JP6147689B2

JP6147689B2 - Ｍｅｍｓ装置

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Publication number: JP6147689B2
Application number: JP2014042696A
Authority: JP
Inventors: 裕美林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2034-03-05
Also published as: US9568386B2; US20150253212A1; JP2015169465A

Description

本発明の実施形態は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）装置に関する。

ＭＥＭＳ技術を用いた圧力検出装置が提案されている。この圧力検出装置には、可変キャパシタが用いられている。具体的には、圧力に応じて変位する圧力感知部（圧力感知膜）で可変キャパシタを覆う。圧力感知部は可変キャパシタの上電極に接続されており、圧力感知部の変位に応じて可変キャパシタの上電極が変位する。したがって、可変キャパシタのキャパシタンスが圧力に応じて変化し、圧力検出が可能となる。

上述した圧力検出装置では、圧力感知部の内側には空所が存在する。そのため、圧力感知部の強度は強くない。したがって、圧力感知部に何らかの物体が接触すると、圧力感知部が悪影響を受け、正確な圧力検出ができなくなってしまう。

したがって、圧力感知部に物体が接触することを抑制することが可能なＭＥＭＳ装置が望まれている。

特開２０１３−１０３２８５号公報

圧力感知部に物体が接触することを抑制することが可能なＭＥＭＳ装置を提供する。

実施形態に係るＭＥＭＳ装置は、基板に固定された下電極と、前記下電極の上方に設けられた可動な上電極とを含む可変キャパシタと、前記可変キャパシタを覆い、前記上電極に接続され、加えられる圧力に応じて変位する圧力感知部と、前記圧力感知部の外側に設けられた保護構造と、を備える。

図１は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を模式的に示した断面図である。図２は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を模式的に示した平面図である。図３は、第１の実施形態の変更例に係るＭＥＭＳ装置の構成を模式的に示した平面図である。図４は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図５は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図６は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図７は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図８は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。図９は、第１の実施形態に係り、保護構造にテープを貼り付けた状態を模式的に示した図である。図１０は、第１の実施形態に係り、保護構造からテープを剥がした後の状態の一例を模式的に示した図である。図１１は、第１の実施形態に係り、保護構造からテープを剥がした後の状態の他の例を模式的に示した図である。図１２は、第２の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を模式的に示した断面図である。図１３は、第２の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を模式的に示した平面図である。

以下、実施形態を図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を模式的に示した断面図である。図２は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を模式的に示した平面図（平面パターン図）である。本実施形態のＭＥＭＳ装置は、圧力検出装置に適用される。

図１に示すように、基板１０上に可変キャパシタ１００が設けられている。基板１０には、半導体基板、トランジスタ及び配線等を含む回路、及び層間絶縁膜等が含まれる。可変キャパシタ１００は、基板１０上に設けられた固定された下電極２１と、下電極２１の上方に設けられた可動な上電極５１とを含む。下電極２１及び上電極５１は、金属材料によって形成されている。また、基板１０上には、配線部２３が設けられ、配線部２３上にはアンカー部５３が設けられている。アンカー部５３にはバネ部５４が接続されており、バネ部５４によって上電極５１が支えられている。

可変キャパシタ１００の外側には、圧力感知部（ダイヤフラム）７０が設けられている。圧力感知部７０は、可変キャパシタ１００を覆う膜で形成されている。具体的には、圧力感知部７０は、下層膜７１、中層膜７２及び上層膜７３によって形成されている。下層膜７１は、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜で形成されている。中層膜７２、例えば、ポリイミド等の有機絶縁膜で形成されている。上層膜７３は、例えば、シリコン窒化膜等の絶縁膜で形成されている。圧力感知部７０の一部はアンカー部７５を構成しており、このアンカー部７５が上電極５１に接続されている。圧力感知部７０の内側には空所８０が形成されており、この空所８０は密閉空間となっている。

圧力感知部７０に圧力感知部７０の外側から圧力が加わると、圧力感知部７０は加えられた圧力に応じて変位する。圧力感知部７０が変位すると、アンカー部７５を介して上電極５１が変位する。上電極５１が変位すると、上電極５１と下電極２１との距離が変化し、可変キャパシタ１００のキャパシタンスが変化する。したがって、可変キャパシタ１００のキャパシタンスを測定することにより、圧力感知部７０に加えられる圧力を検出することができる。

圧力感知部７０の外側には、圧力感知部７０から離間して、保護構造２００が設けられている。この保護構造２００は、圧力感知部７０に何らかの物体が接触することを抑制するために設けられており、圧力感知部７０に近接して配置されている。また、保護構造２００の上面は、圧力感知部７０の上面よりも高く位置する。言い換えると、保護構造２００の頂部は、圧力感知部７０の頂部よりも高く位置する。また、保護構造２００は、壁状の構造を有しており、圧力感知部７０を連続的に囲んでいる。すなわち、単一の保護構造２００が、圧力感知部７０の周囲に設けられている。

保護構造２００は、複数の層２２、３２、５２、６２、７１ａ、７２ａ及び７３ａの積層膜で形成されている。具体的には、保護構造２００は、可変キャパシタ１００を構成する材料と同一の材料で形成された部分を含む。また、保護構造２００は、圧力感知部７０を構成する材料と同一の材料で形成された部分を含む。

保護構造２００を形成する層２２は、下電極２１の形成工程と同一の工程で形成され、下電極２１の材料と同一の材料で形成されている。層３２は、後述する犠牲膜３１の形成工程と同一の工程で形成され、犠牲膜３１の材料と同一の材料で形成されている。層５２は、上電極５１の形成工程と同一の工程で形成され、上電極５１の材料と同一の材料で形成されている。層６２は、後述する犠牲膜６１の形成工程と同一の工程で形成され、犠牲膜６１の材料と同一の材料で形成されている。

層７１ａは、圧力感知部７０の下層膜７１の形成工程と同一の工程で形成され、下層膜７１の材料と同一の材料で形成されている。層７２ａは、圧力感知部７０の中層膜７２の形成工程と同一の工程で形成され、中層膜７２の材料と同一の材料で形成されている。層７３ａは、圧力感知部７０の上層膜７３の形成工程と同一の工程で形成され、上層膜７３の材料と同一の材料で形成されている。

なお、可変キャパシタ１００及び圧力感知部７０が設けられている部分では、後述する犠牲膜３１及び６１を除去することにより、下電極２１と上電極５１との距離が小さくなり、且つ上電極５１と下層膜７１との距離が小さくなる。そのため、上述したように、保護構造２００の上面は、圧力感知部７０の上面よりも高くなる。

以上のように、本実施形態では、圧力感知部７０の外側に保護構造２００が設けられている。この保護構造２００により、圧力感知部７０に外部から何らかの物体が接触することを抑制することができる。そのため、圧力感知部７０への悪影響、例えば圧力感知部７０の変形や破損等を防止することができる。その結果、圧力感知部７０の外側の空間の圧力を正確に検出することが可能となる。

また、本実施形態では、保護構造２００の上面が圧力感知部７０の上面よりも高く位置するため、圧力感知部７０に外部から物体が接触することをより効果的に抑制することができる。また、保護構造２００が圧力感知部７０を囲んでいるため、圧力感知部７０に外部から物体が接触することをより効果的に抑制することができる。また、保護構造２００が圧力感知部７０から離間しているため、保護構造２００の影響を受けることなく、圧力感知部７０で正確な圧力感知動作を行うことができる。

また、本実施形態では、保護構造２００が可変キャパシタ１００を構成する材料と同一の材料で形成された部分を含む。そのため、保護構造２００の構成材料を可変キャパシタ１００の構成材料と共用することができ、効率的にＭＥＭＳ装置を製造することができる。また、保護構造２００は、圧力感知部７０を構成する材料と同一の材料で形成された部分を含む。そのため、保護構造２００の構成材料を圧力感知部７０の構成材料と共用することができ、効率的にＭＥＭＳ装置を製造することができる。

なお、上述した実施形態では、図２に示すように、保護構造２００が圧力感知部７０を連続的に囲んでいたが、図３に示すように、保護構造２００が圧力感知部７０を不連続的に囲んでいてもよい。すなわち、保護構造２００が互いに分離された複数の部分で構成され、これらの複数の部分が圧力感知部７０の周囲に設けられていてもよい。この場合にも、上述した効果と同様の効果を得ることができる。

次に、本実施形態に係るＭＥＭＳ装置の製造方法を、図１、図２及び図４〜図８を参照して説明する。

まず、図４に示すように、基板１０上に可変キャパシタ１００の下電極膜を形成する。この下電極膜には、例えば金属膜が用いられる。続いて、この下電極膜をパターニングして下電極２１を形成する。このとき、保護構造２００を構成する層２２のパターン及び配線２３も同時に形成される。

次に、図５に示すように、図４の構造上に、ポリイミド等の有機絶縁膜を用いて犠牲膜３０を形成する。続いて、犠牲膜３０上にフォトレジストパターン４０を形成する。

次に、図６に示すように、フォトレジストパターン４０をマスクとして用いて犠牲膜３０をパターニングして、犠牲膜パターン３１を形成する。このとき、保護構造２００を構成する層３２のパターンも同時に形成される。さらに、フォトレジストパターン４０を除去する。

次に、図７に示すように、図６の構造上に、可変キャパシタ１００の上電極膜を形成する。この上電極膜には、例えば金属膜が用いられる。続いて、上電極膜をパターニングして上電極５１を形成する。このとき、保護構造２００を構成する層５２のパターンも同時に形成される。また、図７の工程では、アンカー部５３及びバネ部５４も形成される。

次に、図８に示すように、図７の構造上に、ポリイミド等の有機絶縁膜を用いて犠牲膜を形成する。さらに、この犠牲膜をパターニングして、犠牲膜パターン６１を形成する。このとき、保護構造２００を構成する層６２のパターンも同時に形成される。

次に、図１に示すように、図８の構造上に、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜を用いて、圧力感知部７０の下層膜７１を形成する。続いて、この下層膜７１に複数の穴を形成する。さらに、これらの穴を通してアッシングを行い、犠牲膜３１及び６１を除去する。このとき、保護構造２００が形成される領域では、下層膜７１に穴は形成されていないため、保護構造２００が形成される領域では犠牲膜は除去されない。そのため、保護構造２００が形成される領域では、犠牲膜で形成された層３２及び６２が残る。

次に、下層膜７１等が形成された構造上に、ポリイミド等の有機絶縁膜を用いて、圧力感知部７０の中層膜７２を形成する。この中層膜７２により、下層膜７１に形成された穴が封止される。続いて、この中層膜７２をパターニングする。

次に、中層膜７２等が形成された構造上に、シリコン窒化膜等の絶縁膜を用いて、圧力感知部７０の上層膜７３を形成する。

このようにして、図１に示すように、可変キャパシタ１００、圧力感知部７０及び保護構造２００が形成される。保護構造２００は、複数の層２２、３２、５２、６２、７１ａ、７２ａ及び７３ａの積層膜で形成される。また、圧力感知部７０の内側には空所８０が形成される。

なお、犠牲膜３１及び６１を除去することで、下電極２１と上電極５１との距離が小さくなり、上電極５１と下層膜７１との距離も小さくなる。そのため、保護構造２００の上面は、圧力感知部７０の上面よりも高くなる。

以上のようにして、図１及び図２に示すような構造が形成される。

本実施形態の製造方法では、保護構造２００を形成する工程は、可変キャパシタ１００を形成する工程と同時に行われる工程を含む。また、保護構造２００を形成する工程は、圧力感知部７０を形成する工程と同時に行われる工程を含む。したがって、特別な製造工程を追加しなくても、保護構造２００を形成することが可能である。したがって、製造工程の簡単化をはかることができる。

また、保護構造２００は、圧力感知部７０の内側に空所８０を形成するために用いられる犠牲膜３１及び６１の材料と、同一の材料で形成された部分を含んでいる。一方、可変キャパシタ１００及び保護構造２００が形成された領域では、犠牲膜３１及び６１が除去されている。そのため、保護構造２００の上面を、圧力感知部７０の上面よりも高くすることができる。

次に、図１及び図２に示した構造を形成した後の工程について説明する。図１及び図２に示した構造を形成した後には、ＢＳＧ（back side grinding）工程、ダイシング工程及びボンディング工程等が行われる。これらの工程において、保護構造２００が形成されていれば、外部から圧力感知部７０へ物体が接触することを、抑制することができる。したがって、圧力感知部７０への悪影響を防止することができる。

例えば、ＢＳＧ工程では、図９に示すように、基板の表面側にテープ９０を貼り付け、裏面側から研削を行って半導体基板（半導体ウェハ）を薄くする。仮に、保護構造２００が形成されていないとすると、圧力感知部７０にテープが貼り付けられ、圧力感知部７０に悪影響を与えるおそれある。本実施形態では、保護構造２００が形成されているため、保護構造２００にテープが貼り付けられることになり、圧力感知部７０への悪影響を防止することができる。

また、ダイシング工程は、水を流しながら行うことが一般的である。しかしながら、圧力検出装置では、膜状の圧力感知部７０に水がかかることは好ましくない。そのような場合には、上述したようなＢＳＧ工程によって基板を薄くしておくことにより、水を使用しないレーザーダイシングを適用することが可能である。

また、基板の裏面側からダイシングを行う場合、基板の表面側にテープを貼り付ける必要があるが、この場合にも、保護構造２００にテープが貼り付けられることになり、圧力感知部７０への悪影響を防止することができる。

ＢＳＧ工程等が終了した後は、保護構造２００からテープが剥がされる。その際に、保護構造２００の一部或いは全部がテープによって剥がされる場合もある。

図１０は、保護構造２００からテープを剥がす際に、保護構造２００の一部がテープによって剥がされた場合を模式的に示した図である。保護構造２００は複数の層で形成されているため、通常は密着性が最も弱い箇所から保護構造２００の一部が剥がされる。なお、保護構造２００に密着性の悪い別の層を形成しておき、この密着性の悪い別の層から保護構造２００の一部が剥がされるようにしてもよい。

図１１は、保護構造２００からテープを剥がす際に、保護構造２００の全部がテープによって剥がされた場合を模式的に示した図である。この場合には、積層膜の不連続箇所が形成される。

上記のようにして、保護構造２００の一部或いは全部がテープによって剥がされたとしても、その後にテープの貼り付け工程がなければ、圧力感知部７０にテープが貼り付けられることはない。したがって、保護構造２００の一部或いは全部がテープによって剥がされたとしても、圧力感知部７０への悪影響を抑制することができる。

（実施形態２）
次に、第２の実施形態について説明する。本実施形態のＭＥＭＳ装置も、第１の実施形態と同様に圧力検出装置に適用されるものである。なお、本実施形態の基本的な構成や製造方法は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態で説明した事項の説明は省略する。

図１２は、本実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を模式的に示した断面図である。図１３は、本実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を模式的に示した平面図（平面パターン図）である。なお、図１及び図２で示した構成要素と対応する構成要素には、対応する参照番号を付し、それらの説明は省略する。

本実施形態では、保護構造として、第１の実施形態で示した保護構造２００の代わりにバンプ２１０が形成されている。具体的には、圧力感知部７０の外側に、圧力感知部７０から離間して、複数のバンプ２１０が設けられている。バンプ２１０は、第１の実施形態の保護構造２００と同様、圧力感知部７０に外部から何らかの物体が接触することを抑制するために設けられており、圧力感知部７０に近接して配置されている。バンプ２１０の上面は、圧力感知部７０の上面よりも高く位置する。言い換えると、バンプ２１０の頂部は、圧力感知部７０の頂部よりも高く位置する。また、バンプ２１０は、圧力感知部７０を不連続的に囲んでいる。

複数のバンプ２１０は、圧力感知部７０の中心を通る所定の直線に対して対称に配置されていることが好ましい。複数のバンプ２１０を対称に配置することで、圧力感知部７０に対する保護機能を効果的に発揮させることができる。

バンプ２１０は、圧力感知部７０を形成した後に形成される。バンプ２１０を形成する前の基本的な製造工程は、第１の実施形態と同様である。

以上のように、保護構造としてバンプを用いた場合にも、第１の実施形態で述べた効果と同様の効果を得ることが可能である。

なお、上述した第１及び第２の実施形態では、圧力感知部７０にアンカー部７５を設け、アンカー部７５を介して圧力感知部７０の本体部分を可変キャパシタ１００の上電極５１に接続するようにしたが、圧力感知部７０にアンカー部７５を設けずに、圧力感知部７０の下面と可変キャパシタ１００の上電極５１とを直接、接続するようにしてもよい。この場合にも、第１及び第２の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…基板２１…下電極２２…保護構造の層２３…配線部
３１…犠牲膜３２…保護構造の層４０…フォトレジストパターン
５１…上電極５２…保護構造の層５３…アンカー部５４…バネ部
６１…犠牲膜６２…保護構造の層
７０…圧力感知部７１…下層膜７２…中層膜７３…上層膜
７１ａ…保護構造の層７２ａ…保護構造の層７３ａ…保護構造の層
７５…アンカー部
８０…空所９０…テープ
１００…可変キャパシタ２００…保護構造２１０…バンプ

Claims

基板に固定された下電極と、前記下電極の上方に設けられた可動な上電極とを含む可変キャパシタと、
前記可変キャパシタを覆い、その内側に空所を形成し、前記上電極に接続され、加えられる圧力に応じて変位する圧力感知部と、
前記圧力感知部の外側に設けられ、前記空所を形成するために用いられる有機絶縁物と同一の有機絶縁物で形成された層を含む保護構造と、
を備えたことを特徴とするＭＥＭＳ装置。
前記保護構造の上面は、前記圧力感知部の上面よりも高く位置する
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
前記保護構造は、前記圧力感知部から離間している
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
前記保護構造は、壁状の構造を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
前記保護構造は、前記下電極の材料と同一の材料で形成された層を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
前記保護構造の最上層は、前記圧力感知部の最上層の材料と同一の材料で形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
基板に固定された下電極と、前記下電極の上方に設けられた可動な上電極とを含む可変キャパシタを形成する工程と、
前記可変キャパシタを覆い、その内側に空所を形成し、前記上電極に接続され、加えられる圧力に応じて変位する圧力感知部を形成する工程と、
前記圧力感知部の外側に設けられ、前記空所を形成するために用いられる有機絶縁物と同一の有機絶縁物で形成された層を含む保護構造を形成する工程と、
を備えたことを特徴とするＭＥＭＳ装置の製造方法。