JPS63237482A - 半導体圧力センサの製造方法 - 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） 本発明は半導体圧力センサに係り、詳しくは高温におい
ても好適な小型半導体圧力センサに関するものである。

（従来の技術〉 機械的応力を加える事によってピエゾ抵抗効果によりそ
の抵抗値が変化することを利用して、単結晶シリコン基
板の一部の肉厚を薄くしダイレフラムを形成し、そのグ
イＸ７フラムに歪ゲージを拡散層等で形成して、ダイヤ
フラムに加わる圧力により歪ゲージを変形させ、ピエゾ
抵抗効果による抵抗値の変化を検出して圧力を測定覆る
半導体圧力センサが用いられている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記の半導体圧力ゼンリーによると、単
結晶シリコン基板と歪ゲージとの電気的分離はｊ１１結
晶シリコン基板内に形成されるＰＮ接合にて行ってあり
、この様なセンサを高温において使用する場合、ＰＮ接
合部においてリーク電流が増加してしまい安定した測定
が困難になるという問題があった。

（発明の目的〉 この発明の目的は上記問題点を解消し、高温においても
歪ゲージと基板とを電気的に完全に分離でき、その出力
特性が安定である小型の半導体圧力センサを提供するこ
とにある。

（問題点を解決するための手段） この発明は上記目的を達成するためになされたものであ
って、凹部及び該凹部に貫通孔をその一部に有する基板
と、前記凹部上及び該凹部の周辺にほぼ平滑に形成され
、その少なくとも一部に絶縁性を有する部分を形成した
ダイヤフラムと、前記絶縁性を有する部分上の所定領域
に形成される感圧素子部とを備えた半導体圧力センサを
その要旨とする。

（実施例） 以下、この発明を具体化した一実施例を図面に従って説
明する。

第１図（ａ）〜（Ｃ１）は本発明の実施例を示す断面図
であって、その製造工程を順に説明する。

まず、第１図（ａ＞において、１は（１００）面の第１
の単結晶シリコン基板であり、２は第１の単結晶シリコ
ン基板１の主表面上の所定領域に形成するシリコン酸化
膜（Ｓ！　０２　）である。このシリコン酸化膜２をマ
スクとして水酸化カリウム（ＫＯＨ＞等による異方性の
エツチング液を用いてエツチングし、同図（ｂ）に示す
にうな凹部３を形成する。次に、凹部３内にレーザビー
ムによって２０〜５０Ｉｉｍ径の貫通孔４を形成する。

尚、ここで用いる基板としてはその結晶面は（１１０）
でもよく、又、パイレックスガラス、サファイア等に凹
部及び貫通孔を形成したものであってもよい。

一方、同図（Ｃ）に示すように、例えば、その比抵抗が
３〜５ΩｃｍのＮ型導電型であって、結晶面が（１００
）あるいは（１１０）の第２の単結晶シリコン基板５の
主表面上の所定領域に、シリコン酸化膜６を形成し、そ
のシリコン酸化膜６をマスクとしてボロン（Ｂ）等のＰ
型不純物を高濃度に拡散しピエゾ抵抗層７を、＜１１０
＞方向に形成する。引き続き、シリコン酸化膜６を除去
した後に、同図（ｄ）に示すように第２の単結晶シリコ
ン基板５の主表面上の全面にＬ　Ｐ　ＣＶ　Ｄ法又はプ
ラズマＣＶＤ法により膜厚が０．１〜２．０μｍのシリ
コン窒化膜（Ｓｉ　３　Ｎ４　）　８を形成し、ざらに
このシリコン窒化膜８上にＢＰＳＧ膜９を形成する。尚
、この時、ＢＰＳＧ膜９の表面は４ぼ平滑な状態となっ
ている。

そして、同図（ｅ）に示すように、第１の単結晶シリコ
ン基板１の主表面上に、上下のパターンが設定通り重な
るように例えば赤外顕微鏡で位置合けを行い第２の単結
晶シリコン基板５に形成されたＢＰＳＧ膜９を配置する
。

ここで、本実施例においては第１．第２の単結晶シリコ
ン基板１，５（あるいはそれらのウェハ）の周辺部を真
空中でレーザにより溶融接着して仮市のを行う。しかる
後に真空炉内に入れ約１０００°Ｃ〜１１００’Ｃに加
熱し、ＢＰＳＧ膜９を溶融し第１．第２の単結晶シリコ
ン基板１，５の両者の接着を行う。又、接着が完全に行
われるように基板上に重しを乗せて行っている。

尚、両者の接着を行う為の接着（接合）層としてＢＰＳ
Ｇ膜９を用いているが、他の低融点ガラス等を用いても
よく、又、その両者の接合は低融点ガラスの溶融接着に
限定されることなく、例えば第１の単結晶シリコン基板
１上のシリコン酸化膜２を除去して、いわゆる陽極接合
（アノ−ディックボンディング）により接合してもよく
、又、高温炉内で３ｉとＳｉＯ２等間の、いわゆる直接
接合を利用してもよい。

又、接着用のＢＰＳＧ膜９はシリコン窒化膜Ｂ上の全面
に形成することなく接着部分のみに部分的に形成しても
よい。又、絶縁膜としてのシリコン窒化膜８はシリコン
酸化膜等の他の絶縁膜であってもよい。

そして、同図（ｆ＞に示すように、第１の単結晶シリコ
ン基板１の他主面（＠面）をワックス等で覆い（図示は
しない）、第２の中結晶シリ：ｌン基板５の仙主面（裏
面）側より、例えばエチレンジ７ミン（２６０ｍＪ２　
）　、ヒｃｌ力Ｔ］−）Ｌｔ　（４５ｑ）、水（１２０
ｍ、Ｑ）を主成分とする異方性エツチング液により第２
の単結晶シリコン基板５をエツチング除去する。この際
、エツチングはＮ型導電型である領域を選択的に進行し
、高温度にボロンを拡散したピエゾ抵抗層７部分及びシ
リコン窒化膜８はほとんどエツチングされずに残る。こ
のようにして絶縁膜としてのシリコン窒化膜８−トに単
結晶のピエゾ抵抗層７が形成される。そして、同図（ｇ
）に示すように、表面保護膜１０、及びΔｇ等から成る
配線層１１を形成して本実施例の半導体圧力センサを構
成する。

そこで本実施例によると、ピエゾ抵抗層７はシリコン窒
化膜８等にＪ二り第１の単結晶シリコン基板１と電気的
に完全に分離でき、高温において使用してもその特性は
安定となる。しかも、本実施例においては、シリコン窒
化膜８上に単結晶のピエゾ抵抗層７が形成されるので、
従来の多結晶のピエゾ抵抗層と比較して感度を高く、ば
らつきを小さくできる。

又、従来、絶縁膜上に多結晶のシリコンを形成し、それ
を再結晶化してピエゾ抵抗層を形成するものがあるが、
そのようなピエゾ抵抗層と比較しても特性のばらつきを
小さくでき、製造コストを低くできるという点で本実施
例の半導体圧力セン１１は有効である。

さらに、本実施例によると、第１の単結晶シリコン基板
１のピエゾ抵抗層７側に必たる表面（主表面）に凹部３
が形成されており、凹部３を形成するのにエツチングさ
れる体積は比較的小さくなっており、その分、第１の単
結晶シリコン基板１を有効に使用することができ、第１
の単結晶シリコン基板１内に半導体圧力センサからの信
号を処理する回路を形成する場合、全体として小型にＪ
ることができる。又、本実施例の場合、シリコン窒化膜
８とＢＰＳＧ膜９とで構成されるダイヤフラムは、凹部
３の上部、及び凹部３の周）２２である第１の単結晶シ
リコン基板１上にわたってほぼ平滑に形成されており、
従来の圧力センサにおいて空洞部を対土するために形成
されるエツチング孔は存在することがなく、従来そのエ
ツチング孔にり機械的応力が弱くなっていたが本センサ
は機械的応力に対してその分強く、又、出力特性もその
分安定である。

しかし、従来の方法では貫通孔を形成させる際には、エ
ツチングにより貫通孔を形成していたので末広がりとな
りセンサの小形化を行なう上での降雪となっていたが、
上記実施例においては直線的な貫通孔４を形成できセン
サを小形化することができる。

又、従来の圧力センサ、例えば素子形成面に圧力を加え
る雰囲気を直接接触させないものの例を第９図、第１０
図に示し、そのセンサチップ１０１の概略の寸法は第１
０図に示すにうに厚さ方向に対して横（平面〉の寸法が
大きくセンサチップ１０１とパッケージ等の熱膨張係数
の差がピエゾ抵抗に影響を及ぼし特性面の安定性に欠け
、その対策として、センサデツプ１０１と熱膨張係数の
等しい（又は、はぼ同じ＞Ｓ＋又はパイレックスの台座
１０２を当てかい高さ方向を大きくしてその影響を除い
ている。本実施例のセンサチップ１２の寸法関係は第２
図、第３図に示すようなものであり、第３図に示すよう
にダイヤフラム部の平面寸法に比較して高さ方向は十分
な余裕があり台座等の対策は一切必要としない。よって
、］ス１〜面だけでなく接着部を減らすことが可能であ
り信頼性の向上につながる。

尚、この発明は−Ｆ記実施例に限定される”ｂのでなく
、例えば、上記実施例ではグイＡ７フラムの厚ざはシリ
コン窒化膜８の膜厚によって調整されるが、接着前の第
２の単結晶シリコン基板５を、第４図に示すように、シ
リコン窒化膜８上に適当な熱膨張係数を有する多結晶シ
リコン層あるいは再結晶化した単結晶シリコン層１３を
形成し、その上にＢ　Ｐ　Ｓ　Ｇ　Ｉｌｕ　９を形成す
る構成とし、ダイヤフラムの厚さを例えば多結晶シリコ
ン層１３の厚さにより任意に調整してもよい。

又、上記実施例ではピエゾ抵抗層７のパターンは予め形
成されているが、第２の単結晶シリコン基板５内に主表
面側より所定の厚みをもって全面にＰ型不純物を拡散し
、第２の単結晶シリコン基板５のエツチング後に所定の
パターンを形成してもよい。

ざらに、上記実施例の説明では簡単の為に省略したが、
半導体圧力セン９−の出力を処理する回路を第１の単結
晶シリコン基板１内に形成してもよい。そして、例えば
、第５図は出力処理回路の構成要素として、ＭＯＳＦＥ
Ｔを表わす断面図であり、同図において、１４は第１の
単結晶シリコン基板１内に形成されるＰ−ウェル領域、
１５，１６はＰ−ウェル領域１３内に形成されるそれぞ
れＮ＋ソース拡散領域、ドレイン拡散領域、１７はフィ
ールド絶縁膜、１８．１９はそれぞれソース電極、トレ
イン電極、２０はゲート電極、２１は絶縁膜であり、そ
の各々は公知の半導体加工技術により形成される。

さらに、又、上記実施例においては貫通孔４の形成はウ
ェハ面に垂直に１本の孔をあけた例で示したが、これに
限定されない。例えば、第６図（ａ）に示すように斜め
方向に貫通孔４を形成したり、第６図（ｂ）に示すよう
にウェハの上面及び下面方向から別々の角度でもって形
成してもよい。このように、斜め方向に角度をもって形
成すると急激な圧力の変化、及び粒子等が圧力導入孔と
してのこの貫通孔４に飛び込んだ場合にも直接ダイヤフ
ラム而にあたることなく緩和される。又、第６図（Ｃ）
は複数個の貫通孔４を設けた場合の例であり、ダイヤフ
ラム形成後の洗浄等において効果が大きく、さらにゴミ
等による貫通孔４のふさがりに対しても効果がある。

ざらに、第６図（ｄ）、（ｅ）は貫通孔４の形成におい
て、まずウニハエ程の途中では同図（ｄ）に示すように
貫通孔４を回通させず途中までとし残し部分２２を形成
しておく。このようにすればウニハエ程の途中で凹部３
２貫通部４ヘゴミ、不純物、洗浄液等が残留せずきれい
な状歳で保つことができる。そして、ウニハエ程の最終
までいった状態（ピエゾ抵抗１周辺回路、配線層、パッ
シベーション等形成後、本図では省略する）で裏面斜め
方向からレーデビームｌｂの照射により貫通孔４を形成
する。このように、斜め方向からレーデビームＬｂを照
射することにより、ダイヤフラム面に直接レーザビーム
Ｌｂが当ることがなく、ダメージを引き起さない。尚、
第６図（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ組み合せて使用するこ
とが可能なことは言うまでもない。

又、本実施例ではレーデビームにより貫通孔４を形成し
たが第７図に示すようにシリコンの（１１０）面を用い
て第８図に示す方位に貫通孔パターンを形成して、Ｋ　
ＯＨ溶液等の異方性エツチングを行なえば（１１１）面
を側壁としてシリコン基板１に貫通孔４を形成できる。

また（１１０）面の方位を傾けることにより、斜め方向
に貫通孔を形成することも可能である。

発明の効果 以上述べたように本発明によると、感圧素子部はダイヤ
フラムの絶縁性を有する部分により高温にＪ３いても基
板と電気的に完全に分離され、又、ダイヤフラムは基板
の凹部上及び凹部の周辺部にわたってほぼ重滑に形成さ
れているので、機械的強度が比較的強く、出力特性は安
定となる。又、感圧素子部側の基板より凹部を形成して
いるので、その凹部を小ざくすることができ、又、ダイ
ヤフラムの厚さを薄く形成できるので小型の半導体圧力
センサを提供できる優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｇ）はこの発明の実施例を示す図、第
２図は本発明の半導体圧力センサの全体図、第３図は本
発明の圧力センサの一部拡大図、第４図は別例を示す図
、第５図は他の別例を示す図、第６図（ａ）〜（ｅ）は
他の別例を示す図、第７図及び第８図は別例を説明する
ための図、第９図は従来の半導体圧力センサの全体図、
第１０図は従来の半導体圧力センサの要部拡大図である
。 図中、１は第１の単結晶シリコン基板、３は凹部、４は
貫通孔、５は第２の単結晶シリコン基板、７はピエゾ抵
抗層、８はシリコン窒化膜、９はＢＰＳＧ膜である。 第１図 第４図 ｑ 第５図 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、凹部及び該凹部に貫通孔をその一部に有する基板と
   、 前記凹部上及び該凹部の周辺にほぼ平滑に形成され、そ
   の少なくとも一部に絶縁性を有する部分を形成したダイ
   ヤフラムと、 前記絶縁性を有する部分上の所定領域に形成される感圧
   素子部と を備えることを特徴とする半導体圧力センサ。 ２、前記感圧素子部はピエゾ抵抗効果を有するピエゾ抵
   抗層である特許請求の範囲第１項記載の半導体圧力セン
   サ。 ３、前記ダイヤフラムは絶縁層である特許請求の範囲第
   １項又は第２項に記載の半導体圧力センサ。 ４、前記ダイヤフラムは絶縁層及び該絶縁層と前記基板
   とを接合するための接合層との少なくとも２層から成る
   ものである特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか
   １項に記載の半導体圧力センサ。