(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
おもり部が形成された第１基板と、前記おもり部が接続された梁部が形成された第２基板とが接合されてなる加速度センサの製造方法であって、
前記第１基板上に第１のシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記第１のシリコン酸化膜上に低濃度不純物拡散ポリシリコン層を形成する工程と、
前記低濃度不純物拡散ポリシリコン層中に部分的に不純物を高濃度で存在させた領域である犠牲層を形成する工程と、
前記低濃度不純物拡散ポリシリコン層上に第２のシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記犠牲層を含む前記低濃度不純物拡散ポリシリコン層を介在させて前記第１基板と前記第２基板とを接合する工程と、
前記第１基板と前記第１のシリコン酸化膜とを部分的にエッチング除去して前記おもり部を形成する工程と、
前記低濃度不純物拡散ポリシリコン層をエッチングストップ層として、前記犠牲層のみを、フッ酸、硝酸および酢酸が各々１対３対８の比になるように混合された溶液によりエッチング除去することによって、前記おもり部と前記梁部との間に前記犠牲層の厚さに等しい大きさを有するギャップを形成する工程と、
を含むことを特徴とする加速度センサの製造方法。
【請求項２】
おもり部が形成された第１基板と、前記おもり部が接続された梁部が形成された第２基板とが接合されてなる加速度センサの製造方法であって、
前記第１基板上に低濃度不純物拡散ポリシリコン層を形成する工程と、
前記低濃度不純物拡散ポリシリコン層中に部分的に不純物を高濃度で存在させた領域である犠牲層を形成する工程と、
前記低濃度不純物拡散ポリシリコン層上にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記犠牲層を含む前記低濃度不純物拡散ポリシリコン層を介在させて前記第１基板と前記第２基板とを接合する工程と、
前記高濃度不純物拡散層をエッチングストップ層として、前記第１基板をエチレンジアミンとピロカテコールと水とからなる混合液であるＥＤＰ溶液により部分的にエッチング除去して前記おもり部を形成する工程と、
前記高濃度不純物拡散層をエッチングストップ層として、前記ＥＤＰ溶液により前記犠牲層のみをエッチング除去することによって、前記おもり部と前記梁部との間に前記犠牲層の厚さに等しい大きさを有するギャップを形成する工程と、
を含むことを特徴とする加速度センサの製造方法。
【請求項３】
おもり部が形成されたｐ型の第１基板と、前記おもり部が接続された梁部が形成されたｐ型の第２基板とが接合されてなる加速度センサの製造方法であって、
前記ｐ型の第１基板上にｎ型のポリシリコン層を形成する工程と、
前記ｎ型のポリシリコン層中に部分的に不純物を高濃度で存在させたｐ型の不純物拡散層である犠牲層を形成する工程と、
前記ｎ型のポリシリコン層上にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記犠牲層を含む前記ｎ型のポリシリコン層を介在させて前記ｐ型の第１基板と前記ｐ型の第２基板とを接合する工程と、
前記ｐ型の第１基板を部分的にエッチング除去して前記おもり部を形成する工程と、
電解エッチングにより、前記ｐ型の第２基板、前記ｐ型の第１基板および前記犠牲層をエッチング除去することによって、前記おもり部と前記梁部との間に前記犠牲層の厚さに等しい大きさを有するギャップを形成する工程と、
を含むことを特徴とする加速度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、航空機、家電製品等に用いられる加速度センサ、特に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に感度を有する、いわゆる３軸半導体加速度センサの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６に示すように、一般に加速度センサとしては、（ａ）に示す片持ち梁方式と、（ｂ）に示す両持ち梁方式が提案されている。（ａ）で、１は一端が固定された梁、２は梁１の他方の端部に取り付けられたおもり部である。（ｂ）で、３は両端が固定された梁、４は梁３の中部に取り付けられたおもり部である。加速度の検出方法としては、加速度が印加された場合の、おもり部２，４の慣性力Ｍｇによる梁１，３の機械的な歪みを電気抵抗の変化として検出する方法と、おもり部２，４の移動を静電容量の変化に変換して検出する方法がある。
【０００３】
図７に基づいて半導体加速度センサの一例について説明する。図は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向の３軸方向の加速度を検出する３軸半導体加速度センサの一例を示したもので、（ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ断面図、（ｄ）はＸ方向またはＹ方向の加速度が印加された場合のＢ−Ｂ断面図、（ｅ）はＺ方向の加速度が印加された場合のＢ−Ｂ断面図である。図で、５は第１基板、６は第１基板５上に形成された梁、７は第１基板５の中央の空洞部５ａの内部に配置され、空洞部５ａの上方の梁６に固着されたおもり部である。（ｄ）に示すように、Ｘ方向またはＹ方向の加速度が印加された場合は、おもり部７は印加された加速度の方向に応じて傾く。この場合、梁６は印加された加速度の方向に応じて、所定箇所が凸状または凹状に歪む。また、（ｅ）に示すように、Ｚ方向の加速度が印加された場合は、おもり部７は略水平を保ったまま、Ｚ軸方向に移動する。このように、加速度の方向によって、梁６の各部の歪みが異なるので、梁６の各部の歪みを検知することによって、加速度の方向及び大きさを測定することができる。
【０００４】
図８に基づいて、図７に示した半導体加速度センサの製造方法の一例について説明する。この製造方法では、シリコン基板の貼り合わせ技術、いわゆる、ＳＯＩ技術プロセスが利用できる。まず、（ａ）に示すように、おもり部形成用の第１基板８の両面にシリコン窒化膜９を形成し、第１基板８の裏側の、おもり部形成箇所の周囲のシリコン窒化膜を除去して開口８ｂを形成すると共に、第１基板８の表側の、おもり部７と梁６との接合部を形成する箇所の周囲のシリコン窒化膜を除去して開口８ａを形成する。次に、（ｂ）に示すように、第１基板８の両面に残ったシリコン窒化膜９をマスクとして、第１基板８を所定深さまでエッチングする。その後、（ｃ）に示すように、第１基板８の表面に半導体層１０を形成した後、（ｄ）に示すように、平坦化して、犠牲層１１を形成し、（ｅ）に示すように、第１基板８の表面に、梁形成用の第２基板１２を貼り合わせる。その後、（ｆ）に示すように、機械的に第２基板１２を薄膜状に研削して第２基板１２を所定厚さまで薄膜化する。
【０００５】
その後、（ｇ）に示すように、梁（ビーム）である第２基板１２上に、コンタクト１３を形成すると共に、第２基板１２上に不純物拡散等を行ってピエゾ抵抗素子１４を形成する。さらに、（ｈ）に示すように、メタル配線１５を形成し、表面に保護膜１６を形成する。
【０００６】
次に、（ｉ）に示すように、第１基板８の裏面から第２基板１２に達するように堀り込み、（ｊ）に示すように、薄膜化された第２基板１２、すなわち、梁６にスリット６ａを形成し、おもり部７となる部分を、周囲の基板部分から切り離し、梁６に支持されたおもり部７を形成することにより、３軸半導体加速度センサとしてのチップが完成する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
おもり部７が梁６に支持された構造を有する加速度センサでは、感度と共振周波数が特に重要なパラメータとなる。両者には、相反関係があり、両者を同時に満たす設計が必要である。これには、ビーム長及びビーム厚を変えることによる。ビーム長を長くすれば感度は向上するが、共振周波数は低下し、ビーム厚を厚くすると、感度は低下するが共振周波数は向上する。このため、加速度センサの製造プロセスでは、ビーム厚をいかに均一に精度よく制御できるかが性能を決定する。
【０００８】
従来の製造方法では、第１基板８上に犠牲層を形成した後、機械的研削により犠牲層形成面を平面化して第２基板１２を接合し、電解エッチングにより第２基板１２を薄膜化し、さらに、犠牲層の部分をエッチング除去することにより第２基板１２の一部で、梁６を形成するプロセスを採用していた。
【０００９】
しかしながら、この従来方法には以下のような課題があった。第１の課題は、第１基板の、第２基板との接合面の平坦度である。従来方法では、凹凸のある基板を機械的研削により平坦化しているが、基板と犠牲層の材料が異なるため、基板と犠牲層とで研磨のされ方が異なり、接合するのに十分な平坦度を得ることが難しい。また、研削精度により接合面の平坦度が決まるので、高精度の研削が必要とされる。第２の課題は、犠牲層エッチング後のビーム６と、おもり部７とのギャップの精度である。接合界面に形成した掘り込み８ａがそのギャップとなるが、接合前の研削によりこの掘り込み部も削られるため、このギャップについても研削精度が重要となる。このギャップは、前述した共振周波数に影響し、サブミクロンの精度が望まれる。しかし、研削でサブミクロンの制御は困難である。第１基板の接合面の平坦度が悪いと、十分な接合強度が得られず、プロセス中で破壊したり、おもり部が分離してしまうといった問題があった。 本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、ビーム形成工程の歩留り向上と、より高性能な３軸加速度センサの製造方法を提供することにある。
【００１０】
【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記載の加速度センサの製造方法は、おもり部が形成された第１基板と、前記おもり部が接続された梁部が形成された第２基板とが接合されてなる加速度センサの製造方法であって、前記第１基板上に第１のシリコン酸化膜を形成する工程と、前記第１のシリコン酸化膜上に低濃度不純物拡散ポリシリコン層を形成する工程と、前記低濃度不純物拡散ポリシリコン層中に部分的に不純物を高濃度で存在させた領域である犠牲層を形成する工程と、前記低濃度不純物拡散ポリシリコン層上に第２のシリコン酸化膜を形成する工程と、前記犠牲層を含む前記低濃度不純物拡散ポリシリコン層を介在させて前記第１基板と前記第２基板とを接合する工程と、前記第１基板と前記第１のシリコン酸化膜とを部分的にエッチング除去して前記おもり部を形成する工程と、前記低濃度不純物拡散ポリシリコン層をエッチングストップ層として、前記犠牲層のみを、フッ酸、硝酸および酢酸が各々１対３対８の比になるように混合された溶液によりエッチング除去することによって、前記おもり部と前記梁部との間に前記犠牲層の厚さに等しい大きさを有するギャップを形成する工程と、を含むことを含むことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項２記載の加速度センサの製造方法は、おもり部が形成された第１基板と、前記おもり部が接続された梁部が形成された第２基板とが接合されてなる加速度センサの製造方法であって、前記第１基板上に低濃度不純物拡散ポリシリコン層を形成する工程と、前記低濃度不純物拡散ポリシリコン層中に部分的に不純物を高濃度で存在させた領域である犠牲層を形成する工程と、前記低濃度不純物拡散ポリシリコン層上にシリコン酸化膜を形成する工程と、前記犠牲層を含む前記低濃度不純物拡散ポリシリコン層を介在させて前記第１基板と前記第２基板とを接合する工程と、前記高濃度不純物拡散層をエッチングストップ層として、前記第１基板をエチレンジアミンとピロカテコールと水とからなる混合液であるＥＤＰ溶液により部分的にエッチング除去して前記おもり部を形成する工程と、前記高濃度不純物拡散層をエッチングストップ層として、前記ＥＤＰ溶液により前記犠牲層のみをエッチング除去することによって、前記おもり部と前記梁部との間に前記犠牲層の厚さに等しい大きさを有するギャップを形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３記載の加速度センサの製造方法は、おもり部が形成されたｐ型の第１基板と、前記おもり部が接続された梁部が形成されたｐ型の第２基板とが接合されてなる加速度センサの製造方法であって、前記ｐ型の第１基板上にｎ型のポリシリコン層を形成する工程と、前記ｎ型のポリシリコン層中に部分的に不純物を高濃度で存在させたｐ型の不純物拡散層である犠牲層を形成する工程と、前記ｎ型のポリシリコン層上にシリコン酸化膜を形成する工程と、前記犠牲層を含む前記ｎ型のポリシリコン層を介在させて前記ｐ型の第１基板と前記ｐ型の第２基板とを接合する工程と、前記ｐ型の第１基板を部分的にエッチング除去して前記おもり部を形成する工程と、電解エッチングにより、前記ｐ型の第２基板、前記ｐ型の第１基板および前記犠牲層をエッチング除去することによって、前記おもり部と前記梁部との間に前記犠牲層の厚さに等しい大きさを有するギャップを形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。
【００１３】
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に基づいて本発明の加速度センサの製造方法の一実施形態について説明する。（ａ）に示すように、第１基板１７上には半導体層１８が形成されている。半導体層１８はシリコン酸化膜で、熱酸化膜が望ましい。シリコン酸化膜の代わりにシリコン窒化膜を用いてもよい。次に、ポリシリコン層１９を形成し、その層中の、エッチング除去する犠牲層となる領域にはボロン等の不純物を拡散またはイオン注入法により
高濃度に埋めこみ、高濃度不純物拡散層２０を形成する。
【００１５】
その上に、（ｂ）に示すように、酸化シリコン層２１を形成し、第２基板２２との接合を行う。この第２基板２２は、第１導電型基板２２ａと第２導電型半導体層（エピタキシャル層）２２ｂとからなる。なお、基板の接合は、１０００℃以上の熱処理によって行う。次に、（ｄ）に示すように、第１基板１７の裏面にシリコン窒化膜２３を形成する。これは、おもり部形成用マスクとなる。
【００１６】
次に、電解エッチングを行って、第１導電型基板２２ａを除去する。このエッチング装置の概略図を図２に示す。エッチング溶液２４にＫＯＨ（水酸化カリウム）溶液を用いると、ｐ型導電型基板である第１導電型半導体基板２２ａのみをエッチングすることが可能である。これは、ｎ型導電型基板であるエピタキシャル層（第２導電型半導体層２２ｂ）に正側の電圧を印加することにより、第１導電型半導体基板２２ａ）がエッチングされた時点で、エピタキシャル層（第２導電型半導体層２２ｂ）の表面が陽極酸化により酸化膜が形成され、エッチングがストップされることによる。このエピタキシャル層（第２導電型半導体層２２ｂ）を梁６に用いれば、所望の厚みのビームが精度良く形成される。
【００１７】
（ｆ）〜（ｊ）に示す工程は、従来と同様である。（ｆ）に示す工程では、薄膜化された第２基板（第２導電型半導体層２２ｂ）上にコンタクト１３を形成する。ボロン等の不純物を拡散またはイオン注入法により高濃度に埋めこむ。次に、ピエゾ抵抗１４を梁６上に形成する。これもボロン等の不純物を拡散またはイオン注入法により埋めこむことにより形成する。不純物濃度はコンタクト埋めこみ工程よりは低い濃度でよい。（ｇ）に示すメタル配線を形成する工程では、メタル配線１５は金が望ましい。金を配線として使用する場合、基板との密着性のためにクロムを金との間に形成するのが望ましい。また、金配線に限らずアルミニウム、クロム等を使用してもよい。このメタル配線１５を、後工程の異方性エッチングから保護するために保護膜１６を形成する。この保護膜１６はシリコン窒化膜が望ましい。裏面はシリコン窒化膜をエッチングし、マスクを形成し、（ｇ）に示す工程で、ＫＯＨ等の強アルカリ溶液により第１基板１７を裏面から異方性エッチングし、さらに、（ｈ）に示すように、フッ酸を含むエッチング液により半導体層１８をエッチングする。その後、（ｉ）に示す工程で、ＨＦ（フッ酸）：ＨＮＯ３（硝酸）：ＣＨ３ＣＯＯＨ（酢酸）＝１：３：８系溶液（図５参照）をエッチング液に用いて、犠牲層である高濃度不純物拡散層２０を選択エッチングして、第１基板に形成されたおもり部と第２基板に形成された梁部との間に高濃度不純物拡散層２０の厚さに等しい大きさを有するギャップを形成する。上記のエッチング液を使用した場合、１０の１７乗（ｃｍ−３）以下の低濃度の不純物拡散層は、高濃度不純物拡散層に対してエッチング速度が１／１５０に減少するため、選択的に低濃度不純物拡散層のみを残すことができる。最終工程である、（ｊ）に示す工程では、ビーム６を部分的にＲＩＥ等のドライエッチングにより切り離し、スリット６ａを形成することにより、おもり部７がビーム６のみに支持された構造体を形成する。
【００１８】
次に、図３に基づいて本発明の加速度センサの異なる実施形態について説明する。（ａ）に示すように、第１基板２５上にポリシリコン層２６を形成し、エッチング除去せずに残す部分にはボロン等の不純物を拡散またはイオン注入法により高濃度に埋めこみ、高濃度不純物拡散層２７を形成する。（ｂ）〜（ｆ）に示す工程は、図１に示した工程と同様である。
【００１９】
（ｇ）に示す工程では、ＥＤＰ（エチレンジアミンピロカテコール）エッチング液により第１基板２５を裏面から異方性エッチングし、続いて、同じエッチング液中でポリシリコン層２６をエッチング除去する。ここで、ＥＤＰ溶液中では、高濃度に不純物（ボロン等）の拡散されたシリコン層のエッチング速度が著しく小さい（１／５０程度）ため、高濃度不純物拡散層２７は、エッチングされずに残る。
【００２０】
次に図４に基づいて本発明の加速度センサのさらに異なる実施形態について説明する。（ａ）に示すように、第１導電型の第１基板２８上にｎ型ポリシリコン層２９を形成し、犠牲層としてエッチング除去する部分はボロン等の不純物を拡散またはイオン注入法により埋めこみ、ｐ型導電層とした第１導電型拡散層３０を形成する。（ｂ）〜（ｄ）に示す工程は、図１に示した工程と同様である。（ｅ）に示す工程では、裏面側のシリコン窒化膜をエッチングしてマスクを形成している。次工程である、（ｆ）に示す工程では、電解エッチングにより、ｐ型である第１導電型第２基板３１だけでなく、第１導電型第１基板２８及び第１導電型拡散層３０も同時にエッチング除去して、おもり部７を形成する。以下の工程は、図１に示した工程と同様であるので説明を省略する。
【００２１】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の加速度センサの製造方法によれば、不純物拡散層を犠牲層としているため、犠牲層形成後の凹凸がないため、第１基板の平坦化のための研削工程が不要となる。このため、基板の平坦度は加工前の基板の平坦度と同一となるので、平坦度が犠牲層形成工程により悪化することがなく、接合強度を向上させることができる。これにより、おもり部の抜け落ち等による不良を低減することができ、歩留まりの向上につながる。
【００２２】
また、犠牲層エッチング後のビームと、おもり部とのギャップは、犠牲層すなわち不純物拡散層の拡散深さにより決まるので、この拡散深さを制御することにより、ギャップを制御することができる。一方、従来方法では、ギャップの精度は、図８に示した掘り込み（８ａ）のエッチング精度と、接合前の研削精度により決まる。これらのうち、拡散深さの制御は比較的精度良く行うことができるので、従来方法よりもギャップの精度を向上させ、共振周波数の合わせ込みが容易になり、ばらつきが小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加速度センサの製造方法の一実施形態を示す断面図である。
【図２】電解エッチング装置の概略構成を示す概略図である。
【図３】本発明の加速度センサの製造方法の異なる実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の加速度センサの製造方法のさらに異なる実施形態を示す断面図である。
【図５】ＨＦ−ＨＮＯ３系エッチング液の混合比とエッチング面の形状との関係を示す説明図である。
【図６】梁構造を有する加速度センサの概略構造を示す説明図である。
【図７】３軸半導体加速度センサを示す図で、（ａ）は上面図、（ｂ）〜（ｅ）は断面図である。
【図８】従来の加速度センサの製造方法の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
２０                 高濃度不純物拡散層（犠牲層）
２６                 ポリシリコン層（犠牲層）
３０                 第１導電型拡散層（犠牲層）
６                   梁
１７，２５，２８     第１基板
２２，３１           第２基板
７                   おもり部
１９，２６，２９     ポリシリコン層（低濃度不純物拡散ポリシリコン層）
２７                 高濃度不純物拡散層
２９                 第１導電型シリコン層
３０                 第２導電型不純物拡散層
【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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