JPS5950570A - 梁構造体を有する半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、８１基板上に異方性エツチングを利用して
振動可能な梁構造体を形成した半導体装ηの改良に関す
る。

従来、この種の梁構造体を右する半導体装置としては、
第１図および第２図に示すものが知られでいる。この半
導体装置は、まずＮ型（１００）３ｉ基板１の表面に１
〕型不純物を１％　Ｑ度に埋め込んだＰ土層２を形成し
、次に基板″１の仝而に１ビタキシ１１ル成長によりＮ
型（１００）　Ｓ　ｉ層３を形成覆る。次に、このウェ
ハの土ビタキシ鵞・ル層３の上面に熱酸化５ｔＯ２１９
４をコープインクし、更にその表面側全面にＡ　＋３等
の金属を蒸着しノこ後、不必要な部分を１ツヂングによ
り除去し、所定パターンの金属電極５を形成し、次に８
１０２膜４をエツチングにより部分的に除去し−（所定
パターンとする。

第１図の斜線を施した部分がＳｉＯ２Ｄり／ｌ’（ある
。なお、この図で゛は金属Ｎ極５を省略しＣいる。

Ｓｉ０２層４は以下に述べるＳｉの箕り性１ニツヂング
に耐性のある祠料Ｃ・あり、かつ適宜４１弾１１Ｆを有
する材料である。以下、所定パターンに１−ツチングさ
れた５ｆＯ２１１１Ｉ４をマスクパターンと称する。

マスクパターン４は、第１図に承りように、幅がＷで長
さかでの長方形状をなづ半島状（ご突出した梁パターン
６を含み、この梁パターン６を複数個並設している。

ここで、３ｉＩピタキシ４１ル層３の表面はく１００）
而であり、この表面に形成されたマスクパターン４にお
りる梁パターン６の支持基準辺８は〈１１０・方向に設
定されており、梁パターン６の長手方向に沿う２側辺６
ａ、６ｂは」ニ記支Ｊ４基準辺８と直交する一ｇ’１１
０＞方向に設定されている。つまり第１図では、マスク
パターン４の８１０２を除去した部分（これを窓部と称
す）の各辺は全て＜１１０＞方向に設定されている。

次に、異方性エツチング液（１ヂレンジアミン−１ピル
カテコール＋水の混合液）にＪこり上記マスクパターン
４の窓部を通してＳｉエピタキシトル層３をエツチング
し、上記梁パターン６の周囲Ｊ３よび直下のエピタキシ
トル層３をえぐるように除去して堀込部９を形成覆る。

その結果、上記梁パターン６がその長手方向の一端が基
板側に支持されたハ持ちの振動可能な梁構造体どしく残
置形成される。なお、基板の厚み方向へのエツチングは
、Ｐ　−１−３！ｐ込層２が」２ツヂングストツパとし
て作用し、このＰ十埋込層２が露出ＪるＪ：　’（’　
：ＩピタニＶシ（・ル層３がエツチングされる。つまり
、堀込部９の深さｄはエピタキシトル層３の厚みで制御
りることができる。

この種の梁構造を有Ｊる半導体装置は次のにうに応用さ
れる。上記梁パターン６（以下単に梁６と称″ｔＪ）の
上面に形成された金属電極５５を可動電極とし、堀込部
９の底に露呈しているＰ土層２が可動電極と対向覆る固
定電極どじ、こ４１らの間に一つのコンデン１すが形成
され（いる。外部からの振動ににつて梁６が共振りると
、上記２つの電極の間隔が大きく変動し、それに応じて
上記］ンデン４Ｊ“の容母が変化する。この容口）変化
を検出りる回路を上記基板に一体的に集積形成してＪ３
（）ば、梁６による周波数弁別機能を持った静電型の振
動検出器として使用づることがてさる。また、上記２つ
の電極に印加りる電圧佑月’ｃしって」記梁６の振動や
変位量を制御することがてさ、これを静電型アクチュエ
ータとして使用りることかできる。

このように、この種の半導体装置は可逆イ１静電二（′
（の機械電気変換器として様々な応用が考えられている
。

しかしながら、上述した従来の梁構造１本を右りる半導
体装置にあっては、その梁構造体を精度Ｑく作成づる上
で次のにうな問題点があった。

第３図はマスクパターン４（梁パターン６を含む）の下
部のＳｉが異方性エツチングにＪ：つて除去されていく
様子を示している。図中の細かくドツトを（＝Ｊりた部
分がマスクパターン４の下部の８１層３を示している。

梁パターン６の支持基Ｌ１を辺８は」−述したように＜
１１０＞方向に設定されているので、エツチングが開始
されるとすぐに支持基準辺８に治って（１１１）面が現
れる。ｌ’ｉ１様に、梁パターン６の両側辺５ａ、６ｂ
も＜１１０＞方向に設定されているので、この両側辺６
ａ　、　６ｂに治って＜　１１．１　）面が現れる。

周知のように、Ｓｉの異方性１ツチングでは、（１’＋
　１　）面の１ツチングスピードが最も遅く、■ツヂン
グスピードの最も大きな（１００）面に対して約１／３
０程度である。従って、支持基準辺８および両側片（３
ａ、　（’）１１７）＋ｌろマスクパターン４の下部方
向へのエツチングは殆ど進まヂ、梁パターン６の下部の
Ｓｉは梁パターン６の′Ｊ′［、端側から＜　１００　
二・方向のエツブーングによって除去される。

３ｔの−：　１００　＞ｌｊ向の−［ツチンク速麿（，
１他の方向に比べて著しく大きいが、梁パターンＧのＦ
部のＳｉはその先端側からのエツブング進ｔｊＭ　Ｊ、
って大部分除去されることになるのて、梁パターン６の
長さｌが長いと、梁パターン６の下部のＳｉが完全に除
去されるまでに１．Ｌ非常に長時間を要Ｊる。

梁パターン６の直下のＳ（を完全に除去づるまでに長時
間を要するということは、」−ツチングされにくい（１
１１）面もある程ｌ哀１ツブンクが進行してしまうこと
を意味し、その結甲第３図（［３）に示Ｊ−ように支持
基準辺８からマスクパターン４の下部側へｅで示づり・
イドエッチが牛してしまう、。

また同時に、梁パターン６の直上の８１の１ツチング境
界線１０が支持基ｔ（＋′辺８に揃わり′、Ｓｌの小さ
な半島状の突起を残してしまう。また同時に、エツチン
グに長時間を要部るため、堀込部９の底に現れるエッチ
ングス１−ツバとして作用づべさＰ十埋込層２も徐々に
犯されてしまい、極端な場合にはＰ十埋込層２を突き破
って基板１にまでエツチングが進／υＣしよう。

このように、梁パターン６の支持ｐ　Ｑｊ　５１Ｊ　８
の部分にサイドエッチを生じること、および梁パターン
６の支持部分の下部に半島状の小突起を残してしまうこ
とににす、梁６の支持点が所期の位置に正しく定まらな
い。支持基準辺８に対して直角に突出した梁６は、基本
的にはその振動形態が一番７１純で解析しやすく、従っ
て共振周波数の設Ｈ＋等に当っても容易である。しかし
、それは梁６の支持部の３ｉの１ツヂング境界線１０が
支持基準辺８に一致づる場合であって、第３図（Ｂ）の
に−うなＶイド−Ｌツヂや小突起を生じた状態ぐは、梁
６の振動形ｆぷは単純ではなくなる。また、堀込部９の
底のＰ十埋込層２もエツチングされることから、深さｄ
が所期の値に定まらない。特に、これらの不確定要糸が
梁６の艮ざｌにＪ、って変りｊりることがら、これを予
め児込んで設計！ｊることｌｉｔ　：ｌＩ’　？ｉＳに
難しい。

この発明は上述した従来の問題点に鑑みなされたもので
あり、その目的は、梁パターンの直下の３ｉを異方性エ
ツチングで・除去する際に、梁パターンの側片側からも
エツチングが進行し、従来）こ比べてエツチング時間が
大幅に少＜（溜み、−ソの結果上述したサイドエッチや
小金な小突起を残りことや堀込部の底をエツチングし′
（シようこと等の不都合点を全７．解消できるようにし
ｌこ梁構造体を有づ゛る半導体装置を提供覆ることにあ
る。

上記の目的を達成覆るために、この発明ｔｉｔ、上記梁
パターンの支持基準辺を８１基板の（１００）表面に＋
３いて＜１１０＞方向に設定づるとともに、上記梁パタ
ーンの長子プｊ向に沿う２側辺のうらの少くとも一方の
側辺を該辺と上記支Ｊｌ＋　Ｌ！１Ｉ−ｉυとのなす角
が鈍角とｈるＪ：うに設定しＩこことを１、°Ｉ徴とづ
る。

以下、この発明の実施例を図面に基゛）い（訂細に説明
ず′る。

第１図はこの発明の第１の実施例を承り。この図は本発
明の要部どなる部分のみを抽出し−Ｃ示づｂので、第２
図に示したような断面構造の半導体Ｈ１ｆｆに＋３りる
マスクパターン４の平面形状を示している。このマスク
パターン４は、表面が（１００）而である３ｉ基板上に
異方性エツチングに耐性のある弾性材１１でもって形成
されＣいるものであり、半、も状に突出した梁パターン
６を含／υでいる。この梁パターン６に治った断面構造
は第２図と同じなので図示省略している。このマスクパ
ターン４の月わ１としては、先に説明したように、例え
ばＳｌの酸化膜が用いられ、また３ｉ　３Ｎ４股等でも
良い。

第１実施例のマスクパターン４は、３本の長さの異なる
梁パターン６を平行に突出形成している。

梁パターンＯの支持基準辺８は、Ｓｉ基板のく１００〉
表面において、＜１１０＞方向に設定されている。梁パ
ターン６の両側辺（３ａ、５ｂは平行で、ともに＜１０
０＞方向に設定されでいる。つまり、側辺６ａは支持基
準辺８に対してθ１−１３５°の鈍角をなし、側辺６１
）は支持基Ｑｊ辺ε３に対してθ２＝４５°をなしてい
る。

梁パターン６の部分の５ｉＯＩＩφあるいは８１３Ｎ４
膜の厚さは必要とされる梁の撓み狛１コ１に応じて選ば
れるが、通常１μ”　ｆＩＣｌ　ｉＤにとり、梁パター
ン６の幅Ｗと長さｌを変えて必要な特性（撓み特性２強
度、共振周波数等）を１？る。：Ｊ、た第／Ｉν１では
省略したが、梁パターン６の」−には第２図で示したよ
うな金属電極５が重ねられ゛（いる。金１ｔｌ電極３は
異方性エツチングに耐える必要かあるので、Ｃｒ　、Ａ
ｕ　、Ｐｔ等の薄膜（ｅＱ　１０人−１’ｙ、　１００
人〉から選ばれる。

マスクパターン４を第４図に示りＪ、うに形成し７だ場
合、上述した堀込部９を形成りるための異方’Ｉ’ｌ　
エツチングて−は、第５図（Δ）（＋３）のＪ、うにエ
ツチングが進行する。このときのＪツザング液としては
１ヂレンジｊ／ミン：ビ１１カア：’ｌ　−）し：水＝
　１７ｃｃ：　８ｑ：　３ｃｃの組成からなる異方性上
ツヂング液を用い、該液中にて煮沸処理りる。この■ツ
チング液は８１結晶の＜１００＞＜１１０＞＜　１１１
　：〉方向にそれぞれ５０，３０．３μｍ　、’時のエ
ッチ速度を右する。

従って、梁パターン６の両側辺６ａ、６ｂをともに＜１
００＞方向に設定した第１実施例の場合、＜１００＞方
向のエツチング速度は非常に速いので、第５図に承りよ
うに梁パターン６の側辺６ａ。

６ｂの全域にわたってそこから幅方向にエツチングが進
み、梁パターン６の直下のＳｉ　　（細かいドラ１〜を
付して示している）がエツチング境界線ゴＯで示′１Ｊ
Ｊ：うに幅方向に細められるＪ：うにして急速に除去さ
れ、梁パターン６の直下の８１を完全に除去するまでの
時間は従来に比べて大幅に短縮される。

一方、・支持基準辺８は＜１１０＞方向に配置されてい
るので、エツチング時に支持基準辺８に治って（１１１
）面が現れるのＣ１支持基準辺８の内側には殆どエツチ
ングが進まない。

ここで重要なことは、梁パターン６の長手方向に沿う２
辺のうちの少くとも一辺は支持基準辺８に対して鈍角と
なっている必要がある。づなわら、この実施例にお（プ
る側辺６　ｂはエツチングされ易いく１００〉方向に設
定されているが、支持基準辺８に対しては７Ｉ５°の角
度で交わっている１、この場合、支持基準辺８と側辺６
１）との交点ＯにＬ１３いて、−１−ツヂング境界面１
０が支持基準６ｙ４　Ｂに対して９０’になった時点で
（１’＋　１　＞而が現れ、エツチングが進まなくなっ
てしまう。Ｃれに列し、支持基Ｌ（（辺８と側辺６ａの
Ｊ：うにθ１＝１３５゜のように両辺が９０°より聞い
ていると、１ツブングが進行しても１′、ツチング境界
線１０と支持基準辺８の角度は常に９０°より聞いたま
Ｊ、であるから、順調にエツチングが進む。

上述のように、梁パターン６の側辺りうちの少くども一
辺と支持基準辺８が鈍角をなしでいれば、極めて短時間
のエツチングで完全な堀込部を形成して梁を完成するこ
とが可能である。ぞの結果、支持基準辺８のザイド］ニ
ッヂは殆どなくなり、また梁の支持部直下に突起が残る
ことも殆どな・くなり、また第２図におりる深さ方向の
Ｊツブンクス１〜ツバであるＰ十埋込層２への突き抜【
′Ｊ等がなくなり、梁の加］ニ精度が大きく向上するこ
ととなる。

特に上記第１実施例においては、梁パターン６の両側辺
（３ａ、６ｂども・１００＞方向に配置しＣいるが、こ
れは＜１００＞辺に対してはエツチングスピードを低下
させるＪ：うな結晶面が現れにくいというｔａｇ　Ｍを
利用した好ましい実施例である。

第６図（△）（Ｂ）はこの発明の第２実施例を示Ｊ。こ
の第２実施例は、梁パターン６の両側辺６ａ、６ｂをと
もに、＜１１０＞方向に配置しｌ〔支持基準辺８に対し
て鈍角どなるにうに設定したｂのである。つまりこの場
合、梁パターン６がほぼ台形をなり。両側辺６ａ、６ｂ
がともに支持基準辺９に対して鈍角をなしているため、
どちら側の辺にもエツチングされにくい（１１１）面は
現れｆ、両側から対称的にコニッチングが進行し、素早
くＳｉ層を除去づることができる。

第７図＜Ａ）＜８）はこの発明の第３実施例を示づ。こ
の第３実施例は、梁パターン６の一方の側辺６ａをく’
＋ｉｏ＞方向に設定し、他方の側辺６ｂを支持基準辺８
にス４　して鈍角をなづＪ、うに限定したものである。

この場合、−１ツブングは鈍角をなづ側辺６ｂ側から進
行し、らう一方の側辺６ａ側からは殆ど進行しないが、
側辺６１Ｊ側からのエツチングは充分速いので、梁パタ
ーン６の幅が極端に大きくならない限り問題はない。

第８図はこの発明の第４実施例を示す。以上の実施例は
全てＶ１持ら状態の児゛１１日告（４、を右りる半導体
装置についＣてあったが、この第４実施例（、Ｌ第６を
両持ち状ｆぷに段りるようにした半導体装置についての
ものである。この場合、梁パターンＧの長手方向の両端
が支持基準辺８ａ、８ｂに−と１１それ繋がる。支持基
準辺８ａ、８ｂはどもに・、１１０〉方向に設定され、
イしく、梁パターン６の両側辺６ａ、６ｂはともに支持
Ｊｊ　ｉ−ｐ辺８ａ、Ｑｂど直交してＪ３らず、イれぞ
れ伺れかの支［、′ｌ阜Ｑ’　！２となす角が鈍角とな
るように設定されＣいる。この場合の梁パターン６と支
持基準辺８どの連結部分におけるエツチングの進行は第
５図に示したのと同様な形Ｃ′なされる。

まＩこ、上記の各実施例について、支持基準辺と梁パタ
ーンとのな１鈍角は、１３５°が最もエツヂング速度が
速い角度であることは明らかであり、また、９０°より
も約５°位大きな角度であれば、エツチングの際（１１
１）面が現れにくく本願にお（）る所望の効果を１ｑら
れるものである。

以上の各実施例で説明したように、本発明を適用づるに
あたり梁の形状が第１図ａ３よび第２図で示した従来の
ちのと異なり、そのことによっＣ梁の特性く撓み０強度
、共振周波数等）は当然変ってくるが、梁の厚さ１幅、
良さ等を適宜に選ぶことにより所望りる特性が実現ぐき
るので、本発明の実施にあたっての障害とはならない。

以上詳細に説明したにうに、この発明に係る梁構造体を
有する半導体装置にあっては、その製造に際してのエツ
チング時間が従来に比べて大幅に短くてすみ、その結果
梁の形状精度、加工精度が大幅に向上し、所望する振動
特性の梁を高い歩留で形成することがぐきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の梁構造体を右づる半導体装置の要部ＳＪ
ｊ面図、第２図は第１図におりるＡ−Δ断面図、第３図
は第１図に示した従来例の１ツヂング進行状態を示す説
明図、第４図はこの発明にＪ、る梁構造体を有する半導
体装置の第１実施例を示づ要部平面図、第５図は第４図
の実施例の１ツヂング進行状態を示す説明図、第６図は
この発明の第２実施例をそのエツチング進行状態とどし
に示Ｊ説明図、第７図はこの発明の第３実施例をそのエ
ツチング進行状態どともに示′！ｌ説明図、第６３図は
この発明の第４実施例をそのエツチング進行状態どとも
に示１説明図である。 １・・・・・・・・・・・・・・・Ｓ１基板２・・・・
・・・・・・−・・・・１〕＋ｊ里込層３・・・・・・
・・・・・・・・・Ｓｉエピタキシャル層４・・・・・
・・・・・・・・・・マスクパターン５・・・・・・・
・・・・・・・・金属電極６・・・・・・・・・・・・
・・・梁パターン（３ａ、５ｂ・・・側辺 ８・・・・・・・・・・・・・・・支持す単連９・・・
・・・・・・・・・・・・掘込部特許出願人 日産自動車株式会社 ３３図 、、−＋−＋−ｅ 第４図 第６図 （Ａ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
（Ｂン第７図 第８図 ＜１１０＞

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面が（１００）面である３ｉ基板−Ｌに異方性
   エツチングにによって形成された梁構造体を右づる半導
   体装置において； 上記梁構造体の支持基準辺を上記３ｉ基板の・く１１０
   〉方向に設定づるとともに、上記梁構造体の長手方向に
   沿う２側辺のうちの少くとも一方の側辺を該辺と上記支
   持基準辺とのなす角が鈍角となるように設定し！ここと
   を特徴とづる梁構造体を有する半導体装置。