JPH02298077A - 半導体圧力センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体基板に形成されたダイアフラム部にゲ
ージ抵抗を有し、ダイアフラム部の変形によって生ずる
ゲージ抵抗の変化によって生ずる圧力を検出する半導体
圧力センサの製造方法に間する。

〔従来の技術〕

従来の半導体圧力センサのためのダイアフラム部は、半
導体基板の一面からのエツチングにより凹部を掘ること
によって形成される。第２図（ａ）１（ｂ）、ｆｃ）は
そのような凹部形成工程を示し、４５０μｍの厚さの上
面が鏡面のＮ形シリコン基板２１の上に先ずＰ形第−エ
ピタキシャル層２２を２６１１の厚さに堆積、さらにそ
の上に分離のための埋込層２３．２４を介してＮ形第二
エピタキシャル層２５を９ｎの厚さ積層する　（図ａＬ
　この第二エピタキシャル層２５の埋込層２３の上にＰ
形のゲージ２６を不純物拡散で形成し、また１込ｒ＠２
４の上に図示しないがゲージ出力の増幅のための回路を
集積する。そして第二エピタキシャル層２５の上面に保
護膜としての窒化膜２７、ゲージをホイートストンブリ
ッジに１ｉ！１ｋＩＡするためのり配線およびゲージと
増幅回跨の接続のためのり配線を形成する　（図ｂ）０
次いで、基板２１の反エピタキシャル層側にマスクを形
成し、第一エピタキシャル１１２２と基板１の比延抗を
違いを利用しての選択性エツチング法あるいは電解エツ
チング法を用いて基板２１と第一二ビタキシャル層２２
の界面でエツチングを停止させ、第一、第二エピタキシ
ャルｒｆｉ２２，２５からなる厚さ３５μｍのダイアフ
ラム部を残す有底孔２８を形成する。このようにして製
造される半導体圧力センサはボトムエントリー型と呼ば
れるもので、ダイアフラム部の有底孔側に加わる圧力と
ダイアフラム部の上面側に加わる基準圧力との差をヰ★
出する。

これに対し第３図に示すものはトップエントリー型と呼
ばれるもので、有底孔２８の開口部を閉塞するシリコン
板２９をはんだあるいはガラス３０を用いて接着したも
のである。この場合、閉塞されて生ずる空間３日が基準
圧力室となり、ダイアフラム部の上面側に加わる圧力と
基準圧力の差を検出する。

最近の技術動向としては、シリコン基１２１と第一エピ
タキシャル層２２との間にＳｉＪ層を介在させ、Ｓｉｎ
、とＳｌのエツチング選択性を利用し、ウェットエツチ
ングおよびプラズマエツチングにより有底孔２８を形成
する方法もある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のような半導体圧力センサの製造方法には次のよう
な欠点がある。

（１）有底孔形成のための加工時には、エピタキシャル
層を積層した基板のエピタキシャル層表面を吸着装置で
支持して搬送するため、ゲージあるいは増幅回路素子の
形成される側の表面にきす。

汚れが発生し、特に八！のヒロック部でのＭのつぶれ、
窒化膜の亀裂等外観上、信鰭性上の問題が起こり、外観
良品率が大幅に悪くなる。

（２）ウェットエツチングでを底孔形成の際、酸あるい
はアルカリのエツチング液にゲージ形成側の表面がさら
される危険が高く、表面は保護膜あるいは保護コート剤
で保護されるが完全でなくエツチング液の浸透残渣によ
り、窒化膜上のｆηれ、しみ、＾イ配線の腐食等がひき
起こされる。

（３）エツチングによってを底孔の底に形成されるダイ
アフラムの厚さの均一性は十分でなく、ダイアフラムの
変形を規定するもう一つの形状パラメータであるダイア
フラムの大きさは、等方性エツチングによる有底孔底部
の丸みおよびマスクから遠い深部でのサイドエツチング
量の制御性の悪さによりばらつきが大きくなる。これら
のためのセンサの感度、温度特性にばらつきが生ずる。

Ｅｌ）、　（２）の欠点を避けるためにダイアフラム加
工後、ゲージ、回路素子の形成をするようなプロセスも
考えられるが、凹部を有する基板側で搬送することが困
難であることあるいは吸着装置への吸着力が悪いことな
どによる障害が多く、また半導体基体が割れやすくなる
ため実用的ではない。

本発明の目的は、上記の欠点を除き、ダイアフラム部の
厚さおよび大きさが精度よく形成でき、またダイアフラ
ム部へ、のゲージ、回路素子の形成の時期についての制
約を受けない半導体圧力センサの製造方法を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的の達成のために、本発明は、厚さの厚い部分
に囲まれた厚さの薄い半導体ダイアフラム部に導電形の
異なるストレインゲージ層が形成される半導体圧力セン
サの製造方法において、ダイアフラム部の輪郭と同一寸
法の輪郭を持っ１０　Ｌ１＠ないし２００μｍの深さの
有底孔が一つの表面から形成された第一のシリコン板の
その表面と第二のシリコン板の一面とを酸化物層を介し
て接合させて接合体を得る工程とその接合体の第二のシ
リコン板の中あるいは上にストレインゲージ層を形成す
る工程とを含むものとする。

（作用） 接合された第二のシリコン板の第一のシリコン板の有底
孔上に位置する部分は、所望のダイアフラム部の厚さと
同一厚さであればそのまま、それより厚ければ所望の厚
さに加工することにより、またそれより薄ければ差に相
当する厚さのエピタキシャル層を積層することにより、
厚さの精度の高いダイアフラム部として用いることがで
きる。

従って、第一のシリコン板に形成される有底孔の上縁が
ダイアフラム部の輪郭を限定することになるが、有底孔
をエツチングで形成する場合、上縁はマスクに接する部
分となり、また有底孔の深さが２００μｍ以下であるた
め、サイドエツチング量は少ないからダイアプラム部輪
郭の寸法精度も高い。

第一、第二のシリコン板の接合体は酸化物層を介しての
接合により形成されているので高い温度に耐える。従っ
て　ストレインゲージあるいは増幅回路素子のダイアフ
ラム部側への形成は接合体の状態で行うことができる。

この接合体は内部に閉塞された有底孔よりなる中空部を
有するものの、外面には開口部がないため、反ダイアフ
ラム部側を下側にしての搬送、吸着、不純物拡散あるい
はエピタキシャル層の形成等に支障なく、ダイアフラム
部側の上面の損傷、汚れ等が起こることがない、そして
トップエントリー型のセンサは接合体のままで、ボトム
エントリー型のセンサは接合体の中空部を外部と連通さ
せることにより得ることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の各種の実施例をまとめて示した工程図
である。材料として任意の導電形のシリコンｖｉ、１と
Ｐ形のシリコン板２とを用意する。シリコン板１の厚さ
は後の工程に関連して選ばれ、シリコンｖｉ２の厚さは
任意でよいが、いずれも取扱いやすさの点から数百μｍ
の厚さが通している。

シリコン板１．２の接合される面は、矢印ａ、ｂに示す
ようにいずれも研摩して接合に必要な表面粗度をもつ面
３１．３２とする。シリコン仮ｌの表面３１にエツチン
グ用マスクをフォトリソグラフィにより形成し、プラズ
マエツチングにより矢印Ｃに示すように深さ２００ｎ以
下の有底孔４を形成する０次に、矢印ｄに示すように熱
および水蒸気酸化により０．５〜１．Ｏｎ厚さのＳｉＯ
□膜５を全面に形成する。

次いで、矢印ｅ、ｅ’に示すように両シリコン板１．２
の研摩面３１．３２をｓｉｏ、ＩＩ！　５を介して合わ
せて加圧し、真空中で約１２００℃に加熱すると、両シ
リコン板１．２は接合して接合体１０が生ずる。有底孔
４はこの接合体の中の中空部４１となる。さらに、矢印
ｆに示すように接合体１０のシリコン仮２の上部３３を
研削、研摩し、境面３４を有する、例えば２６ｔｒｍの
厚さの２層２０を残す。この２層２０の境面３４の上に
矢印Ｂに示すように埋込層６１．６２の形成、９ｎの厚
さのＮ形のエピタキシャル層７の堆積後、エピタキシャ
ル層７に不純物拡散を行ってＰ形のゲージ８および図示
しない増幅回路素子を形成、保護用窒化１１１Ｉ９の被
覆、図示しない配線の形成を行う。

この状態で中空部４１を基準圧力室とするトップエント
リー型のセンサの半導体基体が得られる。矢印りに示し
た実施例では、シリコン板１の下面にフォトリソグラフ
ィでマスクを設け、Ｓｉｎ、とＳｌの選択性ウェットエ
ツチングあるいはプラズマエツチング等により、Ｓｌｏ
ｗ）ｌ　５に達する凹部４２を形成した後、矢印ｉに示
すようにＳｔｏｗエツチング液を用いて中空部４１と凹
部４２を貫通させてボトムエントリー型センサの圧力導
入口４３を形成する。一方、矢印Ｊに示す実施例ではシ
リコン板１の下面から研削を行い、中空部４１が開口す
るまで下部１１を除去し、ボトムエントリー型センサの
圧力導入口４３を形成する。

以上の実施例では、ダイアフラム部の厚さは研削後の２
層２０の厚さとエピタキシャル層７の厚さの和になる。

しかし、増幅回路を同一半導体基体に集積しない場合に
は、エピタキシャル１１７を形成しないで２層２０のみ
をダイアフラム部として用い、これにゲージ８を形成し
てもよい。

有底孔４が形成されるシリコン仮１は、ゲージあるいは
回路素子の形成のための不純物拡散の行われるシリコン
層とは窯関係なので、結晶方位などの物理的特性にこだ
わる必要がなく、安価なシリコン板を用いることができ
る。従って、矢印］】。

【に示した実施例においてはシリコン板１に１ｆ１以上
の厚い仮を用い、従来センサのシリコン基体の支持に用
いていたシリコン金庫を省略することも可能である。

上記の実施例ではシリコン板１．２の酸化ＷＡ５を介し
ての接合を真空中の加熱で行ったが、一定圧力のガス中
で加熱して行ってもよい。トップエントリー型のセンサ
の場合、圧力基準室４１の圧力は真空中接合のときには
真空、ガス中接合のときにはガス圧になる。しかし、５
ｉＯｚ［を形成したシリコン仮に他のシリコン板を密接
させ、Ｓ１０．腹側を正とする８００ｖ程度の電圧を加
えることにより、Ｓｉｎ、膜とＳｉとを静電界による力
で接着させ、その状態で３００〜４００℃に加熱して接
合することも可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、半導体圧力センサのダイアフラム部を
有する半導体基体をを底孔の形成された第一のシリコン
板とそれに酸化物層を介して接合される第二のシリコン
板とからなる接合体から形成することにより、第二のシ
リコン板から形成されるダイアプラム部の厚さはエツチ
ングとは無関係となり、研削あるいはエピタキシャル層
積層により厚さが調整されるため、従来±５〜１０ａ＋
のばらつきをもったダイアフラム部の厚さを±３−以下
に管理することができる。また、ダイアフラム部の輪郭
が第一のシリコン板の有底孔の上縁により規定され、輪
郭寸法のばらつきを少なくでき、丸味の影響もなくなる
。この結果、圧力感度のばらつきが小さくなり、温度特
性も改善され、感度の異なるセンサも容易に製造できる
。

その上、酸化物層を介しての接合は高温に耐えるため、
表面に凹凸のない接合体に対してゲージおよび必要によ
り増幅回路素子形成のウェーハブＱセスを支障なく通用
する、二とができ、ゲージあるいは素子形成後その面を
下にしての工程を受けることがなくなりゲージ、素子形
成面のきす、汚れ、腐食等の不良の発生を大幅に低減で
きる。さらに、ゲージ、素子の形成されない第一のシリ
コン板は安価なシリコン板を用いることができ、その厚
さも任意に選ぶことができるため、ボトムエントリー型
、トップエントリー型を問わず、種々の形状、性能の半
導体圧力センサを製造することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の各種の実施例をまとめて断面で示した
工程図、第２図ｔａ＋〜ｆＱ）は従来のボトムエントリ
ー型センサの製造工程を示す断面図、第３図は従来のト
ップエントリー型センサの断面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）厚さの厚い部分に囲まれた厚さの薄い半導体ダイア
   フラム部に導電形の異なるストレインゲージ層が形成さ
   れる半導体圧力センサの製造方法において、ダイアフラ
   ム部の輪郭と同一寸法の輪郭を持つ１０μｍないし２０
   ０μｍの深さの有底孔が一つの表面から形成された第一
   のシリコン板のその表面と第二のシリコン板の一面とを
   酸化物層を介して接合させ接合体を得る工程と、その接
   合体の第二のシリコン板の中あるいは上にストレインゲ
   ージ層を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体
   圧力センサの製造方法。