JP3569950B2 - 振動型半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体基板をエッチング加工し形成される、例えば、加速度センサ等の振動型半導体素子の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図3に、不純物をドープし導電性を有した半導体基板1をエッチング加工し形成する固定電極2と可動電極3等からなる振動型半導体素子構造の一例を示す。可動電極3は振動梁6で連接される支柱5で支えられ、支柱5と固定電極2はガラス基板4に固定されている。また、ガラス基板4に造られたくぼみ7により可動電極3および振動梁6とガラス基板4との間には空間ができ、外からかかる加速度等の力で可動電極3は支柱5を軸に振り子のように動くことができる。加速度等の外力で可動電極3が動き、可動電極3と固定電極2間の間隔が広狭すると、可動電極3と固定電極2間の静電容量が変化する。この静電容量の変化を可動電極3と固定電極2間の電圧の変化として検出する。例えば、加速度による右方向の力Fが振動型半導体素子を設けた加速度センサに作用すると、可動電極3が右側の固定電極2Aに近付き、可動電極3と右側の固定電極2A間の間隔が狭くなり、可動電極3と右側の固定電極2A間の静電容量は増大し、可動電極3と右側の固定電極2A間の静電容量が減少する。反対に、可動電極3と左側の固定電極2Bとの間隔が広くなり、可動電極3と左側の固定電極2B間の静電容量が減少する。
【0003】
振動型半導体素子を設けた加速度センサ等の装置は、上述のような左右の固定電極2と可動電極3間の静電容量を電極パッド8に接続される配線を通して他の箇所に形成される信号処理素子等で読み取り、左右の固定電極2と可動電極3間の静電容量の差から振動型半導体素子に作用した振動方向の加速度の大きさとその向きを検出している。
【0004】
図5に、図3で表される固定電極2および可動電極3の(A−A)部分と振動梁6の(B−B)部分の従来のエッチング加工による製造方法を示す。
【0005】
まず、図5の(a)工程で、不純物をドープし低抵抗となった半導体基板1を裏側9から固定電極2の部分と可動電極3の部分を区画する溝13と振動梁6をかたどる段差11をつける異方性エッチング加工を施す。
【0006】
次の(b)工程で、くぼみ7と電極パッド8が予め形成されたガラス基板4と前記半導体基板1を固定電極2部分で接合する。
【0007】
最後に(c)工程で、半導体基板表側10から電極間の溝13と段差11に達するまでエッチングを行い、固定電極2の部分と可動電極3の部分を分離し、振動型半導体素子を作製する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体基板1をエッチングし、電極間の溝13や段差11を形成する図5の(a)工程において、電極間の溝13のようにエッチング加工溝間隔が小さい箇所では、エッチング液と半導体基板1との反応物(泡)が溝13等に溜まり、前記反応物がエッチング液とエッチング加工面との接触を妨げるため、溝13のエッチングする速さ(エッチングレート)が段差11のようにエッチング容積の大きい箇所よりも遅くなり、そうすると、段差11は電極間の溝13より深くエッチングされる。すると、次の可動電極3の部分と固定電極2の部分を分離する図5の(c)工程で、段差11は電極間の溝13より速く貫通し、貫通した箇所から側面がエッチングされるサイドエッチングが起こり、振動梁6が細くなったり、極端な場合には消滅する事態となる。また、可動電極の底面もエッチングされるため、重りが小さくなる。振動梁6が設計値通りにならずに細くなると、各振動の素子間に特性のばらつきが生じ、また、振動梁6が消滅したりすると、半導体素子の歩留まりが低下し、製造コストが上がるという問題がある。
【0009】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電極間の溝13や段差11を形成するエッチング工程で、溝13や段差11等の深さを均一にし、固定電極2部分と可動電極3部分を分離するエッチング工程で、段差11部分が早く貫通し、貫通箇所から起こる振動梁6等へのサイドエッチングへの進行を抑え、振動梁6等が細くなったり、消滅してしまったりするのを防止し、振動型半導体素子の歩留まりを向上させ、製造コストを低下し、より安価な装置を製造し、かつ、寸法精度のよい振動型半導体素子の製造方法を提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のように構成されている。すなわち、本発明の振動型半導体素子の製造方法は、第1のシリコン基板と第2のシリコン基板とをエッチングストップ層を介して接合一体化し、第1のシリコン基板の表面側から異方性エッチングを行って可動電極部と固定電極部を区画する溝と、可動電極部に連接される振動梁をかたどる段差とをエッチングストップ層に達するまで加工形成し、然る後に、第2のシリコン基板の表面側からエッチングストップ層までエッチングを行って第2のシリコン基板を除去し、次に、エッチングストップ層を除去して固定電極部側と可動電極部側を分離することを特徴として構成されている。
【0011】
【作用】
本発明は、第1のシリコン基板と第2のシリコン基板との間にエッチングストップ層を設けることで、第1のシリコン基板の表面側からエッチングを行ったときに、エッチング進行がエッチングストップ層に達した一定の深さで停止し、電極を区画する溝や振動梁をかたどる段差等の深さを均一にする。また、エッチングストップ層は第2のシリコン基板を除去するために行うエッチングが振動梁に作用するのを阻止し、振動梁で起こるサイドエッチングによる寸法精度の劣化を防止する。さらに、エッチングストップ層を除去するエッチングが行われるが、このエッチングは第1のシリコン基板を損傷せず、固定電極と可動電極を分離する。
【0012】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、本実施例の説明において、従来例と同一の名称部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【0013】
図1および図2は、本発明の振動型半導体素子の製造方法の一実施例を示すものである。本実施例において特徴的なことは、第1のシリコン基板14と第2のシリコン基板15をエッチングストップ層を介して接合一体化したシリコン基板を用いてエッチング加工を行うようにしたことであり、従来例に示される図3と同様な振動型半導体素子を対象として、そのエッチングによる製造方法を以下に説明する。図1および図2は、図3における固定電極2および可動電極3の(A−A)部分と振動梁6の(B−B)部分の構造工程の断面図である。
【0014】
図1の(a)工程で、Sb等の不純物をドープし、低抵抗となった(110 )面の構造である第1のシリコン基板14(厚さが例えば200 μm)と不純物をドープしていない第2のシリコン基板15(シリコン基板15は不純物をドープしたものでもよい)とをエッチングストップ層としてのシリコン酸化層16を介して直接接合法を用い、接合一体化する。
【0015】
(b)工程では、第1のシリコン基板14を厚さ60μmまで研磨、あるいはSF6 ガスによるプラズマエッチング、あるいはKOH水溶液によるエッチング等の方法で薄くする。
【0016】
(c)工程で、固定電極部2や可動電極部3を形成する第1のシリコン基板14表面上と第2のシリコン基板15表面上にマスクとして窒化膜17を被覆し、70℃に温められたKOH水溶液で異方性エッチングを行う。KOH水溶液は深さ方向にシリコン基板をエッチングし、KOH水溶液のエッチングを止めるシリコン酸化層16に達するまで続けられ、固定電極2と可動電極3を区画する溝13や振動梁6をかたどる段差11を形成する。
【0017】
(d)工程で、マスクとして使用された窒化膜17を除去し、くぼみ7と電極パッド8とが予め形成されたガラス基板4と固定電極部2とを陽極接合法で接合する。
【0018】
次に、図2の(a)工程で、RIEエッチング法、あるいはKOH水溶液等のアルカリ水溶液を用い、第2のシリコン基板15を除去する。このエッチングに対しシリコン酸化層16は侵食されない。
【0019】
(b)工程で、第1のシリコン基板への損傷が少い(第1のシリコン基板14をほとんどまたは全く侵食しない)例えば、CF4 ガスによるプラズマエッチングを用いてシリコン酸化層16をエッチング除去し、固定電極部2と可動電極部3を分離し、振動型半導体素子が作製される。
【0020】
従来技術では、KOH水溶液による異方性エッチング時に発生する気泡がエッチング加工溝間隔の小さい電極間の溝13に溜まり、前記反応物がエッチング液またはエッチングガス等とエッチング面との接触を妨げるために、溝13でのエッチングの進行が遅れ、エッチング容積が大きく、前記反応物が流出する振動梁6をかたどる段差11で、溝13より深くエッチングされてしまったが、本発明のエッチングストップ層を設ける製造方法では、段差11のようにエッチングが早い箇所でもシリコン酸化層16でエッチングが止められ、電極間の溝13や段差11等を均一な深さにエッチングすることができる。
【0021】
また、従来方法の半導体基板表側10から溝13や段差11等をエッチングで加工形成する工程で深くエッチングされた段差11部分が、半導体基板裏側9からシリコン基板をエッチングする工程で他の箇所の溝13部分より早く貫通する。そうすると、振動梁6へのサイドエッチングが進行し、振動梁6が細くなったり、消滅してしまったりする事態が起こったが、本発明では、エッチングストップ層(シリコン酸化層16)が存在するので、第2のシリコン基板15が除去された後も段差11や電極間の溝13等が貫通せず、振動梁6等へのサイドエッチングが起こらない。また、エッチングストップ層(シリコン酸化層16)を除去する工程では、シリコン基板を損傷(侵食)させないエッチングガスを使用しているため、各電極2,3や振動梁6はエッチングされ、振動型半導体素子が破壊されることはない。
【0022】
本発明は上記実施例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、図4は、固定電極2と可動電極3とが櫛形電極構造であり、互いに組み合わされ構成される加速度センサ内の振動型半導体素子の一例である。このような形状でも本発明の方法で製造することができる。
【0023】
また、実施例では、シリコン酸化層16をエッチングストップ層としたが、ガラス層をエッチングストップ層として用いることもできる。この場合は、第1の基板と第2の基板を陽極接合法によって接合一体化する。
【0024】
さらに、本発明の製造方法を用い、本実施例の加速度センサ素子と同様な構造をもつ共振子や振動ジャイロ等の振動型半導体素子を作製することができる。
【0025】
【発明の効果】
本発明の製造方法では、第1のシリコン基板と第2のシリコン基板とをエッチングストップ層を介して接合一体化し、第1のシリコン基板の表面側から異方性エッチングを行って可動電極部と固定電極部を区画する溝と、可動電極部に連接される振動梁をかたどる段差とをエッチングストップ層に達するまで加工形成する工程で、エッチングストップ層はエッチングの進行を一定の深さで停止させ、固定電極部と可動電極部を区画する溝や振動梁をかたどる段差の深さを均一にすることができる。
【0026】
また、第2のシリコン基板の表面側からエッチングストップ層までエッチングを行って第2のシリコン基板を除去し、次に、エッチングストップ層を除去して固定電極部側と可動電極部側を分離する工程で、エッチングストップ層は振動梁等の側面をエッチングするサイドエッチングを防止することで、振動梁が細くなったり、消滅したりするのを阻止し、可動電極底部からのエッチングを防止し、寸法精度のよい振動型半導体素子が製造できる。これにより、加速度センサ等の振動型半導体素子を設けた装置の不良品が減少するので、製造コストの低下につながり、より安価な装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の振動型半導体素子の製造方法を示す説明図である。
【図2】図1の工程に続く振動型半導体素子の製造方法説明図である。
【図3】振動型半導体素子の構成説明図である。
【図4】櫛形電極構造をもつ加速度センサ素子例を示す説明図である。
【図5】従来の振動型半導体素子の製造工程を示す説明図である。
【符号の説明】
2 固定電極
3 可動電極
6 振動梁
14 第1のシリコン基板
15 第2のシリコン基板
16 シリコン酸化層
Claims (1)
- 第1のシリコン基板と第2のシリコン基板とをエッチングストップ層を介して接合一体化し、第1のシリコン基板の表面側から異方性エッチングを行って可動電極部と固定電極部を区画する溝と、可動電極部に連接される振動梁をかたどる段差とをエッチングストップ層に達するまで加工形成し、然る後に、第2のシリコン基板の表面側からエッチングストップ層までエッチングを行って第2のシリコン基板を除去し、次に、エッチングストップ層を除去して固定電極部側と可動電極部側を分離する振動型半導体素子の製造方法。
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