JP5692099B2 - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体基板を用いて形成される半導体圧力センサおよびその製造方法に関するものである。
半導体基板を用いて形成される半導体圧力センサは、半導体の微細加工技術を用いることにより、高い加工精度で大量に生産することが可能であり、高性能かつ低コストなセンサを提供することができる。
従来の半導体圧力センサとして、例えば、特開平１１−２９８００９（特許文献１）には、上面に凹部が形成されると共にシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板に、そのシリコン酸化膜を介して、凹部を封止するように単結晶シリコン層が形成され、凹部と対向する位置に設けられた単結晶シリコン層によって形成された受圧部上に歪みゲージが設けられた構成の半導体圧力センサが開示されている。
半導体圧力センサはその製造工程において、ウェハ状のシリコン基板に諸々の加工を施し、最終段階でダイシングによって碁盤の目のようにウェハを切断して切り出される。従って、一般的に半導体圧力センサの外形は矩形形状となる。このような半導体圧力センサにおいては、受圧部の形状を素子外形と相似形を成す矩形形状とすることで、限られた素子面積でセンサとして最大感度を得ることが可能となり有利である。
次に、半導体圧力センサの最大感度について説明する。半導体圧力センサの最大感度は受圧部の撓み易さによって決まる。例えば、矩形に内接する円となるよう受圧部を設計した場合、撓み易さは、矩形となるよう受圧部を設計した場合のおよそ０．７６倍に低減し、それに応じて半導体圧力センサの感度が低下し、性能が低下する。
一方、矩形に外接する円となるよう受圧部を設計した場合、撓み易さは、矩形となるよう受圧部を設計した場合より大きくなるが、受圧部の周囲に設ける電気配線用の金属膜パターンの配置に影響を及ぼし、結果として半導体圧力センサの外形が大きくなる。半導体圧力センサが大きくなると、ウェハから取れる素子数が減り、コストが増加する。
以上述べたように、受圧部は素子外形と相似形を成す矩形とすることが有利であり、受圧部形状は相対するシリコン基板に設けた凹部の平面形状によって規定されるため、凹部の平面形状は矩形となる。
ここで、半導体圧力センサのシリコン基板の上面に形成されるシリコン酸化膜について説明する。シリコン基板の上面に形成されるシリコン酸化膜は、熱酸化膜とすることが好ましい。熱酸化膜とは、例えば、水分を含む雰囲気中でシリコン基板を１０００℃程度で加熱し、シリコンを酸化させてボトムアップで形成する膜である。このようにして形成する熱酸化膜の表面は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などトップダウンの気相成長で形成する酸化膜の表面よりミクロで見てより平滑である。そのため、凹部が形成されたシリコン基板の上面に形成されるシリコン酸化膜を熱酸化膜とすることで、シリコン基板の上面に単結晶シリコン層を接合して受圧部を設ける際に良好な接合が得られる。
しかしながら、シリコンを熱酸化させると体積膨張し、その値は元シリコンのおよそ２．３倍となる。体積膨張による歪みは基板の厚み方向だけでなく平面方向でも生じるので、シリコン基板の上面に設けた凹部の開口端部には異なる方向の歪みが集中して上方への隆起が生じる。そのため、基板の開口端部の隆起が凹部を封止するための基板の貼り合せの妨げとなり、接合不良を誘発するという問題があった。
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、主表面に凹部が形成されると共に熱酸化による絶縁層が形成された第１の基板に、その絶縁層を介して、凹部を封止するように第２の基板が貼り合わせられ、凹部と対向する位置に設けられた第２の基板によって形成された受圧部上に歪みゲージが形成された半導体圧力センサにおいて、上述の封止に係る基板の接合不良を回避することができる半導体圧力センサおよびその製造方法を提供するものである。
本発明に係る半導体圧力センサは、主表面および主表面に形成された凹部の内面に熱酸化絶縁層を有する第１の基板と、配線および歪みゲージを有するダイヤフラムが凹部に対向して設けられた第２の基板とを積層した半導体圧力センサであって、凹部の開口形状は上面視で角部に丸みを有する矩形形状であることを特徴とする半導体圧力センサである。
また、本発明に係る半導体圧力センサは、主表面および主表面に形成された凹部の内面に熱酸化絶縁層を有する第１の基板と、配線および歪みゲージを有するダイヤフラムが凹部に対向して設けられた第２の基板とを積層した半導体圧力センサであって、凹部の開口形状は上面視で鈍角の角部を有する多角形状であることを特徴とする半導体圧力センサである。
また、本発明に係る半導体圧力センサは、主表面および主表面に形成された凹部の内面に熱酸化絶縁層を有する第１の基板と、配線および歪みゲージを有するダイヤフラムが凹部に対向して設けられた第２の基板とを積層した半導体圧力センサであって、主表面と凹部の内壁面とで形成される角部は面取り形状であることを特徴とする半導体圧力センサである。
この発明の半導体圧力センサによれば、主表面および主表面に形成された凹部の内面に熱酸化絶縁層を有する第１の基板と、配線および歪みゲージを有するダイヤフラムが凹部に対向して設けられた第２の基板とを積層した半導体圧力センサであって、凹部の開口形状は上面視で角部に丸みを有する矩形形状であるので、熱酸化絶縁層の隆起を抑制し、封止に係る基板の接合不良を回避することができる。
また、この発明の半導体圧力センサによれば、主表面および主表面に形成された凹部の内面に熱酸化絶縁層を有する第１の基板と、配線および歪みゲージを有するダイヤフラムが凹部に対向して設けられた第２の基板とを積層した半導体圧力センサであって、凹部の開口形状は上面視で鈍角の角部を有する多角形状であるので、熱酸化絶縁層の隆起を抑制し、封止に係る基板の接合不良を回避することができる。
また、この発明の半導体圧力センサによれば、主表面および主表面に形成された凹部の内面に熱酸化絶縁層を有する第１の基板と、配線および歪みゲージを有するダイヤフラムが凹部に対向して設けられた第２の基板とを積層した半導体圧力センサであって、主表面と凹部の内壁面とで形成される角部は面取り形状であるので、熱酸化絶縁層の隆起を抑制し、封止に係る基板の接合不良を回避することができる。
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
実施の形態１．
最初に本発明の実施の形態１における半導体圧力センサの構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１００の構成を示す上面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
最初に本発明の実施の形態１における半導体圧力センサの構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１００の構成を示す上面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
半導体圧力センサ１００は、第１の半導体基板１と、第１の半導体基板１に形成された凹部４と、凹部４を覆って第１の半導体基板１に接合された第２の半導体基板２とを備える。第１の半導体基板１と第２の半導体基板２とは熱酸化絶縁層３を介して接合されている。第２の半導体基板２には歪み（応力）ゲージ５が形成され、歪みゲージ５には絶縁膜６を介して電気配線７が接続されている。なお、図１は、説明をわかりやすくするために、第２の半導体基板２の主表面２ａ側に形成される絶縁膜６と電気配線７を除いた状態を示している。
半導体圧力センサ１００の構成についてさらに詳しく説明する。
第１の半導体基板１は、主表面（おもて面とも言う。）１ａと裏面１ｂとを有する半導体基板で、主表面１ａ側に凹部４が形成されている。凹部４が形成された第１の半導体基板１の表面は、熱酸化絶縁層３で被覆されている。つまり、凹部４の内面にも熱酸化絶縁層３が形成されている。第１の半導体基板１は、例えば、シリコン基板からなる。第１の半導体基板１を形成するシリコンは、単結晶シリコンであってもよいが、特にこれに限定されるものではなく、多結晶のものや非晶質のものであってもよい。熱酸化絶縁層３は、絶縁性を有していれば、いかなる材料からなっていてもよいが、本実施の形態においては、第１の半導体基板１をシリコン基板としたため、熱酸化絶縁層３はシリコン酸化膜からなっている。
第１の半導体基板１は、主表面（おもて面とも言う。）１ａと裏面１ｂとを有する半導体基板で、主表面１ａ側に凹部４が形成されている。凹部４が形成された第１の半導体基板１の表面は、熱酸化絶縁層３で被覆されている。つまり、凹部４の内面にも熱酸化絶縁層３が形成されている。第１の半導体基板１は、例えば、シリコン基板からなる。第１の半導体基板１を形成するシリコンは、単結晶シリコンであってもよいが、特にこれに限定されるものではなく、多結晶のものや非晶質のものであってもよい。熱酸化絶縁層３は、絶縁性を有していれば、いかなる材料からなっていてもよいが、本実施の形態においては、第１の半導体基板１をシリコン基板としたため、熱酸化絶縁層３はシリコン酸化膜からなっている。
凹部４を主表面１ａ側から見た形状、つまり上面視における凹部４の開口形状は、図１に細い破線で示すように矩形形状で、その四隅（角部とも言う。）が直角ではなく、丸みを有している。図１の太い破線の円で囲んだ部分が丸みを有する角部４ａである。
第２の半導体基板２は、主表面２ａと裏面２ｂとを有する半導体基板で、第２の半導体基板２の裏面２ｂが、第１の半導体基板１の主表面１ａに形成された熱酸化絶縁体層３に接している。また、第２の半導体基板２は、凹部４の開口部を覆うようにして第１の半導体基板１に積層されており、第２の半導体基板２の裏面２ｂと第１の半導体基板１の主表面１ａとは、熱酸化絶縁体層３を介して接合されている。第２の半導体基板２は、例えば、シリコン基板からなる。第２の半導体基板２を形成するシリコンは、単結晶シリコンであってもよいが、特にこれに限定されるものではなく、多結晶のものや非晶質のものであってもよい。
第２の半導体基板２のうち凹部４と対向する部分、つまり、凹部４を覆う薄板である第２の半導体基板２は、半導体圧力センサ１００の受圧部（ダイヤフラム）１０を構成している。第２の半導体基板２の厚みは、例えば、１０μｍ以上３０μｍ以下とするがこれに限定されるものではない。
第２の半導体基板２に形成された凹部４と凹部４を覆う第２の半導体基板２とによって圧力基準室１１が構成されている。絶対圧式圧力センサ（絶対圧センサ）の場合には、圧力基準室１１内は真空状態に封止されている。
第２の半導体基板２の主表面２ａ側には、歪みゲージ５が設けられている。歪みゲージ５は、第１の半導体基板１と第２の半導体基板２との積層方向から見て、第２の半導体基板２の凹部４と重なる受圧部１０に形成されている。歪みゲージ５は、第２の半導体基板２の歪みを受圧部１０の変形を介して検出する。歪みゲージ５として、例えば、ｎ型シリコン基板に形成されたｐｎダイオードのｐ層が用いられる。また、歪みゲージ５を受圧部１０の外周付近に形成することにより、圧力センサとして高い感度を得ることができる。
第２の半導体基板２の主表面２ａ側には、さらに、絶縁膜６が形成され、絶縁膜６上に電気配線７が形成されている。具体的には、歪みゲージ５に対応する位置に絶縁膜６の配線溝が設けられ、絶縁膜６の配線溝内を充填するように電気配線７が形成されることにより、歪みゲージ５に接続した電気配線７が形成される。このようにして形成された電気配線７によって、受圧部１０が変形した際の歪みゲージ５の抵抗変化が電気信号として外部に取り出される。
次に、図３を用いて本発明の実施の形態１の半導体圧力センサ１００の製造方法について説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、例えば、単結晶シリコンから成る第１の半導体基板１の表面に熱酸化法によって酸化シリコンの熱酸化絶縁層８が形成される（工程１）。熱酸化法とは、例えば、水分を含む雰囲気中で単結晶シリコンから成る第１の半導体基板１を１０００℃程度に加熱し、シリコンを酸化させてボトムアップで第１の半導体基板１の表面にシリコンの酸化膜を形成するものである。
なお、第１の半導体基板１の少なくとも主表面１ａは、熱酸化絶縁層８を形成する前に面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａが１ｎｍ以下になるように研磨しておいたほうが好ましい。
まず、図３（ａ）に示すように、例えば、単結晶シリコンから成る第１の半導体基板１の表面に熱酸化法によって酸化シリコンの熱酸化絶縁層８が形成される（工程１）。熱酸化法とは、例えば、水分を含む雰囲気中で単結晶シリコンから成る第１の半導体基板１を１０００℃程度に加熱し、シリコンを酸化させてボトムアップで第１の半導体基板１の表面にシリコンの酸化膜を形成するものである。
なお、第１の半導体基板１の少なくとも主表面１ａは、熱酸化絶縁層８を形成する前に面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａが１ｎｍ以下になるように研磨しておいたほうが好ましい。
次に、図３（ｂ）に示すように、第１の半導体基板１の主表面１ａに形成された熱酸化絶縁層８が部分的に除去され、開口部９が形成される（工程２）。開口部９を主表面１ａ側から見たときの平面形状は、角部に丸みを有する矩形形状である。開口部９は、写真製版技術を用いることによってマイクロメートルの精度で形成される。熱酸化絶縁層８の除去は、例えば、フッ化水素酸、フッ化水素酸とフッ化アンモニウムとの混合液によってウエットエッチングで行われてもよいし、ＣＦ４（四フッ化炭素）ガスと酸素ガスによってプラズマエッチングで行われてもよい。エッチングは、所定領域の熱酸化絶縁層８が完全に除去されるまで進められる。
第１の半導体基板１は、図３（ｃ）に示すように、上面視で角部に丸みを有する矩形形状の開口部９を備えた熱酸化絶縁層８をマスクにしてエッチングされ、第１の半導体基板１の主表面１ａに凹部４が形成される（工程３）。エッチング方法としては、例えば、Ｃ４Ｆ８（パーフルオロシクロブタン）ガスとＳＦ６（六フッ化硫黄）ガスとを交互にスイッチングしながらプラズマ中でエッチングする方法が適用される。また、ＳＦ６ガスと酸素ガスの混合ガスを用いたプラズマ中でエッチングする方法を適用してもよい。エッチングの際に第１の半導体基板１に付着した有機物、不純物などは、硫酸過水洗浄、アンモニア過水洗浄、塩酸過水洗浄などで除去される。凹部４の寸法としては、その開口部の一辺が１０μｍ以上１０００μｍ以下程度の長さであればよい。
次に、図３（ｄ）に示すように、凹部４が形成された第１の半導体基板１の表面の熱酸化絶縁層８がすべて除去される（工程４）。熱酸化絶縁層８の除去方法としては、フッ化水素酸またはフッ化水素酸とフッ化アンモニウムとの混合液を用いたウエットエッチングが複数枚の基板を一括処理できる点から好ましい。
その後、図３（ｅ）に示すように、工程１と同様な熱酸化法を用いて、第１の半導体基板１の表面に酸化シリコンの熱酸化絶縁層３が形成される（工程５）。熱酸化絶縁層３は、第１の半導体基板１の外側に露出した面に形成されるので、第１の半導体基板１の主表面１ａに形成された凹部４の内面（底面と内側面）にも形成される。
なお、熱酸化絶縁層３は、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）などの蒸着法を用いて形成することも可能である。しかし、蒸着法により形成した熱酸化絶縁層３は表面が荒れるため、この後の第１の半導体基板１に第２の半導体基板２を接合する工程において接合不良が生じる。そのため、本発明においては、緻密性が高く、接合に適した膜の形成が可能な熱酸化法を用いて熱酸化絶縁層３を形成する必要がある。
また、熱酸化絶縁層８を形成する前に、第１の半導体基板１の主表面１ａ、および第２の半導体基板２の裏面２ｂの面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａが１ｎｍ以下になるように予め研磨しておくことが好ましい。
また、熱酸化絶縁層８を形成する前に、第１の半導体基板１の主表面１ａ、および第２の半導体基板２の裏面２ｂの面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａが１ｎｍ以下になるように予め研磨しておくことが好ましい。
次に、図３（ｆ）に示すように、第２の半導体基板２が、第１の半導体基板１の主表面１ａに凹部４を覆うように積層され、貼り合わせられる（工程６）。第２の半導体基板２は、例えば、単結晶シリコンから成り、第１の半導体基板１の凹部４と第２の半導体基板２とによって圧力基準室１１が形成される。
貼り合せ方法について詳しく説明する。まず、室温雰囲気で真空下において、第２の半導体基板２が第１の半導体基板１の主表面１ａに形成された凹部４の開口を覆うように積層され、第２の半導体基板２を第１の半導体基板１に仮止めする仮貼り合せが実施される。次に、第１の半導体基板１と第２の半導体基板２とが仮止めされた状態で熱処理が行われる。これにより、第１の半導体基板１に第２の半導体基板２が接合される。第１の半導体基板１と第２の半導体基板２とを貼り合せるための熱処理は、９００℃以上１１００℃以下の温度範囲で実施される。この熱処理により、第１の半導体基板１と第２の半導体基板２との貼り合せ面の接合強度が母材並みに向上する。この熱処理は窒素雰囲気または真空状態で行われる。
なお、第１の半導体基板１と第２の半導体基板２とを貼り合わせる直前に、硫酸と過酸化水素水とを容積比４：１で混合した液で、第１の半導体基板１の主表面１ａを洗浄することが好ましい。これにより、貼り合せ時の不良を低減することができる。
また、第２の半導体基板２についても、貼り合せの直前に、硫酸と過酸化水素水とを容積比４：１で混合した液で、第２の半導体基板の裏面２ｂを洗浄することが好ましい。これにより、接合面の汚染物除去と接合面の親水化が可能となるので、室温での仮貼り合せが容易となる。
また、第２の半導体基板２についても、貼り合せの直前に、硫酸と過酸化水素水とを容積比４：１で混合した液で、第２の半導体基板の裏面２ｂを洗浄することが好ましい。これにより、接合面の汚染物除去と接合面の親水化が可能となるので、室温での仮貼り合せが容易となる。
次に、図３（ｇ）に示すように、第２の半導体基板２が所望の厚みまで薄くなるように加工される（工程７）。加工方法としては、ダイヤモンドホイールを用いた研削、および仕上げとしてシリカ微粒子とアルカリ溶液を用いた化学機械研磨（Chemicａl Mechａnicａl Polishing）が用いられる。第２の半導体基板２の厚みは、半導体圧力センサの圧力レンジ、および受圧部１０の大きさに影響される。例えば、圧力レンジが１気圧レンジで矩形形状の受圧部１０の一辺の大きさが４００μｍの場合、第２の半導体基板２の厚みは約１５μｍが適している。以上の工程により、凹部４を覆う第２の半導体基板２の薄板部である受圧部１０が形成される。
所望の厚みまで薄くなるように加工された第２の半導体基板２の主表面２ａ側には、図３（ｈ）に示すように、受圧部１０の歪みを検出するための歪みゲージ５が形成される（工程８）。歪みゲージ５は、第１の半導体基板１および第２の半導体基板２の積層方向、つまり第２の半導体基板２の主表面２ａ側から見たときに、凹部４と重なる部分である受圧部１０に形成される。歪みゲージ５は、例えば、第１導電型の第２の半導体基板２に、第１導電型とは反対の第２導電型の不純物を注入することで形成される。より具体的には、ｎ型シリコン基板から成る第２の半導体基板２にｐ型不純物であるボロンが注入されることで歪みゲージ５が形成される。
歪みゲージ５の形成方法について詳しく説明する。第２の半導体基板２の主表面２ａに写真製版技術により感光性樹脂がパターニングされる。パターニングされた感光性樹脂によってマスクされた状態で第２の半導体基板２の主表面２ａに対してボロンがイオン注入され、引き続き活性化熱処理が行われる。この活性化熱処理は、９００℃以上１０００℃以下の温度で行われる。この活性化熱処理の時間は、ボロンの深さに応じて設定される。このようにしてｎ型シリコン基板にｐ型の領域が形成される。形成されたｐ層にプラス３〜１０Ｖ程度の電位を加えることで、ｐ層はｎ型シリコン基板のｎ層とは電気的に絶縁された状態となる。これにより、ピエゾ抵抗効果を持った歪みゲージ５としてｐ層を用いることができる。ｐ層の配置位置については、応力が大きくなる領域に配置されることが好ましい。従って、例えば、ｐ層は受圧部１０の外周近辺に配置されることが好ましい。つまり、歪みゲージ５は、第１の半導体基板１と第２の半導体基板２との積層方向から見て、凹部４の外縁上に対向する位置に形成されることが好ましい。
次に、図３（ｉ）に示すように、歪みゲージ５が形成された第２の半導体基板２の主表面２ａ上に絶縁膜６が形成される（工程９）。形成された絶縁膜６の一部が歪みゲージ５の上で開口され、配線溝６ａが形成される。絶縁膜６としては、例えば、リンドープガラスなどが適している。
最後に、図３（ｊ）に示すように、第２の半導体基板２の絶縁膜６上に電気配線（金属膜）７が形成される（工程１０）。電気配線７は、例えば、アルミニウムを主成分とする。電気配線７は、絶縁膜６上に形成され、さらに配線溝６ａ内を充填するように形成される。このようにして、歪みゲージ５に接する電気配線７、つまり、歪みゲージ５での抵抗変化を電気信号として外部に取り出すための電気配線７が形成される。
電気配線７が形成された後に、歪みゲージ５と電気配線７との界面における接触抵抗を低減させることで歪みゲージ５の抵抗変化を安定して検出するための熱処理が行われる。この接触抵抗安定化のためには、歪みゲージ５が形成されているシリコン層と電気配線７を構成する金属膜との境界に形成される数ｎｍの厚みのシリコン酸化膜を還元させる必要がある。還元処理は、水素雰囲気における熱処理により行われる。熱処理においては、熱処理の終了時における水素分圧が０．４気圧以下となるようにする。この熱処理の終了時とは、例えば、熱処理が行われるチャンバ内で半導体圧力センサ１００を加熱するためのヒータの稼動が終了されたときである。また、熱処理の終了時に限らず、熱処理中の水素分圧が常に０．４気圧以下であってもよい。還元処理を促進する観点から、熱処理の温度としては、例えば３５０℃以上が好ましい。また、熱処理の温度が高すぎると電気配線７を構成する金属膜の流動および熱膨張係数の違いによる電気配線７の断線が発生する場合があるので、熱処理温度としては、４５０℃以下が好ましい。
以上の製造工程により、図１および図２に示す、本発明の実施の形態１の半導体圧力センサ１００が得られる。
なお、図３（ｃ）に示す工程３では、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）液やＫＯＨ（水酸化カリウム）液を用いたウエット式のエッチングを用いて、シリコンからなる第１の半導体基板１をエッチングすることができる。しかしながら、ウエットエッチングの場合、半導体基板１の結晶方位に依存した異方性エッチングとなるので、図３（ｂ）に示す工程において形成した開口部９の形状を維持しながら、第１の半導体基板１を所定深さまでエッチングすることは困難である。
一方、プラズマエッチングの場合は、エッチングの進行方向が第１の半導体基板１の結晶方位に依存せず、プラズマ中の反応ガスの運動エネルギー方向に沿ってエッチングが進行する。また、プラズマ中の反応ガスの運動エネルギー方向は、プラズマ装置内で第１の半導体基板１に対して垂直方向の電界が印加される位置に高周波電源を配置するなど、外部から制御することができる。
よって、本願発明の実施の形態１に記載の半導体圧力センサ１００では、シリコンからなる第１の半導体基板１にプラズマエッチングを用いて凹部４を形成することにより、熱酸化絶縁層８に形成された開口部９の形状、つまり上面視において四隅に丸みを有する矩形形状を維持した凹部４を形成することができる。
次に、本発明の実施の形態１の半導体圧力センサ１００により得られる作用効果について説明する。
シリコンが熱酸化されて熱酸化シリコンとなるとき、その体積は約２．３倍に膨張する。この値は、シリコンと酸化シリコンとを１モル当たりの体積で比較することにより導き出される。まず、シリコンの密度は２．３３ｇ／ｃｍ３、１モル相当のシリコン質量は２８ｇなので、シリコンの１モルあたりの体積は次式で求められる。
シリコンが熱酸化されて熱酸化シリコンとなるとき、その体積は約２．３倍に膨張する。この値は、シリコンと酸化シリコンとを１モル当たりの体積で比較することにより導き出される。まず、シリコンの密度は２．３３ｇ／ｃｍ３、１モル相当のシリコン質量は２８ｇなので、シリコンの１モルあたりの体積は次式で求められる。
また、酸化シリコンの密度は２．２１ｇ／ｃｍ３、１モル相当の酸化シリコン質量は６０ｇなので、酸化シリコンの１モルあたりの体積は次式で求められる。
よって、酸化シリコンの体積はシリコンの体積の約２．３倍になる。
そのため、前述した図３（ｅ）の工程５において、第１の半導体基板１に熱酸化処理が適用されると、第１の半導体基板１の表面で上述した体積膨張が生じ、体積膨張が第１の半導体基板１の表面の歪みを誘発する。体積膨張による第１の半導体基板１の歪みは、第１の半導体基板１の厚み方向、および面内方向の両方で生じる。
第１の半導体基板１の厚み方向の歪みは、自由空間となっている第１の半導体基板１の主表面１ａ側、および裏面１ｂ側などで均一に開放される。つまり、第１の半導体基板１の主表面１ａにおける第１の半導体基板１の厚み方向の歪みは、自由空間となっている第１の半導体基板１の主表面１ａ側で均一に開放される。
一方、第１の半導体基板１の面内方向の歪みは、第１の半導体基板１の表面に沿って広がり、異なる方向から歪みが集まる第１の半導体基板１の角部に集中する。特に、第１の半導体基板１の主平面１ａ側に設けた凹部４の開口端部に集中する歪みが大きい。
一方、第１の半導体基板１の面内方向の歪みは、第１の半導体基板１の表面に沿って広がり、異なる方向から歪みが集まる第１の半導体基板１の角部に集中する。特に、第１の半導体基板１の主平面１ａ側に設けた凹部４の開口端部に集中する歪みが大きい。
このようなシリコンの体積膨張による半導体基板の歪みの集中が、従来の半導体圧力センサで生じた場合について、図９と図１０を用いて説明する。
図９は、従来の半導体圧力センサ４００の上面図である。図１０（ａ）は、図９の半導体圧力センサ４００を構成する第１の半導体基板４０１のＣ−Ｃ線の位置における断面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す第１の半導体基板４０１に第２の半導体基板２を接合した状態を示す断面図である。図１０に示した第１の半導体基板４０１は、表面に熱酸化絶縁層４０３が形成されている。なお、図９は、説明をわかりやすくするために、第２の半導体基板の上の絶縁膜と電気配線を除いた状態を示している。
図９は、従来の半導体圧力センサ４００の上面図である。図１０（ａ）は、図９の半導体圧力センサ４００を構成する第１の半導体基板４０１のＣ−Ｃ線の位置における断面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す第１の半導体基板４０１に第２の半導体基板２を接合した状態を示す断面図である。図１０に示した第１の半導体基板４０１は、表面に熱酸化絶縁層４０３が形成されている。なお、図９は、説明をわかりやすくするために、第２の半導体基板の上の絶縁膜と電気配線を除いた状態を示している。
上面視における、従来の半導体圧力センサ４００の凹部４０４の開口形状は、図９に細い破線で示すように、角部が直角４０４ａの四角形状である。図９の太い破線の円で囲んだ部分が直角の角部４０４ａである。このように、角部が直角を成している場合、第１の半導体基板４０１を凹部４０４の開口形状の対角をとおる断面Ｃ−Ｃで見ると、図１０（ａ）に示すように、凹部４０４の開口端部に集中した歪みにより、第１の半導体基板４０１が上方へ隆起している。
そのため、四角形状の角部に集中する歪みによる隆起は、図１０（ｂ）に示すように、第１の半導体基板４０１と第２の半導体基板４０２との貼り合せ時に接合面が均一にあたるのを阻害し、破線の楕円で囲んだ接合不良部４１２ａを誘発する。さらに、初期的に接合できたとしても、長期使用における熱的負荷により接合強度が劣化するといった信頼性上の問題点もある。
これに対して、本願発明の実施の形態１に記載の半導体圧力センサ１００は、第１の半導体基板１の主表面１ａに形成した凹部４の開口形状が、上面視において、角部に丸みを有する矩形形状となっている。そのため、凹部４を形成した後の第１の半導体基板１の表面に熱酸化絶縁層３を形成する熱酸化処理の工程において、凹部４の開口の角部に集中する平面方向の歪みを分散し、第１の半導体基板１の上方への隆起を抑制することができる。その結果、熱酸化絶縁層３を形成した第１の半導体基板１に第２の半導体基板２を貼り合せる工程において接合不良を回避することが可能となり、さらに圧力基準室１１内の真空状態を長期間にわたって維持することが可能となる。
実施の形態２．
本発明の実施の形態２における半導体圧力センサの構成について説明する。図４（ａ）は、本発明の実施の形態２における半導体圧力センサ２００の構成を示す上面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
この実施の形態においては、実施の形態１と比較して、第１の半導体基板２０１の主表面２０１ａに形成した凹部２０４の上面視における開口形状が異なる。本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１と同様であるので、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本発明の実施の形態２における半導体圧力センサの構成について説明する。図４（ａ）は、本発明の実施の形態２における半導体圧力センサ２００の構成を示す上面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
この実施の形態においては、実施の形態１と比較して、第１の半導体基板２０１の主表面２０１ａに形成した凹部２０４の上面視における開口形状が異なる。本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１と同様であるので、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
半導体圧力センサ２００は、第１の半導体基板２０１と、第１の半導体基板２０１に形成された凹部２０４と、凹部２０４を覆って第１の半導体基板２０１に接合された第２の半導体基板２とを備える。第１の半導体基板２０１と第２の半導体基板２とは熱酸化絶縁層２０３を介して接合されている。第２の半導体基板２には歪みゲージ５が形成され、歪みゲージ５には絶縁膜６を介して電気配線７が接続されている。なお、図４は、説明をわかりやすくするために、第２の半導体基板２の主表面２ａ側に形成される絶縁膜６と電気配線７を除いた状態を示している。
第１の半導体基板２０１の主表面２０１ａに形成された凹部２０４の開口を第１の半導体基板２０１の主表面２０１ａ側から見た形状、つまり上面視における開口形状は、図４に細い破線で示すように、鈍角の角部を有する多角形状である。図４の太い破線の円で囲んだ部分が鈍角の角部２０４ａである。凹部２０４が形成された第１の半導体基板２０１の表面は、熱酸化絶縁層２０３で被覆されている。つまり、凹部２０４の内面にも熱酸化絶縁層２０３が形成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
次に、図５を用いて本発明の実施の形態２の半導体圧力センサ２００の製造方法について説明する。
まず、実施の形態１の工程１と同様に、単結晶シリコンから成る第１の半導体基板２０１の表面に熱酸化法によって熱酸化絶縁層２０８が形成される（図５（ａ）参照）。
まず、実施の形態１の工程１と同様に、単結晶シリコンから成る第１の半導体基板２０１の表面に熱酸化法によって熱酸化絶縁層２０８が形成される（図５（ａ）参照）。
次に、実施の形態１の工程２と同様に、第１の半導体基板２０１の主表面２０１ａに形成された熱酸化絶縁層２０８が部分的に除去され、開口部２０９が形成される（図５（ｂ）参照）。主表面２０１ａ側から見たときの開口部２０９の平面形状は、実施の形態１と異なり、鈍角の角部を有する多角形状である。
第１の半導体基板２０１は、実施の形態１の工程３と同様に、上面視で鈍角の角部を有する多角形状の開口部２０９を備えた熱酸化絶縁層２０８をマスクにしてエッチングされ、第１の半導体基板２０１の主表面２０１ａに凹部２０４が形成される（図５（ｃ）参照）。この後は、実施の形態１で説明した工程４以降の製造工程と同様であるので、その説明は省略する。
以上のように構成された半導体圧力センサ２００においては、第１の半導体基板２０１の主表面２０１ａに形成した凹部２０４の開口形状が、上面視において、鈍角の角部を有する多角形状となっている。そのため、凹部２０４を形成した後の第１の半導体基板２０１の表面に熱酸化絶縁層２０３を形成する熱酸化処理の工程において、凹部２０４の開口の角部に集中する平面方向の歪みを分散し、第１の半導体基板２０１の上方への隆起を抑制することができる。その結果、実施の形態１と同様に、熱酸化絶縁層２０３を形成した第１の半導体基板２０１に第２の半導体基板２を貼り合せる工程において接合不良を回避することが可能となり、さらに圧力基準室１１内の真空状態を長期間にわたって維持することが可能となる。
実施の形態３．
本発明の実施の形態３における半導体圧力センサの構成について説明する。図６は、本発明の実施の形態３における半導体圧力センサ３００の構成を示す断面図であって、図１に示すＡ−Ａ線に対応する位置の断面図である。
この実施の形態においては、実施の形態１と比較して、第１の半導体基板３０１の主表面３０１ａに形成した凹部３０４の断面形状が異なる。本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１と同様であるので、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本発明の実施の形態３における半導体圧力センサの構成について説明する。図６は、本発明の実施の形態３における半導体圧力センサ３００の構成を示す断面図であって、図１に示すＡ−Ａ線に対応する位置の断面図である。
この実施の形態においては、実施の形態１と比較して、第１の半導体基板３０１の主表面３０１ａに形成した凹部３０４の断面形状が異なる。本実施の形態のこれ以外の構成は上述した実施の形態１と同様であるので、同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
半導体圧力センサ３００は、第１の半導体基板３０１と、第１の半導体基板３０１に形成された凹部３０４と、凹部３０４を覆って第１の半導体基板１に接合された第２の半導体基板２とを備える。第１の半導体基板３０１と第２の半導体基板２とは熱酸化絶縁層３０３を介して接合されている。第２の半導体基板２には歪みゲージ５が形成され、歪みゲージ５には絶縁膜６を介して電気配線７が接続されている。
第１の半導体基板３０１の主表面３０１ａに形成された凹部３０４について詳しく説明する。凹部３０４の開口を第１の半導体基板３０１の主表面３０１ａ側から見た形状、つまり上面視における凹部３０４の開口形状は、実施の形態１と同様、角部に丸みを有する矩形形状である。一方、第１の半導体基板３０１の主表面３０１ａに垂直な断面における凹部３０４の形状は、図６に示すように、第１の半導体基板３０１の主表面３０１ａと凹部３０４の内壁面とで形成される角部が落とされた面取り形状に形成されている。つまり、主表面３０１ａと成す角が鈍角の斜面である傾斜部３０４ａが、凹部３０４の開口端の全周にわたって形成されている。図６の太い破線の円で囲んだ部分が傾斜部３０４ａである。傾斜部３０４ａにも熱酸化絶縁層３０３が形成されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。
次に、図７を用いて本発明の実施の形態３の半導体圧力センサ３００の製造方法について説明する。本発明の実施の形態３の半導体圧力センサ３００の製造方法は、凹部３０４を形成する工程が他の実施の形態と異なる。
まず、実施の形態１の工程１と同様に、単結晶シリコンから成る第１の半導体基板３０１の表面に熱酸化法によって熱酸化絶縁層３０８が形成される（図７（ａ）参照）。
次に、第１の半導体基板３０１の主表面３０１ａに感光性樹脂３１５を塗布し、さらに、感光性樹脂３１５の上に写真製版用の露光用ガラス基板３１３を配置する（図７（ｂ）参照）。
図８（ａ）は、露光用ガラス基板３１３の上面図、図８（ｂ）は図８（ａ）において細い破線の四角で囲んだ領域の拡大図である。一般的に、写真製版技術で用いる露光用ガラス基板は、パターンを残す領域が露光時の光を遮蔽するクロム膜でマスクされている。実施の形態３で用いる露光用ガラス基板３１３は、図８（ａ）に示すように、中央にクロム膜のない所定形状の開口パターン３１６が設けられ、さらに、この開口パターン３１６の外側に隣接する領域にクロム膜のない同一形状の微小開口パターン３１４が複数設けられる。開口パターン３１６は、角部に丸みを有する矩形形状である。また、微小開口パターン３１４は、矩形形状で、露光用ガラス基板３１３に設けられた開口パターン３１６から離れて露光用ガラス基板３１３の外側へ向かうに従って、つまり図８（ｂ）中の矢印の方向に沿って、その配置密度が減少し、最終的にはなくなるように配置されている。このように微小開口パターン３１４の密度が変化する領域をグレートーン領域と呼ぶ。本発明の実施の形態３では、図８（ａ）に示すように、露光用ガラス基板３１３に設けられた開口パターン３１６の周辺の、２つの一点破線の枠に挟まれた領域がグレートーン領域３１３ａである。グレートーン領域３１３ａに設ける微小開口パターン３１４の大きさは１μｍ以下であることが好ましい。
なお、図８（ｂ）では、微小開口パターン３１４は、すべて矩形形状で大きさが等しいものとしたが、異なる形状や大きさであっても差し支えない。異なる形状や大きさの微小開口パターン３１４を配置する場合には、露光用ガラス基板３１３に設けられた開口パターン３１６の周縁から露光用ガラス基板３１３の外側へ向かうに従ってクロム膜の開口率が減少し、最終的にはゼロになるようにする。
以上に述べた露光用ガラス基板３１３を用いて、感光性樹脂３１５が写真製版技術によりパターニングされる。まず、露光用ガラス基板３１３をフォトマスクにして熱酸化絶縁層３０８の上に形成した感光性樹脂３１５を露光すると、露光用ガラス基板３１３の開口パターン３１６、および微小開口パターン３１４を光が透過し、その下の感光性樹脂３１５が感光する。感光性樹脂３１５のうち、グレートーン領域３１３ａに対応する領域の感光度合は、開口パターン３１６に対応する領域、つまり、光が完全に照射される領域の感光度合よりも低い。従って、図７（ｃ）に示すように、露光後の現像工程により感光性樹脂３１５に開口部３１７が形成され、開口部３１７のうちグレートーン領域３１３ａに対応する領域には、感光性樹脂３１５の外側に向かうに従って厚みが徐々に厚くなる傾斜部３１５ａが形成される。そのため、感光性樹脂３１５に形成される開口部３１７は、第１の半導体基板３０１に近づくにつれて開口面積が小さくなる形状に形成される。傾斜部３１５ａが形成された感光性樹脂３１５は、グレートーンマスク３１５とも呼ばれる。
次に、グレートーンマスク３１５を用いて、その下の熱酸化絶縁層３０８を実施の形態１の工程２と同様にエッチングすると、グレートーンマスク３１５と同じ厚みの傾斜部３０８ａを備えた開口部３０９が熱酸化絶縁層３０８に形成される（図７（ｄ）参照）。つまり、熱酸化絶縁層３０８に形成された開口部３０９は、感光性樹脂３１５に形成された開口３１７と同様、第１の基板に近づくにつれて開口面積が小さくなる形状に形成される。
開口部３０９が形成された熱酸化絶縁層３０８をマスクにして、実施の形態１の工程３と同様に、シリコンからなる第１の半導体基板３０１がプラズマ中でエッチングされ、凹部３０４が形成される。プラズマエッチングでは、シリコンだけでなく熱酸化絶縁層３０８もある程度エッチングされる。シリコンを所望の深さまでエッチングするまでの間、熱酸化絶縁層３０８の傾斜部３０８ａはその厚み傾斜に応じて消滅し、最終的には下地のシリコンからなる第１の半導体基板３０１がエッチングされる。その結果、図６（ｅ）に示すように、凹部３０４の開口端部に傾斜部３０４ａが形成される。以上の工程によって、第１の半導体基板３０１において、その開口端部に傾斜部３０４ａを備えた凹部３０４が形成される。この後の工程は、実施の形態１で説明した工程５以降と同様であるので、その説明は省略する。
次に、本発明の実施の形態３の半導体圧力センサ３００により得られる作用効果について図１１を用いて説明する。
図１１（ａ）は、図９の半導体圧力センサ４００を構成する第１の半導体基板４０１の凹部４０４の開口形状の向かい合う２辺をとおるＤ−Ｄ線の位置における断面図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示す第１の半導体基板４０１に第２の半導体基板２を接合した状態を示す断面図である。
図１１（ａ）は、図９の半導体圧力センサ４００を構成する第１の半導体基板４０１の凹部４０４の開口形状の向かい合う２辺をとおるＤ−Ｄ線の位置における断面図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示す第１の半導体基板４０１に第２の半導体基板２を接合した状態を示す断面図である。
実施の形態１で説明したように、上面視における凹部の開口形状が従来のように角部が直角の四角形状の場合、その四角形状の角部に歪みが集中する。しかし、四角形状の角部と比較すると小さいが、図１１（ａ）に示すように、四角形状の一辺部にも歪みが集中する。四角形状の一辺部に集中する歪みによる隆起も、図１１（ｂ）に示すように、第１の半導体基板４０１と第２の半導体基板４０２との貼り合せ時に接合面が均一にあたるのを阻害し、破線の楕円で囲んだ接合不良部４１２ｂを誘発する。
これに対して、本願発明の実施の形態３に記載の半導体圧力センサ３００は、第１の半導体基板３０１の主表面３０１ａに形成された凹部３０４の開口が、上面視で角部に丸みを有する矩形形状で、主表面３０１ａと凹部３０４の内壁面とで形成される角部が落とされた面取り形状に形成されている。そのため、凹部３０４を形成した後の第１の半導体基板３０１の表面に熱酸化絶縁層３０３を形成する熱酸化処理の工程において、上面視における凹部３０４の開口形状の角部と一辺部に集中する平面方向の歪みを分散し、第１の半導体基板３０１の上方への隆起を実施の形態１と比較してさらに抑制することができる。その結果、熱酸化絶縁層３０３を形成した第１の半導体基板３０１に第２の半導体基板２を貼り合せる工程において接合不良を回避することが可能となり、さらに圧力基準室１１内の真空状態を長期間にわたって維持することが可能となる。
なお、本実施の形態３では、上面視における凹部３０４の開口形状は、従来のように角部が直角の四角形であっても差し支えない。しかし、開口形状を実施の形態１で述べた角部に丸みを有する矩形形状、および実施の形態２で述べた角部が鈍角からなる多角形状とすることにより、開口形状の一辺部と角部に集中する平面方向の歪みを共に分散することができるので、第１の半導体基板３０１の上方への隆起を抑制する効果が従来の開口形状とする場合と比較して大きくなる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示された、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
１ 第１の半導体基板、１ａ 主表面、１ｂ 裏面、２ 第２の半導体基板、２ａ 主表面、２ｂ 裏面、３ 熱酸化絶縁層、４ 凹部、４ａ 丸みを有する四隅部、５ 歪みゲージ、６ 絶縁膜、６ａ 配線溝、７ 電気配線、８ 熱酸化絶縁層、９ 開口部、１０ 受圧部、１１ 圧力基準室、１２ 接合不良部、２０１ 第１の半導体基板、２０１ａ 主平面、２０３ 熱酸化絶縁層、２０４ 凹部、２０４ａ 角部、２０８ 熱酸化絶縁層、２０９ 開口部、３０１ 第１の半導体基板、３０１ａ 主表面、３０３ 熱酸化絶縁層、３０４ 凹部、３０４ａ 傾斜部、３０８ 熱酸化絶縁層、３０８ａ 傾斜部、３０９ 開口部、３１３ 露光用ガラス基板、３１３ａ グレートーン領域、３１４ 微小開口パターン、３１５ 感光性樹脂、３１５ａ 傾斜部、３１６ 開口パターン、３１７ 開口部、４０１ 第１の半導体基板、４０１ａ 主表面、４０４ 凹部、４０４ａ 角部、４１２ａ 接合不良部、４１２ｂ 接合不良部。
Claims (7)
- 主表面および前記主表面に形成された凹部の内面に熱酸化絶縁層を有する第１の基板と、
配線および歪みゲージを有するダイヤフラムが前記凹部に対向して設けられた第２の基板とを積層した半導体圧力センサであって、
前記凹部の開口形状は上面視で角部に丸みを有する矩形形状であることを特徴とする半導体圧力センサ。 - 主表面および前記主表面に形成された凹部の内面に熱酸化絶縁層を有する第１の基板と、
配線および歪みゲージを有するダイヤフラムが前記凹部に対向して設けられた第２の基板とを積層した半導体圧力センサであって、
前記凹部の開口形状は上面視で鈍角の角部を有する多角形状であることを特徴とする半導体圧力センサ。 - 主表面および前記主表面に形成された凹部の内面に熱酸化絶縁層を有する第１の基板と、
配線および歪みゲージを有するダイヤフラムが前記凹部に対向して設けられた第２の基板とを積層した半導体圧力センサであって、
前記主表面と前記凹部の内壁面とで形成される角部は面取り形状であることを特徴とする半導体圧力センサ。 - 上面視で角部に丸みを有する矩形形状の開口部を備えたマスクを第１の基板の主表面に形成するマスク工程と、
前記マスクを用いて前記第１の基板に凹部を形成するエッチング工程と、
前記第１の基板の主表面および前記凹部の内面に熱酸化絶縁層を形成する成膜工程と、
前記第１の基板の主表面に前記凹部を覆って第２の基板を積層する積層工程と、
ダイヤフラムを形成するダイヤフラム形成工程と、
前記ダイヤフラムに歪みゲージを形成する素子形成工程と、
前記歪みゲージに接続された配線を形成する配線工程とを有する半導体圧力センサの製造方法。 - 鈍角の角部を有する多角形状の開口部を備えたマスクを第１の基板の主表面に形成するマスク工程と、
前記マスクを用いて前記第１の基板に凹部を形成するエッチング工程と、
前記第１の基板の主表面および前記凹部の内面に熱酸化絶縁層を形成する成膜工程と、
前記第１の基板の主表面に前記凹部を覆って第２の基板を積層する積層工程と、
ダイヤフラムを形成するダイヤフラム形成工程と、前記ダイヤフラムに歪みゲージを形成する素子形成工程と、
前記歪みゲージに接続された配線を形成する配線工程とを有する半導体圧力センサの製造方法。 - 第１の基板の主表面に、前記第１の基板に近づくにつれて開口面積が小さくなる形状の開口部を備えたマスクを形成するマスク工程と、
前記マスクを用いて前記第１の基板に凹部を形成するエッチング工程と、
前記第１の基板の主表面および前記凹部の内面に熱酸化絶縁層を形成する成膜工程と、
前記第１の基板の主表面に前記凹部を覆って第２の基板を積層する積層工程と、
ダイヤフラムを形成するダイヤフラム形成工程と、前記ダイヤフラムに歪みゲージを形成する素子形成工程と、
前記歪みゲージに接続された配線を形成する配線工程とを有する半導体圧力センサの製造方法。 - マスク工程のマスクは、所定形状の開口パターン、および前記開口パターンの外側に隣接する領域に前記開口パターンから離れるにつれて密度が減少するように配置された複数の微小開口パターンを備えたフォトマスクを用いて形成されることを特徴とする請求項６に記載の半導体圧力センサの製造方法。
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