WO2007058010A1 - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

半導体圧力センサおよびその製造方法 Download PDF

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semiconductor
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Shinichi Izuo
Motohisa Taguchi
Akira Yamashita
Yukihisa Yoshida
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Mitsubishi Electric Corporation
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0054—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor pressure sensor and a method of manufacturing the same.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 4-9770 discloses a semiconductor pressure sensor constituted by three layers of a silicon thin plate, an insulating layer, and a silicon support substrate. In this semiconductor pressure sensor, a through hole is formed in the silicon support substrate, and a through hole continuing to the through hole is formed in the insulating layer.
  • a through hole is formed in a silicon support substrate. A through hole is not formed in an insulating layer, and an insulating layer is formed as an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
  • SOI Silicon On Insulator
  • any of the semiconductor pressure sensors described above functions as a diaphragm that is deformed by a silicon thin plate force pressure located on an extension line of a through hole provided in a silicon support substrate.
  • Patent Document 1 JP-A-4 9770
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-350259
  • the semiconductor pressure sensor disclosed in the above Japanese Laid-Open Patent Publication No. 4-9770 has a structure in which the insulating layer does not exist in the lower region of the diaphragm but exists in the other regions. Have. According to this structure, since a region where the insulating layer exists and a region where the insulating layer does not exist are mixed, there is a possibility that residual stress is generated in the diaphragm. In addition, when the temperature of the ambient environment of the semiconductor pressure sensor changes, stress is generated in the diaphragm due to the difference between the thermal expansion coefficient of the insulating layer and the thermal expansion coefficient of silicon. As a result, measurement errors due to temperature changes in the surrounding environment occur.
  • the semiconductor pressure sensor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-350259 has a structure in which an insulating layer having a uniform thickness remains in a lower region of the diaphragm. According to this structure, the error in pressure measurement due to the difference between the thermal expansion coefficient of the insulating layer and the thermal expansion coefficient of silicon is reduced. However, the stress generated in the insulating layer causes distortion in the diaphragm. In other words, the diaphragm is deformed by factors other than the pressure applied to the diaphragm from the outside. For this reason, even when no pressure is applied to the diaphragm, the output voltage value of the semiconductor pressure sensor force does not become zero. That is, an offset occurs in the output voltage value. Therefore, a measurement error due to the offset voltage occurs.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to reduce a semiconductor body pressure in which both a measurement error due to an offset voltage and a measurement error due to a temperature change in the surrounding environment are reduced. It is to provide a sensor and a manufacturing method thereof.
  • a semiconductor pressure sensor of the present invention includes a semiconductor support substrate in which a through-hole extending in the thickness direction is formed, and a semiconductor thin plate positioned above the semiconductor support substrate.
  • the pressure sensor includes an insulating layer sandwiched between a semiconductor support substrate and a semiconductor thin plate.
  • the insulating layer has a recess at a position facing the through hole, and the thickness at the position of the recess is reduced from the peripheral portion toward the central portion.
  • an intermediate structure including a semiconductor support substrate, an insulating layer provided on the semiconductor support substrate, and a semiconductor thin plate formed on the insulating layer.
  • the body is prepared.
  • a through hole extending in the thickness direction is formed in the semiconductor support substrate.
  • a recess is formed in the insulating layer.
  • the concave portion is formed such that the thickness of the insulating layer at the position facing the through hole is reduced from the peripheral portion toward the central portion.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a semiconductor pressure sensor according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a graph for comparing the characteristics of the semiconductor pressure sensor of the embodiment and the characteristics of a conventional semiconductor pressure sensor.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor pressure sensor according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor pressure sensor according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor pressure sensor according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor pressure sensor according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor pressure sensor according to the embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic sectional view for illustrating the method for manufacturing the semiconductor pressure sensor according to the embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic sectional view of a silicon oxide film formed by wet etching.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the etching time of the silicon oxide film and the measurement error of the semiconductor pressure sensor.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the thickness distribution of a silicon oxide film.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the distribution shape of the silicon oxide film thickness and the measurement error of the semiconductor pressure sensor.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of another example of the semiconductor pressure sensor according to the embodiment.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the breakdown pressure of the diaphragm and the amount of undercut. Explanation of symbols
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor pressure sensor according to an embodiment.
  • the semiconductor pressure sensor includes a glass substrate 8 as a sealing substrate, a silicon support substrate 1 as a semiconductor support substrate formed on the glass substrate 8, and a silicon as an insulating layer formed on the silicon support substrate 1. And a silicon thin plate 3 as a semiconductor thin plate (active layer) formed on the silicon oxide film 2.
  • a three-layer structure composed of a silicon support substrate 1, an insulating layer 2, and a silicon thin plate 3 is generally called SOI (Silicon On Insulator).
  • the glass substrate 8 When the glass substrate 8 is provided in the semiconductor pressure sensor as described above, the glass substrate 8, the inner surface of the through hole of the silicon support substrate 1, and the silicon thin plate 3 are used as described later. Since the sealed space functions as a pressure reference chamber, absolute pressure can be measured. On the other hand, the semiconductor pressure sensor is used as a differential pressure sensor for detecting the differential pressure on both surfaces of the diaphragm 23 when the glass substrate 8 is not provided.
  • SOS Silicon On Sapphire
  • sapphire is used as the insulating layer instead of the silicon oxide film.
  • the semiconductor thin plate, the insulating layer, and the semiconductor support substrate of the present invention a silicon thin plate, a silicon oxide film, and a silicon support substrate are used.
  • a silicon carbide thin plate, a silicon carbide, and the like are used.
  • An insulating film and a silicon carbide supporting substrate may be used. That is, a semiconductor other than silicon may be used as a semiconductor constituting the semiconductor pressure sensor.
  • the silicon support substrate 1 is formed with a through hole la reaching the silicon oxide film 2. Therefore, the silicon oxide film 2 faces the space 10 in the through hole la.
  • the silicon thin plate 3 and the silicon oxide film 2 located on the extension line of the through hole la are thin plate portions. This thin plate portion functions as a diaphragm 23 that is distorted due to the difference between the pressure in the space above the silicon thin plate 3 and the pressure in the space 10 in the through hole la. To do.
  • a strain gauge 4 is formed on the silicon thin plate 3.
  • the strain gauge 4 is distorted in proportion to the sag of the diaphragm 23 when pressure is applied to the diaphragm 23 and the diaphragm 23 is squeezed.
  • the strain gauge 4 is distorted, its resistance value changes.
  • the resistance value of the strain gauge 4 changes in proportion to its own strain amount. Therefore, if a voltage is applied across the strain gauge 4, the voltage across the strain gauge 4 changes in proportion to the strain amount of the strain gauge 4. Therefore, if the amount of change in the voltage across the strain gauge 4 is detected, the pressure applied to the diaphragm 23 is detected.
  • an insulating protective film 5 is formed on the silicon thin plate 3.
  • a hole 5 a is formed on the insulating protective film 5, and the bottom surface of the hole 5 a is formed from the upper surface of the strain gauge 4.
  • aluminum wiring 6 is embedded in the hole 5a. The aluminum wiring 6 extends on the insulating protective film 5. The end of the aluminum wiring 6 functions as a pad for connection to an external electrode.
  • the space 10 surrounded by the upper surface of the glass substrate 8, the inner peripheral surface of the through hole la, and the lower surface of the insulating layer 2 is a pressure reference. It functions as a room. That is, the present embodiment is an absolute pressure sensor, and the space 10 as a pressure reference chamber is a sealed space, and the pressure in the space 10 is maintained at a predetermined reference pressure.
  • the semiconductor pressure sensor has the following effects even when the glass substrate 8 is not provided and is used as a differential pressure sensor for detecting the pressure difference between both surfaces of the diaphragm 23. Yes.
  • the strain gauge 4 In general, in the semiconductor pressure sensor as described above, only the strain amount of the diaphragm 23 caused by the difference between the pressure outside the diaphragm 23 and the pressure in the space 10 inside the diaphragm 23 is detected by the strain gauge 4. Ideally. However, other factors may cause the diaphragm 23 to be distorted. Distortion due to other factors becomes a measurement error of the semiconductor pressure sensor. In the conventional semiconductor pressure sensor, the force that the silicon oxide film remains on the lower side of the silicon thin plate with a uniform thickness, or the silicon oxide film on the lower side of the diaphragm is completely removed. As a result, the aforementioned measurement error occurs.
  • the semiconductor pressure sensor of the present embodiment In this case, under the diaphragm 23, the silicon oxide film 2 remains over the entire surface of one end of the through hole la, and the film thickness of the silicon oxide film 2 changes from the peripheral part to the center part. The lower part of the silicon oxide film 2 is removed so that it gradually decreases with the force. This reduces both measurement errors due to offset voltage and measurement errors due to temperature changes.
  • the effect obtained by the semiconductor pressure sensor of the present embodiment will be described using the measurement result.
  • FIG. 2 shows the offset voltage and the amount of fluctuation of the output voltage caused by the temperature change of the two conventional semiconductor pressure sensors, and the offset voltage and temperature of the semiconductor pressure sensor of the present embodiment. The relationship with the amount of change in the output voltage due to the change is shown.
  • a conventional semiconductor pressure sensor A has the structure of a semiconductor pressure sensor disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-9770, and a conventional semiconductor pressure sensor B is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-350259. Have a semiconductor pressure sensor structure! / Speak.
  • an SOI substrate comprising a silicon thin plate 3Z silicon oxide film 2Z silicon support substrate 1 is prepared.
  • a strain gauge 4 is formed on the silicon thin plate 3 of the SOI substrate.
  • the strain gauge 4 is composed of an impurity region diffused by applying a main surface force of the silicon thin plate 3 to a predetermined depth.
  • an impurity constituting the strain gauge 4 for example, boron is used. Further, this impurity is formed in the silicon thin plate 3 by a thermal diffusion method and an ion implantation method.
  • the insulating protective film 5 is formed.
  • the insulating protective film 5 is preferably a silicon nitride film, for example.
  • the insulating protective film 5 located above the strain gauge 4 is removed by etching. As a result, the strain gauge 4 is exposed on the bottom surface of the hole 5a formed in the insulating protective film 5.
  • an aluminum wiring 6 is formed that fills the hole 5 a and covers a part of the upper surface of the insulating protective film 5. Thereby, the aluminum wiring 6 and the strain gauge 4 are electrically connected.
  • the structure obtained by the above process is shown in FIG.
  • the aluminum wiring 6 is etched into a predetermined pattern, and the tip of the aluminum wiring 6 becomes an electrode node (not shown). Therefore, the semiconductor pressure sensor can be electrically connected to the external voltage applying means via the electrode pad.
  • a silicon nitride film 7 is formed on the main surface of the silicon support substrate 1 by a CVD method. Then, plasma etching using reactive gas such as CF or CHF
  • the silicon support substrate 1 is etched using the silicon nitride film 7 as a mask. As a result, a through hole la is formed in the silicon support substrate 1 and the lower surface of the silicon oxide film 2 is exposed.
  • the resulting structure is shown in FIG.
  • the cross section of the through hole la parallel to the main surface of the silicon support substrate 1 may be any shape such as a square and a circle.
  • the through hole la gradually becomes thinner from the silicon nitride film 7 to the insulating layer 2 according to the direction force.
  • TMAH hydroxyl tetramethylammonium
  • a dry etching method using is suitable. In either method, an etchant having a large selection ratio of the silicon support substrate 1 to the silicon nitride film 7 and the silicon oxide film 2 is used. That is, an etchant having an extremely high etching rate of the silicon support substrate 1 with respect to the etching rate of the silicon nitride film 7 and the silicon oxide film 2 is used.
  • the silicon oxide film 2 is dry-etched to form a recess 2 a in the silicon oxide film 2.
  • the on-milling method is suitable.
  • the cross-sectional shape of the silicon oxide film 2 obtained by dry etching has different forces depending on the gas pressure and substrate bias voltage during etching and the substrate tilt angle. It is formed in a cross-sectional shape as shown in FIG. In other words, the silicon oxide film 2 is gradually thinned from the peripheral edge of the diaphragm 23 toward the center so that the recess 2a formed in the silicon oxide film 2 becomes almost a part of a spherical surface. ing.
  • the silicon oxide film 2 is etched by wet etching using a hydrofluoric acid solution, the silicon oxide film 2 is formed in the cross-sectional shape shown in FIG. In other words, the thickness of the silicon oxide film 2 extends almost in parallel with the silicon thin plate 3 with a constant thickness.
  • the effect obtained by the semiconductor pressure sensor of the present embodiment that is, the measurement error due to the offset voltage and the measurement error due to the temperature change It is difficult to obtain the effect of reducing the amount of light.
  • the silicon nitride film 7 is removed, and the glass substrate 8 is anodically bonded onto the lower surface of the silicon support substrate 1 in order to produce an absolute pressure sensor.
  • the silicon nitride film 7 does not necessarily have to be removed. However, if the silicon nitride film 7 is removed when the silicon support substrate 1 and the glass substrate 8 are anodic bonded, the silicon support substrate 1 The reliability of bonding with the glass substrate 8 is improved.
  • wet etching using a hot phosphoric acid solution is suitable.
  • the relationship between the sum of the offset voltage and the amount of fluctuation of the output voltage caused by the temperature change and the etching time of the silicon oxide film was plotted as shown in FIG. Note that, in the graph shown in FIG. 10, the conventional silicon oxide film is completely etched, so that the semiconductor pressure sensor having the structure, that is, the semiconductor pressure sensor disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-350259 is used. Is used as a reference. More specifically, the offset voltage standardized by the offset voltage of the semiconductor pressure sensor disclosed in JP-A-2002-350259 and the semiconductor pressure disclosed in JP-A-2002-350259 are disclosed. Caused by temperature changes normalized by the amount of output voltage fluctuation due to sensor temperature changes. The amount of fluctuation in output voltage is used.
  • the measurement error of the semiconductor pressure sensor is smaller as the fluctuation amount of the output voltage due to the offset voltage and the temperature change is smaller. Therefore, in the evaluation using the graph shown in FIG. 10 described above, the smaller the sum of the normalized offset voltage and the output voltage variation due to the normalized temperature change, the smaller the semiconductor pressure sensor. Small measurement error.
  • FIG. 10 shows that if the etching time of the silicon oxide film 2 is made too long, the measurement error of the semiconductor pressure sensor tends to increase. The reason for this tendency is that if the etching time is too long, the silicon oxide film 2 is completely removed in the central region of the diaphragm 23 and the lower surface of the silicon thin plate 3 is exposed.
  • the silicon oxide film 2 used for the evaluation shown in FIG. 10 has a thickness force SO. Before being etched.
  • the thickness of the silicon oxide film 2 from the end 2b of the region where the film thickness of the silicon oxide film 2 is the maximum value Tmax is (Tmax + Tmin) ⁇ 2 It is defined that the distance to position 2c is A.
  • Figure 12 shows the ratio of the distance A to the maximum value Tmax, A ⁇ Tmax, and the offset voltage and temperature. The relationship with the sum of the fluctuation amount of the output voltage caused by the change is shown.
  • the silicon oxide film 2 removal amount is fixed to the silicon oxide film removal amount corresponding to the etching time of 4 minutes in FIG. Only the thickness distribution shape of the silicon oxide film 2 is changed.
  • the structure before the silicon oxide film 2 of the semiconductor pressure sensor of the present embodiment is etched that is, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-350259.
  • a semiconductor pressure sensor having the structure disclosed in the above is used as a reference. More specifically, the offset voltage standardized by the offset voltage of the semiconductor pressure sensor having the structure disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-350259, and the structure disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-350259.
  • the sum of the fluctuation amount of the output voltage caused by the temperature change normalized by the fluctuation amount of the output voltage caused by the temperature change caused by the temperature change of the semiconductor pressure sensor having the above is used as an index indicating the characteristics of the semiconductor pressure sensor.
  • a ⁇ Tmax becomes smaller than 5. Therefore, if the measurement error of the semiconductor pressure sensor described above is reduced, the effect is difficult to obtain.
  • the silicon oxide film 2 having a film thickness distribution that continuously decreases from the peripheral edge portion of the diaphragm 23 toward the central portion. Since the silicon oxide film 2 is formed along the diaphragm 23 and remains in the entire region below the diaphragm 23, the amount of fluctuation in the output voltage caused by the offset voltage and the temperature change is reduced. Both can be reduced.
  • the maximum value Tmax of the thickness of the silicon oxide film 2 is larger than 2 m, the measurement error of the semiconductor pressure sensor is reduced, but the silicon oxide film 2 The maximum film thickness The absolute value of the offset voltage before etching of the silicon oxide film 2 is larger than when the large value Tmax is 2 m or less. In this case, it becomes difficult to make the absolute value of the offset voltage equal to the absolute value of the offset voltage of the semiconductor pressure sensor in which the thickness of the silicon oxide film 2 is small. Accordingly, it is desirable that the maximum value Tmax of the thickness of the silicon oxide film 2 is as follows.
  • the width of the recess 2a is preferably larger than the width of the through hole (la). That is, it is desirable that the peripheral edge of the recess 2a is positioned outside the peripheral edge of the through hole la. More specifically, as shown in FIG. 13, the semiconductor pressure sensor has an undercut portion UC extending outward from the periphery of the through hole la between the silicon support substrate 1 and the insulating layer 2. Is desirable.
  • the undercut amount UCA shown in FIG. 13 is the distance from the periphery of the through hole la to the periphery of the recess 2a. According to this, as shown in FIG. 14, the result that the breakdown voltage of the diaphragm is improved is obtained. The reason why such a result is obtained is not clear at this stage, but it is presumed that the stress concentration generated in the silicon oxynitride film 2 is alleviated.
  • the maximum value of the undercut amount UCA is preferably about 10 m. As shown in Fig. 14, it is confirmed that the breakdown voltage is improved when the undercut amount UCA is 10 m or less.

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Abstract

　半導体圧力センサは、シリコン支持基板（１）と、シリコン支持基板（１）上に形成された絶縁層（２）と、絶縁層（２）上に形成されたシリコン薄板（３）とを備えている。シリコン支持基板（１）にはその厚さ方向に延びる貫通孔（１ａ）が形成されている。貫通孔（１ａ）の延長線上に位置するシリコン薄板（３）は、外部からの圧力によって変形するダイヤフラム（２３）として機能する。絶縁層（２）は、ダイヤフラム（２３）の下面の全体にわたって残存している。絶縁層（２）の厚さは、ダイヤフラム（２３）の周縁部から中央部に向かって小さくなっている。これによれば、オフセット電圧および温度変化に起因した出力電圧の変動量の双方を低減し得る半導体圧力センサおよびその製造方法が得られる。

Description

半導体圧力センサおよびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、半導体圧力センサおよびその製造方法に関するものである。
背景技術
[0002] 従来から、ダイヤフラムを半導体薄板で形成した半導体圧力センサが製造されて!ヽ る。たとえば、特開平 4— 9770号公報には、シリコン薄板、絶縁層、およびシリコン支 持基板の 3層によって構成された半導体圧力センサが開示されている。この半導体 圧力センサにおいては、シリコン支持基板に貫通孔が形成され、かつ、その貫通孔 に連続する貫通孔が絶縁層に形成されている。一方、特開 2002— 350259号公報 においては、シリコン支持基板には貫通孔が形成されている力 絶縁層には貫通孔 が形成されておらず、絶縁層が SOI (Silicon On Insulator)基板が形成されたときの 状態で残存している半導体圧力センサが開示されている。
[0003] 前述の半導体圧力センサのいずれにおいても、シリコン支持基板に設けられた貫 通孔の延長線上に位置するシリコン薄板力 圧力によって変形するダイヤフラムとし て機能する。
特許文献 1 :特開平 4 9770号公報
特許文献 2：特開 2002— 350259号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 上記の特開平 4— 9770号公報において開示されている半導体圧力センサは、絶 縁層がダイヤフラムの下側の領域には存在していないが、それ以外の領域には存在 する構造を有している。この構造によれば、絶縁層が存在する領域と絶縁層が存在 しない領域とが混在しているため、ダイヤフラムに残留応力が生じるおそれがある。ま た、半導体圧力センサの周囲環境の温度が変化した場合に、絶縁層の熱膨張係数 とシリコンの熱膨張係数との相違に起因した応力がダイヤフラムに生じてしまう。その ため、周囲環境の温度変化に起因した測定誤差が生じてしまう。 [0005] 一方、特開 2002— 350259号公報において開示されている半導体圧力センサは 、均一な厚さの絶縁層がダイヤフラムの下側の領域に残存している構造を有している 。この構造によれば、絶縁層の熱膨張係数とシリコンの熱膨張係数との相違に起因し た圧力測定の誤差は低減される。しかしながら、絶縁層に生じる応力によって、ダイ ャフラムに歪が生じてしまう。つまり、外部からダイヤフラムへかかる圧力以外の要因 によってダイヤフラムが変形してしまう。そのため、ダイヤフラムに圧力が力かっていな い状態でも、半導体圧力センサ力も出力される電圧の値がゼロにならない。すなわち 、出力電圧値にオフセットが生じてしまう。したがって、オフセット電圧に起因した測定 誤差が生じてしまう。
[0006] 本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、オフセット電圧 に起因した測定誤差および周囲環境の温度変化に起因した測定誤差の双方が低減 された半導体体圧力センサおよびその製造方法を提供することである。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明の半導体圧力センサは、厚さ方向に延びる貫通孔が形成された半導体支 持基板と、半導体支持基板の上方に位置付けられた半導体薄板と備えている。また 、その圧力センサは、半導体支持基板と半導体薄板とによって挟まれた絶縁層を備 えている。絶縁層は、貫通孔に面する位置に凹部を有し、その凹部の位置における 厚さが周縁部から中央部に向力つて小さくなつている。
[0008] 本発明の半導体圧力センサの製造方法においては、まず、半導体支持基板と、半 導体支持基板上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に形成された半導体薄板とを備え た中間構造体が準備される。次に、半導体支持基板にその厚さ方向に延びる貫通 孔が形成される。その後、絶縁層に凹部が形成される。凹部は、貫通孔に面する位 置における絶縁層の厚さが周縁部から中央部に向力つて小さくなるように形成される
発明の効果
[0009] 本発明によれば、オフセット電圧に起因した測定誤差および周囲環境の温度変化 に起因する測定誤差の双方が低減された半導体圧力センサが得られる。
[0010] この発明の上記および他の目的、特徴、局面および利点は、添付の図面と関連し て理解されるこの発明に関する次の詳細な説明から明らかとなるであろう。
図面の簡単な説明
[0011] [図 1]実施の形態の半導体圧力センサの断面模式図である。
[図 2]実施の形態の半導体圧力センサの特性と従来の半導体圧力センサの特性とを 比較するためのグラフである。
[図 3]実施の形態の半導体圧力センサの製造方法を説明するための断面模式図で ある。
[図 4]実施の形態の半導体圧力センサの製造方法を説明するための断面模式図で ある。
[図 5]実施の形態の半導体圧力センサの製造方法を説明するための断面模式図で ある。
[図 6]実施の形態の半導体圧力センサの製造方法を説明するための断面模式図で ある。
[図 7]実施の形態の半導体圧力センサの製造方法を説明するための断面模式図で ある。
[図 8]実施の形態の半導体圧力センサの製造方法を説明するための断面模式図で ある。
[図 9]ウエットエッチングによって形成されたシリコン酸ィ匕膜の断面模式図である。
[図 10]シリコン酸ィ匕膜のエッチング時間と半導体圧力センサの測定誤差との関係を 示すグラフである。
[図 11]シリコン酸ィ匕膜の膜厚の分布を示す断面模式図である。
[図 12]シリコン酸化膜の膜厚の分布形状と半導体圧力センサの測定誤差との関係を 示すグラフである。
[図 13]実施の形態の半導体圧力センサの他の例の断面模式図である。
[図 14]ダイヤフラムの破壊耐圧とアンダーカット量との関係を示すグラフである。 符号の説明
[0012] 1 シリコン支持基板、 la 貫通孔、 2 シリコン酸ィ匕膜、 3 シリコン薄板、 4 歪ゲー ジ、 5 絶縁保護膜、 5a ホール、 6 アルミニウム配線、 7 シリコン窒化膜、 7a 開口 、 23 ダイヤフラム。
発明を実施するための最良の形態
[0013] 以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態の半導体圧力センサおよびその 製造方法を説明する。
[0014] 図 1は、実施の形態の半導体圧力センサの断面図である。半導体圧力センサは、 密閉用基板としてのガラス基板 8と、ガラス基板 8上に形成された半導体支持基板と してのシリコン支持基板 1と、シリコン支持基板 1上に形成された絶縁層としてのシリコ ン酸化膜 2と、シリコン酸化膜 2上に形成された半導体薄板 (活性層）としてのシリコン 薄板 3とを備えている。シリコン支持基板 1、絶縁層 2、およびシリコン薄板 3からなる 3 層構造は、一般には、 SOI (Silicon On Insulator)と呼ばれる。
[0015] 半導体圧力センサに、前述のように、ガラス基板 8が設けられている場合には、後述 するように、ガラス基板 8、シリコン支持基板 1の貫通孔の内側面、およびシリコン薄板 3によって密閉された空間が圧力基準室として機能するため、絶対圧を測定すること が可能である。一方、半導体圧力センサは、ガラス基板 8が設けられていない場合に は、ダイヤフラム 23の両面の差圧を検出する差圧センサとして用いられる。
[0016] なお、 SOI基板の代わりに、シリコン支持基板とシリコン薄板との間にサファイアが 存在する SOS (Silicon On Sapphire)が用いられてもよい。この場合、絶縁層として、 シリコン酸ィ匕膜の代わりにサファイアが用いられている。また、本発明の半導体薄板、 絶縁層、および半導体支持基板として、シリコン薄板、シリコン酸ィ匕膜、およびシリコ ン支持基板が用いられているが、それらの代わりに、シリコンカーバイド薄板、シリコン カーバイト絶縁膜、およびシリコンカーバイド支持基板が用いられてもよい。つまり、 半導体圧力センサを構成する半導体として、シリコン以外の半導体が用いられてもよ い。
[0017] また、図 1に示すように、シリコン支持基板 1には、シリコン酸ィ匕膜 2まで到達した貫 通孔 laが形成されている。したがって、シリコン酸ィ匕膜 2は貫通孔 la内の空間 10に 面している。また、貫通孔 laの延長線上に位置するシリコン薄板 3およびシリコン酸 化膜 2は薄板状部になっている。この薄板状部は、シリコン薄板 3の上側の空間の圧 力と貫通孔 la内の空間 10の圧力との差に起因して歪むダイヤフラム 23として機能 する。ダイヤフラム 23の歪を検出するために、シリコン薄板 3には歪ゲージ 4が形成さ れている。
[0018] 歪ゲージ 4は、ダイヤフラム 23に圧力がかかり、ダイヤフラム 23が橈んだときに、ダ ィャフラム 23の橈みに比例して歪む。歪ゲージ 4が歪むと、その抵抗値が変化する。 歪ゲージ 4の抵抗値は、自身の歪量に比例して変化する。したがって、歪ゲージ 4の 両端に電圧が印加されていれば、歪ゲージ 4の歪量に比例して歪ゲージ 4の両端の 電圧が変化する。したがって、歪ゲージ 4の両端の電圧の変化量が検出されれば、 ダイヤフラム 23にかかっている圧力が検出される。
[0019] また、シリコン薄板 3上には絶縁保護膜 5が形成されている。絶縁保護膜 5にはホー ル 5aが形成されており、ホール 5aの底面は歪ゲージ 4の上面からなっている。また、 ホール 5aにはアルミニウム配線 6が埋め込まれている。アルミニウム配線 6は、絶縁保 護膜 5上に延びている。アルミニウム配線 6の端部は、外部の電極との接続用のパッ ドとして機能する。
[0020] 図 1に示すように、本実施の形態の半導体圧力センサは、ガラス基板 8の上面、貫 通孔 laの内周面、および絶縁層 2の下面によって囲まれた空間 10が圧力基準室と して機能する。つまり、本実施の形態は、絶対圧センサであり、圧力基準室としての 空間 10は密閉空間となっており、空間 10内の圧力は所定の基準圧力に維持されて いる。一方、半導体圧力センサは、ガラス基板 8が設けられておらず、ダイヤフラム 23 の両面の圧力差を検出する差圧センサとして用 ヽられる場合であつても、次に述べる ような効果を有している。
[0021] 一般に、前述のような半導体圧力センサにおいては、ダイヤフラム 23の外側の圧力 とダイヤフラム 23の内側の空間 10の圧力との差に起因したダイヤフラム 23の歪量の み力 歪ゲージ 4によって検出されることが理想的である。しかしながら、他の要因に よってダイヤフラム 23に歪が発生する場合がある。他の要因による歪は、半導体圧力 センサの測定誤差になる。従来の半導体圧力センサにおいては、シリコン酸ィ匕膜が シリコン薄板の下側に一様な厚さで残存している力、または、ダイヤフラムの下側のシ リコン酸ィ匕膜が完全に除去されて 、たために、前述の測定誤差が生じて 、る。
[0022] そこで、前述の圧力誤差を低減するために、本実施の形態の半導体圧力センサに おいては、ダイヤフラム 23の下側において、シリコン酸ィ匕膜 2が貫通孔 laの一方端 の全面にわたって残存しており、かつ、シリコン酸ィ匕膜 2の膜厚が周縁部から中央部 に向力つて徐々に小さくなるように、シリコン酸ィ匕膜 2の下側部が除去されている。こ れによれば、オフセット電圧に起因した測定誤差と温度変化に起因した測定誤差の 双方が低減される。以下、測定結果を用いて、前述の本実施の形態の半導体圧力セ ンサによって得られる効果を説明する。
[0023] 図 2には、前述の従来の 2種類の半導体圧力センサのオフセット電圧および温度変 化に起因した出力電圧の変動量のそれぞれと、本実施の形態の半導体圧力センサ のオフセット電圧および温度変化に起因した出力電圧の変動量との関係が示されて いる。
[0024] なお、図 2に示される測定結果のオフセット電圧および温度変化に起因した出力電 圧の変動量は、それぞれ、従来の半導体圧力センサのオフセット電圧および温度変 化に起因した出力電圧の変動量によって規格化された値で示されている。また、従 来の半導体圧力センサ Aは、特開平 4— 9770号公報に開示された半導体圧力セン サの構造を有し、従来の半導体圧力センサ Bは、特開 2002— 350259号公報に開 示された半導体圧力センサの構造を有して！/ヽる。
[0025] 図 2に示された測定結果から、本実施の形態の半導体圧力センサによれば、従来 の半導体圧力センサ Aおよび Bとの比較において、オフセット電圧および温度変化に 起因した出力電圧の変動量の双方を低減できることが分力る。
[0026] 次に、図 3〜図 8を用いて、実施の形態の半導体圧力センサの製造方法を説明す る。
まず、図 3に示すように、シリコン薄板 3Zシリコン酸ィ匕膜 2Zシリコン支持基板 1から なる SOI基板が準備される。次に、図 4に示すように、 SOI基板のシリコン薄板 3に歪 ゲージ 4が形成される。歪ゲージ 4は、シリコン薄板 3の主表面力 所定の深さにかけ て拡散された不純物領域からなる。歪ゲージ 4を構成する不純物としては、たとえば、 ボロンが用いられる。また、この不純物は、熱拡散法およびイオン注入法によって、シ リコン薄板 3内に形成される。
[0027] 次に、シリコン薄板 3の主表面上にプラズマ CVD(Chemical Vapor Deposition)法 によって絶縁保護膜 5が形成される。絶縁保護膜 5は、たとえば、シリコン窒化膜であ ることが望ましい。その後、歪ゲージ 4の上方に位置する絶縁保護膜 5がエッチング によって除去される。それにより、歪ゲージ 4が絶縁保護膜 5に形成されたホール 5a の底面に露出する。
[0028] 次に、ホール 5aを埋め込むとともに絶縁保護膜 5の上表面の一部を覆うアルミ-ゥ ム配線 6が形成される。それにより、アルミニウム配線 6と歪ゲージ 4とが電気的に接 続される。前述のプロセスによって得られた構造が図 5に示されている。最後に、アル ミニゥム配線 6が所定のパターンにエッチングされ、アルミニウム配線 6の先端が電極 ノッド（図示せず）になる。したがって、半導体圧力センサは、電極パッドを介して外 部の電圧印加手段と電気的に接続され得る状態になる。
[0029] 次に、シリコン支持基板 1の主表面上に CVD法によってシリコン窒化膜 7が形成さ れる。その後、 CFまたは CHF等の反応性ガスを用いるプラズマエッチングによって
4 3
、シリコン窒化膜 7に開口 7aが形成される。それにより得られた構造が図 6に示されて いる。
[0030] 次に、シリコン窒化膜 7をマスクとして、シリコン支持基板 1がエッチングされる。それ により、シリコン支持基板 1に貫通孔 laが形成され、シリコン酸ィ匕膜 2の下側面が露 出する。それにより得られた構造が図 7に示されている。貫通孔 laのシリコン支持基 板 1の主表面に平行な断面は、正方形および円形等のいずれの形状であってもよい 。また、貫通孔 laは、シリコン窒化膜 7から絶縁層 2に向力 にしたがって除々に細く なっている。
[0031] なお、シリコン支持基板 1をエッチングする方法としては、 TMAH (水酸ィ匕テトラメチ ルアンモ-ゥム)溶液を用いるウエットエッチング法および SFガスを主成分とするガス
6
を用いたドライエッチング法が適している。いずれの方法においても、シリコン窒化膜 7およびシリコン酸ィ匕膜 2に対するシリコン支持基板 1の選択比が大きいエツチャント が用いられる。つまり、シリコン窒化膜 7およびシリコン酸ィ匕膜 2のエッチング速度に対 するシリコン支持基板 1のエッチング速度が極めて大きなェチャントが用いられる。
[0032] 次に、図 8に示すように、シリコン酸ィ匕膜 2がドライエッチングされることによって、シリ コン酸ィ匕膜 2に凹部 2aが形成される。ドライエッチングの方法としては、 CFもしくは C HF等の反応性ガスを利用した反応性イオンエッチング法またはアルゴンを用いたィ
3
オンミリング法が適して 、る。
[0033] また、ドライエッチングによって得られるシリコン酸ィ匕膜 2の断面形状は、エッチング 時のガス圧および基板バイアス電圧、ならびに基板傾斜角によって異なる力 一般 には、シリコン酸ィ匕膜 2は、図 1に示されるような断面形状に形成される。つまり、シリ コン酸ィ匕膜 2に形成される凹部 2aがほぼ球面の一部になるように、シリコン酸ィ匕膜 2 は、ダイヤフラム 23の周縁部から中央部に向力つて除々に薄くなつている。
[0034] 一方、フッ酸溶液を用いてウエットエッチングによってシリコン酸化膜 2がエッチング されれば、シリコン酸化膜 2は、図 9に示される断面形状に形成される。つまり、シリコ ン酸ィ匕膜 2の膜厚はシリコン薄板 3にほぼ平行に一定の膜厚で延びている。この場合 、ドライエッチングによって凹部 2aが形成される場合に比較して、本実施の形態の半 導体圧力センサによって得られる効果、すなわち、オフセット電圧に起因した測定誤 差および温度変化に起因した測定誤差が低減されるという効果が得られ難くなる。
[0035] その後、シリコン窒化膜 7が除去され、絶対圧センサを作成するために、シリコン支 持基板 1の下面上にガラス基板 8が陽極接合される。それにより、図 1に示す構造が 得られる。なお、シリコン窒化膜 7は、必ずしも除去されていなくてもよいが、シリコン 支持基板 1とガラス基板 8とを陽極接合するときに、シリコン窒化膜 7が除去されてい れば、シリコン支持基板 1とガラス基板 8との間の接合の信頼性が向上する。なお、シ リコン窒化膜 7の除去方法としては、熱リン酸溶液を用いるウエットエッチングが適して いる。
[0036] また、オフセット電圧と温度変化に起因する出力電圧の変動量との和とシリコン酸 化膜のエッチング時間との関係が、図 10に示すようにプロットされた。なお、図 10に 示すグラフにぉ 、ては、従来のシリコン酸ィ匕膜が全くエッチングされて 、な 、構造の 半導体圧力センサ、すなわち特開 2002— 350259号公報に開示されている半導体 圧力センサが基準として用いられている。より具体的には、特開 2002— 350259号 公報に開示されている半導体圧力センサのオフセット電圧によって規格ィ匕されたォ フセット電圧、および、特開 2002— 350259号公報に開示されている半導体圧力セ ンサの温度変化に起因した出力電圧の変動量によって規格化された温度変化に起 因した出力電圧の変動量が用いられて 、る。
[0037] 前述のように、オフセット電圧および温度変化に起因した出力電圧の変動量のそれ ぞれが小さいほど、半導体圧力センサの測定誤差が小さい。したがって、前述の図 1 0に示されるグラフを用いた評価においては、規格化されたオフセット電圧と規格化さ れた温度変化に起因した出力電圧の変動量との和が小さいほど、半導体圧力セン サの測定誤差が小さい。
[0038] 図 10から、シリコン酸ィ匕膜 2のエッチング時間をあまり長くし過ぎると、半導体圧力 センサの測定誤差が大きくなる傾向があることが分かる。このような傾向が表れる理由 は、エッチング時間が長過ぎると、ダイヤフラム 23の中央領域においてシリコン酸ィ匕 膜 2が完全に除去され、シリコン薄板 3の下面が露出してしまうためである。なお、図 1 0に示される評価を行うために用いられたシリコン酸ィ匕膜 2は、エッチングされる前の 厚さ力 SO. である。
[0039] また、図 10から、ダイヤフラム 23の中央領域におけるシリコン酸ィ匕膜 2の厚さが変 更された場合には、シリコン薄板 3が露出するまでのシリコン酸ィ匕膜 2のエッチング時 間が異なるが、シリコン酸ィ匕膜 2がダイヤフラム 23の下面に沿って残存していれば、 半導体圧力センサの測定誤差が低減されると 、う効果が得られることが分かる。した がって、前述の効果を得るためには、ダイヤフラム 23の下面の全体にわたってシリコ ン酸化膜 2が残存して ヽればよ ヽ。
[0040] また、図 10力ら、エッチング時間がゼロに近づけば、すなわち、シリコン酸化膜 2の エッチングがほとんど行われずに、シリコン酸ィ匕膜 2が SOI基板の構成要素として形 成されたときの状態で残存している場合には、半導体圧力センサの測定誤差が低減 される効果は得られな 、ことも分かる。
[0041] 次に、シリコン酸ィ匕膜 2の膜厚分布に関する定量的な評価がなされた。シリコン酸 化膜 2の厚さに関しては、最大膜厚が Tmaxであり、最小膜厚が Tminであるとする。
[0042] また、図 11に示すように、シリコン酸ィ匕膜 2の膜厚が最大値 Tmaxである領域の端 部 2bからシリコン酸ィ匕膜 2の膜厚が (Tmax+Tmin)÷ 2になる位置 2cまでの距離が Aであると規定される。
[0043] 図 12には、最大値 Tmaxに対する距離 Aの比 A÷Tmaxと、オフセット電圧と温度 変化に起因する出力電圧の変動量との和との関係が示されている。なお、図 12に示 す結果を得るための測定おいては、シリコン酸ィ匕膜 2の除去量が図 10におけるエツ チング時間 4分に相当するシリコン酸ィ匕膜除去量に固定され、かつ、シリコン酸ィ匕膜 2の膜厚分布の形状のみが変更される。
[0044] また、図 12に示すグラフを用いた評価においては、本実施の形態の半導体圧力セ ンサのシリコン酸ィ匕膜 2がエッチングされる前の構造、すなわち特開 2002— 35025 9号公報に開示されている構造を有する半導体圧力センサが基準として用いられて いる。より具体的には、特開 2002— 350259号公報に開示されている構造を有する 半導体圧力センサのオフセット電圧によって規格化されたオフセット電圧と、特開 20 02— 350259号公報に開示されている構造を有する半導体圧力センサの温度変化 に起因した出力電圧の変動量によって規格化された温度変化に起因した出力電圧 の変動量との和が、半導体圧力センサの特性を示す指標として用いられる。
[0045] 図 12から、シリコン酸ィ匕膜 2がダイヤフラム 23の下側の全了領域に沿って残存して おり、かつ、 A÷Tmaxが 5以上であるという条件が具備されていれば、前述の測定 誤差が低減されるという効果が十分に得られることが分かる。また、図 12から、 A÷T maxが 5より小さければ、ほぼ線形的に前述の測定誤差の低減効果が低下している ことち分力ゝる。
[0046] また、前述の図 9に示される断面形状のシリコン酸ィ匕膜 2を有する半導体圧力セン サ、すなわち、ウエットエッチングによってシリコン酸ィ匕膜 2に凹部 2aが形成された半 導体圧力センサによれば、 A÷Tmaxが 5よりも小さくなつてしまう。そのため、前述の 半導体圧力センサの測定誤差が低減されると 、う効果が得られ難 、。
[0047] 以上のように、本実施の形態の半導体圧力センサによれば、ダイヤフラム 23の周縁 部から中央部に向かって連続的に小さくなるような膜厚分布を有するシリコン酸ィ匕膜 2がダイヤフラム 23に沿って形成され、かつ、ダイヤフラム 23の下側の領域の全てに わたってシリコン酸ィ匕膜 2が残存しているため、オフセット電圧および温度変化に起 因する出力電圧の変動量の双方を低減することが可能になる。
[0048] また、前述のシリコン酸ィ匕膜 2の膜厚の最大値 Tmaxが 2 mより大きくい場合にお いても、半導体圧力センサの測定誤差は低減されるが、シリコン酸ィ匕膜 2の膜厚の最 大値 Tmaxが 2 m以下である場合に比較して、シリコン酸ィ匕膜 2のエッチング前の オフセット電圧の絶対値が大きくなる。この場合、オフセット電圧の絶対値をシリコン 酸ィ匕膜 2の膜厚が小さい半導体圧力センサのオフセット電圧の絶対値と同等にする ことが困難になる。したがって、シリコン酸ィ匕膜 2の膜厚の最大値 Tmaxは、 以 下であるがことが望ましい。
[0049] また、図 13に図示されるように、断面形状において、凹部 2aの幅は、貫通孔（la) の幅よりも大きいことが望ましい。つまり、凹部 2aの周縁部は、貫通孔 laの周縁部より も外側に位置付けられていることが望ましい。より具体的には、図 13に示されるように 、半導体圧力センサが、シリコン支持基板 1と絶縁層 2との間に貫通孔 laの周縁から 外側に延びるアンダーカット部 UCを有していることが望ましい。なお、図 13に示され るアンダーカット量 UCAは、貫通孔 laの周縁から凹部 2aの周縁までの距離である。 これによれば、図 14に示されるように、ダイヤフラムの破壊耐圧が向上するという結果 が得られる。このような結果が得られる理由は、現段階では明らかではないが、シリコ ン酸ィ匕膜 2に生じる応力集中が緩和されるためであると推測される。
[0050] また、現段階でシリコン酸ィ匕膜のエッチングのために用いられているウエットエッチ ングまたはドライエッチングを考慮すると、アンダーカット量 UCAの最大値は、 10 m程度であることが望ましい。図 14に示されるように、アンダーカット量 UCAが 10 m以下であれば、破壊耐圧が向上することが確認されている。

Claims

請求の範囲
[1] 厚さ方向に延びる貫通孔（la)が形成された半導体支持基板（1)と、
前記半導体支持基板 (1)の上方に位置付けられた半導体薄板 (3)と、
前記半導体支持基板 (1)と前記半導体薄板 (3)とによって挟まれ、前記貫通孔（la )に面する位置に凹部（2a)を有し、該凹部（2a)の位置における厚さが周縁部から中 央部に向力つて小さくなつている絶縁層 (3)とを備えた、半導体圧力センサ。
[2] 前記絶縁層 (2)の厚さの最大値が Tmaxであり、かつ、前記絶縁層 (2)の厚さの最 小値が Tminである場合に、前記絶縁層（2)の厚さが Tmaxである領域の端部から前 記絶縁層（2)の厚さが (Tmax+Tmin)÷ 2になる位置までの距離を Aとすると、 A÷ Tmaxが 5以上である、請求の範囲 1に記載の半導体圧力センサ。
[3] 前記絶縁層 (2)の厚さの最大値 Tmaxが 2 m以下である、請求の範囲 2に記載の 半導体圧力センサ。
[4] 前記凹部（2a)の周縁部は、前記貫通孔（la)の周縁部よりも外側に位置付けられ ている、請求の範囲 1に記載の半導体圧力センサ。
[5] 半導体支持基板 (1)と、前記半導体支持基板 (1)上に設けられた絶縁層（2)と、前 記絶縁層 (2)上に形成された半導体薄板 (3)とを備えた中間構造体を準備するステ ップと、
前記半導体支持基板（1)にその厚さ方向に延びる貫通孔（la)を形成するステップ と、
前記貫通孔（la)に面する位置における前記絶縁層（2)の厚さが周縁部から中央 部に向力つて小さくなるように、前記絶縁層 (2)に凹部（2a)を形成するステップとを 備えた、半導体圧力センサの製造方法。
[6] 前記凹部（2a)は、前記絶縁層 (2)のドライエッチングによって形成される、請求の 範囲 5に記載の半導体圧力センサの製造方法。
[7] 前記絶縁層 (2)に前記凹部（2a)を形成するステップにお!/、ては、前記凹部（2a) の周縁部が前記貫通孔（la)の周縁部よりも外側に位置付けられる、請求の範囲 5に 記載の半導体圧力センサの製造方法。
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