JP3994531B2 - 半導体圧力センサの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力を検出する半導体圧力センサの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の半導体圧力センサの製造方法として、特開平8−236788号公報に示されるものがある。この製造方法においては、まず第1のシリコン基板の一面側にキャビティを形成し、キャビティが形成された第1のシリコン基板の一面側と第2のシリコン基板の一面側とを貼り合わせてキャビティ内を基準圧力室とし、第1のシリコン基板の他面側を薄肉化してダイヤフラムを形成し、この後、ダイヤフラムに圧力検出素子を形成するようにしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
通常、シリコン基板の貼り合わせは大気圧中で行われるため、上記した半導体圧力センサにおいては、基準圧力室の圧力が大気圧となり、大気圧を基準とした圧力検出を行うものとなる。
これに対し、基準圧力室を真空にして圧力検出を行うことが考えられる。この場合、真空中でシリコン基板の貼り合わせを行えばよいが、シリコン基板の貼り合わせを行う場合、接合強度を高めるために高温(1000℃以上)の熱処理が必要となる。現在のところ真空中でそのような熱処理を行う装置はなく、またそれを製作するにしても非常に高価なものとなる。
【0004】
本発明は、そのような装置を必要とすることなく、基準圧力室内を真空にした半導体圧力センサを製造する方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、第1のシリコン基板の一面に酸化膜を形成し、この酸化膜の所定領域を開口した後、エッチングを行って前記第1のシリコン基板の一面側にキャビティを形成する工程と、この状態で前記第1のシリコン基板の一面側と第2のシリコン基板の一面側とを真空中で仮接合して前記キャビティ内を基準圧力室にする工程と、大気圧中で熱処理を施して前記第1のシリコン基板と前記第2のシリコン基板の接合強度を高める工程と、前記第1のシリコン基板又は第2のシリコン基板の他面側を薄肉化して、前記基準圧力室を一面側とするダイヤフラムを形成する工程と、前記ダイヤフラムに圧力検出素子を形成する工程とを有することを特徴としている。
【0006】
このように第1、第2のシリコン基板を貼り合わせる場合に、真空中で仮接合を行う工程と、大気圧中で熱処理を行う工程に分けているから、貼り合わせ基板を用いて基準圧力室を真空にした構造の半導体圧力センサを容易に製造することができる。この場合、第1のシリコン基板として内部に絶縁膜が形成されたものを用い、前記絶縁膜をストッパとしたエッングにより薄肉化してダイヤフラムを形成するようにすれば、ダイアフラムの割れ等の不良を低減することができ、歩留まりを向上させることができる。
【0007】
また、第1のシリコン基板として第1導電型のベース基板上に第2導電型の半導体層が形成されたものを用い、前記ベース基板を電気化学ストップエッチングにより除去してダイヤフラムを形成するようにしても、ダイアフラムの割れ等の不良を低減することができ、歩留まりを向上させることができる。
【0008】
また、請求項1に記載の発明では、前記仮接合する工程では、前記第1のシリコン基板に形成された前記酸化膜を前記第2のシリコン基板のシリコン面に接触させて行い、前記基準圧力室の内部を前記第1のシリコン基板と前記第2のシリコン基板の接合面にのみ酸化膜が存在し、それ以外の部分には酸化膜が存在しない状態としている。このことにより、前記基準圧力室の内部に形成される酸化膜を少なくすることができ、酸化膜からの脱ガスを少なくして、圧力センサとしての経時変化を少なくすることができる。
【0009】
上記した仮接合、熱処理の温度としては、請求項2に記載の発明のように、仮接合に対しては500℃以下の温度、熱処理に対しては1000℃以上の温度とするのが好ましい。
【0011】
なお、本明細書でいう「真空」とは、真空にする装置内でできる真空状態のものをいう。
【0012】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1に、本発明の第1実施形態によって製造される半導体圧力センサの断面図を示し、図2にその平面図を示す。なお、図1は、図2におけるA−A断面を示している。
【0013】
図1において、シリコンで構成された第1の基板1と第2の基板2が酸化膜3を介して接合されている。第1の基板1にはキャビティ(凹部)が形成されているため、第1の基板1と第2の基板2が接合されることによって基準圧力室4が形成されている。なお、第1の基板1と第2の基板2は真空中で接合されているため、基準圧力室4内は、真空状態となっている。
【0014】
基準圧力室4の上は、シリコンの薄肉構造体であるダイアフラム5となっており、このダイヤフラム5には、圧力検出素子としてのピエゾ抵抗素子(歪みゲージ素子)6が4本形成されている。
ここで、ピエゾ抵抗素子6は、図2に示すように、低抵抗領域7で相互に接続されて、ホイトンストンブリッジ回路を形成している。また、基板表面にはシリコン酸化膜等からなる絶縁膜8が形成されており、この絶縁膜8に形成されたコンタクトホール9を介して、低抵抗領域7は、Al等よりなる低抵抗配線層10に接続されている。
【0015】
上記した構成において、ダイアフラム5が圧力を受けて変形することによって生じる歪みをピエゾ抵抗素子6が検出する。このピエゾ抵抗素子6からの検出信号は、低抵抗領域7、低抵抗配線層10を介して外部に設けられた信号処理回路に出力される。このことによって圧力が検出される。
次に、上記した半導体圧力センサの製造方法について説明する。図3および図4にその製造工程を示す。
【0016】
[図3(a)の工程]
第1のシリコン基板(第1の半導体基板)20として、SOI(Silicon On Insulator)ウェハを用意する。このSOIウェハは、シリコン支持部21とSOI部23が酸化膜22を介して貼り合わされた構造となっており、シリコン支持部21は厚さ600μm、酸化膜22は厚さ1μm、SOI部23は厚さ10μmとなっている。
【0017】
[図3(b)の工程]
SOI部23の上に熱酸化膜24を膜厚5000Åで成膜する。
[図3(c)の工程]
熱酸化膜24をホトエッチングによりパターニングして所定領域に開口部(凹部)25を形成する。
【0018】
[図3(d)の工程]
熱酸化膜24をマスクとした異方性エッチングにより、SOI部23にキャビティ26を形成する。具体的には、エッチング液としてTMAH溶液を用い、SOI部23の薄肉部(ダイヤフラム)の厚さが2μmとなるように、SOI部23を8μmエッチングする。なお、エッチング液としてはKOHなどのアルカリ性溶液を用いてもよい。また、エッチングとしては、ドライエッチングを用いて行ってもよい。
【0019】
[図4(a)の工程]
第1のシリコン基板20とは別の第2のシリコン基板(第2の半導体基板)30を用意し、両者を洗浄する。洗浄方法は一般的なRCA洗浄(SC−1、希HF、SC−2)により行う。
続いて、第1のシリコン基板20と第2のシリコン基板30の親水化処理を行う。具体的には、キャロス(H2 SO4 :H2 O2 =4:1)にて、120℃、10分間処理後、水洗を30分以上行い、スピンドライヤーで乾燥させる。
【0020】
次に、真空チャンバー内に第1のシリコン基板20と第2のシリコン基板30を投入し、真空引きを行う。このとき、第1のシリコン基板20と第2のシリコン基板30は接触させず、離した状態にするとキャビティ26内部の真空引きが効率良く行われる。
この後、真空中で、かつ常温で、シリコン基板20の一面側と第2のシリコン基板30の一面側を接触させ、5分間保持して、仮接合する。なお、歩留まり向上のためには、その接合において両基板を加圧するのが望ましい。このように、第1のシリコン基板20と第2のシリコン基板30を接合することによって、キャビティ26内が基準圧力室27になる。
【0021】
[図4(b)の工程]
仮接合した試料を真空チャンバー内から取り出し、接合強度を高めるために、1050℃で3時間の熱処理を行う。このとき、酸素雰囲気中で熱処理を行う。このため、第1のシリコン基板20の表面には酸化膜28が形成され、第2のシリコン基板30の表面には酸化膜31が形成される。
【0022】
[図4(c)の工程]
第1のシリコン基板20の表面に形成された酸化膜28を研削もしくはエッチングにより除去し、第1のシリコン基板20のシリコン支持部21のシリコンをアルカリエッチングにより除去する。このとき、酸化膜22がエッチングストッパとして機能するため、エッチング時間の制御は不要である。このように第1のシリコン基板20をエッチングによって薄肉化することにより、基準圧力室27を一面側とするダイヤフラム29が形成される。
【0023】
[図4(d)の工程]
酸化膜22、31をHF水溶液にて除去する。
なお、この図4(d)に示す構造において、第1のシリコン基板20におけるSOI部23、酸化膜24、第2のシリコン基板30、ダイヤフラム29、基準圧力室27が、それぞれ図1に示す第1の基板1、酸化膜3、第2の基板2、ダイヤフラム5、基準圧力室4に相当している。
【0024】
そして、図4(d)の工程の後、通常のIC製造プロセスを用いて、低抵抗領域7、絶縁膜8、ピエゾ抵抗素子6、Al配線10などを形成して、図1、図2に示す半導体圧力センサを得る。
上記した製造方法によれば、第1、第2のシリコン基板20、30を貼り合わせる場合に、真空中で仮接合を行う工程と、大気圧中で熱処理を行う工程に分けているから、貼り合わせ基板を用いて基準圧力室を真空にした構造の半導体圧力センサを容易に製造することができる。また、第1のシリコン基板20におけるシリコン支持部21をエッチングにより除去しているので、ダイアフラム29の割れ等の不良を低減することができ、歩留まりを向上させることができる。
【0025】
また、第1のシリコン基板20に形成された酸化膜24を第2のシリコン基板30のシリコン面に接触させて両基板の貼り合わせを行っているため、基準圧力室27の内部は接合面にのみ酸化膜が存在し、それ以外の部分には酸化膜24のような酸化膜が存在していない。このため、酸化膜から発生するガスが少なく、経時変化を少なくすることができる。また、酸化膜がキャビティ26に表れるSOI部23表面に形成されていないため、酸化膜による応力がダイヤフラム29に伝わらず、センサとして好ましいものとなる。なお、キャビティ26に表れるSOI部やシリコン基板30に自然酸化膜などの非常に薄い膜が形成されていても問題ない。
【0026】
なお、上記した仮接合の温度としては500℃以下の温度が好ましく、熱処理の温度としては、1000℃以上の温度が好ましい。
また、上記した実施形態においては、内部に絶縁膜22が形成された第1の半導体基板として、SOI基板20を用いるものを示したが、SIMOX基板などを用いることも可能である。
(第2実施形態)
上記した第1実施形態においては、第1のシリコン基板としてSOIウエハ20を用いるものを示したが、通常のシリコン基板を用いることもできる。この場合、図5に示すように、第1の基板1に溝11を設けて、ダイヤフラム5の厚さを規定するようにするのが好ましい。すなわち、図5に示すように、第1の基板1に溝11を形成し、その溝11を酸化シリコン等で埋めておけば、第1の基板1を研磨して薄肉化する際に、その酸化シリコンが研磨のストッパとなるため、ダイアフラム5を所望の厚さにすることができる。
【0027】
以下、この第2実施形態における製造方法について説明する。図6にその製造工程を示す。
[図6(a)の工程]
第1のシリコン基板(第1の半導体基板)40の所定の位置に溝41を形成する。
【0028】
[図6(b)の工程]
第1のシリコン基板40の表面にシリコン酸化膜42を形成し、このシリコン酸化膜42で溝41を理設する。そして、シリコン酸化膜42の表面を研磨して平滑化する。
[図6(c)の工程]
シリコン酸化膜42の所定領域に開口部を形成し、このシリコン酸化膜42をマスクとした異方性エッチングによって、キャビティ43を形成する。
【0029】
[図6(d)の工程]
第2のシリコン基板(第2の半導体基板)50を用意し、第1、第2のシリコン基板40、50を洗浄し、親水化処理後、第1、第2のシリコン基板40、50を貼り合わせる。この場合、第1実施形態と同様、第1、第2のシリコン基板40、50を、真空中で仮接合し、大気圧中で熱処理して貼り合わせ行う。この貼り合わせによって基準圧力室44が形成される。このとき、第1、第2のシリコン基板40、50の表面に酸化膜が形成される。
【0030】
[図6(e)の工程]
第1のシリコン基板40の表面に形成された酸化膜を除去した後、第1のシリコン基板40を裏面から研磨して薄肉化する。このとき、シリコンは研磨して酸化シリコンは研磨しない条件で研磨を行うと、溝41に埋め込まれた酸化シリコンの頂点部にて研磨が終了するので、所定の厚さのダイアフラム45を形成することができる。
【0031】
この図6(e)に示す構造において、第1のシリコン基板40、シリコン酸化膜42、第2のシリコン基板50、ダイヤフラム45、基準圧力室44が、それぞれ図5に示す第1の基板1、酸化膜3、第2の基板2、ダイヤフラム5、基準圧力室4に相当している。
そして、第2のシリコン基板50の表面に形成された酸化膜を除去した後、通常のIC製造プロセスを用いて、第1実施形態と同様に、低抵抗領域7、絶縁膜8、ピエゾ抵抗素子6、Al配線10などを形成する。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
【0032】
この第3実施形態は、第1のシリコン基板としてp型シリコン基板(第1導電型のベ─ス基板)にn型シリコン層(第2導電型の半導体層)をエピタキシャル成長させた基板を用い、電気化学ストップエッチングにより第1のシリコン基板を薄膜化してダイヤフラムを形成するようにしたものである。
以下、この第3実施形態における製造方法について説明する。図7、図8にその製造工程を示す。
【0033】
[図7(a)の工程]
第1のシリコン基板(第1の半導体基板)60として、p型シリコン基板61にn型シリコン層62をエピタキシャル成長させた基板を用意する。
[図7(b)〜図8(b)]
図3(b)〜図4(b)と同様の工程を行う。すなわち、n型シリコン層62の表面に熱酸化膜63を成膜し、その所定領域に開口部64を形成して、熱酸化膜63をマスクとした異方性エッチングによりキャビティ65を形成する。そして、第2のシリコン基板(第2の半導体基板)70を用意し、第1、第2のシリコン基板60、70を洗浄し、親水化処理後、第1、第2のシリコン基板60、70を貼り合わせる。この場合、第1実施形態と同様、第1、第2のシリコン基板60、70を、真空中で仮接合し、大気圧中で熱処理して貼り合わせ行う。この貼り合わせによって基準圧力室66が形成される。このとき、第1、第2のシリコン基板60、70の表面に酸化膜67、71が形成される。
【0034】
[図8(c)の工程]
第1のシリコン基板60の表面に形成された酸化膜67を研削もしくはエッチングにより除去する。そして、第1のシリコン基板60のp型シリコン基板61を電気化学ストップエッチングによって除去する。この電気化学ストップエッチングは3極法により行い、エッチング液としてKOH液を用いる。電極はn型シリコン層62から取り出す。この場合、エッチングはn型シリコン層62で止まるため、エッチング時間の制御は不要である。このエッチングによってダイヤフラム68が形成される。
【0035】
この図8(c)に示す構造において、第1のシリコン基板60におけるn型シリコン層62、酸化膜63、第2のシリコン基板70、ダイヤフラム68、基準圧力室66が、それぞれ図1に示す第1の基板1、酸化膜3、第2の基板2、ダイヤフラム5、基準圧力室4に相当している。
そして、第2のシリコン基板70の表面に形成された酸化膜71を除去した後、通常のIC製造プロセスを用いて、第1実施形態と同様に、低抵抗領域7、絶縁膜8、ピエゾ抵抗素子6、Al配線10などを形成する。
(その他の実施形態)
上記した第1乃至第3の実施形態においては、第1のシリコン基板に形成された酸化膜を第2のシリコン基板のシリコン面に接触させて行うものを示したが、第2のシリコン基板側にも酸化膜を形成して両者の貼り合わせを行うようにしてもよい。但し、この場合には、基準圧力室27の内部に存在する酸化膜が第1乃至第3の実施形態よりも多くなるため、第1実施形態で述べた経時変化の低減という効果は少なくなる。
【0036】
また、上記した第2実施形態においては、第1のシリコン基板40に溝41とキャビティ43を形成するものを示したが、第2のシリコン基板50にキャビティ43を形成してもよい。この場合、ダイヤフラム45の厚さが溝41の深さのみで規定されるため、その制御性を良くすることができる。図9に、この場合の半導体圧力センサの構成を示す。また、第1、第3実施形態においても、第2のシリコン基板にキャビティを形成して製造することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態によって製造される半導体圧力センサの断面図である。
【図2】図1に示す半導体圧力センサの平面図である。
【図3】図1、図2に示す半導体圧力センサの製造方法を示す工程図である。
【図4】図3に続く工程図である。
【図5】本発明の第2実施形態によって製造される半導体圧力センサの断面図である。
【図6】図5に示す半導体圧力センサの製造方法を示す工程図である。
【図7】本発明の第3実施形態にかかる半導体圧力センサの製造方法を示す工程図である。
【図8】図7に続く工程図である。
【図9】本発明の他の実施形態によって製造される半導体圧力センサの断面図である。
【符号の説明】
20、40、60…第1のシリコン基板、
30、50、70…第2のシリコン基板、
26、43、65…キャビティ、27、44、66…基準圧力室、
29、45、68…ダイヤフラム。
Claims (2)
- 第1のシリコン基板の一面に酸化膜を形成し、この酸化膜の所定領域を開口した後、エッチングを行って前記第1のシリコン基板の一面側にキャビティを形成する工程と、
この状態で前記第1のシリコン基板の一面側と第2のシリコン基板の一面側とを真空中で仮接合して前記キャビティ内を基準圧力室にする工程と、
大気圧中で熱処理を施して前記第1のシリコン基板と前記第2のシリコン基板の接合強度を高める工程と、
前記第1のシリコン基板又は第2のシリコン基板の他面側を薄肉化して、前記基準圧力室を一面側とするダイヤフラムを形成する工程と、
前記ダイヤフラムに圧力検出素子を形成する工程とを有し、
前記仮接合する工程では、前記第1のシリコン基板に形成された前記酸化膜を前記第2のシリコン基板のシリコン面に接触させて行い、前記基準圧力室の内部を前記第1のシリコン基板と前記第2のシリコン基板の接合面にのみ酸化膜が存在し、それ以外の部分には酸化膜が存在しない状態とすることを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。 - 前記仮接合を500℃以下の温度で行い、前記熱処理を1000℃以上の温度で行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体圧力センサの製造方法。
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