JPH05251715A - 半導体圧力センサとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、半導体圧力センサにおけるダイア
フラムの厚さ（底面部の厚さ）のばらつきをなくす（つ
まり、ダイアフラムの深さを正確にする）とともに、ピ
エゾ抵抗素子の下地層に結晶欠陥が発生し易い問題を解
消することを目的とするものである。 【構成】 本発明は前記目的達成のため、半導体基板と
してＳＯＩ基板１０１を使用し、その基板１０１の裏面
にダイアフラムの開孔部１０４を前記ＳＯＩ基板の絶縁
層１１０が露出するように（即ち該絶縁層１１０がエッ
チングのストッパーとなる）形成し、その底面部から不
純物を導入してピエゾ抵抗素子１０５を形成し、前記ダ
イアフラム１０４の表面に絶縁膜１０７を形成するよう
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体圧力センサの
構造と主としてそのダイアフラムの形成方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】単結晶シリコンは種々の半導体装置を作
りこむための半導体材料として優れている他に、よく知
られているように機械的にも歪・応力特性に履歴のない
ほぼ理想的な高弾性をもち、かつその中にゲージファク
タの非常に高い歪みゲージ（ピエゾ抵抗素子）を不純物
拡散によって容易に作りこむことができるので小型かつ
高精度の半導体圧力センサを構成することができる。図
３および図４はこのような半導体圧力センサの従来例を
それぞれ示すものである。

【０００３】図３の例では、ｎ型の単結晶シリコン基板
２０の上面からまずｐ型不純物の拡散により抵抗層であ
る歪みゲージ７を細長な短冊状パターンで複数個作りこ
み、図示したように酸化膜５の窓を介して各歪ゲージ７
の両端部にアルミ等の接続膜１０を接続した上で通例の
ように全面を窒化膜等の保護膜１１で覆う。図では歪み
ゲージ７は２個のみが示されているが、ふつうは４個の
歪みゲージが例えば全体で方形を形成するような配置で
作りこまれ、接続膜１０を介してブリッジ接続される。
このブリッジの各頂点に、一端部が接続された接続膜１
０の多端部状の保護膜１１には、図示の様に窓が明けら
れて外部回路との接続のための接続パッドＣＰとされ
る。

【０００４】また、図４に示された従来例では、単結晶
シリコン基板３０には前述の例と同様にｎ型であるが高
不純物濃度の物が用いられ、まずその表面にｐ型層３１
を高不純物濃度で拡散した上でエピタキシャル層３２を
ｎ型で成長させ、そのなかに歪みゲージ７を作りこむと
ともに、この例ではその検出信号を増幅するトランジス
タ等を含む集積回路が作りこまれる。

【０００５】このため、ｎ型のエピタキシャル層３２の
表面からｐ型の分離層６を高不純物濃度でｐ型層３１に
達するように深く拡散して、それを複数の半導体領域の
ひとつに前述の要領で作りこみ、他の半導体領域内には
電子回路の回路要素を作りこむと同時に歪みゲージ７と
接続し、そのブリッジ回路に一定の電圧もしくは電流を
供給するとともに、電子回路で増幅された前記ブリッジ
回路の信号を取り出すことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のいづれの半導体
圧力センサにおいても、単結晶シリコンが持つ高弾性に
より再現性の良い圧力検出値を得ることができ、かつ半
導体歪みゲージが持つ高いゲージファクタにより高感度
で圧力を検出できるが、図３の従来例ではその圧力検出
特性がばらつきやすい欠点がある。

【０００７】これは、図３の基板２０にダイアフラムと
しての穴２２を異方性エッチングしたときにエッチング
する深さを正確に管理するのが困難であることから、結
果としてダイアフラムの厚さにばらつきがでやすい。

【０００８】また、図３の従来例においては、基板３０
へのダイアフラムとしての穴３４の異方性エッチングに
電解エッチングを利用することにより上述の問題の解決
をしている。この電解エッチングに関して言えば、まず
水酸化カリウム溶液を用いる化学エッチングで基板３０
の厚みの大部分までエッチングした上で最後に沸酸系水
溶液を用いて電解エッチングすることによって、エッチ
ングを図示のようにｐ型層３１の下面で自動停止させる
ことができる。つまり、基板３０を正に、電解液を負に
それぞれ接続した状態でエッチングすることによりエッ
チングがｐ型層３１の下面に達したときにｎ型の基板３
０との間のｐｎ接合によってｐ型層に電流が流れなくな
るのでエッチングが停止する。

【０００９】このように図３の従来例では、基板３０に
厚いものを用いても穴３４のエッチングをｐ型層３１の
ところで自動停止させてダイアフラムの厚みを精度良く
管理できるがダイアフラム３４の形成のために２工程を
要し、かつ電解エッチングにかなり時間がかかるという
問題点がある。さらに、高不純物濃度のｐ型層３１の上
に成長させたエピタキシャル層３２内には結晶欠陥が発
生しやすく、これに歪みゲージ７を形成すると結晶欠陥
に基づくリーク電流のために前記ゲージのゲージファク
タが低下しやすいので半導体圧力センサの歩留まりが低
下する問題がある。

【００１０】この発明は、以上述べた異方性エッチング
した時にエッチング深さを正確に管理するのが困難であ
る事からダイアフラムの厚さ（底面部の厚さ）にバラツ
キが出やすいことや、高不純物濃度のｐ型層３１の上に
成長させたエピタキシャル層には結晶欠陥が発生しやす
く、歪みゲージにリークを引き起こすという問題を除去
するため、エッチング深さを管理するのが容易で、高不
純物濃度のｐ型層の上に成長させたエピタキシャル層が
ない半導体圧力センサの製造方法を提供することを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は前述の目的の
ために、半導体圧力センサの製造において、ＳＯＩ（Ｓ
ｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、ある
いは同種の二酸化シリコン膜を溶融させて接合した基板
を用い、裏面よりアルカリエッチングでダイアフラムの
深い穴を前記ＳＯＩ基板の絶縁層（あるいは二酸化シリ
コン膜）をストッパーとして形成し、この深い穴の底面
の前記酸化膜を介して、高濃度ｐ型不純物を導入するこ
とによりピエゾ抵抗素子を形成しておき、この深い穴を
ポリシリコンで埋め、次に表面の薄い部分をアルカリエ
ッチングして、エッチング速度の濃度依存性を利用し
て、高濃度ｐ型不純物のピエゾ抵抗のみを残し、それ以
外は酸化膜とすることによりダイアフラムをシリコンで
はなく、絶縁体だけとし且つ、ダイアフラム面上にはピ
エゾ抵抗だけ残るようにしたものである。

【００１２】

【作用】前述のように本発明は、ＳＯＩ基板を用い、そ
の基板の大部分をエッチングする際、酸化膜でエッチン
グをストップさせるようにしたのでダイアフラム厚さバ
ラツキを極力抑える事ができる。

【００１３】また、ダイアフラムは酸化膜・窒化膜で構
成されている為、その厚さを非常に薄くでき、極めて小
型でかつ応答性のすぐれた圧力センサを構成できる。

【００１４】

【実施例】本発明の一実施例としての半導体圧力センサ
の製造方法を図１、図２の（ａ）〜（ｇ）の断面図を用
いて説明する。

【００１５】まず、図１（ａ）に示される様に、ＳＯＩ
基板１０１を用いる。周知のように、ＳＯＩ基板は絶縁
層１１０（一般に酸化膜）を挟んで両側にシリコン層を
いわば貼り合わせた基板である。尚、本実施例の基板１
０１は酸化膜１１０を挟んで表面側はＮ形単結晶シリコ
ン３μｍ程度の厚さを有し、裏面側はＮ型単結晶３００
μｍ程度を有するものとした。

【００１６】次に、このＳＯＩ基板１０１の裏面に酸化
膜１０２を５００Å、窒化膜１０３を２０００Åの順で
生成する。

【００１７】次に、図１（ｂ）に示すように、裏面の酸
化膜１０２、窒化膜１０３をパターニングし、後のピエ
ゾ抵抗素子形成に必要な平面パターンが残る領域を開孔
１０４する。

【００１８】その後、ＫＯＨ等のアルカリの溶液でエッ
チングする。このエッチングは酸化膜１１０でストップ
する為、図の様なダイアフラムの穴としての形状１０４
を得る。

【００１９】その後、アルカリエッチングで酸化膜１０
２、窒化膜１０３を除去する。

【００２０】次に、図１（ｃ）のようにアルカリエッチ
ングした底面に、公知のホトリソグラフィ技術でパター
ニングし、ピエゾ抵抗素子形成の為に、ｐ型高濃度不純
物層をイオン注入法、熱拡散法で形成しピエゾ抵抗素子
１０５を形成する。なお、ピエゾ抵抗素子１０５は、ダ
イアフラム形成時の合わせマーク（図示しない）を使っ
て容易に底面に位置決めされる。次に、開孔部１０４、
ピエゾ抵抗素子１０５を含む裏面に窒化膜１０７を２０
００Å生成する。

【００２１】次に、図１（ｄ）のように、開孔部１０４
に誘電体分離技術に使われるポリシリコン堆積によっ
て、ポリシリコン１０８を堆積する。ポリシリコン１０
８はダイアフラムの底部の厚さが極めて薄いため、プロ
セス処理中の強度を確保するためであり、ＳＯＩ基板１
０１を支持する役割をもつ。

【００２２】次に、図２（ｅ）のように、ＳＯＩ基板１
０１の表面（図の上側）に選択的に形成した窒化膜（図
示せず）をマスクにして、表面からＫＯＨ等のアルカリ
溶液でエッチングすると、ピエゾ抵抗１０５部は高濃度
不純物で形成している為、ピエゾ抵抗素子１０５だけを
残すパターニングができる。これは不純物濃度差による
エッチングレートの差を利用している。その後ＡＬ等の
金属で配線し電極１０９を形成する。

【００２３】次に、図２（ｆ）のように、開孔部１０４
に形成したポリシリコン１０８を除去する。

【００２４】

【発明の効果】以上、詳細に説明したようにこの発明に
よれば、ＳＯＩ基板を用い、その基板にダイアフラムの
穴をエッチング形成する際、ＳＯＩ基板１０１の絶縁層
１１０でエッチングをストップさせるようにしたので、
ダイアフラム厚さ（底面部の厚さ）バラツキを極力抑え
ることができる。これはその絶縁層とシリコンとのエッ
チングレートが異なるからである。

【００２５】また、ダイアフラムは表面が酸化膜・窒化
膜で構成されている為、その厚さを非常に薄くでき、極
めて小型でかつ応答性のすぐれた圧力センサを構成でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例（その１）

【図２】本発明の実施例（その２）

【図３】従来例その１

【図４】従来例その２

【符号の説明】 １０１ ＳＯＩ基板 １０２ 酸化膜 １０３，１０７ 窒化膜 １０４ ダイアフラム開孔部 １０５ ピエゾ抵抗素子 １１０ 絶縁層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板としてＳＯＩ基板を使用し、
   該基板の一面側にダイアフラムとしての開孔部が設けら
   れており、該ダイアフラムの開孔部の全表面が絶縁体で
   形成されており、かつ前記ダイアフラムの開孔部の底面
   部には絶縁体を介してその反対側にピエゾ抵抗素子が存
   在していることを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】 （ａ）半導体基板としてＳＯＩ基板を使
   用し、該ＳＯＩ基板の一面（裏面）の上に絶縁膜を形成
   する工程、 （ｂ）前記絶縁膜を選択エッチングしてダイアフラム形
   成のためのパターニングを行ない、そのパターンをマス
   クにして前記ＳＯＩ基板の絶縁層が露出するようにダイ
   アフラムとしての開孔部を形成する工程、 （ｃ）前記ダイアフラムの底面部の前記絶縁層に選択的
   に不純物を導入して、前記絶縁層を介した反対側にピエ
   ゾ抵抗素子を形成する工程、 （ｄ）前記ダイアフラムの開孔部を含んだ全面に絶縁膜
   を形成する工程、 以上の工程を含むことを特徴とする半導体圧力センサの
   製造方法。