JPH1056186A

JPH1056186A - 多結晶シリコン薄膜の製造方法および多結晶シリコン薄膜構造体素子

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Publication number: JPH1056186A
Application number: JP21283296A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Kageyama; 恭行景山; Tomoyoshi Tsuchiya; 智由土屋; Jiro Sakata; 二郎坂田; Shinya Yamazaki; 信也山崎; Masahito Hashimoto; 雅人橋本; Kenichi Ao; 青　　建一; Kenji Kanamaru; 健次金丸
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1996-08-12
Filing date: 1996-08-12
Publication date: 1998-02-24
Anticipated expiration: 2016-08-12
Also published as: JP3566809B2

Abstract

(57)【要約】【課題】多結晶シリコン薄膜内の応力分布を制御して
多結晶シリコン薄膜構造体の形状を制御する。【解決手段】基板１１上に形成された非晶質シリコン
薄膜３１内にイオン注入法などによって酸素を導入して
非晶質酸素導入領域４１を形成し、その後この非晶質酸
素導入領域４１を含む非晶質シリコン薄膜３１を熱処理
して多結晶化して、多結晶酸素導入領域６１を有する多
結晶シリコン薄膜５１を得る。シリコン薄膜内の応力
が、酸素濃度に依存して変化することから、このような
多結晶酸素導入領域４１を多結晶シリコン薄膜内に形成
して膜内での酸素濃度分布を調整して、多結晶シリコン
薄膜内における応力分布を制御する。このように膜内の
応力を制御すれば、上記多結晶シリコン薄膜５１を片持
梁構造や両持梁構造を構成した場合、梁の座屈や反りを
防止することができる。

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
法に関し、特に多結晶シリコン薄膜を用いた素子、例え
ば加速度センサ等に用いられる半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】多結晶シリコン薄膜は、各種半導体装置
において電極、配線材料、抵抗体、光電変換素子、物理
量センサの検知素子等として用いられている。これらの
半導体装置において、多結晶シリコン薄膜の応力、さら
にその応力分布については、ほとんどの場合考慮される
ことがなかった。ところが、近年、物理量センサのひと
つである容量変化型加速度センサをサーフェスマイクロ
マシン技術を利用して形成しようとする傾向が高まるに
つれ、この膜内での応力が大きな問題となっている。

【０００３】サーフェスマイクロマシン技術を利用して
形成する容量変化型加速度センサとは、例えば、半導体
基板と、前記半導体基板上に形成されたアンカー部によ
り両端および片端を固定し、基板に対して所定間隔を隔
てて配置された両持梁構造の櫛形可動電極部および片持
梁構造の櫛形固定電極部とを備えた半導体加速度センサ
である。この加速度センサは、加速度の作用に伴って可
動電極部が変位し、これにより可動電極部と固定電極部
との間で生じる電気容量変化に基づいて加速度を検出し
ている。

【０００４】この梁構造の可動電極部および固定電極部
を多結晶シリコン薄膜により形成する方法が実現する
と、従来の単結晶シリコン基板を異方性エッチングによ
り加工してメンブレン構造とする方法では不可能な「Ｌ
ＳＩプロセス中での一貫素子作製」が可能となり、格段
に安価なコストによる加速度センサ素子製造を可能とす
る。

【０００５】しかし、この加速度センサの梁構造の電
極、特に両持梁構造の可動電極部を構成する多結晶シリ
コン薄膜内部に圧縮応力が存在すると梁が座屈してしま
い、センサとしての機能に障害が発生する。このため加
速度センサ等の可動部を多結晶シリコン薄膜から形成す
る場合には、用いる多結晶シリコン薄膜が引張応力を有
することが望ましい。

【０００６】このような加速度センサ素子において、多
結晶シリコン薄膜は、低圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ）、あ
るいはプラズマを利用したＣＶＤ法（ＰＥＣＶＤ）によ
り酸化シリコン薄膜等、基板に形成された非晶質材料の
上に作製される場合が多い。これらの方法により堆積し
た直後におけるシリコン薄膜の結晶状態は、作製条件に
よって非晶質、あるいは多結晶となるが、これらの方法
で得られるシリコン薄膜の内部応力は結晶状態に関わら
ず圧縮応力である場合がほとんどである。また、堆積し
た直後にすでに多結晶化したシリコン薄膜は、その後に
熱処理を如何に施したとしても引張応力へと変化させる
ことはできないのが通例である。

【０００７】これに対して、堆積直後には非晶質である
ＣＶＤシリコン薄膜を堆積後の熱処理により多結晶化し
た場合には、膜応力を引張応力とすることが可能であ
る。従って、多結晶シリコン薄膜が引張応力を有する状
態とするために、可動電極部および固定電極部の製造方
法として、非晶質状態で成膜したものを成膜後の熱処理
により多結晶化する方法が採用されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、非晶質
状態で成膜してその後の熱処理で多結晶化した場合で
も、多結晶シリコン薄膜の膜全体の平均としては引張応
力となるが、膜内で応力の分布が発生してしまう。この
応力分布は、例えば、シリコン薄膜を堆積するための基
板の処理条件、シリコン薄膜の堆積条件、および非晶質
膜を熱処理により結晶化する場合には多結晶化のための
熱処理条件に依存して発生する。

【０００９】従って、この応力分布を有する多結晶シリ
コン薄膜を梁の一端のみを固定した片持梁構造とする
と、その梁内部の膜厚方向の応力分布を反映した形で梁
が反る。膜厚方向において、シリコン薄膜表面側に界面
側よりも強い引張応力が存在する場合、梁は上方に反
る。逆にシリコン薄膜界面側に表面側よりも強い引張応
力が存在する場合、梁は下方に反る。

【００１０】このように多結晶シリコン薄膜内部に応力
分布が生じ、梁に反りが生ずると、可動電極部と固定電
極部とで、互いの対向面である各櫛形の櫛歯部分での基
板平面方向における重なりが噛み合わず、可動電極の変
位による容量変化が現れずセンサとして機能しない。

【００１１】さらに、シリコン薄膜の片持梁先端部が下
に反った場合、反りの程度が著しいと該先端部が基板表
面と接触し、基板が導電性の場合は短絡状態となるだけ
でなく、可動電極の基板との接触摩擦により変位への制
限がもたらされ、加速度に応じた変位を発生できなくな
る。この場合も可動電極部としての機能に障害を生じ
る。

【００１２】本発明は、このような課題に鑑みてなされ
たものであり、多結晶シリコン薄膜内における引張応力
分布を制御して反りのない多結晶シリコン薄膜を得るこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、以下のような特徴を有する。

【００１４】本発明に係る多結晶シリコン薄膜の製造方
法においては、非晶質シリコン薄膜内に酸素を導入して
不均一な酸素濃度分布を持たせた後に、この非晶質シリ
コン薄膜を多結晶化して多結晶シリコン薄膜を得る。

【００１５】シリコン薄膜内の応力は、酸素濃度に依存
して変化することから、不均一な酸素濃度分布を多結晶
シリコン薄膜内に持たせることにより、多結晶シリコン
薄膜内における応力分布を制御することができる。

【００１６】このようにして得られる多結晶シリコン薄
膜を用いて、膜における物理量の変化を検知する薄膜構
造体素子を形成した場合、多結晶シリコン薄膜構造体の
任意部分の応力を調整することにより、膜全体の応力分
布を変化させて、多結晶シリコン薄膜構造体の形状を多
結晶シリコン薄膜のヤング率に基づいて制御することが
可能となる。よって、物理量検出素子の信頼性を向上す
ることが可能となる。例えば、加速度センサなどにおい
て利用される両持梁構造や片持梁構造を有する可動電極
や固定電極として本発明の多結晶シリコン薄膜構造体を
適用した場合、構造体の反りや歪み抑制することが可能
となり、加速度を正確に検出することが容易となる。

【００１７】非晶質シリコン薄膜への酸素の導入は、例
えば、非晶質シリコン薄膜成膜後に、イオン注入法など
によって非晶質シリコン薄膜へ酸素イオン（Ｏ⁺）を注
入して行うか、あるいはＣＶＤ法により非晶質シリコン
薄膜を堆積する際に、原料として用いるシラン系ガスの
シラン（ＳｉＨ₄）あるいはジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）に
加え、酸素原子を含むＯ₂、Ｎ₂Ｏ等のガスを同時に供
給することによって行うことが可能である。

【００１８】また、本発明の形成方法において、多結晶
シリコン薄膜応力の酸素濃度への依存性を鑑みると、応
力制御のためには、酸素導入領域における酸素濃度を
０．０１％以上とすることが望ましい。酸素濃度は、例
えばイオン注入法で膜内に導入する場合には注入エネル
ギーおよび注入量などを制御することによって調整で
き、またＣＶＤなどにより非晶質シリコン薄膜を形成す
る際に成膜雰囲気に酸素を導入する方法であれば、雰囲
気中への酸素導入量などを制御することによって酸素導
入領域における酸素濃度を所望の値とすることが可能で
ある。

【００１９】さらに、本発明において、多結晶シリコン
薄膜に酸素導入領域を形成するにあたり、その形成位置
を二次元または三次元的に制御することにより、多結晶
シリコン膜の膜厚方向および面内のいずれかまたは両方
に対して不均一な酸素濃度分布を形成する。例えば、限
定されるものではないが、イオン注入法により酸素を非
晶質シリコン薄膜に導入する場合には、注入エネルギな
どの制御によって上記酸素導入領域の形成位置を三次元
的に制御することができる。また、非晶質シリコン膜形
成中に成膜室内に酸素原子を含むガスを導入する方法に
あっては、ガスの導入タイミングを制御することによっ
て上記酸素導入領域の形成位置を二次元的に制御するこ
とが可能である。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した実施
の形態（以下、実施形態という）を図面に従って説明す
る。

【００２１】［加速度センサの概略］図１は、加速度セ
ンサ素子を本実施形態の方法によって作製した場合にお
ける平面図であり、図２は、図１の素子のＡ‐Ａ線に沿
った断面図、また図３は図１の素子をＸで示す方向に眺
めた場合の側面図である。

【００２２】図示されるように、シリコンなどの半導体
材料よりなる基板１１の表面（上面および下面）には、
窒化シリコン膜１２が形成されている。この窒化シリコ
ン膜１２は、その上方に形成される梁が上下に振れた場
合などに、基板１１と梁とが短絡することを防ぎ、ま
た、基板１１の梁形成領域の直下付近にＭＯＳトランジ
スタ回路を形成する場合には回路の保護膜として機能す
る。

【００２３】基板１１の片面側の窒化シリコン膜１２上
には、酸化シリコン膜からなるアンカー部２１ａ，２１
ｂが形成してある。さらに、この上方には、両持梁構造
の多結晶シリコン薄膜構造体５１ａよりなる可動電極６
０ａ、片持梁構造の多結晶シリコン薄膜構造体５１ｂよ
りなる固定電極６０ｂが形成されている。これらの梁構
造の可動電極６０ａおよび固定電極６０ｂの多結晶シリ
コン薄膜構造体５１ａ，５１ｂは、アンカー部２１ａ，
２１ｂ上に非晶質シリコン薄膜を形成した後、この非晶
質シリコン薄膜内の表面側にＯ⁺イオンを導入し、その
後非晶質シリコン薄膜を熱処理によって多結晶化するこ
とによって得られている。このため、各電極６０ａ，６
０ｂにおいて、多結晶シリコン薄膜構造体５１ａ，５１
ｂの上側にはＯ⁺イオン注入後多結晶化して得られた多
結晶の酸素導入領域６１ａ，６１ｂが形成されている。
また、電極６０ａ，６０ｂは、互いの電極の対向部が櫛
形にパターニングされており、２つの電極は、その対向
部で各櫛歯部６２ａ，６２ｂが互いにかみ合うように配
置されている。

【００２４】半導体加速度センサは以上のような概略構
成を有しており、このセンサは、図１の紙面と平行でＹ
に示す方向の成分の加速度が与えられると、加速度の作
用に伴って可動電極６０ａの櫛歯部６２ａの位置がＹ方
向に変位し、これによって可動電極６０ａと固定電極６
０ｂの各櫛歯部６２ａ，６２ｂとの間で生じる電気容量
変化に基づいて加速度を検出する。

【００２５】ここで、本実施形態においては、可動電極
６０ａの断面を示した図２から明らかなように、可動電
極６０ａを構成する多結晶シリコン薄膜構造体５１ａに
加え、構造体５１ａの上部を構成する酸素導入領域６ｌ
ａがこの領域における引張応力を増加させているため、
座屈のない直線的な両持梁構造の可動電極６０ａが得ら
れている。

【００２６】また、この可動電極６０ａの櫛歯部６２ａ
においても、多結晶シリコン薄膜構造体５０ｌａの上部
に形成された酸素導入領域６１ａが可動電極６０ａの上
部での引張応力を増加させており、さらに固定電極６０
ｂの櫛歯部６２ｂにおいても多結晶シリコン薄膜構造体
５１ｂの上部に形成された酸素導入領域６１ｂが固定電
極６０ｂの上部での引張応力を増加させている。従っ
て、いずれの電極６０ａ，６０ｂの櫛歯部６２ａ，６２
ｂにおいても、各々図３に示されているように、基板１
１に対して反りのない櫛歯部６２ａ，６２ｂが得られて
いる。

【００２７】［加速度センサの製造方法］次に、図１〜
３に示す加速度センサの本実施形態に係る製造方法の一
例について図４を用いて説明する。ここで、図４（ａ）
〜（ｆ）は、本実施形態の加速度センサについて図１中
のＢ−Ｂ線に沿った断面を例にとり製造過程を追って示
したものである。なお、図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図
は、固定電極６１ｂの断面図に相当しているが、可動電
極６０ａも図４に示される固定電極６１ｂと同一工程で
同時に形成されるものである。

【００２８】まず、図４（ａ）に示すように、基板１１
の表面にＬＰＣＶＤ法により窒化シリコン膜１２を０．
１５μｍの厚みで形成し、基板１１表面の一方の窒化シ
リコン膜１２の面上にＰＥＣＶＤ法により犠牲層および
図１のアンカー部２１ａ，２１ｂを成す酸化シリコン膜
２１を２μｍの厚みで形成する。

【００２９】この後、図４（ｂ）に示すように、酸化シ
リコン膜２１上に非晶質シリコン膜３１をＬＰＣＶＤ法
により１μｍの厚みで形成する。このとき、非晶質シリ
コン薄膜３１内に意図せず不純物として含まれる酸素濃
度は０．００４ａｔ％であった。

【００３０】次に、図４（ｃ）に示すようにＯ⁺イオン
を非晶質シリコン薄膜３１の表面側から、例えば５０ｋ
Ｖのエネルギーでドーズ量５．７×１０¹⁵ｃｍ^-2および
３０ｋＶのエネルギーでドーズ量４．１×１０¹⁵ｃｍ^-2
注入した。この結果、非晶質シリコン膜の表面側から約
０．１５μｍの深さまでの領域に酸素を最大値で０．１
６ａｔ％含む非晶質酸素導入領域４１が形成される。

【００３１】この後に、窒素気流中で１０００℃、１時
間の熱処理を行い、図４（ｄ）に示すように非晶質シリ
コン薄膜３１およびこの非晶質シリコン薄膜３１の一部
分でその上半分内に形成されたＯ⁺イオン注入領域、つ
まり非晶質酸素導入領域４１を多結晶化し、多結晶シリ
コン薄膜５１およびこの多結晶シリコン薄膜５１の一部
分であって上記非晶質酸素導入領域４１を多結晶化して
得られた多結晶の酸素導入領域６１を得る。

【００３２】さらに、多結晶シリコン薄膜５１を固定電
極および可動電極の形状にパターニングし、ＲＩＥ（反
応性イオンエッチング）により図４（ｅ）に示すように
多結晶シリコン薄膜５１の不要な部分を除去する。この
工程により、各電極のパターンを有する多結晶シリコン
薄膜構造体５１ａ，５１ｂが得られ、図４（ｅ）におい
ては、固定電極の多結晶シリコン薄膜構造体５１ｂが形
成されている。

【００３３】そして、最後に、再び構造体５１ａ，５１
ｂの表面をパターニングして図４（ｆ）に示すように、
酸化シリコン膜２１のうちアンカー部２１ｂのみを残し
て他の犠牲層酸化膜部分をウエットエッチングにより除
去し、固定電極６０ｂをなす片持梁構造の多結晶シリコ
ン薄膜梁構造体５１ｂを形成した。なお、上述のよう
に、片持梁構造の固定電極６０ｂの形成と同時に、可動
電極６０ａについてもその下層の酸化シリコン膜２１が
図１などに示すアンカー部２１ａを除いて除去されて両
持梁構造が得られ、また、固定電極６０ｂの櫛歯部６２
ｂと対向する領域に櫛歯部６２ａが形成される。

【００３４】次に、本実施形態に対する比較例として作
成した従来の製造方法およびこれによって得られる加速
度センサについて図５および図６を用いて説明する。

【００３５】図５は、従来法に従って作製を実施した加
速度センサ素子の側面図を示しており、本実施形態に係
る図３に対応する。また、図６（ａ）〜（ｅ）は従来の
製造方法による加速度センサの製造工程を順に示した断
面図であり、この断面は、実施形態を示した図１中のＢ
−Ｂ線に沿った断面に対応する。

【００３６】従来の製造工程では、まず、図６（ａ）に
示すように、基板１１の表面にＬＰＣＶＤ法により窒化
シリコン膜１２を０．１５μｍの厚みで形成し、さらに
該窒化シリコン膜１２片面上にＰＥＣＶＤ法により犠牲
層およびアンカー部２１ｂとなる酸化シリコン膜２１を
２μｍの厚みで形成する。

【００３７】この後、図６（ｂ）に示すように非晶質シ
リコン膜３１をＬＰＣＶＤ法により１μｍの厚みで形成
し、その後、窒索気流中で１０００℃、１時間の熱処理
を行って、図６（ｃ）に示すように非晶質シリコン薄膜
３１を多結晶化して、多結晶シリコン薄膜５１を得る。

【００３８】さらにこの多結晶シリコン薄膜５１をパタ
ーニングし、ＲＩＥによりこの薄膜５１を所望の電極形
状にエッチングして図６（ｄ）に示すように多結晶シリ
コン薄膜構造体５１ｂ’得る。

【００３９】そして、最後に再び表面をパターニングし
て図６（ｅ）に示すようにアンカ一部２ｌｂのみを残し
て他の犠牲層酸化膜部分をウェットエッチングにより除
去して片持梁構造の多結晶シリコン薄膜梁構造体を形成
した。

【００４０】以上説明したように、従来方法による加速
度センサの製造方法では、本実施形態における特徴であ
る図４（ｃ）の不均一酸素濃度分布を形成する（酸素導
入領域形成）工程がなく、図５，６に示されているよう
に、従来の加速度センサの梁構造体を成す多結晶シリコ
ン薄膜梁構造体には、酸素導入領域がない。

【００４１】従って、多結晶シリコン薄膜構造体５１
ａ’，５１ｂ’はその膜内で、応力分布が制御されるこ
となく、可動電極６０ａ’および固定電極６０ｂ’の各
櫛歯部６２ａ’，６２ｂ’は、図５，６のように、多結
晶シリコン薄膜内部の膜厚方向の応力分布によって反り
を生じ、いずれも基板と接触してしまっている。

【００４２】このように従来の製造方法による加速度セ
ンサでは、可動電極が加速度を受けても基板との接触摩
擦のために変位を生じない。また、例え電極の反りの程
度が多少減少して可動電極と基板との接触がなく可動電
極が加速度に応じて変位したとしても、可動電極および
固定電極の各櫛歯部において、２つの電極の側面方向か
ら見た重なり面積が、可動電極が変位してもあまり大き
な差を生じない。従って、従来の製造方法によって得ら
れた素子は加速度センサとして機能しない可能性もあ
り、信頼性に乏しかった。

【００４３】［多結晶シリコン薄膜内の応力特性］次
に、上述のような従来方法によって作製した多結晶シリ
コン薄膜内部の応力分布について、その測定結果を図７
を用いて説明する。

【００４４】この応力分布は図５，６に示された固定電
極の櫛歯梁部の多結晶シリコン薄膜の膜厚をその表面か
らＲＩＥにより数回にわたって減じ、その時々の固定電
極の櫛歯梁部の反りを測定して求めたものである。梁が
基板１１側に向かって反り、梁先端が基板表面と接触し
て正確な変位量が測定できない場合には、梁先端部下方
の基板を除去してから梁先端部の反り量を求めた。

【００４５】また、この測定とは別に、該多結晶シリコ
ン薄膜全体の平均応力は、図６（ｃ）に示す過程まで作
製した試料を抜き取り、該試料を短冊状に切り出して反
りを測定し、さらにこの試料の多結晶シリコン薄膜をウ
エットエッチングにより除去した後に再び反り測定を行
い多結晶シリコン薄膜の有無による反り変化量から求め
ている。

【００４６】上記、２つの測定の結果、従来法によって
作製した多結晶シリコン薄膜内部には全体の平均として
は約７５ＭＰａの引張応力を持っていることが明らかに
なった。ところが、図７に示されるように、多結晶シリ
コン薄膜内部では、表面側よりも界面側の応力の方が大
きくなる応力分布を有していることが判った。そして、
この応力分布の偏りによって、図５、６に示されている
ように、アンカー部２１ｂから梁の先端までの長さ５０
０μｍの間において、梁先端は基板側へ向かって１４μ
ｍ変位している。

【００４７】従って、図７に示すような多結晶シリコン
薄膜の本来的な応力分布の偏り対し、この偏りを打ち消
すのに必要な応力制御領域、つまり、本実施形態におけ
る酸素導入領域を多結晶シリコン薄膜の適正な位置に形
成することにより、加速度センサの可動電極および固定
電極を成す多結晶シリコン薄膜構造体の反りを防止する
ことが可能となる。

【００４８】［酸素導入濃度と応力との関係］次に、多
結晶シリコン薄膜梁構造体の反りを制御するための酸素
導入量の決定法について述べる。

【００４９】まず、多結晶シリコン薄膜中の酸素濃度と
応力について図８を用いて説明する。ここで、図８は、
非晶質シリコン薄膜にＯ⁺イオンを注入後、１０００
℃、１時間のアニールにより得た膜厚１μｍの多結晶シ
リコン薄膜のＯ⁺イオン注入量と応力との相関を示して
いる。

【００５０】Ｏ⁺イオンのイオン注入は、５段階のマル
チ注入で実行し、例えば、多結晶シリコン薄膜全体の平
均注入Ｏ⁺イオン濃度を１ａｔ％とする場合には、（i ）３８０ｋＶのエネルギーでドーズ量２．１×１０
¹⁶ｃｍ^-2 （ii）２４０ｋＶのエネルギーでドーズ量１．６×１０
¹⁶ｃｍ^-2 （iii ）１４０ｋＶのエネルギーでドーズ量１．１×１
０¹⁶ｃｍ^-2 （iv）８０ｋＶのエネルギ一でドーズ量７．６×１０¹⁵
ｃｍ^-2 （ｖ）３０ｋＶのエネルギーでドーズ量３．９×１０¹⁵
ｃｍ^-2 という条件でＯ⁺イオンのイオン注入を行った。

【００５１】また、多結晶シリコン薄膜中の平均注入Ｏ
⁺イオン濃度を０．１ａｔ％あるいは０．０１ａｔ％と
する場合には、１ａｔ％での各エネルギーにおける上記
ドーズ量を各々１桁あるいは２桁低い値で注入した。

【００５２】以上のような注入条件において、所望した
各平均注入Ｏ⁺イオン濃度からのばらつきは、自然酸化
膜の形成されているシリコン薄膜最表面から約０．１μ
ｍの深さまでの範囲を除いて２６％以内である。

【００５３】この図８に示される結果から多結晶シリコ
ン薄膜内部で所望の応力を得るのに必要となる注入Ｏ⁺
イオン量は、本実施形態の場合、多結晶シリコン薄膜中
における注入Ｏ⁺イオン濃度が０．０１ａｔ％以上必要
とすることが好ましいことが明らかになった。

【００５４】次に、本実施形態で示す梁が基板面と平行
な多結晶シリコン薄膜構造体を得るために必要なＯ⁺イ
オン注入エネルギーおよび注入量は、以下の方法で決定
される。

【００５５】梁の反り：δと、曲げモーメント：Ｍとの
関係は、次式（１）で示される。

【００５６】

【数１】ここで、Ｅ：ヤング率、ｈ：梁厚み、ｗ：梁幅、Ｌ：梁
長さである。

【００５７】また、面内応力の膜厚方向分布：σ
_x（Ｚ）と、曲げモーメント：Ｍとの関係は、梁の膜厚
方向の中央を原点として、膜厚方向をｚ軸とすると、次
式（２）のようになる。

【００５８】

【数２】（１）式と（２）式を等しいとおくことで、反り量と応
力分布との対応を得る。初めに、図７に示される多結晶
シリコン薄膜の酸素未注入状態における応力分布がほぼ
直線であるとして、その膜厚に対する傾き：αを求める
と、この傾きαは、−２０（ＭＰａ／μｍ）となる。

【００５９】図７に示されたような応力特性の多結晶シ
リコン薄膜からなる片持梁構造体の下向きの反りを矯正
するためには、表面側に引張応力の強い層を加えればよ
い。そこで、このような応力分布の上に、図９において
斜線部で示したようにＯ⁺イオン注入によって表面引張
応力制御層を形成し、この引張応力制御層によって、引
張応力をσ₁−σ。だけ増加させることとする。なお、
図９において、縦軸はｚ軸、つまり多結晶シリコン薄膜
の膜厚方向を示し、横軸は引張応力を示している。ま
た、図９において、ｚ軸上におけるこの引張応力制御層
の下端の位置をｄ_i、上端の位置をｄ_sとすると、−ｈ
／２≦ｄ_i＜ｄ_s≦ｈ／２である。

【００６０】応力分布は（３）式で表される。

【００６１】

【数３】これを（２）式に代入した結果を（１）式と等しいとし
て整理すると、

【数４】となる。

【００６２】ここで、梁のヤング率Ｅは１６０ＧＰａで
あることが分かっている。また、実施形態においては、
梁の厚さｈが１μｍ、梁の長さＬが５００μｍである。
よって、梁の反りδを０μｍとするためには、これらの
値を（４）式に代入して、残った変数のσ₁−σ₀、ｄ
_s、ｄ_iが満たすべき条件に従い引張応力層を形成すれ
ばよい。

【００６３】梁の上半分の領域内で引張応力を増加させ
た層を形成するとして、本実施形態では、ｄ_iが０．３
５μｍ、ｄ_sが０．４５μｍである０．１μｍの幅領域
にＯ⁺イオン注入層を作るとして計算すると、σ₁−σ
₀＝４２ＭＰａが必要となることがわかる。そこで、こ
の場合には、上記条件［σ₁−σ₀＝４２ＭＰａ］を満
たすようにＯ⁺イオン注入条件を決定すればよい。

【００６４】以上のように、応力増加層の位置に応じて
注入エネルギーを決定し（なお、本実施形態では３０ｋ
Ｖおよび５０ｋＶ）、一方、応力増加量については、図
８に示されるように応力の酸素濃度依存性を考慮して必
要な注入Ｏ⁺イオン濃度を決定すればよい（本実施形態
では約０．１５％と見積もられる）。

【００６５】図１０は、本実施形態において、上述の方
法により決まった条件に従って非晶質シリコン薄膜中に
酸素を注入した場合における膜中での酸素濃度分布を示
している。図１０に示されているように、非晶質シリコ
ン薄膜の厚さ１μｍにおいてその表面から深さ０〜０．
２μｍの付近、つまり図９で示すｄ_i：０．３５μｍ〜
ｄ_s：０．４５μｍの付近に平均で酸素イオン濃度０．
１５ａｔ％の酸素導入領域が形成されている。つまり、
非晶質シリコン薄膜に形成する酸素導入領域の酸素濃度
および領域の位置を目標通りに制御することができるこ
とが可能であることがわかる。

【００６６】図１１は、多結晶シリコン薄膜片持梁構造
体の長さ５００μｍあたりに対し、図１０に示すごとき
条件で作成した本実施形態に係る構造体の反りと、図
５，６に示すごとき従来の方法による比較例の構造体の
反りを示している。図１１に示されるように、本実施形
態では梁の反り量が上向き０．４μｍとなっており、比
較例における下向き１４．０μｍの反り量に対して格段
にその反り量が低減されている。従って、各種加速度セ
ンサの構造体として利用できる反り量範囲に制御された
多結晶シリコン薄膜が得られることが分かる。

【００６７】以上説明したように、非晶質シリコン薄膜
に酸素をイオン注入して不均一な酸素濃度分布を形成し
た後に熱処理を施して多結晶化することで、得られる多
結晶シリコン薄膜内の膜厚方向の応力分布を所望のもの
に制御できる。

【００６８】すなわち、多結晶シリコン薄膜の下側の引
張応力を増加せしめようとする場合には、高エネルギー
での酸素イオン注入により非晶質シリコン薄膜の下側に
酸素を多く分布させればよい。逆に、多結晶シリコン薄
膜の上側の引張応力を増加せしめようとする場合には、
低エネルギーでの酸素イオン注入により非晶質シリコン
薄膜の上側に酸素を多く分布させればよい。さらに、反
り量を所望の値に制御するためには、イオン注入エネル
ギーおよびドーズ量の両方を制御すればよい。

【００６９】なお、酸素を非晶質シリコン薄膜に導入す
る方法はイオン注入に限られるものではない。単に膜厚
方向の応力分布制御を必要とするのであれば、非晶質シ
リコン薄膜の成膜原料（ＳｉＨ₄あるいはＳｉ₂Ｈ₆）
に加え、酸素原子を含有する０₂、Ｎ₂０等の気体をこ
れら原料に加える方法も採りうる。すなわち、多結晶シ
リコン薄膜の下側の引張応力を増加せしめようとする場
合には、非晶質シリコン薄膜の成膜の初期のみにこれら
の酸素を含有するガスを成膜室内に流せばよく、逆に多
結晶シリコン薄膜の上側の引張応力を増加せしめようと
する場合には、非晶質シリコン薄膜の成膜の終期のみに
これらの酸素を含有するガスを流せばよい。さらに、反
り量を所望の値に制御するためには、これらの酸素を含
有するガスを加えるタイミングおよび流すガスの量を制
御すればよい。

【００７０】なお、以上の説明においては、多結晶シリ
コン薄膜構造体は、加速度センサの梁構造の電極として
用いた場合を例に挙げているが、シリコン薄膜構造体と
しては梁構造に限定されるものではなく、アンカー部を
形成しない状態、すなわちシリコン薄膜の下側面全面が
基板と密着した状態にて用いられる各種半導体装置にお
いても、本実施形態を適用することが可能である。すな
わち、膜内における応力分布の制御を必要とする素子、
例えば各種物理量の変位を検知する素子に適用でき、上
述のようにして酸素濃度および酸素導入領域の位置を制
御してシリコン膜全体としての応力分布の偏りを調整す
ることによって、信頼性の高い半導体素子を提供するこ
とが可能となる。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る多結
晶シリコン薄膜の製造方法においては、非晶質シリコン
薄膜内に酸素を導入して不均一な酸素濃度分布を持たせ
た後に、この非晶質シリコン薄膜を多結晶化して多結晶
シリコン薄膜を得る。シリコン薄膜内の応力が酸素濃度
に依存して変化することから、膜内に不均一な酸素濃度
分布を与えることにより、非晶質シリコンを堆積後に熱
処理することで得られる多結晶シリコン薄膜内における
応力分布を所望の分布に制御することができる。

【００７２】従って、このようにして得られる多結晶シ
リコン薄膜を各種物理量検知素子などに適用した場合に
も、多結晶シリコン薄膜構造体の任意部分の応力を変化
させて膜全体の応力分布を調整することにより多結晶シ
リコン薄膜構造体の形状を多結晶シリコン薄膜のヤング
率に基づいて制御することが可能となる。

【００７３】また、例えば、０．０１％以上の酸素濃度
を有する非晶質酸素導入領域を形成した後にこれを多結
晶化すれば、膜中に導入された酸素濃度や導入領域の位
置などに応じた任意の応力分布を確実に多結晶シリコン
薄膜内に与えることができる。

【００７４】さらに、本発明において、多結晶シリコン
薄膜に酸素導入領域を形成するにあたり、その形成位置
を二次元または三次元的に制御すれば、多結晶シリコン
膜の膜厚方向および面内のいずれかまたは両方に不均一
な酸素濃度分布を形成することができる。よって、多結
晶シリコン薄膜を梁構造体などとした場合における梁構
造の任意部分において応力を変化させることにより、該
部分の反りやゆがみなどの変位を制御できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る加速度センサの平面
図である。

【図２】図１の加速度センサのＡ‐Ａ線に沿った断面
図である。

【図３】図１の加速度センサを図１のＸ方向に向かっ
て眺めた場合の側面図である。

【図４】本発明の実施形態に係る加速度センサの梁構
造を有する多結晶シリコン薄膜構造体の製造工程を示す
図である。

【図５】比較例として従来の製造方法により形成した
場合の加速度センサの側面図である。

【図６】図５の加速度センサの梁構造を有する多結晶
シリコン薄膜構造体の製造工程を示す図である。

【図７】図６の製造方法により形成された多結晶シリ
コン薄膜内部の応力分布を示す図である。

【図８】非晶質シリコン薄膜を熱処理して多結晶化し
て得られた多結晶シリコン薄膜における結晶化前の酸素
イオン注入量と多結晶シリコン薄膜内での応力との関係
を表す図である。

【図９】Ｏ⁺イオン注入による多結晶シリコン薄膜の
梁構造体の反り矯正の概念を説明するための図である。

【図１０】本実施形態による多結晶シリコン薄膜の片
持梁構造体の製造工程でＯ⁺イオン注入により非晶質シ
リコン薄膜中に形成された酸素濃度分布を示すグラフで
ある。

【図１１】本実施形態および従来例に係わる多結晶シリ
コン薄膜梁構造体の反り量の比較を示す表である。

【符号の説明】

１１基板、１２窒化シリコン膜、２１酸化シリコ
ン膜、２１ａ，２１ｂアンカー部、３１非晶質シリコ
ン薄膜、４１非晶質酸素導入領域、５１多結晶シリコ
ン薄膜、５１ａ，５１ｂ多結晶シリコン薄膜構造体、
６０ａ可動電極、６０ｂ固定電極、６１，６１ａ，
６１ｂ多結晶酸素導入領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者景山恭行愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者土屋智由愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者坂田二郎愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者山崎信也愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者橋本雅人愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者青建一愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内 (72)発明者金丸健次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

【特許請求の範囲】

【請求項１】非晶質シリコン薄膜中に酸素を導入して
膜内に不均一な酸素濃度分布を形成し、この後に前記非
晶質シリコン薄膜を多結晶化して多結晶シリコン薄膜を
得ることを特徴とする多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項２】非晶質シリコン薄膜中に酸素を導入し、
この後に前記非晶質シリコン薄膜を多結晶化し、多結晶シリコン薄膜中に０．０１％以上の酸素原子濃度
を有する多結晶の酸素導入領域を形成することを特徴と
する多結晶シリコン薄膜の製造方法。
【請求項３】請求項１または２のいずれかに記載の多
結晶シリコン薄膜の製造方法において、イオン注入法によって前記非晶質シリコン薄膜中へ酸素
を導入し、前記多結晶シリコン薄膜中に不均一な酸素濃
度分布を形成することを特徴とする多結晶シリコン薄膜
の製造方法。
【請求項４】請求項１または２のいずれかに記載の多
結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記非晶質シリコン膜の成膜中に、成膜室内に酸素原子
を含むガスを導入して前記非晶質シリコン薄膜中に非晶
質の酸素導入領域を形成することを特徴とする多結晶シ
リコン薄膜の製造方法。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の多結晶
シリコン薄膜の製造方法において、前記非晶質シリコン薄膜内における酸素導入領域の二次
元または三次元的な位置を制御して、多結晶シリコン膜
の膜厚方向および面内のいずれかまたは両方に対して不
均一な酸素濃度分布を形成することを特徴とする多結晶
シリコン薄膜の製造方法。
【請求項６】非晶質シリコン薄膜を多結晶化して形成
した多結晶シリコン薄膜であって、０．０１％以上の酸
素原子濃度を有する多結晶の酸素導入領域が局部的に形
成され膜内での応力分布が制御された多結晶シリコン薄
膜を用い、この多結晶シリコン薄膜での物理量変化を検知すること
を特徴とする多結晶シリコン薄膜構造体素子。
【請求項７】請求項６に記載の多結晶シリコン薄膜構
造体素子において、前記多結晶シリコン薄膜の構造体は、基板上にこの基板
と所定間隔を隔てて形成される梁構造の可動電極および
固定電極の内、少なくとも可動電極を構成し、前記可動電極の変位による前記可動電極と前記固定電極
との間の電気容量変化に基づいて加速度を検出すること
を特徴とする多結晶シリコン薄膜構造体素子。