JP6742483B1 - Semiconductor pressure sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

【課題】製造安定性が高く、高精度な半導体圧力センサを提供する。【解決手段】半導体圧力センサ100は、一主面1aに基準圧力室10となる凹部3が形成された第一のシリコン基板1、第一のシリコン基板1の一主面1aに酸化膜8を介して接合され、凹部3を覆う第二のシリコン基板2、凹部3の上方に位置する第二のシリコン基板2に形成されたダイヤフラム5と、ダイヤフラム5に形成された感圧素子部であるゲージ抵抗6とを含む圧力検出部20を備えており、基準圧力室10となる凹部3は、第一のシリコン基板1の一主面1aの開口領域の輪郭を構成する縁部31と、その縁部31の内側に位置する基準圧力室10の容積を稼ぐための、縁部31よりも深く形成された主凹部30を有している。【選択図】図2PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly accurate semiconductor pressure sensor having high manufacturing stability. A semiconductor pressure sensor (100) has a first silicon substrate (1) having a concave portion (3) serving as a reference pressure chamber (10) formed on one main surface (1a), and an oxide film (8) on one main surface (1a) of the first silicon substrate (1). A second silicon substrate 2 that is bonded via the recess 3 to cover the recess 3, a diaphragm 5 formed on the second silicon substrate 2 located above the recess 3, and a gauge that is a pressure-sensitive element portion formed on the diaphragm 5. The concave portion 3 serving as the reference pressure chamber 10 is provided with the pressure detecting portion 20 including the resistor 6, and the edge portion 31 forming the contour of the opening region of the one main surface 1a of the first silicon substrate 1 and the edge thereof. The main concave portion 30 is formed deeper than the edge portion 31 in order to increase the volume of the reference pressure chamber 10 located inside the portion 31. [Selection diagram] Figure 2

Description

本願は、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。 The present application relates to a semiconductor pressure sensor and a method for manufacturing the same.

従来の半導体圧力センサとして、基準圧力室が第一のシリコン基板の一主面に設けられるとともに、第一のシリコン基板に接合された第二のシリコン基板に感圧素子部が設けられ、基準圧力室となる凹部がアライメントマークよりも深い一定の深さとなるように設けられた例が開示されている(例えば、特許文献1)。
また、半導体圧力センサの基準圧力室が第一のシリコン基板に接合された第二のシリコン基板の接合面に設けられるとともに、第二のシリコン基板の裏面側に感圧素子部が設けられ、基準圧力室となる凹部が一定の深さとなるように設けられた例が開示されている(例えば、特許文献2)。
As a conventional semiconductor pressure sensor, a reference pressure chamber is provided on one main surface of a first silicon substrate, and a pressure sensitive element section is provided on a second silicon substrate bonded to the first silicon substrate. There is disclosed an example in which a recess serving as a chamber is provided so as to have a constant depth deeper than the alignment mark (for example, Patent Document 1).
Further, the reference pressure chamber of the semiconductor pressure sensor is provided on the bonding surface of the second silicon substrate bonded to the first silicon substrate, and the pressure sensitive element section is provided on the back surface side of the second silicon substrate. An example is disclosed in which a recess serving as a pressure chamber is provided so as to have a constant depth (for example, Patent Document 2).

特許第5639985号公報Japanese Patent No. 5639985 特許第4250788号公報Japanese Patent No. 4250788

従来の技術にあっては、基準圧力室の容積を確保するため、基準圧力室を構成する凹部を第一のシリコン基板の一主面を一定の深さに掘り下げることによって形成していた。しかし、容積確保のために凹部の深さが大きくなるにともなって、ダイヤフラム外形形状を規定する凹部の開口上端部の輪郭形状の精度が低下する傾向があった。 In the conventional technique, in order to secure the volume of the reference pressure chamber, the recess forming the reference pressure chamber is formed by digging down one main surface of the first silicon substrate to a certain depth. However, as the depth of the recess increases to secure the volume, the accuracy of the contour shape of the opening upper end of the recess that defines the outer shape of the diaphragm tends to decrease.

例えば、特許文献1のように、第一のシリコン基板の上面に凹部が形成され、凹部の開口上端部側に第二のシリコン基板が貼り合わされて基準圧力室が設けられる構成の場合、第二のシリコン基板の上面側からの加工によりダイヤフラムおよび感圧素子部等が形成される。凹部の開口上端部の輪郭形状が乱れ、歪に形成されている場合にあっては、感圧素子部等の形成時に、ダイヤフラム端部に異常な応力集中が生じ、ダイヤフラムの破壊耐圧が低下するという問題があった。 For example, in the case of a configuration in which a recess is formed in the upper surface of a first silicon substrate and a second silicon substrate is attached to the upper end side of the opening of the recess to provide a reference pressure chamber as in Patent Document 1, The diaphragm, the pressure sensitive element portion, and the like are formed by processing from the upper surface side of the silicon substrate. When the contour shape of the upper end of the opening of the recess is disturbed and distorted, abnormal stress concentration occurs at the end of the diaphragm when the pressure sensitive element is formed, and the breakdown strength of the diaphragm decreases. There was a problem.

本願は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、基準圧力室となる凹部の容積を確保しつつ、その基準圧力室の外形形状の精度を向上させることにより、製造安定性および信頼性が高い半導体圧力センサを得ること、およびその製造方法を得ることを目的とするものである。 The present application has been made in order to solve the above problems, and while improving the accuracy of the outer shape of the reference pressure chamber while securing the volume of the recess serving as the reference pressure chamber, the manufacturing stability is improved. Another object of the present invention is to obtain a highly reliable semiconductor pressure sensor and a method for manufacturing the same.

本願に係わる半導体圧力センサは、一主面に気密封止された基準圧力室となる凹部とアライメントマークとが形成された第一のシリコン基板、上記第一のシリコン基板の上記一主面に酸化膜を介して接合され、上記凹部と上記アライメントマークとを覆う第二のシリコン基板、上記凹部の上方に位置する上記第二のシリコン基板に形成されたダイヤフラムと、上記ダイヤフラムに形成された感圧素子部とを含む圧力検出部を備え、上記基準圧力室は、上記第一のシリコン基板の上記一主面の開口領域の輪郭を構成する縁部と、上記縁部の内側に位置する主凹部とを有し、上記主凹部は上記縁部よりも深く形成され、上記アライメントマークは上記凹部が形成されない領域に、上記縁部と同じ深さに形成されたことを特徴とするものである。 A semiconductor pressure sensor according to the present application includes a first silicon substrate having a concave portion serving as a reference pressure chamber hermetically sealed on one main surface and an alignment mark, and the one main surface of the first silicon substrate being oxidized. A second silicon substrate bonded through a film and covering the recess and the alignment mark, a diaphragm formed on the second silicon substrate above the recess, and a pressure-sensitive film formed on the diaphragm. A pressure detecting portion including an element portion, wherein the reference pressure chamber has an edge portion that defines the contour of an opening region of the one main surface of the first silicon substrate, and a main recess portion that is located inside the edge portion. And the main concave portion is formed deeper than the edge portion , and the alignment mark is formed in a region where the concave portion is not formed and at the same depth as the edge portion .

また、本願に関わる半導体圧力センサの製造方法は、第一のシリコン基板の一主面の基準圧力室の形成領域を掘り下げ、第一の凹部を形成する工程、上記第一の凹部の輪郭を形成する縁部を残し、上記縁部の内側の上記第一の凹部の底面部を掘り下げて上記基準圧力室の主凹部を構成する第二の凹部を形成する工程、上記第一のシリコン基板の上記一主面に酸化膜を介して第二のシリコン基板を接合し、上記第一の凹部と上記第二の凹部よりなる凹部を上記第二のシリコン基板によって覆い気密封止された上記基準圧力室を形成する工程、上記第二のシリコン基板を加工し、上記基準圧力室の上方にダイヤフラムを形成する工程、上記第二のシリコン基板に感圧素子部を形成する工程を含み、上記第一の凹部の形成と同時に、上記第一のシリコン基板の上記一主面の上記第一の凹部が形成されない領域に、上記第一の凹部と同じ深さにアライメントマークを形成することを特徴とするものである。 Further, in the method for manufacturing a semiconductor pressure sensor according to the present application, a step of forming a first concave portion by digging down a formation region of a reference pressure chamber on one main surface of a first silicon substrate, and forming a contour of the first concave portion. Leaving the edge portion to form a second concave portion constituting the main concave portion of the reference pressure chamber by digging down the bottom surface portion of the first concave portion inside the edge portion, the above-mentioned first silicon substrate A second silicon substrate is bonded to one main surface via an oxide film, and the reference pressure chamber is hermetically sealed by covering the recess formed by the first recess and the second recess with the second silicon substrate. to form a step, by processing the second silicon substrate, forming a diaphragm above the reference pressure chamber, it viewed including the step of forming the pressure-sensitive element unit in the second silicon substrate, the first Simultaneously with the formation of the concave portion, an alignment mark is formed at the same depth as the first concave portion in a region of the first principal surface of the first silicon substrate where the first concave portion is not formed. It is a thing.

本願の半導体圧力センサによれば、気密封止された基準圧力室となる凹部を、基準圧力室の輪郭を構成する縁部と、容積を確保するための主凹部により構成し、主凹部の外周部を主凹部よりも浅く形成した縁部で取り囲んだ構成としたため、基準圧力室およびダイヤフラムの外形形状の精度を向上させることができ、また、アライメントマークが第二のシリコン基板で覆われているため、製造安定性および信頼性が高い半導体圧力センサを得ることが可能となる。 According to the semiconductor pressure sensor of the present application, the recess serving as the airtightly sealed reference pressure chamber is constituted by the edge portion forming the contour of the reference pressure chamber and the main recess portion for securing the volume, and the outer periphery of the main recess portion. Since the portion is surrounded by the edge formed shallower than the main recess, the accuracy of the outer shape of the reference pressure chamber and the diaphragm can be improved, and the alignment mark is covered with the second silicon substrate. Therefore, it is possible to manufacture stability and reliability obtain high semiconductor pressure sensor.

また、本願の半導体圧力センサの製造方法によれば、気密封止された基準圧力室の縁部を構成する第一の凹部とアライメントマークとを同時に形成した後、第一の凹部の底面を掘り下げることで主凹部を構成する第二の凹部を形成するため、第二の凹部の形成前に加工面にマスク部材を精度よく形成することができ、第二の凹部の形成後にマスク部材を除去しやすく、製造工程数を抑制することが可能となる。

Further, according to the method for manufacturing a semiconductor pressure sensor of the present application, after simultaneously forming the first concave portion and the alignment mark which form the edge portion of the hermetically sealed reference pressure chamber, the bottom surface of the first concave portion is dug down. Since the second concave portion constituting the main concave portion is formed by this, the mask member can be accurately formed on the processing surface before the second concave portion is formed, and the mask member is removed after the second concave portion is formed. ease rather, it is possible to suppress the number of manufacturing steps.

実施の形態1による半導体圧力センサがウェハに形成された状態を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state where the semiconductor pressure sensor according to the first embodiment is formed on a wafer. 図1の半導体圧力センサを示す要部拡大断面図と基準圧力室の平面図である。FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing the semiconductor pressure sensor of FIG. 1 and a plan view of a reference pressure chamber. 実施の形態2による半導体圧力センサの製造工程を示す図であり、基準圧力室を構成する第一の凹部形成時の断面図と第一の凹部の平面図である。FIG. 9 is a diagram showing a manufacturing process of the semiconductor pressure sensor according to the second embodiment, which is a cross-sectional view and a plan view of the first recessed portion when forming the first recessed portion which constitutes the reference pressure chamber. 半導体圧力センサの製造工程を示す図であり、基準圧力室を構成する第二の凹部形成時の断面図と基準圧力室となる凹部の平面図である。FIG. 6A is a diagram showing a manufacturing process of the semiconductor pressure sensor, and is a cross-sectional view when forming a second recessed portion which constitutes the reference pressure chamber and a plan view of the recessed portion which becomes the reference pressure chamber. 半導体圧力センサの製造工程を示す図であり、酸化膜形成時の断面図である。It is a figure showing a manufacturing process of a semiconductor pressure sensor, and is a sectional view at the time of oxide film formation. 半導体圧力センサの製造工程を示す図であり、圧力検出部形成時の断面図である。It is a figure which shows the manufacturing process of a semiconductor pressure sensor, Comprising: It is sectional drawing at the time of forming a pressure detection part.

実施の形態1.
本願の実施の形態1による半導体圧力センサ100について、図1および図2を用いて説明する。図1は実施の形態1による半導体圧力センサ100が多数作り込まれた一枚のウェハ101の断面図であり、ウェハ101から個々の半導体圧力センサ100を切り離すダイシングを行う前段階の状態を示している。図2は、図1のウェハ101に設けられた1チップ分の半導体圧力センサ100を示す要部拡大断面図と基準圧力室10(圧力室、キャビティ)の平面図である。
図1に示すように、ダイシング前の段階ではウェハ101の平面(ウェハ101端部のテラス部12以外の面部)には多数の半導体圧力センサ100が行列配置されている。
Embodiment 1.
A semiconductor pressure sensor 100 according to Embodiment 1 of the present application will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a cross-sectional view of one wafer 101 in which a large number of semiconductor pressure sensors 100 according to the first embodiment are built, and shows a state of a pre-stage for performing dicing to separate individual semiconductor pressure sensors 100 from the wafer 101. There is. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing the semiconductor pressure sensor 100 for one chip provided on the wafer 101 of FIG. 1 and a plan view of the reference pressure chamber 10 (pressure chamber, cavity).
As shown in FIG. 1, a large number of semiconductor pressure sensors 100 are arranged in a matrix on the plane of the wafer 101 (the surface other than the terrace 12 at the end of the wafer 101) before the dicing.

図2に示すように、一つの半導体圧力センサ100は、基準圧力室10を構成する凹部3およびアライメントマーク4が設けられた第一のシリコン基板1と、ダイヤフラム5およびゲージ抵抗6等の感圧素子部が設けられた第二のシリコン基板2とが酸化膜8を介して接合された構成となっている。圧力検出部20は、基準圧力室10、ダイヤフラム5、ゲージ抵抗6等によって構成される。第一のシリコン基板1の一主面1aに開口された凹部3が真空雰囲気内において第二のシリコン基板2により封止されることで、凹部3の内部空間は基準圧となる高真空に保たれる。 As shown in FIG. 2, one semiconductor pressure sensor 100 includes a first silicon substrate 1 provided with a concave portion 3 and an alignment mark 4 which form a reference pressure chamber 10, a pressure sensitive element such as a diaphragm 5 and a gauge resistor 6. The second silicon substrate 2 provided with the element portion is bonded via the oxide film 8. The pressure detection unit 20 includes a reference pressure chamber 10, a diaphragm 5, a gauge resistor 6 and the like. The recess 3 opened on the one main surface 1a of the first silicon substrate 1 is sealed by the second silicon substrate 2 in a vacuum atmosphere, so that the internal space of the recess 3 is maintained at a high vacuum serving as a reference pressure. Be drunk

ここで、ダイヤフラム5の形状は凹部3の開口部の開口上端部形状およびその容積により規定され、一主面1a上において凹部3とダイヤフラム5の形成領域は一致している。第一のシリコン基板1の一主面1aに設けられる凹部3の形状および容積は、後工程で形成するダイヤフラム5の厚さを考慮し、半導体圧力センサ100として所期の感圧特性、破壊耐圧等が得られるように決定される。
例えば、測定圧力が4気圧程度までであれば、ダイヤフラム5の厚さは10〜30μm、ダイヤフラム5の平面形状は一辺が200〜500μm程度の正方形に設定することができる。
Here, the shape of the diaphragm 5 is defined by the shape of the opening upper end of the opening of the recess 3 and the volume thereof, and the recess 3 and the formation region of the diaphragm 5 coincide with each other on the one main surface 1a. The shape and volume of the concave portion 3 provided on the one main surface 1a of the first silicon substrate 1 are set in consideration of the thickness of the diaphragm 5 to be formed in a later step, so that the semiconductor pressure sensor 100 has desired pressure-sensitive characteristics and breakdown voltage. And so on.
For example, when the measurement pressure is up to about 4 atm, the thickness of the diaphragm 5 can be set to 10 to 30 μm, and the planar shape of the diaphragm 5 can be set to a square with one side of about 200 to 500 μm.

図2の平面図に示すように、基準圧力室10を構成する凹部3は、主凹部30と、一主面1aにおいてその主凹部30を取り囲む縁部31とを有している。これら主凹部30と縁部31とはいずれも凹部3の内部空間を指している。縁部31は、第一のシリコン基板1の一主面の開口領域の輪郭(開口上端部の外形形状)を構成し、縁部31の輪郭がダイヤフラム5の外形形状となる。そして、縁部31の内側に縁部31よりも深く掘り下げられて設けられた主凹部30は、基準圧力室10の容積を稼ぐように構成されている。基準圧力室10は2段階の深さに形成されており、基準圧力室10の形成領域の内周部に位置する縁部31に対し、縁部31の内側に位置する主凹部30がより深く形成され、いずれの底面部も一主面1aと平行な平坦面となっている。 As shown in the plan view of FIG. 2, the recessed portion 3 forming the reference pressure chamber 10 has a main recessed portion 30 and an edge portion 31 surrounding the main recessed portion 30 on the one main surface 1a. Both the main recessed portion 30 and the edge portion 31 indicate the internal space of the recessed portion 3. The edge portion 31 constitutes the contour of the opening region (the outer shape of the upper end portion of the opening) of the one main surface of the first silicon substrate 1, and the contour of the edge portion 31 becomes the outer shape of the diaphragm 5. The main recess 30 provided inside the edge 31 and deeper than the edge 31 is configured to earn the volume of the reference pressure chamber 10. The reference pressure chamber 10 is formed in two levels of depth, and the main concave portion 30 located inside the edge portion 31 is deeper than the edge portion 31 located at the inner peripheral portion of the formation region of the reference pressure chamber 10. Each of the bottom surfaces is formed as a flat surface parallel to the one main surface 1a.

主凹部30の深さは典型的には50〜300μm程度の範囲となるように設けられ、第一のシリコン基板1の一主面1aから掘り下げられる主凹部30の深さが大きいほど基準圧力室10の容積を大きく確保でき、基準圧力室10にスローリークなどがあった場合でも圧力変動を小さくでき、特性変動を小さくできるという利点があるが、一方で加工時間が長くなりスループットが低下するため、典型的な範囲の中から適正な値が選定されて主凹部30の加工が行われる。 The depth of the main recess 30 is typically provided in the range of about 50 to 300 μm, and the larger the depth of the main recess 30 dug down from the one main surface 1a of the first silicon substrate 1, the larger the reference pressure chamber. The volume of 10 can be secured large, and even if there is a slow leak or the like in the reference pressure chamber 10, there is an advantage that the pressure fluctuation can be reduced and the characteristic fluctuation can be reduced. A proper value is selected from the typical range to process the main recess 30.

仮に、基準圧力室10が主凹部30のみで構成されていた場合には、図2の平面図に示すような主凹部30の劣化した輪郭(直線形状に形成されるべきところが歪に折れ曲がり、形状異常部を含む輪郭)によってダイヤフラム5の外形が規定されてしまうが、本願では基準圧力室10の外形形状を主凹部30ではなく、その外側に位置する縁部31によって規定することで、輪郭形状の劣化を抑制している。縁部31は、例えば典型的なアライメントマーク4と同じ深さである1〜2μm程度に形成することができる。このアライメントマーク4は、例えば凹部3の形成領域以外に設けられ、加工対象となる領域に近く配置されるほど、アライメント精度を向上させることが可能となることは言うまでもない。 If the reference pressure chamber 10 is composed of only the main concave portion 30, the deteriorated contour of the main concave portion 30 as shown in the plan view of FIG. The outer shape of the diaphragm 5 is defined by the contour including the abnormal portion. However, in the present application, the contour shape is defined by defining the outer shape of the reference pressure chamber 10 not by the main recess 30 but by the edge 31 located outside thereof. Suppresses the deterioration of. The edge portion 31 can be formed to have the same depth as that of the typical alignment mark 4, for example, about 1 to 2 μm. Needless to say, the alignment accuracy can be improved as the alignment mark 4 is provided, for example, in a region other than the region in which the recess 3 is formed and is arranged closer to the region to be processed.

上述したように、基準圧力室10の縁部31の深さは、輪郭形状劣化を抑制する観点から浅く形成する必要があり、典型的にはアライメントマーク4と同じ深さの1〜2μm程度とすることが可能である。主凹部30の大きさについては、確保すべき基準圧力室10の容積から設定し、その深さについては、加工負荷の観点から可能な限り浅くする方が好ましい。したがって、一主面1a上における主凹部30の形成領域を広く確保するために、縁部31の幅を可能な限り狭く、つまり、主凹部30と縁部31の辺長を可能な限り近づけるように設定を行う。例えば、主凹部30の一辺を縁部31の一辺よりも、典型的には10〜20μm程度短く設定することが好適である。また、縁部31の一主面1a上での幅が一定となるように主凹部30を凹部3の中央に配置することが適している。 As described above, the depth of the edge portion 31 of the reference pressure chamber 10 needs to be shallow from the viewpoint of suppressing the contour shape deterioration, and is typically about 1 to 2 μm which is the same depth as the alignment mark 4. It is possible to It is preferable that the size of the main recess 30 is set from the volume of the reference pressure chamber 10 to be secured, and the depth thereof is as shallow as possible from the viewpoint of processing load. Therefore, in order to secure a wide area for forming the main recess 30 on the one main surface 1a, the width of the edge 31 is made as narrow as possible, that is, the side lengths of the main recess 30 and the edge 31 are made as close as possible. Set to. For example, it is preferable to set one side of the main recess 30 to be shorter than one side of the edge 31 typically by about 10 to 20 μm. Further, it is suitable to dispose the main recess 30 in the center of the recess 3 so that the width of the edge 31 on the one main surface 1a is constant.

この実施の形態1による半導体圧力センサによれば、基準圧力室10の容積を確保する主凹部30を、ダイヤフラム5の形状を規定する縁部31よりも内側に設けるようにしたため、基準圧力室10となる凹部3の外形形状の劣化を抑制するとともに、十分な容積確保が可能となる。その結果、従来構造の凹部3を一定の深さに形成した場合と比べて、圧力印加時にダイヤフラム5の端部に異常な応力集中が生じることがなく、ダイヤフラム5の破壊耐圧を向上させることでき、高精度な製品を得ることが可能となる。 According to the semiconductor pressure sensor of the first embodiment, the main recess 30 that secures the volume of the reference pressure chamber 10 is provided inside the edge 31 that defines the shape of the diaphragm 5. It is possible to suppress the deterioration of the outer shape of the recessed portion 3 that becomes the above and to secure a sufficient volume. As a result, compared with the case where the recess 3 of the conventional structure is formed to a constant depth, abnormal stress concentration does not occur at the end of the diaphragm 5 when pressure is applied, and the breakdown withstand voltage of the diaphragm 5 can be improved. It is possible to obtain highly accurate products.

したがって、半導体圧力センサウェハの製造工程内においてダイヤフラム5が破壊に至ることを未然に防止できることに伴って、当該半導体圧力センサウェハの歩留まりが向上し、製造安定性を高めることができ、最終製品としての半導体圧力センサの信頼性を向上させることができる。さらに、半導体圧力センサウェハ製造設備の汚損を未然に防止できることで、他製品の製造、品質への影響を排除することができるという効果が得られる。 Therefore, since it is possible to prevent the diaphragm 5 from being destroyed in the manufacturing process of the semiconductor pressure sensor wafer, the yield of the semiconductor pressure sensor wafer can be improved, the manufacturing stability can be improved, and the semiconductor as a final product can be improved. The reliability of the pressure sensor can be improved. Further, by preventing the semiconductor pressure sensor wafer manufacturing equipment from being contaminated, it is possible to eliminate the influence on the manufacturing and quality of other products.

実施の形態2.
次に、本願の実施の形態2による半導体圧力センサ100の製造方法について、図3から図6の工程図を用いて説明する。上述の実施の形態1において示した半導体圧力センサ100を得るための製造方法は様々あるが、この実施の形態2においては、基準圧力室10となる凹部3の形成順として最も適した製造方法の一つについて説明する。
この実施の形態2による半導体圧力センサの製造方法では、凹部3を形成する際、まずアライメントマーク4の形成と同時に第一の凹部3aを凹部3の形成領域の全面に形成し、基準圧力室10を縁取る縁部31を得、次に、その縁部31を残して第一の凹部3aの底面を掘り下げることによって第二の凹部3bを形成し、第二の凹部3bの内部空間と第二の凹部3bの直上に位置する第一の凹部3aの内部空間とによって主凹部30を得る工程を含んでいる。
Embodiment 2.
Next, a method of manufacturing the semiconductor pressure sensor 100 according to the second embodiment of the present application will be described with reference to the process drawings of FIGS. Although there are various manufacturing methods for obtaining the semiconductor pressure sensor 100 shown in the above-described first embodiment, in the second embodiment, the most suitable manufacturing method is the order of forming the recesses 3 to be the reference pressure chambers 10. I will explain one.
In the method of manufacturing the semiconductor pressure sensor according to the second embodiment, when forming the concave portion 3, first, the first concave portion 3a is formed on the entire surface of the formation region of the concave portion 3 simultaneously with the formation of the alignment mark 4, and the reference pressure chamber 10 is formed. Then, the second recessed portion 3b is formed by digging the bottom surface of the first recessed portion 3a while leaving the edged portion 31, and the inner space of the second recessed portion 3b and the second recessed portion 3b are formed. It includes the step of obtaining the main recess 30 by the internal space of the first recess 3a located immediately above the recess 3b.

以下、順を追って説明する。
まず、図3のように、ウェハ101よりなる第一のシリコン基板1に、後工程においてゲージ抵抗6等を形成する際の位置合わせに必要となるアライメントマーク4と、ダイヤフラム5の外形形状を規定する基準圧力室10の一部となる第一の凹部3aとを同時に、プラズマエッチング等によって形成する。アライメントマーク4、凹部3はともに1〜2μm程度の深さに形成される。
なお、第一の凹部3aとアライメントマーク4とは、別工程において形成することも可能であるが、同時に形成することによって工程数増大を抑制することが可能であることは言うまでもない。
Hereinafter, description will be made step by step.
First, as shown in FIG. 3, the outer shape of the diaphragm 5 and the alignment mark 4 required for alignment when the gauge resistor 6 and the like are formed in the subsequent step is defined on the first silicon substrate 1 made of the wafer 101. The first concave portion 3a, which is a part of the reference pressure chamber 10, is simultaneously formed by plasma etching or the like. Both the alignment mark 4 and the concave portion 3 are formed to a depth of about 1 to 2 μm.
The first concave portion 3a and the alignment mark 4 can be formed in separate steps, but it goes without saying that by forming them simultaneously, an increase in the number of steps can be suppressed.

次に、図4に示すように、アライメントマーク4を基準に位置合わせを行い、第一の凹部3aの輪郭を構成する縁部31を残し、縁部31の内側を掘り下げて主凹部30を形成する。この時、例えば、主凹部30となる領域に開口部を有するマスク部材(例えばレジスト膜)を第一のシリコン基板1の上面に写真製版によって形成し、そのマスク部材を用いてエッチングを行い、第一の凹部3aよりも深い第二の凹部3bを形成する。この第二の凹部3bは後に圧力センサとしての基準圧力室10の主たる部分を構成する。この第二の凹部3bの深さは50〜300μm程度が望ましいが、その深さが50μm以上と深いため、ボッシュプロセスによるDRIE(Deep Reactive Ion Etching)装置を用いるのが一般的であるが、TMAH(Tetramethyl ammonium hydroxide)などのアルカリエッチング液を用いたウェットエッチング等を用いることもできる。 Next, as shown in FIG. 4, alignment is performed with the alignment mark 4 as a reference, leaving an edge 31 that constitutes the contour of the first recess 3a, and digging inside the edge 31 to form the main recess 30. To do. At this time, for example, a mask member (for example, a resist film) having an opening in a region to be the main recess 30 is formed on the upper surface of the first silicon substrate 1 by photolithography, and etching is performed using the mask member. A second recess 3b deeper than the first recess 3a is formed. The second recess 3b later constitutes a main part of the reference pressure chamber 10 as a pressure sensor. The depth of the second recess 3b is preferably about 50 to 300 μm, but since the depth is as deep as 50 μm or more, it is general to use a DRIE (Deep Reactive Ion Etching) device by the Bosch process. Wet etching using an alkaline etching solution such as (Tetramethyl ammonium hydroxide) can also be used.

なお、基準圧力室10を構成する縁部31は、第一の凹部3aを縁取る輪郭部分に相当しており、主凹部30は、第一の凹部3aの縁部31の内側に位置する部分と第二の凹部3bとを合わせた部分に相当している。 The edge portion 31 forming the reference pressure chamber 10 corresponds to a contour portion that borders the first concave portion 3a, and the main concave portion 30 is a portion located inside the edge portion 31 of the first concave portion 3a. And the second concave portion 3b are combined.

第二の凹部3bを開口する前には、上述のように第一の凹部3a上にはマスク部材となるレジスト膜が塗布形成されるが、第一の凹部3aが1〜2μmと浅いため第一の凹部3aを含む加工面上にレジストを塗布することが容易であるため、マスク部材の形成精度を高めることができ、パターニング特性が向上する。また、第一の凹部3aが浅く形成されるためにレジスト除去工程においてレジストの残留が無く、その後の異物発生、処理装置内の汚染等を抑制することができる。 Before opening the second concave portion 3b, a resist film serving as a mask member is applied and formed on the first concave portion 3a as described above. However, since the first concave portion 3a is as shallow as 1 to 2 μm, Since it is easy to apply the resist to the processed surface including the one concave portion 3a, the accuracy of forming the mask member can be increased and the patterning characteristics can be improved. Further, since the first concave portion 3a is formed shallowly, there is no resist remaining in the resist removing step, and it is possible to suppress subsequent foreign matter generation, contamination in the processing apparatus, and the like.

ここで、仮に、主凹部30を形成後、主凹部30の外周上端部に縁部31を形成する場合は、縁部31よりも深く形成される主凹部30の内部にレジストが異物として残留しやすく、その後の製造過程において不具合が生じる。しかし、上述のように、本願では基準圧力室10を構成する凹部3を、縁部31、主凹部30の順に形成することでレジスト残留を回避でき、主凹部30と縁部31の2段階の深さの凹部3よりなる基準圧力室10を良好な状態で形成することが可能となる。 Here, if the edge portion 31 is formed on the outer peripheral upper end portion of the main concave portion 30 after the main concave portion 30 is formed, the resist remains as foreign matter inside the main concave portion 30 formed deeper than the edge portion 31. This is easy and causes problems in the subsequent manufacturing process. However, as described above, in the present application, the residual resist can be avoided by forming the concave portion 3 forming the reference pressure chamber 10 in the order of the edge portion 31 and the main concave portion 30, and the main concave portion 30 and the edge portion 31 can be formed in two steps. It is possible to form the reference pressure chamber 10 including the recessed portion 3 having a depth in a good state.

次に、図5に示すように、第一のシリコン基板1を熱酸化し、ウェハ101の表裏面全体に酸化膜8を形成する。酸化膜8の厚さは0.2〜1μm程度が好適である。なお、説明を簡略化するため、機能上関係がない第一のシリコン基板1の裏面1b側の酸化膜については図示していない。 Next, as shown in FIG. 5, the first silicon substrate 1 is thermally oxidized to form an oxide film 8 on the entire front and back surfaces of the wafer 101. The thickness of the oxide film 8 is preferably about 0.2 to 1 μm. In order to simplify the description, the oxide film on the back surface 1b side of the first silicon substrate 1 which has no functional relationship is not shown.

次に、図6に示すように、第一のシリコン基板1の凹部3が形成された一主面1a側に、あらかじめ用意しておいた第二のシリコン基板2を重ね合わせ、真空チャンバー内において、真空排気し、かつ、約1100℃の環境下に置いて熱酸化することによって第一のシリコン基板1と第二のシリコン基板2を接合させる。この真空雰囲気内における第一のシリコン基板1と第二のシリコン基板2との貼り合わせにより、凹部3が完全に気密封止されて基準圧力室10が形成される。 Next, as shown in FIG. 6, the second silicon substrate 2 prepared in advance is overlaid on the one main surface 1a side of the first silicon substrate 1 in which the concave portion 3 is formed, and is placed in a vacuum chamber. Then, the first silicon substrate 1 and the second silicon substrate 2 are bonded by evacuating and thermally oxidizing under an environment of about 1100° C. By bonding the first silicon substrate 1 and the second silicon substrate 2 in this vacuum atmosphere, the recess 3 is completely hermetically sealed to form the reference pressure chamber 10.

次に、第二のシリコン基板2の露出した表面をグラインダーなどで研削して薄肉化し、さらに、第二のシリコン基板2の表面を鏡面状態に仕上げるため、CMP(Chemical Mechanical Polish)などによる研磨を行う。これにより、ダイヤフラム5が完成する。
次に、ステッパーを用いてアライメントマーク4に対して位置合わせし、ダイヤフラム5の所定の位置にゲージ抵抗6等の感圧素子部を形成することで圧力検出部20が完成する。
Next, the exposed surface of the second silicon substrate 2 is ground by a grinder or the like to reduce the thickness, and further, the surface of the second silicon substrate 2 is mirror-finished, so polishing by CMP (Chemical Mechanical Polish) or the like is performed. To do. As a result, the diaphragm 5 is completed.
Next, the pressure detection part 20 is completed by aligning the alignment mark 4 with a stepper and forming a pressure sensitive element part such as a gauge resistor 6 at a predetermined position on the diaphragm 5.

なお、感圧素子部の形成時、アライメントマーク4は第二のシリコン基板2により完全に覆われた状態となっているため、表裏いずれにも表出していないが、赤外線カメラを用いてアライメントマーク4を検出し、位置合わせを行うことができる。赤外線はシリコン基板を透過するため、第二のシリコン基板2に覆われた状態であっても、第二のシリコン基板2側からアライメントマーク4を認識することができる。ゲージ抵抗6等の形成時には、赤外線カメラによって検出した加工対象領域に近いアライメントマーク4を位置合わせのために用いることで、精度の良い加工を行うことが可能となる。 Since the alignment mark 4 is completely covered with the second silicon substrate 2 when the pressure sensitive element is formed, it is not exposed on either the front or the back side, but the alignment mark is determined by using an infrared camera. 4 can be detected and alignment can be performed. Since infrared rays pass through the silicon substrate, the alignment mark 4 can be recognized from the second silicon substrate 2 side even when it is covered with the second silicon substrate 2. When the gauge resistor 6 and the like are formed, the alignment mark 4 close to the processing target area detected by the infrared camera is used for alignment, so that accurate processing can be performed.

その後、第二のシリコン基板2の表面に保護膜7を形成し、圧力検出部20を保護することで、図2に示した半導体圧力センサ100を得ることができる。ここで、保護膜7としては、厚さ1μm程度の耐湿性のある窒化膜を用いることができる。
なお、図示した半導体圧力センサ100はウェハ101に作り込まれたダイシング前の状態であるため、その後、個々の半導体圧力センサ100の寸法となるようにダイシングライン部に沿って切断することで、個別のチップに加工することができる。このとき、アライメントマーク4がダイシングライン部上に配置されていれば、アライメントマーク4の切除が可能であることは言うまでもない。
After that, the protective film 7 is formed on the surface of the second silicon substrate 2 to protect the pressure detecting portion 20, so that the semiconductor pressure sensor 100 shown in FIG. 2 can be obtained. Here, as the protective film 7, a moisture-resistant nitride film having a thickness of about 1 μm can be used.
Since the illustrated semiconductor pressure sensor 100 is in a state before dicing built in the wafer 101, the semiconductor pressure sensor 100 is cut along the dicing line portion so as to have the dimensions of the individual semiconductor pressure sensors 100. Can be processed into chips. At this time, needless to say, the alignment mark 4 can be removed if the alignment mark 4 is arranged on the dicing line portion.

この実施の形態2による半導体圧力センサ100の製造方法によれば、一旦浅い第一の凹部3aを形成した後に、その内部に第一の凹部3aよりも深い第二の凹部3bを形成する手順により凹部3を形成したため、主凹部30形成後に縁部31を形成する場合と比較して、より平坦な面にマスク部材を配置することができ、凹部3形成時のマスク部材を高精度に形成でき、パターニング特性を改善できるという効果が得られる。また、マスク部材の下地の凹凸が少ないため、第二の凹部3bの加工後におけるレジスト除去が容易となり、異物の残留を抑制することができる。 According to the method of manufacturing the semiconductor pressure sensor 100 according to the second embodiment, after the shallow first recess 3a is once formed, the second recess 3b deeper than the first recess 3a is formed therein. Since the concave portion 3 is formed, the mask member can be arranged on a flatter surface as compared with the case where the edge portion 31 is formed after the main concave portion 30 is formed, and the mask member when forming the concave portion 3 can be formed with high accuracy. The effect that the patterning characteristics can be improved is obtained. Further, since there are few irregularities of the base of the mask member, it is easy to remove the resist after processing the second recess 3b, and it is possible to suppress the foreign matter from remaining.

さらに、半導体圧力センサウェハの製造工程において、凹部3内へのレジスト残留を未然に防止することができるため、当該半導体圧力センサウェハの歩留まりが向上し、製造安定性を高めることができ、最終製品としての半導体圧力センサの信頼性を向上させることができる。さらに、半導体圧力センサウェハ製造設備の汚損を未然に防止することが可能である。 Further, in the manufacturing process of the semiconductor pressure sensor wafer, it is possible to prevent the resist from remaining in the recess 3 in advance, so that the yield of the semiconductor pressure sensor wafer can be improved, the manufacturing stability can be improved, and the final product can be obtained. The reliability of the semiconductor pressure sensor can be improved. Further, it is possible to prevent contamination of the semiconductor pressure sensor wafer manufacturing equipment.

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Although the present application describes various exemplary embodiments and examples, various features, aspects, and functions described in one or more of the embodiments are applicable to particular embodiments. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to the embodiments alone or in various combinations.
Therefore, innumerable variations not illustrated are envisioned within the scope of the technology disclosed herein. For example, it is assumed that at least one component is modified, added or omitted, and at least one component is extracted and combined with the components of other embodiments.

1 第一のシリコン基板、 1a 一主面、 1b 裏面、
2 第二のシリコン基板、 3 凹部、3a 第一の凹部、 3b 第二の凹部、
4 アライメントマーク、 5 ダイヤフラム、 6 ゲージ抵抗、 7 保護膜、
8 酸化膜、 10 基準圧力室、 12 テラス部、 20 圧力検出部、
30 主凹部、 31 縁部、 100 半導体圧力センサ、 101 ウェハ
1 first silicon substrate, 1a one main surface, 1b back surface,
2 second silicon substrate, 3 recessed portion, 3a first recessed portion, 3b second recessed portion,
4 alignment mark, 5 diaphragm, 6 gauge resistance, 7 protective film,
8 oxide film, 10 reference pressure chamber, 12 terrace part, 20 pressure detection part,
30 main concave part, 31 edge part, 100 semiconductor pressure sensor, 101 wafer

Claims (3)

一主面に気密封止された基準圧力室となる凹部とアライメントマークとが形成された第一のシリコン基板、
上記第一のシリコン基板の上記一主面に酸化膜を介して接合され、上記凹部と上記アライメントマークとを覆う第二のシリコン基板、
上記凹部の上方に位置する上記第二のシリコン基板に形成されたダイヤフラムと、上記ダイヤフラムに形成された感圧素子部とを含む圧力検出部を備え、
上記基準圧力室は、上記第一のシリコン基板の上記一主面の開口領域の輪郭を構成する縁部と、上記縁部の内側に位置する主凹部とを有し、上記主凹部は上記縁部よりも深く形成され
上記アライメントマークは上記凹部が形成されない領域に、上記縁部と同じ深さに形成されたことを特徴とする半導体圧力センサ。
A first silicon substrate having a concave portion and an alignment mark, which are hermetically sealed reference pressure chambers , are formed on one main surface,
A second silicon substrate bonded to the one main surface of the first silicon substrate via an oxide film and covering the recess and the alignment mark ,
A pressure detection unit including a diaphragm formed on the second silicon substrate located above the recess, and a pressure sensitive element formed on the diaphragm;
The reference pressure chamber has an edge portion forming a contour of an opening region of the one main surface of the first silicon substrate, and a main concave portion located inside the edge portion, and the main concave portion is the edge. Formed deeper than the part ,
The semiconductor pressure sensor, wherein the alignment mark is formed in a region where the concave portion is not formed, at the same depth as the edge portion .
上記縁部と上記主凹部の底面部は、各々、上記一主面に平行な平坦面であることを特徴とする請求項1記載の半導体圧力センサ。 The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the edge portion and the bottom surface portion of the main recess are flat surfaces parallel to the one main surface. 第一のシリコン基板の一主面の基準圧力室の形成領域を掘り下げ、第一の凹部を形成する工程、
上記第一の凹部の輪郭を形成する縁部を残し、上記縁部の内側の上記第一の凹部の底面部を掘り下げて上記基準圧力室の主凹部を構成する第二の凹部を形成する工程、
上記第一のシリコン基板の上記一主面に酸化膜を介して第二のシリコン基板を接合し、上記第一の凹部と上記第二の凹部よりなる凹部を上記第二のシリコン基板によって覆い気密封止された上記基準圧力室を形成する工程、
上記第二のシリコン基板を加工し、上記基準圧力室の上方にダイヤフラムを形成する工程、
上記第二のシリコン基板に感圧素子部を形成する工程を含み、
上記第一の凹部の形成と同時に、上記第一のシリコン基板の上記一主面の上記第一の凹部が形成されない領域に、上記第一の凹部と同じ深さにアライメントマークを形成することを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
A step of digging down the formation region of the reference pressure chamber on the one main surface of the first silicon substrate to form a first recess,
A step of forming a second concave portion that constitutes a main concave portion of the reference pressure chamber by leaving the edge portion that forms the contour of the first concave portion and digging down the bottom surface portion of the first concave portion inside the edge portion. ,
Bonding the second silicon substrate via the oxide film on the one main surface of the first silicon substrate, gas covers the first recess and the recess consisting of the second recess by the second silicon substrate A step of forming the reference pressure chamber which is tightly sealed ,
A step of processing the second silicon substrate to form a diaphragm above the reference pressure chamber,
Look including the step of forming the pressure-sensitive element unit in the second silicon substrate,
Simultaneously with the formation of the first recess, an alignment mark is formed at the same depth as the first recess in a region of the first main surface of the first silicon substrate where the first recess is not formed. A method for manufacturing a characteristic semiconductor pressure sensor.
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