JPH0982680A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】製造における工程数を増加させることなく、メ
ンブレン構造の全く新しい形成方法を提供すること。 【解決手段】上記課題は、(1) 主表面の面方位が(100)
の半導体基板の主表面上にメンブレンとなる薄膜を形成
する工程と、(2) 上記メンブレンを貫通して上記半導体
基板の主表面に到達する開口部を形成する工程と、(3)
上記開口部に下穴を形成する工程と、(4) 異方性エッチ
ングにより上記メンブレン下部の基板を除去する工程と
からなる製造方法とすることによって解決することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に係り、特に、メンブレン構造を有する半導体装置の
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱分離が必要な赤外線検知素子や、機械
的な歪みを電気信号に変えて検出する加速度センサなど
においては、検出部を基板から分離させて橋のような構
造の上に形成する必要がある。この橋状構造のものをメ
ンブレンと呼ぶが、メンブレンを精度良く形成するため
には、通常、ヒドラジンや KOH などの異方性エッチン
グ液を用いてエッチングを行う。これらのエッチング液
は、(111)面のエッチング速度がその他の面のエッチン
グ速度に比べて遅いために、エッチングは(111)面が現
れたところで停止する。但し、一辺が(110)方向を向い
ている矩形状の開口部からエッチングを行った場合は、
開口部を底辺とする四角錐あるいは四角錐に近い形状の
空洞が形成されるのみで、メンブレンを形成することは
できない。従って、メンブレンを形成するためには何ら
かの工夫が必要となる。

【０００３】図12に、従来の半導体装置の製造方法の一
例を示す(特開平2‐303048号)。この例においては、異
方性エッチングの前に、ドライエッチングによって、開
口部３からシリコン基板１に垂直の下穴７を形成する。
下穴７を開けると、該下穴側面からもエッチングが進行
するので、側面が「く」の字状になり、五角形の断面形
状が得られる。開口部３を所定の間隔で二つ形成する
と、隣合った(111)面が出会うくびれた部分４が形成さ
れる。この状態で熱酸化を施すと、くびれた部分４がす
べて熱酸化膜18になり、基板が電気的に上下に分離され
る。これによって、いわゆる SOI (Silicon On Insulat
or)構造が形成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
赤外線検知素子にあっては、「隣り合ったエッチング領
域の(111)面が互いに離れている」構成になっていたた
め、基板が上下に分かれず、メンブレンの形成ができな
いという問題点があった。本発明の目的は、上記従来技
術の有していた課題を解決して、製造における工程数を
増加させることなく、全く新しいメンブレン構造の形成
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】上記目的は、下記の製造
方法とすることによって達成することができる。すなわ
ち、(1) 主表面の面方位が(100)の半導体基板の主表面
上にメンブレンとなる薄膜を形成する工程と、(2) 上記
メンブレンを貫通して上記半導体基板の主表面に到達す
る開口部を形成する工程と、(3) 上記開口部に下穴を形
成する工程と、(4) 異方性エッチングにより上記メンブ
レン下部の基板を除去する工程とからなる製造方法で、
上記メンブレンが幅Ｗ、長さＡの矩形の形状で、上記開
口部が幅Ｙ、長さＹの上記メンブレンと同じ長手方向に
矩形の形状で、上記下穴の深さがｄで、(100)面と(111)
面とのなす角度をθ(deg)とするとき、 Ｗ ≦ d × tan (90−θ) であることを特徴とする半導体装置の製造方法とするこ
とによって達成することができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の内容について、具
体的な実施の形態によって説明する。

【０００７】

【発明の実施の形態１】図１は本発明の第１の実施の形
態を示す図で、(a)は平面図、(b)は断面図を示す。ま
ず、構成について説明すると、面方位が(100)であるシ
リコン基板１の表面上にメンブレン２となる SiN 薄膜
６が形成してあり、この薄膜６にはエッチング液を基板
に到達させるための開口部３が形成してある。上記メン
ブレン２の下部の基板はエッチングによって除去され
て、空洞５が形成されている。なお、空洞５の一部分は
ドライエッチングによる下穴７の形成の際に除去されて
いる。

【０００８】次に、上記構成の製造の手順について、図
２及び図３によって説明する。

【０００９】図２(a、b) シリコン基板１に厚さ100〜30
0nm程度の SiN 薄膜６を形成し、異方性エッチング時に
開口部３になる部分を除去する。図２(c) この上に PSG
などの酸化膜８を厚さ約１μm形成し、下穴７になる部
分を除去する。図２(d) 酸化膜８をマスクとして、開口
部に下穴を形成する。図３(a) 酸化膜８を除去する。図
３(b) ヒドラジンなどを用いて、異方性エッチングす
る。開口部３で挾まれた中央の SiN 薄膜６下部の基板
は、サイドエッチ領域が両側から接するようになるの
で、基板が上下に離れ、(100)面が露出してくるため、
エッチングが継続する。図３(c) エッチングをさらに続
けると、最終的には、中央の部分の基板がなくなり、Si
N 薄膜のみからなるメンブレンが形成される。

【００１０】次に、この場合の作用について説明する。
まず、メンブレン２の幅Ｗと開口部３の幅Ｙ及び下穴７
の深さｄとの関係について示すと、シリコン基板１の面
方位は(100)であって、エッチストップ面となる(111)面
となす角度は約54°である。従って、深さｄの下穴７を
開けた場合には、サイドエッチ領域９の幅は、Ｘ＝0.5
×ｄ×tan(90−54)°となる。両側からエッチングを行
ってメンブレン形状にするためには、メンブレン幅Ｗが
Ｗ≦２×Ｘ＝ｄ×tan 36°の関係を満たす必要があ
る。言い換えれば、幅がＷのメンブレン２を形成するた
めには、Ｗ/tan 36°よりも深い穴を形成する必要があ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態２】図４は本発明の第２の実施の形
態を示す図で、この場合は、開口部の一部分のみの下穴
を形成することによって、開口部の外側にサイドエッチ
領域を生じさせることなく占有面積を減少させた場合の
例である。

【００１２】まず、構成について説明すると、面方位が
(100)であるシリコン基板１の表面上に、メンブレン２
となる SiN 薄膜６が形成されている。また、この SiN
薄膜６にはエッチング液を基板に到達させるための開口
部３が形成されている。さらに、メンブレン２の下部の
基板はエッチングによって除去されていて、空洞５が形
成されている。なお、空洞の一部は、ドライエッチング
による下穴７の形成の際に除去されている。

【００１３】次に、図６及び図７によって製造の手順に
ついて説明する。

【００１４】図６(a、b) シリコン基板１に厚さ100〜30
0nm程度の SiN 薄膜６を形成し、異方性エッチング時の
開口部３になる部分を除去する。図６(c) この上に PSG
などの酸化膜８を厚さ約１μm形成し、下穴７になる部
分を除去する。なお、この酸化膜は従来例においても不
可欠な膜である。図６(d) 酸化膜８をマスクとして、開
口部３の一部分にのみ下穴７を形成する。図７(a) 酸化
膜８を除去する。図７(b) ヒドラジンなどで異方性エッ
チングする。メンブレン２下部の基板はサイドエッチ領
域が両側から接するようになるので、基板が上下に離れ
て(100)面が露出してくるため、エッチングが継続す
る。図７(c) エッチングをさらに続けると、最終的に、
(111)面を側面とする四角錐になり、SiN 薄膜のみから
なるメンブレンが形成される。

【００１５】次に、作用について説明する。図５は、メ
ンブレン２の幅Ｗと開口部３の幅Ｙ及び下穴７の幅Ｌ、
深さｄとの関係を示す図であるが、まず、図５(a) によ
って説明する。シリコン基板１の面方位は(100)であっ
て、エッチストップ面となる(111)面となす角度は約54
°である。従って、深さｄの下穴７を開けた場合には、
サイドエッチ領域９の幅は Ｘ＝0.5×ｄ×tan 36°とな
る。両側からエッチングを行ってメンブレン形状にする
ためには、メンブレン幅Ｗが Ｗ≦２ Ｘ＝ｄ×tan 36°
の関係を満たす必要がある。言い換えれば、幅がＷのメ
ンブレン２を形成するためには、Ｗ/tan36°よりも深い
穴を形成する必要がある。さらに、下穴７の幅Ｌにも条
件があり、Ｌ≦Ｙ−Ｗに設定する必要がある。下穴７の
幅ＬをＬ＞Ｙ−Ｗとすると側面に角が生じ、図５(b)の
ようにサイドエッチ領域が生じるようになる。上記の条
件を守った場合、最終的には、一辺が Ｗ＋２ Ｙの底面
を持ち、高さが(Ｗ/２＋Ｙ)×tan 36°の四角錐を逆さ
まにした形状の空洞５が形成される。

【００１６】また、図４のＢ‐Ｂ'方向にも、下穴７の
形成条件が存在する。Ｂ‐Ｂ'方向にも外側にサイドエ
ッチ領域を生じさせないようにするためには、Ａ‐Ａ'
方向と同様に、図８に示すように、開口部３の端からの
距離Ｚが Ｚ＞Ｗにする必要がある。

【００１７】上記の条件を満たせば、従来例では取り除
くことのできなかったサイドエッチング領域９を、工程
数を全く増加させることなく、除去することが可能とな
る。例えば、従来技術においては、20μm幅のメンブレ
ンを形成するときには、片側10μm、両側で20μm,すな
わちメンブレン幅と同等のサイドエッチング領域９を必
要としていたが、本例に示した条件とすることによっ
て、単体では勿論のこと、メンブレンを多数例えばアレ
イ状に形成するときには、非常に大きな領域の節約が可
能となるため、チップの小型化、高集積化に貢献するこ
とができる。

【００１８】

【発明の実施の形態３】図９は、本発明の第３の実施の
形態を示した図で、これは、メンブレンを十字状に形成
したときの例である。この場合、各部の寸法は、上記第
２の実施の形態の場合と同様に設定すればよく、上記例
で述べた図４のＡ‐Ａ’方向に関する設定値を、直交す
る２方向に適用すればよい。

【００１９】

【発明の実施の形態４】図10は、本発明の第４の実施の
形態を示した図で、この例はサーモパイルに適用した場
合の例であり、メンブレン形成方法は第１の実施の形態
の場合と同じである。表面にはポリシリコン薄膜10と A
l 薄膜12とからなる熱電対が形成されていて、温接点13
がメンブレン２上に、冷接点11が基板上に配置されてい
る。また、表面に多数形成されている熱電対は相互に直
列接続され、高い出力電圧が得られるように工夫されて
いる。入射した赤外線は、メンブレン２中央の赤外線吸
収膜17によって吸収され、温接点13付近の温度を上昇さ
せる。冷接点11に伝わる熱はメンブレンだけで伝わるの
で、両者間の熱抵抗は非常に大きく、冷接点11の温度は
殆ど上昇せず、両者間に温度差が生じる。その結果、熱
電対に熱起電力が生じ、この熱起電力を測定することに
よって、入射赤外線の強度を測定することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態５】図11は、本発明の第５の実施の
形態を示した図で、この例は、加速度センサに適用した
場合の例である。表面にはポリシリコン10からなるブリ
ッジ回路が形成されており、二つのブリッジ端子１(14)
の間に一定の電流を流しておく。通常時は、ブリッジは
バランスしているので、ブリッジ端子２(15)の間には電
位差は現れないが、加速度が加わると、中央にあるおも
り16に力が加わるために、メンブレン２とポリシリコン
10に歪みが加わり、その結果ブリッジのバランスが崩れ
て、ブリッジ端子２(15)の両端に電位差が生じる。この
電位差は印加される加速度に依存するので、電位差を測
定することによって加速度を計測することが可能とな
る。

【００２１】

【発明の効果】以上説明してきたように、半導体装置の
製造方法を本発明構成の製造方法とすることによって、
従来技術の有していた課題を解決して、製造における工
程数を増加させることなく、全く新しいメンブレン構造
の形成方法を提供することができた。すなわち、メンブ
レン幅Ｗすなわち開口部の間隔を、開口部の少なくとも
一辺のできるサイドエッチ領域幅Ｘの２倍よりも小さく
することによって、異方性エッチングで形成される空洞
部が互いにオーバーラップし、メンブレン下部の基板を
除去できる構成としたため、全く新しいメンブレン構造
の形成方法を、従来技術の方法に対して工程数を増加さ
せることなく、提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の構成を示す図。

【図２】本発明の第１の実施の形態の製造手順を示す
図。

【図３】図２の続き。

【図４】本発明の第２の実施の形態の構成を示す図。

【図５】図４の詳細を説明するための図。

【図６】本発明の第２の実施の形態の製造手順を示す
図。

【図７】図６の続き。

【図８】本発明の第２の実施の形態の別の形成条件を説
明するための図。

【図９】本発明の第３の実施の形態の構成を示す図。

【図１０】本発明の第４の実施の形態の構成を示す図。

【図１１】本発明の第５の実施の形態の構成を示す図。

【図１２】従来技術の構成の一例を示す図。

【符号の説明】

１…シリコン基板、２…メンブレン、３…開口部、４…
くびれ部分、５…空洞、６… SiN 薄膜、７…下穴、８
…酸化膜、９…サイドエッチ領域、10…ポリシリコン薄
膜、11…冷接点、12… Al 薄膜、13…オン接点、14…ブ
リッジ端子1、15…ブリッジ端子２、16…おもり、17…
赤外線吸収膜、18…熱酸化膜。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下記工程からなることを特徴とする半導体
   装置の製造方法。 (1) 主表面の面方位が(100)の半導体基板の主表面上に
   メンブレンとなる薄膜を形成する工程、 (2) 上記メンブレンを貫通して上記半導体基板の主表面
   に到達する開口部を形成する工程、 (3) 上記開口部に下穴を形成する工程、 (4) 異方性エッチングにより上記メンブレン下部の基板
   を除去する工程。
2. 【請求項２】上記メンブレンが幅Ｗ、長さＡの矩形の形
   状で、上記開口部が幅Ｙ、長さＡの上記メンブレンと同
   じ長手方向に矩形の形状で、上記下穴の深さがｄで、(1
   00)面と(111)面とのなす角度をθ(deg)とするとき、 Ｗ ≦ d × tan (90−θ) であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製
   造方法。
3. 【請求項３】上記開口部に下穴を形成する工程が該開口
   部の一部分のみに下穴を形成する工程であることを特徴
   とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】上記メンブレンが幅Ｗ、長さＡの矩形の形
   状で、上記下穴が幅Ｌ、長さＢの上記メンブレンと同じ
   長手方向に矩形の形状で、上記開口部が幅Ｙ、長さＡの
   上記メンブレンと同じ長手方向に矩形の形状で、 Ｌ ≦ Y − Ｗ かつ Ｗ ≦ (Ａ−Ｂ)/２ であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製
   造方法。