JPS61116879A - 半導体圧力変換素子起わい部の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は半導体圧力センブリ感圧ダイヤプラムを凹状に
形成する方法に関する＠ 〔従来技術とその問題点〕 圧力センサは各産業分野で広く使用されている基本的な
センサの−っであ勺、最近は半導体ＩＣ技術を応用した
拡散形半導体圧力センサが盛に用いられるようＫなって
いる。

半導体圧力センサはシリコンなどの半導体にひずみを加
えると金属に比べて１００倍程鹿の大きな抵抗変化を生
ずることを利用して、圧力を受けてひずみを生ずる起わ
い体そのものをシリコン単結晶板からつくシ、これに不
純物を拡散し、ストレンゲージを形成したものであり、
ストレンゲージ抵抗の形成されたシリコン単結晶板の裏
面を凹形にく夛抜いて薄くなった部分がダイヤフラムと
なるので、このダイヤフラムとストレンゲージが完全に
一体となって圧力−ひずみ変換が行なわれる◎すなわち
圧力が印加されるとダイヤフラムが変形してゲージ抵抗
にひずみが発生し、このためゲージにはピエゾ抵抗効果
による大きな抵抗変化が起と９、圧力に比例したブリッ
ジ出方が得られるのである。

このような半導体圧力センサの起わい部の形成方法は一
般に次のようにして行なわれる。まず第２図に断面図で
示したようにシリコン基板１の一方の表面に基板１と逆
導電型のひずみゲージ２を形成し、この面と反対側の基
板１表面の起わい部となる部分を除く個所に例えばクロ
ムの第１の保護膜３と金の第２の保護膜４との積層保護
膜を設け、この積層保護膜をマスクとして硝酸−弗酸の
混合エツチング液を用いてシリコン基板１をエツチング
する。第３図はそのエツチングの模様を示したものであ
り、エツチング液５を入れた容器６の中に上記のようＫ
したシリコン基板１を浸種エツチングすることによシ起
わい部７を形成することかできる。ただし、このエツチ
ング過程は１枚のシリコンウェー・から多数個の圧力変
換素子が得◆ ）　　　　られるように行なわれるが、第２図、第３図
では（′ 説明の便宜上ただ１個のチップとして表わしである０ しかしながら、このエツチング方法によれば、シリコン
ウェー・の中央部分と周辺部分とではエツチング速度が
異なるため、起わい部７に関しても中央部分と周辺部分
との板厚が異なることから圧力変換素子の感度がばらつ
き、また複数枚のシリコンウェハを同時にエツチング処
理する際には、ウェハ間のばらつきも発生するので全体
として素子の感度のばらつきを小さく抑えることは困難
である。

一方上記とは異なるエツチング方法として第４図のごと
く電気化学的にエツチングする方法も知られている。第
４図はこの方法を説明するための概念図であり、第２図
、第３図と共通部分を同一符号で表わしである。第４図
においてまず被エツチング素子として不純物を高濃度に
添加したシリコン基板１ａに低不純物濃度層８をエピタ
キシアル生長させ、この低不純物濃度層８にひずみゲー
ジ２を設け、次いでひずみゲージ２を設けたのと反対側
ノシリコン基板１ａの面で所定の領域に例えばクロムの
第１層保護膜３と金の第２層保護膜４からなる２層のエ
ツチングマスクを被着したものが用いられる。クロムは
金と下地シリコン基板１ａとの密着性を増す役割をもつ
。このものを容器６内の硝酸−弗酸混合液５中において
直流電源９に接続したシリコン基板１ａの所定部分をエ
ツチングし、不純物濃度境界面１１まで進行したときエ
ツチングを停止させるストップエツチングを行うことに
より、所望の凹部を形成し、起わい部として均一な厚さ
を得ようとするものである０なお第４図においてシリコ
ン基板１ａのエツチングによシ除去される部分を点線で
表わしである。

しかし、この電気化学的エツチング方法は凹部形成に際
して、シリコン基板１ａとこれに対向配置される白金陰
電極１０との間に直流電圧が印加され第１層クロム３−
第２層金４の積層保護膜が正の電極となるため、第１層
クロム膜３が溶解してシリコン基板１ａから剥離し、マ
スク効果を発揮することができなくなり、その結果所望
の凹部以外の領域１でエツチングされてしまうという欠
点がある。

これに対してエツチングマスクとしてクロム−金からな
る金属積層膜の代シに酸化膜（Ｓ　ｔ０２　）　１層の
みとする方法もあるが、酸化膜の厚さ約１μｍのときエ
ツチングに対するマスク効果ｆ′ｉ１時間程度しか保つ
ことができず、電気化学的なストップエツチング法によ
シ感圧ダイヤフラムが必要とする数百μｍの凹部を形成
するためには、２時間以上かかるので酸化膜をマスクと
して用いることは適切な手段とは言えない。

なお、このような電気化学的なストップエツチング法は
、高不純物製置の半導体基板とこの基板に設けられた低
不純物濃度層とではエツチング速度が著しく異なること
を利用したものであシ、不純物濃度とエツチング速度の
関係を第５図の線図に示したが、第５図かられかるよう
に例えば不純物濃度が１０１８／。。の領域と１０１５
／ｃｃ以下の領域ではエツチング速度に１桁以上の差が
あシ、したがって低不純物濃度層がエツチングのストッ
パとなって均一な板厚の起わい部が得られるのである。

以上のように、半導体基板の不純物濃度差を利用した電
気化学的なストップエツチング法は圧力変換素子起わい
部を形成するために有効な方法であるが凹部を形成する
際の適切な材料が見出されていない。

〔発明の目的〕

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目
的は半導体圧力変換素子起わい部の凹形状管形成するた
めに、電気化学的なストップエツチングを行なうに当シ
、エツチングマスクの密着性がよく、凹部形成中にマス
クが基板から剥離することなく、起わい部が均一な厚さ
を有し、圧力感度のばらつきの小さい圧力変換素子を得
ることができる起わい部の形成方法を提供することにあ
る。

〔発明の要点〕

本発明は不純物を高濃度に添加した単結晶シリコン基板
の片面に低不純物濃度層を気相生長させ、低不純物濃度
層にひずみゲージを形成し、高不純掴 １　物濃度の基板のひずみゲージ形成面と反対側の面か
う！気化学的にストップエツチングして凹部を形成する
ときに、高不純物濃度基板上に設けるエツチングマスク
として第１層酸化膜（Ｓｉ０２）と第２層のニッケル、
クロムを含有した金膜とからなる二層マスクを用いるこ
とにより、マスク自体の溶解や基板からの剥離などをな
くし、基板の不純物濃度境界面でエツチングを停止し、
均一な厚さを有する起わい部が得られるようにしたもの
である０ 〔発明の実施例〕 以下本発明を実施例に基づき説明する。

再び第４図を参照して本発明を説明するが、本発明が従
来の方法と異なる点は、従来エツチングマスクとしてシ
リコン基板１ａに近い方から例えばクロムの第１層保護
膜３とこの上に金の第２層保護膜４を被着していたのに
対し、本発明では第１層酸化膜３に酸化膜（Ｓｉ０２）
、第２層保護膜４にニッケルとクロムを含む金膜を用い
て二層積層膜としていることである。

本発明を第４図によシ素子構成から述べると、まず有効
なピエゾ抵抗効果が得られる結晶方位を有し、例えば１
０１９／ｃｏ以上の砒素もしくは１ｏ１８／Ｃｅ以上の
アンチモンを含むＮ＋型嵩高濃度結晶シリコン基板１ａ
片面に最終的に形成される起わい部の板厚ｔだけ１０１
５／ｃｃ以下の燐をドーピングしたｎ型低不純物濃度層
８をエピタキシアル生長させ、この低不純物濃度層８に
ひずみゲージ２を形成し、次いでひずみゲージ２とは反
対側のシリコン基板１ａの所定の領域に第１層保護膜３
として熱酸化などによシミ気的絶縁性を有する酸化膜を
設け、この上にニッケルクロム合金と金をソースとする
蒸着を行い第２層保護膜４としてニッケル、クロムを総
ｉで１４〜３０重量％含有する金合金膜を被着させたも
のとする。金にニッケルとクロムを含有させることによ
シ耐エツチング性を向上させることができる０このとき
膜厚は第１層３の酸化膜は０，２〜１．０μｍであり、
第２層４のニッケル、クロムを含む金合金の膜厚は０．
２〜０．５μｍである。

このように準備のできたシリコン基板１ａを弗酸と純水
を１＝９の比率に混合したエツチング液５の入った容器
６に沈め、エツチング液中で直流電源９によシ高不純物
濃度基板１ａを陽極、白金１０を陰極として数Ｖの直流
電圧を印加し、基板１ａの所定領域を除去するが、この
ときエツチングの停止は、第５図の不純物濃度上エツチ
ング速度の関係線図かられかるように不純物濃度境界面
で行なわれるから、はじめに設定したｔの厚さをもつ低
不純物濃度層８が起わい部の厚さとして残るので高い精
度が確保される。またこのエツチング過程においては高
不純物濃度基板１ａと第２層保護膜４の金属膜とは第１
層保護膜３の酸化膜により電気的に絶縁された状態にあ
るから、例えば２時間以上の長いエツチング時間に対し
ても高不純物濃度基板１ａの所望の凹部のみがエツチン
グされ、その他の部分は完全にエツチングから保護する
ことができる。

このようなエツチング保護膜はピンホールなどがなく下
地との密着性に優れ、凹部成形過程における剥離もなく
、保護膜自体が溶解するという現象もみられない。

なお電気化学的なストップエツチングに供す池圧力検出
素子の構成は上記実施例に示したものに限られることな
く、実施例とは異なる半導体装置を用いてもよく、起わ
い部側の変形として第１図（ａ）〜（ｅ）に示す断面図
のようにすることができる。

第１図（ａ）〜（Ｃ）が第２図〜第４図と共通する部分
は同一符号を用いて表わしエツチング除去される部分を
点線で記入しである。

第１図（ａ）は１０１ｇ／ｃｃ以上のボロンを含むＰ＋
型高不純物濃度シリコン基板１ｂの片面に１０　”／ｃ
ｃ以下の燐をドーピングしたｎ型低不純物濃度層８ａを
積層し、このｎ型低不純物濃度層８ａにひずみゲージ２
を形成した二層積層ウェハとしたものである〇第１図（
ｂ）は１０１９／ｃｏ以上の砒素または１０１８／ｃｃ
以上のアンチモンを含むｒ型高不純物濃度シリコン基板
１ａの片面に１０”／ｃｃ以下のボロンをドーピングし
たＰ型低不純物濃度層８ｂを設けさらにその上に１Ｏ１
５／ｃｃ以下の燐をドーピングしたｎ型低不純物濃度層
８Ｃを積層し、このｎ型低不純物濃度層；８ｃにひずみ
ゲージ２を形成した三相積層クエ・・と１．１ したものである・ 第１図（ｅ）は１０１９／ｃｃ以上の砒素または１０１
８／Ｃ（７以上のアンチモンを含む丈型不純物濃度シリ
コン基板１ａの片面に１０１５／。。以°下のボロンを
ドーピングしたＰ型低不純物濃度層８ｂを設け、その上
にＰ＋高不純物濃度層８ｄ、さらにその上に１０１５／
ｃｃ以下の燐をドーピングしたｎ型低不純物濃度層８ｅ
を順次積層しｎ型低不純物濃度層８ｅにひずみゲージ２
を形成し九四層積層りエノ・である。

以上第１図（ａ）〜（Ｃ）の被エツチング素子の保護膜
３．４についてはいずれも前述した実施例の場合と同様
である。

〔発明の効果〕

はじめに説明したように、半導体圧力変換素子の起わい
部を形成する際に、従来高不純物濃度半導体基板の片面
に設けた低不純物濃度層とは反対面の非エツチング面に
クロムと金の二層金属保護膜を被着した後、エツチング
液中で基板を陽極。

白金を陰極として直流電圧を印加してエツチングの進行
を不純物濃度境界面で停止することにより、凹部を形成
していたので、クロム保護膜の剥離や溶解などに起因す
る起わい部の厚さの不均一を生じ圧力変換素子の感度の
ばらつきが大きかったのに対し、本発明によれば実施例
で述べたごとく、非エツチング面を被覆する保護膜とし
てシリコン酸化膜およびニッケル、クロムを含む金合金
膜からなる二層保ｓａを用いたために、電気化学的スト
ップエツチングの進行中においてもこのエツチング保護
膜は良好な密着性と長時間にわたる十分な耐エツチング
性を保持し、保護膜自体の剥離もしくは溶解などを生ず
ることなく、その結果、形成された起わい部は寸法的に
ばらつきが５％以下という高い精度をもつようになるの
で、圧力変換素子の出力感度のばらつきも小さくするこ
とに成功したものである。

用可能な被エツチング素子のそれぞれ異なる例を示す断
面図、第２図は従来の被エツチング素子の断面図、第３
図は従来の浸漬エツチング法の概念図、第４図は電気化
学的ストップエツチング法の概念図、第５図は基板の不
純物濃度とエツチング速度との関係を示す線図である０ １ａ・・・・・・高不純物濃度シリコン基板、２・・・
・・・ひずみゲージ、３・・・・・・第１層保護膜、４
・・・・・・第２層保護膜、５・・・・・・エツチング
液、７・・・・・・起わい部、８・・・・・・低不純物
濃度層、９・・・・・・直＃ｆ、’に源、１０・・・・
・・白金電極、１１・・・・・・不純物濃度境界面。

第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）不純物を高濃度に含む一導電型の単結晶シリコン基
   板の一表面に低不純物濃度層を気相成長させ、低不純物
   濃度層にひずみゲージを形成し、基板他面の所定の非エ
   ッチング面に二層保護膜を設けた後、基板をエッチング
   液に浸漬して基板を陽極、白金を陰極として直流電圧を
   印加してエッチングし、基板の不純物濃度境界面でエッ
   チングの進行を停止することにより、基板に凹部を形成
   する方法において、前記保護膜を基板に被着したシリコ
   ン酸化膜と該酸化膜上に被着したニッケル、クロムを含
   む金合金膜とからなる二層保護膜とすることを特徴とす
   る半導体圧力変換素子起わい部の形成方法。