JP4214584B2 - 半導体力学量センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハを用いて梁構造体を形成したセンサであり、例えば加速度、ヨーレート、振動等の力学量を検出するための半導体力学量センサおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の半導体力学量センサは、シリコンからなる第１の基板と、該第１の基板の上に形成された絶縁膜と、該絶縁膜の上に形成されたシリコンからなる第２の基板とから構成されるＳＯＩウェハを用意し、第２の基板に可動部としての梁構造体と固定部とを画定するための溝を形成し、梁構造体の下の絶縁膜をエッチング（犠牲層エッチング）により除去して、梁構造体を力学量の印加に応じて変位可能としたものである。
【０００３】
このようなものとして、例えば、特開平６−３４９８０６号公報に記載のものが提案されている。これは、単結晶シリコンからなる複数の層を備えたプレートに溝をエッチングすることにより加速度センサを製造するもので、このような方法においては単結晶シリコンからなる２層のプレート（第１及び第２の基板）の上側（第２の基板）に梁構造体を形成し、その２層のプレートの間に絶縁膜があり、この絶縁膜により梁構造体が支持固定された構成となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等の検討によれば、このような方法で梁構造体を製造する場合、梁構造体を固定するための絶縁膜の少なくとも一部を、エッチング除去しなくてはならず、これには正確な寸法制御が必要となる。例えば、絶縁膜を除去しすぎた場合など、梁構造体の支持が不安定となってしまう。
【０００５】
また、容量を検出する加速度センサにおいては、梁構造体に対向する形で固定電極を固定部に有している。この固定電極の下側の絶縁膜も同様にエッチング除去されてしまうため、固定電極は片持ち梁となるが、やはり、例えば絶縁膜を除去しすぎた場合等、動き易く、梁構造体と付着し易くなってしまう。
また、梁構造体の付着に関しては、第１及び第２の基板の間に静電気力が作用して、梁構造体が下側の第１の基板に付着しやすくなるという問題もある。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑み、ＳＯＩウェハを用いて絶縁膜をエッチングすることにより梁構造体を形成するようにした半導体力学量センサにおいて、梁構造体の支持が安定となるようなセンサ構成を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記半導体力学量センサであって、梁構造体に対向する形で固定電極を固定部に有するものにおいて、固定電極と梁構造体との付着を防止することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、第１及び第２の基板の間に作用する静電気力による梁構造体と第１の基板との付着を防止することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明においては、梁構造体（２Ａ）を、第２の基板（２）の表面から絶縁膜（６１）を貫通する溝（６４）に耐エッチング性を有する材料を埋め込むことにより形成された埋め込み部（３ａ〜３ｄ）によって、第１の基板（１）に支持固定したことを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、梁構造体（２Ａ）の下の絶縁膜（６１）をエッチングにより除去する際に、耐エッチング性を有する埋め込み部（３ａ〜３ｄ）は残り、エッチングする際における絶縁膜の正確な寸法制御を不要とできるため、この埋め込み部（３ａ〜３ｄ）によって梁構造体の第１の基板（１）への支持固定が適切になされる。従って、梁構造体の支持が安定となるようなセンサ構成を提供することができる。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のセンサにおいて、固定部（２Ｂ）の少なくとも一部が、梁構造体（２Ａ）に対向配置された固定電極（９ａ〜９ｄ、１１ａ〜１１ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１５ａ〜１５ｄ）を形成しているものについてなされたものである。
本発明によれば、該固定電極を、上記梁構造体（２Ａ）を支持固定する埋め込み部（３ａ〜３ｄ）とは別体のものであって第２の基板（２）の表面から絶縁膜（６１）を貫通する溝に耐エッチング性を有する材料を埋め込むことにより形成された埋め込み部（１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄ）によって、第１の基板（１）に確実に支持固定できるため、固定電極と梁構造体との付着を防止することができる。
【００１１】
また、請求項３記載の発明のように、耐エッチング性を有する材料をポリシリコン（３５）とすることで、シリコンを用いる通常の半導体プロセスとの整合性を持たせることができ、上記埋め込み部の材料として特殊な材料を用いることなく、簡単に製造可能な半導体力学量センサを提供することができる。
また、請求項４記載の発明では，絶縁膜としてシリコン酸化膜（３７）を用いているから、梁構造体を固定するための絶縁膜をエッチングする際に、シリコン酸化膜を犠牲層とした犠牲層エッチングを適切に行うことができる。特に、請求項２の発明との組み合わせでは、埋め込み部のポリシリコンとシリコン酸化膜とのエッチングレートの差が大きいため、ポリシリコンを残しつつシリコン酸化膜を適切に除去できる。
【００１２】
また、請求項５記載の発明のように、絶縁膜を第１の基板（１１０）の上に形成された比較的エッチングされにくいシリコン窒化膜（１１１）と、その上に形成された比較的エッチングされやすいシリコン酸化膜（１１２）とから構成することで、絶縁膜のエッチングの後に、梁構造体（８２Ａ）の下部にシリコン窒化膜を残すことができるため、梁構造体と第１の基板との絶縁性確保をより確実にできる。
【００１３】
また、請求項６記載の発明では、第１の基板（１２０）をＰ型不純物がドープされた基板とし、埋め込み部における耐エッチング性を有する材料（１２３）をＮ型不純物がドープされたものとし、第１の基板と埋め込み部とをＰＮ接合を形成することによって電気的に絶縁するようにしたことを特徴としている。それによって、特に、第１の基板と埋め込み部との間に絶縁膜等を設けることなく、簡単な構造にて、埋め込み部（８３ａ〜８３ｄ）及び梁構造体（８２Ａ）と第１の基板（１２０）との絶縁性が確保できる。
【００１５】
また、請求項７及び請求項８記載の発明においては請求項１に記載の構造の半導体力学量センサを適切に形成することができる。また、請求項９記載の発明においては、請求項５と同様の構造の半導体力学量センサを適切に形成することができ、請求項１０に記載の発明においては、請求項６と同様の構造の半導体力学量センサを適切に形成することができる
【００１６】
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本第１実施形態は、本発明を半導体加速度センサに適用したものである。より詳しくは、サーボ制御式の差動型半導体加速度センサに適用している。
図１は本実施の形態に係る半導体加速度センサの平面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【００１８】
半導体加速度センサは、図１及び図２に示す様に、単結晶シリコンからなる第１の基板１と、第１の基板１の上に形成された酸化膜（絶縁膜）３７と、酸化膜３７の上に形成された単結晶シリコンからなる第２の基板２とから構成されるＳＯＩウェハに半導体製造技術を利用した周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成されている。そして、第２の基板２には、可動部としての梁構造体２Ａと固定部２Ｂとが溝（図１にて斜線ハッチングで図示）にて分離形成されている。
【００１９】
梁構造体２Ａは、基板１側から突出する４つのアンカー部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄにより架設されており、基板１の上面において所定間隔を隔てた位置に配置されている。アンカー部３ａとアンカー部３ｂとの間には梁部４が架設されており、アンカー部３ｃとアンカー部３ｄとの間には梁部５が架設されている。
また、梁部４と梁部５との間には長方形状をなす質量部（マス部）６が架設されている。質量部６には上下に貫通する透孔６ａが設けられている。この透孔６ａを設けることにより、後述する犠牲層エッチングの際にエッチング液の進入を行い易くすることができる。
【００２０】
さらに、質量部６における一方の側面（図１においては左側面）からは４つの可動電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄが突出している。この可動電極７ａ〜７ｄは棒状をなし、等間隔をおいて平行に延びている。また、質量部６における他方の側面（図１においては右側面）からは４つの可動電極８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄが突出している。この可動電極８ａ〜８ｄは棒状をなし、等間隔に平行に延びている。ここで、梁部４、５、質量部６、可動電極７ａ〜７ｄ、８ａ〜８ｄは、その下部において酸化膜３７の一部も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。
【００２１】
また、可動電極７ａ〜７ｄが形成された側において、基板１の上面には４つの第１の固定電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄおよび第２の固定電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが固定されている。第１の固定電極９ａ〜９ｄは基板１側から突出するアンカー部１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄにより支持されており、梁構成体２Ａの各可動電極（棒状部）７ａ〜７ｄ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１１ａ〜１１ｄは基板１側から突出するアンカー部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄにより支持されており、梁構造体２Ａの各可動電極（棒状部）７ａ〜７ｄの他方の側面に対向して配置されている。
【００２２】
同様に、基板１の上面には第１の固定電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄおよび第２の固定電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄが固定されている。第１の固定電極１３ａ〜１３ｄは基板１側から突出するアンカー部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄにより支持され、かつ梁構造体２Ａの各可動電極（棒状部）８ａ〜８ｄ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〜１５ｄは基板１側から突出するアンカー部１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄにより支持されており、梁構造体２Ａの各可動電極（棒状部）８ａ〜８ｄの他方の側面に対向して配置されている。
【００２３】
ここで、各アンカー部３ａ〜３ｄ、１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄは、本発明でいう埋め込み部に相当し、後述するように、第２の基板２の表面から酸化膜３７を貫通する溝に耐エッチング性を有する材料を埋め込み、その後埋め込み部周囲の酸化膜３７を犠牲層エッチングで除去することにより形成される。
【００２４】
こうして、各アンカー部は、第１の基板１の上面から突出して第２の基板２の内部を貫通し、第２の基板２の表面まで延びており、梁構造体２Ａ及び各固定電極を、第１の基板１上に固定支持する（図２では、アンカー部３ｃ、１４ｄ、１６ｄを図示）。なお、その平面形状は、図１の例では、梁構造体２Ａのアンカー部３ａ〜３ｄは矩形枠状、固定電極のアンカー部１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄは固定電極に沿って延びた形状となっている。
【００２５】
詳しくは、アンカー部３ａ〜３ｄ、１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄは、絶縁膜３４とその内部のポリシリコン薄膜３５により構成され、絶縁膜３４は、後述する酸化膜３７をエッチングする際に用いるエッチング液で侵食されにくい薄膜（例えばシリコン窒化膜）で構成されている。特に、エッチング液はＨＦ（フッ素水素酸）が通常用いられるが、ＨＦではシリコン窒化膜はシリコン酸化膜に比べ、浸食量が小さく、製造するのに便利であるのでシリコン窒化膜が良い。
【００２６】
また、第２の基板２の上面には、不純物がドープされたポリシリコン等の導電性薄膜３９からなる配線２１、２２、２３、２４、２５が形成され、さらにその一部分の上にはアルミニウム電極からなる電極パッド（ボンディングパッド）４４ａ、４４ｂ、４４ｃが形成されている。
ここで、第２の基板２の上面のうち各配線２１〜２５の形成部分には、シリコン窒化膜等の絶縁膜３８が形成され、この絶縁膜３８上に、各配線２１〜２５は形成されている。各配線２１〜２５は、絶縁膜３８が除去された部分であるコンタクト２６ａ〜２６ｄ、２７ａ〜２７ｄ、２８ａ〜２８ｄ、２９ａ〜２９ｄ及び３０を介して、それぞれ、第２の基板２に形成された各固定電極９ａ〜９ｄ、１１ａ〜１１ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１５ａ〜１５ｄ及び梁構造体２Ａと導通している。
【００２７】
配線２１は梁構造体２Ａにおけるアンカー部３ｃの部分と電極パッド４４ｂとの間、配線２２は第１の固定電極９ａ〜９ｄと電極パッド４４ａとの間、配線２３は第２の固定電極１１ａ〜１１ｄと電極パッド４４ｃとの間、配線２４は第１の固定電極１３ａ〜１３ｄと電極パッド４４ａとの間、配線２５は第２の固定電極１５ａ〜１５ｄと電極パッド４４ｃとの間をそれぞれ電気的に接続している。こうして、電極パッド４４ａ、４４ｃは固定電極の電位を、電極パッド４４ｂは梁構造体２Ａ、即ち可動電極の電位を取出し可能となっている。
【００２８】
上記した構成において、梁構造体２Ａの可動電極７ａ〜７ｄと第１の固定電極９ａ〜９ｄとの間に第１のコンデンサが形成され、梁構造体２Ａの可動電極７ａ〜７ｄと第２の固定電極１１ａ〜１１ｄ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〜８ｄと第１の固定電極１３ａ〜１３ｄ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〜８ｄと第２の固定電極１５ａ〜１５ｄとの間に第２のコンデンサが形成される。
【００２９】
そして、第１、第２のコンデンサの容量に基づいて、図示しない制御回路によって、梁構造体２Ａに作用する加速度を検出することが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つの差動型静電容量を形成し、図示しない制御回路によって、２つの容量が等しくなるようにサーボ動作を行う。
【００３０】
次に、上記した半導体加速度センサの製造方法について述べる。図３〜図６は、図１中のＡ−Ａ断面を用いた工程図である。
まず、図３（ａ）に示す様に、単結晶シリコン（最終的に第１の基板１となる）６０上にシリコン酸化膜（酸化膜３７に相当）６１があり、その上に単結晶シリコン（最終的に第２の基板２となる）６２が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハ６３を用意する（ＳＯＩウェハ用意工程）。以下、区別するため、単結晶シリコン６０を下側単結晶シリコン６０、単結晶シリコン６２を上側単結晶シリコン６２という。
【００３１】
次に、図３（ｂ）に示す様に、梁構造体２Ａ、固定部２Ｂを画定するための溝（以下、画定溝という）６４を、上側単結晶シリコン６２にトレンチエッチング等により形成する（画定溝形成工程）。
次に、図３（ｃ）に示す様に、画定溝６４を埋めるように、上側単結晶シリコン６２の表面に、犠牲層薄膜としてのシリコン酸化膜６５を、ＣＶＤ法等により成膜する（犠牲層薄膜形成工程）。
【００３２】
次に、図３（ｄ）及び図４（ａ）に示す埋め込み溝形成工程を行う。梁構造体のアンカー部３ａ〜３ｄ及び固定電極のアンカー部１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄとなる部分（即ち埋め込み部を形成すべき部分）において、シリコン酸化膜６５及び上側単結晶シリコン６２を貫通するように、溝（以下、埋め込み溝という）６６を形成する。
【００３３】
さらに、図４（ａ）に示す様に、エッチング等により、上側単結晶シリコン６２の表面のシリコン酸化膜６５を除去しつつ、同時に、上側単結晶シリコン６２の下部のシリコン酸化膜６１にも埋め込み溝６６を形成する。このとき、シリコン酸化膜６５の膜厚とシリコン酸化膜６１の膜厚とを同じとしておくことで、上側単結晶シリコン６２上のシリコン酸化膜６５が無くなった時に、シリコン酸化膜６１の溝を完全に切り終えることができ、終点検出が容易となる。
【００３４】
次に、図４（ｂ）及び（ｃ）に示す耐エッチング膜形成工程を行う。まず、図４（ｂ）に示す様に、梁構造体及び固定電極と下側単結晶シリコン６０とを絶縁するためと、後述する配線用のポリシリコン（最終的に配線２１〜２５となる）と上側単結晶シリコン６２とを絶縁するために、埋め込み溝６６の内部及び上側単結晶シリコン６２上に、シリコン窒化膜６７を形成する。
【００３５】
次に、図４（ｃ）に示す様に、梁構造体のアンカー部及び固定電極のアンカー部（即ち埋め込み部）を形成するために、シリコン窒化膜６７が形成された埋め込み溝６６の内部及びシリコン窒化膜６７上に、ポリシリコン膜６８を形成する。
こうして、埋め込み溝６６は、耐エッチング膜に相当する両膜６７、６８によって充填されるのであるが、埋め込み溝６６における内側のポリシリコン膜６８が上記埋め込み部におけるポリシリコン薄膜３５に相当し、その外側のシリコン窒化膜６７が上記埋め込み部における絶縁膜３４に相当する。以上が耐エッチング膜形成工程である。
【００３６】
次に、図４（ｄ）に示す様に、ポリシリコン膜６８をシリコン窒化膜６７が出るまで、エッチングや研磨等により除去する。
次に、図５（ａ）に示す様に、梁構造体や固定電極の電位を取るためのコンタクト２６ａ〜２６ｄ、２７ａ〜２７ｄ、２８ａ〜２８ｄ、２９ａ〜２９ｄ及び３０を形成すべき部位において、シリコン窒化膜６７にコンタクト孔６９を形成する。
【００３７】
次に、図５（ｂ）に示す様に、コンタクト孔６９及びシリコン窒化膜６７上に導電性膜７０（例えばドープしたポリシリコン膜）を成膜する。
次に、図５（ｃ）に示す様に、上記電極パッド４４ａ〜４４ｃとなるアルミ電極７１を形成し、図５（ｄ）に示す様に、導電性膜７０をフォトリソグラフィによりパターニングし、上記配線２１〜２５を形成する。ここで、上記配線２１〜２５の下のシリコン窒化膜６７が上記絶縁膜３８となる。
【００３８】
次に、図６（ａ）に示す様に、シリコン窒化膜６７を犠牲層エッチングする領域だけ開口し、その後、図６（ｂ）に示す様に、沸酸等による犠牲層エッチングを行うことでシリコン酸化膜６１及びシリコン酸化膜（犠牲層薄膜）６５の全部もしくは一部を除去し、可動部としての梁構造体２Ａを形成する（犠牲層エッチング工程）。このとき、埋め込み溝６６部分の両膜６７、６８は耐エッチング性を有するため、エッチングされずに残り、上記各アンカー部を形成する。こうして、図２に示す半導体加速度センサが出来上がる。
【００３９】
なお、本例では、アンカー部（埋め込み部）に充填する耐エッチング性を有する材料として、シリコン窒化膜とポリシリコン薄膜とを用いたが、ポリシリコン薄膜だけとしたり、シリコン窒化膜だけとしたり、更には、シリコン窒化膜で覆われたシリコン酸化膜等でもよい。強度的には、シリコン窒化膜が最も強く、次いでポリシリコン膜、シリコン酸化膜の順である点と、シリコン窒化膜を厚膜化すると膜応力によりひび割れが発生する点などを考慮すると、プロセス的には、ポリシリコン膜が適している。
【００４０】
また、本例では、埋め込み部においてはポリシリコン薄膜の外側をシリコン窒化膜としているが、該シリコン窒化膜は、シリコン酸化膜よりも一層エッチングされにくい。本例では、犠牲層エッチングによりエッチングされる犠牲層薄膜及びＳＯＩウェハの絶縁膜がシリコン酸化膜であり、従って、エッチングの際、より確実に、埋め込み部即ち各アンカー部を残しつつシリコン酸化膜部分を除去できる。つまり、シリコン酸化膜を犠牲層とした犠牲層エッチングを適切に行うことができる。
【００４１】
このように本実施形態によれば、上記犠牲層エッチング工程において、耐エッチング性を有する材料からなるアンカー部３ａ〜３ｄ、１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄは残り、犠牲層エッチングを正確に時間制御（寸法制御）しなくても良く、工程管理を簡素化することができる。そして、残ったアンカー部によって梁構造体２Ａの第１の基板１への支持固定が適切になされ、梁構造体の支持が安定となるようなセンサ構成を提供することができる。
【００４２】
また、本実施形態によれば、固定電極９ａ〜９ｄ、１１ａ〜１１ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１５ａ〜１５ｄは、各アンカー部によって第２の基板２と確実に固定されることにより可動しないため、固定電極が梁構造体２Ａと付着することがなくなり、歩留まりを向上することができる。
さらに、本実施形態によれば、アンカー部３ａ〜３ｄ、１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄを、ポリシリコン膜３５とその外側を被覆する絶縁膜３４とで構成することにより、ポリシリコン膜３５が基板１と導通することを確実に防ぐことができ、固定電極と可動電極との間に発生した静電容量の電荷がリークしないという効果もある。
【００４３】
（第２実施形態）
図７は本第２実施形態に係る半導体加速度センサの平面図であり、図８は図７におけるＢ−Ｂ断面図である。以下、本実施形態について上記第１実施形態との違いを中心に説明する。本実施形態においても、半導体加速度センサは、単結晶シリコンからなる第１の基板８１、酸化膜（絶縁膜）９７、及び単結晶シリコンからなる第２の基板８２から構成されるＳＯＩウェハに形成されており、第２の基板８２には、可動部としての梁構造体８２Ａと固定部８２Ｂとが溝（図７にて斜線ハッチングで図示）にて分離形成されている。
【００４４】
梁構造体８２Ａは第１の基板８１側から突出する４つのアンカー部８３ａ、８３ｂ、８３ｃ、８３ｄにより架設されており、第１の基板８１の上面において所定間隔を隔てた位置に配置されている。アンカー部８３ａとアンカー部８３ｂとの間には梁部８４が架設されており、アンカー部８３ｃとアンカー部８３ｄとの間には梁部８５が架設されている。
【００４５】
さらに、梁部８４と梁部８５との間に架設された長方形状をなす質量部（マス部）８６における一方の側面（図７においては左側面）からは、４つの可動電極８７ａ、８７ｂ、８７ｃ、８７ｄが突出している。この可動電極８７ａ〜８７ｄは棒状をなし、等間隔をおいて平行に延びている。
また、質量部８６における他方の側面（図７においては右側面）からは４つの可動電極８８ａ、８８ｂ、８８ｃ、８８ｄが突出している。この可動電極８８ａａ〜８８ｄは棒状をなし、等間隔に平行に延びている。ここで、梁部８４、８５、質量部８６、可動電極８７ａ〜８７ｄ、８８ａ〜８８ｄは、その下部において酸化膜９７の一部も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。
【００４６】
また、第１の基板１の上面には４つの第１の固定電極８９ａ、８９ｂ、８９ｃ、８９ｄおよび第２の固定電極９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄが固定されている。第１の固定電極８９ａ〜８９ｄは、第１の基板８１側から突出するアンカー部９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄにより支持されており、梁構造体８２Ａの各可動電極（棒状部）８７ａ〜８７ｄの一方の側面に対向して配置されている。
【００４７】
また、第２の固定電極９１ａ〜９１ｄは、第１の基板８１側から突出するアンカー部９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｄにより支持されており、梁構造体８２Ａの各可動電極（棒状部）８８ａ〜８８ｄの他方の側面に対向して配置されている。このように、それぞれの可動電極８７ａ〜８７ｄ、８８ａ〜８８ｄに対し、片側一方のみに固定電極８９ａ〜８９ｄ、９１ａ〜９１ｄが配置されている。
【００４８】
また、第２の基板８２からなる配線９３、９４、９５が形成され、さらに一部分の上にはアルミ電極からなる電極パッド（ボンディングパッド）９６ａ、９６ｂ、９６ｃが形成されている。そして、配線９４は固定電極８９ａ〜８９ｄと電極パッド９６ｂの間、配線９５は固定電極９１ａ〜９１ｄと電極パッド９６ｃの間、配線９３は梁構造体８２Ａと電極パッド９６Ａの間を、それぞれ電気的に接続しており、電極パッド９６ｂ、９６ｃは固定電極の電位を、電極パッド９６ａは梁構造体８２Ａ、即ち可動電極の電位を取出し可能となっている。
【００４９】
ここで、本実施形態においては、上述のように、可動電極の片側一方のみに固定電極が配置された構成となっているが故に、図７に示す様に、固定電極８９ａ〜８９ｄ及び固定電極９１ａ〜９１ｄにおける質量部８６の反対側の端部は共通に連結された構造（共通構造）とでき、配線９３〜９５を第２の基板８２から構成できる。もし、上記第１実施形態のように、可動電極の両側に固定電極が配置された構成とした場合に、該共通構造とすると、１つの可動電極に対し、両側の２つの固定電極が同電位となってしまい、うまくサーボ制御できない。
【００５０】
そして、本実施形態においては、アンカー部８３ａ〜８３ｄ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄが、本発明でいう埋め込み部に相当する。各アンカー部は、上記第１実施形態と同様に、第１の基板８１の上面から第２の基板８２の表面まで貫通して形成されており、梁構造体８２Ａ及び各固定電極を、第１の基板８１上に固定支持する。また、各アンカー部は、上記第１実施形態と同様に、絶縁膜９８とその内部のポリシリコン薄膜９９とにより構成される。
【００５１】
上記した構成において、梁構造体８２Ａの可動電極８７ａ〜８７ｄと第１の固定電極８９ａ〜８９ｄとの間に第１のコンデンサが形成され、梁構造体８２Ａの可動電極８８ａ〜８８ｄと第２の固定電極９１ａ〜９１ｄとの間に第２のコンデンサが形成される。
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８２Ａに作用する加速度を検出することが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つの差動型静電容量を形成し、２つの容量が等しくなるようにサーボ動作を行う。
【００５２】
次に、本実施形態の半導体加速度センサの製造方法について述べる。図９〜図１１は、図７中のＢ−Ｂ断面を用いた工程図である。
まず、図９（ａ）に示す様に、単結晶シリコン（最終的に第１の基板８１となる）１００上にシリコン酸化膜（酸化膜９７に相当）１０１があり、その上に単結晶シリコン（最終的に第２の基板８２となる）１０２からなるＳＯＩウェハ１０３を用意する（ＳＯＩウェハ用意工程）。以下、区別するため、単結晶シリコン１００を下側単結晶シリコン１００、単結晶シリコン１０２を上側単結晶シリコン１０２という。
【００５３】
次に、図９（ｂ）に示す様に、梁構造体及び固定電極のアンカー部８３ａ〜８３ｄ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄとなる部分において、上側単結晶シリコン１０２をトレンチエッチングして溝（以下、埋め込み溝という）１０４を形成し、この埋め込み溝１０４を、さらに図９（ｃ）に示す様に、シリコン酸化膜１０１まで形成する。ここまでが埋め込み溝形成工程である。
【００５４】
次に、図９（ｄ）に示す様に、梁構造体及び固定電極と下側単結晶シリコン１００とを絶縁するためと、後述する犠牲層エッチングで侵食されないために、シリコン窒化膜１０５を、埋め込み溝１０４の内部及び上側単結晶シリコン１０２表面に形成する。
次に、図１０（ａ）に示す様に、上側単結晶シリコン１０２上のシリコン窒化膜１０５を、研磨やエッチング等により除去する。
【００５５】
次に、図１０（ｂ）に示す様に、梁構造体及び固定電極の各アンカー部８３ａ〜８３ｄ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄ（即ち埋め込み部）を形成するために、シリコン窒化膜１０５が形成された埋め込み溝１０４の内部及び上側単結晶シリコン１０２表面に、ポリシリコン膜１０６を形成する。
こうして、埋め込み溝１０４は、耐エッチング膜に相当する両膜１０５、１０６によって充填されるのであるが、埋め込み溝１０４における内側のポリシリコン膜１０６が上記埋め込み部におけるポリシリコン薄膜９９に相当し、その外側のシリコン窒化膜１０５が上記埋め込み部における絶縁膜９８に相当する。以上、図９（ｄ）〜図１０（ｂ）までが耐エッチング膜形成工程である。
【００５６】
次に、図１０（ｃ）に示す様に、上側単結晶シリコン１０２上のポリシリコン膜１０６を、研磨やエッチング等により除去する。
次に、図１０（ｄ）に示す様に、上記電極パッド９６ａ、９６ｂ、９６ｃとなるアルミ電極１０７を形成し、図１１（ａ）に示す様に、上側単結晶シリコン１０２をエッチングすることにより、梁構造体８２Ａ及び固定電極８９ａ〜８９ｄ、９１ａ〜９１ｄを画定するための溝（画定溝）１０８を形成する（画定溝形成工程）。
【００５７】
次に、図１１（ｂ）に示す様に、この画定溝１０８から、犠牲層エッチングを行い、シリコン酸化膜１０１の少なくとも一部をエッチング除去することにより梁構造体８２Ａを形成する（犠牲層エッチング工程）。このとき、埋め込み溝１０４部分の両膜１０５、１０６は耐エッチング性を有するため、エッチングされずに残り、上記各アンカー部を形成する。こうして、図８に示す半導体加速度センサが出来上がる。
【００５８】
ここで、本実施形態においても、アンカー部８３ａ〜８３ｄ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄを有することにより、上記第１実施形態と同様に、犠牲層エッチングにより正確に時間制御しなくても良く、工程管理を簡素化することができる。また、梁構造体の支持が安定となるようなセンサ構成を提供することができる。
【００５９】
また、固定電極８９ａ〜８９ｄ、９１ａ〜９１ｄにおいては、第１の基板１と確実に固定されることにより可動しないため、固定電極が梁構造体８２Ａと付着することがなくなり、歩留まりを向上することができる。
さらに、本実施形態においても、アンカー部を絶縁膜９８とポリシリコン膜９９とで構成することにより、ポリシリコン膜９９が第１の基板１と導通することを防ぐことができ、固定電極と可動電極との間に発生した静電容量の電荷がリークしない。
【００６０】
また、本実施形態では、上記第１実施形態と比較して工程が簡素になるため、製造が容易になる。また、電極までの配線９３〜９５に第２の基板２を用いており、上記第１実施形態の様に電極をポリシリコン配線で接続していないので、配線の段切れやコンタクト不良などによる断線が無いため、信頼性の高いセンサが製作できる。
【００６１】
（第３実施形態）
本第３実施形態に係る半導体加速度センサは、平面構成は上記図７（第２実施形態）と同様であるが、ＳＯＩウェハとして、第１の基板の上に、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、第２の基板が順次積層されたものを用いたことが異なる。つまり、第１及び第２の基板の間の絶縁膜をシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との２層としたものである。本実施形態の製造方法を図１２及び図１３に示す。なお、図１２及び図１３は図７中のＢ−Ｂ断面に対応した工程図であり、図１３（ｄ）は完成したセンサを示す図である。
【００６２】
まず、図１２（ａ）に示す様に、単結晶シリコン（最終的に第１の基板８１となる）１１０上にシリコン窒化膜１１１が形成され、その上にシリコン酸化膜１１２が形成され（これら両膜１１１、１１２が酸化膜９７に相当）、その上に単結晶シリコン（最終的に第２の基板８２となる）１１３が形成されてなるＳＯＩウェハ１１４を用意する（ＳＯＩウェハ用意工程）。以下、区別するため、単結晶シリコン１１０を下側単結晶シリコン１１０、単結晶シリコン１１３を上側単結晶シリコン１１３という。
【００６３】
次に、図１２（ｂ）に示す様に、梁構造体及び固定電極のアンカー部となる部分に上側単結晶シリコン１１３をトレンチエッチングして溝（以下、埋め込み溝という）１１５を形成し、この埋め込み溝１１５を、さらに図１２（ｃ）に示す様に、シリコン酸化膜１１２まで形成する。ここまでが埋め込み溝形成工程である。
【００６４】
次に、図１２（ｄ）に示す耐エッチング膜形成工程を行う。梁構造体及び固定電極の各アンカー部（即ち埋め込み部）を形成するために、埋め込み溝１１５の内部及び単結晶シリコン１１３表面に、ポリシリコン膜１１６を形成する。こうして、埋め込み溝１１５は、耐エッチング膜に相当するポリシリコン膜１１６によって充填される。
【００６５】
次に、図１３（ａ）に示す様に、上側単結晶シリコン１１３上のポリシリコン膜１１６を除去する。
次に、図１３（ｂ）に示す様に、電極パッドとなるアルミ電極１１７を形成し、図１３（ｃ）に示す様に、上側単結晶シリコン１１３をエッチングすることにより、梁構造体及び固定電極を画定するための画定溝１１８を形成する（画定溝形成工程）。
【００６６】
次に、図１３（ｄ）に示す様に、この画定溝１１８から、犠牲層エッチングを行い、シリコン酸化膜１１１の少なくとも一部をエッチング除去することにより梁構造体８２Ａ及び固定電極８９ａ〜８９ｄ、９１ａ〜９１ｄを形成し（犠牲層エッチング工程）、半導体加速度センサを完成させる。このとき、埋め込み溝１１５部分のポリシリコン膜１１６は耐エッチング性を有するため、エッチングされずに残り、アンカー部（埋め込み部）８３ａ〜８３ｄ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄを形成する。
【００６７】
以上のようなプロセスにより形成された本実施形態のセンサは、基本的に上記実施形態と同様の作用効果を奏するが、特に、ＳＯＩウェハにおける絶縁膜を第１の基板１の上に形成された比較的エッチングされにくいシリコン窒化膜１１１と、その上に形成された比較的エッチングされやすいシリコン酸化膜１１２とから構成することで、犠牲層エッチングの後に、梁構造体８２Ａの下部にシリコン窒化膜１１１を残すことができるため、各アンカー部をポリシリコン薄膜のみで埋めても、梁構造体８２Ａと単結晶シリコン１１０（即ち第１の基板８１）との絶縁性確保をより確実にできる。
【００６８】
また、本実施形態によれば、フォトリソグラフィの回数が３回であり、上記第１実施形態（６〜７回程度）に比べて少なく、マスク枚数が少なくてすむ。これにより低コストで精度の高いセンサを形成することができる。
（第４実施形態）
図１４に、本発明の第４実施形態を示す。本実施形態も平面構成は上記図７（第２実施形態）と同様であるが、ＳＯＩウェハにおいて、第１の基板をＰ型不純物がドープされた基板とし、埋め込み部における耐エッチング性を有する材料をＮ型不純物がドープされたものとし、第１の基板と埋め込み部とを、ＰＮ接合を形成することによって電気的に絶縁するようにしたことを特徴とするものである。図１４は、図７中のＢ−Ｂ断面に対応した梁構造体（梁部８５、可動電極８７ｃ、８７ｄ部分）及び固定電極（９０ｃ、９０ｄ）部分の断面図である。
【００６９】
本実施形態の半導体加速度センサを構成する基板は、単結晶シリコン（本発明でいう第１の基板）１２０の上にシリコン酸化膜（本発明でいう絶縁膜）１２１があり、その上に単結晶シリコン（本発明でいう第２の基板）１２２からなるＳＯＩウェハであって、単結晶シリコン１２０はＰ型の不純物がドープされた基板である。なお、図１４中、符号Ｄは単結晶シリコン１２０におけるＰ型不純物がドープされた部分である。
【００７０】
このＳＯＩウェハの製造方法としては、予めＰ型にドープされたウェハを単結晶シリコン１２０として用いて接合することによりＳＯＩウェハを製造しても良いし、Ｎ型のウェハの接合面にＰ型の不純物（ボロン等）をイオン注入などによりドープしたものを単結晶シリコン１２０とし、その後接合することによりＳＯＩウェハを製造しても良い。さらには、Ｐ型のウェハの接合面にＰ型の不純物を更にイオン注入などによりドープしたものを単結晶シリコン１２０としても良い（第１の基板へのＰ型の不純物ドープ工程）。
【００７１】
そして、梁構造体と固定電極のアンカー部８３ａ〜８３ｄ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄとなるポリシリコン膜（耐エッチング膜）１２３は、Ｎ型不純物がドープされたものを用いる。ここで、ポリシリコン膜１２３へのＮ型不純物のドープは、シリコンとＮ型不純物（例えばリン等）との２種類あるいはこれらの混合物を一般的にはシリコンとＮ型不純物（リン等）の材料ガスを用いたＣＶＤで作製することで可能である（耐エッチング膜へのＮ型不純物ドープ工程）。
【００７２】
そして、単結晶シリコン１２０とポリシリコン膜１２３は、ＰＮ接合となるため、ポリシリコン膜１２３に対して単結晶シリコン１２０にプラスのバイアスを印加すれば、ポリシリコン膜１２３は単結晶シリコン１２０に対して絶縁となる。
よって、本実施形態によれば、単結晶シリコン（第１の基板）１２０とアンカー部（埋め込み部）８３ａ〜８３ｄ、９０ａ〜９０ｄ、９２ａ〜９２ｄとの間に、更なる絶縁膜（例えば上記のシリコン窒化膜３４、１１１等）等を設けることなく、簡単な構造にて確実に、梁構造体８２Ａと単結晶シリコン１２０との絶縁性を確保できる。
【００７３】
（第５実施形態）
本第５実施形態は、ＳＯＩウェハにおいて、第２の基板の表面から絶縁膜を貫通する溝に導電性を有する材料を埋め込むことにより形成された導電部によって、第１の基板の電位を第２の基板上に取り出し可能としたことを特徴とするものである。本実施形態は本発明の参考例である。図１５に本第５実施形態を示す。
【００７４】
導電部２Ｃは、例えば上記図７における破線丸部分Ｋに設けられる。図１５において、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
ＳＯＩウェハにおいて、周囲の固定部８２Ｂとは溝を介して絶縁された単結晶シリコン（第２の基板）８２からなる分離部１３０と、分離部１３０の上に形成されたアルミ電極１２９と、分離部１３０の表面から内部を通り、単結晶シリコン（第１の基板）８１に電気的に接続された導電性膜（本発明でいう導電部）１２８とが形成されている。
【００７５】
導電性膜１２８は、例えば、上記第２実施形態における埋め込み溝形成工程において、導電性膜１２８の形成部位に単結晶シリコン８２の表面から酸化膜（絶縁膜）９７を貫通する溝を同時に形成し、耐エッチング膜形成工程の前に、この溝に導電性を有する材料（例えば、ドープされたポリシリコン等）を埋め込む（導電膜形成工程）ことにより形成される。
【００７６】
そして、導電性膜１２８により両単結晶シリコン８１、８２は電気的に接続されており、アルミ電極１２９と単結晶シリコン８１とを電気的に接続することができる。これにより固定電極等と同様に、単結晶シリコン８１の電位をアルミ電極１２９で取り出すことができ、両単結晶シリコン８１、８２を同電位にできるから、梁構造体８２Ａが下側の単結晶シリコン８１に静電気で付着するのを防止することができる。
【００７７】
以上、各実施形態において、梁構造体の支持が安定となるようなセンサ構成を提供することができるのであるが、本発明は上記した半導体加速度センサに限らず半導体ヨーレートセンサなどの力学量センサにも適用することができる。
つまり、シリコンからなる第１の基板と、第１の基板の上に形成された絶縁膜と、絶縁膜の上に形成されたシリコンからなる第２の基板とから構成されるＳＯＩウェハを用意し、第２の基板に可動部としての梁構造体と固定部とを画定するための画定溝を形成し、梁構造体の下の絶縁膜をエッチングにより除去して、梁構造体を力学量の印加に応じて変位可能とした半導体力学量センサに対して、共通に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体加速度センサの平面構成を示す図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図２に示す半導体加速度センサの製造方法を示す工程図である。
【図４】図３に続く製造方法を示す工程図である。
【図５】図４に続く製造方法を示す工程図である。
【図６】図５に続く製造方法を示す工程図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る半導体加速度センサの平面構成を示す図である。
【図８】図７中のＢ−Ｂ断面図である。
【図９】図８に示す半導体加速度センサの製造方法を示す工程図である。
【図１０】図９に続く製造方法を示す工程図である。
【図１１】図１０に続く製造方法を示す工程図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る半導体加速度センサの製造方法を示す工程図である。
【図１３】図１２に続く製造方法を示す工程図である。
【図１４】本発明の第４実施形態に係る半導体加速度センサの断面構成を示す図である。
【図１５】本発明の第５実施形態に係る半導体加速度センサの構成を示す図である。
【符号の説明】
１、６０、８１、１００、１１０、１２０…単結晶シリコン（第１の基板）、
２、６２、８２、１０２、１１３、１２２…単結晶シリコン（第２の基板）、
３７、６２、９７、１０１、１１１、１２１…シリコン酸化膜（絶縁膜）、
１１２…シリコン窒化膜（絶縁膜）、６３、１０３、１１４…ＳＯＩウェハ、
２Ａ、８２Ａ…梁構造体、２Ｂ…固定部、
９ａ〜９ｄ、１１ａ〜１１ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１５ａ〜１５ｄ…固定電極、
３ａ〜３ｄ、１０ａ〜１０ｄ、１２ａ〜１２ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１６ａ〜１６ｄ…アンカー部（埋め込み部）、６４、１０８、１１８…画定溝、
６５…犠牲層薄膜、６６、１０４、１１５…埋め込み溝、
６７、１０５…シリコン窒化膜（耐エッチング膜）、
６８、１０６、１１６…ポリシリコン膜（耐エッチング膜）。

Claims (10)

1. シリコンからなる第１の基板と、前記第１の基板の上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上に形成されたシリコンからなる第２の基板とから構成され、
   可動部としての梁構造体と固定部とを画定するために前記第２の基板に形成された画定溝を介し、前記梁構造体の下の前記絶縁膜をエッチングにより除去して、前記梁構造体を力学量の印加に応じて変位可能とした半導体力学量センサにおいて、
   前記梁構造体は、前記第２の基板の表面から前記絶縁膜を貫通する溝に耐エッチング性を有する材料を埋め込むことにより形成された埋め込み部によって、前記第１の基板に支持固定されていることを特徴とする半導体力学量センサ。
2. 前記固定部の少なくとも一部は、前記梁構造体に対向配置された固定電極を形成しており、この固定電極は、前記梁構造体を支持固定する前記埋め込み部とは別体のものであって前記第２の基板の表面から前記絶縁膜を貫通する溝に耐エッチング性を有する材料を埋め込むことにより形成された埋め込み部によって、前記第１の基板に支持固定され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。
3. 前記耐エッチング性を有する材料はポリシリコンであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体力学量センサ。
4. 前記絶縁膜はシリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体力学量センサ。
5. 前記絶縁膜は、前記第１の基板の上に、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜が順次形成されたものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体力学量センサ。
6. 前記第１の基板はＰ型不純物がドープされた基板であり、前記埋め込み部における前記耐エッチング性を有する材料はＮ型不純物がドープされたものであり、
   前記第１の基板と前記埋め込み部とは、ＰＮ接合を形成することによって電気的に絶縁するようにしたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体力学量センサ。
7. 請求項１に記載の半導体力学量センサを製造する方法であって、
   前記第１の基板と前記絶縁膜と前記第２の基板とから構成されたＳＯＩウェハを用意する工程と、
   前記第２の基板に前記画定溝を形成する工程と、
   この画定溝を埋めるように前記第２の基板上に犠牲層薄膜を形成する工程と、
   前記埋め込み部を形成するための埋め込み溝を、前記犠牲層薄膜、前記第２の基板及び前記絶縁膜に形成する工程と、
   前記埋め込み溝を埋めるように前記第２の基板上に、耐エッチング性を有する材料からなる耐エッチング膜を形成する工程と、
   前記犠牲層薄膜及び前記絶縁膜をエッチングにより除去して前記第２の基板に前記梁構造体を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体力学量センサの製造方法。
8. 請求項１に記載の半導体力学量センサを製造する方法であって、
   前記第１の基板と前記絶縁膜と前記第２の基板とから構成されたＳＯＩウェハを用意する工程と、
   前記埋め込み部を形成するための埋め込み溝を、前記第２の基板及び前記絶縁膜に形成する工程と、
   前記埋め込み溝を埋めるように前記第２の基板上に、耐エッチング性を有する材料からなる耐エッチング膜を形成する工程と、
   前記第２の基板に前記画定溝を形成する工程と、
   前記絶縁膜をエッチングにより除去して前記第２の基板に前記梁構造体を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体力学量センサの製造方法。
9. 前記ＳＯＩウェハとして、前記第１の基板の上に、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、前記第２の基板が順次積層されたものを用意することを特徴とする請求項７または８に記載の半導体力学量センサの製造方法。
10. 前記第１の基板にＰ型の不純物をドープする工程と、
    前記耐エッチング膜にＮ型の不純物をドープする工程と、を有することを特徴とする請求項７または８に記載の半導体力学量センサの製造方法。

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