JPH08306935A - 半導体力学量センサとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】検出感度の高い半導体力学量センサとその製造
方法を提供する。 【構成】与えられた力学量に応じて撓み量が変化する可
撓部２０と、これを支持するＰ型基板１２とを備え、可
撓部２０は、Ｐ型基板１２に支持されたＮ型層２１と、
Ｎ型層２１上に形成されたＰ型層２２と、Ｐ型層２２に
設けられ、且つ、前記撓み量に応じて電気抵抗が変化す
るＮ型抵抗部５１〜５８とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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。

【０００２】

【従来の技術】与えられた力学量に応じて撓み量が変化
する可撓部にピエゾ抵抗を埋め込んだ半導体力学量セン
サ（例えば、圧力センサや加速度センサ）が広く知られ
ているが、この種のセンサの感度及び精度を決定付ける
要因として、可撓部の厚さが挙げられる。可撓部の厚さ
が所々異なれば、それに応じて撓み量も変り、結果的に
感度・精度に影響する。もちろん、一つのウエハから複
数の可撓部を製作する場合には、それらの間のバラツキ
も無視することはできない。

【０００３】したがって従来では、例えば、電気化学エ
ッチングという手法を用いて、可撓部の厚さを正確に設
定していた。このエッチング手法は、半導体の異なる二
つの型を同一基板として形成し、その後、これをエッチ
ング液に沈めて所定の電圧を印加し、エッチング液との
界面に陽極酸化を起こすことでエッチングを停止させる
ものである。

【０００４】具体的には、図５に示すように、まず、Ｐ
型の基板８１の上に、可撓部として必要な厚さにＮ型の
エピタキシャル層８２を成長させ、これを、エッチング
液（強アルカリ溶液）８３に沈める。Ｐ型の基板８１の
背面は、この時点では、図中、点線の位置まである。エ
ッチング液中には、Ｐ型の基板８１に対向するように電
極８４を配置し、該電極８４と、Ｎ型のエピタキシャル
層８２の電極（図示せず）とにＤＣ電源８５を接続す
る。なお、Ｎ型のエピタキシャル層８２には、特に図示
しないが、Ｐ型のピエゾ抵抗が予め埋め込まれている。

【０００５】ＤＣ電源８５の接続により、Ｎ型のエピタ
キシャル層８２の電極には、正の電圧が印加されるが、
Ｐ型の基板８１とＮ型のエピタキシャル層８２とは、Ｐ
−Ｎ接合となるため、これらの間に電流は流れない。し
たがって、この時点では、基板８１のエッチング液８３
に接している面に陽極酸化は起きていない。

【０００６】エッチングが進行すると、やがて、Ｐ型の
基板８１が貫通し、Ｎ型のエピタキシャル層８２の下面
８２ａがエッチング液に晒される。Ｎ型のエピタキシャ
ル層８２の下面８２ａがエッチング液８３に晒されれ
ば、該エピタキシャル層と、対向する電極８４との間に
電流が流れ、Ｎ型のエピタキシャル層８２の下面８２ａ
には、陽極酸化による酸化膜が形成されていく。この酸
化膜は、エッチング液８３に耐性を持つため、この時点
で事実上エッチングは終了し、所望の厚さの可撓部が形
成される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】さて、Ｐ型のピエゾ抵
抗は、一般に、Ｎ型のピエゾ抵抗と比べてピエゾ感度が
低いという欠点を持っている。そこで、抵抗としては、
Ｎ型のものをできるだけ用いたいが（すなわち、Ｎ型の
基板の上にＰ型のエピタキシャル層を成長させ、このＰ
型のエピタキシャル層にＮ型の抵抗を埋込みたいが）、
この場合、前述した電気化学エッチング法を利用するこ
とができない。

【０００８】なぜなら、この構成で前述の電圧を印加し
た場合、Ｐ型のエピタキシャル層とＮ型基板とは順接合
になり、これらの間に電流が流れてしまう。電流が一定
以上流れると、これらに陽極酸化が発生するが、Ｐ型の
半導体とＮ型の半導体では、Ｐ型のほうが陽極酸化を起
こす電圧が高いため、Ｐ型のエピタキシャル層のみに陽
極酸化を起こすことはできない。

【０００９】また、通常のエッチング手法を用いて、Ｎ
型抵抗８６、８７を有するＰ型基板８８（図６参照）の
エッチングを行う場合、一般に、そのエッチングレート
の制御が難しく、可撓部が複数存在する場合には、それ
らの間に厚さのバラツキが生じる。

【００１０】このような問題点を考慮し、本発明の目的
は、Ｎ型の抵抗部が設けられた可撓部の厚さの精度が優
れている半導体力学量センサとその製造方法を提供する
ことにある。

【００１１】

【問題点を解決するための手段】前記目的を達成するた
めの本発明の第１の態様によれば、与えられた力学量に
応じて撓み量が変化する可撓部を有する半導体力学量セ
ンサの製造方法において、Ｐ型基板の上面にＮ型層、Ｐ
型層を順次形成するとともに、前記撓み量に応じて電気
抵抗が変化するＮ型抵抗部を前記Ｐ型層に設け、前記Ｎ
型層に正の電圧を印加して前記Ｐ型基板の下面を電気化
学エッチングし、前記Ｎ型層、前記Ｐ型層及び前記Ｎ型
抵抗部を含んで構成される可撓部を形成することを特徴
とする半導体力学量センサの製造方法が提供される。

【００１２】前記目的を達成するための本発明の第２の
態様によれば、与えられた力学量に応じて撓み量が変化
する可撓部と、これを支持するＰ型基板とを備え、前記
可撓部は、前記Ｐ型基板に支持されたＮ型層と、該Ｎ型
層上に形成されたＰ型層と、該Ｐ型層に設けられ、且
つ、前記撓み量に応じて電気抵抗が変化するＮ型抵抗部
とを有することを特徴とする半導体力学量センサが提供
される。

【００１３】前記目的を達成するための本発明の第３の
態様によれば、第２の態様において、前記Ｐ型層は、エ
ピタキシャル層または拡散層であることを特徴とする半
導体力学量センサが提供される。

【００１４】

【作用】本発明によれば、Ｐ型基板を電気化学エッチン
グする際に、Ｎ型層がエッチングストッパとして機能す
るため、可撓部の厚さを正確に設定することができる。
さらに、可撓部の撓み量を検出する手段として、Ｐ型抵
抗よりもピエゾ感度が優れているＮ型抵抗を用いること
ができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を用い
て説明する。

【００１６】図１には、本発明を加速度センサに適用し
た場合の一実施例が示されており、図２には、この加速
度センサの製造工程が示されている。

【００１７】図２（ａ）に示すように、この加速度セン
サを製造するにあたっては、まず、Ｐ型のシリコン基板
１を用意し、このシリコン基板１の一方の面に、Ｎ型の
シリコンのエピタキシャル層２１を例えば４μｍの厚さ
に成長させる。その後、この上に、Ｐ型のエピタキシャ
ル層２２を例えば６μｍの厚さに成長させる。なお、シ
リコン基板１の結晶面は、（１００）（図１（ａ）にお
いて紙面と平行な面）であり、該シリコン基板１を切り
出したウエハのオリエンテーションフラットは、（００
１）（Ｂ面と平行な面）である。

【００１８】つぎに、シリコンエッチングの工程（図２
（ｅ）の工程）で用いられるエッチングマスク（本実施
例では窒化珪素膜）３１、３２を、約０．３μｍの厚さ
でシリコン基板１の両側に成膜する。ここでは、例え
ば、ＬＰ−ＣＶＤ手法（減圧化学気相堆積手法）を用い
ることができる（図２（ｂ））。

【００１９】この後、Ｐ型のエピタキシャル層２２上に
ある窒化珪素膜３２を剥離し、当該エピタキシャル層を
露出させる。露出させたエピタキシャル層２２には、酸
化珪素膜３３を成長させる（図２（ｃ））。

【００２０】そして、酸化珪素膜３３にフォトリソグラ
フィを用いてパターニングを施し、パターニングされた
当該酸化珪素膜を通して所定の不純物をエピタキシャル
層２２に拡散させ、Ｎ型のピエゾ抵抗５１〜５８（ピエ
ゾ抵抗５５〜５８については図１参照）を形成する。こ
れらのピエゾ抵抗は、感度が最大となるよう、図１
（ａ）に示すように、（１００）面内において前述の
（００１）面に対して垂直・平行になるように形成す
る。仮にこの方向から４５度ずれると、感度は「０」に
なってしまう。なお、Ｐ型のエピタキシャル層２２に
は、Ｎ型のエピタキシャル層２１に達する電極４１、４
２も同時に形成する（図２（ｄ））。

【００２１】ピエゾ抵抗５１〜５８を形成したら、必要
な金属配線（図示省略）を施し、その反対側の面に残さ
れている窒化珪素膜３１にフォトリソグラフでエッチン
グマスクのパターンを形成する。エッチングマスク３１
ａ、３１ｂを形成したら、当該センサ部材を、強アルカ
リ溶液（本実施例では水酸化カリウム水溶液）に投入
し、電気化学エッチングを行う。電気化学エッチングの
原理は、「従来の技術」において既に記述したが、本実
施例では、前述の電極４１、４２に正の電圧をかけて、
エッチングを行う。該エッチングでは、エッチングマス
ク３１ａ、３１ｂが形成されていない部分（詳細に述べ
るならば、当該エッチングの際、Ｃ面は治具が装着され
て保護されるため、図２（ｅ）のシリコン基板１の１
ａ、１ｂ部分）が削り取られていき、やがて、Ｎ型のエ
ピタキシャル層２１に到達する。エピタキシャル層２１
がエッチング液に浸されると、この表面には、陽極酸化
による酸化膜が形成され、エッチングが事実上停止する
（図２（ｅ））。このようにエピタキシャル層２１は、
エッチングストッパーの役割を果たしており、これによ
り、可撓部２０の厚さを正確に設定することができる。

【００２２】エッチング終了後は、シリコン基板（また
はガラス）を接合し、その後、図１（ｂ）のように分離
する。分離されたシリコン基板の中央部６１は、加速度
を感知するための重りとなり、外縁部６２は、当該加速
度センサの支持台となる。

【００２３】以上、本発明を加速度センサに適用した場
合の一実施例を説明したが、本発明は、図３に示すよう
に、圧力センサにも適用することができる。

【００２４】ここでは、前述のような重りを用いておら
ず、また、Ｎ型の抵抗７１〜７４の配置についても異な
ってはいるが、同図に示すように、可撓部２０には、Ｎ
型のエピタキシャル層２１、Ｐ型のエピタキシャル層２
２、Ｎ型の抵抗７１〜７４のが積層されており、本発明
の基本構造を有して構成されている。

【００２５】また、本発明の半導体力学量センサは、図
４示すような製造工程にて製造することもできる。

【００２６】ここでは、前述と同様、加速度センサを例
にとっており、まず、Ｐ型のシリコン基板１の上にＮ型
のシリコンのエピタキシャル層２１を例えば１０μｍの
厚さに成長させる（図４（ａ））。シリコン基板１の結
晶面は、前述と同様、（１００）である。

【００２７】つぎに、シリコンエッチングの工程におい
てエッチングマスクとなる窒化珪素膜３１、３２をＬＰ
−ＣＶＤ手法を用いて約０．３μｍの厚さでシリコン基
板１の両側に成長させる（図４（ｂ））。

【００２８】つづいて、Ｎ型のエピタキシャル層２１上
の窒化珪素膜３２を剥離し、当該エピタキシャル層を露
出させる。このエピタキシャル層には、酸化珪素膜３３
を成長させる（図４（ｃ））。

【００２９】その後、フォトリソグラフィで酸化珪素膜
３３に所定のパターンを形成し、これを介してＮ型のエ
ピタキシャル層２１にイオン注入を行い、Ｐ型の拡散層
２３、２４を形成する。Ｐ型の拡散層２３、２４には、
さらに、不純物拡散あるいはイオン注入によってＮ型の
抵抗５１〜５４を形成する（図４（ｄ））。

【００３０】そして、前述と同様、重り６１と支持台６
２を取付ければ、加速度センサが出来上がる（図４
（ｅ））。

【００３１】以上、本発明を加速度センサや圧力センサ
を例にとって説明したが、本発明は、これに限定される
わけでなく、様々なセンサに適用することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、Ｎ型抵抗を有する可撓
部の厚さを正確に設定することができるため、検出感度
の高い半導体力学量センサを提供することができる。

【００３３】

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）：本発明を加速度センサに適用した
場合の一実施例を上面から見た説明図。 図１（ｂ）：図１（ａ）の加速度センサをＡ−Ａ’断面
から見た説明図。

【図２】図２（ａ）〜図２（ｅ）：図１（ａ）の加速度
センサの製造工程に関する説明図。

【図３】図３（ａ）：本発明を圧力センサに適用した場
合の一実施例を上面から見た説明図。 図３（ｂ）：図３（ａ）の加速度センサをＡ−Ａ’断面
から見た説明図。

【図４】図４（ａ）〜図４（ｅ）：本発明に係る半導体
力学量センサの製造方法のその他の実施例に関する説明
図。

【図５】従来の電気化学エッチング手法を説明するため
の説明図。

【図６】従来の、Ｎ型抵抗が埋め込まれたＰ型基板を示
す構成図。

【符号の説明】

１、６１、６２、８１、８８：シリコン基板、 １１：シリコン基板の中央部、 １２：シリコン基板の周縁部、 ２０：可撓部、 ２１、２２、８２：エピタキシャル層、 ２３、２４：拡散層、 ３１、３２：窒化珪素膜、 ３３：酸化珪素膜、 ４１、４２、８４：電極、 ５１〜５８、７１〜７４、８６、８７：抵抗、 ８３：エッチング液、 ８５：ＤＣ電源

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】与えられた力学量に応じて撓み量が変化す
   る可撓部を有する半導体力学量センサの製造方法におい
   て、 Ｐ型基板の上面にＮ型層、Ｐ型層を順次形成するととも
   に、前記撓み量に応じて電気抵抗が変化するＮ型抵抗部
   を前記Ｐ型層に設け、 前記Ｎ型層に正の電圧を印加して前記Ｐ型基板の下面を
   電気化学エッチングし、前記Ｎ型層、前記Ｐ型層及び前
   記Ｎ型抵抗部を含んで構成される可撓部を形成すること
   を特徴とする半導体力学量センサの製造方法。
2. 【請求項２】与えられた力学量に応じて撓み量が変化す
   る可撓部と、これを支持するＰ型基板とを備え、 前記可撓部は、前記Ｐ型基板に支持されたＮ型層と、該
   Ｎ型層上に形成されたＰ型層と、該Ｐ型層に設けられ、
   且つ、前記撓み量に応じて電気抵抗が変化するＮ型抵抗
   部とを有することを特徴とする半導体力学量センサ。
3. 【請求項３】請求項２において、 前記Ｐ型層は、エピタキシャル層または拡散層であるこ
   とを特徴とする半導体力学量センサ。