JP5868202B2 - 静電容量型圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
たとえば、特許文献1は、ベース基板と、凹部が形成され、ベース基板に貼り合わせられることによって当該凹部とベース基板との間に空間を区画するキャップ基板と、ベース基板の一部を利用して空間内に形成されたメンブレンと、メンブレンに形成された圧力センサ素子として機能する不純物拡散領域とを含む、圧力センサを開示している。この圧力センサでは、メンブレンが印加された圧力に応じて変位し、当該変位に伴う不純物拡散領域の抵抗値の変化を測定して圧力を検出する。
また、特許文献1の圧力センサのように、少なくとも2枚の基板が貼り合わされた立体構造を有するセンサでは、コストが高くつく上、圧力センサ全体の嵩が大きくなるという不具合がある。
また、この発明の他の目的は、検出精度のばらつきを小さくでき、さらに低コスト化かつ小型化を実現可能な静電容量型圧力センサを簡単に製造することができる製造方法を提供することである。
また、前記中央貫通孔が、水玉模様パターンに配列されている場合、前記周囲貫通孔は、前記水玉模様パターンを構成するドット状の各前記中央貫通孔と同じ大きさの複数のドットが、前記上部電極を取り囲むように互いに繋がって形成されたスリット状に形成されていることが好ましい(請求項2)。その場合、前記スリット状の周囲貫通孔は、前記半導体基板を前記表面側から見たときに、前記複数のドットの周面が互いに繋がって形成された波状の輪郭を有していてもよい(請求項3)。なお、ドットとは、円形だけでなく、三角形、四角形、その他の多角形等を含んでいてもよい。
また、この発明の静電容量型圧力センサは、前記上部電極に接続された第1配線と、前記半導体基板の前記上部電極以外の部分に接続された第2配線とをさらに含むことが好ましい(請求項7)。この構成によれば、1枚の半導体基板の上部電極および裏面部それぞれを電極とする簡単な構造の静電容量型圧力センサを提供することができる。
また、上記目的を達成するためのこの発明の静電容量型圧力センサの製造方法は、シリコンからなる半導体基板に、前記半導体基板の表面に閉領域を区画する環状の周囲凹部と、前記閉領域に配置される複数の中央凹部とを選択的に形成する工程と、前記周囲凹部および前記中央凹部の各内面に酸化シリコンからなる保護膜を形成する工程と、前記保護膜における前記周囲凹部および前記中央凹部の底面上の部分を選択的に除去する工程と、異方性エッチングによって前記周囲凹部および前記中央凹部を掘り下げた後、等方性エッチングによって前記周囲凹部および前記複数の中央凹部の下方部を互いに連続させることによって基準圧室を形成し、同時に、当該基準圧室に対して前記表面側に配置された前記半導体基板の表面部に、前記閉領域からなる上部電極を含むダイヤフラムと、前記基準圧室を挟んで前記上部電極に対向する前記半導体基板の裏面部からなる下部電極とを形成する工程と、前記半導体基板を熱酸化することによって、前記半導体基板の前記表面と前記基準圧室との間を貫通している前記周囲凹部からなる周囲貫通孔内に、前記周囲貫通孔を閉塞するとともに、前記上部電極を前記半導体基板の他の部分から電気的に分離するような酸化シリコンからなる周囲絶縁層を形成する工程と、前記半導体基板を熱酸化することによって、前記半導体基板の前記表面と前記基準圧室との間を貫通している前記中央凹部からなる中央貫通孔内に、前記中央貫通孔を閉塞するような酸化シリコンからなる中央絶縁層を形成する工程とを含む(請求項9)。
たとえば保護膜をプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)によって形成していた場合、熱酸化膜に比べて膜質が低いものとなる。そこで、この方法では、保護膜を除去することによって周囲貫通孔および中央貫通孔の内面を一旦清浄化した後、半導体基板を熱酸化することによって、周囲貫通孔内および中央貫通孔内それぞれに、熱酸化膜からなる周囲絶縁層および中央絶縁層を形成する。これにより、周囲絶縁層および中央絶縁層の膜質を良好なものにすることができる。
図1は、この発明の一実施形態に係る圧力センサの製造過程で用いられるシリコンウエハの平面図である。図2は、この発明の一実施形態に係る圧力センサの平面図である。図3は、図2の切断面線III−IIIから見た断面図である。
圧力センサ1は、静電容量の変化量に基づいて圧力の変化量を検出する静電容量型圧力センサであって、図1に示すように、製造過程において、1枚のシリコンウエハ2に縦横規則的に配列されて多数形成される。シリコンウエハ2(以下「シリコン基板2」ともいう)は、この実施形態では、p型またはn型の不純物をドーピングしながら結晶成長させたシリコンからなる。シリコンウエハ2は、たとえば、比抵抗が5mΩ・cm〜25mΩ・cmの低抵抗シリコンウエハであることが好ましい。
この実施形態では、ドット状の中央貫通孔7は、水玉模様パターンに配列されて多数形成されている。具体的には、中央貫通孔7は、平面視において直交する2方向に沿って等しい間隔を空けて、行列状に規則的に配列されている。なお、複数の中央貫通孔7の配列パターンは、行列状に限らず、千鳥状等のパターンであってもよい。各中央貫通孔7の径は、この実施形態では、たとえば、0.2μm〜0.5μm(好ましくは、0.4μm)である。
これにより、シリコン基板2は、周囲絶縁層8によって互いに電気的に絶縁された複数の導電性領域に分離されている。この実施形態では、2つの領域に分離されており、一方の領域は、周囲絶縁層8に対して内側に配置され、基準圧室4の天面を形成する上部電極10である。他方の領域は、基準圧室4の側面および底面を形成し、周囲絶縁層8によって上部電極10を一体的に支持するフレーム部11である。この圧力センサ1では、上部電極10が、基準圧室4との対向方向(厚さ方向)に変位可能な可動電極である。一方、フレーム部11における基準圧室4を挟んで上部電極10に対向する部分(上部電極10の下方の部分)が、固定電極としての下部電極12である。この上部電極10と下部電極12によって、キャパシタ構造(コンデンサ)が構成されている。この構造において、フレーム部11が、上部電極10をその下方から側方にかけて覆うように形成されているため、上部電極10および下部電極12に対するコンタクト(電気的な接続)を、いずれもシリコン基板2の表面2A側からとることができる。
図4Aに示すように、熱酸化によって、シリコン基板2(ウエハ)の表面2Aに層間絶縁膜3を形成する。層間絶縁膜3の形成は、プラズマCVDによって行ってもよい。次に、層間絶縁膜3上に、所定の形状を有するレジストパターン20を、フォトリソグラフィによって形成する。
次に、図4Eに示すように、層間絶縁膜3をマスクとする異方性のディープRIEによって、周囲凹部22および中央凹部23の底面をさらに掘り下げる。これにより、周囲凹部22および中央凹部23の底部に、シリコン基板2の結晶面が露出した露出空間25,26が形成される。
上記のように、保護膜24は、プラズマCVDによって形成しているため、熱酸化膜に比べて膜質が低いものとなる。そこで、図4Gのように、保護膜24を除去しておくことによって周囲貫通孔6および中央貫通孔7の内面を一旦清浄化しておけば、後述する工程において、周囲貫通孔6内および中央貫通孔7内それぞれに、熱酸化膜からなる周囲絶縁層8および中央絶縁層9を形成することができる。これにより、周囲絶縁層8および中央絶縁層9の膜質を良好なものにすることができる。
以上の方法によれば、異方性のディープRIEによってシリコン基板2に周囲凹部22および中央凹部23を形成した後(図4Bおよび図5(a))、異方性のディープRIEおよび等方性のRIEを連続して実行することによって(図4E〜図4F)、シリコン基板2内部に基準圧室4を形成し、同時に、ダイヤフラム5を形成することができる。そして、周囲貫通孔6および中央貫通孔7をそれぞれ、周囲絶縁層8および中央絶縁層9で埋めることによって、全ての貫通孔6,7を閉塞することができる。その結果、基準圧室4を、圧力を検出するときの基準圧力(真空)に保持された状態で密閉することができる。
この方法によって製造された圧力センサ1は、1枚のシリコン基板2の内部に基準圧室4を有するため、別の基板の使用に起因するコスト上昇を防止できる。加えて、基準圧室4が1枚のシリコン基板2によって画成されるため、小型である。したがって、この実施形態では、低コストかつ小型な圧力センサ1を簡単に製造することができる。しかも、使用される基板がシリコン基板2といった安価な材料であるため、基板に要するコストを一層低減することができる。
また、基準圧室4の天面(すなわち、上部電極10の下面であって、下部電極12との対向面)が絶縁膜で被覆されておらず、シリコン半導体として露出している。そのため、上部電極10が下部電極12に接触した際に、上部電極10が帯電することを回避することができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
たとえば、前述の実施形態では、1枚のシリコン基板2(シリコンウエハ2)に圧力センサ1を作製する例をとりあげたが、圧力センサ1を作製するためのベースになる基板は、たとえば、SOI(Silicon On Insulator)基板のような、下部半導体層と上部半導体層との間に絶縁層が挟まれた構造を有する半導体基板などであってもよい。この場合、基準圧室4は、たとえば、下部半導体層を掘り込んで形成することができる。
また、周囲絶縁層8および中央絶縁層9は、基準圧室4を密閉するできる形状であればよいので、前述の実施形態のように、周囲貫通孔6および中央貫通孔7を必ずしも埋め込まれている必要はない。
2 シリコン基板
2A 表面
2B 裏面
4 基準圧室
5 ダイヤフラム
6 周囲貫通孔
7 中央貫通孔
8 周囲絶縁層
9 中央絶縁層
10 上部電極
11 フレーム部
12 下部電極
13 第1配線
14 第2配線
21 閉領域
22 周囲凹部
23 中央凹部
24 保護膜
28 半導体部分
Claims (12)
- 内部に基準圧室が形成され、前記基準圧室に対して一方側の表面部および他方側の裏面部を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記表面部に形成されたダイヤフラムであって、前記半導体基板の表面と前記基準圧室との間を貫通し、その内側に当該ダイヤフラムの一部からなる上部電極を区画する環状の周囲貫通孔と、前記上部電極において前記半導体基板の表面と前記基準圧室との間を貫通する複数の中央貫通孔とが形成されたダイヤフラムと、
前記基準圧室を挟んで前記上部電極に対向する前記半導体基板の裏面部からなる下部電極と、
前記周囲貫通孔内に設けられ、前記周囲貫通孔を閉塞するとともに、前記上部電極を前記半導体基板の他の部分から電気的に分離する周囲絶縁層と、
各前記中央貫通孔内に設けられ、前記中央貫通孔を閉塞する中央絶縁層とを含む、静電容量型圧力センサ。 - 前記中央貫通孔が、水玉模様パターンに配列されており、
前記周囲貫通孔は、前記水玉模様パターンを構成するドット状の各前記中央貫通孔と同じ大きさの複数のドットが、前記上部電極を取り囲むように互いに繋がって形成されたスリット状に形成されている、請求項1に記載の静電容量型圧力センサ。 - 前記スリット状の周囲貫通孔は、前記半導体基板を前記表面側から見たときに、前記複数のドットの周面が互いに繋がって形成された波状の輪郭を有している、請求項2に記載の静電容量型圧力センサ。
- 前記上部電極における前記中央絶縁層が配置された部分以外の半導体部分が、前記基準圧室の天面に選択的に露出している、請求項1〜3のいずれか一項に記載の静電容量型圧力センサ。
- 前記半導体基板は、シリコンからなる、請求項1〜4のいずれか一項に記載の静電容量型圧力センサ。
- 前記中央絶縁層および前記周囲絶縁層は、ともに酸化シリコンからなる、請求項5に記載の静電容量型圧力センサ。
- 前記上部電極に接続された第1配線と、
前記半導体基板の前記上部電極以外の部分に接続された第2配線とをさらに含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の静電容量型圧力センサ。 - 前記基準室内は、密閉された空間である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の静電容量型圧力センサ。
- シリコンからなる半導体基板に、前記半導体基板の表面に閉領域を区画する環状の周囲凹部と、前記閉領域に配置される複数の中央凹部とを選択的に形成する工程と、
前記周囲凹部および前記中央凹部の各内面に酸化シリコンからなる保護膜を形成する工程と、
前記保護膜における前記周囲凹部および前記中央凹部の底面上の部分を選択的に除去する工程と、
異方性エッチングによって前記周囲凹部および前記中央凹部を掘り下げた後、等方性エッチングによって前記周囲凹部および前記複数の中央凹部の下方部を互いに連続させることによって基準圧室を形成し、同時に、当該基準圧室に対して前記表面側に配置された前記半導体基板の表面部に、前記閉領域からなる上部電極を含むダイヤフラムと、前記基準圧室を挟んで前記上部電極に対向する前記半導体基板の裏面部からなる下部電極とを形成する工程と、
前記半導体基板を熱酸化することによって、前記半導体基板の前記表面と前記基準圧室との間を貫通している前記周囲凹部からなる周囲貫通孔内に、前記周囲貫通孔を閉塞するとともに、前記上部電極を前記半導体基板の他の部分から電気的に分離するような酸化シリコンからなる周囲絶縁層を形成する工程と、
前記半導体基板を熱酸化することによって、前記半導体基板の前記表面と前記基準圧室との間を貫通している前記中央凹部からなる中央貫通孔内に、前記中央貫通孔を閉塞するような酸化シリコンからなる中央絶縁層を形成する工程とを含む、静電容量型圧力センサの製造方法。 - 前記周囲絶縁層および前記中央絶縁層の形成に先立って、前記周囲貫通孔および前記中央貫通孔にエッチングガスを供給することによって、前記周囲貫通孔および前記中央貫通孔の内面に残っている前記保護膜を除去する工程をさらに含む、請求項9に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
- 前記周囲凹部および前記複数の中央凹部を形成する工程は、ドット状の前記中央凹部を水玉模様パターンに配列されるように形成し、同時に、各前記中央凹部と同じ大きさのドットからなる複数の凹部を、互いに隣り合う前記中央凹部の間隔よりも狭い間隔で前記閉領域を取り囲むように環状に配列することによって前記周囲凹部を形成する工程を含み、
前記周囲絶縁層および前記中央絶縁層を形成する工程は、同一の熱酸化処理によって、ドット状の前記中央凹部からなる前記中央貫通孔を酸化シリコン膜で埋めて前記中央絶縁層を形成し、同時に、ドット状の前記周囲凹部からなる前記周囲貫通孔を酸化シリコン膜で埋めるとともに、隣り合う前記周囲貫通孔中の酸化シリコン膜が互いに繋がるように、隣り合う前記周囲貫通孔で挟まれた部分も酸化シリコン膜に変質させることによって前記周囲絶縁層を形成する工程を含む、請求項9または10に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。 - 前記周囲絶縁層および前記中央絶縁層を形成する工程では、真空中で熱酸化処理を行う、請求項9〜11のいずれか一項に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
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