JP2021012146A - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造安定性が高く、高精度な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１００は、一主面１ａに基準圧力室１０となる凹部３が形成された第一のシリコン基板１、第一のシリコン基板１の一主面１ａに酸化膜８を介して接合され、凹部３を覆う第二のシリコン基板２、凹部３の上方に位置する第二のシリコン基板２に形成されたダイヤフラム５と、ダイヤフラム５に形成された感圧素子部であるゲージ抵抗６とを含む圧力検出部２０を備えており、基準圧力室１０となる凹部３は、第一のシリコン基板１の一主面１ａの開口領域の輪郭を構成する縁部３１と、その縁部３１の内側に位置する基準圧力室１０の容積を稼ぐための、縁部３１よりも深く形成された主凹部３０を有している。【選択図】図２

Description

本願は、半導体圧力センサおよびその製造方法に関するものである。

従来の半導体圧力センサとして、基準圧力室が第一のシリコン基板の一主面に設けられるとともに、第一のシリコン基板に接合された第二のシリコン基板に感圧素子部が設けられ、基準圧力室となる凹部がアライメントマークよりも深い一定の深さとなるように設けられた例が開示されている（例えば、特許文献１）。
また、半導体圧力センサの基準圧力室が第一のシリコン基板に接合された第二のシリコン基板の接合面に設けられるとともに、第二のシリコン基板の裏面側に感圧素子部が設けられ、基準圧力室となる凹部が一定の深さとなるように設けられた例が開示されている（例えば、特許文献２）。

特許第5639985号公報 特許第4250788号公報

従来の技術にあっては、基準圧力室の容積を確保するため、基準圧力室を構成する凹部を第一のシリコン基板の一主面を一定の深さに掘り下げることによって形成していた。しかし、容積確保のために凹部の深さが大きくなるにともなって、ダイヤフラム外形形状を規定する凹部の開口上端部の輪郭形状の精度が低下する傾向があった。

例えば、特許文献１のように、第一のシリコン基板の上面に凹部が形成され、凹部の開口上端部側に第二のシリコン基板が貼り合わされて基準圧力室が設けられる構成の場合、第二のシリコン基板の上面側からの加工によりダイヤフラムおよび感圧素子部等が形成される。凹部の開口上端部の輪郭形状が乱れ、歪に形成されている場合にあっては、感圧素子部等の形成時に、ダイヤフラム端部に異常な応力集中が生じ、ダイヤフラムの破壊耐圧が低下するという問題があった。

本願は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、基準圧力室となる凹部の容積を確保しつつ、その基準圧力室の外形形状の精度を向上させることにより、製造安定性および信頼性が高い半導体圧力センサを得ること、およびその製造方法を得ることを目的とするものである。

本願に係わる半導体圧力センサは、一主面に基準圧力室となる凹部が形成された第一のシリコン基板、上記第一のシリコン基板の上記一主面に酸化膜を介して接合され、上記凹部を覆う第二のシリコン基板、上記凹部の上方に位置する上記第二のシリコン基板に形成されたダイヤフラムと、上記ダイヤフラムに形成された感圧素子部とを含む圧力検出部を備え、上記基準圧力室は、上記第一のシリコン基板の上記一主面の開口領域の輪郭を構成する縁部と、上記縁部の内側に位置する主凹部とを有し、上記主凹部は上記縁部よりも深く形成されたことを特徴とするものである。

また、本願に関わる半導体圧力センサの製造方法は、第一のシリコン基板の一主面の基準圧力室の形成領域を掘り下げ、第一の凹部を形成する工程、上記第一の凹部の輪郭を形成する縁部を残し、上記縁部の内側の上記第一の凹部の底面部を掘り下げて上記基準圧力室の主凹部を構成する第二の凹部を形成する工程、上記第一のシリコン基板の上記一主面に酸化膜を介して第二のシリコン基板を接合し、上記第一の凹部と上記第二の凹部よりなる凹部を上記第二のシリコン基板によって覆い上記基準圧力室を形成する工程、上記第二のシリコン基板を加工し、上記基準圧力室の上方にダイヤフラムを形成する工程、上記第二のシリコン基板に感圧素子部を形成する工程を含むものである。

本願の半導体圧力センサによれば、基準圧力室となる凹部を、基準圧力室の輪郭を構成する縁部と、容積を確保するための主凹部により構成し、主凹部の外周部を主凹部よりも浅く形成した縁部で取り囲んだ構成としたため、基準圧力室およびダイヤフラムの外形形状の精度を向上させることができ、製造安定性および信頼性が高い半導体圧力センサを得ることが可能となる。

また、本願の半導体圧力センサの製造方法によれば、基準圧力室の縁部を構成する第一の凹部を形成した後、第一の凹部の底面を掘り下げることで主凹部を構成する第二の凹部を形成するため、第二の凹部の形成前に加工面にマスク部材を精度よく形成することができ、第二の凹部の形成後にマスク部材を除去しやすいという効果が得られる。

実施の形態１による半導体圧力センサがウェハに形成された状態を示す断面図である。 図１の半導体圧力センサを示す要部拡大断面図と基準圧力室の平面図である。 実施の形態２による半導体圧力センサの製造工程を示す図であり、基準圧力室を構成する第一の凹部形成時の断面図と第一の凹部の平面図である。 半導体圧力センサの製造工程を示す図であり、基準圧力室を構成する第二の凹部形成時の断面図と基準圧力室となる凹部の平面図である。 半導体圧力センサの製造工程を示す図であり、酸化膜形成時の断面図である。 半導体圧力センサの製造工程を示す図であり、圧力検出部形成時の断面図である。

実施の形態１．
本願の実施の形態１による半導体圧力センサ１００について、図１および図２を用いて説明する。図１は実施の形態１による半導体圧力センサ１００が多数作り込まれた一枚のウェハ１０１の断面図であり、ウェハ１０１から個々の半導体圧力センサ１００を切り離すダイシングを行う前段階の状態を示している。図２は、図１のウェハ１０１に設けられた１チップ分の半導体圧力センサ１００を示す要部拡大断面図と基準圧力室１０（圧力室、キャビティ）の平面図である。
図１に示すように、ダイシング前の段階ではウェハ１０１の平面（ウェハ１０１端部のテラス部１２以外の面部）には多数の半導体圧力センサ１００が行列配置されている。

図２に示すように、一つの半導体圧力センサ１００は、基準圧力室１０を構成する凹部３およびアライメントマーク４が設けられた第一のシリコン基板１と、ダイヤフラム５およびゲージ抵抗６等の感圧素子部が設けられた第二のシリコン基板２とが酸化膜８を介して接合された構成となっている。圧力検出部２０は、基準圧力室１０、ダイヤフラム５、ゲージ抵抗６等によって構成される。第一のシリコン基板１の一主面１ａに開口された凹部３が真空雰囲気内において第二のシリコン基板２により封止されることで、凹部３の内部空間は基準圧となる高真空に保たれる。

ここで、ダイヤフラム５の形状は凹部３の開口部の開口上端部形状およびその容積により規定され、一主面１ａ上において凹部３とダイヤフラム５の形成領域は一致している。第一のシリコン基板１の一主面１ａに設けられる凹部３の形状および容積は、後工程で形成するダイヤフラム５の厚さを考慮し、半導体圧力センサ１００として所期の感圧特性、破壊耐圧等が得られるように決定される。
例えば、測定圧力が４気圧程度までであれば、ダイヤフラム５の厚さは１０〜３０μｍ、ダイヤフラム５の平面形状は一辺が２００〜５００μｍ程度の正方形に設定することができる。

図２の平面図に示すように、基準圧力室１０を構成する凹部３は、主凹部３０と、一主面１ａにおいてその主凹部３０を取り囲む縁部３１とを有している。これら主凹部３０と縁部３１とはいずれも凹部３の内部空間を指している。縁部３１は、第一のシリコン基板１の一主面の開口領域の輪郭（開口上端部の外形形状）を構成し、縁部３１の輪郭がダイヤフラム５の外形形状となる。そして、縁部３１の内側に縁部３１よりも深く掘り下げられて設けられた主凹部３０は、基準圧力室１０の容積を稼ぐように構成されている。基準圧力室１０は２段階の深さに形成されており、基準圧力室１０の形成領域の内周部に位置する縁部３１に対し、縁部３１の内側に位置する主凹部３０がより深く形成され、いずれの底面部も一主面１ａと平行な平坦面となっている。

主凹部３０の深さは典型的には５０〜３００μｍ程度の範囲となるように設けられ、第一のシリコン基板１の一主面１ａから掘り下げられる主凹部３０の深さが大きいほど基準圧力室１０の容積を大きく確保でき、基準圧力室１０にスローリークなどがあった場合でも圧力変動を小さくでき、特性変動を小さくできるという利点があるが、一方で加工時間が長くなりスループットが低下するため、典型的な範囲の中から適正な値が選定されて主凹部３０の加工が行われる。

仮に、基準圧力室１０が主凹部３０のみで構成されていた場合には、図２の平面図に示すような主凹部３０の劣化した輪郭（直線形状に形成されるべきところが歪に折れ曲がり、形状異常部を含む輪郭）によってダイヤフラム５の外形が規定されてしまうが、本願では基準圧力室１０の外形形状を主凹部３０ではなく、その外側に位置する縁部３１によって規定することで、輪郭形状の劣化を抑制している。縁部３１は、例えば典型的なアライメントマーク４と同じ深さである１〜２μｍ程度に形成することができる。このアライメントマーク４は、例えば凹部３の形成領域以外に設けられ、加工対象となる領域に近く配置されるほど、アライメント精度を向上させることが可能となることは言うまでもない。

上述したように、基準圧力室１０の縁部３１の深さは、輪郭形状劣化を抑制する観点から浅く形成する必要があり、典型的にはアライメントマーク４と同じ深さの１〜２μｍ程度とすることが可能である。主凹部３０の大きさについては、確保すべき基準圧力室１０の容積から設定し、その深さについては、加工負荷の観点から可能な限り浅くする方が好ましい。したがって、一主面１ａ上における主凹部３０の形成領域を広く確保するために、縁部３１の幅を可能な限り狭く、つまり、主凹部３０と縁部３１の辺長を可能な限り近づけるように設定を行う。例えば、主凹部３０の一辺を縁部３１の一辺よりも、典型的には１０〜２０μｍ程度短く設定することが好適である。また、縁部３１の一主面１ａ上での幅が一定となるように主凹部３０を凹部３の中央に配置することが適している。

この実施の形態１による半導体圧力センサによれば、基準圧力室１０の容積を確保する主凹部３０を、ダイヤフラム５の形状を規定する縁部３１よりも内側に設けるようにしたため、基準圧力室１０となる凹部３の外形形状の劣化を抑制するとともに、十分な容積確保が可能となる。その結果、従来構造の凹部３を一定の深さに形成した場合と比べて、圧力印加時にダイヤフラム５の端部に異常な応力集中が生じることがなく、ダイヤフラム５の破壊耐圧を向上させることでき、高精度な製品を得ることが可能となる。

したがって、半導体圧力センサウェハの製造工程内においてダイヤフラム５が破壊に至ることを未然に防止できることに伴って、当該半導体圧力センサウェハの歩留まりが向上し、製造安定性を高めることができ、最終製品としての半導体圧力センサの信頼性を向上させることができる。さらに、半導体圧力センサウェハ製造設備の汚損を未然に防止できることで、他製品の製造、品質への影響を排除することができるという効果が得られる。

実施の形態２．
次に、本願の実施の形態２による半導体圧力センサ１００の製造方法について、図３から図６の工程図を用いて説明する。上述の実施の形態１において示した半導体圧力センサ１００を得るための製造方法は様々あるが、この実施の形態２においては、基準圧力室１０となる凹部３の形成順として最も適した製造方法の一つについて説明する。
この実施の形態２による半導体圧力センサの製造方法では、凹部３を形成する際、まずアライメントマーク４の形成と同時に第一の凹部３ａを凹部３の形成領域の全面に形成し、基準圧力室１０を縁取る縁部３１を得、次に、その縁部３１を残して第一の凹部３ａの底面を掘り下げることによって第二の凹部３ｂを形成し、第二の凹部３ｂの内部空間と第二の凹部３ｂの直上に位置する第一の凹部３ａの内部空間とによって主凹部３０を得る工程を含んでいる。

以下、順を追って説明する。
まず、図３のように、ウェハ１０１よりなる第一のシリコン基板１に、後工程においてゲージ抵抗６等を形成する際の位置合わせに必要となるアライメントマーク４と、ダイヤフラム５の外形形状を規定する基準圧力室１０の一部となる第一の凹部３ａとを同時に、プラズマエッチング等によって形成する。アライメントマーク４、凹部３はともに１〜２μｍ程度の深さに形成される。
なお、第一の凹部３ａとアライメントマーク４とは、別工程において形成することも可能であるが、同時に形成することによって工程数増大を抑制することが可能であることは言うまでもない。

次に、図４に示すように、アライメントマーク４を基準に位置合わせを行い、第一の凹部３ａの輪郭を構成する縁部３１を残し、縁部３１の内側を掘り下げて主凹部３０を形成する。この時、例えば、主凹部３０となる領域に開口部を有するマスク部材（例えばレジスト膜）を第一のシリコン基板１の上面に写真製版によって形成し、そのマスク部材を用いてエッチングを行い、第一の凹部３ａよりも深い第二の凹部３ｂを形成する。この第二の凹部３ｂは後に圧力センサとしての基準圧力室１０の主たる部分を構成する。この第二の凹部３ｂの深さは５０〜３００μｍ程度が望ましいが、その深さが５０μｍ以上と深いため、ボッシュプロセスによるＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）装置を用いるのが一般的であるが、TMAH（Tetramethyl ammonium hydroxide）などのアルカリエッチング液を用いたウェットエッチング等を用いることもできる。

なお、基準圧力室１０を構成する縁部３１は、第一の凹部３ａを縁取る輪郭部分に相当しており、主凹部３０は、第一の凹部３ａの縁部３１の内側に位置する部分と第二の凹部３ｂとを合わせた部分に相当している。

第二の凹部３ｂを開口する前には、上述のように第一の凹部３ａ上にはマスク部材となるレジスト膜が塗布形成されるが、第一の凹部３ａが１〜２μｍと浅いため第一の凹部３ａを含む加工面上にレジストを塗布することが容易であるため、マスク部材の形成精度を高めることができ、パターニング特性が向上する。また、第一の凹部３ａが浅く形成されるためにレジスト除去工程においてレジストの残留が無く、その後の異物発生、処理装置内の汚染等を抑制することができる。

ここで、仮に、主凹部３０を形成後、主凹部３０の外周上端部に縁部３１を形成する場合は、縁部３１よりも深く形成される主凹部３０の内部にレジストが異物として残留しやすく、その後の製造過程において不具合が生じる。しかし、上述のように、本願では基準圧力室１０を構成する凹部３を、縁部３１、主凹部３０の順に形成することでレジスト残留を回避でき、主凹部３０と縁部３１の２段階の深さの凹部３よりなる基準圧力室１０を良好な状態で形成することが可能となる。

次に、図５に示すように、第一のシリコン基板１を熱酸化し、ウェハ１０１の表裏面全体に酸化膜８を形成する。酸化膜８の厚さは０．２〜１μｍ程度が好適である。なお、説明を簡略化するため、機能上関係がない第一のシリコン基板１の裏面１ｂ側の酸化膜については図示していない。

次に、図６に示すように、第一のシリコン基板１の凹部３が形成された一主面１ａ側に、あらかじめ用意しておいた第二のシリコン基板２を重ね合わせ、真空チャンバー内において、真空排気し、かつ、約１１００℃の環境下に置いて熱酸化することによって第一のシリコン基板１と第二のシリコン基板２を接合させる。この真空雰囲気内における第一のシリコン基板１と第二のシリコン基板２との貼り合わせにより、凹部３が完全に気密封止されて基準圧力室１０が形成される。

次に、第二のシリコン基板２の露出した表面をグラインダーなどで研削して薄肉化し、さらに、第二のシリコン基板２の表面を鏡面状態に仕上げるため、CMP（Chemical Mechanical Polish）などによる研磨を行う。これにより、ダイヤフラム５が完成する。
次に、ステッパーを用いてアライメントマーク４に対して位置合わせし、ダイヤフラム５の所定の位置にゲージ抵抗６等の感圧素子部を形成することで圧力検出部２０が完成する。

なお、感圧素子部の形成時、アライメントマーク４は第二のシリコン基板２により完全に覆われた状態となっているため、表裏いずれにも表出していないが、赤外線カメラを用いてアライメントマーク４を検出し、位置合わせを行うことができる。赤外線はシリコン基板を透過するため、第二のシリコン基板２に覆われた状態であっても、第二のシリコン基板２側からアライメントマーク４を認識することができる。ゲージ抵抗６等の形成時には、赤外線カメラによって検出した加工対象領域に近いアライメントマーク４を位置合わせのために用いることで、精度の良い加工を行うことが可能となる。

その後、第二のシリコン基板２の表面に保護膜７を形成し、圧力検出部２０を保護することで、図２に示した半導体圧力センサ１００を得ることができる。ここで、保護膜７としては、厚さ１μｍ程度の耐湿性のある窒化膜を用いることができる。
なお、図示した半導体圧力センサ１００はウェハ１０１に作り込まれたダイシング前の状態であるため、その後、個々の半導体圧力センサ１００の寸法となるようにダイシングライン部に沿って切断することで、個別のチップに加工することができる。このとき、アライメントマーク４がダイシングライン部上に配置されていれば、アライメントマーク４の切除が可能であることは言うまでもない。

この実施の形態２による半導体圧力センサ１００の製造方法によれば、一旦浅い第一の凹部３ａを形成した後に、その内部に第一の凹部３ａよりも深い第二の凹部３ｂを形成する手順により凹部３を形成したため、主凹部３０形成後に縁部３１を形成する場合と比較して、より平坦な面にマスク部材を配置することができ、凹部３形成時のマスク部材を高精度に形成でき、パターニング特性を改善できるという効果が得られる。また、マスク部材の下地の凹凸が少ないため、第二の凹部３ｂの加工後におけるレジスト除去が容易となり、異物の残留を抑制することができる。

さらに、半導体圧力センサウェハの製造工程において、凹部３内へのレジスト残留を未然に防止することができるため、当該半導体圧力センサウェハの歩留まりが向上し、製造安定性を高めることができ、最終製品としての半導体圧力センサの信頼性を向上させることができる。さらに、半導体圧力センサウェハ製造設備の汚損を未然に防止することが可能である。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 第一のシリコン基板、 １ａ 一主面、 １ｂ 裏面、
２ 第二のシリコン基板、 ３ 凹部、３ａ 第一の凹部、 ３ｂ 第二の凹部、
４ アライメントマーク、 ５ ダイヤフラム、 ６ ゲージ抵抗、 ７ 保護膜、
８ 酸化膜、 １０ 基準圧力室、 １２ テラス部、 ２０ 圧力検出部、
３０ 主凹部、 ３１ 縁部、 １００ 半導体圧力センサ、 １０１ ウェハ

本願に係わる半導体圧力センサは、一主面に気密封止された基準圧力室となる凹部とアライメントマークとが形成された第一のシリコン基板、上記第一のシリコン基板の上記一主面に酸化膜を介して接合され、上記凹部と上記アライメントマークとを覆う第二のシリコン基板、上記凹部の上方に位置する上記第二のシリコン基板に形成されたダイヤフラムと、上記ダイヤフラムに形成された感圧素子部とを含む圧力検出部を備え、上記基準圧力室は、上記第一のシリコン基板の上記一主面の開口領域の輪郭を構成する縁部と、上記縁部の内側に位置する主凹部とを有し、上記主凹部は上記縁部よりも深く形成され、上記アライメントマークは上記凹部が形成されない領域に、上記縁部と同じ深さに形成されたことを特徴とするものである。

また、本願に関わる半導体圧力センサの製造方法は、第一のシリコン基板の一主面の基準圧力室の形成領域を掘り下げ、第一の凹部を形成する工程、上記第一の凹部の輪郭を形成する縁部を残し、上記縁部の内側の上記第一の凹部の底面部を掘り下げて上記基準圧力室の主凹部を構成する第二の凹部を形成する工程、上記第一のシリコン基板の上記一主面に酸化膜を介して第二のシリコン基板を接合し、上記第一の凹部と上記第二の凹部よりなる凹部を上記第二のシリコン基板によって覆い気密封止された上記基準圧力室を形成する工程、上記第二のシリコン基板を加工し、上記基準圧力室の上方にダイヤフラムを形成する工程、上記第二のシリコン基板に感圧素子部を形成する工程を含み、上記第一の凹部の形成と同時に、上記第一のシリコン基板の上記一主面の上記第一の凹部が形成されない領域に、上記第一の凹部と同じ深さにアライメントマークを形成することを特徴とするものである。

本願の半導体圧力センサによれば、気密封止された基準圧力室となる凹部を、基準圧力室の輪郭を構成する縁部と、容積を確保するための主凹部により構成し、主凹部の外周部を主凹部よりも浅く形成した縁部で取り囲んだ構成としたため、基準圧力室およびダイヤフラムの外形形状の精度を向上させることができ、また、アライメントマークが第二のシリコン基板で覆われているため、製造安定性および信頼性が高い半導体圧力センサを得ることが可能となる。

また、本願の半導体圧力センサの製造方法によれば、気密封止された基準圧力室の縁部を構成する第一の凹部とアライメントマークとを同時に形成した後、第一の凹部の底面を掘り下げることで主凹部を構成する第二の凹部を形成するため、第二の凹部の形成前に加工面にマスク部材を精度よく形成することができ、第二の凹部の形成後にマスク部材を除去しやすく、製造工程数を抑制することが可能となる。

Claims (4)

1. 一主面に基準圧力室となる凹部が形成された第一のシリコン基板、
   上記第一のシリコン基板の上記一主面に酸化膜を介して接合され、上記凹部を覆う第二のシリコン基板、
   上記凹部の上方に位置する上記第二のシリコン基板に形成されたダイヤフラムと、上記ダイヤフラムに形成された感圧素子部とを含む圧力検出部を備え、
   上記基準圧力室は、上記第一のシリコン基板の上記一主面の開口領域の輪郭を構成する縁部と、上記縁部の内側に位置する主凹部とを有し、上記主凹部は上記縁部よりも深く形成されたことを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 上記縁部と上記主凹部の底面部は、各々、上記一主面に平行な平坦面であることを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサ。
3. 第一のシリコン基板の一主面の基準圧力室の形成領域を掘り下げ、第一の凹部を形成する工程、
   上記第一の凹部の輪郭を形成する縁部を残し、上記縁部の内側の上記第一の凹部の底面部を掘り下げて上記基準圧力室の主凹部を構成する第二の凹部を形成する工程、
   上記第一のシリコン基板の上記一主面に酸化膜を介して第二のシリコン基板を接合し、上記第一の凹部と上記第二の凹部よりなる凹部を上記第二のシリコン基板によって覆い上記基準圧力室を形成する工程、
   上記第二のシリコン基板を加工し、上記基準圧力室の上方にダイヤフラムを形成する工程、
   上記第二のシリコン基板に感圧素子部を形成する工程を含むことを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
4. 上記第一の凹部の形成と同時に、上記第一のシリコン基板の上記一主面の上記第一の凹部が形成されない領域に、上記第一の凹部と同じ深さにアライメントマークを形成することを特徴とする請求項３記載の半導体圧力センサの製造方法。

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