JP2009272477A - Mems sensor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ＭＥＭＳ (Micro Electro Mechanical Systems)技術により製造されるセンサおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a sensor manufactured by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology and a manufacturing method thereof.
最近、ＭＥＭＳセンサの携帯電話機への搭載が開始されたことから、そのＭＥＭＳセンサの注目度が急激に高まっている。ＭＥＭＳセンサの代表的なものとして、たとえば、物体の加速度を検出するための加速度センサが知られている。
従来の加速度センサは、ＳＯＩ (Silicon On Insulator）基板を加工したものに、ガラスまたはシリコンからなるキャップを貼り合わせることにより作製される。
Recently, since the MEMS sensor has been mounted on a mobile phone, the attention of the MEMS sensor is rapidly increasing. As a typical MEMS sensor, for example, an acceleration sensor for detecting the acceleration of an object is known.
A conventional acceleration sensor is manufactured by bonding a cap made of glass or silicon to a processed SOI (Silicon On Insulator) substrate.
具体的には、ＳＯＩ基板の表層をなすＳＯＩ層（シリコン層）を選択的に除去することにより、可動部と、可動部に対向する固定部と、可動部および固定部を取り囲む四角環状の側壁とが形成される。その後、可動部の下方から絶縁層が除去されることにより、可動部は、ＳＯＩ基板の基層をなすシリコン基板の表面から浮いた状態で、固定部との対向方向に変位（振動）可能とされる。一方、キャップは、側壁の外形に対応した四角板状に形成される。そして、陽極接合法により、キャップの一方面の周縁部と側壁の上面とが接合される。 Specifically, by selectively removing the SOI layer (silicon layer) that forms the surface layer of the SOI substrate, the movable part, the fixed part facing the movable part, and the square annular side wall surrounding the movable part and the fixed part And are formed. Thereafter, by removing the insulating layer from below the movable part, the movable part can be displaced (vibrated) in a direction facing the fixed part while floating from the surface of the silicon substrate that forms the base layer of the SOI substrate. The On the other hand, the cap is formed in a square plate shape corresponding to the outer shape of the side wall. And the peripheral part of the one surface of a cap and the upper surface of a side wall are joined by the anodic bonding method.
この接合は、陽極接合装置において行われる。陽極接合装置には、内部を真空状態に維持可能な真空チャンバが設けられている。側壁とキャップとの接合時には、ＳＯＩ基板およびキャップが真空チャンバ内に搬入される。この搬入後、真空チャンバ内は真空状態にされる。真空チャンバ内では、側壁とキャップの一方面の周縁部とが対向するように、側壁とキャップとが位置合わせされた後、これらを互いに押しつけることにより、側壁とキャップの一方面の周縁部とが当接される。そして、ＳＯＩ基板およびキャップが加熱されつつ、これらの間に電圧が印加されることにより、側壁とキャップとの陽極接合が達成される。これにより、側壁およびキャップによって密閉された真空空間内に可動部および固定部が配置された構成の加速度センサが得られる。 This bonding is performed in an anodic bonding apparatus. The anodic bonding apparatus is provided with a vacuum chamber capable of maintaining the inside in a vacuum state. At the time of joining the side wall and the cap, the SOI substrate and the cap are carried into the vacuum chamber. After this loading, the vacuum chamber is evacuated. In the vacuum chamber, after the side wall and the cap are aligned so that the side wall and the peripheral edge of the one surface of the cap face each other, the side wall and the peripheral edge of the one surface of the cap are pressed against each other. Abutted. Then, while the SOI substrate and the cap are heated, a voltage is applied between them to achieve anodic bonding between the side wall and the cap. Thereby, an acceleration sensor having a configuration in which the movable part and the fixed part are arranged in the vacuum space sealed by the side wall and the cap is obtained.
加速度センサ（加速度センサが搭載される物体）に加速度が生じると、可動部が変位し、可動部と固定部との間隔が変化する。これに伴って、可動部および固定部からなるコンデンサの静電容量が変化する。したがって、その静電容量の変化に基づいて、加速度センサに生じた加速度を求めることができる。
しかしながら、側壁とキャップとを良好に接合させるためには、それらの高精度な位置合わせが必要である。そのため、陽極接合装置のスループットが低く、従来の加速度センサの製造には時間がかかるという問題がある。
そこで、本発明の目的は、製造に要する時間の短縮を図ることができる、ＭＥＭＳセンサおよびその製造方法を提供することである。
However, in order to join the side wall and the cap satisfactorily, their highly accurate alignment is necessary. Therefore, there is a problem that the throughput of the anodic bonding apparatus is low and it takes time to manufacture the conventional acceleration sensor.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a MEMS sensor and a method for manufacturing the same that can reduce the time required for the manufacturing.
前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板の一方面上に設けられる環状の支持部と、ポリシリコンからなり、前記支持部にその周縁部が支持されるキャップと、導電材料からなり、前記半導体基板の一方面上に前記支持部および前記キャップにより形成される中空部分に収容され、所定方向に変位可能な可動部と含む、ＭＥＭＳセンサである。
The invention described in
この構成によれば、半導体基板の一方面上に、環状の支持部が設けられている。この支持部により、ポリシリコンからなるキャップの周縁部が支持されている。そして、支持部およびキャップにより、半導体基板の一方面上に、所定方向に変位可能な可動部を収容する中空部分が形成されている。
半導体基板と可動部との対向方向が所定方向である場合（可動部が半導体基板との対向方向に変位可能である場合）、半導体基板および可動部は、それらの間隔の変化に応じて静電容量が変化するコンデンサを構成する。ＭＥＭＳセンサ（ＭＥＭＳセンサが搭載される物体）に所定方向の物理量（たとえば、加速度）が生じ、または、ＭＥＭＳセンサに所定方向の物理量（たとえば、音圧などの圧力）が作用し、可動部が所定方向に変位すると、半導体基板と可動部との間隔が変化する。これに伴って、半導体基板および可動部からなるコンデンサの静電容量が変化するので、この静電容量の変化に基づいて、所定方向の物理量を検出することができる。
According to this configuration, the annular support portion is provided on one surface of the semiconductor substrate. The peripheral portion of the cap made of polysilicon is supported by the support portion. And the hollow part which accommodates the movable part which can be displaced to a predetermined direction is formed on one surface of the semiconductor substrate by the support part and the cap.
When the facing direction of the semiconductor substrate and the movable part is a predetermined direction (when the movable part can be displaced in the facing direction of the semiconductor substrate), the semiconductor substrate and the movable part are electrostatically changed according to a change in their distance. Construct a capacitor with variable capacitance. A physical quantity (for example, acceleration) in a predetermined direction is generated in the MEMS sensor (an object on which the MEMS sensor is mounted), or a physical quantity (for example, pressure such as sound pressure) in the predetermined direction acts on the MEMS sensor, and the movable portion is predetermined. When displaced in the direction, the distance between the semiconductor substrate and the movable part changes. Along with this, the capacitance of the capacitor composed of the semiconductor substrate and the movable portion changes, so that a physical quantity in a predetermined direction can be detected based on the change in capacitance.
また、可動部に対して半導体基板の一方面と平行な方向に対向する固定部が中空部分に設けられ、固定部と可動部との対向方向が所定方向である場合、固定部および可動部は、それらの間隔の変化に応じて静電容量が変化するコンデンサを構成する。ＭＥＭＳセンサに所定方向の物理量（たとえば、加速度）が生じ、可動部が固定部との対向方向に変位すると、固定部と可動部との間隔が変化する。これに伴って、固定部および可動部からなるコンデンサの静常容量が変化するので、この静電容量の変化に基づいて、所定方向の物理量を求めることができる。 Further, when the fixed portion facing the movable portion in a direction parallel to the one surface of the semiconductor substrate is provided in the hollow portion, and the facing direction of the fixed portion and the movable portion is a predetermined direction, the fixed portion and the movable portion are A capacitor whose electrostatic capacity changes in accordance with the change in the interval is configured. When a physical quantity (for example, acceleration) in a predetermined direction is generated in the MEMS sensor and the movable part is displaced in a direction opposite to the fixed part, the interval between the fixed part and the movable part changes. Along with this, the static capacitance of the capacitor composed of the fixed portion and the movable portion changes, so that a physical quantity in a predetermined direction can be obtained based on the change in capacitance.
前記ＭＥＭＳセンサは、たとえば、請求項５に記載の製造方法により製造することができる。この製造方法は、半導体基板上に第１犠牲層を挟んで導電材料層を形成する工程と、前記導電材料層を選択的にその厚さ方向にわたって除去することにより、前記導電材料層を分割し、前記導電材料層の各分割部分からなる環状の壁部および可動部を形成する工程と、前記壁部および前記可動部上を選択的に覆い、前記壁部と前記可動部との間を埋め尽くす第２犠牲層を形成する工程と、前記壁部、前記可動部および前記第２犠牲層上に、ポリシリコンを堆積させ、そのポリシリコン層を形成する工程と、前記ポリシリコン層に、その厚さ方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔を有する前記ポリシリコン層をマスクとして用いるエッチングにより、前記第２犠牲層を選択的に除去し、前記第１犠牲層における前記可助部と接する部分を除去する工程とを含む。
The MEMS sensor can be manufactured, for example, by the manufacturing method according to
本発明に係るＭＥＭＳセンサでは、キャップがポリシリコンからなる。たとえば、請求項５に記載の製造方法では、ポリシリコンの堆積によりポリシリコン層が形成され、そのポリシリコン層がキャップとなる。そのため、キャップと支持部との接合が不要であり、ＭＥＭＳセンサの製造に陽極接合装置を必要としない。よって、本発明に係るＭＥＭＳセンサおよびその製造方法によれば、ＭＥＭＳセンサの製造に要する時間の短縮を図ることができる。
In the MEMS sensor according to the present invention, the cap is made of polysilicon. For example, in the manufacturing method according to
前記製造方法は、請求項６に記載のように、前記第１犠牲層における前記可動部と接する部分の除去後、前記ポリシリコン層の前記貫通孔をポリシリコンにより埋め戻す工程をさらに含んでいてもよい。これにより、請求項４に記載のように、前記キャップにより前記中空部分が密閉された構造を得ることができる。中空部分が密閉されることにより、外部から中空部分への水分などの進入を防止できる。
The manufacturing method further includes a step of refilling the through hole of the polysilicon layer with polysilicon after removing a portion of the first sacrificial layer that contacts the movable portion. Also good. Thereby, as described in
前記キャップは、請求項２に記載のように、不純物が高濃度にドープされることにより導電性が付与されたポリシリコンを用いて形成されていてもよい。この場合、半導体基板および可動部により構成されるコンデンサの他に、キャップおよび可動部により、それらの間隔の変化に応じて静電容量が変化するコンデンサを構成することができる。ＭＥＭＳセンサに所定方向の物理量（たとえば、加速度）が生じ、または、ＭＥＭＳセンサに所定方向の物理量（たとえば、音圧などの圧力）が作用し、可動部が所定方向に変位すると、
半導体基板と可動部との間隔およびキャップと可動部との間隔がそれぞれ変化する。これに伴って、２つのコンデンサの静電容量が変化する。したがって、各コンデンサの静電容量の変化に基づいて所定方向の物理量を求め、たとえば、その求めた各物理量の平均値を所定方向の物理量の検出値とすることにより、所定方向の物理量を精度よく検出することができる。
According to a second aspect of the present invention, the cap may be formed using polysilicon to which conductivity is imparted by doping impurities at a high concentration. In this case, in addition to the capacitor constituted by the semiconductor substrate and the movable part, a capacitor whose capacitance changes in accordance with the change in the distance between them can be constituted by the cap and the movable part. When a physical quantity (for example, acceleration) in a predetermined direction is generated in the MEMS sensor or a physical quantity (for example, pressure such as sound pressure) is applied to the MEMS sensor and the movable part is displaced in the predetermined direction,
The distance between the semiconductor substrate and the movable part and the distance between the cap and the movable part change. Along with this, the capacitances of the two capacitors change. Therefore, a physical quantity in a predetermined direction is obtained based on a change in capacitance of each capacitor, and the physical quantity in the predetermined direction is accurately obtained by, for example, using the obtained average value of each physical quantity as a detected value of the physical quantity in the predetermined direction. Can be detected.
このような物理量の検出を達成するためには（２つのコンデンサを利用して所定方向の物理量を検出するためには）、請求項３に記載のように、前記可動部は、前記半導体基板と前記キャップとの対向方向に変位可能であり、前記ＭＥＭＳセンサは、導電材料からなり、前記半導体基板と電気的に接続される基板電極と、導電材料からなり、前記キャップ上に設けられるキャップ電極とをさらに備えるとよい。
In order to achieve such a physical quantity detection (in order to detect a physical quantity in a predetermined direction using two capacitors), as described in
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。
固１は、本発明の一実施形態に係る加速度センサの複式的な断面図である。
加速度センサ１は、ＭＥＭＳ技術により製造されるセンサ（ＭＥＭＳセンサ）である。
加速度センサ１は、平面視四角形状のシリコン基板２を備えている。
シリコン基板２の表面２ａ上には、複数のＸ／Ｙ可動部３と、各Ｘ／Ｙ可動部３に対して間隔を空けて対向する複数のＸ／Ｙ固定部４と、Ｚ可動部５とが設けられている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a dual sectional view of an acceleration sensor according to an embodiment of the present invention.
The
The
On the
たとえば、複数のＸ／Ｙ可動部３には、シリコン基板２の表面２ａと平行なＸ軸方向に間隔を空けて配置され、それぞれＸ軸方向と直交するＹ軸方向に延びる複数のＸ可動部と、Ｙ軸方向に間隔を空けて配置され、それぞれＸ軸方向に延びる複数のＹ可動部とが含まれる。各Ｘ可動部のＹ軸方向の一端部は、Ｘ軸方向に延びるＸ連結部（図示せず）により連結されている。これにより、Ｘ可動部およびＸ連結部は、櫛状構造をなしている。また、各Ｙ可動部のＸ軸方向の一端部は、Ｙ軸方向に延びるＹ連結部（図示せず）により連結されている。これにより、Ｙ可動部およびＹ連結部は、櫛状構造をなしている。
For example, the plurality of X / Y
一方、複数のＸ／Ｙ固定部４には、各Ｘ可動部に対してＸ軸方向に間隔を空けて対向し、それぞれＹ軸方向に延びる複数のＸ固定部と、各Ｙ可動部に対してＹ軸方向に間隔を空けて対向し、それぞれＸ軸方向に延びる複数のＹ固定部とが含まれる。各Ｘ固定部のＹ軸方向の一端部は、Ｘ軸方向に延びるＸ連結部（図示せず）により連結されている。これにより、Ｘ固定部およびＸ連結部は、櫛状構造をなすＸ可動部およびＸ連結部に対し、互いの櫛歯が接触せずに噛み合うような櫛状構造をなしている。また、各Ｙ固定部のＸ軸方向の一端部は、Ｙ軸方向に延びるＹ連結部（図示せず）により連結されている。これにより、Ｙ固定部およびＹ連結部は、櫛状構造をなすＹ可動部およびＹ連結部に対し、互いの櫛歯が接触せずに噛み合うような櫛状構造をなしている。
On the other hand, the plurality of X / Y fixed
Ｚ可動部５は、平面視四角形状に形成されている。
なお、図１には、紙面に直交する方向をＹ軸方向として、Ｘ／Ｙ可動部３のうちのＸ可動部およびＸ／Ｙ固定部４のうちのＸ固定部が示されている。Ｘ／Ｙ可動部３のうちのＹ可動部およびＸ／Ｙ固定部４のうちのＹ固定部は、それらの図示が省略されている。
また、シリコン基板２の表面２ａ上には、シリコン基板２の周縁に沿って、平面視四角環状の壁部６が設けられている。この壁部６に囲まれる空間に、Ｘ／Ｙ可動部３、Ｘ／Ｙ固定部４およびＺ可動部５が壁部６から分離して設けられている。
The Z
In FIG. 1, the X movable portion of the X / Y
On the
さらに、シリコン基板２の表面２ａ上には、壁部６に囲まれる空間に、３つの分離部７が壁部６から分離して設けられている。
Ｘ／Ｙ可動部３、Ｘ／Ｙ固定部４、Ｚ可動部５、壁部６および分離部７は、たとえば、リンなどの不純物のドープにより導電性が付与されたポリシリコン（以下、単に「ドープトポリシリコン」という。）からなる。また、Ｘ／Ｙ可動部３、Ｘ／Ｙ固定部４、Ｚ可動部５、壁部６および分離部７は、同一層に形成され、同一の厚さを有している。
Further, on the
The X / Y
シリコン基板２と壁部６および分離部７との各間には、第１絶縁層８が介在されている。第１絶縁層８は、たとえば、酸化シリコンからなる。
そして、Ｘ可動部を連結するＸ連結部およびＹ可動部を連結するＹ連結部は、壁部６の内側面に接続されている。これにより、Ｘ／Ｙ可動部３は、Ｘ連結部およびＹ連結部を介して、壁部６と電気的に接続されている。また、シリコン基板２とＸ／Ｙ可動部３との間には、第１絶縁層８は介在されておらず、Ｘ／Ｙ可動部３は、シリコン基板２の表面２ａ上に浮いた状態で、Ｘ連結部およびＹ連結部により、それぞれ対向するＸ／Ｙ固定部４との対向方向に変位可能に片持ち支持されている。
A first insulating
The X connecting portion that connects the X movable portions and the Y connecting portion that connects the Y movable portions are connected to the inner surface of the
Ｘ固定部を連結するＸ連結部は、１つの分離部７（以下「Ｘ分離部７」という。）の側面に接続されている。これにより、Ｘ固定部（Ｘ／Ｙ固定部４）は、Ｘ連結部を介して、Ｘ分離部７と電気的に接続されている。
Ｙ固定部を連結するＹ連結部は、他の１つの分離部７（以下「Ｙ分離部７」という。）の側面に接続されている。これにより、Ｙ固定部（Ｘ／Ｙ固定部４）は、Ｙ連結部を介して、Ｙ分離部７と電気的に接続されている。
The X connecting portion that connects the X fixing portions is connected to the side surface of one separating portion 7 (hereinafter referred to as “
The Y connecting portion that connects the Y fixing portions is connected to the side surface of another one separating portion 7 (hereinafter referred to as “
残りの１つの分離部７（以下「Ｚ分離部７」という。）は、その下方の第１絶縁層８を貫通する貫通電極（図示せず）を介して、シリコン基板２と電気的に接続されている。
Ｚ可動部５には、図示しない接続部が一体に形成されている。この接続部は、壁部６の内側面に接続されている。これにより、Ｚ可動部５は、接続部を介して、壁部６と電気的に（同電位に）接続されている。また、シリコン基板２とＺ可動部５との間には、第１絶縁層８は介在されておらず、Ｚ可動部５は、シリコン基板２の表面２ａ上に浮いた伏態で、接続部により、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と直交するＺ軸方向（シリコン基板２の表面に垂直な方向）に変位可能に支持されている。
The remaining one separation portion 7 (hereinafter referred to as “
The Z
壁部６および各分離部７上には、第２絶縁層９が設けられている。具体的には、壁部６上において、第２絶縁層９は、壁部６の内周に沿って、その内周形状に対応した平面視四角環状に形成されている。各分離部７上において、第２絶縁層９は、分離部７の表面を選択的に露出させる開口９ａを有するパターンに形成されている。第２絶縁層９は、たとえば、酸化シリコンからなる。
A second insulating
また、壁部６上には、第２絶縁層９を介して、平面視四角形状のキャップ１０の周縁部が支持されている。これにより、シリコン基板２の表面２ａ上において、第１絶縁層８、壁部６および第２絶縁層９に側方を取り回まれる空間は、その上方からキャップ１０によって密閉状態で覆われている。すなわち、シリコン基板２の表面２ａ上には、第１絶縁層８、壁部６、第２絶縁層９およびキャップ１０により、密閉された中空部分２０が形成されている。中空部分２０は、真空空間または窒素ガスなどの不活性ガスが充満した空間にされている。この中空部分２０に、Ｘ／Ｙ可動部３、Ｘ／Ｙ固定部４、Ｚ可動部５および分離部７が収容されている。また、キャップ１０には、各分離部７上の開口９ａと連通する開口１０ａが形成されている。
In addition, a peripheral portion of a
さらに、壁部６上には、接地用導電部１１が設けられている。接地用導電部１１は、壁部６の外周に沿った平面視四角環状をなし、その内周縁部が第２絶縁層９上に少し乗り上がった状態に形成されている。接地用導電部１１は、キャップ１０から離間しており、キャップ１０と接地用導電部１１との間には、第２絶縁層９上に、四角環状の分離溝１２が生じている。
Furthermore, a grounding
また、各分離部７上には、電圧印加用導電部１３が設けられている。電圧印加用導電部１３は、キャップ１０の開口１０ａ内に配置され、第２絶縁層９の開口９ａを介して分離部７に接続されている。また、電圧印加用導電部１３は、開口１０ａの側面から離間しており、その開口１０ａの側面と電圧印加用導電部１３との間には、環状の分離溝１４が生じている。
In addition, a voltage application
キャップ１０、接地用導電部１１および電圧印加用導電部１３は、ドープトポリシリコンからなり、同一層に形成されている。
キャップ１０、接地用導電部１１および電圧印加用導電部１３上には、層間絶縁膜１５が形成されている。層間絶縁膜１５は、たとえば、酸化シリコンからなる。そして、層間絶縁膜１５は、分離溝１２，１４に入り込み、分離溝１２，１４を埋め尽くしている。これにより、キャップ１０、接地用導電部１１および電圧印加用導電部１３は、互いに絶縁されている。
The
An interlayer insulating
キャップ１０および接地用導電部１１上には、それぞれ層間絶縁膜１５を厚さ方向に貫通する貫通孔１５ａ，１５ｂが形成されている。そして、層間絶縁膜１５上には、キャップ１０および接地用導電部１１と対向する位置に、それぞれキャップ電極１６および接地用電極１７が配置されている。キャップ電極１６および接地用電極１７は、それぞれ貫通孔１５ａ，１５ｂに入り込み、それぞれキャップ１０および接地用導電部１１に接続されている。
On the
また、各電圧印加用導電部１３上には、それぞれ層間絶縁膜１５を厚さ方向に貫通する貫通孔１５ｃが形成されている。そして、層間絶縁膜１５上には、各電圧印加用導電部１３と対向する位置に、それぞれＸ／Ｙ／Ｚ電極１８が配置されている。各Ｘ／Ｙ／Ｚ電極１８は、それぞれ貫通孔１５ｃに入り込み、それぞれ電圧印加用導電部１３に接続されている。キャップ電極１６、接地用電極１７およびＸ／Ｙ／Ｚ電極１８は、たとえば、アルミニウムからなる。
Further, on each voltage application
また、層開絶縁膜１５上には、パッシベーション膜１９が形成されている。パッシベーション膜１９には、それぞれキャップ電極１６、接地用電極１７およびＸ／Ｙ／Ｚ電極１８の各表面をパッドとして露出させるための開口１９ａ，１９ｂ，１９ｃが形成されている。パッシペーション膜１９は、たとえば、窒化シリコンからなる。
キャップ電極１６およびＸ／Ｙ／Ｚ電極１８には、それぞれ一定電位（たとえば、±５Ｖ）に制御された配線（図示せず）が接続される。一方、接地用電極１７には、グランド電位（０Ｖ）に制御された配線（図示せず）が接続される。
Further, a
Each of the
これにより、互いに対向するＸ／Ｙ可動部３およびＸ／Ｙ固定部４の各組は、Ｘ／Ｙ可動部３とＸ／Ｙ固定部４との間に一定電圧が印加され、その間隔の変化により静電容量が変化するコンデンサを構成している。また、シリコン基板２およびＺ可動部５は、それらの間に一定電圧が印加され、その間隔の変化により静電容量が変化するコンデンサを構成している。さらに、キャップ１０およびＺ可動部５は、それらの間に一定電圧が印加され、その間隔の変化により静電容量が変化するコンデンサを構成している。
As a result, a constant voltage is applied between the X / Y
加速度センサ１（加速度センサ１が搭載される物体）にＸ軸方向の加速度が生じ、各Ｘ可動部（Ｘ／Ｙ可動部３）がＸ軸方向に変位すると、互いに対向するＸ可動部およびＸ固定部（Ｘ／Ｙ固定部４）からなる各コンデンサの静電容量が変化する。そして、静電容量の変化に伴い、壁部６、接地用導電部１１および接地用電極１７を介してＸ可動部に接続された配線と、Ｘ分離部７、電圧印加用導電部１３およびＸ／Ｙ／Ｚ電極（Ｘ電極）１８を介してＸ固定部に電気的に接続された配線とを含む回路に、その静電容量の変化量に応じた電流が流れる。したがって、その電流に基づいて、加速度センサ１に生じたＸ軸方向
の加速度を検出することができる。
When acceleration in the X-axis direction is generated in the acceleration sensor 1 (an object on which the
加速度センサ１にＹ軸方向の加速度が生じ、各Ｙ可動部（Ｘ／Ｙ可動部３）がＹ軸方向に変位すると、互いに対向するＹ可動部およびＹ固定部（Ｘ／Ｙ固定部４）からなる各コンデンサの静電容量が変化する。そして、静電容量の変化に伴い、壁部６、接地用導電部１１および接地用電極１７を介してＹ可動部に接続された配線と、Ｙ分離部７、電圧印加用導電部１３およびＸ／Ｙ／Ｚ電極（Ｙ電極）１８を介してＹ固定部に電気的に接続された配線とを含む回路に、その静電容量の変化量に応じた電流が流れる。したがって、その電流に基づいて、加速度センサ１に生じたＹ軸方向の加速度を検出することができる。
When acceleration in the Y-axis direction is generated in the
また、加速度センサ１にＺ軸方向の加速度が生じ、Ｚ可動部５がＺ軸方向に変位すると、シリコン基板２とＺ可動部５との間隔およびキャップ１０とＺ可動部５との間隔がそれぞれ変化する。これに伴って、シリコン基板２およびＺ可動部５からなるコンデンサおよびキャップ１０およびＺ可動部５からなるコンデンサの各静電容量が変化する。
シリコン基板２およびＺ可動部５からなるコンデンサの静電容量の変化に伴い、壁部６、接地用導電部１１および接地用電極１７を介してＺ可動部５に接続された配線と、Ｚ分離部７、電圧印加用導電部１３およびＸ／Ｙ／Ｚ電極（Ｚ電極）１８を介してシリコン基板２に接続された配線とを含む回路に、その静電容量の変化量に応じた電流が流れる。したがって、その電流に基づいて、加速度センサ１に生じたＺ軸方向の加速度を検出することができる。
Further, when acceleration in the Z-axis direction is generated in the
Along with the change in the capacitance of the capacitor composed of the
一方、キャップ１０およびＺ可動部５からなるコンデンサの静電容量の変化に伴い、壁部６、接地用導電部１１および接地用電極１７を介してＺ可動部５に接続された配線と、キャップ電極１６を介してキャップ１０に接続された配線とを含む回路に、その静電容量の変化量に応じた電流が流れる。したがって、その電流に基づいて、加速度センサ１に生じたＺ軸方向の加速度を検出することができる。
On the other hand, the wiring connected to the Z
そして、２つのコンデンサの静電容量の変化に基づいて検出された各加速度の平均値を求め、これをＺ軸方向の加速度の検出値とすることにより、Ｚ軸方向の加速度を精度よく検出することができる。
図２Ａ〜２Ｌは、図１に示す加速度センサの各製造工程における模式的な断面図である。
Then, the average value of each acceleration detected based on the change in the capacitance of the two capacitors is obtained, and this is used as the detected value of the acceleration in the Z-axis direction, thereby accurately detecting the acceleration in the Z-axis direction. be able to.
2A to 2L are schematic cross-sectional views in each manufacturing process of the acceleration sensor shown in FIG.
加速度センサ１の製造工程では、まず、図２Ａに示すように、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法により、シリコン基板２の表面２ａ上に、酸化シリコン層２１が形成される。酸化シリコン層２１は、たとえば、５μｍの厚さに形成される。その後、エピタキシャル成長法またはＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により、酸化シリコン層２１上に、ドープトポリシリコンが堆積され、ドープトポリシリコン層２２が形成される。ドープトポリシリコン層２２は、たとえば、２５μｍの厚さに形成される。ドープトポリシリコン層２２の形成後、ドープトポリシリコン層２２に対し、たとえば、温度１０００℃および気圧１０Ｔｏｒｒの条件下での水素アニールが１０分間にわたって行われる。
In the manufacturing process of the
その後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、ドープトポリシリコン層２２が選択的に厚さ方向にわたって除去される。これにより、ドープトポリシリコン層２２が分割され、図２Ｂに示すように、酸化シリコン層２１上に、ドープトポリシリコン層２２の各分割部分からなるＸ／Ｙ可動部３、Ｘ／Ｙ固定部４、Ｚ可動部５、壁部６および分離部７が形成される。
Thereafter, the doped
次いで、図２Ｃに示すように、ＴＥＯＳ−ＣＶＤ（Tetra Ethyl Ortho Silicate - Chemical Vapor Deposition)法により、シリコン基板２上の全域（Ｘ／Ｙ可動部３、Ｘ／Ｙ固定部４、Ｚ可動部５、壁部６および分離部７上）に、犠牲層２３が形成される。犠牲層２３の表面は、ＣＭＰ (Chemical Mechanical Polishing)法により平坦化される。
そして、図２Ｄに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、犠牲層２３がパターニングされる。このパターニングにより、犠牲層２３は、壁部６の内周縁部上よりも内方の部分が残され、その残された部分に、分離部７の表面を選択的に露出させる開口９ａが形成される。
Next, as shown in FIG. 2C, the entire region (X / Y
Then, as shown in FIG. 2D, the
次に、図２Ｅに示すように、ＬＰＣＶＤ法により、シリコン基板２上の全域（壁部６、分離部７および犠牲層２３上）に、ドープトポリシリコンが堆積され、ドープトポリシリコン層２４が形成される。
その後、図２Ｆに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、ドープトポリシリコン層２４における犠牲層２３と接する部分に、複数のエッチング孔２５がそれぞれ厚さ方向に貫通して形成される。
Next, as shown in FIG. 2E, doped polysilicon is deposited on the entire area of the silicon substrate 2 (on the
Thereafter, as shown in FIG. 2F, a plurality of etching holes 25 are formed penetrating in the thickness direction in portions of the doped
次いで、図２Ｇに示すように、ドープトポリシリコン層２４をマスクとして用いるドライエッチングにより、犠牲層２３が壁部６および分離部７上にのみ残して除去され、Ｘ／Ｙ可動部３およびＺ可動部５の下方から酸化シリコン層２１が選択的に除去される。その結果、壁部６および分離部７上に残された犠牲層２３は、第２絶縁層９となる。また、Ｘ／Ｙ可動部３およびＺ可動部５は、シリコン基板２の表面２ａから浮いた状態になり、それぞれ変位可能となる。そして、酸化シリコン層２１は、壁部６および分離部７の各下方に残り、それらを支持する第１絶縁層８となる。
Next, as shown in FIG. 2G, the
その後、温度１１００℃および気圧５０Ｔｏｒｒの条件下での水素アニールが１５分間にわたって行われる。この水素アニールによって、ドープトポリシリコン層２４におけるエッチング孔２５の周囲の部分の角が丸みを帯びる。次いで、図２Ｈに示すように、ＬＰＣＶＤ法により、ドープトポリシリコン層２４の各エッチング孔２５がドープトポリシリコンで埋め戻される。
Thereafter, hydrogen annealing is performed at a temperature of 1100 ° C. and a pressure of 50 Torr for 15 minutes. By this hydrogen annealing, the corners around the
その後、図２Ｉに示すように、ＰＥＣＶＤ法により、ドープトポリシリコン層２４上に、酸化シリコンからなるマスク層２６が積層される。つづいて、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、マスク層２６がパターニングされ、さらに、マスク層２６を介してドープトポリシリコン層２４がパクーニングされる。これにより、ドープトポリシリコン層２４に分離溝１２，１４が形成され、ドープトポリシリコン層２４は、キャップ１０、接地用導電部１１および電圧印加用導電部１３に分割される。
Thereafter, as shown in FIG. 2I, a
次に、図２Ｊに示すように、ＰＥＣＶＤ法により、マスク層２６上に、酸化シリコンが堆積される。酸化シリコンは、分離溝１２，１４を埋め尽くし、マスク層２６上に所定厚さを有する膜をなす。そして、その酸化シリコンからなる膜は、マスク層２６と一体となり、マスク層２６とともに層間絶縁膜１５を構成する。層間絶縁膜１５の表面は、ＣＭＰ法により平坦化される。
Next, as shown in FIG. 2J, silicon oxide is deposited on the
次いで、図２Ｋに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、層間絶縁膜１５に、貫通孔１５ａ，１５ｂ，１５ｃが形成される。
その後、スパッタ法により、貫通孔１５ａ，１５ｂ，１５ｃ内および層間絶縁膜１５上に、アルミニウム膜が形成される。そして、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、そのアルミニウム膜がパターニングされ、図２Ｌに示すように、キャップ１０、壁部６および分離部７上に、それぞれキャップ電極１６、接地用電極１７およびＸ／Ｙ／Ｚ電極１８が形成される。
Next, as shown in FIG. 2K, through
Thereafter, an aluminum film is formed in the through
そして、層間絶縁膜１５上に、開口１９ａ，１９ｂ，１９ｃを有するパッシベーション膜１９が形成されると、図１に示す加速度センサ１が得られる。
以上のように、シリコン基板２の表面２ａ上に、平面視四角環状の壁部６が設けられている。壁部６上には、平面視四角環状の第２絶縁層９が設けられており、この第２絶縁層９を介して、平面視四角形状のキャップ１０の周縁部が支持されている。シリコン基板２の表面２ａ上には、第１絶縁層８、壁部６、第２絶縁層９およびキャップ１０により、Ｘ／Ｙ可動部３、Ｘ／Ｙ固定部４、Ｚ可動部５および分離部７を収容する中空部分２０が形成されている。
When the
As described above, the quadrangular
そして、キャップ１０は、ポリシリコンからなり、シリコン基板２上にドープトポリシリコン層２４を形成し、ドープトポリシリコン層２４に分離溝１２，１４を形成して、ドープトポリシリコン層２４を分割することにより形成される。そのため、キャップ１０と第２絶縁層９との接合が不要であり、加速度センサ１の製造に陽極接合装置を必要としない。よって、加速度センサ１の製造に要する時間の短縮を図ることができる。
The
また、加速度センサ１の製造過程において、犠牲層２３を除去するためにドープトポリシリコン層２４に形成されるエッチング孔２５は、犠牲層２３の除去後に、ドープトポリシリコンにより埋め戻される。これにより、キャップ１０により中空部分２０が密閉された構造を得ることができる。中空部分２０が密閉されることにより、外部から中空部分２０への水分などの進入を防止できる。
In the manufacturing process of the
また、加速度センサ１では、シリコン基板２およびＺ可動部５により構成されるコンデンサの他に、キャップ１０およびＺ可動部５によりコンデンサが構成されるので、Ｚ可動部５がＺ軸方向に変位したときに、各コンデンサの静電容量の変化に基づいて、加速度センサ１に生じたＺ軸方向の加速度を求め、その求めた各加速度の平均値をＺ軸方向の加速度の検出値とすることにより、Ｚ軸方向の加速度を精度よく検出することができる。
Further, in the
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することが可能である。たとえば、Ｚ分離部７が図示しない貫通電極を介してシリコン基板２と電気的に接続され、Ｚ分離部７上にＸ／Ｙ／Ｚ電極（Ｚ電極）１８が設けられ、一定電位に制御された配線がＸ／Ｙ／Ｚ電極１８に接続される構成を採用したが、貫通電極およびＺ分離部７上のＸ／Ｙ／Ｚ電極１８が省略されて、シリコン基板２の裏面に基板電極が設けられ、一定電位に制御された配線が基板電極に接続される構成が採用されてもよい。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention can be implemented in other forms. For example, the
また、ＭＥＭＳセンサの一例として、物体の加速度を検出するための加速度センサを取り上げたが、本発明は、加速度センサに限らず、音圧を検出する圧力センサなどに適用することもできる。
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。
Further, although an acceleration sensor for detecting the acceleration of an object has been taken up as an example of the MEMS sensor, the present invention is not limited to the acceleration sensor, but can be applied to a pressure sensor that detects sound pressure.
In addition, various design changes can be made within the scope of matters described in the claims.
１ 加速度センサ（ＭＥＭＳセンサ）
２ シリコン基板（半導体基板）
２ａ 表面（一方面）
３ Ｘ／Ｙ可動部（可動部）
５ Ｚ可動部（可動部）
６ 壁部（支持部）
８ 第１絶縁層（支持部）
９ 第２絶縁層（支持部）
１０ キャップ
１６ キャップ電極
１８ Ｘ／Ｙ／Ｚ電極（基板電極）
２０ 中空部分
２１ 酸化シリコン層（第１犠牲層）
２２ ドープトポリシリコン層（導電材料層）
２３ 犠牲層（第２犠牲層）
２４ ドープトポリシリコン層（ポリシリコン層）
２５ エッチング孔（貫通孔）
1 Acceleration sensor (MEMS sensor)
2 Silicon substrate (semiconductor substrate)
2a Surface (one side)
3 X / Y movable part (movable part)
5 Z movable part (movable part)
6 Wall (supporting part)
8 First insulation layer (supporting part)
9 Second insulating layer (supporting part)
10
20
22 doped polysilicon layer (conductive material layer)
23 Sacrificial layer (second sacrificial layer)
24 doped polysilicon layer (polysilicon layer)
25 Etching hole (through hole)
Claims (6)
前記半導体基板の一方面上に設けられる環状の支持部と、
ポリシリコンからなり、前記支持部にその周縁部が支持されるキャップと、
導電材料からなり、前記半導体基板の一方面上に前記支持部および前記キャップにより形成される中空部分に収容され、所定方向に変位可能な可動部と含む、ＭＥＭＳセンサ。 A semiconductor substrate;
An annular support provided on one surface of the semiconductor substrate;
A cap made of polysilicon and having a peripheral edge supported by the support;
A MEMS sensor comprising a movable portion made of a conductive material and housed in a hollow portion formed by the support portion and the cap on one surface of the semiconductor substrate and displaceable in a predetermined direction.
導電材料からなり、前記半導体基板と電気的に接続される基板電極と、
導電材料からなり、前記キャップ上に設けられるキャップ電極とをさらに含む、請求項２に記載のＭＥＭＳセンサ。 The movable part is displaceable in a facing direction between the semiconductor substrate and the cap,
A substrate electrode made of a conductive material and electrically connected to the semiconductor substrate;
The MEMS sensor according to claim 2, further comprising a cap electrode made of a conductive material and provided on the cap.
前記導電材料層を選択的にその厚さ方向にわたって除去することにより、前記導電材料層を分割し、前記導電材料層の各分割部分からなる環状の壁部および可動部を形成する工程と、
前記壁部および前記可動部上を選択的に覆い、前記壁部と前記可動部との間を埋め尽くす第２犠牲層を形成する工程と、
前記壁部、前記可動部および前記第２犠牲層上に、ポリシリコンを堆積させ、そのポリシリコン層を形成する工程と、
前記ポリシリコン層に、その厚さ方向に貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔を有する前記ポリシリコン層をマスクとして用いるエッチングにより、前記第２犠牲層を選択的に除去し、前記第１犠牲層における前記可動部と接する部分を除去する工程とを含む、ＭＥＭＳセンサの製造方法。 Forming a conductive material layer on a semiconductor substrate with a first sacrificial layer interposed therebetween;
Selectively removing the conductive material layer over its thickness direction to divide the conductive material layer to form an annular wall portion and a movable portion formed of each divided portion of the conductive material layer;
Forming a second sacrificial layer that selectively covers the wall and the movable part and fills a space between the wall and the movable part;
Depositing polysilicon on the wall portion, the movable portion and the second sacrificial layer, and forming the polysilicon layer;
Forming a through-hole penetrating in the thickness direction in the polysilicon layer;
A step of selectively removing the second sacrificial layer by etching using the polysilicon layer having the through hole as a mask, and removing a portion of the first sacrificial layer in contact with the movable part. Manufacturing method.
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