JPH11150278A - 集成センサー及びその製造方法 - Google Patents

集成センサー及びその製造方法

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JPH11150278A
JPH11150278A JP10195498A JP19549898A JPH11150278A JP H11150278 A JPH11150278 A JP H11150278A JP 10195498 A JP10195498 A JP 10195498A JP 19549898 A JP19549898 A JP 19549898A JP H11150278 A JPH11150278 A JP H11150278A
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ビグナ ベネデット
Paolo Ferrari
フェラーリ パオロ
Marco Ferrera
フェレーラ マルコ
Pietro Montanini
モンタニーニ ピエトロ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面マイクロ機械加工の技術により製造され
る高感度のセンサーとその製造方法を提供する。 【解決手段】 単結晶シリコンの本体１の上に、シリコ
ン酸化物の犠牲層21、多結晶シリコン層24、タングステ
ン層26、そしてシリコン炭化物層28を順次形成し、シリ
コン炭化物層28、タングステン層26及び多結晶シリコン
層24を選択的に除去して懸架構造体40の輪郭を形成し、
タングステン層26の未被覆の端部を覆うシリコン炭化物
のスペーサ30’を形成し、そして次に犠牲層21を除去す
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、高感度の集積セン
サー、特に加速度計とジャイロスコープ、を製造するた
めの方法と、関連するセンサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】知られているように、近年、製造するの
にマイクロエレクトロニクス技術を利用する半導体材料
の電気機械的なマイクロ構造体（超小形構造体）が、加
速度計とジャイロスコープを製造するために提案されて
いる。これらのシリコン微細加工技術は、様々な種類の
角速度及び加速度センサーを製造するのを可能にする。
詳しく言うと、現時点では、圧電、ピエゾ抵抗、静電、
しきい、共振及びトンネル効果の作用により動作するプ
ロトタイプが提案されている。
【０００３】下記では、差動静電（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｉａｌ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ）タイプのセンサー、す
なわち加速度が電気的に接続された二つのコンデンサに
共通の電極を構成する振動体（ｓｅｉｓｍｉｃ ｍａｓ
ｓ）の動きを誘発して、それにより二つの静電容量を反
対の方向に変更する（静電容量の差動変動）ものを参照
する。従って、本発明により提供される方法は、絶対静
電容量センサー又は共振タイプのセンサーを製造するの
に使用することができる。
【０００４】歴史的に、集積マイクロ構造体は、単結晶
シリコンのウエーハの両面を加工するバルクマイクロ機
械加工技術を好ましく使用して製造されてきた。ところ
が、この技術は、現在要求されるように感受性の素子
（エレメント）により捉えられる信号を処理する回路の
構成部品を形成するための処理工程と相いれない。
【０００５】従って、感受性の素子を多結晶シリコンか
ら作りそして犠牲層を堆積させ引続きそれらを除去する
ことで懸架構造体を作製する表面マイクロ機械加工の技
術を使用することが提案されている。この技術は、現行
の集積回路製造法と両立することができ、従って現時点
で好ましいものである。ところが、この技術で作製され
る集積マイクロ構造体は、加速度と角速度に対して比較
的鈍感である。実際のところ、質量が十分の数マイクロ
グラムのオーダーであるので、それらは、それらが浸漬
される流体の粒子のブラウン運動により引き起される熱
力学的ノイズの影響を被る（例えば、Ｔ．Ｂ．Ｇａｂｒ
ｉｅｌｓｏｎによる“Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｔｈｅｒ
ｍａｌ Ｎｏｉｓｅ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅ
ｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ
Ｓｅｎｓｏｒｓ”と題された論文（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ
ｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉ
ｃｅｓ， ｖｏｌ．４０， Ｎｏ．５， １９９３年５
月）を参照）。これらの構造体で得ることができる質量
に対する上限は、純粋に技術上の理由により課されるも
のであり、実際問題として、非常に厚い膜の堆積は極め
て長いウエーハ加工時間を必要とし、そしてウエーハの
表面をウエーハの研摩といったような次に続く作業にと
って不適なものにする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、既知の技術の不都合を取除く表面マイクロ機械加工
の技術による製造方法と製造されたセンサーを提供する
ことである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、それぞれ請求
項１と請求項９とに明らかにされるとおりの、高感度の
静電容量及び共振集積センサー、特に加速度計及びジャ
イロスコープを製造するための方法と、関連するセンサ
ーとを提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】次に、本発明の理解のために、そ
の好ましい態様を、純粋に非網羅的な例として添付の図
面を参照して説明する。
【０００９】この方法による静電容量型加速度計又はジ
ャイロスコープセンサーの態様を、添付の図面を参照し
て説明するが、描写上の理由からこれらにおいて様々な
材料層の厚さは一定の比率にはなっておらず、また一部
の層は全部の図面において示されてはいない。
【００１０】製造方法は、初めに、集積回路の製造のた
めの標準的な工程を含み、詳しく言えば、図示の例にお
いては、Ｎ型のポケット３を含むＰ型の単結晶シリコン
のウエーハ１から開始して、回路の構成部品を作り、こ
れらのうち、図１はＮ+ 型コレクタコンタクト領域１
１、Ｐ型のベース領域１２、及びＮ+ 型エミッタ領域１
３を有するＮＰＮトランジスタ１０を示している。更
に、ウエーハ１のうちの振動体を支持するための帯域１
５（下記ではセンサー帯域１５とも呼ぶ）において、振
動体の電気的接続のためのウエーハ１の表面６に面する
Ｎ+ 型の接続又は「ランナ」領域１６を領域１１及び１
３と同時に形成する。
【００１１】次に、コンタクトの開口のための、例えば
ＢＰＳＧ（ホウ素リンケイ素ガラス）の如き、誘電体層
１７を、ウエーハの表面６に堆積させて、図１の中間構
造体を得る。次いで、適当なマスク及び選択的除去の工
程により、センサー帯域１５から誘電体層１７の部分を
除去して、図２の構造体を得る。
【００１２】次に、センサー帯域１５においてウエーハ
１の表面６上に直接広がるシリコン酸化物層１８を低温
で堆積させ、それからＣＶＤ（化学気相成長）により低
圧でシリコン窒化物層１９を堆積させて、図３の構造体
を得る。
【００１３】次に、図１〜３よりも縮尺比が大きくセン
サー帯域１５のみを示すよう位置をずらしている図４に
示したように、シリコン酸化物１８の層とシリコン窒化
物１９の層により形成された二重の層２０の上に厚さが
およそ２μｍのシリコン酸化物の犠牲層２１を堆積さ
せ、この犠牲層２１を、可動性の本体（ｍｏｖａｂｌｅ
ｍａｓｓ）のための固定手段を形成しようとする接続領
域１６において、下の二重層２０と一緒に除去する（図
４）。それから、薄い多結晶シリコン層２４（例えば約
０．３５μｍの厚さ）、この層２４への次の層の付着を
容易にするための（例えば窒化チタンの）第一の接着層
２５、タングステン層２６（例えば厚さ１μｍ）、（例
えば窒化チタンの）第二の接着層２７、そして次に第一
のシリコン炭化物層２８（例えば０．２μｍ）を、順次
堆積させ、こうして図５の構造体を得る。犠牲層２１を
除去した（接続領域１６の上の）帯域において、層２
４、２６及び２８はこうして振動体のための固定手段４
１を形成する。
【００１４】次に、マスクしそして第一の炭化物層２
８、タングステン層２６及び多結晶シリコン層２４を犠
牲層２１まで異方性エッチングして、懸架されたマイク
ロ構造体４０の輪郭を形成し、こうして図６の構造体を
得る。この図においては（この後のものにおけるよう
に）、一層明快にするため、接着層２５と２７は示され
ていない。次いで、図７に示したように、第二のシリコ
ン炭化物層３０を約０．２μｍ堆積させ、そしてそれ
は、図７には描写上の理由から層２８と３０が分れて示
されているにしても、第一のシリコン炭化物層２８が存
在する場合にはこれを覆いそしてこれとともに単一の層
を形成し、それから、層３０のうちの犠牲層２１と直接
接触する部分を完全に取除き、図８において３０’によ
り示されるシリコン炭化物の「スペーサ」を形成するよ
うタングステン層３０の未被覆の端部を覆う部分を残す
ように、炭化物を異方性エッチングする工程を行う。
【００１５】次に、犠牲層２１とシリコン窒化物層２０
を回路の帯域から除去し、次いで層１７を通る回路のコ
ンタクトの開口と感受性素子の開口を形成するため構造
体をマスクし、金属層を堆積させてコンタクト３３（図
１〜３のものと同様の部分に関係し、やはり制御回路の
部分を示している図９に見られる）と金属配線を形成す
るため画定し、誘電体材料のパッシベーション層３４を
堆積させ、そうしてコンタクトパッドの帯域で（デバイ
スの電気的接触を可能にするため）及びセンサー帯域１
５で除去して、図９の構造体を得る。
【００１６】次に、適当なマスクにより、センサー帯域
１５においてフッ酸で犠牲層２１を除去するが、下のポ
リシリコン誘電体層２４、上の炭化物層２８、そして側
面のスペーサ３０’が、エッチングからタングステン層
２６を保護する。こうして、懸架された構造体４０（図
１０）が得られ、その外形は図１１に示されており、そ
してそれはウエーハ１に固定領域４１によって固定され
る。詳しく言うと、図１１では、懸架された構造体４０
はＨ字状であって、横に走る複数の壁４２が、固定した
電極の輪郭を形成しているそれぞれの横に走る固定の壁
４３と交互にくし状になった静電容量センサーの可動性
の電極の輪郭を形成している。従って、この構造体は、
並列に接続された複数の単元的なコンデンサによりおの
おのが形成された、直列の二つのコンデンサにより形成
されたコンデンサと同等である。
【００１７】それ自体は知られている様式でもって、可
動性の電極４２と固定電極４３を異なる電圧でバイアス
して、懸架された構造体４０が加速度にさらされたとき
に結果として生じる可動性の電極と固定されたものとの
距離の変化を静電容量の変動として検出できるようにす
る。
【００１８】説明したとおり、タングステンの心を持つ
半導体材料の懸架体を製造することで、センサーに高感
度が与えられる。実際、タングステンの密度（１９．３
ｇ／ｃｍ3 ）は、多結晶又はアモルファスシリコン
（２．３３ｇ／ｃｍ3 ）より高い。結果として、厚さ１
μｍのタングステン層は、機械的性質の観点から、１０
μｍのポリシリコン層と実質的に同等である。その一方
で、引合いに出した上記の厚さのタングステンのＣＶＤ
による堆積には、１０倍厚いシリコン層が有する不都合
がない。
【００１９】こうして得られるセンサーは、感度が高
く、しかも「表面マイクロ機械加工」技術に特有の利点
による恩恵を有する。
【００２０】詳しく言えば、この製造方法は、マイクロ
エレクトロニクスに特有の工程を利用して実施するのが
簡単であり、容易に制御でき、再現性もあり経済的でも
あって、実際のところいくつかの層と接着層を堆積させ
る必要にもかかわらず、懸架構造体を形成するのに単一
のマスクで十分である。
【００２１】最後に、ここで説明及び例示された方法と
センサーに対し、全てが特許請求の範囲において明らか
にされた発明の概念の範囲内に入る多数の改変と変更を
導入できることは明らかであろう。特に、この方法は、
静電容量又は共振の原理の作用により動作する種々のタ
イプのセンサーに応用することもでき、センサーととも
に集積される回路の構成部品はバイポーラとＭＯＳの両
方でよく、導電性領域の導電性は示したものと反対でも
よく、保護及び／又は接着材料は所望される機能に関し
同等であるその他のものと置き換えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による製造方法のうちの一工程の際の静
電容量加速度計センサーの種々の帯域における半導体材
料のウエーハの断面を示す図である。
【図２】本発明による製造方法のうちのもう一つの工程
の際の静電容量加速度計センサーの種々の帯域における
半導体材料のウエーハの断面を示す図である。
【図３】本発明による製造方法のうちの更にもう一つの
工程の際の静電容量加速度計センサーの種々の帯域にお
ける半導体材料のウエーハの断面を示す図である。
【図４】本発明による製造方法のうちのなおもう一つの
工程の際の静電容量加速度計センサーの種々の帯域にお
ける半導体材料のウエーハの断面を示す図である。
【図５】本発明による製造方法のうちの更にまたもう一
つの工程の際の静電容量加速度計センサーの種々の帯域
における半導体材料のウエーハの断面を示す図である。
【図６】本発明による製造方法のうちの別の工程の際の
静電容量加速度計センサーの種々の帯域における半導体
材料のウエーハの断面を示す図である。
【図７】本発明による製造方法のうちのもう一つ別の工
程の際の静電容量加速度計センサーの種々の帯域におけ
る半導体材料のウエーハの断面を示す図である。
【図８】本発明による製造方法のうちのなおもう一つ別
の工程の際の静電容量加速度計センサーの種々の帯域に
おける半導体材料のウエーハの断面を示す図である。
【図９】本発明による製造方法のうちの更にもう一つ別
の工程の際の静電容量加速度計センサーの種々の帯域に
おける半導体材料のウエーハの断面を示す図である。
【図１０】本発明による製造方法のうちの更にまたもう
一つ別の工程の際の静電容量加速度計センサーの種々の
帯域における半導体材料のウエーハの断面を示す図であ
る。
【図１１】本発明の方法により得られたセンサーの上面
図である。
【符号の説明】
１…ウエーハ １６…電気的接続領域 ２０…シリコン酸化物とシリコン窒化物の二重層 ２１…犠牲層 ２４…多結晶シリコン層 ２５…接着層 ２６…タングステン層 ２７…接着層 ２８…シリコン炭化物層 ４０…懸架構造体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マルコ フェレーラ イタリア国，28037 ドモドソラ，ビア マッタレラ，19 (72)発明者 ピエトロ モンタニーニ イタリア国，20077 メレグナノ，ビア ベルディ，19

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体材料本体（１）の上の犠牲材料の
    一時的な支持領域（２１）とこの一時的な支持領域の上
    の懸架構造体（４０）とを形成し、そして次に当該一時
    的な支持領域を除去する工程を含む、集積センサー、特
    に加速度計及びジャイロスコープ、を製造するための方
    法であって、当該懸架構造体（４０）がタングステンの
    領域（２６）を含むことを特徴とする、集積センサーの
    製造方法。
  2. 【請求項２】 前記タングステンの領域（２６）を前記
    犠牲材料のエッチングに耐える保護構造体（２４、２
    ８、３０’）で取囲むことを特徴とする、請求項１記載
    の方法。
  3. 【請求項３】 前記犠牲材料（２１）が堆積させたシリ
    コン酸化物を含み、前記保護構造体がシリコンの部分
    （２４）及び／又はシリコン炭化物の部分（２８、３
    ０’）を含むことを特徴とする、請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 懸架構造体（４０）を形成する前記工程
    が、 ・前記犠牲層（２１）の上に多結晶シリコン層（２４）
    を堆積させる工程、 ・この多結晶シリコン層の上にタングステン層（２６）
    を堆積させる工程、 ・このタングステン層の上に第一のシリコン炭化物層
    （２８）を堆積させる工程、 ・上記のシリコン炭化物層（２８）、タングステン層
    （２６）及び多結晶シリコン層（２４）を選択的に除去
    して当該懸架構造体（４０）の輪郭を形成する工程、 ・上記のタングステン層（２６）の未被覆の端部に関し
    横方向にシリコン炭化物のスペーサーエレメント（３
    ０’）を形成する工程、を含むことを特徴とする、請求
    項１から３までの一つに記載の方法。
  5. 【請求項５】 スペーサーエレメント（３０’）を形成
    する前記工程が、前記懸架構造体（４０）に関して上と
    横に第二のシリコン炭化物層（３０）を堆積させる工程
    とこの第二のシリコン炭化物層を異方性エッチングする
    工程を含むことを特徴とする、請求項４記載の方法。
  6. 【請求項６】 多結晶シリコン層（２４）を堆積させる
    前と第一のシリコン炭化物層（２８）を堆積させる前
    に、それぞれ第一の接着層（２５）と第二の接着層（２
    ７）を堆積させることを特徴とする、請求項４又は５記
    載の方法。
  7. 【請求項７】 前記半導体材料本体（１）の内部に電気
    的接続領域（１６）を形成する工程を支持領域（２１）
    を形成する前記工程の前に行うこと、支持領域を形成す
    るこの工程が犠牲層（２１）を堆積させる工程を含むこ
    と、そしてこの犠牲層（２１）のうちの一部分を上記の
    電気的接続領域（１６）で選択的に除去する工程を多結
    晶シリコン層（２４）を堆積させる前に行うことを特徴
    とする、請求項４から６までの一つに記載の方法。
  8. 【請求項８】 シリコン窒化物層（２０）を堆積させる
    工程を犠牲層（２１）を堆積させる前記工程の前に行う
    こと、当該犠牲層（２１）がシリコン酸化物であるこ
    と、そして前記電気的接続領域（１６）でシリコン窒化
    物層（２０）を選択的に除去する前記工程を当該犠牲層
    （２１）のうちの一部分を選択的に除去する前記工程の
    後に行うことを特徴とする、請求項７記載の方法。
  9. 【請求項９】 半導体材料本体（１）の上にありこの半
    導体材料本体に固定部分（４１）を介して接続された懸
    架構造体（４０）を含む集積センサー、特に加速度計又
    はジャイロスコープであって、当該懸架構造体（４０）
    がタングステン領域（２６）を含むことを特徴とする集
    積センサー。
  10. 【請求項１０】 前記タングステン領域（２６）が犠牲
    材料のエッチングに耐える保護構造体（２４、２６、３
    ０’）により取囲まれていることを特徴とする、請求項
    ９記載のセンサー。
  11. 【請求項１１】 前記保護構造体（４０）がシリコン
    （２４）のうちの一部分及び／又はシリコン炭化物（２
    ８、３０’）のうちの一部分を含むことを特徴とする、
    請求項１０記載のセンサー。
  12. 【請求項１２】 前記保護構造体が、前記タングステン
    領域（２６）の下に配置された多結晶シリコン（２４）
    の領域及び当該タングステン領域の上と側面のシリコン
    炭化物領域（２８、３０’）を含むことを特徴とする、
    請求項１０記載のセンサー。
  13. 【請求項１３】 前記タングステン領域（２６）と前記
    多結晶シリコンの領域（２４）との間に第一の接着層
    （２５）が存在することと、当該タングステン領域と前
    記シリコン炭化物領域（２８）との間に第二の接着層
    （２７）が存在することを特徴とする、請求項１２記載
    のセンサー。
  14. 【請求項１４】 前記固定部分（４１）がタングステン
    の心（２６）を含むことと、それが当該固定部分（４
    １）の下にありこれに電気的に接続された前記半導体材
    料本体（１）の内部の電気接続領域（１６）を含むこと
    を特徴とする、請求項９から１３までの一つに記載のセ
    ンサー。
  15. 【請求項１５】 前記半導体材料本体（１）が前記固定
    部分（４１）を除いてシリコン窒化物層（２０）により
    覆われていることを特徴とする、請求項９から１４まで
    の一つに記載のセンサー。
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