JP2000124465A

JP2000124465A - 半導体力学量センサの製造方法

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Publication number: JP2000124465A
Application number: JP10290961A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Terada; 雅一寺田; Kenichi Yokoyama; 賢一横山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2000-04-28
Anticipated expiration: 2018-10-13
Also published as: JP4168497B2

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体圧力センサの製造方法において、Ｐ型
半導体基板上にＮ型エピタキシャル層を有するウエハに
形成されたトレンチもしくは垂直穴部分から半導体基板
を電気化学エッチングする際に、トレンチもしくは垂直
穴の側壁に露出するＰ層とＮ層との接合界面からの電流
リークを防止する。【解決手段】ウエハ２０のＮ型エピタキシャル層１２
表面を第１酸化膜１３で被覆し、垂直穴１６形成領域を
除去した後、第１酸化膜１３をマスクとしてＲＩＥによ
り垂直穴１６を形成する。次に、第１酸化膜１３の表面
と垂直穴１６内面に第２酸化膜２１を形成した後、ウエ
ハ２０平面と垂直方向にＲＩＥを行い、Ｎ型エピタキシ
ャル層１２表面に第１酸化膜１３、垂直穴１６の側壁面
に第２酸化膜１７を残す。続いて、両酸化膜１３、１７
を保護膜として、電気化学エッチングを行い、垂直穴１
６の底部からＰ型半導体基板１１内部に空洞部１４を形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧力、加速度、振
動、歪み、角速度等の力学量を検出する半導体力学量セ
ンサの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体圧力センサにおけるダイヤ
フラムあるいは半導体加速度センサにおける梁構造体な
どの可動部を電気化学エッチングを用いて形成するよう
にした製造方法があり、この種の製造方法として、本出
願人は、先に、特願平１０−２１３４３号に記載のもの
を提案している。

【０００３】これによると、Ｐ型の半導体基板上にＮ型
の半導体層を有するウエハにおいて、ウエハの半導体層
表面から半導体基板に至るトレンチを形成し、Ｎ型の半
導体層にエッチング用の正電圧を印加して電気化学エッ
チングを行い、トレンチ部分から半導体基板をエッチン
グしていくことにより、半導体基板に空洞部を形成す
る。このとき、ウエハのうち空洞部よりも上側の部位に
可動部（例えば梁構造体やダイヤフラム）となり、該可
動部の可動状態に基づいて力学量を検出するようにした
半導体力学量センサが製造される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記先
願においては、電気化学エッチングを行なう際の構造と
して、トレンチの側壁にＮ層（Ｎ型の半導体層）とＰ層
（Ｐ型の半導体基板）との接合界面が露出する構造とな
っている。本発明者等が検討したところ、このような構
造で、実際に電気化学エッチングを行なうと、次の様な
問題が生じることが実験的にわかった。

【０００５】Ｎ層に正電圧（エッチング用電圧）を印加
し、アルカリ溶液（エッチング液）中に浸漬すると、上
記接合界面部にＰＮの方向とは逆のバイアス（ＰＮ逆バ
イアス）がかかる。そのため、上記接合界面部とアルカ
リ溶液との間で電流がリークし、その結果、Ｐ層とＮ層
との電位差が低下し、Ｎ層には陽極酸化するために十分
な電圧がかからず、Ｎ層にてエッチングがストップしに
くくなり、一方、Ｐ層は逆にリークにより電圧が若干加
わるために、本来の異方性エッチングよりもエッチング
レートが低下し、本来意図するような選択エッチングが
起こりにくくなる。

【０００６】そこで、本発明は上記問題点に鑑みて、Ｐ
型の半導体基板上にＮ型の半導体層を有するウエハに形
成されたトレンチ部分から半導体基板を電気化学エッチ
ングする際に、トレンチの側壁に露出するＰ層とＮ層と
の接合界面からの電流リークを防止する半導体力学量セ
ンサの製造方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【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、Ｐ型の半導体基板
（１１）上にＮ型の半導体層（１２）を有するウエハ
（２０）のうち半導体層（１２）の表面から半導体基板
（１１）に至る垂直穴（１６）を形成し、半導体層（１
２）の表面及び垂直穴（１６）の側壁面に絶縁性の保護
膜（１３、１７）を形成し、その後、半導体層（１２）
に正電圧を印加して電気化学エッチングを行い、垂直穴
（１６）の底部から半導体基板（１１）をエッチングし
ていくことにより、半導体基板（１１）に空洞部（１
４）を形成することを特徴としている。

【０００８】本発明によれば、Ｐ層であるＰ型の半導体
基板（１１）とＮ層であるＮ型の半導体層（１２）との
接合界面が露出する垂直穴（１６）の側壁面、および半
導体層（１２）の表面を、絶縁性の保護膜（１３、１
７）で保護するため、エッチング液に露出する層をＰ層
のみとできる。そのため、半導体層（１２）に正電圧を
印加した際に、両層の接合界面からの電流リークを防止
することができる。

【０００９】これにより、Ｐ層にて確実に異方性エッチ
ングが進み、Ｎ層にて確実にエッチングが止まる。ま
た、請求項２記載の発明は、請求項１記載の製造方法に
おける垂直穴（１６）及び保護膜（１３、１７）を形成
する具体的手段を提供するものであるが、垂直穴（１
６）の形成に用いる第１酸化膜（１３）と垂直穴（１
６）の内面に形成される第２酸化膜（１７）とを利用し
て、保護膜（１３、１７）を形成することを特徴として
いる。

【００１０】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。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。本実施形態は本発明を、ダイヤフラ
ムを可動部とした半導体圧力センサに適用したものとし
て説明する。図１に、本発明を用いて製造された半導体
圧力センサ１の平面構成を示し、図２に、図１中のＡ−
Ａ（１点鎖線）断面構成を示す。

【００１２】図２に示す様に、基板１０は、結晶方位が
（１００）であるＰ型（１００）シリコン基板（半導体
基板）１１上にＮ型エピタキシャル層（半導体層）１
２、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）等からなる絶縁性の酸化
膜１３が形成された構造になっている。Ｐ型シリコン基
板１１の内部には空洞部１４が形成されており、基板１
０において空洞部１４よりも上側の部位は、可動部とし
てのダイヤフラム１５として構成されている。

【００１３】また、空洞部１４は屈曲部１４ａを有し、
この屈曲部１４ａは、図２に示す様に、ダイヤフラム１
５の直下部分よりも基板１０の平面方向（図２の左右方
向）に広がる方向に位置する。ダイヤフラム１５は、主
として酸化膜１３及びＮ型エピタキシャル層１２からな
り、Ｎ型エピタキシャル層１２の下側に、Ｐ型シリコン
基板１１の一部が僅かに薄い層として形成されている。

【００１４】このダイヤフラム１５には、Ｎ型エピタキ
シャル層１２の表面から基板１に垂直方向に空洞部１４
に至る穴としての垂直穴１６が形成されており、垂直穴
１６の側壁面の全域には、酸化シリコン等からなる絶縁
性の酸化膜１７で被覆されている。本実施形態では、こ
の垂直穴１６の側壁面の酸化膜１７及び上記Ｎ型エピタ
キシャル層１２の表面の酸化膜１３が、保護膜を構成し
ている。

【００１５】また、この垂直穴１６には、ポリシリコン
等からなる封止膜１８が充填され、垂直穴１６を閉塞し
ている。こうして密封された空洞部１４は、真空となっ
ている。ここで、図１は、これら空洞部１４、ダイヤフ
ラム１５及び垂直穴１６の平面構成を示しており、封止
膜１８は省略してある。図１において基板１０の内周に
位置する四角形状の破線Ｈ１は空洞部１４の屈曲部１４
ａの位置を示し、破線Ｈ１の内側に位置する四角形状の
破線Ｈ２はダイヤフラム１５の外縁を示す。

【００１６】図１に示す様に、本例では空洞部１４の屈
曲部１４ａおよびダイヤフラム１５は、平面形状が略四
角形をなす。また、垂直穴１６は、ダイヤフラム１５の
外縁四隅と四角形の略中心との５箇所形成されている。
これら、空洞部１４、ダイヤフラム１５、及び垂直穴１
６の位置関係は、後述の圧力センサ１の製造方法から規
定される。

【００１７】また、図１に示す様に、ダイヤフラム１５
の外縁四角形の各辺には、辺を跨いで４個のゲージ抵抗
（感圧素子）１９が形成されており、Ｎ型エピタキシャ
ル層１２の表面に、ボロン等をイオン注入する等により
形成されている。各ゲージ抵抗１９は、図示しない電気
配線によってブリッジ回路（ホイーストンブリッジ）を
構成し、図示しない外部回路に接続されている。

【００１８】そして、本圧力センサ１は、空洞部１４を
真空の基準圧力室とし、ダイヤフラム１５を可動部とし
て、次のように作動する。すなわち、ダイヤフラム１５
が外部から気体や液体等によって受圧すると、ダイヤフ
ラム１５にひずみが発生して可動（変形）する。この変
形によってゲージ抵抗１９も変形し、その抵抗値が変化
し、上記ブリッジ回路にかかる電圧や電流も変化する。
このように圧力は、それに応じた電気信号として検出さ
れる。

【００１９】次に、上記構成に基づき、本実施形態の製
造方法を述べる。図３及び図４は、本圧力センサ１の製
造工程を説明する工程図である。まず、Ｐ型（１００）
シリコン基板１１上にＮ型エピタキシャル層１２を５〜
数十μｍの厚さに形成したウエハ２０を用意する（ウエ
ハ用意工程）。このＮ型エピタキシャル層１２の厚さ
は、最終的に形成されるダイヤフラム１５の厚さにほぼ
対応する。また、図示しないが、予め、感圧素子となる
ゲージ抵抗１９をボロンのイオン注入により形成してお
く（感圧素子形成工程）。

【００２０】次に、このウエハ２０に対し、後述の電気
化学エッチングを行なうための配線を構成する。具体的
には、熱酸化又はＣＶＤ（ケミカルベーパデポジショ
ン）により、Ｎ型エピタキシャル層１２の表面にエッチ
ング配線形成用酸化膜（図示せず）を形成し、例えばウ
エハ２０の周縁部（ダイヤフラム１５の非形成領域）に
て該酸化膜を一部除去する。この除去部分にて、アルミ
ニウム等の電極材料を用いて、Ｎ型エピタキシャル層１
２と導通するようにエッチング用配線を形成する（エッ
チング用配線形成工程）。

【００２１】続いて、図３（ａ）〜（ｃ）に示す垂直穴
形成工程を行なう。まず、上記エッチング配線形成用酸
化膜（図示せず）の上に、熱酸化又はＣＶＤにより、酸
化シリコンからなる絶縁性の酸化膜（第１酸化膜）１３
を１μｍ程度形成する（図３（ａ））。その後、ホトエ
ッチングにより、垂直穴１６を形成すべき領域に位置す
る上記エッチング配線形成用酸化膜及び酸化膜１３を、
同時に除去する（図３（ｂ））。次に、穴開けされた上
記エッチング配線形成用酸化膜及び酸化膜１３をマスク
にして、その下のウエハ２０にＲＩＥ（反応性イオンエ
ッチング）により、ウエハ２０平面と垂直方向に穴開け
加工を行い、垂直穴１６を形成する（図３（ｃ））。

【００２２】ここで、垂直穴１６における穴の深さは、
Ｎ型エピタキシャル層１２の厚さよりも数μｍ程度深く
する必要がある。その理由は、後ほど電気化学エッチン
グを行なう際、Ｎ型エピタキシャル層１２からＰ型シリ
コン基板１１側へ逆バイアスによる空乏層がのびること
により、Ｎ型エピタキシャル層１２よりも１μｍ程度深
いところでエッチングが止まるため、これよりも深く垂
直穴１６を形成しないとＰ型シリコン基板１１のエッチ
ングが進まないからである。

【００２３】上記垂直穴形成工程の後、図４（ａ）及び
（ｂ）に示す保護膜形成工程を行なう。まず、ウエハ２
０における垂直穴１６が形成された側の面に、再度熱酸
化またはＣＶＤにより酸化膜（第２酸化膜）１７を形成
する。この酸化膜１７の膜厚は、０．１〜１μｍ程度あ
ればよい。これにより、ウエハ２０表面（酸化膜１３の
表面）及び垂直穴１６の側壁面及び底部に、酸化膜１７
が形成される（図４（ａ））。

【００２４】その後、ＣＨＦ₃ガス等を用いたドライエ
ッチング（ＲＩＥ）により、ウエハ２０平面と垂直方向
のエッチングを行なうと、垂直穴１６の側壁面を除く、
ウエハ２０表面及び垂直穴１６の底部に位置する酸化膜
１７がエッチングされ除去される。ここで、ウエハ２０
表面には予め酸化膜（第１酸化膜）１３が１μｍ程度形
成してあるので、垂直穴１６の底部の酸化膜（第２酸化
膜）１７のみがエッチオフされる段階でエッチングを終
了するようにする。すると、ウエハ２０表面に酸化膜
（第１酸化膜）１３が残り、垂直穴１６の側壁面に酸化
膜（第２酸化膜）１７が残り、保護膜が形成される（図
４（ｂ））。

【００２５】なお、上述のようにエッチング時間の調整
により、第２酸化膜１７の厚み分だけ酸化膜を除去する
ことで、ウエハ２０表面には第１酸化膜１３が残るが、
第２酸化膜１７の厚みが、ウエハ２０表面の方が垂直穴
１６の底部よりも多少厚く不均一になっている場合、ウ
エハ２０表面の第１酸化膜１３上に多少第２酸化膜１７
が残ってもよい。

【００２６】この後、図４（ｃ）に示す様に、更にドラ
イエッチングにより、垂直穴１６の底部からＰ型シリコ
ン基板１１をエッチングする（Ｓｉトレンチエッチング
工程）。本工程では、酸化膜がマスクとなるので、垂直
穴１６の底部のみがウエハ２０平面と垂直方向にエッチ
ングされる。このときのエッチング深さは、数μｍ〜数
十μｍ程度とする。この深さは、後に電気化学エッチン
グを行なう際に、後述の図４（ｄ）に示す様に、垂直穴
１６の底部で、Ｓｉ異方性エッチングが進み、ウエハ２
０平面方向（図４（ｄ）にて横方向）にエッチングが拡
がり、隣接する垂直穴１６同士がつながるのに必要な深
さがあればよい。

【００２７】次に、図示しないが、ホトエッチング等に
より、上記エッチング用配線の上にある酸化膜１３を除
去し、上記エッチング用配線を外部に露出させる。続い
て、図４（ｄ）に示す空洞部形成工程を行なう。本工程
は、電気化学エッチング（電気化学ストップエッチン
グ）により、垂直穴１６の底部からＰ型半導体基板１１
をエッチングしていくことにより、空洞部１４を形成
し、ダイヤフラム１５を形成するものである。

【００２８】具体的には、図５に示す様に、ウエハ２０
の表面に形成された上記エッチング用配線２１にＰｔ
（白金）からなる対抗電極３０を電気的に接続し、ウエ
ハ２０の裏面側を、ウエハ支持治具（例えばセラミック
基板）３１に接触させてワックス３２にて貼り付け固定
する。この状態でＫＯＨ（水酸化カリウム）等のアルカ
リ溶液（エッチング液）３３中に浸漬し、Ｎ型エピタキ
シャル層１２に１〜１０Ｖ程度の電圧（正電圧）を与
え、対抗電極３０を０Ｖに設定して電気化学エッチング
を行なう。

【００２９】すると、垂直穴１６の底部からＰ型シリコ
ン基板１１がエッチングされ、異方性エッチングにより
横方向（ウエハ２０平面方向）にエッチングが拡がる。
その様子を図１を用いて模式的に述べると、エッチング
は、各垂直穴１６を中心に、図１の各２点鎖線Ｔ１に示
す様に、Ｐ型シリコン基板１１内に空洞が拡がり、各空
洞を介して隣接する垂直穴１６同士がつながる。

【００３０】そして、空洞がつながった部分から、更
に、エッチングは拡がり、最終的にＰ型シリコン基板１
１の（１１１）面が出たところで止まる。また、上方向
（ウエハ２０平面と垂直方向）についてみると、Ｎ型エ
ピタキシャル層１２に正電圧が印加されているため、Ｐ
型シリコン基板１１側に逆バイアスによる空乏層４０が
延びており、表面電位が陽極酸化電位になる位置でエッ
チングは止まる。

【００３１】その結果、図４（ｄ）に示す様に、Ｎ型エ
ピタキシャル層１２をダイヤフラム１５とする屈曲部１
４ａを有する空洞部１４が形成される。次に、図示しな
いが、ウエハ２０の表面に、ＬＰ−ＣＶＤ等により、ポ
リシリコン等からなる薄膜を成長させた後、不要部分を
ホトエッチング等により除去することで、垂直穴１６を
封止する封止膜１８が形成され、且つ、空洞部１４内は
真空に密封される。こうして、圧力センサ１が出来上が
る。

【００３２】ところで、本実施形態によれば、垂直穴１
６部分からウエハを電気化学エッチングする際に、Ｐ層
としてのＰ型シリコン基板１１とＮ層としてのＮ型エピ
タキシャル層１２との接合界面が露出する垂直穴１６の
側壁面及びＮ型エピタキシャル層１２の表面を、絶縁性
の酸化膜１３、１７で保護しているため、エッチング液
に露出する層をＰ層のみとできる。

【００３３】それによって、Ｎ型エピタキシャル層１２
に正電圧を印加した際に、両層の接合界面からの電流リ
ークを防止することができるため、Ｐ層にて確実に異方
性エッチングが進み、Ｎ層にて確実にエッチングが止ま
る。（他の実施形態）なお、上記第１酸化膜と第２酸化膜と
は、異なる材料であってもよい。例えば、どちらか一方
を酸化シリコン、他方を窒化シリコン（ＳｉＮ）とする
ことができる。

【００３４】また、可能であるならば、第１酸化膜をマ
スクとせず、別体のマスク部材を用いて垂直穴を形成
し、垂直穴形成後、ウエハ表面（Ｎ型エピタキシャル層
１２の表面）、垂直穴の側壁面及び底部に、同時に酸化
膜を形成し、マスク部材等を用いて垂直穴の底部のみを
選択的にエッチングする等により、保護膜を形成しても
よい。

【００３５】また、本発明は、上記した半導体圧力セン
サ以外にも、上記先願に記載されているような梁構造体
を可動部とした加速度センサ等にも適用できる。なお、
加速度センサの用途では、垂直穴はトレンチ（溝）形状
となる。要するに、Ｐ型の半導体基板上にＮ型の半導体
層を有するウエハにおける上記半導体層の下部に位置す
る上記半導体基板に空洞部を形成することにより、上記
ウエハのうち上記空洞部よりも上側の部位に可動部を形
成し、該可動部の可動状態に基づいて力学量（圧力、加
速度、振動、歪み、角速度等）を検出するようにした半
導体力学量センサに、本発明を適用可能である。

【００３６】そして、本発明の製造方法で製造された半
導体力学量センサは、上記適用可能な半導体力学量セン
サにおいて、可動部には半導体層の外側から空洞部に連
通する垂直穴もしくはトレンチが形成され、この垂直穴
もしくはトレンチの側壁面及び上記半導体層の表面に
は、絶縁性の保護膜が形成されていることを特徴とす
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を用いて製造された半導体圧力センサの
平面構成を示す図である。

【図２】図１中のＡ−Ａ断面構成を示す図である。

【図３】図１、図２に示す半導体圧力センサの製造方法
を示す工程図である。

【図４】図３に続く製造工程を示す工程図である。

【図５】電気化学エッチングを行なう工程を説明する説
明図である。

【符号の説明】

１１…Ｐ型（１００）シリコン基板、１２…Ｎ型エピタ
キシャル層、１３、１７…酸化膜、１４…空洞部、１５
…ダイヤフラム、１６…垂直穴、２０…ウエハ。

フロントページの続きＦターム(参考） 2F055 AA40 BB01 CC02 DD05 EE14 FF43 GG01 GG15 4M112 AA01 BA01 CA05 CA16 DA03 DA04 FA11 5F043 AA02 BB02 DD14 DD15 EE14 FF01 FF10 GG06 GG10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｐ型の半導体基板（１１）上にＮ型の半
導体層（１２）を有するウエハ（２０）における前記半
導体層（１２）の下部に位置する前記半導体基板（１
１）に空洞部（１４）を形成することにより、前記ウエ
ハ（２０）のうち前記空洞部（１４）よりも上側の部位
に可動部（１５）を形成し、該可動部（１５）の可動状
態に基づいて力学量を検出するようにした半導体力学量
センサを製造する方法であって、前記ウエハ（２０）を用意するウエハ用意工程と、前記ウエハ（２０）の前記半導体層（１２）の表面から
前記半導体基板（１１）に至る垂直穴（１６）を形成す
る垂直穴形成工程と、前記半導体層（１２）の表面および前記垂直穴（１６）
の側壁面に絶縁性の保護膜（１３、１７）を形成する保
護膜形成工程と、前記半導体層（１２）に正電圧を印加して電気化学エッ
チングを行い、前記垂直穴（１６）の底部から前記半導
体基板（１１）をエッチングしていくことにより、前記
空洞部（１４）を形成する空洞部形成工程と、を有する
ことを特徴とする半導体力学量センサの製造方法。
【請求項２】前記垂直穴形成工程において、前記半導
体層（１２）の表面を第１酸化膜（１３）で被覆し、前
記第１酸化膜（１３）のうち前記垂直穴（１６）の形成
領域となる部分をエッチングにより除去した後、前記第
１酸化膜（１３）をマスクとしてＲＩＥにより、前記ウ
エハ（２０）平面と垂直方向に前記垂直穴（１６）を形
成し、続いて、前記保護膜形成工程において、熱酸化もしくは
ＣＶＤにより、前記第１酸化膜（１３）の表面と前記垂
直穴（１６）の側壁面及び底部に第２酸化膜（１７）を
形成した後、前記ウエハ（２０）平面と垂直方向にＲＩＥを行い、前
記第１酸化膜（１３）の表面及び前記垂直穴（１６）の
底部に形成された前記第２酸化膜（１７）を除去すると
ともに、前記半導体層（１２）の表面に前記第１酸化膜
（１３）、前記垂直穴（１６）の側壁面に前記第２酸化
膜（１７）を残すことにより、前記保護膜（１３、１
７）を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導
体力学量センサの製造方法。