JPH06252420A - 容量性表面微細加工絶対圧力センサー - Google Patents
容量性表面微細加工絶対圧力センサーInfo
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- JPH06252420A JPH06252420A JP5336757A JP33675793A JPH06252420A JP H06252420 A JPH06252420 A JP H06252420A JP 5336757 A JP5336757 A JP 5336757A JP 33675793 A JP33675793 A JP 33675793A JP H06252420 A JPH06252420 A JP H06252420A
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Classifications
-
- 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
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- G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Analytical Chemistry (AREA)
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- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 ダイアフラムキャビティ中の封入圧力と雰囲
気圧力との変動に応答するダイアフラム層の変曲がコン
デンサー電極間にそれに対応する容量変化を引き起こす
ようになった圧力センサーを得る。 【構成】 容量性表面微細加工絶対圧力センサーを製造
するための本方法は、半導体基板上へ第1電極を形成す
る工程、犠牲層を堆積する工程、多結晶シリコンダイア
フラム層を堆積する工程、第2電極を形成する工程、ダ
イアフラムを貫通してアクセス開口部を形成する工程、
アクセス開口部中へエッチャント液を導入して犠牲層を
除去しダイアフラムキャビティを定義する工程、ダイア
フラムキャビティ中のエッチャントを凍結乾燥させ、ア
クセス開口部を通して昇華によって除去する工程、アク
セス開口部を封止するプラグを形成する工程を含む。こ
の方法に従って作製される絶対圧力センサーもまた開示
されている。
気圧力との変動に応答するダイアフラム層の変曲がコン
デンサー電極間にそれに対応する容量変化を引き起こす
ようになった圧力センサーを得る。 【構成】 容量性表面微細加工絶対圧力センサーを製造
するための本方法は、半導体基板上へ第1電極を形成す
る工程、犠牲層を堆積する工程、多結晶シリコンダイア
フラム層を堆積する工程、第2電極を形成する工程、ダ
イアフラムを貫通してアクセス開口部を形成する工程、
アクセス開口部中へエッチャント液を導入して犠牲層を
除去しダイアフラムキャビティを定義する工程、ダイア
フラムキャビティ中のエッチャントを凍結乾燥させ、ア
クセス開口部を通して昇華によって除去する工程、アク
セス開口部を封止するプラグを形成する工程を含む。こ
の方法に従って作製される絶対圧力センサーもまた開示
されている。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は微細加工処理技術および
半導体デバイス分野に関するものであり、更に詳細には
半導体基板上に形成された多結晶シリコンの柔軟なダイ
アフラムで構成される絶対圧力センサーに関するもので
ある。
半導体デバイス分野に関するものであり、更に詳細には
半導体基板上に形成された多結晶シリコンの柔軟なダイ
アフラムで構成される絶対圧力センサーに関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】耐久性があり、低価格で高精度の絶対圧
力測定用のセンサーを提供するためには、従来技術に従
って部品を個別に製造するよりも、センサーの重要な部
品を加工するために近代的な半導体処理技術を利用する
ことが望ましい。
力測定用のセンサーを提供するためには、従来技術に従
って部品を個別に製造するよりも、センサーの重要な部
品を加工するために近代的な半導体処理技術を利用する
ことが望ましい。
【0003】ギュッケル(Guckel)等は米国特許
第4,744,863号の中で、半導体基板上の犠牲酸
化物の柱を覆って形成された柔軟な多結晶シリコンの可
撓性ダイアフラムを採用した密封キャビティ半導体圧力
変換器の使用について開示している。この犠牲的な柱は
その周囲の外側に基板の縁に沿って広がるウエブ状の付
加物を複数個含んでいる。ダイアフラム材料を柱上に一
体として堆積させた後に、ダイアフラム材料の縁をエッ
チして除去し、犠牲酸化物を露出させる。この犠牲酸化
物を、次に、柔軟なダイアフラムの下からエッチして除
去し、ダイアフラムキャビティを定義する。ウエブ付加
物からエッチングによって除去されてダイアフラムの周
囲に形成された孔は、次に、封じ込められてダイアフラ
ムキャビティが形成される。
第4,744,863号の中で、半導体基板上の犠牲酸
化物の柱を覆って形成された柔軟な多結晶シリコンの可
撓性ダイアフラムを採用した密封キャビティ半導体圧力
変換器の使用について開示している。この犠牲的な柱は
その周囲の外側に基板の縁に沿って広がるウエブ状の付
加物を複数個含んでいる。ダイアフラム材料を柱上に一
体として堆積させた後に、ダイアフラム材料の縁をエッ
チして除去し、犠牲酸化物を露出させる。この犠牲酸化
物を、次に、柔軟なダイアフラムの下からエッチして除
去し、ダイアフラムキャビティを定義する。ウエブ付加
物からエッチングによって除去されてダイアフラムの周
囲に形成された孔は、次に、封じ込められてダイアフラ
ムキャビティが形成される。
【0004】好適実施例は、柔軟なダイアフラム上に堆
積させる部品としてピエゾ抵抗性の導電性部品を使用し
ている。これらの堆積された材料の抵抗値は、柔軟なダ
イアフラムが変形するにつれて、ダイアフラムキャビテ
ィ内に封じ込められた圧力に対して雰囲気の圧力が変化
することによって生ずる変形量に比例して変化する。第
6コラムの47−63行には、容量値がダイアフラムの
曲がりに応じて変化するようになった容量性センサーの
2枚の電極を備えた構造の使用について言及されている
が、容量性センサーの実施例や具体的な内容については
述べられていない。
積させる部品としてピエゾ抵抗性の導電性部品を使用し
ている。これらの堆積された材料の抵抗値は、柔軟なダ
イアフラムが変形するにつれて、ダイアフラムキャビテ
ィ内に封じ込められた圧力に対して雰囲気の圧力が変化
することによって生ずる変形量に比例して変化する。第
6コラムの47−63行には、容量値がダイアフラムの
曲がりに応じて変化するようになった容量性センサーの
2枚の電極を備えた構造の使用について言及されている
が、容量性センサーの実施例や具体的な内容については
述べられていない。
【0005】従来技術と比べて、本発明はシリコン基板
上に予め堆積された犠牲酸化物の最上部に形成される多
結晶シリコンダイアフラムを使用しており、この犠牲酸
化物層の厚さは一般的に形成されるべきダイアフラムキ
ャビティの厚さに等しくされている。高度に制御性の高
い二酸化シリコン犠牲層をシリコンウエハ上に使用する
ことは、非常に小さい容量値を有し、最小の寄生容量を
有するコンデンサーを実現する。このための製造工程で
は、ダイアフラムのためにパターン化された構造を接着
するような工程は必要でない。製造工程は、校正工程な
しに非常に低価格のセンサーを製造するように制御可能
である。
上に予め堆積された犠牲酸化物の最上部に形成される多
結晶シリコンダイアフラムを使用しており、この犠牲酸
化物層の厚さは一般的に形成されるべきダイアフラムキ
ャビティの厚さに等しくされている。高度に制御性の高
い二酸化シリコン犠牲層をシリコンウエハ上に使用する
ことは、非常に小さい容量値を有し、最小の寄生容量を
有するコンデンサーを実現する。このための製造工程で
は、ダイアフラムのためにパターン化された構造を接着
するような工程は必要でない。製造工程は、校正工程な
しに非常に低価格のセンサーを製造するように制御可能
である。
【0006】
【発明の概要】本発明の主たる目的は、絶対圧力を比率
測定するのに適したセンサー対を提供することである。
本センサーは、コンデンサー電極やダイアフラム等の重
要な要素を正確に位置決めおよび寸法出しすることを通
して、校正および調整が不要となっている。第2の目的
は、1つはガス浸透性の、もう1つは非浸透性の、セン
サー対のための効率的で長時間継続する封止プラグを提
供することである。
測定するのに適したセンサー対を提供することである。
本センサーは、コンデンサー電極やダイアフラム等の重
要な要素を正確に位置決めおよび寸法出しすることを通
して、校正および調整が不要となっている。第2の目的
は、1つはガス浸透性の、もう1つは非浸透性の、セン
サー対のための効率的で長時間継続する封止プラグを提
供することである。
【0007】容量性表面微細加工絶対圧力センサーの可
撓性多結晶シリコンダイアフラムについて、それの加工
方法とともに、本発明に従って説明する。本方法は半導
体基板表面を、それの選ばれたエリアを露出させながら
マスクする工程を含んでいる。基板の前記露出エリアは
選択的にドーピングされて、容量性センサーの第1導体
を定義する第1の導電性ウエルが定義される。次に、少
なくとも基板の第1の導電性区分と前記選ばれたエリア
を定義するマスクの周辺区分とを覆って第1の犠牲層が
一体として堆積される。次に、第1の犠牲層を覆って多
結晶シリコンダイアフラム層が一体として堆積され、前
記マスク層との間で封止構造を形成する。多結晶シリコ
ンダイアフラム層が、少なくとも基板中の前記第1の導
電性区分と一般的に同一場所のエリア中で選択的にドー
ピングされ、その多結晶シリコンダイアフラムを導電性
とされることによって、容量性センサーの第2の導電性
区分が形成される。
撓性多結晶シリコンダイアフラムについて、それの加工
方法とともに、本発明に従って説明する。本方法は半導
体基板表面を、それの選ばれたエリアを露出させながら
マスクする工程を含んでいる。基板の前記露出エリアは
選択的にドーピングされて、容量性センサーの第1導体
を定義する第1の導電性ウエルが定義される。次に、少
なくとも基板の第1の導電性区分と前記選ばれたエリア
を定義するマスクの周辺区分とを覆って第1の犠牲層が
一体として堆積される。次に、第1の犠牲層を覆って多
結晶シリコンダイアフラム層が一体として堆積され、前
記マスク層との間で封止構造を形成する。多結晶シリコ
ンダイアフラム層が、少なくとも基板中の前記第1の導
電性区分と一般的に同一場所のエリア中で選択的にドー
ピングされ、その多結晶シリコンダイアフラムを導電性
とされることによって、容量性センサーの第2の導電性
区分が形成される。
【0008】多結晶シリコンダイアフラムを貫通して犠
牲層に達するアクセス用の開口部が選択的にエッチされ
る。このアクセス開口部中へウエットエッチング液が導
入されて、多結晶シリコンダイアフラム下の第1の犠牲
層が除去され、それによって前記第1の犠牲層の除去さ
れた部分と同一場所を占めるダイアフラムキャビティが
定義される。多結晶シリコンダイアフラムキャビティ中
のウエットエッチング液は、次に、凍結乾燥させること
によってダイアフラムキャビティからアクセス開口部を
通して昇華作用で排除され、これによってウエットエッ
チング液の除去に伴って多結晶シリコンダイアフラムが
毛管変曲することが回避される。ダイアフラムキャビテ
ィをコーティングすることなく、またキャビティの体積
を本質的に減少させることなしに、アクセス開口部を密
封するためのプラグがアクセス開口部中に選択的に堆積
される。以上の工程によって、ダイアフラムキャビティ
内に封じ込まれた圧力と雰囲気圧力との間の変動に応答
する多結晶シリコンダイアフラムの変曲がそれに応じた
容量値の変化をコンデンサーの第1と第2の導電性区分
間に引き起こすようになったデバイスが作製される。
牲層に達するアクセス用の開口部が選択的にエッチされ
る。このアクセス開口部中へウエットエッチング液が導
入されて、多結晶シリコンダイアフラム下の第1の犠牲
層が除去され、それによって前記第1の犠牲層の除去さ
れた部分と同一場所を占めるダイアフラムキャビティが
定義される。多結晶シリコンダイアフラムキャビティ中
のウエットエッチング液は、次に、凍結乾燥させること
によってダイアフラムキャビティからアクセス開口部を
通して昇華作用で排除され、これによってウエットエッ
チング液の除去に伴って多結晶シリコンダイアフラムが
毛管変曲することが回避される。ダイアフラムキャビテ
ィをコーティングすることなく、またキャビティの体積
を本質的に減少させることなしに、アクセス開口部を密
封するためのプラグがアクセス開口部中に選択的に堆積
される。以上の工程によって、ダイアフラムキャビティ
内に封じ込まれた圧力と雰囲気圧力との間の変動に応答
する多結晶シリコンダイアフラムの変曲がそれに応じた
容量値の変化をコンデンサーの第1と第2の導電性区分
間に引き起こすようになったデバイスが作製される。
【0009】本発明のこれ以外の目的や、特徴、および
利点については以下の図面を参照した詳細な説明から明
らかになるであろう。
利点については以下の図面を参照した詳細な説明から明
らかになるであろう。
【0010】
【実施例】本発明は絶対ガス圧を測定するために適した
容量性表面微細加工センサーに関する。本構造は、シリ
コン基板の上方、約0.2マイクロメートルに支持され
た多結晶シリコンダイアフラムで構成される。本センサ
ーは105 Pa(14psi)の圧力範囲を有し、フル
スケールスパン0.35pF、公称値1.5pFの容量
値を有する。各デバイスは、マッチした容量の基準コン
デンサーを含み、0.19mm2 の面積を占める。
容量性表面微細加工センサーに関する。本構造は、シリ
コン基板の上方、約0.2マイクロメートルに支持され
た多結晶シリコンダイアフラムで構成される。本センサ
ーは105 Pa(14psi)の圧力範囲を有し、フル
スケールスパン0.35pF、公称値1.5pFの容量
値を有する。各デバイスは、マッチした容量の基準コン
デンサーを含み、0.19mm2 の面積を占める。
【0011】図1および図2は吸い込みマニホールドの
気圧(MAP)や大気圧(BAP)等のガス圧を測定す
るのに適した絶対圧力センサー100を示す。このセン
サーは2電極の空気ギャップコンデンサーを2個含んで
いる。移動可能なダイアフラム電極20は多結晶シリコ
ンでできており、固定された電極は基板30中に形成さ
れている。上部電極20は固定された圧力においてハー
メチックシールされたダイアフラムキャビティ28を構
成している。ダイアフラムキャビティ28とセンサー外
部との間の圧力差が上部電極20を変曲させる。この設
計は、多くのバルクシリコン微細加工圧力センサーにお
いて用いられているような(111)面の伝搬のために
必要とされるエリアを使用していない。その結果、エリ
アは極端に狭いものとなっている。同様な構成の、非密
封のマッチした基準コンデンサー200が比率測定のた
めに含まれている。それは浸透性のポリイミド封止27
6を含んでいる。
気圧(MAP)や大気圧(BAP)等のガス圧を測定す
るのに適した絶対圧力センサー100を示す。このセン
サーは2電極の空気ギャップコンデンサーを2個含んで
いる。移動可能なダイアフラム電極20は多結晶シリコ
ンでできており、固定された電極は基板30中に形成さ
れている。上部電極20は固定された圧力においてハー
メチックシールされたダイアフラムキャビティ28を構
成している。ダイアフラムキャビティ28とセンサー外
部との間の圧力差が上部電極20を変曲させる。この設
計は、多くのバルクシリコン微細加工圧力センサーにお
いて用いられているような(111)面の伝搬のために
必要とされるエリアを使用していない。その結果、エリ
アは極端に狭いものとなっている。同様な構成の、非密
封のマッチした基準コンデンサー200が比率測定のた
めに含まれている。それは浸透性のポリイミド封止27
6を含んでいる。
【0012】ダイアフラム20のための材料として多結
晶シリコンが選ばれたのは、それが最も広く研究された
薄膜材料の1つであるからである。基板30とダイアフ
ラム20との間に定義された電極ギャップは縦方向高さ
が数百ナノメートルの程度であり、それによってデバイ
ス容量は1−2pF程度に許容される。この容量はチッ
プ外部の回路によって十分検出できる程度に大きい。図
2に示されたように、このチップの4個のボンディング
パッドa、b、c、およびdは、チップ外部の検出回路
へ容易に接続できるようにダイの同じ側に位置してい
る。これらのセンサーは、校正なしで圧力伝達特性に関
してそれらの容量公称値の±10%という誤差仕様を満
たすように製造できる。これによってセンサーの全コス
トが大幅に削減できる。
晶シリコンが選ばれたのは、それが最も広く研究された
薄膜材料の1つであるからである。基板30とダイアフ
ラム20との間に定義された電極ギャップは縦方向高さ
が数百ナノメートルの程度であり、それによってデバイ
ス容量は1−2pF程度に許容される。この容量はチッ
プ外部の回路によって十分検出できる程度に大きい。図
2に示されたように、このチップの4個のボンディング
パッドa、b、c、およびdは、チップ外部の検出回路
へ容易に接続できるようにダイの同じ側に位置してい
る。これらのセンサーは、校正なしで圧力伝達特性に関
してそれらの容量公称値の±10%という誤差仕様を満
たすように製造できる。これによってセンサーの全コス
トが大幅に削減できる。
【0013】
【設計例】以下の例は、0−105 Pa(0−14ps
i)の範囲の空気圧を測定する空気吸い込みマニホール
ド圧力センサー(MAP)用として提供されたものであ
る。この設計において、3つの設計変数が存在する。す
なわち、ダイアフラム幅w、それの厚さt、および電極
間隔dである。
i)の範囲の空気圧を測定する空気吸い込みマニホール
ド圧力センサー(MAP)用として提供されたものであ
る。この設計において、3つの設計変数が存在する。す
なわち、ダイアフラム幅w、それの厚さt、および電極
間隔dである。
【0014】このセンサーはいくつかの設計基準を満た
さなければならない:a)センサーの容量は最小値Cmi
n より大きくなければならない;b)本デバイスは全圧
力範囲Pr を持ち、超過圧力Povに耐えなければならな
い;c)ダイアフラムの引き入れ電圧はVpminより大き
くなければならない;および、d)プロセス変化に曝さ
れた場合の負荷変曲曲線の可変性はしきい値ε0 よりも
小さくなければならない。更に、デバイス面積およびコ
ストは最小化されなければならない。
さなければならない:a)センサーの容量は最小値Cmi
n より大きくなければならない;b)本デバイスは全圧
力範囲Pr を持ち、超過圧力Povに耐えなければならな
い;c)ダイアフラムの引き入れ電圧はVpminより大き
くなければならない;および、d)プロセス変化に曝さ
れた場合の負荷変曲曲線の可変性はしきい値ε0 よりも
小さくなければならない。更に、デバイス面積およびコ
ストは最小化されなければならない。
【0015】圧力設計問題は同等性および非同等性によ
る束縛の最適化問題として取り扱われる。ダイアフラム
残留ストレスを無視すれば、それの中心負荷変曲曲線を
決定する式は次で与えられる。
る束縛の最適化問題として取り扱われる。ダイアフラム
残留ストレスを無視すれば、それの中心負荷変曲曲線を
決定する式は次で与えられる。
【数1】 電極ギャップはd=zm (Pr )という基準で設計され
る。
る。
【数2】 このダイアフラムの破壊条件はそれの幅wに依存しな
い。その代わり、ダイアフラムはそれの最大ストレスが
破壊ストレスσf に等しく、それの変曲がdに等しくな
った時に破壊する。電極破壊を阻止するために、次の条
件が満たされなければならない。
い。その代わり、ダイアフラムはそれの最大ストレスが
破壊ストレスσf に等しく、それの変曲がdに等しくな
った時に破壊する。電極破壊を阻止するために、次の条
件が満たされなければならない。
【数3】 式(2)、(3)を用い、Pr =Povを用いれば、wが
消去され次のようになる。
消去され次のようになる。
【数4】 この式を式(2)と組み合わせて、次を得る。
【数5】 センサーの容量は次のようになり、
【数6】 この式を式(2)と組み合わせて、次の条件を得る。
【数7】
【0016】この設計において、変曲するダイアフラム
は上部電極である。従って、引き入れ電圧はそれの厚さ
に依存しない。
は上部電極である。従って、引き入れ電圧はそれの厚さ
に依存しない。
【数8】 ここで、この式を式(2)と組み合わせて、次の新しい
条件を得る。
条件を得る。
【数9】 式(16)ないし(19)(後出)を用いて、最大変曲
の全相対誤差は次のようになる。
の全相対誤差は次のようになる。
【数10】 最新のシリコン処理によれば、多結晶シリコンのヤング
率は5%以内に制御される。堆積膜について、Δt/t
とΔd/dは一定であることに注意されたい。
率は5%以内に制御される。堆積膜について、Δt/t
とΔd/dは一定であることに注意されたい。
【数11】 という幅変化はリソグラフィ工程によって固定、限定さ
れる。このように、式(10)は最小幅限界を設定する
のと同等である。付加的な制限はダイアフラムの最大厚
にある。ほとんどの実際的な目的のためには、t≦4μ
mである。更に、電極ギャップ距離の最小値の限界は2
00nmであると仮定される。この結果、次の条件が得
られる。
れる。このように、式(10)は最小幅限界を設定する
のと同等である。付加的な制限はダイアフラムの最大厚
にある。ほとんどの実際的な目的のためには、t≦4μ
mである。更に、電極ギャップ距離の最小値の限界は2
00nmであると仮定される。この結果、次の条件が得
られる。
【数12】 デバイスと基準コンデンサーとの合計面積は次のように
なる。
なる。
【数13】 ここで、rはチップの外縁であり、pはボンディングパ
ッドの幅である
ッドの幅である
【外1】 。すべての条件を満たし、最小のコスト(面積)を与え
るデバイスを発見するために、ここで最適化プログラム
を使用することができる。図示の目的で、この手順は図
3にグラフとして示した。曲線Aは破壊条件によって与
えられる。曲線BおよびCはCmin およびVpmin条件に
よって与えられる。曲線DおよびEは可変性および電極
ギャップ条件によって与えられる。最後に、曲線Fは電
極厚条件である。実現可能性のある設計領域は図3の斜
線を施した領域である。点Pは最小のデバイス面積で、
すべての条件を満たす。
るデバイスを発見するために、ここで最適化プログラム
を使用することができる。図示の目的で、この手順は図
3にグラフとして示した。曲線Aは破壊条件によって与
えられる。曲線BおよびCはCmin およびVpmin条件に
よって与えられる。曲線DおよびEは可変性および電極
ギャップ条件によって与えられる。最後に、曲線Fは電
極厚条件である。実現可能性のある設計領域は図3の斜
線を施した領域である。点Pは最小のデバイス面積で、
すべての条件を満たす。
【0017】多くの実際的な目的には、最小の幅はCmi
n 条件および引き入れ条件によって決定される。式
(7)と(9)を等しいとおいて、次を得る。
n 条件および引き入れ条件によって決定される。式
(7)と(9)を等しいとおいて、次を得る。
【数14】
【0018】このように、ダイアフラム幅はCmin とV
pminの相乗平均に比例する。これから、式(13)はC
min またはVpminのどちらかが増加すればwが増加しな
ければならないことを表している。
pminの相乗平均に比例する。これから、式(13)はC
min またはVpminのどちらかが増加すればwが増加しな
ければならないことを表している。
【0019】最適化された例では、各デバイスは1.5
pFの容量を有し、350fFのフルスケールスパンと
11Vの引き入れ電圧を有する。各ダイは、それ自身と
マッチした基準コンデンサーを含んで、0.19mm2
の面積を占める。
pFの容量を有し、350fFのフルスケールスパンと
11Vの引き入れ電圧を有する。各ダイは、それ自身と
マッチした基準コンデンサーを含んで、0.19mm2
の面積を占める。
【0020】
【製造プロセス】図4は微細加工製造手順を示す。基板
30は抵抗率10−30Ωcmのp形シリコン(10
0)ウエハである。最初に、基板はピラニア液(過酸化
水素等の酸化剤と硫酸との混合液)中で洗浄され、ウエ
ハ上へ薄い100nmのパッド酸化物31が成長され
る。次にウエルのリソグラフィが実行され、酸化物が1
0:1のHF中でエッチされる。ウエハは次に、150
keVのエネルギー、4×10 12cm-2のドーズのリン
をイオン打ち込みされ、その結果、図4Aに示されたデ
バイス断面が得られる。フォトレジストを除去し、試料
はピラニア洗浄される。ウエハは高温アニールを、まず
乾燥酸素雰囲気中、1150℃で、約4時間、次にN2
雰囲気中で4時間施されて、ウエルのドーパントがドラ
イブインされ、図4Bの構造を得る。ウエル32の接合
深さは
30は抵抗率10−30Ωcmのp形シリコン(10
0)ウエハである。最初に、基板はピラニア液(過酸化
水素等の酸化剤と硫酸との混合液)中で洗浄され、ウエ
ハ上へ薄い100nmのパッド酸化物31が成長され
る。次にウエルのリソグラフィが実行され、酸化物が1
0:1のHF中でエッチされる。ウエハは次に、150
keVのエネルギー、4×10 12cm-2のドーズのリン
をイオン打ち込みされ、その結果、図4Aに示されたデ
バイス断面が得られる。フォトレジストを除去し、試料
はピラニア洗浄される。ウエハは高温アニールを、まず
乾燥酸素雰囲気中、1150℃で、約4時間、次にN2
雰囲気中で4時間施されて、ウエルのドーパントがドラ
イブインされ、図4Bの構造を得る。ウエル32の接合
深さは
【数15】 である。
【0021】この拡散中に形成される酸化物33が次に
5:1のBHFエッチャント中で剥離される。ピラニア
洗浄後、100nmのパッド酸化物34が、乾燥酸素
中、1000℃、20分間で成長される。酸化物の成長
に続いて、ウエハ上には化学量論的組成比のLPCVD
シリコン窒化物36の薄い100nmの層が成長され
る。能動領域のリソグラフィが次に実行される。
5:1のBHFエッチャント中で剥離される。ピラニア
洗浄後、100nmのパッド酸化物34が、乾燥酸素
中、1000℃、20分間で成長される。酸化物の成長
に続いて、ウエハ上には化学量論的組成比のLPCVD
シリコン窒化物36の薄い100nmの層が成長され
る。能動領域のリソグラフィが次に実行される。
【0022】次にSF6 プラズマ反応炉中でパッド酸化
物のところまで窒化物がエッチされる。次にフィールド
打ち込み領域38のリソグラフィが実行され、ウエハに
は図4Cに示すように、100keVのエネルギー、1
013cm-2のドーズでホウ素のブランケット打ち込みが
施される。試料は次に、ピラニア液中で洗浄され、パッ
ド酸化物31が10:1のHF中で剥離される。試料に
対してウエット酸化が行われて、露出領域中に約1μm
の熱酸化膜が成長される。この層は図4Dに示すように
局部的な保護膜40を構成する。残りの窒化物が次に1
50℃に加熱された熱H3 PO4 浴中で剥離される。試
料は次に洗浄され、180keVのエネルギーで、砒素
の5×1015cm-2の高ドーズ打ち込みが施される。こ
の打ち込みによってコンデンサーの底部電極50とコン
タクトパッド51が形成される。
物のところまで窒化物がエッチされる。次にフィールド
打ち込み領域38のリソグラフィが実行され、ウエハに
は図4Cに示すように、100keVのエネルギー、1
013cm-2のドーズでホウ素のブランケット打ち込みが
施される。試料は次に、ピラニア液中で洗浄され、パッ
ド酸化物31が10:1のHF中で剥離される。試料に
対してウエット酸化が行われて、露出領域中に約1μm
の熱酸化膜が成長される。この層は図4Dに示すように
局部的な保護膜40を構成する。残りの窒化物が次に1
50℃に加熱された熱H3 PO4 浴中で剥離される。試
料は次に洗浄され、180keVのエネルギーで、砒素
の5×1015cm-2の高ドーズ打ち込みが施される。こ
の打ち込みによってコンデンサーの底部電極50とコン
タクトパッド51が形成される。
【0023】ピラニア中での試料の洗浄の後、乾燥酸素
中、900℃で25分間の熱酸化によって薄い20nm
の厚さのパッド酸化物が成長される。ウエハは直ちにL
PCVDの窒化反応炉へ送られ、低ストレスのシリコン
窒化物56を付加的に50nm成長される。次にウエハ
上には電極間間隙を形成するために0.2μmのLTO
層60が成長される。層60は次に図4Eに示すよう
に、電極アンカーエリアがパターン化され、5:1のB
HF液中でエッチされる。
中、900℃で25分間の熱酸化によって薄い20nm
の厚さのパッド酸化物が成長される。ウエハは直ちにL
PCVDの窒化反応炉へ送られ、低ストレスのシリコン
窒化物56を付加的に50nm成長される。次にウエハ
上には電極間間隙を形成するために0.2μmのLTO
層60が成長される。層60は次に図4Eに示すよう
に、電極アンカーエリアがパターン化され、5:1のB
HF液中でエッチされる。
【0024】次に、試料は完全に洗浄される。多結晶シ
リコンダイアフラム20が3段階に成長される。まず
1.5μmの多結晶シリコンが堆積され、次に試料に対
して、材料のドープのために、100keVで、1016
cm-2の高ドーズのリンイオン打ち込みが施される。こ
の段階に続いて、試料は洗浄され、残る1.5μmの多
結晶シリコンが堆積される。次にウエハには、打ち込み
領域の活性化と多結晶シリコンダイアフラムのストレス
緩和のために、1000℃、1時間のN2 アニールが施
される。次にダイアフラムのリソグラフィが実行され
る。試料は10:1のHF中へ短時間浸けられ、リンス
される。ダイアフラム多結晶シリコン20は次に、図4
Fに示されたように、3:33:64のNH4 F:H2
O:HNO3液中で薄いLTO層(または窒化物層5
6)のところまでウエットエッチで掘り下げられる。
リコンダイアフラム20が3段階に成長される。まず
1.5μmの多結晶シリコンが堆積され、次に試料に対
して、材料のドープのために、100keVで、1016
cm-2の高ドーズのリンイオン打ち込みが施される。こ
の段階に続いて、試料は洗浄され、残る1.5μmの多
結晶シリコンが堆積される。次にウエハには、打ち込み
領域の活性化と多結晶シリコンダイアフラムのストレス
緩和のために、1000℃、1時間のN2 アニールが施
される。次にダイアフラムのリソグラフィが実行され
る。試料は10:1のHF中へ短時間浸けられ、リンス
される。ダイアフラム多結晶シリコン20は次に、図4
Fに示されたように、3:33:64のNH4 F:H2
O:HNO3液中で薄いLTO層(または窒化物層5
6)のところまでウエットエッチで掘り下げられる。
【0025】フォトレジスト除去とピラニア洗浄の後、
試料は濃いHF中へ浸され、0.2μm厚の犠牲酸化物
60が除去される。このアンダーカットのエッチング速
度は1時間当たり約50−80μmである。試料は次
に、DI水中で10分間注意深くリンスされ、20分間
ピラニア洗浄される。試料は10:1のHF水溶液中に
10分間浸され、そしてDI水中で20分間の最後のリ
ンスをされる。ウエハは次にDI水とシクロヘキサンの
混合液を収容するタンクへ移送される。試料はすばやく
冷凍機へ送られ、ウエハに結びついている溶質が冷凍さ
れる。液が凍結した後、試料は圧力50mTの真空シス
テムへ移送される。真空排気の後、真空室は100℃に
加熱されて、氷を昇華させ、試料の上に付着している凝
結水が排除される。この手順は、新たに形成されたダイ
アフラムキャビティ28の内部から液を除去する間に、
多結晶シリコンダイアフラム20上の毛管力を最小化す
る。この段階のデバイスが図5Aに示されている。
試料は濃いHF中へ浸され、0.2μm厚の犠牲酸化物
60が除去される。このアンダーカットのエッチング速
度は1時間当たり約50−80μmである。試料は次
に、DI水中で10分間注意深くリンスされ、20分間
ピラニア洗浄される。試料は10:1のHF水溶液中に
10分間浸され、そしてDI水中で20分間の最後のリ
ンスをされる。ウエハは次にDI水とシクロヘキサンの
混合液を収容するタンクへ移送される。試料はすばやく
冷凍機へ送られ、ウエハに結びついている溶質が冷凍さ
れる。液が凍結した後、試料は圧力50mTの真空シス
テムへ移送される。真空排気の後、真空室は100℃に
加熱されて、氷を昇華させ、試料の上に付着している凝
結水が排除される。この手順は、新たに形成されたダイ
アフラムキャビティ28の内部から液を除去する間に、
多結晶シリコンダイアフラム20上の毛管力を最小化す
る。この段階のデバイスが図5Aに示されている。
【0026】昇華が完了した後、試料はPECVDのS
iO2 反応炉中へ置かれ、試料上へ250nmの酸化物
76が堆積される。この酸化物76は、ダイアフラムキ
ャビティ28の底部電極50のエリアへ進入することな
く、エッチング孔78を封じ込める。PECVD酸化物
76はパターン化され、ダイアフラムの上部から除去さ
れる。ピラニア洗浄の後、エッチング孔78は図5Bに
示されたように、低ストレスのシリコン窒化物80の薄
い100nm厚の皮膜で以て永久的に封止される。
iO2 反応炉中へ置かれ、試料上へ250nmの酸化物
76が堆積される。この酸化物76は、ダイアフラムキ
ャビティ28の底部電極50のエリアへ進入することな
く、エッチング孔78を封じ込める。PECVD酸化物
76はパターン化され、ダイアフラムの上部から除去さ
れる。ピラニア洗浄の後、エッチング孔78は図5Bに
示されたように、低ストレスのシリコン窒化物80の薄
い100nm厚の皮膜で以て永久的に封止される。
【0027】次に薄い200nmのLTO層が試料上に
堆積され、それが窒化物除去のためのマスクとして役立
つ。LTOは次にパターン化され、5:1のBHF中で
エッチされ、フォトレジストは除去される。試料は次
に、熱H3 PO4 中に浸され、ダイアフラムおよび底部
電極コンタクトパッド51からシリコン窒化物層80が
除去される。リンスの後、試料は5:1のBHF中へ浸
されてマスクLTOが剥離される。この段階の後、試料
は洗浄され、5:1のBHF中に短時間浸される。試料
上へ1μmのAlSi層82がスパッタ堆積される。次
に金属のリソグラフィが実行されて、金属がアルミニウ
ムエッチャントでエッチされる。試料は次にアセトン中
で洗浄され、400℃、1時間、化成ガス中で燒結処理
される。このようにして、2個の同一の容量性要素が、
図5Cに示すように形成される。
堆積され、それが窒化物除去のためのマスクとして役立
つ。LTOは次にパターン化され、5:1のBHF中で
エッチされ、フォトレジストは除去される。試料は次
に、熱H3 PO4 中に浸され、ダイアフラムおよび底部
電極コンタクトパッド51からシリコン窒化物層80が
除去される。リンスの後、試料は5:1のBHF中へ浸
されてマスクLTOが剥離される。この段階の後、試料
は洗浄され、5:1のBHF中に短時間浸される。試料
上へ1μmのAlSi層82がスパッタ堆積される。次
に金属のリソグラフィが実行されて、金属がアルミニウ
ムエッチャントでエッチされる。試料は次にアセトン中
で洗浄され、400℃、1時間、化成ガス中で燒結処理
される。このようにして、2個の同一の容量性要素が、
図5Cに示すように形成される。
【0028】次に基準コンデンサー200のためのアク
セス孔のリソグラフィが実行される。SF6 プラズマに
よって窒化物80が除去され、PECVD酸化物76が
5:1のBHFで以て除去される。次にフォトレジスト
がO2 プラズマで以て除去され、試料は、図5Dに示さ
れたように凍結乾燥される。
セス孔のリソグラフィが実行される。SF6 プラズマに
よって窒化物80が除去され、PECVD酸化物76が
5:1のBHFで以て除去される。次にフォトレジスト
がO2 プラズマで以て除去され、試料は、図5Dに示さ
れたように凍結乾燥される。
【0029】次にウエハ上をポリイミドの薄い層276
で覆い、それによってアクセス孔278はガスの出入り
を許容されながら封止される。短時間のベーキングの
後、ポリイミドのリソグラフィが実行される。現像液は
露出した領域のポリイミドを溶かす。次にポリイミドプ
ラグ276を残して、フォトレジストはアセトンで以て
除去される。この膜は次に300℃で1時間焼鈍され、
図5Eに示すように完成デバイスが得られる。ポリイミ
ドプラグ276は大気ガスに対して浸透性があり、基準
コンデンサーのダイアフラムキャビティ228の外部と
の空気の出入りを許容し、それによってコンデンサー電
極220、250の位置は一般的に大気圧の変化に依存
しないようになる。
で覆い、それによってアクセス孔278はガスの出入り
を許容されながら封止される。短時間のベーキングの
後、ポリイミドのリソグラフィが実行される。現像液は
露出した領域のポリイミドを溶かす。次にポリイミドプ
ラグ276を残して、フォトレジストはアセトンで以て
除去される。この膜は次に300℃で1時間焼鈍され、
図5Eに示すように完成デバイスが得られる。ポリイミ
ドプラグ276は大気ガスに対して浸透性があり、基準
コンデンサーのダイアフラムキャビティ228の外部と
の空気の出入りを許容し、それによってコンデンサー電
極220、250の位置は一般的に大気圧の変化に依存
しないようになる。
【0030】フォトレジストの厚い層が次にウエハ上へ
取り付けられる。次に試料は330マイクロメートル
(13ミル)の深さにスクライブされ、柔らかい保護レ
ジストがアセトンで以て除去される。試料を20分間リ
ンスした後、試料は個々のパッケージへボンディングで
きる状態になる。検出コンデンサー100および基準コ
ンデンサー200を示す最終的な構造が図5Fに示され
ている。
取り付けられる。次に試料は330マイクロメートル
(13ミル)の深さにスクライブされ、柔らかい保護レ
ジストがアセトンで以て除去される。試料を20分間リ
ンスした後、試料は個々のパッケージへボンディングで
きる状態になる。検出コンデンサー100および基準コ
ンデンサー200を示す最終的な構造が図5Fに示され
ている。
【0031】この絶対圧力センサー/変換器はMOSF
ETに見られる数多くの特徴的構造を含み、それらの内
には局所酸化、チャンネルストップ打ち込み、および基
板拡散等が含まれる。CMOS回路を含む全変換器の実
現のために必要なものは、数個(10−20)の付加的
なプロセス工程だけである。この変換器は完全に集積化
可能である。
ETに見られる数多くの特徴的構造を含み、それらの内
には局所酸化、チャンネルストップ打ち込み、および基
板拡散等が含まれる。CMOS回路を含む全変換器の実
現のために必要なものは、数個(10−20)の付加的
なプロセス工程だけである。この変換器は完全に集積化
可能である。
【0032】以上、好適実施例およびプロセス例につい
て図示し、説明してきたが、そのような実施例およびプ
ロセス例は単なる例でしかないことは理解されよう。本
発明の本質から離れることなしに、数多くの修正、変
更、および置換が当業者に思いつかれよう。従って、本
発明の特許請求の範囲は、本発明の範囲および本質に含
まれるそのような変形をすべて包含すると理解されるべ
きである。
て図示し、説明してきたが、そのような実施例およびプ
ロセス例は単なる例でしかないことは理解されよう。本
発明の本質から離れることなしに、数多くの修正、変
更、および置換が当業者に思いつかれよう。従って、本
発明の特許請求の範囲は、本発明の範囲および本質に含
まれるそのような変形をすべて包含すると理解されるべ
きである。
【図1】本発明に従う容量性絶対圧力センサーおよび基
準センサーの前面断面図。
準センサーの前面断面図。
【図2】図1に一般的に示された実施例の、2つのセン
サーからの電気信号をつなぐためのパッドを含めた、上
部透視図。
サーからの電気信号をつなぐためのパッドを含めた、上
部透視図。
【図3】本発明に従うセンサーを最適化するについて考
察された設計上の制約条件を示すグラフ。
察された設計上の制約条件を示すグラフ。
【図4】AないしFはシリコンウエハ上に形成された容
量性センサーの各製造段階における断面図。
量性センサーの各製造段階における断面図。
【図5】AないしFはシリコンウエハ上に形成された容
量性センサーの各製造段階における断面図。
量性センサーの各製造段階における断面図。
20 上部電極 28 ダイアフラムキャビティ 30 下部電極(基板) 31 パッド酸化物 32 ウエル 33 酸化物 34 パッド酸化物 36 シリコン窒化物 38 フィールドイオン打ち込み領域 40 局所保護膜 50 底部電極 51 コンタクトパッド 56 低ストレスシリコン窒化物 60 LTO層 76 酸化物 78 孔 80 低ストレスシリコン窒化物 82 AlSi層 100 絶対圧力センサー 200 基準センサー 220 コンデンサー電極 228 ダイアフラムキャビティ 250 コンデンサー電極 276 浸透性ポリイミド封止 278 アクセス開口部
Claims (8)
- 【請求項1】 表面微細加工容量性絶対圧力センサーを
製造するための方法であって、次の工程: a.半導体基板の表面を、それの選ばれたエリアを露出
させながらマスクすること、 b.基板の前記選ばれたエリアを選択的にドーピングし
て、容量性センサーの第1の導電性電極区分を定義する
こと、 c.少なくとも基板の前記第1の電極区分と前記選ばれ
たエリアを定義する前記マスクの周辺区分とを覆って、
第1の犠牲層を一体として堆積すること、 d.前記第1の犠牲層を覆って、多結晶シリコンダイア
フラム層を一体として堆積すること、 e.少なくとも基板中の前記第1の電極区分と一般的に
同一場所を占めるエリアにおいて、ダイアフラム層を選
択的にドーピングしてダイアフラムを導電性化し、それ
によって容量性センサーの第2の電極区分を形成するこ
と、 f.前記ダイアフラム層を貫通して前記犠牲層中へアク
セス用の開口部を選択的にエッチングすること、 g.前記アクセス開口部を通して選択的にウエットエッ
チングを行って、前記第1および第2の電極区分と並置
されたエリア中で前記第1の犠牲層を除去して、それに
よって前記第1の犠牲層の除去された部分と一般的に同
一場所を占めるダイアフラムキャビティを定義するこ
と、 h.前記ダイアフラムキャビティ中のウエットエッチャ
ントを凍結乾燥させること、 i.前記ウエットエッチャントを前記ダイアラムキャビ
ティから前記アクセス開口部を通して昇華によって排除
し、それによってウエットエッチャントが除去される時
に多結晶シリコンが毛管変曲を起こさないようにするこ
と、および j.前記第1の電極区分に隣接するダイアフラムキャビ
ティの体積を本質的に減らすことなく、またダイアフラ
ムをコーティングすることなしに、前記アクセス開口部
中にそれを封止するためのプラグを選択的に堆積させ、
それによって、前記封じ込められたダイアフラムキャビ
ティ中の封入圧力と雰囲気圧力との変動に応答するダイ
アフラム層の変曲がそれに対応する容量変化を前記第1
と第2の電極間に引き起こすようにすること、を含む方
法。 - 【請求項2】 請求項第1項記載の方法であって、工程
eが更に、前記ダイアフラムを覆って第2の多結晶シリ
コンの一体層を形成する後続の工程を含んでいる方法。 - 【請求項3】 請求項第1項記載の方法であって、工程
cが、第1の犠牲層の厚さが0.1ないし1.0マイク
ロメートルの厚さになるまで続けられる方法。 - 【請求項4】 請求項第3項記載の方法であって、工程
dが、前記犠牲層を覆って、多結晶シリコンの固体層が
形成されるような温度と圧力の条件下で、シランガスか
ら多結晶シリコンの堆積が行われる方法。 - 【請求項5】 請求項第1項記載の方法であって、工程
jが更に、ダイアフラムの隣接エリアと前記プラグとを
覆って、SiNの層を一体として堆積させてダイアフラ
ムキャビティを封止する後続の工程を含んでいる方法。 - 【請求項6】 請求項第1項記載の方法であって、工程
jが以下の先行工程:共通のプロセスによって処理され
た隣接するセンサー対を指定し、各対のうち基準センサ
ーとなるべき1つを指定すること、および前記基準セン
サーのアクセス開口部を選択的にマスクして、その中へ
ダイアフラムキャビティを封止するためのプラグを受け
入れないようにすること、 を含んでおり、更に次の工程: (k)前記基準センサー中のアクセス開口部を覆ってい
るマスクを選択的に除去すること、および (l)前記第1の電極のエリア中のダイアフラムキャビ
ティの体積を本質的に減らすことなく、またダイアフラ
ムをコーティングすることなしに、前記基準センサー中
のアクセス開口部中へガス浸透性のプラグを選択的に堆
積させ、これによって前記基準センサーの容量を絶対圧
力センサーと比較して比率測定ができるようにするこ
と、 を含む方法。 - 【請求項7】 表面微細加工容量性絶対圧力センサーで
あって:前記容量性センサーの第1の導電性電極区分を
定義するようにドープされた選ばれたエリアを有する半
導体基板、 少なくとも前記基板の前記第1電極区分を覆って、一体
として堆積された第1の犠牲層、 前記第1の犠牲層を覆って一体として堆積された多結晶
シリコンダイアフラムであって、前記基板中の前記第1
電極区分と一般的に同一場所を占めるエリア中に、前記
ダイアフラムを導電性にするための選択的ドーピングを
施されており、それによって前記容量性センサーの第2
電極区分を形成される多結晶シリコンダイアフラム、 前記基板の反対側の面上に前記多結晶シリコンダイアフ
ラムを貫通して選択的にエッチされ、それを通して前記
第1の犠牲層を選択的に除去するためのアクセス開口部
であって、前記第1の犠牲層が前記ダイアフラムの前記
第1電極区分と並置されたエリア中から除去されて、そ
れによってダイアフラムキャビティが定義されるように
なったアクセス開口部、 前記第1電極区分に隣接する前記ダイアフラムキャビテ
ィの体積を本質的に減らすことなく、またダイアフラム
をコーティングすることなしに、前記アクセス開口部中
にあってそれを封止するためのプラグ、 を含み、 これによって、前記封じ込められたダイアフラムキャビ
ティ中の封入圧力と雰囲気圧力との変動に応答する前記
ダイアフラム層の変曲がそれに対応する容量変化を前記
第1と第2の電極間に引き起こすようになった、 圧力センサー。 - 【請求項8】 請求項第7項記載のセンサーであって、
更に前記基板上に基準センサーとして使用するための隣
接する1つのセンサーを含み、前記基準センサーが、前
記アクセス開口部中にあって前記ダイアフラムキャビテ
ィを固体材料からは封止するが、それを浸透するガスの
移動を封止しないガス浸透性のプラグを含んでおり、そ
れによって前記基準センサーの容量を絶対圧力センサー
と比較して、比率測定ができるようになったセンサー。
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