WO2000034754A1 - Capteur de pression a semi-conducteurs et son procede de fabrication - Google Patents

Capteur de pression a semi-conducteurs et son procede de fabrication Download PDF

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WO2000034754A1
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diaphragm
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Yasuhiro Goshoo
Hirofumi Toujyou
Masayuki Yoneda
Takeshi Fukiura
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Yamatake Corporation
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G—PHYSICS
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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0055—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements bonded on a diaphragm

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor pressure sensor for measuring pressure using a piezoresistive effect of a semiconductor and a method for manufacturing the same.
  • semiconductor pressure sensors that utilize the piezoresistive effect of semiconductors are widely used in fields such as industrial measurement and medicine because of their small size, light weight, and high sensitivity.
  • a strain gauge having a piezoresistive effect is formed on a semiconductor diaphragm, the strain gauge is deformed by the pressure applied to the diaphragm, and a change in the resistance value of the strain gauge due to the piezoresistive effect is detected. And measure the pressure.
  • the diaphragm is formed by engraving one side of the semiconductor wafer by etching.
  • the thickness of the diaphragm has a very large effect on the characteristics of the semiconductor pressure sensor. Therefore, precise control of the diaphragm thickness is needed.
  • FIG. 4 is a sectional view of a conventional semiconductor pressure sensor disclosed in Japanese Patent Publication No. 59-37844. This semiconductor pressure sensor is formed on a single crystal Si layer 11 serving as a base, a Si 0 2 layer 12 formed on the single crystal Si layer 11, and a Si 2 layer 12 formed on the single crystal Si layer 11.
  • the portions corresponding to the pressure-sensitive region of the single-crystal Si layer 11 are etched by using the single-crystal Si layer 13 thus formed and the Si 2 layer 12 as an etching stopper layer. And a strain gauge (not shown) having a piezoresistive effect formed on the surface of the single-crystal Si layer 13.
  • the present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor pressure sensor capable of improving the temperature characteristics of a diaphragm and increasing the strength of a diaphragm edge portion, and a method of manufacturing the same. It is in. Disclosure of the invention
  • the present invention provides a first semiconductor layer constituting a base, an insulating layer formed on the first semiconductor layer, and a pressure-sensitive region formed on the insulating layer.
  • a second semiconductor layer having a diaphragm portion, and a concave portion formed in the pressure-sensitive region through the first semiconductor layer and the insulating layer and having a predetermined depth reaching the second semiconductor layer. It is. Thereby, it is possible to prevent the insulating layer from remaining on the diaphragm portion and the diaphragm edge portion.
  • the present invention provides a first semiconductor layer forming a base, an insulating layer stacked on the first semiconductor layer, and a second semiconductor layer stacked on the insulating layer and having a pressure-sensitive region.
  • Forming a three-layer structure etching the first semiconductor layer corresponding to the pressure-sensitive region by using the insulating layer as an etching stopper layer, exposing the insulating layer, and removing the exposed insulating layer.
  • forming a diaphragm in the pressure-sensitive region by etching the second semiconductor layer by a predetermined amount using the remaining insulating layer as a mask.
  • the upper limit allowable value of the depth of the concave portion formed in the second semiconductor layer Is more than ten; Ltm.
  • the thickness of the second semiconductor layer is 30 m, and the depth of the concave portion formed in the second semiconductor layer is 5 to 10 / m.
  • first and second semiconductor layer is made of n-type single crystal S i
  • the insulating layer is made of S I_ ⁇ 2.
  • one configuration example of the present invention includes one or more strain gauges formed on the diaphragm portion of the second semiconductor layer.
  • FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor pressure sensor showing an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view and a bottom view of the semiconductor pressure sensor of FIG.
  • FIG. 3 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor pressure sensor of FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor pressure sensor. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor pressure sensor showing an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 (A) is a plan view of the semiconductor pressure sensor of FIG. 1
  • FIG. 2 (B) is a bottom view of the semiconductor pressure sensor of FIG. is there.
  • the semiconductor pressure sensor, an n-type single crystal S i layer 1 serving as a base, and S I_ ⁇ layer 2 formed on the n-type single crystal S i layer 1, formed on the S I_ ⁇ layer 2 is an n-type single crystal S i layer 3 was, etching a portion corresponding to S I_ ⁇ two layers 2 in the pressure sensitive region of the n-type single crystal S i layer 1 as an etching stopper layer to S i 0 2 layers 2,
  • the exposed Si 2 layer 2 is removed, the diaphragm 4 formed by etching the pressure-sensitive region of the n-type single-crystal Si layer 3 by a predetermined amount, and the n-type single-crystal Si layer 3
  • a strain gauge 5 having a piezoresistive effect formed in the pressure region.
  • An SOI (Silicon On Insul at or) wafer composed of the Si 0 2 layer 2 and the n-type single crystal Si layer 3 is prepared.
  • oxygen is added to the Si substrate.
  • S IMOX (Separation by IMplanted OXygen) technology for forming a Si 2 layer by implantation may be used, or SDB (Silicon Direct Bonding) technology for bonding two Si substrates may be used. Other methods may be used.
  • the n-type single-crystal Si layer 3 is polished to a predetermined thickness (for example, 30 m) by a polishing method called Computer Controlled Polishing (CCP) for flattening and thinning.
  • CCP Computer Controlled Polishing
  • an n-type single crystal Si layer 3 having a predetermined thickness may be epitaxially grown on the Si 2 layer 2.
  • the formed SO I S I_ ⁇ 2 film or resist under surface of the wafer (not shown) is formed, the pressure sensitive region of the S I_ ⁇ 2 film or resist (region Daiafuramu 4 is formed) An opening is formed in a portion corresponding to.
  • the patterned S I_ ⁇ 2 film or resist as an etching mask for Daia Fulham forming, immersing the n-type single crystal S i layer 1 in a solution such as K_ ⁇ _H and TMA H, n-type single crystal Etching of the Si layer 1 is performed (FIG. 3B). At this time, the etching gradually progresses in the opening, but stops automatically when it reaches the SiO 2 layer 2.
  • the n-type single crystal S i layer 1 as an etching mask, etching of S I_ ⁇ layer 2 with a solution of HF or the like to remove the S i ⁇ 2 layer 2 exposed by etching of the S i layer 1 (Fig. 3 (C)).
  • the Si 2 layer 2 as an etching mask, the n-type single crystal Si layer 3 is etched with a solution such as KOH or TMAH (FIG. 3D). The etching depth at this time is controlled to a predetermined minute amount (about 5 to 10 im) by time management.
  • the diaphragm 4 is formed. Since the etching of the n-type single crystal Si layer 3 is a very small amount of about 5 to 10 im and the thickness does not vary by etching of less than tens of meters, the diaphragm 4 having a uniform thickness should be formed. Can be.
  • a strain gauge (piezoresistive region) 5 made of p-type Si is formed on the upper surface of the n-type single crystal Si layer 3 by impurity diffusion or ion implantation (FIG. 3 (E)). Subsequently, a SiO 2 layer (not shown) is formed on the upper surface of the n-type single crystal Si layer 3, and a contact hole is formed in the Si 2 layer on the strain gauge 5.
  • An A1 electrode (not shown) is deposited on the portion to obtain an electrical connection with the strain gauge 5.
  • the fabrication of the semiconductor pressure sensor is completed.
  • the portion corresponding to the pressure-sensitive region of the n-type single-crystal Si layer 1 was etched from the lower surface to the SiO 2 layer 2 using the SiO 2 layer 2 as an etching stopper layer, and then this etching was performed.
  • the SiO 2 layer 2 is formed on the diaphragm 4 and the diaphragm edge 6.
  • the temperature characteristics of the diaphragm 4 can be improved, and the strength of the diaphragm edge 6 can be increased.
  • anisotropic etching using the etching characteristics of the crystal axis of single crystal Si is performed, but isotropic etching may be performed. Further, dry etching may be performed instead of wet etching as in this embodiment mode.
  • the semiconductor pressure sensor of the present invention is suitable for a pressure sensor used in fields such as industrial measurement and medical care.

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Description

明 細 書 半導体圧力センサ及びその製造方法 技術分野
本発明は、 半導体のピエゾ抵抗効果を利用して圧力を測定する半導体圧力セン サ及びその製造方法に関するものである。 背景技術
各種の圧力センサのなかで、 半導体のピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力セ ンサは、 小型、 軽量、 高感度であることから工業計測、 医療などの分野で広く応 用されている。 このような半導体圧力センサでは、 半導体ダイアフラム上にピエ ゾ抵抗効果を有する歪ゲージを形成し、 ダイァフラムに加わる圧力によって歪ゲ ージを変形させ、 ピエゾ抵抗効果による歪ゲージの抵抗値の変化を検出して圧力 を測定している。 ダイアフラムは、 半導体ウェハの一方の面をエッチングで彫り 込むことにより形成される。 このダイァフラムの厚さは半導体圧力センサの特性 に非常に大きな影響を及ぼす。 したがって、 ダイァフラムの厚さの正確な制御が 必要とされる。 しかし、 従来の製造方法では、 エッチングの時間や温度管理が難 しく、 ダイァフラムの厚さとその均一性を精度よく制御することが極めて困難で めった。
そこで、 半導体基板内に絶縁体等からなるエッチングストッパ層を形成し、 こ のエッチングストツバ層まで半導体基板をエッチングすることにより、 ダイァフ ラムの厚さを正確に制御することを可能にした半導体圧力センサが提案されてい る （特公昭 5 9 - 3 8 7 4 4号公報） 。 図 4は特公昭 5 9 - 3 8 7 4 4号公報に 開示された従来の半導体圧力センサの断面図である。 この半導体圧力センサは、 基台となる単結晶 S i層 1 1と、 単結晶 S i層 1 1上に形成された S i 02 層 1 2と、 S i〇2 層 1 2上に形成された単結晶 S i層 1 3と、 S i〇2 層 1 2をェ ツチングストツバ層として単結晶 S i層 1 1の感圧領域に相当する部分をエッチ ングして形成したダイアフラム 1 4と、 単結晶 S i層 1 3の表面に形成されたピ ェゾ抵抗効果を有する歪ゲージ （不図示） とから構成される。
しかしながら、 図 4の半導体圧力センサでは、 S i層 1 3と S i 02 層 1 2と の熱膨張係数の差によりダイアフラム 1 4が温度特性を持ってしまうという問題 点があり、 さらにダイァフラムのエッジ部 1 6において、 3 1ょり脆ぃ3 1〇2 層 1 2にダイアフラム 1 4の撓みによってクラックが生じ、 そのクラックが S i 層 1 3まで広がり、 遂にはダイアフラム 1 4を破壊してしまうという問題点があ つた。 また、 S i層 1 1のエッチングの後で、 露出した S i 02 層 1 2を除去し たとしても、 ダイアフラムエッジ部 1 6には S i〇2 層 1 2が残るので、 S i層 1 3と S i〇2 層 1 2の界面にクラックが発生するという問題があった。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、 その目的は、 ダイァフラムの温度特性を改善すると共にダイアフラムエッジ部の強度を高める ことができる半導体圧力センサ及びその製造方法を提供することにある。 発明の開示
上記目的を達成するために、 本発明は、 基台を構成する第 1の半導体層と、 第 1の半導体層上に形成された絶縁層と、 絶縁層上に形成され、 感圧領域を構成す るダイアフラム部を有する第 2の半導体層と、 感圧領域に第 1の半導体層および 絶縁層を貫通して形成され、 第 2の半導体層に達する所定の深さを有する凹部と を備えるものである。 これにより、 ダイアフラム部及びダイアフラムエッジ部に 絶縁層が残らないようにすることができる。
また、 本発明は、 基台を構成する第 1の半導体層、 第 1の半導体層上に積層さ れた絶縁層および絶縁層上に積層されかつ感圧領域を有する第 2の半導体層とか らなる 3層構造を形成する工程と、 絶縁層をエッチングストツバ層として、 感圧 領域に対応する第 1の半導体層をエッチングして絶縁層を露出させる工程と、 露 出された絶縁層を除去する工程と、 残された絶縁層をマスクとして、 第 2の半導 体層を所定の量だけエッチングして感圧領域にダイアフラム部を形成する工程と を有するものである。
また、 本発明において、 第 2の半導体層に形成された凹部の深さの上限許容値 は十数; Lt mである。
また、 本発明の 1構成例として、 第 2の半導体層の厚さは 3 0 mであり、 第 2の半導体層に形成された凹部の深さは 5〜 1 0 / mである。
また、 本発明の 1構成例として、 第 1および第 2の半導体層は n型単結晶 S i からなり、 絶縁層は S i〇2 からなるものである。
また、 本発明の 1構成例は、 第 2の半導体層のダイアフラム部上に形成された 1つ以上の歪ゲージを備えるものである。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施の形態を示す半導体圧力センサの断面図である。
図 2は、 図 1の半導体圧力センサの平面図及び下面図である。
図 3は、 図 1の半導体圧力センサの製造方法を示す工程断面図である。
図 4は、 従来の半導体圧力センサの断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 図 1は本 発明の実施の形態を示す半導体圧力センサの断面図、 図 2 (A) は図 1の半導体 圧力センサの平面図、 図 2 ( B ) は図 1の半導体圧力センサの下面図である。 この半導体圧力センサは、 基台となる n型単結晶 S i層 1と、 n型単結晶 S i 層 1上に形成された S i〇2 層 2と、 S i〇2 層 2上に形成された n型単結晶 S i層 3と、 S i〇2 層 2をエッチングストッパ層として n型単結晶 S i層 1の感 圧領域に相当する部分を S i 02 層 2までエッチングし、 露出した S i〇2 層 2 を除去し、 n型単結晶 S i層 3の感圧領域を所定の量だけエッチングして形成さ れたダイアフラム 4と、 n型単結晶 S i層 3の感圧領域に形成されたピエゾ抵抗 効果を有する歪ゲージ 5とから構成される。
次に、 このような半導体圧力センサの製造方法を図 3を参照して説明する。 まず、 図 3 (A) に示すように、 n型単結晶 S i層 1と、 0 . 5
Figure imgf000005_0001
の S i 02 層 2と、 n型単結晶 S i層 3とからなる S O I (S i l i con On Insul at or) ウェハを用意する。 この S O Iウェハを作製するには、 S i基板中に酸素を 注入して S i〇2 層を形成する S IMOX (Separation by IMplanted OXygen) 技術を用いてもよいし、 2枚の S i基板を貼り合わせる SDB (Silicon Direct Bonding) 技術を用いてもよいし、 その他の方法を用いてもよい。
次に、 n型単結晶 S i層 3を、 平坦化及び薄膜化するために C CP (Computer Controlled Polishing ) と呼ばれる研磨法等により所定の厚さ （例えば 30〃 m) まで研磨する。 なお、 S i〇2 層 2上に所定の厚さの n型単結晶 S i層 3を ェピタキシャル成長させてもよい。 このようにして形成された SO Iウェハの下 面に S i〇2 膜又はレジスト （不図示） を形成し、 この S i〇2 膜又はレジスト の感圧領域 （ダイァフラム 4が形成される領域） に相当する部分に開口部を形成 する。 そして、 このようにパターニングされた S i〇2 膜又はレジストをダイァ フラム形成用のエッチングマスクとして、 n型単結晶 S i層 1を K〇Hや TMA H等の溶液に浸し、 n型単結晶 S i層 1のエッチングを行う （図 3 (B) ) 。 こ のとき、 エッチングは、 上記開口部において徐々に進行するが、 S i 02 層 2に 到達すると自動的に停止する。
続いて、 n型単結晶 S i層 1をエッチングマスクとして、 HF等の溶液により S i〇2 層 2のエッチングを行い、 S i層 1のエッチングによって露出した S i 〇2 層 2を除去する （図 3 (C) ) 。 さらに、 S i〇2 層 2をエッチングマスク として、 KOHや TMAH等の溶液により n型単結晶 S i層 3のエッチングを行 う （図 3 (D) ) 。 このときのエッチングの深さは、 時間管理により所定の微小 量 （5〜10 im程度） に制御される。
こうして、 ダイアフラム 4が形成される。 n型単結晶 S i層 3のエッチングは 5〜10 im程度の微小量であり、 十数; m以下のエッチングで厚さがばらつく ことはないので、 均一な厚さのダイアフラム 4を形成することができる。 一方、 n型単結晶 S i層 3の上面には、 不純物拡散あるいはイオン打ち込み法によって p型 S iからなる歪ゲージ （ピエゾ抵抗領域） 5が形成される （図 3 (E) ) 。 続いて、 n型単結晶 S i層 3の上面に S i 02 層 （不図示） を形成し、 歪ゲ一 ジ 5上の S i〇2 層にコンタクトホールを形成した後、 このコンタクトホールの 部分に歪ゲージ 5との電気的接続を得るための A 1電極 （不図示） を蒸着する。 こうして、 半導体圧力センサの作製が終了する。 以上のように、 S i 02 層 2をエッチングストツバ層として n型単結晶 S i層 1の感圧領域に相当する部分を下面から S i 02 層 2までエッチングした後、 こ のエッチングで露出した S i〇2 層 2を除去し、 さらに n型単結晶 S i層 3の感 圧領域を微小量だけェツチングすることにより、 ダイアフラム 4及びダイアフラ ムエッジ部 6に S i O 2 層 2が残らないようにしたので、 ダイアフラム 4の温度 特性を改善すると共に、 ダイアフラムエッジ部 6の強度を増すことができる。 なお、 本実施の形態では、 単結晶 S iの結晶軸のエッチング特性を利用した異 方性エッチングを行っているが、 等方性エッチングを行ってもよい。 また、 本実 施の形態のようなウエットエッチングでなく、 ドライエッチングを行ってもよい。 産業上の利用可能性
本発明の半導体圧力センサは、 工業計測や医療などの分野で使用される圧力セ ンサに適している。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 基台を構成する第 1の半導体層と、
前記第 1の半導体層上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、 感圧領域を構成するダイアフラム部を有する第 2の 半導体層と、
前記感圧領域に前記第 1の半導体層および絶縁層を貫通して形成され、 前記第 2の半導体層に達する所定の深さを有する凹部と
を備えることを特徴とする半導体圧力センサ。
2 . 請求項 1において、
前記第 2の半導体層に形成された凹部の深さの上限許容値は十数^ mであるこ とを特徴とする半導体圧力センサ。
3 . 請求項 1において、
前記第 2の半導体層の厚さは 3 0 /_t mであり、 前記第 2の半導体層に形成され た凹部の深さは 5〜 1 0 mであることを特徴とする半導体圧力センサ。
4 . 請求項 1において、
前記第 1および第 2の半導体層は n型単結晶 S iからなり、 前記絶縁層は S i 02 からなることを特徴とする半導体圧力センサ。
5 . 請求項 1において、
前記第 2の半導体層のダイアフラム部上に形成された 1つ以上の歪ゲージを備 えることを特徴とする半導体圧力センサ。
6 . 基台を構成する第 1の半導体層、 前記第 1の半導体層上に積層された絶縁層 および前記絶縁層上に積層されかつ感圧領域を有する第 2の半導体層とからなる 3層構造を形成する工程と、
前記絶縁層をエツチンダストッパ層として、 前記感圧領域に対応する前記第 1 の半導体層をエッチングして前記絶縁層を露出させる工程と、
露出された前記絶縁層を除去する工程と、
残された前記絶縁層をマスクとして、 前記第 2の半導体層を所定の量だけエツ チングして前記感圧領域にダイアフラム部を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
7 . 請求項 6において、
前記第 2の半導体層に形成された凹部の深さの上限許容値は十数 mであるこ とを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
8 . 請求項 6において、
前記第 2の半導体層の厚さは 3 0 であり、 前記第 2の半導体層に形成され た凹部の深さは 5〜 1 0 /i mであることを特徴とする半導体圧力センサの製造方 法。
9 . 請求項 6において、
前記第 1および第 2の半導体層は n型単結晶 S iからなり、 前記絶縁層は S i 〇2 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。
1 0 . 請求項 6において、
前記第 2の半導体層のダイアフラム部上に 1つ以上の歪ゲージを形成する工程 を有することを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
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