JP2803321B2 - 半導体感歪センサ - Google Patents

半導体感歪センサ

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JP2803321B2 JP2113944A JP11394490A JP2803321B2 JP 2803321 B2 JP2803321 B2 JP 2803321B2 JP 2113944 A JP2113944 A JP 2113944A JP 11394490 A JP11394490 A JP 11394490A JP 2803321 B2 JP2803321 B2 JP 2803321B2
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semiconductor
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、二枚の半導体基板を中間絶縁膜を挟んで接
合した接合基板を用いた半導体感歪センサの製造方法に
関する。
[従来の技術] 半導体基板を薄肉化して形成した起歪部に半導体歪み
素子を設け、起歪部の歪量を電気的に検出することによ
り圧力や加速度を検出する半導体感歪センサでは、測定
精度の向上のために起歪部を一般に異方性エッチングに
よって形成している(第8図参照)。しかし、このよう
に異方性エッチングにより起歪部を形成すると、起歪部
寸法は高精度化できるものの、起歪部のエッジの形状変
化が急峻であるので、このエッジに応力が集中して起歪
部耐力が低下し、圧力センサでは耐圧力性能が、加速度
センサでは耐衝撃性が等方性エッチングの場合より低下
する欠点がある。
この問題を改善するために、特開昭62−60270号公報
は、異方性エッチングに続いて等方性エッチングを行っ
て、エッジ100の面取りを行っており、また、特開平1
−274478号公報は、異方性エッチングに続いてフレオン
ガス系プラズマドライエッチングを行ってエッジに凹部
を形成している。
[発明が解決しようとする課題] 上述した二つの先行技術の方法によれば上記エッジへ
の応力集中を緩和できるものの、以下に説明する新たな
不具合が生じる。
すなわちどちらの技術を用いるにしても、異方性エッ
チングにより露出する起歪部の露出面が、等方性エッチ
ング又はフレオンガス系プラズマドライエッチングによ
り再エッチされてしまう。
これら等方性エッチング又はフレオンガス系プラズマ
ドライエッチングは上記異方性エッチングより寸法精度
(特に深さ方向精度)が格段に悪く、その結果、この等
方性エッチング又はフレオンガス系プラズマドライエッ
チングによるエッチング量のばらつきが起歪部寸法(肉
厚)のばらつきとなって、測定精度のばらつきを生じさ
せる。もちろん、これら等方性エッチング又はフレオン
ガス系プラズマドライエッチングのエッチング量を減少
すればエッチング量の絶対ばらつき量も低下するが、当
然、エッジの面取り又はエッジへの凹部形成が不完全と
なる。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、優れ
た起歪部耐力を有するとともに測定精度のばらつきが少
ない半導体感歪センサを提供することをその解決すべき
課題としている。
[課題を解決するための手段] 本発明の半導体感歪センサは、薄肉の感歪部用半導体
基板及び厚肉の基部用半導体基板を中間絶縁膜を挟んで
接合して形成された接合基板と、 前記基部用半導体基板の所定領域に凹設された第1凹
部と、 前記第1凹部に隣接して前記感歪部用半導体基板に設
けられた起歪部と、 前記起歪部に設けられた半導体歪み素子と、 を備える半導体感歪センサにおいて、 前記第1凹部と起歪部との間の前記中間絶縁膜に凹設
される第2凹部を備え、 該第2凹部は、前記第1凹部に隣接する前記基部用半
導体基板と前記感歪部用半導体基板との間に延在するア
ンダーカット領域を有し、 前記アンダーカット領域の側面は前記感歪部用半導体
基板側から前記基部用半導体基板側に向かうにつれて前
記第2凹部の中心から遠ざかる形状を有することを特徴
としている。
好適な態様において、前記アンダーカット領域は、ジ
ャストエッチ点よりも深く凹設されていることを特徴と
している。
[作用及び発明の効果] 本発明の半導体感歪センサは、第1凹部と起歪部との
間の中間絶縁膜に凹設される第2凹部が、この第1凹部
に隣接する基部用半導体基板と感歪部用半導体基板との
間に横方向に食込んで延在(侵入)するアンダーカット
領域を有し、かつ、このアンダーカット領域の側面が感
歪部用半導体基板側から基部用半導体基板側に向かうに
つれて第2凹部の中心から遠ざかる形状を有している。
このために、確実な理由は不明であるものの、大幅な
起歪部耐力の向上が可能となることがわかった。
推測するに、アンダーカット領域の側面が感歪部用半
導体基板側から基部用半導体基板側に向かうにつれて第
1凹部から遠ざかる形状をもつので、この部位における
応力集中が緩和されるのではないかということ、及び、
アンダーカット領域が第1凹部に隣接する基部用半導体
基板と感歪部用半導体基板との間に横方向に食込んで形
成されるのも何等かの関連があるのではないかというこ
とが理由として挙げられる。
本発明の半導体感歪センサの製造方法は、接合基板の
中間絶縁膜をエッチング停止線として上記第1凹部の部
分をエッチングして起歪部を形成し、この起歪部表面に
露出する中間絶縁膜の部分を等方性エッチングして起歪
部端縁に沿ってアンダーカット領域を形成している。
したがってこの製造方法によれば、以下の効果を奏す
ることができる。
すなわち、深さ方向の寸法精度が良くない等方性エッ
チングを用いるにもかかわらず、中間絶縁膜の等方性エ
ッチングであるので、起歪部を構成する感歪部用半導体
基板のエッチングをほとんど無視することができ、その
結果として、高い寸法精度が要求される起歪部をこの等
方性エッチングプロセスから保護することができ、それ
に起因する測定精度のばらつきを防止することができ
る。
更に、なんらマスクを必要とすることなく、中間絶縁
膜の等方性エッチングによって、アンダーカット領域
(基部用半導体基板と感歪部用半導体基板との間に横方
向に食込んで形成される領域)を簡単なプロセスで形成
することができる。
また、第6図に示すように、アンダーカット領域をジ
ャストエッチ点よりも深く凹設することにより最高の絶
縁破壊耐圧を得ることができる。
[実施例] (実施例1) 本発明の半導体感歪センサの一例として、シリコン圧
力センサを第1図により説明する。
このセンサは、薄肉の第1基板(本発明でいう感歪部
用半導体基板)1及び厚肉の第2基板(本発明でいう基
部用半導体基板)2を酸化シリコン膜(本発明でいう中
間絶縁膜)3を挟んで接合して形成された接合基板10を
具備し、第2基板2の所定領域には第1凹部4が凹設さ
れている。第1凹部4に隣接して第1基板1には薄肉の
起歪部5が設けられており、起歪部5には半導体歪み素
子6が設けられている。また、第1凹部4と起歪部5と
の間の酸化シリコン膜3が凹設されて第2凹部7が形成
されており、この第2凹部7は、第1凹部4に隣接する
第2基板2と第1基板1との間に延在する(横方向に喰
込む)アンダーカット領域71を有している。アンダーカ
ット領域71の側面72は、第1基板1側から第2基板2側
に向かうにつれて第2凹部7の中心から遠ざかる斜面形
状を有している。
このセンサの構造の詳細については、以下の製造方法
の説明とともに詳述してゆく。
このセンサの製造方法は、それぞれ単結晶シリコンか
らなる第2基板2及び第1基板1で酸化シリコン膜3を
挟んで接合して接合基板10を形成する接合基板形成工程
(第2図参照)と、第1基板1を薄肉化した後、第1基
板1に半導体歪み素子6を形成する素子形成工程(第2
図参照)と、酸化シリコン膜3をエッチング停止線とし
て第2基板2を異方性エッチングして第2基板2の所定
領域に起歪部4を形成する起歪部形成工程(第3図及び
第4図参照)と、起歪部4の表面に露出する酸化シリコ
ン膜3を等方性エッチングして起歪部4の端縁に沿って
アンダーカット領域71を形成するアンダーカット領域形
成工程と(第1図参照)を順次実施してなる。
(接合基板形成工程) 面方位が(100)、比抵抗が3〜5Ω・cm、N-型で、
一方の主表面に1μm厚の酸化シリコン膜3が熱酸化法
により形成された第2基板2と、面方位が(100)であ
るN-型の第1基板1とを用意し、第1基板1及び酸化シ
リコン膜3の表面を清浄化し、酸化シリコン膜3を挟む
ように第1基板1と第2基板2とを直接接合して接合基
板10を形成する(第2図参照)。
(素子形成工程) 第1基板1の露出した主表面を研磨し、次いで、ミラ
ーポリッシュ仕上げして1〜50μmの厚さとする(第2
図参照)。
その後、ホトリソ法及び熱拡散法またはイオン注入法
を用いて第1基板1の表面に高濃度のボロンを拡散して
半導体歪み素子6を形成する。次に、第1基板1の表面
に約0.5μm厚の酸化シリコン膜8aを熱酸化法等により
形成し、半導体歪み素子6上方の酸化シリコン膜8aをホ
トリソ法を用いて開孔する。次に、アルミ膜(図示せ
ず)を真空蒸着した後、ホトリソ法を用いてエッチング
してアルミ電極線(図示せず)を形成し、このアルミ電
極線の一端を半導体歪み素子6にコンタクトさせる(第
2図参照)。
(起歪部形成工程) 第2基板2の表面にCVD法により窒化シリコン膜8を
形成する(第2図参照)。その後、プラズマエッチング
により窒化シリコン膜8を開口し(第3図参照)、ワッ
クス(図示せず)などで保護が必要な表面を保護した
後、露出した第2基板2を異方性エッチングして第1凹
部4を形成する。なお、第1凹部4は半導体歪み素子6
の直下近傍に位置しており、異方性エッチングを酸化シ
リコン膜3で停止させて形成されている。この異方性エ
ッチングはKOH水溶液で実施される(第6図参照)。
(アンダーカット領域形成工程) 次に49%フッ酸溶液と水との重量比が1:1であるHF水
溶液を用いて起歪部5(第1凹部4に面する第1基板2
の領域)表面に露出する酸化シリコン膜3を等方性エッ
チングし、同時に両基板1、2の間の酸化シリコン膜3
をアンダーカットして、第2凹部7を形成し、同時に、
起歪部5の端縁に沿ってアンダーカット領域71を形成す
る。
このようにして製造されたシリコン圧力センサは、第
6図に示すように、ジャストエッチ点の近傍を極大点と
して従来例(酸化シリコン膜3を等方性エッチングしな
い場合)に比較して大幅な起歪部耐圧を有することがわ
かった。
なお、ここでいう“ジャストエッチ”とは、酸化シリ
コン膜3の上面31(第4図参照)で測定したアンダーカ
ット幅が酸化シリコン膜3の膜厚に等しいエッチング状
態をいう。
なお、本発明の半導体感歪センサは、上記の他、ダイ
ヤフラム(起歪部)の中央部分に剛体部分(肉厚部分)
を有する、いわゆるE型ダイヤフラムと呼ばれる構造の
圧力センサはもちろん、第7図に示すようなシリコン加
速度センサにも当然応用できる。
このシリコン加速度センサは貫通溝40を形成して起歪
部51と質量部52とからなるカンチレバー部(片持ち梁
部)を形成する点の他は、上記シリコン圧力センサと同
じ製造工程で製造することができる。また、ここには片
持ち梁構造の加速度センサについては図示したが、両持
ち梁等、他の梁構造の加速度センサについても同様の効
果が得られる。
好適な態様において、酸化シリコン膜3の厚さは、0.
2〜10μmに設定される。
0.2μmを下回るとエッジ部への応力集中の緩和が充
分でなく、10μmを超えると製造が困難になりぶどまり
が低下する。もちろん、起歪部5上の酸化シリコン膜3
の一部を残すことも可能である。また、第2凹部7の深
さは0.2μm以上とすることが好ましい。0.2μmを下回
ると、応力緩和が不十分となり、起歪部5の耐力が低下
する。
更に、上記実施例では酸化シリコン膜3の等方性エッ
チングにより起歪部5上の酸化シリコン膜3を完全にエ
ッチングしているので、起歪部5の寸法ばらつきを極め
て正確に制御できるという利点がある。
なお、第1凹部のエッチングはウェット及びドライの
どちらでも良く、ただ、中間絶縁膜を実質的にエッチン
グしない材料であれば良い。そして第2凹部のエッチン
グもウェット及びドライのどちらでもよく、ただ、シリ
コン基板を実質的にエッチングしない材料であれば良
い。
【図面の簡単な説明】 第1図は、本発明の半導体感歪センサの構造を示す断面
図、第2図〜第4図はその製造方法を順に説明する断面
図、第5図は半導体感歪センサの要部拡大断面図、第6
図は本発明が奏する耐歪力向上を示す特性図、第7図は
本発明の他の実施例を示断面図、第8図は従来の半導体
感歪センサの断面図である。 1……第1基板(感歪部用半導体基板) 2……第2基板(基部用半導体基板) 3……酸化シリコン膜(中間絶縁膜) 4……第1凹部 5……起歪部 6……半導体歪み素子 7……第2凹部 71……アンダーカット領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01L 1/18 G01P 15/12 H01L 29/84 G01L 9/04 101

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】薄肉の感歪部用半導体基板及び厚肉の基部
    用半導体基板を中間絶縁膜を挟んで接合して形成された
    接合基板と、 前記基部用半導体基板の所定領域に凹設された第1凹部
    と、 前記第1凹部に隣接して前記感歪部用半導体基板に設け
    られた起歪部と、 前記起歪部に設けられた半導体歪み素子と、 を備える半導体感歪センサにおいて、 前記第1凹部と起歪部との間の前記中間絶縁膜を貫通し
    て凹設される第2凹部を備え、 前記第2凹部は、前記第1凹部に隣接する前記基部用半
    導体基板と前記感歪部用半導体基板との間に延在するア
    ンダーカット領域を備え、 前記アンダーカット領域の側面は前記感歪部用半導体基
    板側から前記基部用半導体基板側に向かうにつれて前記
    第2凹部の中心から遠ざかる形状を有することを特徴と
    する半導体センサ感歪センサ。
  2. 【請求項2】前記アンダーカット領域は、ジャストエッ
    チ点よりも深く凹設されていることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項記載の半導体感歪センサ。
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