JP2006013089A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチング精度とエッチング制御性の向上を図ることができるとともに、ウエハ状態によって異なるエッチング条件の最適化を図ることができる半導体装置とその製造方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る半導体装置は、半導体基板の一方の主面側からエッチングを行って形成される半導体素子を有する半導体装置において、前記エッチングの終点を検知する手段となる可動部位が前記半導体基板上に設けられていることを特徴とする。又、発明に係る半導体装置の製造方法は、少なくとも半導体基板の一方の主面側からエッチングを行う工程を有し、前記エッチングの終点を前記半導体基板上に設けられた可動部位が変位した時点とすることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力によって変位するダイヤフラムを有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。

近年、高機能・高性能の物理量センサシステムが数多く製作されている。その中でも圧力センサは最も古くから開発が進められてきたものであり、現在では工業計測、自動車、家電等の多くの分野で実用化されており、今後も幅広い分野での需要が予想されている。特に、電子機器の小型軽量化や高精度化の進展にともない、これらの電子機器に搭載される圧力センサにはさらなる高感度化、小型化、低コスト化が求められてきている。このうち半導体圧力センサは半導体プロセスを用いて製造できるため、高度化した半導体微細加工技術の応用による小型化・高集積化だけでなく、信号処理回路等を同一基板上に形成したインテリジェント化も容易に実現できる等の数多くの利点を有している。

図４は従来の半導体圧力センサの製造方法の一例を示す工程図である。

図４において、１はシリコン基板、２はシリコン酸化膜、３は単結晶シリコン層、４はＳＯＩ基板、５はダイヤフラムである。

図４における工程は以下の通りである。

（１）シリコン基板１上にシリコン酸化膜２及び単結晶シリコン層３が積層されたＳＯＩ基板４を準備する。

（２）シリコン基板１表面にパターニング（図示せず）を行い、パターン開口部よりシリコン酸化膜２に達するまでシリコン基板１をエッチングする。

（３）シリコン基板１の残渣を完全に除去するためにそのままエッチングを進める。このときシリコン酸化膜２は僅かにエッチングされる。

上記従来例では絶縁層（通常シリコン酸化膜）上に単結晶シリコン層の形成されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を採用して、シリコン酸化膜をエッチングストッパ層としている。直接圧力を検知する部分となるダイヤフラムは微小な圧力変化を高精度に加工される必要があるため、エッチストッパ層を設けて厚さが均一に加工されるようにする場合が一般的である。ダイヤフラムを形成するシリコンのエッチングは、ＫＯＨ（水酸化カリウム）やＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドライド）によるウエットエッチングや、フッ素・塩素系ガスによるドライエッチング等が実用化されている。その際、エッチストッパ層を設けるために、ＳＯＩ基板の他、高濃度ｐ型拡散層を埋め込んだシリコン基板等が用いられることがある。

ドライエッチングの終点検出は一般的に発光モニタリング法で行われている（例えば、非特許文献１参照）。これはエッチングの際、エッチングガスのイオンやラジカルの発光強度又はエッチング時生成する反応生成物の発光強度の変化を光学センサによって検出するもので、信号波形の変化した点をエッチングの終点とするものである。この他、エッチストッパ層が露出することで、エッチング部分の材質が変化したことを光学的に検知する方法もあるが、何れの場合も光学センサで信号波形の変化をモニタリングする点では同様の方法と言える。

通常、エッチング反応は基板面内において完全に均一に進行することは難しく、多くの場合面内にエッチングむらを生じる。この場合、エッチング速度の遅い部分ではエッチング残渣が生じる。従って、この残渣を充分除去するために、通常のエッチング工程では終点を検出してから、更に一定量のオーバーエッチングを行うことが一般的である。

上記の工程図では、（２）がエッチングの終点で（３）がオーバーエッチングに当たる。エッチングの開始から終点検知までの時間をエッチング時間とすると、オーバーエッチングの時間は一定時間若しくはエッチング時間の一定割合の何れかから算出される。

パナソニックファクトリーソリューションズ株式会社ＨＰ「ドライエッチングの基礎と応用」：http://www.fa.panasonic.co.jp/products/fp/dry_etching/main/dryetch3.html

しかしながら、上記した製造方法では、以下に示す問題がある。

通常、エッチング工程ではエッチングされる膜の膜厚ばらつきやエッチング速度の不均一性を補うためにオーバーエッチングが行われるが、オーバーエッチングの時間は予め設定した値を用いるため、装置やエッチングされる基板の状態の違い・変化により生じたエッチングばらつきにその場で対応することはできない。このため、エッチング速度が変化するとオーバーエッチング量も変化するため、全体としてのエッチング量は変化してしまう。このことはエッチング寸法について仕上がりばらつきを増大させ、その再現性を低下させるという問題を生じてしまう。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、エッチング精度とエッチング制御性の向上を図ることができるとともに、ウエハ状態によって異なるエッチング条件の最適化を図ることができる半導体装置とその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る半導体装置は、半導体基板の一方の主面側からエッチングを行って形成される半導体素子を有する半導体装置において、前記エッチングの終点を検知する手段となる可動部位が前記半導体基板上に設けられていることを特徴とする。

又、本発明に係る半導体装置の製造方法は、少なくとも半導体基板の一方の主面側からエッチングを行う工程を有し、前記エッチングの終点を前記半導体基板上に設けられた可動部位が変位した時点とすることを特徴とする。

本発明によれば、完全にエッチングが終了した時点で可動部が動作するよう設定できるため、エッチング精度を向上できる効果が得られる。又、エッチストッパ層を設けなくてもエンドポイント検出可能であり、エッチング制御性を向上できる効果が得られる。更に、ウエハ状態によって異なるエッチング条件の最適化をより効果的に図ることができる。

以下、本発明による具体的な実施形態を詳細に説明する。ここで示している実施形態は、本発明に好適な具体例であるから、条件等の技術的に好ましい種々の限定を付しているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態のみに限られるものではない。

＜実施の形態１＞
図１は本発明に係る半導体装置の製造方法の実施の形態を示す工程図である。

図１において、１はシリコン基板、２はシリコン酸化膜、３は単結晶シリコン層、４はＳＯＩ基板、５はダイヤフラムである。

図１における工程は以下の通りである。

（１）シリコン基板１上にシリコン酸化膜２及び単結晶シリコン層３が積層されたＳＯＩ基板４を準備する。

（２）シリコン基板１表面にパターニング（図示せず）を行い、パターン開口部よりシリコン酸化膜２に達するまでシリコン基板１をエッチングする。

（３）シリコン基板１の残渣を完全に除去するためにそのままエッチングを進める。このとき、シリコン酸化膜２は僅かにエッチングされる。

（４）ダイヤフラム５が圧力によって変位した時点でエッチングを終了する。

図１に示す工程を用いて、具体的に半導体装置を作製した一例を以下に示す。

ここでは、厚さ２３０μｍ、比抵抗１〜４Ωｃｍのｎ型シリコン基板上に、埋込絶縁層として厚さ４００ｎｍのシリコン酸化膜が、単結晶シリコン層として厚さ０．３μｍ、比抵抗０．３〜０．５Ωｃｍのｎ型シリコン層がそれぞれ形成されたＳＯＩ基板を用いた。このＳＯＩ基板のｎ型シリコン基板表面にプラズマＣＶＤ法でプラズマ酸化膜４μｍを形成する。このときの条件は基板温度３８０℃、圧力１．８Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ₄＝２５０ｃｃ／ｍｉｎ、Ｎ₂Ｏ＝１２００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｎ₂＝４０００ｃｃ／ｍｉｎ、１３．５６ＭＨｚの高周波出力１８００Ｗ、成膜速度４１００Å／ｍｉｎであった。

続いてプラズマ酸化膜のパターニングを行い、シリコン基板表面に開口部を設ける。このときのエッチング条件は２５℃、圧力０．５Ｔｏｒｒ、ＣＦ₄＝２０ｃｃ／ｍｉｎ、ＣＨＦ₃＝２５ｃｃ／ｍｉｎ、Ａｒ＝３００ｃｃ／ｍｉｎ、１３．５６ＭＨｚの高周波出力８００Ｗ、エッチング速度５０００Å／ｍｉｎであった。その後、開口部よりプラズマ酸化膜をマスクとして、シリコン基板上のエッチングを行う。このときのエッチング条件はデポジションとエッチングを交互に繰り返すボッシュプロセスを採用したため、基板温度２３℃、圧力２．４Ｐａ、Ｃ４
Ｆ₈＝１５０ｃｃ／ｍｉｎ、１３．５６ＭＨｚの高周波出力１８００Ｗ、２７０ｋＨｚの低周波出力２０Ｗのデポジションと、基板温度２３℃、圧力２．４Ｐａ、ＳＦ６
＝３００ｃｃ／ｍｉｎ、２７０ｋＨｚの高周波出力１８００Ｗ、１３．５６ＭＨｚの低周波出力２０Ｗのエッチングとを２ｓｅｃ／７ｓｅｃのサイクルで行った。

エッチングを４２．５ｍｉｎ行ったところでダイヤフラムの厚さが３μｍに達して、ダイヤフラムが変位することが観察されたので、エッチングを終了した。尚、シリコンとプラズマ酸化膜との選択比は１５０：１であったため、エッチング終了時点でマスク材のプラズマ酸化膜は厚さ０．９μｍが残っている。ここで作製した半導体装置は圧力測定レンジ１〜１００ｋＰａ、出力電圧が１３５ｍＶ（印加圧力２０ｋＰａ）のピエゾ抵抗型半導体圧力センサである。

ここで、ダイヤフラムが変位したのは、シリコン基板の表面側と裏面側とで圧力差が生じているためである。本実施の形態の場合、エッチングを進めているシリコン基板表面側は上記のように２．４Ｐａの圧力が掛かっている。これに対してシリコン基板裏面側は基板温度を一定（ここでは２３℃）に保つために基板裏面と接している下部電極にＨｅが供給されているので約５０ｋＰａの圧力が掛かっている。従って、エッチングを行っている側の面が低圧であるため、エッチングしている面から見てダイヤフラムが手前に盛り上がる様子が観察される。ダイヤフラムの変位量は印加圧力と比例関係にあり、厚さの３乗に反比例する。従って、ダイヤフラムの変位量をモニタリングすることでダイヤフラムの厚さを制御することが可能となる。

本実施の形態では、半導体圧力センサのダイヤフラムの状況を直接モニタリングしながらエッチングを行っているため、圧力センサを高精度且つ再現性良く作製することが可能である。又、本実施の形態で示した半導体装置は半導体圧力センサであるが、この他半導体加速度センサ、フローセンサ、マイクロポンプ等、圧力差によって変位するダイヤフラムの形成された半導体装置であれば、任意に適用することが可能である。

本実施の形態では、具体例として種々の数値を挙げているが、何れもここに挙げた数値のみに限定されず、目的に応じて自由に選択することが可能である。又、本実施の形態で示した半導体装置は半導体圧力センサであるが、この他半導体加速度センサ、フローセンサ、マイクロポンプ等、圧力差によって変位するダイヤフラムの形成された半導体装置であれば、任意に適用することが可能である。

＜実施の形態２＞
図２は半導体装置の製造方法の実施の形態２を示す工程図である。ここで、１，５は図１と同一である。図２における工程は以下の通りである。

（１）シリコン基板１を準備する。

（２）シリコン基板１表面にパターニング（図示せず）を行い、パターン開口部よりシリコン基板１をエッチングする。

（３）ダイヤフラム５が所望の厚さに達するまでシリコン基板１のエッチングを進める。

（４）ダイヤフラム５が圧力によって変位した時点でエッチングを終了する。

図２に示す工程を用いて、実施の形態１とほぼ同様の条件で半導体装置を作製することができる。実施の形態１との相違点は、エッチングストッパ層を設けていないため、シリコン基板を用いたことである。ここでは、直径１５０ｍｍ、厚さ２３０μｍ、比抵抗０．３〜０．５Ωｃｍのｎ型シリコン基板を用いた。ダイヤフラムは厚さが３μｍになるまでエッチングを進めた時点で変位する（ここでは、エッチングしている面から見てダイヤフラムが手前に盛り上がる）ことが観察されたので、この時点でエッチングを終了した。

エッチングストッパ層を設けない場合、従来はエッチング時間を管理することで膜厚の制御を行っていたが、装置の状態・エッチングされる基板の状態等によってエッチング速度がばらつくため、エッチング量の制御性・再現性は良くなかった。本実施の形態に示す方法を採用することで、エッチングストッパ層を設けなくとも均一な厚さのダイヤフラムを再現性良く作製できる効果がある。又、実施の形態１で用いていたＳＯＩ基板に比べて、より安価なシリコン基板を用いることができるため、デバイス作製コストを低減できる効果がある。

尚、本実施の形態で挙げたシリコン基板の仕様等の具体値は、ここに示す例のみに限定されず、目的に応じて自由に選択することが可能である。又、圧力差によって変位するダイヤフラムが形成されていれば、本実施の形態で示した半導体圧力センサ以外にも、任意の半導体装置に適用することが可能である。

＜実施の形態３＞
図３は半導体装置の製造方法の実施の形態３を示す工程図である。ここで１，５は図２と同一であり、６はエッチングモニタ用ダイヤフラムである。図３における工程は以下の通りである。

（１）シリコン基板１を準備する。

（２）シリコン基板１表面にパターニング（図示せず）を行い、パターン開口部よりシリコン基板１をエッチングする。

（３）エッチングモニタ用ダイヤフラム６が所望の厚さに達するまでシリコン基板１のエッチングを進める。

（４）エッチングモニタ用ダイヤフラム６が圧力によって変位した時点でエッチングを終了して、シリコン基板１上に所望の厚さのダイヤフラム５を形成する。

図３に示す工程を用いて、実施の形態２とほぼ同様の条件で半導体装置を作製した。モニタリング用ダイヤフラムが厚さ１μｍになるまでエッチングを進めた時点で変位する（ここではエッチングしている面からみてダイヤフラムが手前に盛り上がる）ことが観察されたので、この時点でエッチングを終了した。ここで作製した半導体装置は使用する圧力範囲の異なる２種類の半導体圧力センサである。

実施の形態１，２との相違点は、
（１）エッチングのモニタリング部分の他、厚さの異なる２種類のダイヤフラムを形成している点
（２）エッチングのモニタリング部分が半導体素子でない点
である。

実施の形態１，２では、単一の厚さ・種類のダイヤフラムを作製しているが、同一エッチング条件では開口サイズとエッチング深さが比例する関係を利用して、本実施の形態のように同一基板上に異なる種類のデバイスを複数作り込むことも可能である。又、本実施の形態のように半導体素子以外にエッチングモニタを同一基板上に組み込むことも可能である。

尚、本実施の形態で挙げた具体値は、ここに示す例のみに限定されず、目的に応じて自由に選択することが可能である。又、たエッチングモニタとなるダイヤフラムが基板上に形成されていれば、本実施の形態で示した半導体圧力センサ以外にも、任意の半導体装置に適用することが可能である。

本発明は、圧力によって変位するダイヤフラムを有する半導体装置及びその製造方法に関するものであり、自動車・家電・産業機器・計測機器・医療機器等に利用されている圧力センサ・加速度センサやフローセンサ、マイクロポンプをはじめとした半導体機器に適用すると好適である。

本発明による半導体装置の製造方法の実施の形態１を示す工程図である。 本発明による半導体装置の製造方法の実施の形態２を示す工程図である。 本発明による半導体装置の製造方法の実施の形態３を示す工程図である。 従来の半導体圧力センサの製造方法の一例を示す工程図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ シリコン酸化膜
３ 単結晶シリコン層：
４ ＳＯＩ基板
５ ダイヤフラム
６ エッチングモニタ用ダイヤフラム

Claims (5)

1. 半導体基板の一方の主面側からエッチングを行って形成される半導体素子を有する半導体装置において、
   前記エッチングの終点を検知する手段となる可動部位が前記半導体基板上に設けられていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記可動部位が、エッチング面側と非エッチング面側との圧力差によって変位することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記可動部位が前記半導体素子以外の領域に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記可動部位が前記半導体素子に形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 少なくとも半導体基板の一方の主面側からエッチングを行う工程を有し、前記エッチングの終点を前記半導体基板上に設けられた可動部位が変位した時点とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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