JP2010114215A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】振動子とシリコン基板間の絶縁分離領域を形成し、且つ製造工程の増大を抑制できる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板10に固定された固定端を有する梁型の振動子21、22を備える半導体装置1の製造方法であって、半導体基板10の上面に、振動子21、22の側面絶縁膜40が形成される側面溝、及び振動子22と半導体基板10間の絶縁分離領域30が形成される分離溝を形成するステップと、側面溝の表面及び分離溝の表面を熱酸化して、側面溝を酸化膜で埋め込んだ側面絶縁膜40と分離溝を酸化膜で埋め込んだ絶縁分離領域30を同時に形成するステップと、側面絶縁膜40と半導体基板10上の上面絶縁膜をマスクにした半導体基板10のエッチング工程によって、半導体基板10の表面に形成された凹部100内に配置された振動子21、22を形成するステップとを含む。
【選択図】図1
【解決手段】半導体基板10に固定された固定端を有する梁型の振動子21、22を備える半導体装置1の製造方法であって、半導体基板10の上面に、振動子21、22の側面絶縁膜40が形成される側面溝、及び振動子22と半導体基板10間の絶縁分離領域30が形成される分離溝を形成するステップと、側面溝の表面及び分離溝の表面を熱酸化して、側面溝を酸化膜で埋め込んだ側面絶縁膜40と分離溝を酸化膜で埋め込んだ絶縁分離領域30を同時に形成するステップと、側面絶縁膜40と半導体基板10上の上面絶縁膜をマスクにした半導体基板10のエッチング工程によって、半導体基板10の表面に形成された凹部100内に配置された振動子21、22を形成するステップとを含む。
【選択図】図1
Description
本発明は、梁型の振動子を備える半導体装置の製造方法に関する。
梁型の振動子を備えるMEMS(Micro Electro Mechanical System)素子、表面弾性波(SAW)素子、圧電材料を使用した圧電薄膜共振器(FBAR)等の半導体装置が、加速度センサやジャイロセンサ等に使用されている。例えば、2つの振動子間の静電容量の変化を検知して加速度を検出する静電容量型加速度センサ等が実用化されている。
自由端を有する梁型の振動子を形成するために、シリコン基板上に絶縁膜層とシリコン層を積層したSOI基板が一般的に使用されている。絶縁膜層は犠牲層として使用され、シリコン層が自由端として使用される。一方、犠牲層を用いない製造方法も提案されている(例えば、特許文献1参照。)。犠牲層を用いない製造方法では、振動子の自由端とシリコン基板に固定された振動子の固定端との間に形成したアイソレーション用トレンチに絶縁性材料を充填して、振動子の自由端とシリコン基板との間に絶縁分離領域が形成される。
特表2002−510139号公報
しかしながら、上記に提案された犠牲層を用いない製造方法においては、アイソレーション用トレンチに絶縁性材料を充填して絶縁分離領域を形成する工程の後に、絶縁性材料である保護膜を振動子の側面に形成する工程が必要である。このため、製造工程が増大するという問題があった。
上記問題点を鑑み、本発明は、振動子とシリコン基板間の絶縁分離領域を形成し、且つ製造工程の増大を抑制できる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、半導体基板に固定された固定端を有する梁型の振動子を備える半導体装置の製造方法であって、(イ)半導体基板の上面に、振動子の側面絶縁膜が形成される側面溝、及び振動子と半導体基板間の絶縁分離領域が形成される分離溝を形成するステップと、(ロ)側面溝の表面及び分離溝の表面を熱酸化して、側面溝を酸化膜で埋め込んだ側面絶縁膜と分離溝を酸化膜で埋め込んだ絶縁分離領域を同時に形成するステップと、(ハ)側面絶縁膜と半導体基板上の上面絶縁膜をマスクにした半導体基板のエッチング工程によって、半導体基板の表面に形成された凹部内に配置された振動子を形成するステップとを含む半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、振動子とシリコン基板間の絶縁分離領域を形成し、且つ製造工程の増大を抑制できる半導体装置の製造方法を提供できる。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法は、図1に示すような半導体基板10に固定された固定端を有する梁型の振動子21、22を備える半導体装置1の製造方法である。即ち、半導体基板10の上面に、振動子21、22の側面絶縁膜40が形成される側面溝、及び振動子22と半導体基板10間の絶縁分離領域30が形成される分離溝を形成するステップと、側面溝の表面及び分離溝の表面を熱酸化して、側面溝を酸化膜で埋め込んだ側面絶縁膜40と分離溝を酸化膜で埋め込んだ絶縁分離領域30を同時に形成するステップと、側面絶縁膜40と半導体基板10上の上面絶縁膜をマスクにした半導体基板10のエッチング工程によって、半導体基板10の表面に形成された凹部100内に配置された振動子21、22を形成するステップとを含む。
振動子21、22は梁型の振動子であり、半導体装置1は、振動子21と振動子22間の距離に依存する静電量容量の変動を用いて加速度を検出する静電容量型加速度センサである。半導体基板10には、例えばシリコン基板を採用可能である。
振動子21は、両端が半導体基板10に固定された中心ストライプ部と、中心ストライプ部に固定された固定端と凹部100に延伸する自由端を有する複数の梁部とからなるフィッシュボーン構造の梁型振動子である。振動子22は、半導体基板10に固定された固定端と凹部100に延伸する自由端を有する複数の梁型振動子からなる。図1に示すように、振動子21の自由端と振動子22の自由端は交差指状に配置される。
図1のIIa−IIa方向に沿った断面図を図2(a)に、IIb−IIb方向に沿った断面図を図2(b)にそれぞれ示す。また、図1の領域Aの斜視図を図2(c)に示す。
図2(a)に示すように、振動子21、22の側面上に側面絶縁膜40が形成され、振動子21、22の上面上に上面絶縁膜50が形成されている。振動子21、22の下面は凹部100内で露出している。なお、図1では上面絶縁膜50の図示を省略している。
図2(b)に示すように、振動子22の上面上の上面絶縁膜50の一部を除去して開口部55が形成されている。開口部55において振動子22と電気的に接続する金属電極60が、上面絶縁膜50上に形成されている。図1では、開口部55及び金属電極60の図示を省略している。
振動子21、22は凹部100内に自由端が延在する梁型振動子であり、振動子21、22の自由端は外部からの衝撃等の外因に応じて位置が変化する。振動子21の自由端と振動子22の自由端は交差指状に配置されるため、振動子21、22の位置が変化すると、振動子21と振動子22間の静電容量が変化する。半導体装置1は、振動子21と振動子22間の静電容量の変化に基づいて加速度を検出する。
半導体装置1の動作例を以下に説明する。半導体装置1に外力が加わると、外力の影響により振動子21と振動子22間の距離が変化する。振動子21と振動子22間に電圧を印加した状態で半導体装置1に外力が加わると、振動子21と振動子22間の距離の変化は、静電容量の変化として検知される。半導体装置1は、検知された静電容量の変化を検出信号で図示を省略する信号処理回路に伝達する。信号処理回路は、検出信号を処理して半導体装置1に生じた加速度を検出する。信号処理回路は、半導体装置1と同一チップ上に配置してもよいし、半導体装置1が配置されたチップと異なるチップ上に配置してもよい。
振動子22と半導体基板10の間に、振動子22と半導体基板10とを電気的に分離する絶縁分離領域30が配置される。このため、振動子21と振動子22がキャパシタプレートとして機能する。振動子22からの電気信号は、金属電極60を介して半導体装置1の外部に出力される。振動子21からの電気信号は、半導体基板10を介して半導体装置1の外部に出力される。
図3〜図11を参照して、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。図3〜図11において、図(a)は図1のIIa−IIa方向に沿った断面図、図(b)は図1のIIb−IIb方向に沿った断面図、図(c)は図1の領域Aの斜視図である。なお、以下に述べる半導体装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
(イ)図3に示すように、シリコン基板である半導体基板10の上面を熱酸化して酸化シリコン膜101を形成する。
(ロ)フォトレジスト膜をマスクにしたフォトリソグラフィ技術等を用いて酸化シリコン膜101の一部をエッチング除去して、酸化シリコン膜101をパターニングする。具体的には、側面絶縁膜40が形成される側面溝400、及び絶縁分離領域30が形成される分離溝300の領域上の酸化シリコン膜101を除去する。次いで、パターニングされた酸化シリコン膜101をマスクにして半導体基板10の上面をエッチングし、図4に示すように、側面溝400及び分離溝300を形成する。側面溝400及び分離溝300の溝幅Wは例えば0.5〜1μm程度である。側面溝400及び分離溝300の深さtは例えば30μm程度である。側面溝400及び分離溝300を形成するエッチングには、深堀り反応性イオンエッチング(D−RIE)法等が採用可能である。その後、図5に示すように酸化シリコン膜101を除去する。
(ハ)側面溝400の表面及び分離溝300の表面を熱酸化して、側面溝400を酸化膜で埋め込んだ側面絶縁膜40と分離溝300を酸化膜で埋め込んだ絶縁分離領域30とを同時に形成する。このとき、図6に示すように、半導体基板10の上面が熱酸化され、上面絶縁膜50が形成される。上面絶縁膜50の膜厚d0は、例えば2μm程度である。なお、側面溝400及び分離溝300が酸化膜で埋め込まれると、側面溝400及び分離溝300の表面での熱酸化プロセスは停止する。
(ニ)図7に示すように、エッチバックにより振動子21、22上の上面絶縁膜50の膜厚d1を0.5μm程度にする。例えば、フォトレジスト膜をマスクにしたフォトリソグラフィ技術等を用いて振動子21、22上の上面絶縁膜50の表面をエッチングする。
(ホ)図8に示すように、半導体基板10のエッチングされる領域上の上面絶縁膜50を除去し、凹部形成用の開口部53を形成する。同時に、振動子22からの電気信号を外部に出力するためのコンタクト用の開口部55を形成する。開口部53、55は、フォトレジスト膜をマスクにしたフォトリソグラフィ技術等を用いて形成可能である。
(ヘ)図9に示すように、開口部55を埋め込むように半導体基板10の上面全体に導電体層600を形成する。導電体層600には、アルミニウム(Al)膜や銅(Cu)膜等が採用可能である。例えば、スパッタ法により膜厚1〜3μm程度のAl膜を形成する。その後、必要に応じて、化学的機械的研磨(CMP)法等によって導電体層600の表面を平坦化する。例えば、図10に示すように上面絶縁膜50が露出するまで導電体層600の表面をエッチングして平坦化する。
(ト)フォトリソグラフィ技術等を用いて導電体層600をパターニングし、金属電極60を形成する。具体的には、図11に示すように、開口部55において振動子22と電気的に接続する金属電極60が上面絶縁膜50上に形成される。振動子21と振動子22間で検知された静電容量の変化は、金属電極60を介して振動子22の外部に出力される。その後、必要に応じて半導体基板10の裏面を研磨し、半導体基板10の基板厚を所望の厚みにする。
(チ)側面絶縁膜40及び上面絶縁膜50をマスクにして半導体基板10の露出した表面をエッチング除去し、図12に示すように振動子21、22の側面部を形成する。等方性エッチングによって半導体基板10をエッチングすることにより、振動子21、22の側面部を形成するエッチングに連続して振動子21、22の下面部を形成するエッチングが行われる。上記のような半導体基板10のエッチングによって、半導体基板10の表面に凹部100が形成され、振動子21、22が凹部100内に配置される。半導体基板10のエッチングには、二フッ化キセノン(XeF2)を使用した等方性エッチャー等が使用可能である。以上により、図1、図2(a)〜図2(c)に示す半導体装置1が完成する。
以上に説明したように、熱酸化によって側面溝400を酸化膜で埋め込んだ側面絶縁膜40及び分離溝300を酸化膜で埋め込んだ絶縁分離領域30が形成される。このため、側面溝400及び分離溝300の溝幅Wは1μm以下であることが好ましい。例えば溝幅Wが1μmの場合は、熱酸化により半導体基板10の表面に形成される上面絶縁膜50の膜厚d0は2μm程度に設定される。また、溝幅Wが0.5μmの場合は、上面絶縁膜50の膜厚d0は1.5μm程度に設定される。
上記のように溝幅Wを微細にすることにより、熱酸化工程のみで側面溝400及び分離溝300を酸化膜で埋め込むことができる。この場合、半導体基板10の上面に形成される上面絶縁膜50の表面は平坦であり、側面溝400及び分離溝300の上方に凹凸は形成されない。したがって、平坦化工程を実施する必要がなく、半導体装置1の製造工程を短縮できる。
また、側面溝400及び分離溝300を同時に形成するため、側面絶縁膜40と絶縁分離領域30の位置合わせ精度が向上する。
振動子21、22の下面は絶縁膜で覆われていないため、凹部100を形成する際に振動子21、22の下面が若干エッチングされる。しかし、凹部100に露出した絶縁分離領域30の下面と振動子21、22の下面はほぼ同一平面レベルにある。
半導体装置1では、振動子21、22の側面部が側面絶縁膜40で覆われているため、側面絶縁膜40より深い位置の半導体基板10が厚さ方向と水平な方向にもエッチングされて、振動子21、22の下面部が形成される。したがって、振動子21、22の厚みは側面溝400の深さtによって決まる。つまり、振動子21、22の厚みはD−RIE装置の性能に依存する。例えばアスペクト比が60〜100のD−RIE装置を使用すれば、溝幅Wが1μmの場合に振動子21、22の厚みは60〜100μmまで可能である。一方、側面絶縁膜40をCVD法で形成する場合は、側面絶縁膜40を安定して形成できる深さは20〜25μm程度である。
凹部100はD−RIE法を行わずに等方性エッチングによって形成される。このため、半導体装置1の製造コストを低減でき、スループットが向上する。
以上に説明したように、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造法によれば、側面溝400と分離溝300を熱酸化によって酸化膜で埋め込むことにより、側面絶縁膜40と絶縁分離領域30が同時に形成される。また、凹部100が等方性エッチングのみにより形成される。このため、絶縁分離領域30を形成し、且つ製造工程の増大を抑制できる半導体装置1の製造方法を提供できる。
<変形例>
図7では、振動子21、22上の上面絶縁膜50を一様の膜厚でエッチバックする例を示した。ただし、縦方向の加速度を検出する場合には、振動子21、22のいずれか一方について、上面絶縁膜50の一部をエッチバックせずに半導体装置1を製造する。ここで「縦方向」とは、半導体基板10の厚さ方向である。図13は振動子22上の上面絶縁膜50(50A)をエッチバックしない例を示す。
図7では、振動子21、22上の上面絶縁膜50を一様の膜厚でエッチバックする例を示した。ただし、縦方向の加速度を検出する場合には、振動子21、22のいずれか一方について、上面絶縁膜50の一部をエッチバックせずに半導体装置1を製造する。ここで「縦方向」とは、半導体基板10の厚さ方向である。図13は振動子22上の上面絶縁膜50(50A)をエッチバックしない例を示す。
振動子21と振動子22とで上面絶縁膜50の膜厚が異なる場合、応力の差によって梁の反り方が異なる。図14に、上面絶縁膜50をエッチバックせずに振動子22を形成した例を示す。このように振動子22上の上面絶縁膜50の膜厚が厚い場合は、図15に示すように、振動子22の自由端の上面が振動子21の自由端の上面より高くなる。これにより、縦方向の加速度を検出することができる。
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
既に述べた実施の形態の説明においては、半導体装置1が振動子21、22からなる一組の振動子組を有する例を示した。しかし、図16に示すように、二組の振動子組を用いて、X方向とY方向の加速度を検出する加速度センサを構成してもよい。図16に示した例では、例えば半導体装置1がX方向の加速度を検出する加速度センサであり、半導体装置1AがY方向の加速度を検出する加速度センサである。図16に示すように、X方向の加速度を検出する加速度センサとY方向の加速度を検出する加速度センサとでは、振動子の自由端が延伸する方向が互いに垂直である。或いは、図16に示した加速度センサに図13に示した縦方向(Z方向)の加速度を検出する振動子組を更に追加し、3次元の加速度を検出する加速度センサを構成してもよい。
また、半導体装置1が加速度センサである例を示したが、半導体装置1がMEMS素子以外の、例えばSAW素子或いはFBARであってもよい。また、振動子を有する半導体装置であれば、加速度センサ以外の、例えばジャイロセンサ等の製造方法にも本発明は適用可能である。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
1…半導体装置
10…半導体基板
21、22…振動子
30…絶縁分離領域
40…側面絶縁膜
50…上面絶縁膜
53、55…開口部
60…金属電極
100…凹部
101…酸化シリコン膜
300…分離溝
400…側面溝
600…導電体層
10…半導体基板
21、22…振動子
30…絶縁分離領域
40…側面絶縁膜
50…上面絶縁膜
53、55…開口部
60…金属電極
100…凹部
101…酸化シリコン膜
300…分離溝
400…側面溝
600…導電体層
Claims (6)
- 半導体基板に固定された固定端を有する梁型の振動子を備える半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板の上面に、前記振動子の側面絶縁膜が形成される側面溝、及び前記振動子と前記半導体基板間の絶縁分離領域が形成される分離溝を形成するステップと、
前記側面溝の表面及び前記分離溝の表面を熱酸化して、前記側面溝を酸化膜で埋め込んだ前記側面絶縁膜と前記分離溝を酸化膜で埋め込んだ前記絶縁分離領域を同時に形成するステップと、
前記側面絶縁膜と前記半導体基板上の上面絶縁膜をマスクにした前記半導体基板のエッチング工程によって、前記半導体基板の表面に形成された凹部内に配置された前記振動子を形成するステップと
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記半導体基板の前記振動子の側面に接する領域と下面に接する領域が、前記エッチング工程で連続してエッチングされる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。
- 前記側面溝の表面及び前記分離溝の表面を熱酸化するステップにおいて、前記半導体基板上に前記上面絶縁膜が形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半導体基板がシリコン基板であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記振動子上の前記上面絶縁膜の一部を除去して開口部を形成するステップと、
前記開口部で前記振動子と電気的に接続する金属電極を前記上面絶縁膜上に形成するステップと
を更に含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記側面溝及び前記分離溝の幅が1μm以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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