JPH06291335A

JPH06291335A - 圧力センサ装置及びその製造方法とエッチング液

Info

Publication number: JPH06291335A
Application number: JP7802793A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Murakami; 友章村上; Takao Kato; 貴雄加藤
Original assignee: OKI SHISUTETSUKU TOKAI KK; Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: OKI SHISUTETSUKU TOKAI KK; Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1993-04-05
Filing date: 1993-04-05
Publication date: 1994-10-18

Abstract

(57)【要約】【目的】クレータ発生や、ピエゾ抵抗素子の濃度低下
等によるセンサ特性の劣化を防止する。【構成】シリコン基板１の所定箇所にピエゾ抵抗素子
５を形成すると共に、ベース層６、エミッタ層７及びコ
レクタ層８からなるトランジスタを形成する。ピエゾ抵
抗素子５に対応するシリコン基板１の底面に、Ａｌを
０．００５％以上含有するＫＯＨ溶液を用いてエッチン
グし、凹部形状のダイアフラム１８を形成する。このダ
イアフラム１８の面には、相互に接続された微小クレー
タ１８ｃが均一な密度で形成される。このような圧力セ
ンサ装置では、印加された圧力によってダイアフラム１
８が変形し、その歪によるピエゾ抵抗素子５の抵抗値変
化が、ベース層６、エミッタ層７及びコレクタ層８から
なるトランジスタによって電気信号に変換される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車、計測分野、工
場自動化（ＦＡ）、医療技術（ＭＥ）等に用いられ、シ
リコン単結晶等の持つピエゾ抵抗効果を利用して圧力／
電気変換を行う圧力センサ装置とその製造方法、さらに
単結晶シリコンをエッチングするエッチング液に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば次のような文献に記載されるものがあった。文献１；特公昭５７−５８７９１号公報文献２；電学論Ｃ、１０９［１２］（平１）杉山・山下
・船橋・島岡・瀧川・五十嵐著「ワンチップ集積化圧力
センサ」Ｐ．８５５−８６１図２（ａ），（ｂ）は、前記文献等に記載された従来の
圧力センサ装置を示す図であり、同図（ａ）は断面図、
及び同図（ｂ）は底面図である。この圧力センサ装置の
製造方法では、例えば結晶軸（１００）のＰ型シリコン
基板１を用い、その表面のバイポーラトランジスタ形成
領域に、Ｎ⁺埋込層２を形成し、さらに該シリコン基板
１の全面に、Ｎ型エピタキシャル層３を形成する。Ｎ⁺
埋込層２の周辺のエピタキシャル層３中に、該エピタキ
シャル層３の表面からシリコン基板１まで到達するＰ⁺
分離層４を形成する。

【０００３】次に、拡散技術によってピエゾ抵抗形成領
域に不純物を拡散し、ピエゾ抵抗素子５を形成する。そ
して、ピエゾ抵抗素子５と隣接するバイポーラトランジ
スタ形成領域に、拡散技術によって不純物を拡散し、Ｎ
ＰＮトランジスタのベース層６、エミッタ層７、及びコ
レクタ層８を形成する。これらの拡散層の形成処理にお
いて、シリコン基板１の表面及び裏面には酸化膜９が形
成されるので、それらの上に窒化膜１０を形成する。ピ
エゾ抵抗素子５とＮＰＮトランジスタ上の酸化膜９及び
窒化膜１０を選択的にエッチングしてコンタクト孔１１
を開孔し、それらの上に、Ａｌ配線１２を形成する。そ
して、それらの素子を保護するためのパッシベーション
膜として窒化膜１３を形成する。Ａｌ配線１２を外部と
接続するために、エッチングによって窒化膜１３を選択
的に開孔し、電極パッド１４を形成する。ピエゾ抵抗素
子５の形成位置に合わせてシリコン基板１の裏面の窒化
膜や酸化膜を選択的に除去した後、窒化膜１３の形成さ
れた表面をワックスを用いてステンレス（ＳＵＳ）板に
貼り付ける。そして、ＫＯＨ等のアルカリ性のエッチン
グ液を用い、シリコン基板１の裏面をエッチングし、凹
部を形成する。この凹部の薄肉状の底面１８ａがダイア
フラム１８となる。ここで、エッチング液は、通常、シ
リコンに対するエッチング精度の良いＫＯＨ溶液が用い
られる。

【０００４】その後、シリコン基板１の裏面の不要な窒
化膜や酸化膜を除去し、さらに、窒化膜１３上に貼り付
けられたＳＵＳ板を除去すれば、圧力センサ装置の製造
が終了する。このようにして製造された圧力センサ装置
では、シリコン基板１の裏面のダイアフラム１８に外部
から圧力が印加されると、その圧力によって該ダイアフ
ラム１８が変形し、その歪によってピエゾ抵抗素子５の
抵抗値が変化する。この抵抗値の変化は、ベース層６、
エミッタ層７、及びコレクタ層８からなるＮＰＮトラン
ジスタによって電気信号に変換され、外部へ取り出され
る。この種の圧力センサ装置では、小型軽量で、高性
能、及び応答性に優れている１とから、自動車や、計測
分野、ＦＡ分野等といった種々の用途に用いられるよう
になってきている。特に、この圧力センサ装置では、シ
リコン基板１に設けられたダイアフラム１８上に形成さ
れたピエゾ抵抗素子５の圧力による抵抗変化を利用して
圧力を検出するようになっており、基板としてシリコン
を使うことから、大規模集積回路（ＬＳＩ）等の集積化
技術との一体化も盛んに試みられている。従来の他の圧
力センサ装置の製造方法例を図３〜図５に示す。

【０００５】図３（ａ）〜（ｄ）、図４（ａ）〜
（ｃ）、及び図５（ａ）〜（ｃ）は、前記文献等に記載
された従来の他の圧力センサ装置の製造方法を示す製造
工程図であり、この図を参照しつつ、従来の他の圧力セ
ンサ装置の製造工程を説明する。図３（ａ）の工程で
は、図２の方法と同様に、結晶軸（１００）のＰ型シリ
コン基板１０１上のバイポーラトランジスタ形成領域
に、Ｎ⁺埋込層１０２を形成する。図３（ｂ）の工程
で、シリコン基板１０１上にＮ型エピタキシャル層１０
３を形成する。拡散技術を用いて不純物を選択的に拡散
し、Ｎ⁺埋込層１０２の周囲のエピタキシャル層１０３
の表面からシリコン基板１０１まで到達するＰ⁺分離層
１０４を形成する。そして、拡散技術によって不純物を
拡散し、ピエゾ抵抗素子１０５を形成し、同時にその上
に酸化膜１０６を形成する。図３（ｃ）の工程で、全面
に窒化膜１０７を形成した後、図３（ｄ）の工程で、分
離領域１０８上の窒化膜１０７及び酸化膜１０６をエッ
チングで除去する。図４（ａ）の工程で、分離酸化膜１
０９を形成し、次に、図４（ｂ）の工程で、窒化膜１０
７及び酸化膜１０６をエッチングで一旦除去した後、再
度酸化膜１０６を形成する。そして、インプランテーシ
ョン、及び拡散技術により、バイポーラトランジスタ形
成領域に不純物を拡散してＮＰＮトランジスタのベース
層１１０、エミッタ層１１１及びコレクタ層１１２を形
成する。その後、図４（ｃ）の工程で、全面に層間絶縁
膜、例えば、リン（Ｐ）をドープした酸化膜（ＰＳＧ）
１１３を形成する。図５（ａ）の工程で、ダイアフラム
形成領域上のＰＳＧ１１３のみを除去し、残ったＰＳＧ
１１３に対して熱処理を行ってその平坦化を行い、表面
段差をなだらかにする。この熱処理と同時に、ピエゾ抵
抗素子１０５の表面も酸化される。そして、シリコン基
板１０１の裏面だけに窒化膜１１４を形成する。図１５
（ｂ）の処理で、ＮＰＮトランジスタ等の上にコンタク
ト孔１１５を開孔し、Ａｌ配線１１６を形成した後、そ
れらの素子を保護するためのパッシベーション膜１１７
を形成する。次に、シリコン基板１０１の裏面のダイア
フラム形成領域の窒化膜１１４及び酸化膜１０６をエッ
チングにより除去する。図５（ｃ）の工程で、シリコン
基板１０１の裏面の窒化膜１１４及び表面のパッシベー
ション膜１１７をマスクにして、ＫＯＨ等のアルカリ性
のエッチング液でシリコン基板１０１を異方性エッチン
グし、凹部形状のダイアフラム１１８を形成した後、窒
化膜１１４及び酸化膜１０６をエッチングによって除去
する。その後、Ａｌ配線１１６上のパッシベーション膜
１１７をエッチングにより除去し、この圧力センサ装置
と外部を電気的に接続するためのボンディングパッドを
形成すれば、該圧力センサ装置の製造が終了する。この
ようにして製造された圧力センサ装置においても、図２
の装置と同様の動作を行う。この圧力センサ装置の製造
方法において、インプランテーションによってピエゾ抵
抗素子１０５を形成したときのシミュレーションによる
プロファイルを図６（ａ），（ｂ）に示す。図６（ａ）
は拡散時のプロファイル、及び図６（ｂ）は最終プロフ
ァイルを示す図である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
圧力センサ装置及びその製造方法等では、次のような課
題があった。（１）図２（ａ），（ｂ）の圧力センサ装置及びその
製造方法では、ダイアフラム１８の形成面、即ちその凹
部の底面１８ａに、直径１００〜５００μm 程度の円形
のくぼみ形状を呈するクレータ１８ｂが発生し、部分的
にダイアフラム１８の薄い領域が形成されることがあ
る。ダイアフラム１８は、その厚さが薄くなればなるほ
ど、同じ印加圧力に対して歪量が大きくなる。そのた
め、クレータ１８ｂが発生すると、圧力変化に対するダ
イアフラム１８の歪量がクレータ領域のみ、他のダイア
フラム領域と異なる。その結果、ピエゾ抵抗素子５の抵
抗値変化、さらには圧力センサ装置全体の特性を劣化さ
せるという問題があった。クレータ１８ｂの発生の原因
を調査した結果、ダイアフラム１８の形成時に、シリコ
ンに対するエッチング精度の優れるアルカリ性のエッチ
ング液としてＫＯＨ溶液を使用するが、このＫＯＨ溶液
に溶解したＡｌが原因であることが判明した。クレータ
１８ｂの発生理由は、未だ充分解明されていないが、Ｋ
ＯＨ溶液中に溶解したＡｌが作用し、エッチング速度が
ダイアフラム１８の形成面に対して異なることが推定さ
れる。Ａｌ溶解量とクレータ発生密度との関係を測定し
たところ、図７に示すような関係があった。この図から
明らかなように、クレータ１８ｂの発生量を少くするた
めには、エッチング溶液へのＡｌ溶解量を少くする必要
がある。ところが、エッチング液がＫＯＨ溶液の場合、
そのＫＯＨ溶液を作るためのＫＯＨ試薬に０．００１％
程度のＡｌが含まれており、該ＫＯＨ溶液中のＡｌ溶解
量を零にすることが不可能であった。そのため、従来の
技術ではクレータ１８ｂをなくすことができなかった。

【０００７】（２）従来の図３〜図５に示す圧力セン
サ装置及びその製造方法では、図４（ａ）の工程で分離
酸化膜１０９を形成した後に、図４（ｂ）の工程におい
て、窒化膜１０７及び酸化膜１０６をエッチング技術に
より一旦除去して再度酸化技術によって酸化膜１０６を
形成する。さらに、図５（ａ）の工程において、酸素雰
囲気下での熱処理によってＰＳＧ１１３の平坦化を行
い、下地の影響によって発生したＰＳＧ１１３の表面段
差をなだらかにする。このような分離酸化膜形成後の酸
化膜再形成や、ＰＳＧ平坦化時の酸化といった工程と同
時に、ピエゾ抵抗素子１０５上も酸化される。その結
果、ピエゾ抵抗素子１０５の不純物である例えばボロン
（Ｂ）濃度が低下して抵抗値を変化させてしまうという
問題や、圧力による抵抗値変化（抵抗変化率）を小さく
させてしまうという問題があった。例えば、抵抗変化率
が小さくなると、その分、信号増幅のための増幅器のゲ
インを大きくしなければならず、その際、ノイズも増幅
され、ノイズ特性が劣化するという問題を生じさせる。
また、ピエゾ抵抗素子１０５のＢ濃度低下による悪影響
を考えてみる。表面不純物濃度については、センサ特性
の１つである感度温度特性（温度による圧力感度の変動
特性）に強い影響力を持つため、その値を制御（コント
ロール）する必要があるといわれている。しかし、ピエ
ゾ抵抗素子１０５のＢ濃度低下は、酸化膜１０６とシリ
コン基板１０１との界面付近、つまり、シリコン基板１
０１の表面付近において特に顕著に発生するため、前記
の特性の変動を引き起こすという問題が生じる。一例を
挙げると、ピエゾ抵抗素子形成終了直後には、１．４×
１０²⁰ions／cm²の表面濃度であったのに対し、その後
の酸化処理によって最終的には６．２×１０¹⁹ions／cm
²と低下してしまう。さらに、図３（ｂ）の工程におい
て、拡散技術を用いたピエゾ抵抗素子１０５の形成で
は、表面濃度のコントロールが非常に困難であるため、
安定したピエゾ抵抗素子１０５を形成することができな
い。

【０００８】ここで、表面の不純物濃度を高濃度にする
必要性について説明する。前記文献２に記載されている
ように、表面不純物濃度を、例えば３．３×１０²⁰ions
／cm³にすることにより、出力誤差を０％にできる。こ
の表面不純物濃度を３．３×１０²⁰ions／cm³を中心と
して、低濃度または高濃度になるほど、出力誤差が大き
くなる。前記の例で説明したように、拡散技術を用いた
ピエゾ抵抗素子形成では、表面濃度が３．３×１０²⁰io
ns／cm³より低濃度側に位置している。そのため、出力
誤差を減少してセンサ特性を向上するためには、表面不
純物濃度の低下を防ぎ、より高濃度を実現する必要があ
るが、従来の技術ではそれが困難である。本発明は、前
記従来技術が持っていた課題として、クレータ発生や、
ピエゾ抵抗素子の濃度低下等によるセンサ特性や出力特
性の劣化の点について解決し、特性の優れた圧力センサ
装置及びその製造方法と、それらに使用するエッチング
液を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、前記課題
を解決するため、シリコン基板の一方の面に穿設された
凹部の底面に形成され、印加圧力により変形して歪を生
じる薄肉状のダイアフラムと、前記シリコン基板のダイ
アフラム上に形成され、前記歪によって抵抗値が変わる
ピエゾ抵抗素子とを、備えた圧力センサ装置において、
前記凹部の底面に、相互に接続されたクレータを均一な
密度で形成したダイアフラム構造にしている。第２の発
明では、シリコン基板の一方の面に穿設された凹部の底
面に形成され、印加圧力により変形して歪を生じる薄肉
状のダイアフラムと、前記シリコン基板のダイアフラム
上に形成され、前記歪によって抵抗値が変わるピエゾ抵
抗素子と、前記シリコン基板の他方の面において前記ピ
エゾ抵抗素子の近傍に形成され、該ピエゾ抵抗素子の抵
抗値変化を電気信号の形で取り出すトランジスタとを、
備えた圧力センサ装置の製造方法において、次のような
手段を講じている。即ち、前記シリコン基板の他方の面
に前記トランジスタを形成し、そのトランジスタ上に層
間絶縁膜を選択的に形成した後、インプランテーション
技術を用いて前記トランジスタの近傍に、選択的に不純
物イオンを打ち込んで前記ピエゾ抵抗素子を形成する。
次に、短時間アニール（ＲＴＡ）技術を用い、前記イン
プランテーション箇所に対して短時間に高温の熱処理を
行う。その後、前記シリコン基板の一方の面を選択的に
エッチングして前記凹部を形成し、前記ダイアフラムを
形成するようにしている。第３の発明では、第２の発明
の圧力センサ装置の製造方法において、前記短時間アニ
ール技術を用いて前記層間絶縁膜を平坦化するようにし
ている。第４の発明では、単結晶シリコンを異方性エッ
チングするエッチング液として、Ａｌを０．００５％以
上含有するＫＯＨ溶液を使用するようにしている。第５
の発明では、シリコン基板の一方の面に穿設された凹部
底面に形成され、印加圧力により変形して歪を生じる薄
肉状のダイアフラムと、前記シリコン基板のダイアフラ
ム上に形成され、前記歪によって抵抗値が変わるピエゾ
抵抗素子とを、備えた圧力センサ装置の製造方法におい
て、次のような手段を講じている。即ち、拡散技術を用
いて前記シリコン基板の他方の面に、選択的に不純物を
拡散して、前記ピエゾ抵抗素子を形成する。その後、第
４の発明のエッチング液を用いて前記シリコン基板の一
方の面を選択的にエッチングし、相互に接続されたクレ
ータが均一な密度で底面に形成された前記凹部を形成
し、前記ダイアフラムを形成するようにしている。

【００１０】

【作用】第１の発明によれば、以上のように圧力センサ
装置を構成したので、ダイアフラムを構成する凹部の底
面に形成された均一密度のクレータは、ダイアフラム面
膜厚の均一化を図り、圧力センサ特性の向上を図る働き
がある。第２の発明によれば、トランジスタ形成後にピ
エゾ抵抗素子を形成することは、該トランジスタ形成上
必要な酸化工程等のピエゾ抵抗素子に対する悪影響の排
除が行える。インプランテーション及びＲＴＡ技術を用
いてピエゾ抵抗素子を形成することは、不純物濃度の制
御性を向上させ、さらにピエゾ抵抗素子における表面濃
度を高濃度に設定することを可能にさせる働きがある。
第３の発明によれば、ＲＴＡ技術を用いて層間絶縁膜を
平坦化することは、その層間絶縁膜の平坦化のための熱
処理工程を省略させる働きがある。第４の発明によれ
ば、Ａｌを０．００５％以上含有するＫＯＨ溶液は、例
えばこれを単結晶シリコンのエッチングに用いた場合、
そのエッチング面における微小クレータの集合体を形成
させる働きがある。第５の発明によれば、第４の発明の
エッチング液を用いてシリコン基板をエッチングし、ダ
イアフラムを形成すれば、そのダイアフラム面に微小ク
レータの集合体を形成させ、該ダイアフラムを均一な厚
みにエッチングする働きがある。従って、前記課題を解
決できるのである。

【００１１】

【実施例】第１の実施例図１（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施例の圧力セ
ンサ装置を示す図であり、同図（ａ）は断面図、及び同
図（ｂ）は底面図である。さらに、図８（ａ）〜
（ｄ）、及び図９（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す圧力セ
ンサ装置の製造方法を示す製造工程図である。なお、従
来の図２中の要素と共通の要素には共通の符号が付され
ている。まず、図１（ａ），（ｂ）を参照しつつ、本実
施例における圧力センサ装置の構成を説明する。この圧
力センサ装置は、従来の図２と同様に、例えば結晶軸
（１００）のＰ型シリコン基板１の表面にピエゾ抵抗素
子５が形成され、それと対応するシリコン基板１の底面
にアルカリ性のエッチング液を用いて凹部が形成され、
その凹部の底面１８ａの薄肉部分がダイアフラム１８を
構成している。ピエゾ抵抗素子５の近傍のシリコン基板
１の表面には、ベース層６、エミッタ層７、及びコレク
タ層８からなるＮＰＮトランジスタが形成されている。
本実施例の圧力センサ装置が従来のものと異なる点は、
ダイアフラム１８の構成が異なっている。即ち、本実施
例のダイアフラム１８では、シリコン基板１の底面に、
例えば平面サイズが２μm 以上から１０μm 以下の凹部
が形成され、その凹部の底面（即ち、ダイアフラム面）
１８ａに、サイズが例えば１０μm 以下の２〜３μm 程
度の微小クレータ１８ｃの集合体が形成されている。多
数の微小クレータ１８ｃは、それらのクレータ同志が接
続され、ダイアフラム面内均一な密度で散在している。
このように、本実施例のダイアフラム１８では、ダイア
フラム面である凹部底面１８ａに、互いに接続された微
小クレータ１８ｃが均一な密度で形成された構造となっ
ている。そのため、従来のようにダイアフラム面が局部
的に他の領域と比べて薄くなるといった不具合がなくな
り、圧力センサ特性の向上が期待できる。

【００１２】次に、図８（ａ）〜（ｄ）、及び図９
（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ、図１に示す圧力センサ装
置の製造工程（１）〜（４）を説明する。（１）図８（ａ），（ｂ）の工程図８（ａ）において、結晶軸（１００）のＰ型シリコン
基板１の表面のバイポーラトランジスタ形成領域に、拡
散技術を用いてアンチモン（Ｓｂ）を拡散し、Ｎ⁺埋込
層２を形成する。次に、図８（ｂ）に示すように、エピ
タキシャル技術により、ＰをドープしたＮ型エピタキシ
ャル層３を形成する。そして、拡散技術により、Ｎ⁺埋
込層２の周辺のエピタキシャル層３中にＢを拡散し、該
エピタキシャル層３の表面からシリコン基板１まで到達
するＰ⁺分離層４を形成する。

【００１３】（２）図８（ｃ）の工程拡散技術を用いてピエゾ抵抗形成領域にＢを拡散し、ピ
エゾ抵抗素子５を形成する。ピエゾ抵抗素子５の近傍の
バイポーラトランジスタ形成領域にＢを拡散し、ＮＰＮ
トランジスタのベース層６を形成する。続いて、拡散技
術を用いてバイポーラトランジスタ形成領域にＰを拡散
し、ＮＰＮトランジスタのエミッタ層７及びコレクタ層
８を形成する。ここまでの工程において、拡散層の形成
で、酸化膜の形成、選択拡散領域の酸化膜除去、及び拡
散時の選択拡散領域上への酸化膜の再形成が行われてお
り、シリコン基板１の表面及び裏面には酸化膜９が形成
されている。その後、化学的気相成長（ＣＶＤ）法によ
り、酸化膜９上に窒化膜１０を２０００Å程度形成す
る。

【００１４】（３）図８（ｄ）及び図９（ａ），
（ｂ）の工程図８（ｄ）において、ピエゾ抵抗素子５及びＮＰＮトラ
ンジスタ上に、エッチングによって選択的にコンタクト
孔１１を開孔し、それらの上に選択的にＡｌ配線１２を
形成する。次に、全面に、素子を保護するためのパッシ
ベーション膜として、ＣＶＤ法によって窒化膜１３を１
μm 程度形成する。図９（ａ）において、Ａｌ配線１２
を外部と接続するために、そのＡｌ配線１２上の窒化膜
１３をエッチングによって選択的に開孔し、電極パッド
１４を形成する。電極パッド１４の形成後、図９（ｂ）
に示すように、ピエゾ抵抗素子５の位置に合わせてシリ
コン基板１裏面の窒化膜１０及び酸化膜９をエッチング
によって開孔し、開孔部１５を形成する。その後、窒化
膜１３の形成された表面をワックス１６を用いて基板
（例えば、ＳＵＳ板）１７に貼り付ける。

【００１５】以上の工程（１）〜（３）は、従来とほぼ
同様である。（４）図（９）（ｃ）の工程アルカリ性のエッチング液を用いてシリコン基板１の裏
面をエッチングし、凹部形状のダイアフラム１８を形成
し、その後、シリコン基板１裏面の窒化膜１０及び酸化
膜９を除去し、次いでＳＵＳ板１７を除去すれば、図１
の圧力センサ装置が得られる。ダイアフラム１８の形成
時に使用するエッチング液として、本実施例ではＡｌを
０．００５％以上（例えば、０．００８％）溶解させた
ＫＯＨ溶液を用いている。図１０は、実験結果より求め
たＫＯＨ溶液中のＡｌ溶解量とクレータ発生密度及びク
レータサイズとの関係を示す図である。この図に示すよ
うに、ＫＯＨ溶液中のＡｌ溶解量が０．００５％以上で
あれば、図１（ｂ）に示すように、ダイアフラム１８の
底面１８ａに形成される微小クレータ１８ｃのクレータ
サイズが１０μm 以下となり、クレータ同志が接続して
面内均一の分布が得られる（図１０のＡ領域）。本実施
例の製造方法では、Ａｌを０．００５％以上（例えば、
０．００８％）溶解させたＫＯＨ溶液を用いてシリコン
基板１の裏面をエッチングし、ダイアフラム１８を形成
するようにしたので、該ダイアフラム１８を構成する凹
部底面（ダイアフラム面）１８ａに、互いに接続して均
一な密度で多数の微小クレータ１８ｃが形成される。そ
のため、ダイアフラム面が従来のように局部的に他の領
域と比べて薄くなるといった不具合がなくなり、製造さ
れた圧力センサ装置の性能が向上する。Ａｌを０．００
５％以上溶解させたＫＯＨ溶液を用いてシリコン基板１
の裏面をエッチングすると、溶解されたＡｌが触媒的作
用等によって多数の微小クレータ１８ｃが形成されるも
のと推定される。なお、エッチング液として用いたＫＯ
Ｈ溶液は、シリコンをエッチングする他の分野の技術
（例えば、マイクロマシン等）にも適用できる。

【００１６】第２の実施例図１１（ａ）〜（ｄ）、図１２（ａ）〜（ｃ）、図１３
（ａ）〜（ｃ）、及び図１４（ａ），（ｂ）は、本発明
の第２の実施例の圧力センサ装置の製造方法を示す製造
工程図であり、従来の製造工程を示す図３〜図５中の要
素と共通の要素には共通の符号が付されている。以下、
図１１〜図１４を参照しつつ、本実施例の製造工程
（１）〜（６）を説明する。（１）図１１（ａ），（ｂ）の工程図１１（ａ）において、例えば結晶軸（１００）のＰ型
シリコン基板１０１上のバイポーラトランジスタ形成領
域に、拡散技術によってＳｂを拡散し、Ｎ⁺埋込層１０
２を形成する。図１１（ｂ）に示すように、エピタキシ
ャル技術により、シリコン基板１０１上にＰがドープさ
れたＮ型エピタキシャル層１０３を形成する。次に、拡
散技術により、エピタキシャル層１０３にＢを拡散し、
Ｎ⁺埋込層１０２周辺の該エピタキシャル層１０３の表
面からシリコン基板１０１まで到達するＰ⁺分離層１０
４を形成する。その後、従来のようなピエゾ抵抗素子形
成工程を行わず、シリコン基板１０１の表面及び裏面に
酸化膜１０６を２００〜５００Å程度形成する。以下、
図１３（ａ）の工程までは、従来とほぼ同様に処理され
る。

【００１７】（２）図１１（ｃ），（ｄ）及び図１２
（ａ）の工程図１１（ｃ）において、シリコン基板１０１の表面及び
裏面の酸化膜１０６上に、ＣＶＤ法を用いて窒化膜１０
７を形成する。次に、図１１（ｄ）に示すように、分離
領域１０８の窒化膜１０７及び酸化膜１０６をエッチン
グ技術によって除去する。その後、図１２（ａ）におい
て、酸化技術によって分離酸化膜１０９を１μm 程度形
成する。

【００１８】（３）図１２（ｂ）の工程シリコン基板１０１の表面及び裏面に形成された窒化膜
１０７及び酸化膜１０６をエッチング技術によって一旦
除去し、再度、シリコン基板１０１の表面及び裏面に、
酸化技術によって酸化膜１０６を２００〜５００Å程度
形成する。この酸化膜１０６の除去及び再形成は、分離
酸化膜１０９周辺のエピタキシャル層１０３表面におい
て、分離酸化膜１０９形成時に窒化物が形成されるた
め、この窒化物を除去するために行われる。窒化物を除
去しないと、分離酸化膜１０９周辺での電気的リークを
引き起こすからである。次に、インプランテーション、
及び拡散技術により、バイポーラトランジスタ形成領域
にＢを拡散し、ＮＰＮトランジスタ６のベース層１１０
を形成し、続いて、同じ方法によってバイポーラトラン
ジスタ形成領域にＡｓを拡散してＮＰＮトランジスタの
エミッタ層１１１及びコレクタ層１１２を形成する。

【００１９】（４）図１２（ｃ）及び図１３（ａ）の
工程図１２（ｃ）において、ＣＶＤ法によってシリコン基板
１０１表面の全面に０．５μm 程度のＰＳＧ１１３を形
成する。図１３（ａ）に示すように、ＰＳＧ１１３をダ
イアフラム形成領域１２０上のみ除去する。これは、後
の工程で形成されるダイアフラム上の膜を減らすことに
より、膜の膨張係数の違いによって生じる応力が該ダイ
アフラムに与える影響をなくすためである。次に、酸素
雰囲気下の熱処理によって平坦化を行い、下地の影響で
生じたＰＳＧ１１３の表面段差をなだらかにする。この
酸素雰囲気下の熱処理は、後に形成されるＡｌ配線のＰ
ＳＧ表面段差による段切れを防止するために行うもので
あり、この熱処理と同時に、ダイアフラム形成領域１２
０の表面も酸化される。その後、ＣＶＤ法により、０．
２μm 程度の窒化膜１１４を７００〜１０００℃程度で
形成し、次に、表面の窒化膜１１４を除去する。つま
り、シリコン基板１０１の裏面にだけ窒化膜１１４を形
成する。表面の窒化膜１１４の除去は、後に形成される
コンタクトの断面形状がオーバハングになってＡｌ配線
が切れることを防止するために行われる。

【００２０】（５）図１３（ｂ）の工程ホトリソ技術を用い、シリコン基板１０１表面の全面に
レジスト１２１を塗布し、そのレジスト１２１のピエゾ
抵抗素子形成領域のみ除去して開孔部を形成する。次
に、イオンインプランテーション技術により、不純物Ｂ
⁺を４Ｅ１５ions／cm²打ち込み、ピエゾ抵抗素子１０
５を形成する。その後、インプランテーションによって
生じた結晶損傷を回復させるため、アニールと呼ばれる
熱処理を行う。この場合のアニールは、ＲＴＡ技術によ
り、例えば１５０℃、３０秒の熱処理を行う。このＲＴ
Ａを行うのは、ピエゾ抵抗素子１０５の高濃度を維持す
るためと、ＮＰＮトランジスタへの影響をなくすために
行われる。この際、通常のアーネス（拡散炉）アニール
技術では、Ｂを表面の酸化膜が吸い上げてしまい、ピエ
ゾ抵抗素子１０５の表面濃度が低下してしまう。そのた
め、本実施例では、ＲＴＡ処理を行い、短時間に高温の
アニール処理を実施するため、不純物の吸い上げを微少
に押さえ込むことができる。

【００２１】（６）図１３（ｃ）及び図１４（ａ），
（ｂ）の工程これらの工程は、従来とほぼ同様に行われる。即ち、図
１３（ｃ）において、ＮＰＮトランジスタ上に選択的に
コンタクト孔１１５を開孔し、それらの上にＡｌ配線１
１６を形成する。そして、素子を保護するためのパッシ
ベーション膜１１７をプラズマＣＶＤ法によって１μm
程度形成する。次に、シリコン基板１０１裏面における
ダイアフラム形成領域の窒化膜１１４及び酸化膜１０６
をエッチングにより除去する。図１４（ａ）において、
窒化膜１１４及びパッシベーション膜１１７をマスクに
して、アルカリ性のエッチング液（例えば、ＫＯＨ溶液
等）を用いてシリコン基板１０１の裏面を異方性エッチ
ングし、ダイアフラム１１８を形成する。そして、窒化
膜１１４及び酸化膜１０６をエッチングにより除去す
る。図１４（ｂ）において、Ａｌ配線１１６上のパッシ
ベーション膜１１７をエッチングにより除去し、該圧力
センサ装置と外部を電気的に接続するためのボンディン
グパッド１１９を形成すれば、圧力センサ装置の製造が
終了する。このようにして製造された圧力センサ装置で
は、従来と同様に、印加された圧力によってダイアフラ
ム１１８が変形し、その歪によるピエゾ抵抗素子１０５
の抵抗値変化がＮＰＮトランジスタで電気信号に変換さ
れる。

【００２２】本実施例では、次のような利点（ｉ）〜
（iii)を有している。（ｉ）本実施例では、ピエゾ抵抗素子形成工程をトラ
ンジスタ形成後に行うので、従来のようなトランジスタ
形成前にピエゾ抵抗素子形成を行なう製造方法に比べ、
トランジスタ形成上必要な参加工程の影響をピエゾ抵抗
素子１０５が受けなくなる。そのため、ピエゾ抵抗素子
１０５におけるＢ濃度の低下が防止され、抵抗変化率が
小さくなったり、温度変化特性が劣化するといった問題
を解決でき、圧力センサ装置の特性が向上する。（ii）インプランテーションを用いてピエゾ抵抗素子
１０５を形成しているので、拡散によって形成するピエ
ゾ抵抗素子１０５に比べ、不純物濃度のコントロールが
制御良くでき、圧力センサ装置の特性が安定化する。例
えば、Ｂ濃度の値を例に挙げると、注入エネルギー４０
ＫｅＶ、ドーズ量４．０×１０¹⁵ions／cm²の条件にて
インプランテーションを実施し、１１５０℃、３０秒の
ＲＴＡ処理を行うと、表面濃度が１．４×１０²⁰ions／
cm²となり、拡散によって形成したピエゾ抵抗素子１０
５の拡散工程終了時とほぼ等しい値となる。このよう
に、本実施例ではピエゾ抵抗素子１０５のインプランテ
ーションは、トランジスタ形成後に行うため、酸化処理
の影響がなく、最終表面濃度がそのまま１．４×１０²⁰
ions／cm²となる。シミュレーションによる本実施例の
最終プロファイルを図１５に示すシミュレーションによ
る従来の図６のプロファイルと本実施例のプロファイル
を比較すると、不純物濃度のコントロールが制御良くで
きることが理解できる。（iii) 図１３（ｂ）の工程において用いられるインプ
ランテーション＋ＲＴＡでは、従来のような拡散技術で
は実現することのできなかった２×１０²⁰ions／cm²以
上の高濃度に表面濃度を設定することも可能である。従
って、感度温度特性について最適な表面濃度を実現でき
る。

【００２３】第３の実施例本実施例では、第２の実施例の工程の短縮化が図られて
いる。以下その工程（１）〜（３）を、第２の実施例で
用いた図１１〜図１４を参照しつつ説明する。（１）図１１（ａ）〜（ｄ）及び図１２（ａ）〜
（ｃ）の工程第２の実施例と同一の処理が行われる。（２）図１３（ａ）の工程図１２（ｃ）の工程でシリコン基板１０１表面の全面に
形成されたＰＳＧ１１３を、第２の実施例と同様に、ダ
イアフラム形成領域１２０上のみ除去する。これは、ダ
イアフラム上の膜を減らすこにとより、膜の膨張係数の
違いによって生じる応力が該ダイアフラムに与える影響
をなくすためである。（３）図１３（ｂ）の工程ホトリソ技術を用い、シリコン基板１０１表面の全面に
レジスト１２１を塗布し、ピエゾ抵抗素子形成領域のみ
エッチングして開孔部を形成する。次に、イオンインプ
ランテーション技術により、Ｂ⁺を不純物として４Ｅ１
５ions／cm²打ち込み、ピエゾ抵抗素子１０５を形成す
る。その後、インプランテーションによって生じた結晶
損傷を回復させると共に、残されたＰＳＧ１１３を平坦
化させるため、ＲＴＡで、例えば１１５０℃、３０秒の
熱処理を行う。（４）図１３（ｃ）及び図１４（ａ），（ｂ）の工程図１３（ｂ）の工程後の処理は、第２の実施例と同様に
実施される。本実施例の製造方法では、第２の実施例の
利点に加え、次のような利点がある。即ち、図１３
（ｂ）の工程において、ＲＴＡを行うことにより、層間
絶縁膜であるＰＳＧ１１３が流動性を示して平坦化する
ため、第２の実施例の平坦化熱処理を省略することが可
能となる。これにより、第２の実施例の工程を短縮でき
る。なお、本発明は上記実施例に限定されず、例えば、
圧力センサ装置の断面構造を図示以外のものに変えた
り、あるいはその製造方法おいて他の材料や条件のもと
で他の処理の変える等、種々の変形が可能である。

【００２４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、第１の発明
によれば、ダイアフラムを構成する凹部底面に、相互に
接続されたクレータを均一な密度で形成したダイアフラ
ム構造にしたので、ダイアフラムを均一な厚さに形成す
ることが容易となり、従来のようなダイアフラム面が局
部的に他の領域と比べて薄くなるといった不具合がなく
なり、圧力センサ装置の特性が向上する。第２の発明に
よれば、トランジスタ形成後にピエゾ抵抗素子を形成す
るようにしたので、従来のようなトランジスタ形成前に
ピエゾ抵抗素子の形成を行う製造方法に比べ、トランジ
スタ形成上必要な酸化工程等の影響をピエゾ抵抗素子が
受けなくなり、該ピエゾ抵抗素子における不純物濃度の
低下を防止できる。そのため、抵抗変化率が小さくなっ
たり、感度温度特性が悪くなるといった問題がなくな
り、圧力センサ装置の特性が向上する。さらに、ピエゾ
抵抗素子の形成にインプランテーション技術を用いてい
るので、従来のような拡散によって形成するピエゾ抵抗
素子に比べ、不純物濃度のコントロールが制御良くで
き、圧力センサ装置の特性が安定化する。その上、ＲＴ
Ａ技術を用いてインプランテーション箇所の熱処理を行
うので、従来のような拡散技術では実現することができ
なかった高濃度に、ピエゾ抵抗素子の表面濃度を設定す
ることも可能であり、感度温度特性について最適な表面
濃度を実現できる。第３の発明によれば、ＲＴＡ技術を
用いて層間絶縁膜を平坦化するようにしたので、第２の
発明の効果に加えて、該層間絶縁膜に対する平坦化熱処
理を省略でき、それによって工程を短縮できる。第４の
発明によれば、単結晶シリコン基板用のエッチング液
を、Ａｌを０．００５％以上含有するＫＯＨ溶液で構成
したので、アルミ溶解量とクレータサイズ及びクレータ
密度とに密接な関係があることより、例えばシリコン基
板をエッチングしてダイアフラムを形成する場合、その
ダイアフラム面に、互いに接続した微小クレータを均一
な密度で簡単に形成することができる。このＫＯＨ溶液
は、シリコンをエッチングする他の分野の技術（例え
ば、マイクロマシン等）にも適用できる。第５の発明に
よれば、第４の発明のＫＯＨ溶液を用いてシリコン基板
をエッチングし、ダイアフラムを形成するようにしたの
で、従来のような直径数１００μm の円形のクレータ発
生をなくし、ダイアフラム面が局部的に他の領域と比べ
て薄くなるといった不具合がなくなり、圧力センサ装置
の特性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す圧力センサ装置の
断面図及び底面図である。

【図２】従来の圧力センサ装置の断面図及び底面図であ
る。

【図３】従来の他の圧力センサ装置の製造方法を示す製
造工程図である。

【図４】従来の他の圧力センサ装置の製造方法を示す製
造工程図である。

【図５】従来の他の圧力センサ装置の製造方法を示す製
造工程図である。

【図６】従来の拡散時プロファイル及び最終プロファイ
ルを示す図である。

【図７】従来のＡｌ溶解量とクレータ発生密度との関係
を示す図である。

【図８】図１の製造方法を示す製造工程図である。

【図９】図１の製造方法を示す製造工程図である。

【図１０】第１の実施例におけるＡｌ溶解量とクレータ
発生密度及びクレータサイズの関係を示す図である。

【図１１】本発明の第２の実施例の圧力センサ装置の製
造方法を示す製造工程図である。

【図１２】本発明の第２の実施例の圧力センサ装置の製
造方法を示す製造工程図である。

【図１３】本発明の第２の実施例の圧力センサ装置の製
造方法を示す製造工程図である。

【図１４】本発明の第２の実施例の圧力センサ装置の製
造方法を示す製造工程図である。

【図１５】本発明の第２の実施例の最終プロファイルを
示す図である。

【符号の説明】

１，１０１Ｐ型シリコン基板２，１０２Ｎ⁺埋込層３，１０３Ｎ型エピタキシャル層４，１０４Ｐ⁺分離層５，１０５ピエゾ抵抗素子６，１１０ベース層７，１１１エミッタ層８，１１２コレクタ層９，１０６酸化膜１０，１３，１０７，１１４窒化膜１２，１１６Ａｌ配線１８，１１８ダイアフラム１８ａ凹部底面１８ｃ微小クレータ１０９分離酸化膜１１３ＰＳＧ１１７パッシベーション膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板の一方の面に穿設された凹
部の底面に形成され、印加圧力により変形して歪を生じ
る薄肉状のダイアフラムと、前記シリコン基板のダイアフラム上に形成され、前記歪
によって抵抗値が変わるピエゾ抵抗素子とを、備えた圧力センサ装置において、前記凹部の底面に、相互に接続されたクレータを均一な
密度で形成したダイアフラム構造にしたことを特徴とす
る圧力センサ装置。
【請求項２】シリコン基板の一方の面に穿設された凹
部の底面に形成され、印加圧力により変形して歪を生じ
る薄肉状のダイアフラムと、前記シリコン基板のダイアフラム上に形成され、前記歪
によって抵抗値が変わるピエゾ抵抗素子と、前記シリコン基板の他方の面において前記ピエゾ抵抗素
子の近傍に形成され、該ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化を
電気信号の形で取り出すトランジスタとを、備えた圧力センサ装置の製造方法において、前記シリコン基板の他方の面に前記トランジスタを形成
し、そのトランジスタ上に層間絶縁膜を選択的に形成し
た後、インプランテーション技術を用いて前記トランジスタの
近傍に、選択的に不純物イオンを打ち込んで前記ピエゾ
抵抗素子を形成し、次に、短時間アニール技術を用い、前記インプランテー
ション箇所に対して短時間に高温の熱処理を行い、その後、前記シリコン基板の一方の面を選択的にエッチ
ングして前記凹部を形成し、前記ダイアフラムを形成す
ることを特徴とする圧力センサ装置の製造方法。
【請求項３】前記短時間アニール技術を用いて前記層
間絶縁膜を平坦化することを特徴とする請求項２記載の
圧力センサ装置の製造方法。
【請求項４】単結晶シリコンを異方性エッチングする
エッチング液において、Ａｌを０．００５％以上含有す
るＫＯＨ溶液で構成したことを特徴とするエッチング
液。
【請求項５】シリコン基板の一方の面に穿設された凹
部の底面に形成され、印加圧力により変形して歪を生じ
る薄肉状のダイアフラムと、前記シリコン基板のダイアフラム上に形成され、前記歪
によって抵抗値が変わるピエゾ抵抗素子とを、備えた圧力センサ装置の製造方法において、拡散技術を用いて前記シリコン基板の他方の面に、選択
的に不純物を拡散して前記ピエゾ抵抗素子を形成した
後、請求項４のエッチング液を用いて前記シリコン基板の一
方の面を選択的にエッチングし、相互に接続されたクレ
ータが均一な密度で底面に形成された前記凹部を形成
し、前記ダイアフラムを形成することを特徴とする圧力
センサ装置の製造方法。