JP2010107242A

JP2010107242A - Ｍｅｍｓセンサ

Info

Publication number: JP2010107242A
Application number: JP2008277134A
Authority: JP
Inventors: Goro Nakaya; 吾郎仲谷
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-05-13
Also published as: US8387459B2; US20100101324A1

Abstract

【課題】製造に要する時間を短縮することができる、ＭＥＭＳセンサを提供する。
【解決手段】加速度センサ１では、基板２の表面上に設けられた支持部３により、基板２の表面に対して空間を挟んで対向する可動部１６を有するビーム１４が支持されている。可動部１６には、抵抗導体２５が形成されている。また、ビーム１４には、連結部３４を介して、錘３３が連結されている。この加速度センサ１は、基板２上に支持部３とビーム１４とを形成した後、錘３３の基体となるシリコン基板を金属材料からなる連結部３４を介して支持部３およびビーム１４に貼り合わせ、そのシリコン基板４４を選択的なエッチングにより錘３３を有する構造に加工することにより得ることができる。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により製造される各種センサ（ＭＥＭＳセンサ）に関する。

最近、ＭＥＭＳセンサが携帯電話機などに搭載され始めたことから、ＭＥＭＳセンサの注目度が急激に高まっている。ＭＥＭＳセンサの代表的なものとして、たとえば、物体の加速度を検出するためのピエゾ抵抗型加速度センサが知られている。
従来のピエゾ抵抗型加速度センサは、四角枠状のフレームと、フレームに支持されたビームと、ビームに支持された４つの錘とを備えている。ビームは、平面視十字状に形成され、フレームの各辺の中央部間に架設されている。ビームには、ピエゾ抵抗素子および配線が作り込まれている。錘は、フレームおよびビームにより区画される４つの各領域に設けられ、フレームとほぼ同じ厚さを有する四角柱状に形成されている。各錘は、フレームの中央側に配置される１つ角部がビームの交差部（中央部）に接続され、その角部以外の部分がフレームおよびビームから切り離されることにより、ビームに揺振可能に支持されている。

ピエゾ抵抗型加速度センサに加速度が作用し、錘が揺振すると、ビームに歪みが生じる。これに伴って、ビームに作り込まれたピエゾ抵抗素子に応力が加わり、ピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化する。そのため、各ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化量を信号として取り出せば、その信号に基づいて、ピエゾ抵抗型加速度センサに作用した加速度を検出することができる。

このような構造のピエゾ抵抗型加速度は、たとえば、厚さ４００μｍのシリコン基層、厚さ１μｍの酸化シリコン層および厚さ７μｍのシリコン表層の積層構造を有するＳＯＩ基板を用いて製造される。その製造工程では、まず、シリコン表層が酸化シリコン層をエッチングストッパとして選択的にエッチングされることにより、そのシリコン表層に、各錘となるべき部分を取り囲む表面側溝が形成される。次に、酸化シリコン層をエッチングストッパとして、シリコン基層がフレームおよび錘となる部分を残してエッチングされることにより、そのシリコン基層に裏面側溝が形成される。そして、酸化シリコン層における裏面側溝を介して露出する部分がエッチングされることにより、フレームと錘とが切り離され、ピエゾ抵抗型加速度センサが得られる。
特開２００５−２８３３９３号公報

ところが、フレームと錘とを切り離すために、表面側溝を形成する工程と、裏面側溝を形成する工程とを分けて行わなければならず、ピエゾ抵抗型加速度センサの製造に時間がかかるという問題があった。また、裏面側溝を形成するために、比較的大きい厚さを有するシリコン基層をその厚さ方向にわたってエッチングしなければならず、そのエッチング（裏面側溝の形成）にも時間がかかる。

そこで、本発明の目的は、製造に要する時間を短縮することができる、ＭＥＭＳセンサを提供することである。

前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、基板と、前記基板の一方面上に設けられた支持部と、前記支持部に支持され、前記基板の前記一方面に対して空間を挟んで対向する可動部を有するビームと、前記ビームの少なくとも前記可動部に形成された抵抗導体と、前記ビームに対して前記基板と反対側に配置された錘と、金属材料からなり、前記ビームと前記錘とを連結する連結部とを含む、ＭＥＭＳセンサである。

このＭＥＭＳセンサでは、基板の一方面上に設けられた支持部により、基板の一方面に対して空間を挟んで対向する可動部を有するビームが支持されている。ビームの少なくとも可動部には、抵抗導体が形成されている。また、ビームには、連結部を介して、錘が連結されている。これにより、錘が振れると、可動部に歪み（捩れおよび／または撓み）が生じる。この可動部の歪みにより、ビームに形成された抵抗導体に伸び縮みが生じ、抵抗導体の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を信号として取り出すことにより、その信号（抵抗値の変化）に基づいて、錘に作用した物理量（たとえば、加速度の方向および大きさ）を検出することができる。

そして、基板上に支持部と抵抗導体を有するビームとを形成した後、錘の基体となる基板を金属材料からなる連結部を介してビームに貼り合わせ、その基板を選択的なエッチングにより錘に加工することにより、前記のような構成のＭＥＭＳセンサを得ることができる。そのため、錘を形成するために、従来の加速度センサの製造工程で行われる表面側溝および裏面側溝の形成のためのエッチングが不要である。よって、ＭＥＭＳセンサの製造に要する時間を短縮することができる。

請求項２に記載のように、前記連結部は、Ａｕ（金）またはＣｕ（銅）の一方およびＳｎ（錫）を含む材料からなることが好ましい。たとえば、ビームおよび錘にＡｕまたはＣｕからなるバンプを形成し、Ｓｎを含む金属材料（たとえば、半田）を接合剤として介在させて、ビーム側のバンプと錘側のバンプとを突き合わせることにより、バンプおよび接合剤からなる連結部を形成することができる。この場合、バンプと接合剤との界面でＡｕまたはＣｕとＳｎとの共晶結合が生じるので、ビームと錘とを強固に連結することができる。

請求項３に記載のように、前記錘の材料は、Ｓｉ（シリコン）であってもよい。
請求項４に記載のように、前記支持部は、前記基板の前記一方面上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に積層された半導体層とを備え、前記可動部は、前記半導体層と同一層に形成されていてもよい。この場合、半導体層および可動部への不純物のドーピングにより、拡散抵抗である抵抗導体を可動部に形成することができ、また、その抵抗導体に接続され、ビームと半導体層とに跨る配線を形成することができる。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１Ａは、本発明の一実施形態に係る加速度センサの模式的な平面図である。図１Ｂは、図１Ａに示す加速度センサの切断線Ｂ−Ｂにおける断面図である。図１Ｃは、図１に示す加速度センサの切断線Ｃ−Ｃにおける断面図である。
加速度センサ１は、ＭＥＭＳ技術により製造されるセンサ（ＭＥＭＳセンサ）である。

加速度センサ１は、その基体として、Ｓｉからなる基板２を備えている。基板２は、たとえば、平面視四角形状をなし、４００μｍの厚さを有している。
基板２の表面上には、支持部３が形成されている。支持部３は、基板２の周縁に沿った平面視四角環状（四角枠状）をなしている。また、支持部３は、図１Ｂ，１Ｃに示すように、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）からなる絶縁層４およびＳｉからなる半導体層５を基板２の表面上にこの順で積層した構造を有している。絶縁層４は、たとえば、５０００Å（＝０．５μｍ）の厚さを有している。半導体層５は、たとえば、７μｍの厚さを有している。

半導体層５の表層部には、図１Ｂに示すように、不純物（たとえば、Ｐ（リン）イオン）が選択的にドーピングされることにより、複数の配線６が形成されている。
半導体層５上には、ＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜７が積層されている。層間絶縁膜７は、たとえば、５０００Åの厚さを有している。層間絶縁膜７には、複数のコンタクトホール８がそれを貫通して形成されている。各コンタクトホール８は、いずれかの配線６と対向する位置に形成されている。各コンタクトホール８には、Ａｌ（アルミニウム）からなるコンタクトプラグ９が埋設されている。層間絶縁膜７上には、Ａｌからなるパッド１０が各コンタクトプラグ９と一体的に形成されている。また、層間絶縁膜７上には、Ａｌからなるメタル配線１１が形成されている。そして、層間絶縁膜７上には、ＳｉＮ（窒化シリコン）からなるパッシベーション膜１２が積層されている。パッシベーション膜１２は、たとえば、１２０００Å（＝１．２μｍ）の厚さを有している。パッシベーション膜１２には、各パッド１０を露出させるための開口１３が形成されている。

基板２の表面上には、図１Ａに示すように、支持部３の内側に、ビーム１４が設けられている。ビーム１４は、平面視十字状をなし、基板２の表面の中央部上に配置される交差部１５と、交差部１５から支持部３の各辺の中央部に向けて延びる可動部１６とを備えている。
交差部１５は、図１Ｂ，１Ｃに示すように、ＳｉＯ_２からなる絶縁層１７およびＳｉからなる半導体層１８を基板２の表面上にこの順で積層した構造を有している。絶縁層１７は、絶縁層４と同時に形成される同一層である。半導体層１８は、半導体層５と同時に形成される同一層である。

半導体層１８の表層部には、複数の不純物拡散領域１９が形成されている。
半導体層１８上には、ＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜２０が積層されている。層間絶縁膜２０は、層間絶縁膜７と同時に形成される同一層である。層間絶縁膜２０には、複数のコンタクトホール２１がそれを貫通して形成されている。各コンタクトホール２１は、いずれかの不純物拡散領域１９と対向する位置に形成されている。各コンタクトホール２１には、Ａｌからなるコンタクトプラグ２２が埋設されている。そして、層間絶縁膜２０上には、ＳｉＮからなるパッシベーション膜２３が積層されている。パッシベーション膜２３は、パッシベーション膜１２と同時に形成される同一層である。

各可動部１６は、図１Ｃに示すように、Ｓｉからなる半導体層２４を備えている。半導体層２４の長手方向の一端は、支持部３の半導体層５に接続され、その反対側の他端は、交差部１５の半導体層１８に接続されている。すなわち、各可動部１６の半導体層２４は、支持部３の半導体層５および交差部１５の半導体層１８と同時に形成される同一層である。したがって、各可動部１６は、絶縁層４，１７の厚さと同じ間隔の空間を挟んで、基板２の表面と対向している。

半導体層２４には、不純物が選択的にドーピングされることにより、複数の抵抗導体２５および配線２６が形成されている。抵抗導体２５は、配線２６の途中部に、配線２６の不純物濃度よりも低濃度に不純物がドーピングされることにより形成されている。配線２６は、抵抗導体２５の抵抗値の変化に応じた信号を出力する回路が構成されるように、支持部３に形成されている配線６および／または交差部１５に形成されている不純物拡散領域１９と接続されている。

半導体層２４上には、ＳｉＯ_２からなる層間絶縁膜２７が積層されている。層間絶縁膜２７は、層間絶縁膜７，２０と同時に形成される同一層であり、層間絶縁膜７，２０と一体をなしている。層間絶縁膜２７上には、ＳｉＮからなるパッシベーション膜２８が積層されている。パッシベーション膜２８は、パッシベーション膜１２，２３と同時に形成される同一層であり、パッシベーション膜１２，２３と一体をなしている。

支持部３およびビーム１４の上方には、Ｓｉからなる錘構造体２９が配置されている。錘構造体２９は、図１Ａに示すように、平面視で基板２と同じ外形を有し、全体として四角形平板状をなしている。錘構造体２９には、平面視で支持部３およびビーム１４により区画される四角形状の各領域の周縁に沿って、４つの貫通溝３０が錘構造体２９を厚さ方向に貫通して形成されている。各貫通溝３０は、錘構造体２９の中央部で不連続となる略四角環状に形成されている。これにより、錘構造体２９は、図１Ａ，１Ｂに示すように、平面視四角環状（四角枠状）のフレーム部３１と、各先端がフレーム部３１の各辺の中央部に接続される平面視十字状の架設部３２と、フレーム部３１と架設部３２とにより区画される各領域に配置され、１つの角部が架設部３２に接続された錘３３とを一体的に備えている。各錘３３は、貫通溝３０により、１つの角部以外の部分がフレーム部３１および架設部３２から分離されている。

そして、錘構造体２９は、図１Ｂ，１Ｃに示すように、２つの連結部３４により、支持部３およびビーム１４に連結されている。より具体的には、支持部３と錘構造体２９のフレーム部３１との間には、それらの外周縁に沿って、四角環状の連結部３４が形成されている。また、ビーム１４の交差部１５と架設部３２の中央部との間には、四角環状の連結部３４が形成されている。これにより、錘構造体２９のフレーム部３１が連結部３４を介して支持部３に支持され、錘構造体２９の架設部３２が連結部３４を介してビーム１４の交差部１５に支持されている。また、錘構造体２９において、４つの錘３３が架設部３２に支持されている。連結部３４は、ＡｕまたはＣｕの一方およびＳｎを含む金属材料からなる。

基板２の裏面には、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）３５が形成されている。
加速度センサ１に加速度が作用し、錘３３が振れると、その振れが架設部３２および連結部３４を介してビーム１４の交差部１５に伝達される。これにより、ビーム１４の可動部１６に歪み（捩れおよび／または撓み）が生じる。この可動部１６の歪みにより、可動部１６に形成されている抵抗導体２５の抵抗値が変化する。この抵抗導体２５の抵抗値の変化に応じて配線６，２６を流れる信号（電流）をパッド１０を介して外部に取り出すことにより、その信号に基づいて、錘３３（加速度センサ１）に作用した加速度の方向（３軸方向）および大きさを検出することができる。

なお、図１Ａでは、加速度センサ１の構造の理解を容易にするため、錘構造体２９の下方の各部が必要に応じて錘構造体２９を透過して示されている。
図２Ａ〜７Ａは、加速度センサの製造工程を順に示す模式的な平面図である。図２Ｂ〜７Ｂは、それぞれ図２Ａ〜７Ａに示す切断線Ｂ−Ｂにおける模式的な断面図である。図２Ｃ〜７Ｃは、それぞれ図２Ａ〜７Ａに示す切断線Ｃ−Ｃにおける模式的な断面図である。

加速度センサ１の製造工程では、図２Ａ，２Ｂ，２Ｃに示すように、基板２の表面上にＳｉＯ_２からなるＢＯＸ層４１を介してＳｉからなる活性層４２が積層されたＳＯＩ基板（ウエハ）が用意される。そして、熱酸化法により、基板２の裏面および活性層４２の表面に、それぞれシリコン酸化膜３５およびシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）４３が形成される。その後、イオン注入法により、不純物が活性層４２に選択的に注入される。次いで、不純物を活性化させるための熱処理が行われる。これにより、活性層４２に、配線６，２６、不純物拡散領域１９および抵抗導体２５が形成される。また、シリコン酸化膜４３の膜厚が増大する。

次に、図３Ａ，３Ｂ，３Ｃに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、シリコン酸化膜４３に、コンタクトホール８，２１が形成される。
その後、図４Ａ，４Ｂ，４Ｃに示すように、スパッタ法により、各コンタクトホール８，２１に、それぞれコンタクトプラグ９，２２、パッド１０およびメタル配線１１が形成される。

次いで、図５Ａ，５Ｂ，５Ｃに示すように、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition：プラズマ化学気相成長）法により、シリコン酸化膜４３上に、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）が形成される。そして、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、シリコン窒化膜に、開口１３が形成される。その後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、活性層４２、シリコン酸化膜４３およびシリコン窒化膜が選択的に除去される。これにより、活性層４２は、半導体層５，１８，２４となり、シリコン酸化膜４３は、層間絶縁膜７，２０，２７となり、シリコン窒化膜は、パッシベーション膜１２，２３，２８となる。

その後、図６Ａ，６Ｂ，６Ｃに示すように、ＨＦ（フッ酸）を用いたウエットエッチングにより、ＢＯＸ層４１における露出した部分および半導体層２４に覆われている部分が除去される。これにより、ＢＯＸ層４１は、半導体層５，１８の下方にのみ選択的に残り、絶縁層４，１７となる。その結果、基板２を基体とし、この基板２上に支持部３およびビーム１４が形成された構造物が得られる。

ウエットエッチングの後、図７Ａ，７Ｂ，７Ｃに示すように、基板２を基体とする構造物と基板２と同じ平面サイズを有するシリコン基板４４とが連結部３４を介して貼り合わされる。具体的には、支持部３の外周縁上に、ＡｕまたはＣｎからなる四角環状のバンプが形成される。また、ビーム１４の交差部１５上に、ＡｕまたはＣｕからなる四角環状のバンプが形成される。一方、シリコン基板４４の一方面上に、基板２を基体とする構造物上の各バンプと対応する位置に、それぞれＡｕまたはＣｕからなる四角環状のバンプが形成される。そして、基板２を基体とする構造物とシリコン基板４４とが位置合わせされ、シリコン基板４４上の各バンプが基板２を基体とする構造物上の各バンプと当接される。このとき、互いに当接する各バンプ間に、Ｓｎを含む金属材料（たとえば、半田）が接合剤として介在される。これにより、基板２を基体とする構造物とシリコン基板４４との間に、ＡｕまたはＣｕの一方およびＳｎを含む金属材料からなる連結部３４が形成される。バンプと接合剤との界面において、ＡｕまたはＣｕとＳｎとの共晶結合が生じるので、基板２を基体とする構造物とシリコン基板４４とは強固に連結される。

その後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、シリコン基板４４に、４つの貫通溝３０が形成される。これにより、シリコン基板４４は、錘構造体２９となり、図１Ａ，１Ｂ，１Ｃに示す加速度センサ１が得られる。
このように、基板２上に支持部３とビーム１４とを形成した後、錘３３の基体となるシリコン基板４４を金属材料からなる連結部３４を介して支持部３およびビーム１４に貼り合わせ、そのシリコン基板４４を選択的なエッチングにより錘３３を有する構造に加工することにより、図１Ａ，１Ｂ，１Ｃに示す加速度センサ１を得ることができる。そのため、錘３３を形成するために、従来の加速度センサの製造工程で行われる表面側溝および裏面側溝の形成のためのエッチングが不要である。よって、加速度センサ１では、従来の加速度センサと比較して、その製造に要する時間を短縮することができる。

なお、図２Ａ，３Ａ，４Ａ、５Ａ，６Ａ，７Ａでは、視認不能な内部の各部が必要に応じて最上層を透過して示されている。
以上、本発明の実施形態について説明したが、この実施形態には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

図１Ａは、本発明の一実施形態に係る加速度センサの模式的な平面図である。図１Ｂは、図１Ａに示す加速度センサの切断線Ｂ−Ｂにおける断面図である。図１Ｃは、図１に示す加速度センサの切断線Ｃ−Ｃにおける断面図である。図２Ａは、加速度センサの製造工程を説明するための模式的な平面図である。図２Ｂは、図２Ａに示す切断線Ｂ−Ｂにおける模式的な断面図である。図２Ｃは、図２Ａに示す切断線Ｃ−Ｃにおける模式的な断面図である。図３Ａは、図２Ａの次の工程を示す模式的な断面図である。図３Ｂは、図３Ａに示す切断線Ｂ−Ｂにおける模式的な断面図である。図３Ｃは、図３Ａに示す切断線Ｃ−Ｃにおける模式的な断面図である。図４Ａは、図３Ａの次の工程を示す模式的な断面図である。図４Ｂは、図４Ａに示す切断線Ｂ−Ｂにおける模式的な断面図である。図４Ｃは、図４Ａに示す切断線Ｃ−Ｃにおける模式的な断面図である。図５Ａは、図４Ａの次の工程を示す模式的な断面図である。図５Ｂは、図５Ａに示す切断線Ｂ−Ｂにおける模式的な断面図である。図５Ｃは、図５Ａに示す切断線Ｃ−Ｃにおける模式的な断面図である。図６Ａは、図５Ａの次の工程を示す模式的な断面図である。図６Ｂは、図６Ａに示す切断線Ｂ−Ｂにおける模式的な断面図である。図６Ｃは、図６Ａに示す切断線Ｃ−Ｃにおける模式的な断面図である。図７Ａは、図６Ａの次の工程を示す模式的な断面図である。図７Ｂは、図７Ａに示す切断線Ｂ−Ｂにおける模式的な断面図である。図７Ｃは、図７Ａに示す切断線Ｃ−Ｃにおける模式的な断面図である。

符号の説明

１加速度センサ（ＭＥＭＳセンサ）
２基板
３支持部
４絶縁層
５半導体層
１４ビーム
１６可動部
２５抵抗導体
３３錘
３４連結部

Claims

基板と、
前記基板の一方面上に設けられた支持部と、
前記支持部に支持され、前記基板の前記一方面に対して空間を挟んで対向する可動部を有するビームと、
前記ビームの少なくとも前記可動部に形成された抵抗導体と、
前記ビームに対して前記基板と反対側に配置された錘と、
金属材料からなり、前記ビームと前記錘とを連結する連結部とを含む、ＭＥＭＳセンサ。
前記連結部は、ＡｕまたはＣｕの一方およびＳｎを含む材料からなる、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
前記錘は、Ｓｉからなる、請求項１または２に記載のＭＥＭＳセンサ。
前記支持部は、前記基板の前記一方面上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に積層された半導体層とを備え、
前記可動部は、前記半導体層と同一層に形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。