薄膜構造体の形成方法並びに薄膜構造体、振動センサ、圧力センサ及び加速度センサ
【課題】機械的応力が制御された弱い引張応力を持ち、かつ、導通化された薄膜構造体を形成するための方法を提供する。
【解決手段】Ｓｉ等の基板３２の上にポリシリコン薄膜からなる下層膜３５を形成した後、下層膜３５にＰ等の不純物をドープして熱拡散させることにより下層膜３５を導通化させる。ついで、下層膜３５の上に、成膜されただけで導通化されていないポリシリコン薄膜からなる上層膜３６を成膜する。上層膜３６は、下層膜３５の圧縮応力と同程度の引張応力を有しており、下層膜３５及び上層膜３６からなる薄膜構造体Ａは全体として弱い引張応力を有するように調整されている。
【解決手段】Ｓｉ等の基板３２の上にポリシリコン薄膜からなる下層膜３５を形成した後、下層膜３５にＰ等の不純物をドープして熱拡散させることにより下層膜３５を導通化させる。ついで、下層膜３５の上に、成膜されただけで導通化されていないポリシリコン薄膜からなる上層膜３６を成膜する。上層膜３６は、下層膜３５の圧縮応力と同程度の引張応力を有しており、下層膜３５及び上層膜３６からなる薄膜構造体Ａは全体として弱い引張応力を有するように調整されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜構造体の形成方法並びに薄膜構造体、振動センサ、圧力センサ及び加速度センサに関する。特に、本発明は、複数枚のポリシリコン薄膜を組み合わせた薄膜構造体の形成方法と、当該方法によって形成された薄膜構造体と、当該薄膜構造体をセンシング部に備えた振動センサ、圧力センサ及び加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動センサや加速度センサ、ジャイロセンサ等では、センシング部にポリシリコン薄膜を用いたものがあり、これらのセンサではポリシリコン薄膜の周囲が基板に保持されていてポリシリコン薄膜が３次元的な構造体を成している。このような用途のポリシリコン薄膜では、電気信号を外部へ取り出す必要から、電気的に導通化されていなければならない。ポリシリコン薄膜を導通化する方法としては、不純物をドープすることによってポリシリコン薄膜中に不純物を拡散させる方法が一般的である。
【０００３】
しかしながら、ポリシリコン薄膜に不純物を導入して導通化させると、この導通化処理によってポリシリコン薄膜の内部に圧縮応力が発生するため、各種センサに不具合をもたらす。例えば、振動センサ（マイクロフォン）やジャイロセンサ等の振動型のセンサでは、導通化されたポリシリコン薄膜が振動膜として用いられているが、これらの振動型のセンサではポリシリコン薄膜の内部応力が振動特性に大きく影響を与え、センサ精度に影響する。特に、ポリシリコン薄膜に圧縮応力が生じている場合には、振動膜が座屈を起こして全く振動が起こらなくなる恐れがある。また、加速度センサ（櫛歯型加速度センサ）等の静電容量型のセンサでは、ポリシリコン薄膜に圧縮応力が生じると圧縮応力の影響を受けてポリシリコン薄膜が反ったり座屈を起こしたりし、センシング部の静電容量が変化してセンサ精度に大きく影響する。
【０００４】
このように、センシング用に用いられるポリシリコン薄膜では電気信号を取り出すために導電性が必要であるが、導電性を持たせるために不純物を導入すると、不純物導入後の熱処理によってポリシリコン薄膜に圧縮応力が発生し、センサ精度に悪影響をもたらす。逆に、ポリシリコン薄膜に引張応力を維持させようとすれば、ポリシリコン薄膜に導電性を付与することが困難になり、相反する問題があった。
【０００５】
このため特許文献１に開示された発明では、図１に示すように、同条件で成膜された複数のポリシリコン薄膜１３、１５、１７、１９と補助層１４、１６、１８とを組み合わせた薄膜構造体を犠牲層１２を介して基板１１の上に形成し、ポリシリコン薄膜１３、１５、１７、１９と補助層１４、１６、１８とを組み合わせることによって低応力の薄膜構造体を実現しようとしている。
【０００６】
しかしながら、このような薄膜構造体では、その内部に生じる応力の制御と電気抵抗の低抵抗化の工程を両立させることができなかった。特許文献１に記載されている方法では、薄膜構造体の電気抵抗を下げるために、それぞれ相応する部分層の析出後に不純物を注入したり、薄膜構造体全体が完成した後で注入したりしているが、このような方法では任意の引張応力を得ることはできなかった。その理由は、リン（Ｐ）などの不純物は、圧縮元として働くため、不純物を導入された膜に圧縮応力が生じ、弱い引張応力を実現できないからである（非特許文献１参照）。また、このような薄膜構造体では、補助層１４、１６、１８が妨げとなって不純物の拡散が進行しなかったり、不純物を拡散させる工程でポリシリコン薄膜１３、１５、１７、１９の応力変化が大きくなり、応力制御が困難であった。
【０００７】
また、別な方法としては、特許文献２に開示されているような方法が提案されている。この方法では、図２に示すように、基板２１の上に多層のポリシリコン薄膜２２〜２７を積層している。そして、ＬＰＣＶＤ法で成膜されるポリシリコン薄膜は、成膜条件を変化させることによって圧縮応力にも引張応力にもなることを利用し、各ポリシリコン薄膜２２〜２７の成膜時の温度を変化させることにより、圧縮応力を持つ薄膜と引張応力を持つ薄膜とを生成させ、これらを組み合わせることによって低応力の薄膜構造体を実現しようとしている。
【０００８】
しかしながら、ポリシリコン薄膜は、不純物を導入した後、その不純物を熱拡散させないと抵抗値が高くなるので、このような方法で作製された薄膜構造体は抵抗値が高く、電気信号を取り出す必要のあるセンシング用デバイスとしては使用できなかった。すなわち、特許文献２のような方法では、引張応力を持つポリシリコン薄膜と圧縮応力を持つポリシリコン薄膜との間に自然酸化膜などの補助層が存在しないことを特徴としており、ポリシリコン薄膜の各層を連続的に成膜している。そのため、ポリシリコン薄膜の各層を成膜する途中でポリシリコン薄膜を導通化処理することはできず、薄膜構造体を導通化することができなかった。この方法でも、ポリシリコン薄膜の応力を制御することが困難で弱い引張応力を有する薄膜構造体を得ることは難しかった。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５,７５３,１３４号明細書（特開平７−２１１７０９号公報）
【特許文献２】米国特許第６,２６８,０６８号明細書
【非特許文献１】Control of Residual Stress of Polysilicon Thin Films by Heavy Doping in Surface Micromaching; M. Orpana and A. O. Korhonen; Proceedings International Conference Solid-State Sensors & Actuators (Transducers '91), San Francisco, California, 1991 (IEEE, New York, 1991) p.957-960
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、機械的応力が制御された弱い引張応力を持ち、かつ、導通化された薄膜構造体を形成するための方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る薄膜構造体の形成方法は、基板の上に下層膜と上層膜とからなる薄膜構造体を形成するための方法であって、基板の上にポリシリコン薄膜からなる下層膜を形成する工程と、前記下層膜に不純物をドープして熱拡散させることにより前記下層膜を導通化させる工程と、前記下層膜の上に、導通化されておらず、かつ、前記下層膜の圧縮応力と同程度の引張応力を有する、ポリシリコン薄膜からなる上層膜を形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
本発明によれば、下層膜に不純物をドープして熱拡散させることにより下層膜を導通化しているので、下層膜と上層膜とからなる薄膜構造体に導電性を持たせることができ、薄膜構造体の変形量等を検出するための電気信号を薄膜構造体から取り出すことができる。
【００１３】
一方、上層膜は導通化されないので、導通化のために熱処理を行なう必要がなく、しかも、上層膜は下層膜を導通化処理した後で下層膜の上に成膜されるので、下層膜を導通化する際の熱処理を被ることがない。よって、下層膜には導通化のための熱処理によって圧縮応力（膜応力）が発生するが、上層膜には圧縮応力が発生せず、引張応力が維持される。そして、上層膜の引張応力が下層膜の圧縮応力と同程度となるように応力を制御することにより、薄膜構造体の全体としての応力を小さくすることができる。その結果、本発明の方法によって形成された薄膜構造体にあっては、圧縮応力によって座屈等が生じて変形しにくくなったりしにくく、センシング用デバイスに用いられた場合には、計測精度を向上させることができる。
【００１４】
従って、本発明によれば、薄膜構造体の内部応力を良好に制御することと、薄膜構造体に導電性を持たせることとを両立させることが可能になる。
【００１５】
本発明に係る薄膜構造体の形成方法のある実施態様は、前記薄膜構造体が、全体として引張応力を有するように調整されていることを特徴としている。このような実施態様によれば、薄膜構造体が弱い引張応力を持つことになるので、薄膜構造体が張られた状態となり、薄膜構造体に座屈等が起きず、薄膜構造体が外力によって変形し易くなる。
【００１６】
本発明に係る薄膜構造体の形成方法の別な実施態様は、前記下層膜に不純物をドープした後、不純物を熱拡散させる前に、前記下層膜の上面に欠陥防止膜を形成することを特徴としている。このような実施態様によれば、熱処理時に下層膜の表層に結晶欠陥が導入されるのを防ぐことができる。
【００１７】
本発明に係る薄膜構造体の形成方法のさらに別な実施態様は、前記欠陥防止膜の上に前記上層膜を形成した後、前記欠陥防止膜をエッチングストップ層として上層膜の一部をエッチング除去することにより前記下層膜の一部を前記上層膜から電気的に露出させることを特徴としている。ここで電気的に露出させるとは、下層膜の一部を上層膜の除去部分から直接露出させる場合と、上層膜の除去部分で下層膜の一部が導電性材料で覆われている場合とをさす。このような実施態様によれば、導電性を有しない上層膜をエッチング除去することにより下層膜を電気的に露出させているので、容易に下層膜を外部の回路などに接続することができる。また、欠陥防止膜をエッチングストップ層として上層膜をエッチング除去するので、上層膜を時間制御によりエッチングする場合に比べて上層膜だけを簡単かつ正確にエッチングすることができる。
【００１８】
本発明に係る薄膜構造体の形成方法のさらに別な実施態様は、前記不純物を熱拡散させた後に、一部を残して前記欠陥防止膜をエッチング除去し、前記欠陥防止膜の上から前記下層膜の上に前記上層膜を形成し、前記欠陥防止膜をエッチングストップ層として上層膜の一部をエッチング除去することにより前記下層膜の一部を前記上層膜から電気的に露出させることを特徴としている。ここで電気的に露出させるとは、下層膜の一部を上層膜の除去部分から直接露出させる場合と、上層膜の除去部分で下層膜の一部が導電性材料で覆われている場合とをさす。このような実施態様によれば、導電性を有しない上層膜をエッチング除去することにより下層膜を電気的に露出させているので、容易に下層膜を外部の回路などに接続することができる。また、欠陥防止膜をエッチングストップ層として上層膜をエッチング除去するので、上層膜を時間制御によりエッチングする場合に比べて上層膜だけを簡単かつ正確にエッチングすることができる。
【００１９】
本発明に係る薄膜構造体の形成方法のさらに別な実施態様は、前記下層膜を形成する前又は後に、前記下層膜を導通化させた後に下層膜と電気的に導通する電気配線部を前記基板の上に形成しておき、前記電気配線部の上に前記上層膜を形成し、前記電気配線部を前記上層膜から露出させることを特徴としている。このような実施態様によれば、電気配線部を通じて下層膜と外部の回路とを接続することが可能になる。
【００２０】
本発明に係る薄膜構造体の形成方法によって作製された薄膜構造体は、振動センサや圧力センサ、加速度センサのセンシング部に用いることができ、これらセンサの計測精度を向上させることができる。
【００２１】
なお、本発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
図３は本発明の実施例１を示す概略断面図であって、本発明に係る薄膜構造体Ａを備えたセンシング用デバイス３１を表わしている。実施例１においては、基板３２の上面に薄膜構造体Ａが形成されている。基板３２はＳｉ基板等の半導体基板、金属基板、セラミック基板等からなり、上下に貫通した貫通孔３３を有している。基板３２の上面には酸化物や窒化物等からなる薄い絶縁膜３４が形成されており、絶縁膜３４の上面に薄膜構造体Ａが設けられている。薄膜構造体Ａは下層膜３５の上面に上層膜３６を積層したものであって、周縁部を基板３２の絶縁膜３４の上に積層されていて基板３２の貫通孔３３上面を覆っている。
【００２４】
薄膜構造体Ａを構成する下層膜３５は、ポリシリコン（多結晶Ｓｉ）薄膜からなり、ポリシリコン薄膜に不純物をドーピングして熱拡散させることによって電気的に導通化されている。上層膜３６もポリシリコン薄膜からなるが、上層膜３６は成膜されただけの膜（AsDepo膜）であって、不純物を導入されていない。上層膜３６は、成膜されただけのポリシリコン薄膜であるから、導電性を有していない。また、薄膜構造体Ａは、貫通孔３３と対向する領域の外側において上層膜３６を部分的に開口されており、当該開口部３７から導電性を有する下層膜３５を露出させることにより電極取出し部４２を形成しており、下層膜３５を外部の電気回路等に接続できるようにしている。
【００２５】
成膜されただけのポリシリコン薄膜は、導電性を有しておらず、かつ、内部応力が引張応力となっているが、導電性を持たせるために不純物をドーピングして熱拡散させると、熱拡散処理時の高温によってポリシリコン薄膜の内部応力は圧縮応力となる。従って、下層膜３５は導電性を有しているが、圧縮応力を有している。これに対し、上層膜３６は導電性を有していないが、引張応力を有している。
【００２６】
センシング用デバイスのセンシング部で用いられる薄膜構造体Ａは、大きな圧縮応力を有していると、外力に応じて敏感に変形しにくくなって計測精度や特性がばらついたり、あるいは薄膜構造体Ａの座屈により計測不能となったりする恐れがある。そのため、本発明においては、圧縮応力を有する下層膜３５と引張応力を有する上層膜３６とを組み合わせて上層膜３６の引張応力と下層膜３５の圧縮応力とがほぼ同程度となるように制御し、導電性を有する薄膜構造体Ａの応力が小さくなるようにしている。好ましくは、薄膜構造体Ａの全体としての応力が弱い引張応力を持つようにするか、全体としての応力がほぼゼロとなるようにすればよい。しかし、その程度は一般的にはセンシング用デバイスのセンシング部で必要とされる引張応力の大きさとなるようにすればよい。振動センサや圧力センサ等を考えた場合には、あまり引張応力が大きいと感度が低下する恐れがあるので、全体として弱い引張応力が得られるようにするのが望ましく、特にほぼ０ＭＰａに近い引張応力となるようにするのが望ましい。
【００２７】
よって、このような構造によれば、導電性を有し、かつ全体として引張応力を有する薄膜構造体Ａを作製することができ、センシング用デバイス３１のセンシング部に使用するために好適な薄膜構造体Ａを得ることができる。
【００２８】
つぎに、上記のような構造の薄膜構造体Ａを製作するための製造方法の一例を、図４（ａ）〜図４（ｃ）、図５（ａ）〜図５（ｃ）、図６（ａ）及び図６（ｂ）により説明する。基板３２としては、Ｓｉ基板を用いている。まず、基板３２の上面にＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜からなる絶縁膜３４を常法により形成する（図４（ａ））。なお、成膜方法によっては、裏面にも膜が形成されるが、図中では省略する。（以下、同様）。ついで、絶縁膜３４の上面にポリシリコンを堆積させて下層膜３５を形成する（図４（ｂ））。下層膜３５の成膜条件には大きな制約はないが、不純物のドーピングと熱拡散の工程を経た後に、弱い圧縮応力となるように制御することが望ましい。一般的には、ＬＰＣＶＤ法（減圧化学的気相堆積法）で下層膜３５を成膜すればよい。薄膜は成膜温度が低いと成膜速度が遅く、生産性が悪くなるので、下層膜３５は、ある程度高い温度（５８０℃以上）で成膜し、生産性を高めることが望ましい。具体的には、材料ガスとしてＳｉＨ４を用い、温度６２０℃、圧力３００ｍＴｏｒｒの条件下で、ＬＰＣＶＤ法により下層膜３５を成膜する。
【００２９】
ついで、Ｐ（リン）、Ｂ（ホウ素）等を下層膜３５にイオン注入することにより、もしくはＰＳＧ、ＢＳＧ、ＰＯＣｌ３などの不純物ソースを下層膜３５の上に堆積させることにより、下層膜３５にＰ、Ｂなどの不純物を導入する。具体的には、図４（ｃ）に示すように、下層膜３５の上面に不純物ソース３８としてリンガラス（ＰＳＧ）を堆積させ、下層膜３５をＰＨ３とＯ２の混合ガス雰囲気中において９５０℃の温度で１５分間加熱処理し、下層膜３５の表層部にＰイオンをドーピングした。この後、不純物ソース３８（リンガラス）はフッ酸水溶液に浸漬して除去した（図５（ａ））。
【００３０】
つぎに、不純物ソース３８を除去した後の下層膜３５の上面に欠陥防止膜３９を形成する（図５（ｂ））。欠陥防止膜３９を形成する方法としては、下層膜３５を形成された基板３２をファーネス炉やRapid Thermal Anneal 装置などの加熱炉に入れ、加熱炉にＯ２ガスを流して下層膜３５の表面に酸化膜を形成し、この酸化膜を欠陥防止膜３９とする。具体的には、７００Åの膜厚のＳｉＯ２膜を形成した。そして、そのまま加熱炉で下層膜３５を加熱して熱処理を行い、下層膜３５の表層部に導入されていたＰ等の不純物を下層膜３５内に拡散させる（図５（ｂ））。具体的には、ファーネス炉に基板３２を入れ、Ｎ２ガス雰囲気中で１１００℃の温度で２時間熱処理を行なった。この熱処理（アニール）には、不純物を下層膜３５内に熱拡散させて下層膜３５を導通化すると共に、不純物の導入によって下層膜３５に生じた結晶欠陥などを除去する効果がある。また、熱処理時に下層膜３５の表面を欠陥防止膜３９で覆っておくことにより、不純物が下層膜３５から蒸発して抜けるのを防止し、また熱処理時に結晶欠陥が下層膜３５に導入されるのを防ぐことができる。
【００３１】
下層膜３５は成膜時には引張応力を有しているが、１０００℃を超える高温で熱処理される結果、下層膜３５の内部応力の絶対値は次第に小さくなり、ついには圧縮応力に転化する。従って、上記熱処理は、下層膜３５に充分な導電性が得られ、かつ、できるだけ小さな圧縮応力となるように制御することが望まれる。なお、欠陥防止膜３９は形成しなくても差し支えない。
【００３２】
熱処理が完了すると、基板３２を加熱炉から取り出し、フッ酸水溶液などで欠陥防止膜３９を除去する。但し、この処理は空気中で行なわれるので、フッ酸水溶液で不純物ソース３８を除去した場合でも、下層膜３５の表面にはごくわずか（最大膜厚がほぼ５０Å）自然酸化膜が存在する。
【００３３】
ついで、下層膜３５の上面に応力値が引張応力となる条件でポリシリコン薄膜からなる上層膜３６を成膜する（図５（ｃ））。成膜されただけの上層膜３６が引張応力を持つようにするためには、ポリシリコンをアモルファス状態で堆積させ、堆積後に多結晶化させればよい。この条件は成膜時の温度が最も影響しており、成膜温度を５７０℃〜６２０℃とすればよい。具体的には、ＳｉＨ４のガス雰囲気中において、温度５８０℃、圧力３００ｍＴｏｒｒで、ＬＰＣＶＤ法により上層膜３６を成膜した。
【００３４】
また、こうして下層膜３５の上面に上層膜３６を成膜することによって得られた薄膜構造体Ａは、全体として弱い引張応力を持つように調整することが望ましい。そのためには、上層膜３６の引張応力が、下層膜３５の圧縮応力とほぼ等しいか、あるいは下層膜３５の圧縮応力よりも少し大きくなるようにすればよい。上層膜３６の応力は、成膜前に下層膜３５の応力値や膜厚を測定しておけば、その値に応じて調整できる。例えば、下層膜３５の圧縮応力（絶対値）が、目標値よりも大きかった場合には、上層膜３６の膜厚を厚くすることによって引張応力を強くすることにより、全体としての応力を目標値に制御することができる。下層膜３５の応力の測定方法は、例えば、基板３２の反りなどを測定することによって計測できる。
【００３５】
なお、上層膜３６は、成膜されただけの膜（AsDepo膜）のみならず、過度な高温でなければ熱処理を行って応力を緩和しても差し支えない。ただし、１,０００℃以上の高温は下層膜３５の不純物が上層膜にまで拡散して上層膜３６に圧縮応力を生じさせるので、上層膜３６の熱処理を１,０００℃以上の温度で熱処理することは避けなければならない。
【００３６】
つぎに、上層膜３６の上面にフォトレジストを塗布してレジストマスク４０を形成し、電極取出し部４２となる領域においてレジストマスク４０に透孔４１を開口し（図６（ａ））、レジストマスク４０の透孔４１を通して上層膜３６のみをエッチングにより除去し、透孔４１に対向させて上層膜３６に開口部３７をあける。下層膜３５をエッチングしないで上層膜３６だけをエッチングするには、例えばドライエッチングやウェットエッチングのエッチング時間を管理することによって行なう方法がある。例えば、上層膜３６のエッチング方法としてはドライエッチ ング(Reactive Ion Etching)法を用い、ポジレジストをレジストマスク４０にしてＳＦ６及びＯ２の混合ガスのプラズマでエッチングを行なえばよい。あるいは、ウェットエッチングを行なう場合には、酸化シリコン膜やチッ化シリコン膜をレジストマスク４０とし、ＴＭＡＨ、ＫＯＨなどで上層膜３６をエッチングすればよい。レジストマスク４０を上層膜３６の上面から剥離させれば、上層膜３６の開口部３７に下層膜３５が露出して電極取出し部４２が形成される（図６（ｂ））。
【００３７】
この後、基板３２を下面側からエッチングして基板３２に貫通孔３３を開口し、さらに絶縁膜３４、下層膜３５、上層膜３６等の不要部分をエッチングによって除去すれば、図３に示したようなセンシング用デバイス３１が得られる。基板３２と下層膜３５との間に絶縁膜３４が存在しなければ、ポリシリコンからなる下層膜３５及び上層膜３６の不要部分をエッチング除去するシリコンからなる基板３２もエッチングによって傷つけられる恐れがある。しかし、実施例１では、基板３２と下層膜３５の間に酸化膜や窒化膜からなる絶縁膜３４が形成されているので、ポリシリコンをエッチングするが絶縁膜３４をエッチングしないエッチャントを用いて上層膜３６及び下層膜３５の不要部分を選択的にエッチング除去した後、絶縁膜３４をエッチングするがシリコンをエッチングしないエッチャントを用いて絶縁膜３４の不要部分を選択的にエッチングすれば、基板３２を傷つけることなく上層膜３６等の不要部分を除去することができる。
【００３８】
なお、電極取出し部４２においては、下層膜３５の上にＡｕ、Ａｌ等の金属材料から成るワイヤーボンディングパッドを公知の方法にて形成してもよい。
【実施例２】
【００３９】
図７は本発明の実施例２を示す概略断面図であって、本発明に係る薄膜構造体Ａを備えたセンシング用デバイス５１を表わしている。実施例２のセンシング用デバイス５１は、下層膜３５と上層膜３６との間にエッチングストップ層５２を設けた点で実施例１と異なっている。実施例２によれば、エッチングストップ層５２を設けているので、上層膜３６に開口部３７をあける際、エッチング処理の時間管理を行なうよりも正確に上層膜３６のみをエッチングすることができる。
【００４０】
図８（ａ）〜図８（ｃ）及び図９（ａ）〜図９（ｄ）は実施例２のセンシング用デバイス５１の製造工程の一例を説明する概略断面図である。図８（ａ）は、実施例１における図４（ａ）〜図５（ｂ）の工程により絶縁膜３４の成膜、下層膜３５の成膜、不純物のドープ、欠陥防止膜３９の形成、不純物の熱拡散の処理を行なって基板３２の上面に導通化された下層膜３５を作製した後、表面の欠陥防止膜３９を除去した状態を表わしている。実施例２においては、この後下層膜３５の上面にエッチングストップ層５２を形成する（図８（ｂ））。エッチングストップ層５２は、上層膜３６のエッチングに用いるエッチング方法（エッチャント、エッチングガス等）によってエッチングされない材料で形成されていてもよく、上層膜３６のエッチングに用いるエッチング方法に対して上層膜３６のエッチングレートよりも非常に遅いエッチングレートを有する材料によって形成されていてもよい。なお、下層膜３５の上面に形成されていた欠陥防止膜３９を除去しないで残しておき、これをエッチングストップ層５２として利用してもよい。
【００４１】
ついで、エッチングストップ層５２の上面に上層膜３６を成膜し（図８（ｃ））、上層膜３６の上面をレジストマスク４０で覆ってレジストマスク４０に透孔４１を開口する（図９（ａ））。さらに、上層膜３６をエッチングするがエッチングストップ層５２をエッチングしないエッチャント又はエッチングガスを用いてレジストマスク４０の透孔４１から上層膜３６をエッチングする。例えば、エッチングストップ層５２が酸化膜である場合には、ＨＦ水溶液を用いてエッチングするか、もしくはＣＨＦ３及びＯ２の混合ガスのガスプラズマなどでエッチングを行なう。この結果、上層膜３６に開口部３７があけられるが、エッチングストップ層５２はエッチングされないので、上層膜３６の下面までエッチングが進行して開口部３７内にエッチングストップ層５２が露出したときにエッチングは停止する（図９（ｂ））。エッチングが終了したら、レジストマスク４０を上層膜３６上面から剥離させる（図９（ｃ））。
【００４２】
実施例２では、下層膜３５と上層膜３６の間にエッチングストップ層５２を設けているので、上層膜３６をエッチングしたときエッチングがエッチングストップ層５２まで達したときに自然に停止する。よって、実施例１のように上層膜３６だけがエッチングされるようにエッチング時間を管理する必要が無く、簡単かつ安定に上層膜３６をエッチングして開口部３７を形成することができる。
【００４３】
この後、エッチングストップ層５２をエッチングするが下層膜３５をエッチングしないエッチャント又はエッチングガスを用いてウェットエッチング又はドライエッチングし、上層膜３６をマスクとしてエッチングストップ層５２を選択的にエッチングし、開口部３７内のエッチングストップ層５２を除去し、開口部３７内に下層膜３５を露出させて電極取出し部４２を作製する。なお、エッチングストップ層５２が導電性を有する場合には開口部３７内のエッチングストップ層５２を除去することなく残しておいてもよく、その場合には図９（ｄ）の工程は省略することができる。この後、基板３２に貫通孔３３を開口させると共に、絶縁膜３４、下層膜３５、エッチングストップ層５２、上層膜３６等の不要部分を除去することによって図７に示すようなセンシング用デバイス５１が得られる。
【００４４】
図１０は実施例２の変形例によるセンシング用デバイス６１の概略断面図を示し、図１１（ａ）〜図１１（ｃ）及び図１２（ａ）〜図１２（ｄ）はその製造工程の一部を表わしている。実施例２では下層膜３５の上面全体にエッチングストップ層５２が残っていたが、図１０に示す変形例では開口部３７の下面にのみエッチングストップ層５２が残っている。すなわち、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、導通化された下層膜３５の上面全体にエッチングストップ層５２を形成した後、電極取出し部４２となる領域を残してそれ以外の領域のエッチングストップ層５２をフォトリソグラフィ技術を用いて除去する（図１１（ｃ））。そして、この部分的に形成されたエッチングストップ層５２の上から下層膜３５の上に上層膜３６を成膜し（図１２（ａ））、この後実施例２の場合と同様にしてセンシング用デバイス６１を作製する（図１２（ｂ）〜図１２（ｄ））。但し、この変形例では導電性を有する材料によってエッチングストップ層５２を形成した場合を考えているので、開口部３７内にエッチングストップ層５２を残しているが、エッチングストップ層５２が導電性を有しない場合には、開口部３７内のエッチングストップ層５２も最終的に除去すればよい。
【実施例３】
【００４５】
図１３は本発明の実施例３を示す概略断面図であって、本発明に係る薄膜構造体Ａを備えたセンシング用デバイス７１を表わしている。実施例３のセンシング用デバイス７１は、薄膜構造体Ａから電気配線部７２を引き出すようにしており、電気配線部７２に外部の回路を接続して薄膜構造体Ａからの電気信号を電気配線部７２から取り出すことができる。
【００４６】
図１４（ａ）〜図１４（ｃ）及び図１５（ａ）〜図１５（ｂ）は実施例３のセンシング用デバイス７１の製造工程の一例を説明する概略断面図である。この実施例では、基板３２上面の絶縁膜３４の上に電気配線部７２とエッチングストップ層５２を形成した後、エッチングによって電気配線部７２及びエッチングストップ層５２の不要部分を除去している（図１４（ａ））。電気配線部７２は金属薄膜や導通化されたポリシリコンなどの導電性を有する材料であればよいが、後の熱処理に耐える材料を考えると導通化されたポリシリコンが望ましい。電気配線部７２の一部は薄膜構造体Ａの形成される領域内に設けられ、残りが薄膜構造体Ａの形成される領域の外側の領域に設けられている。また、エッチングストップ層５２は、電気配線部７２の上面のうち、薄膜構造体Ａの形成される領域の外側の領域に形成されている。この後、実施例１の場合と同様にして、基板３２の上に下層膜３５が成膜され、下層膜３５が不純物の熱拡散によって導通化され、その上に上層膜３６が成膜される（図１４（ｂ））。
【００４７】
ついで、上層膜３６の上面にフォトレジストを塗布してレジストマスク４０で上層膜３６を覆い、エッチングストップ層５２と対向する領域（あるいは、電気配線部７２の薄膜構造体Ａから露出させられる領域）でレジストマスク４０を除去する（図１４（ｃ））。そして、上層膜３６及び下層膜３５をエッチングするがエッチングストップ層５２をエッチングしないエッチャント又はエッチングガスを用いてレジストマスク４０から露出した上層膜３６及び下層膜３５をエッチング除去する。例えば、エッチングストップ層５２が酸化膜である場合には、ＨＦ水溶液を用いてエッチングするか、もしくはＣＨＦ３及びＯ２の混合ガスのガスプラズマなどでエッチングを行なう。この結果、上層膜３６及び下層膜３５の一部が除去されてエッチングストップ層５２が露出させられる（図１５（ａ））。
【００４８】
エッチングが終了したら、レジストマスク４０を上層膜３６上面から剥離させる。そして、エッチングストップ層５２をエッチングするが電気配線部７２をエッチングしないエッチャント又はエッチングガスを用い、上層膜３６及び下層膜３５をマスクとしてウェットエッチング又はドライエッチングし、エッチングストップ層５２を選択的にエッチング除去し、電気配線部７２を露出させる（図１５（ｂ））。こうして、電気配線部７２の一部は下層膜３５と電気的に接触しており、それ以外の部分が薄膜構造体Ａから露出する。
【００４９】
最後に、基板３２に貫通孔３３を開口させると共に、絶縁膜３４、下層膜３５、上層膜３６等の不要部分を除去することによって図１３に示すようなセンシング用デバイス７１が得られる。
【実施例４】
【００５０】
図１６は本発明にかかる振動センサ８１を示す概略断面図である。この振動センサ８１は、例えば小型のマイクロフォンとして使用される。この振動センサ８１は本発明に係るセンシング用デバイス、例えば実施例１のセンシング用デバイス３１を用いて構成されており、薄膜構造体Ａの上にＳｉＯ２からなるスペーサ８２を介してバックプレート８３を設けたものであり、バックプレート８３には通気口８４が開口されている。バックプレート８３は金属や導通化されたポリシリコン等によって形成されていて導電性を有している。そして、薄膜構造体Ａ（下層膜３５）とバックプレート８３によってセンシング用のコンデンサが形成されている。
【００５１】
この振動センサ８１にあっては、バックプレート８３側で音声振動を受け取るようになっている。音声振動が振動センサ８１に伝搬してくると、この音声振動は通気口８４から振動センサ８１内に伝搬し、薄膜構造体Ａを振動させる。そして、薄膜構造体Ａが音声振動と共振して振動することにより、バックプレート８３と薄膜構造体Ａとの間の静電容量が変化するので、この静電容量の変化を外部の回路で計測することにより音声振動を拾うことができる。
【００５２】
しかも、この振動センサ８１にあっては、薄膜構造体Ａに弱い引張応力を持たせることができるので。振動センサ８１の振動特性を改善して計測精度を向上させることができる。さらに、薄膜構造体Ａのバックプレート８３と対向する側の面（上層膜３６）が絶縁性又は低抵抗となっているので、振動センサ８１の耐電圧特性が良好となる。また、上層膜３６がパッシベーション膜の役割を兼ねるので、薄膜構造体Ａがバックプレート８３に接触した時に薄膜構造体Ａとバックプレート８３とが導通して電流が流れる恐れがない。
【実施例５】
【００５３】
図１７は本発明にかかる圧力センサ９１を示す概略断面図である。この圧力センサ９１は、薄膜構造体Ａの上にＳｉＯ２からなるスペーサ９２を介してバックプレート９３を設けたものであり、薄膜構造体Ａとバックプレート９３との間には基準圧力に保持された気密室９４が設けられている。バックプレート９３は金属や導通化されたポリシリコン等によって形成されていて導電性を有している。そして、薄膜構造体Ａ（下層膜３５）とバックプレート９３によってセンシング用のコンデンサが形成されている。
【００５４】
この圧力センサ９１では、薄膜構造体Ａの下面で検知しようとする圧力を受けるようになっており、薄膜構造体Ａの下面の圧力と気密室９４内の圧力との圧力差に応じて薄膜構造体Ａの撓み量が変化してバックプレート９３と薄膜構造体Ａとの間の静電容量が変化するし、この静電容量の変化を外部の回路で計測することにより圧力を計測することができる。
【００５５】
しかも、この圧力センサ９１にあっては、薄膜構造体Ａに弱い引張応力を持たせることができるので。圧力センサ９１が内部応力によって予め撓むことがなく、圧力センサ９１の計測精度を向上させることができる。さらに、薄膜構造体Ａのバックプレート９３と対向する側の面（上層膜３６）が絶縁性又は低抵抗となっているので、振動センサ９１の耐電圧特性が良好となる。また、上層膜３６がパッシベーション膜の役割を兼ねるので、薄膜構造体Ａがバックプレート９３に接触した時に薄膜構造体Ａとバックプレート９３とが導通して電流が流れる恐れがない。
【実施例６】
【００５６】
図１８は静電容量型の加速度センサ１０１の構造を示す平面図である。この加速度センサ１０１にあっては、基板３２の上面に固定電極１０３と可動電極１０５とが形成されている。この固定電極１０３及び可動電極１０５は、本発明の薄膜構造体によって形成されている。
【００５７】
可動電極１０５は、基板３２上面の中央部に配置されており、その両端は基板３２の上面に固定されている。可動電極１０５の中央部は櫛歯状をした可動部分１０６となっており、可動電極１０５の固定部分１０７と可動部分１０６の両端とはそれぞれ容易に変形するスプリングサスペンション部１０８を介してつながっている。可動電極１０５の可動部分１０６からは、両側方へ向けて一定ピッチで櫛歯電極１０９が延出されている。
【００５８】
固定電極１０３は、基板３２の上面において、可動電極１０５を挟むようにして可動電極１０５の両側に配置されている。各固定電極１０３からは、可動電極１０５に向けて一定ピッチ毎に櫛歯電極１０４が延出されている。可動電極１０５の櫛歯電極１０９と固定電極１０３の櫛歯電極１０４とは、噛み合わせるようにして交互に配置されている。
【００５９】
しかして、この加速度センサ１０１にあっては、図１８に示す矢印方向の加速度を感知すると、可動電極１０５の可動部分１０６が矢印方向に変位し、固定電極１０３の櫛歯電極１０４と可動電極１０５の櫛歯電極１０９との間の静電容量が変化する。加速度の大きさに応じて可動部分１０６の変位量が大きくなり、櫛歯電極１０４、１０９間の静電容量が変化するので、この静電容量の変化を計測することによって加速度を計測することができる。
【００６０】
このような構造の加速度センサ１０１においても、固定電極１０３や可動電極１０５（特に、可動電極１０５）に内部応力による撓み等が存在すると、検知精度に影響を及ぼすが、本発明の薄膜構造体によれば弱い引張応力を持たせることができるので、検知精度や信頼性を向上させることができる。
【実施例７】
【００６１】
図１９は静電容量型のジャイロセンサ１１１の構造を示す平面図である。このジャイロセンサ１１１にあっては、基板３２の上面中央部に櫛歯状をした駆動用固定電極１１７が設けられ、駆動用固定電極１１７からはその両側へ向けて一定ピッチで櫛歯電極１１４が延出されている。駆動用固定電極１１７の両側には、可動電極１１５を間に挟んで、櫛歯状をした固定電極１１３が設けられており、各固定電極１１３からも櫛歯電極１１４が一定ピッチで延出されている。
【００６２】
駆動用固定電極１１７と検知用電極１１３との間に配置された可動電極１１５は、導通化されたポリシリコンで形成されており、可動電極１１５の振動部１１６はその両端を２本の細いビーム１１８を介して基板３２に保持されている。振動部１１６は櫛歯状をしており、両側へ向けて一定ピッチ毎に櫛歯電極１１９が延出されている。可動電極１１５の櫛歯電極１１９と固定電極１１３の櫛歯電極１１４とは、噛み合わせるようにして交互に配置されている。上記駆動用固定電極１１７、検知用固定電極１１３及び可動電極１１５が本発明の薄膜構造体によって形成されている。
【００６３】
しかして、このジャイロセンサ１１１にあっては、駆動用固定電極１１７とその両側の振動板１１６の両櫛歯電極１１４、１１９間に振動駆動信号を印加し、左右の振動板１１６をｘ軸方向において逆位相、同振幅で振動させる。この状態でジャイロセンサ１１１がｙ軸方向の回りに回転すると、両振動板１１６にはｘ軸方向及びｙ軸方向に垂直なｚ軸方向に互いに逆向きのコリオリ力が発生する。このコリオリ力による振動板１１６のｚ軸方向の振動の向きと振幅を検知用固定電極１１３と可動電極１１５との間の静電容量の変化として検出することにより、ジャイロセンサ１１１に発生している角速度を検出できる。
【００６４】
このような構造のジャイロセンサ１１１においても、駆動用固定電極１１７、検知用固定電極１１３又は可動電極１１５（特に、可動電極１１５）に内部応力による撓み等が存在すると、検知精度に影響を及ぼすが、本発明の薄膜構造体によれば弱い引張応力を持たせることができるので、検知精度や信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は、従来例を説明する概略図である。
【図２】図２は、別な従来例を説明する概略図である。
【図３】図３は、発明の実施例１によるセンシング用デバイスを示す概略断面図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、実施例１によるセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｃ）は、実施例１によるセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図であって、図４（ｃ）の後の工程を表わしている。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、実施例１によるセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図であって、図５（ｃ）の後の工程を表わしている。
【図７】図７は、発明の実施例２によるセンシング用デバイスを示す概略断面図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｃ）は、実施例２によるセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図である。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｄ）は、実施例２によるセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図であって、図８（ｃ）の後の工程を表わしている。
【図１０】図１０は、実施例２の変形例によるセンシング用デバイスを示す概略断面図である。
【図１１】図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、実施例２の変形例によるセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図である。
【図１２】図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は、実施例２の変形例によるセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図であって、図１１（ｃ）の後の工程を表わしている。
【図１３】図１３は、本発明の実施例３によるセンシング用デバイスを示す概略断面図である。
【図１４】図１４（ａ）〜図１４（ｃ）は、実施例３のセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図である。
【図１５】図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、実施例３のセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図であって、図１４（ｃ）の後の工程を表わしている。
【図１６】図１６は、本発明にかかる振動センサを示す概略断面図である。
【図１７】図１７は、本発明にかかる圧力センサを示す概略断面図である。
【図１８】図１８は、静電容量型の加速度センサの構造を示す平面図である。
【図１９】図１９は、静電容量型のジャイロセンサの構造を示す平面図である。
【符号の説明】
【００６６】
３１ センシング用デバイス
３２ 基板
３４ 絶縁膜
３５ 下層膜
３６ 上層膜
３７ 開口部
３８ 不純物ソース
３９ 欠陥防止膜
５１ センシング用デバイス
５２ エッチングストップ層
５３ 開口部
６１ センシング用デバイス
７１ センシング用デバイス
７２ 電気配線部
８１ 振動センサ
９１ 圧力センサ
１０１ 加速度センサ
１１１ ジャイロセンサ
Ａ 薄膜構造体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜構造体の形成方法並びに薄膜構造体、振動センサ、圧力センサ及び加速度センサに関する。特に、本発明は、複数枚のポリシリコン薄膜を組み合わせた薄膜構造体の形成方法と、当該方法によって形成された薄膜構造体と、当該薄膜構造体をセンシング部に備えた振動センサ、圧力センサ及び加速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動センサや加速度センサ、ジャイロセンサ等では、センシング部にポリシリコン薄膜を用いたものがあり、これらのセンサではポリシリコン薄膜の周囲が基板に保持されていてポリシリコン薄膜が３次元的な構造体を成している。このような用途のポリシリコン薄膜では、電気信号を外部へ取り出す必要から、電気的に導通化されていなければならない。ポリシリコン薄膜を導通化する方法としては、不純物をドープすることによってポリシリコン薄膜中に不純物を拡散させる方法が一般的である。
【０００３】
しかしながら、ポリシリコン薄膜に不純物を導入して導通化させると、この導通化処理によってポリシリコン薄膜の内部に圧縮応力が発生するため、各種センサに不具合をもたらす。例えば、振動センサ（マイクロフォン）やジャイロセンサ等の振動型のセンサでは、導通化されたポリシリコン薄膜が振動膜として用いられているが、これらの振動型のセンサではポリシリコン薄膜の内部応力が振動特性に大きく影響を与え、センサ精度に影響する。特に、ポリシリコン薄膜に圧縮応力が生じている場合には、振動膜が座屈を起こして全く振動が起こらなくなる恐れがある。また、加速度センサ（櫛歯型加速度センサ）等の静電容量型のセンサでは、ポリシリコン薄膜に圧縮応力が生じると圧縮応力の影響を受けてポリシリコン薄膜が反ったり座屈を起こしたりし、センシング部の静電容量が変化してセンサ精度に大きく影響する。
【０００４】
このように、センシング用に用いられるポリシリコン薄膜では電気信号を取り出すために導電性が必要であるが、導電性を持たせるために不純物を導入すると、不純物導入後の熱処理によってポリシリコン薄膜に圧縮応力が発生し、センサ精度に悪影響をもたらす。逆に、ポリシリコン薄膜に引張応力を維持させようとすれば、ポリシリコン薄膜に導電性を付与することが困難になり、相反する問題があった。
【０００５】
このため特許文献１に開示された発明では、図１に示すように、同条件で成膜された複数のポリシリコン薄膜１３、１５、１７、１９と補助層１４、１６、１８とを組み合わせた薄膜構造体を犠牲層１２を介して基板１１の上に形成し、ポリシリコン薄膜１３、１５、１７、１９と補助層１４、１６、１８とを組み合わせることによって低応力の薄膜構造体を実現しようとしている。
【０００６】
しかしながら、このような薄膜構造体では、その内部に生じる応力の制御と電気抵抗の低抵抗化の工程を両立させることができなかった。特許文献１に記載されている方法では、薄膜構造体の電気抵抗を下げるために、それぞれ相応する部分層の析出後に不純物を注入したり、薄膜構造体全体が完成した後で注入したりしているが、このような方法では任意の引張応力を得ることはできなかった。その理由は、リン（Ｐ）などの不純物は、圧縮元として働くため、不純物を導入された膜に圧縮応力が生じ、弱い引張応力を実現できないからである（非特許文献１参照）。また、このような薄膜構造体では、補助層１４、１６、１８が妨げとなって不純物の拡散が進行しなかったり、不純物を拡散させる工程でポリシリコン薄膜１３、１５、１７、１９の応力変化が大きくなり、応力制御が困難であった。
【０００７】
また、別な方法としては、特許文献２に開示されているような方法が提案されている。この方法では、図２に示すように、基板２１の上に多層のポリシリコン薄膜２２〜２７を積層している。そして、ＬＰＣＶＤ法で成膜されるポリシリコン薄膜は、成膜条件を変化させることによって圧縮応力にも引張応力にもなることを利用し、各ポリシリコン薄膜２２〜２７の成膜時の温度を変化させることにより、圧縮応力を持つ薄膜と引張応力を持つ薄膜とを生成させ、これらを組み合わせることによって低応力の薄膜構造体を実現しようとしている。
【０００８】
しかしながら、ポリシリコン薄膜は、不純物を導入した後、その不純物を熱拡散させないと抵抗値が高くなるので、このような方法で作製された薄膜構造体は抵抗値が高く、電気信号を取り出す必要のあるセンシング用デバイスとしては使用できなかった。すなわち、特許文献２のような方法では、引張応力を持つポリシリコン薄膜と圧縮応力を持つポリシリコン薄膜との間に自然酸化膜などの補助層が存在しないことを特徴としており、ポリシリコン薄膜の各層を連続的に成膜している。そのため、ポリシリコン薄膜の各層を成膜する途中でポリシリコン薄膜を導通化処理することはできず、薄膜構造体を導通化することができなかった。この方法でも、ポリシリコン薄膜の応力を制御することが困難で弱い引張応力を有する薄膜構造体を得ることは難しかった。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５,７５３,１３４号明細書（特開平７−２１１７０９号公報）
【特許文献２】米国特許第６,２６８,０６８号明細書
【非特許文献１】Control of Residual Stress of Polysilicon Thin Films by Heavy Doping in Surface Micromaching; M. Orpana and A. O. Korhonen; Proceedings International Conference Solid-State Sensors & Actuators (Transducers '91), San Francisco, California, 1991 (IEEE, New York, 1991) p.957-960
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、機械的応力が制御された弱い引張応力を持ち、かつ、導通化された薄膜構造体を形成するための方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る薄膜構造体の形成方法は、基板の上に下層膜と上層膜とからなる薄膜構造体を形成するための方法であって、基板の上にポリシリコン薄膜からなる下層膜を形成する工程と、前記下層膜に不純物をドープして熱拡散させることにより前記下層膜を導通化させる工程と、前記下層膜の上に、導通化されておらず、かつ、前記下層膜の圧縮応力と同程度の引張応力を有する、ポリシリコン薄膜からなる上層膜を形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１２】
本発明によれば、下層膜に不純物をドープして熱拡散させることにより下層膜を導通化しているので、下層膜と上層膜とからなる薄膜構造体に導電性を持たせることができ、薄膜構造体の変形量等を検出するための電気信号を薄膜構造体から取り出すことができる。
【００１３】
一方、上層膜は導通化されないので、導通化のために熱処理を行なう必要がなく、しかも、上層膜は下層膜を導通化処理した後で下層膜の上に成膜されるので、下層膜を導通化する際の熱処理を被ることがない。よって、下層膜には導通化のための熱処理によって圧縮応力（膜応力）が発生するが、上層膜には圧縮応力が発生せず、引張応力が維持される。そして、上層膜の引張応力が下層膜の圧縮応力と同程度となるように応力を制御することにより、薄膜構造体の全体としての応力を小さくすることができる。その結果、本発明の方法によって形成された薄膜構造体にあっては、圧縮応力によって座屈等が生じて変形しにくくなったりしにくく、センシング用デバイスに用いられた場合には、計測精度を向上させることができる。
【００１４】
従って、本発明によれば、薄膜構造体の内部応力を良好に制御することと、薄膜構造体に導電性を持たせることとを両立させることが可能になる。
【００１５】
本発明に係る薄膜構造体の形成方法のある実施態様は、前記薄膜構造体が、全体として引張応力を有するように調整されていることを特徴としている。このような実施態様によれば、薄膜構造体が弱い引張応力を持つことになるので、薄膜構造体が張られた状態となり、薄膜構造体に座屈等が起きず、薄膜構造体が外力によって変形し易くなる。
【００１６】
本発明に係る薄膜構造体の形成方法の別な実施態様は、前記下層膜に不純物をドープした後、不純物を熱拡散させる前に、前記下層膜の上面に欠陥防止膜を形成することを特徴としている。このような実施態様によれば、熱処理時に下層膜の表層に結晶欠陥が導入されるのを防ぐことができる。
【００１７】
本発明に係る薄膜構造体の形成方法のさらに別な実施態様は、前記欠陥防止膜の上に前記上層膜を形成した後、前記欠陥防止膜をエッチングストップ層として上層膜の一部をエッチング除去することにより前記下層膜の一部を前記上層膜から電気的に露出させることを特徴としている。ここで電気的に露出させるとは、下層膜の一部を上層膜の除去部分から直接露出させる場合と、上層膜の除去部分で下層膜の一部が導電性材料で覆われている場合とをさす。このような実施態様によれば、導電性を有しない上層膜をエッチング除去することにより下層膜を電気的に露出させているので、容易に下層膜を外部の回路などに接続することができる。また、欠陥防止膜をエッチングストップ層として上層膜をエッチング除去するので、上層膜を時間制御によりエッチングする場合に比べて上層膜だけを簡単かつ正確にエッチングすることができる。
【００１８】
本発明に係る薄膜構造体の形成方法のさらに別な実施態様は、前記不純物を熱拡散させた後に、一部を残して前記欠陥防止膜をエッチング除去し、前記欠陥防止膜の上から前記下層膜の上に前記上層膜を形成し、前記欠陥防止膜をエッチングストップ層として上層膜の一部をエッチング除去することにより前記下層膜の一部を前記上層膜から電気的に露出させることを特徴としている。ここで電気的に露出させるとは、下層膜の一部を上層膜の除去部分から直接露出させる場合と、上層膜の除去部分で下層膜の一部が導電性材料で覆われている場合とをさす。このような実施態様によれば、導電性を有しない上層膜をエッチング除去することにより下層膜を電気的に露出させているので、容易に下層膜を外部の回路などに接続することができる。また、欠陥防止膜をエッチングストップ層として上層膜をエッチング除去するので、上層膜を時間制御によりエッチングする場合に比べて上層膜だけを簡単かつ正確にエッチングすることができる。
【００１９】
本発明に係る薄膜構造体の形成方法のさらに別な実施態様は、前記下層膜を形成する前又は後に、前記下層膜を導通化させた後に下層膜と電気的に導通する電気配線部を前記基板の上に形成しておき、前記電気配線部の上に前記上層膜を形成し、前記電気配線部を前記上層膜から露出させることを特徴としている。このような実施態様によれば、電気配線部を通じて下層膜と外部の回路とを接続することが可能になる。
【００２０】
本発明に係る薄膜構造体の形成方法によって作製された薄膜構造体は、振動センサや圧力センサ、加速度センサのセンシング部に用いることができ、これらセンサの計測精度を向上させることができる。
【００２１】
なお、本発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
図３は本発明の実施例１を示す概略断面図であって、本発明に係る薄膜構造体Ａを備えたセンシング用デバイス３１を表わしている。実施例１においては、基板３２の上面に薄膜構造体Ａが形成されている。基板３２はＳｉ基板等の半導体基板、金属基板、セラミック基板等からなり、上下に貫通した貫通孔３３を有している。基板３２の上面には酸化物や窒化物等からなる薄い絶縁膜３４が形成されており、絶縁膜３４の上面に薄膜構造体Ａが設けられている。薄膜構造体Ａは下層膜３５の上面に上層膜３６を積層したものであって、周縁部を基板３２の絶縁膜３４の上に積層されていて基板３２の貫通孔３３上面を覆っている。
【００２４】
薄膜構造体Ａを構成する下層膜３５は、ポリシリコン（多結晶Ｓｉ）薄膜からなり、ポリシリコン薄膜に不純物をドーピングして熱拡散させることによって電気的に導通化されている。上層膜３６もポリシリコン薄膜からなるが、上層膜３６は成膜されただけの膜（AsDepo膜）であって、不純物を導入されていない。上層膜３６は、成膜されただけのポリシリコン薄膜であるから、導電性を有していない。また、薄膜構造体Ａは、貫通孔３３と対向する領域の外側において上層膜３６を部分的に開口されており、当該開口部３７から導電性を有する下層膜３５を露出させることにより電極取出し部４２を形成しており、下層膜３５を外部の電気回路等に接続できるようにしている。
【００２５】
成膜されただけのポリシリコン薄膜は、導電性を有しておらず、かつ、内部応力が引張応力となっているが、導電性を持たせるために不純物をドーピングして熱拡散させると、熱拡散処理時の高温によってポリシリコン薄膜の内部応力は圧縮応力となる。従って、下層膜３５は導電性を有しているが、圧縮応力を有している。これに対し、上層膜３６は導電性を有していないが、引張応力を有している。
【００２６】
センシング用デバイスのセンシング部で用いられる薄膜構造体Ａは、大きな圧縮応力を有していると、外力に応じて敏感に変形しにくくなって計測精度や特性がばらついたり、あるいは薄膜構造体Ａの座屈により計測不能となったりする恐れがある。そのため、本発明においては、圧縮応力を有する下層膜３５と引張応力を有する上層膜３６とを組み合わせて上層膜３６の引張応力と下層膜３５の圧縮応力とがほぼ同程度となるように制御し、導電性を有する薄膜構造体Ａの応力が小さくなるようにしている。好ましくは、薄膜構造体Ａの全体としての応力が弱い引張応力を持つようにするか、全体としての応力がほぼゼロとなるようにすればよい。しかし、その程度は一般的にはセンシング用デバイスのセンシング部で必要とされる引張応力の大きさとなるようにすればよい。振動センサや圧力センサ等を考えた場合には、あまり引張応力が大きいと感度が低下する恐れがあるので、全体として弱い引張応力が得られるようにするのが望ましく、特にほぼ０ＭＰａに近い引張応力となるようにするのが望ましい。
【００２７】
よって、このような構造によれば、導電性を有し、かつ全体として引張応力を有する薄膜構造体Ａを作製することができ、センシング用デバイス３１のセンシング部に使用するために好適な薄膜構造体Ａを得ることができる。
【００２８】
つぎに、上記のような構造の薄膜構造体Ａを製作するための製造方法の一例を、図４（ａ）〜図４（ｃ）、図５（ａ）〜図５（ｃ）、図６（ａ）及び図６（ｂ）により説明する。基板３２としては、Ｓｉ基板を用いている。まず、基板３２の上面にＳｉＯ２膜やＳｉＮ膜からなる絶縁膜３４を常法により形成する（図４（ａ））。なお、成膜方法によっては、裏面にも膜が形成されるが、図中では省略する。（以下、同様）。ついで、絶縁膜３４の上面にポリシリコンを堆積させて下層膜３５を形成する（図４（ｂ））。下層膜３５の成膜条件には大きな制約はないが、不純物のドーピングと熱拡散の工程を経た後に、弱い圧縮応力となるように制御することが望ましい。一般的には、ＬＰＣＶＤ法（減圧化学的気相堆積法）で下層膜３５を成膜すればよい。薄膜は成膜温度が低いと成膜速度が遅く、生産性が悪くなるので、下層膜３５は、ある程度高い温度（５８０℃以上）で成膜し、生産性を高めることが望ましい。具体的には、材料ガスとしてＳｉＨ４を用い、温度６２０℃、圧力３００ｍＴｏｒｒの条件下で、ＬＰＣＶＤ法により下層膜３５を成膜する。
【００２９】
ついで、Ｐ（リン）、Ｂ（ホウ素）等を下層膜３５にイオン注入することにより、もしくはＰＳＧ、ＢＳＧ、ＰＯＣｌ３などの不純物ソースを下層膜３５の上に堆積させることにより、下層膜３５にＰ、Ｂなどの不純物を導入する。具体的には、図４（ｃ）に示すように、下層膜３５の上面に不純物ソース３８としてリンガラス（ＰＳＧ）を堆積させ、下層膜３５をＰＨ３とＯ２の混合ガス雰囲気中において９５０℃の温度で１５分間加熱処理し、下層膜３５の表層部にＰイオンをドーピングした。この後、不純物ソース３８（リンガラス）はフッ酸水溶液に浸漬して除去した（図５（ａ））。
【００３０】
つぎに、不純物ソース３８を除去した後の下層膜３５の上面に欠陥防止膜３９を形成する（図５（ｂ））。欠陥防止膜３９を形成する方法としては、下層膜３５を形成された基板３２をファーネス炉やRapid Thermal Anneal 装置などの加熱炉に入れ、加熱炉にＯ２ガスを流して下層膜３５の表面に酸化膜を形成し、この酸化膜を欠陥防止膜３９とする。具体的には、７００Åの膜厚のＳｉＯ２膜を形成した。そして、そのまま加熱炉で下層膜３５を加熱して熱処理を行い、下層膜３５の表層部に導入されていたＰ等の不純物を下層膜３５内に拡散させる（図５（ｂ））。具体的には、ファーネス炉に基板３２を入れ、Ｎ２ガス雰囲気中で１１００℃の温度で２時間熱処理を行なった。この熱処理（アニール）には、不純物を下層膜３５内に熱拡散させて下層膜３５を導通化すると共に、不純物の導入によって下層膜３５に生じた結晶欠陥などを除去する効果がある。また、熱処理時に下層膜３５の表面を欠陥防止膜３９で覆っておくことにより、不純物が下層膜３５から蒸発して抜けるのを防止し、また熱処理時に結晶欠陥が下層膜３５に導入されるのを防ぐことができる。
【００３１】
下層膜３５は成膜時には引張応力を有しているが、１０００℃を超える高温で熱処理される結果、下層膜３５の内部応力の絶対値は次第に小さくなり、ついには圧縮応力に転化する。従って、上記熱処理は、下層膜３５に充分な導電性が得られ、かつ、できるだけ小さな圧縮応力となるように制御することが望まれる。なお、欠陥防止膜３９は形成しなくても差し支えない。
【００３２】
熱処理が完了すると、基板３２を加熱炉から取り出し、フッ酸水溶液などで欠陥防止膜３９を除去する。但し、この処理は空気中で行なわれるので、フッ酸水溶液で不純物ソース３８を除去した場合でも、下層膜３５の表面にはごくわずか（最大膜厚がほぼ５０Å）自然酸化膜が存在する。
【００３３】
ついで、下層膜３５の上面に応力値が引張応力となる条件でポリシリコン薄膜からなる上層膜３６を成膜する（図５（ｃ））。成膜されただけの上層膜３６が引張応力を持つようにするためには、ポリシリコンをアモルファス状態で堆積させ、堆積後に多結晶化させればよい。この条件は成膜時の温度が最も影響しており、成膜温度を５７０℃〜６２０℃とすればよい。具体的には、ＳｉＨ４のガス雰囲気中において、温度５８０℃、圧力３００ｍＴｏｒｒで、ＬＰＣＶＤ法により上層膜３６を成膜した。
【００３４】
また、こうして下層膜３５の上面に上層膜３６を成膜することによって得られた薄膜構造体Ａは、全体として弱い引張応力を持つように調整することが望ましい。そのためには、上層膜３６の引張応力が、下層膜３５の圧縮応力とほぼ等しいか、あるいは下層膜３５の圧縮応力よりも少し大きくなるようにすればよい。上層膜３６の応力は、成膜前に下層膜３５の応力値や膜厚を測定しておけば、その値に応じて調整できる。例えば、下層膜３５の圧縮応力（絶対値）が、目標値よりも大きかった場合には、上層膜３６の膜厚を厚くすることによって引張応力を強くすることにより、全体としての応力を目標値に制御することができる。下層膜３５の応力の測定方法は、例えば、基板３２の反りなどを測定することによって計測できる。
【００３５】
なお、上層膜３６は、成膜されただけの膜（AsDepo膜）のみならず、過度な高温でなければ熱処理を行って応力を緩和しても差し支えない。ただし、１,０００℃以上の高温は下層膜３５の不純物が上層膜にまで拡散して上層膜３６に圧縮応力を生じさせるので、上層膜３６の熱処理を１,０００℃以上の温度で熱処理することは避けなければならない。
【００３６】
つぎに、上層膜３６の上面にフォトレジストを塗布してレジストマスク４０を形成し、電極取出し部４２となる領域においてレジストマスク４０に透孔４１を開口し（図６（ａ））、レジストマスク４０の透孔４１を通して上層膜３６のみをエッチングにより除去し、透孔４１に対向させて上層膜３６に開口部３７をあける。下層膜３５をエッチングしないで上層膜３６だけをエッチングするには、例えばドライエッチングやウェットエッチングのエッチング時間を管理することによって行なう方法がある。例えば、上層膜３６のエッチング方法としてはドライエッチ ング(Reactive Ion Etching)法を用い、ポジレジストをレジストマスク４０にしてＳＦ６及びＯ２の混合ガスのプラズマでエッチングを行なえばよい。あるいは、ウェットエッチングを行なう場合には、酸化シリコン膜やチッ化シリコン膜をレジストマスク４０とし、ＴＭＡＨ、ＫＯＨなどで上層膜３６をエッチングすればよい。レジストマスク４０を上層膜３６の上面から剥離させれば、上層膜３６の開口部３７に下層膜３５が露出して電極取出し部４２が形成される（図６（ｂ））。
【００３７】
この後、基板３２を下面側からエッチングして基板３２に貫通孔３３を開口し、さらに絶縁膜３４、下層膜３５、上層膜３６等の不要部分をエッチングによって除去すれば、図３に示したようなセンシング用デバイス３１が得られる。基板３２と下層膜３５との間に絶縁膜３４が存在しなければ、ポリシリコンからなる下層膜３５及び上層膜３６の不要部分をエッチング除去するシリコンからなる基板３２もエッチングによって傷つけられる恐れがある。しかし、実施例１では、基板３２と下層膜３５の間に酸化膜や窒化膜からなる絶縁膜３４が形成されているので、ポリシリコンをエッチングするが絶縁膜３４をエッチングしないエッチャントを用いて上層膜３６及び下層膜３５の不要部分を選択的にエッチング除去した後、絶縁膜３４をエッチングするがシリコンをエッチングしないエッチャントを用いて絶縁膜３４の不要部分を選択的にエッチングすれば、基板３２を傷つけることなく上層膜３６等の不要部分を除去することができる。
【００３８】
なお、電極取出し部４２においては、下層膜３５の上にＡｕ、Ａｌ等の金属材料から成るワイヤーボンディングパッドを公知の方法にて形成してもよい。
【実施例２】
【００３９】
図７は本発明の実施例２を示す概略断面図であって、本発明に係る薄膜構造体Ａを備えたセンシング用デバイス５１を表わしている。実施例２のセンシング用デバイス５１は、下層膜３５と上層膜３６との間にエッチングストップ層５２を設けた点で実施例１と異なっている。実施例２によれば、エッチングストップ層５２を設けているので、上層膜３６に開口部３７をあける際、エッチング処理の時間管理を行なうよりも正確に上層膜３６のみをエッチングすることができる。
【００４０】
図８（ａ）〜図８（ｃ）及び図９（ａ）〜図９（ｄ）は実施例２のセンシング用デバイス５１の製造工程の一例を説明する概略断面図である。図８（ａ）は、実施例１における図４（ａ）〜図５（ｂ）の工程により絶縁膜３４の成膜、下層膜３５の成膜、不純物のドープ、欠陥防止膜３９の形成、不純物の熱拡散の処理を行なって基板３２の上面に導通化された下層膜３５を作製した後、表面の欠陥防止膜３９を除去した状態を表わしている。実施例２においては、この後下層膜３５の上面にエッチングストップ層５２を形成する（図８（ｂ））。エッチングストップ層５２は、上層膜３６のエッチングに用いるエッチング方法（エッチャント、エッチングガス等）によってエッチングされない材料で形成されていてもよく、上層膜３６のエッチングに用いるエッチング方法に対して上層膜３６のエッチングレートよりも非常に遅いエッチングレートを有する材料によって形成されていてもよい。なお、下層膜３５の上面に形成されていた欠陥防止膜３９を除去しないで残しておき、これをエッチングストップ層５２として利用してもよい。
【００４１】
ついで、エッチングストップ層５２の上面に上層膜３６を成膜し（図８（ｃ））、上層膜３６の上面をレジストマスク４０で覆ってレジストマスク４０に透孔４１を開口する（図９（ａ））。さらに、上層膜３６をエッチングするがエッチングストップ層５２をエッチングしないエッチャント又はエッチングガスを用いてレジストマスク４０の透孔４１から上層膜３６をエッチングする。例えば、エッチングストップ層５２が酸化膜である場合には、ＨＦ水溶液を用いてエッチングするか、もしくはＣＨＦ３及びＯ２の混合ガスのガスプラズマなどでエッチングを行なう。この結果、上層膜３６に開口部３７があけられるが、エッチングストップ層５２はエッチングされないので、上層膜３６の下面までエッチングが進行して開口部３７内にエッチングストップ層５２が露出したときにエッチングは停止する（図９（ｂ））。エッチングが終了したら、レジストマスク４０を上層膜３６上面から剥離させる（図９（ｃ））。
【００４２】
実施例２では、下層膜３５と上層膜３６の間にエッチングストップ層５２を設けているので、上層膜３６をエッチングしたときエッチングがエッチングストップ層５２まで達したときに自然に停止する。よって、実施例１のように上層膜３６だけがエッチングされるようにエッチング時間を管理する必要が無く、簡単かつ安定に上層膜３６をエッチングして開口部３７を形成することができる。
【００４３】
この後、エッチングストップ層５２をエッチングするが下層膜３５をエッチングしないエッチャント又はエッチングガスを用いてウェットエッチング又はドライエッチングし、上層膜３６をマスクとしてエッチングストップ層５２を選択的にエッチングし、開口部３７内のエッチングストップ層５２を除去し、開口部３７内に下層膜３５を露出させて電極取出し部４２を作製する。なお、エッチングストップ層５２が導電性を有する場合には開口部３７内のエッチングストップ層５２を除去することなく残しておいてもよく、その場合には図９（ｄ）の工程は省略することができる。この後、基板３２に貫通孔３３を開口させると共に、絶縁膜３４、下層膜３５、エッチングストップ層５２、上層膜３６等の不要部分を除去することによって図７に示すようなセンシング用デバイス５１が得られる。
【００４４】
図１０は実施例２の変形例によるセンシング用デバイス６１の概略断面図を示し、図１１（ａ）〜図１１（ｃ）及び図１２（ａ）〜図１２（ｄ）はその製造工程の一部を表わしている。実施例２では下層膜３５の上面全体にエッチングストップ層５２が残っていたが、図１０に示す変形例では開口部３７の下面にのみエッチングストップ層５２が残っている。すなわち、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、導通化された下層膜３５の上面全体にエッチングストップ層５２を形成した後、電極取出し部４２となる領域を残してそれ以外の領域のエッチングストップ層５２をフォトリソグラフィ技術を用いて除去する（図１１（ｃ））。そして、この部分的に形成されたエッチングストップ層５２の上から下層膜３５の上に上層膜３６を成膜し（図１２（ａ））、この後実施例２の場合と同様にしてセンシング用デバイス６１を作製する（図１２（ｂ）〜図１２（ｄ））。但し、この変形例では導電性を有する材料によってエッチングストップ層５２を形成した場合を考えているので、開口部３７内にエッチングストップ層５２を残しているが、エッチングストップ層５２が導電性を有しない場合には、開口部３７内のエッチングストップ層５２も最終的に除去すればよい。
【実施例３】
【００４５】
図１３は本発明の実施例３を示す概略断面図であって、本発明に係る薄膜構造体Ａを備えたセンシング用デバイス７１を表わしている。実施例３のセンシング用デバイス７１は、薄膜構造体Ａから電気配線部７２を引き出すようにしており、電気配線部７２に外部の回路を接続して薄膜構造体Ａからの電気信号を電気配線部７２から取り出すことができる。
【００４６】
図１４（ａ）〜図１４（ｃ）及び図１５（ａ）〜図１５（ｂ）は実施例３のセンシング用デバイス７１の製造工程の一例を説明する概略断面図である。この実施例では、基板３２上面の絶縁膜３４の上に電気配線部７２とエッチングストップ層５２を形成した後、エッチングによって電気配線部７２及びエッチングストップ層５２の不要部分を除去している（図１４（ａ））。電気配線部７２は金属薄膜や導通化されたポリシリコンなどの導電性を有する材料であればよいが、後の熱処理に耐える材料を考えると導通化されたポリシリコンが望ましい。電気配線部７２の一部は薄膜構造体Ａの形成される領域内に設けられ、残りが薄膜構造体Ａの形成される領域の外側の領域に設けられている。また、エッチングストップ層５２は、電気配線部７２の上面のうち、薄膜構造体Ａの形成される領域の外側の領域に形成されている。この後、実施例１の場合と同様にして、基板３２の上に下層膜３５が成膜され、下層膜３５が不純物の熱拡散によって導通化され、その上に上層膜３６が成膜される（図１４（ｂ））。
【００４７】
ついで、上層膜３６の上面にフォトレジストを塗布してレジストマスク４０で上層膜３６を覆い、エッチングストップ層５２と対向する領域（あるいは、電気配線部７２の薄膜構造体Ａから露出させられる領域）でレジストマスク４０を除去する（図１４（ｃ））。そして、上層膜３６及び下層膜３５をエッチングするがエッチングストップ層５２をエッチングしないエッチャント又はエッチングガスを用いてレジストマスク４０から露出した上層膜３６及び下層膜３５をエッチング除去する。例えば、エッチングストップ層５２が酸化膜である場合には、ＨＦ水溶液を用いてエッチングするか、もしくはＣＨＦ３及びＯ２の混合ガスのガスプラズマなどでエッチングを行なう。この結果、上層膜３６及び下層膜３５の一部が除去されてエッチングストップ層５２が露出させられる（図１５（ａ））。
【００４８】
エッチングが終了したら、レジストマスク４０を上層膜３６上面から剥離させる。そして、エッチングストップ層５２をエッチングするが電気配線部７２をエッチングしないエッチャント又はエッチングガスを用い、上層膜３６及び下層膜３５をマスクとしてウェットエッチング又はドライエッチングし、エッチングストップ層５２を選択的にエッチング除去し、電気配線部７２を露出させる（図１５（ｂ））。こうして、電気配線部７２の一部は下層膜３５と電気的に接触しており、それ以外の部分が薄膜構造体Ａから露出する。
【００４９】
最後に、基板３２に貫通孔３３を開口させると共に、絶縁膜３４、下層膜３５、上層膜３６等の不要部分を除去することによって図１３に示すようなセンシング用デバイス７１が得られる。
【実施例４】
【００５０】
図１６は本発明にかかる振動センサ８１を示す概略断面図である。この振動センサ８１は、例えば小型のマイクロフォンとして使用される。この振動センサ８１は本発明に係るセンシング用デバイス、例えば実施例１のセンシング用デバイス３１を用いて構成されており、薄膜構造体Ａの上にＳｉＯ２からなるスペーサ８２を介してバックプレート８３を設けたものであり、バックプレート８３には通気口８４が開口されている。バックプレート８３は金属や導通化されたポリシリコン等によって形成されていて導電性を有している。そして、薄膜構造体Ａ（下層膜３５）とバックプレート８３によってセンシング用のコンデンサが形成されている。
【００５１】
この振動センサ８１にあっては、バックプレート８３側で音声振動を受け取るようになっている。音声振動が振動センサ８１に伝搬してくると、この音声振動は通気口８４から振動センサ８１内に伝搬し、薄膜構造体Ａを振動させる。そして、薄膜構造体Ａが音声振動と共振して振動することにより、バックプレート８３と薄膜構造体Ａとの間の静電容量が変化するので、この静電容量の変化を外部の回路で計測することにより音声振動を拾うことができる。
【００５２】
しかも、この振動センサ８１にあっては、薄膜構造体Ａに弱い引張応力を持たせることができるので。振動センサ８１の振動特性を改善して計測精度を向上させることができる。さらに、薄膜構造体Ａのバックプレート８３と対向する側の面（上層膜３６）が絶縁性又は低抵抗となっているので、振動センサ８１の耐電圧特性が良好となる。また、上層膜３６がパッシベーション膜の役割を兼ねるので、薄膜構造体Ａがバックプレート８３に接触した時に薄膜構造体Ａとバックプレート８３とが導通して電流が流れる恐れがない。
【実施例５】
【００５３】
図１７は本発明にかかる圧力センサ９１を示す概略断面図である。この圧力センサ９１は、薄膜構造体Ａの上にＳｉＯ２からなるスペーサ９２を介してバックプレート９３を設けたものであり、薄膜構造体Ａとバックプレート９３との間には基準圧力に保持された気密室９４が設けられている。バックプレート９３は金属や導通化されたポリシリコン等によって形成されていて導電性を有している。そして、薄膜構造体Ａ（下層膜３５）とバックプレート９３によってセンシング用のコンデンサが形成されている。
【００５４】
この圧力センサ９１では、薄膜構造体Ａの下面で検知しようとする圧力を受けるようになっており、薄膜構造体Ａの下面の圧力と気密室９４内の圧力との圧力差に応じて薄膜構造体Ａの撓み量が変化してバックプレート９３と薄膜構造体Ａとの間の静電容量が変化するし、この静電容量の変化を外部の回路で計測することにより圧力を計測することができる。
【００５５】
しかも、この圧力センサ９１にあっては、薄膜構造体Ａに弱い引張応力を持たせることができるので。圧力センサ９１が内部応力によって予め撓むことがなく、圧力センサ９１の計測精度を向上させることができる。さらに、薄膜構造体Ａのバックプレート９３と対向する側の面（上層膜３６）が絶縁性又は低抵抗となっているので、振動センサ９１の耐電圧特性が良好となる。また、上層膜３６がパッシベーション膜の役割を兼ねるので、薄膜構造体Ａがバックプレート９３に接触した時に薄膜構造体Ａとバックプレート９３とが導通して電流が流れる恐れがない。
【実施例６】
【００５６】
図１８は静電容量型の加速度センサ１０１の構造を示す平面図である。この加速度センサ１０１にあっては、基板３２の上面に固定電極１０３と可動電極１０５とが形成されている。この固定電極１０３及び可動電極１０５は、本発明の薄膜構造体によって形成されている。
【００５７】
可動電極１０５は、基板３２上面の中央部に配置されており、その両端は基板３２の上面に固定されている。可動電極１０５の中央部は櫛歯状をした可動部分１０６となっており、可動電極１０５の固定部分１０７と可動部分１０６の両端とはそれぞれ容易に変形するスプリングサスペンション部１０８を介してつながっている。可動電極１０５の可動部分１０６からは、両側方へ向けて一定ピッチで櫛歯電極１０９が延出されている。
【００５８】
固定電極１０３は、基板３２の上面において、可動電極１０５を挟むようにして可動電極１０５の両側に配置されている。各固定電極１０３からは、可動電極１０５に向けて一定ピッチ毎に櫛歯電極１０４が延出されている。可動電極１０５の櫛歯電極１０９と固定電極１０３の櫛歯電極１０４とは、噛み合わせるようにして交互に配置されている。
【００５９】
しかして、この加速度センサ１０１にあっては、図１８に示す矢印方向の加速度を感知すると、可動電極１０５の可動部分１０６が矢印方向に変位し、固定電極１０３の櫛歯電極１０４と可動電極１０５の櫛歯電極１０９との間の静電容量が変化する。加速度の大きさに応じて可動部分１０６の変位量が大きくなり、櫛歯電極１０４、１０９間の静電容量が変化するので、この静電容量の変化を計測することによって加速度を計測することができる。
【００６０】
このような構造の加速度センサ１０１においても、固定電極１０３や可動電極１０５（特に、可動電極１０５）に内部応力による撓み等が存在すると、検知精度に影響を及ぼすが、本発明の薄膜構造体によれば弱い引張応力を持たせることができるので、検知精度や信頼性を向上させることができる。
【実施例７】
【００６１】
図１９は静電容量型のジャイロセンサ１１１の構造を示す平面図である。このジャイロセンサ１１１にあっては、基板３２の上面中央部に櫛歯状をした駆動用固定電極１１７が設けられ、駆動用固定電極１１７からはその両側へ向けて一定ピッチで櫛歯電極１１４が延出されている。駆動用固定電極１１７の両側には、可動電極１１５を間に挟んで、櫛歯状をした固定電極１１３が設けられており、各固定電極１１３からも櫛歯電極１１４が一定ピッチで延出されている。
【００６２】
駆動用固定電極１１７と検知用電極１１３との間に配置された可動電極１１５は、導通化されたポリシリコンで形成されており、可動電極１１５の振動部１１６はその両端を２本の細いビーム１１８を介して基板３２に保持されている。振動部１１６は櫛歯状をしており、両側へ向けて一定ピッチ毎に櫛歯電極１１９が延出されている。可動電極１１５の櫛歯電極１１９と固定電極１１３の櫛歯電極１１４とは、噛み合わせるようにして交互に配置されている。上記駆動用固定電極１１７、検知用固定電極１１３及び可動電極１１５が本発明の薄膜構造体によって形成されている。
【００６３】
しかして、このジャイロセンサ１１１にあっては、駆動用固定電極１１７とその両側の振動板１１６の両櫛歯電極１１４、１１９間に振動駆動信号を印加し、左右の振動板１１６をｘ軸方向において逆位相、同振幅で振動させる。この状態でジャイロセンサ１１１がｙ軸方向の回りに回転すると、両振動板１１６にはｘ軸方向及びｙ軸方向に垂直なｚ軸方向に互いに逆向きのコリオリ力が発生する。このコリオリ力による振動板１１６のｚ軸方向の振動の向きと振幅を検知用固定電極１１３と可動電極１１５との間の静電容量の変化として検出することにより、ジャイロセンサ１１１に発生している角速度を検出できる。
【００６４】
このような構造のジャイロセンサ１１１においても、駆動用固定電極１１７、検知用固定電極１１３又は可動電極１１５（特に、可動電極１１５）に内部応力による撓み等が存在すると、検知精度に影響を及ぼすが、本発明の薄膜構造体によれば弱い引張応力を持たせることができるので、検知精度や信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は、従来例を説明する概略図である。
【図２】図２は、別な従来例を説明する概略図である。
【図３】図３は、発明の実施例１によるセンシング用デバイスを示す概略断面図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、実施例１によるセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｃ）は、実施例１によるセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図であって、図４（ｃ）の後の工程を表わしている。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、実施例１によるセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図であって、図５（ｃ）の後の工程を表わしている。
【図７】図７は、発明の実施例２によるセンシング用デバイスを示す概略断面図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｃ）は、実施例２によるセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図である。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｄ）は、実施例２によるセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図であって、図８（ｃ）の後の工程を表わしている。
【図１０】図１０は、実施例２の変形例によるセンシング用デバイスを示す概略断面図である。
【図１１】図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、実施例２の変形例によるセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図である。
【図１２】図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は、実施例２の変形例によるセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図であって、図１１（ｃ）の後の工程を表わしている。
【図１３】図１３は、本発明の実施例３によるセンシング用デバイスを示す概略断面図である。
【図１４】図１４（ａ）〜図１４（ｃ）は、実施例３のセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図である。
【図１５】図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、実施例３のセンシング用デバイスの製造工程を説明する概略断面図であって、図１４（ｃ）の後の工程を表わしている。
【図１６】図１６は、本発明にかかる振動センサを示す概略断面図である。
【図１７】図１７は、本発明にかかる圧力センサを示す概略断面図である。
【図１８】図１８は、静電容量型の加速度センサの構造を示す平面図である。
【図１９】図１９は、静電容量型のジャイロセンサの構造を示す平面図である。
【符号の説明】
【００６６】
３１ センシング用デバイス
３２ 基板
３４ 絶縁膜
３５ 下層膜
３６ 上層膜
３７ 開口部
３８ 不純物ソース
３９ 欠陥防止膜
５１ センシング用デバイス
５２ エッチングストップ層
５３ 開口部
６１ センシング用デバイス
７１ センシング用デバイス
７２ 電気配線部
８１ 振動センサ
９１ 圧力センサ
１０１ 加速度センサ
１１１ ジャイロセンサ
Ａ 薄膜構造体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に下層膜と上層膜とからなる薄膜構造体を形成するための方法であって、
基板の上にポリシリコン薄膜からなる下層膜を形成する工程と、
前記下層膜に不純物をドープして熱拡散させることにより前記下層膜を導通化させる工程と、
前記下層膜の上に、導通化されておらず、かつ、前記下層膜の圧縮応力と同程度の引張応力を有する、ポリシリコン薄膜からなる上層膜を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする薄膜構造体の形成方法。
【請求項２】
前記薄膜構造体が、全体として引張応力を有するように調整されていることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜構造体の形成方法。
【請求項３】
前記下層膜に不純物をドープした後、不純物を熱拡散させる前に、前記下層膜の上面に欠陥防止膜を形成することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜構造体の形成方法。
【請求項４】
前記欠陥防止膜の上に前記上層膜を形成した後、前記欠陥防止膜をエッチングストップ層として上層膜の一部をエッチング除去することにより前記下層膜の一部を前記上層膜から電気的に露出させることを特徴とする、請求項３に記載の薄膜構造体の形成方法。
【請求項５】
前記不純物を熱拡散させた後に、一部を残して前記欠陥防止膜をエッチング除去し、前記欠陥防止膜の上から前記下層膜の上に前記上層膜を形成し、前記欠陥防止膜をエッチングストップ層として上層膜の一部をエッチング除去することにより前記下層膜の一部を前記上層膜から電気的に露出させることを特徴とする、請求項４に記載の薄膜構造体の形成方法。
【請求項６】
前記下層膜を形成する前又は後に、前記下層膜を導通化させた後に下層膜と電気的に導通する電気配線部を前記基板の上に形成しておき、前記電気配線部の上に前記上層膜を形成し、前記電気配線部を前記上層膜から露出させることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜構造体の形成方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の薄膜構造体の形成方法により作製されたことを特徴とする薄膜構造体。
【請求項８】
請求項７に記載の薄膜構造体をセンシング部に備えた振動センサ。
【請求項９】
請求項７に記載の薄膜構造体をセンシング部に備えた圧力センサ。
【請求項１０】
請求項７に記載の薄膜構造体をセンシング部に備えた加速度センサ。
【請求項１】
基板の上に下層膜と上層膜とからなる薄膜構造体を形成するための方法であって、
基板の上にポリシリコン薄膜からなる下層膜を形成する工程と、
前記下層膜に不純物をドープして熱拡散させることにより前記下層膜を導通化させる工程と、
前記下層膜の上に、導通化されておらず、かつ、前記下層膜の圧縮応力と同程度の引張応力を有する、ポリシリコン薄膜からなる上層膜を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする薄膜構造体の形成方法。
【請求項２】
前記薄膜構造体が、全体として引張応力を有するように調整されていることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜構造体の形成方法。
【請求項３】
前記下層膜に不純物をドープした後、不純物を熱拡散させる前に、前記下層膜の上面に欠陥防止膜を形成することを特徴とする、請求項１に記載の薄膜構造体の形成方法。
【請求項４】
前記欠陥防止膜の上に前記上層膜を形成した後、前記欠陥防止膜をエッチングストップ層として上層膜の一部をエッチング除去することにより前記下層膜の一部を前記上層膜から電気的に露出させることを特徴とする、請求項３に記載の薄膜構造体の形成方法。
【請求項５】
前記不純物を熱拡散させた後に、一部を残して前記欠陥防止膜をエッチング除去し、前記欠陥防止膜の上から前記下層膜の上に前記上層膜を形成し、前記欠陥防止膜をエッチングストップ層として上層膜の一部をエッチング除去することにより前記下層膜の一部を前記上層膜から電気的に露出させることを特徴とする、請求項４に記載の薄膜構造体の形成方法。
【請求項６】
前記下層膜を形成する前又は後に、前記下層膜を導通化させた後に下層膜と電気的に導通する電気配線部を前記基板の上に形成しておき、前記電気配線部の上に前記上層膜を形成し、前記電気配線部を前記上層膜から露出させることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜構造体の形成方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の薄膜構造体の形成方法により作製されたことを特徴とする薄膜構造体。
【請求項８】
請求項７に記載の薄膜構造体をセンシング部に備えた振動センサ。
【請求項９】
請求項７に記載の薄膜構造体をセンシング部に備えた圧力センサ。
【請求項１０】
請求項７に記載の薄膜構造体をセンシング部に備えた加速度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００７−２２５３６２（Ｐ２００７−２２５３６２Ａ）
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−４４８７０（Ｐ２００６−４４８７０）
【出願日】平成１８年２月２２日（２００６．２．２２）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２２日（２００６．２．２２）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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