JP6323278B2 - 半導体物理量センサおよびその製造方法 - Google Patents

半導体物理量センサおよびその製造方法 Download PDF

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本発明は、薄肉のダイヤフラム部に拡散抵抗(ピエゾ抵抗)などを形成することでセンシング部を構成した半導体物理量センサおよびその製造方法に関するものであり、特に、圧力センサに適用すると好適である。
従来より、薄肉のダイヤフラム部に拡散抵抗などを形成することでセンシング部を構成し、物理量印加に伴う拡散抵抗の抵抗値変化に基づいて、印加された物理量を検出する半導体物理量センサが知られている。この種の半導体物理量センサとして例えば圧力センサがある。例えば、圧力センサでは、半導体基板としてのシリコン基板に部分的に薄肉部分を形成してこれをダイヤフラム部とし、このダイヤフラム部に形成した拡散抵抗の抵抗値が印加された圧力に応じて変化することに基づいて、印加された圧力を検出する。
このような半導体物理量センサを制御回路などの回路部と共に1つの半導体チップに集積して形成する技術がある(例えば、特許文献1参照)。このように半導体物理量センサを回路部と1チップ化する際に、回路部の配線を多層配線にする場合、配線の平坦化が必要になることから、SOG(Spin on Glass)を使用して配線を覆って表面の平坦化を行い、その上に他の配線が積めるようにしている。
特開2002−71493号公報
しかしながら、上記のようにSOGを使用して配線を覆って表面の平坦化を行う場合、スクライブ部からチップ内に繋がる配線があると、ダイシング後のチップ端面から配線の周囲のSOGが露出する。具体的には、図12に示すように、配線100を覆うように層間絶縁膜101が配置され、その配線100および層間絶縁膜101の段差部を埋めるようにSOG102が配置される。つまり、図12中に記載されているように配線100の先端部や、図12中には表れていないが、配線100の長さ方向(図12の紙面左右方向)に沿ってSOG102が配置された状態となる。このため、図12中には表れていない配線100の長さ方向に沿って配置されたSOG102がダイシング後のチップ端面から露出する。この露出したSOG102から水分がチップ内に侵入し、配線100の先端に位置するダイヤフラム部上に残っているSOG102を通じてダイヤフラム部上の層間絶縁膜9等に入ると、素子特性を悪化させるなどの不具合を発生させるという問題がある。
本発明は上記点に鑑みて、SOGを伝って水分がダイヤフラム部側に侵入することによる素子特性の悪化を抑制できる半導体物理量センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、センシング部が構成されていると共に、該センシング部と対応する位置において、裏面が電気化学エッチングにより除去されることで薄肉のダイヤフラム部(2)が形成され、分割されることでチップとされた第1導電型の半導体基板(1)と、半導体基板の上に形成され、ダイヤフラム部からチップ端面側に延設された引出部(4b)を含む1層目の配線パターン(4)と、配線パターンを覆う第1の層間絶縁膜(9)と、第1の層間絶縁膜のうち、引出部の厚みによる段差部分の側面に形成されたSOG(10)と、SOGおよび第1の層間絶縁膜を覆う第2の層間絶縁膜(11)と、第2の層間絶縁膜の上に形成された2層目の配線パターン(12)と、を含み、チップ端面からダイアフラム部に至るまでの間において、引出部の側面のSOGが除去されていると共に、ダイアフラム部上においてSOGが除去されていることを特徴としている。
このように、ダイヤフラム部の上や引出部の途中位置において、SOGを除去した除去領域を形成している。このような構成では、まず引出部の途中位置においてSOGが除去されていることから、チップ端面より水分が侵入しようとしても、SOGが存在していないため、水分の侵入が防がれる。さらに、仮に水分が侵入してきたとしても、ダイヤフラム部の上においてSOGが除去されていることから、ダイヤフラム部の上に形成される層間絶縁膜には水分が侵入しないようにできる。したがって、ダイヤフラム部の上の層間絶縁膜に水分が入り込むことで、素子特性を悪化させるなどの不具合を発生させることを抑制できる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
本発明の第1実施形態にかかる圧力センサS1の形成に用いられる半導体基板1のレイアウト例を示した図である。 図1中の圧力センサS1の1チップ分を示した拡大図である。 図2(a)中における領域IIbの拡大図である。 図2(a)中におけるIII−III'線での断面図である。 図2(b)中におけるIV−IV'線と対応する部分での製造工程を示した断面図である。 図4−1に続く製造工程を示した断面図である。 図3と対応する部分での製造工程を示した断面図である。 図5−1に続く製造工程を示した断面図である。 本発明の第2実施形態にかかる圧力センサS1における図2(b)と対応する位置の部分拡大図である。 図6中におけるVII−VII'線での断面図である。 ダイヤフラム部近傍での製造工程中の様子を示した断面図である。 配線パターン4近傍での製造工程中の様子を示した断面図である。 本発明の第3実施形態にかかる圧力センサS1において、図4−2(b)と対応する位置での製造工程を示した断面図である。 図5−2(b)と対応する位置での製造工程を示した断面図である。 ダイヤフラム部の上にSOG102が形成された構造を示した断面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について、図1〜図5を参照して説明する。本実施形態では、半導体物理量センサとして、印加される圧力に応じた電気信号をセンサ出力として出力する圧力センサを例に挙げて説明する。この圧力センサは、電気化学ストップエッチング処理を経てセンシング部と対応する位置にダイヤフラム部を形成することで構成される。
図1に示すように、円盤状の半導体基板1上に複数チップ分の圧力センサS1を構成する各部を形成した後、電気化学ストップエッチングにてダイヤフラム部2を形成し、その後、ダイシング工程にてチップ単位に分割することで圧力センサS1を形成している。例えば半導体基板1はシリコンなどの半導体材料からなるウェハで構成されている。そして、半導体基板1を構成する半導体材料をエッチングできるエッチング液に浸しながらダイヤフラム部2に所定電圧Vccを印加することで、半導体基板1の裏面を電気化学ストップエッチングを行ってダイヤフラム部2を形成している。
図2(a)、(b)に示すように、各圧力センサS1は、ダイヤフラム部2を所定領域、本実施形態の場合は中央領域に配置し、その周辺領域3に図示しないが信号処理回路等が形成された集積回路(回路部)を備えた構成とされている。チップ単位に分割される前の状態では、図1および図2(a)、(b)に示すように、各圧力センサS1は、配線パターン4のうちスクライブライン上に配置された枠状部4aによって囲まれている。この配線パターン4は、圧力センサS1の形成領域に隣接して設けられたパッド5に接続されている。このため、電気化学ストップエッチング時には、パッド5から所定電圧Vccを印加することで、すべての圧力センサS1の周囲の配線パターン4に対して所定電圧Vccが印加できるようになっている。スクライブ部でチップ単位に分割されると、枠状部4aの内側(図2(a)、(b)中の実線で示した部分)が圧力センサS1を構成するチップとなる。
なお、図2(b)は、断面図ではないが、図を見易くするために後述するSOG10の部分をハッチングで示してある。また、図2(a)では、後述する2層目の配線パターン12などについては図示していない。
図3に示すように、ダイヤフラム部2は、半導体基板1を裏面側から図中に示したエッチング領域を除去することで薄肉化したものであり、圧力センサS1は、このダイヤフラム部2で圧力を受けて、その圧力に応じたセンサ出力を発生させる。このセンサ出力に基づいて圧力検出を行っている。圧力検出を精度良く行えるようにするには、圧力変化に対するセンシング部の出力を大きくすることが必要であり、それを実現するために、センシング部と対応する位置に薄肉のダイヤフラム部2を形成している。
具体的には、図3に示すように、p型シリコン基板などによって構成された半導体基板1におけるダイヤフラム部2の形成位置にn型ウェル層6を形成してあり、このn型ウェル層6の表層部に、ピエゾ抵抗効果を有するp+型拡散抵抗7を形成している。このp+型拡散抵抗7によってセンシング部が構成されている。例えば、p型拡散抵抗7は、図示しない配線パターンによってホイートストンブリッジ接続されている。そして、圧力センサS1の作動時には、ホイートストンブリッジ接続された各p型拡散抵抗7のうちの一接続点に駆動電圧を印加すると共にそれと対角線の関係に位置する一接続点をGND接続し、残りの中点電位を差動出力として取り出す。これにより、ダイヤフラム部2に圧力が印加されると、印加される圧力に応じてブリッジの平衡状態がくずれるため、圧力に応じた電圧信号が出力されるようにできる。
なお、n型ウェル層6の表層部のうちダイヤフラム部2の周囲の位置に、n+型コンタクト層6aが形成されており、引出部4aとn型ウェル層6との電気的接続が図られている。
このように構成されるセンシング部と対応する位置、すなわちn型ウェル層6の下方位置において、電気化学ストップエッチングにて、半導体基板1の裏面のうち図3に示したエッチング領域を除去することで、薄肉のダイヤフラム部2を構成している。
具体的には、図4−1(a)および図5−1(a)に示すように半導体基板1を用意し、この半導体基板1の表面側にセンシング部や図示しないが集積回路等を構成するための各素子を形成する。次に、図4−1(b)および図5−1(b)に示すように、半導体基板1の表面側にBPSG(Borophosphosilicate Glass)等で構成される層間絶縁膜8を形成したのち、Al等で構成される1層目の配線パターン4を形成する。
さらに、配線パターン4を複数積層することで多層配線を構成するために、図4−1(c)および図5−1(c)に示すように、配線パターン4の上にTEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate)等の層間絶縁膜9を配置する。そして、図4−1(d)および図5−1(d)に示すように、更にその上にSOG10を配置したのち、図4−2(a)および図5−2(a)に示すように、エッチバックを行ってSOG10を層間絶縁膜9のうち配線パターン4の厚みによって構成される段差部分の側面に残す。これにより、配線パターン4の厚みによる段差部分がその側面に残されたSOG10によって緩やかな傾斜となり、表面が平坦化される。
このとき、エッチバックによって基本的には配線パターン4の厚みによって構成される段差部分の側面以外の部分においては、SOG10が除去される。しかしながら、ダイヤフラム部2の形成予定領域上では隣接する配線パターン4の間隔が狭いため、SOG10が除去し切れず残った状態となる。
また、配線パターン4の厚みによって構成される段差部分の側面の全域にSOG10が残る。このため、配線パターン4のうち圧力センサS1の周囲を囲んでいる枠状部4aだけでなく、ダイアフラム部2からチップ端面側となる枠状部4aに延設された引出部4bにおいても、段差部分の側面にSOG10が残った状態となる。
この状態のままダイシングによってチップ単位に分割すると、チップ端面で終端している引出部4bの段差部分の側面に形成されたSOG10やダイヤフラム部2の上に残るSOG10を通じてダイヤフラム部2に水分が侵入してしまう。これによって、この後の工程で形成するダイヤフラム部2の上の層間絶縁膜に水分が入り込み、素子特性を悪化させるなどの不具合を発生させることになる。
このため、図4−2(b)や図5−2(b)に示すように、図2(b)の引出部4bの途中位置、つまりチップ端面からダイヤフラム部2に至るまでの間の一部やダイヤフラム部2の形成予定領域上において、SOG10を除去する工程を行う。これにより、引出部4bの途中位置にSOG10の除去領域D(図2(b)参照)が構成されると共に、ダイヤフラム部2の形成予定領域上においてSOG10が除去された状態となる。なお、ダイアフラム部2の形成予定領域上においてSOG10を除去する際には、ダイアフラム部2の形成予定領域上の全域においてSOG10を除去するのが好ましいが、少なくともピエゾ抵抗効果を有するp+型拡散抵抗7の上を含む範囲で除去してあれば良い。
この後、図4−2(c)および図5−2(c)に示すように、層間絶縁膜9およびSOG10やダイヤフラム部2の形成予定領域上において、更にTEOS等で構成される層間絶縁膜11を成膜する。さらに、図4−2(d)および図5−2(d)に示すように、層間絶縁膜11の上に2層目の配線パターン12を形成する工程、層間絶縁膜13を形成する工程、シリコン窒化膜(SiN)などで構成される保護膜14を形成する工程などを行う。
この状態で、TMAHなどの水溶液からなるエッチング液に半導体基板1を浸し、エッチング液中にGND電位とされる対向電極を配置しつつ、n型ウェル層6に所定電圧Vccを印加する。これにより、n型ウェル層6とp型の半導体基板1との間に逆方向電圧が印加された状態となる。そして、半導体基板1の裏面からのエッチングが進み、n型ウェル層6とp型の半導体基板1とによるPN接合部に形成される空乏層領域がエッチング液に曝されるようになると、その表面が陽極酸化されて酸化膜が形成され、エッチングが停止される。このようにして、所定厚さのダイヤフラム部2を形成している。
このとき、n型ウェル層6に所定の逆方向電圧を印加した状態とするために、上記したように、配線パターン4を各圧力センサS1の周囲に配置し、電気化学ストップエッチングの際に配線パターン4を通じて所定電圧Vccを印加できるようにしてある。
なお、半導体基板1のうちダイヤフラム部2とは異なる位置(ダイヤフラム部2の周囲)において、半導体基板1の表層部には図示しないp+型拡散領域が備えられている。電気化学ストップエッチング時には、このp+型拡散領域を介して半導体基板1をGND電位に固定している。
この後、ダイシングによってチップ単位に分割することで、図3に示すような本実施形態の圧力センサS1が完成する。
以上のようにして形成された圧力センサS1では、ダイヤフラム部2の上や引出部4bの途中位置において、SOG10が除去された状態となっている。このため、まず引出部4bの途中位置においてSOG10が除去されていることから、チップ端面より水分が侵入しようとしても、SOG10が存在していないため、水分の侵入が防がれる。さらに、仮に水分が侵入してきたとしても、ダイヤフラム部2の上においてSOG10が除去されていることから、ダイヤフラム部2の上に形成される層間絶縁膜11、13には水分が侵入しないようにできる。
したがって、ダイヤフラム部2の上の層間絶縁膜11、13に水分が入り込むことで、素子特性を悪化させるなどの不具合を発生させることを抑制することが可能となる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態は、第1実施形態に対して引出部4bの構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
図6および図7に示すように、本実施形態では、層間絶縁膜8上において配線パターン4のうち各チップのスクライブ部に形成された枠状部4aと引出部4bとが繋がっておらず、半導体基板1の表層部に形成したn型層30を介して繋がっている。また、層間絶縁膜8上において、枠状部4aと引出部4bとの間が短い距離で対向した構造とされている。層間絶縁膜8上において枠状部4aと引出部4bとが繋がっていない場合、通常は枠状部4aの厚みによる段差部分に残されるSOG10と引出部4bの厚みによる段差部分に残されるSOG10とが離間する。しかしながら、枠状部4aと引出部4bとの間の距離が短い場合、それらが繋がってしまう。この場合、チップ端面よりSOG10を通じてダイアフラム部2に水分が侵入してしまうことになる。
したがって、本実施形態では、枠状部4aと引出部4bとが繋がっていない場合であっても、引出部4bのうちチップ端面側の先端位置、つまり引出部4bのうち枠状部4a側の端部において、SOG10を除去している。
このように、枠状部4aと引出部4bとが繋がっていない場合においても、引出部4bのうちチップ端面側の先端位置においてSOG10を除去することができる。このような構成とする場合、ダイシングによって圧力センサS1をチップ単位に分割したときに、引出部4aの先端がチップ端面よりも内側で終端した状態になるが、その先端部においてSOG10が形成されていない構造となる。したがって、チップ端面よりSOG10を通じてダイアフラム部2に水分が侵入することを抑制できる。これにより、第1実施形態と同様に、素子特性の悪化などの不具合を抑制できる。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態は、第1、第2実施形態に対して圧力センサS1の製造方法を一部変更したものであり、その他に関しては第1、第2実施形態と同様であるため、第1、第2実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第1実施形態では、ダイヤフラム部2の形成予定領域上や引出部4bの途中位置において、SOG10を除去する工程を同時に行った。しかしながら、図8(a)に示すダイアフラム部2の形成予定領域上のSOG10と比較して、図9(a)に示す引出部4aの厚みによる段差部分の側面に形成されるSOG10は厚さバラツキが大きい。このため、これらを同時に除去すると、図9(b)に示すように、引出部4aの厚みによる段差部分の側面のSOG10を完全に除去したときに、図8(b)に示すように、ダイアフラム部2の形成予定領域上においてオーバエッチングしてしまうことがある。なお、ここでは、図8(b)に示すように、オーバエッチングによって層間絶縁膜8まで完全に除去してしまう場合を例に挙げているが、図8(c)に示すように、例えば層間絶縁膜8が残っていて半導体基板1まで達していない状態の場合も同様である。
したがって、本実施形態では、ダイヤフラム部2の形成予定領域上のSOG10を除去する工程と引出部4bの途中位置においてSOG10を除去する工程を異なる工程で行う。例えば、図4−2(b)および図5−2(b)に示す工程に代えて、図10(a)および図11(a)に示すように、ダイアフラム部2の形成予定領域を含めて引出部4bの途中位置以外の部分を覆うマスク20を配置し、引出部4bの途中位置においてSOG10をエッチングする。そして、その後、図10(b)および図11(b)に示すように、引出部4bの途中位置を含めてダイアフラム部2の形成予定領域以外の部分を覆うマスク21を配置し、ダイアフラム部2の形成予定領域上においてSOG10をエッチングする。
このように、ダイヤフラム部2の形成予定領域上のSOG10を除去する工程と引出部4bの途中位置においてSOG10を除去する工程を異なる工程で行うことで、ダイアフラム部2の形成予定領域上のSOG10のオーバエッチングを抑制できる。
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
例えば、配線パターン4を枠状部4aと引出部4bとしたが、必ずしもこのようなレイアウトとされている必要はない。すなわち、枠状部4aは電気化学ストップエッチング時の電圧印加用にスクライブ部に備えられる配線部を構成するものであり、枠状でなくても良い。また、引出部4bについても、図1、図2等では直線状としているが、直線状でなくても良い。
また、上記第2実施形態では、引出部4bの先端位置においてSOG10を除去したが、引出部4bの途中位置、つまりチップ端面からダイヤフラム部2に至るまでの間において、SOG10を除去するようにしても良い。
また、上記実施形態に示した構造に加えて、さらに、半導体基板1のうちのエッチングされた側の面を覆うように基板を配置し、エッチング領域を封止することで、圧力基準室を構成することもできる。
また、上記実施形態では、ダイヤフラム部2を有する半導体物理量センサとして圧力センサS1を例に挙げて説明したが、加速度センサなどにも適用することができる。
1 半導体基板
2 ダイヤフラム部
3 周辺領域
4 配線パターン
4a 枠状部
4b 引出部
5 パッド
6 n型ウェル層
7 p+型拡散抵抗
9、11、13 層間絶縁膜
10 SOG

Claims (10)

  1. センシング部が構成されていると共に、該センシング部と対応する位置において、裏面が電気化学エッチングにより除去されることで薄肉のダイフラム部(2)が形成され、分割されることでチップとされた第1導電型の半導体基板(1)と、
    前記半導体基板の上に形成され、前記ダイフラム部からチップ端面側に延設された引出部(4b)を含む1層目の配線パターン(4)と、
    前記配線パターンを覆う第1の層間絶縁膜(9)と、
    前記第1の層間絶縁膜のうち、前記引出部の厚みによる段差部分の側面に形成されたSOG(Spin on Glass)(10)と、
    前記SOGおよび前記第1の層間絶縁膜を覆う第2の層間絶縁膜(11)と、
    前記第2の層間絶縁膜の上に形成された2層目の配線パターン(12)と、を含み、
    前記チップ端面から前記ダイアフラム部に至るまでの間において、前記引出部の側面の前記SOGが除去されていると共に、前記ダイアフラム部上において前記SOGが除去されていることを特徴とする半導体物理量センサ。
  2. 前記ダイアフラム部において、前記半導体基板にはピエゾ抵抗効果を有する拡散抵抗(7)が前記センシング部として形成されており、該ダイアフラム部のうち前記拡散抵抗の上を含む範囲で前記SOGが除去されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体物理量センサ。
  3. 前記引出部の先端が前記チップ端面で終端させられていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体物理量センサ。
  4. 前記引出部の先端が前記チップ端面よりも内側で終端させられており、該引出部の先端位置において前記SOGが除去されていることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体物理量センサ。
  5. 分割するチップ毎に、ダイアフラム部(2)の形成予定位置にセンシング部が構成されると共に、表面側において、前記チップそれぞれに対して所定電圧(Vcc)が印加される配線部(4a)および前記ダイアフラム部からチップ端面側に延設された引出部(4b)とを含む1層目の配線パターン(4)が延設された半導体基板(1)を用意する工程と、
    前記半導体基板の表面側に、前記第1の配線パターンを覆う第1の層間絶縁膜(9)を形成する工程と、
    前記第1の層間絶縁膜の上にSOG(Spin on Glass)(10)を配置したのち、エッチバックすることにより、前記第1の層間絶縁膜のうち前記1層目の配線パターンの厚みによる段差部分の側面に前記SOGを残す工程と、
    前記SOGを残す工程の後に、前記チップ端面から前記ダイアフラム部に至るまでの間において、前記引出部の側面の前記SOGを除去する工程と、
    前記ダイアフラム部上において前記SOGを除去する工程と、
    前記引出部の側面の前記SOGを除去する工程および前記ダイアフラム部上において前記SOGを除去する工程の後で、前記SOGの上を含めて前記第1の層間絶縁膜の上に第2の層間絶縁膜(11)を形成する工程と、
    前記第2の層間絶縁膜の上に2層目の配線パターン(12)を形成する工程と、
    前記半導体基板をエッチング液に浸した状態で、前記パッドおよび前記配線部を通じて前記チップそれぞれに対して前記所定電圧を印加し、前記センシング部それぞれと対応する位置において、前記半導体基板の裏面を電気化学エッチングにより除去することで前記ダイフラム部を形成する工程と、
    前記ダイフラム部を形成したのち、前記半導体基板をチップ単位に分割する工程と、を含んでいることを特徴とする半導体物理量センサの製造方法。
  6. 前記引出部の側面の前記SOGを除去する工程と前記ダイアフラム部上において前記SOGを除去する工程を別工程として行うことを特徴とする請求項5に記載の半導体物理量センサの製造方法。
  7. 前記引出部の側面の前記SOGを除去する工程および前記ダイアフラム部上において前記SOGを除去する工程を同時に行うことを特徴とする請求項5に記載の半導体物理量センサの製造方法。
  8. 前記ダイアフラム部において、前記半導体基板にはピエゾ抵抗効果を有する拡散抵抗(7)を前記センシング部として形成しており、
    前記ダイアフラム部上において前記SOGを除去する工程では、前記ダイアフラム部のうち前記拡散抵抗の上を含む範囲で前記SOGを除去することを特徴とする請求項5ないし7のいずれか1つに記載の半導体物理量センサ。
  9. 前記半導体基板を用意する工程では、前記配線部に前記引出部が接続された前記第1の配線パターンが形成されたものを前記半導体基板として用意することを特徴とする請求項5ないし8のいずれか1つに記載の半導体物理量センサ。
  10. 前記半導体基板を用意する工程では、前記配線部と前記引出部とが離間した前記第1の配線パターンが形成されたものを前記半導体基板として用意することを特徴とする請求項5ないし8のいずれか1つに記載の半導体物理量センサ。
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