JP2008049438A - 半導体装置の製造方法、半導体装置、及び感圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】製造方法を大幅に簡略化することができる立体構造の片持梁状の揺動部を備える半導体装置の製造方法、半導体装置及び該半導体装置を備える感圧センサを提供する。
【解決手段】ＳＯＩ基板７の裏面側からエッチングしてシリコン酸化膜４が露出するまでシリコン基板１を凹状に除去し、シリコン基板１が除去された空間１ａに面するシリコン酸化膜４及び該シリコン酸化膜４上の単結晶シリコン膜３の一部をエッチングにより除去して、圧縮応力を有するシリコン酸化膜４及び単結晶シリコン膜３よりなる片持梁状のカンチレバー１０を形成する。これにより、ＳＯＩ基板７上で反り上がったカンチレバー１０を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板上に斜設されたカンチレバーを備える半導体装置の製造方法、半導体装置、及び該半導体装置を備える感圧センサに関する。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）に関する技術開発が盛んに行われ、シリコンプロセス技術を用いて、微小な機械的要素と電子回路要素とを融合したマイクロマシンと称される半導体装置（システム）が自動車、センサ、情報・通信、医療、製造、環境といった様々な分野で利用されるようになってきた。特に、半導体加工技術の進展に伴って、微小な可動構造体を含むマイクロマシンの研究・開発が活発化し、シリコン基板（シリコンチップ）上に多数のマイクロデバイスをナノ単位の精度で集積化したマイクロマシンが実用化されつつある。

シリコン基板上に微小な可動構造体（例えば、カンチレバーなど）を形成するためには、大別して、バルクマイクロマシニング（除去加工）と表面マイクロマシニング（付加加工）との２通りの製造方法がある。バルクマイクロマシニングは、シリコン基板をドライエッチング又はウェットエッチングにより１０〜１００μｍ単位の深掘加工を行って、所望の可動構造体を形成するものである。バルクマイクロマシニングは、可動構造体をシリコン基板から精度良く切り離すことが重要となる。

一方、表面マイクロマシニングは、シリコン基板の表面に膜層を積層して、シリコン基板表面に付加的に所望の可動構造体を形成するものであり、異なる膜層を積層し、積層した膜層をフォトリソグラフィ、エッチングなどにより所望の形状に加工し、その後選択性のあるエッチングにより犠牲層のみを除去することにより、可動構造体を得ることができる（特許文献１参照）。
特開２００４−３０６２１７号公報

しかしながら、特許文献１の例の如く表面マイクロマシニングで可動構造体を形成する場合には、犠牲層除去のために犠牲層エッチングを行う必要がある。微小な可動構造体を形成する場合、犠牲層の厚みが、例えば、数μｍ程度と薄く可動構造体とシリコン基板表面との間のギャップが狭くなるため、可動構造体がシリコン基板表面にスティッキングするという問題があった。

スティッキングは、可動構造体をシリコン基板表面から分離する犠牲層エッチングの際に発生するものと、分離後に衝撃又は静電気等で生じるものがある。これらのスティッキングを防止するためには、エッチング後の洗浄・乾燥工程、又は撥水コーティング工程などの余計なプロセスを必要とし、あるいは、低エネルギー膜の成膜、又はシリコン基板表面に突起を形成して面あれを付与するなど特殊なプロセスを必要とするため、製造プロセスが複雑になるという問題があった。このため、可動構造体を形成するための製造プロセスを簡略化することが望まれていた。

また、可動構造体（例えば、カンチレバー）をシリコン基板表面から斜設させた、いわゆる立体構造にしたマイクロマシンが利用される分野においては、立体構造の可動構造体を表面マイクロマシニングで形成するために、内部応力（残留応力）状態の異なる膜層を複数積層するか、あるいは膜厚方向に内部応力分布を変化させた膜層を成膜する必要がある。例えば、下側の層となるシリコン結晶膜の上側に残留引張応力を有する金属膜を形成することにより、反り上がった可動構造体を形成することができる。

しかし、可動構造体を立体構造（例えば、反り上がり構造）にするためには、シリコン基板上に新たに内部応力（残留引張応力）を有する膜層を形成する必要があり、また、残留引張応力を有する金属膜を形成する場合には、可動構造体の撓みを電気信号として取り出すための電極等と金属膜との絶縁膜を形成する必要があるため、製造工程数が増加するという問題があり、製造方法を簡略化することが望まれていた。

さらに、可動構造体を柔軟な樹脂層で被覆する場合、可動構造体とシリコン基板表面との隙間が非常に狭いため、可動構造体の下側に十分樹脂が充填されないという問題があった。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、シリコン層（シリコン基板）を裏面側からエッチングして絶縁膜が露出するまでシリコン層を凹状に除去し、シリコン層が除去された空間に面する絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜の一部をエッチングにより除去して、残留応力を有する絶縁膜及び表面膜よりなる片持梁状の揺動部（可動構造体）を形成することにより、基板上で反り上がった立体構造の片持梁状の揺動部を形成することができるとともに、スティッキング防止のための複雑かつ特殊なプロセスを必要とせず、内部応力（残留引張応力）を有する膜層を新たに形成する必要もなく、製造方法を大幅に簡略化することができるとともに、シリコン層裏面が凹状に開口しているため、片持梁状の揺動部を被覆するための樹脂層の充填性を向上させることができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、シリコン層を除去した後に、凹状に除去された空間に面するシリコン層及び絶縁膜に樹脂膜を塗布し、揺動部が形成された後に、塗布された樹脂膜を除去することにより、揺動部が急激に反り上がることを防止して歩留を向上させることができる半導体装置の製造方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、表面膜を単結晶シリコン膜とし、絶縁膜をシリコン酸化膜とすることにより、揺動部の上面側に内部応力（残留引張応力）を有する膜層を形成することなく立体構造（反り上がり構造）をなす揺動部を簡単に形成することができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、基板をＳＯＩ基板とすることにより、支持層をバルクマイクロマシニングで除去し、活性層（単結晶シリコン膜）及び埋め込み酸化膜層（シリコン酸化膜）よりなる立体構造の揺動部を簡略化された製造プロセスで形成することができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、揺動部を基板表面に対して外側に向かって略４５度傾斜すべく構成してあることにより、揺動部に感圧素子を設けた場合、基板表面に対して平行方向及び垂直方向の２方向に作用する力による揺動部の撓みを略均等に検出することができる半導体装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、揺動部の表面に形成された感圧素子と、該感圧素子に接続された電極とを備えることにより、揺動部に作用する力を検出することができる感圧センサを提供することにある。

第１発明に係る半導体装置の製造方法は、シリコン層の表面に、残留応力を有する絶縁膜と表面膜とがこの順に成膜された基板上に斜設された片持梁状の揺動部を備える半導体装置の製造方法であって、シリコン層を裏面側からエッチングして絶縁膜が露出するまでシリコン層を凹状に除去する工程と、シリコン層が除去された空間に面する絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜の一部をエッチングにより除去して絶縁膜及び表面膜よりなる片持梁状の揺動部を形成する工程とを含むことを特徴とする。

第２発明に係る半導体装置の製造方法は、シリコン層を除去した後に、凹状に除去された空間に面するシリコン層及び絶縁膜に樹脂膜を塗布する工程と、揺動部が形成された後に、塗布された樹脂膜を除去する工程とを含むことを特徴とする。

第３発明に係る半導体装置の製造方法は、前記表面膜を単結晶シリコン膜とし、前記絶縁膜をシリコン酸化膜とすることを特徴とする。

第４発明に係る半導体装置の製造方法は、前記基板をＳＯＩ基板とすることを特徴とする。

第５発明に係る半導体装置は、シリコン層の表面に、絶縁膜と表面膜とがこの順に成膜された基板上に配置された片持梁状の揺動部を備える半導体装置であって、前記絶縁膜は残留応力を有し、前記絶縁膜が露出するように前記シリコン層の裏面に形成された凹部と、露出した絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜よりなり、前記残留応力により前記基板上に斜設された片持梁状の揺動部とを備えることを特徴とする。

第６発明に係る半導体装置は、前記揺動部は、基板表面に対して外側に向かって略４５度傾斜するように構成してあることを特徴とする。

第７発明に係る半導体装置は、前記表面膜は単結晶シリコン膜であり、前記絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする。

第８発明に係る半導体装置は、前記基板はＳＯＩ基板であることを特徴とする。

第９発明に係る感圧センサは、第５乃至第８発明のいずれかに記載の半導体装置を備える感圧センサであって、前記揺動部の表面に形成された感圧素子と、該感圧素子に接続された電極とを備えることを特徴とする。

第１発明及び第５発明にあっては、シリコン層の表面に残留応力（残留圧縮応力）を有する絶縁膜と表面膜とがこの順に成膜された基板のシリコン層を裏面側からエッチングして絶縁膜が露出するまでシリコン層を凹状に除去する。これにより、シリコン層が除去されて開口した空間に面して絶縁膜が所要の寸法で露出するとともに、露出した絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜よりなる２層構造を形成する。露出した絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜の一部をエッチングにより表裏貫通するように除去して、絶縁膜及び表面膜よりなる片持梁状の揺動部を形成する。絶縁膜は残留応力を有するため、片持梁状の揺動部の長手方向に沿って残留応力（残留圧縮応力）が作用して、片持梁状の揺動部は、片持梁の固定端を支点として絶縁膜側が凸状になるように反り上がる。これにより、基板の表面に対して斜設された立体構造の片持梁状の揺動部を形成する。

第２発明にあっては、シリコン層を除去した後に、凹状に除去された空間に面するシリコン層及び絶縁膜に樹脂膜（例えば、フォトレジストなど）を塗布する。これにより、シリコン層と露出した絶縁膜とを樹脂膜に固着させる。この状態で片持梁状の揺動部を形成した場合、揺動部の絶縁膜は樹脂膜に固着されているため、絶縁性の残留応力により揺動部が急激に反り上がることが抑制される。これにより、揺動部が形成された際に急激に反り上がって揺動部が破損することを防止することができる。揺動部が形成された後に塗布された樹脂膜を除去して揺動部が緩やかに反り上がるようにする。

第３発明及び第７発明にあっては、表面膜を単結晶シリコン膜とし、絶縁膜をシリコン酸化膜とする。単結晶シリコン膜は残留応力がなく、一方、シリコン酸化膜は残留応力（残留圧縮応力）を有するため、片持梁状の揺動部がエッチングにより形成された場合、片持梁の固定端を支点として、揺動部の下面のシリコン酸化膜が外側に凸状になるように反り上がり、立体構造の揺動部を形成することができる。立体構造の揺動部を形成するため、揺動部の上面側に新たに内部応力を有する膜層を形成する必要がない。

第４発明及び第８発明にあっては、基板をＳＯＩ基板とする。ＳＯＩ基板の支持層をバルクマイクロマシニングで除去することにより、活性層（単結晶シリコン膜）及び埋め込み酸化膜層（シリコン酸化膜）よりなる２層構造が形成される。活性層及び埋め込み酸化膜層をＳＯＩ基板の表面側からパターンニングして所要の平面形状になるようにエッチングして切り込みを形成することで、活性層及び埋め込み酸化膜層よりなる立体構造の揺動部を形成することができる。

第６発明にあっては、揺動部は、基板表面に対して外側に向かって略４５度傾斜するように構成してある。これにより、例えば、揺動部の表面に揺動部の撓みにより電気信号を取り出すことが可能な感圧素子を形成した場合、基板表面に対して平行方向及び垂直方向の２方向に作用する力を揺動部で略均等に検出する。また、１つの揺動部で基板表面に対して平行方向及び垂直方向の両方向に作用する力を効率よく捉えることができる。

第９発明にあっては、揺動部の表面に感圧素子（例えば、ピエゾ抵抗素子、圧電素子など）と、該感圧素子に接続された電極とを形成する。例えば、ピエゾ抵抗素子を揺動部の表面に形成することにより、揺動部の撓みに応じた抵抗値変化に基づいて、外部から揺動部に作用する力（圧力、超音波など）を検出する。

第１発明及び第５発明にあっては、シリコン層を裏面側からエッチングして絶縁膜が露出するまでシリコン層を凹状に除去し、シリコン層が除去された空間に面する絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜の一部をエッチングにより除去して、残留応力（残留圧縮応力）を有する絶縁膜及び表面膜よりなる片持梁状の揺動部（可動構造体）を形成することにより、基板上で反り上がった立体構造の片持梁状の揺動部を形成することができるとともに、スティッキング防止のための複雑かつ特殊なプロセスを必要とせず、内部応力（残留引張応力）を有する膜層を新たに形成する必要もなく、製造方法を大幅に簡略化することができるとともに、シリコン層裏面が凹状に開口しているため、片持梁状の揺動部を被覆するための樹脂の充填性を向上させることができる。

第２発明にあっては、シリコン層を除去した後に、凹状に除去された空間に面するシリコン層及び絶縁膜に樹脂膜を塗布し、揺動部が形成された後に、塗布された樹脂膜を除去することにより、揺動部が急激に反り上がることを防止して歩留を向上させることができる。

第３発明及び第７発明にあっては、表面膜を単結晶シリコン膜とし、絶縁膜をシリコン酸化膜とすることにより、揺動部の上面側に内部応力（残留引張応力）を有する膜層を形成することなく立体構造（反り上がり構造）をなす揺動部を簡単に形成することができる。

第４発明及び第８発明にあっては、基板をＳＯＩ基板とすることにより、支持層をバルクマイクロマシニングで除去し、活性層（単結晶シリコン膜）及び埋め込み酸化膜層（シリコン酸化膜）よりなる立体構造の揺動部を簡略化された製造プロセスで形成することができる。

第６発明にあっては、揺動部を基板表面に対して外側に向かって略４５度傾斜すべく構成してあることにより、揺動部に感圧素子を設けた場合、基板表面に対して平行方向及び垂直方向の２方向に作用する力による揺動部の撓みを略均等に検出することができる。また、１つの揺動部で基板表面に対して平行方向及び垂直方向の両方向に作用する力を効率よく捉えることができる。

第９発明にあっては、揺動部の表面に形成された感圧素子と、該感圧素子に接続された電極とを備えることにより、揺動部に作用する力を検出することができる。

以下、本発明を実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体装置の構造を示す斜視図であり、図２は本発明に係る半導体装置の構造を示す断面図である。本発明に係る半導体装置（例えば、マイクロマシン）は、後述のＳＯＩ基板７の表面に立体構造のカンチレバー１０を備えたものである。図において、１はシリコン基板（Ｓｉ）である。シリコン基板（シリコン層）１の表面には、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ ）４（埋め込み酸化膜）が形成されてあり、シリコン酸化膜４の表面には単結晶シリコン膜（Ｓｉ）３（シリコン活性層）が形成されている。シリコン基板１上のシリコン酸化膜４の表面に単結晶シリコン膜３を形成した構造をＳＯＩ（Silicon on Insulator）と称し、シリコン基板１、シリコン酸化膜４、及び単結晶シリコン膜３によりＳＯＩ基板７を構成する。なお、ＳＯＩ基板７の裏面には保護膜としてのシリコン酸化膜５を形成してある。

ＳＯＩ基板（ＳＯＩウェハ）７は、例えば、酸化膜が成膜されたシリコン基板（デバイスウェハ）と移し替える基板（ハンドルウェハ）との貼合わせによる方法、又はシリコン基板中に高濃度の酸素イオンを注入して埋め込み酸化膜（ＢＯＸ：Buried Oxide）層を形成するＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxygen）法などにより形成することができる。ＳＯＩ基板７は、例えば、ウェハ径が４〜６インチ、単結晶シリコン膜３の膜厚が１０ｎｍ〜１００μｍ程度、シリコン酸化膜４の膜厚が０．２μｍ〜４μｍ程度、シリコン基板１の厚みが数百μｍ程度の各寸法を有する。

シリコン基板１は、所要の位置に裏面からエッチングにより凹状にシリコン基板１が除去されて形成された空間１ａ（凹部）を有する。シリコン基板１が所要の寸法で除去されることにより、空間１ａに面して露出したシリコン酸化膜４とシリコン酸化膜４上の単結晶シリコン膜３の２層構造から構成される膜層構造をＳＯＩ基板７の表面側からエッチングし、所要のパターンを切り抜くことにより、空間１ａに連通する空間１ｂを形成して、ＳＯＩ基板７に空間１ａ、１ｂよりなる開口部が形成してある。

シリコン酸化膜４及び単結晶シリコン膜３の２層構造をエッチングすることにより、ＳＯＩ基板７上面に片持梁状の揺動部であるカンチレバー１０が形成されている。カンチレバー１０の上面は、内部応力がない単結晶シリコン膜３で形成され、カンチレバー１０の下面は圧縮応力が残留したシリコン酸化膜４で形成されているため、シリコン酸化膜４内部の長手方向の残留圧縮応力により（図２の矢印）、カンチレバー１０は、固定端８を支点として上方に反り上がり、立体構造をなしている。

カンチレバー１０の長手方向の寸法は、例えば、１００μｍ〜数１００μｍ程度であり、幅方向の寸法は、１０μｍ〜数１０μｍ程度であり、シリコン酸化膜４及び単結晶シリコン膜３夫々の厚みを適宜設定することにより、カンチレバー１０のＳＯＩ基板７表面に対してＳＯＩ基板７の外側に向かって略４５度の傾斜角度で斜設することができる。例えば、シリコン酸化膜４の厚みを厚くする、単結晶シリコン膜３の厚みを薄くする、カンチレバー１０の長手方向の寸法を大きくする、又はカンチレバー１０の幅寸法を小さくする等により、カンチレバー１０の反り上がり具合（傾斜角度）を大きくすることができる。通常、シリコンの熱酸化膜の応力は、３００ＭＰａ程度であり、シリコン及び熱酸化膜のヤング率がそれぞれ１７０ＧＰａ、７２ＧＰａ程度であるため、厚さが０．５μｍのシリコン酸化膜４（埋め込み酸化膜）及び厚さが０．５μｍの単結晶シリコン膜３（シリコン活性層）からなるウェハを加工してカンチレバー１０を作製すると、曲率半径が約３００μｍとなる。長さ５００μｍのカンチレバー１０を形成すると、カンチレバー１０の先端が真上を向いた円弧状に立ち上り、先端部分の高さが約３００μｍとなるカンチレバー１０を形成することができる。

これにより、例えば、カンチレバー１０の固定端８付近の表面にピエゾ抵抗素子を形成した場合、カンチレバー１０の撓み（図２の白抜矢印）による抵抗値変化を検出することができ、ＳＯＩ基板７表面に対して平行方向及び垂直方向の２方向に作用する力をカンチレバー１０で略均等に検出することができる。また、１つのカンチレバー１０でＳＯＩ基板７表面に対して平行方向及び垂直方向の両方向に作用する力を効率よく捉えることができる。なお、図示はされていないが、空間１ａ、１ｂよりなる開口部は、カンチレバー１０を被覆して保護するとともに、外部からの圧力を伝達するための柔軟な樹脂膜で覆われている。ＳＯＩ基板７の裏側から樹脂を充填することができるため、表面マイクロマシニングの場合に比べて樹脂の充填性が向上する。

次に本発明に係る半導体装置の製造方法について説明する。図３及び図４は本発明に係る半導体装置の製造方法を示す説明図である。シリコン基板１の表面にシリコン酸化膜４と単結晶シリコン膜３とがこの順に形成されたＳＯＩ基板７の表面及び裏面夫々に保護層であるシリコン酸化膜２、５が予め形成されている（図３（ａ））。

フォトレジストプロセスにより、ＳＯＩ基板７の裏面のシリコン酸化膜５の所要の領域を除去する（図３（ｂ））。なお、シリコン酸化膜５を除去する領域は、ＳＯＩ基板７表面に形成するカンチレバー１０の形状、配置、数などにより適宜設定することができる。また、フォトレジストプロセスは、ネガ型、ポジ型のいずれであってもよい。

除去されずに残ったシリコン酸化膜５をエッチングマスクとして、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）によりＳＯＩ基板７の裏面からシリコン酸化膜４が露出するまで深掘加工を行ってシリコン基板１を凹状に除去する（図３（ｃ））。これにより、ＳＯＩ基板７に対して、いわゆるバルクマイクロマシニングを行い、空間１ａを形成する。反応性イオンエッチングでは、所要のガス（例えば、ＳＦ₆ など）を用いることができ、シリコン（Ｓｉ）と二酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）との間に高いエッチング速度の選択比を有するため、所要の形状にエッチングすることができる。なお、ドライエッチングに代えてウェットエッチングを用いることもでき、また、両者を併用することもできる。

シリコン基板１が除去され凹状の空間１ａが形成されたＳＯＩ基板７の裏面にフォトレジスト６を塗布する（図３（ｄ））。これにより、エッチングにより露出したシリコン酸化膜４をフォトレジスト６に固着させる。

フォトレジストプロセスにより、ＳＯＩ基板７の表面のシリコン酸化膜２を所要のパターンに従って除去する（図４（ｅ））。シリコン酸化膜２を除去するためのパターンは、ＳＯＩ基板７表面に形成するカンチレバー１０の形状、配置、数などにより適宜設定することができる。また、フォトレジストプロセスは、ネガ型、ポジ型のいずれであってもよい。

除去されずに残ったシリコン酸化膜２をエッチングマスクとして、例えば、反応性イオンエッチングによりＳＯＩ基板７の表面から単結晶シリコン膜３を除去する（図４（ｆ））。なお、エッチングには、例えば、フッ素系のガスを選択的に用いることができる。

エッチングにより、ＳＯＩ基板７表面のシリコン酸化膜２、４を除去し、空間１ｂを形成する（図４（ｇ））。これにより、ＳＯＩ基板７表面には、単結晶シリコン膜３及びシリコン酸化膜４の２層構造からなるカンチレバー１０が所要の配置で形成される。なお、この状態においては、シリコン酸化膜４がフォトレジスト６に固着されているため、シリコン酸化膜４の残留圧縮応力によりカンチレバー１０が急激に反り上がることを防止することができる。

ＳＯＩ基板７裏面に塗布されたフォトレジスト６を除去する。カンチレバー１０の上面の単結晶シリコン膜３は内部応力がなく、カンチレバー１０の下面のシリコン酸化膜４は圧縮応力が残留しているため、フォトレジスト６が除去されることにより、カンチレバー１０は、固定端８を支点として上方に反り上がる（図４（ｈ））。この場合、フォトレジスト６を徐々に除去するので、カンチレバー１０が急激に反り上がることを防止できる。これにより立体構造のカンチレバー１０を形成することができる。

本発明の立体構造のカンチレバー１０を、例えば、触覚センサに適用する場合には、上述の製造方法において、ＳＯＩ基板７表面に形成されるカンチレバー１０の固定端８の近傍（すなわち、カンチレバー１０の撓みを最も強く検知することができる箇所）に、例えば、熱拡散処理などによりピエゾ抵抗素子を形成するとともに、カンチレバー１０の撓みに応じてピエゾ抵抗素子の抵抗値を検出するための電極をピエゾ抵抗素子の所要の位置に予め形成しておくことができる。

また、カンチレバー１０が形成されたＳＯＩ基板７を柔軟な樹脂膜で被覆することにより、外部から物体が樹脂膜に接触した場合、物体が接触した箇所から樹脂膜を通じて伝達される力がカンチレバー１０に作用し、カンチレバー１０の撓みをピエゾ抵抗素子の抵抗値変化として物体の接触を検出することができる。

図５は本発明に係る感圧センサ１００の一例の構造を示す平面模式図である。ＳＯＩ基板７には、中央部に平面形状が略矩形の開口部１ｃが形成され、ＳＯＩ基板７表面の開口部１ｃの各縁辺の中央部に相互に対向して十字状にカンチレバー１０、２０、３０、４０を形成している。各カンチレバー１０、２０、３０、４０は、ＳＯＩ基板７表面に対して略４５度の傾斜角度でＳＯＩ基板７の外側に向かって斜設されている。

各カンチレバー１０、２０、３０、４０の固定端付近の表面には、ピエゾ抵抗素子１１、２１、３１、４１を形成してあり、ＳＯＩ基板７表面には、アルミニウム又は銅などの電極（不図示）を介して配線パターン１２、２２、３２、４２が形成され、各ピエゾ抵抗素子１１、２１、３１、４１の抵抗値変化に基づいて、物体の接触及びその方向などを演算するための信号処理部５０が形成されている。なお、ＳＯＩ基板７表面は、柔軟な樹脂膜（不図示）で被覆されている。

カンチレバー１０、２０夫々の撓みにより検出される信号の和及び差分を演算することにより、図中ｙ方向及びＳＯＩ基板７の表面に対して垂直方向に作用する力を検出することができ、カンチレバー３０、４０夫々の撓みにより検出される信号の和及び差分を演算することにより、図中ｘ方向及びＳＯＩ基板７の表面に対して垂直方向に作用する力を検出することができる。これにより、３次元方向の力を検出することができる。

また、上述の各カンチレバー１０、２０、３０、４０の組合せで構成される感圧センサ１００を、ＳＯＩ基板７の表面にアレイ状に配置して、センサアレイとして構成することもできる。

以上説明したように、本発明にあっては、ＳＯＩ基板７の裏面側からエッチングしてシリコン酸化膜４が露出するまでシリコン基板１を凹状に除去し、シリコン基板１が除去された空間１ａに面するシリコン酸化膜４及び該シリコン酸化膜４上の単結晶シリコン膜３の一部をエッチングにより除去して、圧縮応力を有するシリコン酸化膜４及び単結晶シリコン膜３よりなる片持梁状のカンチレバー１０を形成することにより、ＳＯＩ基板７上で反り上がったカンチレバー１０を形成することができるとともに、スティッキング防止のための複雑かつ特殊なプロセスを必要とせず、内部応力を有する膜層を新たに形成する必要もなく、製造方法を大幅に簡略化することができる。また、ＳＯＩ基板７の裏面が凹状に開口しているため、カンチレバー１０を被覆するための樹脂の充填性を向上させることができる。

また、シリコン基板１を除去した後に、凹状に除去された空間１ａに面するシリコン基板１及びシリコン酸化膜４にフォトレジスト６を塗布し、カンチレバー１０が形成された後に、塗布されたフォトレジスト６を除去することにより、カンチレバー１０が形成時に急激に反り上がることを防止して歩留を向上させることができる。また、カンチレバー１０の上面を単結晶シリコン膜３とし、下面をシリコン酸化膜４とすることにより、カンチレバー１０の上面側に内部応力を有する膜層を形成することなく立体構造（反り上がり構造）をなすカンチレバー１０を簡単に形成することができる。

また、ＳＯＩ基板７を用いることにより、シリコン基板１をバルクマイクロマシニングで除去し、活性層（単結晶シリコン膜３）及び埋め込み酸化膜層（シリコン酸化膜４）よりなる立体構造のカンチレバー１０を簡略化された製造プロセスで形成することができる。さらに、立体構造のカンチレバー１０をＳＯＩ基板７の表面に対して略４５度の傾斜角度でＳＯＩ基板７の外側に向かって斜設することにより、カンチレバー１０にピエゾ抵抗素子１１の如く感圧素子を形成した場合、ＳＯＩ基板７の表面に対して平行方向及び垂直方向の２方向に作用する力を略均等に検出することができる。また、１つのカンチレバー１０でＳＯＩ基板７の表面に対して平行方向及び垂直方向の両方向に作用する力を効率よく捉えることができる。

上述の実施の形態において、カンチレバー１０の形状、配置、数などは、一例であって、これに限定されるものではない。

上述の実施の形態においては、シリコン酸化膜４を固着させるためにフォトレジスト６を塗布する工程が含まれていたが、例えば、カンチレバー１０の大きさ、形状などに応じて、反り上がり時の破損の可能性が低い場合には、フォトレジストの塗布工程を省略することもできる。

上述の実施の形態では、感圧センサとして接触センサの例を説明したが、感圧センサはこれに限定されるものではなく、本発明のカンチレバー１０は、超音波センサなどにも適用することができる。また、感圧素子としては、ピエゾ抵抗素子に限定されるものではなく、圧電素子などを用いることもできる。

本発明に係る半導体装置の構造を示す斜視図である。 本発明に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法を示す説明図である。 本発明に係る半導体装置の製造方法を示す説明図である。 本発明に係る感圧センサの一例の構造を示す平面模式図である。

符号の説明

１ シリコン基板
１ａ、１ｂ 空間
１ｃ 開口部
２、５ シリコン酸化膜
３ 単結晶シリコン膜
４ シリコン酸化膜
６ フォトレジスト
７ ＳＯＩ基板
８ 固定端
１０、２０、３０、４０ カンチレバー
１１、２１、３１、４１ ピエゾ抵抗素子

Claims (9)

1. シリコン層の表面に、残留応力を有する絶縁膜と表面膜とがこの順に成膜された基板上に斜設された片持梁状の揺動部を備える半導体装置の製造方法であって、
   シリコン層を裏面側からエッチングして絶縁膜が露出するまでシリコン層を凹状に除去する工程と、
   シリコン層が除去された空間に面する絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜の一部をエッチングにより除去して絶縁膜及び表面膜よりなる片持梁状の揺動部を形成する工程と
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. シリコン層を除去した後に、凹状に除去された空間に面するシリコン層及び絶縁膜に樹脂膜を塗布する工程と、
   揺動部が形成された後に、塗布された樹脂膜を除去する工程と
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記表面膜を単結晶シリコン膜とし、前記絶縁膜をシリコン酸化膜とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記基板をＳＯＩ基板とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
5. シリコン層の表面に、絶縁膜と表面膜とがこの順に成膜された基板上に配置された片持梁状の揺動部を備える半導体装置であって、
   前記絶縁膜は残留応力を有し、
   前記絶縁膜が露出するように前記シリコン層の裏面に形成された凹部と、
   露出した絶縁膜及び該絶縁膜上の表面膜よりなり、前記残留応力により前記基板上に斜設された片持梁状の揺動部と
   を備えることを特徴とする半導体装置。
6. 前記揺動部は、基板表面に対して外側に向かって略４５度傾斜するように構成してあることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 前記表面膜は単結晶シリコン膜であり、前記絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記基板はＳＯＩ基板であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の半導体装置。
9. 請求項５乃至請求項８のいずれかに記載の半導体装置を備える感圧センサであって、
   前記揺動部の表面に形成された感圧素子と、
   該感圧素子に接続された電極と
   を備えることを特徴とする感圧センサ。

Images