JPH045573A - 半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は可動部分を有する半導体素子およびその製造方
法に関するものである。

（従来の技術） 従来より半導体加速度センサは、単結晶シリコンをマイ
クロマシンニングと呼ばれる微細加工技術を駆使して作
製されている。加速度センサは先端にスコップの様な形
状をしたおもりを有する梁構造をもっており基板が貫通
状態となっている。

梁にはピエゾ抵抗が形成される。加速度がこの構造体に
加えられると、先端おもりには加速度に比例した力が生
じるため、それを支えている梁の支持部分に生じる応力
の値もその力に比例する。そこで、支持部分に生じた応
力の変化を電気抵抗値の変化に変換できる、いわゆる感
圧素子である前述のピエゾ抵抗効果素子を用いて、最終
的に電気信号に変換し、加速度の検出を行う。

加速度センサでは、梁の表面に生じる変形を電気信号に
変換しているため、加速度検出感度を向上させるために
は、梁が変形し易いように梁の厚みを減らすことが最も
効果的な手段である。その目的のために、均一なシリコ
ンの薄膜を得るために種々の方法が提案され、利用され
ている。最も多く用いられている方法は、電気化学エツ
チングと呼ばれる手法である。この手法は詳しくはシリ
コンの陽極酸化によるエツチング停止技術である。例え
ば、ヒドラジンなどの強アルカリ溶液はシリコンをエツ
チングする性質を持っている。しかし、シリコンの酸化
膜を溶かす性質は持っていない。これらエツチング薬品
の選択性をうまく利用したのがこの技術である。

第３図に従来から行われている半導体加速度センサの製
造工程を示した。このエツチング手法を用いるために通
常はエピタキシャルウェハー１を用いる。通常用いられ
るエピタキシャルウェハーはＰ型の基板２０の上にＮ型
のエピタキシャル層１０を設けたものである。このウェ
ハーは異種の導電型のシリコンが接触しているため、一
種のダイオードを形成している。シリコンにはヒドラジ
ン中でプラスの高い電圧を加え電流を流すと、その表面
に薄い酸化膜が成長することが分かっている。そこで先
はどのダイオードをスイッチとして用いると、基板とエ
ピタキシャル層の界面のみに酸化膜が生じるような反応
をさせることが出来る。つまり、エツチング溶液中でＮ
側にはプラスの電圧をかけておき、Ｐ側にはマイナスの
電圧が加わるようにしておく。これは逆バイアスの状態
である。よってこの状態では電流は流れない。つまりＰ
型のシリコン層がある限り電流が流れないから、シリコ
ンの表面に酸化膜が生じるような酸化反応は起こらない
のである。エツチングがＰ型のシリコン側から進行して
、Ｎ型のシリコン層に達すると、ＰＮ接合がやぶれて、
シリコンの酸化に必要な酸化電流が流れはじめるのであ
る。この様にして、エツチングがＰ型基板２０の方から
進行し、Ｎ型のエピタキシャル層ｌＯに達したときに酸
化膜が形成され、エツチングが停止するために、最初に
設けたエピタキシャル層の厚みをコントロールしておけ
ば、所望の厚みを持ったシリコン薄膜を得ることが可能
である。

通常用いられる、エツチング工程を第３図に示した。第
３図（ａ）はエツチング前の基板を示している。

この基板には、ピエゾ抵抗効果素子７とその周辺回路（
図示せず９が作り込まれている。加速度センサの製造に
おいては、第３図（ｂ）に示されたように最低限、圧力
センサで用いられるのと同等なシリコンダイアフラムが
必要であり、この形成プロセスにおいては、第４図に示
したようにテフロンの治具２を用いてエツチングされな
い面を溶液に触れないようにしている。加速度センサで
は圧力センサで用いられる工程に加えて第３図（Ｃ）に
あるように、通常は加速度検出感度を向上させるために
、梁状にシリコンダイアフラムをＮ型エピタキシャル層
１０側からエツチングを施して成形する必要がある。つ
まり第３図（ｂ）の工程のあと、Ｎ型エピタキシャル層
１０側の面に酸化膜（図示せず）を形成し、その酸化膜
上に梁形状を設定するためのレジストパターンを形成し
酸化膜をエツチングして、梁と重りを形成したい部分に
のみ酸化膜を残す基板を裏返してテフロンの治具２に再
度収め、酸化膜にカバーされていない部分のＮ型エピタ
キシャル層１０に対し異方性エツチングを行って除去し
加速度センサ構造を得ている。

また加速度センサの梁は前述のようなシリコンの単結晶
もしくはポリシリコンから出来ている。

梁と重りと支持体の三つを連結した構造物は、ある種の
共鳴構造を有しており、特定の周波数において共振を起
こす性質がある。このため、入力される加速度信号のス
ペクトラム中に共振周波数と同じ周波数が存在すると、
共鳴が起こって大振幅の振動となり、梁を破壊するとい
う問題点がある。また加速度センサにおいては、外から
加えられた加速度信号を忠実に電気信号に変換すること
が重要であるが、梁の共振に起因して不要な疑似信号を
発生するという問題もある。そのため、従来は、シリコ
ンの梁をシリコンオイルの様なダンピング液に漬ける、
または加速度センサ全体をダンピング材で梱包する、な
どの方法で大きな減衰作用を持たせたり、加速度センサ
のパッケージにダンピング作用を持たせて、入力される
加速度信号中で梁の共振周波数に一致するような、周波
数を低減する方法などが行われていた。

（発明が解決しようとする課題） 従来から、加速度センサで梁状のシリコンを作製するた
めに、シリコン基板の裏面からと表面からの２回のエツ
チングを行う必要があった。１回目のエツチング工程で
は、エツチングを終えた後に得られる構造がシリコンの
連続膜であるために、エツチング液が、裏面から、表面
側に回り込む事は、治具の工夫によって、避けるが可能
であり、回路が形成されている面を不用意にエツチング
することは無かった。しかし、２回目のエツチングでは
、梁が形成されるのに従って、基板の両面が貫通状態に
なるため、ヒドラジンなどの異方性エツチング液が裏面
に回り込むことが避けられない。

エツチング液が裏面に回り込むと、正確に制御された厚
みを有するシリコン薄膜を無秩序に再エツチングしてし
まい、厚みが変化してしまうという問題点があった。

以上、ピエゾ抵抗効果素子を用いるタイプの加速度セン
サについて説明を行なったがこれに限らず基板の表側と
裏側ともにエツチングする工程を必要とする半導体素子
では同様な問題が生じる。

また従来の技術では、粘性の高い液体を封入したり、種
々のダンピング材を加速度センサのパンケージに、新た
に取り付けるために、梁の共振での破壊は押さえられる
ものの、一方で通常動作時の感度が低下してしまう。衝
撃が人力された場合の過渡応答特性が悪くなる蛍光が生
じた。また、ダンピング液封入の為の、特殊なパッケー
ジが必要であったり、ダンピング材の取り付けなど、新
たな組み立て工程が発生しコストの増大にもつながって
いた。さらに、加速度センサの大きさの増大を招いたり
、重くなるといった数々の問題があった。共振の問題は
加速度センサに限らず、外力にもしくは自分の発生した
力に追随して動く部分を持つすべての半導体素子におい
て問題となる。

（課題を解決するための手段） 本発明は、可動部分を有する半導体素子において、その
可動部分から張り出して制振用の薄膜が設けられている
ことを特徴とする半導体素子である。

また本発明は半導体基板を一方の面からエツチングして
ダイアフラムを形成し、次に反対の面からエツチングを
行なってダイアフラムの所望の部分のみを残す工程を有
する半導体素子の製造方法において、１回目のエツチン
グを行った後に、そのエツチングによって露出した面を
エツチングに対して耐性のある薄膜で被覆し、その後に
２回目のエツチングを行うことを特徴とする半導体素子
の製造方法である。

（作用） 外力に追随しであるいは自分の発生した力に応じて動く
可動部分から張り出して薄膜を形成すると空気抵抗が大
きくなりエアーダンピング効果が有効に作用する。その
結果可動部分の共振を抑えることができる。この薄膜が
可動部分の厚さに比べ十分薄ければ可動部分の機械特性
に悪影響を与えること、はない。異方性エツチング液は
、−船釣には酸化膜や窒化膜、レジスト等の有機膜等を
侵さない性質を有している。そこで、これらの被膜によ
って、シリコンの表面を被うことによって、エツチング
されることを防ぐことが出来る。シリコンの異方性エツ
チングによって、出来上がった穴にレジストを塗布した
り、その面だけに酸化膜や窒化膜を被覆することによっ
て、梁形状の形成のための、エツチングの最後まで、シ
リコン基板の両面が貫通することが無いように出来るた
め、梁の裏側から有害なエツチングを受けることを完全
に防止することが出来る。さらに、全てのエツチングが
終了した後に、レジストもしくは酸化膜等を容易に除く
ことが可能なため、センサの特性に悪影響を与えること
が全くない。

（実施例） 第１図（ａ）〜ＣＣ）に本発明の実施例を示した。ここ
ではＳｉ加速度センサを製造する場合を述べる。第１図
（ａ）は第３図（ａ）と同じであり、Ｐ型Ｓｉ基板２０
上にＮ型エピタキシャル層１０を形成したエピタキシャ
ルウェハー１に、その後の工程で梁となる部分にピエゾ
抵抗素子７をイオン注入等で形成する。次いでエピタキ
シャル層１０の側を酸化膜（図示せず）でカバーしたあ
とヒドラジン等を用いて基板側から異方性エツチングを
行ないダイアフラムを形成する。梁の形状を設定するた
めのレジストパターンをこの酸化膜上に形成して酸化膜
をエツチングし梁と重りを形成したい部分のみ酸化膜を
残す。このあとダイアフラムを形成した基板側の表面を
レジスト層３０で被覆する（第１図（ｂ））。通常、レ
ジストはスーピンコーターによって塗布するが、異方性
エツチングを行った後の表面は激しい凸凹を有するため
適応できない。そこでここでは最も簡単な方法として、
刷毛を用いて、エツチングしたくない面に十分１こ厚い
レジスト層３０を塗る。又は、スプレーによって被膜を
張る方法を用いることが出来る。この様な方法を用いて
レジストを塗布した後、ベーク炉に入れて、乾燥する。

乾燥した後に、第２図に示すようにエツチングのための
テフロン治具２を用いて、レジスト層３０の側を押え、
エツチングに供する。エツチング終了後レジスト剥離工
程を経て、センサ素子を得る（第１図（Ｃ））。

レジスト層３０の代わりに酸化膜や窒化膜等を用いても
よい。これらの膜はレジスト層３０のように最後に♂１
１離してもよいが、そのまま残しておくと加速度によっ
て梁が振動する際の空気抵抗を大きくすることができセ
ンサの鋭い共振を抑えられる。酸化膜や窒化膜の膜厚は
センサの機械特性に悪影響を与えないような薄さにする
。例えば基板２０の厚さを５００ｐｍ、梁となるＮ型エ
ピタキシャル層１０の厚さを１０μｍとすると、ＣＶＤ
酸化膜であれば厚さをｌｐｍていどにすれば酸化膜は梁
の振動に対して十分′柔＜″なり悪影響を与えない。

本実施例では外力に応じて動く梁をもった加速度センサ
について述べたが、特開平１−２４０８６５号公報中に
開示されたように、梁からの変位信号を重りの上下に設
けた制振電極にフィードバックして重りの変位を小さく
するような加速度センサつまり梁に外力だけでなく素子
自体が発生した力も加わるようなセンサについても適用
できる。

また本実施例ではピエゾ抵抗素子を用いるＳｉ加速度セ
ンサについて示したが、キャパシタ容量を用いる加速度
センサにも適用できるから加速度センサに限らず一般の
半導体力学量センサあるいはさらに一般にはマイクロマ
シン等外力あるいは自分で発生した力に追随して動く部
分のある素子であれば適用できる。

（発明の効果） 本発明の半導体素子によれば可動部分の空気抵抗を大き
くできるのでエアーダンピング効果が有効に作用して可
動部分の共振を抑えることができる。

また本発明の製造方法ではせっかく膜厚を正確に制御し
た半導体薄膜が裏面に回り込んだエツチング液によって
エツチングされてしまうことを完全に防ぐことが可能と
なる。従ってシリコンなどの半導体からなる梁等の可動
部分の厚さを正確に形成できる。本発明の製造方法を用
いると、半導体ウェハーの全面に梁状構造を容易に作製
することが可能であり、素子の製造収率が飛躍的、に向
上する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施例を示す半導体素
子の製造工程図である。第２図、第４図はエツチングの
実験装置を示す図である。第３図（ａ）〜（ｃ）は従来
の半導体素子の製造工程図を示している。 １・・・エピタキシャルウェハー、２・・テフロン治具
、３・・・白金板、４・・・参照電極、６・・・容器、
７０１．ピエゾ抵抗効果素子、９・・・エツチング液、
１０・・・Ｎ型エピタキシャル層、２０・・・Ｐ型基板
、３０・・・レジスト層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）可動部分を有する半導体素子において、その可動
   部分から張り出して制振用の薄膜が設けられていること
   を特徴とする半導体素子。
2. （２）半導体基板を一方の面からエッチングしてダイア
   フラムを形成し、次に反対の面からエッチングを行なっ
   てダイアフラムの所望の部分のみを残す工程を有する半
   導体素子の製造方法において、１回目のエッチングを行
   った後に、そのエッチングによって露出した面をエッチ
   ングに対して耐性のある薄膜で保護し、その後に、２回
   目のエッチングを行うことを特徴とする半導体素子の製
   造方法。