(57)【要約】【課題】小型かつ高性能の圧力センサを提供する。【解決手段】本発明の圧力センサ３０は、開口部１ａを有する第１半導体層１と、第１半導体層１上に形成され、ダイアフラム４となる凹部１２を有する第２半導体層３と、を有するセンサチップ１０と、開口部１ａに連通する圧力導入孔１７を有し、センサチップ１０に接合される台座１１と、を備える。第２半導体層３の凹部１２が、第１半導体層１の開口部１ａよりも大きくなっている。第１半導体層１の開口部１ａは、第２半導体層３側の開口径が、台座１１側の開口径よりも大きくなっている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有する第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成され、ダイアフラムとなる凹部を有する第２半導体層と、を有するセンサチップと、
前記開口部に連通する圧力導入孔を有し、前記センサチップに接合される台座と、
を備え、
前記第２半導体層の凹部が、前記第１半導体層の開口部よりも大きくなっており、
前記第１半導体層の開口部は、前記第２半導体層側の開口径が、前記台座側の開口径よりも大きくなっていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記第１半導体層と、前記第２半導体層との間に、開口部を有する絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記センサチップと前記台座との接合部の周辺に、前記センサチップと前記台座との間に隙間が設けられた非接合部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記第２半導体層の凹部における開口縁は、前記第１半導体層における前記第２半導体層側の開口部の側壁よりも５μｍ以上５０μｍ以下の幅寸法で、外方にはみ出していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項５】
第１半導体層と、感圧領域であるダイアフラムとなる第２半導体層とが設けられたセンサチップを有する圧力センサの製造方法であって、
前記第１半導体層を異方性エッチングして、前記感圧領域となる部分において前記第１半導体層に開口部を形成する工程と、
前記第１半導体層の開口部における側壁に、前記第２半導体層側の膜厚が薄くなるような厚さ分布を持つ保護膜を形成する工程と、
前記保護膜を形成した後、前記第１半導体層の開口部における側壁をエッチングして、前記第１半導体層の開口部を前記第２半導体層側の開口径が対向する側の開口径よりも大きくなるように形成すると共に、前記ダイアフラムを形成するために、前記感圧領域となる部分の前記第２半導体層をエッチングして、前記第１半導体層の開口部よりも大きい凹部を前記第２半導体層に形成する工程と、
前記センサチップに台座を接合する工程と、を備えることを特徴とする圧力センサの製造方法。
【請求項６】
前記第１半導体層を異方性エッチングして開口部を形成する工程の後に、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた絶縁層をエッチングして開口部を設ける工程を、さらに備え、
前記第１半導体層に開口部を形成する工程では、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた絶縁層をエッチングストッパとして、前記異方性エッチングを行うことを特徴とする請求項５に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項７】
前記センサチップに台座を接合する工程では、前記センサチップと前記台座との接合部の周辺に、前記センサチップと前記台座との間に隙間が設けられた非接合部を形成することを特徴とする請求項５又は６に記載の圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力センサ及びその製造方法に関し、特に詳しくは、ダイアフラムを有する圧力センサ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体のピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサが、小型、軽量、高感度であることから、工業計測、医療などの分野で広く利用されている。このような圧力センサでは、半導体ダイアフラム上に歪ゲージが形成されている。ダイアフラムに加わる圧力によって、歪ゲージが変形する。ピエゾ抵抗効果による歪ゲージの抵抗変化を検出して、圧力を測定している。そして、パッケージからの応力緩和のために、ダイアフラムが形成されたセンサチップはガラスなどの台座に接合される（特許文献１）。
【０００３】
ここで、圧力センサの構成について図５を用いて説明する。図５は、従来の圧力センサの構成を示す側面断面図である。センサチップ１０は、例えば、単結晶Ｓｉ基板から構成されている。そして、センサチップ１０には、ピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージ５、１５が形成されている。センサチップ１０の中央部分がエッチングされ、ダイアフラム４が形成されている。ここでは、センサチップ１０の中央部分がテーパ状にエッチングされている。よって、センサチップ裏面のダイアフラムセンサ開口寸法がダイアフラム寸法よりも大きくなっている。センサチップ１０には、台座１１が接合されている。ダイアフラム４の周辺部において、台座１１がセンサチップ１０に接合されている。
【０００４】
ちなみに、特許文献２には、ダイアフラムの感圧領域側のエッジ部が応力集中を緩和するためにＲ形状とされた圧力センサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２７７３３７号公報
【特許文献２】特開２００２−２０８７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
圧力センサの圧力感度を上げるためには、ダイアフラム４を大きくする必要がある。また、台座１１との接合強度を確保するためには、接合領域（接合部）の面積を大きくする必要がある。しかしながら、センサチップ１０の大きさが一定である場合、感度を向上するためにダイアフラム４を大きくすると台座との接合領域が小さくなり、接合の信頼性を向上するために接合領域を大きくするとダイアフラム４が小さくなってしまう。よって、圧力感度を高くするとともに接合強度を確保するためには、センサチップ１０を大きくしなければならないという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、小型かつ高性能の圧力センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る圧力センサは、開口部を有する第１半導体層と、前記第１半導体層上に形成され、ダイアフラムとなる凹部を有する第２半導体層と、を有するセンサチップと、前記開口部に連通する圧力導入孔を有し、前記センサチップに接合される台座と、を備え、前記第２半導体層の凹部が、前記第１半導体層の開口部よりも大きくなっており、前記第１半導体層の開口部は、前記第２半導体層側の開口径が、前記台座側の開口径よりも大きくなっている。これにより、ダイアフラムを大きくした場合でも、台座との接合領域を広く取ることができる。よって、より小型かつ接合の信頼性が高い圧力センサを実現することができる。
【０００９】
前記第１半導体層と、前記第２半導体層との間に、開口部を有する絶縁層が形成されていること、が好ましい。これにより、ダイアフラムの厚さを均一にすることができる。
前記センサチップと前記台座との接合部の周辺に、前記センサチップと前記台座との間に隙間が設けられた非接合部が形成されていること、が好ましい。これにより、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。
【００１０】
前記第２半導体層の凹部における開口縁は、前記第１半導体層における前記第２半導体層側の開口部の側壁よりも５μｍ以上５０μｍ以下の幅寸法で、外方にはみ出していること、が好ましい。
【００１１】
本発明に係る圧力センサの製造方法は、第１半導体層と、感圧領域であるダイアフラムとなる第２半導体層とが設けられたセンサチップを有する圧力センサの製造方法であって、前記第１半導体層を異方性エッチングして、前記感圧領域となる部分において前記第１半導体層に開口部を形成する工程と、前記第１半導体層の開口部における側壁に、前記第２半導体層側の膜厚が薄くなるような厚さ分布を持つ保護膜を形成する工程と、前記保護膜を形成した後、前記第１半導体層の開口部における側壁をエッチングして、前記第１半導体層の開口部を前記第２半導体層側の開口径が対向する側の開口径よりも大きくなるように形成すると共に、前記ダイアフラムを形成するために、前記感圧領域となる部分の前記第２半導体層をエッチングして、前記第１半導体層の開口部よりも大きい凹部を前記第２半導体層に形成する工程と、前記センサチップに台座を接合する工程と、を備える。これにより、ダイアフラムを大きくした場合でも、台座との接合領域を広く取ることができる。よって、より小型かつ接合の信頼性が高い圧力センサを実現することができる。
【００１２】
前記第１半導体層を異方性エッチングして開口部を形成する工程の後に、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた絶縁層をエッチングして開口部を設ける工程を、さらに備え、前記第１半導体層に開口部を形成する工程では、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた絶縁層をエッチングストッパとして、前記異方性エッチングを行うこと、が好ましい。これにより、ダイアフラムの厚さを均一にすることができる。
【００１３】
前記センサチップに台座を接合する工程では、前記センサチップと前記台座との接合部の周辺に、前記センサチップと前記台座との間に隙間が設けられた非接合部を形成すること、が好ましい。これにより、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、小型かつ高性能の圧力センサ及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態にかかる圧力センサの構成を示す側面断面図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる圧力センサの構成を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる圧力センサの第２半導体層の側端をＲ形状に加工した場合の効果を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる圧力センサの製造工程を示す工程断面図である。
【図５】従来の圧力センサの構成を示す側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下では、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる圧力センサの構成を示す側面断面図である。図２は、本圧力センサの上面図である。図１は、図２のＩＩ−ＩＩ断面図である、本実施の形態にかかる圧力センサは、半導体のピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサである。
【００１７】
圧力センサ３０は、結晶面方位が（１００）面のｎ型単結晶Ｓｉからなる正方形のセンサチップ１０と、センサチップ１０が接合された台座１１とを有している。センサチップ１０は、基台となる第１半導体層１と、絶縁層２と、第２半導体層３とを備えている。すなわち、センサチップ１０は、第１半導体層１、絶縁層２、及び第２半導体層３からなる３層構造を有している。第１半導体層１、及び第２半導体層３はｎ型単結晶Ｓｉ層から構成されている。絶縁層２は、例えば、ＳｉＯ２層から構成されている。第１半導体層１の上に、絶縁層２が形成されている。また、絶縁層２の上に、第２半導体層３が形成されている。従って、第１半導体層１と第２半導体層３との間に、絶縁層２が配設されている。絶縁層２は、第１半導体層１をエッチングする際に、エッチングストッパとして機能する。第２半導体層３は、ダイアフラム４を構成している。ダイアフラム４はセンサチップ１０の中央部分に配設されている。
【００１８】
感圧領域となる部分において、第１半導体層１及び絶縁層２に開口部１ａ、２ａが形成され、第２半導体層３が露出している。第１半導体層１の開口部１ａは、第２半導体層３側の開口径が、台座１１側の開口径よりも大きくなっている。本実施の形態の第１半導体層１の開口部１ａにおける側壁は、第１半導体層１の第２半導体層３側の接合面に直交する方向に対して角度θで傾斜する逆テーパ状の傾斜面とされている。このとき、傾斜面の角度θは、３°から２０°程度とされている。絶縁層２の開口部２ａは、第１半導体層１の開口部１ａにおける第２半導体層３側の開口径と略等しくなっている。なお、本実施形態では、絶縁層２の開口部２ａは、第１半導体層１の開口部１ａにおける第２半導体層３側の開口径と略等しくなっているが、必ずしも略等しくなっていなくてもよい。
【００１９】
なお、角度θは０°より大きければよく、第２半導体層３側の開口径が、台座１１側の開口径よりも大きくなっていれば、直線的や段階的なテーパ形状など形状も問わない。また、角度θを大きくするほど台座１１との接合面積を広く確保することができるが、センサチップ１０の大きさに応じて適時設計すればよい。
【００２０】
そして、感圧領域となる部分において、第２半導体層３の裏面中央には、凹部１２が形成されている。すなわち、感圧領域となる部分では、第２半導体層３の厚さがその他の部分に比べて薄くなっている。このように、第２半導体層３が薄くなっている部分が、圧力を測定するためのダイアフラム４となる。ここでは、上面視において、センサチップ１０の表面中央部には、正方形状のダイアフラム４が形成されている。このダイアフラム４に対応する領域が圧力センサ３０の感圧領域となる。
【００２１】
凹部１２は、正方形状に形成されている。凹部１２は、図２に示すように、開口部１ａ及び開口部２ａの開口径よりも一回り大きくなっている。すなわち、正方形状の感圧領域の平面領域は、正方形状の開口部１ａ及び開口部２ａの平面領域よりも、一回り大きくなっている。これにより、感圧領域を広くすることができる。よって、圧力センサ３０の測定感度を向上することができる。
【００２２】
センサチップ１０には、ダイアフラム４を取り囲む厚肉部１０ａが設けられている。厚肉部１０ａがセンサチップ１０の外周部を形成する。センサチップ１０の裏面側において、センサチップ１０の厚肉部１０ａが台座１１に陽極接合されている。台座１１は、パイレックスガラス（登録商標）、もしくはテンパックスガラス（登録商標）等の陽極接合可能なガラス等によってセンサチップ１０と略同一の大きさを有する角柱体で形成されている。台座１１の中央には、第１半導体層１及び絶縁層２の開口部１ａ、２ａを介して、ダイアフラム４の裏面側に測定圧力Ｐ１を導く貫通孔（圧力導入孔）１７が形成されている。すなわち、貫通孔１７は、開口部１ａ、開口部２ａ、及び凹部１２と連通している。
【００２３】
ダイアフラム４は、その対角線ａ，ａがセンサチップ１０の辺と直交するようにセンサチップ１０に対して略４５°傾いた状態で形成されている。そして、ダイアフラム４表面の周縁部付近にはピエゾ領域として作用し差圧又は圧力を検出する４つの差圧又は圧力検出用の歪ゲージ５ａ〜５ｄが形成されている。歪ゲージ５ａ〜５ｄは、センサチップ１０の対角線ｂ，ｂ上に位置するように配置されている。また、これらの歪ゲージ５ａ〜５ｄは、センサチップ１０の結晶面方位（１００）においてピエゾ抵抗係数が最大となる＜１１０＞の結晶軸方向に形成されている。
【００２４】
このように、第２半導体層３の上面側には、ピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージ５ａ〜５ｄが形成されている。歪ゲージ５ａ〜５ｄは、ダイアフラム４に配設される。ここでは、第２半導体層３に、４つの歪ゲージ５ａ〜５ｄが形成されている。なお、第２半導体層３の上面には、歪ゲージ５ａ〜５ｄと接続されるメタル電極（不図示）が形成される。そして、歪ゲージ５ａ〜５ｄがブリッジ回路に結線される。すなわち、歪ゲージ５ａ〜５ｄは、ホイートストーンブリッジ回路を構成する。ダイアフラム４によって隔てられた空間の圧力差によって、ダイアフラム４が変形する。歪ゲージ５ａ〜５ｄは、ダイアフラム４の変形量に応じて抵抗が変化する。この抵抗変化を検出することで、圧力を測定することができる。
【００２５】
例えば、ダイアフラム４の表裏面に測定圧力Ｐ１、Ｐ２が印加されると、ダイアフラム４が変形する。ダイアフラム４の変形に伴い各歪ゲージ５ａ〜５ｄの比抵抗が変化する。これにより、測定圧力Ｐ１、Ｐ２の差圧信号が差動的に出力される。
【００２６】
このときの歪ゲージ５ａ〜５ｄの抵抗変化率は、次式によって表される。
ΔＲ／Ｒ＝π44（σｒ−σθ）／２ ・・・・・（１）
ただし、π44はピエゾ抵抗係数、σｒはダイアフラム４の辺に垂直な応力、σθはダイアフラム４の辺に平行な応力である。
【００２７】
センサチップ１０の厚肉部１０ａは、台座１１の表面に接合されている。このとき、上述したように、第１半導体層１の開口部１ａは、第２半導体層３側の開口径が、台座１１側の開口径よりも大きく形成されている。そのため、ダイアフラム４を大きくした場合でも、センサチップ１０の厚肉部１０ａは、台座１１との接合領域をより広く確保することができる。これにより、チップサイズを大きくしなくても、接合強度を向上することができる。よって、圧力センサ３０の小型化を図ることができるとともに、信頼性を高くすることができる。よって、従来よりも小型で高性能のセンサチップを実現できる。
【００２８】
ここで、ダイアフラム４の両面にかかる測定圧力Ｐ１，Ｐ２の差が０であっても、静圧や温度が変化した場合、材料の相違及び形状により上記（１）式におけるσｒ−σθの差が零にならない。このため、ブリッジ回路が出力を発生させ、ゼロ点がシフトするという問題が生じる。このように、静圧又は温度変化によりσｒ≠σθとなり、ゲージ５ａ〜５ｄの抵抗値が変化する。すなわち、センサチップ１０と台座１１との接合面はダイアフラム４の変形に関係する。そして、正方形のセンサチップ１０の辺に対し正方形のダイアフラム４の対角線ａ，ａが直交するように略４５°傾けて形成した場合、センサチップ１０の接合面のうち対角線ｂ方向の接合面の長さが長くなる。そのため、厚肉部１０ａの裏面全体を接合した場合は、ダイアフラム４の辺に垂直な応力σｒがダイアフラム４の辺に平行な応力σθより大きくなる。その結果として、ゼロ点シフトが発生し、差圧を高い精度で検出することができなくなることがある。
【００２９】
そこで、圧力センサ３０では、応力を緩和しクロストークを少なくするためにセンサチップ１０の厚肉部１０ａの裏面の一部のみを台座１１に接合している。すなわち、台座１１の上面の一部に段差部１４を形成している。そして、段差部１４が形成されている部分を台座１１から離間させることにより非接合部１３とし、段差部１４が形成されていない部分を台座１１に接合することにより接合部１３Ａとしている。
【００３０】
非接合部１３の形成箇所は、センサチップ１０の裏面の各角部で、非接合部１３が接合部１３Ａより外側に位置している。つまり、接合部１３Ａが外形八角形の枠上でダイアフラム４を取り囲んでいる。
【００３１】
非接合部１３の大きさは、歪ゲージ５ａ〜５ｄに生じるダイアフラム４の辺に垂直な方向の応力σｒとダイアフラム４の辺に平行な方向の応力σθが等しくなるように形成されている。すなわち、非接合部１３の長さＡと接合部１３Ａの長さＢとの比Ａ／Ｂを最適化することにより、σｒ＝σθとし、静圧や温度によるゼロ点シフトを最小になるようにしている。これにより、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。
【００３２】
段差部１４は、台座１１における各非接合部１３に対応する角部に配置されている。つまり、非接合部１３では、台座１１とセンサチップ１０との間に、段差部１４の高さに対応する隙間が形成されている。なお、厚肉部１０ａの裏面側に段差部を形成して、非接合部１３を設けても良いことは勿論である。
【００３３】
上述のように、Ａ／Ｂを最適化することによりσｒ＝σθとし、静圧や温度によるゼロ点シフトを最小にすることができる。なお、実際にはσｒとσθを完全に等しくすることはきわめて難しい場合がある。この場合、静圧検出用の歪ゲージ１５ａ〜１５ｄを同一センサチップ上に設けることで、差圧又は圧力検出用の歪ゲージ５ａ〜５ｄの検出信号を補正することができる。これにより、差圧又は圧力をより高精度に測定することが可能となる。
【００３４】
第２半導体層３の表面側には、ピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージ１５ａ〜１５ｄが形成されている。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄはダイアフラム４の外側に形成されている。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、センサチップ１０の表面に形成されている。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、非接合部１３に対応する厚肉部１０ａの表面に形成される。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄで、静圧を検出し、その検出信号によって差圧又は圧力検出用の歪ゲージ５ａ〜５ｄの検出信号を補正する。静圧検出用の歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、センサチップ１０の対角線ｂ，ｂ上に配置される。さらに、歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、センサチップ１０の各角部に位置するように設けられている。また、歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、センサチップ１０の結晶面方位（１００）においてピエゾ抵抗係数が最大となる＜１１０＞の結晶軸方向に長く形成されている。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、差圧又は圧力検出用の歪ゲージ５ａ〜５ｄと同様に拡散又はイオン打ち込み法によって形成される。そして、歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、図示しないリードによってホイートストーンブリッジに結線されている。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、静圧による非接合部１３の変形に伴い比抵抗が変化することにより静圧を検出する。そして、歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、その検出信号によって差圧又は圧力検出用の歪ゲージ５ａ〜５ｄの検出信号を補正する。
【００３５】
歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、非接合部１３の表面に配置される。また、歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、ダイアフラム４の中心から離れた位置に配置されている。非接合部１３を設けると、静圧による発生応力が高い区間が生じる。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄをこの区間内でかつ非接合部１３のセンサチップ１０表面に設けると、静圧に対しては感度が高く、差圧に対しては感度が低くなる。これにより、クロストークを低減することができ、差圧又は圧力検出用の歪ゲージ５ａ〜５ｄによる検出信号を高精度に補正することができる。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄを、その一部が接合部１３Ａのセンサチップ１０表面にまで延在するように、配置してもよい。なお、接合部１３Ａに延在する部分の長さは非接合部１３に設けられる部分の長さより短いことが望ましい。
【００３６】
ここで、ダイアフラム４の両端近傍をエッジ部６とする。エッジ部６では、第２半導体層３の側端が、第１半導体層１及び絶縁層２に形成された開口部１ａ、２ａよりも５μｍ〜５０μｍ程度の幅寸法Ｔで外方に、はみ出している。ここで、幅寸法Ｔは、第２半導体層３の側端が第１半導体層１の開口部１ａにおける第２半導体層３側の側壁端部を基準として外方にはみ出している寸法である。そして、第２半導体層３の側端はＲ形状に加工されている。よって、応力集中を緩和することができる。また、ダイアフラム４を大きくすることができるため、小型で精度の高い圧力センサ３０を得ることができる。
【００３７】
図３は、第２半導体層３の側端をＲ形状に加工した場合の効果を示す図である。横軸は、Ｒ寸法で、前記の幅寸法Ｔに相当する。なお、後述するとおり、このＲ形状は第２半導体層３をほぼ等方性となる所定のエッチングを行うことにより形成され、この幅寸法ＴとＲ形状の深さ方向の寸法はほぼ同等である。また縦軸は、Ｒ寸法（幅寸法Ｔ）をゼロとした、つまりＲ形状のない圧力センサの耐圧の大きさを１（基準）として、Ｒ寸法（幅寸法Ｔ）を大きくした場合の耐圧の大きさを示す耐圧向上率である。Ｒ寸法を０、２０、４０μｍとした圧力センサの耐圧試験を行ったところ、Ｒ寸法を大きくするほど、耐圧が向上する結果が得られた。
【００３８】
ここで、外方にはみ出させる幅寸法Ｔの下限を５μｍ程度としたのは、加工による寸法ばらつきを考慮しても、図３から、Ｒ形状がない場合と比較して１０％程度の耐圧向上を図ることができるからである。一方、幅寸法Ｔを大きくすればより耐圧向上を図ることができるが、ダイアフラム４の厚さのばらつきも大きくなるため、上限を５０μｍ程度としている。
なお、幅寸法Ｔは０μｍ超であれば耐圧向上を図ることができ、５μｍ未満又は５０μｍ超である場合を否定するものではない。
【００３９】
次に、圧力センサ３０の製造方法について、図４を用いて説明する。図４は、圧力センサの製造方法を示す工程断面図である。まず、図４（ａ）に示すように、第１半導体層１と、０．５μｍ程度の厚さの絶縁層２、及び第２半導体層３からなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを用意する。このＳＯＩウエハを作製するには、Ｓｉ基板中に酸素を注入してＳｉＯ2層を形成するＳＩＭＯＸ（Separation by IMplanted OXygen）技術を用いてもよいし、２枚のＳｉ基板を貼り合わせるＳＤＢ（Silicon DirectBonding）技術を用いてもよいし、その他の方法を用いてもよい。
【００４０】
第２半導体層３を、平坦化及び薄膜化する。例えば、ＣＣＰ（ComputerControlled Polishing ）と呼ばれる研磨法等により、所定の厚さ（例えば８０μｍ）まで、第２半導体層３を研磨する。
【００４１】
第２半導体層３の上面には、図４（ｂ）に示すように、不純物拡散あるいはイオン打ち込み法によってｐ型Ｓｉ等からなる歪ゲージ（ピエゾ抵抗領域）５、１５が形成される。その結果、後述するように、歪ゲージ５は第２半導体層３のダイアフラム４に形成されることになる。また、歪ゲージ１５は、ダイアフラム４の外側に形成されることになる。これにより、図４（ｆ）に示す構成となる。なお、歪ゲージ５は、上記の歪ゲージ５ａ〜５ｄのいずれかであり、歪ゲージ１５は、上記の歪ゲージ１５ａ〜１５ｄのいずれかである。続いて、第２半導体層３の上面にＳｉＯ2層（不図示）を形成し、歪ゲージ５上のＳｉＯ2層にコンタクトホールを形成した後、このコンタクトホール部分に歪ゲージ５との電気的接続を得るためのメタル電極（不図示）を蒸着する。なお、メタル電極を形成する工程は、図４（ａ）〜図４（ｆ）の間のどこで実施しても良い。
【００４２】
このようにして形成されたＳＯＩウエハの下面にＳｉＯ2膜又はレジスト（不図示）を形成する。このＳｉＯ2膜又はレジストの感圧領域（ダイアフラム４が形成される領域）に相当する部分に、開口部１ａを形成する。そして、このようにパターニングされたＳｉＯ2膜又はレジストをダイアフラム形成用のエッチングマスクとして、第１半導体層１をエッチングする（１次掘り）。ここでは、ドライエッチングにより、第１半導体層１を加工している。より具体的には、ＩＣＰボッシュプロセスによって、第１半導体層１をエッチングする。ボッシュプロセスでは、異方性エッチングが行われるため、第１半導体層１の側壁がほぼ垂直になる。
【００４３】
なお、ボッシュプロセスでは、エッチングステップと、保護ステップ（デポステップ）とが交互に実施される。エッチングステップと保護ステップとは、数秒毎に繰り返し実行される。エッチングステップでは、例えば、ＳＦ６ガスを用いて等方的にエッチングが行われる。保護ステップでは、フロロカーボンガス（例えば、Ｃ４Ｆ８等）を用いて側壁を保護する。すなわち、側壁を保護する膜を第１半導体層１に堆積する。これにより、エッチングステップでの横方向のエッチングが抑制されるため、第１半導体層１に対して異方性エッチングを行うことができる。このように、ボッシュプロセスを用いることで、シリコンを深掘りすることができ、垂直なトレンチ構造が形成される。
【００４４】
ここで、絶縁層２がエッチングストッパとして機能している。このため、エッチングは、開口部１ａにおいて徐々に進行するが、絶縁層２に到達するとエッチングレートが下がる。このように、絶縁層２が露出するまで、第１半導体層１を除去する。これにより、図４（ｃ）に示すように、圧力センサとなるチップの中央部分において、第１半導体層１に開口部１ａが形成され、絶縁層２が露出する。異方性エッチングであれば、ボッシュプロセス以外のエッチングで、第１半導体層１をエッチングしてもよい。
【００４５】
続いて、第１半導体層１をエッチングマスクとして、絶縁層２をエッチングする。例えば、ＨＦ等の溶液を用いたウェットエッチングにより、絶縁層２を加工する。もちろん、絶縁層２は、これ以外のエッチャントでエッチングされてもよく、ドライエッチングでエッチングされてもよい。第１半導体層１のエッチングによって露出した絶縁層２が除去され、図４（ｄ）に示す構成となる。このように、感圧領域となる部分において、絶縁層２に開口部２ａが形成され、第２半導体層３が露出する。この時、第１半導体層１、及び絶縁層２に設けられた開口部１ａ、２ａの径は略同じである。
【００４６】
次に、ウエハの表面に所定の厚さの保護膜７を形成する。この時、第１半導体層１の開口部１ａにおける側壁に形成される保護膜７は、後述する２次掘り工程時に第１半導体層１の開口部１ａにおける側壁が所定の角度θの傾斜面となるように、厚さ分布を持たせて形成する。すなわち、第１半導体層１の開口部１ａにおける側壁において、台座１１側から第２半導体層３側に向かうにつれエッチングが進むように、保護膜７は台座１１側から第２半導体層３側に向かって薄くなる厚さ分布に形成すると、図４（ｅ）に示す構成となる。ちなみに、保護膜７は、ウエハの全面に形成される。従って、保護膜７は、第１半導体層１を覆うように形成される。さらに、絶縁層２の開口部２ａにおける側壁と、第２半導体層３が露出した部分と、に保護膜７が形成される。
【００４７】
保護膜７は、例えば、ボッシュプロセスの保護ステップを行うことで、形成される。すなわち、Ｃ４Ｆ８ガスなどの炭素原子とフッ素原子を含むガスを用いて保護膜７を成膜する。ここでは、フロロカーボンガスを用いているため、保護膜７がフロロカーボン膜によって形成される。これにより、ウエハの全面に、保護膜７が堆積される。なお、数秒の保護ステップを繰り返し行うことで保護膜７を形成しても良く、保護ステップを連続して長時間行うことにより、保護膜７を形成してもよい。さらには、ボッシュプロセス以外のプロセスで保護膜７を形成してもよい。例えば、フォトレジストなどで保護膜７を形成してもよい。あるいは、ＣＶＤ（化学的気相成長法）等により、保護膜７を堆積してもよい。また、保護膜７は、第１半導体層１の開口部１ａにおける側壁に形成されていればよく、その他の部分には形成されていなくても良い。
【００４８】
その後、保護膜７が形成された状態で、第１半導体層１、絶縁層２及び第２半導体層３をエッチングする（２次掘り）。これにより、第１半導体層１の開口部１ａにおける側壁は、所定の角度θの傾斜面に形成される。その結果、第１半導体層１の開口部１ａは、第２半導体層３側の開口径が台座１１側の開口径よりも大きくなる。それと共に、第２半導体層３にダイアフラム４となるための凹部１２が形成される。第２半導体層３のエッチング深さは、時間管理により所定の微小量（５〜５０μｍ程度）に制御される。このとき、第２半導体層３は、絶縁層２の開口部２ａにおける側壁よりも５μｍ〜５０μｍ程度、外方にサイドエッチングされる。
【００４９】
ここでは、ボッシュプロセスのエッチングステップなどを用いることができる。すなわち、硫黄原子とフッ素原子を含むガス（ＳＦ６）を用いて、ドライエッチングを行う。このとき、第１半導体層１及び第２半導体層３にバイアス電圧を印加した状態で、ドライエッチングを行うと、イオンが第２半導体層３に向かって加速される。このため、イオンの縦方向の速度が、横方向の速度よりも高くなる。プラズマ中のイオンの大部分は、第１半導体層１及び絶縁層２の開口部１ａ、２ａにおいて、第２半導体層３に向かう。従って、第２半導体層３の表面に形成された保護膜７に対するイオンの衝突頻度が高くなり、第２半導体層３の表面に形成された保護膜７は、ある程度高いエッチングレートで、エッチングされていく。
【００５０】
一方、上記と同様の理由によって、第１半導体層１及び絶縁層２の開口部１ａ、２ａにおける側壁に形成された保護膜７に対するイオンの衝突頻度は相対的に低くなるため、第１半導体層１及び絶縁層２の側壁に形成された保護膜７のエッチングレートは低くなる。そのため、保護膜７は、第２半導体層３に所定の形状の凹部１２がエッチングされると共に、第１半導体層１の開口部１ａの側壁が所定の角度θの傾斜面にエッチングされるように、第１半導体層１及び第２半導体層３に印加するガス流量や他の条件を考慮して形成される。また、厳密には、第１半導体層１よりも絶縁層２はエッチングレートが低く、２次掘り工程時に第１半導体層１の開口部１ａにおける第２半導体層３側の開口縁よりも、絶縁層２が突出することになるので、２次掘り工程時に第１半導体層１における第２半導体層３側の開口縁がＲ形状となり、応力集中箇所とならないように、保護膜７は形成される。なお、厳密には、絶縁層２は第１半導体層１よりもエッチングレートが低いため、２次掘り工程後には、絶縁層２は第１半導体層１の開口部１ａにおける第２半導体層３側の開口縁よりも突出することになる。この突出部はセンサの性能を劣化させるものではなく、場合によっては、フッ酸等のウェットエッチング処理によって除去可能である。
【００５１】
また、第２半導体層３の表面の保護膜７が除去され、第２半導体層３が露出すると、第２半導体層３が等方的にエッチングされていく。従って、第２半導体層３がサイドエッチングされる。第２半導体層３がサイドエッチングにより除去されて形成された側端は、第１半導体層１及び絶縁層２に形成された開口部１ａ、２ａの外方に、はみ出している。すなわち、第２半導体層３の側端の位置は、第１半導体層１及び絶縁層２の側端からずれている。ダイアフラム４を構成するための凹部１２は、第１半導体層１及び絶縁層２の開口部１ａ、２ａよりも大きくなる。そして、薬液などでウエハを洗浄して、ウエハに形成されている保護膜７を除去すると、図４（ｆ）に示す構成となる。このように、第１半導体層１をサイドエッチングして、第１半導体層１の開口部１ａにおける側壁を所定の角度θの傾斜面に形成する。これにより、センサチップ１０の台座１１への接合領域を広くすることができる。また、第２半導体層３をサイドエッチングして、第２半導体層３に絶縁層２のエッチング部分よりも大きい凹部１２を形成する。これにより、感圧領域を大きくすることができる。さらに、第２半導体層３の側端はサイドエッチングにより、Ｒ形状に加工される。これにより、応力集中を緩和することができる。
【００５２】
このようにして、第２半導体層３にダイアフラム４が形成される。第２半導体層３のエッチングは５〜５０μｍ程度の微小量であり、エッチングで厚さがばらつくことはないので、均一な厚さのダイアフラム４を形成することができる。よって、測定精度を向上することができる。また、ダイアフラム４に絶縁層２が残らなくなるため、エッジ部６の強度を高くすることができる。
【００５３】
また、保護膜７を形成する工程ではボッシュプロセスの保護ステップを用い、２次掘りする工程ではボッシュプロセスのエッチングステップなどを用いている。これにより、同一装置内で連続して、処理することができるため、生産性を向上することができる。また、１次掘りをボッシュプロセスで行うことで、同一装置を用いることができるため、さらに生産性を向上することができる。もちろん、他のエッチング方法で、第１半導体層１及び第２半導体層３をエッチングしてもよい。
【００５４】
そして、センサチップ１０の裏面側に、台座１１を接合する。ここでは、接合部１３Ａのみが接合され、非接合部１３は接合されない。これにより、図４（ｇ）に示す構成となる。例えば、陽極接合によりセンサチップ１０と台座１１とが直接接合される。こうして圧力センサの作製が終了する。
【００５５】
このように、等方的なエッチングにより２次掘りを行っているため、第２半導体層３の凹部１２を開口部１ａ、２ａよりも大きくすることができる。これにより、感圧領域の面積を大きくした場合でも、接合部１３Ａを大きくすることができる。特に、第１半導体層１の開口部１ａは、第２半導体層３側の開口径が、台座１１側の開口径よりも大きいので、接合部１３Ａをさらに大きくすることができる。よって、接合の信頼性を向上することができる。また、感圧領域側の第２半導体層３の側端がＲ形状に加工されるため、応力集中を緩和することができる。センサチップ１０の小型化を図ることができるとともに高性能なセンサを得ることができる。
【００５６】
なお、上記の説明では、絶縁層２を用いた例で説明したが、絶縁層２(ストッパ)なしでも当該１次掘りのエッチングレート及び時間を調整できて第２半導体層３の厚みを十分確保できる製造方法をとれば、本圧力センサに必ずしも絶縁層を設ける必要はないことを付け加えておく。また、上記の説明では、ダイアフラムを四角形状に形成したが、多角形状や円形状に形成してもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１  第１半導体層
１ａ  第１半導体層の開口部
２  絶縁層
２ａ  絶縁層の開口部
３  第２半導体層
４  ダイアフラム
５ａ〜５ｄ  歪ゲージ
６  ダイアフラムのエッジ部
７  保護膜
１０  センサチップ
１０ａ  第１半導体層の厚肉部
１１  台座
１２  第２半導体層の凹部
１３  非接合部
１３Ａ  接合部
１４  段差部
１５ａ〜１５ｄ  歪ゲージ
１７  貫通孔
３０  圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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