JPH08330603A

JPH08330603A - 半導体センサの製造方法

Info

Publication number: JPH08330603A
Application number: JP13396395A
Authority: JP
Inventors: Tadahiro Matsuzaki; 忠弘松▲崎▼
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 1996-12-13
Anticipated expiration: 2013-11-18
Also published as: JP2825071B2

Abstract

(57)【要約】【目的】シリコン基板を加工して半導体センサの梁部を
形成する際、梁部の厚さがばらつきセンサ特性に影響を
与えるのを防止することにある。【構成】シリコン基板１の裏面からの異方性ウェットエ
ッチングを途中で止め、残ったシリコン基板薄膜部４を
含むシリコン基板１の全体を熱酸化して熱酸化膜６を形
成する。しかる後、その熱酸化膜６をエッチングにより
除去し、所望の梁部７の厚さを実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体センサの製造方法
に関し、特に薄い梁部の歪などにより圧力や加速度を検
出する半導体センサの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の加速度センサ等は、重りのついた
梁が圧力や加速度を受けて歪み、そのために梁部に設け
た抵抗素子の抵抗値が変化することを利用して圧力や加
速度を検出することが知られている。しかも、これらセ
ンサを半導体で形成することにより、センサの小型化が
実現されている。例えば、半導体加速度センサの例とし
ては、ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ，
Ｖｏｌ．ＥＤ−２６，Ｎｏ．１２，ｐ１９１１，Ｄｅ
ｃ．１９７９ ″ＡＢａｔｃｈ−Ｆａｂｒｉｃａｔｅ
ｄＳｉｌｌｉｃｏｎＡｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ″
等に記載されたものが知られている。

【０００３】図４はかかる従来の半導体加速度センサの
斜視図である。図４に示すように、この半導体加速度セ
ンサは一枚のシリコン基板から異方性エッチングによっ
て厚肉の支持部１２と、薄肉の梁部７および厚肉の重り
部１０とを形成したものである。このセンサは衝撃を受
けると、慣性により重り部１０が変位し、梁部７が歪む
ことを利用して衝撃の大きさを検知しようというもので
ある。この場合、重り部１０や梁部７の形状がセンサの
感度に直接影響し、特に梁部７の厚さについては、加速
度センサ，圧力センサ共に高い寸法精度を要求される。

【０００４】このため、センサ製造プロセスにおける梁
厚の制御方法は、大変重要な課題であり、様々な方法が
用いられている。以下、梁形成に重点を置いて幾つかの
従来例を説明する。

【０００５】図５（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ従来の一例
を説明するための工程順に示した半導体センサの断面図
である。まず図５（ａ）に示すように、異方性エッチン
グによって半導体センサを製造するにあたり、シリコン
基板１上に上部保護膜２および下部保護膜３をエッチン
グのマスクとして形成する。ついで、図５（ｂ）に示す
ように、ホトリソグラフィ工程によりシリコン基板１裏
面の下部保護膜３に梁用穴開け部５ａを形成する。さら
に、図５（ｃ）に示すように、シリコン基板１に２００
〜４００μｍの異方性エッチングを行い、梁部７を形成
する。

【０００６】この製造方法は、異方性エッチングを行う
エッチング液のエッチングレート等を管理することによ
り、梁部７の厚さを制御するものである。

【０００７】また、かかる梁部厚の制御のほかに、梁厚
のばらつきを低減する方法として、導電型の異なる二つ
の結晶層（ｐ型，ｎ型）からなる半導体基板を使用し、
電界エッチングによって一方の導電型の結晶層を除去
し、他方の逆導電型の結晶層を梁部として利用する方法
もある。

【０００８】図６（ａ）〜（ｃ）はそれぞれかかる従来
の他の例を説明するための工程順に示した半導体センサ
の断面図である。まず、図６（ａ）に示すように、ｐ型
シリコン基板１の上に所望の梁厚と同じ厚さのｎ型シリ
コン層１１を形成する。しかる後、この積層半導体基板
の両面に保護膜１３を形成する。つぎに、図６（ｂ）に
示すように、ホトリソグラフィ工程によりｐ型シリコン
基板１の下面を保護している保護膜１３に梁用穴開け部
５ａを形成する。さらに、図６（ｃ）に示すように、電
界エッチングを行うことによりｐ型シリコン基板１のみ
がエッチングされ、ｎ型シリコン層１１とほぼ同等の厚
みを有する梁部７が形成される。

【０００９】ここで、電界エッチングはｐ型シリコン基
板１のみをエッチングする目的で使用されている。すな
わち、エッチング液中でシリコン基板１に電圧を印加
（電界エッチング）すると、ｐ型シリコン基板１のエッ
チングが進行し、ｎ型シリコン層１１が露出したとき
に、その露出したシリコン層１１の表面に酸化膜が形成
（陽極酸化）され、エッチングが停止する原理を利用し
ている。

【００１０】上述した図５および図６に基ずく二つの従
来例は、一回のエッチングで所望とする梁厚を得ようと
するものであるが、これらの方法はエッチング量が多く
且つ時間も要する為、ウェーハ間でのエッチングばらつ
きが大きくなる。そのため、エッチングを１回でなく２
回以上に分け、順次残りのエッチング量を測定しながら
微調整を行う必要がある。

【００１１】さらに、梁厚の高精度な加工を実現する方
法として、シリコン基板を酸化剤と酸化膜除去剤とに交
互に浸漬する方法もある。この方法は、例えば特開平１
−１０７５４５号公報に開示されている。

【００１２】図７（ａ）〜（ｃ）はそれぞれかかる従来
のまた別の例を説明するための工程順に示した半導体セ
ンサの断面図である。まず、図７（ａ）に示すように、
シリコン基板１に対し保護膜としての熱酸化膜６を上下
に形成し、前述した従来例と同様のエッチング方法によ
りシリコン基板１をエッチングし、所望の梁厚よりも若
干厚くなるようにシリコン基板薄膜部４を形成する。つ
ぎに、図７（ｂ）に示すように、シリコン基板薄膜部４
の厚み測定を行い、残りのエッチング量を確認しエッチ
ング面以外をレジスト１４で覆う。しかる後、シリコン
基板１を硝酸溶液に浸漬してシリコン表面を酸化させる
ことにより、酸化部１５を形成する。なお、このときの
酸化膜１５の厚さは硝酸の濃度と温度によって決まる。
その後、図７（ｃ）に示すように、シリコン基板１を良
く水洗し、薬品が残らないようにしてからフッ酸溶液に
浸漬し、酸化膜１５を除去する。これら図７（ａ）〜
（ｃ）の工程を繰り返し、所望の梁厚が得られるまでエ
ッチィングを行う。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の半
導体センサの製造方法は、シリコン薄膜のエッチングに
ついて幾つかの方法が提案されているが、これら従来の
方法には次のような欠点がある。

【００１４】まず、図５の製造方法では、シリコン基板
に２００〜４００μｍの非常に深いエッチングを行うに
あたり、エッチング液のエッチングレートを管理するだ
けで所望の梁厚を得ようとしているため、梁厚はエッチ
ング時の液温度、エッチング時間およびエッチング液の
攪拌状態で変動する。従って、ウェーハ面内でばらつき
を発生することはもとより、ウェーハ間でも数十μｍ以
上のばらつきを発生してしまう。例えば、梁厚を目標で
ある１μｍ以下のばらつきに抑えることは非常に困難に
なる。

【００１５】また、図６の従来例では、ｎ型シリコン層
を形成する時点での厚さのばらつきが数μｍ程度ある。
このｎ型シリコン層の厚さのばらつきは、直接梁厚の精
度に影響してくる。また、電界エッチングにおけるエッ
チング液中のウェーハ配置位置の相違による電位分布の
ばらつきや、基板と電圧印加端子とのコンタクト性のば
らつき等も数μｍ程度影響してくる。このため、全体で
も最低２μｍ程度のばらつきが発生し、これらのばらつ
きを追加エッチングにより調整しようとしても、上述し
たように、エッチング時の液温度、エッチング時間およ
びエッチング液の攪拌状態でエッチングレートが変動す
るため、目標とするエッチング精度を得ることは困難で
ある。

【００１６】さらに、図７の従来例では、エッチング精
度は良くなるものの、１回のエッチング量が数十オング
ストローム程度と少ないので、数十〜数百回のエッチン
グを必要とし、多大な工数が発生してしまう。

【００１７】本発明の目的は、かかる梁厚を高精度に且
つ効率的に制御し、特性の安定した半導体センサの製造
方法を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体センサの
製造方法は、シリコン基板に厚肉の支持部および前記支
持部につながる薄肉の梁部を形成し、前記梁部の歪みを
利用して加速度や圧力を検知する半導体センサの製造方
法において、前記シリコン基板に前記支持部および前記
梁部を形成するためのマスクとなる保護膜を形成する工
程と、前記保護膜を通して前記シリコン基板を異方性ウ
ェットエッチングし、所望とする前記梁部の厚さよりも
２μｍ程度厚い基板薄膜部を形成する工程と、前記保護
膜を除去してから前記基板薄膜部の厚さが所望の値にな
るまで前記シリコン基板を熱酸化して全面に熱酸化膜を
形成する工程と、前記熱酸化膜を弗酸等でエッチング除
去する工程とを含んで構成される。

【００１９】また、本発明の半導体センサの製造方法
は、シリコン基板に厚肉の支持部と前記支持部につなが
る薄肉の梁部および前記梁部につながる厚肉の重り部を
形成し、前記重り部の変位もしくは前記重り部の変位に
伴う前記梁部の歪みを利用して加速度や圧力を検知する
半導体センサの製造方法において、前記シリコン基板に
前記支持部および前記梁部を形成するための保護膜を形
成する工程と、前記保護膜を通して前記シリコン基板を
異方性ウェットエッチングし、所望とする前記梁部の厚
さよりも２μｍ程度厚い基板薄膜部を形成する工程と、
前記保護膜を除去してから前記基板薄膜部の厚さが所望
の値になるまで前記シリコン基板の全面を熱酸化し熱酸
化膜を形成する工程と、前記熱酸化膜に前記支持部と前
記重り部との間で前記梁部以外の空隙部を形成するため
の空隙用窓開け部を形成する工程と、前記熱酸化膜を通
して前記シリコン基板をエッチングし前記熱酸化膜の一
部を残して空隙部を形成する工程と、前記熱酸化膜を弗
酸等でエッチング除去する工程とを含んで構成される。

【００２０】さらに、本発明の半導体センサの製造方法
は、一導電型シリコン基板とその上に形成される逆導電
型のシリコン層からなる半導体基板を加工して厚肉の支
持部および前記支持部につながる薄肉の梁部を形成し、
前記梁部の歪みを利用して加速度や圧力を検知する半導
体センサの製造方法において、前記一導電型シリコン基
板に所望とする前記梁部の厚さよりも２μｍ程度厚い逆
導電型シリコン層を形成する工程と、前記一導電型シリ
コン基板に前記支持部および前記梁部を形成するための
マスクとなる保護膜を形成する工程と、前記保護膜を通
して前記一導電型シリコン基板を異方性ウェットエッチ
ングし、所望とする前記梁部の厚さよりも２μｍ程度厚
い基板薄膜部を形成する工程と、前記保護膜を除去して
から前記基板薄膜部の厚さが所望の値になるまで前記逆
導電型シリコン層を熱酸化して全面に熱酸化膜を形成す
る工程と、前記熱酸化膜を弗酸等でエッチング除去する
工程とを含んで構成される。

【００２１】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００２２】図１（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明の第
１の実施例を説明するための工程順に示した半導体セン
サの断面図である。本実施例はシリコン基板に厚肉の支
持部およびこの支持部につながる薄肉の梁部を形成し、
梁部の歪みを利用して加速度や圧力を検知する半導体セ
ンサの製造例であり、重り部を必要としない場合であ
る。

【００２３】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン
基板１の両面にこのシリコン基板１とエッチング選択比
が取れるような上部保護膜２および下部保護膜３を形成
する。これらの保護膜２，３としては、例えば酸化膜や
窒化膜が用いられ、支持部や梁部を形成するためのマス
クとなる。

【００２４】つぎに、図１（ｂ）に示すように、ホトリ
ソグラフィ工程により下部保護膜３に梁部を形成するた
めの梁用穴開け部５を形成する。しかる後、その梁用穴
開け部５より異方性エッチング液（例えば、ＫＯＨ２０
％水溶液，９０℃）によってシリコン基板１を４００μ
ｍ程度ウェットエッチングし、シリコン基板薄膜部４の
厚さが所望の厚さより２μｍ程度厚くなる時点でエッチ
ングを終了させる。なお、必要があれば、かかるウェッ
トエッチングを数回に分けて行ってもよい。

【００２５】ここで、シリコン基板薄膜部４の厚さを所
望の厚さより２μｍ程度厚くなるように制御しながら、
４００μｍ程度のエッチングを行った場合、実際には数
十μｍの厚みばらつきが発生する。そのため、図１
（ｃ）に示すように、保護膜２，３を除去してからシリ
コン基板薄膜部４の厚さを測定し、所望とする梁部の厚
さとの差を確認した後、その差分だけシリコン基板１を
熱酸化法により熱酸化して全面に熱酸化膜６を形成す
る。このとき、熱酸化で消費（酸化）されるシリコンの
量（厚さ）は、形成した酸化膜厚の４４％となる。

【００２６】最後に、図１（ｄ）に示すように、熱酸化
膜６をシリコン基板１とエッチング選択比がとれるバッ
ファード弗酸等でエッチングして除去する。かかる熱酸
化膜６を除去すれば、シリコン部分のみが残り、所望の
厚さの梁部７が得られる。

【００２７】以上の工程、特に梁部７の厚さの調整に膜
厚のウェーハ間ばらつきが数十ｎｍ以下である熱酸化法
を利用することにより、数ｎｍから数十ｎｍ程度の梁厚
制御が可能となる。

【００２８】図２（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ本発明の第
２の実施例を説明するための工程順に示した半導体セン
サの断面図である。本実施例はシリコン基板に厚肉の支
持部とこの支持部につながる薄肉の梁部およびこの梁部
につながる厚肉の重り部を形成し、その重り部の変位も
しくは重り部の変位に伴う梁部の歪みを利用して加速度
や圧力を検知する半導体センサの製造例である。その特
徴とする点は、梁厚調整時に形成する熱酸化膜を重り部
の周囲に形成する空隙形成時のエッチングマスクに使用
することにある。

【００２９】まず、図２（ａ）に示すように、シリコン
基板１に支持部および梁部を形成するための第１のマス
クとなる上部保護膜２および下部保護膜３を形成する。

【００３０】ついで、図２（ｂ）に示すように、ホトリ
ソグラフィ工程によって下部保護膜３に梁部および空隙
部を形成するための梁用穴開け部５を形成した後、その
下部保護膜３をマスクとして穴開け部５から異方性エッ
チング液によりシリコン基板１を４００μｍ程度ウェッ
トエッチングし、シリコン基板薄膜部４の厚さが所望の
厚さより２μｍ程度厚くなるようにする。

【００３１】その後、図２（ｃ）に示すように、保護膜
２，３を除去してからシリコン基板１を熱酸化法により
熱酸化して全面に熱酸化膜６を形成する。この熱酸化膜
６は空隙部を形成するときのマスクとして用いられる。
なお、梁部となる厚さを残して熱酸化する工程までは前
述した第１の実施例と同じである。

【００３２】つぎに、図２（ｄ）に示すように、シリコ
ン基板１の上面より空隙用穴開け部８をホトリソグラフ
ィ工程により形成し、その空隙用穴開け部８を通してシ
リコン基板１を同様にエッチングする。このエッチング
により、空隙部９が形成される。

【００３３】最後に、図２（ｅ）に示すように、熱酸化
膜６を弗酸等でエッチングして除去することにより、重
り部１０と結合した所望の厚さの梁部７が得られる。

【００３４】図３（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ本発明の第
３の実施例を説明するための工程順に示した半導体セン
サの断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、本
実施例はｐ型シリコン基板１の上面にｎ型シリコン層１
１を所望とする梁部の厚さよりも２μｍ厚く形成する。
さらに、これらシリコン基板１，ｎ型シリコン層１１の
上にそれぞれ下部保護膜３，上部保護膜２をシリコン基
板１とエッチング選択比がとれるような酸化膜等で形成
する。

【００３５】つぎに、図３（ｂ）に示すように、ホトリ
ソグラフィ工程によりｐ型シリコン基板１裏面の下部保
護膜３に梁部を形成するための梁用穴開け部５を形成
し、ｐ型シリコン基板１を電界エッチングすると、シリ
コン基板１とｎ型シリコン層１１の境界面（ｐｎ接合
面）でエッチングが停止する。これにより、ｎ型シリコ
ン層１１は、所望とする梁部の厚さよりも２μｍ程度厚
い基板薄膜部４のみが残される。上述した電界エッチン
グには、濃度２０％のＫＯＨ水溶液（温度９０℃）を利
用するとともに、ｎ型シリコン層１１を＋電位、ＫＯＨ
水溶液を−電位として数Ｖ程度の電圧印加を行ってい
る。

【００３６】さらに、図３（ｃ）に示すように、所望と
する梁部の厚さよりも２μｍ程度厚いシリコン層を形成
しようとしても、実際には２μｍ程度のウェーハ間ばら
つきを有するため、薄膜となったｎ型シリコン層１１の
厚さを測定して所望とする梁部の厚さを確認する。その
後、保護膜２，３を除去してから、その差分だけシリコ
ン基板１を熱酸化法で酸化し、熱酸化膜６を形成する。

【００３７】最後に、図３（ｄ）に示すように、この熱
酸化膜６をシリコン基板１とエッチング選択比がとれる
バッファード弗酸等でエッチング除去することにより、
シリコン部分のみが残り、所望とする梁部７の厚さが得
られる。

【００３８】このように、本実施例によれば、電界エッ
チングを利用することにより、梁部厚のウェーハ面内ば
らつきを低減でき、さらにシリコン基板に対する熱酸化
法を用いて調整エッチングを実施することにより、所望
とする梁部の厚さを高精度に制御することができる。な
お、本実施例における基板とシリコン層の導電型がｎ型
とｐ型に逆になっても同様に実現でき、また上層が拡散
によって形成されていても十分に対応することができ
る。

【００３９】以上、幾つかの実施例について説明した
が、これらの実施例によれば、梁厚を精度よく制御する
ことができ、ウェーハ面内のばらつきも少なくすること
が可能となる。また、熱酸化は数μｍ厚まで制御するこ
とができるので、調整エッチングも１回もしくは数回程
度で済み、効率のよい製造方法を実現できる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体セ
ンサの製造方法は、異方性ウェットエッチングで所望と
する梁厚よりも厚く形成された基板薄膜部を形成した
後、熱酸化を施し、ついでその熱酸化膜をエッチングし
て除去することにより、梁部厚を精度よく制御すること
ができるので、特性感度の揃った半導体センサを供給で
きるという効果がある。また、本発明は加速度センサ等
で必要な空隙部の形成時に熱酸化膜をエッチングマスク
として使用できるので、新たなマスクを形成する必要が
無く、効率的に製造できるという効果がある。さらに、
本発明は電界エッチングと組み合わせることにより、ウ
ェーハ面内のばらつきを低減できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を説明するための工程順
に示した半導体センサの断面図である。

【図２】本発明の第２の実施例を説明するための工程順
に示した半導体センサの断面図である。

【図３】本発明の第３の実施例を説明するための工程順
に示した半導体センサの断面図である。

【図４】従来の半導体加速度センサの斜視図である。

【図５】従来の一例を説明するための工程順に示した半
導体センサの断面図である。

【図６】従来の他の例を説明するための工程順に示した
半導体センサの断面図である。

【図７】従来のまた別の例を説明するための工程順に示
した半導体センサの断面図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２，３保護膜４基板薄膜部５梁用穴開け部６熱酸化膜７梁部８空隙用穴開け部９空隙部１０重り部１１ｎ型シリコン層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板に厚肉の支持部および前記
支持部につながる薄肉の梁部を形成し、前記梁部の歪み
を利用して加速度や圧力を検知する半導体センサの製造
方法において、前記シリコン基板に前記支持部および前
記梁部を形成するためのマスクとなる保護膜を形成する
工程と、前記保護膜を通して前記シリコン基板を異方性
ウェットエッチングし、所望とする前記梁部の厚さより
も２μｍ程度厚い基板薄膜部を形成する工程と、前記保
護膜を除去してから前記基板薄膜部の厚さが所望の値に
なるまで前記シリコン基板を熱酸化して全面に熱酸化膜
を形成する工程と、前記熱酸化膜を弗酸等でエッチング
除去する工程とを含むことを特徴とする半導体センサの
製造方法。
【請求項２】シリコン基板に厚肉の支持部と前記支持
部につながる薄肉の梁部および前記梁部につながる厚肉
の重り部を形成し、前記重り部の変位もしくは前記重り
部の変位に伴う前記梁部の歪みを利用して加速度や圧力
を検知する半導体センサの製造方法において、前記シリ
コン基板に前記支持部および前記梁部を形成するための
保護膜を形成する工程と、前記保護膜を通して前記シリ
コン基板を異方性ウェットエッチングし、所望とする前
記梁部の厚さよりも２μｍ程度厚い基板薄膜部を形成す
る工程と、前記保護膜を除去してから前記基板薄膜部の
厚さが所望の値になるまで前記シリコン基板の全面を熱
酸化し熱酸化膜を形成する工程と、前記熱酸化膜に前記
支持部と前記重り部との間で前記梁部以外の空隙部を形
成するための空隙用窓開け部を形成する工程と、前記熱
酸化膜を通して前記シリコン基板をエッチングし前記熱
酸化膜の一部を残して空隙部を形成する工程と、前記熱
酸化膜を弗酸等でエッチング除去する工程とを含むこと
を特徴とする半導体センサの製造方法。
【請求項３】一導電型シリコン基板とその上に形成さ
れる逆導電型のシリコン層からなる半導体基板を加工し
て厚肉の支持部および前記支持部につながる薄肉の梁部
を形成し、前記梁部の歪みを利用して加速度や圧力を検
知する半導体センサの製造方法において、前記一導電型
シリコン基板に所望とする前記梁部の厚さよりも２μｍ
程度厚い逆導電型シリコン層を形成する工程と、前記一
導電型シリコン基板に前記支持部および前記梁部を形成
するためのマスクとなる保護膜を形成する工程と、前記
保護膜を通して前記一導電型シリコン基板を異方性ウェ
ットエッチングし、所望とする前記梁部の厚さよりも２
μｍ程度厚い基板薄膜部を形成する工程と、前記保護膜
を除去してから前記基板薄膜部の厚さが所望の値になる
まで前記逆導電型シリコン層を熱酸化して全面に熱酸化
膜を形成する工程と、前記熱酸化膜を弗酸等でエッチン
グ除去する工程とを含むことを特徴とする半導体センサ
の製造方法。