JP2007017254A

JP2007017254A - 半導体圧力センサの製造方法

Info

Publication number: JP2007017254A
Application number: JP2005198481A
Authority: JP
Inventors: Kimitoshi Sato; 公敏佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2007-01-25
Also published as: US7563724B2; US20070026560A1

Abstract

【課題】ダイヤフラム型の半導体圧力センサの製造方法において、平坦な面を有するダイヤフラムを高精度で形成する方法を提供する。
【解決手段】圧力で変形するダイヤフラムを有する半導体圧力センサの製造方法が、表面および裏面がミラー面である半導体基板を準備する工程と、半導体基板の裏面に熱酸化膜を形成する熱酸化工程と、半導体基板の表面に、ゲージ抵抗層を含む検知部を形成する検知部形成工程と、半導体基板の裏面に、熱酸化膜を含むエッチングマスクを形成するパターニング工程と、エッチングマスクを用いて半導体基板を裏面からエッチングして凹部を形成し、凹部の底部をダイヤフラムとするエッチング工程とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体圧力センサの製造方法に関し、特にダイヤフラム型の半導体圧力センサの製造方法に関する。

従来のダイヤフラム型半導体圧力センサの製造工程では、まず、前工程として、表面がミラー面である半導体基板を用いて、表面にゲージ抵抗、配線、アルミパッド等の表面パターンを形成する。続いて、後工程として、裏面を研磨して半導体基板の膜厚を薄くし、最後に、裏面にプラズマＣＶＤでエッチングマスク（窒化シリコン膜）を形成した後、エッチングマスクを用いたウエットエッチングで半導体基板に凹部を設け、凹部の底部にダイヤフラムを形成していた。
特開平９−４５９２８号公報

半導体基板の裏面を後工程で研磨した場合、ダメージや傷が裏面に形成され、ダイヤフラム面（凹部の底面）が荒れるという問題があった。また、凹部を形成するためのエッチングマスクの密着性が悪く、ダイヤフラム（凹部）の形状を精度良く制御できないという問題もあった。

そこで、本発明は、ダイヤフラム型の半導体圧力センサの製造方法において、平坦な面を有するダイヤフラムを高精度で形成する方法を提供することを目的とする。

本発明は、圧力で変形するダイヤフラムを有する半導体圧力センサの製造方法であって、表面および裏面がミラー面である半導体基板を準備する工程と、半導体基板の裏面に熱酸化膜を形成する熱酸化工程と、半導体基板の表面に、ゲージ抵抗層を含む検知部を形成する検知部形成工程と、半導体基板の裏面に、熱酸化膜を含むエッチングマスクを形成するパターニング工程と、エッチングマスクを用いて半導体基板を裏面からエッチングして凹部を形成し、凹部の底部をダイヤフラムとするエッチング工程とを含むことを特徴とする半導体圧力センサの製造方法である。

以上のように、本発明にかかる製造方法では、平坦な面を有するダイヤフラムを高精度で形成したダイヤフラム型半導体圧力センサを提供することができる。

実施の形態１．
図１〜３は、全体が１００で表される、本実施の形態にかかるダイヤフラム型半導体圧力センサの製造工程の断面図である。製造工程は、以下の工程１〜３を含む。

工程１：図１に示すように、ｎ型シリコンの半導体基板１を準備する。半導体基板１は、表面、裏面ともに予めミラー面に加工されている。また、半導体基板１の膜厚は、最終的に形成されるダイヤフラム型半導体圧力センサ１００の厚みに略等しく、例えば、４００μｍとする。

続いて、半導体基板１の表面および裏面に、熱酸化法により熱酸化膜（酸化シリコン膜）２を形成する。

工程２：図２に示すように、半導体基板１の表面に、半導体圧力センサの検知部を作製する。具体的には、ｐ型の配線層（第１拡散層）３と、配線層３より不純物濃度の低い（抵抗の高い）ｐ型のゲージ抵抗層（第２拡散層）４とを、例えば熱拡散法を用いて形成する。かかる検知部では、一般的なダイヤフラム型半導体圧力センサと同様に、ゲージ抵抗層４が、ホイートストンブリッジを形成するように、配線層３により接続されている。

続いて、配線層３に接続するようにアルミニウムからなるパッド電極５を、例えば蒸着法で形成する。更に、保護膜として、ガラスコート膜６を形成する。なお、ここまでの工程（検知部の形成工程）は前工程と呼ばれ、以下の工程（ダイヤフラムの形成工程）は後工程と呼ばれる。

工程３：図３に示すように、工程１で裏面に形成した熱酸化膜２をパターニングして、エッチングマスクを形成する。エッチングマスクは、表面のゲージ抵抗層４の位置を基準にアライメントして形成する。これにより、ダイヤフラム９のエッジ近傍にゲージ抵抗層４が配置された構造となる。

続いて、エッチングマスクを用いて半導体基板１をエッチングして凹部を形成し、その底部に残った半導体基板１をダイヤフラム９とする。エッチングには、熱酸化膜２の膜厚が薄いことを考慮して、熱酸化膜２に対するエッチング速度が遅い（例えば２μｍ／分）ＴＭＡＨ（tetramethyl ammonium hydroxide）水溶液等が用いられる。

以上の工程により、図３に示すダイヤフラム型半導体圧力センサ１００が完成する。なお、かかる製造工程では、上述のように両面が予めミラー面に加工され、かつ膜厚が４００μｍ程度の半導体基板１を用いるため、半導体基板１の裏面を研磨して膜厚を減じる研磨工程が不要となる。

このように、本実施の形態１にかかる製造方法では、研磨工程を用いることなく、ミラー面である裏面をエッチングするだけでダイヤフラム９を形成することができる。このため、ダイヤフラム９の表面（凹部の底面）が、良好な平坦性を有することとなる。
また、エッチングマスクが熱酸化膜２から形成されるため、エッチングマスクと半導体基板１との密着力が強く、高精度なウエットエッチングが可能となる。
更に、裏面の研磨工程が不要となり、製造工程の短縮および製造コストの低減が可能となる。

ダイヤフラム型半導体圧力センサ１００では、ダイヤフラム９に圧力が加わると、ダイヤフラム９が撓み、ダイヤフラム９のエッジ近傍に設けられたゲージ抵抗層４の抵抗値が変化する。従って、かかる抵抗値の変化を検出することにより、加えられた圧力を検出することができる。

なお、本実施の形態１では、ｎ型の半導体基板１に、ｐ型の配線層３、ゲージ抵抗層４を形成する場合について述べたが、ｐ型の半導体基板１に、ｎ型の配線層３、ゲージ抵抗層４を形成することも可能である（以下の実施の形態２〜５においても同じ）。

実施の形態２．
図４〜６は、全体が２００で表される、本実施の形態２にかかるダイヤフラム型半導体圧力センサの製造工程の断面図である。製造工程は、以下の工程１〜３を含む。

工程１：図４に示すように、実施の形態１の工程１、２と同様の工程により、半導体基板１の表面に半導体圧力センサの検知部を、裏面に熱酸化膜２を形成する。
続いて、例えばプラズマＣＶＤ法を用いて、裏面にプラズマ窒化膜（窒化シリコン膜）７を形成する。プラズマ窒化膜７は、低温で作製することができるため、検知部において、ゲージ抵抗層４等に含まれる不純物の熱拡散は発生しない。

工程２：図５に示すように、工程１で裏面に形成した熱酸化膜２およびプラズマ窒化膜７をパターニングして、エッチングマスクを形成する。エッチングマスクは、表面のゲージ抵抗層４の位置を基準にアライメントして形成する。

なお、エッチングマスクのパターニング工程において、プラズマ窒化膜７のエッチングはドライエッチングを用いて行い、一方、熱酸化膜２のエッチングはウエットエッチングを用いて行う。これにより、半導体基板１の裏面に、ドライエッチングによりダメージが入るのを防止できる。

工程３：エッチングマスクを用いて半導体基板１をウエットエッチングして凹部を形成し、その底部をダイヤフラム９とする。工程３では、熱酸化膜２の上にプラズマ窒化膜７が形成されているため、エッチング液として、エッチングの制御性が良いＫＯＨ水溶液を使用することができる。
以上の工程により、図６に示すダイヤフラム型半導体圧力センサ２００が完成する。

このように、本実施の形態２にかかる製造方法では、上述の実施の形態１の効果に加えて、ＫＯＨ水溶液を用いることにより、精度の高いウエットエッチングが可能となり、高精度のダイヤフラム９が形成できる。
また、裏面の熱酸化膜２に、前工程中に傷が形成された場合でも、その上にプラズマ窒化膜７を形成することにより、傷を覆い平坦な面を得ることができる。

実施の形態３．
図７〜１１は、全体が３００で表される、本実施の形態にかかるダイヤフラム型半導体圧力センサの製造工程の断面図である。製造工程は、以下の工程１〜５を含む。

工程１：図７に示すように、半導体基板１の表面および裏面に、熱酸化法により熱酸化膜２を形成する。半導体基板１は、表面、裏面ともにミラー面で、膜厚は４００μｍとする。

工程２：図８に示すように、裏面の熱酸化膜２の上に、熱ＣＶＤ法を用いて窒化膜（窒化シリコン膜）１１を形成する。かかる窒化膜１１は、表面にも形成しても良い。

工程３：図９に示すように、半導体基板１の表面に半導体圧力センサの検知部を形成する。かかる工程で、裏面は保護膜である窒化膜１１に覆われている。

工程４：図１０に示すように、裏面に形成した熱酸化膜２および窒化膜１１をパターニングして、エッチングマスクを形成する。エッチングマスクは、表面のゲージ抵抗層４の位置を基準にアライメントして形成する。

工程５：図１１に示すように、エッチングマスクを用いて半導体基板１をウエットエッチングして凹部を形成し、その底面をダイヤフラム９とする。エッチング液には、例えばＫＯＨ水溶液を使用する。
以上の工程により、図１１に示すダイヤフラム型半導体圧力センサ３００が完成する。

このように、本実施の形態３にかかる製造方法では、上記実施の形態２の効果に加えて、更に、表面に検知部を形成する工程では、裏面の熱酸化膜２が窒化膜１１で保護されており、検知部形成工程で熱酸化膜２に損傷が入るのを防止できる。この結果、エッチングマスクと半導体基板１との密着性等が向上し、より高精度でダイヤフラム９を形成することができる。

また、予め窒化膜１１を形成することにより、後工程で窒化膜１１を形成するよりも、製造工程が簡単になる。

実施の形態４．
図１２〜１５は、全体が４００で表される、本実施の形態にかかるダイヤフラム型半導体圧力センサの製造工程の断面図である。製造工程は、以下の工程１〜４を含む。

工程１：図１２に示すように、実施の形態３の工程１〜３と同様の工程で、半導体基板１の両面に熱酸化膜２を形成し、続いて裏面の熱酸化膜２上に窒化膜１１を形成した後、半導体基板１の表面に検知部を形成する。

工程２：図１３に示すように、裏面の窒化膜１１を除去した後、代わりに、プラズマＣＶＤ法を用いて、プラズマ窒化膜７を形成する。プラズマ窒化膜７は、窒化膜１１に比較して低温で形成することができる。

工程３：図１４に示すように、裏面に形成した熱酸化膜２および窒化膜７をパターニングして、エッチングマスクを形成する。エッチングマスクは、表面のゲージ抵抗層４の位置を基準にアライメントして形成する。

工程５：図１５に示すように、エッチングマスクを用いて半導体基板１をウエットエッチングして凹部を形成し、その底面をダイヤフラム９とする。エッチング液には、例えばＫＯＨ水溶液を使用する。
以上の工程により、図１５に示すダイヤフラム型半導体圧力センサ４００が完成する。

このように、本実施の形態４にかかる製造方法では、裏面に形成した窒化膜１１を除去し、代わりにプラズマ窒化膜７を形成する。このため、表面に検知部を作製する工程で窒化膜１１が損傷を受けても、新たに平坦なプラズマ窒化膜７を形成するため、損傷の無いエッチングマスクを形成することができる。この結果、ダイヤフラム９が制御良く形成できる。

実施の形態５．
図１６〜２０は、全体が５００で表される、本実施の形態にかかるダイヤフラム型半導体圧力センサの製造工程の断面図である。製造工程は、以下の工程１〜５を含む。

工程１：図１６に示すように、ｎ型シリコンの半導体基板１を準備する。半導体基板１は、表面のみミラー面に加工されている。また、半導体基板１の膜厚は、例えば６２５μｍで、後に行われる工程２（研磨工程）で４００μｍまで薄く研磨される。
続いて、半導体基板１の表面に、上述のような工程で検知部を形成する。

工程２：図１７に示すように、半導体基板１の裏面を研磨して、膜厚を４００μｍにする。また、裏面は略ミラー面となる。

工程３：図１８に示すように、半導体基板１の裏面に、ＬＴＯ（低温酸化）法で酸化膜１２を形成し、更にその上に、プラズマＣＶＤ法でプラズマ窒化膜７を形成する。ＬＴＯ法およびプラズマＣＶＤ法は比較的低温で行われるため、検知部において、ゲージ抵抗層４等に含まれる不純物の熱拡散は発生しない。

工程４：図１９に示すように、裏面に形成した酸化膜１２およびプラズマ窒化膜７をパターニングして、エッチングマスクを形成する。エッチングマスクは、表面のゲージ抵抗層４の位置を基準にアライメントして形成する。

工程５：図２０に示すように、エッチングマスクを用いて半導体基板１をウエットエッチングして凹部を形成し、その底面をダイヤフラム９とする。エッチング液には、例えばＫＯＨ水溶液を使用する。
以上の工程により、図２０に示すダイヤフラム型半導体圧力センサ５００が完成する。

このように、本実施の形態５にかかる製造方法では、裏面の研磨工程（工程２）で裏面にダメージが形成されても、その上に酸化膜１２を形成するため、酸化膜１２の表面は平坦となる。このため、半導体基板１の裏面に、ダメージにより凹凸が発生しても、エッチングマスクの表面は平坦となり、高精度でダイヤフラム９を形成できる。

本発明の実施の形態１にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態１にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態２にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態２にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態２にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態３にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態３にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態３にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態３にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態３にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態４にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態４にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態４にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態４にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態５にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態５にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態５にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態５にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態５にかかる半導体圧力センサの製造工程の断面図である。

符号の説明

１半導体基板、２熱酸化膜、３配線層、４ゲージ抵抗層、５パッド電極、６ガラスコート膜、７プラズマ窒化膜、９ダイヤフラム、１１窒化膜、１２酸化膜、１００ダイヤフラム型半導体圧力センサ。

Claims

圧力で変形するダイヤフラムを有する半導体圧力センサの製造方法であって、
表面および裏面がミラー面である半導体基板を準備する工程と、
該半導体基板の裏面に熱酸化膜を形成する熱酸化工程と、
該半導体基板の表面に、ゲージ抵抗層を含む検知部を形成する検知部形成工程と、
該半導体基板の裏面に、該熱酸化膜を含むエッチングマスクを形成するパターニング工程と、
該エッチングマスクを用いて該半導体基板を裏面からエッチングして凹部を形成し、該凹部の底部をダイヤフラムとするエッチング工程とを含むことを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
上記エッチング工程が、上記熱酸化膜をエッチングマスクとして、ＴＭＡＨ水溶液で上記半導体基板をエッチングする工程であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
上記検知部形成工程の後に、上記半導体基板の裏面の上記熱酸化膜上に、プラズマ窒化膜を形成する工程を含み、
上記パターニング工程が、該熱酸化膜と該プラズマ窒化膜の２層からなるエッチングマスクを形成する工程であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
上記熱酸化工程の後に、上記半導体基板の裏面の上記熱酸化膜上に、窒化膜を形成する工程を含み、
上記パターニング工程が、該熱酸化膜と該窒化膜の２層からなるエッチングマスクを形成する工程であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
上記熱酸化工程の後に、上記半導体基板の裏面の上記熱酸化膜上に、窒化膜を形成する工程と、
上記検知部形成工程の後に、該熱酸化膜上の該窒化膜を除去して、代わりにプラズマ窒化膜を形成する工程とを含み、
上記パターニング工程が、該熱酸化膜と該プラズマ窒化膜の２層からなるエッチングマスクを形成する工程であることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
圧力で変形するダイヤフラムを有する半導体圧力センサの製造方法であって、
半導体基板を準備する工程と、
該半導体基板の表面に、ゲージ抵抗層を含む検知部を形成する検知部形成工程と、
該半導体基板を裏面から研磨して膜厚を減じる工程と、
該半導体基板の裏面に、酸化膜、プラズマ窒化膜を順次形成する工程と、
該酸化膜と該プラズマ窒化膜の２層からなるエッチングマスクを形成する工程と、
該エッチングマスクを用いて該半導体基板を裏面からエッチングして凹部を形成し、該凹部の底部をダイヤフラムとするエッチング工程とを含むことを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。