JP3021905B2 - 半導体加速度センサの製造方法 - Google Patents

半導体加速度センサの製造方法

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JP3021905B2
JP3021905B2 JP4012101A JP1210192A JP3021905B2 JP 3021905 B2 JP3021905 B2 JP 3021905B2 JP 4012101 A JP4012101 A JP 4012101A JP 1210192 A JP1210192 A JP 1210192A JP 3021905 B2 JP3021905 B2 JP 3021905B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体加速度センサの
製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体基板上に形成された半導体
領域のピエゾ抵抗効果による抵抗変化や変位による微小
な容量変化を検出することにより、加速度や圧力等を検
出するようにした超小形の半導体歪検出装置が注目され
ている。
【0003】このような加速度センサは、集積回路技術
を用いて形成されるため、例えば、振動部分の長さが1
00μm 程度、厚さが1μm 程度、チップ全体の大きさ
が1mm角程度と極めて小形の素子を形成することができ
る。また、集積回路によって他の素子と同一基板上に形
成することができるという優れた特徴を有している。
【0004】例えば、本発明者らは、このような半導体
加速度センサの一例として、半導体基板からのエッチン
グ加工により、片持ち梁、質量部およびストッパとなる
側壁部を同時に形成した加速度センサを提案している
(特開平2−309259号)。すなわち、このセンサ
は、図5に示すように、表面からエッチングを行い、基
板表面から適宜の深さ位置に形成された空隙1によって
基板表面4に垂直な方向に形成された片持ち梁2と、片
持ち梁の先端部に形成された振動部としての質量部5と
から構成されている。そしてこの質量部5には、所定の
間隔を於いて形成されストッパとなる側壁部が形成され
ており、この質量部と側壁部の対向両面部には検出部と
なる電極3が形成され被検出加速度に応じて前記質量部
の変位を容量変化として検出するようになっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな加速度センサでは、片持ち梁部の厚さを面方位依存
性を有するエッチングの時間コントロールにより決定す
る方式となっていたため、厚さの制御性が悪く、従って
量産したときに印加加速度に対する感度にばらつきが生
じるという問題があった。
【0006】本発明は前記実情に鑑みてなされたもの
で、歩留まりの低下を招来することなく所要の感度を有
する加速度センサの製造方法を提供することを目的とす
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】そこで本発明では、所定
の面方位をもつシリコン基板の{100}面または{1
10}面から所定の角度だけ傾いた方向に一対のトレン
チを形成し、このトレンチの所定の深さまでマスクで被
覆した後、{111}面をエッチングストッパとする面
方位依存性エッチングを行い、このトレンチの下方に
{111}面で囲まれた一対のエッチング孔を形成し、
隣接するエッチング孔の{111}面で囲まれた領域を
片持ち梁とし、トレンチの上方で囲まれこの片持ち梁に
連設された領域を被検出加速度が加わる質量部とし、該
質量部の側方部に前記トレンチを隔てて形成されストッ
パとなる側壁部と、当該質量部及び側壁部の対向両面部
に形成され被検出加速度に応じた前記質量部の変位を容
量変化として検出するようにしている。
【0008】
【作用】上記方法によれば、{111}面をエッチング
ストッパとする面方位依存性エッチングにより, 梁が形
成されるため、エッチング時間のコンロールも不要で、
容易にばらつきの少ない加速度センサを得ることができ
る。
【0009】このように、シリコン基板表面に薄膜技術
を用いて片持ち梁およびこれを囲む空間を形成するよう
にし、加速度センサが一体的に形成されるため、実装工
程が不要で、容易に信頼性の高いセンサを得ることが可
能となる。
【0010】なおここでトレンチは、所定の面方位をも
つシリコン基板の{100}面または{110}面から
所定の角度だけ傾いた方向に形成されていればよく、オ
フアングルのシリコン基板を出発材料とし、この表面に
垂直なトレンチを形成するようにしてもよいし、また、
{100}面あるいは{110}面等に平行な表面をも
つシリコン基板を出発材料として用い、トレンチの形成
を所定の角度だけ傾けて斜め方向に行うようにしてもよ
い。
【0011】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ詳細に説明する。
【0012】この半導体加速度センサは、図1(a) に平
面図、図1(b) に断面図を示すように、1枚のシリコン
チップから構成されており、面方位{100}から所定
の角度αだけ傾斜させたn型シリコン基板100表面に
垂直に第1のトレンチ101を形成し、{111}面を
ストッパとする面方位依存性エッチングによってこの第
1のトレンチの底部にさらにエッチング孔104を形成
しこのエッチング孔104で囲まれた領域を梁106と
し、第1のトレンチ101で囲まれかつ梁の延長上にあ
る幅広領域を質量部105とし、この第1のトレンチ1
01を隔てて質量部105の両側にある側壁をストッパ
107として構成されていることを特徴とする。そして
基板表面に平行な加速度を受けたときにこの質量部と側
壁との距離の変化が生じ、この変化によって質量部の電
極である多結晶シリコン膜102と側壁の電極である多
結晶シリコン膜102との間に生じる容量変化を検出す
ることによって印加加速度を検出するようにしたもので
ある。
【0013】次に、この加速度センサの形状加工工程に
ついて図2を参照しつつ説明する。
【0014】まず、面方位{100}から所定の角度α
だけ傾斜させたn型シリコン基板100表面に、反応性
イオンエッチングを用いて第1のトレンチ101を形成
する(図2(a) )。このエッチング工程ではエッチング
液としてHF:HNO3 :CH3 COOH=1:3:8
の混合液を用いる。
【0015】次いで図2(b) に示すように、表面に電極
として不純物ドープされた多結晶シリコン膜102を形
成する。
【0016】さらに図2(c) に示すように、第1のトレ
ンチの底部の多結晶シリコン膜を選択的に除去し、シリ
コン基板101の底部をさらにエッチングし、第1のト
レンチの底部に第2のトレンチ103を形成する。ここ
でn型シリコン基板100表面は面方位{100}から
所定の角度αだけ傾斜しているため、第2のトレンチ1
03の側面も面方位{110}から所定の角度αだけ傾
斜している。
【0017】そして、KOHを用いたエッチング工程に
よって{111}面をエッチングストッパとして用いて
n型シリコン基板100をエッチングする。ここで、
{110}配向のシリコン基板を用いているため、この
エッチング工程では{111}方向のエッチング速度が
極めて遅くこの面でエッチングは停止し、{111}面
で囲まれた空洞(エッチング孔)104となる(図2
(d) )。
【0018】このようにして質量部および片持ち梁部が
形成されるが、第2のトレンチ103の側面が、面方位
{100}から所定の角度αだけ傾斜した面方位となっ
ているため、{111}面でストップするまでエッチン
グしても梁状の構造体を形成することができ、梁の厚み
はトレンチの深さと表面の傾斜角のみで決まるため極め
て高精度の厚み制御を行うことができる。
【0019】なお、梁の厚みをt,第2のトレンチの深
さをd,質量部の幅をwとし、オフアングル角をαとす
ると t=w・ sin(θ+α)−d・ COS(θ+α)となる
(図1(b) 参照)。
【0020】ここでθは{100}面と{111}面と
のなす角であり、54.7度である。
【0021】次に、この加速度センサの動作について説
明する。
【0022】加速度により質量部105が図3に示すよ
うに撓み、左右の多結晶シリコン膜102からなる電極
の間隔がそれぞれw+δ,w−δになったとする。ここ
で、左右の電極面積をS1 ,S2 とすると、C1 −C2
間の容量は C=ε・S1 ・S2 /{w(S1 +S2 )−δ(S1 −S2 )} となり、加速度を容量変化として取り出すことができ
る。
【0023】なお前記実施例では、オフアングル{10
0}基板を用いたが、オフアングル{110}基板を用
いても、同様に高精度に寸法制御のなされた構造を得る
ことができる。
【0024】次に本発明の第2の実施例について説明す
る。
【0025】前記第1の実施例では、オフアングル{1
00}基板を用いて、基板表面に垂直な第1のトレンチ
を形成したが、この例では{100}基板を用いて、第
1のトレンチ201を基板表面に対して所定の角度αだ
け傾けて形成し、やはり{111}面をエッチングスト
ッパとする面方位依存性エッチングによりエッチング孔
204を形成し、このエッチング孔204に囲まれた梁
206とこれに連設された質量部205とによって加速
度センサを形成したことを特徴とするものである。
【0026】製造に際しては、まず、図4(a) に示すよ
うに面方位{100}のn型シリコン基板200表面
に、斜めからイオンミリングを行う等の方法により、
{110}面から所定の角度αだけ傾けて第1のトレン
チ201を形成する。
【0027】次いで図4(b) に示すように、実施例1と
同様、表面に電極として不純物ドープされた多結晶シリ
コン膜202を形成する。
【0028】さらに図4(c) に示すように、第1のトレ
ンチ201の底部の多結晶シリコン膜を選択的に除去
し、シリコン基板201の底部をさらにエッチングし、
第1のトレンチの底部に第2のトレンチ203を形成す
る。ここでn型シリコン基板200表面は面方位{10
0}であるが、第1のトレンチ201同様、第2のトレ
ンチ203の側面も面方位{110}から所定の角度α
だけ傾斜している。
【0029】そして、実施例1と同様KOHを用いたエ
ッチング工程によって{111}面をエッチングストッ
パとして用いてn型シリコン基板200をエッチングす
る。ここで、第2のトレンチ203の側面が{110}
面から所定の角度αだけ傾いて形成されているため、こ
のエッチング工程では{111}方向のエッチング速度
が極めて遅くこの面でエッチングは停止し、{111}
面で囲まれた空洞(エッチング孔)204となる(図4
(d) )。
【0030】このようにして質量部および片持ち梁部が
形成されるが、この場合も、{111}面でストップす
るまでエッチングしても梁状の構造体を形成することが
でき、梁の厚みはトレンチの深さと表面の傾斜角のみで
決まるため極めて高精度の厚み制御を行うことができ
る。
【0031】さらに、前記第1および第2の実施例のい
ずれにおいても高感度で特性のばらつきがなく信頼性の
高い加速度センサを得ることができる。
【0032】また、基板面上での質量部の形成方向を適
宜選択することによって、基板面に平行な面上であれば
あらゆる方向の加速度を検出することができ、異なる方
向に感度を有するセンサを同時に同一基板上に容易に形
成することが可能となる。
【0033】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、{100}面または{110}面から所定の角度だ
け傾いた方向にトレンチを形成し、このトレンチの所定
の深さまでマスクで被覆した状態で、{111}面をエ
ッチングストッパとする異方性エッチングを行い、この
トレンチの下方に{111}面で囲まれたエッチング孔
を形成し、この隣接するエッチング孔の{111}面で
囲まれた領域を梁とし、この梁に連設されたトレンチの
上方で囲まれた領域を質量部とするようにしているた
め、高精度で特性のばらつきの少ない加速度センサを得
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の加速度センサを示す
図。
【図2】本発明の第1の実施例の加速度センサの製造工
程図。
【図3】本発明の第1の実施例の加速度センサの動作説
明図。
【図4】本発明の第2の実施例の加速度センサの製造工
程図。
【図5】従来例の加速度センサを示す図。
【符号の説明】
100 シリコン基板 101 第1のトレンチ 102 多結晶シリコン膜 103 第2のトレンチ 104 異方性エッチング孔 105 質量部 106 梁 107 ストッパ 200 シリコン基板 201 第1のトレンチ 202 多結晶シリコン膜 203 第2のトレンチ 204 異方性エッチング孔 205 質量部 206 梁 207 ストッパ 1 空隙 2 片持ち梁 3 電極 4 基板表面 5 質量部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 15/125 H01L 29/84

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板表面から所定深さを有する一対のト
    レンチを所定間隔を隔てて形成した後、このトレンチの
    下方領域を面方位依存性エッチングして一対のエッチン
    グ孔を形成することで、前記半導体基板の表面から適宜
    の深さ位置に当該一対のエッチング孔で囲まれる片持ち
    梁と該片持ち梁の先端部に形成され被検出加速度が加わ
    る質量部と、該質量部の側方部に前記トレンチを隔てて
    形成されストッパとなる側壁部と、当該質量部及び側壁
    部の対向両面部に形成され被検出加速度に応じた前記質
    量部の変位を容量変化として検出する半導体加速度セン
    サを製造する方法において、所定の面方位をもつシリコ
    ン基板の{100}面または{110}面から所定の角
    度だけ傾いた方向に伸長するトレンチを形成するトレン
    チ形成工程と、形成したトレンチを所定の深さまでマス
    クで被覆した後、前記トレンチの被覆されていない下方
    領域から{111}面をエッチングストッパとする異方
    性エッチングを行い、この第1のトレンチの下方領域に
    {111}面で囲まれたエッチング孔を形成する面方位
    依存性エッチング工程とを含むことを特徴とする半導体
    加速度センサの製造方法。
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