JP2012255684A - 圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板の一方の面から形成することができる圧力センサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の圧力センサ１の製造方法においては、図４Ａ〜Ｃに示すように、ｐ型半導体柱７Ａ、７Ｃを４方向に等分且つ外側又は内側にずらして配置し、そのｐ型半導体柱７Ａ、７Ｃの上部に重なるように環状のｎ型半導体拡散層５を形成し、その環状のｎ型半導体拡散層５及びｐ型半導体柱７Ａ、７Ｃのｎ型半導体拡散層５との重複部分をエッチングして、環状溝４で囲まれたメサ部３及び４個のブロック状のｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄを半導体基板２の表面側に形成した。
【選択図】図４

Description

本発明は、ダイヤフラムを有するゲージ圧用半導体圧力センサなどの圧力センサ及びその製造方法に関する。

従来の半導体圧力センサは、その一例として、ダイヤフラムを有するｎ型半導体基板及び圧力検出部としての４個のｐ型半導体部を有する。このダイヤフラムは、半導体基板の裏面側から台形穴状にエッチングすることにより、形成されている。また、４個のｐ型半導体部は、ダイヤフラムの中心に対して方位角が９０度となるように４方向に等分配置される位置においてｐ型不純物を半導体基板の表面側からブロック状にそれぞれ高濃度添加することにより、形成されている。

このような半導体圧力センサは、半導体基板の裏側から気圧変化等によりダイヤフラムがたわんだときに、ｐ型半導体部の拡散濃度変化に応じたピエゾ抵抗効果を利用することにより、ｐ型半導体部に接続された電極から電気的抵抗変化に応じた圧力変化を検出していた。

特開２００６−３１００号公報

しかし、従来の半導体圧力センサにおいては、ダイヤフラムを形成する際、ｐ型半導体部の形成面である半導体基板の表面と反対の裏側面からエッチングしなければならない。そのため、圧力センサの製造工程の際、特殊な製造設備を用いなければならず、製造コストの増加等の不都合が生じていた。

従って、本発明の目的は、半導体基板の一方の面から形成することができる圧力センサ及びその製造方法を提供することにある。

［１］本発明は、上記目的を達成するため、一方の面のみに形成された環状溝により囲まれたメサ部を有する半導体基板と、メサ部の中心を基準にして４方向に略等分配置されていると共に、環状溝の底部中央に対してある一対が内側に、他の一対が外側にずれて配置された４個の半導体部とを備えていることを特徴とする圧力センサを提供する。

［２］また、半導体基板の厚さは、１００μｍ〜５００μｍであり、環状溝の深さは、半導体基板の厚さの半分以下であることを特徴とする上記［１］に記載の圧力センサであってもよい。

［３］本発明は、上記目的を達成するため、形成予定のメサ部の中心を基準にして４方向に略等分配置されていると共に、形成予定の環状溝の底部中央に対してある一対が内側に、他の一対が外側にずれた位置を目標にして半導体基板の一方の面側から３価不純物をイオン注入し、４個のｐ型半導体柱を形成するイオン注入工程と、ｐ型半導体柱の形成後、環状溝の溝予定領域全体に５価不純物を添加し、環状のｎ型半導体拡散層を形成する拡散層形成工程と、不純物濃度に応じたエッチング速度の違いを利用して環状のｎ型半導体拡散層及びそれに重複するｐ型半導体柱の上部をエッチングし、環状溝及び４個のブロック状のｐ型半導体部を形成するエッチング工程とを備えていることを特徴とする圧力センサの製造方法を提供する。

［４］また、エッチング工程において、エッチングは、等方性エッチングであることを特徴とする上記［３］に記載の圧力センサの製造方法であってもよい。

［５］また、半導体基板の厚さは、１００μｍ〜５００μｍであり、環状溝の深さは、半導体基板の厚さの半分以下であることを特徴とする上記［３］又は［４］に記載の圧力センサの製造方法であってもよい。

本発明によれば、半導体基板の一方の面から形成することができる圧力センサ及びその製造方法を提供することができる。

図１は、本発明に係る本発明の実施の形態に係る圧力センサを示す平面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。 図３は、図１のＢ−Ｂ断面であって、図２と向きを揃えて図示した回転断面図である。 図４は、図１のＡ−Ａ断面部において、本実施の形態に係る圧力センサの製造方法をＡからＤの順に示す縦断面図である。

以下、本発明の一実施形態である圧力センサを説明する。

（圧力センサの構成）
まず、図１及び図２を用いて、本発明の実施の形態に係る圧力センサの構成を説明する。図１は本発明の実施の形態に係る圧力センサを示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は、図１のＢ−Ｂ断面であって、図２と向きを揃えて図示した回転断面図である。

本発明の実施の形態に係る圧力センサ１は、半導体基板２、ｎ型半導体拡散層５及びｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄを備える。なお、ｎ型半導体部によりピエゾ抵抗（拡散抵抗）を形成して圧力センサを構成することも可能であるが、以下の説明においては、ｐ型半導体部による圧力センサの構成例で説明する。

半導体基板２は、図１に示すように、Ｓｉ（シリコン）等の４価の真性半導体を用いて矩形平板状に形成されており、一方の面としてのその表面に平面視矩形状の環状溝４を有する。半導体基板２における環状溝４により囲まれた部分は、その断面が台地状に形成されたメサ部３となる。

環状溝４の溝断面形状は、図２及び図３に示すように、略半円形状、略半楕円形状又は略逆三角形形状となる。この環状溝４の溝断面形状は、エッチングの方法によって異なる。環状溝４の溝断面形状としては、応力集中回避等の観点から、略半円形状又は略半楕円形状であることが好ましい。

半導体基板２の厚さは１００μｍ〜５００μｍであることが好ましい。環状溝４の深さは半導体基板２の厚さの半分以下であることが好ましい。

ｎ型半導体拡散層５は、図２及び図３に示すように、５価半導体を用いて、環状溝４の内部表面に形成されている。このｎ型半導体拡散層５は、圧力センサ１を製造する観点からは必要な層であるが、圧力センサ１の特性を発揮させる観点からは特に必要とされない層である。

４個のｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄは、図１に示すように、３価半導体を用いて、環状溝４に沿って延びた略ブロック形状にそれぞれ形成されている。これら４個のｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄは、メサ部３の中心３ｃを基準に方位角が約９０度となるように、半導体基板２の環状溝４に沿って４方向に概ね等分配置されている。

また、相対するある一対のｐ型半導体部６Ａ、６Ｃは、図２に示すように、環状溝４の底部中央４ｃに対して外側にずれて配置されており、相対する他の一対のｐ型半導体部６Ｂ、６Ｄは、図３に示すように、環状溝４の底部中央４ｃに対して内側にずれて配置されている。

なお、図１に示すように、各々のｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄの両端には、本発明の実施の形態に係る圧力センサ１と接続するための電極１０がそれぞれ形成されている。これらの電極１０により各ｐ型半導体部がブリッジ接続されることで、圧力変動による抵抗値変化による差分を出力することができ、高感度の圧力センサが可能となる。

（圧力センサの製造方法）
次に、図４を用いて、本発明の実施の形態に係る圧力センサ１の製造方法を説明する。図４は、図１のＡ−Ａ断面部において、本実施の形態に係る圧力センサの製造方法をＡからＤの順に示す縦断面図である。すなわち、この断面図は図２の断面図に対応している。なお、ｎ型半導体部によりピエゾ抵抗（拡散抵抗）を形成して圧力センサを製造することも可能であるが、以下の説明においては、ｐ型半導体部を形成して圧力センサを製造する方法を説明する。

本発明の実施の形態の圧力センサ１の製造方法は、図４に示すように、イオン注入工程と、拡散層形成工程と、エッチング工程とを備える。

イオン注入工程においては、図４Ａに示すように、半導体基板２の表面側において、フォトレジスト膜や多結晶シリコン膜等の第１マスク８を、図１に示した４個のｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄの形成位置に応じて形成する。次に、第１マスク形成後、Ｂ(ボロン)などの３価不純物を半導体基板２の表面側からイオン注入する。この工程により、４個のｐ型半導体柱７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ（２個のｐ型半導体柱７Ｂ、７Ｄは図示しない。）が形成される。

４個のｐ型半導体柱７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄは、図１に示した４個のｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄと同様、後の工程で作成予定のメサ部３の中心３ｃを基準にして、４方向に略等分配置されている。また、上記と同様、後の工程で作成予定の環状溝４の底部中央４ｃに対して、ある一対のｐ型半導体柱（図示しない７Ｂ、７Ｄ）が内側にすれて配置され、他の一対のｐ型半導体柱７Ａ、７Ｃが外側にずれて配置される。この配置を目標にして上記イオン注入が行われる。

半導体基板２の厚さは１００μｍ〜５００μｍである事が好ましい。また、上記イオン注入の深さは、半導体基板２の厚さの半分と同等又はそれ以上に深さであることが好ましい。

拡散層形成工程においては、図４Ｂに示すように、ｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄの形成後、第１マスク８を再利用等することにより、半導体基板２の表面側において図１に示した環状溝４の形成位置に第２マスク９を形成する。次に、環状溝４の中空部４ａとなる予定の領域の全体に、Ｐ(リン)やＡｓ(ヒ素)などの５価不純物を高濃度添加する。この工程により、環状のｎ型半導体拡散層５が形成される。

エッチング工程においては、図４Ｃに示すように、環状のｎ型半導体拡散層５の一部若しくは全部及び環状のｎ型半導体拡散層５と重複する部分であるｐ型半導体柱７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄの上部を選択的にエッチングする。この選択的エッチングを行うため、不純物濃度に応じてエッチング速度の違いが生じることを利用する。これにより、環状溝４及び４個のブロック状のｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄが形成される。

上記エッチングとしては、等方性エッチングであることが好ましい。環状溝４の深さとなるエッチング深さとしては、半導体基板２の厚さの半分以下であることが好ましい。エッチング液としては、フッ硝酸であることが好ましい。

マスキング除去工程においては、マスク除去剤を使用することにより不要になったマスクが除去される。マスキング除去工程は、拡散層形成工程における第２マスク作成前に第１マスク８を部分又は全体除去したり、エッチング工程の前後いずれかにおいて第２マスク９を全体除去したりする際に行われる。

次に、本発明の実施の形態に係る圧力センサ１の作用効果を説明する。

本発明の実施の形態に係る圧力センサ１においては、図１に示すように、圧力検出部としてのメサ部３の環状溝４及び４個のｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄが半導体基板２の一方の面に形成されている。これにより、半導体基板２の一方の面のみの加工により形成された圧力センサ１を提供することができる。

また、図１に示すように、４個のｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄは、メサ部３の中心３ｃを基準にして４方向に略等分配置されている。これにより、メサ部３が部分変形してもその変化を４個のｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄが検出することができる。

また、４個のｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄは、環状溝４の底部中央４ｃに対してある一対が内側に、他の一対が外側にずれて配置されている。これにより、環状溝４の底部中央４ｃに対して外側にずれて配置された一対のｐ型半導体部６Ａ、６Ｃは、図２に示すように、メサ部３の上方からメサ部３が押圧されたとき、ｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄの内部に圧縮応力を発生させ、ｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄのピエゾ抵抗値を変化させることができる。

一方、環状溝４の底部中央４ｃに対して内側にずれて配置された他の一対のｐ型半導体部６Ｂ、６Ｄは、図３に示すように、メサ部３の上方からメサ部３が押圧されたとき、ｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄの内部に引張応力を発生させ、ｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄのピエゾ抵抗値を変化させることができる。

また、半導体基板２の厚さは１００μｍ〜５００μｍであり、環状溝４の深さは半導体基板２の厚さの半分以下である。これにより、圧力検出時にメサ部３を大きく変化させることができる。

次に、本発明の実施の形態に係る圧力センサ１の製造方法の作用効果を説明する。なお、この製造方法により製造された圧力センサ１の作用効果のうち、上記の圧力センサ１の作用効果で説明した部分については、その記載を省略する。

本発明の実施の形態に係る圧力センサ１の製造方法においては、図４Ａ〜Ｃに示すように、ｐ型半導体柱７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄを４方向に等分配置し、そのｐ型半導体柱７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄの上部に重なるように環状のｎ型半導体拡散層５を形成し、その環状のｎ型半導体拡散層５及びｐ型半導体柱７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄのｎ型半導体拡散層５との重複部分をエッチングして、環状溝４で囲まれたメサ部３及び４個のブロック状のｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄを半導体基板２の表面側に形成した。これにより、圧力検出部としてのメサ部３の環状溝４及び４個のｐ型半導体部６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄが半導体基板２の一方の面から形成できるので、特殊な設備を用いることなく圧力センサ１を製造することができる。

また、半導体基板２の裏面からバックグラインド処理により削ることで、板厚を制御できるので高精度の圧力センサを実現することが可能となる。

また、エッチング工程におけるエッチングは、等方性エッチングである。これにより、環状溝４の溝形状を半円形又は半楕円形にすることができるので、環状溝４の内面に生じる応力集中の回避とメサ部の応力変化の容易性向上を実現することができる。

したがって、本発明の実施の形態に係る圧力センサ１によれば、半導体基板２の一方の面から形成することができる圧力センサ１及びその製造方法を提供することができる。

尚、本発明の実施の形態は、上記示した形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

１・・・圧力センサ、２・・・半導体基板、３・・・メサ部、３ｃ・・・メサ部の中心、４・・・環状溝、４ａ・・・環状溝の中空部、４ｃ・・・環状溝の中央、５・・・ｎ型半導体拡散層、６Ａ〜６Ｄ・・・ｐ型半導体部、７Ａ、７Ｃ・・・ｐ型半導体柱、８・・・第１マスク、９・・・第２マスク、１０・・・電極

Claims (5)

1. 一方の面のみに形成された環状溝により囲まれたメサ部を有する半導体基板と、
   前記メサ部の中心を基準にして４方向に略等分配置されていると共に、前記環状溝の底部中央に対してある一対が内側に、他の一対が外側にずれて配置された４個の半導体部と
   を備えていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記半導体基板の厚さは、１００μｍ〜５００μｍであり、
   前記環状溝の深さは、前記半導体基板の厚さの半分以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 形成予定のメサ部の中心を基準にして４方向に略等分配置されていると共に、形成予定の環状溝の底部中央に対してある一対が内側に、他の一対が外側にずれた位置を目標にして半導体基板の一方の面側から３価不純物をイオン注入し、４個のｐ型半導体柱を形成するイオン注入工程と、
   前記ｐ型半導体柱の形成後、前記環状溝の溝予定領域全体に５価不純物を添加し、環状のｎ型半導体拡散層を形成する拡散層形成工程と、
   不純物濃度に応じたエッチング速度の違いを利用して環状のｎ型半導体拡散層及びそれに重複するｐ型半導体柱の上部をエッチングし、前記環状溝及び４個のブロック状のｐ型半導体部を形成するエッチング工程と
   を備えていることを特徴とする圧力センサの製造方法。
4. 前記エッチング工程において、前記エッチングは、等方性エッチングである
   ことを特徴とする請求項３に記載の圧力センサの製造方法。
5. 前記半導体基板の厚さは、１００μｍ〜５００μｍであり、
   前記環状溝の深さは、前記半導体基板の厚さの半分以下である
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の圧力センサの製造方法。

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