特開 2022-29596 微細素子の製造方法及び微細素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022029596

(43)【公開日】2022-02-18

(54)【発明の名称】微細素子の製造方法及び微細素子

(51)【国際特許分類】

   B81C 1/00 20060101AFI20220210BHJP

【ＦＩ】

B81C1/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020132954

(22)【出願日】2020-08-05

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業「多層エレクトレット集積型ＣＭＯＳ－ＭＥＭＳ振動発電素子の創製」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】593006630

【氏名又は名称】学校法人立命館

(71)【出願人】

【識別番号】304021831

【氏名又は名称】国立大学法人千葉大学

(74)【代理人】

【識別番号】100154014

【弁理士】

【氏名又は名称】正木 裕士

(74)【代理人】

【識別番号】100154520

【弁理士】

【氏名又は名称】三上 祐子

(72)【発明者】

【氏名】山根 大輔

(72)【発明者】

【氏名】田中 有弥

【テーマコード（参考）】

3C081

【Ｆターム（参考）】

3C081AA13

3C081AA17

3C081BA47

3C081CA03

3C081CA27

3C081CA30

3C081DA03

3C081DA29

3C081EA02

3C081EA03

3C081EA08

3C081EA12

(57)【要約】      （修正有）

【課題】集積化ＭＥＭＳ素子にエレクトレットを形成することができる微細素子の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体集積回路３上に形成されたＭＥＭＳ構造体４に対し、自己組織化エレクトレット１１を真空蒸着することによって、該ＭＥＭＳ構造体４に自己組織化エレクトレット１１を配置している。さらに、ＭＥＭＳ構造体４に自己組織化エレクトレット１１を配置するにあたって、犠牲層Ｇを除去することによってＭＥＭＳ構造体４に微細孔４ａを形成し、該微細孔４ａを用いて、自己組織化エレクトレット１１を真空蒸着することによって、ＭＥＭＳ構造体４に自己組織化エレクトレット１１を配置している。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体集積回路上に形成されたＭＥＭＳ構造体に対し、エレクトレットを真空蒸着することによって、該ＭＥＭＳ構造体にエレクトレットを配置してなり、
前記エレクトレットは、帯電処理不要で、真空蒸着可能なものである微細素子の製造方法。

【請求項2】

犠牲層を除去することによって前記ＭＥＭＳ構造体に微細孔を形成し、該微細孔を用いて、前記エレクトレットを真空蒸着することによって、前記ＭＥＭＳ構造体にエレクトレットを配置してなる請求項１に記載の微細素子の製造方法。

【請求項3】

半導体集積回路上に形成されたＭＥＭＳ構造体には、真空蒸着によって形成されたエレクトレットが配置されてなり、
前記エレクトレットは、帯電処理不要で、真空蒸着可能なものである微細素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、微細素子の製造方法及び微細素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて作製されたものとして、半導体集積回路（ＬＳＩ）とＭＥＭＳ構造体が一つのチップ上に形成された集積化ＭＥＭＳ素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

ところで、このような集積化ＭＥＭＳ素子に、半永久的に電荷を保持する誘電体であるエレクトレットを形成するようにすれば、センサ感度向上や低消費電力化、発電機能付与等、集積化ＭＥＭＳ素子の性能が向上することとなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８－１４０８６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、エレクトレットを形成するにあたっては、高温・高電圧印加等の帯電処理が必要であることから、集積化ＭＥＭＳ素子にエレクトレットを形成すると、半導体集積回路（ＬＳＩ）やＭＥＭＳ構造体を破壊する可能性があるという問題があった。そのため、集積化ＭＥＭＳ素子にエレクトレットを形成することができないという問題があった。

【0006】

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、集積化ＭＥＭＳ素子にエレクトレットを形成することができる微細素子の製造方法及び微細素子を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記本発明の目的は、以下の手段によって達成される。なお、括弧内は、後述する実施形態の参照符号を付したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

【0008】

請求項１に係る微細素子の製造方法は、半導体集積回路（３）上に形成されたＭＥＭＳ構造体（４）に対し、エレクトレット（自己組織化エレクトレット１１）を真空蒸着することによって、該ＭＥＭＳ構造体（４）にエレクトレット（自己組織化エレクトレット１１）を配置してなり、
前記エレクトレット（自己組織化エレクトレット１１）は、帯電処理不要で、真空蒸着可能なものであることを特徴としている。

【0009】

また、請求項２に係る微細素子の製造方法は、上記請求項１に記載の微細素子の製造方法において、犠牲層（Ｇ）を除去することによって前記ＭＥＭＳ構造体（４）に微細孔（４ａ）を形成し、該微細孔（４ａ）を用いて、前記エレクトレット（自己組織化エレクトレット１１）を真空蒸着することによって、前記ＭＥＭＳ構造体（４）にエレクトレット（自己組織化エレクトレット１１）を配置してなることを特徴としている。

【0010】

一方、請求項３に係る微細素子は、半導体集積回路（３）上に形成されたＭＥＭＳ構造体（４）には、真空蒸着によって形成されたエレクトレット（自己組織化エレクトレット１１）が配置されてなり、
前記エレクトレット（自己組織化エレクトレット１１）は、帯電処理不要で、真空蒸着可能なものであることを特徴としている。

【発明の効果】

【0011】

次に、本発明の効果について、図面の参照符号を付して説明する。なお、括弧内は、後述する実施形態の参照符号を付したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

【0012】

請求項１，３に係る発明によれば、エレクトレット（自己組織化エレクトレット１１）を真空蒸着によって、ＭＥＭＳ構造体（４）にエレクトレット（自己組織化エレクトレット１１）を配置するようにしているから、半導体集積回路（３）や、ＭＥＭＳ構造体（４）を破壊しまう事態を防止することができる。これにより、集積化ＭＥＭＳ素子にエレクトレットを形成することができる。

【0013】

また、請求項２に係る発明によれば、犠牲層（Ｇ）を除去することによってＭＥＭＳ構造体（４）に微細孔（４ａ）を形成し、該微細孔（４ａ）を用いて、エレクトレット（自己組織化エレクトレット１１）を真空蒸着することによって、ＭＥＭＳ構造体（４）にエレクトレット（自己組織化エレクトレット１１）を配置しているから、エレクトレットの機能が低下してしまう事態を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態に係る微細素子を示す斜視図である。

【図2】（ａ）～（ｃ）は、同実施形態に係る基板上に形成された半導体集積回路上に、ＭＥＭＳ構造体を形成する工程を示す一部縦断面図である。

【図3】（ａ）～（ｂ）は、図２に示す同実施形態に係る基板上に形成された半導体集積回路上に、ＭＥＭＳ構造体を形成する工程の続きを示す一部縦断面図、（ｃ）は、ＭＥＭＳ構造体にエレクトレットを形成する工程を示す一部縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明に係る微細素子の製造方法及び微細素子を、図面を参照して具体的に説明する。なお、以下の説明において、上下左右の方向を示す場合は、図示正面から見た場合の上下左右をいうものとする。

【0016】

図１に示すように、本実施形態に係る微細素子１は、集積化ＭＥＭＳ素子１０に自己組織化エレクトレット１１が形成されているものである。より詳しく説明すると、集積化ＭＥＭＳ素子１０は、基板２と、半導体集積回路３と、ＭＥＭＳ構造体４と、で主に構成されている。基板２は、図１に示すように矩形状に形成され、例えばシリコン基板などにて形成されている。

【0017】

一方、半導体集積回路３は、図１に示すように、基板２上に形成されており、容量素子、抵抗素子やメモリセルなど、種々の素子を有しているものである。

【0018】

ＭＥＭＳ構造体４は、図１に示すように、半導体集積回路３上に形成されており、半導体製造技術による微細加工を施して形成された微小構造である。このＭＥＭＳ構造体４は、例えば圧力センサ、加速度センサ、ジャイロスコープ、光スキャナ、デジタルミラーデバイス、光変調器等の機械的要素を構成することができる。より詳しく説明すると、ＭＥＭＳ構造体４は、図１に示すように、半導体集積回路３上に固定されている固定電極部４０と、固定電極部４０と間隔を隔てて設けられた可動電極部４１とで構成されており、可動電極部４１は、図示はしないが、従来周知の通り、揺動可能に支持部によって支持されている。

【0019】

かくして、上記のように構成される集積化ＭＥＭＳ素子１０が一般的に知られている。

【0020】

ところで、このような集積化ＭＥＭＳ素子１０に、半永久的に電荷を保持する誘電体であるエレクトレットを形成しようとすると、高温・高電圧印加等の帯電処理が必要である。そのため、集積化ＭＥＭＳ素子１０にエレクトレットを形成しようとすると、半導体集積回路３や、ＭＥＭＳ構造体４を破壊しまう可能性があるという問題があった。それゆえ、集積化ＭＥＭＳ素子１０にエレクトレットを形成することができないという問題があった。

【0021】

そこで、本実施形態においては、上記のような集積化ＭＥＭＳ素子１０に、自己組織化エレクトレット１１を用いて、エレクトレットを形成するようにしている。すなわち、この自己組織化エレクトレット１１は、本発明者の一人である田中有弥が発明したもので、帯電処理不要なものであり、真空蒸着可能なものである。なお、この自己組織化エレクトレット１１については、詳しくは、国立研究開発法人科学技術振興機構と、国立大学法人千葉大学とが令和２年４月２０日に共同で発表した内容に詳しい記載がある（https://www.jst.go.jp/pr/announce/20200420/index.html）。そのため、ここでの詳細な説明は省略することとする。

【0022】

以下、上記のような集積化ＭＥＭＳ素子１０に、自己組織化エレクトレット１１を用いて、エレクトレットを形成する方法を詳しく説明する。

【0023】

まず、図２（ａ）に示すように、基板２上に形成された半導体集積回路３上に、例えば、蒸着法により密着層となる薄厚のＴｉ層４０ａを形成し、引き続き、シード層となる薄厚のＡｕ層４０ｂを形成する。

【0024】

次いで、図２（ｂ）に示すように、第１層配線Ｍ１を形成する。より詳しく説明すると、公知のフォトリソグラフィ技術により、各パターンとなる箇所に開口を有するマスクパターンＰを形成し、電解めっき法により、開口に露出するシード層よりＡｕ層４０ｂの厚みを厚くする（Ａｕ層４０ｂを成長させる）。そして、このマスクパターンＰを埋め込むように犠牲層Ｇを形成する。しかして、このようにして、図２（ｂ）に示すように、第１層配線Ｍ１が形成されることとなる。なお、この犠牲層Ｇは、感光性ポリイミドを塗布して塗布膜を形成し、この塗布膜をフォトリソグラフィ技術によりパターニングすることで、形成したものである。

【0025】

次いで、第１層配線Ｍ１上に、上記図２（ａ），（ｂ）の処理を繰り返し、図２（ｃ）に示すように、第２層配線Ｍ２，第３層配線Ｍ３，第４層配線Ｍ４を形成する。そしてさらに、第４層配線Ｍ４上に、上記図２（ａ），（ｂ）の処理を繰り返し、図３（ａ）に示すように、第５層配線Ｍ５，第６層配線Ｍ６，第７層配線Ｍ７を形成する。

【0026】

ところで、第２層配線Ｍ２～第７層配線Ｍ７を形成するにあたっては、図１に示すような微細孔４ａであるリリースホールが形成されるように、図３（ａ）に示すように、形成されている。なお、第７層配線Ｍ７を形成するにあたっては、犠牲層Ｇは形成されない。

【0027】

次いで、図３（ｂ）に示すように、犠牲層Ｇを除去する。これにより、第１層配線Ｍ１が固定電極部４０となり、第２層配線Ｍ２～第７層配線Ｍ７が可動電極部４１となるＭＥＭＳ構造体４が、半導体集積回路３上に形成されることとなる。しかして、このようにして、集積化ＭＥＭＳ素子１０が形成されることとなる。なお、犠牲層Ｇを除去するにあたっては、例えば、酸素ガスを用いたドライエッチングプロセスにより、有機材料を選択的にエッチングすることで除去するようにすれば良い。

【0028】

次いで、図３（ｃ）に示すように、真空蒸着による低温プロセス（室温程度）によって、ＭＥＭＳ構造体４の上面に自己組織化エレクトレット１１を配置する。そしてさらに、可動電極部４１には、微細孔４ａが形成されているから、この微細孔４ａに、自己組織化エレクトレット１１を通過させるようにすれば、ＭＥＭＳ構造体４内に、自己組織化エレクトレット１１が配置されることとなる。

【0029】

かくして、このようにして、集積化ＭＥＭＳ素子１０に、自己組織化エレクトレット１１を用いて、エレクトレットを形成することができることとなる。

【0030】

しかして、以上説明した本実施形態によれば、自己組織化エレクトレット１１を真空蒸着による低温プロセス（室温程度）のみによって、ＭＥＭＳ構造体４に自己組織化エレクトレット１１を配置するようにしているから、半導体集積回路３や、ＭＥＭＳ構造体４を破壊しまう事態を防止することができ、もって、集積化ＭＥＭＳ素子１０にエレクトレットを形成することができる。これにより、エレクトレットの自己バイアス効果により集積化ＭＥＭＳ素子１０の性能が向上することとなる。例えば、物理・化学センサの感度向上、静電アクチュエータの低消費電力化が実現可能となる。また、集積化ＭＥＭＳ素子１０に新しい機能を付加することもできる。例えば、エナジーハーベスティング機能として、集積化ＭＥＭＳ素子による環境振動発電が実現可能となる。

【0031】

なお、本実施形態において示した形状等はあくまで一例であり、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、本実施形態においては、犠牲層Ｇを除去した後、自己組織化エレクトレット１１を真空蒸着による低温プロセス（室温程度）によって、ＭＥＭＳ構造体４に自己組織化エレクトレット１１を配置するようにしたが、それに限らず、自己組織化エレクトレット１１を真空蒸着による低温プロセス（室温程度）によって、ＭＥＭＳ構造体４に自己組織化エレクトレット１１を配置するようにした後、犠牲層Ｇを除去するようにしても良い。しかしながら、このような方法では、犠牲層Ｇを除去した際、エレクトレットの機能を低下させてしまう危険性がある。そのため、本実施形態のように、犠牲層Ｇを除去した後、真空蒸着による低温プロセス（室温程度）によって、ＭＥＭＳ構造体４の上面に自己組織化エレクトレット１１を配置するようにすれば、エレクトレットの機能が低下してしまう事態を防止することができる。

【0032】

また、本実施形態においては、エレクトレットを形成するにあたって、自己組織化エレクトレット１１を用いて形成するようにしたが、それに限らず、帯電処理不要なもので、真空蒸着可能なものであれば、どのようなエレクトレットを用いても良い。

【符号の説明】

【0033】

１ 微細素子
２ 基板
３ 半導体集積回路
４ ＭＥＭＳ構造体
４ａ 微細孔
１０ 集積化ＭＥＭＳ素子
１１ 自己組織化エレクトレット（エレクトレット）
Ｇ 犠牲層

【図1】

【図2】

【図3】