JP2002190608A - 半導体力学量センサ及びその製造方法 - Google Patents
半導体力学量センサ及びその製造方法Info
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Abstract
の製造方法を提供する。 【解決手段】 SOI基板1を用意し、活性層1aのう
ち構造体3となる部位において、活性層1aの表面から
酸化膜1bまで達する溝4を形成する。そして、支持層
1c、酸化膜1b及び応力層1dを除去することにより
開口部2を形成して構造体3を形成する。この開口部2
において応力層1dは厚さt0.4μm以上除去されて
いる。この際、酸化膜1bを除去する場合のエッチング
条件と応力層1dを除去する場合のエッチング条件を変
える。
Description
位する構造体を用いた加速度センサや角速度センサ等の
半導体力学量センサ及びその製造方法に関する。
る半導体力学量センサは、SOI基板等の貼り合わせ基
板を用いてマイクロマシニングにより製造している。図
5は、従来の半導体力学量センサ100を示す概略断面
図である。図5に示すように、第1の半導体基板111
と第2の半導体基板112との間に酸化膜113が積層
された貼り合わせ基板110を有し、第1の半導体基板
111には構造体101が形成されている。
酸化膜113及び第2の半導体基板112がエッチング
除去されて開口部102となっており、構造体101は
例えばダイヤフラム構造となっている。なお、センサの
種類によっては構造体101が片持ち梁構造となる場合
もある。
り合わせ基板110を用意し、第1の半導体基板111
の表面に回路等を作製した後、第2の半導体基板112
の所望の領域をエッチング除去して開口部102を形成
する。そして、第2の半導体基板112の開口部に合わ
せて酸化膜113を除去することにより、開口部上の第
1の半導体基板111が構造体101となる。
貼り合わせ基板を用いるのは、微細な構造体101を作
る過程で酸化膜113をエッチング除去する犠牲層とし
て利用し、非常に微細で且つ狭いギャップを持つ構造体
101を作製したり、構造体101の厚さを正確に制御
したりすることができるためである。
量が加わった場合、ダイヤフラム構造や片持ち梁構造に
なっている構造体101が微小に歪んだり移動したりし
て力学量を検出することができるようになっている。そ
して、半導体力学量センサ100では、より高精度に力
学量を検出するために構造体101のより微小な変位を
検出することが求められている。
半導体力学量センサ100の高精度化は達成できていな
い。図6は、構造体101が片持ち梁構造となっている
従来の半導体力学量センサ100の概略断面図である。
図6に示すように、構造体101が開口部102とは反
対側に持ち上がるように反っている。
がセンサに加わった際の構造体101における固定電極
と可動電極との距離の変化による容量の変化を検出して
加速度を測定する。そのため、構造体101が反ってし
まうと固定電極と可動電極を適切に対向させることが困
難になり、感度良く加速度の検出を行うことができな
い。
て、発明者らは構造体101のうちの開口部102側に
面している面(以下、裏面とする)に応力層114が形
成されているためではないかと考えた。この応力層11
4は、第1及び第2の半導体基板111、112と酸化
膜113とを貼り合わせる工程等において、酸化膜11
3から第1の半導体基板111に酸素が拡散することに
より形成されるものと思われる。そして、応力層114
では酸素の拡散により格子歪みが発生しているものと考
えられる。
半導体力学量センサに限らず、ダイヤフラム構造である
圧力センサ等でも、この応力層の存在が問題となる。何
故なら、近年の半導体装置の微細化により圧力センサの
サイズが小さくなってきているため、より小さな歪みを
検出して圧力を測定する必要があるが、上述のような応
力層114が存在することにより正確な歪みを測定し難
くなってしまうためである。
させた半導体力学量センサ及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。
半導体力学量センサ100の高感度化を阻害する要因
が、構造体101の裏面に形成されている応力層114
であることを確認した。以下に、その方法と結果を示
す。半導体力学量センサ100の一例として、片持ち梁
を有する半導体力学量センサを用意し、構造体101の
裏面をエッチング除去し、その際の構造体101の反り
量を測定した。
0は、図6を参照すると、梁の長さLが5.2mmであ
り第1の半導体基板111の厚さsが15μmであるも
のである。そして、構造体101の裏面をエッチング量
を変えて除去した場合の構造体101の反り量δを測定
した。この構造体101の反り量δとは、第1の半導体
基板111の法線方向における第1の半導体基板111
の表面と反った構造体101の先端部との差である。
ように、0.2μmエッチングすると反り量δが低減
し、更にエッチング量を多くするに連れ反り量δが減少
した。そして、エッチング量が0.4μm以上になると
反り量δ低減効果が大きく現われ、高感度の半導体力学
量センサを得るのに十分な程度の小さな反り量δになっ
た。従って、応力層114を低減すれば高感度の半導体
力学量センサを得ることができることが判った。
含まれる酸素に起因して形成されるものであることを確
かめるために、酸化膜113と第1の半導体基板111
とを貼り合わせた後、酸化膜113を除去し、酸化膜1
13と第1の半導体基板111との界面であった面から
徐々に第1の半導体基板111を削り取りながら基板中
に含まれる酸素を測定した。
る酸化膜113との界面において最も酸素濃度が高く、
第1の半導体基板111の内部に行くに連れて酸素濃度
が小さくなることが判った。また、エッチング量に対す
る酸素濃度の依存性も、上述の図7に示したエッチング
量に対する反り量の依存性と同様であり、酸素濃度の大
きさに略比例して反り量が大きくなることが判った。従
って、第1の半導体基板111のうち酸素が含まれてい
る応力層114を除去することにより構造体101の反
り量δを低減できると考えた。
の半導体基板(1a)と第2の半導体基板(1c)とを
酸化膜(1b)を介して貼り合わせてなる貼り合わせ基
板(1)を用意し、第1の半導体基板を残して第2の半
導体基板と酸化膜とを除去することにより開口部(2)
を形成して、第1の半導体基板のうち開口部に対応する
領域に構造体(3)を形成する半導体力学量センサの製
造方法において、酸化膜を除去した後に、第1の半導体
基板のうち開口部に面し酸素が含まれている領域(1
d)を除去することを特徴としている。
する要因である開口部に面する第1の半導体基板におけ
る酸素が含まれている領域を除去するようにしており、
感度を向上させた半導体力学量センサの製造方法を提供
することができる。
1の発明において、酸素が含まれている領域を厚さ0.
2μm以上除去することを特徴としている。
深さは、半導体力学量センサの寸法には関係なく、第1
の半導体基板と酸化膜とを貼り合わせる際の条件等に依
存する。従って、上記図7に示した測定結果に基づい
て、本発明のように酸素が含まれている領域を0.2μ
m以上除去することにより、半導体力学量センサの感度
を向上させることができる。
素が含まれている領域を厚さ0.4μm以上除去するこ
とにより、更に確実に半導体力学量センサの感度を向上
させることができる。
求項1〜3の発明において、酸化膜の除去と酸素が含ま
れている領域の除去とを異なる条件でエッチングすると
好適である。
含まれている領域の除去は、請求項5に記載の発明のよ
うに、ドライエッチングによっても行うことができる。
求項1〜5の発明の半導体力学量センサの製造方法を角
速度センサに適用すると好適である。
板(1a)と第2の半導体基板(1c)とを酸化膜(1
b)を介して貼り合わせてなる貼り合わせ基板(1)
と、第1の半導体基板を残して第2の半導体基板と酸化
膜とを除去することにより形成した開口部(2)と、第
1の半導体基板のうち開口部に対応する領域に形成した
構造体(3)とを有する半導体力学量センサにおいて、
構造体は第1の半導体基板のうち開口部に面し酸素が含
まれている領域(1d)が除去されてなることを特徴と
している。
向上させた半導体力学量センサを提供することができ
る。
に記載の発明では、酸素が含まれている領域が厚さ0.
2μm以上除去されていることを特徴としており、請求
項9に記載の発明では、0.4μm以上除去されている
ことを特徴としている。
同様の効果を発揮することができる。
ば、請求項10に記載の発明のように角速度センサを適
用することができる。
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。
図に示す実施形態について説明する。図1は、本発明の
半導体力学量センサとしての加速度センサ10の一実施
形態を示す模式的な断面図である。
第1の半導体基板としての活性層1aと第2の半導体基
板としての支持層1cとが酸化膜1bを介して貼り合わ
された貼り合わせ基板1から構成されている。この活性
層1aと支持層1cはSi(シリコン)からなり、酸化
膜1bはシリコン酸化膜からなり、貼り合わせ基板はS
OI(シリコンオンインシュレータ)基板1となってい
る。
性層1aとの間に応力層1dが形成されている。この応
力層1dは活性層1aのうち酸素が含まれている領域で
あり、SOI基板1を作製するとき等において酸化膜1
bから活性層1aに酸素が拡散することにより形成され
ると考えられる。この応力層1dにおいては酸素の拡散
により結晶格子に歪み(格子歪み)が生じているものと
思われる。
開口部2が形成されており、活性層1aの裏面(開口部
側の面)が露出している。そして、活性層1aの裏面の
うち開口部2に面して露出した部位の応力層1dが除去
されている。
が厚さt0.2μm以上除去されている。この厚さtと
は、開口部2における活性層1aと酸化膜1bとの界面
を延長した面から活性層1aまでの距離である。そし
て、活性層1aのうち開口部2に対応する位置において
構造体3が形成されている。
d)を厚さt0.2μm以上除去することにより、図7
を参照して上述したように、構造体3の反り量を低減さ
せることができる。また、望ましくは、応力層1dを厚
さt0.4μm以上除去することにより、確実に構造体
3の反り量を低減することができる。
口部2とは反対側の面)から開口部2に達するまで溝4
が形成されており、図示していないが、この溝4により
一端が活性層1aに支持された片持ち梁構造の固定電極
部と可動電極部とが形成されている。また、活性層1a
の表面には図示しない回路が形成され、回路の所定位置
に例えばアルミニウム等により電極パッド5が形成され
ている。
っては、加速度センサ10が加速度を受けると、可動電
極部の検出面と固定電極部の検出面との間の距離が変位
する。可動電極部と固定電極部とによってコンデンサが
形成されているため、このコンデンサの静電容量は、可
動電極部に加速度が作用した時の可動電極部の変位に応
じて変化する。この様な静電容量の変化を電極パッド5
を通じて取り出すことにより加速度を検出することがで
きる。
る加速度センサの製造方法を説明する。図2に、上記の
ような加速度センサ10の製造工程を模式的な断面図と
して示す。
1を用意する。このSOI基板1は、単結晶シリコンウ
ェハである支持層1c上に犠牲層としてのシリコン酸化
膜1bを介して単結晶シリコン薄膜である活性層1aを
設けた構造となっている。
00)に設定されたもので、少なくとも300μm程度
以上の厚さ寸法を備えた低不純物濃度のものを使用する
ことができる。また、活性層1aも、表面の面方位が
(100)のもので、例えば1μm前後の膜厚に設定さ
れている。また、この活性層1aには、その抵抗率を下
げ、且つ上記電極パッド5との間でオーミックコンタク
トを取るために、例えばリンを高濃度(1×1019/c
m3 程度以上)に拡散した状態としている。
程を実行する。この工程では、活性層1a上の全面にア
ルミニウムを例えば1μm程度の膜厚となるように蒸着
した後に、そのアルミニウム膜をフォトリソグラフィ技
術及びエッチング技術を利用してパターニングすること
により電極パッド5を形成する。なお、この電極パッド
形成工程では、電極パッド5のオーミックコンタクトを
得るための周知の熱処理(シンタ)を必要に応じて行
う。
工程を実行する。この工程では、支持層1cの裏面(酸
化膜1bと反対側の面)側に切削・研磨加工を施すこと
によって、支持層1cの厚さ寸法が例えば300μmと
なるように調整し、その加工面に鏡面仕上げを施す。
実行する。この工程では、支持層1cの裏面(鏡面加工
面)の全面に、シリコン窒化膜を例えばプラズマCVD
法によって0.5μm程度の膜厚となるように堆積した
後、そのシリコン窒化膜をフォトリソグラフィ技術及び
エッチング技術を利用してパターニングすることによ
り、開口部2をエッチングによって形成する際のマスク
11を形成する。
形成工程を実行する。この工程では、活性層1a及び電
極パッド5上にドライエッチ耐性があるレジスト(図示
せず)をマスクとして形成し、ドライエッチング装置に
より異方性ドライエッチングを実行することにより、活
性層1a中に酸化膜1bに達する溝4を形成する。
ッチング工程を実行する。この第1のエッチング工程で
は、支持層1cを、マスク11を使用し且つ例えばKO
H水溶液を利用して裏面(酸化膜1bと反対側の面)側
から選択エッチングする。その結果、酸化膜1bの裏面
(活性層1aと反対側の面)が露出し、開口部2の一部
が形成される。その後、マスクを除去する。
第1のエッチング工程の実行前には、SOI基板1の表
面側をレジストにより覆っておくものであり、このレジ
ストは、例えば第1のエッチング工程終了後に除去する
ようにしている。
グ工程(リリース工程)を実行する。この第2のエッチ
ング工程では酸化膜1bをエッチングにより除去する。
この際のエッチングガスとしては水素を含むCHF3を
用いることができる。このような第2のエッチング工程
を行うことにより、開口部2が形成されるとともに、可
動電極部や固定電極部がリリースされた状態となる。但
し、この状態では、開口部2に面する構造体3の裏面に
応力層1dが形成されている。
グ工程を実行する。この第3のエッチング工程では、開
口部2側からエッチングを行うことにより応力層1dを
除去する。この第3のエッチング工程は、第2のエッチ
ング工程とは異なる条件で行い、例えば、エッチングガ
スとしてCF4+O2を用いて、SiとSiO2(酸化
膜)の選択比を大きくするようにO2分圧を調節したド
ライエッチングを行う。従って、第2のエッチングであ
る酸化膜1bの除去の延長で開口部2に面する活性層1
aの裏面をエッチングするのではなく、意図的に応力層
1dをエッチングする。
ングレート等に基づいて求めておいたエッチング時間を
管理して所望の寸法をエッチングできるようにする。こ
の様にして、開口部2上に構造体3が形成される。
の実行後に、構造体3を超純水等の液体に浸漬してエッ
チング液を十分に置換させ、常温で乾燥蒸発させる蒸発
工程を行う。最後に、SOI基板1を所定のセンサチッ
プ形状に切断するというダイシング工程を行うことによ
り、半導体加速度センサ10を完成させる。
面する活性層1aの裏面側をエッチングして応力層1d
を除去することにより、片持ち梁構造の固定電極部や可
動電極部からなる構造体3の反りを低減することができ
る。その結果、固定電極部と可動電極部とを確実に対向
させ、可動電極部に加速度が作用した場合、可動電極部
と固定電極部の距離の変化を敏感に感知することができ
る。その結果、加速度センサ10の感度を向上させるこ
とができる。
半導体力学量センサとして角速度センサ20を適用した
ものである。図3は、角速度センサ20の概略図であ
り、(a)は平面構成を示し、(b)は(a)における
A−A断面を示す。図3に示すように、SOI基板1に
対して支持層1c(第2の半導体基板)、酸化膜1b、
活性層1a(第1の半導体基板)の一部(応力層)1d
が除去された開口部2が形成されている。
と同様にして開口部2において応力層1dが除去されて
いる。この応力層1dの除去量は、上記第1実施形態と
同様に、厚さt0.2μm以上、望ましくは0.4μm
以上となっている。
等により溝4が形成されることにより、開口部2上に位
置する可動部としての振動子21と、開口部2の縁部に
て酸化膜1bを介して支持層1cに支持されている固定
部22とよりなる構造体(梁構造体)3が形成されてい
る。
の内側振動子21aと、内側振動子21aの外側に位置
する略H字形状の外側振動子21bと、内側振動子21
aと外側振動子21bとを連結する折り返し形状の駆動
梁21cとより構成されている。
て酸化膜1bを介して支持層1cに支持されたアンカー
部22aに対して、矩形枠状の検出梁23によって連結
されている。この駆動梁21cは内側振動子21aをx
軸方向に振動させるバネ機能を有する。また、検出梁2
3は振動子21をx軸と直交するy軸方向に振動させる
バネ機能を有する。
沿った両側(図において振動子の左右両側)に櫛歯状に
突出した櫛歯電極21dを有する。一方、固定部22側
にも外側振動子21bの櫛歯電極21dに対向するよう
に櫛歯電極22bが形成されている。そして、両櫛歯電
極21d、22bによって検出電極が構成されており、
両櫛歯電極21d、22bによってコンデンサが形成さ
れている。
たヨーレートの検出方法を述べる。まず、図示しない励
振手段により、内側振動子21aをx軸方向に駆動振動
させる。そして、駆動振動した状態で、x軸及びy軸と
直交するz軸回りに角速度Ωが印加されると振動子21
にコリオリ力が作用し、振動子21がy軸方向に振動す
る(検出振動)。
bにおける互いの間隔が変化する。この間隔の変化によ
りコンデンサの静電容量が変化するため、この容量変化
を電圧等に変換することにより角速度を求めることがで
きる。
り、図2に示す各工程を行って、第1〜第3のエッチン
グ工程によって開口部2に面する応力層1dを除去する
ようにする。
せるために構造体3における櫛歯電極21d、22bの
数を多くする。そのため、図3における片持ち梁構造の
y方向の長さが長くなる。その結果、角速度センサ20
では特に構造体3が反り易くなる。
2に面する応力層1dを除去することにより、構造体3
の反りを低減して検出電極21d、22bにおける互い
の間隔の変化を敏感に検出し、角速度センサ20の感度
を向上させることができる。
半導体力学量センサとして圧力センサを適用したもので
ある。図4は、本実施形態の圧力センサ30の模式的な
断面図である。以下、主として第1実施形態と異なる部
分について述べ、図4中、図1と同一部分は同一符号を
付して説明を省略する。
り、支持層1c、酸化膜1b、活性層1aの一部(応力
層)1dが除去されて開口部2が形成されている。そし
て、開口部2上に構造体3が形成されている。
造になっている。また、活性層1aの表面における開口
部2の端部上に位置する部位には歪みゲージ31が形成
されている。また、開口部2に面する活性層1aの裏面
において上記第1及び第2実施形態と同様に応力層1d
が除去されている。
1aの表面に図示しない回路や歪みゲージ31等を形成
した後、第1実施形態の図2(c)に示す工程以降、第
1実施形態と同様の製造方法により製造することができ
る。
体3が圧力を受けて変形することにより生じる歪みを歪
みゲージ31が検出することにより、この圧力を検出す
ることができるようになっている。
構造になっているため、加速度センサや角速度センサの
ように、構造体の裏面側に応力層1dが存在することに
より構造体が反ることはない。但し、近年、圧力センサ
自身の大きさが微小になる傾向があり構造体の部分も微
小になるため、より小さい歪みを測定する必要がある。
と、応力層1dの残留応力のバランスによって圧力セン
サ30に作用した圧力を正確に検出できなかったり、雰
囲気の温度が変化することにより応力層1dの残留応力
が変化したりする等して、応力層1dの存在により圧力
センサの検出感度が低下することが考えられる。
除去した構造体3を用いることにより、圧力センサ30
の感度を向上させることができる。
面図である。
示す工程図である。
面図である。
図である。
ある。
的な断面図である。
からのエッチング量と構造体の反りとの関係を示すグラ
フである。
1の半導体基板)、1b…酸化膜、1c…支持層(第2
の半導体基板)、1d…応力層(第1の半導体基板のう
ち酸素が含まれている領域)、2…開口部、3…構造
体。
Claims (10)
- 【請求項1】 第1の半導体基板(1a)と第2の半導
体基板(1c)とを酸化膜(1b)を介して貼り合わせ
てなる貼り合わせ基板(1)を用意し、前記第1の半導
体基板を残して前記第2の半導体基板と前記酸化膜とを
除去することにより開口部(2)を形成して、前記第1
の半導体基板のうち前記開口部に対応する領域に構造体
(3)を形成する半導体力学量センサの製造方法におい
て、 前記酸化膜を除去した後に、前記第1の半導体基板のう
ち前記開口部に面し酸素が含まれている領域(1d)を
除去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】 前記酸素が含まれている領域を厚さ0.
2μm以上除去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。 - 【請求項3】 前記酸素が含まれている領域を厚さ0.
4μm以上除去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。 - 【請求項4】 前記酸化膜の除去と前記酸素が含まれて
いる領域の除去とを、異なる条件でエッチングすること
により行うことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか
1つに記載の半導体力学量センサの製造方法。 - 【請求項5】 前記酸素が含まれている領域を除去する
際に、ドライエッチングにより行うことを特徴とする請
求項1乃至4のいずれか1つに記載の半導体力学量セン
サの製造方法。 - 【請求項6】 前記半導体力学量センサは、角速度セン
サとして用いられるものであることを特徴とする請求項
1乃至5のいずれか1つに記載の半導体力学量センサの
製造方法。 - 【請求項7】 第1の半導体基板(1a)と第2の半導
体基板(1c)とを酸化膜(1b)を介して貼り合わせ
てなる貼り合わせ基板(1)と、前記第1の半導体基板
を残して前記第2の半導体基板と前記酸化膜とを除去す
ることにより形成された開口部(2)と、前記第1の半
導体基板のうち前記開口部に対応する領域に形成された
構造体(3)とを有する半導体力学量センサにおいて、
前記構造体は前記第1の半導体基板のうち前記開口部に
面し酸素が含まれている領域(1d)が除去されてなる
ことを特徴とする半導体力学量センサ。 - 【請求項8】 前記酸素が含まれている領域は厚さ0.
2μm以上除去されていることを特徴とする請求項7に
記載の半導体力学量センサ。 - 【請求項9】 前記酸素が含まれている領域は厚さ0.
4μm以上除去されていることを特徴とする請求項7に
記載の半導体力学量センサ。 - 【請求項10】 前記半導体力学量センサが角速度セン
サであることを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1
つに記載の半導体力学量センサ。
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