JPH06201504A - 半導体力学量センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 同一特性の半導体センサをバッチ処理で作製
してコスト低減と品質の共通化を図る。 【構成】 基板２０に凹部２４を形成し、凹部２４のあ
る面に上部電極用Ｐ型拡散領域２１を形成してセンサカ
バー１０２を作製し、基板１１の表面に配線用Ｐ型拡散
層１３と下部電極用Ｐ型拡散層１２とを分離形成し、そ
の上面に酸化膜１４を選択形成してセンサ本体１００を
作製する。次にセンサカバー１０２とセンサ本体１００
とを対向させてポリシリコン層１７により接着し、接着
後にセンサを単位としてチップ分割する。これにより、
製造工程が簡易化してコスト低減が図れるとともに、ポ
リシリコンを用いることにより接着性の強化および品質
の共通化が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コンデンサの静電容量
の変化によって力学量、例えば圧力を測定する半導体力
学量センサの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の圧力センサとして、例えば図４
に示すようなものが従来から知られている（特開昭５８
−６３８２６号公報）。図４において、圧力導入用のパ
イプ１と一体化した金属性ステム２上面には、貫通孔３
ａを有するシリコン台座３が接着層４ａを介して接着さ
れ、このシリコン台座３上面にはウエハから切り出され
たシリコンダイヤフラム５が接着層４ｂを介して固着さ
れる。シリコンダイヤフラム５の中央部には圧力により
撓む撓み部５ａが形成され、この撓み部５ａには、その
撓み量に相応した抵抗変化を得る半導体歪ゲ−ジ６が所
定箇所に設けられている。また、ステム２には、ハ−メ
チックシ−ル８により気密封止されかつ絶縁された状態
でリ−ドピン７が貫設され、歪ゲ−ジ６は、ボンディン
グワイヤ９，リ−ドピン７を介して図示せぬ外部回路と
接続されている。さらに、ステム２には、上部に通気孔
１０ａを有する金属性のキャップ１０が放電加工，ハン
ダ等により接続され、真空槽内でこの通気孔１０ａをハ
ンダ１１で封じることにより真空基準圧室１２を得る。
以上のようにして、真空圧を基準圧力とする絶対型圧力
センサが作製される。

【０００３】このような圧力センサにパイプ１を介して
圧力が導入されると、シリコンダイヤフラム５の撓み部
５ａは上下の圧力差に応じて撓み、その撓み量に応じた
歪ゲ−ジ６の抵抗値変化がボンディングワイヤ９および
リードピン７を介して図示しない外部回路に電気信号と
して入力され、これにより圧力が測定される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
圧力センサにあっては、半導体ウエハ上に形成したダイ
ヤフラム５をそれぞれチップ分割した後にカンパッケ−
ジ等を用いてチップ毎に真空実装している。すなわち、
チップ分割後、キャップ１０に設けられた通気孔１０ａ
を真空槽内においてハンダ等により封止して真空基準圧
室１０を形成するため製造コストが高いという問題点が
ある。また、ダイヤフラム５はウエハをチップ分割して
作製するため品質を共通化できるのに対し、ダイヤフラ
ム５を真空実装して圧力センサを作製する際には、例え
ば圧力導入用のパイプ１の取り付け位置等に誤差が生じ
るため、作製した圧力センサの特性にばらつきが生じる
という問題点がある。

【０００５】本発明の目的は、同一特性の半導体センサ
をバッチ処理で作製してコスト低減と品質の共通化を図
った半導体力学量センサの製造方法を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１，２
により説明すると、本発明は、第１のシリコン基板２０
に複数の凹部２４を形成し、各凹部２４の内周面から周
縁にかけて第１の電極２１を形成する工程と、第２のシ
リコン基板１１の表面に、互いに絶縁された第２の電極
１２と配線層１３とを備えた領域を、第１のシリコン基
板２０の凹部２４と同一配置で形成し、各領域の上面に
絶縁層１４を形成し、この絶縁層１４に、配線層１３と
接続するための第１の開口部１４ｂおよび第２の開口部
１４ｃと、第２の電極１２と接続するための第３の開口
部１４ａとをそれぞれ設ける工程と、第１の開口部１４
ｂに配線層１３と接続される第１の配線部１６を設ける
とともに、第３の開口部１４ａに第２の電極１２と接続
される第２の配線部１５を設ける工程と、凹部２４の周
縁と略同形のポリシリコン層１７を、その一部が第２の
開口部１４ｃを介して配線層１３と導通するように絶縁
層１４上に形成する工程と、第１のシリコン基板２０と
第２のシリコン基板１１とを対向させ、凹部２４の周縁
とポリシリコン層１７とを所定の圧力雰囲気中で熱接着
する工程と、接着された第１のシリコン基板２０と第２
のシリコン基板１１とを、領域を単位として分割する工
程と、を備えることにより、上記目的は達成される。

【０００７】

【作用】第１の電極２１が形成された第１のシリコン基
板２０と第２の電極１２が形成された第２のシリコン基
板１１とを対向させ、第１のシリコン基板２０に形成さ
れた複数の凹部２４と、第２のシリコン基板１１に形成
された凹部２４の周縁と略同形のポリシリコン層１７と
を所定の圧力雰囲気中で熱接着した後、両シリコン基板
１１，２０をチップ単位で分割するようにしたため、分
割前に両シリコン基板１１，２０を所定の圧力雰囲気中
で熱接着して複数の半導体力学量センサを同時に作製で
き、従来不可欠であった真空実装作業が不要となり、製
造工程を極めて簡素化でき、低廉な半導体力学量センサ
が得られる。また、接着にポリシリコン層１７を用いる
ため、接着力の強化や品質の共通化が図れる。

【０００８】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【０００９】

【実施例】図１〜図３に基づいて本発明の一実施例を説
明する。図１に示すように、本発明に係る半導体圧力サ
ンサ１００は、半導体基板から構成されるセンサ本体１
０１と、その上面に接着され基準圧室ＲＲを形成し半導
体基板から構成されるセンサカバ−１０２とを有し、セ
ンサ本体１０１の下部電極用Ｐ型拡散層１２とカバ−本
体１０２の上部電極用Ｐ型拡散層２１とが基準圧力室Ｒ
Ｒを挟んで対向しコンデンサを構成している。

【００１０】センサ本体１０１は、Ｎ型シリコン基板１
１上に形成された下部電極用Ｐ型拡散層１２および上部
電極用Ｐ型拡散層２１の配線用Ｐ型拡散層１３と、Ｎ形
シリコン基板１１の表面に形成された酸化膜１４とを有
する。下部電極用Ｐ型拡散層１２の端部はコンタクトホ
−ル１４ａを介して配線１５に接続され、配線用Ｐ型拡
散層１３の端部もコンタクトホ−ル１４ｂを介して配線
１６に接続されている。これらの配線１５，１６はコン
デンサの信号線として用いられる。酸化膜１４上にはポ
リシリコン層１７を介してカバ−本体１０２が配設され
ている。

【００１１】カバ−本体１０２は、後述の如くＮ型半導
体基板に上部電極用Ｐ型拡散層２１，埋込みＰ型拡散層
２２，Ｎ型エピタキシャル層２３，基準圧力室用凹部２
４を形成した後にＮ型半導体基板をエッチングで除去し
て成る。ここで、Ｎ型エピタキシャル層２３が撓み部と
して機能する。その上部電極用Ｐ型拡散層２１は、酸化
膜１４のコンタクトホ−ル１４ｃに設けられたポリシリ
コン１７を介して配線用Ｐ型拡散層１３に接続されてい
る。また、上部電極用Ｐ型拡散層２１は、酸化膜１４を
介して下部電極用Ｐ型拡散層１２と絶縁されている。

【００１２】このような圧力センサ１００を圧力雰囲気
中に配置すると、この雰囲気圧力と基準圧力室ＲＲ内の
基準圧力との圧力差に応じてカバ−本体１０２の撓み部
２５が撓み、これにより上部電極用Ｐ型拡散層２１と下
部電極用Ｐ型拡散層１２との間の静電容量が変化する。
この静電容量変化を検出することにより雰囲気圧力が検
出される。すなわち、以上の構成の圧力センサ１００
は、チップ分割する前に２枚の基板を真空中で接着して
作成することができ、従来不可欠であった各チップ毎の
真空実装作業が不要となり、製造工程を極めて簡素化で
き、低廉な半導体力学量センサが得られる。

【００１３】次に、図２，３によりこの半導体力学量セ
ンサの製造工程について説明する。なお、図２，３で
は、半導体圧力センサ１個分の構造を示すが、実際には
図２，３の構造の半導体圧力センサが半導体基板上に複
数形成されている。 （ａ） 図２（ａ）に示すように、Ｐ型拡散層２２が埋
め込まれＮ型エピタキシャル層２３が形成されたカバ−
本体用基板２０（例えば面方位（１００）のＮ型シリコ
ン基板から成る）の下面全体に熱酸化あるいはＣＶＤ等
により酸化膜３１を形成し、次いで両端の酸化膜３１を
フォトエッチング等により除去する。 （ｂ） 図２（ｂ）に示すように、酸化膜３１をマスク
としてヒドラジン等の異方性エッチング溶液により異方
性エッチングを行ない、基板２０の両端下部を所定深さ
まで除去し、凸部２０ａを形成する。 （ｃ） 凸部２０ａ下面の酸化膜３１を除去した後、再
び基板２０の下面全体に酸化膜３２を上述の方法により
形成し、フォトエッチングにより凸部２０ａ中央の酸化
膜３２を除去する（図２（ｃ））。 （ｄ） 図２（ｄ）に示すように、酸化膜３２をマスク
としてヒドラジン等の異方性エッチング液により基板２
０の凸部２０ａ中央を所定深さまで除去して凹部２０ｂ
（２４）を形成する。この凹部２０ｂが基準圧力室ＲＲ
を形成する。 （ｅ） ボロンの熱拡散あるいはイオン注入とアニ−ル
等により上部電極用Ｐ型拡散層２１を凸部２０ａの下面
全体に形成する（図２（ｅ））。

【００１４】（ｆ） 図３（ａ）に示すように、例えば
面方位（１００）のＮ型シリコンから成る別の基板１１
の上部表面にボロンの熱拡散あるいはイオン注入とアニ
−ル等により下部電極用Ｐ型拡散層１２および配線用Ｐ
型拡散層１３を選択的に形成する。 （ｇ） 図３（ｂ）に示すように、基板１１の上部表面
全体に酸化膜１４を形成した後、上部電極接続用のコン
タクトホール領域１４ｂ，１４ｃと下部電極接続用のコ
ンタクトホール領域１４ａの酸化膜をフォトエッチング
により除去する。

【００１５】（ｈ） 図３（ｃ）に示すように、凹部２
０ｂの周縁と略同形のポリシリコン層１７を、コンタク
トホール領域１４ｃに形成して配線用Ｐ型拡散層１３と
接続するとともに、酸化膜１４上に形成して下部電極用
Ｐ型拡散層１２と絶縁させる。また、コンタクトホール
領域１４ａ，１４ｂにそれぞれ配線１５，１６を形成す
る。次に、基板２０，１１をともに親水処理を施した
後、基板１１と基板２０とを対向させ、基板１１のポリ
シリコン層１７と基板２０の凹部２０ｂの周縁とを、清
浄な環境の所定の圧力下において密着させ加熱する。こ
れにより、基板２０と基板１１が接着され、凹部２０ｂ
で基準圧力室ＲＲが形成される。上述した所定の圧力が
この基準圧力室ＲＲ内の基準圧力となり、この圧力は予
め適切な値に設定される。また、加熱時の温度も、例え
ば密着強度等を考慮して予め適切な値に設定される。

【００１６】（ｉ） 図３（ｄ）に示すように、基板２
０をエッチングしてＰ型拡散層２１，２２で囲まれてい
る領域以外を除去してカバ−本体１０２を形成する。こ
のＰ型拡散層２１，２２により過度のエッチングが防止
されるのでカバ−本体１０２の形状を均一化でき、安定
したセンサ特性を持つ圧力センサが得られる。 （ｊ） 最後に、対向密着された両半導体基板を、図３
（ｄ）に示す半導体圧力センサを単位としてチップ分割
する。

【００１７】上記製造工程において、各基板１１，２０
同士の接着に用いるポリシリコンは、各基板１１，２０
の材質であるシリコンと接着性がよく、加熱することに
より強力な接着力が得られる。また、ポリシリコン層１
７の形成は蒸着等によって行われ、その厚さは任意に制
御できるため、上部電極用Ｐ型拡散層２１と下部電極用
Ｐ型拡散層１２との間隔を各圧力センサで共通にするこ
とができる。さらに、ポリシリコンは導電性に優れるた
め、上部電極用Ｐ型拡散層２１と配線用Ｐ型拡散層２２
とをほぼ同電位にすることができる。上記のようなポリ
シリコンの特徴により、半導体基板上に図１の構造の圧
力センサを複数作製した後チップ分割して得られるそれ
ぞれの圧力センサの特性は均一になる。また、本発明の
製造方法によれば、基板１１の表面に下部電極用の配線
１５と上部電極用の配線１６の双方を設けることができ
るため、ボンディング等を行いやすくなる。

【００１８】なお、凸部２０ａと基板１１との接着前
に、エッチングあるいは機械研磨等により基板２０を機
械強度の保たれる範囲で薄膜化しておいてもよい。

【００１９】上記実施例の製造方法に作製した半導体力
学量センサは上述した圧力センサとして用いることがで
きる他、加速度を検出する加速度センサとしても用いる
ことができる。

【００２０】このように構成された実施例にあっては、
基板２０が第１のシリコン基板に、凹部２４が凹部に、
上部電極用Ｐ型拡散層２１が第１の電極に、基板１１が
第２のシリコン基板に、下部電極用Ｐ型拡散層１２が第
２の電極に、配線用Ｐ型拡散層１３が配線層に、酸化膜
１４が絶縁層に、コンタクトホール１４ｂが第１の開口
部に、コンタクトホール１４ｃが第２の開口部に、コン
タクトホール１４ａが第３の開口部に、配線１６が第１
の配線部に、配線１５が第２の配線部に、ポリシリコン
層１７がポリシリコン層に、それぞれ対応する。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、第１の電極が形成され
た第１のシリコン基板と第２の電極が形成された第２の
シリコン基板とを対向させて所定の圧力雰囲気中で互い
に接合して複数の半導体力学量センサを同時に作製する
ようにしたため、チップ分割する前に両基板を例えば真
空中で接着して作成することができ、従来不可欠であっ
たチップごとの真空実装が不要となり、製造工程を極め
て簡素化でき、低廉な半導体力学量センサを提供でき
る。また、ポリシリコン層によって両シリコン基板を接
着するようにしたため、強力な接着力が得られる。さら
に、ポリシリコン層の厚さは任意に制御できるため、両
シリコン基板の間隔を各半導体力学量センサで共通にす
ることができる。さらにまた、ポリシリコン層は導電性
に優れるため、第１の電極と第２の電極の各電圧を正確
に検出でき、センサの検出精度が向上するとともに、第
２のシリコン基板表面に第１および第２の電極の取り出
しのための第１の配線部および第２の配線部を形成する
ことができるため、ボンディング等を行いやすくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体力学量センサの製造方法に
より作製した半導体力学量センサの断面図である。

【図２】図１に示す半導体力学量センサの製造工程を順
を追って説明する図である。

【図３】図２に続く製造工程を順を追って説明する図で
ある。

【図４】従来の半導体圧力センサの断面図である。

【符号の説明】

１１ Ｎ型半導体基板 １２下部電極用Ｐ型拡散層 １３ 配線用Ｐ型拡散層 １４酸化膜 １４ａ〜１４ｃ コンタクトホ−ル １５，１６ 配線 １７ ポリシリコン層 ２１ 上部電極用Ｐ型拡散層 ２２ 埋め込みＰ型拡散層 ２４ 凹部 ２５ 撓み部 １０１ センサ本体 １０２ センサカバ− ＲＲ 基準圧力室

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のシリコン基板に複数の凹部を形成
   し、各凹部の内周面から周縁にかけて第１の電極を形成
   する工程と、 第２のシリコン基板の表面に、互いに絶縁された第２の
   電極と配線層とを備えた領域を、前記第１のシリコン基
   板の凹部と同一配置で形成し、各領域の上面に絶縁層を
   形成し、この絶縁層に、前記配線層と接続するための第
   １の開口部および第２の開口部と、前記第２の電極と接
   続するための第３の開口部とをそれぞれ設ける工程と、 前記第１の開口部に前記配線層と接続される第１の配線
   部を設けるとともに、前記第３の開口部に前記第２の電
   極と接続される第２の配線部を設ける工程と、 前記凹部の周縁と略同形のポリシリコン層を、その一部
   が前記第２の開口部を介して前記配線層と導通するよう
   に前記絶縁層上に形成する工程と、 前記第１のシリコン基板と前記第２のシリコン基板とを
   対向させ、前記凹部の周縁と前記ポリシリコン層とを所
   定の圧力雰囲気中で熱接着する工程と、 接着された前記第１のシリコン基板と前記第２のシリコ
   ン基板とを、前記領域を単位として分割する工程と、を
   備えることを特徴とする半導体力学量センサの製造方
   法。