JP2010139264A - 半導体センサ及び半導体センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】錘部の移動に伴ってこれに連結された可撓部が変形する構成の半導体センサにおいて、その厚みを変えることなく、可撓部の強度や柔軟性を容易に調整できるようにする。
【解決手段】一部が可撓部Ｆとして構成される薄肉部１２と、その主面１２ｄから突出して薄肉部１２と共に錘部Ｍを構成する厚肉の凸部１１Ｂと、可撓部Ｆの変形又は変位を検出する検出手段１２１とを備え、凸部１１Ｂに隣り合う薄肉部１２の主面１２ｄに、薄肉部１２及び凸部１１Ｂと異なる種類の異種材料からなる調整層１３が形成され、積層された薄肉部１２及び調整層１３により可撓部Ｆが構成されている半導体センサ１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度、傾斜、角速度等の物理量を検出する半導体センサ、及びその製造方法に関する。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される加速度センサやジャイロセンサ等の半導体センサは、ビームやダイヤフラム等の可撓部を備えており、可撓部の変形や変位を電気信号に変換する半導体センサでは、可撓部に錘部を結合することによってその感度を高めている。
例えば特許文献１には、シリコン半導体基板によって形成された枠状の支持部及びその内側に配された錘部と、シリコン半導体基板の一部の層からなり支持部及び錘部の間に配された梁部（可撓部）とを備えた半導体センサが記載されている。この半導体センサにおいて、支持部及び錘部は、シリコン半導体基板を構成するシリコン窒化膜の一方の主面にシリコン酸化膜及び単結晶シリコン層を積層して構成されている。さらに、梁部の強度及び柔軟性を容易に調整できるように、梁部をなすシリコン窒化膜の他方の主面に樹脂膜を形成している。
特開２００６−２９５１４９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体センサでは、シリコン窒化膜の他方の主面に樹脂膜を追加しているため、半導体センサの厚みがシリコン半導体基板の厚さ寸法よりも大きくなり、近年要求の高まっている半導体センサの薄型化を阻害する虞がある。
また、梁部の強度や柔軟性は樹脂膜の厚みを変化することで調整されるが、結果として、半導体センサの特性が異なる毎に半導体センサの厚みが変化するため、半導体センサの各種電子機器への組み込みが面倒になる、という問題もある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、半導体センサの厚みを変えることなく、可撓部の強度や柔軟性を容易に調整できる半導体センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の半導体センサは、一部が可撓性を有する可撓部として構成される薄肉部と、前記薄肉部の主面から突出して前記薄肉部と共に錘部を構成する厚肉の凸部と、前記錘部の移動に伴う前記可撓部の変形又は変位を検出する検出手段とを備え、前記凸部に隣り合う前記薄肉部の主面に、前記薄肉部及び前記凸部と異なる種類の異種材料からなる調整層が形成され、積層された前記薄肉部及び前記調整層により前記可撓部が構成されていることを特徴とする。

この半導体センサによれば、錘部も構成する薄肉部の厚さを変えることなく、剛体調整層の厚さ寸法を変化させるだけで、可撓部の強度や柔軟性を容易に調整することができる。また、固有振動数やＱ値（振動の状態を表す無次元数）等の可撓部の振動特性を簡単に所望の値に調整することができる。
さらに、可撓部をなす調整層は、錘部をなす凸部と共に薄肉部の同一の主面に形成されているため、調整層を追加しても半導体センサの厚みが増加することを防止して、半導体センサの薄型化を図ることができる。
また、調整層の厚みを変化させても、半導体センサの厚さ寸法の変化を防止できるため、半導体センサの各種電子機器への組み込みも容易に行うことができる。

なお、前記半導体センサにおいては、前記調整層が、相互に弾性係数の異なる複数の前記異種材料からなる複数の異種材料層によって構成されていてもよい。
この場合には、異種材料層の積層数や各異種材料層の厚さ寸法を変化させることで、可撓部の固有振動数やＱ値を高い精度で調整することが可能となる。

そして、本発明の半導体センサの製造方法は、シリコンバルクの異方性エッチングにより、薄肉部の主面から突出する厚肉の凸部を形成して、前記薄肉部及びこれに積層された前記凸部により錘部を構成すると共に、前記凸部に隣り合う前記薄肉部により可撓性を有する可撓部の一部を構成するセンサ形成工程と、前記凸部に隣り合う前記薄肉部の主面に、前記シリコンバルクと異なる種類の異種材料を堆積してなる調整層を形成することで、前記薄肉部及びこれに積層された前記調整層により前記可撓部を構成する可撓部形成工程と、を備えることを特徴とする。
この製造方法を実施することで前記半導体センサを製造することができる。

なお、前記半導体センサの製造方法においては、例えば可撓部形成工程後に前記調整層の厚さ寸法を変化させる調整工程を実施してもよい。また、前記調整工程は、ドライエッチング等により前記調整層の厚みを減少させる可撓部エッチング工程、及び、前記異種材料を追加して前記調整層の厚みを増加させる追加堆積工程のいずれか一方、あるいは両方を備えていてもよい。

前記調整工程を実施することで、可撓部の振動特性をさらに高精度に調整することが可能となる。すなわち、可撓部形成工程を経た半導体センサに対して、可撓部の振動特性を測定する測定工程を実施する。この際、測定された可撓部の固有振動数やＱ値が所望の値を示していない場合に、上述した調整工程を実施することで可撓部の固有振動数やＱ値を所望の値に一致させたり近づけることができる。

本発明によれば、半導体センサの厚みを変えることなく、可撓部の強度や柔軟性を容易に調整することができる。

以下、図１〜３を参照して本発明の一実施形態に係る半導体センサについて説明する。図１に示すように、この実施形態に係る半導体センサ１は、平面視環状に形成された支持部Ｓと、支持部Ｓの内側に間隔をあけて配された平面視略矩形の錘部Ｍと、可撓性を有して支持部Ｓと錘部Ｍとを一体に連結する複数の可撓部Ｆと、検出手段としてのピエゾ抵抗部１２１とを備えている。すなわち、この半導体センサ１は、慣性力に応じた可撓部Ｆの変形又は変位をピエゾ抵抗部１２１によって電気信号に変換することで加速度を検出する加速度センサとして構成されており、また、ＭＥＭＳ技術を用いてＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハ（シリコンバルク）１０によって製造されている。

支持部Ｓ及び錘部Ｍは、ベースウエハ１１上に半導体層（ＳＯＩ層）１２を積層したＳＯＩウエハ１０によって構成されており、支持部Ｓ及び錘部Ｍの厚さ寸法は、ＳＯＩウエハ１０の厚さ寸法に等しい。言い換えれば、支持部Ｓは、半導体層（薄肉部）１２、及び、その下面（主面）１２ｄの周縁から突出する平面視環状の枠体部１１Ａをなすベースウエハ１１によって構成されている。また、錘部Ｍは、半導体層（薄肉部）１２、及び、枠体部１１Ａの内側に間隔をあけるように半導体層１２の下面１２ｄの中央部分から突出する凸部１１Ｂをなすベースウエハ１１によって構成されている。
なお、ベースウエハ１１は、単結晶シリコン層１１１上に二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる酸化層１１２を積層して構成され、半導体層１２は酸化層１１２上に積層されている。また、酸化層１１２は、単結晶シリコン（Ｓｉ）からなるベースウエハ１１の熱酸化された表層である。

可撓部Ｆは、ＳＯＩウエハ１０の半導体層１２の一部、及び、半導体層１２の下面１２ｄに積層された調整層１３によって構成されている。調整層１３は、樹脂材料からなり、枠体部１１Ａ及び凸部１１Ｂの間に位置する半導体層１２の下面１２ｄに形成されている。調整層１３の厚さ寸法はベースウエハ１１の厚さ寸法よりも小さく設定され、調整層１３の先端面１３ｄがベースウエハ１１の下面１１ｄから窪んだ位置に配されている。この調整層１３を構成する樹脂材料としては、例えばエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、あるいは、感光性樹脂などが挙げられる。

この可撓部Ｆは、支持部Ｓに対する錘部Ｍの移動に伴って変形すれば、例えば支持部Ｓの内縁全体に連結されるダイヤフラム状に形成されていてもよいし、支持部Ｓの周方向に複数に分割して形成されていてもよい。また、可撓部Ｆは、例えば支持部Ｓと錘部Ｍとの間に１つだけ形成される片持ち梁状に形成されてもよい。
ピエゾ抵抗部１２１は、可撓部Ｆをなす半導体層１２の上面１２ｃ側に複数形成されており、半導体層１２上にはピエゾ抵抗部１２１の図示しない配線等が形成されている。

上記構成の半導体センサ１を製造する場合には、はじめに、ＳＯＩウエハ１０の半導体層１２に不純物を注入してピエゾ抵抗部１２１を形成する工程や、半導体層１２を可撓部Ｆの平面視形状に合わせてエッチングする工程や、半導体層１２上にピエゾ抵抗部１２１の配線を形成する工程を実施しておく。これらの工程は、特開平８−２７４３４９号公報等に開示されているように公知であるため、その説明を省略する。

次に、ベースウエハ１１をＤｅｅｐ−ＲＩＥ等により異方性エッチングすることで、図２に示すように、ベースウエハ１１を枠体部１１Ａと凸部１１Ｂとに区画する環状の区画凹部Ｈ１を形成するセンサ形成工程を実施する。これにより、半導体層１２及びこれに積層された平面視環状の枠体部１１Ａによって支持部Ｓが構成され、半導体層１２及びこれに積層された凸部１１Ｂによって錘部Ｍが構成される。また、区画凹部Ｈ１の深さ寸法はベースウエハ１１の厚さ寸法と同等に設定されているため、枠体部１１Ａ及び凸部１１Ｂの間に位置する半導体層１２の下面１２ｄが露出する。この下面１２ｄが露出した半導体層１２の部分は可撓部Ｆの一部を構成している。

そして、図３に示すように、区画凹部Ｈ１をなす半導体層１２の下面１２ｄに樹脂材料を堆積して、樹脂材料１４からなる調整層１３を形成する可撓部形成工程を実施する。
この工程においては、はじめに、ベースウエハ１１の下面１１ｄ側から樹脂材料１４を塗布して区画凹部Ｈ１に入り込ませる。樹脂材料１４の具体的な塗布方法としては、例えばスピンコート法、ディップコート法、スプレーによる塗布等のようにベースウエハ１１の下面１１ｄ及び半導体層１２の下面１２ｄ全体にわたって樹脂材料１４を塗布する方法や、ディスペンサーにより区画凹部Ｈ１及びその近傍のみに局所的に樹脂材料１４を塗布する方法、また、区画凹部Ｈ１の平面視形状に合わせてパターニングされた樹脂材料１４を印刷する方法が挙げられる。

次いで、ベースウエハ１１の下面１１ｄに残存する樹脂材料１４をスクイーズや研磨、ドライエッチング等の方法により除去する。なお、樹脂材料１４が感光性樹脂である場合には、露光現像によりベースウエハ１１の下面１１ｄに残存する樹脂材料を除去することもできる。
その後、真空脱泡により区画凹部Ｈ１内の樹脂材料１４中に含まれる気泡を除去し、さらに、この樹脂材料１４を硬化させることで図１に示す調整層１３が形成される。なお、この際には、樹脂材料１４を２００℃〜４００℃の間で硬化させることで、区画凹部Ｈ１内に形成される調整層１３の先端面１３ｄの平坦化を図ることができる。

そして、この可撓部形成工程の終了後に、ダイシング等の後工程を実施することで、図１に示す半導体センサ１の製造が完了する。
なお、前述した可撓部形成工程は、上述したようにウエハレベルで実施することが好ましいが、例えばダイシングして個片化された半導体センサ１の状態で実施しても構わない。また、個片化された半導体センサ１の状態で可撓部形成工程を実施する場合には、ディスペンサーを用いて樹脂材料１４を塗布することが好ましい。

上記半導体センサ１によれば、その厚みを変えることなく、可撓部Ｆの強度や柔軟性を容易に調整することができる。すなわち、支持部Ｓや錘部Ｍも構成する半導体層１２の厚さを変えることなく、調整層１３の厚さ寸法を変化させるだけで、可撓部Ｆの強度や柔軟性を容易に調整することができる。また、固有振動数やＱ値等の可撓部Ｆの振動特性を簡単に所望の値に調整することができる。
さらに、可撓部Ｆをなす調整層１３は、支持部Ｓをなす枠体部１１Ａや錘部Ｍをなす凸部１１Ｂと共に半導体層１２の同一の下面１２ｄに形成されているため、調整層１３を追加しても半導体センサ１の厚みが増加することを防止して、半導体センサ１の薄型化を図ることができる。

以上のことから、多数の半導体センサ１を製造する際に半導体層１２の厚さ寸法にばらつきがあっても、多数の半導体センサ１における可撓部Ｆの振動特性を容易に揃えることができ、その結果として、半導体センサ１の歩留まり向上を図ることができる。
また、半導体センサ１の開発に際しては、同一種類のＳＯＩウエハ１０を用いて、多種類の可撓部Ｆの振動特性を有する半導体センサの試作品を製造できるため、開発効率の向上も図ることができる。
さらに、調整層１３の厚みを変化させても、半導体センサ１の厚さ寸法の変化を防止できるため、半導体センサ１の各種電子機器への組み込みも容易に行うことができる。

なお、上記実施形態において、調整層１３は、ＳＯＩウエハ１０と異なる１種類の樹脂材料によって形成されるとしたが、例えば図４に示すように、相互に弾性係数の異なる複数の樹脂材料からなる複数の異種材料層２１，２３によって構成されてもよい。すなわち、可撓部Ｆをなす半導体層１２の下面１２ｄには、複数の異種材料層２１，２３を積層してもよい。そして、複数の異種材料層２１，２３を形成する際には、上記実施形態において示した可撓部形成工程を異種材料層２１，２３ごとに実施すればよい。
この構成の場合には、異種材料層２１，２３の積層数や各異種材料層２１，２３の厚さ寸法を変化させることで、可撓部Ｆの固有振動数やＱ値を高い精度で調整することが可能となる。

また、半導体センサ１の製造方法においては、可撓部形成工程後に、調整層１３の厚さ寸法を変化させる調整工程を実施してもよい。この調整工程は、調整層１３をその先端面１３ｄ側からエッチングしてその厚みを減少させる可撓部エッチング工程、及び、樹脂材料を追加して調整層１３の厚みを増加させる追加堆積工程のいずれか一方、あるいは両方を備えていてもよい。
可撓部エッチング工程の具体例としては、例えばＯ_２ドライアッシング等のドライエッチングが挙げられる。また、追加堆積工程は、上記実施形態の可撓部形成工程と同様に行えばよい。さらに、追加堆積工程において追加塗布する樹脂材料は、可撓部形成工程において塗布した樹脂材料と同一種類であってもよいし、異なる種類であってもよい。

上記調整工程を実施することで、可撓部Ｆの振動特性をさらに高精度に調整することが可能となる。
すなわち、可撓部形成工程を経た半導体センサ１に対して、可撓部Ｆの振動特性を測定する測定工程を実施する。この際、測定された可撓部Ｆの固有振動数やＱ値が所望の値を示していない場合に、上述した調整工程を実施することで可撓部Ｆの固有振動数やＱ値を所望の値に一致させたり近づけることができる。
なお、これら測定工程及び調整工程は、１回のみ実施してもよいし、複数回繰り返して実施してもよい。また、これら測定工程や調整工程は、少なくとも可撓部形成工程後に実施されればよく、ダイシング等の後工程の前後のいずれでも実施することが可能である。すなわち、測定工程や調整工程は、ウエハレベルで実施してもよいし、ダイシングして個片化された半導体センサ１の状態で実施しても構わない。

また、調整層１３やこれを構成する複数の異種材料層２１，２３は、樹脂材料によって形成されることに限らず、少なくとも可撓性を有する可撓部Ｆとして機能するように、ＳＯＩウエハ１０と異なる種類の異種材料によって形成されていればよい。
さらに、可撓部Ｆは、半導体層１２及びこれに積層された調整層１３によって構成されるとしたが、例えば半導体層１２、酸化層１１２及びこれに積層された調整層１３によって構成されてもよい。この場合には、ベースウエハ１１のうち単結晶シリコン層１１１のみが、支持部Ｓの枠体部１１Ａや、錘部Ｍの凸部１１Ｂを構成することになる。

また、半導体センサ１は支持部Ｓを備えるとしたが、少なくとも錘部Ｍ及び可撓部Ｆを備えていればよい。
さらに、本発明は、加速度センサに限らず、角速度センサ、圧力センサ、振動センサ、マイクロフォン等の半導体センサにも広く適用することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

この発明の一実施形態に係る半導体センサを示す概略断面図である。 図１の半導体センサの製造方法を示す断面図である。 図１の半導体センサの製造方法を示す断面図である。 この発明の他の実施形態に係る半導体センサを示す概略断面図である。

符号の説明

１…半導体センサ、１０…ＳＯＩウエハ（シリコンバルク）、１１…ベースウエハ、１１Ａ…枠体部、１１Ｂ…凸部、１２…半導体層（薄肉部）、１２ｄ…下面（主面）、１３…調整層、２１，２３…異種材料層、１２１…ピエゾ抵抗部（検出手段）、Ｆ…可撓部、Ｍ…錘部、Ｓ…支持部

Claims (3)

1. 一部が可撓性を有する可撓部として構成される薄肉部と、前記薄肉部の主面から突出して前記薄肉部と共に錘部を構成する厚肉の凸部と、前記錘部の移動に伴う前記可撓部の変形又は変位を検出する検出手段とを備え、
   前記凸部に隣り合う前記薄肉部の主面に、前記薄肉部及び前記凸部と異なる種類の異種材料からなる調整層が形成され、
   積層された前記薄肉部及び前記調整層により前記可撓部が構成されていることを特徴とする半導体センサ。
2. 前記調整層が、相互に弾性係数の異なる複数の前記異種材料からなる複数の異種材料層によって構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
3. シリコンバルクの異方性エッチングにより、薄肉部の主面から突出する厚肉の凸部を形成して、前記薄肉部及びこれに積層された前記凸部により錘部を構成すると共に、前記凸部に隣り合う前記薄肉部により可撓性を有する可撓部の一部を構成するセンサ形成工程と、
   前記凸部に隣り合う前記薄肉部の主面に、前記シリコンバルクと異なる種類の異種材料を堆積してなる調整層を形成することで、前記薄肉部及びこれに積層された前記調整層により前記可撓部を構成する可撓部形成工程と、を備えることを特徴とする半導体センサの製造方法。

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