JP4352616B2 - Semiconductor dynamic quantity sensor and manufacturing method thereof - 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とそ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22の平面図、図23の縦断面図を用いて説明する。
【0003】
図23において、シリコン基板100には、横方向に延びる空洞101と縦方向に延びる溝102が形成され、空洞101の下にベースプレート部103が区画されるとともに、空洞101および溝102により四角枠部104(図22参照)と、可動電極105を有する梁構造体106(図22参照)と、固定電極107(図22参照)が区画されている。固定電極107は梁構造体106の可動電極105と対向している。可動電極105と四角枠部104との間および固定電極107と四角枠部104との間に、図23に示すように溝108が形成され、この溝108の内部に電気的絶縁材料109が埋め込まれている。そして、可動電極105と固定電極107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24に示すように、シリコン基板100の上面に溝108を形成するとともに絶縁材料109を埋め込み、さらに、基板100の上に絶縁膜110,111および配線材112,113を配置するとともに、シリコン基板100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102を形成し、溝102の底面を除く溝102の側壁に保護膜114を形成する。次に、溝102の底面からシリコン基板100に対し等方性エッチングを行い、図25に示すように、横方向に延びる空洞101を形成する。その結果、空洞101の下に位置するベースプレート部103と、四角枠部104と、梁構造体106と、固定電極107とが区画形成される。このようして、マイクロマシニング技術を用いて半導体基板を加工して可動電極を有する梁構造体、および可動電極に対向する固定電極が半導体基板に作り込まれる。
【0005】
ところが、図24における溝102の底面を起点として等方性エッチングを行い図25に示すように空洞101を形成する際に、側壁保護膜114を回り込んで構造体の内側までエッチングされ、そのため、構造体厚さの仕上がり寸法が等方性エッチングプロセスでのプロセス時間に依存することになり、構造体の幅などから決定されるプロセス時間で等方性エッチングをすると、所望の構造体厚さ(所望の可動および固定電極の厚さ)が得られなくなることがある。また、このエッチング量にはウェハの面内分布、またはウェハ間の変動が含まれ、一定とすることは困難である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した技術的背景に鑑みてなされたもので、可動電極と固定電極間の静電容量がバラツクことに起因するセンサの感度バラツキを低減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は、半導体基板に形成した横方向に延びる空洞により区画された支持部と、前記空洞および半導体基板の空洞上部に形成した縦方向に延びる溝により区画され、空洞の上に位置し、前記支持部から延び、かつ、力学量により変位する可動電極を有する梁構造体と、前記空洞および溝により区画され、空洞の上に位置し、前記支持部から延び、かつ、前記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において、前記半導体基板をN型半導体層とこのN型半導体層上に形成されたP型半導体層とによって形成するとともに、前記空洞がそれらN型半導体層とP型半導体層との境界面を底としてP型半導体層側に形成されてなり、前記縦方向に延びる溝と前記横方向に延びる空洞との交差部分が、前記空洞を形成するための反応性イオンエッチングの際に基板表面に直交する方向から入射したイオンを横方向に曲げるためのPN接合界面からなることを特徴としている。これにより、半導体基板の等方性エッチングを原因とした構造体(可動電極、固定電極)の厚さバラツキが低減される。詳しくは、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、基板上面から任意の深さの溝底面を起点として横方向に異方性エッチングが行われることで、構造体の厚さを所望の厚さに保ったまま形成することができる。その結果、可動電極と固定電極間の静電容量がバラツクことに起因するセンサの感度バラツキを低減することができる。
【0008】
請求項2に記載の半導体力学量センサの製造方法によれば、半導体基板の上面から異方性の反応性イオンエッチングが行われ、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溝が形成される。そして、溝の底面のみに電気的絶縁材料が配置される。さらに、再び溝に対して反応性イオンエッチングが行われ、入射イオンが電気的絶縁材料との間の電気的反発力によって溝底面近傍で軌道を曲げ、この近傍のみで局所的に横方向に進む異方性エッチングが実現して、溝の底面から横方向に延びる空洞が形成され、支持部と梁構造体と固定電極とが区画形成される。これにより、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、基板上面から任意の深さまで異方性エッチングして溝を形成した後、その溝底面を起点としてさらに横方向に異方性エッチングすることで、構造体の厚さを所望の厚さに保ったまま形成することができる。その結果、可動電極と固定電極間の静電容量がバラツクことに起因するセンサの感度バラツキを低減することができる。
【0009】
ここで、請求項3に記載のように、溝の底面のみに配置する電気的絶縁材料を、常温・常圧にて昇華または気化する材料を冷却して凝固させた膜としたり、請求項4に記載のように、凝固させた膜を氷の膜としたり、請求項5に記載のように、凝固させた膜を残しながら溝の底面の反応性イオンエッチングを行うべく、同エッチングをする際の基板温度を0℃以下に保つようにしたり、請求項6に記載のように、電気的絶縁材料を溝の底面のみに配置すべく、氷を形成するための水を流れ込みやすくできるよう溝の内壁表面の性状を親水性あるいは疎水性に調整するようにしたり、請求項7に記載のように、溝内壁面の性状を疎水性あるいは親水性に調整すべく、内壁表面にフロロカーボン系のポリマー膜またはシリコン酸化膜を形成するようにしたり、請求項8に記載のように、フロロカーボン系のポリマー膜を形成すべく、C4 F8 ガスを用いたプラズマを半導体基板に照射したり、請求項9に記載のように、シリコン酸化膜を形成を形成すべく、O2 ガスを用いたプラズマを半導体基板に照射するようにすると、実用上好ましいものとなる。
【0010】
請求項10に記載の半導体力学量センサの製造方法によれば、第1導電型の基板の上に第2導電型の半導体層を形成した半導体基板の上面から異方性の反応性イオンエッチングが行われ、底面を第1導電型基板と第2導電型半導体層とのPN接合界面とした、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溝が形成される。さらに、引き続き溝に対して反応性イオンエッチングが行われ、PN接合界面部分に蓄積した電荷と入射イオンの間の電気的反発力によって溝底面近傍で軌道を曲げ、この近傍のみで局所的に横方向に進む異方性エッチングが実現して、溝の底面から横方向に延びる空洞が形成され、支持部と梁構造体と固定電極とが区画形成される。これにより、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、基板上面から任意の深さまで異方性エッチングして溝を形成した後、その溝底面を起点としてさらに横方向に異方性エッチングすることで、構造体の厚さを所望の厚さに保ったまま形成することができる。その結果、可動電極と固定電極間の静電容量がバラツクことに起因するセンサの感度バラツキを低減することができる。
【0011】
ここで、請求項11に記載のように、異方性の反応性イオンエッチングを行う際、外部からPN接合部分に逆方向バイアスを印加すると、より効果的である。
【0012】
【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。
【0013】
図1,2には、本実施形態における加速度センサを示す。図1は、加速度センサの平面図であり、図2は、加速度センサの斜視図である。また、図3には図1のA−A線での断面を、図4には図1のB−B線での断面を示す。
【0014】
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。
【0015】
図3において、単層の半導体基板としてのシリコン基板1の内部には空洞2が形成されており、この空洞2は所定の厚さtを有し、かつ、横方向(水平方向)に延びている。基板1における空洞2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。また、基板1における空洞2の上の部位において、図1,3に示すように、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。この空洞2および溝4a〜4dにより、図5に示すように、四角枠部5および梁構造体6が区画形成されている。四角枠部5は、空洞2および溝4a,4bの横に位置し、ベースプレート部3の上面に立設されている。この四角枠部5は基板1の側壁にて構成されている。また、梁構造体6は、空洞2の上に位置し、四角枠部5から延びている。このとき、梁構造体6はベースプレート部3の上面から所定の間隔tをおいて配置されている。さらに、空洞2および溝4a,4bにより、固定電極16a〜16d,17a〜17d,22a〜22d,23a〜23dが区画され、これら固定電極は空洞2の上に位置し、四角枠部5から延びている(詳細は後述する)。
【0016】
本実施の形態においては、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。
図5において、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,12b,12c,12d,13a,13b,13c,13dを備えている。四角枠部5における対向する内壁面においてアンカー部7,8が突設され、アンカー部7,8には梁部9,10を介して質量部11が連結支持されている。つまり、質量部11は、四角枠部5の内方においてアンカー部7,8により架設され、かつ、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。
【0017】
アンカー部7,8と梁部9,10との間には絶縁溝14a,14bが形成され、その内部には酸化膜等の電気的絶縁材料15a,15bが配置され、この絶縁材料15a,15bにて電気的に絶縁されている。
【0018】
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。このように、梁構造体6は、力学量である加速度により変位する可動電極12a〜12d,13a〜13dを有する。
【0019】
図5において、四角枠部5の内壁面における可動電極12a〜12dと対向する面には、第1の固定電極16a,16b,16c,16dおよび第2の固定電極17a,17b,17c,17dが固定されている。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、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、可動電極12a〜12dの他方の側面と対向している。ここで、第1の固定電極16a〜16dと四角枠部5との間には絶縁溝18a〜18d(図3参照)が形成され、その内部には酸化膜等の電気的絶縁材料19a〜19d(図3参照)が配置され、この絶縁材料19a〜19dにて電気的に絶縁されている。同様に、第2の固定電極17a〜17dと四角枠部5との間には絶縁溝20a〜20d(図4参照)が形成され、その内部には酸化膜等の電気的絶縁材料21a〜21d(図4参照)が配置され、この絶縁材料21a〜21dにて電気的に絶縁されている。
【0020】
同様に、図5において、四角枠部5の内壁面における可動電極13a〜13dと対向する面には、第1の固定電極22a,22b,22c,22dおよび第2の固定電極23a,23b,23c,23dが固定されている。第1の固定電極22a〜22d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、可動電極13a〜13dの一方の側面と対向している。同様に、第2の固定電極23a〜23d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、可動電極13a〜13dの他方の側面と対向している。ここで、第1の固定電極22a〜22dと四角枠部5との間には絶縁溝24a〜24d(図3参照)が形成され、その内部には酸化膜等の電気的絶縁材料25a〜25d(図3参照)が配置され、この絶縁材料25a〜25dにて電気的に絶縁されている。同様に、第2の固定電極23a〜23dと四角枠部5との間には絶縁溝26a〜26d(図4参照)が形成され、その内部には酸化膜等の電気的絶縁材料27a〜27d(図4参照)が配置され、この絶縁材料27a〜27dにて電気的に絶縁されている。
【0021】
このように本実施形態においては、トレンチ溝を酸化膜等で埋め込んだ絶縁材料15a,15b,19a〜19d,21a〜21d,25a〜25d,27a〜27dを介して可動および固定電極が四角枠部5に支持されるとともに、ベースプレート部3側から電気的に絶縁されている。
【0022】
図2に示すように、第1の固定電極16a〜16dは配線28により外部に電位が取り出され、また、第2の固定電極17a〜17dは配線29により外部に電位が取り出されている。同様に、第1の固定電極22a〜22dは配線30により外部に電位が取り出され、また、第2の固定電極23a〜23dは配線31により外部に電位が取り出されている。より詳しくは、図3に示すように、第1の固定電極16a〜16d,22a〜22dからは、酸化膜32,33上に形成されている配線28,30によりコンタクト部34,35を通して四角枠部5と電気的に絶縁を保った状態で外部に電位が取り出されている。また、図4に示すように、第2の固定電極17a〜17d,23a〜23dからは、酸化膜32,33上に形成されている配線29,31によりコンタクト部36,37を通して四角枠部5と電気的に絶縁を保った状態で外部に電位が取り出されている。
【0023】
また、図2に示すように、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(詳しくは、梁部9,10に設けられているコンタクト部を通じて)外部に電位が取り出されている。
【0024】
さらに、基板1の上面には(図3,4では、四角枠部5、質量部11、固定電極16a〜16d,17a〜17d,22a〜22d,23a〜23dの上部には)、酸化膜32,33が形成されている。
【0025】
このように本実施形態の半導体加速度センサは、図3,5に示すように、ベースプレート部3が空洞2により区画され、四角枠部5が空洞2および溝4a,4bにより区画され、可動電極12a〜12d,13a〜13dを有する梁構造体6が空洞2および溝4a〜4dにより区画され、固定電極16a〜16d,17a〜17d,22a〜22d,23a〜23dが空洞2および溝4a,4bにより区画されている。また、溝14a,14b,18a〜18d,20a〜20d,24a〜24d,26a〜26dが、可動電極12a〜12d,13a〜13dと四角枠部5との間および固定電極16a〜16d,17a〜17d,22a〜22d,23a〜23dと四角枠部5との間に形成され、電気的絶縁材料15a,15b,19a〜19d,21a〜21d,25a〜25d,27a〜27dが埋め込まれている。
【0026】
よって、シリコン基板1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16a〜16d,17a〜17d,22a〜22d,23a〜23dと四角枠部5との間に形成された溝14a,14b,18a〜18d,20a〜20d,24a〜24d,26a〜26dに埋め込まれた電気的絶縁材料15a,15b,19a〜19d,21a〜21d,25a〜25d,27a〜27dにより電極が電気的に分離されている。
【0027】
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。
【0028】
このように、1枚のシリコン基板に、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、単層の半導体基板、即ち、単結晶シリコン基板1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。
【0029】
次に、加速度センサの製造方法を、図1のB−B断面での図6〜13に示す工程図に従って説明する。なお、製造工程の説明において、各固定電極および梁構造体の絶縁構造(支持構造)は同じであるので、図1のB−B断面を説明することによりその他の部位の説明は省略する。
【0030】
まず、図6に示すように、単層の半導体基板としての単結晶シリコン基板1を用意し、シリコン基板1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、シリコン基板1の上にシリコン酸化膜を成膜し、溝20a,26aを絶縁材料(酸化膜)21a,27aで埋め込み、かつ基板表面を酸化膜32で覆う。
【0031】
さらに、図7に示すように、配線材料50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。
引き続き、図8に示すように、酸化膜32,33の一部を除去してコンタクトホール36,37を形成し、さらに、配線材料29,31を成膜しパターニングを行う。
【0032】
そして、図9に示すように、基板1に構造体形成のためのマスクフォトを行い、マスク(シリコン酸化膜あるいはレジスト材料)51にて酸化膜32,33のエッチングを行う。続いて、図10に示すように、マスク51を用いてシリコン基板1の上面から反応性イオンによる異方性エッチング(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溝(4a,4b)を形成する。図10では、質量部(11)および固定電極(17a,23a)となる領域を形成する。このとき、溝(トレンチ)4a,4bの深さは、予定している構造体の厚さより数μm深くなるようにエッチングする。
【0033】
その後、シリコン基板1をエッチングチャンバーから取り出して基板表面に水(純水)を滴下し、図11に示すように、溝4a,4bに水を注入して溝底面に水52を溜める。このとき、水の代わりに、より表面張力の低い不活性液体等を用いると、より溝底面に液体が入りやすくなる。水に代わる不活性液体としてPFC(パーフロロカーボン)を挙げることができる。
【0034】
そして、再びエッチングチャンバー内にシリコン基板1を戻し、今度は基板ホルダーを冷却して水(あるいはそれに代わる液体)を凝固点以下になるまで基板1を冷やして氷の膜にする。これにより、溝4a,4bの底面のみに電気的絶縁材料53が配置されることになる。即ち、本例では、溝4a,4bの底面のみに配置する電気的絶縁材料としての氷の膜は、常温・常圧にて昇華または気化する材料を冷却して凝固させた膜である。また、電気的絶縁材料53を溝4a,4bの底面のみに配置すべく、氷を形成すための水を流れ込みやすくできるよう溝4a,4bの内壁表面の性状を親水性あるいは疎水性に調整すると、好ましいものとなる。特に、溝内壁面の性状を疎水性あるいは親水性に調整すべく、内壁表面にフロロカーボン系のポリマー膜を堆積したり、あるいはシリコン酸化膜を形成すると、好ましいものとなる。つまり、溝側壁にフロロカーボン系のポリマー膜等を保護膜として形成しながらエッチングを進める方式を用いると優れた異方性が得られる。この際、フロロカーボン系のポリマー膜を堆積させる手段としてC4 F8 ガスを用いたプラズマをシリコン基板1に照射する手法を採用することができ、また、シリコン酸化膜を形成させる手段としてO2 ガスを用いたプラズマを半導体基板に照射する手法を採用することができる。
【0035】
その後、再び溝4a,4bに対し反応性イオンエッチングを開始する。すると、図12に示すように、各溝底面上の氷53(あるいは不活性液体の凝固体)の表面を起点として溝4a,4bの側壁面から水平方向(横方向)にエッチングが進行し始める。このエッチングは主に軌道を曲げられたイオンが側壁表面をたたくことによって生じるため、異方的に進行する。つまり、溝側壁面の裏側までエッチング作用が回り込むことはほとんどない。このため、同じ幅の溝が隣り合って存在するパターンでは、同じ深さで横方向に広がってきた空洞がつながって構造体が形成されるが、このとき構造体が形成された後も水平方向へのエッチングを続行しても、構造体の厚さがこのエッチングにより減少することはほとんどない。このようにして、横方向に延びる空洞2が形成される。
【0036】
このエッチング条件に関して、水の場合、−60℃以下まで冷やしたときの氷の蒸気圧は約1Paである。一方、反応性イオンエッチング時のチャンバー内のガス圧は1Pa前後である。このため、基板1を−60℃以下まで冷やした状態でエッチングすれば氷の膜は昇華せずにそのまま残る。つまり、凝固させた膜53を残しながら溝4a,4bの底面の反応性イオンエッチングを行うべく、エッチングをする際の基板温度を0℃以下に保つようにする。
【0037】
ここで、空洞2の形成のためのエッチング原理について言及する。基板に水平方向に異方性エッチングが生じる事例としては、図20に示すようにSOI(Silicon on Insulator)基板、つまり、基板70の上に埋め込み酸化膜71を介してシリコン層72を形成したSOI基板に対して反応性イオンエッチングを用いて溝(トレンチ)エッチングを行ったとき、エッチング先端面が埋め込み酸化膜71に到達し、この酸化膜71が露出すると深さ方向へのエッチングはほぼ止まり、この時点から溝底面近傍の側壁面を起点として水平方向にエッチングが進行する現象が知られている。一方、当然ながら単層の半導体基板に対して反応性イオンエッチングを行っても、ある時点から水平方向にエッチングが進行することはない。この相違は次の理由による。図21に示すように反応性イオンエッチングでは、RF電界を基板80に垂直方向に印加して基板表面近傍にイオンシース81と呼ばれる加速電界を生じさせる。この電界は正イオン82を加速し、エッチング先端面に正イオンをたたきつけてエッチングを異方的に進行させる役割を果たす。厳密にはRF電界であるので、正イオンと同様、プラズマ中の電子83も対象基板80に入射するが、正イオンと電子の質量差のため、RF電界の1周期の中でほとんどの時間は正イオン82が基板80に入射し、電子83が入射するのは残りの一瞬のみである。基板全体では電気的中性が保たれるため、1周期の間に基板80に流れ込む正イオンと電子の電荷量は等しくなる。しかし、微視的にみると電子83はイオンシース81の電界で跳ね返されるため、そのほとんどは基板表面のマスク材料にトラップされ、エッチング先端面には到達しない。一方、エッチング先端面には常にイオンシース81で加速された正イオン82が突入してくる。このため、エッチング先端面から基板80とマスク材料の界面に向かって電荷の移動(図中、符号84で表す)が生じて、常にエッチング先端面は過剰な電荷が中和される。
【0038】
これに対して、図20のようにSOI基板ではエッチング先端面が埋め込み酸化膜71に到達すると瞬時に酸化膜表面にイオンが突入することによりこの部分が正に帯電する。なぜなら酸化膜は絶縁性であるため、これを中和するような電荷の移動が生じないからである。そのため後からやってきた正イオンは酸化膜表面近傍で電気的に反発して軌道が曲げられ、酸化膜近傍の側壁面をたたくようになる。これにより前述したように水平方向にエッチングが進行する。
【0039】
従って、仮に単層の半導体基板であってもその溝底面に電気的絶縁膜を形成すれば、それ以降の反応性イオンエッチングは、この絶縁膜を起点にして水平方向に進行させることが可能であり、本実施形態はこの原理を用いている。特に、本実施形態ではこの絶縁性の保護膜として氷の膜を用いており、氷ならば、水を基板上の溝に流し込んで基板を冷却することにより溝底面上のみに形成することが可能であり、また、エッチングが終了した後は基板を加熱することで容易に取り除くことができる。
【0040】
製造工程の説明に戻り、引き続き図13に示すように、基板1を加熱して氷53(あるいは不活性液体の凝固体)を除去する。この状態において、支持部(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とが区画区画されている。
【0041】
このように、図11において溝4a,4bの底面のみに電気的絶縁材料53を配置した後、図12に示すように、再び溝4a,4bに対して反応性イオンエッチングを行い、入射イオンが電気的絶縁材料53との間の電気的反発力によって溝底面近傍で軌道を曲げ、この近傍のみで局所的に水平方向(横方向)に進む異方性エッチングを実現させ、溝4a,4bの底面から横方向に延びる空洞2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。
【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を形成することができる。
以上のように、本実施形態においては半導体基板の等方性エッチングを原因とした構造体(可動電極、固定電極)の厚さバラツキを低減することができる。詳しくは、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、基板上面から任意の深さまで異方性エッチングして溝を形成した後、その溝底面を起点としてさらに横方向に異方性エッチングすることで、梁構造体の厚さを所望の厚さに保ったまま形成することができる。その結果、可動電極と固定電極間の静電容量がバラツクことに起因するセンサの感度バラツキを低減することができる。
(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。
【0043】
図14〜図17には本実施形態における半導体力学量センサの製造工程を示す。本実施形態では、図12での氷の膜53の代わりに、図16に示すように、PN接合界面を用いている。つまり、PN接合界面部分に蓄積した電荷と入射イオンの間の電気的反発力によって溝底面近傍で軌道を曲げ、この近傍のみで局所的に水平方向(横方向)に進む異方性エッチングを実現させ、溝4a,4bの底面から横方向に延びる空洞2を形成している。
【0044】
以下、詳しく説明する。
まず、図14に示すように、N型単結晶シリコン基板61の上にP型シリコン層62を形成した半導体基板60を用意する。詳しくは、N型単結晶シリコン基板(60)に対して表面から予め構造体の厚さに相当する深さのP型シリコン層62を形成する。具体的には、B(ボロン)イオン等をイオンインプラした後、適当な熱処理を施す。これにより、基板表面から接合部分まではP型層62となる。
【0045】
そして、第1の実施例と同様、マスク材料を堆積しパターニングしてマスク51を配置する。さらに、図15に示すように、半導体基板60の上面から異方性の反応性イオンエッチングを行い、底面をN型単結晶シリコン基板61とP型シリコン層62とのPN接合界面とした溝4a,4bを形成する。この溝(4a,4b)は、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である。そして、図16に示すように、引き続き溝4a,4bに対して反応性イオンエッチングを行う。すると、この溝4a,4bの深さがPN接合部分に達した時点から以降は、エッチングが接合部分近傍の側壁面を起点として水平方向(横方向)にエッチングが進行するようになる。なぜなら、エッチング先端面であるN型層61に正イオンが突入してきても、これらがもたらす過剰な正電荷はPN接合界面を通してマスク材料と基板との界面に向かってきて移動することができない。そのため、中和されずにエッチング先端面が正に帯電し、入射イオンが水平方向に曲げられる。
【0046】
つまり、PN接合におけるN側の接合界面には電子が、P側の界面には正孔(ホール)が蓄積されており、このPN接合界面を通して電荷(キャリア)の移動はできない。そして、反応性イオンエッチングを行うと接合界面には正の電荷が蓄積されこれを中和する電荷の移動が生じない。そのため、エッチング先端面がこの界面に到達した時点以降は、入射イオンの軌道が曲げられ、水平方向への異方性エッチングが行われることになる。
【0047】
このエッチングにより横方向に延びる空洞2が形成され、空洞2により支持部(四角枠部+梁構造体)と梁構造体と固定電極とが区画形成される。
最後に、エッチングマスク51を除去すると、図17に示す加速度センサを形成することができる。
【0048】
このセンサの構造としては、図17に示すように、半導体基板60の所定深さにおいて縦方向に延びる溝4a,4bと横方向に延びる空洞2との交差部分にPN接合界面が形成され、同PN接合界面が、空洞2を形成するための反応性イオンエッチングの際に基板表面に直交する方向から入射したイオンを横方向に曲げるための部材となっている。
【0049】
以上のように、イオンを横方向に曲げるための部材に関して、垂直方向の異方性エッチングが水平方向への異方性エッチングに切り換わる深さを予めPN接合で指定することができるので、同一基板内に開口幅の異なる溝を形成しても、それらをPN接合で規定された深さで水平方向に連結することができる。一般的に反応性イオンエッチングを用いた場合、図19(a)に示すように、エッチングレートはマスク開口幅が広い溝パターンほどエッチングレートが上がり、深い溝が形成される。そのため、図19(b)に示すように、各溝底面を起点に水平方向にエッチングを進めると深さの異なる溝同士では連結させることができない。しかし、本実施形態では図16で説明したように全ての溝パターンでPN接合部分で水平方向にエッチングを進めることができるので、この深さで水平方向に連結させることができる。
【0050】
以下、応用例を説明する。
図18に示すように、異方性の反応性イオンエッチングを行う際、外部からPN接合部分に逆方向バイアスを印加するようにしてもよい。詳しくは、予め基板表面側に電極63を設けるとともに、基板裏面側に電極(図示略)を設け、電極63にDC電源64を接続し、また、基板裏面側の電極を接地する。そして、エッチング中にPN接合部分に逆バイアスを印加させる。つまり、表面側の電極63を裏面側電極に対して正に印加する。このように、PN接合に逆バイアスを印加するとN側の接合界面には電子が、P側の界面には正孔(ホール)がより蓄積された状態となり、この界面を通して電荷(キャリア)の移動は更にできなくなる。従って、予め対象基板に対して所定の深さにPN接合を形成しておいて、基板に逆バイアスを印加しながら反応性イオンエッチングを行うと、接合界面には正の電荷がより蓄積されていてこれを中和する電荷の移動も生じないため、エッチング先端面がこの界面に到達した時点以降は、入射イオンの軌道が曲げられ、水平方向への異方性エッチングを行うことができる。その結果、空洞2を形成すべく水平方向にエッチングを進行させる効果は一層強まる。
【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】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図13】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図14】 第2の実施の形態における加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図15】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図16】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図17】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図18】 別例の加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【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】 従来技術を説明するための加速度センサの平面図。
【図23】 図22におけるX−X線での断面図。
【図24】 加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図25】 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、52…水、53…氷、60…半導体基板、61…N型単結晶シリコン基板、62…P型シリコン層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention includes a semiconductor dynamic quantity sensor that includes a beam structure having a movable electrode and detects a mechanical quantity such as acceleration, yaw rate, and vibration. And its manufacturing method It is about.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, this type of sensor structure is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-286430. This sensor will be described with reference to the plan view of FIG. 22 and the longitudinal sectional view of FIG.
[0003]
In FIG. 23, a
[0004]
At the time of manufacturing, as shown in FIG. 24, a
[0005]
However, isotropic etching is performed starting from the bottom surface of the
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described technical background, and an object thereof is to reduce variation in sensitivity of a sensor due to variation in capacitance between a movable electrode and a fixed electrode.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor dynamic quantity sensor according to
[0008]
[0009]
Where the
[0010]
[0011]
Here,
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0013]
1 and 2 show an acceleration sensor according to the present embodiment. FIG. 1 is a plan view of the acceleration sensor, and FIG. 2 is a perspective view of the acceleration sensor. 3 shows a cross section taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 4 shows a cross section taken along line BB in FIG.
[0014]
FIG. 5 shows a perspective view with the wiring of the acceleration sensor removed. That is, FIG. 2 is a perspective view including the wiring of this sensor, while FIG. 5 is a diagram excluding the wiring.
[0015]
In FIG. 3, a
[0016]
In the present embodiment, the
In FIG. 5, the
[0017]
Insulating
[0018]
Four
[0019]
In FIG. 5, first
[0020]
Similarly, in FIG. 5, first
[0021]
As described above, in this embodiment, the movable and fixed electrodes are square frame portions via the insulating
[0022]
As shown in FIG. 2, the potentials of the first fixed electrodes 16 a to 16 d are taken out by the
[0023]
Further, as shown in FIG. 2, the potentials of the
[0024]
Further, on the upper surface of the substrate 1 (in FIGS. 3 and 4, on the
[0025]
As described above, in the semiconductor acceleration sensor of this embodiment, as shown in FIGS. 3 and 5, the
[0026]
Therefore, the
[0027]
In the above-described configuration, the first capacitor is provided between the
[0028]
In this way, in a semiconductor dynamic quantity sensor in which a beam structure having a movable electrode and a fixed electrode arranged opposite to the movable electrode are formed on a single silicon substrate, a single-layer semiconductor substrate, that is, single crystal silicon Since the
[0029]
Next, the manufacturing method of an acceleration sensor is demonstrated according to the process drawing shown in FIGS. 6-13 in the BB cross section of FIG. In the description of the manufacturing process, since the insulating structure (support structure) of each fixed electrode and the beam structure is the same, description of other parts will be omitted by describing the BB cross section of FIG.
[0030]
First, as shown in FIG. 6, a single
[0031]
Further, as shown in FIG. 7, a
Subsequently, as shown in FIG. 8, part of the
[0032]
Then, as shown in FIG. 9, a mask photo for forming a structure is performed on the
[0033]
Thereafter, the
[0034]
Then, the
[0035]
Thereafter, reactive ion etching is started again for the
[0036]
Regarding this etching condition, in the case of water, the vapor pressure of ice when cooled to −60 ° C. or lower is about 1 Pa. On the other hand, the gas pressure in the chamber during reactive ion etching is around 1 Pa. For this reason, if the
[0037]
Here, the etching principle for forming the
[0038]
On the other hand, as shown in FIG. 20, in the SOI substrate, when the etching front end surface reaches the buried
[0039]
Therefore, even if it is a single layer semiconductor substrate, if an electrical insulating film is formed on the bottom of the groove, the subsequent reactive ion etching can proceed in the horizontal direction starting from this insulating film. Yes, this embodiment uses this principle. In particular, in this embodiment, an ice film is used as the insulating protective film, and if it is ice, it can be formed only on the groove bottom surface by pouring water into the groove on the substrate and cooling the substrate. In addition, after the etching is completed, the substrate can be easily removed by heating.
[0040]
Returning to the description of the manufacturing process, as shown in FIG. 13, the
[0041]
Thus, after the electrical insulating
[0042]
Finally, when the
As described above, in this embodiment, the thickness variation of the structure (movable electrode, fixed electrode) due to isotropic etching of the semiconductor substrate can be reduced. Specifically, in a semiconductor dynamic quantity sensor in which a beam structure having a movable electrode and a fixed electrode arranged opposite to the movable electrode is formed, after forming a groove by anisotropic etching from the substrate upper surface to an arbitrary depth, By performing anisotropic etching further in the lateral direction starting from the groove bottom surface, the beam structure can be formed while maintaining the desired thickness. As a result, it is possible to reduce variations in the sensitivity of the sensor due to variations in the capacitance between the movable electrode and the fixed electrode.
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment.
[0043]
14 to 17 show a manufacturing process of the semiconductor dynamic quantity sensor in the present embodiment. In this embodiment, instead of the
[0044]
This will be described in detail below.
First, as shown in FIG. 14, a
[0045]
As in the first embodiment, a mask material is deposited and patterned to dispose the
[0046]
That is, electrons are accumulated at the N-side junction interface in the PN junction and holes are accumulated at the P-side interface, and charges (carriers) cannot move through the PN junction interface. When reactive ion etching is performed, positive charges are accumulated at the bonding interface, and no charge transfer that neutralizes the positive charges occurs. Therefore, after the point when the etching front end surface reaches this interface, the trajectory of the incident ions is bent, and anisotropic etching in the horizontal direction is performed.
[0047]
By this etching, a
Finally, when the
[0048]
As shown in FIG. 17, a PN junction interface is formed at the intersection of the
[0049]
As described above, the depth at which the anisotropic etching in the vertical direction switches to the anisotropic etching in the horizontal direction can be designated in advance by the PN junction for the member for bending the ions in the lateral direction. Even if grooves having different opening widths are formed in the substrate, they can be connected in the horizontal direction at a depth defined by the PN junction. In general, when reactive ion etching is used, as shown in FIG. 19A, the etching rate increases as the groove pattern having a wider mask opening width forms deep grooves. For this reason, as shown in FIG. 19B, when etching is advanced in the horizontal direction starting from the bottom of each groove, the grooves having different depths cannot be connected to each other. However, in the present embodiment, as described with reference to FIG. 16, etching can proceed in the horizontal direction at the PN junction portion in all the groove patterns, so that the depth can be connected in the horizontal direction.
[0050]
Hereinafter, application examples will be described.
As shown in FIG. 18, when performing anisotropic reactive ion etching, a reverse bias may be applied to the PN junction portion from the outside. Specifically, the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of an acceleration sensor according to a first embodiment.
FIG. 2 is a perspective view of an acceleration sensor.
3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
4 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 5 is a perspective view of the acceleration sensor in a state where wiring is removed.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 11 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 12 is a cross-sectional view for explaining the manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 13 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 14 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor according to the second embodiment.
FIG. 15 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 16 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 17 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 18 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of another example of the acceleration sensor.
FIG. 19 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 20 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 21 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 22 is a plan view of an acceleration sensor for explaining a conventional technique.
23 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG.
FIG. 24 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
FIG. 25 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the acceleration sensor.
[Explanation of symbols]
2 ... Cavity, 4a-4d ... Groove, 5 ... Square frame part, 6 ... Beam structure, 12, 13 ... Moving electrode, 12a-12d, 13a-13d ... Moving electrode, 16, 17, 22, 23 ... Fixed electrode , 16a to 16d, 17a to 17d, 22a to 22d, 23a to 23d ... fixed electrode, 52 ... water, 53 ... ice, 60 ... semiconductor substrate, 61 ... N-type single crystal silicon substrate, 62 ... P-type silicon layer.
Claims (11)
前記空洞および半導体基板の空洞上部に形成した縦方向に延びる溝により区画され、空洞の上に位置し、前記支持部から延び、かつ、力学量により変位する可動電極を有する梁構造体と、
前記空洞および溝により区画され、空洞の上に位置し、前記支持部から延び、かつ、前記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において、
前記半導体基板をN型半導体層とこのN型半導体層上に形成されたP型半導体層とによって形成するとともに、前記空洞がそれらN型半導体層とP型半導体層との境界面を底としてP型半導体層側に形成されてなり、前記縦方向に延びる溝と前記横方向に延びる空洞との交差部分が、前記空洞を形成するための反応性イオンエッチングの際に基板表面に直交する方向から入射したイオンを横方向に曲げるためのPN接合界面からなることを特徴とする半導体力学量センサ。A support portion which is defined by a cavity extending in the transverse direction formed on the semi-conductor substrate,
A beam structure having a movable electrode that is defined by a longitudinally extending groove formed on the cavity and the cavity of the semiconductor substrate , is located on the cavity, extends from the support, and is displaced by a mechanical quantity;
A fixed electrode that is defined by the cavity and the groove, is positioned on the cavity, extends from the support portion, and is disposed to face the movable electrode of the beam structure;
In a semiconductor dynamic quantity sensor equipped with
The semiconductor substrate is formed by an N-type semiconductor layer and a P-type semiconductor layer formed on the N-type semiconductor layer, and the cavity is formed with a boundary surface between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer as a bottom. be formed in the type semiconductor layer side, the intersection of the cavity extending groove and the lateral extending in the longitudinal direction, the direction perpendicular to the substrate surface during the reactive ion etching for forming the cavity A semiconductor dynamic quantity sensor comprising a PN junction interface for bending incident ions laterally.
半導体基板の上面から異方性の反応性イオンエッチングを行い、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溝を形成する工程と、
前記溝の底面のみに電気的絶縁材料を配置する工程と、
再び前記溝に対して反応性イオンエッチングを行い、入射イオンが前記電気的絶縁材料との間の電気的反発力によって溝底面近傍で軌道を曲げ、この近傍のみで局所的に横方向に進む異方性エッチングを実現させ、前記溝の底面から横方向に延びる空洞を形成し、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。 A method of manufacturing a semiconductor mechanical quantity sensor comprising a support, a beam structure having a movable electrode that is displaced by a mechanical quantity, and a fixed electrode disposed to face the movable electrode of the beam structure ,
Performing anisotropic reactive ion etching from the upper surface of the semiconductor substrate, forming a groove extending in the longitudinal direction for partitioning at least the beam structure and the fixed electrode;
Disposing an electrically insulating material only on the bottom surface of the groove;
Reactive ion etching is performed again on the groove, and incident ions bend the trajectory near the bottom of the groove due to the electric repulsive force with the electrically insulating material, and the difference proceeds locally laterally only in this vicinity. Realizing isotropic etching, forming a cavity extending laterally from the bottom surface of the groove, and partitioning the support portion, the beam structure, and the fixed electrode;
A method of manufacturing a semiconductor dynamic quantity sensor .
第1導電型の基板の上に第2導電型の半導体層を形成した半導体基板の上面から異方性の反応性イオンエッチングを行い、底面を前記第1導電型基板と第2導電型半導体層とのPN接合界面とした、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溝を形成する工程と、
引き続き前記溝に対して反応性イオンエッチングを行い、前記PN接合界面部分に蓄積した電荷と入射イオンの間の電気的反発力によって溝底面近傍で軌道を曲げ、この近傍のみで局所的に横方向に進む異方性エッチングを実現させ、前記溝の底面から横方向に延びる空洞を形成し、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。 A method of manufacturing a semiconductor mechanical quantity sensor comprising a support, a beam structure having a movable electrode that is displaced by a mechanical quantity, and a fixed electrode disposed to face the movable electrode of the beam structure,
Anisotropic reactive ion etching is performed from the upper surface of the semiconductor substrate in which the second conductivity type semiconductor layer is formed on the first conductivity type substrate, and the bottom surfaces are the first conductivity type substrate and the second conductivity type semiconductor layer. Forming a longitudinally extending groove for partitioning at least the beam structure and the fixed electrode as a PN junction interface with
Subsequently, reactive ion etching is performed on the groove, and the trajectory is bent near the bottom of the groove by the electric repulsive force between the charge accumulated at the PN junction interface and incident ions, and the lateral direction is locally only in this vicinity. Realizing anisotropic etching proceeding to, forming a cavity extending laterally from the bottom surface of the groove, and partitioning the support portion, the beam structure, and the fixed electrode;
Semiconductors physical quantity production method of the sensor you comprising the.
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