JP2010199133A - Method of manufacturing mems, and mems - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture an MEMS which can be made compact and has small variations in characteristics. <P>SOLUTION: This method includes: forming a plurality of recessed parts in an annular region on a first principal surface of a substrate made of single-crystal silicon; forming an annular cavity in the substrate from the plurality of recessed parts, and also forming a thick part and a thin part which are partitioned by the cavity, and a column part enclosed with the cavity and coupling the thin part and thick part by heat-treating the substrate in a non-oxidizing atmosphere; and forming an annular groove reaching the cavity from a second principal surface of the substrate which corresponds to the reverse surface of the first principal surface to divide the thick part into a frame part positioned outside the annular groove and coupled with the thin part and a weight part positioned inside the annular groove and coupled with the column part. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ＭＥＭＳおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a MEMS and a manufacturing method thereof.

従来、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術によって加速度センサやジャイロセンサなどのモーションセンサやアクチュエータを製造する方法が知られている（例えば特許文献１〜９）。特許文献５にはシリコン基板を非酸化性雰囲気中で熱処理し基板内に空洞を形成して、圧力センサを製造する技術が記載されている。特許文献６には、特許文献５と同様にシリコン基板内に空洞を形成し、静電容量型の加速度センサを製造する技術が記載されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, methods for manufacturing motion sensors and actuators such as acceleration sensors and gyro sensors using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology are known (for example, Patent Documents 1 to 9). Patent Document 5 describes a technique for manufacturing a pressure sensor by heat-treating a silicon substrate in a non-oxidizing atmosphere to form a cavity in the substrate. Patent Document 6 describes a technique for manufacturing a capacitance type acceleration sensor by forming a cavity in a silicon substrate as in Patent Document 5.

特開平０６−３４２００６号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-342006 特開平０８−２７４３４９号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-274349 特開平０８−２４８０６１号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-248061 特開平０９−０１５２５７号公報JP 09-015257 A 特開２００７−２６６６１３号公報JP 2007-266613 A 特開２００２−５７６３号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-5863 特開平０８−５４４１３号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-54413 特許第２８９２７８８号公報Japanese Patent No. 2892788 特許第３１７０６６７号公報Japanese Patent No. 3170667

特許文献１には、枠部と錘部と梁部はシリコンで一体に形成してもよいと記載されているがその具体的方法について記載がない。また、梁部と錘部を別々に形成し接着する方法では、貼り合わせの位置精度が低いという問題がある。特許文献２には、メッキで錘部を形成する方法が記載されているが、メッキ成膜には時間がかかるし、成膜精度によりＭＥＭＳの特性がばらつくという問題がある。また、メッキ成膜時の応力が梁部に残留しオフセットが発生するがそのオフセットはＭＥＭＳごとにばらつく。また、熱膨張係数が梁部のＳｉと錘部の金属とで異なるため温度変化により薄肉部での応力が変化し特性が安定しない。特許文献３，４は梁部と錘部とを貼り合わせることが記載されているが、貼り合わせの位置精度と、貼り合わせ時の応力を緩和させるための対応が必要である点に課題が残る。特許文献５，６にはダイアフラム型以外の加速度センサや角速度センサの製造方法は記載されていない。特許文献７〜９には、錘部が二層構造のＭＥＭＳの製造方法が記載されているが、接合の位置精度が課題として残る。   In Patent Document 1, it is described that the frame portion, the weight portion, and the beam portion may be integrally formed of silicon, but there is no description about a specific method thereof. In addition, the method of separately forming and bonding the beam portion and the weight portion has a problem that the bonding positional accuracy is low. Patent Document 2 describes a method of forming a weight portion by plating. However, it takes time to form a plating film, and there is a problem that the characteristics of MEMS vary depending on the film forming accuracy. In addition, the stress at the time of plating film formation remains in the beam portion and an offset occurs, but the offset varies for each MEMS. In addition, since the coefficient of thermal expansion differs between the Si of the beam portion and the metal of the weight portion, the stress at the thin wall portion changes due to temperature change, and the characteristics are not stable. Patent Documents 3 and 4 describe that the beam portion and the weight portion are bonded to each other, but there remains a problem in that the positional accuracy of the bonding and a measure for relaxing the stress at the time of bonding are necessary. . Patent Documents 5 and 6 do not describe a method of manufacturing an acceleration sensor or an angular velocity sensor other than the diaphragm type. Patent Documents 7 to 9 describe a method of manufacturing a MEMS having a double-layered weight portion, but the bonding position accuracy remains as a problem.

本発明は、小型化可能で、特性のばらつきが少ない高精度なＭＥＭＳを製造することを目的の１つとする。   An object of the present invention is to manufacture a highly accurate MEMS that can be miniaturized and has little variation in characteristics.

（１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法は、単結晶シリコンからなる基板の第一の主面の環状領域に複数の凹部を形成し、前記基板を非酸化性雰囲気中で熱処理することによって、前記複数の凹部から前記基板内に環状の空洞を形成するとともに、前記空洞によって隔てられた薄肉部と厚肉部と、前記空洞に囲まれ前記薄肉部と前記厚肉部とを連結している支柱部とを形成し、前記第一の主面の裏面に相当する前記基板の第二の主面から、前記空洞に到達する環状溝を形成することによって、前記環状溝の外側に位置し前記薄肉部と結合する枠部と前記環状溝の内側に位置し前記支柱部に結合する錘部とに前記厚肉部を分割する、ことを含む。   (1) In a MEMS manufacturing method for achieving the above object, a plurality of recesses are formed in an annular region of a first main surface of a substrate made of single crystal silicon, and the substrate is heat-treated in a non-oxidizing atmosphere. As a result, an annular cavity is formed in the substrate from the plurality of recesses, and the thin part and the thick part separated by the cavity are connected to the thin part and the thick part surrounded by the cavity. And forming an annular groove that reaches the cavity from the second main surface of the substrate corresponding to the back surface of the first main surface. And dividing the thick portion into a frame portion positioned and coupled to the thin portion and a weight portion located inside the annular groove and coupled to the support column.

本発明の方法で製造されたＭＥＭＳは、環状の空洞を間に挟んで錘部と薄肉部が対向する構造を形成できるため、ＭＥＭＳの小型化が容易である。また、薄肉部と錘部と支柱部と枠部の大部分が単結晶シリコンで構成されるため熱膨張係数のばらつきがなく温度特性が安定する。また、空洞を形成するための複数の孔の第一の主面からの深さや径、孔のレイアウト等を調整することにより、空洞の位置や薄肉部の厚さを制御することができる。さらに、熱処理によって空洞を形成するため、空洞の角部は丸みを帯びる。空洞の角部は薄肉部、枠部、支柱部および錘部が互いに結合する部分を構成するため、各構成要素の結合部分における応力集中を低減できる。そのため耐衝撃性が向上する。また、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いてＭＥＭＳを製造する従来の構成と比較して本発明の製造方法ではＳＯＩ基板が不要であるためコストを削減することができる。   Since the MEMS manufactured by the method of the present invention can form a structure in which the weight portion and the thin portion face each other with an annular cavity interposed therebetween, it is easy to reduce the size of the MEMS. In addition, since most of the thin part, the weight part, the column part, and the frame part are made of single crystal silicon, there is no variation in the thermal expansion coefficient and the temperature characteristics are stabilized. Moreover, the position of the cavity and the thickness of the thin portion can be controlled by adjusting the depth and diameter of the plurality of holes for forming the cavity from the first main surface, the layout of the holes, and the like. Further, since the cavity is formed by the heat treatment, the corner of the cavity is rounded. The corner portion of the cavity constitutes a portion where the thin portion, the frame portion, the column portion, and the weight portion are coupled to each other, so that stress concentration at the coupling portion of each component can be reduced. Therefore, impact resistance is improved. In addition, the manufacturing method of the present invention does not require an SOI substrate as compared with a conventional configuration in which a MEMS is manufactured using an SOI (Silicon On Insulator) substrate, so that the cost can be reduced.

（２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法において、前記空洞を形成した後であって前記環状溝を形成する前に、前記薄肉部のうち除去しようとする領域に前記第一の主面から前記空洞に到達する複数の孔を形成し、前記空洞に面する前記基板の内壁の表層を酸化させてもよい。
本発明によると、空洞に面する基板の内壁に形成された酸化膜が、環状溝を形成する際のエッチングストッパとなり、環状溝を形成する工程で薄肉部までオーバーエッチングされることを防ぐことができる。 (2) In the MEMS manufacturing method for achieving the above object, after forming the cavity and before forming the annular groove, the first main portion is formed in a region to be removed in the thin portion. A plurality of holes reaching the cavity from a surface may be formed, and the surface layer of the inner wall of the substrate facing the cavity may be oxidized.
According to the present invention, the oxide film formed on the inner wall of the substrate facing the cavity serves as an etching stopper when forming the annular groove, and prevents the thin-walled portion from being over-etched in the process of forming the annular groove. it can.

（３）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法において、前記空洞に面する前記基板の内壁の表層を酸化させるとともに、前記薄肉部のうち除去しようとする領域全体を酸化させ、前記環状溝を形成した後、前記基板の酸化領域を除去してもよい。
本発明によると、酸化膜の除去と、梁部の形成を共通の工程で実施することができるため、工程が簡略化できコスト削減につなげることができる。 (3) In the MEMS manufacturing method for achieving the above object, the surface layer of the inner wall of the substrate facing the cavity is oxidized, and the entire region to be removed is oxidized in the thin portion, and the annular groove is formed. After forming, the oxidized region of the substrate may be removed.
According to the present invention, since the removal of the oxide film and the formation of the beam portion can be performed in a common process, the process can be simplified and the cost can be reduced.

（４）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法において、前記空洞を形成した後、前記薄肉部を一部除去することによって前記空洞の開口を形成するとともに、前記薄肉部からなり前記支柱部と前記枠部とを連結する梁部を形成し、前記環状溝を形成する前に、前記開口から前記空洞を犠牲層で埋め、前記環状溝を形成した後、前記犠牲層を除去してもよい。
本発明によると、空洞を埋めている犠牲層が、環状溝を形成する際のエッチングストッパとなり、環状溝を形成する工程で梁部までオーバーエッチングされることを防ぐことができる。 (4) In the MEMS manufacturing method for achieving the above object, after forming the cavity, the thin wall portion is partially removed to form an opening of the cavity, and the column portion includes the thin wall portion. And forming the beam portion connecting the frame portion and forming the annular groove before filling the cavity with the sacrificial layer and forming the annular groove and then removing the sacrificial layer. Good.
According to the present invention, the sacrificial layer filling the cavity serves as an etching stopper when forming the annular groove, and it is possible to prevent the beam portion from being over-etched in the step of forming the annular groove.

（５）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法において、前記開口を形成した後、前記空洞を前記犠牲層で埋める前に、前記第一の主面と前記第二の主面と前記空洞に面する前記基板の内壁を酸化し、前記梁部の表裏両面の酸化膜を残存させてもよい。
本発明の製造方法で製造したＭＥＭＳには、梁部の表裏両面に同じ材質で同じ膜厚の酸化膜が形成されているため、温度変化が発生しても表裏両面の酸化膜によって梁部の応力がバランスし、温度特性が安定する。 (5) In the MEMS manufacturing method for achieving the above object, the first principal surface, the second principal surface, and the cavity are formed after the opening is formed and before the cavity is filled with the sacrificial layer. The inner wall of the substrate facing the substrate may be oxidized to leave oxide films on both the front and back surfaces of the beam portion.
In the MEMS manufactured by the manufacturing method of the present invention, an oxide film having the same thickness and the same material is formed on both the front and back surfaces of the beam portion. Stress is balanced and temperature characteristics are stable.

（６）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法において、前記空洞を形成した後、前記薄肉部のうち除去しようとする領域であって前記錘部を形成する領域の外側の位置において、前記第一の主面から前記空洞に到達する複数の前記孔を形成してもよい。
本発明によると、前記空洞内壁に酸化膜を成膜するための孔を形成する際に、厚肉部の薄肉部側の面の一部をエッチングしてしまうが、環状溝を形成する際に厚肉部でエッチングされた領域は除去されるため、錘部にオーバーエッチングによる凹凸が残存せず、錘部の特性にばらつきが発生することを防ぐことができる。 (6) In the MEMS manufacturing method for achieving the above object, after forming the cavity, the thin portion is a region to be removed and is located outside the region where the weight portion is formed. A plurality of the holes reaching the cavity from the first main surface may be formed.
According to the present invention, when forming a hole for forming an oxide film on the inner wall of the cavity, a part of the surface on the thin part side of the thick part is etched, but when forming the annular groove Since the region etched by the thick portion is removed, unevenness due to overetching does not remain in the weight portion, and variation in the characteristics of the weight portion can be prevented.

（７）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法において、前記空洞を形成した後、前記第一の主面に絶縁層を形成し、前記絶縁層の表面に、積層された一対の電極と当該一対の電極に挟まれた圧電膜とを形成してもよい。
本発明によると、特性が安定し歩留まりの高いジャイロセンサを製造することができる。空洞が形成された単結晶シリコン基板は、ＳＯＩ基板と比べて基板の反りが少ないため、本発明のように空洞を形成した単結晶シリコン基板上に電極や圧電膜を成膜する際、ウエハの表面において温度が均一となり、ウエハ表面で圧電材料の結晶性や圧電特性の均一性が高くなるためである。 (7) In the MEMS manufacturing method for achieving the above object, after forming the cavity, an insulating layer is formed on the first main surface, and a pair of electrodes stacked on the surface of the insulating layer A piezoelectric film sandwiched between the pair of electrodes may be formed.
According to the present invention, a gyro sensor having stable characteristics and a high yield can be manufactured. Since a single crystal silicon substrate having a cavity has less warpage of the substrate than an SOI substrate, when an electrode or a piezoelectric film is formed on a single crystal silicon substrate having a cavity as in the present invention, This is because the temperature becomes uniform on the surface, and the crystallinity and the uniformity of the piezoelectric characteristics of the piezoelectric material increase on the wafer surface.

（８）上記目的を達成するためのＭＥＭＳは、枠部と、前記枠部の内側に結合している薄肉部と、前記薄肉部の一方の面から突出している支柱部と、前記枠部の内側において前記支柱部に結合し前記支柱部よりも前記枠部に向かって突出している錘部とを備え、前記枠部と前記薄肉部と前記支柱部と前記錘部とは単結晶シリコンバルクで構成されている。
本発明によると、枠部と薄肉部と支柱部と錘部が単結晶シリコンバルクで構成されているため、熱膨張係数が等しく温度特性が安定する。 (8) The MEMS for achieving the above object includes a frame portion, a thin wall portion coupled to the inside of the frame portion, a support column portion protruding from one surface of the thin wall portion, A weight part that is coupled to the pillar part on the inside and protrudes toward the frame part from the pillar part, and the frame part, the thin part, the pillar part, and the weight part are formed of a single crystal silicon bulk. It is configured.
According to the present invention, since the frame part, the thin part, the column part, and the weight part are formed of the single crystal silicon bulk, the thermal expansion coefficient is equal and the temperature characteristics are stabilized.

（９）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、前記枠部と前記薄肉部とがなす内角部と、前記薄肉部と前記支柱部とがなす内角部と、前記支柱部と前記錘部とがなす内角部は、なだらかな凹曲面をなしている。
本発明によると、内角部の応力集中が少なく、各部の結合部分での破断が発生しにくくなり耐衝撃性が向上する。 (9) In the MEMS for achieving the above object, an inner corner portion formed by the frame portion and the thin portion, an inner corner portion formed by the thin portion and the support portion, the support portion and the weight portion, The inner corner formed is a gentle concave surface.
According to the present invention, the stress concentration in the inner corner portion is small, and breakage at the joint portion of each portion is less likely to occur, and impact resistance is improved.

（１０）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、前記薄肉部の表裏両面には膜厚の等しい酸化シリコン層があってもよい。
本発明によると、温度変化が発生しても表裏両面の酸化シリコン層にて薄肉部の応力がバランスするため、温度特性が安定する。 (10) In the MEMS for achieving the above object, there may be silicon oxide layers having the same film thickness on both the front and back surfaces of the thin portion.
According to the present invention, even if the temperature changes, the stress in the thin portion is balanced between the silicon oxide layers on both the front and back surfaces, so that the temperature characteristics are stabilized.

尚、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。   The order of the operations described in the claims is not limited to the order of description as long as there is no technical obstruction factor, and may be executed at the same time, may be executed in the reverse order of the description order, or may be continuous. It does not have to be executed in order.

（１Ａ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの断面図、（１Ｂ）はその平面図。(1A) is a cross-sectional view of the MEMS of the embodiment group A / first embodiment, and (1B) is a plan view thereof. （２Ａ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（２Ｂ）はその平面図。(2A) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of embodiment group A and 1st embodiment, (2B) is the top view. （３Ａ）および（３Ｂ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３Ｃ）はその平面図。(3A) and (3B) are sectional views for explaining a method for manufacturing the MEMS of the embodiment group A / first embodiment, and (3C) is a plan view thereof. （４Ａ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（４Ｂ）はその平面図。(4A) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of embodiment group A and 1st embodiment, (4B) is the top view. （５Ａ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（５Ｂ）はその平面図。(5A) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of Embodiment group A and 1st embodiment, (5B) is the top view. 実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of embodiment group A and 1st embodiment. 実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of embodiment group A and 1st embodiment. （８Ａ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（８Ｂ）はその平面図。(8A) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of embodiment group A and 1st embodiment, (8B) is the top view. （９Ａ）および（９Ｂ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（９Ｃ）はその平面図。(9A) and (9B) are cross-sectional views for explaining the MEMS manufacturing method of the embodiment group A / first embodiment, and (9C) is a plan view thereof. （１０Ａ）は実施形態群Ａ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（１０Ｂ）はその平面図。(10A) is a cross-sectional view for explaining the MEMS manufacturing method of the embodiment group A / first embodiment, and (10B) is a plan view thereof. （１１Ａ）は実施形態群Ａ・第二実施形態のＭＥＭＳの断面図、（１１Ｂ）はその平面図。(11A) is a sectional view of the MEMS of the embodiment group A / second embodiment, and (11B) is a plan view thereof. （１２Ａ）および（１２Ｂ）は実施形態群Ａ・第二実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（１２Ｃ）はその平面図。(12A) and (12B) are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing the MEMS of the embodiment group A / second embodiment, and (12C) is a plan view thereof. （１３Ａ）および（１３Ｂ）は実施形態群Ａ・第二実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（１３Ｃ）はその平面図。(13A) and (13B) are cross-sectional views for explaining the MEMS manufacturing method of the embodiment group A / second embodiment, and (13C) is a plan view thereof. （１４Ａ）は実施形態群Ａ・第二実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（１４Ｂ）はその平面図。(14A) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of embodiment group A and 2nd embodiment, (14B) is the top view. 実施形態群Ａ・第二実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of embodiment group A and 2nd embodiment. 実施形態群Ａ・第二実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of embodiment group A and 2nd embodiment. （１７Ａ）および（１７Ｂ）は他の実施形態のＭＥＭＳの断面図、（１７Ｃ）はその平面図。(17A) and (17B) are cross-sectional views of MEMS according to another embodiment, and (17C) is a plan view thereof. （１８Ａ）および（１８Ｂ）は実施形態群Ａ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（１８Ｃ）はその平面図。(18A) and (18B) are cross-sectional views for explaining a manufacturing method of the MEMS of the embodiment group A and other embodiments, and (18C) is a plan view thereof. （１９Ａ）は実施形態群Ａ・他の実施形態のＭＥＭＳの断面図、（１９Ｂ）はその平面図。(19A) is a cross-sectional view of the MEMS of the embodiment group A and other embodiments, and (19B) is a plan view thereof. （２０Ａ）および（２０Ｂ）は実施形態群Ａ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（２０Ｃ）はその部分拡大図、（２０Ｄ）はその平面図。(20A) and (20B) are cross-sectional views for explaining a manufacturing method of the MEMS of the embodiment group A and other embodiments, (20C) is a partially enlarged view thereof, and (20D) is a plan view thereof. 実施形態群Ａ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of embodiment group A and other embodiment. （２２Ａ）は実施形態群Ａ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（２２Ｂ）および（２２Ｃ）はその部分拡大図。(22A) is a cross-sectional view for explaining a manufacturing method of the MEMS of the embodiment group A and other embodiments, and (22B) and (22C) are partially enlarged views thereof. （２３Ａ）および（２３Ｂ）は実施形態群Ａ・他の実施形態のＭＥＭＳの断面図、（２３Ｃ）はその平面図。(23A) and (23B) are cross-sectional views of the MEMS of the embodiment group A and other embodiments, and (23C) is a plan view thereof. （２４Ａ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの断面図、（２４Ｂ）はその平面図。(24A) is a cross-sectional view of the MEMS of the embodiment group B / first embodiment, and (24B) is a plan view thereof. （２５Ａ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（２５Ｂ）はその平面図。(25A) is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the MEMS of the embodiment group B / first embodiment, and (25B) is a plan view thereof. （２６Ａ）および（２６Ｂ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（２６Ｃ）はその平面図。(26A) and (26B) are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing the MEMS of the embodiment group B / first embodiment, and (26C) is a plan view thereof. （２７Ａ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（２７Ｂ）はその平面図。(27A) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of embodiment group B and 1st embodiment, (27B) is the top view. （２８Ａ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（２８Ｂ）はその平面図。(28A) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of embodiment group B and 1st embodiment, (28B) is the top view. 実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of embodiment group B and 1st embodiment. 実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of embodiment group B and 1st embodiment. （３１Ａ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３１Ｂ）はその平面図。(31A) is a cross-sectional view for explaining a manufacturing method of the MEMS of the embodiment group B / first embodiment, and (31B) is a plan view thereof. （３２Ａ）および（３２Ｂ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３２Ｃ）はその平面図。(32A) and (32B) are cross-sectional views for explaining the MEMS manufacturing method of the embodiment group B / first embodiment, and (32C) is a plan view thereof. （３３Ａ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３３Ｂ）はその平面図。(33A) is a cross-sectional view for explaining a manufacturing method of the MEMS of the embodiment group B / first embodiment, and (33B) is a plan view thereof. 実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図。Sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of MEMS of embodiment group B and 1st embodiment. （３５Ａ）および（３５Ｂ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３５Ｃ）はその平面図。(35A) and (35B) are cross-sectional views for explaining the MEMS manufacturing method of the embodiment group B / first embodiment, and (35C) is a plan view thereof. （３６Ａ）および（３６Ｂ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３６Ｃ）はその平面図。(36A) and (36B) are cross-sectional views for explaining the MEMS manufacturing method of the embodiment group B / first embodiment, and (36C) is a plan view thereof. （３７Ａ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３７Ｂ）はその平面図。(37A) is a cross-sectional view for explaining the MEMS manufacturing method of the embodiment group B / first embodiment, and (37B) is a plan view thereof. （３８Ａ）および（３８Ｂ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３８Ｃ）はその平面図。(38A) and (38B) are cross-sectional views for explaining the MEMS manufacturing method of the embodiment group B / first embodiment, and (38C) is a plan view thereof. （３９Ａ）および（３９Ｂ）は実施形態群Ｂ・第一実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（３９Ｃ）はその平面図。(39A) and (39B) are cross-sectional views for explaining a method for manufacturing the MEMS of the embodiment group B / first embodiment, and (39C) is a plan view thereof. （４０Ａ）および（４０Ｂ）は実施形態群Ｂ・第二実施形態のＭＥＭＳの断面図、（４０Ｂ）はその平面図。(40A) and (40B) are cross-sectional views of the MEMS of the embodiment group B / second embodiment, and (40B) is a plan view thereof. （４１Ａ）および（４１Ｂ）は実施形態群Ｂ・第二実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（４１Ｃ）はその平面図。(41A) and (41B) are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing the MEMS of the embodiment group B / second embodiment, and (41C) is a plan view thereof. （４２Ａ）および（４２Ｂ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの断面図、（４２Ｂ）はその平面図。(42A) and (42B) are cross-sectional views of MEMS of the embodiment group B and other embodiments, and (42B) is a plan view thereof. （４３Ａ）および（４３Ｂ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（４３Ｃ）はその平面図。(43A) and (43B) are cross-sectional views for explaining a manufacturing method of the MEMS of the embodiment group B and other embodiments, and (43C) is a plan view thereof. （４４Ａ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を説明するための断面図、（４４Ｂ）はその平面図。(44A) is a cross-sectional view for explaining a MEMS manufacturing method of the embodiment group B and other embodiments, and (44B) is a plan view thereof. （４５Ａ）および（４５Ｂ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの断面図、（４５Ｃ）はその平面図。(45A) and (45B) are cross-sectional views of MEMS of the embodiment group B and other embodiments, and (45C) is a plan view thereof. （４６Ａ）および（４６Ｂ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの断面図、（４６Ｃ）はその平面図。(46A) and (46B) are cross-sectional views of the MEMS of the embodiment group B and other embodiments, and (46C) is a plan view thereof. （４７Ａ）および（４７Ｂ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を示す断面図、（４７Ｃ）はその平面図。(47A) and (47B) are cross-sectional views showing a method for manufacturing the MEMS of the embodiment group B and other embodiments, and (47C) is a plan view thereof. （４８Ａ）および（４８Ｂ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの断面図、（４８Ｃ）はその平面図。(48A) and (48B) are cross-sectional views of the MEMS of the embodiment group B and other embodiments, and (48C) is a plan view thereof. （４９Ａ）および（４９Ｂ）は実施形態群Ｂ・他の実施形態のＭＥＭＳの製造方法を示す断面図、（４９Ｃ）はその平面図。(49A) and (49B) are cross-sectional views showing the method of manufacturing the MEMS of the embodiment group B and other embodiments, and (49C) is a plan view thereof.

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the corresponding component in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

１．実施形態群Ａ
１−１．第一実施形態
（構成）
本発明のＭＥＭＳの第一実施形態である加速度センサ１のセンサダイを図１に示す。図１Ａは、図１Ｂに示す１Ａ線の断面図である。図１Ａにおいて、加速度センサ１を構成する層の界面は実線で示し、加速度センサ１を構成する機能要素の境界は破線で示している。 1. Embodiment Group A
1-1. First embodiment (Configuration)
FIG. 1 shows a sensor die of an acceleration sensor 1 that is the first embodiment of the MEMS of the present invention. 1A is a cross-sectional view taken along line 1A shown in FIG. 1B. In FIG. 1A, the interface of the layer which comprises the acceleration sensor 1 is shown as the continuous line, and the boundary of the functional element which comprises the acceleration sensor 1 is shown with the broken line.

加速度センサ１は、ベース層１１と、絶縁層１２と、表面導線層１３とからなる積層構造体である。ベース層１１は単結晶シリコンからなる。ベース層１１の厚さは６２５μｍである。ベース層１１の表層には、ピエゾ抵抗部１３１およびコンタクト抵抗低減部１３２からなるピエゾ抵抗素子Ｒが形成されている。ピエゾ抵抗素子Ｒの厚さは０．３５μｍである。絶縁層１２は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。絶縁層１２の厚さは０．５μｍである。絶縁層１２にはコンタクトホールＨ１が形成されており、表面導線層１３はコンタクト抵抗低減部１３２とコンタクトホールＨ１にて接続している。表面導線層１３はアルミニウム（Ａｌ）からなる。表面導線層１３の厚さは０．３μｍである。 The acceleration sensor 1 is a laminated structure including a base layer 11, an insulating layer 12, and a surface conducting wire layer 13. The base layer 11 is made of single crystal silicon. The thickness of the base layer 11 is 625 μm. A piezoresistive element R including a piezoresistive portion 131 and a contact resistance reducing portion 132 is formed on the surface layer of the base layer 11. The thickness of the piezoresistive element R is 0.35 μm. The insulating layer 12 is made of silicon dioxide (SiO 2 ). The thickness of the insulating layer 12 is 0.5 μm. A contact hole H1 is formed in the insulating layer 12, and the surface conducting wire layer 13 is connected to the contact resistance reducing portion 132 through the contact hole H1. The surface conducting wire layer 13 is made of aluminum (Al). The thickness of the surface conducting wire layer 13 is 0.3 μm.

加速度センサ１のセンサダイは、枠形の枠部Ｓと、枠部Ｓの内側に外周が結合し十字形態の梁を有する梁部Ｆと、錘部Ｍと、梁部Ｆと錘部Ｍとを連結している支柱部Ｐと、梁部Ｆに設けられたピエゾ抵抗素子Ｒと、を備える。
枠部Ｓは図１Ｂに示すように矩形枠の形態を有する。枠部Ｓは図示しないパッケージに固定されるため、実質的に剛体として振る舞う。枠部Ｓはベース層１１、絶縁層１２を含んでいる。枠部Ｓの表面に表面導線層１３が形成されている。 The sensor die of the acceleration sensor 1 includes a frame-shaped frame portion S, a beam portion F having an outer periphery coupled to the inside of the frame portion S and having a cross-shaped beam, a weight portion M, a beam portion F, and a weight portion M. The column part P connected and the piezoresistive element R provided in the beam part F are provided.
The frame S has a rectangular frame shape as shown in FIG. 1B. Since the frame portion S is fixed to a package (not shown), it substantially behaves as a rigid body. The frame portion S includes a base layer 11 and an insulating layer 12. A surface conducting wire layer 13 is formed on the surface of the frame portion S.

十字形態の梁を含む梁部Ｆは両端固定の２つの梁がそれぞれの中央部において互いに結合された形態（枠部Ｓの内側に掛け渡された梁の形態）を有する。梁部Ｆは、可撓性を有する厚さ一定の複層膜からなる。梁部Ｆの厚さは３μｍである。梁部Ｆの外周は枠部Ｓの内側の４辺に結合している。枠部Ｓは剛体として振る舞うため、加速度センサ１に固定された座標系において梁部Ｆの外周端は固定端となる。梁部Ｆはベース層１１と絶縁層１２とを含む。梁部Ｆの表面に表面導線層１３が形成されている。   The beam part F including the cross-shaped beam has a form in which two beams fixed at both ends are coupled to each other at the center part (a form of a beam hung inside the frame part S). The beam portion F is made of a multilayer film having flexibility and a constant thickness. The thickness of the beam portion F is 3 μm. The outer periphery of the beam portion F is coupled to the four inner sides of the frame portion S. Since the frame portion S behaves as a rigid body, the outer peripheral end of the beam portion F is a fixed end in the coordinate system fixed to the acceleration sensor 1. The beam portion F includes a base layer 11 and an insulating layer 12. A surface conducting wire layer 13 is formed on the surface of the beam portion F.

錘部Ｍは、ベース層１１からなり、外周が矩形である板の形態を有する。錘部Ｍの厚さは６１３μｍである。錘部Ｍは、枠部Ｓの内側に配置され、梁部Ｆに重なっている。錘部Ｍと枠部Ｓとの間には環状溝Ｔが形成されている。すなわちベース層１１は環状溝Ｔによって錘部Ｍを構成する部分と枠部Ｓを構成する部分とに分断されている。錘部Ｍは梁部Ｆに比べて十分厚く形成されているため実質的に剛体として振る舞う。錘部Ｍと梁部Ｆとの間には空洞Ｖが形成されている。空洞Ｖの高さ（錘部Ｍと梁部Ｆとの距離）は支柱部Ｐの高さに等しく９μｍである。錘部Ｍは、支柱部Ｐよりも枠部に向かって突出している。   The weight portion M is made of a base layer 11 and has a plate shape whose outer periphery is rectangular. The thickness of the weight part M is 613 μm. The weight part M is disposed inside the frame part S and overlaps the beam part F. An annular groove T is formed between the weight part M and the frame part S. That is, the base layer 11 is divided by the annular groove T into a part constituting the weight part M and a part constituting the frame part S. Since the weight part M is formed sufficiently thicker than the beam part F, it behaves substantially as a rigid body. A cavity V is formed between the weight part M and the beam part F. The height of the cavity V (the distance between the weight part M and the beam part F) is equal to the height of the column part P and is 9 μm. The weight part M protrudes toward the frame part from the support part P.

支柱部Ｐはベース層１１からなる。支柱部Ｐは、梁部Ｆの中央部裏面から錘部Ｍの方向に突出し錘部Ｍの中央部と結合している。すなわち支柱部Ｐは、空洞Ｖを間に挟んで対向するように錘部Ｍと梁部Ｆとを連結している。空洞Ｖを囲む壁面がなす内側の角部（内角部）Ｃはなだらかな凹曲面を有している。そのため、内角部Ｃの応力集中が低減され梁部Ｆと枠部Ｓとの連結部分と梁部Ｆと支柱部Ｐとの連結部分と支柱部Ｐと錘部Ｍとの連結部分とを破損しにくくすることができ、耐衝撃性が向上する。また、枠部Ｓと梁部Ｆと支柱部Ｐと錘部Ｍの大部分が単結晶シリコンバルクで構成されているため、各部の熱膨張係数が等しく加速度センサ１の温度特性が安定する。   The column P is made of the base layer 11. The support column P protrudes from the back surface of the central portion of the beam portion F in the direction of the weight portion M and is coupled to the central portion of the weight portion M. That is, the column part P connects the weight part M and the beam part F so as to face each other with the cavity V interposed therebetween. The inner corner (inner corner) C formed by the wall surface surrounding the cavity V has a gentle concave curved surface. Therefore, the stress concentration in the inner corner portion C is reduced, and the connecting portion between the beam portion F and the frame portion S, the connecting portion between the beam portion F and the column portion P, and the connecting portion between the column portion P and the weight portion M are damaged. It can be made harder and impact resistance is improved. Further, since most of the frame part S, the beam part F, the column part P, and the weight part M are made of single crystal silicon bulk, the thermal characteristics of each part are equal and the temperature characteristics of the acceleration sensor 1 are stabilized.

（製造方法）
図１に示した加速度センサ１は次のようにして製造することができる。図２〜図１０を用いて加速度センサ１の製造方法を説明する。まず、図２に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ１をマスクパターンに用いて、ベース層１１の第一の主面に複数の孔５２を形成する。孔５２は、枠部Ｓを形成する領域５１と支柱部Ｐを形成する領域５０を除く領域に格子状に等間隔に同じ径および同じ深さで複数個形成される。例えば、第一の主面から深さ１２μｍの位置に高さ９μｍの空洞を形成するためには、孔５２の直径は２μｍ、孔５２の深さは１３μｍ、孔５２間の距離は４μｍである。孔５２の形成は例えば、ＳＦ６プラズマガスを用いたパッシベーションとＣ４Ｆ８プラズマガスを用いたエッチングのステップを短い時間間隔で交互に繰り返すＤｅｅｐ−ＲＩＥ（いわゆるボッシュプロセス）によってベース層１１を異方的にエッチングすることにより実現できる。なお、孔５２は必ずしも等間隔に同じ径および同じ深さで形成されなくてもよい。 (Production method)
The acceleration sensor 1 shown in FIG. 1 can be manufactured as follows. A method for manufacturing the acceleration sensor 1 will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 2, a plurality of holes 52 are formed in the first main surface of the base layer 11 using the protective layer R1 made of a photoresist as a mask pattern. A plurality of holes 52 are formed in a lattice shape at equal intervals and with the same diameter and the same depth in a region excluding the region 51 where the frame portion S is formed and the region 50 where the support column P is formed. For example, in order to form a cavity having a height of 9 μm at a position 12 μm deep from the first main surface, the diameter of the holes 52 is 2 μm, the depth of the holes 52 is 13 μm, and the distance between the holes 52 is 4 μm. . For example, the hole 52 is formed by changing the base layer 11 by deep-RIE (so-called Bosch process) in which the steps of passivation using SF 6 plasma gas and etching using C 4 F 8 plasma gas are alternately repeated at short time intervals. This can be realized by isotropic etching. The holes 52 do not necessarily have to be formed at equal intervals with the same diameter and the same depth.

続いて、非酸化性雰囲気中で加熱することにより、図３に示すように、ベース層１１中に空洞Ｖを形成する。例えば、大気圧よりも低い気圧の水素雰囲気あるいは真空中で加熱する。より具体的には例えば、１１００℃で１０Ｔｏｒｒの１００％水素雰囲気中にてアニール処理を行うことにより、シリコンが流動化し各孔５２の開口が閉ざされ空洞が形成され、さらに各孔５２に対応する空洞同士が一体化することによって空洞Ｖが形成される。孔５２の径、孔５２同士の間隔、孔５２の深さを調整することにより、空洞Ｖの第一の主面からの距離、すなわち薄肉部５４の厚さを制御することができる（特開２００７−２６６６１３号公報参照）。   Subsequently, by heating in a non-oxidizing atmosphere, a cavity V is formed in the base layer 11 as shown in FIG. For example, heating is performed in a hydrogen atmosphere or vacuum at a pressure lower than atmospheric pressure. More specifically, for example, by performing an annealing process in a 100% hydrogen atmosphere of 10 Torr at 1100 ° C., silicon is fluidized, the openings of the holes 52 are closed, and cavities are formed. A cavity V is formed by integrating the cavities. By adjusting the diameter of the holes 52, the interval between the holes 52, and the depth of the holes 52, the distance from the first main surface of the cavity V, that is, the thickness of the thin portion 54 can be controlled (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-26883) 2007-266613).

空洞Ｖがベース層１１中に形成されることにより、空洞Ｖを挟んで薄肉部５４、厚肉部５５および支柱部Ｐが顕在化する。空洞Ｖは丸みを帯びて形成される。すなわち、内角部Ｃはなだらかな凹曲面をなしている。次に、図４に示すように、薄肉部５４の表面にフォトレジストからなる保護層Ｒ２形成し、保護層Ｒ２をマスクパターンとして、薄肉部５４の表層に不純物イオンを導入（例えばホウ素（Ｂ）イオンを２×１０１８／ｃｍ３注入）しピエゾ抵抗部１３１を形成する。ブリッジ回路を構成するためのＸ，Ｙ，Ｚ各軸４個のピエゾ抵抗部を形成することにより、ＸＹＺ３軸方向の加速度を検出可能な加速度センサを製造することができる。 By forming the cavity V in the base layer 11, the thin-walled portion 54, the thick-walled portion 55, and the support column portion P are exposed across the cavity V. The cavity V is rounded. That is, the inner corner portion C has a gentle concave curved surface. Next, as shown in FIG. 4, a protective layer R2 made of photoresist is formed on the surface of the thin portion 54, and impurity ions are introduced into the surface layer of the thin portion 54 (for example, boron (B)) using the protective layer R2 as a mask pattern. Ions are implanted at 2 × 10 18 / cm 3 ) to form the piezoresistive portion 131. By forming four piezoresistive portions for each of the X, Y, and Z axes for constituting the bridge circuit, an acceleration sensor capable of detecting acceleration in the XYZ triaxial directions can be manufactured.

続いて、保護層Ｒ２を除去し、ベース層１１の第一の主面に絶縁層１２を形成する。例えば、熱酸化することによって０．５μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の層を形成する。熱酸化法の代わりにＣＶＤ法によりＳｉＯ２を成膜してもよい。続いて、図５に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ３をマスクパターンに用いて、絶縁層１２にコンタクトホールＨ１を形成する。その後保護層Ｒ３を除去する。 Subsequently, the protective layer R <b> 2 is removed, and the insulating layer 12 is formed on the first main surface of the base layer 11. For example, a 0.5 μm silicon dioxide (SiO 2 ) layer is formed by thermal oxidation. SiO 2 may be formed by CVD instead of thermal oxidation. Subsequently, as shown in FIG. 5, a contact hole H1 is formed in the insulating layer 12 using the protective layer R3 made of a photoresist as a mask pattern. Thereafter, the protective layer R3 is removed.

続いて、図６に示すように、絶縁層１２をマスクパターンに用いて、ピエゾ抵抗部１３１形成時よりも高濃度の不純物イオンを導入（例えばＢイオンを２×１０２０／ｃｍ３注入し活性化させる）し、コンタクト抵抗低減部１３２を形成する。続いて図７に示すように、絶縁層１２およびコンタクト抵抗低減部１３２の表面に表面導線層１３を形成する。続いて図８に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ４をマスクパターンに用いて、表面導線層１３をパターニングし、配線や電極パッドを形成する。 Subsequently, as shown in FIG. 6, using the insulating layer 12 as a mask pattern, impurity ions having a concentration higher than that at the time of forming the piezoresistive portion 131 are introduced (for example, B ions are implanted at 2 × 10 20 / cm 3 to activate the ions. The contact resistance reducing portion 132 is formed. Subsequently, as shown in FIG. 7, the surface conducting wire layer 13 is formed on the surfaces of the insulating layer 12 and the contact resistance reducing portion 132. Subsequently, as shown in FIG. 8, the surface conductive layer 13 is patterned using the protective layer R4 made of a photoresist as a mask pattern to form wirings and electrode pads.

続いて、図９に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ５をマスクパターンに用いて、薄肉部５４に空洞Ｖに到達する４つの開口５６を形成することにより十字形態の梁を顕在化させ梁部Ｆを形成する（薄肉部５４から開口５６を除いた残部が梁部Ｆ）。絶縁層１２のエッチングには例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。ベース層１１からなる薄肉部５４のエッチングには例えば、ＣＦ４ガスおよびＯ２ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。なお、反応性イオンエッチングの他に、フッ酸や緩衝フッ酸によるウェットエッチング法を用いることができる。エッチング後、保護層Ｒ５を除去する。 Subsequently, as shown in FIG. 9, by using the protective layer R5 made of photoresist as a mask pattern, four openings 56 that reach the cavity V are formed in the thin portion 54, thereby revealing the cross-shaped beam. The beam portion F is formed (the remaining portion excluding the opening 56 from the thin portion 54 is the beam portion F). For the etching of the insulating layer 12, for example, reactive ion etching using CHF 3 gas is used. For example, reactive ion etching using CF 4 gas and O 2 gas is used for etching the thin portion 54 formed of the base layer 11. In addition to reactive ion etching, a wet etching method using hydrofluoric acid or buffered hydrofluoric acid can be used. After the etching, the protective layer R5 is removed.

続いて、図１０に示すように、表面導線層１３が形成されている面を、仮接着層５７を介して犠牲基板５８に接着する。仮接着層５７としては例えば、ワックス、フォトレジスト、両面粘着シート等を用いることができる。続いて、フォトレジストからなる保護層Ｒ６をマスクパターンに用いて、ベース層１１の第一の主面の裏面に相当する第二の主面から空洞Ｖに通じ支柱部Ｐを囲む環状溝Ｔを形成するとともに、厚肉部５５を分割し枠部Ｓと錘部Ｍを形成する。ベース層１１のエッチングには例えば、ボッシュプロセスを用いることができる。その後、保護層Ｒ６を除去し、仮接着層５７を除去して犠牲基板５８から剥離する。例えば、仮接着層５７がワックスの場合には、ホットプレートでワックスを加熱した後、洗浄液にてワックスを溶解する。仮接着層５７がＵＶ両面テープの場合には、ＵＶ光を照射して粘着力を低下させた後、剥離する。以上の工程を経て、図１に示す加速度センサを製造することができる。   Subsequently, as shown in FIG. 10, the surface on which the surface conducting wire layer 13 is formed is bonded to the sacrificial substrate 58 through the temporary bonding layer 57. As the temporary adhesive layer 57, for example, a wax, a photoresist, a double-sided pressure-sensitive adhesive sheet, or the like can be used. Subsequently, using the protective layer R6 made of a photoresist as a mask pattern, an annular groove T that surrounds the support column P through the cavity V from the second principal surface corresponding to the back surface of the first principal surface of the base layer 11 is formed. While forming, the thick part 55 is divided | segmented and the frame part S and the weight part M are formed. For example, a Bosch process can be used for etching the base layer 11. Thereafter, the protective layer R6 is removed, the temporary adhesive layer 57 is removed, and the protective layer R6 is peeled off from the sacrificial substrate 58. For example, when the temporary adhesive layer 57 is wax, the wax is heated with a hot plate and then dissolved with a cleaning liquid. In the case where the temporary adhesive layer 57 is a UV double-sided tape, the adhesive strength is reduced by irradiating with UV light, and then peeled off. Through the above steps, the acceleration sensor shown in FIG. 1 can be manufactured.

以上の製造方法によると、環状の空洞Ｖを間に挟んで錘部Ｍと薄肉部５４とが対向する構造を形成できるため、ＭＥＭＳの小型化が容易である。また、空洞を形成するための複数の孔の第一の主面からの深さや径、孔のレイアウト等を調整することにより、空洞の位置や薄肉部の厚さを制御することができる。すなわち、薄肉部５４が薄くなるように調整することで加速度センサ１の高感度化が可能である。また、ＳＯＩ基板を用いてＭＥＭＳを製造する従来の構成と比較して本発明の製造方法ではＳＯＩ基板が不要であるためコストを削減することができる。   According to the above manufacturing method, since the structure in which the weight portion M and the thin portion 54 face each other with the annular cavity V interposed therebetween, the size of the MEMS can be easily reduced. Moreover, the position of the cavity and the thickness of the thin portion can be controlled by adjusting the depth and diameter of the plurality of holes for forming the cavity from the first main surface, the layout of the holes, and the like. That is, the sensitivity of the acceleration sensor 1 can be increased by adjusting the thin portion 54 to be thin. In addition, the manufacturing method according to the present invention does not require an SOI substrate as compared with a conventional configuration in which a MEMS is manufactured using an SOI substrate, and thus the cost can be reduced.

２−２．第二実施形態：
（製造方法）
図１１は、第二実施形態にかかるＭＥＭＳとしての加速度センサ２を示している。各構成要素や積層構造は第一実施形態と共通するため説明を省略する。加速度センサ２は以下のようにして製造することができる。まず図３に示すようにベース層１１内に空洞Ｖを形成した状態から、図１２に示すようにベース層１１の第一の主面にフォトレジストからなる保護層Ｒ７を形成し、薄肉部５４に複数の孔６０を形成する。孔６０は、後に薄肉部５４をパターニングし残部を梁部Ｆとして顕在化させる際に、取り除かれる領域６１に複数形成される。その後、保護層Ｒ７を除去する。 2-2. Second embodiment:
(Production method)
FIG. 11 shows an acceleration sensor 2 as a MEMS according to the second embodiment. Since each component and laminated structure are the same as in the first embodiment, description thereof is omitted. The acceleration sensor 2 can be manufactured as follows. First, a protective layer R7 made of a photoresist is formed on the first main surface of the base layer 11 as shown in FIG. 12 from the state where the cavity V is formed in the base layer 11 as shown in FIG. A plurality of holes 60 are formed. A plurality of holes 60 are formed in the region 61 to be removed when the thin portion 54 is later patterned to reveal the remaining portion as the beam portion F. Thereafter, the protective layer R7 is removed.

続いて、図１３に示すように、基板を酸化させ、空洞Ｖに面する基板の内壁や、ベース層１１の第一の主面および第二の主面の表層に酸化膜（絶縁層）１２を形成する。例えば、酸素雰囲気中で１０５０℃に加熱し、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）を成長させる。このとき、孔６０が二酸化シリコンにて閉孔し、領域６１全体が酸化され、二酸化シリコンとなるようにする。続いて、第一実施形態と同様に、薄肉部５４の表層にピエゾ抵抗素子Ｒ（ピエゾ抵抗部１３１、コンタクト抵抗低減部１３２）を形成し、表面導線層１３を形成しパターニングして配線および電極パッドを形成する（図１４）。図１３で第一の主面に形成した酸化膜１２はピエゾ抵抗部１３１と表面導線層１３とを隔てる絶縁層となる。 Subsequently, as shown in FIG. 13, the substrate is oxidized, and an oxide film (insulating layer) 12 is formed on the inner wall of the substrate facing the cavity V, and on the first main surface and the second main surface of the base layer 11. Form. For example, silicon dioxide (SiO 2 ) is grown by heating to 1050 ° C. in an oxygen atmosphere. At this time, the hole 60 is closed with silicon dioxide, and the entire region 61 is oxidized to become silicon dioxide. Subsequently, as in the first embodiment, the piezoresistive element R (piezoresistive portion 131, contact resistance reducing portion 132) is formed on the surface layer of the thin portion 54, the surface conductive layer 13 is formed and patterned, and wiring and electrodes are formed. A pad is formed (FIG. 14). The oxide film 12 formed on the first main surface in FIG. 13 serves as an insulating layer that separates the piezoresistive portion 131 and the surface conducting wire layer 13.

続いて、図１５に示すように、表面導線層１３が形成されている面を、仮接着層５７を介して犠牲基板５８に接着し、ベース層１１の第二の主面を、保護層Ｒ８をマスクパターンとしてエッチングすることによって、空洞Ｖに面する基板の内壁に形成された絶縁層１２に到達する環状溝Ｔを形成する。具体的には例えば、第二の主面に形成された絶縁層１２のエッチングには、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。ベース層１１のエッチングには、ボッシュプロセスを用いる。すなわち、このとき、空洞Ｖに面する基板の内壁に形成された酸化膜１２が、環状溝Ｔを形成する際のエッチングストッパとなり、環状溝Ｔを形成する工程で薄肉部までのオーバーエッチングされることを防ぐことができる。その後、保護層Ｒ８を除去する。 Subsequently, as shown in FIG. 15, the surface on which the surface conducting wire layer 13 is formed is bonded to the sacrificial substrate 58 via the temporary bonding layer 57, and the second main surface of the base layer 11 is bonded to the protective layer R <b> 8. As a mask pattern, an annular groove T reaching the insulating layer 12 formed on the inner wall of the substrate facing the cavity V is formed. Specifically, for example, reactive ion etching using CHF 3 gas is used for etching the insulating layer 12 formed on the second main surface. A Bosch process is used for etching the base layer 11. That is, at this time, the oxide film 12 formed on the inner wall of the substrate facing the cavity V serves as an etching stopper when forming the annular groove T, and overetching to a thin portion is performed in the process of forming the annular groove T. Can be prevented. Thereafter, the protective layer R8 is removed.

続いて、図１６に示すように、第二の主面と空洞Ｖに面する基板の内壁とに形成されていた絶縁層１２を除去する。具体的には例えば、緩衝フッ酸を用いたウェットエッチングを用いる。この工程によって、環状溝Ｔは空洞Ｖに到達する。また、領域６１の酸化膜を含む、空洞Ｖに面する基板の内壁の酸化膜が除去され、十字形態の梁を有する梁部Ｆが顕在化する。すなわち、酸化膜の除去と、梁部Ｆの形成を共通の工程で実施することができる。そのため、工程が簡略化できコスト削減につなげることができる。その後、第一実施形態と同様に仮接着層５７を除去し犠牲基板５８から剥離することによって、図１１に示す加速度センサ２が完成する。   Subsequently, as shown in FIG. 16, the insulating layer 12 formed on the second main surface and the inner wall of the substrate facing the cavity V is removed. Specifically, for example, wet etching using buffered hydrofluoric acid is used. By this step, the annular groove T reaches the cavity V. Further, the oxide film on the inner wall of the substrate facing the cavity V including the oxide film in the region 61 is removed, and the beam portion F having a cross-shaped beam becomes obvious. That is, the removal of the oxide film and the formation of the beam portion F can be performed in a common process. Therefore, the process can be simplified and the cost can be reduced. Thereafter, the temporary adhesive layer 57 is removed and peeled off from the sacrificial substrate 58 as in the first embodiment, whereby the acceleration sensor 2 shown in FIG. 11 is completed.

２−３．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や形状や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。また、上述した製造工程において、膜の組成、成膜方法、膜の輪郭形成方法、工程順序などは、加速度センサやジャイロセンサなどのモーションセンサやアクチュエータを構成しうる物性を持つ膜材料の組み合わせや、膜厚や、要求される輪郭形状精度などに応じて適宜選択されるものであって、特に限定されない。 2-3. Other Embodiments The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the materials, dimensions, shapes, film forming methods, and pattern transfer methods shown in the above embodiment are merely examples, and the addition and deletion of processes and the replacement of process order that are obvious to those skilled in the art are described. It is omitted. In the manufacturing process described above, the composition of the film, the film forming method, the film contour forming method, the process sequence, etc. are combinations of film materials having physical properties that can constitute motion sensors and actuators such as acceleration sensors and gyro sensors. The thickness is appropriately selected according to the film thickness and the required contour shape accuracy, and is not particularly limited.

例えば本発明はジャイロセンサおよびその製造方法としても適用することができる。図１７は、本発明にかかるジャイロセンサの一形態を示している。薄肉部５４の表面には、積層された一対の電極１５と当該電極１５に挟まれた圧電膜１４からなる圧電素子６３が複数形成されている。図１７に示すジャイロセンサは、次のようにして製造することができる。   For example, the present invention can also be applied as a gyro sensor and a manufacturing method thereof. FIG. 17 shows an embodiment of a gyro sensor according to the present invention. On the surface of the thin portion 54, a plurality of piezoelectric elements 63 including a pair of stacked electrodes 15 and the piezoelectric film 14 sandwiched between the electrodes 15 are formed. The gyro sensor shown in FIG. 17 can be manufactured as follows.

まず、破線６４の内側領域に、支柱部Ｐ形成領域を除いて複数の孔を形成し、上記実施形態と同様に非酸化雰囲気中で熱処理することによって空洞Ｖおよび薄肉部５４、厚肉部を形成する。その後、薄肉部５４の表面に圧電素子６３や配線を形成し、厚肉部を分割して枠部Ｓと錘部Ｍを形成することにより製造することができる。この製造方法によると歩留まりの高いジャイロセンサを製造することができる。なぜなら、本発明のように空洞Ｖが形成された単結晶シリコン基板は、ＳＯＩ基板と比較して基板の反りが少ないため、基板上に圧電素子６３を形成する際、基板表面の温度が均一となり、基板表面で圧電材料の結晶性や圧電特性の均一性が高くなるためである。
なお、本発明は、上記した加速度センサやジャイロセンサの他にも、錘部を有するモーションセンサや、錘部を有するアクチュエータなどに適用することができる。 First, a plurality of holes are formed in the inner region of the broken line 64 except for the support column P formation region, and the cavity V, the thin portion 54, and the thick portion are formed by heat treatment in a non-oxidizing atmosphere as in the above embodiment. Form. Thereafter, the piezoelectric element 63 and the wiring are formed on the surface of the thin portion 54, and the thick portion is divided to form the frame portion S and the weight portion M. According to this manufacturing method, a gyro sensor with a high yield can be manufactured. This is because the single crystal silicon substrate having the cavity V formed as in the present invention has less warpage of the substrate than the SOI substrate, and therefore, when the piezoelectric element 63 is formed on the substrate, the temperature of the substrate surface becomes uniform. This is because the crystallinity of the piezoelectric material and the uniformity of the piezoelectric characteristics are increased on the substrate surface.
In addition to the acceleration sensor and the gyro sensor described above, the present invention can be applied to a motion sensor having a weight portion, an actuator having a weight portion, and the like.

なお、第一実施形態や第二実施形態では、薄肉部５４をパターニングして梁部Ｆを形成し、支柱部Ｐを介して錘部Ｍが梁部Ｆに連結している加速度センサを例に用いたが、このような形態の他に、図１７で示したジャイロセンサのように、パターニングされていない薄膜状の薄肉部５４に、支柱部Ｐを介して錘部Ｍが連結したＭＥＭＳも本発明の権利範囲に含まれる。   In the first embodiment and the second embodiment, an example is an acceleration sensor in which the thin portion 54 is patterned to form the beam portion F, and the weight portion M is connected to the beam portion F via the support column portion P. In addition to such a configuration, a MEMS in which a weight part M is connected to a thin thin-film part 54 that is not patterned via a support part P as in the gyro sensor shown in FIG. It is included in the scope of the right of the invention.

さらに、第一実施形態の図２〜図９までの工程を実施した後、すなわちベース層１１内に空洞Ｖを形成し、薄肉部５４をパターニングして梁部Ｆを形成した後、図１８に示すように、犠牲層６５にて空洞Ｖを埋めた後、環状溝Ｔを形成してもよい。この方法によると、空洞Ｖを埋めている犠牲層６５が、環状溝Ｔを形成する際のエッチングストッパとなり、環状溝Ｔを形成する工程で梁部Ｆまでオーバーエッチングされることを防ぐことができる。   Further, after performing the steps from FIG. 2 to FIG. 9 of the first embodiment, that is, after forming the cavity V in the base layer 11 and patterning the thin portion 54 to form the beam portion F, FIG. As shown, after filling the cavity V with the sacrificial layer 65, the annular groove T may be formed. According to this method, the sacrificial layer 65 filling the cavity V becomes an etching stopper when the annular groove T is formed, and it is possible to prevent the beam portion F from being over-etched in the process of forming the annular groove T. .

さらに、図１９に示すように、梁部Ｆの表裏に同じ膜厚の絶縁層１２が形成されていてもよい。この場合、温度変化が発生しても表裏両面の絶縁層１２によって梁部Ｆの応力がバランスするため、温度特性が安定する。図１９に示す加速度センサは次のようにして製造することができる。上記の実施形態と同様に熱処理によってベース層１１内に空洞Ｖを形成した後、厚肉部５５を枠部Ｓから分割するために形成する環状溝Ｔの形成領域を薄肉部５４に投影した位置であって、梁部Ｆとして残存させない位置に複数の孔６７を形成する。その状態でベース層１１の第一の主面、第二の主面、孔６７の内壁および空洞Ｖの内壁に二酸化シリコンからなる絶縁層１２を形成する（図２０）。   Furthermore, as shown in FIG. 19, insulating layers 12 having the same film thickness may be formed on the front and back of the beam portion F. In this case, even if a temperature change occurs, the stress of the beam portion F is balanced by the insulating layers 12 on both the front and back surfaces, so that the temperature characteristics are stabilized. The acceleration sensor shown in FIG. 19 can be manufactured as follows. After forming the cavity V in the base layer 11 by heat treatment in the same manner as in the above embodiment, the position where the formation region of the annular groove T formed to divide the thick portion 55 from the frame portion S is projected onto the thin portion 54 Then, a plurality of holes 67 are formed at positions where they do not remain as the beam portion F. In this state, the insulating layer 12 made of silicon dioxide is formed on the first main surface, the second main surface, the inner wall of the hole 67, and the inner wall of the cavity V of the base layer 11 (FIG. 20).

その後、梁部Ｆ、ピエゾ抵抗素子Ｒ、表面導線層１３を形成する。表面導線層１３のパターニングする際に用いた犠牲層（フォトレジスト）Ｒ９が空洞Ｖに充填されている状態で、図２１に示すように、仮接着層５７を介して犠牲基板５８に接着し、ベース層１１の第二の主面側から、空洞Ｖの内壁に形成された絶縁層１２に到達する環状溝Ｔを形成する。その後、空洞Ｖに犠牲層Ｒ９が充填されている状態で、環状溝Ｔの底部にあたる、空洞Ｖに面する基板の内壁に形成された絶縁層１２を除去する。その後、図２２Ａに示すように、空洞Ｖに埋められている犠牲層Ｒ９を除去する。空洞Ｖに犠牲層Ｒ９が充填されている状態で環状溝Ｔを形成する際、犠牲層Ｒ９がエッチングストッパとなり、梁部Ｆの裏面（空洞Ｖに接する面）に形成されている絶縁層１２までオーバーエッチングされることを防止することができる（図２２Ｂ）。また、その結果、図２２Ａおよび図２２Ｃに示すように、梁部Ｆの表裏両面に精密に同じ膜厚の絶縁層１２が形成されている状態であるので、温度変化時も梁部Ｆの応力がバランスするため特性が安定する。   Thereafter, the beam portion F, the piezoresistive element R, and the surface conducting wire layer 13 are formed. In the state where the sacrificial layer (photoresist) R9 used for patterning the surface conductive layer 13 is filled in the cavity V, as shown in FIG. 21, it adheres to the sacrificial substrate 58 via the temporary adhesive layer 57, An annular groove T reaching the insulating layer 12 formed on the inner wall of the cavity V is formed from the second main surface side of the base layer 11. Thereafter, in a state where the cavity V is filled with the sacrificial layer R9, the insulating layer 12 formed on the inner wall of the substrate facing the cavity V, which is the bottom of the annular groove T, is removed. Thereafter, as shown in FIG. 22A, the sacrificial layer R9 buried in the cavity V is removed. When the annular groove T is formed in a state where the cavity V is filled with the sacrificial layer R9, the sacrificial layer R9 serves as an etching stopper, and the insulating layer 12 formed on the back surface (surface in contact with the cavity V) of the beam portion F is reached. Overetching can be prevented (FIG. 22B). As a result, as shown in FIGS. 22A and 22C, the insulating layer 12 having the same film thickness is precisely formed on both the front and back surfaces of the beam portion F. Balances the characteristics and stabilizes the characteristics.

なお、空洞Ｖの内壁に酸化膜（絶縁層）１２を形成するための孔６７を形成する際に、厚肉部５５の表面までオーバーエッチングが生じるため、孔６７を厚肉部５５に投影した領域およびその近傍に凹凸が生じる。しかし、厚肉部５５において凹凸が生じる領域は環状溝Ｔを形成する際に除去されるため、錘部Ｍの表面（空洞Ｖに接する面）に凹凸は残存しない。したがって錘部Ｍのバランスにばらつきが発生することがない。なお、枠部Ｓに凹凸が生じる領域が残存していても、枠部Ｓは可動部ではないため実使用上問題はない。   When the hole 67 for forming the oxide film (insulating layer) 12 is formed on the inner wall of the cavity V, overetching occurs up to the surface of the thick part 55, so the hole 67 is projected onto the thick part 55. Unevenness occurs in the region and its vicinity. However, since the region where the unevenness is generated in the thick portion 55 is removed when the annular groove T is formed, the unevenness does not remain on the surface of the weight portion M (the surface in contact with the cavity V). Therefore, there is no variation in the balance of the weight part M. In addition, even if the area | region where an unevenness | corrugation remains in the frame part S, since the frame part S is not a movable part, there is no problem in actual use.

さらに、図２３に示すように、本発明の空洞形成技術を用い、錘部Ｍを有するＭＥＭＳにおいては、錘部Ｍの過度の運動を規制する錘ストッパ６８が形成されていてもよい。錘ストッパ６８は、図９で示す薄肉部５４をパターニングして梁部Ｆを形成する工程において、梁部Ｆのパターンに加えて錘ストッパ６８のパターンを加えることによって形成することができる。   Furthermore, as shown in FIG. 23, in the MEMS having the weight portion M using the cavity forming technique of the present invention, a weight stopper 68 that restricts excessive movement of the weight portion M may be formed. The weight stopper 68 can be formed by adding the pattern of the weight stopper 68 in addition to the pattern of the beam portion F in the step of forming the beam portion F by patterning the thin portion 54 shown in FIG.

２．実施形態群Ｂ
２−１．第一実施形態
（構成）
本発明のＭＥＭＳの第一実施形態である加速度センサ１のセンサダイを図２４に示す。図２４Ａは、図２４Ｂの加速度センサ１に示す２４Ａ線の断面図である。図２４Ａにおいて、加速度センサ１を構成する層の界面は実線で示し、加速度センサ１を構成する機能要素の境界は破線で示している。 2. Embodiment group B
2-1. First embodiment (Configuration)
FIG. 24 shows a sensor die of the acceleration sensor 1 which is the first embodiment of the MEMS of the present invention. 24A is a cross-sectional view taken along the line 24A shown in the acceleration sensor 1 of FIG. 24B. In FIG. 24A, the interface of the layer which comprises the acceleration sensor 1 is shown as the continuous line, and the boundary of the functional element which comprises the acceleration sensor 1 is shown with the broken line.

加速度センサ１は、ベース層１１と、エピタキシャル結晶層１６と、絶縁層１２と、表面導線層１３とからなる積層構造体である。ベース層１１は単結晶シリコンからなる。ベース層１１の厚さは６２５μｍである。ベース層１１の表面には、エピタキシャル結晶層１６が形成されている。エピタキシャル結晶層１６は、「第一の層」に相当する。エピタキシャル結晶層１６はｎ型の単結晶シリコンからなり、その厚さは５μｍである。エピタキシャル結晶層１６の表層には、ピエゾ抵抗部１３１およびコンタクト抵抗低減部１３２からなるピエゾ抵抗素子Ｒが形成されている。ピエゾ抵抗素子Ｒの厚さは０．３５μｍである。絶縁層１２は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる。絶縁層１２の厚さは０．５μｍである。絶縁層１２にはコンタクトホールＨ１が形成されており、表面導線層１３はコンタクト抵抗低減部１３２とコンタクトホールＨ１にて接続している。表面導線層１３はアルミニウム（Ａｌ）からなる。表面導線層１３の厚さは０．３μｍである。 The acceleration sensor 1 is a laminated structure including a base layer 11, an epitaxial crystal layer 16, an insulating layer 12, and a surface conductive layer 13. The base layer 11 is made of single crystal silicon. The thickness of the base layer 11 is 625 μm. An epitaxial crystal layer 16 is formed on the surface of the base layer 11. The epitaxial crystal layer 16 corresponds to a “first layer”. Epitaxial crystal layer 16 is made of n-type single crystal silicon and has a thickness of 5 μm. A piezoresistive element R including a piezoresistive portion 131 and a contact resistance reducing portion 132 is formed on the surface layer of the epitaxial crystal layer 16. The thickness of the piezoresistive element R is 0.35 μm. The insulating layer 12 is made of silicon dioxide (SiO 2 ). The thickness of the insulating layer 12 is 0.5 μm. A contact hole H1 is formed in the insulating layer 12, and the surface conducting wire layer 13 is connected to the contact resistance reducing portion 132 through the contact hole H1. The surface conducting wire layer 13 is made of aluminum (Al). The thickness of the surface conducting wire layer 13 is 0.3 μm.

加速度センサ１のセンサダイは、枠形の枠部Ｓと、枠部Ｓの内側に外周が結合し十字形態の梁を有する梁部Ｆと、錘部Ｍと、梁部Ｆと錘部Ｍとを連結している支柱部Ｐと、梁部Ｆに設けられたピエゾ抵抗素子Ｒと、を備える。
枠部Ｓは図２４Ｂに示すように矩形枠の形態を有する。枠部Ｓは図示しないパッケージに固定されるため、実質的に剛体として振る舞う。枠部Ｓはベース層１１、エピタキシャル結晶層１６、絶縁層１２を含む。枠部Ｓの表面に表面導線層１３が形成されている。 The sensor die of the acceleration sensor 1 includes a frame-shaped frame portion S, a beam portion F having an outer periphery coupled to the inside of the frame portion S and having a cross-shaped beam, a weight portion M, a beam portion F, and a weight portion M. The column part P connected and the piezoresistive element R provided in the beam part F are provided.
The frame S has a rectangular frame shape as shown in FIG. 24B. Since the frame portion S is fixed to a package (not shown), it substantially behaves as a rigid body. The frame portion S includes a base layer 11, an epitaxial crystal layer 16, and an insulating layer 12. A surface conducting wire layer 13 is formed on the surface of the frame portion S.

十字形態の梁を含む梁部Ｆは両端固定の２つの梁がそれぞれの中央部において互いに結合された形態（枠部Ｓの内側に掛け渡された梁の形態）を有する。梁部Ｆは、可撓性を有する厚さ一定の複層膜からなる。梁部Ｆの外周は枠部Ｓの内側の４辺に結合している。枠部Ｓは剛体として振る舞うため、加速度センサ１に固定された座標系において梁部Ｆの外周端は固定端となる。梁部Ｆはエピタキシャル結晶層１６と絶縁層１２とを含む。梁部Ｆの表面に表面導線層１３が形成されている。エピタキシャル結晶層１６は単結晶シリコン層であるため、機械特性が良好である。   The beam part F including the cross-shaped beam has a form in which two beams fixed at both ends are coupled to each other at the center part (a form of a beam hung inside the frame part S). The beam portion F is made of a multilayer film having flexibility and a constant thickness. The outer periphery of the beam portion F is coupled to the four inner sides of the frame portion S. Since the frame portion S behaves as a rigid body, the outer peripheral end of the beam portion F is a fixed end in the coordinate system fixed to the acceleration sensor 1. The beam portion F includes an epitaxial crystal layer 16 and an insulating layer 12. A surface conducting wire layer 13 is formed on the surface of the beam portion F. Since the epitaxial crystal layer 16 is a single crystal silicon layer, the mechanical properties are good.

錘部Ｍは、ベース層１１からなり、外周が矩形である板の形態を有する。錘部Ｍは、枠部Ｓの内側に配置され、梁部Ｆに重なっている。錘部Ｍと枠部Ｓとの間には環状溝Ｔが形成されている。すなわちベース層１１は環状溝Ｔによって錘部Ｍを構成する部分と枠部Ｓを構成する部分とに分断されている。錘部Ｍは厚いベース層１１からなるため実質的に剛体として振る舞う。錘部Ｍと梁部Ｆとの間には空洞Ｖが形成されている。空洞Ｖの高さ（錘部Ｍと梁部Ｆとの距離）は支柱部Ｐの高さに等しく７μｍである。錘部Ｍは、支柱部Ｐよりも枠部に向かって突出している。   The weight portion M is made of a base layer 11 and has a plate shape whose outer periphery is rectangular. The weight part M is disposed inside the frame part S and overlaps the beam part F. An annular groove T is formed between the weight part M and the frame part S. That is, the base layer 11 is divided by the annular groove T into a part constituting the weight part M and a part constituting the frame part S. Since the weight portion M is made of the thick base layer 11, it behaves substantially as a rigid body. A cavity V is formed between the weight part M and the beam part F. The height of the cavity V (the distance between the weight part M and the beam part F) is equal to the height of the column part P and is 7 μm. The weight part M protrudes toward the frame part from the support part P.

支柱部Ｐはベース層１１からなる。支柱部Ｐは、梁部Ｆの中央部裏面から錘部Ｍの方向に突出し錘部Ｍの中央部と結合している。すなわち支柱部Ｐは、空洞Ｖを間に挟んで対向するように錘部Ｍと梁部Ｆとを連結している。このように加速度センサ１は、枠部Ｓと梁部Ｆと支柱部Ｐと錘部Ｍの大部分が単結晶シリコンバルクで構成されているため各部の熱膨張係数が等しい。そのため、加速度センサ１の温度特性が安定する。   The column P is made of the base layer 11. The support column P protrudes from the back surface of the central portion of the beam portion F in the direction of the weight portion M and is coupled to the central portion of the weight portion M. That is, the column part P connects the weight part M and the beam part F so as to face each other with the cavity V interposed therebetween. As described above, in the acceleration sensor 1, since most of the frame part S, the beam part F, the column part P, and the weight part M are formed of single crystal silicon bulk, the thermal expansion coefficients of the respective parts are equal. Therefore, the temperature characteristic of the acceleration sensor 1 is stabilized.

（製造方法１）
図２４に示した加速度センサ１は次のようにして製造することができる。図２５〜図３３を用いて加速度センサ１の製造方法を説明する。まず、図２５に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ１をマスクパターンに用いて、ベース層１１の第一の主面の環状領域に第一の不純物イオンを導入することにより、ベース層１１に第一不純物拡散部１７を形成する。すなわち、第一の不純物イオンが導入される環状領域は、枠部Ｓを形成する領域５１の内側であって支柱部Ｐを形成する領域５０を除く領域である。第一の不純物イオンとして例えば、リン（Ｐ）イオンを１×１０１８／ｃｍ３注入することにより、ｐ型の第一不純物拡散部１７を形成することができる。その後、保護層Ｒ１を除去する。 (Manufacturing method 1)
The acceleration sensor 1 shown in FIG. 24 can be manufactured as follows. A method for manufacturing the acceleration sensor 1 will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 25, by using the protective layer R1 made of a photoresist as a mask pattern, the first impurity ions are introduced into the annular region of the first main surface of the base layer 11 to thereby form the base layer 11. First impurity diffusion portion 17 is formed. That is, the annular region into which the first impurity ions are introduced is a region inside the region 51 where the frame portion S is formed and excluding the region 50 where the column portion P is formed. For example, phosphorus (P) ions are implanted at 1 × 10 18 / cm 3 as the first impurity ions, whereby the p-type first impurity diffusion portion 17 can be formed. Thereafter, the protective layer R1 is removed.

続いて、図２６に示すように、表層にｐ型の第一不純物拡散部１７が形成されたベース層１１の第一の主面に、ｎ型のエピタキシャル結晶層１６を形成する。次に、図２７に示すように、エピタキシャル結晶層１６の表面にフォトレジストからなる保護層Ｒ２形成し、保護層Ｒ２をマスクパターンとして、エピタキシャル結晶層１６の表層に不純物イオンを導入（例えばホウ素（Ｂ）イオンを２×１０１８／ｃｍ３注入）しピエゾ抵抗部１３１を形成する。ブリッジ回路を構成するためのＸ，Ｙ，Ｚ各軸４個のピエゾ抵抗部を形成することにより、ＸＹＺ３軸方向の加速度を検出可能な加速度センサを製造することができる。 Subsequently, as shown in FIG. 26, the n-type epitaxial crystal layer 16 is formed on the first main surface of the base layer 11 in which the p-type first impurity diffusion portion 17 is formed in the surface layer. Next, as shown in FIG. 27, a protective layer R2 made of photoresist is formed on the surface of the epitaxial crystal layer 16, and impurity ions are introduced into the surface layer of the epitaxial crystal layer 16 using the protective layer R2 as a mask pattern (for example, boron ( B) Ions are implanted at 2 × 10 18 / cm 3 ) to form the piezoresistive portion 131. By forming four piezoresistive portions for each of the X, Y, and Z axes for constituting the bridge circuit, an acceleration sensor capable of detecting acceleration in the XYZ triaxial directions can be manufactured.

続いて、保護層Ｒ２を除去し、ベース層１１の第一の主面に絶縁層１２を形成する。例えば、熱酸化することによって０．５μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の層を形成する。熱酸化法の代わりにＣＶＤ法によりＳｉＯ２を成膜してもよい。続いて、図２８に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ３をマスクパターンに用いて、絶縁層１２にコンタクトホールＨ１を形成する。その後保護層Ｒ３を除去する。 Subsequently, the protective layer R <b> 2 is removed, and the insulating layer 12 is formed on the first main surface of the base layer 11. For example, a 0.5 μm silicon dioxide (SiO 2 ) layer is formed by thermal oxidation. SiO 2 may be formed by CVD instead of thermal oxidation. Subsequently, as shown in FIG. 28, a contact hole H1 is formed in the insulating layer 12 using the protective layer R3 made of a photoresist as a mask pattern. Thereafter, the protective layer R3 is removed.

続いて、図２９に示すように、絶縁層１２をマスクパターンに用いて、ピエゾ抵抗部１３１形成時よりも高濃度の不純物イオンを導入（例えばＢイオンを２×１０２０／ｃｍ３注入し活性化させる）し、コンタクト抵抗低減部１３２を形成する。続いて図３０に示すように、絶縁層１２およびコンタクト抵抗低減部１３２の表面に表面導線層１３を形成する。続いて図３１に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ４をマスクパターンに用いて、表面導線層１３をパターニングし、配線や電極パッドを形成する。 Subsequently, as shown in FIG. 29, using the insulating layer 12 as a mask pattern, impurity ions having a concentration higher than that at the time of forming the piezoresistive portion 131 are introduced (for example, B ions are implanted at 2 × 10 20 / cm 3 to activate the ions. The contact resistance reducing portion 132 is formed. Subsequently, as shown in FIG. 30, the surface conducting wire layer 13 is formed on the surfaces of the insulating layer 12 and the contact resistance reducing portion 132. Subsequently, as shown in FIG. 31, using the protective layer R4 made of photoresist as a mask pattern, the surface conductive layer 13 is patterned to form wirings and electrode pads.

続いて、図３２に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ５をマスクパターンに用いてエピタキシャル結晶層１６に、第一不純物拡散部１７に到達する４つの開口５６を形成することにより十字形態の梁を顕在化させ梁部Ｆを形成する。絶縁層１２のエッチングには例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。ｎ型単結晶シリコンからなるエピタキシャル結晶層１６のエッチングには例えば、ＣＦ４ガスおよびＯ２ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。なお、反応性イオンエッチングの他に、フッ酸や緩衝フッ酸によるウェットエッチング法を用いることができる。エッチング後、保護層Ｒ５を除去する。 Subsequently, as shown in FIG. 32, four openings 56 reaching the first impurity diffusion portion 17 are formed in the epitaxial crystal layer 16 using the protective layer R5 made of a photoresist as a mask pattern, thereby forming a cross-shaped configuration. The beam is exposed and the beam portion F is formed. For the etching of the insulating layer 12, for example, reactive ion etching using CHF 3 gas is used. For the etching of the epitaxial crystal layer 16 made of n-type single crystal silicon, for example, reactive ion etching using CF 4 gas and O 2 gas is used. In addition to reactive ion etching, a wet etching method using hydrofluoric acid or buffered hydrofluoric acid can be used. After the etching, the protective layer R5 is removed.

続いて、図３３に示すように、表面導線層１３が形成されている面を、仮接着層５７を介して犠牲基板５８に接着する。仮接着層５７としては例えば、ワックス、フォトレジスト、両面粘着シート等を用いることができる。続いて、フォトレジストからなる保護層Ｒ６をマスクパターンに用いて、ベース層１１の第一の主面の裏面に相当する第二の主面から第一不純物拡散部１７に通じ支柱部Ｐを囲む環状溝Ｔを形成することにより、ベース層１１を環状溝Ｔの外側に位置する枠部Ｓと、内側に位置する錘部Ｍとに分断する。例えばＳＦ６プラズマガスを用いたパッシベーションとＣ４Ｆ８プラズマガスを用いたエッチングのステップを短い時間間隔で交互に繰り返すＤｅｅｐ−ＲＩＥ（いわゆるボッシュプロセス）によってベース層１１を異方的にエッチングすることにより環状溝Ｔを形成する。このとき第一不純物拡散部１７が、環状溝Ｔを形成する際のエッチングストッパとなり、環状溝Ｔを形成する工程で梁部Ｆまでオーバーエッチングされることを防ぐことができる。 Subsequently, as shown in FIG. 33, the surface on which the surface conducting wire layer 13 is formed is bonded to the sacrificial substrate 58 through the temporary bonding layer 57. As the temporary adhesive layer 57, for example, a wax, a photoresist, a double-sided pressure-sensitive adhesive sheet, or the like can be used. Subsequently, the protective layer R6 made of a photoresist is used as a mask pattern to surround the support column P from the second main surface corresponding to the back surface of the first main surface of the base layer 11 to the first impurity diffusion portion 17. By forming the annular groove T, the base layer 11 is divided into a frame part S located outside the annular groove T and a weight part M located inside. For example, the base layer 11 is anisotropically etched by Deep-RIE (so-called Bosch process) in which a passivation step using SF 6 plasma gas and an etching step using C 4 F 8 plasma gas are alternately repeated at short time intervals. An annular groove T is formed by At this time, the first impurity diffusion portion 17 serves as an etching stopper when the annular groove T is formed, and it is possible to prevent the beam portion F from being over-etched in the step of forming the annular groove T.

続いて、ベース層に電圧を印加して第一不純物拡散部１７を環状溝Ｔを通じて除去し、図３４に示すように空洞Ｖを形成するとともに支柱部Ｐを形成する。その後、保護層Ｒ６を除去し、仮接着層５７を除去して犠牲基板５８から剥離する。例えば、仮接着層５７がワックスの場合には、ホットプレートでワックスを加熱した後、洗浄液にてワックスを溶解する。仮接着層５７がＵＶ両面テープの場合には、ＵＶ光を照射して粘着力を低下させた後、剥離する。以上の工程を経て、図２４に示す加速度センサを製造することができる。   Subsequently, a voltage is applied to the base layer to remove the first impurity diffusion portion 17 through the annular groove T, thereby forming a cavity V and a support column P as shown in FIG. Thereafter, the protective layer R6 is removed, the temporary adhesive layer 57 is removed, and the protective layer R6 is peeled off from the sacrificial substrate 58. For example, when the temporary adhesive layer 57 is wax, the wax is heated with a hot plate and then dissolved with a cleaning liquid. In the case where the temporary adhesive layer 57 is a UV double-sided tape, the adhesive strength is reduced by irradiating with UV light, and then peeled off. Through the above steps, the acceleration sensor shown in FIG. 24 can be manufactured.

以上の製造方法によると、エピタキシャル結晶層１６によって梁部Ｆの厚さを調節することができる。すなわち、薄肉部５４が薄くなるように調整することで加速度センサ１の高感度化が可能である。また、ＳＯＩ基板を用いてＭＥＭＳを製造する従来の構成と比較して本発明の製造方法ではＳＯＩ基板が不要であるためコストを削減することができる。   According to the above manufacturing method, the thickness of the beam portion F can be adjusted by the epitaxial crystal layer 16. That is, the sensitivity of the acceleration sensor 1 can be increased by adjusting the thin portion 54 to be thin. In addition, the manufacturing method according to the present invention does not require an SOI substrate as compared with a conventional configuration in which a MEMS is manufactured using an SOI substrate, and thus the cost can be reduced.

（製造方法２）
図２４に示す加速度センサ１は、次のようにして製造することもできる。図３５〜図３９を用いてその製造方法を説明する。まず、製造方法１で示した図２５，図２６の工程の後、図３５に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ７をマスクパターンに用いて、エピタキシャル結晶層１６に複数の孔６０を形成する。孔６０を形成する位置は、エピタキシャル結晶層１６のうち梁部Ｆ形成の際に除去しようとする領域６１内であって錘部Ｍを形成しようとする領域５３の外側である。孔６０は、エピタキシャル結晶層１６の表面から第一不純物拡散部１７に到達する。 (Manufacturing method 2)
The acceleration sensor 1 shown in FIG. 24 can also be manufactured as follows. The manufacturing method will be described with reference to FIGS. First, after the steps of FIGS. 25 and 26 shown in the manufacturing method 1, as shown in FIG. 35, a plurality of holes 60 are formed in the epitaxial crystal layer 16 using the protective layer R7 made of photoresist as a mask pattern. To do. The position where the hole 60 is formed is within the region 61 to be removed when forming the beam portion F in the epitaxial crystal layer 16 and outside the region 53 where the weight portion M is to be formed. The hole 60 reaches the first impurity diffusion portion 17 from the surface of the epitaxial crystal layer 16.

続いて、電圧を印加し、孔６０を通じて第一不純物拡散部１７を除去することによって、環状の空洞Ｖを形成する。続いて、図３６に示すように、基板を酸化させ、空洞Ｖに面する領域に酸化膜（ＳｉＯ２、絶縁層）１２を形成する。例えば、酸素雰囲気中で１０５０℃で基板を加熱することにより、空洞Ｖに面する領域および、ベース層１１の第二の主面、エピタキシャル結晶層１６の表面、孔６０に面する領域に酸化膜１２が形成される。このとき、酸化膜の成長により、孔６０が形成されていた領域全体（領域６６）が酸化膜となり孔６０は閉孔する。続いて、エピタキシャル結晶層１６にピエゾ抵抗素子Ｒを形成し、表面導線層１３を形成しパターニングして配線を形成する。 Subsequently, an annular cavity V is formed by applying a voltage and removing the first impurity diffusion portion 17 through the hole 60. Subsequently, as shown in FIG. 36, the substrate is oxidized to form an oxide film (SiO 2 , insulating layer) 12 in a region facing the cavity V. For example, by heating the substrate at 1050 ° C. in an oxygen atmosphere, an oxide film is formed on the region facing the cavity V, the second main surface of the base layer 11, the surface of the epitaxial crystal layer 16, and the region facing the hole 60. 12 is formed. At this time, due to the growth of the oxide film, the entire region where the hole 60 was formed (region 66) becomes an oxide film and the hole 60 is closed. Subsequently, the piezoresistive element R is formed on the epitaxial crystal layer 16, the surface conductive layer 13 is formed and patterned to form wiring.

次に、図３７に示すように、表面導線層１３が形成されている面を、仮接着層５７を介して犠牲基板５８に接着し、ベース層１１の第二の主面を、保護層Ｒ８をマスクパターンとしてエッチングすることによって、空洞Ｖに面する領域に形成された絶縁層１２に到達する環状溝Ｔを形成する。具体的には例えば、第二の主面に形成された絶縁層１２のエッチングには、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。ベース層１１のエッチングには、ボッシュプロセスを用いる。すなわち、このとき、空洞Ｖに面する領域に形成された酸化膜１２が、環状溝Ｔを形成する際のエッチングストッパとなり、環状溝Ｔを形成する工程で薄肉部までのオーバーエッチングされることを防ぐことができる。その後、保護層Ｒ８を除去し、犠牲基板５８から剥離し仮接着層５７も除去する。 Next, as shown in FIG. 37, the surface on which the surface conductive layer 13 is formed is bonded to the sacrificial substrate 58 via the temporary adhesive layer 57, and the second main surface of the base layer 11 is bonded to the protective layer R8. As a mask pattern, an annular groove T reaching the insulating layer 12 formed in the region facing the cavity V is formed. Specifically, for example, reactive ion etching using CHF 3 gas is used for etching the insulating layer 12 formed on the second main surface. A Bosch process is used for etching the base layer 11. That is, at this time, the oxide film 12 formed in the region facing the cavity V serves as an etching stopper when the annular groove T is formed, and the thin-walled portion is overetched in the step of forming the annular groove T. Can be prevented. Thereafter, the protective layer R8 is removed, peeled off from the sacrificial substrate 58, and the temporary adhesive layer 57 is also removed.

次に、図３８に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ９をマスクパターンに用いて、薄肉部５４（空洞Ｖに面しない酸化膜１２と、エピタキシャル結晶層１６）に、４つの開口５６を形成することにより十字形態の梁を顕在化させる。酸化膜１２のエッチングには例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。ベース層１１からなる薄肉部５４のエッチングには例えば、ＣＦ４ガスおよびＯ２ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いる。このとき、空洞Ｖに面した領域に形成された酸化膜１２がエッチングストッパとなる。なお、反応性イオンエッチングの他に、フッ酸や緩衝フッ酸によるウェットエッチング法を用いることができる。エッチング後、保護層Ｒ９を除去する。 Next, as shown in FIG. 38, four openings 56 are formed in the thin portion 54 (the oxide film 12 not facing the cavity V and the epitaxial crystal layer 16) using the protective layer R9 made of a photoresist as a mask pattern. By forming, a cross-shaped beam is revealed. For the etching of the oxide film 12, for example, reactive ion etching using CHF 3 gas is used. For example, reactive ion etching using CF 4 gas and O 2 gas is used for etching the thin portion 54 formed of the base layer 11. At this time, the oxide film 12 formed in the region facing the cavity V serves as an etching stopper. In addition to reactive ion etching, a wet etching method using hydrofluoric acid or buffered hydrofluoric acid can be used. After the etching, the protective layer R9 is removed.

続いて、図３９に示すように、保護層Ｒ９をマスクパターンに用いて、空洞Ｖに面する領域に形成されていた酸化膜１２と、ベース層１１の第二の主面に形成されていた酸化膜１２とを除去する。例えば、緩衝フッ酸を用いて酸化膜１２をウェットエッチングする。その後、保護層Ｒ９を除去することにより、図２４に示す加速度センサ１を製造することができる。   Subsequently, as shown in FIG. 39, the protective layer R9 was used as a mask pattern, and the oxide film 12 formed in the region facing the cavity V and the second main surface of the base layer 11 were formed. The oxide film 12 is removed. For example, the oxide film 12 is wet etched using buffered hydrofluoric acid. Thereafter, the acceleration sensor 1 shown in FIG. 24 can be manufactured by removing the protective layer R9.

２−２．第二実施形態
（構成）
図４０は、第二実施形態にかかる加速度センサ２を示している。加速度センサ２には、錘部Ｍの過度の運動を規制するための錘ストッパ６８が形成されている。 2-2. Second embodiment (Configuration)
FIG. 40 shows the acceleration sensor 2 according to the second embodiment. The acceleration sensor 2 is formed with a weight stopper 68 for restricting excessive movement of the weight portion M.

（製造方法）
錘ストッパ６８は、絶縁層１２およびエピタキシャル結晶層１６をパターニングして梁部Ｆを形成する工程において、梁部Ｆのパターンに加えて錘ストッパ６８のパターンを加えることによって形成することができる。すなわち、図４１に示すマスクパターンを用いて絶縁層１２およびエピタキシャル結晶層１６をパターニングすることにより、梁部Ｆとともに錘ストッパ６８を形成することができる。 (Production method)
The weight stopper 68 can be formed by adding the pattern of the weight stopper 68 in addition to the pattern of the beam part F in the step of forming the beam part F by patterning the insulating layer 12 and the epitaxial crystal layer 16. That is, the weight stopper 68 can be formed together with the beam portion F by patterning the insulating layer 12 and the epitaxial crystal layer 16 using the mask pattern shown in FIG.

２−３．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や形状や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。また、上述した製造工程において、膜の組成、成膜方法、膜の輪郭形成方法、工程順序などは、加速度センサやジャイロセンサなどのモーションセンサやアクチュエータを構成しうる物性を持つ膜材料の組み合わせや、膜厚や、要求される輪郭形状精度などに応じて適宜選択されるものであって、特に限定されない。 2-3. Other Embodiments The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the materials, dimensions, shapes, film forming methods, and pattern transfer methods shown in the above embodiment are merely examples, and the addition and deletion of processes and the replacement of process order that are obvious to those skilled in the art are described. It is omitted. In the manufacturing process described above, the composition of the film, the film forming method, the film contour forming method, the process sequence, etc. are combinations of film materials having physical properties that can constitute motion sensors and actuators such as acceleration sensors and gyro sensors. The thickness is appropriately selected according to the film thickness and the required contour shape accuracy, and is not particularly limited.

例えば本発明はジャイロセンサおよびその製造方法としても適用することができる。図４２は、本発明にかかるジャイロセンサの一形態を示している。薄肉部５４の表面には、積層された一対の電極１５と当該電極１５に挟まれた圧電膜１４からなる圧電素子６３が複数形成されている。圧電素子６３は、枠部Ｓに対する錘部Ｍの運動を検出するための素子である。図４２に示すジャイロセンサは、次のようにして製造することができる。   For example, the present invention can also be applied as a gyro sensor and a manufacturing method thereof. FIG. 42 shows an embodiment of a gyro sensor according to the present invention. On the surface of the thin portion 54, a plurality of piezoelectric elements 63 including a pair of stacked electrodes 15 and the piezoelectric film 14 sandwiched between the electrodes 15 are formed. The piezoelectric element 63 is an element for detecting the movement of the weight part M with respect to the frame part S. The gyro sensor shown in FIG. 42 can be manufactured as follows.

まず、図４２Ｃに示す破線６４の内側の領域であって、支柱部Ｐ形成領域を除いた領域に第一の不純物イオンを導入することによって、ベース層１１に環状の第一不純物拡散部１７を形成し、上記実施形態と同様にその上面に「第一の層」としてエピタキシャル結晶層１６を形成する。その後、薄肉部５４の表面に圧電素子６３や配線を形成し、ベース層１１の第二の主面から環状溝Ｔを形成する。環状溝Ｔを通じて第一不純物拡散部１７を除去することによって環状の空洞Ｖが形成される。その結果、錘部Ｍ、枠部Ｓ、薄肉部５４、支柱部Ｐ、圧電素子６３を有するジャイロセンサを製造することができる。なお、この実施形態の場合、「第一の層」は単結晶シリコンのエピタキシャル結晶層であることに限定されない。例えば多結晶シリコンであってもよい。   First, by introducing the first impurity ions into the region inside the broken line 64 shown in FIG. 42C except for the support column P formation region, the annular first impurity diffusion portion 17 is formed in the base layer 11. Then, the epitaxial crystal layer 16 is formed as a “first layer” on the upper surface as in the above embodiment. Thereafter, the piezoelectric element 63 and the wiring are formed on the surface of the thin portion 54, and the annular groove T is formed from the second main surface of the base layer 11. By removing the first impurity diffusion portion 17 through the annular groove T, an annular cavity V is formed. As a result, a gyro sensor having the weight part M, the frame part S, the thin part 54, the support part P, and the piezoelectric element 63 can be manufactured. In the case of this embodiment, the “first layer” is not limited to being an epitaxial crystal layer of single crystal silicon. For example, it may be polycrystalline silicon.

この製造方法によると歩留まりの高いジャイロセンサを製造することができる。なぜなら、単結晶シリコン基板にエピタキシャル結晶層が形成された状態では、ＳＯＩ基板と比べて基板の反りが少ないため、本発明のように空洞を形成した単結晶シリコン基板上に電極や圧電膜を成膜する際、ウエハの表面において温度が均一となり、ウエハ表面で圧電材料の結晶性や圧電特性の均一性が高くなるためである。
なお、本発明は、上記した加速度センサやジャイロセンサの他にも、錘部を有するアクチュエータなどに適用することができる。 According to this manufacturing method, a gyro sensor with a high yield can be manufactured. This is because when the epitaxial crystal layer is formed on the single crystal silicon substrate, the substrate is less warped than the SOI substrate, so that an electrode or a piezoelectric film is formed on the single crystal silicon substrate in which a cavity is formed as in the present invention. This is because when the film is formed, the temperature becomes uniform on the surface of the wafer, and the crystallinity of the piezoelectric material and the uniformity of the piezoelectric characteristics increase on the wafer surface.
The present invention can be applied to an actuator having a weight portion in addition to the acceleration sensor and the gyro sensor described above.

なお、第一実施形態や第二実施形態では、薄肉部５４をパターニングして梁部Ｆを形成し、支柱部Ｐを介して錘部Ｍが梁部Ｆに連結している加速度センサを例に用いたが、このような形態の他に、図４２で示したジャイロセンサのように、パターニングされていない薄膜状の薄肉部５４に、支柱部Ｐを介して錘部Ｍが連結したＭＥＭＳも本発明の権利範囲に含まれる。   In the first embodiment and the second embodiment, an example is an acceleration sensor in which the thin portion 54 is patterned to form the beam portion F, and the weight portion M is connected to the beam portion F via the support column portion P. In addition to such a configuration, a MEMS in which a weight portion M is connected to a thin thin-film portion 54 that is not patterned via a support portion P as in the gyro sensor shown in FIG. It is included in the scope of the right of the invention.

さらに、図２４に示す加速度センサ１は、次のようにしても製造することができる。図４３〜図４４を用いて説明する。まず、第一実施形態の製造方法１で示した図２５，図２６の工程の後、図４３に示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ１０をマスクパターンに用いて、ｎ型のエピタキシャル結晶層１６に第二の不純物イオンを導入（例えばリン（Ｐ）イオンを１×１０１８／ｃｍ３導入）することによって、４つのｐ型の第二不純物拡散部１８を形成する。第二不純物拡散部１８を形成する位置は、エピタキシャル結晶層１６のうち梁部Ｆ形成の際に除去しようとする領域全体である。第二不純物拡散部１８は、エピタキシャル結晶層１６と同じ膜厚であり、エピタキシャル結晶層１６の表面から第一不純物拡散部１７に達する。その後、保護層Ｒ１０を除去する。 Furthermore, the acceleration sensor 1 shown in FIG. 24 can also be manufactured as follows. This will be described with reference to FIGS. First, after the steps of FIGS. 25 and 26 shown in the manufacturing method 1 of the first embodiment, as shown in FIG. 43, an n-type epitaxial crystal layer is formed using a protective layer R10 made of a photoresist as a mask pattern. By introducing the second impurity ions into 16 (for example, introducing phosphorus (P) ions at 1 × 10 18 / cm 3 ), four p-type second impurity diffusion portions 18 are formed. The position where the second impurity diffusion portion 18 is formed is the entire region to be removed when the beam portion F is formed in the epitaxial crystal layer 16. The second impurity diffusion portion 18 has the same thickness as the epitaxial crystal layer 16 and reaches the first impurity diffusion portion 17 from the surface of the epitaxial crystal layer 16. Thereafter, the protective layer R10 is removed.

続いて、基板を酸化し、エピタキシャル結晶層１６（第二不純物拡散部１８を含む）の表面およびベース層１１の第二の主面に酸化膜（ＳｉＯ２，絶縁層）１２を形成する。そして、エピタキシャル結晶層１６のうち梁部Ｆとして残存させる領域に上記実施形態と同様にピエゾ抵抗素子Ｒを形成する。さらに、表面導線層１３を形成し、パターニングして配線、電極パッドを形成する。 Subsequently, the substrate is oxidized, and an oxide film (SiO 2 , insulating layer) 12 is formed on the surface of the epitaxial crystal layer 16 (including the second impurity diffusion portion 18) and the second main surface of the base layer 11. Then, a piezoresistive element R is formed in the region of the epitaxial crystal layer 16 that remains as the beam portion F, as in the above embodiment. Further, the surface conducting wire layer 13 is formed and patterned to form wirings and electrode pads.

続いて、表面導線層１３が形成されている面を仮接着層５７を介して犠牲基板５８に接着し、環状溝Ｔを形成する。続いて、基板に電圧を印加し、環状溝Ｔを通じて第一不純物拡散部１７と同時に第二不純物拡散部１８を除去する。図４４は、第一不純物拡散部１７と第二不純物拡散部１８が除去された状態を示している。すなわち、第一不純物拡散部１７が除去されたことにより環状の空洞Ｖが形成され、それと同時に第二不純物拡散部１８も除去されたことによりエピタキシャル結晶層１６が梁部Ｆの形状に合わせてパターニングされている。すなわち、第一不純物拡散部および第二不純物拡散部の除去と、梁部Ｆ形成のためのパターニングとを共通の工程で実施することができるため、工程が簡略化できコスト削減につなげることができる。   Subsequently, the surface on which the surface conducting wire layer 13 is formed is bonded to the sacrificial substrate 58 via the temporary bonding layer 57 to form the annular groove T. Subsequently, a voltage is applied to the substrate, and the second impurity diffusion portion 18 is removed simultaneously with the first impurity diffusion portion 17 through the annular groove T. FIG. 44 shows a state where the first impurity diffusion portion 17 and the second impurity diffusion portion 18 are removed. That is, the annular cavity V is formed by removing the first impurity diffusion portion 17 and the second impurity diffusion portion 18 is also removed at the same time, so that the epitaxial crystal layer 16 is patterned in accordance with the shape of the beam portion F. Has been. That is, since the removal of the first impurity diffusion portion and the second impurity diffusion portion and the patterning for forming the beam portion F can be performed in a common process, the process can be simplified and the cost can be reduced. .

続いて、酸化膜１２において梁部Ｆとして残存させない領域を除去すると、図４４Ｂにおいて絶縁層１２が露出していた領域に、仮接着層５７が露出する。その後、仮接着層５７を除去することにより基板を犠牲基板５８から剥離すると、図２４に示す加速度センサ１が完成する。   Subsequently, when the region not remaining as the beam portion F in the oxide film 12 is removed, the temporary adhesive layer 57 is exposed in the region where the insulating layer 12 is exposed in FIG. 44B. Thereafter, the temporary adhesive layer 57 is removed to peel the substrate from the sacrificial substrate 58, whereby the acceleration sensor 1 shown in FIG. 24 is completed.

なお、図４５に示すように、「第一の層」としてのエピタキシャル結晶層１６の表面に「第二の層」としてのエピタキシャル結晶層１９が形成され、ピエゾ抵抗素子Ｒはエピタキシャル結晶層１９に形成されてもよい。薄肉部の絶縁層１２を除く部分が導電型の二層構造になることにより、エピタキシャル結晶層１６は、第一不純物拡散部１７を除去する際のエッチングストッパとして機能させるのに適した導電型および不純物濃度の層とすることができ、エピタキシャル結晶層１９は、当該層内にピエゾ抵抗素子Ｒを形成するのに適した導電型および不純物濃度を有する層とすることができる。例えばエピタキシャル結晶層１６は、導電型がｐ型で例えば不純物濃度は５×１０１９／ｃｍ３程度とし、エピタキシャル結晶層１９は、導電型がｐ型で不純物濃度は例えば１×１０１８／ｃｍ３程度とすることができる。 As shown in FIG. 45, an epitaxial crystal layer 19 as a “second layer” is formed on the surface of the epitaxial crystal layer 16 as a “first layer”, and the piezoresistive element R is formed on the epitaxial crystal layer 19. It may be formed. Since the portion of the thin-walled portion excluding the insulating layer 12 has a conductive double-layer structure, the epitaxial crystal layer 16 has a conductivity type suitable for functioning as an etching stopper when the first impurity diffusion portion 17 is removed, and The epitaxial crystal layer 19 can be a layer having a conductivity type and an impurity concentration suitable for forming the piezoresistive element R in the layer. For example, the epitaxial crystal layer 16 has a p-type conductivity and has an impurity concentration of, for example, about 5 × 10 19 / cm 3 , and the epitaxial crystal layer 19 has a p-type conductivity and has an impurity concentration of, for example, 1 × 10 18 / cm 3. Can be about.

さらに、図４６に示すように、梁部Ｆの表裏に同じ膜厚の絶縁層１２が形成されていてもよい。この場合、温度変化が発生しても表裏両面の絶縁層１２によって梁部Ｆの応力がバランスするため、温度特性が安定する。図４６に示す加速度センサは次のようにして製造することができる。上記の実施形態と同様に第一不純物拡散部１７およびエピタキシャル結晶層１６を形成した後、環状溝Ｔの形成領域を薄肉部５４に投影した位置であって、梁部Ｆとして残存させない位置に複数の孔６７を形成する。その状態でベース層１１の第一の主面、第二の主面、孔６７の内壁および空洞Ｖに面する領域に二酸化シリコンからなる絶縁層１２を形成する。   Furthermore, as shown in FIG. 46, the insulating layer 12 having the same film thickness may be formed on the front and back of the beam portion F. In this case, even if a temperature change occurs, the stress of the beam portion F is balanced by the insulating layers 12 on both the front and back surfaces, so that the temperature characteristics are stabilized. The acceleration sensor shown in FIG. 46 can be manufactured as follows. After the first impurity diffusion portion 17 and the epitaxial crystal layer 16 are formed in the same manner as in the above embodiment, a plurality of regions where the formation region of the annular groove T is projected on the thin portion 54 and not left as the beam portion F are formed. The hole 67 is formed. In this state, the insulating layer 12 made of silicon dioxide is formed on the first main surface, the second main surface, the inner wall of the hole 67 and the region facing the cavity V of the base layer 11.

その後、梁部Ｆ、ピエゾ抵抗素子Ｒ、表面導線層１３を形成する。表面導線層１３のパターニングする際に用いた犠牲層（フォトレジスト）Ｒ１１が空洞Ｖに充填されている状態で、図４７に示すように、仮接着層５７を介して犠牲基板５８に接着し、ベース層１１の第二の主面側から、空洞Ｖに面する基板内壁に形成された絶縁層１２に到達する環状溝Ｔを形成する。その後、空洞Ｖに犠牲層Ｒ１１が充填されている状態で、環状溝Ｔの底部にあたる、空洞Ｖに面する基板の内壁に形成された絶縁層１２を除去する。その後、空洞Ｖに埋められている犠牲層Ｒ１１を除去する。空洞Ｖに犠牲層Ｒ１１が充填されている状態で環状溝Ｔを形成する際、犠牲層Ｒ１１がエッチングストッパとなり、梁部Ｆの裏面（空洞Ｖに接する面）に形成されている絶縁層１２までオーバーエッチングされることを防止することができる。そのため、梁部Ｆの表裏に精密に同じ膜厚の絶縁層１２を形成することができる。   Thereafter, the beam portion F, the piezoresistive element R, and the surface conducting wire layer 13 are formed. In a state where the sacrificial layer (photoresist) R11 used for patterning the surface conducting wire layer 13 is filled in the cavity V, as shown in FIG. 47, it adheres to the sacrificial substrate 58 via the temporary adhesive layer 57, An annular groove T reaching the insulating layer 12 formed on the inner wall of the substrate facing the cavity V is formed from the second main surface side of the base layer 11. Thereafter, in a state where the cavity V is filled with the sacrificial layer R11, the insulating layer 12 formed on the inner wall of the substrate facing the cavity V, which is the bottom of the annular groove T, is removed. Thereafter, the sacrificial layer R11 buried in the cavity V is removed. When the annular groove T is formed in a state where the cavity V is filled with the sacrificial layer R11, the sacrificial layer R11 serves as an etching stopper, and the insulating layer 12 formed on the back surface of the beam portion F (the surface in contact with the cavity V). Overetching can be prevented. Therefore, the insulating layer 12 having the same film thickness can be precisely formed on the front and back of the beam portion F.

さらに、図４８に示すように、錘部Ｍの空洞Ｖに面する面に凹凸を形成することができる。錘部Ｍのこのような形状は、図４９に示すように、異なる加速電圧下で、２回にわたり第一の不純物イオンを注入して、第一不純物拡散部の底面の深さを変えることにより、実現することができる。このようにして第一不純物拡散部１７の深さを変えることによって錘部Ｍの空洞Ｖに面に凹凸を形成することによって、梁部に対して錘部が付着するのを防止するためのディンプル５３１を錘部Ｍに形成することができる。   Furthermore, as shown in FIG. 48, irregularities can be formed on the surface of the weight M facing the cavity V. As shown in FIG. 49, such a shape of the weight part M is obtained by implanting the first impurity ions twice under different acceleration voltages and changing the depth of the bottom surface of the first impurity diffusion part. Can be realized. The dimples for preventing the weight portion from adhering to the beam portion by forming irregularities on the surface of the cavity V of the weight portion M by changing the depth of the first impurity diffusion portion 17 in this manner. 531 can be formed on the weight M.

１１：ベース層、１２：絶縁層（酸化膜）、１３：表面導線層、１４：圧電膜、１５：電極、１６：エピタキシャル結晶層、１７：第一不純物拡散部、１８：第二不純物拡散部、１９：エピタキシャル結晶層、５０：支柱部Ｐを形成する領域、５１：枠部Ｓを形成する領域、５２：孔、５４：薄肉部、５５：厚肉部、５６：開口、５７：仮接着層、５８：犠牲基板、６０：孔、６１：領域、６３：圧電素子、６４：破線、６５：犠牲層、６６：領域、６７：孔、６８：錘ストッパ、１３１：ピエゾ抵抗部、１３２：コンタクト抵抗低減部、５３１：ディンプル、Ｃ：内角部、Ｆ：梁部、Ｈ１：コンタクトホール、Ｍ：錘部、Ｐ：支柱部、Ｒ：ピエゾ抵抗素子、Ｓ：枠部、Ｔ：環状溝、Ｖ：空洞。   11: base layer, 12: insulating layer (oxide film), 13: surface conductive layer, 14: piezoelectric film, 15: electrode, 16: epitaxial crystal layer, 17: first impurity diffusion portion, 18: second impurity diffusion portion , 19: epitaxial crystal layer, 50: region for forming the pillar portion P, 51: region for forming the frame portion S, 52: hole, 54: thin portion, 55: thick portion, 56: opening, 57: temporary adhesion Layer, 58: sacrificial substrate, 60: hole, 61: region, 63: piezoelectric element, 64: broken line, 65: sacrificial layer, 66: region, 67: hole, 68: weight stopper, 131: piezoresistive part, 132: Contact resistance reduction part, 531: dimple, C: inner corner part, F: beam part, H1: contact hole, M: weight part, P: support part, R: piezoresistive element, S: frame part, T: annular groove, V: Cavity.

Claims (10)

単結晶シリコンからなる基板の第一の主面の環状領域に複数の凹部を形成し、
前記基板を非酸化性雰囲気中で熱処理することによって、前記複数の凹部から前記基板内に環状の空洞を形成するとともに、前記空洞によって隔てられた薄肉部と厚肉部と、前記空洞に囲まれ前記薄肉部と前記厚肉部とを連結している支柱部とを形成し、
前記第一の主面の裏面に相当する前記基板の第二の主面から、前記空洞に到達する環状溝を形成することによって、前記環状溝の外側に位置し前記薄肉部と結合する枠部と前記環状溝の内側に位置し前記支柱部に結合する錘部とに前記厚肉部を分割する、
ことを含むＭＥＭＳの製造方法。 Forming a plurality of recesses in the annular region of the first main surface of the substrate made of single crystal silicon;
By heat-treating the substrate in a non-oxidizing atmosphere, an annular cavity is formed in the substrate from the plurality of recesses, and the thin-walled portion and the thick-walled portion separated by the cavity are surrounded by the cavity. A strut portion connecting the thin portion and the thick portion is formed,
By forming an annular groove reaching the cavity from the second principal surface of the substrate corresponding to the back surface of the first principal surface, a frame portion located outside the annular groove and coupled to the thin portion And dividing the thick portion into a weight portion located inside the annular groove and coupled to the support portion,
The manufacturing method of MEMS including this. 前記空洞を形成した後であって前記環状溝を形成する前に、前記薄肉部のうち除去しようとする領域に前記第一の主面から前記空洞に到達する複数の孔を形成し、前記空洞に面する前記基板の内壁の表層を酸化させる、
ことを含む請求項１に記載のＭＥＭＳの製造方法。 After forming the cavity and before forming the annular groove, a plurality of holes reaching the cavity from the first main surface are formed in the thinned portion in the region to be removed. Oxidizing the surface layer of the inner wall of the substrate facing
The manufacturing method of MEMS of Claim 1 including this. 前記空洞に面する前記基板の内壁の表層を酸化させるとともに、前記薄肉部のうち除去しようとする領域全体を酸化させ、
前記環状溝を形成した後、前記基板の酸化領域を除去する、
請求項２に記載のＭＥＭＳの製造方法。 While oxidizing the surface layer of the inner wall of the substrate facing the cavity, oxidize the entire region to be removed of the thin portion,
Removing the oxidized region of the substrate after forming the annular groove;
The manufacturing method of MEMS of Claim 2. 前記空洞を形成した後、前記薄肉部を一部除去することによって前記空洞の開口を形成するとともに、前記薄肉部からなり前記支柱部と前記枠部とを連結する梁部を形成し、
前記環状溝を形成する前に、前記開口から前記空洞を犠牲層で埋め、
前記環状溝を形成した後、前記犠牲層を除去する、
ことを含む請求項１に記載のＭＥＭＳの製造方法。 After forming the cavity, forming the opening of the cavity by partially removing the thin portion, and forming a beam portion composed of the thin portion and connecting the column portion and the frame portion,
Before forming the annular groove, the cavity is filled with a sacrificial layer from the opening,
Removing the sacrificial layer after forming the annular groove;
The manufacturing method of MEMS of Claim 1 including this. 前記開口を形成した後、前記空洞を前記犠牲層で埋める前に、前記第一の主面と前記第二の主面と前記空洞に面する前記基板の内壁を酸化し、
前記梁部の表裏両面の前記酸化膜を残存させる、
ことを含む請求項４に記載のＭＥＭＳの製造方法。 After forming the opening and before filling the cavity with the sacrificial layer, oxidize the first main surface, the second main surface and the inner wall of the substrate facing the cavity;
Leaving the oxide film on both sides of the beam part;
The manufacturing method of MEMS of Claim 4 including this. 前記空洞を形成した後、前記薄肉部のうち除去しようとする領域であって前記錘部を形成する領域の外側の位置において、前記第一の主面から前記空洞に到達する複数の前記孔を形成する、
ことを含む請求項２に記載のＭＥＭＳの製造方法。 After forming the cavity, a plurality of the holes reaching the cavity from the first main surface at a position outside the thin wall portion to be removed and forming the weight portion. Form,
The manufacturing method of MEMS of Claim 2 including this. 前記空洞を形成した後、前記第一の主面に絶縁層を形成し、
前記絶縁層の表面に、積層された一対の電極と前記一対の電極に挟まれた圧電膜とを形成する、
ことを含む請求項１〜請求項５のいずれかに記載のＭＥＭＳの製造方法。 After forming the cavity, forming an insulating layer on the first main surface,
Forming a pair of stacked electrodes and a piezoelectric film sandwiched between the pair of electrodes on the surface of the insulating layer;
The manufacturing method of MEMS in any one of Claims 1-5 containing this. 枠部と、前記枠部の内側に結合している薄肉部と、前記薄肉部の一方の面から突出している支柱部と、前記枠部の内側において前記支柱部に結合し前記支柱部よりも前記枠部に向かって突出している錘部とを備え、
前記枠部と前記薄肉部と前記支柱部と前記錘部とは単結晶シリコンバルクで構成されているＭＥＭＳ。 A frame portion, a thin portion that is coupled to the inside of the frame portion, a column portion that protrudes from one surface of the thin portion, and a frame portion that is coupled to the column portion on the inside of the frame portion than the column portion A weight portion protruding toward the frame portion,
The frame portion, the thin-walled portion, the support column portion, and the weight portion are MEMS configured by a single crystal silicon bulk. 前記枠部と前記薄肉部とがなす内角部と、前記薄肉部と前記支柱部とがなす内角部と、前記支柱部と前記錘部とがなす内角部は、なだらかな凹曲面をなしている、
請求項８に記載のＭＥＭＳ。 An inner corner portion formed by the frame portion and the thin portion, an inner corner portion formed by the thin portion and the column portion, and an inner corner portion formed by the column portion and the weight portion have a gentle concave curved surface. ,
The MEMS according to claim 8. 前記薄肉部の表裏両面には膜厚の等しい酸化シリコン層がある、
請求項８または請求項９に記載のＭＥＭＳ。 There are silicon oxide layers having the same film thickness on both front and back surfaces of the thin part,
The MEMS according to claim 8 or 9.
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