JP2008049438A - Manufacturing method of semiconductor device, semiconductor device and pressure sensor - Google Patents

Manufacturing method of semiconductor device, semiconductor device and pressure sensor Download PDF

Info

Publication number
JP2008049438A
JP2008049438A JP2006228357A JP2006228357A JP2008049438A JP 2008049438 A JP2008049438 A JP 2008049438A JP 2006228357 A JP2006228357 A JP 2006228357A JP 2006228357 A JP2006228357 A JP 2006228357A JP 2008049438 A JP2008049438 A JP 2008049438A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
semiconductor device
silicon
cantilever
substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2006228357A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kaoru Yamashita
馨 山下
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osaka University NUC
Original Assignee
Osaka University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osaka University NUC filed Critical Osaka University NUC
Priority to JP2006228357A priority Critical patent/JP2008049438A/en
Publication of JP2008049438A publication Critical patent/JP2008049438A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a semiconductor device furnished with a cantilever beam type oscillating part of a stereoscopic structure capable of drastically simplifying the manufacturing method, the semiconductor device and a pressure sensor furnished with the semiconductor device. <P>SOLUTION: A cantilever beam type cantilever 10 constituted of a silicon oxide film 4 having compressive stress and a monocrystal silicon film 3 is formed by removing a silicon substrate 1 in a recessed shape until the silicon oxide film 4 is exposed by etching it from the back surface side of an SOI substrate 7 and removing part of the silicon oxide film 4 facing a space 1a from which the silicon substrate 1 is removed and the monocrystal silicon film 3 on the silicon oxide film 4. Consequently, the cantilever 10 warped up on the SOI substrate 7 is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、基板上に斜設されたカンチレバーを備える半導体装置の製造方法、半導体装置、及び該半導体装置を備える感圧センサに関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device including a cantilever obliquely provided on a substrate, a semiconductor device, and a pressure-sensitive sensor including the semiconductor device.

近年、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)に関する技術開発が盛んに行われ、シリコンプロセス技術を用いて、微小な機械的要素と電子回路要素とを融合したマイクロマシンと称される半導体装置(システム)が自動車、センサ、情報・通信、医療、製造、環境といった様々な分野で利用されるようになってきた。特に、半導体加工技術の進展に伴って、微小な可動構造体を含むマイクロマシンの研究・開発が活発化し、シリコン基板(シリコンチップ)上に多数のマイクロデバイスをナノ単位の精度で集積化したマイクロマシンが実用化されつつある。   2. Description of the Related Art In recent years, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) has been actively developed, and semiconductor devices (systems) called micromachines that fuse micro mechanical elements and electronic circuit elements by using silicon process technology are automobiles. It has come to be used in various fields such as sensors, information / communication, medical care, manufacturing, and environment. In particular, with the progress of semiconductor processing technology, research and development of micromachines including minute movable structures has become active, and micromachines that integrate a large number of microdevices on a silicon substrate (silicon chip) with nano-scale accuracy It is being put into practical use.

シリコン基板上に微小な可動構造体(例えば、カンチレバーなど)を形成するためには、大別して、バルクマイクロマシニング(除去加工)と表面マイクロマシニング(付加加工)との2通りの製造方法がある。バルクマイクロマシニングは、シリコン基板をドライエッチング又はウェットエッチングにより10〜100μm単位の深掘加工を行って、所望の可動構造体を形成するものである。バルクマイクロマシニングは、可動構造体をシリコン基板から精度良く切り離すことが重要となる。   In order to form a minute movable structure (for example, a cantilever) on a silicon substrate, there are roughly two manufacturing methods: bulk micromachining (removal processing) and surface micromachining (additional processing). In the bulk micromachining, a desired movable structure is formed by deep-digging a silicon substrate by 10 to 100 μm by dry etching or wet etching. In bulk micromachining, it is important to accurately separate the movable structure from the silicon substrate.

一方、表面マイクロマシニングは、シリコン基板の表面に膜層を積層して、シリコン基板表面に付加的に所望の可動構造体を形成するものであり、異なる膜層を積層し、積層した膜層をフォトリソグラフィ、エッチングなどにより所望の形状に加工し、その後選択性のあるエッチングにより犠牲層のみを除去することにより、可動構造体を得ることができる(特許文献1参照)。
特開2004−306217号公報
On the other hand, surface micromachining is a method in which a film layer is stacked on the surface of a silicon substrate to additionally form a desired movable structure on the surface of the silicon substrate. A movable structure can be obtained by processing into a desired shape by photolithography, etching, etc., and then removing only the sacrificial layer by selective etching (see Patent Document 1).
JP 2004-306217 A

しかしながら、特許文献1の例の如く表面マイクロマシニングで可動構造体を形成する場合には、犠牲層除去のために犠牲層エッチングを行う必要がある。微小な可動構造体を形成する場合、犠牲層の厚みが、例えば、数μm程度と薄く可動構造体とシリコン基板表面との間のギャップが狭くなるため、可動構造体がシリコン基板表面にスティッキングするという問題があった。   However, when the movable structure is formed by surface micromachining as in the example of Patent Document 1, it is necessary to perform sacrificial layer etching to remove the sacrificial layer. When a minute movable structure is formed, the thickness of the sacrificial layer is as thin as, for example, about several μm, and the gap between the movable structure and the silicon substrate surface becomes narrow, so that the movable structure sticks to the silicon substrate surface. There was a problem.

スティッキングは、可動構造体をシリコン基板表面から分離する犠牲層エッチングの際に発生するものと、分離後に衝撃又は静電気等で生じるものがある。これらのスティッキングを防止するためには、エッチング後の洗浄・乾燥工程、又は撥水コーティング工程などの余計なプロセスを必要とし、あるいは、低エネルギー膜の成膜、又はシリコン基板表面に突起を形成して面あれを付与するなど特殊なプロセスを必要とするため、製造プロセスが複雑になるという問題があった。このため、可動構造体を形成するための製造プロセスを簡略化することが望まれていた。   There are sticking that occurs during the sacrificial layer etching that separates the movable structure from the surface of the silicon substrate, and sticking that occurs due to impact or static electricity after the separation. In order to prevent such sticking, an extra process such as a cleaning / drying step after etching or a water-repellent coating step is required, or a low-energy film is formed or protrusions are formed on the surface of the silicon substrate. There is a problem that the manufacturing process becomes complicated because a special process such as providing surface roughness is required. For this reason, it has been desired to simplify the manufacturing process for forming the movable structure.

また、可動構造体(例えば、カンチレバー)をシリコン基板表面から斜設させた、いわゆる立体構造にしたマイクロマシンが利用される分野においては、立体構造の可動構造体を表面マイクロマシニングで形成するために、内部応力(残留応力)状態の異なる膜層を複数積層するか、あるいは膜厚方向に内部応力分布を変化させた膜層を成膜する必要がある。例えば、下側の層となるシリコン結晶膜の上側に残留引張応力を有する金属膜を形成することにより、反り上がった可動構造体を形成することができる。   Further, in a field where a so-called three-dimensional micromachine in which a movable structure (for example, a cantilever) is obliquely provided from the surface of a silicon substrate is used, in order to form a three-dimensional movable structure by surface micromachining, It is necessary to stack a plurality of film layers having different internal stress (residual stress) states or to form a film layer in which the internal stress distribution is changed in the film thickness direction. For example, by forming a metal film having a residual tensile stress on the upper side of the silicon crystal film that is the lower layer, it is possible to form a movable structure that is warped.

しかし、可動構造体を立体構造(例えば、反り上がり構造)にするためには、シリコン基板上に新たに内部応力(残留引張応力)を有する膜層を形成する必要があり、また、残留引張応力を有する金属膜を形成する場合には、可動構造体の撓みを電気信号として取り出すための電極等と金属膜との絶縁膜を形成する必要があるため、製造工程数が増加するという問題があり、製造方法を簡略化することが望まれていた。   However, in order to make the movable structure into a three-dimensional structure (for example, a warped structure), it is necessary to newly form a film layer having an internal stress (residual tensile stress) on the silicon substrate. In the case of forming a metal film having a metal film, it is necessary to form an insulating film between the metal film and an electrode for taking out the flexure of the movable structure as an electric signal, which increases the number of manufacturing steps. It has been desired to simplify the manufacturing method.

さらに、可動構造体を柔軟な樹脂層で被覆する場合、可動構造体とシリコン基板表面との隙間が非常に狭いため、可動構造体の下側に十分樹脂が充填されないという問題があった。   Further, when the movable structure is covered with a flexible resin layer, the gap between the movable structure and the surface of the silicon substrate is very narrow, so that there is a problem that the resin is not sufficiently filled below the movable structure.

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、シリコン層(シリコン基板)を裏面側からエッチングして絶縁膜が露出するまでシリコン層を凹状に除去し、シリコン層が除去された空間に面する絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜の一部をエッチングにより除去して、残留応力を有する絶縁膜及び表面膜よりなる片持梁状の揺動部(可動構造体)を形成することにより、基板上で反り上がった立体構造の片持梁状の揺動部を形成することができるとともに、スティッキング防止のための複雑かつ特殊なプロセスを必要とせず、内部応力(残留引張応力)を有する膜層を新たに形成する必要もなく、製造方法を大幅に簡略化することができるとともに、シリコン層裏面が凹状に開口しているため、片持梁状の揺動部を被覆するための樹脂層の充填性を向上させることができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and the silicon layer (silicon substrate) is etched from the back side to remove the silicon layer in a concave shape until the insulating film is exposed, thereby removing the silicon layer. The insulating film facing the substrate and a part of the surface film on the insulating film are removed by etching to form a cantilever-like swinging portion (movable structure) made of the insulating film having the residual stress and the surface film. This makes it possible to form a three-dimensional cantilever-shaped swinging part that warps on the substrate, and does not require a complicated and special process to prevent sticking, and internal stress (residual tensile stress). It is not necessary to newly form a film layer having a thickness, the manufacturing method can be greatly simplified, and the back surface of the silicon layer is opened in a concave shape, so that the cantilever-like rocking portion is covered. Of resin layer And to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of improving the Hama property.

また、本発明の他の目的は、シリコン層を除去した後に、凹状に除去された空間に面するシリコン層及び絶縁膜に樹脂膜を塗布し、揺動部が形成された後に、塗布された樹脂膜を除去することにより、揺動部が急激に反り上がることを防止して歩留を向上させることができる半導体装置の製造方法を提供することにある。   Another object of the present invention is to apply a resin film to the silicon layer and the insulating film facing the space removed in a concave shape after removing the silicon layer, and after the swinging portion is formed. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can improve the yield by removing the resin film to prevent the swinging portion from abruptly warping.

また、本発明の他の目的は、表面膜を単結晶シリコン膜とし、絶縁膜をシリコン酸化膜とすることにより、揺動部の上面側に内部応力(残留引張応力)を有する膜層を形成することなく立体構造(反り上がり構造)をなす揺動部を簡単に形成することができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することにある。   Another object of the present invention is to form a film layer having internal stress (residual tensile stress) on the upper surface side of the oscillating portion by using a surface film as a single crystal silicon film and an insulating film as a silicon oxide film. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device that can easily form a swinging part that forms a three-dimensional structure (warped structure) without the need to do so.

また、本発明の他の目的は、基板をSOI基板とすることにより、支持層をバルクマイクロマシニングで除去し、活性層(単結晶シリコン膜)及び埋め込み酸化膜層(シリコン酸化膜)よりなる立体構造の揺動部を簡略化された製造プロセスで形成することができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a three-dimensional structure comprising an active layer (single crystal silicon film) and a buried oxide film layer (silicon oxide film) by removing the support layer by bulk micromachining by using an SOI substrate as the substrate. An object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device in which a rocking portion of a structure can be formed by a simplified manufacturing process.

また、本発明の他の目的は、揺動部を基板表面に対して外側に向かって略45度傾斜すべく構成してあることにより、揺動部に感圧素子を設けた場合、基板表面に対して平行方向及び垂直方向の2方向に作用する力による揺動部の撓みを略均等に検出することができる半導体装置を提供することにある。   Another object of the present invention is that the rocking portion is configured to be inclined by approximately 45 degrees outward with respect to the substrate surface, so that when the pressure sensitive element is provided on the rocking portion, the substrate surface An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can detect the deflection of a swinging part due to a force acting in two directions, ie, a parallel direction and a vertical direction.

また、本発明の他の目的は、揺動部の表面に形成された感圧素子と、該感圧素子に接続された電極とを備えることにより、揺動部に作用する力を検出することができる感圧センサを提供することにある。   Another object of the present invention is to detect a force acting on the oscillating portion by including a pressure sensitive element formed on the surface of the oscillating portion and an electrode connected to the pressure sensitive element. The object is to provide a pressure-sensitive sensor capable of

第1発明に係る半導体装置の製造方法は、シリコン層の表面に、残留応力を有する絶縁膜と表面膜とがこの順に成膜された基板上に斜設された片持梁状の揺動部を備える半導体装置の製造方法であって、シリコン層を裏面側からエッチングして絶縁膜が露出するまでシリコン層を凹状に除去する工程と、シリコン層が除去された空間に面する絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜の一部をエッチングにより除去して絶縁膜及び表面膜よりなる片持梁状の揺動部を形成する工程とを含むことを特徴とする。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a cantilever-shaped swinging portion provided obliquely on a substrate having an insulating film having a residual stress and a surface film formed in this order on a surface of a silicon layer; A step of etching the silicon layer from the back side to remove the silicon layer in a concave shape until the insulating film is exposed, an insulating film facing the space from which the silicon layer has been removed, and the method And a step of removing a part of the surface film on the insulating film by etching to form a cantilever-like swinging portion made of the insulating film and the surface film.

第2発明に係る半導体装置の製造方法は、シリコン層を除去した後に、凹状に除去された空間に面するシリコン層及び絶縁膜に樹脂膜を塗布する工程と、揺動部が形成された後に、塗布された樹脂膜を除去する工程とを含むことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device comprising: a step of applying a resin film to a silicon layer and an insulating film facing a space removed in a concave shape after removing a silicon layer; And a step of removing the applied resin film.

第3発明に係る半導体装置の製造方法は、前記表面膜を単結晶シリコン膜とし、前記絶縁膜をシリコン酸化膜とすることを特徴とする。   A semiconductor device manufacturing method according to a third aspect of the invention is characterized in that the surface film is a single crystal silicon film and the insulating film is a silicon oxide film.

第4発明に係る半導体装置の製造方法は、前記基板をSOI基板とすることを特徴とする。   A method for manufacturing a semiconductor device according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that the substrate is an SOI substrate.

第5発明に係る半導体装置は、シリコン層の表面に、絶縁膜と表面膜とがこの順に成膜された基板上に配置された片持梁状の揺動部を備える半導体装置であって、前記絶縁膜は残留応力を有し、前記絶縁膜が露出するように前記シリコン層の裏面に形成された凹部と、露出した絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜よりなり、前記残留応力により前記基板上に斜設された片持梁状の揺動部とを備えることを特徴とする。   A semiconductor device according to a fifth aspect of the present invention is a semiconductor device comprising a cantilever-like swinging portion disposed on a substrate on which an insulating film and a surface film are formed in this order on the surface of a silicon layer, The insulating film has a residual stress, and includes a recess formed on the back surface of the silicon layer so that the insulating film is exposed, an exposed insulating film, and a surface film on the insulating film. And a cantilever-shaped swinging portion provided obliquely on the substrate.

第6発明に係る半導体装置は、前記揺動部は、基板表面に対して外側に向かって略45度傾斜するように構成してあることを特徴とする。   The semiconductor device according to a sixth aspect of the invention is characterized in that the oscillating portion is configured to incline approximately 45 degrees outward with respect to the substrate surface.

第7発明に係る半導体装置は、前記表面膜は単結晶シリコン膜であり、前記絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする。   The semiconductor device according to a seventh aspect is characterized in that the surface film is a single crystal silicon film and the insulating film is a silicon oxide film.

第8発明に係る半導体装置は、前記基板はSOI基板であることを特徴とする。   The semiconductor device according to an eighth aspect is characterized in that the substrate is an SOI substrate.

第9発明に係る感圧センサは、第5乃至第8発明のいずれかに記載の半導体装置を備える感圧センサであって、前記揺動部の表面に形成された感圧素子と、該感圧素子に接続された電極とを備えることを特徴とする。   A pressure-sensitive sensor according to a ninth invention is a pressure-sensitive sensor comprising the semiconductor device according to any one of the fifth to eighth inventions, the pressure-sensitive element formed on the surface of the oscillating portion, and the sensitivity And an electrode connected to the pressure element.

第1発明及び第5発明にあっては、シリコン層の表面に残留応力(残留圧縮応力)を有する絶縁膜と表面膜とがこの順に成膜された基板のシリコン層を裏面側からエッチングして絶縁膜が露出するまでシリコン層を凹状に除去する。これにより、シリコン層が除去されて開口した空間に面して絶縁膜が所要の寸法で露出するとともに、露出した絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜よりなる2層構造を形成する。露出した絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜の一部をエッチングにより表裏貫通するように除去して、絶縁膜及び表面膜よりなる片持梁状の揺動部を形成する。絶縁膜は残留応力を有するため、片持梁状の揺動部の長手方向に沿って残留応力(残留圧縮応力)が作用して、片持梁状の揺動部は、片持梁の固定端を支点として絶縁膜側が凸状になるように反り上がる。これにより、基板の表面に対して斜設された立体構造の片持梁状の揺動部を形成する。   In the first invention and the fifth invention, the silicon layer of the substrate on which the insulating film having the residual stress (residual compressive stress) on the surface of the silicon layer and the surface film are formed in this order is etched from the back side. The silicon layer is removed in a concave shape until the insulating film is exposed. As a result, the insulating layer is exposed with a required dimension facing the open space after the silicon layer is removed, and a two-layer structure including the exposed insulating film and the surface film on the insulating film is formed. The exposed insulating film and a part of the surface film on the insulating film are removed by etching so as to penetrate the front and back surfaces, thereby forming a cantilever-shaped swinging portion made of the insulating film and the surface film. Since the insulating film has residual stress, the residual stress (residual compressive stress) acts along the longitudinal direction of the cantilever-like swinging portion, and the cantilever-like swinging portion is fixed to the cantilever. With the end as a fulcrum, the insulating film side warps so as to be convex. As a result, a three-dimensional cantilever-like swinging portion that is inclined with respect to the surface of the substrate is formed.

第2発明にあっては、シリコン層を除去した後に、凹状に除去された空間に面するシリコン層及び絶縁膜に樹脂膜(例えば、フォトレジストなど)を塗布する。これにより、シリコン層と露出した絶縁膜とを樹脂膜に固着させる。この状態で片持梁状の揺動部を形成した場合、揺動部の絶縁膜は樹脂膜に固着されているため、絶縁性の残留応力により揺動部が急激に反り上がることが抑制される。これにより、揺動部が形成された際に急激に反り上がって揺動部が破損することを防止することができる。揺動部が形成された後に塗布された樹脂膜を除去して揺動部が緩やかに反り上がるようにする。   In the second invention, after removing the silicon layer, a resin film (for example, a photoresist) is applied to the silicon layer and the insulating film facing the space removed in the concave shape. Thus, the silicon layer and the exposed insulating film are fixed to the resin film. When the cantilever-like swinging part is formed in this state, since the insulating film of the swinging part is fixed to the resin film, the swinging part is prevented from suddenly warping due to insulating residual stress. The As a result, it is possible to prevent the swinging portion from being abruptly warped and being damaged when the swinging portion is formed. The resin film applied after the oscillating part is formed is removed so that the oscillating part gently warps.

第3発明及び第7発明にあっては、表面膜を単結晶シリコン膜とし、絶縁膜をシリコン酸化膜とする。単結晶シリコン膜は残留応力がなく、一方、シリコン酸化膜は残留応力(残留圧縮応力)を有するため、片持梁状の揺動部がエッチングにより形成された場合、片持梁の固定端を支点として、揺動部の下面のシリコン酸化膜が外側に凸状になるように反り上がり、立体構造の揺動部を形成することができる。立体構造の揺動部を形成するため、揺動部の上面側に新たに内部応力を有する膜層を形成する必要がない。   In the third and seventh inventions, the surface film is a single crystal silicon film and the insulating film is a silicon oxide film. Since the single crystal silicon film has no residual stress, while the silicon oxide film has residual stress (residual compressive stress), when the cantilever-like rocking part is formed by etching, the fixed end of the cantilever is not As a fulcrum, the silicon oxide film on the lower surface of the swinging portion is warped so as to be convex outward, so that a three-dimensional swinging portion can be formed. Since the three-dimensional rocking part is formed, it is not necessary to newly form a film layer having internal stress on the upper surface side of the rocking part.

第4発明及び第8発明にあっては、基板をSOI基板とする。SOI基板の支持層をバルクマイクロマシニングで除去することにより、活性層(単結晶シリコン膜)及び埋め込み酸化膜層(シリコン酸化膜)よりなる2層構造が形成される。活性層及び埋め込み酸化膜層をSOI基板の表面側からパターンニングして所要の平面形状になるようにエッチングして切り込みを形成することで、活性層及び埋め込み酸化膜層よりなる立体構造の揺動部を形成することができる。   In the fourth and eighth inventions, the substrate is an SOI substrate. By removing the support layer of the SOI substrate by bulk micromachining, a two-layer structure including an active layer (single crystal silicon film) and a buried oxide film layer (silicon oxide film) is formed. The active layer and the buried oxide layer are patterned from the surface side of the SOI substrate and etched to form a desired planar shape to form a cut, thereby oscillating the three-dimensional structure composed of the active layer and the buried oxide layer. The part can be formed.

第6発明にあっては、揺動部は、基板表面に対して外側に向かって略45度傾斜するように構成してある。これにより、例えば、揺動部の表面に揺動部の撓みにより電気信号を取り出すことが可能な感圧素子を形成した場合、基板表面に対して平行方向及び垂直方向の2方向に作用する力を揺動部で略均等に検出する。また、1つの揺動部で基板表面に対して平行方向及び垂直方向の両方向に作用する力を効率よく捉えることができる。   In the sixth invention, the oscillating portion is configured to incline approximately 45 degrees toward the outside with respect to the substrate surface. Thereby, for example, when a pressure sensitive element capable of taking out an electric signal by the deflection of the oscillating part is formed on the surface of the oscillating part, a force acting in two directions, a parallel direction and a vertical direction, with respect to the substrate surface. Is detected substantially evenly by the swinging portion. Further, it is possible to efficiently capture the force acting in both the parallel direction and the vertical direction with respect to the substrate surface with one swinging portion.

第9発明にあっては、揺動部の表面に感圧素子(例えば、ピエゾ抵抗素子、圧電素子など)と、該感圧素子に接続された電極とを形成する。例えば、ピエゾ抵抗素子を揺動部の表面に形成することにより、揺動部の撓みに応じた抵抗値変化に基づいて、外部から揺動部に作用する力(圧力、超音波など)を検出する。   In the ninth invention, a pressure sensitive element (for example, a piezoresistive element, a piezoelectric element, etc.) and an electrode connected to the pressure sensitive element are formed on the surface of the swinging portion. For example, by forming a piezoresistive element on the surface of the oscillating part, the force (pressure, ultrasonic wave, etc.) acting on the oscillating part from the outside is detected based on the change in resistance value according to the deflection of the oscillating part To do.

第1発明及び第5発明にあっては、シリコン層を裏面側からエッチングして絶縁膜が露出するまでシリコン層を凹状に除去し、シリコン層が除去された空間に面する絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜の一部をエッチングにより除去して、残留応力(残留圧縮応力)を有する絶縁膜及び表面膜よりなる片持梁状の揺動部(可動構造体)を形成することにより、基板上で反り上がった立体構造の片持梁状の揺動部を形成することができるとともに、スティッキング防止のための複雑かつ特殊なプロセスを必要とせず、内部応力(残留引張応力)を有する膜層を新たに形成する必要もなく、製造方法を大幅に簡略化することができるとともに、シリコン層裏面が凹状に開口しているため、片持梁状の揺動部を被覆するための樹脂の充填性を向上させることができる。   In the first and fifth inventions, the silicon layer is etched from the back side to remove the silicon layer in a concave shape until the insulating film is exposed, and the insulating film facing the space from which the silicon layer has been removed and the insulation By removing a part of the surface film on the film by etching to form an insulating film having a residual stress (residual compressive stress) and a cantilever-like rocking portion (movable structure) made of the surface film, A film that can form a three-dimensional cantilever-like oscillating part that warps on a substrate, and does not require a complicated and special process for preventing sticking and has internal stress (residual tensile stress) There is no need to form a new layer, the manufacturing method can be greatly simplified, and the back surface of the silicon layer has a concave opening. Improve fillability Door can be.

第2発明にあっては、シリコン層を除去した後に、凹状に除去された空間に面するシリコン層及び絶縁膜に樹脂膜を塗布し、揺動部が形成された後に、塗布された樹脂膜を除去することにより、揺動部が急激に反り上がることを防止して歩留を向上させることができる。   In the second invention, after the silicon layer is removed, the resin film is applied to the silicon layer and the insulating film facing the space removed in the concave shape, and after the swinging portion is formed, the applied resin film By removing, the swinging portion can be prevented from abruptly warping and the yield can be improved.

第3発明及び第7発明にあっては、表面膜を単結晶シリコン膜とし、絶縁膜をシリコン酸化膜とすることにより、揺動部の上面側に内部応力(残留引張応力)を有する膜層を形成することなく立体構造(反り上がり構造)をなす揺動部を簡単に形成することができる。   In the third and seventh inventions, a film layer having an internal stress (residual tensile stress) on the upper surface side of the oscillating portion by making the surface film a single crystal silicon film and the insulating film a silicon oxide film. It is possible to easily form an oscillating portion having a three-dimensional structure (a warped structure) without forming.

第4発明及び第8発明にあっては、基板をSOI基板とすることにより、支持層をバルクマイクロマシニングで除去し、活性層(単結晶シリコン膜)及び埋め込み酸化膜層(シリコン酸化膜)よりなる立体構造の揺動部を簡略化された製造プロセスで形成することができる。   In the fourth and eighth inventions, the support layer is removed by bulk micromachining by using an SOI substrate as the substrate, and the active layer (single crystal silicon film) and the buried oxide film layer (silicon oxide film) are used. The oscillating portion having the three-dimensional structure can be formed by a simplified manufacturing process.

第6発明にあっては、揺動部を基板表面に対して外側に向かって略45度傾斜すべく構成してあることにより、揺動部に感圧素子を設けた場合、基板表面に対して平行方向及び垂直方向の2方向に作用する力による揺動部の撓みを略均等に検出することができる。また、1つの揺動部で基板表面に対して平行方向及び垂直方向の両方向に作用する力を効率よく捉えることができる。   In the sixth aspect of the invention, since the swinging part is configured to be inclined by about 45 degrees toward the outside with respect to the substrate surface, when a pressure sensitive element is provided on the swinging part, Therefore, it is possible to detect the deflection of the swinging portion due to the force acting in the two directions of the parallel direction and the vertical direction substantially evenly. Further, it is possible to efficiently capture the force acting in both the parallel direction and the vertical direction with respect to the substrate surface with one swinging portion.

第9発明にあっては、揺動部の表面に形成された感圧素子と、該感圧素子に接続された電極とを備えることにより、揺動部に作用する力を検出することができる。   In the ninth invention, the force acting on the swinging portion can be detected by including the pressure sensitive element formed on the surface of the swinging portion and the electrode connected to the pressure sensitive element. .

以下、本発明を実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図1は本発明に係る半導体装置の構造を示す斜視図であり、図2は本発明に係る半導体装置の構造を示す断面図である。本発明に係る半導体装置(例えば、マイクロマシン)は、後述のSOI基板7の表面に立体構造のカンチレバー10を備えたものである。図において、1はシリコン基板(Si)である。シリコン基板(シリコン層)1の表面には、シリコン酸化膜(SiO2 )4(埋め込み酸化膜)が形成されてあり、シリコン酸化膜4の表面には単結晶シリコン膜(Si)3(シリコン活性層)が形成されている。シリコン基板1上のシリコン酸化膜4の表面に単結晶シリコン膜3を形成した構造をSOI(Silicon on Insulator)と称し、シリコン基板1、シリコン酸化膜4、及び単結晶シリコン膜3によりSOI基板7を構成する。なお、SOI基板7の裏面には保護膜としてのシリコン酸化膜5を形成してある。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings illustrating embodiments. FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a semiconductor device according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to the present invention. A semiconductor device (for example, a micromachine) according to the present invention includes a cantilever 10 having a three-dimensional structure on the surface of an SOI substrate 7 described later. In the figure, reference numeral 1 denotes a silicon substrate (Si). A silicon oxide film (SiO 2 ) 4 (buried oxide film) is formed on the surface of the silicon substrate (silicon layer) 1. A single crystal silicon film (Si) 3 (silicon active film) is formed on the surface of the silicon oxide film 4. Layer) is formed. A structure in which the single crystal silicon film 3 is formed on the surface of the silicon oxide film 4 on the silicon substrate 1 is referred to as SOI (Silicon on Insulator), and the SOI substrate 7 is formed by the silicon substrate 1, the silicon oxide film 4, and the single crystal silicon film 3. Configure. A silicon oxide film 5 as a protective film is formed on the back surface of the SOI substrate 7.

SOI基板(SOIウェハ)7は、例えば、酸化膜が成膜されたシリコン基板(デバイスウェハ)と移し替える基板(ハンドルウェハ)との貼合わせによる方法、又はシリコン基板中に高濃度の酸素イオンを注入して埋め込み酸化膜(BOX:Buried Oxide)層を形成するSIMOX(Separation by Implanted Oxygen)法などにより形成することができる。SOI基板7は、例えば、ウェハ径が4〜6インチ、単結晶シリコン膜3の膜厚が10nm〜100μm程度、シリコン酸化膜4の膜厚が0.2μm〜4μm程度、シリコン基板1の厚みが数百μm程度の各寸法を有する。   The SOI substrate (SOI wafer) 7 is formed by, for example, a method of bonding a silicon substrate (device wafer) on which an oxide film is formed and a substrate (handle wafer) to be transferred, or high-concentration oxygen ions in the silicon substrate. It can be formed by a SIMOX (Separation by Implanted Oxygen) method for forming a buried oxide (BOX) layer by implantation. The SOI substrate 7 has, for example, a wafer diameter of 4 to 6 inches, a single crystal silicon film 3 having a thickness of about 10 nm to 100 μm, a silicon oxide film 4 having a thickness of about 0.2 μm to 4 μm, and a thickness of the silicon substrate 1. Each dimension is about several hundred μm.

シリコン基板1は、所要の位置に裏面からエッチングにより凹状にシリコン基板1が除去されて形成された空間1a(凹部)を有する。シリコン基板1が所要の寸法で除去されることにより、空間1aに面して露出したシリコン酸化膜4とシリコン酸化膜4上の単結晶シリコン膜3の2層構造から構成される膜層構造をSOI基板7の表面側からエッチングし、所要のパターンを切り抜くことにより、空間1aに連通する空間1bを形成して、SOI基板7に空間1a、1bよりなる開口部が形成してある。   The silicon substrate 1 has a space 1a (recess) formed by removing the silicon substrate 1 in a concave shape by etching from the back surface at a required position. By removing the silicon substrate 1 with a required size, a film layer structure constituted by a two-layer structure of a silicon oxide film 4 exposed facing the space 1a and a single crystal silicon film 3 on the silicon oxide film 4 is formed. By etching from the surface side of the SOI substrate 7 and cutting out a required pattern, a space 1 b communicating with the space 1 a is formed, and an opening made of the spaces 1 a and 1 b is formed in the SOI substrate 7.

シリコン酸化膜4及び単結晶シリコン膜3の2層構造をエッチングすることにより、SOI基板7上面に片持梁状の揺動部であるカンチレバー10が形成されている。カンチレバー10の上面は、内部応力がない単結晶シリコン膜3で形成され、カンチレバー10の下面は圧縮応力が残留したシリコン酸化膜4で形成されているため、シリコン酸化膜4内部の長手方向の残留圧縮応力により(図2の矢印)、カンチレバー10は、固定端8を支点として上方に反り上がり、立体構造をなしている。   By etching the two-layer structure of the silicon oxide film 4 and the single crystal silicon film 3, a cantilever 10 that is a cantilever swinging portion is formed on the upper surface of the SOI substrate 7. Since the upper surface of the cantilever 10 is formed of the single crystal silicon film 3 having no internal stress, and the lower surface of the cantilever 10 is formed of the silicon oxide film 4 in which compressive stress remains, the residual in the longitudinal direction inside the silicon oxide film 4 is obtained. Due to the compressive stress (arrow in FIG. 2), the cantilever 10 is warped upward with the fixed end 8 as a fulcrum to form a three-dimensional structure.

カンチレバー10の長手方向の寸法は、例えば、100μm〜数100μm程度であり、幅方向の寸法は、10μm〜数10μm程度であり、シリコン酸化膜4及び単結晶シリコン膜3夫々の厚みを適宜設定することにより、カンチレバー10のSOI基板7表面に対してSOI基板7の外側に向かって略45度の傾斜角度で斜設することができる。例えば、シリコン酸化膜4の厚みを厚くする、単結晶シリコン膜3の厚みを薄くする、カンチレバー10の長手方向の寸法を大きくする、又はカンチレバー10の幅寸法を小さくする等により、カンチレバー10の反り上がり具合(傾斜角度)を大きくすることができる。通常、シリコンの熱酸化膜の応力は、300MPa程度であり、シリコン及び熱酸化膜のヤング率がそれぞれ170GPa、72GPa程度であるため、厚さが0.5μmのシリコン酸化膜4(埋め込み酸化膜)及び厚さが0.5μmの単結晶シリコン膜3(シリコン活性層)からなるウェハを加工してカンチレバー10を作製すると、曲率半径が約300μmとなる。長さ500μmのカンチレバー10を形成すると、カンチレバー10の先端が真上を向いた円弧状に立ち上り、先端部分の高さが約300μmとなるカンチレバー10を形成することができる。   The dimension in the longitudinal direction of the cantilever 10 is, for example, about 100 μm to several hundred μm, and the dimension in the width direction is about 10 μm to several tens μm, and the thicknesses of the silicon oxide film 4 and the single crystal silicon film 3 are appropriately set. Accordingly, the cantilever 10 can be obliquely inclined with respect to the surface of the SOI substrate 7 toward the outside of the SOI substrate 7 at an inclination angle of about 45 degrees. For example, the warp of the cantilever 10 is increased by increasing the thickness of the silicon oxide film 4, decreasing the thickness of the single crystal silicon film 3, increasing the longitudinal dimension of the cantilever 10, or decreasing the width dimension of the cantilever 10. The degree of rising (inclination angle) can be increased. Usually, the stress of the thermal oxide film of silicon is about 300 MPa, and the Young's modulus of silicon and the thermal oxide film is about 170 GPa and 72 GPa, respectively, so that the silicon oxide film 4 having a thickness of 0.5 μm (buried oxide film). When the cantilever 10 is manufactured by processing a wafer made of the single crystal silicon film 3 (silicon active layer) having a thickness of 0.5 μm, the radius of curvature becomes about 300 μm. When the cantilever 10 having a length of 500 μm is formed, it is possible to form the cantilever 10 in which the tip of the cantilever 10 rises in a circular arc shape facing directly upward and the height of the tip portion is about 300 μm.

これにより、例えば、カンチレバー10の固定端8付近の表面にピエゾ抵抗素子を形成した場合、カンチレバー10の撓み(図2の白抜矢印)による抵抗値変化を検出することができ、SOI基板7表面に対して平行方向及び垂直方向の2方向に作用する力をカンチレバー10で略均等に検出することができる。また、1つのカンチレバー10でSOI基板7表面に対して平行方向及び垂直方向の両方向に作用する力を効率よく捉えることができる。なお、図示はされていないが、空間1a、1bよりなる開口部は、カンチレバー10を被覆して保護するとともに、外部からの圧力を伝達するための柔軟な樹脂膜で覆われている。SOI基板7の裏側から樹脂を充填することができるため、表面マイクロマシニングの場合に比べて樹脂の充填性が向上する。   Thereby, for example, when a piezoresistive element is formed on the surface near the fixed end 8 of the cantilever 10, it is possible to detect a change in resistance value due to the bending of the cantilever 10 (the white arrow in FIG. 2). The cantilever 10 can detect the force acting in two directions, ie, the parallel direction and the vertical direction. Further, the force acting in both the parallel direction and the vertical direction with respect to the surface of the SOI substrate 7 with one cantilever 10 can be efficiently captured. Although not shown, the opening made of the spaces 1a and 1b covers and protects the cantilever 10 and is covered with a flexible resin film for transmitting external pressure. Since the resin can be filled from the back side of the SOI substrate 7, the resin filling property is improved as compared with the case of surface micromachining.

次に本発明に係る半導体装置の製造方法について説明する。図3及び図4は本発明に係る半導体装置の製造方法を示す説明図である。シリコン基板1の表面にシリコン酸化膜4と単結晶シリコン膜3とがこの順に形成されたSOI基板7の表面及び裏面夫々に保護層であるシリコン酸化膜2、5が予め形成されている(図3(a))。   Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described. 3 and 4 are explanatory views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention. Silicon oxide films 2 and 5 as protective layers are formed in advance on the front and back surfaces of the SOI substrate 7 in which the silicon oxide film 4 and the single crystal silicon film 3 are formed in this order on the surface of the silicon substrate 1 (FIG. 3 (a)).

フォトレジストプロセスにより、SOI基板7の裏面のシリコン酸化膜5の所要の領域を除去する(図3(b))。なお、シリコン酸化膜5を除去する領域は、SOI基板7表面に形成するカンチレバー10の形状、配置、数などにより適宜設定することができる。また、フォトレジストプロセスは、ネガ型、ポジ型のいずれであってもよい。   A required region of the silicon oxide film 5 on the back surface of the SOI substrate 7 is removed by a photoresist process (FIG. 3B). The region from which the silicon oxide film 5 is removed can be appropriately set depending on the shape, arrangement, number, etc. of the cantilever 10 formed on the surface of the SOI substrate 7. The photoresist process may be either a negative type or a positive type.

除去されずに残ったシリコン酸化膜5をエッチングマスクとして、例えば、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)によりSOI基板7の裏面からシリコン酸化膜4が露出するまで深掘加工を行ってシリコン基板1を凹状に除去する(図3(c))。これにより、SOI基板7に対して、いわゆるバルクマイクロマシニングを行い、空間1aを形成する。反応性イオンエッチングでは、所要のガス(例えば、SF6 など)を用いることができ、シリコン(Si)と二酸化シリコン(SiO2 )との間に高いエッチング速度の選択比を有するため、所要の形状にエッチングすることができる。なお、ドライエッチングに代えてウェットエッチングを用いることもでき、また、両者を併用することもできる。 Using the remaining silicon oxide film 5 without being removed as an etching mask, for example, reactive ion etching (RIE: Reactive Ion Etching) is used to perform deep digging until the silicon oxide film 4 is exposed from the back surface of the SOI substrate 7. The substrate 1 is removed in a concave shape (FIG. 3C). Accordingly, so-called bulk micromachining is performed on the SOI substrate 7 to form the space 1a. In reactive ion etching, a required gas (for example, SF 6 ) can be used, and since a high etching rate selection ratio is obtained between silicon (Si) and silicon dioxide (SiO 2 ), a required shape is obtained. Can be etched. In addition, it can replace with dry etching and can use wet etching, and can also use both together.

シリコン基板1が除去され凹状の空間1aが形成されたSOI基板7の裏面にフォトレジスト6を塗布する(図3(d))。これにより、エッチングにより露出したシリコン酸化膜4をフォトレジスト6に固着させる。   Photoresist 6 is applied to the back surface of SOI substrate 7 from which silicon substrate 1 has been removed and concave space 1a has been formed (FIG. 3D). Thereby, the silicon oxide film 4 exposed by etching is fixed to the photoresist 6.

フォトレジストプロセスにより、SOI基板7の表面のシリコン酸化膜2を所要のパターンに従って除去する(図4(e))。シリコン酸化膜2を除去するためのパターンは、SOI基板7表面に形成するカンチレバー10の形状、配置、数などにより適宜設定することができる。また、フォトレジストプロセスは、ネガ型、ポジ型のいずれであってもよい。   By the photoresist process, the silicon oxide film 2 on the surface of the SOI substrate 7 is removed according to a required pattern (FIG. 4E). The pattern for removing the silicon oxide film 2 can be appropriately set depending on the shape, arrangement, number, etc. of the cantilever 10 formed on the surface of the SOI substrate 7. The photoresist process may be either a negative type or a positive type.

除去されずに残ったシリコン酸化膜2をエッチングマスクとして、例えば、反応性イオンエッチングによりSOI基板7の表面から単結晶シリコン膜3を除去する(図4(f))。なお、エッチングには、例えば、フッ素系のガスを選択的に用いることができる。   Using the silicon oxide film 2 that remains without being removed as an etching mask, the single crystal silicon film 3 is removed from the surface of the SOI substrate 7 by, for example, reactive ion etching (FIG. 4F). For the etching, for example, a fluorine-based gas can be selectively used.

エッチングにより、SOI基板7表面のシリコン酸化膜2、4を除去し、空間1bを形成する(図4(g))。これにより、SOI基板7表面には、単結晶シリコン膜3及びシリコン酸化膜4の2層構造からなるカンチレバー10が所要の配置で形成される。なお、この状態においては、シリコン酸化膜4がフォトレジスト6に固着されているため、シリコン酸化膜4の残留圧縮応力によりカンチレバー10が急激に反り上がることを防止することができる。   The silicon oxide films 2 and 4 on the surface of the SOI substrate 7 are removed by etching to form a space 1b (FIG. 4G). Thereby, a cantilever 10 having a two-layer structure of the single crystal silicon film 3 and the silicon oxide film 4 is formed on the surface of the SOI substrate 7 in a required arrangement. In this state, since the silicon oxide film 4 is fixed to the photoresist 6, it is possible to prevent the cantilever 10 from rapidly warping due to the residual compressive stress of the silicon oxide film 4.

SOI基板7裏面に塗布されたフォトレジスト6を除去する。カンチレバー10の上面の単結晶シリコン膜3は内部応力がなく、カンチレバー10の下面のシリコン酸化膜4は圧縮応力が残留しているため、フォトレジスト6が除去されることにより、カンチレバー10は、固定端8を支点として上方に反り上がる(図4(h))。この場合、フォトレジスト6を徐々に除去するので、カンチレバー10が急激に反り上がることを防止できる。これにより立体構造のカンチレバー10を形成することができる。   The photoresist 6 applied to the back surface of the SOI substrate 7 is removed. Since the single crystal silicon film 3 on the upper surface of the cantilever 10 has no internal stress and the silicon oxide film 4 on the lower surface of the cantilever 10 has a compressive stress, the cantilever 10 is fixed by removing the photoresist 6. Warping upwards with the end 8 as a fulcrum (FIG. 4 (h)). In this case, since the photoresist 6 is gradually removed, it is possible to prevent the cantilever 10 from warping rapidly. Thereby, the three-dimensional cantilever 10 can be formed.

本発明の立体構造のカンチレバー10を、例えば、触覚センサに適用する場合には、上述の製造方法において、SOI基板7表面に形成されるカンチレバー10の固定端8の近傍(すなわち、カンチレバー10の撓みを最も強く検知することができる箇所)に、例えば、熱拡散処理などによりピエゾ抵抗素子を形成するとともに、カンチレバー10の撓みに応じてピエゾ抵抗素子の抵抗値を検出するための電極をピエゾ抵抗素子の所要の位置に予め形成しておくことができる。   When the cantilever 10 having the three-dimensional structure of the present invention is applied to, for example, a tactile sensor, in the manufacturing method described above, in the vicinity of the fixed end 8 of the cantilever 10 formed on the surface of the SOI substrate 7 (that is, the bending of the cantilever 10). Piezoresistive element is formed at a position where the piezoresistive element can be detected most strongly, for example, by a thermal diffusion process, and an electrode for detecting the resistance value of the piezoresistive element according to the bending of the cantilever 10 is provided. Can be formed in advance at the required position.

また、カンチレバー10が形成されたSOI基板7を柔軟な樹脂膜で被覆することにより、外部から物体が樹脂膜に接触した場合、物体が接触した箇所から樹脂膜を通じて伝達される力がカンチレバー10に作用し、カンチレバー10の撓みをピエゾ抵抗素子の抵抗値変化として物体の接触を検出することができる。   In addition, by covering the SOI substrate 7 on which the cantilever 10 is formed with a flexible resin film, when an object comes into contact with the resin film from the outside, the force transmitted through the resin film from the place where the object contacts the cantilever 10 The contact of the object can be detected with the bending of the cantilever 10 acting as a change in the resistance value of the piezoresistive element.

図5は本発明に係る感圧センサ100の一例の構造を示す平面模式図である。SOI基板7には、中央部に平面形状が略矩形の開口部1cが形成され、SOI基板7表面の開口部1cの各縁辺の中央部に相互に対向して十字状にカンチレバー10、20、30、40を形成している。各カンチレバー10、20、30、40は、SOI基板7表面に対して略45度の傾斜角度でSOI基板7の外側に向かって斜設されている。   FIG. 5 is a schematic plan view showing the structure of an example of the pressure-sensitive sensor 100 according to the present invention. The SOI substrate 7 is formed with an opening 1c having a substantially rectangular planar shape at the center, and cantilevers 10 and 20 in a cross shape facing each other at the center of each edge of the opening 1c on the surface of the SOI substrate 7. 30 and 40 are formed. Each cantilever 10, 20, 30, 40 is inclined toward the outside of the SOI substrate 7 at an inclination angle of about 45 degrees with respect to the surface of the SOI substrate 7.

各カンチレバー10、20、30、40の固定端付近の表面には、ピエゾ抵抗素子11、21、31、41を形成してあり、SOI基板7表面には、アルミニウム又は銅などの電極(不図示)を介して配線パターン12、22、32、42が形成され、各ピエゾ抵抗素子11、21、31、41の抵抗値変化に基づいて、物体の接触及びその方向などを演算するための信号処理部50が形成されている。なお、SOI基板7表面は、柔軟な樹脂膜(不図示)で被覆されている。   Piezoresistive elements 11, 21, 31, 41 are formed on the surface near the fixed end of each cantilever 10, 20, 30, 40, and an electrode (not shown) such as aluminum or copper is formed on the surface of the SOI substrate 7. ) To form wiring patterns 12, 22, 32, 42, and signal processing for calculating the contact of the object and its direction based on the change in resistance value of each piezoresistive element 11, 21, 31, 41. Part 50 is formed. The surface of the SOI substrate 7 is covered with a flexible resin film (not shown).

カンチレバー10、20夫々の撓みにより検出される信号の和及び差分を演算することにより、図中y方向及びSOI基板7の表面に対して垂直方向に作用する力を検出することができ、カンチレバー30、40夫々の撓みにより検出される信号の和及び差分を演算することにより、図中x方向及びSOI基板7の表面に対して垂直方向に作用する力を検出することができる。これにより、3次元方向の力を検出することができる。   By calculating the sum and difference of the signals detected by the deflection of each of the cantilevers 10 and 20, it is possible to detect the force acting in the y direction in the figure and the direction perpendicular to the surface of the SOI substrate 7. By calculating the sum and difference of the signals detected by each of the 40 deflections, it is possible to detect the force acting in the x direction in the figure and the direction perpendicular to the surface of the SOI substrate 7. Thereby, a force in a three-dimensional direction can be detected.

また、上述の各カンチレバー10、20、30、40の組合せで構成される感圧センサ100を、SOI基板7の表面にアレイ状に配置して、センサアレイとして構成することもできる。   Further, the pressure-sensitive sensor 100 configured by combining the above-described cantilevers 10, 20, 30, and 40 can be arranged in an array on the surface of the SOI substrate 7 to configure a sensor array.

以上説明したように、本発明にあっては、SOI基板7の裏面側からエッチングしてシリコン酸化膜4が露出するまでシリコン基板1を凹状に除去し、シリコン基板1が除去された空間1aに面するシリコン酸化膜4及び該シリコン酸化膜4上の単結晶シリコン膜3の一部をエッチングにより除去して、圧縮応力を有するシリコン酸化膜4及び単結晶シリコン膜3よりなる片持梁状のカンチレバー10を形成することにより、SOI基板7上で反り上がったカンチレバー10を形成することができるとともに、スティッキング防止のための複雑かつ特殊なプロセスを必要とせず、内部応力を有する膜層を新たに形成する必要もなく、製造方法を大幅に簡略化することができる。また、SOI基板7の裏面が凹状に開口しているため、カンチレバー10を被覆するための樹脂の充填性を向上させることができる。   As described above, in the present invention, the silicon substrate 1 is removed in a concave shape until the silicon oxide film 4 is exposed by etching from the back side of the SOI substrate 7, and the silicon substrate 1 is removed in the space 1a. The silicon oxide film 4 facing and a part of the single crystal silicon film 3 on the silicon oxide film 4 are removed by etching to form a cantilever-like shape composed of the silicon oxide film 4 and the single crystal silicon film 3 having compressive stress. By forming the cantilever 10, the cantilever 10 warped on the SOI substrate 7 can be formed, and a complicated and special process for preventing sticking is not required, and a film layer having internal stress is newly added. There is no need to form it, and the manufacturing method can be greatly simplified. Further, since the back surface of the SOI substrate 7 is opened in a concave shape, the filling property of the resin for covering the cantilever 10 can be improved.

また、シリコン基板1を除去した後に、凹状に除去された空間1aに面するシリコン基板1及びシリコン酸化膜4にフォトレジスト6を塗布し、カンチレバー10が形成された後に、塗布されたフォトレジスト6を除去することにより、カンチレバー10が形成時に急激に反り上がることを防止して歩留を向上させることができる。また、カンチレバー10の上面を単結晶シリコン膜3とし、下面をシリコン酸化膜4とすることにより、カンチレバー10の上面側に内部応力を有する膜層を形成することなく立体構造(反り上がり構造)をなすカンチレバー10を簡単に形成することができる。   Further, after the silicon substrate 1 is removed, a photoresist 6 is applied to the silicon substrate 1 and the silicon oxide film 4 facing the space 1a removed in a concave shape, and after the cantilever 10 is formed, the applied photoresist 6 is applied. By removing the can, the cantilever 10 can be prevented from warping suddenly during formation, and the yield can be improved. Further, by forming the upper surface of the cantilever 10 as the single crystal silicon film 3 and the lower surface as the silicon oxide film 4, a three-dimensional structure (warping structure) can be formed without forming a film layer having internal stress on the upper surface side of the cantilever 10. The formed cantilever 10 can be easily formed.

また、SOI基板7を用いることにより、シリコン基板1をバルクマイクロマシニングで除去し、活性層(単結晶シリコン膜3)及び埋め込み酸化膜層(シリコン酸化膜4)よりなる立体構造のカンチレバー10を簡略化された製造プロセスで形成することができる。さらに、立体構造のカンチレバー10をSOI基板7の表面に対して略45度の傾斜角度でSOI基板7の外側に向かって斜設することにより、カンチレバー10にピエゾ抵抗素子11の如く感圧素子を形成した場合、SOI基板7の表面に対して平行方向及び垂直方向の2方向に作用する力を略均等に検出することができる。また、1つのカンチレバー10でSOI基板7の表面に対して平行方向及び垂直方向の両方向に作用する力を効率よく捉えることができる。   Further, by using the SOI substrate 7, the silicon substrate 1 is removed by bulk micromachining, and the three-dimensional cantilever 10 composed of the active layer (single crystal silicon film 3) and the buried oxide film layer (silicon oxide film 4) is simplified. It can be formed by an integrated manufacturing process. Further, the cantilever 10 having a three-dimensional structure is inclined toward the outside of the SOI substrate 7 at an inclination angle of about 45 degrees with respect to the surface of the SOI substrate 7, so that a pressure sensitive element such as the piezoresistive element 11 is provided on the cantilever 10. When formed, the force acting in two directions, ie, parallel and perpendicular to the surface of the SOI substrate 7 can be detected substantially evenly. Further, the force acting in both the parallel direction and the vertical direction with respect to the surface of the SOI substrate 7 with one cantilever 10 can be efficiently captured.

上述の実施の形態において、カンチレバー10の形状、配置、数などは、一例であって、これに限定されるものではない。   In the above-described embodiment, the shape, arrangement, number, and the like of the cantilever 10 are examples and are not limited to this.

上述の実施の形態においては、シリコン酸化膜4を固着させるためにフォトレジスト6を塗布する工程が含まれていたが、例えば、カンチレバー10の大きさ、形状などに応じて、反り上がり時の破損の可能性が低い場合には、フォトレジストの塗布工程を省略することもできる。   In the above-described embodiment, the step of applying the photoresist 6 to fix the silicon oxide film 4 was included. For example, depending on the size and shape of the cantilever 10, the damage at the time of warping is broken. If the possibility is low, the photoresist coating step can be omitted.

上述の実施の形態では、感圧センサとして接触センサの例を説明したが、感圧センサはこれに限定されるものではなく、本発明のカンチレバー10は、超音波センサなどにも適用することができる。また、感圧素子としては、ピエゾ抵抗素子に限定されるものではなく、圧電素子などを用いることもできる。   In the above-described embodiment, an example of a contact sensor has been described as the pressure sensor. However, the pressure sensor is not limited to this, and the cantilever 10 of the present invention can be applied to an ultrasonic sensor or the like. it can. The pressure sensitive element is not limited to a piezoresistive element, and a piezoelectric element or the like can also be used.

本発明に係る半導体装置の構造を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a structure of a semiconductor device according to the present invention. 本発明に係る半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device which concerns on this invention. 本発明に係る半導体装置の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention. 本発明に係る半導体装置の製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention. 本発明に係る感圧センサの一例の構造を示す平面模式図である。It is a plane schematic diagram which shows the structure of an example of the pressure sensitive sensor which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリコン基板
1a、1b 空間
1c 開口部
2、5 シリコン酸化膜
3 単結晶シリコン膜
4 シリコン酸化膜
6 フォトレジスト
7 SOI基板
8 固定端
10、20、30、40 カンチレバー
11、21、31、41 ピエゾ抵抗素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 1a, 1b Space 1c Opening 2, 5 Silicon oxide film 3 Single crystal silicon film 4 Silicon oxide film 6 Photoresist 7 SOI substrate 8 Fixed end 10, 20, 30, 40 Cantilever 11, 21, 31, 41 Piezo Resistance element

Claims (9)

シリコン層の表面に、残留応力を有する絶縁膜と表面膜とがこの順に成膜された基板上に斜設された片持梁状の揺動部を備える半導体装置の製造方法であって、
シリコン層を裏面側からエッチングして絶縁膜が露出するまでシリコン層を凹状に除去する工程と、
シリコン層が除去された空間に面する絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜の一部をエッチングにより除去して絶縁膜及び表面膜よりなる片持梁状の揺動部を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device comprising a cantilever-like swinging portion obliquely provided on a substrate on which a surface layer of an insulating film having a residual stress and a surface film are formed in this order on the surface of a silicon layer,
Etching the silicon layer from the back side and removing the silicon layer in a concave shape until the insulating film is exposed; and
A step of removing a part of the surface film on the insulating film facing the space from which the silicon layer has been removed and the insulating film by etching to form a cantilever-like swinging portion made of the insulating film and the surface film. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
シリコン層を除去した後に、凹状に除去された空間に面するシリコン層及び絶縁膜に樹脂膜を塗布する工程と、
揺動部が形成された後に、塗布された樹脂膜を除去する工程と
を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
A step of applying a resin film to the silicon layer and the insulating film facing the space removed in a concave shape after removing the silicon layer;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising: removing the applied resin film after the swinging portion is formed.
前記表面膜を単結晶シリコン膜とし、前記絶縁膜をシリコン酸化膜とすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。   3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the surface film is a single crystal silicon film, and the insulating film is a silicon oxide film. 前記基板をSOI基板とすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate is an SOI substrate. シリコン層の表面に、絶縁膜と表面膜とがこの順に成膜された基板上に配置された片持梁状の揺動部を備える半導体装置であって、
前記絶縁膜は残留応力を有し、
前記絶縁膜が露出するように前記シリコン層の裏面に形成された凹部と、
露出した絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜よりなり、前記残留応力により前記基板上に斜設された片持梁状の揺動部と
を備えることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device comprising a cantilever-like rocking portion disposed on a substrate having an insulating film and a surface film formed in this order on the surface of a silicon layer,
The insulating film has a residual stress;
A recess formed on the back surface of the silicon layer so that the insulating film is exposed;
A semiconductor device comprising: an exposed insulating film and a surface film on the insulating film; and a cantilever-like swinging portion obliquely provided on the substrate by the residual stress.
前記揺動部は、基板表面に対して外側に向かって略45度傾斜するように構成してあることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。   6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the oscillating portion is configured to incline approximately 45 degrees toward the outside with respect to the substrate surface. 前記表面膜は単結晶シリコン膜であり、前記絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 5, wherein the surface film is a single crystal silicon film, and the insulating film is a silicon oxide film. 前記基板はSOI基板であることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 5, wherein the substrate is an SOI substrate. 請求項5乃至請求項8のいずれかに記載の半導体装置を備える感圧センサであって、
前記揺動部の表面に形成された感圧素子と、
該感圧素子に接続された電極と
を備えることを特徴とする感圧センサ。
A pressure-sensitive sensor comprising the semiconductor device according to any one of claims 5 to 8,
A pressure sensitive element formed on the surface of the swinging portion;
An electrode connected to the pressure sensitive element.
JP2006228357A 2006-08-24 2006-08-24 Manufacturing method of semiconductor device, semiconductor device and pressure sensor Pending JP2008049438A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006228357A JP2008049438A (en) 2006-08-24 2006-08-24 Manufacturing method of semiconductor device, semiconductor device and pressure sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006228357A JP2008049438A (en) 2006-08-24 2006-08-24 Manufacturing method of semiconductor device, semiconductor device and pressure sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2008049438A true JP2008049438A (en) 2008-03-06

Family

ID=39233953

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006228357A Pending JP2008049438A (en) 2006-08-24 2006-08-24 Manufacturing method of semiconductor device, semiconductor device and pressure sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2008049438A (en)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012063225A (en) * 2010-09-15 2012-03-29 Dainippon Printing Co Ltd Dynamic quantity sensor and method for manufacturing the same
JP2012517913A (en) * 2009-02-25 2012-08-09 カペラ フォトニクス インコーポレイテッド MEMS devices with integrated vias and spacers
CN102139855B (en) * 2010-02-03 2013-05-22 中国科学院物理研究所 Manufacturing method of micro-nano cantilever beam structure for hypersensitive detection
US8482086B2 (en) 2008-03-13 2013-07-09 The University Of Tokyo Three-dimensional structure and its manufacturing method
CN103674355A (en) * 2012-09-11 2014-03-26 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 Suspended force-sensitive sensor chip capable of eliminating encapsulation stress and manufacture method thereof
CN103991836A (en) * 2013-02-19 2014-08-20 苏州敏芯微电子技术有限公司 Micro electro mechanical system sensor and manufacturing method thereof
CN104236766A (en) * 2013-06-13 2014-12-24 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 Double-suspension-type force sensor chip with packaging stress and temperature drift self-compensation function and manufacturing method
CN104793015A (en) * 2015-02-03 2015-07-22 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 Single-silicon-wafer compound sensor structure with pressure sensor embedded in accelerometer and manufacturing method
WO2018016114A1 (en) * 2016-07-22 2018-01-25 アルプス電気株式会社 Pressure detection device
CN108593160A (en) * 2018-05-23 2018-09-28 太原理工大学 A kind of manufacturing method of diaphragm type cantilever beam surface stress biosensor

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8482086B2 (en) 2008-03-13 2013-07-09 The University Of Tokyo Three-dimensional structure and its manufacturing method
JP2012517913A (en) * 2009-02-25 2012-08-09 カペラ フォトニクス インコーポレイテッド MEMS devices with integrated vias and spacers
CN102139855B (en) * 2010-02-03 2013-05-22 中国科学院物理研究所 Manufacturing method of micro-nano cantilever beam structure for hypersensitive detection
JP2012063225A (en) * 2010-09-15 2012-03-29 Dainippon Printing Co Ltd Dynamic quantity sensor and method for manufacturing the same
CN103674355A (en) * 2012-09-11 2014-03-26 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 Suspended force-sensitive sensor chip capable of eliminating encapsulation stress and manufacture method thereof
CN103991836A (en) * 2013-02-19 2014-08-20 苏州敏芯微电子技术有限公司 Micro electro mechanical system sensor and manufacturing method thereof
CN104236766A (en) * 2013-06-13 2014-12-24 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 Double-suspension-type force sensor chip with packaging stress and temperature drift self-compensation function and manufacturing method
CN104236766B (en) * 2013-06-13 2016-09-14 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 Encapsulation stress floats self-compensating dual suspension formula force-sensing sensor chip and preparation method with temperature
CN104793015A (en) * 2015-02-03 2015-07-22 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 Single-silicon-wafer compound sensor structure with pressure sensor embedded in accelerometer and manufacturing method
CN104793015B (en) * 2015-02-03 2018-04-27 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 The single silicon-chip compound sensor structure and method of accelerometer embedded pressure sensor
WO2018016114A1 (en) * 2016-07-22 2018-01-25 アルプス電気株式会社 Pressure detection device
JPWO2018016114A1 (en) * 2016-07-22 2019-05-30 アルプスアルパイン株式会社 Pressure detection device
CN108593160A (en) * 2018-05-23 2018-09-28 太原理工大学 A kind of manufacturing method of diaphragm type cantilever beam surface stress biosensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2008049438A (en) Manufacturing method of semiconductor device, semiconductor device and pressure sensor
KR101910867B1 (en) System and method for a differential comb drive mems
US20190297441A1 (en) Semiconductor Devices Having a Membrane Layer with Smooth Stress-Relieving Corrugations and Methods of Fabrication Thereof
JP5806254B2 (en) Capacitive microelectromechanical sensor with single crystal silicon electrode
US8372677B2 (en) Three-axis accelerometers and fabrication methods
JP5602761B2 (en) Micro-electromechanical system device having separated microstructure and manufacturing method thereof
JP5192610B2 (en) MEMS element and method for manufacturing MEMS element
US20150321901A1 (en) Semiconductor Devices and Methods of Forming Thereof
JP2012506616A (en) MEMS device packaged at wafer level
JP5353101B2 (en) Microstructure formation method
KR102163052B1 (en) Pressure sensor element and method for manufacturing same
US20170001857A1 (en) Sensor element and method of manufacturing the same
KR100732698B1 (en) A method for fabricating a micro structures with multi thickness
EP1932803A2 (en) MEMS device with Z-axis asymetry
KR100817813B1 (en) A method for fabricating a micro structures with multi differential gap on silicon substrate
Fedder Integrated MEMS in conventional CMOS
JP2011038780A (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP4628018B2 (en) Capacitive mechanical quantity sensor and manufacturing method thereof
JPWO2003015183A1 (en) Method for manufacturing thin film structure
JP2007144611A (en) Semiconductor device, and method of manufacturing semiconductor device
JP4781081B2 (en) Acceleration sensor chip and manufacturing method thereof
JP2001044449A (en) Force detection sensor and manufacture of force detection sensor
JP2006064532A (en) Semiconductor acceleration sensor
JP2009154215A (en) Method of manufacturing mems device
JP2010048700A (en) Mems and method for manufacturing mems