(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドーピングにより製造された電気導体の構造を設けられているシリコンから成る基板（１）の上にトンネル効果式センサを製造するための方法において、以下の工程をその順序に従い実行することにより前記基板（１）上にシリコンから成る突起（２）を製造することを特徴とする方法。
第１の工程で基板（１）の表面を酸化し、パッド酸化物層（６）として働く薄い層を形成し、
第２の工程で酸素の通過を阻止する材料から成る第１のマスク（９）を前記パッド酸化物層（６）上に形成して構造化し、
第３の工程でこの第１のマスク（９）の使用のもとに、基板（１）の表面上の層を酸化して、第１の酸化物層（１０）を形成し、
第４の工程でこの第１の酸化物層（１０）を第１のマスク（９）が残留するように等方的にほぼ完全に除去し、
第５の工程で他のパッド酸化物層（１１）を基板（１）の表面に形成し、
第６の工程で酸素の通過を阻止する材料からなる層（１３）を全面に等方的に形成しそして酸素の通過を阻止する材料からなる第２のマスク（７）が他のパッド酸化物層（１１）上に残留するようにパターニングし、
第７の工程でこの第２のマスク（７）を用い、基板（１）の表面の層を第２のマスク（７）の側方の範囲で酸化して酸化物層（８）を形成し、もってマスク（７）の下にシリコンからなる突起（２）を残存させ、かつ酸化物層（８）を平坦化し、
第８の工程で第２のマスク（７）を除去し、
第９の工程で突起（２）上に基板（１）のシリコンで支えられた梁（３）が残るようにポリシリコン層を設け、次いで除去し、
第１０の工程で前記酸化物層（８）を除去する。
【請求項２】
ドーピングにより製造された電気導体の構造を設けられているシリコンから成る基板（１）の上にトンネル効果式センサを製造するための方法において、以下の工程その順序に従い実行することにより前記基板（１）上にシリコンから成る突起（２）を製造することを特徴とする方法。
第１の工程で基板（１）の表面を酸化し、パッド酸化物層（６）として働く薄い層を形成し、
第２の工程で酸素の通過を阻止する材料から成るマスク（７）を前記パッド酸化物層（６）上に形成し、
第３の工程でこのマスク（７）の側方のパッド酸化物層（６）と基板（１）の表面上の層状部分とを除去し、
第４の工程でこのマスク（７）を用い、基板（１）の表面の層を該マスク（７）の側方の範囲で酸化して酸化物層（８）を形成し、もってマスク（７）の下にシリコンからなる突起（２）を残存させ、
第５の工程でマスク（７）を除去し、かつ酸化物層（８）の表面を平坦化し、
第６の工程で、ポリシリコン層を形成し、次いで該層を突起（２）上に基板（１）のシリコンで支えられた梁（３）が生ずるように除去し、
第７の工程で酸化物層（８）を除去する。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はシリコンの上にトンネル効果式加速度センサを製造するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のナビゲーションシステムは重力加速度の１００万分の１の範囲に達する精度を有する小形で簡単に製造可能でかつ信頼性に富む加速度センサを必要とする。たとえばマイクロホンおよび圧力センサに用いられるような他のセンサにおいても、可動に取付けられた部分における時間的に可変の行程差を非常に高い精度で決定することが必要である。それはトンネル効果の利用のもとに可能である。たとえば「アプライド・フィジクス・レターズ（Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）」５８、第１００〜１０２頁（１９９１）および「ジャーナル・オブ・ヴァキューム・サイエンス・テクノロジー（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．）」Ａ１０、第２１１４〜２１１８頁のケニー（Ｔ．Ｗ．Ｋｅｎｎｙ  ）ほか著の刊行物に記載されているようなこのようなセンサでは、可動梁に配置されている突起とシリコン基板との間のトンネル効果が測定のために利用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、このようなトンネル効果式センサの改良された実施態様の簡単化された製造方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１の特徴を有する方法により解決される。他の実施態様は従属請求項にあげられている。
【０００５】
本発明による方法ではセンサのトンネル突起がシリコン基板の表面上に製造される。基板の表面の突起を設けられるべき範囲は酸素に対して不透過性のマスク、たとえば窒化物により被覆され、またシリコンがこのマスクの側方で酸化される。本発明による方法の下記の種々の実施態様に対して、このマスクの被覆の前または後に基板表面の形状が、酸化工程の結果として生ずる酸化物層と基板の残りのシリコンとの間の境界面が突起をマスクの下に構成するように形成されることは共通である。基板表面のこの形状付与はたとえばその後の酸化のために使用されるマスクの製造の前に一次的な酸化工程により行われる。その代わりにマスクの被覆および構造化の後にメサ構造がこのマスクの使用のもとに基板のなかにエッチングされてもよい。続いての酸化プロセスが次いで同じく所望の結果を与える。酸化工程でのマスクとしては、酸素の通過を阻止するそれぞれ任意の材料が使用される。この材料はたとえばＳｉ３  Ｎ４  であってよい。従って以下では、説明を簡単にするため、この材料は窒化物と呼ばれる。シリコンの酸化の際にＳｉＯ２  が生ずる。この酸化はたとえば高温の酸素雰囲気中で行うことができる。基板表面における酸化物層に対する十分な層厚がたとえば６時間の継続時間にわたる９５０℃ないし１０００℃での水蒸気のもとに得られる。ＳｉＯ２  はたとえば湿式化学的エッチングにより、またはＨＦプラズマにより除去できる。その際に４Ｈ＋４Ｆ＋ＳｉＯ２  が２Ｈ２  Ｏ＋ＳｉＦ４  を生ずる。シリコンまたはシリコン酸化物を処理するためのこれらの工程はそれ自体としては公知であり、また本発明による製造方法においてそれに応じて使用される。
【０００６】
【実施例】
以下、図１ないし１３により本発明による方法を説明する。
【０００７】
本発明による方法により製造されるトンネル効果式センサは、トンネル効果により可動に配置された部分の非常に小さい行程差を測定する可能性を利用する。加速度センサではたとえば、導電性にドープされたシリコン梁が一端においてシリコンから成る基板の上に支えられている。梁は曲がり得るように支えられており、基板表面に対して垂直な加速度が生ずる際に、加速度の大きさに関係するこの梁の曲がりが生ずる。この曲がりは梁の下側に位置しているトンネル電極により非常に高い精度で決定される。トンネル電極は梁とこの梁の下側に梁のほうを向いて位置している突起とにより形成されている。基板のなかに電気的接続のための導電性の構造がドーピングにより構成されている。この導体構造の上にトンネル突起と導電性のシリコン梁との間に基板上のその支え個所を介して電位が与えられ得る。基板および梁のなかまたは梁およびセンサの上を覆う別の（ポリ）シリコン層のなかの別の電極は、生ずる梁の加速度を静電力により補償する役割をする。調節のために設けられている電子回路に対して、これは、梁と突起との間のトンネル電流が一定の値に保たれることを意味する。必要な補償電圧は生ずる加速度に対する直接的な尺度となる。梁の非常に小さい曲がりもトンネル電流の大きい変化に通ずるので、この方法は非常に高い精度で加速度を測定するのに適している。前記の補償法の応用により重力加速度の１００万分の１から重力加速度の１００倍までの加速度まで測定範囲を広げることが可能である。トンネル突起、曲がり梁および電極の製造は集積回路技術と共用可能な超小形機構のプロセス過程で行われる。これにより、調節および評価のための電子回路が本来のセンサと一緒にシリコン基板１のなかに集積可能であり、従ってまたセンサの精度およびＳＮ比が著しく改善されるという利点が生ずる。
【０００８】
たとえば上述の加速度センサの製造の際には、シリコンから成る基板１が表面において電気導体４の必要な構造に相応してドープされる。これらの導体４には特に、図１に示されているように製造すべき突起および補償電極として用いられるドープされた範囲が属している。基板１のドープされた表面の上にたとえば引き続いて下記の方法の１つで突起２がトンネル電極として製造される。本発明による方法では、この突起２は、従来通常の方法と異なり、最初の基板１の材料から直接に製造される。酸化物層５がこの突起２を覆い、また表面を平坦化する。図２に示されているように、突起２はこの酸化物層５により、突起と製造すべき梁との間の間隔が酸化物層５の厚みにより決定されている範囲内で覆われている。その上に全面に、電気的接続のために基板１の導電性にドープされた範囲と接続されているポリシリコン層が析出される。基板１のシリコンとのこの接続はたとえば、このポリシリコン層の被覆前に相応の個所において開口が酸化物層５のなかにエッチングされることにより製造される。図３に示されているように酸化物層５が基板１の表面の一部分のみを占め、また酸化物層５の外側で基板１のシリコンが表面において露出している場合には、ポリシリコン層を全面に被覆すれば十分である。このポリシリコン層は、図３に記入されている基板１の表面上に支えられている梁３が残されるように構造化される。酸化物層５の除去後に、図４に示されているように、自由に運動可能な梁３が突起２の上にこの突起２に対して小さい間隔で支えなしに存在する。本発明による方法はこのような加速度センサだけではなく、トンネル電極が突起として基板の上に配置されているすべてのセンサにも適している。
【０００９】
いま梁２の製造を２種類の実施例について図５ないし１３により説明する。これらの図面にはそれぞれ、トンネル電極としてドープされた範囲の周りの基板の一部分が示されている。基板１の表面は先ずたとえば高温Ｏ２  雰囲気のもとで薄いパッド酸化物層６として酸化される。このパッド酸化物層６の上に、図５に示されているように、窒化物から成る第１のマスク９が被覆される（これについては上記の説明を参照）。このパッド酸化物層６のＳｉＯ２  は基板１のシリコンとこの第１のマスク９との間の応力を後続の酸化プロセスで減ずる。この第１のマスク９の使用のもとに基板１の表面が酸化される。この酸化はたとえば前記のように水蒸気雰囲気のもとで行われる。基板１のシリコンは酸化プロセスにおける酸素の受け入れの際に、図６に示されているように、マスク９の側方に第１の酸化物層１０のほうに盛り上がる。この第１の酸化物層１０は続いてたとえば湿式化学的エッチングによりまたは前記のプラズマプロセスにより等方性に除去される。等方性エッチングにより第１の酸化物層１０は第１のマスク９の下側でも、第１のマスク９が基板１の上に残留するように、残部１２（図７参照）を残して除去される。第１のマスク９の弾性のためにマスク９は少なくとも近似的に最初の平らな形状を再びとる。酸化物層の残部１２はその後の酸化により全面の別のパッド酸化物層１１として補足される。この別のパッド酸化物層１１の上に等方性に全面に窒化物（これについては上記の説明を参照）から成る層１３が被覆される。この結果生じた図８の構造から等方性エッチングにより図９の構造が製造される。窒化物はその際に、窒化物から成るマスク７が残され、また基板１のシリコンがこのマスク７の側方で露出されるように、エッチング除去される。別のパッド酸化物層１１のうち一部分がこのマスク７の下に残り、再びマスク７の窒化物と基板１のシリコンとの間の応力を減ずる役割をする。層１３は、たとえば気相中で７００℃においてシラン（Ｓｉｎ  Ｈ２ｎ＋２）およびアンモニア（ＮＨ３  ）が基板の表面上でＳｉ３  Ｎ４  に化学的に変換されることによって被覆される。図９のマスク７は後続の酸化工程の際の保護材として使用される。その際に、マスク７の側方で基板１のシリコンが酸化物層８のほうに盛り上がっている図１０の構造が生ずる。その際にマスク７の下に基板１の最初のシリコンが突起２として残される。酸化時間を適当に選定すれば、この酸化物層８の表面は近似的に平らになる。マスク７の側方部分は、マスク７がほぼ図１０に示されている形状となるように、上に押される。酸化物層８は全面の層であってもよいし、図２に示されているように基板表面に埋込まれた酸化物層５として突起２の周りの範囲に制限されていてもよい。このような制限は容易な方法で基板の表面上の別のマスクにより実現される。
【００１０】
２回の酸化の代わりに、基板の酸化すべき表面を、酸化の際にマスクの下に生ずる突起が十分に突出して構成されているように構造化することも可能である。図５に示されている構造から出発してパッド酸化物層６と基板１の表面におけるシリコンのパッド酸化物層６の下に位置する層状の部分とがマスクの使用のもとに異方性に除去される。それにより図１１に断面図で示されているメサ構造が製造すべき突起の範囲に製造される。ここに記入されているマスク７は図５のマスク９であり、また請求項１に関して図９のマスクに相当する。基板１の表面の構造化はここではメサエッチングにより行われ、先行の酸化工程によっては構造化は行われない。図１２にはマスク７の使用のもとでの後続の酸化工程の結果が示されている。基板１のシリコンは酸化物層８として酸化され、またマスク７の側方に隆起として盛り上がり、その際にマスク７の下に基板１のシリコンが突起２として残される。酸化物層８の表面はたとえば機械的に平坦化できる。マスク７の除去の前または後に表面をレジスト１４により平らにすることも可能である。構造は次いで、酸化物層８の平らな表面が図１３に示されているように露出するまで均等に逆エッチングされる。その際に、突起２とその上に製造すべき梁３との間の間隔を図３に示されているように定めるため、突起２の上に酸化物層８の薄い部分が存在するようにされる。
【００１１】
製造すべき突起の直径はマスク７の大きさ（直径）および酸化時間によって設定される。突起の縁部の急峻度は酸化の間のプロセス条件により、また特に先に製造されたパッド酸化物層の厚みにより影響される。図１０または図１３中の酸化物層８または図２中の酸化物層５の平坦化は、突起の製造工程でこの酸化物層８、５が十分に平らな表面を構成しているならば、省略できる。これに関連する請求項４の特徴は、酸化物層８、５が既に十分に平らでないときにのみ、平坦化のための補助的な工程が実際には実行されると理解されるべきである。梁３の製造のために全面に被覆されたポリシリコン層が構造化の前に、突起２の上に梁３の導電性部分が存在しておりまたこの部分から基板１のなかの梁３の支え個所の下の相応の接続個所への少なくとも１つの導電性接続が存在しているようにドープされることは目的にかなっている。場合によっては、梁３のなかの補償電極の１つも基板１のなかの当該の対向電極の上側に製造することができる。梁３のなかの補償電極は、その代わりに、梁３が別のポリシリコン層により外方に囲まれるならば、基板１と向かい合う梁３の表面に構成される。第２の補償電極が次いでドーピングによりこの外側のポリシリコン層のなかに構成される。このポリシリコン層は、梁の自由な運動可能性を増すため、真空にされ得る。本発明による方法は前記のように基板の上に配置された尖ったトンネル電極を有する任意のトンネル効果式センサに応用することができる。たとえば析出されたポリシリコン層により、梁の代わりに、マイクロホンの膜を形成することができる。この場合、音波の作用の結果としての圧力変動のもとでの膜の曲がりがトンネル電流の変化により測定される。前記のようにして簡単に、その補償電極の相応のバイアス電圧により静電的に膜の運動を補償され得る非常に高感度のマイクロホンが製造できる。このマイクロホンは、減衰が生じないために、非常に高い周波数範囲でも使用可能である。本発明による製造方法は半導体テ技術の標準的プロセスを使用し、従ってまた１つの構成要素のなかに他の電子的および機械的構成要素を集積することに関して適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるトンネル効果式加速度センサの一製造工程を示す断面図。
【図２】本発明によるトンネル効果式加速度センサの一製造工程を示す断面図。
【図３】本発明によるトンネル効果式加速度センサの一製造工程を示す断面図。
【図４】本発明によるトンネル効果式加速度センサの一製造工程を示す断面図。
【図５】図１の工程と図２の工程との間で行われる製造工程を示す図。
【図６】図１の工程と図２の工程との間で行われる製造工程を示す図。
【図７】図１の工程と図２の工程との間で行われる製造工程を示す図。
【図８】図１の工程と図２の工程との間で行われる製造工程を示す図。
【図９】図１の工程と図２の工程との間で行われる製造工程を示す図。
【図１０】図１の工程と図２の工程との間で行われる製造工程を示す図。
【図１１】図６ないし図１０の製造工程とは別の工程を示す図。
【図１２】図６ないし図１０の製造工程とは別の工程を示す図。
【図１３】図６ないし図１０の製造工程とは別の工程を示す図。
【符号の説明】
１    シリコン基板
２    突起
３    梁
４    電極
５    酸化物層
６    パッド酸化物層
７    マスク
８    酸化物層
９    マスク
１０  酸化物層
１１  パッド酸化物層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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