JPH09186347A

JPH09186347A - センサおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH09186347A
Application number: JP8352751A
Authority: JP
Inventors: Andrew Mirza; アンドリュー・ミルザ; Kenneth M Seddon; ケネス・エム・セドン
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1995-12-20
Filing date: 1996-12-13
Publication date: 1997-07-15
Also published as: US5883420A; EP0780675B1; DE69618917T2; DE69618917D1; EP0780675A1

Abstract

(57)【要約】【課題】センサおよび簡素化および低コスト化を図っ
た製造方法を提供する。【解決手段】酸素濃厚雰囲気または真空雰囲気におけ
る接合プロセスを必要とせずに、センサ（１０，３０）
を形成する。第１実施例では、ポート（１４）、チャネ
ル（１５）、および開口（１８）を用いて、空洞（１
３）に酸化雰囲気を与える。酸化プロセスの間、空洞
（１３）を密閉し、残留する酸化雰囲気を全て消費し
て、真空圧力状態の密閉空洞を形成する。別の実施例で
は、空洞（３２）を第１基板（３１）内に形成する。空
洞（３２）を第２基板（３６）で覆い、この空洞（３
２）上の第２基板（３６）に開口（３３，３４）を形成
する。これらの開口（３３，３４）によって、酸化雰囲
気が空洞（３２）に侵入可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に半導体素
子に関し、更に特定すればセンサおよびその製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ピエゾ抵抗式圧力センサ(piezoresistiv
e pressure sensor)にような半導体素子は、薄膜半導体
層即ちセンサ・ダイアフラムを検出素子即ち活性素子と
して利用することができる。ピエゾ抵抗は、センサ・ダ
イアフラム内に形成され、このピエゾ抵抗の抵抗値は、
センサ・ダイアフラムの変形に伴って変動する。かかる
構造を形成するための一方法では、最初に、水酸化カリ
ウム(KOH) による異方性エッチングを用いて、第１基板
内に空洞を形成する。次に、この空洞を、ダイアフラム
として作用する第２基板で覆う。好ましくは、第２基板
を真空状態において第１基板に接合することにより、空
洞を密閉して、基準圧力として作用可能とする。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、製造機
器の技術的現状では、真空状態において大量のウエハを
接合可能なシステムを提供することができない。現在で
は、製造設備としては単一ウエハ接合機器のみが入手可
能である。この機器はスループットが低い傾向があり、
その結果、生産されるセンサの製造コストの上昇を招く
ことになる。したがって、既存の半導体処理機器を使用
することができるが、従来のウエハ接合機器と比較して
スループットの改善が図れる、センサ構造の形成方法を
提供することができれば非常に有利であろう。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、スループット
を改善するセンサおよびその製造方法を提供する。本発
明では、酸素濃厚雰囲気または真空雰囲気における接合
プロセスを必要とせずに、センサを形成する。第１実施
例では、ポート、チャネル、および開口を用いて、空洞
に酸化雰囲気を与える。酸化プロセスの間、空洞を密閉
し、残留する酸化雰囲気を全て消費して、真空圧力状態
の密閉空洞を形成する。別の実施例では、空洞を第１基
板内に形成する。空洞を第２基板で覆い、この空洞上の
第２基板に開口を形成する。これらの開口によって、酸
化雰囲気が空洞に侵入可能となる。

【０００５】

【発明の実施の形態】図面を参照しながら、本発明につ
いて詳細に説明する。図１は、センサ１０の拡大断面図
である。センサ１０は半導体素子であって、センサ、圧
力センサ、加速度センサ、ジャイロ、またはバルブとし
て使用可能である。センサ１０は、第１基板１１内に形
成された空洞１３を含む。第２基板１７を第１基板１１
の上面１２に接合する。第２基板１７の一部は、空洞１
３の上でダイアフラムとして機能し、空洞１３内の圧力
と第２基板１７より上の雰囲気の圧力との間の差圧に応
じて撓みを生じる。ピエゾ抵抗２１を第２基板１７内に
形成して、第２基板１７の撓みに比例した電子信号を発
生する。

【０００６】以下で説明するが、センサ１０の重要な利
点は、センサ１０の形成と連続して、少なくとも１つの
ポート１４とチャネル１５（図２参照）を形成できるこ
とである。ポート１４と共に、開口１８を第２基板に形
成することによって通路を設け、第２基板１７より上の
雰囲気がポート１４から入り、チャネル１５を通じて、
空洞１３に到達可能となっている。本発明が従来の半導
体機器を用い、しかもスループットを改善することがで
きるのは、この通路の形成によるものである。図１に示
すように、酸化プロセスによって開口１８を密閉してあ
り、第２基板１７上の酸化雰囲気を用いて空洞１３を密
閉する。この製造プロセスの間に開口１８を形成するこ
とによって、センサ１０を２回の工程から成る接合プロ
セスで形成可能となる。第１工程では、入手可能な最も
効率的な製造機器を用いて、いずれかの雰囲気の下で第
１基板１１と第２基板１７とを互いに接触させる。真空
状態は必要でない。開口１８を形成した後、第２工程で
は、第１基板１１および第２基板１７を酸化雰囲気内に
配置して、固体物質(solid material)２０を形成する。
この固体物質２０が開口１８を密閉し、空洞１３を密閉
空洞に変換させる。固体物質２０の形成では、第１基板
１１のシリコン部分を酸化させることによって、二酸化
シリコン層１９を形成することが好ましい。固体物質２
０は、例えば、シリコン・シリサイドを成長させる、即
ち、堆積する等、シリコンを含む他の化合物によっても
形成することができる。

【０００７】図２に示すように、チャネル１５によっ
て、第２基板１７より上の雰囲気から酸化剤がポート１
４から空洞１３に侵入可能となっている。したがって、
酸素濃厚雰囲気(oxygen rich ambient) において第１基
板１１と第２基板１７とを接合する代わりに、最もコス
ト効率的な方法で基板１１，１７を接合し、次いでポー
ト１４およびチャネル１５を用いて空洞１３に酸化雰囲
気を充填することができる。

【０００８】次に図３に移り、ポート１４を組み込んだ
センサ１０の形成方法を示す。図３は、製造プロセスに
おける初期段階におけるセンサ１０の拡大断面図であ
る。第１基板１１は、シリコンを含有する種々の材料か
ら作ることができ、好ましくは単結晶シリコン基板であ
る。第１基板１１の上面１２は、厚さが約１ミクロンの
フォトレジスト層のような、第１マスキング層（図示せ
ず）で覆われている。フォトレジスト層にパターニング
を行い、第１基板１１の空洞１３、チャネル１５、およ
びポート１４を形成する部分を露出させる。次に、適切
なウエット・エッチング溶液、あるいは塩素またはフッ
素のいずれかを基にしたイオンを用いた反応性イオン・
エッチング（ＲＩＥ）のいずれかを用いて、第１基板１
１にエッチングを行う。空洞１３およびポート１４の深
さは、各構造を別個のプロセスとしてエッチングするこ
とによって、変更可能であることも理解されよう。第１
エッチング・プロセスの後、マスキング層を除去する。
第１マスキング層がフォトレジストの場合、硫酸を含む
ウエット剥離溶液を用いて、第１マスキング層を除去す
ることができる。

【０００９】空洞１３を形成した後、当業者には既知の
様々なプロセスを用いて、第２基板１７を第１基板１１
に接合する。好ましくは、第２基板１７はシリコンから
成り、種々の構造即ち実施例を図４および図５に示す。
図４は、本発明の第２実施例であり、第２基板１７を２
層で形成したものである。この第２実施例では、第２基
板１７は、シリコン層４１上にエピタキシャル・シリコ
ン層４２を含む。エピタキシャル・シリコン層４２が上
面１２と接触することになる。尚、２枚の層４１，４２
のいずれかまたは両方をｎ−型またはｐ−型導電性にド
ープすることも可能であることも理解されよう。図５
は、本発明の第３実施例を示し、ここでは、第２基板１
７が、２枚のシリコン層４４，４６間に二酸化シリコン
層４５が狭持された絶縁物上シリコン（ＳＯＩ）基板で
形成されている。先に述べたように、第２基板１７を形
成する層の数および組成を変化させて、ダイアフラムと
しての第２基板１７の特性を調節したり、後続の薄化プ
ロセス(thinning process)における補助とすることが可
能である。基板１１，１７は、シリコン・ハンドル・ウ
エハ(silicon handle wafer)またはフロート・ゾーン・
シリコン(float zonesilicon)層を用いて形成すること
も可能である。

【００１０】接合処理の一部として、いずれかの雰囲気
状態下で、第１基板１１および第２基板１７を互いに接
触させる。例えば、大気圧下のクリーン・ルーム雰囲気
において接合を行うことができる。本発明では、ウエハ
を真空状態下で接触させる必要はない。これは、センサ
１０を形成する方法が、遅くしかも高価な処理機器を用
いて酸素雰囲気においてまたは真空圧力の下で、第１基
板１１および第２基板１７を接合する必要性をなくした
という点で、大きな利点である。一旦基板１１，１７を
互いに接触させたなら、７００℃ないし１２００℃の温
度で１ないし６時間にわたってこれらをアニールし、接
合プロセスにおける補助としてもよい。接合プロセスが
完了した後、第２基板１７を薄くし、第２基板１７のダ
イアフラムとしての特性を調節することができる。典型
的に、第２基板１７は、化学的、電気化学的、または機
械的プロセスによって、５００ミクロン未満の厚さまで
薄くする。例えば、研削および研磨プロセス(grind and
polish process)を第２基板１７の上面に用いて、第２
基板を所望の厚さにまで薄くする。あるいは、本発明の
第３実施例で提供し図５に示したように、第２基板１７
がＳＯＩ基板の場合、ＳＯＩ構造の二酸化シリコン層４
５をエッチ・ストップとして用いて、第２基板１７にエ
ッチングを行うことも可能である。更に、化学機械的研
磨（ＣＭＰ）プロセスを用いて、第２基板１７を所望の
厚さに薄くすることも可能である。通常、第２基板１７
は４０ミクロン未満の厚さまで薄くし、更に約１０ミク
ロンの厚さを有することが好ましい。

【００１１】図１を概略的に参照しながら、説明を続け
る。ポート１４の上にある開口１８は、ＲＩＥプロセス
を用いて形成することができる。好ましくはフォトレジ
ストから成る第２マスキング層（図示せず）に対して、
第２基板１７上でパターニングを行い、開口１８を形成
する第２基板１７の部分を露出させる。ＲＩＥエッチン
グを用いて、第２基板１７に、幅が約０．１ミクロンな
いし５ミクロンの開口１８を作る。しかし、これらの開
口の幅は通常１００ミクロン未満である。開口１８は、
後続の酸化工程の間に固体物質２０をそこに充填するよ
うに、十分に狭くしなければならない。尚、第２基板１
７をその所望の厚さまで薄くする前に、第２基板１７に
開口１８を形成可能であることも理解されよう。

【００１２】次に、第１基板１１および第２基板１７を
酸化雰囲気内に配置し、固体物質２０となる酸化物層１
９を形成する。７００℃ないし１１００℃でウエットま
たはドライ酸素濃厚雰囲気を有する高温炉酸化プロセス
を用いて、第１基板１１および第２基板１７の部分を酸
化させることができる。本質的にシリコンで作られ、酸
素濃厚雰囲気に露出されたいかなる層または構造も酸化
して、本質的に二酸化シリコンから成る物質を形成す
る。開口１８は、酸素濃厚雰囲気が空洞１３に侵入する
ための経路となるので、この経路に沿ったシリコンの露
出部分も全て同様に酸化することになる。開口１８、ポ
ート１４、およびチャネル１５の相対的サイズによって
は、これら３構造のいずれかまたは全てに、二酸化シリ
コンを充填し、第２基板１７より上にある雰囲気から空
洞１３を密閉することができる。

【００１３】空洞１３は酸素濃厚雰囲気に露出されこれ
と通じていたので、空洞１３を密閉する時点でも、酸素
濃厚雰囲気を未だ含んでいることに注意されたい。した
がって、第１基板１１および第２基板１７を高温に放置
すると、密閉された空洞内の酸素は、このアニール工程
において周囲のシリコンによって消費され、第１基板１
１の冷却が許されるときには、空洞は真空となってい
る。その結果、密閉空洞の内側には、０．００１mtorr
ないし７６０torrの真空を形成することができる。空洞
１３は予測可能な真空圧力となるので、これによって、
センサ１０を基準圧力源として使用することが可能とな
る。

【００１４】空洞１３を密閉した後、ピエゾ抵抗２１を
第２基板１７内に形成する。ピエゾ抵抗は、差圧の結果
として第２基板１７に加えられる歪みに対して、電子的
な応答を発生する。ピエゾ抵抗２１を形成するには、第
２マスキング層（図示せず）を形成し、第２基板１７上
でパターニングを行って、空洞１３の縁部付近の第２基
板１７の部分を露出させる。イオン注入およびアニール
・プロセスを用いて、所望の応答特性を有するピエゾ抵
抗２１を形成することができる。第２基板１７の上面上
にピエゾ抵抗２１を形成することに加えて、第２基板１
７の上側に半導体素子（図示せず）を作製し、第２基板
に電気的に結合することも可能である。これらの半導体
素子は、ピエゾ抵抗２１の抵抗率変化を測定したり、第
２基板１７における差圧を計算するために必要な論理回
路を備えることができる。第２基板１７を覆うパシベー
ション層（図示せず）を堆積し、下にある相互接続部お
よび半導体素子に対する機械的および化学的保護を設け
ることとも可能である。

【００１５】繰り返すが、本発明の大きな利点は、空洞
１３が酸素濃厚雰囲気で充填されるように、これを形成
する方法を提供することにある。これを行うために、本
発明は、基板１１，１７を真空または酸素濃厚雰囲気内
で接合する必要がない。代わりに、あらゆるウエハ接合
装置および高温酸化炉を用いることができる。これらの
システムはバッチ・プロセス・システムであるので、本
発明は、スループットを改善し、したがって、コスト低
減を図ったセンサ１０の形成方法を提供することにな
る。

【００１６】次に図７に進み、本発明の第４実施例を示
す。図７はセンサ３０の拡大断面図であり、センサ３０
は第２基板３６によって覆われた第１基板３１内に空洞
３２を含む。第２基板３６は、空洞３２内部の圧力と第
２基板３６より上にある雰囲気との差圧を検出する、ダ
イアフラムとして作用する。上述のように、開口、ポー
ト、およびチャネル構造を形成して空洞に酸素雰囲気を
供給する代わりに、この第４実施例は、空洞３２の上の
第２基板３６に、通孔３３または３４即ち開口３３また
は３４を形成する。図７に示すように、これらの開口
は、Ｖ字溝型開口３３、または開口３４によって示され
るような、ＲＩＥエッチング・プロセスによる通常の開
口のように、様々な形状を有することができる。

【００１７】これらの開口３３または３４の目的は、第
２基板３６より上にある雰囲気を空洞３２に侵入可能と
することである。これによって、第４実施例のセンサ３
０は、第１実施例のセンサ１０について先に説明したプ
ロセスと同様に形成することが可能となる。ＲＩＥまた
はウエット・エッチング・プロセスを用いて第１基板３
１内に空洞３２を形成し、次に、先に述べたのと同一の
方法を用いて、第１基板３１に第２基板３６を接合す
る。接合後、第２基板３６内に開口３３または３４を形
成し、様々な詳細が続き、次いでセンサ３０を酸化雰囲
気に配置する。次に、二酸化シリコン層３７を形成す
る。これは開口３３または３４を充填し、空洞３２を密
閉する固体物質となる。二酸化シリコン層３７は開口３
３または３４内だけでなく、第２基板３６の上下側およ
び空洞３２の内側にも成長させることができる。

【００１８】一旦空洞３２が密閉されたなら、センサ３
０を高温に放置し、空洞３２内に取り込まれた酸化雰囲
気を消費して、真空を形成する。一旦センサ３０を冷却
したなら、空洞３２内部は０．００１mtorr ないし７６
０torrの真空圧力となる。第４実施例のセンサも、第１
基板３１および第２基板３６の組成を、先に示唆した物
質の内の１つとすることができる点において、第１実施
例のセンサ１０と同様である。また、開口３３または３
４を、第１実施例のチャネル、ポート、および開口構造
と共に用いることも可能であることは理解されよう。

【００１９】開口３３または３４は、ＲＩＥまたはウエ
ット・エッチング・プロセスのような種々の技法におい
て形成可能である。第２基板３６上で第４マスキング層
（図示せず）にパターニングを行い、第２基板３６の開
口３３または３４を形成する部分を露出させる。水酸化
カリウム(KOH) 、水酸化ナトリウム(NaOH)、水酸化リチ
ウム(LiOH)、水酸化セシウム(CsOH)、エチレンジアミン
・ピロカテコール(EDP) 、または水酸化テトラ・メチル
・アンモニウム(TMAH)のような異方性エッチャントから
成るウエット・エッチング溶液を用いると、Ｖ字溝型の
開口３３を形成することができる。ＴＭＡＨを用いてシ
リコンを優先的にエッチングする方法は、１９９３年５
月４日、Lue et al.に特許された、米国特許番号第５，
２０７，８６６号に記載されている。また、塩素または
フッ素のいずれかを基にしたイオンを用いるＲＩＥエッ
チングのようなドライ・エッチング・プロセスを用いて
も、開口３４を形成することが可能である。更に、開口
３３または３４の数およびサイズは、通気しなければな
らない空洞３２の内側の雰囲気量、および開口３３また
は３４が第２基板３６の圧力検出特性に対して与える影
響に応じて変更可能であることも理解されよう。

【００２０】空洞３２を密閉した後、第２基板３６を所
望の厚さまで薄くし、ピエゾ抵抗３８を第２基板３６内
に形成する。ピエゾ抵抗３８はｎ−型でもｐ−型でもよ
く、イオン注入プロセスを用いて第２基板３６の部分を
ドープし、次にアニール・プロセスを用いて注入したイ
オンを活性化することによって形成することができる。
好ましくは、ピエゾ抵抗３８は、第３基板３６において
最も大きな応力が発生する、空洞３２縁部の第２基板３
６の部分付近に形成する。ピエゾ抵抗３８の正確な位置
および数を変更することによって、センサ３０の電気的
応答を調節することができる。尚、基板３１，３６の接
合、開口３３または３４の形成、およびピエゾ抵抗３８
の形成の順序は、変更可能であることも理解されよう。

【００２１】本発明の第４実施例は、第１基板３１およ
び第２基板３６を真空または酸素濃厚雰囲気内で接合す
る必要のない、センサ３０の形成方法を提供する。セン
サ３０は、高真空生産機器を用いて形成することがで
き、こうすることによって、製造コストの低減が図れ
る。また、センサ３０は、ポートまたはチャネルを形成
する必要がないので、形成のためのウエハ上の表面積が
狭くて済むという利点もある。

【００２２】本発明の実施例は、犠牲酸化物層およびポ
リシリコン層の堆積を行い空洞および検出用ダイアフラ
ムを形成する必要がないという点で、既知のセンサを形
成する方法に対する改良をもたらすものである。これら
のプロセス工程を追加すると、製造コストが上昇するだ
けでなく、ウエハの表面上に微細構造(topography)を有
する構造を形成することになる。しかしながら、本発明
は、これらのプロセス工程を不要にするだけでなく、比
較的平坦な表面を有するセンサ構造を形成する。このた
め、上述の鋭角的でしかも多量の微細構造を有する既知
のセンサの上よりも、本発明のセンサの上の方が、半導
体素子を形成し易い。

【００２３】以上の説明から、本発明は、センサ、およ
びこのセンサを形成するための製造要件を簡素化した、
製造方法を提供することが認められよう。本発明は、酸
素濃厚雰囲気または真空雰囲気においてウエハを接合す
る必要性をなくしたので、従来の製造機器を用いること
を可能にする。また、本発明は、圧力空洞を規定するた
めに犠牲層を使用する方法よりも、プロセス工程が少な
くて済む方法も提供する。これらの特徴双方により、よ
り簡単かつ安価に製造可能なプロセスを得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例によるセンサの拡大断面
図。

【図２】センサの拡大平面図。

【図３】初期製造段階における図２のセンサの拡大断面
図。

【図４】本発明の第２実施例によるセンサの一部を示す
拡大断面図。

【図５】本発明の第３実施例によるセンサの一部を示す
拡大断面図。

【図６】本発明の第４実施例によるセンサの拡大断面
図。

【符号の説明】

１０センサ１１第１基板１２上面１３空洞１４ポート１５チャネル１７第２基板１８開口１９二酸化シリコン層２０固体物質２１ピエゾ抵抗３０センサ３２空洞３３，３４通孔３６第２基板３８ピエゾ抵抗４１シリコン層４２エピタキシャル・シリコン層４４，４６シリコン層４５二酸化シリコン層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】センサ（１０）であって：上面を有する第
１基板（１１）；前記第１基板（１１）内の空洞（１
３）；前記第１基板（１１）における少なくとも前記空
洞（１３）を覆う前記第１基板（１１）の上面上にある
第２基板（１７）であって、前記空洞（１３）と前記第
２基板（１７）上の雰囲気との間の差圧に応答して移動
する前記第２基板（１７）；前記空洞に対する通路を形
成する前記第２基板（１７）内の第１開口；および前記
通路の部分を充填して前記空洞（１３）を密閉する第１
固体物質；から成ることを特徴とするセンサ（１０）。
【請求項２】前記空洞（１３）は、更に、前記第１基板
（１１）内に形成されたポート（１４）とチャネル（１
５）とを含むことを特徴とする請求項１記載のセンサ
（１０）。
【請求項３】センサ（１０）であって：上面を有する第
１基板（１１）；前記第１基板（１１）内に形成された
空洞（１３）；前記第１基板（１１）内に形成されたポ
ート（１４）であって、少なくともその一部が前記上面
と連続する前記ポート（１４）；前記第１基板（１１）
内に形成され、前記ポート（１４）を前記空洞（１３）
に接続するチャネル（１５）；および少なくとも前記空
洞（１３）、前記ポート（１４）、および前記チャネル
（１５）を前記第２基板（１１）が被覆するように、前
記第１基板（１１）の上面に連続(contiguous)する第２
基板（１７）であって、前記ポート（１４）上の開口
（１８）と、前記開口（１８）内において前記空洞（１
３）を密閉する第１固体物質（２０）とを有する前記第
２基板（１７）；から成ることを特徴とするセンサ（１
０）。
【請求項４】更に、前記第２基板（１７）において、前
記空洞（１３）上に少なくとも１つの通孔(vent)（３
３）を含む、請求項３記載のセンサ（１０）。
【請求項５】半導体素子（１０）の形成方法であって：
表面を有する第１基板（１１，３１）を用意する段階；
前記第１基板（１１，３１）内に空洞（１３）を形成す
る段階；前記第１基板（１１，３１）の表面に第２基板
（１７，３６）を結合する段階；前記第２基板（１７，
３６）内に開口を形成し、前記第２基板（１７，３６）
上の雰囲気を酸化するため前記空洞（１３）に侵入する
ための通路を与える段階；および前記第１基板（１１，
３１）および前記第２基板（１７，３６）を酸化雰囲気
置き、少なくとも前記通路の一部を充填する固体物質を
形成する段階；から成ることを特徴とする方法。