(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に硼素がドープされたシリコンで形成されたエッチストップ層を形成した振動膜基板と、一方の面に酸化シリコン膜の接合膜を形成した背面板基板と、を前記エッチストップ層および前記接合膜を介して接合した接合基板をエッチングして形成するコンデンサ型マイクロホンにおいて、
前記接合膜は、前記エッチストップ層と同じく硼素を含み、
前記接合膜中に含まれる硼素の濃度は、前記エッチストップ層中にドープされた硼素の濃度以上であることを特徴とするコンデンサ型マイクロホン。
【請求項２】
一方の面に硼素がドープされたシリコンで形成されたエッチストップ層を形成した振動膜基板と、一方の面に酸化シリコン膜の接合膜を形成した背面板基板と、を前記エッチストップ層および前記接合膜を介して接合した接合基板をエッチングして形成する圧力センサにおいて、
前記接合膜は、前記エッチストップ層と同じく硼素を含み、
前記接合膜中に含まれる硼素の濃度は、前記エッチストップ層中にドープされた硼素の濃度以上であることを特徴とする圧力センサ。
【請求項３】
前記エッチストップ層形成のための硼素拡散は１２００℃以下で行われ、その後の熱処理は９００℃以上、前記硼素拡散の温度以下で行われることを特徴とする請求項１記載のコンデンサ型マイクロホン。
【請求項４】
前記エッチストップ層形成のための硼素拡散は１２００℃以下で行われ、その後の熱処理は９００℃以上、前記硼素拡散の温度以下で行われることを特徴とする請求項２記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシン加工技術を用いて作成する振動膜を有するコンデンサ型マイクロホンまたは圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、受けた音波の音圧に応じてコンデンサ容量を変化させ、そのコンデンサ容量の変化を電気信号に変換するコンデンサ型マイクロホンが知られている。このようなコンデンサ型マイクロホンとして、図１に示すような構造のマイクロホンが知られ、このマイクロホンの圧力センサはマイクロマシン加工技術を用いて作成される。
【０００３】
図１に示すコンデンサ型マイクロホン（圧力センサ）１００は、振動膜２０１、振動膜支持部２０２、背面板３０１、排気穴３０２、及び支持部３０３によって構成される。振動膜２０１はミクロンオーダーの厚さの導電性平板であり、振動膜２０１と背面板３０１とは平行板電極を構成する。振動膜２０１に入射した音波は、振動膜２０１を振動させ、振動膜２０１と背面板３０１とによって構成されるコンデンサの容量を変化させる。
【０００４】
振動膜２０１は、マイクロマシン加工技術を用いて製作され、シリコン基板をエッチングすることによって削り出される。シリコン基板を用いることによって、機械強度の高い振動膜を形成することが可能である。また、各構成部を同一材質のシリコン基板から形成することによって、各構成部の熱膨張係数を同一にすることができ、異種材料を組み合わせてコンデンサ型マイクロホンを構成する場合とは異なり、温度変化による歪みが生じにくい。さらに、シリコン基板を用いることによって基板上に様々なシリコンの電子回路を形成することが可能である。
【０００５】
以下、図５を参照してコンデンサ型マイクロホン（圧力センサ）１００の従来の製作方法について説明する。
工程２０１で、図５（ｂ）に示すように、振動膜基板２１０にエッチストップ層２２０を形成する。このエッチストップ層２２０は、図５（ｄ）に示すようにコンデンサ型マイクロホン（圧力センサ）１００の振動膜２０１になる部分であり、振動膜２０１を安定的に形成するためにシリコン基板のエッチング量を制御する目的で用いられるものである（参考文献：エリン．シュタインスランドら著、「ＴＭＡＨ溶液中の硼素エッチストップ」、Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，Ａ５４巻（１９９６），７２８−７３２頁（Elin Steinsland et al., “Boron etch-stop in TMAH”, Sensors and Actuators, A54(1996), 728-732）。
【０００６】
工程２０２で、背面板基板３１０に背面板基板酸化膜３３０、６２０を形成し、エッチストップ層２２０が形成された面と対向する振動膜基板２１０の面に振動膜基板酸化膜２３０を形成する。
工程２０３で、図５（ｃ）に示すように、エッチストップ層２２０と背面板基板酸化膜６２０とを陽極接続等の技術を用いて接続し、接合基板７００を形成する。接合基板７００を形成することによって、微細な平行板電極を高精度且つ、容易に形成できる。
【０００７】
工程２０４で、振動膜基板酸化膜２３０と背面板基板酸化膜３３０にマスク形成処理を施し、図５（ｄ）に示すように、振動膜基板酸化膜マスク２３１と背面板基板酸化膜マスク３３１とを形成する。
工程２０５で、振動膜基板酸化膜マスク２３１と背面板基板酸化膜マスク３３１とを用いてアルカリエッチング液でエッチングし、図５（ｄ）に示すように振動膜２０１と背面板３０１を形成する。
【０００８】
工程２０６で、フッ酸を用いて、振動膜基板酸化膜マスク２３１、背面板基板酸化膜マスク３３１、および背面板基板酸化膜６２０の図１に示す支持部３０３を除く部分をエッチングし、平行板電極を形成し、コンデンサ型マイクロホン（圧力センサ）１００を得る。
【０００９】
このように、従来のコンデンサ型マイクロホンまたは圧力センサでは、振動膜２０１になるエッチストップ層２２０を形成した振動膜基板２１０と、背面板基板３１０とを接合して接合基板７００を形成し、この接合基板７００の両面にエッチングマスク２３１、３３１を形成した後、アルカリエッチング液で接合基板７００をエッチングしてマイクロホンの振動膜２０１と、背面板３０１を形成している。
【００１０】
ここで、アルカリエッチング液に耐性のある良質なエッチングマスクを得るにはシリコン熱酸化膜を用いることが必須である。シリコン熱酸化膜は、通常、シリコン基板を酸素雰囲気中、９００℃以上の温度で熱酸化することによって形成される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のコンデンサ型マイクロホンまたは圧力センサの製作方法では、エッチストップ層形成のためにドープする硼素の濃度はシリコン（エッチストップ層）中より酸化膜中の方が小さいため、エッチストップ層を形成した接合基板に上記の熱処理を行うと、硼素はエッチストップ層から酸化膜へ拡散してしまうことが知られている。
【００１２】
上記の事項は、
▲１▼原徹ら編集、超ＬＳＩプロセスデータハンドブック、昭和５７年、サイエンスフォーラム、２０４−２０６頁、
▲２▼柳井久義、永田穣著、集積回路工学（１）、昭和５５年、コロナ社、７６頁、
▲３▼アール．ビー．フェアー、およびジェイ．シー．シー．ツァイ著、「ドライ、ニアドライおよびウェットでのＯ2酸化中のＳiＯ2における硼素の偏析の理論および直接計測」、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２５巻、１２号、２０５０−２０５８頁、１９７８，１２月、（R.B.Fair and J.C.C.Tsai, ”Theory and Direct Measurement of Boron Segregation in SiO2 during Dry, Near Dry, and Wet O2 Oxidation”,  J.Electrochem.Soc., 125, No.12, 2050-2058, Dec 1978）、
▲４▼ジェイ．ダブリュー．コルビー、およびエル．イー。カッツ著、「温度および面方位を関数とするＳｉ−ＳiＯ2界面での硼素の偏析」、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２３巻、３号、４０９−４１２頁、１９７６，３月（J.W.Colby and L.E.Katz, ”Boron Segregation at Si- SiO2 Interface as a Function of Temperature and Orientation”, J.Electrochem.Soc., 123, No.3, 409-412, Mar 1976）
等の文献から公知である。
【００１３】
その結果、エッチストップ層の不純物濃度が低下してエッチストップ層の内部応力が圧縮方向に転じ、振動膜は、その内部の圧縮応力によって座屈するという問題がある（参考文献：クレオパトラ  カブズら著、「ｐ＋シリコン中で実現されている力学的構造に関するマイクロフィジックス的な研究」、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＶＯＬ．４，ＮＯ．３，１９９５  ９月（Cleopatra Cabuz et al., ”Microphysical Investigations on Mechanical Structures Realized in p+ Silicon”, J.Mircroelectromechanical Systems, VOL.4, NO.3, Sep 1995））。
【００１４】
かかる問題に対する対策の１つとして、エッチングマスク用の酸化膜を形成するための熱酸化処理を、エッチストップ層形成前に行うという方法が考えられる。しかし、初期に酸化膜を形成すると、基板接合を行うために基板の裏面に接合用の電極端子が必要となるという問題や、酸化膜形成後の工程において生じるエッチングマスクのキズの防止が製作工程上の大きな制約となるという問題がある。
【００１５】
また、平行板電極間の浮遊容量を低減し、性能向上を図る目的で、膜厚の異なる複雑なエッチングマスク構造を採用することが考えられるが、製作工程の初期にエッチストップ層を形成することは、設計、製作上、困難である等の問題がある。
このように従来の製作方法では、平行板電極の構造や搭載できる回路等に関して、設計自由度が狭められている。
【００１６】
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、製作工程の制約を解消し、平行板電極の構造や搭載できる回路等の設計自由度を広げることができるコンデンサ型マイクロホンまたは圧力センサを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、一方の面に硼素がドープされたシリコンで形成されたエッチストップ層を形成した振動膜基板と、一方の面に酸化シリコン膜の接合膜を形成した背面板基板と、を前記エッチストップ層および前記接合膜を介して接合した接合基板をエッチングして形成するコンデンサ型マイクロホンまたは圧力センサにおいて、前記接合膜は、前記エッチストップ層と同じく硼素を含み、前記接合膜中に含まれる硼素の濃度は、前記エッチストップ層中にドープされた硼素の濃度以上である構成を有している。
【００１８】
この構成により、エッチストップ層との接合膜としてエッチストップ層と同一の硼素を含む層を用いて製作されるため、エッチストップ層を形成し、基板を接合した後でも硼素の再分布を問題とすることなく約１２００℃以内で基板の高温酸化・アニール処理を行うことができる。
また、接合膜中に含まれる硼素の濃度が、エッチストップ層中にドープされた硼素の濃度以上であるため、接合膜への偏析によるエッチストップ層中の硼素の再分布を抑制することができる。
さらに、この構成により、エッチストップ層と接合膜とに硼素を不純物としてドープしたものを用いるため、エッチストップ層と背面板基板とを接合した接合基板に対して、所定のアルカリエッチング液を用いてエッチングを行うことができる。
【００２１】
また、請求項２に係る発明は、請求項１において、前記エッチストップ層形成のための硼素拡散は１２００℃以下で行われ、その後の熱処理は９００℃以上、前記硼素拡散の温度以下で行われる構成を有している。
この構成により、エッチストップ層形成のための硼素拡散は１２００℃以下で行われ、その後の熱処理は９００℃以上１２００℃以下で行われるため、その後の熱処理の適切な温度範囲を確保し、エッチストップ層中の硼素の再分布を抑制することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照し、本発明の第１の実施の形態に係るコンデンサ型マイクロホンまたは圧力センサについて説明する。
図２は、第１の実施の形態に係るコンデンサ型マイクロホンまたは圧力センサの製作工程の概略を示す図である。
【００２３】
コンデンサ型マイクロホン（圧力センサ）１００は、シリコン基板等の半導体基板を用いて形成され、音波検出には検出感度を向上させるために薄い振動膜が要求される。以下では、説明の便宜上、半導体基板をシリコン基板に限定する。通常、この薄い振動膜２０１を形成するのにエッチング技術を用い、エッチング量を制御するために振動膜基板２１０に厚さ数ミクロンのエッチストップ層２２０を形成する。
【００２４】
工程１０１で、図２（ｂ）に示すように、振動膜基板２１０にエッチストップ層２２０を形成する。エッチストップ層２２０の形成は固体拡散法によって行われ、シリコン基板上に不純物を高濃度に熱拡散する方法によって行われる。不純物の熱拡散は、高濃度不純物層を得るために高温で熱処理するが、シリコンウェハに熱変形が生じないようにするために１２００℃以下の温度で熱処理する。なお、第１の実施の形態では固体拡散法を用いてエッチストップ層を形成する場合について説明するが、イオン注入法、塗布法等の他の形成法によって行うのでも良い。
【００２５】
工程１０２で、図２（ａ）に示すように、背面板基板３１０に接合膜３２０を形成し、その接合膜３２０は、粉体酸化シリコンを塗布する方法またはＣＶＤ法等によって堆積する方法等によって形成される。ここで用いる粉体酸化シリコンやＣＶＤ法等によって形成される酸化膜は、エッチストップ層２２０の形成のためにドープしたのと同じ不純物を高濃度に含むものである。そして、接合膜３２０中の不純物濃度は、エッチストップ層２２０中の不純物濃度より高いものとする。
【００２６】
工程１０３で、図２（ｃ）に示すように、エッチストップ層２２０と接合膜３２０とを介して振動膜基板２１０と背面板基板３１０とを接合し、接合基板４００を作成する。その接合は、加熱溶着、陽極接合、直接接合等の接合技術を用いて行うことができる。
工程１０４で、接合基板４００の背面板基板３１０側を研磨して所望の背面板の厚さにする。
【００２７】
工程１０５で、接合基板４００を酸素雰囲気中で熱処理することによって、接合基板４００の両面にエッチングマスク用の酸化膜２３０、３３０を形成する。エッチングマスク用の酸化膜２３０、３３０は、振動膜基板２１０のシリコンエッチング深さから４０００Å前後の厚さとなるように形成する。
【００２８】
酸化膜２３０、３３０を形成するための熱処理は、エッチストップ層２２０中の不純物の再拡散を防ぐために、エッチストップ層形成温度以下で行う。第１の実施の形態では、酸化膜２３０、３３０を形成するための熱処理温度を９００℃以上とする。このような熱処理温度としたのは、酸化膜２３０、３３０の成長に適切な速度を確保することと、低温処理では振動板基板２１０と接合酸化膜３２０との間の界面電荷が増加すること（参考文献：原徹ら編集、超ＬＳＩプロセスデータハンドブック、昭和５７年、サイエンスフォーラム、１４２−１４３頁、）、を回避するためである。
【００２９】
工程１０６で、ホトリソ技術を用いて酸化膜２３０、３３０を加工し、図２（ｄ）に示すように振動膜エッチングマスク２３１と背面板エッチングマスク３３１を形成する。
工程１０７で、振動膜エッチングマスク２３１と背面板エッチングマスク３３１とを用いて接合基板４００をエッチングし、図２（ｄ）に示すように振動膜２０１と背面板３０１を形成する。その際、ＴＭＡＨ（Tetramethyl ammonium hydroxide）等の所定のアルカリエッチング液を用いてエッチングを行うことができる。
【００３０】
工程１０８で、振動膜エッチングマスク２３１、背面板エッチングマスク３３１、および接合膜３２０の図１に示す支持部２０３を除く部分をエッチングし、平行板電極を形成する。以上の処理工程をもって、一体構造のコンデンサ型マイクロホンまたは圧力センサが得られる。
【００３１】
図３は、上記のように接合基板に酸化膜６０００Åを形成したときの、接合酸化膜とエッチストップ層との界面からシリコン基板方向への不純物プロファイルを示す図である。図３に示すグラフにおいて、縦軸は対数表示の不純物濃度であり、横紬は界面からシリコン基板方向への距離である。図３から、界面（０μｍ位置）付近で不純物濃度の顕著な低下は見られず、また不純物プロファイルは熱酸化処理前とほぼ同じであった。
【００３２】
図４は、上記のように接合基板に酸化膜６０００Åを形成した後に製作した振動膜の表面変位を、レーザ変位計を用いて計測して得られたプロファイルである。図４に示すグラフにおいて、縦軸は振動膜の表面変位であり、横軸は振動膜の面内の距離である。図４から、振動膜内のプロファイルはほぼ平坦であり、座屈は生じていないことがわかる。
【００３３】
以上説明したように、第１の実施の形態に係るコンデンサ型マイクロホンまたは圧力センサは、エッチストップ層との接合膜としてエッチストップ層中の不純物濃度よりも高濃度の不純物を有する層を塗布または堆積して得られた接合基板を用いて製作されるため、薄い振動膜を製作するために欠くことのできないエッチストップ層を形成し、基板を接合した後でも約１２００℃以内で基板の高温酸化・アニール処理が行うことができる。
【００３４】
また、アニール処理が可能であるため、接合した基板の研削・研磨、クリーニングなどの加工が可能となる。
また、基板接合後に基板の加工ができることで、所望する厚さで基板やその上に形成される各層を形成すること、および膜厚の異なる複雑なエッチングマスク形成が可能となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、エッチストップ層との接合膜としてエッチストップ層中の不純物濃度よりも高濃度の不純物を有する層を塗布または堆積して形成することによって、コンデンサ型マイクロホンまたは圧力センサの製作工程上の制約を解消して、浮遊容量低減等を可能とし性能を向上させる平行板電極構造と搭載回路の設計自由度を広げることが可能なコンデンサ型マイクロホンまたは圧力センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  コンデンサ型マイクロホンまたは圧力センサの断面図である。
【図２】  本発明の第１の実施の形態に係るコンデンサ型マイクロホンまたは圧力センサの製作工程の概略を示す図である。
【図３】  本発明の第１の実施の形態に係る接合基板に酸化膜６０００Åを形成したときの、接合酸化膜とエッチストップ層との界面からシリコン基板方向への不純物プロファイルを示す図である。
【図４】  本発明の第１の実施の形態に係る接合基板に酸化膜６０００Åを形成した後に製作した振動膜の表面変位を、レーザ変位計を用いて計測して得られたプロファイルを示す図である。
【図５】  従来のコンデンサ型マイクロホンまたは圧力センサの製作工程の概略を示す図である。
【符号の説明】
１００  コンデンサ型マイクロホン（圧力センサ）
２０１  振動膜
２０２  振動膜支持部（基板）
２１０  振動膜基板
２２０  エッチストップ層
２３０  振動膜基板酸化膜
２３１  振動膜エッチングマスク
３０１  背面板
３０２  排気穴
３０３  支持部
３１０  背面板基板
３２０  エッチストップ層と同じ不純物を含む酸化膜
３３０、６２０  背面板基板酸化膜
３３１  背面板エッチングマスク
４００、７００  接合基板
５００  エッチストップ層と酸化膜が形成された基板
６００  酸化膜が形成された基板
【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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