JPH08335707A - 半導体力学量センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】梁構造の可動部の反りを低減することができる
半導体力学量センサ及びその製造方法を提供する。 【構成】シリコン基板２５上にシリコン酸化膜３１（犠
牲層）を形成するとともに、このシリコン酸化膜３１上
に５５０〜５８０℃でのシランによりポリシリコン薄膜
３３を形成するとともに、その上に６００〜６３０℃で
のシランによりポリシリコン薄膜３４を形成して、内部
応力状態の異なる２つの可動部形成用のポリシリコン薄
膜３３，３４を積層する。さらに、ポリシリコン薄膜３
３，３４の下のシリコン酸化膜３１を除去する。よっ
て、シリコン基板１の上方に所定の間隔を隔てて薄膜よ
りなる梁構造の可動部６が配置され、力学量の作用に伴
う可動部６の変位から力学量を検出する。

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量センサに
係り、詳しくは、加速度，ヨーレート，振動等の力学量
を検出する半導体力学量センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体加速度センサの小型化、低
価格化の要望が高まっている。このために特表平４−５
０４００３号公報にポリシリコンを電極として用いた差
動容量式半導体加速度センサが示されている。この種の
センサを図２９，３０を用いて説明する。図２９にセン
サの平面図を示すとともに、図３０に図２９のＩ−Ｉ断
面図を示す。

【０００３】シリコン基板１１５の上方には所定間隔を
隔てて梁構造の可動部１１６が配置されている。ポリシ
リコン薄膜よりなる可動部１１６は、梁部１２１，１２
２と重り部１２３と可動電極部１２４とからなる。可動
部１１６はアンカー部１１７，１１８，１１９，１２０
によりシリコン基板１１５の上面に固定されている。つ
まり、アンカー部１１７，１１８，１１９，１２０から
梁部１２１，１２２が延設され、この梁部１２１，１２
２に重り部１２３が支持されている。この重り部１２３
には可動電極部１２４が突設されている。一方、シリコ
ン基坂１１５上には、１つの可動電極部１２４に対し固
定電極１２５が２つ対向するように配置されている。そ
して、シリコン基板１１５の表面に平行な方向（図２９
にＹで示す）に加速度が加わった場合、可動電極部１２
４と固定電極１２５との間の静電容量において片側の静
電容量は増え、もう一方は減る構造となっている。

【０００４】このセンサの製造は、図３１に示すよう
に、シリコン基板１１５の上にシリコン酸化膜等の犠牲
層１２６を形成するとともに犠牲層１２６におけるアン
カー部となる箇所に開口部１２７を形成する。その後、
図３２に示すように、犠牲層１２６の上に可動部１１６
となるポリシリコン薄膜１２８を成膜し、所望のパター
ン形状にする。引き続き、エッチング液にてポリシリコ
ン薄膜１２８の下の犠牲層１２６を除去し、図３３に示
すように、可動部１１６をシリコン基板１１５の上方に
所定間隔を隔てて配置する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、図３４に示
すように、可動部１１６となるポリシリコン薄膜１２８
には成膜時に犠牲層１２６の界面から内部応力σが発生
し膜厚方向に徐々に内部応力σが変化する。その結果、
ポリシリコン薄膜１２８（可動部１１６）の膜厚方向に
内部応力分布が存在し、可動部１１６が反ってしまう。
つまり、図２９に示すように、可動電極部１２４は重り
部１２３を固定端とした片持ち梁構造となっており、膜
厚方向に内部応力分布が存在することにより可動電極部
１２４が反ってしまう。その結果、可動電極部１２４と
固定電極１２５とを精度よく対向配置することができな
かった。又、重り部１２３も膜厚方向に内部応力分布が
存在することにより反りが発生してまう。その結果、こ
の重り部１２３から突出する可動電極部１２４も変位し
てしまい可動電極部１２４と固定電極１２５とを精度よ
く対向配置することができなかった。

【０００６】このような薄膜構造体の膜厚方向の内部応
力を小さくする一般的な手法として、薄膜構造体を長時
間高温で熱処理（例えば、１１５０℃、２４時間）する
ことが行われている。しかしながら、この方法ではシリ
コン基板１１５における可動部１１６の周辺に設けた周
辺回路を構成するトランジスタ等にダメージを与えてし
まう等の理由によりＩＣプロセスと整合せず、半導体加
速度センサに適用することは実用的でなかった。

【０００７】そこで、この発明の目的は、梁構造の可動
部の反りを低減することができる半導体力学量センサの
製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に所定の間隔
を隔てて配置された梁構造の可動部とを備え、力学量の
作用に伴う前記可動部の変位から力学量を検出するよう
にした半導体力学量センサであって、前記可動部を、内
部応力状態の異なる薄膜を積層することにより構成した
半導体力学量センサをその要旨とする。

【０００９】請求項２に記載の発明は、半導体基板と、
前記半導体基板の上方に所定の間隔を隔てて配置され、
薄膜よりなる梁構造の可動部とを備え、力学量の作用に
伴う前記可動部の変位から力学量を検出するようにした
半導体力学量センサの製造方法であって、半導体基板上
に犠牲層を形成するとともに、この犠牲層上に内部応力
状態の異なる複数の可動部形成用薄膜を積層し、可動部
形成用薄膜の下の前記犠牲層を除去するようにした半導
体力学量センサの製造方法をその要旨とする。

【００１０】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の発明において、前記内部応力状態の異なる複数の可動
部形成用薄膜は、同種材料の膜である半導体力学量セン
サの製造方法をその要旨とする。

【００１１】請求項４に記載の発明は、請求項３に記載
の発明において、前記内部応力状態の異なる複数の可動
部形成用薄膜は、２種類の内部応力状態の膜よりなり、
同じ内部応力状態の膜の間に、当該膜の内部応力状態と
は異なる膜を挟み込んだものとした半導体力学量センサ
の製造方法をその要旨とする。

【００１２】請求項５に記載の発明は、請求項３または
４に記載の発明において、互いに接する２つの薄膜にお
いてその面積を異ならせることにより可動部の応力調整
を行うようにした半導体力学量センサの製造方法をその
要旨とする。

【００１３】請求項６に記載の発明は、請求項３に記載
の発明において、異なる成膜条件にて成膜することによ
り内部応力状態の異なる複数の可動部形成用薄膜を形成
するようにした半導体力学量センサの製造方法をその要
旨とする。

【００１４】請求項７に記載の発明は、請求項４，５，
６のいずれか１項に記載の発明において、前記同種材料
の膜は、ポリシリコン薄膜またはアモルファスシリコン
薄膜である半導体力学量センサの製造方法をその要旨と
する。

【００１５】請求項８に記載の発明は、請求項２に記載
の発明において、前記内部応力状態の異なる複数の可動
部形成用薄膜は、２種類の材料の膜であって、同じ材料
の膜の間に、当該膜とは異なる材料の膜を挟み込んだも
のとした半導体力学量センサの製造方法をその要旨とす
る。

【００１６】請求項９に記載の発明は、請求項２に記載
の発明において、前記内部応力状態の異なる複数の可動
部形成用薄膜は、異種材料の膜であって、互いに接する
２つの薄膜においてその面積を異ならせることにより可
動部の応力調整を行うようにした半導体力学量センサの
製造方法をその要旨とする。

【００１７】請求項１０に記載の発明は、半導体基板
と、前記半導体基板の上方に所定の間隔を隔てて配置さ
れ、薄膜よりなる梁構造の可動部とを備え、力学量の作
用に伴う前記可動部の変位から力学量を検出するように
した半導体力学量センサの製造方法であって、半導体基
板上に犠牲層を形成するとともに、この犠牲層上に成膜
条件を変更しながら成膜して可動部形成用薄膜を形成
し、可動部形成用薄膜の下の前記犠牲層を除去するよう
にした半導体力学量センサの製造方法をその要旨とす
る。

【００１８】

【作用】請求項１に記載の発明によれば、半導体基板の
上方に所定の間隔を隔てて配置された梁構造の可動部
は、内部応力状態の異なる薄膜を積層することにより構
成される。よって、可動部において、積層した薄膜の内
部応力の相殺作用により反りが抑制される。

【００１９】請求項２に記載の発明によれば、半導体基
板上に犠牲層が形成されるとともに、この犠牲層上に内
部応力状態の異なる複数の可動部形成用薄膜が積層さ
れ、可動部形成用薄膜の下の犠牲層が除去される。その
結果、半導体基板の上方に所定の間隔を隔てて梁構造の
可動部が配置される。

【００２０】このような製造工程において、可動部を構
成するために積層した薄膜（可動部形成用薄膜）での内
部応力の相殺作用により可動部の反りが抑制される。請
求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の
作用に加え、内部応力状態の異なる複数の可動部形成用
薄膜は同種材料の膜よりなり製造が容易となる。

【００２１】請求項４に記載の発明によれば、請求項３
に記載の発明の作用に加え、内部応力状態の異なる複数
の可動部形成用薄膜が、２種類の内部応力状態の膜より
なり、同じ内部応力状態の膜の間に、この膜の内部応力
状態とは異なる膜を挟み込んでいるので、製造が容易と
なる。よって、容易に反り低減を図ることができる。

【００２２】請求項５に記載の発明によれば、請求項３
または４に記載の発明の作用に加え、互いに接する２つ
の薄膜においてその面積を異ならせることにより可動部
の応力調整が容易に行われる。

【００２３】請求項６に記載の発明によれば、請求項３
に記載の発明の作用に加え、異なる成膜条件にて成膜す
ることにより内部応力状態の異なる複数の可動部形成用
薄膜が容易に形成される。

【００２４】請求項７に記載の発明によれば、請求項
４，５，６のいずれか１項に記載の発明の作用に加え、
同種材料の膜が、ポリシリコン薄膜またはアモルファス
シリコン薄膜であるので、製造が容易となる。

【００２５】請求項８に記載の発明によれば、請求項２
に記載の発明の作用に加え、同じ材料の膜の間に、当該
膜とは異なる材料の膜が挟み込まれる。よって、２種類
の材料の膜を用いて内部応力状態が大きく異なる膜とす
ることができる。

【００２６】請求項９に記載の発明によれば、請求項２
に記載の発明の作用に加え、内部応力状態の異なる複数
の可動部形成用薄膜が、異種材料の膜であって、互いに
接する２つの薄膜においてその面積を異ならせることに
より可動部の応力調整が容易に行われる。

【００２７】請求項１０に記載の発明によれば、半導体
基板上に犠牲層が形成されるとともに、この犠牲層上に
成膜条件を変更しながら成膜して可動部形成用薄膜が形
成され、可動部形成用薄膜の下の犠牲層が除去される。
その結果、半導体基板の上方に所定の間隔を隔てて梁構
造の可動部が配置される。

【００２８】このような製造工程において、可動部の中
立軸における曲げモーメントを極力小さくするように可
動部形成用薄膜の成膜条件を変更することにより可動部
の反りが抑制される。

【００２９】

【実施例】

（第１実施例）以下、この発明を具体化した第１実施例
を図面に従って説明する。

【００３０】図１に本実施例の半導体加速度センサの平
面図を示す。又、図２には図１のＡ−Ａ断面を示し、図
３には図１のＢ−Ｂ断面を示す。半導体基板としてのＰ
型シリコン基板１にはゲート絶縁膜としてのシリコン窒
化膜２が全面に形成されている。このシリコン窒化膜２
は基板表面のリーク電流を低減するとともにトランジス
タ特性の経時変化を抑制するためのものである。

【００３１】シリコン基板１（シリコン窒化膜２）の上
にはアンカー部４，５が配置され、このアンカー部４，
５は所定の厚みを有するシリコン酸化膜よりなる。アン
カー部４，５は帯状をなし、直線的にかつ互いに平行に
延設されている。アンカー部（シリコン酸化膜）４，５
上には、ポリシリコン薄膜よりなるアンカー部７，８が
配置され、アンカー部７，８はアンカー部４，５と同一
寸法となっている。このアンカー部７，８から梁構造の
可動部６が延びている。可動部６もアンカー部７，８と
同様にポリシリコン薄膜よりなる。可動部６とアンカー
部７，８とは、内部応力状態の異なる２つのポリシリコ
ン薄膜６ａ，６ｂを積層することにより構成したもので
ある。つまり、ポリシリコン薄膜６ｂの上にポリシリコ
ン薄膜６ａを配置した二層構造をなし、各ポリシリコン
薄膜６ａ，６ｂの成膜の際のＬＰＣＶＤ法での成膜温度
を異ならせることにより内部応力状態を異ならせてい
る。この内部応力状態の異なる二層構造体にて可動部６
を構成することにより可動部６が反ることなく、シリコ
ン基板１の上方において真っ直ぐに延びている。このこ
とについては後で詳述する。

【００３２】可動部６は、梁部９，１０，１１，１２と
重り部１３とゲート電極部としての可動電極部１４，１
５とからなる。アンカー部７，８から帯状の梁部９，１
０，１１，１２が延び、四角形状の重り部１３が支持さ
れている。重り部１３には長方形状の可動電極部１４，
１５が相反する方向に突設されている。可動部６は、シ
リコン基板１（シリコン窒化膜２）の上方に所定の間隙
を隔てて配置され、シリコン基板１の表面に垂直な方向
と平行な方向とに変位できるようになっている。

【００３３】図３に示すように、可動部６の可動電極部
１５の下方でのシリコン基板１には、可動電極部１５に
対しその両側にＮ型不純物拡散層よりなるソース・ドレ
イン部としての固定電極１６，１７が形成されている。
同様に、図１に示すように、可動部６の可動電極部１４
の下方でのシリコン基板１には、可動電極部１４に対し
その両側にＮ型不純物拡散層よりなるソース・ドレイン
部としての固定電極１８，１９が形成されている。図３
に示すように、シリコン基板１における固定電極１６，
１７間にはチャネル領域２０が形成され、同チャネル領
域２０はシリコン基板１と可動電極部１５との間に電圧
を印加することにより生じたものである。そして、固定
電極１６，１７間に電圧を印加することによりこのチャ
ネル領域２０にドレイン電流が流れる。同様に、シリコ
ン基板１における固定電極１８，１９間にはチャネル領
域（図示略）が形成され、同チャネル領域はシリコン基
板１と可動電極部１４との間に電圧を印加することによ
り生じたものある。そして、固定電極１８，１９に電圧
を印加することによりこのチャネル領域にドレイン電流
が流れる。

【００３４】図１に示すように、可動部６は、アンカー
部７を介してアルミ配線２３と接続されている。又、図
１に示すように、シリコン基板１の表面には、梁構造の
可動部６と対向した部分での固定電極１６，１７，１
８，１９のない領域においてＮ型不純物拡散層よりなる
下部電極２４が形成されている。この下部電極２４は可
動部６の電位と等電位に保たれており、シリコン基板１
と可動部６との間で発生する静電気力を抑えるものであ
る。よって、可動部６に静電引力が生じないようになっ
ている。

【００３５】シリコン基板１における可動部６の配置領
域の周辺には周辺回路（図示略）が形成されている。そ
して、周辺回路とアルミ配線２３とが接続されるととも
に、周辺回路と固定電極１６，１７，１８，１９とが電
気的に接続され、さらに、周辺回路と下部電極２４とが
電気的に接続されている。

【００３６】次に、この半導体加速度センサの動作を説
明する。可動部６とシリコン基板１との間、および固定
電極１６，１７（１８，１９）間に電圧をかけると、チ
ャネル領域２０が形成され、固定電極１６，１７（１
８，１９）間に電圧が流れる。ここで、本加速度センサ
が加速度を受けて、図１に示すＸ₊ 方向（基板１の表面
に平行な方向）に可動電極部１４，１５（可動部６）が
変位した場合には、固定電極間のチャネル領域の面積
（トランジスタでいうチャネル幅）が変わることによ
り、固定電極１６，１７に流れる電流は減少し、固定電
極１８，１９に流れる電流は増大する。又、図１に示す
Ｘ_- 方向（基板１の表面に平行な方向）に可動電極部１
４，１５（可動部６）が変位した場合には、固定電極間
のチャネル領域の面積（トランジスタでいうチャネル
幅）が変わることにより、固定電極１６，１７に流れる
電流は増加し、固定電極１８，１９に流れる電流は減少
する。一方、本加速度センサが加速度を受けて、図３に
示すＺ方向（基板１の表面に垂直な方向）に可動電極部
１４，１５が変位した場合には、電界強度の変化によっ
てチャネル領域２０のキャリア濃度が減少するため、上
記電流は同時に減少する。

【００３７】このように本加速度センサは、加速度によ
る可動電極部１４，１５と固定電極１６，１７，１８，
１９との相対的位置の変化により固定電極１６，１７間
と固定電極１８，１９間に流れる電流が変化し、この電
流変化の大きさ、位相により二次元の加速度を検出する
ことができる。

【００３８】次に、このように構成した半導体加速度セ
ンサの製造工程を図４〜図１６を用いて説明する。ここ
で、図面の左側に可動部形成領域（センシング領域）、
右側には周辺回路の一部をなすトランジスタを示す。

【００３９】図４に示すように、Ｐ型シリコン基板２５
を用意し、フォトリソ工程を経て、イオン注入等により
可動部形成領域（センシング領域）や周辺回路のトラン
ジスタのソース・ドレインの配線部分となるＮ型拡散層
２６，２７，２８，２９を形成し、ゲート絶縁膜として
のシリコン窒化膜３０を全面に形成する。そして、図５
に示すように、その一部が犠牲層となるシリコン酸化膜
３１を可動部形成領域（センシング領域）に形成する。
尚、このとき、基板全体にシリコン酸化膜３１を成膜し
後から周辺回路のトランジスタ形成領域のシリコン酸化
膜を除去してもよい。

【００４０】さらに、図６に示すように、ゲート酸化に
より周辺回路のトランジスタ形成領域にゲート酸化膜３
２を形成する。そして、ＬＰＣＶＤ法等を用いて可動部
となるポリシリコン薄膜を形成する。この工程を詳細に
説明する。

【００４１】図７に示すように、ＬＰＣＶＤ炉内を５５
０〜５８０℃にした状態でシラン（ＳｉＨ₄ ）を流し、
シリコン基板２５上に引張応力をもつ第１のポリシリコ
ン薄膜３３を例えば厚さ０．５μｍ成膜する。その後、
ＬＰＣＶＤ炉内を６００〜６３０℃にした状態でさらに
シランを流して成膜することにより、図８に示すよう
に、第１のポリシリコン薄膜３３上に厚さが例えば１．
５μｍの圧縮応力を持つ第２のポリシリコン薄膜３４を
形成する。

【００４２】そして、図９に示すように、ポリシリコン
薄膜３３，３４に対しフォトリソ工程を経てドライエッ
チ等で可動部６およびアンカー部７，８の形状にパター
ニングする。このようにして、この第１のポリシリコン
薄膜３３と第２のポリシリコン薄膜３４とからなる可動
部形成膜（二層の積層体）３７が形成される。

【００４３】このように可動部形成膜３７を形成した後
において、図１０に示すように、ポリシリコンを成膜
し、フォトリソ工程を経てドライエッチ等で周辺回路の
トランジスタのゲート電極３８をパターニングする。

【００４４】引き続き、図１１に示すように、Ｎ型拡散
層からなるセンサの固定電極を形成するために、フォト
リソ工程を経てシリコン酸化膜３１に可動部形成膜３７
に対して自己整合的に開口部３９，４０を形成する。
又、周辺回路のトランジスタのソース・ドレインを形成
するために、フォトリソ工程を経てレジスト４１により
開口部４２，４３を形成する。

【００４５】さらに、シリコン酸化膜３１及びレジスト
４１の開口部３９，４０、レジスト４１の開口部４２，
４３から可動部形成膜３７，ゲート電極３８に対して自
己整合的にイオン注入等によって不純物を導入して、図
１２に示すように、Ｎ型拡散層からなるセンサの固定電
極４４，４５、周辺回路のトランジスタのソース・ドレ
イン領域４６，４７を形成する。

【００４６】次に、図１３に示すように、可動部形成膜
３７，ゲート電極３８とアルミ配線を電気的に絶縁する
ための層間絶縁膜４８を成膜する。そして、図１４に示
すように、層間絶縁膜４８に配線用拡散層２６，２７，
２８，２９とアルミ配線を電気的に接続するためのコン
タクトホール４９，５０，５１，５２をフォトリソ工程
を経て形成する。

【００４７】さらに、図１５に示すように、配線材料で
あるアルミニウムを成膜して、フォトリソ工程を経てア
ルミ配線５３，５４，５５，５６等を形成する。そし
て、図１６に示すように、層間絶縁膜４８の一部と可動
部形成膜３７の下のシリコン酸化膜３１をフッ酸系エッ
チング液を用いてエッチングする。その結果、シリコン
基板２５の上にエアギャップを介して梁構造の可動部６
が配置される。

【００４８】このようにして、ＭＩＳトランジスタ式半
導体加速度センサの製作工程が終了する。このようなセ
ンサ製造工程における可動部６の成膜の際に異なる内部
応力状態のポリシリコン薄膜３３および３４を積層する
ことにより可動部６の反りが抑制される。

【００４９】以下に、可動部６の反り抑制効果を図１
７，１８を用いて説明する。図１７に示すように、シリ
コン酸化膜３１（犠牲層）上に厚さｈのポリシリコン薄
膜を成膜する場合において、膜厚方向の内部応力を、厚
さ方向に一次の関数で仮定する。即ち、傾きαで内部応
力が分布していると仮定し、中立軸での応力をσ₀ と
し、膜厚方向をＺ軸にとると、膜厚方向Ｚでの応力分布
はσｚ＝σ₀ ＋αＺと表される。このとき、中立軸に発
生する曲げモーメントＭは次のように求められる。

【００５０】

【数１】

【００５１】以上のことを用いて、シリコン酸化膜３１
（犠牲層）上に成膜温度５５０〜５８０℃で厚さｈ／２
のポリシリコン薄膜を成膜する場合は内部応力が傾きα
₁ で分布していると仮定し、またシリコン酸化膜３１
（犠牲層）上に成膜温度６００〜６３０℃で厚さｈ／２
のポリシリコン薄膜を成膜する場合は、傾きα₂ で内部
応力が分布していると仮定する。この２つの膜を組み合
わせたときの応力は、図１８に示すようになる。

【００５２】ここで、可動部を、膜厚が等しい２つの膜
の積層体と考えているので、−ｈ／２≦Ｚ≦０において
は応力は σ＝σ₁ −α₁ （Ｚ＋ｈ／４）・・・・（２） で表され、０≦Ｚ≦ｈ／２においては応力は σ＝σ₂ −α₂ （Ｚ−ｈ／４）・・・・（３） で表される。

【００５３】よって、この場合の曲げモーメントＭ１
は、次のように求めることができる。

【００５４】

【数２】

【００５５】このように、図１８のように２つの膜（σ
₁ ，α₁ ）、（σ₂ ，α₂ ）を積層した場合、（４）式
のようになり、曲げモーメントＭ１を「０」にする又は
「０」に近づけるためのσ₁ ，α₁ ，σ₂ ，α₂ の各値
を決定すれば、反りを無くす又は低減することができ
る。即ち、２つの膜の成膜温度等を適宜の値に設定する
ことにより、２つの膜の内部応力状態（膜厚方向の内部
応力を厚さ方向に一次の関数でモデル化した場合におけ
る応力の初期値と傾き）を制御して反りを低減すること
ができる。

【００５６】可動部６の反り抑制効果を、引っ張り応力
と圧縮応力という観点から考察すれば、次のようにな
る。可動部（ポリシリコン薄膜）はＬＰＣＶＤ法等を用
いて形成するが、成膜条件によりその膜は強い引張応力
から強い圧縮応力まで幅広く変化する。例えば、条件の
一つである成膜温度であるが、成膜温度が低いと内部応
力は引っ張り傾向にあり、温度が高いと圧縮傾向にな
る。このような性質を用いて可動部の反りが抑制され
る。

【００５７】いずれにせよ、積層した薄膜での内部応力
の相殺作用により反りが抑制される。尚、傾きの異なる
２つの膜における２つの膜の厚さの比を適宜の値に設定
することによっても、２つの膜の内部応力を制御するこ
とができる。

【００５８】このように本実施例では、シリコン基板２
５（半導体基板）上にシリコン酸化膜３１（犠牲層）を
形成するとともに、このシリコン酸化膜３１上に内部応
力状態の異なる複数のポリシリコン薄膜３３，３４（可
動部形成用薄膜）を積層し、ポリシリコン薄膜３３，３
４の下のシリコン酸化膜３１を除去するようにした。そ
の結果、可動部６が、内部応力状態の異なる複数のポリ
シリコン薄膜３３，３４を積層したものとなり、可動部
６を構成するために積層した薄膜３３，３４での内部応
力の相殺作用により可動部６の反りが抑制される。従っ
て、可動部６とシリコン基板２５との間隔を一定に保持
して高精度に加速度を検出することができる。

【００５９】又、膜厚等を適宜の値とすることにより膜
厚方向での内部応力の制御に自由度が持て、応力緩和が
より容易になる。さらに、可動部６の膜厚方向の内部応
力を小さくする手法として、長時間高温で熱処理（例え
ば、１１５０℃、２４時間）すると、周辺回路を構成す
るトランジスタ等にダメージを与えてしまうが、本実施
例では長時間高温で熱処理することなく（周辺回路のト
ランジスタにダメージを与えることなく）、可動部６の
反りを小さくできる。 （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。

【００６０】前記第１実施例では、可動部６として２層
の膜を全ての領域において重ねた構造としたが、本実施
例では、図１９に示すように、互いに接する２つの膜に
おいて、一方の膜の面積と他方の膜の面積とを異ならせ
た構造としている。

【００６１】つまり、図１９は第１実施例の図３に対応
するものである。そして、下側の膜６ｂの幅をＷ１とし
て上側の膜６ａの幅をＷ２（＞Ｗ１）としている。製造
の際には、図２０に示すように、ポリシリコン薄膜３３
を全面に形成した後に、フォトリソ工程を経てドライエ
ッチ等でパターニングし、その後にポリシリコン薄膜３
４を成膜し、可動部の形状にパターニングすることとな
る。

【００６２】このようにすることにより、反り低減のた
めの制御性に優れたものとなる。又、本実施例では、下
側の膜６ｂの幅Ｗ１と上側の膜６ａの幅Ｗ２との関係に
おいて、Ｗ２＞Ｗ１としているので、Ｗ２＜Ｗ１とした
場合に比べ、幅の狭い膜３３を先に成膜して所望の形状
にパターニングし、その上に上側の膜を成膜して当該上
側の膜を所望の形状にパターニングして可動部形状とす
ることができ、ドライエッチ等により可動部を精度よく
加工することができる。つまり、Ｗ２＜Ｗ１とした場
合、下側の膜を成膜して所望の形状にパターニングし、
その上に上側の膜を成膜して当該上側の膜のみを選択的
に所望の形状にパターニングすることは困難であるが、
本実施例によれば、可動部の加工が容易なものとなる。

【００６３】本実施例の応用例として、可動部６の下層
側の膜６ｂは、そのパターンとして、図２１のように多
数に（図２１では４つに）分割した形状でもよい。又、
可動部６を構成する膜のうち下側を上側よりも幅広にし
てもよい。つまり、幅の広い方を先に成膜してもよい。

【００６４】尚、図１９は断面を示し、膜の幅の違いの
みを表しているが、より詳細には二次元的には、所定幅
Ｗ１を有する下側の膜６ｂを二次元空間（平面上）に延
ばしてもよいし、又、複数の帯状の膜を網の目のように
縦横に延設してよい。

【００６５】又、内部応力状態の異なる複数の可動部形
成用薄膜は、異種材料の膜であって、互いに接する２つ
の薄膜においてその面積を異ならせることにより可動部
の応力調整を行うようにしてもよい。この場合、異種材
料とは、シリコン（ポリシリコンやアモルアァスシリコ
ン）、アルミ、クロム、チタン、ニッケル、また絶縁材
料であるシリコン酸化膜，シリコン窒化膜等を挙げるこ
とができ、これらを組み合わせて異種材料よりなる薄膜
積層体とする。この場合にも、容易に応力調整を行うこ
とができる。 （第３実施例）次に、第３実施例を第１実施例との相違
点を中心に説明する。

【００６６】本実施例では、図２２に示すように、可動
部６３において、ポリシリコンの成膜の際に３層の膜を
形成している。この場合には、曲げモーメントをさらに
自由度を持って小さくすることができる。

【００６７】より詳しくは、可動部６３を、２種類の内
部応力状態の異なる膜により構成し、一方の膜がもう一
方の膜に挟まれる形となっている。つまり、ＬＰＣＶＤ
法を用いて可動部（ポリシリコン薄膜）を形成するが、
この可動部の形成を図２３〜図２５に示すように行う。

【００６８】まず、図２３に示すように、炉内を５５０
〜５８０℃にした状態でシラン（ＳｉＨ₄ ）を流し、シ
リコン基板５７上に引張応力をもつポリシリコン薄膜５
８を例えば厚さ０．５μｍ成膜する。その後、ポリシリ
コン薄膜５８に対し、フォトリソ工程を経てドライエッ
チ等で所定の形状にパターニングする。その後、図２４
に示すように、炉内を６００〜６３０℃にした状態でさ
らにシランを流して成膜することにより、パターニング
したポリシリコン薄膜５８上に厚さが例えば１．０μｍ
の圧縮応力をもつポリシリコン薄膜５９を形成する。さ
らに、ポリシリコン薄膜５８のときと同じ同条件（炉内
を５５０〜５８０℃にした状態）でシラン（ＳｉＨ₄ ）
を流し、ポリシリコン薄膜５９上に引張応力をもつポリ
シリコン薄膜６０を例えば厚さ０．５μｍで成膜する。

【００６９】その後、図２５に示すように、ポリシリコ
ン薄膜５９，６０に対しフォトリソ工程を経てドライエ
ッチ等でパターニングする。これにより、第１のポリシ
リコン薄膜５８と第２のポリシリコン薄膜６１（ポリシ
リコン薄膜５９）と第３のポリシリコン薄膜６２（ポリ
シリコン薄膜６０）との積層体が形成される。

【００７０】この後の工程は第１実施例の製造工程（図
１０〜図１６）と同様である。その結果、各膜の相殺作
用により曲げモーメントが小さくなり、梁構造の可動部
になったときの反りが抑制される。従って、可動部６３
とシリコン基板との間隔を一定に保持して高精度に加速
度を検出することができる。又、膜厚方向での内部応力
状態の制御に自由度が持て、応力緩和がより容易にな
る。

【００７１】本実施例の応用例として、可動部６として
内部応力状態の異なる膜を４層以上積層した構造として
もよい。又、内部応力状態の異なる複数の可動部形成用
薄膜は、２種類の材料の膜であって、同じ材料の膜の間
に、この膜とは異なる材料の膜を挟み込んでもよい。こ
の場合、異種材料とは、シリコン（ポリシリコンやアモ
ルアァスシリコン）、アルミ、クロム、チタン、ニッケ
ル、また絶縁材料であるシリコン酸化膜，シリコン窒化
膜等を挙げることができ、これらを組み合わせて異種材
料よりなる薄膜積層体とする。この場合にも、内部応力
状態が大きく異なる膜を用いて容易に反り低減を図るこ
とができる。 （第４実施例）次に、第４実施例を第１，２，３実施例
との相違点を中心に説明する。

【００７２】第１，２実施例ではＣＶＤ法での成膜温度
を１回切り換えて成膜を行い、第３実施例ではＣＶＤ法
での成膜温度を２回切り換えて成膜を行ったが、本実施
例では３回以上切り換えて内部応力状態の異なる複数の
ポリシリコン薄膜にて可動部を構成している。

【００７３】つまり、図２６に示すように、ＣＶＤ法で
の成膜温度を成膜中に階段的に変化させる。具体的に
は、第１の温度パータンのように、Ｔ₁ →Ｔ₂ →Ｔ₃ →
Ｔ₂ →Ｔ₁ のように変化させ、５層の膜の積層体とす
る。又は、第２の温度パータンのように、Ｔ₄ →Ｔ₅ →
Ｔ₆ →Ｔ₇ →Ｔ₈ のように変化させ、５層の膜の積層体
とする。

【００７４】本実施例において、成膜温度の代わりに、
圧力を変化させても内部応力状態の異なるポリシリコン
薄膜を形成できる。 （第５実施例）次に、第５実施例を第１〜４実施例との
相違点を中心に説明する。

【００７５】第１〜４実施例においては、成膜温度や成
膜圧力を階段状に変化させることにより、内部応力状態
の異なる多数の膜を積層したが、本実施例では、図２７
に示すようにＣＶＤ法でのポリシリコン薄膜６４の成膜
において成膜温度や成膜圧力を連続的に変化させながら
成膜している。本実施例での内部応力の状態を図２７に
おいてσ₁ にて示す。

【００７６】より詳しくは、図２７の実線にて示す本実
施例の温度変更パターンは、例えば５５０〜６５０℃ま
で連続的に（直線的に）成膜温度を変更して可動部（ポ
リシリコン薄膜）を形成するものである。この場合、内
部応力状態は温度一定という条件の下で成膜を行うと、
図２７の二点鎖線にて示す応力σ₂ となるが、成膜温度
を変えることにより図２７のσ₁ にて示す応力が得ら
れ、曲げモーメントを小さくして反りを抑制することが
できる。

【００７７】このようにすると、膜厚方向での内部応力
の制御に自由度が持て、応力緩和がより容易になる。他
の温度変更パターンを図２８に示す。つまり、例えば、
５５０℃→６３０℃→５５０℃というように曲線的に、
かつ、中立軸で最大値をとるように成膜温度を変えても
よい。又、この場合においても温度の代わりに圧力を変
更してもよい。

【００７８】尚、成膜条件として成膜温度や圧力を取り
上げたが、ＣＶＤ法でのガス流量やガス流量比、スパッ
タの際の印加電圧等でもよい。このように本実施例で
は、シリコン基板２５（半導体基板）上に犠牲層３１を
形成するとともに、この犠牲層３１上に、ＣＶＤ法での
温度や圧力等の成膜条件を変更しながら成膜してポリシ
リコン薄膜（可動部形成用薄膜）６４を形成し、ポリシ
リコン薄膜（可動部形成用薄膜）６４の下の犠牲層３１
を除去するようにした。このような製造工程におい
て、、可動部の中立軸における曲げモーメントを極力小
さくするようにポリシリコン薄膜（可動部形成用薄膜）
６４の成膜条件を変更することにより可動部の反りを低
減することができる。

【００７９】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、上記各実施例ではＭＩＳトラン
ジスタ式の半導体加速度センサに具体化したが、図２９
に示した差動容量式の半導体加速度センサに具体化して
もよい。この場合においては、ポリシリコン薄膜よりな
る可動部１１６の反りが抑制される。よって、可動電極
部１２４の反りも抑制され、可動電極部１２４と固定電
極１２５とを精度よく対向配置することができる。又、
重り部１２３の反りも抑制でき、この重り部１２３から
突出する可動電極部１２４も所定の位置に配置すること
ができこのことからも可動電極部１２４と固定電極１２
５とを精度よく対向配置することができることとなる。

【００８０】又、半導体加速度センサの他にも、ヨーレ
ートや振動等の他の力学量を検出する半導体振動センサ
に具体化してもよい。さらに、可動部の材料はポリシリ
コンの他にも、アモルファスシリコンやアルミニウムや
タングステン等でもよく、構成する膜の材料が同種でも
異種でもよい。ここで、内部応力状態の異なる複数の可
動部形成用薄膜として、異種材料の膜を用いると、内部
応力状態が大きく異なる膜とすることができる。

【００８１】さらには、可動部の成膜方法としては、Ｌ
ＰＣＶＤ法の他にも、プラズマＣＶＤ法等の他のＣＶＤ
法や蒸着法やスパッタリング法を用いてもよい。又、犠
牲層はシリコン酸化膜の他にもシリコン窒化膜等の窒化
膜やＰＳＧやＢＳＧやＢＰＳＧであってもよい。

【００８２】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１に記載の発
明によれば、梁構造の可動部の反りを低減することがで
きる優れた効果を発揮する。

【００８３】請求項２に記載の発明によれば、梁構造の
可動部の反りを低減することができる。請求項３，６，
７に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明の効果
に加え、製造を容易なものとすることができる。

【００８４】請求項４に記載の発明によれば、請求項３
に記載の発明の効果に加え、容易に反り低減を図ること
ができる。請求項５に記載の発明によれば、請求項３ま
たは４に記載の発明の効果に加え、容易に応力調整を行
うことができる。

【００８５】請求項８に記載の発明によれば、請求項２
に記載の発明の効果に加え、内部応力状態が大きく異な
る膜を製造することができる。請求項９に記載の発明に
よれば、請求項２に記載の発明の効果に加え、容易に応
力調整を行うことができる。

【００８６】請求項１０に記載の発明によれば、梁構造
の可動部の反りを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の半導体加速度センサの平面図。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】図１のＢ−Ｂ断面図。

【図４】半導体加速度センサの製造工程を説明するため
の断面図。

【図５】半導体加速度センサの製造工程を説明するため
の断面図。

【図６】半導体加速度センサの製造工程を説明するため
の断面図。

【図７】半導体加速度センサの製造工程を説明するため
の断面図。

【図８】半導体加速度センサの製造工程を説明するため
の断面図。

【図９】半導体加速度センサの製造工程を説明するため
の断面図。

【図１０】半導体加速度センサの製造工程を説明するた
めの断面図。

【図１１】半導体加速度センサの製造工程を説明するた
めの断面図。

【図１２】半導体加速度センサの製造工程を説明するた
めの断面図。

【図１３】半導体加速度センサの製造工程を説明するた
めの断面図。

【図１４】半導体加速度センサの製造工程を説明するた
めの断面図。

【図１５】半導体加速度センサの製造工程を説明するた
めの断面図。

【図１６】半導体加速度センサの製造工程を説明するた
めの断面図。

【図１７】可動部の応力状態を説明するための説明図。

【図１８】可動部の応力状態を説明するための説明図。

【図１９】第２実施例の半導体加速度センサの断面図。

【図２０】第２実施例でのセンサの製造工程を説明する
ための断面図。

【図２１】第２実施例の応用例を説明するための断面
図。

【図２２】第３実施例の半導体加速度センサの断面図。

【図２３】第３実施例のセンサの製造工程を説明するた
めの断面図。

【図２４】第３実施例のセンサの製造工程を説明するた
めの断面図。

【図２５】第３実施例のセンサの製造工程を説明するた
めの断面図。

【図２６】第４実施例のセンサ製造方法を説明するため
の説明図。

【図２７】第５実施例のセンサ製造方法を説明するため
の説明図。

【図２８】第５実施例の他のセンサ製造方法を説明する
ための説明図。

【図２９】従来技術を説明するための半導体加速度セン
サの平面図。

【図３０】図２９のＩ−Ｉ断面図である。

【図３１】従来の半導体加速度センサの製造工程を説明
するための断面図。

【図３２】従来の半導体加速度センサの製造工程を説明
するための断面図。

【図３３】従来の半導体加速度センサの製造工程を説明
するための断面図。

【図３４】可動部の応力状態を説明するための説明図。

【符号の説明】

１…半導体基板としてのシリコン基板、６…可動部、６
ａ…ポリシリコン薄膜、６ｂ…ポリシリコン薄膜、２５
…半導体基板としてのシリコン基板、３１…犠牲層とし
てのシリコン酸化膜、３３…第１のポリシリコン薄膜、
３４…第２のポリシリコン薄膜、５８…第１のポリシリ
コン薄膜、６１…第２のポリシリコン薄膜、６２…第３
のポリシリコン薄膜、６４…可動部形成用薄膜としての
ポリシリコン薄膜

フロントページの続き (72)発明者 大塚 義則 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装 株式会社内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、 前記半導体基板の上方に所定の間隔を隔てて配置された
   梁構造の可動部とを備え、力学量の作用に伴う前記可動
   部の変位から力学量を検出するようにした半導体力学量
   センサであって、 前記可動部を、内部応力状態の異なる複数の薄膜を積層
   することにより構成したことを特徴とする半導体力学量
   センサ。
2. 【請求項２】 半導体基板と、 前記半導体基板の上方に所定の間隔を隔てて配置され、
   薄膜よりなる梁構造の可動部とを備え、力学量の作用に
   伴う前記可動部の変位から力学量を検出するようにした
   半導体力学量センサの製造方法であって、 半導体基板上に犠牲層を形成するとともに、この犠牲層
   上に内部応力状態の異なる複数の可動部形成用薄膜を積
   層し、可動部形成用薄膜の下の前記犠牲層を除去するよ
   うにしたことを特徴とする半導体力学量センサの製造方
   法。
3. 【請求項３】 前記内部応力状態の異なる複数の可動部
   形成用薄膜は、同種材料の膜である請求項２に記載の半
   導体力学量センサの製造方法。
4. 【請求項４】 前記内部応力状態の異なる複数の可動部
   形成用薄膜は、２種類の内部応力状態の膜よりなり、同
   じ内部応力状態の膜の間に、当該膜の内部応力状態とは
   異なる膜を挟み込んだ請求項３に記載の半導体力学量セ
   ンサの製造方法。
5. 【請求項５】 互いに接する２つの薄膜においてその面
   積を異ならせることにより可動部の応力調整を行うよう
   にした請求項３または４に記載の半導体力学量センサの
   製造方法。
6. 【請求項６】 異なる成膜条件にて成膜することにより
   内部応力状態の異なる複数の可動部形成用薄膜を形成す
   るようにした請求項３に記載の半導体力学量センサの製
   造方法。
7. 【請求項７】 前記同種材料の膜は、ポリシリコン薄膜
   またはアモルファスシリコン薄膜である請求項４，５，
   ６のいずれか１項に記載の半導体力学量センサの製造方
   法。
8. 【請求項８】 前記内部応力状態の異なる複数の可動部
   形成用薄膜は、２種類の材料の膜であって、同じ材料の
   膜の間に、当該膜とは異なる材料の膜を挟み込んだ請求
   項２に記載の半導体力学量センサの製造方法。
9. 【請求項９】 前記内部応力状態の異なる複数の可動部
   形成用薄膜は、異種材料の膜であって、互いに接する２
   つの薄膜においてその面積を異ならせることにより可動
   部の応力調整を行うようにした請求項２に記載の半導体
   力学量センサの製造方法。
10. 【請求項１０】 半導体基板と、 前記半導体基板の上方に所定の間隔を隔てて配置され、
    薄膜よりなる梁構造の可動部とを備え、力学量の作用に
    伴う前記可動部の変位から力学量を検出するようにした
    半導体力学量センサの製造方法であって、 半導体基板上に犠牲層を形成するとともに、この犠牲層
    上に成膜条件を変更しながら成膜して可動部形成用薄膜
    を形成し、可動部形成用薄膜の下の前記犠牲層を除去す
    るようにしたことを特徴とする半導体力学量センサの製
    造方法。