JP2011094966A - 半導体圧力センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板接合強度及びダイアフラムの耐圧限界を高める半導体圧力センサの製造方法を得る。
【解決手段】半導体基板のキャビティ側の面に、縦横２列で隣接する４つのキャビティの中央にそれぞれ位置させて所定深さの内基準穴を形成してから鏡面加工を施すことによって、その表面高さが最大かつ均一となった接合面を形成する。そして、この接合面を介して半導体基板とベース基板を接合し、これら基板をチップ単位にダイシングして個々の半導体圧力センサを得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイアフラム型の半導体圧力センサの製造方法に関する。

従来、自動車のタイヤ空気圧などを測定する半導体圧力センサとして、ダイアフラム型の半導体圧力センサが知られている。このダイアフラム型は、圧力検出用のダイアフラム及びキャビティを表裏面に形成した半導体基板と、この半導体基板のキャビティを閉じるように該半導体基板に接合したベース基板とを備えており、ダイアフラムの各辺上に配置した複数の圧力感応抵抗素子からなるブリッジ回路の中点電位を圧力測定電圧として出力する。例えば、半導体基板のダイアフラム側から圧力が印加されると、ダイアフラムが歪み、この歪み度合に応じて圧力感応抵抗素子の抵抗値が変化し、ブリッジ回路の中点電位が変化することから、中点電位変化に基づいて圧力を測定できるようになっている。生産性向上及び低コスト化の観点から、半導体基板にはダイシングストリートで画定した多数のチップ単位領域を設定して、各チップ単位領域毎にダイアフラム及びキャビティを形成しておき、接合した半導体基板とベース基板をチップ単位にダイシングすることで、個々の半導体圧力センサを得ることが一般的である。このような製造方法は、例えば特許文献１〜５に開示されている。

特許文献１には、シリコン半導体圧力センサウエハと、該シリコン半導体圧力センサウエハのダイシングストリートに合わせた位置に切り込み溝を形成したガラス基板とを陽極接合した後に、個々の半導体圧力チップにダイシングすることで、陽極接合による基板変形及びチッピング発生を抑制する技術が記載されている。特許文献２には、センサウェハのダイシングストリート上に溝を設け、この溝を真空吸入口にしてセンサウェハ全体を均一な真空度に保った状態でセンサウェハとガラス基板を陽極接合する技術が記載されている。特許文献３には、歪受感素子を有するシリコンウェハと歪受感素子を覆う空隙部を形成したキャップ用基板とを接合した後にチップ単位でダイシングして半導体圧力センサを製造する際に、キャップ用基板に空隙部に連通し且つダイシング後に外部との通気孔となる溝を形成しておくことで、ゲージ圧の検出を可能にする技術が記載されている。特許文献４には、半導体基板にダイシングストリートに沿った溝部を形成しておき、接合した半導体基板と異種基板のダイシング時に、この溝部をダイシングブレードの逃げ空洞部として用いることで、チッピング不良を低減する技術が記載されている。特許文献５には、ガラス台座に半導体ウエハの凹部に対応する貫通孔を形成し、この貫通孔を介してダイアフラムへの圧力導入を可能にする技術が記載されている。
特開平２−１５８１７４号公報 特開平７−１１３７０８号公報 特開２００１−３３２７４６号公報 特開２００１−３５２０７８号公報 特開２００６−２５８５４６号公報

ところで、半導体基板とベース基板が全面的に接合されている場合、ダイアフラムの撓み限界を超える圧力が加わったときにダイアフラムが破損するおそれがある。これを回避すべく、本出願人は、特願２００７−２４７０８８号にて、半導体基板のベース基板との接合面を鏡面加工し、この半導体基板とベース基板を接合したときにキャビティ側で両基板間に空隙を生じさせる構成を採用して、ダイアフラムの耐圧限界の向上を図ることを提案している。

しかしながら、半導体基板の接合面を鏡面加工すると、図２３に示されるように、キャビティ２０の外周領域Ｏは均等に削られ、縦横２列で隣接する４つのキャビティ２０Ａ〜２０Ｄ間の中央領域Ｐは削られずに残ることから、接合面の表面高さがキャビティの外周領域Ｏよりも中央領域Ｐで最大となってしまう。このため、半導体基板とベース基板の接合が安定せず、歩留まり低下の要因になっている。

また従来では、半導体基板とベース基板を接合した状態において、該半導体基板の表裏面に形成したダイヤフラムとキャビティのアライメントが正しくとれているか否かを確認したいという要望がある。しかし、半導体基板のキャビティ側のアライメントを確認するには、裏面アライメント確認用の専用装置が必要となり、設備投資の増大を避けられない。ＦＩＢによる断面加工法を用いてアライメントを確認することも考えられるが、１回（１箇所）の確認に時間がかかるため、多数の箇所でアライメントを確認することは実質的に難しかった。

本発明は、以上の問題意識に基づき、基板接合強度を高め、かつ、ダイアフラムの耐圧限界を向上させる半導体圧力センサの製造方法を得ることを目的とする。また本発明は、ダイアフラムとキャビティのアライメント確認が容易な半導体圧力センサの製造方法を得ることを目的とする。

本発明は、半導体基板のキャビティ側の面において、縦横２列で隣接する４つのキャビティ間の中央領域が鏡面加工で削られにくいことを認識し、この削られにくい中央領域に穴加工をあらかじめ施しておけば、鏡面加工によって形成される接合面の表面高さをキャビティの外周領域で最大かつ均等にすることができ、半導体基板とベース基板の接合が安定することに着目して完成されたものである。また本発明は、上記半導体基板のキャビティ側に施した穴加工を用いて、キャビティ側のアライメントを確認できることに着目して完成されたものである。

すなわち、本発明は、第一の態様によれば、圧力検出用のダイアフラム及びキャビティを形成した半導体基板とベース基板とを接合してなる半導体圧力センサの製造方法であって、半導体基板の表裏面の一方と他方に、ダイアフラムとキャビティを複数列状に形成する工程と、この半導体基板のキャビティ側の面に、縦横２列で隣接する４つのキャビティ間の中央にそれぞれ位置させて、所定深さの穴を形成する工程と、この穴を形成した半導体基板のキャビティ側の面に鏡面加工を施し、ベース基板との接合面を形成する工程と、接合面を介して半導体基板とベース基板を接合する工程と、この接合した半導体基板とベース基板を、一対のダイアフラム及びキャビティを有するチップ単位に分断する工程とを有することを特徴としている。

上記半導体基板のキャビティ側に設ける穴は、エッチング処理により形成することが好ましく、半導体基板にキャビティを形成する工程で同時に形成してもよい。この穴の平面形状は、縦横２列で隣接する４つのキャビティ間の中央位置に関して対称形状をなしていることが好ましい。具体的には例えば矩形、十字形、円形、菱形とすることができ、特に、縦横２列で隣接する４つのキャビティ間の鏡面加工で削られにくい中央領域の平面形状に近似する菱形とすることが好ましい。

上記製造方法では、鏡面加工の前に、半導体基板のキャビティ側の面に、該半導体基板のダイシングストリートに沿って、ベース基板との接合時に該ベース基板との間に空隙を生じさせる溝を形成する工程を有することができる。この場合、半導体基板のキャビティ側に設ける穴は、ダイシングストリートに沿う溝幅よりも幅広に形成する。

半導体基板には、酸化膜を挟んで二枚のシリコン基板が貼り合わされ、かつ、一方のシリコン基板にキャビティが形成され、他方のシリコン基板と酸化膜によってダイアフラムが形成されるＳＯＩ基板を用いることが好ましい。このようにＳＯＩ基板を用いる場合には、キャビティ側に設ける穴は一方のシリコン基板に酸化膜を露出させる深さで形成した内基準穴とし、半導体基板とベース基板を接合してから分断するまでの間に、他方のシリコン基板に、縦横２列で隣接する４つのダイアフラム間の中央にそれぞれ位置させて、内基準穴より大きな外基準穴を酸化膜を露出させる深さで形成する工程と、内基準穴と外基準穴を用いて、複数列状に形成したダイアフラム及びキャビティのアライメントを確認する工程とを有すれば、アライメント確認が容易になる。

ベース基板には、ガラス基板またはＳｉ基板を用いることが実際的である。

また本発明は、第二の態様によれば、圧力検出用のダイアフラム及びキャビティを形成した半導体基板とベース基板とを接合してなる半導体圧力センサの製造方法であって、酸化膜を挟んで二枚のシリコン基板が貼り合わされたＳＯＩ基板を半導体基板として用い、一方のシリコン基板に酸化膜を露出させる深さでキャビティを複数列状に形成し、該キャビティ内に露出する酸化膜と他方のシリコン基板によってダイアフラムを複数列状に形成する工程と、キャビティが形成された一方のシリコン基板に、縦横２列で隣接する４つのキャビティ間の中央にそれぞれ位置させて、酸化膜を露出させる深さの内基準穴を形成する工程と、この内基準穴が形成された一方のシリコン基板に鏡面加工を施し、ベース基板との接合面を形成する工程と、該接合面を介して一方のシリコン基板とベース基板を接合する工程と、他方のシリコン基板に、縦横２列で隣接する４つのダイアフラム間の中央にそれぞれ位置させて、内基準穴より大きな外基準穴を酸化膜を露出させる深さで形成する工程と、内基準穴と外基準穴を用いて、複数列状に形成したダイアフラム及びキャビティのアライメントを確認する工程とを有することを特徴としている。

上記一方のシリコン基板に設ける内基準穴は、エッチング処理により形成することが好ましく、キャビティを形成する工程で同時に形成してもよい。他方のシリコン基板に設ける外基準穴は、ドライエッチングにより形成することが好ましい。

本発明方法によれば、半導体基板のキャビティ側の面に、縦横２列で隣接する４つのキャビティの中央に位置させて穴を形成してから鏡面加工を施しているので、半導体基板のベース基板との接合面の表面高さがキャビティの外周領域で最大かつ均一となり、これによって基板接合強度が高められ、かつ、ダイアフラムの耐圧限界を向上させた半導体圧力センサが得られる。また本発明方法によれば、鏡面加工によって形成される接合面の表面高さを調整するために半導体基板のキャビティ側に設けた内基準穴と、半導体基板のダイアフラム側に該内基準穴よりも大きく形成した外基準穴とを用いて、ダイアフラム及びキャビティのアライメント確認が容易に行なえる。

図１〜図１２は本発明の第１実施形態を示している。図１及び図２は、本発明方法によって製造した半導体圧力センサ１の主要部を示す断面図及び平面図である。半導体圧力センサ１は、ダイアフラム型の絶対圧センサであって、圧力検出用のダイアフラム２１とキャビティ２０を表裏面に有する半導体基板１０と、この半導体基板１０のキャビティ２０側の面に、該キャビティ２０内を真空状態で密閉するようにして接合されたベース基板３１とを備えている。

半導体基板１０は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）１３を介して第１シリコン基板１１と第２シリコン基板１２を貼り合わせてなるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板である。第１シリコン基板１１は、その回路形成面（図１の上面）がシリコン酸化膜１４で覆われていて、このシリコン酸化膜１４内に埋設した複数の圧力感応抵抗素子２２、各圧力感応抵抗素子２２に導通する配線２３及びパッド２４を有している。パッシベーション膜１５は、シリコンナイトライド（Ｓｉ₃Ｎ₄）からなり、圧力感応抵抗素子２２、配線２３及びシリコン酸化膜１４上に形成されて、これらを絶縁保護している。パッド２４は、パッシベーション膜１５から露出しており、外部の測定装置に接続可能になっている。本実施形態では圧力感応抵抗素子２２としてピエゾ素子を用いているが、これに限定されない。

この半導体基板１０には、第２シリコン基板１２とシリコン酸化膜１３の一部を第２シリコン基板１２側から除去することによってキャビティ（凹部）２０が形成され、このキャビティ２０の上面を構成するシリコン酸化膜１３、第１シリコン基板１１、シリコン酸化膜１４及びパッシベーション膜１５によってダイアフラム２１が形成されている。キャビティ２０には、第２シリコン基板１２からシリコン酸化膜１３の境界にかけてＲ形状αが付与されている。キャビティ２０の平面形状は、図２に示されるように、上記Ｒ形状αによってエッジに丸みを持たせた矩形をなす。同図２に示されるように、ダイアフラム２１は平面視矩形をなし、このダイアフラム２１の矩形輪郭の各辺にかかるようにして複数の圧力感応抵抗素子２２が配置されている。ダイアフラム２１の平面形状は、圧力を受けて歪む形状であれば他の形状でもよく、圧力感応抵抗素子２２の数、配置も任意に設定可能である。

ベース基板３１は、ガラス基板またはＳｉ基板からなり、半導体基板１０の支持基板として機能する。このベース基板３１は、半導体基板１０のキャビティ２０を有する側の面、すなわち、第２シリコン基板１２に接合している。この接合により、キャビティ２０内は真空状態で保持されている。

図３は、第２シリコン基板１２（半導体基板１０のキャビティ２０を有する側の面）を示す平面図である。第２シリコン基板１２には、その四隅（基板側端部）に位置させて、所定深さの内基準穴４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄが形成されている。この内基準穴４０ａ〜４０ｄは、三角形状をなし、シリコン酸化膜１３が露出しない深さ（第２シリコン基板１２の基板厚さ未満の深さ）を有する。この第２シリコン基板１２において、四隅の内基準穴４０ａ〜４０ｄを除くキャビティ２０の外周領域がベース基板３１に対する接合面βとなる。図３では接合面βにハッチングを付して示してある。この接合面βは、鏡面加工が施されていて、図１に示されるようにキャビティ側端部１２Ｂでベース基板３１との間に１００nm程度の空隙γを有する（図１）。

上記構成の半導体圧力センサ１は、ダイアフラム２１が外面に付加される圧力に応じて歪むと、その歪み度合いに応じて複数の圧力感応抵抗素子２２の抵抗値が変化し、この複数の圧力感応抵抗素子２２で構成されたブリッジ回路の中点電位がセンサ出力として公知の測定装置に出力される。測定装置は、各パッド２４を介して半導体圧力センサ１に接続され、この半導体圧力センサ１の出力（中点電位変化）に基づいて圧力を測定できるようになっている。

生産性向上及び低コスト化を図るため、半導体圧力センサ１は、半導体基板１０の表裏面にダイアフラム２１とキャビティ２０を多数形成した後、真空状態で半導体基板１０とベース基板３１を接合し、この接合基板をチップ単位にダイシングすることで、製造される。

図４〜図１２を参照し、本発明の第１実施形態による半導体圧力センサの製造方法について詳細に説明する。図４は使用するウエハ状態の半導体基板１０を説明する平面図、図１０は半導体圧力センサ１の製造工程を示す平面図、図５〜図９、図１１、図１２は半導体圧力センサ１の製造工程を示す断面図である。

先ず、図４及び図５に示されるウエハ状態の半導体基板１０を準備する。半導体基板１０には、ダイシングストリートＤｓによって画定された複数列状のチップ単位領域Ｓが設定されており、以降の製造工程によって、複数列状のチップ単位領域Ｓに絶対圧センサ構造が同時形成されていく。この段階で半導体基板１０には、各チップ単位領域Ｓ毎に圧力感応抵抗素子２２、配線２３、パッド２４、シリコン酸化膜１４及びパッシベーション膜１５が形成され、チップ単位領域Ｓ外（絶対圧センサ構造の形成領域外）にアライメントマーカＭ（図４）が形成されている。なお、以降の説明に用いる図５〜図１２では、圧力感応抵抗素子２２、配線２３、パッド２４、シリコン酸化膜１４、パッシベーション膜１５及びアライメントマーカＭの図示を省略してある。

半導体基板１０を準備したら、図６に示されるように、ベース基板との接合面となる第２シリコン基板１２の表面（図示下面）をグラインドして、第２シリコン基板１２の基板厚さを所定の厚さに規定する。このグラインド工程は、半導体基板１０の製造工程で施してもよい。

次に、図７に示されるように、第２シリコン基板１２の表面に図示下方からレジスト膜１６を全面的に成膜した後、ダイアフラムを形成すべき領域に対応して該レジスト膜１６を光パターニングすることにより、所望のダイアフラム形状を規定するエッチング用マスクとしてレジスト膜１６を形成する。レジスト膜１６の成膜は、コーター等の通常工程により実施可能である。本実施形態において、エッチング用マスクとなるレジスト膜１６は、平面視矩形のダイアフラムが各チップ単位領域Ｓに１ずつ形成されるパターン形状としてある。

続いて、図８に示されるように、レジスト膜１６をマスクとして第２シリコン基板１２をドライエッチングし、各チップ単位領域Ｓ毎にキャビティ２０を形成する。この工程では、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスで使用される公知のSi-Deep Etcherを用いて、第２シリコン基板１２の表面（図示下面）側から等方性エッチング処理と保護膜成膜処理とを繰り返すことによって、第２シリコン基板１２がシリコン酸化膜１３側に向かって掘り込まれる。Si-Deep Etcherでは、例えばＣ₄Ｆ₈とＳＦ₆の二種類のガスを使用する。第２シリコン基板１２のエッチングが進み、シリコン酸化膜１３まで達すると、該シリコン酸化膜１３がエッチングストッパーとなって、第２シリコン基板１２に平面視矩形のキャビティ２０が形成される。同時に、半導体基板１０のキャビティ２０が形成された側とは反対側の面に、キャビティ２０の上面となるシリコン酸化膜１４と、第１シリコン基板１１、シリコン酸化膜１４及びパッシベーション膜１５によって、ダイアフラム２１が形成される。

本実施形態では、シリコン酸化膜１３がキャビティ２０内に露出した後もさらにドライエッチングを継続し、シリコン酸化膜１３を所定厚さ分だけ除去すると同時に、該キャビティ２０を周回するように、第２シリコン基板１２からシリコン酸化膜１３の境界部分にかけてＲ形状αを付与する。このように第２シリコン基板１２とシリコン酸化膜１３は、その境界部分にＲ形状αが付与されながらエッチングされるので、シリコン酸化膜１３がオーバーエッチングされずに済む。また、キャビティ２０の内壁面（内側面）はダイアフラム２１に対して直角に形成されるので、キャビティ２０の深さにかかわらず、キャビティ２０の平面形状及び圧力感応抵抗素子２２に対する相対位置を一定に保つことができる。

キャビティ形成後は、エッチング用マスクであるレジスト膜１６を、例えば公知のレジスト剥離処理により全面除去する。このレジスト剥離処理を実施しても、シリコン酸化膜１３のＲ形状αは維持される。図９は、レジスト剥離後の半導体基板１０を示している。

続いて、図１０及び図１１に示されるように、上記キャビティ２０を形成した第２シリコン基板１２に、縦横２列で隣接する４つのキャビティ２０（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ）の中央領域にそれぞれ位置させて、菱形の内基準穴４０を形成する。ここで、縦横２列で隣接する４つのキャビティ２０Ａ〜２０Ｄの中央領域Ｐは、図２３に黒塗で示されるように、キャビティ２０Ａ〜２０Ｄの丸みを帯びたエッジ形状に対応させて各辺を湾曲させた菱形をなしており、後工程の鏡面加工で削られにくい領域Ｐである。このため、内基準穴４０を設けることで、後工程の鏡面加工によってキャビティ２０Ａ〜２０Ｄの外周領域の表面高さが均等になるように、該キャビティ２０Ａ〜２０Ｄの中央領域の表面高さを予め低くしておく。具体的に内基準穴４０は、斜方で対向する一方のキャビティ２０Ａ、２０Ｃのエッジを結ぶ仮想対向線Ｌ１と他方のキャビティ２０Ｂ、２０Ｄのエッジを結ぶ仮想対向線Ｌ２とが交差する位置、すなわち、４つのチップ単位領域Ｓを画定する縦横のダイシングストリートＤｓが交差する位置を中心として、ダイシングストリートＤｓよりも幅広に形成する。ダイシングストリート幅は１００μm程度、内基準穴４０の幅は１４０〜３００μm程度である。この内基準穴４０は、ドライエッチングまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて形成できる。内基準穴４０の深さは、任意に設定可能であるが、後工程の鏡面加工でキャビティ２０Ａ〜２０Ｄの外周領域が削られる深さより大きく設定しておく。

本実施形態では、別工程で第２シリコン基板１２にキャビティ２０と内基準穴４０を形成しているが、第２シリコン基板１２にキャビティ２０を形成する工程で同時に内基準穴４０を形成する構成としてもよい。同時形成すれば製造工程数が減るから、製造工程の簡易化が図れる。

続いて、図１２に示されるように、キャビティ２０が形成されている第２シリコン基板１２の表面（図示下面）に、鏡面加工（Chemical Mechanical Polishing 加工）を施す。上述したように第２シリコン基板１２には隣接する４つのキャビティ２０Ａ〜２０Ｄの中央に内基準穴４０を形成してあるので、鏡面加工により、この内基準穴４０を除くキャビティ２０の外周領域がほぼ均等に削られて接合面βとなる。この接合面β（キャビティ２０の外周領域）において、第２シリコン基板１２の表面高さは最大になっている。接合面βのキャビティ側端部１２Ｂは、微視的に見ると、図示下方向に突出する湾曲形状をなしている。

続いて、半導体基板１０の第２シリコン基板１２に、真空状態でベース基板３１を加圧により接合する。ここで用いるベース基板３１は、半導体基板１０と同等あるいはより大きなウエハ状態のベース基板である。第２シリコン基板１２とベース基板３１に対して両基板を接合する方向に応力を加えると、第２シリコン基板１２とベース基板３１の間隔距離がより小さい位置で、すなわち、第２シリコン基板１２の表面高さがより大きい位置で、両基板が強く接合する。上述したように第２シリコン基板１２は、接合面βで表面高さが最大かつ均等となっているので、この接合面βを介してベース基板３１と強くかつ安定に接合する。ただし、接合面βのキャビティ側端部１２Ｂは、湾曲形状をなしているためにベース基板３１と離間しているので、応力が加えられてもベース基板３１と接合されることはなく、ベース基板３１との間には空隙γが生じる。この空隙γは１００nm程度である。

この接合工程により、ダイアフラム２１とベース基板３１との間のキャビティ２０が真空状態に密閉され、絶対圧センサ構造が得られる。必要に応じて、ベース基板３１の表面（図示下面）をグラインドして、その厚さを調節する。

そして、一体化された半導体基板１０とベース基板３１をダイシングストリートＤｓでダイシングし、チップ単位に分断する。この分断された各チップが、図１及び図２に示される半導体圧力センサ１である。半導体基板１０の第２シリコン基板１２に設けた内基準穴４０は、このダイシングによって内基準穴４０ａ〜４０ｄに４分割され、完成状態の半導体圧力センサ１にも残るが、絶対圧センサ構造には影響を及ぼさない。

以上のように第１実施形態によれば、第２シリコン基板１２に、隣接する４つのキャビティ２０Ａ〜２０Ｄの中央に位置する内基準穴４０を設けてから鏡面加工を施し、キャビティ２０の外周領域Ｏ（内基準穴４０を除く）を表面高さが最大かつ均等となる接合面βとしたことから、この接合面βを介して半導体基板１０とベース基板３１を強くかつ安定に接合することができる。また、接合面βのキャビティ側端部１２Ｂではベース基板３１との間に空隙γが生じているので、ダイアフラム２１に作用する圧力が所定値を超えたときに、キャビティ２０（キャビティ２０内に露出するシリコン酸化膜１３とベース基板３１の間隔）が狭まる方向にダイアフラム２１が変形可能になっている。これにより、ダイアフラム２１に作用する曲げ、引っ張り応力が分散されてダイアフラム２１の破損が防止されると同時に、上記所定値以上の圧力、圧力変化も測定可能となる。つまり、ダイアフラム２１の耐圧限界が向上する。

図１３〜図１６は本発明の第２実施形態を示している。この第２実施形態は、第２シリコン基板１２に鏡面加工を施す前に、上記内基準穴４０のほかに、ダイシングストリートＤｓに沿う溝１２Ｄを形成することで、第１実施形態よりも半導体基板１０とベース基板３１の接合強度が高くなるようにした実施形態である。

図１３は、本発明方法の第２実施形態によって製造した半導体圧力センサ２０１の主要部を示す断面図である。完成状態の半導体圧力センサ２０１は、第１実施形態の半導体圧力センサ１とほぼ同じ構成であるが、第２シリコン基板１２の表面高さが基板側端部（溝側端部）１２Ａ及びキャビティ側端部１２Ｂより中間部１２Ｃで大きくなる湾曲形状の接合面β'を有し、この接合面β'の基板側端部１２Ａ及びキャビティ側端部１２Ｂの両方でベース基板３１との間に空隙γを生じさせ、接合面β'の中間部１２Ｃでベース基板３１と接合している点で、第１実施形態の半導体圧力センサ１と異なる。内基準穴４０及び溝１２Ｄは、接合面β'の基板側端部１２Ａに位置する。

図１４〜図１６を参照し、本発明の第２実施形態による半導体圧力センサの製造方法について説明する。図１４は第２実施形態による半導体圧力センサの製造工程を示す平面図、図１５及び図１６は第２実施形態による半導体圧力センサの製造工程を示す断面図である。なお、図１４〜１６では、半導体基板１０の第１シリコン基板１１上に形成されている圧力感応抵抗素子２２、配線２３、パッド２４、シリコン酸化膜１４、パッシベーション膜１５及びアライメントマーカＭを図示省略してある。

先ず、図３〜図１１に示される第１実施形態の製造工程と同様にして、半導体基板１０の第２シリコン基板１２にキャビティ２０及び内基準穴４０を形成する。

次に、図１４及び図１５に示されるように、第２シリコン基板１２に、ダイシングストリートＤｓに沿って、後工程でベース基板と接合されたときに該ベース基板との間に隙間を生じさせる溝１２Ｄを形成する。この溝１２Ｄは、より具体的には、ダイシングストリートＤｓの全長に渡り、幅方向における中央位置をダイシングストリートＤｓと一致させて、ダイシングストリートＤｓ及び内基準穴４０よりも幅狭に形成する。すなわち、溝１２Ｄは、ダイシングストリートＤｓ及び内基準穴４０内に位置させる。ダイシングストリート幅は１００μm程度、内基準穴４０の幅は１４０〜３００μm程度、溝１２Ｄの幅は５〜１００μm程度である。この溝１２Ｄは、ドライエッチングまたは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて形成できる。本実施形態の溝１２Ｄは、キャビティ２０より浅くかつ断面矩形をなしているが、ダイシングストリートＤｓに沿って設ける溝の断面形状及び深さは任意であって、ベース基板と接合されたときに隙間を生じさせるもの（第２シリコン基板１２をダイシングストリートＤｓで分断させるもの）であればよい。

上記溝１２Ｄと内基準穴４０の形成工程は順不同であり、同時であってもよい。さらに、溝１２Ｄと内基準穴４０の少なくともひとつを、キャビティ２０と同時に形成する構成としてもよい。同時形成すれば製造工程数が減るから、製造工程の簡易化が図れる。

続いて、図１６に示されるように、キャビティ２０が形成されている第２シリコン基板１２の表面（図示下面）に、鏡面加工（Chemical Mechanical Polishing 加工）を施す。上述したように第２シリコン基板１２にはダイシングストリートＤｓの全長に渡って溝１２Ｄを形成してあるので、鏡面加工により、各チップ単位領域Ｓ毎に、溝１２Ｄからキャビティ２０まで延びて、図示下方向に突出する湾曲形状の接合面β'が形成される。この接合面β'において、第２シリコン基板１２の表面高さは溝側端部１２Ａ及びキャビティ側端部１２Ｂよりも中間部１２Ｃで大きくなる。同時に、第２シリコン基板１２には隣接する４つのキャビティ２０Ａ〜２０Ｄの中央に内基準穴４０を形成してあるので、鏡面加工により、接合面β'の中間部１２Ｃはほぼ均等に削られる。

続いて、第１実施形態と同様にして、第２シリコン基板１２に、真空状態でベース基板３１を加圧により接合する。上述したように第２シリコン基板１２の接合面β'は、その表面高さが中間部１２Ｃで最大かつ均等になっていることから、中間部Ｃでベース基板３１と最も強くかつ安定に接合する。一方、接合面β'の溝側端部１２Ａ及びキャビティ側端部１２Ｂは、ベース基板３１と離間しているので、応力が加えられてもベース基板３１と接合されることはなく、溝側端部１２Ａ及びキャビティ側端部１２Ｂとベース基板３１との間には空隙γが生じる。この空隙γは１００nm程度である。この接合工程により、ダイアフラム２１とベース基板３１との間のキャビティ２０が真空状態に密閉され、絶対圧センサ構造が得られる。必要に応じて、ベース基板３１の表面（図示下面）をグラインドして、その厚さを調節する。

そして、一体化された半導体基板１０とベース基板３１をダイシングストリートＤｓでダイシングし、チップ単位に分断する。この分断された各チップが、図１３に示される半導体圧力センサ２０１である。半導体基板１０の第２シリコン基板１２に設けたダイシングストリートＤｓに沿う溝１２Ｄは、このダイシングによって除去され、完成状態の半導体圧力センサ２０１には残らない。内基準穴４０は、ダイシングによって四分割され、完成状態の半導体圧力センサ２０１において第２シリコン基板１２の四隅に残る。この内基準穴４０は、絶対圧センサ構造に影響を及ぼさない。

この第２実施形態によれば、第２シリコン基板１２に、隣接する４つのキャビティ２０Ａ〜２０Ｄの中央に位置する内基準穴４０とダイシングストリートＤｓに沿う溝１２Ｄを設けてから鏡面加工を施し、溝側端部１２Ａ及びキャビティ側端部１２Ｂの間に位置する中間部１２Ｃで表面高さが最大かつ均等となる接合面β'を形成したことから、この接合面β'の中間部１２Ｃを介して、半導体基板１０とベース基板３１を強くかつ安定に接合することができる。半導体基板１０とベース基板３１の接合強度は第１実施形態よりも大きい。また、接合面β'の溝側端部１２Ａ及びキャビティ側端部１２Ｂではベース基板３１との間に空隙γが生じているので、ダイアフラム２１に作用する圧力が所定値を超えると、キャビティ２０（キャビティ２０内に露出するシリコン酸化膜１３とベース基板３１の間隔）が狭まる方向にダイアフラム２１が変形し、第１実施形態と同様に、ダイアフラム２１の耐圧限界が向上する。

図１７〜図２１は、本発明の第３実施形態を示している。この第３実施形態は、第１実施形態及び第２実施形態の内基準穴４０を、半導体基板１０の第２シリコン基板１２に形成された複数列状のキャビティ２０のアライメント確認に利用する実施形態である。

図１７〜図２１を参照し、本発明の第３実施形態による半導体圧力センサ３０１の製造方法について説明する。図１７、図１８は第３実施形態による半導体圧力センサの製造工程の断面図、図１９、図２０は第３実施形態による半導体圧力センサの製造工程の平面図である。また、図２１（Ａ）は第３実施形態による製造工程で形成した半導体圧力センサ３０１の主要部を示す断面図、図２１（Ｂ）は同半導体圧力センサ３０１をダイアフラム側の面から見て示す平面図である。この図１７〜図２１においても、半導体基板１０の第１シリコン基板１１上に形成されている圧力感応抵抗素子２２、配線２３、パッド２４、シリコン酸化膜１４及びパッシベーション膜１５は図示省略してある。

先ず、図３〜図１１に示される第１実施形態の製造工程と同様にして、半導体基板１０の第２シリコン基板１２にキャビティ２０及び内基準穴４０を形成する。この第３実施形態において、図１７に示されるように、内基準穴４０は、平面矩形状とし、シリコン酸化膜１３を露出させる深さで形成する。

次に、図１２に示される第１実施形態の製造工程と同様にして、キャビティ２０及び内基準穴４０が形成されている第２シリコン基板１２の表面（図示下面）に鏡面加工（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ加工）を施す。前工程で第２シリコン基板１２には隣接する４つのキャビティ２０Ａ〜２０Ｄの中央に内基準穴４０を形成してあるので、鏡面加工を施すことによって、キャビティ２０の外周領域がほぼ均等に削られて接合面βとなり、この接合面β（キャビティ２０の外周領域）において、第２シリコン基板１２の表面高さが最大になる。接合面βのキャビティ側端部１２Ｂは、微視的に見ると、図示下方向に突出する湾曲形状となる。

続いて、第１実施形態と同様にして、第２シリコン基板１２に、真空状態でベース基板３１を加圧により接合する。上述したように第２シリコン基板１２は、接合面βで表面高さが最大かつ均等となっているので、この接合面βを介してベース基板３１と強くかつ安定に接合する。ただし、接合面βのキャビティ側端部１２Ｂは、湾曲形状をなしているためにベース基板３１と離間しているので、応力が加えられてもベース基板３１と接合されることはなく、ベース基板３１との間には空隙γが生じる。この空隙γは１００nm程度である。この接合工程により、ダイアフラム２１とベース基板３１との間のキャビティ２０が真空状態に密閉され、絶対圧センサ構造が得られる。必要に応じて、ベース基板３１の表面（図示下面）をグラインドして、その厚さを調節する。

そして、図１８及び図１９に示されるように、第１シリコン基板１１に、縦横２列で隣接する４つのダイアフラム２１Ａ〜２１Ｄの中央にそれぞれ位置させて、外基準穴５０をシリコン酸化膜１３を露出させる深さで形成する。この外基準穴５０は、第１シリコン基板１１側から内基準穴４０を判別（視認）できるように、すなわち、平面的に見て該外基準穴５０内に内基準穴４０が含まれるように、内基準穴４０より大きく形成する。外基準穴５０の平面形状は、内基準穴４０に対応させて矩形としてあるが、任意に設定可能である。

外基準穴５０を形成したら、公知の画像処理装置（アライメント検査装置）を用いて、複数列状に形成されているダイアフラム２１及びキャビティ２０のアライメント検査を行なう。このアライメント検査工程では、半導体基板１０の第１シリコン基板１１上の規定位置に予め設けられているアライメントマーカＭのほかに、外基準穴５０をダイアフラム２１側（第１シリコン基板１１側）のアライメントマーカ、内基準穴４０をキャビティ２０側（第２シリコン基板１２側）のアライメントマーカとして利用する。すなわち、上記画像処理装置は、半導体基板１０の第１シリコン基板１１側の電子画像を取得し、この電子画像からアライメントマーカＭ、内基準穴４０及び外基準穴５０を検知し、このアライメントマーカＭを基準にして内基準穴４０及び外基準穴５０の位置を測定することで、キャビティ２０及びダイアフラム２１のアライメントがとれているか否かを判別する。

図２０は、画像処理装置によって取得される半導体基板１０の第１シリコン基板１１側の電子画像を、内基準穴４０及び外基準穴５０の位置で拡大して示す模式平面図である。ここで、外基準穴５０が形成されている領域は第１シリコン基板１１が除去されてシリコン酸化膜１３が露出しており、上記画像処理装置は、この第１シリコン基板１１とシリコン酸化膜１３の輝度差（反射率の差）により、外基準穴５０を識別可能である。一方、内基準穴４０が形成されている領域は、第１シリコン基板１１及び第２シリコン基板１２が除去されていてシリコン酸化膜１３のみで構成され、上記画像処理装置からの照明光が該シリコン酸化膜１３を透過する。この内基準穴４０が形成されている領域は外基準穴５０内に位置するので、上記画像処理装置は、外基準穴５０（シリコン酸化膜１３及び第２シリコン基板１２）との輝度差（反射率の差）により、内基準穴４０を識別可能である。図２０に示される電子画像において、第１シリコン基板１１及びアライメントマーカＭは濃く（黒く）表示され、これらより外基準穴５０内は薄く（白く）表示され、内基準穴４０内は最も薄く（白く）表示される。

本実施形態では、上記アライメント検査工程において、キャビティ２０及びダイアフラム２１のアライメントがとれていないと判別された場合は以降の製造工程を中止し、アライメントがとれていると判定された場合は以降の製造工程を実行する。

上記アライメント検査工程でキャビティ２０及びダイアフラム２１のアライメントがとれていると判定されたら、一体化された半導体基板１０とベース基板３１をダイシングストリートＤｓでダイシングし、チップ単位に分断する。この分断された各チップが、図２１に示される半導体圧力センサ３０１である。半導体圧力センサ３０１には、四分割された外基準穴５０ａ〜５０ｄが第１シリコン基板１１の四隅に残り、また、四分割された内基準穴４０ａ〜４０ｄが第２シリコン基板１２の四隅に残るが、絶対圧センサ構造には影響を及ぼさない。

この第３実施形態によれば、鏡面加工によって形成される接合面βの表面高さを最大かつ均等にするために第２シリコン基板１２に設けた内基準穴４０と、この内基準穴４０を第１シリコン基板１１側から判別できるように第１シリコン基板１１に設けた外基準穴５０とをキャビティ２０及びダイアフラム２１用アライメントマーカとして用いるので、半導体基板１０がベース基板３１と一体化された状態でも、半導体基板１０とベース基板３１の間に位置するキャビティ２０のアライメントを容易に確認することができる。また、上記内基準穴４０を設けたことから、第２シリコン基板１２の表面高さが最大かつ均等となる接合面βを介して半導体基板１０とベース基板３１が強くかつ安定に接合される。さらに、接合面βのキャビティ側端部１２Ｂにはベース基板３１との間に空隙γが生じているので、ダイアフラム２１に作用する圧力が所定値を超えると、キャビティ２０（キャビティ２０内に露出するシリコン酸化膜１３とベース基板３１の間隔）が狭まる方向にダイアフラム２１が変形し、第１実施形態と同様に、ダイアフラム２１の耐圧限界が向上する。

以上の第１〜第３実施形態では、第２シリコン基板１２に設ける内基準穴４０の平面形状を菱形または矩形としているが、内基準穴４０は、ダイシングによって均等に分割されるように、縦横２列で隣接するキャビティ２０Ａ〜２０Ｄの中央位置に関して対称な平面形状をなしていればよい。上述したように、鏡面加工において削られにくいキャビティ２０Ａ〜２０Ｄの中央領域Ｐは、キャビティ２０Ａ〜２０Ｄの丸みを帯びたエッジ形状に対応させて各辺を湾曲させた菱形をなしている（図２３）。よって、第１、第２実施形態のように近似する菱形の内基準穴４０を設ければ鏡面加工によって形成される接合面β（外周領域Ｏ）の表面高さがより均等になって望ましいが、該キャビティ２０Ａ〜２０Ｄの中央領域Ｐは３００μm程度の微小領域であるから、第３実施形態のような矩形のほか、図２２（Ａ）に示されるような十字形や図２２（Ｃ）に示されるような円形の内基準穴を設けても、鏡面加工によって形成される接合面β（キャビティ２０の外周領域）の表面高さをほぼ均等にすることができる。図２２は内基準穴４０の変形例を示しており、（Ａ）十字形の内基準穴４０、（Ｂ）この十字形の内基準穴４０を設けた場合に、チップ単位に分断された後の半導体圧力センサに残る内基準穴４０ａ〜４０ｄ、（Ｃ）円形の内基準穴４０、（Ｄ）この円形の内基準穴４０を設けた場合に、チップ単位に分断された後の半導体圧力センサに残る内基準穴４０ａ〜４０ｄをそれぞれ示す平面図である。

以上では、キャビティ２０内を真空とした絶対圧センサに本発明方法を適用した実施形態について説明したが、ベース基板３１に圧力導入口を形成して、キャビティ２０を外部と連通させた差圧またはゲージ圧センサにも適用可能である。

第１実施形態による半導体圧力センサの主要部を図２の切断線Ｉ−Ｉに沿って示す断面図であって、（Ａ）圧力が加えられていない状態、（Ｂ）圧力が加えられた状態をそれぞれ示している。 同半導体圧力センサの主要部をダイアフラム側から見て示す平面図である。 同半導体圧力センサのキャビティ側の面を示す平面図である。 ウエハ状態の半導体基板を示す平面図である。 同ウエハ状態の半導体基板を示す断面図である。 第１実施形態による半導体圧力センサの製造方法の一工程を示す断面図である。 図６の次工程を示す断面図である。 図７の次工程を示す断面図である。 図８の次工程を示す断面図である。 図９の次工程を示す断面図である。 図１０の次工程を示す断面図である。 図１１の次工程を示す断面図である。 第２実施形態による半導体圧力センサの主要部を示す断面図であって、（Ａ）圧力が加えられていない状態、（Ｂ）圧力が加えられた状態をそれぞれ示している。 第２実施形態による半導体圧力センサの製造方法の一工程を示す平面図である。 図１４の工程を示す断面図である。 図１４の次工程を示す断面図である。 第３実施形態による半導体圧力センサの製造方法の一工程を示す断面図である。 図１７より後工程（外基準穴を形成する工程）を示す断面図である。 図１８の工程で外基準穴を形成する位置を説明する平面図である。 画像処理装置によって取得される半導体基板のダイアフラム側の面の電子画像を、内基準穴及び外基準穴の位置で拡大して示す模式平面図である。 （Ａ）第３実施形態による製造工程で形成した半導体圧力センサの主要部を（Ｂ）のＡ−Ａ線に沿って示す断面図、（Ｂ）同半導体圧力センサをダイアフラム側の面から見て示す平面図である。 （Ａ）十字形の内基準穴を示す平面図、（Ｂ）十字形の内基準穴を設けた場合にチップ単位に分断された半導体圧力センサに残る内基準穴を示す平面図、（Ｃ）円形の内基準穴を示す平面図、（Ｄ）円形の内基準穴を設けた場合にチップ単位に分断された半導体圧力センサに残る内基準穴を示す平面図である。 半導体基板のキャビティ側の面を示す平面図であって、キャビティの外周領域と隣接する４つのキャビティ間の中央領域とを説明している。

符号の説明

１ 半導体圧力センサ
１０ 半導体基板
１１ 第１シリコン基板
１２ 第２シリコン基板
１２Ａ 基板側端部（溝側端部）
１２Ｂ キャビティ側端部
１２Ｃ 中間部
１２Ｄ 溝
１３ シリコン酸化膜
１４ シリコン酸化膜
１５ パッシベーション
１６ レジスト膜（エッチング用マスク）
２０ キャビティ
２１ ダイアフラム
２２ 圧力感応抵抗素子
２３ 配線
２４ パッド
３１ ベース基板
４０ 内基準穴
５０ 外基準穴
Ｄｓ ダイシングストリート
Ｓ チップ単位領域
Ｍ アライメントマーカ
α Ｒ形状
β 接合面
γ 空隙

Claims (14)

1. 圧力検出用のダイアフラム及びキャビティを形成した半導体基板とベース基板とを接合してなる半導体圧力センサの製造方法であって、
   前記半導体基板の表裏面の一方と他方に、前記ダイアフラムと前記キャビティを複数列状に形成する工程と、
   この半導体基板のキャビティ側の面に、縦横２列で隣接する４つのキャビティ間の中央にそれぞれ位置させて、所定深さの穴を形成する工程と、
   この穴を形成した半導体基板のキャビティ側の面に鏡面加工を施し、ベース基板との接合面を形成する工程と、
   前記接合面を介して前記半導体基板と前記ベース基板を接合する工程と、
   この接合した半導体基板とベース基板を、一対のダイアフラム及びキャビティを有するチップ単位に分断する工程と、
   を有することを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
2. 請求項１記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記穴は、エッチング処理により形成する半導体圧力センサの製造方法。
3. 請求項２記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記穴は、前記半導体基板にキャビティを形成する工程で同時に形成する半導体圧力センサの製造方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記穴の平面形状は、前記縦横２列で隣接する４つのキャビティ間の中央位置に関して対称形状をなしている半導体圧力センサの製造方法。
5. 請求項４記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記穴の平面形状は菱形である半導体圧力センサの製造方法。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記鏡面加工の前に、前記半導体基板のキャビティ側の面に、該半導体基板のダイシングストリートに沿って、前記ベース基板との接合時に該ベース基板との間に空隙を生じさせる溝を形成する工程を有する半導体圧力センサの製造方法。
7. 請求項６記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記穴は、前記ダイシングストリートに沿う溝幅よりも幅広に形成する半導体圧力センサの製造方法。
8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記半導体基板には、酸化膜を挟んで二枚のシリコン基板が貼り合わされ、かつ、一方のシリコン基板にキャビティが形成され、他方のシリコン基板と酸化膜によってダイアフラムが形成されるＳＯＩ基板を用いる半導体圧力センサの製造方法。
9. 請求項８記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記穴は前記一方のシリコン基板に前記酸化膜を露出させる深さで形成した内基準穴とし、前記半導体基板と前記ベース基板を接合してから分断するまでの間に、前記他方のシリコン基板に、縦横２列で隣接する４つのダイアフラム間の中央にそれぞれ位置させて、前記内基準穴より大きな外基準穴を前記酸化膜を露出させる深さで形成する工程と、前記内基準穴と前記外基準穴を用いて、前記複数列状に形成したダイアフラム及びキャビティのアライメントを確認する工程とを有する半導体圧力センサの製造方法。
10. 請求項１ないし９のいずれか一項に記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記ベース基板には、ガラス基板またはＳｉ基板を用いる半導体圧力センサの製造方法。
11. 圧力検出用のダイアフラム及びキャビティを形成した半導体基板とベース基板とを接合してなる半導体圧力センサの製造方法であって、
    酸化膜を挟んで二枚のシリコン基板が貼り合わされたＳＯＩ基板を前記半導体基板として用い、一方のシリコン基板に前記酸化膜を露出させる深さで前記キャビティを複数列状に形成し、該キャビティ内に露出する酸化膜と他方のシリコン基板によって前記ダイアフラムを複数列状に形成する工程と、
    前記キャビティが形成された一方のシリコン基板に、縦横２列で隣接する４つのキャビティ間の中央にそれぞれ位置させて、前記酸化膜を露出させる深さの内基準穴を形成する工程と、
    この内基準穴が形成された一方のシリコン基板に鏡面加工を施し、ベース基板との接合面を形成する工程と、
    該接合面を介して前記一方のシリコン基板と前記ベース基板を接合する工程と、
    前記他方のシリコン基板に、縦横２列で隣接する４つのダイアフラム間の中央にそれぞれ位置させて、前記内基準穴より大きな外基準穴を前記酸化膜を露出させる深さで形成する工程と、
    前記内基準穴と前記外基準穴を用いて、前記複数列状に形成したダイアフラム及びキャビティのアライメントを確認する工程と、
    を有することを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
12. 請求項１１記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記内基準穴は、エッチング処理により形成する半導体圧力センサの製造方法。
13. 請求項１２記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記内基準穴は、前記キャビティを形成する工程で同時に形成する半導体圧力センサの製造方法。
14. 請求項１１ないし１３のいずれか一項に記載の半導体圧力センサの製造方法において、前記外基準穴は、ドライエッチングにより形成する半導体圧力センサの製造方法。

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