JP2016127213A - 半導体素子及び検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板に形成された凹部又は貫通孔のサイドエッチング量を測定できる半導体素子を提供する。【解決手段】凹部からなる空洞部３を備えたシリコン基板１の上に絶縁膜１１を介して目盛り部材１５ｂ，１５ｃが配置されている。目盛り部材１５ｂ，１５ｃは空洞部３の端部の上に配置されている。目盛り部材１５ｂ，１５ｃの端部は空洞部３の側面よりも空洞部３の中央部側に位置している。空洞部３はシリコンの結晶異方性エッチングによって形成されたものである。空洞部３の上に抵抗体５が架橋して配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子及び検出装置に関するものである。

半導体集積回路製造工程を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術によってセンサーが数多く生産されている。そのようなセンサーとして、凹部や貫通孔などの空洞部の上に架橋して配置された抵抗体を備えたセンサーが知られている。

センサーの空洞部は、例えばシリコンの異方性ウエットエッチング法によって形成される（例えば特許文献１から３を参照。）。半導体集積回路の製造工程における成膜工程、写真製版工程及びエッチング工程によってシリコン基板上にマスクが形成された後、異方性のウエットエッチング液を用いてシリコン基板がエッチングされることによって空洞部が形成される。異方性のウエットエッチング液は、例えば公知の異方性エッチング液であるＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液や、ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液、ヒドラジン水溶液（６４ｍｏｌ％、液温９０〜１１０℃）などが使用される。

センサーの空洞部を形成するためのシリコンの異方性ウエットエッチングにおいてサイドエッチング量がばらつくと、センサーの空洞部の寸法がばらつき、センサーの検出感度がばらつく。したがって、サイドエッチング量のばらつきに起因するセンサーの検出感度を校正する必要がある。

本発明は、シリコン基板に形成された凹部又は貫通孔のサイドエッチング量を測定できる半導体素子を提供することを目的とする。

本発明にかかる半導体素子は、凹部又は貫通孔からなる空洞部を備えたシリコン基板と、上記空洞部の端部の上に配置された目盛り部材と、を備えたものである。

本発明の半導体素子は、シリコン基板に形成された凹部又は貫通孔のサイドエッチング量を測定できる。

半導体素子の一実施例を説明するための模式的な断面図である。 図１の実施例の模式的な平面図である。 検出装置の一実施例を説明するためのブロック図である。 測温抵抗体の出力電圧と絶対湿度の関係の例を説明するための図である。 図２の目盛り部材の配置位置近傍を拡大して示した平面図である。 図２の目盛り部材の配置位置近傍を拡大して示した平面図である。 空洞部のサイドエッチング量と湿度出力特性の式の倍率Ｇとの関係について説明するための図である。 空洞部のエッチング深さと湿度出力特性の式の倍率Ｇとの関係について説明するための図である。 空洞部の容積と湿度出力特性の式の倍率Ｇとの関係について説明するための図である。 半導体素子の他の実施例の目盛り部材の配置位置近傍を拡大して示した模式的な平面図である。 半導体素子のさらに他の実施例の目盛り部材の配置位置近傍を拡大して示した模式的な平面図である。 半導体素子のさらに他の実施例を説明するための模式的な断面図である。 図１２の実施例の模式的な平面図である。 検出装置の実施例の校正方法の一例について説明するためのフローチャートである。 検出装置の実施例の校正方法の他の例について説明するためのフローチャートである。 湿度センサーの従来技術の校正方法について説明するためのフローチャートである。

本発明の半導体素子において、例えば、上記目盛り部材の端部は、上記空洞部の側面よりも前記空洞部の中央部側に位置しているようにしてもよい。これにより、サイドエッチング量の程度に影響されずにサイドエッチング量を確実に測定することができる。

本発明の半導体素子において、例えば、上記目盛り部材は導電性を有する材料で形成されているようにしてもよい。これにより、上記目盛り部材を例えば回路の配線の一部として使用することができる。また、上記目盛り部材を回路の配線と同時に形成することができるので、上記目盛り部材を形成するための特別な工程を要しなくなる。ただし、本発明の半導体素子において、上記目盛り部材は絶縁材料や半導体材料で形成されていてもよい。

本発明の半導体素子において、例えば、上記目盛り部材は、複数の目盛り構成部材が間隔をもって配列されて形成されているようにしてもよい。これにより、サイドエッチング量を読み取りやすくなる。ただし、本発明の半導体素子において、上記目盛り部材は１つの目盛り構成部材で形成されていてもよい。

本発明の半導体素子において、例えば、上記目盛り部材は上記シリコン基板と一体化されているようにしてもよい。例えば、シリコン基板と一体化されている上記目盛り部材は、シリコン基板の表面にアライメントマークを形成するための写真製版工程及びエッチング工程においてアライメントマークと同時に形成されたものである。これにより、上記目盛り部材を設けるのに特別な工程を要しなくなる。なお、シリコン基板と一体化されている上記目盛り部材は、上記アライメントマークの形成工程とは別の工程で別途形成されてもよい。また、本発明の半導体素子において、上記目盛り部材は上記シリコン基板と一体化されていなくてもよい。

本発明の半導体素子において、例えば、一つの上記空洞部に対して複数個の上記目盛り部材が配置されているようにしてもよい。これにより、サイドエッチング量をより正確に測定することができる。ただし、本発明の半導体素子において、上記目盛り部材は一つの上記空洞部に対して一つだけ配置されているようにしてもよい。

例えば、平面形状が四辺形の一つの上記空洞部の各辺に対してそれぞれ配置された４つの上記目盛り部材を測定し、平均値を算出することにより、上記目盛り部材の層とエッチング用のマスク層とのアライメントずれによる誤差を無視することが可能となる。

本発明の半導体素子において、例えば、上記空洞部の上に架橋して配置された抵抗体をさらに備えているようにしてもよい。これにより、上記抵抗体を検出素子とする検出装置を形成できる。ただし、本発明の半導体素子は、上記抵抗体を備えていないものを含む。

本発明にかかる検出装置は、上記抵抗体を備えた本発明の半導体素子と、上記抵抗体の電気信号を物理量に変換するときに上記目盛り部材によって求められた上記空洞部のサイドエッチング量を使用する演算部と、を備えたものである。

本発明の検出装置は、上記空洞部のサイドエッチング量のばらつきに起因する検出信号のばらつきの校正を外観検査によって簡便に行うことができる。これにより、校正時の工程数を少なくすることができるので、製造コストが低くなる。

本発明の検出装置において、例えば、上記演算部は、上記抵抗体の電気信号を物理量に変換するときに上記半導体素子の上記空洞部の深さ寸法、又は上記空洞部の容積を使用するようにしてもよい。これにより、より正確な構成を実現できる。

本発明の検出装置において、例えば、上記物理量は湿度又はガス濃度である。ただし、本発明の検出装置において、上記物理量は湿度又はガス濃度に限定されず、他の物理量、例えば温度や圧力、加速度、角速度などであってもよい。

今日、ＩＣ（Integrated Circuit）やＬＳＩ（Large Scale Integration）などの半導体集積回路素子は、半導体装置メーカの販売する生産設備を導入することによって、参入障壁が低く、生産拠点はグローバル化している。その結果、半導体集積回路素子の価格は非常に安価なものになっている。

また、半導体集積回路製造工程を用い、ＭＥＭＳ技術により、大量生産で特性のそろったＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）に組み込まれたセンサーが数多く生産されている。

ＭＥＭＳセンサーとして、温度センサーや湿度センサーなどの熱を扱う測温抵抗体を備えたものがある。測温抵抗体を用いた雰囲気計が知られている（例えば特許文献４を参照。）。特許文献４に開示された雰囲気計は、雰囲気中において加熱される測温抵抗体の抵抗値の変化に基づいて雰囲気中の所定気体を検知するものである。このような雰囲気計は例えば湿度計として用いられる。湿度計の原理について簡単に説明する。

一般に、気体の熱伝導率を利用した湿度計は応答性が優れ、しかも信頼性が高いことが知られている。等方性物体内の所定断面の上下面を通り法線方向に単位時間に流れる熱量は、法線方向の温度傾斜と断面積に比例する。この比例定数が熱伝導率である。

気体の熱伝導率は定圧比熱の関数であり、且つ定圧比熱は気体分子量の関数である。したがって、空気だけの場合と、空気中に分子量の異なるガス成分や水分が含まれている場合とでは熱伝導率が異なる。気体の熱伝導率の違いを利用した湿度計は、加熱された抵抗体から雰囲気中に放熱される放熱量の差によって生ずる抵抗体の抵抗値変化量から湿度を求めるものである。

ＭＥＭＳセンサー生産設備の主流は、ＩＣやＬＳＩの生産設備の流用をしている。ＭＥＭＳセンサーの製造工程において、センサーで得られる反応量を物理量へ変換するために、センサーの反応量を基準となる計量標準に対応させた目盛り付けの校正が必要である。このような校正の工程は従来の半導体集積回路製造工程には無い。

上記のような校正の工程を行うために、半導体装置メーカにはないＭＥＭＳセンサーの大量校正のための自動システムを導入する必要がある。そして、独特の生産技術の開発が必要であり、新規の多大な投資が必要となる。したがって、ＭＥＭＳセンサーは簡単にいつでもどこでも生産できるものではなく、メーカの参入条件が制限されることになる。これにより、センサーの価格は高額であり、普及拡大へのブレーキになっていることが既に知られている。

例えば、温度依存性を有する物質の体積変化、電気抵抗値変化、起電力などを用いて温度を検出する温度センサーが知られている。この温度センサーの校正を行う場合、より高精度であるためには、一定の温度に制御したオイルバスの恒温環境からなる温度標準を備えた大規模な設備が必要になる。

例えば、従来技術の湿度計において、測温抵抗体を含む半導体素子の製造ばらつきによる影響を除外して湿度精度を少しでも良くするためには、個々の半導体素子について、記憶媒体に保存するためのテーブル又は数式を取得する作業、つまり校正が必要とされている。

測温抵抗体を含む半導体素子の校正作業は、一般に、測温抵抗体の抵抗値測定などを行なって初期不良除去をした後に、恒温槽に測温抵抗体を含む半導体素子を入れて行われる。測温抵抗体の温度特性を測定し、次に温度と湿度の条件を変えながら温度と湿度に対する測温抵抗体の出力を求めたテーブル又は数式を作成する。

図１６は、湿度センサーの従来技術の校正方法について説明するためのフローチャートである。

ステップＳ１０１：ウェハ製造工程の終了後、測温抵抗体の抵抗値を測定して抵抗データを取得する。例えば、半導体ウェハにスパッタ法で白金を薄膜形成した後、エッチング技術によって測温抵抗体を形成する場合、白金の成膜時の厚みばらつきやエッチング時の寸法ばらつきによって、測温抵抗体の抵抗値はばらつく。また、白金からなる測温抵抗体の温度係数は、成膜される白金の下地、白金成膜時の熱処理温度、成膜後の熱処理温度、連続通電によるマイグレーションなどよってばらつくことがある。

ステップＳ１０２：ウェハから個々のチップを切り出し、チップの実装及びパッケージングを行ってセンサーを形成する。

ステップＳ１０３：センサーごとに、センサー出力電圧と環境温度湿度の関係のデータを取得する。

ステップＳ１０４：所定の複数の設定温度湿度についてセンサー出力電圧のデータを取得したかを判断する。所定の複数の設定温度湿度についてデータを取得していない場合はステップＳ１０３に戻る。

ステップＳ１０５：所定の複数の設定温度湿度について、センサー出力電圧と環境温度湿度の関係のデータを得た後、信号処理回路のマイコンにデータを書き込む。これにより、センサー出力の校正が完了する。

測温抵抗体を含む半導体素子において、測温抵抗体の出力電圧の補正を行なうために、測温抵抗体の抵抗について正確な温度係数が要求される。測温抵抗体の抵抗値温度係数について、より高精度な測定を行なうためには、半導体素子の周囲環境を一定温度に制御できる恒温槽が必要である。例えばオイルバス等の恒温環境からなる温度標準を備えた大規模な設備が必要とされる。

また、恒温槽を所定の一定温度にするには長時間がかかる。例えば、恒温槽の運転が開始されたとき、恒温槽の温度が設定温度に対して１０℃以上の温度差をもつならば２時間以上の安定時間が確保される。また、恒温槽の温度と設定温度との差が１℃未満のときでも、も３０分の安定時間が確保される。そして、恒温槽の運転開始から１２時間経過しても恒温槽の温度が設定温度範囲内、例えば設定温度の±０.１℃にならない場合は、測定が中止される。

上述のように、測温抵抗体を備えた半導体素子の校正情報を得る作業は、温度標準が一定の安定した温度環境を作るために長時間がかかるのでコストがかかる。雰囲気計における測温抵抗体以外の素子は簡単な電送装置や光学装置で迅速に設定が完了するのに比べ、測温抵抗体の出力の校正は、大量生産の製造工程で大量に取り扱うのにボトルネックとなっている。したがって、雰囲気計のコストの削減は難しい。

例えば、校正されていない雰囲気計の価格に対して、校正されている雰囲気計の価格は数倍ないし数十倍の価格になっている。特に精度の高いものほど、生産時に精度の高い校正が行なわれ、そのために費用と時間が要されている。

個々のセンサーについて、複数の設定温度湿度についてセンサー出力のデータを取得することによりセンサー出力の校正を行うことができる。また、校正にかかる時間を短縮するための有効な方法として、温度と湿度の変化に対する測温抵抗体の出力の基準テーブル又は数式を事前に用意しておき、測定された測温抵抗体の温度特性に応じて温度補正するという方法がある。

しかし、基準テーブル又は数式を事前に用意しておく方法は、測温抵抗体の下方に設けられた空洞部の寸法ばらつきに対応できない。
以下に説明する実施例は、測温抵抗体の下方に設けられた空洞部の寸法ばらつきに起因する測温抵抗体の出力のばらつきを補正できるようにしたものである。

図１は、半導体素子の一実施例を説明するための模式的な断面図である。図２は、同実施例の模式的な平面図である。図１は図２のＡ−Ａ位置での断面の模式図を示している。

シリコン基板１に凹部からなる空洞部３が形成されている。空洞部３上に架橋して配置された測温抵抗体５が設けられている。測温抵抗体５の両端には電流供給用の電極７が設けられている。測温抵抗体５は、電極７，７の間で分岐された電圧測定用の電極９，９を備えている。電極７及び９は配線を兼ねている。測温抵抗体５、電極７及び電極９は、例えば、下層側から順に、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）層、白金（Ｐｔ）層、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）層が積層されて形成されたものである。

測温抵抗体５、電極７及び電極９は、シリコン基板１の主面の上に形成された絶縁膜１１の上に形成されている。絶縁膜１１は、シリコンの異方性ウエットエッチングで用いられるエッチング液に対するエッチングレートが低い材料で形成されている。絶縁膜１１は例えば酸化シリコン膜である。

測温抵抗体５、電極７及び電極９は、保護膜１３で覆われている。保護膜１３は例えば酸化シリコン膜である。

絶縁膜１１上に目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが形成されている。目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは空洞部３の端部の上に配置されている。目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの端部は空洞部３の側面よりも空洞部３の中央部側に位置している。目盛り部材は平面形状が四辺形の空洞部３の辺ごとに１つずつ配置されている。

目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、例えば、空洞部３を形成するためのマスクパターンの水平方向、つまりシリコン基板１のオリフラ方向とほぼ一致している方向をＸ方向としている。

目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、例えば、Ｘ方向に対して４５°の角度をなす方向に沿って形成されている。目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの外形は、一定間隔の階段形状に形成されている。この階段形状の各辺はＸ方向又はＹ方向に沿っている。

目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの幅寸法は、例えば、Ｘ方向及びＹ方向においてそれぞれ同じ５μｍ（マイクロメートル）である。また、目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの階段形状の間隔は、例えば、Ｘ方向及びＹ方向においてそれぞれ１μｍである。

目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、階段状形状の刻みが対向する辺で交互にずらして形成されている。これにより、測定したい辺が目盛り部材を横切ることによって、０.５μｍの分解能で測定可能となる。

目盛り部材１５ａ，１５ｂは、空洞部３の１つの角部の近傍に互いに間隔をもって配置されている。目盛り部材１５ｃ，１５ｄは、目盛り部材１５ａ，１５ｂが配置されている空洞部３の角部に対向する角部の近傍に配置されている。目盛り部材１５ａと１５ｂ、及び目盛り部材１５ｃと１５ｄは、それぞれ、例えば５μｍの間隔をもって配置されている。これにより、空洞部３の角部が目盛り部材１５ａと１５ｂの間、及び目盛り部材１５ｃと１５ｄの間に位置して見え易いようになっている。

目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは、例えば、測温抵抗体５、電極７及び電極９と同じ材料で同じ層に形成されている。これにより、製造工程を増やすことなく目盛り部材は１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄを形成することができる。

シリコン基板１は、例えば主面の結晶方位が（１００）の単結晶シリコン基板で形成されている。
空洞部３の深さは例えば１００〜２００μｍである。空洞部３は例えば異方性のウエットエッチング法によって形成されたものである。

測温抵抗体５、電極７、電極９及び保護膜１３が形成された後、一般的な半導体集積回路の製造工程における成膜工程、写真製版工程、エッチング工程によって空洞部３を形成するためのエッチング用マスクが形成される。そのエッチング用マスクを用いて絶縁膜１１に開口が形成される。絶縁膜１１に形成された開口を介してシリコン基板１に異方性のウエットエッチング液が接触されて空洞部３が形成される。

異方性のウエットエッチング液は、例えば公知の異方性エッチング液であるＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液や、ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液、ヒドラジン水溶液（６４ｍｏｌ％、液温９０〜１１０℃）などが使用される。

測温抵抗体５は、所定の大きさの電流が供給されることによって加熱される。測温抵抗体５の周辺雰囲気の湿度が異なると、加熱された測温抵抗体５から周辺雰囲気中に放熱される熱量が異なる。つまり、測温抵抗体５の抵抗値は周辺雰囲気中の湿度に応じて変化する。したがって、測温抵抗体５の抵抗値を測定することにより、周辺雰囲気の湿度を求めることができる。

図３は、検出装置の一実施例を説明するためのブロック図である。
検出装置１０１は半導体素子１０３と制御部１０５を備えている。

半導体素子１０３は温度検出用センサー部１０７と湿度検出用センサー部１０９を備えている。温度検出用センサー部１０７及び湿度検出用センサー部１０９は、図１及び図２を参照して説明したシリコン基板１、空洞部３、測温抵抗体５、電極７、電極９、絶縁膜１１、保護膜１３、目盛り部材１５ａ−１５ｄをそれぞれ備えている。温度検出用センサー部１０７及び湿度検出用センサー部１０９は１つのシリコン基板１に形成されていてもよいし、別々のシリコン基板１に形成されていてもよい。

温度検出用センサー部１０７及び湿度検出用センサー部１０９は制御部１０５の制御によって駆動される。制御部１０５は例えばマイクロコンピュータなどのＩＣチップによって実現される。

制御部１０５の駆動及び検出部１１１は、温度検出用センサー部１０７及び湿度検出用センサー部１０９を駆動させ、温度検出用センサー部１０７及び湿度検出用センサー部１０９からの電気信号を検出する。駆動及び検出部１１１の動作は駆動検出制御部１１３によって制御される。駆動検出制御部１１３はデジタルインターフェイスの機能や補正データを読み書きする機能も有する。

駆動及び検出部１１１が検出した電気信号はＡ／Ｄ変換又はカウンタ部１１５を介して補正データ記憶部１１７，１１９に入力される。温度検出用センサー部１０７の検出信号に関する情報は補正データ記憶部１１７に入力される。湿度検出用センサー部１０９の検出信号に関する情報は補正データ記憶部１１９に入力される。Ａ／Ｄ変換又はカウンタ部１１５の動作は駆動検出制御部１１３によって制御される。

補正データ記憶部１１７，１１９は、テスト・補正データの情報を保持している。ここでのテスト・補正データは、温度検出用センサー部１０７と湿度検出用センサー部１０９の測温抵抗体５の温度特性や空洞部３のサイドエッチング量などである。また、補正データ記憶部１１７には校正時の環境の温度が保持されている。補正データ記憶部１１９には校正時の環境の温度と湿度が保持されている。

温度演算部１２１は、補正データ記憶部１１７に入力された情報と、校正パラメータ記憶部１２３に保持されている情報に基づいて、半導体素子１０３の周囲雰囲気の温度を算出する。校正パラメータ記憶部１２３には、温度と出力電圧の関係を表す情報が保持されている。校正パラメータ記憶部１２３に保持されている温度と出力電圧の関係を情報は、例えば、２次式の関係（Ｔ＝ａｘ²＋ｂｘ＋ｃ：Ｔは温度、ｘは出力電圧、ａ，ｂ，ｃは係数）である。

絶対湿度演算部１２５は、補正データ記憶部１１９に入力された情報と、校正パラメータ記憶部１２７に保持されている情報と、温度演算部１２１が算出した温度情報に基づいて、半導体素子１０３の周囲雰囲気の絶対湿度を算出する。校正パラメータ記憶部１２７には、温度と湿度と出力電圧の関係を表す情報が保持されている。

相対湿度演算部１２９は、温度演算部１２１が算出した温度情報と、絶対湿度演算部１２５が算出した絶対湿度情報に基づいて、半導体素子１０３の周囲雰囲気の相対湿度を算出する。

温度演算部１２１が算出した温度情報、絶対湿度演算部１２５が算出した絶対湿度情報及び相対湿度演算部１２９が算出した相対湿度情報は駆動検出制御部１１３を介して外部に出力される。

図４は、測温抵抗体の出力電圧と絶対湿度の関係の例を説明するための図である。図４において、横軸は絶対湿度（ｇ／ｍ³）を示し、縦軸は測温抵抗体の出力電圧（Ｖ）を示す。

図４から、絶対湿度に対する測温抵抗体の出力電圧は温度依存性があることがわかる。そこで、検出装置１０１は、例えば図４に示された計測値をテーブル又は数式として校正パラメータ記憶部１２７に保管し、検出値を温度に対応した演算をした上で湿度として出力する。

制御部１０５に入力される補正データとしてのサイドエッチング量について説明する。
シリコンの異方性エッチングの工程において、サイドエッチング量を数値化する方法として、マスク層の境界とサイドエッチングの境界の距離を測定する。例えば、図２を参照して説明すると、マスク層として機能する絶縁膜１１の開口部の端部と、空洞部３の側壁上端との間の距離を測定する。

１箇所の測定でもよいが、複数個所、例えば４箇所測定することにより、目盛り部材の層とマスク層のアライメントずれによる誤差を無視することが可能となる。

図５は、図２の目盛り部材１５ａ，１５ｂの配置位置近傍を拡大して示した平面図である。図６は、図２の目盛り部材１５ｃ，１５ｃの配置位置近傍を拡大して示した平面図である。

４箇所測定によるサイドエッチング量Ｚは次の式（１）で求めることができる。
Ｚ＝（Ｘ１＋Ｘ２＋Ｙ１＋Ｙ２）／４ （１）

検出装置１０１の湿度出力特性は次の式（２），（３）のように表すことができる。
Ｙ＝ｆ（Ｔ，Ｖ）×Ｇ （２）
Ｇ＝ｇ（ｚ） （３）
Ｙ：絶対湿度［ＡＨ％］
Ｔ：温度
Ｖ：測温抵抗体の出力電圧［Ｖ］
Ｇ：倍率
ｚ：サイドエッチング量［μｍ］

上記式（２）において、ｆ（Ｔ，Ｖ）は温度と測温抵抗体の出力電圧を変数とする関数である。上記式（３）において、ｇ（ｚ）はサイドエッチング量を変数とする関数である。

図７は、空洞部のサイドエッチング量と湿度出力特性の式の倍率Ｇとの関係について説明するための図である。
サイドエッチング量が大きいほど、測温抵抗体の熱が空気と熱交換する割合が大きくなるため、湿度出力特性の式（１）の倍率Ｇが大きくなるという特徴がある。

上記式（２），（３）に基づいて、外観検査で空洞部３のサイドエッチング量を測定することにより、倍率Ｇと温度と出力電圧から絶対湿度を求めることが可能である。

例えば、図３に示された検出装置１０１において、上記式（２），（３）が校正パラメータ記憶部１２７に保持されている。湿度検出用センサー部１０９における空洞部３のサイドエッチング量は補正データとして駆動検出制御部１１３を介して補正データ記憶部１１９に入力及び保持される。絶対湿度演算部１２５は、上記式（２），（３）に基づいて、倍率Ｇと温度と出力電圧から絶対湿度を求める。

また、空洞部３のエッチング深さの変化によっても、湿度出力特性の式（１）の倍率Ｇは変化する。
Ｇ＝ｇ（ｗ） （４）
ｗ：エッチング深さ［μｍ］
ｇ（ｗ）はエッチング深さを変数とする関数である。

図８は、空洞部のエッチング深さと湿度出力特性の式の倍率Ｇとの関係について説明するための図である。
空洞部３のエッチング深さが大きいほど、測温抵抗体の熱が空気と熱交換する割合が大きくなるため、湿度出力特性の式（１）の倍率Ｇが大きくなるという特徴がある。

空洞部３のエッチング深さの測定は、例えば、光学的に自動で深さを測定することが可能な計測器を使用してもよいし、顕微鏡で空洞部３の上面と下面にそれぞれに焦点を合わせて試料台の高さの変化量をマイクロゲージで測定して求めてもよい。

上記式（２），（４）に基づいて、外観検査で空洞部３のエッチング深さを測定することにより、倍率Ｇと温度と出力電圧から絶対湿度を求めることが可能である。

例えば、図３に示された検出装置１０１において、上記式（２），（３），（４）が校正パラメータ記憶部１２７に保持されている。湿度検出用センサー部１０９における空洞部３のサイドエッチング量及びエッチング深さは補正データとして駆動検出制御部１１３を介して補正データ記憶部１１９に入力及び保持される。絶対湿度演算部１２５は、上記式（２），（３），（４）に基づいて、倍率Ｇと温度と出力電圧から絶対湿度を求める。

また、空洞部３の容積の変化によっても、湿度出力特性の式（１）の倍率Ｇは変化する。
Ｇ＝ｇ（ｖ） （５）
ｖ：空洞部の容積［μｍ³］
ｇ（ｖ）は空洞部の容積を変数とする関数である。

図９は、空洞部の容積と湿度出力特性の式の倍率Ｇとの関係について説明するための図である。
空洞部３の容積が大きいほど、測温抵抗体の熱が空気と熱交換する割合が大きくなるため、湿度出力特性の式（１）の倍率Ｇが大きくなるという特徴がある。

上記式（２），（５）に基づいて、外観検査で空洞部３の空洞部３のサイドエッチング量及びエッチング深さを測定して空洞部３の容積を算出することにより、倍率Ｇと温度と出力電圧から絶対湿度を求めることが可能である。

例えば、図３に示された検出装置１０１において、上記式（２），（５）が校正パラメータ記憶部１２７に保持されている。湿度検出用センサー部１０９における空洞部３のサイドエッチング量及びエッチング深さは補正データとして駆動検出制御部１１３を介して補正データ記憶部１１９に入力及び保持される。絶対湿度演算部１２５は、上記式（２），（５）に基づいて、倍率Ｇと温度と出力電圧から絶対湿度を求める。

図１０は、半導体素子の他の実施例の目盛り部材の配置位置近傍を拡大して示した模式的な平面図である。

目盛り部材１７ａ，１７ｂは、それぞれ複数の目盛り構成部材１７ｃが配列されて形成されている。１つの目盛り構成部材１７ｃの平面サイズは例えば１μｍ×１μｍである。目盛り部材１７ａ，１７ｂにおいて、目盛り構成部材１７ｃは２列に配列されている。隣り合う目盛り構成部材１７ｃ同士の間隔は例えば１μｍである。一方の列に配列された目盛り構成部材１７ｃは、他方の列に配列された目盛り構成部材１７ｃに対して例えば０.５μｍだけずらして配列されている。これにより、０.５μｍの分解能で測定可能となる。

目盛り部材１７ａ，１７ｂが複数の目盛り構成部材１７ｃで構成されていることにより、空洞部３の側壁の上端の位置が見えやすくなっている。これにより、空洞部３のサイドエッチング量が読み取りやすくなっている。

図１１は、半導体素子のさらに他の実施例の目盛り部材の配置位置近傍を拡大して示した模式的な平面図である。

目盛り部材１９は、互いに間隔ももって配列された複数の目盛り構成部材１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅによって構成されている。目盛り構成部材１９ａは絶縁膜１１の開口の角部に沿って帯状に形成されている。目盛り構成部材１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅは、その順に、絶縁膜１１の開口から見て目盛り構成部材１９ａの外周側に等間隔に配列されている。目盛り構成部材１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅの線幅は例えば１μｍである。目盛り構成部材１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅの間隔は例えば１μｍである。

目盛り構成部材１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅは、例えば配線や抵抗素子として使用することができる。

図１２は、半導体素子のさらに他の実施例を説明するための模式的な断面図である。図１３は、同実施例の模式的な平面図である。図１２は図１３のＢ−Ｂ位置での断面の模式図を示している。図１２及び図１３において図１及び図２と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

この実施例において、目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄは絶縁膜１１の開口部とは所定の間隔をもって配置されている。目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの端部は空洞部３の側面よりも空洞部３の中央部側に位置している。

目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが、サイドエッチング量を読み取りたい部分である空洞部３の側面上端部の近傍にだけに配置されていることで、目視での寸法計測で読み取りやすいと言う効果がある。

また、目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの配置位置のほとんどの部分が中空状になっていない。これにより、目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄが配線や抵抗素子として使用されて通電時にジュール熱によって発熱しても、熱をシリコン基板１に逃がすことができ、目盛り部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの温度や抵抗値を一定にすることができる。

図１４は、検出装置の実施例の校正方法の一例について説明するためのフローチャートである。図１から図３も参照してこのフローチャートを説明する。

ステップＳ１：ウェハ製造工程の終了後、測温抵抗体５の抵抗値を測定して抵抗データを取得する。抵抗データ取得時の温度と測定された抵抗値より、例えば、２０℃での抵抗値（Ｒ２０）を求める。Ｒ２０を求めるための温度と抵抗の関係は別途温度特性評価を経て得られた数式を使用する。

ステップＳ２：ウェハから個々の半導体素子１０３を切り出し、半導体素子１０３や制御部１０５の実装及びパッケージングを行って検出装置１０１を形成する。

ステップＳ３：検出装置１０１ごとに、検出装置の出力電圧と環境温度湿度の関係のデータを取得する。具体的には、温度と温度検出用センサー部１０７の出力電圧の関係のデータと、絶対湿度及び温度と湿度検出用センサー部１０９の出力電圧の関係のデータを取得する。

ステップＳ４：検出装置１０１ごとに、湿度検出用センサー部１０９における空洞部３のサイドエッチング量を測定し、その寸法データを得る。ここで、空洞部３のエッチング深さも測定し、その寸法データを得ることが好ましい。

ステップＳ５：検出装置１０１ごとに、制御部１０５の校正パラメータ記憶部１２７にデータを書き込む。これにより、検出装置１０１の出力の校正が完了する。

なお、図１４のフローチャートにおいて、ステップＳ３とステップＳ４を入れ替えてもよい。

図１５は、検出装置の実施例の校正方法の他の例について説明するためのフローチャートである。図１から図３も参照してこのフローチャートを説明する。

ステップＳ１１：図１４のステップＳ１と同様にしてウェハ状態で抵抗データを取得する。

ステップＳ１２：ウェハ状態で半導体素子１０３ごとに空洞部３のサイドエッチング量を測定する。ここで、空洞部３のエッチング深さも測定することが好ましい。これらの測定は例えば外観検査装置の自動処理で行われる。例えば外部の記憶装置にチップごとに測定値を格納する。

ステップＳ１３：ウェハから個々の半導体素子１０３を切り出し、半導体素子１０３や制御部１０５の実装及びパッケージングを行って検出装置１０１を形成する。例えば、空洞部３のサイドエッチング量の測定値ごとに半導体素子１０３を選択して実装及びパッケージングを行ってもよい。また、実装後にチップを識別する手段によって、校正時にサイドエッチング量より求めた定数を書き込んでもよい。例えば、外部の記憶装置に格納した情報、一例としてチップの番号とサイドエッチング量を制御部１０５の校正パラメータ記憶部１２７にデータを書き込む。

ステップＳ１４：図１４のステップＳ３と同様にして、検出装置１０１ごとに、検出装置の出力電圧と環境温度湿度の関係のデータを取得する。

ステップＳ１５：図１４のステップＳ５と同様にして、検出装置１０１ごとに、制御部１０５の校正パラメータ記憶部１２７にデータを書き込む。これにより、検出装置１０１の出力の校正が完了する。

この構成方法の例は、サイドエッチング量の測定を、例えば自動の外観検査装置で半導体素子１０３ごとに短時間に行うことができるので、検出装置１０１の製造費用を抑えることが可能である。なお、ウェハ状態で空洞部３のサイドエッチング量を測定した後、半導体素子１０３を個片化するので、個片化された半導体素子１０３と寸法測定結果の関係を管理する必要がある。

以上、本発明の実施例を説明したが、上記実施例での寸法、材料、配置、個数等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施例では半導体素子１０３を温度及び湿度を検出する検出装置１０１に適用しているが、本発明の半導体素子は他の物理量を検出する検出装置、例えば圧力センサー、加速度センサー、角速度センサーなどにも適用可能である。

１ シリコン基板
３ 空洞部
５ 測温抵抗体（抵抗体）
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１７ａ，１７ｂ，１９ 目盛り部材
１７ｃ，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ 目盛り構成部材
１０１ 検出装置
１０３ 半導体素子
１０５ 制御部

特開２０１１−０８２４８３号公報 特開２０１２−１２７９６６号公報 特開２００２−３３５０２３号公報 特許第２８８９９０９号公報

Claims (10)

1. 凹部又は貫通孔からなる空洞部を備えたシリコン基板と、
   前記空洞部の端部の上に配置された目盛り部材と、を備えたことを特徴とする半導体素子。
2. 前記目盛り部材の端部は、前記空洞部の側面よりも前記空洞部の中央部側に位置している請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記目盛り部材は導電性を有する材料で形成されている請求項１又は２に記載の半導体素子。
4. 前記目盛り部材は、複数の目盛り構成部材が間隔をもって配列されて形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体素子。
5. 前記目盛り部材は前記シリコン基板と一体化されている請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体素子。
6. 一つの前記空洞部に対して複数個の前記目盛り部材が配置されている請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体素子。
7. 前記空洞部の上に架橋して配置された抵抗体をさらに備えている請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体素子。
8. 請求項７に記載の半導体素子と、
   前記抵抗体の電気信号を物理量に変換するときに前記目盛り部材によって求められた前記空洞部のサイドエッチング量を使用する演算部と、を備えた検出装置。
9. 前記演算部は、前記抵抗体の電気信号を物理量に変換するときに前記半導体素子の前記空洞部の深さ寸法、又は前記空洞部の容積を使用する請求項８に記載の検出装置。
10. 前記物理量は湿度又はガス濃度である請求項８又は９に記載の検出装置。

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