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JP4314867B2 - Manufacturing method of MEMS element - Google Patents

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JP4314867B2
JP4314867B2 JP2003104325A JP2003104325A JP4314867B2 JP 4314867 B2 JP4314867 B2 JP 4314867B2 JP 2003104325 A JP2003104325 A JP 2003104325A JP 2003104325 A JP2003104325 A JP 2003104325A JP 4314867 B2 JP4314867 B2 JP 4314867B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、MEMS素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
微細技術の進展に伴い、いわゆるマイクロマシン(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems、超小型電気的・機械的複合体)素子、及びMEMS素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。
MEMS素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更に機械的に結合させた素子である。MEMS素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間の静電力、即ちクローン引力等を応用して電気的に行われる。
【0003】
一方、MEMS素子として、nmレベルの中空ギャップを挟んで振動電極を配置してなる微小共振器は、電気・機械変換効率が高いという特徴から、MEMSフィルタやセンサの検出回路など、応用分野が広い。例えば、高周波フィルタとしての利用がミシガン大学を始めとする研究機関から提案されている(非特許文献1参照)。
【0004】
図4Bは、非特許文献1に記載された高周波フィルタを構成するMEMS振動子に適用されるMEMS素子の概略を示す。このMEMS素子1は、半導体基板2上に絶縁膜3を介して固定側電極6とその両側の配線層7が形成され、この第1の電極6に対向して中空ギャップ9を挟んで駆動可能なビーム、所謂駆動側電極8が形成さて成る。駆動側電極8は、両端のアンカー部(支持部)14〔14A,14B〕にて支持されるように、固定側電極6をブリッジ状に跨いで配線層7に接続される。半導体基板上の絶縁膜3としては、例えばシリコン酸化膜4及びシリコン窒化膜5の2層膜が用いられる。このMEMS素子1をMEMS振動子として適用する場合は、固定側電極6が入力電極となり、駆動側電極8が出力電極となる。
【0005】
このMEMS素子1の製造において、中空ギャップ9を形成する工程では、図4Aに示すように、のちにギャップ9となる領域にあらかじめ選択的に除去可能な犠牲層10と呼ばれる領域を形成し、犠牲層10に配線層7に達する接続孔(コンタクト孔)11を形成し、犠牲層10を挟む形で所望の振動電極8を形成する。次に、図5Bに示すように、薬液などで犠牲層10の除去を行ってギャップ9を形成している。即ち、薄膜犠牲層10とLSIとの混載のため、同じ製造プロセスを使うメリットを実現するには、固定側電極(出力)電極6、配線層7及び振動電極8としてポリシリコン、犠牲層10として酸化膜(SiO)が用いられる。この犠牲層の薄膜化10を高い制御で行うためには、対向する駆動側電極8を縦方向に積層した構造を形成して、犠牲層10を除去する方法が一般的である。
【0006】
【非特許文献1】
C.T.−Nguyen,″Micromechanical components for miniaturized low−power communications(invited plenary),″proceedings,1999 IEEE MTT−S International Microwave Symposium RF MEMS Workshop,June,18,1999,pp.48−77.
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の犠牲層10を薄膜化した場合、図5の製造プロセスに示すような不具合が発生する。この製造プロセスでは、先ず、図5Aに示すように、シリコン基板2上にシリコン酸化膜(SiO)4を形成して、窒化シリコン膜(SiN)5を形成した後、ポリシリコン膜による固定側電極6及び配線層7を形成する。
【0008】
次に、図4Bに示すように、固定側電極6及び配線層7を含む基板上に、シリコン酸化膜(SiO)による犠牲層10を形成する。
次に、図4Cに示すように犠牲層10の一部に配線層7に達するように、接続孔11を形成する。
【0009】
次に、後の駆動側電極8と配線層7とのコンタクトを良好にするために接続孔11内の配線層7表面の自然酸化膜汚れを洗浄するために、フッ酸(HF)溶液での洗浄が行われる。しかし、このコンタクト洗浄する目的でフッ酸溶液に浸漬した場合、図5Dに示すように、犠牲層10までエッチングされてしまう。ただし、犠牲層10が厚い場合、コンタクト洗浄する時間を精密に制御することで対処可能ではあるが、特に犠牲層10が被洗浄膜(いわゆる自然酸化膜)の数ナノメートルレベルにまで薄膜化した場合は制御そのものが難しくなっている。
【0010】
本発明は、上述の点に鑑み、中空ギャップ間隔をナノメートルレベルまで超微細化したMEMS素子の製造方法を提供するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るMEMS素子の製造方法は、基板上に犠牲層に対して除去選択性を有する第1の電極と配線層を形成する工程と、第1の電極及び配線層を含む基板上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層上に第1の導体薄膜を形成し、第1の導体薄膜及び犠牲層に配線層に達する接続孔を形成する工程と、接続孔内を犠牲層を除去するエッチャントで洗浄する工程と、第1の導体薄膜上に接続孔を介して配線層に電気的に接続するように第2の導体薄膜を形成する工程と、第1及び第2の導体薄膜をパターニングして、第1及び第2の導体薄膜からなる駆動可能な第2の電極を形成する工程と、犠牲層を除去する工程とを有する。
【0012】
本発明に係るMEMS素子の製造方法においては、犠牲層を形成した後、犠牲層上に第2の電極となる第1の導体薄膜を形成し、犠牲層及び第1の導体薄膜に配線層に達する接続孔を形成する工程を有するので、その後の接続孔内の洗浄時に犠牲層を除去することがない。特に、犠牲層をナノメータレベルの膜厚で形成した場合でも、第1の導体薄膜により犠牲層が保護され、接続孔内の洗浄で犠牲層が消失されない。従って、その後の犠牲層の除去により、第1の電極と第2の電極間にナノメータレベルの間隔の空隙(中空ギャップ)が形成される。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【0014】
図1は、本発明に係るMEMS素子の製造方法で得られるMEMS素子の一例を示す。
本例に係るMEMS素子21は、基板20の同一平面上、即ち基板12の少なくとも絶縁性を有する表面上に、互いに所要の間隔を置いて配置された第1の電極(以下、固定側電極という)26と、固定側電極26を挟む両側に位置する配線層27を形成し、固定側電極26に対して空隙31を挟んで駆動可能な2層膜を構成する第1、第2の導体薄膜29、30からなる第2の電極(いわゆるビーム、以下に駆動側電極という)28を配置して成る。駆動側電極28は、固定側電極26をブリッジ状に跨ぎ、その両端、特に第2の導体薄膜30を配線層27に接続して一体に支持される。第2の導体薄膜30と配線層27との接続部においては、第2の導体薄膜30の一部が空隙31側に入り込むように形成される。
【0015】
基板20は、例えばシリコン(Si)やガリウム砒素(GaAs)などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板等が用いられる。本例では、シリコン基板22上にシリコン酸化膜(SiO)24及びシリコン窒化膜(SiN)25の積層絶縁膜23を形成した基板20が用いられる。固定側電極26及び配線層27は、同じ導電材料で形成し、例えばポリシリコン膜、またはアルミニウム(Al)、タングステン(W)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)等の金属膜にて形成することができる。駆動側電極28も、例えばポリシリコン膜、またはアルミニウム(Al)、タングステン(W)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)等の金属膜にて形成することができる。
本例では、固定側電極26、配線層27、駆動側電極28を構成する第1の導体薄膜29及び第2の導体薄膜30を共に、ポリシリコン膜で形成される。その他、固定側電極26、配線層27、駆動側電極28を構成する第1の導体薄膜29及び第2の導体薄膜30を夫々上記の異なる材料膜で形成することも可能である。あるいは、固定側電極26、配線層27、駆動側電極28を構成する第1の導体薄膜29及び第2の導体薄膜30うちの、任意の層と他の層とを夫々上記の異なる材料膜で形成することも可能である。
【0016】
本例に係るMEMS素子21によれば、駆動側電極28を第1の導体薄膜28と第2の導体薄膜30による2層膜で形成し、その2層目の導体薄膜30を1層目の導体薄膜29に形成した接続孔を通じて配線層27に接続した構成である。これにより、製造過程で空隙31となる領域の犠牲層に接続孔を形成す4ときに、犠牲層とその上の駆動側電極28の1層目の導体薄膜29と共に接続孔を形成することが可能になり、その後の接続孔内を洗浄した時に犠牲層の消滅を防止することができ、固定側電極26と駆動側電極28の空隙31としてナノメートル(nm)レベルの超微細間隔の空隙を形成することが可能になる。即ち、本例のMEMS素子21では、より微小構造で且つ高精度のMEMS素子を提供することができる。
【0017】
MEMS素子21は、共振器、光変調器、光スイッチ、高周波スイッチ等に適用することができる。この共振器は、高周波フィルタ、中間周波数フィルタ等のMEMSフィルタ、さらにセンサの検出回路などに応用することができる。
【0018】
MEMS素子21を共振器に適用した場合は、固定側電極26が出力電極となり、駆動側電極28が入力電極を兼ねる振動電極となる。この振動電極28には、入力端子より配線層27を通じて高周波信号とDCバイアス電圧を重畳した信号が入力される。出力電極26には出力端子が導出される。この共振器では、振動電極28に目的周波数の高周波信号とDCバイアス電圧が重畳して入力されると、長さで決まる固有振動数を有する振動電極28が、出力電極26との間の生じる静電力で振動する。この振動によって、出力電極26と振動電極28との間の容量の時間変化とDCバイアス電圧に応じた高周波信号出力電極26から出力される。
【0019】
次に、本実施の形態に係るMEMS素子の製造方法の一実施の形態を図2及び図3を参照して説明する。
先ず、図2Aに示すように、表面が絶縁膜を有する基板20を用意する。本例ではシリコン基板22上にシリコン酸化膜24及びシリコン窒化膜25を積層した絶縁膜23を形成してなる基板20を用いる。
次に、図2Bのように固定側電極及び配線層となるべき第1の導電体層、本例ではポリシリコン膜34を形成する。
次に、図2Cに示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて第1のポリシリコン膜34を選択的にエッチング除去して固定側電極26及びその両側に位置する配線層29を形成する。
【0020】
次に、図2Dに示すように、固定側電極26、配線層27を含む基板20上に薄膜の犠牲層34、本例では下地のシリコン窒化膜25とポリシリコン膜に対して除去選択性を有する(例えばエッチング特性が異なる)シリコン酸化膜を形成する。犠牲層34の成膜膜厚の制御性は一般に高いので、固定側電極26及び配線層27が形成された基板20の表面凹凸に沿って犠牲層34が形成される。犠牲層34は、例えば減圧CVD(化学気相成長)法により形成する。
【0021】
次に、図3Eに示すように、駆動側電極の一部を構成する1層目の導体薄膜となる第2の導電体層29、本例ではポリシリコン膜を減圧CVD法により形成す。
【0022】
次に、図3Fに示すように、この第2の導電体層29とその下の犠牲層34に対して、配線層27に達する接続孔(コンタクト孔)35を形成する。その後、接続孔35内の汚れ、特に配線層27の表面36の自然酸化膜を洗浄により除去する。本例ではフッ酸溶液により洗浄する。このフッ酸溶液による洗浄時、犠牲層34は表面が第2の導電体層29保護層されているので、消失しない。但し、フッ酸洗浄で接続孔35に臨む犠牲層34が僅かに内方にエッチング除去される。配線層27の表面が洗浄されるため、この後に成膜される第3の導電体層30と配線層27との良好な電気的接続が確保される。
【0023】
次に、図3Gに示すように、駆動側電極の一部を構成する2層目の導体薄膜となる第3の導電体層30、本例ではポリシリコン膜を減圧CVD法で形成する。このとき、第3の導電体層30は接続孔35を通じて下地の配線層27に電気的に接続される。また、第3の導電体層30は配線層27及び第2の導電体層29に電気的に接続されるので、後述する1層目の導体薄膜29及び2層目の導体薄膜30からなる駆動側電極28と配線層27が電気的に接続されることになる。
【0024】
次に、図3Hに示すように、第2及び第3の導電体層29及び30をパターニングして1層目の導体薄膜29と2層目の導体薄膜30からなる駆動側電極28を形成する。次いで、犠牲層34を除去して駆動側電極28と固定側電極26巻に空隙31を形成する。本例ではシリコン酸化膜(SiO)による犠牲層34をフッ酸溶液により除去する。かくして、目的のMEMS素子21を得る。
【0025】
本実施の形態のMEMS素子の製造方法によれば、犠牲層34を形成した後、犠牲層34上に駆動側電極28の1層目の導体薄膜となる第2の導電体層29を形成し、次いで犠牲層34及び第2の導電体層29に配線層27に達する接続孔35を形成する工程を有するので、その後の接続孔35内のフッ酸洗浄時に犠牲層34を消失することがない。特に、犠牲層34をナノメータレベルの膜厚、例えば10nm程度以下の膜厚で形成した場合でも、第2の導電体層、即ち、フッ酸耐性の高いポリシリコン膜29により犠牲層34が保護され、接続孔35内のフッ酸洗浄で犠牲層34を消失させることはない。従って、駆動側電極28と固定側電極26間にナノメータレベルの間隔の空隙31を有するMEMS素子21を精度良く製造することができる。また、LPCVDなどによる犠牲層成膜時の膜厚制御は比較的高精度であることから、本発明の製造方法により、nmレベルの薄膜であっても犠牲層を安定に形成することができ、信号伝達特性の高いMEMS共振器などのデバイスを安定して製造することができる。
【0026】
上例では、第1の導電体層33、第2の導電体層29及び第3の導電体層30をポリシリコン膜で形成したが、その他、アルミニウム(Al)、タングステン(W)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)等の金属膜にて形成することができる。第1、第2及び第3の導電体層33、29、30は、同じ材料膜で形成すことができ、あるいは夫々異なる材料膜で形成することも可能であり、さらに任意の層と他の層とを夫々上記の異なる材料膜で形成することも可能である。
駆動側電極28を各種の材料膜を選択して形成するときは、駆動側電極28の固有振動数を適宜選定することが可能になる。
【0027】
上述したように、本実施の形態の製造方法で得られるMEMS素子21は、フィルタ、センサの検出回路等に適用されるMEMS共振器や、高周波スイッチや、光スイッチ、光変調器等の光学MEMS素子などに用いることができる。光学MEMS素子に適用する場合は、駆動側電極28の表面の光反射効率を上げるために、駆動側電極28の少なくとも2層目の膜30は金属膜で形成することが好ましい。
【0028】
犠牲層は、シリコン酸化膜以外に、非晶質シリコン、フォトレジスト等を用いることができる。この場合、それに応じて絶縁膜25、電極26,28、配線層27の材料は選択される。非晶質シリコンを除去するエッチャントは、XeFガス、フォトレジストを除去するエッチャントはOプラズマ、を用いることができる。
上例では、犠牲層をシリコン酸化膜として接続孔内の洗浄をフッ酸溶液で行ったが、その他の材料の犠牲層の場合、その犠牲層を除去するエッチャントで洗浄することも可能である。
【0029】
【発明の効果】
本発明に係るMEMS素子の製造方法によれば、駆動側電極と固定側電極間の空隙間隔を超微細、特にナノメータレベルに設定したMEMS素子を製造することができる。犠牲層に接続孔を形成し後の接続孔内の洗浄工程で犠牲層の消失を防止することができる。犠牲層成膜時の膜厚制御は比較的高精度であるから、本発明の製法により、ナノメートルレベルの薄膜であっても犠牲層を安定に形成することができる。従って、例えば、信号伝達特性の高いMEMS素子共振器などのデバイスを安定して製造することができる。
駆動側電極をポリシリコン膜、その他の金属膜などを選択して形成するときは、例えば共振器に適用した場合、駆動側電極の固有振動数を適宜設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の製造方法で得られるMEMS素子の一例を示す断面図である。
【図2】 A〜D 本発明に係るMEMS素子の製造方法の一実施の形態を示す工程図(その1)である。
【図3】 E〜H 本発明に係るMEMS素子の製造方法の一実施の形態を示す工程図(その2)である。
【図4】 A,B 従来のMEMS素子の例を示す構成図である。
【図5】 A〜D 従来のMEMS素子の間隔となる製造工程図である。
【符号の説明】
20・・基板、21・・MEMS素子、22・・シリコン基板、23・・絶縁膜、24・・シリコン酸化(SiO)膜、25・・シリコン窒化(SiN)膜、26・・固定側電極、27・・配線層、28・・駆動側電極、29・・第1の導体薄膜、30・・第2の導体薄膜、31・・空隙、34・・犠牲層、35・・接続孔
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a MEMS device .
[0002]
[Prior art]
With the progress of micro technology, so-called micromachine (MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) devices and small devices incorporating MEMS devices are attracting attention.
A MEMS element is formed as a fine structure on a substrate such as a silicon substrate or a glass substrate, and electrically and mechanically connects a driver that outputs a mechanical driving force and a semiconductor integrated circuit that controls the driver. It is an element coupled to. A basic feature of the MEMS element is that a drive body configured as a mechanical structure is incorporated in a part of the element. The drive of the drive body is an electrostatic force between electrodes, that is, a clone attractive force, etc. Is applied electrically.
[0003]
On the other hand, a microresonator in which a vibrating electrode is arranged with a nanometer-level hollow gap as a MEMS element has a wide application field such as a MEMS filter and a sensor detection circuit because of its high electric / mechanical conversion efficiency. . For example, use as a high-frequency filter has been proposed by research institutions such as the University of Michigan (see Non-Patent Document 1).
[0004]
FIG. 4B shows an outline of a MEMS element applied to the MEMS vibrator constituting the high frequency filter described in Non-Patent Document 1. The MEMS element 1 has a fixed-side electrode 6 and a wiring layer 7 on both sides thereof formed on an insulating film 3 on a semiconductor substrate 2, and can be driven with a hollow gap 9 facing the first electrode 6. A so-called drive side electrode 8 is formed. The drive side electrode 8 is connected to the wiring layer 7 across the fixed side electrode 6 in a bridge shape so as to be supported by the anchor portions (support portions) 14 [14A, 14B] at both ends. As the insulating film 3 on the semiconductor substrate, for example, a two-layer film of a silicon oxide film 4 and a silicon nitride film 5 is used. When the MEMS element 1 is applied as a MEMS vibrator, the fixed electrode 6 serves as an input electrode, and the drive electrode 8 serves as an output electrode.
[0005]
In the manufacturing process of the MEMS element 1, in the step of forming the hollow gap 9, as shown in FIG. A connection hole (contact hole) 11 reaching the wiring layer 7 is formed in the layer 10, and a desired vibration electrode 8 is formed so as to sandwich the sacrificial layer 10. Next, as shown in FIG. 5B, the sacrificial layer 10 is removed with a chemical solution or the like to form the gap 9. That is, since the thin film sacrificial layer 10 and the LSI are mixedly mounted, in order to realize the merit of using the same manufacturing process, the fixed side electrode (output) electrode 6, the wiring layer 7 and the vibration electrode 8 are made of polysilicon, and the sacrificial layer 10 is made. An oxide film (SiO 2 ) is used. In order to perform the thinning 10 of the sacrificial layer with high control, a method in which the sacrificial layer 10 is removed by forming a structure in which the driving side electrodes 8 facing each other are stacked in the vertical direction is generally used.
[0006]
[Non-Patent Document 1]
C. T.A. -Nguyen, "Micromechanical components for miniaturized low-power communications (invited plenary)," proceedings, 1999 IEEE MTT-S International Microswing. 48-77.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when the sacrificial layer 10 is thinned, a problem as shown in the manufacturing process of FIG. 5 occurs. In this manufacturing process, first, as shown in FIG. 5A, after a silicon oxide film (SiO 2 ) 4 is formed on a silicon substrate 2 and a silicon nitride film (SiN) 5 is formed, a fixed side made of a polysilicon film is formed. The electrode 6 and the wiring layer 7 are formed.
[0008]
Next, as shown in FIG. 4B, a sacrificial layer 10 made of a silicon oxide film (SiO 2 ) is formed on the substrate including the fixed side electrode 6 and the wiring layer 7.
Next, as shown in FIG. 4C, a connection hole 11 is formed so as to reach the wiring layer 7 in a part of the sacrifice layer 10.
[0009]
Next, in order to improve the contact between the driving side electrode 8 and the wiring layer 7 later, a natural oxide film on the surface of the wiring layer 7 in the connection hole 11 is cleaned with a hydrofluoric acid (HF) solution. Cleaning is performed. However, when immersed in a hydrofluoric acid solution for the purpose of this contact cleaning, the sacrificial layer 10 is etched as shown in FIG. 5D. However, if the sacrificial layer 10 is thick, it can be dealt with by precisely controlling the contact cleaning time. However, the sacrificial layer 10 has been thinned to the level of several nanometers of the film to be cleaned (so-called natural oxide film). In some cases, the control itself is difficult.
[0010]
In view of the above-mentioned points, the present invention provides a method for manufacturing a MEMS element in which the gap between the hollow gaps is made ultrafine to the nanometer level.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
A method for manufacturing a MEMS device according to the present invention includes a step of forming a first electrode and a wiring layer having removal selectivity with respect to a sacrificial layer on a substrate, and a sacrifice on the substrate including the first electrode and the wiring layer. Forming a layer, forming a first conductor thin film on the sacrificial layer, forming a connection hole reaching the wiring layer in the first conductor thin film and the sacrificial layer, and removing the sacrificial layer in the connection hole A step of cleaning with an etchant, a step of forming a second conductive thin film on the first conductive thin film so as to be electrically connected to the wiring layer through a connection hole, and patterning the first and second conductive thin films Then, there is a step of forming a second drivable electrode made of the first and second conductive thin films and a step of removing the sacrificial layer.
[0012]
In the method for manufacturing a MEMS element according to the present invention, after forming the sacrificial layer, a first conductor thin film serving as a second electrode is formed on the sacrificial layer, and the sacrificial layer and the first conductor thin film are formed on the wiring layer. Since the connecting hole reaching step is formed, the sacrificial layer is not removed during the subsequent cleaning in the connecting hole. In particular, even when the sacrificial layer is formed with a thickness of nanometer level, the sacrificial layer is protected by the first conductive thin film, and the sacrificial layer is not lost by washing in the connection hole. Therefore, by removing the sacrificial layer thereafter, a gap (hollow gap) having a nanometer level gap is formed between the first electrode and the second electrode.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 shows an example of a MEMS element obtained by the method for manufacturing a MEMS element according to the present invention.
The MEMS element 21 according to this example includes first electrodes (hereinafter referred to as fixed-side electrodes) arranged on the same plane of the substrate 20, that is, on the surface having at least an insulating property of the substrate 12 with a predetermined interval therebetween. ) 26 and wiring layers 27 located on both sides of the fixed side electrode 26 are formed, and first and second conductive thin films constituting a two-layer film that can be driven with the gap 31 interposed between the fixed side electrode 26 A second electrode (so-called beam, hereinafter referred to as drive side electrode) 28 comprising 29 and 30 is arranged. The drive side electrode 28 straddles the fixed side electrode 26 in a bridge shape, and is supported integrally by connecting both ends thereof, in particular, the second conductive thin film 30 to the wiring layer 27. In the connection portion between the second conductor thin film 30 and the wiring layer 27, a part of the second conductor thin film 30 is formed so as to enter the gap 31 side.
[0015]
As the substrate 20, for example, a substrate in which an insulating film is formed on a semiconductor substrate such as silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs), an insulating substrate such as a quartz substrate or a glass substrate, or the like is used. In this example, a substrate 20 in which a laminated insulating film 23 of a silicon oxide film (SiO 2 ) 24 and a silicon nitride film (SiN) 25 is formed on a silicon substrate 22 is used. The fixed side electrode 26 and the wiring layer 27 are formed of the same conductive material, for example, a polysilicon film or a metal film such as aluminum (Al), tungsten (W), chromium (Cr), nickel (Ni). be able to. The drive-side electrode 28 can also be formed of, for example, a polysilicon film or a metal film such as aluminum (Al), tungsten (W), chromium (Cr), nickel (Ni).
In this example, the first conductor thin film 29 and the second conductor thin film 30 constituting the fixed side electrode 26, the wiring layer 27, and the drive side electrode 28 are all formed of a polysilicon film. In addition, the first conductor thin film 29 and the second conductor thin film 30 constituting the fixed side electrode 26, the wiring layer 27, and the driving side electrode 28 can be formed of the different material films, respectively. Alternatively, any one of the first conductor thin film 29 and the second conductor thin film 30 constituting the fixed side electrode 26, the wiring layer 27, and the drive side electrode 28 and another layer may be made of the above different material films. It is also possible to form.
[0016]
According to the MEMS element 21 according to this example , the drive-side electrode 28 is formed by a two-layer film including the first conductor thin film 28 and the second conductor thin film 30, and the second conductor thin film 30 is formed as the first layer. In this configuration, the wiring layer 27 is connected through a connection hole formed in the conductor thin film 29. Thus, when the connection hole is formed 4 in the sacrificial layer in the region that becomes the gap 31 in the manufacturing process, the connection hole can be formed together with the sacrificial layer and the first conductor thin film 29 of the driving side electrode 28 thereon. Then, the sacrificial layer can be prevented from disappearing when the inside of the connection hole is washed, and the gap 31 between the fixed-side electrode 26 and the drive-side electrode 28 is formed with a nanometer (nm) level gap. It becomes possible to form. That is, the MEMS element 21 of this example can provide a MEMS element with a finer structure and higher accuracy.
[0017]
The MEMS element 21 can be applied to a resonator, an optical modulator, an optical switch, a high frequency switch, and the like. This resonator can be applied to MEMS filters such as a high frequency filter and an intermediate frequency filter, and a sensor detection circuit.
[0018]
When the MEMS element 21 is applied to a resonator, the fixed electrode 26 serves as an output electrode, and the drive electrode 28 serves as a vibrating electrode that also serves as an input electrode. A signal obtained by superimposing a high frequency signal and a DC bias voltage is input to the vibrating electrode 28 through the wiring layer 27 from the input terminal. An output terminal is led out to the output electrode 26. In this resonator, when a high frequency signal having a target frequency and a DC bias voltage are superimposed and input to the vibration electrode 28, the vibration electrode 28 having a natural frequency determined by the length is generated between the output electrode 26 and the vibration electrode 28. Vibrates with electric power. Due to this vibration, the capacitance is output from the high-frequency signal output electrode 26 according to the time change of the capacitance between the output electrode 26 and the vibration electrode 28 and the DC bias voltage.
[0019]
Next, an embodiment of a method for manufacturing a MEMS element according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
First, as shown in FIG. 2A, a substrate 20 having a surface having an insulating film is prepared. In this example, a substrate 20 formed by forming an insulating film 23 in which a silicon oxide film 24 and a silicon nitride film 25 are laminated on a silicon substrate 22 is used.
Next, as shown in FIG. 2B, a first conductor layer to be a fixed side electrode and a wiring layer, in this example, a polysilicon film 34 is formed.
Next, as shown in FIG. 2C, the first polysilicon film 34 is selectively etched away by using a photolithography technique to form the fixed electrode 26 and the wiring layers 29 located on both sides thereof.
[0020]
Next, as shown in FIG. 2D, removal selectivity is provided for the thin sacrificial layer 34 on the substrate 20 including the fixed side electrode 26 and the wiring layer 27, in this example, the underlying silicon nitride film 25 and the polysilicon film. A silicon oxide film having (for example, different etching characteristics) is formed. Since the controllability of the film thickness of the sacrificial layer 34 is generally high, the sacrificial layer 34 is formed along the surface irregularities of the substrate 20 on which the fixed-side electrode 26 and the wiring layer 27 are formed. The sacrificial layer 34 is formed by, for example, a low pressure CVD (chemical vapor deposition) method.
[0021]
Next, as shown in FIG. 3E, a second conductor layer 29, which is a first conductor thin film constituting a part of the drive side electrode, in this example, a polysilicon film is formed by a low pressure CVD method.
[0022]
Next, as shown in FIG. 3F, a connection hole (contact hole) 35 reaching the wiring layer 27 is formed in the second conductor layer 29 and the sacrificial layer 34 therebelow. Thereafter, dirt in the connection hole 35, particularly a natural oxide film on the surface 36 of the wiring layer 27 is removed by washing. In this example, cleaning is performed with a hydrofluoric acid solution. During the cleaning with the hydrofluoric acid solution, the sacrificial layer 34 does not disappear because the surface is the protective layer of the second conductor layer 29. However, the sacrificial layer 34 that faces the connection hole 35 is slightly etched inward by cleaning with hydrofluoric acid. Since the surface of the wiring layer 27 is cleaned, good electrical connection between the third conductor layer 30 and the wiring layer 27 to be formed thereafter is ensured.
[0023]
Next, as shown in FIG. 3G, a third conductor layer 30 serving as a second conductor thin film constituting a part of the drive side electrode, in this example, a polysilicon film is formed by a low pressure CVD method. At this time, the third conductor layer 30 is electrically connected to the underlying wiring layer 27 through the connection hole 35. In addition, since the third conductor layer 30 is electrically connected to the wiring layer 27 and the second conductor layer 29, the driving composed of a first conductor thin film 29 and a second conductor thin film 30 described later. The side electrode 28 and the wiring layer 27 are electrically connected.
[0024]
Next, as shown in FIG. 3H, the second and third conductor layers 29 and 30 are patterned to form the drive-side electrode 28 composed of the first conductor thin film 29 and the second conductor thin film 30. . Next, the sacrificial layer 34 is removed, and a gap 31 is formed between the drive side electrode 28 and the fixed side electrode 26. In this example, the sacrificial layer 34 made of a silicon oxide film (SiO 2 ) is removed with a hydrofluoric acid solution. Thus, the target MEMS element 21 is obtained.
[0025]
According to the manufacturing method of the MEMS element of the present embodiment, after forming the sacrificial layer 34, the second conductor layer 29 to be the first conductor thin film of the drive side electrode 28 is formed on the sacrificial layer 34. Then, since the connection hole 35 reaching the wiring layer 27 is formed in the sacrificial layer 34 and the second conductor layer 29, the sacrificial layer 34 is not lost during the subsequent cleaning with hydrofluoric acid in the connection hole 35. . In particular, even when the sacrificial layer 34 is formed with a nanometer-level film thickness, for example, about 10 nm or less, the sacrificial layer 34 is protected by the second conductor layer, that is, the hydrofluoric acid resistant polysilicon film 29. The sacrificial layer 34 is not lost by cleaning with hydrofluoric acid in the connection hole 35. Therefore, the MEMS element 21 having the gap 31 with a nanometer level gap between the driving side electrode 28 and the fixed side electrode 26 can be manufactured with high accuracy. In addition, since the film thickness control at the time of sacrificial layer deposition by LPCVD or the like is relatively high accuracy, the sacrificial layer can be stably formed even with a thin film of nm level by the manufacturing method of the present invention, Devices such as MEMS resonators having high signal transfer characteristics can be manufactured stably.
[0026]
In the above example, the first conductor layer 33, the second conductor layer 29, and the third conductor layer 30 are formed of a polysilicon film, but in addition, aluminum (Al), tungsten (W), chromium ( It can be formed of a metal film such as Cr) or nickel (Ni). The first, second, and third conductor layers 33, 29, and 30 can be formed of the same material film, or can be formed of different material films. It is also possible to form the layers with the different material films.
When the drive side electrode 28 is formed by selecting various material films, the natural frequency of the drive side electrode 28 can be appropriately selected.
[0027]
As described above, the MEMS element 21 obtained by the manufacturing method of the present embodiment includes a MEMS resonator applied to a filter, a sensor detection circuit, and the like, an optical MEMS such as a high-frequency switch, an optical switch, and an optical modulator. It can be used for an element or the like. When applied to an optical MEMS element, in order to increase the light reflection efficiency of the surface of the drive side electrode 28, it is preferable to form the film 30 of at least the second layer of the drive side electrode 28 with a metal film.
[0028]
As the sacrificial layer, amorphous silicon, photoresist, or the like can be used in addition to the silicon oxide film. In this case, materials for the insulating film 25, the electrodes 26 and 28, and the wiring layer 27 are selected accordingly. The etchant for removing the amorphous silicon can use XeF 2 gas, and the etchant for removing the photoresist can use O 2 plasma.
In the above example, the sacrificial layer is a silicon oxide film, and the inside of the connection hole is cleaned with a hydrofluoric acid solution. However, in the case of a sacrificial layer made of other materials, it can be cleaned with an etchant that removes the sacrificial layer.
[0029]
【The invention's effect】
According to the method for manufacturing a MEMS element according to the present invention, it is possible to manufacture a MEMS element in which the gap distance between the drive side electrode and the fixed side electrode is set to be ultrafine, particularly at a nanometer level. It is possible to prevent the sacrificial layer from disappearing in a cleaning step after the connection hole is formed in the sacrificial layer. Since the film thickness control at the time of sacrificial layer formation is relatively high accuracy, the sacrificial layer can be stably formed even by a nanometer level thin film by the manufacturing method of the present invention. Therefore, for example, a device such as a MEMS element resonator having high signal transfer characteristics can be stably manufactured.
When the driving side electrode is formed by selecting a polysilicon film or other metal film, for example, when applied to a resonator, the natural frequency of the driving side electrode can be set as appropriate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a MEMS element obtained by the manufacturing method of the present invention.
FIGS. 2A to 2D are process diagrams (part 1) showing an embodiment of a method for producing a MEMS device according to the present invention. FIGS.
FIGS. 3A to 3H are process diagrams (part 2) illustrating an embodiment of a method for producing a MEMS element according to the present invention. FIGS.
FIGS. 4A and 4B are configuration diagrams showing an example of a conventional MEMS element. FIGS.
FIGS. 5A to 5D are manufacturing process diagrams showing intervals between conventional MEMS elements. FIGS.
[Explanation of symbols]
20 .. Substrate, 21 .. MEMS element, 22 .. Silicon substrate, 23 .. Insulating film, 24 .. Silicon oxide (SiO 2 ) film, 25 .. Silicon nitride (SiN) film, 26. 27 .... Wiring layer, 28 ... Drive side electrode, 29 ... First conductor thin film, 30 ... Second conductor thin film, 31 ... Air gap, 34 ... Sacrificial layer, 35 ... Connection hole

Claims (4)

基板上に犠牲層に対して除去選択性を有する第1の電極と配線層を形成する工程と、
前記第1の電極及び配線層を含む前記基板上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上に第1の導体薄膜を形成し、前記第1の導体薄膜及び犠牲層に前記配線層に達する接続孔を形成する工程と、
前記接続孔内を前記犠牲層を除去するエッチャントで洗浄する工程と
前記第1の導体薄膜上に、前記接続孔を介して前記配線層に電気的に接続するように第2の導体薄膜を形成する工程と、
前記第1及び第2の導体薄膜をパターニングして、前記第1及び第2の導体薄膜からなる駆動可能な第2の電極を形成する工程と、
前記犠牲層を除去する工程とを有する
ことを特徴とするMEMS素子の製造方法。
Forming a first electrode having a removal selectivity with respect to a sacrificial layer and a wiring layer on a substrate;
Forming a sacrificial layer on the substrate including the first electrode and the wiring layer;
Forming a first conductor thin film on the sacrificial layer, and forming a connection hole reaching the wiring layer in the first conductor thin film and the sacrificial layer;
Cleaning the inside of the connection hole with an etchant that removes the sacrificial layer ;
Forming a second conductor thin film on the first conductor thin film so as to be electrically connected to the wiring layer via the connection hole;
Patterning the first and second conductive thin films to form a drivable second electrode comprising the first and second conductive thin films;
And a step of removing the sacrificial layer. A method of manufacturing a MEMS device, comprising:
前記犠牲層がシリコン酸化膜である
ことを特徴とする請求項1記載のMEMS素子の製造方法。
The method for manufacturing a MEMS element according to claim 1, wherein the sacrificial layer is a silicon oxide film.
前記第1の電極及び配線層と、前記第1の導体薄膜と、前記第2の導体薄膜とを、共に同じ導電材料あるいは3つの層のうちの1層が他の層と異なる導電材料で形成する
ことを特徴とする請求項1記載のMEMS素子の製造方法。
The first electrode and wiring layer, the first conductor thin film, and the second conductor thin film are both formed of the same conductive material or one of three layers made of a different conductive material from the other layers. The method of manufacturing a MEMS element according to claim 1, wherein:
前記第1の電極及び配線層と、前記第1の導体薄膜と、前記第2の導体薄膜とを、ポリシリコン膜で形成する
ことを特徴とする請求項1記載のMEMS素子の製造方法。
2. The method of manufacturing a MEMS element according to claim 1, wherein the first electrode and wiring layer, the first conductor thin film, and the second conductor thin film are formed of a polysilicon film.
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