(57)【要約】【課題】簡単な構成で、小型の中空キャパシタが形成可能な半導体装置を提供することにある。【解決手段】同一基板１０上に、一対の対向電極１４、２４と対向電極の間にある中空部２３とで構成される中空キャパシタ部、及び半導体回路部１１ａ、１１ｂ、１２が形成され、中空キャパシタ部の中空部２３は、絶縁層１６、１７、１８で包まれており、絶縁層１７、１８には、中空部２３に接続する導入孔２２が形成されている。中空部２３を覆う絶縁層１７の表面は平坦化されており、中空部２３の側方に位置する厚い絶縁層１７が、中空部２３の上方に位置する薄い絶縁膜１７と上部電極２４を保持している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体回路部と、一対の対向電極と、前記対向電極の間にある中空部とで構成される中空キャパシタ部とを同一基板上に持つ半導体装置であって、
前記中空キャパシタ部の中空部は、絶縁膜で包まれていることを特徴とする、半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁膜は、
前記中空キャパシタ部の下部電極を覆う第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の上に形成された前記中空キャパシタ部の中空部を覆う第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜の上に形成された前記中空キャパシタ部の上部電極を覆う第３の絶縁膜とから構成されてい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】
前記中空キャパシタ部の中空部に接続した第１のホールを備え、
前記第１のホールは、前記第３の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜を貫通していることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記中空キャパシタ部の中空部に接続した第２のホールをさらに備え、
前記第２のホールは、少なくとも前記中空キャパシタ部の前記第３の絶縁膜及び前記上部電極を貫通していることを特徴とする、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第２のホールの壁面は保護膜で覆われていることを特徴とする、請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記絶縁膜及び前記保護膜は酸化シリコンからなり、
前記中空キャパシタ部の上部電極及び下部電極は多結晶シリコンからなり、
前記上部電極は窒化シリコン膜で上下に挟まれていることを特徴とする、請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記中空キャパシタ部の前記上部電極と前記中空部との間に電荷保持層を備え、
前記電荷保持層が前記絶縁膜で包まれてい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】
前記絶縁膜は、
前記中空キャパシタ部の下部電極を覆う第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の上に形成された前記中空キャパシタ部の中空部を覆う第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜の上に形成された前記中空キャパシタ部の電荷保持層を覆う第４の絶縁膜とから構成され、
前記中空キャパシタ部の上部電極は、前記第４の絶縁膜の上に形成されていることを特徴とする、請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記中空キャパシタ部の中空部に接続した第１のホールを備え、
前記第１のホールが少なくとも前記第２の絶縁膜を貫通していることを特徴とする、請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
基板上に形成された固定電極と、
前記基板上であって、前記固定電極を覆うように形成された第１の絶縁膜と、  
前記第１の絶縁膜上であって、前記固定電極の上方に形成された中空部と、
前記第１の絶縁膜上であって、前記中空部を覆うように形成された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上であって、前記中空部の上方に形成された可動電極と
を備えた半導体装置であって、
前記固定電極、前記中空部、及び前記可動電極で中空キャパシタを構成しており、
前記第２の絶縁膜は、その表面が平坦化されていることを特徴とする、半導体装置。
【請求項１１】
前記第２の絶縁膜上に、前記可動電極を覆うように第３の絶縁膜がさらに形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記第２の絶縁膜及び前記第３の絶縁膜内に、前記中空部に接続する導入孔が形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記中空部は、該中空部の周縁から前記第２の絶縁膜側に延出する連通孔を有し、  
前記導入孔は、前記連通孔に接続されていることを特徴とする、請求項１２に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記中空部は矩形形状をなし、
前記連通孔は、前記中空部の周辺から、十字状に前記第２の絶縁膜側に延出していることを特徴とする、請求項１３に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記可動電極の端部は、前記連通孔の上部に位置していることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の半導体装置。
【請求項１６】
基板上に、固定電極を覆うように第１の絶縁膜を形成する工程と、  
前記第１の絶縁膜上であって、前記固定電極の上方に犠牲層を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上であって、前記犠牲層を覆うように第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜の表面を、前記犠牲層上に所定の膜厚の第２の絶縁膜が残存するように、平坦化する工程と、
前記第２の絶縁膜上であって、前記犠牲層の上方に可動電極を形成する工程と
前記第２の絶縁膜上に、前記可動電極を覆うように第３の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜及び前記第３の絶縁膜内に、前記犠牲層に到達する導入孔を形成する工程と、
前記導入孔を介して前記犠牲層をエッチング除去することにより、前記第２の絶縁膜内に中空部を形成する工程と
を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記固定電極、前記中空部、及び前記可動電極で中空キャパシタを構成していることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記犠牲層は、該犠牲層の周縁から前記第２の絶縁膜側に延出する部位を有し、
前記導入孔は、前記犠牲層の延出する部位に接続されていることを特徴とする、請求項１６に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体回路部と一対の対向電極と前記対向電極の間にある中空部から構成される中空キャパシタ部を同一基板上に持つことを特徴とする半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周波数が数十ｋＨｚから数十ＭＨｚの超音波は指向性が強いため、対象物が可視光域で透明であっても探知することができるなど、超音波センサは、対象物の色や表面状態に影響されにくいという特性を生かして、幅広い分野に応用されている。例えば、超音波センサとして、魚群探知機などの距離測定機、非破壊検査が可能な診断装置や探傷機などが実用化されている他、超音波を用いた機器としても、洗浄機や溶着機などが実用化されている（例えば、非特許文献１を参照）。なお、超音波センサは、通常、超音波を送信する送信部と、発信した超音波を受信する受信部とに分れている。
【０００３】
しかしながら、従来の超音波センサの受信部は、通常、圧電セラミック振動子を使用しているため装置の価格が高くなり、また、あまり小型にできないという問題がある。また、検出感度を良くするために、振動子の基板側をエッチングして薄くしなければならず、製造工程が複雑になるという問題もある。それ故、使用用途が限られていた。
【０００４】
図１０は、従来の超音波センサの受信部の構造を示した断面図である。
【０００５】
基板上に、圧電セラミック振動子１００の材料として、強誘電体セラミックス材料であるチタン酸ジルコン鉛（ＰＺＴ）を形成している。通常、ＰＺＴを形成するためには、酸素雰囲気中で５５０℃以上の高温で焼成することが必要とされるため、電極１０１の材料には、その焼成過程での酸化による絶縁物化を防ぐために、微細加工がしづらく、かつ高価な白金やイリジウムなどの白金族系材料が使用されている。また、感度確保のため、圧電セラミック振動子が形成された基板の裏面を薄くエッチングして開口部１０２を形成する必要があるが、例えば、８インチのＳｉウェハは７５０μｍ程度の厚さがあり、半導体素子の形成工程で通常行われる１〜２μｍ程度のエッチング技術は適用できず、開口部１０２の形成には、特殊なプロセスを用いなければならなかった。
【０００６】
一方、特許文献１〜３等には、半導体基板上に半導体回路部と中空キャパシタからなる超音波センサが開示されている。ここで、一対の電極間に設けられた中空部は、犠牲層を、弗酸などによるウェットエッチで除去することによって形成される。
【非特許文献１】富川義郎、「超音波エレクトロニクス振動論−基礎と応用−」、朝倉書店、１９９８年２月２０日
【特許文献１】特許第２５４５７１３号公報
【特許文献２】特表２００２−５１８９１３号公報
【特許文献３】特開平２００２−２５０６６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、超音波センサとして必要な、幅が数μｍ〜数ｍｍ程度、ギャップが数百ｎｍ〜数μｍ程度の微細な中空部を形成する際に、弗酸などの液体エッチャントを犠牲層に導入することは非常に困難である。また、仮に、導入できたとしても、液体エッチャントを中空部から除去する際に、液体エッチャントの表面張力で、形成した中空部がつぶれてしまうという問題も生じる。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、その主な目的は、簡単な構成で、小型の中空キャパシタが形成可能な半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、一対の対向電極と、対向電極の間にある中空部とで構成される中空キャパシタ部を備え、中空キャパシタ部の中空部は、絶縁膜で包まれていることを特徴とする。
【００１０】
このような構成により、簡単な構造で小型な中空キャパシタ（超音波センサ）を容易に実現することができる。また、超音波の入射により中空キャパシタ部の上部電極が振動し、これにより、上部電極と下部電極との距離が変化することで中空キャパシタ部の容量が変化する。この中空キャパシタ部の容量変化を、半導体回路部に搭載された信号処理回路で増幅、検波して超音波センサとして動作させることができる。
【００１１】
ある好適な実施形態において、上記絶縁膜は、中空キャパシタ部の下部電極を覆う第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜の上に形成された中空キャパシタ部の中空部を覆う第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜の上に形成された中空キャパシタ部の上部電極を覆う第３の絶縁膜から構成されている。
【００１２】
このような構成により、中空部を形成するために、中空部を形成したい領域にあらかじめ設けられた犠牲層をエッチング除去する際、上部電極や下部電極などの犠牲層以外の部分までエッチングされることを防止するこができる。
【００１３】
ある好適な実施形態において、上記中空キャパシタ部の中空部に接続した第１のホールを備え、第１のホールは第３の絶縁膜及び第２の絶縁膜を貫通している。これにより、中空部を形成する際のエッチャントを、容易に犠牲層に導入することができる。
【００１４】
ある好適な実施形態において、上記中空キャパシタ部の中空部に接続した第２のホールをさらに備え、第２のホールは少なくとも中空キャパシタ部の第３の絶縁膜及び上部電極を貫通している。これにより、より多くのエッチャントを犠牲層に導入でき、中空部を容易に形成することができる。
【００１５】
ここで、第２のホールの壁面は保護膜で覆われていることが好ましい。これにより、犠牲層をエッチング除去して中空部を形成する際に、上部電極などまでエッチングされてしまうことを防止することができる。
【００１６】
また、上記絶縁膜及び保護膜は酸化シリコン膜からなり、中空キャパシタ部の上部電極及び下部電極は多結晶シリコンからなり、上部電極は窒化シリコン膜で上下に挟まれていることが好ましい。これにより、上部電極の種類や形状によらずに、中空部の天井部分を自立させることができる。
【００１７】
さらに、上記中空キャパシタ部の上部電極と中空部の間に電荷保持層を備え、電荷保持層が上記絶縁膜で包まれていることが好ましい。これにより、超音波を受信した際、中空キャパシタの上部電極と下部電極間との電圧変化を大きくすることができ、受信感度を上げることができる。
【００１８】
本発明に係わる他の半導体装置は、基板上に形成された固定電極と、基板上であって、固定電極を覆うように形成された第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜上であって、固定電極の上方に形成された中空部と、第１の絶縁膜上であって、中空部を覆うように形成された第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜上であって、中空部の上方に形成された可動電極とを備え、固定電極、中空部、及び可動電極で中空キャパシタを構成しており、第２の絶縁膜は、その表面が平坦化されていることを特徴とする。
【００１９】
このような構成により、中空部の上方に位置する第２の絶縁膜及び可動電極を、中空部の側方に位置する膜厚の厚い第２の絶縁膜で保持することができ、これにより、中空部の上方に位置する第２の絶縁膜及び可動電極が撓んで、中空部を塞いでしまうことを防止することができる。
【００２０】
ある好適な実施形態において、上記第２の絶縁膜上に、可動電極を覆うように第３の絶縁膜がさらに形成されている。
【００２１】
ある好適な実施形態において、上記第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜内に、中空部に接続する導入孔が形成されている。
【００２２】
ある好適な実施形態において、上記中空部は、該中空部の周縁から第２の絶縁膜側に延出する連通孔を有し、上記導入孔は連通孔に接続されている。このような構成により、中空部の側方に位置する膜厚の厚い第２の絶縁膜を増やすことができ、これにより、中空部の上方に位置する第２の絶縁膜及び可動電極をより強固に保持することができる。
【００２３】
上記中空部は矩形形状をなし、連通孔は、中空部の周辺から十字状に第２の絶縁膜側に延出していることが好ましい。
【００２４】
本発明に係わる半導体装置の製造方法は、基板上に固定電極を形成する工程と、基板上に、固定電極を覆うように第１の絶縁膜を形成する工程と、第１の絶縁膜上であって、固定電極の上方に犠牲層を形成する工程と、第１の絶縁膜上であって、犠牲層を覆うように第２の絶縁膜を形成する工程と、第２の絶縁膜の表面を、犠牲層上に所定の膜厚の第２の絶縁膜が残存するように平坦化する工程と、第２の絶縁膜上であって、犠牲層の上方に可動電極を形成する工程と、第２の絶縁膜上に、可動電極を覆うように第３の絶縁膜を形成する工程と、第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜内に、犠牲層に到達する導入孔を形成する工程と、導入孔を介して犠牲層をエッチング除去することにより、第２の絶縁膜内に中空部を形成する工程とを備え、固定電極、中空部、及び可動電極で中空キャパシタを構成している。
【００２５】
ある好適な実施形態において、犠牲層は、該犠牲層の周縁から前記第２の絶縁膜側に延出する部位を有し、導入孔は、犠牲層の延出する部位に接続されている。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係わる半導体装置によれば、簡単な構造で小型な中空キャパシタ（超音波センサ）を容易に実現することができる。また、本発明に係わる半導体装置の製造方法によれば、安定した形状の中空部を有する中空キャパシタ（超音波センサ）を簡単な製造方法により製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明における構成およびその作用を分かりやすく説明するために用いる一例であって、本発明は以下の形態に限定を受けるものではない。
【００２８】
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る半導体装置（超音波センサ）について、図１〜図５を用いて説明する。
【００２９】
［超音波センサの構成］
図１（ａ）は、本実施形態に係る超音波センサの構成を模式的に示した断面図で、図１（ｂ）は、本実施形態に係る超音波センサの中空キャパシタ部を示した平面図である。また、図５は、本実施形態の変形例に係る超音波センサの構成を示した断面図である。
【００３０】
図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る超音波センサは、上部電極（可動電極）２４と下部電極（固定電極）１４が対向した中空キャパシタ部と、電界効果型トランジスタ素子などで構成される増幅回路やノイズ除去回路や出力回路などからなる半導体回路部とが集積された構成を有する。なお、図１（ａ）では、１つの中空キャパシタ部と１つの半導体回路部の中の１つのトランジスタとを図示しているが、この中空キャパシタ部をアレイ状に複数配置してもよい。この場合、複数の中空キャパシタ部に、各中空キャパシタを任意に選択できる選択トランジスタを接続する構成にする。ここで、図１（ａ）は、図１（ｂ）に図示した中空キャパシタ部の主要部（Ａ−Ａ’線）を通る断面図である。
【００３１】
図１（ａ）に示すように、ｐ型シリコン基板１０の表面に、ｎ型不純物が拡散されたソース領域１１ａとドレイン領域１１ｂとが形成されている。ソース領域１１ａおよびドレイン領域１１ｂの両側には、厚膜酸化膜の素子分離領域１３が形成されており、シリコン基板１０の表面上には、第１層間絶縁層（第１の絶縁膜）１６、第２層間絶縁層（第２の絶縁膜）１７、第３層間絶縁層（第３の絶縁膜）１８、および表面保護膜２６が積層形成されている。なお、第２層間絶縁層１７の表面は、中空部２３上に所定の膜厚の第２層間絶縁層１７ａが残存するように平坦化されている。ここで、第１層間絶縁層１６、第２層間絶縁層１７および第３層間絶縁層１８は、酸化シリコン膜で形成されている。
【００３２】
ソース領域１１ａとドレイン領域１１ｂの間にゲート電極１２が形成され、素子分離領域１３上には下部電極１４が形成されている。さらに、下部電極１４上に第１層間絶縁層１６を介して中空部２３および中空部２３とつながっている導入孔（第１のホール）２２が形成されている。
【００３３】
図１（ｂ）に示すように、中空部２３は、中空部２３の周縁から第２層間絶縁層１７側に水平に延出する連通孔２３ａを有し、各導入孔２２は、連通孔２３ａの端部にそれぞれ接続されている。例えば、図１（ｂ）に示す例では、中空部２３は矩形形状をなし、各連通孔２３ａは、中空部２３の各辺から十字状に第２層間絶縁層１７側に延出している。また、上部電極２４の端部は、中空部２３の各辺から延出した連通孔２３ａの上部に位置している。
【００３４】
このような構成により、中空部２３の上方に位置する第２層間絶縁層１７ａ及び上部電極２４を、中空部２３の側方に位置する膜厚の厚い第２層間絶縁層１７ｂで保持することができ、これにより、中空部２３の上方に位置する第２層間絶縁層１７ａ及び上部電極２４が撓んで、中空部２３を塞いでしまうことを防ぐことができる。
【００３５】
なお、中空部２３に、中空部２３の各辺から延出する連通孔２３ａを設けることによって、連通孔２３ａの側方に位置する部位に、膜厚の厚い第２層間絶縁層１７ｂからなる、上部電極２４を支える柱を設けることができ、これにより、中空部２３の上方に位置する第２層間絶縁層１７ａ及び上部電極２４を、より強固に保持することができる。
【００３６】
ここで、下部電極１４の面積は上部電極２４より大きい。また、中空部２３は酸化シリコン膜で覆われている。ここで、中空部２３は、高さが概ね３００ｎｍ〜１μｍ程度であり、面積が概ね９０ｎｍ×９０ｎｍ〜１０００μｍ×１０００μｍ程度である。また、導入孔２２は、表面部の開口面積が概ね長辺１００ｎｍ×短辺７０ｎｍ〜長辺８００μｍ×短辺１０μｍである。
【００３７】
中空部２３の上には、テンション膜２４ａ、２４ｃで上下を挟まれた上部電極膜２４ｂがあり、テンション膜２４ａ、２４ｃと上部電極膜２４ｂで上部電極２４を形成している。ここでテンション膜２４ａ、２４ｃは例えば窒化シリコン膜からなり、膜厚は上部電極膜２４ｂより薄く、概ね３０ｎｍ〜２５０ｎｍ程度である。上部電極膜２４ｂは例えばポリシリコン膜からなり、膜厚は概ね２００ｎｍ〜４５０ｎｍ程度である。上部電極２４の面積は概ね１００ｎｍ×１００ｎｍ〜１１００μｍ×１１００μｍ程度であり、下部電極１４の面積は概ね１１０ｎｍ×１１０ｎｍ〜１２００μｍ×１２００μｍ程度である。
【００３８】
ここでは、中空部２３が四角形で導入孔２２が中空部２３に十字形に接続するものを示したが、中空部２３の形状が円形や歯車形状などで、導入孔２２が中空部２３の任意の箇所と接続するものでも良い。
【００３９】
ソース領域１１ａ、ドレイン領域１１ｂおよびゲート電極１２の上方には、配線２５に接続するタングステン（Ｗ）あるいはポリシリコン膜が埋め込まれたコンタクトホール１９が形成されている。なお、ゲート電極１２と下部電極１４の側面にはサイドウォール１５が形成されている。
【００４０】
下部電極１４とゲート電極１２は、同一の材料で構成され、かつ膜厚が同一であることが好ましい。これにより、下部電極１４とゲート電極１２を同時に成膜ならびに加工して同時形成することができ、より簡便な構造でかつ小型な半導体装置を実現することができる。ここで、ゲート電極１２と下部電極１４は例えばポリシリコン膜からなり、膜厚は概ね２００ｎｍ〜４５０ｎｍ程度である。
【００４１】
下部電極１４にも、中空部２３で上方を覆われていない箇所に配線２５に接続する、例えばタングステン（Ｗ）あるいはポリシリコン膜が埋め込まれたコンタクトホール２０が形成されている。なお、コンタクトホール１９と２０のホール径は異なっていてもよい。
【００４２】
上部電極２４にも、下方に中空部２３がない箇所に配線２５に接続する、例えばタングステン（Ｗ）あるいはポリシリコン膜が埋め込まれたコンタクトホール２１が形成されている。なお、コンタクトホール２１のホール径は、コンタクトホール１９や２０のホール径とは異なっていてもよい。例えば、コンタクトホール１９のホール径は概ね０．６μｍ〜２．５μｍ程度であり、コンタクトホール２０のホール径は概ね０．６μｍ〜２．０μｍ程度であり、コンタクトホール２１のホール径は概ね０．４μｍ〜１．０μｍ程度である。
【００４３】
また、図５に示すように、上部電極２４を貫通し、中空部２３まで達する別の導入孔２７（第２のホール）を形成しても良い。この場合、導入孔２７が上部電極２４を貫通する箇所は、上部電極２４が露出しないように、例えば酸化シリコン膜からなり膜厚が概ね５０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度の壁面保護膜２８を設置する必要がある。ここで、導入孔２７のホール径は概ね１μｍ〜１０μｍ程度であり、１つの導入孔２７の開口面積は上部電極２４の面積の１％以下の大きさである。
【００４４】
［超音波センサの製造方法］
次に、本実施形態に係る超音波センサの製造方法について説明する。図２〜図４は本実施形態に係る超音波センサの製造工程を示す断面図であり、図４（ｂ）は、図２（ｂ）における中空キャパシタ部を示す平面図である。
【００４５】
先ず、図２（ａ）に示すように、ｐ型シリコン基板１０の表面上に、厚膜酸化膜１３を素子分離として選択形成させる。続いて、ゲート絶縁膜およびポリシリコン膜を堆積させ、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、ポリシリコン膜からゲート電極１２および厚膜酸化膜１３上に下部電極１４を形成する。
【００４６】
続いて、ゲート電極１２をマスクとして、ｐ型シリコン基板１０の表面に不純物注入を行なうことにより、ｎ型不純物拡散層からなる、ソース領域１１ａおよびドレイン領域１１ｂを形成する。その後、ゲート電極１２および下部電極１４にサイドウォール１５を形成した後、ＣＶＤ法を用いて、ｐ型シリコン基板１０の全面に、電界効果型トランジスタ素子部および下部電極１４を覆うように、第１層間絶縁層１６になる酸化シリコン膜および犠牲層２９となるポリシリコン膜を堆積する。なお、より微細なトランジスタ素子を製造するため、半導体回路部のトランジスタにサリサイドを形成しても良い。
【００４７】
続いて、図２（ｂ）のように、犠牲層２９をリソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、中空部２３に相当する所定の形状に加工する。例えば図４（ｂ）に示すように、ポリシリコン膜から十字形、あるいは四角形や円形や歯車形状などのパターン領域を形成する。次に、ＣＶＤ法を用いて、上記の中空部２３の形状に形成した犠牲層２９と第１層間絶縁層１６の表面に、ＣＶＤ法を用いて、第２層間絶縁層１７になる酸化シリコン膜を堆積させる。続いて、堆積した第２層間絶縁層１７の表面を、エッチバック又は化学機械的研磨（ＣＭＰ）法等を用いて平坦化する。なお、第２層間絶縁層１７は平坦化した後で犠牲層２９上に所定の厚みが残存するようにその堆積膜厚を設定する。
【００４８】
次に、ＣＶＤ法を用いて、窒化シリコン膜、ポリシリコン膜、窒化シリコン膜を順次堆積し、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、テンション膜２４ａ、上部電極膜２４ｂ、テンション膜２４ｃからなる上部電極２４を形成する。
【００４９】
続いて、図２（ｃ）に示すように、ＣＶＤ法により、上部電極２４と第２層間絶縁層１７の上に第３層間絶縁層１８を堆積させる。続いて、第３層間絶縁層１８の上面をエッチバック又は化学機械的研磨（ＣＭＰ）法等を用いて平坦化した後、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、上部電極膜２４ｂと接続したコンタクトホール２１を形成する。
【００５０】
さらに、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、トランジスタのソース領域１１ａ、ドレイン領域１１ｂおよびゲート電極１２、下部電極１４と接続したコンタクトホール１９、２０を形成する。その後、ＣＶＤ法により、タングステン又はポリシリコン膜からなる導電体膜を各コンタクトホール１９、２０、２１に充填されるように堆積する。続いて、堆積した導電体膜に対してエッチバック又は化学機械的研磨を行なって、第３層間絶縁層１８の表面上の導電体膜を除去することにより、複数のコンタクトプラグを形成する。
【００５１】
次に、図３（ａ）に示すように、例えば、スパッタリング法を用いて、例えばチタン、窒化チタン、アルミニウム、窒化チタンを堆積させ、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、配線２５を形成する。
【００５２】
さらに、ＣＶＤ法により窒化シリコン膜を堆積させた後、リソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて、外部機器との電気接続用のパッド（不図示）の上面の窒化シリコン膜を除去し、表面保護膜２６を形成する。
【００５３】
続いて、図３（ｂ）に示すように、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、表面保護膜２６、第３層間絶縁層１８および第２層間絶縁層１７を貫通し、中空部２３の形状に形成した犠牲層２９に接続する導入孔２２を形成する。
【００５４】
その後、図４（ａ）に示すように、ポリシリコン膜をエッチング可能なガス材料、例えば三塩化フッ素を用いて、犠牲層２９のポリシリコン膜を完全に除去し、中空部２３を形成する。ここで、中空エッチングのエッチャントとして、ガス材料の弗化キセノンなどを用いてもよい。また、液体材料の弗硝酸などにエタノールなどの界面活性剤を添加し、表面張力を少なくしたエッチャントを用いても良い。
【００５５】
ここで、中空エッチングの前に、以下の工程を追加し、別の導入孔２７を形成してから中空エッチングを行っても良い。
【００５６】
図５に示すように、上部電極２４を貫通し、犠牲層２９に達する導入孔を、リソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて形成し、続いて全面にＣＶＤ法により壁面保護膜２８となる酸化シリコン膜を堆積させる。次に、前記リソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて、導入孔２２の形成と同時に、導入孔２７を形成する。このとき、導入孔２７の側面には、壁面保護膜２８が残存する。この時、外部機器との電気接続用のパッド（不図示）の上面の前記酸化シリコン膜も除去される。
【００５７】
なお、上部電極２４を形成する際に、上部電極２４に開口部を形成しておいてもよい。そうすれば、この開口部にも第３層間絶縁層１８が埋め込まれるので、工程を追加せずに、導入孔２２の形成と同時に、開口部の部位に、導入孔２７を形成することができる。
【００５８】
［超音波センサの優位性］
上記構造を有する本実施形態に係る超音波センサは、半導体回路部と一対の対向電極と前記対向電極の間にある中空部から構成される中空キャパシタ部とを同一基板上に持つので、簡便な構造と小型な超音波センサが実現できる。
【００５９】
超音波が入射すると、中空キャパシタ部の上部電極が振動して上部電極と下部電極の距離が変化することで中空キャパシタの容量が変化する。この中空キャパシタ部の容量変化を半導体回路部に搭載された信号処理回路で増幅、検波して超音波センサとして動作する。
【００６０】
また、中空キャパシタ部の犠牲層２９に接続した導入孔２２、さらには、中空キャパシタ部の上部電極２４を貫通して犠牲層２９に接続した導入孔２７を形成することで、中空エッチング時のエッチャントを犠牲層２９に導入することができ、容易に中空部２３を形成することができる。
【００６１】
また、中空部２３の周りを酸化シリコン膜で覆うことで、犠牲層２９の中空エッチング時に上部電極２４や下部電極１４までエッチングされてしまうことを防ぐことができる。
【００６２】
また、上部電極２４が、上部電極膜２４ｂをテンサイルストレスの強い、例えば窒化シリコン膜からなるテンション膜２４ａ、２４ｃで基板方向に上下に挟まむ構成にすることにより、上部電極の種類や形状によらず、自立的に中空部の天井部分を形成することができる。さらに、中空部２３の上に上部電極２４へのコンタクトホール２１を形成しないことにより、上部電極２４の振動を容易にして感度を向上させることができる。
【００６３】
また、中空キャパシタ部の対向電極の大きさを、上部電極２４より下部電極１４のほうを大きくすることで、下部電極１４と配線２５を接続するコンタクトホール２０を容易に形成することができる。
【００６４】
また、下部電極１４がゲート電極１２と同一の材料で構成され、かつ膜厚が同一であることにより、下部電極１４とゲート電極１２を同時に成膜ならびに加工して同時形成することができ、より簡便な構造でかつ小型な半導体装置を実現することができる。
【００６５】
また、厚膜酸化膜１３の上に下部電極１４を形成することにより素子分離を容易にすることができる。
【００６６】
また、コンタクトホールの深さがそれぞれ異なる、半導体回路部へのコンタクトホール１９、中空キャパシタ部の下部電極１４へのコンタクトホール２０、及び中空キャパシタ部の上部電極膜２４ｂへのコンタクトホール２１の直径を変えることにより、それぞれコンタクトを取るのに最適なアスペクト比にすることができる。
【００６７】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る半導体装置（超音波センサ）について、図６〜図９を用いて説明する。
【００６８】
［超音波センサの構成］
超音波センサの構成について、図６、図９を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る超音波センサの構成を示す断面図であり、図９は本実施形態の変形例に係る超音波センサの構成を示す断面図である。
【００６９】
図６に示すように、本実施形態に係る超音波センサは、上部電極と下部電極が対向した中空キャパシタ部に電荷保持材料を有し、さらに電界効果型トランジスタ素子などで構成される半導体回路部とが集積された構成をなす。なお、図６では、１つの中空キャパシタ部と１つの半導体回路部の中の１つのトランジスタとを図示しているが、この中空キャパシタ部をアレイ状に複数配置し、複数の中空キャパシタ部に各中空キャパシタを任意に選択できるよう選択トランジスタと接続し、複数の中空キャパシタを集積した構成としてもよい。
【００７０】
図６に示すように、ｐ型シリコン基板１０の表面に、ｎ型不純物が拡散されたソース領域１１ａとドレイン領域１１ｂとが形成されている。そして、ソース領域１１ａおよびドレイン領域１１ｂの両側には、厚膜酸化膜の素子分離領域１３が形成されており、基板１０の表面上には、第１層間絶縁層３１、第２層間絶縁層３２、第３層間絶縁層３３および表面保護膜２６が積層されている。ここで、第１層間絶縁層３１、第２層間絶縁層３２および第３層間絶縁層３３は、酸化シリコン膜で形成されている。
【００７１】
素子分離領域１３は、半導体回路部と中空キャパシタ部の間に形成されており、素子分離領域１３で囲まれたシリコン基板１０の上には、テンション膜１４ａ、１４ｃで上下を挟まれた下部電極膜１４ｂがあり、各膜１４ａ、１４ｂ、１４ｃから下部電極１４が構成されている。
【００７２】
また、下部電極１４下のシリコン基板１０に貫通孔３４が形成されている。そして、第１層間絶縁層３１を介して中空部２３および中空部２３とつながっている導入孔２２が形成されている。ここで、四角形の中空部２３の各辺に導入孔２２が十字形に接続されている。ここで、テンション膜１４ａ、１４ｃは例えば窒化シリコン膜からなり、膜厚は下部電極膜１４ｂより薄く、概ね３０ｎｍ〜２５０ｎｍ程度である。下部電極膜１４ｂは例えばポリシリコン膜からなり、膜厚は概ね２００ｎｍ〜４５０ｎｍ程度である。上部電極２４の面積は概ね１００ｎｍ×１００ｎｍ〜１１００μｍ×１１００μｍ程度であり、下部電極１４の面積は概ね１１０ｎｍ×１１０ｎｍ〜１２００μｍ×１２００μｍ程度である。また、導入孔２２の半導体素子表面部の開口部面積は概ね長辺１００ｎｍ×短辺７０ｎｍ〜長辺８００μｍ×短辺１０μｍである。
【００７３】
ここで、下部電極１４の面積は上部電極２４より大きい。中空部２３は酸化シリコン膜で覆われている。電荷保持材料３５は、中空部２３と上部電極２４の間に形成され、第２層間絶縁層３２および第３層間絶縁層で覆われている。ここで、中空部は高さ概ね３００ｎｍ〜１μｍ程度であり、面積が概ね９０ｎｍ×９０ｎｍ〜１０００μｍ×１０００μｍ程度である。
【００７４】
ここでは、中空部２３が四角形で導入孔２２が中空部２３に十字形に接続するものを示したが、中空部２３の形状が円形や歯車形状などで、導入孔２２が中空部２３の任意の箇所と接続するものでも良い。
【００７５】
ソース領域１１ａ、ドレイン領域１１ｂおよびゲート電極１２の上方には、配線２５に接続するタングステン（Ｗ）あるいはポリシリコン膜が埋め込まれたコンタクトホール１９が形成されている。なお、ゲート電極１２と下部電極１４の側面にはサイドウォール１５が形成されている。
【００７６】
下部電極１４とゲート電極１２は、同一の材料で構成され、かつ膜厚が概ね同一であることにより、より簡便な構造でかつ小型な半導体装置を実現することができる。ここで、ゲート電極１２と下部電極膜１４ｂは例えばポリシリコン膜からなり、膜厚は概ね２００ｎｍ〜４５０ｎｍ程度である。
【００７７】
下部電極１４にも、中空部２３で上方を覆われていない箇所に配線２５に接続する、例えばタングステン（Ｗ）あるいはポリシリコン膜が埋め込まれたコンタクトホール２０が形成されている。なお、コンタクトホール１９と２０のホール径は異なっていてもよい。
【００７８】
また、図９に示すように、上部電極２４を貫通し、中空部２３まで達する別の導入孔２７を形成しても良い。この場合、導入孔２７が上部電極２４を貫通する箇所は、上部電極２４が露出しないように、例えば酸化シリコン膜からなり膜厚が概ね５０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度の壁面保護膜２８を設置する必要がある。ここで、導入孔２７のホール径は概ね１μｍ〜１０μｍ程度であり、１つの導入孔２７の開口面積は上部電極２４の面積の１％以下の大きさである。
【００７９】
［超音波センサの製造方法］
次に、本実施形態に係る超音波センサの製造方法について説明する。図７〜図８は、本実施形態に係る超音波センサの製造工程を示す断面図である。
【００８０】
先ず、図７（ａ）に示すように、ｐ型シリコン基板１０の表面上に、厚膜酸化膜１３を素子分離として選択形成させる。続いて、ゲート絶縁膜およびポリシリコン膜を堆積させ、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、ポリシリコン膜からゲート電極１２を形成する。続いて、ゲート電極１２をマスクとして、ｐ型シリコン基板１０の表面に不純物注入を行なうことによりｎ型不純物拡散層からなる、ソース領域１１ａおよびドレイン領域１１ｂを形成する。
【００８１】
続いて、ＣＶＤ法により、テンション膜１４ａのシリコン窒化膜を堆積させる。次いでポリシリコン膜を堆積させ、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて下部電極のポリシリコン膜１４ｂを形成する。続いて、テンション膜１４ｃのシリコン窒化膜および第１層間絶縁層３１のシリコン酸化膜を堆積する。
【００８２】
次に、図７（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法により、第１層間絶縁層３１の表面上に犠牲層２９となるポリシリコン膜を堆積する。続いて、犠牲層２９をリソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、中空部２３に相当する所定の形状に加工する。ここでは第１の実施形態と同様に、ポリシリコン膜を十字形などのパターン形状に加工する。次に、ＣＶＤ法を用いて、中空部２３の形状に形成した犠牲層２９と第１層間絶縁層３１の表面に、ＣＶＤ法を用いて、第２層間絶縁層３２の酸化シリコン膜を堆積させる。続いて、堆積した第２層間絶縁層３２の上面を、エッチバック又は化学機械的研磨（ＣＭＰ）法等を用いて平坦化する。なお、第２層間絶縁層３２は平坦化した後で犠牲層２９上に所定の厚みが残存するようにその堆積膜厚を設定する。
【００８３】
次に、図８（ａ）に示すように、電荷保持材料３５を、ＣＶＤ法及びリソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて形成する。電荷保持材料３５は、例えばテフロン（登録商標）膜などを用いている。その後、コロナ放電を用いて電荷を電荷保持材料３５に着電した後、第３層間絶縁層３３のシリコン酸化膜を堆積して電荷保持材料３５を覆う。続いて、第３層間絶縁層３３の上面を、エッチバック又は化学機械的研磨（ＣＭＰ）法等を用いて平坦化する。なお、第３層間絶縁層３３は平坦化した後で電荷保持材料３５上に所定の厚みが残存するようにその堆積膜厚を設定する。
【００８４】
続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、トランジスタのソース領域１１ａ、ドレイン領域１１ｂおよびゲート電極１２、下部電極膜１４ｂと接続するコンタクトホール１９、２０を形成する。その後、ＣＶＤ法により、タングステン又はポリシリコン膜からなる導電体膜を各コンタクトホール１９、２０に充填されるように堆積する。続いて、堆積した導電体膜に対してエッチバック又は化学機械的研磨を行なって、第３層間絶縁層３３の表面上の導電体膜を除去することにより、複数のコンタクトプラグを形成する。
【００８５】
続いて、例えば、スパッタリング法を用いて、例えばチタン、窒化チタン、アルミニウム、窒化チタンを堆積させ、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、上部電極２４および配線２５を形成する。
【００８６】
さらに、ＣＶＤ法により窒化シリコン膜を堆積させた後、リソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて、外部機器との電気接続用のパッド（不図示）の上面の窒化シリコン膜を除去し、表面保護膜２６を形成する。
【００８７】
次に、図８（ｂ）に示すように、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、表面保護膜２６、第３層間絶縁層３３および第２層間絶縁層３２を貫通し、中空部２３の形状に形成した犠牲層２９に接続する導入孔２２を形成する。続いて、ウェハ裏面にリソグラフィ法により、下部電極１４の下部に開口部を有するレジスト膜（不図示）を形成し、前記開口部以外の裏面をマスクする。
【００８８】
続いて、中空エッチングのエッチャントとしてのガス材料、例えば三塩化フッ素や弗化キセノンなどを用いて、犠牲層２９のポリシリコン膜を完全に除去し、中空部２３を形成する。この時、前記開口部のシリコン基板１０も同時にエッチングし、下部電極１４の下部のシリコン基板１０に貫通孔３４を形成する。
【００８９】
ここで、中空エッチングの前に、以下の工程を追加し、別の導入孔２７を形成してから中空エッチングを行っても良い。
【００９０】
図９に示すように、上部電極２４および電荷保持材料３５を貫通し、犠牲層２９に達する導入孔を、リソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて形成し、続いて全面にＣＶＤ法により壁面保護膜２８となる酸化シリコン膜を堆積させる。次に、前記リソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて、貫通孔内に導入孔２７を導入孔２２と同時に形成すると、導入孔２７の側面に壁面保護膜２８が残存する。この時、合わせて外部機器との電気接続用のパッド（不図示）の上面の酸化シリコン膜も除去する。
【００９１】
［超音波センサの優位性］
上記構造を有する本実施形態に係る超音波センサは、半導体回路部と一対の対向電極と前記対向電極の間にある中空部から構成される中空キャパシタ部とを同一半導体基板上に持つので、簡便な構造と小型な超音波センサが実現できる。
【００９２】
超音波が入射すると、中空キャパシタ部の上部電極が振動して上部電極と下部電極の距離が変化することで中空キャパシタの容量が変化する。この中空キャパシタ部の容量変化を半導体回路部に搭載された信号処理回路で増幅、検波して超音波センサとして動作する。
【００９３】
また、中空キャパシタ部の犠牲層２９に接続した導入孔２２を形成し、さらに、中空キャパシタ部の上部電極２４及び電荷保持材料３５を貫通して犠牲層２９に接続した導入孔２７を形成することで、中空エッチング時のエッチャントをさらに犠牲層２９に導入することができ、容易に中空部２３を形成することができる。
【００９４】
また、中空部２３および電荷保持材料３５の周りを酸化シリコン膜で覆うことで、犠牲層２９の中空エッチング時に電荷保持材料３５や下部電極１４までエッチングされてしまうことを防ぐことができる。
【００９５】
また、中空キャパシタ部の上部電極２４と中空部２３の間の絶縁膜で包まれた電荷保持材料３５を設けることにより、超音波受信時の電極間距離の変化による中空キャパシタの上部電極２４と下部電極１４間の電圧変化を大きくすることができ、受信感度を上げることができる。また、中空部２３と上部電極２４の間に電荷保持材料３５を形成することにより、超音波センサ素子形成時のアニールなどの熱処理による電荷保持材料３５へのプロセスダメージを大幅に低減することができる。
【００９６】
また、電荷保持材料３５を対向電極間に配置することで、コンデンサ部へチャージ供給回路が不要となり、回路面積が減少して小型化ができる。
【００９７】
また、貫通孔３４により中空キャパシタ部の下部電極１４の下側のシリコン基板１０が開口されていることで、感度良く超音波を受信することができる。
【００９８】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、本実施形態において、中空キャパシタを備えた半導体装置として、超音波センサを例に説明したが、例えば、コンデンサマイクロホン等の他の音響感応装置にも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
以上説明したように、本発明は、半導体回路を一体化した超音波センサ等に有用であり、単体のみならず様々な電子機器への搭載に適し、産業上の利用価値は高い。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の構成を示した断面図で、（ｂ）は、その平面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
【図４】（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図で、（ｂ）は、図２（ｂ）における中空キャパシタ部を示す平面図である。
【図５】第１の実施形態における半導体装置の変形例を示した断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の構成を示した断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態における半導体装置の変形例を示した断面図である。
【図１０】従来の超音波センサの構成を示した断面図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０      シリコン基板
１１ａ    ソース領域
１１ｂ    ドレイン領域
１２      ゲート電極
１３      厚膜酸化膜（素子分離領域）
１４      下部電極
１４ａ、１４ｃ  テンション膜
１４ｂ    ポリシリコン膜
１５      サイドウォール
１６、３１      第１層間絶縁層
１７、１７ａ、１７ｂ、３２      第２層間絶縁層
１８、３３      第３層間絶縁層
１９、２０、２１      コンタクトホール
２２、２７      導入孔
２３      中空部
２３ａ    連通孔
２４、２４ｂ      上部電極
２４ａ、２４ｃ  テンション膜
２５      配線
２６      表面保護膜
２８      壁面保護膜
２９      犠牲層
３４      貫通孔
３５      電荷保持材料
【図１】
2007181190.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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