JP5898690B2 - 電気−機械システムを製造するためのプロセス - Google Patents
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Description
本発明はナノ電気−機械システム（ＮＥＭＳ）及び微小電気−機械システム（ＭＥＭＳ）を含む電気−機械システムの製造の分野に関する。さらに詳しくは、本発明は気相フッ化水素エッチングを用いるＭＥＭＳ及びＮＥＭＳの作製方法に関する。
ＮＥＭＳは、機械素子の内の１つ以上が全ての方向において１μｍより小さい、最新の機械システムである。ＮＥＭＳ及び前世代の技術のＭＥＭＳは、大寸プレートを支持する、全てが犠牲層の上面の上でパターニングされ、１つ以上の点において下層の基板にアンカーで固定された、長く薄いビームからなる周知のデバイスである。デバイスの完成後、犠牲層はエッチング除去されて、プレート及びビームはアンカー点を除いて自由に動くことができる。
多くの特許及びその他の刊行物がＮＥＭＳ及びＭＥＭＳの様々な作製方法を開示している。例えば、マストランジェロ(Mastrangelo)の特許文献１は、二酸化シリコンのような、ウエットエッチング法で除去され得る犠牲層を被着することでシリコン基板上に微細構造を作製する方法を開示している。犠牲層にボイド領域が形成され、次いで、ボイド領域及びカット領域を埋めるために、犠牲層エッチング剤に耐えるコラム形成層が少なくとも１つの孔を通して被着され、コラム形成層は後に残りの犠牲層のウエットエッチング中に構造層のための支持を与える。
他に、ＭＥＭＳには付随しなかった、ＮＥＭＳに付随する問題が扱われている。例えば、カーリー(Carley)の特許文献２では、小アスペクト比を有するビームの造成問題が、そのようなビームを独立の非結合部材として造成することで対処されている。リュッケ(Reuckes)等の特許文献３では、メモリセルのために成長させたナノチューブワイアまたはリボンの形状寸法の統計的分散の制御問題が扱われている。ベイヤー(Beyer)等の特許文献４では、フッ化水素酸(ＨＦ)を用いて犠牲ＳｉＯ２層を溶解する空洞を用いることによる相互接続配線間の絶縁問題が、エッチングで孔を形成してその孔に導電材料を堆積することで対処されている。
本発明の課題はＮＥＭＳ及びＭＥＭＳの製造中にデバイス層の可動パーツを確実に保持する方法を提供することにある。本発明の別の課題は、犠牲酸化物層の除去中及び除去後にスティクションを生じさせない、ＮＥＭＳ及びＭＥＭＳの製造方法を提供することにある。別の課題は、従来技術の方法では達成できない、寸法、形状及び／または場所の特徴を有する、ＭＥＭＳ及びＮＥＭＳを提供することにある。
上記課題及び、以下の開示及び図面から明らかになるであろう、その他の課題は、一態様においてＭＥＭＳまたはＮＥＭＳの製造中にデバイス層の可動パーツを確実に保持する方法及び得られるＭＥＭＳまたはＮＥＭＳを含む本発明によって達成される。基板と犠牲酸化物層の間及び／またはデバイス層と犠牲酸化物層の間及び／またはデバイス層の犠牲酸化物層とは逆側の表面上に窒化シリコン層が設けられ、気相フッ化水素（ＶＨＦ）によって、より厚いヘキサフルオロケイ酸アンモニウムに転換され、同時に犠牲酸化物の一部が除去される。ヘキサフルオロケイ酸アンモニウムは作成中のデバイスの動きを制限する一時的な支持体、シム、くさびまたは繋索としてはたらき、後に、熱及び／または減圧の下での昇華によって除去される。いくつかの実施形態において、窒化シリコンは１つ以上の中間工程が施された後になるまでは昇華による除去が行われず、よって１つ以上の中間工程中の動きが防止され、中間工程は、ダイシング、パッケージングまたはメタライジングから選ばれる。
ＶＨＦエッチングは一般に、小型のＭＥＭＳまたはＮＥＭＳのための、特にスティクションが問題になる場合の、ウエットエッチングに優る、改善された方法として用いられる。スティクションは２つの平らな小パーツの表面上の残留水分が小パーツを相互に引き付けて接触させ、次いでファンデルワールス力が小パーツを相互に結合させ得る場合に生じる。大きな（＞１μｍの）犠牲酸化物間隙に対しては、圧力、温度及び反応物質比のようなＶＨＦプロセスパラメータがスティクションの効果の最小化または排除に役立ち得る。しかし、ＮＥＭＳに見られるように、犠牲酸化物層が非常に薄くなると、及び／またはビーム及びばねのような可撓構造の間の隙間が非常に狭くなると、スティクションを防止するレベルまで水分を減じるには限界があり得る。１つの主要な理由はＶＨＦエッチングの反応の副生成物が水であることである。よって、プロセスにおいて無水状態でエッチングを行うことは物理的に不可能である。反応速度を減じ、よってエッチング速度を減じることでしか、単位時間に生成される水の量を減じることはできない。ＶＨＦは既知の配合及び方法にしたがって作製及び導入され、フッ化水素酸及びアルコールまたは水を含む。
本発明は、別の標準的な半導体材料の窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）にＶＨＦプロセスを用いたときにおこる２つの独特な現象を利用する。ＶＨＦ処理の存在において窒化シリコンが反応して、フッ化アンモニウム[ＮＨ４]Ｆ及び／またはフッ化アンモニウムシリコン[ＮＨ４]２ＳｉＦ６に転換され得ることが知られている。フッ素塩が存在し、これらの塩の転換層は厚くなり、元の窒化シリコン材料より大きな粒径を有する、傾向がある。複合２層材料膜（窒化シリコンに重なるフッ化アンモニウムシリコン）はエッチングプロセスにさらされると厚くなる。転換窒化シリコン塩のもう１つの現象は、比較的低い温度及び真空圧において、化学反応式：
(ＮＨ４)２ＳｉＦ６→ＮＨ４ＨＦ２(固)＋ＳｉＦ４(気)＋ＮＨ３(気)
にしたがって昇華し得ることである。
(ＮＨ４)２ＳｉＦ６→ＮＨ４ＨＦ２(固)＋ＳｉＦ４(気)＋ＮＨ３(気)
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本発明は、ＶＨＦリリース中にまたはＶＨＦリリースに続くいずれのプロセス中にも、デバイス層の可動パーツを確実に保持する新規な方法を開発するためにこれらの現象のいずれをも利用する。これは、犠牲酸化物層に隣接させるかまたは２つ以上の可動パーツにかけて、１つ以上の窒化物層を用いることによって達成される。窒化物層がデバイス層と酸化物層の間及び／または酸化物層と基板層の間にある実施形態において、窒化物層厚は、転換されたときの最終厚が犠牲酸化物層エッチング後のデバイス層と基板の間の隙間をほぼ、ただし完全にではなく、埋めるように選ばれる。これにより、初めは窒化物／犠牲酸化物スタックで支持されていたデバイスが今は１つまたは複数のアンモニウムフルオロケイ酸層で支持されることが保証される。これらの実施形態において、デバイス層の下の窒化物層の転換にしたがう曲げ力に対抗するため、デバイス層の上に別の窒化物層を配することができる。窒化物層がデバイス層の上の繋索として用いられる実施形態において、窒化物層はアンモニウムフルオロケイ酸に転換し、ビーム、ばねまたはデバイスのその他のパーツを、さらなる処理中に損傷を受けないように、一緒に繋ぎ留める。いくつかの実施形態において、デバイス層は、互いに対してまたは基板に対して動くように設計された領域を有し、窒化物層は作成中の互いに対する動きを制限するための繋索の形態で設けられ、窒化物繋索は領域の互いに対する運動が許される時点で昇華によって除去される。
構造は次いで昇華曲線より下の温度／圧力条件において真空ベークにかけられて、アンモニウムフルオロケイ酸支持構造が昇華し、よってデバイスが解除プロセスの一環として無水状態で解除される。
デバイス層は、例えば、アモルフォスシリコン、ポリシリコン、シリコン−ゲルマニウム、アルミニウム、タングステン、チタン、窒化チタン、アルミニウム、タングステン及びチタンの合金、これらの組合せ、及び金属−シリコン酸化物積層を含む、技術上用いられるいずれかの適する材料とすることができる。
本発明のその他の課題及び利点は、以下の詳細な説明を予備、添付図面を参照すれば、明らかになるであろう。
本発明のＮＥＭＳ態様のいくつかの実施形態が以下で詳細に説明されるが、本発明が他の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）にもナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）と同様に、ＶＨＦによる解除中のスティクションの回避及び処理工程中のビーム、ばね、等のようなデバイス部材の動きの防止の問題はいずれのフォーマットにも当てはまるから、適用されることが当業者には理解されるはずであり、当然であろう。
初めに図１ａ〜１ｊを参照すれば、ＮＥＭＳスタックが一連の工程において構築され、最終的にリリースされる、本発明にしたがうプロセスの一実施形態が示される。出発基板１０が図１ａに示される。実施形態に応じて、１つないしさらに多くの窒化シリコン層が被着される。図１ｂは第１の窒化シリコン層１１を示し、続いて、犠牲酸化物層１２（図１ｃ）、中間窒化シリコン層（図１ｄ）、構造層またはデバイス層１４（図１ｅ）及び上面窒化物層１５（図１ｆ）が被着される。図示される実施形態において、ＳｉＮ層は２００Å厚であり、酸化物層は５００Å厚である。構造層またはデバイス層の厚さは、技術上既知であるように、特定のスタック内であっても、変わり得る。図示される実施形態において、デバイス層１４は５００Å厚である。
図１ｇは、犠牲酸化物層１２をエッチングせずに、層１５，１４及び１３を個々の区画１５ａ及び１５ｂ，１４ａ及び１４ｂ並びに１３ａ及び１３ｂに分割するエッチングが施されたパターンを示す。図１ｈは、いくらかの犠牲酸化物１２を除去し、同時に窒化シリコン１１，１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂのいくらかを、ＶＨＦ工程の前に存在していた窒化シリコンより大きな体積を示す、アンモニウムヘキサフルオロケイ酸１７ａ，１７ｂ，１７ｃまたは同類の化学物質に転換する、ＶＨＦリリースプロセスの途中結果を示す。ＶＨＦはフッ化水素酸（ＨＦ）及びアルコールまたは水の蒸気を含み、窒素によって導入される。ＶＨＦ工程は、本実施形態においては４５℃及び１００Ｔｏｒｒ（１.３３×１０４Ｐａ）において行われるが、他の実施形態においては、約２０〜１００℃の温度及び１０Ｔｏｒｒ（１.３３×１０３Ｐａ）〜大気圧（７６０Ｔｏｒｒ（１.０１３×１０５Ｐａ））の圧力が適する。このリリース工程中にＳｉＮ層１７ｂ及び１７ｃは、酸化物層が除去されている間、ＨＦと反応してアンモニウムヘキサフルオロケイ酸を形成するにつれて膨張し、膨張したＳｉＮ／アンモニウムヘキサフルオロケイ酸層は相互に極めて接近するに至り、よってスティクションによるビームの基板上への落込みを防止する。膨張したＳｉＮ／アンモニウムヘキサフルオロケイ酸層１７ａは、層１７ｂの形成にともなって層１７ｂによって与えられるいかなる応力にも対抗するようにはたらく。
図１ｉはＶＨＦリリース完了後のＮＥＭＳスタックを示しており、アンモニアヘキサフルオロケイ酸１７ａが上面からビーム１４ａ及び１４ｂを支持し、アンモニアヘキサフルオロケイ酸１７ｂがデバイス層１４ａ，１４ｂの底面上にあり、アンモニアヘキサフルオロケイ酸１７ｃが基板１０上にある。アンカーは未反応の窒化シリコン部分１６ａ及び１６ｃ並びに未反応の犠牲酸化物１６ｂから形成される。アンカー１６ａ，１６ｂ，１６ｃは本実施形態においてデバイス部１４ａを支持し、図１ｊに示される最終デバイススタックをもたらす昇華工程後に、所定の場所にとどまる。図１ｊはアンモニアヘキサフルオロケイ酸１７ａ，１７ｂ及び１７ｃが昇華工程によって除去されていることを示す。
図２ａ〜２ｄは、２つの窒化シリコン層１１及び１３ａ〜１３ｂを有するパターニングされたＮＥＭＳのＶＨＦエッチングの進行及び昇華工程を示す、本発明にしたがうＮＥＭＳスタックの一連の断面図である。図２ｂにおいて、パターニングされたスタック（図２ａ）がＶＨＦである程度処理されて、それぞれの窒化シリコン層１１及び１３ａ〜１３ｂの一部が膨張したアンモニウムヘキサフルオロケイ酸１７ｂ，１７ｃに転換され、同時に犠牲酸化物層１２の一部が除去される。図２ｃはリリース及び所望の全ての犠牲酸化物１２（図２ａ）の除去後の、未反応の窒化シリコン１６ａ，１６ｃ及び未反応の犠牲酸化物１６ｂからなるビーム１４ｂのためのアンカーが残された、スタックを示す。ビーム１４ｂはもはや支持されておらず、今では設計通りに自由に動くことができる。
図３ａ〜３ｄは、１つだけの窒化シリコン層１１を有するスタックを示す。図３ａのパターニングされたデバイス層から、出発基板１０の上面に窒化シリコン層１１に続いて被着された犠牲酸化物層１２に支持されるデバイス層に、ビーム１４ｂ及び別の部材１４ａが得られる。図３ｂはＶＨＦリリースの途中結果を示し、図３ｃは、未反応窒化シリコン１６ｂ及び未反応酸化物１６ａからなるアンカーを有し、窒化シリコンの膨張した形態であるアンモニウムヘキサフルオロケイ酸１７がビーム１４ｂ及び部材１４ａを支持している、完了したＶＨＦ解除を示す。アンモニウムヘキサフルオロケイ酸は昇華工程において無水態様で除去されて、図３ｄに示される、完全にリリースされたＮＥＭＳデバイスが得られる。
図４ａ〜４ｄは、気相ＨＦリリース工程中にデバイス層の区画を確実に保持するためにあらかじめパターニングされたデバイス層１３に重ねて窒化シリコン層１５が被着されている、本発明の別の実施形態を示す。ＶＨＦ処理工程中に、窒化シリコン１５がアンモニウムヘキサフルオロケイ酸１７に転換され、犠牲酸化物１２の一部が除去されて、図４ｂに示される中間スタックが得られる。図４ｃにおいて犠牲酸化物１２の設計された領域は除去されず、図４ｄに示されるように昇華工程後の最終デバイスにおいてデバイス層の区画または部材１３を支持する、アンカー１６として機能する。
図５ａ〜５ｄは、ＶＨＦエッチング工程及び以降のプロセス工程中のデバイス層パーツの動きを封じるために機能し、昇華工程中に除去される、パターニングされたＮＥＭＳスタックの繋索としてアンモニウムヘキサフルオロケイ酸に少なくともある程度転換される、窒化シリコンの使用の別の実施形態を示す一連の、一部が断面の斜視図である。本実施形態において、デバイス層１３は、図５ａに示されるように、基板１０上にある犠牲酸化シリコン層１２上においてパターニングされる。エッチ穴１８を有する窒化シリコン層１５がデバイス層の３つの可動ビーム部材１３を完全に覆う。図５ｂに示されるように、ＶＨＦエッチングの途上において、いくらかの犠牲酸化層が除去され、上面窒化シリコン層のいくらかがアンモニウムヘキサフルオロケイ酸に転換される。図５ｃは、酸化シリコンの残留区画または領域であるアンカー１６が残る、酸化物エッチングの完了を示す。図５ｄは液体形成を避ける温度／圧力条件下での昇華の結果を示す。本実施形態において、可動ビーム部材１３（図５ｃ）は、ダイシング、パッケージング、メタライジングのような工程の間、及び／またはデバイス構造の保護を必要とするいずれの工程の間も、繋索層によって保護される。ビームの他に、部材１３はＭＥＭＳまたはＮＥＭＳのばね及び／またはその他の可動パーツとすることができる。
本発明の方法によって、より小さなパーツ、すなわち、リリース工程、ダイシング、パッケージング、メタライジング、等の間に普通であればスティクションまたは損傷を受けるであろう互いに及び／または基板に近接するパーツの設計が可能になるから、改善された、独特のＭＥＭＳまたはＮＥＭＳが得られる。
シリコンでつくられた機構ビーム及び基板を備えるナノ／微小電気機械システムを作製するための本発明の方法は、ビームの一方または両方の側、基板の一方または両方の側、あるいはビーム及び基板の少なくとも一方の側、及び酸化シリコン犠牲層の上に窒化シリコンの薄層を被着する工程を含み、窒化シリコン膜は気相フッ化水素（ＶＨＦ）によるエッチング工程中に犠牲酸化シリコン層が除去されるときの支持が必要なビームまたは基板の場所の上に被着され、ＶＨＦエッチング工程中に窒化シリコンをフッ化アンモニウム及び／またはフッ化アンモニウムシリコンに転換することで残留支持構造物が形成され、乾式リリースし、次いで残留支持構造物を除去する、乾式リリース工程中、ビームまたは基板を他のビームまたは基板から分離するように構成される。
したがって、本発明は上述した課題を実行し、上述した目的及び利点を、また本発明に内在するその他の利点も、達成するに十分に適合される。本発明の特に好ましい実施形態を参照することで本発明を示し、説明して、定めたが、そのような参照は本発明の限定を意味せず、そのような限定を推定するべきではない。当業者には思い浮かぶであろうように、本発明には形態及び機能にかなりの改変形態、代替形帯及び等価形態が可能である。示し、説明した本発明の好ましい実施形態は例示に過ぎず、本発明の範囲を網羅もしていない。したがって、本発明は、全ての点において等価な形態を完全に認知した上で、添付される特許請求の範囲の精神及び範囲によってのみ限定されるとされる。
１０ 基板
１１，１３，１５ 窒化シリコン層
１２ 犠牲酸化物層
１４ デバイス層
１６ アンカー
１７ アンモニウムヘキサフルオロケイ酸
１８ エッチ穴
１１，１３，１５ 窒化シリコン層
１２ 犠牲酸化物層
１４ デバイス層
１６ アンカー
１７ アンモニウムヘキサフルオロケイ酸
１８ エッチ穴
Claims (11)
- 機械素子及び基板を備える微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）またはナノ電気機械システム（ＮＥＭＳ）を製造する方法において、
（ａ）前記機械素子と前記基板の間に犠牲酸化シリコンの層を被着する工程、
（ｂ）窒化シリコンの層を、
（ｉ） 前記基板と前記犠牲酸化シリコンの層の間、
（ii） 前記犠牲酸化シリコンの層と前記素子の間、及び
（iii）前記素子の上、
からなる群から選ばれる１つ以上の場所に設ける工程、
（ｃ）気相フッ化水素（ＶＨＦ）を、
（ｉ） 前記犠牲酸化シリコンの少なくとも一部分が除去され、かつ同時に、
（ii） 素子の動きを制限する一時的な支持体、シム、くさびまたは繋索を設けるために、前記窒化シリコンの少なくとも一部分がアンモニウムヘキサフルオロケイ酸に転換される条件の下で、導入する工程、及び
（ｄ）液体形成を避ける圧力と温度の条件の下で前記アンモニウムヘキサフルオロケイ酸を昇華させる工程、
を含み、
前記一時的なアンモニウムヘキサフルオロケイ酸の支持体、シム、くさびまたは繋索が１つ以上の中間工程が実施された後になるまで昇華によって除去されず、よって前記１つ以上の中間工程中の動きが防止され、前記中間工程はダイシング、パッケージング及びメタライジングから選ばれることを特徴とする方法。 - 前記素子が、アモルフォスシリコン、ポリシリコン、シリコン−ゲルマニウム、アルミニウム、タングステン、チタン、窒化チタン、アルミニウム、タングステン及びチタンの合金、これらの組合せ、及び金属−酸化シリコン積層からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記気相フッ化水素（ＶＨＦ）がフッ化水素酸及びアルコールまたは水を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
- 前記素子、前記基板、前記酸化シリコン及び前記窒化シリコンが、前記ＭＥＭＳまたは前記ＮＥＭＳの作製中に層として設けられ、前記窒化シリコンの層が前記素子の層の両側に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記素子、前記基板、前記酸化シリコン及び前記窒化シリコンが、前記ＭＥＭＳまたは前記ＮＥＭＳの作製中に層として設けられ、前記窒化シリコンの層の第１の層が前記基板の層の前記素子の層に向いている側の上に設けられ、前記窒化シリコンの層の第２の層が前記素子の層の前記基板の層に向いている側の上に設けられ、前記酸化シリコンの層が前記第１の層と前記第２の層の間に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記素子、前記基板、前記酸化シリコン及び前記窒化シリコンが、前記ＭＥＭＳまたは前記ＮＥＭＳの作製中に層として設けられ、前記素子の層が互いに対してまたは前記基板に対して動くように設計された領域を有し、前記窒化シリコンの層が作成中の前記領域の互いに対する動きを制限するための繋索の形態で設けられ、前記窒化シリコンの層の繋索は、前記領域の互いに対する動きが許される時点で昇華によって除去されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
- 前記犠牲酸化シリコンの一部が除去されず、アンカーとしてはたらくことを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記窒化シリコンが、プラズマ支援化学的気相成長（ＰＥＣＶＤ）によるかまたは減圧化学的気相成長（ＬＰＣＶＤ）によって作製され、前記ＰＥＣＶＤによって作製された前記窒化シリコンが前記ＬＰＣＶＤによって作製された前記窒化シリコンより高速で反応することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記窒化シリコンの少なくとも一部分をアンモニウムヘキサフルオロケイ酸に転換すると、そのように形成された前記アンモニウムヘキサフルオロケイ酸が前記窒化シリコンの前記部分より大きな体積を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記窒化シリコンと前記気相フッ化水素（ＶＨＦ）の反応によって形成された前記アンモニウムヘキサフルオロケイ酸の量及び場所が前記窒化シリコンの場所、厚さ及び品質の選択によって制御されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記素子が、アモルフォスシリコン、ポリシリコン、シリコン−ゲルマニウム、アルミニウム、タングステン、チタン、窒化チタン、アルミニウム、タングステン及びチタンの合金、これらの組合せ、及び金属−酸化シリコン積層からなる群から選ばれ、前記気相フッ化水素（ＶＨＦ）がフッ化水素酸及びアルコールまたは水を含み、前記犠牲酸化シリコンの一部が除去されずにアンカーとしてはたらき、前記窒化シリコンの少なくとも一部分をアンモニウムヘキサフルオロケイ酸に転換すると、そのように形成された前記アンモニウムヘキサフルオロケイ酸が前記窒化シリコンの前記部分より大きな体積を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
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