JPH11183518A - 加速度計およびジャイロを備えたセンサを製造する方法、並びにその方法で製造したセンサ - Google Patents

加速度計およびジャイロを備えたセンサを製造する方法、並びにその方法で製造したセンサ

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JPH11183518A JP10215825A JP21582598A JPH11183518A JP H11183518 A JPH11183518 A JP H11183518A JP 10215825 A JP10215825 A JP 10215825A JP 21582598 A JP21582598 A JP 21582598A JP H11183518 A JPH11183518 A JP H11183518A
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フェラーリ パオロ
Benedetto Vigna
ビグナ ベネデット
Pietro Montanini
モンタニーニ ピエトロ
Marco Ferrera
フェレーラ マルコ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 感度の高いセンサを得る。 【解決手段】 センサの感度を向上するために、震動質
量を構成する可動質量（４０）は、エピタキシャル層
（１３）から出発して密度が高いダングステン（２６）
の重み領域によって被覆されることにより形成される。
これを製造するために、基板（１）中に埋込導電領域
（２）を形成し、次に同時に、可動質量を形成すべきゾ
ーンに犠牲領域を形成しかつ埋込導電領域（２）上にこ
れを部分的に被覆する酸化物絶縁領域（９ａ−９ｄ）を
形成する。次に、核領域を使用することによって、エピ
タキシャル層（１３）を成長させ、タングステン層（２
６）を堆積しかつ区画し、炭化シリコン層（３１）をマ
スクとして用いて吊り下げ構造を区画し、最後に犠牲層
を除去して、エアギャップ（３８）を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は高感度加速度計およ
びジャイロを集積化したセンサを製造する方法および該
方法により製造されたセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】公知のように、その製造にはマイクロエ
レクトロニクス技術を使用する半導体材料の電子機械的
マイクロ構造を、加速度計およびジャイロを製造するた
めに使用することが近年提案されている。これらシリコ
ンマイクロマシーン技術は、異なるタイプの角速度セン
サおよび加速度センサを製造することを可能にする。特
に現在では、ピエゾ電気効果、ピエゾ抵抗効果、コンデ
ンサ効果、閾値効果、共鳴効果およびトンネル効果原理
に従って作動するプロトタイプが提案されている。
【０００３】以下、差動コンデンサタイプの加速度計セ
ンサを参照する。この加速度センサの１個においては、
２個のコンデンサを反対方向に変化させることによって
（コンデンサの差動変化）、電気的に接続された２個の
コンデンサに共通な電極を構成する震動質量の運動を誘
導する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】歴史的には、単結晶シ
リコンウエハの両面を加工する『バルクマイクロマシー
ニング』技術を好んで用いることにより、集積マイクロ
構造を製造してきた。しかしながらこの技術は、現在要
求されているように、高感度素子によってピックアップ
された信号を処理するめの回路部品を製造する処理工程
とは、両立しない。
【０００５】したがって、感度の高い素子を多結晶シリ
コンによって製造し、犠牲層を堆積しその後除去するこ
とによってサスペンディド（吊り下げ）構造を形成す
る、『表面マイクロマシーニング』技術を用いることが
提案されている。この技術は現在の集積回路製造工程と
両立し、したがって現時点で好ましい技術である。しか
しながらこの技術で製造された集積マイクロ構造は、加
速度および角速度に対してあまり感度がよくない。実
際、数十マイクログラム程度の質量を持つと、液体中の
粒子のブラウン運動により生じた熱力学的ノイズの影響
を受ける（例えば１９９３年５月のIEEE Transactions
on Electron Devices の第４０巻、No.5にある『Mechan
ical-Thermal Noise in Micromachined Acoustic and V
ibration Sensors』と題されたT.B. Gabrielson による
文献参照）。これらの構造で得られる質量の上限は純粋
に技術的な理由によって決定される。実際、非常に厚い
フィルムの堆積は非常に長いウエハ加工時間を要し、さ
らにウエハラッピングのようなその後の処理に対してウ
エハ表面を不適当なものとする。
【０００６】エピタキシャル層を加工する技術（『エピ
タキシャルマイクロマシーニング』）は公知であり、こ
の技術では、マイクロ構造が、より大きな慣性質量を有
しそれ故高い感度を有するが、しかし実際の応用には十
分でない程度の慣性質量を持つことを可能とする。
【０００７】本発明の目的は、感度をさらに向上するた
めに、『エピタキシャルマイクロマシーニング』技術に
従って、加速度計およびジャイロセンサを製造するため
の工程を改良することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、請求項１から
１０それぞれで定義するように、高感度の加速度および
ジャイロ集積センサを製造するための方法、およびこの
方法により製造されたセンサを提供する。
【０００９】本発明を理解するために、以下に添付図面
を参照して幾つかの好適実施形態を説明する。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、図１〜１０を参照して、第
一実施形態に従ったコンデンサタイプの加速度センサま
たはジャイロセンサの実施形態を説明する。ここでは表
示上の理由で全ての図にわたり、材料の種々の層の厚さ
を正確に示しておらず、かつ幾つかの層は図示していな
い。
【００１１】図１に示すように、埋込相互接続部を形成
するためのＮ+ 形埋込導電領域２、３が、従来のマスキ
ング技術およびインプランテーション技術を用いて、Ｐ
形導電性の単結晶シリコン基板１内に形成される。パッ
ド酸化物層５が基板１の表面４上に、例えば熱成長によ
って形成され、その上に窒化シリコン層６が堆積され、
その後この窒化シリコン層６は区画され、センサゾーン
７内において選択的に除去される。次に、基板１の窒化
シリコン層層６により被覆されていない部分を局部的に
酸化し、（埋込導電性領域３により両側と下側とを囲ま
れた）犠牲領域８と埋込導電性領域２における埋込酸化
物領域９ａ、９ｂ、９ｃおよび９ｄとからなる酸化物領
域を形成し、図２の構造を得る。
【００１２】次に適切なマスキング工程を経て層５、６
の一部分がセンサゾーン７において除去される。このゾ
ーン７は、この回路および相互接続領域１０におけるセ
ンサおよび窒化シリコン層６の埋込コンタクトが形成さ
れるべき部分である。この様にして図３の構造が得られ
るが、ここでは窒化シリコン層６の下側のパッド酸化物
層５は図示されておらず、６ａ、６ｂおよび６ｃは埋込
酸化物領域９ａと９ｂとの間、９ｂと９ｃとの間、およ
び領域９ｄと８との間にそれぞれ含まれる窒化物部分を
示す。
【００１３】次に図４に示すように、アモルファスまた
は多結晶シリコン層１２が堆積される。写真技術および
プラズマエッチング工程によりセンサゾーン７から離れ
たアモルファスまたは多結晶シリコン層１２が除去さ
れ、後続のエピタキシャル成長工程時の核となる、シリ
コン領域１２’が形成される。次に化学エッチングによ
りパッド酸化物層５が除去され、この露出部分において
疑似エピタキシャルの、言わばＰ形層１３がエピタキシ
ャル成長によって形成される。なおこのＰ形層１３はセ
ンサゾーン７において多結晶構造（多結晶領域１３’）
を有し、かつその他の領域において単結晶構造（単結晶
領域１３’’）を有する。この様にして、図５に示すウ
エハ１４が得られる。
【００１４】次に、疑似エピタキシャル層１３にＮ形導
電性を決定するのに適したドーピングイオンが注入され
て深い領域が形成され、特に図６に示すように、この領
域ではウエハ１４の一部が図１〜図５に対して左へ僅か
に移動して示され、深いＮ+形領域１８が単結晶領域１
３”内に形成され、表面１６から埋込導電性領域２まで
延び、この埋込導電性領域２を表面１６に電気的に接続
し、表面１６から埋込導電性領域３（図７参照）までか
つ部分的には埋込導電性領域２まで延びるＮ+形ウエル
１９が多結晶領域１３’内に形成される。特にウエル１
９は埋込酸化物領域９ｃ、９ｄ上および埋込酸化物領域
９ｂの半分上に広がり、埋込酸化物領域９ｃ、９ｄの間
に含まれる窒化物部分６ａ〜６ｃにより覆われていない
領域内で埋込導電性領域２に電気的に接触する。
【００１５】次に回路素子の電子部品が標準工程により
形成され、図示した実施形態では疑似エピタキシャル層
１３の表面１６から基板１まで延びるＮ形コレクタウエ
ル１５が形成され、Ｎ+ 形コレクタコンタクト領域２
０、Ｐ形ベース領域２１およびＮ+ 形エミッタ領域２２
を有するＮＰＮトランジスタ２３がコレクタウエル１５
内に形成される。
【００１６】次にコンタクトを開口するための絶縁層２
４、例えばＢＰＳＧ（ボロン−燐シリコンガラス）がウ
エハ１４の面１６上に堆積される。次に適切なマスキン
グおよび選択的除去工程により、コンタクトが回路素子
領域内であって深い領域１８上に開口され、センサゾー
ン７から絶縁層２４の一部が除去される。次にウエハ１
４のシリコンに次の層が接着し易いように（例えば窒化
チタンの）接着層２５が堆積され、その後ＣＶＤ（化学
蒸着）法により（例えば１μｍの厚さの）タングステン
層２６が堆積され、図６の中間構造が得られる。なお、
ここでは核シリコン領域１２’は省略されている。
【００１７】次に図７に示すように、タングステン層２
６を公知のフォトリソグラフィック工程により成形し
て、回路素子のコンタクト２６ａとセンサのコンタクト
２６ｂとウエル１９上の重み領域２６ｃとを形成する。
なお図７では、接着層２５は図示していない。特に重み
領域２６ｃは、図１０に部分的に示すように、即ちセン
サの可動電極の形状に対応するように成形されるが、こ
れについては後に詳述する。次に誘電性の受動層（パッ
シブ層）３０が堆積され、この層は（図示しない方法
で、デバイスの電気接触を許容するために）コンタクト
パッドのゾーン内およびセンサ領域７内で除去され、そ
の結果図７の構造が得られる。
【００１８】次に、後続の疑似エピタキシャル層１３の
掘削工程および多結晶領域１３’の正確な掘削工程のた
めのマスクを形成する目的で、炭化シリコン層３１を形
成し、これを区画する。この掘削は、加速度計の可動質
量を解放し、固定電極および可動電極を分離し、異なる
ポテンシャルで複数の領域を絶縁するために実行され
る。この様にして、可動部分から固定部分を分離し且つ
ウエル１９の包囲部分から固定質量を分離するトレンチ
３３ａと、固着領域をウエル１９の包囲部分から分離す
るトレンチ３３ｂ（図１０および図１１参照）と、チッ
プの残りの部分からセンサを分離するトレンチ３３ｃと
が形成される。この様にして図８および図９の断面中に
示す構造が得られる。なお、図８は、図１〜７と同じ断
面であるが、しかしセンサゾーン７上に中心を置いて取
った断面であり、かつ図９は図８に直交する方向の断面
で、センサの可動電極および固定電極を区画する横断壁
３４、３５を示している。なおこの構造は、以下に図１
０および１１を参照して詳細に説明する。
【００１９】最後に、犠牲領域８をフッ化水素酸中での
エッチングにより除去し、以前この領域８により占めら
れていたゾーンにエアギャップ３８を形成する。このエ
アギャップ３８はその底部において可動質量をウエハの
残りの部分から分離する。次に可動質量はエッチングさ
れ、固着ゾーンでチップのみにより支持される。後続の
プラズマエッチングにより、炭化シリコン層３１をウエ
ハ全てから除去する。この結果、図１０および図１１に
示す最終的な構造が得られる。なお図１０および１１で
は、可動質量は４０で示され、固定質量は４１で示さ
れ、可動質量の固着ゾーンは４２で示されている。特
に、図１１は埋込導電性領域３の外縁を破線で、ウエル
１９の外縁を一点鎖線で示している。更に、固定質量の
埋込接続部を形成するための埋込導電性領域２と、この
領域２と同時にかつ同じ方法で形成された可動質量のた
めの埋込導電性領域２’、２”を破線で示している。更
に図１０は重み領域２６ｃの外形を示している。
【００２０】後述するように、可動質量４０はＨ型の形
状をしており、容量性センサの可動電極を区画する横断
壁３４は、その中心要素から離れて固定電極を区画する
横断壁３５に櫛状に差し込まれている。この構造は従っ
て、各々が並列に接続された複数の基本コンデンサによ
り形成された、２個の直列コンデンサによって形成され
る１個のコンデンサに等価である。
【００２１】公知のように深い領域１８および埋込導電
性領域２、２’、２”、３を介して、可動電極３４およ
び固定電極３５は異なる電圧で分極されるため、可動質
量４０が加速を受けたとき、その結果として生じる可動
電極と固定電極との間の距離変化は、容量変化として検
出される。
【００２２】上述したように、タングステン重み領域２
６ｃを備えた半導体材料の可動質量４０を製造すること
によって、センサは高い感度持つようになる。実際、タ
ングステンは、多結晶またはアモルファスのシリコン
（２．３３ｇ／ｃｍ3 ）よりも高い密度（１９．３ｇ／
ｃｍ3 ）を有する。その結果、１μｍの厚さのタングス
テン層は、機械的特性の観点から、１０μｍ厚の多結晶
シリコン層に事実上等しい。一方、この厚さのタングス
テン層をＣＶＤ法によって堆積することは、従来の集積
マイクロエレクトロニクスマシーニング技術で容易であ
る。
【００２３】したがってこの様にして得られたセンサは
高い感度を有すると共に、ピタキシャルマシーニング技
術に典型的な効果から得られる利益を有し、このセンサ
を、集積化された信号処理回路と一緒に集積化すること
が可能となる。
【００２４】マイクロエレクトロニクスの典型的な工程
を使用し、かつ金属の回路相互接続領域および可動構造
の重み領域を同時に形成することにより、この製造方法
を簡単に実行することができる。またこの方法は容易に
制御可能で且つ反復性を有する。
【００２５】本発明の異なる実施形態によれば、埋込酸
化物領域８、９は、埋込導電性領域２、３を形成した後
で、基板１内に以前に形成された凹部内で成長させるこ
とができる。詳しく言うと、図１２に示すように、図１
の構造からスタートして酸化物層５および窒化物層６が
形成され、これらは図２を参照して説明したのと類似の
方法で区画される。次に基板１の層５、６によって被覆
されていない部分をエッチングし、凹部５０を形成し
（図１２参照）、次にこの凹部５０を熱成長させた酸化
物領域で満たす。図１３には、この熱成長酸化物領域の
内の犠牲領域８’および埋込酸化物領域９ｄ’のみを示
している。次に、上述したさらなる工程、コンタクトを
形成すべき部分でかつ回路ゾーン内の窒化物物６および
酸化物５を一部分除去することから始まる工程が、図３
以降に示す様に続く。
【００２６】図示しない別の実施形態では、犠牲領域お
よび埋込酸化物領域は、酸化物層を堆積しかつこれを成
形することにより得られる。
【００２７】最後に、特許請求の範囲で確定される発明
思想の範囲内において、ここで記載し図示した方法およ
びセンサに対して、種々の変更または修正を加えること
が可能であることは明白である。特に、センサと共に集
積化された回路部品は、バイポーラまたはＭＯＳでもよ
く、導電性領域の導電性は図示したものと反対でよく、
保護および／または接着材料は上記機能に関して均等な
他のものに置き換えが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法の一工程における半導体材料
ウエハの断面図である。
【図２】本発明の製造方法の次の工程における半導体材
料ウエハの断面図である。
【図３】本発明の製造方法の更に次の工程における半導
体材料ウエハの断面図である。
【図４】本発明の製造方法の更に次の工程における半導
体材料ウエハの断面図である。
【図５】本発明の製造方法の更に次の工程における半導
体材料ウエハの断面図である。
【図６】本発明の製造方法の更に次の工程における半導
体材料ウエハの断面図である。
【図７】本発明の製造方法の更に次の工程における半導
体材料ウエハの断面図である。
【図８】本発明の製造方法の更に次の工程における半導
体材料ウエハの断面図である。
【図９】図８に対して垂直な平面の断面図である。
【図１０】図１〜９の工程によって得られたセンサの斜
視図である。
【図１１】図１０のセンサの平面図である。
【図１２】本方法の異なる実施形態における一製造工程
のウエハの一部断面図である。
【図１３】図１２に示す工程の次の工程におけるウエハ
の一部断面図である。
【符号の説明】
１…半導体基板 ２、３…埋込導電領域 ８…犠牲層 １２’…核領域 １３…エピタキシャル層 １６…表面 １８…コンタクト領域 ２３…電子部品 ２４…誘電体層 ２５…接着性窒化チタン層 ２６…タングステン層 ２６ｃ…重み領域 ３３ａ、３３ｂ、３３ｃ…トレンチ ３４…可動電極 ３５…固定電極 ３８…エアギャップ ４０…可動質量 ４１…固定質量
フロントページの続き (72)発明者 ピエトロ モンタニーニ イタリア国，20077 メレグナーノ，ビア ベルディ，９ (72)発明者 マルコ フェレーラ イタリア国，28037 ドモドゾーラ，ビア マッタレーラ，19

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 加速度計およびジャイロを備えたセンサ
    を製造する製造方法であって、半導体材料の基板（１）
    上に犠牲領域（８）を形成し、前記基板および犠牲領域
    上にエピタキシャル層（１３）を成長させ、さらに両側
    を囲まれかつ固定領域（４１）からトレンチ（３３ａ、
    ３３ｂ、３３ｃ）によって分離されかつ前記基板（１）
    からエアギャップ（３８）によって分離された可動質量
    （４０）を形成するために前記エピタキシャル層（１
    ３）および犠牲層（８）の一部分を選択的に除去する各
    工程を含む製造方法において、タングステンを含む重み
    領域（２６ｃ）を前記可動質量（４０）において形成す
    ることを特徴とする製造方法。
  2. 【請求項２】 前記重み領域（２６ｃ）を形成する工程
    は、前記エピタキシャル層（１３）上にタングステン層
    （２６）を堆積しかつこれを区画する工程を含むことを
    特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記タングステン層（２６）を堆積し且
    つ区画する工程は、前記エピタキシャル層（１３）の選
    択した一部を除去する工程の前に実行されることを特徴
    とする、請求項２に記載の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記タングステン層（２６）を区画する
    工程の後で、前記犠牲領域（８）のエッチングに対して
    抵抗力を有する保護層（３１）を介して、前記エピタキ
    シャル層（１３）および前記重み領域（２６ｃ）をマス
    クする工程を実行することを特徴とする、請求項３に記
    載の方法。
  5. 【請求項５】 前記犠牲領域（８）は酸化シリコンであ
    り、前記保護層（３１）は炭化シリコンを含むことを特
    徴とする、請求項４に記載の製造方法。
  6. 【請求項６】 前記タングステン層（２６）を堆積する
    工程の前に、前記エピタキシャル層（１３）中に電子部
    品（２３）を形成する工程と、該電子部品上に誘電体層
    （２４）を堆積する工程と、該誘電体層（２４）内にコ
    ンタクト用開口を形成する工程とを含み、前記タングス
    テン層（２６）を区画する工程は更に、前記電子部品
    （２３）と前記加速度計およびジャイロを集積化したセ
    ンサのためのタングステンコンタクト電極（２６ａ、２
    ６ｂ）を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項
    ２から５のいずれか１項に記載の製造方法。
  7. 【請求項７】 タングステン層（２６）を堆積する工程
    の前に、接着性の窒化チタン層（２５）の堆積工程が実
    行されることを特徴とする、請求項２から６のいずれか
    １項に記載の製造方法。
  8. 【請求項８】 前記犠牲領域（８）上に非単結晶半導体
    材料の核領域（１２’）を形成する工程は、前記エピタ
    キシャル層（１３）を成長させる工程の前に実行され、
    前記エピタキシャル層（１３）を成長させる工程は前記
    核領域上に多結晶領域（１３’）を成長させ且つ前記基
    板（１）上に単結晶領域（１３”）を成長させる工程を
    含み、前記つり下げられた質量（４０）は前記多結晶領
    域（１３’）内に形成され、さらに前記単結晶領域（１
    ３”）内に電子部品（２３）を形成する工程を含むこと
    を特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の
    製造方法。
  9. 【請求項９】 前記基板（１）は第１の導電型を有し、
    前記基板内に第２導電型の埋込導電性領域（２，３）を
    形成する工程は前記犠牲領域（８）を形成する工程の前
    に実行され、前記犠牲層（８）を形成する工程と同時に
    電気的絶縁材料の領域（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ）をこ
    れらの領域が前記埋込導電性領域（２）上に延びかつこ
    れらの間で前記埋込導電性領域の選択コンタクト部分の
    境界を定めるように形成し、エピタキシャル層（１３）
    を成長させる前記工程の後で、深いコンタクトを形成す
    るために前記エピタキシャル層の表面（１６）から前記
    埋込導電性領域まで延びる深いコンタクト領域（１８）
    を形成する工程を実行することを特徴とする、請求項８
    に記載の製造方法。
  10. 【請求項１０】 基板（１）と半導体材料のエピタキシ
    ャル層とを具備し、該エピタキシャル層は固定質量（４
    １）により両側を囲まれた可動質量（４０）を形成し、
    前記可動質量（４０）はエアギャップ（３８）により前
    記基板（１）から分離され且つその両側でトレンチ（３
    ３ａ，３３ｂ，３３ｃ）を介して前記固定質量（４１）
    から分離され、前記可動質量（４０）は固着部分（４
    ２）を介して前記固定質量（４１）により支持される加
    速度計またはジャイロを集積化したセンサにおいて、前
    記可動質量（４０）において、タングステンを含む重み
    領域（２６ｃ）を具備することを特徴とするセンサ。
  11. 【請求項１１】 前記重み領域（２６ｃ）は前記可動質
    量（４０）上方に延在することを特徴とする、請求項１
    ０に記載のセンサ。
  12. 【請求項１２】 前記重み領域（２６ｃ）は炭化シリコ
    ンの保護層（３１）により囲まれることを特徴とする、
    請求項１１に記載のセンサ。
  13. 【請求項１３】 前記エピタキシャル層（１３）内の単
    結晶エピタキシャル領域（１３”）内に形成された電子
    部品（２３）を具備し、該電子部品がタングステンコン
    タクト電極（２６ａ）を具備することを特徴とする、請
    求項１１に記載のセンサ。
  14. 【請求項１４】 接着性窒化チタン領域（２５）が前記
    重み領域（２６ｃ）およびコンタクト電極（２６ａ）の
    下側に延びることを特徴とする、請求項１３に記載のセ
    ンサ。
  15. 【請求項１５】 前記基板（１）は第１導電型を有し、
    前記基板内に広がりかつ前記エピタキシャル層（１３）
    に選択的に対向する第２導電型の埋込導電性領域（２）
    と、前記埋込導電性領域（２）上に延在し且つその間に
    前記埋込導電性領域（２）と前記可動質量（４０）およ
    び固定質量（４１）との間の選択的なコンタクト部分の
    境界を定める電気絶縁性材料の領域（９ａ〜９ｄ）と、
    および前記エピタキシャル層（１３）の表面（１６）か
    ら前記埋込導電性領域まで広がる深いコンタクトを形成
    するための深いコンタクト領域（１８）とを具備するこ
    とを特徴とする、請求項１０から１４のいずれか１項に
    記載のセンサ。
  16. 【請求項１６】 前記可動質量（４０）は容量性タイプ
    のセンサを形成するために前記固定質量（４１）から延
    びる固定電極（３５）と対向しかつ差し込まれた可動電
    極（３４）を有し、前記可動電極はそれぞれタングステ
    ン重み領域（２６ｃ）を具備することを特徴とする、請
    求項１０から１５のいずれか１項に記載のセンサ。
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