JPH04192566A - 半導体装置およびその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置およびその製造方法に係り、特に圧
力センサ等に用いるダイアフラム等の薄膜構造や赤外線
センサ等に用いる架橋構造等の立体構造を有する半導体
装置およびその製造方法に関する。

〔従来の技術〕 最近、シリコンをはじめとする半導体材料の基板上に、
ミクロンオーダの精緻な機械的構造を形成し、センサや
アクチユエータなどの分野で新しいデバイスを作製する
試みが盛んに行われている。

たとえば、架橋構造を用いた赤外線センサ（サーモボロ
メータ）、極薄ダイアフラムを用いた高感度容量型の圧
力センサ、湿度センサ、可聴領域制御が可能な音響素子
等である。

そこで、従来、シリコンを材料としてたとえば薄い（厚
さ数ミクロン以下）ダイアフラム構造を形成する場合に
は、フォトリソグラフィー技術を用いてエツチング加工
が行われる。このときエツチングを停止するタイミング
が重要であり、これが加工精度に大きく影響する。その
方法としては、ｐｎ接合バイアスによる、いわゆるｐｎ
エツチングストップ技術、高濃度不純物拡散によるエツ
チングストップ技術等が用いられている。

一方、シリコン酸化膜（Ｓｉｎ、）およびシリコン窒化
膜（Ｓ　ｉ　Ｏ，）　　を材料としてダイアフラムや架
橋構造を形成する方法があるが、この方法ではシリコン
酸化膜およびシリコン窒化膜をシリコン基板上に積層し
て成膜し、この膜の下地のシリコンをエツチング除去し
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述の従来の方法では、それぞれ次のよ
うな問題があった。すなわち、ｐｎ接合バイアスによる
エツチングストップ技術を用いて薄いダイアフラムを形
成する場合には、高価なエピタキシャルウェハを必要と
していた。また、この技術を用いるには、電解液に浸漬
したシリコンウェハのｐ型の部分およびｎ型の部分それ
ぞれと電気的な接触を得、かつ電解液とは絶縁されてい
る電極を形成する必要があるが、実現は技術的に困難で
あった。また、高濃度不純物拡散によるエツチングスト
ップ技術では、不純物の選択的な拡散が困難であり、か
つ高濃度不純物拡散層を形成するには長時間の高温熱処
理工程を必要とするうえ、深さ方向の不純物濃度の制御
が困難である。

しかも完全にエツチングが停止するのではないため、精
度よく構造体を形成することは困難であった。

一方、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜の積層膜を
用いる方法は、シリコン酸化膜の伸張応力と、シリコン
窒化膜の収縮応力との間の平衡を図る必要があるため、
各薄膜の成膜条件の精密な制御を行うことが要求される
。しかし、この精密な制御は極めて困難であり、両薄膜
により生じる応力の不均衡から破損しやすく、ダイアフ
ラムおよび架橋構造形成の歩留りを上げることが困難で
あった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、成膜条
件を精密に制御することができるとともに、エツチング
ストップを精度良く行うことができ、ダイアフラム構造
や架橋構造形成の歩留りが向上する半導体装置およびそ
の製造方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による半導体装置は、半導体材料により形成され
た支持部と、この支持部に囲まれた空洞部と、前記支持
部に支持されるとともに前記空洞部の一面を覆うシリコ
ンオキシナイトライド膜とを備えている。

また、本発明による半導体装置は、半導体材料により形
成された支持部と、この支持部に囲まれた空洞部と、前
記支持部に支持されるとともに前記空洞部上に架橋形状
に形成されたシリコンオキシナイトライド膜とを備えて
いる。

支持部の材料としては、シリコン、ゲルマニウム等の半
導体基板やガラス、サファイヤ（Ａｌ□０３）が用いら
れるが、容易にしかも安価に手に入れることが可能なシ
リコン基板を用いることが好ましい。

シリコンオキシナイトライド（Ｓｉｎ、Ｎ　　ｙ　）膜
は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との両者の性質を
持ち、そのため応力バランスが良く、安定したダイヤフ
ラム構造や架橋構造を形成することが可能となる。

このシリコンオキシナイトライド膜の成膜の最適条件は
、使用する基板の種類によって異なる。

これは、基板材料、その面方位の違いにより熱膨張率が
異なるためである。また、ダイアフラムや架橋構造の大
きさ（厚さ、長さ、幅等）あるいは半導体装置の使用目
的にもよる。

したがって、本発明の半導体装置は、シリコンオキシナ
イトライド膜の組成を前記支持部の材料や大きさに応じ
て設定するものであり、このような構成により支持部の
組成とその使用目的に応じて最適な膜組成のダイアフラ
ムや架橋構造を得ることができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の少なく
とも一面にシリコンオキシナイトライド膜を形成する工
程と、前記半導体基板の他面に前記空洞部のパターンを
有する耐エツチング膜を形成する工程と、前記耐エツチ
ング膜をマスクとして前記半導体基板を前記シリコンオ
キシナイトライド膜に達するまで選択的にエツチングす
ることにより空洞部を形成する工程とを備えている。

また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の
少なくとも一面にシリコンオキシナイトライド膜を形成
する工程と、前記シリコンオキシナイトライド膜を架橋
形状にパターンニングする工程と、前記半導体基板の他
面に前記空洞部のパターンを有する耐エツチング膜を形
成する工程と、前記耐エツチング膜をマスクとして前記
半導体基板を前記シリコンオキシナイトライド膜に達す
るまで選択的にエツチングすることにより空洞部を形成
する工程とを備えている。

架橋構造は、フォトリソグラフィ技術、電子ビームによ
る直接描画、イオンビームによる直接エツチング技術等
を用いて形成することができる。

これらの方法によれば、空洞部をエツチング加工する際
に、エツチング反応がシリコンオキシティトライド膜と
半導体基板との界面で精度良く停止するため、シリコン
オキシナイトライド膜の成膜時の厚さでダイアプラムや
架橋構造の厚さを制御することができ、これら半導体装
置製造の作業性が向上する。

また、本発明による半導体装置の製造方法は、前記耐エ
ツチング膜をシリコンオキシナイトライド膜とし、この
膜を前記半導体基板の一面に形成するシリコンオキシナ
イトライド膜と同時に形成するものであり、この方法に
より耐エツチング膜の形成工程が簡略化される。

シリコンオキシナイトライド膜の成膜は、具体的には、
プラズマＣＶＤ　（化学的気相成長）法により行われる
。使用ガスとしては、ＳｉＨ，（モノシラン）、Ｎ２（
窒素）　、Ｎ２０（笑気ガス）が用いられる。このＮ２
とＮ、０　とのガス流量比（Ｎｚ／（Ｎｚ＋Ｎｚ０））
を変化させることにより、シリコンオキシナイトライド
膜の化学量論的組成ｘ、ｙを制御することができる。

したがって、本発明の半導体装置の製造方法は、シリコ
ンオキシナイトライド膜を形成する際に、半導体基板上
に反応ガスを流すとともに、この反応ガスの流量比を変
化させることにより、前記シリコンオキシナイトライド
膜の組成を制御するものであり、このような構成により
半導体基板の組成および半導体装置の使用目的に応じて
最適な膜組成の構造を得ることができる。

なお反応ガスは一般的には５ｉｆｔ、　（モノシラン）
、Ｎ２（窒素）、Ｎ２０（笑気ガス）が用いられるが、
Ｓｉ　、　Ｎ、　Ｏの各元素を含むガスであれば他のガ
スでもよい。また、シリコンオキシナイトライド膜のパ
ターンニングはバッファフッ酸液を用いたウェットエツ
チング法の他、ＲＩＥ　（反応性イオンエツチング）法
によるドライエツチング法を用いることができる。

シリコンオキシナイトライド膜の成膜方法は、プラズマ
ＣＶＤ法に限定されるものではなく、その他の方法、た
とえばスパッタリング法によってもよい。このスパッタ
リング法では、たとえば酸化シリコンをターゲットとし
てシリコンオキシナイトライド膜を成膜すればよいが、
そのときのスパッタリングガス、たとえばアルゴン（Ａ
ｒ）に窒素（Ｎ２）および酸素（０２）を混入させるこ
とによりシリコンオキシナイトライド膜の組成を変化さ
せることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して具体的に説明す
る。

第１図は本発明の一実施例に係るダイアフラム構造の縦
断面構造を示すものである。また第３図に、第１図に示
すダイアフラム構造の斜視図を示す。このダイアフラム
構造はたとえば容量型の圧力センサに用いられる。この
ダイアプラム構造は、支持部となる半導体基板たとえば
シリコン基板１１に空洞部（キャビティ部）１２が形成
され、この空洞部１２の一方の面の前面を覆うようにダ
イアフラムとなるシリコンオキシナイトライド膜１３が
形成されている。このシリコンオシキナイトライド膜１
３の膜厚は約２μｍとなっており、その両面の圧力差に
よりシリコンオシキナイトライド膜１３が振動するよう
になっている。

第２図（ａ）〜（Ｃ）はそれぞれこのダイアフラム構造
の製造工程を示すものである。まず、第２図（ａ）に示
すような面方位（１１０）のシリコン基板１１を用意し
た。このシリコン基板１１は、半導体装置の使用目的に
応じて、面方位（１００）あるいはその他の面方位のも
のを使用することもできる。次に、このシリコン基板１
１の両面にそれぞれプラズマＣＶＤ法により膜厚２μｍ
のシリコンオキシナイトライド膜　（ＳＩＯＸ　Ｎ　ｙ
　＞１３を形成した。すなわち、シリコン基板１１を４
５０℃に加熱し、成膜条件として、動作圧力をＱ、４５
ｔｏｒｒ、高周波出力を４００Ｗとし、反応ガスとして
、ＳｉＨ＜　（モノシラン）を１５ＳＣＣＭ。

Ｎ２　（窒素）を２０３ＳＣＣＭＳＮ２０（笑気ガス）
を３２ＳＣＣＭ流し、シリコンオキシナイトライドを２
０分間気相成長させた。

続いて、シリコン基板１１の上面側のシリコンオキシナ
イトライド膜１３上にフォトレジスト膜１４のパターン
を形成し、これをマスクとして通常のフォトリソグラフ
ィー技術によりシリコンオキシナイトライド膜１３をパ
ターンニングして同図（ｂ）に示すように空洞部１２の
パターンを形成した。なお、シリコンオキシナイトライ
ド膜１３のエツチングはバッファフッ酸（たとえばＮＨ
，Ｆ　：ＨＦ＝６　：　１）またはドライエツチング装
置（たとえば反応性イオンエツチング装置）を用いて容
易に精度良く行うことができる。シリコンオキシナイト
ライド膜１３をエツチングした後、フォトレジスト膜１
４を除去した。

続いて、パターンニングしたシリコンオキシナイトライ
ド膜１３をマスクとして上面からシリコン基板１１の異
方性エツチングを行った。エツチング液にはたとえばヒ
ドラジン水溶液を用いた。

このエツチング反応はシリコン基板１１とシリコンオキ
シナイトライド膜１３との界面に到達すると停止するた
め、自動的にエツチングを終了することができ、このた
め精度良く空洞部１２を形成することができる。

このような工程により第１図に示したダイアフラム構造
を作製することができた。本実施例では、３インチウェ
ハ上に約３２０個のダイアフラム構造を形成したが、工
程の途中で破損したものは殆どなく、従来に比べて著し
く高い歩留りが得られた。

以上実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記
実施例に限定するものではなく、その要旨を変更しない
範囲で種々変更可能である。たとえば、上記実施例にお
いては、第２図（Ｃ）の工程においてシリコン基板１１
をエツチングする際に、シリコンオキシナイトライド膜
１３を耐エツチング膜として用いたが、この耐エツチン
グ膜としては他の膜、たとえばシリコン窒化膜としても
よいことは勿論である。

また、上記実施例においては本発明を容量型圧力センサ
に用いる薄膜のダイアフラム構造の形成に適用した例に
ついて説明したが、マイクロフォンやイヤフォン、スピ
ーカなどの音響素子や振動を利用したセンサ等に用いる
ダイアフラム構造に適用してもよく、さらに赤外線セン
サや流量センサ等の架橋構造等にも適用できることは勿
論である。また、加速度センサや振動センサ等の片持ば
り構造等にも適用可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように請求項１および２記載の半導体装置
によれば、ダイヤフラム構造および架橋構造等の立体構
造にそれぞれ応力バランスの良好なシリコンオキシナイ
トライド膜を用いるようにしたので、安定した構造を形
成することができる。

また、請求項３記載の半導体装置によれば、シリコンオ
キシナイトライド膜の組成を支持部の組成に応じて設定
するようにしたので、最適な膜組成を得ることができる
。

さらに、請求項４および５記載の半導体装置の製造方法
によれば、空洞部の加工の際、エツチングがシリコンオ
キシナイトライド膜と半導体基板との界面で精度良く停
止するため、その加工精度が向上し、製造歩留りが向上
する。

また、請求項６記載の半導体装置の製造方法によれば、
空洞部を形成する際の耐エツチング膜としてシリコンオ
キシナイトライド膜を利用するようにしたので、製造工
程が簡略化される。さらに、請求項６記載の半導体装置
の製造方法によれば、反応ガスの流量比を変化させるこ
とによりシリコンオキシティトライド膜の組成を制御す
るようにしたので、最適な成膜条件を得ることができ、
このだｔより製造歩留りが向上する。また、この製造方
法では、反応ガスの混合比を変えることで、シリコンオ
キシナイトライド膜の内部応力も制御できるたｔ１振動
を利用した素子やセンサでは振動体の張力を選定でき、
固有振動周波数を意識的に変えることも可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るダイアフラム構造の縦
断面図、第２図（ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ第１図のダイ
アフラム構造の製造工程を示す縦断面図、第３図は第１
図のダイアプラム構造を示す斜視図である。 １１　シリコン基板 １２　空洞部 １３　シリコンオキシナイトライド膜 出願人　　テ　　ル　　モ　　株　　式　　会　　社代
理人　弁理士　藤　島　洋　一部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．半導体材料により形成された支持部と、この支持部
   に囲まれた空洞部と、 前記支持部に支持されるとともに前記空洞部の一面を覆
   うシリコンオキシナイトライド膜 とを備えたことを特徴とする半導体装置。
2. ２．半導体材料により形成された支持部と、この支持部
   に囲まれた空洞部と、 前記支持部に支持されるとともに前記空洞部上に架橋形
   状に形成されたシリコンオキシナイトライド膜 とを備えたことを特徴とする半導体装置。
3. ３．前記シリコンオキシナイトライド膜の組成を前記支
   持部の材料に応じて設定してなる請求項１または２記載
   の半導体装置。
4. ４．請求項１記載の半導体装置の製造方法であって、 半導体基板の少なくとも一面にシリコンオキシナイトラ
   イド膜を形成する工程と、 前記半導体基板の他面に前記空洞部のパターンを有する
   耐エッチング膜を形成する工程と、前記耐エッチング膜
   をマスクとして前記半導体基板を前記シリコンオキシナ
   イトライド膜に達するまで選択的にエッチングすること
   により空洞部を形成する工程 とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. ５．請求項２記載の半導体装置の製造方法であって、 半導体基板の少なくとも一面にシリコンオキシナイトラ
   イド膜を形成する工程と、 前記シリコンオキシナイトライド膜を架橋形状にパター
   ンニングする工程と、 前記半導体基板の他面に前記空洞部のパターンを有する
   耐エッチング膜を形成する工程と、前記耐エッチング膜
   をマスクとして前記半導体基板を前記シリコンオキシナ
   イトライド膜に達するまで選択的にエッチングすること
   により空洞部を形成する工程 とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. ６．前記耐エッチング膜をシリコンオキシナイトライド
   膜とし、この膜を前記半導体基板の一面に形成するシリ
   コンオキシナイトライド膜と同時に形成するようにした
   請求項４または５に記載の半導体装置の製造方法。
7. ７．前記シリコンオキシナイトライド膜を形成する際に
   、半導体基板上に反応ガスを流すとともに、この反応ガ
   スの流量比を変化させることにより前記シリコンオキシ
   ナイトライド膜の組成を制御するようにした請求項５ま
   たは６に記載の半導体装置の製造方法。