(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とをエッチングストップ層を介して接合一体化し、第１のシリコン基板の表面側から異方性エッチングを行って可動電極部と固定電極部を区画する溝と、可動電極部に連接される振動梁をかたどる段差とをエッチングストップ層に達するまで加工形成し、然る後に、第２のシリコン基板の表面側からエッチングストップ層までエッチングを行って第２のシリコン基板を除去し、次に、エッチングストップ層を除去して固定電極部側と可動電極部側を分離する振動型半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体基板をエッチング加工し形成される、例えば、加速度センサ等の振動型半導体素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３に、不純物をドープし導電性を有した半導体基板１をエッチング加工し形成する固定電極２と可動電極３等からなる振動型半導体素子構造の一例を示す。可動電極３は振動梁６で連接される支柱５で支えられ、支柱５と固定電極２はガラス基板４に固定されている。また、ガラス基板４に造られたくぼみ７により可動電極３および振動梁６とガラス基板４との間には空間ができ、外からかかる加速度等の力で可動電極３は支柱５を軸に振り子のように動くことができる。加速度等の外力で可動電極３が動き、可動電極３と固定電極２間の間隔が広狭すると、可動電極３と固定電極２間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を可動電極３と固定電極２間の電圧の変化として検出する。例えば、加速度による右方向の力Ｆが振動型半導体素子を設けた加速度センサに作用すると、可動電極３が右側の固定電極２Ａに近付き、可動電極３と右側の固定電極２Ａ間の間隔が狭くなり、可動電極３と右側の固定電極２Ａ間の静電容量は増大し、可動電極３と右側の固定電極２Ａ間の静電容量が減少する。反対に、可動電極３と左側の固定電極２Ｂとの間隔が広くなり、可動電極３と左側の固定電極２Ｂ間の静電容量が減少する。
【０００３】
振動型半導体素子を設けた加速度センサ等の装置は、上述のような左右の固定電極２と可動電極３間の静電容量を電極パッド８に接続される配線を通して他の箇所に形成される信号処理素子等で読み取り、左右の固定電極２と可動電極３間の静電容量の差から振動型半導体素子に作用した振動方向の加速度の大きさとその向きを検出している。
【０００４】
図５に、図３で表される固定電極２および可動電極３の（Ａ−Ａ）部分と振動梁６の（Ｂ−Ｂ）部分の従来のエッチング加工による製造方法を示す。
【０００５】
まず、図５の（ａ）工程で、不純物をドープし低抵抗となった半導体基板１を裏側９から固定電極２の部分と可動電極３の部分を区画する溝１３と振動梁６をかたどる段差１１をつける異方性エッチング加工を施す。
【０００６】
次の（ｂ）工程で、くぼみ７と電極パッド８が予め形成されたガラス基板４と前記半導体基板１を固定電極２部分で接合する。
【０００７】
最後に（ｃ）工程で、半導体基板表側１０から電極間の溝１３と段差１１に達するまでエッチングを行い、固定電極２の部分と可動電極３の部分を分離し、振動型半導体素子を作製する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体基板１をエッチングし、電極間の溝１３や段差１１を形成する図５の（ａ）工程において、電極間の溝１３のようにエッチング加工溝間隔が小さい箇所では、エッチング液と半導体基板１との反応物（泡）が溝１３等に溜まり、前記反応物がエッチング液とエッチング加工面との接触を妨げるため、溝１３のエッチングする速さ（エッチングレート）が段差１１のようにエッチング容積の大きい箇所よりも遅くなり、そうすると、段差１１は電極間の溝１３より深くエッチングされる。すると、次の可動電極３の部分と固定電極２の部分を分離する図５の（ｃ）工程で、段差１１は電極間の溝１３より速く貫通し、貫通した箇所から側面がエッチングされるサイドエッチングが起こり、振動梁６が細くなったり、極端な場合には消滅する事態となる。また、可動電極の底面もエッチングされるため、重りが小さくなる。振動梁６が設計値通りにならずに細くなると、各振動の素子間に特性のばらつきが生じ、また、振動梁６が消滅したりすると、半導体素子の歩留まりが低下し、製造コストが上がるという問題がある。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電極間の溝１３や段差１１を形成するエッチング工程で、溝１３や段差１１等の深さを均一にし、固定電極２部分と可動電極３部分を分離するエッチング工程で、段差１１部分が早く貫通し、貫通箇所から起こる振動梁６等へのサイドエッチングへの進行を抑え、振動梁６等が細くなったり、消滅してしまったりするのを防止し、振動型半導体素子の歩留まりを向上させ、製造コストを低下し、より安価な装置を製造し、かつ、寸法精度のよい振動型半導体素子の製造方法を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のように構成されている。すなわち、本発明の振動型半導体素子の製造方法は、第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とをエッチングストップ層を介して接合一体化し、第１のシリコン基板の表面側から異方性エッチングを行って可動電極部と固定電極部を区画する溝と、可動電極部に連接される振動梁をかたどる段差とをエッチングストップ層に達するまで加工形成し、然る後に、第２のシリコン基板の表面側からエッチングストップ層までエッチングを行って第２のシリコン基板を除去し、次に、エッチングストップ層を除去して固定電極部側と可動電極部側を分離することを特徴として構成されている。
【００１１】
【作用】
本発明は、第１のシリコン基板と第２のシリコン基板との間にエッチングストップ層を設けることで、第１のシリコン基板の表面側からエッチングを行ったときに、エッチング進行がエッチングストップ層に達した一定の深さで停止し、電極を区画する溝や振動梁をかたどる段差等の深さを均一にする。また、エッチングストップ層は第２のシリコン基板を除去するために行うエッチングが振動梁に作用するのを阻止し、振動梁で起こるサイドエッチングによる寸法精度の劣化を防止する。さらに、エッチングストップ層を除去するエッチングが行われるが、このエッチングは第１のシリコン基板を損傷せず、固定電極と可動電極を分離する。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、本実施例の説明において、従来例と同一の名称部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００１３】
図１および図２は、本発明の振動型半導体素子の製造方法の一実施例を示すものである。本実施例において特徴的なことは、第１のシリコン基板１４と第２のシリコン基板１５をエッチングストップ層を介して接合一体化したシリコン基板を用いてエッチング加工を行うようにしたことであり、従来例に示される図３と同様な振動型半導体素子を対象として、そのエッチングによる製造方法を以下に説明する。図１および図２は、図３における固定電極２および可動電極３の（Ａ−Ａ）部分と振動梁６の（Ｂ−Ｂ）部分の構造工程の断面図である。
【００１４】
図１の（ａ）工程で、Ｓｂ等の不純物をドープし、低抵抗となった（１１０  ）面の構造である第１のシリコン基板１４（厚さが例えば２００  μｍ）と不純物をドープしていない第２のシリコン基板１５（シリコン基板１５は不純物をドープしたものでもよい）とをエッチングストップ層としてのシリコン酸化層１６を介して直接接合法を用い、接合一体化する。
【００１５】
（ｂ）工程では、第１のシリコン基板１４を厚さ６０μｍまで研磨、あるいはＳＦ６  ガスによるプラズマエッチング、あるいはＫＯＨ水溶液によるエッチング等の方法で薄くする。
【００１６】
（ｃ）工程で、固定電極部２や可動電極部３を形成する第１のシリコン基板１４表面上と第２のシリコン基板１５表面上にマスクとして窒化膜１７を被覆し、７０℃に温められたＫＯＨ水溶液で異方性エッチングを行う。ＫＯＨ水溶液は深さ方向にシリコン基板をエッチングし、ＫＯＨ水溶液のエッチングを止めるシリコン酸化層１６に達するまで続けられ、固定電極２と可動電極３を区画する溝１３や振動梁６をかたどる段差１１を形成する。
【００１７】
（ｄ）工程で、マスクとして使用された窒化膜１７を除去し、くぼみ７と電極パッド８とが予め形成されたガラス基板４と固定電極部２とを陽極接合法で接合する。
【００１８】
次に、図２の（ａ）工程で、ＲＩＥエッチング法、あるいはＫＯＨ水溶液等のアルカリ水溶液を用い、第２のシリコン基板１５を除去する。このエッチングに対しシリコン酸化層１６は侵食されない。
【００１９】
（ｂ）工程で、第１のシリコン基板への損傷が少い（第１のシリコン基板１４をほとんどまたは全く侵食しない）例えば、ＣＦ４  ガスによるプラズマエッチングを用いてシリコン酸化層１６をエッチング除去し、固定電極部２と可動電極部３を分離し、振動型半導体素子が作製される。
【００２０】
従来技術では、ＫＯＨ水溶液による異方性エッチング時に発生する気泡がエッチング加工溝間隔の小さい電極間の溝１３に溜まり、前記反応物がエッチング液またはエッチングガス等とエッチング面との接触を妨げるために、溝１３でのエッチングの進行が遅れ、エッチング容積が大きく、前記反応物が流出する振動梁６をかたどる段差１１で、溝１３より深くエッチングされてしまったが、本発明のエッチングストップ層を設ける製造方法では、段差１１のようにエッチングが早い箇所でもシリコン酸化層１６でエッチングが止められ、電極間の溝１３や段差１１等を均一な深さにエッチングすることができる。
【００２１】
また、従来方法の半導体基板表側１０から溝１３や段差１１等をエッチングで加工形成する工程で深くエッチングされた段差１１部分が、半導体基板裏側９からシリコン基板をエッチングする工程で他の箇所の溝１３部分より早く貫通する。そうすると、振動梁６へのサイドエッチングが進行し、振動梁６が細くなったり、消滅してしまったりする事態が起こったが、本発明では、エッチングストップ層（シリコン酸化層１６）が存在するので、第２のシリコン基板１５が除去された後も段差１１や電極間の溝１３等が貫通せず、振動梁６等へのサイドエッチングが起こらない。また、エッチングストップ層（シリコン酸化層１６）を除去する工程では、シリコン基板を損傷（侵食）させないエッチングガスを使用しているため、各電極２，３や振動梁６はエッチングされ、振動型半導体素子が破壊されることはない。
【００２２】
本発明は上記実施例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、図４は、固定電極２と可動電極３とが櫛形電極構造であり、互いに組み合わされ構成される加速度センサ内の振動型半導体素子の一例である。このような形状でも本発明の方法で製造することができる。
【００２３】
また、実施例では、シリコン酸化層１６をエッチングストップ層としたが、ガラス層をエッチングストップ層として用いることもできる。この場合は、第１の基板と第２の基板を陽極接合法によって接合一体化する。
【００２４】
さらに、本発明の製造方法を用い、本実施例の加速度センサ素子と同様な構造をもつ共振子や振動ジャイロ等の振動型半導体素子を作製することができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の製造方法では、第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とをエッチングストップ層を介して接合一体化し、第１のシリコン基板の表面側から異方性エッチングを行って可動電極部と固定電極部を区画する溝と、可動電極部に連接される振動梁をかたどる段差とをエッチングストップ層に達するまで加工形成する工程で、エッチングストップ層はエッチングの進行を一定の深さで停止させ、固定電極部と可動電極部を区画する溝や振動梁をかたどる段差の深さを均一にすることができる。
【００２６】
また、第２のシリコン基板の表面側からエッチングストップ層までエッチングを行って第２のシリコン基板を除去し、次に、エッチングストップ層を除去して固定電極部側と可動電極部側を分離する工程で、エッチングストップ層は振動梁等の側面をエッチングするサイドエッチングを防止することで、振動梁が細くなったり、消滅したりするのを阻止し、可動電極底部からのエッチングを防止し、寸法精度のよい振動型半導体素子が製造できる。これにより、加速度センサ等の振動型半導体素子を設けた装置の不良品が減少するので、製造コストの低下につながり、より安価な装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の振動型半導体素子の製造方法を示す説明図である。
【図２】図１の工程に続く振動型半導体素子の製造方法説明図である。
【図３】振動型半導体素子の構成説明図である。
【図４】櫛形電極構造をもつ加速度センサ素子例を示す説明図である。
【図５】従来の振動型半導体素子の製造工程を示す説明図である。
【符号の説明】
２  固定電極
３  可動電極
６  振動梁
１４  第１のシリコン基板
１５  第２のシリコン基板
１６  シリコン酸化層
【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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