JP2014521527A - Memsキャビティ底からのシリコン残留物の消去 - Google Patents

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Abstract

本発明は、概して、接着促進剤材料に由来するケイ素残留物がキャビティ底から削減又は除去されているMEMSデバイスに関する。接着促進剤は、典型的には、基板上の材料へ犠牲材料を接着するために用いられる。接着促進剤は、その後、犠牲材料とともに除去される。しかしながら、接着促進剤は、除去後に、キャビティ内にケイ素に基づく残留物を残す。本発明者らは、犠牲材料を堆積する前にキャビティ領域から接着促進剤を除去できることを発見した。基板の残りの部分の上に残留する接着促進剤は、犠牲材料の剥離のおそれなしに、基板へ犠牲材料を接着するのに十分である。デバイスのキャビティ領域では接着促進剤が使用されないので、MEMSデバイスのスイッチング素子が自由になった後では、ケイ素残留物はキャビティ内に存在しない。

Description

本発明の実施形態は、概して、微小電気機械システム(MEMS)デバイス及びその製造方法に関する。
MEMSデバイスは、典型的には、複数の位置の間で移動可能な、例えば、電極に接近して接触した位置と電極から離れた位置との間で移動可能なスイッチング素子を含む。図1A〜図1Dは、従来技術に係るMEMSデバイス100を様々な製造段階で概略的に示す断面図である。MEMSデバイス100は基板102を含み、基板102は、そこに埋め込まれた複数の電極104、106、108を有する。誘電体層110は、基板102、及び電極104、106、108上に配置される。
犠牲材料として有機ポリマーを利用するMEMSでは、基礎をなす誘電体への犠牲材料の第1の層の接着力は、典型的には弱い。弱い接着力の問題を解決するために、ポリマー系にはケイ素ポリマーがしばしば追加される。しかしながら、ケイ素は、有機犠牲材料を除去したとき、その後に残留物を残す可能性があり、このことは、MEMSデバイスの性能を損なう可能性がある。犠牲材料にケイ素を追加することの代わりとして、独立した接着促進剤材料を用いてもよい。接着促進剤は、有機犠牲材料のコーティングの前に、スピンオン又はCVD型プロセスのいずれかを用いて、基板上にコーティングされる。犠牲材料として無機材料が使用される場合、接着促進剤は利用されない。
その後、誘電体層110の上に接着促進剤層112が堆積される。接着促進剤層112は、その上に犠牲材料を接着するために用いられる。その後、接着促進剤層112の上に第1の犠牲材層116Aが堆積される。第1の犠牲材層116Aは、炭素、水素、窒素、及び酸素を含む有機犠牲材料である。その後、第1の犠牲材層116A、接着促進剤層112、及び誘電体層110は、電極104を露出するようにパターン形成される。図1Bに示すように、その後、スイッチング素子118を形成するように、導電材料が堆積されてパターン形成される。その後、スイッチング素子118上に第2の犠牲材層116Bが堆積される。その後、第2の犠牲材層116B及び第1の犠牲材層116Aは、標準的な半導体プロセシング技術を用いてパターン形成される。キャビティ114は、図1Cに示すように、屋根120、壁122、及び誘電体層110を境界として有する。
図1Dに示すように、その後、第1及び第2の犠牲材層116A、116B、及び接着促進剤層112は、スイッチング素子118をキャビティ114内で自由にするために除去され、これにより、矢印「A」で示すように、スイッチング素子118は、電極106から離れた位置から、電極106に接近して接触した位置(すなわち誘電体層110に接する位置)へ移動することができる。第1及び第2の犠牲材層116A及び116Bは、屋根120に形成された排出孔(図示せず)を通って、又はキャビティの横の孔を通って導入されたH/Oの化学作用を用いてエッチングすることで除去される。有機犠牲材料に含まれたいかなるケイ素もエッチングされることなく、従って、キャビティにおいて残留物124として残る。残留物124は、接着促進剤層112の残り又は犠牲材料中に存在する可能性があるケイ素の残りであると考えられる。具体的には、接着促進剤層112の中に、又は犠牲材料内にあるケイ素は、非常に帯電しやすい、ナノスケール構造を有するケイ素(すなわち1s軌道に空孔を有するケイ素)をもたらす可能性がある。残留物124は、スイッチング素子118が電極106に接近するように移動することを機械的に妨害することで、MEMSデバイス100の性能を損なう可能性がある。残留物は、電荷をケイ素内に蓄積することでMEMSデバイス100の電気的なスイッチングのふるまいを変化させる可能性もあり、その結果としてヒステリシスループは狭くなり、この場合、電極108に印加されてカンチレバーを引き下ろすプルイン電圧と、カンチレバーをリリースして上に戻すときの電圧との間の差は、より小さくなる。
従って、本技術では、残留物がデバイス性能を損なうことがないMEMSデバイス及びその製造方法が必要とされている。
本発明は、概して、接着促進剤材料に由来するケイ素残留物がキャビティ底から削減又は除去されているMEMSデバイスに関する。接着促進剤は、典型的には、基礎をなす層へ犠牲材料を接着するために用いられる。接着促進剤は、その後、犠牲材料とともに除去される。しかしながら、接着促進剤は、除去後に、キャビティ内にケイ素に基づく残留物を残す。本発明者らは、犠牲材料を堆積する前にキャビティ領域から接着促進剤を除去できることを発見した。基板の残りの部分の上に残留する接着促進剤は、MEMSデバイスが形成される領域の外部にあるので、犠牲材料が基板から剥離するおそれなしに、電極に重なるMEMSデバイスの部分を製造するために基板へ犠牲材料を接着するのに十分である。デバイスのキャビティ領域では接着促進剤が使用されないので、犠牲材料を除去してMEMSデバイスのスイッチング素子が自由になった後では、ケイ素残留物はキャビティ内に存在しない。
1つの実施形態において、MEMSデバイスを製造する方法が開示される。上記方法は、キャビティ内に包囲される第1の部分及び上記キャビティ外に配置される第2の部分を有する基板上に、接着促進剤層を堆積することと、上記第1の部分の上に配置された領域において上記接着促進剤層を除去することと、上記接着促進剤層及び上記基板の第1の部分の上に犠牲層を堆積することと、上記犠牲層の上にスイッチング素子を形成することと、上記スイッチング素子を上記キャビティ内で包囲することと、上記犠牲層を除去することとを含む。
別の実施形態において、第1の部分及び第2の部分を有する基板の上のMEMSデバイスを製造する方法が開示される。上記方法は、上記基板の第1の部分の上に接着促進剤層を選択的に形成することと、上記接着促進剤層及び上記基板の第2の部分の上に犠牲層を形成することと、上記犠牲層及び上記基板の第2の部分の上にスイッチング素子を形成することと、上記基板の第2の部分を少なくとも部分的に境界として有するキャビティによって上記スイッチング素子を包囲することと、上記犠牲層を除去することとを含む。
別の実施形態において、デバイスは、キャビティを少なくとも部分的に境界として有する第1の部分及び上記キャビティ外に配置される第2の部分を有する基板と、上記基板の第2の部分の上に配置され、上記第1の部分の上には配置されない接着促進剤層とを含む。上記装置は、上記キャビティ内に配置されたスイッチング素子をさらに含む。
従来技術に係るMEMSデバイス100を様々な製造段階で概略的に示す断面図である。 従来技術に係るMEMSデバイス100を様々な製造段階で概略的に示す断面図である。 従来技術に係るMEMSデバイス100を様々な製造段階で概略的に示す断面図である。 従来技術に係るMEMSデバイス100を様々な製造段階で概略的に示す断面図である。 MEMSデバイス200を様々な製造段階で概略的に示す断面図である。 MEMSデバイス200を様々な製造段階で概略的に示す断面図である。 MEMSデバイス200を様々な製造段階で概略的に示す断面図である。 MEMSデバイス200を様々な製造段階で概略的に示す断面図である。 MEMSデバイス200を様々な製造段階で概略的に示す断面図である。 MEMSデバイス200を様々な製造段階で概略的に示す断面図である。 MEMSデバイス200を様々な製造段階で概略的に示す断面図である。 ここで議論する実施形態で利用してもよいスイッチング素子222の例である。 ここで議論する実施形態で利用してもよいスイッチング素子222の例である。
本発明の前述の特徴が詳細に理解可能になるように、上で簡単に概要を述べた本発明について、実施形態を参照してより具体的に説明する。実施形態のうちの一部を添付の図面に示す。しかしながら、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示すものであり、従って、その範囲を限定するように考えるべきではなく、本発明は他の同様に有効な実施形態を包含する可能性があるということに注意する。
理解の簡単化のために、可能な場合には、複数の図面にわたって共通の同じ構成要素を示すために、同じ参照番号が使用されている。ある実施形態で開示した構成要素は、特に言及していなくても他の実施形態でも有益に利用可能であることを意図している。
本発明は、概して、接着促進剤材料に由来するケイ素残留物がキャビティ底から削減又は除去されているMEMSデバイスに関する。接着促進剤は、典型的には、その基礎をなす層へ犠牲材料を接着するために用いられる。接着促進剤は、その後、犠牲材料とともに除去される。しかしながら、接着促進剤は、除去後に、キャビティ内にケイ素に基づく残留物を残す。ここに議論するように、犠牲材料を堆積する前にキャビティ領域から接着促進剤を除去できる。基板の残りの部分の上に残留する接着促進剤は、犠牲材料の剥離のおそれなしに、基板へ犠牲材料を接着するのに十分である。デバイスのキャビティ領域では接着促進剤が使用されないので、MEMSデバイスのスイッチング素子が自由になった後では、ケイ素残留物はキャビティ内に存在しない。
図2A〜図2Gは、MEMSデバイス200を様々な製造段階で概略的に示す断面図である。図2Aに示すように、MEMSデバイス200は、そこに埋め込まれたいくつかの構造物を有する基板202を含む。デバイス200から基板202より下の層に電気的接続を提供する電気的接続204が存在する。後に形成されるスイッチング素子222(図2F及び図2Gを参照)を、RF電極206から第1の距離にわたって離れた位置から、RF電極206に近い第2の距離まで引くために用いられるプルイン電極208も存在する。電気的接続204、プルイン電極208、及びRF電極206はすべて、エッチングなどのプロセスで基板202から材料を除去し、基板のエッチングされた領域へ導電材料をブランケット堆積し、エッチング又は化学機械研磨などのプロセスで基板の表面から超過した導電材料を除去することにより、形成されてもよい。使用可能な適切な導電材料は、銅、アルミニウム、チタン、タングステン、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、それらの組み合わせ、及び相補型金属酸化膜半導体(CMOS)製造プロセスのラインのバックエンド(BEOL)で伝統的に利用されている他の周知の導電材料を含む。導電材料が形成される基板材料は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、ケイ素酸窒化物、及びそれらの組み合わせなどの絶縁材料を含んでもよい。代替として、電気的接続204、プルイン電極208、及びRF電極206はすべて、まず基板202上に導電材料のブランケット堆積を行うことにより形成されてもよい。その後、導電材料の超過部分は、電気的接続204、プルイン電極208、及びRF電極206の最終形状を形成するように、エッチングなどのプロセスによって除去される。
図2Aに示すように、露出した基板202及び電気的接続204、プルイン電極208及びRF電極206の上に、ブランケット堆積プロセスにより、絶縁層210が堆積され、続いて接着促進剤層212が堆積されてもよい。その後、超過した絶縁材料は、エッチング又はCMPなどのプロセスによって除去されてもよい。絶縁層210は、スイッチング素子222及びプルイン電極208の間で短絡が発生することを防ぐ。
その後、絶縁層210の上に接着促進剤層212が堆積される。接着促進剤層212は、20nm未満、例えば約4nm及び約20nmの間の厚さに、又は約6nmの厚さに堆積されてもよい。接着促進剤層212として使用可能な適切な材料は、ダウ・ケミカルから入手可能なAP3000、AP4000及びAP6300などの、有機官能基に共有結合されたケイ素を備える化合物を含み、これらは、概して、SiO及び有機犠牲材料の間で正しい結合終端を形成するように有機シランに基づくものである。接着促進剤層212は、向上した接着力を必要とする特定のフィルムに合わせて調整される。概して、接着促進剤層212は約29原子百分率のケイ素を含み、その上限は30原子百分率のケイ素である。接着促進剤層212は、デバイス200へ犠牲層220を接着するために利用される。接着促進剤層212がない場合には、犠牲層220はデバイス200から剥離するであろう。接着促進剤層212はスピンオンプロセスによって堆積されてもよい。
上で議論したように、接着促進剤層212は、キャビティ226内の残留物の源になる可能性がある。したがって、接着促進剤層212は、犠牲層220を堆積する前に、キャビティ226から除去される。接着促進剤層212は、基板202上で、キャビティ226の外側の領域において残る。一部の残留した接着促進剤層212が除去プロセスの後なってもキャビティ226内に残っている可能性があるということが理解されるべきである。残留物が生じた場合に残留物がMEMSデバイスの接点の接触特性を変化させることがないように、残留した接着促進剤層212は、MEMS領域の下に、又は、特にスイッチング素子222のMEMS接触領域の下に存在するべきではない。接着促進剤層212を除去するために、フォトレジスト層214が、図2Bに示すように接着促進剤層212の上に堆積され、次いで、図2Cに示すようにマスク216を形成するようにパターン形成される。マスク216の開口は、犠牲材料を堆積する前に除去される接着促進剤層212の部分に対応する。露出した接着促進剤層212は、図2Dに示すように、電極204、206、及び210の領域の外部の領域において接着促進剤層218の基板上にパターンを残し、電極204、206、及び210の領域内には接着促進剤層212が存在しなくなるように、エッチングされる。パターン形成された残りの接着促進剤層218は、スイッチング素子の形成前に犠牲層220を剥離させることなく、基板202へ犠牲層220を接着するのに十分である(図2Fを参照)。接着促進剤層212が電極206、208上に残ると、接着促進剤材料はチャージトラップとして動作し、その結果として、デバイスの信頼性及び寿命を低下させることになるであろう。
パターン形成された接着促進剤層218がない場合には、犠牲層220がウェットプロセスにより処理されるときに、犠牲層220は基板202の広い面積にわたって剥離するであろう。パターン形成されていない接着促進剤層218の領域は、キャビティ226と比較して十分に大きく、残留する接着促進剤層218がウェハの残りの部分上に犠牲層220を保持する。
いったんパターン形成された接着促進剤層218が形成されると、マスク216は、アッシング又はウェットエッチングなどの周知のプロセスによって除去され、図2Eに示すように犠牲層220が堆積される。犠牲層220として使用可能な適切な材料は、炭素骨格を有する長鎖分子を含む、有機物に基づく誘電体を含む。犠牲層220として使用可能な特定の材料は、ダウ・ケミカルから入手可能なSILK(登録商標)又はJSRから入手可能なLKD 7200シリーズなどの、ポリアリーレン又はポリフェニレンに基づくポリマーを含む。パターン形成された接着促進剤層218の有機官能基は、犠牲層220のために必要な結合官能基を提供する。犠牲層220はスピンオンプロセスによって堆積され、次いでキュアされてもよい。パターン形成された接着促進剤層218は、スピンオン犠牲層220用の適切な接着をもたらし、MEMSデバイス200プロセスステップの残りを行う間に犠牲層220が残存することを可能にする。いったん犠牲層220が堆積されると、それはパターン形成され、デバイス200の残りが形成される。
犠牲層220の上にスイッチング素子222が形成され、スイッチング素子222上に別の犠牲層224が形成されて、スイッチング素子222は犠牲材料内に埋め込まれる。第2の犠牲層の大部分は第1の犠牲層の上にあるので、この段階では余分な接着層は必要ではないが、接着層が必要とされる場合には、キャビティ領域に残らないようにそのような接着層をパターン形成することができる。スイッチング素子222は、導電材料のブランケット堆積を行い、その上にマスクを形成し、導電材料をエッチングしてスイッチング素子222を形成し、次いで、アッシング又はエッチングなどの周知のプロセスでマスクを除去することによって、形成される。スイッチング素子222は、電気的接続204に電気的に接続される。
いったんキャビティ226の内部形状を定義するためにすべての犠牲材料が堆積されてパターン形成されると、キャビティ226は、図2Fに示すように屋根228及び壁230が存在するように、カプセル化されてもよい。開口部は、犠牲層220、224を除去するエッチング液を導入して、スイッチング素子222がキャビティ226内で自由に移動できるようにするために、屋根228及び壁230の1つ以上を通って形成されてもよい。犠牲層220、224は、異方性のプラズマエッチングプロセスによって除去される。図2Gから分かるように、犠牲層220を堆積する前に接着促進剤層212がキャビティ226から除去されたので、キャビティ226内に残留物は存在せず、スイッチング素子は、絶縁層210の残留物又は反発的な電荷によって妨害されることはない。
スイッチング素子222は、自由端と、電気的接続204に接続された固定端とを有するカンチレバー構造として示されているが、本発明がそのようなスイッチング素子に制限されないことは理解されるべきである。本発明は、他のスイッチング素子に等しく適用可能であり、例えば、対向する端部に固定されたスイッチング素子であって、これらの端部における電気的接続と、RF電極から離れた位置及びRF電極へ接近した位置の間で移動可能な固定端間の可撓性のブリッジとを備えたスイッチング素子に適用可能である。スイッチング素子222として使用可能な適切な材料は、窒化チタン、チタンアルミニウム、タングステン、銅、窒化チタンアルミニウム、アルミニウム、及びそれらの組み合わせを含み、また、窒化チタン−アルミニウム−窒化チタン、又は、酸化物−窒化チタンアルミニウム−酸化物の積み重ねなどの、多層構造物を含む。スイッチング素子222は、物理蒸着法(PVD)などの方法で導電材料を堆積し、次に、エッチングなどのプロセスで導電材料をパターン形成することによって形成されてもよい。望むならば、絶縁材料は、スイッチング素子222の上面及び下面の1つ以上の上に形成されてもよい。
図3A及び図3Bは、ここで議論する実施形態で利用してもよいスイッチング素子222の例である。図3Aにおいて、スイッチング素子222は、スイッチング素子222の導電部分302を少なくとも部分的にカプセル化する、複数の誘電体層304を含む。誘電体層304は導電部分302より薄い。誘電体層304がなければ、露出した導電材料と犠牲材料が相互作用してキャビティ226に残る不揮発性の残留物を生じさせるので、誘電体層304は有益である。導電部分302をキャビティ226から少なくとも部分的に分離することが、それらを誘電体層304(例えば二酸化ケイ素などの酸化物材料)でカプセル化することで行われる場合、リリース後の残留物の量は、著しく減少するか、又はすべて除去される。
図3Bは別の実施形態に係るスイッチング素子222を示す。スイッチング素子222は、1つ以上の導電性ポスト330によって下部310が上部320に接続される、ワッフルのような構造を有する。下部310は導電部分312を含み、導電部分312は、少なくとも部分的に導電部分312をカプセル化する複数の誘電体層314によって包囲される。同様に、上部320は導電部分322を含み、導電部分322は、少なくとも部分的に導電部分322をカプセル化する複数の誘電体層324によって包囲される。
MEMSデバイスにおいてデバイスキャビティの外部の領域で接着促進剤層を用いることにより、犠牲層は、別のMEMSプロセス中に剥離するおそれなしに、堆積されて接着されてもよい。キャビティ内のケイ素に基づく接着層なしで、ケイ素残留物は削減又は除去される。したがって、MEMSデバイスは、犠牲材料が剥離するおそれなしに、又は接着材料の残留物がMEMSデバイスの機械的又は電気的動作を損なうおそれなしに、必要な犠牲材料を用いて製造されてもよい。
同様に他の方法によっても、接着促進剤層が除去されてもよく、及び/又はキャビティ領域内に存在しなくなってもよいということが理解されるべきである。例えば、誘電体層の上にマスクが形成されてもよいことが意図される。マスクは、キャビティの下の所望形状を有する。そのとき、接着促進剤は基板上に堆積されたブランケットである。その後、所望の領域上に接着促進剤が存在しないように、マスクは、その上の接着促進剤材料とともに除去される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の基本的な範囲から離れることなく、本発明の他の実施形態及び別の実施形態を実施することもできる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって決まる。

Claims (21)

  1. MEMSデバイスを製造する方法であって、
    キャビティ内に包囲される第1の部分及び上記キャビティ外に配置される第2の部分を有する基板上に、接着層を堆積することと、
    上記第1の部分の上に配置された領域において上記接着層を除去することと、
    上記接着層及び上記基板の第1の部分の上に犠牲層を堆積することと、
    上記犠牲層の上にスイッチング素子を形成することと、
    上記スイッチング素子を上記キャビティ内で包囲することと、
    上記犠牲層を除去することとを含む方法。
  2. 上記接着層はケイ素を含む請求項1記載の方法。
  3. 上記犠牲層は誘電体材料を含む請求項2記載の方法。
  4. 上記誘電体材料は有機誘電体材料である請求項3記載の方法。
  5. 上記接着層を除去することは、
    上記接着層の上にフォトレジスト層を堆積することと、
    上記基板の第1の部分に対応する、上記フォトレジスト層の選択された領域を感光させることと、
    上記フォトレジスト層を現像して、上記フォトレジスト層の選択された領域を除去し、これによりマスクを形成し、上記第1の部分の上に配置された領域における上記接着層を露出させることと、
    上記露出した接着層をエッチングすることとを含む請求項1記載の方法。
  6. 上記接着層を堆積する前に、上記基板の上に電気絶縁層を堆積することをさらに含む請求項5記載の方法。
  7. 上記接着層は、有機材料に共有結合したケイ素を含む請求項1記載の方法。
  8. 第1の部分及び第2の部分を有する基板の上のMEMSデバイスを製造する方法であって、
    上記基板の第1の部分の上に接着層を選択的に形成することと、
    上記接着層及び上記基板の第2の部分の上に犠牲層を形成することと、
    上記犠牲層及び上記基板の第2の部分の上にスイッチング素子を形成することと、
    上記基板の第2の部分を少なくとも部分的に境界として有するキャビティによって上記スイッチング素子を包囲することと、
    上記犠牲層を除去することとを含む方法。
  9. 上記接着層はケイ素を含む請求項8記載の方法。
  10. 上記犠牲層は誘電体材料を含む請求項9記載の方法。
  11. 上記誘電体材料は有機誘電体材料である請求項10記載の方法。
  12. 上記接着層を選択的に形成する前に、上記基板の上に電気絶縁層を堆積することをさらに含む請求項11記載の方法。
  13. 上記接着層を堆積する前に、上記基板の上に電気絶縁層を堆積することをさらに含む請求項8記載の方法。
  14. 上記接着層は、有機材料に共有結合したケイ素を含む請求項8記載の方法。
  15. キャビティを少なくとも部分的に境界として有する第1の部分及び上記キャビティ外に配置される第2の部分を有する基板と、
    上記基板の第2の部分の上に配置され、上記第1の部分の上には配置されない接着層と、
    上記キャビティ内に配置されたスイッチング素子とを備えるデバイス。
  16. 上記デバイスはMEMSデバイスである請求項15記載のデバイス。
  17. 上記接着層は、有機材料に共有結合したケイ素を含む請求項16記載のデバイス。
  18. 上記基板の上に配置された電気絶縁層をさらに備え、上記接着層は上記電気絶縁層の上に配置される請求項17記載のデバイス。
  19. 上記接着層は、有機材料に共有結合したケイ素を含む請求項15記載のデバイス。
  20. 上記基板の上に配置された誘電体層をさらに備え、上記接着層は誘電体層の上に配置される請求項15記載のデバイス。
  21. 上記スイッチング素子は、上記誘電体材料において少なくとも部分的にカプセル化される請求項15記載のデバイス。
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