JPH06123628A - 半導体力学センサ及びその製造方法 - Google Patents

半導体力学センサ及びその製造方法

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JPH06123628A
JPH06123628A JP4273202A JP27320292A JPH06123628A JP H06123628 A JPH06123628 A JP H06123628A JP 4273202 A JP4273202 A JP 4273202A JP 27320292 A JP27320292 A JP 27320292A JP H06123628 A JPH06123628 A JP H06123628A
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crystal silicon
substrate
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哲夫 藤井
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正人 今井
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 梁励振タイプの容量検出方式によるヨーレイ
トセンサ及びそれを容易に製造することができることは
勿論、2方向さらには3方向における可動状態を検出す
ることができる半導体力学センサ及びその製造方法を提
供する。 【構成】 単結晶シリコン基板101の主表面に凹部,
トレンチを形成し、基板面方向にトレンチを挟んで一対
の対向電極としてのn+ 拡散層117を形成するととも
に、基板面方向に直交する方向にn+ 拡散層117を形
成する。そして、凹部,トレンチをポリシリコン膜にて
充填するとともにポリシリコン膜を挟んでn+ ポリシリ
コン膜を形成し、さらに、基板101の主表面を平滑化
し、基板101の主表面とシリコン基板110とを接合
する。さらに、基板101の裏面側を所定量研摩して基
板101を薄膜化し、基板101の裏面側からポリシリ
コン膜をエッチング除去して錘139を有する片持ち梁
を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は半導体力学センサ及び
その製造方法に関し、特にヨーレイトセンサ及びその製
造に好適なものである。
【0002】
【従来の技術】本願出願人はすでに、平成4年特許願第
223072号にて半導体ヨーレイトセンサを提案して
いる。これは、図17に示すように、半導体基板の一部
に当該基板と離間した梁構造を形成し、その梁の先端に
形成された錘の一面と同錘面と対向する基板壁面に交流
電力を加えて静電気により錘を励振させ、当該錘の励振
方向に対し直交する軸方向において錘の一面と同錘面と
対向する基板壁面に電極を対向配置して当該対向電極間
の容量の変化を電気的に検出して同方向に働くヨーレイ
トを検出するようにしたものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところが、この半導体
ヨーレイトセンサの如く2方向に可動する半導体力学セ
ンサにおいては、その具体的構造という観点からは不十
分であるとともにセンサの製造方法については何ら触れ
られておらず今後の課題となっている。
【0004】そこで、この発明の目的は、梁励振タイプ
の容量検出方式によるヨーレイトセンサ及びそれを容易
に製造することができることは勿論、2方向さらには3
方向(2個使用することにより)における可動状態を検
出することができる半導体力学センサおよびその製造方
法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】第1の発明は、基板上に
絶縁膜を介して接合され、かつ薄膜化された単結晶シリ
コン基板と、前記単結晶シリコン基板に形成され、錘を
有する梁と、前記錘の一面および同錘面と対応する壁面
に形成された第1の対向電極と、前記錘の前記対向電極
に対して直交する軸方向において前記錘の一面および同
錘面と対向する壁面に形成された第2の対向電極とを備
えた半導体力学センサをその要旨とする。
【0006】又、前記対向電極のどちらか1つは単結晶
シリコン基板の主表面に平行に形成するのが望ましい。
さらに、前記全ての電極取り出し部を前記薄膜化された
単結晶シリコン基板の同一面上に形成するのが望まし
い。
【0007】第2の発明は、単結晶シリコン基板の主表
面に、錘を有する梁を形成するための所定深さの溝を形
成する第1工程と、前記錘となる基板表面領域及びこの
錘を囲む溝内壁において基板面方向に溝を挟んで一対の
対向電極を形成するとともに、前記錘となる基板表面領
域において基板面方向に直交する方向に第1電極を形成
する第2工程と、前記溝を充填材にて充填するとともに
当該充填材を挟んで前記第1電極に対し対向する電極を
形成し、さらに、前記単結晶シリコン基板の主表面を平
滑化する第3工程と、前記単結晶シリコン基板の主表面
と基板とを接合する第4工程と、前記単結晶シリコン基
板の裏面側を所定量研摩して単結晶シリコン基板を薄膜
化する第5工程と、前記単結晶シリコン基板の裏面側か
ら前記充填材をエッチング除去して錘を有する梁を形成
する第6工程とを備えた半導体力学センサの製造方法を
その要旨とするものである。
【0008】
【作用】第1の発明において、第1の対向電極と、その
対向電極に対して直交する軸方向の第2の対向電極とに
より、錘を有する梁に加わる力学量が検出される。
【0009】第2の発明において、第1工程により単結
晶シリコン基板の主表面に、錘を有する梁を形成するた
めの所定深さの溝が形成される。そして、第2工程によ
り錘となる基板表面領域及びこの錘を囲む溝内壁におい
て基板面方向に溝を挟んで一対の対向電極が形成される
とともに、錘となる基板表面領域において基板面方向に
直交する方向に第1電極が形成される。さらに、第3工
程により溝を充填材にて充填するとともに当該充填材を
挟んで第1電極に対し対向する電極が形成され、さら
に、単結晶シリコン基板の主表面が平滑化される。次
に、第4工程により単結晶シリコン基板の主表面とシリ
コン基板とが接合され、第5工程により単結晶シリコン
基板の裏面側が所定量研摩されて単結晶シリコン基板が
薄膜化される。最後に、第6工程により単結晶シリコン
基板の裏面側から充填材がエッチング除去されて錘を有
する梁が形成される。その結果、第1の発明の半導体力
学センサが製造される。
【0010】
【実施例】
(第1実施例)以下、この発明を具体化した一実施例を
図面に従って説明する。
【0011】図2には、本実施例における半導体ヨーレ
イトセンサの概略平面図を示す。つまり、本センサは単
結晶シリコン基板101に片持ち梁102が形成され、
その先端に錘139が形成されている。又、錘139の
先端部には梁の延設方向に3つの突起103,104,
105が離間して延設されている。又、片持ち梁102
(錘139)の先端面に対向する単結晶シリコン基板1
側には、突起103と104との間において2つの突起
106,107が離間して突起103,104の延設方
向に平行状態にて延設されている。同様に、片持ち梁1
02(錘139)の先端面に対向するシリコン基板10
1側には、突起104と105との間において2つの突
起108,109が離間して突起104,105の延設
方向に平行状態にて延設されている。
【0012】又、図3には、電極を含めた半導体ヨーレ
イトセンサの平面図を示す。さらに、図1には、図3の
A−A断面図を示す。尚、SOI回路に形成するIC回
路、配線等は省略し、本センサにおける容量を取り出す
電極および振動電極等のみに関して外部取り出し用のア
ルミ電極のみを示してある。つまり、全ての電極取り出
し部が単結晶シリコン基板101の主表面上に形成され
ている。
【0013】図1に示すように、単結晶シリコン基板1
10上にSiO2 膜111を介して単結晶シリコン基板
101が接合され、この単結晶シリコン基板101に前
述した梁構造が形成されている。
【0014】図1,3において、片持ち梁102の錘1
39の表面には可動電極112が形成されている。この
可動電極112は、錘139の3つの突起103,10
4,105を含むものである。又、錘139の下方に
は、2つの電極113,114が並設されている。励振
用電極114は、交流電力を加えて静電気により錘13
9を励振させるためのものである。つまり、可動電極1
12と励振用電極114とにより励振用対向電極が形成
されている。
【0015】一方、センス用電極113は錘139の励
振を検知するためのものであり、錘139の励振に伴う
出力信号に基づいてフィードバック制御により所定の錘
139の励振が行われる。つまり、可動電極112とセ
ンス用電極113とにより励振のフィードバック用対向
電極が形成されている。
【0016】又、図3に示すように、片持ち梁102の
突起103を挟んで固定電極133と134(突起10
6)が形成されるとともに、突起104を挟んで固定電
極135(突起107)と136(突起108)が形成
されている。さらに、突起105を挟んで固定電極13
7(突起109)と138が形成されている。つまり、
突起103(可動電極112)と固定電極133,13
4とにより対向電極が、又、突起104(可動電極11
2)と固定電極135,136とにより対向電極が形成
されている。さらに、突起105(可動電極112)と
固定電極137,138とにより対向電極が形成されて
いる。
【0017】図4〜図8にはその製造工程を示す。以
下、製造工程を説明する。図4に示すように、1〜20
Ω・cmのn型(100)単結晶シリコン基板101を
用意し、単結晶シリコン基板101の主表面にドライエ
ッチング又はウェットエッチングにより凹部115を所
定の深さ、例えば、0.1〜5μmの深さで形成する。
そして、単結晶シリコン基板101の主表面にSiO2
膜を形成し、フォトリソグラフィー手法によりパターン
を形成する。続いて、凹部115の底部を含む単結晶シ
リコン基板101の主表面にドライエッチング等により
0.1〜30μm程度のトレンチ116を形成する。
【0018】本実施例では、この凹部115とトレンチ
116とにより溝が構成されている。そして、トレンチ
116の内壁を含む単結晶シリコン基板101の主表面
に、n+ 拡散層117を形成するとともに、その表面に
熱酸化によりSiO2 膜118を形成する。
【0019】その後、図5に示すように、凹部115、
トレンチ116内にLPCVD法によりポリシリコン膜
119を埋め込む。引き続き、SiO2 膜118をスト
ッパーとしてポリシリコン膜119の表面を研摩し、表
面を平滑にする。この時、ポリシリコン膜119とSi
2 膜118の表面が平滑になることが望ましい。
【0020】続いて、表面に例えばCVD法等により
0.3〜2μm程度の厚さのSiO2膜120を形成
し、n+ 拡散層117との電気的接続用の下部コンタク
ト121を所定の位置に形成する。
【0021】さらに、As,P(リン)を不純物とした
+ ポリシリコン122を0.2〜1μmの厚さで形成
して、これを所定の電極パターン及びシールド層とす
る。次に、表面に、例えば絶縁膜であるBGSP膜12
3を0.2〜1μmの厚さで形成する。そして、このB
GSP膜123の表面を平坦化研摩する。
【0022】一方、図6に示すように、シリコン基板1
10を用意し、その表面に熱酸化により0.2〜1μm
のSiO2 膜111を形成する。引き続き、図7に示す
ように、シリコン基板101及び110を、SiO2
111を介して、例えば1000℃、N2 中で接合す
る。そして、単結晶シリコン基板101の裏面を、Si
2 膜118をストッパとして選択研摩する。この研摩
によりポリシリコン119とそれにより分離されたシリ
コン基板101領域を表面に露出させる。
【0023】続いて、単結晶シリコン基板101領域に
公知の方法でIC基板その他のデバイス(図示せず)を
作製するとともに、アルミ配線,パッシベーション膜,
パッド窓(いずれも図示せず)を形成する。
【0024】続いて、図8に示すように、所定領域のS
iO2 膜118を除去し、図3に示すエッチング用孔1
24を用いて所定領域のポリシリコン膜119を除去す
る。一例として、TMAH(テトラメチルアンモニウム
ハイドロオキサイド)エッチング液を用いる。このエッ
チングにより、可動電極(梁部)が形成される。
【0025】このようにして製造された半導体ヨーレイ
トセンサにおいては、シリコン基板110上にSiO2
膜111を介して薄膜化された単結晶シリコン基板10
1が接合され、単結晶シリコン基板101には先端に錘
139を有する片持ち梁102が形成されている。又、
錘139の一面(図1の下面)にはn+ 拡散層117
が、又、同錘面と対向する単結晶シリコン基板101の
下面にn+ ポリシリコン122(励振用電極114)が
形成され、n+ 拡散層117とn+ ポリシリコン122
とにより励振用対向電極が形成される。そして、この励
振用対向電極に交流電力を加えて静電気により錘139
が励振する。さらに、錘139の励振方向に対し直交す
る軸方向において、錘139の一面にはn+ 拡散層11
7が、又、同錘面と対向する単結晶シリコン基板101
の壁面にn+ 拡散層117が形成され、錘139側のn
+ 拡散層117と単結晶シリコン基板101の壁面側の
+拡散層117とによりヨーレイト検出用電極が形成
される。このヨーレイト検出用電極により電気容量の変
化を検出して同方向に働くヨーレイトが検出される。
【0026】つまり、励振用対向電極(n+ 拡散層11
7とn+ ポリシリコン122)に交流電力を加えて静電
気により錘139を励振させる。この状態で、ヨーレイ
ト検出用電極(錘139側のn+ 拡散層117と、単結
晶シリコン基板101の壁面側のn+ 拡散層117)に
より錘139の励振方向に対し直交する軸方向において
電気容量の変化が検出されて同方向に働くヨーレイトが
検出される。
【0027】このように本実施例では、単結晶シリコン
基板101の主表面に、錘139を有する片持ち梁10
2を形成するための所定深さの溝としての凹部115,
トレンチ116を形成し(第1工程)、錘139となる
基板表面領域及びこの錘139を囲む凹部115,トレ
ンチ116の内壁において基板面方向(図4の左右方
向)にトレンチ116を挟んで一対の対向電極としての
+ 拡散層117を形成するとともに、錘139となる
基板表面領域において基板面方向に直交する方向(図5
の上下方向;シリコン基板101の厚さ方向)にn+
散層117(第1電極)を形成する(第2工程)。そし
て、凹部115,トレンチ116を充填材としてのポリ
シリコン膜119にて充填するとともにポリシリコン膜
119を挟んでn+ 拡散層117(第1電極)に対し対
向するn+ ポリシリコン膜122(電極)を形成し、さ
らに、単結晶シリコン基板101の主表面を平滑化し
(第3工程)、単結晶シリコン基板101の主表面とシ
リコン基板110とを接合する(第4工程)。さらに、
単結晶シリコン基板101の裏面側を所定量研摩して単
結晶シリコン基板101を薄膜化し(第5工程)、単結
晶シリコン基板101の裏面側からポリシリコン膜11
9をエッチング除去して錘139を有する片持ち梁10
2を形成する(第6工程)。
【0028】その結果、シリコン基板110上にSiO
2 膜111(絶縁膜)を介して接合され、かつ薄膜化さ
れた単結晶シリコン基板101と、単結晶シリコン基板
101に形成され、錘139を有する梁102と、錘1
39の一面および同錘面と対応する壁面に形成された可
動電極112,励振用電極114(第1の対向電極)
と、錘139の可動電極112,励振用電極114に対
して直交する軸方向において錘139の一面および同錘
面と対向する壁面に形成された突起103〜105,固
定電極133〜138(第2の対向電極)とを備えるこ
ととなる。
【0029】又、対向電極のどちらか1つ、即ち、可動
電極112,励振用電極114は単結晶シリコン基板1
01の主表面に平行に形成されている。さらに、全ての
電極取り出し部を薄膜化された単結晶シリコン基板10
1の同一面上に形成した。
【0030】このように、シリコン基板110上にSi
2 膜111を介して接合され、かつ、薄膜化された単
結晶シリコン基板101と、単結晶シリコン基板101
に形成され、先端に錘139を有する片持ち梁102
と、錘139の一面および同錘面と対向する単結晶シリ
コン基板101の壁面に形成され、交流電力を加えて静
電気により錘139を励振させる励振用対向電極と、錘
139の励振方向に対し直交する軸方向において、錘1
39の一面および同錘面と対向する単結晶シリコン基板
101の壁面に形成され、電気容量の変化を検出して同
方向に働くヨーレイトを検出するためのヨーレイト検出
用電極とを備えた半導体ヨーレイトセンサとなる。
【0031】このようにして表面マイクロマシーニング
技術を用いて、ウェハプロセス途中、特にIC回路作製
時、ウェハ凹部、貫通孔等のある状態での熱処理、フォ
トリソグラフィー処理等は行わず、プロセスの安定化、
コンタミネーションを防ぎデバイスの安定化、高精度化
を図ることができることとなる。
【0032】尚、本実施例の応用としては、上記実施例
では励振用電極、センス電極を基板内部に埋め込んだ構
造で説明したが、コスト低減化のためセンス電極を省略
してもよい。この場合、上記構造の他にシリコン基板を
励振用電極としてそのまま利用することもできる。
【0033】又、本実施例ではウェハ面と平行に形成し
た電極をセンス用電極、励振用電極とし、垂直方向の電
極をコリオリの力を検出するための固定電極として用い
たが、逆に利用することもできる。即ち、シリコン基板
101に垂直方向に形成した固定電極の一方を励振用電
極とし、もう一方の垂直方向の電極をフィードバックを
かけるためのセンス用電極として用い、ウェハ面に水平
な電極をコリオリの力を検出するための電極としてもよ
い。
【0034】さらに、凹部115とトレンチ116を充
填するためのポリシリコン膜119(即ち、多結晶シリ
コン膜)は、非晶質又は多結晶と非晶質の混在したシリ
コン膜を用いてもよい。 (第2実施例)次に、第2実施例を第1実施例との相違
点を中心に説明する。
【0035】本実施例は、第1実施例に対し出力をさら
に増大し、かつ、過剰な衝撃等に対して梁の破壊を防止
しようとするものである。図9〜図15にはセンサの製
造工程を示す。以下、製造工程を説明する。
【0036】第1実施例の図4において、図9に示すよ
うに、SiO2 膜118の形成後、LPCVD法により
200〜2000ÅのSi3 4 膜125を形成する。
本実施例ではSi3 4 膜125の膜厚を500Åとし
ている。
【0037】第1実施例と同様なプロセスで第1実施例
の図7に示すような表面平坦化研摩を行う。続いて、フ
ォトリソグラフィーにより図9のレジスト126で所定
のパターンを形成する。そして、図10に示すように、
ドライエッチング等により単結晶シリコン基板101の
センサ部になる領域を部分的に除去する。
【0038】次に、レジスト126をマスクとして、例
えばフッ酸を主体とするウェットエッチングによりSi
2 膜118を除去する。続いて、レジスト126を除
去する。
【0039】以後、説明を分かりやすくするため図10
のセンサ部Bの拡大図を用いて説明していく。図11は
その拡大部分である。
【0040】図12に示すように、Si3 4 膜125
を熱酸化のマスクとしてSiO2 膜127を500〜1
0000Å形成する。本実施例では、SiO2 膜127
の厚さを1000Åとしている。
【0041】続いて、図13に示すように、熱酸化時の
マスクとして用いたSi3 4 膜125をプラズマエッ
チングまたは熱リン酸のエッチングにて除去する。続い
て、LPCVD法等によりポリシリコン128を表面に
形成し、ポリシリコン128の表面を選択研摩によりS
iO2 膜127をストッパとして除去する。
【0042】さらに、TMAH(テトラメチルアンモニ
ウムハイドロオキサイド)液にて表面の仕上げを行う。
ここで、周辺部にIC回路等形成のプロセスを行う(図
示せず)。
【0043】そして、図14に示すように、表面にSi
3 4 膜129を500〜2000Å形成し、電極層お
よびセンサの過度の振幅に対するストッパとしてn+
リシリコン層130を形成する。続いて、表面保護膜と
してBPSG膜131を形する。尚、この膜はSi3
4 膜等で形成することも可能である。続いて、窓部13
2を明ける。
【0044】続いて、図15に示すように、TMAH液
にてポリシリコン119,ポリシリコン128をこの窓
部132よりエッチング除去する。このようにして、全
周を電極及びストッパで包囲された可動部(片持ち梁)
を持つセンサが形成される。又、この構造においては、
基板と垂直方向に錘部分を励振させた場合、図15に示
すように、a>bかつaの範囲内にbがあるので励振に
よるヨーレイトを検出する場合の容量の変化はほとんど
ない。又、このようにaとbの関係は第1実施例に作り
込むこともできる。
【0045】尚、図16は全体の様子がより詳しく分か
るようにした図である。このように本実施例では、片持
ち梁102の上方にストッパ部材を配置したので、第1
実施例に対し出力をさらに増大、かつ、過剰な衝撃等に
対して片持ち梁102の破壊が防止できる。
【0046】尚、この発明は上記各実施例に限定される
ものではなく、例えばセンサユニットを互いに直交する
方向に2組配置して2軸方向でのヨーレイトを検出する
ようにしてもよい。又、片持ち梁に限定されるものでも
ない。さらに、ヨーレイト検出に限らず、例えば、上述
の実施例において励振用電極としたものを、上下方向に
おける変位を容量検出する電極とし、2方向における変
位検出を可能とした力学センサに用いることも可能であ
る。
【0047】
【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
梁励振タイプの容量検出方式によるヨーレイトセンサ及
びそれを容易に製造することができることは勿論、2方
向さらには3方向における可動状態を検出することがで
きる半導体力学センサ及びそれを製造することができる
優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例における半導体ヨーレイトセンサの
断面図である。
【図2】第1実施例における半導体ヨーレイトセンサの
概略平面図である。
【図3】電極を含めた半導体ヨーレイトセンサの平面図
である。
【図4】製造工程を示す断面図である。
【図5】製造工程を示す断面図である。
【図6】製造工程を示す断面図である。
【図7】製造工程を示す断面図である。
【図8】製造工程を示す断面図である。
【図9】第2実施例の半導体ヨーレイトセンサの製造工
程を示す断面図である。
【図10】製造工程を示す断面図である。
【図11】製造工程を示す断面図である。
【図12】製造工程を示す断面図である。
【図13】製造工程を示す断面図である。
【図14】製造工程を示す断面図である。
【図15】製造工程を示す断面図である。
【図16】製造工程を示す断面図である。
【図17】センサの原理を説明するための説明図であ
る。
【符号の説明】
101 単結晶シリコン基板 102 片持ち梁 103〜105 第2の対向電極を構成する突起 110 シリコン基板 111 絶縁膜としてのSiO2 膜 112 第1の対向電極を構成する可動電極 114 第1の対向電極を構成する励振用電極 115 溝を構成する凹部 116 溝を構成するトレンチ 117 n+ 拡散層 119 充填材としてのポリシコン膜 122 n+ ポリシリコン膜 133〜138 第2の対向電極を構成する固定電極 139 錘
【手続補正書】
【提出日】平成4年10月16日
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図15
【補正方法】変更
【補正内容】
【図15】

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に絶縁膜を介して接合され、かつ
    薄膜化された単結晶シリコン基板と、 前記単結晶シリコン基板に形成され、錘を有する梁と、 前記錘の一面および同錘面と対応する壁面に形成された
    第1の対向電極と、 前記錘の前記対向電極に対して直交する軸方向において
    前記錘の一面および同錘面と対向する壁面に形成された
    第2の対向電極とを備えたことを特徴とする半導体力学
    センサ。
  2. 【請求項2】 対向電極のどちらか1つは単結晶シリコ
    ン基板の主表面に平行に形成されている請求項1に記載
    の半導体力学センサ。
  3. 【請求項3】 全ての電極取り出し部を前記薄膜化され
    た単結晶シリコン基板の同一面上に形成してなる請求項
    1に記載の半導体力学センサ。
  4. 【請求項4】 単結晶シリコン基板の主表面に、錘を有
    する梁を形成するための所定深さの溝を形成する第1工
    程と、 前記錘となる基板表面領域及びこの錘を囲む溝内壁にお
    いて基板面方向に溝を挟んで一対の対向電極を形成する
    とともに、前記錘となる基板表面領域において基板面方
    向に直交する方向に第1電極を形成する第2工程と、 前記溝を充填材にて充填するとともに当該充填材を挟ん
    で前記第1電極に対し対向する電極を形成し、さらに、
    前記単結晶シリコン基板の主表面を平滑化する第3工程
    と、 前記単結晶シリコン基板の主表面と基板とを接合する第
    4工程と、 前記単結晶シリコン基板の裏面側を所定量研摩して単結
    晶シリコン基板を薄膜化する第5工程と、 前記単結晶シリコン基板の裏面側から前記充填材をエッ
    チング除去して錘を有する梁を形成する第6工程とを備
    えたことを特徴とする半導体力学センサの製造方法。
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