(57)【要約】本公開は、特に絶対圧力測定用の容量型圧力センサ構造、およびこのセンサの製造方法を開示する。このセンサは、少なくとも１つの固定電極（３）と、前記固定電極（３）から電気的に隔離されるとともに、前記固定電極（３）から離間して配置された（１０）少なくとも１つの可動電極（６、７）とを備える。本発明によれば、前記可動電極（６、７）の一部は、完成したコンポーネント中に前記可撓性可動電極（６、７）の一体部分として残る多孔質多結晶シリコン層（６）から形成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に絶対圧力測定用の容量型圧力センサ構造であって、このセンサが、
少なくとも１つの固定電極（３）と、
前記固定電極（３）から電気的に隔離されるとともに、前記固定電極（３）から離間して配置された（１０）少なくとも１つの可動電極（６、７）とを備え、
前記可動電極（６、７）の一部が、完成したコンポーネント中に前記可撓性可動電極（６、７）の一体部分として残る多孔質多結晶シリコン層（６）から形成される
ことを特徴とするセンサ構造。
【請求項２】
前記材料のエッチング除去を横方向に完全には実行しないことによって、犠牲層（４）の材料の一部が部分真空ボリューム（１０）の縁部に残ることを特徴とする請求項１に記載の絶対圧力センサ構造。
【請求項３】
前記多孔質多結晶シリコン層（６）下に残る構造が、開口部（１３）を有する均一シリコン層（５）をその下に設けることによって補剛されることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１項に記載のセンサ構造。
【請求項４】
犠牲層の特定部分をエッチングせずに残すことによって、柱状パッド（１４）が、基準素子の部分真空置換ボリューム（１０）内に形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサ構造。
【請求項５】
構造をその中央区域で補剛する働きをする増厚区域（１２）が、可撓性ダイヤフラム（６、７）の中央に作製されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ構造。
【請求項６】
可撓性多孔質多結晶シリコン層（６）の上に多結晶シリコン層（７）を堆積し、それによって、その複合層構造が気体不透性になることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のセンサ構造。
【請求項７】
互いに並列または直列に接続された複数の単一センサ素子がセンサ構造を構成することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセンサ構造。
【請求項８】
シリコン微小機械技術を使用してセンサ構造を製造することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサ構造。
【請求項９】
センサ構造が絶対圧力センサであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセンサ構造。
【請求項１０】
センサが、少なくとも１つの固定電極（３）と、
前記固定電極（３）から電気的に隔離されるとともに、前記固定電極（３）から離間して配置された（１０）少なくとも１つの可動電極（６、７）とを備えるものである、特に絶対圧力測定用センサの容量型圧力センサ構造を製造する方法であって、
前記可動電極（６、７）の一部を、完成したコンポーネント中に前記可撓性可動電極（６、７）の一体部分として残る多孔質多結晶シリコン層（６）から形成することを特徴とする方法。
【請求項１１】
材料のエッチング除去を横方向に完全には実行しないことによって、犠牲層（４）の材料の一部が前記部分真空ボリューム（１０）の縁部に残すことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記多孔質多結晶シリコン層（６）下に残る構造が、開口部（１３）を有する均一シリコン層（５）をその下に設けることによって補剛することを特徴とする請求項１０乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
犠牲層の特定部分をエッチングせずに残すことによって、柱状パッド（１４）が、基準素子の部分真空置換ボリューム（１０）内に形成することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
構造をその中央区域で補剛する働きをする増厚区域（１２）が、可撓性ダイヤフラム（６、７）の中央に作製することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
可撓性多孔質多結晶シリコン層（６）の上に多結晶シリコン層（７）を堆積し、それによって、その複合層構造を気体不透性にすることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
互いに並列または直列に接続された複数の単一センサ素子がセンサ構造を構成することを特徴とする請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
シリコン微小機械技術を使用してセンサ構造を製造することを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
完成したセンサ内では部分真空になるキャビティの内部から、（犠牲層の）固体材料（４）が、多孔質多結晶シリコン層（６）を介して除去されることを特徴とする請求項１０乃至１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
堆積プロセスの部分真空をセンサ素子の内部に残すプロセスにおいて、センサ素子の密閉が前記多孔質多結晶シリコン層上に別の多結晶シリコン層を堆積することによって行われることを特徴とする請求項１０乃至１８のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に記載の容量型圧力センサ、およびその製造方法に関する。
従来方式では、微小機械式圧力センサは、その製造方法により２種類に分類される。圧力センサが表面微小機械技術を使用して製造される場合には表面微小機械式センサに分類され、センサの製作が旧来のバルク微小機械技術に基づく場合にはバルク微小機械式デバイスという用語を使用する。
【０００２】
また圧力センサは、構造上の差異に基づき、センサが差圧と絶対圧のどちらに応答するかに応じて２種類に分類される。本特許出願は、表面微小機械式絶対圧力センサおよびその製造方法に関する新規な構造を開示する。
【０００３】
従来技術によるセンサ構造は、たとえば、Ｋ．Ｋａｓｔｅｎ他の「Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ」、Ｖｏｌ．８５（２０００），ｐｐ．１４７−１５２の刊行物に記載されている。この中で教示されるセンサ構造では、下部電極はＳＩＭＯＸ基板上の単結晶シリコン層から形成される。この構造の上部電極は多結晶シリコン製である。製作中に必要とされるいわゆる犠牲層は、電極縁部に位置するチャネルを介して完全に除去される。次いで、製造プロセス中に犠牲酸化物層のエッチングで残った開口部を、ＰＥＣＶＤプロセスを使用して窒化シリコンをその上に堆積することによって閉じ、容量性電極間にＰＥＣＶＤプロセス圧力によって決まる部分真空が形成される。
【０００４】
Ｋａｓｔｅｎによって提案された構造の欠点は明らかである。犠牲層が構造内部から完全にエッチングで除去されるので、段状不連続性が犠牲層縁部のところで可撓性ダイヤフラム上に残る。したがって、ダイヤフラムの固有引張応力によりダイヤフラムが曲って下部電極に接触することのないように、可撓ダイヤフラムの引張応力を非常に小さくしておかなければならない。その結果、容量素子を極めて小さく作らなければならない。実用的なセンサ構造は１０ｐＦ程度の容量を必要とするので、多数の容量素子が必要となる。その結果、素子端部構造のせいで全容量に対する可変容量の相対割合は増えないままになる。なぜなら多数の小さい素子中では素子端部構造が、もっと大きい容量素子が使えるセンサ構造で実現できる浮遊容量の割合に比べ、浮遊容量の割合を増加させるからである。
【０００５】
Ｋａｓｔｅｎによって提案された絶対圧力センサ構造における基準構造も問題がある。この場合は、基準素子電極の補剛を、ＬＰＣＶＤプロセス中に堆積された厚い酸化物層を基準素子上に残すことによって解決している。元素シリコンとその酸化物の熱膨張定数は互いに異なるので、この構成では、より高い温度依存性が基準素子構造に付与されると予想することができる。一般に、感知構造と基準構造の温度／湿度依存性はそれぞれできる限り等しくすべきである。
【０００６】
本発明の目的は、従来技術の問題を克服し、全く新規なタイプの絶対圧力センサを提供することである。
本発明の目的は、センサ構造の可撓性ダイヤフラムの一部として、多孔質多結晶シリコン層を使用することによって実現される。
より具体的には、本発明による絶対圧力センサは、請求項１の特徴部分に記載の内容を特徴とする。
さらに、本発明による方法は、請求項１０の特徴部分に記載の内容を特徴とする。
本発明は大きな利益をもたらす。
【０００７】
本発明により、大気圧範囲から数百バール程度の圧力までの必要をカバーする圧力センサを実現することが可能になる。個々の容量素子サイズは、大気圧でも、浮遊容量の相対割合を相応に低く保つのに十分な大きさである。エッチング除去すべき犠牲層区域はリソグラフィ技術によって画定することができ、そのため製造公差が改善される。犠牲層として働く酸化物の一部は、エッチングせずに残したままにすることができる。したがって、可撓性ダイヤフラムは、その縁部のところで直線形状を保つ。その結果、ダイヤフラムの内部引張応力を大きくなるように調整することができ、それによって、より大型サイズの素子の使用が容易になる。本発明による基準構造は、周囲温度変化に、また、たとえば湿度変化にも、圧力応答構造自体として同じように応答する。したがって、センサの全体構造を非常に安定にすることができ、余分な温度ドリフトを引き起こす２次ファクタならびに周囲湿度への依存性を容易に補償することができる。
【０００８】
本発明を、添付の図面に示す例示的実施形態によって、下記により詳細に考察する。
図２を参照すると、本発明による絶対圧力センサのセンサ素子は多結晶シリコン層３を備え、この多結晶シリコン層３は、シリコン基板１上に作製された誘電体層２上に堆積され、導電性にドープされ、その上に別の誘電体層４が堆積される。これらの層の上に多結晶シリコン層５が堆積され、層５上に多数の小径細孔を含む多結晶シリコン層６が堆積される。全体構造中で、層５は任意選択である。この多孔質シリコン層の堆積後にリソグラフィ技術によって犠牲層の画定を行う場合には、層５は割愛することができる。層５は、区域１０の上の領域内まで延びることもできる。その場合、層６が区域１０と連通できるように、層５は１つまたは複数の開口部を有する。多孔質シリコン層の上に、再度、メタライゼーション層８用の基板として働く均一なシリコン層７を堆積する。誘電体層４および多結晶シリコン層５を、容量素子の中央区域および縁部区域から除去する。素子の縁部区域のところで、メタライゼーション層９を導電性多結晶シリコン層上に堆積する。接点区域および可撓性ダイヤフラムを除き、センサ構造の区域１０をパッシベーション層１１によって覆う。
【０００９】
誘電体層２は、一般に厚さ５００〜２０００ｎｍの二酸化シリコンとすることが最も有利である。多結晶シリコン層３は、たとえばリンまたはホウ素をドープすることによって導電性にする。層４は、誘電材料、最も有利には二酸化シリコン製とする。層５は、ドープされた多結晶シリコン製とすることが最も有利である。層６は、ドープされた厚さ約１００ｎｍの多孔質多結晶シリコンである。層６上に堆積された導電性多結晶シリコン層７は、一般に厚さ１００ｎｍ〜５０００ｎｍである。層７の厚さが、容量素子の内部引張応力とあいまって、センサ素子の寸法設定の際に極めて重要な役割を果たす。（高密度の孔を備えた）多孔質シリコン層堆積技術の例は、たとえば、Ｙ．Ｋａｇｅｙａｍａ、Ｔ．Ｔｓｕｃｈｉｙａ、Ｈ．Ｆｕａｎｂａｓｈｉ、Ｊ．Ｓａｋａｔａの「Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍｓ　ｗｉｔｈ　ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｉｃ　ａｃｉｄ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ　ｏｘｉｄｅ　ｅｔｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｖａｃｕｕｍ　ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ」、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ，１８（４），Ｊｕｌ／Ａｕｇ、２０００年の刊行物に記載されている。層６の構造における肝要なファクタは、その孔が（平均最小直径１０ｎｍ未満と）非常に小さいことである。
【００１０】
メタライゼーション層８および９は、層３および層７と電気的に接触する。メタライゼーション層８および９は、厚さ１０００ｎｍのアルミニウム層をスパッタリングすることによって作製するのが最も有利である。この構造の中央領域にある区域１０によって画定されるセンサ・キャビティは部分真空である。層６および層７の撓みは、キャビティ区域１０と周囲圧力の差圧によって決まる。区域１０の形状およびサイズが、層６および層７の厚さおよび引張応力とあいまって、センサの使用可能な圧力範囲が決まる。
【００１１】
この構造の最上層を形成するパッシベーション層１１は、窒化シリコン製とするか、または窒化シリコンと二酸化シリコンの多層構造を使用すると最も有利である。一般に、パッシベーション層１１は厚さ約５００ｎｍである。
【００１２】
図２に示す圧力センサの実施形態では、すべての容量センサ素子の下部電極は、センサの右下縁部に配置された接点区域のところで並列に接続される。また、すべての上部電極は、センサの左上縁部に配置された接点区域のところで、メタライゼーション層によって接続される。したがって、下部電極接点と上部電極接点の間の容量は、すべての容量素子の全容量であり、その値は、周囲圧力伝達媒体と部分真空になったセンサ内部ボリュームの間の差圧に依存する。その結果、全容量の測定値は、センサ較正データに基づいて周囲圧力を決めるのに十分である。
【００１３】
活動区域の可変容量に加えて、センサ全体で測定可能な全容量は、必ず、浮遊容量として知られるセンサ構造固有容量を含んでいる。一般に、センサ構造全体の浮遊容量測定値は、コンポーネント温度、ならびに、たとえば周囲湿度に依存する。一般に、可変容量部分が浮遊容量から切り離して検出されるように、単一のコンポーネント全体で測定を手配するのは不可能なので、圧力測定値に対する浮遊容量の寄与を取り除くために使用することができる別の構造も、同じシリコン・チップ上に一体化すると有利である。このような圧力非応答性容量をもつ基準構造を、周囲パラメータ（たとえば、温度および湿度）に対する容量依存性に関して、圧力応答性測定センサとできる限り同じになるように構築することが最も好ましい。
【００１４】
この基準容量を別のシリコン・チップ上に構築し、適当なパッケージ技術を使用して、圧力センサと完全基準の一体化を実施することもできることが当業者には明らかである。
【００１５】
図３に、本発明による基準素子構造の断面図を示す。図から明らかなように、犠牲層は、区域１０内に、層４および層５によって形成された複数の柱状パッド１４を含む。このパッドの目的は、上部電極を補剛して、基準センサ容量の圧力応答性をなくすことである。一般に、この構造内に必要とされる円柱パッドは、１μｍ〜１０μｍの直径を有する。層６および層７によって形成された上部電極を補剛するように働く（それによって、その圧力応答性を低減させる）パッドの数は、容量素子当たり１〜１００個とすることができる。センサの寸法設定に関して、基準センサの単一容量素子の区域１０上に形成された柱状パッドの全面積を、センサ素子の全面積よりもかなり小さくすることが肝要であり、それによって、基準センサ素子が、圧力変動に対するその非応答性を除いては、実際の圧力応答性センサの対応する素子とできる限り同じになる。
【００１６】
基準センサの圧力に対する応答性を低減する他の技術は、層６の厚さを増し、層６および層７の内部引張応力を実際の圧力応答性素子の応力よりも大きくすることによって得ることができる。
【００１７】
図４に、圧力センサ基準区域の上面図を示す。図に示す基準素子は、エッチング除去された犠牲層の区域１０にわたって、層６および層７により形成されたダイヤフラムを補剛するように配置された１６個の支持柱状パッドを有する。
【００１８】
上部電極および下部電極の間に、たとえば、表面漏れ電流により生じる測定誤差を取り除くために使用することができるガード電極として知られる追加の電極を配置することによって、この構造を補完できることが当業者には明らかである。また、下部電極としてシリコン基板だけを使用することが望ましい場合には、最下層の多結晶シリコン層（下部電極）３および誘電体層２を構造から割愛できることが当業者には十分に了解される。
【００１９】
（別の構造実施形態）
素子をその中央区域のところでより厚くすることによって、全容量における圧力応答容量の相対割合を大きくすることができる。したがって、外部圧力下で撓む層は、構造内でその中央区域よりもその縁部のところで、より撓むことになる。圧力測定の全範囲内のどの圧力に対しても、中央区域が実質的に平坦なまになるので、その結果、全容量における圧力応答性容量の割合は大きくなる。センサの実用的な実施形態では、図６に示す増厚部分１２を、（層７と同様）多結晶シリコン製とすることが最も好ましい。多孔質多結晶シリコン層の堆積に先立って、可撓性ダイヤフラムの増厚区域を作製することもできる。しかし、この区域には、次いで、その下の犠牲層を有効にエッチング除去するために、開口部をパターン形成しなければならない。
【００２０】
層５を可撓性ダイヤフラム全区域に延ばすことによって、（図３の）基本構造を改良することもできる。図７に、このような変形構造の断面図を示す。この構造では、層７と同じ材料（すなわち多結晶シリコン）とすることが最も好ましい層５によって、ダイヤフラムの剛性が向上する。この実施形態のセンサ構造内の犠牲層を適切にエッチング除去するために、１つまたは複数の開口部１３を層５に設けなければならない。
【００２１】
最下層の多結晶シリコン層（下部電極）３および誘電体層２を割愛した構造を、センサ構造の代替実施形態とすることもできる。その場合導電性にドープされたシリコン基板１によって、下部電極を形成することができる。
【００２２】
センサの寸法設定
センサを、市販のＦＥＭソフトウエアを使用して、（層の厚さ、幾何形状、および引張応力に関して）寸法設定することができる。センサ素子の可撓部分として円形区域を使用する最も簡単な場合には、その寸法設定を下記の解析ツール［３］を用いて行うことができる。
【００２３】
円形ダイヤフラム（ドラム・ダイヤフラム）の撓み
【数１】
2004513356.tif 000003
ただし、ｐ＝圧力、
Ｒ＝エッチングされたダイヤフラム区域の半径、
σ＝ダイヤフラムの引張応力、
ｈ＝可撓性ダイヤフラムの厚さ、
ｒ＝ダイヤフラム中心点からの距離、である。
例：ｐ＝１×１０５パスカル、
ｈ＝１μｍ（可撓性多結晶シリコン層の厚さ）、
σ（歪が３０００ｐｐｍのとき）＝０．０３×１６０×１０９パスカル（多結晶シリコン・ダイヤフラムを７００℃で１時間熱処理後のダイヤフラムの引張応力）、
Ｒ＝９８μｍのとき、方程式の解はＺ（０）＝０．５μｍになる（圧力が１×１０５パスカル、犠牲層の厚さｄｕが１μｍのとき、ダイヤフラムの撓みはセンサエアギャップの半分になる）。
この例の値を用いると、１ｍｍ２に約２５個の素子が入る。
【００２４】
圧力の関数としての（Ｎ個の素子を有する）センサの全容量
【数２】
2004513356.tif 000004
【００２５】
図８を参照すると、この方法は、実行順に下記の工程を含む。
１．酸化物層成長
２．アモルファス・シリコン層成長（たとえば、ホウ素によるｉｎ　ｓｉｔｕドーピングによって補完する）
３．熱処理
４．多結晶シリコン層のパターン形成
５．犠牲層（ＬＴＯ）の堆積
６．アモルファス・シリコン層成長（たとえば、ホウ素によるｉｎ　ｓｉｔｕドーピングによって補完する）
７．アモルファス・シリコン層のパターン形成
８．アモルファス・シリコン層成長（ホウ素をドープし、開口部を備える多孔質とし、厚さ１００ｎｍとする）
９．熱処理
１０．犠牲層エッチング
１１．多結晶シリコン層成長（たとえば、ホウ素によるｉｎ　ｓｉｔｕドーピングによって補完する）
１２．多結晶シリコン層のパターン形成
１３．ＬＴＯ層のパターン形成
１４．メタライゼーション層の堆積
１５．メタライゼーション層のパターン形成
１６．窒化シリコン層のＰＥＣＶＤ成長
１７．ＰＥＣＶＤ成長窒化シリコン層のパターン形成
一般に、多孔質層６はエッチング用化学物質を透過させるが、その上に後から堆積する層７の材料は透過させない層として理解しなければならない。
【００２６】
（参照文献）
１．Ｋ．Ｋａｓｔｅｎ他の「Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ」、Ｖｏｌ．８５（２０００），ｐｐ．１４７−１５２
２．Ｙ．Ｋａｇｅｙａｍａ、Ｔ．Ｔｓｕｃｈｉｙａ、Ｈ．Ｆｕａｎｂａｓｈｉ、Ｊ．Ｓａｋａｔａの「Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍｓ　ｗｉｔｈ　ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｉｃ　ａｃｉｄ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ　ｏｘｉｄｅ　ｅｔｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｖａｃｕｕｍ　ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ」、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ　１８（４），Ｊｕｌｙ／Ａｕｇ、２０００年
３．Ｇｅｏｒｇｅ　Ｓ．Ｋ．Ｗｏｎｇ他の「ＡＩＰ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　Ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅｓ，Ｔｈｅｏｒｙ，Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ」、ＡＩＰ　Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ，ｐｐ．４１−４２、１９９５年
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明によるセンサ素子の断面図である。
【図２】
図１に示す（２５個の）素子からなる容量型圧力センサの上面図である。
【図３】
本発明による基準センサ素子の断面図である。
【図４】
本発明による容量型圧力センサの基準素子区域の上面図である。
【図５】
本発明による完成した容量型圧力センサの概略上面図である。
【図６】
本発明によるセンサ素子の別の実施形態の断面図である。
【図７】
本発明によるセンサ素子の第２実施形態の断面図である。
【図８】
本発明によるセンサの製作方法における製造工程の概略リストである。
【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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【国際公開パンフレット】
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2004513356.tif 000014
2004513356.tif 000015
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2004513356.tif 000021
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2004513356.tif 000023
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【国際調査報告】
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2004513356.tif 000032
2004513356.tif 000033