特許 5823897 圧力測定器、圧力測定器の製造方法、及び半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5823897

(24)【登録日】2015年10月16日

(45)【発行日】2015年11月25日

(54)【発明の名称】圧力測定器、圧力測定器の製造方法、及び半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01L 9/00 20060101AFI20151105BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20151105BHJP

【ＦＩ】

   G01L9/00 303E

   H01L29/84 A

   H01L29/84 B

【請求項の数】1

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2012-56091(P2012-56091)

(22)【出願日】2012年3月13日

(65)【公開番号】特開2013-190285(P2013-190285A)

(43)【公開日】2013年9月26日

【審査請求日】2014年10月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006666

【氏名又は名称】アズビル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】東條 博史

(72)【発明者】

【氏名】米田 雅之

(72)【発明者】

【氏名】長崎 昇治

【審査官】 公文代 康祐

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０４−０８４４６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−０４６９２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２７３５８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ ９／００

Ｈ０１Ｌ ２９／８４

Ｈ０１Ｌ ２１／２６５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板の表面に酸化膜を形成することと、
前記酸化膜に凹部を設けることと、
前記凹部の底面に残っている前記酸化膜を介して、不純物イオンを前記半導体基板に選択的に注入し、前記半導体基板に歪み抵抗ゲージを形成することと、
前記半導体基板の表面から前記酸化膜を除去することと、
を含む、圧力測定器の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は測定技術に係り、圧力測定器、圧力測定器の製造方法、及び半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体のピエゾ抵抗効果を利用した圧力測定器が、小型、軽量、及び高感度であることから、プラント等で広く利用されている。このような圧力測定器においては、半導体からなるダイアフラムに、歪ゲージが設けられている。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と、ピエゾ抵抗効果によって歪ゲージの抵抗値が変化する。したがって、歪ゲージの抵抗値を測定することにより、圧力を測定することが可能となる。歪ゲージは、例えば、ダイアフラムとなる半導体基板に不純物イオンを注入することにより製造される（例えば、特許文献１、２参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１１−９７４２３号公報

【特許文献2】特開２００１−３０８３４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

圧力測定器において応力ひずみが生じると、歪みゲージで圧力を正確に測定することが困難となる。そこで、本発明は、応力ひずみの発生を防止し、正確に圧力を測定可能な圧力測定器、圧力測定器の製造方法、及び半導体装置の製造方法を提供することを目的の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の態様は、（イ）圧力を受ける可撓膜と、（ロ）可撓膜に設けられた歪み抵抗ゲージと、を備え、（ハ）可撓膜の表面と、歪み抵抗ゲージの表面と、の高さが一致し、平滑である、圧力測定器であることを要旨とする。本発明の態様に係る圧力測定器によれば、可撓膜の表面と、歪み抵抗ゲージの表面と、の高さが一致し、平滑であるため、可撓膜の歪み抵抗ゲージが設けられた部分に応力ひずみが生じにくくなる。

【0006】

本発明の他の態様は、（イ）半導体基板の表面に酸化膜を形成することと、（ロ）酸化膜に凹部を設けることと、（ハ）凹部の底面に残っている酸化膜を介して、不純物イオンを半導体基板に選択的に注入し、半導体基板に歪み抵抗ゲージを形成することと、（ニ）半導体基板の表面から酸化膜を除去することと、を含む、圧力測定器の製造方法であることを要旨とする。本発明の態様に係る圧力測定器の製造方法によれば、半導体基板の表面と、歪み抵抗ゲージの表面と、の高さが一致し、平滑になる。そのため、半導体基板の歪み抵抗ゲージが設けられた部分に応力ひずみが生じにくくなる。

【0007】

本発明のさらに他の態様は、（イ）半導体基板の表面に酸化膜を形成することと、（ロ）酸化膜に凹部を設けることと、（ハ）凹部の底面に残っている酸化膜を介して、不純物イオンを半導体基板に選択的に注入することと、（ニ）半導体基板の表面から酸化膜を除去することと、を含む、半導体装置の製造方法であることを要旨とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、正確に圧力を測定可能な圧力測定器、圧力測定器の製造方法、及び半導体装置の製造方法を提供可能である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の断面図である。

【図2】本発明の実施の形態に係る第１のシリコン基板の底面図である。

【図3】本発明の実施の形態に係る第２のシリコン基板の上面図である。

【図4】本発明の実施の形態に係るガラス基板の上面図である。

【図5】本発明の実施の形態に係る可撓膜の上面図である。

【図6】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の第１の工程断面図である。

【図7】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の第２の工程断面図である。

【図8】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の第３の工程断面図である。

【図9】本発明の実施の形態に係る圧力測定器の第４の工程断面図である。

【図10】本発明の比較例に係る圧力測定器の第１の工程断面図である。

【図11】本発明の比較例に係る圧力測定器の第２の工程断面図である。

【図12】本発明の比較例に係る圧力測定器の第３の工程断面図である。

【図13】本発明の比較例に係る圧力測定器の第４の工程断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

【0011】

実施の形態に係る圧力測定器は、図１に示すように、圧力を受ける可撓膜１と、可撓膜１を保持する台座２と、台座２の底面に接合された保持部材３と、を備える。可撓膜１は、例えばシリコン等の半導体からなり、（１００）面を主面とする。また、可撓膜１は、凹部２３が設けられたシリコン基板２１と、凹部２４が設けられたシリコン基板２２に挟まれて配置されている。シリコン基板２２は、台座２上に配置されている。そのため、可撓膜１は、シリコン基板２２を介して、台座２に保持されている。

【0012】

図２に示すように、シリコン基板２１の可撓膜１に接する底面には、凹部２３を取り囲むように環状の溝２５が設けられている。さらに、シリコン基板２１には、凹部２３の中心から上面に貫通する貫通孔２７が設けられている。なお、溝２５はシリコン基板２１内に形成された図示されていない連通路を介して貫通孔２７と連通している。また、図３に示すように、シリコン基板２２の可撓膜１に接する上面には、凹部２４を取り囲むように環状の溝２６が設けられている。さらに、シリコン基板２２には、凹部２４の中心から底面に貫通する貫通孔２８が設けられている。なお、溝２６はシリコン基板２２内に形成された図示されていない連通路を介して貫通孔２８と連通している。

【0013】

例えば、図２に示す凹部２３の外周と、図３に示す凹部２４の外周と、は合同である。また、図２に示す溝２５の外形と、図３に示す溝２６の外形と、は合同である。図１に示すように、シリコン基板２１とシリコン基板２２とは、凹部２３の外周と、凹部２４の外周と、の横方向の位置が一致し、溝２５の外周と、溝２６の外周と、の横方向の位置が一致するように配置されている。

【0014】

シリコン基板２１上には、ガラス基板３１が配置されてもよい。図４に示すように、ガラス基板３１には、シリコン基板２１の貫通孔２７に連通する貫通孔３３が設けられている。図１に示すシリコン基板２２の底面に配置された台座２は、ガラス等からなる。台座２には、シリコン基板２２の貫通孔２８に連通する貫通孔１３が設けられている。台座２の底面に接するように配置された保持部材３は、ステンレス鋼等からなる。保持部材３には、台座２の貫通孔１３に連通する貫通孔１４が設けられている。保持部材３は、例えば可撓膜１等を囲むパッケージであり、板状に限定されない。

【0015】

可撓膜１の凹部２３及び凹部２４を覆う図５に示す円形の部分１０１は、上面に加わる圧力と、底面に加わる圧力と、の差圧を測定するためのダイアフラムとして機能する。差圧を測定するためのダイアフラムとして機能する可撓膜１の円形の部分１０１には、９０°間隔で＜１１０＞方向に４つの歪み抵抗ゲージ５１，５２，５３，５４が設けられている。差圧により可撓膜１が撓むことにより、歪み抵抗ゲージ５１，５２，５３，５４の電気抵抗値が変化する。したがって、歪み抵抗ゲージ５１，５２，５３，５４の電気抵抗値を計測することにより、差圧の測定が可能となる。

【0016】

図１に示す可撓膜１の溝２５及び溝２６を覆う図５に示す環状の部分１０２は、静圧を測定するためのダイアフラムとして機能する。静圧を測定するためのダイアフラムとして機能する可撓膜１の環状の部分１０２には、９０°間隔で＜１１０＞方向に４つの歪み抵抗ゲージ６１，６２，６３，６４が設けられている。図１に示す溝２５及び溝２６の内部で生じた圧力は、図５に示す可撓膜１の環状の部分１０２を圧縮する。可撓膜１の環状の部分１０２が圧縮されることにより、歪み抵抗ゲージ６１，６２，６３，６４の電気抵抗値が変化する。したがって、歪み抵抗ゲージ６１，６２，６３，６４の電気抵抗値を計測することにより、静圧の測定が可能となる。

【0017】

次に、歪み抵抗ゲージ５１の形成方法について説明する。まず、図６に示すように、ｎ型のシリコン等からなる半導体基板１０を加熱し、半導体基板１０上に酸化珪素等からなる酸化膜７１を形成する。次に、図７に示すように、フォトリソグラフィ法及びエッチング法等により、酸化膜７１を選択的に除去し、酸化膜７１に凹部７２を形成する。なお、凹部７２は、半導体基板１０に到達しないように形成される。そのため、凹部７２の底面において、薄膜化された酸化膜７１が、半導体基板１０上に残っている。

【0018】

次に、図８に示すように、凹部７２が設けられた酸化膜７１をマスクにして、ボロン（Ｂ⁺）等のｐ型不純物イオンを半導体基板１０に選択的に注入する。ここで、ｐ型不純物イオンは、酸化膜７１の凹部７２が形成された部分は透過するが、酸化膜７１の凹部７２が形成されていない部分は透過することができない。そのため、ｐ型不純物イオンは、酸化膜７１の凹部７２の下方に、選択的に注入される。その後、注入されたｐ型不純物イオンを熱処理することにより、半導体基板１０に、ｐ型である歪み抵抗ゲージ５１が形成される。なお、凹部７２の底面の酸化膜７１を介してイオン注入することにより、チャネリングや、半導体基板１０表面のダメージを防止することが可能となる。

【0019】

次に、図９に示すように、歪み抵抗ゲージ５１が形成された半導体基板１０の表面から、酸化膜７１を、ウェットエッチング等により除去する。なお、図５に示す歪み抵抗ゲージ５２，５３，５４，６１，６２，６３，６４についても、歪み抵抗ゲージ５１と同時に、同様の方法によって、図９に示す半導体基板１０に形成される。歪み抵抗ゲージ５２，５３，５４，６１，６２，６３，６４が形成された半導体基板１０は、図５に示す可撓膜１として使用される。図９に示す半導体基板１０の表面と、歪み抵抗ゲージ５１の表面と、の高さは一致し、平滑である。そのため、歪み抵抗ゲージ５１が形成された部分に、応力ひずみが生じにくい。歪み抵抗ゲージ５２，５３，５４，６１，６２，６３，６４が形成された部分についても、同様である。

【0020】

ここで、本発明の比較例に係る歪み抵抗ゲージの形成方法について説明する。まず、図１０に示すように、ｎ型のシリコン等からなる半導体基板５０１を加熱し、半導体基板５０１上に酸化珪素等からなる酸化膜５７１を形成する。次に、フォトリソグラフィ法及びエッチング法等により、酸化膜５７１を選択的に除去し、酸化膜５７１に開口部５７２を形成する。なお、開口部５７２は、半導体基板５０１に到達するように形成される。そのため、半導体基板５０１は、開口部５７２において露出する。

【0021】

次に、図１１に示すように、熱処理により、開口部５７２から露出する半導体基板５０１の表面に、酸化膜５７１より薄い熱酸化膜５７３を形成する。この際、熱酸化膜５７３は、半導体基板５０１内部に食い込んで形成される。次に、図１２に示すように、開口部５７２が設けられた酸化膜５７１をマスクにして、ｐ型不純物イオンを半導体基板５０１に、熱酸化膜５７３を介して選択的に注入する。その後、注入されたｐ型不純物イオンを熱処理することにより、半導体基板５０１に、ｐ型である歪み抵抗ゲージ５５１が形成される。なお、熱酸化膜５７３を介してイオン注入することにより、チャネリングや、半導体基板５０１表面のダメージを防止することが可能となる。

【0022】

次に、図１３に示すように、歪み抵抗ゲージ５５１が形成された半導体基板５０１の表面から、酸化膜５７１及び熱酸化膜５７３を除去する。ここで、図１２に示したように、熱酸化膜５７３は、半導体基板５０１内部に食い込んで形成されるため、図１３に示す歪み抵抗ゲージ５５１の表面と、半導体基板５０１の表面と、に段差が生じる。当該段差の部分には、応力ひずみが発生し、歪み抵抗ゲージ５５１の温度特性の悪化をもたらす。したがって、本発明の比較例に係る方法で形成された歪み抵抗ゲージ５５１を有する半導体基板５０１を用いて圧力測定器を製造すると、圧力を精度よく測定することができない。また、段差をなくすために半導体基板５０１の表面を平滑化する工程を設けると、圧力測定器の製造コストが増えるという問題がある。

【0023】

これに対し、図６乃至図９に示す本発明の実施の形態に係る圧力測定器の製造方法で製造された圧力測定器は、図１に示す可撓膜１に応力ひずみが生じにくい。そのため、圧力を高い精度で測定することが可能となる。また、図１１に示すように、酸化膜を２回形成する必要がないので、本発明の実施の形態に係る圧力測定器は、低いコストで製造することが可能である。

【0024】

（その他の実施の形態）
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、図８において、ｎ型のシリコンからなる半導体基板１０に、ｐ型不純物イオンを注入する例を説明した。これに対し、半導体基板１０がｐ型のシリコンからなる場合は、燐（Ｐ⁺）等のｎ型不純物イオンを注入してもよいことはもちろんである。この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。

【符号の説明】

【0025】

１ 可撓膜
２ 台座
３ 保持部材
１０ 半導体基板
１３，１４、２７，２８，３３ 貫通孔
２１，２２ シリコン基板
２３，２４ 凹部
２５，２６ 溝
３１ ガラス基板
５１，５２，５３，５４，６１，６２，６３，６４ 抵抗ゲージ
７１ 酸化膜
７２ 凹部
１０１ 可撓膜の円形の部分
１０２ 可撓膜の環状の部分
５０１ 半導体基板
５５１ 抵抗ゲージ
５７１ 酸化膜
５７２ 開口部
５７３ 熱酸化膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】