JPH1062447A - 半導体加速度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低コストかつ高精度高信頼長寿命の半導体加速
度センサを提供する。 【解決手段】カンチレバー７やブリッジ等の可動薄片を
高品位のシリコン多結晶薄膜４，６で形成する。高品位
シリコン多結晶膜４，６は、まず、アモルファスまたは
結晶性の低い多結晶シリコン膜を堆積させ、その後、そ
の膜をアニールして高品位化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体式の加速度セ
ンサに係り、特に、自動車用エアバッグシステムやサス
ペンジョン制御システム用の小型化，高精度の加速度セ
ンサおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、マイクロマシーニング技術を用い
てシリコン半導体基板の表面に小型の加速度センサを形
成し、その動作の信号を処理する回路を該基板上に集積
化した装置が提案されている。

【０００３】この種の装置として関連するものには、例
えば、特開平5−304303 号，特表平4−504003 号公報，
米国特許第5025346 号，シー．ディー．ファング他編
「マイクロマシーニング アンド マイクロパッケージ
ング オブ トランスデューサーズ」１６９〜１８７ペ
ージ（Micromachining and Micropackaging of T
ransducers,edited by C.D.Fung,P.W.Cheung,W.H.Ko an
d D.G.Fleming，p.169〜187(Elsevier Science Publish
ers B.V.,)1985）等が挙げられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、加速
度センサのカンチレバーやブリッジ等の可動薄片等をシ
リコン単結晶膜またはシリコン多結晶膜で形成してい
る。

【０００５】シリコン単結晶膜の場合は、シリコン・オ
ン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板を使用しており、特
性的には比較的安定しているが、コスト高の対応策が課
題であり、各種のＳＯＩプロセスが検討されている。

【０００６】一方、シリコン多結晶膜の場合は、一般の
シリコン半導体デバイスの製造と同様のプロセスでシリ
コン多結晶膜を堆積でき製造コストは有利であるが、多
結晶膜中の応力や変形の対策が課題である。応力や変形
の対策としてシリコン多結晶膜のアニールが種々検討さ
れているが、応力や変形の原因は、基板と薄膜との熱膨
張率の差，薄膜の結晶粒の成長，薄膜の表面や粒界の酸
化等の薄膜形成過程に起因するもの、可動薄片の厚みや
大きさ，基板との接合状態等のデバイス構造に起因する
もの等が複雑に関連しており、未だ充分ではない。

【０００７】本発明の目的は、製造プロセスが容易で低
コストであり、かつ応力や変形がない加速度センサのカ
ンチレバーやブリッジ等の可動薄片の製造方法および高
精度高信頼長寿命の加速度センサを提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的はカンチレバー
やブリッジ等の可動薄片を高品位のシリコン多結晶薄膜
で形成することにより達成される。高品位のシリコン多
結晶薄膜とは、結晶粒サイズが大きく整っており、かつ
結晶方位配向性が優れているものを意味する。シリコン
多結晶膜の高品位化は次の方法により達成される。ま
ず、アモルファスまたは結晶性の低い多結晶シリコン膜
を堆積させる。その後、その膜を数百℃に加熱したり、
レーザ光を照射してアニールすることにより高品位化さ
せることができる。この時、種となる高品位結晶（単結
晶）があると、そこから再結晶化させることにより、高
品位化が容易である。また、アニール前のシリコン膜の
結晶性が低いほうが、アニールにより結晶粒サイズの均
一化や配向が整い易い性質がある。

【０００９】また、結晶そのものが有する機械的強度
（へき開，転位の発生方向，他物質との結合強度等）の
異方性を積極的に利用して、機械的特性や歩留まりや信
頼性を向上させる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて詳細に説明する。

【００１１】図１は本発明による加速度センサのカンチ
レバー部の製造工程を示す断面図である。

【００１２】図１（ａ）はシリコン単結晶基板１を示
す。この結晶品位は、製法；ＣＺ，結晶方位；３±０.
５°のオフアングル（オフオリエンテーション）した
（１００）面，導電型；ｎ型，抵抗率；１０Ω−ｃｍで
ある。オフアングルはエピタキシャル工程における積層
欠陥の発生を低減させるためである。図面では省略して
あるが、所定の領域に通常のＣＭＯＳプロセスまたはバ
イポーラプロセス等を用いて信号処理回路を形成してい
る。

【００１３】図１（ｂ）はシリコン単結晶基板１の表面
にシリコン酸化膜２を形成し、所定の領域に開口部３を
設けた状態を示す。シリコン酸化膜２の形成は熱酸化ま
たはＣＶＤ法を用いることができる。なお、シリコン酸
化膜２に代わって、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の
積層膜を用いることも可能である。

【００１４】図１（ｃ）は開口部に選択的にシリコン単
結晶４をエピタキシャル成長させた状態を示す。シリコ
ン単結晶４のエピタキシャル層は、基板温度７８５℃，
シランガス(ＳｉＨ₄）を原料とし、シリコン酸化膜２上
の堆積を防ぐため雰囲気の水素ガスに０.０２〜０.１％
の塩化水素ガスを添加して成長させたものであり、厚み
は１〜２μｍ以上が必要である。基板温度が低温のため
単結晶といえども、一般のＬＳＩに使用する単結晶に比
べて転位や積層欠陥が多く品位は劣っているが、本発明
の使用にあたっては特別な障害とはならない。

【００１５】図１（ｄ）は基板表面の全面にアモルファ
スシリコン膜５を堆積させた状態を示す。上記（ｃ）の
工程に引き続いて同一反応装置内で、基板温度を５５０
℃とし、雰囲気中に塩化水素ガスを添加することを停止
してＣＶＤの反応をさせたものである。

【００１６】図１（ｅ）は上記アモルファスシリコン膜
５をアニールして高品位の多結晶シリコン膜６に改質し
た状態を示す。アニールの条件は、ヘリウムガス気流中
またはヘリウムと水素の混合ガス気流中雰囲気で、温度
６００〜７５０℃，時間３０分〜２０時間である。これ
により、アモルファスシリコン膜は結晶化が促進され、
高品位化される。この時、アニール温度が高すぎるとア
ニール時間は短くて済むがアモルファスシリコン膜５中
の随所から結晶化が始まり多結晶の粒径は比較的小さく
結晶粒の配向も整い難くなり、また下地との熱膨張率の
差異により彎曲変形が大きくなる。アニール温度が低過
ぎると結晶化が不十分になりやすい。雰囲気としてヘリ
ウムガスが適している理由は、高熱伝導性のため基板内
の温度分布を均一化しやすいためと考えられる。アニー
ル温度と時間及び雰囲気を適正に選定することにより、
熱伝導の良いシリコン単結晶部４に接した部分から固相
成長が始まりシリコン単結晶部４と同一結晶方位に配向
された高品位の多結晶膜が得られる。またアニールはレ
ーザ光の照射によっても可能である。この時は、アモル
ファスシリコン膜の厚みに適した波長の光源を用いるこ
とが重要であり、膜厚１μｍ程度の薄い場合はアルゴン
イオンレーザ，ＹＡＧレーザ，ダイレーザ，ＸｅＣｌエ
キシマレーザ等の短波長レーザが、膜厚が数μｍ程度の
厚い場合はｃｗ−ＣＯ₂ レーザ，Ｑ−ＹＡＧレーザ，Ｑ
−ルビーレーザ等の長波長レーザが適している。

【００１７】もう一つの方法としてアニールに先立ち、
アモルファスシリコン膜５にシリコンをイオン打ち込み
した。これは、アモルファス相中のマイクロクリスタル
相を破壊して均質なアモルファス相にしてアニールによ
る配向をよりしやすくためである。シリコンのイオン打
ち込みは加速電圧３００〜５００ｋｅＶの高エネルギ
で、ドーズ量は１〜２×１０¹²ions／cm² である。な
お、打ち込むイオンは、シリコン膜のアニールの低温化
に寄与するゲルマニウム，スズ等を用いることもでき
る。

【００１８】図１（ｆ）は高品位多結晶シリコン膜を所
定のカンチレバー７の形状にパターニングした状態を示
す。パターン形状については後述する（図２）。多結晶
シリコン膜のパターニングは通常のホトリソグラフィと
マイクロ波励起プラズマエッチングによる異方性加工に
よる。

【００１９】図１（ｇ）は下地のシリコン酸化膜２をエ
ッチング除去した状態を示す。シリコン酸化膜２のエッ
チングは、フッ酸とフッ化アンモニウム混合液に浸積し
て表面露出部のみならずカンチレバー７となる高品位多
結晶シリコン膜の下部もサイドエッチングさせて除去し
たものである。

【００２０】これにより、高品位多結晶シリコン膜によ
るカンチレバーができあがり、高精度・高信頼性の加速
度センサを製作することができる。

【００２１】図２はセンサ主要部の斜視模式図を示す。
シリコン単結晶基板１上に選択的エピタキシャル層４及
びアニールにより高品位化させた多結晶シリコン膜をパ
ターニングしたカンチレバー７の可動薄片と固定電極部
８よりなる。ここで重要なことは、カンチレバー７の結
晶方位である。多結晶シリコン膜の高品位化成長方向
は、基板のシリコン単結晶１の方位と同じ〔１００〕方
向であり、即ち(１００)面が主表面となる。そしてパタ
ーニングにより形成させた面は（１１０），（−１１
０）等の｛１１０｝に属する面からなる。これはシリコ
ン結晶のスリップしやすい方向〈１１０〉に整合させる
ことにより、転位が発生する強度限界は他の面方位を用
いた場合より高くすることができる。

【００２２】図３はブリッジ形状の可動薄片を形成した
場合であり、カンチレバーと同様な方法で作成できる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、応力や変形の少ないカ
ンチレバーやブリッジ等の可動薄片を通常の半導体プロ
セスで形成でき、低コスト，高精度が達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の製造工程を示す断面図。

【図２】本発明の一実施例のセンサ主要部の結晶方位を
示す斜視図。

【図３】本発明の他の実施例を示す断面図。

【符号の説明】

１…シリコン単結晶基板、２…シリコン酸化膜、３…シ
リコン酸化膜開口部、４，６…シリコン高品位多単結晶
膜、５…シリコン低品位多単結晶膜、７…カンチレバ
ー。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）シリコン単結晶基板の少なくとも一
   主表面上に耐熱性薄膜を形成する工程、 （ｂ）上記耐熱性薄膜の所定の位置に所定の大きさの開
   口部を設ける工程、 （ｃ）上記耐熱性薄膜の開口部から上記シリコン単結晶
   基板上に選択的に結晶性の優れたシリコン薄膜を堆積さ
   せる工程、 （ｄ）上記基板の全面に結晶性の劣るシリコン薄膜を堆
   積させる工程、 （ｅ）上記結晶性の劣るシリコン薄膜をアニールして結
   晶性の優れたシリコン薄膜に改質する工程、 （ｆ）上記シリコン薄膜を所定のパターンに加工する工
   程、 （ｇ）上記シリコン単結晶基板上の上記耐熱性薄膜をエ
   ッチング除去して、上記シリコン薄膜の可動薄片を形成
   する工程からなることを特徴とする加速度センサの製造
   方法。
2. 【請求項２】シリコン単結晶基板と、その上に一部が接
   合されたシリコン薄膜のカンチレバーやブリッジの加速
   度により動作する可動薄片を備えた半導体式加速度セン
   サにおいて、上記可動薄片は〈１００〉または〈１１
   ０〉を主たる配向とするシリコン多結晶膜からなること
   を特徴とする加速度センサ。