(57)【要約】    【課題】本発明の課題は、半導体集積回路上に形成したＭＥＭＳセンサの高信頼化の実現である。    【解決手段】本発明の骨子は、半導体集積回路上に窒化シリコン等の耐湿・耐薬品性の強い下部パッシベーション膜を成膜した上層に、空洞１２を含むＭＥＭＳ部を形成し、このＭＥＭＳ部最表面にも上部パッシベーション層１１を成膜し、前記ＭＥＭＳ部分をパッシベーション膜で密封するものである。【選択図】図１
2008140867.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路の上部に、空洞部を有するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）センサが搭載された半導体装置であって、少なくとも、前記半導体集積回路上に第１のパッシベーション膜を有し、前記第１のパッシベーション膜上に前記空洞部を有するＭＥＭＳセンサが搭載され、且つ、前記空洞部を有するＭＥＭＳセンサの少なくとも空洞部を覆って第２のパッシベーション膜を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１と第２のパッシベーション膜の双方が、前記空洞部を有するＭＥＭＳセンサの空洞部の端部で接触し、前記空洞部を有するＭＥＭＳセンサを封止した構造であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体集積回路の表面に対して、前記空洞部の上下に第１及び第２の電極が配置されて、変形可能なコンデンサを構成してなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記空洞部の下部に配置される第１のパッシベーション膜の膜厚が、前記空洞部の上部に配置される第２のパッシベーション膜の膜厚より厚いことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記空洞部の下部に配置される第１のパッシベーション膜の膜厚が、前記空洞部の上部に配置される第２のパッシベーション膜の膜厚より厚いことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記第１及び第２のパッシベーション膜が、窒化シリコン膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第１及び第２のパッシベーション膜が、窒化シリコン膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記空洞部の、前記半導体回路の基板表面と平行な位置に中間電極を、更に有することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いたセンサを混載した半導体装置に関する。それは、特に、センサの高信頼性に関して有効な技術である。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ技術を用いたセンサに関しては、例えば、特開２００６-１５６１８２号公報（特許文献１）に、窒化シリコン膜でパッシベーションする技術が開示されている。可動電極と固定電極を対向配置させた静電容量式ＭＥＭＳ圧力センサを半導体回路配線層上に形成し、ＭＥＭＳを含む最上層を窒化シリコン膜でパッシベーションする。最上層を窒化シリコン膜とする理由は、耐環境性能を高めるためである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６-１５６１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の技術は、センサ特性のドリフトを引き起こす恐れがあった。これは、ＭＥＭＳ部に生じる高段差部へのパッシベーション膜にピンホールが発生し、水分がＭＥＭＳセンサ内部に浸透、もしくはＭＥＭＳセンサを構成する膜質の変質による為である。又、こうした事を回避するために、従来の半導体集積回路に用いてきたような厚さ１マイクロメートル程度のパッシベーション膜を適用することも考えられる。しかし、この場合、ＭＥＭＳセンサの動作に大きな影響を与えてしまうため、適用が難しい。又、特に圧力センサは、半導体基板上に形成した感圧部を直接大気暴露しなくてはならず、装置の信頼性の確保は重大な課題であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、次のような方策を取る。即ち、半導体集積回路の配線層上にＭＥＭＳ構造体を形成する場合に、まず半導体集積回路を通常の半導体技術により形成し、最上部を平坦化してから下部パッシベーション用膜を成膜する。この下部パッシベーション膜上に、ＭＥＭＳセンサ部を形成した後、ＭＥＭＳ部及び回路部を含めて、上部パッシベーション膜を更に成膜し、全体を覆う。即ち、ＭＥＭＳセンサ部を上下パッシベーション膜で密封する構造とする。これにより、段差部で上部パッシベーション膜にピンホールが発生したとしても、そのピンホール直下は下部パッシベーション膜であり、信頼性を損なう恐れを回避可能となる。
【０００６】
本願発明の諸形態を整理し列挙すれば、次の通りである。
【０００７】
本発明の基本形態は、半導体集積回路の上部に、空洞部を有するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）センサが搭載された半導体装置であって、少なくとも、前記半導体集積回路上に第１のパッシベーション膜を有し、前記第１のパッシベーション膜上に前記空洞部を有するＭＥＭＳセンサが搭載され、且つ、前記空洞部を有するＭＥＭＳセンサの少なくとも空洞部を覆って第２のパッシベーション膜を有する半導体装置である。
【０００８】
前記第１と第２のパッシベーション膜の双方が、前記空洞部を有するＭＥＭＳセンサの空洞部の端部で接触し、前記空洞部を有するＭＥＭＳセンサを封止した構造が有用である。こうした構造をとることで、ＭＥＭＳセンサ部をパッシベーション膜で密封した構造となる。又、前記半導体集積回路の表面に対して、前記空洞部の上下に第１及び第２の電極が配置されて、変形可能なコンデンサを構成している。
【０００９】
更に、本発明の別な形態によれば、前記空洞部の下部に配置される第１のパッシベーション膜の膜厚が、前記空洞部の上部に配置される第２のパッシベーション膜の膜厚より厚い前記半導体装置が滋養的に好ましい。
【００１０】
尚、前記第１及び第２のパッシベーション膜が、窒化シリコン膜であることが、実際的である。
【００１１】
更に、前記空洞部の、前記半導体回路の基板表面と平行な位置に中間電極を設け、例えば、加速度による小さな力をも検知することが出来るようにすることが出来る。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高い信頼性を持ったセンサを実現することが出来る。これは、本発明の構造が、ＭＥＭＳセンサ部をパッシベーション膜で密封した構造をとることによる。更に、本発明の別な形態によれば、前記密封構造と同時に、ＭＥＭＳセンサ部の動作を阻害しない構造になることにより、より高い信頼性を持ったセンサを実現することが出来る
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１４】
＜実施例１＞
実施例１では、半導体集積回路の配線層上に形成した静電容量式ＭＥＭＳ圧力センサについて説明する。図１はその断面図である。図１に示す圧力センサは、半導体基板に形成された集積回路配線層の表面に下部パッシベーション膜層６を設け、その上層に下部電極層７、上部電極層９から成る静電容量を形成した断面図である。下部電極層７と上部電極層２の間の空洞１２は、封止絶縁膜層１０と、上部パッシベーション膜１１によって封止されている。空洞１２を設けることで、外部圧力によって上部電極層９が変形し、上部電極層２と下部電極層７の間に存在する静電容量が変化する。つまり、圧力により静電容量が変化する可変容量コンデンサを形成しており、この容量値の変化を検出することで圧力センサとして使用する。尚、半導体集積回路部は、通例の半導体装置の構成を有し、図では、拡散層２、ゲート電極４、配線３、層間絶縁膜５、及び酸化物層１４などを示した。符号８は犠牲層間絶縁膜で、プラズマＣＶＤ法による、いわゆるＴＥＯＳ膜もしくはＳｉＯ２などが用いられる。尚、半導体集積回路の部分の構成は、通例の半導体集積回路のそれを採用して十分であるので、その詳細説明は省略する。
【００１５】
以下、図１及び図２より図１１を用いて、静電容量式圧力センサを形成するプロセスについて述べる。
【００１６】
まず、通常の半導体プロセス技術により、集積回路をＳｉ基板（１）上に形成する。集積回路配線層を形成した後、表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）工程により平坦化する。平坦化後、下部パッシベーション膜層６を２００ｎｍ程度成膜する(図２)。このパッシベーション膜としては、通常半導体集積回路でパッシベーション膜として用いられ、耐湿性・耐薬品性に優れる窒化シリコン膜が適当であると考えられる。もちろん、耐湿性・耐薬品性が強い、炭化シリコンや酸化アルミ等の他の絶縁膜でも良い。尚、図での符号を付していない部分は図１のそれと同様である。
【００１７】
次に、配線層へのコンタクトホール２０を加工してから、下部電極層７を５０ｎｍ程度の厚さで成膜・加工する(図３)。下部電極層７は、通常半導体プロセスの配線層で用いることができる金属であれば良く、アルミ、タングステン、珪化タングステン、チタン、窒化チタン、モリブデン等を用いる。
【００１８】
この上部に、犠牲層絶縁膜８を５００ｎｍ程度の厚さで成膜・加工する(図４)。犠牲絶縁膜層８は、通常の半導体工程で用いられる層間絶縁膜を用いる。
【００１９】
次に、上部電極層９を５００ｎｍ程度の厚さで成膜する(図５)。上部電極層９は、通常半導体プロセスの配線層で用いる事ができる金属で、かつ、耐湿性・耐薬品性が高いタングステン、もしくは珪化タングステン等の金属を用いるのが好ましい。加えて、その内部応力が、大きさ５００ＭＰａ程度の引っ張り応力を持つように成膜するのが良い。それは空洞を有するセンサ部分が十分機能するように為、引っ張り応力である必要がある。
【００２０】
この上部電極層９に対し、直径２００ｎｍ程度の微小穴２１を開口する(図６)。次に、この微小穴２１から等方的なエッチングを行い、空洞１２を形成する(図７)。この等方的なエッチングには、フッ酸等の薬液や蒸気を用いたエッチングを用いる。適当な時間、エッチングすることで、空洞１２を所望の大きさで形成できる。
【００２１】
次に、層間絶縁膜材料からなる封止絶縁膜１０を３００ｎｍ程度成膜し、空洞１２を完全に封止する(図８)。これには、常圧ＣＶＤ技術などの被膜性の高い成膜技術を用いる。被膜性の良い成膜方法を用いることで、空洞内が埋まる前に微小穴が塞がり、空洞内に空間を残すことができる。
【００２２】
こうした上部電極層９と封止絶縁膜１０を、所望形状に加工する(図９)。最後に、１５０ｎｍ程度の上部パッシベーション膜１１で全体を覆う（図１）。この上部パッシベーション膜１１も、下部パッシベーション膜６と同様に、窒化シリコン等の耐湿性・耐薬品性が高い膜を用いる。但し、空洞部１２の形状に影響を与えるため、内部応力は０以上から２００ＭＰａ程度の引っ張り応力を持っていることが望ましい。前述したように、空洞を有するセンサ部分が十分機能するように為、封止絶縁膜１０及び上部パッシベーション膜１１のトータルで引っ張り応力の状態になっていることが必要である。又、上部パッシベーション膜１１は、十分な耐湿性を確保し、且つ、上部電極層９の変形を妨げない厚さでなければならないので、１５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の厚さで成膜する(図１)。パッシベーション膜として機能するに、通例１５０ｎｍ程度は必要であり、一方、余り厚くすると、空洞を有するセンサ部分の機能が阻害されるおそれが生ずる。上部パッシベーション膜１１あるいは下部の封止絶縁膜１０、上部電極層９などの材料、構造などにも依存するが、一般的には５００ｎｍ程度が上限であろう。
【００２３】
しかしながら、このように薄い膜をパッシベーションとして用いた場合、段差部での上部パッシベーション膜（１１）に隙間２２が発生、信頼性を損なう恐れがある。この状態の例を図１０に示す。図は、例えば、図１の左側の円で囲まれた領域を模式的に拡大して示したものである。しかし、本発明によれば、段差部には下部パッシベーション膜６があるため、装置の信頼性を損なう恐れが小さく、且つ、上部パッシベーション膜１１は最低限の厚さで済む。又、空洞１２が存在する領域以外は、上部パッシベーション膜１１と下部パッシベーション膜６が二重に保護する形となり、半導体集積回路装置領域にも十分な信頼性を確保することができる。
【００２４】
＜実施例２＞
実施例２では、圧力センサ以外の用途で、空洞を持つ構造への適用例を述べる。
本実施例は、半導体集積回路の配線層上に形成した静電容量式ＭＥＭＳ加速度センサである。図１１はその断面図である。実施例１と同様に、図１１に示す加速度センサは、可動電極層１３を設け、これが小さな力でも変形するように設計しておく。本例では、こうすることで、加速度が印加された時に、可動電極層１３の位置が変動するのを利用する。
本例の構造は次のような工程で製造される。即ち、集積回路配線３まで作製した半導体集積回路基板１の表面を平坦化した後に、下部パッシベーション膜層６を設け、その上層に下部電極層７と上部電極層９を設ける。この下部電極層７と上部電極層９の間に可動電極層１３を設けた構造である。この可動電極層１３は、前記犠牲絶縁膜を設ける際、一旦、可動電極層１３を設ける位置まで、第１の犠牲絶縁膜８−１を形成し、この上部に可動電極層１３を形成する。そして、この上部に第２の犠牲絶縁膜８−２を形成する。その後の製造工程はこれまでの例と同様に行うことが出来る。上部電極層９に微小穴２１を開口し、この微小穴２１から等方的なエッチングによって空洞１２を形成することも、これまでの例と同様である。
【００２５】
可動電極層１３を小さな力でも変形するように設計しておくことで、加速度が印加された時に、可動電極層の位置が変動するようにでき、加速度を印加した際の、下部電極層７もしくは上部電極層９との間に生じている静電容量変化を検出して加速度センサとする。又、下部電極層７と可動電極層１３の間の空洞１２は、実施例１と同様に封止絶縁膜１０と、上部パッシベーション膜１１によって封止されているため、可動部が、外部の粉塵により動作不良を起こす恐れが無い。尚、図１１の稼動部以外の構成は基本的に図１のそれと同様である。
【００２６】
本実施例においても、実施例１と同様に、段差形状を持つ部位に対する上部パッシベーションはピンホールを発生する恐れがあるが、段差部位の下部には、下部パッシベーション膜があるため、装置の信頼性を損なう恐れが小さい。
【００２７】
尚、実施例はＭＥＭＳ圧力センサおよびＭＥＭＳ加速度センサを例に記載したが、本発明におけるパッシベーション方法は空洞形状を有する、他のＭＥＭＳ構造体にも利用可能である。
【００２８】
このように、本発明は、空洞を利用したセンサにおいて、高い信頼性を必要とするセンサに幅広く利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施の形態における圧力センサの模式的な断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態における圧力センサの製造工程順に示した装置の断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態における圧力センサの製造工程順に示した装置の断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態における圧力センサの製造工程順に示した装置の断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態における圧力センサの製造工程順に示した装置の断面図である。
【図６】本発明の一実施の形態における圧力センサの製造工程順に示した装置の断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態における圧力センサの製造工程順に示した装置の断面図である。
【図８】本発明の一実施の形態における圧力センサの製造工程順に示した装置の断面図である。
【図９】本発明の一実施の形態における圧力センサの製造工程順に示した装置の断面図である。
【図１０】本発明の一実施の形態における段差部位に対するパッシベーション膜形状の例である。
【図１１】本発明の他の実施の形態における加速度センサの模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１：シリコン基板、２：拡散層、３：配線、４        ：ゲート電極、５：層間絶縁膜、６：下部パッシベーション層、７：下部電極層、８：犠牲層間絶縁膜、９：上部電極層、１０：封止絶縁膜層、１１：上部パッシベーション層、１２：空洞、１３：可動電極層、１４：酸化物層、２０：コンタクトホール、２１：微小穴、２２：間隙。
【図１】
2008140867.tif 000003
【図２】
2008140867.tif 000004
【図３】
2008140867.tif 000005
【図４】
2008140867.tif 000006
【図５】
2008140867.tif 000007
【図６】
2008140867.tif 000008
【図７】
2008140867.tif 000009
【図８】
2008140867.tif 000010
【図９】
2008140867.tif 000011
【図１０】
2008140867.tif 000012
【図１１】
2008140867.tif 000013