JP4965274B2 - Pressure sensor - Google Patents
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Description
本発明は圧力センサに関し、特に、半導体圧力センサに関する。 The present invention relates to a pressure sensor, and more particularly to a semiconductor pressure sensor.
従来の圧力センサでは、基板の裏面に凹部が形成され、凹部の底面が圧力起歪部となっている。また、圧力起歪部の上方に当たる基板の表面上に、歪ゲージが形成されている。圧力起歪部が変形した場合、この変形量を歪ゲージの抵抗変化として検出し、歪量の測定を行っている。凹部を形成する手法としてはウェットエッチングやドライエッチング法が知られている。(100)結晶方位の基板を用いてシリコンをアルカリ溶液でエッチングするとテーパー形状にエッチングされる。テーパー角は結晶方位で決まる角であり、およそ54度のテーパー角が形成される。用いる基板厚みは基板ハンドリングの制限から数百μm以上の厚みであることが一般的である。この基板厚みとテーパー角によって素子全体の大きさが大きくなり、センサ小型化への障壁となっていた。センサの小型化を実現するにはこのテーパー形状は好ましく無いので、(110)結晶方位のシリコン基板を用いてアルカリ溶液によるウェットエッチングを用いる方法が知られている。また、他の方法として、シリコンの結晶方向に依存しないようにプラズマを用いたドライエッチングによりほぼ垂直壁を有した凹部を形成する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、発明者は凹部を略垂直に加工してセンサを小型化した場合、圧力起歪部の機械的強度が著しく低下し、小さな圧力を加えただけ圧力起歪部が損傷し破壊するという問題を見出した。更に、基板として単結晶シリコン/酸化シリコン/単結晶シリコンからなるSOI基板(Silicon On Insulator)を用いた場合に、機械的強度の低下が更に顕著になることが判明した。これについて、発明者が鋭意研究した結果、センサ表面に形成される導電膜や絶縁膜のパターニングされた形状が影響を及ぼしていることを見出した。即ち、パターニングされた導電膜および絶縁膜端面ではシリコン基板との熱膨張係数の違いによる膜応力が存在し、その応力がシリコン基板の破壊耐性を低下させていることを見出した。これに対して、発明者は、導電膜や絶縁膜の形成領域を最適化することにより、圧力起歪部の損傷や破壊が大幅に軽減できることを見出し、本発明を完成した。 However, when the inventor processes the concave portion substantially vertically to reduce the size of the sensor, the mechanical strength of the pressure strain portion is significantly reduced, and the pressure strain portion is damaged and destroyed only by applying a small pressure. I found. Furthermore, it has been found that when an SOI substrate (Silicon On Insulator) made of single crystal silicon / silicon oxide / single crystal silicon is used as the substrate, the mechanical strength is further reduced significantly. As a result of intensive studies by the inventors, it has been found that the patterned shape of the conductive film and insulating film formed on the sensor surface has an effect. That is, it has been found that there is film stress due to the difference in thermal expansion coefficient from the silicon substrate on the patterned conductive film and insulating film end faces, and this stress reduces the fracture resistance of the silicon substrate. On the other hand, the inventor has found that by optimizing the formation region of the conductive film and the insulating film, damage and destruction of the pressure strain portion can be greatly reduced, and the present invention has been completed.
即ち、本発明は、圧力起歪部が形成された凹部の側壁を略垂直に形成した小型圧力センサにおいて、センサ素子の小型化を実現しつつ圧力起歪部(ダイヤフラム)の破壊耐性を大幅に向上する圧力センサの提供を目的とする。 That is, according to the present invention, in the compact pressure sensor in which the side wall of the concave portion in which the pressure straining portion is formed is formed substantially vertically, the fracture resistance of the pressure straining portion (diaphragm) is greatly reduced while realizing the downsizing of the sensor element. An object is to provide an improved pressure sensor.
本発明は、単結晶シリコン基板と、単結晶シリコン基板を底面からエッチングして形成された凹部と、凹部の底面に露出した圧力起歪部と、圧力起歪部の上方の活性層に設けられた歪ゲージと、活性層上に、絶縁膜を挟んで形成された導電層とを含み、圧力起歪部に与えられた圧力を歪ゲージの抵抗変化として検出する圧力センサであって、活性層の<110>方向に沿った、圧力起歪部の回転中心からの線上にある、圧力起歪部の縁部から導電膜の縁部までの距離Sと導電膜の段差Dが、S/D≧80の関係を満たすことを特徴とする圧力センサである。
The present invention is provided in a single crystal silicon substrate, a recess formed by etching the single crystal silicon substrate from the bottom surface, a pressure strain portion exposed on the bottom surface of the recess, and an active layer above the pressure strain portion. A pressure sensor that detects a pressure applied to the pressure strain portion as a change in resistance of the strain gauge, the active layer including a strain gauge and a conductive layer formed on the active layer with an insulating film interposed therebetween, along the <110> direction, on the line from the rotation center of the pressure strain generating portion, the step D of the distance S and the conductive film from the edge of the pressure strain generating portion to the edge portion of the conductive film, S / The pressure sensor satisfies the relationship of D ≧ 80.
また、本発明は、支持基板、絶縁層、および単結晶シリコンからなる活性層が積層されたSOI基板と、支持基板を底面からエッチングして形成された凹部と、凹部の底面に露出した圧力起歪部と、圧力起歪部の上方の活性層に設けられた歪ゲージと、活性層上に、絶縁膜を挟んで形成された導電層とを含み、圧力起歪部に与えられた圧力を歪ゲージの抵抗変化として検出する圧力センサであって、活性層の<110>方向に沿った、圧力起歪部の回転中心からの線上にある、圧力起歪部の縁部から導電膜の縁部までの距離Sと導電膜の段差Dが、S/D≧80の関係を満たすことを特徴とする圧力センサでもある。
The present invention also includes an SOI substrate on which an active layer made of a support substrate, an insulating layer, and single crystal silicon is laminated, a recess formed by etching the support substrate from the bottom surface, and a pressure source exposed on the bottom surface of the recess. Including a strained portion, a strain gauge provided in an active layer above the pressure straining portion, and a conductive layer formed on the active layer with an insulating film sandwiched between them, and applying pressure applied to the pressure straining portion. a pressure sensor for detecting a change in resistance of the strain gauges, the active layer <110> along the direction, on the line from the rotation center of the pressure strain generating portion, from the edge of the pressure strain generating portion of the conductive film The pressure sensor is characterized in that the distance S to the edge and the step D of the conductive film satisfy the relationship of S / D ≧ 80.
以上のように、本発明にかかる圧力センサでは、ダイヤフラムの強度を向上させつつ、センサ素子の小型化が可能となる。 As described above, in the pressure sensor according to the present invention, it is possible to reduce the size of the sensor element while improving the strength of the diaphragm.
実施の形態1。
図1は、全体が100で表される、本発明の実施の形態1にかかる圧力センサの断面図であり、後述する図2を、<110>方向に見た場合の断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a pressure sensor according to a first embodiment of the present invention, indicated as a whole by 100, and is a cross-sectional view when FIG. 2 described later is viewed in the <110> direction.
圧力センサ100は、シリコン基板1からなる。シリコン基板1には、n型の拡散配線2、およびn型の歪ゲージ3が形成されている。拡散配線2、歪ゲージ3は、不純物拡散法やイオン注入法により形成される。拡散配線2の不純物濃度は1×1018〜1×1020atom/cm3程度であり、歪ゲージ3の不純物濃度は1×1017〜1×1018atom/cm3程度である。拡散配線2は、歪ゲージ3と配線層7とを電気的に接続する役割を果たす。
The
歪ゲージ3としては、Ni−Crなどの金属膜や、n型シリコンからなるシリコン基板1中に形成されたp型領域を用いることもできる。p型領域を用いる場合は、p型領域をn型のシリコン基板1から電気的に分離するために、pn接合領域を逆バイアス状態にする必要がある。
As the
シリコン基板1のもう一方の面には凹部18が設けられ、凹部の底面が圧力起歪部8となっている。本凹部18は素子小型化を実現する為に、少なくとも一つ以上の側壁面は略垂直に加工される。
A
歪ゲージ3が形成されたシリコン基板1の上には、例えば酸化シリコンからなる第1絶縁膜4が形成されている。更に、第1絶縁膜4の上には、導電膜5が形成されている。本導電膜5は歪ゲージ3の静電耐性を強める為のシールドの役割を果たす。シールドとしては、リンなどの不純物を含む多結晶シリコンの膜が単結晶シリコンからなるシリコン基板と熱膨張係数が近いため、歪ゲージからの出力温度特性を考慮した場合に望ましい。第1絶縁膜4は、拡散配線2、歪ゲージ3と、導電膜5との間を電気的に絶縁している。
On the
導電膜5の上には、例えば酸化シリコンからなる第2絶縁膜6が形成されている。
第1絶縁膜4、第2絶縁膜6には、第1ビア22、および第2ビアが設けられ、これらを埋め込むように、例えばアルミニウムからなる配線層が設けられている。配線層7は、パッド部(図示せず)に接続され、ワイヤボンドや半田バンプ接合により、外部に信号を出力する。
On the
The first
導電膜5は、歪ゲージに外部からノイズ信号が入らないようにするために、一定の電源電位に保たれている。圧力センサでは、配線層7を介して電源に接続されている。なお、導電膜5は、浮遊電位であってもシールド効果を示すことは確認されているが、大量のマイナス電荷が圧力センサの表面に入射した場合、導電膜5が電源電位に接続されている方が速やかにマイナス電荷を除去できるので望ましい。
The
圧力センサでは、圧力起歪部8にかかる圧力により圧力起歪部が歪み、かかる歪量を、歪ゲージ3の抵抗変化として検出する。例えば、凹部18が形成されたシリコン基板面にガラス基板(図示せず)を陽極接合し、圧力起歪部の下方の凹部18を真空に保持することにより、圧力センサにかかる絶対圧を測定する絶対圧センサとなる。また、図1に示すようにガラス基板を設けない場合は、圧力起歪部の両側(圧力センサの上部と下部)の差圧を測定できる差圧センサとなる。
In the pressure sensor, the pressure straining portion is distorted by the pressure applied to the
本実施の形態では、圧力起歪部8に対して、導電膜および絶縁膜を形成する領域を調整し、ダイヤフラムの破壊強度の変化を測定し、図3に示す実験結果を得た。図3の結果から、発明者は、導電膜および導電膜の形成領域と圧力起歪部8との位置関係がダイヤフラム(圧力起歪部)の破壊耐性に大きく影響することを見出した。
In the present embodiment, the region where the conductive film and the insulating film are formed is adjusted with respect to the
図2(a)に、圧力センサを上面から見た場合の、圧力起歪部8とその上方に形成された導電膜5との位置関係を、図2(b)に、導電膜端面の断面図を表す。理解を容易にするために、第2絶縁膜等は省略した。
FIG. 2A shows the positional relationship between the
ここでシリコン基板に主表面が(100)結晶方位の単結晶基板を用いた場合、図2(a)に示すように、紙面の上下方向、左右方向が<110>方向となる。また、シリコン基板1に形成される圧力起歪部は、<110>方向に沿って各辺が形成された矩形形状からなる。図2では、圧力起歪部8の回転中心をOで表している。ここで、回転中心Oは、圧力起歪部8を、回転中心Oの周りで180度回転させても、元の形状と同じである位置をいう。
Here, when a single crystal substrate having a main surface of (100) crystal orientation is used as the silicon substrate, as shown in FIG. 2A, the vertical direction and the horizontal direction of the paper surface are <110> directions. The pressure strain portion formed on the
また、シリコン基板1の表面に対して鉛直方向から見た場合の、<110>方向の、回転中心Oから圧力起歪部8の縁部に向かった直線の延長線上において、圧力起歪部8の縁部から導電膜5の縁部までの距離をSとする。図3では、導電膜5の縁部が、圧力起歪部8の縁部より内側(回転中心O側)にある場合は、−(マイナス)符号を付して表した。また導電膜の縁部における段差をDとする。
In addition, on the straight extension line from the rotation center O toward the edge of the
なお、歪量の検出感度を向上させるために、歪ゲージ3は圧力起歪部8の上部を覆うように形成されている。
Note that the
図3では、横軸に距離Sと段差Dの比(S/D)を、縦軸にダイヤフラム(圧力起歪部8)の破壊強度を示す。図3からわかるように、S/Dの絶対値を約80以上とすることにより、破壊強度が大幅に向上し、約3倍程度改善することができる。より好適には、S/Dの値は、100以上で1300以下の値である。S/Dは1300以上であっても機械的強度向上の点で効果があるが、素子小型化の点ではテーパー形状エッチングとの差別化が小さくなる。 In FIG. 3, the horizontal axis represents the ratio (S / D) between the distance S and the step D, and the vertical axis represents the fracture strength of the diaphragm (pressure strain portion 8). As can be seen from FIG. 3, by setting the absolute value of S / D to about 80 or more, the fracture strength is greatly improved and can be improved by about 3 times. More preferably, the S / D value is 100 or more and 1300 or less. Even if S / D is 1300 or more, there is an effect in terms of improving the mechanical strength, but in terms of device miniaturization, differentiation from tapered etching becomes small.
例えば、段差Dが0.3μmの場合、<110>方向に沿った、圧力起歪部8の縁部から導電膜5の縁部までの距離Sは、24μm以上であれば良く、更に好適には、30μm以上で390μm以下となる。
For example, when the level difference D is 0.3 μm, the distance S from the edge of the
また、導電膜5がシールド効果を有するには、歪ゲージ3の上方を覆うように導電膜5を形成する必要がある。
Further, in order for the
以上の条件を満たしつつ、SとDとの関係をこのように設定することにより、圧力起歪部8の破壊耐性を大幅に向上し、素子小型化が実現できる。
By satisfying the above conditions and setting the relationship between S and D in this way, the fracture resistance of the
なお、図2から分かるように、主表面が(100)面の単結晶シリコンからなる活性層13では、<110>方向は2方向存在する。このような場合は、双方において、S/Dが80以上となることが必要となる。
As can be seen from FIG. 2, there are two <110> directions in the
また、シリコン基板1の主表面が(110)面の場合は、破壊耐圧を向上するにはシリコン基板の面に沿った方向の<110>方向について、S/Dが80以上となることが必要となる。例えばシリコン基板の表面に対して鉛直方向から見た場合の、<110>方向の、回転中心Oから圧力起歪部の縁部に向かった直線の延長線上において、圧力起歪部の縁部から絶縁膜の縁部までの距離をSとする。また絶縁膜の縁部における段差をDとする。S/Dの絶対値を約80以上とすることにより、圧力起歪部の破壊強度が大幅に向上する。
When the main surface of the
更に、圧力起歪部の形状が、円形、略円形、多角形、リング状であっても、図3のような関係が成立することを、実験的に確認している。 Furthermore, it has been experimentally confirmed that the relationship as shown in FIG. 3 is established even if the shape of the pressure strain portion is circular, substantially circular, polygonal, or ring-shaped.
膜段差が導電膜5の場合を述べたが、単結晶シリコンと異質の材料である絶縁膜や、他の導電膜5、例えば配線層7の端部であっても同様の効果が得られる。
Although the case where the film level difference is the
図4は、全体が200で表される、本実施の形態にかかる他の圧力センサであり、圧力起歪部8がリング状に形成されている。図4(a)は上面図(図2と同様に、第2絶縁膜6等は省略)、図4(b)は、図4(a)をA−A方向に見た場合の断面図である。図4中、図1と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
FIG. 4 shows another pressure sensor according to the present embodiment, indicated as a whole by 200, in which the
圧力センサ200においても膜段差Dと、圧力起歪部8の縁部とシールド膜5の縁部との距離Sとの間に、S/Dが80以上、更に好適にはS/Dが100以上で1300以下の関係が成立する。
Also in the
なお、図4(a)に示すように、導電膜が、回転中心Oに対して対称に形成されていない場合もあるが、このような場合でも、<110>方向においてS/Dが上記関係を有すれば良い。 In addition, as shown in FIG. 4A, the conductive film may not be formed symmetrically with respect to the rotation center O. Even in such a case, the S / D relationship in the <110> direction is the above relationship. If you have.
なお、本発明の効果が得られる理由は膜端部の応力分布がダイヤフラムに影響し、圧力起歪部の破壊強度を決定しているものと考えられる。単結晶シリコンは<110>方向に割れやすい特性を有するため、<110>方向に対してS/Lを所定の範囲内にすることで、破壊強度を向上できるものと考えられる。 The reason why the effect of the present invention can be obtained is considered that the stress distribution at the film end affects the diaphragm and determines the fracture strength of the pressure strain portion. Since single crystal silicon has the property of being easily broken in the <110> direction, it is considered that the fracture strength can be improved by setting the S / L within a predetermined range with respect to the <110> direction.
次に、図5を用いて、本実施の形態にかかる圧力センサ100の製造方法について説明する。圧力センサ100の製造方法は以下の工程1〜5を含む。
Next, a manufacturing method of the
工程1:図5(a)に示すように、単結晶シリコン基板1を準備する。
単結晶シリコン基板はn型の単結晶シリコンからなり、主表面は(100)である。支持基板11は、単結晶シリコンから形成されるが、多結晶シリコン、サファイア等から形成されても構わない。
Step 1: As shown in FIG. 5A, a single
The single crystal silicon substrate is made of n-type single crystal silicon and has a main surface of (100). The
次に単結晶シリコン基板の主表面に、n型領域を形成し、拡散配線および歪ゲージとする。n型領域の形成には、例えば、熱拡散法やイオン注入法が用いられる。
歪ゲージの性能は、不純物濃度に大きく依存する。歪ゲージの不純物濃度は、約1×1017〜約1×1018atom/cm3の範囲内であることが好ましい。また、拡散配線の不純物濃度は、抵抗を下げるために高濃度であることが好ましく、約1×1018〜約1×1020atom/cm3の範囲内であることが好ましい。
Next, an n-type region is formed on the main surface of the single crystal silicon substrate to form a diffusion wiring and a strain gauge. For example, a thermal diffusion method or an ion implantation method is used to form the n-type region.
The performance of the strain gauge greatly depends on the impurity concentration. The impurity concentration of the strain gauge is preferably in the range of about 1 × 10 17 to about 1 × 10 18 atoms / cm 3 . Further, the impurity concentration of the diffusion wiring is preferably high in order to reduce the resistance, and is preferably in the range of about 1 × 10 18 to about 1 × 10 20 atoms / cm 3 .
工程2:図5(b)に示すように、歪ゲージが形成されたシリコン基板主表面の上面を覆うように第1絶縁膜を形成する。第1絶縁膜は、例えば酸化シリコンからなり、CVD法等を用いて形成する。 Step 2: As shown in FIG. 5B, a first insulating film is formed so as to cover the upper surface of the main surface of the silicon substrate on which the strain gauge is formed. The first insulating film is made of, for example, silicon oxide and is formed using a CVD method or the like.
続いて、シールド膜を形成する。シールド膜は、例えば、CVD法を用いて多結晶シリコン膜を全面に形成した後、写真製版技術および反応性プラズマエッチングを用いて、所望の形状に加工して形成する。なお、多結晶シリコン膜の導電性を向上させるために、例えばリン等の不純物を導入するのが好ましい。 Subsequently, a shield film is formed. The shield film is formed by, for example, forming a polycrystalline silicon film on the entire surface by using the CVD method and then processing it into a desired shape by using a photoengraving technique and reactive plasma etching. In order to improve the conductivity of the polycrystalline silicon film, it is preferable to introduce an impurity such as phosphorus.
工程3:図5(c)に示すように、全面に第2絶縁膜を形成する。第2絶縁膜は、例えば、酸化シリコンからなり、CVD法を用いて形成する。 Step 3: As shown in FIG. 5C, a second insulating film is formed on the entire surface. The second insulating film is made of, for example, silicon oxide and is formed using a CVD method.
次に、写真製版技術、反応性イオンエッチングを用いて、第2絶縁膜、第1絶縁膜に第1ビア21、第2ビアを形成する。第1ビアは、シールド膜に達するように形成し、第2ビアは、拡散配線に達するように形成する。 Next, the first via 21 and the second via are formed in the second insulating film and the first insulating film by using photolithography and reactive ion etching. The first via is formed so as to reach the shield film, and the second via is formed so as to reach the diffusion wiring.
次に、例えばスパッタ法や蒸着法によりアルミニウム層を全面に形成した後、写真製版技術を用いて所望の形状にパターニングし、配線層を形成する。配線層は、拡散配線とシールド膜に接続され、更に電源(図示せず)にも接続される。この結果、シールド膜の電位は、電源電位となる。
なお、配線層を形成した後、表面を保護膜で覆っても構わない。保護膜は、例えば窒化シリコンからなる。
Next, for example, an aluminum layer is formed on the entire surface by sputtering or vapor deposition, for example, and then patterned into a desired shape using a photoengraving technique to form a wiring layer. The wiring layer is connected to the diffusion wiring and the shield film, and further connected to a power source (not shown). As a result, the potential of the shield film becomes the power supply potential.
Note that the surface may be covered with a protective film after the wiring layer is formed. The protective film is made of, for example, silicon nitride.
工程4:図5(d)に示すように、シリコン基板を主表面と反対面からエッチングし、凹部18を形成し、凹部18の底面に露出した領域を圧力起歪部8とする。支持基板のエッチングとしては、SF6ガスを用いた反応性プラズマエッチングが用いられる。エッチングする深さは、圧力センサ100が使用される圧力に応じて決定される。プラズマエッチングの条件例えば基板に印加する高周波電力を調整することで、側壁をおよそ垂直に掘ることが可能である。シリコン基板として(110)結晶面を主表面とする場合は、KOHなどのアルカリ溶液を用いたエッチングでも一つ以上の側壁をおよそ垂直に掘ることができる。
Step 4: As shown in FIG. 5 (d), the silicon substrate is etched from the surface opposite to the main surface to form the
工程5:図5(e)に示すように、絶対圧センサとして用いる場合は、エッチングを実施した面にガラス基板10を陽極接合し、凹部内を真空状態とする。また、差圧センサとして用いる場合は、ガラス基板10は必ずしも必要ではない。
Process 5: As shown in FIG.5 (e), when using as an absolute pressure sensor, the
最後に、半田バンプやワイヤボンドを用いて、配線層7に接続されたパッド部(図示せず)と外部との接続をおこなう。以上の工程で、本実施の形態にかかる圧力センサ100が完成する。
Finally, a pad portion (not shown) connected to the
実施の形態2.
図6は、全体が300で表される、本発明の実施の形態2にかかる圧力センサの断面図であり、後述する図7を、<110>方向に見た場合の断面図である。
圧力センサ300は、支持基板11、埋め込み酸化膜(絶縁層)12、および活性層13からなるSOI(Silicon On Insulator)基板14を含む。SOI基板14では、例えば支持基板11、活性層13はシリコンからなり、埋め込み酸化膜12は酸化シリコンからなる。更に、活性層13は単結晶シリコンから形成され、一方、支持基板11は、単結晶シリコン基板の他、多結晶シリコンやサファイアから形成されても良い。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the pressure sensor according to the second exemplary embodiment of the present invention, the whole being represented by 300, and is a cross-sectional view when FIG. 7 described later is viewed in the <110> direction.
The
活性層13には、n型の拡散配線2、およびn型の歪ゲージ3が形成されている。拡散配線2、歪ゲージ3は、不純物拡散法やイオン注入法により形成される。拡散配線2の不純物濃度は1×1018〜1×1020atom/cm3程度であり、歪ゲージ3の不純物濃度は1×1017〜1×1018atom/cm3程度である。拡散配線2は、歪ゲージ3と配線層7とを電気的に接続する役割を果たす。
In the
歪ゲージ3としては、Ni−Crなどの金属膜や、n型シリコンからなる活性層13中に形成されたp型領域を用いることもできる。p型領域を用いる場合は、p型領域をn型の活性層13から電気的に分離するために、pn接合領域を逆バイアス状態にする必要がある。
As the
支持基板11には、埋め込み酸化膜12が露出するように凹部が設けられ、凹部の底面が圧力起歪部8となっている。圧力センサ300では、凹部の底面に埋め込み酸化膜12が残っているが、埋め込み酸化膜12を更に薄膜化したり、すべて除去して活性層13を露出させることもできる。また、所定の膜厚の支持基板11を残す場合もある。
The
活性層13の上には、例えば酸化シリコンからなる第1絶縁膜4が形成されている。更に、第1絶縁膜4の上には、導電膜5が形成されている。導電膜5は、リンなどの不純物を含む多結晶シリコンやアルミニウム等から形成される。多結晶シリコンは、単結晶シリコンからなる活性層13と熱膨張係数が近いため、温度特性を考慮した場合、多結晶シリコンを用いることが望ましい。第1絶縁膜4は、拡散配線2、歪ゲージ3と、導電膜5との間を電気的に絶縁している。
導電膜5の上には、例えば酸化シリコンからなる第2絶縁膜6が形成されている。
A first insulating
On the
第1絶縁膜4、第2絶縁膜6には、第1ビア21、および第2ビア22が設けられ、これらを埋め込むように、例えばアルミニウムからなる配線層7が設けられている。配線層7は、パッド部(図示せず)に接続され、ワイヤボンドや半田バンプ接合により、外部に信号を出力する。
The first
導電膜5は、歪ゲージ3に外部からノイズ信号が入らないようにするために、一定の電源電位に保たれている。圧力センサ300では、配線層7を介して電源に接続されている。なお、シールド膜5は、浮遊電位であってもシールド効果を示すことは確認されているが、大量のマイナス電荷が圧力センサ300の表面に入射した場合、導電膜5が電源電位に接続されている方が速やかにマイナス電荷を除去できるので望ましい。
The
圧力センサ300では、圧力起歪部8にかかる圧力により圧力起歪部8が歪み、かかる歪量を、歪ゲージ3の抵抗変化として検出する。
In the
例えば、支持基板11の底面にガラス基板(図示せず)を陽極接合し、圧力起歪部8の下方の凹部を真空に保持することにより、圧力センサ300にかかる絶対圧を測定する絶対圧センサとなる。また、図6に示すようにガラス基板を設けない場合は、圧力起歪部8の両側(圧力センサ300の上部と下部)の差圧を測定できる差圧センサとなる。
For example, an absolute pressure sensor that measures the absolute pressure applied to the
本実施の形態では、圧力起歪部8に対して、導電膜5を形成する領域を調整し、ダイヤフラムの破壊強度の変化を測定し、図8に示す実験結果を得た。図8の結果から、発明者は、導電膜5の形成領域と圧力起歪部8との位置関係がダイヤフラム(圧力起歪部8)の破壊耐性に大きく影響することを見出した。
In the present embodiment, the region where the
図7に、圧力センサ300を上面から見た場合の、圧力起歪部8とその上方に形成された導電膜5との位置関係を表す。理解を容易にするために、第2絶縁膜6等は省略した。
通常、活性層13は(100)基板からなり、図7に示すように、紙面の上下方向、左右方向が<110>方向となる。また、支持基板11に形成される圧力起歪部8(支持基板11に形成された凹部の底面)は、<110>方向に沿って各辺が形成された矩形形状からなる。図2では、圧力起歪部8の回転中心をOで表している。ここで、回転中心Oは、圧力起歪部8を、回転中心Oの周りで180度回転させても、元の形状と同じである位置をいう。
FIG. 7 shows a positional relationship between the
Normally, the
また、活性層13の表面に対して鉛直方向から見た場合の、<110>方向の、回転中心Oからの延長線上における圧力起歪部8の縁部から導電膜5の縁部までの距離をSとし、縁部での膜段差をDとする。図8では、導電膜5の段差が、圧力起歪部8の縁部より内側(回転中心O側)にある場合は、−(マイナス)符号を付して表した。
Further, the distance from the edge of the
なお、歪量の検出感度を向上させるために、歪ゲージ3は圧力起歪部8の上部を覆うように形成されている。
Note that the
図8は、横軸に距離Sと段差Dの比(S/D)を、縦軸にダイヤフラム(圧力起歪部8)の破壊強度を示す。図8からわかるように、S/Dの絶対値を80以上とすることにより、破壊強度が大幅に向上し、80以下の場合の約5程度とすることができる。好適には、S/Dの値は100以上で1300以下の値である。 FIG. 8 shows the ratio (S / D) between the distance S and the step D on the horizontal axis, and the fracture strength of the diaphragm (pressure strain portion 8) on the vertical axis. As can be seen from FIG. 8, by setting the absolute value of S / D to 80 or more, the fracture strength is greatly improved, and can be about 5 in the case of 80 or less. Preferably, the value of S / D is 100 or more and 1300 or less.
例えば、段差Dが0.3μmの場合、<110>方向に沿った、圧力起歪部8の縁部からシールド膜5の縁部までの距離Sは、24μm以上であれば良く、好適には、30μm以上で390μm以下となる。
For example, when the step D is 0.3 μm, the distance S from the edge of the
上述のように、導電膜5がシールド効果を有するには、歪ゲージ3の上方を覆うように導電膜5を形成する必要があり、そのような条件を満たしつつ、距離Sと段差Dとの関係をこのように設定することにより、圧力起歪部8の破壊耐性を大幅に向上させつつ、素子小型化を実現し、ノイズのない圧力測定結果を得ることが可能となる。
As described above, in order for the
なお、図7から分かるように、主表面が(100)面の単結晶シリコンからなる活性層13では、<110>方向は2方向存在する。このような場合は、双方において、S/Lが0.1以上となることが必要となる。
As can be seen from FIG. 7, there are two <110> directions in the
また、活性層13の主表面が(110)面の場合は、破壊耐圧を向上するには活性層の面に沿った方向の<110>方向について、S/Dが80以上となることが必要となる。
When the main surface of the
更に、圧力起歪部8の形状が、円形、略円形、多角形、リング状であっても、図8のような関係が成立することを、実験的に確認している。
Further, it has been experimentally confirmed that the relationship shown in FIG. 8 is established even when the shape of the
なお、膜段差が導電膜からなる場合を述べたが、単結晶シリコンと異質の材料である絶縁膜や、他の導電膜、例えば配線層の端部であっても同様の効果が得られる。 Note that although the case where the film step is made of a conductive film has been described, the same effect can be obtained even in an insulating film that is a different material from single crystal silicon, or in another conductive film such as an end portion of a wiring layer.
図9は、全体が400で表される、本実施の形態にかかる他の圧力センサであり、圧力起歪部8がリング状に形成されている。図9(a)は上面図(図2と同様に、第2絶縁膜6等は省略)、図9(b)は、図9(a)をB−B方向に見た場合の断面図である。図9中、図6と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。
FIG. 9 shows another pressure sensor according to the present embodiment, indicated as a whole by 400, in which the
圧力センサ400においても、回転中心Oから圧力起歪部8の縁部までの距離Lと、圧力起歪部8の縁部とシールド膜5の縁部との距離Sとの間に、S/Dが80以上、好適にはS/Dが100以上で1300以下の関係が成立する。
Also in the
なお、図9(a)に示すように、導電膜5が、回転中心Oに対して対称に形成されていない場合もあるが、このような場合でも、<110>方向においてS/Dが上記関係を有すれば良い。
As shown in FIG. 9A, the
なお、本発明の効果が得られる理由は必ずしも明らかではないが、導電膜5の縁部の応力分布や、SOI基板14の応力分布が互いに影響しあい、圧力起歪部8の破壊強度を決定しているものと考えられる。また、主表面が(100)面の単結晶シリコン基板は、<110>方向に割れやすい特性を有するため、<110>方向に対してS/Dを所定の範囲内にすることで、破壊強度を向上できるものと考えられる。
Although the reason why the effect of the present invention can be obtained is not necessarily clear, the stress distribution of the edge of the
次に、図10を用いて、本実施の形態にかかる圧力センサ300の製造方法について説明する。圧力センサ300の製造方法は以下の工程1〜5を含む。
Next, a manufacturing method of the
工程1:図10(a)に示すように、シリコンからなる支持基板11、酸化シリコンからなる埋め込み酸化膜12、およびシリコンからなる活性層13が、順次積層されたSOI基板1を準備する。
活性層13は、n型の単結晶シリコンからなり、主表面は(100)である。支持基板11は、単結晶シリコンから形成されるが、多結晶シリコン、サファイア等から形成されても構わない。
Step 1: As shown in FIG. 10A, an
The
次に、SOI基板1の活性層13に、n型領域を形成し、拡散配線2および歪ゲージ3とする。n型領域の形成には、例えば、熱拡散法やイオン注入法が用いられる。
Next, an n-type region is formed in the
歪ゲージ3の性能は、不純物濃度に大きく依存する。歪ゲージ3の不純物濃度は、約1×1017〜約1×1018atom/cm3の範囲内であることが好ましい。
The performance of the
また、拡散配線2の不純物濃度は、抵抗を下げるために高濃度であることが好ましく、約1×1018〜約1×1020atom/cm3の範囲内であることが好ましい。
Further, the impurity concentration of the
工程2:図10(b)に示すように、SOI基板1の上面を覆うように第1絶縁膜4を形成する。第1絶縁膜4は、例えば酸化シリコンからなり、CVD法等を用いて形成する。
続いて、導電膜5を形成する。導電膜5は、例えば、CVD法を用いて多結晶シリコン膜を全面に形成した後、写真製版技術および反応性プラズマエッチングを用いて、所望の形状に加工して形成する。なお、多結晶シリコン膜の導電性を向上させるために、例えばリン等の不純物を導入するのが好ましい。
Step 2: As shown in FIG. 10B, a first
Subsequently, the
工程3:図10(c)に示すように、全面に第2絶縁膜6を形成する。第2絶縁膜6は、例えば、酸化シリコンからなり、CVD法を用いて形成する。
Process 3: As shown in FIG.10 (c), the 2nd insulating
次に、写真製版技術、反応性イオンエッチングを用いて、第2絶縁膜6、第1絶縁膜4に第1ビア21、第2ビア22を形成する。第1ビア21は、シールド膜5に達するように形成し、第2ビア22は、拡散配線2に達するように形成する。
Next, the first via 21 and the second via 22 are formed in the second
次に、例えばスパッタ法や蒸着法によりアルミニウム層を全面に形成した後、写真製版技術を用いて所望の形状にパターニングし、配線層7を形成する。配線層7は、拡散配線2とシールド膜5に接続され、更に電源(図示せず)にも接続される。この結果、シールド膜5の電位は、電源電位となる。
Next, an aluminum layer is formed on the entire surface by, eg, sputtering or vapor deposition, and then patterned into a desired shape using a photoengraving technique to form the
なお、配線層7を形成した後、表面を保護膜で覆っても構わない。保護膜は、例えば窒化シリコンからなる。
Note that after the
工程4:図10(d)に示すように、支持基板11を底面からエッチングし、凹部を形成し、凹部の底面に露出した領域を圧力起歪部8とする。支持基板11のエッチングには、例えば、SF6ガスを用いた反応性プラズマエッチングが用いられる。エッチングする深さは、圧力センサ300が使用される圧力に応じて決定される。例えば、支持基板11を若干残して圧力起歪部8を厚く形成する場合もある。また、図9(d)に示すように、埋め込み酸化膜12が露出するまで支持基板11をエッチングする場合もある。更には、埋め込み酸化膜12を部分的に、または全て除去する場合や、活性層13を若干エッチングする場合もある。また支持基板として(110)結晶面を主表面とする場合は、KOHなどのアルカリ溶液を用いたエッチングでも一つ以上の側壁をおよそ垂直に掘ることができる。
Process 4: As shown in FIG.10 (d), the
工程5:図10(e)に示すように、絶対圧センサとして用いる場合は、支持基板13の底面にガラス基板10を陽極接合し、凹部内を真空状態とする。また、差圧センサとして用いる場合は、ガラス基板10は必ずしも必要ではない。
最後に、半田バンプやワイヤボンドを用いて、配線層7に接続されたパッド部(図示せず)と外部との接続をおこなう。以上の工程で、本実施の形態にかかる圧力センサ300が完成する。
Step 5: As shown in FIG. 10 (e), when used as an absolute pressure sensor, the
Finally, a pad portion (not shown) connected to the
なお、実施の形態1、2では、拡散配線2や歪ゲージ3をn型領域から形成したが、p型領域から形成することも可能である。
In the first and second embodiments, the
1 シリコン基板、 2 拡散配線、3 歪ゲージ、4 第一絶縁層、5 導電膜、6第二絶縁層、7 配線層、8 圧力起歪部、10 ガラス基板、11 支持基板、12 埋め込み絶縁層、 13、活性層、14 SOI基板、18 凹部 22 ビア、100 圧力センサ。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
該シリコン基板を底面からエッチングして形成された凹部と、
該凹部の底面に露出した圧力起歪部と、
該圧力起歪部の上方の活性層に設けられた歪ゲージと、
該活性層上に、絶縁膜を挟んで形成された導電層とを含み、
該圧力起歪部に与えられた圧力を該歪ゲージの抵抗変化として検出する圧力センサであって、
該活性層の<110>方向に沿った、該圧力起歪部の回転中心からの線上にある、該圧力起歪部の縁部から該導電膜の縁部までの距離Sと該導電膜の段差Dが、
S/D≧80
の関係を満たすことを特徴とする圧力センサ。 A single crystal silicon substrate;
A recess formed by etching the silicon substrate from the bottom surface;
A pressure strain portion exposed on the bottom surface of the recess;
A strain gauge provided in the active layer above the pressure strain portion;
A conductive layer formed on the active layer with an insulating film interposed therebetween,
A pressure sensor for detecting a pressure applied to the pressure strain portion as a resistance change of the strain gauge,
Along the <110> direction of the active layer, on the line from the rotation center of the pressure strain generating part, of the distance S and the conductive film from the edge of the pressure strain generating portion to the edge portion of the conductive film Step D is
S / D ≧ 80
A pressure sensor satisfying the relationship
該支持基板を底面からエッチングして形成された凹部と、
該凹部の底面に露出した圧力起歪部と、
該圧力起歪部の上方の該活性層に設けられた歪ゲージと、
該活性層上に、絶縁膜を挟んで形成された導電膜とを含み、
該圧力起歪部に与えられた圧力を該歪ゲージの抵抗変化として検出する圧力センサであって、
該活性層の<110>方向に沿った、該圧力起歪部の回転中心からの線上にある、該圧力起歪部の縁部から該導電膜の縁部までの距離Sと該導電膜の段差Dが、
S/D≧80
の関係を満たすことを特徴とする圧力センサ。 An SOI substrate in which an active layer made of a supporting substrate, an insulating layer, and single crystal silicon is stacked;
A recess formed by etching the support substrate from the bottom surface;
A pressure strain portion exposed on the bottom surface of the recess;
A strain gauge provided in the active layer above the pressure strain portion;
A conductive film formed on the active layer with an insulating film interposed therebetween,
A pressure sensor for detecting a pressure applied to the pressure strain portion as a resistance change of the strain gauge,
Along the <110> direction of the active layer, on the line from the rotation center of the pressure strain generating part, of the distance S and the conductive film from the edge of the pressure strain generating portion to the edge portion of the conductive film Step D is
S / D ≧ 80
A pressure sensor satisfying the relationship
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