JP2008130937A

JP2008130937A - ダイヤフラムを具備した構造体の製造方法、半導体装置

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Publication number: JP2008130937A
Application number: JP2006316221A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Honda; 由明本多; Naoyuki Nishikawa; 尚之西川; Tomohiro Uetsu; 智宏上津
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】表面とその周囲との間に角部のないダイヤフラムを具備した構造体の製造方法、半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体基板１の一表面側に絶縁膜３を形成する絶縁膜形成工程と、所望のダイヤフラム７の形状に応じた開口形状の開孔部４を絶縁膜３に形成するパターニング工程と、少なくとも半導体基板１の前記一表面と半導体基板１の前記一表面側に対向配置した陰極とを電解液に接触させた状態で、半導体基板１の他表面側に前記ダイヤフラム７の形状に応じた形状の陽極５と前記陰極との間に通電することで、半導体基板１の前記一表面側における開孔部４から露出する部位に半導体基板１を多孔質化した多孔質部６を形成する陽極酸化工程と、多孔質部６を除去することで半導体基板１の一部からなるダイヤフラム７を形成する多孔質部除去工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板の一部に他部よりも薄肉のダイヤフラムを具備した構造体の製造方法、半導体装置に関するものである。

従来から、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて半導体基板（たとえばＳｉ基板）から形成された、たとえば圧力センサや加速度センサなどの半導体装置が提供されている。この種の半導体装置の製造方法においては、半導体基板の一部に半導体基板の他の部位よりも薄肉のダイヤフラムを形成するために、アルカリ系の溶液を用いた異方性エッチングにより半導体基板の一表面側に凹部を形成することが行われている。なお、ダイヤフラムにはたとえば検知部としてのピエゾ抵抗が形成される。

ただし、アルカリ系溶液を用いた半導体基板の異方性エッチングはエッチング速度の面方位依存性が高いため、凹部の内底面となるダイヤフラムの表面とその周囲（凹部の内側面）との間に角部が形成されることとなり、上述の製造方法で製造された半導体装置においては、前記ダイヤフラムに比較的大きい応力が生じると（つまり、たとえば圧力センサの場合、高い圧力がかかると）、前記角部に応力が集中してダイヤフラムが破壊されてしまう可能性がある。また、この種の異方性エッチングで形成される凹部は矩形状に開口するのでダイヤフラムも矩形状となり、たとえば円形状のダイヤフラムを形成することは困難である。

一方、図３（ｄ）に示すように、表面面方位が＜１００＞のシリコン基板からなる半導体基板１の一表面側に上述の凹部と同様に矩形状に開口する第１の凹部２ａが形成され、さらに、第１の凹部２ａの底面の一部に、表面に丸みを帯び且つ開口形状が円形状の第２の凹部２ｂが形成された構成の半導体装置Ａが提案されている。この半導体装置Ａでは、第２の凹部２ｂに対応する部位をダイヤフラム７として使用する。図３においては左側に平面図、右側に断面図を示す。

図３（ｄ）の半導体装置Ａは、図３（ａ）のように半導体基板１の一表面側に耐エッチング性を有するマスク層８を形成し、このマスク層８に矩形状の開口部９を形成した後、半導体基板１における開口部９の内側であってダイヤフラム７を形成する予定の領域に対して先端形状がたとえば三角錐の物体（図示せず）で圧力を加え、その後、異方性エッチングを行うことで、図３（ｂ）のように開口部９内に第１の凹部２ａを形成するとともに第１の凹部２ａの底面に圧力を加えた部分を中心とした第２の凹部２ｂを形成し、さらに異方性エッチングを続けることで、図３（ｃ）の状態を経て図３（ｄ）の状態となるように第２の凹部２ｂを広げることにより製造される（たとえば特許文献１参照）。
特開２００２−３１９６８４号公報（第４頁、図１）

しかしながら、特許文献１に記載の製造方法では、図３（ｄ）に示すように、ダイヤフラム７の表面とその周囲（第１の凹部２ａの内底面）との間に角部１０が形成され、また第１の凹部２ａの内底面と内側面との間にも角部１１が形成されるので、ダイヤフラム７に比較的大きい圧力が生じると、これらの角部１０，１１に応力が集中して半導体装置Ａが破壊されてしまう可能性がある。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、表面とその周囲との間に角部のないダイヤフラムを具備した構造体の製造方法、半導体装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、半導体基板の一部に他部よりも薄肉のダイヤフラムを具備した構造体の製造方法であって、半導体基板の一表面側に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜の一部を半導体基板の前記一表面が露出するまで除去し所望のダイヤフラムの形状に応じた開口形状の開孔部を前記絶縁膜に形成するパターニング工程と、少なくとも半導体基板の前記一表面と半導体基板の前記一表面側に対向配置した陰極とを電解液に接触させた状態で、半導体基板の他表面側に前記ダイヤフラムの形状に応じたパターンに形成された陽極と前記陰極との間に通電することで、半導体基板の前記一表面側における開孔部から露出する部位に半導体基板を多孔質化した多孔質部を形成する陽極酸化工程と、多孔質部を除去することで半導体基板の一部からなる前記ダイヤフラムを形成する多孔質部除去工程とを有することを特徴とする。

この構成によれば、陽極のパターンによって、陽極酸化工程において半導体基板に流れる電流密度の面内分布が決まるので、形成される多孔質部の厚みの面内分布を制御することができ、厚みが連続的に変化する多孔質部を形成することができる。したがって、多孔質部を除去することで形成される凹部に関しては、表面に角部がない凹部を形成することができるので、ダイヤフラムの表面とその周囲との間に角部のない構造体を形成することができる。すなわち、ダイヤフラムに圧力が印加されるなどしてダイヤフラムに比較的大きい応力が生じても、ダイヤフラムの表面とその周囲との間に応力が集中することはなく、構造体が破壊されにくい。また、凹部の開口形状については、絶縁膜の開孔部の開口形状によって任意に設定することができるので、たとえば四隅に丸みを帯びた矩形状や、楕円形、円形などのダイヤフラムを形成することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記陽極と前記半導体基板との接触がオーミック接触となるように前記陽極を形成し、且つ、前記電解液として、前記半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液を用いることを特徴とする。

この構成によれば、所望の厚さの多孔質部を１回の陽極酸化工程で容易に形成することができるから、任意の厚さで且つ滑らかな表面のダイヤフラムを形成することができる。さらに、陽極と半導体基板との間にショットキー障壁が生じないから、陰極と陽極との間に通電する際にショットキー障壁により電流が遮られることや所望の電流値が得られなくなることを回避できる。また、ショットキー障壁は不安定であり電流印加時に電流密度の面内分布にばらつきを生じやすいのに対し、請求項２の構成では電流印加時に電流密度の面内分布を一定に制御することが可能となる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のダイヤフラムを具備した構造体の製造方法によって製造されたダイヤフラムを有することを特徴とする。

この構成によれば、半導体装置はダイヤフラムの表面とその周囲との間に角部のない構造となるので、ダイヤフラムに圧力が印加されるなどしてダイヤフラムに比較的大きい応力が生じても、ダイヤフラムの表面とその周囲との間に応力が集中することはなく、半導体装置は破壊されにくい。

本発明は、ダイヤフラムの表面とその周囲との間に角部のない構造体を形成することにより、ダイヤフラムに比較的大きい応力が生じても、ダイヤフラムの表面とその周囲との間に応力が集中することを回避でき、構造体が破壊されにくいという効果がある。

本実施形態では、図１（ｃ）に示すように、Ｓｉ（シリコン）基板からなる半導体基板１の一表面側（図１（ｃ）の上面側）に凹部２が形成されることにより、半導体基板１の凹部２に対応する部位に半導体基板１の他の部位よりも薄肉のダイヤフラム７を具備した半導体装置Ａ（構造体）の製造方法を例示する。なお、本実施形態では半導体基板１として導電形がｐ形のものを用いる。

以下では、上記半導体装置Ａの製造方法のうち、前記ダイヤフラム７の形成方法について図１（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。

まず、図１（ａ）に示すように半導体基板１の一表面側（図１（ａ）の上面側）に、後述の陽極酸化時にマスクとして機能する所定の膜厚の絶縁膜（たとえば窒化シリコン膜）３を成膜する絶縁膜形成工程を行う。絶縁膜３はたとえば膜厚が１０００Åに設定され、減圧化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ法）などにより形成される。それから、所望のダイヤフラム７の形状に応じた開口形状の開孔部４を絶縁膜３に設けるように絶縁膜３をパターニングするパターニング工程を行う。

パターニング工程では、たとえばフォトリソグラフィ技術を利用して、絶縁膜３上に前記開孔部４に対応する部位が開口したレジスト層（図示せず）を形成し、レジスト層をマスクとして絶縁膜３の一部をエッチング除去することにより開孔部４を形成し、その後、レジスト層を除去する。開孔部４は、本実施形態では図２に示すように円形状に開口するように形成される。なお、絶縁膜３の一部を除去する際のエッチングは、たとえばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのドライエッチングであってもよいし、ウェットエッチングであってもよい。

次に、半導体基板１の他表面側（図１（ａ）の下面側）であって開孔部４と対応する部位に、後述の陽極酸化工程で使用する陽極５を形成する陽極形成工程を行う。陽極形成工程は、所定の膜厚（たとえば１μｍ）の導電層を形成する導電層形成工程と、導電層を前記ダイヤフラム７の形状に応じたパターンにパターニングすることで陽極５を形成するパターニング工程とを有する。導電層形成工程では、たとえばスパッタ法により半導体基板１の前記一表面側に導電層を成膜した後、Ｎ_２ガスおよびＨ_２ガス雰囲気中で導電層のシンタ（熱処理）を行うことで、導電層と半導体基板１とのオーミック接触を得ている。なお、導電層の成膜方法はスパッタ法に限るものではなく、たとえば蒸着法などを用いてもよい。

パターニング工程では、フォトリソグラフィ技術を利用して、導電層上に陽極５のパターンに対応するレジスト層（図示せず）を形成し、レジスト層をマスクとして導電層の不要部分（陽極５以外の部分）をエッチングにより除去することで導電層の残部からなる陽極５を形成し、その後、レジスト層を除去する。陽極５は、本実施形態では図２に示すように半導体基板１の厚み方向に沿った開孔部４の中心線を中心とする円形状であって、開孔部４の内径よりも径の小さい円形状に形成される。つまり開孔部４と陽極５とは同心円状に形成される。なお、導電層がＡｌ膜やＡｌ−Ｓｉ膜であれば、導電層の不要部分をウェットエッチングにより除去する場合には、たとえば燐酸系エッチャントを用いればよく、導電層の不要部分をドライエッチングにより除去する場合には、たとえば反応性イオンエッチング装置などを用いればよい。また、上述した陽極形成工程を絶縁膜形成工程の前に行うようにしてもよい。

次に、少なくとも半導体基板１の前記一表面と当該一表面側（絶縁膜３側）に対向配置した陰極（図示せず）とを電解液（図示せず）に接触させた状態で、前記陽極５と前記陰極の間に通電する陽極酸化工程を行う。本実施形態では、半導体基板１の全体と陽極５と陰極とを電解液に浸けた状態で陽極５と陰極との間に通電する。陽極酸化工程においては、半導体基板１が開孔部４を通して電解液が浸入するような系で陽極酸化され多孔質化することとなり、結果的に、図１（ｂ）に示すように半導体基板１の前記一表面側（陰極側）における開孔部４の内側に、多孔質シリコン（ポーラスシリコン）からなる多孔質部６が形成される。

なお、本実施形態では電解液として、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合したフッ酸（ＨＦ）系溶液を用いている。この電解液は、半導体基板１の構成元素であるＳｉの酸化物（ＳｉＯ_２）をエッチング除去する溶液である。ただし、フッ化水素水溶液の濃度やフッ化水素水溶液とエタノールとの混合比はこの例に限定されるものではない。また、フッ化水素水溶液と混合する液体もエタノールに限らず、メタノール、プロパノール、イソプロパノール（ＩＰＡ）等のアルコールなど、陽極酸化反応で発生した気泡を除去できる液体であれば、特に限定するものではない。

また、陽極酸化工程で用いる陽極酸化装置（図示せず）は、半導体基板１の前記一表面に対向配置する陰極と、陽極５と陰極との間に電圧を印加する電圧源と、電圧源から陽極５に流れる電流を検出する電流センサと、電流センサの検出結果に基づいて電圧源の出力電圧を制御する制御部とを備えており、電圧源から陽極５へ所定の電流密度の電流が所定時間だけ流れるように制御部によって電圧源の出力を制御する。なお、上述の電流密度および所定時間はそれぞれ適宜設定すればよい。さらに、陽極酸化工程では、所定電流密度の条件で通電を行っているが、所定電圧の条件で通電を行うようにしてもよい。

ここにおいて、ｐ形のシリコン基板からなる半導体基板１の一部を陽極酸化工程において多孔質化する際には、ホールをｈ^＋、電子をｅ⁻とすると、以下の反応が起こっていると考えられる。
Ｓｉ＋２ＨＦ＋（２−ｎ）ｈ^＋→ＳｉＦ_２＋２Ｈ^＋＋ｎｅ⁻
ＳｉＦ_２＋２ＨＦ→ＳｉＦ_４＋Ｈ_２
ＳｉＦ_４＋２ＨＦ→ＳｉＨ_２Ｆ_６
すなわち、ｐ形のシリコン基板からなる半導体基板１の陽極酸化では、Ｆイオンの供給量とホールｈ^＋の供給量との兼ね合いで多孔質化あるいは電解研磨が起こることが知られており、Ｆイオンの供給量の方がホールｈ^＋の供給量よりも多い場合には多孔質化が起こり、ホールｈ^＋の供給量がＦイオンの供給量よりも多い場合には電解研磨が起こる。したがって、本実施形態のように半導体基板１としてｐ形のシリコン基板を用いる場合には、陽極酸化による多孔質化の速度はホールｈ^＋の供給量で決まるから、半導体基板１中を流れる電流の電流密度で多孔質化の速度が決まり、多孔質部６の厚みが決まることとなる。

本実施形態では、半導体基板１の中を前記他表面側の陽極５から前記一表面側における開孔部４の内側に向けて電流が流れるので、半導体基板１の前記一表面側では、開孔部４の内側において半導体基板１の厚み方向に沿った陽極５の中心線（開孔部４の中心線と同一）から離れるほど電流密度が徐々に小さくなるような電流密度の面内分布を有することとなり、半導体基板１の前記一表面側に形成される多孔質部６は、開孔部４の内周縁から陽極５の中心線に近づくにつれて徐々に厚くなっている。多孔質部６の外周縁は開孔部４の内周縁に重なるので、上述のように陽極５の外径が開孔部４の内径よりも小さく形成されている場合には、多孔質部６の外径は陽極５の外径よりも大きくなる。このとき、多孔質部６と半導体基板１の多孔質部６以外の部位との界面は連続した１つの面になる。なお、上述の電流密度の面内分布は、陽極５と陰極との間に通電しているときの陽極５と半導体基板１との接触パターン（つまり陽極のパターン）などにより決まる半導体基板１内の電界強度の分布に応じて発生し、電界強度が強いほど電流密度が大きくなり、電界強度が弱いほど電流密度が小さくなる。

陽極酸化工程で多孔質部６を形成した後、図１（ｃ）のように多孔質部６を除去することで半導体基板１の前記一表面側に凹部２を形成してダイヤフラム７を形成する多孔質部除去工程を行う。このとき、多孔質部６と半導体基板１の多孔質部６以外の部位との界面は凹部２の表面となり、凹部２は開孔部４の形状（ここでは円形状）に開口することになる。つまり、凹部２は表面が連続した１つの曲面であって、表面に角部のない形状となる。しかも、凹部２の表面は半導体基板１の前記一表面に対しても連続しており、半導体基板１の前記一表面側における凹部２とその周囲との間にも角部は存在しない。したがって、ダイヤフラム７の表面とその周囲（凹部２の内側面や半導体基板１の前記一表面）との間に角部が形成されることはない。

ここにおいて、本実施形態のダイヤフラム７は開孔部４と同心円状に形成される。本実施形態では上述のように多孔質部６の外径を陽極５の外径よりも大きく形成しながらも、多孔質部６を陽極５の中心線に近づくにつれて徐々に厚く形成しているので、ダイヤフラム７のうち半導体基板１の前記一表面側の表面が平坦な部分は、外径が陽極５の外径よりも小さくなる。一方、凹部２の最も浅い部分つまり凹部２の開口付近では、凹部２の内径が陽極５の外径よりも大きくなる。

ここで、多孔質シリコンからなる多孔質部６を除去するエッチング液としてアルカリ系溶液（たとえば、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＴＭＡＨなどの水溶液）やフッ酸系溶液を用いれば、多孔質部除去工程において、Ａｌ膜やＡｌ−Ｓｉ膜により形成されている陽極５も多孔質部６と共にエッチング除去することができる。なお、多孔質部除去工程とは別に陽極５を除去する工程を陽極酸化工程終了後に行うようにしてもよい。また、多孔質シリコンからなる多孔質部６を除去するエッチング液としてアルカリ系溶液を用いる場合には、エッチング液を加熱せずに室温でも多孔質部６を除去できる。その後、不要な絶縁膜３を除去する。

上述したダイヤフラム７の形成方法では、陽極酸化によって半導体基板１に多孔質部６を形成し、この多孔質部６を除去することでダイヤフラム７を形成するので、半導体基板１を異方性エッチングすることなくダイヤフラム７を形成することができる。ここにおいて、陽極５のパターン（形状）により陽極酸化工程において半導体基板１に流れる電流密度の面内分布が決まるので、形成される多孔質部６の厚みの面内分布を制御することができ、厚みが連続的に変化する多孔質部６を形成することができる。これにより、多孔質部６を除去することで形成されるダイヤフラム７は表面とその周囲（凹部２の内側面や半導体基板１の前記一表面）との間に角部がない構造とすることができるので、半導体装置Ａにおいては、ダイヤフラム７に比較的大きい応力が生じても（つまり、半導体装置Ａがたとえば圧力センサの場合、ダイヤフラム７に高い圧力がかかっても）、ダイヤフラム７の表面とその周囲との間に応力が集中することはなく、強度が向上する。

また、半導体基板１の前記他表面に沿う面内でのダイヤフラム７の形状は、絶縁膜３の開孔部４の開口形状および陽極５のパターン（形状）によって任意に設定することができるので、開孔部４の形状および陽極５のパターンを適宜設定することにより、上述した円形状以外にも、たとえば楕円形状や四隅に丸みを帯びた矩形状など任意の形状に設定することができる。

また、ダイヤフラム７の形状を制御するパラメータとして、陽極酸化工程における陽極酸化の処理時間（上記所定時間）があり、処理時間が長いほど多孔質部６の厚みの平均値が大きくなり、多孔質部６において厚い部分と薄い部分とで厚みの差が大きくなってダイヤフラム７の表面周辺を曲率半径の小さな曲面とすることができ、一方、処理時間が短いほど多孔質部６の厚みの平均値が小さくなり、多孔質部６において厚い部分と薄い部分とで厚みの差が小さくなってダイヤフラム７の表面周辺を曲率半径の大きな曲面とすることができる。要するに、陽極酸化の処理時間の長さによって、ダイヤフラム７の厚みとダイヤフラム７の表面周辺の曲率半径とを制御することができる。

さらに、上述の製造方法では、陽極５と半導体基板１との接触がオーミック接触となるように陽極５を形成し、且つ、電解液として半導体基板１の構成元素の酸化物（ＳｉＯ_２）をエッチング除去する溶液を用いるので、数百μｍの厚みを有する多孔質部６を１回の陽極酸化工程で形成することができ、外径が数ｍｍ程度のダイヤフラム７でも１回の陽極酸化工程と多孔質部除去工程とで任意の厚さに形成することができる。

ところで、上述の製造方法においては、陽極酸化工程において半導体基板１に流れる電流の電流密度の面内分布によってダイヤフラム７の形状が決まるので、絶縁膜形成工程で形成する絶縁膜３の開孔部４の形状や陽極形成工程で形成する陽極５の形状、陽極酸化の処理時間の他に、半導体基板１の抵抗率や厚み、陽極酸化に用いる電解液の電気抵抗値や、半導体基板１と陰極との間の距離、陰極の平面形状（半導体基板１に対向配置した状態で半導体基板１に平行な面内での形状）などを適宜設定することにより、ダイヤフラム７の形状を制御することができる。

上述した形成方法でダイヤフラム７が形成される半導体装置Ａとしては、たとえば圧力センサや加速度センサなどのセンサ装置がある。この種の半導体装置Ａでは、半導体基板１の一部に形成されたダイヤフラム７に、たとえば検知部としてのピエゾ抵抗が形成される。ただし、上述した製造方法を用いれば、センサ装置等の半導体装置Ａに限らず半導体基板１の一部にダイヤフラム７を具備した種々の構造体を製造することができる。

なお、本実施形態のように半導体基板１にシリコン基板を用いた場合、陽極酸化に用いる電解液としてフッ酸系溶液を用いるので、陽極酸化時のマスクとして機能する絶縁膜３としては上述した窒化シリコン膜を用いることが望ましい。ただし、陽極酸化工程中に絶縁膜３下の半導体基板１が露出しない程度に膜厚を大きくすれば、フッ酸系溶液により除去される膜、たとえば酸化シリコン膜等を絶縁膜３に用いることもできる。絶縁膜３の形成方法においても減圧化学気相成長法に限定するものではない。

また、上述した実施形態では、半導体基板１としてｐ形のシリコン基板を採用しているが、半導体基板１の導電形はｎ形であってもよい。また、半導体基板１の材料もＳｉに限るものではなく、陽極酸化処理による多孔質化が可能な半導体材料であればよく、たとえば、Ｇｅなどでもよい。

本発明の実施形態の半導体装置の製造方法を示す概略説明図である。図１（ａ）の状態を示す概略平面図である。従来の半導体装置の製造方法を示す概略説明図である。

符号の説明

１半導体基板
２凹部
３絶縁膜
４開孔部
５陽極
６多孔質部
７ダイヤフラム
Ａ半導体装置

Claims

半導体基板の一部に他部よりも薄肉のダイヤフラムを具備した構造体の製造方法であって、半導体基板の一表面側に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜の一部を半導体基板の前記一表面が露出するまで除去し所望のダイヤフラムの形状に応じた開口形状の開孔部を前記絶縁膜に形成するパターニング工程と、少なくとも半導体基板の前記一表面と半導体基板の前記一表面側に対向配置した陰極とを電解液に接触させた状態で、半導体基板の他表面側に前記ダイヤフラムの形状に応じたパターンに形成された陽極と前記陰極との間に通電することで、半導体基板の前記一表面側における開孔部から露出する部位に半導体基板を多孔質化した多孔質部を形成する陽極酸化工程と、多孔質部を除去することで半導体基板の一部からなる前記ダイヤフラムを形成する多孔質部除去工程とを有することを特徴とするダイヤフラムを具備した構造体の製造方法。
前記陽極と前記半導体基板との接触がオーミック接触となるように前記陽極を形成し、且つ、前記電解液として、前記半導体基板の構成元素の酸化物をエッチング除去する溶液を用いることを特徴とする請求項１記載のダイヤフラムを具備した構造体の製造方法。
請求項１または請求項２に記載のダイヤフラムを具備した構造体の製造方法によって製造されたダイヤフラムを有することを特徴とする半導体装置。