JP2002158362A - 半導体圧力センサの製造方法 - Google Patents

半導体圧力センサの製造方法

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JP2002158362A JP2001004028A JP2001004028A JP2002158362A JP 2002158362 A JP2002158362 A JP 2002158362A JP 2001004028 A JP2001004028 A JP 2001004028A JP 2001004028 A JP2001004028 A JP 2001004028A JP 2002158362 A JP2002158362 A JP 2002158362A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体基板にキャビティを形成した後、熱処
理を行うことによりキャビティが閉じてなる基準圧力室
を形成し、半導体基板のうち基準圧力室に対応する部位
に圧力検出用のダイヤフラムを形成し、しかる後、半導
体基板に素子を形成するようにした半導体圧力センサの
製造方法において、ダイヤフラムにおける結晶欠陥の発
生を防止する。 【解決手段】 キャビティ2が形成された半導体基板1
と別基板3とを酸化膜4を介して貼り合わせ、熱処理し
て接合することにより、基準圧力室5を形成した後、半
導体基板1に対して歪みゲージ7や電極9等の素子を形
成する。ここで、基準圧力室5を形成した後に半導体基
板1に対して行われる熱処理温度をT1(℃)、基準圧
力室5の室温における内圧をP0(atm)としたと
き、熱処理温度T1を(−430P0+1430)℃未満
とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板にキャ
ビティを形成した後、熱処理を行うことにより該キャビ
ティが閉じてなる基準圧力室を形成し、該半導体基板の
うち基準圧力室に対応する部位に圧力検出用のダイヤフ
ラムを形成し、しかる後、該半導体基板に素子を形成す
るようにした半導体圧力センサの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】この種の半導体圧力センサの製造方法と
しては、例えば、特開平8−236788号公報、特開
平6−18345号公報、特開平11−298009号
公報等に記載のものが提案されている。
【0003】これらの製造方法は、次のようである。ま
ず、シリコン基板等よりなる半導体基板の一面側にキャ
ビティ(凹部)を形成した後、該キャビティを覆うよう
に半導体基板の一面に、半導体等よりなる別基板を貼り
合わせる。そして、貼り合わせられた両基板に対して熱
処理を行うことにより、半導体基板と別基板とを接合さ
せて所定の内圧を有する基準圧力室を形成する。
【0004】また、この基準圧力室を形成することによ
り、半導体基板のうち基準圧力室に対応する部位即ちキ
ャビティの底面側には、圧力検出用のダイヤフラムが形
成される。その後、拡散や注入等の処理を行って歪みゲ
ージや集積回路等の素子を半導体基板に形成すること
で、半導体圧力センサが出来上がる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者等の検討によれば、上記従来の製造方法においては、
次のような問題が生じることが分かった。上記従来の製
造方法では、半導体基板に形成されたキャビティが閉じ
られた空間、即ち基準圧力室を形成した後に、この半導
体基板に対して歪みゲージや集積回路等の素子を形成す
るようにしている。
【0006】この場合、基準圧力室を形成した後の工程
(上記素子形成工程等)において、拡散や注入等の処理
を行う際に半導体基板に対して熱処理が行われるが、こ
の熱処理の温度が高すぎると、基準圧力室の内圧が大き
くなり、ダイヤフラムが変形する。
【0007】すると、変形したダイヤフラムのうち応力
が集中する部位には、結晶欠陥が生じる。例えば、ダイ
ヤフラムのエッジ部等は、特に結晶欠陥が発生しやすい
部位である。そして、結晶欠陥が発生した部位では、電
気的なリークや機械的なリークが発生し、素子形成を阻
害したり、ダイヤフラムの損傷(ひび割れ等)や基準圧
力室の圧力漏れが生じたりする等の不具合が起こる。
【0008】本発明は上記問題に鑑み、半導体基板にキ
ャビティを形成した後、熱処理を行うことによりキャビ
ティが閉じてなる基準圧力室を形成し、半導体基板のう
ち基準圧力室に対応する部位に圧力検出用のダイヤフラ
ムを形成し、しかる後、半導体基板に素子を形成するよ
うにした半導体圧力センサの製造方法において、ダイヤ
フラムにおける結晶欠陥の発生を防止することを目的と
する。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するべく、次のような実験検討を行った。まず、
キャビティが形成された半導体基板を用いて熱処理を行
うことにより、上記基準圧力室及びダイヤフラムを形成
した状態のもの(これをサブワークという)を作製し
た。そして、このサブワークについて、種々の温度で熱
処理を加え、当該熱処理温度と基準圧力室の室温(25
℃)における内圧とを種々変えていったときに、ダイヤ
フラムに発生する結晶欠陥の有無を調べた。
【0010】その結果、種々の上記熱処理温度、基準圧
力室の室温における内圧(キャビティ内圧)において、
結晶欠陥の有無を示すと、図3のように示されることが
わかった。この図3において、丸プロットは結晶欠陥無
し、クロスプロットは結晶欠陥有りを示す。
【0011】つまり、上記熱処理温度と上記キャビティ
内圧との関係において、ダイヤフラムに結晶欠陥が発生
するかしないかの境界線が直線的なもの(図中の直線L
1)であることがわかる。本発明は、この図3に示す様
な、本発明者等が独自に見出した熱処理温度とキャビテ
ィ内圧との関係に基づいてなされたものである。
【0012】すなわち、請求項1に記載の発明は、半導
体基板(1)にキャビティ(2)を形成した後、熱処理
を行うことによりキャビティが閉じてなる基準圧力室
(5)を形成し、半導体基板のうち基準圧力室に対応す
る部位に圧力検出用のダイヤフラム(6)を形成し、し
かる後、半導体基板に素子(7、8、9)を形成するよ
うにした半導体圧力センサの製造方法であって、基準圧
力室を形成した後に半導体基板に対して行われる熱処理
の温度をT1(℃)、基準圧力室の室温における内圧を
0(atm)としたとき、これら熱処理の温度T1と内
圧P0とが、次の数式3の関係を満足するようにしたこ
とを特徴としている。
【0013】
【数3】T1<−430P0+1430 つまり、基準圧力室を形成した後に、半導体基板に対し
て歪みゲージや集積回路等の素子を形成するために熱処
理を行ったり、あるいは半導体基板に対して何らかの熱
処理を加える工程を行ったりする場合に、これら熱処理
の温度T1を、(−430P0+1430)℃未満とすれ
ば、ダイヤフラムにおける結晶欠陥の発生を防止するこ
とができる。
【0014】なお、この場合、基準圧力室は、所定の温
度および所定の圧力環境下にて形成されるが、この基準
圧力室形成時の温度および圧力をボイル−シャルルの法
則を用いて設定することにより、基準圧力室の室温にお
ける内圧を所望の圧力にすることが可能である。
【0015】ところで、上記した従来の製造方法では、
半導体基板と別基板とを接合させて基準圧力室を形成す
る工程の際、半導体基板にはキャビティが形成されてい
るが、この半導体基板におけるキャビティの底面側は、
ダイヤフラムとして構成される部分である。
【0016】ここで、この半導体基板におけるキャビテ
ィの底面側の部位が薄い場合、半導体基板と別基板とを
接合させて基準圧力室を形成する際の熱処理により、当
該部位が変形して結晶欠陥が発生する可能性がある。従
って、このような場合には、基準圧力室を形成した後に
半導体基板に対して行われる熱処理の温度だけでなく、
基準圧力室を形成する時に行われる熱処理の温度も、結
晶欠陥の発生に大きく影響すると考えられる。
【0017】また、2000年3月28日から31日に
渡って青山学院大学にて行われた、第47回応用物理学
関係連合講演会では、(株)東芝 セミコンダクター社
の佐藤等により、「シリコンの表面マイグレーションを
利用した新しい基板エンジニアリング」が報告されてい
る(2000年春季 第47回応用物理学関係連合講演
会 講演予稿集No.2、p.888−889)。
【0018】その内容は、シリコン基板上に予めアスペ
クト比の大きなトレンチ構造を形成しておき、このシリ
コン基板を水素等の還元雰囲気中にて熱処理すること
で、シリコンの表面マイグレーションを利用して基板内
部に空洞を形成することができる、というものである。
【0019】そして、この現象を利用すれば、半導体基
板にキャビティとしてのトレンチを形成した後、熱処理
を行うことにより、該トレンチの開口部が閉じてなる基
準圧力室を形成でき、同時に、基準圧力室に対応する部
位に圧力検出用のダイヤフラムを形成することができ
る、と考えられる。そして、このようにして、基準圧力
室およびダイヤフラムを形成した後、半導体基板に素子
を形成することで、半導体圧力センサを製造することが
できる。
【0020】従って、この場合にも、基準圧力室を形成
すると同時に薄いダイヤフラムが形成されるため、基準
圧力室を形成した後に半導体基板に対して行われる熱処
理の温度だけでなく、基準圧力室を形成する時に行われ
る熱処理の温度も、ダイヤフラムにおける結晶欠陥の発
生に大きく影響すると考えられる。請求項2に記載の発
明は、このような場合も、想定した半導体圧力センサの
製造方法に係るものである。
【0021】すなわち、請求項2に記載の発明では、基
準圧力室(5)を形成する時に行われる熱処理の温度を
2(℃)としたとき、この熱処理の温度T2と上記の内
圧P 0(atm)とが、次の数式4の関係を満足するよ
うにしたことを特徴としている。
【0022】
【数4】T2<−430P0+1430 つまり、本発明によれば、基準圧力室を形成した後に半
導体基板に対して行われる熱処理の温度T1とともに、
基準圧力室を形成する時に行われる熱処理の温度T
2も、(−430P0+1430)℃未満とするように制
御する。それにより、ダイヤフラムにおける結晶欠陥の
発生の防止を、より高レベルにて実現することができ
る。
【0023】また、請求項3に記載の発明では、半導体
基板(1)の一面(1a)側にキャビティ(2)を形成
した後、キャビティを覆うように半導体基板の一面に別
基板(3)を貼り合わせ、熱処理を行うことにより、半
導体基板と別基板とを接合するとともに基準圧力室
(5)を形成した後、半導体基板の他面(1b)側から
半導体基板を薄肉化することにより、ダイヤフラム
(6)を形成することを特徴としている。
【0024】つまり、本発明では、請求項1に記載の発
明における基準圧力室およびダイヤフラムを形成する工
程を、キャビティを覆うように半導体基板の一面に別基
板を貼り合わせ熱処理を行うことにより半導体基板と別
基板とを接合して基準圧力室を形成する工程と、この工
程の後に半導体基板を薄肉化することでダイヤフラムを
形成する工程との2工程よりなるものとしている。
【0025】それによれば、基準圧力室を形成する時に
行われる熱処理の際には、半導体基板におけるキャビテ
ィの底面側の部位は、最終的に薄肉化されたダイヤフラ
ムの厚さよりも厚いものとすることができる。そのた
め、基準圧力室を形成する時に行われる熱処理の温度に
よって半導体基板におけるキャビティの底面側の部位が
変形して結晶欠陥が発生するという可能性を、低くする
ことができる。
【0026】従って、請求項3に記載の製造方法によれ
ば、ダイヤフラムにおける結晶欠陥の発生の防止を、よ
り高レベルにて実現することができる。
【0027】また、請求項4に記載の発明では、半導体
基板(1)の一面(1a)側にキャビティとしての複数
個のトレンチ(12)を形成した後、熱処理を行って、
半導体基板の内部にて複数個のトレンチが一体に連通し
た空間を形成するとともに半導体基板の一面側にて複数
個のトレンチの開口部を閉塞させることにより、基準圧
力室(5)およびダイヤフラム(6)を形成し、しかる
後、素子(7、8、9)を半導体基板に形成することを
特徴としている。
【0028】本発明によれば、請求項1または請求項2
に記載の製造方法において、上記したシリコンの表面マ
イグレーションを利用した半導体圧力センサの製造方法
を実現することができる。
【0029】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一
例である。
【0030】
【発明の実施の形態】(第1実施形態)以下、本発明を
図に示す実施形態について説明する。図1は本発明の第
1実施形態に係る半導体圧力センサS1の概略断面図で
ある。図1において、1は半導体基板であり、本例では
n型で面方位が(100)のシリコン単結晶基板であ
る。
【0031】この半導体基板1の一面(図1中の下側の
面)1aには、当該一面1aから凹んだ凹部としてのキ
ャビティ2が形成されている。そして、半導体基板1の
一面1aには、このキャビティ2を覆うように、半導体
やガラス等よりなる別基板3が接合されている。本例で
は、別基板3は半導体基板1と同じくシリコン単結晶基
板であり、半導体基板1と別基板3とは、シリコン酸化
膜4を介して接合されている。
【0032】別基板3の接合によりキャビティ2は閉塞
された空間となり、この空間は所定の内圧を有する基準
圧力室5として構成されている。そして、半導体基板1
のうち基準圧力室5に対応する部位即ちキャビティ2の
底面側の部位には、薄肉化された薄肉部としての圧力検
出用のダイヤフラム6が形成されている。
【0033】このダイヤフラム6の厚さは限定しない
が、比較的厚いものから、材料力学で言う大撓み論(ダ
イヤフラムにかかる圧力とダイヤフラムの最大撓みとの
関係が非直線的であること)が適用されるような薄いも
の(例えば厚さ数μm程度)まで採用可能である。一例
を挙げると、このダイヤフラム6は、150μm□、厚
さ2.5μmの平面形状が四角形のものであり、その場
合、基準圧力室5の室温における内圧は0.6atm以
下とすることができる。
【0034】また、半導体基板1の一面1aとは反対側
の他面1bには、ダイヤフラム6に対応する領域に、歪
みゲージ7が形成されている。この歪みゲージ7は、例
えばブリッジ回路を構成することにより、ダイヤフラム
6が歪んだときに発生する応力に応じた電気的な信号を
出力するためのものであり、本例ではP+層として構成
されている。
【0035】また、半導体基板1の他面1bは、電気的
絶縁性を有する絶縁膜(本例では酸化膜)8により被覆
されており、この絶縁膜8の上には、電極9が絶縁膜8
に形成されたコンタクトホールを介して歪みゲージ7と
電気的に接続された状態で形成されている。この電極9
は、歪みゲージ7からの信号を外部へ出力するための配
線部やワイヤボンディング用のパッド部等として構成さ
れる。
【0036】上記した半導体圧力センサS1は、基準圧
力室5を有する絶対圧センサであり、半導体基板1の他
面1b側からダイアフラム6が圧力を受けて変形する
と、このダイヤフラム6の変形によって生じる歪みに応
じて、歪みゲージ7から信号が出力される。歪みゲージ
7からの出力信号は、上記配線部やパッド部としての電
極9を介して、外部に設けられた信号処理回路等へ出力
される。このようにして、圧力が検出されるようになっ
ている。
【0037】次に、上記構成を有する半導体圧力センサ
S1の製造方法について述べる。図2は、半導体圧力セ
ンサS1の製造方法を上記図1に対応した断面にて示す
工程図であって、図2中の(a)〜(f)の順に、半導
体圧力センサS1の製造途中の状態を示すものである。
【0038】まず、図2(a)に示す様に、半導体基板
(本例では、n型(100)のシリコン単結晶基板)1
を用意し、この半導体基板1の一面1aに、熱酸化等に
よりなる酸化膜(本例ではシリコン酸化膜)10を成膜
した後、キャビティ2を形成する領域に対応した酸化膜
10をホトエッチングによりパターニングする(酸化膜
形成工程)。
【0039】そして、図2(b)に示す様に、酸化膜1
0をマスクとして、例えば、KOH(水酸化カリウム)
やTMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキシ
ド)等の溶液を用いて異方性エッチングを行うことによ
り、半導体基板1の一面1a側にキャビティ(凹部)2
を形成する(キャビティ形成工程)。
【0040】次に、図2(c)に示す様に、半導体基板
1の一面1aの酸化膜10を除去する。具体的には、H
F:H2O=1:10の溶液を用いてウエットエッチン
グ等により行う(酸化膜除去工程)。
【0041】次に、図2(d)に示す様に、一面に熱酸
化により形成された酸化膜(本例ではシリコン酸化膜)
4を有する別基板(本例ではシリコン単結晶基板)3を
用意し、減圧雰囲気中において、キャビティ2を覆うよ
うに半導体基板1の一面1aに酸化膜4を介して別基板
3を貼り合わせ、熱処理することで接合する。
【0042】具体的には、真空装置のチャンバ内に半導
体基板1と別基板3を投入し、真空引きを行い該チャン
バ内に所定の圧力雰囲気を形成した後、この圧力雰囲気
において、半導体基板1と別基板3とを貼り合わせ、そ
の後、接合強度を高めるために熱処理(例えば1100
〜1150℃)を行う。これにより、両基板1、3間は
酸化膜4を介して共有結合によって接合される。
【0043】このように、キャビティ2を覆うように半
導体基板1の一面1aに別基板3を貼り合わせ、熱処理
を行うことにより、半導体基板1と別基板3とを接合す
ることによって、基準圧力室5が形成される(基準圧力
室形成工程)。
【0044】なお、このとき、両基板1、3の貼り合わ
せにおける雰囲気の圧力は、最終的に出来上がった基準
圧力室5の室温(25℃)における内圧が所望の圧力と
なるように、ボイル−シャルルの法則から決めることが
できる。例えば、上記したように、ダイヤフラム6が1
50μm□、厚さ2.5μmの平面四角形であり、基準
圧力室5の室温における内圧が0.6atm程度である
場合、上記貼り合わせにおける雰囲気の圧力は、10-6
Torr(133×10-6Pa)程度とすることができ
る。
【0045】次に、図2(e)に示す様に、半導体基板
1の他面1b側から半導体基板1を薄肉化することによ
りダイヤフラム6を形成する(ダイヤフラム形成工
程)。この薄肉化は、具体的には、研削および研磨によ
り行うか、または、シリコンのウェットエッチングによ
り行うことができる。
【0046】その後、図2(f)に示す様に、歪みゲー
ジ7を半導体基板1の他面1bに形成する。この歪みゲ
ージ7は、例えばボロンの拡散によりP+層を形成する
等により作られる。
【0047】次に、熱酸化等により絶縁膜8を成膜し、
アルミニウムの蒸着やスパッタ等により、電極9を形成
する。こうして、これら歪みゲージ7、絶縁膜8、電極
9、場合によっては集積回路等の素子を半導体基板1に
形成すると、上記図1に示す半導体圧力センサS1が完
成する。
【0048】ところで、上記製造方法によれば、基準圧
力室5を形成する基準圧力室形成工程、及び基準圧力室
5を形成した後の素子形成工程において、半導体基板1
に対して熱処理が施される。例えば、基準圧力室5を形
成した後に半導体基板1に対して行われる熱処理(熱酸
化や不純物拡散等)の温度T1は1150℃、基準圧力
室5を形成する時に行われる熱処理の温度T2は110
0〜1150℃程度である。
【0049】ここにおいて、本第1実施形態では、ダイ
ヤフラム6における結晶欠陥の発生を防止すべく、基準
圧力室5の室温における内圧をP0(atm)としたと
き、これらの熱処理温度T1、T2を、(−430P0
1430)℃未満とするようにしている。この関係を採
用した根拠について述べる。
【0050】本発明者等は、ダイヤフラム6における結
晶欠陥の発生を防止するべく、次のような実験検討を行
った。まず、本例の半導体圧力センサS1において、上
記製造方法におけるダイヤフラム形成工程まで行い、基
準圧力室5の室温(25℃)における内圧(atm)を
色々変えたもの(これをサブワークという)を作製し
た。
【0051】そして、各サブワークについて、種々の熱
処理温度(℃)に供した後、SEMやTEM等の電子顕
微鏡による観察を行うことにより、ダイヤフラム6に発
生する結晶欠陥の有無を調べるという実験を行った。
【0052】ここで、結晶欠陥は、半導体基板1におけ
る結晶格子構造(本例ではシリコン単結晶の格子構造)
に転位が導入されることであり、この転位は、熱処理温
度が高すぎる場合、基準圧力室5の内圧がダイヤフラム
6の降伏応力を越える程大きくなり、ダイヤフラム6が
塑性変形することで発生する。
【0053】そして、上記実験の結果、基準圧力室の室
温における内圧(キャビティ内圧、atm)を横軸、上
記熱処理温度(℃)を縦軸として、種々のキャビティ内
圧及び熱処理温度において、ダイヤフラム6に発生する
結晶欠陥の有無を示したものが、図3である。この図3
において、丸プロット(○)は結晶欠陥無し、クロスプ
ロット(×)は結晶欠陥有りを示す。
【0054】図3中に直線L1として示す様に、上記キ
ャビティ内圧と熱処理温度との関係において、ダイヤフ
ラム6に結晶欠陥が発生するかしないかの境界線が直線
的なものとなっていることがわかる。つまり、当該直線
L1を境界線として上側の領域ではダイヤフラム6に結
晶欠陥が発生し、下側の領域ではダイヤフラム6に結晶
欠陥が発生しない。
【0055】ここで、図3における熱処理温度は、基準
圧力室5を形成した後に半導体基板1に対して行われる
熱処理の温度に相当することから、基準圧力室5を形成
した後に半導体基板1に対して行われる熱処理の温度を
1(℃)、基準圧力室5の室温における内圧をP0(a
tm)としたとき、上記直線L1は、次の数式5にて表
される。
【0056】
【数5】T1=−430P0+1430 そして、図3からダイヤフラム6における結晶欠陥の発
生を防止するためには、上記熱処理温度T1、内圧P
0を、直線L1よりも下側の領域の範囲にて設定すれば
良いことがわかる。
【0057】つまり、基準圧力室5を形成した後に、半
導体基板1に対して歪みゲージ7や集積回路等の素子を
形成するために熱処理を行ったり、あるいは半導体基板
1に対して何らかの熱処理を加える工程を行う場合に、
熱処理温度T1を(−430P0+1430)℃未満とす
れば良いのである。
【0058】また、図3に示す結果は、図3における熱
処理温度が、基準圧力室5を形成する時(基準圧力室形
成工程)に半導体基板1に対して行われる熱処理温度T
2に相当する場合にも当てはまる。
【0059】つまり、この熱処理温度T2を(−430
0+1430)℃未満とすれば、基準圧力室形成工程
において、ダイヤフラム6に相当するキャビティ2の底
面側の部位が変形して結晶欠陥が発生するのを防止する
ことができるため、結果的に、ダイヤフラム6における
結晶欠陥の発生の防止を、より高レベルにて実現するこ
とができる。
【0060】なお、上記製造方法においては、基準圧力
室形成工程においては、半導体基板1におけるキャビテ
ィ2の底面側の部位は、薄肉化される前のダイヤフラム
に相当する部位である。そのため、当該部位は、最終的
なダイヤフラム6の厚さよりも厚いものとなっており、
基準圧力室形成工程時の熱処理温度T2によっても、比
較的塑性変形しにくく結晶欠陥も発生しにくい。
【0061】そのため、上記製造方法においては、上記
熱処理温度T1のみを(−430P0+1430)℃未満
として、上記熱処理温度T2は(−430P0+143
0)℃以上としても、ダイヤフラム5における結晶欠陥
の発生を防止することができる。しかし、両方の熱処理
温度T1及びT2を(−430P0+1430)℃未満と
すれば、結果的に、ダイヤフラム6における結晶欠陥の
発生の防止を、より高レベルにて実現することができ
る。
【0062】また、上記製造方法においては、ダイヤフ
ラム形成工程を省いて、キャビティ形成工程においてダ
イヤフラム6を形成してもよい。例えば、キャビティ形
成のための異方性エッチングやドライエッチングを、最
終的なダイヤフラム6の厚さとなるまで実行することに
より、ダイヤフラム6を形成することができる。
【0063】この場合、基準圧力室形成工程には、薄肉
化されたダイヤフラム6が形成された半導体基板1が供
されることとなる。半導体基板1におけるキャビティ2
の底面側の部位が、薄いダイヤフラム6として構成され
ている場合、半導体基板1と別基板3とを接合させて基
準圧力室5を形成する際の熱処理温度T2により、ダイ
ヤフラム6が塑性変形して結晶欠陥が発生する可能性が
大きくなる。
【0064】従って、この場合には、基準圧力室5を形
成した後に半導体基板1に対して行われる熱処理温度T
1だけでなく、基準圧力室5を形成する時に行われる熱
処理温度T2も、結晶欠陥の発生に大きく影響するた
め、両方の熱処理温度T1及びT 2を(−430P0+1
430)℃未満とすることが好ましい。
【0065】(第2実施形態)本発明の第2実施形態と
して、「解決手段」の欄にて述べたような、シリコンの
表面マイグレーションを利用した半導体圧力センサS2
の概略断面を図4に示す。このセンサS2は、半導体基
板1内に閉じた空間としての基準圧力室5が形成され、
この基準圧力室5に対応する半導体基板1の一面1a側
に薄肉部としてのダイヤフラム6が形成されている。
【0066】また、センサS2には、上記図1に示すセ
ンサS1と同様に、例えばP+層よりなる歪みゲージ
7、絶縁膜(本例では酸化膜)8が形成され、アルミ等
よりなる電極9が絶縁膜8に形成されたコンタクトホー
ルを介して歪みゲージ7と電気的に接続された状態で形
成されている。また、場合によっては、集積回路等の素
子が形成され、センサS2の最表面はシリコン窒化膜
(SiN)等よりなる保護膜11にて被覆されている。
【0067】こうして、図4に示すセンサS2も、基準
圧力室5を有する絶対圧センサとして構成され、上記図
1に示すセンサS1と同様に圧力検出ができるようにな
っている。
【0068】このセンサS2は、上記した第47回応用
物理学関係連合講演会の講演予稿集に記載の方法に準じ
て製造することができる。その製造方法を図5に示す。
例えば、シリコンよりなる半導体基板1を用意し(図5
(a))、その半導体基板1の一面1aを、後述するト
レンチ12を形成する部位に開口部13を有するシリコ
ン酸化膜等よりなるマスク14にて被覆する(図5
(b))。
【0069】次に、通常のトレンチエッチング方法を用
いて、半導体基板1の一面1aにキャビティとしてのア
スペクト比の大きな複数個のトレンチ12を形成した
(キャビティ形成工程)後、マスク14をフッ酸(H
F)エッチングやドライエッチング等により、除去する
(図5(c))。
【0070】次に、トレンチ12が形成された半導体基
板1を、水素等の還元雰囲気中にて例えば1100℃〜
1150℃程度の熱処理を行う。すると、シリコンの表
面マイグレーションによって、半導体基板1の内部にて
複数個のトレンチ12が一体に連通した空間を形成する
とともに半導体基板1の一面1a側にて複数個のトレン
チ12の開口部が閉塞する。
【0071】これにより、半導体基板1内の閉塞した空
間が基準圧力室5となり、半導体基板1の一面1a側に
おける閉塞部がダイヤフラム6として構成される(基準
圧力室形成工程)。この状態が図5(d)に示される。
次に、半導体基板1に歪みゲージ、絶縁膜、電極等の素
子を形成する(素子形成工程)ことで、図4に示す半導
体圧力センサS2が完成する。
【0072】そして、本第2実施形態の製造方法におい
ても、基準圧力室5を形成した後に半導体基板1に対し
て行われる熱処理温度T1を、(−430P0+143
0)℃未満とすることにより、ダイヤフラム6における
結晶欠陥の発生を防止することができる。
【0073】例えば、歪みゲージ7がボロンの拡散によ
り形成されたP+層である場合、ボロンの打ち込み後、
1050度程度で熱処理し拡散を行う。また、絶縁膜8
がシリコン酸化膜(SiO2)である場合、絶縁膜8は
1050℃程度の熱処理により形成される。また、電極
9がアルミの場合、数百℃で蒸着形成し、更に、保護膜
11がプラズマCVDにより形成されたSiNの場合、
SiN形成時に200℃程度の熱がかかる。
【0074】また、本実施形態では、基準圧力室形成工
程にて同時に薄いダイヤフラム6が形成される。そのた
め、熱処理温度T1だけでなく、基準圧力室5を形成す
る時に行われる熱処理温度T2も(−430P0+143
0)℃未満とする(例えば1100℃〜1150℃程
度)ことにより、ダイヤフラム6における結晶欠陥の発
生の防止を、より高レベルにて実現することができる。
【0075】なお、本実施形態における基準圧力室形成
工程では、半導体基板1を密閉容器(図示せず)に入
れ、水素等の還元性雰囲気にて熱処理を行うが、このと
き、上記密閉容器内に流す還元性ガスの流量を調整する
等により、最終的に、室温になったとき、基準圧力室5
内の内圧P0(atm)が所望の値となるように、密閉
容器内の圧力を調整することができる。
【0076】(他の実施形態)なお、上記図1に示す半
導体圧力センサS1においては、別基板3はシリコン単
結晶基板等の半導体基板以外にも、ガラス基板(ガラス
台座)であってもよい。この場合、半導体基板1と別基
板3とは、陽極接合により接合され、この陽極接合にお
ける熱処理温度が上記熱処理温度T1に相当する。
【0077】また、上記半導体圧力センサS1、S2
は、基準圧力室5を有する絶対圧センサであったが、本
発明はこれに限定されるものではなく、上記特開平8−
236788号公報に記載されているような相対圧セン
サでもよい。
【0078】この場合、例えば、上記図1に示すセンサ
S1において、別基板3に外部から基準圧力室5に連通
する孔(圧力導入孔)を形成し、この孔から導入される
圧力と半導体基板1の一面1a側からの圧力とをダイヤ
フラム6に受圧させ、両圧力の相対圧力を検出するよう
にすればよい。
【0079】以上述べてきたように、本発明は、半導体
基板にキャビティを形成した後、熱処理を行うことによ
り該キャビティが閉じてなる基準圧力室を形成し、該半
導体基板のうち基準圧力室に対応する部位に圧力検出用
のダイヤフラムを形成し、しかる後、該半導体基板に素
子を形成するようにした半導体圧力センサの製造方法に
適用可能なものであり、細部は適宜設計変更可能であ
る。
【0080】そして、本発明は、このような半導体圧力
センサの製造方法において、上記した各熱処理温度T
1、T2を基準圧力室の室温における内圧P0との関係
で規定したものであり、ダイヤフラムにおける結晶欠陥
の発生を防止するという本発明の効果は、比較的厚いも
のダイヤフラムから、材料力学で言う上記大撓み論が適
用されるような薄いダイヤフラムにまで、有効に発揮さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る半導体圧力センサ
の概略断面図である。
【図2】図1に示す半導体圧力センサの製造方法を示す
工程図である。
【図3】種々のキャビティ内圧及び熱処理温度において
ダイヤフラムに発生する結晶欠陥の有無を示す図であ
る。
【図4】本発明の第2実施形態に係る半導体圧力センサ
の概略断面図である。
【図5】図4に示す半導体圧力センサの製造方法を示す
工程図である。
【符号の説明】
1…半導体基板、1a…半導体基板の一面、1b…半導
体基板の他面、2…キャビティ、3…別基板、5…基準
圧力室、6…ダイヤフラム、7…歪みゲージ、8…絶縁
膜、9…電極。
フロントページの続き (72)発明者 鈴木 康利 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 Fターム(参考) 2F055 AA40 BB20 CC02 DD04 EE13 FF49 GG01 GG12 4M112 AA01 BA01 CA05 DA04 DA05 DA12 DA18 EA03 EA06 FA11

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板(1)にキャビティ(2)を
    形成した後、 熱処理を行うことにより前記キャビティが閉じてなる基
    準圧力室(5)を形成し、前記半導体基板のうち基準圧
    力室に対応する部位に圧力検出用のダイヤフラム(6)
    を形成し、 しかる後、前記半導体基板に素子(7、8、9)を形成
    するようにした半導体圧力センサの製造方法であって、 前記基準圧力室を形成した後に前記半導体基板に対して
    行われる熱処理の温度をT1(℃)、前記基準圧力室の
    室温における内圧をP0(atm)としたとき、これら
    熱処理の温度T1と内圧P0とが、次の数式1 【数1】T1<−430P0+1430 の関係を満足するようにしたことを特徴とする半導体圧
    力センサの製造方法。
  2. 【請求項2】 前記基準圧力室(5)を形成する時に行
    われる熱処理の温度をT2(℃)としたとき、この熱処
    理の温度T2と前記内圧P0とが、次の数式2 【数2】T2<−430P0+1430 の関係を満足してい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の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記半導体基板(1)の一面(1a)側
    に前記キャビティ(2)を形成した後、 前記キャビティを覆うように前記半導体基板の一面に別
    基板(3)を貼り合わせ、前記熱処理を行うことによ
    り、前記半導体基板と前記別基板とを接合するとともに
    前記基準圧力室(5)を形成した後、 前記半導体基板の他面(1b)側から前記半導体基板を
    薄肉化することにより、前記ダイヤフラム(6)を形成
    することを特徴とする請求項1に記載の半導体圧力セン
    サの製造方法。
  4. 【請求項4】 前記半導体基板(1)の一面(1a)側
    に前記キャビティとしての複数個のトレンチ(12)を
    形成した後、 前記熱処理を行って、前記半導体基板の内部にて前記複
    数個のトレンチが一体に連通した空間を形成するととも
    に前記半導体基板の一面側にて前記複数個のトレンチの
    開口部を閉塞させることにより、前記基準圧力室(5)
    および前記ダイヤフラム(6)を形成し、 しかる後、前記素子(7、8、9)を前記半導体基板に
    形成することを特徴とする請求項1または2に記載の半
    導体圧力センサの製造方法。
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