JP2007322298A - 加速度センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】加速度センサが、開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有し、かつ平板状の第1の半導体材料から一体的に構成される第1の構造体と、前記変位部に接合される重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、を有し、第2の半導体材料から構成され、ゲッタリング層を備え、かつ前記第1の構造体に積層して配置される第2の構造体と、前記接続部に配置されるピエゾ抵抗素子と、を具備する。
【選択図】図1
Description
しかしながら、このPN接合の界面付近に重金属等の金属不純物が取り込まれると、接合リーク電流が増大してしまい、加速度の正確な検出が困難となる可能性があることが判った。
上記に鑑み、本発明は接合リーク電流の低減を図った加速度センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
図1は本発明の一実施形態に係る加速度センサ100を表す斜視図である。また、図2は加速度センサ100を分解した状態を表す分解斜視図である。図3は、加速度センサ100の接続部(梁)上の配線を上面から見た状態を表す上面図である。図4は、加速度センサ100を図3のA−Aに沿って切断した状態を表す一部断面図である。なお、見やすさおよび図4との対応関係を考慮し、図1〜図3において配線の図示を限定している。
第1の構造体110、接合部120、第2の構造体130、基体140は、その外周が例えば、1mmの辺の略正方形状であり、これらの高さはそれぞれ、例えば、3〜12μm、0.5〜3μm、600〜725μm、600μmである。
第1の構造体110、接合部120、第2の構造体130はそれぞれ、シリコン、酸化シリコン、第1のゲッタリング層135が形成されたシリコンから構成可能であり、シリコン/酸化シリコン/第1のゲッタリング層135が形成されたシリコンの3層構造をなすSOI(Silicon On Insulator)基板を用いて製造可能である。また、基体140は、例えば、ガラス材料で構成できる。
変位部112は、外周が略正方形の基板であり、固定部111の開口の中央近傍に配置される。
接続部(梁)113は略長方形の基板であり、固定部111と変位部112とを4方向(X正方向、X負方向、Y正方向、Y負方向)で接続する。
接続部113上に、12個のピエゾ抵抗素子R(Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4)が配置されている。このピエゾ抵抗素子Rは、抵抗の変化として接続部113の撓み(あるいは、歪み)、ひいては変位部112の変位を検出するためのものである。なお、この詳細は後述する。
配線構造150は、絶縁層151、配線層152、保護層153の層構造をなす。
絶縁層151は、第1の構造体110と配線層152とを分離するための層である。絶縁層151には、ピエゾ抵抗素子Rと配線層152とを電気的に接続するためのコンタクトホール(開口)154が形成される。このコンタクトホール154には、層間接続導体155が配置される。
ボンディングパッド157は、加速度センサ100と外部回路とを例えば、ワイヤボンディングで接続するための接続端子である。
層間接続導体155、配線156、およびボンディングパッド157は、同一の材料、例えば、Ndを含有するAlからなる。これらが同一の材料からなるのは、この材料を堆積してパターニングすることで、形成されるためである。
AlにNdを含有させることで(1.5〜10at%)、層間接続導体155、配線156へのヒロックの発生を防止し、接続信頼性を向上できる。
重量部132は、質量を有し、加速度によって力を受ける重錘、あるいは作用体として機能する。即ち、加速度が印加されると、重量部132の重心に力が作用する。
重量部132は、略直方体形状の重量部132a〜132eに区分される。中心に配置された重量部132aに4方向から重量部132b〜132eが接続され、全体として一体的に変位(移動、回転)が可能となっている。即ち、重量部132aは、重量部132b〜132eを接続する接続部として機能する。
突出部134は、台座131と一体的に構成され、外周、内周が共に略正方形の枠形状の基板である。突出部134の外周は、台座131の外周と一致し、突出部134の内周は、台座131の内周より大きい。
なお、後述する第2のゲッタリング層15は、主に加速度センサ100の表(おもて)面からピエゾ抵抗素子Rの近傍への重金属汚染を防止することができる。
不純物がボロンの場合には、第1のゲッタリング層135の抵抗率は、0.001Ω・cm以上0.1Ω・cm以下が好ましく、0.001Ω・cm以上0.01Ω・cm以下がさらに好ましい。抵抗率が0.001Ω・cm未満であると、ボロンの添加量が多くなり単結晶化が困難になるおそれがあり、抵抗率が0.1Ω・cmを越えると、ゲッタリング能力が不十分になるおそれがある。本実施の形態では、第1のゲッタリング層135として、高濃度のボロンを含み、抵抗率が0.001〜0.01Ω・cmのものを使用した。
また、Fe、Cu、Ni等の重金属等の金属不純物の汚染源としては、例えば、クリーンルーム内のダスト、化学薬品、レジスト、微細加工で発生する微粒子等が挙げられる。
なお、接合部121、122は、シリコン酸化膜をエッチングすることで構成可能である。
基体140は、例えば、ガラス材料からなり、略直方体の外形を有する。
基体140と突出部134は、例えば、陽極接合によって接続される。基体140と突出部134とを接触させて加熱した状態で、これらの間に電圧を印加することで,接合がなされる。
突出部134の下面に対応する領域には、接合防止層141が配置されない。接合防止層141の構成材料として、例えば、Crを用いることができる。
加速度センサ100による加速度の検出の原理を説明する。既述のように、接続部113には、合計12個のピエゾ抵抗素子Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4が配置されている。
これら各ピエゾ抵抗素子は、シリコンからなる接続部113の上面付近に形成されたP型もしくはN型の不純物ドープ領域(拡散層116)によって構成できる。
なお、ピエゾ抵抗素子Rx1〜Rx4、Rz1〜Rz4は、接続部113によって配置が異なる。これはピエゾ抵抗素子Rによる接続部113の撓みの検出をより高精度化するためである。
例えば、接続部113の構成材料の結晶面指数が{100}で、ピエゾ抵抗素子Rの長手方向での結晶方向が<110>の場合を考える。ここで、各ピエゾ抵抗素子RがシリコンへのP型不純物ドープによって構成されているとする。このときには、ピエゾ抵抗素子Rの長手方向での抵抗値は、伸び方向の応力が作用したときには増加し、縮み方向の応力が作用した場合には減少する。
なお、ピエゾ抵抗素子RをシリコンへのN型不純物ドープによって構成した場合には、抵抗値の増減が逆になる。
Vx_out/Vx_in=
[Rx4/(Rx1+Rx4)−Rx3/(Rx2+Rx3)] ……式(1)
Vy_out/Vy_in=
[Ry4/(Ry1+Ry4)−Ry3/(Ry2+Ry3)] ……式(2)
Vz_out/Vz_in=
[Rz3/(Rz1+Rz3)−Rz4/(Rz2+Rz4)] ……式(3)
加速度センサ100の作成工程につき説明する。
図6は、加速度センサ100の作成手順の一例を表すフロー図である。また、図7A〜図7Pは、図4に対応し、図6の作成手順における加速度センサ100の状態を表す断面図である。図8は、図6の作成手順のステップS12における加速度センサ100を上面から見た状態を表す上面図である。図9は、図8のB−Bに沿って切断した状態を表す一部断面図である。図10は、図6の作成手順のステップS21における加速度センサ100を上面から見た状態を表す上面図である。図11は、図10のC−Cに沿って切断した状態を表す一部断面図である。
図7Aに示すように、第1、第2、第3の層11、12、13の3層を積層してなる半導体基板Wを用意する。
シリコン/酸化シリコン/第1のゲッタリング層135が形成されたシリコンの3層構造をなすSOI基板は、例えば、シリコンと、酸化シリコンと、第1のゲッタリング層135が形成されたシリコンとを貼り合わせることにより製造することができる。ここで、第1のゲッタリング層135が形成されたシリコンは、例えば、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造において、ボロンをドープすることにより製造することができる。
なお、第1のゲッタリング層135は、イオン注入や熱拡散等により、第3の層13中の一部に形成されていてもよいが、ゲッタリング能力の向上の観点から、本実施形態のように第3の層13の全体に形成されていることが好ましい。
なお、ここでは第1の層11と第3の層13とを同一材料(シリコン)によって構成するものとするが、第1、第2、第3の層11、12、13のすべてを異なる材料によって構成してもよい。
マスク14を用いて第2のゲッタリング層15を形成する。この形成は、次のa〜dのようにして行われる。
a.半導体基板Wを熱処理して、第1の層11上及び第3の層13上に、例えば、膜厚200nmの酸化膜を形成する。
b.第1の層11上の酸化膜に開口16を形成し、第2のゲッタリング層15を成膜するためのマスク14を形成する。第1の層11上に多結晶シリコンからなる第2のゲッタリング層15を直接形成すると、第2のゲッタリング層15の除去後に、第1の層11の表面が荒れてしまい、後の工程での配線構造150の形成が困難になるからである。開口16は、例えば、RIE(Reactive Ion Etching)で形成する。また、開口16は、後述するステップ21で第1の層11をエッチングすることにより形成される開口部115に対応する領域に形成される。
c.マスク14上に、多結晶シリコン層を形成する。例えば、低圧CVD(Low Pressure-Chemical Vapor Deposition)によりマスク14上に例えば、厚さ1.5μmの多結晶シリコン層を形成する。
d.多結晶シリコンをエッチングし、第2のゲッタリング層15を形成する。第2のゲッタリング層は、開口16(すなわちステップ21での開口部115の形成領域に対応する領域)内の第1の層11上に配置される。
本発明では、第2のゲッタリング層15をピエゾ抵抗素子Rの形成領域に近づけて配置している。重金属等の金属不純物を減少させるべき領域(具体的にはピエゾ抵抗素子Rの形成領域の近傍)から、ゲッタリング領域が離れていると、重金属等の拡散距離が長くなるため、除去に時間を要してしまうためである。第2のゲッタリング層を構成する多結晶シリコン膜は、その粒界の歪みに重金属等の金属不純物を捕捉する。
マスク14上に拡散マスク18を形成する。第1の層11にピエゾ抵抗素子Rの拡散層116を形成するためである。
例えば、低圧CVDによって、マスク14上にSiN膜を積層し、RIE(Reactive Ion Etching)で開口を形成する。このようにして、第1の層11上に開口19を有する膜、即ち、拡散マスク18が形成される。
なお、SiN膜で構成される拡散マスク18は、重金属等の拡散を妨げるため、半導体基板Wの表面からの重金属等の侵入を抑制することもできる。
拡散マスク18を用いてピエゾ抵抗素子Rの拡散層116のパターンを形成する。この形成は次のa〜cのようにして行われる。
a.拡散マスク18上に不純物層、例えば、Bを含有する層を形成する。例えば、スピンコートによって、Bを含有する層を形成できる。
b.熱処理によって、不純物層に含まれる不純物、例えば、Bを第1の層11内に拡散させ、拡散層116を形成する。例えば、1000℃の熱処理によって、Bが熱拡散される。
c.拡散マスク18上の不純物層を除去する。例えば、フッ酸を用いて、Bの不純物層をエッチングする。
d.上記a〜cでは熱拡散を用いてピエゾ抵抗素子Rの拡散層116を形成している。これに対して、熱拡散以外の手段、例えば、イオン打ち込みによってピエゾ抵抗素子Rの拡散層116を形成しても差し支えない。
拡散マスク18を除去する。拡散マスク18の構成材料がSiNの場合、熱リン酸によって、これをエッチング、除去できる。この結果、酸化膜からなるマスク14が露出される。
第1の層11の拡散層116上に絶縁層151を形成する。例えば、熱酸化することで、第1の層11の拡散層116上にSiO2の層を形成できる(なお、第3の層13上の酸化膜を酸化膜17bと称する)。
絶縁層151にコンタクトホール(開口)154を形成する。例えば、レジストをマスクとしたRIEによって、絶縁層151にコンタクトホール(開口)154のパターンを形成できる。
絶縁層151上に配線156を形成する。この形成は次のa、bのようにして行われる。
a.第1の層11上に、例えば、Ndを含むAl層を形成する。例えば、スパッタリングによって、Ndを含むAlを堆積できる。この堆積の結果、第1の層11上に配線層152が、コンタクトホール154内に層間接続導体155が形成される。
配線層152上に保護層153を形成する。例えば、LP−CVDにより、SiN層を堆積する。このとき、例えば、350℃程度に配線層152が加熱され、半導体基板Wに存在する重金属等の金属不純物は熱拡散し、第1のゲッタリング層135及び第2のゲッタリング層15によってゲッタリングされる。なお、SiN膜で構成される保護層153は、重金属等の拡散を妨げるため、半導体基板Wの表面からの重金属等の侵入を抑制することもできる。
半導体基板Wを熱処理する。拡散層116と層間接続導体155間をオーム性接触(オーミックコンタクト)させるためである。このとき、例えば、400℃程度に配線層152が加熱され、半導体基板Wに存在する重金属等の金属不純物は熱拡散し、第1のゲッタリング層135及び第2のゲッタリング層15によってゲッタリングされる。
保護層153にパッド開口158を形成する。レジストをマスクとするRIEによって、保護層153をエッチングしてパッド開口158を形成できる。
第2のゲッタリング層15、第1の層11をエッチングすることにより、開口部115を形成し、第1の構造体110を形成する。即ち、第1の層11に対して浸食性を有し、第2の層12に対して浸食性を有しないエッチング方法を用いて、第1の層11の所定領域(開口部115)に対して、第2の層12の上面が露出するまで厚み方向にエッチングする。
図7J、図10、図11は、第1の層11に対して、上述のようなエッチングを行い、第1の構造体110を形成した状態を示す。
重金属等の金属不純物をゲッタリングした第2のゲッタリング層15を除去するため、ゲッタリングされた重金属等の金属不純物をピエゾ抵抗素子Rの近傍から永久に除去することができる。
また、配線層152を形成しない領域であって、最終的に開口部115となる領域に、第2のゲッタリング層15を形成している。そのため、第2のゲッタリング層15のみに占有される領域を形成する必要がないので、スペースを有効活用することができ、加速度センサ100の小型化を図ることができる。
第2の構造体130は2段階に区分して作成される。
1)突出部134の形成(図7K)
第3の層13の下面に、突出部134に対応するパターンをもったレジスト層を形成し、このレジスト層で覆われていない露出部分を垂直上方へと浸食させる。この結果、第3の層13の下面に窪み(凹部)21が形成される。この窪み21の外周が突出部134である。
第3の層13の窪み21をさらにエッチングすることにより、開口部133を形成し、第2の構造体130を形成する。即ち、第3の層13に対して浸食性を有し、第2の層12に対して浸食性を有しないエッチング方法により、第3の層13の所定領域(開口部133)に対して、第2の層12の下面が露出するまで厚み方向へのエッチングを行う。
第2の層12をエッチングすることにより、接合部120を形成する。即ち、第2の層12に対しては浸食性を有し、第1の層11および第3の層13に対しては浸食性を有しないエッチング方法により、第2の層12に対して、その露出部分から厚み方向および層方向にエッチングする。
第1の条件は、各層の厚み方向への方向性を持つことである。第2の条件は、シリコン層に対しては浸食性を有するが、酸化シリコン層に対しては浸食性を有しないことである。第1の条件は、所定寸法をもった開口部や溝を形成するために必要な条件であり、第2の条件は、酸化シリコンからなる第2の層12を、エッチングストッパ層として利用するために必要な条件である。
この方法では、材料層を厚み方向に浸食しながら掘り進むエッチング段階と、掘った穴の側面にポリマーの壁を形成するデポジション段階と、を交互に繰り返す。掘り進んだ穴の側面は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、ほぼ厚み方向にのみ浸食を進ませることが可能になる。
第1の条件は、不要な部分に酸化シリコン層が残存して重量部132の変位の自由度を妨げることがないようにするために必要な条件である。第2の条件は、既に所定形状への加工が完了しているシリコンからなる第1の構造体110や第2の構造体130に浸食が及ばないようにするために必要な条件である。
1)基体140への接合防止層141の形成(図7N)
基体140に接合防止層141を形成する。例えば、スパッタリングによって、基体140の上面にCrの層を形成する。さらに、レジストをマスクとするエッチングにより、突出部134の下面に対応するように、この層の外周を除去する。突出部134と基体140との接合を確保しつつ、重量部132と基体140との接合を防止するためである。
半導体基板Wと基体140とを接合する。基体140と突出部134それぞれの構成材料がガラスおよびSiの場合、陽極接合(静電接合ともいう)が可能となる。
基体140と突出部134とを接触させて加熱した状態で、これらの間に電圧を印加する。加熱によって基体140のガラスが軟化する。また、ガラス中に含まれる可動イオン(例えば、Naイオン)の移動によって、基体140のガラスにナトリウム欠乏層が生成される。具体的には、可動イオンがガラス中を接合面と反対方向に移動してガラス表面に析出し、ガラス中の接合面近傍にナトリウム欠乏層が生成される。この結果、基体140と突出部134間に電気的二重層が発生し、その静電引力によりこれらが接合される。
このとき、接合防止層141が、基体140と重量部132間でのイオンの移動を制限する。この結果、基体140と重量部132間での接合が防止される。
互いに接合された半導体基板Wおよび基体140にダイシングソー等で切れ込みを入れて、個々の半導体センサ100に分離する。
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
110 第1の構造体
111 固定部
112 変位部
113 接続部
115 開口部
116 拡散層
120 接合部
121 接合部
122 接合部
130 第2の構造体
131 台座
132(132a-133e) 重量部
133 開口部
134 突出部
135 第1のゲッタリング層
140 基体
141 接合防止層
150 配線構造
151 絶縁層
152 配線層
153 保護層
154 コンタクトホール
155 層間接続導体
156 配線
157 ボンディングパッド
158 パッド開口
Rx1-Rx4,Ry1-Ry4,Rz1-Rz4 ピエゾ抵抗素子
14 マスク
15 第2のゲッタリング層
16 開口
Claims (14)
- 開口を有する固定部と、この開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有し、かつ平板状の第1の半導体材料から一体的に構成される第1の構造体と、
前記変位部に接合される重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、を有し、第2の半導体材料から構成され、ゲッタリング層を備え、かつ前記第1の構造体に積層して配置される第2の構造体と、
前記接続部に配置されるピエゾ抵抗素子と、
を具備することを特徴とする加速度センサ。 - 前記ゲッタリング層が、前記第2の半導体材料に不純物が含まれる不純物層であることを特徴とする請求項1に記載の加速度センサ。
- 前記不純物がボロンであることを特徴とする請求項2に記載の加速度センサ。
- 前記ゲッタリング層が、バルク微小欠陥(BMD)層であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の加速度センサ。
- 前記第1、第2の半導体材料がいずれもシリコンであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の加速度センサ。
- 第1の半導体材料からなる第1の層、酸化物からなる第2の層、および第2の半導体材料からなり、かつ第1のゲッタリング層が形成されている第3の層が順に積層されてなる半導体基板の前記第1の層上に酸化膜を形成するステップと、
前記酸化膜に前記第1の層が露出する第1の開口を形成するステップと、
前記第1の開口により露出した第1の層の表面上に第2のゲッタリング層を形成するステップと、
前記半導体基板を熱処理して前記第1及び第2のゲッタリング層内に金属不純物を捕捉するステップと、
を有することを特徴とする加速度センサの製造方法。 - 前記金属不純物を捕捉した前記第2のゲッタリング層を除去するステップをさらに有することを特徴とする請求項6に記載の加速度センサの製造方法。
- 前記第1の層をエッチングして、第2の開口を有する固定部と、この第2の開口内に配置され、かつ前記固定部に対して変位する変位部と、前記固定部と前記変位部とを接続する接続部と、を有する第1の構造体を形成するステップと、
前記第3の層をエッチングして、前記変位部に接合される重量部と、前記重量部を囲んで配置され、かつ前記固定部に接合される台座と、を有する第2の構造体を形成するステップと、
をさらに有することを特徴とする請求項6又は7に記載の加速度センサの製造方法。 - 前記第2のゲッタリング層は、前記第1の層の表面上の前記第2の開口が形成される領域内に配置されることを特徴とする請求項8に記載の加速度センサの製造方法。
- 前記第2のゲッタリング層が、多結晶シリコンであることを特徴とする請求項6乃至9のいずれか1項に記載の加速度センサの製造方法。
- 前記第1のゲッタリング層が、前記第2の半導体材料に不純物が含まれる不純物層であることを特徴とする請求項6乃至10のいずれか1項に記載の加速度センサの製造方法。
- 前記不純物がボロンであることを特徴とする請求項11に記載の加速度センサの製造方法。
- 前記第1のゲッタリング層が、バルク微小欠陥(BMD)層であることを特徴とする請求項6乃至12のいずれか1項に記載の加速度センサの製造方法。
- 前記第1、第2の半導体材料がいずれもシリコンであることを特徴とする請求項6乃至13のいずれか1項に記載の加速度センサの製造方法。
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