JP4087081B2

JP4087081B2 - Ｉｃマイクの振動板形成方法

Info

Publication number: JP4087081B2
Application number: JP2001151283A
Authority: JP
Inventors: 敏行西口; 利文田島; 信雄斎藤; 悟近藤
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2001-05-21
Filing date: 2001-05-21
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2021-05-21
Also published as: JP2002345089A

Description

【０００１】
本発明は、ＩＣマイクの振動板形成方法に関し、特に、マイクロマシーニング技術によって製作されるコンデンサ型音響・圧力センサを用いるＩＣマイクの振動板形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、受けた音波によってコンデンサの電極を振動させ、この振動によって生じるコンデンサ容量の変化を利用して音波を電気信号に変換するコンデンサ型ＩＣマイクが知られている。このようなコンデンサ型ＩＣマイクとして、図１に示すような構造のＩＣマイクが知られ、そのＩＣマイクのコンデンサ型音響・圧力センサは、マイクロマシーニング技術を用いて製作される。
【０００３】
図１に示すＩＣマイクにおいて、音波を検出する部分は、薄く平坦な振動板１と背電極２とによって構成されるコンデンサで部分である。振動板１は、到達した音波の音圧変化によって変位し、この変位によってコンデンサ容量が変化する。コンデンサ型ＩＣマイクは、このコンデンサ容量の変化を電気信号の変化として取り出し、音響信号を電気信号に変換するものである。
【０００４】
振動板１形成のためのエッチング処理は、通常、シリコン基板表面に形成された酸化膜や窒化シリコン膜をエッチングマスクとして、異方性ウェットエッチングによって行われる。その際、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、エチレンジアミンピロカテコール水（以下、ＥＰＷという）、水酸化テトラメチルアンモニウム（以下、ＴＭＡＨという）等のエッチング液が用いられ、振動板とする部分の厚さが所望の厚さになるまで継続してエッチングがなされる。
【０００５】
ここで、ＩＣマイクの振動板の厚さはセンサ感度に大きな影響を与えるため、振動板形成の際のエッチング量を制御することが重要になる。しかしながら、エッチング速度と時間をもとにエッチング量を制御するのでは、再現性や精度の点で問題がある。特に、４００μｍ程度もある厚さのシリコン基板から数μｍ厚の振動板を形成する場合は、形成される振動板の厚さに比べてエッチング量がきわめて多いために問題となる。
【０００６】
そこで、一般に、エッチング量を精度よく制御するためにエッチストップ技術が用いられる。この技術は、シリコン中のホウ素等のｐ型不純物が高濃度に注入された部分が上記のＴＭＡＨ等のエッチング液に溶けにくいという性質を利用したものである。図２（ａ）は、エッチストップ技術を用いてＩＣマイクの振動板１を形成する工程の流れの一例を示す図である。
【０００７】
エッチストップ技術を用いる場合は、エッチング前にあらかじめ、イオン注入や熱拡散等により振動板１に必要とされる厚さに応じた深さまでｐ型不純物を拡散・注入してシリコン基板５表面に高濃度不純物層（エッチストップ層）６を形成しておく。その後、エッチングマスク７を形成し、拡散面と対向する面の方向からエッチングを行う。エッチングが高濃度不純物層６に達した時点でエッチング速度が極端に低下するため、そのエッチング量で実質的にエッチングを停止させることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エッチストップ用の高濃度不純物層を形成した後、エッチングマスク形成等のために高温で熱酸化等の熱処理を加えると、高濃度不純物層中の不純物がシリコンの低不純物濃度領域や酸化膜に再拡散し、それによって高濃度不純物層を形成する不純物の濃度分布が変化してエッチストップが効きだす位置がずれ、所望の振動板の厚さが得られないという問題があった。
また、高濃度不純物層形成後に基板内に生じていた内部応力が、その後の熱処理による不純物の再拡散によって変化することが一因となって振動板が座屈してしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、その目的は、高濃度不純物層形成後の熱処理によって生じるエッチストップの効果の低下を抑制し、高濃度不純物層形成後の熱処理が原因の座屈を防ぐことができるＩＣマイクの振動板形成方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するための１つの方法として、高濃度不純物層形成後は、高温での熱処理を避けるという対処法が考えられる。しかしながら、この対処法では、エッチングのマスクとして簡便な熱酸化膜が利用できなくなるほか、センサと同一チップ内に回路集積するプロセスを行う上でも大きな制約となる。
【００１１】
また、上記の座屈が発生するという問題を解決するための１つの方法として、高濃度不純物層の不純物濃度を低減するという対処法が考えられる。しかしながら、エッチストップの効果が出始める不純物濃度は、ＫＯＨで１０¹⁹/ｃｍ³のオーダー、ＴＭＡＨでは１０²⁰/ｃｍ³のオーダーと極めて高く、これらの不純物濃度より低い場合は、エッチストップの効果がほとんど得られない。そのため、不純物濃度を低減するという対処方法は採れない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、不純物をドープしてなるエッチストップ層を所定の第１の温度下で形成するエッチストップ層形成工程と、前記エッチストップ層形成工程の後に所定の第２の温度下でエッチングマスクを形成するマスク形成工程とを備え、前記第２の温度が前記第１の温度よりも低いことに特徴がある。
【００１３】
この構成により、エッチングマスクが高濃度不純物層の形成温度よりも低い温度で形成されることになるため、高濃度不純物層中の不純物の再拡散を低減することができ、それによるエッチストップの効果の低下を抑制し、再拡散が原因の座屈を防ぐことが可能なＩＣマイクの振動板形成方法を実現できる。
【００１４】
また、請求項２に係る発明は、請求項１において、前記第２の温度が、１０００℃以下であることに特徴がある。この構成により、マスク形成のための熱処理において高濃度不純物の再拡散を低減することができるため、振動板内の内部応力を低減することが可能なＩＣマイクの振動板形成方法を実現できる。
【００１５】
また、請求項３に係る発明は、請求項１または２において、前記第２の温度が、９００℃以上であることに特徴がある。この構成により、マスク形成にかかる時間の大幅な増加を防ぐとことができるため、実用的なマスク形成時間でエッチングマスクを形成し、高濃度拡散層からの再拡散を抑制することが可能なＩＣマイクの振動板形成方法を実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照し、本発明の実施形態１に係るＩＣマイクの振動板形成方法について説明する。
図２（ｂ）は、本発明の実施形態１に係るＩＣマイクの振動板形成方法における処理の流れを示すフローチャートである。なお、本実施の形態１においては、高濃度不純物層形成工程および酸化膜形成工程のみについて説明し、基板洗浄工程、エッチング工程、酸化膜除去工程等の高濃度不純物層形成工程および酸化膜形成工程の以外の工程については、公知技術に基づいて行うことができるとともに、本発明の趣旨の範囲外であることから、その説明を省略する。また、以下では、「高濃度不純物層」は、エッチングを実質的に停止させる「エッチストップ層」をいうものとする。
【００１８】
ステップＳ２０１で、図２（ａ）に示すようにシリコン基板等の基板５の一の基板面に熱拡散法によって高濃度不純物層（エッチストップ層）６を形成する。その際、高濃度不純物層（エッチストップ層）形成温度Ｔ_Aは、後述のマスク形成温度Ｔ_Bよりも高い温度とする。例えば、マスク形成温度Ｔ_Bを１０００℃とすると、高濃度不純物層形成温度Ｔ_Aはマスク形成温度Ｔ_Bより２００℃高い１２００℃とする。処理温度の選択方法については、後に詳細に説明する。
【００１９】
なお、ここでは、熱拡散により高濃度不純物層を形成する場合について述べたが、イオン注入後にアニールする方法等によって高濃度不純物層を形成する場合は、アニール温度を高濃度不純物層形成温度Ｔ_Aと考えればよい。また、不純物の拡散量、イオン注入量等については、公知のエッチストップの効果を得られる量でよく、エッチング液の選択、振動板厚等に応じて決めるものとする。その他の処理条件については、本発明の趣旨の範囲外であることから、その説明を省略する。
【００２０】
次に、ステップＳ２０２で、酸化膜等のエッチングマスクを形成するための熱処理を行う。この熱処理を行うための温度であるマスク形成温度Ｔ_Bは、上記のように高濃度不純物層形成温度Ｔ_A以下の温度で行う。例えば、上記の例で説明したように、高濃度不純物層形成温度Ｔ_Aより２００℃低い１０００℃で熱処理を行う。以下に、これらの各ステップでの熱処理温度の選択方法について述べる。
【００２１】
不純物の拡散距離Ｌは、拡散定数Ｄ、拡散時間ｔとの間に次のような関係をもつことが知られている。
【数１】

ここで、拡散係数Ｄは熱処理温度Ｔの関数であり、熱処理温度Ｔによって大幅に変化する。一般に、エッチストップ層となる高濃度ｐ＋層を形成するためのドーパントとしてホウ素が用いられる。
【００２２】
なお、ドーパントは、エッチストップの効果を得ることができれば、他のドーパントでも良い。ホウ素をドーパントとして用いる場合、熱処理温度Ｔ_Aを１２００℃から１０００℃に下げることによって、√Ｄは図３に示すように二桁近く低下する。ここで、図３は、柳井久義、永田穣、集積回路工学（Ｉ）、９１頁、コロナ社刊より引用したものである。
【００２３】
一方、再拡散による内部応力の変化は、エックス．ジェイ．ニング著、「ホウ素ドープのｐ＋シリコン膜内における残留応力分布」、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１４３巻、１０号、３３８９−３３９３頁（X. J. Ning, ”Distribution of Residual Stresses in Boron Doped p+ Silicon Films”, J. Electrochem. Soc., Vol.143, No.10, pp3389-3393）に記載の公知技術に基づいて算出できる。
【００２４】
高濃度不純物層形成のために約１２００℃で４時間ホウ素を所望の振動板厚まで拡散して不純物濃度を約１０²⁰/ｃｍ³とした後に、複数の温度下で同一の厚さの酸化膜を得るための熱処理を行った場合に、シリコン基板中に生じる内部応力の深度依存性の計算結果を図５に示す。計算に用いた熱処理温度は、９００℃、１０００℃、および１１００℃である。ここで、エッチストップとして有効な拡散深さは３μｍとした。
【００２５】
図５において、縦軸は、引っ張り応力を正、圧縮応力を負として表した応力であり、横軸は、拡散面を０としたときの深度である。ここで、振動板厚まで深さ方向に応力を積分した値が振動板にかかる応力と考えられ、この応力の積分値が負の場合、振動板は圧縮応力が優勢となり座屈してしまう。そのため、応力の観点からは熱処理温度は低ければ低いほど良く、図５に示す結果から、座屈を防止するためには、約１０００℃が熱処理温度の上限であることが分かる。
【００２６】
ここで、圧縮応力による振動板の座屈を避けることを優先して熱処理温度を下げると、熱処理にかかる時間は増大する。しかしながら、例えば、熱処理温度１２００℃と１０００℃とで同じ厚さの酸化膜を得るために必要な時間は、図４に示すように数倍程度の差しかなく、熱処理温度を１２００℃から１０００℃に下げて酸化した場合の熱処理では、拡散係数Ｄが小さくなる効果が支配的である。ここで、図４は、柳井久義、永田穣、集積回路工学（Ｉ）、７４頁、コロナ社刊より引用したものである。
【００２７】
１１００℃および１０００℃のマスク形成温度で熱処理した試料の断面形状を、それぞれ図７（ａ）、（ｂ）に示す。これは、共焦点レーザ顕微鏡を用いて振動板中央部の断面形状を測定して得られたものである。なお、この図７において見られる細かい凹凸は、測定上のノイズである。
【００２８】
図７（ａ）から、マスク形成温度Ｔ_Bが１１００℃の振動板では、約１３μｍと大きな座屈を生じていることが認められるのに対し、図７（ｂ）からは、マスク形成温度Ｔ_Bが１０００℃の振動板に座屈は認められない。このように、高濃度不純物層形成のための不純物拡散を約１２００℃の熱処理温度Ｔ_Aで行い、不純物拡散後の熱処理を約１０００℃の熱処理温度Ｔ_Bに下げて行うことにより、再拡散距離を短縮して振動板の内部応力の変化を抑制することができ、それによって振動板の座屈を防ぐことができる。
【００２９】
以上説明したように、本発明の実施の形態１に係るＩＣマイクの振動板形成方法は、マスク形成温度を高濃度不純物層の形成温度よりも低い温度にすることにより、高濃度不純物層中の不純物の再拡散を低減することができ、それによるエッチストップの効果の低下を抑制し、再拡散が原因の座屈を防ぐことができる。
また、マスク形成温度を約１０００℃以下とすることにより、振動板内に内部応力の少ないＩＣマイクを形成することができる。
【００３０】
本発明の実施の形態２に係るＩＣマイクの振動板形成方法は、マスク形成温度の低下によるマスク形成時間の増加に着目したものである。本実施の形態２に係るＩＣマイクの振動板形成方法における処理のステップは、実施の形態１において説明したものと同様であり、その説明は省略する。
【００３１】
上記実施の形態１では、マスク形成温度が約１０００℃以下の温度が不純物の再拡散および座屈の防止に効果があることを示したが、図４に示すように、マスク形成温度を低下させるとマスク形成時間が増加し、振動板形成時間の増大につながる。そのため、実際の工程においては、実用的な観点から許容しうる振動板形成時間に上限が存在する。換言すれば、許容しうるマスク形成温度には下限が存在する。
【００３２】
例えば、通常のシリコンウェハの厚さは４００μｍ前後であり、厚さ数〜数十μｍの振動板形成には、４００μｍ近い厚さの領域をエッチングすることが必要である。また、エッチングマスクに用いる酸化膜に対するシリコンのエッチング速度の比は、ＴＭＡＨで約千、ＥＰＷで数百である。このことから、シリコンウェハを４００μｍ程度エッチングするには、少なくとも０．４μｍ程度の酸化膜厚が必要である。
【００３３】
この厚さの酸化膜を熱酸化で形成するためには、図４から、マスク形成温度Ｔ_Bが９００℃では約２時間、８００℃では１０時間程度必要であることがわかる。実際のエッチングマスクは、これよりも厚くする必要があるため、実用的なマスク形成時間という観点からは、マスク形成温度Ｔ_Bの下限は約９００℃となる。
【００３４】
以上説明したように、本発明の実施の形態２に係るＩＣマイクの振動板形成方法は、マスク形成温度として約９００℃を下限とすることにより、実用的なマスク形成時間でエッチングマスクを形成し、高濃度不純物層からの再拡散を抑制できる。
【００３５】
本発明の実施の形態３に係るＩＣマイクは、実施の形態１において説明した各ステップで高濃度不純物層を形成し、エッチングマスクを形成する。ただし、マスク形成温度は、実施の形態１および実施の形態２で示した温度の範囲内、すなわち、約９００℃以上約１０００℃以下とする。
【００３６】
上記、マスク形成温度Ｔ_Bの下限は、エッチングマスクの形成時間という観点から決められた。しかしながら、センサという観点からは、シリコンと酸化膜の界面における界面電荷密度の多寡も問題となる。ここで、図６に示すように、マスク形成温度Ｔ_Bを低下させる程、シリコンと酸化膜の界面電荷密度が増大することが知られている。ここで、図６は、柳井久義、永田穣著、集積回路工学（Ｉ）、７６頁、コロナ社刊より引用したものである。
【００３７】
この界面電荷密度が多すぎると、センサと同一基板上に集積回路を組む場合に、集積回路を構成する各素子の特性をばらつかせる原因となる可能性がある。以上の観点から、本実施の形態３に係るＩＣマイク１００は、例えば、エッチング液にＴＭＡＨを用い、厚さ約３μｍの高濃度不純物層を有する面積２×２ｃｍ²の振動板を作製し、約９００℃以上約１０００℃以下の温度で約６０００Åの熱酸化膜からなるエッチングマスクを形成し、そして、酸化膜を除去して形成された振動板１を用いる。他の処理工程については、公知技術に基づいて行うことができるとともに、本発明の趣旨の範囲外であることから、その説明を省略する。
【００３８】
以上説明したように、本発明の実施の形態３に係るＩＣマイクは、マスク形成温度を約９００℃以上約１０００℃以下の範囲とすることで、振動板内に内部応力が少なく、界面電荷の少ないＩＣマイクを提供できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、マスク形成温度を高濃度不純物層の形成温度よりも低い温度にすることにより、高濃度不純物層中の不純物の再拡散を低減することができ、それによるエッチストップの効果の低下を抑制し、再拡散が原因の座屈を防ぐことが可能なＩＣマイクの振動板形成方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るＩＣマイクの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るＩＣマイクの振動板形成方法における工程を模式的に示す工程図および工程流れを示すフローチャートである。
【図３】シリコン中における温度と各元素の拡散定数との関係を示す図である。
【図４】酸化温度をパラメータにしてシリコン酸化膜の厚さと酸化時間との関係を示す図である。
【図５】熱処理温度をパラメータにして高濃度不純物層付近の領域で生じる内部応力分布の計算例を示す図である。
【図６】熱処理温度とシリコン界面における界面電荷密度との関係を示す図である。
【図７】１１００℃と１０００℃のマスク形成温度で熱処理した試料の断面形状を示す図である。
【符号の説明】
１振動板
２背電極
３接続部
４ケース
５基板
６高濃度不純物層（エッチストップ層）
７エッチングマスク
８マスク形成後の高濃度不純物層
９エッチング後に得られた振動板
１００ＩＣマイク

Claims

不純物をドープしてなる高濃度不純物層からなるエッチストップ層を所定の第１の温度下で形成するエッチストップ層形成工程と、前記エッチストップ層形成工程の後に所定の第２の温度下でエッチングマスクを形成するエッチングマスク形成工程とを備え、前記第２の温度が前記第１の温度よりも低いことを特徴とするＩＣマイクの振動板形成方法。
前記第２の温度は、１０００℃以下であることを特徴とする請求項１に記載のＩＣマイクの振動板形成方法。
前記第２の温度は、９００℃以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＩＣマイクの振動板形成方法。