JPH11298011A - 半導体力学量センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な製造プロセスで半導体力学量センサを
製造できるようにする。 【解決手段】 シリコン基板４０を用意し、シリコン基
板４０の所定領域に拡散層４０ａを形成する。次に、拡
散層４０ａを含むシリコン基板４０の上にシリコン酸化
膜４１を形成する。このシリコン酸化膜４１の所定領域
に拡散層４０ａとコンタクトを取るための開口部を設
け、開口部を含むシリコン酸化膜４１上にポリシリコン
膜４５を成膜する。そして、シリコン基板４６を用意
し、ポリシリコン膜４５の表面にシリコン基板４６を貼
り合わせたのち、シリコン基板４６及びポリシリコン膜
４５の所定領域をエッチング除去し、梁構造体２Ａと固
定部２Ｂとを分離させる。その後、シリコン酸化膜４１
をエッチング除去して、梁構造体２Ａをシリコン基板４
０からリリースさせて可動とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば加速度、ヨ
ーレート、振動等の力学量の検出を行う梁構造の可動部
を有する半導体力学量センサ及びそのの製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】可動電極と固定電極との容量変化によっ
て加速度等の検出を行う差動容量型半導体力学量センサ
として、特開平９−２１１０２２号公報に示されるもの
がある。この従来公報に示される半導体力学量センサの
断面図を図８に示す。図８に示すように、基板は、シリ
コン基板１４９の上に、貼り合わせ用薄膜（ポリシリコ
ン薄膜）１４８とシリコン酸化膜１４７とシリコン窒化
膜１４６と導電性薄膜（リン等の不純物をドーピングし
たポリシリコン薄膜）１４５とシリコン窒化膜１４３と
を積層した構成となっており、導電性薄膜１４５がシリ
コン窒化膜１４３、１４６の内部に埋め込まれた構造と
なっている。

【０００３】可動電極１０７ａは梁構造体１００に備え
られている。固定電極１０９ａ、ｂ、１１１ａは可動電
極１０７ａから所定距離離間して配置されており、梁構
造体１００における梁の変位に基づく可動電極１０７ａ
の変位に伴って、固定電極１０９ａ、１０９ｂ、１１１
ａと可動電極１０７ａとの間隔が変化するようになって
いる。これら梁構造体１００及び固定電極１０９ａ、１
０９ｂ、１１１ａは、シリコン基板をエッチングして分
離することによって形成されている。

【０００４】導電性薄膜１４５はアンカー部１１０ａ、
１１０ｂ、１１２ａを構成しており、このアンカー部１
１０ａ、１１０ｂ、１１２ａによって、梁構造体１００
及び固定電極１０９ａ、１０９ｂ、１１１ａが支持され
ていると共に、梁構造体１００及び固定電極１０９ａ、
１０９ｂ、１１１ａへの通電が行えるようになってい
る。なお、１４０ａ、１４０ｂは、可動電極１０７ａや
固定電極１０９ａ、１０９ｂ、１１１ａと導電性薄膜１
４５との接触抵抗を低減するための拡散層である。この
ような構造を有して半導体力学量センサが構成されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来公報に示され
る半導体力学量センサは、上記構造を有している。しか
しながら、このような複雑な構造を有する半導体力学量
センサであると、シリコン基板１４９上に複数の膜を積
層しなければならず、多くの製造プロセスが必要とな
り、コストダウンが図れないという問題がある。

【０００６】本発明は上記問題に鑑みてなされ、簡単な
構造を有する半導体力学量センサを提供すると共に、簡
単な製造プロセスで半導体力学量センサを製造する方法
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、以下の技術的手段を採用する。請求項１に記
載の発明においては、第１のシリコン基板（４０）を用
意し、該第１のシリコン基板の所定領域に拡散層（４０
ａ）を形成する工程と、拡散層を含む第１のシリコン基
板の上に犠牲膜（４１）を形成する工程と、犠牲膜の所
定領域に拡散層とコンタクトを取るための開口部を設け
る工程と、開口部を含む犠牲膜の上に導電性膜（４５）
を成膜する工程と、第２のシリコン基板（４６）を用意
し、導電性膜の表面を平坦化したのち、この導電性膜の
表面に第２のシリコン基板を貼り合わせる工程と、第２
のシリコン基板及び導電性膜の所定領域をエッチング除
去し、梁構造体と固定部とを分離させる工程と、犠牲膜
をエッチング除去して、梁構造体を第１のシリコン基板
からリリースさせて可動とする工程と、を備えているこ
とを特徴としている。

【０００８】このような簡単な製造プロセスによって半
導体力学量センサを製造することができる。つまり、第
１のシリコン基板の表層部に拡散層を形成し、この拡散
層と導電性膜（第１、第２のアンカー部）とを接するよ
うにすることで、梁構造体（２Ａ）への通電が行えるよ
うにできるため、第１のシリコン基板上に複数の積層膜
を形成する必要がなくなり、半導体力学量センサの製造
プロセスを簡略化できる。

【０００９】請求項２に記載の発明においては、犠牲膜
を形成する工程の前に、拡散層を含む第１のシリコン基
板の上にシリコン窒化膜（６０）を形成する工程を備え
ていることを特徴としている。このように、シリコン窒
化膜で拡散層を含むシリコン基板を覆うようにすること
で、拡散層を用いていることから発生し易くなるリーク
を防止することができる。

【００１０】請求項３に記載の発明においては、第１、
第２のアンカー部（３ａ、３ｂ、１０ａ、１０ｂ、１２
ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６ｂ）は、半
導体基板の表層部に形成された拡散層（４０ａ）上に形
成されており、該拡散層と電気的に接続されていること
を特徴としている。このように、拡散層上に第１、第２
のアンカー部を形成することにより、拡散層を介して可
動電極や固定電極への通電を行うことができるため、半
導体力学量センサの構造を簡略化できる。

【００１１】なお、請求項４に示すように、半導体基板
の表面に、シリコン窒化膜を成膜し、該シリコン窒化膜
によって拡散層を覆うようにすれば、拡散層を用いるこ
とから発生し易くなるリークを防止することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】（第１実施気形態）図１に、本発
明の一実施形態にかかる半導体加速度センサの斜視図を
示す。また、図２に図１に示す半導体加速度センサの平
面図を示し、図３に、図２におけるＡ−Ａ断面図を示
す。

【００１３】図１〜図３において、基板１の上面には、
単結晶シリコン（単結晶半導体材料）を溝によって分離
して形成された梁構造体（可動部）２Ａと固定部２Ｂと
が配置されている。図２、図３に示されるように、梁構
造体２Ａは、基板１側から突出する２つのアンカー部３
ａ、３ｂにより架設されており、基板１の上面において
固定部２Ｂから所定間隔を隔てた位置に配置されてい
る。アンカー部３ａ、３ｂはポリシリコン薄膜によって
構成されている。

【００１４】アンカー部３ａ、３ｂは、それぞれ梁部
４、梁部５を支持している。梁部４、５は、略長方形状
（多角形状）に折り曲げられた折り曲げ型の梁で構成さ
れている。換言すれば、梁部４、５は、その長手方向が
図２の左右方向となる略長方形で構成されており、内周
を開口させることによって２本の梁を構成し、２つの梁
の変位によって梁構造体２Ａを可動とするようになって
いる。

【００１５】梁部４と梁部５との間には、長方形状を成
す錘部（質量部）６が架設されている。なお、図示しな
いが、エッチング液の進入を行い易くするために、この
錘部６の上下に貫通する透孔を形成してもよい。さら
に、錘部６における一方の側面（図２においては左側
面）から２つの可動電極７ａ、７ｂが突出している。こ
の可動電極７ａ、７ｂは棒状を成し、等間隔をおいて平
行に、例えば２００〜４００μｍの長さを有して延びて
いる。また、錘部６における他方の側面（図１において
は右側面）からは２つの可動電極８ａ、８ｂが突出して
いる。この可動電極８ａ、８ｂは棒状を成し、等間隔に
平行に、例えば２００〜４００μｍの長さを有して延び
ている。ここで、梁部４、５、錘部６、可動電極７ａ、
７ｂ、８ａ、８ｂは後述する犠牲層酸化膜の一部若しく
は全部をエッチング除去することにより、可動となって
いる。そして、これらが梁構造体２Ａを構成している。

【００１６】また、基板１の上面には、２つの第１の固
定電極９ａ、９ｂ及び第２の固定電極１１ａ、１１ｂが
固定されている。第１の固定電極９ａ、９ｂは基板１側
から突出するアンカー部１０ａ、１０ｂにより支持され
ており、梁構造体２の各可動電極７ａ、７ｂの一方向の
側面に対向して配置されている。また、第２の固定電極
１１ａ、１１ｂは基板１側から突出するアンカー部１２
ａ、１２ｂにより支持されており、梁構造体２の各可動
電極７ａ、７ｂの他方の側面に対向して配置されてい
る。これら第１、第２の固定電極９ａ、９ｂ、１１ａ、
１１ｂは、可動電極７ａ、７ｂと略等間隔（例えば２．
５〜３．０μｍ）で配置されている。

【００１７】同様に、基板１の上面には、第１の固定電
極１３ａ、１３ｂ及び第２の固定電極１５ａ、１５ｂが
固定されている。第１の固定電極１３ａ、１３ｂはアン
カー部１４ａ、１４ｂにより支持され、かつ、梁構造体
２Ａの各可動電極８ａ、８ｂの一方の側面に対向して配
置されている。また、第２の固定電極１５ａ、１５ｂ
は、アンカー部１６ａ、１６ｂにより支持され、かつ、
梁構造体２Ａの各可動電極８ａ、８ｂの他方の側面に対
向して配置されている。なお、本実施形態では、可動電
極及び第１、第２の固定電極を左右両側面に２つづつ設
けたものを示しているが、実際には３０〜１００個の可
動電極等を設けるようにしている。これは、可動電極等
の数を増加させることにより容量を増加させ、より好適
に容量検出が行えるようにするためである。

【００１８】なお、基板の上面には電極取出部（例え
ば、アルミ電極からなるボンディングパッド５１等）が
形成されており、この電極取出部から可動電極及び第
１、第２の固定電極による容量変化に基づく電位が取り
出せるようになっている。図３に示すように、基板１
は、シリコン基板４０の上に、導電性薄膜（リン等の不
純物をドーピングしたポリシリコン薄膜）４５を成膜し
た構成となっている。シリコン基板４０の表層部には、
拡散層４０ａが備えられており、この拡散層４０ａを介
して導電性薄膜４５とシリコン基板４０との電気的接続
が成されている。このように、比較的構成が簡単な拡散
層によって導電性薄膜４５との電気的接続を行うように
しているため、加速度センサの構成を図８に示す従来の
構造に比して簡略化することができる。

【００１９】また、図３に示すように、導電性薄膜４５
は、アンカー部３ａを構成し、またアンカー部１０ａ、
１０ｂ、１２ａを構成している。なお、図３に図示され
ていないアンカー部３ｂ、９ａ、１４ａ、１４ｂ、１６
ａ、１６ｂについても導電性薄膜４５により構成されて
いる。また、導電性薄膜４５は、第１の固定電極９ａ、
９ｂと電極取出部との間、第１の固定電極１３ａ、１３
ｂと電極取出部との間、第２の固定電極１１ａ、１１ｄ
と電極取出部との間、及び第２の固定電極１５ａ、１５
ｂと電極取出部との間をそれぞれ電気的に接続する配線
を形成している。

【００２０】このような構成において、梁構造体２Ａの
可動電極７ａ、７ｂと第１の固定電極９ａ、９ｂとの間
に第１のコンデンサが、また梁構造体２Ａの可動電極７
ａ、７ｂと第２の固定電極１１ａ、１１ｂとの間に第２
のコンデンサが形成される。同様に、梁構造体２Ａの可
動電極８ａ、８ｂと第１の固定電極１３ａ、１３ｂとの
間に第１のコンデンサが、また梁構造体２Ａの可動電極
８ａ、８ｂと第２の固定電極１５ａ、１５ｂとの間に第
２のコンデンサが形成される。

【００２１】そして、第１、第２のコンデンサの容量に
基づいて梁構造体２Ａに作用する加速度を検出できるよ
うになっている。より詳しくは、可動電極と固定電極と
により２つの差動静電容量を形成し、２つの容量が等し
くなるようにサーボ動作を行う。次に、図１〜図３に示
した加速度センサの製造工程を図４、図５を用いて説明
する。なお、図４、図５は、図２におけるＢ−Ｂ断面で
の製造工程を示している。

【００２２】〔図４（ａ）に示す工程〕まず、第１の半
導体基板としての単結晶のシリコン基板（第１のシリコ
ン基板）４０を用意する。そして、フォトリソグラフィ
を経て、シリコン基板４０に選択的にｎ型不純物をイオ
ンを注入し、シリコン基板４０の表層部にコンタクト用
のｎ⁺ 型拡散層４０ａを形成する。このとき、可動電極
や固定電極の下部におけるｎ⁺ 型拡散層４０ａは、幅が
５μｍ、間隔が１．５μｍとなるようにしている。

【００２３】〔図４（ｂ）に示す工程〕ｎ⁺ 型層４０ａ
を含むシリコン基板４０の表面上に、犠牲層用薄膜とし
てのシリコン酸化膜４１を熱酸化、ＣＶＤ法等により２
μｍ程度成膜する。そして、フォトリソグラフィを経て
シリコン酸化膜４１のうち、アンカー部を形成する予定
の領域に開口部を設ける。

【００２４】さらに、開口部を含むシリコン酸化膜４１
の上面に、導電性薄膜となるポリシリコン薄膜４５をデ
ポジションし、その後、ポリシリコン薄膜４５にリン拡
散等により不純物を導入する。 〔図４（ｃ）に示す工程〕ポリシリコン薄膜４５を研磨
して平坦化したのち、シリコン基板４０とは別のシリコ
ン基板（第２のシリコン基板）４６を用意し、このシリ
コン基板４６をポリシリコン薄膜４５の表面に貼り合わ
せる。

【００２５】〔図５（ａ）に示す工程〕貼り合わせたシ
リコン基板４６を研磨して、所望の膜厚にする。このと
きの膜厚は、約１０μｍとしている。 〔図５（ｂ）に示す工程〕シリコン基板４６の上面にア
ルミニウム等の金属をデポジションしたのち、フォトリ
ソグラフィを経て、シリコン基板４６の所定領域に厚さ
約１μｍの電極（パッド）を５１を形成する。

【００２６】その後、フォトリソグラフィを経てシリコ
ン基板４６及びポリシリコン薄膜４５をエッチングし、
梁部４、錘部６、可動電極８ａ及び第１、第２の固定電
極１５ａ、１５ｂ、１３ｂを分離する一定幅のトレンチ
を形成する。このとき、可動電極８ａ及び第１、第２の
固定電極１５ａ、１５ｂ、１３ｂは幅が４μｍ程度のと
なり、それぞれの電極間の間隔が２．５μｍ程度となる
ように形成される。なお、ここでシリコン基板４５に対
してリン拡散等により不純物を導入し、後に静電容量を
検出するための電極となるようにする。

【００２７】続いて、ＨＦ系のエッチング液を用いて犠
牲層エッチングを行い、シリコン酸化膜４１を除去す
る。これにより、梁構造体２Ａを構成する梁部４
（５）、錘部６、可動電極７ａ（７ｂ、８ａ、８ｂ）等
がリリースされ、可動となる。この際、エッチング後の
乾燥の過程で可動部が基板に付着するのを防止するため
に、パラジクロロベンゼン等の昇華材を用いている。

【００２８】このような簡略なプロセスによって、上記
構成を有する加速度センサを形成することができる。上
述した実施形態においては、犠牲層用薄膜４１としてシ
リコン酸化膜を用い、導電性薄膜４５としてポリシリコ
ン薄膜を用いているため、犠牲層エッチング工程におい
て、ＨＦ系エッチング液を用いた場合、シリコン酸化膜
はＨＦに溶けるがポリシリコン薄膜は溶けないので、Ｈ
Ｆ系エッチング液の濃度や温度を正確に管理したり、エ
ッチングの終了を正確なる時間管理にて行う必要がな
く、製造が容易となる。

【００２９】（第２実施形態）本実施形態にかかる加速
度センサを図７に示す。本実施形態における加速度セン
サは、図１に示す加速度センサに対して、シリコン基板
４０の表面にシリコン窒化膜６０を備えたものである。
なお、その他の構成については、第１実施形態と同様で
あるため、同様の部分については図１と同様の符号を付
して説明を省略する。

【００３０】このように、シリコン窒化膜６０を備える
ことにより、拡散層を用いたことによって発生しやすく
なるリーク電流の発生を防止でき、より信頼性の高い加
速度センサにできる。このような構成を有する加速度セ
ンサの製造方法について説明する。なお、この図は、図
１の加速度センサの製造工程に付加する工程を示してお
り、他の工程については図４〜図５に示すものと同様で
あるため、説明を簡略化する。

【００３１】まず、図４（ａ）に示す工程を経てシリコ
ン基板４０の表層部に拡散層４０ａを形成する。その
後、図７に示すように、拡散層４０ａを含むシリコン基
板４０の上にシリコン窒化膜６０を成膜する。そして、
シリコン窒化膜６０の上に犠牲酸化膜としてのシリコン
酸化膜４１を成膜し、フォトリソグラフィを経てシリコ
ン酸化膜４１及びシリコン窒化膜６０のうち、アンカー
部となる予定領域に開口部を設ける。

【００３２】その後、開口部を含むシリコン酸化膜４１
の上にポリシリコン薄膜４５をデポジションし、図４
（ｂ）、（ｃ）及び図５（ａ）〜（ｃ）に示す工程を経
て、本実施形態における加速度センサを完成させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかる加速度センサの斜
視図である。

【図２】図１における加速度センサの上面図である。

【図３】図２におけるＡ−Ａ断面図である。

【図４】図１に示す加速度センサの製造工程を示す図で
ある。

【図５】図４に続く加速度センサの製造工程を示す図で
ある。

【図６】第２実施形態における加速度センサの断面図で
ある。

【図７】図６に示す加速度センサの製造工程を示す図で
ある。

【図８】従来の加速度センサを説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１…基板、２Ａ…梁構造体、２Ｂ…固定部、３ａ、３ｂ
…アンカー部、４、５…梁部、６…錘部、７ａ、７ｂ、
８ａ、８ｂ…可動電極、９ａ、９ｂ…第１の固定電極、
１１ａ、１１ｂ…第２の固定電極、１３ａ、１３ｂ…第
１の固定電極、１５ａ、１５ｂ…第２の固定電極、４０
…シリコン基板、４０ａ…拡散層、４５…ポリシリコン
膜、４６…シリコン基板、６０…シリコン窒化膜。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板（１）と、 前記基板上に第１のアンカー部（３ａ、３ｂ）によって
   支持され、可動電極（７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ）を有
   し、力学量により変位する梁構造体（２Ａ）と、 前記基板上に第２のアンカー部（１０ａ、１０ｂ、１２
   ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６ｂ）によっ
   て固定され、前記可動電極と対向して配置された固定電
   極（９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂ、１３ａ、１３ｂ、１
   ５ａ、１５ｂ）とを備えた半導体力学量センサの製造方
   法において、 前記基板として第１のシリコン基板（４０）を用意し、
   該第１のシリコン基板の所定領域に拡散層（４０ａ）を
   形成する工程と、 前記拡散層を含む前記第１のシリコン基板の上に犠牲膜
   （４１）を形成する工程と、 前記犠牲膜の所定領域に、前記拡散層とコンタクトを取
   るための開口部を設ける工程と、 前記開口部を含む前記犠牲膜の上に、前記第１、第２の
   アンカー部を構成する導電性膜（４５）を成膜する工程
   と、 第２のシリコン基板（４６）を用意し、前記導電性膜の
   表面を平坦化したのち、この導電性膜の表面に前記第２
   のシリコン基板を貼り合わせる工程と、 前記第２のシリコン基板及び前記導電性膜の所定領域を
   エッチング除去し、前記梁構造体と前記固定部とを分離
   させる工程と、 前記犠牲膜をエッチング除去して、前記梁構造体を前記
   第１のシリコン基板からリリースさせて可動とする工程
   と、を備えていることを特徴とする半導体力学量センサ
   の製造方法。
2. 【請求項２】 前記犠牲膜を形成する工程の前に、前記
   拡散層を含む前記第１のシリコン基板の上にシリコン窒
   化膜（６０）を形成する工程を備えていることを特徴と
   する請求項１に記載の半導体力学量センサの製造方法。
3. 【請求項３】 半導体基板（１）と、 前記半導体基板上に第１のアンカー部（３ａ、３ｂ）に
   よって支持され、可動電極（７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ）
   を有し、力学量により変位する梁構造体（２Ａ）と、 前記半導体基板上に第２のアンカー部（１０ａ、１０
   ｂ、１２ａ、１２ｂ、１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６
   ｂ）によって固定され、前記可動電極と対向して配置さ
   れた固定電極（９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂ、１３ａ、
   １３ｂ、１５ａ、１５ｂ）とを備えた半導体力学量セン
   サにおいて、 前記第１、第２のアンカー部は、前記半導体基板の表層
   部に形成された拡散層（４０ａ）上に形成されており、
   該拡散層と電気的に接続されていることを特徴とする半
   導体力学量センサ。
4. 【請求項４】 前記半導体基板の表面には、シリコン窒
   化膜（６０）が成膜されており、該シリコン窒化膜によ
   って前記拡散層が覆われていることを特徴とする請求項
   ３に記載の半導体力学量センサ。