(57)【要約】【課題】センサチップにカバー部材を接合して封止構造を形成し、センサチップ内に拡散抵抗（リード拡散部）を形成して封止構造内外の電気的接続を実現させる際に、センサチップの接合面に表面段差が生じることを抑制する。【解決手段】シリコンからなるダイアフラム１１の表面Ｐ１にピエゾ拡散ゲージ１２を形成し、ピエゾ拡散ゲージ１２と電極１３とを接続するリード拡散部１４をダイアフラム１１内部に形成し、ダイアフラム１１の表面Ｐ１を覆うようにシリコン酸化膜からなる保護膜１５を形成することによりセンサチップ１０を構成する工程と、保護膜１５の表面の少なくとも一部を接合面３０としてセンサチップ１０にカバー部材２０を接合する工程と、を備える圧力センサの製造方法であって、保護膜１５が形成される直前のダイアフラム１１の表面Ｐ１から保護膜１５のダイアフラム１１内部への成長分よりも深い領域にリード拡散部１４を形成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンからなるダイアフラムと、前記ダイアフラムの表面に形成されたピエゾ拡散ゲージと、前記ダイアフラム内部に形成され前記ピエゾ拡散ゲージと電極とを接続するリード拡散部と、前記ダイアフラムの表面を覆うように形成されたシリコン酸化膜からなる保護膜と、を有するセンサチップと、
前記保護膜の表面の少なくとも一部を接合面として前記センサチップに接合されたカバー部材と、
を備える圧力センサであって、
前記センサチップの前記リード拡散部は、前記保護膜が形成される直前の前記ダイアフラムの表面から前記保護膜の前記ダイアフラム内部への成長分よりも深い領域に形成される、
圧力センサ。
【請求項２】
シリコンからなるダイアフラムの表面にピエゾ拡散ゲージを形成し、前記ピエゾ拡散ゲージと電極とを接続するリード拡散部を前記ダイアフラム内部に形成し、前記ダイアフラムの表面を覆うようにシリコン酸化膜からなる保護膜を形成することによりセンサチップを構成するセンサ素子構成工程と、
前記保護膜の表面の少なくとも一部を接合面として前記センサチップにカバー部材を接合するカバー部材接合工程と、
を備える圧力センサの製造方法であって、
前記センサ素子構成工程は、前記保護膜が形成される直前の前記ダイアフラムの表面から前記保護膜の前記ダイアフラム内部への成長分よりも深い領域に前記リード拡散部を形成する工程を含む、
圧力センサの製造方法。
【請求項３】
前記カバー部材は、シリコンから構成される部材であり、
前記カバー部材接合工程は、前記接合面に前記カバー部材を当接させて前記センサチップと前記カバー部材とを接合する直接接合工程を含む、
請求項２に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項４】
前記カバー部材は、ガラス部材であり、
前記カバー部材接合工程は、前記接合面に前記カバー部材を当接させて加熱しながら電圧を印加することにより前記センサチップと前記カバー部材とを接合する陽極接合工程を含む、
請求項２に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項５】
表面上にシリコン酸化膜からなる保護膜が形成された第１部材の前記保護膜の表面の少なくとも一部を接合面として、前記第１部材に第２部材を接合する部材接合方法であって、
前記保護膜が形成される直前の前記第１部材の表面から前記保護膜の前記第１部材内部への成長分よりも深い領域にリード拡散部を形成するリード拡散部形成工程を備える、
部材接合方法。
【請求項６】
前記第２部材は、シリコンから構成される部材であり、
前記第１部材の前記接合面に前記第２部材を当接させて両者を接合する直接接合工程を含む、
請求項５に記載の部材接合方法。
【請求項７】
前記第２部材は、ガラス部材であり、
前記第１部材の前記接合面に前記第２部材を当接させて加熱しながら電圧を印加することにより両者を接合する陽極接合工程を含む、
請求項５に記載の部材接合方法。
【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並びに部材接合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素子を有する圧力センサチップにおいては、圧力を受けて変位する薄板状のシリコンからなるダイアフラム上に歪抵抗ゲージを形成し、ダイアフラムに形成された歪抵抗ゲージの抵抗値変化からダイアフラムに加わった圧力を検出している。従来、この種のセンサチップは、過大圧印加持のチップ破壊を防ぐ目的で、過大圧保護機構を有するメータボディ等に組み込んで使用されていたため、このような形態の圧力センサ装置は大型になる傾向があった。
【０００３】
そこで、現在においては、センサチップにカバー部材を接合して封止構造を形成することが提唱されている。この場合、Ｓｉのセンサ表裏両面にＳｉやガラス等で構成されたカバー部材を接合してダイアフラムを封止するが、センサゲージは封止構造の内部に配置される一方、電極取り出しパッドは外部に配置されるため、接合領域を跨いで封止構造の内部と外部とを電気的に接続するように配線を行う必要がある。このような封止構造内外の接続は、配線をチップ内に埋め込んで拡散抵抗（リード拡散部）を形成することにより実現することができる。
【０００４】
ところで、ダイアフラムの封止にあたって用いられる接合方法には、陽極接合とＳｉ直接接合とがある。陽極接合は、Ｓｉ基板とガラスとを接合する場合に用いられ、Ｓｉ基板の接合面とガラスの接合面とを重ねて加熱しながら電圧をかけると共有結合が生じて両者が強固に接合されることを利用した接合方法である（例えば、特許文献１参照）。一方、Ｓｉ直接接合は、Ｓｉ、及びＳｉＯ2基板を接合する場合に用いられ、両者の接合面をプラズマにより活性化させた後に重ねるだけ、もしくは接合面を重ねて加熱するだけで接合する接合方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平８−３１６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Ｓｉ直接接合方法と特許文献１に記載されたような陽極接合方法とを比較すると、Ｓｉ直接接合方法は、接合の際におけるアルカリ金属の発生を懸念する必要がなく、また、印加電圧による部材の特性変動を懸念する必要がない、等の利点を有する。一方、陽極接合方法は接合が強固で、面粗さや段差に対して比較的許容範囲が広いという利点を有する。
【０００７】
ところで、センサの製造工程中で、拡散抵抗（リード拡散部）を形成するために高濃度のイオン（ｐ型）が注入されるが、酸化膜（ＳｉＯ2）の成長領域にこのような高濃度イオンが存在すると、他の領域に比べて酸化膜成長レートが早くなる。すると、表面濃度の違いによりパッシベーション膜である酸化膜成長レートに違いが生じ、拡散抵抗が形成された領域の表面と、拡散抵抗が形成されない領域の表面と、の間に段差が生じることになる。この段差の許容範囲が陽極接合では５００ｎｍ以下であるのに対して、Ｓｉ直接接合における許容範囲は数ｎｍ〜数十ｎｍ以下（例えば表面粗さＲａ＝１０ｎｍ以下）であるため、僅かな段差でも接合に影響が生じる場合がある。
【０００８】
このような段差を無くすため、近年はＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等の平坦化技術が提案されているが、半導体の直上にある熱酸化膜にこのような平坦化技術を採用すると、膜直下のＳｉ活性層にダメージを与え、センサ特性を著しく劣化させる可能性が高い。また、このような平坦化技術を採用するためには、削り代確保のための厚膜化が必要となる上に、研磨工程や洗浄工程等の複雑な工程が必要となるという問題がある。
【０００９】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、センサチップにカバー部材を接合して封止構造を形成し、センサチップ内に拡散抵抗（リード拡散部）を形成して封止構造内外の電気的接続を実現させる際に、センサチップの接合面に表面段差が生じることを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第一の側面は、シリコンからなるダイアフラムと、このダイアフラムの表面に形成されたピエゾ拡散ゲージと、ダイアフラム内部に形成されピエゾ拡散ゲージと電極とを接続するリード拡散部と、ダイアフラムの表面を覆うように形成されたシリコン酸化膜からなる保護膜と、を有するセンサチップと、保護膜の表面の少なくとも一部を接合面としてセンサチップに接合されたカバー部材と、を備える圧力センサであって、センサチップのリード拡散部は、保護膜が形成される直前のダイアフラムの表面から保護膜のダイアフラム内部への成長分よりも深い領域に形成されるものである。
【００１１】
本発明の第二の側面は、シリコンからなるダイアフラムの表面にピエゾ拡散ゲージを形成し、このピエゾ拡散ゲージと電極とを接続するリード拡散部をダイアフラム内部に形成し、ダイアフラムの表面を覆うようにシリコン酸化膜からなる保護膜を形成することによりセンサチップを構成するセンサチップ構成工程と、保護膜の表面の少なくとも一部を接合面としてセンサチップにカバー部材を接合するカバー部材接合工程と、を備える圧力センサの製造方法であって、センサチップ構成工程は、保護膜が形成される直前のダイアフラムの表面から保護膜のダイアフラム内部への成長分よりも深い領域にリード拡散部を形成する工程を含むものである。
【００１２】
かかる構成（方法）を採用すると、ダイアフラムの表面上に形成したシリコン酸化膜からなる保護膜の少なくとも一部を接合面としてカバー部材を接合する際に、保護膜が形成される直前のダイアフラムの表面から保護膜のダイアフラム内部への成長分よりも深い領域にリード拡散部が形成されるので、リード拡散部の存在が接合面の平坦度に与える影響を抑制することができる。従って、接合面に段差が生じることを抑制することができる。この結果、平坦度の高い接合面を介してセンサチップとカバー部材とを安定的かつ強固に接合することができる。
【００１３】
前記製造方法において、カバー部材としてシリコンから構成される部材を採用することができる。かかる場合におけるカバー部材接合工程は、接合面にカバー部材を当接させてセンサチップとカバー部材とを接合する直接接合工程を含むことができる。
【００１４】
また、前記製造方法において、カバー部材としてガラス部材を採用することもできる。かかる場合におけるカバー部材接合工程は、接合面にカバー部材を当接させて加熱しながら電圧を印加することによりセンサチップとカバー部材とを接合する陽極接合工程を含むことができる。
【００１５】
本発明の第三の側面は、表面上にシリコン酸化膜からなる保護膜が形成された第１部材の保護膜の表面の少なくとも一部を接合面として、第１部材に第２部材を接合する部材接合方法であって、保護膜が形成される直前の第１部材の表面から保護膜の第１部材内部への成長分よりも深い領域にリード拡散部を形成するリード拡散部形成工程を備えるものである。
【００１６】
かかる方法を採用すると、第１部材の表面上に形成した保護膜の表面の少なくとも一部を接合面として第２部材を接合する際に、保護膜が形成される直前の第１部材の表面から保護膜の第１部材内部への成長分よりも深い領域にリード拡散部を形成することにより、リード拡散部の存在が接合面の平坦度に与える影響を抑制することができる。従って、接合面に段差が生じることを抑制することができる。この結果、平坦度の高い接合面を介して第１部材と第２部材とを安定的かつ強固に接合することができる。
【００１７】
前記部材接合方法において、第２部材としてシリコンから構成される部材を採用することができる。かかる場合には、第１部材の接合面に第２部材を当接させて両者を接合する直接接合工程を含むことができる。
【００１８】
また、前記部材接合方法において、第２部材としてガラス部材を採用することもできる。かかる場合には、第１部材の接合面に第２部材を当接させて加熱しながら電圧を印加することにより両者を接合する陽極接合工程を含むことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、センサチップにカバー部材を接合して封止構造を形成し、センサチップ内に拡散抵抗（リード拡散部）を形成して封止構造内外の電気的接続を実現させる際に、センサチップの接合面に表面段差が生じることを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る圧力センサの構成を示す上面図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】図１のIII−III断面図である。
【図４】図１の圧力センサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図５】図１の圧力センサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図６】図１の圧力センサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図７】図１の圧力センサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図８】図１の圧力センサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図９】図１の圧力センサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図１０】図１の圧力センサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【図１１】図１の圧力センサの製造方法を説明するための工程断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
まず、図１〜図３を用いて、本発明の実施形態に係る圧力センサ１の構成について説明する。図１は本実施形態に係る圧力センサ１の構成を示す上面図であり、図２は図１のII−II断面図であり、図３は図１のIII−III断面図である。本実施形態に係る圧力センサ１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り、センサチップ１０と、センサチップ１０に接合されたカバー部材２０と、を備えている。センサチップ１０は本発明における第１部材に相当し、カバー部材２０は本発明における第２部材に相当するものである。
【００２３】
センサチップ１０は、図１及び図２に示すように平面視円形状の板状部材であり、シリコンで構成されている。センサチップ１０は、ダイアフラム１１と、ダイアフラム１１の表面に形成されたピエゾ拡散ゲージ１２と、電気信号を取り出すための電極１３と、ピエゾ拡散ゲージ１２と電極１３とを電気的に接続するリード拡散部１４と、ダイアフラム１１の表面を覆うように形成されたシリコン酸化膜からなる保護膜１５と、を有している。
【００２４】
ダイアフラム１１は、薄肉の起歪部１１ａと、この起歪部１１ａ周辺を固定する厚肉の固定部１１ｂと、を有している。ダイアフラム１１は、ピエゾ抵抗効果を示すシリコンで構成されており、起歪部１１ａによって隔てられた両側の空間の圧力差によって起歪部１１ａが変形するようになっている。ピエゾ拡散ゲージ１２は、ピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージであり、ダイアフラム１１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＞の結晶軸方向と平行に形成されている。ピエゾ拡散ゲージ１２は、起歪部１１ａ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】
電極１３は、アルミニウム等の金属薄膜で構成されている。リード拡散部１４は、ダイアフラム１１の内部に形成される。本実施形態においては、図３に示すように、保護膜１５が形成される直前のダイアフラム１１の表面Ｐ１から保護膜１５のダイアフラム１１内部への成長分よりも深い領域（ダイアフラム１１表面Ｐ１からダイアフラム１１内部へ厚さＴｐ１だけ浸透した保護膜１５の最下部よりもさらに下方の領域）にリード拡散部１４を配置するようにしている。保護膜１５は、ピエゾ拡散ゲージ１２やリード拡散部１４を保護する機能を果たすものであり、例えば０．１〜１．０μｍの厚さに設定することができる。
【００２６】
カバー部材２０は、センサチップ１０の保護膜１５の表面の一部（図１に示す円環状領域）を接合面３０として、センサチップ１０に接合される。本実施形態においては、カバー部材２０をシリコンで構成するとともに、センサチップ１０の保護膜１５表面の接合面３０とカバー部材２０の接合面とをプラズマにより活性化させ、圧接させることにより両者を直接接合している。なお、保護膜１５表面の接合面３０にカバー部材２０を当接させて加熱することにより両者を直接接合しても良い。
【００２７】
次に、図４〜図１１を用いて、本実施形態に係る圧力センサ１の製造方法（センサチップ１０にカバー部材２０を接合する部材接合方法）について説明する。図４〜図１１は、図１に示す圧力センサ１のIII−III断面の部分を形成するための工程群を示す工程断面図である。
【００２８】
まず、図４に示すように、ｎ型のシリコンで構成された半導体基板２を準備した後、図５に示すように、シリコン酸化膜としてのフィールド膜３を半導体基板２の表面Ｐ２上に形成する（フィールド膜形成工程）。フィールド膜３の一部は半導体基板２の表面Ｐ２から半導体基板２の内部まで成長（浸透）している。本実施形態においては、半導体基板２の内部のフィールド膜３の成長（浸透）部分の厚さＴｐ２は、フィールド膜３全体の厚さＴｔ２の４４％（理論値）となっている。
【００２９】
次いで、図６に示すように、フォトリソグラフィ法（感光性樹脂膜を塗布し、露光、現像すること）等によってフィールド膜３の表面上にレジスト４を形成する（レジスト形成工程）。レジスト４は、ピエゾ拡散ゲージ１２やリード拡散部１４が形成される部分に開口部を有しており、そこではフィールド膜３が露出している。
【００３０】
次いで、図７に示すように、レジスト４をマスクとして、フィールド膜３をエッチングする（エッチング工程）。この際、例えば、ＨＦ等の溶液を用いたウェットエッチングにより、フィールド膜３をエッチングする。フィールド膜３をエッチングすると、レジスト４の開口部では、半導体基板２の表面上及び表面直下のフィールド膜３が除去されて、図７に示すような凹部５が形成され、この凹部５の底面においてフィールド膜３が除去されて半導体基板２の新たな表面Ｐ１が露出する。なお、エッチング工程終了後に、レジスト４を除去してもよい。
【００３１】
次いで、図８に示すように、凹部５が設けられたフィールド膜３及びレジスト４をマスクにして、ボロン（Ｂ+）等のｐ型不純物イオンを半導体基板２に注入する（不純物イオン注入工程）。ここで、ｐ型不純物イオンは、フィールド膜３の凹部５が形成された部分は透過するが、フィールド膜３の凹部５が形成されていない部分は透過しない。このため、ｐ型不純物イオンは、フィールド膜３の凹部５の下方に選択的に注入されることとなる。ここで、リード拡散部１４を形成する領域においては、図８に示すように、後述するシリコン酸化膜からなる保護膜１５を形成する直前の半導体基板２の表面Ｐ１から半導体基板２内部への成長部分（厚さＴｐ１（保護膜１５の全体の厚みＴｔ１の４４％（理論値）の厚み）の部分）の最下部よりもさらに下方の深い領域にｐ型不純物イオンを注入する。
【００３２】
次いで、図９に示すように、半導体基板２の表面からフィールド膜３及びレジスト４を除去する。その結果、半導体基板２の表面Ｐ１が完全に露出する。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、半導体基板２に、ｐ型反転層であるピエゾ拡散ゲージ１２（図２）やリード拡散部１４を形成する（反転層形成工程）。このとき形成されたリード拡散部１４は、図９に示すように、後述するシリコン酸化膜からなる保護膜１５の半導体基板２の表面Ｐ１から内部への成長部分（厚さＴｐ１の部分）の最下部よりも下方の深い領域に配置されることとなる。
【００３３】
次いで、図１０に示すように、半導体基板２の表面Ｐ１上に、シリコン酸化膜からなる保護膜１５を形成する（保護膜形成工程）。また、半導体基板２の表面Ｐ１上にアルミニウム等を蒸着して電極１３（図２）を形成する（電極形成工程）とともに、ドライエッチング法等により半導体基板２に起歪部１１ａ（図２）を形成してダイアフラム１１を構成する（ダイアフラム構成工程）。以上の工程群を経て、センサチップ１０が形成される。なお、電極形成工程やダイアフラム形成工程は、保護膜形成工程の前に行ってもよい。
【００３４】
続いて、図１１に示すように、センサチップ１０の表面に形成された保護膜１５の一部を接合面３０として、カバー部材２０を接合する（カバー部材接合工程）。本実施形態においては、カバー部材接合工程として、接合面３０にカバー部材２０を当接させて加熱することにより、センサチップ１０とカバー部材２０とを接合する直接接合工程を採用している。なお、接合面３０をプラズマにより活性化させた後に接合面３０にカバー部材２０を当接させて行う直接接合を採用しても良い。こうして圧力センサ１の作製が終了する。
【００３５】
本実施形態における反転層形成工程は、本発明におけるリード拡散部形成工程に相当する。また、本実施形態におけるフィールド膜形成工程、レジスト形成工程、エッチング工程、不純物イオン注入工程、反転層形成工程、保護膜形成工程、電極形成工程、ダイアフラム形成工程は、本発明におけるセンサチップ構成工程を構成する。
【００３６】
以上説明した実施形態に係る圧力センサ１の製造方法においては、ダイアフラム１１の表面上に形成した保護膜１５の一部を接合面３０としてカバー部材２０を接合する際に、保護膜１５が形成される直前のダイアフラム１１の表面Ｐ１から保護膜１５のダイアフラム１１内部への成長分よりも深い領域にリード拡散部１４が形成されるので、リード拡散部１４の存在が接合面３０の平坦度に与える影響を抑制することができる。従って、接合面３０に段差が生じることを抑制することができる。この結果、平坦度の高い接合面３０を介してセンサチップ１０とカバー部材２０とを安定的かつ強固に接合することができる。
【００３７】
なお、以上の実施形態においては、カバー部材２０をシリコンで構成し、直接接合工程によりカバー部材２０をセンサチップ１０に接合した例を示したが、カバー部材２０をガラスで構成し、接合面３０にカバー部材２０を当接させて加熱しながら電圧を印加することによりカバー部材２０をセンサチップ１０に接合することもできる（陽極接合工程）。
【００３８】
また、以上の実施形態においては、ｎ型のシリコンからなる半導体基板２に、ボロン（Ｂ+）等のｐ型不純物イオンを注入して反転層（ピエゾ拡散ゲージ１２やリード拡散部１４）を形成した例を示したが、ｐ型のシリコンからなる半導体基板に、燐（Ｐ+）等のｎ型不純物イオンを注入して反転層を形成することもできる。その他、本発明を、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１…圧力センサ
１０…センサチップ（第１部材）
１１…ダイアフラム
１２…ピエゾ拡散ゲージ
１３…電極
１４…リード拡散部
１５…保護膜
２０…カバー部材（第２部材）
３０…接合面
【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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【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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