(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に窒化シリコン膜を形成する成膜工程と、
前記窒化シリコン膜にシリコンイオンを注入するイオン注入工程と、
前記シリコンイオンが注入された窒化シリコン膜に、機能性構造体の一部を構成する機能性要素を形成する要素形成工程と、
前記窒化シリコン膜および前記機能性要素が形成された半導体基板を熱処理する熱処理工程と、
前記窒化シリコン膜をダイアフラム構造とすることにより前記窒化シリコン膜および前記機能性要素を備えた機能性構造体を形成する機能性構造体形成工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記機能性要素は、抵抗体、サーモパイルおよび赤外線吸収膜のいずれかであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
表面に凹部を有する半導体基板と、前記凹部の上方に架設されたダイアフラム構造の窒化シリコン膜およびその窒化シリコン膜上に形成された機能性要素を有する機能性構造体とを備えた半導体装置において、
前記窒化シリコン膜にはシリコンイオンがイオン注入され、その後熱処理が施されていることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン注入が施された窒化シリコン膜を有する半導体装置の製造方法、および窒化シリコン膜を機能性構造体として利用する圧力センサや赤外線センサ等の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述したような半導体装置に関する従来の技術としては、「イオン注入による圧力センサ用窒化シリコン薄膜の機械的物性制御」（T.IEE Japan,Vol.110−C,No.4,’90）に開示されているものがある。この従来技術における半導体装置では、Ｓｉ基板の表裏両面（それぞれ主平面および副平面と呼ばれる）上に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を形成した後に、ＳｉＮ膜の内部応力を低減する目的で、ＳｉＮ膜にリンイオン（Ｐ+）やボロンイオン（Ｂ+）等をイオン注入している。そして、イオン注入後に、活性化アニールなどの熱処理が施される。その後、副平面（または主平面）上のＳｉＮ膜にエッチング用の開口部を形成し、この開口部からエッチング液を注入してＳｉ基板を異方性エッチングによりエッチングし、ＳｉＮ膜のダイアフラム構造を形成している。
【０００３】
上述したように、ＳｉＮ膜にＰ+イオンまたはＢ+イオンをイオン注入すると、ＳｉＮ膜の内部応力がイオン注入前に比べて減少する。そして、Ｐ+イオンおよびＢ+イオンのいずれのイオンを注入した場合にも、ドーズ量（イオン注入量）を増加させるに従って、引っ張りの内部応力が減少することが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者は、イオン注入後に行われる活性化アニールなどの熱処理の影響でＳｉＮ膜の内部応力が上昇することを見出した。
【０００５】
本発明の目的は、イオン注入による応力低減効果が熱処理により減退するのを抑えることができる半導体装置の製造方法、および半導体装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明の実施の形態を示す図１に対応付けて説明する。
（１）請求項１の発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板１上に窒化シリコン膜２を形成する成膜工程と、窒化シリコン膜２にシリコンイオンを注入するイオン注入工程と、シリコンイオンが注入された窒化シリコン膜２に、機能性構造体の一部を構成する機能性要素５を形成する要素形成工程と、窒化シリコン膜２および機能性要素５が形成された半導体基板を熱処理する熱処理工程と、窒化シリコン膜２をダイアフラム構造とすることにより窒化シリコン膜２および機能性要素５を備えた機能性構造体を形成する機能性構造体形成工程とを有することを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、機能性要素を、抵抗体、サーモパイルおよび赤外線吸収膜のいずれかとしたものである。
（３）請求項３の発明は、表面に凹部１ａを有する半導体基板１と、凹部１ａの上方に架設されたダイアフラム構造の窒化シリコン膜２およびその窒化シリコン膜２上に形成された機能性要素５を有する機能性構造体とを備えた半導体装置に適用される。そして、窒化シリコン膜２にはシリコンイオンがイオン注入され、その後熱処理が施されていることを特徴とする。
【０００７】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【０００８】
【発明の効果】
請求項１および請求項２の発明によれば、窒化シリコン膜にシリコンイオンをイオン注入することにより、窒化シリコン膜の内部応力を低減することができるとともに、熱処理による窒化シリコン膜の応力低減効果の減退を抑えることができる。
請求項３の発明によれば、窒化シリコン膜が形成された半導体基板に熱処理が行われても、イオン注入による窒化シリコン膜の応力低減効果が減退するのを抑えることができ、内部応力の小さな窒化シリコン膜を有する半導体装置を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図５を参照して本発明の実施の形態を説明する。シリコン基板上に窒化シリコンのダイアフラム構造体を形成する半導体装置としては、圧力センサや赤外線センサや流量センサ等がある。以下に説明する第１の実施の形態では圧力センサを例に説明し、第２の実施の形態では赤外線センサを例に説明する。
【００１０】
−第１の実施の形態−
図１は本発明による半導体装置の第１の実施の形態を示す図であり、（ａ）は圧力センサの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。Ｓｉ基板１はその基板面が面方位（１００）となるように形成されており、その基板面上に膜厚が１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度のＳｉＮ膜２が形成されている。このＳｉＮ膜２には、膜の内部応力を低減するためにシリコンイオン（Ｓｉ+）がイオン注入されており、ＳｉＮ膜２の符号３で示す領域がイオン注入領域を示している。
【００１１】
センサ中央部のＳｉ基板１には異方性エッチングにより凹部１ａが形成されており、このセンサ中央部においてＳｉＮ膜２はダイアフラム構造となっている。ＳｉＮ膜２のダイアフラム部には、十字形状（図１（ａ）参照）の抵抗体５が形成されている。抵抗体５およびＳｉＮ膜２の面上にはＰＳＧ（リンガラス）等の保護膜６が形成されている。抵抗体５は、ポリシリコンにボロン（Ｂ）やリン（Ｐ）をドーピングして得られるピエゾ抵抗体である。なお、図１（ａ）では保護膜６を省略して示した。また、図１（ａ）に示すように、ＳｉＮ膜２にはエッチング孔７が形成され、Ｓｉ基板１を異方性エッチングする際に、このエッチング孔７からエッチング液が注入される。エッチング孔７は保護膜６を形成することによって塞がれ、凹部１ａは所定の圧力状態（真空状態）で密閉されている。
【００１２】
図１に示した圧力センサでは、ダイアフラム構造を有するＳｉＮ膜２と抵抗体５とが機能性構造体を形成している。図１（ｂ）において、ＳｉＮ膜２のダイアフラム部分は、センサ上部空間の圧力と凹部１ａ内の圧力との差圧によって変形する。その結果、ＳｉＮ膜２上の抵抗体５も歪んでその抵抗値が変化し、この抵抗値の変化を検出することにより圧力変化を検出する。
【００１３】
次いで、図１に示す圧力センサの製造工程について、図２を参照しながら説明する。まず、図２（ａ）に示すように、面方位（１００）のＳｉ基板１の主平面（図示上面）上にＬＰＣＶＤ（Low Pressuer Chemical Vapor Deposition ）法などによってＳｉＮ膜２を形成する。前述したように、ＳｉＮ膜２の膜厚は１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度であり、このときの成膜温度は７８０℃である。次に、図２（ｂ）に示すように、ＳｉＮ膜２の全面にＳｉ+イオンをイオン注入する。このときのドーズ量は１×１０14（ｃｍ-2）〜１×１０15（ｃｍ-2）であり、Ｓｉ+イオンのＲＰ（プロジェクションレンジ）がＳｉＮ膜２の内部（符号３で示す領域）に存在するように加速電圧を設定する。
【００１４】
その後、抵抗体５となるポリシリコンをＬＰＣＶＤ法によりＳｉＮ膜２上に成膜温度６２０℃で成膜し、成膜したポリシリコンを図１（ａ）に示すような十字形状にエッチング（図２（ｃ）参照）する。その後、このポリシリコン５の導電率を制御するためのドーパント（ＢまたはＰ）をイオン注入する。さらに、図２（ｄ）に示すように保護膜（ＰＳＧ（リンガラス）など）６’をＣＶＤ法により形成した後、ポリシリコン５中のドーパントの活性化およびポリシリコン５の端部における保護膜６’のステップカバレッジを改善するために、Ｎ2中で９５０℃、２０分の熱処理を行う。
【００１５】
次いで、保護膜６’およびＳｉＮ膜２に、異方性エッチング用のエッチング孔７をプラズマエッチング等により形成する。そして、８０℃のヒドラジン（異方性エッチング液）に数時間浸して、異方性エッチングによりシリコン基板１に凹部１ａを形成する（図２（ｅ））。この異方性エッチングにより形成された凹部１ａの面１ｂは、シリコン単結晶の（１１１）面になっている。その後、保護膜６’を除去した後に、再びＳｉＮ膜２上の全面に保護膜６を成膜し、ＳｉＮ膜２に形成されたエッチング孔７を保護膜６により塞ぐ（図２（ｆ））。保護膜６を成膜する際には、凹部１ａ内が所定圧力で密封されるように成膜圧力を調整する。
【００１６】
図３は、シリコンイオン（Ｓｉ+）をイオン注入したときのＳｉＮ膜２の内部応力を、従来の場合（Ｐ+、Ｂ+を注入した場合）と比較して示した図である。図３において、（ａ）は保護膜６’の熱処理を行う前の内部応力を示し、（ｂ）は熱処理後の内部応力を示しており、縦軸は内部応力、横軸はイオンのドーズ量を表している。ＳｉＮ膜２にイオン注入する前の内部応力は１．３ＧＰａであったが、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ+イオン、Ｐ+イオンおよびＢ+イオンのいずれの場合にもイオン注入により内部応力が減少している。また、どのイオンの場合も、ドーズ量が増加すると内部応力の減少量が大きくなることが分かった。以下では、ドーズ量１×１０15（ｃｍ-2）のデータに絞って内部応力の説明を行う。
【００１７】
Ｓｉ+イオンをドーズ量１×１０15（ｃｍ-2）でイオン注入した場合には、ＳｉＮ膜２の内部応力は１．３ＧＰａから０．０９ＧＰａまで減少し、ほぼストレスフリーのＳｉＮ膜２が得られる。一方、従来のＢ+イオンの場合には０．１ＧＰａとなって、Ｓｉ+イオンとほぼ同程度に低減できる。また、Ｐ+イオンの場合には内部応力がマイナスの値になり、引っ張り応力から圧縮応力へと変化している。
【００１８】
このイオン注入が行われたＳｉＮ膜２に、Ｎ2雰囲気中で９５０℃、２０分の熱処理が行われると、内部応力は図３（ｂ）に示すように変化する。すなわち、イオン注入によって低減した内部応力が、熱処理によって増加することが分かる。熱処理後の内部応力をＳｉ+イオン、Ｐ+イオン、Ｂ+イオンの順に記すと、０．６７、０．７３、０．９７ＧＰａである。特に、熱処理前に圧縮応力を示していたＰ+イオンの変化が激しいが、本実施の形態のＳｉ+イオンでは熱処理による内部応力の変化が少なく、安定したＳｉＮ膜が得られることが分かった。
【００１９】
−第２の実施の形態−
次いで、赤外線センサに本発明を適用した場合について説明する。図４は赤外線センサの平面図であり、図５は図４のＥ−Ｅ’断面を示したものである。赤外センサの場合には、図４に示すようにＳｉＮ膜２による略十字形状のダイアフラム構造が形成され、そのダイアフラム上に機能性構造体である赤外線センサの構成要素（後述するサーモパイルや赤外線吸収膜１０４）が形成される。
【００２０】
このダイアフラム構造の形成手順は、上述した第１の実施の形態とほぼ同様である。すなわち、図５に示すようにＳｉ基板１上にＳｉＮ膜２を成膜した後に、そのＳｉＮ膜２にエッチング孔１００（図４）を形成する。そして、そのエッチング孔１００から異方性エッチング液を注入してＳｉ基板１を異方性エッチングし、図５に示すような凹部１ａをＳｉ基板１に形成する。
【００２１】
本実施の形態の場合も、ＳｉＮ膜２の全面にＳｉ+イオンが注入され、図５の符号３はイオン注入領域を示している。以下では、このＳｉＮ膜２において、赤外線吸収膜１０４が形成される略十字形状ダイアフラムの中央部分（矩形状部分）をダイアフラム部Ｄと呼び、このダイアフラム部Ｄの周囲のＳｉＮ膜２を周辺部Ｃと呼び、ダイアフラム部Ｄと周辺部Ｃとを連結している４つの架橋状部分を梁Ｂと呼ぶことにする。
【００２２】
各梁Ｂ上にはｎ型ポリシリコン１０６とｐ型ポリシリコン１０７とが交互に形成されており、各ポリシリコン１０６，１０７は、一端がダイアフラム部Ｄ上に他端が周辺部Ｃ上となるように形成されている。各ポリシリコン１０６，１０７は、ｎ型ポリシリコン１０６とｐ型ポリシリコン１０７とが交互に接続されるようにＡｌ配線１０８によって直列接続されている。このように接続された一対のポリシリコン１０６，１０７によりサーモカップルが形成され、直列接続された複数のサーモカップルによりサーモパイルが形成される。
【００２３】
なお、ｎ型ポリシリコン１０６はポリシリコン膜にリン（Ｐ）またはヒ素（Ａｓ）をイオン注入して形成し、ｐ型ポリシリコン１０７はポリシリコン膜にボロン（Ｂ）をイオン注入して形成する。その後、図５に示すようにＰＳＧ（リンガラス）等の層間絶縁膜１０５をＣＶＤ等により形成した後、不純物の活性化のためのアニールが行われる。
【００２４】
図４に示す赤外線センサでは、サーモパイルは複数対のサーモカップルから成り、各サーモカップルの温接点はダイアフラム部Ｄに配置され、冷接点は周辺部Ｓに配置されている。Ａｌ配線１０９はサーモパイルの出力端子である。絶縁膜１０５上に形成されたＡｌ配線１０８，１０９は、絶縁膜１０５に形成されたコンタクトホール１０５ａを介してｎ型ポリシリコン１０６とｐ型ポリシリコン１０７とを接続している。
【００２５】
絶縁膜１０５上に保護膜１１０を形成した後、さらに平坦化を図るために保護膜１１１を形成し、さらに赤外線吸収膜（例えば、金黒等から成る膜）１０４が形成される。図４に示すように、赤外線吸収膜１０４はダイアフラム部Ｄ上に矩形状に形成される。なお、図４では、Ａｌ配線１０８，１０９のパターンが分かり易いように、赤外線吸収膜１０４を想像線（二点鎖線）で示すとともに、保護膜１１０，１１１を絶縁膜１０５を省略して示した。
【００２６】
次に、図４，５に示した赤外線センサの動作について説明する。赤外線吸収膜１０４に入射した赤外線は、赤外線吸収膜１０４で吸収されて熱エネルギーに変換される。赤外線吸収膜１０４が形成されているダイアフラム部Ｄは、断面積の小さな４つの梁ＢによってＳｉＮ膜２の周辺部Ｃに連結されているだけで、凹部１ｂによりＳｉ基板１と隔てられている。そのため、ダイアフラム部Ｄは、その周辺部分（周辺部ＣやＳｉ基板１）と熱的に分離されている。
【００２７】
赤外線吸収膜１０４で吸収された熱エネルギーは、ＳｉＮ膜２のダイアフラム部Ｄおよび梁Ｂを介してヒートシンクであるＳｉ基板１へと伝達される。梁Ｂの部分のＳｉＮ膜２は断面積が小さいために熱抵抗が大きく、周辺部Ｃに比べて赤外線吸収膜１０４部分の温度が高くなる。図４に示すように、ｎ型ポリシリコン１０６およびｐ型ポリシリコン１０７の両端は、この温度差が生じるダイアフラム部Ｄと周辺部Ｃとに設置されているため、サーモパイルにはゼーベック効果により熱起電力が生じる。この起電力を赤外線検出信号として出力端子であるＡｌ配線１０９から外部に取り出す。
【００２８】
一般的に、サーモパイル全体の熱起電力は各サーモカップルの起電力の和になっており、サーモパイルの感度Ｒは次式（１）で表される。
【数１】
Ｒ＝ｎ×（αｐ＋αｎ）×Ｒth      …（１）
式（１）において、ｎはサーモカップルの対の数、αｎはｎ型ポリシリコン１０６のゼーベック係数、αｐはｐ型ポリシリコン１０７のゼーベック係数であり、Ｒthはダイアフラム部Ｄおよび梁Ｂの合成熱抵抗である。
【００２９】
式（１）から分かるように、赤外線センサの感度Ｒを向上させるためには、ダイアフラム部Ｄおよび梁Ｂの合成熱抵抗Ｒthを大きくする必要がある。すなわち、梁Ｂの断面積をできるだけ小さくするとともに、梁Ｂの長さをより長くする必要がある。ダイアフラム部Ｄや梁Ｂを構成するＳｉＮ膜２の内部応力は、梁Ｂが壊れる要因の一つであるため、赤外線センサの高感度化にはＳｉＮ膜２の応力低減が非常に重要となっている。
【００３０】
上述したように、本実施の形態の赤外線センサでは、ＳｉＮ膜２にシリコンイオン（Ｓｉ+）を注入して内部応力を低下させるようにしているため、イオン注入後に熱処理が行われても内部応力低減効果が損なわれない。その結果、従来の赤外センサよりも梁Ｂの断面積を小さくしたり長さを長くすることができるため、より高感度な赤外線センサを作製することができる。
【００３１】
なお、上述した実施の形態では、基板として面方位（１００）のＳｉ基板を用いる半導体装置を例に説明したが、窒化シリコン（ＳｉＮ）を形成できる材料であれば上述したＳｉ基板に限らずどのような材料であっても良い。また、上述した実施の形態のように、窒化シリコン膜２がダイアフラム構造を成していない場合においても、熱処理後の窒化シリコン膜２の内部応力低減効果の減退を抑制でき、機械的特性の優れた窒化シリコン膜を形成することができる。窒化シリコンの形成方法としては、上述したＬＰＣＶＤ法以外に、熱分解型ＣＶＤ法や、プラズマＣＶＤ法に代表される非熱分解法であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体装置の第１の実施の形態を示す図であり、（ａ）は圧力センサの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。
【図２】図１に示す圧力センサの製造工程を説明する図であり、（ａ）〜（ｆ）の順に工程が進む。
【図３】ＳｉＮ膜２の内部応力を説明する図であり、（ａ）は熱処理前のドーズ量と内部応力との関係を示し、（ｂ）は熱処理後のドーズ量と内部応力との関係を示したものである。
【図４】本発明による半導体装置の第２の実施の形態を示す図であり、赤外線センサの平面図である。
【図５】図４のＥ−Ｅ’断面を示す図である。
【符号の説明】
１  シリコン（Ｓｉ）基板
１ａ  凹部
２  窒化シリコン（ＳｉＮ）膜
３  イオン注入領域
５  抵抗体
７，１００  エッチング孔
１０４  赤外線吸収膜
１０６  ｎ型ポリシリコン
１０７  ｐ型ポリシリコン
１０８，１０９  アルミ（Ａｌ）配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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