(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の中央部に電気化学エッチングにより形成される薄肉部を備えた半導体装置において、
前記薄肉部と導体パターンを介して電気的に接続されるように前記半導体基板上に形成された回路部と、
前記電気化学エッチング時に外部から前記薄肉部への通電経路となる導体パターン部分に設けられた逆流阻止用の第１のダイオード部と、
前記回路部から前記薄肉部に至る前記導体パターンの経路に設けられた逆流阻止用の第２のダイオード部とを備え、
前記第２のダイオード部は、前記電気化学エッチング時に印加する電圧で寄生素子により発生するリーク電流経路にリーク電流が流れるのを阻止する防止手段を有する構成とされていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記防止手段は、前記第２のダイオード部に接続される電極パターンにより形成される寄生ＭＯＳ構造で発生するチャンネルを阻止するチャンネルストッパ領域として形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記防止手段は、前記第２のダイオード部に接続される電極パターンにより形成される寄生ＭＯＳ構造で発生するチャンネルに対してこのチャンネルがリーク電流経路とならないように拡散領域を回避する構成とされていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ダイオード部は、前記半導体基板に対して形成された横方向トランジスタのコレクタ・ベース間を電極パターンにより短絡状態とすることにより設けていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置。
【請求項５】
前記薄肉部は、外部からの圧力に応じて変位するダイヤフラム部として作用するものであり、その圧力の大きさに応じて抵抗値が変化する拡散抵抗が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学エッチングを行って薄肉部を形成する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のものとしては、例えば、半導体圧力センサのように、半導体基板としてのシリコン基板に部分的に薄肉部分を形成してこれをダイヤフラムとし、このダイヤフラム部に形成した拡散抵抗が圧力に応じてピエゾ抵抗効果によって変化するように構成したものがある。この拡散抵抗は配線パターンによりブリッジ接続されており、外部から圧力を受けるとブリッジの平衡状態がくずれて圧力に応じた電圧信号が出力されるものである。
【０００３】
上述の場合、圧力を精度良く検出する構成を得るために、ダイヤフラムを形成するためのエッチング処理では、ダイヤフラムの厚さ寸法の制御性の良い電気化学ストップエッチング法による異方性エッチング処理を行うようにしている。これは、水酸化カリウムなどの水溶液で異方性エッチング処理を行う際に、ダイヤフラムに対応する部分に所定の逆方向電圧を印加した状態で行うもので、エッチングの進行により電圧が印加されて形成されている空乏層領域がエッチング液にさらされるようになると、電流が流れることによりエッチングが停止されるという特性を利用して所定の厚さ寸法のダイヤフラムを得るものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように電気化学ストップエッチングを行う場合に、圧力センサのチップに圧力検出の集積回路部をモノリシックに形成しているものでは、その集積回路部に電流が流れ込まないようにする必要がある。そこで、従来では、集積回路部からダイヤフラムの拡散抵抗に至る経路にダイオード構造を設けることにより、電流が流入するのを阻止するようにしたものがある。
【０００５】
図１５は、シリコンウエハ上に多数形成されたうちの一つの半導体圧力センサのセンサチップ１を示すもので、ダイヤフラム部２にはピエゾ抵抗効果を有する拡散抵抗３（図１６参照）が複数形成されており、その検出信号は集積回路部４で処理される。センサチップ１の外周部にはスクライブラインに沿ってエッチング用の給電用導体パターン５が形成され、ダイオード部６ａを介してダイヤフラム部２側の導体パターン７に接続されている。集積回路部４は導体パターン４ａから電源パッド４ｂおよびダイオード部６ｂを介して導体パターン７に接続されている。
【０００６】
ダイオード部６ａ，６ｂは、図１６に断面で示すように、センサチップ１の表面近傍を電流が流れるように横方向ｐｎｐトランジスタ構造を採用した構成となっている。センサチップ１を構成するｐ形のシリコン基板１ａ上にはｎ形のエピタキシャル層１ｂが積層されており、このエピタキシャル層１ｂはｐ形の分離拡散領域８によりダイヤフラム領域９，ダイオード領域１０ａ，１０ｂに分離形成されている。
【０００７】
ダイオード領域１０ａ（１０ｂ）には、高濃度のｎ形埋込層１１ａ（１１ｂ）が形成されると共に、ｐ形コレクタ拡散領域１２ａ（１２ｂ）およびｐ形エミッタ領域１３ａ（１３ｂ）が形成されている。また、ダイオード領域１０ａ（１０ｂ）はベース領域として利用される部分でコンタクトを取るための高濃度ｎ形拡散領域１４ａ（１４ｂ）が形成されている。この場合、コレクタ拡散領域１２ａ（１２ｂ）は、エミッタ拡散領域１３ａ（１３ｂ）を包囲するように形成されている。センサチップ１の外周部に形成された導体パターン５はダイオード部６ａのエミッタ拡散領域に接続され、導体パターン７はコレクタ拡散領域１２ａと高濃度ｎ形拡散領域１４ａとの間を短絡した状態で接続されている。
【０００８】
上記構成によれば、多数のセンサチップ１が形成された状態で、各センサチップ１のダイヤフラム部２の裏面側をエッチングにより除去する場合に、電気化学ストップエッチングにおいて、電圧印加用の導体パターン５からダイオード部６ａを介してダイヤフラム部２に外部電源１６から正の電圧を印加する場合には、ダイオード部６ｂにより集積回路部４側に電流が流れるのを防止することができる。これにより、図示しないエッチング槽に浸漬した状態でセンサチップ１のシリコンウエハと対向電極１７との間に電圧を印加しながらエッチング処理を行うことができる。
【０００９】
また、逆にシリコンウエハから各センサチップ１を切断して使用する場合には、電源パッド４ｂからダイヤフラム部２の拡散抵抗３側に電圧を印加する場合に、ダイオード部６ａにより導体パターン４側に電流が流れるのを防止できるようになる。
【００１０】
ところで、上述のような従来構成のダイオード部６ａ，６ｂでは次のような不具合が発生することがあった。すなわち、電気化学ストップエッチング処理において、ダイヤフラム部２の厚さ寸法を所望の厚さ寸法になるように制御する場合に、厚く残す場合には印加する電圧を高くして空乏層の広がりを広くする必要がある。
【００１１】
しかしながら、このとき、ダイオード部６ｂにおいては、図１７，１８に示すように構成されていることから、例えば、エミッタ拡散領域１３ｂに電気的に接続された導体パターン４ａの直下には絶縁膜１８を介してベース領域となるｎ形のダイオード領域１０ｂが存在するので、導体パターン５に正の電圧が印加されると、ｎ形のダイオード領域１０ｂの表層部に反転層が形成され、これがチャンネル１９ａ，１９ｂとなってｐ形のコレクタ拡散領域１２ｂとｐ形のエミッタ拡散領域１３ｂあるいは分離拡散領域８との間を電気的に導通させるｐチャンネルＭＯＳトランジスタが形成されてしまうことになる。
【００１２】
これによって、図１６に示すように、外部電源１６の電圧が高い場合には、外部電源１６からダイオード部６ａを順方向に介した後、導体パターン７からダイヤフラム部２に至る正規の通電経路の他に、上述の寄生ＭＯＳトランジスタが動作することにより、導体パターン７からダイオード部６ｂのコレクタ拡散領域１２ｂを介して導体パターン４ａの下部に位置するコレクタ拡散領域１２ｂからチャンネルを通ってエミッタ拡散領域１３ｂを介して導体パターン４ａ側に至る経路が形成されることにより集積回路部４に電流が漏れるようになる。
【００１３】
また、コレクタ拡散領域１２ｂからチャンネルを通って分離拡散領域８からシリコン基板１ａ側に至る経路が形成されることによりダイヤフラム部２以外の部分から電流が漏れるようになる。したがって、ダイオード部６ｂとしての機能が阻害されてしまうため、電気化学ストップエッチング処理を確実に行えなくなる不具合が発生するのである。この結果、従来においては、高い電圧を印加して電気化学エッチング処理を行うことが困難となり、例えば、この構造のダイオード部を採用した場合には、実質的には１５Ｖ程度以上の電圧を印加することができないというのが実情であった。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、ダイオード部を設けて漏れ電流を阻止しながら高い電圧を印加する場合でも電気化学ストップエッチングを確実に行えるようにした半導体装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、第２のダイオード部にリーク電流を阻止する防止手段を設けるので、電気化学エッチング時に半導体基板に印加する電圧により寄生素子の悪影響によって薄肉部形成領域以外へのリーク電流を確実に阻止して電気化学エッチングを行うことができるようになる。これによって電気化学エッチング時の印加電圧を従来よりも高くすることができるようになるので、薄肉部の形成にあたってその厚さ寸法を調整できる範囲を広くすることができ、設計的な余裕度を大きくすることができるようになる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、防止手段として、寄生ＭＯＳのチャンネルを阻止するチャンネルストッパを設けることにより、反転層が形成されてもそのチャンネルストッパ部分で反転層が消滅するので、全体としてチャンネルが形成されなくなり、リーク電流の経路となるのを防止することができる。
【００１７】
請求項３の発明によれば、防止手段として、寄生ＭＯＳ効果によりチャンネルが発生する場合でもその経路に拡散領域が形成されないように設定しているので、リーク電流が流れるのを阻止することができるようになる。
【００１８】
請求項４の発明によれば、ダイオード部を横方向トランジスタを利用して構成しているので、半導体基板の表層部を介して電流を流すようにすることができるので、半導体基板内部にリークする電流を極力少なくすることができる。
【００１９】
請求項５の発明によれば、薄肉部を圧力に応じて変位するダイヤフラム部として使用する圧力センサなどに適用するものである場合に、ダイヤフラムとして要求される厚さ寸法の範囲を広く設定することができると共に、精度の良い加工を行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を半導体圧力センサのセンサチップに適用した場合の一実施の形態について、図１ないし図１４を参照しながら説明する。
図５は、電気化学エッチングを行う状態でのシリコンウエハ２１の状態で示すもので、これには多数のセンサチップ２２が形成されるようになっている。各センサチップ２２には外周部のスクライブラインに沿って導体パターン２３が形成されており、シリコンウエハ２１の一部に設けた電極部２４に接続されるようになっている。
【００２１】
後述する電気化学エッチングは図６に示すように、シリコンウエハ２１の電極部２４は外部直流電源２５の正極端子に接続された状態で負極端子に接続された白金（Ｐｔ）の対向電極２６と共にエッチング槽２７に浸される。エッチング槽２７内には異方性エッチングを行うためのアルカリ異方性エッチング液として水酸化カリウム（２５〜４０ｗｔ％ＫＯＨ）溶液２７ａが満たしてある。この状態で電気化学ストップエッチング処理を行うことによりセンサチップ２２の所望の部位に薄肉部を形成するものである。
【００２２】
さて、図３および図４はこのような電気化学ストップエッチング処理を経て形成されるセンサチップ２２を上面から見た状態および模式的な断面で見た状態で示している。センサチップ２２の中央部には裏面側が矩形凹状に形成された薄肉部としてのダイヤフラム部２８が設けられており、このダイヤフラム部２８には表面部にピエゾ抵抗効果を有する拡散抵抗２９が複数形成されている。集積回路部３０は、ダイヤフラム部２８に受ける圧力で変化する拡散抵抗２９からの信号を処理して圧力の検出信号として出力するためのもので、電源パッド３１に導体パターン３１ａを介して接続されている。
【００２３】
ダイヤフラム部２８の拡散抵抗２９には導体パターン３２が接続されており、これによってブリッジ回路が形成されている。そして、そのブリッジ回路の給電端子側は導体パターン３２がダイヤフラム部２８から導出されている。この導体パターン３２には、外周部に形成された導体パターン２３から第１のダイオード部３３を介して接続されており、また、電極パッド３１から第２のダイオード３４を介して接続されている。
【００２４】
なお、上述した拡散抵抗２９により構成されるブリッジ回路では、外部から給電した状態で、ダイヤフラム部２８に圧力が及んでいないときには出力端子には電圧が現れず、圧力を受けてダイヤフラム部２８が歪むとピエゾ抵抗効果によって拡散抵抗２９の歪んだ方向に応じて抵抗値が変化するようになる。この変化はブリッジ回路の出力端子間に電位の変化として現れるようになり、この電圧を検出することで圧力を検出するものである。
【００２５】
第１および第２のダイオード部３３および３４は、センサチップ２２の表面近傍を電流が流れるように、横方向ｐｎｐトランジスタ構造を採用した構成となっている。センサチップ２２を構成するｐ形のシリコン基板２２ａ上にはｎ形のエピタキシャル層２２ｂが積層されており、このエピタキシャル層２２ｂはｐ形の分離拡散領域３５によりダイヤフラム領域３６およびダイオード領域３７に分離形成されている。
【００２６】
ダイオード領域３７はｐｎｐ形トランジスタのベース領域となるもので、図１および図２にも示すように、シリコン基板２２ａとエピタキシャル層２２ｂとの界面部に高濃度のｎ形埋込層３８があらかじめ形成されており、表面側からはｐ形コレクタ領域３９およびｐ形エミッタ領域４０が拡散により形成されている。この場合、コレクタ領域３９は、平面的には主領域の端部でエミッタ領域４０を包囲するようにしてコ字状にパターンが形成されている。なお、このようにコ字状をなすように形成することで、ダイオード部３４においては防止手段としての機能を果たすようになっている。
【００２７】
コレクタ領域３９の外周部には、これと接触して包囲するように高濃度のｎ形拡散領域４１が形成されている。このｎ形拡散領域４１は、ダイオード部３４においてはチャンネルストッパとしての機能を果たすように設けられた防止手段のひとつである。このｎ形拡散領域４１とコレクタ領域３９とを短絡するように導体パターン３２が接続されていると共に、エミッタ領域４０には導体パターン２３が接続されており、他の部分の表面にはシリコン酸化膜等の絶縁膜４２が形成されている。
【００２８】
このような構成とすることにより、エミッタ・コレクタ間の耐圧を５０Ｖ程度以上とすることができ、例えば電気化学エッチング処理時において３０Ｖ〜４０Ｖ程度の電圧を印加しながら行うことが可能となるものである。
【００２９】
上記構成のセンサチップ２２は以下に示すような概略的な工程を経て製作される。
（１）図７に示すように、シリコンウエハ２１としては、ｐ形で面方位が（１００）もしくは（１１０）のシリコン基板２２ａ上にｎ形のエピタキシャル層２２ｂが積層されたウエハ２１ａを用いる。この場合において、シリコン基板２２ａには、所定の領域にあらかじめ高濃度のｎ形不純物がデポされており、エピタキシャル層２２ｂが積層されて高濃度のｎ形埋込層３８が形成されるようになっている。
【００３０】
（２）次に、図８に示すように、ｎ形のエピタキシャル層２２ｂを所望の領域に区切るために、ｐ形の分離拡散領域３５をシリコン基板２３ａまで貫通するように形成する。これにより、ｎ形のダイヤフラム領域３６およびｎ形のダイオード領域３７をｐ形領域で分離した状態に形成する。
【００３１】
（３）続いて、図９に示すように、シリコンウエハ２１ａの表面に所定膜厚のシリコン酸化膜４２を形成して表面を保護する。
（４）次に、図１０に示すように、ダイオード領域３７内に、高濃度の不純物を導入してｐ形のコレクタ領域３９およびエミッタ領域４０を拡散により所定深さ寸法に形成する。
【００３２】
（５）次に、図１１に示すように、ダイオード領域３７に高濃度の不純物を導入してｎ形拡散領域４１を形成すると共に、ダイヤフラム領域３６にコンタクト用の高濃度のｎ形拡散領域３６ａを形成する。
（６）次に、図１２に示すように、ダイヤフラム領域３６内に、高濃度の不純物を導入してピエゾ抵抗効果を有するｐ形の拡散抵抗２９を形成する。
【００３３】
（７）続いて、図１３に示すように、導体パターン２３，３１ａ，３２を形成する。これは、蒸着などによって形成したアルミニウム膜をフォトリソグラフィ処理によってパターニングすることにより形成する。
（８）ウエハ処理の最後に、図１４に示すように、電気化学ストップエッチング処理により、ダイヤフラム領域３６の裏面側を所定厚さ寸法まで異方性エッチングを行い、ダイヤフラム部２８を形成する。
【００３４】
次に、上記した（８）の工程における電気化学ストップエッチング処理について詳述する。図６に示したように、電気化学ストップエッチング処理においては、シリコンウエハ２１の状態でエッチング槽２７の水酸化カリウム溶液２７ａ内に浸し、外部電源２５から電圧を印加した状態で行う。水酸化カリウム溶液２７ａは、シリコンを異方性エッチングする場合のエッチング液であり、これによって、ダイヤフラム部２８の凹部の形状を厚さ方向に対して速いエッチングを行うものである。
【００３５】
この電気化学ストップエッチング処理では、シリコンウエハ２１の各センサチップ２２に対して、電極部２４に外部電源２５の正極端子から導体パターン２３に電圧を印加する。各センサチップ２２においては、導体パターン２３から第１のダイオード部３３を介してダイヤフラム部２８に導通するので、ダイヤフラム部２８のｎ形のダイヤフラム領域３６に電圧が印加されてシリコン基板２２ａとの間のｐｎ接合に空乏層が広がるようになる。
【００３６】
そして、このときの空乏層の広がり幅の寸法がエッチング処理により残すべきダイヤフラム部２８の寸法を制御することになる。したがって、制御可能な寸法の範囲を広げるためには、印加する電圧をできるだけ大きくとれるようにした構造が必要となる。そこで、本実施例の構造においては、第２のダイオード部３４に防止手段としてのリーク防止構造を採用していることで、比較的高い電圧を印加してもリーク電流の発生を極力防止できるようにしているものである。
【００３７】
すなわち、第１のダイオード部３３においては、導体パターン２３からエミッタ領域４０に順方向に印加される電圧により、ベース領域としてのダイオード領域３７の表面部を介してコレクタ領域３９に電流経路ができ、導体パターン３２からダイヤフラム部３６に電圧が印加されるようになる。このとき、エッチング槽２７に浸された対向電極２６には負電圧（０Ｖ）が印加されるので、エッチング液２７ａを介してシリコンウエハ２１のｐ形のシリコン基板２２ａ側には負電圧（０Ｖ）が印加されることになる。
【００３８】
このとき、第２のダイオード部３４においては、導体パターン３２に正電圧が印加されていることから、集積回路部３０に接続される導体パターン３１ａの直下のダイオード領域３７には反転層が形成される可能性がある。しかし、この導体パターン３１ａの直下部分には、ｐ形のコレクタ領域３９が形成されていないことから、エミッタ領域４０につながるｐ形のチャンネルが形成されることはなく、また、高濃度のｎ形拡散領域４１が形成されていることからこれによりチャンネルストッパとしての機能が働くので、コレクタ領域３９から分離拡散領域３５にチャンネルが形成されることがなくなる。
【００３９】
この結果、電気化学ストップエッチング処理時に、ダイヤフラム部２８に比較的高い電圧を印加しても、集積回路部３０側へのリーク電流の発生や分離拡散領域３５を介してシリコン基板２２ａへのリーク電流の発生を抑制することができるので、ダイヤフラム部２８のエッチング処理を精度良く行えると共に、厚さ寸法の制御の範囲を広く取ることができるようになる。
【００４０】
この場合、本実施例の構成によって寄生ＭＯＳ効果が抑制できることにより、４０ボルト程度の電圧を印加した場合に従来ではリーク電流が１μアンペア以上発生していたのが、１ｎアンペア以下に低減することができるようになり、電気化学エッチング処理時に１〜４０Ｖまでの広い範囲から所望の電圧を印加してエッチング処理を行うことができるようになる。
【００４１】
このような本実施例によれば、ダイオード部３４のコレクタ領域３９をエミッタ領域４０に接続される導体パターン３１ａの直下部分に形成しない平面的にコ字状をなす形状に構成したので、寄生ＭＯＳ効果によりコレクタ領域３９からエミッタ領域４０にチャンネルが形成されることがなくなる。また、ダイオード部３４のコレクタ領域３９外周部に高濃度のｎ形拡散領域４１を形成したので、寄生ＭＯＳ効果によりコレクタ領域３９から分離拡散領域３５にチャンネルが形成されることがなくなる。
【００４２】
この結果、電気化学ストップエッチング処理時に、ダイヤフラム領域３６に対して高い電圧を印加してもダイヤフラム領域３６以外の部分である集積回路部３０やシリコン基板２２ａ側へ流れるリーク電流を極力抑制することができるようになり、エッチング処理によるダイヤフラム部２８の厚さ寸法の制御の調整範囲を広くとることができるようになって、製作上での自由度が高くなる。
【００４３】
本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、次のように変形また拡張できる。
リーク防止手段は、他に、寄生ＭＯＳ効果により発生するチャンネルのしきい値を高くする手段を用いることができる。例えば、酸化膜４２の膜厚を厚く設定したり、シリコン基板２２ａ上のエピタキシャル層２２ｂの濃度をより高く設定したりする構成を採用することができる。
【００４４】
圧力センサ以外に、電気化学ストップエッチング処理によりエッチングを行う半導体装置として、加速度センサなどの薄肉のビーム部分を形成する場合にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示すダイオード部の上面図
【図２】ダイオード部の模式的断面図
【図３】センサチップの上面図
【図４】センサチップの模式的断面図（図３中Ａ−Ａ線の断面を示す）
【図５】センサチップをウエハ状態で示す上面図
【図６】電気化学ストップエッチングの装置構成図
【図７】センサチップの製造過程を示す模式的断面図（その１）
【図８】センサチップの製造過程を示す模式的断面図（その２）
【図９】センサチップの製造過程を示す模式的断面図（その３）
【図１０】センサチップの製造過程を示す模式的断面図（その４）
【図１１】センサチップの製造過程を示す模式的断面図（その５）
【図１２】センサチップの製造過程を示す模式的断面図（その６）
【図１３】センサチップの製造過程を示す模式的断面図（その７）
【図１４】センサチップの製造過程を示す模式的断面図（その８）
【図１５】従来例を示す図３相当図
【図１６】図４相当図（図１５中ａ−ａ線の断面を示す）
【図１７】図１相当図
【図１８】図２相当図
【図１９】寄生ＭＯＳトランジスタの説明図
【符号の説明】
２１はシリコンウエハ、２２はセンサチップ、２２ａはシリコン基板、２２ｂはエピタキシャル層、２３は導体パターン、２４は電極部、２５は外部直流電源、２６は対向電極、２７はエッチング槽、２７ａは水酸化カリウム溶液、２８はダイヤフラム部（薄肉部）、２９は拡散抵抗、３０は集積回路部、３１は電源パッド、３１ａは導体パターン、３２は導体パターン、３３は第１のダイオード部、３４は第２のダイオード部、３５は分離拡散領域、３６はダイヤフラム領域、３７はダイオード領域、３８は高濃度のｎ形埋込層、３９はコレクタ領域（防止手段）、４０はエミッタ領域、４１はｎ形拡散領域（防止手段）、４２は絶縁膜である。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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