JP2005028504A

JP2005028504A - MEMS device and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP2005028504A
Application number: JP2003196032A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Saga; 幸一郎嵯峨
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-02-03

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an MEMS element having a diaphragm structure, which is easily manufactured by preventing the corrosion of exposed metallic material portions when a sacrificial film is etched, and further to provide a method for manufacturing the same. SOLUTION: The method for manufacturing the MEMS element comprises processes for: forming a sacrificial film 13 composed of a metallic film or a metal nitride film or a metal oxide film on the surface of a semi-conductor substrate 12; forming a thin film 17, which becomes a movable thin piece later, on the sacrificial film 13; and removing the sacrificial film 13 by etching, using a solution having selectivity and forming the movable thin piece 11 so as to face the surface of the semi-conductor substrate 12 separated by a disconnection space 28. COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＥＭＳ素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、表面マイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板の表面に小型の圧力センサや加速度センサ等のＭＥＭＳ素子を形成し、更にそのＭＥＭＳ素子を動作させる信号を処理する回路を該基板上に集積した装置が提案されている。これらのＭＥＭＳ素子はダイアフラム構造を有している。このダイアフラム構造の作製においては、犠牲膜を形成して置き、可動するための構造体を形成した後、この犠牲膜を除去することで、完成する。
【０００３】
従来技術では、ダイアフラム等の可動薄片をシリコン多結晶膜やシリコン窒化膜で形成し、犠牲膜をシリコン酸化膜またはシリコン単結晶膜やシリコン多結晶膜で形成している。一方、ダイアフラムを可動させるために、電極や回路部を同時に形成している。電極は一般的にアルミニウムが用いられ、回路部はＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）プロセスで作製し、配線にはアルミニウム合金が用いられる。
【０００４】
ダイアフラム構造の作製方法の例は、特許文献１に記載されている。このダイアフラム構造は、前述と同様に犠牲膜を形成して置き、可動するための構造体を形成した後、この犠牲膜をエッチング除去して作製される。この犠牲膜のエッチング工程の終盤近く、または最終工程において行われる。
【０００５】
図１４及び図１５は、従来のダイアフラム構造を有するＭＥＭＳ素子の製造方法の例を示す。先ず、図１４Ａに示すように、シリコン単結晶基板１３２を用意する。次に、図１４Ｂに示すように、シリコン単結晶基板１３２上に例えばＣＶＤ法（化学気相成長法）などで犠牲膜となるシリコン酸化膜１３３を形成する。次に、図１４Ｃに示すように、ダイアフラム形成領域１４１及び電極取出し領域１４２に対応する部分にフォトレジスト膜１３４Ａ，１３４Ｂが残るように、所要パターンのフォトレジストマスク４を形成する。次に、図１４Ｄに示すように、レジストマスク１３４を介してシリコン酸化膜３をパターニングして、ダイアフラム形成領域１４１と電極取出し領域１４２に対応する部分のシリコン酸化膜１３３を残す。次に、図１４Ｅに示すように、シリコン酸化膜による犠牲膜１３３を含む基板１３２上の全面にダイアフラムとなるシリコン窒化膜１３５、多結晶シリコン膜１３６及びシリコン窒化膜１３７を例えばＣＶＤ法により順次積層した積層膜１３８を形成する。
【０００６】
次に、図１５Ｆに示すように、積層膜１３８上に電極取出し領域１４２と犠牲膜１３３を除去する際の透孔（例えば四隅の透孔）となる部分とに開口１４３及び１４４を有する所要パターンのフォトレジストマスク１３９を形成する。次に、図１５Ｇに示すように、フォトレジストマスク１３９を介してエッチングによるパターニングを行い、積層膜９にシリコン酸化膜１３３に達する透孔１４５及び開口１４６を形成する。次に、図１５Ｈに示すように、開口１６内に積層膜８の多結晶シリコン膜６と接続するようにアルミニウム電極１４７を選択的に形成する。アルミニウム電極１４７は、スパッタなどでアルミニウム膜を形成した後、アルミニウム膜をパターニングして形成することができる。次に、図１５Ｉに示すように、積層膜８に形成した四隅の透孔１４５を通じて、フッ化水素酸により犠牲膜のシリコン酸化膜１３３をエッチング除去する。これによって、中空部１４８を挟んで積層膜８によるダイアフラム１３１が形成される。なお、図示せざるも、シリコン単結晶基板１３２自身、あるいはシリコン単結晶基板１３２のダイアフラム１３１に対応する部分に基板１３２と異なる導電型の不純物導入領域を形成し、あるいはシリコン単結晶基板１３２の表面に絶縁膜を介して導電膜を形成して下部電極とすることができる。
【０００７】
【特許文献】
特開平１１ー８７７３６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来、犠牲膜をエッチング除去する方法としては、ドライ方式とウェット方式にいずれかを用いることになる。しかし、ダイアフラム構造では、除去すべき犠牲膜の体積が大きいために、ウェット方式でなければ十分なエッチング速度が得られない。ウェット方式によるエッチングにおいては、図１５Ｉで説明したように、例えば犠牲膜にシリコン酸化膜を用いた場合、１００〜３００ｎｍ／分のエッチング速度を持つフッ化水素酸によりエッチングが行われる。一方、犠牲膜にシリコンを用いる場合には、水酸化カリウムやアンモニア水、テトラメチルアンモニウム水酸化物が用いられる。
【０００９】
犠牲膜をエッチングする際に、電極や回路が露出していると、前述のような薬液を用いた場合、アルミニウムやアルミニウム合金が腐食してしまうという問題があった。即ち、図１４及び図１５の従来のダイアフラム構造の製造方法の例では、犠牲膜であるシリコン酸膜１３３をフッ化水素酸で除去する図１５Ｉの工程において、アルミニウム電極１４７がフッ化水素酸により腐食してしまう。犠牲膜に多結晶シリコン膜を用いた場合にも、水酸化カリウムにより同様なことが起きる。
【００１０】
本発明は、上述の点に鑑み、犠牲膜のエッチング時に露出されている金属材料部の腐食を防止し、高精度で高信頼性を有し、長寿命化を図ったダイアフラム構造を有するＭＥＭＳ素子を提供するものである。
また、本発明は、犠牲膜のエッチング時に、露出されている金属材料部の腐食を防止し、製造を容易にしたダイアフラム構造を有するＭＥＭＳ素子の製造方法を提供するものでる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＭＥＭＳ素子は、半導体基板の表面と可動薄片との間に、金属膜又は金属窒化膜又は金属酸化膜による犠牲膜を選択性のある溶液でエッチング除去して形成された分離空隙を有し、半導体基板に前記可動薄片の動作に伴う信号処理を行う信号処理回路が形成されて成る。
分離空隙は、窒化チタン、コバルト、酸化ハフニウムまたは酸化ジルコニウムのいずれかによる犠牲膜をエッチング除去して形成することができる。
【００１２】
本発明のＭＥＭＳ素子では、半導体基板と可動薄片との間の分離空隙が、金属膜又は金属窒化膜又は金属酸化膜による犠牲膜の除去、即ち犠牲膜を選択性のある溶液での除去により形成されるので、エッチング時に露出している電極が腐食されない。
【００１３】
上記ＭＥＭＳ素子は、可動薄片にピエゾ抵抗素子を形成し、分離空隙を介してキャパシタンスを形成して、圧力または加速度による容量変化を検出するようにした容量型の圧力センサまたは加速度センサとして構成することができる。
上記ＭＥＭＳ素子は、可動薄片に焦電膜を形成し、赤外線による容量変化を検出するようにした赤外線センサとして構成することができる。
上記ＭＥＭＳ素子は、可動薄片を２つの電極ではさまれた圧電層で形成して共鳴器を構成し、空気／共鳴器界面において反射する音波を検出するようにした周波数フィルタとして構成することができる。
【００１４】
本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法は、半導体基板の表面に金属膜又は金属窒化膜又は金属酸化膜による犠牲膜を形成する工程と、犠牲膜上に可動薄片となる薄膜を形成する工程と、犠牲膜を選択性のある溶液によりエッチング除去し、分離空隙を挟んで半導体基板の表面と対向する可動薄片を形成する工程とを有する。
犠牲膜には、窒化チタン、コバルト、酸化ハフニウムまたは酸化ジルコニウムを用いることができる。
【００１５】
本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法では、犠牲膜に金属膜又は金属窒化膜又は金属酸化膜を用いて可動薄片となる薄膜を形成して後、犠牲膜を選択性のある溶液でエッチング除去する工程を有するので、エッチング時に露出している電極を腐食することなく犠牲膜のみが除去さる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
前述した課題は、犠牲膜の材料とアルミニウムのエッチング選択比が小さいことにより起きる。この課題を解決するには、犠牲膜の材料とダイアフラム構造体の材料及び電極材料とのエッチング選択比が大きい、犠牲膜とエッチング液の組み合わせを用いることにより達成される。
【００１７】
特に、犠牲膜として窒化チタン、電極材料としてコバルトを用いて、アンモニア／過酸化水素混合液やテトラメチルアンモニウム水酸化物等のアルカリ性水溶液を用いてエッチングすることにより、コバルト電極やダイアフラム構造材料を腐食させずに、窒化チタンの犠牲膜をエッチング除去できる。このため、低コストでかつ工程数の少ないプロセスで、歩留りや機械的強度（劈開。転位の発生方向、応力による塑性変形等）及びその信頼性を格段に向上させることができる。
【００１８】
また、犠牲膜としてコバルト、電極材料としてコバルトシリサイドを用いて、硫酸／過酸化水素混合液や、塩酸／過酸化水素混合液などの酸を用いてエッチングすることにより、上記と同様の効果が得られる。さらに、犠牲膜として酸化ハフニウムまたは酸化ジルコニウム、電極材料としてアルミニウムを用いて、酸化物を過剰に溶解した発煙硝酸等の酸を用いてエッチングすることにより、上記と同様の効果がえられる。
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１及び図２は、本発明に係るＭＥＭＳ素子の第１実施の形態をその製造方法と共に示す。本例のＭＥＭＳ素子は、ピエゾ抵抗素子を用いた圧力センサと該圧力センサの信号処理回路を一体に組み込んだ半導体集積回路装置に適用した場合である。同図は圧力センサ用の１つの可動薄片となるダイアフラム部のみを示す。
【００２１】
ピエゾ抵抗素子を用いた圧力センサは、図示せざるも、ピエゾ抵抗素子となる例えば多結晶シリコン膜を含むダイアフラムを４個形成され、これら４個のダイアフラムが配線によりフルブリッジ接続された構成を備える。
【００２２】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子の製造は、先ず、図１Ａに示すように、半導体基板、本例ではシリコン単結晶基板１２を用意する。このシリコン単結晶の品位は、例えば、製法；ＣＺ（チョコラルスキー法、引き上げ法）、結晶方位；オフアングル（オフオリエンテーション）３±０．２°の（１００）面、導電型；ｎ型、ドーパント；リン、抵抗率；２０〜５０Ωｃｍ、直径２００ｍｍ、厚み７２５μｍである。オフアングル３±０．２°はエピタキシャル成長時の積層欠陥（スタッキングフォールト）の発生を防止するためである。
【００２３】
次に、図１Ｂに示すように、シリコン単結晶基板１２の表面に犠牲膜となる窒化チタン膜１３を形成する。本例ではスパッタにより膜厚１００ｎｍ程度の窒化チタン膜１３を形成する。
【００２４】
次に、図１Ｃに示すように、窒化チタン膜１３上に所要パターンのフォトレジストマスク１４を形成する。このフォトレジストマスク１４は、可動薄片となるダイアフラムの形成領域１５及び電極取出し領域１６に対応する部分にフォトレジスト膜１４Ａ，１４Ｂが残るように形成する。
【００２５】
次に、図１Ｄに示すように、窒化チタン膜１３をフォトレジストマスク１４を介して選択エッチングによりパターニングする。パターニングは、例えばドライエッチングにより行う。これにより、ダイアフラムの形成領域１５に対応する部分に窒化チタン膜による犠牲膜１３Ａが形成され、電極取出し領域１６に対応する部分に窒化チタン膜１３Ｂが形成される。
【００２６】
次に、図１Ｅに示すように、犠牲膜１３Ａ及び電極取出し領域の窒化チタン膜１３Ｂを含む基板全面にダイアフラムとなる薄膜１７を形成する。本例では薄膜１７として、シリコン窒化膜１８と多結晶シリコン膜１９とシリコン窒化膜２０とをそれぞれ減圧ＣＶＤ法により積層した積層膜で形成する。多結晶シリコン膜１９はひずみゲージとなるピエゾ抵抗素子として形成されるものであり、シリコン窒化膜１８及び１９はピエゾ抵抗素子の表面保護膜として形成されるものである。また、膜厚は本例ではシリコン窒化膜１８が３００ｎｍ程度、多結晶シリコン膜１９が２００ｎｍ程度、シリコン窒化膜２０が１００ｎｍ程度とすることができる。
【００２７】
次に、図２Ｆに示すように、積層膜１７上に電極取出し領域１６と犠牲膜１３Ａを除去する際の開口部（例えば四隅に開口部）に対応する部分に開口２２と２３を有する所要パターンのフォトレジストマスク２４を形成する。
【００２８】
次に、図２Ｇに示すように、フォトレジストマスク２４を介して積層膜１７を選択的にエッチングして、積層膜１７に窒化チタン膜１３Ｂ及び犠牲膜１３Ａに達する開口部２５及び２６を形成する。エッチングは例えばドライエッチングで行う。
【００２９】
次に、図２Ｈに示すように、コバルト膜を所要の膜厚で形成した後、電極形成領域１６に対応する部分を残して他部のコバルト膜を選択的に除去し、開口部２５内を含む領域１６にコバルト電極２７を形成する。本例では膜厚１００ｎｍ程度のコバルト膜をスパッタにより成膜して不要部分からコバルト膜を除去し、コバルト電極２７を形成する。このコバルト電極２７はダイアフラムとなる積層膜の多結晶シリコン膜１９と電気的に接続される。
【００３０】
次に、図２Ｉに示すように、窒化チタン膜による犠牲膜１３Ａをエッチング液、即ち窒化チタンをエッチングしコバルトをエッチングしない例えばアンモニア／過酸化水素混合液を用いて選択的にエッチング除去する。エッチングは開口部２６を通じて行う。本例では、アンモニア（ＮＨ_４ＯＨ）：過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）：水（Ｈ_２Ｏ）＝１：２：５の混合液を使用し、液温６５℃でエッチングを行う。この混合比と温度では、犠牲膜１３Ａである窒化チタン膜のエッチング速度は１００ｎｍ／ｍｉｎである。
【００３１】
アンモニアの混合比を大きくすることにより、犠牲膜１３Ａの窒化チタン膜のエッチング速度は大きくなるが、大きすぎると、積層膜１７の多結晶シリコン膜１９がエッチングされてしまう。エッチング液が上記混合比と温度であれば、コバルト電極２７及び多結晶シリコン膜１９のエッチング速度は、１ｎｍ／ｍｉｎ以下となり、実効的には全くエッチングされない。ここで、選択エッチングの推量液として、アンモニア／過酸化水素混合液に限定されるものではなく、テトラメチルアンモニウム水酸化物等のアルカリ性の水溶液であれば同様の効果が得られる。
【００３２】
このようにして、犠牲膜１３Ａの除去により分離空隙、いわゆる中空部２８を形成し、中空部２８を挟んで基板１２に対向する積層膜１７からなる圧力センサ用のダイアフラム１１を形成する。即ち、ピエゾ抵抗素子（ひずみゲージ）となる多結晶シリコン膜１９とその上下の窒化チタン膜２０及び１８からなり、周囲をシリコン基板１２に固定されたダイアフラム１１を形成する。このダイアフラム１１は４個形成され、各電極２７を介してそれぞれ配線によりフルブリッジ接続されて圧力センサが形成される。また、図示せざるもシリコン単結晶基板１２の他部には、圧力センサの動作に伴う信号処理を行う信号処理回路を形成する。この場合、信号処理回路において犠牲膜１３Ａが除去されるときに露出している電極、配線等の導電膜は、コバルト電極２７と同じ金属材料のコバルトで形成される。これにより、目的の圧力センサ及び信号処理回路が一体に形成されて目的の半導体集積回路装置、即ちＭＥＭＳ素子２９を得る。
【００３３】
第１実施の形態によれば、コバルト電極２７を腐食させることなく、犠牲膜１３Ａのみを選択的にエッチング除去し圧力センサ用のダイアフラム１１を形成することができる。従って、高精度で高信頼性を有し、かつ長寿命のＭＥＭＳ素子、即ちマイクロ圧力センサ装置を製造することができる。
【００３４】
図３及び図４は、本発明に係るＭＥＭＳ素子の第２実施の形態をその製造方法と共に示す。本例のＭＥＭＳ素子も、圧力センサと該圧力センサの信号処理回路を一体に組み込んだ半導体集積回路に適用した場合である。同図は圧力センサ用の１つの可動薄片となるダイアフラム部のみを示す。
【００３５】
圧力センサの構成は前述の第１実施の形態で説明したと同様であるので、重複説明は省略する。
【００３６】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子の製造方法は、先ず、図３Ａに示すように、半導体基板、本例ではシリコン単結晶基板３２を用意する。このシリコン単結晶の品位は、第１実施の形態で説明したのと同様である。
【００３７】
次に、図３Ｂに示すように、シリコン単結晶基板３２の表面に犠牲膜となる窒化チタン膜３３とその上のコバルト膜３４を形成する。本例ではスパッタにより膜厚１００ｎｍの窒化チタン膜３３と膜厚３０ｎｍのコバルト膜３４を続けて形成する。
【００３８】
次に、図３Ｃに示すように、コバルト膜３４上に所要パターンのフォトレジストマスク３５を形成する。このフォトレジストマスク３５は、可動薄片となるダイアフラムの形成領域１５及び電極取出し領域１６に対応する部分にフォトレジスト膜３５Ａ，３５Ｂが残るように形成する。
【００３９】
次に、図３Ｄに示すように、コバルト膜３４及び窒化チタン膜３３をフォトレジストマスク３５を介して選択エッチングによりパターニングする。パターニングは、例えばドライエッチングにより行う。これにより、ダイアフラムの形成領域１５に対応する部分に窒化チタン膜による犠牲膜３３Ａとコバルト膜３４Ａが形成され、電極取出し領域１６に対応する部分に窒化チタン膜３３Ｂとコバルト膜３４Ｂが形成される。
【００４０】
次に、図３Ｅに示すように、コバルト膜３４Ａ及び３４Ｂ含む基板全面にダイアフラムの一部となるシリコン窒化膜３８と多結晶シリコン膜３９とシリコン窒化膜４０とからなる積層膜を減圧ＣＶＤ法によりを形成する。多結晶シリコン膜３９はひずみゲージとなるピエゾ抵抗素子として形成されるものであり、シリコン窒化膜３８及び４０はピエゾ抵抗素子の表面保護膜として形成されるものである。また、膜厚は本例ではシリコン窒化膜３８が３００ｎｍ程度、多結晶シリコン膜３９が２００ｎｍ程度、シリコン窒化膜４０が１００ｎｍ程度とすることができる。
【００４１】
次に、図４Ｆに示すように、シリコン窒化膜４０上に電極取出し領域１６と犠牲膜となる窒化チタン膜３３Ａを除去する際の開口部（例えば四隅に開口部）に対応する部分に開口４２と４３を有する所要パターンのフォトレジストマスク４４を形成する。
【００４２】
次に、図４Ｇに示すように、フォトレジストマスク４４を介してダイアフラムを構成するコバルト膜４０、シリコン窒化膜３８、多結晶シリコン膜３９及びシリコン窒化膜４０からなる積層膜３７を選択的にエッチングして、ダイアフラムの形成領域１５では犠牲膜３３Ａに達する開口部４６を形成し、電極取出し領域１６ではコバルト膜３４Ｂに達する開口部４５を形成する。エッチングは例えばドライエッチングで行う。
【００４３】
次に、図４Ｈに示すように、コバルト膜を所要の膜厚で形成した後、電極形成領域１６に対応する部分を残して他部のコバルト膜を選択的に除去し、開口部４５内を含む領域１６にコバルト電極４７を形成する。本例では膜厚８０ｎｍ程度のコバルト膜をスパッタにより成膜して不要部分からコバルト膜を除去し、コバルト電極２７を形成する。このコバルト電極２７はダイアフラムとなる積層膜の多結晶シリコン膜１９と電気的に接続される。
【００４４】
次に、図４Ｉに示すように、窒化チタン膜による犠牲膜３３Ａをエッチング液、即ち窒化チタンをエッチングしコバルトをエッチングしない例えばアンモニア／過酸化水素混合液を用いて選択的にエッチング除去する。エッチングは開口部２６を通じて行う。本例では、アンモニア（ＮＨ_４ＯＨ）：過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）：水（Ｈ_２Ｏ）＝１：２：５の混合液を使用し、液温６５℃でエッチングを行う。この混合比と温度では、犠牲膜１３Ａである窒化チタン膜のエッチング速度は１００ｎｍ／ｍｉｎである。
【００４５】
アンモニアの混合比を大きくすることにより、犠牲膜３３Ａの窒化チタン膜のエッチング速度は大きくなるが、大きすぎると、積層膜３７の多結晶シリコン膜１９がエッチングされてしまう。エッチング液が上記混合比と温度であれば、コバルト電極３４Ａ，４７及び多結晶シリコン膜３９のエッチング速度は、１ｎｍ／ｍｉｎ以下となり、実効的には全くエッチングされない。
【００４６】
このようにして、犠牲膜３３Ａの除去により分離空隙、いわゆる中空部４８を形成し、中空部４８を挟んで基板３２に対向する積層膜３７によるダイアフラム３１を形成する。即ち、ピエゾ抵抗素子（ひずみゲージ）となる多結晶シリコン膜３９とその上下の窒化チタン膜４０及び３８からなり、周囲をシリコン基板３２に固定されたダイアフラム３１を形成する。このダイアフラム３１は４個形成され、各電極４７を介してそれぞれ配線によりフルブリッジ接続されて圧力センサが形成される。また、図示せざるもシリコン単結晶基板の他部には、圧力センサの動作に伴う信号処理を行う信号処理回路を形成する。この場合、信号処理回路において犠牲膜３３Ａが除去されるときに露出している電極等の導電膜は、コバルト電極４７と同じ金属材料のコバルトで形成される。これにより、目的の圧力センサ及び信号処理回路が一体に形成されて目的の半導体集積回路装置、即ちＭＥＭＳ素子４９を得る。この第２実施の形態では、電極だけでなく、ダイアフラム３１の表面にも腐食しない金属、本例ではコバルト膜３４Ａを形成することで、シリコン窒化膜３８／多結晶シリコン膜３９／シリコン窒化膜４０の積層膜の下の面がエッチング液に全く露出せずに、いかなる微量のエッチングロスをも防止することができる。コバルト膜３４Ａを有することにより、アルカリ溶液で犠牲膜をエッチング除去する際に、アルカリ溶液でシリコン窒化膜３８の表面が荒れるのを防ぐことができる。
【００４７】
第２実施の形態によれば、コバルト電極４７を腐食させることなく、犠牲膜３３Ａのみを選択的にエッチング除去し圧力センサ用のダイアフラム３１を形成することができる。従って、高精度で高信頼性を有し、かつ長寿命のＭＥＭＳ素子、即ちマイクロ圧力センサ装置を製造することができる。
【００４８】
図５及び図６は、本発明に係るＭＥＭＳ素子の第３実施の形態をその製造方法と共に示す。前述の第１、第２実施の形態では、犠牲膜として窒化チタン、電極材料としてコバルトを用いたが、本実施の形態は、犠牲膜としてコバルト、電極材料としてコバルトシリサイド膜を用いた場合である。
本例のＭＥＭＳ素子も、圧力センサと該圧力センサの信号処理回路を一体に組み込んだ半導体集積回路に適用した場合である。同図は圧力センサ用の１つの可動薄片となるダイアフラム部のみを示す。
【００４９】
圧力センサの構成は前述の第１実施の形態で説明したと同様であるので、重複説明は省略する。
【００５０】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子の製造方法は、先ず、図５Ａに示すように、半導体基板、本例ではシリコン単結晶基板５２を用意する。このシリコン単結晶の品位は、第１実施の形態で説明したのと同様である。
【００５１】
次に、図５Ｂに示すように、シリコン単結晶基板３２の表面にシリコン酸化膜５３とその上の犠牲膜となるコバルト膜５４を形成する。本例ではＣＶＤ法による膜厚５０ｎｍ程度のシリコン酸化膜５３を形成し、スパッタにより膜厚１００ｎｍ程度のコバルト膜５４を形成する。
【００５２】
次に、図５Ｃに示すように、コバルト膜５４上に所要パターンのフォトレジストマスク５５を形成する。このフォトレジストマスク５５は、可動薄片となるダイアフラムの形成領域１５及び電極取出し領域１６に対応する部分にフォトレジスト膜５５Ａ，５５Ｂが残るように形成する。
【００５３】
次に、図５Ｄに示すように、コバルト膜５４及びシリコン酸化膜５３をフォトレジストマスク５５を介して選択エッチングによりパターニングする。パターニングは、例えばドライエッチングにより行う。これにより、ダイアフラムの形成領域１５に対応する部分にコバルト膜による犠牲膜５４Ａとその直下のシリコン酸化膜５３Ａが形成され、電極取出し領域１６に対応する部分にコバルト膜による犠牲膜５４Ｂとその直下のシリコン酸化膜５３Ｂが形成される。
【００５４】
次に、図５Ｅに示すように、コバルト膜５４Ａ及び５４Ｂ含む基板全面にダイアフラムとなる薄膜５７を形成する。本例では薄膜５７としてシリコン窒化膜５８と多結晶シリコン膜５９とシリコン窒化膜６０とをそれぞれ減圧ＣＶＤ法により積層した積層膜で形成する。多結晶シリコン膜５９はひずみゲージとなるピエゾ抵抗素子として形成されるものであり、シリコン窒化膜５８及び６０はピエゾ抵抗素子の表面保護膜として形成されるものである。また、膜厚は本例ではシリコン窒化膜５８が３００ｎｍ程度、多結晶シリコン膜５９が２００ｎｍ程度、シリコン窒化膜６０が１００ｎｍ程度とすることができる。
【００５５】
次に、図６Ｆに示すように、シリコン窒化膜６０上に電極取出し領域１６と犠牲膜となるコバルト膜５４Ａを除去する際の開口部（例えば四隅に開口部）に対応する部分に開口６２と６３を有する所要パターンのフォトレジストマスク６４を形成する。
【００５６】
次に、図６Ｇに示すように、フォトレジストマスク６４を介してダイアフラムを構成するシリコン窒化膜５８、多結晶シリコン膜５９及びシリコン窒化膜６０からなる積層膜５７を選択的にエッチングして、コバルト膜５４Ｂ及び犠牲膜となるコバルト膜５４Ａに達する開口部６５及び６６を形成する。エッチングは例えばドライエッチングで行う。
【００５７】
次に、図６Ｈに示すように、多結晶シリコン膜を所要の膜厚で形成した後、電極形成領域１６に対応する部分を残して他部の多結晶シリコン膜を選択的に除去し、開口部６５内を含む領域１６に多結晶シリコン膜６７を形成する。本例では多結晶シリコン膜６７をＣＶＤ法により成膜して不要部分の多結晶シリコン膜をエッチング除去する。
【００５８】
次に、図６Ｉに示すように、所要の温度、時間でアニールし、多結晶シリコン膜６７とその下部のコバルト膜５４Ｂとを反応させて、コバルトシリサイド化して、コバルトシリサイド電極６８を形成する。本例では６００℃、３０分間のアニール処理を施してコバルトシリサイド化する。この反応は一部ダイアフラムを構成する積層膜５７の多結晶シリコン膜５９にも進行する。これにより、コバルトシリサイド電極６８はダイアフラムの多結晶シリコン膜５９と電気的に接続される。
【００５９】
次に、図６Ｊに示すように、コバルト膜による犠牲膜５４Ａをエッチング液、即ちコバルトをエッチングし、コバルトシリサイドをエッチングしない例えば硫酸／過酸化水素混合液を用いて選択的にエッチング除去する。エッチングは開口部６６を通じて行う。本例では、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）：過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）＝５：１の混合液を使用し、液温１３０℃でエッチングを行う。この混合比と温度では、犠牲膜５４Ａであるコバルト膜のエッチング速度は１００ｎｍ／ｍｉｎである。
【００６０】
上記のエッチング液であれば、コバルトシリサイドのエッチング速度は１ｎｍ／ｍｉｎ以下で、実効的には全くエッチングされない。
【００６１】
上記犠牲膜と電極との組み合わせにおける犠牲膜のエッチング液は、硫酸／過酸化水素混合液に限らず、他の酸でも選択除去可能である。例えば、塩酸／過酸化水素混合液の場合、塩酸（ＨＣｌ）：過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）：水（Ｈ_２Ｏ）＝１：２：５の混合液を使用し、液温８０℃でエッチングを行うことにより、コバルトを選択除去することができる。
【００６２】
このようにして、犠牲膜５４Ａの除去により分離空隙、いわゆる中空部６９を形成し、中空部６９を挟んで基板５２に対向する積層膜５７によるダイアフラム５１を形成する。即ち、ピエゾ抵抗素子（ひずみゲージ）となる多結晶シリコン膜５９とその上下の窒化チタン膜６０及び５８からなり、周囲をシリコン基板５２に固定されたダイアフラム５１を形成する。このダイアフラム５１は４個形成され、各電極６８を介してそれぞれ配線によりフルブリッジ接続されて圧力センサが形成される。また、図示せざるもシリコン単結晶基板の他部には、圧力センサの動作に伴う信号処理を行う信号処理回路を形成する。この場合、信号処理回路において犠牲膜５４Ａが除去されるときに露出している電極等の導電膜は、コバルトシリサイド電極６８と同じ金属材料のコバルトシリサイドで形成することができる。これにより、目的の圧力センサ及び信号処理回路が一体に形成されて目的の半導体集積回路装置、即ちＭＥＭＳ素子７０を得る。
【００６３】
第３実施の形態によれば、コバルトシリサイド電極６８を腐食させることなく、犠牲膜５４Ａのみを選択的にエッチング除去し圧力センサ用のダイアフラム５１を形成することができる。従って、高精度で高信頼性を有し、かつ長寿命のＭＥＭＳ素子７０、即ちマイクロ圧力センサ装置を製造することができる。
【００６４】
図７及び図８は、本発明に係るＭＥＭＳ素子の第４実施の形態をその製造方法と共に示す。本例のＭＥＭＳ素子も、圧力センサと該圧力センサの信号処理回路を一体に組み込んだ半導体集積回路装置に適用した場合である。同図は圧力センサ用の１つの可動薄片となるダイアフラム部のみを示す。
【００６５】
圧力センサの構成は前述の第１実施の形態で説明したと同様であるので、重複説明は省略する。
【００６６】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ素子の製造は、先ず、図７Ａに示すように、半導体基板、本例ではシリコン単結晶基板８２を用意する。このシリコン単結晶の品位は、第１実施の形態で説明したのと同様である。
【００６７】
次に、図７Ｂに示すように、シリコン単結晶基板８２の表面に犠牲膜となる酸化ハフニウム膜８３を形成する。本例ではＣＶＤ法により膜厚１００ｎｍ程度の酸化ハフニウム膜８３を形成する。酸化ハフニウム膜８３に１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２以上の濃度でアルゴンのイオン注入を行う。
【００６８】
次に、図７Ｃに示すように、酸化ハフニウム膜８３上に所要パターンのフォトレジストマスク８４を形成する。このフォトレジストマスク８４は、可動薄片となるダイアフラムの形成領域１５及び電極取出し領域１６に対応する部分にフォトレジスト膜８４Ａ，８４Ｂが残るように形成する。
【００６９】
次に、図７Ｄに示すように、酸化ハフニウム膜８３をフォトレジストマスク８４を介して選択エッチングによりパターニングする。パターニングは、例えばドライエッチングにより行う。これにより、ダイアフラムの形成領域１５に対応する部分に酸化ハフニウム膜による犠牲膜８３Ａが形成され、電極取出し領域１６に対応する部分に酸化ハフニウム膜８３Ｂが形成される。
【００７０】
次に、図７Ｅに示すように、酸化ハフニウム膜８３Ａ，８３Ｂを含む基板全面にダイアフラムとなる薄膜８７を形成する。本例では薄膜８７として、シリコン窒化膜８８と多結晶シリコン膜８９とシリコン窒化膜９０とをそれぞれ減圧ＣＶＤ法により積層した積層膜で形成する。多結晶シリコン膜８９はひずみゲージとなるピエゾ抵抗素子として形成されるものであり、シリコン窒化膜８８及び８９はピエゾ抵抗素子の表面保護膜として形成されるものである。また、膜厚は本例ではシリコン窒化膜８８が３００ｎｍ程度、多結晶シリコン膜８９が２００ｎｍ程度、シリコン窒化膜９０が１００ｎｍ程度とすることができる。
【００７１】
次に、図８Ｆに示すように、積層膜８７上に電極取出し領域１６と犠牲膜８３Ａを除去する際の開口部（例えば四隅に開口部）に対応する部分に開口９２と９３を有する所要パターンのフォトレジストマスク９４を形成する。
【００７２】
次に、図８Ｇに示すように、フォトレジストマスク９４を介して積層膜８７を選択的にエッチングして、積層膜８７に酸化ハフニウム膜８３Ｂ及び犠牲膜８３Ａに達する開口部９５及び９６を形成する。エッチングは例えばドライエッチングで行う。
【００７３】
次に、図８Ｈに示すように、アルミニウム膜を所要の膜厚で形成した後、電極形成領域１６に対応する部分を残して他部のアルミニウム膜を選択的に除去し、開口部９５内を含む領域１６にアルミニウム電極９７を形成する。本例ではアルミニム膜をスパッタにより成膜して不要部分からアルミニウム膜を除去し、アルミニウム電極９７を形成する。このアルミニム電極９７はダイアフラムとなる積層膜の多結晶シリコン膜８９と電気的に接続される。
【００７４】
次に、図８Ｉに示すように、酸化ハフニウム膜による犠牲膜８３Ａをエッチング液、即ち酸化ハフニウムをエッチングし、アルミニウムをエッチングしない例えば発煙硝酸を用いて選択的にエッチング除去する。エッチングは開口部９６を通じて行う。本例では、発煙硝酸（ＨＮＯ_３＋ＮＯ_２ ^＋）９７％溶液を使用し、エッチングを行う。発煙硝酸では、犠牲膜８３Ａである酸化ハフニウム膜のエッチング速度は、イオン注入されているので１０ｎｍ／ｍｉｎと十分速い。発煙硝酸によるエッチング液であれば、アルミニウムは不導態化し、エッチング速度は１ｎｍ／ｍｉｎ以下で実効的には全くエッチングされない。
【００７５】
上記第４実施の形態において、犠牲膜に酸化ハフニウム膜を用いたが、犠牲膜として酸化ジルコニウムを用いた場合にも、同様の電極膜とエッチング液の組み合わせ、及び同様のプロセスで実施可能である。
【００７６】
このようにして、犠牲膜８３Ａの除去により分離空隙、いわゆる中空部９８を形成し、中空部９８を挟んで基板８２に対向する積層膜８７によるダイアフラム８１を形成する。即ち、ピエゾ抵抗素子（ひずみゲージ）となる多結晶シリコン膜８９とその上下の窒化チタン膜９０及び８８からなり、周囲をシリコン基板８２に固定されたダイアフラム８１を形成する。このダイアフラム８１は４個形成され、各電極９７を介してそれぞれ配線によりフルブリッジ接続されて圧力センサが形成される。また、即ち、圧力センサ用のダイアフラム８１を形成する。一方、図示せざるもシリコン単結晶基板の他部には、圧力センサの動作に伴う信号処理を行う信号処理回路を形成する。この場合、信号処理回路において犠牲膜８３Ａが除去されるときに露出している電極等の導電膜は、アルミニウム電極９７と同じ金属材料のアルミニウムで形成することができる。これにより、目的の圧力センサ及び信号処理回路が一体に形成されて目的の半導体集積回路装置、即ちＭＥＭＳ素子９９を得る。
【００７７】
第４の実施の形態によれば、アルミニウム電極９７を腐食させることなく、犠牲膜８３Ａのみを選択的にエッチング除去し圧力センサ用のダイアフラム８１を形成することができる。従って、高精度で高信頼性を有し、かつ長寿命のＭＥＭＳ素子９９、即ちマイクロ圧力センサ装置を製造することができる。
【００７８】
上述の実施の形態においては、ピエゾ抵抗素子を形成して圧力を検出するようにした圧力センサに適用したが、上述の構成において、シリコン単結晶基板１２（または３２、５２、８２）を下部電極とし、ダイアフラムの多結晶シリコン膜１９（または３９、５９、８９）を上部電極とし、中空部２８（または４８、６９、９８）を介してキャパシタンスを形成した、いわゆる容量型圧力センサを構成することもできる。
【００７９】
また、本発明は、例えば図１及び図２製造方法を用いて、図９に示すように加速度センサ１０１を構成することもできる。加速度センサとしては、圧力センサと同様にダイアフラムの多結晶シリコン膜１９をピエゾ抵抗素子として用いた加速度センサを構成できる。あるいはシリコン単結晶基板１２を下部電極とし、ダイアフラムの多結晶シリコン膜１９を上部電極とし、中空部２８を介してキャパシタンスを形成した、いわゆる容量型加速度センサを構成できる。
なお、図３及び図４、図５及び図６、図７及び図８の製造方法を用いても、容量型加速度センサを構成することができる。
【００８０】
また、本発明は、例えば図１及び図２の製造方法を用いて、図１０及び図１１に示すように、赤外線センサ（いわゆる赤外線イメージセンサ）１０２を構成することができる。同図は赤外線センサの一画素のダイアフラム部を示す。本実施の形態の赤外線センサは、シリコン酸化膜１１８／シリコン窒化膜１１９／シリコン酸化膜１２０の積層構造からなる支持枠の上に、焦電膜１０５を挟んで上部電極１０４及び下部電極１０６を形成したダイアフラム１０３を有して成る。ダイアフラム１０３はシリコン基板１０８上に中空部１０９を介して形成され、４つのビーム１０７により支持される。すなわち、犠牲層がＴｉＮ、ビーム１０７に接続された電極がＣｏである。１２１は例えば多結晶シリコン膜である。
この赤外線センサ１０２では、焦電膜１０４において赤外線の放射エネルギーを吸収し、その温度変化を検出するようになされる。
なお、図３及び図４、図５及び図６、図７及び図８の製造方法を用いても、赤外線センサを構成することができる。
【００８１】
また、本発明は、例えば図１及び図２の製造方法を用いて、図１２に示すような音響共鳴器による周波数フィルタ１１０を構成することができる。同図は音響共鳴器のダイアフラム部を示す。本実施の形態の音響共鳴器は、圧電材料層１１２を挟んで上部電極１１１及び下部電極１１３からなるダイアフラム１１４を、シリコン基板１１６上に中空部１１７を介して形成して成る。１１８は上部電極１１２の取出し電極、１１９は下部電極１１３の取出し電極である。すなわち、犠牲層がＴｉＮ、電極１１１に接続された電極がＣｏである。
音響共鳴器では、圧電材料層１１２を挟む２つの電極１１１及び１１３間に信号が印加されることにより、時間と共に変化する電界が生じ、電圧材料層１１１が電気エネルギーの一部を音波に変換する。音波は空気／共鳴器界面において反射され、特定の力学的共振を有する。音響共鳴器は力学的共振周波数で動作した場合、周波数フィルタとして用いることができる。
なお、図３及び図４、図５及び図６、図７及び図８の製造方法を用いても、音響共鳴器による周波数フィルタを構成することができる。
【００８２】
また、本発明は、例えば図５及び図６の製造方法を用いて、図１３に示すようなプリンタノズル１２０を構成することができる。本実施の形態のプリンタノズル１２０は、シリコン単結晶基板１３１を下部電極とし、このシリコン単結晶基板１３１に対向するように、多結晶シリコン膜１３２を上電極とするシリコン窒化膜１３３、多結晶シリコン膜１３２及びシリコン酸化膜１３４によるダイアフラム１３８を形成する。このダイアフラム１３８上に上面にノズル部１３７を有してプリンタ用のインク１３５が供給されるインク溜まり部１３６を配置して構成される。犠牲膜を除去するための開口部はインク溜まり部１３６より外れた位置に設けられる。
すなわち、犠牲層がＣｏ、多結晶シリコン膜１３２の取り出し電極１４０がＣｏＳｉ２である。犠牲層のＣｏを前面に形成する前に、犠牲層を形成する２次元平面に反応防止膜（ＳｉＣ）１３９を形成しておくことで、アニールで、選択的にＣｏＳｉ２を形成し、Ｃｏ／ＳｉＣ／Ｓｉの構造で反応しなかった部分の、Ｃｏがエッチング時に除去される。
このプリンタノズル１２０では、絶縁膜（図示せず）を挟んで下部電極となるシリコン単結晶基板１３１と上部電極である多結晶シリコン膜１３２間に印加される電圧によりダイアフラム１３８が可動し、インク溜まり部１３６内のインク１３５がノズル部１３７を通じて出射される。
なお、図１及び図２、図３及び図４、図７及び図８の製造方法を用いても、プリンタノズルを構成することができる。
【００８３】
上述した本実施の表面マイクロマシーニング技術によれば、犠牲膜及び電極に異なる金属系材料膜を用いて、これら金属系材料膜をエッチング選択性のある溶液によりエッチングすることにより、電極を腐食することなく犠牲膜をエッチング除去し、中空のダイアフラム構造を形成することができる。従って、高精度で高信頼性のある圧力センサ、加速度センサ、赤外線センサ、音響共鳴器による周波数フィルタなどのＭＥＭＳ素子を通常の半導体プロセスで基板の一主面上に形成することができ、この種のＭＥＭＳ素子の低コスト化を達成することができる。
【００８４】
【発明の効果】
本発明に係るＭＥＭＳ素子によれば、半導体基板と可動薄片（いわゆるダイアフラム）との間の分離空隙が、金属膜又は金属窒化膜又は金属酸化膜による犠牲膜を選択性のある溶液でのエッチング除去で形成され、エッチング時に露出している電極が腐食されない構成であるので、ダイアフラム構造を有するＭＥＭＳ素子の高精度で高信頼性を有し、長寿命化を図ることができる。
【００８５】
特に、分離空隙を、窒化チタン、コバルト、酸化ハフニウムまたは酸化ジルコニウムのいずれかによる犠牲膜を選択性のある溶液でエッチング除去して形成するときは、ＭＥＭＳ素子の信頼性を格段に向上させることができる。
【００８６】
また、本発明に係るＭＥＭＳ素子は、圧力センサ、加速度センサ、赤外線センサ、音響共鳴器による周波数フィルタに適用したときには、その高精度で高信頼性を有し、長寿命化を図ることができる。
【００８７】
本発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法によれば、表面マイクロマシーニング技術を用い、犠牲膜を金属膜又は金属窒化膜又は金属酸化膜で形成して、犠牲膜を選択性のある溶液でエッチング除去することにより、エッチング時に露出する電極を腐食することなく、犠牲膜のみをエッチング除去して中空の可動薄片（いわゆるダイアフラム）を形成することができる。従って、高精度、高信頼性を有し、長寿命化されたＭＥＭＳ素子を製造することができる。
【００８８】
特に、犠牲膜を窒化チタン、コバルト、酸化ハフニウムまたは酸化ジルコニウムのいずれかで形成し、犠牲膜をこれらの材料膜に対して選択性のある溶液でエッチングするときは、信頼性が格段に向上したＭＥＭＳ素子を製造することができる。
【００８９】
本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法では、高精度・高信頼性の圧力センサ、加速度センサ、赤外線センサ、音響共鳴器による周波数フィルタを通常の半導体プロセスで半導体基板の一主面上に形成することができ、この種のＭＥＭＳ素子の低コスト化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ〜Ｅ本発明の第１実施の形態に係るＭＥＭＳ素子をその製造方法と共に示す製造工程図（その１）である。
【図２】Ｆ〜Ｉ本発明の第１実施の形態に係るＭＥＭＳ素子をその製造方法と共に示す製造工程図（その２）である。
【図３】Ａ〜Ｅ本発明の第２実施の形態に係るＭＥＭＳ素子をその製造方法と共に示す製造工程図（その１）である。
【図４】Ｆ〜Ｉ本発明の第２実施の形態に係るＭＥＭＳ素子をその製造方法と共に示す製造工程図（その２）である。
【図５】Ａ〜Ｅ本発明の第３実施の形態に係るＭＥＭＳ素子をその製造方法と共に示す製造工程図（その１）である。
【図６】Ｆ〜Ｊ本発明の第３実施の形態に係るＭＥＭＳ素子をその製造方法と共に示す製造工程図（その２）である。
【図７】Ａ〜Ｅ本発明の第４実施の形態に係るＭＥＭＳ素子をその製造方法と共に示す製造工程図（その１）である。
【図８】Ｆ〜Ｉ本発明の第４実施の形態に係るＭＥＭＳ素子をその製造方法と共に示す製造工程図（その２）である。
【図９】本発明に係るＭＥＭＳ素子を加速度センサに適用した場合の要部の断面図である。
【図１０】本発明に係るＭＥＭＳ素子を赤外線センサに適用した場合の１画素のダイアフラム部の平面図である。
【図１１】本発明に係るＭＥＭＳ素子を赤外線センサに適用した場合の１画素のダイアフラム部の断面図である。
【図１２】本発明に係るＭＥＭＳ素子を音響共鳴器による周波数フィルタに適用した場合の要部（ダイアフラム部）の断面図である。
【図１３】本発明に係るＭＥＭＳ素子をプリンタノズルに適用した場合の要部の断面図である。
【図１４】Ａ〜Ｅ従来のダイアフラム構造を有するＭＥＭＳ素子の製造方法を示す製造工程図（その１）である。
【図１５】Ｆ〜Ｉ従来のダイアフラム構造を有するＭＥＭＳ素子の製造方法を示す製造工程図（その１）である。
【符号の説明】
１１、３１、５１、９９・・ダイアフラム（可動薄片）、１２、３２、５２、８２・・半導体基板、１３、３３・・窒化チタン膜（犠牲膜）、１４、３５、５５、８４・・フォトレジストマスク、１５・・ダイアフラム形成領域、１６・・取出し電極形成領域、１７、５７、８７・・積層膜、１８、２０、３８、４０、５８、６０、８８、９０・・シリコン窒化膜、１９、３９、５９、８９・・多結晶シリコン膜、２４、４４、６４、９４・・フォトレジストマスク、２５、２６、４５、４６、６５、６６、９５、９６・・開口部、２７、４７、６８、９７・・電極、２８、４８、６９、９８・・分離空隙、２９、４９、７０、９９・・ＭＥＭＳ素子、３４、５４・・コバルト、５３・・シリコン酸化膜、８３・・酸化ハフニウム膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a MEMS device and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a MEMS element such as a small pressure sensor or an acceleration sensor is formed on the surface of a silicon semiconductor substrate using surface micromachining technology, and a circuit for processing a signal for operating the MEMS element is integrated on the substrate. A device has been proposed. These MEMS elements have a diaphragm structure. The fabrication of the diaphragm structure is completed by forming and placing a sacrificial film, forming a movable structure, and then removing the sacrificial film.
[0003]
In the prior art, a movable thin piece such as a diaphragm is formed of a silicon polycrystalline film or a silicon nitride film, and a sacrificial film is formed of a silicon oxide film, a silicon single crystal film, or a silicon polycrystalline film. On the other hand, in order to move the diaphragm, electrodes and a circuit part are formed simultaneously. Aluminum is generally used for the electrode, the circuit portion is manufactured by a CMOS (complementary metal oxide semiconductor) process, and an aluminum alloy is used for the wiring.
[0004]
An example of a manufacturing method of a diaphragm structure is described in Patent Document 1. The diaphragm structure is formed by forming a sacrificial film in the same manner as described above, forming a movable structure, and then removing the sacrificial film by etching. This is performed near the end of the etching process of the sacrificial film or in the final process.
[0005]
14 and 15 show an example of a method for manufacturing a MEMS element having a conventional diaphragm structure. First, as shown in FIG. 14A, a silicon single crystal substrate 132 is prepared. Next, as shown in FIG. 14B, a silicon oxide film 133 that becomes a sacrificial film is formed on the silicon single crystal substrate 132 by, for example, CVD (chemical vapor deposition). Next, as shown in FIG. 14C, a photoresist mask 4 having a required pattern is formed so that the photoresist films 134A and 134B remain in portions corresponding to the diaphragm formation region 141 and the electrode extraction region 142. Next, as shown in FIG. 14D, the silicon oxide film 3 is patterned through the resist mask 134 to leave portions of the silicon oxide film 133 corresponding to the diaphragm formation region 141 and the electrode extraction region 142. Next, as shown in FIG. 14E, a silicon nitride film 135, a polycrystalline silicon film 136, and a silicon nitride film 137 to be a diaphragm are sequentially stacked on the entire surface of the substrate 132 including the sacrificial film 133 made of a silicon oxide film by, for example, a CVD method. The laminated film 138 thus formed is formed.
[0006]
Next, as shown in FIG. 15F, a required pattern having openings 143 and 144 in the electrode extraction region 142 and a portion that becomes a through hole (for example, four-hole through holes) when removing the sacrificial film 133 on the laminated film 138. The photoresist mask 139 is formed. Next, as shown in FIG. 15G, patterning by etching is performed through a photoresist mask 139 to form a through hole 145 and an opening 146 that reach the silicon oxide film 133 in the laminated film 9. Next, as shown in FIG. 15H, an aluminum electrode 147 is selectively formed in the opening 16 so as to be connected to the polycrystalline silicon film 6 of the laminated film 8. The aluminum electrode 147 can be formed by forming an aluminum film by sputtering or the like and then patterning the aluminum film. Next, as shown in FIG. 15I, the sacrificial silicon oxide film 133 is removed by etching with hydrofluoric acid through the four corner through holes 145 formed in the laminated film 8. Thereby, the diaphragm 131 by the laminated film 8 is formed with the hollow portion 148 interposed therebetween. Although not shown, an impurity introduction region having a conductivity type different from that of the substrate 132 is formed in the silicon single crystal substrate 132 itself or a portion corresponding to the diaphragm 131 of the silicon single crystal substrate 132, or the surface of the silicon single crystal substrate 132 is formed. A lower electrode can be formed by forming a conductive film through an insulating film.
[0007]
[Patent Literature]
JP-A-11-87736
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, conventionally, as a method for removing the sacrificial film by etching, either the dry method or the wet method is used. However, in the diaphragm structure, since the volume of the sacrificial film to be removed is large, a sufficient etching rate cannot be obtained unless it is a wet system. In the wet etching, as described with reference to FIG. 15I, for example, when a silicon oxide film is used as the sacrificial film, the etching is performed with hydrofluoric acid having an etching rate of 100 to 300 nm / min. On the other hand, when silicon is used for the sacrificial film, potassium hydroxide, aqueous ammonia, or tetramethylammonium hydroxide is used.
[0009]
When the sacrificial film is etched, if electrodes or circuits are exposed, there is a problem that aluminum or an aluminum alloy is corroded when the above chemical solution is used. That is, in the example of the conventional manufacturing method of the diaphragm structure of FIGS. 14 and 15, the aluminum electrode 147 is made of hydrofluoric acid in the step of FIG. 15I in which the silicon acid film 133 which is a sacrificial film is removed with hydrofluoric acid. It will corrode. When a polycrystalline silicon film is used as the sacrificial film, the same thing occurs with potassium hydroxide.
[0010]
In view of the above-described points, the present invention prevents a corrosion of a metal material portion exposed at the time of etching a sacrificial film, and has a diaphragm structure having a diaphragm structure with high accuracy, high reliability, and long life. Is to provide.
The present invention also provides a method of manufacturing a MEMS device having a diaphragm structure that prevents corrosion of the exposed metal material portion during etching of the sacrificial film and facilitates manufacture.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The MEMS element according to the present invention has a separation gap formed by etching and removing a sacrificial film made of a metal film, a metal nitride film, or a metal oxide film with a selective solution between the surface of the semiconductor substrate and the movable thin piece. And a signal processing circuit for performing signal processing accompanying the operation of the movable thin piece is formed on the semiconductor substrate.
The separation gap can be formed by etching away a sacrificial film made of titanium nitride, cobalt, hafnium oxide, or zirconium oxide.
[0012]
In the MEMS element of the present invention, the separation gap between the semiconductor substrate and the movable thin piece is formed by removing the sacrificial film with a metal film, a metal nitride film, or a metal oxide film, that is, removing the sacrificial film with a selective solution. Therefore, the electrode exposed at the time of etching is not corroded.
[0013]
The MEMS element is configured as a capacitive pressure sensor or acceleration sensor in which a piezoresistive element is formed on a movable thin piece, and a capacitance is formed through a separation gap to detect a capacitance change due to pressure or acceleration. Can do.
The MEMS element can be configured as an infrared sensor in which a pyroelectric film is formed on a movable thin piece and a capacitance change due to infrared rays is detected.
The MEMS element can be configured as a frequency filter in which a movable thin piece is formed of a piezoelectric layer sandwiched between two electrodes to form a resonator and to detect a sound wave reflected at the air / resonator interface. .
[0014]
A method for manufacturing a MEMS device according to the present invention includes a step of forming a sacrificial film made of a metal film, a metal nitride film, or a metal oxide film on a surface of a semiconductor substrate, and a step of forming a thin film that becomes a movable thin piece on the sacrificial film; A step of etching and removing the sacrificial film with a selective solution, and forming a movable thin piece facing the surface of the semiconductor substrate with the separation gap interposed therebetween.
For the sacrificial film, titanium nitride, cobalt, hafnium oxide, or zirconium oxide can be used.
[0015]
In the method for manufacturing a MEMS element of the present invention, a thin film that becomes a movable thin piece is formed on a sacrificial film using a metal film, a metal nitride film, or a metal oxide film, and then the sacrificial film is etched away with a selective solution. Therefore, only the sacrificial film is removed without corroding the electrode exposed at the time of etching.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The above-described problem occurs because the etching selectivity between the sacrificial film material and aluminum is small. This problem can be solved by using a combination of a sacrificial film and an etching solution that has a high etching selectivity ratio between the material of the sacrificial film, the material of the diaphragm structure, and the electrode material.
[0017]
In particular, using titanium nitride as the sacrificial film and cobalt as the electrode material, etching with an alkaline aqueous solution such as ammonia / hydrogen peroxide mixture or tetramethylammonium hydroxide corrodes the cobalt electrode and diaphragm structure material. Without this, the sacrificial film of titanium nitride can be removed by etching. For this reason, the yield, mechanical strength (cleavage, direction of dislocation generation, plastic deformation due to stress, etc.) and reliability thereof can be remarkably improved by a low-cost process with a small number of steps.
[0018]
Also, by using cobalt as the sacrificial film and cobalt silicide as the electrode material, etching using an acid such as a sulfuric acid / hydrogen peroxide mixture or hydrochloric acid / hydrogen peroxide mixture can achieve the same effect as described above. It is done. Further, by using hafnium oxide or zirconium oxide as the sacrificial film, aluminum as the electrode material, and etching using an acid such as fuming nitric acid in which the oxide is excessively dissolved, the same effect as described above can be obtained.
[0019]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0020]
1 and 2 show a first embodiment of a MEMS device according to the present invention together with a manufacturing method thereof. The MEMS element of this example is a case where it is applied to a semiconductor integrated circuit device in which a pressure sensor using a piezoresistive element and a signal processing circuit of the pressure sensor are integrated. The figure shows only the diaphragm part which becomes one movable thin piece for the pressure sensor.
[0021]
Although not shown, the pressure sensor using the piezoresistive element has a configuration in which four diaphragms including, for example, a polycrystalline silicon film to be piezoresistive elements are formed, and these four diaphragms are connected in a full bridge by wiring. .
[0022]
In manufacturing the MEMS element according to the present embodiment, first, as shown in FIG. 1A, a semiconductor substrate, in this example, a silicon single crystal substrate 12 is prepared. The quality of this silicon single crystal is, for example, manufacturing method: CZ (chocolate ski method, pulling method), crystal orientation: (100) plane of off-angle (off-orientation) 3 ± 0.2 °, conductivity type: n-type, dopant Phosphorus, resistivity; 20 to 50 Ωcm, diameter 200 mm, thickness 725 μm. The off angle of 3 ± 0.2 ° is to prevent the occurrence of stacking faults (stacking faults) during epitaxial growth.
[0023]
Next, as shown in FIG. 1B, a titanium nitride film 13 which is a sacrificial film is formed on the surface of the silicon single crystal substrate 12. In this example, a titanium nitride film 13 having a thickness of about 100 nm is formed by sputtering.
[0024]
Next, as shown in FIG. 1C, a photoresist mask 14 having a required pattern is formed on the titanium nitride film 13. The photoresist mask 14 is formed so that the photoresist films 14A and 14B remain in portions corresponding to the diaphragm formation region 15 and the electrode extraction region 16 to be movable slices.
[0025]
Next, as shown in FIG. 1D, the titanium nitride film 13 is patterned by selective etching through the photoresist mask 14. The patterning is performed by dry etching, for example. As a result, a sacrificial film 13A made of a titanium nitride film is formed in a portion corresponding to the diaphragm formation region 15, and a titanium nitride film 13B is formed in a portion corresponding to the electrode extraction region 16.
[0026]
Next, as shown in FIG. 1E, a thin film 17 serving as a diaphragm is formed on the entire surface of the substrate including the sacrificial film 13A and the titanium nitride film 13B in the electrode extraction region. In this example, the thin film 17 is formed of a laminated film in which a silicon nitride film 18, a polycrystalline silicon film 19, and a silicon nitride film 20 are laminated by a low pressure CVD method. The polycrystalline silicon film 19 is formed as a piezoresistive element serving as a strain gauge, and the silicon nitride films 18 and 19 are formed as surface protective films of the piezoresistive element. In this example, the silicon nitride film 18 can be about 300 nm thick, the polycrystalline silicon film 19 can be about 200 nm thick, and the silicon nitride film 20 can be about 100 nm thick.
[0027]
Next, as shown in FIG. 2F, a required pattern having openings 22 and 23 in portions corresponding to openings (for example, openings at four corners) when the electrode extraction region 16 and the sacrificial film 13A are removed on the laminated film 17. The photoresist mask 24 is formed.
[0028]
Next, as shown in FIG. 2G, the laminated film 17 is selectively etched through the photoresist mask 24 to form openings 25 and 26 reaching the titanium nitride film 13B and the sacrificial film 13A in the laminated film 17. . Etching is performed by dry etching, for example.
[0029]
Next, as shown in FIG. 2H, after the cobalt film is formed with a required film thickness, the other part of the cobalt film is selectively removed leaving a portion corresponding to the electrode formation region 16, and the inside of the opening 25 is formed. A cobalt electrode 27 is formed in the region 16 to be included. In this example, a cobalt film having a thickness of about 100 nm is formed by sputtering, the cobalt film is removed from unnecessary portions, and the cobalt electrode 27 is formed. The cobalt electrode 27 is electrically connected to the polycrystalline silicon film 19 which is a laminated film serving as a diaphragm.
[0030]
Next, as shown in FIG. 2I, the sacrificial film 13A made of a titanium nitride film is selectively removed by etching using an etching solution, that is, an ammonia / hydrogen peroxide mixture solution that etches titanium nitride and does not etch cobalt. Etching is performed through the opening 26. In this example, ammonia (NH₄OH): hydrogen peroxide (H₂O₂: Water (H₂Etching is performed at a liquid temperature of 65 ° C. using a mixed liquid of O) = 1: 2: 5. At this mixing ratio and temperature, the etching rate of the titanium nitride film that is the sacrificial film 13A is 100 nm / min.
[0031]
Increasing the mixing ratio of ammonia increases the etching rate of the titanium nitride film of the sacrificial film 13A. However, if it is too high, the polycrystalline silicon film 19 of the laminated film 17 is etched. If the etching solution is the above mixture ratio and temperature, the etching rate of the cobalt electrode 27 and the polycrystalline silicon film 19 is 1 nm / min or less and is not etched at all effectively. Here, the estimated solution for selective etching is not limited to the ammonia / hydrogen peroxide mixed solution, and the same effect can be obtained as long as it is an alkaline aqueous solution such as tetramethylammonium hydroxide.
[0032]
In this way, the separation gap, so-called hollow portion 28 is formed by removing the sacrificial film 13A, and the pressure sensor diaphragm 11 including the laminated film 17 facing the substrate 12 with the hollow portion 28 interposed therebetween is formed. That is, a diaphragm 11 comprising a polycrystalline silicon film 19 serving as a piezoresistive element (strain gauge) and upper and lower titanium nitride films 20 and 18 and having a periphery fixed to the silicon substrate 12 is formed. Four diaphragms 11 are formed, and a pressure sensor is formed by a full bridge connection by wiring through each electrode 27. Although not shown, a signal processing circuit for performing signal processing accompanying the operation of the pressure sensor is formed on the other part of the silicon single crystal substrate 12. In this case, the conductive film such as the electrode and the wiring exposed when the sacrificial film 13 A is removed in the signal processing circuit is formed of cobalt, which is the same metal material as the cobalt electrode 27. Thereby, the target pressure sensor and the signal processing circuit are integrally formed, and the target semiconductor integrated circuit device, that is, the MEMS element 29 is obtained.
[0033]
According to the first embodiment, the diaphragm 11 for the pressure sensor can be formed by selectively etching away only the sacrificial film 13 A without corroding the cobalt electrode 27. Therefore, it is possible to manufacture a MEMS element having high accuracy and high reliability and having a long life, that is, a micro pressure sensor device.
[0034]
3 and 4 show a second embodiment of the MEMS element according to the present invention together with a manufacturing method thereof. The MEMS element of this example is also applied to a semiconductor integrated circuit in which a pressure sensor and a signal processing circuit of the pressure sensor are integrated. The figure shows only the diaphragm part which becomes one movable thin piece for the pressure sensor.
[0035]
Since the configuration of the pressure sensor is the same as that described in the first embodiment, repeated description is omitted.
[0036]
In the method of manufacturing a MEMS element according to the present embodiment, first, as shown in FIG. 3A, a semiconductor substrate, in this example, a silicon single crystal substrate 32 is prepared. The quality of this silicon single crystal is the same as that described in the first embodiment.
[0037]
Next, as shown in FIG. 3B, a titanium nitride film 33 which becomes a sacrificial film and a cobalt film 34 thereon are formed on the surface of the silicon single crystal substrate 32. In this example, a titanium nitride film 33 having a thickness of 100 nm and a cobalt film 34 having a thickness of 30 nm are successively formed by sputtering.
[0038]
Next, as shown in FIG. 3C, a photoresist mask 35 having a required pattern is formed on the cobalt film 34. The photoresist mask 35 is formed so that the photoresist films 35A and 35B remain in portions corresponding to the diaphragm formation region 15 and the electrode extraction region 16 which are movable thin pieces.
[0039]
Next, as shown in FIG. 3D, the cobalt film 34 and the titanium nitride film 33 are patterned by selective etching through the photoresist mask 35. The patterning is performed by dry etching, for example. As a result, a sacrificial film 33A and a cobalt film 34A made of a titanium nitride film are formed in a portion corresponding to the diaphragm formation region 15, and a titanium nitride film 33B and a cobalt film 34B are formed in a portion corresponding to the electrode extraction region 16.
[0040]
Next, as shown in FIG. 3E, a laminated film composed of a silicon nitride film 38, a polycrystalline silicon film 39, and a silicon nitride film 40, which becomes a part of the diaphragm, is formed on the entire surface of the substrate including the cobalt films 34A and 34B by a low pressure CVD method. Form. The polycrystalline silicon film 39 is formed as a piezoresistive element serving as a strain gauge, and the silicon nitride films 38 and 40 are formed as surface protective films of the piezoresistive element. In this example, the silicon nitride film 38 can be about 300 nm thick, the polycrystalline silicon film 39 can be about 200 nm thick, and the silicon nitride film 40 can be about 100 nm thick.
[0041]
Next, as shown in FIG. 4F, an opening 42 is formed in a portion corresponding to an opening (for example, openings at four corners) when removing the electrode extraction region 16 and the titanium nitride film 33A as a sacrificial film on the silicon nitride film 40. And a photoresist mask 44 having a required pattern having 43.
[0042]
Next, as shown in FIG. 4G, the laminated film 37 composed of the cobalt film 40, the silicon nitride film 38, the polycrystalline silicon film 39, and the silicon nitride film 40 constituting the diaphragm is selectively etched through the photoresist mask 44. Then, an opening 46 reaching the sacrificial film 33A is formed in the diaphragm formation region 15, and an opening 45 reaching the cobalt film 34B is formed in the electrode extraction region 16. Etching is performed by dry etching, for example.
[0043]
Next, as shown in FIG. 4H, after the cobalt film is formed with a required film thickness, the other part of the cobalt film is selectively removed leaving a portion corresponding to the electrode formation region 16, and the inside of the opening 45 is formed. A cobalt electrode 47 is formed in the region 16 to be included. In this example, a cobalt film having a thickness of about 80 nm is formed by sputtering, the cobalt film is removed from unnecessary portions, and the cobalt electrode 27 is formed. The cobalt electrode 27 is electrically connected to the polycrystalline silicon film 19 which is a laminated film serving as a diaphragm.
[0044]
Next, as shown in FIG. 4I, the sacrificial film 33A made of a titanium nitride film is selectively removed by etching using an etching solution, that is, an ammonia / hydrogen peroxide mixture solution that etches titanium nitride and does not etch cobalt. Etching is performed through the opening 26. In this example, ammonia (NH₄OH): hydrogen peroxide (H₂O₂: Water (H₂Etching is performed at a liquid temperature of 65 ° C. using a mixed liquid of O) = 1: 2: 5. At this mixing ratio and temperature, the etching rate of the titanium nitride film that is the sacrificial film 13A is 100 nm / min.
[0045]
Increasing the mixing ratio of ammonia increases the etching rate of the titanium nitride film of the sacrificial film 33A. However, if it is too high, the polycrystalline silicon film 19 of the laminated film 37 is etched. If the etching solution is the above mixture ratio and temperature, the etching rate of the cobalt electrodes 34A and 47 and the polycrystalline silicon film 39 is 1 nm / min or less, and is not etched at all effectively.
[0046]
In this way, the separation gap, so-called hollow portion 48 is formed by removing the sacrificial film 33A, and the diaphragm 31 is formed by the laminated film 37 facing the substrate 32 with the hollow portion 48 interposed therebetween. That is, a diaphragm 31 is formed which is composed of a polycrystalline silicon film 39 to be a piezoresistive element (strain gauge) and titanium nitride films 40 and 38 above and below the polycrystalline silicon film 39 and the periphery of which is fixed to the silicon substrate 32. Four diaphragms 31 are formed, and a full-bridge connection is made by wiring through each electrode 47 to form a pressure sensor. Although not shown, a signal processing circuit for performing signal processing accompanying the operation of the pressure sensor is formed on the other part of the silicon single crystal substrate. In this case, the conductive film such as an electrode exposed when the sacrificial film 33 A is removed in the signal processing circuit is formed of cobalt, which is the same metal material as the cobalt electrode 47. Thus, the target pressure sensor and the signal processing circuit are integrally formed, and the target semiconductor integrated circuit device, that is, the MEMS element 49 is obtained. In this second embodiment, a metal that does not corrode not only on the electrode but also on the surface of the diaphragm 31, in this example, a cobalt film 34A is formed, so that the silicon nitride film 38 / polycrystalline silicon film 39 / silicon nitride film 40 are formed. The bottom surface of the laminated film is not exposed to the etching solution at all, and any trace amount of etching loss can be prevented. By having the cobalt film 34A, it is possible to prevent the surface of the silicon nitride film 38 from being roughened by the alkaline solution when the sacrificial film is etched away with the alkaline solution.
[0047]
According to the second embodiment, only the sacrificial film 33A can be selectively removed by etching without corroding the cobalt electrode 47, and the diaphragm 31 for the pressure sensor can be formed. Therefore, it is possible to manufacture a MEMS element having high accuracy and high reliability and having a long life, that is, a micro pressure sensor device.
[0048]
5 and 6 show a third embodiment of a MEMS device according to the present invention together with a manufacturing method thereof. In the first and second embodiments described above, titanium nitride is used as the sacrificial film and cobalt is used as the electrode material, but this embodiment is a case where cobalt is used as the sacrificial film and a cobalt silicide film is used as the electrode material. .
The MEMS element of this example is also applied to a semiconductor integrated circuit in which a pressure sensor and a signal processing circuit of the pressure sensor are integrated. The figure shows only the diaphragm part which becomes one movable thin piece for the pressure sensor.
[0049]
Since the configuration of the pressure sensor is the same as that described in the first embodiment, repeated description is omitted.
[0050]
In the method of manufacturing a MEMS element according to the present embodiment, first, as shown in FIG. 5A, a semiconductor substrate, in this example, a silicon single crystal substrate 52 is prepared. The quality of this silicon single crystal is the same as that described in the first embodiment.
[0051]
Next, as shown in FIG. 5B, a silicon oxide film 53 and a cobalt film 54 serving as a sacrificial film thereon are formed on the surface of the silicon single crystal substrate 32. In this example, a silicon oxide film 53 having a thickness of about 50 nm is formed by CVD, and a cobalt film 54 having a thickness of about 100 nm is formed by sputtering.
[0052]
Next, as shown in FIG. 5C, a photoresist mask 55 having a required pattern is formed on the cobalt film 54. The photoresist mask 55 is formed so that the photoresist films 55A and 55B remain in portions corresponding to the diaphragm forming region 15 and the electrode extraction region 16 which are movable thin pieces.
[0053]
Next, as shown in FIG. 5D, the cobalt film 54 and the silicon oxide film 53 are patterned by selective etching through the photoresist mask 55. The patterning is performed by dry etching, for example. As a result, a sacrificial film 54A made of a cobalt film and a silicon oxide film 53A immediately below the sacrificial film 54A are formed in a portion corresponding to the diaphragm forming region 15, and a sacrificial film 54B made of a cobalt film is formed in a portion corresponding to the electrode extraction region 16. A silicon oxide film 53B is formed.
[0054]
Next, as shown in FIG. 5E, a thin film 57 serving as a diaphragm is formed on the entire surface of the substrate including the cobalt films 54A and 54B. In this example, the thin film 57 is formed of a laminated film in which a silicon nitride film 58, a polycrystalline silicon film 59, and a silicon nitride film 60 are laminated by a low pressure CVD method. The polycrystalline silicon film 59 is formed as a piezoresistive element serving as a strain gauge, and the silicon nitride films 58 and 60 are formed as surface protective films of the piezoresistive element. In this example, the silicon nitride film 58 can be about 300 nm thick, the polycrystalline silicon film 59 can be about 200 nm, and the silicon nitride film 60 can be about 100 nm.
[0055]
Next, as shown in FIG. 6F, openings 62 are formed in portions corresponding to openings (for example, openings at the four corners) when removing the electrode extraction region 16 and the cobalt film 54A as a sacrificial film on the silicon nitride film 60. A photoresist mask 64 having a required pattern 63 is formed.
[0056]
Next, as shown in FIG. 6G, the laminated film 57 composed of the silicon nitride film 58, the polycrystalline silicon film 59, and the silicon nitride film 60 constituting the diaphragm is selectively etched through the photoresist mask 64 to obtain cobalt. Openings 65 and 66 reaching the film 54B and the cobalt film 54A to be a sacrificial film are formed. Etching is performed by dry etching, for example.
[0057]
Next, as shown in FIG. 6H, after the polycrystalline silicon film is formed with a required film thickness, the remaining polycrystalline silicon film is selectively removed leaving a portion corresponding to the electrode formation region 16, and an opening is formed. A polycrystalline silicon film 67 is formed in the region 16 including the inside of the portion 65. In this example, a polycrystalline silicon film 67 is formed by a CVD method, and unnecessary portions of the polycrystalline silicon film are removed by etching.
[0058]
Next, as shown in FIG. 6I, annealing is performed at a required temperature and time to cause the polycrystalline silicon film 67 to react with the cobalt film 54B therebelow, thereby forming a cobalt silicide electrode 68. In this example, annealing is performed at 600 ° C. for 30 minutes to form cobalt silicide. This reaction also proceeds to the polycrystalline silicon film 59 of the laminated film 57 that partially constitutes the diaphragm. Thereby, the cobalt silicide electrode 68 is electrically connected to the polycrystalline silicon film 59 of the diaphragm.
[0059]
Next, as shown in FIG. 6J, the sacrificial film 54A made of a cobalt film is selectively etched away using, for example, a sulfuric acid / hydrogen peroxide mixed solution that etches the cobalt, ie, etches cobalt and does not etch the cobalt silicide. Etching is performed through the opening 66. In this example, sulfuric acid (H₂SO₄): Hydrogen peroxide (H₂O₂) = 5: 1 mixture is used and etching is performed at a liquid temperature of 130.degree. With this mixing ratio and temperature, the etching rate of the cobalt film which is the sacrificial film 54A is 100 nm / min.
[0060]
With the above etching solution, the etching rate of cobalt silicide is 1 nm / min or less, and it is not etched at all effectively.
[0061]
The etching solution for the sacrificial film in the combination of the sacrificial film and the electrode is not limited to the sulfuric acid / hydrogen peroxide mixed solution, and other acids can be selectively removed. For example, in the case of a hydrochloric acid / hydrogen peroxide mixture, hydrochloric acid (HCl): hydrogen peroxide (H₂O₂: Water (H₂By using a mixed solution of O) = 1: 2: 5 and etching at a liquid temperature of 80 ° C., cobalt can be selectively removed.
[0062]
In this way, the separation gap, so-called hollow portion 69 is formed by removing the sacrificial film 54A, and the diaphragm 51 is formed by the laminated film 57 facing the substrate 52 with the hollow portion 69 interposed therebetween. That is, a diaphragm 51 is formed which includes a polycrystalline silicon film 59 to be a piezoresistive element (strain gauge) and titanium nitride films 60 and 58 above and below the polycrystalline silicon film 59 and the periphery of which is fixed to a silicon substrate 52. Four diaphragms 51 are formed, and a full-bridge connection is made by wiring through each electrode 68 to form a pressure sensor. Although not shown, a signal processing circuit for performing signal processing accompanying the operation of the pressure sensor is formed on the other part of the silicon single crystal substrate. In this case, the conductive film such as an electrode exposed when the sacrificial film 54 A is removed in the signal processing circuit can be formed of cobalt silicide of the same metal material as the cobalt silicide electrode 68. As a result, the target pressure sensor and the signal processing circuit are integrally formed, and the target semiconductor integrated circuit device, that is, the MEMS element 70 is obtained.
[0063]
According to the third embodiment, only the sacrificial film 54A can be selectively removed by etching without corroding the cobalt silicide electrode 68, and the diaphragm 51 for the pressure sensor can be formed. Therefore, the MEMS element 70 having high accuracy and high reliability and having a long lifetime, that is, the micro pressure sensor device can be manufactured.
[0064]
7 and 8 show a fourth embodiment of a MEMS device according to the present invention together with a manufacturing method thereof. The MEMS element of this example is also applied to a semiconductor integrated circuit device in which a pressure sensor and a signal processing circuit of the pressure sensor are integrated. The figure shows only the diaphragm part which becomes one movable thin piece for the pressure sensor.
[0065]
Since the configuration of the pressure sensor is the same as that described in the first embodiment, repeated description is omitted.
[0066]
In manufacturing the MEMS device according to the present embodiment, first, as shown in FIG. 7A, a semiconductor substrate, in this example, a silicon single crystal substrate 82 is prepared. The quality of this silicon single crystal is the same as that described in the first embodiment.
[0067]
Next, as shown in FIG. 7B, a hafnium oxide film 83 serving as a sacrificial film is formed on the surface of the silicon single crystal substrate 82. In this example, a hafnium oxide film 83 having a thickness of about 100 nm is formed by a CVD method. 1 × 10 on the hafnium oxide film 83¹⁵Argon ion implantation is performed at a concentration of atoms / cm 2 or more.
[0068]
Next, as shown in FIG. 7C, a photoresist mask 84 having a required pattern is formed on the hafnium oxide film 83. The photoresist mask 84 is formed so that the photoresist films 84A and 84B remain in the portions corresponding to the diaphragm forming region 15 and the electrode extraction region 16 serving as movable thin pieces.
[0069]
Next, as shown in FIG. 7D, the hafnium oxide film 83 is patterned by selective etching through the photoresist mask 84. The patterning is performed by dry etching, for example. As a result, a sacrificial film 83A made of a hafnium oxide film is formed in a portion corresponding to the diaphragm formation region 15, and a hafnium oxide film 83B is formed in a portion corresponding to the electrode extraction region 16.
[0070]
Next, as shown in FIG. 7E, a thin film 87 serving as a diaphragm is formed on the entire surface of the substrate including the hafnium oxide films 83A and 83B. In this example, the thin film 87 is formed of a laminated film in which a silicon nitride film 88, a polycrystalline silicon film 89, and a silicon nitride film 90 are laminated by a low pressure CVD method. The polycrystalline silicon film 89 is formed as a piezoresistive element serving as a strain gauge, and the silicon nitride films 88 and 89 are formed as surface protective films of the piezoresistive element. In this example, the film thickness can be about 300 nm for the silicon nitride film 88, about 200 nm for the polycrystalline silicon film 89, and about 100 nm for the silicon nitride film 90.
[0071]
Next, as shown in FIG. 8F, a required pattern having openings 92 and 93 at portions corresponding to openings (for example, openings at four corners) when the electrode extraction region 16 and the sacrificial film 83A are removed on the laminated film 87. The photoresist mask 94 is formed.
[0072]
Next, as shown in FIG. 8G, the laminated film 87 is selectively etched through the photoresist mask 94 to form openings 95 and 96 reaching the hafnium oxide film 83B and the sacrificial film 83A in the laminated film 87. . Etching is performed by dry etching, for example.
[0073]
Next, as shown in FIG. 8H, after the aluminum film is formed with a required thickness, the other part of the aluminum film is selectively removed except for the part corresponding to the electrode formation region 16, and the inside of the opening 95 is formed. An aluminum electrode 97 is formed in the region 16 to be included. In this example, an aluminum film is formed by sputtering, the aluminum film is removed from unnecessary portions, and an aluminum electrode 97 is formed. The aluminum electrode 97 is electrically connected to a multi-layered polycrystalline silicon film 89 serving as a diaphragm.
[0074]
Next, as shown in FIG. 8I, the sacrificial film 83A made of a hafnium oxide film is selectively removed by etching using etchant, that is, hafnium oxide, and using, for example, fuming nitric acid that does not etch aluminum. Etching is performed through the opening 96. In this example, fuming nitric acid (HNO₃+ NO₂ ⁺) Etching is performed using a 97% solution. In fuming nitric acid, the etching rate of the hafnium oxide film, which is the sacrificial film 83A, is sufficiently high at 10 nm / min because ion implantation is performed. In the case of an etching solution using fuming nitric acid, aluminum is rendered non-conductive, and the etching rate is 1 nm / min or less, and it is not etched at all effectively.
[0075]
In the fourth embodiment, the hafnium oxide film is used as the sacrificial film, but even when zirconium oxide is used as the sacrificial film, the sacrificial film can be implemented with the same combination of electrode film and etching solution and the same process. .
[0076]
In this way, the separation gap, so-called hollow portion 98, is formed by removing the sacrificial film 83A, and the diaphragm 81 is formed by the laminated film 87 facing the substrate 82 with the hollow portion 98 interposed therebetween. That is, a diaphragm 81 composed of a polycrystalline silicon film 89 serving as a piezoresistive element (strain gauge) and upper and lower titanium nitride films 90 and 88 and having a periphery fixed to a silicon substrate 82 is formed. Four diaphragms 81 are formed, and are connected to each other by wiring through the electrodes 97 to form a pressure sensor. That is, the diaphragm 81 for the pressure sensor is formed. On the other hand, although not shown, a signal processing circuit for performing signal processing accompanying the operation of the pressure sensor is formed on the other part of the silicon single crystal substrate. In this case, the conductive film such as an electrode exposed when the sacrificial film 83 A is removed in the signal processing circuit can be formed using aluminum of the same metal material as the aluminum electrode 97. Thereby, the target pressure sensor and the signal processing circuit are integrally formed, and the target semiconductor integrated circuit device, that is, the MEMS element 99 is obtained.
[0077]
According to the fourth embodiment, without sacrificing the aluminum electrode 97, only the sacrificial film 83A can be selectively removed by etching to form the diaphragm 81 for the pressure sensor. Therefore, the MEMS element 99 having high accuracy and high reliability and having a long lifetime, that is, a micro pressure sensor device can be manufactured.
[0078]
In the above-described embodiment, the present invention is applied to a pressure sensor in which a piezoresistive element is formed to detect pressure. In the above-described configuration, the silicon single crystal substrate 12 (or 32, 52, 82) is used as a lower electrode. A so-called capacitive pressure sensor in which the polycrystalline silicon film 19 (or 39, 59, 89) of the diaphragm is used as an upper electrode and a capacitance is formed through the hollow portion 28 (or 48, 69, 98). You can also.
[0079]
Further, according to the present invention, for example, the acceleration sensor 101 can be configured as shown in FIG. 9 by using the manufacturing method of FIGS. As the acceleration sensor, an acceleration sensor using the diaphragm polycrystalline silicon film 19 as a piezoresistive element can be configured in the same manner as the pressure sensor. Alternatively, a so-called capacitive acceleration sensor can be configured in which the silicon single crystal substrate 12 is used as a lower electrode, the polycrystalline silicon film 19 of the diaphragm is used as an upper electrode, and a capacitance is formed via a hollow portion 28.
Note that the capacitive acceleration sensor can also be configured by using the manufacturing method shown in FIGS. 3 and 4, 5 and 6, 7 and 8.
[0080]
Further, according to the present invention, for example, the infrared sensor (so-called infrared image sensor) 102 can be configured as shown in FIGS. 10 and 11 by using the manufacturing method of FIGS. The figure shows a diaphragm portion of one pixel of the infrared sensor. In the infrared sensor according to the present embodiment, an upper electrode 104 and a lower electrode 106 are formed on a support frame having a laminated structure of silicon oxide film 118 / silicon nitride film 119 / silicon oxide film 120 with a pyroelectric film 105 interposed therebetween. The diaphragm 103 is formed. The diaphragm 103 is formed on the silicon substrate 108 through the hollow portion 109 and is supported by the four beams 107. That is, the sacrificial layer is TiN, and the electrode connected to the beam 107 is Co. For example, 121 is a polycrystalline silicon film.
In the infrared sensor 102, infrared radiation energy is absorbed by the pyroelectric film 104, and the temperature change is detected.
Note that the infrared sensor can also be configured by using the manufacturing method shown in FIGS. 3 and 4, 5 and 6, 7 and 8.
[0081]
Further, according to the present invention, for example, the frequency filter 110 using an acoustic resonator as shown in FIG. 12 can be configured by using the manufacturing method shown in FIGS. This figure shows the diaphragm part of the acoustic resonator. The acoustic resonator according to the present embodiment is formed by forming a diaphragm 114 including an upper electrode 111 and a lower electrode 113 with a piezoelectric material layer 112 interposed therebetween on a silicon substrate 116 via a hollow portion 117. Reference numeral 118 denotes an extraction electrode for the upper electrode 112, and reference numeral 119 denotes an extraction electrode for the lower electrode 113. That is, the sacrificial layer is TiN, and the electrode connected to the electrode 111 is Co.
In the acoustic resonator, when a signal is applied between the two electrodes 111 and 113 sandwiching the piezoelectric material layer 112, an electric field that changes with time is generated, and the voltage material layer 111 converts a part of electric energy into a sound wave. . Sound waves are reflected at the air / resonator interface and have a specific mechanical resonance. An acoustic resonator can be used as a frequency filter when operating at a mechanical resonance frequency.
Note that a frequency filter using an acoustic resonator can also be configured using the manufacturing methods of FIGS. 3 and 4, 5 and 6, 7 and 8.
[0082]
Further, in the present invention, for example, the printer nozzle 120 as shown in FIG. 13 can be configured by using the manufacturing method shown in FIGS. In the printer nozzle 120 of the present embodiment, the silicon single crystal substrate 131 is a lower electrode, and a silicon nitride film 133 having a polycrystalline silicon film 132 as an upper electrode and a polycrystalline silicon so as to face the silicon single crystal substrate 131. A diaphragm 138 is formed by the film 132 and the silicon oxide film 134. On this diaphragm 138, an ink reservoir portion 136 having a nozzle portion 137 on the upper surface and supplied with printer ink 135 is arranged. The opening for removing the sacrificial film is provided at a position away from the ink reservoir 136.
That is, the sacrificial layer is Co, and the take-out electrode 140 of the polycrystalline silicon film 132 is CoSi2. Before forming Co of the sacrificial layer on the front surface, a reaction preventing film (SiC) 139 is formed on the two-dimensional plane on which the sacrificial layer is formed, so that CoSi2 is selectively formed by annealing, and Co / SiC Co which is not reacted in the structure of / Si is removed during etching.
In the printer nozzle 120, the diaphragm 138 is moved by a voltage applied between the silicon single crystal substrate 131 serving as a lower electrode and the polycrystalline silicon film 132 serving as an upper electrode with an insulating film (not shown) interposed therebetween, and an ink reservoir is obtained. The ink 135 in the part 136 is emitted through the nozzle part 137.
It should be noted that the printer nozzle can also be configured by using the manufacturing method shown in FIGS. 1 and 2, 3 and 4, 7 and 8.
[0083]
According to the surface micromachining technique of the present embodiment described above, different metal material films are used for the sacrificial film and the electrode, and these metal material films are etched with a solution having an etching selectivity to corrode the electrodes. The sacrificial film can be removed without etching, and a hollow diaphragm structure can be formed. Accordingly, MEMS elements such as highly accurate and reliable pressure sensors, acceleration sensors, infrared sensors, and frequency filters using acoustic resonators can be formed on one main surface of a substrate by a normal semiconductor process. Cost reduction of the MEMS element can be achieved.
[0084]
【The invention's effect】
According to the MEMS device of the present invention, the separation gap between the semiconductor substrate and the movable thin piece (so-called diaphragm) removes the sacrificial film made of a metal film, a metal nitride film, or a metal oxide film by etching with a selective solution. Therefore, the electrode exposed at the time of etching is not corroded, so that the MEMS element having a diaphragm structure has high accuracy and high reliability, and can achieve a long life.
[0085]
In particular, when the separation void is formed by etching and removing a sacrificial film made of titanium nitride, cobalt, hafnium oxide, or zirconium oxide with a selective solution, the reliability of the MEMS element can be significantly improved. it can.
[0086]
In addition, when applied to a frequency filter using a pressure sensor, an acceleration sensor, an infrared sensor, or an acoustic resonator, the MEMS element according to the present invention has high accuracy and high reliability, and can achieve a long life.
[0087]
According to the MEMS device manufacturing method of the present invention, a sacrificial film is formed of a metal film, a metal nitride film, or a metal oxide film using surface micromachining technology, and the sacrificial film is etched away with a selective solution. Thus, the hollow movable thin piece (so-called diaphragm) can be formed by etching and removing only the sacrificial film without corroding the electrode exposed at the time of etching. Therefore, it is possible to manufacture a MEMS element having high accuracy and high reliability and having a long lifetime.
[0088]
In particular, when the sacrificial film is formed of any one of titanium nitride, cobalt, hafnium oxide, or zirconium oxide, and the sacrificial film is etched with a solution that is selective to these material films, the reliability is greatly improved. A MEMS element can be manufactured.
[0089]
In the MEMS element manufacturing method of the present invention, a high-precision and highly reliable pressure sensor, acceleration sensor, infrared sensor, and acoustic resonator frequency filter can be formed on one main surface of a semiconductor substrate by a normal semiconductor process. In addition, the cost of this type of MEMS device can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1E are manufacturing process diagrams (part 1) illustrating a MEMS device according to a first embodiment of the present invention, together with a manufacturing method thereof; FIGS.
FIGS. 2A to 2I are manufacturing process diagrams (part 2) showing the MEMS device according to the first embodiment of the present invention together with the manufacturing method thereof. FIGS.
FIGS. 3A to 3E are manufacturing process diagrams (part 1) illustrating a MEMS device according to a second embodiment of the present invention, together with a manufacturing method thereof; FIGS.
FIGS. 4A to 4I are manufacturing process diagrams (part 2) showing the MEMS device according to the second embodiment of the present invention together with the manufacturing method thereof. FIGS.
FIGS. 5A to 5E are manufacturing process diagrams (part 1) illustrating a MEMS element according to a third embodiment of the present invention, together with a manufacturing method thereof; FIGS.
FIGS. 6A to 6F are manufacturing process diagrams (part 2) illustrating the MEMS device according to the third embodiment of the present invention together with the manufacturing method thereof. FIGS.
FIGS. 7A to 7E are manufacturing process diagrams (part 1) illustrating a MEMS device according to a fourth embodiment of the present invention, together with a manufacturing method thereof; FIGS.
FIGS. 8A to 8I are manufacturing process diagrams (part 2) showing the MEMS device according to the fourth embodiment of the present invention together with the manufacturing method thereof. FIGS.
FIG. 9 is a cross-sectional view of a main part when the MEMS element according to the present invention is applied to an acceleration sensor.
FIG. 10 is a plan view of a diaphragm portion of one pixel when the MEMS element according to the present invention is applied to an infrared sensor.
FIG. 11 is a cross-sectional view of a diaphragm portion of one pixel when the MEMS element according to the present invention is applied to an infrared sensor.
FIG. 12 is a cross-sectional view of the main part (diaphragm part) when the MEMS element according to the present invention is applied to a frequency filter using an acoustic resonator.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a main part when the MEMS element according to the present invention is applied to a printer nozzle.
FIGS. 14A to 14E are manufacturing process diagrams (part 1) illustrating a method for manufacturing a MEMS element having a conventional diaphragm structure; FIGS.
FIGS. 15A to 15C are manufacturing process diagrams (part 1) showing a manufacturing method of a MEMS element having a conventional diaphragm structure; FIGS.
[Explanation of symbols]
11, 31, 51, 99 .. Diaphragm (movable thin piece), 12, 32, 52, 82 .. Semiconductor substrate, 13, 33 .. Titanium nitride film (sacrificial film), 14, 35, 55, 84 .. Photo Resist mask, 15... Diaphragm formation region, 16 .. Extraction electrode formation region, 17, 57, 87 .. Laminated film, 18, 20, 38, 40, 58, 60, 88, 90 .. Silicon nitride film, 19 , 39, 59, 89 .. Polycrystalline silicon film, 24, 44, 64, 94 .. Photoresist mask, 25, 26, 45, 46, 65, 66, 95, 96 .. Opening, 27, 47, 68, 97 ... Electrode, 28, 48, 69, 98 ... Separation gap, 29, 49, 70, 99 ... MEMS element, 34, 54 ... Cobalt, 53 ... Silicon oxide film, 83 ... Hafnium oxide film

Claims

Between the surface of the semiconductor substrate and the movable thin piece, there is a separation gap formed by etching and removing a sacrificial film made of a metal film, a metal nitride film, or a metal oxide film with a selective solution,
A MEMS element, wherein a signal processing circuit for performing signal processing associated with the operation of the movable thin piece is formed on the semiconductor substrate.

2. The MEMS element according to claim 1, wherein the separation space is formed by etching and removing a sacrificial film of any one of titanium nitride, cobalt, hafnium oxide, and zirconium oxide.

2. The MEMS element according to claim 1, wherein a piezoresistive element is formed on the movable thin piece to detect a change in capacitance due to pressure or acceleration.
Claim 4 is deleted, numbering is increased in subsequent paragraphs

2. The MEMS element according to claim 1, wherein a pyroelectric film is formed on the movable thin piece to detect a temperature change caused by infrared absorption.

2. The MEMS according to claim 1, wherein the movable thin piece is formed of a piezoelectric layer sandwiched between two electrodes to form a resonator, and a sound wave reflected at an air / resonator interface is detected. element.

Forming a sacrificial film by a metal film or a metal nitride film or a metal oxide film on the surface of the semiconductor substrate;
Forming a thin film to be a movable thin piece on the sacrificial film;
A method of manufacturing a MEMS device, comprising: etching away the sacrificial film with a selective solution and forming a movable thin piece facing the surface of the semiconductor substrate with a separation gap interposed therebetween.

7. The method for manufacturing a MEMS element according to claim 6, wherein titanium nitride, cobalt, hafnium oxide or zirconium oxide is used for the sacrificial film.