(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成した横方向に延びる空洞により区画された支持部と、
前記空洞および半導体基板の空洞上部に形成した縦方向に延びる溝により区画され、空洞の上に位置し、前記支持部から延び、かつ、力学量により変位する可動電極を有する梁構造体と、
前記空洞および溝により区画され、空洞の上に位置し、前記支持部から延び、かつ、前記梁構造体の可動電極に対向して配置された固定電極と、
を備えた半導体力学量センサにおいて、
前記半導体基板をＮ型半導体層とこのＮ型半導体層上に形成されたＰ型半導体層とによって形成するとともに、前記空洞がそれらＮ型半導体層とＰ型半導体層との境界面を底としてＰ型半導体層側に形成されてなり、前記縦方向に延びる溝と前記横方向に延びる空洞との交差部分が、前記空洞を形成するための反応性イオンエッチングの際に基板表面に直交する方向から入射したイオンを横方向に曲げるためのＰＮ接合界面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】
支持部と、力学量により変位する可動電極を有する梁構造体と、梁構造体の可動電極に対向して配置された固定電極とを備えた半導体力学量センサの製造方法であって、
半導体基板の上面から異方性の反応性イオンエッチングを行い、少なくとも梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に延びる溝を形成する工程と、
前記溝の底面のみに電気的絶縁材料を配置する工程と、
再び前記溝に対して反応性イオンエッチングを行い、入射イオンが前記電気的絶縁材料との間の電気的反発力によって溝底面近傍で軌道を曲げ、この近傍のみで局所的に横方向に進む異方性エッチングを実現させ、前記溝の底面から横方向に延びる空洞を形成し、支持部と梁構造体と固定電極とを区画形成する工程と、
を備えた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３】
前記溝の底面のみに配置する電気的絶縁材料は、常温・常圧にて昇華または気化する材料を冷却して凝固させた膜であることを特徴とする請求項２に記載の半導体力学量センサの製造方法。
【請求項４】
前記凝固させた膜は氷の膜であることを特徴とする請求項３に記載の半導体力学量センサの製造方法。
【請求項５】
前記凝固させた膜を残しながら前記溝の底面の反応性イオンエッチングを行うべく、同エッチングをする際の基板温度を０℃以下に保つようにしたことを特徴とする請求項３または４に記載の半導体力学量センサの製造方法。
【請求項６】
前記電気的絶縁材料を前記溝の底面のみに配置すべく、前記氷を形成するための水を流れ込みやすくできるよう溝の内壁表面の性状を親水性あるいは疎水性に調整するようにしたことを特徴とする請求項４または５に記載の半導体力学量センサの製造方法。
【請求項７】
前記溝内壁面の性状を疎水性あるいは親水性に調整すべく、内壁表面にフロロカーボン系のポリマー膜またはシリコン酸化膜を形成するようにしたことを特徴とする請求項６に記載の半導体力学量センサの製造方法。
【請求項８】
前記フロロカーボン系のポリマー膜を形成すべく、Ｃ4 Ｆ8 ガスを用いたプラズマを半導体基板に照射するようにしたことを特徴とする請求項７に記載の半導体力学量センサの製造方法。
【請求項９】
前記シリコン酸化膜を形成すべく、Ｏ2 ガスを用いたプラズマを半導体基板に照射するようにしたことを特徴とする請求項７に記載の半導体力学量センサの製造方法。
【請求項１０】
支持部と、力学量により変位する可動電極を有する梁構造体と、梁構造体の可動電極に対向して配置された固定電極とを備えた半導体力学量センサの製造方法であって、
第１導電型の基板の上に第２導電型の半導体層を形成した半導体基板の上面から異方性の反応性イオンエッチングを行い、底面を前記第１導電型基板と第２導電型半導体層とのＰＮ接合界面とした、少なくとも梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に延びる溝を形成する工程と、
引き続き前記溝に対して反応性イオンエッチングを行い、前記ＰＮ接合界面部分に蓄積した電荷と入射イオンの間の電気的反発力によって溝底面近傍で軌道を曲げ、この近傍のみで局所的に横方向に進む異方性エッチングを実現させ、前記溝の底面から横方向に延びる空洞を形成し、支持部と梁構造体と固定電極とを区画形成する工程と、
を備えた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１１】
前記異方性の反応性イオンエッチングを行う際、外部から前記ＰＮ接合部分に逆方向バイアスを印加するようにしたことを特徴とする請求項１０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】
この発明は、可動電極を有する梁構造体を具備し、例えば、加速度やヨーレートや振動等の力学量を検出する半導体力学量センサとその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のセンサ構造体として、特開２０００−２８６４３０公報に開示されたものがある。このセンサを、図２２の平面図、図２３の縦断面図を用いて説明する。
【０００３】
図２３において、シリコン基板１００には、横方向に延びる空洞１０１と縦方向に延びる溝１０２が形成され、空洞１０１の下にベースプレート部１０３が区画されるとともに、空洞１０１および溝１０２により四角枠部１０４（図２２参照）と、可動電極１０５を有する梁構造体１０６（図２２参照）と、固定電極１０７（図２２参照）が区画されている。固定電極１０７は梁構造体１０６の可動電極１０５と対向している。可動電極１０５と四角枠部１０４との間および固定電極１０７と四角枠部１０４との間に、図２３に示すように溝１０８が形成され、この溝１０８の内部に電気的絶縁材料１０９が埋め込まれている。そして、可動電極１０５と固定電極１０７とでコンデンサが形成され、このコンデンサの静電容量の変化に基づいて加速度を検出することができる。
【０００４】
製造の際には、図２４に示すように、シリコン基板１００の上面に溝１０８を形成するとともに絶縁材料１０９を埋め込み、さらに、基板１００の上に絶縁膜１１０，１１１および配線材１１２，１１３を配置するとともに、シリコン基板１００の上面から異方性エッチングを行い、四角枠部と梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に延びる溝１０２を形成し、溝１０２の底面を除く溝１０２の側壁に保護膜１１４を形成する。次に、溝１０２の底面からシリコン基板１００に対し等方性エッチングを行い、図２５に示すように、横方向に延びる空洞１０１を形成する。その結果、空洞１０１の下に位置するベースプレート部１０３と、四角枠部１０４と、梁構造体１０６と、固定電極１０７とが区画形成される。このようして、マイクロマシニング技術を用いて半導体基板を加工して可動電極を有する梁構造体、および可動電極に対向する固定電極が半導体基板に作り込まれる。
【０００５】
ところが、図２４における溝１０２の底面を起点として等方性エッチングを行い図２５に示すように空洞１０１を形成する際に、側壁保護膜１１４を回り込んで構造体の内側までエッチングされ、そのため、構造体厚さの仕上がり寸法が等方性エッチングプロセスでのプロセス時間に依存することになり、構造体の幅などから決定されるプロセス時間で等方性エッチングをすると、所望の構造体厚さ（所望の可動および固定電極の厚さ）が得られなくなることがある。また、このエッチング量にはウェハの面内分布、またはウェハ間の変動が含まれ、一定とすることは困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した技術的背景に鑑みてなされたもので、可動電極と固定電極間の静電容量がバラツクことに起因するセンサの感度バラツキを低減することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の半導体力学量センサは、半導体基板に形成した横方向に延びる空洞により区画された支持部と、前記空洞および半導体基板の空洞上部に形成した縦方向に延びる溝により区画され、空洞の上に位置し、前記支持部から延び、かつ、力学量により変位する可動電極を有する梁構造体と、前記空洞および溝により区画され、空洞の上に位置し、前記支持部から延び、かつ、前記梁構造体の可動電極に対向して配置された固定電極と、を備えた半導体力学量センサにおいて、前記半導体基板をＮ型半導体層とこのＮ型半導体層上に形成されたＰ型半導体層とによって形成するとともに、前記空洞がそれらＮ型半導体層とＰ型半導体層との境界面を底としてＰ型半導体層側に形成されてなり、前記縦方向に延びる溝と前記横方向に延びる空洞との交差部分が、前記空洞を形成するための反応性イオンエッチングの際に基板表面に直交する方向から入射したイオンを横方向に曲げるためのＰＮ接合界面からなることを特徴としている。これにより、半導体基板の等方性エッチングを原因とした構造体（可動電極、固定電極）の厚さバラツキが低減される。詳しくは、可動電極を有する梁構造体、および可動電極に対向配置された固定電極を作り込んだ半導体力学量センサにおいて、基板上面から任意の深さの溝底面を起点として横方向に異方性エッチングが行われることで、構造体の厚さを所望の厚さに保ったまま形成することができる。その結果、可動電極と固定電極間の静電容量がバラツクことに起因するセンサの感度バラツキを低減することができる。
【０００８】
請求項２に記載の半導体力学量センサの製造方法によれば、半導体基板の上面から異方性の反応性イオンエッチングが行われ、少なくとも梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に延びる溝が形成される。そして、溝の底面のみに電気的絶縁材料が配置される。さらに、再び溝に対して反応性イオンエッチングが行われ、入射イオンが電気的絶縁材料との間の電気的反発力によって溝底面近傍で軌道を曲げ、この近傍のみで局所的に横方向に進む異方性エッチングが実現して、溝の底面から横方向に延びる空洞が形成され、支持部と梁構造体と固定電極とが区画形成される。これにより、可動電極を有する梁構造体、および可動電極に対向配置された固定電極を作り込んだ半導体力学量センサにおいて、基板上面から任意の深さまで異方性エッチングして溝を形成した後、その溝底面を起点としてさらに横方向に異方性エッチングすることで、構造体の厚さを所望の厚さに保ったまま形成することができる。その結果、可動電極と固定電極間の静電容量がバラツクことに起因するセンサの感度バラツキを低減することができる。
【０００９】
ここで、請求項３に記載のように、溝の底面のみに配置する電気的絶縁材料を、常温・常圧にて昇華または気化する材料を冷却して凝固させた膜としたり、請求項４に記載のように、凝固させた膜を氷の膜としたり、請求項５に記載のように、凝固させた膜を残しながら溝の底面の反応性イオンエッチングを行うべく、同エッチングをする際の基板温度を０℃以下に保つようにしたり、請求項６に記載のように、電気的絶縁材料を溝の底面のみに配置すべく、氷を形成するための水を流れ込みやすくできるよう溝の内壁表面の性状を親水性あるいは疎水性に調整するようにしたり、請求項７に記載のように、溝内壁面の性状を疎水性あるいは親水性に調整すべく、内壁表面にフロロカーボン系のポリマー膜またはシリコン酸化膜を形成するようにしたり、請求項８に記載のように、フロロカーボン系のポリマー膜を形成すべく、Ｃ4 Ｆ8 ガスを用いたプラズマを半導体基板に照射したり、請求項９に記載のように、シリコン酸化膜を形成を形成すべく、Ｏ2 ガスを用いたプラズマを半導体基板に照射するようにすると、実用上好ましいものとなる。
【００１０】
請求項１０に記載の半導体力学量センサの製造方法によれば、第１導電型の基板の上に第２導電型の半導体層を形成した半導体基板の上面から異方性の反応性イオンエッチングが行われ、底面を第１導電型基板と第２導電型半導体層とのＰＮ接合界面とした、少なくとも梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に延びる溝が形成される。さらに、引き続き溝に対して反応性イオンエッチングが行われ、ＰＮ接合界面部分に蓄積した電荷と入射イオンの間の電気的反発力によって溝底面近傍で軌道を曲げ、この近傍のみで局所的に横方向に進む異方性エッチングが実現して、溝の底面から横方向に延びる空洞が形成され、支持部と梁構造体と固定電極とが区画形成される。これにより、可動電極を有する梁構造体、および可動電極に対向配置された固定電極を作り込んだ半導体力学量センサにおいて、基板上面から任意の深さまで異方性エッチングして溝を形成した後、その溝底面を起点としてさらに横方向に異方性エッチングすることで、構造体の厚さを所望の厚さに保ったまま形成することができる。その結果、可動電極と固定電極間の静電容量がバラツクことに起因するセンサの感度バラツキを低減することができる。
【００１１】
ここで、請求項１１に記載のように、異方性の反応性イオンエッチングを行う際、外部からＰＮ接合部分に逆方向バイアスを印加すると、より効果的である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１３】
図１，２には、本実施形態における加速度センサを示す。図１は、加速度センサの平面図であり、図２は、加速度センサの斜視図である。また、図３には図１のＡ−Ａ線での断面を、図４には図１のＢ−Ｂ線での断面を示す。
【００１４】
図５は加速度センサの配線を取り除いた状態での斜視図を示している。つまり、図２は、本センサの配線を含む斜視図であり、これに対し、図５では配線を除いたものとなっている。
【００１５】
図３において、単層の半導体基板としてのシリコン基板１の内部には空洞２が形成されており、この空洞２は所定の厚さｔを有し、かつ、横方向（水平方向）に延びている。基板１における空洞２の下の部位がベースプレート部３となっている。つまり、空洞２によりベースプレート部３が区画され、空洞２の下にベースプレート部３が位置している。また、基板１における空洞２の上の部位において、図１，３に示すように、溝４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが形成され、この溝４ａ〜４ｄは縦方向に延び、かつ、空洞２に達している。この空洞２および溝４ａ〜４ｄにより、図５に示すように、四角枠部５および梁構造体６が区画形成されている。四角枠部５は、空洞２および溝４ａ，４ｂの横に位置し、ベースプレート部３の上面に立設されている。この四角枠部５は基板１の側壁にて構成されている。また、梁構造体６は、空洞２の上に位置し、四角枠部５から延びている。このとき、梁構造体６はベースプレート部３の上面から所定の間隔ｔをおいて配置されている。さらに、空洞２および溝４ａ，４ｂにより、固定電極１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄが区画され、これら固定電極は空洞２の上に位置し、四角枠部５から延びている（詳細は後述する）。
【００１６】
本実施の形態においては、ベースプレート部３と四角枠部５により、梁構造体と固定電極を支持するための支持部を構成している。
図５において、梁構造体６は、アンカー部７，８と、梁部９，１０と、質量部１１と、可動電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを備えている。四角枠部５における対向する内壁面においてアンカー部７，８が突設され、アンカー部７，８には梁部９，１０を介して質量部１１が連結支持されている。つまり、質量部１１は、四角枠部５の内方においてアンカー部７，８により架設され、かつ、ベースプレート部３の上面において所定間隔ｔを隔てた位置に配置されている。
【００１７】
アンカー部７，８と梁部９，１０との間には絶縁溝１４ａ，１４ｂが形成され、その内部には酸化膜等の電気的絶縁材料１５ａ，１５ｂが配置され、この絶縁材料１５ａ，１５ｂにて電気的に絶縁されている。
【００１８】
質量部１１における一方の側面からは４つの可動電極１２ａ〜１２ｄが突出している。また、質量部１１における他方の側面からは４つの可動電極１３ａ〜１３ｄが突出している。可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄは、等間隔で平行に延びる櫛歯状の形状になっている。このように、梁構造体６は、力学量である加速度により変位する可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄを有する。
【００１９】
図５において、四角枠部５の内壁面における可動電極１２ａ〜１２ｄと対向する面には、第１の固定電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄおよび第２の固定電極１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄが固定されている。第１の固定電極１６ａ〜１６ｄはベースプレート部３の上面に所定間隔ｔを隔てた位置に配置され、可動電極１２ａ〜１２ｄの一方の側面と対向している。同様に、第２の固定電極１７ａ〜１７ｄはベースプレート部３の上面に所定間隔ｔを隔てた位置に配置され、可動電極１２ａ〜１２ｄの他方の側面と対向している。ここで、第１の固定電極１６ａ〜１６ｄと四角枠部５との間には絶縁溝１８ａ〜１８ｄ（図３参照）が形成され、その内部には酸化膜等の電気的絶縁材料１９ａ〜１９ｄ（図３参照）が配置され、この絶縁材料１９ａ〜１９ｄにて電気的に絶縁されている。同様に、第２の固定電極１７ａ〜１７ｄと四角枠部５との間には絶縁溝２０ａ〜２０ｄ（図４参照）が形成され、その内部には酸化膜等の電気的絶縁材料２１ａ〜２１ｄ（図４参照）が配置され、この絶縁材料２１ａ〜２１ｄにて電気的に絶縁されている。
【００２０】
同様に、図５において、四角枠部５の内壁面における可動電極１３ａ〜１３ｄと対向する面には、第１の固定電極２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄおよび第２の固定電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄが固定されている。第１の固定電極２２ａ〜２２ｄはベースプレート部３の上面に所定間隔ｔを隔てた位置に配置され、可動電極１３ａ〜１３ｄの一方の側面と対向している。同様に、第２の固定電極２３ａ〜２３ｄはベースプレート部３の上面に所定間隔ｔを隔てた位置に配置され、可動電極１３ａ〜１３ｄの他方の側面と対向している。ここで、第１の固定電極２２ａ〜２２ｄと四角枠部５との間には絶縁溝２４ａ〜２４ｄ（図３参照）が形成され、その内部には酸化膜等の電気的絶縁材料２５ａ〜２５ｄ（図３参照）が配置され、この絶縁材料２５ａ〜２５ｄにて電気的に絶縁されている。同様に、第２の固定電極２３ａ〜２３ｄと四角枠部５との間には絶縁溝２６ａ〜２６ｄ（図４参照）が形成され、その内部には酸化膜等の電気的絶縁材料２７ａ〜２７ｄ（図４参照）が配置され、この絶縁材料２７ａ〜２７ｄにて電気的に絶縁されている。
【００２１】
このように本実施形態においては、トレンチ溝を酸化膜等で埋め込んだ絶縁材料１５ａ，１５ｂ，１９ａ〜１９ｄ，２１ａ〜２１ｄ，２５ａ〜２５ｄ，２７ａ〜２７ｄを介して可動および固定電極が四角枠部５に支持されるとともに、ベースプレート部３側から電気的に絶縁されている。
【００２２】
図２に示すように、第１の固定電極１６ａ〜１６ｄは配線２８により外部に電位が取り出され、また、第２の固定電極１７ａ〜１７ｄは配線２９により外部に電位が取り出されている。同様に、第１の固定電極２２ａ〜２２ｄは配線３０により外部に電位が取り出され、また、第２の固定電極２３ａ〜２３ｄは配線３１により外部に電位が取り出されている。より詳しくは、図３に示すように、第１の固定電極１６ａ〜１６ｄ，２２ａ〜２２ｄからは、酸化膜３２，３３上に形成されている配線２８，３０によりコンタクト部３４，３５を通して四角枠部５と電気的に絶縁を保った状態で外部に電位が取り出されている。また、図４に示すように、第２の固定電極１７ａ〜１７ｄ，２３ａ〜２３ｄからは、酸化膜３２，３３上に形成されている配線２９，３１によりコンタクト部３６，３７を通して四角枠部５と電気的に絶縁を保った状態で外部に電位が取り出されている。
【００２３】
また、図２に示すように、可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄの電位は質量部１１と梁部９，１０を通し、配線３８，３９により（詳しくは、梁部９，１０に設けられているコンタクト部を通じて）外部に電位が取り出されている。
【００２４】
さらに、基板１の上面には（図３，４では、四角枠部５、質量部１１、固定電極１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄの上部には）、酸化膜３２，３３が形成されている。
【００２５】
このように本実施形態の半導体加速度センサは、図３，５に示すように、ベースプレート部３が空洞２により区画され、四角枠部５が空洞２および溝４ａ，４ｂにより区画され、可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄを有する梁構造体６が空洞２および溝４ａ〜４ｄにより区画され、固定電極１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄが空洞２および溝４ａ，４ｂにより区画されている。また、溝１４ａ，１４ｂ，１８ａ〜１８ｄ，２０ａ〜２０ｄ，２４ａ〜２４ｄ，２６ａ〜２６ｄが、可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄと四角枠部５との間および固定電極１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄと四角枠部５との間に形成され、電気的絶縁材料１５ａ，１５ｂ，１９ａ〜１９ｄ，２１ａ〜２１ｄ，２５ａ〜２５ｄ，２７ａ〜２７ｄが埋め込まれている。
【００２６】
よって、シリコン基板１に形成した空洞２と溝４ａ〜４ｄによりベースプレート部３と四角枠部５と梁構造体６と固定電極１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄとが区画されるとともに、可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄと四角枠部５との間および固定電極１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄと四角枠部５との間に形成された溝１４ａ，１４ｂ，１８ａ〜１８ｄ，２０ａ〜２０ｄ，２４ａ〜２４ｄ，２６ａ〜２６ｄに埋め込まれた電気的絶縁材料１５ａ，１５ｂ，１９ａ〜１９ｄ，２１ａ〜２１ｄ，２５ａ〜２５ｄ，２７ａ〜２７ｄにより電極が電気的に分離されている。
【００２７】
上述した構成において、可動電極１２ａ〜１２ｄと第１の固定電極１６ａ〜１６ｄとの間には第１のコンデンサが、また、可動電極１２ａ〜１２ｄと第２の固定電極１７ａ〜１７ｄとの間には第２のコンデンサが形成されている。同様に、可動電極１３ａ〜１３ｄと第１の固定電極２２ａ〜２２ｄとの間に第１のコンデンサが、また、可動電極１３ａ〜１３ｄと第２の固定電極２３ａ〜２３ｄとの間に第２のコンデンサが形成されている。そして、これら各コンデンサの容量が等しくなるように（加速度と静電気力が等しく釣り合うように）可動・固定電極間の印加電圧を制御することにより、その印加電圧値から加速度の大きさを求めることができることとなる。
【００２８】
このように、１枚のシリコン基板に、可動電極を有する梁構造体、および可動電極に対向配置された固定電極を作り込んだ半導体力学量センサにおいて、単層の半導体基板、即ち、単結晶シリコン基板１を用いているためセンサの断面構造を簡単化することができる。
【００２９】
次に、加速度センサの製造方法を、図１のＢ−Ｂ断面での図６〜１３に示す工程図に従って説明する。なお、製造工程の説明において、各固定電極および梁構造体の絶縁構造（支持構造）は同じであるので、図１のＢ−Ｂ断面を説明することによりその他の部位の説明は省略する。
【００３０】
まず、図６に示すように、単層の半導体基板としての単結晶シリコン基板１を用意し、シリコン基板１の上面から異方性エッチングを行い、可動および固定電極を四角枠部から電気的に絶縁するための縦方向に延びる第１の溝２０ａ，２６ａをパターン形成する。そして、シリコン基板１の上にシリコン酸化膜を成膜し、溝２０ａ，２６ａを絶縁材料（酸化膜）２１ａ，２７ａで埋め込み、かつ基板表面を酸化膜３２で覆う。
【００３１】
さらに、図７に示すように、配線材料５０を成膜しパターニングを行い、続いて、酸化膜３３を成膜して配線パターン５０を覆う。
引き続き、図８に示すように、酸化膜３２，３３の一部を除去してコンタクトホール３６，３７を形成し、さらに、配線材料２９，３１を成膜しパターニングを行う。
【００３２】
そして、図９に示すように、基板１に構造体形成のためのマスクフォトを行い、マスク（シリコン酸化膜あるいはレジスト材料）５１にて酸化膜３２，３３のエッチングを行う。続いて、図１０に示すように、マスク５１を用いてシリコン基板１の上面から反応性イオンによる異方性エッチング（トレンチエッチング）を行い、四角枠部と梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に延びる溝（４ａ，４ｂ）を形成する。図１０では、質量部（１１）および固定電極（１７ａ，２３ａ）となる領域を形成する。このとき、溝（トレンチ）４ａ，４ｂの深さは、予定している構造体の厚さより数μｍ深くなるようにエッチングする。
【００３３】
その後、シリコン基板１をエッチングチャンバーから取り出して基板表面に水（純水）を滴下し、図１１に示すように、溝４ａ，４ｂに水を注入して溝底面に水５２を溜める。このとき、水の代わりに、より表面張力の低い不活性液体等を用いると、より溝底面に液体が入りやすくなる。水に代わる不活性液体としてＰＦＣ（パーフロロカーボン）を挙げることができる。
【００３４】
そして、再びエッチングチャンバー内にシリコン基板１を戻し、今度は基板ホルダーを冷却して水（あるいはそれに代わる液体）を凝固点以下になるまで基板１を冷やして氷の膜にする。これにより、溝４ａ，４ｂの底面のみに電気的絶縁材料５３が配置されることになる。即ち、本例では、溝４ａ，４ｂの底面のみに配置する電気的絶縁材料としての氷の膜は、常温・常圧にて昇華または気化する材料を冷却して凝固させた膜である。また、電気的絶縁材料５３を溝４ａ，４ｂの底面のみに配置すべく、氷を形成すための水を流れ込みやすくできるよう溝４ａ，４ｂの内壁表面の性状を親水性あるいは疎水性に調整すると、好ましいものとなる。特に、溝内壁面の性状を疎水性あるいは親水性に調整すべく、内壁表面にフロロカーボン系のポリマー膜を堆積したり、あるいはシリコン酸化膜を形成すると、好ましいものとなる。つまり、溝側壁にフロロカーボン系のポリマー膜等を保護膜として形成しながらエッチングを進める方式を用いると優れた異方性が得られる。この際、フロロカーボン系のポリマー膜を堆積させる手段としてＣ4 Ｆ8 ガスを用いたプラズマをシリコン基板１に照射する手法を採用することができ、また、シリコン酸化膜を形成させる手段としてＯ2 ガスを用いたプラズマを半導体基板に照射する手法を採用することができる。
【００３５】
その後、再び溝４ａ，４ｂに対し反応性イオンエッチングを開始する。すると、図１２に示すように、各溝底面上の氷５３（あるいは不活性液体の凝固体）の表面を起点として溝４ａ，４ｂの側壁面から水平方向（横方向）にエッチングが進行し始める。このエッチングは主に軌道を曲げられたイオンが側壁表面をたたくことによって生じるため、異方的に進行する。つまり、溝側壁面の裏側までエッチング作用が回り込むことはほとんどない。このため、同じ幅の溝が隣り合って存在するパターンでは、同じ深さで横方向に広がってきた空洞がつながって構造体が形成されるが、このとき構造体が形成された後も水平方向へのエッチングを続行しても、構造体の厚さがこのエッチングにより減少することはほとんどない。このようにして、横方向に延びる空洞２が形成される。
【００３６】
このエッチング条件に関して、水の場合、−６０℃以下まで冷やしたときの氷の蒸気圧は約１Ｐａである。一方、反応性イオンエッチング時のチャンバー内のガス圧は１Ｐａ前後である。このため、基板１を−６０℃以下まで冷やした状態でエッチングすれば氷の膜は昇華せずにそのまま残る。つまり、凝固させた膜５３を残しながら溝４ａ，４ｂの底面の反応性イオンエッチングを行うべく、エッチングをする際の基板温度を０℃以下に保つようにする。
【００３７】
ここで、空洞２の形成のためのエッチング原理について言及する。基板に水平方向に異方性エッチングが生じる事例としては、図２０に示すようにＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板、つまり、基板７０の上に埋め込み酸化膜７１を介してシリコン層７２を形成したＳＯＩ基板に対して反応性イオンエッチングを用いて溝（トレンチ）エッチングを行ったとき、エッチング先端面が埋め込み酸化膜７１に到達し、この酸化膜７１が露出すると深さ方向へのエッチングはほぼ止まり、この時点から溝底面近傍の側壁面を起点として水平方向にエッチングが進行する現象が知られている。一方、当然ながら単層の半導体基板に対して反応性イオンエッチングを行っても、ある時点から水平方向にエッチングが進行することはない。この相違は次の理由による。図２１に示すように反応性イオンエッチングでは、ＲＦ電界を基板８０に垂直方向に印加して基板表面近傍にイオンシース８１と呼ばれる加速電界を生じさせる。この電界は正イオン８２を加速し、エッチング先端面に正イオンをたたきつけてエッチングを異方的に進行させる役割を果たす。厳密にはＲＦ電界であるので、正イオンと同様、プラズマ中の電子８３も対象基板８０に入射するが、正イオンと電子の質量差のため、ＲＦ電界の１周期の中でほとんどの時間は正イオン８２が基板８０に入射し、電子８３が入射するのは残りの一瞬のみである。基板全体では電気的中性が保たれるため、１周期の間に基板８０に流れ込む正イオンと電子の電荷量は等しくなる。しかし、微視的にみると電子８３はイオンシース８１の電界で跳ね返されるため、そのほとんどは基板表面のマスク材料にトラップされ、エッチング先端面には到達しない。一方、エッチング先端面には常にイオンシース８１で加速された正イオン８２が突入してくる。このため、エッチング先端面から基板８０とマスク材料の界面に向かって電荷の移動（図中、符号８４で表す）が生じて、常にエッチング先端面は過剰な電荷が中和される。
【００３８】
これに対して、図２０のようにＳＯＩ基板ではエッチング先端面が埋め込み酸化膜７１に到達すると瞬時に酸化膜表面にイオンが突入することによりこの部分が正に帯電する。なぜなら酸化膜は絶縁性であるため、これを中和するような電荷の移動が生じないからである。そのため後からやってきた正イオンは酸化膜表面近傍で電気的に反発して軌道が曲げられ、酸化膜近傍の側壁面をたたくようになる。これにより前述したように水平方向にエッチングが進行する。
【００３９】
従って、仮に単層の半導体基板であってもその溝底面に電気的絶縁膜を形成すれば、それ以降の反応性イオンエッチングは、この絶縁膜を起点にして水平方向に進行させることが可能であり、本実施形態はこの原理を用いている。特に、本実施形態ではこの絶縁性の保護膜として氷の膜を用いており、氷ならば、水を基板上の溝に流し込んで基板を冷却することにより溝底面上のみに形成することが可能であり、また、エッチングが終了した後は基板を加熱することで容易に取り除くことができる。
【００４０】
製造工程の説明に戻り、引き続き図１３に示すように、基板１を加熱して氷５３（あるいは不活性液体の凝固体）を除去する。この状態において、支持部（空洞２の下に位置するベースプレート部３と、空洞２および溝４ａ，４ｂの横に位置する四角枠部５）と、加速度により変位する可動電極を有する梁構造体６と、梁構造体６の可動電極に対向して配置された固定電極１７ａ，２３ａとが区画区画されている。
【００４１】
このように、図１１において溝４ａ，４ｂの底面のみに電気的絶縁材料５３を配置した後、図１２に示すように、再び溝４ａ，４ｂに対して反応性イオンエッチングを行い、入射イオンが電気的絶縁材料５３との間の電気的反発力によって溝底面近傍で軌道を曲げ、この近傍のみで局所的に水平方向（横方向）に進む異方性エッチングを実現させ、溝４ａ，４ｂの底面から横方向に延びる空洞２を形成し、支持部と梁構造体と固定電極とを区画形成する。
【００４２】
最後に、エッチングマスク５１を除去すると、図４に示す加速度センサを形成することができる。
以上のように、本実施形態においては半導体基板の等方性エッチングを原因とした構造体（可動電極、固定電極）の厚さバラツキを低減することができる。詳しくは、可動電極を有する梁構造体、および可動電極に対向配置された固定電極を作り込んだ半導体力学量センサにおいて、基板上面から任意の深さまで異方性エッチングして溝を形成した後、その溝底面を起点としてさらに横方向に異方性エッチングすることで、梁構造体の厚さを所望の厚さに保ったまま形成することができる。その結果、可動電極と固定電極間の静電容量がバラツクことに起因するセンサの感度バラツキを低減することができる。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００４３】
図１４〜図１７には本実施形態における半導体力学量センサの製造工程を示す。本実施形態では、図１２での氷の膜５３の代わりに、図１６に示すように、ＰＮ接合界面を用いている。つまり、ＰＮ接合界面部分に蓄積した電荷と入射イオンの間の電気的反発力によって溝底面近傍で軌道を曲げ、この近傍のみで局所的に水平方向（横方向）に進む異方性エッチングを実現させ、溝４ａ，４ｂの底面から横方向に延びる空洞２を形成している。
【００４４】
以下、詳しく説明する。
まず、図１４に示すように、Ｎ型単結晶シリコン基板６１の上にＰ型シリコン層６２を形成した半導体基板６０を用意する。詳しくは、Ｎ型単結晶シリコン基板（６０）に対して表面から予め構造体の厚さに相当する深さのＰ型シリコン層６２を形成する。具体的には、Ｂ（ボロン）イオン等をイオンインプラした後、適当な熱処理を施す。これにより、基板表面から接合部分まではＰ型層６２となる。
【００４５】
そして、第１の実施例と同様、マスク材料を堆積しパターニングしてマスク５１を配置する。さらに、図１５に示すように、半導体基板６０の上面から異方性の反応性イオンエッチングを行い、底面をＮ型単結晶シリコン基板６１とＰ型シリコン層６２とのＰＮ接合界面とした溝４ａ，４ｂを形成する。この溝（４ａ，４ｂ）は、四角枠部と梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に延びる溝である。そして、図１６に示すように、引き続き溝４ａ，４ｂに対して反応性イオンエッチングを行う。すると、この溝４ａ，４ｂの深さがＰＮ接合部分に達した時点から以降は、エッチングが接合部分近傍の側壁面を起点として水平方向（横方向）にエッチングが進行するようになる。なぜなら、エッチング先端面であるＮ型層６１に正イオンが突入してきても、これらがもたらす過剰な正電荷はＰＮ接合界面を通してマスク材料と基板との界面に向かってきて移動することができない。そのため、中和されずにエッチング先端面が正に帯電し、入射イオンが水平方向に曲げられる。
【００４６】
つまり、ＰＮ接合におけるＮ側の接合界面には電子が、Ｐ側の界面には正孔（ホール）が蓄積されており、このＰＮ接合界面を通して電荷（キャリア）の移動はできない。そして、反応性イオンエッチングを行うと接合界面には正の電荷が蓄積されこれを中和する電荷の移動が生じない。そのため、エッチング先端面がこの界面に到達した時点以降は、入射イオンの軌道が曲げられ、水平方向への異方性エッチングが行われることになる。
【００４７】
このエッチングにより横方向に延びる空洞２が形成され、空洞２により支持部（四角枠部＋梁構造体）と梁構造体と固定電極とが区画形成される。
最後に、エッチングマスク５１を除去すると、図１７に示す加速度センサを形成することができる。
【００４８】
このセンサの構造としては、図１７に示すように、半導体基板６０の所定深さにおいて縦方向に延びる溝４ａ，４ｂと横方向に延びる空洞２との交差部分にＰＮ接合界面が形成され、同ＰＮ接合界面が、空洞２を形成するための反応性イオンエッチングの際に基板表面に直交する方向から入射したイオンを横方向に曲げるための部材となっている。
【００４９】
以上のように、イオンを横方向に曲げるための部材に関して、垂直方向の異方性エッチングが水平方向への異方性エッチングに切り換わる深さを予めＰＮ接合で指定することができるので、同一基板内に開口幅の異なる溝を形成しても、それらをＰＮ接合で規定された深さで水平方向に連結することができる。一般的に反応性イオンエッチングを用いた場合、図１９（ａ）に示すように、エッチングレートはマスク開口幅が広い溝パターンほどエッチングレートが上がり、深い溝が形成される。そのため、図１９（ｂ）に示すように、各溝底面を起点に水平方向にエッチングを進めると深さの異なる溝同士では連結させることができない。しかし、本実施形態では図１６で説明したように全ての溝パターンでＰＮ接合部分で水平方向にエッチングを進めることができるので、この深さで水平方向に連結させることができる。
【００５０】
以下、応用例を説明する。
図１８に示すように、異方性の反応性イオンエッチングを行う際、外部からＰＮ接合部分に逆方向バイアスを印加するようにしてもよい。詳しくは、予め基板表面側に電極６３を設けるとともに、基板裏面側に電極（図示略）を設け、電極６３にＤＣ電源６４を接続し、また、基板裏面側の電極を接地する。そして、エッチング中にＰＮ接合部分に逆バイアスを印加させる。つまり、表面側の電極６３を裏面側電極に対して正に印加する。このように、ＰＮ接合に逆バイアスを印加するとＮ側の接合界面には電子が、Ｐ側の界面には正孔（ホール）がより蓄積された状態となり、この界面を通して電荷（キャリア）の移動は更にできなくなる。従って、予め対象基板に対して所定の深さにＰＮ接合を形成しておいて、基板に逆バイアスを印加しながら反応性イオンエッチングを行うと、接合界面には正の電荷がより蓄積されていてこれを中和する電荷の移動も生じないため、エッチング先端面がこの界面に到達した時点以降は、入射イオンの軌道が曲げられ、水平方向への異方性エッチングを行うことができる。その結果、空洞２を形成すべく水平方向にエッチングを進行させる効果は一層強まる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の実施の形態における加速度センサの平面図。
【図２】  加速度センサの斜視図。
【図３】  図１におけるＡ−Ａ線での断面図。
【図４】  図１におけるＢ−Ｂ線での断面図。
【図５】  配線を取り除いた状態での加速度センサの斜視図。
【図６】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図７】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図８】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図９】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１０】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１１】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１２】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１３】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１４】  第２の実施の形態における加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１５】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１６】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１７】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１８】  別例の加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図１９】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２０】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２１】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２２】  従来技術を説明するための加速度センサの平面図。
【図２３】  図２２におけるＸ−Ｘ線での断面図。
【図２４】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図２５】  加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【符号の説明】
２…空洞、４ａ〜４ｄ…溝、５…四角枠部、６…梁構造体、１２，１３…可動電極、１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄ…可動電極、１６，１７，２２，２３…固定電極、１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄ…固定電極、５２…水、５３…氷、６０…半導体基板、６１…Ｎ型単結晶シリコン基板、６２…Ｐ型シリコン層。
【図１】
0004352616.tif 000002
【図２】
0004352616.tif 000003
【図３】
0004352616.tif 000004
【図４】
0004352616.tif 000005
【図５】
0004352616.tif 000006
【図６】
0004352616.tif 000007
【図７】
0004352616.tif 000008
【図８】
0004352616.tif 000009
【図９】
0004352616.tif 000010
【図１０】
0004352616.tif 000011
【図１１】
0004352616.tif 000012
【図１２】
0004352616.tif 000013
【図１３】
0004352616.tif 000014
【図１４】
0004352616.tif 000015
【図１５】
0004352616.tif 000016
【図１６】
0004352616.tif 000017
【図１７】
0004352616.tif 000018
【図１８】
0004352616.tif 000019
【図１９】
0004352616.tif 000020
【図２０】
0004352616.tif 000021
【図２１】
0004352616.tif 000022
【図２２】
0004352616.tif 000023
【図２３】
0004352616.tif 000024
【図２４】
0004352616.tif 000025
【図２５】
0004352616.tif 000026