JP4120037B2 - 半導体力学量センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度、圧力、振動、角速度などの力学量を検出する力学量センサおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、この種の半導体力学量センサとして、特開平９−２１１０２２号公報に記載されたものがある。このものは、２枚のシリコン基板を貼り合わせたＳＯＩ基板を用い、上部のシリコン基板側にトレンチを形成して犠牲層エッチングを行うことにより、可動電極を有する梁構造体を形成して加速度センサなどを構成するようにしたものである。
【０００３】
しかしながら、このようにＳＯＩ基板を用いて構成すると、貼り合わせ前に下部となるシリコン基板に配線構造を作り、また貼り合わせのために平坦化処理を行い、さらに貼り合わせ後に上部のシリコン基板を研磨するなどの工程が必要となり、複雑な工程が必要になるという問題がある。
また、特開平６−１２３６３１号公報には、シリコン基板上にＮ型エピタキシャル層を形成するとともに内部にＰ型埋め込み層を形成したウェハを用い、Ｎ型エピタキシャル層に所定のパターンでトレンチを形成した後、電気化学エッチングによりＰ型埋め込み層を除去して可動部を構成した角速度センサが記載されている。
【０００４】
このものによれば、ＳＯＩ基板を用いていないため、工程を簡単化することができる。しかしながら、シリコン基板上にＮ型エピタキシャル層を形成し、かつ内部にＰ型埋め込み層を形成したウェハを用いなければならないという制約がある。
この種の半導体力学量センサにおいて電気化学エッチングを行う場合、Ｐ型シリコン基板上にＮ型エピタキシャル層を形成したウェハを用いることが多い。例えば、半導体圧力センサにおいて、Ｐ型シリコン基板上にＮ型エピタキシャル層を形成したウェハを用い、ウェハの裏面側から電気化学エッチングを行って圧力センサのダイヤフラムを形成するようにしたものがある。
【０００５】
そこで、Ｐ型シリコン基板上にＮ型エピタキシャル層を形成したウェハを用い、表面側にトレンチを形成してウェハの表面側から電気化学エッチングを行い、力学量センサの可動部、例えば特開平９−２１１０２２号公報に記載されたような加速度センサの梁構造体を形成することが考えられる。
しかしながら、ウェハの表面側から電気化学エッチングを行う場合、Ｎ型エピタキシャル層はエッチングされないが、Ｐ型シリコン基板がエッチングされるため、そのエッチング時間などを正確に管理しなければ、精度よく可動部を形成することができないという問題がある。
【０００６】
また、上記した特開平６−１２３６３１号公報に記載されたものでは、可動部とシリコン基板側とが電気的に絶縁分離されていないため、可動部とシリコン基板とを絶縁分離する必要のあるセンサの場合には、そのような構造を採用することができない。
本発明は上記問題に鑑みたもので、表面側にＮ型の半導体層が形成されたＰ型の半導体基板を用い、その表面側からの電気化学エッチングによって梁構造体、ダイヤフラムなどの可動部が形成されたものであって、可動部が精度よく形成された半導体力学量センサおよびその製造方法を提供することを第１の目的とする。
【０００７】
また、本発明は、可動部と半導体基板とを絶縁分離する必要のあるセンサに適した構造のものとすることを第２の目的とする。
【０００８】
【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、表面側にＮ型の半導体層（１２、１１２、２２２）が形成されたＰ型の半導体基板（１１、１１１、２２１）を用い、半導体層（１２、１１２、２２２）を貫通し半導体基板（１１、１１１、２２１）内に達するように形成された埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）をストッパとした電気化学エッチングにより可動部（２、１０２、２０２）が形成された半導体力学量センサを特徴としている。
【０００９】
このように埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）を用いることによってエッチング領域を制限することができ、可動部（２、１０２、２０２）が精度よく形成された半導体力学量センサを提供することができる。
請求項２に記載の発明においては、埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）によって、可動部（２、１０２、２０２）を絶縁分離された領域にしたことを特徴としている。この場合、可動部（２、１０２、２０２）からの電流リークがないため、センサの精度を良好にすることができる。
【００１０】
なお、請求項１又は２に記載の発明において、請求項３に記載の発明のように、可動部（２、１０２、２０２）を埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）によって支持する構造とすることができる。この場合、請求項４に記載の発明のように、埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）を複数個の平行な膜にて形成すれば、可動部（２、１０２、２０２）をより強固に支持することができる。
【００１１】
請求項５に記載の発明においては、埋め込み絶縁膜（１４、１１４）をストッパとした電気化学エッチングにより、可動電極（２ｃ、１０２ｂ）を有する梁構造体（２、１０２）および固定電極（３、４、１０３）が形成され、梁構造体（２、１０２）および固定電極（３、４、１０３）のそれぞれが、埋め込み絶縁膜（１４、１１４）により絶縁分離領域とされた構造の半導体力学量センサを提供することができる。
【００１２】
請求項６に記載の発明においては、埋め込み絶縁膜（２２４）をストッパとし電気化学エッチングによりダイヤフラム部（２０２）が形成され、ダイヤフラム部（２０２）が、埋め込み絶縁膜（２２４）によって絶縁分離領域とされた構造の半導体圧力センサを提供することができる。
また、請求項７乃至９により、上記した半導体力学量センサ、半導体圧力センサを適切に製造できる製造方法を提供することができる。
【００１３】
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。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態にかかる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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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を形成し、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。
【００２０】
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５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２１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部（各チップのパッド５、６、７と電気接続された電極部）にＰｔ配線２２を付けてワックス２３で固定する。この状態で異方性エッチング液（例えばＴＭＡＨ液）２５中に浸し、Ｐｔ配線２２とＴＭＡＨ液２５中のＰｔ配線２４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。
【００２１】
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。
【００２２】
このような電気化学エッチングを行った後、ウェハ２０をダイシングカットして図１、図２に示す構造の加速度センサを得る。
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。
（第２実施形態）
図６に、本発明の第２実施形態にかかる半導体加速度スイッチの平面構成を示し、図７に、図６中のＢ−Ｂ断面構成を示す。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
（第３実施形態）
図８に、本発明の第３実施形態にかかる半導体圧力センサの平面構成を示し、図９に、図８中のＣ−Ｃ断面構成を示す。
【００２７】
圧力センサは、基板２０１内に島状のダイヤフラム部２０２を有している。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。また、島状のダイヤフラム部２０２の電位を固定するためにパッド２１５が設けられている。これらのパッド２０７〜２１５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。
【００２８】
基板２０１は、図９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には、埋め込み絶縁膜２２４によって島状に絶縁分離された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２２５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２２６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２２６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２２５を基準圧力室としている。また、ダイヤフラム部２０２は、埋め込み絶縁膜２２４によって支持され、かつＰ型シリコン基板２２１と電気的に絶縁分離されている。
【００２９】
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１０、図１１に示す工程図を参照して説明する。なお、この図１０、図１１に示す工程図においては、図９に示すのと同じ断面で示している。
【００３０】
まず、図１０（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１０（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２２７を形成し、ダイヤフラム部２０２となる領域の外周に沿って開口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２２８を形成する。この結果、ダイヤフラム部２０２となる領域の外周にトレンチ２２８が形成される。この場合、トレンチ２２８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。
【００３１】
そして、図１０（ｃ）の工程において、トレンチ２２８を酸化膜（ＳｉＯ2 ）などの絶縁膜で埋め戻し、埋め込み絶縁膜２２４とする。この後、全面の酸化膜を除去し、新たに熱酸化膜２２３を形成する。
次に、図１０（ｄ）の工程において、ダイヤフラム部２０２となる領域内に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２２９を形成する。そして、図１１（ａ）の工程において、パッド２０７〜２１５をアルミで形成する。
【００３２】
この後、図１１（ｂ）の工程において、ダイヤフラム部２０２となる領域内で図８に示す四角形状のパターンでトレンチ２３０を複数形成する。このトレンチ２３０も、トレンチ２２８と同様、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２３０を形成した後、電気化学エッチングを図５で示したのと同様の方法で行う。その結果、図１１（ｃ）に示すように、空洞領域２２５が形成される。そして、図１１（ｄ）の工程において、減圧下で封止膜２２６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２２５が基準圧力室になる。なお、封止膜２２６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。
【００３３】
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。
上記した製造方法によれば、埋め込み絶縁膜２２４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ため、ダイヤフラム面積を規定することができる。また、埋め込み絶縁膜２２４によって、ダイヤフラム部２０２がその下側のＰ型シリコン基板２２１と絶縁分離されるため、ダイヤフラム部２０２からＰ型シリコン基板２２１へのＰＮリーク電流が発生しない。従って、ダイヤフラム部２０２の島電位を適正に維持してセンサ感度を良好に保つことができる。
【００３４】
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。
【００３５】
また、埋め込み絶縁膜は、１つの膜に限らず複数個の平行な膜にて構成して強度を増すようにしてもよい。例えば、第１実施形態の加速度センサの場合を例にとって示すと、図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、埋め込み絶縁膜１４を複数の膜にて構成することができる。第２、第３実施形態の場合も、同様である。また、１つのトレンチ内に形成する埋め込み絶縁膜自体を複数の膜にて構成するようにしてもよい。
【００３６】
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】本発明の第１実施形態にかかる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】本発明の第１実施形態にかかる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】電気化学エッチングを行う工程を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる半導体加速度スイッチの平面構成を示す図である。
【図７】図６中のＢ−Ｂ断面構成を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態にかかる半導体圧力センサの平面構成を示す図である。
【図９】図８中のＣ−Ｃ断面構成を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態にかかる半導体圧力センサの製造方法を示す工程図である。
【図１１】図１０に続く製造工程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、
２２４…埋め込み絶縁膜。
【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力学量センサおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、この種の半導体力学量センサとして、特開平９−２１１０２２号公報に記載されたものがある。このものは、２枚のシリコン基板を貼り合わせたＳＯＩ基板を用い、上部のシリコン基板側にトレンチを形成して犠牲層エッチングを行うことにより、可動電極を有する梁構造体を形成して加速度センサなどを構成するようにしたものである。
【０００３】
しかしながら、このようにＳＯＩ基板を用いて構成すると、貼り合わせ前に下部となるシリコン基板に配線構造を作り、また貼り合わせのために平坦化処理を行い、さらに貼り合わせ後に上部のシリコン基板を研磨するなどの工程が必要となり、複雑な工程が必要になるという問題がある。
また、特開平６−１２３６３１号公報には、シリコン基板上にＮ型エピタキシャル層を形成するとともに内部にＰ型埋め込み層を形成したウェハを用い、Ｎ型エピタキシャル層に所定のパターンでトレンチを形成した後、電気化学エッチングによりＰ型埋め込み層を除去して可動部を構成した角速度センサが記載されている。
【０００４】
このものによれば、ＳＯＩ基板を用いていないため、工程を簡単化することができる。しかしながら、シリコン基板上にＮ型エピタキシャル層を形成し、かつ内部にＰ型埋め込み層を形成したウェハを用いなければならないという制約がある。
この種の半導体力学量センサにおいて電気化学エッチングを行う場合、Ｐ型シリコン基板上にＮ型エピタキシャル層を形成したウェハを用いることが多い。例えば、半導体圧力センサにおいて、Ｐ型シリコン基板上にＮ型エピタキシャル層を形成したウェハを用い、ウェハの裏面側から電気化学エッチングを行って圧力センサのダイヤフラムを形成するようにしたものがある。
【０００５】
そこで、Ｐ型シリコン基板上にＮ型エピタキシャル層を形成したウェハを用い、表面側にトレンチを形成してウェハの表面側から電気化学エッチングを行い、力学量センサの可動部、例えば特開平９−２１１０２２号公報に記載されたような加速度センサの梁構造体を形成することが考えられる。
しかしながら、ウェハの表面側から電気化学エッチングを行う場合、Ｎ型エピタキシャル層はエッチングされないが、Ｐ型シリコン基板がエッチングされるため、そのエッチング時間などを正確に管理しなければ、精度よく可動部を形成することができないという問題がある。
【０００６】
また、上記した特開平６−１２３６３１号公報に記載されたものでは、可動部とシリコン基板側とが電気的に絶縁分離されていないため、可動部とシリコン基板とを絶縁分離する必要のあるセンサの場合には、そのような構造を採用することができない。
本発明は上記問題に鑑みたもので、表面側にＮ型の半導体層が形成されたＰ型の半導体基板を用い、その表面側からの電気化学エッチングによって梁構造体、ダイヤフラムなどの可動部が形成されたものであって、可動部が精度よく形成された半導体力学量センサおよびその製造方法を提供することを第１の目的とする。
【０００７】
また、本発明は、可動部と半導体基板とを絶縁分離する必要のあるセンサに適した構造のものとすることを第２の目的とする。
【０００８】
【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、表面側にＮ型の半導体層（１２、１１２、２２２）が形成されたＰ型の半導体基板（１１、１１１、２２１）を用い、半導体層（１２、１１２、２２２）を貫通し半導体基板（１１、１１１、２２１）内に達するように形成された埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）をストッパとした電気化学エッチングにより可動部（２、１０２、２０２）が形成された半導体力学量センサを特徴としている。
【０００９】
このように埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）を用いることによってエッチング領域を制限することができ、可動部（２、１０２、２０２）が精度よく形成された半導体力学量センサを提供することができる。
請求項２に記載の発明においては、埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）によって、可動部（２、１０２、２０２）を絶縁分離された領域にしたことを特徴としている。この場合、可動部（２、１０２、２０２）からの電流リークがないため、センサの精度を良好にすることができる。
【００１０】
なお、請求項１又は２に記載の発明において、請求項３に記載の発明のように、可動部（２、１０２、２０２）を埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）によって支持する構造とすることができる。この場合、請求項４に記載の発明のように、埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）を複数個の平行な膜にて形成すれば、可動部（２、１０２、２０２）をより強固に支持することができる。
【００１１】
請求項５に記載の発明においては、埋め込み絶縁膜（１４、１１４）をストッパとした電気化学エッチングにより、可動電極（２ｃ、１０２ｂ）を有する梁構造体（２、１０２）および固定電極（３、４、１０３）が形成され、梁構造体（２、１０２）および固定電極（３、４、１０３）のそれぞれが、埋め込み絶縁膜（１４、１１４）により絶縁分離領域とされた構造の半導体力学量センサを提供することができる。
【００１２】
請求項６に記載の発明においては、埋め込み絶縁膜（２２４）をストッパとし電気化学エッチングによりダイヤフラム部（２０２）が形成され、ダイヤフラム部（２０２）が、埋め込み絶縁膜（２２４）によって絶縁分離領域とされた構造の半導体圧力センサを提供することができる。
また、請求項７乃至９により、上記した半導体力学量センサ、半導体圧力センサを適切に製造できる製造方法を提供することができる。
【００１３】
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。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態にかかる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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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を形成し、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。
【００２０】
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５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２１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部（各チップのパッド５、６、７と電気接続された電極部）にＰｔ配線２２を付けてワックス２３で固定する。この状態で異方性エッチング液（例えばＴＭＡＨ液）２５中に浸し、Ｐｔ配線２２とＴＭＡＨ液２５中のＰｔ配線２４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。
【００２１】
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。
【００２２】
このような電気化学エッチングを行った後、ウェハ２０をダイシングカットして図１、図２に示す構造の加速度センサを得る。
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。
（第２実施形態）
図６に、本発明の第２実施形態にかかる半導体加速度スイッチの平面構成を示し、図７に、図６中のＢ−Ｂ断面構成を示す。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
（第３実施形態）
図８に、本発明の第３実施形態にかかる半導体圧力センサの平面構成を示し、図９に、図８中のＣ−Ｃ断面構成を示す。
【００２７】
圧力センサは、基板２０１内に島状のダイヤフラム部２０２を有している。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。また、島状のダイヤフラム部２０２の電位を固定するためにパッド２１５が設けられている。これらのパッド２０７〜２１５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。
【００２８】
基板２０１は、図９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には、埋め込み絶縁膜２２４によって島状に絶縁分離された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２２５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２２６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２２６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２２５を基準圧力室としている。また、ダイヤフラム部２０２は、埋め込み絶縁膜２２４によって支持され、かつＰ型シリコン基板２２１と電気的に絶縁分離されている。
【００２９】
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１０、図１１に示す工程図を参照して説明する。なお、この図１０、図１１に示す工程図においては、図９に示すのと同じ断面で示している。
【００３０】
まず、図１０（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１０（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２２７を形成し、ダイヤフラム部２０２となる領域の外周に沿って開口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２２８を形成する。この結果、ダイヤフラム部２０２となる領域の外周にトレンチ２２８が形成される。この場合、トレンチ２２８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。
【００３１】
そして、図１０（ｃ）の工程において、トレンチ２２８を酸化膜（ＳｉＯ2 ）などの絶縁膜で埋め戻し、埋め込み絶縁膜２２４とする。この後、全面の酸化膜を除去し、新たに熱酸化膜２２３を形成する。
次に、図１０（ｄ）の工程において、ダイヤフラム部２０２となる領域内に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２２９を形成する。そして、図１１（ａ）の工程において、パッド２０７〜２１５をアルミで形成する。
【００３２】
この後、図１１（ｂ）の工程において、ダイヤフラム部２０２となる領域内で図８に示す四角形状のパターンでトレンチ２３０を複数形成する。このトレンチ２３０も、トレンチ２２８と同様、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２３０を形成した後、電気化学エッチングを図５で示したのと同様の方法で行う。その結果、図１１（ｃ）に示すように、空洞領域２２５が形成される。そして、図１１（ｄ）の工程において、減圧下で封止膜２２６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２２５が基準圧力室になる。なお、封止膜２２６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。
【００３３】
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。
上記した製造方法によれば、埋め込み絶縁膜２２４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ため、ダイヤフラム面積を規定することができる。また、埋め込み絶縁膜２２４によって、ダイヤフラム部２０２がその下側のＰ型シリコン基板２２１と絶縁分離されるため、ダイヤフラム部２０２からＰ型シリコン基板２２１へのＰＮリーク電流が発生しない。従って、ダイヤフラム部２０２の島電位を適正に維持してセンサ感度を良好に保つことができる。
【００３４】
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。
【００３５】
また、埋め込み絶縁膜は、１つの膜に限らず複数個の平行な膜にて構成して強度を増すようにしてもよい。例えば、第１実施形態の加速度センサの場合を例にとって示すと、図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、埋め込み絶縁膜１４を複数の膜にて構成することができる。第２、第３実施形態の場合も、同様である。また、１つのトレンチ内に形成する埋め込み絶縁膜自体を複数の膜にて構成するようにしてもよい。
【００３６】
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】本発明の第１実施形態にかかる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】本発明の第１実施形態にかかる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】電気化学エッチングを行う工程を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる半導体加速度スイッチの平面構成を示す図である。
【図７】図６中のＢ−Ｂ断面構成を示す図である。
【図８】本発明の第３実施形態にかかる半導体圧力センサの平面構成を示す図である。
【図９】図８中のＣ−Ｃ断面構成を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態にかかる半導体圧力センサの製造方法を示す工程図である。
【図１１】図１０に続く製造工程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、
２２４…埋め込み絶縁膜。
Claims (9)
- 表面側にＮ型の半導体層（１２、１１２、２２２）が形成されたＰ型の半導体基板（１１、１１１、２２１）と、
前記半導体層（１２、１１２、２２２）を貫通し前記半導体基板（１１、１１１、２２１）内に達するように形成された埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）と、
前記埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）をストッパとし、前記半導体層（１２、１１２、２２２）を貫通し前記半導体基板（１１、１１１、２２１）内に達する深さのトレンチ（１８、２３０）を介して前記表面側から前記半導体基板（１１、１１１、２２１）を電気化学エッチングして形成された可動部（２、１０２、２０２）とを有し、
前記可動部（２、１０２、２０２）の変位により力学量を検出するようにした半導体力学量センサ。 - 前記可動部（２、１０２、２０２）は、前記埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）によって絶縁分離された領域になってい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。
- 前記可動部（２、１０２、２０２）は、前記埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）によって支持された構造になっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体力学量センサ。
- 前記埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）は、前記半導体基板（１１、１１１、２２１）に垂直な方向に複数個の平行な膜にて形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体力学量センサ。
- 表面側にＮ型の半導体層（１２、１１２）が形成されたＰ型の半導体基板（１１、１１１）と、
前記半導体層（１２、１１２）を貫通し前記半導体基板（１１、１１１）内に達するように形成された埋め込み絶縁膜（１４、１１４）と、
前記埋め込み絶縁膜（１４、１１４）をストッパとし、前記半導体層（１２、１１２）を貫通し前記半導体基板（１１、１１１）内に達する深さのトレンチ（１８）を介して前記表面側から前記半導体基板（１１、１１１、２２１）を電気化学エッチングして形成された、可動電極（２ｃ、１０２ｂ）を有する梁構造体（２、１０２）および前記可動電極（２ｃ、１０２ｂ）に対向して配置された固定電極（３、４、１０３）とを有し、
前記梁構造体（２、１０２）および前記固定電極（３、４、１０３）は、前記埋め込み絶縁膜（１４、１１４）によってそれぞれ絶縁分離された領域になっていることを特徴とする半導体力学量センサ。 - 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）と、
ダイヤフラム部（２０２）となる領域の外周に、前記半導体層（２２２）を貫通し前記半導体基板（２２１）内に達するように形成された埋め込み絶縁膜（２２４）と、
前記埋め込み絶縁膜（２２４）をストッパとし、前記半導体層（２２２）を貫通し前記半導体基板（２２１）内に達する深さのトレンチ（２３０）を介して前記表面側から前記半導体基板（２２１）を電気化学エッチングして形成されたダイヤフラム部（２０２）とを有し、
前記ダイヤフラム部（２０２）は、前記埋め込み絶縁膜（２２４）によって絶縁分離された領域になっていることを特徴とする半導体圧力センサ。 - 表面側にＮ型の半導体層（１２、２２２）が形成されたＰ型の半導体基板（１１、２２１）からなるウェハ（２０、２００）を用意する工程と、
前記半導体層（１２、２２２）を貫通し前記半導体基板（１１、２２１）内に達するように埋め込み絶縁膜（１４、２２４）を形成する工程と、
前記半導体層（１２、２２２）を貫通し前記半導体基板（１１、２２１）内に達する深さでトレンチ（１８、２３０）を形成した後、前記埋め込み絶縁膜（１４、１１４、２２４）をストッパとし前記表面側から前記半導体基板（１１、１１１、２２１）を電気化学エッチングして可動部（２、２０２）を形成する工程と、
この後、前記ウェハ（２０、２００）をカットしてチップ化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。 - 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）を形成する工程と、
前記半導体層（１２）を貫通し前記半導体基板（１１）内に達する深さでトレンチ（１８）を前記梁構造体（２）を画定するパターンで形成した後、前記埋め込み絶縁膜（１４）をストッパとし前記表面側から前記半導体基板（１１）を電気化学エッチングして、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、前記ウェハ（２０）をカットしてチップ化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。 - 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、
ダイヤフラム部（２０２）となる領域の外周に、前記半導体層（２２２）を貫通し前記半導体基板（２２１）内に達するように埋め込み絶縁膜（２２４）を形成する工程と、
前記ダイヤフラム部（２０２）となる領域において前記半導体層（２２２）を貫通し前記半導体基板（２２１）内に達する深さでトレンチ（２３０）を形成した後、前記埋め込み絶縁膜（２２４）をストッパとして前記表面側から前記半導体基板（２２１）を電気化学エッチングを行い、この後、前記トレンチ（１８、２３０）を封止膜（２２６）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、前記ウェハ（２００）をカットしてチップ化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。
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- 1998-02-02 JP JP2134498A patent/JP4120037B2/ja not_active Expired - Fee Related
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