JPS6325982A - 半導体圧力変換装置の製造方法 - Google Patents

半導体圧力変換装置の製造方法

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JPS6325982A
JPS6325982A JP61168079A JP16807986A JPS6325982A JP S6325982 A JPS6325982 A JP S6325982A JP 61168079 A JP61168079 A JP 61168079A JP 16807986 A JP16807986 A JP 16807986A JP S6325982 A JPS6325982 A JP S6325982A
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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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、圧力を電気信号に変換する圧力変換装置に関
し、特にセンサチップ内に基準圧力室を有する圧力変換
装置に関するものである。
〔従来技術〕
従来の圧力変換装置としては、例えば、第12図に示す
ごときものがある(例えば、特開昭58−63826号
に記載)。
第12図の装置は、絶対圧型の圧力変換装置であり、ピ
ン3及びパイプ11が設けられたハーメチックシールの
ステム5に第2接着層8を介して台座4が接着され、さ
らにその上に第1接着層7を介して圧力センサチップ1
が接着されている。
また、圧力センサチップ1の表面の入出力パッドとピン
3とは金ワイヤ2で接続されている。
また、キャップ6とステム5とは放電加工やハンダ付は
等で接着されており、真空中でハンダ9を用いて封止孔
12を封止することにより真空室10が形成されている
上記の構造においては、真空室10が基準圧として真空
になっており、パイプ11を通して外部圧力が圧力セン
サチップ1の下部から印加されるようになっている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記のごとき従来の圧力変換装置、特に絶対圧型の圧力
変換装置においては、基準圧となる真空室を形成する必
要があり、しかもステム5と圧力センサチップ1との膨
張係数の違いによる熱応力を低減する必要があるため1
台座4及び第1接着層7、第2接着層8として熱膨張係
数の近い物質を選択する等の考慮を用いて実装しなけれ
ばならず、そのため圧力センサチップ1を実装するため
に多くのコストがかかるという問題があった。
本発明は上記のごとき従来技術の問題を解決するために
なされたものであり、実装が容易で低コスト化が可能な
圧力変換装置及びその製造方法を提供することを目的と
するものである6〔問題を解決するための手段〕 上記の目的を達成するため、本発明においては、基板上
にセンサ部を形成するのと同時に基準圧力室も形成する
ように構成している。
すなわち、本発明においては、基板の上に周囲を囲繞さ
れ、外部に対して気密に形成された空洞領域と、該空洞
領域の上に形成されたダイアフラム領域と、該ダイアフ
ラム領域の変位を電気信号に変換する変換手段とを備え
ている。
上記のように構成したことにより、本発明においては、
上記の空洞領域内の気圧(例えば10 T orr以下
の真空)を基準圧力として用いることが出来るので、セ
ンサチップの外部に別個に基準圧力室を形成する必要が
なくなる。そのため、Siウェハのバッジ処理等で同時
に大量に基準圧力室を持った圧力変換装置を作製するこ
とが出来、実装が容易になると共に低コスト化が可能に
なる。
また、本発明の製造方法においては、基板の上に第1の
薄膜を形成する工程と、該第1の8膜の上に該第1の薄
膜と異なる材質から成る第2の薄膜を形成する工程と、
該第2の薄膜を選択的にエツチングして所定の領域に孔
を形成する工程と、該孔を通じて上記第1の薄膜の一部
をエツチングすることによって空洞領域を形成する工程
と、上記第2の薄膜上に上記の孔を塞ぐように第3の薄
膜を形成する工程とを備えている。
上記の構成により、通常のSiウェハの処理工程を用い
て基準圧力室となる空洞領域とダイアフラム部とを同時
に形成することが出来、特許請求の範囲第1項記載のご
とき圧力変換装置を同時に大量生産することが可能とな
る。
〔発明の実施例〕
第1図は本発明の第1の実施例図であり、(A)は断面
図、(B)は平面図である。
第1図において、Si基板21の表面に高濃度不純物拡
散領域22が形成され、これが下部電極となっている。
また、高濃度不純物拡散領域22の表面には下部絶縁層
23が形成され、その上には空洞領域25を取り囲むよ
うにスペーサ領域24が形成されている。
このスペーサ領域24の上には上部絶縁層26が形成さ
れており、この上部絶縁層26の空洞領域25の上の部
分には複数の微細な孔27が所定のピッチで形成されて
いる。
また上部絶RM26の上には、所定の厚さの導電性の膜
が形成され、これが上部電極28となっている。なお、
この上部電極28を形成する際、空洞領域25は所定の
基準圧(例えば、10 T orr以下の真空)にされ
た状態で密封される。
また、上部電極28の表面には表面保護用の表面絶縁層
29が形成され、更に、下部電極22及び上部電極28
の表面に形成されている絶縁層23及び29の一部には
コンタクト用の孔が開けられ、下部電極22及び上部電
極28はそれぞれ金属配線30に接続されている。
次に、動作を説明する。
第1図の実施例においては、空洞領域25が基準圧力室
(真空)となり、上部絶縁層26、上部電極28及び表
面絶耘層29で構成されたダイアフラム31が印加され
る外部圧力に応じて変位する。
例えば、外部圧力が大きくなればダイアフラム31はS
i基板21側に撓むことになる。
一方、下部電極22及び上部電極28間の静電容量Cは
、下部電極22及び上部電極28間の距離をd、空気中
の誘電率をε。、電極面積をAとすれば、C=ε。A/
d・・・・・・(1) で表される。
従って、ダイアフラム31が外部圧力に応じて変位する
と、(1)式のdが変化し、その結果静電容量Cが変化
することになる。すなわち、第1図の構造そのものが絶
対圧を検出する圧力変換装置の構造となっているので、
他に基準圧としての真空室を形成する必要がなくなり、
実装が大幅に簡略化される。
第2図は1本発明の装置を用いた場合の実装例を示す図
である。
第2図において、37は第1図に示したごときセンサチ
ップであり、このセンサチップ37はプラスチックパッ
ケージ34に接着層35を介して接着される。
この際、プラスチックパッケージ34とセンサチップ3
7間の接着に気密性は必要とされない。ただし、プラス
チックパッケージ34とセンサチップ37との熱膨張係
数の違いによる熱応力を緩和する虎め、接着層35の材
質としては、シリコン系もしくはテフロン系等の柔軟な
接着剤が望ましい。
次に、第3図は本発明の製造方法の一実施例図であり、
前記第1図の装置を製造する製造工程を示す。
第3図において、まず、(a)ではSL基板21の表面
に選択的に高濃度不純物拡散領域22を形成する。この
高濃度不純物拡散領域22が下部電極となる。その後、
表面を熱酸化して下部絶縁層23を形成する。
次に、(b)において、下部絶縁層23の表面にポリS
i膜を数pの厚さにCVD法で形成する。
その後、フォトエツチングによって所定の領域32のみ
を残す、また、空洞領域となる部分33以外のポリSi
部24には1020個/cm3以上の高濃度のボロンを
イオン注入法等で注入する。
次に、(c)において、所定の領域32の表面に熱酸化
法もしくはCVD法等によってSjn、、Si、N4等
から成る上部絶縁膜26を形成する。また空洞領域とな
る部分33の上の上部絶縁膜26には所定のピッチで微
細な孔27を形成する。この孔27を形成するエツチン
グの際には、横方内拡がりを極力小さくするためにRI
E (リアクティブ・イオン・エツチング)法等のドラ
イプロセスが望ましい。
次に、(d)において、上記の孔27を通して空洞領域
となる部分33をエツチングする。このエツチング液と
してエチレンジアミン、KOH等の強アルカリエツチン
グ液を用いることにより、高濃度にボロンが導入された
領域24は殆どエツチングされることなく、空洞領域と
なる部分33のみをエツチングすることが出来る。
次に、(e)において、全体を真空装置で10T or
r以下の真空に保った状態で、真空蒸着、スパッタ、L
PGVD、プラズマCVD等によって所定の厚さの導電
性の薄膜を形成し、フォトエツチングによって所定の領
域を残すことにより上部電極28を形成する。この際、
孔27を通して下部絶縁層23の表面に膜が形成される
と、この膜の持つ誘電率によってセンサの特性にバラツ
キを生じるため、このような膜の形成は出来るだけ避け
る必要がある。そのためには、孔27を出来るだけ小さ
くすること及び第4図に示すように薄膜を斜め方向から
蒸着もしくはスパッタすることが考えられる。
上記のように、真空中で上部電極28を形成して孔27
を塞ぐことにより、空洞領域33は真空状態で密封され
る。
次に、(f)において、表面に熱酸化法、CVD法等を
用いて表面絶縁層29を形成し、その後、表面絶縁M2
9及び下部絶縁層23の一部にフォトエツチングでコン
タクト用の孔開けを行なう。
次に、(g)において、 Afl等の金属膜を形成し、
フォトエツチングによってパターニングすることにより
、金属配線30を形成する。
上記のようにして前記第1図のごとき装置が完成する。
なお、前記(1)式に示したごとく、この圧力変換装置
の出力は下部電極22と上部型pi28との間隔dの逆
数に比例する。dの変位すなわち、外部圧力に対するダ
イアフラム31の変位はダイアフラム31を構成してい
る材質、ダイアフラム31のサイズ及び厚さに依存する
。第1図の実施例においては、上部絶縁層27の上に直
接上部電極28を形成し、ダイアフラムは上部絶縁層2
7、上部電極28及び表面絶縁層29から成る3層構造
となっているが、これは3層に限定したものではなく何
層で構成してもよい。
また、第1図の実施例においては、ダイアフラム31の
形状が方形であるが、他の形状、例えば円形等でもかま
わない。
また、第1図の実施例においては、下部電極としてSi
基板21の表面に形成された高不純物拡散領域22(S
i基板21と反対導電型)を用いているが、例えば、第
5図に示した第2の実施例のようにSi基板21の表面
に第2下部絶縁層53を介して形成された導電性薄膜5
4を用いてもよい、なお、上記第5図の実施例において
は、基板21はSL基板でなくともよく、例えば、ガラ
ス等の絶縁物基板を用いることも出来る。
次に、第6図は本発明の第3の実施例図であり、(A)
は断面図、(B)は平面図を示す。
第6図の実施例は、圧力の変化をダイアフラム上に形成
したピエゾ抵抗の抵抗変化として検出するものである。
第6図において、Si基板40の表面に下部絶縁M41
が形成され、その上部には空洞領域43を取り囲むよう
にスペーサ領域42が形成されている。また、スペーサ
領域42と空洞領域43の上には上部絶縁層44が形成
され、かつ空洞領域43上の上部絶縁M44には複数の
微細な孔45が所定のピッチで形成されている。この上
部絶縁層44の上には所定の厚さの絶縁性の上部薄膜領
域46が形成されている。
この上部薄膜領域46を形成する際、空洞領域43は所
定の基準圧にされた状態で密封される。
また、上部薄膜領域46の表面の所定の位置にはポリS
iのピエゾ抵抗47が形成されている。このピエゾ抵抗
47の表面には、表面保護用の表面絶縁層48が形成さ
れ、表面絶縁層48の一部にはコンタクト用の孔が開け
られ、ピエゾ抵抗47は金属配線49に接続されている
第6図に示した実施例も前記第1図の実施例と同様に空
洞領域43が基準圧力室(真空)となり、上部絶縁層4
4、上部薄膜領域46及び表面絶縁層48で構成される
ダイアフラム50が印加される外部圧力に応じて変位す
る。例えば、外部圧力が大きくなれば、ダイアフラム5
0はSi基板40側に撓むことになる。このようにダイ
アフラム50が撓めば、ダイアフラム50に応力が発生
し、その結果ダイアフラム50の表面に形成されたポリ
Siのピエゾ抵抗47の抵抗値が変化し、それによって
圧力を検出することが出来る。すなわち、第6図の実施
例も構造そのものが絶対圧を検出する圧力変換装置とな
っている。従って、第1図の場合と同様に実装が非常に
容易になる。
次に、第7図は第6図の装置の製造工程を示す実施例図
である。
まず、(a)において、Si基板40の表面を熱酸化し
て下部絶縁層41を形成する。
この下部絶縁層41の表面にポリSiを数−の厚さにC
VD法で形成する。その後、フォトエツチングによって
所定の領域51のみを残す、また、空洞領域になる部分
52以外のポリSL部42には1020個/c113以
上の高濃度のボロンをイオン注入法等によって注入する
次に、(b)において、所定の領域51の表面に熱酸化
法もしくはCVD法等によってSio、やSi、N4等
から成る上部絶縁膜44を形成する。また、空洞領域と
なる部分52上の上部絶縁膜44には所定のピッチで微
細な孔45を形成する。この孔45を形成するエツチン
グの際には、横方向波がりを極力小さくするためにRI
E法等のドライプロセスが望ましい。
次に、(c)において、上記の孔45を通して空洞領域
となる部分52をエツチングする。このエツチング液と
してエチレンジアミン、KOH等の強アルカリエツチン
グ液を用いることにより、高濃度にボロンが導入された
領域42は殆どエッチングされることなく、空洞領域と
なる部分52のみをエツチングすることが出来る。
次に、(d)において、真空装置を用いて10Torr
以下の気圧に保った状態で、真空蒸着、スパッタ、LP
C:VD、プラズマCVD等によって所定の厚さの絶縁
性の薄膜を形成し、フォトエツチングによって所定の領
域を残すことにより、上部薄膜領域46を形成する。
この際、孔45を通して下部絶縁層41の表面に多少の
膜が形成されても、本実施例の場合には前記第1図の静
電容量方式の場合に較べて影響は極めて少ない。
上記のように、真空中で上部薄膜領域46を形成して孔
45を塞ぐことにより、空洞領域52は真空状態で密封
される。
次に、(e)において、上部薄膜領域46の表面にCV
D法を用いてポリSi膜を形成し、フォトエツチングに
よって所定の領域のみを残すことにより、ピエゾ抵抗4
7を形成する。なお、ポリSLのピエゾ抵抗47には所
定の濃度の不純物が注入されている。
次に、(f)において、表面にCVD法等を用いて表面
絶縁y/!J48を形成し、その後表面絶縁M48の一
部にフォトエツチングによってコンタクト用の孔開けを
行なう。
次に、(g)において、M等の金属膜を形成し、フォト
エツチングによってパターニングを行ない、金属配線4
9を形成する。
上記の工程により、第6図のごとき装置が完成する。
なお、第6図の実施例においては、基板としてSi基板
を用いているが、この場合の基板としては他の物質を用
いてもよく、例えば、ガラス等の絶縁基板を用いてもよ
い。なお、この場合は下部絶縁層41は必ずしも必要と
しない。
次に、第8図は本発明の第4の実施例図である。
この実施例は、前記第1図の実施例において空洞領域上
に設ける薄膜の孔を2層の薄膜にずらした状態で設ける
ことにより、上部電極を形成する際に孔を通して空洞領
域内の下部絶縁層表面に膜が形成されることのないよう
にしたものである。
その他の部分は前記第1図の実施例と同様なので、異な
っている部分のみを説明する。
すなわち、スペーサ領域24と空洞領域25との上には
上部第1絶縁層56が形成され、空洞領域25上の上部
第1絶縁層56には複数の第1の孔部57が所定のピッ
チで形成されている。
この上部第1絶縁層56の上には上部スペーサ孔部59
を持った上部スペーサ薄膜58が形成され、さらにこの
上部スペーサ薄膜58の上には複数の第2の孔部61を
持った上部第2絶縁層60が形成されている。これらの
孔57.59.61には次のごとき関係がある。
すなわち、孔57と孔61とは上面から見た位置がずら
して形成されており、重なり部分が全くない。
また、孔59は孔57及び孔61とそれぞれ重なり部分
を持っている。
この実施例は、製造工程中に孔を通じて不要な薄膜が形
成されないようにした点が前記第1図の実施例と異なる
点であり、その動作は第1図の実施例と同様である。
次に、第9図は第8図の実施例の製造工程図である。
第9図において、まず、(a)では、Si基板21の表
面に選択的に高濃度不純物拡散領域22を形成する。こ
の高濃度不純物拡散領域22が下部電極となる。その後
表面を熱酸化して下部絶縁層23を形成する。下部絶縁
層23の表面にはポリSi膜を数−の厚さにCVD法で
形成する。その後、フォトエツチングによって所定の領
域66のみを残す。
また、空洞領域となる部分67以外のポリSi部24に
は101″個/c+a”以上の高濃度のボロンをイオン
注入法等によって注入する。
次に、(b)において、所定の領域66の表面に熱酸化
法もしくはCVD法等によってSin、やSi、N、等
から成る上部第1絶R層56を形成する。
また、空洞領域となる部分67上の上部第1絶縁層56
には所定のピッチで第1の孔部57を形成する。
次に、(C)において、上部第1絶縁N56上にポリS
i膜をCVD法で形成し、その後、フォトエツチングに
よって所定の領域68のみを残す。また、所定の領域6
8の内、後に上部スペーサ薄膜58となる領域のみに1
020個/Cm3以上の高濃度のボロンをイオン注入法
等によって注入する。
すなわち、第1の孔部57及び所定の領域68の上部に
形成される第2の孔部61をまたがる領域69には高濃
度のボロンを注入しない。
次に、(d)において、所定の領域68の表面に熱槃化
法もしくはCVD法等を用いて5in2やSi’、N、
等の上部第2絶縁層60を形成する。この上部第2絶縁
層60に第1の孔部57と平面的に重ならないようにず
らして第2の孔部61を形成する。
次に、(e)において、第2の孔部61及び第1の孔部
57を通して領域69及び空洞領域となる部分67をエ
ツチングする。この際のエツチング液としてエチレンジ
アミンやKOH等の強アルカリエツチング液を用いるこ
とにより、ポリSiのうちでも高濃度にボロンが導入さ
れた領域58及び24は殆どエツチングされない。
次に、(f)において、真空装置を用いて10T or
r以下の真空にした状態で、真空蒸着、スパッタ、LP
GVD、プラズマCVD等を用いて所定の厚さの導電性
の薄膜を形成し、フォトエツチングによって所定の領域
を残すことにより、上部電極28を形成する。
なお、この際、第2の孔部61及び第1の孔部57は平
面的な重なりがないため、孔を通して下部絶縁層23上
に膜が形成されるおそれはなくなる。
上記のように、真空中で上部電極28を形成して第2の
孔部79を塞ぐことにより、空洞領域67は真空状態で
密封される。
次に、(g)において、表面に熱酸化法、CVD法等を
用いて表面絶縁層29を形成し、その後、表面絶縁層2
9及び下部絶縁層23の一部にフォトエツチングによっ
てコンタクト用の孔開けを行なう。
次に、(h)において1M等の金属膜を形成し、フォト
エツチングによってパターニングすることにより、金属
配線30を形成する。
上記の工程によって前記第8図に示したごとき空洞領域
上に設けた薄膜の孔を2層の薄膜にずらした状態で設け
た装置が完成する。
なお、第8図の実施例においては、si基板21の表面
に形成された高濃度不純物拡散領域22を下部電極とし
て用いているが、例えば、第10図に示した第5の実施
例のごとく、SL基板21の表面に第2下部絶縁層70
を介して形成された導電性薄膜71を用いてもよい。
また、第10図の実施例においては、基板としてSi基
板以外の物質を用いることも出来、例えば、ガラス等の
絶縁物基板を用いてもよい。
次に、第11図は本発明の第6の実施例図であり、(A
)は断面図、(B)は平面図を示す。
第11図の実施例は、第8図の実施例において圧力の変
化をダイアフラム上に形成したピエゾ抵抗の抵抗変化と
して検出するように構成したものである。
第11図において、スペーサ領域42と空洞領域43と
の上には上部第1絶縁層74が形成され、かつ空洞領域
43上の上部第1絶縁層74には複数の第1の孔部75
が所定のピッチで形成さ九ている。この上部第1絶縁層
74の上には上部スペーサ孔部77を持った上部スペー
サ薄膜76が形成されている。更にこの上部スペーサ薄
膜76の上には複数の第2の孔部79を持った上部第2
絶縁層78が形成されている。
これらの孔75.77.79には前記第8図の実施例と
同様の関係がある。すなわち、孔77と79とはずらし
て形成されており、重なり部分が全くない。
また、孔77はそれぞれ孔75及び79と重なり部分を
持っている。
また、上部第2絶縁層78の上には所定の厚みを有する
絶縁性の上部薄膜領域46が形成されている。
この上部薄膜領域46を形成する際に、空洞領域43は
所定の基準圧になっている。
また、上部薄膜領域46の表面の所定の位置には。
ポリSiのピエゾ抵抗47が形成されている。また。
ピエゾ抵抗47の表面には、表面保護用の表面絶縁層4
8が形成され1表面絶縁層48の一部にはコンタクト用
の孔が開けられ、ピエゾ抵抗47は金属配線49に接続
されている。
その他の構成は前記第8図の実施例と同様であリ、動作
は前記第6図の実施例と同様である。
なお、第11図の実施例の場合には、基板としてSi基
板以外の物質を用いることも出来、例えば、ガラス等の
絶縁基板を用いてもよい。
〔発明の効果〕
以上説明したごとく、本発明においては、基板表面にダ
イアフラム等の圧力検知部を形成するのと同時に基準圧
力室を形成するように構成しているので、Siウェハの
バッジ処理で同時に大量に基準圧力室を持つ圧力変換装
置を製造することが出来、そのため実装が極めて容易に
なるので低コスト化が可能となる。
また、通常のSiのウェハプロセスとマツチするため、
センサ出力を処理する回路を同一チップ上に容易に集積
化することが出来る。
また、ダイアフラムの厚さを高精度で制御することが出
来るので、ダイアフラムサイズひいてはチップサイズを
小さくすることが出来、その面からも低コスト化が可能
である、等の多くの優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例図、第2図は本発明の装
置の実装状態を示す図、第3図は第1図の装置の製造工
程の一実施例図、第4図は薄膜形成法の一実施例図、第
5図は本発明の第2の実施例図、第6図は本発明の第3
の実施例図、第7図は第6図の装置の製造工程の一実施
例図、第8図は本発明の第4の実施例図、第9図は第8
図の装置の製造工程の一実施例図、第10図は本発明の
第5の実施例図、第11図は本発明の第6の実施例図、
第12図は従来装置の一例図である。 く符号の説明〉 21・・・Si基板 22・・・高濃度不純物拡散領域(下部電極)23・・
・下部絶縁層    24・・・スペーサ領域25・・
・空洞領域     26・・・上部絶縁層27・・・
孔        28・・・上部電極29・・・表面
絶縁層    30・・・金属配線31・・・ダイアフ
ラム 代理人弁理士  中 村 純之助 1F2図 34−一一一アラスチ、、7パ1.−f−ジ35−−−
−#、i潰 36−−−−ごン(R1チ) 37−−−−で′−vチ、7デ 38−−−−4’(もL<lゴAl)ワイヤ39−一一
プラスーf−,,,クヤヤ、1,7・1’4図 フ6 f7図 1へ1− !’9図 矛9図 q 1−12尻

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) 基板の上に周囲を囲繞され外部に対して気密に
    形成された基準圧力室としての空洞領域と、該空洞領域
    の上に形成されたダイアフラム領域と、該ダイアフラム
    領域の変位を電気信号に変換する変換手段とを備えたこ
    とを特徴とする圧力変換装置。
  2. (2) 基板の上に第1の薄膜を形成する工程と、該第
    1の薄膜の上に該第1の薄膜と異なる材質から成る第2
    の薄膜を形成する工程と、該第2の薄膜を選択的にエッ
    チングして所定の領域に孔を形成する工程と、該孔を通
    じて上記第1の薄膜の一部をエッチングすることによっ
    て空洞領域を形成する工程と、上記第2の薄膜上に上記
    の孔を塞ぐように第3の薄膜を形成する工程とを具備す
    ることを特徴とする圧力変換装置の製造方法。
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