JPH04181136A - 圧力検出器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は圧力検出器およびその製造方法に関するもので
あり、例えば、基準圧力室を有する圧力検出器およびそ
の製造方法に用いられるものである。

〔従来の技術〕

従来、センサチンプに基準圧力室を有する圧力センサと
して、例えば特開平１−１３６０４３号公報に開示され
たものがある。この公報では、圧力を受ける受圧ダイヤ
フラムが窒化シリコン膜で形成されており、また歪みゲ
ージは多結晶膜で形成されている。

〔発明が解決しようとする課題］ ところが上述した従来のものでは、受圧ダイヤフラムが
窒化シリコン膜で形成されているために、温度特性によ
るバラツキが大きくなったり、経時変化等が発生したり
して、圧力測定を精度良く行うことができないという問
題がある。

また、歪みゲージ素子がポリシリコンで形成されている
ので、歪みゲージ素子の出力信号レベルが小さいものと
なってしまい、高感度に働き難いという問題がある。

そこで本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり
、圧力測定の精度を高めると共に、高感度な圧力検出器
およびその製造方法を提供することを目的とするもので
ある。

（課題を解決するための手段〕 そのため本発明は、請求項１記載の発明においては、 基板上に形成された単結晶層と、 基準圧力室として、前記単結晶層の所定部が除去されて
形成された空洞領域と、 前記空洞領域上の前記単結晶層に形成された受圧ダイヤ
フラムと、 前記受圧ダイヤフラムに形成され、前記受圧ダイヤフラ
ムの変位を検出する歪みゲージ素子とを備えることを特
徴とする圧力検出器を採用し、また、請求項２記載の発
明においては、単結晶で形成された第１の基板表面に、
受圧ダイヤフラムの膜厚に相当する深さの孔をエンチン
グにより形成する第１工程と、 前記孔と、基準圧力室が形成される圧力室形成領域と、
前記圧力室形成領域および前記孔を連通ずる連通路とを
エツチングして、前記孔をエツチング孔として形成する
第２工程と、 少なくとも前記エツチング孔に酸化膜を形成する第３工
程と、 前記第３工程を経た前記第１の基板の前記圧力室形成領
域が形成された側と、第２の基板とを貼り合わせる第４
工程と、 前記第１の基板の裏面より、前記エンチング孔に形成さ
れた前記酸化膜が露出するまで前記第１゛の基板の裏面
を研磨する第５工程と を含むことを特徴とする圧力検出器の製造方法を採用す
るものである。

〔作用〕

上記構成により、請求項１記載の発明においては、基板
上に単結晶層が形成され、この単結晶層には、基準圧力
室として、単結晶層の所定部が除去されて形成された空
洞領域と、この空洞領域上の単結晶層に形成された受圧
ダイヤフラムと、この受圧ダイヤフラムに形成され、受
圧ダイヤフラムの変位を検出する歪みゲージ素子とが形
成されている。

また請求項２記載の発明においては、第１工程によって
単結晶で形成された第１の基板表面に、受圧ダイヤフラ
ムの膜厚に相当する深さの孔をエツチングにより形成し
、第２工程によって孔と、基準圧力室が形成される圧力
室形成領域と、圧力室形成領域および孔を連通ずる連通
路とをエツチングして、孔をエツチング孔として形成し
ている。

そして、第４工程によって第３工程を経た第１の基板の
圧力室形成領域が形成された側と、第２の基板とを貼り
合わせ、第５工程によって第１の基板の裏面より、エツ
チング孔に形成された酸化膜が露出するまで第１の基板
の裏面を研磨している。

〔発明の効果〕

以上述べたように、請求項１記載の発明においては、受
圧ダイヤフラムは単結晶で形成されているために経時変
化等が発生し難いので、圧力測定の精度を高めることが
できるという優れた効果がある。また、歪みゲージ素子
も単結晶で形成されているために出力信号レベルが大き
くなるので、高感度に働かせることができるという優れ
た効果がある。

また請求項２記載の発明においては、受圧ダイヤフラム
の膜厚は、第１工程で行われるエツチングで設定される
。しかもそのエツチング量は受圧ダイヤフラムの膜厚と
いう極めて少ないエツチング量であるので、ドライエツ
チング等の精密なエツチング制御が行えるエンチング方
法を使用することができる。故に、受圧ダイヤフラムの
膜厚を高精度に形成することができ、圧力測定の精度を
高めることができるという優れた効果がある。

〔実施例〕

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例を表す圧力検出器の断面図で
あり、第２図は上記圧力検出器の平面図である。なお、
第２図におけるＡ−Ａ　′断面が第１図に示す断面図に
相当している。

第１図において、シリコン基板１６上には酸化膜８、酸
化膜２が順次形成されており、この酸化膜２上には、単
結晶シリコン３、基準圧力室１が形成されている。

この基準圧力室１内は真空状態もしくは所定ガスによる
充満状態となっており、単結晶シリコン３およびパッシ
ベーション膜５により封入されている。

基準圧力室１上には、受圧ダイヤフラム２１が形成され
ており、その内部の所定部には、歪みゲージ素子である
ピエゾ抵抗素子６が形成されている。そして、ピエゾ抵
抗素子６が圧力を検出した場合には、検出信号はＡ１配
線層７を介して外部に設けられたＣＰＵ等の信号処理回
路に出力される。

また、パッシベーション膜５と単結晶シリコン３との間
には、酸化膜４が形成されている。なお、ピエゾ抵抗素
子６は受圧ダイヤフラム２１の内部に設ける必要はない
。

上記構成を有する圧力検出器は、実際には第２図に示す
ような形態となっている。すなわち、基準圧力室１上に
は４つのピエゾ抵抗素子６が形成され、基準圧力室１の
周囲には、この圧力検出器を製造する過程で利用したエ
ツチング孔９およびエツチング液導入路１２が形成され
、各々は上述したパッシベーション膜５　（第１図）に
より埋め込まれている。

このように、本実施例における圧力検出器は、受圧ダイ
ヤフラムが単結晶シリコンで形成されているので、温度
特性によるバラツキや経時変化を極力抑えることができ
る。さらに、歪みゲージ素子であるは単結晶シリコンに
より形成されているので、検出信号レベルが太き（、高
感度に圧力を測定することができる。

次に、上述した第１図に示す圧力検出器の製造手順（第
１の製造方法）を第３図（ａ）〜（ｊ）を用いて説明す
る。なお、第３図（ａ）〜（ｊ）は、製造工程順に示し
た上記圧力検出器の断面図である。

（ダイヤフラム形成工程） まず第３図（ａ）に示すように、単結晶シリコン３上に
レジスト膜１０を塗布し、その後、エンチングによりエ
ンチング孔９の原型が形成される。

この工程で行うエツチング量は、結果的には受圧ダイヤ
フラムの膜厚に相当することになる。しかもこのエツチ
ング量は非常に小さいため、ドライエツチングを用いる
ことができ、容易に精密なエツチング制御が行うことが
できる。そして、この実施例ではエツチング量を１μｍ
としている。

なお、このダイヤフラム形成工程が第１工程に相当して
いる。

（基準圧力室形成工程） 次に第３図（ｂ）に示すように、レジスト膜１０を除去
した後、再びレジスト膜１１を塗布して、さらに１μｍ
のエツチング量でエツチングを行う。

この工程により、基準圧力室１の原型が形成される。

（エツチング液導入路形成工程） 次に第３図（Ｃ）に示すように、レジスト膜１１を除去
した後、さらにレジスト膜１３を塗布して、０．５μｍ
のエンチング量でパターニングを行う。

この工程により、エツチング液導入路１２が形成される
。

この段階で、エツチング液導入路１２の深さは０．５μ
ｍ、基準圧力室１の深さは１．５μｍ、およびエツチン
グ孔９の深さは２．５μｍとなっている。なお、上述し
た基準圧力室形成工程およびこのエツチング液導入路形
成工程が第２工程に相当している。

（酸化膜形成工程） 次に第３図（ｄ）に示すように、後工程でエツチング液
を入れた際に、受圧ダイヤフラムの膜厚が薄くなり過ぎ
るのを防止し、しかも後工程で行われる研磨の際にスト
ッパの役割を果たさせる為に、熱酸化処理を行って、酸
化膜１４を１０００人の膜厚で形成する。なお、この酸
化膜形成工程が第３工程に相当している。

（多結晶膜堆積工程） 次に第３図（ｅ）に示すように、酸化膜１４上に多結晶
シリコン１５を堆積させ、この多結晶シリコン１５を酸
化膜１４表面に約５０００人残すようにして研磨し、そ
の後、第３図げ）に示すように、熱酸化処理を施して酸
化膜２を形成する。

この時、単結晶シリコン３表面の酸化Ｗｉ１４に多結晶
シリコン１５の酸化ＷＸ２が到達するまで、熱酸化処理
を施している。この結果、酸化［２の膜厚は１μｍ程度
になる。

（貼り合わせ工程） 次に第３図（ｇ）に示すように、膜厚１μｍ程度の酸化
膜８を表面に有するシリコン基板１６と、上記工程を経
た単結晶シリコン３とをウェハ直接接合によって貼り合
わせる。続いて、エツチング孔９（第３図（Ｃ））の部
分に形成された酸化膜１４が露出するまで研磨を行う。

この時、表面研磨は選択研磨を用いることにより、酸化
膜１４が露出した時点で研磨が停止するようにすれば、
受圧ダイヤフラム２１は所望の膜厚となる。なお、この
貼り合わせ工程が第４工程および第５工程に相当してい
る。

（ピエゾ抵抗素子形成工程） 次に第３図（５）に示すように、通常のＩＣ製造プロセ
スを用いて、基準圧力室１上にピエゾ抵抗素子６と、酸
化膜４とを形成する。

（空洞領域形成工程） 次に第３図（ｉ）に示すように、エツチング孔９上に形
成された酸化膜４をフォトエツチング等により除去し、
続いて基準圧力室ｌ内に形成された多結晶シリコン１５
をウェットエツチングにより除去する。そして、さらに
ウェットエツチングを行って酸化膜１４を除去する。こ
こで、酸化膜２の膜厚は酸化膜１４の膜厚よりも非常に
厚く形成されているので、酸化膜２は一部は除去される
ものの大部分は残ったままとなる。

（封止工程） 次に第３図（ｊ）に示すように、Ａｆｆｉ配線層７をピ
エゾ抵抗素子６上に形成し、さらにパッシベーション膜
５を堆積して、ＡＩ！、配線層７を覆うと共にエツチン
グ孔９をパッシベーションＷｊＩ５で封止スる。

この際、パッシベーション膜５を形成する雰囲気は真空
状態に近いため、基準圧力室は真空状態を保持したまま
エツチング孔９は塞がれる。また、選択性のあるＣＶＤ
　（例えば選択タングステンＣＶＤ等）によって、エツ
チング孔９を封止してもよい。

以上述べたように、受圧ダイヤフラムの膜厚は初めのエ
ツチング（ダイヤフラム形成工程で行われるエツチング
）で決定される。しかもそのエツチング量は非常に小さ
いために、ドライエツチング等の精密なエツチング制御
が行えるエツチング方法を使用することができる。した
がって、受圧ダイヤフラムの膜厚を高精度に形成するこ
とが可能となる。

また上記製造方法を用いることにより、上記公報（特開
平１−１３６０４３号公報）に開示された製造工程では
実現できない、受圧ダイヤフラムおよび歪みゲージ素子
を単結晶膜にて形成した圧力検出器を製造することが可
能となる。

すなわち、上記公報による製造方法で窒化膜を単結晶膜
（例えば単結晶シリコン）に代用しようとすると、多結
晶ポリシリコン膜上に酸化膜を形成して再結晶成長によ
り単結晶シリコンを形成しなければならない。しかし、
そのためには単結晶シリコンのシード部が必要となるた
め、製造工程が増加してしまうという問題がある。しか
も、再結晶成長により構成された受圧ダイヤフラムは、
機械的強度が低く、随時圧力が加わる圧力検出器には不
向きである。

しかし、上記製造方法により、受圧ダイヤフラムおよび
歪みゲージ素子を単結晶膜にて形成した圧力検出器を製
造することが可能となる。

次に、上記圧力検出器の製造手順（第２の製造方法）に
ついて説明する。

第４図（ａ）〜（ｄ）は、製造工程順に示した圧力検出
器の断面図である。なお、この第２の製造方法は、上記
第１の製造方法における第３図（ｄ）に示す断面図のよ
うな圧力検出器を形成した後に行われるものである。

まず第４図（ａ）に示すように、酸化膜１４上に多結晶
シリコン１５を堆積させる。

次に第４図ら）に示すように、熱酸化処理を施して単結
晶シリコン３の表面に酸化膜２を形成し、膜厚１μｍ程
度の酸化膜８を表面に有するシリコン基板１６と、上記
工程を経た単結晶シリコン３とをウェハ直接接合によっ
て貼り合わせる。

続いて、エツチング孔９（第３図（Ｃ））の部分に形成
された酸化膜１４が露出するまで、表面研磨を行う。な
お、この時の研磨は、選択研磨を用いることにより酸化
膜１４が露出した時点で研磨が停止するようになってい
る。

次に第４図（Ｃ）に示すように、エツチングによりトレ
ンチ１７を形成する。このトレンチ１７は、酸化膜２に
達する深さを有している。

次に第４図（ｄ）に示すように、単結晶シリコン３の表
面を酸化させ、酸化膜１８によってトレンチ１７を埋め
込む。そしてこれ以後は、上記一実施例におけるピエゾ
抵抗素子形成工程および空洞化工程を経ることにより、
圧力検出器を製造する。

この実施例における圧力検出器は、トレンチ１７および
酸化膜２により周囲が囲まれているので、他の領域に対
して絶縁分離させることができる。

したがって、例えばこの圧力検出器の隣接領域にトラン
ジスタ等の半導体素子を形成することができる。

次に、上記圧力検出器の製造手順（第３の製造方法）に
ついて説明する。

第５図（ａ）、ら）は、製造工程順に示した圧力検出器
の断面図である。なお、この第３の製造方法は、上記第
１の製造方法における第３図（ｄ）に示す断面図のよう
な圧力検出器を形成した後に行われるものである。

まず第５図（ａ）に示すように、酸化膜１４上に多結晶
シリコン１５を堆積させる。続いてその表面を研磨し、
その後レジスト膜１９を塗布する。次に、レジスト膜１
９が塗布されていない部分にホウ素（Ｂ゛）を高濃度に
打ち込んで、高濃度の多結晶シリコン２０を形成する。

次に第５図（ｂ）に示すように、レジスト農工９を除去
した後、熱酸化処理を施して単結晶シリコン３の表面に
酸化膜２を形成し、膜厚ｌｕｍ程度の酸化膜８を表面に
有するシリコン基Ｆｉ１６と、上記工程を経た単結晶シ
リコン３とをウェハ直接接合によって貼り合わせる。

続いて、エツチング孔９（第３図（Ｃ））の部分に形成
された酸化膜１４が露出するまで、表面研磨を行う。な
お、この時の研磨は、選択研磨を用いることにより酸化
膜１４が露出した時点で研磨が停止するようになってい
る。そしてこれ以後は、上記一実施例におけるピエゾ抵
抗素子形成工程および空洞化工程を経ることにより、圧
力検出器を製造する。

この時空洞化工程では、多結晶シリコン１５および多結
晶シリコン２０の濃度差を利用した選択エツチングを行
う。これは、高濃度になった多結晶シリコン２０はアル
カリエツチング（ＫＯＨ２ＮａＯＨ等）されにくいので
、これを利用して多結晶シリコン１５を除去するもので
ある。

この製造方法を用いると、第３図（ｆ）に示す断面図の
ような圧力検出器を形成する工程で行われる熱酸化処理
の制御が不要となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を表す圧力検出器の断面図
、第２図は、上記一実施例における圧力検出器の平面図
、第３図（ａ）〜（ｊ）は、第１の製造方法に沿って製
造工程順に示した上記圧力検出器の断面図、第４図（ａ
）〜（ハ）は、第２の製造方法に沿って製造工程順に示
した上記圧力検出器の断面図、第５図（ａ）、（ｂ）は
、第３の製造方法に沿って製造工程順に示した上記圧力
検出器の断面図である。 １・・・基準圧力室、３・・・単結晶層、６・・・ピエ
ゾ抵抗素子（歪みゲージ素子）、２１・・・受圧ダイヤ
フラム。 代理人弁理士　　岡　部　　　隆 （ばか１名） 第　１　図 Ａ′ ／ 第２図 第　３　図（ｊ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に形成された単結晶層と、 基準圧力室として、前記単結晶層の所定部が除去されて
   形成された空洞領域と、 前記空洞領域上の前記単結晶層に形成された受圧ダイヤ
   フラムと、 前記受圧ダイヤフラムに形成され、前記受圧ダイヤフラ
   ムの変位を検出する歪みゲージ素子とを備えることを特
   徴とする圧力検出器。
2. （２）単結晶で形成された第１の基板表面に、受圧ダイ
   ヤフラムの膜厚に相当する深さの孔をエッチングにより
   形成する第１工程と、 前記孔と、基準圧力室が形成される圧力室形成領域と、
   前記圧力室形成領域および前記孔を連通する連通路とを
   エッチングして、前記孔をエッチング孔として形成する
   第２工程と、 少なくとも前記エッチング孔に酸化膜を形成する第３工
   程と、 前記第３工程を経た前記第１の基板の前記圧力室形成領
   域が形成された側と、第２の基板とを貼り合わせる第４
   工程と、 前記第１の基板の裏面より、前記エッチング孔に形成さ
   れた前記酸化膜が露出するまで前記第１の基板の裏面を
   研磨する第５工程と を含むことを特徴とする圧力検出器の製造方法。