JP2617287B2 - Silicon micro sensor - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明はシリコンの異方性エ
ッチングを利用したシリコンマイクロセンサに関し、特
に支持体部の材料および構造に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon microsensor utilizing anisotropic etching of silicon, and more particularly to a material and a structure of a support.
【０００２】[0002]
【従来の技術】赤外線センサ、フローセンサ、ガスセン
サなど熱収支を利用するセンサでは、発熱部や検出部を
微小化・薄膜化することによって高感度化、高速応答
化、低消費電力化が可能となる。また、圧力センサ、振
動センサ、加速度センサなど可動部を有するセンサで
は、可動部とその支持部を薄膜化することによって、高
感度化、微小化が図られる。以上のように、センサ部を
非常に薄い支持体で形成することによってセンサの高感
度化、低消費電力化、センサチップの微小化、さらには
各種センサの複合化、集積化も可能になる。このような
理由から、シリコン基板のごく表面層の酸化膜や、高濃
度ボロンドープ層を残し、下層のシリコンをエッチング
で除去して、支持体及びセンサ部を形成するいわゆるシ
リコンマイクロセンサの開発が盛んである。その支持体
の形状は、ブリッジ、カンチレバー、ダイアフラムなど
様々である。支持体の概略図を図５（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）
に示す。つぎに上述の薄い支持体を形成する方法につい
て説明する。2. Description of the Related Art In a sensor utilizing a heat balance, such as an infrared sensor, a flow sensor, and a gas sensor, it is possible to achieve high sensitivity, high-speed response, and low power consumption by miniaturizing and thinning a heat generating portion and a detecting portion. Become. In a sensor having a movable portion such as a pressure sensor, a vibration sensor, and an acceleration sensor, the sensitivity and the miniaturization can be achieved by thinning the movable portion and its supporting portion. As described above, by forming the sensor unit with a very thin support, it is possible to increase the sensitivity of the sensor, reduce the power consumption, miniaturize the sensor chip, and combine and integrate various sensors. For this reason, the development of a so-called silicon microsensor that forms a support and a sensor portion by etching away the underlying silicon while leaving the oxide film and the high-concentration boron-doped layer on the very surface layer of the silicon substrate is active. It is. The support has various shapes such as a bridge, a cantilever and a diaphragm. FIGS. 5A, 5B, and 5C are schematic diagrams of the support.
Shown in Next, a method for forming the above-described thin support will be described.
【０００３】シリコン単結晶をＥＰＷ液（エチレンジア
ミン・ピロカテコール・水の混合液）ＮａＯＨ，ＫＯＨ
などのアルカリ液でエッチングすると、結晶軸によって
エッチング速度が大きく異なる結晶軸異方性がある。す
なわち＜１１１＞方向のエッチング速度が、他の＜１０
０＞や＜１１０＞等の方向に比べて極端に遅い。この性
質のために、例えば（１００）ウェハーに、ＳｉＯ2を
マスクとしてエッチングで穴を開けると、ウェハー面と
５４．７°の角度をなす４つの（１１１）面で囲まれた
逆ピラミッド形の穴が開く。また（１１０）ウェハーの
場合には、ウェハー面と垂直な穴が開く。（１００）ウ
ェハーを用いて、熱酸化膜を形成したのち、パターン化
してマスクとし、シリコンのエッチングを行った例が図
５である。この際に支持体として残るのは、熱酸化膜の
みである。熱酸化膜の代わりに、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等で形
成したＳｉＯ2膜や、Ｓｉ3Ｎ4膜を用いた例もある。[0003] Silicon single crystal is converted to EPW liquid (mixture of ethylenediamine, pyrocatechol and water) NaOH, KOH
Etching with an alkaline solution such as the above has crystal axis anisotropy in which the etching rate greatly differs depending on the crystal axis. That is, the etching rate in the <111> direction is different from that in the other <10
It is extremely slow compared to directions such as 0> and <110>. Due to this property, for example, when a hole is formed in a (100) wafer by etching using SiO 2 as a mask, an inverted pyramid shape surrounded by four (111) planes forming an angle of 54.7 ° with the wafer surface is formed. A hole opens. In the case of a (110) wafer, a hole perpendicular to the wafer surface is opened. FIG. 5 shows an example in which a thermal oxide film is formed using a (100) wafer, and then patterned and used as a mask to etch silicon. At this time, only the thermal oxide film remains as the support. Instead of a thermal oxide film, CVD (Chemic
There is also an example using an SiO 2 film or a Si 3 N 4 film formed by an Al Vapor Deposition method or the like.
【０００４】その他の薄い支持体を形成する方法とし
て、シリコンエッチングの際の不純物濃度依存性を利用
する方法がある。前述のエッチング液では、ボロンを高
濃度に拡散したシリコン層は、エッチング速度が遅くな
り、エッチング停止層として働く。従って、シリコンウ
ェハーの片面にボロンを高濃度に拡散した層を形成し、
裏面よりＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4などをマスクとしてエッチ
ングすると、図５（Ｃ）のダイアフラムが形成される。
ブリッジ、カンチレバー等も同様にして形成することが
できる。ただし、この際支持体として残るのは、高濃度
ボロンドープ層である。As another method for forming a thin support, there is a method utilizing the impurity concentration dependency during silicon etching. In the above-described etching solution, the silicon layer in which boron is diffused at a high concentration has a low etching rate and functions as an etching stop layer. Therefore, a layer in which boron is diffused at a high concentration is formed on one side of the silicon wafer,
When etching is performed from the back surface using SiO 2 , Si 3 N 4 or the like as a mask, the diaphragm shown in FIG. 5C is formed.
Bridges, cantilevers, and the like can be formed in a similar manner. However, what remains as a support at this time is a high-concentration boron-doped layer.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】酸化膜を用いて、薄い
支持体を形成した場合、膜厚が１ミクロン以下のように
薄くなると、支持体の湾曲が起こったり、機械的強度が
弱くなる。逆に厚くなると、シリコンと酸化膜との熱膨
張率の差によって歪が加わり、支持体にヒビ割れや、破
損が起こる。また厚い熱酸化膜は作製に時間を要し、生
産性が悪く、得られる膜厚はせいぜい２〜３ミクロン以
下である。In the case where a thin support is formed using an oxide film, if the thickness is reduced to 1 μm or less, the support may be curved or the mechanical strength may be weak. Conversely, when the thickness is increased, strain is applied due to the difference in the coefficient of thermal expansion between silicon and the oxide film, and the support is cracked or damaged. Also, a thick thermal oxide film requires a long time to produce, has poor productivity, and has a thickness of 2 to 3 microns or less at most.
【０００６】一方、高濃度ボロンドープ層で支持体を形
成した場合、高濃度ボロンドープ層の電気抵抗は低いの
で、この支持体上に、センサ材料を形成しようとする際
には、高濃度ボロンドープ層とセンサ材料の間を電気的
に絶縁する必要があるが、その絶縁膜をボロンドープ層
より厚く形成すると、支持体全体が受ける歪みによりヒ
ビ割れや破損が起きる。 On the other hand, a support is formed by a high-concentration boron-doped layer.
If formed, the electrical resistance of the high-concentration boron-doped layer is low.
When trying to form a sensor material on this support
Electrical connection between the heavily boron-doped layer and the sensor material
Must be insulated, but the insulating film must be
If it is formed thicker, the strain applied to the entire support will cause a heat sink.
Cracks and breakage occur.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明では一主面上に凹部が形成されたシリコン
基板３と、前記凹部を除くシリコン基板３表面に形成さ
れたボロンドープ層５と、少なくとも該ボロンドープ層
５表面に形成され、該ボロンドープ層５に比較して薄い
絶縁膜６と、からなる支持体を具備してなり、前記絶縁
膜６上にセンサ膜を設けたシリコンマイクロセンサを提
供するものである。In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, a silicon substrate 3 having a concave portion formed on one principal surface and a boron-doped layer formed on the surface of the silicon substrate 3 excluding the concave portion are provided. And a support comprising: an insulating film formed on at least the surface of the boron-doped layer and having a thickness smaller than that of the boron-doped layer; and a sensor film provided on the insulating film. A sensor is provided.
【０００８】また、前記絶縁膜６が、ＳｉＯ2，Ｓｉ3Ｎ
4，Ａｌ2Ｏ3の少なくとも１種類からなるシリコンマイ
クロセンサを提供するものである。The insulating film 6 is made of SiO 2 , Si 3 N
4, there is provided a silicon micro sensor comprising at least one Al 2 O 3.
【０００９】酸化膜等の絶縁膜の熱膨張率は、シリコン
とは異なるものの、絶縁膜の膜厚がボロンドープ層より
薄いため、支持体全体としての熱膨張率はボロンドープ
層によってほぼ定まり、ボロンドープ層の熱膨張率はシ
リコンと等しいので、作成時の熱的歪みが少なく、機械
的強度、熱的強度が強く、しかも湾曲のない平坦な支持
体（ブリッジ、カンチレバー、ダイヤフラム）が得られ
る。また、ボロンドープの深さは、約１０ミクロン程度
まで深くできるので支持体を厚くすることができる。 The coefficient of thermal expansion of an insulating film such as an oxide film is
Although the thickness of the insulating film is different from that of the boron doped layer,
The thermal expansion coefficient of the entire support is boron-doped because it is thin
The coefficient of thermal expansion of the boron-doped layer is substantially determined by the
Since it is equivalent to recon, there is little thermal distortion at the time of creation, and mechanical
Support with high mechanical strength and thermal strength, and no curvature
Body (bridge, cantilever, diaphragm)
You. The depth of the boron dope is about 10 microns.
The support can be made thicker.
【００１０】ボロンドープ層を被覆する薄い絶縁層は、
熱酸化膜に限定されない。ＣＶＤ法、スパッタリング
法、その他の方法で形成したＳｉＯ2膜でも良いし、Ｓ
ｉ3Ｎ4膜、Ａｌ2Ｏ3膜も良好である。作製プロセスの点
からは、ボロンドーピングと同じ装置（拡散装置）を使
用できる熱酸化膜が適するが、熱膨張率の点からは、Ｓ
ｉ3Ｎ4膜、Ａｌ2Ｏ3膜の方が良い。The thin insulating layer covering the boron doped layer is
It is not limited to a thermal oxide film. An SiO 2 film formed by a CVD method, a sputtering method, or another method may be used.
The i 3 N 4 film and the Al 2 O 3 film are also good. From the viewpoint of the fabrication process, a thermal oxide film that can use the same device (diffusion device) as boron doping is suitable, but from the viewpoint of the coefficient of thermal expansion, S
The i 3 N 4 film and the Al 2 O 3 film are better.
【００１１】[0011]
＜実施例１＞図１に本発明の１実施例であるシリコンマ
イクロセンサの断面図及び平面図を、図２に、その製作
工程毎の断面図を示す。<Embodiment 1> FIG. 1 is a sectional view and a plan view of a silicon microsensor according to an embodiment of the present invention, and FIG.
【００１２】ｎ型シリコンウェハー３表面を熱酸化し、
フォトエッチングで熱酸化膜４をパターン化する（図２
（Ａ））。このパターン化した熱酸化膜４をマスクとし
て、ボロンを拡散しボロンドープ層５を形成する（図２
（Ｂ））。この際ボロン濃度は、できるだけ高濃度に
（１×１０20ｃｍ／ｃｍ3以上が好ましい）、また接合
深さはかなり深く（約５μｍ）する。つぎに、マスクの
熱酸化膜４をフッ酸緩衝液で除去した後（図２
（Ｃ））、沸点近くまで昇温したＥＰＷエッチング液中
に浸漬し、ボロンドープ層５によりブリッジが形成され
るまでエッチングを行う（図２（Ｄ））。さらに、熱酸
化によって、ボロンドープ層５の厚さに比較して十分薄
い酸化膜６（約３０００Å）を形成する（図２
（Ｅ））。最後に、得られたブリッジ部にセンサ材料と
なる薄膜７および電極８を形成して、図１のセンサが完
成する。上記実施例では、支持体の形状がブリッジの例
を示したが、カンチレバー、ダイヤフラムについても同
様に作製可能である。The surface of the n-type silicon wafer 3 is thermally oxidized,
The thermal oxide film 4 is patterned by photoetching (FIG. 2)
(A)). Using the patterned thermal oxide film 4 as a mask, boron is diffused to form a boron doped layer 5 (FIG. 2).
(B)). At this time, the boron concentration is as high as possible (preferably 1 × 10 20 cm / cm 3 or more) and the junction depth is considerably deep (about 5 μm). Next, after removing the thermal oxide film 4 of the mask with a hydrofluoric acid buffer solution (FIG. 2).
(C), the substrate is immersed in an EPW etching solution heated to a temperature close to the boiling point, and etching is performed until a bridge is formed by the boron-doped layer 5 (FIG. 2D). Further, an oxide film 6 (about 3000 °) sufficiently thinner than the thickness of the boron doped layer 5 is formed by thermal oxidation (FIG. 2).
(E)). Finally, a thin film 7 and an electrode 8 serving as a sensor material are formed on the obtained bridge portion, and the sensor of FIG. 1 is completed. In the above-described embodiment, the example in which the shape of the support is a bridge has been described. However, cantilevers and diaphragms can be similarly manufactured.
【００１３】＜実施例２＞図３に本発明の他の実施例で
あるシリコンマイクロセンサの断面図及び平面図を、図
４にその製作工程毎の断面図を示す。<Embodiment 2> FIG. 3 shows a cross-sectional view and a plan view of a silicon microsensor according to another embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows a cross-sectional view for each manufacturing process.
【００１４】ｎ型シリコンウェハー３を熱酸化し、フォ
トエッチングで熱酸化膜４をパターン化し、シリコンエ
ッチング部のみ熱酸化膜４を残す（図４（Ａ））。この
パターン化した熱酸化膜４をマスクとしてボロンを拡散
し、ボロンドープ層５を形成する。同時にボロンドープ
層５の表面に熱酸化膜６を薄く形成する（図４
（Ｂ））。ボロンドープ層５は数μｍ〜１０μｍ、熱酸
化膜６は１０００〜５０００Å程度が好ましい。つぎに
マスクの酸化膜４のみを、フォトエッチングで除去した
後（図４（Ｃ））、沸点近くまで昇温したＥＰＷエッチ
ング液中に浸漬し、シリコンのエッチングを行う。ボロ
ンドープ層５と酸化膜はエッチングされないので、これ
ら２層からなるダイヤフラムが形成される（図４
（Ｄ））。最後に得られたダイヤフラム部に、センサ材
料となる薄膜７および電極８を形成して、図３のセンサ
が完成する。The n-type silicon wafer 3 is thermally oxidized, and the thermal oxide film 4 is patterned by photo-etching, leaving the thermal oxide film 4 only at the silicon-etched portion (FIG. 4A). Using the patterned thermal oxide film 4 as a mask, boron is diffused to form a boron doped layer 5. At the same time, a thin thermal oxide film 6 is formed on the surface of the boron doped layer 5 (FIG. 4).
(B)). Preferably, the boron doped layer 5 has a thickness of several μm to 10 μm, and the thermal oxide film 6 has a thickness of about 1000 to 5000 °. Next, after only the oxide film 4 of the mask is removed by photoetching (FIG. 4C), it is immersed in an EPW etching solution heated to a temperature near the boiling point to etch silicon. Since the boron doped layer 5 and the oxide film are not etched, a diaphragm composed of these two layers is formed.
(D)). Finally, a thin film 7 serving as a sensor material and an electrode 8 are formed on the obtained diaphragm portion to complete the sensor shown in FIG.
【００１５】[0015]
【発明の効果】本発明の支持体上にセンサ材料を形成す
ることにより、機械的強度、熱的強度が強く、信頼性の
高いシリコンマイクロセンサが得られる。By forming a sensor material on the support of the present invention, a highly reliable silicon microsensor having high mechanical strength and thermal strength can be obtained.
【００１６】そして、このシリコンマイクロセンサは、
赤外線センサ、フローセンサ、ガスセンサ等の熱収支を
利用するセンサに応用でき、高感度化、低消費電力化に
役立つ。また、圧力センサ、振動センサ、加速度センサ
等可動部を有するセンサへの応用も可能である。さら
に、センサの微小化、複合化、集積化にも寄与する。This silicon microsensor is
It can be applied to sensors that use the heat balance, such as infrared sensors, flow sensors, and gas sensors, and contributes to higher sensitivity and lower power consumption. Further, application to a sensor having a movable portion such as a pressure sensor, a vibration sensor, and an acceleration sensor is also possible. Furthermore, it contributes to miniaturization, integration, and integration of the sensor.
【図１】本発明の１実施例を示すシリコンマイクロセン
サの断面図及び平面図である。FIG. 1 is a sectional view and a plan view of a silicon microsensor showing one embodiment of the present invention.
【図２】図１に示すシリコンマイクロセンサの製造工程
図である。FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the silicon microsensor shown in FIG.
【図３】本発明の他の実施例を示すシリコンマイクロセ
ンサの断面図及び平面図である。FIG. 3 is a sectional view and a plan view of a silicon microsensor showing another embodiment of the present invention.
【図４】図３に示すシリコンマイクロセンサの製造工程
図である。FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the silicon microsensor shown in FIG.
【図５】従来のシリコンマイクロセンサの支持体形状を
示す構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram showing a support shape of a conventional silicon microsensor.
３ シリコン基板 ４ 熱酸化膜 ５ ボロンドープ層 ６ 熱酸化膜 ７ センサ膜 ８ 電極 Reference Signs List 3 silicon substrate 4 thermal oxide film 5 boron doped layer 6 thermal oxide film 7 sensor film 8 electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 31/0248 Ｈ０１Ｌ 31/08 Ｈ (56)参考文献 特開 昭61−191953（ＪＰ，Ａ) 特公 昭61−22899（ＪＰ，Ｂ２) Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕ ｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａ ｎｄ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ Ｗａｖｅ ｓ Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．１ 1985年１月 発行（ニューヨーク，ロンドン）Ｐｌｅ ｎｕｍ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｒ ｐｏｒａｔｉｏｎ72−73頁第１図──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Agency reference number FI Technical indication location H01L 31/0248 H01L 31/08 H (56) References JP-A-61-191953 (JP, A) Japanese Patent Publication No. Sho 61-22899 (JP, B2) International Journal of Infrared and Millimeter Waves Vol. 6, No. 1 Issued January 1985 (New York, London) Plenum Publishing Corp. pages 72-73 Figure 1
Claims (2)
板３と、 前記凹部を除くシリコン基板３表面に形成されたボロン
ドープ層５と、 少なくとも該ボロンドープ層５表面に形成され、該ボロ
ンドープ層５に比較して薄い絶縁膜６と、からなる支持
体を具備してなり、 前記絶縁膜６上にセンサ膜を設けたことを特徴とするシ
リコンマイクロセンサ。1. A silicon substrate 3 having a concave portion formed on one principal surface, a boron-doped layer 5 formed on the surface of the silicon substrate 3 excluding the concave portion, and a boron-doped layer formed on at least the surface of the boron-doped layer 5. 5. A silicon microsensor, comprising: a support made of an insulating film 6 which is thinner than that of No. 5; and a sensor film provided on the insulating film 6.
Ａｌ2Ｏ3の少なくとも１種類からなることを特徴とする
請求項１に記載のシリコンマイクロセンサ。2. The insulating film 6 is made of SiO 2 , Si 3 N 4 ,
Silicon micro sensor according to claim 1, characterized in that it consists of at least one of Al 2 O 3.
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|---|---|---|---|
| JP7229049A JP2617287B2 (en) | 1995-09-06 | 1995-09-06 | Silicon micro sensor |
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| JP7229049A JP2617287B2 (en) | 1995-09-06 | 1995-09-06 | Silicon micro sensor |
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| JP7229049A Expired - Fee Related JP2617287B2 (en) | 1995-09-06 | 1995-09-06 | Silicon micro sensor |
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-
1995
- 1995-09-06 JP JP7229049A patent/JP2617287B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ Ｗａｖｅｓ Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．１ １９８５年１月発行（ニューヨーク，ロンドン）Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ７２−７３頁第１図 |
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| JPH0894398A (en) | 1996-04-12 |
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