JP2017215224A - 半導体圧力センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】応力制御のための熱処理を必要とせず、かつ信頼性が高い半導体圧力センサを提供する。【解決手段】半導体圧力センサ１００Ａは、半導体基板１１の主面に位置する固定電極１８と、半導体基板１１の厚み方向で空隙５１を介して、少なくとも固定電極１８に対向した位置で厚み方向に可動であるダイアフラム６１とを備える。ダイアフラム６１は、可動電極３９と、可動電極３９の空隙５１側に位置する第１絶縁膜３９ｄと、可動電極３９の空隙５１とは反対側に位置して第１絶縁膜３９ｄと同じ膜種の第２絶縁膜５８と、可動電極３９とともに第２絶縁膜５８を挟むシールド膜５９とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は半導体圧力センサおよびその製造方法に関する。当該半導体圧力センサは、ＭＯＳ構造を有する電界効果トランジスタ（以下、単に「ＭＯＳトランジスタ」と称す）を含む回路（以下、単に「ＭＯＳ回路」と称す）への集積化に適している。
なお、「ＭＯＳ」という用語は、古くは金属／酸化物／半導体の積層構造に用いられており、Metal-Oxide-Semiconductorの頭文字を採ったものとされている。しかしながら特にＭＯＳトランジスタにおいては、近年の集積化や製造プロセスの改善などの観点からゲート絶縁膜やゲート電極の材料が改善されている。
例えばＭＯＳトランジスタにおいては、主としてソース・ドレインを自己整合的に形成する観点から、ゲート電極の材料として金属の代わりに多結晶シリコンが採用されてきている。また電気的特性を改善する観点から、ゲート絶縁膜の材料として高誘電率の材料が採用されるが、当該材料は必ずしも酸化物には限定されない。
従って「ＭＯＳ」という用語は必ずしも金属／酸化物／半導体の積層構造のみに限定されて採用されているわけではなく、本明細書でもそのような限定を前提としない。即ち、技術常識に鑑みて、ここでは「ＭＯＳ」とはその語源に起因した略語としてのみならず、広く導電体／絶縁体／半導体の積層構造をも含む意義を有する。
近年、自動車をはじめ、さまざまな分野において半導体圧力センサが使用されている。半導体圧力センサは、例えば特許文献１に開示されるように、ＭＯＳ回路に集積される。
特許文献１に開示された半導体圧力センサでは、半導体基板に、ＭＯＳ回路が形成される領域たるＭＯＳ領域と、圧力センサが形成される領域たる圧力センサ領域とが規定されている。
ＭＯＳ領域には、ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタとｐチャネル型のＭＯＳトランジスタを含むＭＯＳ回路が形成されている。圧力センサ領域には、容量式の半導体圧力センサが形成されている。
特許文献２，３に開示された半導体圧力センサも、特許文献１が開示する半導体圧力センサと類似して、容量式の圧力センサが形成される。
このような容量式の半導体圧力センサでは、固定電極と可動電極とが形成され、固定電極と可動電極との間に真空室が設けられている。真空室は封止膜によって封止されている。可動電極と固定電極との間の距離はその周囲の圧力によって変動し、当該距離は固定電極と可動電極との間の静電容量の値として検出される。圧力は当該静電容量の変動に基づいて測定される。
可動電極は、半導体プロセスを用いてポリシリコン等を堆積して形成されるので、内部応力を有する。可動電極となるポリシリコンの内部応力を低減するために、高温の熱処理を行う方法が考えられる。ＭＯＳ回路に集積した半導体圧力センサでは、かかる方法の適用は容易ではない。
そこで特許文献１では、可動電極たるダイアフラムの熱処理とＣＭＯＳトランジスタのソース・ドレインを活性化させるアニールとを同時に行う技術が提案されている。
特許文献２でも言及されるように、この内部応力が圧縮応力の場合、可動電極が真空室とは反対側に凸となる形状に座屈する場合がある。かかる可動電極の形状は半導体圧力センサ特性を不安定にする。
そこで特許文献２では、可動電極の周縁部に圧縮応力の厚肉部を形成したり、可動電極の中央部において内部応力が引張の膜を形成したりして可動電極の応力制御を行って、可動電極が真空室とは反対側に凸となる形状になるのを防止する技術が提案されている。
このように可動電極を応力制御するための高温の熱処理を採用しないことは、微細プロセスで形成するＭＯＳ回路とのモノリシック集積化に好適である。
特許文献３でも言及されるように、圧力を測定する際に被測定物が可動電極に接すると、荷電物が可動電極に付着することがある。当該荷電物により可動電極の電位が乱れ、ひいては半導体圧力センサの出力が不安定になることがある。
そこで特許文献３では、可動電極の表面に、絶縁膜を介して、接地状態の電磁シールド用導電膜を導電性のポリシリコンで設ける技術が提案されている。これにより半導体圧力センサの信頼性が高まる。
なお、その他、本願に関連する先行技術文献として特許文献４〜７を挙げる。
特許第４２６７３２２号公報 特許第３３５９８７１号公報 特許第３３１０２１６号公報 特開２０１４−１１５１５３号公報 特開２００７−２７４０９６号公報 特開平１１−２８１５０９号公報 特開平０８−３３５７０７号公報
特許文献１で提案された技術では、圧縮応力のポリシリコン膜の下層に低応力の窒化膜を使用している。よってＣＭＯＳトランジスタのソース・ドレインを活性化させるアニールによってダイアフラムの応力解放を行うことは、ポリシリコンと窒化膜の線膨張係数の違いにより、温度変化の影響を受けて、ダイアフラムにたわみが生じ易い点で望ましくない。
また、ポリシリコンの圧縮応力と下層窒化膜の引張応力とにより、ダイアフラムは下に凸の形状になると考えられる。そしてこの形状はそれぞれの膜の製造バラツキの影響を受け易いという欠点があった。
特許文献２で提案された技術では、可動電極の一部の領域に圧縮応力または引張応力に制御された膜を形成する必要があり、応力制御した膜の成膜と、写真製版によるパターニングという追加の工程追加が必要である。かかる工程の追加は、全体としての製造工程を長く、かつ複雑にする点で望ましくない。
特許文献３で提案された技術では、可動電極のうち、シールド用導電膜が設けられる側にのみ、絶縁膜が形成される。熱膨張係数の異なる膜の積層構造が採用されることになる。これは可動電極のたわみの温度依存性が大きくかつ複雑にする。従って、印加される圧力の変化による可動電極のたわみの変化を、温度変化による可動電極のたわみの変化から切り分けなければならない。しかしそのような切り分けには複雑な補正が必要であろう。
かかる補正用の回路はＭＯＳ回路において集積化することは可能であろう。しかし補正用の回路を設けることは、回路規模を増大させ、これを含むチップのサイズも大きくなってしまう点で望ましくない。
本発明は、上記の観点に鑑みてなされたものであり、応力制御のための熱処理を必要とせず、かつ信頼性が高い半導体圧力センサを提供することを目的とする。
この発明にかかる半導体圧力センサは、半導体基板の主面に位置する固定電極と、前記半導体基板の厚み方向で空隙を介して、少なくとも前記固定電極に対向した位置で前記厚み方向に可動であるダイアフラムとを備える。前記ダイアフラムは、可動電極と、前記可動電極の前記空隙側に位置する第１絶縁膜と、前記可動電極の前記空隙とは反対側に位置し、前記第１絶縁膜と同じ膜種の第２絶縁膜と、前記可動電極とともに前記第２絶縁膜を挟むシールド膜とを有する。
この発明にかかる半導体圧力センサは、応力制御のための熱処理を必要とせず、かつ信頼性が高い。
第１の実施の形態にかかる半導体圧力センサの構成を示す断面図である。 第１の実施の形態にかかる半導体圧力センサの構成を示す断面図である。 第１の実施の形態にかかる半導体圧力センサの構成を示す平面図である。 ダイアフラムの構成を模式的に示した断面図である。 ダイアフラムの構成を模式的に示した断面図である。 第1の実施の形態にかかる半導体圧力センサの製造方法を説明する断面図である。 第1の実施の形態にかかる半導体圧力センサの製造方法を説明する断面図である。 第1の実施の形態にかかる半導体圧力センサの製造方法を説明する断面図である。 第1の実施の形態にかかる半導体圧力センサの製造方法を説明する断面図である。 第1の実施の形態にかかる半導体圧力センサの製造方法を説明する断面図である。 第1の実施の形態にかかる半導体圧力センサの製造方法を説明する断面図である。 第1の実施の形態にかかる半導体圧力センサの製造方法を説明する断面図である。 第1の実施の形態にかかる半導体圧力センサの製造方法を説明する断面図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる半導体圧力センサの構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる半導体圧力センサの構成を示す断面図である。 第２の実施の形態にかかる半導体圧力センサの製造方法を説明する断面図である。 第２の実施の形態にかかる半導体圧力センサの製造方法を説明する断面図である。 第２の実施の形態にかかる半導体圧力センサの製造方法を説明する断面図である。 第３の実施の形態にかかる半導体圧力センサの構成を示す断面図である。 第３の実施の形態にかかる半導体圧力センサの構成を示す平面図である。 本発明の第４の実施の形態にかかる半導体圧力センサの構成を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態にかかる半導体圧力センサの構成を示す断面図である。 本発明の第６の実施の形態にかかる半導体圧力センサの構成を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
第１の実施の形態．
図１および図２は、いずれも本発明の第１の実施の形態にかかる半導体圧力センサ１００Ａの構成を示す断面図である。図３は半導体圧力センサ１００Ａの構成を示す平面図である。図３の位置ＡＡは図１の断面が現れる位置を、位置ＢＢは図２の断面が現れる位置を、それぞれ示す。なお、図３では記号「１００Ａ」の横に「（１００Ｂ）」と付記されているが、これは後述する第２の実施の形態にかかる半導体圧力センサ１００Ｂの平面図でも図３の平面図を用いるからであり、その他の意義はない。
半導体圧力センサ１００Ａは、半導体基板１１において形成される。半導体基板１１においてＣＭＯＳ回路が構成される技術は、例えば特許文献４に詳述されるのでここでの説明は省略する。半導体基板１１は例えばシリコン基板である。
半導体圧力センサ１００Ａは、半導体基板１１の一方の主面に設けられる。図１および図２において、当該主面は半導体基板１１の下方に現れる面とは反対側の面である。
半導体圧力センサ１００Ａは、固定電極１８とダイアフラム６１とを備える。固定電極１８は半導体基板１１の主面に位置する。ダイアフラム６１は空隙５１を介して、少なくとも固定電極１８に対向して半導体基板１１の厚み方向（以下、単に「厚み方向」と称す）に可動である。
半導体基板１１の表面には第１ウエル領域１２と第２ウエル領域１３とが存在する。第１ウエル領域１２と第２ウエル領域１３とは互いに導電型が異なる。例えば第１ウエル領域１２の導電型がｐ型であれば、第２ウエル領域１３のそれはｎである。
固定電極１８は第１ウエル領域１２の表面に存在し、その導電型は第１ウエル領域１２の導電型と同じである。固定電極１８は不純物拡散層で実現され、その不純物濃度は第１ウエル領域１２のそれよりも高く、導電体として機能する。半導体基板１１の主面には、固定電極１８を囲む絶縁膜１９が存在する。かかる絶縁膜１９はいわゆるフィールド酸化膜で実現することができる。
絶縁膜１９のうち第１ウエル領域１２に存在するものと、第１ウエル領域１２との間には拡散層２０が存在する。拡散層２０の導電型は第１ウエル領域１２の導電型と同じであり、その不純物濃度は第１ウエル領域１２のそれよりも高く、導電体として機能する。拡散層２０は固定電極１８と接触し、いわゆる拡散リードとして機能する。当該拡散リードは、更に第１ウエル領域１２を含めて把握してもよい。
半導体基板１１に存在する第１ウエル領域１２、第２ウエル領域１３、フィールド酸化膜、および導電体として機能する不純物拡散層は、例えばＣＭＯＳ回路を実現する技術で周知である。
固定電極１８および絶縁膜１９は保護膜２５で覆われている。保護膜２５は空隙５１を形成する工程において固定電極１８をエッチングから保護する機能を担うが、半導体圧力センサ１００Ａの動作に関連する機能を担うものではない。また必ずしも絶縁膜１９を覆う必要はない。
ダイアフラム６１は可動電極３９と、第１絶縁膜３９ｄと、第２絶縁膜５８と、導電性のシールド膜５９とを有する。第１絶縁膜３９ｄと第２絶縁膜５８とには同じ膜種が採用され、たとえばいずれもＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate glass）系の酸化膜が用いられる。可動電極３９およびシールド膜５９はたとえば導電性のポリシリコンで形成される。
第１絶縁膜３９ｄは可動電極３９の空隙５１側に位置し、第２絶縁膜５８は可動電極３９の空隙５１とは反対側に位置する。シールド膜５９は、可動電極３９とともに第２絶縁膜５８を挟む。シールド膜５９の電位は固定され、たとえば接地電位に固定される。
なお、ダイアフラム６１に含まれる第１絶縁膜３９ｄおよび第２絶縁膜５８は、可動電極３９を挟むものを指す。換言すれば、第１絶縁膜３９ｄおよび第２絶縁膜５８のうち、それらが可動電極３９を挟まないで延在する部分は、ダイアフラム６１には含めない。
第２絶縁膜５８はシールド膜５９を可動電極３９と絶縁する機能を有する。このような可動電極３９と、第２絶縁膜５８と、シールド膜５９とが積層する構造自体は、例えば特許文献３によって公知であるので、これ以上の詳細な説明は省略する。
但し、荷電物がダイアフラム６１に付着しても、シールド膜５９の機能により、特許文献３で示された効果と同様にして、半導体圧力センサ１００Ａの出力は不安定にならないことを付言する。より詳細には、ダイアフラム６１に付着する荷電物、水分、および外部からのノイズの、半導体圧力センサ１００Ａへの影響は、第２絶縁膜５８およびシールド膜５９で遮断できる。
固定電極１８と可動電極３９とを、半導体圧力センサ１００Ａの外部と電気的に導通するための配線や電極も形成される。シールド膜５９を接地、たとえば半導体基板１１と接続するための配線も形成される。但しこれらの配線および電極を用いた外部との導通および接地はたとえば特許文献３，４等で周知であるので、図示および詳細な説明は省略する。
可動電極３９は固定電極１８との間に、半導体圧力センサ１００Ａに印加される圧力の検出に採用される静電容量を形成する。空隙５１は真空状態にあり、印加された絶対圧力に比例してダイアフラム６１がたわむ。ダイアフラム６１に印加された圧力の変化に対応してダイアフラムのたわみ量が変化することで、固定電極１８と可動電極３９間の距離が変化し、印加された絶対圧力が静電容量の変化として検出される。
第２絶縁膜５８の内部応力とシールド膜５９の内部応力との相違と、第２絶縁膜５８の内部応力と可動電極３９の内部応力との相違とは、ダイアフラム６１の内部応力の厚さ方向における勾配（以下、単に「応力勾配」と称す）を招来する。また第２絶縁膜５８の線膨張係数とシールド膜５９の線膨張係数との相違と、第２絶縁膜５８の線膨張係数と可動電極３９の線膨張係数との相違とは、ダイアフラム６１の変位の温度依存性を高める。かかるダイアフラム６１の応力勾配および温度依存性は、印加された圧力以外に可動電極３９の変位に影響を与える要因となる。かかる要因は上記の静電容量のオフセット、あるいは更に当該オフセットに温度依存性を発生させてしまう。
しかしながら第１絶縁膜３９ｄは、可動電極３９に関して第２絶縁膜５８とは反対側に位置する。よって第１絶縁膜３９ｄは、第２絶縁膜５８の熱膨張や内部応力がダイアフラム６１全体に及ぼす影響を低減する。かかる効果は可動電極３９の材質によらずに得られる。
第２絶縁膜５８と第１絶縁膜３９ｄとは膜種が同じであることは上述の通りであるが、更に、同じ成膜条件を採用して成膜することが望ましい。更には両者の膜厚を等しくすることが望ましい。但し、第１絶縁膜３９ｄは空隙５１を形成する工程において行われるエッチングから、可動電極３９を保護する機能をも有する。よって第２絶縁膜５８の膜厚は、第１絶縁膜３９ｄの成膜時の膜厚ではなく、当該エッチングの後の第１絶縁膜３９ｄの成膜時の膜厚と揃えることが望ましい。当該エッチングについては後述する。
以上のようにして、荷電物および水分の付着、外部からのノイズという誤差要因に対する信頼性を第２絶縁膜５８およびシールド膜５９により高めるのみならず、ダイアフラム６１の応力勾配およびダイアフラム６１の変位の温度依存性という誤差要因に対する信頼性も、第１絶縁膜３９ｄによって高められる。
ダイアフラム６１の断面視上の端部は固定部６０を呈し、固定部６０は絶縁膜１９に、半導体基板１１とは反対側で固定される。固定部６０と固定電極１８が形成する静電容量は圧力の変動に依存しないので、当該静電容量は、いわば圧力センサとしての静電容量に対する寄生容量といえる。この寄生容量を低減する観点からは、固定部６０は固定電極１８の周囲に存在する絶縁膜１９に固定されることが望ましい。
半導体圧力センサ１００Ａは、側壁３４を備える。側壁３４は、絶縁膜１９上に位置し、固定部６０と隣接する隣接面を有する。この隣接面は絶縁膜１９から離れるほど空隙５１側に近づく曲面である。よってダイアフラム６１の固定部６０の断面形状は曲線である。かかる固定部６０の形状は、ダイアフラム６１に圧力が印加された際に、固定部６０における応力の集中が回避される観点で望ましい。
第１層間絶縁膜４０および第２層間絶縁膜４５は、半導体圧力センサ１００Ａと並行して作成される他の回路、例えばＣＭＯＳ回路の電極を引き出して配線に接続する工程において利用される。当該工程は特許文献４等に開示されるように公知技術であるので、後に簡単には説明するが、詳細な説明は省略する。第２層間絶縁膜４５は、第１層間絶縁膜４０に対して半導体基板１１とは反対側（図１および図２では上側）に設けられる。
第２層間絶縁膜４５に対して半導体基板１１とは反対側には封止膜４７が設けられる。位置ＢＢの断面では、図２に示されるように、エッチングホール４６が第１層間絶縁膜４０、第２層間絶縁膜４５、第１絶縁膜３９ｄおよび第２絶縁膜５８を貫通し、空隙５１に連通する。
封止膜４７はエッチングホール４６およびこれと連通する位置での空隙５１に至り、空隙５１のエッチングホール４６における封止に寄与する。エッチングホール４６は空隙５１を形成する工程に寄与し、当該工程は特許文献４等に開示されるように公知技術であるので、後に簡単には説明するが、詳細な説明は省略する。
第１層間絶縁膜４０、第２層間絶縁膜４５および封止膜４７はダイアフラム６１の周囲を覆う。第１層間絶縁膜４０、第２層間絶縁膜４５および封止膜４７は少なくとも領域１０８を露出させる開口５４で開口する。領域１０８は空隙５１が存在する領域のうち、固定電極１８と対向する領域である。開口５４によって領域１０８が露出されることより、ダイアフラム６１のうち固定電極１８と対向する部分の可動性を確保し、圧力を大きく反映する静電容量の変化を精度良く検出するためである。
望ましくは更に、開口５４は、領域１０８の周囲、例えばダイアフラム６１のうち絶縁膜１９と対向する部分をも露出する。これは領域１０８の周囲におけるダイアフラム６１の可動性をも確保して、領域１０８でのダイアフラム６１の変位を増大させ、圧力を更に精度良く検出するためである。
領域１０３は空隙５１が存在する領域のうち、領域１０８の周囲にあって、エッチングホール４６と連通する領域である。よって領域１０３のうち、少なくともエッチングホール４６が存在する位置は、第１層間絶縁膜４０、第２層間絶縁膜４５および封止膜４７に覆われる。
本実施の形態では、可動電極３９が、厚み方向において固定電極１８に近い側から順に積層された、第１ポリシリコン層３９ａと、第２ポリシリコン層３９ｂと、第３ポリシリコン層３９ｃとで構成された場合が例示される。また、シールド膜５９が第４ポリシリコン層で構成される場合が例示される。これらのポリシリコン層はいずれも導電性を有する。
第１ポリシリコン層３９ａと第３ポリシリコン層３９ｃとシールド膜５９とが有する内部応力の方向は同じであり、かつ、これらの内部応力の方向と、第２ポリシリコン層３９ｂが有する内部応力の方向は反対であることが望ましい。可動電極３９を単層のポリシリコン層で構成場合と比較してダイアフラム６１の内部応力あるいは応力勾配が低減され、以てダイアフラム６１の変位の、ひいては圧力検出に採用される可動電極３９の変位の信頼性が高まるからである。
図４および図５はいずれも、ダイアフラム６１の構成を模式的に示した断面図である。図４では第１ポリシリコン層３９ａが圧縮性の内部応力Ｆａを、第３ポリシリコン層３９ｃが圧縮性の内部応力Ｆｃを、シールド膜５９が圧縮性の内部応力Ｆ５を、第２ポリシリコン層３９ｂが引張性の内部応力Ｆｂを、それぞれ有する場合を示す。図５では、第１ポリシリコン層３９ａが引張性の内部応力Ｆａを、第３ポリシリコン層３９ｃが引張性の内部応力Ｆｃを、シールド膜５９が引張性の内部応力Ｆ５を、第２ポリシリコン層３９ｂが圧縮性の内部応力Ｆｂを、それぞれ有する場合を示す。
これらの内部応力は図４および図５のいずれにおいてもブロック矢印で示され、その長さで内部応力の大きさが示されている。一般に発生する内部応力の大きさは、膜厚が厚いほど大きくなるので、図４および図５においても同様の傾向で矢印の長さが描かれている。
たとえば第１ポリシリコン層３９ａと第３ポリシリコン層３９ｃとシールド膜５９とは同じ成膜条件で成膜される。よってこれらに発生する内部応力は、その方向、つまり圧縮性であるか引張性であるかが一致し、かつ同じ厚さ当りの大きさが等しくなる。
第２ポリシリコン層３９ｂに関して、第１ポリシリコン層３９ａと、第３ポリシリコン層３９ｃおよびシールド膜５９とは互いに反対側に位置する。よって第１ポリシリコン層３９ａの膜厚と、第３ポリシリコン層３９ｃの膜厚とシールド膜５９の膜厚との和とを、互いに等しくすることで、ダイアフラム６１の全体での応力勾配を相殺することができる。これは無負荷時のダイアフラム６１のたわみ量をほぼ０にする観点でのぞましい。
応力勾配のみならず、ダイアフラム６１の全体での内部応力それ自体をも低減することができる。たとえば、同じ膜厚当りでの内部応力の大きさが、第１ポリシリコン層３９ａと、第２ポリシリコン層３９ｂと、第３ポリシリコン層３９ｃと、シールド膜５９とで互いに等しい場合、第１ポリシリコン層３９ａの膜厚と、第３ポリシリコン層３９ｃの膜厚と、シールド膜５９の膜厚との和を、第２ポリシリコン層３９ｂの膜厚に等しくすることにより、ダイアフラム６１の全体での内部応力は相殺される。
各ポリシリコン層の内部応力は、その製造プロセスの影響を受ける。しかし一般に膜厚が厚いほど、発生する内部応力の大きさも大きくなる。よって上述の構造を有するダイアフラム６１によれば、シールド膜５９を有しながらも、高温熱処理の追加や複雑なプロセスを必要とせずに、膜厚を調整するだけでダイアフラム６１の全体での応力勾配、あるいは更に内部応力それ自体を低減することができる。これは信頼性、精度が高い半導体圧力センサ１００Ａが容易に得られる観点で望ましい。
応力勾配を積極的に利用することもできる。図４に示される構成において、第１ポリシリコン層３９ａの膜厚を、第３ポリシリコン層３９ｃの膜厚とシールド膜５９の膜厚との和よりも薄くする。あるいは図５に示される構成において、第１ポリシリコン層３９ａの膜厚を、第３ポリシリコン層３９ｃの膜厚とシールド膜５９の膜厚との和よりも厚くする。このような膜厚の調整により、ダイアフラム６１には応力勾配が発生し、半導体基板１１へ向かって凸となる曲げモーメントが発生する。これは特許文献２で提案されるような、無負荷状態で半導体基板１１へ向かって凸となるダイアフラム６１を得たい場合に好適である。
つまり、各ポリシリコン層の膜厚を調整することにより、ダイアフラム６１の、ひいては可動電極３９の変位の応力依存性を制御することができる。
図４および図５を用いた説明では第１絶縁膜３９ｄおよび第２絶縁膜５８の内部応力を考慮から外した。これは第１絶縁膜３９ｄおよび第２絶縁膜５８の厚さはいずれも、第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂ、第３ポリシリコン層３９ｃ、シールド膜５９たる第４ポリシリコン層のいずれの厚さよりも薄いことを根拠とする。換言すれば、ダイアフラム６１の全体での応力の相殺、応力勾配の低減はある程度、第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂ、第３ポリシリコン層３９ｃ、シールド膜５９で行うことができる。
但し、第２絶縁膜５８と上記ポリシリコン層との線膨張係数との相違に起因した、ダイアフラム６１の変位の温度依存性を低減するには、第１絶縁膜３９ｄを設けることが望ましいのは既述の通りである。
第１絶縁膜３９ｄおよび第２絶縁膜５８が有する内部応力を判断基準として、図４に示される構成と、図５に示される構成とのいずれを採用するかを決定してもよい。
以下、図６から図１３を用いて、かかる構成を有する半導体圧力センサ１００Ａを製造する方法を説明する。図６から図１０は図３の位置ＡＡに相当する位置での断面図であり、図１１から図１３は図３の位置ＢＢに相当する位置での断面図である。
まず図６を参照する。半導体基板１１の主面に対し、ＣＭＯＳプロセスで周知の方法で、第１ウエル領域１２と第２ウエル領域１３とを形成する。具体的には不純物の注入と、熱拡散の工程が採用される。第１ウエル領域１２と第２ウエル領域１３とで導電型が異ならせるために注入される不純物の種類が選定される。
次に図７を参照する。絶縁膜１９を、たとえばＣＭＯＳプロセスで周知であるＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）法を使用してフィールド酸化膜として形成する。絶縁膜１９の膜厚は、０．２〜１．０μｍ程度である。絶縁膜１９は第２ウエル領域１３を覆い、第１ウエル領域１２を部分的に露出させる。
ＬＯＣＯＳ法は周知な技術であるので説明は簡単に留める。まず、半導体基板１１の主面に、下敷酸化膜、ポリシリコン膜およびシリコン窒化膜（いずれも不図示）をこの順に積層して形成する。これらの積層に対して所定の写真製版処理およびエッチングを施すことにより、絶縁膜１９を形成する領域のシリコン窒化膜を除去する。
続いて、再び写真製版処理を施すことにより、レジストマスク（不図示）を注入マスクとして、第１ウエル領域１２の主面のうち拡散層２０を形成すべき領域に不純物が注入される。当該不純物の導電型は第１ウエル領域１２と同じである。
そしてレジストマスクが除去される。次に、所定の条件のもとで酸化処理を施すことにより、シリコン窒化膜が除去された部分のポリシリコン膜が局所的に酸化されて、絶縁膜１９が形成される。その後、残されたシリコン窒化膜が除去される。
絶縁膜１９を形成する酸化処理の際、拡散層２０を形成すべき領域に注入された不純物が活性化され、拡散層２０が形成される。絶縁膜１９の直下の拡散層２０は、半導体圧力センサ１００Ａにおいて、固定電極１８の拡散リード部分の低抵抗化に貢献する。
次に、半導体基板１１に、たとえば熱酸化法により、絶縁性の保護膜２５が形成される。保護膜２５の形成には、ＣＭＯＳプロセスで周知のゲート酸化膜を形成する工程を利用できる。
次に図８を参照する。絶縁膜１９で囲まれた領域の第１ウエル領域１２に、第１ウエル領域１２と同じ導電型の不純物を保護膜２５を介して注入し、更に熱拡散を行って固定電極１８を形成する。かかる不純物注入においては、周知の技術、たとえばレジストマスク（不図示）を注入マスクとして採用することができる。
次に保護膜２５を覆うように犠牲膜２３を成膜する。例えば、ＣＭＯＳプロセスで周知の、ゲート電極を形成する工程を利用して、犠牲膜２３をポリサイド膜あるいは単なるポリシリコン膜で成膜する。
後述するように犠牲膜２３は除去されて半導体圧力センサ１００Ａには残置しないので、導電性を必須としない。但し、犠牲膜２３の形成に利用される工程はゲート電極を形成する工程であるので、ここでは犠牲膜２３が導電性を有する場合について説明する。
当該ポリサイド膜はたとえば、膜厚が５０〜３００ｎｍ程度のポリシリコン膜と、膜厚が５０〜３００ｎｍ程度のタングステンシリサイド（ＷＳｉ２）膜で構成される。当該ポリシリコン膜は、ＣＶＤ法によって形成される。その形成中、または、成膜直後に、リンを導入することによってｎ型のポリシリコン膜が得られる。タングステンシリサイド膜は、スパッタ法、または、ＣＶＤ法によって、当該ポリシリコン膜を覆うように成膜される。
このようにして成膜されたポリサイド膜をエッチングによって整形し、犠牲膜２３を形成する。犠牲膜２３は少なくとも固定電極１８を覆い、かつその周囲での絶縁膜１９へ乗り上げて位置する。かかる整形は、周知の写真製版処理を施して得られたレジストマスク（不図示）をエッチングマスクとして、周知のエッチング処理を行うことにより実現できる。
次に、犠牲膜２３の側面に側壁３４を形成する。側壁３４は固定電極１８に対しては保護膜２５で絶縁され、可動電極３９に対しては第１絶縁膜３９ｄで絶縁される。よって基本的には、半導体圧力センサ１００Ａに採用される観点では側壁３４の材料は、導電性であるか絶縁性であるかを問わない。
但し、側壁３４を形成する工程としては、ＣＭＯＳプロセスで周知の、ゲート電極の横に側壁を形成する工程を利用することができる。かかる観点では、側壁３４を形成する工程として、犠牲膜２３を覆う膜、たとえばＴＥＯＳ系の酸化膜を形成し、これに異方性のドライエッチング処理を施す工程を例示できる。
また、このようなドライエッチング処理を行うことは、絶縁膜１９から離れるほど空隙５１側に近づく曲面を、側壁３４の空隙５１とは反対側に形成できる観点で好適である。かかる曲面は犠牲膜２３周辺の段差を軽減し、以て犠牲膜２３に対する被覆性が良好な第１絶縁膜３９ｄの形成に資することとなり、ひいては上述の様に固定部６０の断面形状を曲線にする観点で望ましい。
その後、犠牲膜２３、保護膜２５および側壁３４を覆う第１絶縁膜３９ｄが、たとえばＴＥＯＳ系の酸化膜で成膜される。
次に図９を参照する。第１絶縁膜３９ｄ上に可動電極３９を形成する。可動電極３９は上述の積層構造を有している。第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂ、第３ポリシリコン層３９ｃをこの順に順次に成膜し、その後にこれらを整形して可動電極３９が形成される。
たとえば第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂ、第３ポリシリコン層３９ｃのいずれもが、減圧ＣＶＤ法を用いて成膜される。これらのポリシリコン膜の内部応力は、成膜時の温度で制御されることが周知である。たとえば、圧縮性の応力を有するポリシリコン膜を得るには成膜時の温度を６２０℃とし、引張の応力を有するポリシリコン膜を得るには成膜時の温度を５８０℃とする。
可動電極３９には導電性が要求されるので、第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂ、第３ポリシリコン層３９ｃには、それぞれの成膜中、または、成膜の直後に、不純物を導入する。導入される不純物によって得られる導電型は、ｎ型でもｐ型でもよい。但し、可動電極３９の全体としての導電性の観点からは、第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂ、第３ポリシリコン層３９ｃ同士では同じであることが望ましい。
第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂ、第３ポリシリコン層３９ｃの平面視上の形状を同一にしても構わない。本実施の形態ではそのような形状を想定している。よってこれらの整形は、１回の写真製版処理、加工処理で行うことができる。つまり可動電極３９の形成には複雑な工程追加を必要とせず、可動電極３９の内部応力を簡単に制御できるので、工程数の増加が抑制される。これはコストの上昇を抑制する観点でも望ましい。
次に図１０および図１１を参照する。可動電極３９を覆う第２絶縁膜５８、シールド膜５９を、この順に成膜する。これらはいずれもＣＶＤ法を用いて成膜することができる。但し第２絶縁膜５８は、第１絶縁膜３９ｄと同じ膜種であって、同じ条件で形成される。両者の膜厚の関係については上述したとおりである。
シールド膜５９には、その成膜中、または、成膜の直後に、不純物を導入する。導入される不純物によって得られる導電型は、ｎ型でもｐ型でもよい。シールド膜５９は写真製版処理、エッチング処理によって整形される。ダイアフラム６１の膜厚は５００〜２０００ｎｍ程度である。
次に図１２を参照する。ダイアフラム６１、第２絶縁膜５８およびシールド膜５９を覆う第１層間絶縁膜４０を成膜する。第１層間絶縁膜４０には、その表面に敷設されるアルミ配線およびその厚さ方向に貫通するコンタクトホールが、周知の技術によって形成される。当該コンタクトホールを介して固定電極１８、可動電極３９、シールド膜５９がアルミ配線と接続され、これらと半導体圧力センサの外部との導通がアルミ配線を介して得られる。かかる導通を得るための技術はたとえば特許文献４等で周知であるので、ここではコンタクトホールおよびアルミ配線の図示ならびに詳細な説明は省略する。
上述のアルミ配線（図示省略）および第１層間絶縁膜４０を覆う第２層間絶縁膜４５を成膜する。第２層間絶縁膜４５にはたとえばＰＥ−ＴＥＯＳ（Plasma Enhanced-Tetra Ethyl Ortho Silicate glass）によって成膜される。そして写真製版処理、エッチング処理を施すことにより、平面視上でダイアフラム６１が存在しない位置での犠牲膜２３に到達するエッチングホール４６を、第１層間絶縁膜４０、第２層間絶縁膜４５、第２絶縁膜５８、第１絶縁膜３９ｄを貫通して開口する。ここではシールド膜５９が存在しない位置にエッチングホール４６が位置する場合が例示されている。
エッチングホール４６にエッチング液を投入する。当該エッチング液はたとえばポリシリコンをエッチングするエッチャントである。これは犠牲膜２３をエッチングするが、第１絶縁膜３９ｄおよび保護膜２５のいずれも顕著にはエッチングしない。これにより図１および図２に示された空隙５１が得られる。
但し、第１絶縁膜３９ｄが犠牲膜２３をエッチングすることで受ける影響も考慮すると、上述の様に、第２絶縁膜５８の膜厚は、当該エッチングの後の第１絶縁膜３９ｄの成膜時の膜厚と揃えることが望ましい。
次に図１３を参照する。第２層間絶縁膜４５を覆い、エッチングホール４６を封止する絶縁性の封止膜４７を成膜する。かかる成膜は真空雰囲気中で行われるので、空隙５１は真空室となる。さらに第１層間絶縁膜４０、第２層間絶縁膜４５、封止膜４７を周知の技術で整形し、図１および図２に示される構成が得られる。
上記のように半導体圧力センサ１００Ａを形成する工程の多くは、ＭＯＳ回路を形成する微細な半導体プロセスを利用することができる。しかもダイアフラム６１の内部応力を制御するための新たな熱処理は必要とされない。上述された各ポリシリコン層の成膜温度は５６０〜７５０℃程度で足り、特許文献１で紹介されるような９００℃以上の高温処理は必要ではない。よって半導体圧力センサ１００ＡをＭＯＳ回路とモノリシックに形成してもＭＯＳ回路を損なわない。換言すれば半導体圧力センサ１００ＡはＭＯＳ回路とモノリシックに集積化することに適している。
第２の実施の形態．
図１４および図１５は、いずれも本発明の第２の実施の形態にかかる半導体圧力センサ１００Ｂの構成を示す断面図である。図１４は図３の位置ＡＡで現れる断面を、図１５は図３の位置ＢＢで現れる断面を、それぞれ示す。
半導体圧力センサ１００Ｂは、半導体圧力センサ１００Ａとは、可動電極３９の積層構造のみが相違する。より具体的には半導体圧力センサ１００Ｂの可動電極３９は、厚み方向において固定電極１８に近い側から順に積層された、第１ポリシリコン層３９ａと、第２ポリシリコン層３９ｂとで構成された場合が例示される。つまり、半導体圧力センサ１００Ｂは、半導体圧力センサ１００Ａから第３ポリシリコン層３９ｃを省略した構成を備える。
半導体圧力センサ１００Ｂも、半導体圧力センサ１００Ａと同様に、ダイアフラム６１に印加される圧力が変化すると、ダイアフラム６１のたわみ量が変化し、可動電極３９と固定電極１８間の距離が変化し、これが静電容量の変化として検出される。
半導体圧力センサ１００Ｂにおいて、たとえば第１ポリシリコン層３９ａおよびシールド膜５９の内部応力を引張性とし、第２ポリシリコン層３９ｂ内部応力を圧縮性とする。あるいは第１ポリシリコン層３９ａおよびシールド膜５９の内部応力を圧縮性とし、第２ポリシリコン層３９ｂ内部応力を引張性とする。第１の実施の形態で説明されたように、各層におけるこのような応力制御は、たとえばその成膜時の温度制御によって実現できる。
半導体圧力センサ１００Ａと同様に半導体圧力センサ１００Ｂにおいても、第２絶縁膜５８と同じ膜種の第１絶縁膜３９ｄを設けることで、可動電極３９と第２絶縁膜５８との内部応力の相違、およびシールド膜５９と第２絶縁膜５８との内部応力の相違に起因した、ダイアフラム６１の応力勾配が低減される。また、可動電極３９と第２絶縁膜５８との線膨張係数の相違、およびシールド膜５９と第２絶縁膜５８との線膨張係数の相違に起因した、ダイアフラム６１の変位の温度依存性が低減される。
特に第１絶縁膜３９ｄと第２絶縁膜５８の膜厚が等しいことが望ましい点についても、第１の実施の形態での説明が第２の実施の形態でも妥当する。
第１ポリシリコン層３９ａとシールド膜５９とは、内部応力の方向が一致する。よってダイアフラム６１の応力勾配が低減される。
特に第１ポリシリコン層３９ａとシールド膜５９の膜種および成膜条件並びに厚さを等しくし、ダイアフラム６１の応力勾配が相殺される。これは、ダイアフラム６１を無負荷状態でほぼ平坦にする観点、つまり無負荷状態でのダイアフラム６１のたわみ量をほぼ０にする観点で望ましい。
無負荷状態で半導体基板１１へ向かって凸となるダイアフラム６１を得たい場合には、ダイアフラム６１の応力勾配による曲げモーメントを利用できる。たとえば第１ポリシリコン層３９ａおよびシールド膜５９の内部応力が引張性である場合には、シールド膜５９よりも第１ポリシリコン層３９ａを厚くすることが好適である。たとえば第１ポリシリコン層３９ａおよびシールド膜５９の内部応力が圧縮性である場合には、第１ポリシリコン層３９ａよりもシールド膜５９を厚くすることが好適である。
応力勾配のみならず、ダイアフラム６１の全体での内部応力それ自体をも低減することができる。たとえば、同じ膜厚当りでの内部応力が、第１ポリシリコン層３９ａと、第２ポリシリコン層３９ｂと、シールド膜５９とで互いに等しい場合、第１ポリシリコン層３９ａの膜厚とシールド膜５９の膜厚との和を、第２ポリシリコン層３９ｂの膜厚に等しくすることにより、ダイアフラム６１の全体での内部応力は相殺される。
よって半導体圧力センサ１００Ｂにおいても、半導体圧力センサ１００Ａと同様に、荷電物および水分の付着、外部からのノイズという誤差要因に対する信頼性を高いのみならず、ダイアフラム６１の応力勾配およびダイアフラム６１の変位の温度依存性という誤差要因に対する信頼性も高い。
また各ポリシリコン層の膜厚を調整することにより、ダイアフラム６１の、ひいては可動電極３９の変位の応力依存性を制御することができる。
図１６から図１８を用いて半導体圧力センサ１００Ｂを製造する方法を説明する。図１６から図１８は図３の位置ＢＢに相当する位置での断面図である。半導体圧力センサ１００Ｂの製造工程は、第２ポリシリコン層３９ｂを形成するところまで、半導体圧力センサ１００Ａの製造工程が採用される。
図１６を参照して、第１絶縁膜３９ｄ上に第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂをこの順に順次に成膜し、その後にこれらを整形して可動電極３９が形成される。
たとえば第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂの成膜条件には、第１の実施の形態で説明された成膜条件が採用される。
第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂの平面視上の形状を同一にしても構わない。本実施の形態ではそのような形状を想定している。よってこれらの整形は、１回の写真製版処理、加工処理で行うことができる。つまり半導体圧力センサ１００Ａと同様、可動電極３９の形成には複雑な工程追加を必要とせず、可動電極３９の内部応力を簡単に制御できるので、工程数の増加が抑制される。これはコストの上昇を抑制する観点でも望ましい。
次に可動電極３９を覆う第２絶縁膜５８、シールド膜５９を、この順に成膜する。これらの成膜条件には、第１の実施の形態で説明された成膜条件が採用される。シールド膜５９は写真製版処理、エッチング処理によって整形される。ダイアフラム６１の膜厚は５００〜２０００ｎｍ程度である。
次に図１７を参照する。ダイアフラム６１、第２絶縁膜５８およびシールド膜５９を覆う第１層間絶縁膜４０を成膜し、第１層間絶縁膜４０を覆う第２層間絶縁膜４５を成膜する。これらの成膜条件には、第１の実施の形態で説明された成膜条件が採用される。
第１の実施の形態と同様にして、エッチングホール４６が、第１層間絶縁膜４０、第２層間絶縁膜４５、第２絶縁膜５８、第１絶縁膜３９ｄを貫通して開口される。
エッチングホール４６にエッチング液を投入し、犠牲膜２３をエッチングして、図１４および図１５示された空隙５１が得られる。
次に図１８を参照する。第２層間絶縁膜４５を覆い、エッチングホール４６を封止する絶縁性の封止膜４７を成膜する。かかる成膜は真空雰囲気中で行われるので、空隙５１は真空室となる。さらに第１層間絶縁膜４０、第２層間絶縁膜４５、封止膜４７を周知の技術で整形し、図１４および図１５に示される構成が得られる。
上記のように半導体圧力センサ１００Ｂを形成する工程は、半導体圧力センサ１００Ａを形成する工程から第３ポリシリコン層３９ｃを形成する工程を省略したものである。よって半導体圧力センサ１００Ｂを形成する工程は、半導体圧力センサ１００Ａを形成する工程と比較して工程数が少ない点で有利である。しかも半導体圧力センサ１００Ｂも半導体圧力センサ１００Ａと同様にＭＯＳ回路とモノリシックに集積化することに適している。
第３の実施の形態．
図１９は本発明の第３の実施の形態にかかる半導体圧力センサ１００Ｃの構成を示す断面図である。図２０は半導体圧力センサ１００Ｃの構成を示す平面図である。図２０の位置ＣＣは図１９の断面が現れる位置を示す。
図１９を図１と比較して、半導体圧力センサ１００Ｃは半導体圧力センサ１００Ａに対して、固定電極１８の周囲で空隙５１が存在する領域が広い点で相違する。つまり半導体圧力センサ１００Ｃでは、空隙５１が絶縁膜１９とダイアフラム６１との間にも位置することが明確に現れている。本実施の形態以降では、半導体圧力センサ１００Ａにおける領域１０３（図２および図３参照）を含め、固定電極１８の周囲で空隙５１が存在する領域を領域１０９として把握する。
ダイアフラム６１は、領域１０９において、厚み方向で空隙５１を介して絶縁膜１９にも対向し、かつ、絶縁膜１９に対向する位置においても厚み方向に可動である。しかし可動電極３９と固定電極１８との間の静電容量は、領域１０９における、可動電極３９のたわみの影響を殆ど受けない。
他方、領域１０９における可動電極３９は、領域１０８における可動電極３９を囲む。しかも開口５４は、領域１０８のみならず、封止されるエッチングホール４６（図２、図１５等参照）近傍を除いて領域１０９を露出させる。よって領域１０９における可動電極３９は、領域１０８における可動電極３９のたわみを大きくさせるバネとして機能する。かかる領域１０９が広いことは、静電容量が半導体圧力センサ１００Ｃに印加される圧力に対して大きく依存する観点で、つまり圧力を検出する感度および精度が高まる観点で望ましい。
たとえば図１９に現れる断面において、領域１０９での可動電極３９の長さは、領域１０８における可動電極３９の長さの１／２〜３倍程度が適当である。
かかる半導体圧力センサ１００Ｃは半導体圧力センサ１００Ａと同様にして製造されるが、空隙５１を広く採るため、整形後の犠牲膜２３（図８〜図１２参照）を絶縁膜１９側に広く設ける。
図１９では半導体圧力センサ１００Ｃが、半導体圧力センサ１００Ａと同様に、可動電極３９として第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂ、第３ポリシリコン層３９ｃの三層構造を例示している。半導体圧力センサ１００Ｃは、半導体圧力センサ１００Ｂと同様にして、可動電極３９として第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂの二層構造としてもよい。第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂ、第３ポリシリコン層３９ｃ、第１絶縁膜３９ｄ、第２絶縁膜５８、シールド膜５９のそれぞれに対する、応力の方向、膜厚についての好適な設定は、第１の実施の形態および第２実施の形態で説明された設定と同様である。
よって半導体圧力センサ１００Ｃにおいても、半導体圧力センサ１００Ａ，１００Ｂと同様に、荷電物および水分の付着、外部からのノイズという誤差要因に対する信頼性を高いのみならず、ダイアフラム６１の応力勾配およびダイアフラム６１の変位の温度依存性という誤差要因に対する信頼性も高い。
半導体圧力センサ１００Ｃにおいてもダイアフラム６１の形状が固定部６０を呈し、固定部６０は絶縁膜１９に、半導体基板１１とは反対側で固定される。側壁３４が絶縁膜１９上に位置し、固定部６０と隣接する隣接面が絶縁膜１９から離れるほど空隙５１側に近づく曲面であることが望ましい。半導体圧力センサ１００Ｃにおけるこれらの特徴についての利点は、半導体圧力センサ１００Ａ，１００Ｂと同様である。
第４の実施の形態．
図２１は本発明の第４の実施の形態にかかる半導体圧力センサ１００Ｄの構成を示す断面図である。図２１の断面が現れる位置は、図１９の断面が現れる位置と対応する。
半導体圧力センサ１００Ｄでは半導体圧力センサ１００Ｃの領域１０９においてダイアフラム６１の形状が固定部１１０を呈する点で相違する。当該固定部１１０と半導体基板１１との間には空隙５１が存在せず、当該固定部１１０には第１絶縁膜３９ｄと保護膜２５とが接触する。たとえば固定部１１０は平面視上、領域１０８を囲んで環状に、あるいは間欠的に環状に設けられる。
固定部１１０は、半導体圧力センサ１００Ｃと同様に領域１０９が広く設けられていても、領域１０９における可動電極３９が、領域１０８における可動電極３９に対するバネとしての機能を阻害する。この観点からは、固定部１１０は領域１０９のうち、領域１０８に近い位置に設けられることが望ましい。
このように半導体圧力センサ１００Ｄでは、半導体圧力センサ１００Ｃと同様に、空隙５１が絶縁膜１９とダイアフラム６１との間にも位置し、ダイアフラム６１は、領域１０９において、厚み方向で空隙５１を介して絶縁膜１９にも対向する。しかし、ダイアフラム６１は、絶縁膜１９に対向する位置においては厚み方向に固定される。
半導体圧力センサ１００Ｄは、半導体圧力センサ１００Ｃの参照用として好適である。固定部１１０を絶縁膜１９上に形成しているので、固定部１１０の存在それ自身は、半導体圧力センサ１００Ｃ，１００Ｄ間での静電容量の差をもたらさない。よって半導体圧力センサ１００Ｄの静電容量の値を基準とした、半導体圧力センサ１００Ｃの静電容量の変化のうち、製造バラツキや圧力変化以外の要因によるものはキャンセルされる。よって半導体圧力センサ１００Ｃ，１００Ｄ同士の静電容量の差を用いることにより、高精度に圧力を検出することができる。
かかる目的のため、半導体圧力センサ１００Ｃは，半導体圧力センサ１００Ｄと共にモノリシックに集積化されることが望ましい。
半導体圧力センサ１００Ｄは、半導体圧力センサ１００Ｃと同様にして製造することができる。但し、固定部１１０を設けるために、絶縁膜１９上の犠牲膜２３（図８〜図１２参照）について、環状に除去する。
なお、犠牲膜２３のエッチングを領域１０９側から行って領域１０８側にも及ばせるために、領域１０８，１０９の間で犠牲膜２３を連通させることが望ましい。よって犠牲膜２３を環状に完全に除去せず、間欠的に環状に除去することが望ましい。これにより固定部１１０は、領域１０８と領域１０９とを完全には分離しないものの、領域１０９における可動電極３９を領域１０８における可動電極３９に対するバネとして機能させないことには足りる。
第５の実施の形態．
図２２は本発明の第５の実施の形態にかかる半導体圧力センサ１００Ｅの構成を示す断面図である。図２２の断面が現れる位置は、図１９の断面が現れる位置と対応する。
図２２を図１と比較して、半導体圧力センサ１００Ｅは半導体圧力センサ１００Ａに対して、固定電極１８の周囲で空隙５１が存在する領域が広い点で相違する。つまり半導体圧力センサ１００Ｅでは、半導体基板１１の主面のうち固定電極１８を囲む周囲主面と、ダイアフラム６１との間にも空隙５１が位置する。当該周囲主面は、領域１０９における半導体基板１１の主面であると言える。
空隙５１は、固定電極１８の周囲において、ここでは領域１０９において厚み方向で蛇行する。そしてダイアフラム６１は、領域１０９に対向する位置においても厚み方向に可動である。
本実施の形態においても固定電極１８の周囲で空隙５１が存在する領域を領域１０９として把握する。但し本実施の形態においては第４の実施の形態とは異なり、領域１０９は絶縁膜１９が設けられている領域のみならず、固定電極１８および絶縁膜１９のいずれもが設けられていない領域をも含む。具体的には図２２において左側に図示された領域１０９では、半導体基板１１の主面には絶縁膜１９と第１ウエル領域１２とが設けられる。図２２において右側に図示された領域１０９では、半導体基板１１の主面には絶縁膜１９と第２ウエル領域１３とが設けられる。
第１ウエル領域１２では絶縁膜１９の下方、つまり空隙５１と反対側には拡散層２０が設けられている。但しこれは絶縁膜１９によって空隙５１よりも可動電極３９から大きく隔てられている。よって拡散層２０自身は固定電極としては機能せず、固定電極１８からの拡散リードとして機能するに留まる。
絶縁膜１９は、第１の実施の形態において図８から図１８を参照して示されたように、空隙５１の厚み方向の位置を決定する機能をも担う。具体的には、絶縁膜１９が設けられた領域では、絶縁膜１９が設けられない領域と比較して、犠牲膜２３が半導体基板１１から離れて成膜される。よって空隙５１も、絶縁膜１９が設けられた領域では、絶縁膜１９が設けられない領域と比較して、半導体基板１１から離れて位置する。
本実施の形態では絶縁膜１９が、領域１０９のうちの領域１０８寄りの端部と、領域１０９から遠い側の端部とに設けられるので、領域１０９において空隙５１は、厚み方向で蛇行する。たとえばダイアフラム６１も領域１０９において厚み方向で蛇行する。具体的には領域１０９においてダイアフラム６１は半導体基板１１と反対側に凹部１０７を呈する。
また、開口５４は、領域１０８のみならず、封止されるエッチングホール４６（図２、図１５等参照）近傍を除いて領域１０９を露出させる。よって領域１０９における可動電極３９は、領域１０８における可動電極３９のたわみを大きくさせるバネとして機能する。かかる領域１０９において空隙５１が厚み方向に蛇行することは、静電容量が半導体圧力センサ１００Ｅに印加される圧力に対して大きく依存する観点で、つまり圧力を検出する感度および精度が高まる観点で望ましい。
かかる半導体圧力センサ１００Ｅは半導体圧力センサ１００Ｃと同様にして製造されるが、空隙５１を蛇行させるため、絶縁膜１９は、領域１０８の周囲にも設ける。
図２２では半導体圧力センサ１００Ｅが、半導体圧力センサ１００Ａと同様に、可動電極３９として第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂ、第３ポリシリコン層３９ｃの三層構造を例示している。半導体圧力センサ１００Ｅは、半導体圧力センサ１００Ｂと同様にして、可動電極３９として第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂの二層構造としてもよい。第１ポリシリコン層３９ａ、第２ポリシリコン層３９ｂ、第３ポリシリコン層３９ｃ、第１絶縁膜３９ｄ、第２絶縁膜５８、シールド膜５９のそれぞれに対する、応力の方向、膜厚についての好適な設定は、第１の実施の形態および第２実施の形態で説明された設定と同様である。
よって半導体圧力センサ１００Ｅにおいても、半導体圧力センサ１００Ａ，１００Ｂと同様に、荷電物および水分の付着、外部からのノイズという誤差要因に対する信頼性を高いのみならず、ダイアフラム６１の応力勾配およびダイアフラム６１の変位の温度依存性という誤差要因に対する信頼性も高い。
半導体圧力センサ１００Ｅにおいてもダイアフラム６１の断面視上の端部が固定部６０を呈し、固定部６０は絶縁膜１９に、半導体基板１１とは反対側で固定される。側壁３４が絶縁膜１９上に位置し、固定部６０と隣接する隣接面が絶縁膜１９から離れるほど空隙５１側に近づく曲面であることが望ましい。半導体圧力センサ１００Ｅにおけるこれらの特徴についての利点は、半導体圧力センサ１００Ａ，１００Ｂと同様である。
第６の実施の形態．
図２３は本発明の第６の実施の形態にかかる半導体圧力センサ１００Ｆの構成を示す断面図である。図２３の断面が現れる位置は、図１９の断面が現れる位置と対応する。
半導体圧力センサ１００Ｆは半導体圧力センサ１００Ｅの領域１０９においてダイアフラム６１の形状が固定部１１０を呈する点で相違する。当該固定部１１０と半導体基板１１との間には空隙５１が存在せず、当該固定部１１０には第１絶縁膜３９ｄと保護膜２５とが接触する。
固定部１１０は、半導体圧力センサ１００Ｅと同様に領域１０９が広く設けられていても、領域１０９における可動電極３９が、領域１０８における可動電極３９に対するバネとしての機能を阻害する。この観点からは、固定部１１０は領域１０９のうち、領域１０８に近い位置に設けられることが望ましい。たとえば固定部１１０は平面視上、絶縁膜１９が設けられた位置において設けられる。
このように半導体圧力センサ１００Ｆでは、半導体圧力センサ１００Ｅと同様に、空隙５１が絶縁膜１９とダイアフラム６１との間にも位置し、ダイアフラム６１は、領域１０９において、厚み方向で空隙５１を介して絶縁膜１９にも対向する。しかし、ダイアフラム６１は、絶縁膜１９に対向する位置においては厚み方向に固定される。
半導体圧力センサ１００Ｆは、半導体圧力センサ１００Ｅの参照用として好適である。固定部１１０を絶縁膜１９上に形成しているので、固定部１１０の存在それ自身は、半導体圧力センサ１００Ｅ，１００Ｆ間での静電容量の差をもたらさない。よって半導体圧力センサ１００Ｆの静電容量の値を基準とした、半導体圧力センサ１００Ｅの静電容量の変化のうち、製造バラツキや圧力変化以外の要因によるものはキャンセルされる。よって半導体圧力センサ１００Ｅ，１００Ｆ同士の静電容量の差を用いることにより、高精度に圧力を検出することができる。
かかる目的のため、半導体圧力センサ１００Ｅは，半導体圧力センサ１００Ｆと共にモノリシックに集積化されることが望ましい。
半導体圧力センサ１００Ｆは、半導体圧力センサ１００Ｅと同様にして製造することができる。固定部１１０を設けるために、絶縁膜１９上の犠牲膜２３（図８〜図１２参照）については環状に除去する。但し犠牲膜２３を環状に完全に除去せず、間欠的に環状に除去することが望ましい点については、半導体圧力センサ１００Ｄと同様である。
本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態の任意の構成要素を適宜に変形したり、各実施の形態において任意の構成要素を省略したりすることが可能である。
上記の実施の形態では、各構成要素の材質、材料、実施の条件等についても記載しているが、これらは例示であって記載したものに限られるものではない。
１１ 半導体基板、１８ 固定電極、１９ 絶縁膜、３４ 側壁、３９ 可動電極、３９ａ 第１ポリシリコン層、３９ｂ 第２ポリシリコン層、３９ｃ 第３ポリシリコン層、３９ｄ 第１絶縁膜、５１ 空隙、５８ 第２絶縁膜、５９ シールド膜、６０ 固定部、６１ ダイアフラム、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ 半導体圧力センサ。

Claims (11)

  1. 半導体基板の主面に位置する固定電極と、
    前記半導体基板の厚み方向で空隙を介して、少なくとも前記固定電極に対向した位置で前記厚み方向に可動であるダイアフラムと
    を備える半導体圧力センサであって、
    前記ダイアフラムは、
    可動電極と、
    前記可動電極の前記空隙側に位置する第１絶縁膜と、
    前記可動電極の前記空隙とは反対側に位置し、前記第１絶縁膜と同じ膜種の第２絶縁膜と、
    前記可動電極とともに前記第２絶縁膜を挟むシールド膜と
    を有する半導体圧力センサ。
  2. 前記可動電極は、前記厚み方向において前記固定電極に近い側から順に積層された、圧縮性の内部応力を有する第１ポリシリコン層と、引張性の内部応力を有する第２ポリシリコン層と、圧縮性の内部応力を有する第３ポリシリコン層とで構成され、
    前記シールド膜は圧縮性の内部応力を有する第４ポリシリコン層である、請求項１記載の半導体圧力センサ。
  3. 前記可動電極は、前記厚み方向において前記固定電極に近い側から順に積層された、引張性の内部応力を有する第１ポリシリコン層と、圧縮性の内部応力を有する第２ポリシリコン層と、引張性の内部応力を有する第３ポリシリコン層とで構成され、
    前記シールド膜は引張性の内部応力を有する第４ポリシリコン層である、請求項１記載の半導体圧力センサ。
  4. 前記可動電極は、前記厚み方向において前記固定電極に近い側から順に積層された、圧縮性の内部応力を有する第１ポリシリコン層と、引張性の内部応力を有する第２ポリシリコン層とで構成され、
    前記シールド膜は圧縮性の内部応力を有する第４ポリシリコン層である、請求項１記載の半導体圧力センサ。
  5. 前記可動電極は、前記厚み方向において前記固定電極に近い側から順に積層された、引張性の内部応力を有する第１ポリシリコン層と、圧縮性の内部応力を有する第２ポリシリコン層とで構成され、
    前記シールド膜は引張性の内部応力を有する第４ポリシリコン層である、請求項１記載の半導体圧力センサ。
  6. 前記半導体基板の前記主面において前記固定電極を囲む第３絶縁膜を更に備え、
    前記ダイアフラムの形状は、断面上の端部で、前記第３絶縁膜に前記半導体基板とは反対側で固定される固定部を呈する、請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の半導体圧力センサ。
  7. 前記第３絶縁膜上で前記固定部と隣接する隣接面を有して前記第３絶縁膜上に位置する側壁
    を更に備え、
    前記隣接面は前記第３絶縁膜から離れるほど前記空隙側に近づく曲面である、請求項６記載の半導体圧力センサ。
  8. 前記空隙は、前記第３絶縁膜と前記ダイアフラムとの間にも位置し、
    前記ダイアフラムは、前記厚み方向で前記空隙を介して前記第３絶縁膜にも対向し、かつ、前記第３絶縁膜に対向する位置においても前記厚み方向に可動である、請求項６または請求項７に記載の半導体圧力センサ。
  9. 前記空隙は、前記第３絶縁膜と前記ダイアフラムとの間にも位置し、
    前記ダイアフラムは、前記厚み方向で前記空隙を介して前記第３絶縁膜にも対向し、かつ、前記第３絶縁膜に対向する位置において前記厚み方向に固定される、請求項６または請求項７に記載の半導体圧力センサ。
  10. 前記空隙は、前記半導体基板の前記主面のうち前記固定電極を囲む周囲主面と、前記ダイアフラムとの間にも位置し、
    前記空隙は、少なくとも前記固定電極の周囲において前記厚み方向で蛇行し、
    前記ダイアフラムは、前記周囲主面に対向する位置においても前記厚み方向に可動である、請求項１から請求項８のいずれか一つに記載の半導体圧力センサ。
  11. 前記空隙は、前記半導体基板の前記主面のうち前記固定電極を囲む周囲主面と、前記ダイアフラムとの間にも位置し、
    前記空隙は、少なくとも前記固定電極の周囲において前記厚み方向で蛇行し、
    前記ダイアフラムは、前記周囲主面に対向する位置において前記厚み方向に固定される、請求項１から請求項８のいずれか一つに記載の半導体圧力センサ。
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