JPWO2002101836A1 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

犠牲層エッチングの技術を用いて可動部を製作する半導体装置において、犠牲層エッチング工程時の可動部のスティッキングを防止するために、犠牲層エッチング工程前に可動部に補強層を形成し、一時的に可動部剛性を上げ、犠牲層エッチング工程終了後に補強層を除去する。可動部の剛性を必要以上に増すこと無く可動部のスティッキングを解決し、歩留まりの良い半導体装置を提供することができる。

Description

技術分野
本発明は犠牲層エッチング手法を用いて製作される半導体装置、例えば容量式半導体圧力センサやアクチュエータの構造およびその製造方法に関する。
背景技術
第２６図に示すように、特表平８−５０１１５６号には、犠牲層エッチング手法を用いて製作された静電容量式圧力ゲージが記載されている。以下、その構造および動作原理について具体的に述べる。
シリコン基板１の表面に固定電極３が形成されており、その上面には基板保護膜５および空隙６を挟んでポリシリコン膜からなるダイアフラム７が形成されている。このダイアフラム７は導電性であり、対向している固定電極３との組み合わせによりコンデンサを形成している。空隙６は、基板保護膜５とダイアフラム７との間に形成された複数のエッチチャンネル１２を介して外部空間に延びているが、ダイアフラム７の外周辺部にはこのエッチチャンネル１２の入り口を塞ぐ様に、シリコン酸化膜からなる封止膜１０が形成されている。その結果、空隙６の内部は真空封止状態となり、圧力を検出する際の圧力基準室となる。
外圧が変化すると第２７図に示すように、ダイアフラム７が圧力基準室内との差圧に応じて基板１側に撓み、ダイアフラム７と固定電極３との間のギャップが変化して、容量変化ΔＣが生じる。この容量値を、一般に知られたスイッチトキャパシタ回路等によって電圧値に変換し、圧力に依存した出力電圧を得る。
この圧力ゲージの特徴は、犠牲層エッチング手法を用いて圧力基準室となる空隙６を形成している点である。この手法では第２８図に示すように、まず犠牲層１０６を形成後、その上面に犠牲層１０６の材質と異なる異種材料のダイアフラム７を形成する。そして、エッチャントと呼ばれるエッチング剤を用いて犠牲層１０６のみを選択的にエッチングし、所望形状の空隙を得る。
この手法によれば、ダイアフラムとなる構造体をポリシリコン等の薄膜部材で製作することができ、ＬＳＩ製作技術に準じたプロセスとなるので、圧力ゲージと出力調整回路を一体に製作することも可能となり、圧力センサの低コスト化が図れる。しかし、この様な表面プロセス型圧力ゲージにおいては、製作時に次のような不具合が発生する可能性がある。
前述の犠牲層エッチングにおいては、液体のエッチャントを用いることが多いが、空隙６は数μｍ程度であり非常に狭いため、第２９図に示すように空隙６に残留した液体のエッチング液が乾燥する際に、液体の表面張力によってダイアフラム７と基板１が張り付きを起こす、いわゆるスティッキング現象が発生し易い。
このようなスティッキングの問題を回避するために、次のような対策が考えられている。一つはＳｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ６７（１９９８）２１１−２１４の記述にあるように、ドライエッチングによって犠牲層を除去する方法である。この論文では、犠牲層であるシリコン酸化膜をＨＦガスによりエッチングする技術が紹介されているが、エッチング中に水滴が発生するため間欠的に水滴を除去しなければならない。
また他の方法として凍結乾燥法がある。これは、犠牲層をエッチング後に水洗し、微小ギャップ中の水分が乾燥する前に昇華する性質を持つ液体に置換し、凍結して乾燥するものである。これにより、ギャップ中に充填された液体が固体から液体を経ずに直接気体となるため、表面張力によるスティッキングを回避できるが、設備やプロセスが複雑となり大量生産には適さない。
また、スティッキングを回避する最も単純な方法として、液体の表面張力に打ち勝つ程度までダイアフラムの剛性を高めることが考えられるが、圧力印加時のダイアフラム変位量が小さくなり、圧力に対する感度が減少する。そこで、特開平７−７１６１に示される差圧センサでは、第３０図に示すように犠牲層エッチング時にポリマー１１２を用いてダイアフラムを垂直方向から支持するポスト１３を設け、一時的にダイアフラム７の剛性を上げ、その後にポスト１３を除去しダイアフラム７の剛性の適正化を図るアイディアが述べられている。しかし、この方法ではポスト１３の製作のためにプロセスが複雑となるほか、ポスト除去時に犠牲層除去後のギャップ空間と外部空間が導通するので、絶対圧センサに適用するためにはポスト除去後の空間を塞ぐ加工が新たに必要となる。
本発明は、可動部の感度を犠牲にすること無く、シンプルな方法により犠牲層エッチング時における可動部のスティッキングを解決し、製造時の歩留まりを向上させることを目的とする。
発明の開示
本発明は、犠牲層エッチングの技術を用いて可動部を製作する半導体装置において、犠牲層エッチング工程時に可動部に補強層を追加することにより一時的に可動部の剛性を上げ、犠牲層のエッチング工程終了後にこの補強層を除去するものである。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。第１図は本発明に係る半導体圧力センサゲージの一実施例を示す平面図、第２図はそのＡ−Ａ‘線に沿う断面図であり、第１図と第２図を用いてその構造について説明する。シリコン基板１上に、絶縁層２を介してポリシリコンから成る固定電極３が形成されている。固定電極３上には、絶縁層４、基板保護膜５が形成され、その上部には空隙６を介して可動電極として機能するダイアフラム７が形成されている。空隙６が外部と接する入り口であるエッチチャンネル１２の外側には、封止材１０が堆積されており、空隙６内を真空封止している。また、ダイアフラム７の上面にはエッチングストッパ膜８が形成され、さらにその周辺には補強層９が設けられる。また、補強層９と封止材１０を覆うように防水膜１１が形成されている。固定電極３と導電性のダイアフラム７によってコンデンサが形成されており、先に示した第２７図で説明したと同様の原理によって圧力を検出する。
次に製作方法について説明する。本センサの製作プロセスは、ＬＳＩ製作プロセスに準じている。まず第３図に示すように単結晶シリコン基板１０１を熱酸化し、基板上面に絶縁層となるシリコン酸化膜１０２を形成する。次に、第４図に示すようにその表面にポリシリコン膜１０３をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で形成し、リン等の不純物を拡散して導電化した後、ホトエッチング技術で所望形状の固定電極を得る。
次に、第５図に示すように基板表面にバリア層としてＣＶＤによりシリコン酸化膜１０４、シリコン窒化膜１０５を順次形成する。その後、第６図に示すようにＣＶＤによりリンガラス（ＰＳＧ）からなる犠牲層１０６をシリコン窒化膜１０５上に形成する。この犠牲層の厚みは、後に形成される所望の空隙高さ（電極ギャップ）とほぼ同じにする。この犠牲層１０６を、ホトエッチング技術により加工し、一括して所望の空隙形状、ダイアフラム基板固定部形状、エッチチャンネル形状を得る。
次に、第７図に示すように犠牲層１０６を覆うようにＣＶＤによりダイアフラムとなるポリシリコン膜１０７を形成し、リン等の不純物を拡散して導電化する。このポリシリコン膜厚は、所望の圧力感度が得られる膜厚に設定しているが、後述する犠牲層エッチングの際のスティッキングを防止するため、第８図に示すようにポリシリコン膜１０７上面に、エッチングストッパ膜としてＣＶＤによりシリコン窒化膜１０８を形成し、さらにその上面に補強層１０９としてＣＶＤによりポリシリコン膜１０９を形成する。これにより、ダイアフラム膜の剛性を一時的に増加させることができる。
次に、第９図に示すようにダイアフラム層、エッチングストッパ層、補強層の３層を、一括して所望のダイアフラム形状となるようホトエッチング技術により加工する。ここでエッチチャンネルより犠牲層１０６の一部が外部に露出する。この基板をフッ酸系エッチング液に浸すと、第１０図に示すように前記エッチチャンネルを介して犠牲層１０６のみが除去され、シリコン窒化膜１０５とポリシリコン膜１０７に挟まれた微小空隙６が形成される。この際、ダイアフラム部は補強層１０９が積層されているので、エッチング液が乾燥する際の表面張力に十分に対抗できる膜剛性を有しており、前述のスティッキング現象を防止できる。
次に、第１１図に示すようにＣＶＤにより基板とダイアフラム部を覆うようにシリコン酸化膜１１０を形成する。その後、第１２図に示すようにホトエッチング技術により所望の形状に加工する。その際、エッチングの方向に異方性があり、膜厚方向のエッチングレートが速いことを利用し、側面のエッチチャンネル封止部のみを残してエッチング除去する。
次に、ダイアフラム側面のシリコン酸化膜、およびダイアフラム上面のポリシリコン膜を覆う様に、防水層として機能するポリシリコン膜１１１をＣＶＤにより形成する。これは、ＣＶＤにより形成されたシリコン酸化膜は透水性であることを考慮し、シリコン酸化膜表面を不透水性のポリシリコン膜で覆うことにより、空隙内部に水分が浸透して特性変化が生じるのを防ぐためである。
最後に、第１４図に示すようにダイアフラム中央部の膜厚が、所望の圧力感度が得られる膜厚となるように、エッチングストッパ膜に到達するまで、ポリシリコン膜１１１、ポリシリコン膜１０９をエッチング除去する。その際、エッチングストッパ膜によって、ダイアフラムとなるポリシリコン膜１０７がエッチングされるのを防ぐことができる。以上の工程によってゲージ構造が完成する。
以上述べたように、犠牲層エッチング工程において補強層１０９により一時的にダイアフラムの剛性を上げ、犠牲層エッチング工程後に補強層を除去することにより、圧力感度を犠牲にすること無くダイアフラム７のスティッキングを解決し、歩留まりの良い圧力ゲージを提供することができる。
他のダイアフラム補強の方法としては第１５図に示すように、ポリシリコン膜１０７を厚く堆積する方法がある。この場合、犠牲層エッチング工程後に所望の膜剛性を得るには、ポリシリコンのエッチングレートを考慮して、所望のエッチング量となるようにエッチング時間を決めて中央部をエッチングする。また第１６図に示すように、補強層をダイアフラム層とは異なる材料とし、エッチングストッパ層を省略する方法がある。
次に本発明の圧力ゲージと容量検出回路を集積化した圧力センサ２０１の構成例を第１７図に示す。本センサは、圧力ゲージ２０２、参照容量素子２０３、容量検出回路２０４、電極パッド２０５より構成されている。参照容量素子２０３は、第１８図に示すような圧力ゲージとほぼ同形状ながら、ダイアフラム中央部に支柱２０６を設けており、圧力に応じて容量値が変化しない構造となっている。ここで、圧力センサに圧力が加わると、参照容量素子２０３は容量変化が発生しないのに対し、圧力ゲージ２０２は容量変化ΔＣが発生する。この差分を容量検出回路２０４によって電圧値に変換し、その値は電極パッド２０５に出力される。
次にこの容量検出回路の回路構成を第１９図に示し、その動作を説明する動作波形を第２０図に示す。本実施例は、圧力ゲージ容量（Ｃｓ）３０５、参照容量素子容量（Ｃｒ）３０４、定電圧源３１１、３１２、スイッチ３２１、３２２、３２３、３２４、３３１、３３２、コンデンサ（Ｃｆ）３０６、オペアンプ３０７、反転器３８１、出力端子３０９で構成される。
スイッチ３２１、３２３、３３１は駆動信号φ１で、スイッチ３２２、３２４、３３２は逆位相（φ１Ｂ）で駆動される。
また、反転器３８１は入力信号を−１倍して出力させるもので、オペアンプを使った簡単な反転増幅器や、スイッチドキャパシタ回路などで容易に実現できる。
仮に初期値としてＶｏｕｔ＝０Ｖと考えると、スイッチ３２１、３２３、３３１がオンしているときはＣｓ、Ｃｒともに電荷が充電されていないが、スイッチ３２２、３２４、３３２がオンした瞬間にＣｓとＣｒに電荷ＱｓとＱｒがそれぞれ充電される。もし、ＱｓとＱｒが等しければ、積分用コンデンサＣＦには電流が流れ込まず、従って出力Ｖ_０、Ｖｏｕｔともに０Ｖのままとなる。ここで圧力等の力が加わりＣｓが増加した場合、ＱｓがＱｒよりも大きくなるため、Ｃｓに充電される電荷量ＱｓとＣｒに充電される電荷量Ｑｒの差分がコンデンサＣｆに積分される。このときの電圧Ｖ_０は（７）式に従う。

出力電圧ＶｏｕｔはＶ_０の−１倍の出力になるため、センサ出力Ｖｏｕｔは（８）式に従う。

従って、次のスイッチ動作ステップではＣｓへはＶｃｃ−Ｖｏｕｔ分の電圧が加わるようになる。最終的にはＣｓに充電される電荷量とＣｒへ充電される電荷量が等しくなるところまで出力電圧Ｖｏｕｔは変化し、安定する。その最終出力電圧は

となる。このような回路構成とすることによって圧力Ｐに対しリニアな出力電圧が得られる。
次に本発明の圧力ゲージを実装し、自動車エンジン制御用吸気圧センサとした実施例を第２１図に示す。圧力センサは、圧力ゲージチップ４０１および増幅回路チップ４０２、それらを接着するベースとなるリードフレーム４０３、圧力導入孔付きカバー４０４、コネクタ部４０５から成り立つ。圧力ゲージチップ４０１および増幅回路チップ４０２をリードフレーム４０３に接着した後、チップの端子とフレーム間のワイヤボンディングを行う。その後、その上面をゲル４０６で覆った後、圧力導入孔付きカバー４０４を接着し完成する。
次に本発明に基づき製作された圧力センサを、自動車のエンジン制御システム用吸気圧センサとして用いた例を図２２示す。外気はエアクリーナ５０１を通過後、吸気管５０２内に導入され、スロットルバルブ５０３によって流量が調整された後に吸気マニホールド５０４内に導入される。吸気マニホールド５０４内には本発明の圧力センサ５０５が設置されており、吸気マニホールド５０４内の圧力を検出する。エンジンコントロールユニット５０９は、この圧力センサ５０５の信号とエンジン回転数の信号をもとに吸気量を算出し、その吸気量に最適な燃料噴射量を算出してインジェクター５０６に噴射信号を送る。インジェクター５０６より噴射されたガソリンは吸気と混合して混合気となり、吸気バルブ５０８開時に燃焼室５０９内に導入され、ピストン５１０により圧縮された後に点火プラグ５０７によって爆発燃焼する。
本実施例のような自動車のエンジン制御システム用の吸気圧センサにおいては、高い信頼性のほか、低コストであることが要求される。圧力センサの低コスト化を図るには、製造時の歩留まりを上げることが重要であるが、前述のアイディアを適用することにより、製造時のダイアフラム破損を防止して歩留まりを向上させ、圧力センサの低コスト化を実現することができる。
なお、本発明は圧力センサのダイアフラムの製作のみならず、犠牲層エッチングの手法を用いて形成された可動部と微小ギャップ空間を有する他の半導体装置にも適用可能である。
以下に、その実施例を述べる。本発明を容量式加速度センサに適応した例について第２３図を用いて説明する。容量式加速度センサ６０１はマス部兼可動電極６０２とそれを支える片持ち梁６０３、マス部に対向して設けられた固定電極３から成り立っている。加速度に応じてマス部兼可動電極６０２が変位して可動電極―固定電極間の電極ギャップが変化し、容量変化が起きることを利用した加速度センサであり、梁の膜厚により加速度に対する感度を調整できる。感度を高めるためには、梁の膜厚を薄く設定すれば良いが、犠牲層エッチング時のスティッキングが起きやすくなる。そこで、本発明の製法を用いて犠牲層エッチング時にのみ梁の膜厚を厚くし、犠牲層エッチング後に梁の膜厚を薄くして適正化することにより、感度を犠牲することなく製作時の歩留まりを向上させることが出来る。
次に本発明を容量式赤外センサに適応した例について第２４図を用いて説明する。容量式赤外センサ７０１は、前述の容量式加速度センサと同様の構成であるが、可動電極がバイメタル構造となっており、赤外光を吸収した際に発生する熱によりバイメタル構造可動電極７０２が変形し、容量変化が起きることを利用したセンサである。このセンサにも加速度センサと同様に本発明を適用することにより、可動部剛性を必要以上に増すことなく犠牲層エッチング時のスティッキングを防止できる。
最後に本発明をエアフローセンサに適応した例について第２５図を用いて説明する。エアフローセンサ８０１は電気抵抗値が温度に大きく依存するヒーター８０２を有している。空気量検出原理としては、ヒーター８０２を通電し発熱させた状態で空気流路中に曝すと、その周囲を流れる空気の流量に応じて熱が奪われ、ヒーター８０２の電気抵抗値が変わることを利用するものである。このセンサにおいては熱容量を減らしレスポンスを上げるため、ヒーター８０２をダイアフラム８０３上に形成している。ダイアフラム８０３が薄いほど熱容量が下がるが、製作時のスティッキングが起こりやすくなる。そこで、本発明を適用し、犠牲層エッチング時にはダイアフラムを厚くして剛性を上げ、スティッキングを防止し、犠牲層エッチング後にダイアフラムを薄層化することにより、製作時の歩留まりを向上し、且つ熱容量の小さなエアフローセンサを実現出来る。
産業上の利用可能性
本発明により、可動部の剛性を必要以上に増すこと無く可動部のスティッキングを解決し、歩留まりの良い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による圧力ゲージの一実施例を示す平面図である。
第２図は、第１図のＡ−Ａ‘線に沿う断面図である。
第３図ないし第１４図は、本発明による圧力ゲージの一実施例の製作工程を示した図である。
第１５図は、本発明による圧力ゲージの他の一実施例の断面図である。
第１６図は、本発明による圧力ゲージのさらに他の一実施例の断面図である。
第１７図は、本発明による圧力センサの一実施例の断面図である。
第１８図は、参照容量素子の平面図である。
第１９図は、本発明による圧力センサの容量検出回路の回路図である。
第２０図は、本発明による圧力センサの容量検出回路の動作を説明する図である。
第２１図は、本発明による圧力センサの実装構造を示した図である。
第２２図は、本発明による半導体圧力センサを用いた自動車のエンジン制御システムを示した図である。
第２３図は、本発明による加速度センサの一実施例の製作工程の一部を示した図である。
第２４図は、本発明による赤外センサの一実施例の製作工程の一部を示した図である。
第２５図は、本発明によるエアフロセンサの一実施例の製作工程の一部を示した図である。
第２６図は、圧力ゲージの従来例の断面図である。
第２７図は、圧力ゲージの従来例の動作原理を示す図である。
第２８図は、圧力ゲージの従来例の製作工程の一部を示す図である。
第２９図は、圧力ゲージの従来例の製作工程の一部を示す図である。
第３０図は、圧力ゲージの従来例の製作工程の一部を示す図である。

Claims (6)

1. 犠牲層エッチングの手法を用いて形成され、半導体基板上に前記基板と空間を介して対向する可動構造体を有する半導体装置において、前記可動構造体は、犠牲層エッチング工程時に、構造体主構成部材、構造体補強部材からなり、犠牲層エッチング終了後、構造体補強部材の一部または全部を除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１および２記載の半導体装置の製造方法において、前記構造体主構成部材と構造体補強部材は同材料であり、前記部材間に異材料からなるエッチングストッパ層を有する半導体装置の製造方法。
3. 請求項１および２記載の半導体装置の製造方法において、前記構造体主構成部材と構造体補強部材は異材料である半導体装置の製造方法。
4. 半導体基板と、周辺部が前記半導体基板上に接し、中央内部が所定の間隔を隔てて前記半導体基板と対向し、空間を形成する可動構造体と、前記可動構造体の周辺部に設けられる補強部材を備え、前記補強部材の中央部は、犠牲層エッチングの工程時において、前記可動構造体中央部と接着し、犠牲層エッチング終了後除去されることを特徴とする半導体装置。
5. 半導体基板と、周辺部が前記半導体基板上に接し、中央内部が所定の間隔を隔てて前記半導体基板と対向し、空間を形成する可動構造体と、前記可動構造体の周辺部に設けられ、前記可動構造体と同じ材料である補強部材と、前記可動構造体と前記補強部材間に挿入され、両部材と異なるエッチングストッパ層を備え、前記補強部材の中央部は、犠牲層エッチングの工程時において、前記可動構造体中央部と接着し、犠牲層エッチング終了後除去されることを特徴とする半導体装置。
6. 可動構造体と補強部材は互いに異なる材料である請求項５の半導体装置。

Images