JP2680471B2 - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は差圧伝送器等に使用される半導体圧力センサ
およびその製造方法に関する。

（従来の技術） 差圧伝送器等に使用される半導体圧力センサとして、
従来、第２図に示す構造のものが知られている。

この図に示す半導体圧力センサは円形のエッチング穴
101が形成されたN⁺型シリコン基板102と、このN⁺型シリ
コン基板102上に設けられるＮ型エピタキシャルシリコ
ン103と、このＮ型エピタキシャルシリコン103上に形成
されるピエゾ抵抗104とを備えており、Ｎ型エピタキシ
ャルシリコン103の各面に圧力がかかったとき、この圧
力差に応じて変形してピエゾ抵抗104の抵抗値を変化さ
せ、この変化分を前記圧力差に応じた圧力差信号として
出力する。

また、他の半導体圧力センサとして、第３図に示すも
のも知られている。

この図に示す半導体圧力センサは円形のエッチング穴
105が形成されたＮ型シリコン基板106と、このＮ型シリ
コン基板106上に形成されるピエゾ抵抗107とを備えてお
り、Ｎ型シリコン基板106の各面に圧力がかかってと
き、この圧力差に応じて変形してピエゾ抵抗107の抵抗
値を変化させ、この変化分を前記圧力差に応じた圧力差
信号として出力する。

このように、上述した各半導体圧力センサは単結晶シ
リコンの優れた弾性を利用し、薄膜シリコンダイヤフラ
ム108、109の両面にかかる圧力差に応答する応力を検出
してこれを圧力差信号として出力する。

（発明が解決しようとする課題） ところで、このような半導体圧力センサでは、この半
導体圧力センサを構成するチップの大きさを縮小するに
したがって、耐圧力が向上して過大圧に対する信頼性が
向上する傾向がある。

そして、このような利点を有効に活用するため、チッ
プを縮小することが必要となっているが、チップを縮小
するとき、これに伴って薄膜シリコンダイヤフラム10
8、109を構成するＮ型エピタキシャルシリコン103やＮ
型シリコン基板106も薄くしなければならない。

そして、このような薄膜シリコンダイヤフラム108、1
09の薄膜化技術として、従来、弗硝酸エッチングや電解
エッチング等のウェットエッチングが試みられている。

この場合、電解エッチングでは、陽極となる被エッチ
ング基板に電極を接続し、５％の弗硝酸でダイヤフラム
を形成する。

このとき、エッチング面に保護膜として窒化シリコン
膜を形成し、フォトエッチングによりダイヤフラムの大
きさに対応する円形パターンを形成する。

次いで、被エッチング面の保護膜を除去し、エッチン
グ液に浸して薄膜ダイヤフラムを形成させた後、エッチ
ングされないで残った厚板部分の保護膜を除去し、パイ
レックスガラスの台座に静電結合なる技術によって接合
して圧力を測定できる外容器に搭載する。

しかしながら、このような従来の構成では、エッチン
グする量が多く、所望の薄膜シリコンダイヤフラムを形
成するのに、長時間エッチング液に浸しておかなければ
ならず、電極接続箇所の不完全さに起因して熱が発生し
たり、電極接続点から各薄膜シリコンダイヤフラムのエ
ッチング場所までの距離に起因するシリーズ抵抗の違い
から、エッチングのバラツキが大きくなったりすること
があった。

また、保護膜である窒化シリコン膜の熱膨張係数と、
緩衝膜である二酸化シリコン膜の熱膨張係数との違いか
ら、薄膜にクラックが発生し易く、またピンホール等が
あった場合、台座との接続表面が弗硝酸等のエッチング
液により荒れる現象が起こり、気密性の信頼性が損なわ
れてしまうという問題があった。

さらに、エッチングする深さがシリコン基板の厚さに
ほぼ比例することから、サイドエッチング量も大きく、
1mmφより小さなダイヤフラムを形成することが難しい
という問題があった。

本発明は上記の事情に鑑み、等方性エッチングでのエ
ッチング時間を短縮することができるとともに、土台と
の接続部となるエッチングされないシリコン表面を完全
にミラー状に保つことができ、また静電接合時の気密性
を向上させることができるとともに、過大圧印加時の高
耐圧性を強化することができ、さらにセンサチップの小
型化を達成することができる半導体圧力センサおよびそ
の製造方法を提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、単
結晶半導体基板と当該基板の一方の面にエピタキシャル
層とを有し、前記単結晶半導体基板に圧力を導入する開
口部を持ち、前記エピタキシャル層の内部に、前記開口
部のエピタキシャル層側開口端の面積よりも前記エピタ
キシャル層に平行な断面積が大きい空洞を伴った円形薄
膜ダイヤフラムを有することを特徴としている。

また、請求項２の発明は、請求項１記載の半導体圧力
センサにおいて、前記単結晶半導体基板がＰ型であり、
前記空洞の周辺を形成する肉厚部がＮ型であることを特
徴としている。

また、請求項３の発明は、単結晶半導体基板と当該基
板の一方の面にエピタキシャル層とを有するウェハーの
前記単結晶半導体基板を異方性エッチングで圧力導入用
の開口部を形成した後、等方性エッチングによって前記
エピタキシャル層内部に、前記開口部のエピタキシャル
層側開口端の面積よりも前記エピタキシャル層に平行な
断面積が大きい空洞を形成することを特徴としている。

（作用） 上記の構成により、本発明による半導体圧力センサで
は、単結晶半導体基板に圧力を導入する開口部を持ち、
エピタキシャル層の内部に前記開口部より大きな空洞を
伴った円形薄膜ダイヤフラムにすることにより、等方性
エッチングでのエッチング時間を短縮させるとともに、
土台との接続部となるエッチングされないシリコン表面
を完全にミラー状に保持させ、また静電接合時の気密性
を向上させるとともに、過大圧印加時の高耐圧性を強化
させ、さらにセンサチップの小型化を達成させる。

また、上記の構成により、本発明による半導体圧力セ
ンサの製造方法では、単結晶半導体基板とエピタキシャ
ル層とを有するウェハーの前記単結晶半導体基板を異方
性エッチングで圧力導入用の開口部を形成した後、等方
性エッチングによって前記エピタキシャル層内部に前記
開口部より大きな空洞を形成することにより、等方性エ
ッチングでのエッチング時間を短縮させるとともに、土
台との接続部となるエッチングされないシリコン表面を
完全にミラー状に保持させ、また静電接合時の気密性を
向上させるとともに、過大圧印加時の高耐圧性を強化さ
せ、さらにセンサチップの小型化を達成させる。

（実施例） 第１図は本発明による半導体圧力センサおよびその製
造方法の一実施例を示す製造工程図である。

本発明による半導体圧力センサを作る場合、第１図
（ａ）に示す如くまず、低濃度ボロンの基板（Ｐ型シリ
コン基板）１上にＮ型エピタキシャル層２を持つシリコ
ンウェハー３を用意する。

次いで、第１図（ｂ）に示す如くこのシリコンウェハ
ー３の両面に熱酸化膜４、５を形成した後、第１図
（ｃ）に示す如くフォトエッチングによってＮ型エピタ
キシャル層２側にダイヤフラムとなる部分にパターン６
を形成しこのパターン６部分の酸化膜４を除去する。

この後、第１図（ｄ）に示す如く高濃度のリンを拡散
させてこの前記パターン６部分のＮ型エピタキシャル層
２をN⁺⁺層７にした後、上面側の酸化膜４を除去する。

次いで、第１図（ｅ）に示す如くウェハー３の上面側
に所望のダイヤフラム厚になるまでＮ型エピタキシャル
層８を成長させた後、ダイヤフラム11となる部分にピエ
ゾ抵抗９を形成するとともに、Ｐ型シリコン基板１の下
面に形成された酸化膜５にエッチング用の穴パターン10
を形成する。

この後、第１図（ｆ）に示す如くＮ型エピタキシャル
層８をワックス等で保護した後、異方性エッチング液を
用いてＰ型シリコン基板１をエッチングしてN⁺⁺層７に
達するエッチング穴12を形成する。このとき、N⁺⁺層７
でのエッチング穴12の大きさを所定の大きさ、例えば50
ミクロン以下に抑える。

次いで、第１図（ｇ）に示す如く等方性エッチング液
を用いてN⁺⁺層７をエッチングして空洞13を形成しこの
空洞13の上にあるＮ型エピタキシャル層８をダイヤフラ
ム11にした後、Ｐ型シリコン基板１の下面にある酸化膜
５を除去する。このとき、第１図（ｇ）からも分かるよ
うに、空洞13のエピタキシャル層２に平行な断面積は、
エッチング穴12のエピタキシャル層側開口端の面積より
も大きくなっている。

このようにこの実施例においては、Ｐ型シリコン基板
１を異方性エッチング液によってエッチングしてN⁺⁺層
７に達するエッチング穴12を形成した後、等方性エッチ
ング液によってN⁺⁺層７をエッチングしてこのN⁺⁺層７上
に形成されているＮ型エピタキシャル層８の下面に空洞
13を形成してダイヤフラム11を作るようにしたので、等
方性エッチングでのエッチング時間を短縮することがで
きるとともに、土台との接続部となるエッチングされな
いシリコン表面を完全にミラー状に保つことができ、ま
た静電接合時の気密性を向上させることができる。

また、N⁺⁺層７を薄くすることにより、ダイヤフラム1
1の変位量を小さくして過大圧印加時の高耐圧性を強化
することができるととも、このN⁺⁺層７上に形成される
Ｎ型エピタキシャル層８の厚さを薄くすることができ、
これによって圧力検知感度を大幅に向上させることがで
きるとともに、チップサイズを縮小してセンサチップの
小型化を達成することができる。

また、Ｐ型シリコン基板１側からの表面距離（Ｐ型シ
リコン基板１のＡ点からこのＰ型シリコン基板１および
Ｎ型エピタキシャル層２、８に沿ってＮ型エピタキシャ
ル層８のＢ点まで至る距離）を大きくとれるため、Ｐ型
シリコン基板１と土台とを接合するとき、接合歪みが発
生してもダイヤフラム11への影響を極めて小さくするこ
とができる。

また、上述した実施例においては、空洞13部分をきれ
いに除去するようにしているが、たとえＰ型シリコン基
板１とN⁺⁺層７との境界部が残っても、ダイヤフラム11
の中央にエッチング穴12がある限り、空洞13の残りがダ
イヤフラム11の変位に悪影響を与えることはないので、
N⁺⁺層７をエッチングするとき、ショートエッチングで
終了して濃度が低いＰ型シリコン基板１とN⁺⁺層７との
境界部を残すようにしても良い。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、等方性エッチン
グでのエッチング時間を短縮することができるととも
に、土台との接続部となるエッチングされないシリコン
表面を完全にミラー状に保つことができ、また静電接合
時の気密性を向上させることができるとともに、過大圧
印加時の高耐圧性を強化することができ、さらにセンサ
チップの小型化を達成することができる。

また、本発明によれば、エピタキシャル層の厚みが空
洞の厚みとなるので、エピタキシャル層の厚みを制御す
ることにより空洞の厚みを正確、かつ自由に制御でき
る。その結果、ダイヤフラムが破壊される限界に近い圧
力まで耐圧を高めることができると共に、ダイヤフラム
の破損防止の製造を容易に、かつ均一に形成することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体圧力センサおよびその製造
方法の一実施例を示す斜視図、第２図は従来から知られ
ている半導体圧力センサの一例を示す断面図、第３図は
従来から知られている半導体圧力センサの他の一例を示
す断面図である。 １……単結晶半導体基板（Ｐ型シリコン基板） ２、８……エピタキシャル層（Ｎ型エピタキシャル層） 11……円形薄膜ダイヤフラム（ダイヤフラム） 12……開口部（エッチング穴） 13……空洞

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶半導体基板と当該基板の一方の面に
   エピタキシャル層とを有し、前記単結晶半導体基板に圧
   力を導入する開口部を持ち、前記エピタキシャル層の内
   部に、前記開口部のエピタキシャル層側開口端の面積よ
   りも前記エピタキシャル層に平行な断面積が大きい空洞
   を伴った円形薄膜ダイヤフラムを有することを特徴とす
   る半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】前記単結晶半導体基板がＰ型であり、前記
   空洞の周辺を形成する肉厚部がＮ型である請求項１記載
   の半導体圧力センサ。
3. 【請求項３】単結晶半導体基板と当該基板の一方の面に
   エピタキシャル層とを有するウェハーの前記単結晶半導
   体基板を異方性エッチングで圧力導入用の開口部を形成
   した後、等方性エッチングによって前記エピタキシャル
   層内部に、前記開口部のエピタキシャル層側開口端の面
   積よりも前記エピタキシャル層に平行な断面積が大きい
   空洞を形成することを特徴とする半導体圧力センサの製
   造方法。