにおいて、
前記可動部が、高融点金属または高融点金属のシリコン化合物からなるシールド膜と、前記シールド膜上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された高融点金属または高融点金属のシリコン化合物からなる電極膜とからなる積層膜であることを特徴とするMEMS構造体の製造方法。 - 請求項6において、
前記シールド膜または前記電極膜の少なくとも一方が、高融点金属のシリコン化合物であることを特徴とするMEMS構造体の製造方法。 - 請求項6において、
前記電極膜がWまたはWSiで形成されていることを特徴とするMEMS構造体の製造方法。 - 請求項6において、
前記シールド膜がTaまたはWSiで形成されていることを特徴とするMEMS構造体の製造方法。 - 基板上に電子回路を形成する工程と、
前記基板上に請求項1乃至3記載の製造方法によりMEMS構造体を形成する工程と、を有することを特徴とするMEMS構造体混載半導体装置の製造方法。 - 請求項10において、
前記電子回路が、アナログ回路、デジタル回路、またはメモリ回路の少なくとも一つを有することを特徴とするMEMS構造体混載半導体装置の製造方法。 - 請求項10において、
前記MEMS構造体が、大気圧に比して十分に低い真空度の空洞部、または気体で満たされた空洞部を有することを特徴とするMEMS構造体混載半導体装置製造方法。 - 基板上に形成された、可動部を有するMEMS構造体であって、
前記可動部が、請求項1乃至3記載の製造方法により形成されることを特徴とするMEMS構造体。 - 請求項13において、
前記可動部が、高融点金属または高融点金属のシリコン化合物からなるシールド膜と、前記シールド膜上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された高融点金属または高融点金属のシリコン化合物からなる電極膜とからなる積層膜であることを特徴とするMEMS構造体。 - 請求項14において、
前記シールド膜または前記電極膜の少なくとも一方が、高融点金属のシリコン化合物であることを特徴とするMEMS構造体。 - 請求項14において、
前記電極膜がWまたはWSiで形成されていることを特徴とするMEMS構造体。 - 請求項14において、
前記シールド膜がTaまたはWSiで形成されていることを特徴とするMEMS構造体。
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