MEMSセンサ
【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。
【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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【特許文献1】特開2005−283393号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
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。
【0013】
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、SiO2(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。
【0014】
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、SiO2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。
【0015】
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、SiO2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。
【0016】
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、SiO2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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
半導体層24上には、SiO2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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
基板2の裏面には、シリコン酸化膜(SiO2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。
【0023】
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。
【0024】
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SiO2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(SiO2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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1A】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】
【0032】
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
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【特許文献1】特開2005−283393号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
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。
【0013】
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、SiO2(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。
【0014】
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、SiO2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。
【0015】
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、SiO2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。
【0016】
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、SiO2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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
半導体層24上には、SiO2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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
基板2の裏面には、シリコン酸化膜(SiO2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。
【0023】
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。
【0024】
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SiO2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(SiO2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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1A】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】
【0032】
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
【特許請求の範囲】
【請求項1】
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。
【請求項2】
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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。
【請求項1】
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。
【請求項2】
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。
【請求項3】
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。
【請求項4】
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。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【公開番号】特開2010−107242(P2010−107242A)
【公開日】平成22年5月13日(2010.5.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−277134(P2008−277134)
【出願日】平成20年10月28日(2008.10.28)
【出願人】(000116024)ローム株式会社 (3,539)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年5月13日(2010.5.13)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年10月28日(2008.10.28)
【出願人】(000116024)ローム株式会社 (3,539)
【Fターム(参考)】
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