JPH0758347A - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大レンジと小レンジ用のダイヤフラムを備え
た半導体圧力センサにおいて、大レンジのダイヤフラム
径を大きくして大レンジ用ダイヤフラムとゲージとを高
い精度で位置合わせできるようにする。 【構成】 第１の半導体基板２上に第２の半導体基板２
０をフュージョンボンディングする。第１の半導体基板
２は、ｎ型層２４とｐ型層２５を有し、深さの異なる２
つの凹陥部４，５が離間して形成されている。第２の半
導体基板２０はｎ型シリコンで形成されている。一方の
凹陥部４は、第１の半導体基板２のｎ，ｐ型層２４，２
５にわたって形成されることにより、第２の半導体基板
２０が小レンジ用ダイヤフラム２１を形成している。他
方の凹陥部５は、第１の半導体基板２のｐ型層２５に形
成されることにより、第１の半導体基板２のｎ型層２４
と第２の半導体基板２０とで２層のｎ型シリコンからな
る大レンジ用ダイヤフラム２２を形成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は差圧あるいは圧力を検出
する半導体圧力センサ、特にレンジの異なるダイヤフラ
ムを備えた半導体圧力センサおよびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の半導体圧力センサとして
はＳｉ（シリコン）半導体ダイヤフラムを利用したもの
が知られている。このＳｉダイヤフラム型半導体圧力セ
ンサは、Ｓｉ単結晶からなる半導体基板の表面に不純物
の拡散もしくはイオン打ち込み技術によりピエゾ抵抗領
域として作用するゲージを形成すると共に、Ａｌの蒸着
等によりリードを形成し、裏面の一部をエッチングによ
って除去することにより厚さ２０μｍ〜５０μｍ程度の
薄肉の起歪部、すなわちダイヤフラムを形成して構成し
たもので、ダイヤフラムの表裏面にそれぞれ測定すべき
圧力を加えると、ダイヤフラムの変形に伴いゲージの比
抵抗が変化し、この時の抵抗変化に伴う出力電圧を検出
し、差圧または圧力を測定するものである。また、最近
では温度や静圧により生じるセンサの零点変化を防止す
るため、静圧および温度変化をも同時に検出するように
した複合機能型半導体圧力センサとか、２つのダイヤフ
ラムを設け測定レンジの異なる差圧を測定するようにし
たマルチ型半導体圧力センサも知られている。

【０００３】図５および図６はこのようなマルチ型半導
体圧力センサの従来例を示す断面図および平面図であ
る。これらの図において、１はバックプレートで、この
バックプレート１は半導体基板２と熱膨張係数が近似し
たパイレックスガラス、セラミックス等によって形成さ
れ、上下面に貫通する圧力導入孔３Ａ，３Ｂを有し、上
面に半導体基板２が静電接合されている。半導体基板２
は、（１００）面のｎ型単結晶Ｓｉからなり、裏面側に
離間して設けられた２つの凹陥部４，５のため薄肉部を
形成する部分がそれぞれ円板状の小レンジ用ダイヤフラ
ム６と大レンジ用ダイヤフラム７を形成し、これら両ダ
イヤフラム６，７の表面側にはそれぞれ４つからなる小
レンジ用の差圧（または圧力）測定ゲージ８と大レンジ
用の差圧（または圧力）測定用ゲージ９が形成されてい
る。小レンジ用ダイヤフラム６は、例えば１０ｍｍＨ₂
Ｏ〜±２００ｍｍＨ₂ Ｏの差圧測定用で、大レンジダイ
ヤフラム７は、例えば２５ｍｍＨ₂ Ｏ〜±１０，０００
ｍｍＨ₂ Ｏの差圧測定用で、小レンジ用ダイヤフラム６
より小径に形成されている。

【０００４】半導体基板２の裏面側に設けられた一方の
凹部４は電解エッチングによって形成されて圧力導入孔
３Ａと連通し、小レンジ用ダイヤフラム６の表裏面に測
定圧力Ｐ1 ，Ｐ2 が加えられる。他方の凹部５は同様に
電解エッチングによって形成されて圧力導入孔３Ｂと連
通し、大レンジ用ダイヤフラム７の表裏面に測定圧力Ｐ
3 ，Ｐ4 が加えられる。

【０００５】差圧検出用ゲージ８は、不純物の拡散もし
くはイオン打ち込み技術により形成されてピエゾ抵抗領
域（ピエゾ抵抗素子）として作用し、Ａｌの蒸着等によ
り形成されたリード１０によりホイールストーンブリッ
ジを構成することにより小レンジ用ダイヤフラム６の表
裏面に加えられた測定すべき圧力Ｐ1 ，Ｐ2 の差圧信号
を差動的に出力する。差圧検出用ゲージ９も前記差圧検
出用ゲージ８と同様に不純物の拡散もしくはイオン打ち
込み技術により形成されることによりピエゾ抵抗領域と
して作用し、Ａｌの蒸着等により形成されたリード（図
示せず）によりホイールストーンブリッジに結線される
ことで、大レンジ用ダイヤフラム７の表裏面に加えられ
た測定すべき圧力Ｐ3 ，Ｐ4 の差圧信号を差動的に出力
する。なお、１２はエピタキシャル層である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】１つの半導体基板２に
大きさおよび測定レンジの異なる２つのダイヤフラム
６，７を形成する場合、これら両ダイヤフラム６，７を
不純物濃度差を利用した電解エッチングによって形成す
ると、両ダイヤフラムの肉厚ｈが同じであれば１回のエ
ッチングで双方の肉厚を精度よく制御することが可能で
ある。しかしながら、大レンジ用ダイヤフラム７は小レ
ンジ用ダイヤフラム６に比べてより大きな差圧または圧
力に耐える必要があるため、肉厚ｈが同じであればダイ
ヤフラム７の外径ｄをダイヤフラム６の外径Ｄに比べて
小さくする必要がある。このように大レンジ用ダイヤフ
ラム７の径ｄは小レンジ用ダイヤフラム６に比べて小さ
く、そのためゲージの形成時に大レンジ用ダイヤフラム
７と差圧検出用ゲージ９とを高い精度で位置合わせする
ことが難しいという問題があった。

【０００７】したがって、本発明は上記したような従来
の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするとこ
ろは、測定レンジの異なる２つのダイヤフラムを備えた
半導体圧力センサにおいて、大レンジ用ダイヤフラム径
を大きくして形成することができ、大レンジ用ダイヤフ
ラムとゲージとを高い精度で位置合わせすることができ
るようにした半導体圧力センサおよびその製造方法を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
本発明に係る半導体圧力センサは、単結晶からなる半導
体基板を備え、この半導体基板に凹陥部の形成により厚
さの異なる２つの薄肉部を離間して形成し、これら薄肉
部の一方の面にピエゾ抵抗領域として作用するゲージを
それぞれ形成した半導体圧力センサにおいて、前記２つ
の薄肉部のうち一方の薄肉部を１層のｎ型シリコンで形
成し、他方の薄肉部をフュージョンボンド面を有する２
層のｎ型シリコンにより形成したものである。また本発
明に係る半導体圧力センサの製造方法は、上記半導体圧
力センサであって、一面にｎ型層、他面にｐ型層を備え
た第１の半導体基板のｎ型層に凹陥部形成用のｐ型層部
分を形成する工程と、前記第１の半導体基板と、一面に
ｎ型層、他面にｐ型層を備えた第２の半導体基板とをｎ
型層面同士でフュージョンボンディングする工程と、フ
ュージョンボンディングによって第２の半導体基板と接
合された第１の半導体基板のｐ型層面にレジストを形成
する工程と、前記レジストをホトエッチングすることに
より、前記第１の半導体基板のｐ型層の表面で前記ｎ型
層中のｐ型層部分に対応する箇所とこれとは離間した他
の箇所を凹陥部形成予定箇所として外部に露呈させる工
程と、前記第１の半導体基板の前記凹陥部形成予定箇所
と、第２の半導体基板のｐ型層を電解エッチングする工
程と、かららなるものである。

【０００９】

【作用】本発明において、第１の半導体基板はＰ型シリ
コンの一面にｎ型層が形成されている。第２の半導体基
板はｎ型シリコンからなり、フュージョンボンディング
（直接接合）によって第１の半導体基板のｎ型層面に接
合される。２つの薄肉部のうち一方は、第２の半導体基
板によって形成され、他方は第１の半導体基板のｎ型層
と第２の半導体基板とによって形成される。したがっ
て、他方の薄肉部は一方の薄肉部より厚く、大レンジの
ダイヤフラムを形成する。また、厚ければダイヤフラム
径を大きくすることができるため、ダイヤフラムとゲー
ジを高い精度で位置合わせすることが可能となる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明に係る半導体圧力センサおよび
その製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。図１は
本発明に係る半導体圧力センサの一実施例を示す断面図
である。なお、図中図５および図６と同一構成部材のも
のに対しては同一符号をもって示し、その説明を省略す
る。また、図における各部の厚み、大きさは理解を容易
にするため誇張して示しており、実際の寸法とは異な
る。これらの図において、本発明に係る半導体圧力セン
サは、バックプレート１上に第１の半導体基板２を静電
接合し、この第１の半導体基板２の上面に第２の半導体
基板２０をフュージョンボンディングによって接合し、
第１の半導体基板２のバックプレート側面に深さの異な
る２つの凹陥部４，５を互いに離間して形成することに
より、これら凹陥部４，５により薄肉部を形成する部分
を１層のｎ型シリコンからなる小レンジ用ダイヤフラム
２１と、フュージョンボンディング面２３を有する２層
のｎ型シリコンからなる大レンジ用ダイヤフラム２２と
し、これら両ダイヤフラム２１，２２の表面周縁部にピ
エゾ抵抗領域として作用する差圧検出用ゲージ８，９を
それぞれ形成したものである。

【００１１】第１の半導体基板２は、単結晶のＰ型シリ
コンからなり、第２の半導体基板２０が接合される面が
エピタキシャル層（ｎ型層）２４を形成している。第２
の半導体基板２０は、単結晶のｎ型シリコンで形成され
ている。

【００１２】２つの凹陥部４，５のうち小レンジ用ダイ
ヤフラム２１を形成する一方の凹陥部４は、電解エッチ
ングによって第１の半導体基板２の裏面（バックプレー
ト側面）側から表面側に達するよう形成されることによ
り、第２の半導体基板２０の裏面が凹陥部４の底面を形
成している。したがって、小レンジ用ダイヤフラム２１
は第２の半導体基板２０の前記凹陥部４に対応する部分
とされる。大レンジ用ダイヤフラム２２を形成する他方
の凹陥部５は、同じく電解エッチングによって第１の半
導体基板２のｐ型層２５に形成されることにより、前記
ｎ型層２４が凹部底面を形成している。したがって、大
レンジ用ダイヤフラム２２は、第１の半導体基板２のｎ
型層２４と第２の半導体基板２０とで構成されることに
より前記フュージョンボンディング面２３を有し、厚さ
が小レンジ用ダイヤフラム２１よりもｎ型層２４の厚さ
ｔだけ厚く設定されている。なお、その他の構成は図５
および図６に示した従来のマルチ型半導体圧力センサと
同様である。

【００１３】次に、上記構成からなる半導体圧力センサ
の製造方法を図２〜図４に基づいて詳細に説明する。先
ず、ｐ型のＳｉ単結晶からなる第１の半導体基板２の一
面全体を不純物の拡散もしくはイオンの打ち込みによっ
てｎ型層２４とし、このｎ型層２４の凹陥部形成予定箇
所をｐ型拡散してｐ型層部分２６とする（図２参照）。
ｐ型層部分２６の形成に際しては、予めｎ型層２４の表
面に熱酸化法によってＳｉＯ₂ からなる絶縁層を形成
し、次に、この絶縁層の所定箇所にホトエッティングに
よって埋め込み拡散用の穴を形成し、この穴よりｎ型層
２４中に不純物を拡散またはイオン打ち込み法によって
打ち込み、ｐ型層２６を形成すればよい。

【００１４】第１の半導体基板２と第２の半導体基板２
０をフュージョンボンディングし、これら両基板を一体
化する。フュージョンボンディングは、２つの半導体基
板２，２０をｎ型層面同士が密着するように互いに重ね
合わせて加熱炉中に入れ、１０００°Ｃ程度で所定時間
（４時間程度）加熱することで行われ、ボンディング面
２３が共有結合される。第２の半導体基板２０は、第１
の半導体基板２に接合される面側が所定の厚さ（例えば
２５μｍ）を有するｎ型層３０とされ、他方の面が適宜
厚さのｐ型層３１とされている。第１，第２の半導体基
板２，２０をフュージョンボンディングした後、第１の
半導体基板２のｐ型層２５の表面全体にレジスト３３を
スピンコーティングによって塗布する。さらに、このレ
ジスト３３上にマスクを設置してこのレジスト３３を所
定のパタンに露光し、キシレン等の現像液にて現像し、
露光された箇所以外のレジストを除去する（図３参
照）。このレジストの除去によってｐ型層２５の一部表
面３７ａ，３７ｂは外部に露呈し、この表面部分３７
ａ，３７ｂが図１に示した凹陥部４，５の形成予定箇所
とされる。

【００１５】次いで、一体的に接合された第１，第２の
半導体基板２，２０を電解液中に浸漬して第１の半導体
基板２の凹陥部形成予定箇所３７ａ，３７ｂおよびｐ型
層部分２６（図３）を電解エッチングすることにより、
凹陥部４，５（図４）を形成する。この時、第２の半導
体基板２０もｐ型層３１（図２）が同時に電解エッチン
グされることにより、所定の厚さを有するｎ型シリコン
となる。半導体電解液としてはフッ化水素等が用いられ
る。電解エッチング後、レジスト３３を除去すると共
に、第２の半導体基板２０の表面所定箇所にピエゾ抵抗
領域として作用する差圧検出用ゲージ８，９を不純物の
拡散またはイオン打ち込み法によって同時に形成し、も
って図１に示した半導体圧力センサの製造を終了する。

【００１６】かくしてこのような構成からなる半導体圧
力センサにおいては、厚さの異なる小レンジ，大レンジ
用ダイヤフラム２１，２２を形成することができる。こ
のため、厚さが厚くなる分だけ大レンジ用ダイヤフラム
２２の径ｄ1 を大きくすることができ、ダイヤフラム２
２とゲージ９との位置合わせを容易にする。

【００１７】なお、小レンジ，大レンジの差圧検出用ゲ
ージ８，９の構成は同一で、これらゲージの形成につい
ては、本願発明とは直接関係せず、また従来周知である
ためここではその説明を省略する。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る半導体
圧力センサおよびその製造方法によれば、半導体基板を
フュージングボンディングされた第１，第２の半導体基
板によって構成しているので、厚さの異なる２つの薄肉
部を容易に形成することができ、その結果、厚さが厚い
薄肉部のダイヤフラム径を大きくすることができる。ま
た、ダイヤフラム径が大きくなればダイヤフラムとゲー
ジとを高い精度で位置合わせすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体圧力センサの一実施例を示
す平面図である。

【図２】第１の半導体基板にｎ型層を形成すると共にｐ
型層部分を形成する工程を示す図である。

【図３】第１の半導体基板と第２の半導体基板をフュー
ジョンボンディングし、第１の半導体基板にレジストを
形成する工程を示す図である。

【図４】第１，第２の半導体基板を電解エッチングし、
ダイヤフラムを形成する工程を示す図である。

【図５】半導体圧力センサの従来例を示す断面図であ
る。

【図６】同センサの平面図である。

【符号の説明】

１ バックプレート ２ 半導体基板（第１の半導体基板） ４，５ 凹陥部 ６ 小レンジ用ダイヤフラム ７ 大レンジ用ダイヤフラム ８ 差圧検出用ゲージ ９ 差圧検出用ゲージ ２０ 第２の半導体基板 ２１ 薄肉部（小レンジ用ダイヤフラム） ２２ 薄肉部（大レンジ用ダイヤフラム） ２３ フュージョンボンディング面 ２４ ｎ型層 ２５ ｐ型層 ２６ ｐ型層部分 ３０ ｎ型層 ３１ ｐ型層 ３３ レジスト ３７ａ，３７ｂ 凹陥部形成予定箇所

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶からなる半導体基板を備え、この
   半導体基板に凹陥部の形成により厚さの異なる２つの薄
   肉部を離間して形成し、これら薄肉部の一方の面にピエ
   ゾ抵抗領域として作用するゲージをそれぞれ形成した半
   導体圧力センサにおいて、 前記２つの薄肉部のうち一方の薄肉部を１層のｎ型シリ
   コンで形成し、他方の薄肉部をフュージョンボンド面を
   有する２層のｎ型シリコンにより形成したことを特徴と
   する半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体圧力センサであっ
   て、 一面にｎ型層、他面にｐ型層を備えた第１の半導体基板
   のｎ型層に凹陥部形成用のｐ型層部分を形成する工程
   と、 前記第１の半導体基板と、一面にｎ型層、他面にｐ型層
   を備えた第２の半導体基板とをｎ型層面同士でフュージ
   ョンボンディングする工程と、 フュージョンボンディングによって第２の半導体基板と
   接合された第１の半導体基板のｐ型層面にレジストを形
   成する工程と、 前記レジストをホトエッチングすることにより、前記第
   １の半導体基板のｐ型層の表面で前記ｎ型層中のｐ型層
   部分に対応する箇所とこれとは離間した他の箇所を凹陥
   部形成予定箇所として外部に露呈させる工程と、 前記第１の半導体基板の前記凹陥部形成予定箇所と、第
   ２の半導体基板のｐ型層を電解エッチングする工程と、 からなることを特徴とする半導体圧力センサの製造方
   法。