JP2006003102A - Semiconductor pressure sensor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体圧力センサー、特にダイヤフラムを用いた抵抗型圧力センサー、およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor pressure sensor, in particular, a resistance type pressure sensor using a diaphragm, and a manufacturing method thereof.
従来、半導体圧力センサーとしては、主要な構成として容量型やピエゾ抵抗型等の検出素子を用いたものが知られている。その中でも、1チップ化が可能なシリコン基板を用い、作成が容易なピエゾ抵抗型の検出素子を形成した半導体圧力センサーが様々な用途に使用されており、その測定圧力レンジも広範囲にわたっている。 2. Description of the Related Art Conventionally, semiconductor pressure sensors using a detection element such as a capacitive type or a piezoresistive type as a main configuration are known. Among them, a semiconductor pressure sensor using a silicon substrate that can be made into one chip and forming a piezoresistive detection element that is easy to produce is used for various applications, and its measurement pressure range is wide.
図7は、特許文献1に開示された、容量型の検出素子を用いた従来例の圧力センサーの構成を模式的に示す断面図である。この圧力センサーは、シリコン基板51を用いて形成された検出素子部50を有している。検出素子部50には、シリコン基板51を、変位しやすいように薄くしたダイヤフラム52が形成されている。このダイヤフラム52に被測定圧力がかけられると、それによるダイヤフラム52の歪みが検出素子を介して検出され、その検出信号によって圧力を測定することができる。ダイヤフラム52の表裏には絶縁膜53,54が形成され、熱応力による歪みが発生しにくくなるように工夫されている。絶縁膜53,54は、互いに同じ材質で同様に形成されている。
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a conventional pressure sensor using a capacitive detection element disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. This pressure sensor has a
また、抵抗型の検出素子61を用いた圧力センサーにおいても、図8に示すように、SIMOX(Separation by IMplanted OXygen)技術を用いて、同様にダイヤフラム60の表裏を、互いに同様の構成の絶縁膜62,63によってサンドイッチ状に挟んだ構造になった圧力センサーが特許文献2に開示されている。
近年、半導体圧力センサーに対しては、生体内での圧力測定に用いたり、マイクロマシンに使用したりといった用途が考えられてきており、このために、半導体圧力センサーを非常に小さく形成し、なおかつその感度を高くすることが求められている。特に、1チップ化が可能なシリコンテクノロジーを用いた構成はこのような用途に適しているが、このような構成においてセンサーを小型化するためには、ダイヤフラムも非常に小さなものとする必要がある。 In recent years, semiconductor pressure sensors have been considered to be used for in-vivo pressure measurement and used in micromachines. For this reason, semiconductor pressure sensors are formed very small, and the There is a demand for higher sensitivity. In particular, a configuration using silicon technology that can be made into one chip is suitable for such an application, but in order to reduce the size of the sensor in such a configuration, the diaphragm needs to be very small. .
一般に、半導体圧力センサーにおける検出信号の変化は、圧力をかけた時のダイヤフラムの応力変化が大きいほど大きくなり、その結果、高い感度を得やすくなる。例えば、ピエゾ抵抗型の素子を用いた場合、検出信号を変化させる抵抗変化の大きさは、ピエゾ抵抗係数と応力の積に比例する値になる。一方、ダイヤフラムの応力の最大値は、ダイヤフラムの1辺の長さをh、ダイヤフラムの厚さをaとすると(h/a)2に比例するため、ダイヤフラムの面積を小さくすると、圧力をかけた時のダイヤフラムの応力変化量が大きく低下し、感度が大きく低下する。したがって、ダイヤフラムを面積の小さなものとした場合、ダイヤフラムの厚さを非常に薄くすることによって、感度の向上を図るのが好ましい。 In general, the change in the detection signal in the semiconductor pressure sensor increases as the change in the stress of the diaphragm when pressure is applied increases, and as a result, high sensitivity is easily obtained. For example, when a piezoresistive element is used, the magnitude of the resistance change that changes the detection signal is a value proportional to the product of the piezoresistance coefficient and the stress. On the other hand, the maximum stress of the diaphragm is proportional to (h / a) 2 where the length of one side of the diaphragm is h and the thickness of the diaphragm is a. Therefore, pressure is applied when the area of the diaphragm is reduced. The amount of change in the stress of the diaphragm at the time is greatly reduced, and the sensitivity is greatly reduced. Therefore, when the diaphragm has a small area, it is preferable to improve the sensitivity by making the thickness of the diaphragm very thin.
ところが、抵抗型の検出素子、すなわちピエゾ抵抗を用いた半導体圧力センサーにおいて、感度向上のためにダイヤフラムの厚さを薄くし、特に3μm未満にすると、シリコン層の表裏に絶縁膜を形成したサンドイッチ構造のダイヤフラムでは、ピエゾ抵抗部の位置が、応力がかかりにくいダイヤフラムの厚さ方向の中心部付近にきてしまい、このことが感度の低下につながる。また、感度向上のため薄膜化すると、シリコンでは構造的にも強度が十分でなくなり、ダイヤフラムとして張った状態に保つことが難しくなるという難点も生じる。また、薄膜化すると膜厚むらの、感度むらに対する影響が大きくなるため、膜厚むらの絶対値を極力抑制することが求められる。 However, in a resistance type detection element, that is, a semiconductor pressure sensor using a piezoresistor, a sandwich structure in which an insulating film is formed on the front and back of a silicon layer when the thickness of the diaphragm is reduced to improve sensitivity, particularly when the thickness is less than 3 μm. In this diaphragm, the position of the piezoresistive portion comes near the center of the diaphragm in the thickness direction where stress is hardly applied, which leads to a decrease in sensitivity. In addition, if the film is thinned to improve sensitivity, the structure of silicon becomes insufficient in structure, and it becomes difficult to maintain a tensioned state as a diaphragm. Further, when the film thickness is reduced, the influence of the film thickness unevenness on the sensitivity unevenness is increased. Therefore, it is required to suppress the absolute value of the film thickness unevenness as much as possible.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、非常に小型の半導体圧力センサーにおいて、ダイヤフラムが十分な強度を有する構成でありながら、高感度で精度も高い半導体圧力センサーおよびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is a highly compact semiconductor pressure sensor with a high sensitivity and high accuracy even though the diaphragm has a sufficient strength. A semiconductor pressure sensor and a manufacturing method thereof are provided.
上述の目的を達成するため、本発明の半導体圧力センサーは、第1の導電型の単結晶半導体基板と、単結晶半導体基板の表面側に形成された少なくとも1つの第2の導電型の歪み検出素子とを有し、単結晶半導体基板は、少なくとも一部が、被測定圧力が加わることによって変位可能なダイヤフラムを形成しており、ダイヤフラムの変位を歪み検出素子を用いて検出することによって被測定圧力を測定する半導体圧力センサーにおいて、単結晶半導体基板の、少なくともダイヤフラムを構成する部分の表裏面には絶縁膜が形成されており、単結晶半導体基板の表面側の絶縁膜の厚さより、裏面側の前記絶縁膜の厚さの方が厚いことを特徴とする。 In order to achieve the above-described object, a semiconductor pressure sensor according to the present invention includes a first conductivity type single crystal semiconductor substrate and at least one second conductivity type strain detection formed on the surface side of the single crystal semiconductor substrate. The single crystal semiconductor substrate at least partially forms a diaphragm that can be displaced by applying a pressure to be measured, and the measurement is performed by detecting the displacement of the diaphragm using a strain detection element. In a semiconductor pressure sensor that measures pressure, an insulating film is formed on the front and back surfaces of at least a portion of the single crystal semiconductor substrate that constitutes the diaphragm. The insulating film is thicker.
この構成によれば、ダイヤフラムを薄くしても、表裏の絶縁膜によって十分な強度を得ることができ、また、表面側の絶縁膜の厚さが裏面側の絶縁膜の厚さより薄いため、単結晶半導体基板の表面に形成された歪み検出素子の位置は、ダイヤフラムの表面側に偏った位置になる。 According to this configuration, even if the diaphragm is thinned, sufficient strength can be obtained by the insulating films on the front and back sides, and the thickness of the insulating film on the front side is thinner than the thickness of the insulating film on the back side. The position of the strain detection element formed on the surface of the crystalline semiconductor substrate is a position biased toward the surface side of the diaphragm.
本発明の半導体圧力センサーの製造方法は、多孔質層を有する第1の基体の前記多孔質層上に第1の導電型の非多孔質単結晶半導体層を形成する工程と、非多孔質単結晶半導体層を、絶縁膜を介して第2の基体と貼りあわせて貼りあわせ体を形成する工程と、貼りあわせ体を、多孔質層をその厚さ方向に分離して分割する工程と、非多孔質単結晶半導体層上に残された多孔質層の部分を除去する工程と、非多孔質単結晶半導体層の、多孔質層を除去することによって露出された面から第2の導電型の拡散抵抗層を形成する工程と、非多孔質単結晶半導体層の、拡散抵抗層が形成された面上に、拡散抵抗層を含む検出回路を構成する金属配線と、総膜厚が、非多孔質単結晶半導体層と第2の基体との間の絶縁膜より薄い絶縁膜とを形成する工程と、第2の基体の、絶縁膜を介して非多孔質単結晶半導体層と貼り合わせた面と反対側の面から絶縁膜までをエッチングにより除去して、被測定圧力によって変位可能なダイヤフラムを形成する工程とを有することを特徴とする。 The method for producing a semiconductor pressure sensor according to the present invention includes a step of forming a first conductive type non-porous single crystal semiconductor layer on the porous layer of a first substrate having a porous layer, and a non-porous single-crystal semiconductor layer. A step of bonding the crystalline semiconductor layer to the second substrate through an insulating film to form a bonded body, a step of separating the bonded body by separating the porous layer in its thickness direction, Removing the portion of the porous layer left on the porous single crystal semiconductor layer, and the second conductivity type from the surface of the non-porous single crystal semiconductor layer exposed by removing the porous layer; A step of forming a diffusion resistance layer; a metal wiring constituting a detection circuit including the diffusion resistance layer on a surface of the non-porous single crystal semiconductor layer on which the diffusion resistance layer is formed; and a total thickness of the non-porous Forming an insulating film thinner than the insulating film between the porous single crystal semiconductor layer and the second substrate Etching removes the surface of the second substrate from the surface opposite to the surface bonded to the non-porous single crystal semiconductor layer through the insulating film to form a diaphragm that can be displaced by the pressure to be measured And a step of performing.
この製造方法によれば、薄く、膜厚均一性の高いダイヤフラムを形成することが可能となる。 According to this manufacturing method, a thin diaphragm with high film thickness uniformity can be formed.
本発明によれば、半導体圧力センサーのダイヤフラムにおいて、単結晶半導体基板の表裏に絶縁膜を形成することによって、極めて薄くしても十分な強度を確保することができる。なおかつ、単結晶半導体基板の、歪み検出素子が形成された表面上の絶縁膜の厚さが、裏面上の絶縁膜の厚さよりも薄いことで、歪み検出素子が、圧力測定時に応力のかかりやすい、膜厚方向中心から偏った位置に配置され、それによって、歪み抵抗素子に有効に応力を作用させ、高い感度を達成することができる。 According to the present invention, in the semiconductor pressure sensor diaphragm, by forming the insulating films on the front and back surfaces of the single crystal semiconductor substrate, sufficient strength can be ensured even if it is extremely thin. In addition, since the thickness of the insulating film on the surface of the single crystal semiconductor substrate on which the strain detecting element is formed is thinner than the thickness of the insulating film on the back surface, the strain detecting element is likely to be stressed during pressure measurement. It is arranged at a position deviated from the center in the film thickness direction, whereby stress is effectively applied to the strain resistance element, and high sensitivity can be achieved.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
(第1の実施形態)
図1,2は、本発明の第1の実施形態の半導体圧力センサーの模式図であり、図1は、ダイヤフラムの厚み方向の断面図、図2はダイヤフラムに平行な面内の要部の配置を示す模式図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
1 and 2 are schematic views of the semiconductor pressure sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a sectional view in the thickness direction of the diaphragm, and FIG. 2 is an arrangement of a main part in a plane parallel to the diaphragm. It is a schematic diagram which shows.
この半導体圧力センサーは、歪み検出素子として機能するピエゾ抵抗素子として、n型シリコン単結晶領域2に形成されたp型拡散抵抗層7を有している。p型拡散抵抗層7は、所定の平面パターンで4つ形成されており、これらp型拡散抵抗層7が形成された、n型シリコン単結晶領域2の表面上には酸化膜、すなわちSiO膜4が形成されている。SiO膜4上には、所定の平面パターンでAl金属配線(一般には、単に金属配線であればよい)6が形成されている。Al金属配線6は、SiO膜4の、p型拡散抵抗層7上に形成されたコンタクトホール4aを介してp型拡散抵抗層7に接続され、Al金属配線層6と4つのp型拡散抵抗層7によって、検出回路としてのホイートストンブリッジ回路が形成されている。Al金属配線6が形成されたSiO膜4上にはさらにSiN膜5が形成されている。図示していないが、SiN膜5には、所定の位置にAl金属配線6を露出させる開口が形成されており、この部分が、外部回路との接続用のパッドとして利用される。
This semiconductor pressure sensor has a p-type
n型シリコン単結晶領域2の、p型拡散抵抗層7が形成されたのとは反対側である裏面には、SiON膜3が形成され、さらに、SiON膜3の裏面に支持部材が接合されている。支持部材は、中央の領域が削られ、この領域でSiON膜3が露出している。すなわち、この領域は、n型シリコン単結晶領域2とその表裏の絶縁膜のみが残された薄い膜としてダイヤフラム1が形成されており、支持部材の残された部分が、ダイヤフラム1を支持する支持部8となっている。
A SiON
図2に示すように、4つのp型拡散抵抗層7は、対向する2つがダイヤフラム1上に形成されており、これらは、ダイヤフラム1に圧力が加わった時に強い圧縮応力がかかるように、ダイヤフラム1のエッジ近傍に配置されている。また、p型拡散抵抗層7の他の2つは、ダイヤフラム1と支持部8上の領域とにまたがって形成されている。この構成によれば、ダイヤフラム1に圧力が加わると、ダイヤフラム1が歪んで応力が発生し、それによって各p型拡散抵抗層7のピエゾ抵抗係数が変化し、すなわち抵抗値が変化する。その結果、p型拡散抵抗層7とAl金属配線6によって形成されたホイートストンブリッジ回路の出力が変化し、それによって圧力を検出することができる。
As shown in FIG. 2, two p-type
本実施形態において、ダイヤフラム1の平面形状は、1辺が400μmの実質的な正方形である。各層の厚みは、n型シリコン単結晶領域2が3.0μm、裏面のSiON膜3が1μm、表面のSiO膜4が200nm、SiN膜が200nmである。したがって、ダイヤフラム1の表面の絶縁膜(SiON膜3およびSiO膜4)の合計の厚さは400nmであり、裏面の絶縁膜(SiON膜3)の厚みより薄くなっている。p型拡散抵抗層7を形成するp型領域は、n型シリコン単結晶領域2表面から300nmの深さにpn接合の境界がある。
In the present embodiment, the planar shape of the diaphragm 1 is a substantial square whose one side is 400 μm. The thickness of each layer is 3.0 μm for the n-type silicon
各絶縁膜の線膨張係数は、製造方法によってもある程度は調節可能であり、本実施形態における各絶縁膜の線膨張係数は、SiON膜3が2.9×10-6/K、SiO膜4が1.9×10-6/K、SiN膜5が3.1×10-6/Kとなっており、n型シリコン単結晶領域2に比べて、線膨張係数が大きくなっている。したがって、製造時の高温の状態から使用時の温度になることによって、n型シリコン単結晶領域2に対して全体として引っ張り応力が加わり、それによって、ダイヤフラム1が張った状態になる構成となっている。
The linear expansion coefficient of each insulating film can be adjusted to some extent depending on the manufacturing method. The linear expansion coefficient of each insulating film in this embodiment is 2.9 × 10 −6 / K for the
本実施形態の半導体圧力センサーでは、ダイヤフラム1の表面側の絶縁膜に比べて、裏面側の絶縁膜が厚くなっていることによって、p型拡散抵抗層7は、ダイヤフラム1の厚み方向に見て、表面側に偏った位置に配置されている。ダイヤフラム1に圧力が加わった時、一般に、ダイヤフラム1の厚み方向に見ると、中央付近に比べて、表裏のいずれかに偏った位置の方が比較的大きな応力が生じる。そこで、本実施形態の構成では、ダイヤフラム1の厚み方向に見て表面側に偏った位置にp型拡散抵抗層7を配置することによって、p型拡散抵抗層7に有効に応力がかかるようにし、感度を向上させることができる。特に、本実施形態の構成では、1μmのSiN絶縁膜をn型シリコン単結晶領域2の表面側に保護層として設け、表面絶縁膜の厚さを裏面絶縁膜とほぼ同じ膜厚とした半導体圧力センサーと比較して10%感度が向上することが確認でき、線形性も良好であった。
In the semiconductor pressure sensor of this embodiment, the p-type
次に、本実施形態の半導体圧力センサーの製造方法について図3を参照して説明する。 Next, the manufacturing method of the semiconductor pressure sensor of this embodiment is demonstrated with reference to FIG.
最初に、貼り合わせ法でSOI(Silicon On Insulator)基板を形成する。すなわち、まず、n型の第1のシリコン基板10にプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって1μmのSiON膜3を形成する。そして、SiON膜3に接触させてp型の第2のシリコン基板11を重ね合わせた後、窒素雰囲気あるいは酸化雰囲気中で1100℃、1時間の熱処理をし、貼り合わせ強度を向上させてSOI基板を形成する(図3(a))。
First, an SOI (Silicon On Insulator) substrate is formed by a bonding method. That is, first, a 1 μm
次に、研磨法によりn型の第1のシリコン基板10を削り、およそ3μmの厚みを残して、n型シリコン単結晶領域2とする。ついで、n型シリコン単結晶領域2上に、酸化膜12を30nm形成する。この酸化膜12にレジストを塗布してp型拡散抵抗層7を作成する部分をパターニングする。そして、加速電圧60KV、ドーズ量5×1013/cm2でBF2をイオン注入してp型拡散抵抗層7を形成する(図3(b))。
Next, the n-type
次に、窒素中での1000℃、30分の熱処理により活性化させた後、洗浄工程で酸化膜12を除去し、ついでプラズマCVD法によりSiO膜4を200nm形成する。そして、SiO膜4にコンタクトホール4aをパターニングとドライエッチング法により形成後、Al金属配線6をスパッタ法で形成し、ホイートストンブリッジ回路を形成する。さらに表面にプラズマCVD法によりSiN膜5を200nm堆積させた後、パッドの開口(不図示)となる部分をパターニングし、ドライエッチング法でAl金属配線6の一部を露出させる(図3(c))。
Next, after activation by heat treatment at 1000 ° C. for 30 minutes in nitrogen, the
ついで、裏面にICP−RIEエッチング(Inductively-Coupled Plasma Reactive Ion Etching)用のマスクとして、プラズマ酸化膜13を3μm堆積させる。そして、レジストを塗布し、表面のp型拡散抵抗層7の形成パターンに合わせてダイヤフラム1となる部分をパターニングする(図3(d))。ついで、SF6およびC4F8ガスを用いたボッシュプロセスにより、ICP−RIEにて第2のシリコン基板11をエッチングする。この際のストッパーは、貼り合わせで形成した絶縁膜であるSiON膜3である。
Next, 3 μm of
このような製造方法によって、1辺が400μmと小さなダイヤフラム1でありながら、十分な強度を確保しつつダイヤフラム1の総膜厚を薄く、特にn型シリコン単結晶領域2の厚みを3μm以下とし、また、歪み検出素子として機能するp型拡散抵抗層7を、ダイヤフラム1の膜厚方向の表面側に偏った、圧力をかけた時に応力のかかりやすい位置に配置したダイヤフラム1を形成することができ、それによって、高感度な半導体圧力センサーを作製することができる。
With such a manufacturing method, while the diaphragm 1 is as small as 400 μm on one side, the total film thickness of the diaphragm 1 is thin while ensuring sufficient strength, and particularly the thickness of the n-type silicon
なお、本実施形態は本発明を例示するものであり、詳細な膜構成は、本実施形態に示したものに特に限定されるわけではない。例えば裏面の絶縁膜を複数の膜から形成しても構わない。構造的には、裏面の絶縁膜が表面の絶縁膜より厚くて拡散抵抗層が相対的にダイヤフラム1の中心部から表面方向に偏った位置にくる構造であればよい。ダイヤフラム1が薄くなればなるほど絶縁膜の厚さは感度に大きく影響することになる。 Note that this embodiment exemplifies the present invention, and the detailed film configuration is not particularly limited to that shown in this embodiment. For example, the back insulating film may be formed from a plurality of films. Structurally, any structure may be used as long as the insulating film on the back surface is thicker than the insulating film on the front surface and the diffusion resistance layer is relatively displaced from the central portion of the diaphragm 1 in the surface direction. As the diaphragm 1 becomes thinner, the thickness of the insulating film greatly affects the sensitivity.
さらに、シリコン層の厚みやダイヤフラム1の大きさにもよるが、高感度化のためにダイヤフラム1を薄くすると、ダイヤフラム1を張らせるためにシリコンに対して引っ張り応力を作用させる膜、すなわち熱膨張係数がシリコンよりも小さい材料で絶縁膜を構成することが重要になる。一般に、シリコン基板を用いる場合、製造方法にもよるが引っ張り応力を作用させる絶縁膜は窒素を含むシリコン絶縁膜によって形成することができ、プラズマCVD法で形成したSiN膜やSiON膜、LP(低圧)−CVD法で形成したSi3N4膜が適当であるが、特にこれらに限定されないことは言うまでもない。 Furthermore, although depending on the thickness of the silicon layer and the size of the diaphragm 1, when the diaphragm 1 is thinned for high sensitivity, a film that applies tensile stress to silicon to stretch the diaphragm 1, that is, thermal expansion. It is important to form the insulating film with a material having a smaller coefficient than that of silicon. In general, when a silicon substrate is used, although depending on the manufacturing method, the insulating film that acts on the tensile stress can be formed of a silicon insulating film containing nitrogen, such as a SiN film, a SiON film, LP (low pressure) formed by a plasma CVD method. ) -Si 3 N 4 film formed by the CVD method is suitable, but it goes without saying that it is not particularly limited thereto.
製造方法としても、貼り合わせ法で作製したSOI基板を使用する例を示したが、特に限定されず、例えば、特許文献3に示されているイオン注入法を用いた方法や、SIMOX法などを用いても構わない。さらには、SOI基板ではなく、通常のウエハを用い、異方性エッチング等のエッチング技術によってダイヤフラム1を形成しても構わない。
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態の半導体圧力センサーの断面図である。同図において、第1の実施形態と同様の部分には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。また、ダイヤフラム1、p型拡散抵抗層7、Al金属配線6の平面パターンは第1の実施形態と同様であり、詳細な説明は省略する。
As an example of the manufacturing method, an example in which an SOI substrate manufactured by a bonding method is used has been shown. However, the manufacturing method is not particularly limited. For example, a method using an ion implantation method disclosed in
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a sectional view of a semiconductor pressure sensor according to the second embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The planar pattern of the diaphragm 1, the p-type
本実施形態の半導体圧力センサーにおいて、ダイヤフラム1の大きさは、1辺が約100μmであり、n型シリコン単結晶領域2の厚みは1.0μmである。n型シリコン単結晶領域2の裏面には、Si3N4膜15が形成されており、その膜厚は400nmである。n型シリコン単結晶領域2の表面には、熱酸化膜すなわちSiO2膜16が形成されており、その膜厚は50nm、SiO2膜16上に形成されたSiN膜5の膜厚は50nmである。したがって、裏面側の絶縁膜(Si3N4膜15)の厚さは、表面側の絶縁膜(SiO2膜16およびSiN膜5)の合計の厚さより厚い。p型拡散抵抗層7のp型領域は表面から300nmの位置にpn接合の境界がある。各絶縁膜の線膨張係数は、Si3N4膜15が3.6×10-6/K、SiO2膜16が5×10-7/K、SiN膜5が2.2×10-6/Kであり、Si3N4膜15の線膨張係数は、n型シリコン単結晶領域2の線膨張係数より大きくなっている。これによって、n型シリコン単結晶領域2に対して、全体として引っ張り応力が加わり、ダイヤフラム1を張った状態にすることができる。
In the semiconductor pressure sensor of the present embodiment, the size of the diaphragm 1 is about 100 μm on one side, and the thickness of the n-type silicon
図5に、表面に膜厚400nmのSiN絶縁膜を保護層として設け、表面の絶縁膜の厚さを裏面の絶縁膜とほぼ同じにした比較例の半導体圧力センサーと、本実施形態の半導体圧力センサーについて、圧力範囲0〜100kPaで圧力を加えた時の出力特性を示す。両面に400nmの絶縁膜を有する比較例に比べて、本実施形態の構成では、p型拡散抵抗層7に応力がかかりやすく、その結果、出力値が大きくなり、すなわち高感度を得ることができる。図5から分かるように、圧力値にもよるが、本実施形態によれば、比較例の約4倍の出力値が得られている。
FIG. 5 shows a semiconductor pressure sensor of a comparative example in which a SiN insulating film having a thickness of 400 nm is provided as a protective layer on the surface, and the thickness of the insulating film on the front surface is almost the same as that of the insulating film on the back surface. About a sensor, the output characteristic when a pressure is applied in the pressure range of 0-100 kPa is shown. Compared with the comparative example having 400 nm insulating films on both sides, in the configuration of this embodiment, the p-type
また、裏面に、Si3N4膜15の代わりに熱酸化膜を形成した場合、熱膨張係数の関係でダイヤフラム1を張った状態にすることができず、出力特性は大きく低下してしまった。すなわち、裏面にも、n型シリコン単結晶領域2より線膨張係数が大きく、n型シリコン単結晶領域2に対して引っ張り力を作用させる絶縁膜を設けるのが好ましい。
Further, when a thermal oxide film is formed on the back surface instead of the Si 3 N 4 film 15, the diaphragm 1 cannot be stretched due to the thermal expansion coefficient, and the output characteristics are greatly deteriorated. . That is, it is preferable to provide an insulating film on the back surface that has a linear expansion coefficient larger than that of the n-type silicon
次に、本実施形態の圧力センサーの製造方法について図6を参照して簡単に説明する。図6は、本実施形態の製造方法を示す模式図であり、ダイヤフラム1の厚さ方向の断面図の形態で示されている。 Next, the manufacturing method of the pressure sensor of this embodiment will be briefly described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic view showing the manufacturing method of the present embodiment, and is shown in the form of a sectional view of the diaphragm 1 in the thickness direction.
まず比抵抗0.01〜0.02Ω・cmのP型あるいはN型の第1の単結晶Si基板(第1の基体)20を用意する。そして、この単結晶Si基板10に対して、HF溶液中において陽極化成を行い、多孔質Si層(多孔質層)21を形成する(図6(a))。陽極化成条件は以下のとおりである。
電流密度:7(mA・cm-2)
陽極化成溶液:HF:H2O:C2H5OH=1:1:1
時間:11(分)
多孔質Si層の厚み:12(μm)
多孔質Si層21は、後述するように、n型単結晶Si層(非多孔質単結晶半導体層)22として高品質のエピタキシャルSi層を形成するのに用い、さらに分離層としても用いるものであり、一層に両方の機能を果たさせている。陽極化成に用いる溶液は、HF含有液であればよく、エタノールは用いなくてもよい。エタノールは、表面からの気泡の除去に有効であり、この機能を有する薬品として、エタノール以外のものを用いてもよい。このような薬品としては、例えば、メチルアルコール、イソプロピルアルコールなどの他のアルコール類、あるいは界面活性剤を用いることができる。また、これらの薬品を添加する代わりに、超音波などによって振動を加え、気泡を表面から脱離させてもよい。多孔質Si層21の厚さは、12μmに限られることはなく、数百μmから0.1μm程度までにすることができる。
First, a P-type or N-type first single crystal Si substrate (first base) 20 having a specific resistance of 0.01 to 0.02 Ω · cm is prepared. Then, the single
Current density: 7 (mA · cm −2 )
Anodizing solution: HF: H 2 O: C 2 H 5 OH = 1: 1: 1
Time: 11 (minutes)
Thickness of porous Si layer: 12 (μm)
As will be described later, the
次に、この基板を酸素雰囲気中において400℃で1時間酸化させる。この酸化により多孔質Siの孔の内壁は熱酸化膜で覆われる。 Next, the substrate is oxidized at 400 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere. By this oxidation, the inner wall of the porous Si hole is covered with a thermal oxide film.
ついで、多孔質Si層11上にCVD法によりn型単結晶Si層22を1μmエピタキシャル成長させる(図6(b))。成長条件は以下の通りである。
ソースガス:SiH2Cl2/H2
ガス流量:0.5/180(l/min)
ガス圧力:80Torr
温度:950℃
成長速度:0.3μm/min
実際のエピタキシャル成長に先立って、エピタキシャル装置内において水素雰囲気中でベークして、および/または、極少量のSiソースを供給して多孔質層表面の孔の開口を埋めて平滑にする。これによって、多孔質Si層21上のエピタキシャル成長であっても、欠陥密度が非常に低い(104cm-2以下)エピタキシャル層としてn型単結晶Si層22を形成することができる。
Next, an n-type single
Source gas: SiH 2 Cl 2 / H 2
Gas flow rate: 0.5 / 180 (l / min)
Gas pressure: 80 Torr
Temperature: 950 ° C
Growth rate: 0.3 μm / min
Prior to actual epitaxial growth, baking is carried out in a hydrogen atmosphere in an epitaxial apparatus and / or a very small amount of Si source is supplied to fill and smooth the pore openings on the surface of the porous layer. As a result, even when epitaxial growth is performed on the
さらに、このn型単結晶Si層22の表面にLP−CVD法により400nmのSi3N4膜15を形成する(図6(c))。この際、例えば薄い熱酸化膜を形成した後にSi3N4膜15を形成してもよい。
Further, a 400 nm Si 3 N 4 film 15 is formed on the surface of the n-type single
次に、第1の単結晶Si基板21とは別に用意したp型の第2のSi基板23を、Si3N4膜15上に接触させて重ね合わせ(図6(d))、窒素雰囲気あるいは酸化雰囲気中で1100℃、1時間の熱処理を行い、貼り合わせ強度を向上させる。
Next, a p-type
次に、このように貼り合わせたウエハの多孔質Si層21部分にベベリングによって形成した隙間に、ウォータージェット装置の0.15mmのノズルから500kgf/cm2の圧力で高圧の純水を、ウエハの貼り合わせ界面(表面)に平行な方向から噴射する。その際、
1)高圧の純水を、ベベリングによって形成された隙間に沿って移動する方向にノズルを走査させたり、
2)ウエハをウエハホルダーではさみながら自転させ、高圧の純水が、ウエハ外周の全方向から、ベベリングによって形成された隙間に注入されるようにしたり、
3)(1)(2)を併用したり、
して、このウエハを、ウエハ全面で、多孔質Si層21の部分で二分割に分離させる。
Next, high-pressure pure water is applied at a pressure of 500 kgf / cm 2 from a 0.15 mm nozzle of the water jet device to the gap formed by beveling in the
1) The nozzle is scanned in a direction in which high-pressure pure water moves along a gap formed by beveling,
2) The wafer is rotated while being held between the wafer holders so that high-pressure pure water is injected into the gap formed by beveling from all directions of the wafer outer periphery,
3) (1) (2) can be used together,
Then, the wafer is separated into two parts at the
その結果、第1の単結晶Si基板20の表面には多孔質Si層21の一部のみが残り、元々、第1の単結晶Si基板20に形成されていたSi3N4膜15、n型単結晶Si層22、および多孔質Si層21の一部が、第2のSi基板上に移設される。
As a result, only a part of the
この際、ウォータージェットで分離する代わりに、気体ジェット挿入や固体くさび挿入、あるいは引っ張り、せん断力印加、超音波印加などの方法で分離を実行することもできる。
また、さらには、分離せずに、2枚の基板を貼り合わせたウエハを、第1の単結晶Si基板20の裏面側から研削、研磨、エッチングなどを行って、多孔質Si層21の全面を表出させてもよい。その際は、
a)多孔質Si層21まで一気に研削する
b)多孔質Si層21の直前まで研削して、残りのバルクSiは、RIE(ドライエッチング)あるいはウェットエッチングで除去する
c)多孔質Si層21の直前まで研削して、残りのバルクSiは、研磨で除去する
ことにより、多孔質Si層21の全面を表出させる。
At this time, instead of separation with a water jet, separation can be performed by gas jet insertion, solid wedge insertion, or a method such as tension, shear force application, or ultrasonic application.
Further, the entire surface of the
a) Grind to the
次いで、この多孔質Si層21の表出した基体の多孔質Si層21のみを均一に選択エッチングする。この際のエッチング方法を以下に述べる。
Next, only the
エッチング液は、49%弗酸と30%過酸化水素水と水との混合液を用いる。Siに対してエッチング作用のあるエッチング液であれば、他のエッチング液を用いてもよい。これによって、単結晶Si部分はエッチングされずに残り、多孔質Si部分のみが、単結晶Si層22部分をエッチング・ストップの材料として、選択エッチングされ、完全に除去することができる。すなわち、非多孔質Si単結晶のエッチング液に対するエッチング速度は、多孔質Siのエッチング速度に比べて極めて遅く、非多孔質層におけるエッチング量は、実用上無視できる程度(数十オングストローム程度)とすることができる。
As the etching solution, a mixed solution of 49% hydrofluoric acid, 30% hydrogen peroxide water and water is used. Other etchants may be used as long as the etchant has an etching effect on Si. Thus, the single crystal Si portion remains without being etched, and only the porous Si portion is selectively etched using the single
このようにして、Si3N4膜3上に1μmの厚みを持った単結晶Si層としてn型シリコン単結晶領域2が形成されたSOI基板を形成できる(図6(e))。この際、実際の製造プロセスにおいて、単結晶Si層20には、多孔質Siの選択エッチングによる影響は何ら見られなかった。また、形成された単結晶Si層20の膜厚を面内全面について100点で測定したところ、膜厚の均一性は1μm±20nmであった。また、透過電子顕微鏡による断面観察の結果、単結晶Si層20には新たな結晶欠陥は導入されておらず、良好な結晶性が維持されていることが確認された。
In this manner, an SOI substrate in which the n-type silicon
さらに、水素中にて1100℃で熱処理を1時間行い、表面粗さを原子間力顕微鏡で評価したところ、50μm角の領域での平均2乗粗さはおよそ0.2nmであり、通常市販されているSiウエハと同等であった。この水素中のアニールによる表面平坦化は、単結晶Si層20の厚さをほとんど減ずることなく行うことができる。
Furthermore, heat treatment was performed in hydrogen at 1100 ° C. for 1 hour, and the surface roughness was evaluated with an atomic force microscope. The mean square roughness in a 50 μm square region was approximately 0.2 nm, which is usually commercially available. It was equivalent to the Si wafer. The surface planarization by annealing in hydrogen can be performed without substantially reducing the thickness of the single
次に、上記のSOI基板の単結晶Si層20によって形成されたn型シリコン単結晶領域2上に酸化膜24を30nm形成した。この酸化膜24上にレジストを塗布し、p型拡散抵抗層7を作成する部分をパターニングした後、加速電圧60KV、ドーズ量5×1013/cm2でBF2をイオン注入してp型拡散抵抗層7を形成する(図6(f))。
Next, an
そして、窒素中での1000℃、30分の熱処理により活性化させた後に、洗浄工程で酸化膜24を除去し、ついで熱酸化によりSiO2膜9を50nm形成する。このSiO2膜9にコンタクトホール16aをパターニングとドライエッチング法により形成後、Al金属配線6をスパッタ法で形成し、ホイートストンブリッジ回路を形成する。さらに、表面にプラズマCVD法によりSiN膜5を50nm堆積させた後、パッドの開口となる部分をパターニングして、ドライエッチング法でこの部分でAl金属配線6をSiN膜5から露出させる。ついで、裏面にICP−RIEエッチングのためのプラズマ酸化膜を3μm堆積させた後に、レジストを塗布して表面のパターンにあわせてプラズマ酸化膜をパターニングし、SF6とC4F8を用いたボッシュプロセスにより、Si基板23の裏面に対してほぼ90度の角度で垂直にシリコンをエッチングして、ダイヤフラム1を形成する(図6(g))。この際のエッチングのストッパーはSi3N4膜15である。
Then, after being activated by heat treatment at 1000 ° C. for 30 minutes in nitrogen, the
このような製造方法によって、1辺が100μmと非常に小さなダイヤフラム1でありながら、十分な強度を確保しつつダイヤフラム1の総膜厚を薄く、特にn型シリコン単結晶領域2の厚みを3μm以下とし、また、歪み検出素子として機能するp型拡散抵抗層7を、ダイヤフラム1の膜厚方向の表面側に偏った、被測定圧力をかけた時に応力のかかりやすい位置に配置したダイヤフラム1を形成することができ、それによって、高感度な半導体圧力センサーを作製することができる。さらに、本実施形態の製造方法によれば、ダイヤフラム1の膜厚むらを膜厚の1%以下とすることができ、そのため、この製造方法によって作製した半導体圧力センサーは、(h/a)2で決まる感度も安定し、すなわち感度むらが小さい高精度な半導体圧力センサーとすることができる。
With such a manufacturing method, while the diaphragm 1 is as small as 100 μm on one side, the total film thickness of the diaphragm 1 is thin while ensuring sufficient strength, and in particular, the thickness of the n-type silicon
1 ダイヤフラム
2 n型シリコン単結晶領域(第1の導電型の単結晶半導体基板)
3 SiON膜(裏面側の絶縁膜)
4 SiO膜(表面側の絶縁膜)
5 SiN膜(表面側の絶縁膜)
6 Al金属配線(金属配線)
7 p型拡散抵抗層(第2の導電型の歪み検出素子)
8 Si3N4膜(裏面側の絶縁膜)
9 SiO2膜(表面側の絶縁膜)
20 第1の単結晶Si基板(第1の基体)
21 多孔質Si層(多孔質層)
22 n型単結晶Si層(第1の導電型の非多孔質単結晶半導体層)
23 P型Si基板(第2の基体)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Diaphragm 2 n-type silicon single crystal region (1st conductivity type single crystal semiconductor substrate)
3 SiON film (insulating film on the back side)
4 SiO film (insulating film on the surface side)
5 SiN film (insulating film on the surface side)
6 Al metal wiring (metal wiring)
7 p-type diffusion resistance layer (second conductivity type strain sensing element)
8 Si 3 N 4 film (insulating film on the back side)
9 SiO 2 film (insulating film on the front side)
20 First single crystal Si substrate (first substrate)
21 Porous Si layer (porous layer)
22 n-type single crystal Si layer (first conductivity type non-porous single crystal semiconductor layer)
23 P-type Si substrate (second substrate)
Claims (12)
前記単結晶半導体基板の、少なくとも前記ダイヤフラムを構成する部分の表裏面には絶縁膜が形成されており、前記単結晶半導体基板の前記表面側の前記絶縁膜の厚さより、裏面側の前記絶縁膜の厚さの方が厚いことを特徴とする半導体圧力センサー。 A first conductivity type single crystal semiconductor substrate; and at least one second conductivity type strain detection element formed on a surface side of the single crystal semiconductor substrate, wherein the single crystal semiconductor substrate includes at least one single crystal semiconductor substrate. In the semiconductor pressure sensor for measuring the pressure to be measured by detecting a displacement of the diaphragm using the strain detecting element, the portion forms a diaphragm that can be displaced by the pressure to be measured.
An insulating film is formed on at least the front and back surfaces of the single crystal semiconductor substrate that constitutes the diaphragm, and the insulating film on the back surface side is formed from the thickness of the insulating film on the front surface side of the single crystal semiconductor substrate. A semiconductor pressure sensor characterized in that the thickness of the semiconductor is thicker.
前記非多孔質単結晶半導体層を、絶縁膜を介して第2の基体と貼りあわせて貼りあわせ体を形成する工程と、
前記貼りあわせ体を、前記多孔質層をその厚さ方向に分離して分割する工程と、
前記非多孔質単結晶半導体層上に残された前記多孔質層の部分を除去する工程と、
前記非多孔質単結晶半導体層の、前記多孔質層を除去することによって露出された面から第2の導電型の拡散抵抗層を形成する工程と、
前記非多孔質単結晶半導体層の、前記拡散抵抗層が形成された面上に、前記拡散抵抗層を含む検出回路を構成する金属配線と、総膜厚が、前記非多孔質単結晶半導体層と前記第2の基体との間の前記絶縁膜より薄い絶縁膜とを形成する工程と、
前記第2の基体の、前記絶縁膜を介して前記非多孔質単結晶半導体層と貼り合わせた面と反対側の面から前記絶縁膜までをエッチングにより除去して、被測定圧力によって変位可能なダイヤフラムを形成する工程とを有することを特徴とする、半導体圧力センサーの製造方法。 Forming a first conductivity type non-porous single crystal semiconductor layer on the porous layer of the first substrate having a porous layer;
Bonding the non-porous single crystal semiconductor layer with a second substrate via an insulating film to form a bonded body;
Separating the bonded body by separating the porous layer in its thickness direction; and
Removing a portion of the porous layer left on the non-porous single crystal semiconductor layer;
Forming a diffusion resistance layer of a second conductivity type from a surface of the non-porous single crystal semiconductor layer exposed by removing the porous layer;
On the surface of the non-porous single crystal semiconductor layer on which the diffusion resistance layer is formed, the metal wiring constituting the detection circuit including the diffusion resistance layer, and the total film thickness is the non-porous single crystal semiconductor layer Forming an insulating film thinner than the insulating film between the first substrate and the second substrate;
The surface of the second substrate, which is opposite to the surface bonded to the non-porous single crystal semiconductor layer through the insulating film, is removed by etching, and can be displaced by the pressure to be measured. And a step of forming a diaphragm. A method of manufacturing a semiconductor pressure sensor.
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