JP3562233B2

JP3562233B2 - Manufacturing method of semiconductor dynamic quantity sensor

Info

Publication number: JP3562233B2
Application number: JP17074097A
Authority: JP
Inventors: 山本　　敏雅; 信之加藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-06-26
Filing date: 1997-06-26
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2017-06-26
Also published as: JPH1117196A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、梁構造の可動部を有し、例えば、加速度、ヨーレート、振動等の力学量を検出する半導体力学量センサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、梁構造の可動部を有する半導体力学量センサとして、貼り合わせ基板を用いたサーボ制御式の差動容量型加速度センサを先に提案した（特願平８−１９１９２号）。
図１１に、その加速度センサの平面図を示す。また、図１２乃至図１５に、図１１におけるＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図、Ｄ−Ｄ断面図をそれぞれ示す。
【０００３】
図１１、図１２において、基板１の上面には、単結晶シリコン（単結晶半導体材料）よりなる梁構造体２が配置されている。梁構造体２は、基板１側から突出する４つのアンカー部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄにより架設されており、基板１の上面において所定間隔を隔てた位置に配置されている。
アンカー部３ａ〜３ｄは、ポリシリコン薄膜よりなる。アンカー部３ａとアンカー部３ｂとの間には、梁部４が架設されており、アンカー部３ｃとアンカー部３ｄとの間には、梁部５が架設されている。
【０００４】
また、梁部４と梁部５との間において、長方形状をなす質量部（マス部）６が架設されており、質量部６には、上下に貫通する透孔６ａが設けられている。さらに、質量部６における一方の側面（図１１においては左側面）からは４つの可動電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが突出している。また、質量部６における他方の側面（図１１においては右側面）からは４つの可動電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが突出している。可動電極７ａ〜７ｄ、８ａ〜８ｄは、等間隔で平行に延びる櫛歯状の形状になっている。
【０００５】
基板１の上面には第１の固定電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄおよび第２の固定電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが固定されている。第１の固定電極９ａ〜９ｄは、基板１側から突出するアンカー部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄによりその根元部が支持され、棒状部が基板１の上面に所定間隔を隔てた位置に配置されて梁構造体２の各可動電極７ａ〜７ｄの一方の側面と対向している。また、第２の固定電極１１ａ〜１１ｄは、基板１側から突出するアンカー部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによりその根元部が支持され、棒状部が基板１の上面に所定間隔を隔てた位置に配置されて梁構造体２の各可動電極７ａ〜７ｄの他方の側面に対向している。
【０００６】
同様に、基板１の上面には第１の固定電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄおよび第２の固定電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄが固定されている。第１の固定電極１３ａ〜１３ｄは、基板１側から突出するアンカー部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄによりその根元部が支持され、棒状部が基板１の上面に所定間隔を隔てた位置に配置されて梁構造体２の各可動電極８ａ〜８ｄの一方の側面と対向している。また、第２の固定電極１５ａ〜１５ｄは、基板１側から突出するアンカー部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄによりその根元部が支持され、棒状部が基板１の上面に所定間隔を隔てた位置に配置されて梁構造体２の各可動電極８ａ〜８ｄの一方の側面と対向している。
【０００７】
基板１は、図１２に示すように、シリコン基板１７の上に、ポリシリコン薄膜１８、下層側絶縁体薄膜１９と導電性薄膜２０と上層側絶縁体薄膜２１とを積層した構造となっている。下層側絶縁体薄膜１９は、シリコン酸化膜よりなり、上層側絶縁体薄膜２１は、シリコン窒化膜よりなる。また、導電性薄膜２０はリン等の不純物をドーピングしたポリシリコン薄膜よりなる。
【０００８】
また、図１１、図１２に示すように、導電性薄膜２０により、４つの配線パターン２２、２３、２４、２５、および下部電極２６が形成されている。配線パターン２２〜２５は、それぞれ、固定電極９ａ〜９ｄ、１１ａ〜１１ｄ、１３ａ〜１３ｄおよび１５ａ〜１５ｄの配線であり、帯状をなし、かつ、Ｌ字状に延設されている。
【０００９】
さらに、基板１の上面には、電極取出部２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄが形成されている。これら電極取出部２７〜２７ｄは、基板１から突出するアンカー部２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄにより支持されている。そして、電極取出部２７ａは、図１３、図１４に示すように、アンカー部２８ａを介して配線パターン２２と電気的に接続されている。同様に、電極取出部２７ｂ、２７ｃ、２７ｄは、それぞれアンカー部２８ｂ、２８ｃ、２８ｄを介して配線パターン２３、２４、２５と電気的に接続されている。なお、アンカー部３ａの上方、電極取出部２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄの上面には、図示しないが、アルミ薄膜よりなる電極（ボンディングパッド）がそれぞれ設けられている。
【００１０】
上記した構成において、梁構造体２の可動電極７ａ〜７ｄと第１の固定電極９ａ〜９ｄとの間に第１のコンデンサが、また、梁構造体２の可動電極７ａ〜７ｄと第２の固定電極１１ａ〜１１ｄとの間に第２のコンデンサが形成されている。同様に、梁構造体２の可動電極８ａ〜８ｄと第１の固定電極１３ａ〜１３ｄとの間に第１のコンデンサが、また、梁構造体２の可動電極８ａ〜８ｄと第２の固定電極１５ａ〜１５ｄとの間に第２のコンデンサが形成されている。
【００１１】
ここで、可動電極７ａ〜７ｄ（８ａ〜８ｄ）は、両側の固定電極９ａ〜９ｄ（１３ａ〜１３ｄ）と１１ａ〜１１ｄ（１５ａ〜１５ｄ）の中心に位置し、可動電極と固定電極間の静電容量Ｃ１、Ｃ２は等しい。また、可動電極７ａ〜７ｄ（８ａ〜８ｄ）と固定電極９ａ〜９ｄ（１３ａ〜１３ｄ）間には電圧Ｖ１が、可動電極７ａ〜７ｄ（８ａ〜８ｄ）と固定電極１１ａ〜１１ｄ（１５ａ〜１５ｄ）間には電圧Ｖ２が印加されている。
【００１２】
加速度が生じていないときには、Ｖ１＝Ｖ２であり、可動電極７ａ〜７ｄ（８ａ〜８ｄ）は、固定電極９ａ〜９ｄ（１３ａ〜１３ｄ）と１１ａ〜１１ｄ（１５ａ〜１５ｄ）から等しい静電気力で引かれている。
そして、加速度が基板表面に平行な方向に作用し、可動電極７ａ〜７ｄ（８ａ〜８ｄ）が変位すると、可動電極と固定電極との間の距離が変わり静電容量Ｃ１、Ｃ２が等しくなくなる。このとき、静電気力が等しくなるように、例えば可動電極７ａ〜７ｄ（８ａ〜８ｄ）が固定電極９ａ〜９ｄ（１３ａ〜１３ｄ）側に変位したとすると、電圧Ｖ１が下がり、電圧Ｖ２が上がる。これにより静電気力で固定電極１１ａ〜１１ｄ（１５ａ〜１５ｄ）側に可動電極７ａ〜７ｄ（８ａ〜８ｄ）は引かれる。可動電極７ａ〜７ｄ（８ａ〜８ｄ）が中心位置に戻り静電容量Ｃ１、Ｃ２が等しくなれば、加速度と静電気力が等しく釣り合っており、このときの電圧Ｖ１、Ｖ２から加速度の大きさを求めることができる。
【００１３】
このように、第１のコンデンサと第２のコンデンサにおいて、力学量の作用による変位に対して、可動電極が変位しないように第１と第２のコンデンサを形成している固定電極の電圧を制御し、その電圧の変化で加速度を検出する。
次に、上記した加速度センサの製造方法について、図１１中のＥ−Ｅ断面を用いた工程図に従って説明する。
【００１４】
まず、図１６に示すように、単結晶シリコン基板（第１の半導体基板）６０を用意し、このシリコン基板６０に溝６１をパターン形成する。そして、シリコン基板６０に対し静電容量検出を行うための電極とするためにリン拡散等により不純物を導入する。その後、図１７に示すように、シリコン基板６０の上に犠牲層用薄膜としてのシリコン酸化膜６２を成膜し、さらに、シリコン酸化膜６２の表面を平坦化する。
【００１５】
次に、図１８に示すように、シリコン酸化膜６２の一部をエッチングして凹部６３を形成した後、犠牲層エッチング時のエッチングストッパとなるシリコン窒化膜（第１の絶縁体薄膜）６４を成膜する。そして、シリコン窒化膜６４とシリコン酸化膜６２との積層体に対し、アンカー部を形成する領域に、開口部６５ａ、６５ｂ、６５ｃを形成する。
【００１６】
引き続き、図１９に示すように、開口部６５ａ〜６５ｃおよびシリコン窒化膜６４の上にポリシリコン薄膜６６を成膜し、その後、リン拡散等により不純物を導入し、さらに、フォトリソグラフィを経て配線パターン６６ａと下部電極６６ｂとアンカー部６６ｃを形成する。
そして、図２０に示すように、ポリシリコン薄膜６６およびシリコン窒化膜６４の上にシリコン酸化膜（第２の絶縁体薄膜）６７を成膜する。さらに、図２１に示すように、シリコン酸化膜６７の上に貼り合わせ用薄膜としてのポリシリコン薄膜６８を成膜し、貼り合わせのためにポリシリコン薄膜６８の表面を機械的研磨等により平坦化する。
【００１７】
次に、図２２に示すように、シリコン基板６０とは別の単結晶シリコン基板（第２の半導体基板）６９を用意し、ポリシリコン薄膜６８の表面と第２の半導体基板としてのシリコン基板６９とを貼り合わせる。
さらに、図２３に示すように、シリコン基板６０、６９を表裏逆にして、シリコン基板６０側を機械的研磨等により溝６１が露呈するまで研磨する。
【００１８】
この後、アンカー部３ａの上方、電極取出部２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄの上面に、アルミ薄膜よりなる金属電極（電極部）を形成した後、図２４に示すように、ＨＦ系のエッチング液によりシリコン酸化膜６２をエッチング除去、すなわちエッチング液を用いた犠牲層エッチングにより、シリコン基板６０を可動構造とし、可動電極を有する梁構造体を形成する。
【００１９】
このようにして、貼り合わせ基板を用いた加速度センサを形成することができる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等が、上述した加速度センサの製造方法について、さらに検討を進めたところ、次のような問題があることが判明した。すなわち、図２１に示すポリシリコン薄膜（貼り合わせ用薄膜）６８の成膜工程において、図２５に示すように、アンカー部形成領域に形成された開口部６５ａ、６５ｂ、６５ｃの大きさが異なるため、ポリシリコン薄膜６８の表面を機械的研磨等により平坦化しても、開口部６５ａ上で段差が残ってしまう。このような段差が残っていると、シリコン基板６９との貼り合わせを良好に行うことができない。
【００２１】
なお、図２５において、シリコン酸化膜（犠牲層用薄膜）６２の膜厚は２〜３μｍ、シリコン酸化膜６７の膜厚は０．５〜１μｍ、ポリシリコン薄膜６６の膜厚は３〜５μｍ、開口部６５ｂ、６５ｃの大きさは〜３μｍ、開口部６５ａの大きさは〜２０μｍであり、第１の絶縁体薄膜としてのシリコン窒化膜６４は省略してある。
【００２２】
このような段差の問題を解決する一方法として、ポリシリコン薄膜６８を厚くすればよいが、ポリシリコン薄膜６８の成膜には時間がかかるため、それによって製造時間が長くなるという問題が生じる。
本発明は上記問題に鑑みたもので、貼り合わせ基板を用いて力学量センサを形成する場合に、貼り合わせ用のポリシリコン薄膜を厚くすることなく、かつアンカー部形成領域上に段差を生じることなくポリシリコン薄膜の平坦化が行えるようにすることを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、請求項１乃至４に記載の発明においては、開口部を形成する工程において、梁構造体（２）を支持するための第１のアンカー部（３ａ〜３ｄ）を形成する領域に、所定幅の複数の開口部（６５ａ’）を形成するとともに、梁構造体の可動電極に対向して配置された固定電極（９ａ〜９ｄ、１１ａ〜１１ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１５ａ〜１５ｄ）を固定するための第２のアンカー部（１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄ）を形成する領域にも、前記所定幅と同一幅の複数の開口部（６５ｂ’、６５ｃ’）を形成することを特徴としている。
【００２４】
このように、第１、第２のアンカー部形成領域に複数の開口部を形成することによって、１つの開口部の大きさを小さくすることができ、従って、その上に貼り合わせ用のポリシリコン薄膜を形成し平坦化しても第１、第２のアンカー部領域上で段差が生じないため、ポリシリコン薄膜の平坦化を良好に行うことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
図１に、本発明の一実施形態にかかる加速度センサの平面図を示す。なお、加速度センサは、図１１に示すように左右対象となっているため、この図１には、加速度センサの左半分の平面構成を示している。
【００２６】
また、図２乃至図５に、図１におけるＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図、Ｄ−Ｄ断面図をそれぞれ示す。
この実施形態においては、基本的に図１１に示すものと同様の構成であるが、以下の点で相違する。
図１１に示すアンカー部３ａ、３ｃ、２８ａ、２８ｃを、図中の点線で示すように、４つの一定線幅のポリシリコン薄膜部を有する構成とし、また図１１に示すアンカー部１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄを、図中の点線で示すように、２つの一定線幅のポリシリコン薄膜部を有する構成としている。
【００２７】
また、第１の固定電極９ａ〜９ｄ、第２の固定電極１１ａ〜１１ｄにおいて、それぞれの棒状部にもポリシリコン薄膜からなる一定線幅のアンカー部３２ａ〜３２ｄ、３３ａ〜３３ｄを形成している。
なお、アンカー部３ａ、３ｃ、２８ａ、２８ｃ、１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、３２ａ〜３２ｄ、３３ａ〜３３ｄにおいて、ポリシリコン薄膜で形成された部分は全て同じ線幅のものとなっている。
【００２８】
また、加速度センサの右半分においても、左半分と同様に、図１１に示すアンカー部３ｂ、３ｄ、２８ｂ、２８ｄをそれぞれ４つの一定線幅のポリシリコン薄膜部を有して構成し、アンカー部１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄをそれぞれ２つの一定線幅のポリシリコン薄膜部を有して構成し、さらに第１の固定電極１３ａ〜１３ｄ、第２の固定電極１５ａ〜１５ｄにも、アンカー部３２ａ〜３２ｄ、３３ａ〜３３ｄと同様のアンカー部を形成している。
【００２９】
次に、この実施形態に係る加速度センサの製造方法について説明する。
まず、図１６、図１７に示すのと同様の工程にて、溝６１が形成されたシリコン基板６０上にシリコン酸化膜６２を成膜し、その表面を平坦化する。この後、シリコン酸化膜６２の一部をエッチングして凹部６３を形成し、犠牲層エッチング時のエッチングストッパとなるシリコン窒化膜６４を成膜する。
【００３０】
そして、図６に示すように、シリコン窒化膜６４とシリコン酸化膜６２との積層体に対しアンカー部形成領域に開口部６５ａ’、６５ｂ’、６５ｃ’を形成する。ここで、開口部６５ａ’については、図に示すように一定の線幅でストライプ状に４つの開口部を形成する。また、開口部６５ｂ’、６５ｃ’のそれぞれについては、図中に示されていないが、紙面の表裏方向に、開口部６５ａ’と同一の線幅でストライプ状に２つの開口部を形成する。また、この図中に示されないが、それぞれの固定電極の棒状部にも、アンカー部を形成するための開口部を形成する。
【００３１】
この後、図７に示すように、開口部６５ａ’〜６５ｃ’およびシリコン窒化膜６４の上にポリシリコン薄膜６６を成膜し、その後、リン拡散等により不純物を導入し、フォトリソグラフィを経て配線パターン６６ａと下部電極６６ｂとアンカー部６６ｃを形成する。そして、図８に示すように、ポリシリコン薄膜６６およびシリコン窒化膜６４の上にシリコン酸化膜６７を成膜する。さらに、図９に示すように、シリコン酸化膜６７の上に貼り合わせ用薄膜としてのポリシリコン薄膜６８を成膜し、貼り合わせのためにポリシリコン薄膜６８の表面を機械的研磨等により平坦化する。これら図７乃至図９に示す工程は、図１９乃至図２１と同じである。
【００３２】
ここで、上述したように、開口部６５ａ’〜６５ｃ’をそれぞれ一定の線幅にてストライプ状に形成しているため、開口部６５ａ’〜６５ｃ’上に、ポリシリコン薄膜６６、シリコン酸化膜６７、ポリシリコン薄膜６８を成膜したとき、図１０に示すように、それぞれの開口部上に十分なポリシリコン薄膜６８を形成することができ、ポリシリコン薄膜６８の表面を平坦化したときに、開口部６５ａ’上で段差が残らないようにすることができる。なお、この図１０は、図２５と対応した形で図示している。
【００３３】
この後、図２２乃至図２４に示すのと同様に、ポリシリコン薄膜６８の表面とシリコン基板６９とを貼り合わせ、シリコン基板６０、６９を表裏逆にし、シリコン基板６０側を機械的研磨等を行って薄膜化し、電極形成を行った後、ＨＦ系のエッチング液によりシリコン酸化膜６２を除去してシリコン基板６０を可動構造とする。
【００３４】
このようにして、埋め込みＳＯＩ基板を用いた加速度センサを構成することができる。
なお、本実施形態においては、図１に示すように、固定電極９ａ〜９ｄ、１１〜１１ｄの棒状部にアンカー部３２ａ〜３２ｄを形成し、固定電極１１ａ〜１１ｄの棒状部にアンカー部３３ａ〜３３ｄを形成している。これは、犠牲層エッチングした後の乾燥工程において、固定電極９ａ〜９ｄ、１１ａ〜１１ｄが、横方向に移動して可動電極あるいは固定電極と付着するのを防止するためであり、このことによって、固定電極９ａ〜９ｄ、１１ａ〜１１ｄを所望の位置に保持することができる。
【００３５】
なお、上記実施形態では、シリコン基板６０に予め梁構造体形成用の溝６１を形成して、その溝６１内に犠牲層用薄膜としてのシリコン酸化膜６２を形成しておき、最後の工程にて溝６１内を含むシリコン酸化膜６２をエッチング除去してシリコン基板６０を可動構造とするものを示したが、シリコン基板６０に予め梁構造体形成用の溝６１を形成しないようにし、シリコン基板６０とシリコン基板４０を貼り合わせて、金属電極を形成した後に、シリコン基板６０に梁構造体形成用の溝を形成し、その溝を介して犠牲層用薄膜をエッチング除去するようにしてもよい。この場合、シリコン基板６０に予めアライメント用の溝を形成しておけば、梁構造体形成用の溝の形成を容易に行うことができる。
【００３６】
また、本発明は、上記実施形態のような、埋め込みＳＯＩ基板を用いた加速度センサに限らず、埋め込みＳＯＩ基板を用いたヨーレートセンサなどの力学量センサに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によって製造された加速度センサの部分的な平面構成を示す図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１中のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図１中のＣ−Ｃ断面図である。
【図５】図１中のＤ−Ｄ断面図である。
【図６】図１に示す加速度センサの製造方法を示す工程図である。
【図７】図６に続く工程図である。
【図８】図７に続く工程図である。
【図９】図８に続く工程図である。
【図１０】図９に示す工程において、ポリシリコン薄膜６８を成膜した状態を示す図である。
【図１１】本出願人が先に提案した貼り合わせ基板を用いた加速度センサの平面構成を示す図である。
【図１２】図１１中のＡ−Ａ断面図である。
【図１３】図１１中のＢ−Ｂ断面図である。
【図１４】図１１中のＣ−Ｃ断面図である。
【図１５】図１１中のＤ−Ｄ断面図である。
【図１６】図１１に示す加速度センサの製造方法を示す工程図である。
【図１７】図１６に続く工程図である。
【図１８】図１７に続く工程図である。
【図１９】図１８に続く工程図である。
【図２０】図１９に続く工程図である。
【図２１】図２０に続く工程図である。
【図２２】図２１に続く工程図である。
【図２３】図２２に続く工程図である。
【図２４】図２３に続く工程図である。
【図２５】図１１に示す加速度センサの製造方法における問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１…基板、２…梁構造体、４、５…梁部、６…質量部、
７ａ〜７ｄ、８ａ〜８ｄ…可動電極、
９ａ〜９ｄ、１１ａ〜１１ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１５ａ〜１５ｄ…固定電極、
３ａ〜３ｄ、１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄ、３２ａ〜３２ｄ、３３ａ〜３３ｄ…アンカー部、
６０…第１の半導体基板、６１…溝、
６２…犠牲層用薄膜としてシリコン酸化膜、
６４…絶縁体薄膜としてのシリコン窒化膜、６５ａ’〜６５ｃ’…開口部、
６６…ポリシリコン薄膜、６７…シリコン酸化膜、
６８…貼り合わせ用薄膜としてのポリシリコン薄膜。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor dynamic quantity sensor having a movable portion having a beam structure and detecting dynamic quantities such as acceleration, yaw rate, and vibration.
[0002]
[Prior art]
The present applicant has previously proposed a servo-controlled differential capacitive acceleration sensor using a bonded substrate as a semiconductor dynamic quantity sensor having a beam-structured movable part (Japanese Patent Application No. 8-191192).
FIG. 11 shows a plan view of the acceleration sensor. FIGS. 12 to 15 show AA cross section, BB cross section, CC cross section, and DD cross section of FIG. 11, respectively.
[0003]
11 and 12, a beam structure 2 made of single crystal silicon (single crystal semiconductor material) is arranged on the upper surface of a substrate 1. The beam structure 2 is bridged by four anchor portions 3a, 3b, 3c, and 3d protruding from the substrate 1 side, and is disposed at a predetermined interval on the upper surface of the substrate 1.
The anchor portions 3a to 3d are made of a polysilicon thin film. A beam portion 4 is provided between the anchor portions 3a and 3b, and a beam portion 5 is provided between the anchor portions 3c and 3d.
[0004]
Further, a rectangular mass part (mass part) 6 is provided between the beam part 4 and the beam part 5, and the mass part 6 is provided with a through hole 6a penetrating vertically. Further, four movable electrodes 7a, 7b, 7c, 7d protrude from one side surface (the left side surface in FIG. 11) of the mass portion 6. Four movable electrodes 8a, 8b, 8c, 8d protrude from the other side surface (the right side surface in FIG. 11) of the mass portion 6. The movable electrodes 7a to 7d and 8a to 8d have a comb shape extending in parallel at equal intervals.
[0005]
On the upper surface of the substrate 1, first fixed electrodes 9a, 9b, 9c, 9d and second fixed electrodes 11a, 11b, 11c, 11d are fixed. The first fixed electrodes 9a to 9d have their roots supported by anchor portions 10a, 10b, 10c, and 10d protruding from the substrate 1 side, and rod-shaped portions are disposed at predetermined intervals on the upper surface of the substrate 1. And faces one side surface of each of the movable electrodes 7 a to 7 d of the beam structure 2. The second fixed electrodes 11a to 11d are supported at their roots by anchors 12a, 12b, 12c, and 12d protruding from the substrate 1 side. The movable electrodes 7a to 7d of the beam structure 2 are arranged to face the other side surface.
[0006]
Similarly, a first fixed electrode 13a, 13b, 13c, 13d and a second fixed electrode 15a, 15b, 15c, 15d are fixed to the upper surface of the substrate 1. The first fixed electrodes 13a to 13d have their roots supported by anchors 14a, 14b, 14c, and 14d protruding from the substrate 1 side, and bar-shaped portions are arranged at predetermined intervals on the upper surface of the substrate 1. And faces one side surface of each of the movable electrodes 8 a to 8 d of the beam structure 2. The second fixed electrodes 15a to 15d have their roots supported by anchors 16a, 16b, 16c, and 16d protruding from the substrate 1 side, and the bar-shaped portions are located at predetermined intervals on the upper surface of the substrate 1. It is arranged and faces one side surface of each of the movable electrodes 8a to 8d of the beam structure 2.
[0007]
As shown in FIG. 12, the substrate 1 has a structure in which a polysilicon thin film 18, a lower insulating thin film 19, a conductive thin film 20, and an upper insulating thin film 21 are stacked on a silicon substrate 17. . The lower insulator thin film 19 is made of a silicon oxide film, and the upper insulator thin film 21 is made of a silicon nitride film. The conductive thin film 20 is made of a polysilicon thin film doped with an impurity such as phosphorus.
[0008]
In addition, as shown in FIGS. 11 and 12, the conductive thin film 20 forms four wiring patterns 22, 23, 24, 25 and a lower electrode 26. The wiring patterns 22 to 25 are wirings of the fixed electrodes 9a to 9d, 11a to 11d, 13a to 13d and 15a to 15d, respectively, and have a band shape and extend in an L shape.
[0009]
Further, electrode extraction portions 27a, 27b, 27c, 27d are formed on the upper surface of the substrate 1. These electrode extraction portions 27 to 27d are supported by anchor portions 28a, 28b, 28c, 28d protruding from the substrate 1. 13 and 14, the electrode extraction portion 27a is electrically connected to the wiring pattern 22 via an anchor portion 28a. Similarly, the electrode extraction portions 27b, 27c, and 27d are electrically connected to the wiring patterns 23, 24, and 25 via anchor portions 28b, 28c, and 28d, respectively. Although not shown, electrodes (bonding pads) made of an aluminum thin film are provided above the anchor portion 3a and on the upper surfaces of the electrode extraction portions 27a, 27b, 27c, and 27d, respectively.
[0010]
In the above-described configuration, the first capacitor is provided between the movable electrodes 7a to 7d of the beam structure 2 and the first fixed electrodes 9a to 9d, and the movable electrodes 7a to 7d of the beam structure 2 are connected to the second capacitor. A second capacitor is formed between the fixed electrodes 11a to 11d. Similarly, a first capacitor is provided between the movable electrodes 8a to 8d of the beam structure 2 and the first fixed electrodes 13a to 13d, and a movable electrode 8a to 8d of the beam structure 2 is connected to the second fixed electrode. A second capacitor is formed between 15a and 15d.
[0011]
Here, the movable electrodes 7a to 7d (8a to 8d) are located at the centers of the fixed electrodes 9a to 9d (13a to 13d) and 11a to 11d (15a to 15d) on both sides. The capacitances C1 and C2 are equal. A voltage V1 is applied between the movable electrodes 7a to 7d (8a to 8d) and the fixed electrodes 9a to 9d (13a to 13d), and the movable electrodes 7a to 7d (8a to 8d) and the fixed electrodes 11a to 11d (15a to 15d). The voltage V2 is applied between the parentheses.
[0012]
When no acceleration occurs, V1 = V2, and the movable electrodes 7a to 7d (8a to 8d) are pulled by the same electrostatic force from the fixed electrodes 9a to 9d (13a to 13d) and 11a to 11d (15a to 15d). Have been.
When the acceleration acts in a direction parallel to the substrate surface and the movable electrodes 7a to 7d (8a to 8d) are displaced, the distance between the movable electrode and the fixed electrode changes, and the capacitances C1, C2 become unequal. At this time, if the movable electrodes 7a to 7d (8a to 8d) are displaced toward the fixed electrodes 9a to 9d (13a to 13d) so that the electrostatic force becomes equal, the voltage V1 decreases and the voltage V2 increases. Thus, the movable electrodes 7a to 7d (8a to 8d) are pulled toward the fixed electrodes 11a to 11d (15a to 15d) by the electrostatic force. If the movable electrodes 7a to 7d (8a to 8d) return to the center position and the capacitances C1 and C2 become equal, the acceleration and the electrostatic force are equally balanced, and the magnitude of the acceleration is obtained from the voltages V1 and V2 at this time. be able to.
[0013]
As described above, in the first capacitor and the second capacitor, the voltage of the fixed electrode forming the first and second capacitors is controlled so that the movable electrode is not displaced with respect to the displacement caused by the action of the mechanical quantity. Then, the acceleration is detected based on the change in the voltage.
Next, a method of manufacturing the above-described acceleration sensor will be described with reference to a process chart using a cross section EE in FIG.
[0014]
First, as shown in FIG. 16, a single crystal silicon substrate (first semiconductor substrate) 60 is prepared, and a groove 61 is formed in the silicon substrate 60 by patterning. Then, impurities are introduced into the silicon substrate 60 by phosphorus diffusion or the like in order to form an electrode for detecting capacitance. Thereafter, as shown in FIG. 17, a silicon oxide film 62 as a thin film for a sacrificial layer is formed on the silicon substrate 60, and the surface of the silicon oxide film 62 is flattened.
[0015]
Next, as shown in FIG. 18, after a part of the silicon oxide film 62 is etched to form a concave portion 63, a silicon nitride film (first insulating thin film) 64 serving as an etching stopper at the time of etching the sacrificial layer is formed. Form a film. Then, openings 65a, 65b, and 65c are formed in a region where an anchor portion is formed in the stacked body of the silicon nitride film 64 and the silicon oxide film 62.
[0016]
Subsequently, as shown in FIG. 19, a polysilicon thin film 66 is formed on the openings 65a to 65c and the silicon nitride film 64, and thereafter impurities are introduced by phosphorus diffusion or the like. 66a, a lower electrode 66b, and an anchor portion 66c are formed.
Then, as shown in FIG. 20, a silicon oxide film (second insulator thin film) 67 is formed on the polysilicon thin film 66 and the silicon nitride film 64. Further, as shown in FIG. 21, a polysilicon thin film 68 as a bonding thin film is formed on the silicon oxide film 67, and the surface of the polysilicon thin film 68 is flattened by mechanical polishing or the like for bonding. I do.
[0017]
Next, as shown in FIG. 22, a single crystal silicon substrate (second semiconductor substrate) 69 different from the silicon substrate 60 is prepared, and the surface of the polysilicon thin film 68 and the silicon substrate 69 as the second semiconductor substrate are prepared. And stick them together.
Further, as shown in FIG. 23, the silicon substrates 60 and 69 are turned upside down, and the silicon substrate 60 side is polished by mechanical polishing or the like until the groove 61 is exposed.
[0018]
Thereafter, a metal electrode (electrode portion) made of an aluminum thin film is formed above the anchor portion 3a and on the upper surfaces of the electrode extraction portions 27a, 27b, 27c, and 27d. Then, as shown in FIG. The silicon oxide film 62 is removed by etching, that is, the silicon substrate 60 is made to have a movable structure by the sacrifice layer etching using an etchant, thereby forming a beam structure having a movable electrode.
[0019]
Thus, an acceleration sensor using the bonded substrate can be formed.
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventors have further studied the method of manufacturing the above-described acceleration sensor, and found that there are the following problems. That is, in the film forming process of the polysilicon thin film (thin film for bonding) 68 shown in FIG. 21, as shown in FIG. 25, the sizes of the openings 65a, 65b, 65c formed in the anchor portion forming region are different. Even if the surface of the polysilicon thin film 68 is flattened by mechanical polishing or the like, a step remains on the opening 65a. If such a step remains, it is not possible to perform good bonding with the silicon substrate 69.
[0021]
In FIG. 25, the thickness of the silicon oxide film (sacrifice layer thin film) 62 is 2-3 μm, the thickness of the silicon oxide film 67 is 0.5-1 μm, the thickness of the polysilicon thin film 66 is 3-5 μm, The size of the openings 65b and 65c is up to 3 μm, the size of the opening 65a is up to 20 μm, and the silicon nitride film 64 as the first insulator thin film is omitted.
[0022]
As a method of solving such a problem of the step, the polysilicon thin film 68 may be thickened. However, since the film formation of the polysilicon thin film 68 takes time, there is a problem that the manufacturing time is lengthened.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and when forming a physical quantity sensor using a bonded substrate, a step is formed on an anchor portion forming region without thickening a polysilicon thin film for bonding. It is an object of the present invention to make it possible to flatten a polysilicon thin film without any problem.
[0023]
To achieve the above object, according to an aspect of, in the invention described in claims 1 to 4, in the step of forming the opening, the beam structure (2) first to support the A plurality of openings (65a ') having a predetermined width are formed in the regions where the anchor portions (3a to 3d) are to be formed, and the fixed electrodes (9a to 9d, 11a) arranged opposite to the movable electrodes of the beam structure. To 11d, 13a to 13d, 15a to 15d), the same area as the predetermined width is also formed in the areas where the second anchor portions (10a to 10d, 12a to 12d, 14a to 14d, 16a to 16d) are formed. It is characterized in that a plurality of openings (65b ', 65c') having a width are formed .
[0024]
In this manner, by forming a plurality of openings in the first and second anchor portion forming regions, the size of one opening can be reduced, and therefore, the polysilicon for bonding is formed thereon. Even if a thin film is formed and flattened, no step is formed on the first and second anchor portions, so that the polysilicon thin film can be satisfactorily flattened.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention shown in the drawings will be described.
FIG. 1 shows a plan view of an acceleration sensor according to one embodiment of the present invention. In addition, since the acceleration sensor is symmetrical as shown in FIG. 11, FIG. 1 shows a plan configuration of the left half of the acceleration sensor.
[0026]
2 to 5 show AA cross section, BB cross section, CC cross section, and DD cross section in FIG. 1, respectively.
This embodiment has basically the same configuration as that shown in FIG. 11, but differs in the following points.
The anchor portions 3a, 3c, 28a, and 28c shown in FIG. 11 are configured to include four polysilicon thin film portions having a constant line width as shown by dotted lines in the figure, and the anchor portions 10a to 10d shown in FIG. Each of 12a to 12d has a configuration in which two polysilicon thin film portions having a constant line width are provided as indicated by dotted lines in the drawing.
[0027]
In the first fixed electrodes 9a to 9d and the second fixed electrodes 11a to 11d, anchor portions 32a to 32d and 33a to 33d each having a fixed line width formed of a polysilicon thin film are also formed on the respective rod portions. .
In the anchor portions 3a, 3c, 28a, 28c, 10a to 10d, 12a to 12d, 32a to 32d, and 33a to 33d, the portions formed of the polysilicon thin film all have the same line width.
[0028]
Also, in the right half of the acceleration sensor, similarly to the left half, the anchor portions 3b, 3d, 28b, and 28d shown in FIG. 11 each include four polysilicon thin film portions having a constant line width. 14a to 14d and 16a to 16d each have two polysilicon thin film portions having a constant line width, and the first fixed electrodes 13a to 13d and the second fixed electrodes 15a to 15d are also provided with anchor portions 32a. To 32d and 33a to 33d.
[0029]
Next, a method for manufacturing the acceleration sensor according to this embodiment will be described.
First, in a process similar to that shown in FIGS. 16 and 17, a silicon oxide film 62 is formed on a silicon substrate 60 in which a groove 61 has been formed, and its surface is planarized. Thereafter, a part of the silicon oxide film 62 is etched to form a concave portion 63, and a silicon nitride film 64 serving as an etching stopper at the time of etching the sacrificial layer is formed.
[0030]
Then, as shown in FIG. 6, openings 65a ', 65b', and 65c 'are formed in the anchor portion forming region for the stacked body of the silicon nitride film 64 and the silicon oxide film 62. Here, as for the openings 65a ', four openings are formed in a stripe shape with a constant line width as shown in the figure. Although not shown in the figure, each of the openings 65b 'and 65c' is formed with two openings in the form of stripes with the same line width as the openings 65a 'in the front and back directions of the drawing. Although not shown in this figure, an opening for forming an anchor portion is also formed in the rod portion of each fixed electrode.
[0031]
Thereafter, as shown in FIG. 7, a polysilicon thin film 66 is formed on the openings 65a 'to 65c' and the silicon nitride film 64, and then impurities are introduced by phosphorus diffusion or the like, and the wiring is formed through photolithography. The pattern 66a, the lower electrode 66b, and the anchor 66c are formed. Then, as shown in FIG. 8, a silicon oxide film 67 is formed on the polysilicon thin film 66 and the silicon nitride film 64. Further, as shown in FIG. 9, a polysilicon thin film 68 as a bonding thin film is formed on the silicon oxide film 67, and the surface of the polysilicon thin film 68 is flattened by mechanical polishing or the like for bonding. I do. These steps shown in FIG. 7 to FIG. 9 are the same as those in FIG. 19 to FIG.
[0032]
Here, as described above, since the openings 65a 'to 65c' are formed in a stripe shape with a constant line width, the polysilicon thin film 66 and the silicon oxide film are formed on the openings 65a 'to 65c'. 67, when the polysilicon thin film 68 is formed, as shown in FIG. 10, a sufficient polysilicon thin film 68 can be formed on each opening, and when the surface of the polysilicon thin film 68 is flattened, The step can be prevented from remaining on the opening 65a '. FIG. 10 is shown in a form corresponding to FIG.
[0033]
Thereafter, as shown in FIGS. 22 to 24, the surface of the polysilicon thin film 68 is bonded to the silicon substrate 69, the silicon substrates 60 and 69 are turned upside down, and the silicon substrate 60 side is subjected to mechanical polishing or the like. Then, after forming a thin film and forming an electrode, the silicon oxide film 62 is removed with an HF-based etchant to make the silicon substrate 60 a movable structure.
[0034]
Thus, an acceleration sensor using the embedded SOI substrate can be configured.
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, anchor portions 32a to 32d are formed on the rod portions of the fixed electrodes 9a to 9d and 11 to 11d, and the anchor portions 33a to 32d are formed on the rod portions of the fixed electrodes 11a to 11d. 33d are formed. This is to prevent the fixed electrodes 9a to 9d and 11a to 11d from moving in the lateral direction and adhering to the movable electrode or the fixed electrode in the drying step after the sacrifice layer etching. The fixed electrodes 9a to 9d and 11a to 11d can be held at desired positions.
[0035]
In the above embodiment, a groove 61 for forming a beam structure is formed in the silicon substrate 60 in advance, and a silicon oxide film 62 as a thin film for a sacrificial layer is formed in the groove 61. Although the silicon oxide film 62 including the inside of the groove 61 is removed by etching to make the silicon substrate 60 a movable structure, the groove 61 for forming a beam structure is not formed in the silicon substrate 60 in advance. After the metal electrode is formed by bonding the silicon substrate 60 and the silicon substrate 40, a groove for forming a beam structure may be formed in the silicon substrate 60, and the thin film for the sacrificial layer may be removed by etching through the groove. . In this case, if a groove for alignment is previously formed in the silicon substrate 60, a groove for forming a beam structure can be easily formed.
[0036]
Further, the present invention is not limited to the acceleration sensor using the embedded SOI substrate as in the above embodiment, and can be used for a dynamic quantity sensor such as a yaw rate sensor using the embedded SOI substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a partial plan configuration of an acceleration sensor manufactured according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA in FIG.
FIG. 3 is a sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 4 is a sectional view taken along line CC in FIG.
FIG. 5 is a sectional view taken along the line DD in FIG. 1;
FIG. 6 is a process chart showing a method for manufacturing the acceleration sensor shown in FIG.
FIG. 7 is a process drawing following FIG. 6;
FIG. 8 is a process drawing following FIG. 7;
FIG. 9 is a process drawing following FIG. 8;
FIG. 10 is a view showing a state where a polysilicon thin film 68 is formed in the step shown in FIG. 9;
FIG. 11 is a diagram showing a planar configuration of an acceleration sensor using a bonded substrate previously proposed by the present applicant.
FIG. 12 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 11;
FIG. 13 is a sectional view taken along the line BB in FIG. 11;
14 is a sectional view taken along the line CC in FIG. 11;
FIG. 15 is a sectional view taken along the line DD in FIG. 11;
16 is a process chart showing a method for manufacturing the acceleration sensor shown in FIG.
FIG. 17 is a process drawing following FIG. 16;
FIG. 18 is a process drawing following FIG. 17;
FIG. 19 is a process drawing following FIG. 18;
FIG. 20 is a process drawing following FIG. 19;
FIG. 21 is a process drawing following FIG. 20;
FIG. 22 is a process drawing following FIG. 21;
FIG. 23 is a process drawing following FIG. 22;
FIG. 24 is a process drawing following FIG. 23;
FIG. 25 is a view for explaining a problem in the method of manufacturing the acceleration sensor shown in FIG. 11;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Beam structure, 4, 5 ... Beam part, 6 ... Mass part,
7a-7d, 8a-8d ... movable electrode,
9a to 9d, 11a to 11d, 13a to 13d, 15a to 15d ... fixed electrodes,
3a-3d, 10a-10d, 12a-12d, 14a-14d, 16a-16d, 32a-32d, 33a-33d ... anchor part,
60: first semiconductor substrate, 61: groove,
62 ... a silicon oxide film as a thin film for a sacrificial layer,
64: a silicon nitride film as an insulator thin film; 65a 'to 65c': an opening;
66 ... polysilicon thin film, 67 ... silicon oxide film,
68: A polysilicon thin film as a bonding thin film.

Claims

A substrate (1);
A beam structure supported by first anchor portions (3a to 3d) at predetermined intervals on the upper surface of the substrate, has movable electrodes (7a to 7d, 8a to 8d), and is displaced by a mechanical quantity ( 2)
A fixed electrode (9a) fixed to the upper surface of the substrate by second anchor portions (10a to 10d, 12a to 12d, 14a to 14d, 16a to 16d) and arranged to face the movable electrode of the beam structure To 9d, 11a to 11d, 13a to 13d, and 15a to 15d).
After laminating the sacrificial layer thin film (62) and the insulator thin film (64) on the first semiconductor substrate (60), openings (65a'-65) are formed in the regions where the first and second anchor portions are to be formed. 65c ');
Forming a film (66) and a polysilicon thin film (68) constituting the first and second anchor portions on the opening and the insulator thin film, and flattening the surface of the polysilicon thin film; When,
Laminating the planarized surface of the polysilicon thin film and a second semiconductor substrate;
Forming a beam structure and the fixed electrode on the first semiconductor substrate by etching and removing the sacrificial layer thin film in a predetermined region;
The step of forming the opening, before Symbol region forming a first anchor portion, thereby forming a plurality of openings of a predetermined width, in a region for forming the second anchor portion, the predetermined width Forming a plurality of openings having the same width as that of the semiconductor dynamic quantity sensor.

The fixed electrode has a rod-shaped part, and the rod-shaped part is fixed to an upper surface of the substrate by a third anchor part (32a to 32d, 33a to 33d). also the region forming the third anchor portion, a method of manufacturing a semiconductor dynamic quantity sensor according to claim 1, wherein the and forms an opening having a predetermined width and a same width.

An electrode lead-out portion (27a-27d) electrically connected to the fixed electrode portion via a film constituting the anchor portion is fixed to an upper surface of the substrate by a fourth anchor portion (28a-28d). 3. The method according to claim 1, wherein the step of forming the opening includes forming the plurality of openings having the predetermined width also in a region where the fourth anchor portion is formed. 4. Of manufacturing a semiconductor dynamic quantity sensor.

After forming a groove (61) in a predetermined region of the first semiconductor substrate, the sacrificial layer thin film and the first insulator thin film are laminated, and after the laminating step, the first semiconductor substrate is removed. polished to the groove is exposed, after which the by the sacrificial etching away the thin film layer in the groove, one of the claims 1 to 3, characterized in that to form the beam structure and the stationary electrode A method for manufacturing a semiconductor dynamic quantity sensor according to any one of the first to third aspects.