JP2010078327A - 半導体力学量検出素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】内在する格子歪に伴う内部応力による可動部の反りを低減させて、検出素子の小型化を可能とし、且つ工数の増加を抑えることができる半導体力学量検出素子およびその製造方法を提供する。
【構成】可動部133aが形成される活性層13の、少なくとも可動部133aに対応する領域の表面をプラズマエッチングで浅掘加工することによって、浅掘加工部134を形成してその表面近傍（歪導入部135）に格子歪を導入し、この格子歪に伴う内部応力によって加工前に存在した歪内在部131の格子歪に伴う内部応力による影響を相殺する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、圧力センサや加速度センサ、ジャイロセンサなどのMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）製品の力学量検出部及びその製造方法に関する。

MEMS製品の製造には、窒化シリコン（SiN）や二酸化シリコン（SiO₂）などの絶縁膜のあるシリコンウェハの絶縁膜上にポリシリコンを形成したウェハ、または、表面を熱酸化したシリコンウェハを貼り合わせてSi−SiO₂−Siの3層構造にしたウェハ、いわゆるSOIウェハ、が用いられ、その絶縁膜がシリコン層のエッチングを停止させる犠牲層として活用されている。

図2は、SOIウェハを用いて力学量を検出するための検出部を製造する工程とそれに対応する検出部の断面を示した工程図である。検出部は、外端を保持された梁とこの梁に支持された錘体とからなる可動部と、図には示していない固定電極などと、で構成されており、半導体力学量検出素子として、上記の錘体に印加される力学量による錘体の変位や傾きによって印加された力学量を検出する。

SOIウェハ１は、表面を熱酸化された2枚のシリコンウェハが貼り合わされ、機械化学研磨によって外面の熱酸化膜が除去され且つシリコンの厚さが所定値に加工されたものであり、機械的な強度を確保して検出素子の土台となり可動部を保持するなどのための、シリコンからなる支持層11と、検出部を主に構成するための、シリコンからなる活性層13と、両者の間に存在してエッチングの犠牲層にもなる二酸化シリコンからなる絶縁層12と、で構成されている。

検出部の製造工程は、次の通りである。
まず、支持層11をエッチング加工して、支持層空洞部112を形成する（支持層加工工程）。このエッチング領域は、活性層13から形成される可動部133およびその周辺の深掘加工部132に相当し、エッチングは絶縁層12に達するまで実行される。このようなエッチングは、絶縁層12でエッチングの進行が止められるので、通常「ストップエッチング」といわれている。

次に、活性層13の深掘加工部132をエッチング加工して、可動部133を形成する（活性層加工工程）。このエッチングの領域は可動部133の周辺部であり、エッチングは絶縁層12に達するまで実行される。このエッチングも支持層11のエッチングと同様にストップエッチングである。なお、図では明確ではないが、活性層13において、可動部133が外側の活性層とつながっているのは梁の支持部だけである。

なお、この工程では、必要に応じて、可動部の外側に固定電極が形成される。
最後に、露出している絶縁層12をエッチングして、可動部133が梁の支持部だけで保持されている状態とする（絶縁層加工工程）。
ところが、上記の製造工程で形成される可動部133には、小型化すると、支障となるほどの反りを生ずる、という問題点があることが分った。

図3は、その状態を示す可動部133の長さ方向の断面図であり、図4は、可動部の支持部からの距離と可動部の反り量との関係を示す実測データの線図である。なお、可動部の厚さは30μmである。
このような反りの要因は、以下のように考えられる。
シリコンと熱酸化膜とでは熱膨張係数や機械的性質、密度などが異なるし、熱酸化の過程では酸素がシリコン内へ拡散していくので、SOIウェハの製造工程および検出素子製造のための処理工程において、熱酸化膜直近のシリコンに格子歪が発生し、熱酸化膜を除去した状態で、この格子歪に伴う内部応力（圧縮応力）が開放されて反りを発生させているもの、と考えられる。

図２および図3では、この格子歪が発生している領域を歪内在部111および131として示した。
このような反りは、静電容量型の検出素子の場合には、固定電極と可動電極とを適切に対向させることを困難にする。その結果、所望の静電容量値が確保できなくなり、検出素子の小型化が困難となる。

なお、以上では、梁構造の場合について説明してきたが、ダイアフラム構造の場合もダイアフラムの変位と変形を発生させるので同様に問題となる。
また、活性層に形成される固定電極においても、その下の支持層および絶縁層が除去される場合には同様の問題を発生する。
このような反りへの対策として、特許文献１においては、可動部の歪内在部をエッチングして除去する、という方法が開示されている。

しかしながら、この方法を実行しようとすると、歪内在部のエッチングの際に、活性層の他の部分の表面を全て保護することは容易ではなく、保護されずに露出している活性層の表面は同時にエッチングされてしまう。したがって、この方法には、可動部を含めた活性層での構成物の加工精度を確保しにくい、という問題点があり、活性層の電気抵抗値を下げるために活性層の表面に低抵抗拡散層が形成されている場合には、この低抵抗拡散層を部分的にエッチングして、電極として必要な電導性を得られなくしてしまう、という問題点もある。しかも、両問題点は、小型化するほど顕著となる。
特開2002−190608号公報

この発明の課題は、上記のような従来技術の問題点を解消するために、梁および錘体からなる可動部の反りを低減できて、半導体力学量検出素子の小型化を可能とし、且つ工数の増加を抑えることができる半導体力学量検出素子及びその製造方法を提供することである。

請求項１の発明は、梁で支えられた錘体を有し、この錘体に印加される力学量による錘体の変位や傾きによって印加された力学量を検出する半導体力学量検出素子の製造方法であって、少なくとも前記の梁および錘体を形成する部分の表面をプラズマエッチングすることによって、少なくとも梁および錘体を形成する部分に内在していた格子歪に伴う内部応力による梁および錘体などの変形を制御する。

プラズマエッチングされた部材のエッチング面の直下には格子歪が導入され、導入される格子歪は、プラズマエッチング条件で制御できる。したがって、この導入された格子歪に伴う内部応力で、既に存在した格子歪に伴う内部応力を相殺するなどの制御が可能となる。
請求項２の発明は、請求項1の発明において、前記の梁および錘体などを形成するための活性層と、絶縁層を介して活性層と一体化している支持層と、を有する3層の基板を用いて、少なくとも、梁および錘体などを形成するために梁および錘体の外周部の活性層をエッチングする活性層加工工程と、梁および錘体の領域と梁および錘体などを形成するためにエッチングされる梁および錘体の外周部の領域とに相当する支持層の領域をエッチングする支持層加工工程と、支持層加工工程で露出された絶縁層をエッチングする絶縁層加工工程と、によって前記の梁および錘体などを形成する、半導体力学量検出素子の製造方法であって、前記活性層加工工程として、少なくとも前記の梁および錘体に相当する領域をプラズマエッチングによって浅掘加工し、活性層に内在していた格子歪に伴う内部応力による梁および錘体の変形を制御するための活性層浅掘加工工程と、前記の梁および錘体などを形成するために梁および錘体の外周部の活性層をエッチングする活性層深掘加工工程と、を有する。

この発明においては、活性層の平坦な表面の所定領域をプラズマエッチングで浅掘加工するので、この発明は通常のプラズマエッチング工程と同様の作業で実施可能であって、マスキングの難しさや梁および錘体などの形状に影響を及ぼすことはない。
請求項３の発明は、請求項2の発明において、前記半導体力学量検出素子が、錘体の浅掘加工された面に対向する固定電極を有するものであり、前記の浅掘加工工程におけるエッチング深さによって、錘体とこれに対向する固定電極との間隙を確保する。

プラズマエッチングによってエッチング部に導入される格子歪に伴う内部応力は、エッチング条件によって決まり、数μm以上のエッチング深さであればエッチング深さには殆ど関係しないので、錘体とこれに対向する固定電極との間隔が数μm以上であれば、浅掘加工の深さで錘体と固定電極との間隙を確保することができる。
請求項４の発明は、梁で支えられた錘体を有し、この錘体に印加される力学量による錘体の変位や傾きによって印加された力学量を検出する半導体力学量検出素子であって、少なくとも前記の梁および錘体を形成する部分の表面がプラズマエッチングされていることによって、少なくとも梁および錘体を形成する部分に内在している格子歪に伴う内部応力による梁および錘体などの変形が制御されてなる。

プラズマエッチングされた部材のエッチング面の直下には格子歪が導入され、導入された格子歪は、プラズマエッチング条件で制御できる。したがって、この導入された格子歪に伴う内部応力で、既に存在している格子歪に伴う内部応力を相殺するなどの制御が可能となる。
請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記の梁および錘体などを形成するための活性層と、絶縁層を介して活性層と一体化している支持層と、を有する3層の基板を用いて、少なくとも、梁および錘体などを形成するために梁および錘体の外周部の活性層がエッチングされ、梁および錘体の領域と梁および錘体などを形成するためにエッチングされる梁および錘体の外周部の領域とに相当する支持層の領域がエッチングされ、さらに、支持層の加工により露出された絶縁層がエッチングされることによって形成された前記の梁および錘体などを有する、半導体力学量検出素子であって、前記活性層は、少なくとも前記の梁および錘体に相当する領域がプラズマエッチングによって浅掘加工されているとともに、前記の梁および錘体などを形成するために梁および錘体の外周部がエッチングによって深掘加工されており、前記の梁および錘体に相当する領域がプラズマエッチングによって浅掘加工されていることによって、活性層に内在している格子歪に伴う内部応力による梁および錘体の変形が制御されてなる。

この発明においては、活性層の平坦な表面の所定領域がプラズマエッチングで浅掘加工されるので、この発明は通常のプラズマエッチング工程と同様の作業で実施可能であって、マスキングの難しさや梁および錘体などの形状に影響を及ぼすことはない。
請求項６の発明は、請求項５の発明において、前記半導体力学量検出素子が、錘体の浅掘加工された面に対向する固定電極を有するものであり、前記の浅掘加工のエッチング深さによって、錘体とこれに対向する固定電極との間隙が確保されてなる。

プラズマエッチングによってエッチング部に導入される格子歪に伴う内部応力は、エッチング条件によって決まり、数μm以上のエッチング深さであればエッチング深さには殆ど関係しないので、錘体とこれに対向する固定電極との間隔が数μm以上であれば、浅掘加工の深さで錘体と固定電極との間隙を確保することができる。

請求項１の発明においては、プラズマエッチングされた部材のエッチング面の直下に導入される格子歪に伴う内部応力によって、梁および錘体などを形成する部分に既に存在していた格子歪に伴う内部応力による梁および錘体などの変形を制御するので、加工前に格子歪に伴う内部応力が存在していた部分、例えば熱酸化膜の直近部のシリコン、をエッチングすることは必要なく、このエッチングに伴うマスキングの難しさや形状への影響は回避される。

したがって、この発明によれば、梁および錘体からなる可動部の反りを低減できて、半導体力学量検出素子の小型化を可能とし、且つ工数の増加を抑えることができる半導体力学量検出素子の製造方法を提供することができる。
請求項２の発明においては、活性層の平坦な表面の所定領域をプラズマエッチングで浅掘加工するので、この発明は通常のプラズマエッチング工程と同様の作業で実施可能であって、マスキングの難しさや梁および錘体などの形状に影響することはない。

したがって、この発明によれば、前記課題を確実に達成することができる。
請求項３の発明においては、浅掘加工が錘体と固定電極との間隙の形成を兼ねるので、このために別の工程を準備する必要がなく、工数が低減する。
請求項４の発明においては、プラズマエッチングされた部材のエッチング面の直下に導入される格子歪に伴う内部応力によって、梁および錘体などを形成する部分に既に存在している格子歪に伴う内部応力による梁および錘体などの変形が制御されるので、格子歪に伴う内部応力が既に存在している部分、例えば熱酸化膜の直近部のシリコン、をエッチングすることは必要なく、このエッチングに伴うマスキングの難しさや形状への影響が回避される。

したがって、この発明によれば、梁および錘体からなる可動部の反りを低減できるので、半導体力学量検出素子の小型化が可能となり、且つ、半導体力学量検出素子の製造における工数の増加を抑えることができる。
請求項５の発明においては、活性層の平坦な表面の所定領域がプラズマエッチングで浅掘加工されるので、この発明は通常のプラズマエッチング工程と同様の作業で実施可能であって、マスキングの難しさや梁および錘体などの形状に影響することはない。

したがって、この発明によれば、前記課題を確実に達成することができる。
請求項６の発明においては、浅掘加工が錘体と固定電極との間隙の形成を兼ねるので、このために別の工程を準備する必要がなく、半導体力学量検出素子の製造における工数が低減する。

この発明は、SOI基板のような、絶縁層を中間に有して半導体層―絶縁層−半導体層の3層で構成される基板を用い、活性層となる半導体層に梁および錘体からなる可動部などを形成する半導体力学量検出素子の製造方法であって、基板の活性層の絶縁層直近に内在し、絶縁層を除去しても活性層に残留する格子歪に伴う内部応力による可動部の変形を、活性層の表面をプラズマエッチングで浅掘加工することによって発生させたプラズマエッチング面直下の活性層の格子歪に伴う内部応力によって制御する、ことを特徴とする。

また、この発明は、SOI基板のような、絶縁層を中間に有して半導体層―絶縁層−半導体層の3層で構成される基板が用いられ、活性層となる半導体層に形成された梁および錘体からなる可動部などを有する半導体力学量検出素子であって、基板の活性層の絶縁層直近に内在し、絶縁層を除去しても活性層に残留する格子歪に伴う内部応力による可動部の変形が、活性層の表面がプラズマエッチングで浅掘加工されることによって発生したプラズマエッチング面直下の活性層の格子歪に伴う内部応力によって制御されてなる、ことを特徴とする。

以下に実施例を用いて、この発明をより詳しく説明する。
なお、従来技術と同じ機能の部分には同じ符号を付ける。

図１は、この発明の実施例1を示す工程図であって、SOIウェハ１を用いて力学量を検出するための検出部を製造する工程とそれに対応する断面構造を示したものである。検出部の基本構成やSOIウェハは、「背景技術」の項で説明したのと同じであるから説明を省略し、ここでは、従来技術との違いを中心にして説明する。
検出部の製造工程のうち、支持層加工工程と絶縁層加工工程は従来技術と同じであり、従来技術における活性層加工工程が活性層浅掘加工工程と活性層深掘加工工程とに分けられている。

まず、従来技術と同様の支持層加工工程で支持層11に支持層空洞部112を形成する。
次に、少なくとも可動部133aおよびその周辺の深掘加工部132の領域、必要に応じてその外周部の所定幅の領域を含む領域を、エッチング面直下の活性層13に所定の格子歪を発生させるエッチング条件のプラズマエッチングによって、所定の深さ、例えば10μmまで浅掘加工する（活性層浅掘加工工程）。この工程によって、浅掘加工部134が形成され、その直下の活性層に格子歪が導入され歪導入部135が形成される。

続いて、従来技術の活性層加工工程と同様の工程で、活性層13の深掘加工部132をエッチング加工して、可動部133ａを形成する（活性層深掘加工工程）。
なお、この工程では、必要に応じて、可動部133aの外側に固定電極が形成される。この場合には、この領域も浅掘加工の領域とする。
最後に、従来技術と同様の絶縁層加工工程で露出している絶縁層（絶縁層除去部121に対応）をエッチングし、可動部133aの変位および傾きが可能な状態とする。

この実施例では、支持層の加工工程を前に実行し活性層の加工工程を後に実行しているが、この順序を逆にすることもできる。
図５は、この発明の効果を説明するための可動部長さ方向の断面図である。可動部133aの上面側にプラズマエッチングで歪導入部135が形成され、この部分の格子歪による内部応力で歪内在層131の内部応力による可動部の反りが相殺され、問題になるような反りがなくなっていることをモデル的に示している。

図6は、この発明による半導体力学量検出素子の可動部133aの支持部からの距離と反り量との関係の実測データを示す線図である。図6に見られるように、支持部からの距離が増えても、可動部133aには問題になるような反りが発生していない。
なお、可動部の厚さは約23μmである。
また、図6のデータを得たサンプルの活性層のプラズマエッチング条件は以下の通りである。

SF₆ガス流量は400sccm×５sec、C₄F₈ガス流量は250sccm×２sec、温度は10℃、ガス圧力は4.4Pa、供給電力は1,500W、基板バイアスは110Wである。
プラズマエッチング条件によって、歪導入部に導入される内部応力は変化するが、基板バイアスの影響が最も顕著で、これの増減によって格子歪に伴う内部応力も増減する。

図7は、この発明の別の応用例を示した半導体力学量検出素子の断面図である。
この発明のポイントとなるプラズマエッチングによる活性層の浅掘加工は、数μm以下の浅い加工で必要な歪導入層を形成し、それによる内部応力はエッチング深さには殆ど関係しない。そのため、この浅掘加工で形成される浅掘加工部134の加工深さで、その上面に配置されるガラス板2の上の電極3とこの電極3の対向電極となる可動部133aとの間隔を確保することが可能となる。所望の間隔値が決まれば、電極３の厚さと、ガラス板2と活性層13の接合部の不図示の接着層の厚さと、によって、エッチング深さを決めることができる。

したがって、この実施例によれば、図7に示すような構成の半導体力学量検出素子の製造において、工程および工数を減らすことが可能となる。

この発明による半導体力学量検出素子の製造方法の実施例を示す工程図とそれに対応する検出素子断面図 半導体力学量検出素子の製造方法の従来例を示す工程図とそれに対応する検出素子断面図 従来の製造方法の問題点を説明するための可動部長さ方向の断面図 従来の製造方法による半導体力学量検出素子の可動部の支持部からの距離と反り量との関係を示す線図 この発明の効果を説明するための可動部長さ方向の断面図 この発明による半導体力学量検出素子の可動部の支持部からの距離と反り量との関係を示す線図 この発明の応用例を示す半導体力学量検出素子の断面図

符号の説明

１ SOIウェハ
11 支持層
111 歪内在部 112 支持層空洞部
12 絶縁層
121 絶縁層除去部
13 活性層
131 歪内在部 132 深掘加工部
133、133a 可動部 134 浅掘加工部
135 歪導入部
２ ガラス板
３ 電極

Claims (6)

1. 梁で支えられた錘体を有し、この錘体に印加される力学量による錘体の変位や傾きによって印加された力学量を検出する半導体力学量検出素子の製造方法であって、
   少なくとも前記の梁および錘体を形成する部分の表面をプラズマエッチングすることによって、少なくとも梁および錘体を形成する部分に内在していた格子歪に伴う内部応力による梁および錘体などの変形を制御する、
   ことを特徴とする半導体力学量検出素子の製造方法。
2. 前記の梁および錘体などを形成するための活性層と、絶縁層を介して活性層と一体化している支持層と、を有する３層の基板を用いて、少なくとも、梁および錘体などを形成するために梁および錘体の外周部の活性層をエッチングする活性層加工工程と、梁および錘体の領域と梁および錘体などを形成するためにエッチングされる梁および錘体の外周部の領域とに相当する支持層の領域をエッチングする支持層加工工程と、支持層加工工程で露出された絶縁層をエッチングする絶縁層加工工程と、によって前記の梁および錘体などを形成する、半導体力学量検出素子の製造方法であって、
   前記活性層加工工程として、
   少なくとも前記の梁および錘体に相当する領域をプラズマエッチングによって浅掘加工し、活性層に内在していた格子歪に伴う内部応力による梁および錘体の変形を制御するための活性層浅掘加工工程と、
   前記の梁および錘体などを形成するために梁および錘体の外周部の活性層をエッチングする活性層深掘加工工程と、
   を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体力学量検出素子の製造方法。
3. 前記半導体力学量検出素子が、錘体の浅掘加工された面に対向する固定電極を有するものであり、
   前記の浅掘加工工程におけるエッチング深さによって、錘体とこれに対向する固定電極との間隙を確保する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の半導体力学量検出素子の製造方法。
4. 梁で支えられた錘体を有し、この錘体に印加される力学量による錘体の変位や傾きによって印加された力学量を検出する半導体力学量検出素子であって、
   少なくとも前記の梁および錘体を形成する部分の表面がプラズマエッチングされていることによって、少なくとも梁および錘体を形成する部分に内在している格子歪に伴う内部応力による梁および錘体などの変形が制御されてなる、
   ことを特徴とする半導体力学量検出素子。
5. 前記の梁および錘体などを形成するための活性層と、絶縁層を介して活性層と一体化している支持層と、を有する３層の基板を用いて、少なくとも、梁および錘体などを形成するために梁および錘体の外周部の活性層がエッチングされ、梁および錘体の領域と梁および錘体などを形成するためにエッチングされる梁および錘体の外周部の領域とに相当する支持層の領域がエッチングされ、さらに、支持層の加工により露出された絶縁層がエッチングされることによって形成された前記の梁および錘体などを有する、半導体力学量検出素子であって、
   前記活性層は、少なくとも前記の梁および錘体に相当する領域がプラズマエッチングによって浅掘加工されているとともに、前記の梁および錘体などを形成するために梁および錘体の外周部がエッチングによって深掘加工されており、
   前記の梁および錘体に相当する領域がプラズマエッチングによって浅掘加工されていることによって、活性層に内在している格子歪に伴う内部応力による梁および錘体の変形が制御されてなる、
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体力学量検出素子。
6. 前記半導体力学量検出素子が、錘体の浅掘加工された面に対向する固定電極を有するものであり、
   前記の浅掘加工のエッチング深さによって、錘体とこれに対向する固定電極との間隙が確保されてなる、
   ことを特徴とする請求項５に記載の半導体力学量検出素子。