MEMS装置 |
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| 申请号 | CN201510535440.1 | 申请日 | 2015-08-27 | 公开(公告)号 | CN105936498A | 公开(公告)日 | 2016-09-14 |
| 申请人 | 株式会社东芝; | 发明人 | 山田雅基; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及MEMS装置，具有：MEMS元件，设置于 基板 上；第一保护膜，设置于基板上及MEMS元件上，形成对MEMS元件进行收容的空洞；密封层，以 覆盖 保护膜的方式设置；以及第二保护膜，设置于密封层上。并且，保护膜上的密封层的外侧端部设定为基板上的空洞的端部靠外侧，从密封层的外侧端部起至空洞的端部为止的距离A与保护膜的厚度B之比B/A为0.25～0.52的范围。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种MEMS装置，其中，具有： |
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| 说明书全文 | MEMS装置技术领域背景技术[0003] 作为具备MEMS元件的电气部件的MEMS装置，需要有空洞来作为MEMS元件的可动部的动作空间。这样的空洞例如是通过将具有多个贯通孔的圆顶状薄膜(具有中空构造的帽层)、堵塞贯通孔的密封层及防止水分或可动离子等侵入的表面保护膜层叠而得的构造来形成的。 [0004] 然而，在具有用于形成空洞的层叠膜的MEMS装置中，存在由于帽层及表面保护膜的裂缝等导致MEMS元件的特性恶化、装置的可靠性降低的问题。发明内容 [0005] 发明要解决的课题在于，提供一种能够抑制用于形成对MEMS元件的可动部进行收容的空洞的层叠膜产生裂缝、能够有助于可靠性提高的MEMS装置。 [0006] 实施方式提供下述的MEMS装置。 [0007] MEMS装置，其中，具有：MEMS元件，设置于基板上，具有可动部；第一保护膜，以形成对所述MEMS元件进行收容的空洞的方式，设置于所述基板上及所述MEMS元件上，具备与所述空洞连通的多个贯通孔；密封层，以覆盖所述第一保护膜的方式设置于所述第一保护膜上；以及第二保护膜，以覆盖所述密封层的方式设置于所述密封层上；所述第一保护膜上的所述密封层的外侧端部设定为比所述基板上的所述空洞的端部靠外侧，从所述密封层的所述外侧端部起至所述空洞的所述端部为止的距离A所述第一保护膜的厚度B之比B/A为0.25～0.52的范围。 [0008] 此外，实施方式提供下述的MEMS装置。 [0009] MEMS装置其中，具有：MEMS元件，设置于基板上，具有可动部；第一保护膜，设置于所述基板上及所述MEMS元件上，形成对所述MEMS元件进行收容的空洞，而且具备与该空洞连通的多个贯通孔；密封层，以覆盖所述第一保护膜的方式设置于所述第一保护膜上；以及第二保护膜，以覆盖所述密封层的方式，设置于所述密封层上；所述第一保护膜上的所述密封层的外侧端部设定为比所述基板上的所述空洞的端部靠外侧，从所述密封层的所述外侧端部起至所述空洞的所述端部为止的距离A与所述第二保护膜的厚度C之比C/A为 0.25～0.52的范围。 [0010] 此外，实施方式提供下述的MEMS装置。 [0011] MEMS装置，其中，具有：MEMS元件，设置于基板上，具有可动部；第一保护膜，设置于所述基板上及所述MEMS元件上，设置成与所述基板一起形成对所述MEMS元件进行收容的空洞，而且具备与所述空洞连通的多个贯通孔；密封层，以堵塞所述贯通孔的方式设置，以覆盖所述第一保护膜的所述空洞形成部分的方式设置于所述第一保护膜上；以及第二保护膜，设置于所述密封层上及所述第一保护膜上，所述第一保护膜上的所述密封层的外侧端部设定为比所述基板上的所述空洞的端部靠外侧，从所述密封层的所述外侧端部起至所述空洞的所述端部为止的距离A与所述第一保护膜的厚度B之比B/A为0.25～0.52的范围。附图说明 [0012] 图1是表示第一实施方式的MEMS装置的概略结构的截面图。 [0013] 图2A～2F是表示图1的MEMS装置的制造工序的截面图。 [0014] 图3是用于规定薄膜圆顶的各部的尺寸的示意图。 [0015] 图4是表示密封层的伸出量与最大应力之间的关系的特性图。 [0016] 图5是表示密封层的伸出量与最大主应力及裂缝产生之间的关系的特性图。 [0017] 图6是用于说明第一实施方式的图，是表示B/A与最大主应力及裂缝产生之间的关系的特性图。 [0018] 图7是用于说明第二实施方式的图，是表示C/A与最大主应力及裂缝产生之间的关系的特性图。 具体实施方式[0019] 根据本实施方式，MEMS装置具备：MEMS元件，设置于基板上，具有可动部；第一保护膜，以形成对所述MEMS元件进行收容的空洞的方式，设置于所述基板上及所述MEMS元件上，而且具备与所述空洞连通的多个贯通孔；密封层，以覆盖所述第一保护膜的方式设置于所述第一保护膜上；以及第二保护膜，以覆盖所述密封层的方式设置于所述密封层上。并且，所述第一保护膜上的所述密封层的外侧端部设定为比所述基板上的所述空洞的端部靠外侧，从所述密封层的所述外侧端部起至所述空洞的所述端部为止的距离A与所述第一保护膜的厚度B之比B/A为0.25～0.52的范围。 [0020] 以下，参照附图对实施方式的MEMS装置进行说明。 [0021] (第一实施方式) [0022] [结构] [0023] 图1是表示第一实施方式的MEMS装置的概略结构的截面图。 [0025] 在支撑基板10上形成有：作为固定电极的下部电极(第一电极)21、以及用于固定梁部的锚定(anchor)部22。下部电极21形成为例如长方形，例如由铝(Al)或者以Al为主成分的合金来构成。下部电极21的构成材料并不必限于这些，也可以是铜(Cu)、或者铂(Pt)、钨(W)等。而且，下部电极21也可以分割为多个。 [0026] 以覆盖下部电极21的表面的方式，形成有例如由硅氮化膜构成的厚度100nm的电容器绝缘膜15。作为电容器绝缘膜15的材料，不限于硅氮化膜，也可以使用比SiOx及SiN具有更高的介电常数的High-k膜。 [0027] 在下部电极21的上方，以与该电极21相对置的方式配置有作为可动电极的上部电极(第二电极)31。上部电极31例如由Al、Al合金、Cu、Au或者Pt等可延展性材料来形成。但是，不必限于可延展性材料，也可以由钨(W)等脆性材料形成。此外，在锚定部22上，形成有由与上部电极31相同的材料构成的锚定部32。 [0028] 上部电极31的一部分通过弹簧部(梁部)33而与固定于锚定部22的锚定部32连接。即，弹簧部33的一端被固定于锚定部32，另一端被固定于上部电极31的上表面。此外，弹簧部33及锚定部22、32相对于上部电极31而设置有多处。弹簧部33例如由硅氮化膜构成，形成为蜿蜒形状。由此，弹簧部33具有弹性。并且，通过这些弹簧部33，使上部电极31能够沿上下方向移动。 [0029] 在上部电极31、锚定部32及弹簧部33的周边形成中空区域，同时，以将它们覆盖的方式形成有由硅氧化膜构成的帽层(第一保护膜)41。该帽层41形成有多个在将牺牲层除去时使用的例如圆形的贯通孔41a。 [0030] 以将帽层41的贯通孔41a堵塞的方式，在帽层41上形成有树脂密封层42。在此，树脂密封层42不仅形成于帽层41的上表面，还形成于帽层41的侧面。此外，以将帽层41及树脂密封层42覆盖的方式，形成有作为防湿膜起到作用的SiN等的绝缘膜(第二保护膜)43。 [0031] 这样，通过帽层41、树脂密封层42以及绝缘膜43这3层构造，形成了作为MEMS元件的可动部的动作空间的空洞(薄膜圆顶)。 [0032] [制造方法] [0033] 接下来，参照图2A～2F对本实施方式的MEMS装置的制造方法进行说明。 [0034] 首先，如图2A所示那样，在Si等的半导体基板11上形成有硅氧化膜等绝缘膜12的支撑基板10上，以几百nm～几μm厚度形成Al等的金属膜。通过对该金属膜进行图案形成，形成下部电极21及锚定部22。接着，以覆盖下部电极21及锚定部22的方式在支撑基板10上，利用CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)法等形成SiN等的电容器绝缘膜15。作为电容器绝缘膜15的材料，不限于硅氮化膜，也可以使用比SiOx及SiN具有更高的介电常数的High-k膜。 [0035] 接下来，作为第一牺牲层16而涂敷了聚酰亚胺等有机材料之后，将第一牺牲层16图案形成为所希望的形状。具体地说，第一牺牲层16以在下部电极21及锚定部22上残留的方式被进行图案形成。进而，在锚定部22上的一部分设置开口，在该开口的部分将绝缘膜15除去。 [0036] 另外，也可以是，在第一牺牲层16上利用通常的平版印刷法形成抗蚀剂图案，将该抗蚀剂图案作为掩模，利用RIE(Reactive Ion Etching：反应离子蚀刻)法进行图案形成。此外，也可以是，对在第一牺牲层16上成膜的SiO膜等，利用基于通常的平版印刷法而得到的抗蚀剂图案和RIE法或者湿式蚀刻法进行图案形成而形成硬掩模，使用该硬掩模来对第一牺牲层16进行图案形成。 [0037] 接下来，为了形成上部电极及锚定部，以几百nm～几μm的膜厚形成Al等的金属膜30，除去不需要部分。 [0038] 接下来，如图2B所示那样，通过对金属膜30进行图案形成，形成上部电极31和锚定部32。接着，形成将上部电极31和锚定部32连接的弹簧部(梁部)33。形成该弹簧部33时，在对作为弹簧部33的材料的硅氮化膜等进行了成膜之后，通过RIE来图案形成为弹簧部33的形状即可。在此，也可以将上部电极31与锚定部32之间的间隙预先用与第一牺牲层16相同的材料填埋。 [0039] 另外，在图2B中，在锚定部22之上形成锚定部32，在锚定部32固定弹簧部33，但是也可以是，在锚定部22上直接固定弹簧部33。通过如图2B所示那样，在锚定部22上形成锚定部32，并将固定弹簧部33的部分设为与上部电极31相同的高度，由此能够将弹簧部33在与上部电极31的表面平行的面内平坦地形成。 [0040] 另外，形成上部电极31和弹簧部33的工序顺序，可以是在形成上部电极31后图案形成弹簧部33，也可以是图案形成出弹簧部33之后形成上部电极31。 [0041] 接着，进入薄膜圆顶的形成工序。 [0042] 如图2C所示那样，以覆盖上部电极31、锚定部32及弹簧部33的方式，涂敷形成由聚酰亚胺等有机材料构成的第二牺牲层17。该第二牺牲层17以几百nm～几μm厚度进行涂敷后，进行图案形成而得到所希望的形状。关于图案形成方法，也可以是，在第二牺牲层17上利用通常的平版印刷法形成了抗蚀剂图案之后，利用RIE法进行图案形成。而且也可以是，对在第二牺牲层17上成膜的SiO膜等进行图案形成而形成硬掩模，使用该硬掩模对第二牺牲层17进行图案形成。 [0043] 接着，为了形成薄膜圆顶，利用CVD法等将SiO等的绝缘膜成膜为几百nm～几μm厚度。然后，通过通常的平版印刷法形成了抗蚀剂(未图示)之后，进行图案形成，由此形成帽层(第一保护膜)41。 [0044] 接下来，如图2D所示那样，使用RIE法或湿式蚀刻法，对帽层41形成用于除去第一及第二牺牲层16、17的例如圆形的贯通孔41a。 [0045] 接下来，通过使用了O2气体等的灰化(Ashing)方法，如图2E所示那样，经由贯通孔41a来进行第一及第二牺牲层16、17的除去。由此，在上部电极31及弹簧部33的周边制造出中空构造(空洞)。即，将上部电极31及弹簧部33设为可动的状态。 [0046] 接下来，如图2F所示那样，对聚酰亚胺等有机材料进行涂敷成膜，进行图案形成，由此形成树脂密封层42。作为图案形成方法，也可以是，以几百nm～几μm厚度涂敷了树脂密封层42之后，进行曝光/显影。此外，也可以是，在树脂密封层42上利用通常的平版印刷法形成抗蚀剂图案之后，使用RIE法对树脂密封层42进行加工。进而，也可以是，对在树脂密封层42上成膜的SiO膜等进行图案形成而形成硬掩模，使用该硬掩模来对树脂密封层42进行加工。 [0047] 在此，在树脂密封层42的图案形成中，密封层42残留在帽层41的上表面及侧面即可。 [0048] 之后，虽然未图示，但是在包含树脂密封层42的基板整面，利用CVD法等以几百nm～几μm厚度成膜出作为防湿膜起到作用的SiN等的绝缘膜(第二保护膜)43，由此所述图1所示的构造完成。 [0049] 以上，MEMS元件和薄膜圆顶的形成工序结束，但是，之后根据需要，进行与半导体元件的连接工序、用于获得从MEMS元件向外部的导通的工序。 [0050] [尺寸设计] [0051] 接下来，对作为本实施方式的特征的、薄膜圆顶的各部的尺寸规定进行说明。 [0052] 为了抑制MEMS元件的特性恶化及可靠性的降低，需要防止构成薄膜圆顶的层叠膜产生裂缝。因此，本申请的发明人发现，在进行树脂密封层42的图案形成时，通过以下那样设定，能够抑制层叠膜产生裂缝。 [0053] 如图3所示那样，将从第一保护膜41上的密封层42的外侧端部(密封层42的最下部的外侧端)起至基板10上的空洞的端部(第一保护膜41的最下部的内侧端)为止的距离、即密封层42的伸出量，设为A。进而，将第一保护膜41的厚度设为B，将第二保护膜43的厚度设为C，将空洞的高度设为D。 [0054] 图4示出了对在B＝5μm、C＝5μm、D＝15μm的条件下使A改变时的最大应力进行了模拟的结果。 [0055] 在第一及第二牺牲层16、17的除去工序(牺牲层除去工序)及第二保护膜43的成膜工序(第二保护膜成膜工序)中，相对于密封层42的伸出量A而言，应力几乎不变。而且，这些应力从层叠膜的裂缝产生的观点来看为允许范围。在密封层42的固化工序后(树脂密封层硬化后)，当密封层42的伸出量A超过10μm时，应力开始变大，A越变大则应力也越变大。在密封层42的伸出量A＝30μm时，应力达到800MPa，可以认为产生了层叠膜的裂缝。 [0056] 此外，在最终成品的状态(20℃，常压)下，密封层42的伸出量A＝0μm时应力比较大(650MPa)，A越变大则应力也越变大，A＝5μm时应力成为峰值(850MPa)。然后，当密封层42的伸出量A超过5μm时，应力缓缓地变小，A＝15μm时应力充分变小，之后成为大致一定(恒定)。 [0057] 为了防止层叠膜产生裂缝，在各个工序中最大应力需要为一定以下。 [0058] 在此，图5示出了针对密封层42的伸出量A计算了最大主应力和裂缝产生率的结果。最大主应力是指各工序中的应力的最大的值。此时，第一及第二保护膜41、43的膜厚B、C均一定(B＝C＝5μm)。 [0059] 根据图5可知，当密封层42的伸出量A小于10μm时，最大主应力变大，进而伸出量A超过20μm时，最大主应力急剧地增大。并且，在密封层42的伸出量A为10μm以下的区域，产生大量的裂缝。因此，优选伸出量A为10～20μm的区域。 [0060] 其中，图5中保护膜41、43的膜厚B、C均为一定(5μm)，如果它们变化则图5的特性也可能变化。 [0061] 于是，在本实施方式中，针对B/A计算了最大主应力和裂缝产生率。以下示出了其结果。 [0062] 图6是表示最大主应力及裂缝产生率相对于B/A的变化的图。此时，设为第二保护膜43的膜厚C大致一定(C＝5μm)，空洞的高度D大致一定(D＝15μm)，对伸出量A和第一保护膜41的膜厚B进行各种改变来进行了测定。 [0063] 根据图6可知，在B/A为0.25～0.52的范围内，应力非常小，裂缝产生率充分地低。在此，B/A的下限根据最大主应力求出。即，这是因为若B/A小于0.25则最大主应力急剧地变大。进而，B/A的上限根据裂缝产生的有无来求出。即，这是因为若B/A超过0.52则确认出产生裂缝。 [0064] 另外，只要C、D的尺寸不极端地变化上述的B/A的优选范围就是一定的。具体地说，在作为C、D的尺寸而通常使用的范围(C＝4～6μm，D＝10～20μm)内，图6的特性几乎不变。因此，只要C、D的尺寸是通常使用的范围，那么通过将B/A设定为0.25～0.52的范围，就能够抑制裂缝的产生。 [0065] [实施方式的效果] [0066] 这样，根据本实施方式，通过将树脂密封层42的伸出量A与第一保护膜41的膜厚B之间的关系设定为B/A＝0.25～0.52，能够使对构成薄膜圆顶的层叠膜施加的应力充分地小。由此，能够抑制用于形成对MEMS元件的可动部进行收容的空洞的层叠膜产生裂缝，能够实现可靠性的提高。 [0067] (第二实施方式) [0068] 在之前说明的第一实施方式中，设定了树脂层42的伸出量A与第一保护膜41的膜厚B之间的关系，但是也可以是，取代之而设定树脂层42的伸出量A与第二保护膜43的膜厚C之间的关系。 [0069] MEMS装置的结构及制法与之前的第一实施方式同样。在本实施方式中，针对C/A，计算了最大主应力和裂缝产生率。以下示出其结果。 [0070] 图7是表示最大主应力及裂缝产生率相对于C/A的变化的图。此时，设为第一保护膜41的膜厚B大致一定(B＝5μm)、空洞的高度D大致一定(D＝15μm)，对伸出量A和第二保护膜43的膜厚C进行各种改变来进行了测定。 [0071] 根据图7可知，在C/A为0.25～0.52的范围内，应力非常小，裂缝产生率充分地低。在此，C/A的下限根据最大主应力来求出。即，这是因为若C/A小于0.25则最大主应力急剧地变大。进而，C/A的上限根据裂缝产生的有无来求出。即，这是因为若C/A超过0.52则确认出裂缝的产生。 [0072] 另外，只要B，D的尺寸不极端地变化上述的C/A的优选范围就是一定的。具体地说，在作为B、D的尺寸而通常使用的范围(B＝4～6μm，D＝10～20μm)内，图7的特性几乎不变。因此可知，如果B、D的尺寸是通常使用的范围，那么通过将C/A设定为0.25～0.52的范围，就能够抑制裂缝的产生。 [0073] 此外可知，如果D的尺寸是通常使用的范围，那么通过将树脂密封层42的伸出量A与第一及第二保护膜41、42的膜厚B、C之间的关系设定为B/A＝0.25～0.52、C/A＝0.25～0.52，就能够可靠地抑制裂缝的产生。 [0074] 这样，根据本实施方式，通过将树脂密封层42的伸出量A与第二保护膜41的膜厚C之间的关系设定为C/A＝0.25～0.52，就能够充分地减小对构成薄膜圆顶的层叠膜施加的应力。由此，能够抑制层叠膜产生裂缝，能够实现可靠性的提高。 [0075] (第三实施方式) [0076] 在之前说明的第一及第二实施方式中，设定了树脂层42的伸出量A与第一保护膜41的膜厚B或者第二保护膜43的膜厚C之间的关系，但是也可以取代这些而设定树脂层 42的伸出量A与空洞的高度D之间的关系。 [0077] 在第一及第二实施方式中，即使将B/A或者C/A设定为优选范围，在空洞的高度D极端地不同的情况下也可能会产生裂缝。于是，在本实施方式中，与B/A及C/A同样地，测定了最大应力及裂缝产生率相对于D/A的变化。作为其结果可知，在B、C的尺寸为通常使用的范围内，通过将D/A设定为0.9～3.6的范围，应力充分地小，能够抑制裂缝产生。 [0078] 此外，为了还考虑B、C的尺寸而可靠地防止裂缝产生，将B/A、C/A、D/A全部设定为优选范围即可。即，将树脂密封层42的伸出量A、第一及第二保护膜的膜厚B、C、空洞的高度D分别设定为满足 [0079] B/A＝0.25～0.52 [0080] C/A＝0.25～0.52 [0081] D/A＝0.9～3.6 [0082] 的全部，由此，能够使对构成薄膜圆顶的层叠膜施加的应力充分地小，能够可靠地防止层叠膜产生裂缝。 [0083] (变形例) [0084] 另外，本发明不限于上述的各实施方式。 [0085] 在实施方式中，用可变电容元件说明了薄膜圆顶内的MEMS元件，但是，也可以是其他的需要薄膜圆顶的MEMS元件。即，MEMS元件不限于可变电容元件，也可以是传感器、过滤器、开关等，也就是说只要具有可动部的元件即可。 [0086] 此外，构成薄膜圆顶的层叠膜的各材料不限于实施方式的情况。作为第一保护膜，只要是能够以比较低温(～250℃)进行成膜的膜即可，优选含有硅的氧化膜。而且，还能够使用硅氮化膜或非晶硅膜。作为密封层，只要是能够将第一保护膜的贯通孔可靠地堵塞的膜即可，优选聚酰亚胺系的树脂。作为第二保护膜，只要气体透过率小、防湿性优良即可，优选含有硅的氮化膜。而且，还能够使用硅炭化膜(SiC)、铝氧化膜(Al2O3)、铝氮化膜(AlN)。 [0087] 此外，层叠膜的各材料不限于这些，能够根据规格而适当地变更。 [0088] 对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提示的，不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围、主旨内，并且包含于权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。 |
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