JP7268630B2 - 半導体圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

半導体圧力センサ及びその製造方法 Download PDF

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Description

本開示は、半導体圧力センサ及びその製造方法に関する。
ダイアフラムの表裏の差圧を測定する従来の半導体圧力センサでは、シリコン基板裏面からの加工でダイアフラムを形成していた（例えば、特許文献１参照）。
特許第３２５９１０２号公報
しかし、基板の裏面加工により製造プロセスが複雑になるため、製造コストが増すという問題があった。
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は製造コストを低減することができる半導体圧力センサ及びその製造方法を得るものである。
本開示に係る第１の半導体圧力センサは、第１の半導体基板と、前記第１の半導体基板の上に設けられ、主開口と、導入開口と、前記主開口と前記導入開口とを繋ぐ伝達開口とを有する絶縁膜と、前記絶縁膜を介して前記第１の半導体基板に接合され、前記主開口の上方に設けられたダイアフラムと、前記導入開口に連結された受圧用圧力導入口とを有する第２の半導体基板と、前記ダイアフラムに設けられ、前記ダイアフラムの変形量を電気特性の変化に変換するゲージ抵抗と、前記受圧用圧力導入口の周囲において前記第２の半導体基板の上面に接着され、前記ダイアフラムの上面で受圧する圧力と前記受圧用圧力導入口で受圧する圧力を分離する圧力分離部とを備え、前記圧力分離部は接着層により前記第２の半導体基板の上面に接着され、前記接着層を保持する接着層保持溝が前記第２の半導体基板の上面に設けられていることを特徴とする。
本開示に係る第２の半導体圧力センサは、第１の半導体基板と、前記第１の半導体基板の上に設けられ、主開口と、導入開口と、前記主開口と前記導入開口とを繋ぐ伝達開口とを有する絶縁膜と、前記絶縁膜を介して前記第１の半導体基板に接合され、前記主開口の上方に設けられたダイアフラムと、前記導入開口に連結された受圧用圧力導入口とを有する第２の半導体基板と、前記ダイアフラムに設けられ、前記ダイアフラムの変形量を電気特性の変化に変換するゲージ抵抗と、前記受圧用圧力導入口の周囲において前記第２の半導体基板の上面に接着され、前記ダイアフラムの上面で受圧する圧力と前記受圧用圧力導入口で受圧する圧力を分離する圧力分離部とを備え、前記圧力分離部が前記第２の半導体基板に接着された接着部分と前記ダイアフラムとの間において接着応力分離溝が前記第２の半導体基板の上面に設けられていることを特徴とする。
本開示に係る第３の半導体圧力センサは、第１の半導体基板と、前記第１の半導体基板の上に設けられ、主開口と、導入開口と、前記主開口と前記導入開口とを繋ぐ伝達開口とを有する絶縁膜と、前記絶縁膜を介して前記第１の半導体基板に接合され、前記主開口の上方に設けられたダイアフラムと、前記導入開口に連結された受圧用圧力導入口とを有する第２の半導体基板と、前記ダイアフラムに設けられ、前記ダイアフラムの変形量を電気特性の変化に変換するゲージ抵抗と、前記受圧用圧力導入口の周囲において前記第２の半導体基板の上面に接着され、前記ダイアフラムの上面で受圧する圧力と前記受圧用圧力導入口で受圧する圧力を分離する圧力分離部とを備え、嵌め込み溝が前記受圧用圧力導入口の周囲において前記第２の半導体基板の上面に形成され、前記圧力分離部は前記嵌め込み溝に嵌め込まれていることを特徴とする。
本開示に係る半導体圧力センサの製造方法は、第１の半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜をエッチングして、主開口と、導入開口と、前記主開口と前記導入開口とを繋ぐ伝達開口とを形成する工程と、前記絶縁膜を介して前記第１の半導体基板に第２の半導体基板を貼り合わせる工程と、前記第２の半導体基板の上面全面を研磨して前記主開口の上方にダイアフラムを形成する工程と、前記第２の半導体基板を貫通して前記導入開口に連結される受圧用圧力導入口を形成する工程と、前記ダイアフラムの一部に不純物イオンを注入して、前記ダイアフラムの変形量を電気特性の変化に変換するゲージ抵抗を形成する工程とを備えることを特徴とする。
本開示では、開口した絶縁膜を介して第１の半導体基板と第２の半導体基板を接合したキャビティＳＯＩ基板の第２の半導体基板に受圧用圧力導入口を形成するだけで、ダイアフラムの表裏の差圧を検知することが可能になる。これにより、ダイアフラムを形成するための基板の裏面加工が不要となるため、製造コストを低減することができる。
実施の形態１に係る半導体圧力センサを示す平面図である。 図１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。 図１のＩＩＩ－ＩＶに沿った断面図である。 実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造工程のフローチャートである。 実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造工程を示す平面図である。 図５のＩ－ＩＩに沿った断面図である。 図５のＩＩＩ－ＩＶに沿った断面図である。 図５のＶ－ＶＩに沿った断面図である。 実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造工程を示す平面図である。 図９のＩ－ＩＩに沿った断面図である。 実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造工程を示す平面図である。 図１１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。 図１１のＩＩＩ－ＩＶに沿った断面図である。 図１１のＶ－ＶＩに沿った断面図である。 実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造工程を示す平面図である。 図１５のＩ－ＩＩに沿った断面図である。 図１５のＩＩＩ－ＩＶに沿った断面図である。 図１５のＶ－ＶＩに沿った断面図である。 実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造工程を示す平面図である。 図１９のＩ－ＩＩに沿った断面図である。 図１９のＩＩＩ－ＩＶに沿った断面図である。 図１９のＶ－ＶＩに沿った断面図である。 実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造工程を示す平面図である。 図２３のＩ－ＩＩに沿った断面図である。 実施の形態２に係る半導体圧力センサを示す平面図である。 図２５のＩ－ＩＩに沿った断面図である。 実施の形態３に係る半導体圧力センサを示す平面図である。 図２７のＩ－ＩＩに沿った断面図である。 実施の形態４に係る半導体圧力センサを示す平面図である。 図２９のＩ－ＩＩに沿った断面図である。
実施の形態に係る半導体圧力センサ及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体圧力センサを示す平面図である。図２は図１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。図３は図１のＩＩＩ－ＩＶに沿った断面図である。
第１のシリコン基板１の導電型はｎ型とｐ型のどちらでもよい。また、第１のシリコン基板１は、ＳＯＩ基板のベースとなるシリコン基板のため、２００～９００μｍ程度の厚みとする。
第１のシリコン基板１の上にシリコン酸化膜２が設けられている。シリコン酸化膜２は、主開口３と、主開口３よりも小さい導入開口４と、主開口３と導入開口４とを繋ぐ伝達開口５とを有する。シリコン酸化膜２の厚みは０．５～５μｍ程度である。
第２のシリコン基板６がシリコン酸化膜２を介して第１のシリコン基板１に接合されている。第２のシリコン基板６はｎ型である。第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板６で囲まれたシリコン酸化膜２の主開口３がキャビティとなる。このキャビティ上にある第２のシリコン基板６の部分がダイアフラム７となる。ダイアフラム７の厚みは５～３０μｍ程度である。第２のシリコン基板６には、導入開口４に連結された受圧用圧力導入口８が設けられている。
ダイアフラム７の４辺にｐ型のゲージ抵抗９が設けられている。ゲージ抵抗９は平面視で細長い矩形のピエゾ抵抗である。ゲージ抵抗９は、抵抗値と応力に対する抵抗値変化量の兼ね合いから、拡散表面濃度は５ｅ１７～５ｅ１８ｉｏｎｓ／ｃｍ３程度、拡散深さは０．５～１．５μｍ程度である。互いのゲージ抵抗９は拡散配線１０，１１によりホイートストンブリッジ結線されている。拡散配線１０，１１は低抵抗にする必要があり、拡散表面濃度は１ｅ１９～１ｅ２０ｉｏｎｓ／ｃｍ３程度、拡散深さは２～５μｍ程度である。ゲージ抵抗９の一端に接続された拡散配線１０の上に電極１２が形成されている。ゲージ抵抗９の他端に接続された拡散配線１１の上に電極１３が形成されている。第２のシリコン基板６の上にシリコン酸化膜１４が形成され、その上にパッシベーション膜１５が形成されている。
圧力分離部１６が、受圧用圧力導入口８の周囲において第２のシリコン基板６の上面に接着層１７により接着されている。圧力分離部１６の内側に、圧力Ｐ２を受圧する圧力ポート１８が構成される。圧力ポート１８と第２のシリコン基板６の上面側の空間は圧力分離部１６により完全に分離され、異なる気圧になっている。即ち、圧力分離部１６は、ダイアフラム７の上面で受圧する圧力Ｐ１と受圧用圧力導入口８で受圧する圧力Ｐ２とを分離する。
本実施の形態に係る半導体圧力センサにおいて、圧力ポート１８は図示していない外部の圧力導入口と接続される。圧力ポート１８から受圧した圧力Ｐ２は、受圧用圧力導入口８、受圧用圧力導入口８、導圧路である伝達開口５、主開口３のキャビティを通ってダイアフラム７の下面に印加される。
ダイアフラム７の上面に圧力Ｐ１が加わり下面に圧力Ｐ２が加わると、その圧力差（Ｐ１－Ｐ２）に応じてダイアフラム７が変形する。このダイアフラム７の変形量に応じた応力がゲージ抵抗９に加わる。ゲージ抵抗９は加わった応力の大きさに応じて抵抗値が変化する特性がある。このため、ゲージ抵抗９をホイートストンブリッジ結線することで抵抗値変化を出力電圧として検知することができる。即ち、ゲージ抵抗９はダイアフラム７の変形量を電気特性の変化に変換する。ゲージ抵抗９の出力電圧は各拡散配線１０，１１に接続された電極１２，１３から外部に伝達される。
続いて、本実施の形態に係る半導体圧力センサの製造工程を説明する。図４は、実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造工程のフローチャートである。図５，９，１１，１５，１９，２３は、実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造工程を示す平面図である。図６は図５のＩ－ＩＩに沿った断面図である。図７は図５のＩＩＩ－ＩＶに沿った断面図である。図８は図５のＶ－ＶＩに沿った断面図である。図１０は図９のＩ－ＩＩに沿った断面図である。図１２は図１１のＩ－ＩＩに沿った断面図である。図１３は図１１のＩＩＩ－ＩＶに沿った断面図である。図１４は図１１のＶ－ＶＩに沿った断面図である。図１６は図１５のＩ－ＩＩに沿った断面図である。図１７は図１５のＩＩＩ－ＩＶに沿った断面図である。図１８は図１５のＶ－ＶＩに沿った断面図である。図２０は図１９のＩ－ＩＩに沿った断面図である。図２１は図１９のＩＩＩ－ＩＶに沿った断面図である。図２２は図１９のＶ－ＶＩに沿った断面図である。図２４は図２３のＩ－ＩＩに沿った断面図である。
まず、図５－８に示すように、第１のシリコン基板１の上にシリコン酸化膜２を形成する（ステップＳ１）。具体的には、第１のシリコン基板１を酸素雰囲気中で７００から１１００℃程度で加熱して、基板表面を酸化させてシリコン熱酸化膜としてシリコン酸化膜２を形成する。次に、シリコン酸化膜２に写真製版処理及びエッチング処理を施すことにより、主開口３と、導入開口４と、主開口３と導入開口４とを繋ぐ伝達開口５とを形成する（ステップＳ２）。
次に、図９，１０に示すように、シリコン酸化膜２を介して第１のシリコン基板１に第２のシリコン基板６を貼り合わせて、熱処理することで接合させる（ステップＳ３）。
次に、図１１－１４に示すように、第２のシリコン基板６の上面全面を研磨して主開口３の上方にダイアフラム７を形成する（ステップＳ４）。ダイアフラム７が所望の厚みになるように研磨量を調整する。ダイアフラム７の厚みにより圧力に対する検出感度を調整することができる。
次に、図１５－１８に示すように、第２のシリコン基板６に酸化処理及び写真製版処理を施した後に不純物注入を行う。注入する不純物の濃度は５ｅ１４～５ｅ１５ｉｏｎｓ／ｃｍ２程度である。次に、１０００～１１００℃程度のアニール処理、及び１００～５００ｎｍ程度の酸化処理を行う。これにより、第２のシリコン基板６に拡散深さ２～５μｍ程度の低抵抗の拡散配線１０，１１を形成する。同様に酸化処理及び写真製版処理を施した後に、平面視で主開口３と重なるダイアフラム７の領域の一部に不純物イオンを注入し、アニール処理を行うことで、ゲージ抵抗９を拡散配線１０，１１でつなぐようにダイアフラム７の４辺に形成する（ステップＳ５）。これにより、ゲージ抵抗９を拡散配線１０でホイートストンブリッジ結線とする。
ここでゲージ抵抗９の不純物濃度は１ｅ１３～１ｅ１４ｉｏｎｓ／ｃｍ２程度である。不純物濃度を薄くすると圧力変化に対する感度が高くなるが温度特性が悪くなるため、感度と温特性のトレードオフにより最適な濃度に設定する。本実施の形態では、拡散配線１０，１１及びゲージ抵抗９の形成時に堆積した酸化膜は全て除去する。次に、第２のシリコン基板６にシリコン酸化膜１４を再び形成する。これにより、ダイアフラム７の表面のシリコン酸化膜１４が平坦になり、圧力変化に対するダイアフラムの変形特性が良くなる。シリコン酸化膜１４上にパッシベーション膜１５としてＰＳＧ又はＢＰＳＧ膜を堆積する（ステップＳ６）。
次に、拡散配線１０，１１から外部へ電気信号を取り出すために、写真製版処理、エッチング処理を施してシリコン酸化膜１４及びパッシベーション膜１５にコンタクトホール（図示無し）を形成する。次に、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ，Ａｌ，ＡｌＳｉＣｕなどの金属膜を表面に堆積後、写真製版処理、エッチング処理を施してコンタクトホール（図示無し）に電極１２，１３を形成する。次に保護膜として、例えばプラズマＣＶＤで形成する窒化膜を全面に堆積後、写真製版処理、エッチング処理を施して、所望の位置だけ開口し表面全体を保護する。
次に、図１９－２２に示すように、第２のシリコン基板６に写真製版処理及びエッチング処理を施すことで、平面視で導入開口４に重なる位置に受圧用圧力導入口８を形成する（ステップＳ７）。受圧用圧力導入口８は第２のシリコン基板６を貫通して導入開口４に連結される。
次に、図２３，２４に示すように、受圧用圧力導入口８の周囲において第２のシリコン基板６の上面に圧力分離部１６を接着層１７により接着する（ステップＳ８）。これにより、圧力分離部１６で囲われた圧力ポート１８が形成される。
以上説明したように、本実施の形態では、開口したシリコン酸化膜２を介して第１のシリコン基板１と第２のシリコン基板６を接合したキャビティＳＯＩ基板の第２のシリコン基板６に受圧用圧力導入口８を形成するだけで、ダイアフラム７の表裏の差圧を検知することが可能になる。これにより、ダイアフラム７を形成するための基板の裏面加工が不要となるため、製造コストを低減することができる。
圧力変化に対する検出感度は、第２のシリコン基板６の厚みで設定されるダイアフラム７の厚みと、主開口３の面積で設定されるキャビティ上のダイアフラム７の面積により制御することができる。
ダイアフラム７の上面側の方が下面側よりも高い圧力が印可されるように設計するため、ダイアフラム７は第１のシリコン基板１側に変形する。この際、キャビティの底面の第１のシリコン基板１がダイアフラム７のストッパーになる。従って、シリコン酸化膜２の厚みにより主開口３の高さが設定され、ダイアフラム７の可動範囲が決まる。そこで、ダイアフラム７の破壊応力以上の応力が加わらないようにシリコン酸化膜２の厚みを設定する。例えば、１気圧程度の差圧を検知する半導体圧力センサの場合、ダイアフラム７の大きさを４００μｍ角、厚みを１０μｍとすると、シリコン酸化膜２の厚みを１．５μｍ程度にする。これにより、５気圧程度の圧力印加で第１のシリコン基板１がダイアフラム７に接触しストッパーとして機能する。これにより、ダイアフラム７の上面に過剰な圧力が印加された場合でもダイアフラム７の破壊を防止することができる。
実施の形態２．
図２５は、実施の形態２に係る半導体圧力センサを示す平面図である。図２６は図２５のＩ－ＩＩに沿った断面図である。圧力分離部１６は、受圧用圧力導入口８の周辺において第２のシリコン基板６の上面に接着層１７により接着される。この接着層１７を保持する接着層保持溝１９が、受圧用圧力導入口８の周辺において第２のシリコン基板６の上面に設けられている。接着層保持溝１９は、受圧用圧力導入口８と同時に、写真製版処理及びエッチング処理により形成される。その他の構成及び製造工程は実施の形態１と同様である。
接着層保持溝１９が接着層１７の拡がりを止めるため、接着層１７が受圧用圧力導入口８又はダイアフラム７にはみ出すのを防ぐことができる。これにより、更に製造コストを低減することができる。
実施の形態３．
図２７は、実施の形態３に係る半導体圧力センサを示す平面図である。図２８は図２７のＩ－ＩＩに沿った断面図である。圧力分離部１６が受圧用圧力導入口８の周辺において第２のシリコン基板６に接着されている。この接着部分とダイアフラム７との間において、接着応力分離溝２０が第２のシリコン基板６の上面に設けられている。接着応力分離溝２０は、受圧用圧力導入口８と同時に、写真製版処理及びエッチング処理により形成される。その他の構成及び製造工程は実施の形態１，２と同様である。
接着応力分離溝２０により、圧力分離部１６を第２のシリコン基板６に接着する際に発生するストレスの影響がダイアフラム７に及ぶのを防ぐことができる。これにより、圧力変化をダイアフラム７の変形によって精度よく検知することができる。
実施の形態４．
図２９は、実施の形態４に係る半導体圧力センサを示す平面図である。図３０は図２９のＩ－ＩＩに沿った断面図である。嵌め込み溝２１が受圧用圧力導入口８の周囲において第２のシリコン基板６の上面に形成されている。嵌め込み溝２１は、受圧用圧力導入口８と同時に、写真製版処理及びエッチング処理により形成される。圧力分離部１６は嵌め込み溝２１に嵌め込まれ、接着層１７により第２のシリコン基板６の上面に接着されている。その他の構成及び製造工程は実施の形態１，２と同様である。
圧力分離部１６を嵌め込み溝２１に嵌め込むことにより、圧力分離部１６の接着位置を簡単かつ正確に制御することができる。また、圧力分離部１６の接着強度が増すため、圧力ポート１８２４の圧力分離の信頼性が高くなる。
１ 第１のシリコン基板(第１の半導体基板)、２ シリコン酸化膜(絶縁膜)、３ 主開口、４ 導入開口、５ 伝達開口、６ 第２のシリコン基板(第２の半導体基板)、７ ダイアフラム、８ 受圧用圧力導入口、９ ゲージ抵抗、１６ 圧力分離部、１７ 接着層、１９ 接着層保持溝、２０ 接着応力分離溝、２１ 嵌め込み溝

Claims (4)

  1. 第１の半導体基板と、
    前記第１の半導体基板の上に設けられ、主開口と、導入開口と、前記主開口と前記導入開口とを繋ぐ伝達開口とを有する絶縁膜と、
    前記絶縁膜を介して前記第１の半導体基板に接合され、前記主開口の上方に設けられたダイアフラムと、前記導入開口に連結された受圧用圧力導入口とを有する第２の半導体基板と、
    前記ダイアフラムに設けられ、前記ダイアフラムの変形量を電気特性の変化に変換するゲージ抵抗と、
    前記受圧用圧力導入口の周囲において前記第２の半導体基板の上面に接着され、前記ダイアフラムの上面で受圧する圧力と前記受圧用圧力導入口で受圧する圧力を分離する圧力分離部とを備え、
    前記圧力分離部は接着層により前記第２の半導体基板の上面に接着され、
    前記接着層を保持する接着層保持溝が前記第２の半導体基板の上面に設けられていることを特徴とする半導体圧力センサ。
  2. 第１の半導体基板と、
    前記第１の半導体基板の上に設けられ、主開口と、導入開口と、前記主開口と前記導入開口とを繋ぐ伝達開口とを有する絶縁膜と、
    前記絶縁膜を介して前記第１の半導体基板に接合され、前記主開口の上方に設けられたダイアフラムと、前記導入開口に連結された受圧用圧力導入口とを有する第２の半導体基板と、
    前記ダイアフラムに設けられ、前記ダイアフラムの変形量を電気特性の変化に変換するゲージ抵抗と、
    前記受圧用圧力導入口の周囲において前記第２の半導体基板の上面に接着され、前記ダイアフラムの上面で受圧する圧力と前記受圧用圧力導入口で受圧する圧力を分離する圧力分離部とを備え、
    前記圧力分離部が前記第２の半導体基板に接着された接着部分と前記ダイアフラムとの間において接着応力分離溝が前記第２の半導体基板の上面に設けられていることを特徴とする半導体圧力センサ。
  3. 第１の半導体基板と、
    前記第１の半導体基板の上に設けられ、主開口と、導入開口と、前記主開口と前記導入開口とを繋ぐ伝達開口とを有する絶縁膜と、
    前記絶縁膜を介して前記第１の半導体基板に接合され、前記主開口の上方に設けられたダイアフラムと、前記導入開口に連結された受圧用圧力導入口とを有する第２の半導体基板と、
    前記ダイアフラムに設けられ、前記ダイアフラムの変形量を電気特性の変化に変換するゲージ抵抗と、
    前記受圧用圧力導入口の周囲において前記第２の半導体基板の上面に接着され、前記ダイアフラムの上面で受圧する圧力と前記受圧用圧力導入口で受圧する圧力を分離する圧力分離部とを備え、
    嵌め込み溝が前記受圧用圧力導入口の周囲において前記第２の半導体基板の上面に形成され、
    前記圧力分離部は前記嵌め込み溝に嵌め込まれていることを特徴とする半導体圧力センサ。
  4. 第１の半導体基板の上に絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜をエッチングして、主開口と、導入開口と、前記主開口と前記導入開口とを繋ぐ伝達開口とを形成する工程と、
    前記絶縁膜を介して前記第１の半導体基板に第２の半導体基板を貼り合わせる工程と、
    前記第２の半導体基板の上面全面を研磨して前記主開口の上方にダイアフラムを形成する工程と、
    前記第２の半導体基板を貫通して前記導入開口に連結される受圧用圧力導入口を形成する工程と、
    前記ダイアフラムの一部に不純物イオンを注入して、前記ダイアフラムの変形量を電気特性の変化に変換するゲージ抵抗を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
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