JPH10135487A - 集積圧電抵抗圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents
集積圧電抵抗圧力センサ及びその製造方法Info
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- JPH10135487A JPH10135487A JP9206334A JP20633497A JPH10135487A JP H10135487 A JPH10135487 A JP H10135487A JP 9206334 A JP9206334 A JP 9206334A JP 20633497 A JP20633497 A JP 20633497A JP H10135487 A JPH10135487 A JP H10135487A
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- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
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- G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 処理の大幅単純化と、内在するパッケージン
グの問題の多くを除去する集積圧電抵抗圧力センサおよ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 ＳＯＩ基板内に、絶縁層を化学的エッチ
ングにより部分的に除去されてダイアフラムを形成する
犠牲層として用いて圧力センサを集積する。圧電抵抗素
子（１０）と電子コンポーネント（４、６〜８）を同一
チップ内に集積形成した後に、トレンチ（２６）が基板
の上側ウエハ（２３）内に形成されて基板から絶縁層
（２２）に延びる。絶縁層（２２）はトレンチを介して
化学エッチングされ、ダイアフラム（２７）の下に開口
（３１）を形成する。誘電体層（２５）がデポジットさ
れてトレンチ（２６）と開口（３１）を外側に閉じる。
グの問題の多くを除去する集積圧電抵抗圧力センサおよ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 ＳＯＩ基板内に、絶縁層を化学的エッチ
ングにより部分的に除去されてダイアフラムを形成する
犠牲層として用いて圧力センサを集積する。圧電抵抗素
子（１０）と電子コンポーネント（４、６〜８）を同一
チップ内に集積形成した後に、トレンチ（２６）が基板
の上側ウエハ（２３）内に形成されて基板から絶縁層
（２２）に延びる。絶縁層（２２）はトレンチを介して
化学エッチングされ、ダイアフラム（２７）の下に開口
（３１）を形成する。誘電体層（２５）がデポジットさ
れてトレンチ（２６）と開口（３１）を外側に閉じる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は集積圧電抵抗圧力セ
ンサ及びその製造方法に関する。
ンサ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】知られているように、近年、半導体材料
の集積マイクロ圧力センサを製造するためのマイクロマ
シーン技術が開発されてきている。この技術は従来のセ
ンサに比べて、低価格、高度の性能及び信頼性、よりよ
い信号対雑音比、インテイジェント・センサを製造する
ためにメモリ回路に集積化すること、オンライン自己試
験、及びより大きい再生産性、といった多くの利点を提
供する。このように、集積マイクロ圧力センサは自動車
産業において今やますます使用されており、自動車の価
格を全く上げることなしに安全性を高め且つ環境保護に
役立っている。
の集積マイクロ圧力センサを製造するためのマイクロマ
シーン技術が開発されてきている。この技術は従来のセ
ンサに比べて、低価格、高度の性能及び信頼性、よりよ
い信号対雑音比、インテイジェント・センサを製造する
ためにメモリ回路に集積化すること、オンライン自己試
験、及びより大きい再生産性、といった多くの利点を提
供する。このように、集積マイクロ圧力センサは自動車
産業において今やますます使用されており、自動車の価
格を全く上げることなしに安全性を高め且つ環境保護に
役立っている。
【０００３】現在市販されている半導体マイクロ圧力セ
ンサは実質的に次の２つの物理的効果に基づいている。
即ち、１つは圧電効果であり、それによりシリコン・ダ
イアフラムの圧力誘導による湾曲が、そのダイアフラム
内に拡散された抵抗を備えるホイートストン・ブリッジ
の平衡を乱すことであり、他の１つは容量効果であり、
それにより圧力がコンデンサの可動電極を形成している
ダイアフラムの位置のシフトを誘起すること（したがっ
て容量の変化をもたらすこと）である。
ンサは実質的に次の２つの物理的効果に基づいている。
即ち、１つは圧電効果であり、それによりシリコン・ダ
イアフラムの圧力誘導による湾曲が、そのダイアフラム
内に拡散された抵抗を備えるホイートストン・ブリッジ
の平衡を乱すことであり、他の１つは容量効果であり、
それにより圧力がコンデンサの可動電極を形成している
ダイアフラムの位置のシフトを誘起すること（したがっ
て容量の変化をもたらすこと）である。
【０００４】本発明はその第１の効果を実現するセン
サ、即ち、圧電抵抗センサに関する。現在、半導体材料
（シリコン）のダイアフラムは、例えば、1987年4 月の
IEEEJournal Sol. St. Circuits, vol. sc-22, 151-156
に掲載のT. Ishihara, K.Suzuki, S. Suwazono, M. Hi
rata 及びH. Tanigawa による論文"CMOS Integrated S
ilicon Pressure Sensor", 及び Microelectronics Jo
urnal 25(1994) 145-156に掲載のA.M. Stoffelによる論
文"Micormachining and ASIC Technology"に詳細に記載
されている、バルク・マイクロマシーニング技術を用い
て製造されている。
サ、即ち、圧電抵抗センサに関する。現在、半導体材料
（シリコン）のダイアフラムは、例えば、1987年4 月の
IEEEJournal Sol. St. Circuits, vol. sc-22, 151-156
に掲載のT. Ishihara, K.Suzuki, S. Suwazono, M. Hi
rata 及びH. Tanigawa による論文"CMOS Integrated S
ilicon Pressure Sensor", 及び Microelectronics Jo
urnal 25(1994) 145-156に掲載のA.M. Stoffelによる論
文"Micormachining and ASIC Technology"に詳細に記載
されている、バルク・マイクロマシーニング技術を用い
て製造されている。
【０００５】センサを効果的に動作させるためには、ダ
イアフラムは均一で、固有の機械的応力のない正確に制
御された厚さのものでなければならず、その特性は、プ
ラズマ又はウエットエッチング、（結晶面に一致する形
状のための）等方性エッチング、又は（よりシャープに
屈曲した連続形状のための）異方性エッチングによるマ
イクロストラクチャを形成することにより達成される。
現在のところ、ダイアフラムの厚さをより正確に制御し
且つ製造過程で生じる張力又は圧縮応力を消滅させるた
めの、ダイアフラムを製造する最良のエッチング方法
は、ＰＮ接合を使用する電気化学的停止方法であり、そ
れによりダイアフラムはＰ形基板上のＮ形単結晶半導体
層（例えば、エピタキシャル層）内に形成され、そのＮ
形層は予めインプラントされたアノード・コンタクト領
域を除いてマスクされ、基板の後方はダイアフラムが形
成されるべき領域に整列されたウインドウを表すマスク
でマスクされ、Ｎ形層と基板の間にアノード・コンタク
ト領域を介して正の電圧が印加され、そしてＰ形基板は
数時間の間、低温度（例えば、９０°Ｃ）で化学的にエ
ッチングされる。エッチングはＰＮ接合で自動的に終了
し、除去された基板領域でのＮ形層はダイアフラムを形
成する。
イアフラムは均一で、固有の機械的応力のない正確に制
御された厚さのものでなければならず、その特性は、プ
ラズマ又はウエットエッチング、（結晶面に一致する形
状のための）等方性エッチング、又は（よりシャープに
屈曲した連続形状のための）異方性エッチングによるマ
イクロストラクチャを形成することにより達成される。
現在のところ、ダイアフラムの厚さをより正確に制御し
且つ製造過程で生じる張力又は圧縮応力を消滅させるた
めの、ダイアフラムを製造する最良のエッチング方法
は、ＰＮ接合を使用する電気化学的停止方法であり、そ
れによりダイアフラムはＰ形基板上のＮ形単結晶半導体
層（例えば、エピタキシャル層）内に形成され、そのＮ
形層は予めインプラントされたアノード・コンタクト領
域を除いてマスクされ、基板の後方はダイアフラムが形
成されるべき領域に整列されたウインドウを表すマスク
でマスクされ、Ｎ形層と基板の間にアノード・コンタク
ト領域を介して正の電圧が印加され、そしてＰ形基板は
数時間の間、低温度（例えば、９０°Ｃ）で化学的にエ
ッチングされる。エッチングはＰＮ接合で自動的に終了
し、除去された基板領域でのＮ形層はダイアフラムを形
成する。
【０００６】電気化学的停止方法を用いる絶対的な圧電
抵抗マイクロ圧力センサの製造工程の例を、図１から図
３を参照して以下に記載する。最初の工程は集積回路の
製造に通常採用されているものである。即ち、Ｐ形基板
２とＮ形エピタキシャル層３を備える単結晶のウエハ１
を設け、そのウエハ１の上側表面から基板２に向けて延
びるＰ形の接合分離領域４がエピタキシャル層３内に形
成され、集積回路が次いで形成され（図１はＮ+ 形のコ
レク領域６と、Ｐ形のベース領域７と、Ｎ+ 形のエミッ
タ領域８を持つＮＰＮトランジスタを示している。）、
そして、その集積回路の形成と同時に、拡散抵抗器（そ
の中の１つのみのＰ形抵抗層１０を持つものが図示され
ている）及び各ウエハ及び各ダイアフラムのための１つ
のアノード領域（図１におけるＮ+ 形領域１１）が形成
される。その抵抗器は好ましくは、ＮＰＮトランジスタ
のベース領域７がインプラントされるのと同じ工程で形
成され、アノード領域１１が集積回路のＮ形領域の１つ
（例えば、コレクタ・コンタクト領域６又はエミッタ領
域８）と同じ工程で形成される。誘電体層１２が次いで
デポジットされ、メタル・コンタクト１３が形成され
る。
抵抗マイクロ圧力センサの製造工程の例を、図１から図
３を参照して以下に記載する。最初の工程は集積回路の
製造に通常採用されているものである。即ち、Ｐ形基板
２とＮ形エピタキシャル層３を備える単結晶のウエハ１
を設け、そのウエハ１の上側表面から基板２に向けて延
びるＰ形の接合分離領域４がエピタキシャル層３内に形
成され、集積回路が次いで形成され（図１はＮ+ 形のコ
レク領域６と、Ｐ形のベース領域７と、Ｎ+ 形のエミッ
タ領域８を持つＮＰＮトランジスタを示している。）、
そして、その集積回路の形成と同時に、拡散抵抗器（そ
の中の１つのみのＰ形抵抗層１０を持つものが図示され
ている）及び各ウエハ及び各ダイアフラムのための１つ
のアノード領域（図１におけるＮ+ 形領域１１）が形成
される。その抵抗器は好ましくは、ＮＰＮトランジスタ
のベース領域７がインプラントされるのと同じ工程で形
成され、アノード領域１１が集積回路のＮ形領域の１つ
（例えば、コレクタ・コンタクト領域６又はエミッタ領
域８）と同じ工程で形成される。誘電体層１２が次いで
デポジットされ、メタル・コンタクト１３が形成され
る。
【０００７】このとき、図２に示されるように、ウエハ
１はフロントマスク１５及びリアマスク１６でマスクさ
れ、その（酸化シリコンの）フロントマスク１５はアノ
ード領域１１におけるウインドウを除くウエハの上側表
面の全てを覆っており、（窒化シリコン又は酸化シリコ
ンの）リアマスク１６はダイアフラムが形成されるべき
領域を除くウエハの下側表面を覆っている。ウエハの背
面はついで異方性エッチングにさらされ、このとき、エ
ピタキシャル層３は、アノード領域１１を介して、基板
２の対して正の電圧（例えば、５Ｖ）でバイアスされ
る。異方性エッチィングはエピタキシャル層３で自動的
に停止し、基板２の除去された部分におけるエピタキシ
ャル層３の部分はダイアフラム１８を形成する。
１はフロントマスク１５及びリアマスク１６でマスクさ
れ、その（酸化シリコンの）フロントマスク１５はアノ
ード領域１１におけるウインドウを除くウエハの上側表
面の全てを覆っており、（窒化シリコン又は酸化シリコ
ンの）リアマスク１６はダイアフラムが形成されるべき
領域を除くウエハの下側表面を覆っている。ウエハの背
面はついで異方性エッチングにさらされ、このとき、エ
ピタキシャル層３は、アノード領域１１を介して、基板
２の対して正の電圧（例えば、５Ｖ）でバイアスされ
る。異方性エッチィングはエピタキシャル層３で自動的
に停止し、基板２の除去された部分におけるエピタキシ
ャル層３の部分はダイアフラム１８を形成する。
【０００８】マスク１５及び１６の除去に続いて、ウエ
ハ１は陽極ボンディング法を用いてガラス１７（図３）
のシートに結合され、それによりウエハ１とシート１７
の間に中間高電圧（例えば５００Ｖ）が、数時間の間、
３００°Ｃから４００°Ｃの温度で印加され、最後に、
シート１７はコンテナ１９に固定される。
ハ１は陽極ボンディング法を用いてガラス１７（図３）
のシートに結合され、それによりウエハ１とシート１７
の間に中間高電圧（例えば５００Ｖ）が、数時間の間、
３００°Ｃから４００°Ｃの温度で印加され、最後に、
シート１７はコンテナ１９に固定される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記の方法は以下の欠
点を有する。即ち、各ウエハ上の電気的コンタクトの故
に、それはバッチ処理技術と互換性がない；ウエハ１の
リアエッチングはフロント・リア・アラインメントの点
で問題を提起する；ウェハ１の厚さは長期のエッチング
を必要とする；内在するスケーリングの問題は数百マイ
クロメータより小さい構造の集積を排除するといったよ
うなものである；そして、ダイアフラムが一旦形成され
ると、ウエハ１は、絶対センサと差分サンサの両方のた
めに、ガラスサポートに固定的に結合されなければなら
ない（これは、ダイアフラムに整列されるホールを必要
とし、したがってさらなるアラインメントの問題を生ず
る）。
点を有する。即ち、各ウエハ上の電気的コンタクトの故
に、それはバッチ処理技術と互換性がない；ウエハ１の
リアエッチングはフロント・リア・アラインメントの点
で問題を提起する；ウェハ１の厚さは長期のエッチング
を必要とする；内在するスケーリングの問題は数百マイ
クロメータより小さい構造の集積を排除するといったよ
うなものである；そして、ダイアフラムが一旦形成され
ると、ウエハ１は、絶対センサと差分サンサの両方のた
めに、ガラスサポートに固定的に結合されなければなら
ない（これは、ダイアフラムに整列されるホールを必要
とし、したがってさらなるアラインメントの問題を生ず
る）。
【００１０】現在使用されている集積回路技術における
方法を統合することを困難にしている上記の欠点に鑑
み、数マイクロ圧力センサの製造者は集積ダブルチップ
を形成することを選んだ。即ち、一方のチップはダイア
フラム・マイクロストラクチャを含み、他方は信号処理
のために設けられる。シングル・チップ集積センサもや
はり存在しているが、バッチ処理はされない。
方法を統合することを困難にしている上記の欠点に鑑
み、数マイクロ圧力センサの製造者は集積ダブルチップ
を形成することを選んだ。即ち、一方のチップはダイア
フラム・マイクロストラクチャを含み、他方は信号処理
のために設けられる。シングル・チップ集積センサもや
はり存在しているが、バッチ処理はされない。
【００１１】いくつかの産業研究所およびリサーチセン
タは、サーフェス・マイクロマシーニング技術を用いる
プロトタイプの集積マイクロストラクチャを提供してき
た。これらの詳細は、例えば、Sensors and Actuators
A 46-47 (1995)の第143 頁から146 頁にあるO. Paul,
H. Baltesによる論文"Novel fully CMOS-compatible va
cuum sensor" に、ダイアフラム又は誘電体が犠牲メタ
ル層の上に形成されると記載されており、Sensor 95 Ko
ngressband, AOI.2 の第21頁から25頁にあるT. Lisec,
H. Stauch, B. Wnagerによる論文"Surface-Micromachin
ed Piezoresistive Pressure Sensor"に、犠牲層及びダ
イアフラムがポリシリコンであり酸化シリコンにより分
離されていることが記載されており、Sensors and Mate
rials 4, 5(1993) の第265 頁から275 頁にあるS. Sugi
yama, K. Shimaoka, O. Tabata による論文"Surface-Mi
cromachined Microdiaphragm Pressure Sensors" に、
犠牲ポリシリコン層及び窒化シリコン層をダイアフラム
として使用することが記載されている。
タは、サーフェス・マイクロマシーニング技術を用いる
プロトタイプの集積マイクロストラクチャを提供してき
た。これらの詳細は、例えば、Sensors and Actuators
A 46-47 (1995)の第143 頁から146 頁にあるO. Paul,
H. Baltesによる論文"Novel fully CMOS-compatible va
cuum sensor" に、ダイアフラム又は誘電体が犠牲メタ
ル層の上に形成されると記載されており、Sensor 95 Ko
ngressband, AOI.2 の第21頁から25頁にあるT. Lisec,
H. Stauch, B. Wnagerによる論文"Surface-Micromachin
ed Piezoresistive Pressure Sensor"に、犠牲層及びダ
イアフラムがポリシリコンであり酸化シリコンにより分
離されていることが記載されており、Sensors and Mate
rials 4, 5(1993) の第265 頁から275 頁にあるS. Sugi
yama, K. Shimaoka, O. Tabata による論文"Surface-Mi
cromachined Microdiaphragm Pressure Sensors" に、
犠牲ポリシリコン層及び窒化シリコン層をダイアフラム
として使用することが記載されている。
【００１２】それらは実際に装置をよりよく集積する
が、上記のサーフェス・マイクロマシーニング技術はダ
イアフラムを形成するためにデポジットされた（アモル
ファス又は多結晶）膜の質に関して、シリコン基板上の
サスペンド構造の崩壊に関して、及びパッケージングの
困難性に関して、深刻な問題を提起する。本発明の目的
は前記の欠点を克服するように設計された集積圧電セン
サ及び関連する製造方法を提供することにある。
が、上記のサーフェス・マイクロマシーニング技術はダ
イアフラムを形成するためにデポジットされた（アモル
ファス又は多結晶）膜の質に関して、シリコン基板上の
サスペンド構造の崩壊に関して、及びパッケージングの
困難性に関して、深刻な問題を提起する。本発明の目的
は前記の欠点を克服するように設計された集積圧電セン
サ及び関連する製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、請求項
１および９にそれぞれ記載した集積圧電抵抗センサおよ
びこれに関係する製造方法が提供される。実際に、本発
明によれば、このセンサはＳＯＩ（シリコン・オン・イ
ンシュレータ）を利用してダイアフラムを形成し、絶縁
層はダイアフラムを形成するための化学的エッチングに
より部分的に除去された犠牲層を形成し、こうして処理
を大幅に単純化し、且つ内在するパッケージングの問題
の多くを除去する。
１および９にそれぞれ記載した集積圧電抵抗センサおよ
びこれに関係する製造方法が提供される。実際に、本発
明によれば、このセンサはＳＯＩ（シリコン・オン・イ
ンシュレータ）を利用してダイアフラムを形成し、絶縁
層はダイアフラムを形成するための化学的エッチングに
より部分的に除去された犠牲層を形成し、こうして処理
を大幅に単純化し、且つ内在するパッケージングの問題
の多くを除去する。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の２つの好ましい、非限定
的な実施例を添付の図面を参照して記載する。本発明に
よるセンサは知られた方法で形成されたＳＯＩ基板から
形成される。図４の例においては、ＳＯＩ基板は、任意
の導電形（Ｐ又はＮ）の単結晶の実際の基板領域２１の
上に例えば、SiO2のような絶縁層２２がデポジット又は
加熱生長により重ねられており、この絶縁層に、この場
合はＮ形の、第２の単結晶シリコンウエハ２３が（例え
ば、1989年８月のJapanese Journal of Applied Physic
s, Vol. 28, N. 8の第1426頁から1443頁に記載のJ. Hau
sman, G.A. Spierings,U.K.P. Bierman およびJ.A. Pa
ls による論文"Silicon-On Insulator Wafer Bonding-W
afer Thinning Technological Evaluations" に記載
の）知られた方法で結合されている。絶縁層２２の厚さ
は好ましくは６００nmから１２００nmである。第２のウ
エハ２３の厚さは、以下に記載のように、センサのフル
スケール圧力と、ダイアフラムの寸法と、製造パラメー
タとに依存しており、およそ５μm と１０μm の間にあ
る。
的な実施例を添付の図面を参照して記載する。本発明に
よるセンサは知られた方法で形成されたＳＯＩ基板から
形成される。図４の例においては、ＳＯＩ基板は、任意
の導電形（Ｐ又はＮ）の単結晶の実際の基板領域２１の
上に例えば、SiO2のような絶縁層２２がデポジット又は
加熱生長により重ねられており、この絶縁層に、この場
合はＮ形の、第２の単結晶シリコンウエハ２３が（例え
ば、1989年８月のJapanese Journal of Applied Physic
s, Vol. 28, N. 8の第1426頁から1443頁に記載のJ. Hau
sman, G.A. Spierings,U.K.P. Bierman およびJ.A. Pa
ls による論文"Silicon-On Insulator Wafer Bonding-W
afer Thinning Technological Evaluations" に記載
の）知られた方法で結合されている。絶縁層２２の厚さ
は好ましくは６００nmから１２００nmである。第２のウ
エハ２３の厚さは、以下に記載のように、センサのフル
スケール圧力と、ダイアフラムの寸法と、製造パラメー
タとに依存しており、およそ５μm と１０μm の間にあ
る。
【００１５】第１のウエハ２０に関しては、上記の標準
製造工程が遂行されて、接合分離領域４と、集積化され
た電子コンポーネント（領域６〜８）と、拡散Ｐ形圧電
抵抗１０とを形成するが、知られた方法とは異なり、ア
ノード領域１１は形成されない。この時点で、本発明の
方法により、上側の面はデポジットされたプラズマ窒化
層（図４における層２５）で覆われ、この層は第１のパ
シベーション層としておよび第２のウエハ２３内のトレ
ンチを形成するためのマスクとして作用する。窒化層２
５はフォトリソグラフィ的にエッチングされ、図７およ
び図８に示すように、後続するエッチング工程で第２の
ウエハ２３内に多数のトレンチ２６を形成する。
製造工程が遂行されて、接合分離領域４と、集積化され
た電子コンポーネント（領域６〜８）と、拡散Ｐ形圧電
抵抗１０とを形成するが、知られた方法とは異なり、ア
ノード領域１１は形成されない。この時点で、本発明の
方法により、上側の面はデポジットされたプラズマ窒化
層（図４における層２５）で覆われ、この層は第１のパ
シベーション層としておよび第２のウエハ２３内のトレ
ンチを形成するためのマスクとして作用する。窒化層２
５はフォトリソグラフィ的にエッチングされ、図７およ
び図８に示すように、後続するエッチング工程で第２の
ウエハ２３内に多数のトレンチ２６を形成する。
【００１６】第１のウエハ２０は次いで、フッ化水素酸
でエッチングされ、それは第２のウエハ２３内のトレン
チを貫通して埋め込み絶縁層２２の一部を除去し、層２
２内に開口即ちウインドウ３１を形成し、それにより開
口３１の上の第２のウエハ２３の部分はダイアフラム２
７を形成する。絶縁層２２のエッチング時間とトレンチ
２６の位置を適切に調節することにより、ダイアフラム
２７は所望のように、より特定的には、圧電抵抗器１０
がダイアフラム２７のエッジに、即ち最大圧力が誘起さ
れる応力領域に配置される事を確実化する方法で、整形
され大きさが決められる。図７は、一例として、ダイア
フラム２７a が円形で、トレンチ２６がダイアフラム
の、円２７a の中心に同心の円２８の内側中央部に形成
されている。図８に示される第２の実施例においては、
ダイアフラム２７b は正方形で、トレンチ２６が適切に
配置されている。
でエッチングされ、それは第２のウエハ２３内のトレン
チを貫通して埋め込み絶縁層２２の一部を除去し、層２
２内に開口即ちウインドウ３１を形成し、それにより開
口３１の上の第２のウエハ２３の部分はダイアフラム２
７を形成する。絶縁層２２のエッチング時間とトレンチ
２６の位置を適切に調節することにより、ダイアフラム
２７は所望のように、より特定的には、圧電抵抗器１０
がダイアフラム２７のエッジに、即ち最大圧力が誘起さ
れる応力領域に配置される事を確実化する方法で、整形
され大きさが決められる。図７は、一例として、ダイア
フラム２７a が円形で、トレンチ２６がダイアフラム
の、円２７a の中心に同心の円２８の内側中央部に形成
されている。図８に示される第２の実施例においては、
ダイアフラム２７b は正方形で、トレンチ２６が適切に
配置されている。
【００１７】この時点で、誘電体（例えば、USG-アンド
ープト・シリコン・ガラス）層３０がデポジットされて
トレンチ２６の頂部を覆ってトレンチ２６と開口３１を
絶縁し（図６）、それによりバルク・マイクロマシーン
ニング法に要求される陽極ボンディング工程を不要にす
る。このようにして形成された第１のウエハ２０は、カ
ッティング、パッケージングおよびコンテナへのダイス
の直接的な結合を含む通常の、標準IC処理と変らない最
終操作にさらされる。
ープト・シリコン・ガラス）層３０がデポジットされて
トレンチ２６の頂部を覆ってトレンチ２６と開口３１を
絶縁し（図６）、それによりバルク・マイクロマシーン
ニング法に要求される陽極ボンディング工程を不要にす
る。このようにして形成された第１のウエハ２０は、カ
ッティング、パッケージングおよびコンテナへのダイス
の直接的な結合を含む通常の、標準IC処理と変らない最
終操作にさらされる。
【００１８】ダイアフラム２７および（トレンチ領域）
円２８のサイズは典型的には以下に示す等式に従う圧力
測定範囲に依存している。ダイアフラム２７ａが半径ａ
の円である図７の実施例においては、円２８の半径はｂ
であり、圧力Ｐは表面に均一に分布され、最大応力Smax
および最大垂直たわみWmaxは、 Smax=kP(s/s)2 Wmax=hP(a4/Es3) (1) ただし、S はダイアフラムの厚さ（図６の第２のウエハ
２３の厚さ）であり、Eは単結晶シリコン（１３０Ｇパ
スカル）のヤング・モジュールであり、k およびh はダ
イアフラムの固定のされ方と比ａ／ｂとに依存する数で
ある。比ａ／ｂの値が1.25から5 に対しては、k は0.1
と0.73の間の範囲にあり、h は0.002 と0.17との間にあ
る。シリコンによる最大耐性応力はおよそ４０００バー
ルであることに着目し、Ｑがセンサのバールフルスケー
ル圧力であるとすると、次の等式が適用される。
円２８のサイズは典型的には以下に示す等式に従う圧力
測定範囲に依存している。ダイアフラム２７ａが半径ａ
の円である図７の実施例においては、円２８の半径はｂ
であり、圧力Ｐは表面に均一に分布され、最大応力Smax
および最大垂直たわみWmaxは、 Smax=kP(s/s)2 Wmax=hP(a4/Es3) (1) ただし、S はダイアフラムの厚さ（図６の第２のウエハ
２３の厚さ）であり、Eは単結晶シリコン（１３０Ｇパ
スカル）のヤング・モジュールであり、k およびh はダ
イアフラムの固定のされ方と比ａ／ｂとに依存する数で
ある。比ａ／ｂの値が1.25から5 に対しては、k は0.1
と0.73の間の範囲にあり、h は0.002 と0.17との間にあ
る。シリコンによる最大耐性応力はおよそ４０００バー
ルであることに着目し、Ｑがセンサのバールフルスケー
ル圧力であるとすると、次の等式が適用される。
【００１９】 （ａ／ｓ）2 ＝０．８＊１０3 ／（ｋ＊Ｑ） これに対して、一辺が２a の正方形のダイアフラムの場
合（図８）で他のパラメータに変更がない場合は、等式
（１）は、 Wmax=hP(a4/Es3)/3 (1') となる。
合（図８）で他のパラメータに変更がない場合は、等式
（１）は、 Wmax=hP(a4/Es3)/3 (1') となる。
【００２０】上記のセンサおよびその製造方法の利益は
次の通りである。即ち、その製造方法はバッチ処理と互
換性があり、従って同一の経済的利益を享受できる。そ
のセンサは信号処理回路と共に完全に集積化できるの
で、センサとすべての処理ロジックを１つのチップに含
ませる事ができ、こうして寸法、信号伝達時間および外
部現象に対する感度を小さくすることができる。フロン
ト- リアの整列に関する問題はない。センサの空間的集
積度はサーフェス・マイクロマシーンの構造と似かよっ
たものであり、バルク・マイクロマシーンのセンサと比
較して１から２オーダだけ大きい。単結晶シリコンダイ
アフラムを特徴付けることにより、センサの機械的特性
は、サーフェス・マイクロマシーンの構造に典型的であ
るデポジットされたフィルムのものより優れている。そ
して、最後に、ガラスの支持を不要としたことにより、
陽極ボンディングの必要性がなくなる。
次の通りである。即ち、その製造方法はバッチ処理と互
換性があり、従って同一の経済的利益を享受できる。そ
のセンサは信号処理回路と共に完全に集積化できるの
で、センサとすべての処理ロジックを１つのチップに含
ませる事ができ、こうして寸法、信号伝達時間および外
部現象に対する感度を小さくすることができる。フロン
ト- リアの整列に関する問題はない。センサの空間的集
積度はサーフェス・マイクロマシーンの構造と似かよっ
たものであり、バルク・マイクロマシーンのセンサと比
較して１から２オーダだけ大きい。単結晶シリコンダイ
アフラムを特徴付けることにより、センサの機械的特性
は、サーフェス・マイクロマシーンの構造に典型的であ
るデポジットされたフィルムのものより優れている。そ
して、最後に、ガラスの支持を不要としたことにより、
陽極ボンディングの必要性がなくなる。
【００２１】明らかに、本発明の範囲から逸脱すること
なく、上記のセンサおよび製造方法に対して変更を加え
ることが可能である。特に、各領域の導電性は、示され
たもの以外でもよく、例えば、第２のウエハの導電性と
圧電抵抗器は二重でもよく、任意のタイプのコンポーネ
ントと互換性の有る技術とをその構造内で統合してもよ
く、そして、分離領域４は示されたもの以外のもの、例
えば、誘電体でもよい。
なく、上記のセンサおよび製造方法に対して変更を加え
ることが可能である。特に、各領域の導電性は、示され
たもの以外でもよく、例えば、第２のウエハの導電性と
圧電抵抗器は二重でもよく、任意のタイプのコンポーネ
ントと互換性の有る技術とをその構造内で統合してもよ
く、そして、分離領域４は示されたもの以外のもの、例
えば、誘電体でもよい。
【図１】従来のセンサの１製造工程における半導体材料
のウエハの断面図である。
のウエハの断面図である。
【図２】従来のセンサの次の製造工程における半導体材
料のウエハの断面図である。
料のウエハの断面図である。
【図３】従来のセンサのさらに次の製造工程における半
導体材料のウエハの断面図である。
導体材料のウエハの断面図である。
【図４】本発明によるセンサの１製造工程における半導
体材料のウエハの断面図である。
体材料のウエハの断面図である。
【図５】本発明によるセンサの次の製造工程における半
導体材料のウエハの断面図である。
導体材料のウエハの断面図である。
【図６】本発明によるセンサのさらに次の製造工程にお
ける半導体材料のウエハの断面図である。
ける半導体材料のウエハの断面図である。
【図７】本発明によるセンサの詳細の上平面図である。
【図８】本発明によるセンサの他の実施例の上平面図で
ある。
ある。
１０…圧電抵抗素子 ２０…ＳＯＩ基板 ２１…第１のウエハ ２２…絶縁材料層 ２３…第２のウエハ ２５…誘電体材料層 ２６…トレンチ ２７、２７A,２７b …ダイアフラム ３１…開口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フラビオ ビーラ イタリア国，20159 ミラノ，ビア ピ. ランベルテンギ 23
Claims (12)
- 【請求項１】 半導体材料の本体（２０）内に形成され
たダイアフラム（２７，２７ａ，２７ｂ）と、前記ダイ
アフラム内に形成された多数の圧電抵抗素子（１０）と
を備える集積圧電抵抗圧力センサにおいて、前記半導体
の本体はＳＯＩ基板（２０）であることを特徴とする集
積圧電抵抗圧力センサ。 - 【請求項２】 前記半導体材料の本体（２０）は単結晶
半導体材料の第１のウエハ（２１）と、前記第１のウエ
ハ（２１）の上の絶縁材料層（２２）と、前記絶縁材料
層（２２）の上の単結晶半導体材料の第２のウエハ（２
３）とを備え、前記ダイアフラム（２７，２７ａ，２７
ｂ）は、前記絶縁材料層内の開口（３１）における前記
第１のウエハ（２１）に直接面する部分において前記第
２のウエハ（２３）内に形成されていることを特徴とす
る請求項１記載のセンサ。 - 【請求項３】 前記第２のウエハ（２３）内に形成され
ており、前記ダイアフラム（２７，２７ａ，２７ｂ）に
配置されており、前記絶縁材料層（２２）の前記開口
（３１）に接続されている少なくとも１つのトレンチ
（２６）により特徴付けられる請求項２記載のセンサ。 - 【請求項４】 前記少なくとも１つのトレンチ（２６）
は前記ダイアフラム（２７，２７ａ）の中央部に形成さ
れていることを特徴とする請求項３記載のセンサ。 - 【請求項５】 前記少なくとも１つのトレンチ（２６）
を閉じるための誘電体材料層（２５）により特徴付けら
れる請求項３又は４記載のセンサ。 - 【請求項６】 前記ダイアフラム（２７ａ）は円形であ
ることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記
載のセンサ。 - 【請求項７】 前記ダイアフラム（２７ａ）の半径をａ
とし、前記第２のウエハ（２３）の厚さをｓとし、ｋを
プロセスパラメータとし、Ｑをセンサのフル・スケール
圧力とすると、 （ａ／ｓ）2 ＝０．８＊１０3 ／（ｋ＊Ｑ）であること
を特徴とする、請求項６記載のセンサ。 - 【請求項８】 前記ダイアフラム（２７ｂ）は正方形で
あることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれ
か１項に記載のセンサ。 - 【請求項９】 ＳＯＩ基板（２０）を形成し、 前記ＳＯＩ基板内にダイアフラム（２７；２７ａ；２７
ｂ）を形成し、そして前記ダイアフラム内に圧電素子
（１０）を形成する、 というステップを備えることを特徴とする、請求項１か
ら請求項８のいずれか１項に記載の集積圧電センサの製
造方法。 - 【請求項１０】 ＳＯＩ基板を形成する前記ステップ
は、単結晶半導体材料の第１のウエハ（２１）と、前記
第１のウエハ（２１）上の絶縁材料層（２２）と、前記
絶縁材料層（２２）の上の単結晶半導体材料の第２のウ
エハ（２３）とを備える半導体材料の本体（２０）を形
成するステップを備え、 ダイアフラム（２７，２７ａ，２７ｂ）を形成する前記
ステップは、 前記第２のウエハを貫通して前記絶縁材料層（２２）に
まで延びる少なくとも１つのトレンチ（２６）を形成
し、そして前記少なくとも１つのトレンチを貫通して化
学的エッチングにより前記絶縁材料層（２２）内に開口
（３１）を形成する、というステップを備えることを特
徴とする請求項９記載の方法。 - 【請求項１１】 前記第２のウエハ（２３）上に誘電体
材料層（２５）をデポジットするステップをさらに備
え、前記誘電体材料層は前記少なくとも１つのトレンチ
（２６）を外部に対して閉じていることを特徴とする請
求項１０記載の方法。 - 【請求項１２】 前記半導体材料本体（２０）をコンテ
ナに直接結合するステップにより特徴付けられる請求項
１０又は１１に記載の方法。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP96830435A EP0822398B1 (en) | 1996-07-31 | 1996-07-31 | Integrated piezoresistive pressure sensor and relative fabrication method |
| IT96830435:2 | 1996-07-31 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10135487A true JPH10135487A (ja) | 1998-05-22 |
| JP4298807B2 JP4298807B2 (ja) | 2009-07-22 |
Family
ID=8225986
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20633497A Expired - Fee Related JP4298807B2 (ja) | 1996-07-31 | 1997-07-31 | 集積圧電抵抗圧力センサ及びその製造方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US6131466A (ja) |
| EP (1) | EP0822398B1 (ja) |
| JP (1) | JP4298807B2 (ja) |
| DE (1) | DE69627645T2 (ja) |
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| JP2011064688A (ja) * | 2010-10-18 | 2011-03-31 | Seiko Epson Corp | 微小電気機械装置、半導体装置、微小電気機械装置の製造方法、および半導体装置の製造方法 |
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- 1999-09-23 US US09/404,507 patent/US6417021B1/en not_active Expired - Lifetime
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