JPH04148568A - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は差圧伝送器等に使用される半導体圧力センサお
よびその製造方法に関する。

（従来の技術） 差圧伝送器等に使用される半導体圧力センサとして、従
来、第２図に示す構造のものが知られている。

この図に示す半導体圧力センサは円形のエツチング穴１
０１が形成されたＮ　型シリコン基板１０２と、このＮ
＋型シリコン基板１０２上に設けられるＮ型エピタキシ
ャルシリコン１０３と、このＮ型エピタキシャルシリコ
ン１０３上に形成されるピエゾ抵抗１０４とを備えてお
り、Ｎ型エピタキシャルシリコン１０３の各面に圧力が
かかったとき、この圧力差に応じて変形してピエゾ抵抗
１０４の抵抗値を変化させ、この変化分を前記圧力差に
応じた圧力差信号として出力する。

また、他の半導体圧力センサとして、第３図に示すもの
も知られている。

この図に示す半導体圧力センサは円形のエッチレグ穴１
０５が形成されたＮ型シリコン基板１０６と、このＮ型
シリコン基板１０６上に形成されるピエゾ抵抗１０７と
を備えており、Ｎ型シリコン基板１０６の各面に圧力が
かかってとき、この圧力差に応じて変形してピエゾ抵抗
１０７の抵抗値を変化させ、この変化分を前記圧力差に
応じた圧力差信号として出力する。

このように、上述した各半導体圧力センサは単結晶シリ
コンの優れた弾性を利用し、薄膜シリコンダイヤフラム
１０８．１０９の両面にかかる圧力差に応答する応力を
検出してこれを圧力差信号として出力する。

（発明が解決しようとする課題） ところで、このような半導体圧力センサでは、この半導
体圧力センサを構成するチップの大きさを縮小するにし
たがって、耐圧力が向上して過大圧に対する信頼性が向
上する傾向がある。

そして、このような利点を有効に活用するため、チップ
を縮小することが必要となっているが、チップを縮小す
るとき、これに伴って薄膜シリコンダイヤフラム１０８
．１０９を構成するＮ型エピタキシャルシリコン１０３
やＮ型シリコン基板１０６も薄くしなければならない。

そして、このような薄膜シリコンダイヤフラム１０８．
１０９の薄膜化技術として、従来、弗硝酸エツチングや
電解エツチング等のウェットエツチングが試みられてい
る。

この場合、電解エツチングでは、陽極となる被エツチン
グ基板に電極を接続し、５％の弗硝酸でダイヤフラムを
形成する。

このとき、エツチング面に保護膜として窒化シリコン膜
を形成し、フォトエツチングによりダイヤフラムの大き
さに対応する円形パターンを形成する。

次いで、被エツチング面の保護膜を除去し、エツチング
液に浸して薄膜ダイヤフラムを形成させた後、エツチン
グされないで残った厚板部分の保護膜を除去し、パイレ
ックスガラスの台座に静電結合なる技術によって接合し
て圧力を測定できる外容器に搭載する。

しかしながら、このような従来の構成では、エツチング
する量が多く、所望の薄膜シリコンダイヤフラムを形成
するのに、長時間エツチング液に浸しておかなければな
らず、電極接続箇所の不完全さに起因して熱が発生した
り、電極接続点から各薄膜シリコンダイヤフラムのエツ
チング場所までの距離に起因するシリーズ抵抗の違いか
ら、エツチングのバラツキが大きくなったりすることが
あった。

また、保護膜である窒化シリコン膜の熱膨張係数と、緩
衝膜である二酸化シリコン膜の熱膨張係数との違いから
、薄膜にクラックが発生し易く、またピンホール等があ
った場合、台座との接続表面が弗硝酸等のエツチング液
により荒れる現象が起こり、気密性の信頼性が損なわれ
てしまうという問題があった。

さらに、エツチングする深さがシリコン基板の厚さにほ
ぼ比例することから、サイドエツチング量も大きく、１
ｍｍφより小さなダイヤフラムを形成することが難しい
という問題があった。

本発明は上記の事情に鑑み、等方性エツチングでのエツ
チング時間を短縮することができるとともに、土台との
接続部となるエツチングされないシリコン表面を完全に
ミラー状に保つことができ、また静電接合時の気密性を
向上させることができるとともに、過大圧印加時の高耐
圧性を強化することができ、さらにセンサチップの小型
化を達成することができる半導体圧力センサおよびその
製造方法を提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本゛発明による半導体圧力
センサは、単結晶半導体基板とエピタキシャル層とを有
し、前記単結晶半導体基板に圧力を導入する開口部を持
ち、前記エピタキシャル層の内部に前記開口部より大き
な空洞を伴った円形薄膜ダイヤフラムを有することを特
徴としている。

また、上記の目的を達成するために本発明による半導体
圧力センサの製造方法は、単結晶半導体基板とエピタキ
シャル層とを有するウェハーの前２単結晶半導体基板を
異方性エツチングで圧力導入用の開口部を形成した後、
等方性エツチングによって前記エピタキシャル層内部に
前記開口部より大きな空洞を形成することを特徴として
いる。

（作用） 上記の構成により、本発明による半導体圧力センサでは
、単結晶半導体基板に圧力を導入する開口部を持ち、エ
ピタキシャル層の内部に前記開口部より大きな空洞を伴
った円形薄膜ダイヤフラムにすることにより、等方性エ
ツチングでのエツチング時間を短縮させるとともに、土
台との接続部となるエツチングされないシリコン表面を
完全にミラー状に保持させ、また静電接合時の気密性を
向上させるとともに、過大圧印加時の高耐圧性を強化さ
せ、さらにセンサチップの小型化を達成させる。

また、上記の構成により、本発明による半導体圧力セン
サの製造方法では、単結晶半導体基板とエピタキシャル
層とを有するウェハーの前記単結晶半導体基板を異方性
エツチングで圧力導入用の開口部を形成した後、等方性
エツチングによって前記エピタキシャル層内部に前記開
口部より大きな空洞を形成することにより、等方性エツ
チングでのエツチング時間を短縮させるとともに、土台
との接続部となるエツチングされないシリコン表面を完
全にミラー状に保持させ、また静電接合時の気密性を向
上させるとともに、過大圧印加時の高耐圧性を強化させ
、さらにセンサチップの小型化を達成させる。

（実施例） 第１図は本発明による半導体圧力センサおよびその製造
方法の一実施例を示す製造工程図である。

本発明による半導体圧力センサを作る場合、第１図（ａ
）に示す如くまず、低能度ボロンの基板（Ｐ型シリコン
基板）１上にＮ型エピタキシャル層２を持つシリコンウ
ニ／Ｘ−３を用意する。

次いで、第１図（ｂ）に示す如くこのシリコンウェハー
３の両面に熱酸化膜４．５を形成した後、第１図（Ｃ）
に示す如くフォトエツチングによってＮ型エピタキシャ
ル層２側にダイヤフラムとなる部分にパターン６を形成
しこのパターン６部分の酸化膜４を除去する。

この後、第１図（ｄ）に示す如く高濃度のリンを拡散さ
せてこの前記パターン６部分のＮ型エピタキシャル層２
をＮ＋４層７にした後、上面側の酸化膜４を除去する。

次いて、第１図（ｅ）に示す如くウエノ＼−３の上面側
に所望のダイヤフラム厚になるまてＮ型エピタキシャル
層８を成長させた後、ダイヤフラム１１となる部分にピ
エゾ抵抗９を形成するとともに、Ｐ型シリコン基板１の
下面に形成された酸化膜５にエツチング用の穴パターン
１０を形成する。

この後、第１図（ｆ）に示す如くＮ型エピタキシャル層
８をワックス等で保護した後、異方性エツチング液を用
いてＰ型シリコン基板１をエツチングしてＮ＋４層７に
達するエツチング穴１２を形成する。このとき、Ｎ＋４
層７でのエツチング穴１２の大きさを所定の大きさ、例
えば５０ミクロン以下に抑える。

次いで、第１図（ｇ）に示す如く等方性エツチング液を
用いてＮ＋４層７をエツチングして空洞１３を形成しこ
の空洞１３の上にあるＮ型エピタキシャル層８をダイヤ
フラム１１にした後、Ｐ型シリコン基板１の下面にある
酸化膜５を除去する。

このようにこの実施例においては、Ｐ型シリコン基板１
を異方性エツチング液によってエツチングしてＮ＋４層
７に達するエツチング穴１２を形成した後、等方性エツ
チング液によってＮ　層７をエツチングしてこのＮ＋＋
層７上に形成されているＮ型エピタキシャル層８の下面
に空洞１３を形成してダイヤフラム１１を作るようにし
たので、等方性エツチングでのエツチング時間を短縮す
ることができるとともに、土台との接続部となるエツチ
ングされないシリコン表面を完全にミラー状に保つこと
ができ、また静電接合時の気密性を向上させることがで
きる。

また、Ｎ＋４層７を薄くすることにより、ダイヤフラム
１１の変位量を小さくして過大圧印加時の高耐圧性を強
化することができるととも、このＮ１層７上に形成され
るＮ型エピタキシャル層８の厚さを薄くすることができ
、これよって圧力検知感度を大幅に向上させることがで
きるとともに、チップサイズを縮小してセンサチップの
小型化を達成することができる。

また、Ｐ型シリコン基板１側からの表面距離（Ｐ型シリ
コン基板１のＡ点からこのＰ型シリコン基板１およびＮ
型エピタキシャル層２．８に沿ってＮ型エピタキシャル
層８のＢ点まで至る距離）を大きくとれるため、Ｐ型シ
リコン基板１と土台とを接合するとき、接合歪みが発生
してもダイヤフラム１１への影響を極めて小さくするこ
とができる。

また、上述した実施例においては、空洞１３部分をきれ
いに除去するようにしているが、たとえＰ型シリコン基
板ｌとＮ　層７との境界部が残っても、ダイヤフラム１
１の中央にエツチング穴１２がある限り、空洞１３の残
りがダイヤフラム１１の変位に悪影響を与えることはな
いので、Ｎ”層７をエツチングするとき、ショートエツ
チングで終了して濃度が低いＰ型シリコン基板１とＮ＋
＋層７との境界部を残すようにしても良い。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、等方性エツチング
でのエツチング時間を短縮することができるとともに、
土台との接続部となるエツチングされないシリコン表面
を完全にミラー状に保つことができ、また静電接合時の
気密性を向上させることができるとともに、過大圧印加
時の高耐圧性を強化することができ、さらにセンサチッ
プの小型化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体圧力センサおよびその製造
方法の一実施例を示す斜視図、第２図は従来から知られ
ている半導体圧力センサの一例を示す断面図、第３図は
従来から知られている半導体圧力センサの他の一例を示
す断面図である。 １・・・単結晶半導体基板（Ｐ型シリコン基板）２．８
・・・エピタキシャル層（Ｎ型エピタキシャル層） ｌ・・・円形薄膜ダイヤフラム （ダイヤフラム） ２・・・開口部 （エツチング穴） ３・・・空洞

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）単結晶半導体基板とエピタキシャル、層とを有し
   、前記単結晶半導体基板に圧力を導入する開口部を持ち
   、前記エピタキシャル層の内部に前記開口部より大きな
   空洞を伴った円形薄膜ダイヤフラムを有することを特徴
   とする半導体圧力センサ。
2. （２）前記単結晶半導体基板がＰ型であり、前記空洞の
   周辺を形成する肉厚部がＮ型である請求項１記載の半導
   体圧力センサ。
3. （３）単結晶半導体基板とエピタキシャル層とを有する
   ウェハーの前記単結晶半導体基板を異方性エッチングで
   圧力導入用の開口部を形成した後、等方性エッチングに
   よって前記エピタキシャル層内部に前記開口部より大き
   な空洞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。