JPH06350106A - トンネル効果式センサの製造方法 - Google Patents

トンネル効果式センサの製造方法

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JPH06350106A
JPH06350106A JP6085827A JP8582794A JPH06350106A JP H06350106 A JPH06350106 A JP H06350106A JP 6085827 A JP6085827 A JP 6085827A JP 8582794 A JP8582794 A JP 8582794A JP H06350106 A JPH06350106 A JP H06350106A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ドーピングにより製造された電気導体の構造
を設けられているシリコンから成る基板の上にトンネル
効果式センサを製造するための簡単化された方法を提供
する。 【構成】 基板１の上にシリコンから成る突起２が、第
１の工程で、薄い層が基板１の表面にパッド酸化物層と
して酸化され、第２の工程で、酸素の通過を阻止する材
料から成るマスクが製造され、第３の工程で、このマス
クの使用のもとに層が基板１の表面に、マスクの下に突
起２が生ずるように酸化物層として酸化され、第４の工
程で、マスクが除去され、また第５の工程で、この酸化
物層が除去されることによって製造される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はシリコンの上にトンネル
効果式加速度センサを製造するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近のナビゲーションシステムは重力加
速度の１００万分の１の範囲に達する精度を有する小形
で簡単に製造可能でかつ信頼性に富む加速度センサを必
要とする。たとえばマイクロホンおよび圧力センサに用
いられるような他のセンサにおいても、可動に取付けら
れた部分における時間的に可変の行程差を非常に高い精
度で決定することが必要である。それはトンネル効果の
利用のもとに可能である。たとえば「アプライド・フィ
ジクス・レターズ（App.Phys.Lett.）」５８、第１００
〜１０２頁（１９９１）および「ジャーナル・オブ・ヴ
ァキューム・サイエンス・テクノロジー（J.Vac.Sci.Te
chnol.）」Ａ１０、第２１１４〜２１１８頁のケニー
（T.W.Kenny ）ほか著の刊行物に記載されているような
このようなセンサでは、可動梁に配置されている突起と
シリコン基板との間のトンネル効果が測定のために利用
される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、この
ようなトンネル効果式センサの改良された実施態様の簡
単化された製造方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この課題は、請求項１の
特徴を有する方法により解決される。他の実施態様は従
属請求項にあげられている。
【０００５】本発明による方法ではセンサのトンネル突
起がシリコン基板の表面上に製造される。基板の表面の
突起を設けられるべき範囲は酸素に対して不透過性のマ
スク、たとえば窒化物により被覆され、またシリコンが
このマスクの側方で酸化される。本発明による方法の下
記の種々の実施態様に対して、このマスクの被覆の前ま
たは後に基板表面の形状が、酸化工程の結果として生ず
る酸化物層と基板の残りのシリコンとの間の境界面が突
起をマスクの下に構成するように形成されることは共通
である。基板表面のこの形状付与はたとえばその後の酸
化のために使用されるマスクの製造の前に一次的な酸化
工程により行われる。その代わりにマスクの被覆および
構造化の後にメサ構造がこのマスクの使用のもとに基板
のなかにエッチングされてもよい。続いての酸化プロセ
スが次いで同じく所望の結果を与える。酸化工程でのマ
スクとしては、酸素の通過を阻止するそれぞれ任意の材
料が使用される。この材料はたとえばＳｉ3 Ｎ4 であっ
てよい。従って以下では、説明を簡単にするため、この
材料は窒化物と呼ばれる。シリコンの酸化の際にＳｉＯ
2 が生ずる。この酸化はたとえば高温の酸素雰囲気中で
行うことができる。基板表面における酸化物層に対する
十分な層厚がたとえば６時間の継続時間にわたる９５０
℃ないし１０００℃での水蒸気のもとに得られる。Ｓｉ
Ｏ2 はたとえば湿式化学的エッチングにより、またはＨ
Ｆプラズマにより除去できる。その際に４Ｈ＋４Ｆ＋Ｓ
ｉＯ2 が２Ｈ2 Ｏ＋ＳｉＦ4 を生ずる。シリコンまたは
シリコン酸化物を処理するためのこれらの工程はそれ自
体としては公知であり、また本発明による製造方法にお
いてそれに応じて使用される。
【０００６】
【実施例】以下、図１ないし１３により本発明による方
法を説明する。
【０００７】本発明による方法により製造されるトンネ
ル効果式センサは、トンネル効果により可動に配置され
た部分の非常に小さい行程差を測定する可能性を利用す
る。加速度センサではたとえば、導電性にドープされた
シリコン梁が一端においてシリコンから成る基板の上に
支えられている。梁は曲がり得るように支えられてお
り、基板表面に対して垂直な加速度が生ずる際に、加速
度の大きさに関係するこの梁の曲がりが生ずる。この曲
がりは梁の下側に位置しているトンネル電極により非常
に高い精度で決定される。トンネル電極は梁とこの梁の
下側に梁のほうを向いて位置している突起とにより形成
されている。基板のなかに電気的接続のための導電性の
構造がドーピングにより構成されている。この導体構造
の上にトンネル突起と導電性のシリコン梁との間に基板
上のその支え個所を介して電位が与えられ得る。基板お
よび梁のなかまたは梁およびセンサの上を覆う別の（ポ
リ）シリコン層のなかの別の電極は、生ずる梁の加速度
を静電力により補償する役割をする。調節のために設け
られている電子回路に対して、これは、梁と突起との間
のトンネル電流が一定の値に保たれることを意味する。
必要な補償電圧は生ずる加速度に対する直接的な尺度と
なる。梁の非常に小さい曲がりもトンネル電流の大きい
変化に通ずるので、この方法は非常に高い精度で加速度
を測定するのに適している。前記の補償法の応用により
重力加速度の１００万分の１から重力加速度の１００倍
までの加速度まで測定範囲を広げることが可能である。
トンネル突起、曲がり梁および電極の製造は集積回路技
術と共用可能な超小形機構のプロセス過程で行われる。
これにより、調節および評価のための電子回路が本来の
センサと一緒にシリコン基板１のなかに集積可能であ
り、従ってまたセンサの精度およびＳＮ比が著しく改善
されるという利点が生ずる。
【０００８】たとえば上述の加速度センサの製造の際に
は、シリコンから成る基板１が表面において電気導体４
の必要な構造に相応してドープされる。これらの導体４
には特に、図１に示されているように製造すべき突起お
よび補償電極として用いられるドープされた範囲が属し
ている。基板１のドープされた表面の上にたとえば引き
続いて下記の方法の１つで突起２がトンネル電極として
製造される。本発明による方法では、この突起２は、従
来通常の方法と異なり、最初の基板１の材料から直接に
製造される。酸化物層５がこの突起２を覆い、また表面
を平坦化する。図２に示されているように、突起２はこ
の酸化物層５により、突起と製造すべき梁との間の間隔
が酸化物層５の厚みにより決定されている範囲内で覆わ
れている。その上に全面に、電気的接続のために基板１
の導電性にドープされた範囲と接続されているポリシリ
コン層が析出される。基板１のシリコンとのこの接続は
たとえば、このポリシリコン層の被覆前に相応の個所に
おいて開口が酸化物層５のなかにエッチングされること
により製造される。図３に示されているように酸化物層
５が基板１の表面の一部分のみを占め、また酸化物層５
の外側で基板１のシリコンが表面において露出している
場合には、ポリシリコン層を全面に被覆すれば十分であ
る。このポリシリコン層は、図３に記入されている基板
１の表面上に支えられている梁３が残されるように構造
化される。酸化物層５の除去後に、図４に示されている
ように、自由に運動可能な梁３が突起２の上にこの突起
２に対して小さい間隔で支えなしに存在する。本発明に
よる方法はこのような加速度センサだけではなく、トン
ネル電極が突起として基板の上に配置されているすべて
のセンサにも適している。
【０００９】いま梁２の製造を２種類の実施例について
図５ないし１３により説明する。これらの図面にはそれ
ぞれ、トンネル電極としてドープされた範囲の周りの基
板の一部分が示されている。基板１の表面は先ずたとえ
ば高温Ｏ2 雰囲気のもとで薄いパッド酸化物層６として
酸化される。このパッド酸化物層６の上に、図５に示さ
れているように、窒化物から成る第１のマスク９が被覆
される（これについては上記の説明を参照）。このパッ
ド酸化物層６のＳｉＯ2 は基板１のシリコンとこの第１
のマスク９との間の応力を後続の酸化プロセスで減ず
る。この第１のマスク９の使用のもとに基板１の表面が
酸化される。この酸化はたとえば前記のように水蒸気雰
囲気のもとで行われる。基板１のシリコンは酸化プロセ
スにおける酸素の受け入れの際に、図６に示されている
ように、マスク９の側方に第１の酸化物層１０のほうに
盛り上がる。この第１の酸化物層１０は続いてたとえば
湿式化学的エッチングによりまたは前記のプラズマプロ
セスにより等方性に除去される。等方性エッチングによ
り第１の酸化物層１０は第１のマスク９の下側でも、第
１のマスク９が基板１の上に残留するように、残部１２
（図７参照）を残して除去される。第１のマスク９の弾
性のためにマスク９は少なくとも近似的に最初の平らな
形状を再びとる。酸化物層の残部１２はその後の酸化に
より全面の別のパッド酸化物層１１として補足される。
この別のパッド酸化物層１１の上に等方性に全面に窒化
物（これについては上記の説明を参照）から成る層１３
が被覆される。この結果生じた図８の構造から等方性エ
ッチングにより図９の構造が製造される。窒化物はその
際に、窒化物から成るマスク７が残され、また基板１の
シリコンがこのマスク７の側方で露出されるように、エ
ッチング除去される。別のパッド酸化物層１１のうち一
部分がこのマスク７の下に残り、再びマスク７の窒化物
と基板１のシリコンとの間の応力を減ずる役割をする。
層１３は、たとえば気相中で７００℃においてシラン
（Ｓｉn Ｈ2n+2）およびアンモニア（ＮＨ3 ）が基板の
表面上でＳｉ3 Ｎ4 に化学的に変換されることによって
被覆される。図９のマスク７は後続の酸化工程の際の保
護材として使用される。その際に、マスク７の側方で基
板１のシリコンが酸化物層８のほうに盛り上がっている
図１０の構造が生ずる。その際にマスク７の下に基板１
の最初のシリコンが突起２として残される。酸化時間を
適当に選定すれば、この酸化物層８の表面は近似的に平
らになる。マスク７の側方部分は、マスク７がほぼ図１
０に示されている形状となるように、上に押される。酸
化物層８は全面の層であってもよいし、図２に示されて
いるように基板表面に埋込まれた酸化物層５として突起
２の周りの範囲に制限されていてもよい。このような制
限は容易な方法で基板の表面上の別のマスクにより実現
される。
【００１０】２回の酸化の代わりに、基板の酸化すべき
表面を、酸化の際にマスクの下に生ずる突起が十分に突
出して構成されているように構造化することも可能であ
る。図５に示されている構造から出発してパッド酸化物
層６と基板１の表面におけるシリコンのパッド酸化物層
６の下に位置する層状の部分とがマスクの使用のもとに
異方性に除去される。それにより図１１に断面図で示さ
れているメサ構造が製造すべき突起の範囲に製造され
る。ここに記入されているマスク７は図５のマスク９で
あり、また請求項１に関して図９のマスクに相当する。
基板１の表面の構造化はここではメサエッチングにより
行われ、先行の酸化工程によっては構造化は行われな
い。図１２にはマスク７の使用のもとでの後続の酸化工
程の結果が示されている。基板１のシリコンは酸化物層
８として酸化され、またマスク７の側方に隆起として盛
り上がり、その際にマスク７の下に基板１のシリコンが
突起２として残される。酸化物層８の表面はたとえば機
械的に平坦化できる。マスク７の除去の前または後に表
面をレジスト１４により平らにすることも可能である。
構造は次いで、酸化物層８の平らな表面が図１３に示さ
れているように露出するまで均等に逆エッチングされ
る。その際に、突起２とその上に製造すべき梁３との間
の間隔を図３に示されているように定めるため、突起２
の上に酸化物層８の薄い部分が存在するようにされる。
【００１１】製造すべき突起の直径はマスク７の大きさ
（直径）および酸化時間によって設定される。突起の縁
部の急峻度は酸化の間のプロセス条件により、また特に
先に製造されたパッド酸化物層の厚みにより影響され
る。図１０または図１３中の酸化物層８または図２中の
酸化物層５の平坦化は、突起の製造工程でこの酸化物層
８、５が十分に平らな表面を構成しているならば、省略
できる。これに関連する請求項４の特徴は、酸化物層
８、５が既に十分に平らでないときにのみ、平坦化のた
めの補助的な工程が実際には実行されると理解されるべ
きである。梁３の製造のために全面に被覆されたポリシ
リコン層が構造化の前に、突起２の上に梁３の導電性部
分が存在しておりまたこの部分から基板１のなかの梁３
の支え個所の下の相応の接続個所への少なくとも１つの
導電性接続が存在しているようにドープされることは目
的にかなっている。場合によっては、梁３のなかの補償
電極の１つも基板１のなかの当該の対向電極の上側に製
造することができる。梁３のなかの補償電極は、その代
わりに、梁３が別のポリシリコン層により外方に囲まれ
るならば、基板１と向かい合う梁３の表面に構成され
る。第２の補償電極が次いでドーピングによりこの外側
のポリシリコン層のなかに構成される。このポリシリコ
ン層は、梁の自由な運動可能性を増すため、真空にされ
得る。本発明による方法は前記のように基板の上に配置
された尖ったトンネル電極を有する任意のトンネル効果
式センサに応用することができる。たとえば析出された
ポリシリコン層により、梁の代わりに、マイクロホンの
膜を形成することができる。この場合、音波の作用の結
果としての圧力変動のもとでの膜の曲がりがトンネル電
流の変化により測定される。前記のようにして簡単に、
その補償電極の相応のバイアス電圧により静電的に膜の
運動を補償され得る非常に高感度のマイクロホンが製造
できる。このマイクロホンは、減衰が生じないために、
非常に高い周波数範囲でも使用可能である。本発明によ
る製造方法は半導体テ技術の標準的プロセスを使用し、
従ってまた１つの構成要素のなかに他の電子的および機
械的構成要素を集積することに関して適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるトンネル効果式加速度センサの一
製造工程を示す断面図。
【図２】本発明によるトンネル効果式加速度センサの一
製造工程を示す断面図。
【図３】本発明によるトンネル効果式加速度センサの一
製造工程を示す断面図。
【図４】本発明によるトンネル効果式加速度センサの一
製造工程を示す断面図。
【図５】図１の工程と図２の工程との間で行われる製造
工程を示す図。
【図６】図１の工程と図２の工程との間で行われる製造
工程を示す図。
【図７】図１の工程と図２の工程との間で行われる製造
工程を示す図。
【図８】図１の工程と図２の工程との間で行われる製造
工程を示す図。
【図９】図１の工程と図２の工程との間で行われる製造
工程を示す図。
【図１０】図１の工程と図２の工程との間で行われる製
造工程を示す図。
【図１１】図６ないし図１０の製造工程とは別の工程を
示す図。
【図１２】図６ないし図１０の製造工程とは別の工程を
示す図。
【図１３】図６ないし図１０の製造工程とは別の工程を
示す図。
【符号の説明】
１ シリコン基板 ２ 突起 ３ 梁 ４ 電極 ５ 酸化物層 ６ パッド酸化物層 ７ マスク ８ 酸化物層 ９ マスク １０ 酸化物層 １１ パッド酸化物層

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ドーピングにより製造された電気導体の
    構造を設けられているシリコンから成る基板（１）の上
    にトンネル効果式センサを製造するための方法におい
    て、この基板（１）の上にシリコンから成る突起（２）
    が、第１の工程で薄い層が基板（１）の表面にパッド酸
    化物層（６）として酸化され、第２の工程で酸素の通過
    を阻止する材料から成るマスク（７）が製造され、第３
    の工程でこのマスク（７）の使用のもとに層が基板
    （１）の表面に、マスク（７）の下に突起（２）が生ず
    るように酸化物層（９）として酸化され、第４の工程で
    マスク（７）が除去され、また第５の工程でこの酸化物
    層（８）が除去されることによって製造されることを特
    徴とするトンネル効果式センサの製造方法。
  2. 【請求項２】 第１の工程と第２の工程との間で、第１
    の別の工程で酸素の通過を阻止する材料から成る第１の
    マスク（９）がこのパッド酸化物層（６）の上に被覆か
    つ構造化され、次いで第２の別の工程で、この第１のマ
    スク（９）の使用のもとに層が基板（１）の表面に第１
    の酸化物層（１０）として酸化され、次いで第３の別の
    工程でこの第１の酸化物層（１０）が等方性にほぼ完全
    に、ただし第１のマスク（９）が残されるように除去さ
    れ、次いで第４の別の工程で別のパッド酸化物層（１
    １）が製造され、また次いで第２の工程が、酸素の通過
    を阻止する材料から成る層（１１）が全面に等方性に被
    覆かつ構造化されることによって実行されることを特徴
    とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 第２の工程と第３の工程との間でこのパ
    ッド酸化物層（６）とこのマスク（７）の側方の基板
    （１）の表面における層状の部分とが除去されることを
    特徴とする請求項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 第２の工程と第３の工程との間でこの酸
    化物層（８）が平坦化されることを特徴とする請求項１
    ないし３の１つに記載の方法。
  5. 【請求項５】 第５の工程の前にポリシリコン層が被覆
    され、また突起（２）の上に基板（１）のシリコンの上
    に支えられた梁（３）が残されるように除去されること
    を特徴とする請求項１記載の方法。
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