JPH06163940A

JPH06163940A - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JPH06163940A
Application number: JP31355192A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Hashimoto; 廣和橋本
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1992-11-24
Filing date: 1992-11-24
Publication date: 1994-06-10

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体圧力センサの半導体チップを小型化し
ても、有効なダイアフラム領域の面積の減少を最小限に
できるため、半導体圧力センサをより小型かつ高感度と
し得る。【構成】第一のシリコン層３８がガラス層４０を挟ん
で第二のシリコン層３６に接合されていて、第二のシリ
コン層３６の厚さが第一のシリコン層３８の厚さより薄
く、第一のシリコン層３８に、前記ガラス層４０の反対
面側から前記ガラス層４０の近傍に亙って穴４２が形成
され、前記ガラス層４０に、前記第二のシリコン層３６
と略平行に広がる空間４４が前記穴４２に連通して形成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体圧力センサに係
り、例えば、自動車、家庭電化製品、工業計測機器等に
広範囲に使用されている半導体圧力センサの小型化に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路の製作に用いられ
る半導体微細加工技術を生かして、物理的な動きをする
超小型の機械（マイクロマシン）を製作する、マイクロ
マシニングと呼ばれる技術が脚光を浴びており、このマ
イクロマシニングを生かして半導体圧力センサ等の半導
体センサの開発が進んでいる。半導体圧力センサは、自
動車、家庭電化製品、工業計測機器等に広範囲に使用さ
れている。

【０００３】半導体圧力センサには、ピエゾ抵抗効果型
のものがある。図４は、従来のピエゾ抵抗効果型の半導
体圧力センサの半導体チップ１０の構造を示すものであ
る。図４の（ａ）はその縦断面構造、図４の（ｂ）はそ
の平面構造である。

【０００４】図４の半導体チップ１０は、シリコンＳｉ
からなり、略平板状の形状を有する。以下においては、
半導体チップ１０の上方を向いている面を上面１０ａと
し、下方を向いている面を下面１０ｂとする。前記半導
体チップ１０は、その中央部に下面１０ｂ側から上面１
０ａの裏面に向かって角錐台形状にへこみ１２が穿設さ
れ、該へこみ１２の周囲が台座１４とされている。この
場合、前記へこみ１２の深部１６（前記上面１０ａの裏
面に最も近い所に相当する）と上面１０ａとの間でダイ
アフラム部１８が形成されている。このダイアフラム部
１８の上面１０ａ側には、拡散層に歪み検出用のゲージ
抵抗２０が形成されている。なお、へこみ１２のテーパ
ー状の内側面をテーパー部２２という。このテーパー部
２２の上側の部分とダイアフラム部１８が歪んで圧力を
検出しており、これら歪みの生じるのが有効なダイアフ
ラム領域である。

【０００５】図４の半導体圧力センサで圧力を検出する
際には、該センサに圧力を導入する。この圧力により、
ダイアフラム部１８（ダイアフラム領域全体にも）に歪
みが生じ、この歪みで前記ゲージ抵抗２０の抵抗値が変
化し、この抵抗値変化から圧力を検出している。

【０００６】上記の構造の半導体圧力センサにおいて、
図４の（ａ）に示すように、方形のダイアフラム部１８
のサイズをｗとし、ダイアフラム部１８の厚さをｈとす
れば、該半導体圧力センサの感度Ｓは、これらサイズｗ
と厚さｈに対して次式（１）の関係を有する。Ｓ∝（ｗ／ｈ）² ・・・（１）即ち、感度Ｓは、サイズｗと厚さｈの比（ｗ／ｈ）の２
乗に比例する。したがって、感度Ｓを向上させるために
は、（ａ）ダイアフラム部１８の厚さｈは、できるだけ
薄く、（ｂ）ダイヤフラム部１８の面積（∝ｗ²）は、
できるだけ大きくする必要がある。

【０００７】今日、圧力センサへの小型化の要請は強
く、例えば腕時計にまで圧力センサ（気圧、水圧等の検
出用）を備えたものがある。この要請に応えるべく、前
記の半導体圧力センサを小型化するためには、半導体チ
ップ１０を小型化する必要がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ここで、半導体チップ
１０を小型化すると、テーパー部２２がダイアフラム領
域に占める割合が増加し、その分、有効なダイアフラム
領域の面積が減少する。そのため、従来は、半導体チッ
プ１０を小型化するに際して、以前のチップと同様の感
度を得るために、前記（１）式により、ダイアフラム部
１８の厚さｈをできるだけ薄くする必要があった。

【０００９】しかしながら、一般のエッチング等による
半導体の薄膜化技術により、ダイアフラム部１８の膜厚
をμｍオーダーで制御することは、困難な面が多く、コ
ストが上昇する要因となるという問題点がある。また、
テーパー部２２の領域は、ウェーハの厚さを薄くするこ
とにより減らすことができると考えられるが、ウェーハ
の厚さを薄くすることは、各熱処理工程でのウェーハの
変形を防ぐために限界があり、事実上困難であるという
問題点がある。

【００１０】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたものであって、半導体チップを小型化しても
ダイアフラム領域の有効な面積の減少を最小限にできる
ようにして、より小型かつ高感度とし得る半導体圧力セ
ンサを提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体の一部
にダイアフラムが形成されていて、このダイアフラムの
歪みにより圧力を検出する半導体圧力センサにおいて、
第一のシリコン層がガラス層を挟んで第二のシリコン層
に接合されていて、第二のシリコン層の厚さが第一のシ
リコン層の厚さより薄く、第一のシリコン層に、前記ガ
ラス層の反対面側から前記ガラス層の近傍に亙って穴が
形成され、前記ガラス層に、前記第二のシリコン層と略
平行に広がる空間が前記穴に連通して形成されているこ
とにより、前記課題を解決するものである。

【００１２】

【作用】以下、本発明の原理について説明する。従来の
半導体圧力センサのチップにおいては、穴の深部のみに
よりダイアフラム部を構成しているため、小型化しよう
とするとテーパー部に影響されて、有効なダイアフラム
領域が減少していた。即ち、例えば前記図４に示した従
来の半導体圧力センサであれば、へこみの深部のサイズ
が有効ダイアフラム領域のサイズにほぼ相当し、図４に
示すように、有効ダイアフラム領域は、サイズがほぼＷ
になる。

【００１３】ここで、従来のいわゆるＳＯＩ（ｓｉｌｉ
ｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ；非晶質ＳｉＯ₂上
に単結晶シリコン薄膜を形成する）構造により、半導体
圧力センサチップを構成する場合を考える。この場合、
例えば図２に示すように、中間層３０を熱酸化膜とし、
その両面に２枚のシリコンウェーハ３２ａ、３２ｂをそ
れぞれ接合して、半導体圧力センサのチップを構成す
る。しかしながら、このセンサチップにおいては、その
中間層３０は、熱酸化膜のためその厚さの上限が２μｍ
程度である。これでは中間層をエッチングしたとして
も、十分な大きさのダイアフラムを形成できない。すな
わち、前記中間層３０では、エッチングによる横方向の
アンダーカットはせいぜい１０μｍのオーダーであり、
それ以上はアンダーカットを広げることは困難である。
したがって、この手法によっては、ダイアフラムの実効
面積を拡大することには限度があるものと言える。ま
た、半導体層を構成可能な材料には、単結晶を構成可能
なシリコン、ゲルマニウムあるいはサファイア等と、単
結晶を構成しない石英等とがある。好適には、シリコン
を用いる。

【００１４】そこで、発明者は、前記中間層を十分大き
なものとするべく、中間層をガラス層で形成することを
着想して、本発明を創案したものである。したがって、
半導体圧力センサの半導体チップを小型化しても、有効
なダイアフラム領域の面積の減少を最小限にできるた
め、半導体圧力センサをより小型かつ高感度とし得る。

【００１５】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。図１は、本発明の実施例に係る半導体圧力セ
ンサの半導体チップ３４の構成を示すものである。

【００１６】図１に示されるように、本実施例の半導体
チップ３４は、第二のシリコン層３６の中央部の一部に
略方形の比較的大きなダイアフラム３６ａが形成されて
い。この半導体チップ３４は、図示されない歪み抵抗ゲ
ージでこのダイアフラム３６ａの歪みを検出して、これ
により、圧力を検出する半導体圧力センサに用いるもの
である。

【００１７】前記半導体チップ３４は、図１において、
下側から、第一のシリコン層３８、ガラス層４０、及
び、第二のシリコン層３６が積層されて、主に構成され
ており、すなわち、第一のシリコン層３８がガラス層４
０を挟んで第二のシリコン層３６に接合されている。こ
の場合、第二のシリコン層３６の厚さが第一のシリコン
層３８の厚さより薄い。また、第一のシリコン層３８
に、下側、つまり、前記ガラス層４０の反対面側から前
記ガラス層４０の近傍に亙って穴４２が形成される。前
記ガラス層４０は、その中央部付近がエッチングにより
除去されていて、前記第二のシリコン層３８と略平行に
広がる空間４４が前記穴４２に連通して形成されてい
る。

【００１８】なお、各シリコン層３８、３６は、ｐ型あ
るいはｎ型の適宜の半導体層とされる。

【００１９】前記半導体チップ３４は、次のように製造
する。図３は、前記半導体チップ３４の製造過程を示す
ものであって、ウェーハを１チップ単位に示したもので
ある。まず、図３（ａ）に示すような断面構造の平坦な
シリコンからなるウェーハ４６を構成する。次いで、こ
のウェーハ４６の上面にガラススート層４８を形成す
る。その後、図３（ｂ）に示すように、前記ガラススー
ト層４８の上面にシリコンからなるウェーハ５０を貼り
付ける。

【００２０】このガラススート層４８の形成、及び、そ
の上面へのウェーハ５０の貼り付けは、種々の技術があ
る。好適には、例えば沢田らが電力用半導体素子国際シ
ンポジウム（ＩＳＰＳＤ′８８、１９８８年９月東京）
の講演で示した絶縁層分離基板作製のための接着方法を
用いることができる（当該講演録１４１〜１４６ページ
参照）。すなわち、前記ウェーハ４６上にバーナ５２か
ら酸素と水素を混合した酸水素炎（ＢＣｌ₃、ＳｉＣｌ₄
を混入させる）を当てて、炎中で加水分解させ該ウェー
ハ４６表面にガラススート（Ｓｉ−Ｂ−Ｏ）層４８を形
成する。次いで、このガラススート層４８上にウェーハ
５０を重ね、焼結させる。これにより、ガラススート層
４８を透明なガラス層４０にする。なお、上記技術は一
例であり、ガラス層４０の形成、第一及び第二のシリコ
ン層３８及び３６のガラス層４０を介した接合は、他の
方法で行い得ることはもちろんである。例えば、ガラス
化温度を下げるためにボロンやリンの化合物を酸水素炎
中に混入することができる。

【００２１】ガラス層が形成された後に、図３の（ｂ）
に示すように、上側のウェーハ５０を研磨する。これに
より、図３の（ｃ）に示すように、該ウェーハ５０が第
二のシリコン層３６に要求される厚さ、すなわち、ダイ
アフラムに要求される厚さのウェーハ５０ａになり、一
方、下側のウェーハ４６が第一のシリコン層３８に要求
される厚さになる。

【００２２】前記半導体チップ３４は、上記のように構
成されたウェーハに対して種々のエッチングが施されて
製造される。すなわち、図３（ｃ）に示したウェーハ４
６すなわち第一のシリコン層３８に対して、裏面（図に
おいて下側）から、異方性のエッチング液、例えばＫＯ
Ｈ（水酸化カリウム）液、ＥＰＷ（エチレンジアミン・
ピロカテコール・水）液等を用いたウェットエッチング
を行う。該エッチングにより図１に示すように、穴４２
に相当するシリコンが除去される。

【００２３】次いで、前記のウェーハのガラス層４０に
対して、等方性のエッチングを行う。ガラス用のエッチ
ング液はシリコンを何らエッチングしないため、ガラス
層４０だけが第二のシリコン層３６に平行な方向にエッ
チングされて、図１に示すよう形状の半導体チップ３４
が得られる。このガラス層４０のエッチングされた部分
が空間４４になり、第二のシリコン層３６の空間４４の
上部に隣接する部分がダイアフラム３６ａになる。な
お、第二のシリコン層３６は、その上部にピエゾ抵抗か
らなるゲージ抵抗（図示省略）を、拡散もしくはイオン
インプラント（イオン打ち込み）等により形成しておく
ことはもちろんである。

【００２４】以上のように、前記ウェーハは、前記の手
順のエッチングが施されて、ウェーハに図１の構成が多
数できることとなり、その後、このウェーハをダイシン
グすることにより、個々の半導体チップ３４が構成され
る。実施例では、前記文献に示された方法でガラススー
ト層４８上に第一のシリコン層３８となるウェーハ５０
をおいてガラス層を介してウェーハ４６に張り合わせ透
明ガラス化するので、２枚のウェーハ４６及び５０の間
にボイドが入りにくい。

【００２５】また、ガラススート層４８は、酸水素バー
ナ５２でガラススート層４８を形成するので、酸水素バ
ーナのスキャンの繰り返しを行う等して、ＣＶＤ（化学
的気相成長法）と同様に所望の厚さにガラススート層を
形成できるため、その厚さに制限がない。これは、前記
図２のように熱酸化膜３０を介して、シリコン層３２を
接合した場合に熱酸化膜３０のアンダーカットは１０μ
ｍであるのに比較して、はるかに大きな有効ダイアフラ
ム領域を確保することができるものである。したがっ
て、センサの高感度化を図ることができる。また、前記
ガラス層は自由にその厚さを変えることができるため、
アンダーカット量を自由に変えることができ、所望の感
度とし得る。また、センサチップに台座を接着する場
合、その面積を大きくすることができる。これにより接
着箇所でのリークの確率が減少する。

【００２６】前記実施例においては、半導体チップを構
成するに際して、穴の形状を図１乃至図３に示した形状
（角錐の一部の側面形状）にしていたが、本発明の半導
体チップはこのような構成に限定されず、空間に亙る穴
であればいずれの形状でもよい。また、同様に、空間も
第一のシリコン層と第二のシリコン層の接合面と同一平
面を含むものであれば、いずれの形状でもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、半
導体圧力センサの半導体チップを小型化しても、有効な
ダイアフラム領域の面積の減少を最小限にできるため、
半導体圧力センサをより小型かつ高感度とし得るという
優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体圧力センサの実施例に係る半導
体チップの説明図である。

【図２】本発明の半導体チップを説明するための比較例
の説明図である。

【図３】図１の半導体チップの製作手順を説明する図で
あり、（ａ）〜（ｃ）は各途中構成の説明図である。

【図４】従来の半導体圧力センサの半導体チップの構成
説明図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面図であ
る。

【符号の説明】

３４半導体チップ３６第二のシリコン層３６ａダイアフラム３８第一のシリコン層４０ガラス層４２穴４４空間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体の一部にダイアフラムが形成され
ていて、このダイアフラムの歪みにより圧力を検出する
半導体圧力センサにおいて、第一のシリコン層がガラス層を挟んで第二のシリコン層
に接合されていて、第二のシリコン層の厚さが第一のシリコン層の厚さより
薄く、第一のシリコン層に、前記ガラス層の反対面側から前記
ガラス層の近傍に亙って穴が形成され、前記ガラス層に、前記第二のシリコン層と略平行に広が
る空間が前記穴に連通して形成されていることを特徴と
する半導体圧力センサ。