(57)【要約】【課題】静電容量型圧力センサの非線形性を改善すること。【解決手段】入力によってキャパシタを構成する二つの電極間の距離を変化させずに、圧力センサの面積を変化させることで、入力に対する出力が線形的に変化するとともに、キャパシタの絶縁物質として、高い誘電常数及び優れた絶縁性を有するハフニウム酸化物を用いることで、静電容量及び感度を高められる静電容量型圧力センサの製造方法、及びこれによって製造された静電容量型圧力センサを提供する。【選択図】図１
2008064734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の上面を任意の深さだけエッチングする第１段階と;
前記シリコン基板の表面に、後述する第８段階でエッチングするときに用いられるエッ
チングストッパーを蒸着する第２段階と;
前記エッチングストッパーの表面にキャパシタの上部電極を蒸着する第３段階と；
前記上部電極の表面にキャパシタの絶縁層を蒸着する第４段階と;
前記絶縁層の表面にキャパシタの下部電極を蒸着してキャパシタを形成する第５段階と
;
ガラス基板の上面に金属パッド電極を形成する第６段階と;
前記シリコン基板のキャパシタの下部電極及びガラス基板の金属パッド電極に、電気（
陽極）接合法で異種接合を行う第７段階と;
前記ガラス基板に接合されたシリコン基板の下面をエッチングして前記エッチングスト
ッパーを露出させ、メンブレインを形成する第８段階と;
前記露出されたエッチングストッパーを湿式エッチングで除去する第９段階と；
を含む静電容量型圧力センサの製造方法。
【請求項２】
前記第１段階のエッチングでは、ＫＯＨまたはＥＤＰを用いて異方性湿式エッチングを
行い、マスク物質として、シリコンナイトライド（ＳｉｘＮｙ）、シリコンダイオキサイ
ド（ＳｉＯ２）、または、金（Ａｕ）又はクロム（Ｃｒ）金属を用いることを特徴とする
請求項１に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
【請求項３】
前記第１段階のエッチングでは、乾式エッチングを行い、マスク物質として、フォトレ
ジスト、または、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、又はアルミニウム（Ａｌ）金属を用いる
ことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
【請求項４】
前記第２段階では、第８段階でＫＯＨまたはＥＤＰを用いて異方性湿式エッチングを行
うときのエッチング中止用エッチングストッパーとして、シリコンダイオキサイド（Ｓｉ
Ｏ２）を用いることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
【請求項５】
前記第３段階の上部電極としては、ドーピングされたポリシリコンを用いることを特徴
とする請求項１に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
【請求項６】
前記第４段階の絶縁層としては、ハフニウム酸化物を用いることを特徴とする請求項１
に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
【請求項７】
前記第５段階の下部電極としては、ドーピングされたポリシリコンを用いることを特徴
とする請求項１に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
【請求項８】
前記第８段階では、シリコン基板の下面を異方性湿式エッチングし、第９段階では、キ
ャパシタを圧力によって移動する３層構造のメンブレインに形成することを特徴とする請
求項１に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のうち何れか１項に記載された製造方法で製造された静電容量型
圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型圧力センサに関するもので、特に、外部圧力の変化によって静電
容量型圧力センサの面積を変化させることで、入力に対する出力が線形的に変化するとと
もに、キャパシタの絶縁物質として、優れた絶縁性及び高い誘電常数を有するハフニウム
酸化物を用いることで、高い感度を有する静電容量型圧力センサの製造方法、及びこれに
よって製造された静電容量型圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体製造工程を用いた微細加工技術であるマイクロマシニング技術を採用する
半導体圧力センサに対し、研究が活発に行われている。前記マイクロマシニング技術によ
って微細加工された半導体圧力センサは、自動車システム、産業機器制御、環境モニタリ
ング、生医学的診断などの分野で広く応用される。
【０００３】
圧力センサは、絶対圧または相対圧を測定する素子であり、その感知原理に基づいて、
ストレインゲージタイプのメタル型圧力センサ、ピエゾ抵抗型圧力センサ、圧電型圧力セ
ンサ、ＭＯＳＦＥＴ型圧力センサ、ピエゾ接合（Ｐｉｅｚｏ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）型圧力
センサ、光ファイバ圧力センサ、静電容量型圧力センサなどに区分される。これら圧力セ
ンサのうち、金属を用いるメタル型圧力センサを除けば、半導体物質であるシリコンを用
いてマイクロマシニング技術で製作される。
【０００４】
静電容量型圧力センサは、シリコン薄膜ダイヤフラム（メンブレイン）と支持台との間
に平板キャパシタ（Ｐａｒａｌｌｅｌ  Ｐｌａｔｅ  Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）を形成し、外
部から印加される圧力による前記シリコン薄膜ダイヤフラムのたわみ（メンブレインの変
形）によって二つの電極間の間隔が変化することで、容量値が変化するという原理を用い
る。
【０００５】
上記のような静電容量型圧力センサは、絶対圧型と相対圧型とに大別される。絶対圧型
の静電容量型圧力センサは、ダイヤフラムの密閉条件で製作し、基準圧室内の所定圧力を
基準にして外部圧力を測定できる圧力センサであり、外部と完全に遮断されて周囲物質の
影響を受けないという長所があるが、基準圧室内部の空気圧縮によって非線形性が発生し
、温度増加による基準圧室内部の空気膨脹によってオフセット及び温度ドリフトが発生す
る。
【０００６】
一方、相対圧型の静電容量型圧力センサは、ガラス部に穴を穿孔して基準圧室が開放さ
れることで、二つの部分の相対的な圧力、すなわち、ダイヤフラム上下の圧力差を測定で
きる圧力センサであり、外部と開放されて周囲物質に影響を受けやすいが、基準圧室の内
部が密閉状態でないため、基準圧室内部の空気圧縮や膨脹に対する影響はない。
【０００７】
上記のように、ダイヤフラムのたわみ（メンブレインの変形）を用いて二つの電極間の
容量値を検出する静電容量型圧力センサは、ピエゾ抵抗型圧力センサより数十〜数百倍以
上高い感度値（より高い敏感度）を有するだけでなく、優れた安全性（より低い温度計数
、より強い構造）及び少ない消費電力（より低い動力消耗）を有するという長所がある。
【０００８】
図３のＡ〜Ｆは、従来の静電容量型圧力センサの製造工程を示した断面図である。一般
的に、圧力による静電容量の変化がピコファラッド（ｐｉｃｏｆａｒａｄ）の範囲にある
ので、二つの電極間の寄生容量を除去するためには、下部電極１４をガラス基板１３上に
形成し、上部電極１２をシリコン基板１１に形成した後、二つの基板１３，１１に、電気
（陽極）接合（ａｎｏｄｉｃ  ｂｏｎｄｉｎｇ）法で異種接合を行う。
【０００９】
まず、図３のＡは、上部基板として用いられるシリコン基板１１を示すもので、図３の
Ｂに示すように、このシリコン基板１１の上面を任意の深さに乾式エッチングした後、こ
のエッチング領域に、金属からなるキャパシタの上部電極１２を形成する。図３のＣは、
下部基板として用いられるガラス基板１３を示すもので、図３のＤに示すように、このガ
ラス基板１３上に下部電極１４を形成する。
【００１０】
その後、図３のＥに示すように、これら上部電極１２及び下部電極１４が形成された二
つの基板１１，１３に、電気（陽極）接合法で異種接合を行う。最後に、図３のＦに示す
ように、異方性湿式エッチングでシリコン基板１１の下面をエッチングしてメンブレイン
を形成することで、静電容量型圧力センサの製造が完了する。
【００１１】
前記静電容量型圧力センサは、圧力変化によってメンブレインが移動することで、キャ
パシタを構成する二つの電極間における距離変化を電気的に読み込む。
【００１２】
上記のような、従来の静電容量型圧力センサの構造は、ピエゾ抵抗型圧力センサより優
れた感度及び温度特性（感度が高く、温度変化にそれほど敏感でない）を有するので、多
くの分野で応用された。しかし、静電容量が二つの電極間の距離に反比例し、外部圧力が
加えられたとき、メンブレインが平らな状態で下側に移動するのではなく、屈曲されるの
で、圧力に対する静電容量の変化が線形性（直線性）を示しにくい。すなわち、入力に対
する出力の線形性（直線性）が良好でなく、センサの補償が難しいので、使用可能な圧力
範囲が狭くなり、実際の使用時に多くの制約を受ける。
【００１３】
したがって、上記のような静電容量型圧力センサの非線形性を改善するために、構造変
形に対する研究が多様に行われている。以下、上記のような多様な試みの例を挙げてみる
。
【００１４】
その例として、大韓民国特許公告番号９６-００６１１３（半導体容量型圧力センサ；
特許文献１）においては、シリコンダイヤフラムのキャパシタ電極の形態を十字状に変形
することで、非線形性応答特性を改善している。また、大韓民国特許登録番号１０-０４
０４９０４（差動容量型圧力センサ及びその製造方法；特許文献２）においては、二つの
センシングキャパシタを左右に配置し、１層の寄生層を用いて圧力センサの非線形特性を
改善する一方、１層の犠牲層を用いて二つのセンシングキャパシタの上・下部電極間の間
隔を同一にすることで、製造工程を単純化し、変位による各センシングキャパシタの容量
変化を同一にすることで、センサの線形性を高めている。
【００１５】
論文としては、Ａｚｉｚ  Ｅｔｔｏｕｈａｍｉなどによって発表された論文（非特許文
献１）がある。 一般的な静電型圧力センサの場合、感度を高めるためにメンブレインの
厚さを薄くすると、圧力センサの線形性が悪くなるが、この論文では、直列形態のキャパ
シタを用いることで、圧力センサの感度を高めるためにメンブレインを薄くしたときに発
生する非線形性問題を解決しており、改善された感度及び線形性の特性を示している。
【００１６】
他の論文としては、Ｓａｔｏｓｈｉ  Ｙａｍａｍｏｔｏなどによって発表された論文（
非特許文献２）がある。この論文は、高い線形性を有する静電容量型圧力センサに関する
もので、圧力によってキャパシタを構成する二つの電極間の距離が変わる構造を示す。す
なわち、静電容量型圧力センサに所定値以上の圧力が加えられたとき、上部電極であるメ
ンブレインと、下部電極上に蒸着された絶縁物質との接触状態で、静電容量型圧力センサ
が動作するという原理を用いる。
【００１７】
【特許文献１】大韓民国特許公告番号９６-００６１１３号公報
【特許文献２】大韓民国特許登録番号１０-０４０４９０４号公報
【非特許文献１】Ａｚｉｚ  Ｅｔｔｏｕｈａｍｉ et al. "Ａ  ｎｏｖｅｌ  ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｅｎｓｏｒ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ａｎｄ  ｑｕａｓｉ−ｌｉｎｅａｒ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ（Ｍｏｒｏｃｃｏ）",Ｃｏｍｐｔｅｓ  ｒｅｎｄｕｓ．Ｍｅｃａｎｉｑｕｅ, pp.１４１〜１６２(2004)
【非特許文献２】Ｓａｔｏｓｈｉ  Ｙａｍａｍｏｔｏ et. al., "Ｔｏｕｃｈ  ｍｏｄｅ  ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  ｐａｓｓｉｖｅ  ｔｉｒｅ  ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ（Ｊａｐａｎ）" , ＩＥＥＪ  ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｓ,pp.９〜１５,(2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記のような静電容量型圧力センサの非線形性を改善することを目的とする
。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、従来の静電容量型圧力センサ構造における短所を解決するためになされたも
ので、入力によってキャパシタを構成する二つの電極間の距離を変化させずに、圧力セン
サの面積を変化させることで、入力に対する出力が線形的に変化するとともに、キャパシ
タの絶縁物質として、高い誘電常数及び優れた絶縁性を有するハフニウム酸化物を用いる
ことで、静電容量及び感度を高められる静電容量型圧力センサの製造方法、及びこれによ
って製造された静電容量型圧力センサを提供することにある。
【００２０】
上記の目的を達成するための本発明に係る静電容量型圧力センサの製造方法は、シリコ
ン基板の上面を任意の深さだけエッチングする第１段階と;前記シリコン基板の表面に、
後述する第８段階でエッチングするときに用いられるエッチングストッパーを蒸着する第
２段階と;前記エッチングストッパーの表面にキャパシタの上部電極を蒸着する第３段階
と；前記上部電極の表面にキャパシタの絶縁層を蒸着する第４段階と;前記絶縁層の表面
にキャパシタの下部電極を蒸着してキャパシタを形成する第５段階と;ガラス基板の上面
に金属パッド電極を形成する第６段階と;前記シリコン基板のキャパシタの下部電極及び
ガラス基板の金属パッド電極に、電気（陽極）接合法で異種接合を行う第７段階と;前記
ガラス基板に接合されたシリコン基板の下面をエッチングして前記エッチングストッパー
を露出させ、メンブレインを形成する第８段階と;前記露出されたエッチングストッパー
を湿式エッチングで除去する第９段階と；を含む。
【００２１】
本発明の第１段階のエッチングでは、ＫＯＨまたはＥＤＰを用いて異方性湿式エッチン
グを行い、マスク物質として、シリコンナイトライド（ＳｉｘＮｙ）、シリコンダイオキ
サイド（ＳｉＯ２）、または、金（Ａｕ）又はクロム（Ｃｒ）などの金属を用いることを
特徴とする。
【００２２】
本発明の第１段階のエッチングでは、乾式エッチングを行い、マスク物質として、フォ
トレジスト、または、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）又はアルミニウム（Ａｌ）などの金属
を用いることを特徴とする。
【００２３】
本発明の第２段階では、第８段階でＫＯＨまたはＥＤＰを用いて異方性湿式エッチング
を行うときのエッチング中止用エッチングストッパーとして、シリコンダイオキサイド（
ＳｉＯ２）を用いることを特徴とする。
【００２４】
本発明の第３段階の上部電極としては、ドーピングされたポリシリコンを用いることを
特徴とする。
【００２５】
本発明の第４段階の絶縁層としては、ハフニウム酸化物を用いることを特徴とする。
【００２６】
本発明の第５段階の下部電極としては、ドーピングされたポリシリコンを用いることを
特徴とする。
【００２７】
本発明の第８段階では、シリコン基板の下面を異方性湿式エッチングし、第９段階では
、キャパシタを圧力によって移動する３層構造のメンブレインに形成することを特徴とす
る。
【００２８】
上述した本発明は、静電容量型圧力センサのキャパシタが３層構造のメンブレインに形
成されるという特徴と;外部圧力によってキャパシタの面積が変わるという特徴;絶縁層と
して、高い誘電常数及び優れた絶縁性を有するハフニウム酸化物(HfO2)を用いるという特
徴と；を有する新規の構成を備えている。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によって製造された静電容量型圧力センサは、外部圧力によって静電容量型圧力
センサの面積を変化させることで、入力に対する出力が線形的に変化するとともに、絶縁
物質として、高い誘電常数を有するハフニウム酸化物を用いることで、静電容量が大きく
なって感度が向上し、その結果、高い線形性及び高い感度を有するという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。本発明に係る高い線形性を有する静電
容量型圧力センサの製造方法を説明すると、次の通りである。
【００３１】
まず、本発明は、図１のＡ〜Ｋに示すように、メンブレイン２９を作るためにシリコン
基板２０（図１のＡ）を使用し、ボンディング用金属パッド電極２６を作るためにガラス
基板２５（図１のＧ）を使用した。
【００３２】
図１のＡに示すように、シリコン基板２０を用意し、第１段階では、図１のＢに示すよ
うにシリコン基板２０の上面を任意の深さだけエッチングする（Ｓ１）。ここで、水酸化
カリウム（ＫＯＨ）またはエチレンジアミンピロカテコール（Ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉａｍ
ｉｎｅ  ｐｙｒｏｃａｔｅｃｈｏｌ：ＥＤＰ）を用いて異方性湿式エッチングを行うとき
、マスク物質としては、シリコンナイトライド（ＳｉｘＮｙ）、シリコンダイオキサイド
（ＳｉＯ２）、または、金（Ａｕ）又はクロム（Ｃｒ）などの金属が用いられる。また、
乾式エッチングを行うとき、マスク物質としては、フォトレジスト、または、金（Ａｕ）
、クロム（Ｃｒ）又はアルミニウム（Ａｌ）などの金属が用いられる。
【００３３】
第２段階では、図１のＣに示すように、後述する第８段階でＫＯＨまたはＥＤＰを用い
て異方性湿式エッチングを行うときにエッチング中止用のエッチングストッパー２１とし
て用いられるシリコンダイオキサイド（ＳｉＯ２）を、前記エッチングされたシリコン基
板２０の表面に蒸着する（Ｓ２）。
【００３４】
第３段階では、図１のＤに示すように、前記エッチングストッパー２１の表面に、キャ
パシタの上部電極２２として用いるためにドーピングされたポリシリコンを蒸着した後（
Ｓ３）、第４段階では、図１のＥに示すように、圧力センサの感度を高めるために、良好
な絶縁性及び高い誘電常数を有するハフニウム酸化物を前記上部電極２２の表面に蒸着し
、キャパシタ２９の絶縁層２３として用いる（Ｓ４）。このハフニウム酸化物は、良好な
絶縁性を有するため、絶縁層の厚さを薄くしてキャパシタ２９の静電容量を高めることが
できる。
【００３５】
第５段階では、図１のＦに示すように、キャパシタ２９の下部電極２４として用いるた
めに、絶縁層２３であるハフニウム酸化物の表面に、ドーピングされたポリシリコン２４
を蒸着してキャパシタ２９を形成する（Ｓ５）。
【００３６】
第６段階では、図１のＧに示すように、ガラス基板２５の上面に金属パッド電極２６を
形成し（Ｓ６）、第７段階では、図１のＨに示すように、前記シリコン基板２０のキャパ
シタ２９の下部電極２４及びガラス基板２５の金属パッド電極２６に、電気（陽極）接合
法で異種接合を行う（Ｓ７）。
【００３７】
第８段階では、図１のＩ〜Ｊに示すように、前記ガラス基板２５に接合されたシリコン
基板２０のキャパシタ２９をメンブレイン３０に作るために、前記シリコン基板２０の下
面をＫＯＨまたはＥＤＰを用いて異方性湿式エッチングし、前記エッチングストッパー２
１を露出させる（Ｓ８）。このとき、シリコン基板２０の下面に設けたマスク物質２７と
しては、シリコンナイトライド（ＳｉｘＮｙ）、シリコンダイオキサイド（ＳｉＯ２）、
または、金（Ａｕ）又はクロム（Ｃｒ）などの金属が用いられ、エッチング中止用のエッ
チングストッパー２１としては、シリコンダイオキサイド（ＳｉＯ２）が用いられる。
【００３８】
最後に、第９段階では、図１のＫに示すように、第８段階の異方性湿式エッチングによ
ってキャパシタ２９の表面に露出されたエッチングストッパー２１であるシリコンダイオ
キサイド（ＳｉＯ２）を湿式エッチングで除去し、キャパシタ２９を圧力によって移動す
る３層構造のメンブレイン３０に形成することで、本発明に係る静電容量型圧力センサの
製造が完了する（Ｓ９）。このとき、前記３層構造は、上部電極２２、絶縁層２３及び下
部電極２４を含む。
【００３９】
図２のＡ及び図２のＢは、上述した製造段階で製造された本発明に係る静電容量型圧力
センサの動作を説明するための圧力センサの概略図である。
【００４０】
メンブレイン３０は、外部圧力がメンブレイン３０に加えられないと、図２のＡに示す
ように、平らな状態に維持されるが、外部から圧力２８が加えられると、図２のＢに示す
ように下側に弓状に曲がり、メンブレイン３０の面積が増加するようになる。メンブレイ
ン３０の面積は、キャパシタの面積であるため、結果として静電容量に変化が発生する。
【００４１】
静電容量は、メンブレインの面積に比例し、外部圧力が加えられたとき、メンブレイン
は、平らな状態から下側に弓状に曲がった状態になるため、圧力に対する静電容量の変化
が線形性（直線性）を示すようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る静電容量型圧力センサの製造工程を示す断面図である。
【図２】本発明に係る静電容量型圧力センサの動作を説明するための概略断面図である。
【図３】従来の静電容量型圧力センサの製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１１  シリコン基板
１２  上部電極
１３  ガラス基板
１４  下部電極
２０  シリコン基板
２１  エッチングストッパー
２２  上部電極
２３  絶縁層
２４  下部電極
２５  ガラス基板
２６  金属パッド電極
２７  マスク物質
２８  外部圧力
【図１】
2008064734.tif 000003
【図２】
2008064734.tif 000004
【図３】
2008064734.tif 000005