JP2754860B2 - 半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は可動部分を有する半導体素子の製造方法に関
するものである。

（従来の技術） 従来より半導体加速度センサは、単結晶シリコンをマ
イクロマシンニングと呼ばれる微細加工技術を駆使して
作製されている。加速度センサは先端にスコップの様な
形状をしたおもりを有する梁構造をもっており基盤が貫
通状態となっている。梁にはピエゾ抵抗が形成される。
加速度がこの構造体に加えられると、先端おもりには加
速度に比例した力が生じるため、それを支えている梁の
支持部分に生じる応力の値もその力に比例する。そこ
で、支持部分に生じた応力の変化を電気抵抗値の変化に
変換できる、いわゆる感圧素子である前述のピエゾ抵抗
効果素子を用いて、最終的に電気信号に変換し、加速度
の検出を行う。

加速度センサでは、梁の表面に生じる変形を電気信号
に変換しているため、加速度検出感度を向上させるため
には、梁が変形し易いように梁の厚みを減らすことが最
も効果的な手段である。その目的のために、均一なシリ
コンの薄膜を得るために種々の方法が提案され、利用さ
れている。最も多く用いられている方法は、電気化学エ
ッチングと呼ばれる手法である。この手法は詳しくはシ
リコンの陽極酸化によるエッチング停止技術である。例
えば、ヒドラジンなどの強アルカリ溶液はシリコンをエ
ッチングする性質を持っている。しかし、シリコンの酸
化膜を溶かす性質は持っていない。これらエッチング薬
品の選択性をうまく利用したのがこの技術である。

第３図に従来から行われている半導体加速度センサの
製造工程を示した。このエッチング手法を用いるために
通常はエピタキシャルウエハー１を用いる。通常用いら
れるエピタキシャルウエハーはＰ型の基板20の上にＮ型
のエピタキシャル層10を設けたものである。このウエハ
ーは異種の導電型のシリコンが接触しているため、一種
のダイオードを形成している。シリコンにはヒドラジン
中でプラスの高い電圧を加え電流を流すと、その表面に
薄い酸化膜が成長することが分かっている。そこで先ほ
どのダイオードをスイッチとして用いると、基板とエピ
タキシャル層の界面のみに酸化膜が生じるような反応を
させることが出来る。つまり、エッチング溶液中でＮ側
にはプラスの電圧をかけておき、Ｐ側にはマイナスの電
圧が加わるようにしておく。これは逆バイアスの状態で
ある。よってこの状態では電流は流れない。つまりＰ型
のシリコン層がある限り電流が流れないから、シリコン
の表面に酸化膜が生じるような酸化反応は起こらないの
である。エッチングがＰ型のシリコン側から進行して、
Ｎ型のシリコン層に達すると、PN接合がやぶれて、シリ
コンの酸化に必要な酸化電流が流れはじめるのである。
この様にして、エッチングがＰ型基板20の方から進行
し、Ｎ型のエピタキシャル層10に達したときに酸化膜が
形成され、エッチングが停止するために、最初に設けた
エピタキシャル層の厚みをコントロールしておけば、所
望の厚みを持ったシリコン薄膜を得ることが可能であ
る。

通常用いられる、エッチング工程を第３図に示した。
第３図（ａ）はエッチング前の基板を示している。この
基板には、ピエゾ抵抗効果素子７とその周辺回路（図示
せず）が作り込まれている。加速度センサの製造におい
ては、第３図（ｂ）に示されたように最低限、圧力セン
サで用いられるのと同等なシリコンダイアフラムが必要
であり、この形成プロセスにおいては、第４図に示した
ようにテフロンの治具２を用いてエッチングされない面
を溶液に触れないようにしている。加速度センサでは圧
力センサで用いられる工程に加えて第３図（ｃ）にある
ように、通常は加速度検出感度を向上させるために、梁
状にシリコンダイアフラムをＮ型エピタキシャル層10側
からエッチングを施して成形する必要がある。つまり第
３図（ｂ）の工程のあと、Ｎ型エピタキシャル層10側の
面に酸化膜（図示せず）を形成し、その酸化膜上に梁形
状を設定するためのレジストパターンを形成し酸化膜を
エッチングして、梁と重りを形成したい部分にのみ酸化
膜を残す基板を裏返してテフロンの治具２に再度収め、
酸化膜にカバーされていない部分のＮ型エピタキシャル
層10に対し異方性エッチングを行って除去し加速度セン
サ構造を得ている。

また加速度センサの梁は前述のようなシリコンの単結
晶もしくはポリシリコンから出来ている。梁と重りと支
持体の三つを連結した構造物は、ある種の共鳴構造を有
しており、特定の周波数において共振を起こす性質があ
る。このため、入力される加速度信号のスペクトラム中
に共振周波数と同じ周波数が存在すると、共鳴が起こっ
て大振幅の振動となり、梁を破壊するという問題点があ
る。また加速度センサにおいては、外から加えられた加
速度信号を忠実に電気信号に変換することが重要である
が、梁の共振に起因して不要な疑似信号を発生するとい
う問題もある。そのため、従来は、シリコンの梁をシリ
コンオイルの様なダンピング液に漬ける、または加速度
センサ全体をダンピング材で梱包する、などの方法で大
きな減衰作用を持たせたり、加速度センサのパッケージ
にダンピング作用を持たせて、入力される加速度信号中
で梁の共振周波数に一致するような、周波数を低減する
方法などが行われていた。

（発明が解決しようとする課題） 従来から、加速度センサで梁状のシリコンを作製する
ために、シリコン基板の裏面からと表面からの２回のエ
ッチングを行う必要があった。１回目のエッチング工程
では、エッチングを終えた後に得られる構造がシリコン
の連続膜であるために、エッチング液が、裏面から、表
面側に回り込む事は、治具の工夫によって、避けるが可
能であり、回路が形成されている面を不用意にエッチン
グすることは無かった。しかし、２回目のエッチングで
は、梁が形成されるのに従って、基板の両面が貫通状態
になるため、ヒドラジンなどの異方性エッチング液が裏
面に回り込むことは避けられない。エッチング液が裏面
に回り込むと、正確に制御された厚みを有するシリコン
薄膜を無秩序に再エッチングしてしまい、厚みが変化し
てしまうという問題点があった。

以上、ピエゾ抵抗効果素子を用いるタイプの加速度セ
ンサについて説明を行なったがこれに限らず基板の表側
と裏側ともにエッチングする工程を必要とする半導体素
子では同様な問題が生じる。

また従来の技術では、粘性の高い液体を封入したり、
種々のダンピング材を加速度センサのパッケージに、新
たに取り付けるために、梁の共振での破壊は押さえられ
るものの、一方で通常動作時の感度が低下してしまう。
衝撃が入力された場合の過度応答特性が悪くなる蛍光が
生じた。また、ダンピング液封入の為の、特殊なパッケ
ージが必要であったり、ダンピング材の取り付けなど、
新たな組み立て工程が発生しコストの増大にもつながっ
ていた。さらに、加速度センサの大きさの増大を招いた
り、重くなるといった数々の問題があった。共振の問題
は加速度センサに限らず、外力にもしくは自分の発生し
た力に追随して動く部分を持つすべての半導体素子にお
いて問題となる。

（課題を解決するための手段） 本発明は、半導体基板を一方の面からエッチングして
ダイアフラムを形成し、次に反対の面からエッチングを
行なってダイアフラムの所望の部分のみを残す工程を有
する半導体素子の製造方法において、ダイアフラムを形
成するエッチングを行った後に、そのエッチングによっ
て露出した面をエッチングに対して耐性のある薄膜で保
護し、その後に、ダイアフラムの所望の部分のみを残す
エッチングを行うことを特徴とする半導体素子の製造方
法である。

（作用） 外力に追随してあるいは自分の発生した力に応じて動
く可動部分から張り出して薄膜を形成すると空気抵抗が
大きくなりエアーダンピング効果が有効に作用する。そ
の結果可動部分の共振を抑えることができる。この薄膜
が可動部分の厚さに比べ十分薄ければ可動部分の機械特
性に悪影響を与えることはない。異方性エッチング液
は、一般的には酸化膜や窒化膜、レジスト等の有機膜等
を侵さない性質を有している。そこで、これらの被膜に
よって、シリコンの表面を被うことによって、エッチン
グされることを防ぐことが出来る。シリコンの異方性エ
ッチングによって、出来上がった穴にレジストを塗布し
たり、その面だけに酸化膜や窒化膜を被覆することによ
って、梁形状の形成のための、エッチングの最後まで、
シリコン基板の両面が貫通することが無いように出来る
ため、梁の裏側から有害なエッチングを受けることを完
全に防止することが出来る。さらに、全てのエッチング
が終了した後に、レジストもしくは酸化膜等を容易に除
くことが可能なため、センサの特性に悪影響を与えるこ
とが全くない。

（実施例） 第１図（ａ）〜（ｃ）に本発明の実施例を示した。こ
こではSi加速度センサを製造する場合を述べる。第１図
（ａ）は第３図（ａ）と同じであり、Ｐ型Si基板20上に
Ｎ型エピタキシャル層10を形成したエピタキシャルウェ
ハー１に、その後の工程で梁となる部分にピエゾ抵抗素
子７をイオン注入等で形成する。次いでエピタキシャル
層10の側を酸化膜（図示せず）でカバーしたあとヒドラ
ジン等を用いて基板側から異方性エッチングを行ないダ
イアフラムを形成する。梁の形状を設定するためのレジ
ストパターンをこの酸化膜上に形成して酸化膜をエッチ
ングし梁と重りを形成したい部分のみ酸化膜を残す。こ
のあとダイアフラムを形成した基板側の表面をレジスト
層30で被覆する（第１図（ｂ））。通常、レジストはス
ピンコーターによって塗布するが、異方性エッチングを
行った後の表面は激しい凸凹を有するため適応できな
い。そこでここでは最も簡単な方法として、刷毛を用い
て、エッチングしたくない面に十分に厚いレジスト層30
を塗る。又は、スプレーによって被膜を張る方法を用い
ることが出来る。この様な方法を用いてレジストを塗布
した後、ベーク炉を入れて、乾燥する。乾燥した後に、
第２図に示すようにエッチングのためのテフロン治具２
を用いて、レジスト層30の側を押え、エッチングに供す
る。エッチング終了後レジスト剥離工程を経て、センサ
素子を得る（第１図（ｃ））。

レジスト層30の代わりに酸化膜や窒化膜等を用いても
よい。これらの膜はレジスト層30のように最後に剥離し
てもよいが、そのまま残しておくと加速度によって梁が
振動する際の空気抵抗を大きくすることができセンサの
鋭い共振を抑えられる。酸化膜や窒化膜の膜厚はセンサ
の機械特性に悪影響を与えないような薄さにする。例え
ば基板20の厚さを500μｍ、梁となるＮ型エピタキシャ
ル層10の厚さを10μｍとすると、CVD酸化膜であれば厚
さを１μｍていどにすれば酸化膜は梁の振動に対して十
分“柔く”なり悪影響を与えない。

本実施例では外力に応じて動く梁をもった加速度セン
サについて述べたが、特開平１−240865号公報中に開示
されたように、梁からの変位信号を重りの上下に設けた
制振電極にフィードバックして重りの変位を小さくする
ような加速度センサつまり梁に外力だけでなく素子自体
が発生した力も加わるようなセンサについても適用でき
る。

また本実施例ではピエゾ抵抗素子を用いるSi加速度セ
ンサについて示したが、キャパシタ容量を用いる加速度
センサにも適用できるから加速度センサに限らず一般の
半導体力学量センサあるいはさらに一般にはマイクロマ
シン等外力あるいは自分で発生した力に追随して動く部
分のある素子であれば適用できる。

（発明の効果） 本発明の製造方法ではせっかく膜厚を正確に制御した
半導体薄膜が裏面に回り込んだエッチング液によってエ
ッチングされてしまうことを完全に防ぐことが可能とな
る。従ってシリコンなどの半導体からなる梁等の可動部
分の厚さを正確に形成できる。本発明の製造方法を用い
ると、半導体ウエハーの全面に梁状構造を容易に作製す
ることが可能であり、素子の製造収率が飛躍的に向上す
る。また、本発明の製造方法によって製造された半導体
素子は、可動部分の空気抵抗を大きくできるのでエアー
ダンピング効果が有効に作用して可動部分の共振を抑え
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施例を示す半導体素
子の製造工程図である。第２図、第４図はエッチングの
実験装置を示す図である。第３図（ａ）〜（ｃ）は従来
の半導体素子の製造工程図を示している。 １……エピタキシャルウェハー、２……テフロン治具、 ３……白金板、４……参照電極、６……容器、 ７……ピエゾ抵抗効果素子、９……エッチング液、 10……Ｎ型エピタキシャル層、20……Ｐ型基板、 30……レジスト層

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板を一方の面からエッチングして
   ダイアフラムを形成し、次に反対の面からエッチングを
   行なってダイアフラムの所望の部分のみを残す工程を有
   する半導体素子の製造方法において、ダイアフラムを形
   成するエッチングを行った後に、そのエッチングによっ
   て露出した面をエッチングに対して耐性のある薄膜で保
   護し、その後に、ダイアフラムの所望の部分のみを残す
   エッチングを行うことを特徴とする半導体素子の製造方
   法。