(57)【要約】【課題】薄いダイアフラムでも破損し難く取り扱いが容易な半導体圧力センサを得る。【解決手段】第１の半導体基板１の表面に、キャビティ４を有する酸化膜２が形成されている。第２の半導体基板３が酸化膜２を介して第１の半導体基板１に貼り合わされている。第２の半導体基板３はキャビティ４の上にダイアフラム５を有する。ダイアフラム５の領域内において第１の半導体基板１の表面に凹部が形成されていない。ダイアフラム５の外周において酸化膜２に応力緩和溝６が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を有する第１の半導体基板と、
前記第１の半導体基板の前記表面の上に形成され、キャビティを有する酸化膜と、
前記酸化膜を介して前記第１の半導体基板に貼り合わされ、前記キャビティの上にダイアフラムを有する第２の半導体基板と、
前記ダイアフラムに形成されたピエゾ素子とを備え、
前記ダイアフラムの領域内において前記第１の半導体基板の前記表面に凹部が形成されておらず、
前記ダイアフラムの外周において前記酸化膜に応力緩和溝が形成されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
前記キャビティに接続されたキャビティ拡張室が前記ダイアフラムの領域外において前記第１の半導体基板の前記表面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ。
【請求項３】
前記第１の半導体基板の裏面から前記キャビティ拡張室に達する圧力導入孔が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気圧などを測定するダイアフラム型の半導体圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来はダイアフラムの領域内において基板表面に凹部を形成してキャビティとしていた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２３７３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
基板表面に凹部を形成すると、ダイアフラムの下方におけるキャビティの高さが高くなる。このため、ダイアフラムの撓み量が大きくなり、ダイアフラムに破壊強度以上の応力が加わる場合があった。よって、薄いダイアフラムだと破損しやすく、取り扱いが難しいという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は薄いダイアフラムでも破損し難く取り扱いが容易な半導体圧力センサを得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る半導体圧力センサは、表面を有する第１の半導体基板と、前記第１の半導体基板の前記表面の上に形成され、キャビティを有する酸化膜と、前記酸化膜を介して前記第１の半導体基板に貼り合わされ、前記キャビティの上にダイアフラムを有する第２の半導体基板と、前記ダイアフラムに形成されたピエゾ素子とを備え、前記ダイアフラムの領域内において前記第１の半導体基板の前記表面に凹部が形成されておらず、前記ダイアフラムの外周において前記酸化膜に応力緩和溝が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、ダイアフラムの領域内において、ダイアフラムのストッパーとして機能する第１の半導体基板の表面に凹部が形成されていないため、キャビティの高さは酸化膜の膜厚で決まる。酸化膜の膜厚を調整することで、ダイアフラムに破壊強度以上の応力が加わらないようにキャビティの高さを簡単に設定することができる。また、ダイアフラムの外周において酸化膜に応力緩和溝を形成することで反り量を低減できる。これにより薄いダイアフラムでも破損し難く取り扱いが容易な半導体圧力センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１に係る半導体圧力センサを示す平面図である。
【図２】図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図３】実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法を示す断面図である。
【図４】実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法を示す断面図である。
【図５】比較例に係る半導体圧力センサを示す平面図である。
【図６】図５のＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図７】実施の形態１に係る半導体応力センサの変形例を示す平面図である。
【図８】実施の形態２に係る半導体圧力センサを示す平面図である。
【図９】図８のＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図１０】実施の形態２に係る半導体圧力センサの製造方法を示す断面図である。
【図１１】実施の形態２に係る半導体圧力センサの製造方法を示す断面図である。
【図１２】実施の形態２に係る半導体圧力センサの製造方法を示す断面図である。
【図１３】実施の形態３に係る半導体圧力センサを示す平面図である。
【図１４】図１３のＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図１５】実施の形態３に係る半導体圧力センサの製造方法を示す断面図である。
【図１６】実施の形態３に係る半導体圧力センサの製造方法を示す断面図である。
【図１７】実施の形態３に係る半導体圧力センサの製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態に係る半導体圧力センサについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る半導体圧力センサを示す平面図である。図２は図１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。シリコン基板１の表面にシリコン酸化膜２が形成されている。シリコン酸化膜２は、シリコン基板１の中央部に開口を有する。シリコン基板３がシリコン酸化膜２を介してシリコン基板１に貼り合わされている。シリコン基板１とシリコン基板３で挟まれたシリコン酸化膜２の開口がキャビティ４である。このような構成をキャビティＳＯＩウエハと呼ぶ。
【００１１】
キャビティ４の上にあるシリコン基板３がダイアフラム５である。キャビティ４及びダイアフラム５は平面視で四角形である。このダイアフラム５の領域内においてシリコン基板１の表面に凹部が形成されていない。ダイアフラム５の外周においてシリコン酸化膜２に応力緩和溝６が形成されている。
【００１２】
ピエゾ素子７がダイアフラム５の４辺にそれぞれ形成されている。ピエゾ素子７は拡散配線８と金属配線９でホイートストンブリッジ結線されている。圧力変化によりダイアフラム５のたわみ量が変化すると、ダイアフラム５の４辺に配置したピエゾ素子７に加わる応力変化によりピエゾ素子７の拡散値が変化する。このため、圧力変化を電圧値変化として出力することができる。
【００１３】
シリコン基板１とシリコン基板３を真空中で貼り合わせるため、キャビティ４は真空室になる。この真空度が圧力変化の基準となる絶対圧センサとなる。圧力変化に対する検出感度はダイアフラム５の厚みと面積で制御できる。ダイアフラム５の厚みはシリコン基板３の厚みである。ダイアフラム５の面積はキャビティ４の面積である。シリコン基板３上に保護膜１０が形成されている。
【００１４】
図３及び図４は実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法を示す断面図である。図３に示すように、シリコン基板１の表面にシリコン酸化膜２を形成する。チップ中央部でシリコン酸化膜２をエッチングしてキャビティ４を形成し、チップ外周部でシリコン酸化膜２をエッチングして応力緩和溝６を形成する。
【００１５】
次に、図４に示すように、シリコン基板１とシリコン基板３をシリコン酸化膜２を介して真空中で貼り合わせて接合する。これによりキャビティ４は真空室になる。シリコン基板３を所望の厚さになるように研磨しダイアフラム５を形成する。
【００１６】
次に、図２に示すように、シリコン基板３に不純物を注入し、アニール処理を行って拡散抵抗であるピエゾ素子７を形成する。拡散配線８及び金属配線９でピエゾ素子７をホイートストンブリッジ結線する。最後にシリコン基板３上に保護膜１０を形成する。
【００１７】
続いて、本実施の形態の効果を比較例と比較して説明する。図５は、比較例に係る半導体圧力センサを示す平面図である。図６は図５のＩ−ＩＩに沿った断面図である。比較例ではシリコン基板１００の裏面を研磨した後、裏面からのエッチングでダイアフラム１０１を形成する。この研磨量とエッチング量の面内ばらつきにより、ダイアフラム１０１の厚みがばらつく。ばらつきを考慮すると、その厚みは２０μｍ程度が限界である。また、絶対圧センサとする場合はシリコン基板１００の裏面にガラス１０２を陽極接合し真空室を形成する必要があり製造プロセスが複雑である。
【００１８】
これに対して、本実施の形態では、シリコン酸化膜２を介してシリコン基板１に貼り合わせたシリコン基板３をダイアフラム５にしている。シリコン基板３の裏面研磨によりダイアフラム５を面内ばらつきが少なく薄く形成することができる。
【００１９】
また、キャビティ４の下部のシリコン基板１がダイアフラム５のストッパーとして機能し、ダイアフラム５の撓み量を制限する。シリコン基板１の表面に凹部が形成されていないため、キャビティ４の高さはシリコン酸化膜２の膜厚で決まる。このキャビティ４の高さがダイアフラム５の圧力変化に対する可動範囲を決める。シリコン酸化膜２の膜厚を調整することで、ダイアフラム５に破壊強度以上の応力が加わらないようにキャビティ４の高さを簡単に設定することができる。
【００２０】
例えば、絶対圧１気圧センサの場合、ダイアフラム５が４００μｍ角、１０μｍ厚みとすると、キャビティ４の高さを１．５μｍ程度にすることで、５気圧程度の圧力印加でダイアフラム５がシリコン基板１に接触しストッパーとして機能する。
【００２１】
ただし、キャビティ４の高さはシリコン酸化膜２の膜厚と同じなので、シリコン酸化膜２を厚くするとキャビティＳＯＩウエハ全体の反り量が大きくなる。反り量が大きいとウエハの搬送ができず、ウエハ反り量を制御するためにウエハプロセスが複雑になるなどの問題がある。そこで、ダイアフラム５の外周にシリコン酸化膜２に応力緩和溝６を設けることで反り量を低減できる。例えば、応力緩和溝６の幅は１μｍ、応力緩和溝６とキャビティ４の距離は３００μｍである。ただし、シリコン酸化膜２がチップ外周部で分離できていればよいので、応力緩和溝６の幅は１μｍより狭くてもよい。これにより薄いダイアフラム５でも破損し難く取り扱いが容易な半導体圧力センサを得ることができる。
【００２２】
図７は、実施の形態１に係る半導体応力センサの変形例を示す平面図である。図１ではチップ単位で応力緩和溝６を設けていたが、図３のように応力緩和溝６を隣接チップに連続配置してもよい。これにより、更にウエハ反り量を低減することができる。
【００２３】
実施の形態２．
図８は、実施の形態２に係る半導体圧力センサを示す平面図である。図９は図８のＩ−ＩＩに沿った断面図である。ダイアフラム５の領域外においてシリコン基板１の表面にキャビティ拡張室１１が形成されている。キャビティ拡張室１１はシリコン基板１の表面に形成された凹部である。キャビティ拡張室１１は拡張室導入孔１２を介してキャビティ４に接続されている。
【００２４】
図１０から図１２は実施の形態２に係る半導体圧力センサの製造方法を示す断面図である。まず、図１０に示すように、シリコン基板１上に開口を有するシリコン酸化膜１３を形成する。このシリコン酸化膜１３をマスクとして用いてシリコン基板１をエッチングすることでキャビティ拡張室１１を形成する。その後、シリコン酸化膜１３を除去する。除去後に再びウエハ全面にシリコン酸化膜を形成してもよい。
【００２５】
次に、図１１に示すように、シリコン基板３にシリコン酸化膜２を形成し、写真製版を施しエッチングにより応力緩和溝６、拡張室導入孔１２、キャビティ４を形成する。
【００２６】
次に、図１２に示すように、キャビティ拡張室１１を形成したシリコン基板１とシリコン基板３をシリコン酸化膜２を介して真空中で貼り合わせて接合する。応力緩和溝６、拡張室導入孔１２、キャビティ４は真空になる。シリコン基板３を所望の厚さになるように研磨しダイアフラム５を形成する。
【００２７】
次に、図９に示すように、シリコン基板３に不純物を注入し、アニール処理を行って拡散抵抗であるピエゾ素子７を形成する。拡散配線８及び金属配線９でピエゾ素子７をホイートストンブリッジ結線する。最後にシリコン基板３上に保護膜１０を形成する。
【００２８】
ここで、キャビティ４の高さが低くキャビティ４の容量が小さい場合、圧力変化に対するダイアフラム５のたわみ量の追従性が悪化する。これは出力電圧のリニアリティーの悪化を引き起こす。そこで、キャビティ拡張室１１を設けることで、実質的にキャビティ４の容量を大きくできる。これにより、出力電圧のリニアリティー悪化を防止できる。また、キャビティ拡張室１１をダイアフラム５の領域外に形成することでダイアフラム５の下方におけるキャビティ４の高さは高くならない。従って、薄いダイアフラムでも破損し難く取り扱いが容易で圧力センサ特性の優れた半導体圧力センサを得ることができる。
【００２９】
実施の形態３．
図１３は、実施の形態３に係る半導体圧力センサを示す平面図である。図１４は図１３のＩ−ＩＩに沿った断面図である。実施の形態１，２に係る半導体圧力センサは絶対圧センサであったが、本実施の形態に係る半導体圧力センサは差圧センサである。
【００３０】
シリコン基板１の裏面からキャビティ拡張室１１に達する圧力導入孔１４が形成されている。これによりダイアフラム５は上下の圧力差に対応し変位するようになるため、ダイアフラム５上下の圧力差を検出する差圧センサが得られる。
【００３１】
図１５から図１７は実施の形態３に係る半導体圧力センサの製造方法を示す断面図である。まず、図１５に示すように、シリコン基板１上に開口を有するシリコン酸化膜１３を形成する。このシリコン酸化膜１３をマスクとして用いてシリコン基板１をエッチングすることでキャビティ拡張室１１を形成する。その後、シリコン酸化膜１３を除去する。除去後に再びウエハ全面にシリコン酸化膜を形成してもよい。
【００３２】
次に、図１６に示すように、シリコン基板３にシリコン酸化膜２を形成し、写真製版を施しエッチングにより応力緩和溝６、拡張室導入孔１２、キャビティ４を形成する。全面にシリコン酸化膜１５を形成する。ここでシリコン酸化膜１５にも応力緩和溝６を形成してもよいが、シリコン酸化膜１５はシリコン酸化膜１５に対して薄膜にできるため、応力緩和溝６を形成しなくても問題は無い。
【００３３】
次に、図１７に示すように、キャビティ拡張室１１を形成したシリコン基板１とシリコン基板３をシリコン酸化膜２及びシリコン酸化膜１５を介して真空中で貼り合わせて接合する。応力緩和溝６、拡張室導入孔１２、キャビティ４は真空になる。シリコン基板３を所望の厚さになるように研磨しダイアフラム５を形成する。
【００３４】
次に、図１７に示すように、シリコン基板３に不純物を注入し、アニール処理を行って拡散抵抗であるピエゾ素子７を形成する。拡散配線８及び金属配線９でピエゾ素子７をホイートストンブリッジ結線する。最後にシリコン基板３上に保護膜１０を形成する。
【００３５】
次に、図１４に示すように、シリコン基板１を裏面からエッチングしてキャビティ拡張室１１に達する圧力導入孔１４を形成する。この貫通エッチング時にシリコン酸化膜１５がダイアフラム５を保護するため、既に出来ているダイアフラム５の形状を損ねない。
【００３６】
また、圧力導入孔１４をダイアフラム５の領域外に配置したキャビティ拡張室１１に形成することでダイアフラム５の下方におけるキャビティ４の高さは高くならない。従って、薄いダイアフラムでも破損し難く取り扱いが容易な差圧検出タイプの半導体圧力センサを得ることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  シリコン基板（第１の半導体基板）、２  シリコン酸化膜（酸化膜）、３  シリコン基板（第２の半導体基板）、４  キャビティ、５  ダイアフラム、６  応力緩和溝、７  ピエゾ素子、１１  キャビティ拡張室、１４  圧力導入孔
【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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