JPH0750789B2 - 半導体圧力変換装置の製造方法 - Google Patents

半導体圧力変換装置の製造方法

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JPH0750789B2
JPH0750789B2 JP61168079A JP16807986A JPH0750789B2 JP H0750789 B2 JPH0750789 B2 JP H0750789B2 JP 61168079 A JP61168079 A JP 61168079A JP 16807986 A JP16807986 A JP 16807986A JP H0750789 B2 JPH0750789 B2 JP H0750789B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、圧力を電気信号に変換する圧力変換装置に関
し、特に半導体のセンサチップ内に基準圧力室を有する
半導体圧力変換装置の製造方法に関する。
〔従来技術〕
従来の圧力変換装置としては、例えば、第12図に示すご
ときものがある（例えば、特開昭58−63826号に記
載）。
第12図の装置は、絶対圧型の圧力変換装置であり、ピン
３及びパイプ11が設けられたハーメチックシールのステ
ム５に第２接着層８を介して台座４が接着され、さらに
その上に第１接着層７を介して圧力センサチップ１が接
着されている。
また、圧力センサチップ11の表面の入出力パッドとピン
３とは金ワイヤ２で接続されている。
また、キャップ６とステム５とは放電加工やハンダ付け
等で接着されており、真空中でハンダ９を用いて封止孔
12を封止することにより真空室10が形成されている。
上記の構造においては、真空室10が基準圧として真空に
なっており、パイプ11を通して外部圧力が圧力センサチ
ップ１の下部から印加されるようになっている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記のごとき従来の圧力変換装置、特に絶対圧型の圧力
変換装置においては、基準圧となる真空室を形成する必
要があり、しかもステム５と圧力センサチップ１との膨
張係数の違いによる熱応力を低減する必要があるため、
台座４及び第１接着層７、第２接着層８として熱膨張係
数の近い物質を選択する等の考慮を用いて実装しなけれ
ばならず、そのため圧力センサチップ１を実装するため
に多くのコストがかかるという問題があった。
本発明は上記のごとき従来技術の問題を解決するために
なされたものであり、実装が容易で低コスト化が可能な
半導体圧力変換装置の製造方法を提供することを目的と
するものである。
〔問題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するため、本発明においては、基板上
にセンサ部を形成するのと同時に基準圧力室も形成する
ように構成している。
すなわち、本発明の製造方法においては、センサチップ
内に基準圧力室を有する半導体圧力変換装置の製造方法
において、表面に絶縁層が形成された半導体基板上に第
１の半導体薄膜を形成する工程と、上記第１の半導体薄
膜のうち空洞領域となる部分の周囲を囲む領域に不純物
を注入する工程と、上記第１の半導体薄膜の上に、第１
の半導体薄膜とは異なる材質からなる第２の薄膜を形成
する工程と、上記第２の薄膜を選択的にエッチングし
て、上記第１の半導体薄膜のうち不純物を注入されてい
ない部分の上に位置する第２の薄膜の一部に小孔を形成
する工程と、上記小孔を通じて上記第１の半導体薄膜の
うち不純物を注入されていない部分をエッチングするこ
とにより、上記半導体基板と上記第１の半導体薄膜の不
純物を注入された領域と上記第２の薄膜とによって囲ま
れた上記空洞領域を形成する工程と、上記第２の薄膜上
に、上記の小孔を塞ぐように第３の薄膜を形成すること
によって上記空洞領域を密閉し、気密の基準圧力室を形
成する工程と、を備えるように構成している。
上記の構成により、通常のSiウェハの処理工程を用いて
基準圧力室となる空洞領域とダイアフラム部とを同時に
形成することが出来、本発明の圧力変換装置を同時に大
量生産することが可能となる。
〔発明の実施例〕
第１図は本発明の製造方法で製造した圧力変換装置の第
１の実施例図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図
である。
第１図において、Si基板21の表面に高濃度不純物拡散領
域22が形成され、これが下部電極となっている。
また、高濃度不純物拡散領域22の表面には下部絶縁層23
が形成され、その上には空洞領域25を取り囲むようにス
ペーサ領域24が形成されている。
このスペーサ領域24の上には上部絶縁層26が形成されて
おり、この上部絶縁層26の空洞領域25の上の部分には複
数の微細な孔27が所定のピッチで形成されている。
また上部絶縁層26の上には、所定の厚さ導電性の膜が形
成され、これが上部電極28となっている。なお、この上
部電極28を形成する際、空洞領域25は所定の基準圧（例
えば、10Torr以下の真空）にされた状態で密封される。
また、上部電極28の表面には表面保護用の表面絶縁層29
が形成され、更に、下部電極22及び上部電極28の表面に
形成されている絶縁層23及び29の一部にはコンタクト用
の孔が開けられ、下部電極22及び上部電極28はそれぞれ
金属配線30に接続されている。
次に、動作を説明する。
第１図の実施例においては、空洞領域25が基準圧力室
（真空）となり、上部絶縁層26、上部電極28及び表面絶
縁層29で構成されたダイアフラム31が印加される外部圧
力に応じて変位する。
例えば、外部圧力が大きくなればダイアフラム31はSi基
板21側に撓むことになる。
一方、下部電極22及び上部電極28間の静電容量Ｃは下部
電極22及び上部電極28間の距離をｄ、空気中の誘電率を
ε０、電極面積をＡとすれば、ｃ＝ε０ A/d ……（１） で表される。
従って、ダイアフラム31が外部圧力に応じて変位する
と、（１）式のｄが変化し、その結果静電容量Ｃが変化
することになる。すなわち、第１図の構造そのものが絶
対圧を検出する圧力変換装置の構造となっているので、
他に基準圧としての真空室を形成する必要がなくなり、
実装が大幅に簡略化される。
第２図は、本発明の装置を用いた場合の実装例を示す図
である。
第２図において、37は第１図に示したごときセンサチッ
プであり、このセンサチップ37はプラスチックパッケー
ジ34に接着層35を介して装着される。
この際、プラスチックパッケージ34とセンサチップ37間
の接着に気密性は必要とされない。ただし、プラスチッ
クパッケージ34とセンサチップ37との熱膨張係数の違い
による熱応力を緩和するため、接着層35の材質として
は、シリコン系もしくはテフロン系等の柔軟が望まし
い。
次に、第３図は本発明の製造方法の一実施例図であり、
前記第１図の装置を製造する製造工程を示す。
第３図において、まず、（ａ）ではSi基板21の表面に選
択的に高濃度不純物拡散領域22を形成する。この高濃度
不純物拡散領域22が下部電極となる。その後、表面を熱
酸化して下部絶縁層23を形成する。
次に、（ｂ）において、下部絶縁層23の表面にポリSi膜
を数μｍの厚さにCVD法で形成する。その後、フォトエ
ッチングによって所定の領域32のみを残す。また、空洞
領域となる部分33以外のポリSi部24には1020個／cm３以
上の高濃度のボロンをイオン注入法等で注入する。
次に、（ｃ）において、所定の領域32の表面に熱酸化法
もしくはCVD法等によってSiO2、Si3N4等から成る上部絶
縁膜26を形成する。また空洞領域となる部分33の上の上
部絶縁膜26には所定のピッチで微細な孔27を形成する。
この孔27を形成するエッチングの際には、横方向拡がり
を極力小さくするためにRIE（リアクティブ・イオン・
エッチング）法等のドライプロセスが望ましい。
次に、（ｄ）において、上記の孔27を通して空洞領域と
なる部分33をエッチングする。このエッチング液として
エチレンジアミン、KOH等の強アルカリエッチング液を
用いることにより、高濃度にボロンが導入された領域24
は殆どエッチングされることなく、空洞領域となる部分
33のみをエッチングすることが出来る。
次に、（ｅ）において、全体を真空装置で10Torr以下の
真空に保った状態で、真空蒸着、スパッタ、LPCVD、プ
ラズマCVD等によって所定の厚さの導電性の薄膜を形成
し、フォトエッチングによって所定の領域を残すことに
より上部電極28を形成する。この際、孔27を通して下部
絶縁層23の表面に膜が形成されると、この膜の持つ誘電
率によってセンサの特性にバラツキを生じるため、この
ような膜の形成は出来るだけ避ける必要がある。そのた
めには、孔27を出来るだけ小さくすること及び第４図に
示すように薄膜を斜め方向から蒸着もしくはスパッタす
ることが考えられる。
上記のように、真空中で上部電極28を形成して孔27を塞
ぐことにより、空洞領域33は真空状態で密封される。
次に、（ｆ）において、表面に熱酸化法、CVD法等を用
いて表面絶縁層29を形成し、その後、表面絶縁層29及び
下部絶縁層23の一部にフォトエッチングでコンタクト用
の孔開けを行なう。
次に、（ｇ）において、Al等の金属膜を形成し、フォト
エッチングによってパターニングすることにより、金属
配線30を形成する。
上記のようにして前記第１図のごとき装置が完成する。
なお、前記（１）式に示したごとく、この圧力変換装置
の出力は下部電極22と上部電極28との間隔ｄの逆数に比
例する。ｄの変位すなわち、外部圧力に対するダイアフ
ラム31の変位はダイアフラム31を構成している材質、ダ
イアフラム31のサイズ及び厚さに依存する。第１図の実
施例においては、上部絶縁層27の上に直接上部電極28を
形成し、ダイアフラムは上部絶縁層27、上部電極28及び
表面絶縁層29から成る３層構造となっているが、これは
３層に限定したものではなく何層で構成してもよい。
また、第１図の実施例においては、ダイアフラム31の形
状が方形であるが、他の形状、例えば円形等でもかまわ
ない。
また、第１図の実施例においては、下部電極としてSi基
板21の表面に形成された高不純物拡散領域22（Si基板と
反対導電型）を用いているが、例えば、第５図に示した
第２の実施例のようにSi基板21の表面に第２下部絶縁層
53を介して形成された導電性薄膜54を用いてもよい。
次に、第６図は本発明の第３の実施例図であり、（Ａ）
は断面図、（Ｂ）は平面図を示す。
第６図の実施例は、圧力の変化をダイアフラム上に形成
したピエゾ抵抗の抵抗変化として検出するものである。
第６図において、Si基板40の表面に下部絶縁層41が形成
され、その上部には空胴領域43を取り囲むようにスペー
サ領域42が形成されている。また、スペーサ領域42と空
洞領域43の上には上部絶縁層44が形成され、かつ空洞領
域43上の上部絶縁層44には複数の微細な孔45が所定のピ
ッチで形成されている。この上部絶縁層44の上には所定
の厚さの絶縁性の上部薄膜領域46が形成されている。こ
の上部薄膜領域46を形成する際、空洞領域43は所定の基
準圧にされた状態で密封される。
また、上部薄膜領域46の表面の所定の位置にはポリSiの
ピエゾ抵抗47が形成されている。このピエゾ抵抗47の表
面には、表面保護用の表面絶縁層48が形成され、表面絶
縁層48の一部にはコンタクト用の孔が開けられ、ピエゾ
抵抗47は金属配線49に接続されている。
第６図に示した実施例も前記第１図の実施例と同様に空
洞領域43が基準圧力室（真空）となり、上部絶縁層44、
上部薄膜領域46及び表面絶縁層48で構成されるダイアフ
ラム50が印加される外部圧力に応じて変位する。例え
ば、外部圧力が大きくなれば、ダイアフラム50はSi基板
40側に撓むことになる。このようにダイアフラム50が撓
めば、ダイアフラム50に応力が発生し、その結果ダイア
フラム50の表面に形成されたポリSiのピエゾ抵抗47の抵
抗値が変化し、それによって圧力を検出することが出来
る。すなわち、第６図の実施例も構造そのものが絶対圧
を検出する圧力変換装置となっている。従って、第１図
の場合と同様に実装が非常に容易になる。
次に、第７図は第６図の装置の製造工程を示す実施例図
である。
まず、（ａ）において、Si基板40の表面を熱酸化して下
部絶縁層41を形成する。
この下部絶縁層41の表面にポリSiを数μｍの厚さにCVD
法で形成する。その後、フォトエッチングによって所定
の領域51のみを残す。また、空洞領域になる部分52以外
のポリSi部42には1020個／cm３以上の高濃度のボロンを
イオン注入法等によって注入する。
次に、（ｂ）において、所定の領域51の表面に熱酸化法
もしくはCVD法等によってSiO2やSi3N4等から成る上部絶
縁膜44を形成する。また、空洞領域となる部分52上の上
部絶縁膜44には所定のピッチで微細な孔45を形成する。
この孔45を形成するエッチングの際には、横方向拡がり
を極力小さくするためにRIE法等のドライプロセスが望
ましい。
次に、（ｃ）において、上記の孔45を通して空洞領域と
なる部分52をエッチングする。このエッチング液として
エチレンジアミン、KOH等の強アルカリエッチング液を
用いることにより、高濃度にボロンが導入された領域42
は殆どエッチングされることなく、空洞領域となる部分
52のみをエッチングすることが出来る。
次に、（ｄ）において、真空装置を用いて10Torr以下の
気圧に保った状態で、真空蒸着、スパッタ、LPCVD、プ
ラズマCVD等によって所定の厚さの絶縁性の薄膜を形成
し、フォトエッチングによって所定の領域を残すことに
より、上部薄膜領域46を形成する。
この際、孔45を通して下部絶縁層41の表面に多少の膜が
形成されても、本実施例の場合には前記第１図の静電容
量方式の場合に較べて影響は極めて少ない。
上記のように、真空中で上部薄膜領域46を形成して孔45
を塞ぐことにより、空洞領域52は真空状態で密封され
る。
次に、（ｅ）において、上部薄膜領域46の表面にCVD法
を用いてポリSi膜を形成し、フォトエッチングによって
所定の領域のみを残すことにより、ピエゾ抵抗47を形成
する。なお、ポリSiのピエゾ抵抗47には所定の濃度の不
純物が注入されている。
次に、（ｆ）において、表面にCVD法等を用いて表面絶
縁層48を形成し、その後表面絶縁層48の一部にフォトエ
ッチングによってコンタクト用の孔開けを行なう。
次に、（ｇ）において、Al等の金属膜を形成し、フォト
エッチングによってパターニングを行ない、金属配線49
を形成する。
上記の工程により、第６図のごとき装置が完成する。
次に、第８図は本発明の第４の実施例図である。
この実施例は、前記第１図の実施例において空洞領域上
に設ける薄膜の孔を２層の薄膜にずらした状態で設ける
ことにより、上部電極を形成する際に孔を通して空洞領
域内の下部絶縁層表面に膜が形成されることのないよう
にしたものである。その他の部分は前記第１図の実施例
と同様なので、異なっている部分のみを説明する。
すなわち、スペーサ領域24と空洞領域25との上には上部
第１絶縁層56が形成され、空洞領域25上の上部第１絶縁
層56には複数の第１の孔部57が所定のピッチで形成され
ている。
この上部第１絶縁層56の上には上部スペーサ孔部59を持
った上部スペーサ薄膜58が形成され、さらにこの上部ス
ペーサ薄膜58の上には複数の第２の孔部61を持った上部
第２絶縁層60が形成されている。これらの孔57、59、61
には次のごとき関係がある。
すなわち、孔57と孔61とは上面から見た位置がずらして
形成されており、重なり部分が全くない。また、孔59は
孔57及び孔61とそれぞれ重なり部分を持っている。
この実施例は、製造工程中に孔を通じて不要な薄膜が形
成されないようにした点が前記第１図の実施例と異なる
点であり、その動作は第１図の実施例と同様である。
次に、第９図は第８図の実施例の製造工程図である。
第９図において、まず、（ａ）では、Si基板21の表面に
選択的に高濃度不純物拡散領域22を形成する。この高濃
度不純物拡散領域22が下部電極となる。その後表面を熱
酸化して下部絶縁層23を形成する。下部絶縁層23の表面
にはポリSi膜を数μｍの厚さにCVD法で形成する。その
後、フォトエッチングによって所定の領域66のみを残
す。また、空洞領域となる部分67以外のポリSi部24には
1020個／cm３以上の高濃度のボロンをイオン注入法等に
よって注入する。
次に、（ｂ）において、所定の領域66の表面に熱酸化法
もしくはCVD法等によってSiOzやSi3N4等から成る上部第
１絶縁層56を形成する。
また、空洞領域となる部分67上の上部第１絶縁層56には
所定のピッチで第１の孔部57を形成する。
次に、（ｃ）において、上部第１絶縁層56上にポリSi膜
をCVD法で形成し、その後、フォトエッチングによって
所定の領域68のみを残す。また、所定の領域68の内、後
に上部スペーサ薄膜58となる領域のみに1020個／cm３以
上の高濃度のボロンをイオン注入法等によって注入す
る。
すなわち、第１の孔部57及び所定の領域68の上部に形成
される第２の孔部61をまたがる領域69には高濃度のボロ
ンを注入しない。
次に、（ｄ）において、所定の領域68の表面に熱酸化法
もしくはCVD法等を用いてSiOzやSi3O4等の上部第２絶縁
層60を形成する。この上部第２絶縁層60に第１の孔部57
と平面的な重ならないようにずらして第２の孔部61を形
成する。
次に、（ｅ）において、第２の孔部61及び第１の孔部57
を通して領域69及び空洞領域となる部分67をエッチング
する。この際のエッチング液としてエチレンジアミンKO
H等の強アルカリエッチング液を用いることにより、ポ
リSiのうちでも高濃度にボロンが導入された領域58及び
24は殆どエッチングされない。
次に、（ｆ）において、真空装置を用いて10Torr以下の
真空にした状態で、真空蒸着、スパツタ、LPCVD、プラ
ズマCVD等を用いて所定の厚さの導電性の薄膜を形成
し、フォトエッチングによって所定の領域を残すことに
より、上部電極28を形成する。
なお、この際、第２の孔部61及び第１の孔部57は平面的
な重なりがないため、孔を通して下部絶縁層23上に膜が
形成されるおそれはなくなる。
上記のように、真空中で上部電極28を形成して第２の孔
部79を塞ぐことにより、空洞領域67は真空状態で密封さ
れる。
次に、（ｇ）において、表面に熱酸化法、CVD法等を用
いて表面絶縁層29を形成し、その後、表面絶縁層29及び
下部絶縁層23の一部にフォトエッチングによってコンタ
クト用の孔開けを行なう。
次に、（ｈ）において、Al等の金属膜を形成し、フォト
エッチングによってパターニングすることにより、金属
配線30を形成する。
上記の工程によって前記第８図に示したごとき空洞領域
上に設けた薄膜の孔を２層の薄膜にずらした状態で設け
た装置が完成する。
なお、第８図の実施例においては、Si基板21の表面に形
成された高濃度不純物拡散領域22を下部電極として用い
ているが、例えば、第10図に示した第５の実施例のごと
く、Si基板21の表面に第２下部絶縁層70を介して形成さ
れた導電性薄膜71を用いてもよい。
次に、第11図は本発明の第６の実施例図であり、（Ａ）
は断面図、（Ｂ）は平面図を示す。
第11図の実施例は、第８図の実施例において圧力の変化
をダイアフラム上に形成したピエゾ抵抗の抵抗変化とし
て検出するように構成したものである。
第11図において、スペーサ領域42と空洞領域43との上に
は上部第１絶縁層74が形成され、かつ空洞領域43上の上
部第１絶縁層74には複数の第１の孔部75が所定のピッチ
で形成されている。この上部第１絶縁層74の上には上部
スペーサ部77を持った上部スペーサ薄膜76が形成されて
いる。更にこの上部スペーサ薄膜76の上には複数の第２
の孔部79を持った上部第２絶縁層78が形成されている。
これらの孔75、77、79には前記第８図の実施例と同様の
関係がある。すなわち、孔77と79とはずらして形成され
ており、重なり部分が全くない。また、孔77はそれぞれ
孔75及び79と重なり部分を持っている。
また、上部第２絶縁層78の上には所定の厚みを有する絶
縁性の上部薄膜領域46が形成されている。この上部薄膜
領域46を形成する際に、空洞領域43は所定の基準圧にな
っている。
また、上部薄膜領域46の表面の所定の位置には、ポリSi
のピエゾ抵抗47が形成されている。また、ピエゾ抵抗47
の表面には、表面保護用の表面絶縁層48が形成され、表
面絶縁層48の一部にはコンタクト用の孔が開けられ、ピ
エゾ抵抗47は金属配線49に接続されている。
その他の構成は前記第８図の実施例と同様であり、動作
は前記第６図の実施例と同様である。
〔発明の効果〕
以上説明したごとく、本発明においては、半導体基板表
面にダイアフラム等の圧力検知部を形成するのと同時に
基準圧力室を形成するように構成しているので、Siウェ
ハのバッジ処理で同時に大量に基準圧力室を持つ半導体
圧力変換装置を製造することが出来、そのため実装が極
めて容易になるので低コスト化が可能となる。
また、通常のSiのウェハプロセスとマッチするため、セ
ンサ出力を処理する回路を同一チップ上に容易に集積化
することが出来る。
また、ダイアフラムの厚さを高精度で制御することが出
来るので、ダイアフラムサイズひいてはチップサイズを
小さくすることが出来、その面からも低コスト化が可能
である、等の多くの優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の実施例図、第２図は本発明の装
置の実装状態を示す図、第３図は第１図の装置の製造工
程の一実施例図、第４図は薄膜形成法の一実施例図、第
５図は本発明の第２の実施例図、第６図は本発明の第３
の実施例図、第７図は第６図の装置の製造工程の一実施
例図、第８図は本発明の第４の実施例図、第９図は第８
図の装置の製造工程の一実施例図、第10図は本発明の第
５の実施例図、第11図は本発明の第６の実施例図、第12
図は従来装置の一例図である。 〈符号の説明〉 21……Si基板 22……高濃度不純物拡散領域（下部電極） 23……下部絶縁層、24……スペーサ領域 25……空洞領域、26……上部絶縁層 27……孔、28……上部電極 29……表面絶縁層、30……金属配線 31……ダイアフラム

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】センサチップ内に基準圧力室を有する半導
    体圧力変換装置の製造方法において、 表面に絶縁層が形成された半導体基板上に第１の半導体
    薄膜を形成する工程と、 上記第１の半導体薄膜のうち空洞領域となる部分の周囲
    を囲む領域に不純物を注入する工程と、 上記第１の半導体薄膜の上に、第１の半導体薄膜とは異
    なる材質からなる第２の薄膜を形成する工程と、 上記第２の薄膜を選択的にエッチングして、上記第１の
    半導体薄膜のうち不純物を注入されていない部分の上に
    位置する第２の薄膜の一部に小孔を形成する工程と、 上記小孔を通じて上記第１の半導体薄膜のうち不純物を
    注入されていない部分をエッチングすることにより、上
    記半導体基板と上記第１の半導体薄膜の不純物を注入さ
    れた領域と上記第２の薄膜とによって囲まれた上記空洞
    領域を形成する工程と、 上記第２の薄膜上に、上記の小孔を塞ぐように第３の薄
    膜を形成することによって上記空洞領域を密閉し、気密
    の基準圧力室を形成する工程と、 を具備することを特徴とする半導体圧力変換装置の製造
    方法。
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