JP4214584B2

JP4214584B2 - Semiconductor dynamic quantity sensor and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4214584B2
Application number: JP33792998A
Authority: JP
Inventors: 信之加藤; 山本　　敏雅
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-11-27
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2018-11-27
Also published as: JP2000164890A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハを用いて梁構造体を形成したセンサであり、例えば加速度、ヨーレート、振動等の力学量を検出するための半導体力学量センサおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の半導体力学量センサは、シリコンからなる第１の基板と、該第１の基板の上に形成された絶縁膜と、該絶縁膜の上に形成されたシリコンからなる第２の基板とから構成されるＳＯＩウェハを用意し、第２の基板に可動部としての梁構造体と固定部とを画定するための溝を形成し、梁構造体の下の絶縁膜をエッチング（犠牲層エッチング）により除去して、梁構造体を力学量の印加に応じて変位可能としたものである。
【０００３】
このようなものとして、例えば、特開平６−３４９８０６号公報に記載のものが提案されている。これは、単結晶シリコンからなる複数の層を備えたプレートに溝をエッチングすることにより加速度センサを製造するもので、このような方法においては単結晶シリコンからなる２層のプレート（第１及び第２の基板）の上側（第２の基板）に梁構造体を形成し、その２層のプレートの間に絶縁膜があり、この絶縁膜により梁構造体が支持固定された構成となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等の検討によれば、このような方法で梁構造体を製造する場合、梁構造体を固定するための絶縁膜の少なくとも一部を、エッチング除去しなくてはならず、これには正確な寸法制御が必要となる。例えば、絶縁膜を除去しすぎた場合など、梁構造体の支持が不安定となってしまう。
【０００５】
また、容量を検出する加速度センサにおいては、梁構造体に対向する形で固定電極を固定部に有している。この固定電極の下側の絶縁膜も同様にエッチング除去されてしまうため、固定電極は片持ち梁となるが、やはり、例えば絶縁膜を除去しすぎた場合等、動き易く、梁構造体と付着し易くなってしまう。
また、梁構造体の付着に関しては、第１及び第２の基板の間に静電気力が作用して、梁構造体が下側の第１の基板に付着しやすくなるという問題もある。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑み、ＳＯＩウェハを用いて絶縁膜をエッチングすることにより梁構造体を形成するようにした半導体力学量センサにおいて、梁構造体の支持が安定となるようなセンサ構成を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記半導体力学量センサであって、梁構造体に対向する形で固定電極を固定部に有するものにおいて、固定電極と梁構造体との付着を防止することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、第１及び第２の基板の間に作用する静電気力による梁構造体と第１の基板との付着を防止することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明においては、梁構造体（２Ａ）を、第２の基板（２）の表面から絶縁膜（６１）を貫通する溝（６４）に耐エッチング性を有する材料を埋め込むことにより形成された埋め込み部（３ａ〜３ｄ）によって、第１の基板（１）に支持固定したことを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、梁構造体（２Ａ）の下の絶縁膜（６１）をエッチングにより除去する際に、耐エッチング性を有する埋め込み部（３ａ〜３ｄ）は残り、エッチングする際における絶縁膜の正確な寸法制御を不要とできるため、この埋め込み部（３ａ〜３ｄ）によって梁構造体の第１の基板（１）への支持固定が適切になされる。従って、梁構造体の支持が安定となるようなセンサ構成を提供することができる。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のセンサにおいて、固定部（２Ｂ）の少なくとも一部が、梁構造体（２Ａ）に対向配置された固定電極（９ａ〜９ｄ、１１ａ〜１１ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１５ａ〜１５ｄ）を形成しているものについてなされたものである。
本発明によれば、該固定電極を、上記梁構造体（２Ａ）を支持固定する埋め込み部（３ａ〜３ｄ）とは別体のものであって第２の基板（２）の表面から絶縁膜（６１）を貫通する溝に耐エッチング性を有する材料を埋め込むことにより形成された埋め込み部（１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄ）によって、第１の基板（１）に確実に支持固定できるため、固定電極と梁構造体との付着を防止することができる。
【００１１】
また、請求項３記載の発明のように、耐エッチング性を有する材料をポリシリコン（３５）とすることで、シリコンを用いる通常の半導体プロセスとの整合性を持たせることができ、上記埋め込み部の材料として特殊な材料を用いることなく、簡単に製造可能な半導体力学量センサを提供することができる。
また、請求項４記載の発明では，絶縁膜としてシリコン酸化膜（３７）を用いているから、梁構造体を固定するための絶縁膜をエッチングする際に、シリコン酸化膜を犠牲層とした犠牲層エッチングを適切に行うことができる。特に、請求項２の発明との組み合わせでは、埋め込み部のポリシリコンとシリコン酸化膜とのエッチングレートの差が大きいため、ポリシリコンを残しつつシリコン酸化膜を適切に除去できる。
【００１２】
また、請求項５記載の発明のように、絶縁膜を第１の基板（１１０）の上に形成された比較的エッチングされにくいシリコン窒化膜（１１１）と、その上に形成された比較的エッチングされやすいシリコン酸化膜（１１２）とから構成することで、絶縁膜のエッチングの後に、梁構造体（８２Ａ）の下部にシリコン窒化膜を残すことができるため、梁構造体と第１の基板との絶縁性確保をより確実にできる。
【００１３】
また、請求項６記載の発明では、第１の基板（１２０）をＰ型不純物がドープされた基板とし、埋め込み部における耐エッチング性を有する材料（１２３）をＮ型不純物がドープされたものとし、第１の基板と埋め込み部とをＰＮ接合を形成することによって電気的に絶縁するようにしたことを特徴としている。それによって、特に、第１の基板と埋め込み部との間に絶縁膜等を設けることなく、簡単な構造にて、埋め込み部（８３ａ〜８３ｄ）及び梁構造体（８２Ａ）と第１の基板（１２０）との絶縁性が確保できる。
【００１５】
また、請求項７及び請求項８記載の発明においては請求項１に記載の構造の半導体力学量センサを適切に形成することができる。また、請求項９記載の発明においては、請求項５と同様の構造の半導体力学量センサを適切に形成することができ、請求項１０に記載の発明においては、請求項６と同様の構造の半導体力学量センサを適切に形成することができる
【００１６】
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本第１実施形態は、本発明を半導体加速度センサに適用したものである。より詳しくは、サーボ制御式の差動型半導体加速度センサに適用している。
図１は本実施の形態に係る半導体加速度センサの平面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【００１８】
半導体加速度センサは、図１及び図２に示す様に、単結晶シリコンからなる第１の基板１と、第１の基板１の上に形成された酸化膜（絶縁膜）３７と、酸化膜３７の上に形成された単結晶シリコンからなる第２の基板２とから構成されるＳＯＩウェハに半導体製造技術を利用した周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成されている。そして、第２の基板２には、可動部としての梁構造体２Ａと固定部２Ｂとが溝（図１にて斜線ハッチングで図示）にて分離形成されている。
【００１９】
梁構造体２Ａは、基板１側から突出する４つのアンカー部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄにより架設されており、基板１の上面において所定間隔を隔てた位置に配置されている。アンカー部３ａとアンカー部３ｂとの間には梁部４が架設されており、アンカー部３ｃとアンカー部３ｄとの間には梁部５が架設されている。
また、梁部４と梁部５との間には長方形状をなす質量部（マス部）６が架設されている。質量部６には上下に貫通する透孔６ａが設けられている。この透孔６ａを設けることにより、後述する犠牲層エッチングの際にエッチング液の進入を行い易くすることができる。
【００２０】
さらに、質量部６における一方の側面（図１においては左側面）からは４つの可動電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが突出している。この可動電極７ａ〜７ｄは棒状をなし、等間隔をおいて平行に延びている。また、質量部６における他方の側面（図１においては右側面）からは４つの可動電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが突出している。この可動電極８ａ〜８ｄは棒状をなし、等間隔に平行に延びている。ここで、梁部４、５、質量部６、可動電極７ａ〜７ｄ、８ａ〜８ｄは、その下部において酸化膜３７の一部もしくは全部をエッチング除去することにより、可動となっている。
【００２１】
また、可動電極７ａ〜７ｄが形成された側において、基板１の上面には４つの第１の固定電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄおよび第２の固定電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが固定されている。第１の固定電極９ａ〜９ｄは基板１側から突出するアンカー部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄにより支持されており、梁構成体２Ａの各可動電極（棒状部）７ａ〜７ｄの一方の側面に対向して配置されている。また、第２の固定電極１１ａ〜１１ｄは基板１側から突出するアンカー部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄにより支持されており、梁構造体２Ａの各可動電極（棒状部）７ａ〜７ｄの他方の側面に対向して配置されている。
【００２２】
同様に、基板１の上面には第１の固定電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄおよび第２の固定電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄが固定されている。第１の固定電極１３ａ〜１３ｄは基板１側から突出するアンカー部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄにより支持され、かつ梁構造体２Ａの各可動電極（棒状部）８ａ〜８ｄの一方の側面に対向して配置されている。また第２の固定電極１５ａ〜１５ｄは基板１側から突出するアンカー部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄにより支持されており、梁構造体２Ａの各可動電極（棒状部）８ａ〜８ｄの他方の側面に対向して配置されている。
【００２３】
ここで、各アンカー部３ａ〜３ｄ、１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄは、本発明でいう埋め込み部に相当し、後述するように、第２の基板２の表面から酸化膜３７を貫通する溝に耐エッチング性を有する材料を埋め込み、その後埋め込み部周囲の酸化膜３７を犠牲層エッチングで除去することにより形成される。
【００２４】
こうして、各アンカー部は、第１の基板１の上面から突出して第２の基板２の内部を貫通し、第２の基板２の表面まで延びており、梁構造体２Ａ及び各固定電極を、第１の基板１上に固定支持する（図２では、アンカー部３ｃ、１４ｄ、１６ｄを図示）。なお、その平面形状は、図１の例では、梁構造体２Ａのアンカー部３ａ〜３ｄは矩形枠状、固定電極のアンカー部１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄは固定電極に沿って延びた形状となっている。
【００２５】
詳しくは、アンカー部３ａ〜３ｄ、１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄは、絶縁膜３４とその内部のポリシリコン薄膜３５により構成され、絶縁膜３４は、後述する酸化膜３７をエッチングする際に用いるエッチング液で侵食されにくい薄膜（例えばシリコン窒化膜）で構成されている。特に、エッチング液はＨＦ（フッ素水素酸）が通常用いられるが、ＨＦではシリコン窒化膜はシリコン酸化膜に比べ、浸食量が小さく、製造するのに便利であるのでシリコン窒化膜が良い。
【００２６】
また、第２の基板２の上面には、不純物がドープされたポリシリコン等の導電性薄膜３９からなる配線２１、２２、２３、２４、２５が形成され、さらにその一部分の上にはアルミニウム電極からなる電極パッド（ボンディングパッド）４４ａ、４４ｂ、４４ｃが形成されている。
ここで、第２の基板２の上面のうち各配線２１〜２５の形成部分には、シリコン窒化膜等の絶縁膜３８が形成され、この絶縁膜３８上に、各配線２１〜２５は形成されている。各配線２１〜２５は、絶縁膜３８が除去された部分であるコンタクト２６ａ〜２６ｄ、２７ａ〜２７ｄ、２８ａ〜２８ｄ、２９ａ〜２９ｄ及び３０を介して、それぞれ、第２の基板２に形成された各固定電極９ａ〜９ｄ、１１ａ〜１１ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１５ａ〜１５ｄ及び梁構造体２Ａと導通している。
【００２７】
配線２１は梁構造体２Ａにおけるアンカー部３ｃの部分と電極パッド４４ｂとの間、配線２２は第１の固定電極９ａ〜９ｄと電極パッド４４ａとの間、配線２３は第２の固定電極１１ａ〜１１ｄと電極パッド４４ｃとの間、配線２４は第１の固定電極１３ａ〜１３ｄと電極パッド４４ａとの間、配線２５は第２の固定電極１５ａ〜１５ｄと電極パッド４４ｃとの間をそれぞれ電気的に接続している。こうして、電極パッド４４ａ、４４ｃは固定電極の電位を、電極パッド４４ｂは梁構造体２Ａ、即ち可動電極の電位を取出し可能となっている。
【００２８】
上記した構成において、梁構造体２Ａの可動電極７ａ〜７ｄと第１の固定電極９ａ〜９ｄとの間に第１のコンデンサが形成され、梁構造体２Ａの可動電極７ａ〜７ｄと第２の固定電極１１ａ〜１１ｄとの間に第２のコンデンサが形成される。同様に、梁構造体２Ａの可動電極８ａ〜８ｄと第１の固定電極１３ａ〜１３ｄとの間に第１のコンデンサが、また梁構造体２Ａの可動電極８ａ〜８ｄと第２の固定電極１５ａ〜１５ｄとの間に第２のコンデンサが形成される。
【００２９】
そして、第１、第２のコンデンサの容量に基づいて、図示しない制御回路によって、梁構造体２Ａに作用する加速度を検出することができるようになっている。より詳しくは、可動電極と固定電極とにより２つの差動型静電容量を形成し、図示しない制御回路によって、２つの容量が等しくなるようにサーボ動作を行う。
【００３０】
次に、上記した半導体加速度センサの製造方法について述べる。図３〜図６は、図１中のＡ−Ａ断面を用いた工程図である。
まず、図３（ａ）に示す様に、単結晶シリコン（最終的に第１の基板１となる）６０上にシリコン酸化膜（酸化膜３７に相当）６１があり、その上に単結晶シリコン（最終的に第２の基板２となる）６２が形成されたＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハ６３を用意する（ＳＯＩウェハ用意工程）。以下、区別するため、単結晶シリコン６０を下側単結晶シリコン６０、単結晶シリコン６２を上側単結晶シリコン６２という。
【００３１】
次に、図３（ｂ）に示す様に、梁構造体２Ａ、固定部２Ｂを画定するための溝（以下、画定溝という）６４を、上側単結晶シリコン６２にトレンチエッチング等により形成する（画定溝形成工程）。
次に、図３（ｃ）に示す様に、画定溝６４を埋めるように、上側単結晶シリコン６２の表面に、犠牲層薄膜としてのシリコン酸化膜６５を、ＣＶＤ法等により成膜する（犠牲層薄膜形成工程）。
【００３２】
次に、図３（ｄ）及び図４（ａ）に示す埋め込み溝形成工程を行う。梁構造体のアンカー部３ａ〜３ｄ及び固定電極のアンカー部１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄとなる部分（即ち埋め込み部を形成すべき部分）において、シリコン酸化膜６５及び上側単結晶シリコン６２を貫通するように、溝（以下、埋め込み溝という）６６を形成する。
【００３３】
さらに、図４（ａ）に示す様に、エッチング等により、上側単結晶シリコン６２の表面のシリコン酸化膜６５を除去しつつ、同時に、上側単結晶シリコン６２の下部のシリコン酸化膜６１にも埋め込み溝６６を形成する。このとき、シリコン酸化膜６５の膜厚とシリコン酸化膜６１の膜厚とを同じとしておくことで、上側単結晶シリコン６２上のシリコン酸化膜６５が無くなった時に、シリコン酸化膜６１の溝を完全に切り終えることができ、終点検出が容易となる。
【００３４】
次に、図４（ｂ）及び（ｃ）に示す耐エッチング膜形成工程を行う。まず、図４（ｂ）に示す様に、梁構造体及び固定電極と下側単結晶シリコン６０とを絶縁するためと、後述する配線用のポリシリコン（最終的に配線２１〜２５となる）と上側単結晶シリコン６２とを絶縁するために、埋め込み溝６６の内部及び上側単結晶シリコン６２上に、シリコン窒化膜６７を形成する。
【００３５】
次に、図４（ｃ）に示す様に、梁構造体のアンカー部及び固定電極のアンカー部（即ち埋め込み部）を形成するために、シリコン窒化膜６７が形成された埋め込み溝６６の内部及びシリコン窒化膜６７上に、ポリシリコン膜６８を形成する。
こうして、埋め込み溝６６は、耐エッチング膜に相当する両膜６７、６８によって充填されるのであるが、埋め込み溝６６における内側のポリシリコン膜６８が上記埋め込み部におけるポリシリコン薄膜３５に相当し、その外側のシリコン窒化膜６７が上記埋め込み部における絶縁膜３４に相当する。以上が耐エッチング膜形成工程である。
【００３６】
次に、図４（ｄ）に示す様に、ポリシリコン膜６８をシリコン窒化膜６７が出るまで、エッチングや研磨等により除去する。
次に、図５（ａ）に示す様に、梁構造体や固定電極の電位を取るためのコンタクト２６ａ〜２６ｄ、２７ａ〜２７ｄ、２８ａ〜２８ｄ、２９ａ〜２９ｄ及び３０を形成すべき部位において、シリコン窒化膜６７にコンタクト孔６９を形成する。
【００３７】
次に、図５（ｂ）に示す様に、コンタクト孔６９及びシリコン窒化膜６７上に導電性膜７０（例えばドープしたポリシリコン膜）を成膜する。
次に、図５（ｃ）に示す様に、上記電極パッド４４ａ〜４４ｃとなるアルミ電極７１を形成し、図５（ｄ）に示す様に、導電性膜７０をフォトリソグラフィによりパターニングし、上記配線２１〜２５を形成する。ここで、上記配線２１〜２５の下のシリコン窒化膜６７が上記絶縁膜３８となる。
【００３８】
次に、図６（ａ）に示す様に、シリコン窒化膜６７を犠牲層エッチングする領域だけ開口し、その後、図６（ｂ）に示す様に、沸酸等による犠牲層エッチングを行うことでシリコン酸化膜６１及びシリコン酸化膜（犠牲層薄膜）６５の全部もしくは一部を除去し、可動部としての梁構造体２Ａを形成する（犠牲層エッチング工程）。このとき、埋め込み溝６６部分の両膜６７、６８は耐エッチング性を有するため、エッチングされずに残り、上記各アンカー部を形成する。こうして、図２に示す半導体加速度センサが出来上がる。
【００３９】
なお、本例では、アンカー部（埋め込み部）に充填する耐エッチング性を有する材料として、シリコン窒化膜とポリシリコン薄膜とを用いたが、ポリシリコン薄膜だけとしたり、シリコン窒化膜だけとしたり、更には、シリコン窒化膜で覆われたシリコン酸化膜等でもよい。強度的には、シリコン窒化膜が最も強く、次いでポリシリコン膜、シリコン酸化膜の順である点と、シリコン窒化膜を厚膜化すると膜応力によりひび割れが発生する点などを考慮すると、プロセス的には、ポリシリコン膜が適している。
【００４０】
また、本例では、埋め込み部においてはポリシリコン薄膜の外側をシリコン窒化膜としているが、該シリコン窒化膜は、シリコン酸化膜よりも一層エッチングされにくい。本例では、犠牲層エッチングによりエッチングされる犠牲層薄膜及びＳＯＩウェハの絶縁膜がシリコン酸化膜であり、従って、エッチングの際、より確実に、埋め込み部即ち各アンカー部を残しつつシリコン酸化膜部分を除去できる。つまり、シリコン酸化膜を犠牲層とした犠牲層エッチングを適切に行うことができる。
【００４１】
このように本実施形態によれば、上記犠牲層エッチング工程において、耐エッチング性を有する材料からなるアンカー部３ａ〜３ｄ、１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄは残り、犠牲層エッチングを正確に時間制御（寸法制御）しなくても良く、工程管理を簡素化することができる。そして、残ったアンカー部によって梁構造体２Ａの第１の基板１への支持固定が適切になされ、梁構造体の支持が安定となるようなセンサ構成を提供することができる。
【００４２】
また、本実施形態によれば、固定電極９ａ〜９ｄ、１１ａ〜１１ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１５ａ〜１５ｄは、各アンカー部によって第２の基板２と確実に固定されることにより可動しないため、固定電極が梁構造体２Ａと付着することがなくなり、歩留まりを向上することができる。
さらに、本実施形態によれば、アンカー部３ａ〜３ｄ、１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄを、ポリシリコン膜３５とその外側を被覆する絶縁膜３４とで構成することにより、ポリシリコン膜３５が基板１と導通することを確実に防ぐことができ、固定電極と可動電極との間に発生した静電容量の電荷がリークしないという効果もある。
【００４３】
（第２実施形態）
図７は本第２実施形態に係る半導体加速度センサの平面図であり、図８は図７におけるＢ−Ｂ断面図である。以下、本実施形態について上記第１実施形態との違いを中心に説明する。本実施形態においても、半導体加速度センサは、単結晶シリコンからなる第１の基板８１、酸化膜（絶縁膜）９７、及び単結晶シリコンからなる第２の基板８２から構成されるＳＯＩウェハに形成されており、第２の基板８２には、可動部としての梁構造体８２Ａと固定部８２Ｂとが溝（図７にて斜線ハッチングで図示）にて分離形成されている。
【００４４】
梁構造体８２Ａは第１の基板８１側から突出する４つのアンカー部８３ａ、８３ｂ、８３ｃ、８３ｄにより架設されており、第１の基板８１の上面において所定間隔を隔てた位置に配置されている。アンカー部８３ａとアンカー部８３ｂとの間には梁部８４が架設されており、アンカー部８３ｃとアンカー部８３ｄとの間には梁部８５が架設されている。
【００４５】
さらに、梁部８４と梁部８５との間に架設された長方形状をなす質量部（マス部）８６における一方の側面（図７においては左側面）からは、４つの可動電極８７ａ、８７ｂ、８７ｃ、８７ｄが突出している。この可動電極８７ａ〜８７ｄは棒状をなし、等間隔をおいて平行に延びている。
また、質量部８６における他方の側面（図７においては右側面）からは４つの可動電極８８ａ、８８ｂ、８８ｃ、８８ｄが突出している。この可動電極８８ａａ〜８８ｄは棒状をなし、等間隔に平行に延びている。ここで、梁部８４、８５、質量部８６、可動電極８７ａ〜８７ｄ、８８ａ〜８８ｄは、その下部において酸化膜９７の一部もしくは全部をエッチング除去することにより、可動となっている。
【００４６】
また、第１の基板１の上面には４つの第１の固定電極８９ａ、８９ｂ、８９ｃ、８９ｄおよび第２の固定電極９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄが固定されている。第１の固定電極８９ａ〜８９ｄは、第１の基板８１側から突出するアンカー部９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄにより支持されており、梁構造体８２Ａの各可動電極（棒状部）８７ａ〜８７ｄの一方の側面に対向して配置されている。
【００４７】
また、第２の固定電極９１ａ〜９１ｄは、第１の基板８１側から突出するアンカー部９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｄにより支持されており、梁構造体８２Ａの各可動電極（棒状部）８８ａ〜８８ｄの他方の側面に対向して配置されている。このように、それぞれの可動電極８７ａ〜８７ｄ、８８ａ〜８８ｄに対し、片側一方のみに固定電極８９ａ〜８９ｄ、９１ａ〜９１ｄが配置されている。
【００４８】
また、第２の基板８２からなる配線９３、９４、９５が形成され、さらに一部分の上にはアルミ電極からなる電極パッド（ボンディングパッド）９６ａ、９６ｂ、９６ｃが形成されている。そして、配線９４は固定電極８９ａ〜８９ｄと電極パッド９６ｂの間、配線９５は固定電極９１ａ〜９１ｄと電極パッド９６ｃの間、配線９３は梁構造体８２Ａと電極パッド９６Ａの間を、それぞれ電気的に接続しており、電極パッド９６ｂ、９６ｃは固定電極の電位を、電極パッド９６ａは梁構造体８２Ａ、即ち可動電極の電位を取出し可能となっている。
【００４９】
ここで、本実施形態においては、上述のように、可動電極の片側一方のみに固定電極が配置された構成となっているが故に、図７に示す様に、固定電極８９ａ〜８９ｄ及び固定電極９１ａ〜９１ｄにおける質量部８６の反対側の端部は共通に連結された構造（共通構造）とでき、配線９３〜９５を第２の基板８２から構成できる。もし、上記第１実施形態のように、可動電極の両側に固定電極が配置された構成とした場合に、該共通構造とすると、１つの可動電極に対し、両側の２つの固定電極が同電位となってしまい、うまくサーボ制御できない。
【００５０】
そして、本実施形態においては、アンカー部８３ａ〜８３ｄ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄが、本発明でいう埋め込み部に相当する。各アンカー部は、上記第１実施形態と同様に、第１の基板８１の上面から第２の基板８２の表面まで貫通して形成されており、梁構造体８２Ａ及び各固定電極を、第１の基板８１上に固定支持する。また、各アンカー部は、上記第１実施形態と同様に、絶縁膜９８とその内部のポリシリコン薄膜９９とにより構成される。
【００５１】
上記した構成において、梁構造体８２Ａの可動電極８７ａ〜８７ｄと第１の固定電極８９ａ〜８９ｄとの間に第１のコンデンサが形成され、梁構造体８２Ａの可動電極８８ａ〜８８ｄと第２の固定電極９１ａ〜９１ｄとの間に第２のコンデンサが形成される。
そして、第１、第２のコンデンサの容量に基づいて梁構造体８２Ａに作用する加速度を検出することができるようになっている。より詳しくは、可動電極と固定電極とにより２つの差動型静電容量を形成し、２つの容量が等しくなるようにサーボ動作を行う。
【００５２】
次に、本実施形態の半導体加速度センサの製造方法について述べる。図９〜図１１は、図７中のＢ−Ｂ断面を用いた工程図である。
まず、図９（ａ）に示す様に、単結晶シリコン（最終的に第１の基板８１となる）１００上にシリコン酸化膜（酸化膜９７に相当）１０１があり、その上に単結晶シリコン（最終的に第２の基板８２となる）１０２からなるＳＯＩウェハ１０３を用意する（ＳＯＩウェハ用意工程）。以下、区別するため、単結晶シリコン１００を下側単結晶シリコン１００、単結晶シリコン１０２を上側単結晶シリコン１０２という。
【００５３】
次に、図９（ｂ）に示す様に、梁構造体及び固定電極のアンカー部８３ａ〜８３ｄ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄとなる部分において、上側単結晶シリコン１０２をトレンチエッチングして溝（以下、埋め込み溝という）１０４を形成し、この埋め込み溝１０４を、さらに図９（ｃ）に示す様に、シリコン酸化膜１０１まで形成する。ここまでが埋め込み溝形成工程である。
【００５４】
次に、図９（ｄ）に示す様に、梁構造体及び固定電極と下側単結晶シリコン１００とを絶縁するためと、後述する犠牲層エッチングで侵食されないために、シリコン窒化膜１０５を、埋め込み溝１０４の内部及び上側単結晶シリコン１０２表面に形成する。
次に、図１０（ａ）に示す様に、上側単結晶シリコン１０２上のシリコン窒化膜１０５を、研磨やエッチング等により除去する。
【００５５】
次に、図１０（ｂ）に示す様に、梁構造体及び固定電極の各アンカー部８３ａ〜８３ｄ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄ（即ち埋め込み部）を形成するために、シリコン窒化膜１０５が形成された埋め込み溝１０４の内部及び上側単結晶シリコン１０２表面に、ポリシリコン膜１０６を形成する。
こうして、埋め込み溝１０４は、耐エッチング膜に相当する両膜１０５、１０６によって充填されるのであるが、埋め込み溝１０４における内側のポリシリコン膜１０６が上記埋め込み部におけるポリシリコン薄膜９９に相当し、その外側のシリコン窒化膜１０５が上記埋め込み部における絶縁膜９８に相当する。以上、図９（ｄ）〜図１０（ｂ）までが耐エッチング膜形成工程である。
【００５６】
次に、図１０（ｃ）に示す様に、上側単結晶シリコン１０２上のポリシリコン膜１０６を、研磨やエッチング等により除去する。
次に、図１０（ｄ）に示す様に、上記電極パッド９６ａ、９６ｂ、９６ｃとなるアルミ電極１０７を形成し、図１１（ａ）に示す様に、上側単結晶シリコン１０２をエッチングすることにより、梁構造体８２Ａ及び固定電極８９ａ〜８９ｄ、９１ａ〜９１ｄを画定するための溝（画定溝）１０８を形成する（画定溝形成工程）。
【００５７】
次に、図１１（ｂ）に示す様に、この画定溝１０８から、犠牲層エッチングを行い、シリコン酸化膜１０１の少なくとも一部をエッチング除去することにより梁構造体８２Ａを形成する（犠牲層エッチング工程）。このとき、埋め込み溝１０４部分の両膜１０５、１０６は耐エッチング性を有するため、エッチングされずに残り、上記各アンカー部を形成する。こうして、図８に示す半導体加速度センサが出来上がる。
【００５８】
ここで、本実施形態においても、アンカー部８３ａ〜８３ｄ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄを有することにより、上記第１実施形態と同様に、犠牲層エッチングにより正確に時間制御しなくても良く、工程管理を簡素化することができる。また、梁構造体の支持が安定となるようなセンサ構成を提供することができる。
【００５９】
また、固定電極８９ａ〜８９ｄ、９１ａ〜９１ｄにおいては、第１の基板１と確実に固定されることにより可動しないため、固定電極が梁構造体８２Ａと付着することがなくなり、歩留まりを向上することができる。
さらに、本実施形態においても、アンカー部を絶縁膜９８とポリシリコン膜９９とで構成することにより、ポリシリコン膜９９が第１の基板１と導通することを防ぐことができ、固定電極と可動電極との間に発生した静電容量の電荷がリークしない。
【００６０】
また、本実施形態では、上記第１実施形態と比較して工程が簡素になるため、製造が容易になる。また、電極までの配線９３〜９５に第２の基板２を用いており、上記第１実施形態の様に電極をポリシリコン配線で接続していないので、配線の段切れやコンタクト不良などによる断線が無いため、信頼性の高いセンサが製作できる。
【００６１】
（第３実施形態）
本第３実施形態に係る半導体加速度センサは、平面構成は上記図７（第２実施形態）と同様であるが、ＳＯＩウェハとして、第１の基板の上に、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、第２の基板が順次積層されたものを用いたことが異なる。つまり、第１及び第２の基板の間の絶縁膜をシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との２層としたものである。本実施形態の製造方法を図１２及び図１３に示す。なお、図１２及び図１３は図７中のＢ−Ｂ断面に対応した工程図であり、図１３（ｄ）は完成したセンサを示す図である。
【００６２】
まず、図１２（ａ）に示す様に、単結晶シリコン（最終的に第１の基板８１となる）１１０上にシリコン窒化膜１１１が形成され、その上にシリコン酸化膜１１２が形成され（これら両膜１１１、１１２が酸化膜９７に相当）、その上に単結晶シリコン（最終的に第２の基板８２となる）１１３が形成されてなるＳＯＩウェハ１１４を用意する（ＳＯＩウェハ用意工程）。以下、区別するため、単結晶シリコン１１０を下側単結晶シリコン１１０、単結晶シリコン１１３を上側単結晶シリコン１１３という。
【００６３】
次に、図１２（ｂ）に示す様に、梁構造体及び固定電極のアンカー部となる部分に上側単結晶シリコン１１３をトレンチエッチングして溝（以下、埋め込み溝という）１１５を形成し、この埋め込み溝１１５を、さらに図１２（ｃ）に示す様に、シリコン酸化膜１１２まで形成する。ここまでが埋め込み溝形成工程である。
【００６４】
次に、図１２（ｄ）に示す耐エッチング膜形成工程を行う。梁構造体及び固定電極の各アンカー部（即ち埋め込み部）を形成するために、埋め込み溝１１５の内部及び単結晶シリコン１１３表面に、ポリシリコン膜１１６を形成する。こうして、埋め込み溝１１５は、耐エッチング膜に相当するポリシリコン膜１１６によって充填される。
【００６５】
次に、図１３（ａ）に示す様に、上側単結晶シリコン１１３上のポリシリコン膜１１６を除去する。
次に、図１３（ｂ）に示す様に、電極パッドとなるアルミ電極１１７を形成し、図１３（ｃ）に示す様に、上側単結晶シリコン１１３をエッチングすることにより、梁構造体及び固定電極を画定するための画定溝１１８を形成する（画定溝形成工程）。
【００６６】
次に、図１３（ｄ）に示す様に、この画定溝１１８から、犠牲層エッチングを行い、シリコン酸化膜１１１の少なくとも一部をエッチング除去することにより梁構造体８２Ａ及び固定電極８９ａ〜８９ｄ、９１ａ〜９１ｄを形成し（犠牲層エッチング工程）、半導体加速度センサを完成させる。このとき、埋め込み溝１１５部分のポリシリコン膜１１６は耐エッチング性を有するため、エッチングされずに残り、アンカー部（埋め込み部）８３ａ〜８３ｄ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄを形成する。
【００６７】
以上のようなプロセスにより形成された本実施形態のセンサは、基本的に上記実施形態と同様の作用効果を奏するが、特に、ＳＯＩウェハにおける絶縁膜を第１の基板１の上に形成された比較的エッチングされにくいシリコン窒化膜１１１と、その上に形成された比較的エッチングされやすいシリコン酸化膜１１２とから構成することで、犠牲層エッチングの後に、梁構造体８２Ａの下部にシリコン窒化膜１１１を残すことができるため、各アンカー部をポリシリコン薄膜のみで埋めても、梁構造体８２Ａと単結晶シリコン１１０（即ち第１の基板８１）との絶縁性確保をより確実にできる。
【００６８】
また、本実施形態によれば、フォトリソグラフィの回数が３回であり、上記第１実施形態（６〜７回程度）に比べて少なく、マスク枚数が少なくてすむ。これにより低コストで精度の高いセンサを形成することができる。
（第４実施形態）
図１４に、本発明の第４実施形態を示す。本実施形態も平面構成は上記図７（第２実施形態）と同様であるが、ＳＯＩウェハにおいて、第１の基板をＰ型不純物がドープされた基板とし、埋め込み部における耐エッチング性を有する材料をＮ型不純物がドープされたものとし、第１の基板と埋め込み部とを、ＰＮ接合を形成することによって電気的に絶縁するようにしたことを特徴とするものである。図１４は、図７中のＢ−Ｂ断面に対応した梁構造体（梁部８５、可動電極８７ｃ、８７ｄ部分）及び固定電極（９０ｃ、９０ｄ）部分の断面図である。
【００６９】
本実施形態の半導体加速度センサを構成する基板は、単結晶シリコン（本発明でいう第１の基板）１２０の上にシリコン酸化膜（本発明でいう絶縁膜）１２１があり、その上に単結晶シリコン（本発明でいう第２の基板）１２２からなるＳＯＩウェハであって、単結晶シリコン１２０はＰ型の不純物がドープされた基板である。なお、図１４中、符号Ｄは単結晶シリコン１２０におけるＰ型不純物がドープされた部分である。
【００７０】
このＳＯＩウェハの製造方法としては、予めＰ型にドープされたウェハを単結晶シリコン１２０として用いて接合することによりＳＯＩウェハを製造しても良いし、Ｎ型のウェハの接合面にＰ型の不純物（ボロン等）をイオン注入などによりドープしたものを単結晶シリコン１２０とし、その後接合することによりＳＯＩウェハを製造しても良い。さらには、Ｐ型のウェハの接合面にＰ型の不純物を更にイオン注入などによりドープしたものを単結晶シリコン１２０としても良い（第１の基板へのＰ型の不純物ドープ工程）。
【００７１】
そして、梁構造体と固定電極のアンカー部８３ａ〜８３ｄ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄとなるポリシリコン膜（耐エッチング膜）１２３は、Ｎ型不純物がドープされたものを用いる。ここで、ポリシリコン膜１２３へのＮ型不純物のドープは、シリコンとＮ型不純物（例えばリン等）との２種類あるいはこれらの混合物を一般的にはシリコンとＮ型不純物（リン等）の材料ガスを用いたＣＶＤで作製することで可能である（耐エッチング膜へのＮ型不純物ドープ工程）。
【００７２】
そして、単結晶シリコン１２０とポリシリコン膜１２３は、ＰＮ接合となるため、ポリシリコン膜１２３に対して単結晶シリコン１２０にプラスのバイアスを印加すれば、ポリシリコン膜１２３は単結晶シリコン１２０に対して絶縁となる。
よって、本実施形態によれば、単結晶シリコン（第１の基板）１２０とアンカー部（埋め込み部）８３ａ〜８３ｄ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄとの間に、更なる絶縁膜（例えば上記のシリコン窒化膜３４、１１１等）等を設けることなく、簡単な構造にて確実に、梁構造体８２Ａと単結晶シリコン１２０との絶縁性を確保できる。
【００７３】
（第５実施形態）
本第５実施形態は、ＳＯＩウェハにおいて、第２の基板の表面から絶縁膜を貫通する溝に導電性を有する材料を埋め込むことにより形成された導電部によって、第１の基板の電位を第２の基板上に取り出し可能としたことを特徴とするものである。本実施形態は本発明の参考例である。図１５に本第５実施形態を示す。
【００７４】
導電部２Ｃは、例えば上記図７における破線丸部分Ｋに設けられる。図１５において、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
ＳＯＩウェハにおいて、周囲の固定部８２Ｂとは溝を介して絶縁された単結晶シリコン（第２の基板）８２からなる分離部１３０と、分離部１３０の上に形成されたアルミ電極１２９と、分離部１３０の表面から内部を通り、単結晶シリコン（第１の基板）８１に電気的に接続された導電性膜（本発明でいう導電部）１２８とが形成されている。
【００７５】
導電性膜１２８は、例えば、上記第２実施形態における埋め込み溝形成工程において、導電性膜１２８の形成部位に単結晶シリコン８２の表面から酸化膜（絶縁膜）９７を貫通する溝を同時に形成し、耐エッチング膜形成工程の前に、この溝に導電性を有する材料（例えば、ドープされたポリシリコン等）を埋め込む（導電膜形成工程）ことにより形成される。
【００７６】
そして、導電性膜１２８により両単結晶シリコン８１、８２は電気的に接続されており、アルミ電極１２９と単結晶シリコン８１とを電気的に接続することができる。これにより固定電極等と同様に、単結晶シリコン８１の電位をアルミ電極１２９で取り出すことができ、両単結晶シリコン８１、８２を同電位にできるから、梁構造体８２Ａが下側の単結晶シリコン８１に静電気で付着するのを防止することができる。
【００７７】
以上、各実施形態において、梁構造体の支持が安定となるようなセンサ構成を提供することができるのであるが、本発明は上記した半導体加速度センサに限らず半導体ヨーレートセンサなどの力学量センサにも適用することができる。
つまり、シリコンからなる第１の基板と、第１の基板の上に形成された絶縁膜と、絶縁膜の上に形成されたシリコンからなる第２の基板とから構成されるＳＯＩウェハを用意し、第２の基板に可動部としての梁構造体と固定部とを画定するための画定溝を形成し、梁構造体の下の絶縁膜をエッチングにより除去して、梁構造体を力学量の印加に応じて変位可能とした半導体力学量センサに対して、共通に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体加速度センサの平面構成を示す図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図２に示す半導体加速度センサの製造方法を示す工程図である。
【図４】図３に続く製造方法を示す工程図である。
【図５】図４に続く製造方法を示す工程図である。
【図６】図５に続く製造方法を示す工程図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る半導体加速度センサの平面構成を示す図である。
【図８】図７中のＢ−Ｂ断面図である。
【図９】図８に示す半導体加速度センサの製造方法を示す工程図である。
【図１０】図９に続く製造方法を示す工程図である。
【図１１】図１０に続く製造方法を示す工程図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る半導体加速度センサの製造方法を示す工程図である。
【図１３】図１２に続く製造方法を示す工程図である。
【図１４】本発明の第４実施形態に係る半導体加速度センサの断面構成を示す図である。
【図１５】本発明の第５実施形態に係る半導体加速度センサの構成を示す図である。
【符号の説明】
１、６０、８１、１００、１１０、１２０…単結晶シリコン（第１の基板）、
２、６２、８２、１０２、１１３、１２２…単結晶シリコン（第２の基板）、
３７、６２、９７、１０１、１１１、１２１…シリコン酸化膜（絶縁膜）、
１１２…シリコン窒化膜（絶縁膜）、６３、１０３、１１４…ＳＯＩウェハ、
２Ａ、８２Ａ…梁構造体、２Ｂ…固定部、
９ａ〜９ｄ、１１ａ〜１１ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１５ａ〜１５ｄ…固定電極、
３ａ〜３ｄ、１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄ…アンカー部（埋め込み部）、６４、１０８、１１８…画定溝、
６５…犠牲層薄膜、６６、１０４、１１５…埋め込み溝、
６７、１０５…シリコン窒化膜（耐エッチング膜）、
６８、１０６、１１６…ポリシリコン膜（耐エッチング膜）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sensor in which a beam structure is formed using an SOI (Silicon On Insulator) wafer, and relates to a semiconductor dynamic quantity sensor for detecting a dynamic quantity such as acceleration, yaw rate, vibration, and the like, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
This type of semiconductor dynamic quantity sensor includes a first substrate made of silicon, an insulating film formed on the first substrate, and a second substrate made of silicon formed on the insulating film, An SOI wafer comprising: a groove for defining a beam structure as a movable part and a fixed part is formed on the second substrate, and an insulating film under the beam structure is etched (sacrificial layer etching) ), And the beam structure can be displaced according to the application of the mechanical quantity.
[0003]
As such a thing, the thing of Unexamined-Japanese-Patent No. 6-349806 is proposed, for example. In this method, an acceleration sensor is manufactured by etching a groove in a plate having a plurality of layers made of single crystal silicon. In such a method, a two-layer plate (first and second plates made of single crystal silicon) is manufactured. The beam structure is formed on the upper side (second substrate) of the second substrate, and an insulating film is provided between the two layers of the plate. The beam structure is supported and fixed by the insulating film. .
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the study by the present inventors, when manufacturing the beam structure by such a method, at least a part of the insulating film for fixing the beam structure must be removed by etching, This requires precise dimensional control. For example, when the insulating film is removed too much, the support of the beam structure becomes unstable.
[0005]
Moreover, in the acceleration sensor which detects a capacity | capacitance, it has a fixed electrode in the fixed part in the form which opposes a beam structure. Since the insulating film below the fixed electrode is also etched away, the fixed electrode becomes a cantilever beam. However, for example, if the insulating film is removed too much, it is easy to move and adheres to the beam structure. It becomes easy to do.
Further, regarding the attachment of the beam structure, there is also a problem that an electrostatic force acts between the first and second substrates, and the beam structure is likely to adhere to the lower first substrate.
[0006]
In view of the above problems, the present invention provides a sensor configuration in which a beam structure is supported stably in a semiconductor dynamic quantity sensor in which a beam structure is formed by etching an insulating film using an SOI wafer. The purpose is to do.
Another object of the present invention is to prevent adhesion between a fixed electrode and a beam structure in the semiconductor dynamic quantity sensor having a fixed electrode in a fixed portion facing the beam structure. .
[0007]
Another object of the present invention is to prevent adhesion between the beam structure and the first substrate due to electrostatic force acting between the first and second substrates.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the first aspect of the present invention, the beam structure (2A) is etched into the groove (64) penetrating the insulating film (61) from the surface of the second substrate (2). It is characterized in that it is supported and fixed to the first substrate (1) by the embedded portions (3a to 3d) formed by embedding a material having the above.
[0009]
According to the present invention, when the insulating film (61) under the beam structure (2A) is removed by etching, the embedded portions (3a to 3d) having etching resistance remain, and the insulating film at the time of etching remains. Since accurate dimensional control can be dispensed with, the embedded portions (3a to 3d) appropriately support and fix the beam structure to the first substrate (1). Therefore, it is possible to provide a sensor configuration in which the support of the beam structure is stable.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, in the sensor according to the first aspect, at least a part of the fixed portion (2B) is a fixed electrode (9a to 9d, 11a to 11d) disposed opposite to the beam structure (2A). , 13a to 13d, and 15a to 15d).
According to the present invention, the fixed electrode is separated from the embedded portions (3a to 3d) for supporting and fixing the beam structure (2A), and is insulated from the surface of the second substrate (2). The first substrate (1) is formed by the embedded portions (10a to 10d, 12a to 12d, 14a to 14d, 16a to 16d) formed by embedding a material having etching resistance in the groove passing through (61). Since it can be securely supported and fixed, adhesion between the fixed electrode and the beam structure can be prevented.
[0011]
Further, by using polysilicon (35) as the material having etching resistance as in the invention described in claim 3, it is possible to provide consistency with a normal semiconductor process using silicon, and the embedded portion It is possible to provide a semiconductor dynamic quantity sensor that can be easily manufactured without using a special material.
In the invention according to claim 4, since the silicon oxide film (37) is used as the insulating film, when the insulating film for fixing the beam structure is etched, the sacrifice using the silicon oxide film as a sacrificial layer is performed. Layer etching can be performed appropriately. In particular, in the combination with the invention of claim 2, since the difference in etching rate between the polysilicon of the buried portion and the silicon oxide film is large, the silicon oxide film can be appropriately removed while leaving the polysilicon.
[0012]
According to a fifth aspect of the present invention, a silicon nitride film (111) that is formed on the first substrate (110) and is relatively difficult to etch, and a relatively etched film formed thereon. By forming the silicon oxide film (112) which is easy to be formed, the silicon nitride film can be left under the beam structure (82A) after the etching of the insulating film, so that the beam structure, the first substrate, It is possible to more reliably secure the insulation.
[0013]
In the invention described in claim 6, the first substrate (120) is a substrate doped with P-type impurities, and the material (123) having etching resistance in the buried portion is doped with N-type impurities. The first substrate and the embedded portion are electrically insulated by forming a PN junction. Thereby, in particular, without providing an insulating film or the like between the first substrate and the embedded portion, the embedded portions (83a to 83d), the beam structure (82A), and the first substrate ( 120) can be secured.
[0015]
Claims 7 And claims 8 In the described invention, the semiconductor dynamic quantity sensor having the structure described in claim 1 can be appropriately formed. Claims 9 In the described invention, a semiconductor dynamic quantity sensor having the same structure as that of the fifth aspect can be appropriately formed. 10 In the invention described in (5), a semiconductor dynamic quantity sensor having a structure similar to that of the sixth aspect can be appropriately formed.
[0016]
Na In addition, the code | symbol in the above-mentioned parenthesis is an example which shows a corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
In the first embodiment, the present invention is applied to a semiconductor acceleration sensor. More specifically, the present invention is applied to a servo-controlled differential semiconductor acceleration sensor.
FIG. 1 is a plan view of a semiconductor acceleration sensor according to the present embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
[0018]
As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor acceleration sensor includes a first substrate 1 made of single crystal silicon, an oxide film (insulating film) 37 formed on the first substrate 1, and an oxide film 37. It is formed by performing well-known micromachining using a semiconductor manufacturing technique on an SOI wafer composed of a second substrate 2 made of single crystal silicon formed on the substrate. In the second substrate 2, a beam structure 2A as a movable part and a fixed part 2B are separately formed by grooves (shown by hatching in FIG. 1).
[0019]
The beam structure 2 </ b> A is constructed by four anchor portions 3 a, 3 b, 3 c, and 3 d that protrude from the substrate 1 side, and is disposed at positions spaced apart from each other on the upper surface of the substrate 1. A beam portion 4 is constructed between the anchor portion 3a and the anchor portion 3b, and a beam portion 5 is constructed between the anchor portion 3c and the anchor portion 3d.
A rectangular mass portion (mass portion) 6 is installed between the beam portion 4 and the beam portion 5. The mass portion 6 is provided with a through hole 6a penetrating vertically. By providing this through hole 6a, it is possible to facilitate the entry of the etchant during the sacrifice layer etching described later.
[0020]
Furthermore, four movable electrodes 7a, 7b, 7c, and 7d protrude from one side surface (the left side surface in FIG. 1) of the mass portion 6. The movable electrodes 7a to 7d are rod-shaped and extend in parallel at equal intervals. Further, four movable electrodes 8a, 8b, 8c, and 8d protrude from the other side surface (the right side surface in FIG. 1) of the mass portion 6. The movable electrodes 8a to 8d have a rod shape and extend in parallel at equal intervals. Here, the beam portions 4 and 5, the mass portion 6, and the movable electrodes 7 a to 7 d and 8 a to 8 d are movable by removing a part or all of the oxide film 37 in the lower portion thereof.
[0021]
On the side where the movable electrodes 7a to 7d are formed, four first fixed electrodes 9a, 9b, 9c, 9d and second fixed electrodes 11a, 11b, 11c, 11d are fixed to the upper surface of the substrate 1. ing. The first fixed electrodes 9a to 9d are supported by anchor portions 10a, 10b, 10c, and 10d that protrude from the substrate 1 side, and are formed on one side surface of each movable electrode (bar-shaped portion) 7a to 7d of the beam structure 2A. Opposed to each other. The second fixed electrodes 11a to 11d are supported by anchor portions 12a, 12b, 12c and 12d protruding from the substrate 1 side, and the other of the movable electrodes (rod-like portions) 7a to 7d of the beam structure 2A. It is arranged to face the side.
[0022]
Similarly, the first fixed electrodes 13a, 13b, 13c, 13d and the second fixed electrodes 15a, 15b, 15c, 15d are fixed to the upper surface of the substrate 1. The first fixed electrodes 13a to 13d are supported by anchor portions 14a, 14b, 14c, and 14d protruding from the substrate 1 side, and are opposed to one side surface of each movable electrode (bar-shaped portion) 8a to 8d of the beam structure 2A. Are arranged. The second fixed electrodes 15a to 15d are supported by anchor portions 16a, 16b, 16c and 16d protruding from the substrate 1, and the other side surfaces of the movable electrodes (rod-like portions) 8a to 8d of the beam structure 2A. It is arranged to face.
[0023]
Here, each anchor part 3a-3d, 10a-10d, 12a-12d, 14a-14d, 16a-16d is equivalent to the embedding part as used in the present invention, and, as will be described later, from the surface of the second substrate 2 It is formed by embedding a material having etching resistance in a groove penetrating the oxide film 37 and then removing the oxide film 37 around the buried portion by sacrificial layer etching.
[0024]
Thus, each anchor portion protrudes from the upper surface of the first substrate 1 and penetrates through the inside of the second substrate 2 and extends to the surface of the second substrate 2, and the beam structure 2A and each fixed electrode are connected to each other. It is fixedly supported on the first substrate 1 (in FIG. 2, the anchor portions 3c, 14d, and 16d are shown). 1, the anchor portions 3a to 3d of the beam structure 2A are rectangular frames, and the anchor portions 10a to 10d, 12a to 12d, 14a to 14d, and 16a to 16d of the fixed electrode are fixed. The shape extends along the electrode.
[0025]
Specifically, the anchor portions 3a to 3d, 10a to 10d, 12a to 12d, 14a to 14d, and 16a to 16d are constituted by an insulating film 34 and a polysilicon thin film 35 therein, and the insulating film 34 is an oxide film described later. The thin film 37 is made of a thin film (for example, a silicon nitride film) that is not easily eroded by an etching solution used when etching the film 37. In particular, HF (fluoric hydrofluoric acid) is usually used as the etchant. However, in HF, the silicon nitride film has a smaller amount of erosion than the silicon oxide film and is convenient to manufacture, so a silicon nitride film is preferable.
[0026]
Further, wirings 21, 22, 23, 24, 25 made of a conductive thin film 39 such as polysilicon doped with impurities are formed on the upper surface of the second substrate 2, and an aluminum electrode is formed on a part of the wirings 21, 22, 23, 24, 25. Electrode pads (bonding pads) 44a, 44b, and 44c are formed.
Here, an insulating film 38 such as a silicon nitride film is formed on a portion where the wirings 21 to 25 are formed on the upper surface of the second substrate 2, and the wirings 21 to 25 are formed on the insulating film 38. ing. Each of the wirings 21 to 25 is formed on the second substrate 2 via contacts 26a to 26d, 27a to 27d, 28a to 28d, 29a to 29d, and 30 which are portions from which the insulating film 38 has been removed. The fixed electrodes 9a to 9d, 11a to 11d, 13a to 13d, 15a to 15d and the beam structure 2A are electrically connected.
[0027]
The wiring 21 is between the anchor portion 3c portion of the beam structure 2A and the electrode pad 44b, the wiring 22 is between the first fixed electrodes 9a to 9d and the electrode pad 44a, and the wiring 23 is the second fixed electrode 11a to 11a. 11d and the electrode pad 44c, the wiring 24 is electrically connected between the first fixed electrodes 13a to 13d and the electrode pad 44a, and the wiring 25 is electrically connected between the second fixed electrodes 15a to 15d and the electrode pad 44c. Connected to. Thus, the electrode pads 44a and 44c can extract the potential of the fixed electrode, and the electrode pad 44b can extract the potential of the beam structure 2A, that is, the movable electrode.
[0028]
In the configuration described above, a first capacitor is formed between the movable electrodes 7a to 7d of the beam structure 2A and the first fixed electrodes 9a to 9d, and the movable electrodes 7a to 7d of the beam structure 2A and the second electrodes are formed. A second capacitor is formed between the fixed electrodes 11a to 11d. Similarly, a first capacitor is provided between the movable electrodes 8a to 8d and the first fixed electrodes 13a to 13d of the beam structure 2A, and the movable electrodes 8a to 8d and the second fixed electrode 15a of the beam structure 2A. A second capacitor is formed between ˜15d.
[0029]
Based on the capacities of the first and second capacitors, an acceleration acting on the beam structure 2A can be detected by a control circuit (not shown). More specifically, two differential capacitances are formed by the movable electrode and the fixed electrode, and a servo operation is performed by a control circuit (not shown) so that the two capacitances are equal.
[0030]
Next, a method for manufacturing the semiconductor acceleration sensor described above will be described. 3 to 6 are process diagrams using the AA cross section in FIG.
First, as shown in FIG. 3A, a silicon oxide film (corresponding to the oxide film 37) 61 is provided on a single crystal silicon (which will eventually become the first substrate 1) 60, and the single crystal silicon is provided thereon. An SOI (Silicon On Insulator) wafer 63 on which 62 (which will eventually become the second substrate 2) is formed is prepared (SOI wafer preparation process). Hereinafter, for the sake of distinction, the single crystal silicon 60 is referred to as a lower single crystal silicon 60, and the single crystal silicon 62 is referred to as an upper single crystal silicon 62.
[0031]
Next, as shown in FIG. 3B, a groove (hereinafter referred to as a defining groove) 64 for defining the beam structure 2A and the fixing portion 2B is formed in the upper single crystal silicon 62 by trench etching or the like ( Delimiting groove forming step).
Next, as shown in FIG. 3C, a silicon oxide film 65 as a sacrificial layer thin film is formed on the surface of the upper single crystal silicon 62 by the CVD method or the like so as to fill the defining groove 64 (sacrificial). Layer thin film forming step).
[0032]
Next, a buried groove forming step shown in FIGS. 3D and 4A is performed. In the portions to be the anchor portions 3a to 3d of the beam structure and the anchor portions 10a to 10d, 12a to 12d, 14a to 14d, and 16a to 16d of the fixed electrode (that is, portions where the buried portions are to be formed) A groove (hereinafter referred to as a buried groove) 66 is formed so as to penetrate the upper single crystal silicon 62.
[0033]
Further, as shown in FIG. 4A, the silicon oxide film 65 on the surface of the upper single crystal silicon 62 is removed by etching or the like, and at the same time, embedded in the silicon oxide film 61 below the upper single crystal silicon 62. A groove 66 is formed. At this time, by making the film thickness of the silicon oxide film 65 and the film thickness of the silicon oxide film 61 the same, when the silicon oxide film 65 on the upper single crystal silicon 62 disappears, the groove of the silicon oxide film 61 is completely formed. The end point can be easily detected.
[0034]
Next, an etching resistant film forming step shown in FIGS. 4B and 4C is performed. First, as shown in FIG. 4B, for the purpose of insulating the beam structure and the fixed electrode from the lower single crystal silicon 60, polysilicon for wiring (which will eventually become the wirings 21 to 25) will be described. In order to insulate the upper single crystal silicon 62 from the upper single crystal silicon 62, a silicon nitride film 67 is formed inside the buried trench 66 and on the upper single crystal silicon 62.
[0035]
Next, as shown in FIG. 4C, in order to form the anchor portion of the beam structure and the anchor portion (that is, the buried portion) of the fixed electrode, the inside of the buried trench 66 in which the silicon nitride film 67 is formed and A polysilicon film 68 is formed on the silicon nitride film 67.
Thus, the buried groove 66 is filled with both films 67 and 68 corresponding to the etching resistant film. The inner polysilicon film 68 in the buried groove 66 corresponds to the polysilicon thin film 35 in the buried portion, and The outer silicon nitride film 67 corresponds to the insulating film 34 in the buried portion. The above is the etching resistant film forming step.
[0036]
Next, as shown in FIG. 4D, the polysilicon film 68 is removed by etching, polishing, or the like until the silicon nitride film 67 is exposed.
Next, as shown in FIG. 5 (a), in the portion where the contacts 26a to 26d, 27a to 27d, 28a to 28d, 29a to 29d and 30 for taking the potential of the beam structure and the fixed electrode are to be formed, Contact holes 69 are formed in the silicon nitride film 67.
[0037]
Next, as shown in FIG. 5B, a conductive film 70 (for example, a doped polysilicon film) is formed on the contact hole 69 and the silicon nitride film 67.
Next, as shown in FIG. 5C, an aluminum electrode 71 to be the electrode pads 44a to 44c is formed, and as shown in FIG. 5D, the conductive film 70 is patterned by photolithography, Wirings 21 to 25 are formed. Here, the silicon nitride film 67 under the wirings 21 to 25 becomes the insulating film 38.
[0038]
Next, as shown in FIG. 6 (a), the silicon nitride film 67 is opened only in the region where the sacrificial layer is etched, and then sacrificial layer etching with hydrofluoric acid or the like is performed as shown in FIG. 6 (b). All or a part of the silicon oxide film 61 and the silicon oxide film (sacrificial layer thin film) 65 is removed to form a beam structure 2A as a movable part (sacrificial layer etching step). At this time, since both the films 67 and 68 in the buried groove 66 portion have etching resistance, they remain without being etched to form the anchor portions. Thus, the semiconductor acceleration sensor shown in FIG. 2 is completed.
[0039]
In this example, the silicon nitride film and the polysilicon thin film are used as the material having etching resistance to be filled in the anchor portion (embedded portion), but only the polysilicon thin film, only the silicon nitride film, Furthermore, a silicon oxide film covered with a silicon nitride film or the like may be used. In terms of strength, considering the fact that the silicon nitride film is the strongest, followed by the polysilicon film and then the silicon oxide film, and the fact that when the silicon nitride film is made thicker, cracks occur due to film stress. For this, a polysilicon film is suitable.
[0040]
In this example, the buried thin film has a silicon nitride film outside the polysilicon thin film. However, the silicon nitride film is less likely to be etched than the silicon oxide film. In this example, the sacrificial layer thin film etched by the sacrificial layer etching and the insulating film of the SOI wafer are silicon oxide films. Therefore, the silicon oxide film portion is more reliably left in the etching while leaving the buried portions, that is, the respective anchor portions. Can be removed. That is, sacrificial layer etching using the silicon oxide film as a sacrificial layer can be performed appropriately.
[0041]
Thus, according to the present embodiment, in the sacrificial layer etching step, the anchor portions 3a to 3d, 10a to 10d, 12a to 12d, 14a to 14d, and 16a to 16d made of a material having etching resistance remain and are sacrificed. It is not necessary to control the layer etching accurately (time control), and process management can be simplified. And the sensor structure which the support fixation of the beam structure 2A to the 1st board | substrate 1 is made appropriately by the remaining anchor part, and the support of a beam structure becomes stable can be provided.
[0042]
In addition, according to the present embodiment, the fixed electrodes 9a to 9d, 11a to 11d, 13a to 13d, and 15a to 15d are fixed by being fixed to the second substrate 2 by the respective anchor portions, so that they are not fixed. The electrode does not adhere to the beam structure 2A, and the yield can be improved.
Furthermore, according to the present embodiment, the anchor portions 3a to 3d, 10a to 10d, 12a to 12d, 14a to 14d, and 16a to 16d are constituted by the polysilicon film 35 and the insulating film 34 covering the outside thereof. Therefore, it is possible to reliably prevent the polysilicon film 35 from being electrically connected to the substrate 1, and there is an effect that the electrostatic charge generated between the fixed electrode and the movable electrode does not leak.
[0043]
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a plan view of the semiconductor acceleration sensor according to the second embodiment, and FIG. 8 is a sectional view taken along line BB in FIG. Hereinafter, this embodiment will be described focusing on differences from the first embodiment. Also in the present embodiment, the semiconductor acceleration sensor is formed on an SOI wafer including a first substrate 81 made of single crystal silicon, an oxide film (insulating film) 97, and a second substrate 82 made of single crystal silicon. On the second substrate 82, a beam structure 82A as a movable portion and a fixed portion 82B are separately formed by grooves (shown by hatching in FIG. 7).
[0044]
The beam structure 82A is constructed by four anchor portions 83a, 83b, 83c, and 83d protruding from the first substrate 81 side, and is disposed at a position spaced apart from the upper surface of the first substrate 81 by a predetermined distance. . A beam portion 84 is constructed between the anchor portion 83a and the anchor portion 83b, and a beam portion 85 is constructed between the anchor portion 83c and the anchor portion 83d.
[0045]
Furthermore, from one side surface (the left side surface in FIG. 7) of the rectangular mass portion (mass portion) 86 laid between the beam portion 84 and the beam portion 85, four movable electrodes 87a, 87b, 87c and 87d protrude. The movable electrodes 87a to 87d have a rod shape and extend in parallel at equal intervals.
Further, four movable electrodes 88a, 88b, 88c, 88d protrude from the other side surface (the right side surface in FIG. 7) of the mass portion 86. The movable electrodes 88aa to 88d have a rod shape and extend in parallel at equal intervals. Here, the beam portions 84 and 85, the mass portion 86, and the movable electrodes 87 a to 87 d and 88 a to 88 d are movable by removing a part or all of the oxide film 97 at the lower portion thereof.
[0046]
Also, four first fixed electrodes 89a, 89b, 89c, 89d and second fixed electrodes 91a, 91b, 91c, 91d are fixed on the upper surface of the first substrate 1. The first fixed electrodes 89a to 89d are supported by anchor portions 90a, 90b, 90c, and 90d that protrude from the first substrate 81 side, and each of the movable electrodes (bar-shaped portions) 87a to 87d of the beam structure 82A. It is arrange | positioned facing one side surface.
[0047]
The second fixed electrodes 91a to 91d are supported by anchor portions 92a, 92b, 92c, and 92d protruding from the first substrate 81 side, and the movable electrodes (bar-shaped portions) 88a to 88a of the beam structure 82A. It is arranged to face the other side surface of 88d. As described above, the fixed electrodes 89a to 89d and 91a to 91d are arranged on only one side of the movable electrodes 87a to 87d and 88a to 88d.
[0048]
Further, wirings 93, 94, 95 made of the second substrate 82 are formed, and electrode pads (bonding pads) 96a, 96b, 96c made of aluminum electrodes are formed on a part of the wirings 93, 94, 95. The wiring 94 is electrically connected between the fixed electrodes 89a to 89d and the electrode pad 96b, the wiring 95 is electrically connected between the fixed electrodes 91a to 91d and the electrode pad 96c, and the wiring 93 is electrically connected between the beam structure 82A and the electrode pad 96A. The electrode pads 96b and 96c can extract the potential of the fixed electrode, and the electrode pad 96a can extract the potential of the beam structure 82A, that is, the movable electrode.
[0049]
Here, in the present embodiment, as described above, the fixed electrode is disposed only on one side of the movable electrode. Therefore, as shown in FIG. 7, the fixed electrodes 89a to 89d and the fixed electrode are arranged. The ends on the opposite side of the mass portion 86 in 91a to 91d can be connected in common (common structure), and the wirings 93 to 95 can be formed from the second substrate 82. If the fixed electrode is arranged on both sides of the movable electrode as in the first embodiment, if the common structure is used, two fixed electrodes on both sides of the movable electrode have the same potential. Servo control is not possible.
[0050]
And in this embodiment, anchor part 83a-83d, 90a-90d, 92a-92d is equivalent to the embedding part said by this invention. Each anchor portion is formed so as to penetrate from the upper surface of the first substrate 81 to the surface of the second substrate 82, as in the first embodiment, and the beam structure 82A and each fixed electrode are connected to the first substrate 81. The substrate 81 is fixedly supported. In addition, each anchor portion is constituted by an insulating film 98 and a polysilicon thin film 99 therein as in the first embodiment.
[0051]
In the configuration described above, a first capacitor is formed between the movable electrodes 87a to 87d and the first fixed electrodes 89a to 89d of the beam structure 82A, and the movable electrodes 88a to 88d and the second electrodes of the beam structure 82A are formed. A second capacitor is formed between the fixed electrodes 91a to 91d.
The acceleration acting on the beam structure 82A can be detected based on the capacities of the first and second capacitors. More specifically, two differential capacitances are formed by the movable electrode and the fixed electrode, and a servo operation is performed so that the two capacitances are equal.
[0052]
Next, a method for manufacturing the semiconductor acceleration sensor of this embodiment will be described. 9 to 11 are process diagrams using the BB cross section in FIG.
First, as shown in FIG. 9A, a silicon oxide film (corresponding to the oxide film 97) 101 is provided on a single crystal silicon (which eventually becomes the first substrate 81) 100, and a single crystal silicon is provided thereon. An SOI wafer 103 made of 102 (which will eventually become the second substrate 82) is prepared (SOI wafer preparation step). Hereinafter, for the sake of distinction, the single crystal silicon 100 is referred to as a lower single crystal silicon 100 and the single crystal silicon 102 is referred to as an upper single crystal silicon 102.
[0053]
Next, as shown in FIG. 9 (b), the upper single crystal silicon 102 is trench-etched at the portions to be the anchor portions 83a to 83d, 90a to 90d, and 92a to 92d of the beam structure and the fixed electrode by trench etching. (Hereinafter referred to as a buried trench) 104 is formed, and this buried trench 104 is further formed up to the silicon oxide film 101 as shown in FIG. The process up to this point is the buried groove forming step.
[0054]
Next, as shown in FIG. 9D, in order to insulate the beam structure and the fixed electrode from the lower single crystal silicon 100 and not to be eroded by the sacrificial layer etching described later, It is formed inside the buried trench 104 and on the surface of the upper single crystal silicon 102.
Next, as shown in FIG. 10A, the silicon nitride film 105 on the upper single crystal silicon 102 is removed by polishing, etching, or the like.
[0055]
Next, as shown in FIG. 10B, in order to form the anchor portions 83a to 83d, 90a to 90d, and 92a to 92d (that is, buried portions) of the beam structure and the fixed electrode, the silicon nitride film 105 is formed. A polysilicon film 106 is formed inside the formed buried groove 104 and on the surface of the upper single crystal silicon 102.
Thus, the buried trench 104 is filled with both the films 105 and 106 corresponding to the etching resistant film, and the inner polysilicon film 106 in the buried trench 104 corresponds to the polysilicon thin film 99 in the buried portion. The outer silicon nitride film 105 corresponds to the insulating film 98 in the buried portion. The steps from FIG. 9D to FIG. 10B are the etching resistant film forming process.
[0056]
Next, as shown in FIG. 10C, the polysilicon film 106 on the upper single crystal silicon 102 is removed by polishing, etching, or the like.
Next, as shown in FIG. 10D, the aluminum electrode 107 to be the electrode pads 96a, 96b, 96c is formed, and the upper single crystal silicon 102 is etched as shown in FIG. 11A. Then, a groove (defining groove) 108 for defining the beam structure 82A and the fixed electrodes 89a to 89d and 91a to 91d is formed (defining groove forming step).
[0057]
Next, as shown in FIG. 11B, sacrificial layer etching is performed from the defining groove 108, and at least a part of the silicon oxide film 101 is removed by etching to form a beam structure 82A (sacrificial layer etching). Process). At this time, since both the films 105 and 106 in the buried groove 104 portion have etching resistance, they remain unetched to form the respective anchor portions. Thus, the semiconductor acceleration sensor shown in FIG. 8 is completed.
[0058]
Here, also in this embodiment, by having the anchor portions 83a to 83d, 90a to 90d, and 92a to 92d, it is not necessary to accurately control the time by sacrificial layer etching as in the first embodiment. Process management can be simplified. Further, it is possible to provide a sensor configuration in which the support of the beam structure is stable.
[0059]
Further, since the fixed electrodes 89a to 89d and 91a to 91d are not moved by being securely fixed to the first substrate 1, the fixed electrodes are not attached to the beam structure 82A, and the yield is improved. Can do.
Furthermore, also in this embodiment, by forming the anchor portion with the insulating film 98 and the polysilicon film 99, the polysilicon film 99 can be prevented from conducting with the first substrate 1, and the fixed electrode and the movable electrode can be moved. The electrostatic charge generated between the electrodes does not leak.
[0060]
Moreover, in this embodiment, since a process becomes simple compared with the said 1st Embodiment, manufacture becomes easy. Further, since the second substrate 2 is used for the wirings 93 to 95 to the electrodes, and the electrodes are not connected by the polysilicon wiring as in the first embodiment, the disconnection due to the disconnection of the wiring or the contact failure. Therefore, a highly reliable sensor can be manufactured.
[0061]
(Third embodiment)
The planar configuration of the semiconductor acceleration sensor according to the third embodiment is the same as that of the above-described FIG. 7 (second embodiment). However, a silicon nitride film, a silicon oxide film, The difference is that the second substrate is sequentially stacked. That is, the insulating film between the first and second substrates is a two-layered structure of a silicon oxide film and a silicon nitride film. The manufacturing method of this embodiment is shown in FIGS. 12 and 13 are process diagrams corresponding to the BB cross section in FIG. 7, and FIG. 13 (d) is a diagram showing the completed sensor.
[0062]
First, as shown in FIG. 12A, a silicon nitride film 111 is formed on single crystal silicon (which will eventually become the first substrate 81) 110, and a silicon oxide film 112 is formed thereon (these layers). Both films 111 and 112 correspond to the oxide film 97), and an SOI wafer 114 on which single crystal silicon (which will eventually become the second substrate 82) 113 is formed is prepared (SOI wafer preparation process). Hereinafter, for distinction, the single crystal silicon 110 is referred to as a lower single crystal silicon 110, and the single crystal silicon 113 is referred to as an upper single crystal silicon 113.
[0063]
Next, as shown in FIG. 12B, the upper single crystal silicon 113 is trench-etched in the beam structure and the anchor electrode portions of the fixed electrode to form a groove (hereinafter referred to as a buried groove) 115. The buried trench 115 is further formed up to the silicon oxide film 112 as shown in FIG. The process up to this point is the buried groove forming step.
[0064]
Next, an etching resistant film forming step shown in FIG. In order to form each anchor portion (that is, a buried portion) of the beam structure and the fixed electrode, a polysilicon film 116 is formed inside the buried groove 115 and on the surface of the single crystal silicon 113. Thus, the buried trench 115 is filled with the polysilicon film 116 corresponding to the etching resistant film.
[0065]
Next, as shown in FIG. 13A, the polysilicon film 116 on the upper single crystal silicon 113 is removed.
Next, as shown in FIG. 13B, an aluminum electrode 117 serving as an electrode pad is formed, and the upper single crystal silicon 113 is etched as shown in FIG. A defining groove 118 for defining the electrode is formed (defining groove forming step).
[0066]
Next, as shown in FIG. 13D, sacrificial layer etching is performed from the demarcation groove 118, and at least a part of the silicon oxide film 111 is removed by etching, whereby the beam structure 82A and the fixed electrodes 89a to 89d, 91a to 91d are formed (sacrificial layer etching step) to complete the semiconductor acceleration sensor. At this time, since the polysilicon film 116 in the buried groove 115 has etching resistance, it remains without being etched, and anchor portions (buried portions) 83a to 83d, 90a to 90d, and 92a to 92d are formed.
[0067]
The sensor of the present embodiment formed by the process as described above basically has the same functions and effects as those of the above-described embodiment. In particular, an insulating film in an SOI wafer is formed on the first substrate 1. By comprising the silicon nitride film 111 that is relatively difficult to etch and the silicon oxide film 112 that is relatively easily etched thereon, the silicon nitride film 111 is formed below the beam structure 82A after the sacrificial layer etching. Therefore, even if each anchor portion is filled only with the polysilicon thin film, it is possible to ensure the insulation between the beam structure 82A and the single crystal silicon 110 (that is, the first substrate 81).
[0068]
Further, according to the present embodiment, the number of times of photolithography is 3, which is smaller than that of the first embodiment (about 6 to 7 times), and the number of masks can be reduced. Thereby, a highly accurate sensor can be formed at low cost.
(Fourth embodiment)
FIG. 14 shows a fourth embodiment of the present invention. The planar configuration of this embodiment is the same as that of FIG. 7 (second embodiment), but in the SOI wafer, the first substrate is a substrate doped with a P-type impurity, and the material has etching resistance in the buried portion. Is doped with an N-type impurity, and the first substrate and the buried portion are electrically insulated by forming a PN junction. FIG. 14 is a cross-sectional view of a beam structure (beam portion 85, movable electrodes 87c and 87d) and a fixed electrode (90c and 90d) corresponding to the BB cross section in FIG.
[0069]
The substrate constituting the semiconductor acceleration sensor of this embodiment has a silicon oxide film (insulating film as referred to in the present invention) 121 on a single crystal silicon (first substrate as referred to in the present invention) 120, and a single crystal thereon. An SOI wafer made of silicon (second substrate in the present invention) 122, and single crystal silicon 120 is a substrate doped with P-type impurities. In FIG. 14, reference symbol D denotes a portion of the single crystal silicon 120 doped with P-type impurities.
[0070]
As a method for manufacturing this SOI wafer, an SOI wafer may be manufactured by bonding a wafer doped in advance to a P-type as the single crystal silicon 120, or a P-type may be formed on the bonding surface of an N-type wafer. An SOI wafer may be manufactured by making single crystal silicon 120 doped with an impurity (such as boron) by ion implantation and then bonding. Furthermore, the single crystal silicon 120 may be formed by further doping a P-type wafer bonding surface with P-type impurities by ion implantation or the like (P-type impurity doping step for the first substrate).
[0071]
The polysilicon film (etching resistant film) 123 that becomes the beam structures and anchor portions 83a to 83d, 90a to 90d, and 92a to 92d of the fixed electrode is doped with an N-type impurity. Here, the polysilicon film 123 is doped with N-type impurities by using two kinds of silicon and N-type impurities (for example, phosphorus) or a mixture of these in general, and silicon and N-type impurities (for example, phosphorus). It is possible to produce by CVD using gas (N-type impurity doping step to etching resistant film).
[0072]
Since the single crystal silicon 120 and the polysilicon film 123 form a PN junction, if a positive bias is applied to the single crystal silicon 120 with respect to the polysilicon film 123, the polysilicon film 123 becomes less than the single crystal silicon 120. Insulation.
Therefore, according to the present embodiment, a further insulating film (for example, the above-mentioned) is provided between the single crystal silicon (first substrate) 120 and the anchor portions (embedded portions) 83a to 83d, 90a to 90d, and 92a to 92d. Without providing the silicon nitride films 34, 111, etc.), the insulation between the beam structure 82A and the single crystal silicon 120 can be ensured with a simple structure.
[0073]
(Fifth embodiment)
In the fifth embodiment, in the SOI wafer, the potential of the first substrate is set to the second level by the conductive portion formed by embedding a conductive material in the groove penetrating the insulating film from the surface of the second substrate. It can be taken out on the substrate. This embodiment is a reference example of the present invention. FIG. 15 shows the fifth embodiment.
[0074]
The conductive portion 2C is provided, for example, in the broken-line circle portion K in FIG. 15A is a plan view, and FIG. 15B is a cross-sectional view taken along the line C-C in FIG.
In the SOI wafer, a separation part 130 made of single crystal silicon (second substrate) 82 insulated from a surrounding fixed part 82B through a groove, an aluminum electrode 129 formed on the separation part 130, and a separation A conductive film (conductive portion referred to in the present invention) 128 passing through the inside from the surface of the portion 130 and electrically connected to the single crystal silicon (first substrate) 81 is formed.
[0075]
In the conductive film 128, for example, in the buried groove forming step in the second embodiment, a groove penetrating the oxide film (insulating film) 97 from the surface of the single crystal silicon 82 is simultaneously formed in the formation portion of the conductive film 128. Before the etching resistant film forming step, the groove is formed by embedding a conductive material (for example, doped polysilicon) (conductive film forming step).
[0076]
The single crystal silicon 81 and 82 are electrically connected by the conductive film 128, and the aluminum electrode 129 and the single crystal silicon 81 can be electrically connected. Thus, similarly to the fixed electrode, the potential of the single crystal silicon 81 can be taken out by the aluminum electrode 129, and both the single crystal silicons 81 and 82 can be set to the same potential. It is possible to prevent adhesion to 81 by static electricity.
[0077]
As described above, in each embodiment, it is possible to provide a sensor configuration in which the support of the beam structure is stable. However, the present invention is not limited to the semiconductor acceleration sensor described above, and is applicable to a mechanical quantity sensor such as a semiconductor yaw rate sensor. Can also be applied.
That is, an SOI wafer comprising a first substrate made of silicon, an insulating film formed on the first substrate, and a second substrate made of silicon formed on the insulating film is prepared. Forming a delimiting groove for demarcating the beam structure as the movable portion and the fixed portion on the second substrate, removing the insulating film under the beam structure by etching, The present invention can be commonly applied to a semiconductor dynamic quantity sensor that can be displaced according to application.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a planar configuration of a semiconductor acceleration sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
3 is a process diagram showing a method for manufacturing the semiconductor acceleration sensor shown in FIG. 2; FIG.
4 is a process diagram illustrating the manufacturing method subsequent to FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a process diagram illustrating the manufacturing method subsequent to FIG. 4;
6 is a process diagram illustrating the manufacturing method subsequent to FIG. 5. FIG.
FIG. 7 is a diagram showing a planar configuration of a semiconductor acceleration sensor according to a second embodiment of the present invention.
8 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
FIG. 9 is a process diagram showing a method for manufacturing the semiconductor acceleration sensor shown in FIG. 8;
10 is a process diagram illustrating the manufacturing method subsequent to FIG. 9; FIG.
FIG. 11 is a process diagram illustrating the manufacturing method subsequent to FIG. 10;
FIG. 12 is a process diagram showing a method for manufacturing a semiconductor acceleration sensor according to a third embodiment of the invention.
13 is a process diagram illustrating the manufacturing method subsequent to FIG. 12. FIG.
FIG. 14 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a semiconductor acceleration sensor according to a fourth embodiment of the invention.
FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a semiconductor acceleration sensor according to a fifth embodiment of the invention.
[Explanation of symbols]
1, 60, 81, 100, 110, 120 ... single crystal silicon (first substrate),
2, 62, 82, 102, 113, 122 ... single crystal silicon (second substrate),
37, 62, 97, 101, 111, 121 ... silicon oxide film (insulating film),
112 ... Silicon nitride film (insulating film), 63, 103, 114 ... SOI wafer,
2A, 82A ... beam structure, 2B ... fixed part,
9a-9d, 11a-11d, 13a-13d, 15a-15d ... fixed electrode,
3a-3d, 10a-10d, 12a-12d, 14a-14d, 16a-16d ... anchor part (embedded part), 64, 108, 118 ... defining groove,
65: sacrificial layer thin film, 66, 104, 115 ... buried groove,
67, 105 ... silicon nitride film (etching resistant film),
68, 106, 116... Polysilicon film (etching resistant film).

Claims

A first substrate made of silicon, an insulating film formed on the first substrate, and a second substrate made of silicon formed on the insulating film,
The insulating film under the beam structure is removed by etching through a defining groove formed in the second substrate to demarcate the beam structure as a movable portion and the fixed portion, and the beam structure In a semiconductor mechanical quantity sensor that can displace the body in response to application of a mechanical quantity
The beam structure is supported and fixed to the first substrate by an embedded portion formed by embedding a material having etching resistance in a groove penetrating the insulating film from the surface of the second substrate. A semiconductor dynamic quantity sensor.

At least a part of the fixed portion forms a fixed electrode disposed opposite to the beam structure, and the fixed electrode is separate from the embedded portion that supports and fixes the beam structure. Further, the first substrate is supported and fixed by a buried portion formed by embedding a material having etching resistance in a groove penetrating the insulating film from the surface of the second substrate. The semiconductor dynamic quantity sensor according to claim 1.

3. The semiconductor dynamic quantity sensor according to claim 1, wherein the material having etching resistance is polysilicon.

4. The semiconductor dynamic quantity sensor according to claim 1, wherein the insulating film is made of a silicon oxide film.

4. The semiconductor dynamic quantity according to claim 1, wherein the insulating film is formed by sequentially forming a silicon nitride film and a silicon oxide film on the first substrate. 5. Sensor.

The first substrate is a substrate doped with a P-type impurity, and the material having etching resistance in the buried portion is doped with an N-type impurity.
6. The semiconductor dynamic quantity sensor according to claim 1, wherein the first substrate and the embedded portion are electrically insulated by forming a PN junction. 7.

A method of manufacturing the semiconductor dynamic quantity sensor according to claim 1, comprising:
Preparing an SOI wafer composed of the first substrate, the insulating film, and the second substrate;
Forming the defining groove in the second substrate;
Forming a sacrificial layer thin film on the second substrate so as to fill the defining groove;
Forming a buried groove for forming the buried portion in the sacrificial layer thin film, the second substrate, and the insulating film;
Forming an etching resistant film made of a material having etching resistance on the second substrate so as to fill the buried trench;
And removing the sacrificial layer thin film and the insulating film by etching to form the beam structure on the second substrate.

A method of manufacturing the semiconductor dynamic quantity sensor according to claim 1, comprising:
Preparing an SOI wafer composed of the first substrate, the insulating film, and the second substrate;
Forming a buried groove for forming the buried portion in the second substrate and the insulating film;
Forming an etching resistant film made of a material having etching resistance on the second substrate so as to fill the buried trench;
Forming the defining groove in the second substrate;
And a step of forming the beam structure on the second substrate by removing the insulating film by etching.

As the SOI wafer, wherein on the first substrate, a silicon nitride film, a silicon oxide film, a semiconductor according to claim 7 or 8 wherein the second substrate is characterized in that to prepare those are sequentially laminated Manufacturing method of mechanical quantity sensor.

Doping the first substrate with P-type impurities;
The method of manufacturing a semiconductor dynamic quantity sensor according to claim 7 or 8, characterized in that and a step of doping N-type impurity into the etching resistant layer.