JP2008099004A - 静電容量型センサの製造方法および静電容量型センサ - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板を表面側からエッチングすることができる、静電容量型センサの製造方法および静電容量型センサを提供する。
【解決手段】シリコン基板２の表面上に、保護層４がパターン形成された後、保護層４が形成されていない保護層非形成領域と対向し、その保護層非形成領域の一部が露出するように、第１金属層５が形成される。その後、第１金属層５上に、第１絶縁層８、金属犠牲層、第２絶縁層１５、第２金属層１２がこの順に形成される。そして、金属犠牲層に金属エッチング液が供給されることにより、金属犠牲層が除去される。また、金属犠牲層が除去された部分から、金属犠牲層の除去によって露出した保護層非形成領域を介して、シリコン基板２にシリコンエッチング液が供給される。これにより、シリコン基板２の一部が除去されて、裏面側ほど寸法が小さくなる断面台形状の貫通孔３が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｓｉ（シリコン）マイクなどの静電容量型センサおよびその製造方法に関する。

最近、携帯電話機に、ＥＣＭ（Electret Condenser Microphone）に代えて、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により製造されるＳｉマイクが搭載され始めたことから、そのＳｉマイクの注目度が急激に高まっている。
ＥＣＭは、半田付けによる配線基板への固定が不可能である。ＥＣＭがリフローのために高温下に置かれると、音圧を感知する薄膜である高分子フィルムから電荷が漏れてしまい、ＥＣＭがマイクロホンとして機能しなくなってしまうからである。そのため、ＥＣＭは、専用の部品を用いて配線基板に固定される。これに対し、Ｓｉマイクは、２５０℃を超える高温下でのリフローが可能であるため、他の半導体部品と同様に、自動実装機による配線基板への実装が可能である。したがって、Ｓｉマイクを用いることにより、実装コストの低減を図ることができる。

図４は、従来のＳｉマイクの構造を模式的に示す断面図である。
Ｓｉマイク１０１は、シリコン基板１０２を備えている。シリコン基板１０２の中央部には、裏面側ほど内径が大きくなる断面台形状の貫通孔１０３が形成されている。そして、シリコン基板１０２の表面上には、ポリシリコンからなる薄膜１０４が貫通孔１０３を閉塞するように配置されている。また、薄膜１０４上には、ポリシリコンからなるバックプレート１０５が薄膜１０４と対向して配置されている。バックプレート１０５には、多数の孔１０６が貫通形成されている。バックプレート１０５は、支持枠１０７に周縁部が支持されており、薄膜１０４とバックプレート１０５との間には、微小な間隔の空洞１０８が形成されている。これにより、薄膜１０４とバックプレート１０５とは、空洞１０８を挟んで対向するコンデンサを形成している。

このＳｉマイク１０１では、音圧（音波）が入力されると、その音圧により薄膜１０４が振動し、この薄膜１０４の振動により生じるコンデンサの静電容量の変化に応じた電気信号が出力される。
特表２００１−５１８２４６号公報

ところが、従来のＳｉマイク１０１の製造工程では、シリコン基板１０２の表面に薄膜１０４が形成されているので、シリコン基板１０２に貫通孔１０３を形成するためには、シリコン基板１０２の裏面からエッチング液を供給しなければならない。一方、薄膜１０４とバックプレート１０５との間の空洞１０８は、薄膜１０４上に酸化シリコンを堆積させ、この酸化シリコンからなる薄層上にバックプレート１０５を形成した後、酸化シリコンの薄層をエッチングすることにより形成されるが、このエッチングのためには、バックプレート１０５に形成されている孔１０６からエッチング液を供給しなければならない。そのため、貫通孔１０３を形成する工程と空洞１０８を形成する工程とを、同一の工程で行うことはできない。

そこで、本発明の目的は、シリコン基板を表面側からエッチングすることができる、静電容量型センサの製造方法および静電容量型センサを提供することである。

前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、シリコン基板の表面上に、シリコンをエッチング可能なシリコンエッチング液に対する耐性を有する保護層をパターン形成する保護層形成工程と、前記保護層形成工程後、前記シリコン基板の表面上に、前記保護層が形成されていない保護層非形成領域と対向し、前記保護層非形成領域の一部が露出するように、第１金属層を形成する第１金属層形成工程と、少なくとも前記第１金属層上に、特定の金属をエッチング可能な金属エッチング液に対する耐性を有する第１絶縁層を形成する第１絶縁層形成工程と、前記第１金属層から露出する前記保護層非形成領域および第１絶縁層上に、前記特定の金属からなる金属犠牲層を形成する金属犠牲層形成工程と、前記金属犠牲層上に、前記金属エッチング液に対する耐性を有する第２絶縁層を形成する第２絶縁層形成工程と、前記第２絶縁層上に、第２金属層を形成する第２金属層形成工程と、前記金属犠牲層に前記金属エッチング液を供給して、前記金属犠牲層を除去する金属犠牲層除去工程と、前記金属犠牲層が除去された部分から、前記金属犠牲層の除去により露出する前記保護層非形成領域を介して、前記シリコン基板に前記シリコンエッチング液を供給して、前記シリコン基板の一部を除去するシリコン基板エッチング工程とを含む、静電容量型センサの製造方法である。

この製造方法では、シリコン基板の表面上に、保護層がパターン形成された後、保護層が形成されていない保護層非形成領域と対向し、その保護層非形成領域の一部が露出するように、第１金属層が形成される。その後、第１金属層上に、第１絶縁層、金属犠牲層、第２絶縁層、第２金属層がこの順に形成される。そして、金属犠牲層に金属エッチング液が供給されることにより、金属犠牲層が除去される。また、金属犠牲層が除去された部分から、金属犠牲層の除去によって露出した保護層非形成領域を介して、シリコン基板にシリコンエッチング液が供給されることにより、シリコン基板の一部が除去される。

このように、シリコン基板の表面側から金属エッチング液およびシリコンエッチング液を供給することにより、シリコン基板の一部をエッチング（除去）することができる。
そして、この製造方法により、請求項５または６に記載の静電容量型センサを製造することができる。
請求項５に記載の静電容量型センサは、裏面側ほど寸法が小さくなる断面台形状の孔または凹部を有するシリコン基板と、前記シリコン基板の表面上に設けられ、前記孔または前記凹部に対向する第１金属層と、前記第１金属層上に形成される第１絶縁層と、前記第１絶縁層に対して所定の間隔を空けて対向配置される第２絶縁層と、前記第２絶縁層上に形成される第２金属層とを備えている。

請求項６に記載の静電容量型センサでは、前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間の空洞が前記孔または前記凹部と連通している。
また、請求項２に記載のように、前記シリコンエッチング液と前記金属エッチング液とは、同一のエッチング液であり、前記金属犠牲層除去工程と前記シリコン基板エッチング工程とは、同一の工程で行われてもよい。シリコンエッチング液と金属エッチング液として同一のエッチング液を用いることにより、言い換えれば、金属犠牲層を形成する金属およびシリコンの両方をエッチング可能なエッチング液を用いることにより、金属犠牲層の除去とシリコン基板のエッチングとを同一の工程で行うことができる。その結果、静電容量型センサの製造工程数を低減させることができる。

また、請求項３に記載のように、前記静電容量型センサの製造方法には、前記第１金属層形成工程前に、前記シリコン基板の表面上の前記保護層非形成領域に、ポリシリコンからなるポリシリコン犠牲層を形成するポリシリコン犠牲層形成工程と、前記金属犠牲層除去工程後であって、前記シリコン基板エッチング工程前に、前記金属犠牲層が除去された部分から、前記ポリシリコン犠牲層にエッチング液を供給して、前記ポリシリコン犠牲層をエッチングして除去するポリシリコン犠牲層除去工程とがさらに含まれていてもよい。すなわち、シリコン基板の表面上の保護層非形成領域にポリシリコン犠牲層が形成されてもよく、この場合、金属エッチング液が供給されて、金属犠牲層が除去された後、ポリシリコンをエッチング可能なエッチング液がポリシリコン犠牲層に供給されて、ポリシリコン犠牲層が除去され、さらに、シリコンエッチング液が供給されて、シリコン基板の一部が除去されてもよい。

請求項４および７に記載のように、前記第２金属層は、金を用いて形成されることが好ましい。第２金属層が金を用いて形成される金層であれば、金層の一部を剥き出しにすることにより、その部分に金細線などのボンディングワイヤを良好に接続することができる。そのため、第２金属層とボンディングワイヤとの良好な接続を確保するための膜を不要とすることができ、構成の簡素化を達成することができる。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るＳｉマイクの構造を模式的に示す断面図である。
このＳｉマイク１は、シリコン基板２を備えている。シリコン基板２の中央部には、裏面側ほど寸法（シリコン基板２の表面に平行な方向の幅）が小さくなる断面台形状の貫通孔３が形成されている。

シリコン基板２の表面は、酸化シリコンからなる保護層４で覆われている。この保護層４は、後述する金属エッチング液、ポリシリコンエッチング液およびシリコンエッチング液に対する耐性を有している。
また、Ｓｉマイク１は、アルミニウムからなる第１金属層５を備えている。この第１金属層５は、貫通孔３に対向する平面視矩形状の対向部６と、対向部６の一端縁に接続され、保護層４の表面に沿って延びる延出部７とを一体的に有している。また、第１金属層５の表面（上面）および側面は、ｐ型不純物がドーピングされた酸化シリコンからなる第１絶縁層８で覆われている。そして、第１金属層５および第１絶縁層８は、音圧を受けて振動する振動膜９を形成している。

第１絶縁層８には、第１金属層５の延出部７の先端部（対向部６側と反対側の端部）をボンディングパッドとして露出させる開口部１０が形成されている。この開口部１０上には、開口部１０から露出する延出部７（ボンディングパッド）を覆う金薄膜１１が形成されている。
また、Ｓｉマイク１は、金からなる第２金属層１２を備えている。この第２金属層１２は、貫通孔３の上方において、振動膜９の上方に間隔を隔てて対向する対向部１３と、この対向部１３の一端縁に接続され、保護層４の表面に沿って延びる延出部１４とを一体的に有している。第２金属層１２の下面は、ｐ型不純物がドーピングされた酸化シリコンからなる第２絶縁層１５で覆われている。そして、第２金属層１２および第２絶縁層１５は、振動膜９に対して微小な間隔（たとえば、４μｍ）の空洞１６を介して対向するバックプレート１７をなし、このバックプレート１７は、振動膜９とともに、振動膜９の振動によって静電容量が変化するコンデンサを形成している。空洞１６は、振動膜９とバックプレート１７の保護層４の表面上を延びる部分との間を介して、シリコン基板２の貫通孔３と連通している。

金薄膜１１の周縁部ならびに第２金属層１２の表面（上面）および側面は、窒化シリコンからなる表面保護膜１８で覆われている。この表面保護膜１８には、第２金属層１２の延出部１４の先端部（対向部１３側と反対側の端部）をボンディングパッドとして露出させる開口部１９が形成されている。
このＳｉマイク１では、音圧（音波）が入力されると、その音圧により振動膜９が振動し、この振動膜９の振動により生じるコンデンサの静電容量の変化に応じた電気信号が出力される。

図２Ａ〜図２Ｊは、Ｓｉマイク１の製造工程を説明するための模式的な断面図である。
まず、図２Ａに示すように、熱酸化処理によって、シリコン基板２の母材をなすシリコンウエハＷの全面に、シリコン酸化膜２１が形成される。なお、図２Ａ〜図２Ｊでは、シリコンウエハＷの一部が示されており、シリコンウエハＷの周側面に形成されるシリコン酸化膜２１は示されていない。

次に、フォトリソグラフィ技術により、シリコンウエハＷの表面上のシリコン酸化膜２１上にレジストパターンが形成される。そして、そのレジストパターンをマスクとするエッチングにより、図２Ｂに示すように、シリコンウエハＷの表面上に、シリコンウエハＷ（シリコン基板２）の表面の一部を保護層非形成領域として露出させる開口を有する保護層４が形成される（保護層形成工程）。

なお、以下では、保護層４の形成に代表されるように、フォトリソグラフィ技術により層または膜上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとするエッチングにより、その層または膜をパターニングする技術を、単に「パターンエッチング技術」という。
つづいて、その開口部分および保護層４上に、ポリシリコンが堆積される。そして、パターンエッチング技術により、保護層４の開口外のポリシリコンの堆積層が除去される。これにより、図２Ｂに示すように、保護層４の開口部分に、ポリシリコンからなるポリシリコン犠牲層２２が形成される（ポリシリコン犠牲層形成工程）。

その後、図２Ｃに示すように、パターンエッチング技術により、アルミニウムからなる第１金属層５およびｐ型不純物がドーピングされた酸化シリコンからなる第１絶縁層８が形成される（第１金属層形成工程、第１絶縁層形成工程）。
次いで、図２Ｄに示すように、パターンエッチング技術により、第１絶縁層８、ポリシリコン犠牲層２２および保護層４上に跨って、アルミニウムからなる金属犠牲層２３が形成される（金属犠牲層形成工程）。

その後、図２Ｅに示すように、金属犠牲層２３上に、ｐ型不純物がドーピングされた酸化シリコンからなる第２絶縁層１５が形成される（第２絶縁層形成工程）。
つづいて、図２Ｆに示すように、パターンエッチング技術により、第１絶縁層８に開口部１０が形成される。
この後、図２Ｇに示すように、開口部１０上に金薄膜１１が形成される。また、第２絶縁層１５上に、金からなる第２金属層１２が形成される（第２金属層形成工程）。

次いで、図２Ｈに示すように、パターンエッチング技術により、窒化シリコンからなる表面保護膜１８が形成される。
その後、アルミニウムをエッチング可能な金属エッチング液が金属犠牲層２３に供給されることにより、アルミニウムからなる金属犠牲層２３が除去される（金属犠牲層除去工程）。これにより、図２Ｉに示すように、第１絶縁層８（振動膜９）と第２絶縁層１５（バックプレート１７）との間に、空洞１６が形成される。

そして、その空洞１６から、ポリシリコンをエッチング可能なポリシリコンエッチング液が供給されることにより、ポリシリコンからなるポリシリコン犠牲層２２が除去される（ポリシリコン犠牲層除去工程）。これにより、図２Ｊに示すように、シリコンウエハＷ（シリコン基板２）の表面の一部が保護層非形成領域として保護層４の開口部分から露出する。

こうして、金属犠牲層２３およびポリシリコン犠牲層２２が除去された後、シリコンウエハＷの裏面からシリコン酸化膜２１が除去される。また、第１絶縁層８と第２絶縁層１５との間の空洞１６から、シリコンをエッチング可能なシリコンエッチング液が供給されることにより、シリコンウエハＷがエッチングされて、シリコンウエハＷ（シリコン基板２）に、裏面側ほど寸法が小さくなる断面台形状の貫通孔３が形成される（シリコン基板エッチング工程）。そして、シリコンウエハＷが切り分けられることによって、図１に示す構造のＳｉマイク１が得られる。

なお、空洞１６からのシリコンエッチング液の供給と並行して、シリコンウエハＷの裏面にシリコンエッチング液が供給されてもよい。これにより、シリコンウエハＷの厚さを小さくすることができ、貫通孔３を形成するためのエッチングに要する時間を短縮することができる。
このように、シリコン基板２（シリコンウエハＷ）の表面側から金属エッチング液およびポリシリコンエッチング液を供給して、金属犠牲層２３およびポリシリコン犠牲層２２を除去した後、これにより生じる空洞１６からシリコンエッチング液を供給することにより、シリコン基板２の一部をエッチングして、シリコン基板２に貫通孔３を形成することができる。

ポリシリコン犠牲層２２を形成せずに、第１金属層５の上面、側面および下面を覆うように第１絶縁層８を形成して、図３に示すように、この第１金属層５および第１絶縁層８からなる振動膜９に多数の孔３１を形成しておき、金属犠牲層２３の除去後に、それらの多数の孔３１を介して、シリコン基板２にシリコンエッチング液を供給するようにしてもよい。この場合、シリコンエッチング液と金属エッチング液として同一のエッチング液を用いることにより、言い換えれば、金属犠牲層２３を形成する金属およびシリコンの両方をエッチング可能なエッチング液を用いることにより、金属犠牲層２３の除去とシリコン基板２のエッチングとを同一の工程で行うことができる。その結果、Ｓｉマイク１の製造工程数を低減させることができる。なお、エッチング液による第１金属層５のエッチングを防止するために、各孔３１の内面は、第１絶縁層８で覆われている。

多数の孔３１は、図３に示すように、平面視で×状に整列して形成されていてもよいし、これに限らず、たとえば、平面視で矩形状に整列して形成されていてもよい。
また、このＳｉマイク１では、第２金属層１２が金を用いて形成されているので、この第２金属層１２の一部を剥き出しにすることにより、その部分を金細線などのボンディングワイヤを良好に接続可能なボンディングパッドとすることができる。そのため、第２金属層１２とボンディングワイヤとの良好な接続を確保するための膜を不要とすることができ、構成の簡素化を達成することができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は、他の実施形態で実施することも可能である。たとえば、前述の実施形態では、シリコン基板２に断面台形状の貫通孔３が形成されるとしたが、貫通孔３に代えて、シリコン基板２の表面から裏面側に窪み、裏面側ほど寸法（シリコン基板２の表面に平行な方向の幅）が小さくなる断面台形状の凹部が形成されてもよい。

また、静電容量型センサの一例として、Ｓｉマイク１を例にとったが、これに限らず、静電容量の変化量を検知して動作する圧力センサや加速度センサなどに本発明が適用されてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

本発明の一実施形態に係るＳｉマイクの構造を模式的に示す断面図である。 Ｓｉマイクの製造工程を説明するための模式的な断面図である。 図２Ａの次の工程を模式的に示す断面図である。 図２Ｂの次の工程を模式的に示す断面図である。 図２Ｃの次の工程を模式的に示す断面図である。 図２Ｄの次の工程を模式的に示す断面図である。 図２Ｅの次の工程を模式的に示す断面図である。 図２Ｆの次の工程を模式的に示す断面図である。 図２Ｄの次の工程を模式的に示す断面図である。 図２Ｅの次の工程を模式的に示す断面図である。 図２Ｆの次の工程を模式的に示す断面図である。 振動膜の他の構成を模式的に示す平面図である。 従来のＳｉマイクの構造を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ Ｓｉマイク
２ シリコン基板
３ 貫通孔
４ 保護層
５ 第１金属層
８ 第１絶縁層
１２ 第２金属層
１５ 第２絶縁層
１６ 空洞
２２ ポリシリコン犠牲層
２３ 金属犠牲層
Ｗ シリコンウエハ

Claims (7)

1. シリコン基板の表面上に、シリコンをエッチング可能なシリコンエッチング液に対する耐性を有する保護層をパターン形成する保護層形成工程と、
   前記保護層形成工程後、前記シリコン基板の表面上に、前記保護層が形成されていない保護層非形成領域と対向し、前記保護層非形成領域の一部が露出するように、第１金属層を形成する第１金属層形成工程と、
   少なくとも前記第１金属層上に、特定の金属をエッチング可能な金属エッチング液に対する耐性を有する第１絶縁層を形成する第１絶縁層形成工程と、
   前記第１金属層から露出する前記保護層非形成領域および第１絶縁層上に、前記特定の金属からなる金属犠牲層を形成する金属犠牲層形成工程と、
   前記金属犠牲層上に、前記金属エッチング液に対する耐性を有する第２絶縁層を形成する第２絶縁層形成工程と、
   前記第２絶縁層上に、第２金属層を形成する第２金属層形成工程と、
   前記金属犠牲層に前記金属エッチング液を供給して、前記金属犠牲層を除去する金属犠牲層除去工程と、
   前記金属犠牲層が除去された部分から、前記金属犠牲層の除去により露出する前記保護層非形成領域を介して、前記シリコン基板に前記シリコンエッチング液を供給して、前記シリコン基板の一部を除去するシリコン基板エッチング工程とを含む、静電容量型センサの製造方法。
2. 前記シリコンエッチング液と前記金属エッチング液とは、同一のエッチング液であり、
   前記金属犠牲層除去工程と前記シリコン基板エッチング工程とは、同一の工程で行われる、請求項１に記載の静電容量型センサの製造方法。
3. 前記第１金属層形成工程前に、前記シリコン基板の表面上の前記保護層非形成領域に、ポリシリコンからなるポリシリコン犠牲層を形成するポリシリコン犠牲層形成工程と、
   前記金属犠牲層除去工程後であって、前記シリコン基板エッチング工程前に、前記金属犠牲層が除去された部分から、前記ポリシリコン犠牲層にエッチング液を供給して、前記ポリシリコン犠牲層をエッチングして除去するポリシリコン犠牲層除去工程とをさらに含む、請求項１に記載の静電容量型センサの製造方法。
4. 前記第２金属層は、金を用いて形成される、請求項１ないし３のいずれかに記載の静電容量型センサの製造方法。
5. 裏面側ほど寸法が小さくなる断面台形状の孔または凹部を有するシリコン基板と、
   前記シリコン基板の表面上に設けられ、前記孔または前記凹部に対向する第１金属層と、
   前記第１金属層上に形成される第１絶縁層と、
   前記第１絶縁層に対して所定の間隔を空けて対向配置される第２絶縁層と、
   前記第２絶縁層上に形成される第２金属層とを備えている、静電容量型センサ。
6. 前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間の空洞は、前記孔または前記凹部と連通している、請求項５に記載の静電容量型センサ。
7. 前記第２金属層は、金を用いて形成される、請求項５または６に記載の静電容量型センサ。

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