JPH01309384A - 集積薄膜ダイアフラム用バックサイドエッチング方法 - Google Patents

集積薄膜ダイアフラム用バックサイドエッチング方法

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JPH01309384A
JPH01309384A JP1042903A JP4290389A JPH01309384A JP H01309384 A JPH01309384 A JP H01309384A JP 1042903 A JP1042903 A JP 1042903A JP 4290389 A JP4290389 A JP 4290389A JP H01309384 A JPH01309384 A JP H01309384A
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silicon
thin film
anisotropic
silicon nitride
layer
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JP1042903A
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James O Holmen
ジエームズ・オー・ホルメン
Steven D James
ステイーヴン・デイ・ジエームズ
Jeffrey A Ridley
ジエフリイ・エイ・リッドレイ
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Honeywell Inc
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    • H10P50/64—Wet etching of semiconductor materials
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
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    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6845—Micromachined devices
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
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    • Y10T29/49002—Electrical device making
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  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Weting (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマイクロセンサ質量空気流量検出デバイスの分
野及びそれらのデバイスを製造する方法に関する。
〔従来の技術及び発明の概要〕
製造の中間時点くおける構造は、それ以降の過程で形成
されるべきウェブもしくはダイアフラムの形成予定領域
の輪郭を規定するニッケルー鉄。
チタン−タングステン、クロム、アルミニウム又はその
他の選択的にエツチング可能な層から成る薄い犠牲層を
表面の一部に有する単結晶シリコン基板チップである。
犠牲層とシリコンチップ表面の残り領域は、ダイアフラ
ムを形成する窒化シリコンから成る薄膜で被覆される。
犠牲層とは、製造過程の後の段階で除去されてしまう層
である。
本発明においては、シリコン内のダイアフラム下方のビ
ット、すなわち空洞はバックサイドエツチングにより形
成される。本発明によれば、裏面のエツチングパターン
の寸法の変化又はシリコンウェハの厚さの許容差変化を
考慮することなく、また、裏面の特徴部を表面の特徴部
と正確にアライメントする必要なく、厳密に規定された
ウェブ領域、もしくはダイアフラム領域をバックサイド
エツチングにより製造することができる。ウェブの位置
及び面積に関して所望の精度を得るためにシリコンを添
加する必要はない。
加熱抵抗器を使用する気流センサのように感知用の薄膜
材料の場所を定めるためにシリコンの表面に薄膜ウェブ
を製造する場合、ウェブの面積。
形状及び位置を正確に再現することが必要である。
従来の単純なバックサイドエツチング方法においては、
不透明なウェハの表面の特徴部と裏面の特徴部とをアラ
イメントするのが回能であることと。
ウェハの厚さの変化が表面上にウェブとして規定される
面積に直接影響を与えることが理由となって９通常のフ
ォトリングラフイー技術により正確な再現を実行するこ
とはきわめて難しい。
この状況を改善した従来の技術の１例が第１図に示され
ている。これは、ウェブを正確に規定する領域に高濃度
でボロンを添加し、バックサイドエッチビットの頂点が
十分に規定ウェブ領域の外側でポロンエツチング停止領
域に達するようＫするものである。しかしながら、不純
物添加層の厚さはわずか数ミクロンにしかならず、従っ
て、ウェブ支持体に所望の剛性を与えるとは思われず。
また、厚いシリコンが存在していた場合にウェブの縁部
で望まれるような多大な放熱作用が得られるとも思われ
ない。
〔実施例〕
次に第２図に関して説明する。第２図には。
（１００）単結晶シリコンチップ、すなわちウェブ・基
板１１上に構成され九気流感知用薄膜マイクロセンサテ
ップ１０が平面図で示されている。また。
第２図には現われていない薄膜層のいくつかを示す第３
図及び第３図（＆）をも暫時参照する。さらに。
第３図は、犠牲層を除去し、シリコンにビットを形成す
る以前の製造の中間段階における構造を示す。単結晶シ
リコンウェブ・基板１１は平坦なく１００＞表面１２を
有し、この表面上には、まず、Ｔｉ；Ｗ。
Ｃｒ又はＮＩ　Ｆｅを好ましくは約５００〜１０００オ
ングストロームの厚さにスパッタリングにより蒸着して
成る層のような薄い選択的にエツチング可能な犠牲層１
３が形成される。申し分のない結果を得た一実施例にお
いては、この犠牲層１３は一辺約３２５ミクロン←）の
正方形である。犠牲層１３は、後にシリコンにビットが
エツチングされるべき領域の場所を規定する。最終的な
エッチビットの境界線を正確に規定するために、犠牲層
の輪郭の臨界縁部の方向は（１１０）方向に直交するよ
うに定められる。直交しない配向を使用した場合には、
犠牲層の輪郭自体がエッチビットの境界線を限定するこ
とはなくなるであろう。表面１２と犠牲層１３の全面に
は、　２５００から７０００オングストローム（λ）程
度の厚さであれば良い窒化シリコン等の誘電体から成る
薄膜層１４（第３図＠））がスパッタリングにより蒸着
される。プラチナ等の電気的に抵抗性の薄膜層１５は窒
化シリコン層１４の全面にスパッタリングにより蒸着さ
れ、従来の方法によりチッグに関して所望の回路パター
ンに輪郭規定される。プラチナ薄膜層の厚さは８００オ
ングストロ一ム程度であるのが好ましい。当初の犠牲層
の段は低く、窒化物で容易に被覆することができるので
、窒化物の段差に抵抗器線路を設けるために傾斜縁部を
設ける必要はなく、電気的連続性及び化学的パシベーシ
ョンを得るために、形成された５００人の窒化物の垂直
段差全体に金属抵抗器線路を蒸着することが可能である
。回路の輪郭規定に続き、スパッタリングにより蒸着さ
れる窒化シリコンから成る別の薄膜層１Ｇで抵抗性回路
及び窒化シリコン層１４を被覆する。この別の窒化シリ
コン層１６の全面にオプションのポリイミドから成る層
１７を蒸着しても良い。また、窒化シリコンから成る薄
い層１８がウェハの裏面を被覆する。
第２図に戻って説明する。第２図には、チップの周囲付
近にいくつかの電気的接点パッドＡ、Ｂ。
Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ及びＨが示されている。これらの接
点パッドはチップ上の回路素子と選択的に接触する。た
とえば、抵抗温度センサス０は接点パッドＡと接点パッ
ドＧとの間にあシ、抵抗器Ｒムは接点パッドＦと接点パ
ッドＤとの間に延在し、抵抗器Ｒｓは接点パッドＣと接
点パッドＤとの間に延在する。抵抗器Ｒｉは従来のラダ
ートリップネットワークの形態をとる。温度センサ２０
゜Ｒム及びＲｍ　、並びに後述するヒータ／検出器（２
１で示されている）を含むこれら抵抗性素子は。
全て、前述のプラチナ層１５の上に形成される。
ヒータ／検出器２１は、第４図、第５図及び第７図にさ
らに詳細に示されるシリコン内のエツチングピットを被
覆する薄いウェブ領域又はダイアフラム領域２２の中に
形成される。
第６図には、好ましい一実施例においては一辺が約３２
５ミクロンである窒化物ウェブ領域２２のさらに詳細な
平面図が示されている。第６図は。
リード線２５及び２６を伴なうヒータ２４と、リード線
３１及び３２を伴なう上流側検出器領域３０と、リード
′ａ３４及び３５を伴なう下流側検出器領域３３とを示
す。
第７図は、第６図に示される窒化シリコンウェブ領域２
２の横断面図である。ウェブ領域上のヒータ２４及び検
出器領域３０．３３と、それらを包囲する窒化シリコン
薄ｇｔ（７Ｇ（１４，１６と同じもの）は１本発明と同
一の１受入に１渡された米国特許第４，４７８，０７６
号、第４，４７８，０７７号。
第４，５０１，１４４号、第４，５８１，９２８号及び
第４゜６５１．５６４号等の先行技術特許に記載されて
いるような従来の薄膜技術により蒸着される。
加熱素子気流センサは、その初期校正状態を維持するた
めに、寿命期間を通して一定の熱コンダクタンス構造を
保持しなければならない。ウェブ構造の下方に寿命期間
中に汚染膜や塵芥が蓄積すると、シリコンに対するコン
ダクタンスが変化し。
校正状態に誤差を生じることがちりうる。本発明の目的
は、そのような汚染を新規なバックサイドエツチング手
ｊＡを使用することにより阻止するために、ヒータ及び
検出器（すなわちウェブ）の下方のピット空間を気流か
ら有効に密閉することである。
実施例１　・ 第１０実施例においては、バックサイドエツチング方法
はほぼ次のように進行する。まず、第３図のデバイスの
ウェハの裏面に窒化物開口１９を形成して、シリコンウ
ェハ基板１１の一部領域を露出させる（第４図を参照）
。窒化物開口の好ましいパターンは矩形又は正方形であ
、９　、　（１１０）方向と直交する。裏面に異方性Ｋ
ＯＨアルカリエツチング液を塗布して、シリコン内に、
犠牲層に達するまで＠１のエッチピット１９′を異方性
エツチングナる。この第１０実施例では、　Ｎ１−Ｆ・
、Ｃｒ。
Ｔｉ　；Ｗ等の犠牲層１３は、裏面空洞を規定するため
に使用される異方性エツチングのエツチング停止部とし
て使用する。従って、第１０異方性エツチングによるピ
ットは、第４図に示すように、その頂点がウェブ領域の
中央部付近のいずれかの場所を占めるように形成される
。エツチング作用は犠牲層に達したときに停止し、側部
ではシリコンの抵抗の高い＜１１１＞平面により制限さ
れる。本発明の方法によれば、犠牲層はダイアフラム、
すなわちウェブの領域を正確に規定するために使用され
る。犠牲層のパターンは正方形又は矩形であって、その
辺はシリコンの＜１１０＞　方向と直交する向きを有す
る。
本発明においては、ビットの縁部、従ってブリッジ部の
長さは＜１１１＞平面停止作用により決定される。これ
は、第６図に示すように、直交する方向’にもつマイク
ロブリッジ構造の下方で矩形に輪郭を規定された犠牲層
の方向を直交方向に定めることにより可能となる。第２
のエッチは犠牲層を除去するために第１０エッチに加え
られる。犠牲層は選択的エツチング液により完全に除去
されるので、マイクロブリッジには、先に犠牲層１３が
占めていた場所に５００オングストロームの薄い空間２
Ｔが〈シ抜かれる。Ｎ１−Ｆ・、’ｔ’ｓ　；ｗ及びＣ
ｒの各材料に対する特定のエツチング液は次の通シであ
る。
Ｎｉ−Ｆｅに対して 硫酸３０部 水９部 濃縮過酸化水素１部 室温 Ｔｔ　；ｗに対して 水１０部 濃縮過酸化水素１部 摂氏６０度 Ｃｒに対して 窒化セリウムアンモニウム１８１グラム／リレトル酢酸
４８　ｍ　Ｌ　／リットル 水で１リツトルの溶液を調製する。
室温 シリコン異方性エツチング液を再び塗布し、新たに形成
された空間２７を満たすことができるようにする。この
エツチング液は、犠牲層の除去により露出されていた（
１００　）シリコン２８に作用し、下方へエツチングし
て、第２の異方性エッチビットを形成し、別の１組の（
１１１）平面２９を露出させると共に、２組の平面の交
差部分を平滑にしてウェブの下方に鼓形状の中空部を形
成し。
ウェブを基板から所望の通υに隔離させる。必要に応じ
て、さらに広いビットを形成するようにエツチングを継
続することもできる。
実施例１に関する製造過程のまとめ 上述の主な製造過程をまとめると次のようになる。
１、（１００）シリコンウェハの素面に５００〜１００
０オングストロームの犠牲層を蒸着し且つ輪郭を規定す
る。
２、約５０００オングストロームの窒化シリコンを蒸着
する。
３、接合パッド、ヒータ用抵抗器、検出器用抵抗器及び
回路用抵抗器を蒸着し且つ輪郭を規定する。
４、　　約５０００オングストロームの窒化シリコンを
蒸着する。
５、裏面に窒化シリコンから成る薄膜を蒸着する。
６、　シリコン裏面の一部領域を露出させるために、裏
面の窒化シリコンに開口を形成する。
７、露出したシリコン裏面に、シリコンを経て停止部と
して作用する犠牲層に達する第１０異方性エッチビット
をエツチングナる異方性エツチング液を塗布する。
８、第１０エッチビット開口を経て、犠牲層を除去する
犠牲層選択エツチング液を塗布する。
９、　シリコン異方性エツチング液が今度は犠牲層の除
去により露出したシリコンに作用して下方へ異方性エツ
チングし、第２の異方性エッチビットを形成するように
、除去された犠牲層の跡に形成された中間の中に再びシ
リコン異方性エツチング液を塗布する。
実施例２ 第２の実施例においては犠牲層１３はアルミニウムであ
るので、異方性ＫＯＨエツチング液が犠牲層に達すると
きのエツチングプロセスの進行はわずかに異なる。第１
０実施例では、犠牲層はエツチング停止部として作用し
た。この実施例のアルミニラム犠牲層はＫＯＨエツチン
グ液により同様にエツチングされる層である。このアル
ミニウム材料は、ＫＯＨによ、９　、ＫＯＨがシリコン
をエツチングナるよシはるかに速い速度で等方性エツチ
ングされる。Ｓ１ウエハの厚さにもよるが、犠牲層との
接触を得るためにウェハの裏面を介してエツチングを実
施するためには４〜６時間が必要であると考えられる。
その後のＡＬのエツチングによる除去は非常に急速に進
むであろう。厚さｓｏｏ′に〜１０００Ｘのアルミニウ
ム膜の場合、このエツチングは１〜２分か、それよシ短
い時間で終了すると考えられる。その後、エツチング液
は新たに形成された空間２７を満たし、アルミニウムの
急速な除去によって露出し九シリコン２８に作用し。
下方へエツチングして、先の実施例の場合と同様に第２
の異方性エッチピットを形成すると共に。
別の１組の＜１１１＞平面２９を露出させる。シリコン
の異方性エツチングのこの部品は、その後。
ダイアフラム隔離に必要とされる「鼓形」ビット形状を
得るまで（１時間はど）続くと考えられる。
実施例３ ヒータ２４．検出器領域３０及び３３等にプラチナを使
用する場合には、第２の実施例を変形することが望まし
いであろう。アルミニウム又はその他の犠牲層の金属が
８１と反応するのを阻止し。
それによ、６　、ｓｉの異方性エツチングを阻止又は禁
止するために、拡散障壁が必要となることがある。アル
ミニウムは（Ｓｌと接触すると）摂氏５７０度でケイ化
物を形成する。ｐｔはこの温度を越える温度（６００〜
７００℃）で熱処理されなければならないので、安定化
熱処理シーケンスの間にケイ化アルミニウムが形成され
る。ケイ化物は除去するのが困難であシ、異方性Ｓｉエ
ツチングプロセスを妨害すると考えられる。ケイ化物の
形成を阻止するために８１０１等の拡散障壁７１を利用
することができる（第８図を参照）。Ａｔ１に：Ｂｔか
ら隔離するには５００Ｘ〜１００ＯＸ（及びそれ未満）
の厚さのＳＩＱ、が有効である。８１０冨は標準の緩衝
ＨＦエツチング液（１０：ＩＢＯＥ）で除去可能である
。ＢＯＥ中のＳｔＯ，のエツチング速度は５００〜６０
０λ／分である。また、ＳｔＯ，は標準異方性エツチン
グ溶液中でも７０′に７分の速度でエツチングされる。
バックサイドエツチングが拡散障壁に達したとき、ｓｔ
□、は除去される（又は１０〜１５分でほぼ除去される
（ＳＩＯ，の厚さがｓｏｏ′にの場合））。Ｎ１−Ｆ・
、Ｔｉ；Ｗ等の犠牲層材料の場合。
エツチングによる８１０ｍ除去は（はぼ）完了状態まで
進むことができるであろう。その後、適正なエツチング
液によって犠牲層を除去することができる。アルミニウ
ムの場合、関連する全ての成分は全て熱したＫＯＨ異方
性エツチング液に溶解するので、バックサイドエツチン
グプロセスは様々な過程を経て自動的に進行し一最終過
程でダイアフラムの底面からの（下方への）エツチング
で完了して、「鼓形」ピット構造を形成する。
独占的所有権又は権利が請求されている本発明の実施例
は特許請求の範囲に定義される通りである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来のバックサイドエツチング制御方法を示
す図、第２図は１本発明によるマイクロセンサチップの
平習図、第３図は、シリコンのバックサイドエツチング
を実施する前のチップの一部を示す平面図、第３ａ図は
、第３図の一部を示す図、第４図は、第１回目の異方性
バックサイドエツチング後のチップを示す図、第５図は
、犠牲金属エツチング及び第２回目の異方性７リコンエ
ツチングの後のチップ及びダイアフラムを示す図。 第６図は、シリコン内のエッチビットをおおうダイアフ
ラム又はウェブ領域の平面図１Ｍ７図は。 第６図のダイアフラム及びエッチビットの横断面図、及
び第８図は、拡散障壁を追加した第７図の変形例を示す
図である。 １１−・・・シリコンウェハ基板、１３・・・・犠牲層
、１４・・・・窒化シリコン薄膜層、１５・・・・プラ
チナ薄膜層、１６・・・・窒化シリコン薄膜層、１１・
・・・ポリイミド層、１８争・・・窒化シリコン層、１
９・・・・窒化物開口、１９′・・尋・第４のエッチビ
ット、２ｏ・―・響抵抗温度センサ、２１・・・・ヒー
タ／検出器、２２−−・Φ窒化物ウェブ領域、２４・・
番−ヒータ、２７１１＠１１１１空間、３０．３３−−
−−検出器領域、７０・・・俸窒化シリコン膜、Ｒム。 Ｒｍ　　・・・・抵抗器。 特許出願人　　ハネウェル・インコーボレーテツド′４
叉代理人山　川　　政　樹 Ｆｉｇ、　３ａ Ｆｉｇ・４ Ｆｉｇ・６ 手続補正書ζオ欠） 平成　　　年　　　月　　　日 特許庁長官殿　　　　　　　　　　１−６．２２１、事
件の表示 平成１手持　　許願第午２ゴ０３号 ３、補正をする者 事件との関係　　　　特　　　許出願人名利日氏名）ハ
ネン工ｌし・インコー胛し−テソトパ５！□の日（＋　
　　平成１年　シ月３０日噌優を夢 乙、補正の対象 ＣＩ）明細書の浄書（内容に変更なし）（７９図面の浄
書（内容に変更なし）

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 　平坦な表面と、裏面とを有し且つ＜１１０＞方向を有
    する単結晶（１００）シリコンウェハを提供する過程と
    ； 選択的にエッチング可能な犠牲材料から成る薄膜層の矩
    形領域をシリコンウェハの表面上に蒸着し且つ輪郭を規
    定する過程と； 選択的にエッチング可能な犠牲材料上と、シリコンウェ
    ハ表面の残る領域の上とに、犠牲材料の厚さより厚い窒
    化シリコンから成る薄膜を蒸着する過程と； 検出器用抵抗器、回路用抵抗器及びヒータ用抵抗器等の
    所望の回路素子を、前記ヒータ用抵抗器及び検出器用抵
    抗器が前記犠牲材料から成る矩形領域に配置されるよう
    な状態で形成するために、電気的に抵抗性の材料から成
    る薄膜を窒化シリコン上に蒸着し且つ輪郭を規定する過
    程と； 電気的に抵抗性の材料及びその下方の窒化シリコンの全
    体に窒化シリコンから成る第２の薄膜を蒸着する過程と
    ； 裏面全体に窒化シリコンから成る薄膜を蒸着する過程と
    ； シリコンウェハの裏面の一部領域を露出させるために、
    矩形であり且つ＜１１０＞方向と直交する開口を裏面の
    窒化シリコンを貫通して形成する過程と； 選択的にエッチング可能な犠牲材料の層に達するまでシ
    リコンウェハを貫通して第１の異方性ビットを異方性エ
    ツチングナるために、シリコンウエハの裏面に対し前記
    窒化シリコンの開口から異方性エッチングを導入する過
    程と； 所定の場所に薄い空洞を残して選択的にエッチング可能
    な犠牲材料の全てをエッチングにより除去するために、
    第１の異方性ビットを介して選択的エッチングを導入す
    る過程と； 犠牲材料の除去により露出したシリコンを異方性エッチ
    ングして、第２の異方性ビットを形成するために、第１
    ０異方性ビット及び低い空洞を介して異方性エッチング
    を導入する過程と； から成る気流検出用薄膜マイクロセンサを製造する方法
    。
JP1042903A 1988-02-22 1989-02-22 集積薄膜ダイアフラム用バックサイドエッチング方法 Pending JPH01309384A (ja)

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EP (1) EP0330105B1 (ja)
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