JP2000131169A

JP2000131169A - 半導体圧力センサおよびその製造方法

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Publication number: JP2000131169A
Application number: JP10304090A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Terada; 雅一寺田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2000-05-12

Abstract

(57)【要約】【課題】基板にダイヤフラム及び該ダイヤフラム直下
に位置する圧力基準室を有する半導体圧力センサにおい
て、圧力基準室の封止部に存在する微小なリーク経路を
遮断し、圧力基準室の気密性をより確実にする。【解決手段】圧力センサ１は、基板としてのウエハ１
０内部に形成された圧力基準室としての空洞部１３と、
ウエハ１０のうち空洞部１３よりも上側の部位に形成さ
れた受圧用のダイヤフラム１４とを備える。空洞部１３
には、空洞部１３からウエハ１０の上側の面に連通する
穴部としての開口部１５が形成され、この開口部１５は
ポリシリコンからなる薄膜１６によって埋められてお
り、更に、ウエハ１０の上側の面には、薄膜１６を被覆
し、空洞部１３からの空気漏れを防止するＢＰＳＧ（Ｂ
ｏｒｏ−ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅｇｌａｓ
ｓ）膜からなる保護膜１７が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダイヤフラムを有
する半導体圧力センサ及びその製造方法に関し、特に、
ダイヤフラム直下に位置する圧力基準室としての空洞部
の気密性確保に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般に、半導体圧力センサの構造
としては、Ｓｉウエハ（基板）における表面Ｓｉ部分の
直下に空洞部を形成し表面Ｓｉ部分をダイヤフラムとし
て、ピエゾ抵抗等の感圧素子をダイヤフラム上に有する
構造が提案されている。ここで、空洞部は、表面Ｓｉ部
分に開けたエッチング用の穴から犠牲層エッチングや電
気化学エッチングを行ったり、また、一側の基板表面に
凹部を形成し、この凹部形成面に他側の基板を貼り合わ
せることにより、形成される。

【０００３】ここで、これらの構造を形成する際、最終
的に空洞部を基準圧力室とするため、真空もしくは一定
の圧力で封止する必要がある。この封止を行う方法とし
て、上記エッチング用の穴、または、ダイヤフラム表面
の中央もしくは端部に形成された穴に、真空中でＣＶＤ
等の方法により膜を形成し、穴を真空封止する方法が提
案されている（例えば、特許第２７２９００５号公
報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この基準圧力室（空洞
部）は気密性が高いことが重要であり、封止する膜とし
ては、穴を完全に塞ぎ下地ダイヤフラムとの密着性の高
いものを用いることが必要である。しかしながら、薄膜
には微小な欠陥が存在する可能性もあり、また穴の形状
によっては膜中に巣が発生する事も考えられる。そのた
め、初期的には気密が保たれていても使用環境における
温度変化等で微小なリークが発生し、センサ特性の経時
変化につながるおそれがあり、信頼性を保証する上での
問題点となっていた。

【０００５】ここで、図３は上記問題点を具体的に示す
説明図であり、従来の一般的な半導体圧力センサの断面
構成を示すものである。基板Ｊ１内部に圧力基準室とし
ての空洞部Ｊ２が形成され、その上側部位は受圧用のダ
イヤフラムＪ３となっており、空洞部Ｊ２からダイヤフ
ラムＪ３の表面に連通する穴Ｊ４がポリシリコン等から
なる膜Ｊ５により封止されている。

【０００６】本発明者の検討によれば、図３に示す様
に、封止部分の欠陥として問題になるのは穴Ｊ４の両側
から膜Ｊ５が成長し閉じた界面Ｋ５１、および膜Ｊ５と
下地の穴Ｊ４との界面Ｋ５２である。例えば、界面Ｋ５
１では巣が発生し、界面Ｋ５２では膜Ｊ５の密着性不良
が発生し、図中の矢印に示す様に、リーク経路Ｒが発生
する。これらの表面に、更に膜を成長させても、界面Ｋ
５１に存在する凹部Ｑには膜が成長しにくい為、完全に
埋めることが困難である。従って、この図３に示す経路
Ｒのように、圧力基準室（空洞部）の封止部には微小な
リーク経路が存在する。

【０００７】本発明は上記問題点に鑑み、基板にダイヤ
フラム及び該ダイヤフラム直下に位置する圧力基準室を
有する半導体圧力センサにおいて、圧力基準室の封止部
に存在する微小なリーク経路を遮断し、圧力基準室の気
密性をより確実にすることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明では、圧力基準室としての空洞
部（１３）から基板（１０）の一面に連通する穴部（１
５）と、該穴部（１５）を埋めるように堆積された薄膜
（１６）とを備え、基板（１０）の一面に、薄膜（１
６）を被覆し空洞部（１３）からの空気漏れを防止する
保護膜（１７）を形成したことを特徴としている。

【０００９】それによって、穴部（１５）及び該穴部
（１５）に堆積された薄膜（１６）の部分、即ち圧力基
準室の封止部に存在する微小なリーク経路を、保護膜
（１７）によって遮断し、圧力基準室の気密性をより確
実にすることができる。ここで、請求項１記載の保護膜
（１７）をリン（Ｐ）成分を含むガラスとすること（請
求項２の発明）は、保護膜（１７）はナトリウム（Ｎ
ａ）イオン等の汚染に対するバリア機能（パッシベーシ
ョン機能）を有するようになるため、好ましい。

【００１０】また、請求項３記載の発明は、上記の犠牲
層エッチングや電気化学エッチングを用いて形成される
半導体圧力センサの製造方法において、基板（１０）の
一面に、エッチング用の穴部（１５）に堆積された薄膜
（１６）を被覆するように再溶融可能な材質からなる保
護膜（１７）を堆積し、この保護膜（１７）を熱処理に
より再溶融させることを特徴としている。

【００１１】本発明でも、穴部（１５）及び薄膜（１
６）部分、即ち圧力基準室の封止部を保護膜（１７）に
よって遮断し、圧力基準室の気密性をより確実にするこ
とができる。特に、本発明では、いったん堆積させた保
護膜（１７）を、熱処理により再溶融（リフロー）させ
るので、封止部の微小な凹凸形状を完全に埋めるように
膜が形成できる。

【００１２】また、請求項３記載の発明の保護膜（１
７）として、リン（Ｐ）成分を含むガラスであるＢＰＳ
Ｇ（Ｂｏｒｏ−ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅｇｌ
ａｓｓ）膜またはＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−ｓｉｌｉｃ
ａｔｅｇｌａｓｓ）膜を用いること（請求項４の発
明）は、出来上がった保護膜（１７）が、上記請求項２
記載のものと同様のパッシベーション機能を有するよう
になるため好ましい。

【００１３】なお、上記した括弧内の符号は、後述する
実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す一例であ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。図１は本発明による半導体圧力セン
サ１の一実施形態を示すもので、（ａ）はセンサ１の平
面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。ウエハ
（本発明でいう基板）１０は、本例では、Ｐ型拡散層を
Ｎ型のシリコン層で挟んだ構成を有するＳｉ（シリコ
ン）基板１１と、このＳｉ基板１１上に形成された酸化
シリコン（ＳｉＯ₂）からなる絶縁性のＳｉ酸化膜１２
とからなる。

【００１５】Ｓｉ基板１１の内部には圧力基準室として
の空洞部１３が形成されており、ウエハ１０において酸
化膜１２の形成面側（空洞部１３の直上側）の部位は、
受圧用のダイヤフラム１４として構成されている。な
お、本例では空洞部１３とダイヤフラム１４の外縁は一
致し、その外縁は図１（ａ）の破線Ｈに示す。ダイヤフ
ラム１４の端部には、空洞部１３を真空封止するための
開口部（穴部）１５があり、この開口部１５は空洞部１
３からウエハ１０の酸化膜１２の表面に連通する。

【００１６】そして、この開口部１５を埋めるようにポ
リシリコンからなる薄膜１６が堆積されている。これに
より、開口部１５は閉塞され、空洞部１３は真空封止さ
れている。そして、開口部１５及び薄膜１６を含む酸化
膜１２の表面上には、リフロー（再溶融）可能なＢＰＳ
Ｇ（Ｂｏｒｏ−ｐｈｏｓｐｈｏｓｉｌｉｃａｔｅｇｌ
ａｓｓ）膜からなる保護膜１７が堆積され、リフローさ
れて平坦な表面形状になっている。

【００１７】また、ダイヤフラム１４の領域端部におい
て、Ｓｉ基板１１のうち酸化膜１２との界面部分には、
感圧素子１８が設けられている。この感圧素子１８は、
Ｓｉ基板１１のＮ型エピタキシャル層の表面に、ボロン
等をイオン注入する等により形成されている。そして、
感圧素子１８は、図示しない配線手段によって図示しな
い外部回路に接続されている。

【００１８】そして、本圧力センサ１は、空洞部１３を
真空の基準圧力室とし、ダイヤフラム１４を可動部とし
て、次のように作動する。すなわち、ダイヤフラム１４
が外部から気体や液体等によって受圧すると、ダイヤフ
ラム１４にひずみが発生して可動（変形）する。この変
形によって感圧素子１８も変形し、その抵抗値が変化
し、上記ブリッジ回路にかかる電圧や電流も変化する。
このように圧力は、それに応じた電気信号として検出さ
れる。

【００１９】次に、上記構成に基づき、本実施形態の製
造方法を述べる。図２（ａ）〜（ｃ）は、本圧力センサ
１の製造工程の要部を説明する工程図である。なお、図
２中、感圧素子１８は省略してある。本例では、Ｓｉ基
板１１の空洞部１３の形成は、上記開口部１５から電気
化学エッチングにより行なわれる。電気化学エッチング
は公知であるが、本例ではその概略を述べる。

【００２０】まず、Ｎ型のシリコン基板の一面側にＰ型
拡散層を形成し更にその上にＮ型のシリコン膜を形成し
てなるＳｉ基板１１を用意し、最表面のＮ型のシリコン
膜に感圧素子１８をボロンのイオン注入により形成して
おく。続いて、熱酸化又はＣＶＤにより、上記Ｎ型のシ
リコン膜上に酸化シリコンからなる絶縁性の酸化膜１２
を形成し、ホトエッチングにより、上記開口部１５を形
成すべき領域に位置する酸化膜１２を除去する。次に、
穴開けされた酸化膜１２をマスクにして、その下のＳｉ
基板１１をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等により
エッチングして、Ｐ型拡散層部分に至る開口部１５を形
成する。

【００２１】そして、エッチング液（アルカリ液等）中
にて、Ｓｉ基板１１のＮ型のシリコン膜に正の電圧を印
加すると、開口部１５の内部からＳｉ基板１１のＰ型拡
散層部分が選択エッチングされ、空洞部１３が形成され
る。その後、Ｓｉ基板１１の表面に、ＬＰ−ＣＶＤ等に
よりポリシリコン膜を成長させ、堆積した膜のうち開口
部１５周辺より外側の不要部分をホトエッチング等によ
り除去し薄膜１６を形成する。

【００２２】こうして、空洞部１３が真空に封止され
る。この状態が図２（ａ）である。ここで、図２（ａ）
の状態において、各部寸法の一例を示すと、空洞部１３
は、１００〜１０００μｍ□程度で、高さが０．１〜数
μｍ、ダイヤフラム１４は、厚さが１〜１０μｍ程度で
ある。また、ダイヤフラム１４の端部の開口部１５は、
大きさが１〜１０μｍ□程度である。

【００２３】次に、図２（ｂ）に示す様に、ＣＶＤによ
りＢＰＳＧからなる保護膜１７を０．２〜２μｍ程度の
厚さで堆積させる。その後、熱処理を、８００〜１００
０℃の温度で１０〜３０分程度行うと、保護膜１７はリ
フローし表面張力により平坦化される（図２（ｃ））。
その結果、薄膜１６上において、開口部１５の両側から
膜が成長し閉じた界面にできる凹部１６ａにもＢＰＳＧ
が流れ込み厚く形成され、リーク経路になりやすい部分
にしっかりと膜を形成することが出来る。こうして保護
膜１７が出来上がり、本実施形態の圧力センサ１が完成
する。

【００２４】なお、保護膜１７の厚さは、上記例では
０．２〜２μｍ程度の厚さであるが、この厚さは、厚す
ぎることによるダイヤフラム１４の感度低下の防止と、
保護膜１７のリーク防止機能との両立を考慮した厚さと
する。このように、本実施形態によれば、開口部１５及
び開口部１５に堆積された薄膜１６の部分、即ち圧力基
準室の封止部に存在する微小なリーク経路を、保護膜１
７によって遮断し、圧力基準室の気密性をより確実にす
ることができる。特に、いったん堆積させた保護膜１７
を、熱処理により再溶融（リフロー）させるので、封止
部の微小な凹凸形状を完全に埋めるように膜が形成でき
る。

【００２５】また、リフロー後のＢＰＳＧ膜は、封止部
分周辺より外側の不要部をホトエッチングにより除去し
ても良いが、上記例では、全面に残すことにより本来Ｂ
ＰＳＧ膜が持っているパッシベーション機能（Ｎａイオ
ン等の汚染に対するバリア）を兼ねた保護膜１７と出来
る点もメリットである。なお、リフロー可能且つパッシ
ベーション機能を有する保護膜１７としては、ＢＰＳＧ
膜以外にもリン（Ｐ）成分を含むガラスを用いることが
でき、例えばＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏ−ｓｉｌｉｃａｔ
ｅｇｌａｓｓ）膜を用いることも可能である。またリ
フロー可能な保護膜１７としては、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ
ｏｎｇｌａｓｓ）等の膜も平坦化効果を持っている点か
ら使用の効果が見込める。

【００２６】また、上記開口部１５は電気化学エッチン
グにおけるエッチング用の穴となっているが、空洞部の
形成は、同じく開口部を利用した公知の犠牲層エッチン
グで行ってもよい。また、一側の基板表面に凹部を形成
し、この凹部形成面に他側の基板を貼り合わせ、凹部を
密封して空洞部を形成してもよい。そして、本発明の保
護膜構成は、これらエッチング用の穴、または、ダイヤ
フラム表面の中央もしくは端部に形成された穴に、ＣＶ
Ｄ等の方法により薄膜を堆積形成し、空洞部を真空（ま
たは一定圧力）に封止するようにした半導体圧力センサ
に適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体圧力センサ１の一実施形態
を示す説明図である。

【図２】本実施形態の製造方法の要部を説明する工程図
である。

【図３】従来技術の問題点を示す説明図である。

【符号の説明】

１０…ウエハ、１３…空洞部、１４…ダイヤフラム、１
５…開口部、１６…薄膜、１７…保護膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板（１０）内部に形成された圧力基準
室としての空洞部（１３）と、前記基板（１０）のうち
前記空洞部（１３）よりも前記基板（１０）の一面側の
部位に形成された受圧用のダイヤフラム（１４）とを備
える半導体圧力センサにおいて、前記空洞部（１３）から前記基板（１０）の一面に連通
する穴部（１５）と、前記穴部（１５）を埋めるように
堆積された薄膜（１６）とを備え、前記基板（１０）の一面には、前記薄膜（１６）を被覆
し、前記空洞部（１３）からの空気漏れを防止する保護
膜（１７）が形成されていることを特徴とする半導体圧
力センサ。
【請求項２】前記保護膜（１７）は、リン（Ｐ）成分
を含むガラスからなることを特徴とする請求項１に記載
の半導体圧力センサ。
【請求項３】基板（１０）の一面に開けたエッチング
用の穴部（１５）から前記基板（１０）の内部をエッチ
ングし、圧力基準室としての空洞部（１３）を形成した
後、前記穴部（１５）を埋めるように薄膜（１６）を堆
積することにより前記空洞部（１３）を封止するように
した半導体圧力センサの製造方法において、前記基板（１０）の一面に、前記薄膜（１６）を被覆す
るように再溶融可能な材質からなる保護膜（１７）を堆
積し、この保護膜（１７）を熱処理により再溶融させる
ことを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
【請求項４】前記保護膜（１７）として、ＢＰＳＧ膜
またはＰＳＧ膜を用いることを特徴とする請求項３に記
載の半導体圧力センサの製造方法。