JP2011094967A - 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】先ず、半導体基板に、圧力感応抵抗素子を形成した面とは反対側の面に位置させて、キャビティを形成する。次に、半導体基板のキャビティ側の面に、基板接合時にベース基板との間に隙間を生じさせる溝をダイシングストリートに沿って形成した後、鏡面加工を施す。この鏡面加工により、半導体基板の厚さがキャビティ側端部及び溝側端部よりも該端部の間に位置する中間部で大きくなる、湾曲形状の接合面を形成する。そして、この湾曲形状の接合面を介して半導体基板とベース基板を接合した後、これら基板をチップ単位にダイシングし、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湾曲形状に加工し、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γを生じさせる構成（図１２）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湾曲形状に加工すると、図１２に示されるように、隣接するチップ単位領域のキャビティ１２０間の中央位置、すなわち、ダイシングストリートＤｓで、半導体基板１１０の厚さが最大となってベース基板１３１との接合強度が最も高くなる。このため、接合強度の最も高い位置で半導体基板１１０とベース基板１３１がダイシングされることとなり、完成状態の半導体圧力センサにおいて、半導体基板１１０とベース基板１３１の接合強度が弱くなってしまう。特に、半導体基板とベース基板の接合によりキャビティ内が真空状態で密閉される絶対圧センサの場合は、キャビティの真空封止が不安定になり、好ましくない。

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。

本発明は、半導体基板はその基板厚さが最大となる位置でベース基板に最も強く接合することから、半導体基板のキャビティ側の面にダイシングストリートに沿う溝を設け、さらに鏡面加工を施せば、半導体基板のベース基板に最も強く接合する位置（基板厚さが最大となる位置）がダイシングストリートよりもキャビティ側にずれて、半導体基板とベース基板の接合強度が高められ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、圧力感応抵抗素子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、半導体基板に、圧力感応抵抗素子を形成した面とは反対側の面に位置させて、キャビティを形成する工程と、この半導体基板のキャビティ側の面に、ベース基板と接合されたときに該ベース基板との間に空隙を生じさせる溝を、該半導体基板のダイシングストリートに沿って形成する工程と、この溝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、基板厚さがキャビティ側端部及び溝側端部よりも該端部の間に位置する中間部で大きくなる、湾曲形状の接合面を形成する工程と、湾曲形状の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ダイシングストリートで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の面に設ける溝は、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。この溝は、ダイシングストリート幅より幅狭に形成することが実際的である。

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でき、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できる。

本発明方法によれば、半導体基板のキャビティ側の面にダイシングストリートに沿う溝を形成してから鏡面加工を施し、該半導体基板の厚さがキャビティ側端部及び溝側端部よりも該端部の間に位置する中間部で大きくなる湾曲形状の接合面を形成したので、ダイシングストリートよりもキャビティ側（接合面の中間部）で半導体基板とベース基板が最も強く接合される。これにより、ダイシングによってチップ単位に分断されても半導体基板とベース基板の接合強度を高く保持でき、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が得られる。

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。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。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、同図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。なお、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。第２シリコン基板１２のベース基板３１に対する接合面βは湾曲形状をなし、第２シリコン基板１２の厚さはその溝側端部１２Ａ、キャビティ側端部１２Ｂよりもこれら端部の間に位置する中間部１２Ｃで大きくなっている。すなわち、第２シリコン基板１２は、中間部１２Ｃでベース基板３１と接合し、溝側端部１２Ａ及びキャビティ側端部１２Ｂではベース基板３１との間に空隙を有する。この空隙は１００nm程度である。

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３〜図１１を参照し、本発明を適用した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３は使用するウエハ状態の半導体基板１０を説明する平面図であり、図４〜図１１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３及び図４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多数のチップ単位領域Ｓが設定されており、以降の製造工程によって、多数のチップ単位領域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が形成されている。

半導体基板１０を準備したら、図５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６に示されるように、シリコン酸化膜１３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形成されるパターン形状としてある。

続いて、図７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の平面形状及びピエゾ素子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８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９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内に位置させる。ダイシングストリート幅は４００μm程度、溝幅は５〜２００μm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の図示下面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。

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と溝１２Ｄ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溝１２Ｄ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１０に示されるように、第２シリコン基板１２のキャビティ２０を囲む表面（図示下面）に、鏡面加工（Chemical Mechanical Polishing 加工）を施す。このとき、第２シリコン基板１２には前工程でダイシングストリートＤｓに沿う溝１２Ｄが形成されているので、鏡面加工を施すことにより、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。この湾曲形状をなす接合面βにおいて、第２シリコン基板１２の基板厚さは、溝側端部１２Ａ及びキャビティ側端部１２Ｂよりも、これらの間に位置する中間部１２Ｃで大きい。接合面βの幅寸法（ダイシングストリートＤｓからキャビティ２０までの距離間隔）は、１５０μm程度である。

続いて、図１１に示されるように、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の基板厚さがより大きい位置で、両基板に加わる応力が大きくなる。第２シリコン基板１２は、上述したようにベース基板３１と接合する方向（図示下方向）に突出する湾曲形状の接合面βを有し、且つ、この接合面βの中間部１２Ｃでその基板厚さが最大になっていることから、接合面βの中間部１２Ｃにおいて、最も大きな応力が加わった結果、ベース基板３１との接合強度が最大となる。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との間には空隙が生じる。この空隙は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１には残らない。

以上のように本実施形態によれば、第２シリコン基板１２に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、湾曲形状の接合面βを形成したことから、この接合面βの中間部１２Ｃで半導体基板１０とベース基板３１とが最も強く接合されるので、ダイシングによりチップ単位に分断された後も両基板の接合強度を高く保持でき、これによって、キャビティ２０内の真空度を高く保持することができる。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。

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。

本発明方法により製造した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。 本発明方法を適用した半導体圧力センサの製造工程の一工程を示す断面図である。 図５の次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。 従来の半導体圧力センサの製造工程を示す断面図である。

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
Ｄｓ ダイシングストリート
Ｓ チップ単位領域
α Ｒ形状
β 接合面

Claims (6)

1. 圧力感応抵抗素子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、
   前記半導体基板に、圧力感応抵抗素子を形成した面とは反対側の面に位置させて、キャビティを形成する工程と、
   この半導体基板のキャビティ側の面に、前記ベース基板と接合されたときに該ベース基板との間に空隙を生じさせる溝を、該半導体基板のダイシングストリートに沿って形成する工程と、
   この溝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、基板厚さがキャビティ側端部及び溝側端部よりも該端部の間に位置する中間部で大きくなる、湾曲形状の接合面を形成する工程と、
   前記湾曲形状の接合面を介して、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、前記ダイシングストリートで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、前記溝は、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、前記溝は、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、前記溝は、ダイシングストリート幅より幅狭に形成する半導体圧力センサの製造方法。
5. 請求項１ないし４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。
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。

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