JP2006214812A

JP2006214812A - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JP2006214812A
Application number: JP2005026455A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Furukubo; 英一古久保; Koji Sakai; 浩司境; Atsushi Ishigami; 敦史石上; Ryosuke Meshii; 良介飯井; Sumihisa Fukuda; 純久福田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】静電容量型の半導体圧力センサにおいて、過大な圧力又は加速度が印加された場合であってもクラック等が入らないようにし、信頼性を向上させる。
【解決手段】半導体圧力センサ１は、土台となる基板層２、この基板層２上に形成された酸化膜３、及びこの酸化膜３を挟んで基板層２と反対側に形成された活性層４を有するＳＯＩ基板１０と、基板層２から酸化膜３まで到達する凹部２０をＳＯＩ基板１０に設けることにより活性層４に形成されたダイヤフラム構造の可動電極４１と、可動電極４１に対向して配置された固定電極５１とを備える。凹部２０を、反応性エッチングにより酸化膜３を越えて活性層４の内部まで延長して形成することにより、酸化膜／活性層界面で３次元的な応力集中が起こり難くなり、酸化膜／活性層界面にクラック等が入り難くなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量型の半導体圧力センサに関する。

従来のこの種の半導体圧力センサの例を図５に示す。半導体圧力センサ１０１は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１１０と、この基板１１０に形成されたダイヤフラム構造の可動電極１４１と、この可動電極１４１に対向して配置された固定電極１５１とを備えており、静電容量の変化に基づいて圧力を測定する。ＳＯＩ基板１１０は、土台となる基板層１０２と、この基板層１０２上に形成された酸化膜１０３と、この酸化膜１０３を挟んで基板層１０２と反対側に形成された活性層１０４とを有しており、基板層１０２から酸化膜１０３まで到達する凹部１２０をこのＳＯＩ基板１１０に設けることにより、活性層１０４に可動電極１４１が形成されている。

従来のこの種の半導体圧力センサ１０１は、凹部１２０が、酸化膜１０３と活性層１０４の界面（以下、酸化膜／活性層界面という）I’の位置までしか形成されておらず、製造する際、酸化膜１０３で下からのエッチングを止めることができ、可動電極１４１の厚みのばらつきが少なくなるようにコントロールできるという利点があった。

一方、ダイヤフラムのゲージ抵抗の変化に基づいて圧力を測定する弾性体ダイヤフラム型の半導体圧力センサにおいて、ＳＯＩ基板に形成された凹部を、酸化膜を越えて活性層の内部まで延長してダイヤフラムを形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２０８７０８号公報

しかしながら、図５に示される半導体圧力センサ１０１は、図５及び図６のＢ’部に示されるように、酸化膜／活性層界面Ｉ’に応力が集中し易く、過大な圧力又は加速度が印加されたときにクラックＣが発生する虞があり、信頼性の面で更なる改善が求められていた。なお、特許文献１に記載の圧力センサは弾性体ダイヤフラム型の半導体圧力センサであって、静電容量型の半導体圧力センサではない。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、過大な圧力又は加速度が印加された場合であってもクラックが発生する虞がなく、信頼性の高い半導体圧力センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、土台となる基板層と、該基板層上に形成された酸化膜と、該酸化膜を挟んで前記基板層と反対側に形成された活性層とを有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板と、前記基板層から前記酸化膜まで到達する凹部を前記ＳＯＩ基板に設けることにより、前記活性層に形成されたダイヤフラム構造の可動電極と、前記可動電極に対向して配置された固定電極と、を備えた静電容量型の半導体圧力センサであって、前記凹部を、反応性エッチングにより前記酸化膜を越えて前記活性層の内部まで延長して形成したことを特徴とする。

請求項２の発明は、土台となる基板層と、該基板層上に形成された酸化膜と、該酸化膜を挟んで前記基板層と反対側に形成された活性層とを有するＳＯＩ基板にダイヤフラム構造の可動電極を形成する可動電極形成工程と、前記可動電極に対向する位置に固定電極を形成する固定電極形成工程とを備えた静電容量型の半導体圧力センサの製造方法であって、前記可動電極形成工程は、前記ＳＯＩ基板をエッチングすることにより、前記ＳＯＩ基板に、前記基板層から前記酸化膜まで到達する凹部を形成する第１の工程と、前記第１の工程により形成された凹部に面する酸化膜を除去する第２の工程と、前記第２の工程により酸化膜が除去された凹部を、反応性エッチングにより前記活性層の内部まで延長する第３の工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ダイヤフラム構造の可動電極を形成するための凹部が、ＳＯＩ基板の酸化膜を越えて活性層の内部まで延長して形成されるので、酸化膜／活性層界面で３次元的な応力集中が起こり難くなり、比較的強度が弱い酸化膜／活性層界面での剥離が起こり難くなる。このため、過大な圧力又は加速度が印加された場合であっても酸化膜／活性層界面にクラック等が入ることがなく、信頼性の高い半導体圧力センサを得ることができる。

また、エッチングのコントロールが容易な反応性エッチングにより凹部を活性層の内部まで延長するので、凹部のみを異方的、かつ高選択的にエッチングすることができ、可動電極の厚さを精度良くコントロールして特性ばらつきの少ない圧力センサを得ることができる。

以下、本発明の一実施形態に係る半導体圧力センサ１について図１乃至図４を参照して説明する。まず、図１を参照して半導体圧力センサ１の全体構成を説明する。半導体圧力センサ１は、ＳＯＩ基板１０と、この基板１０に形成されたダイヤフラム構造の可動電極４１と、この可動電極４１に対向して配置された固定電極５１とを備えており、静電容量の変化に基づいて圧力を測定するタイプの圧力センサである。固定電極５１は、ＳＯＩ基板１０上に接合されるガラス基板５に形成されている。なお、図１（ａ）においては、ガラス基板５を透視して固定電極５１及び後述する参照電極５２をハッチングを付けて示している。また、図１（ｂ）において点線で囲まれたＢ部については、図４を参照して後述する。

ＳＯＩ基板１０は、土台となる基板層２と、この基板層２上に形成された酸化膜３と、この酸化膜３を挟んで基板層２と反対側に形成された活性層４とを有しており、基板層２及び活性層４はシリコン等により形成され、酸化膜３はシリコン酸化膜等により形成されている。可動電極４１は、基板層２から酸化膜３まで到達する凹部２０をＳＯＩ基板１０に設け、この凹部２０を、更に、反応性エッチングにより酸化膜３を越えて活性層４の内部まで延長することにより形成されている。可動電極４１は、外部から加えられる圧力又は加速度により図１（ｂ）において上下方向に変位（振動）する。そして、可動電極４１と固定電極５１の間隔の変化により可動電極４１及び固定電極５１間の静電容量が変化する。また、ＳＯＩ基板１０の上面１０ａ側には、固定電極５１等を収納するための凹状の電極収納部４０が形成されている。

固定電極５１は参照電極５２と共にガラス基板５の下面５ａ側に形成されており、ガラス基板５は、固定電極５１が可動電極４１に対向して配置されるように、ＳＯＩ基板１０の上面１０ａに接合される。なお、固定電極５１等が形成される基板の材料はガラスでなくともよく、ＳＯＩ基板１０の膨張係数に近い膨張係数を有する材料を用いることができる。その他、ガラス基板５には、可動電極４１、固定電極５１、及び参照電極５２の各電極に対応して、ガラス基板５の上面５ｂから下面５ａに貫通するスルーホール５３が形成されており、このスルーホール５３の表面５３ａ及び下側の開口５３ｂ、及びガラス基板５の上面５ｂには、各電極４１，５１，５２との導通を確保するための引出し金属膜５４がそれぞれ形成されている。固定電極５１は、ＳＯＩ基板１０上に形成されたＳｉＯ_２よりなる絶縁膜４２、及びこの絶縁膜４２上に形成された導電膜４３を介してスルーホール５３に電気的に接続される。固定電極４１、参照電極５１、引出し金属膜５４及び導電膜４３には種々の材料を用いることができ、例えば、Ａｌ，Ｃｒ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｔｉ等を用いることができる。

可動電極４１、固定電極５１、及び参照電極５２は、引出し金属膜５４を介して不図示の静電容量計測回路に接続されており、静電容量計測回路は、圧力又は加速度の印加によって変化する可動電極４１及び固定電極５１間の静電容量が変化に基づいて圧力を測定する。

以下、半導体圧力センサ１の製造方法について図２及び図３に基づいて説明する。図２は、ＳＯＩ基板１０にダイヤフラム構造の可動電極４１を形成する可動電極形成工程を示しており、図３は、可動電極４１に対向する位置に固定電極５１を形成する固定電極形成工程を示している。

可動電極形成工程では、まず、ＳＯＩ基板１０を用意し（図２（ａ））、電極収納部４０に対応する開口を有するマスクを用いたエッチングによりＳＯＩ基板１０の上面１０ａ側に電極収納部４０を形成する（図２（ｂ））。この工程におけるエッチングは、特に限定されるものではなく、水酸化カリウム（ＫＯＨ）や水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）等のアルカリ水溶液を用いたウェットエッチングであってもよいし、反応性エッチング等のドライエッチングであってもよい。

次に、凹部２０に対応する開口を有するマスクを用いてＳＯＩ基板１０を異方性エッチングすることにより、ＳＯＩ基板１０の下面１０ｂ側に、基板層２から酸化膜３まで到達する凹部２０を形成する（第１の工程）（図２（ｃ））。この工程において、酸化膜３は、エッチングを停止させるエッチングストッパ層として機能する。

更に、凹部２０に対応する開口を有するマスクを用いてＳＯＩ基板１０を異方性エッチングすることにより、凹部２０に面する酸化膜３を除去する（第２の工程）（図２（ｄ））。なお、図２（ｃ）及び図２（ｄ）に示される工程においてもエッチングは、ウェットエッチングであってもよいし、ドライエッチングであってもよい。

そして、上記工程により酸化膜３が除去されたＳＯＩ基板１０に対して、凹部２０に対応する開口を有するマスクを用いて凹部２０に面する活性層４をＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等の反応性エッチングにより僅かに除去することにより、凹部２０を活性層４の内部まで延長する（第３の工程）。この工程を経ることにより、凹部２０のコーナー２０ａが略垂直であって、可動電極４１の厚さが全域に亘って略均一となる構造を有するＳＯＩ基板１０を得ることができる。また、反応性エッチングによりＳＯＩ基板１０の下面１０ｂ側のみを除去加工するので、後述する工程電極形成工程でガラス基板５が接合されるＳＯＩ基板１０の上面１０ａ側が腐食されることがない。

次に、固定電極形成工程について説明する。本実施形態では、予め固定電極５１等が設けられたガラス基板５をＳＯＩ基板１０に接合することにより、可動電極４１に対向する位置に固定電極５１を形成する。このようなガラス基板５は、ガラス基板５上にＡｌ等を蒸着等することにより固定電極５１及び参照電極５２等を形成し、ガラス基板５をブラスト加工等することによりスルーホール５３を形成して作成される。

まず、ガラス基板５との接合に先立って、ＳＯＩ基板１０の電極収納部４０に絶縁膜４２及び導電膜４３をパターニングする（図３（ａ））。次に、可動電極４１と対向する位置に固定電極５１が配置されるように、ガラス基板５をＳＯＩ基板１０に載置し、陽極接合によりＳＯＩ基板１０とガラス基板５を接合する（図３（ｂ））。以上のような工程を経ることにより本実施形態の半導体圧力センサ１を製造することができる。

なお、上記に図示した構成は、センサ１個分を示しているが、製造に際しては、所要寸法のガラス基板５及びＳＯＩ基板１０にパターニングと行い、組立一体化した後に所要のチップに切断分離することにより、個々の半導体圧力センサ１を得ることができる。

本実施形態の半導体圧力センサ１によれば、ダイヤフラム構造の可動電極４１を形成するための凹部２０が、ＳＯＩ基板１０の酸化膜３を越えて活性層４の内部まで延長して形成されているので、図４に示されるように、酸化膜／活性層界面Ｉで３次元的な応力集中が起こり難くなり、比較的強度が弱い酸化膜／活性層界面Ｉでの剥離が起こり難くなる。このため、過大な圧力又は加速度が印加された場合であっても酸化膜／活性層界面Ｉにクラック等が入ることがなく、信頼性の高い半導体圧力センサ１を得ることができる。

また、エッチングのコントロールが容易な反応性エッチングにより凹部２０を活性層４の内部まで延長するので、凹部２０のみを異方的、かつ高選択的にエッチングすることができ、可動電極４１の厚さを精度良くコントロールして特性ばらつきの少ない圧力センサを得ることができる。また、この際、ドライエッチングである反応性エッチングを利用するため、ガラス基板５接合後においてもＳＯＩ基板１０の凹部２０のみをエッチングすることができるなど、製造プロセスの自由度が高いという利点もある。

本発明は上記実施形態の構成に限られることなく、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る半導体圧力センサの上面透視図、（ｂ）は同図におけるＡ−Ａ’線断面図。（ａ）〜（ｅ）は、同半導体圧力センサを製造する工程図。（ａ）（ｂ）は図２の工程に続く工程図。図１（ｂ）におけるＢ部の拡大図。従来例に係る静電容量型の半導体圧力センサの断面図。図５におけるＢ’部の拡大図。

符号の説明

１半導体圧力センサ
２基板層
３酸化膜
４活性層
１０ＳＯＩ基板
２０凹部
４１可動電極
５１固定電極

Claims

土台となる基板層と、該基板層上に形成された酸化膜と、該酸化膜を挟んで前記基板層と反対側に形成された活性層とを有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板と、
前記基板層から前記酸化膜まで到達する凹部を前記ＳＯＩ基板に設けることにより、前記活性層に形成されたダイヤフラム構造の可動電極と、
前記可動電極に対向して配置された固定電極と、を備えた静電容量型の半導体圧力センサであって、
前記凹部を、反応性エッチングにより前記酸化膜を越えて前記活性層の内部まで延長して形成したことを特徴とする半導体圧力センサ。
土台となる基板層と、該基板層上に形成された酸化膜と、該酸化膜を挟んで前記基板層と反対側に形成された活性層とを有するＳＯＩ基板にダイヤフラム構造の可動電極を形成する可動電極形成工程と、
前記可動電極に対向する位置に固定電極を形成する固定電極形成工程と、
を備えた静電容量型の半導体圧力センサの製造方法であって、
前記可動電極形成工程は、
前記ＳＯＩ基板をエッチングすることにより、前記ＳＯＩ基板に、前記基板層から前記酸化膜まで到達する凹部を形成する第１の工程と、
前記第１の工程により形成された凹部に面する前記酸化膜を除去する第２の工程と、
前記第２の工程により酸化膜が除去された前記凹部を、反応性エッチングにより前記活性層の内部まで延長する第３の工程と、を備えたことを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。