JP2004069435A

JP2004069435A - 容量式半導体センサ

Info

Publication number: JP2004069435A
Application number: JP2002227723A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Sugiura; 杉浦　和彦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】可動部と固定部を有する容量式半導体センサにおいて、製造時に発生したパーティクルなどの異物が移動するのを防止してセンサ機能を確保できるようにする。
【解決手段】半導体基板１０に、互いに対向して配置された可動部２０及び固定部２１を形成してなり、可動部２０と固定部２１の間隔２２の変化に伴う容量変化を検出するようにした容量式半導体センサＳ１において、可動部２０の表面、固定部２１における可動部２０と対向する面、及び、半導体基板１０における可動部２０と対向する面の各面に、当該面を被覆する保護膜３０が形成されている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板に形成された可動部及び固定部の間の容量変化を検出する容量式半導体センサに関し、例えば、加速度センサや角速度センサ等に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
この種の容量式半導体センサは、一般に半導体基板に溝を形成することで可動部及び固定部を区画形成したものである。ここで、これら可動部と固定部は間隔を有して対向して配置されている。例えば、櫛歯構造の可動部と櫛歯構造の固定部とが噛み合って対向する構成が知られている。
【０００３】
このセンサにおいては、加速度等の力学量が印加されたときに可動部と固定部との間隔が変化し、この間隔変化に伴う容量変化を検出し、検出された容量変化に基づいて印加力学量を求めるようにしている。
【０００４】
このようなセンサは、半導体基板に上記溝を形成する工程や可動部を半導体基板から開放して可動状態とするために可動部の下の半導体基板部分をエッチングして除去する工程などを行うことで製造される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記製造工程において半導体基板を加工する際に発生するパーティクルなどの異物が可動部に付着し、付着した位置によっては可動部が保持されて可動できなくなったり、所定の可動範囲を確保できなくなったりする等、容量式半導体センサとして機能しなくなるという問題がある。
【０００６】
また、パーティクルなどの異物が導電性の場合、容量検出部に付着することによって電気的な短絡が生じ、正確な出力が得られなくなるという問題もある。したがって、このような問題が生じた容量式半導体センサは、出荷前の検査にて除外される。
【０００７】
このような異物が、可動部の可動機能や電気特性を確保できる部位に付着してそこに留まっていれば、センサの機能を妨げないはずであり、そのようなセンサは検査では正常と判断され出荷される。しかし、このようなセンサであっても、可動部の可動や外部からの振動などにより、使用時に異物が初期の付着部位から移動した場合は、上記問題が発生する。
【０００８】
そのため、実際には機能を損なっていなくても多少なりとも上記問題が発生する可能性のあるセンサは、検査の時に除外することとなるため、センサの歩留まりが低下するという問題につながる。
【０００９】
ちなみに、従来では、例えば特開平７−７４１３２号公報に記載されているように、ブラシによるスクラブ洗浄によってパーティクルを除去する方法が提案されているが、可動部を有する容量式半導体センサの場合、当該可動部を破壊するなどのダメージを与えやすいことから適用は困難である。
【００１０】
その他、パーティクルを除去する方法として、例えば特開平７−１９４０５６号公報に記載されているようなパーティクルを一つずつ針で除去する方法が提案されているが、手間がかかり実用的ではない。
【００１１】
本発明は上記問題に鑑み、可動部と固定部を有する容量式半導体センサにおいて、製造時に発生したパーティクルなどの異物が移動するのを防止してセンサ機能を確保できるようにすることを目的とする。
【００１２】
【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に記載の発明では、半導体基板（１０）に、互いに対向して配置された可動部（２０）及び固定部（２１）を形成してなり、前記可動部と前記固定部の間隔（２２）の変化に伴う容量変化を検出するようにした容量式半導体センサにおいて、前記可動部の表面、前記固定部における前記可動部と対向する面、及び、前記半導体基板における前記可動部と対向する面の各面のうち少なくとも一つの面に、当該面を被覆する保護膜（３０）が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
可動部の表面、固定部における可動部と対向する面、及び、半導体基板における可動部と対向する面といった各面は、当該面に付着したパーティクルなどの異物が移動した場合にセンサの機能が損なわれる部位である。
【００１４】
そこで、これら各面のうち少なくとも一つの面に当該面を被覆する保護膜（３０）を形成することによって、異物を拘束することができる。したがって、本発明によれば、製造時に発生したパーティクルなどの異物が移動するのを防止してセンサ機能を確保することができる。
【００１５】
ここで、請求項２に記載の発明のように、保護膜（３０）自身が絶縁膜であれば、電気的な短絡を防止するという点で好ましい。
【００１６】
また、保護膜（３０）を絶縁膜とした場合に、当該絶縁膜を誘電体材料から構成するようにすれば、可動部及び固定部の検出間隔に保護膜を設けた場合に、検出容量を増大させることができるという利点がある。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明のように、前記保護膜（３０）を、ガス状態の原料を用いた薄膜形成方法により形成されたものにすれば、保護膜を成膜する面が複雑な形状や奥まった位置にあっても、ガス状態の原料が回り込んで成膜が行われるため、カバレッジと膜厚の均一性に優れた保護膜を実現できる。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１９】
【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。図１は本発明の実施形態に係る容量式半導体センサＳ１の概略断面構成を示す図である。
【００２０】
容量式半導体センサＳ１は、半導体基板１０に、互いに対向して配置された可動部２０及び固定部２１を形成してなり、可動部２０と固定部２１の間隔２２の変化に伴う容量変化を検出するようにしたものであり、例えば、加速度等の力学量を検出するセンサとして適用される。
【００２１】
本例では、半導体基板１０は、第１のシリコン層１１上に絶縁層としての埋め込み酸化膜１３を介して第２のシリコン層１２を積層してなるＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１０である。
【００２２】
ＳＯＩ基板１０における第２のシリコン層（ＳＯＩ層）１２には、当該第２のシリコン層１２の表面からその厚み方向に貫通する溝１４が形成されている。この溝１４はプラズマエッチングなどのドライエッチングを利用した垂直トレンチエッチングによって形成することができる。
【００２３】
そして、第２のシリコン層１２は、上記溝１４を介して、可動部２０と固定部２１とに区画されている。本例では、このように区画された部分は、良く知られている櫛歯状の梁構造体を構成している。
【００２４】
図１において、可動部２０と固定部２１とは交互に配置され、溝１４を介して互いに隣り合って対向している。ここで、可動部２０と固定部２１との間の溝１４は検出間隔２２として構成されており、この検出間隔２２において可動部２０と固定部２１との間に検出容量が形成されている。
【００２５】
また、可動部２０及び固定部２１に対応してこれら両部２０、２１の下部に位置する埋め込み酸化膜１３の部分は除去されており、上記溝１４と連通する空洞部１５が形成されている。この空洞部１５上において、可動部２０および固定部２１は第１のシリコン層１１から開放されている。
【００２６】
そして、図示しないが、空洞部１５以外の領域において、固定部２１は、埋め込み酸化膜１３を介して第１のシリコン層１１に支持固定されており、可動部２０は、埋め込み酸化膜１３を介して第１のシリコン層１１に対して梁部などのバネ部を介して弾性的に支持されている。これにより、可動部２０は空洞部１５上において可動状態となっている。
【００２７】
ここにおいて、本実施形態では、可動部２０の表面、固定部２１における可動部２０と対向する面、及び、半導体基板１０における可動部２０と対向する面の各面のうち少なくとも一つの面に、当該面を被覆する保護膜３０を形成したものとする。
【００２８】
本例では、図１に示すように、上記各面のすべてに保護膜３０が形成されている。この保護膜３０は、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＡＬＤ（原子層デポジション）法、スパッタ法、蒸着法等から選択された成膜法を用いて形成されたセラミック、樹脂、金属等からなる膜である。
【００２９】
ここで、電気的な短絡を防止するという点では、保護膜３０は絶縁性のセラミックや樹脂などからなる絶縁膜であることが好ましい。また、当該絶縁膜を誘電体材料からなるものにすれば、可動部２０及び固定部２１の検出間隔２２に保護膜３０を設けた場合に、上記検出容量を増大させることができるという利点がある。
【００３０】
そのような誘電体材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン鉛）等の高誘電率材料が挙げられる。
【００３１】
このような容量式半導体センサＳ１において加速度を検出する場合、加速度の印加に伴い可動部２０が変位し、それによって可動部２０と固定部２１との間の距離すなわち検出間隔２２が変化する。そして、この距離変化に基づく上記検出容量の変化を検出することで、印加された上記加速度を求めることができる。
【００３２】
次に、上記容量式半導体センサＳ１の製造方法について、図２（ａ）〜（ｄ）及び図３（ａ）、（ｂ）を参照して述べる。図２は上記図１に対応した断面にて本製造方法を示す工程図であり、図３（ａ）は図２（ｃ）の部分拡大図、図３（ｂ）は図２（ｄ）の部分拡大図である。
【００３３】
［図２（ａ）、（ｂ）の工程］
まず、上記半導体基板１０としてのＳＯＩ基板１０を用意し、良く知られているホト、エッチング工程を行い、第２のシリコン層１２に溝１４を形成して可動部２０及び固定部２１を形成する。
【００３４】
具体的には、第２のシリコン層１２の表面に上記可動部２０及び固定部２１を区画するための溝１４のパターンに対応したマスク（図示せず）をホトレジストにより形成した後、ドライエッチングによりトレンチエッチングを行い第２のシリコン層１２に溝１４及び可動部２０、固定部２１を形成する。ＳＯＩ基板１０を用いた本例では、埋め込み酸化膜１３でエッチングをストップさせることにより、制御性に優れたものになる。
【００３５】
［図２（ｃ）の工程］
次に、溝１４を介して埋め込み酸化膜１３を犠牲層とした犠牲層エッチングを行って埋め込み酸化膜１３の一部を除去することで空洞部１５を形成し、この空洞部１５上の可動部２０を可動状態とする。この犠牲層エッチングは例えば選択性のあるフッ酸等を用いたウェットエッチング等により行うことができる。
【００３６】
この状態において、実際には、図３（ａ）に示すように、可動部２０の表面及び半導体基板１０における可動部２０と対向する面、あるいは図示しないが固定部２１における可動部２０と対向する面等にパーティクルＰ等の異物が付着している。
【００３７】
このパーティクルＰ等の異物は、エッチング工程内にて発生する反応生成物や工場環境における環境パーティクル等であり、絶縁性、導電性等の性質も様々で、その付着の度合も簡単に移動可能なものから固着しているものもあると考えられる。
【００３８】
［図２（ｄ）の工程］
次に、可動部２０の表面、固定部２１における可動部２０と対向する面、及び、半導体基板１０における可動部２０と対向する面の各面のうち少なくとも一つの面に、上記保護膜３０を形成する。
【００３９】
本例のように、上記各面のすべてに保護膜３０を形成する場合、保護膜３０は、ガス状態の原料を用いた薄膜形成方法により形成することが好ましい。具体的には、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、ＡＬＤ法等が挙げられる。
【００４０】
それによれば、保護膜３０を成膜する面が複雑な形状や奥まった位置にあっても、ガス状態の原料が回り込んで成膜が行われるため、カバレッジと膜厚の均一性に優れた保護膜３０を実現できる。本例のように、可動部２０における下面及びこの下面と対向する半導体基板１０（つまり第１のシリコン層１１）の面等の成膜しにくい面にも容易に保護膜３０を形成できる。
【００４１】
なお、スパッタ法や蒸着法により保護膜３０を形成する場合でも、可動部２０の表面、固定部２１における可動部２０と対向する面、及び、半導体基板１０における可動部２０と対向する面の各面のうち少なくとも一つの面に対しては、適所に保護膜３０を形成することができる。
【００４２】
このように保護膜３０を形成することにより、上記図１に示す容量式半導体センサＳ１が完成する。そして、保護膜３０を形成したことによって、図３（ｂ）に示すように、可動部２０や半導体基板１０等に付着したパーティクルＰ等の異物も保護膜３０にて被覆され、その移動が拘束された状態となる。
【００４３】
このように、本実施形態の容量式半導体センサＳ１によれば、製造時に発生したパーティクルなどの異物が移動するのを防止することができる。そのため、当該異物がセンサの使用中に移動して、可動部の可動機能が阻害されたり、電気的短絡が生じたりすることが防止される。すなわち、センサ機能を確保することができる。
【００４４】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態における容量式半導体センサは、半導体基板１０の一面側からの加工により可動部の形成及び可動状態の形成が行われるものであったが、図４に示すような半導体基板１０の表裏両面から加工するものに対しても本発明は適用可能である。
【００４５】
図４に示す変形例は、上記図２（ａ）、（ｂ）までの工程を行った後、半導体基板１０の裏面すなわち第１のシリコン層１１から異方性エッチングを行い、更にドライエッチングを行って埋め込み酸化膜１３を除去することで、当該裏面に開口した空洞部１５を形成したものである。
【００４６】
この場合も上記容量式半導体センサと同様、可動部２０は空洞部１５上にて可動状態であり、同様の検出を行うことができる。そして、この変形例においても、図４に示す状態とした後、上記実施形態と同様の要領で保護膜３０を形成することにより、本発明の効果を奏する容量式半導体センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る容量式半導体センサの概略断面図である。
【図２】図１に示す容量式半導体センサの製造方法を示す工程図である。
【図３】（ａ）は図２（ｃ）の部分拡大図、（ｂ）は図２（ｄ）の部分拡大図である。
【図４】本発明の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１０…半導体基板としてのＳＯＩ基板、２０…可動部、２１…固定部、
３０…保護膜。

Claims

半導体基板（１０）に、互いに対向して配置された可動部（２０）及び固定部（２１）を形成してなり、前記可動部と前記固定部の間隔（２２）の変化に伴う容量変化を検出するようにした容量式半導体センサにおいて、
前記可動部の表面、前記固定部における前記可動部と対向する面、及び、前記半導体基板における前記可動部と対向する面の各面のうち少なくとも一つの面に、当該面を被覆する保護膜（３０）が形成されていることを特徴とする容量式半導体センサ。
前記保護膜（３０）は絶縁膜であることを特徴とする請求項１に記載の容量式半導体センサ。
前記絶縁膜は誘電体材料からなることを特徴とする請求項２に記載の容量式半導体センサ。
前記保護膜（３０）は、ガス状態の原料を用いた薄膜形成方法により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のいずれか一つに記載の容量式半導体センサ。