JP4965274B2 - Pressure sensor - Google Patents

Pressure sensor Download PDF

Info

Publication number
JP4965274B2
JP4965274B2 JP2007024956A JP2007024956A JP4965274B2 JP 4965274 B2 JP4965274 B2 JP 4965274B2 JP 2007024956 A JP2007024956 A JP 2007024956A JP 2007024956 A JP2007024956 A JP 2007024956A JP 4965274 B2 JP4965274 B2 JP 4965274B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pressure
pressure sensor
strain
conductive film
active layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2007024956A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2008190970A (en
Inventor
晋一 出尾
英治 吉川
浩 小林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2007024956A priority Critical patent/JP4965274B2/en
Publication of JP2008190970A publication Critical patent/JP2008190970A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4965274B2 publication Critical patent/JP4965274B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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)。
特開2006−3100号公報
In the conventional pressure sensor, a concave portion is formed on the back surface of the substrate, and the bottom surface of the concave portion is a pressure strain portion. In addition, a strain gauge is formed on the surface of the substrate that is above the pressure strain portion. When the pressure strain portion is deformed, the amount of deformation is detected as a resistance change of the strain gauge, and the amount of strain is measured. As a method for forming the recess, wet etching or dry etching is known. When silicon is etched with an alkaline solution using a (100) crystal orientation substrate, it is etched into a tapered shape. The taper angle is an angle determined by the crystal orientation, and a taper angle of approximately 54 degrees is formed. The substrate thickness to be used is generally several hundred μm or more because of substrate handling limitations. The thickness of the substrate and the taper angle increase the size of the entire device, which is a barrier to downsizing the sensor. Since this tapered shape is not preferable in order to realize a reduction in the size of the sensor, a method using wet etching with an alkaline solution using a silicon substrate having a (110) crystal orientation is known. As another method, a method is known in which a recess having a substantially vertical wall is formed by dry etching using plasma so as not to depend on the crystal direction of silicon (see, for example, Patent Document 1).
JP 2006-3100 A

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。
Embodiment 1. FIG.
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/cm程度であり、歪ゲージ3の不純物濃度は1×1017〜1×1018atom/cm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 pressure sensor 100 is made of a silicon substrate 1. An n-type diffusion wiring 2 and an n-type strain gauge 3 are formed on the silicon substrate 1. The diffusion wiring 2 and the strain gauge 3 are formed by an impurity diffusion method or an ion implantation method. The impurity concentration of the diffusion wiring 2 is about 1 × 10 18 to 1 × 10 20 atoms / cm 3 , and the impurity concentration of the strain gauge 3 is about 1 × 10 17 to 1 × 10 18 atoms / cm 3 . The diffusion wiring 2 serves to electrically connect the strain gauge 3 and the wiring layer 7.

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 strain gauge 3, a metal film such as Ni—Cr or a p-type region formed in the silicon substrate 1 made of n-type silicon can also be used. When the p-type region is used, in order to electrically isolate the p-type region from the n-type silicon substrate 1, the pn junction region needs to be in a reverse bias state.

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 recess 18 is provided on the other surface of the silicon substrate 1, and the bottom surface of the recess serves as the pressure strain portion 8. In order to realize element miniaturization, at least one side wall surface of the recess 18 is processed substantially vertically.

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 silicon substrate 1 on which the strain gauge 3 is formed, a first insulating film 4 made of, for example, silicon oxide is formed. Further, a conductive film 5 is formed on the first insulating film 4. The conductive film 5 serves as a shield for increasing the electrostatic resistance of the strain gauge 3. As a shield, a polycrystalline silicon film containing an impurity such as phosphorus has a thermal expansion coefficient close to that of a silicon substrate made of single crystal silicon, so that it is desirable in consideration of output temperature characteristics from a strain gauge. The first insulating film 4 electrically insulates the diffusion wiring 2, the strain gauge 3 and the conductive film 5.

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 conductive film 5, a second insulating film 6 made of, for example, silicon oxide is formed.
The first insulating film 4 and the second insulating film 6 are provided with a first via 22 and a second via, and a wiring layer made of, for example, aluminum is provided so as to fill them. The wiring layer 7 is connected to a pad portion (not shown) and outputs a signal to the outside by wire bonding or solder bump bonding.

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 conductive film 5 is kept at a constant power supply potential so that a noise signal does not enter the strain gauge from the outside. The pressure sensor is connected to a power source through the wiring layer 7. The conductive film 5 has been confirmed to exhibit a shielding effect even at a floating potential, but when a large amount of negative charge is incident on the surface of the pressure sensor, the conductive film 5 is connected to the power supply potential. This is desirable because it can quickly remove negative charges.

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 pressure straining portion 8, and the amount of strain is detected as a resistance change of the strain gauge 3. For example, an absolute pressure applied to the pressure sensor is measured by anodically bonding a glass substrate (not shown) to the silicon substrate surface on which the recesses 18 are formed, and holding the recesses 18 below the pressure-distortion units in a vacuum. It becomes an absolute pressure sensor. Moreover, when a glass substrate is not provided as shown in FIG. 1, it becomes a differential pressure sensor which can measure the differential pressure of both sides (the upper part and the lower part of a pressure sensor) of a pressure strain part.

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 pressure strain portion 8, the change in the fracture strength of the diaphragm is measured, and the experimental results shown in FIG. 3 are obtained. From the results of FIG. 3, the inventor has found that the conductive film and the positional relationship between the conductive film formation region and the pressure strain portion 8 greatly affect the fracture resistance of the diaphragm (pressure strain portion).

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 pressure strain portion 8 and the conductive film 5 formed thereabove when the pressure sensor is viewed from above, and FIG. Represents the figure. In order to facilitate understanding, the second insulating film and the like are omitted.

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 silicon substrate 1 has a rectangular shape in which each side is formed along the <110> direction. In FIG. 2, the rotation center of the pressure straining portion 8 is represented by O. Here, the rotation center O refers to a position that is the same as the original shape even if the pressure strain portion 8 is rotated 180 degrees around the rotation center O.

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 pressure straining portion 8 in the <110> direction when viewed from the vertical direction with respect to the surface of the silicon substrate 1, the pressure straining portion 8. Let S be the distance from the edge of the film to the edge of the conductive film 5. In FIG. 3, when the edge portion of the conductive film 5 is on the inner side (rotation center O side) than the edge portion of the pressure strain portion 8, the − (minus) sign is attached. A step at the edge of the conductive film is denoted by D.

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 strain gauge 3 is formed so as to cover the upper portion of the pressure strain portion 8 in order to improve the detection sensitivity of the strain amount.

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 pressure strain portion 8 to the edge of the conductive film 5 along the <110> direction may be 24 μm or more, and more preferably. Is 30 μm or more and 390 μm or less.

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 conductive film 5 to have a shielding effect, it is necessary to form the conductive film 5 so as to cover the strain gauge 3.

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 pressure straining portion 8 can be greatly improved, and the device can be downsized.

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 active layer 13 made of single crystal silicon whose main surface is the (100) plane. In such a case, the S / D needs to be 80 or more in both cases.

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 silicon substrate 1 is the (110) plane, the S / D needs to be 80 or more in the <110> direction along the plane of the silicon substrate in order to improve the breakdown voltage. It becomes. For example, when viewed from the vertical direction with respect to the surface of the silicon substrate, on the extension line of the straight line from the rotation center O toward the edge of the pressure strain portion in the <110> direction, from the edge of the pressure strain portion Let S be the distance to the edge of the insulating film. Further, D is a step at the edge of the insulating film. By setting the absolute value of S / D to about 80 or more, the fracture strength of the pressure strain portion is greatly improved.

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 conductive film 5 has been described, the same effect can be obtained even in an insulating film which is a material different from single crystal silicon, or in an end portion of another conductive film 5, for example, the wiring layer 7.

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 pressure straining portion 8 is formed in a ring shape. 4A is a top view (the second insulating film 6 and the like are omitted as in FIG. 2), and FIG. 4B is a cross-sectional view when FIG. 4A is viewed in the AA direction. is there. 4, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.

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 pressure sensor 200, S / D is 80 or more, more preferably S / D is 100 between the film level difference D and the distance S between the edge of the pressure strain portion 8 and the edge of the shield film 5. Thus, the relationship of 1300 or less is established.

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 pressure sensor 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The manufacturing method of the pressure sensor 100 includes the following steps 1 to 5.

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 crystal silicon substrate 1 is prepared.
The single crystal silicon substrate is made of n-type single crystal silicon and has a main surface of (100). The support substrate 11 is formed of single crystal silicon, but may be formed of polycrystalline silicon, sapphire, or the like.

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/cm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/cm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、SF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 concave portion 18, and the region exposed on the bottom surface of the concave portion 18 is defined as the pressure strain portion 8. As the etching of the support substrate, reactive plasma etching using SF 6 gas is used. The etching depth is determined according to the pressure at which the pressure sensor 100 is used. By adjusting the plasma etching conditions, for example, the high-frequency power applied to the substrate, the side wall can be dug approximately vertically. When the silicon substrate has a (110) crystal plane as the main surface, one or more sidewalls can be dug approximately vertically even by etching using an alkaline solution such as KOH.

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 glass substrate 10 is anodically bonded to the surface which etched, and the inside of a recessed part is made into a vacuum state. Moreover, when using as a differential pressure sensor, the glass substrate 10 is not necessarily required.

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 wiring layer 7 is connected to the outside using solder bumps or wire bonds. The pressure sensor 100 according to the present embodiment is completed through the above steps.

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。
Embodiment 2. FIG.
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 pressure sensor 300 includes an SOI (Silicon On Insulator) substrate 14 including a support substrate 11, a buried oxide film (insulating layer) 12, and an active layer 13. In the SOI substrate 14, for example, the support substrate 11 and the active layer 13 are made of silicon, and the buried oxide film 12 is made of silicon oxide. Furthermore, the active layer 13 is formed of single crystal silicon, while the support substrate 11 may be formed of polycrystalline silicon or sapphire in addition to the single crystal silicon substrate.

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/cm程度であり、歪ゲージ3の不純物濃度は1×1017〜1×1018atom/cm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 active layer 13, an n-type diffusion wiring 2 and an n-type strain gauge 3 are formed. The diffusion wiring 2 and the strain gauge 3 are formed by an impurity diffusion method or an ion implantation method. The impurity concentration of the diffusion wiring 2 is about 1 × 10 18 to 1 × 10 20 atoms / cm 3 , and the impurity concentration of the strain gauge 3 is about 1 × 10 17 to 1 × 10 18 atoms / cm 3 . The diffusion wiring 2 serves to electrically connect the strain gauge 3 and the wiring layer 7.

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 strain gauge 3, a metal film such as Ni—Cr or a p-type region formed in the active layer 13 made of n-type silicon can also be used. When the p-type region is used, the pn junction region needs to be in a reverse bias state in order to electrically isolate the p-type region from the n-type active layer 13.

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 support substrate 11 is provided with a recess so that the buried oxide film 12 is exposed, and the bottom surface of the recess serves as the pressure strain portion 8. In the pressure sensor 300, the buried oxide film 12 remains on the bottom surface of the recess, but the buried oxide film 12 can be further thinned or removed to expose the active layer 13. In some cases, the support substrate 11 having a predetermined film thickness is left.

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 film 4 made of, for example, silicon oxide is formed on the active layer 13. Further, a conductive film 5 is formed on the first insulating film 4. The conductive film 5 is made of polycrystalline silicon, aluminum, or the like containing impurities such as phosphorus. Since polycrystalline silicon has a thermal expansion coefficient close to that of the active layer 13 made of single crystal silicon, it is desirable to use polycrystalline silicon in consideration of temperature characteristics. The first insulating film 4 electrically insulates the diffusion wiring 2, the strain gauge 3 and the conductive film 5.
On the conductive film 5, a second insulating film 6 made of, for example, silicon oxide is formed.

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 insulating film 4 and the second insulating film 6 are provided with a first via 21 and a second via 22, and a wiring layer 7 made of, for example, aluminum is provided so as to fill them. The wiring layer 7 is connected to a pad portion (not shown) and outputs a signal to the outside by wire bonding or solder bump bonding.

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 conductive film 5 is kept at a constant power supply potential so that a noise signal does not enter the strain gauge 3 from the outside. The pressure sensor 300 is connected to a power source via the wiring layer 7. Although the shield film 5 has been confirmed to exhibit a shielding effect even at a floating potential, when a large amount of negative charge is incident on the surface of the pressure sensor 300, the conductive film 5 is connected to the power supply potential. It is desirable that the negative charge can be quickly removed.

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 pressure sensor 300, the pressure strain unit 8 is distorted by the pressure applied to the pressure strain unit 8, and the amount of strain is detected as a resistance change of the strain gauge 3.

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 pressure sensor 300 by anodically bonding a glass substrate (not shown) to the bottom surface of the support substrate 11 and holding the concave portion below the pressure strain portion 8 in a vacuum. It becomes. Moreover, when a glass substrate is not provided as shown in FIG. 6, it becomes a differential pressure sensor which can measure the differential pressure of both sides (the upper part and the lower part of the pressure sensor 300) of the pressure strain part 8. FIG.

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 conductive film 5 is formed is adjusted with respect to the pressure strain portion 8, the change in the fracture strength of the diaphragm is measured, and the experimental results shown in FIG. 8 are obtained. From the result of FIG. 8, the inventor found that the positional relationship between the formation region of the conductive film 5 and the pressure strain portion 8 greatly affects the fracture resistance of the diaphragm (pressure strain portion 8).

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 pressure strain portion 8 and the conductive film 5 formed thereabove when the pressure sensor 300 is viewed from above. In order to facilitate understanding, the second insulating film 6 and the like are omitted.
Normally, the active layer 13 is made of a (100) substrate, and as shown in FIG. 7, the vertical direction and the horizontal direction of the paper surface are the <110> directions. Further, the pressure strain portion 8 (the bottom surface of the recess formed in the support substrate 11) formed on the support substrate 11 has a rectangular shape in which each side is formed along the <110> direction. In FIG. 2, the rotation center of the pressure straining portion 8 is represented by O. Here, the rotation center O refers to a position that is the same as the original shape even if the pressure strain portion 8 is rotated 180 degrees around the rotation center O.

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 pressure strain portion 8 to the edge of the conductive film 5 on the extension line from the rotation center O in the <110> direction when viewed from the vertical direction with respect to the surface of the active layer 13. Is S, and the film step at the edge is D. In FIG. 8, when the step of the conductive film 5 is on the inner side (rotation center O side) than the edge of the pressure strain portion 8, it is indicated with a − (minus) sign.

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 strain gauge 3 is formed so as to cover the upper portion of the pressure strain portion 8 in order to improve the detection sensitivity of the strain amount.

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 pressure straining portion 8 to the edge of the shield film 5 along the <110> direction may be 24 μm or more, preferably 30 μm or more and 390 μm or less.

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 conductive film 5 to have a shielding effect, it is necessary to form the conductive film 5 so as to cover the upper side of the strain gauge 3. By setting the relationship in this way, it is possible to achieve element miniaturization and obtain a noise-free pressure measurement result while greatly improving the fracture resistance of the pressure straining portion 8.

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 active layer 13 made of single crystal silicon whose main surface is the (100) plane. In such a case, the S / L must be 0.1 or more in both cases.

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 active layer 13 is the (110) plane, the S / D needs to be 80 or more in the <110> direction along the surface of the active layer in order to improve the breakdown voltage. It becomes.

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 pressure straining portion 8 is circular, substantially circular, polygonal, or ring-shaped.

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 pressure straining portion 8 is formed in a ring shape. 9A is a top view (similar to FIG. 2, the second insulating film 6 and the like are omitted), and FIG. 9B is a cross-sectional view when FIG. 9A is viewed in the BB direction. is there. 9, the same reference numerals as those in FIG. 6 denote the same or corresponding parts.

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 pressure sensor 400, the distance S between the rotation center O and the edge of the pressure strain portion 8 and the distance S between the edge of the pressure strain portion 8 and the edge of the shield film 5 is S / The relationship D is 80 or more, preferably S / D is 100 or more and 1300 or less.

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 conductive film 5 may not be formed symmetrically with respect to the rotation center O. Even in such a case, the S / D is the above in the <110> direction. It only has to have a relationship.

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 conductive film 5 and the stress distribution of the SOI substrate 14 influence each other to determine the fracture strength of the pressure strain portion 8. It is thought that. In addition, since the single crystal silicon substrate whose main surface is (100) plane has a characteristic of being easily cracked in the <110> direction, the fracture strength can be reduced by setting the S / D within a predetermined range with respect to the <110> direction. Can be improved.

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 pressure sensor 300 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The manufacturing method of the pressure sensor 300 includes the following steps 1 to 5.

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 SOI substrate 1 is prepared in which a support substrate 11 made of silicon, a buried oxide film 12 made of silicon oxide, and an active layer 13 made of silicon are sequentially laminated.
The active layer 13 is made of n-type single crystal silicon and has a main surface of (100). The support substrate 11 is formed of single crystal silicon, but may be formed of polycrystalline silicon, sapphire, or the like.

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 active layer 13 of the SOI substrate 1 to form the diffusion wiring 2 and the strain gauge 3. For example, a thermal diffusion method or an ion implantation method is used to form the n-type region.

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/cmの範囲内であることが好ましい。 The performance of the strain gauge 3 greatly depends on the impurity concentration. The impurity concentration of the strain gauge 3 is preferably in the range of about 1 × 10 17 to about 1 × 10 18 atoms / cm 3 .

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/cmの範囲内であることが好ましい。 Further, the impurity concentration of the diffusion wiring 2 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 insulating film 4 is formed so as to cover the upper surface of the SOI substrate 1. The first insulating film 4 is made of, for example, silicon oxide and is formed using a CVD method or the like.
Subsequently, the conductive film 5 is formed. The conductive film 5 is formed, for example, by 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 film 6 is formed in the whole surface. The second insulating film 6 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 insulating film 6 and the first insulating film 4 using photolithography and reactive ion etching. The first via 21 is formed so as to reach the shield film 5, and the second via 22 is formed so as to reach the diffusion wiring 2.

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 wiring layer 7. The wiring layer 7 is connected to the diffusion wiring 2 and the shield film 5 and further connected to a power source (not shown). As a result, the potential of the shield film 5 becomes the power supply potential.

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 wiring layer 7 is formed, the surface may be covered with a protective film. The protective film is made of, for example, silicon nitride.

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、SF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 support substrate 11 is etched from a bottom face, a recessed part is formed, and the area | region exposed to the bottom face of the recessed part is made into the pressure strain part 8. FIG. For example, reactive plasma etching using SF 6 gas is used for etching the support substrate 11. The etching depth is determined according to the pressure at which the pressure sensor 300 is used. For example, the pressure-distortion portion 8 may be formed thick with some support substrate 11 left. Further, as shown in FIG. 9D, the support substrate 11 may be etched until the buried oxide film 12 is exposed. Furthermore, the buried oxide film 12 may be partially or entirely removed, or the active layer 13 may be slightly etched. When the (110) crystal plane is the main surface as the support substrate, one or more sidewalls can be dug approximately vertically by etching using an alkaline solution such as KOH.

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 glass substrate 10 is anodically bonded to the bottom surface of the support substrate 13, and the inside of the recess is evacuated. Moreover, when using as a differential pressure sensor, the glass substrate 10 is not necessarily required.
Finally, a pad portion (not shown) connected to the wiring layer 7 is connected to the outside using solder bumps or wire bonds. The pressure sensor 300 according to the present embodiment is completed through the above steps.

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 diffusion wiring 2 and the strain gauge 3 are formed from the n-type region, but can also be formed from the p-type region.

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る。It is sectional drawing of the pressure sensor concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1にかかる圧力センサの上面図および断面図である。It is the upper side figure and sectional drawing of the pressure sensor concerning Embodiment 1 of this invention. 距離S/段差Dと、ダイヤフラムの破壊強度との関係である。It is the relationship between the distance S / step D and the breaking strength of the diaphragm. 本発明の実施の形態1にかかる他の圧力センサの上面図および断面図である。It is the upper side figure and sectional drawing of the other pressure sensor concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1にかかる圧力センサの製造工程の断面図である。It is sectional drawing of the manufacturing process of the pressure sensor concerning Embodiment 1 of this invention. 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る。It is sectional drawing of the pressure sensor concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2にかかる圧力センサの上面図である。It is a top view of the pressure sensor concerning Embodiment 2 of the present invention. 距離S/段差Dと、ダイヤフラムの破壊強度との関係である。It is the relationship between the distance S / step D and the breaking strength of the diaphragm. 本発明の実施の形態2にかかる他の圧力センサの上面図および断面図である。It is the upper side figure and sectional drawing of the other pressure sensor concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2にかかる圧力センサの製造工程の断面図である。It is sectional drawing of the manufacturing process of the pressure sensor concerning Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 Silicon substrate, 2 Diffusion wiring, 3 Strain gauge, 4 First insulating layer, 5 Conductive film, 6 Second insulating layer, 7 Wiring layer, 8 Pressure strain part, 10 Glass substrate, 11 Support substrate, 12 Embedded insulating layer , 13, active layer, 14 SOI substrate, 18 recess 22 via, 100 pressure sensor.

Claims (8)

単結晶シリコン基板と、
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
上記単結晶シリコン基板の主表面が、(100)面または(110)面であることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。   2. The pressure sensor according to claim 1, wherein the main surface of the single crystal silicon substrate is a (100) plane or a (110) plane. 上記導電膜が、多結晶シリコンからなることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。   The pressure sensor according to claim 1, wherein the conductive film is made of polycrystalline silicon. 上記導電膜の電位が、圧力センサの電源電位に保持されていることを特徴とする請求項1に記載の圧力センサ。   The pressure sensor according to claim 1, wherein the potential of the conductive film is held at a power supply potential of the pressure sensor. 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、
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
上記活性層の主表面が、(100)面または(110)面であることを特徴とする請求項5に記載の圧力センサ。 6. The pressure sensor according to claim 5 , wherein the main surface of the active layer is a (100) plane or a (110) plane. 上記導電膜が、多結晶シリコンからなることを特徴とする請求項5に記載の圧力センサ。 The pressure sensor according to claim 5 , wherein the conductive film is made of polycrystalline silicon. 上記導電膜の電位が、圧力センサの電源電位に保持されていることを特徴とする請求項5に記載の圧力センサ。 6. The pressure sensor according to claim 5 , wherein the potential of the conductive film is maintained at the power supply potential of the pressure sensor.
JP2007024956A 2007-02-05 2007-02-05 Pressure sensor Active JP4965274B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007024956A JP4965274B2 (en) 2007-02-05 2007-02-05 Pressure sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007024956A JP4965274B2 (en) 2007-02-05 2007-02-05 Pressure sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008190970A JP2008190970A (en) 2008-08-21
JP4965274B2 true JP4965274B2 (en) 2012-07-04

Family

ID=39751212

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007024956A Active JP4965274B2 (en) 2007-02-05 2007-02-05 Pressure sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4965274B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210154233A (en) 2019-06-19 2021-12-20 미쓰이 가가쿠 가부시키가이샤 A tactile sensor formed on a polyimide thin film having high total light transmittance and a switching device using the same

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011013179A (en) * 2009-07-06 2011-01-20 Yamatake Corp Pressure sensor and method of manufacturing pressure sensor
JP2011158317A (en) * 2010-01-29 2011-08-18 Panasonic Electric Works Co Ltd Pressure sensor
JP5287806B2 (en) * 2010-08-20 2013-09-11 株式会社デンソー Semiconductor pressure sensor
JP5853169B2 (en) * 2010-12-15 2016-02-09 パナソニックIpマネジメント株式会社 Semiconductor pressure sensor
USRE46486E1 (en) 2010-12-15 2017-07-25 Panasonic Corporation Semiconductor pressure sensor
JP5793700B2 (en) * 2010-12-15 2015-10-14 パナソニックIpマネジメント株式会社 Semiconductor pressure sensor
JP5419923B2 (en) 2011-05-09 2014-02-19 三菱電機株式会社 Sensor element
US8511171B2 (en) * 2011-05-23 2013-08-20 General Electric Company Device for measuring environmental forces and method of fabricating the same
US9733142B2 (en) 2012-10-17 2017-08-15 Kabushiki Kaisha Saginomiya Seisakusho Pressure sensor, and sensor unit provided with same
JP6101141B2 (en) 2013-04-18 2017-03-22 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5892745U (en) * 1981-12-16 1983-06-23 株式会社山武 semiconductor pressure transducer
JP3335810B2 (en) * 1995-08-22 2002-10-21 豊田工機株式会社 Semiconductor pressure sensor
JPH0972805A (en) * 1995-09-06 1997-03-18 Hitachi Ltd Semiconductor sensor
JP4186669B2 (en) * 2003-03-28 2008-11-26 日本精機株式会社 Pressure sensor
JP2005055313A (en) * 2003-08-05 2005-03-03 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor pressure sensor apparatus

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210154233A (en) 2019-06-19 2021-12-20 미쓰이 가가쿠 가부시키가이샤 A tactile sensor formed on a polyimide thin film having high total light transmittance and a switching device using the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2008190970A (en) 2008-08-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4965274B2 (en) Pressure sensor
JP6298216B2 (en) Suspended membrane for capacitive pressure sensor
US5936164A (en) All-silicon capacitive pressure sensor
KR100502497B1 (en) Diaphragm-type semiconductor pressure sensor
US7786541B2 (en) Semiconductor pressure sensor and its fabrication method
US20070052046A1 (en) Pressure sensors and methods of making the same
JP5286153B2 (en) Manufacturing method of pressure sensor
JP5558198B2 (en) Semiconductor pressure sensor
EP0672898B1 (en) Semiconductor pressure sensor with polysilicon diaphragm and single-crystal gage elements and fabrication method therefor
US20120223410A1 (en) Region-divided substrate, semiconductor device having region-divided substrate, and method for manufacturing the same
JP2008102069A (en) Semiconductor strain-sensitive sensor
JP3873454B2 (en) Semiconductor pressure sensor
US9464950B2 (en) Capacitive pressure sensors for high temperature applications
US11643324B2 (en) MEMS sensor
JP2007303928A (en) Acceleration sensor and its manufacturing method
JP5692099B2 (en) Semiconductor pressure sensor and manufacturing method thereof
EP3682210B1 (en) Capacitive pressure sensors and other devices having a suspended membrane and having rounded corners at an anchor edge
JP5822978B2 (en) Semiconductor pressure sensor
JP2005156164A (en) Pressure sensor, and manufacturing method for pressure sensor
JP2010281570A (en) Semiconductor pressure sensor
JP6687197B2 (en) Pressure sensor
FR3030738A1 (en) PRESSURE SENSOR ADAPTED TO PRESSURE MEASUREMENTS IN AGGRESSIVE ENVIRONMENTS
JP2005181232A (en) Electromechanical converter and its manufacturing method
JP2009069030A (en) Pressure detection element
JPS63237482A (en) Semiconductor pressure sensor

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20081217

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110610

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110614

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110729

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120327

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120329

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4965274

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150406

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250