JPH049770A - 半導体感歪センサ - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、二枚の半導体基板を中間絶縁膜を挟んで接合
した接合基板を用いた半導体感歪センサの製造方法に関
する。

［従来の技術］ 半導体基板を薄肉化して形成した起歪部に半導体歪み素
子を設け、起歪部の歪量を電気的に検出することにより
圧力や加速度を検出する半導体感歪センサでは、測定精
度の向上のために起歪部を一般に異方性エツチングによ
って形成している（第８図参照）。しかし、このように
異方性エツチングにより起歪部を形成すると、起歪部寸
法は高精度化できるものの、起歪部のエツジの形状変化
が急峻であるので、このエツジに応力が集中して起歪部
耐力が低下し、圧力セン９−では耐圧力性能が、加速度
センサでは耐衝撃性が等方性エツチングの場合より低下
する欠点がある。

この問題を改善するために、特開昭６２−６０２７０号
公報は、異方性エツチングに続いて等方性エツチングを
行って、エツジ１００の面取りを行っており、また、特
開平１−２７４４７８号公報は、異方性エツチングに続
いてフレオンガス系プラズマドライエツチングを行って
エツジに凹部を形成している。

［発明が解決しようとする課題１ 上述した二つの先行技術の方法によれば上記エツジへの
応力集中を緩和できるものの、以下に説明する新たな不
具合が生じる。

すなわちどちらの技術を用いるにしても、異方性エツチ
ングにより露出する起歪部の露出面が、等方性エツチン
グ又はフレオンガス系プラズマドライエツチングにより
再エッチされてしまう。

これら等方性エツチング又はフレオンカス系プラズマド
ライエツチングは上記異方性エツチングより寸法精度（
特に深さ方向精度）が格段に悪く、その結果、この等方
性エツチング又はフレオンガス系プラズマドライエツチ
ングによるエツチング量のばらつきが起歪部寸法（肉厚
〉のばらつきとなって、測定精度のばらつきを生じさせ
る。もちろん、これら等方性エツチング又はフレオンガ
ス系プラズマドライエツチングのエツチング量を減少す
ればエツチング量の絶対ばらつき量も低下するが、当然
、エツジの面取り又はエツジへの凹部形成が不完全とな
る。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、優れた
起歪部耐力を有するとともに測定精度のばらつきが少な
い半導体感歪センサとその製造方法を提供することをそ
の解決すべき課題としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明の半導体感歪センサの製造方法は、基部用半導体
基板及び感歪部用半導体基板を中間絶縁膜を挟んで接合
して接合基板を形成する接合基板形成工程、 前記感歪部用半導体基板を薄肉化した後、前記感歪部用
半導体基板に半導体歪み素子を形成する素子形成工程、 前記中間絶縁膜をエツチング停止線として前記基部用半
導体基板をエツチングして前記基部用半導体基板の所定
領域に起歪部を形成する起歪部形成工程、 前記起歪部表面に露出する前記中間絶縁膜を選択的に等
方性エツチングして前記起歪部端縁に治ってアンダーカ
ット領域を形成するアンダーカット領域形成工程、 を順次￥圧することを特徴としている。

本発明の半導体感歪センサは、薄肉の感歪部用半導体基
板及び厚肉の基部用半導体基板を中間絶縁膜を挟んで接
合して形成された接合基板と、前記基部用半導体基板の
所定領域に凹段された第１凹部と、 前記第１凹部に隣接して前記感歪部用半導体基板に設け
られた起歪部と、 前記起歪部に設【プられだ半導体歪み素子と、を備える
半導体感歪センサにおいて、 前記第１凹部と起歪部との間の前記中間絶縁膜に凹段さ
れる第２凹部を備え、 該第２凹部は、前記第１凹部に隣接する前記基部用半導
体基板と前記感歪部用半導体基板との間に延在するアン
ダーカット領域を有し、前記アンダーカット領域の側面
は前記感歪部用半導体基板側から前記基部用半導体基板
側に向かうにつれて前記第２凹部の中心から遠ざかる形
状を有することを特徴としている。

［作用及び発明の効果］ 本発明の半導体感歪センサは、第１凹部と起歪部との間
の中間絶縁膜に凹設される第２凹部が、この第１凹部に
隣接する基部用半導体基板と感歪部用半導体基板との間
に横方向に食込んで延在（侵入）するアンダーカット領
域を有し、かつ、このアンダーカット領域の側面が感歪
部用半導体基板側から基部用半導体基板側に向かうにつ
れて第２凹部の中心から遠ざかる形状を有している。

このために、確実な理由は不明であるものの、大幅な起
歪部耐力の向上が可能となることがわかった。

推測するに、アンダーカット領域の側面が感歪部用半導
体基板側から基部用半導体基板側に向かうにつれて第１
凹部から遠ざかる形状をもつので、この部位における応
力集中が緩和されるのではないかということ、及び、ア
ンダーカット領域が第１凹部に隣接する基部用半導体基
板と感歪部用半導体基板との間に横方向に食込んで形成
されるのも何等かの関連があるのではないかということ
が理由として挙げられる。

本発明の半導体感歪センサの製造方法は、接合基板の中
間絶縁膜をエツチング停止線として上記第１凹部の部分
をエツチングして起歪部を形成し、この起歪部表面に露
出する中間絶縁膜の部分を等方性エツチングして起歪部
端縁に沿ってアンダカット領域を形成している。

したがってこの製造方法によれば、以下の効果を奏する
ことができる。

すなわち、深さ方向の寸法精度が良くない等方性エツチ
ングを用いるにもかかわらず、中間絶縁膜の等方性エツ
チングであるので、起歪部を構成する感歪部用半導体基
板のエツチングをほとんど無視することができ、その結
果として、高い寸法精度が要求される起歪部をこの等方
性エツチングプロセスから保護することができ、それに
起因する測定精度のばらつきを防止することができる。

更に、なんらマスクを必要とすることなく、中間絶縁膜
の等方性エツチングによって、アンダカット領域（基部
用半導体基板と感歪部用半導体基板との間に横方向に食
込んで形成される領域〉を簡単なプロセスで形成するこ
とができる。

［実施例］ （実施例１） 本発明の半導体感歪センサの一例として、シリコン圧力
センサを第１図により説明する。

このセンサは、薄肉の第１基板（本発明でいう感歪部用
半導体基板）１及び厚肉の第２基板（本発明でいう基部
用半導体基板）２を酸化シリコン膜く本発明でいう中間
絶縁膜）３を挟んで接合して形成された接合基板１０を
具備Ｌハ５４”Ｊ　２基板２の所定領域には第１凹部４
が凹設されている。第１凹部４に隣接して第１基板１に
は薄肉の起歪部５が設けられており、起歪部５には半導
体歪み素子６が設Ｇノられている。また、第１凹部４と
起歪部５との間の酸化シリコン膜３が凹設されて第２凹
部７が形成されており、この第２凹部７は、第１凹部４
に隣接する第２基板２と第１基板１との間に延在する（
横方向に喰込む）アンダーカット領域７１を有している
。アンダーカット領域７１の側面７２は、第１基板１側
から第２基板２側に向かうにつれて第２凹部７の中心か
ら遠ざかる斜面形状を有している。

このセンサの構造の詳細については、以下の製造方法の
説明とともに詳述してゆく。

このセンサの製造方法は、それぞれ単結晶シリコンから
なる第２基板２及び第１基板１で酸化シリコン膜３を挟
んで接合して接合基板１０を形成する接合基板形成工程
（第２図参照）と、第１基板１を薄肉化した後、第１基
板１に半導体歪み素子６を形成する素子形成工程（第２
図参照）と、酸化シリコン膜３をエツチング停止線とし
て第２基板２を異方性エツチングして第２基板２の所定
領域に起歪部４を形成する起歪部形成工程（第３図及び
第４図参照）と、起歪部４０表面に露出する酸化シリコ
ン膜３を等方性エツチングして起歪部４の端縁に沿って
アンダーカット領域７１を形成するアンダーカット領域
形成工程と（第１図参照）を順次実施してなる。

（接合基板形成工程） 面方位が（１００）、比抵抗が３〜５Ω・ｃｍ、Ｎ−型
で、一方の主表面に１μｍ厚の酸化シリコン膜３が熱酸
化法により形成された第２基板２と、面方位か（１００
）であるＮ−型の第１基板１とを用意し、第１基板１及
び酸化シリコン膜３の表面を清浄化し、酸化シリコン膜
３を挟むように第１基板１と第２基板２とを直接接合し
て接合基板１０を形成する（第２図参照）。

（素子形成工程） 第１基板１の露出した主表面を研磨し、次いで、ミラー
ポリッシュ仕上げして１〜５０μｍの厚さとするく第２
図参照）。

その後、ホトリソ法及び熱拡散法またはイオン注入法を
用いて第１基板１の表面に高濃度のポロンを拡散して半
導体歪み素子６を形成する。次に、第１％板１の表面に
約０．５μｍ厚の酸化シリコン膜８ａを熱酸化法等によ
り形成し、半導体歪み素子６上方の酸化シリコン膜８ａ
をホトリソ法を用いて開孔する。次に、アルミ膜（図示
せず）を真空蒸着した後、ホトリソ法を用いてエツチン
グしてアルミ電極線（図示せず）を形成し、このアルミ
電極線の一端を半導体歪み素子６にコンタクトさせる（
第２図参照）。

（起歪部形成工程） 第２基板２の表面にＣＶＤ法により窒化シリコン膜８を
形成する（第２図参照）。その後、プラズマエツチング
により窒化シリコン膜８を間口しく第３図参照）、ワッ
クス（図示せず）などで保護が必要な表面を保護した後
、露出した第２基板２を異方性エツチングして第１凹部
４を形成する。

なお、第１凹部４は半導体歪み素子６の直下近傍に位置
しており、異方性エツチングを酸化シリコン膜３で停止
させて形成されている。この異方性エツチングはＫＯＨ
水溶液で実施される（第６図参照）。

（アンダーカット領域形成工程） 次に４９％フッ酸溶液と水との重量比が１：１であるＨ
Ｆ水溶液を用いて起歪部５（第１凹部４に面する第１基
板２の領ｌｉｉり表面に露出する酸化シリコン膜３を等
方性エツチングし、同時に側基板１．２の間の酸化シリ
コン膜３をアンダーカットして、第２凹部７を形成し、
同時に、起歪部５の端縁に沿ってアンダーカット領域７
１を形成する。

このようにして製造されたシリコン圧力センサは、第６
図に示すように、ジャストエッチ点の近傍を極大点とし
て従来例（酸化シリコン膜３を等方性エツチングしない
場合）に比較して大幅な起歪部耐圧を有することがわか
った。

なお、ここでいう“′ジャストエッチ″とは、酸化シリ
コン膜３の上面３１（第４図参照）で測定したアンダー
カット幅が酸化シリコン膜３の膜厚に等しいエツチング
状態をいう。

なお、本発明の半導体感歪センサは、上記の他、ダイヤ
フラム（起歪部）の中央部分に剛体部分（肉厚部分）を
有する、いわゆるＥ型ダイヤフラムと呼ばれる構造の圧
力センサはもちろん、第７図に示すようなシリコン加速
度センサにも当然応用できる。

このシリコン加速度センサは貫通溝４０を形成して起歪
部５１と質量部５２とからなるカンチレバ部（片持ち梁
部）を形成する点の他は、上記シリコン圧力センサと同
じ製造工程で製造することができる。また、ここには片
持ち梁構造の加速度セン−リ−については図示したが、
両持ち粱等、他の梁構造の加速度センサについても同様
の効果か得られる。

好適な態様において、酸化シリコン膜３の厚さは、０．
２〜１０μｍに設定される。

０．２μｍを下回るとエツジ部への応力集中の緩和が充
分でなく、１０μｍを超えると製造が困難になりぶどま
りが低下する。もちろん、起歪部５上の酸化シリコン膜
３の一部を残すことも可能である。また、第２凹部７の
深さは０．２μｍ以上とすることが好ましい。０．２μ
ｍを下回ると、応力緩和が不十分となり、起歪部５の耐
力が低下する。

更に、上記実施例では酸化シリコン膜３の等方性エツチ
ングにより起歪部５上の酸化シリコン膜３を完全にエツ
チングしているので、起歪部５の寸法ばらつきを極めて
正確に制御できるという利点がある。

なお、第１凹部のエツチングはウェット及びドライのど
ちらでも良く、ただ、中間絶縁膜を実質的にエツチング
しない材料であれば良い。そして第２凹部のエツチング
もウェット及びドライのどちらでもよく、ただ、シリコ
ン基板を実質的にエツチングしない材料であれば良い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の半導体感歪センサの構造を示す断面
図、第２図〜第４図はその製造方法を順に説明する断面
図、第５図は半導体感歪センサの要部拡大断面図、第６
図は本発明が奏する耐歪力向上を示ず特性図、第７図は
本発明の他の実施例を示断面図、第８図は従来の半導体
感歪センサの断面図である。 １・・・第１基板（感歪部用半導体基板）２・・・第２
基板（基部用半導体基板）（中間絶縁膜） ３・・・酸化シリコン膜 ４・・・第１凹部 ５・・・起歪部 ６・・・半導体歪み素子 ７・・・第２凹部 ７１・・・アンダーカット領域 特許出願人　　日本電装株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基部用半導体基板及び懸垂部用半導体基板を中間
   絶縁膜を挟んで接合して接合基板を形成する接合基板形
   成工程、 前記感歪部用半導体基板を薄肉化した後、前記感歪部用
   半導体基板に半導体歪み素子を形成する素子形成工程、 前記中間絶縁膜をエッチング停止線として前記基部用半
   導体基板をエッチングして前記基部用半導体基板の所定
   領域に起歪部を形成する起歪部形成工程、 前記起歪部表面に露出する前記中間絶縁膜を選択的に等
   方性エッチングして前記起歪部端縁に沿ってアンダーカ
   ット領域を形成するアンダーカット領域形成工程、 を順次実施することを特徴とする半導体感歪センサの製
   造方法。
2. （２）薄肉の感歪部用半導体基板及び厚肉の基部用半導
   体基板を中間絶縁膜を挟んで接合して形成された接合基
   板と、 前記基部用半導体基板の所定領域に凹設された第１凹部
   と、 前記第１凹部に隣接して前記感歪部用半導体基板に設け
   られた起歪部と、 前記起歪部に設けられた半導体歪み素子と、を備える半
   導体感歪センサにおいて、 前記第１凹部と起歪部との間の前記中間絶縁膜に凹設さ
   れる第２凹部を備え、 該第２凹部は、前記第１凹部に隣接する前記基部用半導
   体基板と前記感歪部用半導体基板との間に延在するアン
   ダーカット領域を備え、 前記アンダーカット領域の側面は前記感歪部用半導体基
   板側から前記基部用半導体基板側に向かうにつれて前記
   第２凹部の中心から遠ざかる形状を有することを特徴と
   する半導体感歪センサ。