(57)【要約】【課題】小型かつ高性能の圧力センサ及びその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明にかかる圧力センサは、ダイアフラム４を有するセンサチップ１０と、センサチップ１０に接合された台座１１と、を備えた圧力センサであって、センサチップ１０に、感圧領域に形成された開口部１ａを有する第１半導体層１と、感圧領域がダイアフラム４となる第２半導体層３と、が設けられ、感圧領域の第２半導体層３に、凹部１２が形成され、第２半導体層３の凹部１２が、第１半導体層１の開口部１ａよりも大きくなっている圧力センサ。【選択図】  図２
2009109347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラムを有するセンサチップと、
前記センサチップに接合された台座と、を備えた圧力センサであって、
前記センサチップに、感圧領域に形成された開口部を有する第１の半導体層と、前記ダイアフラムを有する第２の半導体層と、が設けられ、
前記感圧領域の前記第２の半導体層に凹部が形成されることにより、前記ダイアフラムが設けられ、
前記第２の半導体層の凹部が、前記第１の半導体層の前記開口部よりも大きくなっている圧力センサ。
【請求項２】
前記第１の半導体層と、前記第２の半導体層の間に絶縁層が形成されている請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記ダイアフラムの形状が多角形になっている請求項１、又は２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記台座と前記センサチップとの接合部の周辺に、前記台座と前記センサチップとの間に隙間が設けられた非接合部を有している請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
【請求項５】
第１の半導体層とダイアフラムとなる第２の半導体層とが設けられたセンサチップを有する圧力センサの製造方法であって、
前記第１の半導体層を異方性エッチングして、感圧領域となる部分において前記第１の半導体層に開口部を形成する工程と、
前記第１の半導体層の側壁に保護膜を形成する工程と、
前記保護膜を形成した後、前記ダイアフラムを形成するために、前記感圧領域となる部分の前記第２の半導体層をエッチングして、前記開口部よりも大きい凹部を前記第２の半導体層に形成する工程と、
前記チップセンサに台座を接合する工程と、を備えた圧力センサの製造方法。
【請求項６】
前記第１の半導体層に開口部を形成する工程の後に、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた絶縁層に開口部を設ける工程をさらに備え、
前記第１の半導体層に開口部を形成する工程では、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた絶縁層をエッチングストッパとして、前記異方性エッチングを行っている請求項５に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項７】
前記ダイアフラムが多角形状に形成される請求項５、又は６に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項８】
前記台座を接合する工程では、前記台座と前記センサチップとの接合部の周辺に、前記台座と前記センサチップとの間に隙間が設けられた非接合部が形成される請求項５乃至７のいずれか１項に記載の圧力センサの製造方法。
【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に関し、特に詳しくは、ダイアフラムを有する圧力センサ及びその製造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効果を利用した圧力センサが、小型、軽量、高感度であることから、工業計測、医療などの分野で広く利用されている。このような圧力センサでは、半導体ダイアフラム上に歪ゲージが形成されている。ダイアフラムに加わる圧力によって、歪ゲージが変形する。ピエゾ抵抗効果による歪ゲージの抵抗変化を検出して、圧力を測定している。そして、パッケージからの応力緩和のために、ダイアフラムが形成されたセンサチップはガラスなどの台座に接合される（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２７７３３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、圧力センサの構成について図４を用いて説明する。図４は、従来の圧力センサの構成を示す側面断面図である。センサチップ１０は、例えば、単結晶Ｓｉ基板から構成されている。そして、センサチップ１０には、ピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージ５、１５が形成されている。センサチップ１０の中央部分がエッチングされ、ダイアフラム４が形成されている。ここでは、センサチップ１０の中央部分がテーパ状にエッチングされている。よって、センサチップ裏面のダイアフラムセンサ開口寸法がダイアフラム寸法よりも大きくなっている。チップ１０には、台座１１が接合されている。ダイアフラム４の周辺部において、台座１１がセンサチップ１０に接合されている。
【０００５】
圧力センサの圧力感度を上げるためには、ダイアフラム４を大きくする必要がある。また、台座１１との接合強度を確保するためには、接合領域の面積を大きくする必要がある。しかしながら、センサチップ１０の大きさが一定である場合、感度を向上するためにダイアフラム４を大きくすると台座との接合面積が小さくなり、接合の信頼性を向上するために接合領域を大きくするとダイアフラム４が小さくなってしまう。よって、圧力感度を高くするとともに接合強度を確保するためには、センサチップ１０を大きくしなければならないという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、小型かつ高性能の圧力センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様にかかる圧力センサは、ダイアフラムを有するセンサチップと、前記センサチップに接合された台座と、を備えた圧力センサであって、前記センサチップに、感圧領域に形成された開口部を有する第１の半導体層と、前記ダイアフラムを有する第２の半導体層と、が設けられ、前記感圧領域の前記第２の半導体層に凹部が形成されることにより、前記ダイアフラムが設けられ、前記第２の半導体層の凹部が、前記第１の半導体層の前記開口部よりも大きくなっているものである。これにより、ダイアフラムを大きくした場合でも、台座との接合部を広く取ることができる。よって、より小型かつ接合の信頼性が高い圧力センサを実現することができる。
【０００８】
本発明の第２の態様にかかる圧力センサは、上記の圧力センサであって、前記第１の半導体層と、前記第２の半導体層の間に絶縁層が形成されているものである。これにより、ダイアフラムの厚さを均一にすることができる。
【０００９】
本発明の第３の態様にかかる圧力センサは、上記の圧力センサであって、前記ダイアフラムの形状が多角形になっているものである。
【００１０】
本発明の第４の態様にかかる圧力センサは、上記の圧力センサであって、前記台座と前記センサチップとの接合部の周辺に、前記台座と前記センサチップとの間に隙間が設けられた非接合部を有しているものである。これにより、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。
【００１１】
本発明の第５の態様にかかる圧力センサの製造方法は、第１の半導体層とダイアフラムとなる第２の半導体層とが設けられたセンサチップを有する圧力センサの製造方法であって、前記第１の半導体層を異方性エッチングして、感圧領域となる部分において前記第１の半導体層に開口部を形成する工程と、前記第１の半導体層の側壁に保護膜を形成する工程と、前記保護膜を形成した後、前記ダイアフラムを形成するために、前記感圧領域となる部分の前記第２の半導体層をエッチングして、前記開口部よりも大きい凹部を前記第２の半導体層に形成する工程と、前記チップセンサに台座を接合する工程と、を備えたものである。これにより、ダイアフラムを大きくした場合でも、台座との接合部を広く取ることができる。よって、より小型かつ接合の信頼性が高い圧力センサを実現することができる。
【００１２】
本発明の第６の態様にかかる圧力センサの製造方法は、上記の圧力センサの製造方法であって、前記第１の半導体層に開口部を形成する工程の後に、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた絶縁層に開口部を設ける工程をさらに備え、前記第１の半導体層に開口部を形成する工程では、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に設けられた絶縁層をエッチングストッパとして、前記異方性エッチングを行っているものである。これにより、ダイアフラムの厚さを均一にすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、小型かつ高性能の圧力センサ及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。図１は、本実施の形態にかかる圧力センサの構成を示す側面断面図である。図２は、本圧力センサの上面図である。図１は、図２のＩＩ−ＩＩ断面図である、本実施の形態にかかる圧力センサは、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る。
【００１５】
圧力センサ３０は、結晶面方位が（１００）面のｎ型単結晶Ｓｉからなる正方形のセンサチップ１０と、センサチップ１０が接合された台座１１とを有している。センサチップ１０は、基台となる第１半導体層１と、絶縁層２と、第２半導体層３とを備えている。すなわち、センサチップ１０は、第１半導体層１、絶縁層２、及び第２半導体層３からなる３層構造を有している。第１半導体層１、及び第２半導体層３はｎ型単結晶Ｓｉ層から構成されている。絶縁層２は、例えば、ＳｉＯ２層から構成されている。第１半導体層１の上に、絶縁層２が形成されている。また、絶縁層２の上に、第２半導体層３が形成されている。従って、第１半導体層１と第２半導体層３の間に、絶縁層２が配設されている。絶縁層２は、第１半導体層１をエッチングする際に、エッチングストッパとして機能する。第２半導体層３は、ダイアフラム４を構成している。ダイアフラム４はセンサチップ１０の中央部分に配設されている。
【００１６】
感圧領域となる部分において、第１半導体層１及び絶縁層２に開口部１ａ、２ａが形成され、第２半導体層３が露出している。第１半導体層１に開口部１ａを形成するためのエッチング工程では、異方性エッチングによって第１半導体層１が除去される。従って、第１半導体層１の側壁がほぼ垂直になっている。そして、感圧領域となる部分において、第２半導体層３の裏面中央には、凹部１２が形成されている。すなわち、感圧領域となる部分では、第２半導体層３の厚さがその他の部分に比べて薄くなっている。このように、第２半導体層３が薄くなっている部分が、圧力を測定するためのダイアフラム４となる。ここでは、上面視において、センサチップ１０の表面中央部には、正方形状のダイアフラム４が形成されている。このダイアフラム４に対応する領域が圧力センサ３０の感圧領域となる。凹部１２は、正方形状に形成されている。
【００１７】
センサチップ１０には、ダイアフラム４を取り囲む厚肉部１０ａが設けられている。厚肉部１０ａがセンサチップ１０の外周部を形成する。センサチップ１０の裏面側において、センサチップ１０の厚肉部１０ａが台座１１に陽極接合されている。台座１１は、パイレックスガラス（登録商標）、セラミックス等によってセンサチップ１０と略同一の大きさを有する角柱体で形成されている。台座１１の中央には、第１半導体層１及び絶縁層２の開口部１ａ、２ａを介して、ダイアフラム４の裏面側に測定圧力Ｐ１を導く貫通孔１７が形成されている。すなわち、貫通孔１７は、開口部１ａ、開口部２ａ、及び凹部１２と連通している。
【００１８】
ダイアフラム４は、その対角線ａ，ａがセンサチップ１０の対角線ｂ，ｂと直交するようにセンサチップ１０に対して略４５°傾いた状態で形成されている。そして、ダイアフラム４表面の周縁部付近にはピエゾ領域として作用し差圧または圧力を検出する４つの差圧または圧力検出用の歪ゲージ５ａ〜５ｄが形成されている。歪ゲージ５ａ〜５ｄは、センサチップ１０の対角線ｂ，ｂ上に位置するように配置されている。また、これらの歪ゲージ５ａ〜５ｄは、センサチップ１０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＞の結晶軸方向に形成されている。
【００１９】
このように、第２半導体層３の上面側には、ピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージ５ａ〜５ｄが形成されている。歪ゲージ５ａ〜５ｄは、ダイアフラム４に配設される。ここでは、第２半導体層３に、４つの歪ゲージ５ａ〜５ｄが形成されている。なお、第２半導体層３の上面には、歪ゲージ５ａ〜５ｄと接続されるメタル電極（不図示）が形成される。そして、歪ゲージ５ａ〜５ｄがブリッジ回路に結線される。すなわち、歪ゲージ５ａ〜５ｄは、ホイートストーンブリッジ回路を構成する。ダイアフラム４によって隔てられた空間の圧力差によって、ダイアフラム４が変形する。歪ゲージ５ａ〜５ｄは、ダイアフラム４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。
【００２０】
例えば、ダイアフラム４の表裏面に測定圧力Ｐ１、Ｐ２が印加されると、ダイアフラム４が変形する。ダイアフラム４の変形に伴い各歪ゲージ５ａ〜５ｄの比抵抗が変化する。これにより、測定圧力Ｐ１、Ｐ２の差圧信号が差動的に出力される。
【００２１】
このときの歪ゲージ５ａ〜５ｄの抵抗変化率は、次式によって表される。
ΔＲ／Ｒ＝π44（σｒ−σθ）／２ ・・・・・（１）
ただし、π44はピエゾ抵抗係数、σｒはダイアフラム４の辺に垂直な応力、σθはダイアフラム４の辺に平行な応力である。
【００２２】
センサチップ１０の厚肉部１０ａでは、裏面の一部のみが台座１１の表面に接合され、残りの部分が台座１１に接合されない。従って、厚肉部１０ａは、非接合部１３と接合部１３Ａとからなる。非接合部１３が接合部１３Ａより外側に配置される。非接合部１３は、厚肉部１０ａの各角部に位置している。接合部１３Ａが外形八角形の枠状でダイアフラム４を取り囲んでいる。
【００２３】
本実施の形態においては、台座１１の表面に段差部１４を形成する。段差部１４は、各非接合部１３に対応する角部に配置される。このことにより、厚肉部１０ａの各角部を台座１１から離間させて非接合部１３とすることができる。非接合部１３では、台座１１とセンサチップ１０との間に、段差部１４の高さに対応する隙間が形成されている。厚肉部１０ａの裏面側に段差部を形成して、非接合部１３を設けてもよいことは勿論である。
【００２４】
本実施の形態では、後述するように、第１半導体層１のエッチングに異方性エッチングが用いられている。従って、第１半導体層１に形成された開口部１ａ及び絶縁層２に形成された開口部２ａは、ほぼ垂直に形成されている。すなわち、感圧領域側の第１半導体層１及び絶縁層２の側壁が、センサチップ１０の表面と垂直になっている。また、第２半導体層３のエッチング工程では、等方的に第２半導体層３をエッチングしている。これにより、第２半導体層３はサイドエッチングされ、凹部１２が開口部１ａよりも大きくなる。このように、センサチップ１０の裏面側から絶縁層２までの間で、ダイアフラム４の開口寸法がほぼ一定となる。ダイアフラム４の開口寸法が変化する部分に絶縁層２が配置される。絶縁層２と第２半導体層３の界面において、ダイアフラム４の開口寸法が変化して、第２半導体層３でのダイアフラム寸法が大きくなる。
【００２５】
このように、第２半導体層３の凹部１２が、開口部１ａ及び開口部２ａよりも大きくなっている。正方形状の感圧領域は、正方形状の開口部１ａ及び開口部２ａよりも、一回り大きくなっている。すなわち、ダイアフラム４の開口寸法は、裏面側のダイアフラム４の開口寸法よりも一回り大きくなっている。これにより、感圧領域を広くすることができる。よって、圧力センサ３０の測定感度を向上することができる。また、ダイアフラム４を大きくした場合でも、接合部１３Ａの面積を広くすることができる。これにより、チップサイズを大きくしなくても、接合強度を向上することができる。よって、圧力センサ３０の小型化を図ることができるとともに、信頼性を高くすることができる。よって、従来よりも小型で高性能のセンサチップを実現できる。
【００２６】
ここで、ダイアフラム４の両面にかかる測定圧力Ｐ１，Ｐ２の差が０であっても、静圧や温度が変化した場合、材料の相違および形状により上記（１）式におけるσｒ−σθの差が零にならない。このため、ブリッジ回路が出力を発生させ、ゼロ点がシフトするという問題が生じる。このように、静圧または温度変化によりσｒ≠σθとなり、ゲージ５ａ〜５ｄの抵抗値が変化する。すなわち、センサチップ１０と台座１１の接合面はダイアフラム４の変形に関係する。そして、正方形のセンサチップ１０に対し正方形のダイアフラム４を互いに対角線が直交するように略４５°傾けて形成した場合、センサチップ１０の接合面のうち対角線ｂ方向の接合面の長さが長くなる。そのため、厚肉部１０ａの裏面全体を接合した場合は、ダイアフラム４の辺に垂直な応力σｒがダイアフラム４の辺に平行な応力σθより大きくなる。その結果として、ゼロ点シフトが発生し、差圧を高い精度で検出することができなくなることがある。
【００２７】
そこで、圧力センサ３０では、応力を緩和しクロストークを少なくするためにセンサチップ１０の厚肉部１０ａの裏面の一部のみを台座１１に接合している。すなわち、厚肉部１０ａの裏面の一部に段差部１４を形成している。そして、段差部１４が形成されている部分を台座１１から離間させることにより非接合部１３とし、段差部１４が形成されていない部分を台座１１に接合することにより接合部１３Ａとしている。段差部１４の形成箇所は、センサチップ１０の裏面の各角部で、非接合部１３が接合部１３Ａより外側に位置している。非接合部１３の大きさは、歪ゲージ５ａ〜５ｄに生じるダイアフラム４の辺に垂直な方向の応力σｒとダイアフラム４の辺に平行な方向の応力σθが等しくなるように形成されている。言い換えれば、非接合部１３の長さＡと接合部１３Ａの長さＢとの比Ａ／Ｂを最適化することにより、σｒ＝σθとし、静圧や温度によるゼロ点シフトを最小になるようにしている。
【００２８】
このように、センサチップ１０と台座１１の接合面はダイアフラム４の変形に関係する。正方形のセンサチップ１０に対し正方形のダイアフラム４を互いに対角線が直交するように４５°傾けて形成した場合、センサチップ１０の接合面のうち対角線方向の接合面の長さが長くなる。そのため、厚肉部１０ａの裏面全体を接合するとダイアフラム４の辺に垂直な応力σｒがダイアフラム４の辺に平行な応力σθより大きくなる。そこで、非接合部１３を設け、その長さＡと接合部１３Ａの長さＢとの比Ａ／Ｂを最適化することにより、応力σｒと応力σθを略等しくすることができる。これにより、Ｓ／Ｎ比を向上することができる
【００２９】
このように、Ａ／Ｂを最適化することによりσｒ＝σθとし、静圧や温度によるゼロ点シフトを最小にすることができる。なお、実際にはσｒとσθを完全に等しくすることはきわめて難しい場合がある。この場合、静圧検出用の歪ゲージ１５ａ〜１５ｄを同一センサチップ上に設けることで、差圧または圧力検出用の歪ゲージ５ａ〜５ｄの検出信号を補正することができる。これにより、差圧または圧力をより高精度に測定することが可能となる。
【００３０】
第２半導体層３の表面側には、ピエゾ抵抗効果を有する歪ゲージ１５ａ〜１５ｄが形成されている。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄはダイアフラム４の外側に形成されている。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、センサチップ１０の表面に形成されている。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、非接合部１３に対応する厚肉部１０ａの表面に形成される。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄで、静圧を検出し、その検出信号によって前記差圧または圧力検出用の歪ゲージ５ａ〜５ｄの検出信号を補正する。静圧検出用の歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、センサチップ１０の対角線ｂ，ｂ上に配置される。さらに、歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、センサチップ１０の各角部に位置するように設けられている。また、歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、センサチップ１０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＞の結晶軸方向に長く形成されている。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、差圧または圧力検出用の歪ゲージ５ａ〜５ｄと同様に拡散またはイオン打ち込み法によって形成される。そして、歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、図示しないリードによってホイートストーンブリッジに結線されている。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、静圧による非接合部１３の変形に伴い比抵抗が変化することにより静圧を検出する。そして、歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、その検出信号によって差圧または圧力検出用の歪ゲージ５ａ〜５ｄの検出信号を補正する。
【００３１】
歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、非接合部１３の表面に配置される。また、歪ゲージ１５ａ〜１５ｄは、ダイアフラム４の中心から離れた位置に配置されている。非接合部１３を設けると、静圧による発生応力が高い区間が生じる。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄをこの区間内でかつ非接合部１３のセンサチップ１０表面に設けると、静圧に対しては感度が高く、差圧に対しては感度が低くなる。これにより、クロストークを低減することができ、差圧または圧力検出用の歪ゲージ５ａ〜５ｄによる検出信号を高精度に補正することができる。歪ゲージ１５ａ〜１５ｄを、その一部が接合部１３Ａのセンサチップ１０表面にまで延在するように、配置してもよい。なお、接合部１３Ａに延在する部分の長さは非接合部１３に設けられる部分の長さより短いことが望ましい。
【００３２】
ここで、ダイアフラム４の両端近傍をダイアフラムエッジ部６とする。ダイアフラムエッジ部６では、第２半導体層３の側端が、第１半導体層１及び絶縁層２に形成された開口部１ａ、２ａの外側に、はみ出している。そして、第２半導体層３の側端はＲ形状に加工される。よって、応力集中を緩和することができる。また、ダイアフラム４を大きくすることができるため、小型で精度の高い圧力センサ３０を得ることができる。
【００３３】
次に、圧力センサ３０の製造方法について、図３を用いて説明する。図３は、圧力センサの製造方法を示す工程断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、第１半導体層１と、０．５μｍ程度の厚さの絶縁層２、及び第２半導体層３からなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを用意する。このＳＯＩウエハを作製するには、Ｓｉ基板中に酸素を注入してＳｉＯ2 層を形成するＳＩＭＯＸ（Separation by IMplanted OXygen）技術を用いてもよいし、２枚のＳｉ基板を貼り合わせるＳＤＢ（Silicon DirectBonding）技術を用いてもよいし、その他の方法を用いてもよい。
【００３４】
第２半導体層３を、平坦化及び薄膜化する。例えば、ＣＣＰ（ComputerControlled Polishing ）と呼ばれる研磨法等により、所定の厚さ（例えば８０μｍ）まで、第２半導体層３を研磨する。
【００３５】
このようにして形成されたＳＯＩウエハの下面にＳｉＯ2膜又はレジスト（不図示）を形成する。このＳｉＯ2膜又はレジストの感圧領域（ダイアフラム４が形成される領域）に相当する部分に開口部１ａを形成する。そして、このようにパターニングされたＳｉＯ2 膜又はレジストをダイアフラム形成用のエッチングマスクとして、第１半導体層１をエッチングする（１次掘り）。ここでは、ドライエッチングにより、第１半導体層１を加工している。より具体的には、ＩＣＰボッシュプロセスによって、第１半導体層１をエッチングする。ボッシュプロセスでは、異方性エッチングが行われるため、第１半導体層１の側端面がほぼ垂直になる。
【００３６】
なお、ボッシュプロセスでは、エッチングステップと、保護ステップ（デポステップ）とが交互に実施される。エッチングステップと保護ステップとは、数秒毎に繰り返し実行される。エッチングステップでは、例えば、ＳＦ６ガスを用いて等方的にエッチングが行われる。保護ステップでは、フロロカーボンガス（例えば、Ｃ４Ｆ８等）を用いて側壁を保護する。すなわち、側壁を保護する膜を第１半導体層１に堆積する。これにより、エッチングステップでの横方向のエッチングが抑制されるため、第１半導体層１に対して異方性エッチングを行うことができる。このように、ボッシュプロセスを用いることで、シリコンを深掘りすることができ、垂直なトレンチ構造が形成される。
【００３７】
ここで、絶縁層２がエッチングストッパとして機能している。このため、エッチングは、上記開口部１ａにおいて徐々に進行するが、絶縁層２に到達するとエッチングレートが下がる。このように、絶縁層２が露出するまで、第１の半導体層１を除去する。これにより、圧力センサとなるチップの中央部分において、第１半導体層１に開口部１ａが形成され、絶縁層２が露出する。異方性エッチングであれば、ボッシュプロセス以外のエッチングで、第１半導体層１をエッチングしてもよい。
【００３８】
続いて、第１半導体層１をエッチングマスクとして、絶縁層２をエッチングする。例えば、ＨＦ等の溶液を用いたウェットエッチングにより、絶縁層２を加工する。もちろん、絶縁層２は、これ以外のエッチャントでエッチングされてもよく、ドライエッチングでエッチングされてもよい。第１半導体層１のエッチングによって露出した絶縁層２が除去され、図３（ｃ）に示す構成となる。このように、感圧領域となる部分において、絶縁層２に開口部２ａが形成され、第２半導体層３が露出する。第１半導体層１、及び絶縁層２に設けられた開口部１ａ、２ａの径は略同じである。
【００３９】
次に、ウエハの表面に所定の厚さの保護膜７を形成すると、図３（ｄ）に示す構成となる。保護膜７は、ウエハの全面に形成される。従って、保護膜７は、第１半導体層１を覆うように形成される。さらに、絶縁層２の側面と、第２半導体層３が露出した部分と、に保護膜７が形成される。すなわち、第１半導体層１及び絶縁層２に開口部１ａ、２ａが形成された部分では、第２半導体層３の表面に保護膜７が堆積する。保護膜７は、後述する第２半導体層３のエッチング工程で、第１半導体層１がサイドエッチングされるのを保護する。
【００４０】
保護膜７は、例えば、ボッシュプロセスの保護ステップを行うことで、形成される。すなわち、Ｃ４Ｆ８ガスなどの炭素原子とフッ素原子を含むガスを用いて保護膜７を成膜する。ここでは、フロロカーボンガスを用いているため、保護膜７がフロロカーボン膜によって形成される。これにより、ウエハの全面に、保護膜７が堆積される。なお、数秒の保護ステップを繰り返し行うことで保護膜７を形成しても良く、保護ステップを連続して長時間行うことにより、保護膜７を形成してもよい。さらには、ボッシュプロセス以外のプロセスで保護膜７を形成してもよい。例えば、フォトレジストなどで保護膜７を形成してもよい。あるいは、ＣＶＤ（化学的気相成長法）等により、保護膜７を堆積してもよい。また、保護膜７は、次に実施される第２半導体層３のエッチング工程において、第１半導体層１がサイドエッチングされない程度の厚さで形成する。すなわち、第２半導体層３のエッチング量を考慮して、保護膜７を形成する厚さが設定される。また、保護膜７は、第１半導体層１の側壁に形成されていればよく、その他の部分には形成されていなくても良い。
【００４１】
その後、保護膜７が形成された状態で、第２半導体層３をエッチングする（２次掘り）。これにより、第２半導体層３にダイアフラム４となるための凹部１２が形成される。ここでは、ボッシュプロセスのエッチングステップなどを用いることができる。すなわち、硫黄原子とフッ素原子を含むガス（ＳＦ６）を用いて、ドライエッチングを行う。第１半導体層１の側壁に、保護膜７が形成されているため、第１半導体層１のサイドエッチングが抑制される。このとき、第１半導体層１がエッチングされず、第１半導体層１と絶縁層２との界面には、ノッチが形成されずに、第１半導体層１と絶縁層２との界面において、第１半導体層１の側端と絶縁層２の側端とを同じ位置にすることができる。感圧領域側で、第１半導体層１の側端と、絶縁層２の側端との位置を一致させることができる。なお、第２半導体層３のエッチング深さは、時間管理により所定の微小量（５〜５０μｍ程度）に制御される。
【００４２】
また、第２半導体層３にバイアス電圧を印加した状態で、ドライエッチングを行うと、イオンが第２半導体層３に向かって加速される。このため、イオンの縦方向の速度が、横方向の速度よりも高くなる。プラズマ中のイオンの大部分は、第１半導体層１及び絶縁層２の開口部１ａ、２ａにおいて、第２半導体層３に向かう。従って、第２半導体層３の表面に形成された保護膜７に対するイオンの衝突頻度が高くなり、第２半導体層３の表面に形成された保護膜７は、ある程度高いエッチングレートで、エッチングされていく。そして、第２半導体層３の表面に形成された保護膜７が速やかに除去され、第２半導体層３が露出する。
【００４３】
一方、上記と同様の理由によって、第１半導体層１の側壁に設けられた保護膜７に対するイオンの衝突頻度は相対的に低くなるため、第１半導体層１の側壁表面に形成された保護膜７のエッチングレートは低くなる。従って、開口部１ａ、２ａにおける保護膜７の縦方向のエッチングレートは、横方向のエッチングレートよりも高くなる。これにより、第１半導体層１の側壁表面に形成された保護膜７が残った状態で、第２半導体層３がエッチングされていく。
【００４４】
また、第２半導体層３の表面の保護膜７が除去され、第２半導体層３が露出すると、第２半導体層３が等方的にエッチングされていく。従って、第２半導体層３がサイドエッチングされる。第２半導体層３がサイドエッチングにより除去された部分は、第１半導体層１及び絶縁層２に形成された開口部１ａ、２ａの外側に、はみ出している。すなわち、第２半導体層３の側端の位置は、第１半導体層１及び絶縁層２の側端からずれている。ダイアフラム４を構成するための凹部１２は、第１半導体層１及び絶縁層２の開口部１ａ、２ａよりも大きくなる。そして、薬液などでウエハを洗浄して、ウエハに形成されている保護膜７を除去すると、図３（ｅ）に示す構成となる。このように、第２半導体層３をサイドエッチングして、第２半導体層３に絶縁層２のエッチング部分よりも大きい凹部１２を形成する。これにより、感圧領域を大きくすることができる。また、第２半導体層３の側端はサイドエッチングにより、Ｒ形状に加工される。これにより、応力集中を緩和することができる。
【００４５】
このようにして、第２半導体層３にダイアフラム４が形成される。第２半導体層３のエッチングは５〜５０μｍ程度の微小量であり、エッチングで厚さがばらつくことはないので、均一な厚さのダイアフラム４を形成することができる。よって、測定精度を向上することができる。また、ダイアフラム４に絶縁層２が残らなくなるため、ダイアフラムエッジ部６の強度を高くすることができる。
【００４６】
また、保護膜７を形成する工程ではボッシュプロセスの保護ステップを用い、第２半導体層３をエッチングする工程ではボッシュプロセスのエッチングステップなどを用いている。これにより、同一装置内で連続して、処理することができるため、生産性を向上することができる。また、１次掘りをボッシュプロセスで行うことで、同一装置を用いることができるため、さらに生産性を向上することができる。もちろん、他のエッチング方法で、第２半導体層３をエッチングしてもよい。
【００４７】
第２半導体層３の上面には、不純物拡散あるいはイオン打ち込み法によってｐ型Ｓｉ等からなる歪ゲージ（ピエゾ抵抗領域）５、１５が形成される。歪ゲージ５は第２半導体層３のダイアフラム４に形成される。また、歪ゲージ１５は、ダイアフラム４の外側に形成される。これにより、図３（ｆ）に示す構成となる。なお、歪ゲージ５は、上記の歪ゲージ５ａ〜５ｄのいずれかであり、歪ゲージ１５は、上記の歪ゲージ１５ａ〜１５ｄのいずれかである。続いて、第２半導体層３の上面にＳｉＯ2層（不図示）を形成し、歪ゲージ５上のＳｉＯ2層にコンタクトホールを形成した後、このコンタクトホール部分に歪ゲージ５との電気的接続を得るためのメタル電極（不図示）を蒸着する。なお、メタル電極を形成する工程は、図３（ａ）〜図３（ｅ）の間のどこで実施しても良い。
【００４８】
そして、センサチップ１０の裏面側に、台座１１を接合する。ここでは、接合部１３Ａのみが接合され、非接合部１３は接合されない。これにより、図３（ｇ）に示す構成となる。例えば、陽極接合によりセンサチップ１０と台座１１が直接接合される。こうして圧力センサの作製が終了する。
【００４９】
このように、第１半導体層１の側壁に保護膜７を形成した状態で、２次掘りが実施される。また、等方的なエッチングにより２次掘りを行っているため、第２半導体層３の凹部１２を開口部１ａ、２ａよりも大きくすることができる。これにより、感圧領域の面積を大きくした場合でも、接合部１３Ａを大きくすることができる。よって、接合の信頼性を向上することができる。また、感圧領域側の第２半導体層３の側端がＲ形状に加工されるため、応力集中を緩和することができる。センサチップ１０の小型化を図ることができるとともに高性能なセンサを得ることができる。
なお、上記の説明では、絶縁層２を用いた例で説明したが、絶縁層２(ストッパ)なしでも当該１次掘りのエッチングレート及び時間を調整できて第２半導体層３の厚みを十分確保できる製造方法をとれば、本圧力センサに必ずしも絶縁層を設ける必要はないことを付け加えておく。また、上記の説明では、ダイアフラムを四角形状に形成したが、多角形状や円形状に形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施の形態にかかる圧力センサの構成を示す側面断面図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる圧力センサの構成を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかる圧力センサの製造工程を示す工程断面図である。
【図４】従来の圧力センサの構成を示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１  第１半導体層、１ａ  開口部、２  絶縁層、２ａ  開口部、３  第２半導体層、
４  ダイアフラム、５  歪ゲージ、５ａ〜５ｄ  歪ゲージ、６  ダイアフラムエッジ部、７  保護膜、１０  センサチップ、１１  台座、１２  凹部、
１３  非接合部、１３Ａ  接合部、１４  段差部、１５  歪ゲージ、
１５ａ〜１５ｄ  歪ゲージ、１７  貫通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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