JP4281250B2 - 半導体力学量センサの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、可動電極を有する梁構造体を具備し、例えば、加速度やヨーレートや振動等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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のセンサ構造体として、特開２０００−２８６４３０公報に開示されたものがある。このセンサを、図２５の平面図、図２６の縦断面図を用いて説明する。
【０００３】
図２６において、シリコン基板５００には、横方向に延びる空洞５０１と縦方向に延びる溝５０２が形成され、空洞５０１の下にベースプレート部５０３が区画されるとともに、空洞５０１および溝５０２により四角枠部５０４（図２５参照）と、可動電極５０５を有する梁構造体５０６（図２５参照）と、固定電極５０７（図２５参照）が区画されている。固定電極５０７は梁構造体５０６の可動電極５０５と対向している。可動電極５０５と四角枠部５０４との間および固定電極５０７と四角枠部５０４との間に、図２６に示すように溝５０８が形成され、この溝５０８の内部に電気的絶縁材料５０９が埋め込まれている。そして、可動電極５０５と固定電極５０７とでコンデンサが形成され、このコンデンサの静電容量の変化に基づいて加速度を検出することができる。
【０００４】
製造の際には、図２７に示すように、シリコン基板５００の上面に溝５０８を形成するとともに絶縁材料５０９を埋め込み、さらに、基板５００の上に絶縁膜５１０，５１１および配線材５１２，５１３を配置するとともに、シリコン基板５００の上面から異方性エッチングを行い、四角枠部と梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に延びる溝５０２を形成し、溝５０２の底面を除く溝５０２の側壁に保護膜５１４を形成する。次に、溝５０２の底面からシリコン基板５００に対し等方性エッチングを行い、図２８に示すように、横方向に延びる空洞５０１を形成する。その結果、空洞５０１の下に位置するベースプレート部５０３と、四角枠部５０４と、梁構造体５０６と、固定電極５０７とが区画形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した半導体加速度センサの図２８における等方性エッチングでは、梁構造体５０６および固定電極５０７の構造体厚さは、エッチング時間でしか制御することができず、エッチングの面内バラツキを考えると、構造体の厚さバラツキが非常に大きくなり、ウエハ面内のセンサチップにおいて可動電極と固定電極間の静電容量等に大きな差（分布）が発生する可能性がある。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みたもので、可動電極と固定電極間の静電容量のバラツキを低減することができるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の半導体力学量センサの製造方法によれば、支持部と、力学量により変位する可動電極を有する梁構造体と、梁構造体の可動電極に対向して配置された固定電極とを備えた半導体力学量センサの製造方法として、まず、単結晶基板の上面から異方性エッチングが行われ、可動および固定電極を支持部から電気的に絶縁するための縦方向に延びる第１の溝が形成されるとともに、溝が絶縁材料で埋め込まれる。そして、単結晶基板の上面から異方性エッチングが行われ、第１の溝よりも浅い多数の空洞用溝が形成され、さらに、水素雰囲気でアニールが行われて空洞用溝の底部同士をつなぐとともに各空洞用溝の上端開口部を塞ぐ空洞が形成される。さらに、単結晶基板の上に半導体層が形成され、半導体層の上面から異方性エッチングを行い単結晶基板に設けた空洞に達する第３の溝が形成され、支持部と梁構造体と固定電極とが区画形成される。
【００２０】
よって、単結晶基板に空洞を形成した後に支持部と梁構造体と固定電極とを区画するための異方性エッチングを行うことにより力学量センサを形成することができる。その結果、半導体層の膜厚で可動および固定電極の厚さが決定され、可動電極と固定電極間の静電容量のバラツキを低減することができる。
請求項２に記載の半導体力学量センサの製造方法では、単結晶基板の上に半導体層を形成する工程において、単結晶基板の上にエピタキシャル成長により半導体層を形成するようにしている。このように半導体層をエピタキシャル層からなるようにすれば、構造体を単結晶半導体で構成することができ、物性的にも安定で、残留応力もほとんどない構造体とすることができる。そうすることで、経時劣化の少ない、高品質なセンサとすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。
【００２２】
本実施の形態における加速度センサの平面図を図１に示す。また、図２には加速度センサの斜視図を示す。さらに、図１におけるＡ−Ａ線での断面を図３に、Ｂ−Ｂ線での断面を図４に示す。
【００２３】
図５は加速度センサの配線を取り除いた状態での斜視図を示している。つまり、図２は、本センサの配線を含む斜視図であり、これに対し、図５では配線を除いたものとなっている。
【００２４】
図３において、半導体基板１００として、表層部に不純物拡散層１０２を形成した単結晶シリコン基板１０１の上にエピタキシャル層１０３が形成されたものを用いている。つまり、単結晶基板１０１（不純物拡散層１０２）とエピタキシャル層１０３は、単結晶シリコンよりなる。また、厚さｔの不純物拡散層１０２の不純物はＰ（リン）である。さらに、半導体基板１００の不純物拡散層１０２において空洞２が形成されており、この空洞２は厚さがｔであり、横方向（水平方向）に延びている。空洞２の下の部位がベースプレート部３となっている。つまり、空洞２によりベースプレート部３が区画され、空洞２の下にベースプレート部３が位置している。
【００２５】
図１，３に示すように、エピタキシャル層１０３には溝４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが形成され、この溝４ａ〜４ｄは縦方向に延び、かつ、空洞２に達している。図１において、四角枠部５は溝４ａ，４ｂと図３の空洞２により区画され、空洞２および溝４ａ，４ｂの横に位置している。
【００２６】
本実施形態においては、ベースプレート部３と四角枠部５により梁構造体と固定電極を支持するための支持部を構成している。
また、梁構造体６は、空洞２および溝４ａ〜４ｄにより区画され、空洞２の上に位置し、四角枠部５から延びている。梁構造体６は、アンカー部７，８と梁部９，１０と質量部１１と可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄからなり、可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄは加速度により変位することができるようになっている。図１に示すように、梁構造体６の質量部１１は、四角枠部５から突出する２つのアンカー部７，８により、梁部９，１０を介して架設されており、図３に示すように、ベースプレート部３の上面において所定間隔ｔを隔てた位置に配置されている。
【００２７】
図５に示すように、アンカー部７，８と梁部９，１０は、酸化膜等の絶縁材料１５ａ，１５ｂを介して連結されるとともに互いに電気的に絶縁されている。質量部１１における一方の側面からは４つの可動電極１２ａ〜１２ｄが突出している。また、質量部１１における他方の側面からは４つの可動電極１３ａ〜１３ｄが突出している。可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄは、等間隔で平行に延びる櫛歯状の形状になっている。
【００２８】
固定電極１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄは、空洞２および溝４ａ，４ｂにより区画され、空洞２の上に位置し、四角枠部５から延び、かつ、梁構造体の可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄに対向して配置されている。詳しくは、四角枠部５には第１の固定電極１６ａ〜１６ｄおよび第２の固定電極１７ａ〜１７ｄが固定されている。第１の固定電極１６ａ〜１６ｄは、四角枠部５にそれぞれ酸化膜等の絶縁材料１９ａ〜１９ｄを介して連結され、四角枠部５と第１の固定電極１６ａ〜１６ｄは、絶縁材料１９ａ〜１９ｄにより電気的に絶縁されている。また、第１の固定電極１６ａ〜１６ｄはベースプレート部３の上面に所定間隔ｔを隔てた位置に配置された可動電極１２ａ〜１２ｄの一方の側面と対向している。同様に、第２の固定電極１７ａ〜１７ｄについては電気的絶縁材料２１ａ〜２１ｄを介して四角枠部５に連結され、可動電極１２ａ〜１２ｄの他方の側面と対向している。また、第１の固定電極２２ａ〜２２ｄについては電気的絶縁材料２５ａ〜２５ｄを介して四角枠部５に連結され、可動電極１３ａ〜１３ｄの一方の側面と対向している。さらに、第２の固定電極２３ａ〜２３ｄについては電気的絶縁材料２７ａ〜２７ｄを介して四角枠部５に連結され、可動電極１３ａ〜１３ｄの他方の側面と対向している。
【００２９】
図２に示すように、第１の固定電極１６ａ〜１６ｄからは、酸化膜３２，３３（図３参照）上に形成されている配線２８により四角枠部５と電気的に絶縁を保った状態で外部に電位を取り出している。同様に、第２の固定電極１７ａ〜１７ｄからは配線２９（図４参照）を用いて、また、第１の固定電極２２ａ〜２２ｄからは配線３０（図３参照）を用いて、さらに、第２の固定電極２３ａ〜２３ｄからは配線３１（図４参照）を用いて外部に電位を取り出している。また、可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄの電位は質量部１１と梁部９，１０を通し、配線３８，３９により外部に電位を取り出している。
【００３０】
次に、加速度センサの断面構造について、図３，４を用いて説明する。各固定電極と梁構造体の支持および絶縁構造は同じであり、ここでは図３，４にて表れている部位についての説明のみを行い、他の部位についての説明は省略する。
【００３１】
固定電極１６ｂ，２２ｂ，１７ａ，２３ａはトレンチ溝１８ｂ，２４ｂ，２０ａ，２６ａを酸化膜で埋め込んだ絶縁材料１９ｂ，２５ｂ，２１ａ，２７ａを介して四角枠部５に支持され、かつ、この絶縁材料１９ｂ，２５ｂ，２１ａ，２７ａにより四角枠部５から電気的に絶縁されている。梁構造体（質量部１１等）と固定電極１６ｂ，２２ｂ，１７ａ，２３ａの側壁には保護膜４０，４１，４２が形成されている。梁構造体（質量部１１等）と固定電極１６ｂ，２２ｂ，１７ａ，２３ａ上部には、上述したように絶縁膜３２，３３が形成されている。固定電極１６ｂ，２２ｂ，１７ａ，２３ａの電位は、配線材料２８〜３１によりコンタクト部３４〜３７を通して外部に取り出される。
【００３２】
このようにして、溝１８ｂ，２４ｂ，２０ａ，２６ａが、固定電極１６ｂ，２２ｂ，１７ａ，２３ａと四角枠部５との間に形成され、電気的絶縁材料１９ｂ，２５ｂ，２１ａ，２７ａが埋め込まれている。同様の構造が、可動電極（詳しくは、アンカー部７，８）と四角枠部５との間にも採られている。即ち、図５において溝１４ａ，１４ｂ内に絶縁材料１５ａ，１５ｂが埋め込まれている。
【００３３】
以上のように、半導体基板１００の不純物拡散層１０２に形成した空洞２と溝４ａ〜４ｄによりベースプレート部３と四角枠部５と梁構造体６と固定電極１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄとが区画されるとともに、可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄと四角枠部５との間および固定電極と四角枠部５との間に形成された溝（１４ａ，１４ｂ，１８ｂ，２４ｂ，２０ａ，２６ａ等）に埋め込まれた電気的絶縁材料（１５ａ，１５ｂ，１９ｂ，２５ｂ，２１ａ，２７ａ等）により電極が電気的に分離されている。
【００３４】
上述した構成において、可動電極１２ａ〜１２ｄと第１の固定電極１６ａ〜１６ｄとの間には第１のコンデンサが、また、可動電極１２ａ〜１２ｄと第２の固定電極１７ａ〜１７ｄとの間には第２のコンデンサが形成されている。同様に、可動電極１３ａ〜１３ｄと第１の固定電極２２ａ〜２２ｄとの間に第１のコンデンサが、また、可動電極１３ａ〜１３ｄと第２の固定電極２３ａ〜２３ｄとの間に第２のコンデンサが形成されている。そして、これら各コンデンサの容量が等しくなるように（加速度と静電気力が等しく釣り合うように）可動・固定電極間の印加電圧を制御することにより、その印加電圧値から加速度の大きさを求めることができることとなる。
【００３５】
このように、１枚の基板１００に、可動電極を有する梁構造体、および可動電極に対向配置された固定電極を作り込んだ半導体力学量センサにおいて、半導体基板１００を用いているためセンサの断面構造を簡単化することができる。
【００３６】
次に、製造方法を、図１のＢ−Ｂ断面を示す図６〜図１１を用いて説明する。
まず、図６に示すように、単結晶シリコン基板１０１を用意し、上面から不純物をイオン注入等で導入し、不純物拡散層１０２を形成する。次に、図７に示すように、不純物拡散層１０２の上にエピタキシャル成長によるシリコン層１０３を形成する。このような半導体基板１００を用意し、図８のようにエピタキシャル層１０３の上面から異方性エッチングを行い、可動および固定電極を四角枠部から電気的に絶縁するための縦方向に延びる第１の溝２０ａ，２６ａをパターン形成する。そして、エピタキシャル層１０３の上にシリコン酸化膜を成膜し、溝２０ａ，２６ａを絶縁材料２１ａ，２７ａで埋め込むとともに、エピタキシャル層１０３の表面を酸化膜３２で覆う。この際、溝２０ａ，２６ａの先端は不純物拡散層１０２まで達するように加工を行う。次に、配線５０となる材料を成膜し、パターニングを行い、続いて、酸化膜３３を成膜して配線パターン５０を覆う。
【００３７】
その後、図９に示すように、エピタキシャル層１０３と配線５０の上部の酸化膜３２，３３を一部除去してコンタクトホール３６，３７を形成し、配線２９，３１となる材料を成膜し、パターニングを行う。
【００３８】
そして、図１０に示すように、半導体基板１００に構造体形成のためのマスクフォトを行い、マスク５１にて酸化膜３２，３３をドライエッチングにて除去する。さらに、マスク５１を用いてエピタキシャル層１０３の上面から異方性エッチング（トレンチエッチング）を行い、四角枠部と梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に延びる第２の溝４ａ，４ｂを形成する。この際、溝４ａ，４ｂは、不純物拡散層１０２まで達するような深さとする。
【００３９】
また、異方性エッチング時あるいはエッチング後に異方性エッチングを行った溝４ａ，４ｂの内壁面に保護膜４０，４２を形成するとともに、溝底面に付いた保護膜を除去する。このようにして、溝４ａ，４ｂの底面を除く溝４ａ，４ｂの側壁に保護膜４０，４２を形成する。なお、保護膜４０，４２は、製造プロセスに適合したものを選択しなければならないが、トレンチエッチング時にポリマー等を形成、熱酸化膜を形成、ＣＶＤ等で酸化膜を成膜、Ｏ2 プラズマ等で薄い酸化膜を形成、薬液等で酸化膜を形成等、どのような方法をとってもよい。その場合の配線材料は、熱工程が加わらない場合は、配線２９，３１の材料はアルミ等の金属配線またはポリシリコン等の材料が考えられる。また、熱工程が加わる場合は、配線２９，３１の材料は高融点金属であるタングステンやその化合物等あるいはポリシリコン等の材料が考えられる。
【００４０】
引き続き、図１１に示すように、第２の溝４ａ，４ｂの底面から不純物拡散層１０２をエッチングして横方向に延びる空洞２を形成する。これにより、空洞２の下に位置するベースプレート部３と、空洞２および第２の溝４ａ，４ｂの横に位置する四角枠部５と、加速度により変位する可動電極を有する梁構造体６と、梁構造体６の可動電極に対向して配置された固定電極１７ａ，２３ａとが区画形成される。図１１では、等方性エッチングをすることにより、質量部１１と固定電極１７ａ，２３ａの下の不純物拡散層１０２が選択的にエッチングされ、特に質量部１１とベースプレート部３の間に所定の間隔ｔが形成される。
【００４１】
この際、等方性エッチングでは、不純物拡散層１０２は、その下の単結晶基板１０１とエピタキシャル層１０３に対してエッチングが非常に速く、不純物拡散層１０２の下の単結晶基板１０１とエピタキシャル層１０３が露出されても所定の間隔が形成される時間においてもほとんどエッチングされず、不純物拡散層１０２の下の単結晶基板１０１とエピタキシャル層１０３との間を一定に保つことができる。これにより、構造体膜厚（可動・固定電極の厚さ）をエピタキシャル層１０３の膜厚にすることができる。
【００４２】
最後に、エッチングマスク５１を除去すると、図４に示す加速度センサが形成される。
なお、エピタキシャル層１０３の膜厚に対し表面の酸化膜３２，３３の合計膜厚が十分に薄くない場合には、酸化膜の内部応力により、等方性エッチング後に可動電極や質量部１１が変化する。これを避けるためには、最終工程で図１２のように表面の酸化膜３２，３３と側壁保護膜４０，４１を取り除いた方がよい。
【００４３】
また、この等方性エッチングでは、前述した保護膜４０，４２はエッチングされないような組み合わせを選ぶ必要がある。この等方性エッチングの際、ＳＦ6 や、ＣＦ4 等のガス材料を用いたプラズマエッチング工程を用いることにより、ウエット工程に比較してエッチングの後の構造体形成歩留まりの向上を図ることができる。また、不純物拡散層１０２と、その下の単結晶基板１０１およびエピタキシャル層１０３のエッチングレート比が非常に大きい場合には、前述した保護膜４０，４２の形成除去工程を省略することができ、プロセスの簡略化を図ることができる。
【００４４】
このように、本実施の形態は下記の特徴を有する。
（イ）半導体力学量センサの構造に関して、図３，４に示すように、半導体基板１００として、表層部に不純物拡散層１０２を形成した単結晶基板１０１の上に半導体層１０３が形成されたものを用い、この半導体基板１００における不純物拡散層１０２に空洞２を形成した。これにより、空洞２を形成すべくエッチングを行う場合において、不純物拡散層１０２のみが選択的にエッチングされて可動および固定電極の厚さが半導体層１０３の膜厚で決定され、可動電極と固定電極間の静電容量のバラツキを低減することができる。即ち、設計値どおりの半導体力学量センサが形成される。
（ロ）半導体層１０３はエピタキシャル層であり、構造体を単結晶シリコンで構成することができ、物性的にも安定で、残留応力もほとんどない構造体とすることができる。そうすることで、経時劣化の少ない、高品質なセンサとすることができる。
（ハ）不純物拡散層１０２の不純物はＰ（リン）であり、半導体プロセスでは一般的な不純物で簡便に製造することができる。また、Ｐを高濃度に導入することでドライエッチング時の選択比を大きくとることができる。
（ニ）図３，４に示すように、溝（１８ｂ，２４ｂ，２０ａ，２６ａ）を埋め込んだ電気的絶縁材料（１９ｂ，２５ｂ，２１ａ，２７ａ）は空洞２に対して突き出ているので、絶縁を確実に行え、好ましいものとなる。
（ホ）半導体力学量センサの製造方法に関して、図８に示すように、表層部に不純物拡散層１０２を形成した単結晶基板１０１の上に半導体層１０３が形成された半導体基板１００における半導体層１０３の上面から異方性エッチングを行い、可動および固定電極を支持部（ベースプレート部３＋四角枠部５）から電気的に絶縁するための縦方向に延びる第１の溝２０ａ，２６ａを形成するとともに、当該溝２０ａ，２６ａを絶縁材料２１ａ，２７ａで埋め込む。そして、図１０に示すように、半導体層１０３の上面から異方性エッチングを行い、少なくとも梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に延びる第２の溝４ａ，４ｂを形成するとともに、当該溝４ａ，４ｂの底面を除く溝４ａ，４ｂの側壁に保護膜４０，４２を形成する。さらに、第２の溝４ａ，４ｂの底面から不純物拡散層１０２に対し等方性エッチングを行い、図１１に示すように、不純物拡散層１０２に沿って横方向に延びる空洞２を形成し、支持部（ベースプレート部３＋四角枠部５）と梁構造体６と固定電極１７ａ，２３ａとを区画形成した。よって、この等方性エッチングの際、選択的に不純物拡散層１０２がエッチングされ、不純物拡散層１０２の下の単結晶基板１０１と、半導体層１０３はほとんどエッチングされない。その結果、可動および固定電極の厚さが半導体層１０３の膜厚で決定され、可動電極と固定電極間の静電容量のバラツキを低減することができる。
【００４５】
なお、溝に埋め込む電気的絶縁材料（図３での符号１９ｂ，２５ｂ）は、シリコン酸化膜（絶縁材単体）であったが、シリコン酸化膜とポリシリコンにより構成したもの、即ち、絶縁材料で被われた材料を用いるとよい。つまり、シリコン酸化膜で覆われた材料（ポリシリコン）を用いることにより、酸化膜単体で埋め込む場合に比べ、低応力のポリシリコンの存在にて溝に発生する応力を小さくすることができる。
【００４６】
次に、応用例を説明する。
図１３には、加速センサの断面図を示す。図１３は、図１のＭ−Ｍ線での縦断面図である。この場合には、固定電極（および梁構造体）を支持および絶縁するための構造が異なっている。
【００４７】
ベースプレート部３上に電気的絶縁材料（酸化膜）よりなる柱７０が立設され、この柱７０により固定電極７１と梁構造体７２の少なくとも一方を支持するとともに電気的に絶縁している。詳しくは、固定電極７１は、空洞２および溝４ａ，４ｂにより区画され、空洞２の上に位置し、四角枠部５から延び、かつ、梁構造体７２の可動電極に対向して配置されているが、さらに、固定電極７１を貫通する溝７３に、電気的絶縁材料（酸化膜）よりなる柱７０が埋め込まれ、柱７０がベースプレート部３に向かって延びている。このような構造を採用することで可動電極と固定電極７１間に発生する静電気力によりスティッキングが発生するのを回避し、安定したセンサ出力を得ることができる。
【００４８】
このように、支持部（ベースプレート部３）上に立設した電気的絶縁材料よりなる柱７０にて固定電極７１と梁構造体７２の少なくとも一方を支持するようにしてもよい。
【００４９】
なお、図１３においては柱７０の間に不純物拡散層１０２を残す構成としたが、図１４に示すように除去してもよい。
また、図１３に対し図１５のように基板表面の酸化膜３２，３３の一部と側壁保護膜４０，４１を取り除いてもよい。
【００５０】
さらに、図１６のように、単結晶基板１０１の表層部に酸化膜８０を埋め込むとともにトレンチ溝７３はその底部が酸化膜８０に接するか（または突き抜ける）ようにしてもよい。これにより、可動電極と固定電極との間の電位分離を容易に行うことができる。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００５１】
本実施の形態における加速度センサの斜視図を図１７に示す。また、図１８に、図１７におけるＣ−Ｃ線での断面図を示す。
図１８において、半導体基板２００として、単結晶シリコン基板２０１の上にエピタキシャル層２０２を形成したものを用いている。つまり、単結晶基板２０１とエピタキシャル層２０２は単結晶シリコンである。そして、エピタキシャル層（半導体層）２０２にて可動電極と固定電極を構成している。
【００５２】
単結晶基板２０１の表層部には横方向に延びる空洞２が形成されるとともに、空洞２よりも上側の部位と空洞２よりも下側の部位が電気的絶縁材料（シリコン酸化膜）よりなる柱２０３にて連結支持されている。また、単結晶基板２０１での空洞２の下にはベースプレート部３が区画され、これが梁構造体６と固定電極１６，２２を支持するための支持部となっている。さらに、空洞２よりも上方に位置する単結晶基板２０１とエピタキシャル層２０２には縦方向に延びる溝４ａ〜４ｄが形成されている。加速度により変位する可動電極１２，１３（図１７参照）を有する梁構造体６は、空洞２および溝４ａ〜４ｄにより区画され、空洞２の上に位置し、ベースプレート部（支持部）３から延びている。詳しくは、図１７に示すように、梁構造体６の質量部１１は、２つのアンカー部７，８により、梁部９，１０を介して架設されており、図１８に示すように、ベースプレート部３の上面において所定間隔を隔てた位置に配置されている。
【００５３】
図１７に示すように、アンカー部７，８と梁部９，１０と質量部１１と可動電極１２，１３は同材料で電気的に結合されており、またベースプレート部３とは図１８の溝２１０に埋め込まれた絶縁材料２０３にて電気的に分離されている。質量部１１における一方の側面からは４つの可動電極１２が突出している。また、質量部１１における他方の側面からは４つの可動電極１３が突出している。可動電極１２，１３は、等間隔で平行に延びる櫛歯状の形状になっている。
【００５４】
固定電極１６，２２は、空洞２および溝４ａ，４ｂにより区画され、空洞２の上に位置し、ベースプレート部（支持部）３から延び、かつ、梁構造体の可動電極１２，１３に対向して配置されている。固定電極１６，２２とベースプレート部（支持部）３とは、図１８を用いて説明したように溝２１０内の絶縁材料２０３にて電気的に分離されている。
【００５５】
第１の固定電極１６からは、図１８の酸化膜３２上に形成されている配線２８により外部に電位を取り出している。同様に、第２の固定電極２２からは配線２９を用いて外部に電位を取り出している。また、可動電極１２，１３の電位は質量部１１と梁部９，１０とアンカー部７，８を通して配線３８，３９により外部に電位を取り出している。
【００５６】
次に、製造方法を、図１７のＣ−Ｃ断面を示す図１９〜図２３を用いて説明する。
まず、図１９に示すように、単結晶シリコン基板２０１を用意し、上面からトレンチ溝２１０を形成する。そして、溝２１０を絶縁材料２０３で埋め込む。次に、図２０に示すように最初に形成したトレンチ溝２１０の間に多数のトレンチ溝２１１を形成する。この溝２１１は溝２１０よりも浅くなっている。その後、基板２０１を水素雰囲気で圧力１０ｔｏｒｒ、１１００℃、１０ｍｉｎ程度処理を行うと、トレンチ溝２１１の底面同士がつながれ、かつ、各溝２１１の上端開口部が塞がれ、図２１のように基板２０１内に空洞２が形成される。これは、ＳＯＮ（Ｓilicon Ｏn Ｎothing）という技術である。この図２１で基板２０１は空洞２の上側と下側が絶縁材料２０３により完全に電気的に分離される。次に、図２２に示すように、基板２０１の上にエピタキシャル層２０２を形成する。
【００５７】
最後に、図２３のようにエピタキシャル層２０２の上面に絶縁膜３２を形成するとともに配線２８，２９を形成する。さらに、図１８に示すように、エピタキシャル層２０２と基板２０１に対し異方性エッチングにより空洞２に達するように溝４ａ，４ｂを形成すると、加速度センサが完成する。
【００５８】
このように、プロセスの初期段階に可動電極下の空洞２を形成することにより、構造体の膜厚を制御することができる。
以上のように本実施形態は、下記の特徴を有する。
（イ）半導体力学量センサの構造に関して、図１８に示すように、半導体基板２００として、単結晶基板２０１の上に半導体層２０２が形成されたものを用い、半導体層２０２にて可動および固定電極を構成するとともに単結晶基板２０１の表層部に空洞２を形成した。これにより、半導体層２０２の膜厚で可動および固定電極の厚さが決定され、可動電極と固定電極間の静電容量のバラツキを低減することができる。
（ロ）半導体層２０２はエピタキシャル層であり、構造体を単結晶シリコンで構成することができ、物性的にも安定で、残留応力もほとんどない構造体とすることができる。そうすることで、経時劣化の少ない、高品質なセンサとすることができる。
（ハ）溝２１０を埋め込んだ電気的絶縁材料２０３は空洞２に対して貫通しており、絶縁を確実に行えるので、好ましいものとなる。
（ニ）図１８に示すように、支持部（ベースプレート部３）上に立設した電気的絶縁材料よりなる柱２０３にて固定電極１６と梁構造体６の少なくとも一方を支持しており、好ましいものとなっている。
（ホ）半導体力学量センサの製造方法に関して、図１９に示すように、単結晶基板２０１の上面から異方性エッチングを行い、可動および固定電極を支持部（ベースプレート部３）から電気的に絶縁するための縦方向に延びる第１の溝２１０を形成するとともに、当該溝２１０を絶縁材料２０３で埋め込む。そして、図２０に示すように、単結晶基板２０１の上面から異方性エッチングを行い、溝２１０よりも浅い多数の空洞用溝２１１を形成するとともに、水素雰囲気でアニールを行って図２１に示すように各空洞用溝２１１の底部同士をつなぐとともに各空洞用溝２１１の上端開口部を塞ぐ空洞２を形成する。さらに、図２２に示すように、単結晶基板２０１の上にエピタキシャル成長による半導体層２０２を形成する。さらには、図１８に示すように、半導体層２０２の上面から異方性エッチングを行い単結晶基板２０１に設けた空洞２に達する第３の溝４ａ，４ｂを形成し、支持部（ベースプレート部３）と梁構造体６と固定電極１６，２２とを区画形成した。よって、単結晶基板２０１に空洞２を形成した後にベースプレート部（支持部）３と梁構造体６と固定電極１６，２２とを区画するための異方性エッチングを行うことにより力学量センサを形成することができる。その結果、半導体層２０２の膜厚で可動および固定電極の厚さが決定され、可動電極と固定電極間の静電容量のバラツキを低減することができる。
【００５９】
なお、溝２１０に埋め込む電気的絶縁材料２０３は、シリコン酸化膜（絶縁材単体）であったが、シリコン酸化膜とポリシリコンにより構成したもの、即ち、絶縁材料で被われた材料を用いるとよい。つまり、シリコン酸化膜で覆われた材料（ポリシリコン）を用いることにより、酸化膜単体で埋め込む場合に比べ、低応力のポリシリコンの存在にて溝２１０に発生する応力を小さくすることができる。
【００６０】
次に、構造体の応用例を図２４に示す。
図２４は図１７のＣ−Ｃ線での縦断面図を示すものである。
図１８に比べ図２４は、シリコン基板２０１の表層部に酸化膜２２０を埋め込んでおり、この酸化膜２２０上に空洞２が形成されている。この場合、図１９での上面からトレンチ溝２１０を形成する際、溝２１０の底部が図２４の酸化膜２２０に接するかまたは、突き抜けるようにする。このような構成とすることにより、可動電極と固定電極との間の電位分離を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態における加速度センサの平面図。
【図２】 加速度センサの斜視図。
【図３】 図１におけるＡ−Ａ線での断面図。
【図４】 図１におけるＢ−Ｂ線での断面図。
【図５】 配線を取り除いた状態での加速度センサの斜視図。
【図６】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図７】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図８】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図９】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１０】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１１】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１２】 応用例を説明するための加速度センサの断面図。
【図１３】 応用例を説明するための加速度センサの断面図。
【図１４】 応用例を説明するための加速度センサの断面図。
【図１５】 応用例を説明するための加速度センサの断面図。
【図１６】 応用例を説明するための加速度センサの断面図。
【図１７】 第２の実施の形態における加速度センサの斜視図。
【図１８】 図１７におけるＣ−Ｃ線での断面図。
【図１９】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２０】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２１】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２２】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２３】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２４】 応用例を説明するための加速度センサの断面図。
【図２５】 従来技術を説明するための加速度センサの平面図。
【図２６】 図２５におけるＸ−Ｘ線での断面図。
【図２７】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２８】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【符号の説明】
２…空洞、４ａ〜４ｄ…溝、５…四角枠部、６…梁構造体、１２，１３…可動電極、１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄ…可動電極、１６，１７，２２，２３…固定電極、１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄ…固定電極、１００…半導体基板、１０１…単結晶基板、１０２…不純物拡散層、２００…半導体基板、２０１…単結晶シリコン基板、２０２…エピタキシャル層、２０３…絶縁材料、２１０…溝。
【発明の属する技術分野】
この発明は、可動電極を有する梁構造体を具備し、例えば、加速度やヨーレートや振動等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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のセンサ構造体として、特開２０００−２８６４３０公報に開示されたものがある。このセンサを、図２５の平面図、図２６の縦断面図を用いて説明する。
【０００３】
図２６において、シリコン基板５００には、横方向に延びる空洞５０１と縦方向に延びる溝５０２が形成され、空洞５０１の下にベースプレート部５０３が区画されるとともに、空洞５０１および溝５０２により四角枠部５０４（図２５参照）と、可動電極５０５を有する梁構造体５０６（図２５参照）と、固定電極５０７（図２５参照）が区画されている。固定電極５０７は梁構造体５０６の可動電極５０５と対向している。可動電極５０５と四角枠部５０４との間および固定電極５０７と四角枠部５０４との間に、図２６に示すように溝５０８が形成され、この溝５０８の内部に電気的絶縁材料５０９が埋め込まれている。そして、可動電極５０５と固定電極５０７とでコンデンサが形成され、このコンデンサの静電容量の変化に基づいて加速度を検出することができる。
【０００４】
製造の際には、図２７に示すように、シリコン基板５００の上面に溝５０８を形成するとともに絶縁材料５０９を埋め込み、さらに、基板５００の上に絶縁膜５１０，５１１および配線材５１２，５１３を配置するとともに、シリコン基板５００の上面から異方性エッチングを行い、四角枠部と梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に延びる溝５０２を形成し、溝５０２の底面を除く溝５０２の側壁に保護膜５１４を形成する。次に、溝５０２の底面からシリコン基板５００に対し等方性エッチングを行い、図２８に示すように、横方向に延びる空洞５０１を形成する。その結果、空洞５０１の下に位置するベースプレート部５０３と、四角枠部５０４と、梁構造体５０６と、固定電極５０７とが区画形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した半導体加速度センサの図２８における等方性エッチングでは、梁構造体５０６および固定電極５０７の構造体厚さは、エッチング時間でしか制御することができず、エッチングの面内バラツキを考えると、構造体の厚さバラツキが非常に大きくなり、ウエハ面内のセンサチップにおいて可動電極と固定電極間の静電容量等に大きな差（分布）が発生する可能性がある。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みたもので、可動電極と固定電極間の静電容量のバラツキを低減することができるようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の半導体力学量センサの製造方法によれば、支持部と、力学量により変位する可動電極を有する梁構造体と、梁構造体の可動電極に対向して配置された固定電極とを備えた半導体力学量センサの製造方法として、まず、単結晶基板の上面から異方性エッチングが行われ、可動および固定電極を支持部から電気的に絶縁するための縦方向に延びる第１の溝が形成されるとともに、溝が絶縁材料で埋め込まれる。そして、単結晶基板の上面から異方性エッチングが行われ、第１の溝よりも浅い多数の空洞用溝が形成され、さらに、水素雰囲気でアニールが行われて空洞用溝の底部同士をつなぐとともに各空洞用溝の上端開口部を塞ぐ空洞が形成される。さらに、単結晶基板の上に半導体層が形成され、半導体層の上面から異方性エッチングを行い単結晶基板に設けた空洞に達する第３の溝が形成され、支持部と梁構造体と固定電極とが区画形成される。
【００２０】
よって、単結晶基板に空洞を形成した後に支持部と梁構造体と固定電極とを区画するための異方性エッチングを行うことにより力学量センサを形成することができる。その結果、半導体層の膜厚で可動および固定電極の厚さが決定され、可動電極と固定電極間の静電容量のバラツキを低減することができる。
請求項２に記載の半導体力学量センサの製造方法では、単結晶基板の上に半導体層を形成する工程において、単結晶基板の上にエピタキシャル成長により半導体層を形成するようにしている。このように半導体層をエピタキシャル層からなるようにすれば、構造体を単結晶半導体で構成することができ、物性的にも安定で、残留応力もほとんどない構造体とすることができる。そうすることで、経時劣化の少ない、高品質なセンサとすることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。
【００２２】
本実施の形態における加速度センサの平面図を図１に示す。また、図２には加速度センサの斜視図を示す。さらに、図１におけるＡ−Ａ線での断面を図３に、Ｂ−Ｂ線での断面を図４に示す。
【００２３】
図５は加速度センサの配線を取り除いた状態での斜視図を示している。つまり、図２は、本センサの配線を含む斜視図であり、これに対し、図５では配線を除いたものとなっている。
【００２４】
図３において、半導体基板１００として、表層部に不純物拡散層１０２を形成した単結晶シリコン基板１０１の上にエピタキシャル層１０３が形成されたものを用いている。つまり、単結晶基板１０１（不純物拡散層１０２）とエピタキシャル層１０３は、単結晶シリコンよりなる。また、厚さｔの不純物拡散層１０２の不純物はＰ（リン）である。さらに、半導体基板１００の不純物拡散層１０２において空洞２が形成されており、この空洞２は厚さがｔであり、横方向（水平方向）に延びている。空洞２の下の部位がベースプレート部３となっている。つまり、空洞２によりベースプレート部３が区画され、空洞２の下にベースプレート部３が位置している。
【００２５】
図１，３に示すように、エピタキシャル層１０３には溝４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが形成され、この溝４ａ〜４ｄは縦方向に延び、かつ、空洞２に達している。図１において、四角枠部５は溝４ａ，４ｂと図３の空洞２により区画され、空洞２および溝４ａ，４ｂの横に位置している。
【００２６】
本実施形態においては、ベースプレート部３と四角枠部５により梁構造体と固定電極を支持するための支持部を構成している。
また、梁構造体６は、空洞２および溝４ａ〜４ｄにより区画され、空洞２の上に位置し、四角枠部５から延びている。梁構造体６は、アンカー部７，８と梁部９，１０と質量部１１と可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄからなり、可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄは加速度により変位することができるようになっている。図１に示すように、梁構造体６の質量部１１は、四角枠部５から突出する２つのアンカー部７，８により、梁部９，１０を介して架設されており、図３に示すように、ベースプレート部３の上面において所定間隔ｔを隔てた位置に配置されている。
【００２７】
図５に示すように、アンカー部７，８と梁部９，１０は、酸化膜等の絶縁材料１５ａ，１５ｂを介して連結されるとともに互いに電気的に絶縁されている。質量部１１における一方の側面からは４つの可動電極１２ａ〜１２ｄが突出している。また、質量部１１における他方の側面からは４つの可動電極１３ａ〜１３ｄが突出している。可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄは、等間隔で平行に延びる櫛歯状の形状になっている。
【００２８】
固定電極１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄは、空洞２および溝４ａ，４ｂにより区画され、空洞２の上に位置し、四角枠部５から延び、かつ、梁構造体の可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄに対向して配置されている。詳しくは、四角枠部５には第１の固定電極１６ａ〜１６ｄおよび第２の固定電極１７ａ〜１７ｄが固定されている。第１の固定電極１６ａ〜１６ｄは、四角枠部５にそれぞれ酸化膜等の絶縁材料１９ａ〜１９ｄを介して連結され、四角枠部５と第１の固定電極１６ａ〜１６ｄは、絶縁材料１９ａ〜１９ｄにより電気的に絶縁されている。また、第１の固定電極１６ａ〜１６ｄはベースプレート部３の上面に所定間隔ｔを隔てた位置に配置された可動電極１２ａ〜１２ｄの一方の側面と対向している。同様に、第２の固定電極１７ａ〜１７ｄについては電気的絶縁材料２１ａ〜２１ｄを介して四角枠部５に連結され、可動電極１２ａ〜１２ｄの他方の側面と対向している。また、第１の固定電極２２ａ〜２２ｄについては電気的絶縁材料２５ａ〜２５ｄを介して四角枠部５に連結され、可動電極１３ａ〜１３ｄの一方の側面と対向している。さらに、第２の固定電極２３ａ〜２３ｄについては電気的絶縁材料２７ａ〜２７ｄを介して四角枠部５に連結され、可動電極１３ａ〜１３ｄの他方の側面と対向している。
【００２９】
図２に示すように、第１の固定電極１６ａ〜１６ｄからは、酸化膜３２，３３（図３参照）上に形成されている配線２８により四角枠部５と電気的に絶縁を保った状態で外部に電位を取り出している。同様に、第２の固定電極１７ａ〜１７ｄからは配線２９（図４参照）を用いて、また、第１の固定電極２２ａ〜２２ｄからは配線３０（図３参照）を用いて、さらに、第２の固定電極２３ａ〜２３ｄからは配線３１（図４参照）を用いて外部に電位を取り出している。また、可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄの電位は質量部１１と梁部９，１０を通し、配線３８，３９により外部に電位を取り出している。
【００３０】
次に、加速度センサの断面構造について、図３，４を用いて説明する。各固定電極と梁構造体の支持および絶縁構造は同じであり、ここでは図３，４にて表れている部位についての説明のみを行い、他の部位についての説明は省略する。
【００３１】
固定電極１６ｂ，２２ｂ，１７ａ，２３ａはトレンチ溝１８ｂ，２４ｂ，２０ａ，２６ａを酸化膜で埋め込んだ絶縁材料１９ｂ，２５ｂ，２１ａ，２７ａを介して四角枠部５に支持され、かつ、この絶縁材料１９ｂ，２５ｂ，２１ａ，２７ａにより四角枠部５から電気的に絶縁されている。梁構造体（質量部１１等）と固定電極１６ｂ，２２ｂ，１７ａ，２３ａの側壁には保護膜４０，４１，４２が形成されている。梁構造体（質量部１１等）と固定電極１６ｂ，２２ｂ，１７ａ，２３ａ上部には、上述したように絶縁膜３２，３３が形成されている。固定電極１６ｂ，２２ｂ，１７ａ，２３ａの電位は、配線材料２８〜３１によりコンタクト部３４〜３７を通して外部に取り出される。
【００３２】
このようにして、溝１８ｂ，２４ｂ，２０ａ，２６ａが、固定電極１６ｂ，２２ｂ，１７ａ，２３ａと四角枠部５との間に形成され、電気的絶縁材料１９ｂ，２５ｂ，２１ａ，２７ａが埋め込まれている。同様の構造が、可動電極（詳しくは、アンカー部７，８）と四角枠部５との間にも採られている。即ち、図５において溝１４ａ，１４ｂ内に絶縁材料１５ａ，１５ｂが埋め込まれている。
【００３３】
以上のように、半導体基板１００の不純物拡散層１０２に形成した空洞２と溝４ａ〜４ｄによりベースプレート部３と四角枠部５と梁構造体６と固定電極１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄとが区画されるとともに、可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄと四角枠部５との間および固定電極と四角枠部５との間に形成された溝（１４ａ，１４ｂ，１８ｂ，２４ｂ，２０ａ，２６ａ等）に埋め込まれた電気的絶縁材料（１５ａ，１５ｂ，１９ｂ，２５ｂ，２１ａ，２７ａ等）により電極が電気的に分離されている。
【００３４】
上述した構成において、可動電極１２ａ〜１２ｄと第１の固定電極１６ａ〜１６ｄとの間には第１のコンデンサが、また、可動電極１２ａ〜１２ｄと第２の固定電極１７ａ〜１７ｄとの間には第２のコンデンサが形成されている。同様に、可動電極１３ａ〜１３ｄと第１の固定電極２２ａ〜２２ｄとの間に第１のコンデンサが、また、可動電極１３ａ〜１３ｄと第２の固定電極２３ａ〜２３ｄとの間に第２のコンデンサが形成されている。そして、これら各コンデンサの容量が等しくなるように（加速度と静電気力が等しく釣り合うように）可動・固定電極間の印加電圧を制御することにより、その印加電圧値から加速度の大きさを求めることができることとなる。
【００３５】
このように、１枚の基板１００に、可動電極を有する梁構造体、および可動電極に対向配置された固定電極を作り込んだ半導体力学量センサにおいて、半導体基板１００を用いているためセンサの断面構造を簡単化することができる。
【００３６】
次に、製造方法を、図１のＢ−Ｂ断面を示す図６〜図１１を用いて説明する。
まず、図６に示すように、単結晶シリコン基板１０１を用意し、上面から不純物をイオン注入等で導入し、不純物拡散層１０２を形成する。次に、図７に示すように、不純物拡散層１０２の上にエピタキシャル成長によるシリコン層１０３を形成する。このような半導体基板１００を用意し、図８のようにエピタキシャル層１０３の上面から異方性エッチングを行い、可動および固定電極を四角枠部から電気的に絶縁するための縦方向に延びる第１の溝２０ａ，２６ａをパターン形成する。そして、エピタキシャル層１０３の上にシリコン酸化膜を成膜し、溝２０ａ，２６ａを絶縁材料２１ａ，２７ａで埋め込むとともに、エピタキシャル層１０３の表面を酸化膜３２で覆う。この際、溝２０ａ，２６ａの先端は不純物拡散層１０２まで達するように加工を行う。次に、配線５０となる材料を成膜し、パターニングを行い、続いて、酸化膜３３を成膜して配線パターン５０を覆う。
【００３７】
その後、図９に示すように、エピタキシャル層１０３と配線５０の上部の酸化膜３２，３３を一部除去してコンタクトホール３６，３７を形成し、配線２９，３１となる材料を成膜し、パターニングを行う。
【００３８】
そして、図１０に示すように、半導体基板１００に構造体形成のためのマスクフォトを行い、マスク５１にて酸化膜３２，３３をドライエッチングにて除去する。さらに、マスク５１を用いてエピタキシャル層１０３の上面から異方性エッチング（トレンチエッチング）を行い、四角枠部と梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に延びる第２の溝４ａ，４ｂを形成する。この際、溝４ａ，４ｂは、不純物拡散層１０２まで達するような深さとする。
【００３９】
また、異方性エッチング時あるいはエッチング後に異方性エッチングを行った溝４ａ，４ｂの内壁面に保護膜４０，４２を形成するとともに、溝底面に付いた保護膜を除去する。このようにして、溝４ａ，４ｂの底面を除く溝４ａ，４ｂの側壁に保護膜４０，４２を形成する。なお、保護膜４０，４２は、製造プロセスに適合したものを選択しなければならないが、トレンチエッチング時にポリマー等を形成、熱酸化膜を形成、ＣＶＤ等で酸化膜を成膜、Ｏ2 プラズマ等で薄い酸化膜を形成、薬液等で酸化膜を形成等、どのような方法をとってもよい。その場合の配線材料は、熱工程が加わらない場合は、配線２９，３１の材料はアルミ等の金属配線またはポリシリコン等の材料が考えられる。また、熱工程が加わる場合は、配線２９，３１の材料は高融点金属であるタングステンやその化合物等あるいはポリシリコン等の材料が考えられる。
【００４０】
引き続き、図１１に示すように、第２の溝４ａ，４ｂの底面から不純物拡散層１０２をエッチングして横方向に延びる空洞２を形成する。これにより、空洞２の下に位置するベースプレート部３と、空洞２および第２の溝４ａ，４ｂの横に位置する四角枠部５と、加速度により変位する可動電極を有する梁構造体６と、梁構造体６の可動電極に対向して配置された固定電極１７ａ，２３ａとが区画形成される。図１１では、等方性エッチングをすることにより、質量部１１と固定電極１７ａ，２３ａの下の不純物拡散層１０２が選択的にエッチングされ、特に質量部１１とベースプレート部３の間に所定の間隔ｔが形成される。
【００４１】
この際、等方性エッチングでは、不純物拡散層１０２は、その下の単結晶基板１０１とエピタキシャル層１０３に対してエッチングが非常に速く、不純物拡散層１０２の下の単結晶基板１０１とエピタキシャル層１０３が露出されても所定の間隔が形成される時間においてもほとんどエッチングされず、不純物拡散層１０２の下の単結晶基板１０１とエピタキシャル層１０３との間を一定に保つことができる。これにより、構造体膜厚（可動・固定電極の厚さ）をエピタキシャル層１０３の膜厚にすることができる。
【００４２】
最後に、エッチングマスク５１を除去すると、図４に示す加速度センサが形成される。
なお、エピタキシャル層１０３の膜厚に対し表面の酸化膜３２，３３の合計膜厚が十分に薄くない場合には、酸化膜の内部応力により、等方性エッチング後に可動電極や質量部１１が変化する。これを避けるためには、最終工程で図１２のように表面の酸化膜３２，３３と側壁保護膜４０，４１を取り除いた方がよい。
【００４３】
また、この等方性エッチングでは、前述した保護膜４０，４２はエッチングされないような組み合わせを選ぶ必要がある。この等方性エッチングの際、ＳＦ6 や、ＣＦ4 等のガス材料を用いたプラズマエッチング工程を用いることにより、ウエット工程に比較してエッチングの後の構造体形成歩留まりの向上を図ることができる。また、不純物拡散層１０２と、その下の単結晶基板１０１およびエピタキシャル層１０３のエッチングレート比が非常に大きい場合には、前述した保護膜４０，４２の形成除去工程を省略することができ、プロセスの簡略化を図ることができる。
【００４４】
このように、本実施の形態は下記の特徴を有する。
（イ）半導体力学量センサの構造に関して、図３，４に示すように、半導体基板１００として、表層部に不純物拡散層１０２を形成した単結晶基板１０１の上に半導体層１０３が形成されたものを用い、この半導体基板１００における不純物拡散層１０２に空洞２を形成した。これにより、空洞２を形成すべくエッチングを行う場合において、不純物拡散層１０２のみが選択的にエッチングされて可動および固定電極の厚さが半導体層１０３の膜厚で決定され、可動電極と固定電極間の静電容量のバラツキを低減することができる。即ち、設計値どおりの半導体力学量センサが形成される。
（ロ）半導体層１０３はエピタキシャル層であり、構造体を単結晶シリコンで構成することができ、物性的にも安定で、残留応力もほとんどない構造体とすることができる。そうすることで、経時劣化の少ない、高品質なセンサとすることができる。
（ハ）不純物拡散層１０２の不純物はＰ（リン）であり、半導体プロセスでは一般的な不純物で簡便に製造することができる。また、Ｐを高濃度に導入することでドライエッチング時の選択比を大きくとることができる。
（ニ）図３，４に示すように、溝（１８ｂ，２４ｂ，２０ａ，２６ａ）を埋め込んだ電気的絶縁材料（１９ｂ，２５ｂ，２１ａ，２７ａ）は空洞２に対して突き出ているので、絶縁を確実に行え、好ましいものとなる。
（ホ）半導体力学量センサの製造方法に関して、図８に示すように、表層部に不純物拡散層１０２を形成した単結晶基板１０１の上に半導体層１０３が形成された半導体基板１００における半導体層１０３の上面から異方性エッチングを行い、可動および固定電極を支持部（ベースプレート部３＋四角枠部５）から電気的に絶縁するための縦方向に延びる第１の溝２０ａ，２６ａを形成するとともに、当該溝２０ａ，２６ａを絶縁材料２１ａ，２７ａで埋め込む。そして、図１０に示すように、半導体層１０３の上面から異方性エッチングを行い、少なくとも梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に延びる第２の溝４ａ，４ｂを形成するとともに、当該溝４ａ，４ｂの底面を除く溝４ａ，４ｂの側壁に保護膜４０，４２を形成する。さらに、第２の溝４ａ，４ｂの底面から不純物拡散層１０２に対し等方性エッチングを行い、図１１に示すように、不純物拡散層１０２に沿って横方向に延びる空洞２を形成し、支持部（ベースプレート部３＋四角枠部５）と梁構造体６と固定電極１７ａ，２３ａとを区画形成した。よって、この等方性エッチングの際、選択的に不純物拡散層１０２がエッチングされ、不純物拡散層１０２の下の単結晶基板１０１と、半導体層１０３はほとんどエッチングされない。その結果、可動および固定電極の厚さが半導体層１０３の膜厚で決定され、可動電極と固定電極間の静電容量のバラツキを低減することができる。
【００４５】
なお、溝に埋め込む電気的絶縁材料（図３での符号１９ｂ，２５ｂ）は、シリコン酸化膜（絶縁材単体）であったが、シリコン酸化膜とポリシリコンにより構成したもの、即ち、絶縁材料で被われた材料を用いるとよい。つまり、シリコン酸化膜で覆われた材料（ポリシリコン）を用いることにより、酸化膜単体で埋め込む場合に比べ、低応力のポリシリコンの存在にて溝に発生する応力を小さくすることができる。
【００４６】
次に、応用例を説明する。
図１３には、加速センサの断面図を示す。図１３は、図１のＭ−Ｍ線での縦断面図である。この場合には、固定電極（および梁構造体）を支持および絶縁するための構造が異なっている。
【００４７】
ベースプレート部３上に電気的絶縁材料（酸化膜）よりなる柱７０が立設され、この柱７０により固定電極７１と梁構造体７２の少なくとも一方を支持するとともに電気的に絶縁している。詳しくは、固定電極７１は、空洞２および溝４ａ，４ｂにより区画され、空洞２の上に位置し、四角枠部５から延び、かつ、梁構造体７２の可動電極に対向して配置されているが、さらに、固定電極７１を貫通する溝７３に、電気的絶縁材料（酸化膜）よりなる柱７０が埋め込まれ、柱７０がベースプレート部３に向かって延びている。このような構造を採用することで可動電極と固定電極７１間に発生する静電気力によりスティッキングが発生するのを回避し、安定したセンサ出力を得ることができる。
【００４８】
このように、支持部（ベースプレート部３）上に立設した電気的絶縁材料よりなる柱７０にて固定電極７１と梁構造体７２の少なくとも一方を支持するようにしてもよい。
【００４９】
なお、図１３においては柱７０の間に不純物拡散層１０２を残す構成としたが、図１４に示すように除去してもよい。
また、図１３に対し図１５のように基板表面の酸化膜３２，３３の一部と側壁保護膜４０，４１を取り除いてもよい。
【００５０】
さらに、図１６のように、単結晶基板１０１の表層部に酸化膜８０を埋め込むとともにトレンチ溝７３はその底部が酸化膜８０に接するか（または突き抜ける）ようにしてもよい。これにより、可動電極と固定電極との間の電位分離を容易に行うことができる。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００５１】
本実施の形態における加速度センサの斜視図を図１７に示す。また、図１８に、図１７におけるＣ−Ｃ線での断面図を示す。
図１８において、半導体基板２００として、単結晶シリコン基板２０１の上にエピタキシャル層２０２を形成したものを用いている。つまり、単結晶基板２０１とエピタキシャル層２０２は単結晶シリコンである。そして、エピタキシャル層（半導体層）２０２にて可動電極と固定電極を構成している。
【００５２】
単結晶基板２０１の表層部には横方向に延びる空洞２が形成されるとともに、空洞２よりも上側の部位と空洞２よりも下側の部位が電気的絶縁材料（シリコン酸化膜）よりなる柱２０３にて連結支持されている。また、単結晶基板２０１での空洞２の下にはベースプレート部３が区画され、これが梁構造体６と固定電極１６，２２を支持するための支持部となっている。さらに、空洞２よりも上方に位置する単結晶基板２０１とエピタキシャル層２０２には縦方向に延びる溝４ａ〜４ｄが形成されている。加速度により変位する可動電極１２，１３（図１７参照）を有する梁構造体６は、空洞２および溝４ａ〜４ｄにより区画され、空洞２の上に位置し、ベースプレート部（支持部）３から延びている。詳しくは、図１７に示すように、梁構造体６の質量部１１は、２つのアンカー部７，８により、梁部９，１０を介して架設されており、図１８に示すように、ベースプレート部３の上面において所定間隔を隔てた位置に配置されている。
【００５３】
図１７に示すように、アンカー部７，８と梁部９，１０と質量部１１と可動電極１２，１３は同材料で電気的に結合されており、またベースプレート部３とは図１８の溝２１０に埋め込まれた絶縁材料２０３にて電気的に分離されている。質量部１１における一方の側面からは４つの可動電極１２が突出している。また、質量部１１における他方の側面からは４つの可動電極１３が突出している。可動電極１２，１３は、等間隔で平行に延びる櫛歯状の形状になっている。
【００５４】
固定電極１６，２２は、空洞２および溝４ａ，４ｂにより区画され、空洞２の上に位置し、ベースプレート部（支持部）３から延び、かつ、梁構造体の可動電極１２，１３に対向して配置されている。固定電極１６，２２とベースプレート部（支持部）３とは、図１８を用いて説明したように溝２１０内の絶縁材料２０３にて電気的に分離されている。
【００５５】
第１の固定電極１６からは、図１８の酸化膜３２上に形成されている配線２８により外部に電位を取り出している。同様に、第２の固定電極２２からは配線２９を用いて外部に電位を取り出している。また、可動電極１２，１３の電位は質量部１１と梁部９，１０とアンカー部７，８を通して配線３８，３９により外部に電位を取り出している。
【００５６】
次に、製造方法を、図１７のＣ−Ｃ断面を示す図１９〜図２３を用いて説明する。
まず、図１９に示すように、単結晶シリコン基板２０１を用意し、上面からトレンチ溝２１０を形成する。そして、溝２１０を絶縁材料２０３で埋め込む。次に、図２０に示すように最初に形成したトレンチ溝２１０の間に多数のトレンチ溝２１１を形成する。この溝２１１は溝２１０よりも浅くなっている。その後、基板２０１を水素雰囲気で圧力１０ｔｏｒｒ、１１００℃、１０ｍｉｎ程度処理を行うと、トレンチ溝２１１の底面同士がつながれ、かつ、各溝２１１の上端開口部が塞がれ、図２１のように基板２０１内に空洞２が形成される。これは、ＳＯＮ（Ｓilicon Ｏn Ｎothing）という技術である。この図２１で基板２０１は空洞２の上側と下側が絶縁材料２０３により完全に電気的に分離される。次に、図２２に示すように、基板２０１の上にエピタキシャル層２０２を形成する。
【００５７】
最後に、図２３のようにエピタキシャル層２０２の上面に絶縁膜３２を形成するとともに配線２８，２９を形成する。さらに、図１８に示すように、エピタキシャル層２０２と基板２０１に対し異方性エッチングにより空洞２に達するように溝４ａ，４ｂを形成すると、加速度センサが完成する。
【００５８】
このように、プロセスの初期段階に可動電極下の空洞２を形成することにより、構造体の膜厚を制御することができる。
以上のように本実施形態は、下記の特徴を有する。
（イ）半導体力学量センサの構造に関して、図１８に示すように、半導体基板２００として、単結晶基板２０１の上に半導体層２０２が形成されたものを用い、半導体層２０２にて可動および固定電極を構成するとともに単結晶基板２０１の表層部に空洞２を形成した。これにより、半導体層２０２の膜厚で可動および固定電極の厚さが決定され、可動電極と固定電極間の静電容量のバラツキを低減することができる。
（ロ）半導体層２０２はエピタキシャル層であり、構造体を単結晶シリコンで構成することができ、物性的にも安定で、残留応力もほとんどない構造体とすることができる。そうすることで、経時劣化の少ない、高品質なセンサとすることができる。
（ハ）溝２１０を埋め込んだ電気的絶縁材料２０３は空洞２に対して貫通しており、絶縁を確実に行えるので、好ましいものとなる。
（ニ）図１８に示すように、支持部（ベースプレート部３）上に立設した電気的絶縁材料よりなる柱２０３にて固定電極１６と梁構造体６の少なくとも一方を支持しており、好ましいものとなっている。
（ホ）半導体力学量センサの製造方法に関して、図１９に示すように、単結晶基板２０１の上面から異方性エッチングを行い、可動および固定電極を支持部（ベースプレート部３）から電気的に絶縁するための縦方向に延びる第１の溝２１０を形成するとともに、当該溝２１０を絶縁材料２０３で埋め込む。そして、図２０に示すように、単結晶基板２０１の上面から異方性エッチングを行い、溝２１０よりも浅い多数の空洞用溝２１１を形成するとともに、水素雰囲気でアニールを行って図２１に示すように各空洞用溝２１１の底部同士をつなぐとともに各空洞用溝２１１の上端開口部を塞ぐ空洞２を形成する。さらに、図２２に示すように、単結晶基板２０１の上にエピタキシャル成長による半導体層２０２を形成する。さらには、図１８に示すように、半導体層２０２の上面から異方性エッチングを行い単結晶基板２０１に設けた空洞２に達する第３の溝４ａ，４ｂを形成し、支持部（ベースプレート部３）と梁構造体６と固定電極１６，２２とを区画形成した。よって、単結晶基板２０１に空洞２を形成した後にベースプレート部（支持部）３と梁構造体６と固定電極１６，２２とを区画するための異方性エッチングを行うことにより力学量センサを形成することができる。その結果、半導体層２０２の膜厚で可動および固定電極の厚さが決定され、可動電極と固定電極間の静電容量のバラツキを低減することができる。
【００５９】
なお、溝２１０に埋め込む電気的絶縁材料２０３は、シリコン酸化膜（絶縁材単体）であったが、シリコン酸化膜とポリシリコンにより構成したもの、即ち、絶縁材料で被われた材料を用いるとよい。つまり、シリコン酸化膜で覆われた材料（ポリシリコン）を用いることにより、酸化膜単体で埋め込む場合に比べ、低応力のポリシリコンの存在にて溝２１０に発生する応力を小さくすることができる。
【００６０】
次に、構造体の応用例を図２４に示す。
図２４は図１７のＣ−Ｃ線での縦断面図を示すものである。
図１８に比べ図２４は、シリコン基板２０１の表層部に酸化膜２２０を埋め込んでおり、この酸化膜２２０上に空洞２が形成されている。この場合、図１９での上面からトレンチ溝２１０を形成する際、溝２１０の底部が図２４の酸化膜２２０に接するかまたは、突き抜けるようにする。このような構成とすることにより、可動電極と固定電極との間の電位分離を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態における加速度センサの平面図。
【図２】 加速度センサの斜視図。
【図３】 図１におけるＡ−Ａ線での断面図。
【図４】 図１におけるＢ−Ｂ線での断面図。
【図５】 配線を取り除いた状態での加速度センサの斜視図。
【図６】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図７】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図８】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図９】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１０】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１１】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１２】 応用例を説明するための加速度センサの断面図。
【図１３】 応用例を説明するための加速度センサの断面図。
【図１４】 応用例を説明するための加速度センサの断面図。
【図１５】 応用例を説明するための加速度センサの断面図。
【図１６】 応用例を説明するための加速度センサの断面図。
【図１７】 第２の実施の形態における加速度センサの斜視図。
【図１８】 図１７におけるＣ−Ｃ線での断面図。
【図１９】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２０】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２１】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２２】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２３】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２４】 応用例を説明するための加速度センサの断面図。
【図２５】 従来技術を説明するための加速度センサの平面図。
【図２６】 図２５におけるＸ−Ｘ線での断面図。
【図２７】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２８】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【符号の説明】
２…空洞、４ａ〜４ｄ…溝、５…四角枠部、６…梁構造体、１２，１３…可動電極、１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄ…可動電極、１６，１７，２２，２３…固定電極、１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄ…固定電極、１００…半導体基板、１０１…単結晶基板、１０２…不純物拡散層、２００…半導体基板、２０１…単結晶シリコン基板、２０２…エピタキシャル層、２０３…絶縁材料、２１０…溝。
Claims (2)
- 支持部と、力学量により変位する可動電極を有する梁構造体と、梁構造体の可動電極に対向して配置された固定電極とを備えた半導体力学量センサの製造方法であって、
単結晶基板の上面から異方性エッチングを行い、可動および固定電極を支持部から電気的に絶縁するための縦方向に延びる第１の溝を形成するとともに、当該溝を絶縁材料で埋め込む工程と、
前記単結晶基板の上面から異方性エッチングを行い、前記第１の溝よりも浅い多数の空洞用溝を形成する工程と、
水素雰囲気でアニールを行って前記各空洞用溝の底部同士をつなぐとともに各空洞用溝の上端開口部を塞ぐ空洞を形成する工程と、
前記単結晶基板の上に半導体層を形成する工程と、
前記半導体層の上面から異方性エッチングを行い単結晶基板に設けた空洞に達する第３の溝を形成し、支持部と梁構造体と固定電極とを区画形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体力学量センサの製造方法。 - 前記単結晶基板の上に半導体層を形成する工程は、単結晶基板の上にエピタキシャル成長により半導体層を形成するものであ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。
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