WO1993022690A1 - Acceleration sensor and its manufacture - Google Patents

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WO1993022690A1
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Tetsuo Fujii
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Nippondenso Co., Ltd.
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Description

明 細 書 加速度センサ及びその製造方法 技術分野
この発明は、 加速度センサに係り、 詳しくは、 自動車のエアバッグシス テムゃサスペンション制御システム等に好適な半導体式の加速度センサに 関するものである。 背景技術
従来、 加速度センサは単結晶シリ コンのバルクを貫通するようにして、 その可動部を作製している。 そのため、 ウェハの厚さを貫通するだけの寸 法が必要であり、 小型化が困難であった。 又、 このセンサをパッケージに 組み付けるため、 熱膨張係数等の差による応力を緩和するための台座等の 緩和物が必要であった。
一方、 日経ェレク トロニクス 1 9 9 1 . 1 1 . 1 1 ( n o . 5 4 0 ) の第 2 2 3〜2 3 1頁には、 表面マイクロマシ一二ング技術を用いた加速 度センサが示されている。 これは、 シリコン基板の上に薄膜のポリシリコ ン膜を積層して、 このポリシリコン膜をエッチングすることにより、 表面 の平行方向に移動可能な梁を形成して差動容量型加速度センサを形成して いる。 しかしながら、 ポリシリコンを用いて梁構造を形成した場合、 その 周辺に信号処理回路を形成しょうとすると、 センサ特性が不安定となって しまう。 これは、 多結晶， アモルファス体で形成するために、 製造ロッ ト 毎のバラツキが大きくなつてしまうためである。 したがって、 単結晶シリ コンを用いた表面マイクロマシ一ニング技術により加速度センサを形成す るのが、 やはり望ましい。
そこで、 この発明の目的は、 新規な構造にて高精度、 高信頼性を図るこ とができる加速度センサを提供することにある。 また、 その加速度センサをその工程中、 歩留りよく製造することを目的 とする。 発明の開示
第 1の発明は、 第 1の単結晶シリコン基板上に絶縁膜を介して接合され、 かつ薄膜化された第 2の単結晶シリコン基板と、 前記第 1 , 第 2の少なく とも一方の単結晶シリコン基板に形成され、 その表面に平行な方向に可動 な梁と、 前記第 1， 第 2の少なくとも一方の単結晶シリコン基板に形成さ れ、 加速度による前記梁の-動作に伴う信号処理を行う信号処理回路とを備 えた加速度センサをその要旨とする。
また第 2の発明は、 第 1の単結晶シリコン基板の主表面に、 梁を形成す るための所定深さの溝を形成する第 1工程と、 前記第 1の単結晶シリコン 基板の主表面に、 多結晶又 (ま非晶質又はそれらの混在したシリコン膜を形 成して前記溝を当該シリコン膜にて充塡するとともに、 そのシ.リコン膜の 表面を平滑化する第 2工程と、 前記第 1の単結晶シリコン基板の主表面と 絶縁膜を形成した第 2の単結晶シリコン基板とを、 当該絶縁膜を介して接 合する第 3工程と、 前記第 1の単結晶シリコン基板の裏面側を所定量研磨 して第 1の単結晶シリコン基板を薄膜化する第 4工程と、 前記第 1 , 第 2 の少なく とも一方の単結晶シリコン基板に信号処理回路を形成した後、 第 1の単結晶シリコン基板の裏面側から前記多結晶又は非晶質又はそれらの 混在したシリコン膜をエッチング除去して梁を形成する第 5工程とを備え た加速度センサの製造方法をその要旨とする。
さらに第 3の発明は、 第 1の単結晶シリコン基板の主表面と、 絶縁膜を 形成した第 2の単結晶シリコン基板とを、 当該絶縁膜を介して接合する第 1工程と、 前記第 1の単結晶シリコン基板の裏面側を所定量研磨して第 1 の単結晶シリコン基板を薄膜化する第 2工程と、 前記第 1の単結晶シリコ ン基板の裏面に、 梁を形成するための所定深さの溝を形成する第 3工程と- 前記第 1の単結晶シリコン基板の裏面に、 多結晶又は非晶質又はそれらの 混在したシリコン膜を形成して前記溝を当該シリコン膜にて充填するとと もに、 そのシリコン膜の表面を平滑化する第 4工程と、 前記第 1， 第 2の 少なく とも一方の単結晶シリコン基板に信号処理回路を形成した後、 第 1 の単結晶シリコン基板の裏面側から前記多結晶又は非晶質又はそれらの混 在したシリコン膜をエッチング除去して梁を形成する第 5工程とを備えた 加速度センサの製造方法をその要旨とする。
第 1の発明は、 接合された単結晶シリコン基板の表面に平行な方向に加 速度が作用すると、 第 1 あるいは第 2の単結晶シリコン基板に形成した梁 が動作する。 その梁の動作に伴い、 第 1あるいは第 2の単結晶シリコン基 板に形成した信号処理回路にて信号処理が行われる。
第 2の発明において、 第 1工程により第 1の単結晶シリコン基板の主表 面に、 梁を形成するための所定深さの溝が形成され、 第 2工程により第 1 の単結晶シリコン基板の主表面に多結晶又は非晶質又はそれらの混在した シリコン膜が形成されて溝がシリコン膜にて充塡されるとともに、 そのシ リコン膜の表面が平滑化される。 そして、 第 3工程により第 1の単結晶シ リコン基板の主表面と絶縁膜を形成した第 2の単結晶シリコン基板とが、 絶縁膜を介して接合され、 第 4工程により第 1の単結晶シリコン基板の裏 面側が所定量研磨されて第 1 の単結晶シリコン基板が薄膜化される。 さら に、 第 5工程により第 1あるいは第 2の単結晶シリコン基板に信号処理回 路が形成された後、 第 1の単結晶シリコン基板の裏面側から多結晶又は非 晶質又はそれらの混在したシリコン膜がェッチング除去されて梁が形成さ れる。 その結果、 第 1の発明の加速度センサが製造される。
第 3の発明において、 第 1工程により第 1の単結晶シリコン基板の主表 面と絶縁膜を形成した第 2の単結晶シリコン基板とが、 絶縁膜を介して接 合され、 第 2工程により第 1の単結晶シリコン基板の裏面側が所定量研磨 されて第 1の単結晶シリコン基板が薄膜化される。 そして、 第 3工程によ り第 1の単結晶シリコン基板の裏面に、 梁を形成するための所定深さの溝 が形成され、 第 4工程により第 1の単結晶シリコン基板の裏面に多結晶又 は非晶質又はそれらの混在したシリコン膜が形成されて溝がシリコン膜に て充塡されるとともに、 そのシリコン膜の表面が平滑化される。 さらに、 第 5工程により第 1あるいは第 2の単結晶シリコン基板に信号処理回路が 形成された後、 第 1の単結晶シリコン基板の裏面側から多結晶又は穽晶質 又はそれらの混在したシリコン膜がエッチング除去されて梁が形成される c その結果、 第 1の発明の加速度センサが製造される。 図面の簡単な説明
図 1は本発明第 1実施例に係る加速度センサの平面図、 図 2は図 1の A 一 A断面を示す図である。
図 3乃至図 1 0は、 第 1実施例の製造工程を説明するために供する図で あり、 各製造工程中における断面図である。
図 1 1は第 1実施例の応用例を示す平面図、 図 1 2は 1 1の B— B断 面を示す図である。
図 1 3乃至図 2 1は、 第 2実施例の製造工程を説明するために供する図 であり、 各製造工程中における断面図である。
図 2 2乃至図 2 8は、 第 3実施例の製造工程を説明するために供する図 であり、 各製造工程中における断面図である。
図 2 9乃至図 3 1は、 第 4実施例の製造工程を説明するために供する図 であり、 各製造工程中における断面図である。
図 3 2乃至図 3 4は、 第 4実施例を応用した製造工程例を説明するため に供する図であり、 各製造工程中における断面図である。
図 3 5は本発明に係る加速度センサを用いて構成したセンサチップ例を 示す平面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 この発明を具体化した実施例を図面に従って説明する,
(第 1実施例） 図 1には本発明第 1実施例により作成した加速度センサの平面図を示す とともに、 図 2には図 1の A— A断面図を示す。 なお、 本例においてはセ ンサ部と信号処理回路部とが同一の単結晶シリコン基板を用いて構成され ている。
本加速度センサは容量型加速度センサであり、 図 2に示すように、 単結 晶シリコン基板 8上に S i 0 2 膜 9を介して単結晶シリコン基板 1が接合 され、 単結晶シリコン基板 1 には同基板 1を貫通する トレンチ 3により片 持ち梁 1 3が形成されている。 この片持ち梁 1 3は、 図 1 に示すように、 その先端側が 2'つに分かれた構造をなしている。 そして片持ち梁 1 3は、 単結晶シリ コン基板 1 の表面に平行な方向 （図 1中、 矢印 C方向） に可動 となっている。 さらに、 単結晶シリコン基板 1 において、 信号処理回路 1 0がポリシリコン膜 6及び S i 0 2 膜 5により片持ち梁 1 3 とは電気的に 絶縁された状態で形成されている。 .
次に、 上記構造を製造するに好適な本発明第 1実.施例の製造方法を、 図 3乃至図 1 0を引用しつつ、 説明する。
まず図 3に示すように、 1〜2 0 ' (；111の1 型 （ 1 0 0 ) 単結晶シリ コン基板 1を用意し、 その主表面に熱酸化により 1 z m程度の S i 〇2 膜 2を形成し、 フォ トリソグラフィー手法により S i 〇2 膜 2を所定のパ夕 —ンに形成する。 このパターンは、 シリコン基板 1の主表面において、 少 なく とも将来可動電極 （片持ち梁） となる領域を基板から切り離すように する溝となる領域を、 表面に露出するパターンであり、 本実施例では、 他 に信号処理回路の横方向絶縁分離領域となるシリコン基板主表面をも露出 する表面パターンとしている。
続いて、 単結晶シリコン基板 1 の主表面側において、 リアクティブィォ ンエッチング等により所定の深さ、 例えば 0 . 2〜 3 0 z m程度の垂直の 壁を持つトレンチ 3を形成する。 本実施例では、 約 3 mの場合で説明す そして、 S i 0 2 膜 2を除去した後、 図 4に示すように、 トレンチ 3の 内壁を含む単結晶シリコン基板 1の主表面に、 リンゃヒ素等による n+ 拡 散層 4を形成し、 さらに熱酸化等により 0. 1〜1 111の3102 膜5を 形成する。 この時、 エッチングのダメージを除去するため、 η+ 拡散層 4 を形成する前に S i 02 を熱酸化で形成し除去する、 いわゆる犠牲酸化を 行ってもよい。
続いて、 図 5に示すように、 単結晶シリコン基板 1の主表面にポリシリ コン膜 6を形成して、 トレンチ 3をポリシリコン膜 6にて充塡する。 尚、 ポリシリコン膜 6をバイアス用導電路として使用すべく同ポリシリコン膜 6に不純物を導入する場合には、 ポリシリコン膜 6を形成する前に薄いポ リシリコン層を形成しリン等を高濃度に拡散しておけばポリシリコン膜 6 に不純物を導入することができる。
次に、 図 6に示すように、 ポリシリコン膜 6の表面を鏡面研磨して所定 の厚さのポリシリコン膜 6が残るようにする。 続いて、 ポリシリコン膜 6 に対しィオン注 等により所定領域にボロンによる p + 拔散曆 7を形成す る。
—方、 図 7に示すように、 もう 1枚の （1 0 0) 単結晶シリコン基板 8 を用意し、 その主表面に熟酸化による 0. 1〜1. 0 mの S i 02 膜 9 を形成する。
次に、 単結晶シリコン基板 1 と単結晶シリコン基板 8とを、 例えば過酸 化水素水と硫酸の混合水溶液中に入れ、 親水性化処理を行う。 そして、 乾 燥後、 図 &に示すように、 単結晶シリコン基板 1の主表面と単結晶シリコ ン基板 8の主表面とを室温中で重ね合わせ、 40 0〜1 1 ひ 0° Cの炉の 中に 0. 5〜2時間入れ強固な接合を行う。
次に、 図 9に示すように、 アルカリ系の水溶液、 例えば KOH溶液等を 用いて単結晶シリコン基板 1の裏面側を選択ボリ ッシングする。 この選択 ポリツシングは、 S i 02 膜 5が表面に現れるまで行う。 その結果、 単結 晶シリコン基板 1の厚さが、 トレンチ 3の深さで略决まる厚さ、 例えば 3 um程度となり、 薄膜化される。 そして、 図 1 0に示すように、 単結晶シリコン基板 1の所定領域に通常 の CMOSプロセス、 又はバイポーラプロセス等を用いて信号処理回路 （ I C回路部） 1 0を形成する。 また配線を引き回すための拡散層、 アルミ 膜等による金属電極膜の形成も行い、 センサ部の配線， 回路部の配線およ びセンサ部と回路部との接続を行う。 尚、 図 1及び図 1 0においては、 信 号処理回路 1 0の一部として MO Sトランジス夕のみを示している。
さらに信号処理回路 1 0の上面にパッシベ一シヨン膜 1 1 として、 例え ばプラズマ CVD法によるプラズマ S i N膜 （P— S i N) を形成する。 引き続き、 センサ部側において、 このパッシベーシヨン膜 1 1の所定の領 域に窓 1 2を明け、 表面より トレンチ 3内に充塡されたポリシリコン膜 6 を露出させる。 この窓明けにより片持ち梁あるいは固定電極を形成する単 結晶部と、 トレンチ内を埋設していた多結晶部とが、 表面において区画さ れる。 '
そして、 図 2に示すように、 TMAH (テトラメチルアンモニゥムハイ ドロォキサイ ト） （CH3 ) 4 NOHの約 2 0 %溶液を用いて、 単結晶シ リコン基板 1の裏面側 （図 2中、 上側） 力、らパッシべ一シヨ ン膜 1 1の窓 1 2を通してポリシリコン膜 6をエッチング除去する。 このとき、 パッシ ベ一シヨン膜 1 1 (P— S i N) , S i 02 膜 5, アルミ配線層， p+ 拡 散層 （P+ ポリシリコン膜） 7は選択的エッチングではほとんどエツチン グされない。 したがって、 下方側の単結晶シリコン基板 8 との接合は p + 拡散層 （P+ ポリシリコン膜） 7にて確保されることになる。
尚、 図 1における片持ち梁 1 3の幅の広い部分にも トレンチ 3を形成し ておき、 窓 1 2の形成と同時に該トレンチ 3と連通するようにエッチング 用穴 4 8を設けるようにすれば、 ポリシリコン膜 6のエッチング除去の際 にこのエッチング用穴 4 8を通して、 センサの可動部 （片持ち梁 1 3) 下 のポリシリコン膜 6をより確実に.エッチング除去するようにすることがで きる。
以上のようにして、 片持ち梁 1 3が形成される。 このとき、 片持ち梁 1 3は、 図 2に示すように、 単結晶シリコン基板 1の深さ方向の厚さ L I に 対し単結晶シリコン基板 1の表面に平行な方向の厚さ L 2 の方が小さくな つている。
容量型加速度センサにおいては、 片持ち梁 1 3の先端部分 （2つに分か れた部分） が可動電極となるとともに、 図 1に示すように、 この片持ち梁 1 3の先端部分に対向する単結晶シリコン基板 1が固定電極 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7となる。 又、 図 1に示すように、 固定電極 1 4と固定電極.1 6 とがアルミ配線層 1 8 aにて取り出され、 固定電極 1 5 と固定電極 1 7と がアルミ配線曆 1 8 bにて取り出され、 さらに片持ち梁 （可動電極） ' 1 3 がアルミ配線層 1 8 cにて取り出されている。 このアルミ配線層 1 8 a , 1 8 b , i 8 cは信号処理回路 1 0と接続され、 この信号処理回路 1 0に より加速度による片持ち梁 （可動電極） 1 3の変位に伴う信号処理が行わ れるようになっている。 また、 片持ち梁 1 3 (可動電極） 及び固定電極 1 4， 1 5 , 1 6 , 1 7に配置した ιι + 拡散曆 4 (図 2参照） により、 電位 が一定に保たれる。
尚、 本実施例では容量型加速度センサとしたが、 片持ち梁 1 3の根元部 分の表面にピエゾ抵抗層を形成すれば-ピエゾ抵抗型の加速度センサとする ことができる。 勿論、 この両タイプのセンサを同一基板内に形成すれば、 さらにその精度， 信頼性を向上させることができる。
このように製造された加速度センサにおいては、 単結晶シリコン基板 8 上に S i 0 2 膜を介して単結晶シリコン基板 1が接合されて S O I構造と なっている。 さらに、 片持ち梁 1 3においては、 単結晶シリコン基板 1の 深さ方向の厚さ L 1 に対し単結晶シリコン基板 1の表面に平行な方向の厚 さ L 2 の方が小さい。 よって、 片持ち梁 1 3が単結晶シリコン基板 1の表 面において表面に平行な方向に移動可能となり、 基板表面に平 な方向へ の加速度が検出される。
このように本実施例では、 単結晶シリコン基板 1の主表面に、 片持ち梁 1 3を形成するための所定深さのトレンチ （溝） 3を形成し （第 1工程） ， 単結晶シリコン基板 1の主表面にポリシリコン膜 6を形成してトレンチ 3 を当該ポリシリコン膜 6にて充填するとともに、 そのポリシリコン膜 6の 表面を平滑化した （第 2工程） 。 そして、 単結晶シリコン基板 1 の主表面 と、 S i 0 2 膜 （絶縁膜） 9を形成した単結晶シリコン基板 8 とを、 S i 0 2 膜 9を介して接合し （第 3工程） 、 単結晶シリコン基板 1 の裏面側を 所定量研磨して単結晶シリコン基板 1を薄膜化した （第 4工程） 。 さらに 単結晶シリ コン基板 1の表面に信号処理回路 1 0を形成した後、 単結晶シ リコン基板 1の裏面側からポリシリコン膜 6をエッチング除去して片持ち 梁 1 3を形成した （第 5工程） 。
よって、 ウェハプロセスの途中における信号処理回路 1 0の形成プロセ スでは、 ポリシリコン膜 6により単結晶シリコン基板 1の表面部分にはト レンチ 3が埋められており、 I C素子の汚染， 製造装置への汚染， それに 伴う電気特性の不良や劣化が防止できる。 つまり、 ウェハプロセスはプロ セス途中の熱処理、 フォ トリソグラフィ一処理等においてウェハ表面に凹 部や貫通孔等の表面構造が現れないようにすることにより、 コンタミネー ション等を防止してウェハプロセスの安定化を図り、 高精度の加速度セン サを安定して供給することができる。
このように製造された加速度センサは、 単結晶シリコン基板 8上に S i 0 2 膜 （絶縁膜） 9を介して接合されるとともに薄膜化された単結晶シリ コン基板 1 と、 該単結晶シリコン基板 1 に形成され、 その表面に平行な方 向に可動な片持ち梁 1 3と、 同じく単結晶シリコン基板 1 に形成され、 加 速度に.よる片持ち梁 1 3の動作に伴う信号処理を行う信号処理回路 1 0 と を備えている。 そして、 単結晶シリコン基板 1 の表面に平行な方向に加速 度が作用すると、 単結晶シリ コン基板 1 に形成した片持ち梁 1 3が動作す る。 その片持ち梁 1 3の動作に伴い単結晶シリ コン基板 1に形成した信号 処理回路 1 0にて信号処理が行われる。 このようにして、 単結晶シリコン を用いた表面マイクロマシ一二ング技術により加速度センサが形成され、 新規な構造にて高精度， 高信頼性を図ることができることとなる。 又、 前記片持ち梁 1 3の表面、 及び、 片持ち梁 1 3と対向する単結晶シ リコン基板 1を S i 0 2 膜 （絶縁体） 5にて被覆したので、 容量型加速度 センサにおける電極ショートを未然に防止することができる。 尚、 片持ち 梁 1 3の表面と、 片持ち梁 1 3と対向する単結晶シリコン基板 1とは、 少 なくとも何れかが S i 0 2 膜 （絶縁体） 5にて被覆されていればよい。 尚、 本実施例の応用として、 図 1 1 , 1 2に示すように、 寄生容量を減 らすため片持ち梁 1 3を信号処理回路 （ I C回路部） 1 0と切り離し、 ェ ァ一プリッジ配線としてもよい。 又、 固定電極 1 4， 1 5 , -1 6， 1 7も 同様な構造にしてもよい。 これは、 P +型としたポリシリコン膜 7の形成 位置を、 下部基板との接合のために必要な最小限度の位置とすることで実 現される。
また、 前記実施例ではアルミ配線層を用いたがポリシリ コン層により配 線部を形成してもよい。 さらには、 前記実施例では梁の先端に 2つの可動 電極を形成するとともに 4つの固定電極 1 4， 1 5 , 1.6， 1 7を形成し たが、 さらに感度を向上させるために、 可動電極部と固定電極部とを櫛歯 状にしてもよい。
また、 p + ポリシリコン膜 7の形成に代えて、 選択的に酸化膜形成を行 うようにしてもよい。
(第 2実施例）
次に、 第 2実施例の製造方法について、 その第 1実施例との相違点を中 心に説明する。 なお、 以下の実施例では、 上記第 1·実施例で説明した図 1， 図 2に示す構造に準じたセンサを製造 "る場合を例にとって説明し、 図 1 の A— A断面に相当する断面図を図示することとする。
前記第 1実施例では片持ち梁 1 3を形成するために、 この部分を単結晶 シリコン基板から一定距離離す目的で p + 拡散層 （p + ポリシリ コン膜) 7を形成したが、 本実施例においては Λ この一定距離離すためにトレンチ を形成する前に凹部を形成している。
図 1 3〜図 2 1にはその製造工程を示す。 i l
まず図 1 3に示すように、 n型 （ 1 0 0 ) 単結晶シリコン基板 2 0を用 意し、 単結晶シリコン基板 2 0の主表面にドライエッチング又はゥヱッ ト エッチングにより凹部 2 1を所定の深さ、 例えば 0. 1〜5 mの深さで 形成する。 そして、 図 1 4に示すように、 単結晶シリコン基板 2 0の主表 面に S i 02 膜 2 2を形成し、 上記第 1実施例と同様にしてフォ トリソグ ラフィ一手法によりパターンを形成する。 続いて、 凹部 2 1の底部を含む 単結晶シリコン基板 2 0の主表面にドライエッチング等により 0. 1〜 3 0〃m程度 （本実施例では 3 tm) のトレンチ 2 3を形成する。
そして、 図 1 5に示すように、 トレンチ '2 3の内壁を含む単結晶シリコ ン基板 2 0の主表面に、 n+ 拡散層 24を形成するとともに、 熱酸化によ り S i 02 膜 2 5を形成する。 その後、 図 1 6に示すように、 トレンチ 2 3内に LP CVD法によりポリシリコン膜 2 6を充塡する。
引き続き、 図 1 7に示すように、 S i 02 膜 25をエッチングストツバ としてポリシリコン膜 2 6の表面を研摩し、 表面を平滑にする。 この時、 ポリシリコン膜 2 6と S i 02 膜 25の表面が平滑になることが望ましい 、 ポリシリコン膜 2 6の部分がへこみぎみになったとしても S i 02 膜 2 5の表面が平滑になっていれば続いて行われるウェハ接合において差し 支えない。
—方、 図 1 8に示すように、 もう 1枚の （ 1 0 0) 単結晶シリコン基板 27を用意し、 その主表面に熱酸化による 0. 1〜1. 0〃mの S i 02 膜 2 8を形成する。 次に、 単結晶シリコン基板 2 0， 2 7を、 例えば過酸 化水素水と硫酸の混合水溶液中に入れ、 親水性化処理を行う。 そして、 乾 燥後、 両単結晶シリコン基板 20, 27の主表面を室温中で重ね合わせ、 4 0 0〜1 1 0 0° Cの炉の中に 0. 5〜2時間入れ強固な接合を行う。 次に、 図 1 9に示すように、 アルカリ系の水溶液、 例えば KOH溶液等 を用いて単結晶シリコン基板 2 0の裏面側を選択ポリ ッシングする。 該選 択ポリ ッシングは、 S i 02 膜 25が表面に現れるまで行う。 その結果、 単結晶シリコン基板 2 0の厚さが、 例えば、 3〃m程度となり、 薄膜化さ れる。
そして、 図 20に示すように、 通常の CMOSプロセス、 又はバイポー ラプロセス等を通して信号処理回路 （I C回路部） 1 0を形成する。 さら に、 信号処理回路 1 0の上面にパッシベーシヨン膜 1 1として、 例えばプ ラズマ CVD法によるプラズマ S iN膜 （P— S iN膜） を形成する。 弓 ί き続き、 このパッシベーシヨン膜 1 1の所定の領域に窓 1 2を明け、 セン サ部においてポリシリコン膜 2 &を表面に露出させる。
そして、 図 2 1に示すように、 ΤΜΑΗ (テトラメチルアンモニゥムハ ィドロォキサイ ト） （CH3 ) 4 NOHの約 20 %溶液を用いて、 単結晶 シリコン基板 20の裏面側からパッシベ一ション膜 1 1の窓 1 2を通して ポリシリコン膜 26をエッチング除去する。 このとき、 パッシベーション 膜 I 1 (P— S iN) , S i 02 膜 25, アルミ配線層は選択的エツチン グではほとんどエッチングされない。
その結果、 片持ち梁 1 3が形成される。
本実施例によっても上記第 1実施例と同様の効果を得ることができる。 (第 3実施例）
次に、 第 3実施例の製造方法について、 その第 1実施例との枏違点を中 心に説明する。 ^
前記第 1， 第 2実施例においてはウェハ接合の前にトレンチ内にポリシ リコンを埋め込んだが、 本実施例ではウェハ接合後トレンチ内にポリシリ コンを埋め込み、 最終工程でこの埋め込んだポリシリコンを除去し、 加速 度センサを作製するようにしている。
図 22〜図 28には、 製造工程を示す。
まず図 22に示すように、 n型 （1 00) 単結晶シリコン基板 30を用 意し、 その可動電極形成予定位置に対応して、 上記第 2実施例と同様、 そ の主表面に深さ 0. 1〜 mの凹部 3 1を形成する。 一方、 図 23に示 すように、 単結晶シリコン基板 32を用意し、 その主表面に熱酸化による S i 02 膜 33を形成する。 そして、 単結晶シリコン基板 3ひの主表面と 単結晶シリコン基板 3 2の主表面とを接合する。
さらに、 図 2 4に示すように、 単結晶シリコン基板 3 0の裏面側を所定 の厚さ （ 0 . 1〜 3 0 z m ) になるまで鏡面研磨する。 そして、 図 2 5に 示すように、 S i 0 2 膜 3 4を 0 . 1〜2 /z m形成し、 続いて S i 0 2 膜 3 4をパターニングして、 エッチングにより トレンチ 3 5を形成する。 こ れにより、 片持ち梁 1 3 , 及び処理回路部の横方向絶縁分離領域が形成さ れる。
次に、 熱拡散法等により、 ヒ素ゃリ ンの N型不純物を高濃度に導入し、 S i 〇2 膜 3 3， 3 4で覆われていないシリコン領域に n + 高濃度層 3' 6 を形成する。
続いて、 図 2 6に示すように、 トレンチ 3 5内の側壁等に熱酸化膜を形 成した後に、 単結晶シリコン基板 3 0の表面にポリシリコン膜 3 7を形成 してトレンチ 3 5をポリシリコン膜 3 7で充塡する。 その後、 図 2 7に示 すように、 ポリシリコン膜 3 7の表面を選択研磨して S i 0 2 膜 3 4が表 面に現れるまで平坦化する。 さらに、 図 2 8に示すように、 信号処理回路 1 0を形成した後、 最後に単結晶シリ コン基板 3 0の裏面側 （上面側） か らポリシリコン膜 3 7をエッチング除去して片持ち梁 1 3を再び基板より 可動状態に分離する。 .
このように本第 3実施例では、 単結晶シリコン基板 3 0の主表面と、 S i 0 2 膜 （絶縁膜） 3 3を形成した単結晶シリコン基板 3 2とを、 該 S i 0 2 膜 3 3を介して接合し （第 1工程） 、 単結晶シリコン基板 3 0の裏面 側を所定量研磨して単結晶シリ コン基板 3 0を薄膜化する （第 2工程） 。 そして、 単結晶シリコン基板 3 0の裏面に、 片持ち梁 1 3を形成するため の所定深さのトレンチ （溝） 3 5を形成し （第 3工程） 、 単結晶シリコン 基板 3 0の裏面にポリシリコン膜 3 7を形成してトレンチ 3 5をポリシリ コン膜 3 7にて充填するとともに、 そのポリシリコン膜 3 7の表面を平滑 化する （第 4工程） 。 さらに、 単結晶シリコン基板 3 0に信号処理回路を 形成した後、 単結晶シリコン基板 3 0の裏面側からポリシリコン膜 3 7を Γ 4
エッチング除去して片持ち梁 1 3を形成した （第 5工程） 。
よって、 ウェハプロセスの途中における信号処理回路 1 0の形成プロセ スでは、 ポリシリコン膜 3 7により単結晶シリコン基板 3 0の上面部分に はトレンチ 3 5が埋められており、 I C素子の汚染， 製造装置への汚染， それに伴う電気特性の不良や劣化が防止できる。 つまり、 ウェハプロセス はプロセス途中の熱処理、 フォトリソグラフィ一処理等においてウェハ表 面に凹部や貰通孔等の表面構造が現れないようにすることにより、 コン夕 ミネーション等を防止してウェハプロセスの安定化を図り、 高精度の加逮 度センサを安定して供給することができる。
(第 4実施例）
次に、 第 4実施例の製造方法について、 第 3実施例との相違点を中心に 説明する。
本実施例は前記第 3実施例に比較してより安価にセンサを製造するため のもの ある。
図 2 9〜図 3 1には、 製造工程を示す。
まず図 2 9に示すように、 単結晶シリコン基板 4 0の主表面に 0 . 1〜 2 /z mの S ί 0 2 膜 4 1を形成するとともに、 この S i 0 2 膜 4 1を挟ん で単結晶シリコン基板 4 2を接合する。 そして、 図 3 0に示すように、 単 結晶シリコン基板 4 2の上面を研磨して単結晶シリコン基板 4 2を所定の 厚さにする。 つまり、 単結晶シリコン基板 4 2の厚さを、 例えば 程 度に薄膜化する。 その後、 単結晶シリコン基板 4 2の上面に高濃度 n + 拡 散層 4 3を形成し、 さらに、 その上に S i 0 2 膜 4 4を形成する。 この高 濃度 n + 拡散層 4 3は、 将来可動電極， 固定電極となるセンサ部に対応し て形成するようにすればよい。
続いて、 図 3 1に示すように、 第 3実施例と同様に S i 02 膜 4 4にパ ターニングを施し、 単結晶シリコン基板 4 2にトレンチ 4 5を形成する。 そして、 フッ酸溶液によりこのトレンチ 4 5より下層にある S i 0 2 膜 4 1を部分的にエッチング除去する。 この時、 片持ち梁 1 3 となる部分の下 ί 5 '
部の S i 0 2 膜 4 1 は完全に除去され、 固定電極及び信号処理回路部とな る部分の下部の S i 0 2 膜 4 1 は残存される。 これは、 片持ち梁 1 3とな る部分の下部は他方に比べて幅狭に設定されているためである。 またこの 際、 トレンチ形成により高濃度 n + 拡散層 4 3は、 片持ち梁 1 3 , 固定電 極各々に分離される。
その後、 図 2 6〜図 2 8 と同工程を経て、 容量式加速度センサが製造さ れる。 - 次に、 この第 4実施例の応用例を図 3 2〜図 3 4を用いて説明する。 まず図 3 2に示すように、 単結晶シリコン基板 4 0の主表面に 0 . 1〜 2〃mの S i 0 2 膜 4 1を形成するとともに、 単結晶シリコン基板 4 2の 主表面の片持ち梁形成予定領域に深さが 0 . 1〜 3；/ mの凹部 4 7を形成 する。 そして、 S i 0 2 膜 4 1を挟んで単結晶シリコン基板 4 2の主表面 を接.合する。 さらに、 図 3 3に示すように、 単結晶シリコン基板 4 2の上 面を研磨して単結晶シリコン基板 4 2を所定の厚さにする。 つまり、 単結 晶シリコン基板 4 2の厚さを、 例えば 3 / m程度に薄膜化する。 その後、 単結晶シリコン基板 4 2の上面に、 上記高濃度 n + 拡散層 4 3を形成し、 さらに、 その上に S i 0 2 膜 4 4を形成する。
続いて、 図 3 4に示すように、 単結晶シリコン基板 4 2に対し凹部 4 7 に至るトレンチ 4 5を形成し、 片持ち梁 1 3を形成する。
その後、 図 2 6〜図 2 8 と同様の工程を経て、 容量式加速度センサが製 造される。
このようにすることにより、 図 3 1のように S i 〇 2 膜 4 1を部分的に エツチング除去する場合に比べ、 より確実に電気的絶縁をとることができ ることとなる。 また機械的強度も向上できる。
尚、 この発明は上記各実施例に限定されるものではなく、 例えば、 片持 ち梁構造の他にも、 両持ち梁構造や多数持ち梁構造に対して適用可能であ る 0
又、 図 3 5に示すように、 単結晶シリ コン基板 5 0に対し 2つの加速度 ί 6
センサ 1 3 a， 1 3 bを形成し、 加速度センサ 1 3 aにより X方向を、 力 d 速度センサ 1 3 bにより Y方向の加速度を検出するようにしてもよい。 さ らに、 この X， Y方向加速度センサ 1 3 a , 1 3 bに対し表面垂直方向に 対して加速度を検出可能な加速度センサを同一基板に形成し、 三次元方向 の加速度を検知するようにしてもよい。 ざらに、 容量型として本加速度セ ンサを甩いる場合は、 いわゆるサ一ポ型 （閉ループ回路構成） にすること により、 より特性の安定化を図ることができる。
また、 上記各実施例では、 ポひシリコン膜 6 , 2 6 , 3 7にてトレンチ (溝） 3 , 2 3 , 3 5を充填した-が、 多結晶又は非晶質又はそれらの混在 したシリコン膜を用いてもよい。 つまり、 ポリシリコン又はアモルファス シリコン又はポリシリコンとァモルファスシリコンの混在したシリコン膜 を用いてもよい。
また上記各実施例では、 上側となる単結晶シリコン基板にセンサ部， 信 号処理部を形成するようにしていたが、 これに限らず、 台となる単結 シ リコン基扳も利用して、 下側の基板側にセンサ部あるいは信号処理部を形 成するようにしてもよい。
以上詳述したようにこの発明によれば、 新規な構造にて高精度、 高信頼 性を図ることができる。 また、 信号処理回路を同一チップ上に設ける場合 には、 その製造時に何ら空洞部， 溝部が存在しないため、 安定して工程を 流すことが可能である。 さらに可動梁を基板より可動状態にするのは最後 の工程であり、 台座となる下側基板との接合時あるいは回路形成時等に、 微細な梁が破壊されるのは防止でき、 その歩留りは高いものとすることが できる。 また、 基本的に本加速度センサの形状を決定するのは単結晶シリ コンのマイクロマシ一二ングによるものであり、 精度良い製造が可能であ る。 産業上の利用可能性
以上のように、 本発明は微細可動部を有する半導体加速度センサを製造 i 7 . '
するのに有用であり、 自動車のエアバッグシステムゃサスペンション制御 システム等に用いる加速度センサとして好適である。 また、 多軸方向の加 速度を検出する容量式加速度センサに適用できる。

Claims

i 8 ' 請求の範囲
1 . 第 1の単結晶シリコン基板上に絶縁膜を介して接合され、 かつ薄膜 化された第 2の単結晶シリコン基板と、
前記第 1， 第 2の少なくとも一方の単結晶シリコン基板にて形成され、 その表面に平行な方向に可動な梁と、
前記第 1， 第 2の少なく とも一方の単結晶シリコン基板に形成され、 加 速度による前記梁の動作に伴う信号処理を行う信号処理回路と
を備えたことを特徵とする加速度センサ。
2 . 前記梁は、 前記単結晶シリコン基板の深さ方向の厚さに対し前記単 結晶シリコン基板の表面に平行な方向の厚さの方が小さいものである請求 の範囲第 1項に記載の加逮度センサ。
3 . 前記梁の表面、 又は、 梁と対向する第 2の単.結晶シリコン基板の少 なく ともいずれかは、 絶縁体で被覆されているものである請求の範囲第 1 項に記載の加速度センサ。
4 . 第 1の単結晶シリコン基板の主表面に、 形成予定とされる可動梁の 周囲領域において所定深さの溝を形成する第 1工程と、
前記第 1の単結晶シリコン基板の主表面に、 多結晶， 非晶質又はそれら の混在したシリコン膜を堆積して前記溝を当該シリコン腠にて充塡すると ともに、 そのシリコン膜の表面を平滑化する第 2工程と、
前記第 1の単結晶シリコン基板の主表面と第 2の単結晶シリコン基板と を、 絶縁膜を介して接合する第 3工程と、
前記第 1の単結晶シリコン基板の前記第 2の単結晶シリコン基板との接 合面と反対側の面を所定量研磨して第 1の単結晶シリコン基板を薄膜化す る第 4工程と、
前記第 1の単結晶シリコン基板の前記研磨面側において、 前記溝の形成 位置に対応して前記溝内に充塡した前記多結晶， 非晶質又はそれらの混在 したシリコン膜を露出し、 当該露出領域より該シリコン膜をエッチング除 \ 9
去して梁を可動状態とする第 5工程と
を備えることを特徴とする加速度センサの製造方法。
5 . 上記第 1工程において、 上記所定深さは上記梁の縦方向における幅 に応じて設定されている請求の範囲第 4項に記載の加速度センサの製造方 法。
6 . 上記第 3工程において、 上記絶縁膜は前記第 2の単結晶シリコン基 板の表面に形成されている請求の範囲第 4項に記載の加速度センサの製造 方法。
7 . +上記第 2工程において、 上記第 1の単結晶シリコン基板の主表面に は平滑化された上記シリコン膜が残存している請求の範囲第 4項に記載の 加速度センサの製造方法。
8 . 上記第 3工程に先立ち、 上記形成予定とされる可動梁の周囲領域に 位置する前記シリコン膜を除く、 前記第 1の単結晶シリコン基板の主表面 に残存する当該シリコン膜を、 上記第 5工程におけるエッチングに対して 耐ェッチング性とする工程を付加した請求の範囲第 7項に記載の加速度セ ンサの製造方法。
9 . 上記第 1工程は、 上記可動梁の形成予定とされる位置において、 前 記第 1の単結晶シリコン基板の主表面に凹部を形成する工程をさらに含む 請求の範囲第 4項に記載の加速度センサの製造方法。
1 0 . 上記第 5工程に先立ち、 上記第 1或いは第 2の単結晶シリ コン基 板に、 半導体素子を形成する工程を付加した請求の範囲第 4項に記載の加 速度センサの製造方法。
1 1 . 第 1の単結晶シリコン基板の主表面と、 第 2の単結晶シリコン基 板とを、 絶縁膜を介して接合する第 1工程と、
前記第 1の単結晶シリコン基板の前記第 2の単結晶シリコン基板との接 合面と反対側の面を所定量研磨して第 1の単結晶シリコン基板を薄膜化す る第 2工程と、
前記第 1の単結晶シリコン基板の前記研磨面側より、 形成予定とされる 可動梁の周囲領域において前記絶縁膜に至る溝を形成する第 3工程と、 前記第 1の単結晶シリコン基板の前記研磨面側より、 多結晶， 非晶質又 はそれらの混在したシリコン膜を堆積して前記溝を当該シリコン膜にて充 塡するとともに、 そのシリコン膜の表面を平滑化する第 4工程と、 前記第 1あるいは第 2の単結晶シリコン基板に半導体素子を形成した後 に、 前記第 1の単結晶シリコン基板の前記研磨面側より前記シリコン膜を エッチング除去し、 梁を可動状態とする第 5工程と
を備えることを特徵とする加逮度センサの製造方法。
1 2 . 上記第 1工程において、 上記絶縁膜は前記第 2の単結晶シリコン 基板の表面に形成されている請求の範囲第 1 1項に記載の加速度センサの 製造方法。
1 3 . 上記第 5工程は、 上記梁形成位置に栢当する前記絶縁膜を除去す る工程を含む請求の範囲第 1 1項に記載の加速度センサの製造方法。
1 4 . 上記第 1工程 上記接合に先立ち、 上記第 1の単結晶シリコン基 板の主表面の上記梁形成位置に相当する領域に凹部を形成する工程を含む 請求の範囲第 1 1項に記載の加速度センサの製造方法。
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