(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動部と固定部とを有し、第１シリコン層に第１酸化膜と第２シリコン層が積層状態の半導体基板に、第３シリコン層が積層状態で設けられたシリコン振動子において、
前記固定部は、接続部を有し、
前記接続部は、前記第２シリコン層の予め定められた領域から、当該第２シリコン層と前記第１酸化膜とを、貫通するトレンチに、前記第３シリコン層の一部が設けられたものであることを特徴とするシリコン振動子。
【請求項２】
前記半導体基板は、ＳＯＩ基板で構成され、前記第１から第３シリコン層は、単結晶シリコンで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシリコン振動子。
【請求項３】
前記第１シリコン層と前記接続部の接合部において、不純物を含有する拡散層を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコン振動子。
【請求項４】
前記接続部は、前記固定部の第１酸化膜と第２シリコン層を内部に囲むように形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のシリコン振動子。
【請求項５】
振動部と固定部とを有し、第１シリコン層に第１酸化膜と第２シリコン層が積層された半導体基板に、第３シリコン層が積層されるシリコン振動子の製造方法において、
前記第２シリコン層の予め定められた領域から、当該第２シリコン層と前記第１酸化膜とを、貫通するように形成されたトレンチに、前記第３シリコン層の一部が堆積され、前記固定部に接続部が形成される工程を有することを特徴とするシリコン振動子の製造方法。
【請求項６】
前記半導体基板は、ＳＯＩ基板で構成され、前記第１から第３シリコン層は、単結晶シリコンで構成されていることを特徴とする請求項５に記載のシリコン振動子の製造方法。
【請求項７】
前記トレンチは、前記領域に応じたマスク機能を有する第２酸化膜が前記第２シリコン層に堆積され、当該マスク機能に応じて当該第２シリコン層と第１酸化膜がエッチングされることで形成される工程と、
前記第３シリコン層は、当該第３シリコン層の一部が、前記第１シリコン層から前記トレンチを埋めるようにエピタキシャル成長で単結晶シリコンが堆積されるとともに、前記第２酸化膜が除去された前記第２シリコン層からエピタキシャル成長で単結晶シリコンが堆積されることで形成される工程と、を有し、
前記エピタキシャル成長を行う結晶面方位の配置は、１００であることを特徴とする請求項６に記載のシリコン振動子の製造方法。
【請求項８】
前記トレンチは、前記領域に応じたマスク機能を有する第２酸化膜が前記第２シリコン層に堆積され、当該マスク機能に応じて当該第２シリコン層と第１酸化膜がエッチングされることで形成される工程と、
前記第３シリコン層は、当該第３シリコン層の一部が、前記第１シリコン層から前記トレンチを埋めるように選択エピタキシャル成長で堆積され、当該堆積による突起が平坦化され、前記第２酸化膜が除去された前記第２シリコン層と当該平坦化された部分からエピタキシャル成長で、単結晶シリコンが堆積されることで形成される工程と、を有し、
前記選択エピタキシャル成長を行う結晶面方位の配置は、１１０であることを特徴とする請求項６に記載のシリコン振動子の製造方法。
【請求項９】
前記第１シリコン層と前記接続部の接合部において、不純物がドープされ、拡散層が形成される工程を有していることを特徴とする請求項５から請求項８のいずれかに記載のシリコン振動子の製造方法。
【請求項１０】
前記接続部が形成される工程において、当該接続部は、前記固定部の第１酸化膜と第２シリコン層を内部に囲むように形成されていることを特徴とする請求項５から請求項９のいずれかに記載のシリコン振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン基板を用いて形成されたシリコン振動子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、差圧・圧力伝送器に搭載されている圧力検出素子などには、シリコン振動式センサが用いられている。このシリコン振動式センサは、シリコン基板を用いて形成されたシリコン振動子を有している。このシリコン振動子は、例えば、シリコン基板上に絶縁層膜とシリコン層を積層した半導体基板であるＳＯＩ（Silicon on Insulator）を用いている。このＳＯＩを用いた従来のシリコン振動子について図５、図６を用いて説明する。
【０００３】
図５は、シリコン振動子の概略を示す側面図である。図５に示すように、シリコン振動子は、第１シリコン層１０ａを基板として、その上に設けられた２つの固定部２に挟まれた振動部１で構成されている。このシリコン振動子は、例えば、振動部１が加圧されたときに固有振動数が変化する。このシリコン振動子を用いたセンサは、固有振動数の変化を演算することにより測定結果を出力する。
【０００４】
図６（ａ）は、従来のシリコン振動子の正面図であり、図６（ｂ）は、この正面図に示すＡ−Ａ線断面図である。このシリコン振動子は、第１シリコン層１０ａに第１酸化膜１０ｂと第２シリコン層１０ｃが積層されたＳＯＩ基板１０に、第３シリコン層２０ａが堆積された基板を用いて形成されている。なお、第１シリコン層１０ａ、第２シリコン層１０ｃ、及び第３シリコン層２０ａは、単結晶シリコンで構成されており、また、第１酸化膜１０ｂは、二酸化シリコンで構成されている。以下において、特に明示のない限り、シリコン層は、単結晶シリコンで構成されており、酸化膜は、二酸化シリコンで構成されているものとする。
【０００５】
上記の基板において、第１酸化膜１０ｂを犠牲層として、犠牲層エッチングが行われることにより、振動部１の第１酸化膜１０ｂは、全てエッチングで除去されて空洞部３が形成される。このように形成された振動部１は、この振動部１の端部を固定部２で固定された梁状のものとなる。
【０００６】
固定部２の第１酸化膜１０ｂは、エッチング対象の領域が、振動部１の第１酸化膜１０ｂの領域よりも広いことより、一部のみがエッチングされ、第１酸化膜１０ｂが除去された部分が空洞部３となる。一方、このエッチングがされない第１酸化膜１０ｂの他の部分は、図６（ｂ）に示す固定端部２ａが囲んでいる領域であり、固定部２の一部となっている。この犠牲層エッチングは、例えばエッチングの時間を制御することで行われる。
【０００７】
上記の従来のシリコン振動子においては、第１酸化膜１０ｂにより第１シリコン層１０ａと第３シリコン層１０ｃとが絶縁されるため、第１シリコン層１０ａと第３シリコン層１０ｃの電気的導通が取れないという問題を有している。また、上記の従来のシリコン振動子においては、犠牲層エッチングの時間を制御することにより固定端部２ａに囲まれた領域が一定になるようにしている。しかし、この犠牲層エッチングは、時間制御で行われており、この時間制御では、エッチング液の状態などにより、エッチングの処理が一定とはならない。結果として、この従来のシリコン振動子においては、上記の固定端部２ａに囲まれた領域を、一定になるように制御することができないという問題を有している。ＳＯＩ基板を用いたシリコン振動子に関する先行技術文献としては、以下の特許文献がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＵＳ７３１７２３３Ｂ２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の従来のシリコン振動子においては、第１酸化膜により第１シリコン層と第３シリコン層とが絶縁されるため、第１シリコン層と第３シリコン層の電気的導通が取れないという問題を有している。上記のとおり、従来のシリコン振動子によれば、酸化膜の犠牲層エッチングは時間制御で行われているため、エッチング液の状態や周囲環境、作業者などによるばらつきが生じてしまう。その結果、固定部の形状が均一にならず、振動子としての長さが不均一となり、共振周波数の不均等という問題が生じる。このような従来のシリコン振動子を用いたセンサは、計測結果において誤差の大きなものとなってしまう。また、上記の特許文献１に記載の発明は、従来のシリコン振動子が有するこの問題を、解決する構成を備えるものではない。
【００１０】
本発明は上記した課題を解決するためになされたものであり、第１シリコン層と第３シリコン層とを接続する振動子及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】
【００１１】
上記の課題を解決するために本発明のシリコン振動子は、以下の観点を有する。また、以下の観点を有するシリコン振動子の製造方法についても、上記の課題を解決する。
【００１２】
本発明の第１の観点に係るシリコン振動子は、振動部と固定部とを有し、第１シリコン層に第１酸化膜と第２シリコン層が積層された半導体基板に、第３シリコン層が積層されることで形成されるシリコン振動子において、前記固定部は、接続部を有し、前記接続部は、前記第２シリコン層の予め定められた領域から、当該第２シリコン層と前記第１酸化膜とを、貫通するように形成されたトレンチに、前記第３シリコン層の一部が堆積されたことで、形成されることを特徴とする。また、前記半導体基板は、ＳＯＩ基板で構成され、前記第１から第３シリコン層は、単結晶シリコンで構成されてもよい。本発明によれば、固定部にトレンチを形成し、このトレンチに、第３シリコン層の一部を埋め込むことで、接続部を形成することができる。このような接続部を設けたことにより第１シリコン層と第３シリコン層を電気的に接続することができる。また、このような接続部を設けたことにより、固定部は高精度に構成され、この固定部と一体的に形成されている振動部とともに、計測誤差がないように構成されたシリコン振動子及びシリコン振動子の製造方法の提供ができる。
【００１３】
本発明の第２の観点に係るシリコン振動子において、前記トレンチは、前記領域に応じたマスク機能を有する第２酸化膜が前記第２シリコン層に堆積され、当該マスク機能に応じて当該第２シリコン層と第１酸化膜１０ｂがエッチングされることで形成され、前記第３シリコン層は、当該第３シリコン層の一部が、前記第１シリコン層から前記トレンチを埋めるようにエピタキシャル成長で単結晶シリコンが堆積されるとともに、前記第２酸化膜が除去された前記第２シリコン層からエピタキシャル成長で単結晶シリコンが堆積されることで形成され、前記エピタキシャル成長を行う結晶面方位の配置は、１００であることを特徴とする。本発明によれば、第３シリコン層は、平坦化技術のプロセスを用いることなく、単結晶シリコンをエピタキシャル成長させることができ、段差のない平坦な層として形成される。
【００１４】
本発明の第３の観点に係るシリコン振動子において、前記トレンチは、前記領域に応じたマスク機能を有する第２酸化膜が前記第２シリコン層に堆積され、当該マスク機能に応じて当該第２シリコン層と前記第１酸化膜がエッチングされることで形成され、前記第３シリコン層は、当該第３シリコン層の一部が、前記第１シリコン層から前記トレンチを埋めるように選択エピタキシャル成長で単結晶シリコンが堆積され、当該堆積による突起が平坦化され、前記第２酸化膜が除去された前記第２シリコン層と当該平坦化された部分からエピタキシャル成長で、単結晶シリコンが堆積されることで形成され、前記選択エピタキシャル成長を行う結晶面方位の配置は、１１０であることを特徴とする。本発明によれば、選択エピタキシャル成長で生じた突起を平坦化することにより、エピタキシャル成長による単結晶シリコンの堆積を均一なものとすることができる。
【００１５】
本発明の第４の観点に係るシリコン振動子は、前記第１シリコン層と前記接続部の接合部において、不純物がドープされることで形成される拡散層を有していることを特徴とする。本発明によれば、第１シリコン層と接続部との接続を、電気的に絶縁状態とすることもできる。
【００１６】
本発明の第５の観点に係るシリコン振動子おいて、前記接続部は、前記固定部の第１酸化膜と第２シリコン層を内部に囲むように形成されていることを特徴とする。本発明によれば、接続部が、ストッパとしての機能を有し、酸化膜に対するエッチングの位置を一定とすることができ、固定部の形状を均一なものとすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、接続部を設けたことにより、この接続部が、第１シリコン層と第３シリコン層を電気的に接続する機能を有することができる。また、本発明によれば、接続部を設けたことにより、この接続部が、犠牲層エッチングに対するストッパとしての機能を有することができる。すなわち、この接続部は、高精度に成形されたトレンチに基づいて高精度に形成されており、犠牲層エッチングを一定の位置まで処理させることができる。このように形成されることにより、振動部の長さなどは均一となり、共振周波数のばらつきを抑制でき、精度の高い計測を可能とするシリコン振動子及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態のシリコン振動子を示す正面図とＡ−Ａ線断面図である。
【図２】エピタキシャル成長の一例を示す概略側面図である。
【図３】第２実施形態のシリコン振動子を示す正面図とＡ−Ａ線断面図である。
【図４】他の実施形態のシリコン振動子を示すＡ−Ａ線断面図である。
【図５】シリコン振動子を示す概略側面図である。
【図６】従来のシリコン振動子を示す正面図とＡ−Ａ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明のシリコン振動子を実施するための形態（以下、実施形態という）について詳細に説明する。なお、従来のシリコン振動子において説明した構成及び内容については、詳細な説明を省略する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態を示す正面図（ａ）とＡ−Ａ線の断面図（ｂ）から（ｇ）である。図１（ａ）に示すように、第１実施形態は、振動部１、固定部２を有し、固定部２は、破線で示すように、この固定部２の内部を囲むように構成されている接続部２ｂを有している。この接続部２ｂは、例えば、従来のシリコン振動子の固定端部２ａに対応する部分に設けられる。
【００２１】
第１実施形態について、図１（ｂ）から（ｇ）、及び図２（ａ）から（ｄ）を用いて説明する。図１（ｂ）は、本実施形態に用いられるＳＯＩ基板を示している。従来の例で説明したとおり、このＳＯＩ基板は、第１シリコン層１０ａと、第１酸化膜１０ｂと、第２シリコン層１０ｃとを有する。
【００２２】
図１（ｃ）は、第２シリコン層１０ｃに熱酸化やＣＶＤなどで第２酸化膜３０ａが堆積された状態を示している。この第２酸化膜３０ａは、フォトリソグラフィ技術を用いてマスク酸化膜として第２シリコン層１０ｃに堆積され、図１（ａ）で示す接続部２ｂの領域に応じたマスク機能を有するように形成されている。
【００２３】
図１（ｄ）は、第１酸化膜１０ｂと第２シリコン層１０ｃが、上記のマスク機能を有する第２酸化膜３０ａに応じて、反応性イオンエッチング（RIE：Reactive  Ion  Etching）などでエッチングされ、トレンチ４０が形成された状態を示している。すなわち、トレンチ４０は、第１酸化膜１０ｂと第２シリコン層１０ｃとを、貫通するようにエッチングされて形成されている。
【００２４】
図１（ｅ）は、トレンチ４０が形成された後に、第２酸化膜３０ａが、エッチングで除去された状態を示している。図１（ｆ）は、図１（ｅ）の状態において、第１シリコン層１０ａと第２シリコン層１０ｃから単結晶シリコンがエピタキシャル成長で堆積されて第３シリコン層２０ｂが形成されている状態を示している。
【００２５】
図２は、上記のエピタキシャル成長の変化の一例を示している。図２を用いて、この変化について説明する。図２（ａ）は、図１（ｅ）の状態と同じであり、図２（ｂ）は、第１シリコン層１０ａと第２シリコン層１０ｃからエピタキシャル成長による単結晶シリコンの堆積が行われている初期の状態を示している。この状態では、これらの層への単結晶シリコンの堆積は充分なものではなく、トレンチ４０の内部への堆積、及び第２シリコン層１０ｃへの堆積については、大きな差はないといえる。
【００２６】
図２（ｃ）は、このエピタキシャル成長の中間段階の状態を示している。この状態において、トレンチ４０への第３シリコン層２０ｂの堆積は、すすんでいることが分かる。すなわち、トレンチ４０の内部への単結晶シリコンの堆積は、第２シリコン層１０ｃへの単結晶シリコンの堆積より大きなものとなっていることがわかる。
【００２７】
図２（ｄ）は、このエピタキシャル成長が終了した状態を示している。この状態は、図１（ｆ）の状態と同じである。すなわち、トレンチ４０の内部への単結晶シリコンの堆積が、第２シリコン層１０ｃへの単結晶シリコンの堆積より大きなものであることより、このエピタキシャル成長の終了時には、図２（ｄ）で示すような平坦なものになっている。なお、本実施形態においては、上記のエピタキシャル成長において、結晶面方位を１００に配置しており、このような配置に基づいて、図２（ｄ）に示すように、第３シリコン層２０ｂにおいて、平坦で均一な単結晶シリコン膜が形成されている。
【００２８】
図１（ｇ）は、図１（ｆ）の状態において、第１酸化膜１０ｂが、犠牲層としてエッチングされた状態を示している。図１（ａ）に示すように、接続部２ｂは、固定部２の内部を囲むようにストッパとしての機能を有している。このストッパとしての機能により、接続部２ｂの外部の第１酸化膜１０ｂは、犠牲層としてエッチングされて空洞部３となる。一方、接続部２ｂの内部の第１酸化膜１０ｂは、エッチングされず、固定部２の一部となる。
【００２９】
（第１実施形態の効果）
上記のとおり第１実施形態に係るシリコン振動子によれば、接続部２ｂを設けたことで、犠牲層エッチングを高精度なものとすることができる。また、結晶面方位を１００に配置していることにより、第３シリコン層２０ｂのエピタキシャル成長による形成においては、段差をなくすことができ、平坦な単結晶シリコン膜にすることができる。すなわち、トレンチ４０の内部のエピタキシャル成長と第２シリコン層のエピタキシャル成長を、単一のプロセスで行うことで平坦化を図ることができる。このように第１実施形態では、平坦化のプロセスを経ることなく接続部２ｂを設けることができる。
【００３０】
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態を示す正面図（ａ）とＡ−Ａ線の断面図（ｂ）から（ｈ）である。図３（ａ）に示すように、第２実施形態は、振動部１、固定部２を有し、固定部２は、破線で示すように、この固定部２の内部を囲むように構成されている接続部２ｂを有している。なお、第１実施形態の構成では、結晶面方位は<１００>であるが、第２実施形態の構成では、結晶面方位は<１１０>である。
【００３１】
第２実施形態について、図３（ｂ）から（ｈ）を用いて説明する。図３（ｂ）は、本実施形態に用いられるＳＯＩ基板を示している。従来の例で説明したとおり、このＳＯＩ基板は、第１シリコン層１０ａと、第１酸化膜１０ｂと、第２シリコン層１０ｃとを有する。
【００３２】
図３（ｃ）は、第２シリコン層１０ｃに熱酸化やＣＶＤなどで第２酸化膜３０ｂが堆積された状態を示している。この第２酸化膜３０ｂは、フォトリソグラフィ技術を用いてマスク酸化膜として第２シリコン層１０ｃに堆積され、図３（ａ）で示す接続部２ｂの領域に応じたマスク機能を有するように形成される。なお、この第２酸化膜３０ｂの機能は、第１実施形態の第２酸化膜３０ａの機能と同様に、トレンチ４０を形成するためのものであるが、さらに、後述する選択エピタキシャル成長のときのための機能を有している。
【００３３】
図３（ｄ）は、第１酸化膜１０ｂと第２シリコン層１０ｃが、上記のマスク機能を有する第２酸化膜３０ｂに応じて、反応性イオンエッチング（RIE：Reactive  Ion  Etching）などでエッチングされ、トレンチ４０が形成された状態を示している。
【００３４】
図３（ｅ）は、図３（ｄ）に示すトレンチ４０が形成された後に、このトレンチ４０の内部に選択エピタキシャル成長が行われた状態を示している。すなわち、この状態は、第１シリコン層１０ａからトレンチ４０を埋めるように、単結晶シリコンがエピタキシャル成長で第３シリコン層２０ｃの一部として堆積されている。
【００３５】
この選択エピタキシャル成長は、第１実施形態のエピタキシャルと異なり、第２シリコン層１０ｃに対する第２酸化膜３０ｂの堆積が維持されていることにより、第２シリコン層１０ｃにおいては行われない。このように選択エピタキシャル成長は、第１シリコン層１０ａからの単結晶シリコンの堆積が、トレンチ４０の内部のみで行われて、図３（ｅ）に示すように単結晶シリコンの突起２１が生じることになる。この突起２１は、上記のとおり結晶面方位を１１０に配置していることにより、後述する平坦化を容易にできるように、小さなものとなっている。
【００３６】
図３（ｆ）は、図３（ｅ）に示す選択エピタキシャル成長で生じた突起２１が、ＣＭＰ（Chemical  Mechanical  Polishing）などを用いて、平坦化されている状態を示している。このようにトレンチ４０の内部に堆積された単結晶シリコンの表面が平坦化されたことにより、この表面からのエピタキシャル成長を均一なものとすることができる。
【００３７】
図３（ｇ）は、図１（ｆ）の状態において、第２酸化膜３０ｂが除去され、第３シリコン層２０ｃが形成されている状態を示している。すなわち、この状態は、第２酸化膜３０ｂがエッチングで除去された第２シリコン層１０ｃの単結晶シリコンと、上記の平坦化されたトレンチ４０の内部に堆積されている単結晶シリコンとから、エピタキシャル成長で単結晶シリコンが堆積されている。
【００３８】
このように第３シリコン層２０ｃは、図３（ｇ）に示すように、平坦な膜として形成されている。図３（ｈ）は、図３（ｇ）の状態において、第１酸化膜１０ｂが、犠牲層としてエッチングされた状態を示している。この状態は、第１実施形態で、図１（ｇ）を用いて説明した内容と同様である。
【００３９】
（第２実施形態の効果）
上記のとおり第２実施形態に係るシリコン振動子によれば、第１実施形態と同様に接続部２ｂを設けたことで、犠牲層エッチングを高精度なものとすることができる。第２実施形態では、トレンチ４０の内部において、選択エピタキシャル成長が行われた結果、突起２１が生じており、この突起２１をＣＭＰで高精度に平坦化することができる。このように平坦化された上部には、エピタキシャル成長による単結晶シリコンの堆積を均一にすることができ、安定した構成の固定部２を形成することができる。
【００４０】
（他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。またその様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、以下のような他の実施形態も含有する。
【００４１】
第１、第２実施形態においては、単結晶シリコンで構成された第１シリコン層１０ａと接続部２ｂが、電気的に導電状態で接合しているが、これに限定されない。例えば、図４に示すように、接続部２ｂに不純物をドープして第１シリコン層１０ａに拡散してもよい。このようにすることによりこの部分には、ＰＮ接合が形成され、ダイオードの機能が組み込まれることになる。この構成では、接続部２ｂと第１シリコン層１０ａの接続を、電気的な絶縁状態とすることもできる。
【００４２】
第１、第２実施形態において、接続部２ｂは、内部の第１酸化膜１０ｂを囲むように形成されているが、これに限定されない。例えば、接続部２ｂの内部の第１酸化膜１０ｂも、犠牲層としてエッチングされてもよい。この場合、接続部２ｂは、内部を囲むように構成されなくてもよい。
【００４３】
第２実施形態において、接続部２ｂは、選択エピタキシャル成長で単結晶シリコンが堆積されたもので構成されているが、これに限定されない。例えば、接続部２ｂは、トレンチ４０に、ポリシリコンが堆積された構成であってもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１…振動部、２…固定部、２ａ…固定端部、２ｂ…接続部、３…空洞部、１０…ＳＯＩ基板、１０ａ…第１シリコン層、１０ｂ…第１酸化膜、１０ｃ…第２シリコン層、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…第３シリコン層、２１…突起、３０ａ、３０ｂ…第２酸化膜、４０…トレンチ、５０…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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