JP2000164890A - 半導体力学量センサおよびその製造方法 - Google Patents

半導体力学量センサおよびその製造方法

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JP2000164890A
JP2000164890A JP10337929A JP33792998A JP2000164890A JP 2000164890 A JP2000164890 A JP 2000164890A JP 10337929 A JP10337929 A JP 10337929A JP 33792998 A JP33792998 A JP 33792998A JP 2000164890 A JP2000164890 A JP 2000164890A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 SOIウェハを用いて絶縁膜をエッチングす
ることにより、梁構造体を形成してなる半導体力学量セ
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。 【解決手段】 半導体センサは、2枚の単結晶シリコン
からなる第1の基板60及び第2の基板62の間に絶縁
膜としての酸化膜61が挟まれてなるSOIウェハ63
を用意し、第2の基板62に可動部としての梁構造体2
Aと固定部2Bとを画定するための画定溝64を形成
し、梁構造体2Aの下の酸化膜61をエッチングにより
除去してなる。ここにおいて、梁構造体2Aは、第2の
基板62の表面から酸化膜61を貫通する溝66に耐エ
ッチング性を有するポリシリコン膜68及びシリコン窒
化膜67を埋め込むことにより埋め込み部として形成さ
れたアンカー部3a〜3dによって、第1の基板60に
支持固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はSOI(Silic
on On Insulator)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〜1
5d)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(2
A)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(6
1)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〜10
d、12a〜12d、14a〜14d、16a〜16
d)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(3
7)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(12
3)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(8
3a〜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。
【0014】また、請求項7記載の発明では、第2の基
板(82)の表面から絶縁膜(97)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(128)によって、第1の基板(81)の電位を梁
構造体(82A)を有する第2の基板(82)上に取り
出し可能としたことを特徴としており、第1及び第2の
基板(81、82)を同電位とできるから、両基板の間
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
着を防止することができる。
【0015】また、請求項8及び請求項9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10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11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】また、請求項12記載の発明においては、
請求項7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。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、7
b、7c、7dが突出している。この可動電極7a〜7
d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9
a、9b、9c、9dおよび第2の固定電極11a、1
1b、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10
a、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12
a、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〜8
d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〜1
6d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3
5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3
8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〜13
d、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4
4c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、4
4c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)6
0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(Silicon On
Insulator)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2
A、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6
2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、2
9a〜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、1
2a〜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〜1
5d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、14
a〜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、83
d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、90
c、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、92
b、92c、92dにより支持されており、梁構造体8
2A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96
b、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8
9a〜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〜89
dとの間に第1のコンデンサが形成され、梁構造体82
A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)1
01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10
0、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〜90
d、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10
1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、10
6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、91
a〜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1
12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11
5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11
8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、91
a〜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11
5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〜92
d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8
2A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)1
21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、9
2a〜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、SO
I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。
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1
28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、11
3、122…単結晶シリコン(第2の基板)、37、6
2、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)、6
3、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〜3
d、10a〜10d、12a〜12d、14a〜14
d、16a〜16d…アンカー部(埋め込み部)、6
4、108、118…画定溝、65…犠牲層薄膜、6
6、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)。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコンからなる第1の基板と、前記第
    1の基板の上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に
    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、 可動部としての梁構造体と固定部とを画定するために前
    記第2の基板に形成された画定溝を介し、前記梁構造体
    の下の前記絶縁膜をエッチングにより除去して、前記梁
    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
    学量センサにおいて、 前記梁構造体は、前記第2の基板の表面から前記絶縁膜
    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によって、前記第1の
    基板に支持固定されていることを特徴とする半導体力学
    量センサ。
  2. 【請求項2】 前記固定部の少なくとも一部は、前記梁
    構造体に対向配置された固定電極を形成しており、この
    固定電極は、前記梁構造体を支持固定する前記埋め込み
    部とは別体のものであって前記第2の基板の表面から前
    記絶縁膜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によって、前
    記第1の基板に支持固定されてい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。
  3. 【請求項3】 前記耐エッチング性を有する材料はポリ
    シリコンであることを特徴とする請求項1または2に記
    載の半導体力学量センサ。
  4. 【請求項4】 前記絶縁膜はシリコン酸化膜からなるこ
    とを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載
    の半導体力学量センサ。
  5. 【請求項5】 前記絶縁膜は、前記第1の基板の上に、
    シリコン窒化膜、シリコン酸化膜が順次形成されたもの
    であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1
    つに記載の半導体力学量センサ。
  6. 【請求項6】 前記第1の基板はP型不純物がドープさ
    れた基板であり、前記埋め込み部における前記耐エッチ
    ング性を有する材料はN型不純物がドープされたもので
    あり、 前記第1の基板と前記埋め込み部とは、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
    徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の半導
    体力学量センサ。
  7. 【請求項7】 シリコンからなる第1の基板と、前記第
    1の基板の上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に
    薄膜状に形成されたシリコンからなる第2の基板とを備
    え、 前記第2の基板に力学量により変位する梁構造体を形成
    してなる半導体力学量センサにおいて、 前記第2の基板の表面から前記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、前記第1の基板の電位を前記第2の基板上
    に取り出し可能としたことを特徴とする半導体力学量セ
    ンサ。
  8. 【請求項8】 請求項1に記載の半導体力学量センサを
    製造する方法であって、 前記第1の基板と前記絶縁膜と前記第2の基板とから構
    成されたSOIウェハを用意する工程と、 前記第2の基板に前記画定溝を形成する工程と、 この画定溝を埋めるように前記第2の基板上に犠牲層薄
    膜を形成する工程と、 前記埋め込み部を形成するための埋め込み溝を、前記犠
    牲層薄膜、前記第2の基板及び前記絶縁膜に形成する工
    程と、 前記埋め込み溝を埋めるように前記第2の基板上に、耐
    エッチング性を有する材料からなる耐エッチング膜を形
    成する工程と、 前記犠牲層薄膜及び前記絶縁膜をエッチングにより除去
    して前記第2の基板に前記梁構造体を形成する工程と、
    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。
  9. 【請求項9】 請求項1に記載の半導体力学量センサを
    製造する方法であって、 前記第1の基板と前記絶縁膜と前記第2の基板とから構
    成されたSOIウェハを用意する工程と、 前記埋め込み部を形成するための埋め込み溝を、前記第
    2の基板及び前記絶縁膜に形成する工程と、 前記埋め込み溝を埋めるように前記第2の基板上に、耐
    エッチング性を有する材料からなる耐エッチング膜を形
    成する工程と、 前記第2の基板に前記画定溝を形成する工程と、 前記絶縁膜をエッチングにより除去して前記第2の基板
    に前記梁構造体を形成する工程と、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。
  10. 【請求項10】 前記SOIウェハとして、前記第1の
    基板の上に、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、前記第
    2の基板が順次積層されたものを用意することを特徴と
    する請求項8または9に記載の半導体力学量センサの製
    造方法。
  11. 【請求項11】 前記第1の基板にP型の不純物をドー
    プする工程と、 前記耐エッチング膜にN型の不純物をドープする工程
    と、を有することを特徴とする請求項8または9に記載
    の半導体力学量センサの製造方法。
  12. 【請求項12】 請求項7に記載の半導体力学量センサ
    を製造する方法であって、 前記第1の基板上に前記絶縁膜、前記第2の基板からな
    るSOIウェハを用意する工程と、 前記溝を、前記絶縁膜及び前記第2の基板に形成する工
    程と、 前記溝を埋めるように前記第2の基板上に導電性を有す
    る材料からなる導電膜を形成する工程と、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。
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