JP2661513B2

JP2661513B2 - 半導体加速度センサの製造方法及びフォトマスク

Info

Publication number: JP2661513B2
Application number: JP5201342A
Authority: JP
Inventors: 阿喜宏矢野
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-08-13
Filing date: 1993-08-13
Publication date: 1997-10-08
Anticipated expiration: 2012-10-08
Also published as: JPH0758345A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、単結晶シリコン基板を
用いた半導体加速度センサの製造方法及びフォトマスク
に関し、特に、加速度を力に変換する厚肉のおもり部
と、変換された力を電気信号に変換する薄肉のたわみ部
と、加速度検出感度を高めるための貫通孔とを、（１０
０）面方位単結晶シリコンの異方性エッチングを利用し
て形成する半導体加速度センサの製造方法及びその製造
に用いられるフォトマスクに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の半導体加速度センサでは、通
常、図２（ａ）にその斜視図を示すように、単結晶シリ
コン基板の一方の面に、矩形状で厚肉のおもり部１と、
このおもり部１の対向する二つの辺に平行に設けられた
薄肉のたわみ部２と、おもり部１のもう一組の対向する
辺に平行に設けられた貫通孔３と、たわみ部２を支持す
る厚肉のリム部４とが形成されている。又、シリコン基
板のもう一方の面には、図２（ｂ）に示す模式的斜視図
のように、たわみ部２に対応する部分に複数の抵抗５が
形成され、これら抵抗５に外部から電流を流せるよう
に、パッド６および金属配線７が設けられている。上記
の構造において、おもり部１は、結晶面に垂直な方向の
成分を持つ加速度がこのセンサに加わったときに、力学
の法則Ｆ＝Ｍα（但し、Ｆは力、Ｍはおもり部の質量、
αは加速度）に従って、加速度を力に変換する部分であ
る。たわみ部２は、おもり部１を支持するとともにおも
り部１で生じた力によりたわみ、このたわみによってシ
リコン基板の他方の面に形成された抵抗５に、ピエゾ抵
抗効果による抵抗値変化を生じさせる部分である。抵抗
５の抵抗値変化は、定電流を流すときの電圧の変化とし
てパッド６から外部に取り出される。

【０００３】以下に、上記構造の加速度センサの製造工
程について説明する。図３（ａ）〜（ｅ）は、加速度セ
ンサのおもり部１、たわみ部２、貫通孔３及びリム部４
の要部の断面を製造工程順に示す図である。先ず、（１
００）面方位のｎ型シリコン基板８の両面に、例えば、
熱酸化法などにより保護膜９_a，９_bを形成する（図３
（ａ））。次いで、シリコン基板８の一方の面上の保護
膜９_aに対して、フォトリソグラフィ技術によりパター
ニングを行い、おもり部及びリム部となるべき部分に保
護膜９_W及び９_Rを残す（図３（ｂ））。更に、このシ
リコン基板を、例えば水酸化カリウム水溶液などのアル
カリ性エッチング液で、エッチングすると、マスク（保
護膜９_W及び９_R）で覆われていない部分のシリコンは
エッチングされ、厚肉のおもり部１及びリム部４と薄肉
化されたたわみ部２とが形成される（図３（ｃ））。こ
のアルカリ性水溶液による単結晶シリコンのエッチング
は、シリコン基板の結晶方位にエッチング速度が依存す
るので異方性エッチングと呼ばれる。次いで、シリコン
基板のもう一方の面上の保護膜９_bに対してホトリソグ
ラフィ技術によるエッチングを施し、貫通孔を形成すべ
き部分の保護膜を取り除く（図３（ｄ））。このシリコ
ン基板を水酸化カリウム水溶液等のアルカリ性エッチン
グ液又は弗化水素酸水と硝酸溶液と酢酸溶液とを混合し
たエッチング液により、マスク（保護膜９_b）で覆われ
ていない部分（貫通孔形成部）のシリコンのエッチング
を行い、おもり部１が上下に動きやすくするための貫通
孔３を形成する（図３（ｅ））。

【０００４】ここで、以上の製造工程において、シリコ
ン基板をアルカリ性エッチング液でエッチングする場
合、そのエッチング速度には前述したように、結晶方位
依存性があり、｛１１１｝面に対するエッチング速度は
他のどの面に対するエッチング速度に比べても極度に遅
い。従って、おもり部の形状を、それぞれの辺が（１０
０）面と｛１１１｝面とが交わってできる［０１１］方
向の稜線に平行であるような矩形にすると、図２（ａ）
に示すように、リム部４およびおもり部１からたわみ部
２および貫通孔３にかけては、シリコンの異方性エッチ
ングにより｛１１１｝面が表われることになる。

【０００５】次に、半導体加速度センサにおける加速度
の検出方法について、図２（ｂ）に示す模式的斜視図を
用いて説明する。図２（ｂ）を参照すると、上述の製造
工程中で異方性エッチングを行う前に、たわみ部２に、
ボロンを熱拡散させ又はイオン注入させて形成した抵抗
５と、この抵抗５の抵抗変化を外部に伝達するために金
属配線７及びパッド６が形成されている。このセンサに
（１００）面に対して垂直な上方向の加速度が働いた場
合、慣性によりおもり部１は下方向に引かれるので、た
わみ部２にたわみが生じる。この時、たわみ部２上に形
成された抵抗５のうちリム部４に近い側の抵抗は伸び、
一方、おもり部１に近い抵抗には縮みが生じる。この抵
抗の伸び・縮みに対してピエゾ抵抗効果により抵抗変化
が生じるので、あらかじめパッド部６から抵抗に定電流
を流しておくことにより、加速度の変化を電圧の変化と
して検知することが可能となる。

【０００６】ところで、加速度センサのおもり部やたわ
み部を作成するにあたっては、上述したようにシリコン
の異方性エッチングを用いるが、このとき所望のおもり
形状と同一形状のマスクパターン（以下、基本マスクパ
ターンと記す）でエッチングを行うと、角凸部にサイド
エッチングが発生し、エッチング終了時点で所望のおも
り形状が得られないという問題が起ることから、所望の
おもり形状を得るために基本マスクパターンに異方性エ
ッチング用の補正マスクパターンを追加することが行わ
れている。

【０００７】図４（ａ）は、このような異方性エッチン
グ用補正マスクパターンの一例であって特開平１−２８
４７６４号公報に開示されたものである。図４（ａ）を
参照すると、このエッチングマスクの形状は、リム部を
形成するためのリム部マスクパターン４０と、目的とす
るおもり形状を定めるための基本マスクパターン５０
と、前もって矩形状に突出させた補正マスクパターン５
１Ａとを合成した形状となっている。尚、矩形状に突出
した補正マスクパターン５１Ａはその形状から、たわみ
部形成部２０及び貫通孔形成部３０に掛かるように配置
されている。

【０００８】図４（ｂ）に、上記の、基本マスクパター
ンの角凸部に矩形状に突出した補正マスクパターンを追
加した形状のエッチングマスクを用いて異方性エッチン
グを行なった場合の、〈１００〉方向から見たエッチン
グの進行状況を、時間の経過を追って示す。エッチング
は矩形状に突出した部分の凸部のエッチング速度が最も
大きいので、補正マスクパターン５１Ａの３つの突出角
凸部より始まったエッチングは、Ａ１−Ｂ１−Ｃ１−Ｄ
１−Ｅ１を結んだ折れ線で示される形状に進む。次い
で、点Ａ２−Ｂ２−Ｃ２−Ｄ２−Ｅ２を結ぶ線までエッ
チングが進み、点Ａ２及びＢ２を結んだ線がエッチング
面（１１０）面と（１００）面の交わる稜線に達すると
この面のエッチング速度が低下するので、点Ａ２−Ａ３
−Ｂ３−Ｃ３−Ｄ３−Ｅ３−Ｅ２を結ぶ線のようにエッ
チングが進む。次いで、点Ａ２−０−Ｅ２を結ぶ線で示
される直角の凸部を生じ所望のおもり形状を得ることが
できる。

【０００９】従来の異方性エッチング用補正マスクパタ
ーンの他の例が、電気学界（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ
ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓｏｆ
Ｊａｐａｎ）主催の「固体センサとアクチュエータに関
する第４回国際会議」（Ｔｈｅ４ｔｈＩｎｔｅｒｎ
ａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌ
ｉｄ−ＳｔａｔｅＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕ
ａｔｏｒｓ）、東京、１９８７年６月２日〜５日の予稿
集「トランスジューサーズ’８７」（ＴＲＡＮＳＤＵＣ
ＥＲＳ’８７）第１２６〜１２９頁に記載されている。
図５（ａ）は、上記予稿集に記載された補正マスクパタ
ーンを半導体加速度センサの製造に適用した場合のエッ
チングマスクパターンを示す図である。同図を参照する
と、この図に示すエッチングマスクパターンは、リム部
を形成するためのリム部マスクパターン４０と、目的と
するおもり形状を定める基本マスクパターン５０と、基
本マスクパターン５０の各頂点に追加された三角形の補
正マスクパターン５１Ｂとから形成されている。ここ
で、三角形をした補正マスクパターン５１Ｂは前例と同
様にその形状から、たわみ部形成部２０及び貫通孔形成
部３０に掛かるように配置されている。

【００１０】図５（ｂ）に、図５（ａ）で示したパター
ンのエッチングマスクを用いて異方性エッチングを行っ
た場合のエッチング経過状況を示す。エッチング開始と
ともに三角形の補正マスクパターン５１Ｂの突起部分の
先端および周辺からエッチングが進行し、ある時間経過
すると点Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅを結んだ矩形状のパターン
を経て所望のおもり形状を得ることができる。

【００１１】又、特開平２−２８０３２５号公報には異
方性エッチング用補正マスクパターンの更に他の例が開
示されている。上記公報記載の加速度センサに用いられ
るシリコン基板はこれまで述べたものとは異なって、
（１１０）面方位の単結晶シリコン基板であるが、目的
とする形状を得るための基本マスクパターンに、この基
本マスクパターンの頂点に接続され、（１１０）面と
（１１１）面が交わってできる稜線に平行な辺を持つ補
正パターンが追加されている構成は同じである。そし
て、この場合もこの補正マスクパターンを半導体加速度
センサの製造に適用するときには、前の二例と同じよう
に、この補正マスクパターンは、たわみ部形成部と貫通
孔形成部に掛かるように配置される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の半導体
加速度センサの補正マスクパターンはいずれも、たわみ
部形成部に掛かるように配置されている。ここで、補正
マスクパターン部以外のたわみ部形成部の（１００）面
方位シリコン基板の異方性エッチングは、｛１１１｝面
を残しながら（１００）面をエッチングして行くので、
均一な厚さのたわみ部が得られる。これに対して補正マ
スクパターン直下のエッチングは、他のエッチング面を
エッチングしながらたわみ部を形成していくので、エッ
チング速度が異なる。そのためエッチング終了時点でた
わみ部の面上に凹凸が発生してしまう。その結果、加速
度によってたわみ部がたわむときに、この凹凸部に応力
の集中が起りセンサの信頼性が低下してしまう。また、
この凹凸により、たわみ部の厚さが不均一になるので各
センサごとの出力特性にばらつきが生じてしまう。

【００１３】従って、本発明の目的は、単結晶シリコン
の異方性エッチングを用いておもり部とたわみ部とを形
成する半導体加速度センサの製造方法であって、補正マ
スクパターンに起因するたわみ部面上の凹凸発生のない
製造方法を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体加速度セ
ンサの製造方法は、（１００）面を主面に持つ単結晶シ
リコン基板に異方性エッチングを施して、平面形状が直
角平行四辺形の厚肉のおもり部と、前記おもり部を取り
囲む厚肉のリム部と、前記おもり部の対向する一組の辺
のそれぞれと前記リム部との間に設けられた薄肉のたわ
み部と、前記おもり部の他の対向する一組の辺のそれぞ
れと前記リム部との間のシリコン基板を取り去ってなる
貫通孔とを備える半導体加速度センサを製造する方法に
おいて、前記単結晶シリコン基板の主面上に、前記異方
性エッチングに際して前記おもり部及び前記リム部を残
すためのエッチングマスクを形成するエッチングマスク
形成工程と、形成されたエッチングマスクを用いて前記
単結晶シリコン基板に異方性エッチングを施したわみ部
形成領域及び貫通孔形成領域を薄肉化するエッチング工
程と、前記異方性エッチングを施した後に前記貫通孔形
成領域のシリコン基板を除去する工程とを含み、前記エ
ッチングマスク形成工程では、おもり部を形成するため
の部分の平面形状が、目的とするおもり部の平面形状に
相当する直角平行四辺形の基本パターンと前記基本パタ
ーンの各各の頂点部に配置された補正パターンとを合成
した形状であり、各各の前記補正パターンの平面形状
が、前記基本パターンの各頂点から貫通孔形成領域方向
に延びた辺を一辺とし、前記基本パターンの前記貫通孔
形成領域に沿う辺の一部を他の一辺とする、前記貫通孔
形成領域内に達する直角平行四辺形であるエッチングマ
スクを形成することを特徴とする。

【００１５】

【実施例】次に、本発明の好適な実施例について、図面
を参照して説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施例
の異方性エッチング用エッチングマスクのマスクパター
ンを示す図である。図１（ａ）を参照すると本実施例
は、リム部を形成するためのリム部マスクパターン４０
と、目的とするおもり形状とほぼ同形状の基本マスクパ
ターン５０と、基本マスクパターン５０の各頂点に接続
され、横方向張り出し部５２が後工程でのシリコンエッ
チング時に貫通孔が形成される個所（貫通孔形成部３
０）に配置されたＴ字形の補正パターン５１Ｃとが合成
されたパターンとなっている。従って、たわみ部形成部
２０には補正パターン５１Ｃが配置されていない。

【００１６】本実施例は、前述した従来の半導体加速度
センサの製造方法におけると同様の製造工程により製作
する。すなわち、（１００）面を主面に持つ単結晶シリ
コン基板の両面に、二酸化シリコンなどのエッチング保
護膜を形成し、これをフォトリソグラフィ技術などによ
りパターニングし、おもり部形成領域及びリム部形成領
域に保護膜を残す。このとき、図１（ａ）に示すパター
ンが形成されたフォトマスクを用いる。次いで、残され
た保護膜の部分をエッチングマスクとして、水酸化カリ
ウムなどのアルカリ性水溶液によりシリコン基板の異方
性エッチングを行なう。

【００１７】図１（ｂ）は、本実施例における異方性エ
ッチング経過を〈１００〉方向から見た図である。エッ
チングはＴ字形をした補正マスクパターン５１Ｃの横方
向張り出し部５２の凸部のエッチング速度が最も早く、
点Ａ１−Ｂ１−Ｃ１及び点Ｄ１−Ｅ１−Ｆ１を結ぶ線で
示されるように、エッチングが両端から進行する。次い
で、点Ａ２−Ｂ２−Ｃ２及び点Ｄ２−Ｅ２−Ｃ２を結ぶ
線で表わされるようにエッチングが進行する。そして、
点Ｃ２の部分で両端からのエッチング面先端がぶつかる
と、補正マスクパターン５１Ｃの横方向張り出し部５２
とおもり形状を定める基本マスクパターン５０とをつな
ぐ縦方向張り出し部５３方向に、エッチングが進行して
行く。この後、点Ｂ３−Ｃ３−Ｅ３を結ぶ線から点Ｂ４
−Ｃ４−Ｄ４を結ぶ線を経過して、点Ｃ５−Ｄ５を結ぶ
線に達してエッチングが終了した時点で所望のおもり形
状を得ることができる。この際、前述した補正マスクパ
ターン下の単結晶シリコンのエッチング速度の違いから
生じるエッチング面上の凹凸は、従来の製造方法による
ものとは異って、たわみ部２上ではなく貫通孔形成部３
０上となる。

【００１８】次いで、シリコン基板のもう一方の面に対
してホトリソグラフィ技術により保護膜のパターニング
を行う。そして、水酸化カリウム等のアルカリ性エッチ
ング液又は弗化水素酸水と硝酸溶液と酢酸溶液との混合
エッチング液により、貫通孔形成部のシリコンエッチン
グを行い、貫通孔を形成する。このとき、前工程の異方
性エッチングで貫通孔形成部３０の面上に生じていた凹
凸は、貫通孔が完成して開口するのに伴なって、エッチ
ングされて取り去られたシリコン層と共に除去されて消
滅してしまう。従って、本実施例では、完成後のセンサ
のシリコン基板面の如何なる部分にも、信頼性を損い出
力特性のばらつきの原因となる凹凸はない。

【００１９】尚、本実施例において、補正マスクパター
ン中の横方向張り出し部５２は、異方性エッチング工程
で、深さ方向のエッチングが終了した時点、すなわち、
たわみ部のシリコン層の厚さが所定の厚さに達した時点
で、補正マスクパターン下のシリコン層のエッチングも
丁度終了するように調整するためのものであり、その長
さは、異方性エッチングのエッチング時間に応じて適当
な長さに設計する。この場合、図１（ｂ）に示すエッチ
ングの進行過程の様子からも分るように、補正マスクパ
ターン下のシリコン層のエッチングは最終的には、縦方
向張り出し部５３の長手方向に添った方向に進行して行
くので、異方性エッチングに要する時間によっては横方
向張り出し部５２は必ずしも必要ではなく、縦方向張り
出し部５３だけでも本発明の目的を達することができ
る。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体加
速度センサの製造方法では、異方性エッチング用のエッ
チングマスクのパターンを、所定のおもり形状とほぼ同
一の形状の基本マスクパターンと、それぞれの頂点に接
続され、Ｔ字形で横方向張り出し部が貫通孔形成部に掛
かるように配置された補正マスクパターンとを合成した
形状としている。従って、たわみ部上にかかることはな
く、補正マスクパターンによって生じる凹凸がたわみ部
上に発生することを防止することが可能であり、均一な
厚さのたわみ部を形成することが可能である。貫通孔形
成部上に発生する凹凸は、後工程の貫通孔形成用のシリ
コンエッチング時に除去されて消滅する。

【００２１】このことにより本発明によれば、凹凸のな
い均一な厚さのたわみ部を得ることが可能となるので、
信頼性が高くしかも出力特性が均一な半導体加速度セン
サを供給することが可能となる。

【００２２】尚、補正マスクパターンは、異方性エッチ
ングの深さによっては、縦方向張り出し部だけでも構わ
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】分図（ａ）は、本発明の一実施例のエッチング
マスクの形状を示す図である。分図（ｂ）は、分図
（ａ）に示すエッチングマスクを用いてシリコン基板の
異方性エッチングを行なった場合におけるエッチング面
の進行状態を、〈１００〉軸方向から見た図である。

【図２】分図（ａ）は、半導体加速度センサの、おもり
部形成面側から見た斜視図である。分図（ｂ）は、分図
（ｂ）に示す半導体加速度センサの、回路形成面側から
見た模式的斜視図である。

【図３】半導体加速度センサの製造工程を順に示す工程
図である。

【図４】分図（ａ）は、従来のエッチングマスクの形状
の一例を示す図である。分図（ｂ）は、分図（ａ）に示
すエッチングマスクを用いてシリコン基板の異方性エッ
チングを行なった場合におけるエッチング面の進行状態
を、〈１００〉軸方向から見た図である。

【図５】分図（ａ）は、従来のエッチングマスクの形状
の他の例を示す図である。分図（ｂ）は、分図（ａ）に
示すエッチングマスクを用いてシリコン基板の異方性エ
ッチングを行なった場合におけるエッチング面の進行状
態を、〈１００〉軸方向から見た図である。

【符号の説明】

１おもり部２たわみ部３貫通孔４リム部５抵抗６パッド７金属配線８シリコン基板９_a，９_b，９_W，９_R 保護膜２０たわみ部形成部３０貫通孔形成部４０リム部マスクパターン５０基本マスクパターン５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ補正マスクパターン５２横方向張り出し部５３縦方向張り出し部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（１００）面を主面に持つ単結晶シリコ
ン基板に異方性エッチングを施して、平面形状が直角平
行四辺形の厚肉のおもり部と、前記おもり部を取り囲む
厚肉のリム部と、前記おもり部の対向する一組の辺のそ
れぞれと前記リム部との間に設けられた薄肉のたわみ部
と、前記おもり部の他の対向する一組の辺のそれぞれと
前記リム部との間のシリコン基板を取り去ってなる貫通
孔とを備える半導体加速度センサを製造する方法におい
て、前記単結晶シリコン基板の主面上に、前記異方性エッチ
ングに際して前記おもり部及び前記リム部を残すための
エッチングマスクを形成するエッチングマスク形成工程
と、形成されたエッチングマスクを用いて前記単結晶シ
リコン基板に異方性エッチングを施したわみ部形成領域
及び貫通孔形成領域を薄肉化するエッチング工程と、前
記異方性エッチングを施した後に前記貫通孔形成領域の
シリコン基板を除去する工程とを含み、前記エッチングマスク形成工程では、おもり部を形成す
るための部分の平面形状が、目的とするおもり部の平面
形状に相当する直角平行四辺形の基本パターンと前記基
本パターンの各各の頂点部に配置された補正パターンと
を合成した形状であり、各各の前記補正パターンの平面形状が、前記基本パター
ンの各頂点から貫通孔形成領域方向に延びた辺を一辺と
し、前記基本パターンの前記貫通孔形成領域に沿う辺の
一部を他の一辺とする、前記貫通孔形成領域内に達する
直角平行四辺形であるエッチングマスクを形成すること
を特徴とする半導体加速度センサの製造方法。
【請求項２】請求項１記載の半導体加速度センサの製
造方法において、前記補正パターンのそれぞれはその平面形状が、前記直
角平行四辺形に加えて、前記貫通孔形成領域内に配置さ
れ前記直角平行四辺形に直行する直角平行四辺形を備え
たＴ字状の形状であるようにされたことを特徴とする半
導体加速度センサの製造方法。
【請求項３】請求項１又は請求項２記載の半導体加速
度センサの製造方法において、前記エッチングマスク形成工程では、フォトマスクを用
いた光食刻法によって前記エッチングマスクを形成する
ことを特徴とする半導体加速度センサの製造方法。
【請求項４】請求項３に記載の半導体加速度センサの
製造方法で使用される、前記エッチングマスクを形成す
るためのフォトマスク。