JP4214567B2 - Manufacturing method of semiconductor substrate for pressure sensor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤフラムに受ける圧力を圧力基準室との圧力差により生ずる応力に基づいて電気的に検出するようにした圧力センサに用いる半導体基板の製造方法に関する。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】
ダイヤフラムにかかる圧力を検出するようにした半導体圧力センサなどにおいては、内部に圧力基準室を設ける構成のものがある。この場合、圧力基準室は、内部が真空に近い状態に減圧された状態とされており、これによって温度変動などによる内部圧力の変動を抑制してダイヤフラムに受ける圧力の検出精度の向上を図る構成としたものである。
【0003】
このような半導体圧力センサの製造に用いる半導体基板として、上述した圧力基準室に相当する部分をあらかじめ形成したものが供されている。これは、例えば、2枚の単結晶シリコン基板を用いて貼り合わせ技術により圧力基準室およびダイヤフラムを形成する方法である。
【0004】
すなわち、まず、支持基板としてのシリコン基板に圧力基準室用の凹部をエッチングなどの方法により形成する。このシリコン基板と別途に用意したダイヤフラム形成用のシリコン基板とを貼り合わせ技術により貼り合わせる。次に、貼り合わせたダイヤフラム用のシリコン基板を研削,研磨することによりその厚さ寸法がダイヤフラムの厚さ寸法となるまで調整する。これにより、支持基板としてのシリコン基板に圧力基準室を設けると共にこれを覆うようにしてダイヤフラムを形成することができる。
【0005】
しかしながら、上述のようにして貼り合わせを行なった後に、ダイヤフラム形成用の基板を研削,研磨する方法では、ダイヤフラム形成用のシリコン基板を所望のダイヤフラムの厚さとなるまで研磨処理が必要になると共に、貼り合わせたシリコン基板のほとんどの部分を研削,研磨により除去する点で不経済であると共に、ダイヤフラムのような薄い膜厚の部分を残すように研磨すること自体が制御性の点で技術的に困難である。
【0006】
研磨処理による膜厚の制御においては、研磨により残すシリコン基板の膜厚を直接測定しながら研磨することが難しいことから、例えば、研磨速度を測定して時間管理により所望の厚さを残すように制御する方法や、あるいは、研磨するシリコン基板にあらかじめ研磨ストッパを設けるなどの方法がある。
【0007】
研磨ストッパを設ける方法では、例えば、シリコン基板のダイヤフラム側に所定深さ寸法の溝を形成しておいてその溝の内部にシリコン酸化物を充填した状態としておき、研磨時に裏面側からこのシリコン酸化物の底面部が露出する位置まで達すると、酸化膜はシリコンよりも研磨速度が小さいことからシリコンの研磨が自動的に止まるというものである。
【0008】
ところが、このような種々の技術を利用して研磨を制御性良く行なう場合においても、研磨による方法を採用する限りにおいては、研磨中に圧力基準室用の凹部がある部分で撓みが発生しやすく、ダイヤフラム部分の厚さ寸法を均一に形成することに困難が点が残る。加えて、基板内に形成される複数個のダイヤフラムの厚さ寸法を均一にすることも困難である。
【0009】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、均一で且つ寸法精度の良い厚さでダイヤフラムを形成することができるようにした圧力センサ用の半導体基板の製造方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明によれば、圧力センサの構造として、ダイヤフラムで受ける圧力を圧力基準室との圧力差により生ずる応力に基づいて電気的に検出するようにしたものの場合に、その半導体基板を、イオン注入層形成工程によりダイヤフラム形成用の半導体製の第1の基板の所定深さに剥離用のイオン注入層を形成し、凹部形成工程により圧力基準室を形成するために第2の基板に圧力基準室用の凹部を設け、貼り合わせ工程により第1および第2の基板を貼り合わせて、続く剥離工程にて貼り合わせた第1の基板をイオン注入層部分で剥離して第2の基板の表面に半導体層を形成することにより、ダイヤフラムおよび圧力基準室を形成するので、所望の厚さ寸法のダイヤフラムをイオン注入層の深さを制御することにより精度良く形成することができると共に、研削,研磨などの方法による加工を不要としているので簡単且つ短時間で製作でき、さらに、第1の基板は再利用することもできるようになってコストの低減も図ることができる。
また、凹部形成工程において、圧力基準室用の凹部内底面にその深さ寸法と同じ長さで選択エッチング処理が可能な支柱部を形成するので、その支柱部を利用して第1の基板との貼り合わせ工程では、凹部内の領域においても支柱部の先端部分により接着することができるようになり、剥離工程においては確実にダイヤフラムを形成するための半導体層を剥離することができるようになる。
そして、特に、ダイヤフラムの厚さ寸法を薄くすべく第1の基板の浅い位置にイオン注入層を形成するときには、剥離しようとする半導体層が薄くなるので、剥離時の強度を考慮すると支柱部がない場合の構成に比べて確実にダイヤフラムを形成することができるようになる。また、イオン注入層形成工程において形成したイオン注入層のドーズ量が不足した場合などにおいても確実に半導体層を剥離形成することができるようになる。
【0011】
請求項2の発明によれば、凹部形成工程において、第2の基板の表面をエッチング処理することにより凹部を形成するので、ダイヤフラムとなる半導体層および圧力基準室を形成することができるようになる。
【0012】
請求項3の発明によれば、ダイヤフラムを形成するための半導体層を貼り合わせ工程および剥離工程を経ることにより設けるので、そのとき、第2の基板と半導体層との間に酸化膜を設けておくことにより、半導体層を第2の基板と絶縁分離した状態に形成することができ、例えば、この半導体層のうちのダイヤフラム部分ではない領域においては、いわゆるSOI(Silicon On Insulator) 構造となっている半導体層に信号処理用の回路素子を形成することができ、MOS形素子とバイポーラ素子とを同一チップ上に集積化することができる。
【0015】
請求項の発明によれば、凹部形成工程において、前記凹部内底面に形成する支柱部を複数本の支柱により構成するので、第1の基板の表面との結合力をより高くすることができ、厚さ寸法が薄いダイヤフラムを形成しようとする場合に、半導体層の剥離形成を確実に行なうことができるようになる。
【0016】
請求項およびの発明によれば、凹部形成工程において、第2の基板に凹部を形成するエッチング処理時に支柱部を形成するパターンを設けることにより支柱部を形成し、この後、熱酸化工程を行なうことにより支柱部を酸化物にすることで、選択エッチング処理が可能な構成とするので、第1の基板を貼り合わせるときには第2の基板の表面および凹部に設けられた支柱部に結合させた状態で貼り合わせ、剥離工程を経て半導体層を剥離形成した後には、ダイヤフラム部分に残る支柱部をフッ酸水溶液等による選択エッチングにより除去することによりダイヤフラムを形成することができるようになる。
【0018】
請求項の発明によれば、剥離工程の後に行なう半導体層除去工程により、第2の基板の表面に形成された半導体層のうちのダイヤフラム部分以外の所定領域の半導体層を除去することにより第2の基板の表面に素子形成用の領域を露出させる状態に形成するので、ダイヤフラム用の半導体層の膜厚では素子形成を十分に行なえない場合でも、これによって、第2の基板側に素子形成を行なうことができるので、素子形成のための制約を少なくして設計の自由度を高めることができ、さらには、形成する素子の放熱効果を高めることもできるようになる。
【0019】
請求項の発明によれば、凹部形成工程において、圧力基準室用の凹部が外部と連通する減圧用連通部を形成し、剥離工程の後に行なう減圧封止工程により、減圧用連通部により形成される減圧用連通孔を介して圧力基準室内を減圧して封止するので、圧力基準室内を減圧あるいは真空状態として内部に含まれるガスを極力少なくすることで温度変動などによる圧力基準室内の圧力変動を抑制してより正確な圧力検出動作を行なわせるための構成を簡単且つ制御性良く形成することができるようになる。
【0020】
請求項の発明によれば、凹部形成工程において、減圧用連通部を前記第2の基板の表面部に沿った溝部として形成し、剥離工程の後に形成される半導体層により表面部を覆うことで減圧用連通孔を形成するので、ダイヤフラムを形成するための工程を利用して減圧用連通孔を形成することができ、特別の工程を付加することなく簡単に実施することができる。
【0021】
請求項10の発明によれば、凹部形成工程において、減圧用連通部の深さ寸法を凹部の深さ寸法と同じに形成するので、それらの形成のための処理を同一のエッチング処理により行なうことができるので、工程数を少なくして簡単に製作することができるようになる。
【0022】
請求項11の発明によれば、凹部形成工程において、減圧用連通孔を第2の基板の背面部に連通する開口部として形成するので、減圧封止工程においては、第2の基板の背面側から圧力基準室内を減圧し、その開口部を封止することにより同様の特性のものを得ることができるようになる。
【0023】
請求項12の発明によれば、減圧封止工程においては、CVD法により減圧雰囲気中で減圧用連通孔の開口部を封止するように膜を形成するので、特殊な工程を採用することなく減圧封止工程を実施することができる。そして、最終表面に保護膜などを形成する場合には、その保護膜を形成する工程を実施する際に同時に減圧封止工程を行なうことができるようになり、この場合には、封止のための特別な工程を付加することなく実施できるようになる。
【0024】
請求項13の発明によれば、貼り合わせを行なって半導体層を形成する層中に非晶質層もしくは多結晶層等の非単結晶層が含まれているので、第1の基板の表層部を単結晶のままで貼り合わせ工程および剥離工程を実施する場合に比べて、剥離により形成する半導体層部分の機械的強度を高めた状態で半導体層を形成することができるようになる。
【0025】
請求項14ないし16の発明によれば、非単結晶層を、その構成する元素が第1の半導体基板(4)の構成元素と同種のものを含んでなるようにしているので、全く同一元素のみの非結晶層あるいは多結晶層を設けたり、あるいは同種の元素の化合物などによる非単結晶層を設けることができ、これによって、非単結晶層を形成し易くすることができるようになり、さらには、第1の半導体基板としてシリコン基板を用いる場合に、非単結晶膜としてシリコンの非晶質膜であるアモルファスシリコン膜や多結晶膜を用いたり、あるいは酸化シリコン膜,窒化シリコン膜などを用いることができる。これによって、上述同様に、第1の基板の表層部を単結晶のままで貼り合わせ工程および剥離工程を実施する場合に比べて、剥離により形成する半導体層部分の機械的強度を高めた状態で半導体層を形成することができるようになる。
【0026】
請求項17の発明によれば、非単結晶層を第1の半導体基板の表面に堆積法によって形成するので、通常の半導体製造工程において利用されている例えば物理的成膜法あるいは化学的成膜法などを用いて非単結晶膜を形成することができ、特殊な工程を用いることなく簡単且つ安価に非単結晶層を設けることができるようになる。
【0027】
請求項18および19の発明によれば、非単結晶層を第1の半導体基板に対してイオン注入法により形成するので、例えば、イオン注入法により比較的イオン質量の大きい材料を選んで基板内に埋め込むことにより基板表面もしくは内部の任意の領域に非単結晶層として非晶質層を形成することが可能となる。
【0028】
請求項20および21の発明によれば、非単結晶層第1の基板と同種の元素から構成されるアモルファスシリコン膜である場合に、剥離工程の後に熱処理を行なって、その非単結晶層を再結晶化させて半導体層を単結晶の層として形成するようにしているので、貼り合わせおよび剥離工程における半導体層の機械的強度を図りながら、最終的に得る半導体基板の構成として同じものとして単結晶層を得ることができるようになり、圧力センサのダイヤフラムとしての特性についても安定した電気的特性を得ることができるようになる。
【0029】
請求項22の発明によれば、第1の基板として含有酸素濃度が1×1018atoms/cm以上の半導体基板を用いるので、通常の使用に供する半導体基板よりも機械的強度が高くなり、加工工程における取扱い上の性能を向上させ、信頼性が向上する。
【0030】
請求項23の発明によれば、第1の基板と第2の基板とを貼り合わせる際に、第2の基板上の凹部の開口部をなす四辺形の辺方向と単結晶シリコンからなる第1の基板の劈開方向とが交差する関係となる方向に調整して位置決めを行なうので、剥離工程で剥離されるときに第2の基板の凹部の領域に位置する部分がその剥離で受ける衝撃で劈開するなどの損傷が発生するのを防止して機械的強度の低下を防止することができるようになり、確実にダイヤフラム部分を形成することができるようになる。
【0031】
請求項24ないし26の発明によれば、上述の場合において、第2の半導体基板上に形成した凹部の開口部の辺の方向と第1の基板の劈開方向とが最も大きい角度をもって交差する関係となる方向に調整し、例えば、第1の半導体基板の面方位が(100)であるときに、その角度を22〜23°を中心とした角度をもって交差する関係となる方向に調整することにより、上述の効果を最大限に発揮させることができるようになり、機械的強度を高めた状態で再現性良く製作することができるようになる。
【0032】
請求項27の発明によれば、貼り合わせ工程に先立って行なう洗浄工程において、貼り合わせを行なう第1の半導体基板および第2の半導体基板のうち少なくとも第2の半導体基板については疎水化処理することにより、その表面に付着した水分を脱水処理過程において除去するので、基板の表面や形成されている凹部内に水分が残るのを極力防止することができるようになり、貼り合わせにおいて密着させる界面部分に水分が残存したり、あるいは凹部内に水分が残存して特性が劣化するのを抑制することができるようになる。
【0033】
請求項28の発明によれば、貼り合わせ工程を減圧雰囲気中で行なうので、第1の基板と第2の基板とを密着させる際に、基板の表面や凹部などに残存した水分を減圧雰囲気下で十分に脱水することにより除去した上で行なうことができるようになり、密着性の向上を図ることができるようになる。また、この凹部をこの貼り合わせ工程により減圧状態に密閉する場合には、後の工程で別途に凹部内を脱気するための工程を行なう必要がなくなるので、工数の低減をも図ることができるようになる。
【0034】
請求項29の発明によれば、第2の基板として、支持基板上に絶縁膜を介して半導体層が形成されている絶縁膜分離基板を用い、圧力基準室はその絶縁膜分離基板の半導体層中に形成するようにしているので、絶縁膜分離基板上にダイヤフラムや圧力基準室を形成することができ、これによって、圧力センサ制御回路を圧力基準室周囲に位置する絶縁膜分離領域に形成することが可能となり、素子分離構造の形成が容易になると共に、耐圧などの電気的特性の向上も図ることができるようになる。
【0035】
請求項30の発明によれば、第2の基板上に貼り合わせた絶縁膜分離基板を裏面から埋込絶縁膜をストッパとして研削もしくは研磨などの方法によって第2の基板領域を除去し、この後に埋込絶縁膜をエッチングなどの方法により選択的に除去することで半導体層のみを第2の基板上に残した状態に形成することができる。これにより、絶縁膜分離基板の表面の半導体層の膜厚の均一性を高めた状態で形成しておくことにより、その形成精度で貼り合わせ後のダイヤフラムとなる部分の半導体層の膜厚を形成することができ、精度良く設計どおりのダイヤフラムを比較的容易に設けることができるようになる。
そして、上述の場合において、絶縁膜分離基板の絶縁膜分離層内もしくは絶縁膜分離層よりも深部にイオン注入層を形成し、第2の基板との貼り合わせの後に絶縁膜分離基板をイオン注入層の部分で剥離することが可能となる。この後、埋込絶縁層を除去することで第2の基板上に半導体層を形成することができる。したがって、絶縁膜分離基板の支持基板部分を除去するための研削や研磨などの工程をなくして簡単に除去することができると共に、その絶縁膜分離基板の剥離後の支持基板の部分を再び用いて絶縁膜分離基板の支持基板として使用することができるようになる。
【0036】
請求項31の発明によれば、上述の場合において、絶縁分離基板を形成する方法として、第3の基板の所定深さにイオン注入層を形成しておいて第4の基板と貼り合わせ、イオン注入層の部分で剥離して半導体層を形成するようにしているので、所望の膜厚の半導体層を精度良く形成した絶縁分離基板を得ることができ、ダイヤフラム部分に形成する半導体層を比較的簡単に精度良く均一な膜厚で形成することができるようになる。
【0038】
請求項32の発明によれば、凹部形成工程において、第2の基板の表面をエッチング処理することにより凹部を形成するので、ダイヤフラムとなる半導体層および圧力基準室を形成することができるようになる。
【0039】
請求項33の発明によれば、貼り合わせ工程を減圧雰囲気中で行なうので、第1の基板と第2の基板とを密着させる際に、基板の表面や凹部などに残存した水分を減圧雰囲気下で十分に脱水することにより除去した上で行なうことができるようになり、密着性の向上を図ることができるようになる。また、この凹部をこの貼り合わせ工程により減圧状態に密閉する場合には、後の工程で別途に凹部内を脱気するための工程を行なう必要がなくなるので、工数の低減をも図ることができるようになる。
【0040】
請求項34の発明によれば、第2の基板として、支持基板上に絶縁膜を介して半導体層が形成されている絶縁膜分離基板を用い、圧力基準室はその絶縁膜分離基板の半導体層中に形成するようにしているので、絶縁膜分離基板上にダイヤフラムや圧力基準室を形成することができ、これによって、圧力センサ制御回路を圧力基準室周囲に位置する絶縁膜分離領域に形成することが可能となり、素子分離構造の形成が容易になると共に、耐圧などの電気的特性の向上も図ることができるようになる。
【0041】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態について図1ないし図6を参照しながら説明する。
図4(e)は、圧力センサ用半導体基板としてのセンサチップ1の模式的な断面を示すもので、支持基板となる第2の基板としての単結晶シリコン基板2上に、シリコン酸化膜3を介した状態でダイヤフラム形成用の第1の基板としての単結晶シリコン基板4(図2参照)を用いて後述するようにして形成した半導体層としての単結晶シリコン膜5が所定膜厚で形成され、これによってダイヤフラム6が設けられた構成とされている。
【0042】
センサチップ1の中央部には圧力基準室7が設けられ、内部がほぼ真空状態となるように減圧されている。圧力基準室7の側部にはこれに連通して外部に開口した減圧用連通孔8が形成されており、後述するように、この減圧用連通孔8を介して圧力基準室7内を減圧した後、開口部8aを保護膜9により封止することで減圧した状態に形成されている。
【0043】
ダイヤフラム6には圧力検出用のピエゾ抵抗効果を有する抵抗体10が形成されており、圧力基準室6の周辺部に位置する単結晶シリコン膜5には信号処理用の回路を構成するMOSトランジスタなどの種々の回路素子11が形成されており、抵抗体10により検出される圧力検出信号の増幅や信号処理を行なって検出出力を得るようにしている。
【0044】
上記構成によれば、ダイヤフラム6は、外部から圧力を受けると、その圧力と圧力基準室7との差に相当する力が作用して歪みを生ずる。この歪みによってダイヤフラム6に形成している抵抗体10がピエゾ抵抗効果によって抵抗値が変化するので、これをブリッジ接続した回路により電圧の変化として検出し、信号処理回路により圧力に応じた検出信号として出力することができる。
【0045】
この場合、圧力基準室7内は、ほぼ真空状態に減圧されているので、気体が存在する状態と異なり、測定環境の温度変化による内部の圧力変動が生じないので、常に精度の高い圧力検出動作が行なえるのである。また、上述の構成においては、ダイヤフラム6を第1の基板である単結晶シリコン基板4を用いて後述するようにして形成した単結晶シリコン膜5により構成するので、薄い膜を均一で精度良く形成することができ、これによって、圧力検出精度の安定性と精度の向上を図ることができる。
【0046】
次に上記した圧力センサの製造工程について説明する。図1は、製造工程の概略を示すもので、以下、この工程図と図2および図3の工程説明図を用いて説明する。
(1)イオン注入層形成工程(P1)
まず、第1の基板である単結晶シリコン基板4を少なくともその一方の面を鏡面研磨した状態で準備し、この鏡面研磨を行なった面側にイオン注入により例えば水素イオン(プロトン)を注入して高濃度のイオン注入層12を形成する(図2参照)。この場合、単結晶シリコン基板4は、たとえば、含有酸素濃度が、通常のデバイス用に用いられるものよりも高い、1×1018atoms/cm以上で5×1018atoms/cm程度に形成されたものを用いており、これにより、機械的強度を高めている。なお、含有酸素濃度は、1×1018〜1×1020atoms/cm程度の範囲で、好ましくは1×1018〜1×1019atoms/cmの範囲が適している。
【0047】
イオン注入層12を形成する深さは、加速電圧およびドーズ量により所定の深さ寸法に設定されるもので、形成しようとするダイヤフラム6の厚さ寸法に対応して設ける。また、イオン注入層12のドーズ量は、1×1016atoms/cm以上で、例えば5×1016atoms/cmに設定されるが、このドーズ量は多いほど剥離工程P4での剥離性が良くなる。なお、イオン注入する面側にあらかじめ酸化膜を形成しておくことによりイオン注入による表層のダメージの緩和および不純物汚染の低減を図ることができる。
【0048】
(2)凹部形成工程(P2)
次に、第2の基板である単結晶シリコン基板2を少なくともその一方の面を鏡面研磨した状態で準備し、この鏡面研磨を行なっている面側に圧力基準室7用の凹部2aをドライエッチング処理をしたり、あるいはTMAHやKOH(水酸化カリウム溶液)などの水溶液によりウェットエッチング処理をすることにより形成する。なお、後工程の貼り合わせ工程(P3)で真空雰囲気などの減圧雰囲気下で貼り合わせを行なわない場合には、この時点において、減圧用連通部としての溝部2bを同様にしてドライエッチング処理あるいはKOH等によるウェットエッチング処理などの方法により形成する必要がある(図3参照)。
【0049】
この場合、圧力基準室7用の凹部2aは、測定しようとしている圧力の範囲や大きさなどによって適切な寸法が採用されるが、一辺が10〜1000μm程度の範囲内で例えば100μm程度の正方形状とされ、深さ寸法が1〜10μm程度の範囲内で適宜の寸法に設定される。また、溝部2bは、例えば、幅寸法が1〜100μm程度の範囲で10μm程度で、長さ寸法は10〜1000μm程度の範囲で数百μm程度に設定されている。
【0050】
そして、単結晶シリコン基板2の表面に、熱酸化あるいはCVD法などの方法により酸化膜3を形成する。この酸化膜3は、単結晶シリコン基板2の凹部2aや溝部2bの側壁や底面部にも同時に形成しても良い。
【0051】
(3)貼り合わせ工程(P3)
次に、単結晶シリコン基板2の凹部2aを形成した面側に単結晶シリコン基板4のイオン注入層12を形成した面側を貼り合わせる(図4(a)参照)。貼り合わせ工程P3に先立って行なう基板洗浄工程においては、イオン注入を施した単結晶シリコン基板4は、表面に成膜した汚染防止用の酸化膜4aをフッ酸水溶液などにより完全に除去することで表面の汚染除去と平坦化が可能となり、その後、HSOとHを4対1で混合した処理液などで洗浄することで表面に自然酸化膜を形成し親水化する。
【0052】
単結晶シリコン基板2については、凹部2aを形成した上で、HSOとHを4対1で混合した処理液などで洗浄することで自然酸化膜を形成して親水かする。その後、2つの単結晶シリコン基板2,4を密着させることで貼り合わせを行なう。基板洗浄に関しては、単結晶シリコン基板4上の汚染防止用の酸化膜4aを除去することなくHSOとHを4対1で混合した処理液などを用いて洗浄を行ない、表面の汚染物を除去することによっても平坦化をすることができるようになり、貼り合わせを行なうことができるようになる。
【0053】
また、上述の場合において、HSOとHを4対1で混合した処理液などを用いた洗浄で親水化処理を行なうことに代えて、フッ酸水溶液などを用いて洗浄を行なうことによる疎水化処理を施すことも有効な手段となる。これは、親水化処理を行なう場合に比べて、疎水化処理を行なうことは、基板同士の接合強度の点では低下するが、貼り合わせ自体は行なうことができる。そして、この疎水化処理を行なうことは、密着強度の低下にも増して、真空中で貼り合わせを行なうことが接合面内におけるガス残りを防止するという大きな効果をもたらすものである。
【0054】
すなわち、このように疎水化処理を行なった状態で、真空中(減圧雰囲気中)で貼り合わせを行なうと、界面に介在するガスや水分などによる未接合領域の発生を防止することができると共に、圧力基準室7内の水分残りによる真空度の低下や水分の膨張などによるダイヤフラム6の破損を防止して安定したものを製造することができるようになる。また、真空中で貼り合わせを行なうことで、別途に減圧封止工程を実施する必要もなくなる。
【0055】
また、単結晶シリコン基板2および4の貼り合わせ工程においては、単結晶シリコン基板2側の凹部2aの開口部をなす四辺形の辺方向に対して、単結晶シリコン基板4の貼り合わせ方向が、その劈開をしたときの劈開面のなす方向と平行な関係となるときに強度的に不利な条件となるので、これを意図的に避けるような方向に配置して貼り合わせることが好ましい(図5(a),(b)参照)。これにより、後述する剥離工程においては、そのときの衝撃により受ける力で、特に圧力基準室7に対応する部分などで破損するのを防止する効果が高くなる。
【0056】
この場合、例えば、単結晶シリコン基板4の面方位が(100)面を用いている場合に、その劈開し易い面方位としては、図6に示しているように、OFの方向に平行あるいは直交する線として現れる(100)面あるいはOFの方向に45°の傾斜した線として現れる(110)面がある。そこで、この方向と平行とならないように、これらの両者に対して最も大きい角度をなすように傾斜を有する方向として例えば22〜23°程度(正確には22.5°=45°/2)に設定して貼り合わせることが有効である。これにより、機械的強度を高めることができ、剥離時にも破損を防止して品質の良好なものを得ることができるようになる。
【0057】
(4)剥離工程(P4)
この後、接着した単結晶シリコン基板2,4を、窒素雰囲気あるいは酸素雰囲気中で熱処理を行なう。この熱処理では、例えば、400℃〜600℃の範囲であって500℃程度で行なう第1の熱処理と1000℃以上であって1100℃程度で行なう第2の熱処理とを順次行なう方法と、連続的に温度を上昇させて一度に行なう方法とがある。
【0058】
そして、この熱処理を行なうことによって、両基板2,4の接着面では脱水縮合反応が生じて、接着状態をより強固な状態とすることができる。また、水素のイオン注入層12においては、この熱処理によって欠陥が局所的に集中し気泡が発生することによりその面で剥離するようになる(図4(b)参照)。
【0059】
これにより、単結晶シリコン基板4の表面部分の例えば膜厚2μm程度(例えば、1〜10μm程度の範囲で形成することが好ましい)の単結晶シリコン膜5が単結晶シリコン基板2側に接着された状態で残されるので、圧力基準室7およびダイヤフラム6を形成することができる。この後、剥離された単結晶シリコン膜5の表面を研磨などの方法により面粗度を低減させることにより平滑度を向上させる。なお、この研磨処理は、次の素子形成工程を実施しない場合には必ずしも必要ではない。
【0060】
(5)素子形成工程(P5)
上述の状態では、単結晶シリコン膜5は、第2の基板である単結晶シリコン基板2の上に絶縁膜である酸化膜3を介した状態で形成されているので、基板構造としてはSOI(Silicon On Insulator)構造となっている。この単結晶シリコン膜5に、圧力検出用のピエゾ抵抗効果を有する抵抗体10を形成すると共に、信号処理用の回路を構成するMOSトランジスタなどの種々の素子11を形成する(同図(c)参照)。抵抗体10は、配線パターンによりブリッジ回路が構成されるように配線され、その入出力端子間は信号処理回路と接続するように配線される。
【0061】
(6)減圧封止工程(P6)
次に、前記貼り合わせ工程P2において、真空雰囲気中で接合を行なわないタイプのものを製造する場合には、圧力基準室7内を真空または所定の圧力まで減圧する必要があるため、以下に説明する減圧封止工程P6を実施する。すなわち、溝部2bと単結晶シリコン膜5とにより形成されている減圧用連通孔8の圧力基準室7と反対側の端部に単結晶シリコン膜5に開口部8aを形成する(同図(d)参照)。この場合、開口部8aは、単結晶シリコン膜5の表面側からエッチング処理などにより形成する。
【0062】
この後、CVD装置などにより、上記のように形成した単結晶シリコン膜5の表面に絶縁保護膜9を形成することにより、開口部8aを同時に減圧封止する。CVD装置内に載置した状態で減圧して真空雰囲気中にさらして圧力基準室7内を減圧用連通孔8を介して減圧する。内部が真空になった状態で、窒化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜などの絶縁保護膜9を表面全面に堆積させることにより形成し、これによって開口部8a内を同時に封止する。この後、フォトリソグラフィ処理によってダイヤフラム6部分の保護膜9を剥離してセンサチップ1が形成される。
【0063】
このような第1の実施形態によれば、内部に圧力基準室7を備えた構成のダイヤフラム6を形成する際に、単結晶シリコン基板2にイオン注入層12を形成した単結晶シリコン基板4を貼り合わせた後に、熱処理を行なって剥離させることにより形成するので、貼り合わせた後に研磨によりダイヤフラムの膜厚を設定寸法となるように制御する従来の方法と比べて、均一で薄い膜厚のダイヤフラム6再現性良く形成することができ、これによって、検出精度の高い圧力センサを提供することができるようになる。
【0064】
また、第1の実施形態によれば、減圧封止工程P6により圧力基準室7をほぼ真空状態に形成することができるので、圧力基準室7内の圧力の設定を精度良く行なえ、これによって、環境温度の変化による圧力基準室7内の圧力変動を極力防止して精度の高い圧力検出動作を行なうことができる圧力センサを提供することができるようになる。
【0065】
なお、上記実施形態においては、単結晶シリコン基板2と4との間に酸化膜3を介在させる構成のセンサチップ1について説明したが、これに代えて、例えば、酸化膜3を設けない構成とすることもできる。つまり、SOI構造とするのではなく、直接単結晶シリコン基板2と4とを接着する構成で、センサチップの信号処理回路としての制約がない場合には、このような構成として単結晶シリコン膜5の部分に回路素子11を形成することができる。
【0066】
また、ダイヤフラム6を厚く形成する場合には、バイポーラ素子を形成することもできる。そして、このように酸化膜3を設けない構成とする場合には、信号処理回路にて発生する熱が第2の基板である単結晶シリコン基板2側に伝わりやすくなるので、裏面側からの放熱効果が高くなり、動作特性が向上する。
【0067】
また、凹部2aを形成する第2の半導体基板として絶縁膜分離基板を用いることができる。これにより、絶縁膜分離基板上にダイヤフラム6および圧力基準室7を形成した構成とすることができ、これらから得られる電気的信号を処理するための圧力センサ制御回路をその圧力基準室7の周辺領域に形成する場合に、下地の支持基板側と絶縁分離した状態で設けることができ、素子分離構造の形成が容易になると共に、形成する回路素子の耐圧などの電気的特性の点においても性能の向上を図ることができるようになる。
【0068】
(第2の実施形態)
図7は、本発明の第2の実施形態を示すもので、第1の実施形態と異なるところは、第2の基板としての単結晶シリコン基板2の表面に形成する凹部2aと溝部2bとの深さ寸法を同じ寸法に設定したことである。すなわち、凹部形成工程P2においては、単結晶シリコン基板2の表面に図7(b)に示すようなフォトレジストパターンを形成し、この状態として同時にエッチング処理を行うことにより、凹部2aと溝部2bとを同じ深さ寸法で一体にした凹部2cを形成するのである。
【0069】
この場合のように、圧力測定上の条件などにおいて構造上の制約がない場合には、第1の実施形態における凹部2aと溝部2bとを一体にした凹部2cとして1回のフォトリソグラフィ処理により形成することができるので、工程が少なくなる利点がある。
【0070】
(第3の実施形態)
図8ないし図10は、本発明の第3の実施形態を示すもので、第1の実施形態と異なるところは、信号処理回路用のMOS回路素子11を形成していたダイヤフラム6の周辺部に位置する半導体層5の部分を除去するように、剥離工程P4の後に半導体層除去工程Q1を設けたところである。
【0071】
すなわち、第1の実施形態においては、信号処理回路用の素子としてMOSトランジスタなどのMOS回路素子11(深さ2〜3μmの領域で形成可能)を形成する場合の構成を対象としていたので、ダイヤフラム6として用いる単結晶シリコン膜5の膜厚が比較的薄い場合でも形成することができた。
【0072】
しかし、例えば、センサの信号処理回路に良く用いられるバイポーラトランジスタなどのようなバイポーラ素子13(図9(e)参照)を形成しようとすると、通常の構成においては、10μm程度までの深さ寸法が必要であるから、ダイヤフラム6が薄く形成される場合においては特に接合深さ寸法に制約が大きくなって回路構成を形成することが困難となる場合がある。
【0073】
そこで、第3の実施形態においては、ダイヤフラム6を形成する単結晶シリコン膜5の膜厚の制約を受けない構造を有するセンサチップ14を提供する。この構成においては、バイポーラトランジスタなどのバイポーラ回路素子13を形成する領域として、第2の基板である単結晶シリコン基板2の表面15を一部露出させてそこに形成する構成とする。
【0074】
次に、上記構成のセンサチップ14の製造方法(図8参照)について説明する。イオン注入層形成工程P1,凹部形成工程P2,貼り合わせ工程P3および剥離工程P4は第1の実施形態と同様にして実施され、図9(a)に示すような構成を得る。次に、半導体層除去工程Q1において、単結晶シリコン膜5のダイヤフラム6の領域を除いた部分を除去すべく、フォトリソグラフィ処理によって図10(b)に示すような形状にパターニングし、単結晶シリコン膜5の下層に形成されている酸化膜3をエッチングストッパとしてエッチング処理を行って除去する。続いて、露出した酸化膜3を同じくエッチング処理により除去する。これにより、単結晶シリコン基板2の表面15が部分的に露出される(図9(b)参照)。
【0075】
次に、素子形成工程P5では、ダイヤフラム6部分に前述と同様にして低抗体10を形成すると共に、上述の工程にて露出された単結晶シリコン基板2の表面15に信号処理回路用のMOS回路素子11およびバイポーラ回路素子13を形成する(同図(c)参照)。
【0076】
この後、第1の実施形態と同様にして減圧封止工程P6を実施して減圧用連通孔8の端部の単結晶シリコン膜5に開口部8aを形成し(同図(d)参照)、CVD法によって圧力基準室7内を真空状態に減圧して保護膜9を全面に形成することにより開口部8aを封止する。この後、ダイヤフラム6部分の保護膜9を除去することによりセンサチップ14が得られる。
【0077】
このような第3の実施形態によれば、半導体層除去工程Q1を実施することにより、ダイヤフラム6の周囲の単結晶シリコン膜5を除去して単結晶シリコン基板2の表面15を露出させた状態とし、この部分にMOS回路素子11やバイポーラ回路素子13などの信号処理回路を形成するようにしたので、単結晶シリコン膜5の膜厚の制約を受けることなく信号処理回路用の回路素子11,13を形成することができるようになる。また、このように、回路素子11,13を単結晶シリコン基板2上に直接形成するので、回路で発生する熱に対する放熱効果が向上するようになる。
【0078】
なお、上述した第3の実施形態においても、酸化膜3を介在させない構成としてセンサチップ14を形成することができる。そして、この場合においては、半導体層除去工程Q1において単結晶シリコン膜5をエッチング処理する際に、エッチングストッパとなる酸化膜3がないことから、単結晶シリコン膜5の膜厚分をエッチング処理により除去した後、さらに接合部近傍の欠陥が発生している部分をエッチングにより除去した状態として回路素子11,13を形成することが好ましい。
【0079】
また、上記実施形態において、MOS回路素子11は単結晶シリコン膜5(SOI構造となっている領域)に形成し、バイポーラ回路素子13を形成する領域の単結晶シリコン膜5および酸化膜3だけを除去することで露出した第2の基板である単結晶シリコン基板2の表面15にバイポーラ回路素子13を形成する構成としても良い。
【0080】
(第4の実施形態)
図11ないし図13は、本発明の第4の実施形態を示すもので、第1の実施形態と異なるところは、センサチップ16を構成する圧力基準室7用の凹部および減圧用連通孔8用の溝部の形成方法である。すなわち、図13(e)に示すように、センサチップ16は、第2の基板である単結晶シリコン基板2の上面に所定膜厚のシリコン酸化膜17を設けて、その一部をエッチング処理により除去することで凹部17aおよび溝部17bを形成している。この上部に単結晶シリコン膜5を前述同様にして形成してダイヤフラム6を設けると共に圧力基準室7を設けるようにしている。
【0081】
次に、センサチップ16の製造方法(図11参照)について述べる。イオン注入層形成工程P1は第1の実施形態と同様にして実施する。第2の基板である単結晶シリコン基板2に対して、凹部形成工程P2に先だって酸化膜形成工程R1を実施する。単結晶シリコン基板2の表面に熱酸化あるいはCVD法などの方法により所定膜厚の酸化膜17を形成する。この場合、酸化膜17の膜厚は、熱酸化法では最大2μm程度であり、CVD法では最大5μm程度であるから、必要に応じて適宜選択して形成する。
【0082】
次に、凹部形成工程P2では、第1の実施形態の場合と異なり、酸化膜17に凹部および溝部となる開口部17a、17bをエッチングにより開口形成する (図12(a),(b)参照)。以下、前述同様にして、貼り合わせ工程P3 (図13(a)参照),剥離工程P4(同図(b)参照),素子形成工程P5 (同図(c)参照)および減圧封止工程P6(同図(d),(e)参照)を順次実施する。
【0083】
これにより、半導体層としての単結晶シリコン膜5を形成してダイヤフラム6および圧力基準室7を形成し、抵抗体10および回路素子11を形成した後に開口部8aを形成し、CVD法により開口部8aから減圧用連通孔8を介して圧力基準室8内を真空状態となるように減圧して保護膜9を形成することにより封止する。ダイヤフラム6上の保護膜9を除去することによりセンサチップ16が形成される。
【0084】
このような第4の実施形態によれば、圧力基準室7用の凹部17aおよび減圧用連通孔8用の溝部17bを形成するための凹部形成工程P2が、酸化膜17を形成してこれに窓部を形成することにより設けるようにしたので、凹部17aの深さ寸法が条件に適合する場合には簡単な処理工程を経ることによりセンサチップ16を形成することができるようになる。
【0085】
(第5の実施形態)
図14および図15は、本発明の第5の実施形態を示すもので、第4の実施形態と異なるところは、剥離工程P4の後に半導体層除去工程Q1を実施するところである。すなわち、本実施形態におけるセンサチップ18においては、第3の実施形態において述べたと同様に、バイポーラ回路素子13を設ける構成を備えたものである。
【0086】
次に、センサチップ18の製造方法(図14参照)について説明する。すなわち、前述同様にして剥離工程P4を実施することにより単結晶シリコン膜5を形成してダイヤフラム6および圧力基準室7を形成した(図15(a)参照)後に、半導体層除去工程Q1を実施してダイヤフラム6の周囲の単結晶シリコン膜5を除去すると共に、酸化膜17を除去することにより、単結晶シリコン基板2の表面15を露出させた状態に形成する(同図(b)参照)。
【0087】
この後、素子形成工程P5を経て、単結晶シリコン基板2の表面15にMOS回路素子11およびバイポーラ回路素子13を形成して信号処理回路を設ける(同図(c)参照)。続いて、減圧封止工程P6により、減圧用連通孔8に開口部8aを形成して(同図(d)参照)、CVD法により保護膜9を形成して開口部8aを封止する。ダイヤフラム6部分の保護膜9を除去することによりセンサチップ18を得ることができる。
【0088】
このような第5の実施形態によれば、圧力基準室7を得るための凹部形成工程P2を酸化膜17を用いた構成として簡単にしながら、形成する回路素子11,13に対する放熱効果を向上させるために単結晶シリコン基板2の表面15に信号処理回路を形成することができるようになる。
【0089】
(第6の実施形態)
図16ないし図20は、本発明の第6の実施形態を示すもので、以下第1の実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態は、センサチップ19として形成する場合のダイヤフラム6の膜厚が薄い場合や、イオン注入層12のドーズ量が不足した場合などに特に有効なもので、剥離工程P4において単結晶シリコン膜5を剥離形成する際に、単結晶シリコン基板4を確実に剥離させることができるようにしたものである。
【0090】
完成したセンサチップ19の構造としては、第1の実施形態で述べたセンサチップ1と同じであり、途中の製造工程(図16参照)において異なる過程を経るようになっている。すなわち、第1の基板としての単結晶シリコン基板4に対しては、前述同様にしてイオン注入層形成工程P1にて所定条件でイオン注入層12を形成する(図17(a)参照)。
【0091】
次に、凹部形成工程P2においては、前述と異なり、第2の基板としての単結晶シリコン基板2に圧力基準室7に対応した凹部2aおよび減圧用連通孔8に対応した溝部2bを形成する際に、凹部2a内および溝部2b内にシリコンをエッチングしない部分をシリコン支柱部20として残すようにしている。このシリコン支柱部20は、例えば、0.1〜3μm程度の角柱状に凹部2a,溝部2b底面部に残るようにパターニングしてエッチング処理を行なうことにより形成する(図17(b)参照)。
【0092】
なお、この場合において、溝部2bは、図20に示すように、後工程でのエッチング処理の関係で凹部2aの両側に形成しており(図17,図18では繁雑を避けるために一方の溝部2bのみを図示している)、それら2つの溝部2bおよび凹部2aにシリコン支柱部20が多数配置形成されている。シリコン支柱部20は、ここでは角柱状に形成しているが、円柱あるいは他の形状としても差支えない。
【0093】
次に、熱酸化工程S1において、単結晶シリコン基板2を熱酸化して、シリコン支柱部20のシリコンを完全に酸化シリコンになるまで酸化させることにより酸化シリコン支柱部20aとして形成する。このとき、凹部2a,溝部2bの内底部および側壁部にも酸化膜3が形成される(図17(c)参照)。
【0094】
この後、貼り合わせ工程P3,剥離工程P4を経て単結晶シリコン基板2上に単結晶シリコン膜5を形成する。このとき、貼り合わせ工程P3(図18(a)参照)では、単結晶シリコン基板2の凹部2a,溝部2bに形成した酸化シリコン支柱部20aの先端位置が基板表面と同一面上にあるので、貼り合わせた単結晶シリコン基板4の面が酸化シリコン支柱部20aに接した状態となって密着するようになる。
【0095】
このように2枚の単結晶シリコン基板2,4を貼り付けた状態で、剥離工程P4を実施すると、ダイヤフラム6となる部分の単結晶シリコン膜5が単結晶シリコン基板2側の凹部2aおよび溝部2bに形成した酸化シリコン支柱部20aに密着した状態であるから、単結晶シリコン基板4のイオン注入層12において剥離がおこるときに、この部分が剥離しきれずに周囲で割れて第1の基板である単結晶シリコン基板4側に付いた状態で不完全な剥離が起こるという不具合を回避することができる。これは、特に剥離しようとする単結晶シリコン膜5の膜厚が薄い場合には大きな要因として寄与するので、確実に剥離工程P4を実施するためには有効な構造となる。
【0096】
さて、上述のようにして剥離工程P4を実施して単結晶シリコン膜5を形成した状態では、圧力基準室7および減圧用連通孔8内には酸化シリコン支柱部20aが残存した状態となっている(同図(b)参照)。そして、この状態のまま、次の素子形成工程P5を行って、単結晶シリコン膜5のダイヤフラム6部分に低抗体10を形成すると共に、ダイヤフラム6の外周領域に信号処理回路用のMOS回路素子11を形成する(同図(c)参照)。
【0097】
次に、支柱エッチング工程S2では、2つの減圧用連通孔8の端部に位置する単結晶シリコン膜5をエッチング処理により除去して開口部8aを形成し(図19(a)参照、図中にはひとつの開口部8aのみを示す)、この2つの開口部8aを介して内部にフッ化水素液などの酸化シリコンのエッチング液を流通させて酸化シリコン支柱部20aおよび酸化膜3を選択的にエッチングして除去する (同図(b)参照)。この場合、開口部8aが2か所に形成されているので、内部にエッチング液が流通しやすくなる。
【0098】
そして、減圧封止工程P6では、前述と同様にしてCVD装置を用いて圧力基準室7内を真空状態にして保護膜9を形成することにより2つの開口部8aを保護膜9で覆うようにして封止する。この後、ダイヤフラム6部分の保護膜9を除去することによりセンサチップ19が形成される。
【0099】
このような第6の実施形態によれば、貼り合わせ工程P3に先だって凹部2a,溝部2b内に酸化シリコン支柱部20aを形成しておくので、貼り合わせ工程P3でダイヤフラム6部分の接着状態を良好にすることができ、剥離工程P4における剥離を部分的に剥離するなどの不具合を回避して確実に単結晶シリコン膜5を剥離させることができるようになる。
【0100】
そして、酸化シリコン支柱部20aを、凹部2a,溝部2bの形成時に同時に単結晶シリコン基板2をエッチングする際にシリコン支柱部20として形成し、これを熱酸化工程S1により熱酸化して形成するので、工程数が大きく増加することがない。さらに、酸化シリコン支柱部20aを減圧封止工程P6に先だって、支柱エッチング工程S2により選択的にエッチング除去するので、完成されたセンサチップ19に何等悪影響を及ぼすものでもない。
【0101】
(第7の実施形態)
図21および図22は、本発明の第7の実施形態を示すもので、第6の実施形態と異なるところは、前述した第3の実施形態において説明した半導体層除去工程Q1を素子形成工程P5に先だって行なうことにより、第2の基板である単結晶シリコン基板2の表面15に信号処理回路の回路素子11,13を形成したところである(製造工程は、図21参照)。
【0102】
第6の実施形態と同様にしてイオン注入層形成工程P1,凹部形成工程P2,熱酸化工程S1,貼り合わせ工程P3および剥離工程P4(図22(a)参照)を実施した後、半導体層除去工程Q1を実施してダイヤフラム6の周辺の単結晶シリコン膜5および酸化膜3をエッチングして除去することにより第2の基板である単結晶シリコン基板2の表面15を露出させる(同図(b)参照)。
【0103】
次に、素子形成工程P5では、ダイヤフラム6の表面に抵抗体10を形成すると共に、露出された単結晶シリコン基板2の表面15に信号処理回路用の回路素子であるMOS回路素子11およびバイポーラ回路素子13を形成する(同図 (c)参照)。
【0104】
この後、前述同様にして、支柱エッチング工程S2にて、減圧用連通孔8に開口部8aを形成(同図(d)参照)した後、凹部2a,溝部2b内に形成されている酸化シリコン支柱部20aを選択的にエッチング処理して除去し(同図(e)参照)、続いて減圧封止工程P6にて、圧力基準室7内を減圧して真空状態となるようにして保護膜9を形成することにより開口部8aを封止し、ダイヤフラム6部分の保護膜9をエッチング除去することでセンサチップ21を得ることができる(同図(f)参照)。
【0105】
このような第7の実施形態によれば、第6の実施形態におけるものと同様の効果を得ることができると共に、バイポーラ回路素子13を形成する場合にダイヤフラム6の膜厚に制限を受けることなく形成することができ、さらに、信号処理回路の発熱を第2の基板である単結晶シリコン基板2の裏面側に放熱する効果を高くすることができるようになる。
【0106】
(第8の実施形態)
図23ないし図26は、本発明の第8の実施形態を示すもので、第6の実施形態と異なるところは、センサチップ22の構造として第2の基板である単結晶シリコン基板2の表面の酸化膜3を形成しない構成とするために、製造工程上で、凹部形成工程P2に先だって窒化膜形成工程T1(図23参照)を設けたところである。
【0107】
すなわち、前述同様にイオン注入層形成工程P1を実施(図24(a)参照)した後、第2の基板である単結晶シリコン基板2に対しては、窒化膜形成工程T1において、鏡面研磨された表面に窒化シリコン膜23を形成する。この後、凹部形成工程P2にて、その一部をフォトリソグラフィ処理によりパターニングして、第2の実施形態で述べたと同様に圧力基準室7用の凹部2aと減圧用連通孔8の溝部2bとを一体にした形状の凹部2c(図7参照)を形成するようにエッチング除去する(図24(b)参照)。
【0108】
このとき、凹部2c内には第6の実施形態と同様に、シリコン支柱部20が多数形成される。そして、熱酸化工程S1を実施することによりシリコン支柱部20を完全に酸化シリコンにして酸化シリコン支柱部20aを形成すると共に、凹部2cの底面および側面にも酸化膜3を形成する(同図(c)参照)。なお、この熱酸化工程S1では、単結晶シリコン基板2の窒化シリコン膜23が形成されている部分にはこれがマスクとなって酸化膜は形成されない。
【0109】
この後、窒化シリコン膜23をエッチング処理により除去した状態として次の貼り合わせ工程P3を実施する(図26(a)参照)。以下、剥離工程P4(同図(b)参照)および素子形成工程P5を実施して抵抗体10およびMOS回路素子11を単結晶シリコン膜5上に形成する(同図(c)参照)。続いて、支柱エッチング工程S2(図26(a)参照)および減圧封止工程P6(同図(b),(c)参照)を経てセンサチップ22を得ることができるようになる。
【0110】
この場合、センサチップ22の構造として、単結晶シリコン基板2の表面に酸化膜3を設けない構成としているので、支柱エッチング工程S2においては、第6の実施形態におけるような酸化膜3のオーバーエッチングによる不具合を考慮する必要がなく、したがって、酸化シリコン支柱部20aを確実にエッチング除去するように制御することができる。
【0111】
このような第8の実施形態によれば、第6の実施形態と同様の効果を得ることができると共に、支柱エッチング工程S2におけるエッチング処理の制御性の向上を図ることができる。
【0112】
なお、上述の場合に、第2の基板である単結晶シリコン基板2の表面に、先に酸化膜を形成し、その上に窒化シリコン膜23を設けた状態で凹部形成工程P2を実施するようにしても良いし、あるいは、窒化シリコン膜23の上にフォトレジストを設けた状態としてこれをマスク材として凹部形成工程P2を実施しても良い。
【0113】
(第9の実施形態)
図27および図28は、本発明の第9の実施形態を示すもので、第1の実施形態と異なるところは、第1の基板である単結晶シリコン基板4に対して、イオン注入層12を形成する側の面の表層部分を非晶質化する非晶質膜形成工程U1 (図27参照)を実施するようにしたところである。
【0114】
すなわち、単結晶シリコン基板4にイオン注入層12を形成した後、非晶質膜形成工程U1では、イオン注入法により例えば、シリコンイオンあるいはアルゴンイオンなどの希ガスイオンを表層部に注入し、これによってイオン注入層12よりも浅い領域に非晶質膜であるシリコンのアモルファス層24を形成する(図28参照)。これにより、単結晶シリコン基板4の剥離しようとする部分の機械的強度を高くすることができ、剥離工程P4で剥離する際に、部分的な割れや破れなどの発生を防止することができるようになる。
【0115】
また、形成されたアモルファス層24は、剥離工程P4における高温の熱処理工程を経ることにより、剥離した部分に残っている単結晶シリコンをシードとして再配列して単結晶化することができ、これによって単結晶シリコン膜5を得ることができる。
【0116】
このような第9の実施形態によれば、剥離工程P4での単結晶シリコン膜5の割れや破れを防止するために、非晶質膜形成工程U1を実施して機械的強度の向上を図るので、割れの発生を極力低減して確実に単結晶シリコン膜5を剥離形成することができるようになる。
なお、上述した非晶質膜形成工程U1は、イオン注入層形成工程P1の前に行なっても良い。
【0117】
(第10の実施形態)
図29は、本発明の第10の実施形態を示すもので、第9の実施形態と異なるところは、第1の基板である単結晶シリコン基板4に対して、非晶質膜としてのアモルファスシリコン膜25を堆積させることにより形成するようにしたところである。
【0118】
すなわち、図29に示すように、イオン注入層形成工程P1の前あるいは後において、CVD法あるいはPVD(物理的堆積法)によりアモルファスシリコン膜25を形成する。これにより、第9の実施例と同様の作用効果を得ることができる。なお、この場合においては、アモルファスシリコン膜25に代えて、多結晶シリコン膜や酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜を形成することによっても同様の効果を得ることができる。また、アモルファスシリコン膜25は、前述同様に、剥離工程P4にて単結晶化することができる。
【0119】
(第11の実施形態)
図30および図31は、本発明の第11の実施形態を示すもので、第1の実施形態と異なるところは、センサチップ26の構造として、減圧用連通孔8を第2の基板である単結晶シリコン基板2の背面側に導出する開口部27として形成したところである。
【0120】
すなわち、この実施形態においては、製造工程としては第1の実施形態と同様(図1参照)であり、前述同様にしてイオン注入層形成工程P1(図30(a)参照),凹部形成工程P2を実施して貼り合わせ工程P3(同図(b)参照)に移行する。このとき、凹部形成工程P2では、圧力基準室7用の凹部2aとは別に、単結晶シリコン基板2の凹部2a底面部と裏面側とを連通するように開口部27をエッチング処理により形成する。
【0121】
以下、剥離工程P4(同図(c)参照),素子形成工程P5(図31(a)参照)および減圧封止工程P6(同図(b),(c)参照)を実施してセンサチップ26を形成する。この場合、減圧封止工程P6においては、開口部27を介して圧力基準室7内を減圧して真空状態とし、この後、封止部材28により封止する。また、別途に、センサチップ26の表面にはダイヤフラム6部分を除いて保護膜9を形成する。
【0122】
このような第11の実施形態によっても前述と同様の作用効果を得ることができるようになる。なお、上述の場合において、センサチップ26の使用形態の一つとして、例えば、圧力基準室7内を大気に開放してダイヤフラム6に受ける圧力差による検出動作を行なう場合には、封止部材28を設けない構成として利用することもできる。
【0123】
(第12の実施形態)
図32ないし図35は、本発明の第12の実施形態を示すもので、以下、第1の実施形態と異なるところについて説明する。この実施形態においては、図35(h)に示すように、圧力センサ用半導体基板29は、支持基板となる単結晶シリコン基板30の表面に絶縁膜としてのシリコン酸化膜31が形成され、これには、所定の領域にシリコン酸化膜31およびシリコン単結晶基板30の所定深さまで形成された凹部32により圧力基準室33が形成されている。
【0124】
そして、圧力基準室33を閉塞するようにして単結晶シリコン基板30の表面に半導体層としての単結晶シリコン薄膜34が形成され、ダイヤフラム35が設けられる。圧力基準室33内は、減圧されており、真空状態に近い圧力に設定されている。したがって、基本的には、第1の実施形態において示した圧力センサ用半導体基板であるセンサチップ1の構造と同じである。なお、図中には、単結晶シリコン薄膜34には圧力測定用の抵抗体やセンサ回路などは形成されていない状態で示している。
【0125】
次に、図32および図33に示す製造工程の概略を参照して、圧力センサ用半導体基板29の製造工程について概略的に説明する。
(1)イオン注入層形成工程V1
まず、第1の基板としての絶縁膜分離基板36を形成する過程を、図32に示す工程及び図34の模式的断面図を参照して説明する。この絶縁膜分離板36は、第1の基板により形成する単結晶シリコン薄膜34をダイヤフラム35として利用する場合に、ダイヤフラム35の厚さ寸法を精度良く設定可能とするために採用するものである(同図(c)参照)。
【0126】
まず、第3の基板としての単結晶シリコン基板37を準備し、これに、表面から所定の深さ寸法の位置に水素イオン(プロトン)を注入した高濃度のイオン注入層38を形成する(図34(a)参照)。この場合、イオン注入層38を形成する深さは、注入加速電圧により決定されるもので、最終的には、ダイヤフラム35の厚さ寸法を決めるため、あらかじめ所望の厚みとなるように設定しておく必要がある。
【0127】
具体的には、2.0μmのダイヤフラム35を得るためには、220keVが必要であり、1.0μmのダイヤフラム35を得るためには、120keV程度の加速電圧で水素イオンを注入することになる。また、イオン注入量は、1×1016atoms /cm以上で、望ましくは5×1016atoms /cm以上が必要である。また、イオン注入する単結晶シリコン基板37表面をあらかじめ熱酸化もしくは成膜法により酸化膜39を形成することで、イオン注入による表層のダメージ緩和や不純物汚染防止が可能となる。
【0128】
(2)貼り合わせ工程V2
次に、第3の基板である単結晶シリコン基板37と、これとは別途に準備する第4の基板である単結晶シリコン基板40を用いて両者を貼り合わせる(図34(b)参照)。貼り合わせ工程に先立って行う基板洗浄工程においては、イオン注入層38を形成している単結晶シリコン基板37は、表面に成膜した汚染防止用の酸化膜39をフッ酸水溶液などのエッチング液を用いて完全に除去することで表面の汚染除去および平坦化をすることができ、その後、HSO(硫酸)とH(過酸化水素水)を4対1で混合した溶液により洗浄することで、表面に自然酸化膜を形成し、親水化処理を行う。
【0129】
第4の基板である単結晶シリコン基板40については、あらかじめ絶縁膜分離基板36の埋め込み酸化膜(絶縁膜)として機能するシリコン酸化膜41を成膜した上で、HSOとHを4対1で混合した溶液により洗浄することで、表面に自然酸化膜を形成し、親水化処理を行う。この後、2枚の基板を密着させることで貼り合わせを行う。なお、基板洗浄に関しては、単結晶シリコン基板37については汚染防止用の酸化膜39を除去することなく、HSOとHを4対1で混合した溶液により洗浄することのみにより表面の汚染物を除去することによっても平坦化が可能となり、単結晶シリコン基板40との貼り合わせも可能となる。
【0130】
また、HSOとHを4対1で混合した溶液により洗浄することで、表面に自然酸化膜を形成し、親水化処理を行う上述の方法に代えて、基板洗浄処理を、フッ酸水溶液などの疎水化処理を行うことも有効である。これは、疎水化処理をすることにより、接合強度は多少低下するが、ある程度以上の接合強度が得られる場合には、接合面における水分の残存を極力低減することができる。これは、真空雰囲気中で貼り合わせを行う場合には、圧力基準室33を同時に形成する構成のときには、特に未接合領域(ボイド)の発生や圧力基準室33内の水分残りを防止して確実に貼り合わせを行うことができるようになる。
【0131】
(3)剥離工程V3
次に、2つの基板を貼り合わせた状態で、熱処理を行い、これによって接合面の接合強度の強化を図ると共に、イオン注入層38での注入水素の圧力上昇により剥離を起こさせる(図34(c)参照)。この時の熱処理温度は、400℃〜600℃程度が必要であり、熱処理装置は電気炉であってもランプ加熱による短時間熱処理であっても良い。なお、熱処理雰囲気は、大気圧中(例えば、窒素雰囲気)であっても真空中であっても、いずれにおいても剥離を行わせることができる。
【0132】
水素イオン注入層38が形成されている部分で、半導体層としての単結晶シリコン薄膜34が剥離し、これが第4の基板である単結晶シリコン基板40上に酸化膜41を介して貼り合わされた状態となり、これによって絶縁膜分離基板の構造を得ることができるようになる。上述した400℃〜600℃程度での熱処理では十分な接合強度を得ることができないので、実際には、剥離後に1000℃以上で好ましくは1100℃以上の温度で熱処理を行う。
【0133】
また、剥離面の表面粗さはRa値で5〜10nmであり、次の工程での単結晶シリコン基板(第2の基板)30との貼り合わせを達成するためには、表面粗さRa=0.5nm以下にすることが必要であり、機械的研磨法CMP(Chemical Mechanical Polishing )により表面平滑化を達成するか、剥離面を熱酸化した後に酸化膜のみをエッチングにより平滑化を行う必要がある。この結果、絶縁膜分離基板36を第1の基板として形成することができるようになる。
【0134】
(4)凹部形成工程P2
この工程は、第1の実施形態において述べたのと同様の工程が実施され、第2の基板としての単結晶シリコン基板30にエッチングにより凹部32が形成される(図35(d)右側参照)。ただし、この場合において、この実施形態における説明では、第1の実施形態の場合と異なり、減圧用連通部2bを設けないで圧力基準室33を形成する工程を採用するので、後の工程も若干の変更がある。しかし、この実施形態においても、第1の実施形態と同様に、減圧用連通部2bを設ける構成の工程を採用することもできる。
【0135】
(5)イオン注入層形成工程V4
この工程においては、絶縁膜分離基板36に形成した酸化膜41の内部あるいはその酸化膜41よりも深い位置に剥離用のイオン注入層42を形成する(同図(d)左側参照)。この場合、イオン注入層42は、例えば水素イオン(プロトン)を注入して高濃度の水素イオン注入層として形成する。また、イオン注入層42を形成する深さは、注入加速電圧により決定されるので、酸化膜41内もしくはそれよりも深い位置の基板内部に注入ピークが位置するように設定する。この時、イオン注入量は1×1016atoms /cm以上で、望ましくは5×1016atoms /cm以上が必要である。
【0136】
(6)貼り合わせ工程P3
ここでは、絶縁分離膜基板36と凹部34を形成した単結晶シリコン基板30とを貼り合わせる(図35(e)参照)。貼り合わせ工程に先立って行う基板洗浄工程においては、HSOとHを4対1で混合した溶液により洗浄することで、表面に自然酸化膜を形成し、親水化処理を行う。単結晶シリコン基板30については、あらかじめ酸化膜31を表面に成膜した上で、表面に自然酸化膜を形成し、親水化処理を行う。この後、2つの基板を密着させることで、貼り合わせを行う。
【0137】
この時、貼り合わせを行う雰囲気は、大気圧中であっても良いし、真空中であっても良い。この時、真空中で貼り合わせを行うことにより、接合面内での空気残りを防止できると共に、未接合領域(ボイド)が低減できるほかに、圧力基準室33用の凹部34内部の脱水が行えるので、素子形成後に行う減圧封止工程を不要とすることができる。この結果、ダイヤフラム35を形成した後に、水分の膨張によるダイヤフラム35の破損の発生を防止できるようになる。
【0138】
(7)支持基板薄片化工程V5
絶縁膜分離基板36を薄片化するために、イオン注入層42部分での剥離を行う。剥離を引き起こすために、2つの基板を貼り合わせた状態で、熱処理を施し、イオン注入層42部分の注入水素の圧力上昇を発生させて剥離を起こす(図35(f)参照)。また、この熱処理で同時に接合面の接合強度の強化を図る。熱処理温度やその他の条件は、前述した剥離工程V3とほぼ同じである。この結果、単結晶シリコン基板30上に半導体層としての単結晶シリコン薄膜34を埋め込み酸化膜34を介した状態で形成することができる。
【0139】
なお、この剥離後の状態では、単結晶シリコン薄膜34の上に、酸化膜41および単結晶シリコン基板40の一部が残っている。そして、最終的に素子形成をして利用する部分は、単結晶シリコン薄膜34の部分であり、そこは剥離面とは関係なく形成されているので、いま剥離された面を研磨するなどの平滑化の処理を行う必要がない。
【0140】
いっぽう、剥離された単結晶シリコン基板40は、表層部のみが剥離により分離されただけで、大部分がそのまま基板の状態で剥離されているので、例えば剥離面部分を研磨により仕上げれば、同じ用途あるいは他の用途に再利用することができ、コストの低減を図ることができる。
【0141】
(8)埋め込み酸化膜除去工程V6
次に、剥離面に残存している単結晶シリコン基板40の薄膜と酸化膜41を除去することにより、膜厚均一性の高い半導体層34を設けた状態に形成する。まず、単結晶シリコン基板40の薄膜の除去については、酸化膜41をストッパとしてTMAH処理もしくはKOHなどのアルカリ溶液による処理、または硝酸とフッ酸との混合液によりエッチング処理を行って除去する(同図(g)参照)。なお、単結晶シリコン基板40の薄膜の除去については、同様にして酸化膜41をストッパとして機械的化学的研磨法により除去することも可能である。
【0142】
この後、露出している酸化膜41をフッ酸水溶液などによりエッチングして除去する(同図(h)参照)。これにより、半導体層としての単結晶シリコン薄膜34部分を表面に残した状態に形成することができる。また、この単結晶シリコン薄膜34は、剥離工程を経た後は、直接外部から作用することなく所定の厚さ寸法に形成することができ、しかも膜厚の精度を高めたものとして得ることができる。そして、これによって、ダイヤフラム35および圧力基準室33が形成されることになる。
【0143】
(9)素子形成工程P5
さて、上述の状態では、単結晶シリコン薄膜34は、第2の基板である単結晶シリコン基板30の上に絶縁膜41を介した状態で形成されているので、基板構造としてはSOI(Silicon On Insulator)構造となっている。この単結晶シリコン薄膜34に、圧力検出用のピエゾ抵抗効果を有する抵抗体を形成すると共に、信号処理用の回路を構成するMOSトランジスタなどの種々の素子を形成する。抵抗体は、配線パターンによりブリッジ回路が構成されるように配線され、その入出力端子間は信号処理回路と接続するように配線される。
【0144】
(10)減圧封止工程P6
次に、前記貼り合わせ工程P3において、真空雰囲気中で接合を行なわないタイプのものを製造する場合には、圧力基準室33内を真空または所定の圧力まで減圧する必要があるため、以下に説明する減圧封止工程P6を実施する。すなわち、溝部と単結晶シリコン膜34とにより形成されている減圧用連通孔の圧力基準室33と反対側の端部に単結晶シリコン薄膜34に開口部を形成する。この場合、開口部は、単結晶シリコン薄膜34の表面側からエッチング処理などにより形成する。
【0145】
この後、CVD装置などにより、上記のように形成した単結晶シリコン薄膜34の表面に絶縁保護膜を形成して開口部を同時に減圧封止する。これは、たとえばCVD装置内に載置した状態で減圧して真空雰囲気中にさらして圧力基準室33内を減圧用連通孔を介して減圧する。内部が真空になった状態で、窒化シリコン膜あるいは酸化シリコン膜などの絶縁保護膜を表面全面に堆積させることにより形成し、これによって開口部内を同時に封止する。この後、フォトリソグラフィ処理によってダイヤフラム35部分の保護膜を剥離してセンサチップを形成する。
【0146】
このような第12の実施形態によれば、第1の実施形態の効果に加えて、第1の基板として絶縁膜分離基板36を用いて支持基板薄片化工程V5では、半導体層としての単結晶シリコン薄膜34の上に酸化膜41を残した状態で剥離を行い、その酸化膜41を後工程で除去するので、単結晶シリコン薄膜34の膜厚などを精度良く形成することができる。
【0147】
また、酸化膜分離基板36は、内部にイオン注入層38を形成してこれを剥離工程V3にて剥離することにより半導体層34となるべき部分を形成するようにしているので、剥離された基板を再利用することができ、コスト低減を図ることができる。
【0148】
さらに、この実施形態では、圧力基準室33を、貼り合わせ工程P3で貼り合わせる際に、真空中で行うことで、同時に内部を真空状態として封止するので、後工程での減圧封止工程P6を採用しない製造方法を用いることもでき、工程の簡略化を図ることもできる。
【0149】
そして、この実施形態では、貼り合わせ工程V2,P3では、親水化処理に代えて疎水化処理でも行うことができるので、貼り合わせ時に凹部32の内部などに残存しやすい水分を極力除去して貼り合わせ後のダイヤフラム35の破損を防止することができる。
【0150】
なお、上記実施形態においても、凹部32を形成する第2の基板としての単結晶シリコン基板30を、あらかじめ絶縁膜分離基板を採用することにより、絶縁膜分離基板上にダイヤフラム35および圧力基準室33を形成することができる。この結果、圧力センサ制御回路を圧力基準室周囲に形成する際に、絶縁膜分離領域に形成することが可能となり、素子分離構造の形成が容易になると共に、耐圧などの電気的特性の向上を図ることができるようになる。
【0151】
(第13の実施形態)
図36は、本発明の第13の実施形態を示すもので、第12の実施形態と異なるところは、圧力センサ用半導体基板43として形成する際の、第2の基板を絶縁分離基板44を用いるようにしたところである。
【0152】
すなわち、同図(a)には、圧力センサ用半導体基板43の概略的な断面図を示しており、第2の基板30に代えて単結晶シリコン基板40上に、シリコン酸化膜などの絶縁膜45を介した状態で半導体層としての単結晶シリコン薄膜46を設けた構成である。つまり、絶縁膜分離基板44を採用した構成とすることにより、圧力基準室33およびその周辺の回路形成領域が単結晶シリコン基板40とは絶縁膜分離された状態で設けられた単結晶シリコン薄膜46部分に形成されていることになる。
【0153】
これによって、圧力センサ制御回路を圧力基準室周囲に形成する際に、絶縁膜分離領域に形成することが可能となり、素子分離構造の形成が容易になると共に、耐圧などの電気的特性の向上を図ることができるようになる。ここで、同図(a)に示す構成の圧力センサ用半導体基板43では、圧力基準室33の底面部が単結晶シリコン薄膜46中に形成された状態のものを示しており、素子形成領域を形成するのに必要な単結晶シリコン薄膜46の膜厚に対して圧力基準室33の凹部32の深さ寸法が浅い場合である。
【0154】
一方、同図(b)に示している圧力センサ用半導体基板47は、基本的な構成は圧力センサ用半導体基板43と同じで、圧力基準室33の深さ寸法が単結晶シリコン薄膜46の膜厚と同じに設定され、圧力基準室33の底面は絶縁膜45の上面となるように設定されているところが異なるものである。なお、これら圧力センサ用半導体基板43,47は、それぞれ必要に応じて形成する圧力センサや回路素子の形成条件に適合するものを採用することができる。
【0155】
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形また拡張できる。
絶縁保護膜9に代えて、開口部8aを封止するための材料として、多結晶シリコンを形成するようにしても良い。
圧力基準室7内は、真空状態にする場合の他に、所定圧力レベルとなるように減圧した状態に形成しても良い。
ダイヤフラム6の膜厚,圧力基準室7の寸法あるいは減圧用連通孔8の寸法についても、測定しようとする圧力範囲に応じて適宜の寸法に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示す概略的な工程説明図
【図2】イオン注入層形成工程後の第1の基板の模式的断面図
【図3】凹部形成工程後の第2の基板の模式的断面図および上面図
【図4】貼り合わせ工程以降の各工程における模式的断面図
【図5】貼り合わせ状態で示す基板の方向と凹部の開口部の形状の関係を示す図
【図6】面方位(100)のシリコン基板とその劈開方向および推奨される貼り合わせの方向を示す図
【図7】本発明の第2の実施形態を示す図3相当図
【図8】本発明の第3の実施形態を示す図1相当図
【図9】剥離工程以降の各工程における模式的断面図
【図10】半導体層除去工程後の模式的断面図および上面図
【図11】本発明の第4の実施形態を示す図1相当図
【図12】図3相当図
【図13】図4相当図
【図14】本発明の第5の実施形態を示す図1相当図
【図15】図7相当図
【図16】本発明の第6の実施形態を示す図1相当図
【図17】各工程における模式的断面図(その1)
【図18】各工程における模式的断面図(その2)
【図19】各工程における模式的断面図(その3)
【図20】凹部に形成する支柱の配置状態を示す上面図
【図21】本発明の第7の実施形態を示す図1相当図
【図22】図7相当図
【図23】本発明の第8の実施形態を示す図1相当図
【図24】各工程における模式的断面図(その1)
【図25】各工程における模式的断面図(その2)
【図26】各工程における模式的断面図(その3)
【図27】本発明の第9の実施形態を示す図1相当図
【図28】非晶質膜形成工程U1を説明する模式的断面図
【図29】本発明の第10の実施形態を示す図26相当図
【図30】本発明の第11の実施形態を示す各工程における模式的断面図(その1)
【図31】各工程における模式的断面図(その2)
【図32】本発明の第12の実施形態を示す図1相当図(その1)
【図33】図1相当図(その2)
【図34】各工程における模式的断面図(その1)
【図35】各工程における模式的断面図(その2)
【図36】本発明の第13の実施形態を示す模式的断面図
【符号の説明】
1,14,16,18,19,21,22,26はセンサチップ(圧力センサ用半導体基板)、2は単結晶シリコン基板(第2の基板)、2aは圧力基準室用凹部、2bは減圧用連通孔用溝部、2cは凹部、3は酸化膜、4は単結晶シリコン基板(第1の基板)、5は単結晶シリコン膜(半導体層)、6はダイヤフラム、7は圧力基準室、8は減圧用連通孔、8aは開口部、9は絶縁保護膜、10は抵抗体、11はMOS回路素子、12はイオン注入層、13はバイポーラ回路素子、15は第2の基板の表面、17は酸化膜、20はシリコン支柱部、20aは酸化シリコン支柱部、23は窒化シリコン膜(窒化膜)、24はアモルファス層(非晶質膜)、25はアモルファスシリコン膜(非晶質膜)、27は開口部、29は圧力センサ用半導体基板、30は第2の基板、31はシリコン酸化膜、32は凹部、33は圧力基準室、34は単結晶シリコン薄膜(半導体層)、35はダイヤフラム、36は絶縁膜分離基板、37は単結晶シリコン基板(第3の基板)、38はイオン注入層、40は単結晶シリコン基板(第4の基板)、42はイオン注入層、43,47は圧力センサ用半導体基板、44は絶縁膜分離基板、45は絶縁膜、46は単結晶シリコン薄膜(半導体層)である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor substrate used in a pressure sensor that electrically detects a pressure applied to a diaphragm based on a stress generated by a pressure difference from a pressure reference chamber.
[0002]
[Problems to be solved by the invention]
Some semiconductor pressure sensors that detect the pressure applied to the diaphragm have a pressure reference chamber inside. In this case, the pressure reference chamber is in a state where the inside is depressurized to a state close to a vacuum, and thereby the detection accuracy of the pressure received by the diaphragm is improved by suppressing the fluctuation of the internal pressure due to the temperature fluctuation or the like. It is what.
[0003]
As a semiconductor substrate used for manufacturing such a semiconductor pressure sensor, a substrate in which a portion corresponding to the pressure reference chamber described above is formed in advance is provided. This is, for example, a method of forming a pressure reference chamber and a diaphragm by using a bonding technique using two single crystal silicon substrates.
[0004]
That is, first, a recess for a pressure reference chamber is formed on a silicon substrate as a support substrate by a method such as etching. This silicon substrate and a separately prepared silicon substrate for diaphragm formation are bonded together by a bonding technique. Next, the bonded silicon substrate for the diaphragm is ground and polished, and the thickness is adjusted until it becomes the thickness of the diaphragm. Accordingly, the pressure reference chamber can be provided on the silicon substrate as the support substrate and the diaphragm can be formed so as to cover the pressure reference chamber.
[0005]
However, in the method of grinding and polishing the diaphragm forming substrate after bonding as described above, the silicon substrate for forming the diaphragm needs to be polished until the desired diaphragm thickness is obtained. It is uneconomical in that most parts of the bonded silicon substrate are removed by grinding and polishing, and polishing itself to leave a thin film part such as a diaphragm is technically effective in terms of controllability. Have difficulty.
[0006]
In the control of the film thickness by the polishing process, it is difficult to polish while directly measuring the film thickness of the silicon substrate to be left by polishing. For example, by measuring the polishing speed and leaving the desired thickness by time management There are a control method and a method of providing a polishing stopper in advance on a silicon substrate to be polished.
[0007]
In the method of providing a polishing stopper, for example, a groove having a predetermined depth is formed on the diaphragm side of the silicon substrate, and the inside of the groove is filled with silicon oxide. When reaching the position where the bottom surface of the object is exposed, the polishing of silicon is automatically stopped because the polishing speed of the oxide film is lower than that of silicon.
[0008]
However, even when polishing is performed with good controllability using such various techniques, as long as the method using polishing is employed, bending is likely to occur at the portion where there is a recess for the pressure reference chamber during polishing. The difficulty remains in uniformly forming the thickness of the diaphragm portion. In addition, it is difficult to make the thickness dimensions of the plurality of diaphragms formed in the substrate uniform.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor that can form a diaphragm with a uniform thickness with good dimensional accuracy. There is.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  According to the first aspect of the present invention, when the pressure sensor has a structure in which the pressure received by the diaphragm is electrically detected based on the stress generated by the pressure difference from the pressure reference chamber, the semiconductor substrate is An ion implantation layer for peeling is formed at a predetermined depth of a semiconductor-made first substrate for diaphragm formation by an ion implantation layer forming step, and pressure is applied to the second substrate to form a pressure reference chamber by a recess forming step. A recess for the reference chamber is provided, the first and second substrates are bonded together in the bonding step, and the first substrate bonded in the subsequent peeling step is peeled off at the ion implantation layer portion to form the second substrate. Since the diaphragm and the pressure reference chamber are formed by forming the semiconductor layer on the surface, the diaphragm having a desired thickness is formed with high accuracy by controlling the depth of the ion implantation layer. In addition, since processing by a method such as grinding or polishing is not required, it can be manufactured easily and in a short time, and the first substrate can be reused to reduce costs. it can.
  Further, in the recess forming step, a support column that can be selectively etched with the same length as the depth dimension is formed on the bottom surface of the recess for the pressure reference chamber. In the bonding step, the tip portion of the support can be bonded even in the region in the recess, and the semiconductor layer for forming the diaphragm can be reliably peeled in the peeling step. .
  In particular, when the ion implantation layer is formed at a shallow position of the first substrate in order to reduce the thickness of the diaphragm, the semiconductor layer to be peeled is thinned. The diaphragm can be reliably formed as compared with the configuration in the case where there is not. Further, even when the dose of the ion implantation layer formed in the ion implantation layer formation step is insufficient, the semiconductor layer can be reliably peeled and formed.
[0011]
According to the second aspect of the present invention, since the concave portion is formed by etching the surface of the second substrate in the concave portion forming step, the semiconductor layer and the pressure reference chamber to be a diaphragm can be formed. .
[0012]
According to the invention of claim 3, since the semiconductor layer for forming the diaphragm is provided through the bonding process and the peeling process, an oxide film is provided between the second substrate and the semiconductor layer. Thus, the semiconductor layer can be formed in a state of being isolated from the second substrate. For example, in a region of the semiconductor layer that is not a diaphragm portion, a so-called SOI (Silicon On Insulator) structure is formed. A signal processing circuit element can be formed in the semiconductor layer, and the MOS element and the bipolar element can be integrated on the same chip.
[0015]
  Claim4According to the invention, in the concave portion forming step, the column portion formed on the bottom surface of the concave portion is constituted by a plurality of columns, so that the bonding force with the surface of the first substrate can be further increased and the thickness can be increased. When a diaphragm with a small dimension is to be formed, the semiconductor layer can be reliably peeled.
[0016]
  Claim5and6According to the invention, in the recess forming step, the support column is formed by providing the pattern for forming the support column during the etching process for forming the recess on the second substrate, and then the thermal oxidation process is performed to form the support column. Since the portion is made of oxide, it can be selectively etched, so when the first substrate is bonded, it is bonded to the surface of the second substrate and the support provided on the recess. After the semiconductor layer is peeled and formed through the peeling step, the diaphragm can be formed by removing the pillar portions remaining on the diaphragm portion by selective etching with a hydrofluoric acid aqueous solution or the like.
[0018]
  Claim7According to the invention, the second substrate is obtained by removing the semiconductor layer in a predetermined region other than the diaphragm portion of the semiconductor layer formed on the surface of the second substrate by the semiconductor layer removing step performed after the peeling step. Since the element formation region is exposed on the surface of the substrate, even if the film formation of the semiconductor layer for the diaphragm does not allow sufficient element formation, the element is formed on the second substrate side. Therefore, it is possible to increase the degree of design freedom by reducing restrictions for element formation, and to increase the heat dissipation effect of the element to be formed.
[0019]
  Claim8According to the invention, in the recess forming step, the pressure reference chamber recess forms the decompression communicating portion communicating with the outside, and the decompression formed by the decompression communicating portion is performed by the decompression sealing step performed after the peeling step. Since the pressure reference chamber is depressurized and sealed through the communication hole, pressure fluctuation in the pressure reference chamber due to temperature fluctuation is suppressed by reducing the pressure contained in the pressure reference chamber or reducing the gas contained in it as much as possible. Thus, a configuration for performing a more accurate pressure detection operation can be formed easily and with good controllability.
[0020]
  Claim9According to the invention, in the recess forming step, the pressure reducing communication portion is formed as a groove portion along the surface portion of the second substrate, and the surface portion is covered with the semiconductor layer formed after the peeling step. Since the communication hole is formed, the communication hole for pressure reduction can be formed by using the process for forming the diaphragm, and can be easily implemented without adding a special process.
[0021]
  Claim10According to the invention, since the depth dimension of the communication part for decompression is formed to be the same as the depth dimension of the recess in the recess forming step, the process for forming them can be performed by the same etching process. The number of processes can be reduced and it can be easily manufactured.
[0022]
  Claim11According to the invention, in the recess forming step, the pressure reducing communication hole is formed as an opening communicating with the back surface portion of the second substrate. Therefore, in the pressure reducing sealing step, the pressure reference is made from the back surface side of the second substrate. By reducing the pressure in the room and sealing the opening, it is possible to obtain the same characteristics.
[0023]
  Claim12According to the invention, in the reduced pressure sealing process, the film is formed so as to seal the opening of the communication hole for reduced pressure in a reduced pressure atmosphere by the CVD method, so that the reduced pressure sealing is performed without employing a special process. A process can be performed. When a protective film or the like is formed on the final surface, a reduced pressure sealing process can be performed simultaneously with the process of forming the protective film. In this case, for sealing This can be carried out without adding any special process.
[0024]
  Claim13According to the invention, since the non-single-crystal layer such as the amorphous layer or the polycrystalline layer is included in the layer which is bonded to form the semiconductor layer, the surface layer portion of the first substrate is formed of a single crystal. As compared with the case where the bonding step and the peeling step are performed as they are, the semiconductor layer can be formed in a state where the mechanical strength of the semiconductor layer portion formed by peeling is increased.
[0025]
  Claim14Or16According to the invention, the non-single-crystal layer is configured such that the constituent elements thereof include the same kind of constituent elements as the constituent elements of the first semiconductor substrate (4). Alternatively, a polycrystalline layer can be provided, or a non-single-crystal layer made of a compound of the same kind of element or the like can be provided, which makes it easier to form the non-single-crystal layer. When a silicon substrate is used as the semiconductor substrate, an amorphous silicon film or a polycrystalline film that is an amorphous silicon film can be used as the non-single crystal film, or a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like can be used. Thus, as described above, the mechanical strength of the semiconductor layer portion formed by peeling is increased compared to the case where the bonding step and the peeling step are performed while the surface layer portion of the first substrate remains a single crystal. A semiconductor layer can be formed.
[0026]
  Claim17According to the invention, since the non-single crystal layer is formed on the surface of the first semiconductor substrate by the deposition method, for example, a physical film forming method or a chemical film forming method used in a normal semiconductor manufacturing process is used. Thus, a non-single crystal film can be formed, and a non-single crystal layer can be provided easily and inexpensively without using a special process.
[0027]
  Claim18 and 19According to the invention, the non-single-crystal layer is formed on the first semiconductor substrate by the ion implantation method. An amorphous layer can be formed as a non-single-crystal layer in an arbitrary region on the surface or inside.
[0028]
  According to the inventions of claims 20 and 21, the non-single crystal layerButFirstBase ofConsists of the same elements as the plateIs an amorphous silicon filmIn some cases, the heat treatment is performed after the peeling step, and the non-single crystal layer is recrystallized to form the semiconductor layer as a single crystal layer. A single crystal layer can be obtained with the same structure as the semiconductor substrate finally obtained while maintaining strength, and a stable electrical characteristic can be obtained as a diaphragm characteristic of the pressure sensor. Become.
[0029]
According to the invention of claim 22, the concentration of oxygen contained in the first substrate is 1 × 10.18atoms / cm3Since the above semiconductor substrate is used, the mechanical strength is higher than that of a semiconductor substrate used for normal use, the handling performance in the processing step is improved, and the reliability is improved.
[0030]
  According to the invention of claim 23, when the first substrate and the second substrate are bonded together, the opening of the recess on the second substrateThe side of the quadrilateral that formsPositioning is performed by adjusting in a direction that intersects with the cleavage direction of the first substrate, so that the portion that is located in the region of the concave portion of the second substrate undergoes the separation when it is separated in the separation step. Thus, it is possible to prevent the occurrence of damage such as cleaving, thereby preventing the mechanical strength from being lowered, and the diaphragm portion can be reliably formed.
[0031]
  Claim 2426According to the invention, in the above-described case, the direction of the side of the opening of the recess formed on the second semiconductor substrate is adjusted to a direction in which the first substrate cleavage direction intersects with the largest angle. For example, when the plane orientation of the first semiconductor substrate is (100), the angle is adjusted to a direction that intersects with an angle centered on 22 to 23 °, thereby achieving the above-described effect. It will be possible to make the most of it, and it will be possible to manufacture with good reproducibility in a state where the mechanical strength is increased.
[0032]
  Claim27According to the invention, in the cleaning step performed prior to the bonding step, at least the second semiconductor substrate of the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate to be bonded is subjected to a hydrophobic treatment, Moisture adhering to the surface is removed during the dehydration process, so that it is possible to prevent moisture from remaining on the surface of the substrate and the formed recess as much as possible. It is possible to suppress the remaining or the moisture remaining in the recess and the deterioration of the characteristics.
[0033]
  Claim28According to the invention, since the bonding step is performed in a reduced pressure atmosphere, when the first substrate and the second substrate are brought into close contact with each other, moisture remaining on the surface of the substrate, the recesses, etc. is sufficiently removed in the reduced pressure atmosphere. It becomes possible to carry out after removing by dehydration, and to improve the adhesion. Further, when the concave portion is sealed in a reduced pressure state by this bonding step, it is not necessary to separately perform a step for degassing the concave portion in a later step, and therefore, the number of steps can be reduced. It becomes like this.
[0034]
  Claim29According to the invention, an insulating film separation substrate in which a semiconductor layer is formed on a support substrate via an insulating film is used as the second substrate, and the pressure reference chamber is formed in the semiconductor layer of the insulating film separation substrate. As a result, a diaphragm or a pressure reference chamber can be formed on the insulating film separation substrate, whereby a pressure sensor control circuit can be formed in the insulating film separation region located around the pressure reference chamber. Thus, the element isolation structure can be easily formed and the electrical characteristics such as the breakdown voltage can be improved.
[0035]
  Claim30According to the invention, the second substrate region is removed from the rear surface of the insulating film isolation substrate bonded onto the second substrate by a method such as grinding or polishing using the embedded insulating film as a stopper, and thereafter the embedded insulating film is removed. By selectively removing the film by a method such as etching, only the semiconductor layer can be formed on the second substrate. As a result, the film thickness of the semiconductor layer on the surface of the insulating film separation substrate is increased and the film thickness of the semiconductor layer in the portion that becomes the diaphragm after bonding is formed with the formation accuracy. Therefore, it is possible to relatively easily provide the diaphragm as designed with high accuracy.
  In the above case, an ion implantation layer is formed in the insulating film isolation layer of the insulating film isolation substrate or deeper than the insulating film isolation layer, and the insulating film isolation substrate is ion-implanted after being bonded to the second substrate. It becomes possible to peel at the layer portion. Thereafter, the semiconductor layer can be formed over the second substrate by removing the buried insulating layer. Therefore, it can be easily removed without a process such as grinding or polishing for removing the support substrate portion of the insulating film separation substrate, and the portion of the support substrate after the separation of the insulating film separation substrate is used again. It can be used as a support substrate for an insulating film separation substrate.
[0036]
  Claim31According to the invention, in the above-described case, as a method of forming the insulating separation substrate, the ion implantation layer is formed at a predetermined depth of the third substrate and bonded to the fourth substrate. Since the semiconductor layer is formed by peeling off at a portion, it is possible to obtain an insulating separation substrate on which a semiconductor layer having a desired film thickness is formed with high accuracy, and the semiconductor layer formed on the diaphragm portion is relatively easily accurate. It can be formed with a uniform film thickness.
[0038]
According to the invention of claim 32, in the recess forming step, the recess is formed by etching the surface of the second substrate, so that the semiconductor layer to be a diaphragm and the pressure reference chamber can be formed. .
[0039]
According to the invention of claim 33, since the bonding step is performed in a reduced pressure atmosphere, when the first substrate and the second substrate are brought into close contact with each other, moisture remaining on the surface of the substrate, the recesses, etc. is removed in the reduced pressure atmosphere. Thus, it is possible to carry out after removing by sufficiently dehydrating and to improve the adhesion. Further, when the concave portion is sealed in a reduced pressure state by this bonding step, it is not necessary to separately perform a step for degassing the concave portion in a later step, and therefore, the number of steps can be reduced. It becomes like this.
[0040]
According to the invention of claim 34, as the second substrate, an insulating film separation substrate in which a semiconductor layer is formed on the supporting substrate via an insulating film is used, and the pressure reference chamber is a semiconductor layer of the insulating film separation substrate. Since the diaphragm and the pressure reference chamber can be formed on the insulating film separation substrate, the pressure sensor control circuit is formed in the insulating film separation region located around the pressure reference chamber. As a result, the element isolation structure can be easily formed, and the electrical characteristics such as the breakdown voltage can be improved.
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 4E shows a schematic cross section of a sensor chip 1 as a pressure sensor semiconductor substrate. A silicon oxide film 3 is formed on a single crystal silicon substrate 2 as a second substrate as a support substrate. A single crystal silicon film 5 as a semiconductor layer formed as described later using a single crystal silicon substrate 4 (see FIG. 2) as a first substrate for forming a diaphragm is formed with a predetermined film thickness. Thus, the diaphragm 6 is provided.
[0042]
A pressure reference chamber 7 is provided in the central portion of the sensor chip 1 and is depressurized so that the inside is almost in a vacuum state. A pressure reducing communication hole 8 communicating with the pressure reference chamber 7 and opened to the outside is formed in a side portion of the pressure reference chamber 7. As will be described later, the pressure reference chamber 7 is depressurized through the pressure reducing communication hole 8. After that, the opening 8a is sealed with the protective film 9 so as to be decompressed.
[0043]
The diaphragm 6 is formed with a resistor 10 having a piezoresistive effect for pressure detection. The single crystal silicon film 5 located in the periphery of the pressure reference chamber 6 has a MOS transistor constituting a signal processing circuit, etc. These circuit elements 11 are formed, and a detection output is obtained by performing amplification and signal processing of the pressure detection signal detected by the resistor 10.
[0044]
According to the above configuration, when the diaphragm 6 receives a pressure from the outside, a force corresponding to the difference between the pressure and the pressure reference chamber 7 acts to cause distortion. Due to this distortion, the resistance value of the resistor 10 formed on the diaphragm 6 changes due to the piezoresistive effect, which is detected as a voltage change by a bridge-connected circuit, and as a detection signal corresponding to the pressure by a signal processing circuit. Can be output.
[0045]
In this case, since the pressure reference chamber 7 is almost depressurized to a vacuum state, unlike the state in which gas exists, the internal pressure fluctuation due to the temperature change of the measurement environment does not occur, so the pressure detection operation is always highly accurate. Can be done. Further, in the above-described configuration, the diaphragm 6 is constituted by the single crystal silicon film 5 formed as described later using the single crystal silicon substrate 4 as the first substrate, so that a thin film can be formed uniformly and accurately. As a result, the stability and accuracy of pressure detection accuracy can be improved.
[0046]
Next, the manufacturing process of the above-described pressure sensor will be described. FIG. 1 shows an outline of the manufacturing process, which will be described below with reference to this process chart and the process explanatory diagrams of FIGS.
(1) Ion implantation layer forming step (P1)
First, a single crystal silicon substrate 4 as a first substrate is prepared with at least one surface thereof mirror-polished, and hydrogen ions (protons), for example, are implanted by ion implantation into the mirror-polished surface side. A high concentration ion implantation layer 12 is formed (see FIG. 2). In this case, the single crystal silicon substrate 4 has, for example, an oxygen concentration higher than that used for a normal device, 1 × 10 118atoms / cm3That's 5x1018atoms / cm3What is formed in the grade is used, and thereby the mechanical strength is increased. The oxygen concentration is 1 × 1018~ 1x1020atoms / cm3In the range, preferably 1 × 1018~ 1x1019atoms / cm3The range is suitable.
[0047]
The depth for forming the ion implantation layer 12 is set to a predetermined depth dimension according to the acceleration voltage and the dose amount, and is provided corresponding to the thickness dimension of the diaphragm 6 to be formed. The dose of the ion implantation layer 12 is 1 × 10.16atoms / cm2For example, 5 × 1016atoms / cm2However, the greater the dose, the better the peelability in the peeling process P4. Note that, by forming an oxide film in advance on the surface where ions are implanted, damage to the surface layer caused by ion implantation can be reduced and impurity contamination can be reduced.
[0048]
(2) Concave formation step (P2)
Next, a single crystal silicon substrate 2 as a second substrate is prepared in a state where at least one surface thereof is mirror-polished, and the recess 2a for the pressure reference chamber 7 is dry-etched on the side where the mirror-polishing is performed. It is formed by processing, or by wet etching with an aqueous solution such as TMAH or KOH (potassium hydroxide solution). Note that, in the subsequent bonding step (P3), when bonding is not performed in a reduced pressure atmosphere such as a vacuum atmosphere, at this time, the groove 2b as the reduced pressure communicating portion is similarly subjected to dry etching treatment or KOH. It is necessary to form the film by a method such as a wet etching process (see FIG. 3).
[0049]
In this case, the concave portion 2a for the pressure reference chamber 7 has an appropriate dimension depending on the range or size of the pressure to be measured, but a square shape having a side of about 10 to 1000 μm, for example, about 100 μm. The depth dimension is set to an appropriate dimension within a range of about 1 to 10 μm. Moreover, the groove part 2b is set to about 10 micrometers in the range whose width dimension is about 1-100 micrometers, for example, and a length dimension is about several hundred micrometers in the range which is about 10-1000 micrometers.
[0050]
Then, an oxide film 3 is formed on the surface of the single crystal silicon substrate 2 by a method such as thermal oxidation or CVD. The oxide film 3 may be simultaneously formed on the side walls and the bottom surface of the recess 2a and the groove 2b of the single crystal silicon substrate 2.
[0051]
(3) Bonding process (P3)
Next, the surface of the single crystal silicon substrate 2 on which the ion implantation layer 12 is formed is bonded to the surface of the single crystal silicon substrate 2 on which the recess 2a is formed (see FIG. 4A). In the substrate cleaning step performed prior to the bonding step P3, the single crystal silicon substrate 4 subjected to the ion implantation is completely removed by removing the anti-contamination oxide film 4a formed on the surface with a hydrofluoric acid aqueous solution or the like. The surface can be decontaminated and flattened, and then H2SO4And H2O2By washing with a processing solution or the like mixed 4 to 1, a natural oxide film is formed on the surface to make it hydrophilic.
[0052]
For the single crystal silicon substrate 2, after forming the recess 2 a,2SO4And H2O2Is washed with a processing solution or the like mixed 4 to 1 to form a natural oxide film to make it hydrophilic. Thereafter, the two single crystal silicon substrates 2 and 4 are adhered to each other to perform bonding. As for the substrate cleaning, H is removed without removing the anti-contamination oxide film 4a on the single crystal silicon substrate 4.2SO4And H2O2It is possible to perform flattening by performing cleaning using a processing solution or the like mixed in a ratio of 4 to 1 and removing contaminants on the surface, and bonding can be performed.
[0053]
In the above case, H2SO4And H2O2It is also effective to perform a hydrophobizing treatment by washing with a hydrofluoric acid aqueous solution or the like instead of performing a hydrophilizing treatment by washing with a treatment solution or the like mixed 4 to 1. Compared with the case where the hydrophilic treatment is performed, the hydrophobic treatment is reduced in terms of the bonding strength between the substrates, but the bonding itself can be performed. Further, performing this hydrophobization treatment has a great effect of preventing gas remaining in the joint surface by bonding in a vacuum, as well as lowering the adhesion strength.
[0054]
That is, when bonding is performed in a vacuum (in a reduced pressure atmosphere) in a state where the hydrophobic treatment is performed in this manner, it is possible to prevent the occurrence of unbonded regions due to gas or moisture intervening at the interface, A stable product can be manufactured by preventing the diaphragm 6 from being damaged due to a decrease in the degree of vacuum due to moisture remaining in the pressure reference chamber 7 or expansion of moisture. In addition, by performing bonding in a vacuum, it is not necessary to separately perform a reduced pressure sealing process.
[0055]
Further, in the bonding step of the single crystal silicon substrates 2 and 4, the bonding direction of the single crystal silicon substrate 4 is relative to the side of the quadrilateral that forms the opening of the recess 2a on the single crystal silicon substrate 2 side. Since it becomes a disadvantageous condition in terms of strength when it is in a parallel relationship with the direction formed by the cleavage plane when the cleavage is performed, it is preferable to arrange and bond in a direction that intentionally avoids this (FIG. 5). (See (a) and (b)). Thereby, in the peeling process mentioned later, the effect which prevents damaging especially in the part etc. corresponding to the pressure reference chamber 7 with the force received by the impact at that time becomes high.
[0056]
In this case, for example, when the plane orientation of the single crystal silicon substrate 4 is the (100) plane, the plane orientation that is easy to cleave is parallel or orthogonal to the OF direction as shown in FIG. There are (100) planes that appear as lines that do or (110) planes that appear as lines that are inclined by 45 ° in the direction of OF. Therefore, in order not to be parallel to this direction, for example, about 22 to 23 ° (exactly 22.5 ° = 45 ° / 2) as a direction having an inclination so as to form the largest angle with respect to both of them. Setting and pasting together is effective. As a result, the mechanical strength can be increased, and damage can be prevented even during peeling to obtain a product with good quality.
[0057]
(4) Peeling process (P4)
Thereafter, the bonded single crystal silicon substrates 2 and 4 are heat-treated in a nitrogen atmosphere or an oxygen atmosphere. In this heat treatment, for example, a first heat treatment performed at about 500 ° C. in a range of 400 ° C. to 600 ° C. and a second heat treatment performed at about 1000 ° C. and about 1100 ° C. are sequentially performed; There is a method of increasing the temperature at once.
[0058]
By performing this heat treatment, a dehydration condensation reaction occurs on the bonding surfaces of the substrates 2 and 4, and the bonding state can be made stronger. In the hydrogen ion-implanted layer 12, defects are locally concentrated by this heat treatment, and bubbles are generated, so that the surface is separated (see FIG. 4B).
[0059]
As a result, the single crystal silicon film 5 having a film thickness of, for example, about 2 μm (for example, preferably in the range of about 1 to 10 μm) on the surface portion of the single crystal silicon substrate 4 is bonded to the single crystal silicon substrate 2 side. Since it remains in the state, the pressure reference chamber 7 and the diaphragm 6 can be formed. Thereafter, the surface roughness of the peeled single crystal silicon film 5 is reduced by a method such as polishing to improve the smoothness. This polishing process is not always necessary when the next element formation step is not performed.
[0060]
(5) Element formation process (P5)
In the above-described state, the single crystal silicon film 5 is formed on the single crystal silicon substrate 2 that is the second substrate with the oxide film 3 that is an insulating film interposed therebetween. Silicon On Insulator) structure. A resistor 10 having a piezoresistive effect for pressure detection is formed on the single crystal silicon film 5 and various elements 11 such as MOS transistors constituting a circuit for signal processing are formed (FIG. 5C). reference). The resistor 10 is wired so as to form a bridge circuit by a wiring pattern, and the input / output terminals are wired so as to be connected to the signal processing circuit.
[0061]
(6) Depressurization sealing process (P6)
Next, in the bonding step P2, when manufacturing a type that does not perform bonding in a vacuum atmosphere, the inside of the pressure reference chamber 7 needs to be reduced to a vacuum or a predetermined pressure. The reduced pressure sealing process P6 is performed. That is, an opening 8a is formed in the single crystal silicon film 5 at the end opposite to the pressure reference chamber 7 of the decompression communication hole 8 formed by the groove 2b and the single crystal silicon film 5 (FIG. 4D). )reference). In this case, the opening 8a is formed by etching or the like from the surface side of the single crystal silicon film 5.
[0062]
Thereafter, the insulating protective film 9 is formed on the surface of the single crystal silicon film 5 formed as described above by a CVD apparatus or the like, and the opening 8a is simultaneously sealed under reduced pressure. While being placed in the CVD apparatus, the pressure is reduced and exposed to a vacuum atmosphere to reduce the pressure in the pressure reference chamber 7 through the pressure reducing communication hole 8. An insulating protective film 9 such as a silicon nitride film or a silicon oxide film is deposited on the entire surface while the inside is in a vacuum state, thereby simultaneously sealing the inside of the opening 8a. Thereafter, the protective film 9 on the diaphragm 6 is peeled off by photolithography to form the sensor chip 1.
[0063]
According to such a first embodiment, when forming the diaphragm 6 having the pressure reference chamber 7 therein, the single crystal silicon substrate 4 in which the ion implantation layer 12 is formed on the single crystal silicon substrate 2 is formed. Since it is formed by performing heat treatment and peeling after bonding, the diaphragm has a uniform and thin film thickness compared to the conventional method in which the film thickness of the diaphragm is controlled by polishing after bonding. 6 can be formed with good reproducibility, whereby a pressure sensor with high detection accuracy can be provided.
[0064]
In addition, according to the first embodiment, the pressure reference chamber 7 can be formed in a substantially vacuum state by the decompression sealing step P6, so that the pressure in the pressure reference chamber 7 can be set with high accuracy, It is possible to provide a pressure sensor capable of performing a pressure detection operation with high accuracy by preventing a pressure fluctuation in the pressure reference chamber 7 due to a change in environmental temperature as much as possible.
[0065]
In the above embodiment, the sensor chip 1 having the structure in which the oxide film 3 is interposed between the single crystal silicon substrates 2 and 4 has been described. However, instead of this, for example, the structure in which the oxide film 3 is not provided. You can also That is, when the single crystal silicon substrates 2 and 4 are directly bonded to each other instead of the SOI structure and there is no restriction as a signal processing circuit of the sensor chip, the single crystal silicon film 5 is formed as such a configuration. The circuit element 11 can be formed in this part.
[0066]
In addition, when the diaphragm 6 is formed thick, a bipolar element can be formed. When the oxide film 3 is not provided as described above, the heat generated in the signal processing circuit is easily transferred to the single crystal silicon substrate 2 side, which is the second substrate. The effect is enhanced and the operating characteristics are improved.
[0067]
Further, an insulating film separation substrate can be used as the second semiconductor substrate for forming the recess 2a. Thus, the diaphragm 6 and the pressure reference chamber 7 can be formed on the insulating film separation substrate, and a pressure sensor control circuit for processing an electrical signal obtained from these can be provided around the pressure reference chamber 7. When formed in a region, it can be provided in an insulated and isolated state from the underlying support substrate side, facilitating the formation of an element isolation structure and performance in terms of electrical characteristics such as withstand voltage of the circuit element to be formed. Can be improved.
[0068]
(Second Embodiment)
FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that a recess 2a and a groove 2b are formed on the surface of a single crystal silicon substrate 2 as a second substrate. The depth dimension is set to the same dimension. That is, in the recess forming step P2, a photoresist pattern as shown in FIG. 7B is formed on the surface of the single crystal silicon substrate 2, and etching is simultaneously performed in this state, whereby the recess 2a, the groove 2b, The recesses 2c are integrally formed at the same depth.
[0069]
As in this case, when there is no structural limitation in the conditions for pressure measurement, etc., the concave portion 2c and the groove portion 2b in the first embodiment are formed by one photolithography process as the concave portion 2c. Therefore, there is an advantage that the number of processes is reduced.
[0070]
(Third embodiment)
8 to 10 show a third embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that the peripheral portion of the diaphragm 6 in which the MOS circuit element 11 for the signal processing circuit is formed is shown. A semiconductor layer removing step Q1 is provided after the peeling step P4 so as to remove the portion of the semiconductor layer 5 located.
[0071]
That is, in the first embodiment, a configuration in which a MOS circuit element 11 such as a MOS transistor (which can be formed in a region having a depth of 2 to 3 μm) is formed as an element for a signal processing circuit is targeted. The single crystal silicon film 5 used as 6 could be formed even when the film thickness was relatively thin.
[0072]
However, if a bipolar element 13 (see FIG. 9 (e)) such as a bipolar transistor often used in a signal processing circuit of a sensor is to be formed, in a normal configuration, the depth dimension is about 10 μm. Since it is necessary, especially when the diaphragm 6 is formed thin, there is a case where it is difficult to form a circuit configuration due to restrictions on the junction depth dimension.
[0073]
Therefore, in the third embodiment, a sensor chip 14 having a structure that is not restricted by the thickness of the single crystal silicon film 5 forming the diaphragm 6 is provided. In this configuration, as a region for forming a bipolar circuit element 13 such as a bipolar transistor, a part of the surface 15 of the single crystal silicon substrate 2 which is the second substrate is exposed and formed there.
[0074]
Next, the manufacturing method (refer FIG. 8) of the sensor chip 14 of the said structure is demonstrated. The ion implantation layer forming step P1, the concave portion forming step P2, the bonding step P3, and the peeling step P4 are performed in the same manner as in the first embodiment, and a configuration as shown in FIG. 9A is obtained. Next, in the semiconductor layer removal step Q1, in order to remove the portion of the single crystal silicon film 5 excluding the region of the diaphragm 6, it is patterned into a shape as shown in FIG. The oxide film 3 formed in the lower layer of the film 5 is removed by etching using the etching stopper as an etching stopper. Subsequently, the exposed oxide film 3 is similarly removed by etching. As a result, the surface 15 of the single crystal silicon substrate 2 is partially exposed (see FIG. 9B).
[0075]
Next, in the element formation step P5, the low antibody 10 is formed on the diaphragm 6 in the same manner as described above, and the MOS circuit for the signal processing circuit is formed on the surface 15 of the single crystal silicon substrate 2 exposed in the above step. The element 11 and the bipolar circuit element 13 are formed (see (c) in the figure).
[0076]
Thereafter, the decompression sealing step P6 is performed in the same manner as in the first embodiment to form the opening 8a in the single crystal silicon film 5 at the end of the decompression communication hole 8 (see FIG. 4D). Then, the inside of the pressure reference chamber 7 is reduced to a vacuum state by a CVD method to form the protective film 9 on the entire surface, thereby sealing the opening 8a. Thereafter, the sensor chip 14 is obtained by removing the protective film 9 in the diaphragm 6 portion.
[0077]
According to the third embodiment, the semiconductor layer removing step Q1 is performed to remove the single crystal silicon film 5 around the diaphragm 6 and expose the surface 15 of the single crystal silicon substrate 2. Since the signal processing circuit such as the MOS circuit element 11 and the bipolar circuit element 13 is formed in this portion, the circuit element 11 for the signal processing circuit without being restricted by the film thickness of the single crystal silicon film 5, 13 can be formed. In addition, since the circuit elements 11 and 13 are directly formed on the single crystal silicon substrate 2 in this way, the heat dissipation effect for the heat generated in the circuit is improved.
[0078]
In the third embodiment described above, the sensor chip 14 can be formed with a configuration in which the oxide film 3 is not interposed. In this case, when the single crystal silicon film 5 is etched in the semiconductor layer removing step Q1, there is no oxide film 3 serving as an etching stopper, so that the film thickness of the single crystal silicon film 5 is reduced by the etching process. After the removal, it is preferable to form the circuit elements 11 and 13 in a state in which a portion where a defect near the joint is generated is removed by etching.
[0079]
Further, in the above embodiment, the MOS circuit element 11 is formed in the single crystal silicon film 5 (region having the SOI structure), and only the single crystal silicon film 5 and the oxide film 3 in the region where the bipolar circuit element 13 is formed. The bipolar circuit element 13 may be formed on the surface 15 of the single crystal silicon substrate 2 which is the second substrate exposed by the removal.
[0080]
(Fourth embodiment)
FIGS. 11 to 13 show a fourth embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that for the pressure reference chamber 7 constituting the sensor chip 16 and the pressure reducing communication hole 8. It is the formation method of this groove part. That is, as shown in FIG. 13E, the sensor chip 16 is provided with a silicon oxide film 17 having a predetermined thickness on the upper surface of the single crystal silicon substrate 2 as the second substrate, and a part thereof is etched. By removing, the recessed part 17a and the groove part 17b are formed. On top of this, a single crystal silicon film 5 is formed in the same manner as described above to provide a diaphragm 6 and a pressure reference chamber 7.
[0081]
Next, a method for manufacturing the sensor chip 16 (see FIG. 11) will be described. The ion implantation layer forming step P1 is performed in the same manner as in the first embodiment. An oxide film forming step R1 is performed on the single crystal silicon substrate 2 as the second substrate prior to the recess forming step P2. An oxide film 17 having a predetermined thickness is formed on the surface of the single crystal silicon substrate 2 by a method such as thermal oxidation or CVD. In this case, since the film thickness of the oxide film 17 is about 2 μm at the maximum in the thermal oxidation method and about 5 μm at the maximum in the CVD method, it is appropriately selected and formed as necessary.
[0082]
Next, in the recess forming step P2, unlike in the first embodiment, openings 17a and 17b serving as recesses and grooves are formed in the oxide film 17 by etching (see FIGS. 12A and 12B). ). Thereafter, in the same manner as described above, the bonding step P3 (see FIG. 13A), the peeling step P4 (see FIG. 13B), the element forming step P5 (see FIG. 13C), and the reduced pressure sealing step P6. (See (d) and (e) of the figure) are carried out sequentially.
[0083]
Thereby, the single crystal silicon film 5 as a semiconductor layer is formed, the diaphragm 6 and the pressure reference chamber 7 are formed, the opening 10a is formed after the resistor 10 and the circuit element 11 are formed, and the opening is formed by the CVD method. Sealing is performed by forming a protective film 9 by reducing the pressure in the pressure reference chamber 8 from 8 a through the pressure reducing communication hole 8 so as to be in a vacuum state. The sensor chip 16 is formed by removing the protective film 9 on the diaphragm 6.
[0084]
According to the fourth embodiment, the recess forming step P2 for forming the recess 17a for the pressure reference chamber 7 and the groove 17b for the pressure reducing communication hole 8 forms the oxide film 17 on the recess 17P. Since the window portion is provided, the sensor chip 16 can be formed through a simple processing process when the depth dimension of the concave portion 17a meets the conditions.
[0085]
(Fifth embodiment)
14 and 15 show a fifth embodiment of the present invention. The difference from the fourth embodiment is that a semiconductor layer removing step Q1 is performed after the peeling step P4. That is, the sensor chip 18 in this embodiment has a configuration in which the bipolar circuit element 13 is provided, as described in the third embodiment.
[0086]
Next, a method for manufacturing the sensor chip 18 (see FIG. 14) will be described. That is, the semiconductor layer removing step Q1 is performed after forming the single crystal silicon film 5 to form the diaphragm 6 and the pressure reference chamber 7 (see FIG. 15A) by performing the peeling step P4 in the same manner as described above. Then, the single crystal silicon film 5 around the diaphragm 6 is removed and the oxide film 17 is removed to form the surface 15 of the single crystal silicon substrate 2 exposed (see FIG. 5B). .
[0087]
Thereafter, through an element formation step P5, a MOS circuit element 11 and a bipolar circuit element 13 are formed on the surface 15 of the single crystal silicon substrate 2 to provide a signal processing circuit (see FIG. 5C). Subsequently, in the decompression sealing step P6, an opening 8a is formed in the communication hole 8 for decompression (see FIG. 4D), a protective film 9 is formed by a CVD method, and the opening 8a is sealed. The sensor chip 18 can be obtained by removing the protective film 9 in the diaphragm 6 portion.
[0088]
According to the fifth embodiment, the heat radiation effect on the circuit elements 11 and 13 to be formed is improved while simplifying the recess forming step P2 for obtaining the pressure reference chamber 7 as a configuration using the oxide film 17. Therefore, a signal processing circuit can be formed on the surface 15 of the single crystal silicon substrate 2.
[0089]
(Sixth embodiment)
FIGS. 16 to 20 show a sixth embodiment of the present invention, and different parts from the first embodiment will be described below. This embodiment is particularly effective when the film thickness of the diaphragm 6 when formed as the sensor chip 19 is thin, or when the dose of the ion implantation layer 12 is insufficient, and the single crystal silicon film is used in the peeling process P4. The single crystal silicon substrate 4 can be surely peeled when peeling 5 is formed.
[0090]
The structure of the completed sensor chip 19 is the same as that of the sensor chip 1 described in the first embodiment, and a different process is performed in an intermediate manufacturing process (see FIG. 16). That is, for the single crystal silicon substrate 4 as the first substrate, the ion implantation layer 12 is formed under predetermined conditions in the ion implantation layer forming step P1 in the same manner as described above (see FIG. 17A).
[0091]
Next, in the recess forming step P2, unlike the above, when forming the recess 2a corresponding to the pressure reference chamber 7 and the groove 2b corresponding to the pressure reducing communication hole 8 on the single crystal silicon substrate 2 as the second substrate. In addition, the portions of the recess 2a and the groove 2b that do not etch silicon are left as the silicon support portions 20. The silicon support 20 is formed, for example, by patterning so as to remain on the bottom surface of the recess 2a and the groove 2b in a prismatic shape of about 0.1 to 3 μm (see FIG. 17B).
[0092]
In this case, as shown in FIG. 20, the groove 2b is formed on both sides of the recess 2a because of an etching process in a later process (in FIG. 17 and FIG. 18, one groove is used to avoid complication). 2b only), a large number of silicon pillars 20 are arranged in the two grooves 2b and the recesses 2a. Here, the silicon support column 20 is formed in a prismatic shape, but may be a cylinder or other shapes.
[0093]
Next, in the thermal oxidation step S1, the single crystal silicon substrate 2 is thermally oxidized to oxidize the silicon of the silicon support 20 until it becomes silicon oxide, thereby forming the silicon oxide support 20a. At this time, the oxide film 3 is also formed on the inner bottom and side walls of the recess 2a and the groove 2b (see FIG. 17C).
[0094]
Thereafter, a single crystal silicon film 5 is formed on the single crystal silicon substrate 2 through a bonding process P3 and a peeling process P4. At this time, in the bonding step P3 (see FIG. 18A), the tip position of the silicon oxide support 20a formed in the recess 2a and the groove 2b of the single crystal silicon substrate 2 is on the same plane as the substrate surface. The surface of the bonded single crystal silicon substrate 4 comes into close contact with the silicon oxide support 20a.
[0095]
When the peeling step P4 is performed in a state where the two single crystal silicon substrates 2 and 4 are attached in this manner, the single crystal silicon film 5 in the portion to be the diaphragm 6 becomes the concave portion 2a and the groove portion on the single crystal silicon substrate 2 side. Since it is in a state of being in close contact with the silicon oxide support portion 20a formed on 2b, when peeling occurs in the ion implantation layer 12 of the single crystal silicon substrate 4, this portion cannot be completely peeled and is cracked around the first substrate. It is possible to avoid a problem that incomplete peeling occurs in a state of being attached to a single crystal silicon substrate 4 side. This contributes as a major factor particularly when the thickness of the single crystal silicon film 5 to be peeled is thin, so that it is an effective structure for reliably carrying out the peeling step P4.
[0096]
In the state where the peeling step P4 is performed as described above to form the single crystal silicon film 5, the silicon oxide support 20a remains in the pressure reference chamber 7 and the pressure reducing communication hole 8. (Refer to (b) in the figure). Then, in this state, the next element formation step P5 is performed to form the low antibody 10 in the diaphragm 6 portion of the single crystal silicon film 5, and the MOS circuit element 11 for the signal processing circuit in the outer peripheral region of the diaphragm 6 (See FIG. 2C).
[0097]
Next, in the column etching step S2, the single crystal silicon film 5 located at the end portions of the two decompression communication holes 8 is removed by an etching process to form an opening 8a (see FIG. 19A). (Only one opening 8a is shown), and an etching solution of silicon oxide such as a hydrogen fluoride solution is circulated through the two openings 8a to selectively select the silicon oxide support 20a and the oxide film 3. Etching to remove (see FIG. 2B). In this case, since the opening 8a is formed at two places, the etching solution easily flows inside.
[0098]
In the reduced pressure sealing process P6, the protective film 9 is formed by evacuating the inside of the pressure reference chamber 7 using a CVD apparatus in the same manner as described above so that the two openings 8a are covered with the protective film 9. And seal. After that, the sensor chip 19 is formed by removing the protective film 9 in the diaphragm 6 portion.
[0099]
According to the sixth embodiment, since the silicon oxide support 20a is formed in the recess 2a and the groove 2b prior to the bonding step P3, the bonding state of the diaphragm 6 portion is excellent in the bonding step P3. Thus, the single crystal silicon film 5 can be surely peeled by avoiding problems such as partially peeling the peeling in the peeling step P4.
[0100]
The silicon oxide support 20a is formed as the silicon support 20 when the single crystal silicon substrate 2 is etched simultaneously with the formation of the recess 2a and the groove 2b, and is formed by thermal oxidation in the thermal oxidation step S1. The number of processes does not increase greatly. Furthermore, since the silicon oxide pillar 20a is selectively removed by the pillar etching step S2 prior to the decompression sealing step P6, the completed sensor chip 19 is not adversely affected.
[0101]
(Seventh embodiment)
FIGS. 21 and 22 show a seventh embodiment of the present invention. The difference from the sixth embodiment is that the semiconductor layer removing step Q1 described in the third embodiment is replaced with the element forming step P5. The circuit elements 11 and 13 of the signal processing circuit are formed on the surface 15 of the single crystal silicon substrate 2 which is the second substrate (see FIG. 21 for the manufacturing process).
[0102]
After performing the ion implantation layer forming step P1, the recess forming step P2, the thermal oxidation step S1, the bonding step P3 and the peeling step P4 (see FIG. 22A) in the same manner as in the sixth embodiment, the semiconductor layer is removed. The surface 15 of the single crystal silicon substrate 2 which is the second substrate is exposed by performing the process Q1 to remove the single crystal silicon film 5 and the oxide film 3 around the diaphragm 6 by etching (FIG. 5B). )reference).
[0103]
Next, in the element formation step P5, the resistor 10 is formed on the surface of the diaphragm 6, and the MOS circuit element 11 which is a circuit element for a signal processing circuit and the bipolar circuit are formed on the exposed surface 15 of the single crystal silicon substrate 2. Element 13 is formed (see FIG. 4C).
[0104]
Thereafter, in the same manner as described above, after the opening 8a is formed in the pressure reducing communication hole 8 in the column etching step S2 (see FIG. 4D), the silicon oxide formed in the recess 2a and the groove 2b is formed. The supporting column 20a is selectively removed by etching (see FIG. 5E), and subsequently, in the reduced pressure sealing step P6, the pressure reference chamber 7 is depressurized so as to be in a vacuum state, and a protective film By forming 9, the opening 8 a is sealed, and the protective film 9 in the diaphragm 6 portion is removed by etching, whereby the sensor chip 21 can be obtained (see FIG. 5F).
[0105]
According to the seventh embodiment, the same effect as that of the sixth embodiment can be obtained, and the thickness of the diaphragm 6 is not limited when the bipolar circuit element 13 is formed. In addition, it is possible to increase the effect of dissipating heat from the signal processing circuit to the back surface side of the single crystal silicon substrate 2 as the second substrate.
[0106]
(Eighth embodiment)
FIGS. 23 to 26 show an eighth embodiment of the present invention. The difference from the sixth embodiment is that the surface of the single crystal silicon substrate 2 as the second substrate is the structure of the sensor chip 22. In order to obtain a configuration in which the oxide film 3 is not formed, a nitride film forming step T1 (see FIG. 23) is provided prior to the recess forming step P2 in the manufacturing process.
[0107]
That is, after the ion implantation layer forming step P1 is performed as described above (see FIG. 24A), the single crystal silicon substrate 2 as the second substrate is mirror-polished in the nitride film forming step T1. A silicon nitride film 23 is formed on the surface. Thereafter, in the recess forming step P2, a part thereof is patterned by a photolithography process, and the recess 2a for the pressure reference chamber 7 and the groove 2b of the communication hole 8 for decompression are the same as described in the second embodiment. Are removed by etching so as to form a concave portion 2c (see FIG. 7) having a shape integrated with each other (see FIG. 24B).
[0108]
At this time, a large number of silicon support portions 20 are formed in the recess 2c, as in the sixth embodiment. Then, by carrying out the thermal oxidation step S1, the silicon pillar 20 is completely made of silicon oxide to form the silicon oxide pillar 20a, and the oxide film 3 is also formed on the bottom and side surfaces of the recess 2c (FIG. c)). In this thermal oxidation step S1, an oxide film is not formed on the portion of the single crystal silicon substrate 2 where the silicon nitride film 23 is formed, using this as a mask.
[0109]
Thereafter, the next bonding step P3 is performed with the silicon nitride film 23 removed by etching (see FIG. 26A). Thereafter, the peeling process P4 (see FIG. 5B) and the element formation process P5 are performed to form the resistor 10 and the MOS circuit element 11 on the single crystal silicon film 5 (see FIG. 5C). Subsequently, the sensor chip 22 can be obtained through the column etching step S2 (see FIG. 26A) and the reduced pressure sealing step P6 (see FIGS. 26B and 20C).
[0110]
In this case, since the structure of the sensor chip 22 is such that the oxide film 3 is not provided on the surface of the single crystal silicon substrate 2, in the column etching step S2, the overetching of the oxide film 3 as in the sixth embodiment is performed. Therefore, it is possible to control to reliably remove the silicon oxide support 20a by etching.
[0111]
According to the eighth embodiment, the same effect as that of the sixth embodiment can be obtained, and the controllability of the etching process in the column etching process S2 can be improved.
[0112]
In the above-described case, the recess forming step P2 is performed with the oxide film first formed on the surface of the single crystal silicon substrate 2 as the second substrate and the silicon nitride film 23 provided thereon. Alternatively, the recess forming step P2 may be performed using a photoresist provided on the silicon nitride film 23 as a mask material.
[0113]
(Ninth embodiment)
27 and 28 show a ninth embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that the ion implantation layer 12 is formed on the single crystal silicon substrate 4 which is the first substrate. An amorphous film forming step U1 (see FIG. 27) for amorphizing the surface layer portion of the surface to be formed has been performed.
[0114]
That is, after the ion implantation layer 12 is formed on the single crystal silicon substrate 4, in the amorphous film forming step U1, rare gas ions such as silicon ions or argon ions are implanted into the surface layer portion by an ion implantation method. As a result, a silicon amorphous layer 24 which is an amorphous film is formed in a region shallower than the ion implantation layer 12 (see FIG. 28). As a result, the mechanical strength of the portion of the single crystal silicon substrate 4 to be peeled can be increased, and the occurrence of partial cracks or tears can be prevented when peeling in the peeling step P4. become.
[0115]
Further, the formed amorphous layer 24 can be single-crystallized by rearranging the single crystal silicon remaining in the peeled portion as a seed through a high-temperature heat treatment step in the peeling step P4. A single crystal silicon film 5 can be obtained.
[0116]
According to the ninth embodiment, in order to prevent the single crystal silicon film 5 from being broken or torn in the peeling process P4, the amorphous film forming process U1 is performed to improve the mechanical strength. Therefore, the generation of cracks can be reduced as much as possible, and the single crystal silicon film 5 can be reliably peeled and formed.
Note that the above-described amorphous film forming step U1 may be performed before the ion implantation layer forming step P1.
[0117]
(Tenth embodiment)
FIG. 29 shows a tenth embodiment of the present invention. The difference from the ninth embodiment is that the amorphous silicon as an amorphous film is different from the single crystal silicon substrate 4 as the first substrate. The film 25 is formed by being deposited.
[0118]
That is, as shown in FIG. 29, the amorphous silicon film 25 is formed by CVD or PVD (physical deposition) before or after the ion implantation layer forming step P1. Thereby, the same effect as the ninth embodiment can be obtained. In this case, the same effect can be obtained by forming a polycrystalline silicon film, a silicon oxide film, or a silicon nitride film instead of the amorphous silicon film 25. Further, the amorphous silicon film 25 can be single-crystallized in the peeling step P4 as described above.
[0119]
(Eleventh embodiment)
30 and 31 show an eleventh embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that, as a structure of the sensor chip 26, the pressure reducing communication hole 8 is a single second substrate. It has just been formed as an opening 27 leading out to the back side of the crystalline silicon substrate 2.
[0120]
That is, in this embodiment, the manufacturing process is the same as that of the first embodiment (see FIG. 1), and the ion implantation layer forming process P1 (see FIG. 30A) and the recess forming process P2 are performed in the same manner as described above. Is carried out and the process proceeds to the bonding step P3 (see FIG. 5B). At this time, in the recess forming step P2, apart from the recess 2a for the pressure reference chamber 7, the opening 27 is formed by etching so that the bottom surface of the recess 2a of the single crystal silicon substrate 2 communicates with the back surface.
[0121]
Thereafter, the separation step P4 (see FIG. 15C), the element formation step P5 (see FIG. 31A) and the decompression sealing step P6 (see FIG. 31B and FIG. 15C) are performed to form a sensor chip. 26 is formed. In this case, in the reduced pressure sealing step P 6, the pressure reference chamber 7 is depressurized through the opening 27 to be in a vacuum state, and then sealed with the sealing member 28. Separately, a protective film 9 is formed on the surface of the sensor chip 26 except for the diaphragm 6 portion.
[0122]
Also according to the eleventh embodiment, the same operational effects as described above can be obtained. In the above-described case, as one of the usage forms of the sensor chip 26, for example, when the detection operation is performed by the pressure difference received by the diaphragm 6 by opening the pressure reference chamber 7 to the atmosphere, the sealing member 28 is used. It can also be used as a configuration in which no is provided.
[0123]
(Twelfth embodiment)
FIGS. 32 to 35 show a twelfth embodiment of the present invention. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described. In this embodiment, as shown in FIG. 35 (h), a pressure sensor semiconductor substrate 29 is formed with a silicon oxide film 31 as an insulating film on the surface of a single crystal silicon substrate 30 serving as a support substrate. A pressure reference chamber 33 is formed in a predetermined region by a recess 32 formed to a predetermined depth of the silicon oxide film 31 and the silicon single crystal substrate 30.
[0124]
Then, a single crystal silicon thin film 34 as a semiconductor layer is formed on the surface of the single crystal silicon substrate 30 so as to close the pressure reference chamber 33, and a diaphragm 35 is provided. The pressure reference chamber 33 is decompressed and set to a pressure close to a vacuum state. Therefore, the structure is basically the same as that of the sensor chip 1 that is the semiconductor substrate for pressure sensors shown in the first embodiment. In the figure, the single crystal silicon thin film 34 is shown in a state where no pressure measuring resistor or sensor circuit is formed.
[0125]
Next, with reference to the outline of the manufacturing process shown in FIGS. 32 and 33, the manufacturing process of the semiconductor substrate 29 for pressure sensors will be schematically described.
(1) Ion implantation layer forming step V1
First, the process of forming the insulating film separation substrate 36 as the first substrate will be described with reference to the step shown in FIG. 32 and the schematic cross-sectional view of FIG. This insulating film separating plate 36 is used to make it possible to set the thickness dimension of the diaphragm 35 with high accuracy when the single crystal silicon thin film 34 formed by the first substrate is used as the diaphragm 35 ( (See (c) in the figure).
[0126]
First, a single crystal silicon substrate 37 as a third substrate is prepared, and a high-concentration ion-implanted layer 38 in which hydrogen ions (protons) are implanted at a predetermined depth from the surface is formed on the single-crystal silicon substrate 37 (FIG. 34 (a)). In this case, the depth at which the ion-implanted layer 38 is formed is determined by the implantation acceleration voltage. Finally, in order to determine the thickness dimension of the diaphragm 35, it is set in advance to have a desired thickness. It is necessary to keep.
[0127]
Specifically, 220 keV is required to obtain the 2.0 μm diaphragm 35, and in order to obtain the 1.0 μm diaphragm 35, hydrogen ions are implanted at an acceleration voltage of about 120 keV. The ion implantation amount is 1 × 10.16atoms / cm2Above, preferably 5 × 1016atoms / cm2The above is necessary. Further, by forming an oxide film 39 on the surface of the single crystal silicon substrate 37 to be ion-implanted by thermal oxidation or a film formation method in advance, it is possible to reduce damage to the surface layer by ion implantation and to prevent impurity contamination.
[0128]
(2) Bonding process V2
Next, the single crystal silicon substrate 37 which is a third substrate and the single crystal silicon substrate 40 which is a fourth substrate which is separately prepared are bonded to each other (see FIG. 34B). In the substrate cleaning step performed prior to the bonding step, the single crystal silicon substrate 37 on which the ion implantation layer 38 is formed has an anti-contamination oxide film 39 formed on the surface using an etching solution such as a hydrofluoric acid aqueous solution. Can be used to completely remove and decontaminate and planarize the surface.2SO4(Sulfuric acid) and H2O2By washing with a solution in which (hydrogen peroxide solution) is mixed 4 to 1, a natural oxide film is formed on the surface, and a hydrophilic treatment is performed.
[0129]
For the single crystal silicon substrate 40 as the fourth substrate, a silicon oxide film 41 that functions as a buried oxide film (insulating film) of the insulating film isolation substrate 36 is formed in advance, and then H2SO4And H2O2Is washed with a solution prepared by mixing 4 to 1, a natural oxide film is formed on the surface, and a hydrophilic treatment is performed. Thereafter, the two substrates are bonded to each other. As for the substrate cleaning, the single crystal silicon substrate 37 is made of H without removing the anti-contamination oxide film 39.2SO4And H2O2It is possible to planarize by removing contaminants on the surface only by washing with a 4: 1 mixed solution, and bonding to the single crystal silicon substrate 40 is also possible.
[0130]
H2SO4And H2O2Instead of the above-described method of forming a natural oxide film on the surface and performing a hydrophilization treatment, the substrate is subjected to a hydrophobization treatment such as a hydrofluoric acid aqueous solution. It is also effective. This is because the bonding strength is somewhat lowered by performing the hydrophobization treatment, but when a bonding strength of a certain level or more is obtained, the residual moisture on the bonding surface can be reduced as much as possible. This is particularly true when the pressure reference chamber 33 is formed at the same time when bonding is performed in a vacuum atmosphere, particularly by preventing the occurrence of unbonded regions (voids) and residual moisture in the pressure reference chamber 33. Can be pasted together.
[0131]
(3) Peeling process V3
Next, heat treatment is performed in a state where the two substrates are bonded to each other, thereby strengthening the bonding strength of the bonding surface and causing peeling due to an increase in the pressure of implanted hydrogen in the ion implanted layer 38 (FIG. 34 ( c)). The heat treatment temperature at this time needs to be about 400 ° C. to 600 ° C., and the heat treatment apparatus may be an electric furnace or a short time heat treatment by lamp heating. Note that the heat treatment atmosphere can be peeled regardless of whether it is in atmospheric pressure (for example, a nitrogen atmosphere) or in a vacuum.
[0132]
In a portion where the hydrogen ion implantation layer 38 is formed, the single crystal silicon thin film 34 as a semiconductor layer is peeled off, and this is bonded to the single crystal silicon substrate 40 which is the fourth substrate via the oxide film 41. Thus, the structure of the insulating film separation substrate can be obtained. Since sufficient bonding strength cannot be obtained by the above heat treatment at about 400 ° C. to 600 ° C., actually, heat treatment is performed at a temperature of 1000 ° C. or higher, preferably 1100 ° C. or higher after peeling.
[0133]
Further, the surface roughness of the peeled surface is 5 to 10 nm in terms of Ra value, and in order to achieve bonding with the single crystal silicon substrate (second substrate) 30 in the next step, the surface roughness Ra = It is necessary to reduce the thickness to 0.5 nm or less, and it is necessary to achieve surface smoothing by a mechanical polishing method (CMP (Chemical Mechanical Polishing)) or to perform smoothing by etching only the oxide film after thermally oxidizing the peeled surface. is there. As a result, the insulating film separation substrate 36 can be formed as the first substrate.
[0134]
(4) Concave formation step P2
In this step, a step similar to that described in the first embodiment is performed, and a recess 32 is formed by etching in a single crystal silicon substrate 30 as a second substrate (see the right side in FIG. 35 (d)). . However, in this case, in the description of this embodiment, unlike the case of the first embodiment, the process of forming the pressure reference chamber 33 without using the pressure reducing communication portion 2b is adopted, so the subsequent processes are also slightly different. There are changes. However, in this embodiment as well, as in the first embodiment, it is possible to employ a process having a configuration in which the pressure reducing communication portion 2b is provided.
[0135]
(5) Ion implantation layer forming step V4
In this step, an ion implantation layer 42 for peeling is formed in the oxide film 41 formed on the insulating film isolation substrate 36 or at a position deeper than the oxide film 41 (see the left side of FIG. 4D). In this case, the ion implantation layer 42 is formed as a high concentration hydrogen ion implantation layer by implanting, for example, hydrogen ions (protons). Further, since the depth for forming the ion implantation layer 42 is determined by the implantation acceleration voltage, it is set so that the implantation peak is located in the oxide film 41 or in the substrate deeper than that. At this time, the ion implantation amount is 1 × 10.16atoms / cm2Above, preferably 5 × 1016atoms / cm2The above is necessary.
[0136]
(6) Bonding process P3
Here, the insulating separation film substrate 36 and the single crystal silicon substrate 30 formed with the recesses 34 are bonded together (see FIG. 35E). In the substrate cleaning process performed prior to the bonding process, H2SO4And H2O2Is washed with a solution prepared by mixing 4 to 1, a natural oxide film is formed on the surface, and a hydrophilic treatment is performed. For the single crystal silicon substrate 30, an oxide film 31 is formed on the surface in advance, a natural oxide film is formed on the surface, and a hydrophilic treatment is performed. Thereafter, the two substrates are bonded to each other so as to adhere to each other.
[0137]
At this time, the atmosphere in which the bonding is performed may be in atmospheric pressure or in a vacuum. At this time, by performing bonding in a vacuum, it is possible to prevent air remaining in the bonding surface, reduce unbonded regions (voids), and dehydrate the inside of the recess 34 for the pressure reference chamber 33. Therefore, the vacuum sealing process performed after element formation can be made unnecessary. As a result, after the diaphragm 35 is formed, it is possible to prevent the diaphragm 35 from being damaged due to the expansion of moisture.
[0138]
(7) Support substrate thinning step V5
In order to make the insulating film separation substrate 36 into a thin piece, the ion implantation layer 42 is peeled off. In order to cause peeling, heat treatment is performed in a state where the two substrates are bonded to each other, and a pressure increase of implanted hydrogen in the ion implantation layer 42 is generated to cause peeling (see FIG. 35F). In addition, this heat treatment simultaneously enhances the joint strength of the joint surface. The heat treatment temperature and other conditions are almost the same as in the above-described peeling step V3. As a result, a single crystal silicon thin film 34 as a semiconductor layer can be formed on the single crystal silicon substrate 30 with the buried oxide film 34 interposed therebetween.
[0139]
In the state after the peeling, a part of the oxide film 41 and the single crystal silicon substrate 40 remains on the single crystal silicon thin film 34. The part that is finally used after forming the element is the part of the single crystal silicon thin film 34, which is formed irrespective of the peeled surface. There is no need to perform processing.
[0140]
On the other hand, since the peeled single crystal silicon substrate 40 is only separated in the surface layer portion by peeling, most of the peeling is performed in the state of the substrate. It can be reused for purposes or other purposes, and the cost can be reduced.
[0141]
(8) Embedded oxide film removal step V6
Next, by removing the thin film of the single crystal silicon substrate 40 and the oxide film 41 remaining on the peeled surface, a semiconductor layer 34 with high film thickness uniformity is formed. First, as for the removal of the thin film of the single crystal silicon substrate 40, the oxide film 41 is used as a stopper to remove by performing a treatment with an alkaline solution such as TMAH treatment or KOH, or an etching treatment with a mixed solution of nitric acid and hydrofluoric acid (same as above). (Refer figure (g)). The thin film of the single crystal silicon substrate 40 can be similarly removed by mechanical chemical polishing using the oxide film 41 as a stopper.
[0142]
Thereafter, the exposed oxide film 41 is removed by etching with a hydrofluoric acid aqueous solution or the like (see FIG. 11H). As a result, the single crystal silicon thin film 34 as the semiconductor layer can be formed in a state where it is left on the surface. Further, the single crystal silicon thin film 34 can be formed to have a predetermined thickness dimension without acting directly from the outside after the peeling process, and can be obtained with an increased film thickness accuracy. . As a result, the diaphragm 35 and the pressure reference chamber 33 are formed.
[0143]
(9) Element formation process P5
In the above-described state, the single crystal silicon thin film 34 is formed on the single crystal silicon substrate 30 as the second substrate with the insulating film 41 interposed therebetween, so that the substrate structure is SOI (Silicon On Insulator) structure. A resistor having a piezoresistive effect for pressure detection is formed on the single crystal silicon thin film 34, and various elements such as MOS transistors constituting a signal processing circuit are formed. The resistors are wired so as to form a bridge circuit by a wiring pattern, and the input / output terminals are wired so as to be connected to the signal processing circuit.
[0144]
(10) Depressurization sealing process P6
Next, in the bonding step P3, when manufacturing a type that does not perform bonding in a vacuum atmosphere, the inside of the pressure reference chamber 33 needs to be reduced to a vacuum or a predetermined pressure. The reduced pressure sealing process P6 is performed. That is, an opening is formed in the single crystal silicon thin film 34 at the end opposite to the pressure reference chamber 33 of the pressure reducing communication hole formed by the groove and the single crystal silicon film 34. In this case, the opening is formed by etching or the like from the surface side of the single crystal silicon thin film 34.
[0145]
Thereafter, an insulating protective film is formed on the surface of the single crystal silicon thin film 34 formed as described above by a CVD apparatus or the like, and the opening is simultaneously sealed under reduced pressure. For example, the pressure in the pressure reference chamber 33 is reduced through the pressure reducing communication hole by reducing the pressure in a state where it is placed in the CVD apparatus and exposing it to a vacuum atmosphere. An insulating protective film such as a silicon nitride film or a silicon oxide film is deposited on the entire surface while the inside is in a vacuum, thereby simultaneously sealing the inside of the opening. Thereafter, the protective film on the diaphragm 35 is peeled off by photolithography to form a sensor chip.
[0146]
According to such a twelfth embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, in the supporting substrate thinning step V5 using the insulating film isolation substrate 36 as the first substrate, a single crystal as a semiconductor layer Peeling is performed with the oxide film 41 left on the silicon thin film 34, and the oxide film 41 is removed in a subsequent process, so that the film thickness of the single crystal silicon thin film 34 can be formed with high accuracy.
[0147]
In addition, since the oxide film separation substrate 36 forms an ion implantation layer 38 therein and peels it in the peeling step V3 to form a portion to be the semiconductor layer 34, the peeled substrate Can be reused, and the cost can be reduced.
[0148]
Furthermore, in this embodiment, when the pressure reference chamber 33 is bonded in the bonding step P3, the pressure reference chamber 33 is sealed in a vacuum state by performing it in a vacuum at the same time. It is also possible to use a manufacturing method that does not employ, and to simplify the process.
[0149]
In this embodiment, the bonding steps V2 and P3 can be performed by a hydrophobic treatment instead of the hydrophilic treatment. Therefore, moisture that tends to remain in the recesses 32 or the like during bonding is removed as much as possible. Breakage of the diaphragm 35 after alignment can be prevented.
[0150]
Also in the above-described embodiment, the diaphragm 35 and the pressure reference chamber 33 are formed on the insulating film separation substrate by previously adopting the insulating film separation substrate for the single crystal silicon substrate 30 as the second substrate on which the recess 32 is formed. Can be formed. As a result, when the pressure sensor control circuit is formed around the pressure reference chamber, it can be formed in the insulating film isolation region, the element isolation structure can be easily formed, and the electrical characteristics such as withstand voltage can be improved. It becomes possible to plan.
[0151]
(13th Embodiment)
FIG. 36 shows a thirteenth embodiment of the present invention. The difference from the twelfth embodiment is that the insulating substrate 44 is used as the second substrate when forming the semiconductor substrate 43 for pressure sensors. I just did it.
[0152]
That is, FIG. 2A shows a schematic cross-sectional view of the semiconductor substrate 43 for pressure sensor, and an insulating film such as a silicon oxide film is formed on the single crystal silicon substrate 40 instead of the second substrate 30. In this state, a single crystal silicon thin film 46 as a semiconductor layer is provided via 45. That is, by adopting a configuration employing the insulating film isolation substrate 44, the single crystal silicon thin film 46 provided in a state where the pressure reference chamber 33 and its peripheral circuit formation region are isolated from the single crystal silicon substrate 40. It will be formed in the part.
[0153]
As a result, when the pressure sensor control circuit is formed around the pressure reference chamber, it can be formed in the insulating film isolation region, which facilitates the formation of the element isolation structure and improves the electrical characteristics such as withstand voltage. It becomes possible to plan. Here, the pressure sensor semiconductor substrate 43 having the configuration shown in FIG. 5A shows a state in which the bottom surface portion of the pressure reference chamber 33 is formed in the single crystal silicon thin film 46, and the element formation region is shown. This is a case where the depth dimension of the recess 32 of the pressure reference chamber 33 is shallow with respect to the film thickness of the single crystal silicon thin film 46 required for formation.
[0154]
On the other hand, the basic structure of the pressure sensor semiconductor substrate 47 shown in FIG. 5B is the same as that of the pressure sensor semiconductor substrate 43, and the depth dimension of the pressure reference chamber 33 is the film of the single crystal silicon thin film 46. The thickness is set to be the same as the thickness, and the bottom surface of the pressure reference chamber 33 is different from the top surface of the insulating film 45. As the pressure sensor semiconductor substrates 43 and 47, those suitable for forming conditions of pressure sensors and circuit elements formed as necessary can be adopted.
[0155]
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified or expanded as follows.
Instead of the insulating protective film 9, polycrystalline silicon may be formed as a material for sealing the opening 8a.
The inside of the pressure reference chamber 7 may be formed in a state where the pressure is reduced to a predetermined pressure level in addition to the case where the state is a vacuum state.
The film thickness of the diaphragm 6, the size of the pressure reference chamber 7, or the size of the communication hole 8 for decompression can also be set to appropriate dimensions according to the pressure range to be measured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic process explanatory diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a first substrate after an ion implantation layer forming step.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view and a top view of a second substrate after a recess formation step
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view in each process after the bonding process.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the direction of the substrate shown in the bonded state and the shape of the opening of the recess.
FIG. 6 is a view showing a silicon substrate having a plane orientation (100), its cleavage direction and a recommended bonding direction.
FIG. 7 is a view corresponding to FIG. 3, showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a view corresponding to FIG. 1, showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view in each step after the peeling step.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view and a top view after a semiconductor layer removing step.
FIG. 11 is a view corresponding to FIG. 1, showing a fourth embodiment of the present invention.
12 is equivalent to FIG.
FIG. 13 is a view corresponding to FIG.
FIG. 14 is a view corresponding to FIG. 1, showing a fifth embodiment of the present invention.
15 is equivalent to FIG.
FIG. 16 is a view corresponding to FIG. 1, showing a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view in each step (Part 1).
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view in each step (Part 2).
FIG. 19 is a schematic sectional view in each step (No. 3).
FIG. 20 is a top view showing an arrangement state of support columns formed in a recess.
FIG. 21 is a view corresponding to FIG. 1, showing a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 22 is equivalent to FIG.
FIG. 23 is a view corresponding to FIG. 1, showing an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a schematic cross-sectional view in each step (Part 1).
FIG. 25 is a schematic cross-sectional view in each step (No. 2).
FIG. 26 is a schematic sectional view in each step (No. 3).
FIG. 27 is a view corresponding to FIG. 1, showing a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a schematic cross-sectional view illustrating an amorphous film forming process U1.
FIG. 29 is a view corresponding to FIG. 26, showing a tenth embodiment of the present invention.
30 is a schematic cross-sectional view (No. 1) of each step showing an eleventh embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 31 is a schematic sectional view in each step (No. 2).
FIG. 32 is a view corresponding to FIG. 1 showing a twelfth embodiment of the present invention (part 1).
FIG. 33 is a view corresponding to FIG. 1 (part 2).
FIG. 34 is a schematic sectional view in each step (No. 1).
FIG. 35 is a schematic sectional view in each step (No. 2).
FIG. 36 is a schematic sectional view showing a thirteenth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference numerals 1, 14, 16, 18, 19, 21, 22, 26 are sensor chips (semiconductor substrate for pressure sensor), 2 is a single crystal silicon substrate (second substrate), 2 a is a recess for a pressure reference chamber, and 2 b is a pressure reduction. Communication hole groove portion, 2c is a recess, 3 is an oxide film, 4 is a single crystal silicon substrate (first substrate), 5 is a single crystal silicon film (semiconductor layer), 6 is a diaphragm, 7 is a pressure reference chamber, 8 Is a pressure reducing communication hole, 8a is an opening, 9 is an insulating protective film, 10 is a resistor, 11 is a MOS circuit element, 12 is an ion implantation layer, 13 is a bipolar circuit element, 15 is the surface of the second substrate, 17 Is an oxide film, 20 is a silicon pillar, 20a is a silicon oxide pillar, 23 is a silicon nitride film (nitride film), 24 is an amorphous layer (amorphous film), 25 is an amorphous silicon film (amorphous film), 27 is an opening, 29 is a semiconductor for a pressure sensor Substrate, 30 is a second substrate, 31 is a silicon oxide film, 32 is a recess, 33 is a pressure reference chamber, 34 is a single crystal silicon thin film (semiconductor layer), 35 is a diaphragm, 36 is an insulating film isolation substrate, and 37 is a single substrate Crystalline silicon substrate (third substrate), 38 is an ion implantation layer, 40 is a single crystal silicon substrate (fourth substrate), 42 is an ion implantation layer, 43 and 47 are semiconductor substrates for pressure sensors, and 44 is an insulating film isolation. A substrate, 45 is an insulating film, and 46 is a single crystal silicon thin film (semiconductor layer).

Claims (34)

ダイヤフラム(6)に受ける圧力を圧力基準室(7)との圧力差により生ずる応力に基づいて電気的に検出するようにした圧力センサに用いる半導体基板(1,14,16,18,19,21,22,26)の製造方法において、
前記ダイヤフラム(6)を形成するための半導体製の第1の基板(4)の所定深さに剥離用のイオン注入層(12)を形成するイオン注入層形成工程(P1)と、
前記圧力基準室(7)を形成するために第2の基板(2)に圧力基準室(7)用の凹部(2a)を設けると共に凹部(2a)内底面にその深さ寸法と同じ長さで選択エッチング処理が可能な支柱部(20,20a)を形成する凹部形成工程(P2)と、
前記第1および第2の基板(4,2)を貼り合わせる貼り合わせ工程(P3)と、
貼り合わせた前記第1の基板(4)を前記イオン注入層(12)部分で剥離して前記第2の基板(2)の表面に半導体層(5)を形成することにより、前記ダイヤフラム(6)および圧力基準室(7)を形成する剥離工程(P4)とを含んでなることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
A semiconductor substrate (1, 14, 16, 18, 19, 21) used for a pressure sensor that electrically detects the pressure applied to the diaphragm (6) based on the stress generated by the pressure difference from the pressure reference chamber (7). , 22, 26),
An ion implantation layer forming step (P1) for forming an ion implantation layer (12) for separation at a predetermined depth of a first substrate (4) made of semiconductor for forming the diaphragm (6);
In order to form the pressure reference chamber (7), a recess (2a) for the pressure reference chamber (7) is provided in the second substrate (2), and the depth is the same as the depth dimension on the inner bottom surface of the recess (2a). A recess forming step (P2) for forming a column portion (20, 20a) that can be selectively etched in
A bonding step (P3) for bonding the first and second substrates (4, 2);
The bonded first substrate (4) is peeled off at the ion implantation layer (12) portion to form a semiconductor layer (5) on the surface of the second substrate (2), whereby the diaphragm (6 And a peeling step (P4) for forming the pressure reference chamber (7).
請求項1に記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記凹部形成工程(P2)においては、前記第2の基板(2)の表面をエッチング処理することにより前記凹部(2a)を形成することを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to claim 1,
In the recess forming step (P2), the recess (2a) is formed by etching the surface of the second substrate (2).
請求項1または2に記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記貼り合わせ工程(P3)においては、前記第2の基板(2)の表面に酸化膜(3)を設けた状態で前記第1の基板(4)と貼り合わせを行なうことを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to claim 1 or 2,
In the bonding step (P3), the bonding is performed with the first substrate (4) in a state where an oxide film (3) is provided on the surface of the second substrate (2). A method for manufacturing a semiconductor substrate for a sensor.
請求項1ないし3のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記凹部形成工程(P2)においては、前記凹部(2a)内底面に形成する支柱部(20,20a)を複数本の支柱により構成したことを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 1 to 3,
In the concave portion forming step (P2), the column portion (20, 20a) formed on the inner bottom surface of the concave portion (2a) is constituted by a plurality of columns .
請求項1ないしのいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記凹部形成工程(P2)においては、前記第2の基板(2)に凹部(2a)を形成するエッチング処理時に支柱部(20)を形成するパターンを設けることにより前記支柱部(20)を形成すると共に、この後、熱酸化工程(S1)を行なうことにより前記支柱部(20)を酸化物(20a)にして選択エッチング処理を可能とすることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 1 to 4,
In the recess forming step (P2), the support column (20) is formed by providing a pattern for forming the support column (20) during the etching process for forming the recess (2a) on the second substrate (2). In addition, after that, a thermal oxidation step (S1) is performed to change the support portion (20) into an oxide (20a) so that a selective etching process can be performed. .
請求項1ないし5のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記剥離工程(P4)の後に、前記支柱部(20a)を選択エッチング処理により除去する支柱エッチング工程(S2)を設けたことを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 1 to 5 ,
A method for manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor , comprising a post etching step (S2) for removing the post portion (20a) by a selective etching process after the peeling step (P4) .
請求項ないし6のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記剥離工程(P4)の後に、前記第2の基板(2)の表面に形成された半導体層(5)のうちの前記ダイヤフラム(6)部分以外の所定領域の半導体層(5)を除去することにより前記第2の基板(2)の表面(15)に素子形成用の領域を露出させる状態に形成する半導体層除去工程(Q1)を設けたことを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 1 to 6,
After the peeling step (P4), the semiconductor layer (5) in a predetermined region other than the diaphragm (6) portion of the semiconductor layer (5) formed on the surface of the second substrate (2) is removed. A semiconductor substrate for a pressure sensor, characterized in that a semiconductor layer removing step (Q1) is provided for exposing the element forming region to the surface (15) of the second substrate (2). Method.
請求項1ないし7のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において
記凹部形成工程(P2)においては、前記圧力基準室(7)用の凹部(2a)が外部 と連通する減圧用連通部(2b)を形成する工程を含んでなり、
前記剥離工程(P4)の後に、前記減圧用連通部(2b)により形成される減圧用連通孔(8)を介して前記圧力基準室(7)内を減圧して封止する減圧封止工程(P6)を設けたことを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 1 to 7 ,
In prior Symbol concave portion forming step (P2), comprises the step of the recess of the pressure reference chamber (7) for (2a) to form a reduced pressure for communicating portion communicating with the outside (2b),
After the peeling step (P4), the pressure reducing sealing step of sealing the pressure reference chamber (7) by reducing the pressure through the pressure reducing communication hole (8) formed by the pressure reducing communication portion (2b). (P6) is provided . A method for manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor.
請求項に記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記凹部形成工程(P2)においては、前記減圧用連通部(2b)を前記第2の基板(2)の表面部に沿った溝部(2b)として形成し、前記剥離工程(P4)の後に形成される前記半導体層(5)により表面部を覆うことで前記減圧用連通孔(8)を形成することを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to claim 8 ,
In the concave portion forming step (P2), the pressure reducing communication portion (2b) is formed as a groove portion (2b) along the surface portion of the second substrate (2), and is formed after the peeling step (P4). A method for producing a semiconductor substrate for a pressure sensor , wherein the pressure reducing communication hole (8) is formed by covering a surface portion with the semiconductor layer (5) to be formed .
請求項8または9に記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記凹部形成工程(P2)においては、前記減圧用連通部(2b)を前記凹部(2a)の深さ寸法と同じ深さ寸法に形成した凹部(2c)とすることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to claim 8 or 9,
In the concave portion forming step (P2), the pressure reducing communication portion (2b) is a concave portion (2c) formed in the same depth as the depth of the concave portion (2a) . A method for manufacturing a semiconductor substrate.
請求項に記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記凹部形成工程(P2)においては、前記減圧用連通孔(8)を前記第2の基板(2)の背面部に連通する開口部(27)として形成することを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to claim 8 ,
In the recess forming step (P2), the pressure reducing communication hole (8) is formed as an opening (27) communicating with the back surface of the second substrate (2). A method for manufacturing a substrate.
請求項8ないし11のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記減圧封止工程(P6)においては、CVD法により減圧雰囲気中で前記減圧用連通孔(8)の開口部(8a)を封止するように膜(9)を形成することを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 8 to 11,
In the reduced pressure sealing step (P6), the film (9) is formed so as to seal the opening (8a) of the reduced pressure communication hole (8) in a reduced pressure atmosphere by a CVD method. Manufacturing method of semiconductor substrate for pressure sensor.
請求項1ないし12のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記第1の基板(4)は、前記半導体層(5)となるべき部分に非晶質層もしくは多結晶層からなる非単結晶層(24,25)が含まれるように形成されていることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 1 to 12 ,
The first substrate (4) is formed so that a portion to be the semiconductor layer (5) includes non-single crystal layers (24, 25) made of an amorphous layer or a polycrystalline layer. A method for manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor.
請求項13に記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記非単結晶層(24,25)は、構成する元素が前記第1の基板(4)の構成元素と同種のものを含んでなることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to claim 13 ,
The method for manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, wherein the non-single crystal layer (24, 25) includes a constituent element that is the same type as the constituent element of the first substrate (4) .
請求項14に記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記第1の基板(4)は、シリコン製の基板を用い、
前記非単結晶層(24,25)は、非晶質膜もしくは多結晶膜として形成されることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to claim 14 ,
The first substrate (4) is a silicon substrate,
The method for manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, wherein the non-single crystal layers (24, 25) are formed as an amorphous film or a polycrystalline film .
請求項14に記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記非単結晶層(24,25)は、アモルファスシリコン膜,酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜のいずれかを用いて形成されていることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to claim 14 ,
The method of manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, wherein the non-single crystal layers (24, 25) are formed using any one of an amorphous silicon film, a silicon oxide film, and a silicon nitride film.
請求項13ないし16のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記非単結晶層(24,25)は、前記第1の基板(4)の表面に堆積法を用いて設けられることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 13 to 16,
The method for manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, wherein the non-single crystal layers (24, 25) are provided on the surface of the first substrate (4) using a deposition method.
ダイヤフラム(6)に受ける圧力を圧力基準室(7)との圧力差により生ずる応力に基づいて電気的に検出するようにした圧力センサに用いる半導体基板(1,14,16,18,19,21,22,26)の製造方法において、
前記ダイヤフラム(6)を形成するための半導体製の第1の基板(4)の所定深さに剥離用のイオン注入層(12)を形成するイオン注入層形成工程(P1)と、
前記圧力基準室(7)を形成するために第2の基板(2)に圧力基準室(7)用の凹部(2a,2c)を設ける凹部形成工程(P2)と、
前記第1および第2の基板(4,2)を貼り合わせる貼り合わせ工程(P3)と、
貼り合わせた前記第1の基板(4)を前記イオン注入層(12)部分で剥離して前記第2の基板(2)の表面に半導体層(5)を形成することにより、前記ダイヤフラム(6)および圧力基準室(7)を形成する剥離工程(P4)とを含み、
前記第1の基板(4)は、前記半導体層(5)となるべき部分に非晶質層からなる非単結晶層(24,25)が含まれるように形成され、
前記非単結晶層(24,25)は、前記第1の基板(4)に対してイオン注入法により形成することを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
A semiconductor substrate (1, 14, 16, 18, 19, 21) used for a pressure sensor that electrically detects the pressure applied to the diaphragm (6) based on the stress generated by the pressure difference from the pressure reference chamber (7). , 22, 26),
An ion implantation layer forming step (P1) for forming an ion implantation layer (12) for separation at a predetermined depth of a first substrate (4) made of semiconductor for forming the diaphragm (6);
A recess forming step (P2) for forming recesses (2a, 2c) for the pressure reference chamber (7) in the second substrate (2) to form the pressure reference chamber (7);
A bonding step (P3) for bonding the first and second substrates (4, 2);
The diaphragm (6) is formed by peeling the bonded first substrate (4) at the ion implantation layer (12) portion to form a semiconductor layer (5) on the surface of the second substrate (2). And a peeling step (P4) for forming the pressure reference chamber (7),
It said first substrate (4) is an amorphous layer or Ranaru non-single crystal layer (24, 25) are formed so as to be included in the a portion to be the semiconductor layer (5),
The method of manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, wherein the non-single crystal layers (24, 25) are formed by ion implantation with respect to the first substrate (4).
請求項13または14に記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記非単結晶層(24,25)は、前記第1の基板(4)に対してイオン注入法により形成することを特徴とすることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to claim 13 or 14 ,
The method for manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, wherein the non-single crystal layers (24, 25) are formed by ion implantation with respect to the first substrate (4).
ダイヤフラム(6)に受ける圧力を圧力基準室(7)との圧力差により生ずる応力に基づいて電気的に検出するようにした圧力センサに用いる半導体基板(1,14,16,18,19,21,22,26)の製造方法において、
前記ダイヤフラム(6)を形成するための半導体製の第1の基板(4)の所定深さに剥離用のイオン注入層(12)を形成するイオン注入層形成工程(P1)と、
前記圧力基準室(7)を形成するために第2の基板(2)に圧力基準室(7)用の凹部(2a,2c)を設ける凹部形成工程(P2)と、
前記第1および第2の基板(4,2)を貼り合わせる貼り合わせ工程(P3)と、
貼り合わせた前記第1の基板(4)を前記イオン注入層(12)部分で剥離して前記第2の基板(2)の表面に半導体層(5)を形成することにより、前記ダイヤフラム(6)および圧力基準室(7)を形成する剥離工程(P4)とを含んでなり、
前記第1の基板(4)は、前記半導体層(5)となるべき部分に非晶質層からなる非単結晶層(24,25)が含まれるように形成され、
前記非単結晶層(24,25)は、構成する元素が前記第1の基板(4)の構成元素と同種の元素から構成されるアモルファスシリコン膜である場合に、前記剥離工程(P4)の後に熱処理を行なうことにより、その非単結晶層(24,25)を再結晶化させて前記半導体層(5)を単結晶の層として形成することを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
A semiconductor substrate (1, 14, 16, 18, 19, 21) used for a pressure sensor that electrically detects the pressure applied to the diaphragm (6) based on the stress generated by the pressure difference from the pressure reference chamber (7). , 22, 26),
An ion implantation layer forming step (P1) for forming an ion implantation layer (12) for separation at a predetermined depth of a first substrate (4) made of semiconductor for forming the diaphragm (6);
A recess forming step (P2) for forming recesses (2a, 2c) for the pressure reference chamber (7) in the second substrate (2) to form the pressure reference chamber (7);
A bonding step (P3) for bonding the first and second substrates (4, 2);
The diaphragm (6) is formed by peeling the bonded first substrate (4) at the ion implantation layer (12) portion to form a semiconductor layer (5) on the surface of the second substrate (2). And a peeling step (P4) for forming the pressure reference chamber (7),
The first substrate (4) is formed so that a non-single crystal layer (24, 25) made of an amorphous layer is included in a portion to be the semiconductor layer (5),
The non-single crystal layer (24, 25), when the elements constituting is a constituent element consists of an element of the same type luer mol fastest silicon film of said first substrate (4), wherein the delamination step (P4) A semiconductor substrate for pressure sensor, wherein the non-single crystal layer (24, 25) is recrystallized by performing a heat treatment after the step to form the semiconductor layer (5) as a single crystal layer. Method.
請求項14ないし19のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記非単結晶層(24,25)が前記第1の基板(4)と同種の元素から構成されるアモルファスシリコン膜である場合に、前記剥離工程(P4)の後に熱処理を行なうことにより、その非単結晶層(24,25)を再結晶化させて前記半導体層(5)を単結晶の層として形成することを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 14 to 19,
Wherein when the non-single-crystal layer (24, 25) is a luer mol fastest silicon film is composed of elements of said first substrate (4) and allogeneic, by performing heat treatment after the delamination step (P4), A method of manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, wherein the non-single crystal layer (24, 25) is recrystallized to form the semiconductor layer (5) as a single crystal layer.
請求項1ないし21のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記第1の基板(4)は、含有酸素濃度が1×1018atoms/cm以上の半導体基板を用いることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 1 to 21,
The method of manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, wherein the first substrate (4) is a semiconductor substrate having an oxygen concentration of 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more.
請求項1ないし12のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記貼り合わせ工程(P3)では、前記第2の基板(2)上に形成した前記圧力基準室(7)用の凹部(2a)の開口部をなす四辺形の辺方向と単結晶シリコンからなる前記第1の基板(4)の劈開方向とが交差する関係となる方向に調整して、前記第2の基板(2)と前記第1の基板(4)とを貼り合わせることを特徴とする圧力センサ用の半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 1 to 12 ,
In the bonding step (P3), the side direction of the quadrilateral that forms the opening of the recess (2a) for the pressure reference chamber (7) formed on the second substrate (2) and single crystal silicon is used. The second substrate (2) and the first substrate (4) are bonded to each other by adjusting the direction so that the cleavage direction of the first substrate (4) intersects. Manufacturing method of semiconductor substrate for pressure sensor.
請求項23に記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記第2の基板(2)上に形成した前記圧力基準室(7)用の凹部(2a)の開口部をなす四辺形の辺方向と前記第1の基板(4)の劈開方向とが最も大きい角度をもって交差する関係となる方向に調整されることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to claim 23,
The side direction of the quadrilateral that forms the opening of the recess (2a) for the pressure reference chamber (7) formed on the second substrate (2) and the cleavage direction of the first substrate (4) are the most. A method for manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, wherein the semiconductor substrate for pressure sensor is adjusted in a direction that intersects with a large angle.
ダイヤフラム(6)に受ける圧力を圧力基準室(7)との圧力差に より生ずる応力に基づいて電気的に検出するようにした圧力センサに用いる半導体基板(1,14,16,18,19,21,22,26)の製造方法において、
前記ダイヤフラム(6)を形成するための半導体製の第1の基板(4)の所定深さに剥離用のイオン注入層(12)を形成するイオン注入層形成工程(P1)と、
前記圧力基準室(7)を形成するために第2の基板(2)に圧力基準室(7)用の凹部(2a,2c)を設ける凹部形成工程(P2)と、
前記第1および第2の基板(4,2)を貼り合わせる貼り合わせ工程(P3)と、
貼り合わせた前記第1の基板(4)を前記イオン注入層(12)部分で剥離して前記第2の基板(2)の表面に半導体層(5)を形成することにより、前記ダイヤフラム(6)および圧力基準室(7)を形成する剥離工程(P4)とを含み、
前記貼り合わせ工程(P3)では、前記第2の基板(2)上に形成した前記圧力基準室(7)用の凹部(2a)の開口部の辺の方向と前記第1の基板(4)の劈開方向とが交差する関係となる方向に調整して、前記第2の基板(2)と前記第1の基板(4)とを貼り合わせ、
前記第2の基板(2)上に形成した前記圧力基準室(7)用の凹部(2a)の開口部をなす四辺形の辺方向と前記第1の基板(4)の劈開方向とが最も大きい角度をもって交差する関係となる方向に調整されることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
A semiconductor substrate (1,14,16,18,19 used in pressure sensors to electrically detected based pressure experienced diaphragm (6) more generated stress on the pressure difference between the pressure reference chamber (7), 21, 22, 26)
An ion implantation layer forming step (P1) for forming an ion implantation layer (12) for peeling at a predetermined depth of a first substrate (4) made of semiconductor for forming the diaphragm (6);
A recess forming step (P2) for forming recesses (2a, 2c) for the pressure reference chamber (7) in the second substrate (2) to form the pressure reference chamber (7);
A bonding step (P3) for bonding the first and second substrates (4, 2);
The diaphragm (6) is formed by peeling the bonded first substrate (4) at the ion implantation layer (12) portion to form a semiconductor layer (5) on the surface of the second substrate (2). And a peeling step (P4) for forming the pressure reference chamber (7),
In the bonding step (P3), the direction of the side of the opening of the recess (2a) for the pressure reference chamber (7) formed on the second substrate (2) and the first substrate (4) The second substrate (2) and the first substrate (4) are bonded to each other by adjusting the direction so as to intersect with the cleavage direction.
The side direction of the quadrilateral that forms the opening of the recess (2a) for the pressure reference chamber (7) formed on the second substrate (2) and the cleavage direction of the first substrate (4) are the most. A method of manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, wherein the semiconductor substrate for pressure sensor is adjusted in a direction that intersects with a large angle .
請求項24または25に記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記第1の基板(4)の面方位が(100)であるときに、
前記第2の基板(2)上に形成した前記圧力基準室(7)用の凹部(2a)の開口部をなす四辺形の辺方向と前記第1の基板(4)の劈開方向である(100)面の方向および(110)面の方向のそれぞれに対して22〜23°を中心とした角度をもって交差する関係となる方向に調整されることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to claim 24 or 25 ,
When the plane orientation of the first substrate (4) is (100),
The side direction of the quadrilateral that forms the opening of the recess (2a) for the pressure reference chamber (7) formed on the second substrate (2) and the cleavage direction of the first substrate (4) ( A method of manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, characterized in that the semiconductor substrate for pressure sensor is adjusted to a direction that intersects with an angle centered at 22 to 23 ° with respect to each of a (100) plane direction and a (110) plane direction. .
請求項1ないし26のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記貼り合わせ工程(P3)に先立って行なう洗浄工程において、貼り合わせを行なう前記第1の基板(4)および前記第2の基板(2)のうち少なくとも前記第2の基板(2)については疎水化処理することにより、その表面に付着した水分を脱水処理過程において除去するようにしたことを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 1 to 26,
In the cleaning step performed prior to the bonding step (P3) , at least the second substrate (2) of the first substrate (4) and the second substrate (2) to be bonded is hydrophobic. A method of manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, characterized in that moisture adhering to the surface is removed during the dehydration process by performing the treatment .
請求項1ないし27のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記貼り合わせ工程(P3)では、前記第1の基板(4)と前記第2の基板(2)とを減圧雰囲気中で密着させることにより両者を貼り合わせるようにしたことを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 1 to 27,
In the bonding step (P3), the first substrate (4) and the second substrate (2) are adhered to each other in a reduced pressure atmosphere to bond them together. Method for manufacturing semiconductor substrate.
請求項1ないし28のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記第2の基板として、絶縁膜分離基板(44)を用い、前記圧力基準室(33)はその絶縁膜分離基板(44)の半導体層(46)中に形成されることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 1 to 28 ,
An insulating film isolation substrate (44) is used as the second substrate, and the pressure reference chamber (33) is formed in a semiconductor layer (46) of the insulating film isolation substrate (44). A method for manufacturing a semiconductor substrate for a sensor.
ダイヤフラム(35)に受ける圧力を圧力基準室(33)との圧力差により生ずる応力に基づいて電気的に検出するようにした圧力センサに用いる半導体基板(29,43,47)の製造方法において、
前記圧力基準室(33)を形成するために第2の基板(30)に圧力基準室(33)用の凹部(34)を設ける凹部形成工程(P2)と、
前記ダイヤフラム(35)を形成するための所定膜厚の半導体層(34)が第1の基板(40)上に絶縁膜(41)を介して形成されると共に当該絶縁膜(41)中もしくは絶縁膜(41)よりも深部に剥離用のイオン注入層(42)が形成された絶縁膜分離基板(36)と前記第2の基板(30)とを貼り合わせる貼り合わせ工程(P3)と、
貼り合わせた前記絶縁膜分離基板(36)を前記イオン注入層(42)部分で剥離する ことで前記絶縁膜分離基板(36)を薄片化し、表面に前記第1の基板(40)もしくは前記絶縁膜(41)を露出させた後に、前記第1の基板(40)および前記絶縁膜(41)を除去することにより前記第2の基板(30)表面に半導体層(34)を形成して前記ダイヤフラム(35)および圧力基準室(33)を形成することを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor substrate (29, 43, 47) used in a pressure sensor , wherein a pressure received by a diaphragm (35) is electrically detected based on a stress generated by a pressure difference from a pressure reference chamber (33) .
A recess forming step (P2) of providing a recess (34) for the pressure reference chamber (33) in the second substrate (30) to form the pressure reference chamber (33);
A semiconductor layer (34) having a predetermined film thickness for forming the diaphragm (35) is formed on the first substrate (40) via an insulating film (41), and in the insulating film (41) or insulated. A bonding step (P3) for bonding the insulating film separation substrate (36) in which the ion implantation layer (42) for peeling is formed deeper than the film (41) and the second substrate (30);
The insulating film separation substrate (36) that has been bonded is peeled off at the ion implantation layer (42) portion so that the insulating film separation substrate (36) is thinned and the first substrate (40) or the insulation is formed on the surface. After exposing the film (41), a semiconductor layer (34) is formed on the surface of the second substrate (30) by removing the first substrate (40) and the insulating film (41), and A method of manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, comprising forming a diaphragm (35) and a pressure reference chamber (33) .
請求項30に記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記絶縁膜分離基板(36)は
第3の基板(37)の一方の面側から所定の深さに剥離用のイオン注入層(38)を形成するイオン注入層形成工程(V1)と、
前記第3の基板(37)およびこれとは別途に準備した第4の基板(40)を絶縁膜(41)を介して貼り合わせる工程(V2)と、
貼り合わせた前記第3の基板(37)を前記イオン注入層(38)で剥離して前記第4の基板(40)上に絶縁膜(41)を介して半導体層(34)を形成する剥離工程(V3)と、
剥離した前記半導体層(34)表面を平滑化処理する平滑化工程と
を経て形成されることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to claim 30 ,
The insulating film separating the substrate (36),
An ion implantation layer forming step (V1) for forming an ion implantation layer (38) for separation at a predetermined depth from one surface side of the third substrate (37);
A step (V2) of bonding the third substrate (37) and a fourth substrate (40) separately prepared through an insulating film (41);
Peeling off the bonded third substrate (37) with the ion implantation layer (38) to form a semiconductor layer (34) on the fourth substrate (40) through an insulating film (41). Step (V3),
A smoothing step of smoothing the surface of the peeled semiconductor layer (34);
A method for manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, wherein
請求項30または31に記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記凹部形成工程(P2)においては、前記第2の基板(30)の表面をエッチング処理することにより前記凹部(32)を形成することを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to claim 30 or 31 ,
In the recess forming step (P2), the recess (32) is formed by etching the surface of the second substrate (30).
請求項30ないし32のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記貼り合わせ工程(P3)においては、前記絶縁膜分離基板(36)と前記第2の基板(30)とを減圧雰囲気中で密着させることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 30 to 32,
In the bonding step (P3), the insulating film separation substrate (36) and the second substrate (30) are brought into close contact with each other in a reduced pressure atmosphere.
請求項30ないし33のいずれかに記載の圧力センサ用半導体基板の製造方法において、
前記第2の基板として、絶縁膜分離基板(44)を用いることを特徴とする圧力センサ用半導体基板の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor substrate for pressure sensors according to any one of claims 30 to 33,
A method of manufacturing a semiconductor substrate for a pressure sensor, wherein an insulating film separation substrate (44) is used as the second substrate.
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