(57)【要約】【課題】一つの半導体基板で二つの異なる方向から印加される力学量を検出することのできる半導体力学量センサを提供する。【解決手段】第１の半導体層１１の上に絶縁層１３を介して第２の半導体層１２を積層してなる積層基板１０を有し、第２の半導体層１２は、溝１４によって可動部１５と固定部１６とに区画されており、可動部１５の下に位置する絶縁層１３が除去されて空洞部１７が形成されていることにより、可動部１５は空洞部１７上にて可動状態となっている半導体力学量センサＳ１において、可動部１５は、比較的厚さが厚く積層基板１０の基板面方向へ可動となっている第１の可動部１５ａと、比較的厚さが薄く積層基板１０の基板厚さ方向へ可動となっている第２の可動部１５ｂとからなる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体層（１１）の上に絶縁層（１３）を介して第２の半導体層（１２）を積層してなる積層基板（１０）を有し、
前記第２の半導体層（１２）は、溝（１４）によって可動部（１５）と固定部（１６）とに区画されており、
前記可動部（１５）の下に位置する前記絶縁層（１３）が除去されて空洞部（１７）が形成されていることにより、前記可動部（１５）は前記空洞部（１７）上にて可動状態となっている半導体力学量センサにおいて、
前記可動部（１５）は、比較的厚さが厚く前記積層基板（１０）の基板面方向へ可動となっている第１の可動部（１５ａ）と、比較的厚さが薄く前記積層基板（１０）の基板厚さ方向へ可動となっている第２の可動部（１５ｂ）とからなることを特徴とする半導体力学量センサ。
【請求項２】
前記第１の可動部（１５ａ）の厚さ方向の断面において、前記積層基板（１０）の基板厚さ方向の長さ（Ｌ１）が前記積層基板（１０）の基板面方向の長さ（Ｌ２）よりも長いものであり、
前記第２の可動部（１５ｂ）の厚さ方向の断面において、前記積層基板（１０）の基板厚さ方向の長さ（Ｌ１’）が前記積層基板（１０）の基板面方向の長さ（Ｌ２’）よりも短いものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体力学量センサ。
【請求項３】
第１の半導体層（１１）の上に絶縁層（１３）を介して第２の半導体層（１２）を積層してなる積層基板（１０）を有し、前記第２の半導体層（１２）は、溝（１４）によって可動部（１５）と固定部（１６）とに区画されており、前記可動部（１５）の下に位置する前記絶縁層（１３）が除去されて空洞部（１７）が形成されており、前記可動部（１５）は、比較的厚さが厚い第１の可動部（１５ａ）と比較的厚さが薄い第２の可動部（１５ｂ）とからなる半導体力学量センサの製造方法であって、
前記積層基板（１０）を用意し、
前記第２の半導体層（１２）の表面に前記溝（１４）のパターンに対応した開口パターン（３１）を有するマスク（３０）を形成する工程と、
前記マスク（３０）が形成された前記第２の半導体層（１２）の表面からトレンチエッチングを行うことにより、前記第２の半導体層（１２）の表面から前記第２の半導体層（１２）の厚さ方向の途中まで達する第１の溝（１４ａ）を形成する工程と、
続いて、前記マスク（３０）のうち前記第２の可動部（１５ｂ）となる部位の上に位置する部分を除去する工程と、
前記マスク（３０）の一部が除去された前記第２の半導体層（１２）の表面からエッチングを行うことにより、前記第１の溝（１４ａ）を前記絶縁層（１３）まで貫通させて前記溝（１４）を形成するとともに、前記マスク（３０）が除去された部分の前記第２の半導体層（１２）を薄肉化する工程と、
次に、前記溝（１４）を介して前記絶縁層（１３）をエッチングして除去する工程と、を備えることを特徴とする半導体力学量センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板等の半導体基板に可動部と固定部とを形成してなる半導体力学量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の半導体力学量センサの一般的な製造方法を図４に概略断面図として示す。まず、半導体基板として、図４（ａ）に示すように、第１の半導体層１１の上に絶縁層１３を介して第２の半導体層１２を積層してなる積層基板１０を用意する。
【０００３】
この積層基板１０は、具体的には、第１および第２の半導体層１１、１２がシリコン層であり、絶縁層１３が埋め込み酸化膜であるＳＯＩ基板を用いることができる。
【０００４】
この積層基板１０において、図４（ｂ）に示すように、第２の半導体層１２の表面に可動部１５および固定部１６のパターンに対応した開口部３１を有するマスク３０を形成する。
【０００５】
次に、図４（ｃ）に示すように、このマスク３０にてマスキングした状態でトレンチエッチングを行うことにより、第２の半導体層１２に、その表面から絶縁層１３に到達する溝１４を形成する。この溝１４によって可動部１５と固定部１６とが区画される。
【０００６】
次に、図４（ｄ）、（ｅ）に示すように、積層基板１０における第１の半導体層１１側から第１の半導体層１１をエッチングすることにより、絶縁層１３に到達する開口部１７ａを形成し、その後、開口部１７ａに露出する絶縁層１３をエッチング除去することで、可動部１５の下に位置する絶縁層１３が除去されて空洞部１７が形成される。また、マスク３０も除去する。
【０００７】
こうして、図４（ｅ）に示す半導体力学量センサができあがる。このセンサにおいては、可動部１５は空洞部１７上にて可動状態となっており、例えば、基板面方向に沿った加速度等の力学量が印加されたときに、可動部１５とこれに対向する固定部１６との間隔が変化する。
【０００８】
そして、この間隔変化に伴い、対向する可動部１５と固定部と１６の間に形成された容量が変化し、この容量変化に基づいて、印加力学量が検出されるようになっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記一般的な半導体力学量センサにおいては、一つの半導体基板１０にて可動部１５は一つの方向にしか変位しない、すなわち半導体基板の基板面方向にしか可動しないので、この方向に沿って印加された力学量しか検出することができない。
【００１０】
そのため、複数方向の検出を行いたい場合には、複数個のチップすなわち複数個のセンサを用意する必要が生じることとなっていた。
【００１１】
本発明は上記問題に鑑み、一つの半導体基板で二つの異なる方向から印加される力学量を検出することのできる半導体力学量センサおよびそのようなセンサを製造し得る製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【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に記載の発明では、第１の半導体層（１１）の上に絶縁層（１３）を介して第２の半導体層（１２）を積層してなる積層基板（１０）を有し、第２の半導体層（１２）は、溝（１４）によって可動部（１５）と固定部（１６）とに区画されており、可動部（１５）の下に位置する絶縁層（１３）が除去されて空洞部（１７）が形成されていることにより、可動部（１５）は空洞部（１７）上にて可動状態となっている半導体力学量センサにおいて、可動部（１５）は、比較的厚さが厚く積層基板（１０）の基板面方向へ可動となっている第１の可動部（１５ａ）と、比較的厚さが薄く積層基板（１０）の基板厚さ方向へ可動となっている第２の可動部（１５ｂ）とからなることを特徴とする。
【００１３】
それによれば、可動部を構成する第２の半導体層（１２）の厚さ方向の寸法、すなわち厚さが異なる二つの可動部に分けて、そのうち比較的厚さが厚い第１の可動部（１５ａ）は、従来のセンサと同様に、積層基板（１０）の基板面方向へ可動とすることができる。
【００１４】
一方、第１の可動部（１５ａ）と比較して厚さが薄い第２の可動部（１５ｂ）は、その厚さが薄いがゆえに、積層基板（１０）の基板厚さ方向へ曲がりやすく当該基板厚さ方向へ可動なものにできる。そして、この第２の可動部は、その下の空洞部（１７）を介して対向する第１の半導体層（１１）との間に容量を形成する等により、この容量変化によって当該基板厚さ方向に印加される力学量を検出することができる。
【００１５】
したがって、本発明によれば、一つの半導体基板で基板面方向と基板厚さ方向との二つの異なる方向から印加される力学量を検出することができる。
【００１６】
より具体的には、請求項２に記載の発明のように、第１の可動部（１５ａ）の厚さ方向の断面において、積層基板（１０）の基板厚さ方向の長さ（Ｌ１）が積層基板（１０）の基板面方向の長さ（Ｌ２）よりも長いものであり、第２の可動部（１５ｂ）の厚さ方向の断面において、積層基板（１０）の基板厚さ方向の長さ（Ｌ１’）が積層基板（１０）の基板面方向の長さ（Ｌ２’）よりも短いものであるものにすれば、第１の可動部、第２の可動部のそれぞれの可動特性を適切なものにすることができる。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明は、第１の半導体層（１１）の上に絶縁層（１３）を介して第２の半導体層（１２）を積層してなる積層基板（１０）を有し、第２の半導体層（１２）は、溝（１４）によって可動部（１５）と固定部（１６）とに区画されており、可動部（１５）の下に位置する絶縁層（１３）が除去されて空洞部（１７）が形成されており、可動部（１５）は、比較的厚さが厚い第１の可動部（１５ａ）と比較的厚さが薄い第２の可動部（１５ｂ）とからなる半導体力学量センサの製造方法にであって、次のような工程を有するものである。
【００１８】
すなわち、積層基板（１０）を用意し、第２の半導体層（１２）の表面に溝（１４）のパターンに対応した開口パターン（３１）を有するマスク（３０）を形成する工程と、マスク（３０）が形成された第２の半導体層（１２）の表面からトレンチエッチングを行うことにより、第２の半導体層（１２）の表面から第２の半導体層（１２）の厚さ方向の途中まで達する第１の溝（１４ａ）を形成する工程と、続いて、マスク（３０）のうち第２の可動部（１５ｂ）となる部位の上に位置する部分を除去する工程と、マスク（３０）の一部が除去された第２の半導体層（１２）の表面からエッチングを行うことにより、第１の溝（１４ａ）を絶縁層（１３）まで貫通させて溝（１４）を形成するとともに、マスク（３０）が除去された部分の第２の半導体層（１２）を薄肉化する工程と、次に、溝（１４）を介して絶縁層（１３）をエッチングして除去する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
それによれば、マスク（３０）の一部が除去された第２の半導体層（１２）の表面からエッチングを行えば、第１の溝（１４ａ）を絶縁層（１３）まで貫通させて溝（１４）が形成され、第１および第２の可動部（１５ａ、１５ｂ）が形成される。
【００２０】
特に、この工程において、マスク（３０）が除去された部分の第２の半導体層（１２）が、溝（１４）の形成とともにエッチングされて薄肉化されるため、この薄肉化された部位が第２の可動部（１５ｂ）として形成される。
【００２１】
そして、溝（１４）を介して絶縁層（１３）をエッチングして除去することで空洞部（１７）が形成され、可動部（１５）が可動状態となる。このように、本発明によれば、請求項１に記載の半導体力学量センサを適切に製造し得る製造方法を提供することができる。
【００２２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係る半導体力学量センサＳ１の概略断面構成を示す図である。限定するものではないが、この半導体力学量センサＳ１は例えば、半導体基板の基板面方向と基板厚さ方向との二つの方向に印加された加速度を検出可能なセンサとして適用可能である。
【００２４】
このセンサＳ１は、第１の半導体層１１の上に絶縁層１３を介して第２の半導体層１２を積層してなる積層基板１０を有する。本例の積層基板１０は、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１０であり、第１の半導体層としての第１のシリコン層１１の上に絶縁層としての埋め込み酸化膜１３を介して第２の半導体層としての第２のシリコン層（ＳＯＩ層）１２を貼り合わせてなるものである。
【００２５】
第２の半導体層１２には、当該第２の半導体層１２を厚さ方向に貫通する溝１４が形成されることによって可動部１５と固定部１６とに区画されている。また、可動部１５の下に位置する絶縁層１３は除去されて空洞部１７が形成されている。
【００２６】
そして、可動部１５は図示しない部位にて、絶縁層１３を介して第１の半導体層１１に弾性的に支持されることにより、空洞部１７上にて可動状態となっている。一方、固定部１６は、絶縁層１３を介して第１の半導体層１１に支持固定されている。可動部１５は、例えば周知である櫛歯状の梁構造体として形成されたものにでき、その場合、図１では櫛歯状の梁の断面が示されている。
【００２７】
そして、図１に示すように、可動部１５は、比較的厚さ（図１中の上下方向の寸法）が厚く積層基板１０の基板面方向（図１中の左右方向）へ可動となっている第１の可動部１５ａと、比較的厚さが薄く積層基板１０の基板厚さ方向（図１中の上下方向）へ可動となっている第２の可動部１５ｂとからなる。
【００２８】
具体的には、図１に示すように、第１の可動部１５ａの厚さ方向の断面形状は、積層基板１０の基板厚さ方向の長さＬ１が積層基板１０の基板面方向の長さＬ２よりも長いものである。一方、第２の可動部１５ｂの厚さ方向の断面形状は、積層基板１０の基板厚さ方向の長さＬ１’が積層基板１０の基板面方向の長さＬ２’よりも短いものである。
【００２９】
このように、可動部１５を厚さが異なる二つの可動部１５ａ、１５ｂに分けることで、比較的厚さが厚い第１の可動部１５ａは、従来のセンサと同様に、積層基板１０の基板面方向へ可動とすることができる。このことは、上記第１の可動部１５ａにおいて、「基板厚さ方向の長さＬ１＞積層基板１０の基板面方向の長さＬ２」としていることから、容易に実現可能なことは明らかである。
【００３０】
一方、第１の可動部１５ａと比較して厚さが薄い第２の可動部１５ｂは、その厚さが薄いがゆえに、積層基板１０の基板厚さ方向へ曲がりやすく当該基板厚さ方向へ可動なものにできる。このことは、上記第２の可動部１５ｂにおいて、「基板厚さ方向の長さＬ１＜積層基板１０の基板面方向の長さＬ２」としていることから、容易に実現可能なことは明らかである。
【００３１】
そして、この第２の可動部１５ｂは、その下の空洞部１７を介して対向する第１の半導体層１１との間に容量を形成する等により、この容量変化によって当該基板厚さ方向に印加される加速度や圧力等の力学量を検出することができる。
【００３２】
このように、本実施形態の半導体力学量センサＳ１によれば、一つの半導体基板１０にて基板面方向と基板厚さ方向との二つの異なる方向から印加される力学量を検出することができる。
【００３３】
次に、上記図１に示す半導体力学量センサＳ１の製造方法について、図２、図３を参照して述べる。図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ａ）〜（ｃ）は、上記図１に示す断面に基づいて本製造方法を示す工程図である。
【００３４】
まず、図２（ａ）に示すように、上記積層基板１０を用意する。次に、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、第２の半導体層１２の表面に溝１４のパターンに対応した開口パターン３１を有するマスク３０を形成する。具体的にマスク３０としては、蒸着法等により成膜されたＳｉ３Ｎ４膜やフォトレジスト膜等を採用でき、そのパターニングは周知のフォトリソグラフ技術を用いて可能である。
【００３５】
次に、図２（ｄ）に示すように、マスク３０が形成された第２の半導体層１２の表面からトレンチエッチングを行うことにより、第２の半導体層１２の表面から第２の半導体層１２の厚さ方向の途中まで達する第１の溝１４ａを形成する。このエッチングは例えば、フッ素系ガスを用いたプラズマエッチングやＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等にて実現可能である。
【００３６】
続いて、マスク３０のうち第２の可動部１５ｂとなる部位の上に位置する部分を除去する工程を行い、その後、図３（ａ）に示すように、マスク３０の一部が除去された第２の半導体層１２の表面から上記同様の要領でトレンチエッチングを行う。
【００３７】
それにより、第１の溝１４ａを絶縁層１３まで貫通させて溝１４を形成するとともに、マスク３０が除去された部分の第２の半導体層１２を薄肉化する。この工程によれば、マスク３０の一部が除去された第２の半導体層１２の表面からエッチングを行うことで、第１の溝１４ａを絶縁層１３まで貫通させて溝１４が形成され、第１および第２の可動部１５ａ、１５ｂが形成される。
【００３８】
特に、この工程において、マスク３０が除去された部分の第２の半導体層１２が、溝１４の形成とともにエッチングされて薄肉化されるため、この薄肉化された部位が第２の可動部１５ｂとして形成される。ここまでの状態が図３（ａ）に示される。
【００３９】
次に、図３（ｂ）に示すように、溝１４を介して絶縁層１３をエッチングして除去する。具体的には、フッ酸を用いたウェットエッチング等を行うことにより、絶縁層１３を除去することができる。こうして、溝１４を介して絶縁層１３をエッチング除去することで空洞部１７が形成され、可動部１５ａ、１５ｂが可動状態となる。
【００４０】
その後、図３（ｃ）に示すように、マスク３０を除去する。こうして、上記製造方法によれば、上記図１に示す半導体力学量センサＳ１を適切に製造することができる。
【００４１】
以上述べてきたように、本実施形態によれば、一つの半導体基板で二つの異なる方向から印加される力学量を検出することのできる半導体力学量センサおよびそのようなセンサを製造し得る製造方法を提供することができる。なお、本発明は、加速度センサ以外にも圧力センサにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体力学量センサの概略断面図である。
【図２】図１に示す半導体力学量センサの製造方法を示す工程図である。
【図３】図２に続く製造方法を示す工程図である。
【図４】従来の一般的な半導体力学量センサの製造方法を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１０…積層基板、１１…第１の半導体層、１２…第２の絶縁層、
１３…絶縁層、１４…溝、１５…可動部、１５ａ…第１の可動部、
１５ｂ…第２の可動部、１６…固定部、１７…空洞部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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