JP2005268758A - 薄く形成されたカンチレバー構造を備えた微小機械装置及び関連の方法 - Google Patents

薄く形成されたカンチレバー構造を備えた微小機械装置及び関連の方法 Download PDF

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Abstract

【課題】単一のチップ上に一体形成された高感度且つ小型の加速度計センサ及び圧力センサを提供する。
【解決手段】微小電気機械装置が、薄く形成された撓曲構造（１１２）を設けた加速度計（１１０）を含んでいる。単一のチップ（１００）の上に一体形成された加速度計（１１０）及び圧力センサ（１２０）を含むこともできる。本発明の一観点では、微小機械装置が、凹部領域を画定している第一の半導体ウェーハを含んでいる。半導体層が、凹部領域に対向してウェーハに固定される。カンチレバー・ビームが半導体層に形成される。カンチレバー・ビームは、半導体層のアンカー領域に固定されている撓曲領域を含んでおり、また、第一の凹部領域に対向して懸吊されている慣性質量領域を含んでいる。撓曲領域は半導体層のアンカー領域よりも薄い。
【選択図】 図１（Ａ）

Description

本発明は一般的には、化学力学的（ケモメカニカル）応力、熱的応力及び電磁場等から発生される微小な力又は撓曲を検出するのに用いることのできる半導体微小電気機械装置又は微小機械力覚センサに関する。さらに具体的には、限定しないが、本発明は、単一のチップ上に製造することのできる一体型ピエゾ抵抗型加速度計及び圧力センサに関する。
半導体微小電子センサの発展によって、かかるセンサの大きさ及び経費は大幅に減少した。シリコン製マイクロセンサの電気的特性及び機械的特性は周知である。例えばKurt E. Petersen、“Silicon as a Mechanical Material”、Proceedings of the IEEE、第７０巻、第５号（１９８２年５月）を参照されたい。さらに、「微細加工（マイクロマシニング）」と一般に呼ばれているシリコン微小構造を構築するための手法に関わる知見は多数存在しまた益々増加している。例えばBryzek、Petersen及びMcCulley、“Micromachines on the March”、IEEE Spectrum、１９９４年５月号、第２０頁〜第３１頁を参照されたい。
このように、シリコン微細加工及び半導体微小電子センサは、多くの実際的応用を有する極めて重要な産業として発展してきた。例えば、微細加工型シリコン圧力センサ、加速度センサ及び流量センサ等は、医療器具から自動車に到るまで様々な応用及び産業に用いられている。シリコンは強度、弾性及び反発弾性が高いため、例えば電子式の周波数制御構造又はセンサ構造に有用であり得る共振構造の理想的な基材となる。また、腕時計、スキューバ・ダイビング機器、手掌型タイヤ圧力計及び空気注入式（inflatable）テニス・シューズのような消費財も遠からずシリコン微細加工型センサを組み入れる可能性がある。
利用分野を拡大し続けているシリコン・センサに対する需要から、特定の環境及び応用に最適化されている新規で且つ様々なシリコン・マイクロセンサの幾何学的形状及び構成の必要性が喚起され続けている。残念ながら、従来のバルク型シリコン微細加工手法の短所は、得られるシリコン微小構造の輪郭及び幾何学的構成がこれらの製造方法によって著しく限定されていることである。例えば、従来のエッチング手法でシリコン構造をエッチングすることは、シリコン基材の結晶配向によって部分的に制限されており、これにより多くの所望の構造の幾何学的構成及び小型化の試みが制限されている。
圧力又は加速度を測定するマイクロセンサの利用が拡大しているため、例えばキャパシタのような静電力を発生するのに用いられる小型のシリコン・プレート構造の開発が促進されている。例えば、インターデジット型（interdigitated）多結晶シリコン・プレートのアレイを用いてキャパシタンスを測定するマイクロセンサが存在する。同様に、インターデジット型プレートのアレイを用いて静電力を発生するマイクロセンサが存在する。さらに、重量又は加速度のような力に応答してシリコン構造の撓曲すなわち屈曲を測定するマイクロセンサが存在する。
米国特許第６，３１６，７９６号
多くの応用において、圧力測定及び加速度測定の両方を得ることが望ましい。かかる応用では、単一のチップ上に圧力センサ及び加速度計センサの両方を作製できると有利である。作製される圧力センサ及び加速度計センサが小型化するのに伴って、単一のチップ上に両形式のセンサを一体形成すると同時に、材料及び構造的特性、並びに製造方法を最適化できると望ましい。さらに、高感度で小型の加速度計センサを製造できると望ましい。結果的に、単一のチップ上に一体形成された加速度計センサ及び圧力センサ、並びに単一のチップに加速度計センサ及び圧力センサを製造する方法が必要とされている。
一般的に微小機械装置、具体的には加速度計及び圧力センサの利用分野が拡大して、さらに小型の装置への需要が生まれた。残念ながら、加速度又は圧力の微小な変化に対する感度を高くしながらさらに小型の装置を製造することは困難である。例えば、加速度の微小変化に応答する十分に大きい慣性質量（プルーフ・マス（proof mass））（又は振動質量（サイズミック・マス（seismic mass）））を十分に薄い撓曲構造に組み合わせたさらに小型の加速度計が必要とされている。
本発明はこれらの必要性を満たすものである。
本発明の一観点では、微小機械装置が、凹部領域を画定している第一の半導体ウェーハを含んでいる。半導体層が、凹部領域に対向してウェーハに固定される。カンチレバー・ビームが半導体層に形成される。カンチレバー・ビームは、半導体層のアンカー領域に固定されている撓曲領域を含んでおり、また、第一の凹部領域に対向して懸吊されている慣性質量領域を含んでいる。撓曲領域は半導体層のアンカー領域よりも薄い。
一実施形態では、撓曲領域の垂直次元は半導体層のアンカー領域の垂直次元よりも薄く、半導体層の水平面に対して全体的に垂直な方向に加わる加速力に応答して撓曲領域を通る軸を中心として半導体層の水平面の外部への慣性質量の回転運動を促進するようにする。
本発明の他の観点では、加速度を検知する方法が、半導体ウェーハの凹部領域の上に懸吊されているカンチレバー・ビームを用いる。加速力が、半導体ウェーハの水平面に対して全体的に垂直な方向に加わる。加速力の方向に全体的に平行な方向のビームの撓曲が検知される。
さらにもう一つの観点では、微小機械装置及び該装置を製造する方法が提供される。一実施形態では、この装置は、薄く形成されたカンチレバー構造を設けた加速度計を含んでいる。もう一つの実施形態では、装置は、単一のチップ上に一体形成されている加速度計と圧力センサとを含んでいる。
本発明は、以下の詳細な説明を添付図面及び特許請求の範囲と共に考察するとさらによく理解される。
本発明は、薄く形成されたカンチレバー構造を設けた半導体微小機械装置及び関連する製造方法を提供する。以下の記載は、あらゆる当業者が本発明を製造して利用し得るようにするために掲げられている。特定的な応用の説明は例として掲げられているに過ぎない。好適実施形態に対する様々な改変は当業者には直ちに明らかとなり、本書に定義されている一般的な原理は本発明の要旨及び範囲から逸脱せずに他の実施形態及び応用にも適用することができる。このため、本発明は、掲げた実施形態に限定されておらず、本書に開示した原理及び特徴と整合する最大範囲に収まるものとする。
本発明の実施形態による装置及び製造方法の一例では、シリコン融合結合及び深彫り反応性イオン・エッチングを用いて一体型のピエゾ抵抗器加速度計及び圧力センサを提供する。この装置及び方法の例は、ピエゾ抵抗器加速度計を、慣性質量（振動質量とも呼ぶ）及び絶対圧力センサと共に単一のチップ上に一体形成する。
本発明のもう一つの実施形態による装置及び製造方法の他の例は、撓曲領域及び比較的大きな慣性質量を含む薄く形成されたカンチレバー・ビームを設けて製造した加速度計を提供する。薄型ビームを設けたこの加速度計の例は、構造寸法を相対的に小さくすると共に撓曲を用いることにより感度の向上を可能にする。
これらの例の装置及び製造方法は既存の方法を凌ぐ幾つかの利点を提供する。例えば、この方法ではウェーハの裏面からの水酸化カリウム（ＫＯＨ）エッチングすなわち「裏面エッチング（backside etching）」が不要なので、チップの全体寸法を従来のチップよりも小さくすることができる。さらに、製造目的では平面的製造方法が理想的である。慣性質量との関連で撓曲ビームを薄く形成すると、感度を高めつつ構造寸法を小さくすることができる。さらに、一体型加速度計及び圧力センサ・チップ工程では、平面的な上面及び効率的な製造方法を保ちつつ、ビーム撓曲厚みをダイヤフラム厚みとは独立に寸法決定することができる。
本装置及び製造方法はまた、構造の加速度計部分に動作範囲超過保護機構及び抗静止摩擦機構が容易に含まれ得るようにすることができる。加えて、従来のチップでは典型的には圧力センサ用の第二のキャップが必要であるのに対し、このチップでは例えば加速度計の慣性質量を被覆する単一のキャップしか必要でない。従って、単一のチップの方法の例は、単純化された製造方法で設計柔軟性を高めてチップ寸法を小さくすることを可能にする。
加速度計及び圧力センサを設けた一体型チップは多くの応用に用いることができる。応用の一例は遠隔でのタイヤ圧力監視である。一体型加速度計及び圧力センサを備えた小型チップは、乗物の速度又は加速度（線形速度及び加速度は加速度計が受ける回転加速度から導くことができる）に関連してタイヤ圧力を遠隔で示すのに理想的である。単一の一体型チップは、圧力及び加速度に関連するピエゾ抵抗型センサ測定値を遠隔で回収して操作するようにＡＳＩＣチップ等と共にパッケージ化されるか又は結合され得る。
但し、一体型チップ及び関連する製造方法は、本書に明示的に記載した以外の加速度又は圧力を監視する広範な他の応用に有用であることを理解されたい。
微細加工型加速度計センサの一例は、相対的に大きい本体のシリコン・ウェーハから遠ざかる方向に延在する慣性質量を形成することにより製造されて、カンチレバー・ビームによってウェーハに取り付けられる。本実施形態では、ビームが撓曲構造として作用する。加速度計センサは、ウェーハ又は基材に対する慣性質量の運動を検知することにより加速度を測定する。具体的には、慣性質量がウェーハに対して運動すると、ビームの近くに又はビームに適正に配置されたピエゾ抵抗型センサ素子は、慣性質量の運動によって生ずるビームの撓曲を、ピエゾ抵抗型センサ素子の抵抗の変化によって示されるものとして検知する。
加速度計の感度は、末梢側に配置された相対的に大きい慣性質量に対してカンチレバー・ビームの撓曲領域を薄く形成することにより達成される。このため、加速度計センサを、加速度の微小変化に対する感度の不要な損失を生ぜずに相対的に小さい寸法にすることができる。撓曲ビームは、例えば基材への結合の前に半導体層に凹部を形成することにより薄く形成することができる。代替的には、基材上に多数の半導体層を積層してエッチングすることにより、内部に凹部を形成することができる。
微細加工型絶対圧力センサの一例は、シリコン構造の内部に空洞を形成すると共に空洞に隣接してダイヤフラムを形成することにより作製することができる。絶対圧力センサについては、空洞は真空に保たれる。絶対圧力センサは、ダイヤフラムの撓曲、例えばダイヤフラムの前面に作用する圧力がダイヤフラムをどれだけ内側に偏向させたかを検知することにより圧力を測定する。ダイヤフラムの端辺の近くに形成されている１個又は複数のピエゾ抵抗型センサは典型的には、ダイヤフラムの撓曲又は偏向を検知する。
図１（Ａ）に、単結晶シリコン・チップ１００に一体型加速度計センサ及び圧力センサを含めた微小機械装置の断面図を示す。チップ１００の左側は、一体型チップ１００の加速度計１１０の領域を含んでおり、チップ１００の右側は、一体型チップ１００の圧力センサ１２０の領域を含んでいる。加速度計センサ１１０及び圧力センサ１２０は、例えばＮ型基材のようなシリコン・ウェーハ１３０の凹部１３２及び１３４の上に形成されている。シリコン・ウェーハ１３０の上には、Ｎ型シリコン層１４４が配置されている。層１４４は、後述するように、１層又は複数の真性（actual）エピタキシャル層を含んでいてよい。Ｐ型ピエゾ抵抗型センサ素子１５０が、シリコン構造の撓曲を検知するために層１４４の内部に巧妙に埋め込まれている。チップ１００はまた、層１４４の上に形成されている酸化物／窒化物層１６０及び金属相互接続部１７０を含んでおり、ピエゾ抵抗型センサ素子１５０をチップの外部に結合している。シリコン・ウェーハ１３０はさらに、担体ウェーハ又は基材（図示されていない）の上に形成されていてよい。
本書に記載するＰ型材料及びＮ型材料は、例えばＮ型材料の代わりにＰ型材料を置き換える又はその反対等の代替的な態様で用い得ることを理解されたい。
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）を参照して、加速度計センサ及びその動作の例を説明する。図１（Ｂ）は、凹部１３２の上方に配設されている図１（Ａ）の加速度計センサの懸吊構造の上面図を示している。但し、説明の目的で図１（Ａ）の金属相互接続部１７０、酸化物層１６０及びピエゾ抵抗型素子１５０は図示していない。ビーム１１３が凹部１３２の上方に懸吊されている。ビーム１１３は、撓曲領域１１２及び慣性質量領域１１４を含んでいる。ビーム１１３は、撓曲領域１１２及び慣性質量領域１１４を包囲している全体的に水平な境界領域１０４−１〜１０４−８を含んでいる。ビーム１１３の薄く形成された撓曲領域１１２は、ビーム１１３の一つの境界領域部分１０４−１に沿って層１４４の相対的に厚い部分に固定されている。ビーム１１３の他の境界部分１０４−２〜１０４−８は層１４４から解放されており、ビーム１１３が凹部１３２に対向して懸吊され、ビーム１１３が層１４４の水平次元に全体的に垂直な方向に最も自由に撓曲し得るようになっている。
さらに明確に述べると、カンチレバー・ビーム１１３を画定するように、境界領域１０４−２〜１０４−８に沿って層１４４を完全に貫通して溝が垂直にエッチングされている。境界領域１０４−１は完全に貫通してエッチングされているのではなく、撓曲領域１１２を形成するように薄く形成されている。撓曲領域１１２は、層１４４のアンカー領域１１５に固定されているビーム１１３の基部側端部を含んでいる。撓曲領域１１２は、撓曲領域１１２が固定されている層１４４の隣接するアンカー領域１１５よりも薄い。図１（Ａ）〜図１（Ｂ）の実施形態では、アンカー領域１１５は凹部１３２の上方に懸吊されている。但し、図２（Ｆ）を参照して後述する代替的な実施形態で最もよく示されているように、アンカー領域１１５は必ずしも懸吊されていないことが理解されよう。撓曲領域１１２はまた、ビーム１１３の末梢側部分を構成する慣性質量領域１１４よりも薄い。撓曲領域１１２が固定されているアンカー領域１１５よりも撓曲領域１１２を薄くしたことで、層１４４の垂直次元に全体的に平行な方向でのカンチレバー・ビーム１１３の運動が促進される。層１４４の垂直次元は、図面のｚと標識した矢印によって示されている。この垂直次元は層１４４の水平面に全体的に垂直である。
具体的には、撓曲領域１１２が固定されているアンカー領域１１５よりも撓曲領域１１２を薄くしたことで、撓曲領域１１２の撓曲が容易になり、結果として、撓曲領域１１２を通る水平軸ｘ−ｘを中心とした層１４４の平面外での慣性質量領域１１４の全体的に回転式の運動が生ずる。例えば、撓曲領域１１２が加速力に応答して撓曲すると、慣性質量１１４は半導体層１４４の水平面の僅かに上方又は僅かに下方の位置まで少なくとも一時的に移動し得る。層１４４の水平次元は、図面でｘ及びｙと標識した軸によって示されている。水平次元は層１４４の水平面に平行である。慣性質量領域１１４は相対的に厚いため、例えば加速力が層１４４の水平次元に全体的に垂直な方向に加わるときに上述のような運動がさらに促進される。
このように、加速度計センサ１１０は、凹部１３２の上方に配置されており層１４４からビーム１１２を介して懸垂している慣性質量１１４の運動に起因するビーム１１２の撓曲を測定することにより動作する。ビーム１１２の撓曲又は屈曲は、アンカー領域１１５又はビーム１１２の底辺の近く、すなわちビーム１１２が層１４４から懸垂している点の近くに配置されている１個又は複数のピエゾ抵抗型センサ素子１５０によって検知される。ピエゾ抵抗型センサ素子１５０の抵抗の変化を金属化素子１７０を介して決定して、撓曲の量、従ってセンサが受ける加速度を決定することができる。
さらに、チップ１００の加速度計部分の上にキャップ１１７（点線で示す）を形成して、環境の影響から構造を保護したり、或いは慣性質量１１４の周囲に制動流体又は気体を収容したりすることができる。加えて、凹部１３２の底面又はキャップ１１７の下側に、動作範囲超過保護構造及び抗静止摩擦構造として、すなわち大きな加速度による構造への損傷を防ぐために、小突起１１８を含めてもよい。例えば、キャップ１１７及び小突起１１８は、１０，０００Ｇ（１Ｇ＝９．８１ｍ／ｓ＾２）までの衝撃力についてシリコン構造を保護し得る。
圧力センサ１２０は、ウェーハ層１３０と層１４４との間の空洞の上方において層１４４に形成されている薄型構造又はダイヤフラム１２２での撓曲を測定することにより動作する。ダイヤフラムは圧力センサの撓曲構造の役割を果たす。空洞の外部の圧力が変化すると、ダイヤフラム１２２は空洞１３４に向かって又は空洞１３４から遠ざかって撓曲する。一例では、圧力センサ１２０は、空洞の内部を真空にして形成され、これにより絶対圧力センサを形成する。ダイヤフラム１２２は、ダイヤフラムに加わる圧力から予測可能な方法で空洞に向かって内側に撓曲する。ダイヤフラム１２２の撓曲は、ダイヤフラム１２２の端辺に又は端辺の近くにおいて層１４４に形成されている１個又は複数のピエゾ抵抗型センサ素子１５０によって検出される。ピエゾ抵抗型素子１５０の抵抗は、金属化素子１７０を用いて相互接続されているホイートストン・ブリッジ回路等のような回路を介して決定することができる。ピエゾ抵抗型素子１５０の抵抗は、ダイヤフラム１２２の撓曲によって変化する。このようにして、ピエゾ抵抗型抵抗の測定を用いて撓曲の量を決定し、これによりセンサに加わる圧力を決定することができる。
ピエゾ抵抗型検知素子１５０から得られるビーム１１２又はダイヤフラム１２２の撓曲の量、従ってそれぞれ加速度又は圧力の量を決定するのに用いられるサーキットリ及び方法の詳細では、当業者には周知であって本発明の一部でない手法を採用する。例えば、外部回路での抵抗変化の測定、信号の増幅及び温度依存性の補償は周知である。従って、これらについては立ち入って説明しない。
図１（Ａ）に示すもののようなシリコン加速度計センサを作製する方法の一例について、図２（Ａ）〜２（Ｆ）に示す図を参照して説明する。図２（Ａ）は、Ｎ型ドープを施した単結晶シリコン基材すなわちウェーハ１３０、及びウェーハ１３０に形成された凹部領域１３２を示す。凹部領域１３２は、プラズマエッチング、ＫＯＨ又は他のシリコン・エッチング剤での湿式エッチング、又は偏差酸化物成長等のような標準的な半導体手法を用いてシリコン・ウェーハ１３０に形成される。加えて、米国カリフォルニア州Palo Altoに営業所を有するSurface Technology Systems（ＳＴＳ）社から販売されている誘導結合型プラズマＤＲＩＥを行なう「多重ＲＩＥシステム」のような高異方性エッチングを用いることができる。高異方性エッチングは、凹部領域１３２のアスペクト比をさらに大きくすることを可能にする。
凹部領域１３２は、任意の幾何学的構成を有していてよく、特定の応用に応じて例えば０．１ミクロン未満から１００ミクロンを上回るまで任意の所要の深さを有していてよい。さらに、慣性質量１１４が所定範囲から逸れたときの静止摩擦を回避するために、凹部１３２の底面に小突起１１８（図１（Ａ））を形成することもできる。
さらに、凹部領域１３２は必ずしも単一の一様な深さを有しなくてもよいことを特記しておく。さらに、凹部領域の底面は、ベア・シリコン、酸化シリコン若しくはドープ・シリコンのいずれであってもよく、又は後のウェーハ結合温度及び加工温度に耐え得るその他任意の薄膜キャップで被覆されていてよい。
図２（Ｂ）は、Ｎ型層１４４を形成したＰ型基材シリコン・ウェーハである第二のシリコン・ウェーハ１４２を示す。次いで、層１４４から空洞又は凹部１４６をエッチングする。凹部１４６は、シリコン反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）、ＤＲＩＥ、ＫＯＨ、又は湿式エッチング等のような標準的な半導体手法によってエッチングされ得る。エッチングは、層１４４がＰ型基材１４２まで完全に貫通してエッチングされないような時間で行なう。寧ろ、形成される加速度計センサのビーム１１２の所望の厚みに対応する層１４４の垂直厚みを残す。
図２（Ｃ）では、第一のウェーハ１３０及び第二のウェーハ１４２が適当に揃えられて、間に層１４４を挟んで共に固定される。本実施形態では、層１４４の凹部１４６は、第一のウェーハ１３０に形成されてシリコン融合結合（又は直接結合）法によって固定されている凹部１３２の一辺の近くで上方に揃えられる。融合結合法は周知である。例えば、K. E. Petersen、D. Gee、F. Pourahmadi、R. Craddock、J. Brown及びL. Christel、“Surface Micromachined Structures Fabricated with Silicone Fusion Bonding”、Proceedings, Transducers 91（１９９１年６月）、第３９７頁〜第３９９頁を参照されたい。尚、この文献を参照により本出願に援用する。融合結合法の一例では、相対向する表面を親水性にする。すなわち、両面を熱硝酸又は熱硫酸のような薬品と、過酸化水素溶液又は他の強酸化剤とで処理することにより、両面に水を結合させる。次いで、２枚のウェーハを約１時間にわたって４００℃〜１２００℃の温度の酸化雰囲気内に置く。
上述のシリコン融合結合法は、単結晶シリコン・ウェーハとは異なる熱膨張率を有し得る中間的な糊付け剤を用いずに第一のウェーハ１３０と層１４４とを結合する。さらに、融合結合は、ウェーハの一方又は両方の結合面に酸化物又は窒化物層が形成されている状態で行なうことができる。
図２（Ｄ）では、ウェーハ１３０及び層１４４の相対向する表面を結合した後に、ウェーハ１３０に層１４４を残して第二のウェーハ１４２を除去する。第二のウェーハ１４２は、例えば層１４４をエッチング停止層とした電気化学的ＫＯＨエッチングによって除去される。
図２（Ｅ）では、１個又は複数のＰ型ピエゾ抵抗型センサ素子１５０を、層１４４のビーム１１２の底辺の近くに埋め込む。例えば、１１００℃でのホウ素埋め込み及び拡散によって、ピエゾ抵抗型センサ素子１５０を形成することができる。さらに、層１４４の上に絶縁性酸化物／窒化物層１６０を形成し、続いて金属相互接続部１７０の金属化部分をピエゾ抵抗型センサ素子１５０に結合する。
図２（Ｆ）では、深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を行なって、ビーム１１２及び慣性質量１１４を「解放」し、すなわち慣性質量１１４が移動し得るようにビーム構造１１２の底辺を除いてビーム１１２及び慣性質量１１４を層１４４から分離する。層１４４の上面にＤＲＩＥのレリーフ・パターンで先ずパターン形成して、バイア１１６を形成すると共に加速度計構造の慣性質量１１４を解放する。深彫り反応性イオン・エッチングの一例が、例えば米国特許第６，３１６，７９６号に記載されている。
ＤＲＩＥは本質的に、化学的エッチングとイオン衝突との間の協働的作用によるものである。エネルギを付与された入射イオンがシリコン表面と化学反応する。ＤＲＩＥ法は、シリコン結晶平面又は結晶配向を問わず、例えば異方的に、横方向でよりも遥かに高速で上下方向にエッチングするので有利である。結果として、相対的に深く実質的に垂直な溝又はスロットを層１４４に形成することができる。これらの実質的に垂直な溝又はスロットは、シリコン材料内部での結晶学的配向を問わず層１４４の任意の位置に形成され得る。結果的に、高アスペクト比のバイアを形成して、チップの全体寸法を小さくしながらビーム１１２及び慣性質量１１４を解放することができる。
ＤＲＩＥエッチングのステップでは、層１４４から慣性質量１１４を画定すると共に機械的に「解放」し、これにより、ビーム１１２及び慣性質量１１４をウェーハ１３０及び層１４４に対して運動させることができる。例えば、慣性質量１１４を、加速度計センサの加速度に応答して層１４４の平面の外部で上下に移動させることができる。慣性質量１１４の移動は、ビーム１１２での撓曲を生じ、この撓曲が１個又は複数のピエゾ抵抗型センサ素子１５０によって検知される。
加えて、加速度計センサを、例えばキャップ１１７を用いて封入して、湿分のような環境の影響から構造を隔離したり、或いは真空又は制動流体若しくは制動気体の内部にビーム１１２及び慣性質量１１４を隔離したりすることができる。加えて、動作範囲を超過した変位が生じたときの静止摩擦を防ぐ小突起１１８（図１（Ａ））が凹部の底面又はキャップの下側に含まれていてもよい。
このようにして、小型の高感度加速度計を製造することができる。ビーム１１２の慣性質量部分の厚み、従って質量は層１４４の厚みによって決定され得る。ビーム１１２の撓曲部分の薄さは、図２（Ｂ）を参照して述べたエッチング工程によって決定され得る。さらに、図２（Ｂ）のエッチング工程時には、第二のシリコン・ウェーハ１４２が、エッチングされている層１４４の好都合な担体（又は把手）としての役割を果たす。このように、加速度の変化に対して所望の感度を達成するように撓曲領域の薄さ及び振動質量の厚みを選択したさらに小型の懸吊ビーム構造を製造することができる。
図３（Ａ）〜３（Ｅ）には、図１（Ａ）に示すもののような圧力センサを製造する方法の一例を示す。図２（Ａ）〜２（Ｆ）を参照して述べた工程の多くの詳細が、図３（Ａ）〜３（Ｅ）に関して述べる各製造段階で用いられることが理解されよう。従って、これらの工程の詳細については図３（Ａ）〜３（Ｅ）を参照する際には繰り返さない。さらに、図３（Ａ）〜３（Ｅ）の方法は、加速度計センサを形成する図２（Ａ）〜２（Ｆ）に示す方法に幾つかの観点で類似しており、単一のチップに並行式で又は順次式で一体形成すると有利である。単一のチップの一体型センサは、例えば遠隔タイヤ圧力及び加速度監視システム等に用いることができる。
図３（Ａ）は、内部に凹部領域１３４を形成したＮ型基材である第一のウェーハ１３０を示す。凹部域１３４は、ＫＯＨエッチング等のような標準的な半導体製造方法によって形成される。凹部域は任意の幾何学的構成を有していてよく、形成される圧力センサの内部空洞の一部としての役割を果たす。
図３（Ｂ）は、Ｎ型層１４４を形成したＰ型基材ウェーハである第二のシリコン・ウェーハ１４２を示す。凹部領域１４８がＲＩＥ、ＤＲＩＥ又は湿式エッチング等を介して層１４４から形成されている。層１４４にパターンを形成し、時間制御したエッチングを行なって、層１４４の部分的に内部までエッチングして所望の厚みの層１４４を残す。層１４４の凹部分が、形成される圧力センサの薄膜ダイヤフラム１２２に相当するものとなる。
図３（Ｃ）では、凹部１３４と凹部１４８とを対向させて第一のウェーハ１３０及び第二のウェーハ１４２を適当に揃える。第一のウェーハ１３０及び第二のウェーハ１４２は互いに対して固定されている。具体的には、層１４４の凹部１４８は、第一のウェーハ１３０に形成されている空洞１３４を覆うように揃えられる。本実施形態では、第一のウェーハ１３０及び第二のウェーハ１４２はシリコン融合結合を介して固定される。次いで、第二のウェーハ１４２のＰ型基材を、例えば電気化学的ＫＯＨエッチング等によって除去して、図３（Ｄ）に示すように第一のウェーハ１３０の上に層１４４を残す。
図３（Ｅ）では、１個又は複数のＰ型ピエゾ抵抗型センサ素子１５０を層１４４の一部として形成されている薄膜ダイヤフラム１２２の端辺の近くに埋め込む。ピエゾ抵抗型センサ素子１５０は、ダイヤフラム１２２の撓曲を検知するように配置される。尚、任意の数のピエゾ抵抗型センサ素子１５０を用いてよく、またダイヤフラム１２２に対する素子１５０の正確な配置は、特定の応用、所期の圧力、及び感度の要件等に応じて異なっていてよい。さらに、層１４４の上に酸化物／窒化物層１６０を堆積させ、続いて金属相互接続部１７０の金属化を行なう。
図２（Ａ）〜図２（Ｆ）、及び図３（Ａ）〜図３（Ｅ）に示す方法を並行式で又は順次式で実行して、単一のチップ上に一体型加速度計センサ及び圧力センサを形成することができる。工程を並行式で実行すると、処理のスループットが高まり、すなわち組み合わせたチップについての全処理段階数が少なくなる利点がある。また、並行式工程は、ビーム１１２の厚みをダイヤフラム１２２の厚みに独立にすることを可能にする。例えば、ビーム１１２及びダイヤフラム１２２について異なる深さまで層１４４に凹部１４６及び１４８をエッチングすることにより、各々のセンサの厚み及び感度を個別に最適化することができる。
図４（Ａ）〜４（Ｈ）は、単一のシリコン結晶チップに加速度計センサ及び圧力センサを並行して作製する方法の他の例を示す。この方法の例では、ビーム１１２′、慣性質量１１４′及びダイヤフラム１２２′を多数の半導体層すなわち副次層（sublayer）で構築して所望の構造を形成する。この場合にも、図２（Ａ）〜２（Ｆ）を参照して述べた工程の多くの詳細が、図４（Ａ）〜４（Ｈ）に関して述べる各製造段階で用いられることが理解されよう。従って、これらの工程の詳細については図４（Ａ）〜４（Ｈ）を参照する際には繰り返さない。
図４（Ａ）では、第一のＮ型基材であるウェーハ１３０′にパターンを形成してエッチングし、加速度計センサ及び圧力センサの凹部域にそれぞれ対応して凹部域１３２′及び凹部域１３４′を形成する。
図４（Ｂ）では、第二のＰ型基材であるウェーハ１４２′をＮ型層１４４′と共に第一のシリコン・ウェーハ１３０′の上に配置してシリコン融合結合する。この方法の例では、上述の工程とは異なり、シリコン融合結合の前に層１４４′を薄く形成するすなわちエッチングすることは行なわない。図４（Ｃ）では、ＫＯＨ等を用いて第二のウェーハ１４２′を電気化学的にエッチングして層１４４′に戻す。層１４４′は、第一のウェーハ１３０′に結合した状態で残り、凹部１３２′及び凹部１３４′を被覆している。
次いで、図４（Ｄ）では、層１４４′の上面又は露出面にパターンを形成して、ＤＲＩＥでエッチングする。層１４４′は、ＤＲＩＥで層１４４′内の凹部領域１３２′の上に開口が形成されるようなパターンを形成される。この開口は、ビーム１１２′の薄く形成された領域に対応する。図４（Ｅ）を参照して後述するように、第二の半導体層１４５′が層１４４′の上に配置され、部分的にビーム１１２′としての役割を果たすことになる。
層１４４′はさらに、ＤＲＩＥで層１４４′内の凹部領域１３４′の上に開口が形成されるようなパターンを形成される。この開口は圧力センサの空洞の側壁に対応しており、第二の層１４５′が層１４４′の上に積層されてダイヤフラム１２２′を形成する。
図４（Ｆ）では、第三のＰ型基材であるウェーハ１４３′をＮ型エピタキシャル層１４５′と共に層１４４′の上に配置して、上述のように共にシリコン融合結合する。同様に、エピタキシャル層１４５′をエッチング停止層として、シリコン・ウェーハ１４３′をＫＯＨエッチング等によって電気化学的にエッチング除去する。エピタキシャル層１４５′は、例えばエピタキシャル層１４４′と同じ材料である。代替的には、エピタキシャル層１４４′及び１４５′が異なる材料を含んでいてもよい。
次いで、図４（Ｇ）では、多数のＰ型ピエゾ抵抗型センサ素子１５０′を第二の層１４５′に埋め込む。１個のピエゾ抵抗型センサ素子１５０′は、薄い領域又はビーム１１２′の底辺の近く、すなわち層１４４′にエッチングされているバイアの上方の層１４５′の領域の近くに埋め込まれて、ビーム１１２′の撓曲を検知する。さらなるピエゾ抵抗型センサ素子１５０′は圧力センサの薄膜ダイヤフラムの端辺の近くで第二の層１４５′に埋め込まれて、ダイヤフラムの撓曲を検知する。さらに、層１４５′の上に酸化物／窒化物層１７０′を堆積させ、続いて金属相互接続部１７０′の金属化を行なう。
加えて、図４（Ｈ）では、２回目のＤＲＩＥを行なって加速度計構造を解放し、すなわち慣性質量１１４′を層１４４′及び１４５′から解放する。第二の層１４５′の上面にパターンを形成し、ＤＲＩＥを行なって、レリーフのパターン又はバイア１１６′をエッチングしてビーム１１２′及び慣性質量１１４′を解放する。慣性質量１１４′は第一の層１４４′及び第二の層１４５′の両方から成っており、第二の層１４５′の部分を含むビーム構造１１２′を介してチップ構造の残部に取り付けられている。
加えて、上述のように、加速度計をキャップ（図示されていない）で封入して、加速度計センサの構造を保護したり、或いは慣性質量１１４′の周囲に真空、流体又は気体を収容したりすることができる。また、圧力センサの内部に形成されている空洞を真空に製造して絶対圧力を測定することもできる。
以上の詳細な説明は、実施形態の例を説明するために掲げられており、限定を意味するものではない。本発明の範囲内で多くの改変及び変形が可能であることは当業者には明らかであろう。例えば、所載の方法の例の任意のものによって単一のチップ上に加速度計及び圧力センサを順次式で並列式で製造してよい。さらに、当業者には理解されるように他の多くの材料及び工程を所載の例示的な方法及び構造の範囲内で用いることができる。従って、本発明は特許請求の範囲によって定義されるものであり、本書の記載によって限定されるものではない。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。
単一のシリコン・チップ上の一体型加速度計及び圧力センサの一例の断面図である。 加速度計センサの一例の上面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて加速度計センサを製造する方法の一例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて加速度計センサを製造する方法の一例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて加速度計センサを製造する方法の一例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて加速度計センサを製造する方法の一例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて加速度計センサを製造する方法の一例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて加速度計センサを製造する方法の一例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて絶対圧力センサを製造する方法の一例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて絶対圧力センサを製造する方法の一例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて絶対圧力センサを製造する方法の一例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて絶対圧力センサを製造する方法の一例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて絶対圧力センサを製造する方法の一例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて加速度計センサ及び圧力センサの両方を製造する代替的な方法の例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて加速度計センサ及び圧力センサの両方を製造する代替的な方法の例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて加速度計センサ及び圧力センサの両方を製造する代替的な方法の例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて加速度計センサ及び圧力センサの両方を製造する代替的な方法の例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて加速度計センサ及び圧力センサの両方を製造する代替的な方法の例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて加速度計センサ及び圧力センサの両方を製造する代替的な方法の例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて加速度計センサ及び圧力センサの両方を製造する代替的な方法の例の断面図である。 シリコン融合結合（ＳＦＢ）及び深彫り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を用いて加速度計センサ及び圧力センサの両方を製造する代替的な方法の例の断面図である。
符号の説明
１００ 単結晶シリコン・チップ
１０４−１〜１０４−８ 境界領域
１１０ 加速度計
１１２、１１２′ 撓曲領域
１１３ ビーム
１１４、１１４′ 慣性質量領域
１１５ アンカー領域
１１６、１１６′ バイア
１１７ キャップ
１１８ 小突起
１２０ 圧力センサ
１２２、１２２′ ダイヤフラム
１３０、１３０′、 シリコン・ウェーハ
１３２、１３２′、１３４、１３４′、１４６、１４８ 凹部
１４２、１４２′ 第二のシリコン・ウェーハ
１４３′ 第三のウェーハ
１４４、１４４′ Ｎ型シリコン層
１４５′ 第二の半導体層
１５０、１５０′ Ｐ型ピエゾ抵抗型センサ素子
１６０、１６０′ 酸化物／窒化物層
１７０、１７０′ 金属相互接続部

Claims (10)

  1. 内部に形成された第一の凹部領域（１３２）を画定している第一の半導体ウェーハ（１３０）と、
    前記第一の凹部領域（１３２）に対向して前記第一のウェーハ（１３０）に固定されており、全体的に平面的な水平次元を含んでいる半導体層（１４４）と、
    該半導体層（１４４）に形成されているカンチレバー・ビーム（１１３）と、を備えた微小機械装置であって、
    前記カンチレバー・ビーム（１１３）は、前記半導体層（１４４）のアンカー領域（１１５）に固定されている撓曲領域（１１２）を含んでおり、
    前記カンチレバー・ビーム（１１３）は、前記第一の凹部領域（１３２）に対向して懸吊されている慣性質量領域（１１４）を含んでおり、
    前記撓曲領域（１１２）は前記半導体層（１４４）の前記アンカー領域（１１５）よりも薄い、
    微小機械装置。
  2. 前記撓曲領域（１１２）は前記慣性質量領域（１１４）よりも薄い、請求項１に記載の装置。
  3. 前記撓曲領域（１１２）の垂直次元は、前記半導体層（１４４）の水平面に全体的に垂直な方向に加わる加速力に応答して前記撓曲領域（１１２）を通る軸（ｘ）を中心とした前記半導体層（１４４）の前記水平面の外部での前記慣性質量（１１４）の回転運動を促進するように、前記半導体層（１４４）の前記アンカー領域（１１５）の垂直次元よりも薄い、請求項１に記載の装置。
  4. 前記半導体層（１４４）の前記アンカー領域（１１５）の前記垂直次元は全体的に、前記慣性質量領域（１１４）の前記垂直次元と実質的に同じである、請求項１に記載の装置。
  5. 前記第一の半導体ウェーハ（１３０）は、内部に形成された第二の凹部領域（１３４）を画定しており、前記半導体層（１４４）は、前記第二の凹部領域（１３４）に対向して前記第一のウェーハ（１３０）に固定されており、
    前記第二の凹部領域（１３４）に対向して前記半導体層（１４４）に形成されているダイヤフラム（１２２）であって、当該ダイヤフラム（１２２）の垂直次元は、前記半導体層（１４４）の前記アンカー領域（１１５）又は前記慣性質量領域（１１４）の垂直次元よりも薄い、ダイヤフラム（１２２）をさらに含んでいる請求項１に記載の装置。
  6. 微小機械装置の製造方法であって、
    全体的に平面的な水平次元を有する第一の半導体ウェーハ（１３０）を設けるステップと、
    該半導体ウェーハ（１３０）に凹部領域（１３２）を形成するステップと、
    該凹部領域（１３２）に対向して前記ウェーハ（１３０）の表面に半導体層（１４４）を固定するステップであって、
    該半導体層（１４４）は、前記第一の半導体ウェーハ（１３０）の前記全体的に平面的な水平次元に全体的に垂直な垂直次元を含むと共に、前記第一の半導体ウェーハ（１３０）の前記全体的に平面的な水平次元に全体的に平行な水平次元を含んでいる、固定するステップと、
    前記半導体層（１４４）に、前記凹部領域に対向して配設されている懸吊構造（１１３）を形成するステップであって、
    該懸吊構造（１１３）は、前記半導体層（１４４）の垂直次元に全体的に平行な垂直次元を含むと共に、前記半導体層（１４４）の水平次元に全体的に平行な水平次元を含んでおり、
    前記懸吊構造（１１３）は境界領域（１０４−１〜１０４−８）を含んでおり、該境界領域（１０４−１〜１０４−８）は、該境界領域（１０４−１〜１０４−８）の撓曲領域（１１２）を除き、前記半導体層（１４４）の他部分から解放されており、
    前記懸吊構造（１１３）は、前記境界領域（１０４−１〜１０４−８）の内部に振動質量領域（１１４）を含んでおり、
    前記境界領域（１０４−１〜１０４−８）の前記撓曲領域（１１２）及び前記境界領域（１０４−１〜１０４−８）の解放部分は、前記撓曲領域（１１２）を通る軸（ｘ）を中心として前記半導体層（１４４）の前記垂直次元に全体的に平行な方向への前記振動質量（１１４）の全体的に回転式の運動を許すように配設されており、
    前記撓曲領域（１１２）の垂直次元は、前記半導体層（１４４）の前記水平次元に全体的に垂直な方向に加わる加速力に応答して前記回転運動を促進するように、前記振動質量領域（１１４）の垂直次元よりも薄い、懸吊構造（１１３）を形成するステップと、
    を備えた方法。
  7. 前記半導体層（１４４）を固定するステップは、第一の副次層（１４５′）を固定すると共に第二の副次層（１４４′）を固定するステップを含んでおり、
    前記第一の副次層（１４５′）は前記懸吊構造（１１３）の前記撓曲領域（１１２）を画定しており、
    前記第一の副次層（１４５′）及び前記第二の副次層（１４４′）は共に、前記懸吊構造（１１３）の前記振動質量領域（１１４）を画定している、
    請求項６に記載の方法。
  8. 前記固定するステップは、
    前記半導体層（１４４）を形成した第二のウェーハ（１４２）を設けるステップと、
    前記半導体層（１４４）に凹部（１４６）を形成するステップと、
    前記ウェーハ（１３０）の第一の表面に前記半導体層（１４４）を固定するステップと、
    前記第二のウェーハ（１４２）を除去するステップと、
    を含んでいる、請求項６に記載の方法。
  9. 前記第二のウェーハ（１４２）を除去するステップは、前記第二のウェーハ（１４２）をエッチングするステップを含んでいる、請求項８に記載の方法。
  10. 前記ウェーハ（１３０）に第二の凹部領域（１３４）を形成するステップと、
    前記半導体層（１４４）に薄く形成された領域（１２２）を形成するステップと、
    前記半導体層（１４４）の前記垂直次元に全体的に平行な方向での撓曲を許すように、前記第二の凹部領域（１３４）に対向して前記薄く形成された領域（１２２）を配設するステップと、
    をさらに含んでいる請求項６に記載の方法。
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