JPH0554709B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体圧力センサ、特に薄膜形成技術
を用い基板表面にダイアフラムを形成することの
可能な改良された半導体圧力センサに関する。

［従来の技術］ 構 成 第１２図には従来の半導体圧力センサの一般的
な構成が示されており、この半導体圧力センサ
は、Ｎ形シリコン基板１０と台座１２とを含み、
基板１０はその裏面側からエツチングが行われ厚
さ20〜50μｍ程度のダイアフラム１４がその中央
部に形成されている。そして、この基板１０は、
裏面の肉厚部にて台座１２と接着固定され、両者
の間に圧力基準室１６が形成されている。

またこのＮ型シリコン基板１０のダイアフラム
１４表面側には、Ｐ型抵抗領域からなる歪みゲー
ジ１８が拡散あるいはイオン注入によつて形成さ
れており、更にこの基板１０の表面には酸化シリ
コン等からなる絶縁膜２０及び電極２２が形成さ
れている。

以上の構成とすることにより、この半導体圧力
センサによれば、測定圧力に比例してダイアフラ
ム１４がたわみ、このたわみをダイアフラム１４
上に設けられた歪みゲージ１８の抵抗変化として
検出し、圧力測定を行うことができる。

なお、この半導体圧力センサを用いてこの絶対
圧力を測定する場合には、基板１０と台座１２と
の間に設けられた圧力基準室１６内を真空に形成
すればよい。

このようにすることにより、ダイアフラム１４
はその表面側に加えられた絶対圧力に比例して撓
み、絶対圧力は歪みゲージ１２の抵抗変化となつ
て電気的に測定されることになる。

また、この半導体圧力センサを用いて差圧を測
定する場合には、台座１２に圧力基準室１６と連
通する圧力導入口２４を設け、ダイアフラム１４
がその表面側及び裏面側に印加される圧力の差圧
に応じてたわむよう形成すれば良い。このように
することにより、前記絶対圧タイプのセンサと同
様にして、差圧を測定することができる。

ところで、このような従来の圧力センサでは、
前述したように、シリコン基板１０をその裏面側
からエツチングすることによりダイアフラム１４
及び圧力基準室１６を形成している。このような
基板１０のエツチングには水酸化カリウム
（KOH）水溶液等を用いた異方性エツチングが広
く用いられている。

これは、エツチングの際に（111）面のエツチ
ング速度が極めて遅いため、（100）、（110）面の
シリコン基板を使用して基板１０の裏面に窒化シ
リコン（Si₃N₄）などのエツチングマスクを形成
することにより、横方向へのエツチングが（111
面）で停止するまで、結晶方位で決定される規則
正しい傾斜角θをもつた先細り形状で縦方向のエ
ツチングが進行し、第１２図に示すようなダイア
フラム１４及び圧力基準室１６を形成することが
できるからである。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、この従来の半導体圧力センサは以下に
詳述するいくつかの解決すべき問題点を有してお
り、その有効な対策が望まれていた。

(イ) まず、このような従来の半導体圧力センサ
は、シリコン基板１０の表面側及び裏面側の両
面をウエハ処理することが必要であるため、そ
の製造工程が極めて複雑なものとなるという問
題があつた。

すなわち、この圧力センサは、基板１０の表
面側に歪みゲージ１８、絶縁膜２０及び電極２
２を形成し、また基板１０の裏面側にはダイア
フラムを形成用にエツチングマスク及び異方性
エツチングをほどこす必要がある。

このような基板１０両面のウエハ処理は、フ
オトエツチング技術を用い各工程毎に位置合せ
しながら行う必要があり、このため各製造工程
は、両面アライメント装置を用いた複雑な工程
となることが避けられない。

また、このように両面アライメント装置を用
いても、歪みゲージ１８とダイアフラム１４の
周縁部の位置合せにある程度の誤差が発生して
しまい、この誤差がセンサ感度のバラツキの原
因となつていた。

一般に、このような両面アライメント誤差
は、300μｍのシリコン基板を用いたときに5μ
ｍ程度見こまれる。しかもこのアライメント誤
差はシリコン基板の厚さが増大するに従つて大
きくなり、特に厚い大口径シリコンウエハを用
いる場合には、センサの特性が大きくバラつ
き、量産が極めて困難となるという問題があつ
た。

(ロ) また、このような従来の半導体圧力センサで
は、ダイアフラム１４の膜厚を薄く形成するこ
とが困難であるという問題があつた。

すなわち、従来の半導体圧力センサでは、所
望の厚さのダイアフラム１４を形成するため、
周知のように、シリコン基板１０の深さ方向の
エツチング速度に基づいて計算したエツチング
時間でエツチングを停止する方法を用いてい
る。

しかし、エツチング速度はウエハの表面状態
やウエハの枚数によつて変化し、更に基板１０
の厚さ自体にも一定のバラつき範囲でバラつき
がある。このため、このようなエツチング処理
によつて形成されるダイアフラム１４は、その
膜厚に一定の範囲でバラつきが発生することが
避けられない。

一般に、このような方法で例えば20〜50μｍ
程度の厚さのダイアフラム１４を形成する場合
には、約2μｍ程度の誤差を見込む必要がある。

ところで、半導体圧力センサの感度は、周知
のようにダイアフラムの厚さの２乗に反比例し
ており、従つて、圧力センサの感度はダイアフ
ラムの厚さの誤差に敏感に反応してバラつく。

このことから、従来の半導体圧力センサで
は、ダイアフラム１４の膜厚を5μｍ程度にし
か薄く形成することができず、高感度のセンサ
を得ることができないという問題があつた。

(ハ) また、従来の半導体圧力センサでは、ダイア
フラム１４の寸法を小さく形成することが困難
であるという問題があつた。

すなわち、ダイアフラム１４の寸法は、シリ
コン基板１０の裏面に設けるエツチングマスク
の寸法、シリコン基板１０それ自身の厚さ及び
シリコン基板１０をエツチングする際の縦方向
のエツチング量等で決定される。

従来のように、ダイアフラム１４を異方性エ
ツチングにより形成する場合に、このエツチン
グは、結晶方位で決定される規則正しい傾斜角
θに従いエツチングマスクの開口周縁より内側
に向つて先細りの形状で進行する。そして最終
的には周囲を（111）面で囲まれた円推台形状
とした圧力基準室１６を形成することになる。

このようなエツチングの結果形成されたダイ
アフラム１４の寸法は、エツチングマスクの開
口寸法とシリコン基板１０の縦方向のエツチン
グ量で決定されることとなる。

しかし、エツチング開始時におけるシリコン
基板１０の厚さには所定幅のバラつきを見込む
必要があるため、所望の厚さのダイアフラム１
４を作成しようとする場合には、縦方向のエツ
チング量を基板１０の厚さのバラつき分だけ増
減補正してやることが必要となる。

このように、従来のセンサでは、基板１０の
縦方向のエツチング量が一定の範囲でバラつく
ことが避けられず、その結果形成されるダイア
フラム１４の仕上り寸法も縦方向エツチング量
のバラつき分に対応して一定の範囲でバラつき
を持つこととなる。

ここにおいて、シリコン基板１０の厚さのバ
ラつきをΔtとすると、ダイアフラム寸法のバ
ラつきは2Δt／tanθで表されることとなる。

従つて、例えば（100）面のシリコン基板１
０を用い、（100）方向に辺を有する矩形のダイ
アフラムを形成する場合を想定すると、傾斜角
θは約55度となり、また、シリコン基板１０の
厚さのバラつき分は一般に10μｍ程度見込む必
要があることから、最終的には形成されるダイ
アフラム１４の寸法は約14μｍ程度のバラつき
をもつこととなる。

このように、従来の半導体圧力センサでは、
エツチングにより形成されるダイアフラム１４
の寸法は所定幅のバラつきをもつこことなり、
この結果ダイアフラム１４の周縁と歪みゲージ
１８との相対的な位置が変動して歪みゲージ１
８に作用する歪み量が変化してしまい、センサ
自体の感度がバラつくという問題があつた。

特に、このような従来の半導体圧力センサで
は、ダイアフラム１４の寸法を小さくすればす
る程その寸法のバラつく割合いが大きくなるた
め、ダイアフラム１４の寸法は、直径あるいは
一辺あたりの長さが500μｍ程度にしか小さく
形成することができず、これ以上小さいダイア
フラム１４を有するセンサを形成することはで
きないという問題があつた。

(ニ) さらに、このような従来の半導体圧力センサ
では、圧力基準室１６を形成するために、シリ
コン基板と台座１２とを気密状態に接着するこ
とが必要となる。

すなわち、このような従来のセンサを用いて
絶対圧を測定する場合には、基板１０と台座１
２とを密着して形成した空洞を圧力基準室１６
として用い、この圧力基準室１６内を真空に保
つ必要がある。

しかし、基板１０と台座１２との接着には、
陽極接合やガラス接合等の高度な気密接着技術
を必要とし、さらにこの気密接着部にたとえわ
ずかでも洩れが存在すると、この洩れが圧力セ
ンサの出力特性の経時変化となつて現れるとい
う問題があつた。

特に、高精度の圧力測定を行うセンサにおい
ては、この気密接着技術が極めて重要なポイン
トとなり、これがセンサを量産化する上での妨
げとなつていた。

以上説明したように、この従来の半導体圧力セ
ンサは、前記(イ)〜(ニ)の各問題点を有するため、そ
の測定精度の向上及び小形化を図ることができ
ず、しかも、その製造方法が複雑であることか
ら、量産性を図り低価格化を実現することができ
ないという問題があつた。

この結果、このような従来の半導体圧力センサ
は優れた性能を有するにもかかわらず、広く利用
されるに至つておらず、その有効な対策が望まれ
ていた。

［発明の目的］ 本発明は、このような従来の課題に鑑みなされ
たものであり、その目的は、小形化、量産化が容
易でかつ高精度の半導体圧力センサの製造方法を
提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 半導体圧力センサ 前記目的を達成するため、本発明の方法により
製造された半導体圧力センサは、 半導体基板と、 その半導体基板の主表面の受圧領域に沿つて被
覆され等方性エツチング特性を有するよう形成さ
れた消失膜と、 この消失膜を覆うよう半導体基板の主表面上に
被覆され、耐エツチング材料を用いて形成された
絶縁性ダイアフラム膜と、 このダイアフラム膜を貫通して消失膜を到達す
るよう形成された少なくとも１個のエツチング液
注入口と、 エツチング液注入口を介して前記半導体基板の
一部の消失膜とをエツチング除去することにより
形成された圧力基準室と、 ダイアフラム膜上の受圧領域所定位置に設けら
れた少なくとも１個の歪みゲージと、 を含み、 前記歪みゲージの出力信号に基づき圧力検出を
行うことを特徴とする。

以下に本発明の方法により製造された半導体圧
力センサを更に具体的に説明する。

第１図には本発明の方法により製造された半導
体圧力センサの基本的な構造を表わす平面説明図
が示されており、第２図はその断面説明図が示さ
れている。

本発明の方法により製造された半導体圧力セン
サは、半導体基板２８の主表面受圧領域に、所定
の平面形状をした等方性エツチング特性を有する
消失膜３０が被覆形成されている。

そして、半導体基板２８の主表面には、その全
域にわたりこの消失膜３０を覆うよう耐エツチン
グ材料から成る絶縁性ダイアフラム膜３２が被覆
形成されており、このダイアフラム膜３２の受圧
領域所定位置に少なくとも１個の歪ゲージ３４が
設けられている。

本発明においては、このダイアフラム膜３２及
び歪ゲージ３４を、更に耐エツチング性を有する
材料から成る絶縁性保護膜３６によつて被覆する
ように形成することが好ましい。

そして、センサの受圧領域所定位置には、前記
絶縁性保護膜３６、ダイアフラム膜３２を貫通し
て、消失膜３０に到達する少なくとも１個のエツ
チング液注入口４０が開口形成されており、この
エツチング液注入口４０を介して基板２８の一部
と消失膜３０の全てがエツチング除去され、これ
により、基板２８とダイアフラム膜３２とにより
囲まれた圧力基準室４２が形成されている。

ここにおいて、前記エツチング液注入口４０
は、必要に応じてその全部又は一部が封止部材４
４により封止されている。

また、本発明の方法により製造された半導体圧
力センサにおいて、前述したように、歪みゲージ
３４の表面に絶縁性保護膜３６を被覆形成した場
合には、その絶縁性保護膜３６の前記ゲージ３４
両端に接続孔４６を形成し、その接続孔４６を介
して歪みゲージ３４の両端に接続される複数の電
極３８を形成することが好ましい。

本発明の方法により製造された半導体圧力セン
サは以上の構成からなり、次にこのセンサを用い
絶対圧を測定する場合と差圧を測定する場合を説
明する。

なお、本発明の方法により製造された半導体圧
力センサでは、圧力基準室４２の上面側に位置す
るダイアフラム膜３２が可動ダイアフラム１００
として機能し、またこのダイアフラム膜３２以外
に前述したように絶縁性保護膜３６を設けた場合
には、このダイアフラム膜３２と絶縁性保護膜３
６からなる積層膜が可動ダイアフラム１００とし
て機能することになる。

まず、本発明の方法により製造された圧力セン
サを、絶対圧測定タイプのセンサとして用いる場
合には、圧力基準室４２を真空状態に保つたま
ま、すべてのエツチング液注入口４０を封止部材
４４により密封する。このようにすることによ
り、圧力が印加されると可動ダイアフラム１００
は印加された絶対圧力に比例して歪み、この歪み
によつて受圧領域に設けられた歪みゲージ３４の
抵抗が変化する。

例えばダイアフラム膜３２の受圧領域中央に１
組の歪みゲージ３４−２，３４−４を配置し、又
受圧領域の周辺に他の１組の歪みゲージ３４−
１，３４−３を配置すると、これら各組の歪みゲ
ージに加わる歪みは一方が圧縮力、他方が伸長力
となり、この結果１組の歪みゲージの抵抗が増加
する場合には、他方の組の歪みゲージの抵抗が減
少することとなる。

従つて、これら２組の歪みゲージ３４−１，３
４−２，３４−３，３４−４を抵抗変化が加算さ
れるよう電極３８−１，３８−２，３８−３，３
８−４を介してブリツジ接続し、対向する一対の
電極に電源を接続すれば、他の一対の電極から
は、可動ダイアフラム１００に加わる絶対圧力に
比例した電圧を出力することが可能となる。

このようにして、本発明の方法により製造され
た半導体圧力センサによれば、絶対圧力を正確に
測定することが可能となる。

また、本発明の方法により製造された半導体圧
力センサを、差圧測定用のセンサとして使用する
場合には、例えば第３図、第４図に示すように、
可動ダイアフラム１００を長方形状に形成し、こ
の可動ダイアフラムを長手方向に２等分する。そ
して、その一方の領域に少なくとも１個の歪ゲー
ジ３４を配置し、他方の領域にエツチング液注入
口４０を配置し、このエツチング液注入口４０に
比較する圧力を導入する圧力導入手段を設ければ
よい。

また、これ以外にも、本発明の方法により製造
された半導体圧力センサを、差圧測定型のセンサ
として使用する場合には、エツチング液注入口４
０を複数個設け、その一部を封止部材４４を用い
て密封し、残りを開口するよう形成する。そし
て、開口されたエツチング液注入口４０に圧力基
準室４２へ向け比較する圧力を導入する圧力導入
手段を設ければ良い。

このようにすることにより、可動ダイアフラム
１００の表面側及び裏面側に印加される圧力の差
圧を前記絶対圧タイプのセンサと同様に歪みゲー
ジ３４の抵抗変化として正確に測定することが可
能となる。

製造方法 次に本発明にかかる半導体圧力センサの製造方
法を説明する。

本発明の製造方法は、 半導体基板の主表面受圧領域に等方性エツチン
グ特性を有する消失膜を被覆形成する消失膜形成
工程と、 耐エツチング材料から成る絶縁性ダイアフラム
膜を前記消失膜を覆うよう半導体基板の主表面上
に被覆形成するダイアフラム膜形成工程と、 このダイアフラム膜の受圧領域所定位置に少な
くとも１個の歪みゲージを形成する歪みゲージ形
成工程と、 耐エツチング材料から成る絶縁性保護膜を前記
歪みゲージを覆うようダイアフラム膜上に被覆形
成する保護膜形成工程と、 受圧領域所定位置に前記絶縁性保護膜、ダイア
フラム膜を貫通して消失膜に到達する少なくとも
１個のエツチング液注入口を形成する注入口形成
工程と、 このエツチング液注入口を介して異方性エツチ
ング液を注入して、半導体基板の一部と消失膜の
全てをエツチング除去し、所定形状をした圧力基
準室とこれを覆う可動ダイアフラムとを形成する
基準室形成工程と、 必要に応じてエツチング液注入口の少なくとも
１つを封止部材を用いて密封する注入口封止工程
と、 絶縁性保護膜の歪みゲージ両端位置に接続孔を
形成する接続孔形成工程と、 この接続孔を介して歪みゲージに接続される電
極を形成する電極形成工程と、 を含み、全処理工程を歪みゲージが設けられる半
導体基板の主表面側においてのみ行うことを特徴
とする。

以下に本発明の製造方法を更に具体的に説明す
る。

本発明の方法によれば、まず半導体基板２８の
主表面受圧領域に等方性エツチング特性を有する
消失膜３０を被覆形成する。

ここにおいて、この消失膜形成工程は、まず半
導体基板２８の主表面全域に等方性エツチング特
性を有する消失膜３０を被覆形成しておき、次に
この消失膜３０を、受圧領域に相当する部分だけ
残し不要部分を除去するよう加工することが好ま
しい。

またこれ以外にも、この消失膜形成工程は、ま
ず半導体基板２８の主表面上に耐エツチング性の
材料からなる絶縁膜を被覆しておき、次にこの絶
縁膜の受圧領域に開口を形成し、この開口部分を
消失膜３０により被覆するように行つてもよい。

このようにして所定形状にした消失膜３０を被
覆形成したのち、次にこの消失膜３０及び半導体
基板２８の主表面上に耐エツチング材料からなる
絶縁性ダイアフラム膜３２を被覆形成する。そし
て、このダイアフラム膜３２の受圧領域所定位置
に少なくとも１個の歪みゲージ３４を設け、更に
この歪みゲージ３４及びダイアフラム膜３２上に
耐エツチング性の材料からなる絶縁性保護膜３６
を被覆形成する。

このようにして、消失膜３０、ダイアフラム膜
３２及び絶縁性保護膜３６を被覆形成したのち、
受圧領域所定位置にて、これら絶縁性保護膜３
６、ダイアフラム膜３２を貫通して消失膜３０に
到達する少なくとも１個のエツチング液注入口４
０を形成する。

本発明の特徴的事項は、このようにして形成さ
れたエツチング液注入口４０を介して異方性エツ
チング液を注入することにより、半導体基板２８
の一部及び消失膜３０の全てのエツチング除去
し、圧力基準室４２及びこれを覆う可動ダイアフ
ラム１００を形成することにあり、以下にその工
程を詳細に説明する。

第１０図には各部材のエツチング特性が示され
ており、特性曲線Ａは消失膜３０として多結晶シ
リコン膜を用いた場合の横方向エツチング特性を
現し、特性曲線Ｂは半導体基板２８として単結晶
シリコン基板を用いた場合の縦方向エツチング特
性を現し、特性曲線Ｃは絶縁性ダイアフラム膜３
２として窒化シリコン膜を用いた場合におけるダ
イアフラム膜と単結晶シリコン基板２８との界面
エツチング特性を表している。

また、第１１図は、エツチング液注入口４０を
介して異方性エツチング液を注入した際における
エツチングの進行状態を表わし、ａは異方性エツ
チング前の状態を表し、ｂはエツチング開始初期
の状態を表し、Ｃはエツチングが進んだ中間状態
を表わし、ｄはエツチング終了状態をそれぞれ表
わしている。

まず、エツチング液注入口４０から異方性エツ
チング液を注入すると、消失膜３０は第１１図ａ
に示す状態からｂ，ｃに示す状態への等方性のエ
ツチングが進行していく。そして、この消失膜３
０はその中央部から順に消失して開口部を広げて
いき、この開口面積は第１０図に示す特性曲線Ａ
に従い時間とともに横方向に広がつていく。

また、このような消失膜３０の消失により露出
した単結晶シリコン基板２８では、消失膜３０の
開口面積に従つて異方性エツチングが進行し、第
１０図に示す特性曲線Ｂに従つて縦方向にエツチ
ングが行われる。

ここにおいて、仮に消失膜３０の開口面積が一
定であるとすると、単結晶シリコン基板２８のエ
ツチング深さは（111）面が左右の傾斜面と交叉
した深さで停止してしまうが、本発明において
は、消失膜３０の開口面積が時間とともに連続的
に拡大していくため、これに追従して第１１図ｃ
に示すごとく単結晶シリコン基板２８の縦方向に
向けたエツチングも進行することとなる。

そして、第１１図ｄに示すごとく、消失膜３０
が全てエツチング除去されると、横方向へ向けた
エツチング特性は、第１０図に示す消失膜３０の
特性曲線Ａから、単結晶シリコン基板２８とダイ
アフラム膜３２の界面の特性曲線Ｃへと切替わ
り、横方向に向けたエツチング速度は数十分の１
に低下する。

この結果、第１１図ｄに示す状態にエツチング
が到達すると、横方向に向けた開口面積はほとん
ど広がらず、単結晶シリコン基板２８のエツチン
グ深さは同図に示すようにその傾斜面が（111）
面で交叉した深さでほとんど停止してしまう。

すなわち、本発明においては、消失膜３０の形
状により半導体基板２８の加工寸法が決定され、
これ以上エツチングを続けてもこの形状はほとん
ど変化することはない。

ところで、上述した説明では半導体基板２８の
深さ方向のエツチングがほとんど停止するまでエ
ツチングを続けた場合を説明したが、本発明にお
いては、圧力基準室４２の空洞の形状は本質的に
重要ではなく、要は可動ダイヤフラム１００が圧
力によつてたわむときそのたわみを阻止すること
がない充分な間〓が得られればよい。例えば消失
膜３０の全てがエツチング除去され、半導体基板
２８が全くエツチングされていない場合において
も、圧力基準室４２は形成されており、何等本発
明の効果は変ることはない。

このようにして、本発明によれば基板２８とダ
イアフラム膜３２との間に、消失膜３０の寸法に
従つた大きさの圧力基準室４２を形成することが
可能となる。

この際、本発明によれば、圧力基準室４２の上
面側に位置するダイアフラム膜３２は、耐エツチ
ング性の材料を用いて形成されるため、ほとんど
エツチング除去されることはない。この結果、ダ
イアフラム膜３２と絶縁性保護膜３６との積層膜
は、圧力基準室４２に対する可動ダイアフラム１
００として機能することとなる。

本発明において、この可動ダイアフラム１００
の形状は、前述したように、消失膜３０の形状と
ほぼ一致し、従つて、消失膜３０の形状を予め設
定することにより、従来のように基板２８の厚さ
のばらつきに影響されることなく、ダイアフラム
１００を十分小さく、しかも所望の形状に精度良
く形成することが可能となる。

更に、本発明によれば可動ダイアフラム１００
の膜厚は、ダイアフラム膜３２と絶縁性保護膜３
６との双方の膜厚を合計した値となるため、周知
の膜厚形成技術を用い、ダイアフラム１００の膜
厚を予め設定した所望の値に薄くかつ精度良く形
成することが可能となる。

このように、本発明によれば、ダイアフラムの
寸法、形状及び膜厚を予め設定した形状及び値に
従い、十分に小さくかつ精度良く設定することが
可能となり、その結果、小型でかつ高精度の圧力
センサを得ることが可能となる。

また、本発明の方法によれば、このようにして
圧力基準室４２及び可動ダイアフラム１００を形
成した後、必要に応じこの圧力基準室４２を作成
するために設けられたエツチング液注入口４０を
封止部材４４を用いて密封する。

この時、本発明のセンサを絶対圧測定型として
形成する場合には、圧力基準室４２内を真空に保
つたまま封止部材４４を用いてエツチング液注入
口４０の全てを密封する。

またこれとは逆に、本発明のセンサを差圧測定
型として形成する場合には、エツチング液注入口
４０に圧力基準室４２へ向け第２の圧力を導入す
る圧力導入手段を設ける。

このようにすることにより、ダイアフラム１０
０の表面側に印加される第１の圧力と裏面側に印
加される第２の圧力との差圧を歪みゲージ３４の
抵抗変化として測定することが可能となる。

また、本発明においては歪みゲージ３４の表面
を絶縁性保護膜３６により被覆しているため、こ
の歪みゲージ３４から信号を取出す電極を設ける
必要がある。このため絶縁性保護膜３６の歪みゲ
ージ両端位置に接続口４６を形成し、この接続口
４６を介して歪みゲージ３４に接続される電極３
８を形成すればよい。

このようにすることにより、歪みゲージ３４の
抵抗変化を電極３８を介して検出することが可能
となる。

従来例との比較 本発明の半導体圧力センサの製造方法は以上の
構成からなり、次にその特徴を従来例と比較して
具体的に説明する。

(a) 本発明によれば、製造処理工程の全ての半導
体基板２８の主表面側でのみ行う、いわゆる片
面処理によつてセンサを形成することが可能と
なる。

すなわち、本発明によれば、基板２８の主表
面側において、ダイアフラム１００を周知の薄
膜形成技術をもつて形成し、また圧力基準室４
２は基板２８の主表面側に形成されたエツチン
グ液注入口４０からエツチング液を注入するこ
とにより形成し、更に、圧力基準室４２の気密
封止は真空蒸着等の集積回路製造技術で行うこ
とができる。このように、全てのウエハ処理工
程を基板３０の主表面側においてのみ行い、い
わゆる片面処理でセンサを形成することが可能
となる。

この結果、本発明によれば、従来の両面処理
のセンサに比しその製造工程が極めて簡単かつ
安価なものとなる。

(b) また、本発明によれば、周知の薄膜形成技術
を用いることにより、ダイアフラム１００の膜
厚を予め決定した値に薄くかつ精度良く形成す
ることが可能となる。

更に、本発明によれば、ダイアフラム１００
の大きさを半導体基板２８の厚さのバラつきに
無関係に、予め設定した平面寸法で極めて小さ
くかつ精度良く形成することができる。

このように、本発明によれば、従来のセンサ
に比し、ダイアフラムをあらかじめ設定した膜
厚、寸法に小さくかつ精度良く形成することが
可能となり、小型でかつ高感度のセンサを得る
ことが可能となる。

(c) また、本発明によれば、圧力基準室４２をダ
イアフラム膜３２と基板２８との間に形成して
いるため、絶対圧タイプのセンサを形成する
際、圧力基準室４２の気密封止を真空蒸着等の
集積回路製造技術により簡単かつ確実に行うこ
とができる。この結果、本発明によれば、従
来、センサを量産化する上でのさまたげとなつ
ていた基板２８と台座との気密接着が不要とな
り、センサの製造を大幅に簡素化することが可
能となる。

(d) また、本発明によれば、ダイアフラム膜３２
上に設けられた歪みゲージ３４を、絶縁性保護
膜３６で被覆することにより、歪みゲージ３４
を複数個設けた場合には、各歪みゲージ３４が
それぞれ分離され、いわゆるＰ−Ｎ接合分離の
ような温度上昇に伴なう洩れ電流が増加するこ
とがなく、高温域まで安定に動作することが可
能となる。

(e) 更に、本発明によれば、半導体圧力センサ自
体を集積させて製造することが可能となる。

すなわち、本発明によれば、前述したよう
に、全製造処理工程をほぼ片面処理により行う
ことが可能であり、しかもダイアフラム１００
を非常に薄くかつ小型に形成することができる
ため、圧力センサ自体を集積回路を構成する１
つの素子要素として扱い設計することが容易と
なり、しかも、センサ自体を集積回路製造技術
とほぼ同様の製造技術を用いて形成することが
できることから、圧力センサを所定の信号処理
回路、例えば増幅器等と同一基板２８上に集積
させて形成することが可能となる。

実験によれば、本発明のダイアフラムは、従
来の半導体圧力センサのダイアフラムに比し、
その寸法を略1/10以下に形成可能であることが
確認されている。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、ダイア
フラムを薄く小さく形成することができるため、
小型かつ高精度の半導体圧力センサを得ることが
可能となり、しかもセンサの製造をいわゆる片面
処理で行うことができることから、量産が極めて
容易でかつ低価格のセンサを得ることが可能であ
る。

［実施例］ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明
する。

第１実施例 まず本発明の好適な第１実施例を第１図及び第
２図に基づき説明する。

本実施例の半導体圧力センサにおいて、半導体
基板２８は単結晶シリコン基板を用いて形成され
ており、この単結晶シリコン基板２８の受圧領域
に消失膜３０が被覆形成されている。

実施例において、この消失膜３０は、単結晶シ
リコン基板２８の主表面全面に多結晶シリコンを
減圧CVDを用い膜厚100nｍに被覆し、これをフ
オトエツチングを用い受圧領域に相当する形状寸
法に加工することにより形成されている。

このように、単結晶シリコン基板２８の受圧領
域に消失膜３０が被覆形成されると、次にこの主
表面上には、その全域に渡りダイアフラム膜３２
として窒化シリコン（Si₃N₄）が膜厚300nｍに被
覆形成される。

そして、このダイアフラム膜３２の表面所定位
置には、歪ゲージ３４−１，３４−２，３４−
３，３４−４が設けられており、実施例において
この歪ゲージ３４は、ダイアフラム膜３２の表面
に減圧CVDで多結晶シリコンを膜厚100nｍに被
覆し、更にこの多結晶シリコンに不純物としてボ
ロンを熱拡散あるいはイオン注入法を用いて添
加、拡散してＰ型半導体を形成し、その後これを
フオトエツチングによつて部分的に除去すること
により形成される。

更に、この歪ゲージ３４及びダイアフラム膜３
２の全表面上には、減圧CVDを用い、絶縁性保
護膜３６として窒化シリコンが100nｍの膜厚に
被覆形成される。

このようにして、基板２８の主表面側に消失膜
３０、ダイアフラム膜３２及び絶縁性保護膜３６
が被覆形成されると、次に受圧領域の所定位置に
おいて、前記絶縁性保護膜３６、ダイアフラム膜
３２を貫通して消失膜３０に到達する直径2μｍ
のエツチング液注入口４０がフオトエツチングを
用い開口形成され、このエツチング液注入口４０
を介して基板２８へ向け異方性エツチング液が注
入される。

実施例においては、前記異方性エツチング液と
して水酸化カリウム（KOH）水溶液が用いられ
ており、前記エツチング液注入口４０からこのエ
ツチング液を注入すると注入口４０を中心として
エツチングが進行する。

すなわち、エツチング液注入口４０からエツチ
ング液を注入すると、第１１図ｂ，ｃに示すごと
く消失膜３０は所定速度で横方向にエツチング除
去され、これと同時にシリコン基板２８は同図に
示すごとく縦方向に所定深さまでエツチング除去
され、圧力基準室４２となる空洞が形成される。

このとき、圧力基準室４２の上面側に位置する
ダイアフラム膜３２及び絶縁性保護膜３６は、耐
エツチング材料、すなわち窒化シリコンを用いて
形成されているため、ほとんどエツチング除去さ
れることがなく、従つてダイアフラム膜３２と絶
縁性保護膜３６からなる積層膜の受圧領域、すな
わち消失膜３０の設けられた領域が、圧力基準室
４２に対する可動ダイアフラム１００として機能
することになる。

なお、ここにおいて、各歪ゲージ３４はダイア
フラム膜３２と絶縁性保護膜３６とによりサンド
イツチ状に被覆されているため、前記エツチング
液より何等影響を受けることがない。

本実施例においては、このようにして圧力基準
室４２及び可動ダイアフラム１００が形成される
と、次に真空蒸着あるいはスパツタリングにより
金属あるいは絶縁物が、絶縁性保護膜３６上にエ
ツチング液注入口４０を密封封止できる程度の厚
さに堆積される。そして、その後フオトエツチン
グで不要部分が除去され封止部材４４が形成され
る。

このようにすることにより、圧力基準室４２は
その内部が真空状態に保たれたまま密封封止され
ることになる。

その後、絶縁性保護膜３６の歪ゲージ両端位置
をフオトエツチングにより除去して接続孔４６を
形成し、ここにアルミニウム蒸着膜を被覆しこれ
をフオトエツチングにより適当な形状にすること
により電極３８を形成する。

以上の構成とすることにより、本実施例の半導
体圧力センサは、ダイアフラム１００の表面側よ
り印加された絶対圧力を歪ゲージ３４の抵抗変化
として検出し、電極３８を介して絶対圧力に比例
した信号を得ることができる。

本実施例においては、ダイアフラム１００の直
径及び膜厚をそれぞれ50μｍ、0.5μｍ程度まで精
度良く小さく形成することができ、しかも
100KPaの圧力に対して２ｍＶ／Ｖ以上の優れた
出力感度を有することが実験により確認された。
このことから、この第１実施例によれば、ダイア
フラムの膜厚及び寸法を十分に小さく精度良く形
成し、小型でかつ高感度の半導体圧力センサを実
現可能であることが理解できる。

第２実施例 次に本発明の好適な第２実施例を、差圧測定型
のセンサを例に取り説明する。

なお、前記第１実施例と対応する部材には同一
符号を付しその説明は省略する。

第３図には第２実施例のセンサを示す平面説明
図が示されており、第４図にはその断面の概略説
明図が示されている。

実施例のセンサは、単結晶シリコン基板２８の
表面に長方形状をした多結晶シリコンを消失膜３
０として被覆形成し、その後前記第１実施例と同
様に、ダイアフラム膜３２、歪ゲージ３４、絶縁
性保護膜及びエツチング液注入口４０を設ける。

ここにおいてエツチング液注入口４０から、水
酸化カリウム（KOH）水溶液から成る異方性エ
ツチング液を注入すると、第３及び第４図に示す
ごとく、消失膜３０の形状に従い長方形状をした
空洞から成る圧力基準室４２と可動ダイアフラム
１００が形成される。

本実施例の特徴的事項は、長方形ダイアフラム
１００の片側領域に歪ゲージ３４を形成し、他方
の片側領域にエツチング液注入口４０を形成した
ことにある。そして、この可動ダイアフラム１０
０の他方の片側領域に、前記エツチング液注入口
４０へ連通する圧力導入キヤツプ５２を設け、圧
力基準室４２内へ第２の圧力を印加する。

このようにすることにより、本実施例の半導体
圧力センサによれば、ダイアフラム１００の表面
及び裏面に第１の圧力Ｐ１及び第２の圧力Ｐ２が
印加され、可動ダイアフラム１００には両者の差
圧に比例した歪が発生し、この結果歪ゲージ３４
からはこの差圧に比例した電気信号を得ることが
可能となる。

なお、第３図及び第４図においては理解を容易
にするために、絶縁性保護膜３６、接続孔４６及
び電極３８の説明は省略してあるが、これら各部
材は前記第１実施例と同様に本実施例においても
設けられている。

第３実施例 次に本発明の好適な第３実施例を図面に基づき
説明する。

第５図にはこの第３実施例に係る半導体圧力セ
ンサの平面外観図が示されており、第６図にはそ
の−断面の概略説明図が示されている。な
お、前記各実施例と対応する部材には同一符号を
付しその説明は省略する。

本実施例の半導体圧力センサにおいて、半導体
基板２８は（100）面を有するシリコン単結晶基
板を用いて形成されており、このシリコン単結晶
基板２８の主表面受圧領域には消失膜３０が所定
形状に被覆形成されている。

本実施例の特徴的事項は、この消失膜３０を次
の手順に従つて被覆形成したことにある。

すなわち、まず基板２８の主表面全域に窒化シ
リコン（Si₃N₄）からなる絶縁膜５４を減圧CVD
を用い厚さ100nｍに被覆形成し、次にフオトエ
ツチングを用いこの絶縁膜５４の受圧領域に相当
する部分に正方形状の開口５６を形成する。そし
て、その開口５６を覆うように絶縁膜５４上に所
定形状をした消失膜３０を減圧CVDを用い厚さ
100nｍに被覆形成する。

実施例において、この消失膜３０の形状は、第
５図に示すごとく絶縁膜５４の開口周縁部を覆う
ようほぼ正方形状に形成されており、しかも正方
形の４つの角にはその外側に向けそれぞれ突出し
た領域58を有するよう形成されている。

また、この消失膜３０及びシリコン単結晶基板
２８の主表面全域にはダイアフラム膜３２として
窒化シリコンが減圧CVDを用い膜厚200nｍに被
覆形成されている。

そして、このダイアフラム膜３２の受圧領域所
定位置に、前記第１実施例と同様に歪ゲージ３４
−１，３４−２，３４−３，３４−４が減圧
CVD及びフオトエツチングを用いて形成され、
更にこのようにして形成された歪ゲージ３４及び
ダイアフラ膜３２の全表面上には、絶縁性保護膜
３６として窒化シリコンが減圧CVDを用いて膜
厚200nｍに被覆形成されている。

そして、第５図に示すごとく、４か所の突出領
域58においては、絶縁性保護膜３６、ダイアフラ
ム膜３２を貫通しシリコン消失膜３０に到達する
４個のエツチング液注入口４０を開口形成され、
このエツチング液注入口４０を介して基板２８へ
向け水酸化カリウム（KOH）水溶液から成る異
方性エツチング液が注入される。

このようにすることにより、本実施例において
は、消失膜３０の全てと基板２８の一部とがエツ
チング除去され、前述したように圧力基準室４２
と可動ダイアフラム１００が形成される。

その後、絶縁性保護膜３６の歪ゲージ両端位置
に、接続孔４６を設け、この接続孔４６を介して
電極３８を形成する。

また、その後、絶縁性保護膜３６の表面全域
に、プラズマCVDを用い窒化シリコン６０を
500nｍの膜厚に被覆形成する。このようにする
ことにより、この窒化シリコン膜６０は、各エツ
チング液注入口４０の封止部材４４として機能
し、更にセンサ表面のパツシベーシヨンを兼ねる
ことになる。

本実施例においては、正方形状をした可動ダイ
アフラム１００の一辺の寸法を100μｍ、膜厚を
0.9μｍ程度まで小型化することができ、更に
100KPaの圧力に対し３ｍＶ／Ｖ以上の優れた出
力感度を有することが実験により確認された。

このように、この第３実施例によつても、ダイ
アフラムの寸法及び膜厚を十分に小さく精度良く
形成し、小型かつ高感度のセンサを実現可能であ
ることが理解できる。

第４実施例 次に本発明の好適な第４実施例を説明する。な
お、前記各実施例に対応する部材には同一符号を
付しその説明は省略する。

第７図には第３実施例に係るセンサの平面図が
示されており、第８図にはその断面概略説明図が
示されている。

本実施例のセンサは、前記第３実施例と同様
に、基板１０の主表面上に絶縁膜５４を被覆形成
し、その一端側に100μｍ角の正方形状をした開
口５６を形成している。

そして、この開口５６上には消失膜３０が被覆
形成され、この消失膜３０及びを絶縁膜５４の表
面全域にはダイアフラム膜３２が被覆形成され、
更にこのダイアフラム膜３２の受圧領域所定位置
には第７図に示すごとく複数の歪みゲージ３４−
１，３４−２，３４−３，３４−４が設けられて
いる。

本実施例の特徴的事項は、歪みゲージ３４−
１，……３４−４の両端に接続される複数の電極
３８を可動ダイアフラム１００を横断し基板２８
の他端側に向け延設している。

そして、このように歪みゲージ３４及び電極３
８が設けられたダイアフラム膜３２の表面全域に
は、絶縁性保護膜３６を被覆形成され、更に前記
第３実施例と同様にして一端側にエツチング液注
入口４０が形成され、このエツチング液注入口４
０からエツチング液を注入することにより、正方
形状した可動ダイアフラム１００及び圧力基準室
４２を形成する。

その後、絶縁性保護膜３６上に前記第３実施例
と同様にして窒化シリコン膜６０が所定の膜厚で
被覆形成され、エツチング液注入口４０を密封す
る封止部材４４として用いられる。

そして、基板１０の他端側において、窒化シリ
コン膜６０に電極３８と連通する接続口４６が形
成され、ここに接続端子３８ａが形成される。

このように、本実施例においては、基板１０の
一端側にダイアフラム１００、他端側に接続端子
３８ａが位置するよう形成されており、電極３８
は前記可動ダイアフラム１００側において露出し
ていないことから、各種液体や生体の圧力測定用
のセンサとして好適である。

実験によれば、本実施例の半導体圧力センサ
は、基板２８の寸法を、150μｍ〜500μｍまで小
さく形成可能であることが確認された。これによ
り、本実施例によれば超小型の半導体圧力センサ
が実現可能であるが理解される。

第５実施例 次に本発明の好適な第５実施例を説明する。

本実施例の特徴的事項は、半導体圧力センサを
集積回路と一体化して形成し、いわゆる集積化さ
れた半導体圧力センサとして用いたことにある。

第９図には、この第５実施例にかかる半導体圧
力センサの平面図が示されており、本実施例にお
いては、シリコン基板２８の所定位置に前記第１
実施例及び第３実施例で説明した本発明の半導体
圧力センサ２００が形成されており、更に、この
シリコン基板２８上に、圧力センサ２００からの
出力の増幅や信号処理を行う集積回路３００と、
センサ２００と集積回路３００とを接続するリー
ド及び外部との接続とを行う複数の電極４００が
形成されている。

このように、本発明によれば、半導体圧力セン
サを集積回路の構成素子要素の１つと見なすこと
ができる程度に小型に形成することができ、また
その製造も、片面処理により行うことが可能であ
り、しかも集積回路と同一の製造処理工程を用い
ることができる。

従つて、本発明は、この第５実施例で示すごと
く、半導体圧力センサを集積回路と一体化して、
いわゆる集積化センサとして製造する場合に極め
て好適なものであることが理解される。

他の実施例 なお、前記各実施例においては、窒化シリコン
からなるダイアフラム膜３２と絶縁性保護膜３６
との積層膜を可動ダイアフラム１００として用い
る場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限
らず、これ以外にも、窒化シリコン膜で上下をサ
ンドイツチ状に挟んだ多層膜も可動ダイアフラム
１００として用いることができ、例えば厚いダイ
アフラム１００を必要とする場合には窒化シリコ
ン膜−多結晶シリコン膜−窒化シリコン膜の３層
膜が好適なものとなる。

更に、前記実施例においては、ダイアフラム膜
３２、絶縁性保護膜３６として、窒化シリコンを
用いる場合を例にとり説明したが、これ以外に
も、例えばアルミナ（Al₂O₃）、サフアイヤ
（Al₂O₃）、フツ化カルシウム（CaF₂）等シリコン
基板３０上に安定に堆積し、シリコンのエツチン
グ速度よりもそのエツチング速度が極めて遅い絶
縁材料であれば他の材料を用いることも可能であ
る。

更に、前記各実施例においては、歪みゲージ３
４として、多結晶シリコンを用いた場合を例にと
り説明しているが、これ以外にも、例えば多結晶
シリコンを再結晶化して単結晶化することによ
り、更に感度の向上を図ることが可能であり、ま
た、これ以外の材料でも、ダイアフラム膜上に安
定に堆積することができ、ピエゾ抵抗効果が充分
発揮できるものであれば、他の材料を用いても形
成することが可能である。

また、前記実施例においては、等方性エツチン
グ特性を有する消失膜３０として、多結晶シリコ
ンを用いた場合を例に取り説明したが、本発明は
これに限らず、これ以外にも半導体基板２８とダ
イアフラム膜３２の界面よりも速い横方向エツチ
ング特性を有するものであれば他の材料を用いて
も形成することが可能であり、例えばリンガラス
等を用いて形成することも可能である。

このように、本発明の半導体圧力センサは、小
型かつ高精度のものとすることができるため、各
種用途に幅広く用いることが可能であり、例えば
気圧計、血圧計、自動車エンジン制御用の圧力セ
ンサ、工業（プラント）用の圧力伝送器、生体計
測用圧力センサ、ロボツト制御用圧力センサ等の
各種用途に用いることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明に係る半導体圧力セ
ンサ及びその製造方法の好適な第１実施例を示す
説明図、第３図及び第４図は本発明の好適な第２
実施例を示す概略説明図、第５図及び第６図は本
発明の好適な第３実施例を示す概略説明図、第７
図及び第８図は本発明の好適な第４実施例を示す
概略説明図、第９図は本発明の好適な第５実施例
を示す説明図、第１０図は本発明に係る半導体圧
力センサ各部におけるエツチング特性を表わす特
性図、第１１図は本発明に係る半導体圧力センサ
の製造方法における基準室形成工程の説明図、第
１２図は従来の半導体圧力センサ及びその製造方
法を示す概略説明図である。 ２８……基板、３０……消失膜、３２……ダイ
アフラム膜、３４……歪みゲージ、３６……絶縁
性保護膜、３８……電極、４０……エツチング液
注入口、４２……圧力基準室、４４……封止部
材、４６……接続孔、５２……圧力導入キヤツ
プ、５４……絶縁膜、５６……開口、１００……
可動ダイアフラム、２００……半導体圧力セン
サ、４００……電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板の主表面受圧領域に等方性エツチ
   ング特性を有する消失膜を被覆形成する消失膜形
   成工程と、 耐エツチング材料から成る絶縁性ダイヤフラム
   膜を前記消失膜を覆うよう半導体基板の主表面上
   に被覆形成するダイアフラム膜形成工程と、 このダイヤフラム膜の受圧領域所定位置に少な
   くとも１個の歪みゲージを形成する歪みゲージ形
   成工程と、 耐エツチング材料から成る絶縁性保護膜を前記
   歪みゲージを覆うようダイヤフラム膜上に被覆形
   成する保護膜形成工程と、 受圧領域所定位置に前記絶縁性保護膜、ダイア
   フラム膜を貫通して消失膜を到達する少なくとも
   １個のエツチング液注入口を形成する注入口形成
   工程と、 このエツチング液注入口を介して異方性エツチ
   ング液を注入して、半導体基板の一部と消失膜の
   全てをエツチング除去し、所定形状をした圧力基
   準室とこれを覆う可動ダイアフラムとを形成する
   基準室形成工程と、 必要に応じてエツチング液注入口の少なくとも
   １つを封止部材を用いて密封する注入口封止工程
   と、 絶縁性保護膜の歪みゲージ両端位置に接続孔を
   形成する接続孔形成工程と、 この接続孔を介して歪みゲージに接続される電
   極を形成する電極形成工程と、 を含み、全処理工程を歪みゲージが設けられる半
   導体基板の主表面側においてのみ行うことを特徴
   とする半導体圧力センサの製造方法。 ２ 特許請求の範囲１記載の方法において、 消失膜形成工程は、半導体基板の主表面上に等
   方性エツチング特性を有する消失膜を被覆形成す
   る工程と、この消失膜を受圧領域に沿つた所定形
   状に加工する工程と、を含むことを特徴とする半
   導体圧力センサの製造方法。 ３ 特許請求の範囲１記載の方法において、消失
   膜形成工程は、半導体基板の主表面上に耐エツチ
   ング材料から成る絶縁膜を被覆する工程と、この
   絶縁膜の受圧領域に相当する部位に所定平面形状
   をした開口を形成する工程と、この開口を覆うよ
   う前記絶縁膜上に所定形状の消失膜を被覆形成す
   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。 ４ 特許請求の範囲３記載の方法において、注入
   口形成工程は、前記絶縁膜に形成された開口の周
   縁部において、前記絶縁性保護膜、ダイアフラム
   膜を貫通して前記絶縁膜上の消失膜に到達する少
   なくとも１個のエツチング液注入口を形成する工
   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。