JPH0964378A - ダイアフラム構造の半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ダイアフラムの破壊を防止するとともに、高耐
圧のダイアフラム構造を半導体素子を提供する。 【解決手段】枠状の支持部１が単結晶シリコン基板をエ
ッチングして形成され、支持部１の上面に単結晶炭化シ
リコン層４がエピタキシャル成長により結晶成長されて
いる。支持部１によって支持されるダイアフラム３が中
空部２の天井部を構成しており、ダイアフラム構造が形
成されている。ここで、ダイアフラム３を形成する単結
晶炭化シリコン層４の炭素濃度を、支持部１との接合面
からダイアフラム３の上面にかけて徐々に増加させるこ
とにより、ダイアフラム３に発生する内部応力を低減さ
せている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダイアフラム構造
の半導体素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、図３（ａ），（ｂ）に示すよ
うなダイアフラム構造の半導体圧力センサが知られてい
る。このような半導体圧力センサは、支持部１と、単結
晶シリコン基板を裏面からエッチングすることにより形
成された凹部９と、凹部９の天井部を形成するダイアフ
ラム３と、ダイアフラム３の上面に形成されたピエゾ抵
抗素子５と、配線６を用いてピエゾ抵抗素子５に接続さ
れる電極７とを備えている。ここで、支持部１とダイア
フラム３とは単結晶シリコン基板から一体的に形成され
ている。即ち、単結晶シリコン基板を水酸化カリウムを
用いた異方性エッチングにより裏面側からエッチングす
ることにより中央部に厚さ２０〜５０μｍの凹部９が形
成され、凹部９の天井部を構成するダイアフラム３及び
ダイアフラム３を支持する支持部１が形成される。ま
た、支持部１は台座８に固定されており、ダイアフラム
３の上面には歪みを検知するためのピエゾ抵抗素子５が
設けられている。

【０００３】ここで、ダイアフラム３に圧力が加えられ
るとダイアフラム３が撓み、その撓みをダイアフラム３
の上面に設けられたピエゾ抵抗素子５が電気抵抗の変化
に変換して圧力を検出している。従って、ダイアフラム
３の膜厚が薄い程、同じ圧力に対してダイアフラム３の
撓み量が大きくなるので、半導体圧力センサの圧力感度
は高くなる。即ち、半導体圧力センサの圧力感度はダイ
アフラム３の膜厚の２乗に反比例する。

【０００４】このような半導体圧力センサは、半導体の
微細加工技術を利用して製造することができるため小型
化が容易であり、且つ、大量生産が可能であるので低コ
スト化を図ることができるという利点がある。ところ
が、上述の構造の半導体圧力センサでは、単結晶シリコ
ン基板を裏面側からエッチングすることにより凹部９及
びダイアフラム３を形成しているので、ダイアフラム３
の膜厚を制御するために、エッチング深さとエッチング
速度とに基づいてエッチング時間を算出し、所定のエッ
チング時間で単結晶シリコン基板のエッチングを停止し
ていた。しかしながら、単結晶シリコン基板のエッチン
グ速度は、水酸化カリウム等のエッチング液の液温に敏
感に依存し、しかも、単結晶シリコン基板自体の厚さに
もバラツキがあるので、形成されたダイアフラム３の膜
厚にバラツキが生じる可能性がある。前述したように上
記構造の半導体圧力センサの圧力感度はダイアフラム３
の膜厚の２乗に反比例するので、圧力感度にバラツキが
発生する可能性があるという問題点があった。

【０００５】そこで、このような問題点を解決するため
に、図４（ａ），（ｂ）に示すような構造の半導体圧力
センサが提案されている。このような半導体圧力センサ
は、単結晶シリコン基板から成る枠状の支持部１と、単
結晶炭化シリコン層４から成り支持部１によって支持さ
れるダイアフラム３と、ダイアフラム３の上面に形成さ
れたピエゾ抵抗素子５とを備えている。

【０００６】ここで、単結晶シリコン基板の上面に単結
晶炭化シリコン層４を堆積させ、単結晶炭化シリコン層
４の上面に熱拡散或いはイオン注入等の方法により不純
物をドープしてピエゾ抵抗素子５を形成する。さらに、
単結晶シリコン基板を下面からエッチングして枠状の支
持部１を形成する。この時、中空部２は単結晶シリコン
基板を貫通して単結晶炭化シリコン層４に達するが、単
結晶炭化シリコン層４は化学的に安定なのでエッチング
されずに残る。この結果、支持部１によって支持され、
中空部２の天井部を構成するダイアフラム３が形成され
る。従って、この製造方法では、単結晶シリコン基板の
上面に堆積される単結晶炭化シリコン層４の膜厚を制御
することによりダイアフラム３の膜厚を制御しているの
で、単結晶シリコン基板のエッチング時間を管理して膜
厚を制御する必要はない。従って、ダイアフラム３の膜
厚を精度良く制御できるとともに、ダイアフラム３の一
層の薄膜化を図ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の半導体圧力
センサでは、支持部１を単結晶シリコン基板から形成
し、支持部１によって支持されるダイアフラム３を単結
晶炭化シリコン層４から形成している。このように支持
部１とダイアフラム３とが異なる材料から形成されてい
るので、それらの接合面で材料的に不連続となり、ダイ
アフラム３に内部応力が発生し、ダイアフラム３が破壊
されるという問題点があった。

【０００８】本発明は上記問題点に鑑みて為されたもの
であり、ダイアフラムの内部応力を低減し、ダイアフラ
ムの破壊を防止するとともに、高耐圧のダイアフラム構
造の半導体素子を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記目的を
達成するために、単結晶シリコン基板から成る枠状の支
持部と、支持部の上面に形成された単結晶炭化シリコン
層から成るダイアフラムとを備え、ダイアフラムを形成
する単結晶炭化シリコン層の炭素濃度を、ダイアフラム
と支持部との接合面からダイアフラムの上面にかけて徐
々に増加させることにより、ダイアラムに発生する内部
応力を低減することができ、ダイアフラムの破壊を防止
することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本実施形態を用いる半導体圧力セ
ンサを図面を参照して説明する。図１（ａ），（ｂ）及
び図２に、本実施形態を用いる半導体圧力センサの構造
を示す。このような半導体圧力センサは、中空部２と、
単結晶シリコン基板から成る枠状の支持部１と、中空部
２の天井部を構成するように支持部１の上面に堆積され
た単結晶炭化シリコン層４から成るダイアフラム３と、
ダイアフラム３の上面に形成されたピエゾ抵抗素子５と
を備えており、ダイアフラム３は支持部１によって支持
されており、支持部１は台座８に接合されている。ま
た、ピエゾ抵抗素子５には、拡散抵抗からなる配線６が
接続されている。さらに、配線６は中空部２の外側まで
延長され、その端部に電極７が設けられている。ここ
で、ダイアフラム３を形成する単結晶炭化シリコン層４
の炭素濃度は、支持部１とダイアフラム３との接合面か
らダイアフラム３の上面にかけて徐々に増加している。

【００１１】さて、上記のような構造の半導体圧力セン
サの製造工程について以下に説明する。まず、例えば３
００μｍの厚さの単結晶シリコン基板の上面に、反応ガ
スとしてジクロルシランとメタンの混合ガスを用い、メ
タンガスの濃度を徐々に増加させてエピタキシヤル成長
させることにより、シリコンと炭素の組成比が徐々に変
化する単結晶炭化シリコン層４を結晶成長させる。即
ち、単結晶シリコン基板と単結晶炭化シリコン層４との
接合面から単結晶炭化シリコン層４の上面に向かって、
炭素濃度が徐々に増加する。

【００１２】続いて、単結晶炭化シリコン層４の上面に
ボロンを選択的に熱拡散させて、圧力を検出するための
ピエゾ抵抗素子５を形成する。ここで、ボロンの表面濃
度は例えば１．０×１０¹⁸／ｃｍ³ とする。さらに、単
結晶炭化シリコン層４の上面にボロンを選択的に熱拡散
させて、配線６をピエゾ抵抗素子５から単結晶炭化シリ
コン層４上面の中空部２の外側の位置まで形成する。こ
こで、ボロンの表面濃度は例えば１．０×１０²⁰／ｃｍ
³ とする。

【００１３】さらに続けて、ダイアフラム３の上面に、
電子ビーム蒸着法でアルミニウム層を形成する。形成時
の基板温度は例えば１００〜２００℃とする。このアル
ミニウム層をホトリソグラフィー工程で所定形状にパタ
ーン化して、配線６の端部に電極７を形成する。このよ
うにして、単結晶シリコン基板上に単結晶炭化シリコン
層４を堆積させ、この単結晶炭化シリコン層４の上面に
ピエゾ抵抗素子５と配線６及び電極７を形成した後、単
結晶シリコン基板を裏面側から水酸化カリウムで異方性
エッチングすることにより、中空部２は単結晶シリコン
基板を貫通して単結晶炭化シリコン層４に達し、単結晶
シリコン基板から成る枠状の支持部１が形成されるとと
もに、化学的に安定な単結晶炭化シリコン層４はエッチ
ングされずに残り、ダイアフラム３が形成される。この
ようにして、ダイアフラム３が中空部２の天井部を構成
し、支持部１によって支持されるダイアフラム構造が形
成される。

【００１４】ダイアフラム３は、ダイアフラム３を形成
する時のエッチング液では殆どエッチングされないの
で、支持部１の上面に堆積された単結晶炭化シリコン層
４の膜厚を制御することにより、ダイアフラム３の膜厚
を精度良く制御することができ、例えば、ダイアフラム
３の膜厚を５μｍ以下に制御することも可能である。こ
こで、ダイアフラム３を単結晶炭化シリコン層４から形
成し、その炭素濃度を支持部１との接合面からダイアフ
ラム３の上面に向かって徐々に増加させることにより、
ダイアフラム３に発生する内部応力を低減することがで
きるので、ダイアフラム３の破壊を防止することができ
る。また、単結晶炭化シリコン層４は単結晶シリコン層
等に比べて破壊応力が大きいので、高耐圧の用途にも使
用することができる。

【００１５】

【発明の効果】請求項１の発明は上述のように、単結晶
シリコン基板から成る枠状の支持部と、支持部の上面に
形成された単結晶炭化シリコン層から成るダイアフラム
とを備え、ダイアフラムを形成する単結晶炭化シリコン
層の炭素濃度を、ダイアフラムと支持部との接合面から
ダイアフラムの上面にかけて徐々に増加させることによ
り、ダイアフラムに発生する内部応力を低減化でき、ダ
イアフラムの破壊を防止することができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本実施形態を示す半導体圧力センサの上
面図である。 （ｂ）同上の半導体圧力センサの断面図である。

【図２】同上の半導体圧力センサの一部省略した断面図
である。

【図３】（ａ）一従来例を示す半導体圧力センサの上面
図である。 （ｂ）同上の半導体圧力センサの断面図である。

【図４】（ａ）別の従来例を示す半導体圧力センサの上
面図である。 （ｂ）同上の半導体圧力センサの断面図である。

【符号の説明】

１ 支持部 ２ 中空部 ３ ダイアフラム ４ 単結晶炭化シリコン層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶シリコン基板から成る枠状の支持部
   と、前記支持部の上面に形成された単結晶炭化シリコン
   層から成るダイアフラムとを備え、前記ダイアフラムを
   形成する単結晶炭化シリコン層の炭素濃度が、前記ダイ
   アフラムと前記支持部との接合面から前記ダイアフラム
   の上面にかけて徐々に増加することを特徴とするダイア
   フラム構造の半導体素子。