JP2927963B2 - 集積マイクロメカニカルセンサデバイス及びその製造方法 - Google Patents

集積マイクロメカニカルセンサデバイス及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は集積マイクロメカニカルセンサデバイス及び
その製造方法に関する。
マイクロメカニカルセンサは特に安全性システムと関
係して全ての技術分野、例えばナビゲーションシステム
及び自動車において益々普及している。この種のセンサ
の大部分は圧力及び加速度センサによって形成されてい
る。高い測定精度を有しかつ測定量と出力信号との間に
良好な比例性を有し信頼できかつ小形で簡単に製造でき
しかも安価なセンサが求められる。
通常今日使用されている圧力又は加速度センサはファ
インメカニカルに又はシリコンベースのKOHエッチング
技術（バルクマイクロマシニング）によって製造されて
いる。今まで一般に圧電効果によって作られたセンサ信
号の評価はセンサとは独立して行われている。しかしな
がら最近の傾向は、センサならびにセンサ信号の評価回
路及び場合によってはテスト回路がシリコンプレーナ技
術を基礎にしてチップ上に集積されるインテリジェント
センサの開発へ向かっている。ピエゾ抵抗性又は容量性
のセンサ信号の評価ならびに直線化及び増幅は公知の技
術の半導体スイッチング回路を用いて行われる。この種
のセンサは例えばエフ・グーデンノーフの論文「集積加
速度計が50Gをみたときのエアバックブーム」、刊行物
「エレクトロニック・デザイン」、1991年８月８日発
行、第45頁〜第56頁により公知である。
従来製造されていたマイクロメカニカルセンサは比較
的大きく、高価でしかも精密ではないのに対して、上記
論文は改善された実施形態を開示している。この公知の
いわゆる表面マイクロメカニカルセンサ（表面マイクロ
マシニング）は、これに関して別の刊行物「マイクロマ
シニング及びBICMOSと組み合せたアナログ装置」（1991
年10月、セミコンダクター・インターナショナル社出版
参照）から明らかなように、その製造のために21個のマ
スク、すなわちセンサプロセス用の６個のマスクと、４
μmBICMOSプロセス用の15個のマスクとを必要とする。
容量性センサを形成するために必要な櫛状センサ素子は
２μｍの厚みのポリシリコン素子から構成されており、
同様にポリシリコンから構成されたばねを介して基板表
面に結合される。
公知のセンサの製造方法は非常に労力が掛かりしかも
高価である。さらに、センサの機械的可動部用として使
用されているポリシリコン膜が十分な機械的長時間安定
性を有しているかどうかについて信頼できない。この起
こり得る時間的劣化の他に、ポリシリコンの弾性係数又
は固有応力のような機械的特性は製造中のその都度のプ
ロセス条件に過敏に左右される。この固有応力を熱的に
除去するには製造プロセスに付加的な加熱工程を必要と
するが、このことはセンサ内に同時に集積される電子回
路に悪影響を及ぼす。さらに製造プロセスにおいて半導
体膜の付加的な堆積が必要である。最近のサブμmBICMO
S回路をセンサの評価回路用としてできるだけ使用しよ
うとすると、その際に使用されたプロセス温度が低いた
めにもはや応力のないポリシリコン膜を製造することは
できない。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第4309917号公報は上
側に窒化シリコン膜を備えた単結晶シリコン膜を使用す
ることを開示している。
本発明は、基板とこの上に配置された単結晶シリコン
膜とそれらの間の予め定められた領域に配置された絶縁
膜とを備えた基体が形成され、シリコン膜はその表面か
らその下側境界面に至るトレンチを有し、シリコン膜で
はトレンチの側壁とシリコン膜の下側境界面側区域とが
予め定められた第１ドーピングを有し、シリコン膜は少
なくとも一部領域に予め定められた第２ドーピングを有
し、トランジスタ装置が絶縁膜上のシリコン膜の第１領
域に設けられ、センサ装置が少なくとも部分的に絶縁膜
の存在していないシリコン膜の第２領域に設けられ、そ
の際センサ装置はドープされたトレンチ側壁によって形
成されている電極を含む集積マイクロメカニカルセンサ
デバイスを提案する。
本発明による集積マイクロメカニカルセンサデバイス
の製造方法は、 基板上に配置された絶縁膜とその上に配置された単結
晶シリコン膜とを備えた基体を形成し、その場合シリコ
ン膜は予め定められたドーピングを有するようにする工
程と、 絶縁膜の表面までシリコン膜内にトレンチをエッチン
グ形成する工程と、 トレンチ壁にドープする工程と、 シリコン膜の第１領域にトランジスタ装置を作成する
工程と、 シリコン膜の第２領域の下の絶縁膜を除去する工程と を備えている。
トレンチ壁にドープした後、トレンチには絶縁性酸化
物膜を充填することができる。しかしながらトレンチは
その製造後にドープされる酸化物（ドープされる絶縁
膜）を充填されると有利である。このドープされる酸化
物はドープ源としてトレンチ壁の後続のドーピングのた
めに役立つ。トレンチ内の酸化物は絶縁膜と関係してシ
リコン膜の第２領域の下では再び除去される。
本発明により製造されたセンサは単結晶シリコンを含
んでいる。機械的可動部用としてポリシリコン膜を使用
することが回避されている。というのは、この可動部用
には単結晶シリコンが使用されているからである。単結
晶シリコンは製造プロセスのその都度のパラメータに依
存しない公知の機械的特性を有している。その上この機
械的特性は時間的劣化を起こさず、それゆえ長時間安定
性は非常に大きい。
本発明は公知の利用可能なトレンチエッチング法およ
び充填法を使用することによって大規模にVLSIと互換性
があるという別の利点を有している。さらに本発明によ
るセンサデバイスは機械的に頑丈である。というのは、
可動部はシリコン膜内に設けられており、チップ表面上
に存在していないからである。センサの電極はチップ表
面に対して垂直に立設されているので、センサの高い比
容量（実装密度）が得られる。同時にスティッキング問
題、すなわち洗浄工程時又は洗浄工程後の面の付着が除
かれる。というのは、センサデバイスの剛性は振動方向
に対して垂直な方向には非常に大きいからである。
最後に、本発明によるセンサデバイスは、バイポーラ
プロセス又はBICMOSプロセスを使用する際にセンサデバ
イスを製造するためのマスク個数がこの技術における標
準プロセスに比較して増えないという多大な利点を呈す
る。
本発明の実施態様は従属請求項に記載されている。
次に本発明を図面に基づいて詳細に説明する。
図１乃至図５はそれぞれ異なった製造工程における本
発明によるデバイスの横断面図を示す。
図６は容量性センサ装置の平面図を示す。
図１は集積マイクロメカニカルセンサデバイスの製造
時に形成される基体10を示す。基板１上には絶縁膜２が
配置され、この絶縁膜上には単結晶シリコン膜３が配置
されている。基板は同様にシリコンから構成することが
できる。一般的に絶縁膜２の厚みは0.5〜１μｍに選定
され、一方シリコン膜３の膜厚は例えば５〜20μｍにす
ることができる。基板の結晶方位及びドーピングは任意
である。シリコン膜３の方位及びドーピングはセンサデ
バイス及びその半導体回路装置の製造時に使用された基
礎技術に応じている。
図１の実施例においては、シリコン膜３の絶縁膜２側
すなわちシリコン膜の下側境界面側はn+ドープされ、一
方シリコン膜の絶縁膜２とは反対側の表面区域はn-ドー
プされている。シリコン膜３のドーピングは本来のセン
サ素子にとっては必要ではなく、専ら集積回路装置用に
使用されなければならない技術に従っている。
図１による基体は例えばDWBウエハであり、その場合D
WBはダイレクト−ウエハ−ボンディングを意味する。こ
の種のウエハは２つの半導体ウエハを貼り合わせて構成
され、市場では図１に示された膜厚及びドーピングを有
する高品質のウエハとして入手することができる。図１
に示されている基体の別の製造方法はいわゆるSIMOX法
の使用である（イー・ルーゲ及びハー・マーダ著「半導
体技術」シュプリンガー出版社、1991年発行、第３版、
第237頁参照）。その場合、絶縁膜は単結晶シリコン内
へ酸素原子を深くイオン注入することによって酸化シリ
コンから構成される。それにエピタキシー膜を続けるこ
とができる。図１に示されている基体の第３の製造方法
は、単結晶シリコン膜上及びその上に配設された酸化シ
リコン膜上に最初にアモルファス的に又は多結晶的に堆
積されたシリコン膜がレーザ光線による溶解によって再
結晶化される再結晶を利用することである。
次の工程で、単結晶シリコン膜３内には例えば異方性
ドライエッチングによって絶縁膜２の表面までトレンチ
がエッチング形成される。次にこのトレンチはドープさ
れる絶縁物質で満たされる。図２に示された実施例では
リン化ガラス（PSG）又はホウ素リン化ガラス（BPSG）
を使用することができる。この種のガラス膜の形成は例
えばデー・ウイドマン、ハー・マーダ及びハー・フリー
ドリッヒ著「高密度集積回路技術」（シュプリンガー出
版社、1988年発行、第80頁以降参照）により知られてい
る。適当な温度処理で、リン及び場合によってはホウ素
がリン化ガラスからシリコン膜３のトレンチ壁のシリコ
ン内へ拡散して入る。それによって、絶縁膜２とドープ
される絶縁膜４とが前にエッチング形成されたトレンチ
の底部で衝突するような図２に示された構造が生じる。
トレンチ壁は絶縁膜２に隣接するシリコン膜３の区域に
相応してドープされる、すなわちこの実施例ではn+ドー
プされる。
シリコン膜内へトレンチをエッチング形成してトレン
チ壁にドープすることによって、本来のセンサが設けら
れる領域SBと、センサ信号を処理するための電子評価回
路、すなわち少なくとも１つのトランジスタ装置が設け
られる領域TBとがパターン化され、互いに絶縁される。
領域TBは要求に応じてCMOS、バイポーラ又はその他のデ
バイスが組込まれる１つ又は複数の絶縁性ウェルを含ん
でいる。この領域TB内に実現すべきトランジスタ装置が
例えばバイポーラトランジスタである場合、領域TBの図
２に示されている構造によって、埋込みコレクタ区域及
び低インピーダンスのコレクタ端子がドープされたトレ
ンチ壁の形態で既に作られている。従来技術の装置に比
較して、図２に示されている構造の形成は埋込み区域
用、チャネルストッパ用及びコレクタ用に別々のマスク
プロセス及びドーピングプロセスを必要としない。エピ
タキシープロセスは同様になくすことができる。
図２の構造から出発して、次に領域TBにトランジスタ
装置が形成される。このトランジスタ装置は標準的なバ
イポーラプロセス又はBICMOSプロセスによって製造する
ことができる。この種のプロセスの例は例えば上述した
ウイドマン、マーダ及びフリードリッヒ著の刊行物「高
密度集積回路技術」により知られている。バイポーラト
ランジスタ構造の場合例えば図２から出発して最初にベ
ース区域を作成し、BICMOSプロセスの場合最初にｐウェ
ル又はｎウェルを形成することができる。
勿論、図２の構造から出発して、同様に基体内にMOS
トランジスタ装置を実現することも可能である。この場
合も同様に標準的なプロセスはトランジスタ構造用に設
けられた領域TB内でｐウェル又はｎウェルの形成を開始
する。
トランジスタ装置を形成している間、センサ素子用に
設けられた領域SBは適当なマスクによって覆われてい
る。図３によれば、例えば、コレクタＣが埋込み区域BL
と高ドープされた低インピーダンスのトレンチ壁CAとを
介して低インピーダンスにてコレクタ端子Ｋに結合され
たバイポーラトランジスタが作られている。ｐドープさ
れたベースはベース端子Ｂに結合されている。同様に、
エミッタ端子Ｅは高ドープされたn++区域上に配置され
ている。トランジスタのベース領域、エミッタ領域及び
コレクタ領域は特に酸化シリコンSiO2から成る絶縁区域
I1〜I3を介して互いに絶縁されている。次に装置全体の
上にパッシベーション膜Ｐが設けられる。例えばこのパ
ッシベーション膜は窒化シリコンSi3N4から構成するこ
とができる。
トランジスタ装置の形成に続いて、センサ領域SB上の
パッシベーション膜Ｐがレジストマスクによって除去さ
れ、その後まずセンサ領域のトレンチ内のドープされる
絶縁膜４が除去され、さらにその後センサ領域SBの少な
くとも一部区域内の絶縁膜２が除去される。これは例え
ばウエットケミカルエッチングプロセス又はドライエッ
チングプロセスによって行うことができる。絶縁膜２は
センサ素子の可動電極の下では完全に除去され、センサ
素子の非可動電極の下では完全に除去されず、それによ
り非可動電極はその後も基板１に機械的に結合されてい
る。
図４はセンサ領域SBの可動電極BE1、BE2の横及び下に
位置する絶縁膜４及び絶縁膜２を除去した後の装置を示
す。固定電極FE1、FE2、FE3の下には絶縁膜２がまだ一
部分に存在している。図４の装置においては、トランジ
スタ領域TBは図３とは異なった形態でパターン化されて
いる。図４の装置におけるシリコン膜３のドーピング状
態は図２に比較して何にも変わっていないのに対して、
図４のトランジスタ領域ではセンサ領域の周縁部に酸化
物膜５が設けられている。トランジスタ領域はパッシベ
ーション膜Ｐ及びこの上に位置するレジストマスクFMに
よって覆われている。
可動電極BEiの領域の下の絶縁膜２を除去する際に発
生する付着問題（スティッキング）を出来るだけ解決す
るために、昇華性薬剤、例えばシクロヘキサン又はジク
ロルベンゼンを使用することができる。
絶縁膜の上述した除去に続いてマスクFMが除去され
る。
図５はセンサ構造の横断面図を示し、図６にそのセン
サ構造の平面図を示す。このセンサはばね要素F1、F2及
び図示されていない別のばね要素を介してシリコン膜３
に懸吊された可動の質量部Ｍを持つ加速度センサであ
る。この質量部Ｍは固定電極FE10〜FE13ならびにFE1iの
間の領域内へ自由に突入するフィンガー状可動電極BE1
0、BE11及びBE1iを有している。可動電極BEiと固定電極
FEiとの間には、電極のトレンチ壁が高ドープされてい
るので、図６及び図5aに単に記号で示した容量が形成さ
れている。図5aは図６に記入されているA-A線に沿った
断面図、図5bはB-B線に沿った断面図を示す。センサ部
の製造時に質量部の下の絶縁膜を確実に除去することが
できるようにするために、質量部Ｍは孔Ｌを含んでい
る。しかしながら基本的にはこの孔は無理には必要でな
い。図６にはセンサ構造を形成するために使用された特
殊マスクの領域が概略的に示されている。この特殊マス
クSMによって規定された領域内では、可動電極、質量部
及びばねの横及び下方に位置するトレンチ及び絶縁膜か
ら、ドープされる絶縁物質の除去が完全に行われる。
図5cは図5a及び図5bもしくは図６のセンサ構造によっ
て得られた等価回路図を示す。可動電極BEiすなわちBE1
0〜BE1iは質量部Ｍ及びばねFiを介して端子BEAに接続可
能である。固定電極はコンデンサの固定板に相当する端
子AE、CEに対で接続される。可動電極はコンデンサの可
動板を形成し、それゆえ図5cは差動コンデンサを表して
いる。
２つの固定電極間の間隙ZR（図5a参照）からはドープ
される絶縁物質を除去することができる。しかしなが
ら、固定電極の間隙とその下に位置してそれぞれの固定
電極側に面する絶縁膜とを残すことは可能である。その
前提は可動電極の下方及び間に位置する絶縁膜及びドー
プされる絶縁物質のみを除去することのできる別のマス
クである。
固定電極は、図５もしくは図６の構造の代わりに、前
に引用した刊行物「エレクトロニック・デザイン」と同
じ方法で基板１もしくは絶縁膜２に機械的に結合するこ
とができる。アンカによる固定は片持ち形電極を形成す
るが、このことは付加的な測定誤差が測定精度にネガテ
ィブに作用しないようにするために固定電極がこの固定
電極に作用する加速力に対して十分曲がり難くなければ
ならないことを意味する。
図６に示されたセンサ装置は図示の矢印方向における
質量部の動きに敏感に感応する。フィンガー状容量性可
動電極の許容変位は固定電極に対する隙間間隔すなわち
約１μｍより小さい。それゆえセンサ装置の評価回路は
制御ループとして、差動コンデンサによって形成された
部分容量がその都度等しくなるように制御電圧が質量部
の変位とは反対に作用するように構成されると有利であ
る。この方法は、零点法でありそれゆえ容量変化を決定
するための絶対法より一般に精密であるという利点を有
している。
図５もしくは図６に示された２つのセンサ装置が位置
を互いに90°ずらされて使用される場合、二次元の加速
度測定が可能である。それぞれの質量部の振動方向は２
つの互いに垂直な方向でのチップ面の振動方向に位置す
る。上述した技術は同様に差圧センサの製造にも適用す
ることができる。
本発明は次の利点を有している。
センサ質量部、電極、及び可撓レバーすなわちセンサ
の懸吊ばねはモノシリコンから構成され、それゆえ可動
部に関してはポリシリコンによって知られている捻じれ
及び応力がなくされている。
センサの質量部と、可撓レバーのばね定数と、容量性
センサの場合センサ容量とは互いに独立して調整可能で
り、それゆえ優秀なセンサアレイを実現することができ
る。電極はチップ面に対して垂直に立設され、それゆえ
大きな容量面が得られるので、センサ装置はセンサを高
密度に実装することができる。抵抗モーメントが電極厚
みの３乗に比例するので、振動方向に対して垂直な電極
の剛性は非常に大きい。このような理由から場合によっ
ては付着問題つまりスティッキング問題は発生せず、そ
れゆえ付着を防ぐための薬剤は必要とされない。
センサの可動部はシリコン内すなわちシリコン膜内に
設けられ、チップ表面上に存在していないので、センサ
は機械的に非常に頑丈である。チップ面内に電極及び質
量部を配置することによって、さらにチップ面内での過
負荷保護が自動的に得られる。 インテリジェントセ
ンサの評価回路用の基礎技術としてバイポーラ標準プロ
セス又はBICMOS標準プロセスを使用すると、マスク個数
は増えない。それによって、相当の費用を節約すること
ができ、しかも製造プロセスを全体的に簡単にすること
ができる。
基本的に本発明による方法もしくはセンサデバイスは
公知の全ての技術と組合わせることができる。特に、セ
ンサデバイスはVLSIと互換性を有し、それゆえパターン
幅は１μｍ以下で得ることができる。従って、製造時に
使用する方法には半導体技術により公知のトレンチエッ
チング法及び充填法ならびに通常の半導体法がある。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 29/84 G01P 15/125

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ａ）基板（１）上に配置された絶縁膜
    （２）とその上に配置された単結晶シリコン膜（３）と
    を備えた基体を形成し、その際シリコン膜は予め定めら
    れたドーピング（n+、n-）を有するようにする工程、 ｂ）絶縁膜の表面までシリコン膜内にトレンチをエッチ
    ング形成する工程、 ｃ）トレンチ壁にドープする工程 ｄ）シリコン膜の第１領域（TB）にトランジスタ装置を
    形成する工程、 ｅ）シリコン膜の第２領域（SB）の下の絶縁膜（２）を
    除去する工程、 を有することを特徴とする集積マイクロメカニカルセン
    サデバイスの製造方法。
  2. 【請求項２】シリコン膜ではその絶縁膜側に予め定めら
    れた第１ドーピング（n+）、その表面区域に予め定めら
    れた第２ドーピング（n-）を有することを特徴とする請
    求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】トレンチはａ）工程後ドープされる絶縁物
    質（４）で充填され、ｅ）工程前に第２領域（SB）で露
    出されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
  4. 【請求項４】トレンチはａ）工程後リン化ガラスで充填
    され、ｅ）工程前に第２領域（SB）で露出されることを
    特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
  5. 【請求項５】トレンチ壁はシリコン膜（３）の予め定め
    られた第１ドーピング（n+）に応じてドープされること
    を特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の方法。
  6. 【請求項６】トランジスタ装置はバイポーラ標準プロセ
    ス、MOS標準プロセス、又はバイポーラ標準プロセスとM
    OS標準プロセスとの組合わせに基づいて形成されること
    を特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の方法。
  7. 【請求項７】トランジスタ装置の形成後、センサ領域
    （SB）内のパッシベーション膜（Ｐ）が除去され、その
    後センサ領域のトレンチ内の絶縁物質及びシリコン膜の
    下の絶縁膜が除去されることを特徴とする請求項１乃至
    ６の１つに記載の方法。
  8. 【請求項８】基板（１）とこの上に配置された単結晶シ
    リコン膜（３）とそれらの間の予め定められた領域に配
    置された絶縁膜（２）とを備えた基体（10）が形成さ
    れ、シリコン膜（３）はその表面からその下側境界面に
    至るトレンチを有し、シリコン膜（３）ではトレンチの
    側壁とシリコン膜の下側境界面側とが予め定められた第
    １ドーピング（n+）を有し、シリコン膜は少なくとも一
    部領域に予め定められた第２ドーピング（n-）を有し、
    トランジスタ装置が絶縁膜（２）上のシリコン膜の第１
    領域（TB）に設けられ、センサ装置が少なくとも一部分
    には絶縁膜の存在していないシリコン膜の第２領域（S
    B）に設けられ、その際センサ装置はドープされたトレ
    ンチ側壁によって形成されている電極を含むことを特徴
    とする集積マイクロメカニカルセンサデバイス。
  9. 【請求項９】第１領域（TB）のトレンチは絶縁物質
    （４）で充填されていることを特徴とする請求項８記載
    のデバイス。
  10. 【請求項１０】トランジスタ装置として、バイポーラ装
    置、MOS装置、又はバイポーラ−MOS装置が設けられてい
    ることを特徴とする請求項８又は９記載のデバイス。
  11. 【請求項１１】センサ装置は少なくとも１つのばね（F
    1）のところで吊り下げられていることを特徴とする請
    求項８乃至10の１つに記載のデバイス。
  12. 【請求項１２】センサ装置は容量性のセンサとして形成
    されていることを特徴とする請求項８乃至11の１つに記
    載のデバイス。
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