(57)【要約】【課題】正確に圧力を測定可能な圧力測定器を提供する。【解決手段】第１の半導体層１と、第１の半導体層１の表面上に配置された絶縁層２と、絶縁層２の表面上に配置された第２の半導体層３と、を備え、第１の半導体層１の底面５から絶縁層２を経て第２の半導体層３の内部に到達する凹部１０が設けられており、第２の半導体層３の内部において、凹部１０が絶縁層２の内部における断面形状と合同な断面形状をとった後、第２の半導体層３の表面４に向かって断面積を増加させ、第２の半導体層３の凹部１０を覆う部分に設けられた歪み抵抗ゲージ５１，５３を備える、圧力測定器を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の表面上に配置された絶縁層と、
前記絶縁層の表面上に配置された第２の半導体層と、
を備え、
前記第１の半導体層の底面から前記絶縁層を経て前記第２の半導体層の内部に到達する凹部が設けられており、
前記第２の半導体層の内部において、前記凹部が前記絶縁層の内部における断面形状と合同な断面形状をとった後、前記第２の半導体層の表面に向かって断面積を増加させ、
前記第２の半導体層の前記凹部を覆う部分に設けられた歪み抵抗ゲージを備える、圧力測定器。
【請求項２】
前記第２の半導体層の内部において、前記凹部の断面積が漸進的に増加した後、漸進的に減少する、請求項１に記載の圧力測定器。
【請求項３】
前記凹部の側壁において、前記絶縁層及び前記第２の半導体層が平滑に連続する、請求項１又は２に記載の圧力測定器。
【請求項４】
前記凹部の側壁において、前記第１の半導体層及び前記絶縁層が平滑に連続する、請求項３に記載の圧力測定器。
【請求項５】
前記第１の半導体層及び前記絶縁層の内部において、前記凹部の断面形状が同じである、請求項４に記載の圧力測定器。
【請求項６】
第１の半導体層、前記第１の半導体層の表面上に配置された絶縁層、及び前記絶縁層の表面上に配置された第２の半導体層を備える基板を用意することと、
前記第１の半導体層の底面から前記絶縁層を経て前記第２の半導体層の内部に到達する凹部を設けることと、
前記第２の半導体層の内部において、前記凹部が前記絶縁層の内部における断面形状と合同な断面形状をとった後、前記第２の半導体層の表面に向かって断面積を増加させるよう、前記第２の半導体層の内部を除去することと、
前記第２の半導体層の前記凹部を覆う部分に、歪み抵抗ゲージを形成することと、
を含む、圧力測定器の製造方法。
【請求項７】
前記第２の半導体層の内部を除去することが、等方性エッチングによりなされる、請求項６に記載の圧力測定器の製造方法。
【請求項８】
前記第２の半導体層の内部を除去することの前に、前記凹部の側壁に、保護膜を形成することを更に含む、請求項７に記載の圧力測定器の製造方法。
【請求項９】
前記第１の半導体層の底面から前記絶縁層を経て前記第２の半導体層の内部に到達する凹部を設けることが、
前記第１の半導体層の底面から前記絶縁層の底面に到達する凹部を異方性エッチングにより設けることと、
前記凹部により露出した前記絶縁層の部分を除去し、前記凹部を前記第２の半導体層の底面に到達させることと、
を含む、請求項６乃至８のいずれか１項に記載の圧力測定器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は測定技術に係り、圧力測定器及び圧力測定器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体のピエゾ抵抗効果を利用した圧力測定器が、小型、軽量、及び高感度であることから、プラント等で広く利用されている。このような圧力測定器においては、半導体からなるダイアフラムに、歪ゲージが設けられている。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と、ピエゾ抵抗効果によって歪ゲージの抵抗値が変化する。したがって、歪ゲージの抵抗値を測定することにより、圧力を測定することが可能となる。歪ゲージは、例えば、ダイアフラムとなる半導体基板に不純物イオンを注入することにより製造される（例えば、特許文献１乃至３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−９７４２３号公報
【特許文献２】特開２００１−３０８３４６号公報
【特許文献３】特開２００９−１１１１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧力測定器において応力集中が生じると、耐圧が劣化してチップ破壊を生じる虞があり、圧力を正確に測定することが困難となる。そこで、本発明は、応力集中の発生を抑制し、正確に圧力を測定可能な圧力測定器及び圧力測定器の製造方法を提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の態様は、（イ）第１の半導体層と、（ロ）第１の半導体層の表面上に配置された絶縁層と、（ハ）絶縁層の表面上に配置された第２の半導体層と、を備え、（ニ）第１の半導体層の底面から絶縁層を経て第２の半導体層の内部に到達する凹部が設けられており、（ホ）第２の半導体層の内部において、凹部が絶縁層の内部における断面形状と合同な断面形状をとった後、第２の半導体層の表面に向かって断面積を増加させ、（ヘ）第２の半導体層の凹部を覆う部分に設けられた歪み抵抗ゲージを備える、圧力測定器であることを要旨とする。本発明の態様に係る圧力測定器によれば、凹部の側壁において、応力集中が生じにくくなる。
【０００６】
本発明の他の態様は、（イ）第１の半導体層、第１の半導体層の表面上に配置された絶縁層、及び絶縁層の表面上に配置された第２の半導体層を備える基板を用意することと、（ロ）第１の半導体層の底面から絶縁層を経て第２の半導体層の内部に到達する凹部を設けることと、（ハ）第２の半導体層の内部において、凹部が絶縁層の内部における断面形状と合同な断面形状をとった後、第２の半導体層の表面に向かって断面積を増加させるよう、第２の半導体層の内部を除去することと、（ニ）第２の半導体層の凹部を覆う部分に、歪み抵抗ゲージを形成することと、を含む、圧力測定器の製造方法であることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、正確に圧力を測定可能な圧力測定器及び圧力測定器の製造方法を提供可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の上面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の図１のＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の下面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の第１の工程断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の第２の工程断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の第３の工程断面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の第４の工程断面図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の第５の工程断面図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の第６の工程断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の第７の工程断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の第８の工程断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の第９の工程断面図である。
【図１３】本発明のその他の実施の形態に係る圧力測定器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１０】
実施の形態に係る圧力測定器は、図１及びＩＩ−ＩＩ方向から見た断面図である図２に示すように、第１の半導体層１と、第１の半導体層１の表面上に配置された絶縁層２と、絶縁層２の表面上に配置された第２の半導体層３と、を備える。圧力測定器には、第１の半導体層１の底面５から絶縁層２を経て第２の半導体層３の内部に到達する凹部１０が設けられている。第２の半導体層３の内部において、凹部１０は、絶縁層２の内部における断面形状と合同な断面形状をとった後、第２の半導体層３の表面４に向かって断面積を増加させている。圧力測定器は、さらに、第２の半導体層３の凹部１０を覆う部分に設けられた図１に示す歪み抵抗ゲージ５１，５２，５３，５４を備える。
【００１１】
図２に示す第１の半導体層１及び第２の半導体層３は、例えばｎ型単結晶珪素（Ｓｉ）からなる。また、絶縁層２は、例えば酸化珪素（ＳｉＯ2）からなる。第２の半導体層３は、例えば（１００）面が表面４となっている。下面図である図３に示すように、第１の半導体層１の底面５から設けられた凹部１０の断面形状は、例えば正方形である。ただし、これに限定されず、凹部１０の断面形状は、円形であってもよい。
【００１２】
図２に示すように、凹部１０の側壁において、第１の半導体層１、絶縁層２、及び第２の半導体層３は平滑に連続している。第１の半導体層１の内部における凹部１０の断面形状と、絶縁層２の内部における凹部１０の断面形状と、第２の半導体層３の内部で絶縁層２の近傍における凹部１０の断面形状と、は合同である。この場合、第１の半導体層１の内部における凹部１０の断面積と、絶縁層２の内部における凹部１０の断面積と、第２の半導体層３の内部で絶縁層２の近傍における凹部１０の断面積と、は同じである。
【００１３】
第２の半導体層３の内部において、凹部１０の断面積は漸進的に増加した後、底面６に向かって漸進的に減少する。そのため、第２の半導体層３の表面４に対して垂直方向における断面図において、凹部１０の側壁は、第２の半導体層３の内部に弧状に入り込んでいる。換言すれば、第１の半導体層１における凹部１０の開口面積より、第２の半導体層３の内部で凹部１０の断面積が大きくなる。
【００１４】
第２の半導体層３の凹部１０を覆う部分は、圧力測定のためのダイアフラムとして機能する。第２の半導体層３の凹部１０を覆う部分には、図１に示すように、例えば９０°間隔で（１１０）方向に４つの歪み抵抗ゲージ５１，５２，５３，５４が設けられている。圧力により第２の半導体層３の凹部１０を覆う部分が撓むことにより、歪み抵抗ゲージ５１，５２，５３，５４の電気抵抗値が変化する。したがって、歪み抵抗ゲージ５１，５２，５３，５４の電気抵抗値を計測することにより、圧力の測定が可能となる。
【００１５】
次に、実施の形態に係る圧力測定器の製造方法について説明する。まず、図４に示すように、シリコン等からなる第１の半導体層１、第１の半導体層１上に配置された酸化珪素等からなる絶縁層２、及び絶縁層２上に配置された第２の半導体層３を備えるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用意する。なお、ＳＯＩ基板は、シリコン基板中に酸素を注入して酸化珪素層を形成するＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ  ｂｙ  ＩＭｐｌａｎｔｅｄ  ＯＸｙｇｅｎ）法、あるいは２枚のシリコン基板を貼り合わせるＳＤＢ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）法等により製造される。
【００１６】
次に、例えばリソグラフィ法及びボッシュプロセス等の異方性エッチング法により、第１の半導体層１を選択的に除去し、図５に示すように、第１の半導体層１の底面５から絶縁層２の底面に到達する凹部１１を形成する。ドライエッチング法等の異方性エッチング法により凹部１１を形成することで、凹部１１の側壁は第１の半導体層１の底面５に対して垂直になる。また、第１の半導体層１におけるエッチング速度と、絶縁層２におけるエッチング速度との違いにより、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。
【００１７】
次に、凹部１１が設けられた第１の半導体層１をマスクにして、凹部１１によって露出した絶縁層２の部分を、ウェットエッチング法又はドライエッチング法により選択的に除去し、図６に示すように、第１の半導体層１の底面５から第２の半導体層３の底面に到達する凹部１２を形成する。凹部１１が設けられた第１の半導体層１をマスクとして絶縁層２を選択的に除去したため、凹部１２の側壁における、第１の半導体層１と、絶縁層２と、の境界に、段差が生じない。また、第１の半導体層１における凹部１２の断面形状と、絶縁層２における凹部１２の断面形状と、は合同になる。そのため、第１の半導体層１における凹部１２の断面積と、絶縁層２における凹部１２の断面積とは等しい。
【００１８】
次に、凹部１２が設けられた第１の半導体層１及び絶縁層２をマスクにして、凹部１２によって露出した第２の半導体層３の部分を、異方性エッチング法により選択的に除去し、図７に示すように、第１の半導体層１の底面５から第２の半導体層３の内部に到達する凹部１３を形成する。凹部１３は異方性エッチング法により形成されたため、凹部１３の側壁における、絶縁層２と、第２の半導体層３と、の境界に、段差が生じない。また、第１の半導体層１における凹部１３の断面形状と、絶縁層２における凹部１３の断面形状と、第２の半導体層３における凹部１３の断面形状と、は合同になる。そのため、第１の半導体層１における凹部１３の断面積と、絶縁層２における凹部１３の断面積と、第２の半導体層３における凹部１３の断面積とは等しい。
【００１９】
次に、例えばパーフルオロシクロブタン（Ｃ4Ｆ8）等のフロロカーボンガスと六フッ化硫黄（ＳＦ6）ガスを用いて、凹部１３の側壁に保護膜を形成してから凹部１３の開口から第２の半導体層３に向かって等方性エッチングを行う。すると、第２の半導体層３の内部において、断面積が漸進的に増加した後、漸進的に減少する凹部１０が形成される。なお、凹部１０の側壁は保護膜で保護されているため、第１の半導体層１及び絶縁層２の境界と、絶縁層２及び第２の半導体層３の境界とにおいて、平滑に連続したままである。その後、凹部１０の側壁に残っている保護膜を除去する（図８参照）。
【００２０】
次に、図９に示すように、ｎ型のシリコン等からなる第２の半導体層３を加熱し、第２の半導体層３上に酸化珪素等からなるフィールド酸化膜７１を形成する。さらに、図１０に示すように、フォトリソグラフィ法及びエッチング法等により、フィールド酸化膜７１を選択的に除去し、フィールド酸化膜７１に凹部７２を形成する。なお、凹部７２は、第２の半導体層３に到達しないように形成される。そのため、凹部７２の底面において、薄膜化されたフィールド酸化膜７１が、第２の半導体層３上に残っている。
【００２１】
次に、図１１に示すように、凹部７２が設けられたフィールド酸化膜７１をマスクにして、ボロン（Ｂ+）等のｐ型不純物イオンを第２の半導体層３に向けて選択的に注入する。ここで、ｐ型不純物イオンは、フィールド酸化膜７１の凹部７２が形成された部分は透過するが、フィールド酸化膜７１の凹部７２が形成されていない部分は透過することができない。そのため、ｐ型不純物イオンは、フィールド酸化膜７１の凹部７２の下方に、選択的に注入される。その後、注入されたｐ型不純物イオンを熱処理することにより、第２の半導体層３に、ｐ型反転層である歪み抵抗ゲージ５１が形成される。なお、凹部７２の底面のフィールド酸化膜７１を介してイオン注入することにより、チャネリングや、第２の半導体層３表面のダメージを防止することが可能となる。
【００２２】
次に、図１２に示すように、歪み抵抗ゲージ５１が形成された第２の半導体層３の表面から、フィールド酸化膜７１を、化学機械研磨法（ＣＭＰ法）等により除去し、図１及び図２に示す圧力測定器が得られる。なお、図１に示す歪み抵抗ゲージ５２，５３，５４については、歪み抵抗ゲージ５１と同時に、同様の方法によって、第２の半導体層３に形成される。
【００２３】
ここで、絶縁層２は、第１の半導体層１及び第２の半導体層３と比較して機械的強度が弱いため、仮に絶縁層２近傍に応力が集中すると、圧力測定器が劣化したり、破損したりする場合がある。しかし、以上説明した実施の形態に係る圧力測定器においては、図２に示す凹部１０の側壁の、第１の半導体層１と、絶縁層２と、の境界に、段差がなく、また、絶縁層２と、第２の半導体層３と、の境界にも、段差がない。そのため、第１の半導体層１及び絶縁層２の境界と、絶縁層２及び第２の半導体層３の境界と、に応力が集中することを防止することが可能となる。したがって、実施の形態に係る圧力測定器によれば、絶縁層２近傍に応力が集中しにくくなるため、劣化及び破損を防止することが可能となる。
【００２４】
また、実施の形態に係る圧力測定器においては、凹部１０の側壁が、第２の半導体層３の内部に弧状に入り込んでいるため、第２の半導体層３の内部に生じた応力を分散させることが可能となる。そのため、凹部１０を覆う部分がダイアフラムとして機能する第２の半導体層３に応力が集中することが抑制され、高耐圧化が可能となる。
【００２５】
（その他の実施の形態）
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、実施の形態では、図２に示す第２の半導体層３の内部において、凹部１０は、絶縁層２の内部における断面形状と合同な断面形状を、所定の距離の間とり、その後、第２の半導体層３の表面４に向かって断面積を増加させている例を示した。これに対し、図１３に示すように、第２の半導体層３の内部において、凹部１０は、絶縁層２の内部における断面形状と合同な断面形状を、絶縁層２との界面の近傍のみでとり、その後、第２の半導体層３の表面４に向かって断面積を増加させてもよい。この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。
【符号の説明】
【００２６】
１     第１の半導体層
２     絶縁層
３     第２の半導体層
４     表面
５     第１の半導体層の底面
６     凹部の底面
１０   凹部
１１   凹部
１２   凹部
１３   凹部
５１，５２，５３，５４      抵抗ゲージ
７１   フィールド酸化膜
７２   凹部
【図１】
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【図２】
2014055837.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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