JPH033369A - 半導体センサ - 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】 〔発明の目的〕 （発明の技術分野） 本発明は、半導体基板に形成した肉薄部に抵抗部を設置
した半導体センサに関する。

（従来の技術） 半導体の利用分野として知られているセンサ部門として
は、圧力センサ及び加速度センサが実用化されていてお
り、固定状態で測定する圧力センサに対して、上下に移
動させて測定する加速度センサは多少構造が違っている
。これらは、いずれもシリコン単結晶からなる基板（以
下半導体基板と記載する）の中央部分をエツチングして
生ずる半導体基板のダイヤフラム部５２即ち肉薄部５２
に。

互いに接続した四個の拡散抵抗を設置するのが一般的な
構造である。

この構造を第７図乃至第９図を参照して説明する。即ち
、圧力センサでは、第７図及び第９図に明らかなように
シリコン半導体基板５０の中央部に、ループ状に設置し
た四個の拡散抵抗５１・・・を電気的に接続していわゆ
るブリッジを構成し、その二端子を半導体センサの出力
とするように形成後、肉薄部５２の形成工程に入る。

先ず形成予定位置以外のシリコン半導体基板５０には、
第７図ａに示すように熱酸化層５３と窒化珪素層５４か
らなる積層体をマスクとし、しかも面方位に対する選択
的エツチング特性が大きい水酸化カリウムなどによる異
方性エツチングを施して第７図すに明らかな肉薄部５２
を形成する。この結果、拡散抵抗５１・・・が設置され
たシリコン半導体基板５０部分に肉薄部５２が、これに
隣接する部分に肉厚部５５が形成される（第７図す参照
）。なお、この例では、（１００）もしくは（１１０）
のシリコン半導体基板５゜を使用している。

次に第７図Ｃにあるように積層体を剥離してから、メタ
ライズ層形成用として熱酸化／［５６、チタン層５７及
び金層５８をこの順にスパッタリング法または真空蒸着
法により堆積し、（第７図ｄ参照）更に、バターニング
（Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ）工程を行って第７図ｅの断面
構造とする。このようなメタライズ層を利用して第７図
ｆにあるようなシリコン半導体単結晶からなる外囲器５
９に半田マウントして圧力センサを得る。

このような圧力センサと違って、上下に移動させること
によって拡散抵抗部における歪みに伴う抵抗値変化を検
出する加速度センサ６１の概略断面を第８図に示した。

圧力センサとほぼ同じ構造な・ので同一番号と名称を用
いて説明すると、シリコン半導体基板５０の中央部に形
成する肉薄部５２に隣接する肉厚部５５の一方には錘６
０を設置するのが圧力センサと違う点である。肉薄部５
２の形成は、圧力センサと同様に図示していない熱酸化
層と窒化珪素層をマスクとするエツチング処理により形
成後、マスク層を剥離してメタライズ層形成用として新
たに熱酸化層５６を形成してからチタン層５７と金属５
８を形成するのは全く同じである。この加速度センサで
は、第８図にあるようにメタライズ層を利用して支持台
となるシリコン半導体基板６２に固着し、更に、外囲器
（図示せず）半田により固着する方式を採って上下運動
に僅えている。

上記の製造方法におけるチタンＭ５６及び金層５７のパ
ターニング工程では、詳細を省略したスクリーン印刷法
などを利用する選択エツチングが施されているので工程
が複雑である。更に、肉薄部形成前後に種類の違う蒸着
膜を堆積しているので、膨張係数差に伴うシリコン半導
体基板に対する付着強度低下につながり、ひいては半田
マウント部の信頼性を損なう基になる。このために、肉
薄部形成用のエツチング工程時のマスクと、メタライズ
１の両方に使用できる膜の出現が望まれていた。

そこで、第２の従来例としてチタン層６４及び金層６５
を堆積する方法を第９図により説明する。即ち、シリコ
ン半導体基板５０に形成する肉厚部５５には、第９図ａ
に明らかなようにチタン層６４及び金層６５を堆積して
、エツチングマスク及び半田マウント工程におけるメタ
ライズ層を兼用させる手法を採っている。このチタン層
６４及び金層６５のバターニング工程は、水酸化カリウ
ムなどの面方位に対する選択性が高いエツチング液によ
る異方性エツチングによる（第９図す参照）。

（発明が解決しようとする課題） 第２の従来例におけるチタン層及び金層の膨張係数は、
シリコン半導体基板のそれと違っているので、その境界
部分には応力が発生しており、この状態で上記の異方性
エツチングを実施すると、この応力の影響で異方性エツ
チングが均一に進行せず、肉薄部の端部が第８図すに示
すように切れ込んだ特殊な形状となる。この応力とは、
膜の形成時に発生する熱歪を指しており、膜内のそれは
シリコン中の応力として伝達されて異方性エツチングを
施しても上記の特殊な形状となる。

このような凸状の肉薄部は、圧力または加速度センサと
して利用する際感度低下につながり好ましくない。しか
も、肉薄部を形成してからマスクを剥離し、メタライズ
層を選択的にエツチングしているので、位置合せ誤差が
発生する。このために、第１０図に示すように、肉厚部
５５に半田６６がはい上り、圧力センサの特性上好まし
くない。

本発明はこのような事情により成されたもので、特に、
半導体基板に平坦な肉薄部を形成できるマスク材及びメ
タライズ層として使用できる膜構造を備えた半導体セン
サを提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 半導体基板の一方の表面付近に形成し互いに接続する拡
散抵抗層と、この拡散抵抗層を設置する半導体基板部分
に形成する薄肉部と、この薄肉部に隣接して位置する半
導体基板の肉厚部と、この肉厚部の他方表面に順次被覆
する絶縁層、チタン層及び金層に本発明に係わる半導体
センサの特徴がある。

（作　用） 本発明では、面方位に対する選択的エツチング特性の高
いエツチング液により半導体基板に異方性エツチングを
施して平坦な肉薄部を形成するに当たって、絶ＲＭＩ、
チタン層及び金層からなる積層構造をマスク材及びメタ
ライズ層として採用した。即ち、このような積層構造は
、絶縁層は引張応力を示し、チタン層及び金層は圧縮応
力を示すので、この積層構造体は引張応力と圧縮応力を
示す層が交互に配置されることになる。

従って、半導体基板との境界部分における応力集中が抑
制できるので従来技術のような異常な形状の発生が防止
できマスク層としての役割を発揮できる上に、半導体基
板との付着強度の大きいメタライズ層が設置される。こ
のため半導体センサに必要な特性を長期にわたって発揮
でき、信頼性の向上をもたらすものである。

（実施例） 第１図乃至第６図を参照して本発明に係わる一実施例を
説明する。即ち、（１００）もしくは（１１０）シリコ
ン半導体基板１の表面中央部には、四個の拡散抵抗２・
・・を接続してブリッジを形成し、その中の２端子から
出力を取出す構成とする。従って、第１図ａ、ｂの断面
図には、２個の拡散抵抗２しか示されない。この拡散抵
抗２・・・を形成した半導体基板１の裏面には熱酸化膜
３を常法により厚さ０．５μｍ程度に被覆後、減圧化学
的気相成長法（Ｌｏｗ　Ｐｒｅｓｕｒｅ　Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌ　Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により窒
化珪素層４を堆積する。

更に、通常の熱酸化法により厚さ５０００Å以上の熱酸
化膜５を重ねて被覆後、更にまた、チタン薄膜６を２５
００Å以上及び厚さ５０００人程度０金薄膜７をスパッ
タリング法または真空蒸着法により堆積して積層構造体
を形成する（第１図ａ参照）、これらの各層の厚さは、
上記のような引張及び圧縮応力を発揮するのに必要であ
ると共に、最終的に全体の膜応力緩和に不可欠なことか
ら採った寸法である。

次に、この積層構造体にレジストを利用するＰＥＰ（Ｐ
ｈｏｔｏ　Ｅｎｇｒａｖｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ）法に
よるバターニング工程を施して拡散抵抗２・・・に対応
する部分を除去してシリコン半導体基板１を露出する。

この露出したシリコン半導体基板１には、面方位に対す
る選択的エツチング特性の高い水酸化力リュウムによる
異方性エツチングを行って肉薄部８を第１図すに明らか
なように形成する。この例は圧力センサの製法を示した
が、加速度センサも同様な積層構造体を利用して製造可
能であることは勿論である。

次に、他の実施例を第２図ａ、ｂにより説明する。即ち
、簡単な３層構造でもシリコン半導体基板との境界部分
に応力集中が発生しないことが判明した。第２図ａに明
らかなように上記実施例と同様に拡散抵抗９・・・を−
表面付近に形成した（１００）または（１１０）シリコ
ン半導体基板１０を用意し、その裏面に厚さ０．５μｍ
程度の熱酸化膜１１を被覆する。次にチタン薄膜１２を
２５００Å以上及び厚さ５０００人程度０金薄膜１３を
スパッタリング法または真空蒸着法により堆積して積層
構造体を形成する（第２図ａ参照）、　この積層構造体
にも上記実施例のようにレジストを利用するＰＥＰ工程
によって拡散抵抗９・・・に対応する部分を除去してシ
リコン半導体基板１０を露出する。

この露出したシリコン半導体基板１０には、面方位に対
する選択的エツチング特性の高い水酸化力リュウムによ
る異方性エツチングにより肉薄部１４を第２図すに明ら
かなように形成する。この図面に示すように肉薄部１４
は平坦に形成されるので、半導体基板１０とこの積層体
間に応力が集中されないことが明らかである。この例は
圧力センサの製法を示したが、加速度センサも同様な積
Ｎ構遺体を利用して製造可能であることは勿論である。

この例における熱酸化膜１１は、膜応力の緩和と、外囲
器との絶縁を司るが、この要件を満たす絶縁膜であれば
設置可能である。

上記実施例及び他の実施例によりあるように、積層構造
体を儂えたシリコン半導体基板を圧力センサ及び加速度
センサとして完成させるために、従来技術欄に記載した
ように積層構造体をメタライズ層として利用してシリコ
ン半導体単結晶からなる外囲器や支持台に半田マウント
するが、従来技術欄と重複するので説明は省略する。

〔発明の効果〕

このように、本発明における積層構造体は、異方性エツ
チング時のマスクと半田マウント時に必要なメタライズ
層としての役割を兼備えたもので、しかも、半導体基板
との境界に応力が集中しないので肉薄部がほぼ平坦に形
成される。

第３図と第４図には、異方性エツチングにより形成され
る肉薄部の形状を、第５図では半田マスントとの接着強
度を、第６図に耐圧力分布を示している。

シリコン半導体基板に異方性エツチングを行って肉薄部
を形成する場合、この肉薄部の１／２をｒｏ　とし、こ
の中心から肉厚部の任意の位置までをｒとし、異方性エ
ツチングにより肉薄部の形成される凹部の深さをｈとし
、シリコン半導体基板全体の厚さをｈｏとする。ｒ、／
ｒが１から０の間におけるｈ／ｈ０の変化を第３図に示
した。縦軸にｈ／ｈ、、横軸にｒ０／ｒを採ったところ
、従来例の変動に比べ本発明に係わるセンサのそれは極
めて小さいので、有利性が明らかである。

第４図は積層体により構成するメタライズ潜と半田マウ
ント層間の引張強度を示しており、Ｆが従来例で得られ
る引張強度のセンタ値、Ｆｏ　が本発明で得られる引張
強度のセンタ値で、縦軸にＦ／Ｆ、を、横軸に度数を採
った曲線図である。点線で示す従来例の数値がかなりバ
ラツクのに対して本発明により形成したものは正規分布
に近い形が得られる。

第３図におけるｈ／ｈ、とじて例えば０．１２５を目標
にして圧力センサを形成し、ある圧力を印加した時の拡
散抵抗の出力と無印加時の拡散抵抗の値の差をΔＲ１無
印加時の拡散抵抗の値をＲとしΔＲ／Ｒを縦軸に、度数
を横軸とした場合の分布が第５図に示されている。

また、耐圧力分布を第６図に示した。即ち、本発明によ
る圧力センサの耐圧力のバラツキのセンタ値がＰ、、従
来の圧力センサにおける耐圧力のバラツキのセンタ値を
　Ｐとして、Ｐ／Ｐ、を縦軸に、度数を横軸に採った曲
線図が明らかにされれている。

このように第５図と第６図から明らかなように、従来及
び本発明のセンサは、第５図ではあまり差がないのに、
第６図では差が明白となっており、いいかえれば感度が
本発明に係わるセンサの方がはるかに勝れているといわ
ざるを得ない。

また上記のように、引張強度などでも本発明が向上して
いるのが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、ｂ及び第２図ａ、ｂは、本発明の実施例の製
造工程を示す断面図、第３図乃至第６図は、本発明に係
わるセンサの特性を従来のそれと比較した曲線図、第７
図ａ　”　ｆと第９図ａ、ｂは、共に従来のセンサの製
造工程を示す断面図、第８図は従来の加速度センサの断
面図、第１０図は従来の圧力センサの製造途中の断面図
である。 １０：シリコン半導体基板、 ９：拡散抵抗、 ５．１１：熱酸化膜、４：窒化珪素、 １２：チタン薄膜、７．１３：金薄膜、１４：肉薄部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板の一方の表面付近に形成し互いに接続する拡
   散抵抗層と、この拡散抵抗層を設置する半導体基板部分
   に形成する薄肉部と、この薄肉部に隣接して位置する半
   導体基板の肉厚部と、この肉厚部の他方表面に順次被覆
   する絶縁層、チタン層及び金属を具備することを特徴と
   する半導体センサ