JP4117450B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１の半導体層上に絶縁層を介して第２の半導体層を積層してなる積層体と前記第２の半導体層に形成され力学量の印加に応じて変位可能な可動部とを備えた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
この種の半導体装置としては、例えば、差動容量式の半導体式加速度センサとして、図４及び図５に示すものが提案されている。尚、図５は図４中の一点鎖線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３で示す各部分での断面構造を合成した状態で表現した模式的な部分断面構造を示す図である。
【０００３】
このものは、図５に示されるように、積層体として、第１の半導体層１１１上に絶縁層１１３を介して第２の半導体層１１２を積層してなるＳＯＩ基板１１０を用いたものである。
【０００４】
そして、図４に示されるように、エッチングにより第２の半導体層１１２の表面から絶縁層１１３に達するように複数の溝（トレンチ）１１４を形成することにより、力学量の印加により所定方向に変位するバネ機能を有する矩形枠状のバネ部１２２と、このバネ部１２２に連結されてバネ部１２２とともに変位可能な重錘部１２１と、この重錘部１２１に一体形成された櫛歯状の可動電極１２４を備えた可動部１２０と、この可動電極１２４の櫛歯と噛み合うように対向配置された固定電極１３２を備えた固定部１３０とを区画している。
【０００５】
このような半導体式加速度センサの製造過程において、複数のトレンチ１１４を形成した後にドライエッチングを行うと、トレンチ１１４の底部の絶縁層１１３が帯電し、この帯電によって、ドライエッチングのエッチングイオンが反発し、エッチングイオンはトレンチ１１４の深さ方向から該深さ方向と直交する横方向へ曲がり、トレンチ１１４の底部の横方向に位置する第２の半導体層１１２にエッチングイオンが当たる。
【０００６】
それにより、当該横方向に位置する第２の半導体層１１２がエッチングされて除去されるため、絶縁層１１３の表面から可動部１２０及び固定部１３０を離間させることができる。
【０００７】
そして、力学量（例えば加速度）の印加に応じて可動電極１２４が図１中の矢印Ｘ方向へ変位したとき、可動電極１２４と固定電極１３２との間隔が変化するため、両電極間の静電容量が変化し、この静電容量の変化に基づいて印加力学量が検出されるようになっている。
【０００８】
従って、力学量が印加されたときの電極間隔の変位は、バネ部１２２の動きで決定されるため、バネ部１２２の加工ばらつきを低減することが重要となってくる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体装置の製造方法において、エッチングにより複数のトレンチ１１４を形成したところ、例えばバネ部１２２と可動電極１２４を区画する第１のトレンチ１１４ａの開口幅Ｗ１よりもバネ部１２２の枠中空部（開口部）を区画する第２のトレンチ１１４ｂの開口幅Ｗ２のほうが狭いため、トレンチ１１４の開口幅が小さくなるに従ってエッチング速度が遅くなるマイクロローディング効果が発生してしまう。
【００１０】
このマイクロローディング効果は、エッチング条件によりエッチング媒体の供給量が一定であるのに対して、トレンチ１１４の開口幅が小さくなるに従って、トレンチ１１４の底部にエッチング媒体を十分に供給することができなくなることにより発生する。
【００１１】
それにより、第１のトレンチ１１４ａにはエッチング媒体が十分に供給されるのに対して、第２のトレンチ１１４ｂにはエッチング媒体の供給量が不足気味になるため、第１のトレンチ１１４ａにおけるエッチング速度に比べて、第２のトレンチ１１４ｂにおけるエッチング速度は遅くなってしまい、図６（ａ）に示されるように、第１のトレンチ１１４ａが絶縁層１１３に到達した段階には、第２のトレンチ１１４ｂは絶縁層１１３に到達していないことが考えられる。
【００１２】
そこで、通常は、トレンチエッチングの全体のエッチング時間として、最も開口幅の狭い第２のトレンチ１１４ｂが絶縁層１１３に到達するまでのエッチング時間が設定されているが、このような方法を用いると、図６（ｂ）に示されるように、第２のトレンチ１１４ｂが絶縁層１１３に到達した段階でエッチングを終了した際には、第１のトレンチ１１４ａでは、オーバーエッチングによりその底部がサイドエッチングされるノッチ現象が発生してしまう。
【００１３】
このノッチ現象は、第２のトレンチ１１４ｂが絶縁層１１３に到達すると、第２のトレンチ１１４ｂの底部の絶縁層１１３が帯電し、この帯電によってエッチングイオンが反発し、この反発したエッチングイオンが第２のトレンチ１１４ｂの深さ方向と直交する横方向へ曲がり、第２の半導体層１１２がエッチングされて除去されることにより発生する。
【００１４】
そして、図６（ｃ）に示されるように、トレンチ１１４を形成した後にドライエッチングを行い、トレンチ１１４の深さ方向から該深さ方向と直交する横方向に位置する第２の半導体層１１２を除去して、バネ部１２２及び可動電極１２４及び固定電極１３２を第２の半導体層１１２から離間させると、開口幅の広い第１のトレンチ１１４ａは、図６（ｂ）に示すノッチ現象の発生により予め第２の半導体層１１２が除去されているため、バネ部１２２における枠中空部側と可動電極１２４とで、トレンチ角度や絶縁層１１３との間隔が大きくばらついてしまう。
【００１５】
このようなバネ部１２２の加工ばらつきが発生すると、均一なバネ機能が得られず、均一なセンサ特性を得ることができなくなってしまう。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、上記問題点に鑑み、第１の半導体層上に絶縁層を介して第２の半導体層を積層してなる積層体と前記第２の半導体層に形成され力学量の印加に応じて変位可能な可動部とを備えた半導体装置の製造方法において、可動部の加工ばらつきを低減することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法は、第１の半導体層上に絶縁層を介して第２の半導体層を積層してなる積層体と、第２の半導体層に形成され力学量の印加に応じて変位可能な可動部とを備えた半導体装置の製造方法において、積層体を用意し、可動部を画定するための開口幅が広い第１のトレンチと前記第１のトレンチに比して開口幅が狭い第２のトレンチとを、第２の半導体層の表面から絶縁層に達するように、前記絶縁層の表面が帯電しないエッチング条件で前記第２のトレンチが前記絶縁層に達するまでの時間エッチングを行うトレンチ形成工程と、トレンチ形成工程を実行した後に、トレンチの底部の絶縁層の表面が帯電するエッチング条件でエッチングを行い、エッチングのイオンをトレンチの底部の横方向に位置する第２の半導体層へ当てて当該横方向に位置する第２の半導体層を除去することにより、可動部を形成する可動部形成工程とを備えたことを特徴としている。
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、トレンチ形成工程において、開口幅の狭い第２のトレンチが絶縁層に達するまでのエッチング時間を、トレンチエッチングの全体のエッチング時間に設定したとしても、トレンチ形成工程は絶縁層の表面が帯電しないエッチング条件でエッチングを行っているため、開口幅の広い第１のトレンチにおいて、その底部がサイドエッチングされるノッチ現象の発生を防止することができる。
【００１９】
それにより、トレンチ形成工程後に、絶縁層の表面が帯電するエッチング条件でエッチングを行い、可動部を形成する可動部形成工程を行ったとしても、可動部におけるトレンチ角度や絶縁層との間隔がばらつくことはない。
【００２０】
よって、可動部の加工ばらつきを低減することができ、均一なバネ機能を得ることができるため、安定したセンサ特性を発揮することができる。
【００２１】
尚、上記トレンチ形成工程は、全く絶縁層の表面が帯電しないエッチング条件でなくとも、少なくとも、可動部にノッチ現象が発生しない程度のエッチング条件にすればよいものである。
【００２６】
尚、絶縁層の表面が帯電しない条件で行うエッチングは、請求項２に記載のように、低周波ＲＦ電源を用いたパルス発振によって実現することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本実施形態は、半導体装置として、差動容量式の半導体式加速度センサについて本発明を適用したものである。
【００２８】
図１は本実施形態の半導体式加速度センサＳ１の全体平面構造を示し、図２は図１中の一点鎖線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３で示す各部分での断面構造を合成した状態で表現した模式的な部分断面構造を示す図である。
【００２９】
この半導体式加速度センサＳ１は、例えば、エアバック、ＡＢＳ、ＶＳＣなどの作動制御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセンサなどに適用することができる。
【００３０】
半導体式加速度センサＳ１を構成する積層体は、図２に示されるように、第１の半導体層としての第１のシリコン層１１の上に絶縁層としての酸化膜１３を介して第２の半導体層としての第２のシリコン層１２を積層してなる矩形状のＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１０である。
【００３１】
また、図１に示されるように、第２のシリコン層１２には、トレンチ（溝）１４を形成することにより、可動部２０及び固定部３０、４０よりなる櫛歯形状を有する梁構造体が形成されている。
【００３２】
可動部２０は、矩形状の重錘部２１と重錘部２１の両端に形成されたバネ部２２とで構成されており、このバネ部２２を介してアンカー部２３ａ及び２３ｂに一体に連結されている。
【００３３】
ここで、アンカー部２３ａ及び２３ｂは、その直下に位置する酸化膜１３に固定されており（図２参照）、両アンカー部２３ａ及び２３ｂの間に位置する可動部２０（重錘部２１及びバネ部２２）は、その直下に位置する酸化膜１３から離れて位置している。
【００３４】
つまり、可動部２０は、酸化膜１３に固定されたアンカー部２３ａ及び２３ｂの間にて、重錘部２１及びバネ部２２が酸化膜１３上に懸架された形となっている。
【００３５】
また、バネ部２２は、２本の梁がその両端で連結された矩形形状をなしており、梁の長手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有する。
【００３６】
そして、このバネ部２２は、図１中の矢印Ｘ方向の成分を含む加速度を受けたときに重錘部２１を矢印Ｘ方向へ変位させるとともに、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。
【００３７】
このように、可動部２０は、アンカー部２３ａ及び２３ｂを固定点として、加速度の印加に応じて上記矢印Ｘ方向へ変位可能になっている。
【００３８】
また、重錘部２１は、バネ部２２の変位方向（矢印Ｘ方向）と直交した方向にて、重錘部２１の両側面から互いに反対方向へ一体的に櫛歯状に突出する複数個の可動電極２４を備えている。尚、図１では、可動電極２４は、重錘部２１の左側及び右側に各々３個ずつ突出して形成されている。
【００３９】
また、各可動電極２４は断面矩形の梁状に形成されており、酸化膜１３から離れて（例えば、数μｍ程度）位置している（図２参照）。
【００４０】
このように、各可動電極２４は可動部２０の一部として、バネ部２２及び重錘部２１と一体的に形成され、重錘部２１とともにバネ部２２の変位方向へ変位可能となっている。
【００４１】
また、固定部３０、４０は、酸化膜１３における対向辺部のうち、アンカー部２３ａ及び２３ｂが支持されていないもう１組の対向辺部に支持されている。
【００４２】
ここで、固定部３０、４０は、重錘部２１を挟んで２個設けられており、図１中の左側に位置する第１の固定部３０と、図１中の右側に位置する第２の固定部４０とよりなり、両固定部３０、４０は互いに電気的に独立している。
【００４３】
各固定部３０、４０は、配線部３１及び４１と固定電極３２及び４２とを有した構成となっている。尚、配線部３１及び４１は、それぞれ、その直下に位置する酸化膜１３に固定されて第１のシリコン層１１に支持されている。
【００４４】
固定電極３２及び４２は、バネ部の変位方向（矢印Ｘ方向）と直交した方向にて、各配線部３１、４１の側面から重錘部２１に向かって櫛歯状に突出し、可動電極２４の櫛歯と噛み合うように配置されている。尚、図１では、各固定電極３２、４２は、各配線部３１、４１と一体的に３個ずつ設けられている。
【００４５】
個々の固定電極３２及び４２は、断面矩形の梁状に形成されており、配線部３１及び４１に片持ち支持された状態で酸化膜１３から離れて（例えば、数μｍ程度）位置している（図２参照）。
【００４６】
そして、個々の固定電極３２及び４２は、その側面が対応する個々の可動電極２４の側面と所定の検出間隔を有して平行した状態で対向して配置されている。
【００４７】
また、各固定部３０、４０の各配線部３１、４１上の所定領域には、それぞれワイヤボンディング用の固定電極パッド３１ａ及び４１ａが形成されており、一方のアンカー部２３ｂ上の所定領域には、ワイヤボンディング用の可動電極パッド２０ａが形成されている。尚、上記各電極パッド２０ａ、３１ａ、４１ａは、例えばアルミニウムにより形成されている。
【００４８】
また、図示しないが、本実施形態の半導体式加速度センサＳ１は、第１のシリコン層１１の裏面（酸化膜１３と反対側の面）側において、接着剤などを介してパッケージに固定されている。
【００４９】
このパッケージには、回路手段が収納されており、この回路手段と上記の各電極パッド２０ａ、３１ａ、４１ａとは、金もしくはアルミニウムのワイヤボンディングなどにより電気的に接続されている。
【００５０】
このような構成において、第１の固定部３０側の固定電極３２を第１の固定電極、第２の固定部４０側の固定電極３４２を第２の固定電極とすると、第１の固定電極３２と可動電極２４との検出間隔に第１の容量ＣＳ１、第２の固定電極４２と可動電極２４との検出間隔に第２の容量ＣＳ２が形成されている。
【００５１】
そして、半導体式加速度センサＳ１に加速度が印加されると、バネ部２２のバネ機能により、アンカー部２３ａ及び２３ｂを支点として可動部２０全体が一体的に矢印Ｘ方向へ変位し、可動電極２４の変位に応じて上記検出間隔が変化し上記各容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。
【００５２】
そして、可動電極２４と固定電極３２、４２による差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）の変化に基づいて印加加速度を検出するようになっている。
【００５３】
次に、図３を参照して、本実施形態の半導体式加速度センサＳ１の製造方法について説明する。尚、この図３は、上記図２に対応した模式的断面にて、本製造途中でのワークの状態を示す工程説明図である。
【００５４】
まず、図３（ａ）に示されるように、第１のシリコン層（第１の半導体層）１１の上に酸化膜（絶縁層）１３を介して第２のシリコン層（第２の半導体層）１２を積層してなるＳＯＩ基板（積層体）１０を用意する。
【００５５】
このＳＯＩ基板１０は、例えば、第１のシリコン層１１及び第２のシリコン層１２として表面の面方位が（１００）面のシリコン単結晶を使用し、両シリコン層１１、１２が、膜厚１μｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）よりなる酸化膜１３を介して貼り合わされたものを採用することができる。
【００５６】
さらに、Ａｌ（アルミニウム）を例えば１μｍ程度蒸着し、フォト、エッチングを行い信号取り出しのための電極パッド２０ａ、３１ａ、４１ａを形成する。尚、図３（ａ）中に電極パッド２０ａは図示されていない。
【００５７】
続いて、図３（ｂ）に示されるように、酸化膜１３の表面が帯電しないエッチング条件でエッチングを行い、開口幅の広い第１のトレンチ（バネ部２２と可動電極２４を画定するトレンチ）１４ａを、第２のシリコン層１２の表面から酸化膜１３に達するように形成し、さらに、図３（ｃ）に示されるように、同様なエッチング条件でエッチングを行い、最も開口幅の狭い第２のトレンチ（バネ部２２の枠中空部を画定するトレンチ）１４ｂを、第２のシリコン層１２の表面から酸化膜１３に達するように形成する（トレンチ形成工程）。尚、この酸化膜１３の表面が帯電しないエッチング条件で行うエッチングは、低周波ＲＦ電源を用いたパルス発振によって実現することができる。
【００５８】
それにより、可動部２０及び固定部３０、４０を画定するためのトレンチ１４を、第２のシリコン層１２の表面から酸化膜１３に達するように形成することができる。
【００５９】
具体的に説明すると、第２のシリコン層１２の表面に、櫛歯形状を有する梁構造体２０、３０、４０に対応したパターンを形成するマスク材５０を、フォトリソグラフ技術を用いてレジストなどにより形成し、プラズマエッチングなどのドライエッチングにより垂直に酸化膜１３までトレンチ形状を形成する。
【００６０】
ドライエッチングとしては、ＣＦ4やＳＦ6などのエッチングガスを用いたＩＣＰ（誘電結合型プラズマ）や、上記と同様なエッチングガスを用いたＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）などのエッチング方法を採用することができる。
【００６１】
続いて、図３（ｄ）に示されるように、上記トレンチ形成工程の後、トレンチ１４の底部の酸化膜１３の表面が帯電するエッチング条件でエッチングを行い、可動電極２４を含む重錘部２１及びバネ部２２が酸化膜１３からリリースされた可動部２０を形成する（可動部形成工程）。尚、この酸化膜１３の表面が帯電するエッチング条件で行うエッチングは、高周波ＲＦ電源を用いた連続発振によって実現することができる。
【００６２】
また、この可動部形成工程では、固定部３０、４０のうち固定電極３２、４２が酸化膜１３からリリースされる。
【００６３】
尚、図３（ｄ）には、可動部２０のうちの可動電極２４、アンカー部２３ｂ、バネ部２２、固定部３０、４０のうちの配線部３１、４１及び第２の固定電極４２が示されている。
【００６４】
この可動部形成工程のドライエッチングにより、エッチングイオン（ＣＦ4やＳＦ6などがプラズマ化したもの）によって、トレンチ１４の底部の酸化膜１３表面が帯電する（通常は正に帯電する）。
【００６５】
すると、帯電した酸化膜１３表面でエッチングイオンが反発力を受けて、図３（ｃ）中の矢印Ｙ方向に示されるように、横方向に曲げられる。
【００６６】
それにより、図３（ｄ）に示されるように、エッチングイオンがトレンチ１４の底部の横方向（矢印Ｙ方向）に位置する第２のシリコン層１２へ当たり、この横方向（矢印Ｙ方向）に位置する第２のシリコン層１２がエッチングされて除去される。
【００６７】
そして、酸化膜１３から浮いた状態の可動部２０及び固定電極３２、４２が形成され、その後、マスク材５０を除去することによって、上記図１及び図２に示されるような半導体式加速度センサＳ１が完成する。
【００６８】
このように、本実施形態では、トレンチ形成工程は酸化膜１３の表面を帯電させないエッチング条件でエッチングを行い、可動部形成工程は酸化膜１３の表面を帯電させるエッチング条件でエッチングを行うことを特徴としている。
【００６９】
それによって、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示されるようなトレンチ形成工程において、最も開口幅の狭い第２のトレンチ１４ｂが酸化膜１３に達するまでのエッチング時間を、トレンチエッチングの全体のエッチング時間に設定したとしても、トレンチ形成工程は酸化膜１３の表面が帯電しないエッチング条件でエッチングを行っているため、開口幅の広い第１のトレンチ１４ａにおいて、その底部がサイドエッチングされるノッチ現象の発生を防止することができる。
【００７０】
その結果、図３（ｄ）に示されるように、トレンチ形成工程後に、酸化膜１３の表面が帯電するエッチング条件でエッチングを行い、可動電極２４を含む重錘部２１及びバネ部２２及び固定電極３２、４２を酸化膜１３からリリースする可動部形成工程を行ったとしても、バネ部２２における枠中空部側と可動電極２４とで、トレンチ角度や酸化膜１３との間隔がばらつくことはない。
【００７１】
よって、バネ部２２の加工ばらつきを低減することができ、均一なバネ機能を得ることができるため、安定したセンサ特性を発揮することができる。
【００７２】
尚、上記トレンチ形成工程は、全く酸化膜１３の表面が帯電しないエッチング条件でなくとも、少なくとも、バネ部２２にノッチ現象が発生しない程度のエッチング条件にすればよいものである。
【００７３】
ここで、上記トレンチ形成工程における酸化膜１３の表面が帯電しないエッチング条件及び上記可動部形成工程における酸化膜１３の表面が帯電するエッチング条件については、米国特許第６，１８７，６８５号に記載の方法を用いることができる。この公報に記載の内容を以下に示す。
【００７４】
まず、エッチング時に印加される周波数を５ＭＨｚ以上、望ましくは１０ＭＨｚ以上に設定した場合、ドライエッチングの際に供給されるエッチングイオンと電子のうち、帯電を中和させる電子は電界方向に追従して進行方向が変化するが、エッチングイオンの進行方向は変化しないため、トレンチ底部には電子よりもエッチングイオンが多量に供給され、酸化膜の表面を帯電させることができる。
【００７５】
そして、エッチング時に印加される周波数を５ＭＨｚ以下に設定した場合、電子の進行方向だけでなく、エッチングイオンの進行方向も電界方向に追従して変化するため、トレンチ底部にはエッチングイオンと電子がほぼ同量供給され、この供給された電子により酸化膜の表面の帯電を緩和することができる。尚、この酸化膜の表面の帯電を緩和するエッチングは、低周波ＲＦ電源を用いたパルス発振によって実現している。
【００７６】
よって、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すトレンチ形成工程においては、エッチング時に印加される周波数を５ＭＨｚ以下に設定すると、酸化膜１３の表面が帯電しないエッチングを実現することができ、図３（ｄ）に示す可動部形成工程においては、エッチング時に印加される周波数を５ＭＨｚ以上、望ましくは１０Ｈｚ以上に設定すると、酸化膜１３の表面が帯電するエッチングを実現することができる。
【００７７】
尚、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な態様に適用可能である。
【００７８】
例えば、上記実施形態では、本発明を加速度センサに適用したが、これに限られるものではなく、角速度センサや圧力センサなどの半導体装置に適用することができる。
【００７９】
また、固定電極３２、４２は、酸化膜１３からリリースされず酸化膜１３とつながった状態でも良い。例えば、固定電極３２、４２における梁の幅を可動電極２４よりも広くして、可動部工程のドライエッチング終了時に、固定電極に酸化膜１３と接続された残し部を形成されるようにすれば良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体式加速度センサの全体平面構成を示す図である。
【図２】図１に示す半導体式加速度センサの模式的な部分断面図である。
【図３】（ａ）から（ｄ）は、本発明の一実施形態の半導体式加速度センサの製造方法を示す工程説明図である。
【図４】従来の半導体式加速度センサの全体平面構成を示す図である。
【図５】図４に示す半導体式加速度センサの模式的な部分断面図である。
【図６】（ａ）から（ｃ）は、従来の半導体式加速度センサの製造方法を示す工程説明図である。
【符号の説明】
Ｓ１…半導体式加速度センサ、
１０…ＳＯＩ基板（積層体）、
１１…第１のシリコン層（第１の半導体層）、
１２…第２のシリコン層（第２の半導体層）、
１３…酸化膜（絶縁層）、
１４…トレンチ、
１４ａ…第１のトレンチ、
１４ｂ…第２のトレンチ、
２０…可動部、
２０ａ…可動電極パッド、
２１…重錘部、
２２…バネ部、
２３ａ、２３ｂ…アンカー部、
２４…可動電極、
３０…第１の固定部、
３１、４１…配線部、
３１ａ、４１ａ…固定電極パッド、
３２…第１の固定電極、
４０…第２の固定部、
４２…第２の固定電極、
５０…マスク材、
ＣＳ１…第１の容量、
ＣＳ２…第２の容量。
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１の半導体層上に絶縁層を介して第２の半導体層を積層してなる積層体と前記第２の半導体層に形成され力学量の印加に応じて変位可能な可動部とを備えた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
この種の半導体装置としては、例えば、差動容量式の半導体式加速度センサとして、図４及び図５に示すものが提案されている。尚、図５は図４中の一点鎖線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３で示す各部分での断面構造を合成した状態で表現した模式的な部分断面構造を示す図である。
【０００３】
このものは、図５に示されるように、積層体として、第１の半導体層１１１上に絶縁層１１３を介して第２の半導体層１１２を積層してなるＳＯＩ基板１１０を用いたものである。
【０００４】
そして、図４に示されるように、エッチングにより第２の半導体層１１２の表面から絶縁層１１３に達するように複数の溝（トレンチ）１１４を形成することにより、力学量の印加により所定方向に変位するバネ機能を有する矩形枠状のバネ部１２２と、このバネ部１２２に連結されてバネ部１２２とともに変位可能な重錘部１２１と、この重錘部１２１に一体形成された櫛歯状の可動電極１２４を備えた可動部１２０と、この可動電極１２４の櫛歯と噛み合うように対向配置された固定電極１３２を備えた固定部１３０とを区画している。
【０００５】
このような半導体式加速度センサの製造過程において、複数のトレンチ１１４を形成した後にドライエッチングを行うと、トレンチ１１４の底部の絶縁層１１３が帯電し、この帯電によって、ドライエッチングのエッチングイオンが反発し、エッチングイオンはトレンチ１１４の深さ方向から該深さ方向と直交する横方向へ曲がり、トレンチ１１４の底部の横方向に位置する第２の半導体層１１２にエッチングイオンが当たる。
【０００６】
それにより、当該横方向に位置する第２の半導体層１１２がエッチングされて除去されるため、絶縁層１１３の表面から可動部１２０及び固定部１３０を離間させることができる。
【０００７】
そして、力学量（例えば加速度）の印加に応じて可動電極１２４が図１中の矢印Ｘ方向へ変位したとき、可動電極１２４と固定電極１３２との間隔が変化するため、両電極間の静電容量が変化し、この静電容量の変化に基づいて印加力学量が検出されるようになっている。
【０００８】
従って、力学量が印加されたときの電極間隔の変位は、バネ部１２２の動きで決定されるため、バネ部１２２の加工ばらつきを低減することが重要となってくる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体装置の製造方法において、エッチングにより複数のトレンチ１１４を形成したところ、例えばバネ部１２２と可動電極１２４を区画する第１のトレンチ１１４ａの開口幅Ｗ１よりもバネ部１２２の枠中空部（開口部）を区画する第２のトレンチ１１４ｂの開口幅Ｗ２のほうが狭いため、トレンチ１１４の開口幅が小さくなるに従ってエッチング速度が遅くなるマイクロローディング効果が発生してしまう。
【００１０】
このマイクロローディング効果は、エッチング条件によりエッチング媒体の供給量が一定であるのに対して、トレンチ１１４の開口幅が小さくなるに従って、トレンチ１１４の底部にエッチング媒体を十分に供給することができなくなることにより発生する。
【００１１】
それにより、第１のトレンチ１１４ａにはエッチング媒体が十分に供給されるのに対して、第２のトレンチ１１４ｂにはエッチング媒体の供給量が不足気味になるため、第１のトレンチ１１４ａにおけるエッチング速度に比べて、第２のトレンチ１１４ｂにおけるエッチング速度は遅くなってしまい、図６（ａ）に示されるように、第１のトレンチ１１４ａが絶縁層１１３に到達した段階には、第２のトレンチ１１４ｂは絶縁層１１３に到達していないことが考えられる。
【００１２】
そこで、通常は、トレンチエッチングの全体のエッチング時間として、最も開口幅の狭い第２のトレンチ１１４ｂが絶縁層１１３に到達するまでのエッチング時間が設定されているが、このような方法を用いると、図６（ｂ）に示されるように、第２のトレンチ１１４ｂが絶縁層１１３に到達した段階でエッチングを終了した際には、第１のトレンチ１１４ａでは、オーバーエッチングによりその底部がサイドエッチングされるノッチ現象が発生してしまう。
【００１３】
このノッチ現象は、第２のトレンチ１１４ｂが絶縁層１１３に到達すると、第２のトレンチ１１４ｂの底部の絶縁層１１３が帯電し、この帯電によってエッチングイオンが反発し、この反発したエッチングイオンが第２のトレンチ１１４ｂの深さ方向と直交する横方向へ曲がり、第２の半導体層１１２がエッチングされて除去されることにより発生する。
【００１４】
そして、図６（ｃ）に示されるように、トレンチ１１４を形成した後にドライエッチングを行い、トレンチ１１４の深さ方向から該深さ方向と直交する横方向に位置する第２の半導体層１１２を除去して、バネ部１２２及び可動電極１２４及び固定電極１３２を第２の半導体層１１２から離間させると、開口幅の広い第１のトレンチ１１４ａは、図６（ｂ）に示すノッチ現象の発生により予め第２の半導体層１１２が除去されているため、バネ部１２２における枠中空部側と可動電極１２４とで、トレンチ角度や絶縁層１１３との間隔が大きくばらついてしまう。
【００１５】
このようなバネ部１２２の加工ばらつきが発生すると、均一なバネ機能が得られず、均一なセンサ特性を得ることができなくなってしまう。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、上記問題点に鑑み、第１の半導体層上に絶縁層を介して第２の半導体層を積層してなる積層体と前記第２の半導体層に形成され力学量の印加に応じて変位可能な可動部とを備えた半導体装置の製造方法において、可動部の加工ばらつきを低減することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法は、第１の半導体層上に絶縁層を介して第２の半導体層を積層してなる積層体と、第２の半導体層に形成され力学量の印加に応じて変位可能な可動部とを備えた半導体装置の製造方法において、積層体を用意し、可動部を画定するための開口幅が広い第１のトレンチと前記第１のトレンチに比して開口幅が狭い第２のトレンチとを、第２の半導体層の表面から絶縁層に達するように、前記絶縁層の表面が帯電しないエッチング条件で前記第２のトレンチが前記絶縁層に達するまでの時間エッチングを行うトレンチ形成工程と、トレンチ形成工程を実行した後に、トレンチの底部の絶縁層の表面が帯電するエッチング条件でエッチングを行い、エッチングのイオンをトレンチの底部の横方向に位置する第２の半導体層へ当てて当該横方向に位置する第２の半導体層を除去することにより、可動部を形成する可動部形成工程とを備えたことを特徴としている。
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、トレンチ形成工程において、開口幅の狭い第２のトレンチが絶縁層に達するまでのエッチング時間を、トレンチエッチングの全体のエッチング時間に設定したとしても、トレンチ形成工程は絶縁層の表面が帯電しないエッチング条件でエッチングを行っているため、開口幅の広い第１のトレンチにおいて、その底部がサイドエッチングされるノッチ現象の発生を防止することができる。
【００１９】
それにより、トレンチ形成工程後に、絶縁層の表面が帯電するエッチング条件でエッチングを行い、可動部を形成する可動部形成工程を行ったとしても、可動部におけるトレンチ角度や絶縁層との間隔がばらつくことはない。
【００２０】
よって、可動部の加工ばらつきを低減することができ、均一なバネ機能を得ることができるため、安定したセンサ特性を発揮することができる。
【００２１】
尚、上記トレンチ形成工程は、全く絶縁層の表面が帯電しないエッチング条件でなくとも、少なくとも、可動部にノッチ現象が発生しない程度のエッチング条件にすればよいものである。
【００２６】
尚、絶縁層の表面が帯電しない条件で行うエッチングは、請求項２に記載のように、低周波ＲＦ電源を用いたパルス発振によって実現することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本実施形態は、半導体装置として、差動容量式の半導体式加速度センサについて本発明を適用したものである。
【００２８】
図１は本実施形態の半導体式加速度センサＳ１の全体平面構造を示し、図２は図１中の一点鎖線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３で示す各部分での断面構造を合成した状態で表現した模式的な部分断面構造を示す図である。
【００２９】
この半導体式加速度センサＳ１は、例えば、エアバック、ＡＢＳ、ＶＳＣなどの作動制御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセンサなどに適用することができる。
【００３０】
半導体式加速度センサＳ１を構成する積層体は、図２に示されるように、第１の半導体層としての第１のシリコン層１１の上に絶縁層としての酸化膜１３を介して第２の半導体層としての第２のシリコン層１２を積層してなる矩形状のＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１０である。
【００３１】
また、図１に示されるように、第２のシリコン層１２には、トレンチ（溝）１４を形成することにより、可動部２０及び固定部３０、４０よりなる櫛歯形状を有する梁構造体が形成されている。
【００３２】
可動部２０は、矩形状の重錘部２１と重錘部２１の両端に形成されたバネ部２２とで構成されており、このバネ部２２を介してアンカー部２３ａ及び２３ｂに一体に連結されている。
【００３３】
ここで、アンカー部２３ａ及び２３ｂは、その直下に位置する酸化膜１３に固定されており（図２参照）、両アンカー部２３ａ及び２３ｂの間に位置する可動部２０（重錘部２１及びバネ部２２）は、その直下に位置する酸化膜１３から離れて位置している。
【００３４】
つまり、可動部２０は、酸化膜１３に固定されたアンカー部２３ａ及び２３ｂの間にて、重錘部２１及びバネ部２２が酸化膜１３上に懸架された形となっている。
【００３５】
また、バネ部２２は、２本の梁がその両端で連結された矩形形状をなしており、梁の長手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有する。
【００３６】
そして、このバネ部２２は、図１中の矢印Ｘ方向の成分を含む加速度を受けたときに重錘部２１を矢印Ｘ方向へ変位させるとともに、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。
【００３７】
このように、可動部２０は、アンカー部２３ａ及び２３ｂを固定点として、加速度の印加に応じて上記矢印Ｘ方向へ変位可能になっている。
【００３８】
また、重錘部２１は、バネ部２２の変位方向（矢印Ｘ方向）と直交した方向にて、重錘部２１の両側面から互いに反対方向へ一体的に櫛歯状に突出する複数個の可動電極２４を備えている。尚、図１では、可動電極２４は、重錘部２１の左側及び右側に各々３個ずつ突出して形成されている。
【００３９】
また、各可動電極２４は断面矩形の梁状に形成されており、酸化膜１３から離れて（例えば、数μｍ程度）位置している（図２参照）。
【００４０】
このように、各可動電極２４は可動部２０の一部として、バネ部２２及び重錘部２１と一体的に形成され、重錘部２１とともにバネ部２２の変位方向へ変位可能となっている。
【００４１】
また、固定部３０、４０は、酸化膜１３における対向辺部のうち、アンカー部２３ａ及び２３ｂが支持されていないもう１組の対向辺部に支持されている。
【００４２】
ここで、固定部３０、４０は、重錘部２１を挟んで２個設けられており、図１中の左側に位置する第１の固定部３０と、図１中の右側に位置する第２の固定部４０とよりなり、両固定部３０、４０は互いに電気的に独立している。
【００４３】
各固定部３０、４０は、配線部３１及び４１と固定電極３２及び４２とを有した構成となっている。尚、配線部３１及び４１は、それぞれ、その直下に位置する酸化膜１３に固定されて第１のシリコン層１１に支持されている。
【００４４】
固定電極３２及び４２は、バネ部の変位方向（矢印Ｘ方向）と直交した方向にて、各配線部３１、４１の側面から重錘部２１に向かって櫛歯状に突出し、可動電極２４の櫛歯と噛み合うように配置されている。尚、図１では、各固定電極３２、４２は、各配線部３１、４１と一体的に３個ずつ設けられている。
【００４５】
個々の固定電極３２及び４２は、断面矩形の梁状に形成されており、配線部３１及び４１に片持ち支持された状態で酸化膜１３から離れて（例えば、数μｍ程度）位置している（図２参照）。
【００４６】
そして、個々の固定電極３２及び４２は、その側面が対応する個々の可動電極２４の側面と所定の検出間隔を有して平行した状態で対向して配置されている。
【００４７】
また、各固定部３０、４０の各配線部３１、４１上の所定領域には、それぞれワイヤボンディング用の固定電極パッド３１ａ及び４１ａが形成されており、一方のアンカー部２３ｂ上の所定領域には、ワイヤボンディング用の可動電極パッド２０ａが形成されている。尚、上記各電極パッド２０ａ、３１ａ、４１ａは、例えばアルミニウムにより形成されている。
【００４８】
また、図示しないが、本実施形態の半導体式加速度センサＳ１は、第１のシリコン層１１の裏面（酸化膜１３と反対側の面）側において、接着剤などを介してパッケージに固定されている。
【００４９】
このパッケージには、回路手段が収納されており、この回路手段と上記の各電極パッド２０ａ、３１ａ、４１ａとは、金もしくはアルミニウムのワイヤボンディングなどにより電気的に接続されている。
【００５０】
このような構成において、第１の固定部３０側の固定電極３２を第１の固定電極、第２の固定部４０側の固定電極３４２を第２の固定電極とすると、第１の固定電極３２と可動電極２４との検出間隔に第１の容量ＣＳ１、第２の固定電極４２と可動電極２４との検出間隔に第２の容量ＣＳ２が形成されている。
【００５１】
そして、半導体式加速度センサＳ１に加速度が印加されると、バネ部２２のバネ機能により、アンカー部２３ａ及び２３ｂを支点として可動部２０全体が一体的に矢印Ｘ方向へ変位し、可動電極２４の変位に応じて上記検出間隔が変化し上記各容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。
【００５２】
そして、可動電極２４と固定電極３２、４２による差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）の変化に基づいて印加加速度を検出するようになっている。
【００５３】
次に、図３を参照して、本実施形態の半導体式加速度センサＳ１の製造方法について説明する。尚、この図３は、上記図２に対応した模式的断面にて、本製造途中でのワークの状態を示す工程説明図である。
【００５４】
まず、図３（ａ）に示されるように、第１のシリコン層（第１の半導体層）１１の上に酸化膜（絶縁層）１３を介して第２のシリコン層（第２の半導体層）１２を積層してなるＳＯＩ基板（積層体）１０を用意する。
【００５５】
このＳＯＩ基板１０は、例えば、第１のシリコン層１１及び第２のシリコン層１２として表面の面方位が（１００）面のシリコン単結晶を使用し、両シリコン層１１、１２が、膜厚１μｍ程度のシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）よりなる酸化膜１３を介して貼り合わされたものを採用することができる。
【００５６】
さらに、Ａｌ（アルミニウム）を例えば１μｍ程度蒸着し、フォト、エッチングを行い信号取り出しのための電極パッド２０ａ、３１ａ、４１ａを形成する。尚、図３（ａ）中に電極パッド２０ａは図示されていない。
【００５７】
続いて、図３（ｂ）に示されるように、酸化膜１３の表面が帯電しないエッチング条件でエッチングを行い、開口幅の広い第１のトレンチ（バネ部２２と可動電極２４を画定するトレンチ）１４ａを、第２のシリコン層１２の表面から酸化膜１３に達するように形成し、さらに、図３（ｃ）に示されるように、同様なエッチング条件でエッチングを行い、最も開口幅の狭い第２のトレンチ（バネ部２２の枠中空部を画定するトレンチ）１４ｂを、第２のシリコン層１２の表面から酸化膜１３に達するように形成する（トレンチ形成工程）。尚、この酸化膜１３の表面が帯電しないエッチング条件で行うエッチングは、低周波ＲＦ電源を用いたパルス発振によって実現することができる。
【００５８】
それにより、可動部２０及び固定部３０、４０を画定するためのトレンチ１４を、第２のシリコン層１２の表面から酸化膜１３に達するように形成することができる。
【００５９】
具体的に説明すると、第２のシリコン層１２の表面に、櫛歯形状を有する梁構造体２０、３０、４０に対応したパターンを形成するマスク材５０を、フォトリソグラフ技術を用いてレジストなどにより形成し、プラズマエッチングなどのドライエッチングにより垂直に酸化膜１３までトレンチ形状を形成する。
【００６０】
ドライエッチングとしては、ＣＦ4やＳＦ6などのエッチングガスを用いたＩＣＰ（誘電結合型プラズマ）や、上記と同様なエッチングガスを用いたＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）などのエッチング方法を採用することができる。
【００６１】
続いて、図３（ｄ）に示されるように、上記トレンチ形成工程の後、トレンチ１４の底部の酸化膜１３の表面が帯電するエッチング条件でエッチングを行い、可動電極２４を含む重錘部２１及びバネ部２２が酸化膜１３からリリースされた可動部２０を形成する（可動部形成工程）。尚、この酸化膜１３の表面が帯電するエッチング条件で行うエッチングは、高周波ＲＦ電源を用いた連続発振によって実現することができる。
【００６２】
また、この可動部形成工程では、固定部３０、４０のうち固定電極３２、４２が酸化膜１３からリリースされる。
【００６３】
尚、図３（ｄ）には、可動部２０のうちの可動電極２４、アンカー部２３ｂ、バネ部２２、固定部３０、４０のうちの配線部３１、４１及び第２の固定電極４２が示されている。
【００６４】
この可動部形成工程のドライエッチングにより、エッチングイオン（ＣＦ4やＳＦ6などがプラズマ化したもの）によって、トレンチ１４の底部の酸化膜１３表面が帯電する（通常は正に帯電する）。
【００６５】
すると、帯電した酸化膜１３表面でエッチングイオンが反発力を受けて、図３（ｃ）中の矢印Ｙ方向に示されるように、横方向に曲げられる。
【００６６】
それにより、図３（ｄ）に示されるように、エッチングイオンがトレンチ１４の底部の横方向（矢印Ｙ方向）に位置する第２のシリコン層１２へ当たり、この横方向（矢印Ｙ方向）に位置する第２のシリコン層１２がエッチングされて除去される。
【００６７】
そして、酸化膜１３から浮いた状態の可動部２０及び固定電極３２、４２が形成され、その後、マスク材５０を除去することによって、上記図１及び図２に示されるような半導体式加速度センサＳ１が完成する。
【００６８】
このように、本実施形態では、トレンチ形成工程は酸化膜１３の表面を帯電させないエッチング条件でエッチングを行い、可動部形成工程は酸化膜１３の表面を帯電させるエッチング条件でエッチングを行うことを特徴としている。
【００６９】
それによって、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示されるようなトレンチ形成工程において、最も開口幅の狭い第２のトレンチ１４ｂが酸化膜１３に達するまでのエッチング時間を、トレンチエッチングの全体のエッチング時間に設定したとしても、トレンチ形成工程は酸化膜１３の表面が帯電しないエッチング条件でエッチングを行っているため、開口幅の広い第１のトレンチ１４ａにおいて、その底部がサイドエッチングされるノッチ現象の発生を防止することができる。
【００７０】
その結果、図３（ｄ）に示されるように、トレンチ形成工程後に、酸化膜１３の表面が帯電するエッチング条件でエッチングを行い、可動電極２４を含む重錘部２１及びバネ部２２及び固定電極３２、４２を酸化膜１３からリリースする可動部形成工程を行ったとしても、バネ部２２における枠中空部側と可動電極２４とで、トレンチ角度や酸化膜１３との間隔がばらつくことはない。
【００７１】
よって、バネ部２２の加工ばらつきを低減することができ、均一なバネ機能を得ることができるため、安定したセンサ特性を発揮することができる。
【００７２】
尚、上記トレンチ形成工程は、全く酸化膜１３の表面が帯電しないエッチング条件でなくとも、少なくとも、バネ部２２にノッチ現象が発生しない程度のエッチング条件にすればよいものである。
【００７３】
ここで、上記トレンチ形成工程における酸化膜１３の表面が帯電しないエッチング条件及び上記可動部形成工程における酸化膜１３の表面が帯電するエッチング条件については、米国特許第６，１８７，６８５号に記載の方法を用いることができる。この公報に記載の内容を以下に示す。
【００７４】
まず、エッチング時に印加される周波数を５ＭＨｚ以上、望ましくは１０ＭＨｚ以上に設定した場合、ドライエッチングの際に供給されるエッチングイオンと電子のうち、帯電を中和させる電子は電界方向に追従して進行方向が変化するが、エッチングイオンの進行方向は変化しないため、トレンチ底部には電子よりもエッチングイオンが多量に供給され、酸化膜の表面を帯電させることができる。
【００７５】
そして、エッチング時に印加される周波数を５ＭＨｚ以下に設定した場合、電子の進行方向だけでなく、エッチングイオンの進行方向も電界方向に追従して変化するため、トレンチ底部にはエッチングイオンと電子がほぼ同量供給され、この供給された電子により酸化膜の表面の帯電を緩和することができる。尚、この酸化膜の表面の帯電を緩和するエッチングは、低周波ＲＦ電源を用いたパルス発振によって実現している。
【００７６】
よって、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示すトレンチ形成工程においては、エッチング時に印加される周波数を５ＭＨｚ以下に設定すると、酸化膜１３の表面が帯電しないエッチングを実現することができ、図３（ｄ）に示す可動部形成工程においては、エッチング時に印加される周波数を５ＭＨｚ以上、望ましくは１０Ｈｚ以上に設定すると、酸化膜１３の表面が帯電するエッチングを実現することができる。
【００７７】
尚、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な態様に適用可能である。
【００７８】
例えば、上記実施形態では、本発明を加速度センサに適用したが、これに限られるものではなく、角速度センサや圧力センサなどの半導体装置に適用することができる。
【００７９】
また、固定電極３２、４２は、酸化膜１３からリリースされず酸化膜１３とつながった状態でも良い。例えば、固定電極３２、４２における梁の幅を可動電極２４よりも広くして、可動部工程のドライエッチング終了時に、固定電極に酸化膜１３と接続された残し部を形成されるようにすれば良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体式加速度センサの全体平面構成を示す図である。
【図２】図１に示す半導体式加速度センサの模式的な部分断面図である。
【図３】（ａ）から（ｄ）は、本発明の一実施形態の半導体式加速度センサの製造方法を示す工程説明図である。
【図４】従来の半導体式加速度センサの全体平面構成を示す図である。
【図５】図４に示す半導体式加速度センサの模式的な部分断面図である。
【図６】（ａ）から（ｃ）は、従来の半導体式加速度センサの製造方法を示す工程説明図である。
【符号の説明】
Ｓ１…半導体式加速度センサ、
１０…ＳＯＩ基板（積層体）、
１１…第１のシリコン層（第１の半導体層）、
１２…第２のシリコン層（第２の半導体層）、
１３…酸化膜（絶縁層）、
１４…トレンチ、
１４ａ…第１のトレンチ、
１４ｂ…第２のトレンチ、
２０…可動部、
２０ａ…可動電極パッド、
２１…重錘部、
２２…バネ部、
２３ａ、２３ｂ…アンカー部、
２４…可動電極、
３０…第１の固定部、
３１、４１…配線部、
３１ａ、４１ａ…固定電極パッド、
３２…第１の固定電極、
４０…第２の固定部、
４２…第２の固定電極、
５０…マスク材、
ＣＳ１…第１の容量、
ＣＳ２…第２の容量。
Claims (2)
- 第１の半導体層上に絶縁層を介して第２の半導体層を積層してなる積層体と、前記第２の半導体層に形成され力学量の印加に応じて変位可能な可動部とを備えた半導体装置の製造方法において、前記積層体を用意し、前記可動部を画定するための開口幅が広い第１のトレンチと前記第１のトレンチに比して開口幅が狭い第２のトレンチとを、前記第２の半導体層の表面から前記絶縁層に達するように、前記絶縁層の表面が帯電しないエッチング条件で前記第２のトレンチが前記絶縁層に達するまでの時間エッチングを行うトレンチ形成工程と、前記トレンチ形成工程を実行した後に、前記トレンチの底部の前記絶縁層の表面が帯電するエッチング条件でエッチングを行い、前記エッチングのイオンを前記トレンチの底部の横方向に位置する前記第２の半導体層へ当てて当該横方向に位置する前記第２の半導体層を除去することにより、前記可動部を形成する可動部形成工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 前記絶縁層の表面が帯電しない条件で行うエッチングは、５ＭＨｚ以下の周波数をパルス発振する低周波ＲＦ電源を用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
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