JP4046014B2

JP4046014B2 - Manufacturing method of structure

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Publication number: JP4046014B2
Application number: JP2003155582A
Authority: JP
Inventors: 敬一島岡; 徳夫藤塚; 久則与倉; 栄嗣川崎; 毅深田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: JP2004353070A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１（ａ）と（ｂ）に示すように、基板１０に支持された構造層４０を有し、その基板１０と構造層４０の間に空洞６０が形成された構造体が知られている。この構造体は、構造層４０上に例えば熱検知素子を形成することで、熱センサの構成要素として用いることができる。この場合、構造層４０と基板１０の間に空洞６０が形成されているので、熱検知素子で検知しようとする熱が基板１０側に逃げることを抑制できる。また、基板１０側に集積回路を形成する場合は、集積回路に熱が加わることを抑制できる。特にこの構造体では、犠牲層（図２の符号３０参照）を除去して形成した空洞６２のみならず、基板１０の一部を除去して形成した空洞６４も存在するので、熱が基板１０側に逃げることを効果的に抑制できる。
【０００３】
また、図示は省略するが、構造層が変位可能なマスやビーム等である構造体も知られている。この構造体は、加速度センサ等の力学量センサ等に用いられる。この構造体の場合も、マスやビームの変位量を広く確保する等のために、犠牲層のみならず基板の一部を除去して空洞を形成する場合がある。
【０００４】
このような構造体の従来の製造方法を図２〜図５を参照して説明する。まず、図２に示すように、単結晶シリコンからなる基板１０上にポリシリコンからなる犠牲層３０を形成する。次に、犠牲層３０上にシリコン酸化膜からなる構造層４０を形成する。次に、構造層４０に貫通孔５０を形成する。次に、エッチング液として水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液を貫通孔５０を通じて犠牲層３０に供給する。この結果、図３と図４に示すように、犠牲層３０と基板１０の一部が連続的に同じ段階でウェットエッチングされる。この場合、犠牲層３０は等方性エッチングされ、第１空洞６２が形成される。基板１０は異方性エッチングされ、第２空洞６４が形成される。第１空洞６２と第２空洞６４をあわせて空洞６０という。エッチング時間を調節することで空洞６０が所望の大きさになるように制御する。なお、図３と図４の符号６２ａは、第１空洞６２の平面視形状の輪郭線である。符号６４ａ、６４ｂはそれぞれ、第２空洞６４の頂面と底面の平面視形状の輪郭線である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した製造方法によると、犠牲層３０と基板１０をエッチングすることで、ガス（上記の場合は水素（Ｈ_２）ガス）が発生する。このガスは、構造層４０の上面を覆うエッチング液の影響等によって、空洞６０内に蓄積され易い。特に、構造層４０に形成された貫通孔５０の大きさが小さい場合に、空洞６０内に蓄積され易くなる。空洞６０内に蓄積されるガスの量が大きくなると、これに伴ってガス圧も増加する。この結果、このガス圧によって構造層４０が変形したり、さらには、図５に示すように構造層４０が破壊するといった製造不良が生じてしまう場合があった。
【０００６】
例えば、図３〜図５に示す例では、各貫通孔５０を通じて犠牲層３０が徐々にエッチングされると、犠牲層３０が図３の符号３０ｘに示すように徐々に細くなっていく。この状態で空洞６０内に蓄積されたガスのガス圧が構造層４０に加わると、構造層４０のうち、細くなった犠牲層３０ｘ上の箇所４０ｘ（特に図３（ａ）、図４（ａ）参照）に応力が集中的に加わる。この結果、応力集中箇所４０ｘでは構造層４０の破壊応力を超え、応力集中箇所４０ｘから構造層４０が破壊されてしまう場合があった。なお、図５に示す例は、構造層４０が破壊される１つの例を示したものであり、別の箇所から破壊される場合も勿論ある。
【０００７】
熱センサ用の構造体の場合、構造層上に熱検知素子等を形成するため、構造層は所定の強度を持つこと等が要求される。この観点からは、構造層に形成する貫通孔の孔面積の合計値は小さいことが望ましい。しかし、貫通孔５０群の孔面積の合計値が小さいと、空洞６０内のガスが貫通孔５０群を通じて外部へ逃げにくくなる。そのため、上記した構造層の変形または破壊が生じ易い。また、力学量センサ等に用いられ、先に述べたような変位可能なマスやビームを有する構造体についても、同様の問題が生じ得る。
【０００８】
また、空洞６０は構造層４０から基板１０へ熱が逃げることを抑制する等の役割を果たす。そのため、空洞６０の大きさは精度良く設定する必要がある。従来の製造方法は、エッチング時間を調節することで、空洞６０の大きさを制御している。この制御方法によると、犠牲層３０と基板１０を精度良くエッチングすることが難しかった。その結果、空洞６０の大きさにばらつきが生じ、製造不良の原因となっていた。さらに、エッチングが過度に進行した場合、発生するガス量が増加し、構造層４０に加わるガス圧が高くなり、製造不良を起こす要因となっていた。
【０００９】
ところで、ドライエッチングによる場合、上記のような水素ガスを発生させずに犠牲層３０や基板１０をエッチングできる。しかし、従来の標準的な方式のドライエッチングでは、犠牲層３０を異方性エッチングしてしまう。よって、構造層４０の貫通孔５０の周辺の犠牲層３０は除去できるが、その他の犠牲層３０を除去できない。また、犠牲層３０を等方性エッチングできるドライエッチングも存在するが、この場合、基板１０も等方性エッチングしてしまうという問題がある。基板１０が等方性エッチングされるとすると、基板１０が必要以上にエッチングされないように高精度なエッチング制御を行う必要がある。そこで、本発明者らは、エッチング液を使用して犠牲層を除去することで構造体を製造する方法であることを前提として、構造層の製造不良の発生を抑制することを試みた。
【００１０】
本発明は、製造不良の発生を抑制できる構造体の製造方法を実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段及び作用と効果】
本発明の構造体の製造方法は、基板上にエッチング分離層を形成する工程と、エッチング分離層上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層上に構造層を形成する工程と、構造層に貫通孔を形成する工程と、犠牲層とエッチング分離層のうち犠牲層を選択的にエッチングする第１エッチング液を、貫通孔を通じて犠牲層に供給する第１供給工程と、第１供給工程の後に、エッチング分離層と基板をエッチングする第２エッチング液を、貫通孔を通じてエッチング分離層と基板に供給する第２供給工程を有する。ここで、「構造層」は、基板に対して固定されたものであっても、基板に対して変位可能なものであってもよい。例えば、「構造層」には、基板に対して実質的に固定されており、熱検知素子等が載置される層が含まれる。また、「構造層」には、基板に対して変位可能なマスやビームも含まれる。また、「構造層」には、メンブレン（膜）と呼ばれるものも含まれる。
【００１２】
本発明の製造方法のように、前記第１エッチング液を貫通孔を通じて犠牲層に供給すると、犠牲層が選択的にエッチングされる。これにより、基板と構造層の間に空洞が形成される。但し、前記第１エッチング液を供給しても、エッチング分離層はほとんどエッチングされない。よって、基板もエッチングされない。これに対し、前記第２エッチング液を貫通孔を通じてエッチング分離層と基板に供給すると、エッチング分離層と基板の一部がエッチングされる。これにより、基板と構造層の間にさらに広い空洞が形成される。このように、この製造方法は、犠牲層と基板の間にエッチング分離層を介在させることで、犠牲層のエッチングと基板のエッチングを分離して行う。
【００１３】
このため、本発明の製造方法によると、第１エッチング液によって犠牲層をエッチングすることで発生したガスの少なくとも一部を、前記空洞から貫通孔を通じて外部に拡散させた後に、第２エッチング液によってエッチング分離層と基板をエッチングし、前記空洞内にガスを発生させることができる。この結果、従来の製造方法に比べて、構造層に加わるガス圧を減少させることができる。従って、本発明の製造方法によると、構造層の製造不良の発生を抑制できる。この結果、構造体の歩留まりを向上させることができるという効果が得られる。
【００１４】
第１エッチング液は、犠牲層に比べてエッチング分離層と構造層をほとんどエッチングしない材料で形成することが好ましい。第２エッチング液は、エッチング分離層と基板に比べて構造層をほとんどエッチングしない材料で形成することが好ましい。
【００１５】
本発明の構造体の製造方法ではさらに、第１エッチング液と第２エッチング液は、濃度の異なる同種のアルカリ性エッチング液であり、基板がシリコン（単結晶シリコン等）であり、エッチング分離層がｐ型不純物をドープしたシリコン（単結晶シリコン等）であり、犠牲層がシリコン（ポリシリコン等）であり、構造層がシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜である。アルカリ性エッチング液は、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液、又は水酸化カリウム水溶液であることが好ましい。
上記態様によると、２種のエッチング液を用意しなくてもよいので、従来に比べて構造体の製造に要する手間をそれほど増加させずに、構造層の製造不良の発生を抑制できる。例えば、第１エッチング液の使用後に、第１エッチング液を洗浄する工程を省略できるという利点がある。
また、上記態様によると、エッチング分離層も含めて構造体の上記部分をシリコン系材料によって形成できる。よって、製造プロセスを容易化できる。
【００１７】
第１エッチング液は濃度が１０ｗｔ．％以下の水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液であり、第２エッチング液は濃度が１５ｗｔ．％以上で２５ｗｔ．％以下の水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液であることが好ましい。エッチング分離層にドープするｐ型不純物の濃度は、１×１０^２０ｃｍ^−３以上であることが好ましい。
【００１８】
基板に不純物をイオン注入することで、基板上にエッチング分離層を形成することが好ましい。
上記態様によると、基板上に基板とは別体の層を新たに形成し、その層にイオン注入するという工程を経てエッチング分離層を形成する場合に比べて、製造工程を簡単化できる。
【００１９】
第１供給工程の終了時から所定時間経過したことを条件に、第２供給工程を行うことが好ましい。
第１供給工程による犠牲層の除去が終了したことを検知したことを条件に、第２供給工程を行うことが好ましい。この場合、第１供給工程による犠牲層の除去が終了したことを検知してから所定時間経過したことを条件に、第２供給工程を行うことがさらに好ましい。
第１供給工程で発生しているガスの量が所定量以下になったことを検知したことを条件に、第２供給工程を行うことが好ましい。この場合、第１供給工程で発生しているガスの量が所定量以下になったことを検知してから所定時間経過したことを条件に、第２供給工程を行うことがさらに好ましい。

【００２０】
これらの態様によると、第２供給工程を行う前に、第１供給工程で発生したガスを前記空洞から貫通孔を通じて外部に拡散させる量を多くすることができる。そのため、前記空洞内に蓄積するガスの量を減らすことができるので、構造層に加わる圧力を低減することができる。よって、構造層の製造不良の発生をさらに抑制できる。
【００２１】
本明細書で開示される１つの態様の構造体の製造方法は、所定のエッチング液によって異方性エッチングされる異方性エッチング層上に前記エッチング液によって等方性エッチングされる等方性エッチング層を形成する工程と、等方性エッチング層上に構造層を形成する工程と、構造層に貫通孔を形成する工程と、異方性エッチング層の底面に接する領域に、前記エッチング液によってほとんどエッチングされないエッチングストップ層を形成した状態で、貫通孔を通じて前記エッチング液を等方性エッチング層と異方性エッチング層に供給する工程を有する。
【００２２】
所定のエッチング液によって異方性エッチングされる層をその液によってエッチングすることで、空洞を形成したい場合がある。このような場合に、構造層の下方に直接に異方性エッチング層を形成すると、その異方性エッチング層は、構造層の貫通孔によって規定される領域しかエッチングされない。この場合、例えば構造体に小さな貫通孔群しか形成できないときには、異方性エッチング層にも小さな空洞群しか形成できない。
これに対し、構造層と異方性エッチング層の間に等方性エッチング層が存在すると、異方性エッチング層は、等方性エッチング層によって規定される領域でエッチングされる。この場合、等方性エッチング層の大きさを調整することで、異方性エッチング層に所望の大きさの空洞を形成することが可能となる。
【００２３】
このように、構造層と異方性エッチング層の間に等方性エッチング層が存在する構造において、上記のようなエッチングストップ層を形成すると、エッチングの進行は、このエッチングストップ層で止められる。よって、異方性エッチング層に所望の大きさの空洞を精度良く形成できる。
従来の製造方法では、エッチング液の供給量や構造層に形成する貫通孔の間隔等で制御することで、形成する空洞の大きさを調整していた。これに対し、本明細書で開示される製造方法によると、このような制御の手間を格段に減らしながらも、所望の大きさの空洞を精度良く形成できる。従って、本明細書で開示される製造方法によると、構造層の製造不良の発生を抑制できる。この結果、構造体の歩留まりを向上させることができる。
【００２４】
また、本明細書で開示される製造方法によると、エッチングストップ層の位置を調整することで、エッチングにより発生するガス量を容易に調整できる。また、供給するエッチング液の量を多くしてしまっても、エッチングストップ層でエッチングを止められるから、発生するガス量を抑制できる。このため、構造層に加わるガス圧が高くなることを抑制できる。従って、構造層の製造不良の発生を抑制できる。この結果、構造体の歩留まりを向上させることができる。
【００２５】
エッチング液は、等方性エッチング層と異方性エッチング層に比べてエッチングストップ層と構造層をほとんどエッチングしない材料であることが好ましい。具体的には、エッチング液がアルカリ性エッチング液（好ましくは水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液、又は水酸化カリウム水溶液）であり、等方性エッチング層がポリシリコンであり、異方性エッチング層が単結晶シリコンであり、エッチングストップ層と構造層が酸化シリコン又は窒化シリコンであることが好ましい。
【００２６】
異方性エッチング層がＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の上側の単結晶シリコン層であり、エッチングストップ層がＳＯＩ基板の酸化シリコン層であることが好ましい。
本態様によると、ＳＯＩ基板を有効に活用して、本明細書で開示される作用効果を得ることができる。
【００２７】
異方性エッチング層が第１導電型半導体層であり、その第１導電型半導体層に接する第２導電型半導体層が形成されており、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層の接合部に逆バイアス電圧を印加することで、その接合部付近にエッチングストップ層を形成することが好ましい。
本態様は、第１導電型半導体と第２導電型半導体の接合部から広がる空乏層をエッチングストップ層とするものである。本態様によると、エッチングストップ層となる酸化シリコン層等を別個に形成しなくてもよい。
【００２８】
本明細書で開示される他の１つの態様の構造体の製造方法は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上に構造層を形成する工程と、構造層に貫通孔を形成する工程と、ＳＯＩ基板の上側の単結晶シリコン層と酸化シリコン層のうち、単結晶シリコン層を選択的にエッチングするエッチング液を、貫通孔を通じて単結晶シリコン層に供給する工程を有する。なお、「ＳＯＩ基板上に構造層を形成する」場合には、ＳＯＩ基板上に他の層を形成し、さらにその上に構造層を形成する場合も含まれる。
本態様によると、ＳＯＩ基板の単結晶シリコン層を、空洞が形成される層として利用でき、ＳＯＩ基板の酸化シリコン層をエッチングストップ層として機能させることができる。
【００２９】
本明細書で開示されるさらに他の１つの態様の構造体の製造方法は、第１導電型半導体層に接合された第２導電型半導体層を含むエッチング層上に構造層を形成する工程と、構造層に貫通孔を形成する工程と、第１導電型半導体層と第２導電型半導体層の接合部に逆バイアス電圧を印加した状態で、エッチング層をエッチングするエッチング液を、貫通孔を通じてエッチング層に供給する工程を有する。エッチング層は、例えば、第２導電型半導体層（例えば単結晶シリコン層、空洞形成層ともいう）の他に、その上に形成された犠牲層（例えばポリシリコン層）等を有していてもよい。
【００３０】
構造体は、熱を直接的又は間接的に検知するセンサに使用される熱センサ用構造体であることが好ましい。
熱センサの場合、構造層上に熱検知素子を形成するため、所定の強度を確保する等の観点から、構造層に形成する貫通孔の孔面積の合計値は小さいことが望ましい。このような熱センサに、本発明に係る構造体を使用すると、特に有用な効果が得られる。
【００３１】
本明細書において、第１の材料と第２の材料のうち第１の材料を選択的にエッチングするエッチング液には、第２の材料に対する第１の材料のエッチング選択比が１５以上（好ましくは２０以上、より好ましくは３０以上）となるようなエッチング液が含まれる。
ここで、本明細書では、第１の材料のエッチング速度をＸとし、第２の材料のエッチング速度をＹとした場合に、Ｘ／Ｙを「第２の材料に対する第１の材料のエッチング選択比」という。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）第１実施形態の熱センサ用構造体の製造方法を、図６〜図１２を参照して説明する。
まず、図１２に示すように、ｎ型又はｐ型の単結晶シリコンからなる基板１１０を用意する。ｎ型とｐ型の選択は、基板１１０に集積回路を形成する場合は、その集積回路の特性に応じて行えばよい。ｎ型の場合は、不純物濃度の限定は特にない。ｐ型の場合は、後述するエッチング分離層１２０との関係から、不純物濃度は１×１０^１９ｃｍ^−３以下であることが好ましい。次に、基板１１０上に、厚さ１００ｎｍ程度の熱酸化膜（シリコン酸化膜）１１１を形成する。次に、熱酸化膜１１１上にレジスト１１２を形成する。このレジスト１１２は、後述するエッチング分離層１２０を形成する予定の領域上の熱酸化膜１１１を露出させ、これ以外の熱酸化膜１１１を覆うようにフォト工程によってパターニングする。
【００３３】
次に、基板１１０の表面部にｐ型不純物をイオン注入する。ｐ型不純物は、ボロンであることが好ましい。ボロンの場合、市販のイオン注入源を容易に入手できる。ボロンを使用する場合、基板１１０表面から深さ５００ｎｍ程度の領域の不純物濃度が、１×１０^２０ｃｍ^−３以上となるようにイオン注入することが好ましい。
【００３４】
次に、図６に示すレジスト１１２を除去すると、図７の状態となる。次に、窒素又はアルゴン等の不活性ガス雰囲気中において熱処理（活性化アニール）を行う。これにより、ドープしたｐ型不純物が活性化され、エッチング分離層１２０が形成される。熱処理の温度は８５０〜９５０℃程度が好ましい。本実施形態では、約９００℃で熱処理を行う。
【００３５】
なお、エッチング分離層１２０は、上述したように基板の一部（表面部）に形成する態様には限られない。例えば、基板１１０上にポリシリコン層を例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で形成し、そのポリシリコン層にｐ型不純物をドープし、熱処理を行うことで、エッチング分離層１２０を形成してもよい。
【００３６】
次に、図７に示す熱酸化膜１１１を除去する。次に、図８に示すように、エッチング分離層１２０上に、厚さ２００ｎｍ程度の犠牲層１３０を例えばＣＶＤ法で形成する。犠牲層１３０はノンドープのポリシリコンからなる。犠牲層１３０は、構造体に作成する空洞の大きさに合わせる。次に、犠牲層１３０を覆うように、厚さ２００ｎｍ程度の構造層１４０を例えばＣＶＤ法で形成する。構造層１４０の表面積は、５００μｍ×５００μｍ程度としている。本実施形態では、構造層１４０はシリコン窒化膜又はシリコン酸化膜からなる絶縁膜である。なお、本実施形態では、構造層１４０は透明である。後述するが、構造層１４０が透明であると、例えば光学顕微鏡によりエッチング状況を監視できるといった利点がある。
【００３７】
次に、図９に示すように、フォト工程と反応性イオンエッチング（ＲeactiveＩon Ｅtching）によって、構造層１４０に直径１０μｍ程度の複数の貫通孔１５０を形成する。各貫通孔１５０の孔面積は、上記した構造層１４０の表面積に比べると非常に小さい。本実施形態では、貫通孔１５０群は、所定間隔を置いて縦方向と横方向にマトリックス状に形成する（図１２の平面図参照）。
【００３８】
次に、図９に示す貫通孔１５０を通じて、犠牲層１３０に第１エッチング液を供給する。第１エッチング液は、濃度が約５ｗｔ．％の水酸化テトラメチルアンモニウム（（ＣＨ_３）_４ＮＯＨ、以下「ＴＭＡＨ」という）水溶液である。第１エッチング液は、構造層１４０と犠牲層１３０とエッチング分離層１２０のうち、犠牲層１３０を選択的にエッチングする。別の表現をすると、第１エッチング液は、犠牲層１３０をエッチングするが、構造層１４０とエッチング分離層１２０をほとんどエッチングしない。
【００３９】
上記のように第１エッチング液を供給すると、等方性エッチングによって、図１０に示すように犠牲層１３０が選択的に除去される。この結果、犠牲層１３０が除去された領域に第１空洞１６２が形成される。
【００４０】
次に、図１０に示す貫通孔１５０を通じて、エッチング分離層１２０と基板１１０に第２エッチング液を供給する。第２エッチング液は、濃度が約２０ｗｔ．％のＴＭＡＨ水溶液である。第２エッチング液は、構造層１４０とエッチング分離層１２０と基板１１０のうち、エッチング分離層１２０と基板１１０を選択的にエッチングする。別の表現をすると、第２エッチング液は、エッチング分離層１２０と基板１１０をエッチングするが、構造層１４０をほとんどエッチングしない。
【００４１】
上記のように第２エッチング液を供給すると、異方性エッチングによって、図１１と図１２に示すようにエッチング分離層１２０と基板１１０の一部が除去される。具体的には、頂面の面方位が（１００）面の基板１１０を使用した場合、基板１１０のエッチングは（１１１）面（図１１の符号Ｍで示す面）に囲われた状態で進行する。この結果、エッチング分離層１２０と基板１１０の一部が除去された領域に第２空洞１６４が形成される。なお、図１２は、図１１の平面図である。図１１は、図１２のＢ−Ｂ線での断面図に相当する。
【００４２】
このように、エッチング分離層１２０は、第１エッチング液によるエッチングをストップさせるが、第２エッチング液によって最終的には除去される。なお、第１空洞１６２と第２空洞１６４を合わせたものを、空洞１６０とする。
【００４３】
このように、第１エッチング液と第２エッチング液として濃度の異なる同種の液を用いると、２種のエッチング液を準備する煩雑な手間が省ける他、第１エッチング液の使用後に、第１エッチング液を洗浄する工程を省略できるという利点がある。
【００４４】
以上により、図１１と図１２に示すように、基板１１０に支持された構造層１４０を有し、その基板１１０と構造層１４０の間に空洞１６０が形成された熱センサ用構造体が製造される。なお、エッチング分離層１２０は大部分が除去されているが、構造層１４０と基板１１０の間の領域に一部が残存している。
【００４５】
次に、第１エッチング液及び第２エッチング液として使用するＴＭＡＨ水溶液について説明する。まず、ノンドープのシリコン（単結晶シリコン、ポリシリコンを含む）のエッチング速度は、ＴＭＡＨ水溶液の濃度が所定値となるまでは濃度が低いほど速くなる。
【００４６】
また、図１３は、ＴＭＡＨ水溶液を使用した場合の単結晶シリコン中のボロン濃度とエッチング選択比の関係を示す。図１３のグラフＣ、Ｄ、Ｅはそれぞれ、ＴＭＡＨ水溶液の濃度が５ｗｔ．％、２０ｗｔ．％、４０ｗｔ．％の場合のグラフである。図１３に示すエッチング選択比は、ボロンをドープした単結晶シリコンに対するノンドープの単結晶シリコンのエッチング選択比である。
なお、図１３に示すボロン濃度が約１×１０^１９より小さい場合、図示の明瞭化のためにずらして図示されているが、実際にはグラフＣ、Ｄのエッチング選択比もグラフＥと同様にほぼ１である。
【００４７】
ボロン濃度が約１×１０^１９より大きい場合は、グラフＣ、Ｄ、Ｅの順に（ＴＭＡＨ水溶液の濃度が低くなるほど）、エッチング選択比が大きくなる。また、各グラフＣ、Ｄ、Ｅに示すように、ボロン濃度が約１×１０^１９より大きい場合は、ボロン濃度が増加するほどエッチング選択比が大きくなる。このように、エッチング選択比が大きくなるということは、言い換えると、ノンドープの単結晶シリコンのエッチング速度に比べて、ボロンをドープした単結晶シリコンのエッチング速度が遅くなるということである。なお、単結晶シリコンに代えてポリシリコンを用いた場合も図１３のグラフと同様な特性を示す。
【００４８】
図１３のグラフＣに示すように、ＴＭＡＨ水溶液の濃度が５ｗｔ．％の場合、図１３に示すボロン濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３の単結晶シリコンに対するノンドープの単結晶シリコンのエッチング選択比は約１０^２である。つまり、ボロン濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３の単結晶シリコンのエッチング速度に比べて、ノンドープの単結晶シリコンのエッチング速度は約１０^２倍速い。濃度が５ｗｔ．％の場合のノンドープの単結晶シリコンのエッチング速度は約１．３μｍ／ｍiｎである。よって、ボロン濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３の単結晶シリコンのエッチング速度は、約１．３μｍ÷約１０^２＝約０．０１３μｍ／ｍiｎとなる。
【００４９】
図１３のグラフＤに示すように、ＴＭＡＨ水溶液の濃度が２０ｗｔ．％の場合、図１３に示すボロン濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３の単結晶シリコンに対するノンドープの単結晶シリコンのエッチング選択比は約１０である。濃度が２０ｗｔ．％の場合のノンドープの単結晶シリコンのエッチング速度は約１．０μｍ／ｍiｎである。よって、ボロン濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３の単結晶シリコンのエッチング速度は、約１．０μｍ÷約１０＝約０．１μｍ／ｍiｎとなる。
【００５０】
図１３のグラフＥに示すように、ＴＭＡＨ水溶液の濃度が４０ｗｔ．％の場合、図１３に示すボロン濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３の単結晶シリコンに対するノンドープの単結晶シリコンのエッチング選択比は約２である。濃度が４０ｗｔ．％の場合のノンドープの単結晶シリコンのエッチング速度は約０．４μｍ／ｍiｎである。よって、ボロン濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３の単結晶シリコンのエッチング速度は、約０．４μｍ÷約２＝約０．２μｍ／ｍiｎとなる。
なお、以上の値は、ＴＭＡＨ水溶液の温度が９０℃の場合の値である。
【００５１】
以上のことを次の（Ｉ）〜（III）にまとめる。
（Ｉ）ノンドープのシリコン（単結晶シリコン、ポリシリコンを含む、以下同様）のエッチング速度は、ＴＭＡＨ水溶液の濃度が所定値となるまでは濃度が低いほど速くなる。
（II）ボロンを所定量以上ドープしたシリコンに対するノンドープのシリコンのエッチング選択比（図１３参照）は、ＴＭＡＨ水溶液の濃度が低いほど高くなる。
（III）ボロンを所定量以上ドープしたシリコンのエッチング速度は、ＴＭＡＨ水溶液の濃度が低いほど遅くなる。これは、ＴＭＡＨ水溶液の濃度を低くしたときの、上記（Ｉ）に示すノンドープのシリコンのエッチング速度の増加の割合に比べて、上記（II）に示すエッチング選択比の増加の割合の方が大きいためである。
【００５２】
先に述べたように、第１エッチング液は、犠牲層（ノンドープのポリシリコン）１３０と、エッチング分離層（ｐ型不純物を所定量ドープした単結晶シリコン）１２０のうち、犠牲層１３０を選択的にエッチングすることが要求される。この要求を満たすためには、上記（II）に示すエッチング選択比が高いことが必要である。このためには、使用するＴＭＡＨ水溶液の濃度を低くすることが好ましい。具体的には、第１エッチング液は、濃度が１０ｗｔ．％以下（より好ましくは、５ｗｔ％以下）のＴＭＡＨ水溶液であることが好ましい。
【００５３】
また、第２エッチング液は、エッチング分離層（ｐ型不純物を所定量ドープした単結晶シリコン）１２０と、基板（ノンドープの単結晶シリコン）１１０のいずれもエッチングすることが要求される。また、プロセス時間の短縮化等のためには、エッチング速度が速いことが好ましい。基板１１０のエッチング速度を速くするためには、上記（Ｉ）から、使用するＴＭＡＨ水溶液の濃度を低くすることが好ましい。一方、エッチング分離層１２０のエッチング速度を速くするためには、上記（III）から、使用するＴＭＡＨ水溶液の濃度を高くすることが好ましい。このように、両者は相反する要請を持つ。
【００５４】
このような相反する要請の下、第２エッチング液は、濃度が１５ｗｔ．％以上で２５ｗｔ．％以下のＴＭＡＨ水溶液であることが好ましい。この濃度範囲のＴＭＡＨ水溶液を使用すると、エッチング分離層１２０と基板１１０の両者をある程度速い速度でエッチングできる。なお、ＴＭＡＨ水溶液の濃度が低くなるほど、基板１１０に面荒れが生じ易くなる。よって、この観点からもＴＭＡＨ水溶液の濃度は１５ｗｔ．％以上であることが好ましい。
【００５５】
なお、上記では、エッチング液としてＴＭＡＨ水溶液を使用した場合を例にして説明しているが、他のアルカリ性エッチング液を使用した場合にも、同様の効果を得ることが可能である。例えば、第１エッチング液と第２エッチング液を、濃度の異なる水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液で構成しても同様の効果が得られる。また、ＴＭＡＨ水溶液と水酸化カリウム水溶液を組合わせて使用してもよい。但し、ＴＭＡＨ水溶液の方が、カリウムを含む水酸化カリウム水溶液に比べて、安全性（環境）の観点からは好ましい。
【００５６】
第２エッチング液は、以下の（１）〜（３）のいずれかのタイミングから供給を開始することが好ましい。
（１）第１エッチング液の供給を停止した後に直ちに第２エッチング液を供給するようにしてもよいが、第１エッチング液の供給を停止してから所定時間経過した後に第２エッチング液を供給するようにしてもよい。所定時間を経過した後に第２エッチング液を供給すると、第１エッチング液と犠牲層１３０の反応により発生した水素ガスが、空洞１６０から貫通孔１５０を通じて外部に十分に拡散した後に、第２エッチング液を供給できる。
【００５７】
（２）第１エッチング液による犠牲層１３０の除去が終了した後に、第２エッチング液の供給を開始するようにしてもよい。犠牲層１３０の除去が終了したことの検知は、エッチングの状況を例えば光学式顕微鏡により監視することで行うとよい。この検知は、作業者が手作業で行ってもよく、画像処理装置等を使用して自動的に行ってもよい。なお、このような検知は、構造層１４０を透明材料で形成すると容易を行える。また、犠牲層１３０の除去が終了したことを検知した時点から直ちに第２エッチング液を供給するようにしてもよいが、その検知時点から所定時間を経過した後に第２エッチング液を供給するようにしてもよい。
【００５８】
（３）第１エッチング液と犠牲層１３０の反応により発生する水素ガスの量が所定量以下（好ましくはほぼゼロ）となったことを検知した後に、第２エッチング液を供給するようにしてもよい。水素ガスの量が所定量以下となったことの検知は、例えばガス検出装置等を用いてモニタリングすることで行うとよい。また、発生する水素ガスの量が所定量以下となったことを検知した時点から直ちに第２エッチング液を供給するようにしてもよいが、その検知時点から所定時間を経過した後に第２エッチング液を供給するようにしてもよい。
【００５９】
（第２実施形態）第２実施形態の構造体の製造方法を図１４〜図１５を参照して説明する。
まず、ＳＯＩ基板（Silicon On Insulator）基板を用意する。ＳＯＩ基板は、図１４に示すように、単結晶シリコン基板２１１と、エッチングストップ層として機能する酸化シリコン層２２１と、空洞形成層として機能するｎ型又はｐ型の単結晶シリコン活性層２３１によって構成されている。次に、空洞形成層２３１上に、第１実施形態と同様に、ポリシリコンからなる犠牲層２３０と、酸化シリコンからなる構造層２４０を形成し、構造層２４０にエッチング孔２５０を形成する。
【００６０】
次に、図１５に示す貫通孔２５０を通じて、エッチング液としてＴＭＡＨ水溶液を供給する。この結果、犠牲層２３０は等方性エッチングされる。そして、その犠牲層２３０が除去された後の空洞によって規定される範囲で、空洞形成層２３１が異方性エッチングされる。これに対し、構造層２４０とエッチングストップ層２２０はほとんどエッチングされない。
なお、エッチング液としては、ＴＭＡＨ水溶液に限らず、ＫＯＨ水溶液やその他のアルカリ性エッチング液を使用してもよい。
【００６１】
以上により、図１５に示すように、基板２１０に支持された構造層２４０を有し、その基板２１０と構造層２４０の間に空洞２６０が形成された構造体が製造される。ＴＭＡＨ水溶液は、構造層２４０とエッチングストップ層２２０をほとんどエッチングしない。また、空洞形成層２３１は、ＴＭＡＨ水溶液によって異方性エッチングされ、犠牲層２３０を除去した後の空洞によって規定される範囲でしかエッチングされない。このため、本実施形態によると、空洞２６０の大きさを所望の大きさに精度良く設定できる。よって、製造不良品を減らすことができる。
【００６２】
また、本実施形態によると、エッチングストップ層２２０の位置を調整することで、エッチングにより発生するガス量を容易に調整できる。また、供給するエッチング液の量を多くしてしまっても、エッチングストップ層２２０でエッチングを止められるから、発生するガス量を抑制できる。このため、構造層２４０に加わるガス圧が高くなることを抑制できる。従って、構造層２４０の破壊や損傷の発生を抑制できる。
【００６３】
空洞形成層２３１の厚さを例えば１〜３μｍに設定した場合、製造された構造体は、加速度センサ等の力学量センサに好適に使用できる。空洞形成層２３１の厚さをさらに厚く設定した場合は、力学量センサに加えて、熱センサにも好適に使用できる。
【００６４】
（第３実施形態）第３実施形態の構造体の製造方法を、図１６〜２１を参照して説明する。ｎ型の単結晶シリコンからなる基板（第１導電型半導体層）３１０上に、ｐ型の単結晶シリコンの空洞形成層（第２導電型半導体層）３３１を、例えばＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。ｎ型基板３１０の不純物濃度は約１×１０^１５ｃｍ^−３である。ｐ型層３３１の不純物濃度は約１×１０^１５ｃｍ^−３である。これらの不純物濃度は特に限定されるものではなく、エッチングスピードや基板３１０と空洞形成層３３１のｐｎ接合部に形成する空乏層の大きさに応じて適宜設定できる。次に、第１実施形態と同様に、図１７に示すようなポリシリコンからなる犠牲層３３０と、酸化シリコンからなる構造層３４０を形成する。次に、図１８に示すように、基板３１０の裏面に電極３７０を形成する。この電極３７０と基板３１０の接合部は、オーミックコンタクトにするために、図示しないｎ^＋型部分領域を形成しても良い。次に、フォト工程と反応性イオンエッチング（ＲeactiveＩon Ｅtching）によって、構造層３４０に直径１０μｍ程度の複数の貫通孔３５０を形成する。
【００６５】
次に、図１９に示すように、貫通孔３５０を通じてエッチング液としてＴＭＡＨ水溶液を供給する。この結果、第２実施形態と同様に、犠牲層３３０と、空洞形成層３３１がエッチングされる。エッチング液が供給されている間、本実施形態では、ｎ型の基板３１０とｐ型の空洞形成層３３１とのｐｎ接合部に逆バイアス電圧が印加されるように、電極３７０に電圧を印加している。この結果、このｐｎ接合部からは図示しない空乏層が広がっている。この空乏層はエッチングストップ層として機能する。よって、エッチングは、空洞形成層３３１と基板３１０のｐｎ接合部付近でストップする。この結果、空洞３６０が形成される。
【００６６】
以上により、図１９に示すように、基板３１０に支持された構造層３４０を有し、その基板３１０と構造層３４０の間に空洞３６０が形成された熱センサ用構造体が製造される。
【００６７】
また、図２０に示すように、電極３７１の形成する位置を、基板３１０の裏面ではなく、構造層３４０の上に形成することもできる。この場合、基板３１０と電極３７１を導通させるため、例えば電極３７０の下方にｎ型の拡散領域３７４を形成するとよい。さらに、図２１に示すように、ｎ型の基板３１０の上部に局所的にｐ型の不純物をイオン注入し、そのイオン注入した領域３３１を空洞形成層とすることもできる。電気化学エッチング法を利用した上記製造方法によると、エッチングストップ層としてシリコン酸化層等を形成しなくてもよい。
【００６８】
第１〜第３実施形態の製造方法により製造した構造体を熱センサ用構造体として使用する場合は、その構造層上に、機能性材料（例えば熱検知素子（感温素子ともいえる））を形成する。具体的には、構造層上に、温接点部及び冷接点部を持つ熱電対と、熱電対の温接点部を覆う赤外線吸収膜と、熱電対の出力を取出す端子部等を形成する。これにより、熱センサの一例として赤外線センサが製造される。なお、上記した熱電対、赤外線吸収膜、端子部等を構造層上に形成した後に、貫通孔を形成してもよい。
【００６９】
このような赤外線センサでは、赤外線を受光したときに熱電対の温接点部と冷接点部の間に生じる温度差によって変化する熱電対の起電力を検出することで赤外線を検知する。
【００７０】
このような赤外線センサでは、出力である起電力を大きくするために、熱電対の温度差を大きくすることが望まれる。熱電対の温度差を大きくするためには、温接点部の熱を逃げにくくすることや、温接点部を温度上昇させ易くすることが有効である。温接点部の熱を逃げにくくするためには、温接点部に隣接する構造層を基板からできるだけ離すことが効果的である。温接点部を温度上昇させ易くするためには、構造層の膜厚を薄くして、構造層よりも温接点部の方に熱が伝達されるようにすることが効果的である。また、作成する熱検知素子のサイズとの関係等から、構造層の表面積を大きくしたい場合もある。
【００７１】
ところで、構造層上には熱検知素子を形成するため、所定の強度を確保する等の観点からは、構造層に形成する貫通孔群の孔面積の合計値は小さいことが好ましい。この要求は、構造層の膜厚を薄くするほど大きくなる。また、この要求は、構造層の表面積を大きくするほど大きくなる。しかし、貫通孔群の孔面積の合計値を小さくすると、エッチング液を犠牲層や基板に均一的に供給しにくくなる。また、そのエッチングにより生じたガスが空洞から外部へ逃げにくくなる。
【００７２】
以上のような背景の下、〔従来の技術〕に記載した製造方法によると、構造層が変形又は破壊するという製造不良が生じる場合があったのは先に述べた通りである。具体例を挙げると、図１において、構造層４０として厚さ２００ｎｍのシリコン窒化膜を使用し、貫通孔５０の直径を１０μｍとし、構造層４０の表面積が５００μｍ×５００μｍ以上の構造体を試作した場合、犠牲層３０と基板１０のエッチングにより生じたガスの圧力の影響で構造層４０が破壊されてしまった。
【００７３】
これに対し、第１実施形態の製造方法によると、犠牲層１３０のエッチングと基板１１０のエッチングを段階的に分けて行うことができる。このため、第１エッチング液によって犠牲層１３０をエッチングすることで発生したガスを空洞１６０から貫通孔１５０を通じて外部に十分に拡散させた後に、第２エッチング液によって基板１１０をエッチングし、空洞１６０内にガスを発生させることができる。また、第２実施形態と第３実施形態の製造方法によれば、形成する空洞形成層２３１、３３１の厚さを制御することによって、発生するガス量を制御することができる。
【００７４】
従来の製造方法に比べて、第１〜第３実施形態の製造方法は、構造層に加わるガス圧を減少させることができる。従って、本実施形態の製造方法によると、（１）構造層と基板の距離を離すために基板のエッチング量が多い場合や、（２）貫通孔群の孔面積の合計値が小さい場合や、（３）構造層の膜厚が薄い場合や、（４）構造層の表面積が大きい場合でも、構造層の製造不良の発生を効果的に抑制できる。この結果、構造体の歩留まり、ひいてはこの構造体を含む熱センサの歩留まりを大幅に向上させることができるという効果が得られる。
【００７５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
（１）例えば第１実施形態では、熱センサ用の構造体の製造方法を例にして説明したが、第１実施形態は、例えば力学量センサ用の構造体の製造方法についても適用し得る。
（２）また、第１実施形態では、エッチング分離層が１層の構成について説明した。しかしながら、構造体を構成する材料やエッチング液等を適切に選択することで、エッチング分離層が２層以上の構成も可能であり、そのような態様に対しても本発明を適用し得る。
【００７６】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は従来の製造方法によって製造された構造体の平面図を示し、（ｂ）はその構造体のＡ−Ａ線断面図を示す。
【図２】（ａ）は従来の製造方法におけるウエットエッチング前の構造体の平面図を示し、（ｂ）はその構造体のＡ−Ａ線断面図を示す。
【図３】（ａ）は従来の製造方法におけるウエットエッチング初期の構造体の平面図を示し、（ｂ）はその構造体のＡ−Ａ線断面図を示す。
【図４】（ａ）は従来の製造方法におけるウエットエッチング中盤の構造体の平面図を示し、（ｂ）はその構造体のＡ−Ａ線断面図を示す。
【図５】（ａ）は従来の製造方法におけるウエットエッチング終盤の構造体の平面図を示し、（ｂ）はその構造体のＡ−Ａ線断面図を示す。
【図６】第１実施形態の製造方法におけるエッチング分離層の形成工程を示す（１）。
【図７】第１実施形態の製造方法におけるエッチング分離層の形成工程を示す（２）。
【図８】第１実施形態の製造方法における犠牲層と構造層の形成工程を示す。
【図９】第１実施形態の製造方法における構造層への貫通孔の形成工程を示す。
【図１０】第１実施形態の製造方法における第１空洞の形成工程を示す。
【図１１】第１実施形態の製造方法における第２空洞の形成工程を示す。
【図１２】図１１の平面図を示す。
【図１３】単結晶シリコン中のボロン濃度とエッチング選択比の関係を示す。
【図１４】第２実施形態の製造方法のエッチング孔の形成工程を示す。
【図１５】第２実施形態の製造方法の空洞の形成工程を示す。
【図１６】第３実施形態の製造方法の空洞形成層の形成工程を示す。
【図１７】第３実施形態の製造方法の犠牲層と構造層の形成工程を示す。
【図１８】第３実施形態の製造方法のエッチング孔と電極の形成工程を示す。
【図１９】第３実施形態の製造方法の空洞の形成工程を示す。
【図２０】第３実施形態の製造方法の変形例を示す（１）。
【図２１】第３実施形態の製造方法の変形例を示す（２）。
【符号の説明】
１１０：基板
１２０：エッチング分離層
１３０：犠牲層
１４０：構造層
１５０：貫通孔
１６０：空洞
１６２：第１空洞
１６４：第２空洞[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a structure.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIGS. 1A and 1B, a structure having a structural layer 40 supported by a substrate 10 and having a cavity 60 formed between the substrate 10 and the structural layer 40 is known. . This structure can be used as a component of a heat sensor by forming, for example, a heat detection element on the structure layer 40. In this case, since the cavity 60 is formed between the structural layer 40 and the substrate 10, it is possible to suppress the heat to be detected by the heat detection element from escaping to the substrate 10 side. In addition, when an integrated circuit is formed on the substrate 10 side, it is possible to prevent heat from being applied to the integrated circuit. In particular, in this structure, not only the cavity 62 formed by removing the sacrificial layer (see reference numeral 30 in FIG. 2) but also the cavity 64 formed by removing a part of the substrate 10 exists, so that heat is transferred to the substrate 10. Escape to the side can be effectively suppressed.
[0003]
Further, although not shown in the drawings, a structure body in which the structure layer is a displaceable mass or beam is also known. This structure is used for a mechanical quantity sensor such as an acceleration sensor. In the case of this structure as well, in order to ensure a large amount of mass and beam displacement, not only the sacrificial layer but also a part of the substrate may be removed to form a cavity.
[0004]
A conventional manufacturing method of such a structure will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 2, a sacrificial layer 30 made of polysilicon is formed on a substrate 10 made of single crystal silicon. Next, a structural layer 40 made of a silicon oxide film is formed on the sacrificial layer 30. Next, the through hole 50 is formed in the structural layer 40. Next, an aqueous tetramethylammonium hydroxide (TMAH) solution is supplied as an etching solution to the sacrificial layer 30 through the through holes 50. As a result, as shown in FIGS. 3 and 4, the sacrificial layer 30 and a part of the substrate 10 are continuously wet etched at the same stage. In this case, the sacrificial layer 30 is isotropically etched to form the first cavity 62. The substrate 10 is anisotropically etched to form the second cavity 64. The first cavity 62 and the second cavity 64 are collectively referred to as a cavity 60. The cavity 60 is controlled to have a desired size by adjusting the etching time. 3 and 4 is a contour line of the first cavity 62 in a plan view. Reference numerals 64 a and 64 b are contour lines in a plan view shape of the top surface and the bottom surface of the second cavity 64, respectively.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
According to the manufacturing method described above, the sacrificial layer 30 and the substrate 10 are etched to produce a gas (in this case, hydrogen (H₂) Gas) is generated. This gas is easily accumulated in the cavity 60 due to the influence of an etching solution covering the upper surface of the structural layer 40. In particular, when the size of the through hole 50 formed in the structural layer 40 is small, it tends to be accumulated in the cavity 60. As the amount of gas accumulated in the cavity 60 increases, the gas pressure increases accordingly. As a result, the structural pressure of the structural layer 40 may be deformed by the gas pressure, and further, there may be a manufacturing defect in which the structural layer 40 is broken as shown in FIG.
[0006]
For example, in the example shown in FIGS. 3 to 5, when the sacrificial layer 30 is gradually etched through each through hole 50, the sacrificial layer 30 gradually becomes thinner as indicated by reference numeral 30 x in FIG. 3. When the gas pressure of the gas accumulated in the cavity 60 is applied to the structural layer 40 in this state, the portion 40x on the sacrificial layer 30x that is thinned in the structural layer 40 (particularly, FIGS. 3A and 4A). ))) Stress is concentrated. As a result, the stress concentration location 40x exceeds the fracture stress of the structural layer 40, and the structural layer 40 may be destroyed from the stress concentration location 40x. Note that the example shown in FIG. 5 shows one example in which the structural layer 40 is destroyed, and there is a case where the structural layer 40 is destroyed from another location.
[0007]
In the case of a structure for a thermal sensor, in order to form a heat detection element or the like on the structural layer, the structural layer is required to have a predetermined strength. From this viewpoint, it is desirable that the total value of the hole areas of the through holes formed in the structural layer is small. However, if the total value of the hole areas of the through hole 50 group is small, the gas in the cavity 60 is difficult to escape to the outside through the through hole 50 group. Therefore, the above-described structural layer is likely to be deformed or broken. The same problem may occur for a structure having a displaceable mass or beam used in a mechanical quantity sensor or the like as described above.
[0008]
Further, the cavity 60 plays a role such as suppressing heat escape from the structural layer 40 to the substrate 10. Therefore, it is necessary to set the size of the cavity 60 with high accuracy. In the conventional manufacturing method, the size of the cavity 60 is controlled by adjusting the etching time. According to this control method, it is difficult to etch the sacrificial layer 30 and the substrate 10 with high accuracy. As a result, the size of the cavity 60 varies, causing manufacturing defects. Furthermore, when etching progresses excessively, the amount of gas generated increases, and the gas pressure applied to the structural layer 40 increases, causing a manufacturing defect.
[0009]
By the way, in the case of dry etching, the sacrificial layer 30 and the substrate 10 can be etched without generating the hydrogen gas as described above. However, in the conventional standard dry etching, the sacrificial layer 30 is anisotropically etched. Therefore, the sacrificial layer 30 around the through hole 50 of the structural layer 40 can be removed, but the other sacrificial layer 30 cannot be removed. Further, there is dry etching that can isotropically etch the sacrificial layer 30, but in this case, there is a problem that the substrate 10 is also isotropically etched. If the substrate 10 is isotropically etched, it is necessary to perform highly accurate etching control so that the substrate 10 is not etched more than necessary. Then, the present inventors tried to suppress the occurrence of manufacturing defects of the structural layer on the premise that the structure is manufactured by removing the sacrificial layer using an etching solution.
[0010]
An object of this invention is to implement | achieve the manufacturing method of the structure which can suppress generation | occurrence | production of a manufacturing defect.
[0011]
[Means for solving the problem, operation and effect]
  The present inventionStructureThe structure manufacturing method includes a step of forming an etching separation layer on a substrate, a step of forming a sacrificial layer on the etching separation layer, a step of forming a structural layer on the sacrificial layer, and a through hole in the structural layer. Forming a first etching step of selectively etching the sacrificial layer out of the sacrificial layer and the etching separation layer to the sacrificial layer through the through hole; and etching separation after the first supply step. A second supply step of supplying a second etching solution for etching the layer and the substrate to the etching separation layer and the substrate through the through hole; Here, the “structural layer” may be fixed to the substrate or displaceable with respect to the substrate. For example, the “structural layer” includes a layer that is substantially fixed to the substrate and on which a heat detection element or the like is placed. The “structural layer” also includes masses and beams that can be displaced with respect to the substrate. The “structural layer” includes what is called a membrane.
[0012]
When the first etchant is supplied to the sacrificial layer through the through hole as in the manufacturing method of the present invention, the sacrificial layer is selectively etched. Thereby, a cavity is formed between the substrate and the structural layer. However, even when the first etching solution is supplied, the etching separation layer is hardly etched. Therefore, the substrate is not etched. On the other hand, when the second etchant is supplied to the etching separation layer and the substrate through the through holes, the etching separation layer and a part of the substrate are etched. This forms a wider cavity between the substrate and the structural layer. Thus, this manufacturing method performs the etching of the sacrificial layer and the etching of the substrate separately by interposing the etching separation layer between the sacrificial layer and the substrate.
[0013]
For this reason, according to the manufacturing method of the present invention, after diffusing at least a part of the gas generated by etching the sacrificial layer with the first etchant from the cavity through the through hole, the second etchant The etching separation layer and the substrate can be etched to generate gas in the cavity. As a result, the gas pressure applied to the structural layer can be reduced as compared with the conventional manufacturing method. Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to suppress the occurrence of manufacturing defects of the structural layer. As a result, it is possible to improve the yield of the structures.
[0014]
The first etchant is preferably formed of a material that hardly etches the etching separation layer and the structural layer as compared to the sacrificial layer. The second etchant is preferably formed of a material that hardly etches the structural layer compared to the etching separation layer and the substrate.
[0015]
BookinventionofIn the manufacturing method of the structurefurther,The first etchant and the second etchant are of the same type with different concentrationsofAn alkaline etchant, the substrate is silicon (single crystal silicon, etc.), the etching separation layer is silicon doped with p-type impurities (single crystal silicon, etc.), and the sacrificial layer is silicon (polysilicon, etc.), The structural layer is a silicon oxide film or a silicon nitride film. The alkaline etching solution is preferably a tetramethylammonium hydroxide aqueous solution or a potassium hydroxide aqueous solution.
  According to the above aspect, since it is not necessary to prepare two kinds of etching solutions, it is possible to suppress the occurrence of defective manufacturing of the structural layer without increasing the labor required for manufacturing the structure as compared with the conventional case. For example, there is an advantage that the step of cleaning the first etching solution can be omitted after the first etching solution is used.
  Moreover, according to the said aspect, the said part of a structure including an etching isolation | separation layer can be formed with a silicon system material. Therefore, the manufacturing process can be facilitated.
[0017]
The first etching solution has a concentration of 10 wt. % Tetramethylammonium hydroxide aqueous solution, and the second etching solution has a concentration of 15 wt. % Or more and 25 wt. % Aqueous tetramethylammonium hydroxide solution is preferred. The concentration of the p-type impurity doped in the etching separation layer is 1 × 10²⁰cm^-3The above is preferable.
[0018]
An etching separation layer is formed on the substrate by implanting impurities into the substrate.It is preferable.
  According to the said aspect, a manufacturing process can be simplified compared with the case where a layer separate from a board | substrate is newly formed on a board | substrate and an etching isolation | separation layer is formed through the process of ion-implanting into the layer.
[0019]
  It is preferable to perform the second supply step on condition that a predetermined time has elapsed since the end of the first supply step.
  The second supply step is preferably performed on the condition that it has been detected that the removal of the sacrificial layer in the first supply step has been completed. In this case, it is more preferable that the second supply process is performed on the condition that a predetermined time has elapsed since the completion of the removal of the sacrificial layer in the first supply process.
The second supply step is performed on the condition that the amount of gas generated in the first supply step is detected to be a predetermined amount or less.It is preferable.In this case, it is more preferable to perform the second supply step on the condition that a predetermined time has elapsed since it was detected that the amount of gas generated in the first supply step has become equal to or less than the predetermined amount.

[0020]
According to these aspects, before the second supply step, the amount of gas generated in the first supply step can be increased from the cavity to the outside through the through hole. Therefore, since the amount of gas accumulated in the cavity can be reduced, the pressure applied to the structural layer can be reduced. Therefore, generation | occurrence | production of the manufacturing defect of a structure layer can further be suppressed.
[0021]
  Disclosed hereinA method of manufacturing a structure according to one aspect includes a step of forming an isotropic etching layer that is isotropically etched by the etching solution on an anisotropic etching layer that is anisotropically etched by a predetermined etching solution; A step of forming a structural layer on the isotropic etching layer, a step of forming a through hole in the structural layer, and an etching stop layer that is hardly etched by the etching solution are formed in a region in contact with the bottom surface of the anisotropic etching layer. In this state, the etching solution is supplied to the isotropic etching layer and the anisotropic etching layer through the through hole.
[0022]
In some cases, a cavity is desired to be formed by etching a layer that is anisotropically etched with a predetermined etching solution. In such a case, when an anisotropic etching layer is formed directly below the structural layer, the anisotropic etching layer is etched only in a region defined by the through hole of the structural layer. In this case, for example, when only a small through hole group can be formed in the structure, only a small cavity group can be formed in the anisotropic etching layer.
On the other hand, when an isotropic etching layer exists between the structural layer and the anisotropic etching layer, the anisotropic etching layer is etched in a region defined by the isotropic etching layer. In this case, a cavity having a desired size can be formed in the anisotropic etching layer by adjusting the size of the isotropic etching layer.
[0023]
  Thus, in the structure in which an isotropic etching layer exists between the structural layer and the anisotropic etching layer, when the etching stop layer as described above is formed, the progress of the etching is stopped by this etching stop layer. Therefore, a cavity having a desired size can be accurately formed in the anisotropic etching layer.
  In the conventional manufacturing method, the size of the cavity to be formed is adjusted by controlling the supply amount of the etching solution, the interval between the through holes formed in the structural layer, and the like. In contrast,Disclosed hereinAccording to the manufacturing method, a cavity having a desired size can be formed with high accuracy while greatly reducing the time for such control. Therefore,Disclosed hereinAccording to the manufacturing method, occurrence of manufacturing defects of the structural layer can be suppressed. As a result, the yield of the structures can be improved.
[0024]
  Also,Disclosed hereinAccording to the manufacturing method, the amount of gas generated by etching can be easily adjusted by adjusting the position of the etching stop layer. Even if the amount of the etching solution to be supplied is increased, the etching can be stopped by the etching stop layer, so that the amount of gas generated can be suppressed. For this reason, it can suppress that the gas pressure added to a structure layer becomes high. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of defective manufacturing of the structural layer. As a result, the yield of the structures can be improved.
[0025]
The etchant is preferably a material that hardly etches the etching stop layer and the structural layer as compared to the isotropic etching layer and the anisotropic etching layer. Specifically, the etching solution is an alkaline etching solution (preferably an aqueous tetramethylammonium hydroxide solution or an aqueous potassium hydroxide solution), the isotropic etching layer is polysilicon, and the anisotropic etching layer is single crystal silicon. It is preferable that the etching stop layer and the structural layer be silicon oxide or silicon nitride.
[0026]
  The anisotropic etching layer is preferably a single crystal silicon layer on the upper side of an SOI (Silicon On Insulator) substrate, and the etching stop layer is preferably a silicon oxide layer of the SOI substrate.
  According to this aspect, the SOI substrate is effectively utilized,Disclosed hereinAn effect can be obtained.
[0027]
The anisotropic etching layer is a first conductivity type semiconductor layer, a second conductivity type semiconductor layer in contact with the first conductivity type semiconductor layer is formed, and the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer are formed. It is preferable to form an etching stop layer near the junction by applying a reverse bias voltage to the junction.
In this embodiment, a depletion layer extending from the junction between the first conductivity type semiconductor and the second conductivity type semiconductor is used as an etching stop layer. According to this aspect, it is not necessary to separately form a silicon oxide layer or the like serving as an etching stop layer.
[0028]
  Another aspect of the structure manufacturing method disclosed in the present specification includes a step of forming a structural layer on an SOI (Silicon On Insulator) substrate, a step of forming a through hole in the structural layer, and an SOI substrate. An etching solution for selectively etching the single crystal silicon layer out of the upper single crystal silicon layer and the silicon oxide layer is supplied to the single crystal silicon layer through the through hole. Note that the case of “forming a structural layer on an SOI substrate” includes a case where another layer is formed on the SOI substrate and a structural layer is further formed thereon.
  According to this aspect, the single crystal silicon layer of the SOI substrate can be used as a layer in which a cavity is formed, and the silicon oxide layer of the SOI substrate can function as an etching stop layer.
[0029]
  Still other disclosed hereinIn one embodiment, a structure manufacturing method includes a step of forming a structural layer on an etching layer including a second conductive type semiconductor layer bonded to a first conductive type semiconductor layer, and a step of forming a through hole in the structural layer. And a step of supplying an etching solution for etching the etching layer to the etching layer through the through hole in a state where a reverse bias voltage is applied to the junction between the first conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type semiconductor layer. The etching layer may have, for example, a sacrificial layer (for example, a polysilicon layer) formed thereon in addition to the second conductivity type semiconductor layer (for example, also referred to as a single crystal silicon layer or a cavity forming layer). Good.
[0030]
The structure is preferably a heat sensor structure used for a sensor that directly or indirectly detects heat.
In the case of a thermal sensor, since the heat detection element is formed on the structural layer, it is desirable that the total value of the hole areas of the through holes formed in the structural layer is small from the viewpoint of ensuring a predetermined strength. When the structure according to the present invention is used for such a thermal sensor, a particularly useful effect is obtained.
[0031]
In this specification, an etchant that selectively etches the first material out of the first material and the second material has an etching selectivity of the first material to the second material of 15 or more (preferably The etching solution is 20 or more, more preferably 30 or more.
Here, in this specification, when the etching rate of the first material is X and the etching rate of the second material is Y, X / Y is expressed as “etching selection of the first material with respect to the second material”. The ratio.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  (First embodimentNo.The manufacturing method of the structure for thermal sensors of 1 embodiment is demonstrated with reference to FIGS.
  First, as shown in FIG. 12, a substrate 110 made of n-type or p-type single crystal silicon is prepared. The n-type and p-type selection may be performed according to the characteristics of the integrated circuit when an integrated circuit is formed on the substrate 110. In the case of n-type, there is no particular limitation on the impurity concentration. In the case of p-type, the impurity concentration is 1 × 10 due to the relationship with the etching separation layer 120 described later.¹⁹cm^-3The following is preferable. Next, a thermal oxide film (silicon oxide film) 111 having a thickness of about 100 nm is formed on the substrate 110. Next, a resist 112 is formed on the thermal oxide film 111. The resist 112 is patterned by a photo process so as to expose a thermal oxide film 111 on a region where an etching separation layer 120 to be described later is to be formed and to cover the other thermal oxide film 111.
[0033]
Next, p-type impurities are ion-implanted into the surface portion of the substrate 110. The p-type impurity is preferably boron. In the case of boron, a commercially available ion implantation source can be easily obtained. When boron is used, the impurity concentration in a region about 500 nm deep from the surface of the substrate 110 is 1 × 10 5.²⁰cm^-3It is preferable to ion-implant so that it may become the above.
[0034]
Next, when the resist 112 shown in FIG. 6 is removed, the state shown in FIG. 7 is obtained. Next, heat treatment (activation annealing) is performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon. As a result, the doped p-type impurity is activated and the etching separation layer 120 is formed. The heat treatment temperature is preferably about 850 to 950 ° C. In this embodiment, heat treatment is performed at about 900 ° C.
[0035]
Note that the etching separation layer 120 is not limited to being formed on a part (surface portion) of the substrate as described above. For example, the etching isolation layer 120 may be formed by forming a polysilicon layer on the substrate 110 by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, doping the polysilicon layer with a p-type impurity, and performing heat treatment. .
[0036]
Next, the thermal oxide film 111 shown in FIG. 7 is removed. Next, as shown in FIG. 8, a sacrificial layer 130 having a thickness of about 200 nm is formed on the etching separation layer 120 by, for example, a CVD method. The sacrificial layer 130 is made of non-doped polysilicon. The sacrificial layer 130 is adjusted to the size of the cavity created in the structure. Next, a structural layer 140 having a thickness of about 200 nm is formed by, for example, a CVD method so as to cover the sacrificial layer 130. The surface area of the structural layer 140 is about 500 μm × 500 μm. In the present embodiment, the structural layer 140 is an insulating film made of a silicon nitride film or a silicon oxide film. In the present embodiment, the structural layer 140 is transparent. As will be described later, when the structural layer 140 is transparent, there is an advantage that the etching state can be monitored by, for example, an optical microscope.
[0037]
Next, as shown in FIG. 9, a plurality of through-holes 150 having a diameter of about 10 μm are formed in the structural layer 140 by a photo process and reactive ion etching (Reactive Ion Etching). The hole area of each through-hole 150 is very small compared to the surface area of the structural layer 140 described above. In the present embodiment, the through-hole 150 group is formed in a matrix in the vertical direction and the horizontal direction at a predetermined interval (see the plan view of FIG. 12).
[0038]
Next, a first etching solution is supplied to the sacrificial layer 130 through the through hole 150 shown in FIG. The first etching solution has a concentration of about 5 wt. % Tetramethylammonium hydroxide ((CH₃)₄NOH (hereinafter referred to as “TMAH”). The first etchant selectively etches the sacrificial layer 130 among the structural layer 140, the sacrificial layer 130, and the etching separation layer 120. In other words, the first etchant etches the sacrificial layer 130, but hardly etches the structural layer 140 and the etching separation layer 120.
[0039]
When the first etching solution is supplied as described above, the sacrificial layer 130 is selectively removed by isotropic etching as shown in FIG. As a result, the first cavity 162 is formed in the region where the sacrificial layer 130 is removed.
[0040]
Next, a second etching solution is supplied to the etching separation layer 120 and the substrate 110 through the through hole 150 shown in FIG. The second etchant has a concentration of about 20 wt. % TMAH aqueous solution. The second etchant selectively etches the etching separation layer 120 and the substrate 110 among the structural layer 140, the etching separation layer 120, and the substrate 110. In other words, the second etching solution etches the etching separation layer 120 and the substrate 110, but hardly etches the structural layer 140.
[0041]
When the second etching solution is supplied as described above, the etching separation layer 120 and a part of the substrate 110 are removed by anisotropic etching as shown in FIGS. Specifically, when the substrate 110 having the (100) plane orientation of the top surface is used, the etching of the substrate 110 proceeds in a state surrounded by the (111) plane (the plane indicated by the symbol M in FIG. 11). . As a result, the second cavity 164 is formed in a region where the etching separation layer 120 and a part of the substrate 110 are removed. FIG. 12 is a plan view of FIG. FIG. 11 corresponds to a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
[0042]
As described above, the etching separation layer 120 stops the etching with the first etching solution, but is finally removed by the second etching solution. A combination of the first cavity 162 and the second cavity 164 is referred to as a cavity 160.
[0043]
Thus, when the same kind of liquid having different concentrations is used as the first etching liquid and the second etching liquid, the troublesome work of preparing the two kinds of etching liquid can be saved, and the first etching liquid can be used after the first etching liquid is used. There is an advantage that the step of washing the liquid can be omitted.
[0044]
As described above, as shown in FIGS. 11 and 12, the structure for a thermal sensor having the structural layer 140 supported by the substrate 110 and having the cavity 160 formed between the substrate 110 and the structural layer 140 is manufactured. The Although most of the etching separation layer 120 is removed, a part of the etching separation layer 120 remains in a region between the structural layer 140 and the substrate 110.
[0045]
Next, the TMAH aqueous solution used as the first etching solution and the second etching solution will be described. First, the etching rate of non-doped silicon (including single crystal silicon and polysilicon) increases with decreasing concentration until the concentration of the TMAH aqueous solution reaches a predetermined value.
[0046]
FIG. 13 shows the relationship between the boron concentration in single crystal silicon and the etching selectivity when a TMAH aqueous solution is used. Graphs C, D, and E in FIG. 13 each have a TMAH aqueous solution concentration of 5 wt. %, 20 wt. %, 40 wt. It is a graph in the case of%. The etching selectivity shown in FIG. 13 is an etching selectivity of non-doped single crystal silicon to boron-doped single crystal silicon.
Note that the boron concentration shown in FIG.¹⁹In the case of being smaller than the graph E, the etching selectivity of the graphs C and D is actually 1 as in the graph E.
[0047]
Boron concentration is about 1 × 10¹⁹When larger, the etching selectivity increases in the order of graphs C, D, and E (the lower the concentration of the TMAH aqueous solution). Further, as shown in the graphs C, D, and E, the boron concentration is about 1 × 10 5.¹⁹If it is larger, the etching selectivity increases as the boron concentration increases. Thus, an increase in the etching selectivity means that the etching rate of boron-doped single crystal silicon is lower than the etching rate of non-doped single crystal silicon. Note that when polysilicon is used instead of single crystal silicon, the same characteristics as in the graph of FIG. 13 are exhibited.
[0048]
As shown in graph C of FIG. 13, the concentration of the TMAH aqueous solution is 5 wt. %, The boron concentration shown in FIG.²⁰cm^-3The etching selectivity of non-doped single crystal silicon to single crystal silicon is about 10²It is. That is, the boron concentration is 1 × 10.²⁰cm^-3Compared to the etching rate of single crystal silicon, the etching rate of non-doped single crystal silicon is about 10%.²Twice as fast. Concentration is 5 wt. %, The etching rate of non-doped single crystal silicon is about 1.3 μm / min. Therefore, the boron concentration is 1 × 10²⁰cm^-3The etching rate of single crystal silicon is about 1.3 μm ÷ about 10²= About 0.013 μm / min.
[0049]
As shown in graph D of FIG. 13, the concentration of the TMAH aqueous solution is 20 wt. %, The boron concentration shown in FIG.²⁰cm^-3The etching selectivity of non-doped single crystal silicon to single crystal silicon is about 10. Concentration is 20 wt. %, The etching rate of non-doped single crystal silicon is about 1.0 μm / min. Therefore, the boron concentration is 1 × 10²⁰cm^-3The etching rate of single crystal silicon is about 1.0 μm ÷ about 10 = about 0.1 μm / min.
[0050]
As shown in graph E of FIG. 13, the concentration of the TMAH aqueous solution is 40 wt. %, The boron concentration shown in FIG.²⁰cm^-3The etching selectivity of non-doped single crystal silicon to single crystal silicon is about 2. Concentration is 40 wt. %, The etching rate of non-doped single crystal silicon is about 0.4 μm / min. Therefore, the boron concentration is 1 × 10²⁰cm^-3The etching rate of the single crystal silicon is about 0.4 μm ÷ about 2 = about 0.2 μm / min.
In addition, the above value is a value in case the temperature of TMAH aqueous solution is 90 degreeC.
[0051]
The above is summarized in the following (I) to (III).
(I) The etching rate of non-doped silicon (including single crystal silicon and polysilicon, hereinafter the same) increases as the concentration decreases until the concentration of the TMAH aqueous solution reaches a predetermined value.
(II) The etching selectivity of non-doped silicon to silicon doped with a predetermined amount or more of boron (see FIG. 13) increases as the concentration of the TMAH aqueous solution decreases.
(III) The etching rate of silicon doped with a predetermined amount or more of boron becomes slower as the concentration of the TMAH aqueous solution is lower. This is because the rate of increase in the etching selectivity shown in the above (II) is larger than the rate of increase in the etching rate of the non-doped silicon shown in the above (I) when the concentration of the TMAH aqueous solution is lowered. Because.
[0052]
As described above, the first etchant selectively selects the sacrificial layer 130 out of the sacrificial layer (non-doped polysilicon) 130 and the etching isolation layer (single crystal silicon doped with a predetermined amount of p-type impurities) 120. Etching is required. In order to satisfy this requirement, the etching selectivity shown in the above (II) needs to be high. For this purpose, it is preferable to reduce the concentration of the TMAH aqueous solution used. Specifically, the first etching solution has a concentration of 10 wt. % TMAH aqueous solution (less preferably 5 wt% or less) is preferable.
[0053]
The second etchant is required to etch both the etching separation layer (single crystal silicon doped with a predetermined amount of p-type impurities) 120 and the substrate (non-doped single crystal silicon) 110. In order to shorten the process time, etc., it is preferable that the etching rate is high. In order to increase the etching rate of the substrate 110, it is preferable to lower the concentration of the TMAH aqueous solution used from the above (I). On the other hand, in order to increase the etching rate of the etching separation layer 120, it is preferable to increase the concentration of the TMAH aqueous solution used from the above (III). Thus, both have conflicting requests.
[0054]
Under such conflicting requirements, the second etchant has a concentration of 15 wt. % Or more and 25 wt. % TMAH aqueous solution is preferable. When the TMAH aqueous solution having this concentration range is used, both the etching separation layer 120 and the substrate 110 can be etched at a certain rate. Note that the lower the concentration of the TMAH aqueous solution, the more likely the surface of the substrate 110 becomes rough. Therefore, also from this viewpoint, the concentration of the TMAH aqueous solution is 15 wt. % Or more is preferable.
[0055]
In the above description, the case where the TMAH aqueous solution is used as the etching solution is described as an example. However, the same effect can be obtained even when another alkaline etching solution is used. For example, the same effect can be obtained even if the first etching solution and the second etching solution are composed of aqueous potassium hydroxide (KOH) solutions having different concentrations. Further, a TMAH aqueous solution and a potassium hydroxide aqueous solution may be used in combination. However, the TMAH aqueous solution is more preferable from the viewpoint of safety (environment) than the potassium hydroxide aqueous solution containing potassium.
[0056]
It is preferable to start supplying the second etching solution from any one of the following timings (1) to (3).
(1) The second etching solution may be supplied immediately after the supply of the first etching solution is stopped, but the second etching solution is supplied after a predetermined time has elapsed since the supply of the first etching solution was stopped. You may make it do. When the second etching solution is supplied after a predetermined time has elapsed, hydrogen gas generated by the reaction between the first etching solution and the sacrificial layer 130 is sufficiently diffused from the cavity 160 to the outside through the through hole 150, and then the second etching solution. Can supply.
[0057]
(2) The supply of the second etching solution may be started after the removal of the sacrificial layer 130 with the first etching solution is completed. The detection of the completion of the removal of the sacrificial layer 130 may be performed by monitoring the etching state using, for example, an optical microscope. This detection may be performed manually by an operator or automatically using an image processing apparatus or the like. Such detection can be facilitated by forming the structural layer 140 from a transparent material. Further, the second etching solution may be supplied immediately after it is detected that the removal of the sacrificial layer 130 is completed, but the second etching solution is supplied after a predetermined time has elapsed from the detection time. May be.
[0058]
(3) The second etching solution may be supplied after detecting that the amount of hydrogen gas generated by the reaction between the first etching solution and the sacrificial layer 130 is not more than a predetermined amount (preferably substantially zero). Good. The detection that the amount of hydrogen gas has become equal to or less than a predetermined amount may be performed by monitoring using, for example, a gas detection device. In addition, the second etching solution may be supplied immediately after detecting that the amount of generated hydrogen gas is equal to or less than a predetermined amount. However, after a predetermined time has elapsed from the detection time, the second etching solution is supplied. May be supplied.
[0059]
  (Second EmbodimentNo.A structure manufacturing method according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
  First, an SOI substrate (Silicon On Insulator) substrate is prepared. As shown in FIG. 14, the SOI substrate includes a single crystal silicon substrate 211, a silicon oxide layer 221 that functions as an etching stop layer, and an n-type or p-type single crystal silicon active layer 231 that functions as a cavity formation layer. Has been. Next, a sacrificial layer 230 made of polysilicon and a structural layer 240 made of silicon oxide are formed on the cavity forming layer 231 as in the first embodiment, and an etching hole 250 is formed in the structural layer 240.
[0060]
Next, a TMAH aqueous solution is supplied as an etchant through the through hole 250 shown in FIG. As a result, the sacrificial layer 230 is isotropically etched. Then, the cavity forming layer 231 is anisotropically etched within a range defined by the cavity after the sacrifice layer 230 is removed. On the other hand, the structural layer 240 and the etching stop layer 220 are hardly etched.
The etching solution is not limited to the TMAH aqueous solution, and a KOH aqueous solution or other alkaline etching solution may be used.
[0061]
As a result, as shown in FIG. 15, a structure having the structural layer 240 supported by the substrate 210 and having the cavity 260 formed between the substrate 210 and the structural layer 240 is manufactured. The TMAH aqueous solution hardly etches the structural layer 240 and the etching stop layer 220. In addition, the cavity forming layer 231 is anisotropically etched with a TMAH aqueous solution, and is etched only in a range defined by the cavity after the sacrifice layer 230 is removed. For this reason, according to this embodiment, the size of the cavity 260 can be accurately set to a desired size. Therefore, manufacturing defects can be reduced.
[0062]
In addition, according to the present embodiment, the amount of gas generated by etching can be easily adjusted by adjusting the position of the etching stop layer 220. Even if the amount of the etchant supplied is increased, the etching can be stopped by the etching stop layer 220, so that the amount of gas generated can be suppressed. For this reason, it can suppress that the gas pressure added to the structural layer 240 becomes high. Therefore, destruction of the structural layer 240 and occurrence of damage can be suppressed.
[0063]
When the thickness of the cavity forming layer 231 is set to 1 to 3 μm, for example, the manufactured structure can be suitably used for a mechanical quantity sensor such as an acceleration sensor. In the case where the thickness of the cavity forming layer 231 is set to be thicker, it can be suitably used for a thermal sensor in addition to a mechanical quantity sensor.
[0064]
  (Third embodimentNo.A structure manufacturing method according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. A p-type single crystal silicon cavity forming layer (second conductivity type semiconductor layer) 331 is epitaxially grown on the substrate (first conductivity type semiconductor layer) 310 made of n type single crystal silicon by, for example, a CVD method. The impurity concentration of the n-type substrate 310 is about 1 × 10¹⁵cm^-3It is. The impurity concentration of the p-type layer 331 is about 1 × 10¹⁵cm^-3It is. These impurity concentrations are not particularly limited, and can be set as appropriate according to the etching speed and the size of the depletion layer formed at the pn junction between the substrate 310 and the cavity forming layer 331. Next, as in the first embodiment, a sacrificial layer 330 made of polysilicon and a structural layer 340 made of silicon oxide as shown in FIG. 17 are formed. Next, as shown in FIG. 18, an electrode 370 is formed on the back surface of the substrate 310. The junction between the electrode 370 and the substrate 310 is not shown in order to form an ohmic contact.⁺A mold partial region may be formed. Next, a plurality of through holes 350 having a diameter of about 10 μm are formed in the structural layer 340 by a photo process and reactive ion etching (Reactive Ion Etching).
[0065]
Next, as shown in FIG. 19, a TMAH aqueous solution is supplied as an etching solution through the through hole 350. As a result, like the second embodiment, the sacrificial layer 330 and the cavity forming layer 331 are etched. In this embodiment, a voltage is applied to the electrode 370 so that a reverse bias voltage is applied to the pn junction between the n-type substrate 310 and the p-type cavity forming layer 331 while the etching solution is supplied. ing. As a result, a depletion layer (not shown) extends from the pn junction. This depletion layer functions as an etching stop layer. Therefore, the etching stops near the pn junction between the cavity forming layer 331 and the substrate 310. As a result, a cavity 360 is formed.
[0066]
As described above, as shown in FIG. 19, the structure for a thermal sensor having the structural layer 340 supported by the substrate 310 and having the cavity 360 formed between the substrate 310 and the structural layer 340 is manufactured.
[0067]
In addition, as illustrated in FIG. 20, the position where the electrode 371 is formed can be formed not on the back surface of the substrate 310 but on the structural layer 340. In this case, in order to make the substrate 310 and the electrode 371 conductive, for example, an n-type diffusion region 374 may be formed below the electrode 370. Furthermore, as shown in FIG. 21, a p-type impurity may be locally ion-implanted on the n-type substrate 310, and the ion-implanted region 331 may be used as a cavity forming layer. According to the manufacturing method using the electrochemical etching method, it is not necessary to form a silicon oxide layer or the like as the etching stop layer.
[0068]
When the structure manufactured by the manufacturing method of the first to third embodiments is used as a structure for a heat sensor, a functional material (for example, a heat detection element (also referred to as a temperature sensitive element)) is formed on the structure layer. Form. Specifically, a thermocouple having a hot junction portion and a cold junction portion, an infrared absorption film covering the hot junction portion of the thermocouple, a terminal portion for taking out the thermocouple output, and the like are formed on the structural layer. Thereby, an infrared sensor is manufactured as an example of a thermal sensor. Note that the through hole may be formed after the thermocouple, infrared absorption film, terminal portion, and the like are formed on the structural layer.
[0069]
In such an infrared sensor, infrared rays are detected by detecting an electromotive force of a thermocouple that changes due to a temperature difference generated between a hot junction portion and a cold junction portion of the thermocouple when infrared rays are received.
[0070]
In such an infrared sensor, it is desired to increase the temperature difference of the thermocouple in order to increase the output electromotive force. In order to increase the temperature difference between the thermocouples, it is effective to make it difficult for heat to escape from the hot junction part and to easily raise the temperature of the hot junction part. In order to make it difficult for heat of the hot junction part to escape, it is effective to separate the structural layer adjacent to the hot junction part from the substrate as much as possible. In order to easily raise the temperature of the hot junction part, it is effective to reduce the film thickness of the structural layer so that heat is transmitted to the hot junction part rather than the structural layer. In some cases, the surface area of the structural layer may be increased due to the relationship with the size of the heat detection element to be created.
[0071]
By the way, since the heat detection element is formed on the structural layer, it is preferable that the total value of the hole areas of the through hole groups formed in the structural layer is small from the viewpoint of ensuring a predetermined strength. This requirement increases as the thickness of the structural layer is reduced. This requirement increases as the surface area of the structural layer increases. However, if the total value of the hole area of the through hole group is reduced, it becomes difficult to uniformly supply the etching solution to the sacrificial layer and the substrate. Further, the gas generated by the etching is difficult to escape from the cavity to the outside.
[0072]
Under the background as described above, according to the manufacturing method described in [Prior Art], as described above, there may be a manufacturing defect in which the structural layer is deformed or broken. As a specific example, in FIG. 1, a silicon nitride film having a thickness of 200 nm is used as the structural layer 40, the diameter of the through hole 50 is 10 μm, and the surface area of the structural layer 40 is 500 μm × 500 μm or more. In this case, the structural layer 40 was destroyed by the influence of the gas pressure generated by etching the sacrificial layer 30 and the substrate 10.
[0073]
On the other hand, according to the manufacturing method of the first embodiment, the etching of the sacrificial layer 130 and the etching of the substrate 110 can be performed in stages. Therefore, after the gas generated by etching the sacrificial layer 130 with the first etchant is sufficiently diffused from the cavity 160 to the outside through the through hole 150, the substrate 110 is etched with the second etchant, Gas can be generated. Moreover, according to the manufacturing method of 2nd Embodiment and 3rd Embodiment, the gas amount to generate | occur | produce can be controlled by controlling the thickness of the cavity formation layers 231 and 331 to form.
[0074]
  Compared to conventional manufacturing methods,First to third embodimentsThis manufacturing method can reduce the gas pressure applied to the structural layer. Therefore, according to the manufacturing method of the present embodiment, (1) when the etching amount of the substrate is large in order to increase the distance between the structural layer and the substrate, or (2) when the total value of the hole areas of the through hole group is small, (3) Even when the thickness of the structural layer is thin or (4) the surface area of the structural layer is large, the occurrence of manufacturing defects of the structural layer can be effectively suppressed. As a result, it is possible to significantly improve the yield of the structure, and thus the yield of the thermal sensor including the structure.
[0075]
Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples, and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
(1) For example, in the first embodiment, the method for manufacturing a structure for a thermal sensor has been described as an example. However, the first embodiment can also be applied to a method for manufacturing a structure for a mechanical quantity sensor, for example.
(2) In the first embodiment, the configuration in which the etching separation layer is one layer has been described. However, by appropriately selecting the material constituting the structure, the etchant, and the like, it is possible to have two or more etching separation layers, and the present invention can be applied to such an embodiment.
[0076]
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a plan view of a structure manufactured by a conventional manufacturing method, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA of the structure.
2A is a plan view of a structure before wet etching in a conventional manufacturing method, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA of the structure.
3A is a plan view of a structure at the initial stage of wet etching in a conventional manufacturing method, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line AA of the structure.
4A is a plan view of a structure of a wet etching intermediate plate in a conventional manufacturing method, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the structure taken along line AA.
5A is a plan view of a structure at the end of wet etching in a conventional manufacturing method, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line AA of the structure.
FIG. 6 shows a step of forming an etching separation layer in the manufacturing method of the first embodiment (1).
FIG. 7 shows an etching separation layer forming step in the manufacturing method of the first embodiment (2).
FIG. 8 shows a step of forming a sacrificial layer and a structural layer in the manufacturing method of the first embodiment.
FIG. 9 shows a step of forming a through hole in the structural layer in the manufacturing method of the first embodiment.
FIG. 10 shows a step of forming a first cavity in the manufacturing method of the first embodiment.
FIG. 11 shows a step of forming a second cavity in the manufacturing method of the first embodiment.
12 is a plan view of FIG. 11. FIG.
FIG. 13 shows the relationship between the boron concentration in single crystal silicon and the etching selectivity.
FIG. 14 shows an etching hole forming step of the manufacturing method of the second embodiment.
FIG. 15 shows a step of forming a cavity of the manufacturing method of the second embodiment.
FIG. 16 shows a step of forming a cavity forming layer in the manufacturing method of the third embodiment.
FIG. 17 shows a step of forming a sacrificial layer and a structural layer in the manufacturing method of the third embodiment.
FIG. 18 shows a process of forming etching holes and electrodes in the manufacturing method of the third embodiment.
FIG. 19 shows a step of forming a cavity of the manufacturing method of the third embodiment.
FIG. 20 shows a modification of the manufacturing method of the third embodiment (1).
FIG. 21 shows a modification of the manufacturing method of the third embodiment (2).
[Explanation of symbols]
110: Substrate
120: Etching separation layer
130: Sacrificial layer
140: Structural layer
150: Through hole
160: cavity
162: first cavity
164: Second cavity

Claims

Forming an etching separation layer on the substrate;
Forming a sacrificial layer on the etching separation layer;
Forming a structural layer on the sacrificial layer;
Forming a through hole in the structural layer;
A first supply step of supplying a first etching solution for selectively etching the sacrificial layer of the sacrificial layer and the etching separation layer to the sacrificial layer through the through hole;
A second supply step of supplying a second etching solution for etching the etching separation layer and the substrate to the etching separation layer and the substrate through the through hole after the first supply step;
The first etching solution and the second etching solution are the same kind of alkaline etching solution having different concentrations,
A method for manufacturing a structure, wherein the substrate is silicon, the etching separation layer is silicon doped with p-type impurities, the sacrificial layer is silicon, and the structural layer is a silicon oxide film or a silicon nitride film.

The method of manufacturing a structure according to claim 1, wherein an etching separation layer is formed on the substrate by ion-implanting impurities into the substrate.

The method for manufacturing a structure according to claim 1 or 2, wherein the second supply step is performed on the condition that a predetermined time has elapsed since the end of the first supply step.

3. The method of manufacturing a structure according to claim 1, wherein the second supply step is performed on the condition that the removal of the sacrificial layer in the first supply step is detected.

3. The structure according to claim 1, wherein the second supply step is performed on the condition that the amount of gas generated in the first supply step is detected to be equal to or less than a predetermined amount. Production method.

The structure manufacturing method according to any one of claims 1 to 5, wherein the structure is a structure for a thermal sensor used for a sensor that directly or indirectly detects heat.