JPS5974682A - 梁構造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、例えば振動周波数分析装置等に好適な梁構
造を右する半導体装置に関する。

従来の梁構造を有する半導体装置にあっては、次式に示
づ如く６片持ち梁の共振周波数が梁の長さの二乗に反比
例づることを利用しで、この共振周波数選択性を梁の厚
さは一定にし、長さを変えることによって得る構造とな
っていた。

Ｌ　：片持梁の厚さ　　　λ：片持梁の長さＥ：片持梁
のヤング率　ρ：片持梁の密度このため、高い共振周波
数と低い共振周波数とを同一精度で１ｑようとすれば、
梁の厚さを一定と仮定すると、短い梁の長さ寸法を長い
梁よりも精度良く作らねばならない。しかるに、半導体
技術では梁の厚さを一定に作ることは比較的容易である
が、梁の長さ寸法精度を変えて作ることは困難であり、
短い梁の長さについては相対ＸＪ法精度が悪く、このた
め高い共振周波数精度が悪くなるという問題点があった
。

この発明は、このような従来の問題点に着［１してなさ
れたもので゛、その目的とするところはこの棟梁構造を
有する半導体装置におりる当該梁の共振周波数を、高い
共振周波数と低い共振周波数とで同一精度で１ｑること
にある。

この発明は上記の目的を達成覆るために半導体基板上に
同一長さの梁を複数本形成するとともに、６梁の厚さを
適宜異ならせることにより、６梁の共振周波数を互いに
異ならせてなることを特徴とするものである。

以下に、この発明の幾つかの実施例を添イ」図面に従っ
て詳細に説明する。

第１図〜第４図は、この発明に係る半導体装置の一実施
例を示づ−Ｈである。

第１図は平面図、第２図は第１図中のＡ−Ａ′線断面図
、第３図、第４図はそれぞれ第１図中のＢ−Ｂ′線断面
図、Ｃ−Ｃ−線断面図において梁の部分のみを示した図
であり、梁以外の部分は第２図と同様である。

まず、Ｉｆｉｉ成を説明づ−ると、３ｉ基板（例えばＮ
形）１の表面には、ｐ型不純物をイオン注入等の方法に
より導入してなるｐ型高濃度埋め込み領域２．３．４が
形成されている。同様に、Ｎ型不純物により１１型高潮
度埋め込み領域５が形成されている。これらの上部には
、ｐ型高濃度埋め込み領域２，３．　ｉ４およびｎ型高
濃度領域５のアニールを兼ねて、８１基板１の表面を高
温酸化してなるＳｉ　０２膜６が成長形成されている。

また、３ｉＱ２膜６の上部には、３ｉｓｉ’Ｊ４膜を成
長し、これを選択エツチングしてなるスパー１１エツチ
ストツパ７が形成されている。このストッパ７の上部に
は片持ち梁が複数個形成される。

この片持ち梁は第２図〜第４図に示す如く厚さが異なり
、片持Ｉ５梁１１１片持ち梁１２２片持ち梁１３の順に
厚さが薄くなる。また、片持ち梁１１．１２．　１３は
導電性を持ら、アルミ配線９番こよってｐ＋拡散層２，
３をソース、トレインとするＭＯＳ　ｉ−ランジスタの
ゲート領域２０と接続されている。片持し梁１１．ｊ″
ｉ持ら梁１２　、　Ｉ’＋持ら梁１３とｐ中波散層４か
らなる振動周波数検出部１８以外の部分は表面保護膜１
０により覆われている。

次に、この半導体装置の製造工程を第５図（ａ　）〜（
０１）を参照しながら説明する。

（イ）まず、公知の方法によりＮ形の３ｉ基板１にｐ中
波散層２〜４．ｎ＋拡散層５を形成する。

この際、３ｉ基板１上の３ｉＱｚ膜６を略一様な厚さに
することは充分可能である。（第５図（ａ）参照） （ロ）次に、グー１〜領域２０と、対向電極４のコンタ
クト部分２１の酸化膜を公知のフォトリソグラフィ技術
により除去し、熱酸化により２０，２１の部分にゲート
酸化膜２２を形成する。（第５図〈ｌ））参照） （ハ）次に、フッ酸に対して耐性のある膜２例えば３ｉ
　３Ｎ＋を公知の技術２例えばＣＶＤ法により全面に形
成し、その後公知のフォトリソグラフィ技術により梁の
形成される部分にスペーサエッチストッパ７８形成する
。（第５図（Ｃ）参照）なお、このストッパ７は後述づ
−るスペーサのエツチングの際、３ｉ　０２膜６までエ
ツチングが進行しないためのス１−ツバとなる。

（ニ）次に、後述り−る梁に段差をイリけるためのスペ
ーサ１４を、例えばＰＳＧをＣＶＤ法により全面に成長
させた後、公知のフォトリソグラフィ技術により、スペ
ーサエッチストッパ上に島状に形成する。（第５図（ｄ
）参照） （ボ）次に、ポリ３ｉをＣＶＤ法により全面に形成し、
ポリＳ１の導電度を高めるため、例えばイオン注入法に
より不純物ドープする。その後、公２４１のフォトリソ
グラフィ技術ににす、片方がストッパ７の上に、もう片
方がスペーサ１４の上になるようにポリＳｉ膜を残す。

この残されたポリＳｉ膜１１が最終的には片持し梁どな
る。く第５図（ｅ、ン参照） （へ）この（へ）項から後述づる（チ）項までが片持ち
梁１１の厚さを変える工程の説明である。

まず、酸素の透過を抑える膜、例えば３ｉａＮｎ膜を、
公知の技術、例えばＣＶＤ法により全面に形成する。次
に、例えば複数個ある片持ち梁のうちの片持ち梁１１の
厚さを薄くしたい部分について片持ち梁（１１〉の上部
の３ｉ　ｊＮ４膜を公知の）Ａ１ヘリソグラフィ技術に
より除去し、梁エッヂマスク１５を形成する。（第５図
（ｆ　）参照）（ト）次に、公知の熱酸化により片持ち
梁１１を酸化づ−る。このとき、３ｉ　３ＮＩｌＢ！の
覆っている部分には酸素の透過がないため酸化されず、
まｌζ３ｉ：＋Ｎ４１１！ｉｌに覆われていない部分の
Ｓ　ｉ　Ｏ２膜１Ｇの厚さは酸化時の温度、酸化時間を
制御することにより厳密に（約５０人の精度で）設定さ
れる。（第５図（ｑ　）参照） （チ）次に、前項（ト）により形成されたＳｉ０２膜１
６をフッ酸系の薬品でエツチングする。ここで、Ｓｉ　
０２膜１６の厚さは厳密に設定されてＪ３す、また、Ｓ
ｌはフッ酸系の薬品に侵されないので、前項（ホ）によ
り形成した片持ち梁１１と厚さの異なる片持ち梁１２の
厚さは厳密に設定されている。Ｓｉ　０２膜１６をエツ
チングした後、梁エッチマスク１５を公知の技術、例え
ば濃リン酸による煮沸によって除去する。（第５図（１
１）参照） この後、更に片持ち梁１１．１２の厚さを変化させたい
場合は、くべ）項から（チ）項までを繰り返す。

（す）次に、コンタクト部分２１の酸化膜を公知のフＡ
１〜リソグラフィ技術により除去し、その後、前面に／
ｌを蒸着し、公知のフォ１〜リソグラフィ技術により、
ゲート電極等のＡ℃配線９を設ける。

（第５図＜ｉ＞参照） 〈ヌ）次に、表面保護膜１７、例えばＰＳＧを公知の方
法例えばＣＶＤ法により全面に形成する。

（第５図（ｊ　）参照） （ル）次に、前項（ヌ）で形成した表面保護膜１７の］
−ツヂング液に対して耐性のある膜１９、例えば３ｉを
公知の技術例えばＣＶ　Ｄ　ｔｌｉにより曲面に形成し
、公知のフ第１ヘリソゲラフーｒ技術により、振動周波
数検出部１８部分の１９を除去する。

（第５図（ｋ　）参照） （ヲ）次に、振動周波数検出部１８におりる片持ち梁１
２の上部の表面保護ＩＩ＊１７および下部のスペーサ１
４をエツチングにより除去する。く第５図（Ｊ２）参照
） （ワ）最後に、前項〈ル）で形成した膜１９を例えばＣ
Ｆ４＋Ｏ２のドライエツチングにより除去して本発明の
梁構造を右づる半導体装置を得る。

（第５図（ｎｌ）参照） 次に作用を説明する。今、第３図に示覆振動周波数分析
装置を、片持ら梁１１と垂直方向く紙面と垂直）に振動
させることを考える。ここで、前述の如く片持ら梁１１
の共振周波数ｆＲは次式で表わされる。

ｔ　：片持ち梁の厚さ ｊ２：片持ち梁の長さ ｅ：片持ち梁のヤング率 ９１片持ち梁の密度 また、片持′ち梁１１が振動すると、片持ち梁１１とＰ
中波散層４とで構成された静電容量が変化Ｊ゛る。この
容量変化に応じてゲート領域２０の電圧が変化するので
、片持ち梁１１の機械振動を２゜３．２０で構成される
ＭＯＳ　ｌ−ランジスタの電気出力として取出せる。な
お、この音響の電気変換原理の参考文献としては、１（
ｕｒｔ　　Ｅ、　Ｐｅｔｅｒｓｅｎ　：　　［３ｉｌｉ
ｃｏｎ　　ａｓ　　ａ　　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　　Ｍ
ａｔｅｒｉａｌ　Ｊ Ｐｒｏｃ　、　　Ｉ　ＥＦＥＥ、　７０　（５）　、　
４２０　（１９８２）を挙げることができる。

従って、この振動周波数分析装置を用いれば、それぞれ
の片持ち梁１１の厚みにより決まる共振周波数と同じ振
動周波数を検出し、分析することができる。

次に、共振周波数精度の改良に関し、以下に詳しく説明
する。

上式から明らかなように、共振周波数ｆｔの］′６度は
梁の厚さｔの精度ど梁の長ざぶの精度に関係し、特に長
さρの方はｆ　１に対して二乗の因子を持つことから厚
さＬの精度の２倍の精度を要求される。例えば、ｆ　■
の精度を５５％どづると、厚さ［の精度は５％なのに対
し長さ℃の精度は２．５％となる。

例えば、実際の片持ち梁につい−て１０Ｋｌ−ｌｚ。

１００ＫＩ−１ｚ　、　１メガヘルツの３種類の共振周
波数を持たせるとづる。

従来の厚さ一定、長さ可変方式だと、例えば厚さを０．
５μｍとした場合、梁の長さはそれぞれ２７０μｍ　、
８５μｍ　、２７μｍとなり、それぞれを２．５％の精
度で作らねばならない。

従って、最高で１メカヘルツの梁に対して０゜７μｍ以
下の精度を要求され、これを満たすのは極めて困難であ
った。一方、高周波においても精度を保つため梁の厚さ
を厚・くすると、低周波側の梁を非常に長くしなければ
ならず、技術的困却が伴うとともに、素子形状も大きく
なる欠点がある。

ところか、本発明の長さ一定、厚さ可変描造においては
、同様の共振周波数特性を持１．ｌ：ホるｌこめに、梁
の長さを１５０μｍとすると、梁の厚さをソ４’Ｌソｈ
０．１５Ｉｌｎ　、　１　、５μｍ　、　１５Ｉｌｎと
すれば良く、梁の厚さは約５０人の精度て”１ｌｉｌＪ
御できるので充分な精度を保てる。

第６図〜第８図には他の実施例を示す。この実施例は、
梁の厚さが部分的に異なることを特徴とする実施例であ
り、第１図に示した実施例と異なる部分（梁の部分の断
面図）のみを扱き出して示しておる。

第６図〜第８図において、各梁における厚さの異なる部
分２３の位置は梁の先端に限定される必要はない。また
２３の長さ、厚さは１種類［こ限定する必要はない。

また、このような構成とすると、同一共振周波数を得る
のに梁の長さを短くできる。

第９図は、同一の半導体基板上では同一の長さの梁を有
し、それぞれの梁の厚さの異なった半導体基板を一体に
組込／ｖであることを特徴とする他の実施例であり、特
徴的な部分のみ図示し、第１図に、示した実施例と同一
の部分は省略しである。

第１０図、第１１図はそれぞれ第９図中Ａ−Ａ−の断面
図、Ｂ−８−の断面図を示したものｃ′ある。

半導体基板２４中に設けられている片持ち梁２６．２７
は同一の長さを有してあり、半導体基板２５中に設レノ
られている片持ち粱’２８．２９は２６．２７と同一の
長さを有し、各梁はそれぞれ厚ざか異なるものである。

この実施例にＪ３ける振動周波数分析装置３０は、この
ような２種類以上の半導体基板を一体に絹込んである。

この実施例にａ−３いては、同一半導体基板上では同一
の梁の長さを有するため、例えば極端に共振周波数が異
なる梁が要求される場合でも、容易に製造できる。

以上）ボベたような梁構造を右づる半導体装置（こよる
振動周波数分析装置は、ノッキングセンサや加速度セン
サ、振動スペクトル分析装置等へ応用でき、この振動周
波数分析装置を第１２図及び第１３図に示ずように２次
元、３次元的に一体化することにより、２次元、３次元
の振動分析装置へ応用できる。

また、１方向の振動周波数が他方向に比べて著しく異な
るように場合でも、梁の厚さと長さで所望の共振周波数
が得られるよう設計した振動周波数分析装置を第６図の
Ｊ：うに一体に組込むことにより容易に振動分析ができ
る。

なお、前記実施例では片持ち梁の素材としてポリＳ１を
使用したが、これにかえて金や白金等のフッ酸に耐性の
ある素材でも良く、要するに梁となるべき部分を選択的
に厚みを変えて形成できる工程及び素材であれば良いの
である。

また、前記実施例の工程に変えて、先に本出願人提案の
ように、半導体基板の表面に耐アルカリエッチ性の絶縁
膜を被覆形成し、その絶縁膜上にポリＳ１からなる支持
台を形成し、その支持台の上面部にＰ形不純物を高温度
に注入し、その後に支持台の一部をアルカリエッチ液で
除去し、これによりＰ十不純物の混入された表面層部分
を梁として残す方法でも良く、つＪ、すＰ形不糾物層の
厚さを、注入度合によって異ならせるだけて゛良い。

更に、各実施例は片持ち梁についＣ説明したがこの発明
による思想は両持ち梁にも適用できることは勿論である
。

以上説明してぎたように、この発明ににればその構成を
半導体基板上に同一長さの梁を複数本形成するとともに
、各梁の厚さを適宜異ならせることにより、各梁の共振
周波数を互いに異ならせてなることを特徴どするもので
あるから、所望の共振周波数に対して梁の厚さ、長さを
精度良く設定でさ、従って高粘度の振動周波数分（１１
装蔚を１０ることがて゛きるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる梁構造を右づる半導体装置の一
例を示ず平面図、第２図は同へ−へ′線断面図、第３図
は同装置のＢ−Ｂ　′線断面図、第４図は同装置のｃ−
ｃ′線断面図、第５図（ａ　）〜（ＩＩＩ　）は本発明
装置の工程図、第６図〜第８図は、本発明装置の他の実
施例の要部断面図、第９図は本発明装置の更に他の実施
例を示づ平面図、第１０図は同Ａ−Ａ　′線断面図、第
１１図は同Ｂ−１：３　′線断面図、第′１２図、第１
３図（Ｊ本発明装置の取イ」状態の一例を承り図である
。 特許出願人 ［］産自動車株式会社 第６図 ２駕 第７図 ３ 第８図 ３ 第９図 ０ 第１０図 Ｃ 第１１図 Ｒ 第１２図 第１３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に同一長さの梁を複数本形成すると
   ともに、６梁の厚さを適宜異ならせることにより、６梁
   の共振周波数を互いに異なら氾てなることを特徴とする
   梁構造を有づる半導体装置。