JP2011164057A - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第２シリコン基板の第１シリコン基板と対向する面で、凹部と対向する部位と第１シリコン基板と接合された部位との境界における応力集中を緩和することにより、破壊耐圧を向上させることができる半導体圧力センサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】一方の面３に凹部８ａが形成された第１シリコン基板２と、凹部８ａを封止するように第１シリコン基板２に一方の面７が接合された第２シリコン基板６と、第２シリコン基板６の他方の面１２に形成された歪検出素子１３と、第２シリコン基板６の一方の面７で凹部８ａと対向する部位に、少なくとも凹部８ａと対向する部位と第１シリコン基板２の一方の面３と接合された部位との境界を覆うように形成された第１酸化シリコン膜１８と、を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体基板を用いて形成される半導体圧力センサおよびその製造方法に関するものである。

半導体基板を用いて形成される半導体圧力センサは、半導体の微細加工技術を用いることにより、高い加工精度で大量に生産することが可能である。従来の半導体圧力センサは、上面に凹部が形成されると共にシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板に、そのシリコン酸化膜を介して、凹部を封止するように単結晶シリコン層が形成され、単結晶シリコン層によって形成されたダイヤフラム上にゲージ抵抗を備えた構成であった。（例えば、特許文献１参照）

特許第３５７０２１８号公報（第６〜８頁、図２）

このような半導体圧力センサにあっては、シリコン基板の凹部とダイヤフラムにより囲まれた圧力基準室内とその外部との圧力差によってダイヤフラムが変形する際、特に、単結晶シリコン層のシリコン基板と対向する面で、凹部と対向する部位とシリコン基板と接合された部位との境界に応力が集中しやすい。この応力集中によって、シリコン基板と単結晶シリコン層との接合面からクラックが進展してしまうことがあり、破壊耐圧の点で不利であるという問題点があった。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、単結晶シリコン層のシリコン基板と対向する面で、凹部と対向する部位とシリコン基板と接合された部位との境界における応力集中を緩和することにより、破壊耐圧を向上させることができる半導体圧力センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係る半導体圧力センサは、一方の面に凹部が形成された第１半導体基板と、凹部を封止するように第１半導体基板に一方の面が接合された第２半導体基板と、第２半導体基板の他方の面に形成された歪検出素子と、第２半導体基板の一方の面で凹部と対向する部位に、少なくとも凹部と対向する部位と第１半導体基板の一方の面と接合された部位との境界を覆うように形成された第１酸化膜と、を備えたものである。

また、この発明に係る半導体圧力センサの製造方法は、第１半導体基板の一方の面に凹部を形成する工程と、凹部を封止するように第１半導体基板と第２半導体基板の一方の面とを接合する工程と、第２半導体基板の一方の面で凹部と対向する部位に、少なくとも凹部と対向する部位と第１半導体基板の一方の面と接合された部位との境界を覆うように第１酸化膜を形成する工程と、第２半導体基板の他方の面に歪検出素子を形成する工程と、を備えたものである。

この発明に係る半導体圧力センサによれば、一方の面に凹部が形成された第１半導体基板と、凹部を封止するように第１半導体基板に一方の面が接合された第２半導体基板と、第２半導体基板の他方の面に形成された歪検出素子と、第２半導体基板の一方の面で凹部と対向する部位に、少なくとも凹部と対向する部位と第１半導体基板の一方の面と接合された部位との境界を覆うように形成された第１酸化膜と、を備えたことにより、第２半導体基板の一方の面で、凹部と対向する部位と第１半導体基板の一方の面と接合された部位との境界への応力集中を緩和できるため、破壊耐圧を向上させることができる。

また、この発明に係る半導体圧力センサの製造方法によれば、第１半導体基板の一方の面に凹部を形成する工程と、凹部を封止するように第１半導体基板と第２半導体基板の一方の面とを接合する工程と、第２半導体基板の一方の面で凹部と対向する部位に、少なくとも凹部と対向する部位と第１半導体基板の一方の面と接合された部位との境界を覆うように第１酸化膜を形成する工程と、第２半導体基板の他方の面に歪検出素子を形成する工程と、を備えたことにより、第２半導体基板の一方の面で、凹部と対向する部位と第１半導体基板の一方の面と接合された部位との境界への応力集中を緩和できるため、破壊耐圧を向上させることができる。

この発明の実施の形態１における半導体圧力センサを示す断面図である。 この発明の実施の形態１における第１シリコン基板を示す上面図である。 この発明の実施の形態１における半導体圧力センサの製造工程を示す断面図である。 半導体圧力センサの凹部の端部を拡大して示す断面図であり、（ａ）はこの発明の実施の形態１における半導体圧力センサを示す断面図、（ｂ）は第１酸化シリコン膜および第３酸化シリコン膜を形成しない半導体圧力センサを示す断面図である。 この発明の実施の形態２における第１シリコン基板の一方の面に凹部を形成する工程を示す断面図である。 この発明の実施の形態３における半導体圧力センサを示す断面図である。 この発明の実施の形態３における第１アライメントマークを形成する工程を示す断面図である。 この発明の実施の形態３における第２アライメントマークを形成する工程を示す断面図である。 この発明の実施の形態４における半導体圧力センサを示す断面図である。

実施の形態１．
まず、この発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１ａの構成を説明する。図１は、この発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１ａを示す断面図である。

図１において、半導体圧力センサ１ａは、第１シリコン基板２の一方の面３と、第２シリコン基板６の一方の面７とが接合された構成となっている。第１シリコン基板２の一方の面３には凹部８ａが形成されており、第２シリコン基板６は、この凹部８ａを封止するように第１シリコン基板２と接合されている。第２シリコン基板６によって凹部８ａを封止したことにより、第２シリコン基板６の凹部８ａと対向する部位が、凹部８ａおよび第２シリコン基板６で囲まれた空間内の圧力と第２シリコン基板６の他方の面１２側の外部圧力との圧力差によって変形するダイヤフラム１１となる。凹部８ａおよび第２シリコン基板６で囲まれた空間内の圧力を真空にすれば絶対圧の測定が可能である。

第２シリコン基板６の他方の面１２の所定位置には、ダイヤフラム１１の歪みを抵抗変化として検出する歪検出素子１３が形成され、歪検出素子１３の電気信号を外部に取り出す配線層１６が形成されている。そして、歪検出素子１３および配線層１６は保護膜１７によって覆われている。

さらに、第２シリコン基板６の一方の面７で凹部８ａと対向する部位には、第１酸化シリコン膜１８が形成されている。また、第１シリコン基板２の、第２シリコン基板６と接合される面である一方の面３上には第２酸化シリコン膜２１が形成されている。よって、第１シリコン基板２と第２シリコン基板６とは、第２酸化シリコン膜２１を介して接合されていることとなる。そして、第１酸化シリコン膜１８は、第２シリコン基板６の一方の面７の凹部８ａと対向する部位と第１シリコン基板２の一方の面３と接合された部位との境界Ｐを覆うように形成されている。即ち、第１酸化シリコン膜１８は、第１シリコン基板２と第２シリコン基板６との接合面２２のうち、凹部８ａに面する部位を覆っている。尚、これら第１酸化シリコン膜１８と第２酸化シリコン膜２１との間には明確な境界は存在せず、一体となるように形成されている。

凹部８ａの内面には、第３酸化シリコン膜２３が形成されている。そして、第３酸化シリコン膜２３と、第１酸化シリコン膜１８および第２酸化シリコン膜２１との間には明確な境界は存在せず、一体となるように形成されている。また、第１シリコン基板２の他方の面２６には、第４酸化シリコン膜２７が形成されている。

尚、ここでは、第１酸化シリコン膜１８および第３酸化シリコン膜２３の膜厚が、第２酸化シリコン膜２１および第４酸化シリコン膜２７の膜厚よりも薄い場合について図１に図示して説明しているが、必ずしも第１酸化シリコン膜１８および第３酸化シリコン膜２３の方が薄くならなければならない訳ではない。

次に、第１シリコン基板２について説明する。ここで、第１シリコン基板２は、面方位（１００）である単結晶シリコン基板であって、表面粗さＲａが１ｎｍ以下まで鏡面研磨されていることが好ましい。導電型および比抵抗値は特に問わないが、Ｐ型導電型で、比抵抗１〜１０Ω・ｃｍ程度であるのが好ましい。

図２は、この発明の実施の形態１における第１シリコン基板２を示す上面図である。図２に示すように、第１シリコン基板２は、例えば一辺が１ｍｍ程度の正方形であって、一方の面３の中央部には、凹部８ａが形成されている。凹部８ａは、平面形状が例えば一辺が５００μｍ程度の正方形で、深さは１０〜１００μｍ程度である。凹部８ａの内面には第３酸化シリコン膜２３が形成されている。第３酸化シリコン膜２３の膜厚は、０．０１〜２μｍの範囲が好ましい。

また、第１シリコン基板２の第２シリコン基板６と接合される面上に形成された第２酸化シリコン膜２１の膜厚は、薄過ぎるとピンホールができてしまう可能性があるので、０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．２〜３μｍの範囲とするのがよい。第１シリコン基板２の他方の面２６に形成された第４酸化シリコン膜２７の膜厚は、第２酸化シリコン膜２１と同程度とするのがよい。同程度の膜厚で第２酸化シリコン膜２１と第４酸化シリコン膜２７を形成することによって、第１シリコン基板２の反りを防止することができる。

次に、第２シリコン基板６について説明する。第２シリコン基板６も、上述した第１シリコン基板２と同様に、面方位（１００）である単結晶シリコン基板であって、表面粗さＲａが１ｎｍ以下まで鏡面研磨されていることが好ましい。導電型は特に問わないが、歪検出素子１３をイオン注入によって形成する場合は、第２シリコン基板６はＮ型導電型であることが好ましい。比抵抗値は、低過ぎると歪検出素子１３から電流がリークするため、高い方が好ましく、１〜１０Ω・ｃｍ程度であるのが好ましい。

第２シリコン基板６も一辺が１ｍｍ程度の正方形である。第２シリコン基板６は、凹部８ａを封止するように第１シリコン基板２と接合されることにより、第２シリコン基板６の凹部８ａと対向する部位がダイヤフラム１１となる。ダイヤフラム１１の最大撓み量は１μｍ以下となることが好ましく、例えば凹部８ａが５００μｍの正方形である場合は、第２シリコン基板６の厚さを２０μｍ程度にすれば、ダイヤフラム１１の最大撓み量を１μｍ以下に抑えることができる。

そして、第２シリコン基板６の一方の面７で凹部８ａと対向する部位には、第１酸化シリコン膜１８が形成される。第１酸化シリコン膜１８の膜厚は、０．０１〜２μｍの範囲が好ましい。第２シリコン基板６の他方の面１２の所定位置には、歪検出素子１３が形成され、さらに、配線層１６および保護膜１７が形成される。

次に、歪検出素子１３について説明する。歪検出素子１３の形成手段としては、例えば、イオン注入によって、Ｐ型基板にＮ型領域を、またはＮ型基板にＰ型領域を形成する方法や、クロム膜をスパッタリング法で成膜する方法がある。検出感度の観点から、クロム膜を成膜する方法よりもイオン注入を行う方法の方が好ましく、Ｐ型基板にＮ型領域を形成するものよりもＮ型基板にＰ型領域を形成するものの方が好ましい。従って、イオン注入によってＰ型の歪検出素子１３を形成する場合は、第２シリコン基板６はＮ型導電型のものを用いることとなる。

歪検出素子１３の電気信号を外部に取り出す配線層１６としては、アルミニウム、銅、金、銀などの金属膜が用いられる。歪検出素子１３および配線層１６を覆う保護膜１７としては、水分を透過させない窒化シリコン膜が適している。

次に、この発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１ａの製造方法について説明する。図３は、この発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１ａの製造工程を示す断面図である。

まず、図３（ａ）に示すように、第１シリコン基板２を準備する。ここで、第１シリコン基板２は、Ｐ型導電型であって、面方位（１００）の単結晶シリコン基板である。

次に、図３（ｂ）に示すように、第１シリコン基板２の一方の面３に第２酸化シリコン膜２１を、他方の面２６に第４酸化シリコン膜２７を形成する。第２酸化シリコン膜２１および第４酸化シリコン膜２７の形成方法としては、熱酸化法やプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などがあるが、緻密な酸化シリコン膜を容易に形成できる熱酸化法を用いることが好ましい。よって、ここでは熱酸化法を用いて、第１シリコン基板２を酸化性雰囲気中でアニール処理することによって、第２酸化シリコン膜２１および第４酸化シリコン膜２７を形成する。

次に、図３（ｃ）に示すように、第１シリコン基板２の一方の面３の第２酸化シリコン膜２１上に、感光性樹脂２８をスピン塗布により塗布し、写真製版技術によって感光性樹脂２８を所望の形状にパターニングする。

次に、図３（ｄ）に示すように、第２酸化シリコン膜２１の感光性樹脂２８で覆われていない部分を除去する。除去手段としては、フッ酸、アンモニアフッ化物を添加した溶液、または、四フッ化メタンガスと酸素ガスを混合したプラズマエッチングを用いることができる。

次に、図３（ｅ）に示すように、第１シリコン基板２の一方の面３における、前工程で第２酸化シリコン膜２１を除去したことによって露出したシリコンの部分をエッチングして凹部８ａを形成する。エッチングの手段としては、六フッ化硫黄ガスを用いたプラズマエッチングが用いられる。プラズマエッチングの際に、パーフルオロシクロブタンガスと六フッ化硫黄ガスとを交互に導入することによって、およそ垂直にエッチングすることが可能である。

次に、図３（ｆ）に示すように、第２酸化シリコン膜２１上に残っている感光性樹脂２８を除去する。除去手段としては、アセトンのような有機溶剤による除去や、酸素プラズマによる除去が用いられる。ただし、プラズマによる除去の場合は、第２酸化シリコン膜２１の表面粗さＲａが１ｎｍより大きくならないように、プラズマのパワーを制御し、照射イオンによるダメージを低減する必要がある。

次に、第１シリコン基板２の表面に親水化処理を行う。例えば、濃度９８％の濃硫酸と濃度３０％の過酸化水素水を４：１の体積比で混合して１３０℃に加熱した溶液によって、第１シリコン基板２を１０分間程度洗浄する。これにより、第１シリコン基板２の表面が親水化された状態となり、第１シリコン基板２と第２シリコン基板６とを室温で仮接合する上で良好な表面状態となる。

次に、図３（ｇ）に示すように、第１シリコン基板２の凹部８ａを封止するように、第１シリコン基板２の一方の面３と第２シリコン基板６の一方の面７とを第２酸化シリコン膜２１を介して仮接合する。ここで、第２シリコン基板６は、Ｎ型導電型であって、面方位（１００）の単結晶シリコン基板である。さらに、第２シリコン基板６の厚さは、ダイヤフラム１１を形成するために適した厚さよりも厚くなっている。

このとき、温度は室温でよい。大気中、真空中のいずれでもよいが、半導体圧力センサ１ａの圧力基準室となる凹部８ａおよび第２シリコン基板６で囲まれた空間を真空にしたい場合は、真空中で仮接合を行うことが好ましい。ここでは、凹部８ａおよび第２シリコン基板６で囲まれた空間内に残留した水分を後の工程で利用するため、１Ｐａ程度もしくはそれより高い圧力の真空状態が適している。

次に、アニール処理を行う。ここでは、酸化性雰囲気、例えば酸素や水蒸気雰囲気でのアニール処理が適している。アニール温度は１０００〜１２００℃の範囲が好ましく、アニール時間は１時間以上が好ましく、より好ましくは６時間程度がよい。このアニール処理によって、仮接合状態であった第１シリコン基板２と第２シリコン基板６とが完全に接合される。

さらに、図３（ｈ）に示すように、このアニール処理によって、凹部８ａおよび第２シリコン基板６で囲まれた空間内に残留した水分を利用して、第２シリコン基板６の一方の面７で凹部８ａと対向する部位に第１酸化シリコン膜１８が、凹部８ａの内面に第３酸化シリコン膜２３が形成される。ここで、第２シリコン基板６の一方の面７の凹部８ａと対向する部位と第１シリコン基板２の一方の面３と接合された部位との境界が、第１酸化シリコン膜１８によって覆われることとなる。即ち、第１シリコン基板２と第２シリコン基板６との接合面２２のうち、凹部８ａに面する部位が、第１酸化シリコン膜１８によって覆われる。尚、第１酸化シリコン膜１８、第２酸化シリコン膜２１および第３酸化シリコン膜２３の間には明確な境界は存在せず、一体となるように形成される。

尚、ここでは、このアニール処理によって形成される第１酸化シリコン膜１８および第３酸化シリコン膜２３の膜厚が、第２酸化シリコン膜２１および第４酸化シリコン膜２７の膜厚よりも薄い場合について図示して説明しているが、必ずしも薄くならなければならない訳ではなく、第１酸化シリコン膜１８および第３酸化シリコン膜２３の膜厚の方が厚くなってもよい。

次に、図３（ｉ）に示すように、第２シリコン基板６を所望の厚さに薄肉化する。これにより、第２シリコン基板６の凹部８ａと対向する部位がダイヤフラム１１となる。第２シリコン基板６の厚さを薄くするほどダイヤフラム１１の最大撓み量は大きくなるが、薄肉化は、ダイヤフラム１１の最大撓み量が１μｍ以下となる程度とするのが好ましい。薄肉化の手段としては、グラインダおよび化学機械研磨の技術を用いるとよい。

次に、図３（ｊ）に示すように、第２シリコン基板６の他方の面１２の所定位置に、歪検出素子１３を形成する。歪検出素子１３は、ダイヤフラム１１の歪みが大きい部分に形成することが好ましいため、ダイヤフラム１１の端部または中央部が好ましい。図３（ｊ）では、ダイヤフラム１１の端部に形成している。

第１シリコン基板２の他方の面２６側から波長１０００ｎｍ以上の光を含む白色光を照射し、第２シリコン基板６を透過してきた近赤外光を赤外線カメラで観測することによって、凹部８ａの位置を正確に判別することができる。これにより、凹部８ａの位置に対して、歪検出素子１３を形成する位置を決めることができる。

歪検出素子１３の形成手段としては、上述のように検出感度の観点から、例えばボロンをイオン注入することによって、Ｎ型導電型の第２シリコン基板６の他方の面１２上にＰ型領域を形成することが好ましい。

最後に、第２シリコン基板６の他方の面１２に、配線層１６および保護膜１７を形成する。配線層１６としてはアルミニウム膜を、保護膜１７としては窒化シリコン膜を用いることが好ましい。

次に、この発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１ａと、第１酸化シリコン膜１８および第３酸化シリコン膜２３を形成しない半導体圧力センサ３１とで破壊耐圧を比較した例について説明する。図４は、半導体圧力センサの凹部の端部を拡大して示す断面図であり、（ａ）はこの発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１ａを示す断面図、（ｂ）は第１酸化シリコン膜１８および第３酸化シリコン膜２３を形成しない半導体圧力センサ３１を示す断面図である。ただし、図４においては、配線層１６および保護膜１７は省略している。

まず、比較実験に用いた半導体圧力センサ１ａおよび半導体圧力センサ３１の構成について説明する。図４（ａ）に示すこの発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１ａは、凹部８ａの平面形状が一辺５００μｍの正方形であって、第２シリコン基板６の厚さを２０μｍとしたものである。図４（ｂ）に示す比較例の半導体圧力センサ３１は、第１酸化シリコン膜１８および第３酸化シリコン膜２３が形成されていないこと以外は半導体圧力センサ１ａと同じ構成である。

半導体圧力センサ１ａでは、第１シリコン基板２と第２シリコン基板６とを接合する際の圧力を１Ｐａ程度としたことにより、凹部８ａおよび第２シリコン基板６で囲まれた空間内に水分が残留し、その後のアニール処理によって熱酸化され、第１酸化シリコン膜１８および第３酸化シリコン膜２３が形成された。これに対して、半導体圧力センサ３１では、圧力を１０^−４Ｐａ程度まで下げて、凹部８ａおよび第２シリコン基板６で囲まれた空間内に残留する水分を極力除去して接合したため、その後のアニール処理によっても第１酸化シリコン膜１８および第３酸化シリコン膜２３が形成されなかった。

次に、比較実験の結果について説明する。半導体圧力センサ３１においては、外部圧力を上げていくと、５〜８ＭＰａで破壊した。これに対して、この発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１ａにおいては、外部圧力を上げていくと、１２〜１５ＭＰａで破壊した。凹部８ａの寸法および第２シリコン基板６の厚さを変えて実験を行っても、それぞれの破壊圧力値の絶対値は上下したが、半導体圧力センサ１ａの方が、破壊圧力が高くなることについては変わらなかった。

図４（ｂ）に示すように、比較例の半導体圧力センサ３１では、ダイヤフラム１１が撓む際に、第２シリコン基板６の一方の面７で、凹部８ａと対向する部位と第１シリコン基板２の一方の面３と接合された部位との境界であるＢ点に特に応力が集中するため、接合面２２からクラックが進展しやすい。一方、図４（ａ）に示すように、この発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１ａでは、第２シリコン基板６の一方の面７で凹部８ａと対向する部位に第１酸化シリコン膜１８を形成したことによって、ダイヤフラム１１が撓む際に応力が集中する箇所が接合面２２から離れたＡ点となる。よって、半導体圧力センサ１ａでは、第２シリコン基板６の一方の面７で、凹部８ａと対向する部位と第１シリコン基板２の一方の面３と接合された部位との境界、即ち、第１シリコン基板２と第２シリコン基板６との接合面２２の凹部８ａに面する部位への応力集中を緩和することができる。

この発明の実施の形態１では、以上のような構成としたことにより、第２シリコン基板６の一方の面７で、凹部８ａと対向する部位と第１シリコン基板２の一方の面３と接合された部位との境界への応力集中を緩和することができるため、破壊耐圧が向上するという効果がある。

また、酸化シリコンはシリコンと比べて親水化しやすいことから、第１シリコン基板２の第２シリコン基板６と接合される面である一方の面３に第２酸化シリコン膜２１を形成したことにより、一方の面３は、第２酸化シリコン膜２１を形成しない状態と比べて、より親水化される。このため、第１シリコン基板２と第２シリコン基板６との接合が容易となる。

さらに、第１シリコン基板２の他方の面２６に第４酸化シリコン膜２７を形成したことにより、第２酸化シリコン膜２１と第４酸化シリコン膜２７とが、第１シリコン基板２の表裏に形成されることとなり、第１シリコン基板２の反りを抑えることができる。

第１シリコン基板２の凹部８ａの内面に第３酸化シリコン膜２３を形成したことにより、この第３酸化シリコン膜２３が、半導体圧力センサ１ａの圧力基準室となる凹部８ａおよび第２シリコン基板６で囲まれた空間内に残留した水分を吸収する役割を果たすこととなる。これにより、凹部８ａおよび第２シリコン基板６で囲まれた空間内の残留水分を減らすことができるので、残留した水分子が圧力検出に悪影響を及ぼすことを防ぐことができる。

また、第１シリコン基板２の一方の面３に凹部８ａを形成した後で、かつ、第１シリコン基板２と第２シリコン基板６とを接合する前に、熱酸化によって第２酸化シリコン膜２１を形成しようとすると、第１シリコン基板２の第２シリコン基板と接合される面上において、凹部８ａの周囲にあたる部位と凹部８ａから離れた部位とで温度分布が異なってしまうため、第１シリコン基板２の一方の面３内で、第２酸化シリコン膜２１の膜厚が一様でなくなる。第２酸化シリコン膜２１の膜厚が一様でなくなると、第１シリコン基板２と第２シリコン基板６との接合に不良が生じてしまうこととなる。これに対して、この発明の実施の形態１では、第１シリコン基板２の一方の面３に凹部８ａを形成する前に第２酸化シリコン膜２１を形成したことによって、第２酸化シリコン膜２１の膜厚が、第１シリコン基板２の一方の面３内において一様になるように形成することができる。これにより、第１シリコン基板２と第２シリコン基板６との接合に不良が生じることを防止できる。

尚、この発明の実施の形態１では、第２シリコン基板６の一方の面７で凹部８ａと対向する部位の全面に、第１酸化シリコン膜１８を形成した。しかし、これに限ることはなく、第２シリコン基板６の一方の面７で凹部８ａと対向する部位の、少なくとも凹部８ａと対向する部位と第１シリコン基板２の一方の面３と接合された部位との境界を覆うように形成されていれば一定の効果が得られる。

また、この発明の実施の形態１では、第１シリコン基板２の第２シリコン基板６と接合される面の全面に第２酸化シリコン膜２１を形成した。しかし、これに限ることはなく、第１シリコン基板２の第２シリコン基板６と接合される面上における、少なくとも凹部８ａの周囲にあたる部位に、凹部８ａを第２シリコン基板６によって封止するために充分なだけ形成されていればよい。

第１シリコン基板２の他方の面２６に形成された第４酸化シリコン膜２７についても同様であり、必ずしも全面に形成する必要はない。第４酸化シリコン膜２７は、第２酸化シリコン膜２１や第３酸化シリコン膜２３との関係で、第１シリコン基板２の反りが小さくなるように形成することが好ましい。

さらに、この発明の実施の形態１では、凹部８ａの内面の全面に第３酸化シリコン膜２３を形成し、第３酸化シリコン膜２３と、第１酸化シリコン膜１８および第２酸化シリコン膜２１との間には明確な境界が存在せず一体となるように形成した。しかし、凹部８ａの内面の全面に第３酸化シリコン膜２３を形成する必要はなく、凹部８ａの内面の一部のみに形成しても一定の効果が得られる。また、第３酸化シリコン膜２３が、第１酸化シリコン膜１８および第２酸化シリコン膜２１と一体とならずに分離した状態になるように形成しても同様の効果が得られる。

尚、この発明の実施の形態１では、第２シリコン基板６として、ダイヤフラム１１の形成のために必要な厚さよりも厚いものを用い、第１シリコン基板２と接合した後に所望の厚さまで薄肉化した。しかし、薄肉化の工程は第１シリコン基板２と接合する前に行ってもよいし、第２シリコン基板６として、はじめから薄肉化の必要のない厚さのものを準備して使用してもよい。

また、この発明の実施の形態１では、第１シリコン基板２の一方の面３の第２酸化シリコン膜２１と、他方の面２６の第４酸化シリコン膜２７とを、凹部８ａを形成する前に同時に形成した。しかし、同時である必要はなく、第４酸化シリコン膜２７は、いつ形成してもよい。ただし、第１シリコン基板２と第２シリコン基板６とを接合する前に形成することが好ましい。

第２酸化シリコン膜２１についても、アニール時における第１シリコン基板２の一方の面３内での温度分布を適切に管理するなどにより、第２酸化シリコン膜２１の膜厚を一様に形成することができるならば、凹部８ａを形成した後に形成してもよい。

加えて、この発明の実施の形態１では、第１酸化シリコン膜１８と第３酸化シリコン膜２３とを同時に形成した。しかし、同時に限らず、別々の工程で形成してもよく、第３酸化シリコン膜２３については、第１シリコン基板２と第２シリコン基板６とを接合する前に形成してもよい。

尚、この発明の実施の形態１では、シリコンの基板である第１シリコン基板２および第２シリコン基板６を用いたが、これに限ることはなく、シリコンカーバイドやゲルマニウムなど他の半導体の基板を用いてもよい。

第１シリコン基板２および第２シリコン基板６の形状については、ここでは正方形としたが、他の形状でもよい。凹部８ａについても、平面形状を正方形とし、深さ方向には垂直にエッチングして形成したが、他の形状でもよい。

第１シリコン基板２と第２シリコン基板６の形状および大きさが同じになるようにしたが、第２シリコン基板６は、最低限、凹部８ａを封止してダイヤフラム１１を形成できるだけの大きさがあれば充分である。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２における第１シリコン基板２の一方の面３に凹部８ｂを形成する工程を示す断面図である。図５において、図３（ｅ）と同じ符号を付けたものは、同一または相当の構成を示しており、その説明を省略する。この発明の実施の形態１とは、凹部８ｂが、深さ方向に垂直な形状ではなく、深さ方向に進むにつれて細くなる形状となっている構成が相違している。

次に、このような凹部８ｂを形成する工程について説明する。図５に示すように、第１シリコン基板２の一方の面３における、シリコンの露出部分をエッチングして凹部８ｂを形成する。エッチングの手段としては、例えば水酸化カリウム水溶液のようなアルカリ溶液によるエッチングが用いられる。水酸化カリウム水溶液は、シリコンの結晶方位に対して異方性を示し、（１１１）面にはエッチングがほとんど進まない。ここでは、第１シリコン基板２として面方位（１００）である単結晶シリコン基板を用いているため、水酸化カリウム水溶液を用いることによって、（１１１）面が現れ、深さ方向に進むにつれて細くなる形状の凹部８ｂが形成される。

尚、アルカリ溶液を用いたエッチングによって凹部８ｂを形成する場合は、アルカリ溶液によって感光性樹脂２８が溶解し、シリコンのエッチングに悪影響を及ぼすことがあるため、凹部８ｂを形成する工程の前に、感光性樹脂２８を除去しておくことが好ましい。その他の工程については、この発明の実施の形態１の場合と同様である。

この発明の実施の形態２では、以上のような製造工程としたことにより、プラズマエッチングによって凹部８ａを形成する場合と比べて、製造コストを抑えることができる。

実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３における半導体圧力センサ１ｂを示す断面図である。図６において、図１と同じ符号を付けたものは、同一または相当の構成を示しており、その説明を省略する。この発明の実施の形態１とは、第１シリコン基板２の他方の面２６に第１アライメントマーク３２が形成され、第２シリコン基板６の他方の面１２に第２アライメントマークが形成された構成が相違している。第１アライメントマーク３２は、凹部８ａとの相対位置を示す目印となるものであり、第２アライメントマーク３３は、第１アライメントマーク３２との相対位置を示す目印となるものである。

ただし、ここでは、第４酸化シリコン膜２７を形成していない場合について説明する。また、図６において、配線層１６および保護膜１７は省略している。

次に、第１アライメントマーク３２を形成する工程について説明する。図７は、この発明の実施の形態３における第１アライメントマーク３２を形成する工程を示す断面図である。この工程は、図３（ｅ）に示す凹部８ａを形成する工程、または、図（ｆ）に示す感光性樹脂２８を除去する工程の後に行う。

第１アライメントマーク３２は、第１シリコン基板２の他方の面２６に、写真製版技術によって感光性樹脂をパターニングし、感光性樹脂で覆われない部分をエッチングすることによって形成される。第１アライメントマーク３２の形状については、平面形状が正方形、長方形、円形のものや、スリット状のものなど、特に限定されない。

第１アライメントマーク３２のパターニング用のフォトマスクの位置決めは、第１シリコン基板２を一方の面３側から観察した像と、他方の面２６側から観察した像とを重ね合わせた像を観察して行う。この重ね合わせた観察像から、凹部８ａの位置、もしくは第１シリコン基板２の一方の面３に凹部８ａとの相対位置が精度良く定まって形成された他の目印の位置を基準としてフォトマスクの位置決めを行う。これによって、凹部８ａとの相対位置が精度良く定まった第１アライメントマーク３２を形成することができる。

次に、第２アライメントマーク３３を形成する工程について説明する。図８は、この発明の実施の形態３における第２アライメントマーク３３を形成する工程を示す断面図である。この工程は、図３（ｉ）に示す第２シリコン基板６を薄肉化する工程の後に行う。

第２アライメントマーク３３についても第１アライメントマーク３２と同様に、写真製版技術によって第２シリコン基板６の他方の面１２にパターニングを行い、その後、エッチングを行って形成する。第２アライメントマーク３３の形状が特に限定されないことも第１アライメントマーク３２と同様である。

第２アライメントマーク３３のパターニング用のフォトマスクの位置決めは、第１シリコン基板２の他方の面２６側から観察した像と、第２シリコン基板６の他方の面１２側から観察した像とを重ね合わせた像を観察して行う。この重ね合わせた観察像から、第１アライメントマーク３２の位置を基準としてフォトマスクの位置決めを行う。これによって、第１アライメントマーク３２との相対位置が精度良く定まった第２アライメントマーク３３を形成することができる。第１アライメントマーク３２は、凹部８ａとの相対位置が精度良く定まっているため、第２アライメントマーク３３は、凹部８ａとの相対位置が精度良く定まって形成されていることとなる。

次に、第２シリコン基板６の他方の面１２に歪検出素子１３を形成する工程について説明する。歪検出素子１３を形成する位置決めを行うときに、第２シリコン基板６の他方の面１２上に形成された第２アライメントマーク３３を目印として位置決めを行う。凹部８ａと第２アライメントマーク３３との相対位置が精度良く定まっていることから、第２アライメントマーク３３を目印とすることで、ダイヤフラム１１上の適切な位置に歪検出素子１３を形成することができる。

この発明の実施の形態３では、以上のような構成としたことにより、第２シリコン基板６の他方の面１２に歪検出素子１３を形成する工程で、近赤外光を用いることなく可視光での観察によって歪検出素子１３の形成位置を決めることができる。これにより、近赤外光を照射する装置が不要となるため、装置構成を簡素化できるという効果がある。

尚、この発明の実施の形態３では、第１アライメントマーク３２と第２アライメントマーク３３を形成した。しかし、第１アライメントマーク３２のみ形成して第２アライメントマーク３３を形成しない場合でも、可視光観察での歪検出素子１３の位置決めは可能である。第１アライメントマーク３２のみの場合は、歪検出素子１３の形成位置を決める際に、第１シリコン基板２の他方の面２６側から観察した像と、第２シリコン基板６の他方の面１２側から観察した像とを重ね合わせた像を観察して行う。この重ね合わせた観察像から、第１アライメントマーク３２を目印として歪検出素子１３を形成する位置を決定することにより、ダイヤフラム１１上の適切な位置に歪検出素子１３を形成することができる。

さらに、この発明の実施の形態３では、凹部８ａを形成した後に、凹部８ａの位置、もしくは第１シリコン基板２の一方の面３に凹部８ａとの相対位置が精度良く定まって形成された他の目印の位置を基準として第１アライメントマーク３２を形成した。しかし、逆に、第１アライメントマーク３２を形成した後に、第１アライメントマーク３２の位置を基準として凹部８ａを形成してもよい。

また、この発明の実施の形態３では、第１シリコン基板２の他方の面２６に第４酸化シリコン膜２７を形成していない場合について説明したが、第４酸化シリコン膜２７を形成していてもよい。この場合は、第４酸化シリコン膜２７に第１アライメントマーク３２を形成すればよい。

実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４における半導体圧力センサ１ｃを示す断面図である。図９において、図１と同じ符号を付けたものは、同一または相当の構成を示しており、その説明を省略する。この発明の実施の形態１とは、第１シリコン基板２の他方の面２６から凹部８ａまで貫通する貫通穴３６が形成された構成が相違している。

ただし、ここでは、第４酸化シリコン膜２７を形成していない場合について説明する。また、図９において、配線層１６および保護膜１７は省略している。

貫通穴３６は、エッチングによって形成するが、第１シリコン基板２の他方の面２６から凹部８ａまで貫通する穴が形成できれば、形成手段は特に問わない。また、貫通穴３６の形状、大きさおよび位置も特に問わない。貫通穴３６を形成する工程は、歪検出素子１３を形成する工程より後に行うことが好ましい。

この発明の実施の形態４では、以上のような構成としたことにより、第１シリコン基板２の他方の面２６側の圧力と、第２シリコン基板６の他方の面１２側の圧力との圧力差を検出することができる。

尚、この発明の実施の形態４では、第１シリコン基板２の他方の面２６に第４酸化シリコン膜２７を形成していない場合について説明したが、第４酸化シリコン膜２７を形成している場合でも、第１シリコン基板２の他方の面２６側から凹部８ａまで貫通するように貫通穴３６を形成すれば同様の効果が得られる。

以上、この発明の実施の形態１〜４について説明した。これらの、この発明の実施の形態１〜４で説明した構成は互いに組合せることができる。

１ａ〜１ｃ 半導体圧力センサ
２ 第１シリコン基板
３ 第１シリコン基板の一方の面
６ 第２シリコン基板
７ 第２シリコン基板の一方の面
８ａ、８ｂ 凹部
１２ 第２シリコン基板の他方の面
１３ 歪検出素子
１８ 第１酸化シリコン膜
２１ 第２酸化シリコン膜
２２ 第１シリコン基板と第２シリコン基板との接合面
２３ 第３酸化シリコン膜
２６ 第１シリコン基板の他方の面
２７ 第４酸化シリコン膜
３２ 第１アライメントマーク
３３ 第２アライメントマーク
３６ 貫通穴

Claims (12)

1. 一方の面に凹部が形成された第１半導体基板と、
   前記凹部を封止するように前記第１半導体基板に、一方の面が接合された第２半導体基板と、
   前記第２半導体基板の他方の面に形成された歪検出素子と、
   前記第２半導体基板の一方の面で前記凹部と対向する部位に、少なくとも前記凹部と対向する部位と前記第１半導体基板の一方の面と接合された部位との境界を覆うように形成された第１酸化膜と、
   を備えた半導体圧力センサ。
2. 第１半導体基板の第２半導体基板と接合される面上における少なくとも凹部の周囲に第２酸化膜が形成され、前記第２酸化膜は、第１酸化膜の一部と一体となったことを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサ。
3. 第１半導体基板の凹部の内面に第３酸化膜が形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
4. 第１半導体基板の他方の面に第４酸化膜が形成されたことを特徴とする請求項２または請求項３のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
5. 第１半導体基板の他方の面から凹部まで貫通する貫通穴が形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の半導体圧力センサ。
6. 第１半導体基板の一方の面に凹部を形成する工程と、
   前記凹部を封止するように前記第１半導体基板と第２半導体基板の一方の面とを接合する工程と、
   前記第２半導体基板の一方の面で前記凹部と対向する部位に、少なくとも前記凹部と対向する部位と前記第１半導体基板の一方の面と接合された部位との境界を覆うように第１酸化膜を形成する工程と、
   前記第２半導体基板の他方の面に歪検出素子を形成する工程と、
   を備えた半導体圧力センサの製造方法。
7. 第１半導体基板の第２半導体基板と接合される面上における少なくとも凹部の周囲に、第１酸化膜の一部と一体となるように第２酸化膜を形成する工程を備えたことを特徴とする請求項６記載の半導体圧力センサの製造方法。
8. 第１半導体基板の凹部の内面に第３酸化膜を形成する工程を備えたことを特徴とする請求項６または請求項７のいずれかに記載の半導体圧力センサの製造方法。
9. 第１半導体基板の他方の面に第４酸化膜を形成する工程を備えたことを特徴とする請求項７または請求項８のいずれかに記載の半導体圧力センサの製造方法。
10. 第２半導体基板を所望の厚さに薄肉化する工程を備えたことを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の半導体圧力センサの製造方法。
11. 第１半導体基板の他方の面に、凹部に対する相対位置を示す第１目印部を形成する工程を備え、
    第２半導体基板の他方の面に歪検出素子を形成する工程では、前記第１目印部を目印として前記歪検出素子を形成することを特徴とする請求項６ないし請求項１０のいずれか１項に記載の半導体圧力センサの製造方法。
12. 第１半導体基板の他方の面に、凹部に対する相対位置を示す第１目印部を形成する工程と、
    第２半導体基板の他方の面に、第１目印部に対する相対位置を示す第２目印部を形成する工程と、
    を備え、
    前記第２半導体基板の他方の面に歪検出素子を形成する工程では、前記第２目印部を目印として前記歪検出素子を形成することを特徴とする請求項６ないし請求項１０のいずれか１項に記載の半導体圧力センサの製造方法。

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