(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ型の半導体基板（１１）上にＮ型の半導体層（１２）を有するウエハ（２０）における前記半導体層（１２）の下部に位置する前記半導体基板（１１）に空洞部（１４）を形成することにより、前記ウエハ（２０）のうち前記空洞部（１４）よりも上側の部位に可動部（１５）を形成し、該可動部（１５）の可動状態に基づいて力学量を検出するようにした半導体力学量センサを製造する方法であって、
前記ウエハ（２０）を用意するウエハ用意工程と、
前記ウエハ（２０）の前記半導体層（１２）の表面から前記半導体基板（１１）に至る垂直穴（１６）を形成する垂直穴形成工程と、
前記半導体層（１２）の表面および前記垂直穴（１６）の側壁面に絶縁性の保護膜（１３、１７）を形成する保護膜形成工程と、
前記半導体層（１２）に正電圧を印加して電気化学エッチングを行い、前記垂直穴（１６）の底部から前記半導体基板（１１）をエッチングしていくことにより、前記空洞部（１４）を形成する空洞部形成工程と、を有することを特徴とする半導体力学量センサの製造方法。
【請求項２】
前記垂直穴形成工程において、前記半導体層（１２）の表面を第１酸化膜（１３）で被覆し、前記第１酸化膜（１３）のうち前記垂直穴（１６）の形成領域となる部分をエッチングにより除去した後、前記第１酸化膜（１３）をマスクとしてＲＩＥにより、前記ウエハ（２０）平面と垂直方向に前記垂直穴（１６）を形成し、
続いて、前記保護膜形成工程において、熱酸化もしくはＣＶＤにより、前記第１酸化膜（１３）の表面と前記垂直穴（１６）の側壁面及び底部に第２酸化膜（１７）を形成した後、
前記ウエハ（２０）平面と垂直方向にＲＩＥを行い、前記第１酸化膜（１３）の表面及び前記垂直穴（１６）の底部に形成された前記第２酸化膜（１７）を除去するとともに、前記半導体層（１２）の表面に前記第１酸化膜（１３）、前記垂直穴（１６）の側壁面に前記第２酸化膜（１７）を残すことにより、前記保護膜（１３、１７）を形成するものであり、
前記第１酸化膜および前記第２酸化膜は酸化シリコン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の製造方法。
【請求項３】
前記垂直穴形成工程において、前記半導体層（１２）の表面を第１酸化膜（１３）で被覆し、前記第１酸化膜（１３）のうち前記垂直穴（１６）の形成領域となる部分をエッチングにより除去した後、前記第１酸化膜（１３）をマスクとしてＲＩＥにより、前記ウエハ（２０）平面と垂直方向に前記垂直穴（１６）を形成し、
続いて、前記保護膜形成工程において、熱酸化もしくはＣＶＤにより、前記第１酸化膜（１３）の表面と前記垂直穴（１６）の側壁面及び底部に第２酸化膜（１７）を形成した後、
前記ウエハ（２０）平面と垂直方向にＲＩＥを行い、前記第１酸化膜（１３）の表面及び前記垂直穴（１６）の底部に形成された前記第２酸化膜（１７）を除去するとともに、前記半導体層（１２）の表面に前記第１酸化膜（１３）、前記垂直穴（１６）の側壁面に前記第２酸化膜（１７）を残すことにより、前記保護膜（１３、１７）を形成するものであり、
前記第１酸化膜は酸化シリコンであり、前記第２酸化膜は窒化シリコン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の製造方法。
【請求項４】
前記垂直穴形成工程において、前記半導体層（１２）の表面を第１酸化膜（１３）で被覆し、前記第１酸化膜（１３）のうち前記垂直穴（１６）の形成領域となる部分をエッチングにより除去した後、前記第１酸化膜（１３）をマスクとしてＲＩＥにより、前記ウエハ（２０）平面と垂直方向に前記垂直穴（１６）を形成し、
続いて、前記保護膜形成工程において、熱酸化もしくはＣＶＤにより、前記第１酸化膜（１３）の表面と前記垂直穴（１６）の側壁面及び底部に第２酸化膜（１７）を形成した後、
前記ウエハ（２０）平面と垂直方向にＲＩＥを行い、前記第１酸化膜（１３）の表面及び前記垂直穴（１６）の底部に形成された前記第２酸化膜（１７）を除去するとともに、前記半導体層（１２）の表面に前記第１酸化膜（１３）、前記垂直穴（１６）の側壁面に前記第２酸化膜（１７）を残すことにより、前記保護膜（１３、１７）を形成するものであり、
前記第１酸化膜は窒化シリコンであり、前記第２酸化膜は酸化シリコン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、圧力、加速度、振動、歪み、角速度等の力学量を検出する半導体力学量センサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体圧力センサにおけるダイヤフラムあるいは半導体加速度センサにおける梁構造体などの可動部を電気化学エッチングを用いて形成するようにした製造方法があり、この種の製造方法として、本出願人は、先に、特願平１０−２１３４３号に記載のものを提案している。
【０００３】
これによると、Ｐ型の半導体基板上にＮ型の半導体層を有するウエハにおいて、ウエハの半導体層表面から半導体基板に至るトレンチを形成し、Ｎ型の半導体層にエッチング用の正電圧を印加して電気化学エッチングを行い、トレンチ部分から半導体基板をエッチングしていくことにより、半導体基板に空洞部を形成する。このとき、ウエハのうち空洞部よりも上側の部位に可動部（例えば梁構造体やダイヤフラム）となり、該可動部の可動状態に基づいて力学量を検出するようにした半導体力学量センサが製造される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記先願においては、電気化学エッチングを行なう際の構造として、トレンチの側壁にＮ層（Ｎ型の半導体層）とＰ層（Ｐ型の半導体基板）との接合界面が露出する構造となっている。本発明者等が検討したところ、このような構造で、実際に電気化学エッチングを行なうと、次の様な問題が生じることが実験的にわかった。
【０００５】
Ｎ層に正電圧（エッチング用電圧）を印加し、アルカリ溶液（エッチング液）中に浸漬すると、上記接合界面部にＰＮの方向とは逆のバイアス（ＰＮ逆バイアス）がかかる。
そのため、上記接合界面部とアルカリ溶液との間で電流がリークし、その結果、Ｐ層とＮ層との電位差が低下し、Ｎ層には陽極酸化するために十分な電圧がかからず、Ｎ層にてエッチングがストップしにくくなり、一方、Ｐ層は逆にリークにより電圧が若干加わるために、本来の異方性エッチングよりもエッチングレートが低下し、本来意図するような選択エッチングが起こりにくくなる。
【０００６】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みて、Ｐ型の半導体基板上にＮ型の半導体層を有するウエハに形成されたトレンチ部分から半導体基板を電気化学エッチングする際に、トレンチの側壁に露出するＰ層とＮ層との接合界面からの電流リークを防止する半導体力学量センサの製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【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記載の発明においては、Ｐ型の半導体基板（１１）上にＮ型の半導体層（１２）を有するウエハ（２０）のうち半導体層（１２）の表面から半導体基板（１１）に至る垂直穴（１６）を形成し、半導体層（１２）の表面及び垂直穴（１６）の側壁面に絶縁性の保護膜（１３、１７）を形成し、その後、半導体層（１２）に正電圧を印加して電気化学エッチングを行い、垂直穴（１６）の底部から半導体基板（１１）をエッチングしていくことにより、半導体基板（１１）に空洞部（１４）を形成することを特徴としている。
【０００８】
本発明によれば、Ｐ層であるＰ型の半導体基板（１１）とＮ層であるＮ型の半導体層（１２）との接合界面が露出する垂直穴（１６）の側壁面、および半導体層（１２）の表面を、絶縁性の保護膜（１３、１７）で保護するため、エッチング液に露出する層をＰ層のみとできる。そのため、半導体層（１２）に正電圧を印加した際に、両層の接合界面からの電流リークを防止することができる。
【０００９】
これにより、Ｐ層にて確実に異方性エッチングが進み、Ｎ層にて確実にエッチングが止まる。また、請求項２、３、４に記載の発明は、請求項１記載の製造方法における垂直穴（１６）及び保護膜（１３、１７）を形成する具体的手段を提供するものであるが、垂直穴（１６）の形成に用いる第１酸化膜（１３）と垂直穴（１６）の内面に形成される第２酸化膜（１７）とを利用して、保護膜（１３、１７）を形成することを特徴としている。さらに、請求項２では、第１酸化膜および第２酸化膜をともに酸化シリコンとしており、請求項３では、第１酸化膜を酸化シリコン、第２酸化膜を窒化シリコンとしており、請求項４では、第１酸化膜を窒化シリコン、第２酸化膜は酸化シリコンとしている。
【００１０】
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１１】
【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。本実施形態は本発明を、ダイヤフラムを可動部とした半導体圧力センサに適用したものとして説明する。図１に、本発明を用いて製造された半導体圧力センサ１の平面構成を示し、図２に、図１中のＡ−Ａ（１点鎖線）断面構成を示す。
【００１２】
図２に示す様に、基板１０は、結晶方位が（１００）であるＰ型（１００）シリコン基板（半導体基板）１１上にＮ型エピタキシャル層（半導体層）１２、酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）等からなる絶縁性の酸化膜１３が形成された構造になっている。Ｐ型シリコン基板１１の内部には空洞部１４が形成されており、基板１０において空洞部１４よりも上側の部位は、可動部としてのダイヤフラム１５として構成されている。
【００１３】
また、空洞部１４は屈曲部１４ａを有し、この屈曲部１４ａは、図２に示す様に、ダイヤフラム１５の直下部分よりも基板１０の平面方向（図２の左右方向）に広がる方向に位置する。ダイヤフラム１５は、主として酸化膜１３及びＮ型エピタキシャル層１２からなり、Ｎ型エピタキシャル層１２の下側に、Ｐ型シリコン基板１１の一部が僅かに薄い層として形成されている。
【００１４】
このダイヤフラム１５には、Ｎ型エピタキシャル層１２の表面から基板１に垂直方向に空洞部１４に至る穴としての垂直穴１６が形成されており、垂直穴１６の側壁面の全域には、酸化シリコン等からなる絶縁性の酸化膜１７で被覆されている。本実施形態では、この垂直穴１６の側壁面の酸化膜１７及び上記Ｎ型エピタキシャル層１２の表面の酸化膜１３が、保護膜を構成している。
【００１５】
また、この垂直穴１６には、ポリシリコン等からなる封止膜１８が充填され、垂直穴１６を閉塞している。こうして密封された空洞部１４は、真空となっている。
ここで、図１は、これら空洞部１４、ダイヤフラム１５及び垂直穴１６の平面構成を示しており、封止膜１８は省略してある。図１において基板１０の内周に位置する四角形状の破線Ｈ１は空洞部１４の屈曲部１４ａの位置を示し、破線Ｈ１の内側に位置する四角形状の破線Ｈ２はダイヤフラム１５の外縁を示す。
【００１６】
図１に示す様に、本例では空洞部１４の屈曲部１４ａおよびダイヤフラム１５は、平面形状が略四角形をなす。また、垂直穴１６は、ダイヤフラム１５の外縁四隅と四角形の略中心との５箇所形成されている。これら、空洞部１４、ダイヤフラム１５、及び垂直穴１６の位置関係は、後述の圧力センサ１の製造方法から規定される。
【００１７】
また、図１に示す様に、ダイヤフラム１５の外縁四角形の各辺には、辺を跨いで４個のゲージ抵抗（感圧素子）１９が形成されており、Ｎ型エピタキシャル層１２の表面に、ボロン等をイオン注入する等により形成されている。各ゲージ抵抗１９は、図示しない電気配線によってブリッジ回路（ホイーストンブリッジ）を構成し、図示しない外部回路に接続されている。
【００１８】
そして、本圧力センサ１は、空洞部１４を真空の基準圧力室とし、ダイヤフラム１５を可動部として、次のように作動する。
すなわち、ダイヤフラム１５が外部から気体や液体等によって受圧すると、ダイヤフラム１５にひずみが発生して可動（変形）する。この変形によってゲージ抵抗１９も変形し、その抵抗値が変化し、上記ブリッジ回路にかかる電圧や電流も変化する。このように圧力は、それに応じた電気信号として検出される。
【００１９】
次に、上記構成に基づき、本実施形態の製造方法を述べる。図３及び図４は、本圧力センサ１の製造工程を説明する工程図である。
まず、Ｐ型（１００）シリコン基板１１上にＮ型エピタキシャル層１２を５〜数十μｍの厚さに形成したウエハ２０を用意する（ウエハ用意工程）。このＮ型エピタキシャル層１２の厚さは、最終的に形成されるダイヤフラム１５の厚さにほぼ対応する。また、図示しないが、予め、感圧素子となるゲージ抵抗１９をボロンのイオン注入により形成しておく（感圧素子形成工程）。
【００２０】
次に、このウエハ２０に対し、後述の電気化学エッチングを行なうための配線を構成する。具体的には、熱酸化又はＣＶＤ（ケミカルベーパデポジション）により、Ｎ型エピタキシャル層１２の表面にエッチング配線形成用酸化膜（図示せず）を形成し、例えばウエハ２０の周縁部（ダイヤフラム１５の非形成領域）にて該酸化膜を一部除去する。この除去部分にて、アルミニウム等の電極材料を用いて、Ｎ型エピタキシャル層１２と導通するようにエッチング用配線を形成する（エッチング用配線形成工程）。
【００２１】
続いて、図３（ａ）〜（ｃ）に示す垂直穴形成工程を行なう。まず、上記エッチング配線形成用酸化膜（図示せず）の上に、熱酸化又はＣＶＤにより、酸化シリコンからなる絶縁性の酸化膜（第１酸化膜）１３を１μｍ程度形成する（図３（ａ））。
その後、ホトエッチングにより、垂直穴１６を形成すべき領域に位置する上記エッチング配線形成用酸化膜及び酸化膜１３を、同時に除去する（図３（ｂ））。次に、穴開けされた上記エッチング配線形成用酸化膜及び酸化膜１３をマスクにして、その下のウエハ２０にＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、ウエハ２０平面と垂直方向に穴開け加工を行い、垂直穴１６を形成する（図３（ｃ））。
【００２２】
ここで、垂直穴１６における穴の深さは、Ｎ型エピタキシャル層１２の厚さよりも数μｍ程度深くする必要がある。その理由は、後ほど電気化学エッチングを行なう際、Ｎ型エピタキシャル層１２からＰ型シリコン基板１１側へ逆バイアスによる空乏層がのびることにより、Ｎ型エピタキシャル層１２よりも１μｍ程度深いところでエッチングが止まるため、これよりも深く垂直穴１６を形成しないとＰ型シリコン基板１１のエッチングが進まないからである。
【００２３】
上記垂直穴形成工程の後、図４（ａ）及び（ｂ）に示す保護膜形成工程を行なう。まず、ウエハ２０における垂直穴１６が形成された側の面に、再度熱酸化またはＣＶＤにより酸化膜（第２酸化膜）１７を形成する。この酸化膜１７の膜厚は、０．１〜１μｍ程度あればよい。これにより、ウエハ２０表面（酸化膜１３の表面）及び垂直穴１６の側壁面及び底部に、酸化膜１７が形成される（図４（ａ））。
【００２４】
その後、ＣＨＦ3 ガス等を用いたドライエッチング（ＲＩＥ）により、ウエハ２０平面と垂直方向のエッチングを行なうと、垂直穴１６の側壁面を除く、ウエハ２０表面及び垂直穴１６の底部に位置する酸化膜１７がエッチングされ除去される。
ここで、ウエハ２０表面には予め酸化膜（第１酸化膜）１３が１μｍ程度形成してあるので、垂直穴１６の底部の酸化膜（第２酸化膜）１７のみがエッチオフされる段階でエッチングを終了するようにする。すると、ウエハ２０表面に酸化膜（第１酸化膜）１３が残り、垂直穴１６の側壁面に酸化膜（第２酸化膜）１７が残り、保護膜が形成される（図４（ｂ））。
【００２５】
なお、上述のようにエッチング時間の調整により、第２酸化膜１７の厚み分だけ酸化膜を除去することで、ウエハ２０表面には第１酸化膜１３が残るが、第２酸化膜１７の厚みが、ウエハ２０表面の方が垂直穴１６の底部よりも多少厚く不均一になっている場合、ウエハ２０表面の第１酸化膜１３上に多少第２酸化膜１７が残ってもよい。
【００２６】
この後、図４（ｃ）に示す様に、更にドライエッチングにより、垂直穴１６の底部からＰ型シリコン基板１１をエッチングする（Ｓｉトレンチエッチング工程）。本工程では、酸化膜がマスクとなるので、垂直穴１６の底部のみがウエハ２０平面と垂直方向にエッチングされる。
このときのエッチング深さは、数μｍ〜数十μｍ程度とする。この深さは、後に電気化学エッチングを行なう際に、後述の図４（ｄ）に示す様に、垂直穴１６の底部で、Ｓｉ異方性エッチングが進み、ウエハ２０平面方向（図４（ｄ）にて横方向）にエッチングが拡がり、隣接する垂直穴１６同士がつながるのに必要な深さがあればよい。
【００２７】
次に、図示しないが、ホトエッチング等により、上記エッチング用配線の上にある酸化膜１３を除去し、上記エッチング用配線を外部に露出させる。続いて、図４（ｄ）に示す空洞部形成工程を行なう。本工程は、電気化学エッチング（電気化学ストップエッチング）により、垂直穴１６の底部からＰ型半導体基板１１をエッチングしていくことにより、空洞部１４を形成し、ダイヤフラム１５を形成するものである。
【００２８】
具体的には、図５に示す様に、ウエハ２０の表面に形成された上記エッチング用配線２１にＰｔ（白金）からなる対抗電極３０を電気的に接続し、ウエハ２０の裏面側を、ウエハ支持治具（例えばセラミック基板）３１に接触させてワックス３２にて貼り付け固定する。この状態でＫＯＨ（水酸化カリウム）等のアルカリ溶液（エッチング液）３３中に浸漬し、Ｎ型エピタキシャル層１２に１〜１０Ｖ程度の電圧（正電圧）を与え、対抗電極３０を０Ｖに設定して電気化学エッチングを行なう。
【００２９】
すると、垂直穴１６の底部からＰ型シリコン基板１１がエッチングされ、異方性エッチングにより横方向（ウエハ２０平面方向）にエッチングが拡がる。その様子を図１を用いて模式的に述べると、エッチングは、各垂直穴１６を中心に、図１の各２点鎖線Ｔ１に示す様に、Ｐ型シリコン基板１１内に空洞が拡がり、各空洞を介して隣接する垂直穴１６同士がつながる。
【００３０】
そして、空洞がつながった部分から、更に、エッチングは拡がり、最終的にＰ型シリコン基板１１の（１１１）面が出たところで止まる。また、上方向（ウエハ２０平面と垂直方向）についてみると、Ｎ型エピタキシャル層１２に正電圧が印加されているため、Ｐ型シリコン基板１１側に逆バイアスによる空乏層４０が延びており、表面電位が陽極酸化電位になる位置でエッチングは止まる。
【００３１】
その結果、図４（ｄ）に示す様に、Ｎ型エピタキシャル層１２をダイヤフラム１５とする屈曲部１４ａを有する空洞部１４が形成される。次に、図示しないが、ウエハ２０の表面に、ＬＰ−ＣＶＤ等により、ポリシリコン等からなる薄膜を成長させた後、不要部分をホトエッチング等により除去することで、垂直穴１６を封止する封止膜１８が形成され、且つ、空洞部１４内は真空に密封される。こうして、圧力センサ１が出来上がる。
【００３２】
ところで、本実施形態によれば、垂直穴１６部分からウエハを電気化学エッチングする際に、Ｐ層としてのＰ型シリコン基板１１とＮ層としてのＮ型エピタキシャル層１２との接合界面が露出する垂直穴１６の側壁面及びＮ型エピタキシャル層１２の表面を、絶縁性の酸化膜１３、１７で保護しているため、エッチング液に露出する層をＰ層のみとできる。
【００３３】
それによって、Ｎ型エピタキシャル層１２に正電圧を印加した際に、両層の接合界面からの電流リークを防止することができるため、Ｐ層にて確実に異方性エッチングが進み、Ｎ層にて確実にエッチングが止まる。
（他の実施形態）
なお、上記第１酸化膜と第２酸化膜とは、異なる材料であってもよい。例えば、どちらか一方を酸化シリコン、他方を窒化シリコン（ＳｉＮ）とすることができる。
【００３４】
また、可能であるならば、第１酸化膜をマスクとせず、別体のマスク部材を用いて垂直穴を形成し、垂直穴形成後、ウエハ表面（Ｎ型エピタキシャル層１２の表面）、垂直穴の側壁面及び底部に、同時に酸化膜を形成し、マスク部材等を用いて垂直穴の底部のみを選択的にエッチングする等により、保護膜を形成してもよい。
【００３５】
また、本発明は、上記した半導体圧力センサ以外にも、上記先願に記載されているような梁構造体を可動部とした加速度センサ等にも適用できる。なお、加速度センサの用途では、垂直穴はトレンチ（溝）形状となる。
要するに、Ｐ型の半導体基板上にＮ型の半導体層を有するウエハにおける上記半導体層の下部に位置する上記半導体基板に空洞部を形成することにより、上記ウエハのうち上記空洞部よりも上側の部位に可動部を形成し、該可動部の可動状態に基づいて力学量（圧力、加速度、振動、歪み、角速度等）を検出するようにした半導体力学量センサに、本発明を適用可能である。
【００３６】
そして、本発明の製造方法で製造された半導体力学量センサは、上記適用可能な半導体力学量センサにおいて、可動部には半導体層の外側から空洞部に連通する垂直穴もしくはトレンチが形成され、この垂直穴もしくはトレンチの側壁面及び上記半導体層の表面には、絶縁性の保護膜が形成されていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いて製造された半導体圧力センサの平面構成を示す図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ断面構成を示す図である。
【図３】図１、図２に示す半導体圧力センサの製造方法を示す工程図である。
【図４】図３に続く製造工程を示す工程図である。
【図５】電気化学エッチングを行なう工程を説明する説明図である。
【符号の説明】
１１…Ｐ型（１００）シリコン基板、１２…Ｎ型エピタキシャル層、
１３、１７…酸化膜、１４…空洞部、１５…ダイヤフラム、１６…垂直穴、
２０…ウエハ。
【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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