JPS6281771A - シリコン・ダイアフラムの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体圧力センサ等に応用できるシリコン・
ダイアフラムに関する。

〔従来の技術〕

シリコンは、物性的に半導体高集積回路の原材料として
利用される一方、その機械的強度からダイアフラムとし
て利用きれている。この代表例がシリコン・ダイアフラ
ム型圧力センサである。

圧力センサの需要は、近年（、）医療用、（ｂ）自動車
用、（Ｃ）工業計測用などの分野で急速に高まっている
。これらに対応できる唯一のものとしてシリコン・ダイ
アプラム型の圧力センサが注目されている。その理由は
■大量生産可能、■低価格、■高精度、■高信頼性、■
小型軽量、■多機能化可能等の多くの利点と可能性によ
る。

しかし実際には、その製造上の最重要技術であるシリコ
ン・ダイアフラム製造技術が確立されたものとはなって
おらず、■大量生産、■低価格は実現されているとは言
い難い。

即ち、ダイアフラムの（１）均一性、（１１）厚さ精度
、（１ｉｉ）半導体としての特性等を正確に制御するこ
とは非常に困難であるため、安定した生産が行なえない
。

これら３項目中（１）均一性と（ト）厚さ精度の２つを
制御できるシリコン・ダイアフラム製造方法として、従
来提案されているものを第２図に示す。その製造工程を
以下簡単に説明する。

（ａ）保護膜（２）形成・・・保護膜は５ｉＯ２（熱酸
化膜、ＣＶＤ膜（ＰＳＧ、Ｎ５Ｇ）　　スパック膜池）
ＳｉＮ（ＣＶＤ　　膜プラグ？ＣＶＤｆｌ！Ｊ、スパッ
タ膜他）等種々の材質のものが考えられるが熱酸化５ｉ
ｎ２膜が最も一般的である。以下熱酸化５１０２膜を例
に説明する。

（ｂ）保護膜パクーニング・・・表面は少なくともダイ
アフラムが形成される領域を完全に含む部分（従って全
面ということもある）の保護膜を除去し、裏面はボロン
が拡散されないように全面の保護膜を残す。従ってフォ
ト処理は両面処理になる。また裏面はボロン高濃度層を
アルカリ系エツチング液によるエツチングのマスクとし
て用いるためにエツチングしない部分の保護膜だけを除
去する方法もあるがここでは省略する。

（Ｃ）ボロン高濃度層形成・・・ボロンガラス等をシリ
コン基板（１）上に堆積させ、１２００°Ｃ程度の高温
処理を行ないボロン濃度が７　Ｘ　１０１９ｉｏｎｓ　
７ｃｍ”　　以上となる層（３）が２μｍ以上形成され
るようにボロンをシリコン基板中に拡散させる。

（ｄ）表面の保護膜除去・・・裏面の保護膜は残し、表
明の保護膜を完全に除去する。このとき裏面の保護膜（
熱酸化Ｓｉ０ｇ膜）を残すのは、表面に比べ凹凸が多く
存在する裏面の保護膜として熱酸化Ｓｉ０ｇ膜が最適で
あることと、熱処理工程をあまり後工程に残したくない
ことにより先を；形成した膜を利用する。

（ｅ）エピタキシャル成長・・・ボロン高濃度層（３）
を形成したシリコン基板（１）上に、リンをＩ　Ｘ　１
０１５ｉｏｎｓ／ｃｍ”程度含むｎ型のシリコン単結晶
膜（４）をエピタキシャル成長させる。このエビ成長層
（４）とボロン高濃度層（３）の厚さの合計が形成する
ダイアフラムの厚さとなる。

（ｆ）表面の保護膜形成・・・アルカリ系エツチング液
に耐え得る保護膜をできるだけ低い温度で形成する。例
えば＝１・５０°Ｃ程度で形成できるＣＶＤ膜が８００
°Ｃ程度で形成する極く薄い熱酸化Ｓ　ｉｏｇ膜が考え
られる。

（ｇ）裏面保護膜バクーニング・・・ダイアフラムを形
成するためにエツチングする部分の保護膜を除去する。

このときバタンの形状はダイアフラム厚さと、シリコン
基板（７）の厚さにより一意的に決まる。

即ちアルカリ系のエツチング液を用いると（１１１）面
のエツチング速度が（１００）面や（１１０）面に比べ
て極端に遅いため、表面が（１００）或いは、（１１０
）の基板を用いると幾何学的に形状が決定される。

（ｈ）エツチング・・・アルカリ系のエツチング液でエ
ツチングを行なう。このときボロン高濃度層（３）のエ
ツチング速度は極めて遅いため、エツチングはほぼ自動
的に停止する。ボロン高濃度層（３）がエツチング停止
層と呼ばれる由縁である。

このプロセスでシリコン・ダイアプラムを製造するとダ
イアフラムの（１）均−性及び（１１）厚さ精度はボロ
ン高濃度層（３）とエピタキシャル成長層（４）の均一
性と厚さ精度により一意的に決定することができ、一般
的に用いられるエツチング速度とエツチング時間により
、これらを制御する方法に比べ圧倒的に高い精度で製造
できる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述の従来の方法では、工程（ｃ）のボロン高濃度層形
成時に裏面の保護膜上にも非常に高濃度のボロンを付着
させているため工程（ｅ）のエピタキシャル成長時に悪
影響を及ぼす危険性がある。

即ちこのエビ成長層（４）はリン濃度Ｉ　Ｘ　１０１５
ｉｏｎｓ／ｃｍ３程度のｎ型が望まれるが、エビ成長時
にシリコン基板裏面のボロンが雰囲気中に飛び出し、エ
ビ成長層に混入するオートドーピングと称する現ｔが生
じるため、著しい場合には、ボロン濃度がリン濃度を上
回ることがあり、ｎ型ではなくｖ型となることもある。

このように、シリコン−ダイアフラムを機械的にのみ利
用する場合には、この製造方法で充分であるが、例えば
圧力センサのように、その半導体としての特性も利用す
る場合には、この方法では問題が残る。

この問題を解決する一つの方法として、ボロン高濃度層
をイオン注入法で形成する方法がある。

原理的に裏面をζはボロンが全く存在しないからである
。しかし、この方法では少なくともｌＸｌ０”１ｏｎｓ
　／　ｃｍ”　　のボロンイオンの打込みが必要である
ため、■注入装置の負担が過大、■費用が非常に高いと
いう２つの実用上致命的な欠点がある。

このため、半導体として所望の特性を持ち形状的にも均
一性に優れたシリコンΦダイアプラムを高精度か２安価
にしかも大量に製造することができる方法が求められて
いる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の最大の要点は、ダイアフラムの厚さ及び均一性
を制御するためにボロン高濃度層を形成する際に、必要
とする部分以外に付着するボロンをダイアフラムの主要
構成部となるｎ型シリコン単結晶膜をエビクキシャル成
長する際には完全に除去しておき、オート・ドーピング
によるボロンのｎ型シリコン単結晶膜への混入を防ぐこ
とにより、この膜即ちシリコン・ダイアフラムの半導体
としての特性を所望のものとなし得ることにある。

〔作　　用〕

以下本発明を図に従って詳細に説明する。第１図に本発
明の製造方法によるシリコン・ダイアフラムの製造工程
を示す。先に述べた第２図に示す従来技術による製造方
法と比較すると、第２図においては（ｃ）のボロン高濃
度層形成工程において、シリコン基板（１）の裏面のボ
ロン高濃度層が形成されないための保護膜（２）の上に
多量のボロンが付着し、それが次工程以降、（ｅ）のエ
ピタキシャル成長工程を含め最終工程まで除去されない
のに対し、本発明による第１図では、（ｃ）のボロン高
濃度層形成工程で裏面の保護膜（２）上に付着したボロ
ンを次工程の（ｄ）保護膜除去工程で保護膜と共に除去
し、除去した保護膜は、（ｆ）の保護膜形成工程で再び
形成する。

このように本発明では、（ｅ）のｎ型シリコン単結晶膜
エピタキシャル成長工程時に、不必要なボロンが完全に
除去されているため、オート・ドーピングが押えられ、
ｎ型不純物（ｅｘ　！Ｊン）の濃度だけに注目すれば、
半導体としての特性を制御できる。特に従来エビ成長時
のオート拳ドーピングの主要因は、基板裏面のボロンで
あった。これは表面のみを研磨しである基板では、裏面
の凹凸が、両面研磨の基板でもそれまでの処理で避は得
なかったキズが、多量のボロンを付着させるためであっ
た。

以上により、従来技術により克服されていたダイアフラ
ムの（１）均一性、（ｉｉ）厚さ精度に加え、残る課題
であった。（ｉｉｉ）半導体としての特性も充分に所望
のものが得られるようになった。

〔実施例〕

次に第１図に示す本発明による製造工程を簡単に説明す
る。

（ａ）保護膜（２）形成・・・従来技術によるものと同
様に種々のものが考えられるが、一般には熱酸化により
Ｓ　ｉ０２膜を１．０〜１．５μｍ形成する。

（ｂ）保護膜（２）パターニング・・−表裏両面のフォ
ト処理と保護膜エツチングレジスト除去により次のよう
にバター辱ングする。

〔表面〕：少なくともダイアプラムを形成する領域を含
む部分の保護膜を除去する。

〔裏面〕：少なくともダイアフラムを形成するためにア
ルカリ系の液でエツチングする領域を含む部分（従って
全面ということもある）の保護膜は除去せずに残す。

（ｃ）ボロン高濃度層（３）形成・従来技術によるもの
と同様にボロン濃度が７　Ｘ　１０”　１ｏｎｓ　７ｃ
ｍ３　　以上となる層（３）を２μｍ以上形成する。

（ｄ）保護膜除去・・表面両面の保護膜を除去する。

このとき裏面等に付着しているボロンも完全に除去され
る。

（ｅ）エピタキシャル成長・・ｎ型不純物（一般的には
リン）を１　ｘ　１０１５ｉｏｎｓ　／ｃｍ３程度含む
ｎ型シリコン単結晶膜（４）をボロン高濃度層（３）が
形成されているシリコン基板上に、所望のダイアフラム
厚さからボロン高濃度層（３）の厚さを引いた厚さだけ
エピタキシャル成長させる。このときボロン高濃度層（
３）は、エビ成長時の高温（１１５０−１２００°Ｃ）
の影響により、そのボロン分布形状が変化すると共にエ
ビ成長膜中にもボロンが拡散する。このことは後工程の
熱の影響を含めて、ボロン高濃度層（３）のエツチング
停止層としての効果を見積る上で非常に重要である。

（ｆ）保護膜形成・・・アルカリ系エツチング液に耐に
得る保護膜をできるだけ低い温度で表裏両面に形成する
。材質としてはＳｉＮ　　膜がよりくが、一般には５ｉ
Ｏ２ｊ漢が用いられる。形成法としても４５０°Ｃ程度
で形成できるＤＶＤ　法も有力であるが、■耐薬品性、
■両面同時に形成可能という２点から、ＳＯＯ°Ｃ程度
の比較的低い温度での熱酸化法が最有力である。このと
きの熱酸化膜厚は５０００Ａ程度がよい。

（ｇ）裏面保護膜バターニング・・・ダイアフラムを形
成するために、エツチングする部分の保護膜を除去する
。

（ｈ）エツチング・・・アルカリ系の液を用いてエツチ
ングを行なう。このとき用いる液のうちボロン高濃度層
（３）との選択比等から最適と考えられるのは次の組成
比の混合液である。

またその沸点（約１１８°Ｃ）におけるエツチング速度
はシリコン単結晶基板（１００）面１１５μｍＺｈｏｕ
ｒ　　ｓ熱酸化５ｉｎ２膜２０　ＯＡ／ｈｏｕｒ等であ
る。

従って本来の厚さが４００μｍの基板を用いた場合には
３．５時間のエツチングにより、均一なダイアフラム（
５）が形成される。

次に、第３図に本発明の一実施例たるシリコン・ダイア
フラムを有する半導体圧力センサの構造図を示す。（ａ
）はセンサチップの表面構成図である。

この圧力センサは医学応用のカテーテル先端型のチップ
であるため、１．２Ｘ３．０（ｍｍ）　　と細長い形状
をしており、ダイアプラム（５）上に、ボロンを不純物
とする・１１個のピエゾ拡散抵抗（６）が形成され、こ
れをホイーストンブリソジを形成するように、低抵抗の
拡散リード部（７）により接続し、リード線はＡｅ端子
（４）から取出す。

（ｂ）はセンサーチップの技手方向のダイアフラム部を
含む断面図、（Ｃ）は、これど直交する方向のダイアフ
ラム部を含む断面図である。このセンサの感度のバラツ
キを決定する最大因子はダイアフラムの形状である。例
えば均一なダイアフラムであるとして、その感度は厚で
の２乗に反比例する。

本発明による方法で、寸法０．５　Ｘ　Ｏ，５（ｍｍ）
のダイアフラムを有する圧力センサを試作したところ、
ダイアフラム厚きは、目標値２５μｍ　に対し直径３イ
ンチの基板内平均は、基板間においては、はぼ±１μｍ
以内の誤差に押えることができ、基板内においては±０
．３μｍ　以内であった。また均一性に関しては、測定
器精度内では完全に均一であり、電子顕微鏡観察におい
てもそのことは確認された。

従って圧力センサとしての特性のバラツキも非常に小さ
い。

〔発明の効果〕

本発明による最大の効果は、シリコン・ダイアフラムを
形状的には、均一かつ高精度に製造できる上に、半導体
としての特性も容易に所望のものを得ることができるこ
とにある。しかもそれを実現する工程が比較的簡単なも
のであるため低コストであり、エピタキシャル成長時の
高温処理時に基板裏面に酸化膜がないので基板の反り等
も生じ難く、歩留りがよいため大量生産可能で、最終的
に従来技術によって製造されたものと比較して、非常に
廉価なものとできる。

即ち以上から明らかなように本発明を用いて製造シたシ
リコン・ダイアフラム及びその応用製品（代表例シリコ
ン・ダイアフラム型圧力センサ）は形状及び特性が非常
に均一で安定に量産できるので、飛躍的な低価格化が実
現され、これらの利用範囲が著しく拡大されることが期
待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（ｄ）　
、　（ｅ）　、　（ｆ）　、　（ｇ）及び（ｈ）は、本
発明によるシリコン・ダイアフラムの製造方法を示す図
である。 第２図（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）　、　（ｄ）　
、　（ｅ）　、　（ｆ）　、　（ｇ）及び（ｈ）は、従
来技術によるシリコン・ダイアフラムの製造方法を示す
図である。 第３図（ａ）　、　（ｂ）及び（Ｃ）は、本発明の一実
施例たるシリコン・ダイアフラムを有する半導体圧力セ
ンサの構造を示す図で、（ａ）はセンサチップの表面溝
成因、（ｂ）はセンサチップの長手方向のダイアフラム
部と含む断面図、同じ＜（ｃ）は、これと直交する方向
のダイアフラム部を含む断面図である。 １、　　ｎ型シリコン単結晶基板 ２、保護膜（ｅｘ　５ｉｎ２ＳｉＮ） ３、　　ｐ型層（不純物ポロン７　Ｘ　１０　”　１ｏ
ｎｓ／ａｎ”以上）４、　　ｎ型シリコン単結晶エビク
キシャル成長層５、　シリコン・ダイアフラム ６、　ピエゾ抵抗 ７、拡散リード部 ８、　Ａ召端子 代理人　弁理士　上　代　哲　司（ や　　　　（’Ｊ　　　　　　１０ 寸　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｄ
第２図 （ｂ） ＝１■■■−１−Ｆ＝ （Ｃ） （（］）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ｎ型シリコン単結晶基板上に、ボロンを不純物と
   して７×１０＾１＾９ｉｏｎｓ／ｃｍ＾３以上含むｐ型
   層を形成する工程と、該ｐ型層上にｎ型シリコン単結晶
   膜をエピタキシャル成長させる工程と、前記シリコン基
   板を裏面からアルカリ系のエッチング液を用いて該ｐ型
   層までの部分をエッチングにより除去する工程を主要工
   程とするシリコン・ダイアフラム製造方法において前記
   ｐ型層を形成する工程が拡散法によるものであり、前記
   ｐ型層を形成する工程の前にシリコン基板の裏面にボロ
   ンの拡散を防止するための保護膜を形成する工程と、前
   記ｐ型層を形成する工程と前記エピタキシャル成長工程
   の間に該保護膜を除去する工程と、前記エッチング工程
   の前に耐アルカリ系エッチング液性に優れた薄膜をシリ
   コン基板の表裏両面に形成する工程とを具備することを
   特徴とするシリコン・ダイアフラムの製造方法。
2. （２）上記アルカリ系エッチング液がエチレンジアミン
   、ピロカテコール及び水の混合液か、或は前記混合液に
   ピラジンを混入した液であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のシリコン・ダイアフラムの製造方法
   。