JP2000171318A - 半導体圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents
半導体圧力センサ及びその製造方法Info
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- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ダイアフラムの温度特性を改善すると共にダ
イアフラムエッジ部の強度を高める。 【解決手段】 ＳｉＯ2 層２をエッチングストッパ層と
してｎ型単結晶Ｓｉ層１の感圧領域に相当する部分をＳ
ｉＯ2 層２までエッチングする。このエッチングによっ
て露出したＳｉＯ2 層２を除去する。ｎ型単結晶Ｓｉ層
３の感圧領域を所定の量だけエッチングしてダイアフラ
ム４を形成する。これにより、ダイアフラム４及びダイ
アフラムエッジ部６からＳｉＯ2 層２を除去する。
イアフラムエッジ部の強度を高める。 【解決手段】 ＳｉＯ2 層２をエッチングストッパ層と
してｎ型単結晶Ｓｉ層１の感圧領域に相当する部分をＳ
ｉＯ2 層２までエッチングする。このエッチングによっ
て露出したＳｉＯ2 層２を除去する。ｎ型単結晶Ｓｉ層
３の感圧領域を所定の量だけエッチングしてダイアフラ
ム４を形成する。これにより、ダイアフラム４及びダイ
アフラムエッジ部６からＳｉＯ2 層２を除去する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体のピエゾ抵
抗効果を利用して圧力を測定する半導体圧力センサ及び
その製造方法に関するものである。
抗効果を利用して圧力を測定する半導体圧力センサ及び
その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】各種の圧力センサのなかで、半導体のピ
エゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサは、小型、軽
量、高感度であることから工業計測、医療などの分野で
広く応用されている。このような半導体圧力センサで
は、半導体ダイアフラム上にピエゾ抵抗効果を有する歪
ゲージを形成し、ダイアフラムに加わる圧力によって歪
ゲージを変形させ、ピエゾ抵抗効果による歪ゲージの抵
抗値の変化を検出して圧力を測定している。
エゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサは、小型、軽
量、高感度であることから工業計測、医療などの分野で
広く応用されている。このような半導体圧力センサで
は、半導体ダイアフラム上にピエゾ抵抗効果を有する歪
ゲージを形成し、ダイアフラムに加わる圧力によって歪
ゲージを変形させ、ピエゾ抵抗効果による歪ゲージの抵
抗値の変化を検出して圧力を測定している。
【０００３】ダイアフラムは、半導体ウエハの一方の面
をエッチングで彫り込むことにより形成される。このダ
イアフラムの厚さは半導体圧力センサの特性に非常に大
きな影響を及ぼす。したがって、ダイアフラムの厚さの
正確な制御が必要とされる。しかし、従来の製造方法で
は、エッチングの時間や温度管理が難しく、ダイアフラ
ムの厚さとその均一性を精度よく制御することが極めて
困難であった。
をエッチングで彫り込むことにより形成される。このダ
イアフラムの厚さは半導体圧力センサの特性に非常に大
きな影響を及ぼす。したがって、ダイアフラムの厚さの
正確な制御が必要とされる。しかし、従来の製造方法で
は、エッチングの時間や温度管理が難しく、ダイアフラ
ムの厚さとその均一性を精度よく制御することが極めて
困難であった。
【０００４】そこで、半導体基板内に絶縁体等からなる
エッチングストッパ層を形成し、このエッチングストッ
パ層まで半導体基板をエッチングすることにより、ダイ
アフラムの厚さを正確に制御することを可能にした半導
体圧力センサが提案されている（特公昭５９−３８７４
４号公報）。図４は特公昭５９−３８７４４号公報に開
示された従来の半導体圧力センサの断面図である。この
半導体圧力センサは、基台となる単結晶Ｓｉ層１１と、
単結晶Ｓｉ層１１上に形成されたＳｉＯ2 層１２と、Ｓ
ｉＯ2 層１２上に形成された単結晶Ｓｉ層１３と、Ｓｉ
Ｏ2 層１２をエッチングストッパ層として単結晶Ｓｉ層
１１の感圧領域に相当する部分をエッチングして形成し
たダイアフラム１４と、単結晶Ｓｉ層１３の表面に形成
されたピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージ（不図示）とか
ら構成される。
エッチングストッパ層を形成し、このエッチングストッ
パ層まで半導体基板をエッチングすることにより、ダイ
アフラムの厚さを正確に制御することを可能にした半導
体圧力センサが提案されている（特公昭５９−３８７４
４号公報）。図４は特公昭５９−３８７４４号公報に開
示された従来の半導体圧力センサの断面図である。この
半導体圧力センサは、基台となる単結晶Ｓｉ層１１と、
単結晶Ｓｉ層１１上に形成されたＳｉＯ2 層１２と、Ｓ
ｉＯ2 層１２上に形成された単結晶Ｓｉ層１３と、Ｓｉ
Ｏ2 層１２をエッチングストッパ層として単結晶Ｓｉ層
１１の感圧領域に相当する部分をエッチングして形成し
たダイアフラム１４と、単結晶Ｓｉ層１３の表面に形成
されたピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージ（不図示）とか
ら構成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４の
半導体圧力センサでは、Ｓｉ層１３とＳｉＯ2 層１２と
の熱膨張係数の差によりダイアフラム１４が温度特性を
持ってしまうという問題点があり、さらにダイアフラム
のエッジ部１６において、Ｓｉより脆いＳｉＯ2層１２
にダイアフラム１４の撓みによってクラックが生じ、そ
のクラックがＳｉ層１３まで広がり、遂にはダイアフラ
ム１４を破壊してしまうという問題点があった。また、
Ｓｉ層１１のエッチングの後で、露出したＳｉＯ2 層１
２を除去したとしても、ダイアフラムエッジ部１６には
ＳｉＯ2 層１２が残るので、Ｓｉ層１３とＳｉＯ2 層１
２の界面にクラックが発生するという問題があった。本
発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ダ
イアフラムの温度特性を改善すると共にダイアフラムエ
ッジ部の強度を高めることができる半導体圧力センサ及
びその製造方法を提供することを目的とする。
半導体圧力センサでは、Ｓｉ層１３とＳｉＯ2 層１２と
の熱膨張係数の差によりダイアフラム１４が温度特性を
持ってしまうという問題点があり、さらにダイアフラム
のエッジ部１６において、Ｓｉより脆いＳｉＯ2層１２
にダイアフラム１４の撓みによってクラックが生じ、そ
のクラックがＳｉ層１３まで広がり、遂にはダイアフラ
ム１４を破壊してしまうという問題点があった。また、
Ｓｉ層１１のエッチングの後で、露出したＳｉＯ2 層１
２を除去したとしても、ダイアフラムエッジ部１６には
ＳｉＯ2 層１２が残るので、Ｓｉ層１３とＳｉＯ2 層１
２の界面にクラックが発生するという問題があった。本
発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ダ
イアフラムの温度特性を改善すると共にダイアフラムエ
ッジ部の強度を高めることができる半導体圧力センサ及
びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、請求項１に記
載のように、基台となる第１の半導体層と、第１の半導
体層上に形成された絶縁層と、絶縁層上に形成された、
感圧領域がダイアフラムとなる第２の半導体層とを備
え、第１の半導体層と絶縁層は、感圧領域に相当する部
分が除去され、ダイアフラムは、上記感圧領域の絶縁層
側の面に所定の深さの凹部を有するものである。また、
請求項２に記載のように、基台となる第１の半導体層
と、第１の半導体層上に積層された絶縁層と、絶縁層上
に積層された、ダイアフラムとなる第２の半導体層とか
らなる３層を形成する工程と、絶縁層をエッチングスト
ッパ層として第１の半導体層の感圧領域に相当する部分
を絶縁層までエッチングする工程と、このエッチング工
程によって露出した絶縁層を除去する工程と、第２の半
導体層の感圧領域を所定の量だけエッチングする工程と
を有し、上記感圧領域に相当する部分の絶縁層を除去す
ると共に、第２の半導体層の感圧領域に凹部を形成して
ダイアフラムを形成するようにしたものである。
載のように、基台となる第１の半導体層と、第１の半導
体層上に形成された絶縁層と、絶縁層上に形成された、
感圧領域がダイアフラムとなる第２の半導体層とを備
え、第１の半導体層と絶縁層は、感圧領域に相当する部
分が除去され、ダイアフラムは、上記感圧領域の絶縁層
側の面に所定の深さの凹部を有するものである。また、
請求項２に記載のように、基台となる第１の半導体層
と、第１の半導体層上に積層された絶縁層と、絶縁層上
に積層された、ダイアフラムとなる第２の半導体層とか
らなる３層を形成する工程と、絶縁層をエッチングスト
ッパ層として第１の半導体層の感圧領域に相当する部分
を絶縁層までエッチングする工程と、このエッチング工
程によって露出した絶縁層を除去する工程と、第２の半
導体層の感圧領域を所定の量だけエッチングする工程と
を有し、上記感圧領域に相当する部分の絶縁層を除去す
ると共に、第２の半導体層の感圧領域に凹部を形成して
ダイアフラムを形成するようにしたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施
の形態を示す半導体圧力センサの断面図、図２（ａ）は
図１の半導体圧力センサの平面図、図２（ｂ）は図１の
半導体圧力センサの下面図である。この半導体圧力セン
サは、基台となるｎ型単結晶Ｓｉ層１と、ｎ型単結晶Ｓ
ｉ層１上に形成されたＳｉＯ2 層２と、ＳｉＯ2 層２上
に形成されたｎ型単結晶Ｓｉ層３と、ＳｉＯ2 層２をエ
ッチングストッパ層としてｎ型単結晶Ｓｉ層１の感圧領
域に相当する部分をＳｉＯ2 層２までエッチングし、露
出したＳｉＯ2 層２を除去し、ｎ型単結晶Ｓｉ層３の感
圧領域を所定の量だけエッチングして形成されたダイア
フラム４と、ｎ型単結晶Ｓｉ層３の感圧領域に形成され
たピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージ５とから構成され
る。
て図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施
の形態を示す半導体圧力センサの断面図、図２（ａ）は
図１の半導体圧力センサの平面図、図２（ｂ）は図１の
半導体圧力センサの下面図である。この半導体圧力セン
サは、基台となるｎ型単結晶Ｓｉ層１と、ｎ型単結晶Ｓ
ｉ層１上に形成されたＳｉＯ2 層２と、ＳｉＯ2 層２上
に形成されたｎ型単結晶Ｓｉ層３と、ＳｉＯ2 層２をエ
ッチングストッパ層としてｎ型単結晶Ｓｉ層１の感圧領
域に相当する部分をＳｉＯ2 層２までエッチングし、露
出したＳｉＯ2 層２を除去し、ｎ型単結晶Ｓｉ層３の感
圧領域を所定の量だけエッチングして形成されたダイア
フラム４と、ｎ型単結晶Ｓｉ層３の感圧領域に形成され
たピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージ５とから構成され
る。
【０００８】次に、このような半導体圧力センサの製造
方法を図３を参照して説明する。まず、図３（ａ）に示
すように、ｎ型単結晶Ｓｉ層１と、０．５μｍ程度の厚
さのＳｉＯ2 層２と、ｎ型単結晶Ｓｉ層３とからなるＳ
ＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを用意する。この
ＳＯＩウエハを作製するには、Ｓｉ基板中に酸素を注入
してＳｉＯ2 層を形成するＳＩＭＯＸ（Separation by
IMplanted OXygen）技術を用いてもよいし、２枚のＳｉ
基板を貼り合わせるＳＤＢ（Silicon DirectBonding）
技術を用いてもよいし、その他の方法を用いてもよい。
方法を図３を参照して説明する。まず、図３（ａ）に示
すように、ｎ型単結晶Ｓｉ層１と、０．５μｍ程度の厚
さのＳｉＯ2 層２と、ｎ型単結晶Ｓｉ層３とからなるＳ
ＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを用意する。この
ＳＯＩウエハを作製するには、Ｓｉ基板中に酸素を注入
してＳｉＯ2 層を形成するＳＩＭＯＸ（Separation by
IMplanted OXygen）技術を用いてもよいし、２枚のＳｉ
基板を貼り合わせるＳＤＢ（Silicon DirectBonding）
技術を用いてもよいし、その他の方法を用いてもよい。
【０００９】次に、ｎ型単結晶Ｓｉ層３を、平坦化及び
薄膜化するためにＣＣＰ（ComputerControlled Polishi
ng ）と呼ばれる研磨法等により所定の厚さ（例えば３
０μｍ）まで研磨する。なお、ＳｉＯ2 層２上に所定の
厚さのｎ型単結晶Ｓｉ層３をエピタキシャル成長させて
もよい。
薄膜化するためにＣＣＰ（ComputerControlled Polishi
ng ）と呼ばれる研磨法等により所定の厚さ（例えば３
０μｍ）まで研磨する。なお、ＳｉＯ2 層２上に所定の
厚さのｎ型単結晶Ｓｉ層３をエピタキシャル成長させて
もよい。
【００１０】このようにして形成されたＳＯＩウエハの
下面にＳｉＯ2 膜又はレジスト（不図示）を形成し、こ
のＳｉＯ2 膜又はレジストの感圧領域（ダイアフラム４
が形成される領域）に相当する部分に開口部を形成す
る。そして、このようにパターニングされたＳｉＯ2 膜
又はレジストをダイアフラム形成用のエッチングマスク
として、ｎ型単結晶Ｓｉ層１をＫＯＨやＴＭＡＨ等の溶
液に浸し、ｎ型単結晶Ｓｉ層１のエッチングを行う（図
３（ｂ））。このとき、エッチングは、上記開口部にお
いて徐々に進行するが、ＳｉＯ2 層２に到達すると自動
的に停止する。
下面にＳｉＯ2 膜又はレジスト（不図示）を形成し、こ
のＳｉＯ2 膜又はレジストの感圧領域（ダイアフラム４
が形成される領域）に相当する部分に開口部を形成す
る。そして、このようにパターニングされたＳｉＯ2 膜
又はレジストをダイアフラム形成用のエッチングマスク
として、ｎ型単結晶Ｓｉ層１をＫＯＨやＴＭＡＨ等の溶
液に浸し、ｎ型単結晶Ｓｉ層１のエッチングを行う（図
３（ｂ））。このとき、エッチングは、上記開口部にお
いて徐々に進行するが、ＳｉＯ2 層２に到達すると自動
的に停止する。
【００１１】続いて、ｎ型単結晶Ｓｉ層１をエッチング
マスクとして、ＨＦ等の溶液によりＳｉＯ2 層２のエッ
チングを行い、Ｓｉ層１のエッチングによって露出した
ＳｉＯ2 層２を除去する（図３（ｃ））。さらに、Ｓｉ
Ｏ2 層２をエッチングマスクとして、ＫＯＨやＴＭＡＨ
等の溶液によりｎ型単結晶Ｓｉ層３のエッチングを行う
（図３（ｄ））。このときのエッチングの深さは、時間
管理により所定の微小量（５〜１０μｍ程度）に制御さ
れる。
マスクとして、ＨＦ等の溶液によりＳｉＯ2 層２のエッ
チングを行い、Ｓｉ層１のエッチングによって露出した
ＳｉＯ2 層２を除去する（図３（ｃ））。さらに、Ｓｉ
Ｏ2 層２をエッチングマスクとして、ＫＯＨやＴＭＡＨ
等の溶液によりｎ型単結晶Ｓｉ層３のエッチングを行う
（図３（ｄ））。このときのエッチングの深さは、時間
管理により所定の微小量（５〜１０μｍ程度）に制御さ
れる。
【００１２】こうして、ダイアフラム４が形成される。
ｎ型単結晶Ｓｉ層３のエッチングは５〜１０μｍ程度の
微小量であり、十数μｍ以下のエッチングで厚さがばら
つくことはないので、均一な厚さのダイアフラム４を形
成することができる。
ｎ型単結晶Ｓｉ層３のエッチングは５〜１０μｍ程度の
微小量であり、十数μｍ以下のエッチングで厚さがばら
つくことはないので、均一な厚さのダイアフラム４を形
成することができる。
【００１３】一方、ｎ型単結晶Ｓｉ層３の上面には、不
純物拡散あるいはイオン打ち込み法によってｐ型Ｓｉか
らなる歪ゲージ（ピエゾ抵抗領域）５が形成される（図
３（ｅ））。続いて、ｎ型単結晶Ｓｉ層３の上面にＳｉ
Ｏ2 層（不図示）を形成し、歪ゲージ５上のＳｉＯ2 層
にコンタクトホールを形成した後、このコンタクトホー
ルの部分に歪ゲージ５との電気的接続を得るためのＡｌ
電極（不図示）を蒸着する。こうして、半導体圧力セン
サの作製が終了する。
純物拡散あるいはイオン打ち込み法によってｐ型Ｓｉか
らなる歪ゲージ（ピエゾ抵抗領域）５が形成される（図
３（ｅ））。続いて、ｎ型単結晶Ｓｉ層３の上面にＳｉ
Ｏ2 層（不図示）を形成し、歪ゲージ５上のＳｉＯ2 層
にコンタクトホールを形成した後、このコンタクトホー
ルの部分に歪ゲージ５との電気的接続を得るためのＡｌ
電極（不図示）を蒸着する。こうして、半導体圧力セン
サの作製が終了する。
【００１４】以上のように、ＳｉＯ2 層２をエッチング
ストッパ層としてｎ型単結晶Ｓｉ層１の感圧領域に相当
する部分をＳｉＯ2 層２までエッチングし、露出したＳ
ｉＯ2 層２を除去し、さらにｎ型単結晶Ｓｉ層３の感圧
領域を微小量だけエッチングすることにより、ダイアフ
ラム４及びダイアフラムエッジ部６にＳｉＯ2 層２が残
らないようにしたので、ダイアフラム４の温度特性を改
善すると共に、ダイアフラムエッジ部６の強度を増すこ
とができる。なお、本実施の形態では、単結晶Ｓｉの結
晶軸のエッチング特性を利用した異方性エッチングを行
っているが、等方性エッチングを行ってもよい。また、
本実施の形態のようなウエットエッチングでなく、ドラ
イエッチングを行ってもよい。
ストッパ層としてｎ型単結晶Ｓｉ層１の感圧領域に相当
する部分をＳｉＯ2 層２までエッチングし、露出したＳ
ｉＯ2 層２を除去し、さらにｎ型単結晶Ｓｉ層３の感圧
領域を微小量だけエッチングすることにより、ダイアフ
ラム４及びダイアフラムエッジ部６にＳｉＯ2 層２が残
らないようにしたので、ダイアフラム４の温度特性を改
善すると共に、ダイアフラムエッジ部６の強度を増すこ
とができる。なお、本実施の形態では、単結晶Ｓｉの結
晶軸のエッチング特性を利用した異方性エッチングを行
っているが、等方性エッチングを行ってもよい。また、
本実施の形態のようなウエットエッチングでなく、ドラ
イエッチングを行ってもよい。
【００１５】
【発明の効果】本発明によれば、絶縁層をエッチングス
トッパ層として第１の半導体層の感圧領域に相当する部
分を下面から絶縁層までエッチングし、このエッチング
によって露出した絶縁層を除去し、さらに第２の半導体
層の感圧領域を所定の量だけエッチングすることによ
り、ダイアフラム及びダイアフラムエッジ部に絶縁層が
残らないようにしたので、ダイアフラムの温度特性を改
善すると共に、ダイアフラムエッジ部の強度を高めるこ
とができる。
トッパ層として第１の半導体層の感圧領域に相当する部
分を下面から絶縁層までエッチングし、このエッチング
によって露出した絶縁層を除去し、さらに第２の半導体
層の感圧領域を所定の量だけエッチングすることによ
り、ダイアフラム及びダイアフラムエッジ部に絶縁層が
残らないようにしたので、ダイアフラムの温度特性を改
善すると共に、ダイアフラムエッジ部の強度を高めるこ
とができる。
【図１】 本発明の実施の形態を示す半導体圧力センサ
の断面図である。
の断面図である。
【図２】 図１の半導体圧力センサの平面図及び下面図
である。
である。
【図３】 図１の半導体圧力センサの製造方法を示す工
程断面図である。
程断面図である。
【図４】 従来の半導体圧力センサの断面図である。
１、３…ｎ型単結晶Ｓｉ層、２…ＳｉＯ2 層、４…ダイ
アフラム、５…歪ゲージ、６…ダイアフラムエッジ部。
アフラム、５…歪ゲージ、６…ダイアフラムエッジ部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 米田 雅之 東京都渋谷区渋谷２丁目12番19号 株式会 社山武内 (72)発明者 吹浦 健 東京都渋谷区渋谷２丁目12番19号 株式会 社山武内 Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD05 EE14 FF43 GG01 GG15 4M112 AA01 BA01 CA03 DA04 DA05 DA08 DA10 DA12 EA03 EA06 FA05
Claims (2)
- 【請求項１】 基台となる第１の半導体層と、 第１の半導体層上に形成された絶縁層と、 絶縁層上に形成された、感圧領域がダイアフラムとなる
第２の半導体層とを備え、 第１の半導体層と絶縁層は、感圧領域に相当する部分が
除去され、 ダイアフラムは、前記感圧領域の絶縁層側の面に所定の
深さの凹部を有することを特徴とする半導体圧力セン
サ。 - 【請求項２】 基台となる第１の半導体層と、第１の半
導体層上に積層された絶縁層と、絶縁層上に積層され
た、ダイアフラムとなる第２の半導体層とからなる３層
を形成する工程と、 絶縁層をエッチングストッパ層として第１の半導体層の
感圧領域に相当する部分を絶縁層までエッチングする工
程と、 このエッチング工程によって露出した絶縁層を除去する
工程と、 第２の半導体層の感圧領域を所定の量だけエッチングす
る工程とを有し、 前記感圧領域に相当する部分の絶縁層を除去すると共
に、第２の半導体層の感圧領域に凹部を形成してダイア
フラムを形成することを特徴とする半導体圧力センサの
製造方法。
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