JP4120036B2

JP4120036B2 - 半導体力学量センサの製造方法

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Publication number: JP4120036B2
Application number: JP2134398A
Authority: JP
Inventors: 峰一酒井; 稔村田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2018-02-02
Also published as: JPH11220139A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度、圧力、振動、角速度などの力学量を検出する半導体力学量センサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体加速度センサにおける梁構造体あるいは半導体圧力センサにおけるダイヤフラムなどの可動部を電気化学エッチングを用いて形成するようにしたものがある（特開昭６２−６７８８０号公報、特開平６−１２３６３１号公報、特開平６−４５６１８号公報など）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した電気化学エッチングを用いた製造方法においては、例えばＰ型半導体基板の上にＮ型半導体層が形成されたウェハを用い、Ｎ型半導体層にエッチング用の電圧として正の電圧を印加しながらウェハを異方性エッチング液に浸漬させて、Ｐ型半導体領域のみをエッチングすることにより、可動部を形成することができる。
【０００４】
しかしながら、この電気化学エッチングを用いる場合には、Ｎ型半導体層に正の電圧を印加するための配線をチップ内に形成する必要があり、その配線のための余分な領域が必要になるという問題がある。
本発明は上記問題に鑑みたもので、エッチング用の電圧を印加するために必要とされるチップ内の配線領域を小さくすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、可動電極（２ｃ）を有する梁構造体（２）および前記可動電極（２ｃ）に対向配置された固定電極（３、４）を有する半導体力学量センサを製造する方法であって、表面側にＮ型の半導体層（１２）が形成されたＰ型の半導体基板（１１）からなるウェハ（２０）を用意する工程と、前記ウェハ（２０）のチップ領域に前記梁構造体（２）を構成する前記半導体層（１２）と電気接続される第１のパッド（５）と前記固定電極（３、４）を構成する前記半導体層（１２）と電気接続される第２のパッド（６、７）とを形成するとともに、前記第１、第２のパッド（５〜７）と接続されかつ前記ウェハ（２０）のスクライブライン領域に沿って配設されるエッチング用配線（２１、２２）を形成する工程と、前記半導体層（１２）に前記梁構造体（２）を画定するパターンでかつ前記半導体基板（１１）まで達する深さでトレンチ（１８）を形成する工程と、この後、前記エッチング用配線（２１、２２）から前記第１、第２のパッド（５〜７、２０７〜２１４）を介して前記半導体層（１２、２２２）にエッチング用の電圧を印加し、前記ウェハ（２０）の表面側から電気化学エッチングを行って、前記梁構造体（２）および前記固定電極（３、４）を形成する工程と、この後、前記スクライブライン領域をカットしてチップ化し、そのとき前記スクライブライン領域に沿って形成されたエッチング用配線（２１、２２）が電気的に分離されるようにする工程とを有することを特徴としている。
【０００６】
このように、半導体力学量センサの回路配線上必要とされるパッド（５〜７）を利用することによって、エッチング用の電圧を印加するために必要なチップ内の配線領域を小さくすることができる。
【０００７】
この場合、請求項２に記載の発明のように、埋め込み絶縁膜（１４）をストッパとして電気化学エッチングを行うようにすれば、埋め込み絶縁膜（１４）によってエッチング領域が制限されるため、梁構造体（２）および固定電極（３、４）を精度よく形成することができる。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明においては、ウェハ（２００）の表面側からの電気化学エッチングによって、ダイヤフラム部（２０２）を有する半導体圧力センサを製造することができる。なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明を用いて製造された半導体加速度センサの平面構成を示し、図２に、図１中のＡ−Ａ断面構成を示す。
加速度センサは、基板１をエッチング加工して形成された梁構造体２を有する構造になっている。この梁構造体２は、梁部２ａと、おもり部（質量部）２ｂと、おもり部２ｂの両側に形成された複数の可動電極２ｃとから構成されており、図の左右方向に加速度が生じたとき、その加速度によっておもり部２ｂが変位するようになっている。また、それぞれの可動電極２ｃの一方の側には固定電極３が対向して配置され、他方の側には固定電極４が対向して配置されている。
【００１０】
基板１の上にはアルミのパッド５、６、７および配線８ａ、８ｂ、９、１０が形成されている。パッド５は、配線８ａ、８ｂを介して梁構造体２における可動電極２ｃと電気的に接続されており、パッド６は、配線９を介して固定電極３と電気的に接続され、さらにパッド７は、配線１０を介して固定電極４と電気的に接続されている。なお、パッド５、６、７は、図示しない回路部とワイヤボンディングによって電気的に接続されている。
【００１１】
基板１は、図２に示すように、Ｐ型シリコン基板１１上にＮ型エピタキシャル層１２、酸化膜１３が形成された構造になっている。また、素子分離領域を形成するために、梁構造体２における付け根部（アンカ部）および固定電極３、４を形成する箇所に埋め込み絶縁膜１４が形成されており、この埋め込み絶縁膜１４をストッパとした電気化学エッチングにより梁構造体２および固定電極３、４が形成されている。この梁構造体２および固定電極３、４は、埋め込み絶縁膜１４によって支持（固定）されており、かつＰ型シリコン基板１１と電気的に絶縁分離されている。
【００１２】
このような構成において、おもり部２ｂが加速度を受けて変位すると、可動電極２ｃもそれに応じて変位する。可動電極２ｃと固定電極３、４はそれぞれ差動の容量を構成しているため、可動電極２ｃの変位に応じて容量が変化し、この容量変化を検出することにより加速度を検出することができる。例えば、容量変化を検出し、可動電極２ｃを所定の位置に保持するように可動電極２ｃにフィードバック電圧を印加するサーボ制御を行うようにして、加速度検出を行うことができる。
【００１３】
次に、上記した加速度センサの製造方法について図３、図４に示す工程図を参照して説明する。なお、この図３、図４に示す工程図においては、図２に示すのと同じ断面で示している。
まず、図３（ａ）に示すように、Ｐ型シリコン基板１１上にＮ型エピタキシャル層１２を形成したウェハ２０を用意する。次に、図３（ｂ）の工程において、Ｎ型エピタキシャル層１２の上に酸化膜１５を形成し、素子分離領域を形成するパターンでパターニングした後、ドライエッチングしてトレンチ１６を形成する。この場合、トレンチ１６を、Ｎ型エピタキシャル層１２を貫通しＰ型シリコン基板１１内に達する深さで形成する。
【００１４】
そして、図３（ｃ）の工程において、トレンチ１６を酸化膜（ＳｉＯ₂）などの絶縁膜で埋め戻し、埋め込み絶縁膜１４とする。この後、全面の酸化膜を除去し、新たに熱酸化膜１３を形成する。
次に、図３（ｄ）の工程において、電気接続をとる領域に開口部１７を形成する。このとき、ウェハ２０をチップ化する際に用いるスクライブライン領域上の酸化膜１３は残したままにする。
【００１５】
そして、図４（ａ）の工程において、パッド５、６、７および配線８ａ、８ｂ、９、１０をアルミで形成する。また、この工程において、ウェハ２０のスクライブライン領域に沿って配線を形成するとともにその配線をパッド５、６、７に接続する配線をアルミで形成する。具体的には、図５に示すように、ウェハ２０における各チップの周囲のスクライブライン領域に沿って配線２１を形成し、またその配線２１を各チップのパッド５、６、７に接続する接続配線２２を形成する。また、ウェハ２０の所定箇所に、配線２１と接続された電極２３、２４を形成する。
【００１６】
この後、図４（ｂ）の工程において、梁構造体２を画定するパターンでトレンチ１８を形成する。このトレンチ１８も、トレンチ１６と同様、Ｎ型エピタキシャル層１２を貫通しＰ型シリコン基板１１内に達する深さで形成する。
このトレンチ１８を形成した後、電気化学エッチングを行う。この場合、図６に示すように、ウェハ２０の裏面側（トレンチ１８が形成されていない側）をセラミック基板３０に接触させてワックスにて貼り付ける。そして、ウェハ２０の表面に形成された電極２３、２４のいずれかにＰｔ配線３１を付けてワックス３２で固定する。この状態で異方性エッチング液（例えばＴＭＡＨ液）３５中に浸し、Ｐｔ配線３１とＴＭＡＨ液３５中のＰｔ配線３４の間に１〜２０Ｖ程度の電圧を印加して、電気化学エッチングを行う。
【００１７】
この場合、各チップにおけるＮ型エピタキシャル層１２には、Ｐｔ配線３１から電極２３（又は２４）を介し、さらに配線２２、配線２１、パッド５、６、７を介して正の電圧が印加されるため、Ｎ型エピタキシャル層１２はエッチングされないが、Ｐ型シリコン基板１１はトレンチ１８から侵入したＴＭＡＨ液２５によってエッチングされる。このため、Ｎ型エピタキシャル層１２の裏側には、図４（ｃ）に示すように、空洞領域１９が形成され、Ｎ型エピタキシャル層１２によって可動部をなす梁構造体２が形成される。また、埋め込み絶縁膜１４はエッチングされないため、この埋め込み絶縁膜１４によって横方向のエッチング領域が制限される。
【００１８】
このような電気化学エッチングを行った後、図５中の点線で示す位置にて、ウェハ２０のスクライブライン領域をダイシングカットし、図１、図２に示す構造の加速度センサを得る。このとき、スクライブライン領域に形成された配線２１および配線２２が切断されるため、パッド５〜７は互いに電気的に分離された状態になる。
【００１９】
上記した製造方法によれば、埋め込み絶縁膜１４によって横方向のエッチング領域を制限するようにしている。このため、エッチング液の状態（組成、温度、濃度等）、エッチング時間などのエッチング条件が変化しても、エッチング領域を一定にすることことができる。また、空洞領域１９におけるＰ型シリコン基板１１の表面が凹凸形状になるため、その表面に可動電極２ｃを付着しにくくすることができる。また、埋め込み絶縁膜１４によって、梁構造体２および固定電極３、４が下側のＰ型シリコン基板１１と絶縁分離されているため、ＰＮリーク電流が発生せず、センサ精度を良好にすることができる。
【００２０】
また、電気化学エッチング時には、スクライブライン領域に沿って形成した配線２１から接続配線２２を介しパッド５、６、７にエッチング用の正の電圧を印加するようにしているから、パッド５、６、７を利用することによって、エッチング用の電圧を印加するのに必要とされる配線領域を極力少なくすることができる。
（第２実施形態）
図７に、本発明を用いて製造された半導体加速度スイッチの平面構成を示し、図８に、図７中のＢ−Ｂ断面構成を示す。
【００２１】
加速度スイッチは、基板１０１をエッチング加工して形成された梁構造体１０２を有する構造になっている。この梁構造体１０２は、梁部１０２ａと、おもり可動電極１０２ｂとから構成されており、おもり可動電極１０２ｂにおける図の左側の側面が接点部１０２ｃになっている。また、おもり可動電極１０２ｂの左側には固定電極１０３が配設されており、この固定電極１０３は、おもり可動電極１０２ｂの接点部１０２ｃに対向する接点部１０３ａを有している。
【００２２】
基板１０１の上にはアルミのパッド１０４、１０５および配線１０６、１０７が形成されている。パッド１０４は、配線１０６を介して梁構造体２におけるおもり可動電極１０２ｂと電気的に接続されており、パッド１０５は、配線１０７を介して固定電極１０３と電気的に接続されている。
基板１０１は、図７に示すように、Ｐ型シリコン基板１１１上にＮ型エピタキシャル層１１２が形成され、その上に酸化膜１１３が形成された構造になっている。また、素子分離領域を形成するために、梁構造体１０２における付け根部（アンカ部）および固定電極１０３を形成する箇所に埋め込み絶縁膜１１４が形成されており、この埋め込み絶縁膜１１４をストッパとした電気化学エッチングにより梁構造体１０２および固定電極１０３が形成されている。この梁構造体１０２および固定電極１０３は、埋め込み絶縁膜１１４によって支持（固定）されており、かつＰ型シリコン基板１１１と絶縁分離されている。
【００２３】
上記のように構成された加速度スイッチにおいて、その動作には、パッド１０４、パッド１０５を介しておもり可動電極１０２ｂ、固定電極１０３間に所定の電位差を与えておく。この状態において、基板１の表面に平行な方向に加速度が生じ、おもり可動電極１０２ｂが図の左方向に変位して、おもり可動電極１０２ｂの接点部１０２ｃと可動電極１０３の接点部１０３ａとが接触すると、おもり可動電極１０２ｂから可動電極１０３に電流が流れるため、所定値以上の加速度が生じたことを検出することができる。
【００２４】
この加速度スイッチは、第１実施形態で示したのと同様の製造工程を用いて製造することができる。この場合、電気化学エッチングにより梁構造体１０２を形成するときには、図５で示したのと同様に、スクライブライン領域に沿って形成した配線２１から接続配線２２を介しパッド１０４、１０５にエッチング用の正の電圧を印加して行う。
（第３実施形態）
図９に、本発明を用いて製造された半導体圧力センサの平面構成を示し、図１０に、図９中のＣ−Ｃ断面構成を示す。
【００２５】
圧力センサは、基板２０１に薄肉のダイヤフラム部２０２が形成された構造となっている。このダイヤフラム部２０２には、その歪みに応じて抵抗値が変化する歪ゲージ２０３〜２０６が形成されている。歪ゲージ２０３はパッド２０７、２０８に電気接続され、同様に、歪ゲージ２０４はパッド２０９、２１０に電気接続され、歪ゲージ２０５はパッド２１１、２１２に電気接続され、歪ゲージ２０６はパッド２１３、２１４に電気接続されている。なお、パッド２０７〜２１４は、図示しない回路部とワイヤボンディングによって電気的に接続されている。
【００２６】
基板２０１は、図１０に示すように、Ｐ型シリコン基板２２１上にＮ型エピタキシャル層２２２、酸化膜２２３が形成された構造になっている。この基板２０１の所定領域には、薄肉のダイヤフラム部２０２が形成されており、このダイヤフラム部２０２の下には空洞領域２２４が形成されている。このダイヤフラム部２０２は、Ｎ型エピタキシャル層２２２とその上部に形成された封止膜２２５で構成されており、Ｎ型エピタキシャル層２２２に形成されたトレンチ（後述する）を封止膜２２５で封止することにより、ダイヤフラム部２０２の下部に形成された空洞領域２２４を基準圧力室としている。
【００２７】
このような構成とすることにより、ダイヤフラム部２０２にかかる圧力が変化すると、ダイヤフラム部２０２が変位し、歪ゲージ２０３〜２０６の抵抗値が変化する。そして、その抵抗値変化により圧力を検出することができる。
次に、上記した圧力センサの製造方法について図１１に示す工程図を参照して説明する。なお、この図１１に示す工程図においては、図１０に示すのと同じ断面で示している。
【００２８】
まず、図１１（ａ）に示すように、Ｐ型シリコン基板２２１上にＮ型エピタキシャル層２２２を形成したウェハ２００を用意する。次に、図１１（ｂ）の工程において、Ｎ型エピタキシャル層２２２の上に酸化膜２２３を形成し、ダイヤフラム部２０２となる領域にＰ型拡散層により歪ゲージ２０３〜２０６を形成し、これらの歪ゲージ２０３〜２０６に対して電気接続をとる領域およびダイヤフラム部２０２の電位固定をとる領域に開口部２２６を形成する。また、このとき、ウェハ２００をチップ化する際に用いるスクライブライン領域上の酸化膜は残したままにする。
【００２９】
そして、図１１（ｃ）の工程において、パッド２０７〜２１４をアルミで形成する。また、この工程において、図５で示したのと同様に、ウェハ２００における各チップの周囲のスクライブライン領域に沿って配線２１を形成し、またその配線２１と各チップのパッド２０７〜２１４のぞれぞれに接続する配線２２を形成する。また、ウェハ２００の所定箇所に、配線２１と接続された電極２３、２４を形成する。
【００３０】
この後、図１１（ｄ）の工程において、ダイヤフラム部２０２となる領域において、図９に示す四角形状のパターンでトレンチ２２７を複数形成する。この場合、トレンチ２２７を、Ｎ型エピタキシャル層２２２を貫通しＰ型シリコン基板２２１内に達する深さで形成する。このトレンチ２２７を形成した後、電気化学エッチングを図６で示したのと同様の方法で行う。その結果、図１１（ｅ）に示すように、空洞領域２２４が形成される。そして、減圧下で封止膜２２５を全面に堆積させる。このことにより、ダイヤフラム部２０２が構成され、空洞領域２２４が基準圧力室になる。なお、封止膜２２５としては、ＳｉＮ膜、ＳｉＯ₂膜、ＴＥＯＳ膜又はこれらの複合膜等を用いることができる。
【００３１】
この後、ウェハ２００をダイシングカットして図８、図９に示す構造の圧力センサを得る。このとき、スクライブライン領域に形成された配線２１および配線２２が切断されるため、パッド２０７〜２１４は互いに電気的に分離された状態になる。
なお、上記した種々の実施形態において、Ｐ型シリコン基板の上にエピタキシャル層を形成したウェハを用いるものを示したが、Ｐ型シリコン基板の表面にＮ層を拡散させたウェハを用いてもよい。また、電気化学エッチングに用いるエッチング液としては、ＴＭＡＨ液以外にＫＯＨ液、ＨＦ液を用いてもよい。但し、この場合には、アルミがエッチングされるため、パッドおよび配線に対する保護膜が必要となる。
【００３２】
また、パッド５〜７（又は２０７〜２１４）と接続される配線２２に、チップ内でダイオードを接続するようにしておき、センサ実動作時に配線２２からセンサ端部にリーク電流が流れるのを防止するようにしてもよい。例えば、第１実施形態の加速度センサの場合を例にとると、図１２に示すように、パッド５〜７に接続される配線２２において、チップ内でダイオード２５〜２７を接続するようにする。
【００３３】
また、本発明は上記した加速度センサ、加速度スイッチ、圧力センサ以外に、角速度センサにも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いて製造された半導体加速度センサの平面構成を示す図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面構成を示す図である。
【図３】図１、図２に示す半導体加速度センサの製造方法を示す工程図である。
【図４】図３に続く製造工程を示す工程図である。
【図５】配線、パッドをウェハに形成した状態を示す図である。
【図６】電気化学エッチングを行う工程を示す図である。
【図７】本発明を用いて製造された半導体加速度スイッチの平面構成を示す図である。
【図８】図７中のＢ−Ｂ断面構成を示す図である。
【図９】本発明を用いて製造された半導体圧力センサの平面構成を示す図である。
【図１０】図９中のＣ−Ｃ断面構成を示す図である。
【図１１】図９、図１０に示す半導体圧力センサの製造方法を示す工程図である。
【図１２】本発明の他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
２…梁構造体、２ａ…梁部、２ｂ…おもり部、２ｃ…可動電極、
３、４…固定電極、１１…Ｐ型シリコン基板、１２…Ｎ型エピタキシャル層、
１４…埋め込み絶縁膜、２０…ウェハ、１０２…梁構造体、１０２ａ…梁部、
１０２ｂ…おもり可動電極、１１１…Ｐ型シリコン基板、
１１２…Ｎ型エピタキシャル層、１１４…埋め込み絶縁膜、２００…ウェハ、
２０２…ダイヤフラム部、２０３〜２０６…歪ゲージ、
２２１…Ｐ型シリコン基板、２２２…Ｎ型エピタキシャル層。

Claims

可動電極（２ｃ）を有する梁構造体（２）および前記可動電極（２ｃ）に対向配置された固定電極（３、４）を有する半導体力学量センサを製造する方法であって、
表面側にＮ型の半導体層（１２）が形成されたＰ型の半導体基板（１１）からなるウェハ（２０）を用意する工程と、
前記ウェハ（２０）のチップ領域に前記梁構造体（２）を構成する前記半導体層（１２）と電気接続される第１のパッド（５）と前記固定電極（３、４）を構成する前記半導体層（１２）と電気接続される第２のパッド（６、７）とを形成するとともに、前記第１、第２のパッド（５〜７）と接続されかつ前記ウェハ（２０）のスクライブライン領域に沿って配設されるエッチング用配線（２１、２２）を形成する工程と、
前記半導体層（１２）に前記梁構造体（２）を画定するパターンでかつ前記半導体基板（１１）まで達する深さでトレンチ（１８）を形成する工程と、
この後、前記エッチング用配線（２１、２２）から前記第１、第２のパッド（５〜７、２０７〜２１４）を介して前記半導体層（１２、２２２）にエッチング用の電圧を印加し、前記ウェハ（２０）の表面側から電気化学エッチングを行って、前記梁構造体（２）および前記固定電極（３、４）を形成する工程と、
この後、前記スクライブライン領域をカットしてチップ化し、そのとき前記スクライブライン領域に沿って形成されたエッチング用配線（２１、２２）が電気的に分離されるようにする工程とを有することを特徴とする半導体力学量センサの製造方法。
前記半導体層（１２）を貫通し前記半導体基板（１１）内に達するように埋め込み絶縁膜（１４）を形成する工程を有し、
前記埋め込み絶縁膜（１４）をストッパとして前記電気化学エッチングを行うことにより、前記梁構造体（２）および前記固定電極（３、４）を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体力学量センサの製造方法。
表面側にＮ型の半導体層（２２２）が形成されたＰ型の半導体基板（２２１）からなるウェハ（２００）を用意する工程と、
前記ウェハ（２００）のチップ領域に前記半導体層（２２２）と電気接続されるパッド（２０７〜２１４）を形成するとともに、このパッド（２０７〜２１４）と接続されかつ前記ウェハ（２００）のスクライブライン領域に沿って配設されるエッチング用配線（２１、２２）を形成する工程と、
ダイヤフラム部（２０２）となる領域において、前記半導体層（２２２）に前記半導体基板（２２１）まで達する深さでトレンチ（２２７）を形成する工程と、
前記エッチング用配線（２１、２２）から前記パッド（５〜７、２０７〜２１４）を介して前記半導体層（２２２）にエッチング用の電圧を印加して前記ウェハ（２００）の表面側から電気化学エッチングを行い、この後、前記トレンチ（２２７）を封止膜（２２５）で封止して、前記ダイヤフラム部（２０２）を形成する工程と、
この後、前記スクライブライン領域をカットしてチップ化し、そのとき前記スクライブライン領域に沿って形成されたエッチング用配線（２１、２２）が電気的に分離されるようにする工程とを有することを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。