JP3603347B2

JP3603347B2 - 半導体センサの製造方法

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Publication number: JP3603347B2
Application number: JP24649794A
Authority: JP
Inventors: 山本　　敏雅; 竹内　　幸裕; 加納　　一彦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1994-10-12
Filing date: 1994-10-12
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: JPH08116070A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、半導体センサの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体加速度センサの小型化、低価格化の要望が高まっている。このため、特表平４−５０４００３号公報にてポシシリコンを電極として用いた差動容量式半導体加速度センサが示されている。この種のセンサを図２０，２１を用いて説明する。図２０にセンサの平面を示すとともに、図２１に図２０のＣ−Ｃ断面を示す。
【０００３】
シリコン基板５０の上面にはポリシリコンよりなる梁構造体６６が配置されている。この梁構造体６６はアンカー部５２，５３，５４，５５と、そのアンカー部５２，５３，５４，５５にて支えられた可動部（センサ本体）５１とから構成されている。可動部５１は、梁部５６，５７と質量部５８と可動電極部５９とからなる。アンカー部５２，５３，５４，５５から梁部５６，５７が延設され、この梁部５６，５７に質量部５８が支持されている。この質量部５８の一部に可動電極部５９が形成されている。一方、シリコン基板５０上には、１つの可動電極部５９に対し固定電極６０が２つ対向するように配置されている。そして、シリコン基板５０の表面に平行な方向（図２０にＧに示す）に加速度が加わった場合、可動電極部５９と固定電極６０との間の静電容量において片側の静電容量が増え、もう一方は減る構造となっている。
【０００４】
このセンサの製造は、図２２に示すように、シリコン基板５０の上にシリコン酸化膜等の犠牲層６１を形成するとともに犠牲層６１におけるアンカー部となる箇所に開口部６２を形成する。その後、図２３に示すように、犠牲層６１の上に梁構造体となるポリシリコン膜を堆積し、所望のパターン形状にする（梁構造体形成部材６７を配置する）。そして、図２４に示すように、エッチング液にてアンカー部を除く梁構造体形成部材６７の下の犠牲層６１を除去して梁構造体６６（可動部５１）を形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、梁構造体形成部材６７の下の犠牲層６１をエッチングして梁構造体６６（可動部５１）を形成する工程において可動部５１が破損したり可動部５１が基板５０に固着されてしまうおそれがあった。つまり、図２５に示すように、シリコン基板５０をエッチング液６３に浸し、犠牲層６１のエッチングを行った後に、図２６に示すように、シリコン基板５０を純水６４に浸し、シリコン基板５０の表面に付いているエッチング液６３と純水６４とを置換する。さらに、シリコン基板５０を純水６４の中から取り出し、乾燥する。このとき、図２７に示すように、シリコン基板５０と可動部５１との間に純水６５が残り、この純水６５の表面張力により可動部５１がシリコン基板５０の表面に引っ張られる。その結果、図２８に示すように、可動部５１がシリコン基板５０の表面に固着されたり、あるいは、可動部５１が破損してしまう（折れてしまう）。又、図２５，２６に示すように、シリコン基板５０をエッチング液６３や純水６４から出し入れする際に、可動部５１には液流や液圧が加わり、可動部５１の破損を招いてしまうおそれがある。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、犠牲層を除去することによりセンサ本体を形成する際においてセンサ本体の破損や基板への固着を防止することができる半導体センサの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、半導体基板上においてセンサ本体がアンカー部により空間を隔てて支えられた構造をなす半導体センサの製造方法であって、前記半導体基板上に犠牲層としてのシリコン酸化膜を形成するとともに犠牲層上のセンサ本体形成領域にセンサ本体形成部材を配置する工程と、ふっ化水素ガスとＨ _２Ｏガスとからなる反応性ガスをキャリアガスとしての窒素ガス若しくは希ガスにて搬送しつつ、ドライプロセスのみで前記アンカー部を除く前記センサ本体形成部材の下の犠牲層をエッチングして前記センサ本体を形成する工程とを備えた半導体センサの製造方法をその要旨とする。
【００１１】
【作用】
請求項１に記載の発明によれば、半導体基板上に犠牲層としてのシリコン酸化膜が形成されるとともに犠牲層上のセンサ本体形成領域にセンサ本体形成部材が配置される。そして、ドライプロセスのみでアンカー部を除くセンサ本体形成部材の下の犠牲層がエッチングされてセンサ本体が形成される。このように、犠牲層エッチング工程において、ウェットプロセスを用いず、ドライプロセスのみで行う。そのため、センサ本体と基板との間に液が侵入してセンサ本体が基板に固着したり、センサ本体に液流や液圧が加わることが無く、センサ本体が保護される。
【００１２】
さらに、ふっ化水素ガスとＨ_２Ｏガスとからなる反応性ガスをキャリアガスとしての窒素ガス若しくは希ガスにて搬送しつつ犠牲層が気相エッチングされる。この際、キャリアガスによりエッチングの際に発生した反応生成物が速やかに除去される。
【００１５】
【実施例】
以下、この発明をＭＩＳＦＥＴ型半導体加速度センサに具体化した実施例を図面に従って説明する。
【００１６】
図１は、本実施例の半導体加速度センサの平面図を示す。又、図２には図１のＡ−Ａ断面を示し、図３には図１のＢ−Ｂ断面を示す。
図２に示すように、Ｐ型シリコン基板１の主表面上には絶縁膜２が形成され、絶縁膜２は、ＳｉＯ_２，Ｓｉ_３Ｎ_４等よりなる。又、Ｐ型シリコン基板１上には、絶縁膜２の無い長方形状の領域、即ち、空隙部３が形成されている（図１参照）。絶縁膜２の上には、空隙部３を架設するように両持ち梁構造の可動電極（ゲート電極）４が配置されている。つまり、センサ本体としての可動電極４がアンカー部７１ａ，７１ｂにより空間を隔てて支えられた構造をなしている。この可動電極４は帯状にて直線的に延びるポリシリコンよりなり、Ｐ型シリコン基板１の上方に所定間隔を隔てて配置されている。又、絶縁膜２によりＰ型シリコン基板１と可動電極４とが絶縁されている。
【００１７】
尚、可動電極４の下部における空隙部３は、絶縁膜２の一部が犠牲層としてエッチングされることにより形成されるものである。この犠牲層エッチングの際には、可動電極４がエッチングされず、犠牲層である絶縁膜２がエッチングされる材料が選択される。例えば、絶縁膜２としてＳｉＯ_２膜を用い、ＨＦガスとＨ_２Ｏガスとをエッチャントとして使用することができる。
【００１８】
又、絶縁膜２上には層間絶縁膜５が配置され、その上にはコンタクトホール７を介して可動電極４と電気的接続するためのアルミ配線６が配置されている。
図３においてＰ型シリコン基板１上における可動電極４の両側には不純物拡散層からなる固定電極（ソース・ドレイン部）８，９が形成され、この固定電極８，９はＰ型シリコン基板１にイオン注入等によりＮ型不純物を導入することによって形成されたものである。
【００１９】
尚、可動電極（両持ち梁）４はポリシリコンの他にも、タングステン等の耐熱金属を用いてもよい。
又、図１に示すように、Ｐ型シリコン基板１には不純物拡散層からなる配線１０，１１が形成され、配線１０，１１はＰ型シリコン基板１にイオン注入等によりＮ型不純物を導入することによって形成されたものである。そして、固定電極８と配線１０、固定電極９と配線１１とはそれぞれと電気的に接続されている。さらに、配線１０はコンタクトホール１２を介してアルミ配線１３と電気的に接続されている。又、配線１１はコンタクトホール１４を介してアルミ配線１５と電気的に接続されている。そして、アルミ配線１３，１５及び６は処理回路（周辺回路）と接続されている。
【００２０】
又、図３に示すように、Ｐ型シリコン基板１における固定電極８，９間には、反転層１６が形成され、同反転層１６はシリコン基板１と可動電極（両持ち梁）４との間に電圧を印加することにより生じたものである。
【００２１】
この半導体加速度センサの作動を図３を用いて説明する。
可動電極４とシリコン基板１との間に電圧をかけると、反転層１６が形成され、固定電極８，９間に電流が流れる。そして、本半導体加速度センサが加速度を受けて、図中に示すＺ方向（基板１の表面に垂直な方向）に可動電極４が変位した場合には電界強度の変化によって、反転層１６のキャリア濃度が増大して電流が増大する。このように本半導体加速度センサは電流量の増減で加速度を検出することができる。
【００２２】
次に、このように構成した半導体加速度センサの製造工程を図４〜図１６を用いて説明する。ここで、図面の左側にセンサ、右側には処理回路に必要なＭＯＳＦＥＴの工程を示す。
【００２３】
図４に示すように、ウェハ状態のＰ型シリコン基板１７を用意し、フォトリソ工程を経て、イオン注入等によりセンサやトランジスタのソース・ドレインの配線部分となるＮ型拡散層１８，１９，２０，２１を形成する。
【００２４】
そして、図５に示すように、その一部が犠牲層となる絶縁膜２２をセンサ作製部に形成する。尚、このとき、基板全体に絶縁膜２２を成膜し後からトランジスタ作製部上の絶縁膜を除去してもよい。
【００２５】
さらに、図６に示すように、ゲート酸化によりトランジスタ作製部分上にゲート酸化膜２３を形成する。そして、図７に示すように、ポリシリコン膜を成膜し、フォトリソ工程を経てドライエッチング等でセンサの可動電極形成部材２４及びトランジスタのゲート電極２５をパターニングする。つまり、絶縁膜２２の上の可動電極形成領域に可動電極形成部材２４（センサ本体形成部材）を配置する。尚、この際、可動電極形成部材２４とトランジスタのゲート電極２５のポリシリコンは別々に形成してもよい。
【００２６】
引き続き、図８に示すように、Ｎ型拡散層からなるセンサの固定電極を形成するために、フォトリソ工程を経て絶縁膜２２における可動電極形成部材２４の両側に開口部２６，２７を形成する。又、トランジスタのソース・ドレインを形成するために、フォトリソ工程を経てレジスト２８により開口部２９，３０を形成する。
【００２７】
さらに、絶縁膜２２の開口部２６，２７、レジスト２８の開口部２９，３０から可動電極形成部材２４、ゲート電極２５に対して自己整合的にイオン注入等によって不純物を導入して、図９に示すように、Ｎ型拡散層からなるセンサの固定電極３１，３２、トランジスタのソース・ドレイン領域３３，３４を形成する。
【００２８】
次に、図１０に示すように、可動電極形成部材２４とアルミ配線、およびゲート電極２５とアルミ配線を電気的に絶縁するための層間絶縁膜３５を成膜する。そして、図１１に示すように、配線用拡散層１８，１９，２０，２１とアルミ配線を電気的に接続するためのコンタクトホール３６，３７，３８，３９をフォトリソ工程を経て形成する。
【００２９】
ここで、絶縁膜２２と層間絶縁膜３５にはシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）が用いられる。
さらに、図１２に示すように、電極材料であるアルミニウムを成膜して、フォトリソ工程を経てアルミ配線４０，４１，４２，４３等を形成する。
【００３０】
そして、図１３に示すように、レジスト４７を用いて層間絶縁膜３５の一部と絶縁膜２２の一部である犠牲層を気相エッチングし、梁構造を有する可動電極４とする。つまり、アンカー部を除く可動電極形成部材２４の下の絶縁膜２２、および可動電極形成部材２４の両側の層間絶縁膜３５をエッチングして可動電極４を形成する。ここで、図１４に示す装置を用いて犠牲層のエッチングを行う。図１４において、チャンバ（リアクタ）４４内にはシリコン基板１７がセットされている。そして、チャンバ４４内が常圧となった状態でチャンバ４４内にふっ化水素ガス（ＨＦガス）とＨ_２Ｏガスとからなる反応性ガスを導入しつつ犠牲層エッチングが行われる。このふっ化水素ガス（ＨＦ）とＨ_２Ｏガスとからなる反応性ガスがシリコン酸化膜（２２，３５）と反応してＨ_２Ｏ，ＳｉＦ_４等が生成する（図１３参照）。このとき、大量の窒素ガス（Ｎ_２ガス）がキャリアガスとして導入され、この窒素ガスの排気の際に反応生成物も同時に搬送除去される。
【００３１】
このように、犠牲層エッチングをドライプロセスにより行い、ウェットプロセスを用いないため、ウェットプロセスで犠牲層エッチングを行った際のリンス工程等で液流や液圧が可動電極４に加わって破損したり基板１７の表面に固着するのが回避できる。又、このドライプロセスによる犠牲層エッチングにおいて、ＨＦガスとＨ_２Ｏガス以外に大量のＮ_２ガスを同時に流すことで、エッチングの際に発生した生成物（例えばＨ_２Ｏ、ＳｉＦ_４等）を速やかに除去し、可動電極４とシリコン基板１７の間のエッチング残渣を無くすことができる。
【００３２】
尚、キャリアガスとして窒素ガス以外にもヘリウム，ネオン，アルゴン，キセノン等の希ガスを用いてもよい。
次に、図１５に示すように、ナフタレン（Ｃ_１０Ｈ_８）を融点である８１℃以上に加熱し、この流動化したナフタレン４５を可動電極４とシリコン基板１７の間を含むシリコン基板１７上に配置する。ナフタレン４５は、昇華性を有する物質であり、可動電極４を固定し実装後除去する場合にセンサチップを汚染させずエレメントにダメージを与えないものである。
【００３３】
その後、雰囲気温度を常温まで戻すことによりナフタレン４５を固定させる。この状態においては、可動電極４がシリコン基板１７に対し固定化される。
この状態でウェハ状態のＰ型シリコン基板１７を各チップにダイシングし、チップをマウントし、さらに、その後にワイヤーボンディングを行う。この実装時のダイシングカットでの水流や水圧が可動電極４に加わるが、可動電極４がナフタレン４５により動かないように固定されているので可動電極４の破損が回避される。又、実装時においてチップのマウントの際のハンドリング時に可動電極４がナフタレン４５により動かないように固定されているので可動電極４の破損が回避される。さらに、実装時のワイヤーボンディングの際には、可動電極４に振動が加わるが、可動電極４がナフタレン４５により動かないように固定されているので可動電極４の破損が回避される。
【００３４】
その後、図１６に示すように、ナフタレン４５を真空中にて加熱して完全に昇華させ除去する。この際、加熱することによりナフタレン４５の蒸気圧が高くなるため完全に昇華するまでの時間を短縮することができる。
【００３５】
このようにして、ＭＩＳＦＥＴ型半導体加速度センサの製作工程が終了する。
このようにして本実施例では、Ｐ型シリコン基板１７（半導体基板）上に犠牲層（２２）を形成するとともに犠牲層（２２）上の可動電極形成領域（センサ本体形成領域）に可動電極形成部材２４（センサ本体形成部材）を配置し、ドライプロセスのみでアンカー部を除く可動電極形成部材２４の下の犠牲層（２２）をエッチングして可動部４（センサ本体）を形成した。その結果、犠牲層エッチング時にウェットプロセスを用いていないため、ウェットプロセスで犠牲層エッチングを行った際において可動電極４とシリコン基板１７との間に液が侵入して可動電極４がシリコン基板１７に固着したり可動電極４に液流や液圧が加わって破損したりすることが無く可動電極４が保護される。
【００３６】
又、このドライプロセスによる犠牲層エッチングにおいて犠牲層としてシリコン酸化膜を用い、ふっ化水素ガスとＨ_２Ｏガスとからなる反応性ガスをキャリアガスにて搬送しつつ犠牲層を気相エッチングするようにした。よって、キャリアガスによりエッチングの際に発生した反応生成物（例えばＨ_２Ｏ、ＳｉＦ_４等）を速やかに除去し、可動電極４とシリコン基板１７の間のエッチング残渣を無くすことができる。
【００３７】
このようにして、可動電極４の破壊や固着が回避され、またエッチングの際の反応生成物を速やかに除去し残渣を無くすことができるので、歩留まりを向上させることができる。つまり、半導体加速度センサエレメントは一般的に感度を高めるために梁のバネ定数を下げているために、外力に対して非常に弱く、特に犠牲層エッチング時の液流や液圧等で破壊したり固着してしまう確率が高く歩留まりが大変に低いが、可動電極４が液（液流や液圧）にさらされることが無いため、可動電極４の破壊や基板表面への固着を阻止して歩留まりを向上させることができる。
【００３８】
又、犠牲層エッチングにおいて、ドライプロセスでエッチングを行うにあたり、ＨＦ系のガスを用いており、これはＩＣプロセスに完全に整合する。
次に、上記実施例の参考例を、実施例との相違点を中心に説明する。
【００３９】
本参考例は、前記実施例におけるドライプロセスによる犠牲層エッチングの方法が異なっている。
本参考例では、図１７に示すように、バキュームポンプ４６によりチャンバ４４内を減圧した状態でＨＦガスとＨ_２Ｏガスとからなる反応性ガス雰囲気中で犠牲層エッチングを行っている。このように減圧下にすることにより、反応生成物（例えばＨ_２Ｏ、ＳｉＦ_４等）が蒸発しやすくなる。さらに、真空引きを行うことによりエッチング時に発生した反応生成物を除去（排出）するようにしている。この反応生成物の除去を行うには２通りの方法があり、真空引きを行いながらＨＦとＨ_２Ｏのガスによるエッチングを行う方法と、エッチング中には真空引きを行わず、エッチング終了後に真空引きを行う方法とがある。いずれの場合においても、エッチングの際に発生した反応生成物を速やかに除去し、可動電極４とシリコン基板１７の間のエッチング残渣を無くすことができる。
【００４０】
尚、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば、上記実施例ではＭＩＳＦＥＴ型半導体加速度センサに適用したが、その他にも静電容量型半導体加速度センサに適用してもよい。
【００４１】
又、半導体加速度センサの他にも、ヨーレートを検出する半導体ヨーレートセンサや振動を検出する半導体振動センサに具体化してもよい。
さらには、図１８，１９に示す熱式エアフローメータ（流量センサ）に具体化してもよい。図１８には熱式エアフローメータの平面図を示し、図１９には正面図を示す。シリコン基板７２の上においてアンカー部７３により四角板状のセンサ本体７４が空間を隔てて支えられている。センサ本体７４の上面には白金薄膜７５が配置されている。そして、この白金薄膜７５の上面を空気流路内に配置する。空気流によって白金薄膜７５の温度が変化するが、この温度を一定に保つように白金薄膜７５に流す電流を制御してこの電流を電圧として取り出す。この電圧は空気流量に応じたものとなる。ここで、センサ本体７４はシリコン基板７２に対しアンカー部７３により空間を隔てて支えられ、熱的にシリコン基板７２とは遮断された構造となり、白金薄膜７５の発する熱がシリコン基板７２側に伝達されにくい構造となっている。
【００４２】
要は、この発明は、表面マイクロマシニング技術を用いてセンサ本体を形成した半導体センサに適用できるものである。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１に記載の発明によれば、犠牲層を除去することによりセンサ本体を形成する際においてセンサ本体の破損や基板への固着を防止することができる優れた効果を発揮する。さらに、犠牲層エッチングにおいて、窒素ガス若しくは希ガスを流すことで、反応生成物を速やかに除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の半導体加速度センサの平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図。
【図４】半導体加速度センサの製造工程の示す断面図。
【図５】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図６】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図７】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図８】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図９】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図１０】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図１１】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図１２】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図１３】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図１４】ドライプロセスによる犠牲層エッチングを行うための装置を示す概略図。
【図１５】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図１６】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図１７】参考例におけるドライプロセスによる犠牲層エッチングを行う
ための装置を示す概略図。
【図１８】別例のエアフローメータの平面図。
【図１９】別例のエアフローメータの正面図。
【図２０】従来の半導体加速度センサの平面図。
【図２１】図２０のＣ−Ｃ断面図で。
【図２２】従来の半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図２３】従来の半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図２４】従来の半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図２５】従来の半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図２６】従来の半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図２７】従来の半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【図２８】従来の半導体加速度センサの製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
４…センサ本体としての可動電極、１７…半導体基板としてのＰ型シリコン基板、２２…犠牲層としての絶縁膜、２４…センサ本体形成部材としての可動電極形成部材

Claims

半導体基板上においてセンサ本体がアンカー部により空間を隔てて支えられた構造をなす半導体センサの製造方法であって、
前記半導体基板上に犠牲層としてのシリコン酸化膜を形成するとともに犠牲層上のセンサ本体形成領域にセンサ本体形成部材を配置する工程と、
ふっ化水素ガスとＨ _２Ｏガスとからなる反応性ガスをキャリアガスとしての窒素ガス若しくは希ガスにて搬送しつつ、ドライプロセスのみで前記アンカー部を除く前記センサ本体形成部材の下の犠牲層をエッチングして前記センサ本体を形成する工程と
を備えたことを特徴とする半導体センサの製造方法。