JP3562230B2 - 半導体圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はダイヤフラムを有する半導体圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平５−２８３７１２号公報において、半導体圧力センサを製造する方法として、２枚の半導体基板の貼合わせによる真空室およびダイヤフラムの形成方法が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際に貼合わせを行う際に、２枚の基板が接触した状態で２００℃以上の高温にて熱処理を行う必要があり、この熱により貼り合わせ面に存在する過剰な水分子が脱離（蒸発）して凹部の内圧が上昇する。この圧力上昇により、貼り合わせ領域での接合不良部が発生するという問題が生じる。
【０００４】
そこで、この発明の目的は、基板の貼り合わせ時に発生する圧力上昇を防止して貼り合わせを確実に行うことができるようにする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の半導体圧力センサは、第１の半導体基板の貼り合わせ面には、一端が凹部に至るとともに他端が第１の半導体基板の側面に開口するガス抜き用溝が形成されており、第２の半導体基板におけるガス抜き用溝に対向する位置には、充填材を充填するための透孔が貫通形成されており、ガス抜き用溝及び透孔は、充填材により閉塞されていることを特徴としている。この構成を採用することにより、貼り合わせ時において凹部の内部で発生する蒸発成分はガス抜き用溝を通して外部に放出され内圧上昇が抑制される。このようにして、第１及び第２の半導体基板の貼り合わせ時に発生する圧力上昇を防止して貼り合わせを確実に行うことができる。また、ガス抜き用溝は半導体基板貼り合わせ後に透孔から充填される充填材により塞がれる。
【０００６】
また、請求項２に記載の半導体圧力センサの製造方法によれば、表面に凹部が形成された第１の半導体基板に、当該凹部の開口部を塞ぐように第２の半導体基板が貼り合わされる。
【０００７】
ここで、２枚の半導体基板を貼り合わせる前に、２枚の半導体基板のうちの少なくとも一方の半導体基板における貼り合わせ面に、一端が凹部に至るとともに他端が基板の側面に開口するガス抜き用溝が形成される。
【０００８】
そして、２枚の半導体基板を貼り合わせた後に、ガス抜き用溝が塞がれる。
また、２枚の半導体基板を貼り合わせた後に、第２の半導体基板の表面が所定量除去されダイヤフラムが形成される。
【０００９】
このようにすると、貼り合わせ工程において、凹部の内部で発生する蒸発成分はガス抜き用溝を通して外部に放出され内圧上昇が抑制される。その結果、基板の貼り合わせ時に発生する圧力上昇を防止して貼り合わせを確実に行うことができることとなる。
【００１０】
半導体圧力センサの製造方法において、請求項３に記載のように、第１の半導体基板の凹部とガス抜き用溝とを同時に形成すると、ガス抜き用溝を容易に形成でき、実用上好ましいものとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
図１には、本実施の形態における半導体圧力センサの全体構成図を示す。図１において、左上にはセンサの平面図を示し、その右にはＡ−Ａ断面を示し、その下にはＢ−Ｂ断面を示す。
【００１２】
本実施形態における半導体圧力センサは、ダイヤフラムにて区画された真空室Ｒｖ を有する絶対圧センサである。
第１のシリコン基板（チップ）１の上には第２のシリコン基板（チップ）２が貼り合わせにより接合されている。第１のシリコン基板１の上面には四角形状をなす凹部３が形成されている。この凹部３の開口部は薄い第２のシリコン基板２にて塞がれており、凹部３内が真空室Ｒｖ となるとともに、開口部を塞ぐ第２のシリコン基板２がダイヤフラムとなっている。凹部３の開口部における第２のシリコン基板２の上面には４つのピエゾ抵抗素子（不純物拡散層）４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが形成されており、このピエゾ抵抗素子（不純物拡散層）４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄがフルブリッジ接続されている。そして、ダイヤフラムに圧力が加わるとピエゾ抵抗素子（不純物拡散層）４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは印加圧力に応じた抵抗値となり、ブリッジ回路の出力電圧が変化して圧力が測定されるようになっている。
【００１３】
また、第１のシリコン基板１の上面にはガス抜き用溝５，６が形成されている。このガス抜き用溝５，６は一端が凹部３に開口するとともに他端が基板１の側面に開口している。さらに、ガス抜き用溝５，６の途中における第２のシリコン基板２には透孔７，８が形成されている。そして、この透孔７，８を通して充填材９，１０がガス抜き用溝５，６に充填され、この充填材９，１０にてガス抜き用溝５，６が塞がれている。充填材９，１０はシリコン酸化膜等よりなる。
【００１４】
次に、半導体圧力センサの製造方法を、図２〜図９を用いて説明する。なお、図２，図５〜図９は、図１のＣ−Ｃ断面に対応するものである。
まず、図２〜図４に示すように、第１のシリコン基板１となる第１のシリコン単結晶ウエハ１１を用意する。なお、図４はウエハ状態を示し、図２，３はウエハに形成される各チップ形成領域を示す。そして、第１のシリコン単結晶ウエハ１１の表面に熱酸化またはＣＶＤ法によるシリコン酸化膜、もしくはプラズマＣＶＤ法によるシリコン窒化膜等の薄膜１２（図２参照）を形成する。さらに、ホトエッチングにより、後に真空室Ｒｖ となるべき領域の前記膜１２を除去する。この膜１２をマスクとして第１のシリコン単結晶ウエハ１１をＫＯＨ等の異方性エッチング液に浸漬するか、もしくはフッ硝酸系の等方性エッチング、ドライエッチ等の方法によりシリコンをエッチングし、凹部３を形成する。この際に、第１のシリコン単結晶ウエハ１１の表面に、凹部３と側面端との間を直線的に延びるガス抜き用溝５，６を形成しておく。このように、凹部３の形成とガス抜き用溝５，６の形成とを共通のエッチングマスクを用いて同時に行うと、コストダウンが図られる。なお、このガス抜き用溝５，６の大きさは真空室Ｒｖ の内圧を外へ逃がすための最小限の断面積であればよい。
【００１５】
この後、第１のシリコン単結晶ウエハ１１の表面に残っている前記膜１２をフッ酸等の薬液に浸漬し除去する。
次に、図５に示すように、第２のシリコン基板２となる第２のシリコン単結晶ウエハ１３を用意する。第２のシリコン単結晶ウエハ１３の表面はシリコンミラー面もしくは熱酸化膜等の絶縁膜が形成されている。
【００１６】
次に、２枚のウエハ１１，１３（第１、第２のシリコン基板１，２）を適切な方法により親水化処理を行い、図６に示すように、２枚のウエハ１１，１３の各表面を接触させ、貼り合わせにより直接接合する。
【００１７】
この後、両ウエハ１１，１３の接合部の強度を確保するために１０００〜２０００℃の温度にて１時間程度の熱処理を行う。この際に、貼り合わせ面の表面にある過剰な水分子が脱離し、真空室Ｒｖ となる部屋の内圧が上昇する。しかし、外部へ通ずるガス抜き用溝５，６がこれら発生ガスを外部へ逃がし内圧上昇が抑えられる。よって、接合面の形成を妨げることがない。その結果、ウエハ全面にわたって良好な接合を行うことができる。
【００１８】
この後、図７に示すように、第２のシリコン単結晶ウエハ１３（第２のシリコン基板２）を研削、研磨或いはエッチングにより所定の厚さに仕上げる。これにより、真空室Ｒｖ となる部分とその上に位置するダイアフラムが形成される。さらに、第２のシリコン単結晶ウエハ１３（第２のシリコン基板２）のダイヤフラム部にピエゾ抵抗素子（不純物拡散層）４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを形成する。
【００１９】
引き続き、この真空室Ｒｖ を外部から独立した気密室とするために、以下の加工を行う。すなわち、図８に示すように、チップ毎の真空室Ｒｖ の両側に形成したガス抜き用溝５，６上にホトエッチングにより第２のシリコン単結晶ウエハ１３を貫通する穴あけを行い、透孔７，８を形成する。つまり、埋め戻し用穴としての透孔７，８を形成する。
【００２０】
その後、図９に示すように、減圧ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ等の方法によりシリコン酸化膜等の膜１４を形成する。この膜１４が透孔７，８及びその下方のガス抜き用溝５，６に充填され、充填材９，１０による埋め込みが行われる。これにより、凹部３内が密閉され真空室Ｒｖ が形成される。この後、ホトエッチングにより透孔７，８以外の不要部の膜１４を除去する。
【００２１】
以上の加工により、圧力センサの真空室Ｒｖ 及びダイアフラム部が形成できる。
最後に、ウエハ１１，１３をダイシングして各チップに裁断する。その結果、図１の半導体圧力センサが製造される。
【００２２】
このように本実施の形態は、下記の特徴を有する。
（イ）図１のように、第１のシリコン基板１の貼り合わせ面に、一端が凹部３に至るとともに他端が基板１の側面に開口するガス抜き用溝５，６が形成され、当該溝５，６が閉塞された構造とした。
【００２３】
つまり、製造方法として、表面に凹部３が形成された第１のシリコン単結晶ウエハ１１に、当該凹部３の開口部を塞ぐように第２のシリコン単結晶ウエハ１３を貼り合わせ、第２のシリコン単結晶ウエハ１３を所定量研磨してダイヤフラムを形成する際に、２枚のシリコン単結晶ウエハ１１，１３を貼り合わせる前に、第１のシリコン単結晶ウエハ１１における貼り合わせ面に、一端が凹部３に至るとともに他端がウエハ１１の側面に開口するガス抜き用溝５，６を形成し、２枚のシリコン単結晶ウエハ１１，１３を貼り合わせた後に、ガス抜き用溝５，６を塞ぐようにした。
【００２４】
よって、貼り合わせ工程において、凹部３の内部で発生する蒸発成分はガス抜き用溝５，６を通して外部に放出され内圧上昇が抑制される。その結果、ウエハ１１，１３（基板１，２）の貼り合わせ時に発生する圧力上昇を防止して貼り合わせを確実に行うことができることとなる。
（ロ）第１のシリコン単結晶ウエハ１１の凹部３とガス抜き用溝５，６とを同時に形成するようにしたので、ガス抜き用溝５，６を容易に形成でき、実用上好ましいものとなる。
（ハ）第２のシリコン単結晶ウエハ１３に、ガス抜き用溝５，６に至る透孔７，８を設け、当該透孔７，８の形成領域を含む第２のシリコン単結晶ウエハ１３に充填材となる膜１４を形成し、当該膜１４にてガス抜き用溝５，６を塞ぐようにしたので、通常の半導体製造技術（成膜技術）を用いてガス抜き用溝５，６を容易に塞ぐことができ、実用上好ましいものとなる。
【００２５】
これまで説明した実施の形態以外にも下記のように実施してもよい。
上記実施形態においては凹部３内を真空室Ｒｖ としたが、真空以外にも一定の圧力を有する基準圧力室としてもよい。
【００２６】
また、上記実施形態においては凹部３に至るガス抜き用溝５，６を２個設けたが、１個のみあるいは３個以上設けてもよい。
また、上記実施形態においては凹部３に至るガス抜き用溝５，６を第１のシリコン基板１に設けたが、第１のシリコン基板１の貼り合わせ面にはガス抜き用溝５，６を設けずに第２のシリコン基板２の貼り合わせ面にガス抜き用溝５，６を設けてもよい。あるいは、第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板２の両方にガス抜き用溝５，６を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における半導体圧力センサを示す図。
【図２】半導体圧力センサの製造工程を説明するための断面図。
【図３】半導体圧力センサの製造工程を説明するための斜視図。
【図４】半導体圧力センサの製造工程を説明するための平面図。
【図５】半導体圧力センサの製造工程を説明するための断面図。
【図６】半導体圧力センサの製造工程を説明するための断面図。
【図７】半導体圧力センサの製造工程を説明するための断面図。
【図８】半導体圧力センサの製造工程を説明するための断面図。
【図９】半導体圧力センサの製造工程を説明するための断面図。
【符号の説明】
１…第１の半導体基板としての第１のシリコン基板、２…第２の半導体基板としての第２のシリコン基板、３…凹部、５…ガス抜き用溝、６…ガス抜き用溝、７…透孔、８…透孔、１１…第１の半導体基板としての第１のシリコン単結晶ウエハ、１３…第２の半導体基板としての第２のシリコン単結晶ウエハ

Claims (3)

1. 凹部を有する第１の半導体基板の上に凹部の開口部を塞ぐようにダイヤフラムとなる薄い第２の半導体基板が貼り合わされた半導体圧力センサにおいて、
   前記第１の半導体基板の貼り合わせ面には、一端が凹部に至るとともに他端が第１の半導体基板の側面に開口するガス抜き用溝が形成されており、
   前記第２の半導体基板の貼り合わせ面における前記ガス抜き用溝に対向する位置には、充填材を充填するための透孔が貫通形成されており、
   前記ガス抜き用溝及び前記透孔は、前記充填材により閉塞されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 表面に凹部が形成された第１の半導体基板に、当該凹部の開口部を塞ぐように第２の半導体基板を貼り合わせる工程と、
   前記第２の半導体基板の表面を所定量除去してダイヤフラムを形成する工程と、
   を備えた半導体圧力センサの製造方法において、
   前記２枚の半導体基板を貼り合わせる前に、２枚の半導体基板のうちの少なくとも一方の半導体基板における貼り合わせ面に、一端が前記凹部に至るとともに他端が基板の側面に開口するガス抜き用溝を形成し、
   ２枚の半導体基板を貼り合わせた後に、前記ガス抜き用溝を塞ぐようにしたことを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
3. 前記第１の半導体基板の凹部とガス抜き用溝とを同時に形成するようにした請求項２に記載の半導体圧力センサの製造方法。

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