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WO2018235415A1 - 物理量センサ - Google Patents

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WO2018235415A1
WO2018235415A1 PCT/JP2018/015931 JP2018015931W WO2018235415A1 WO 2018235415 A1 WO2018235415 A1 WO 2018235415A1 JP 2018015931 W JP2018015931 W JP 2018015931W WO 2018235415 A1 WO2018235415 A1 WO 2018235415A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
physical quantity
electrode
diaphragm
substrate
quantity sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2018/015931
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
城石　久徳
荻原　淳
直樹 牛山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority to CN201880033575.XA priority Critical patent/CN110662949B/zh
Priority to JP2019525159A priority patent/JP6970935B2/ja
Publication of WO2018235415A1 publication Critical patent/WO2018235415A1/ja
Priority to US16/671,738 priority patent/US11156520B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G01L1/142—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors
    • G01L1/148—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators using capacitors using semiconductive material, e.g. silicon
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D48/00—Individual devices not covered by groups H10D1/00 - H10D44/00
    • H10D48/50—Devices controlled by mechanical forces, e.g. pressure

Definitions

  • the present invention relates to a physical quantity sensor provided with a diaphragm that bends according to a physical quantity to be measured.
  • a semiconductor physical quantity sensor including a glass substrate, an electrode formed on the upper surface of the glass substrate, a semiconductor substrate bonded and fixed to the glass substrate, and an electrode formed on the upper surface of the semiconductor substrate. It is known (refer patent document 1).
  • a cavity is formed on the lower surface of the semiconductor substrate.
  • a thin thin plate portion is locally formed by forming a cavity.
  • the thin plate portion functions as a diaphragm that bends in response to an externally applied physical quantity.
  • the diaphragm faces the electrode on the upper surface of the glass substrate through a space.
  • a silicon oxide film which is an insulating film, is formed on the surface of the diaphragm on the glass substrate side.
  • a physical quantity sensor detects a physical quantity.
  • the physical quantity sensor includes a first substrate, an electrode formed on the first substrate, a diaphragm formed of a semiconductor material, a second substrate fixed to the first substrate, and a dielectric formed on the diaphragm. And a wall portion positioned between the dielectric film and the electrode.
  • the diaphragm bends according to the above physical quantity.
  • the second substrate supports the diaphragm such that the diaphragm has an opposing surface facing the electrode with a space.
  • the dielectric film is formed on the opposing surface of the diaphragm.
  • the wall defines the space.
  • the dielectric film has a surface facing the electrode via a space.
  • the wall has a first protrusion and a second protrusion.
  • the first protrusion protrudes from the surface of the dielectric film toward the electrode.
  • the second protrusion protrudes from the first protrusion toward the electrode and is in contact with the electrode.
  • the second protrusion is different from the material of the dielectric film and is made of nitride.
  • This physical quantity sensor has high moisture resistance.
  • FIG. 1 is a plan view of a physical quantity sensor according to an embodiment.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view of the physical quantity sensor shown in FIG. 1 along line II-II.
  • FIG. 2B is a partially enlarged view of the physical quantity sensor shown in FIG. 2A.
  • FIG. 1 is a plan view of a physical quantity sensor 1 according to an embodiment.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view of the physical quantity sensor 1 shown in FIG. 1 along the line II-II.
  • FIG. 2B is a partially enlarged view of the physical quantity sensor 1 shown in FIG. 2A and shows a portion A1.
  • 1, 2A and 2B are schematic views, and the ratio of the size and thickness of each component in the figures does not necessarily reflect the actual dimensional ratio.
  • the physical quantity sensor 1 includes a substrate 2, an electrode 3, a diaphragm 4, a substrate 5, a dielectric film 6, and a wall 7 as shown in FIGS. 2A and 2B.
  • the substrate 2, the electrode 3, the diaphragm 4, the substrate 5 and the dielectric film 6 are arranged in the thickness direction D 1.
  • the electrode 3 is formed on the substrate 2.
  • the physical quantity sensor 1 is a capacitance type physical quantity sensor.
  • the diaphragm 4 of the physical quantity sensor 1 is formed of a semiconductor material.
  • the physical quantity sensor 1 detects a physical quantity F1 applied to the physical quantity sensor 1.
  • the physical quantity F1 is, for example, a pressing force for pressing the diaphragm 4.
  • the diaphragm 4 bends according to the physical quantity F1 (for example, pressing force) which is the measurement object of the physical quantity sensor 1.
  • the substrate 5 supports the diaphragm 4 so that the diaphragm 4 faces the electrode 3 via the space 8.
  • the substrate 5 is fixed to the substrate 2.
  • the diaphragm 4 has a facing surface 42 facing the electrode 3 and a surface 41 opposite to the facing surface 42.
  • the dielectric film 6 is formed on an opposing surface 42 facing the electrode 3 in the diaphragm 4.
  • the wall 7 is located between the dielectric film 6 and the electrode 3 to define a space 8.
  • the electrode 3, the dielectric film 6 and the diaphragm 4 constitute a capacitor, and the capacitance of the capacitor, ie, the static charge between the diaphragm 4 and the electrode 3 according to the magnitude of the physical quantity F1 to be measured.
  • the capacitance changes.
  • the diaphragm 4 is bent according to the physical quantity F1 and at least the distance between the diaphragm 4 and the electrode 3 is Change.
  • a pressing force is applied such that the dielectric film 6 and the electrode 3 contact the diaphragm 4
  • the contact area where the dielectric film 6 and the electrode 3 are in contact increases as the pressing force increases.
  • the capacitance between the diaphragm 4 and the electrode 3 changes as the distance between the diaphragm 4 and the electrode 3 changes.
  • the control device can detect and measure the physical quantity F1 based on the change in capacitance.
  • the components of the physical quantity sensor 1 will be described in more detail below.
  • the plan view shape of the physical quantity sensor 1 is, for example, square (see FIG. 1).
  • the “plan view shape of the physical quantity sensor 1” is the shape of the outer periphery of the physical quantity sensor 1 as viewed in the thickness direction D1 of the substrate 5.
  • the chip size (Chip Size) in plan view of the physical quantity sensor 1 is, for example, 1.4 mm ⁇ (1.4 mm ⁇ 1.4 mm), but is not limited thereto.
  • the plan view shape of the physical quantity sensor 1 is not limited to the square shape, and may be another shape such as a rectangular shape, for example.
  • the physical quantity sensor 1 includes the substrate 2, the electrode 3, the diaphragm 4, the substrate 5, the dielectric film 6, and the wall 7 as described above.
  • the plan view shape of the substrate 2 is a square like the plan view shape of the physical quantity sensor 1, but the shape is not limited to this, and may be another shape such as a rectangle.
  • the substrate 2 has a front surface 21 and a back surface 22 opposite to each other in the thickness direction D1 of the substrate 2.
  • the substrate 2 has electrical insulation.
  • the material of the substrate 2 is glass.
  • the electrode 3 is formed on the surface 21 of the substrate 2.
  • the electrode 3 has a capacitor electrode 301 and an extraction electrode 302.
  • the plan view shape of the capacitor electrode 301 is, for example, a circular shape.
  • the lead-out electrode 302 is formed along the radial direction 301r away from the center 301c of the capacitor electrode 301, and protrudes from the capacitor electrode 301 in the radial direction 301r.
  • the lead-out electrode 302 has ends 302a and 302b opposite to each other in the radial direction 301r of the capacitor electrode 301.
  • the end 302 a overlaps the capacitor electrode 301.
  • the width in the direction orthogonal to the thickness direction D1 of the lead electrode 302 and the radial direction 302r is shorter than the diameter of the capacitor electrode 301.
  • the plan view shape viewed from the thickness direction D1 of the end 302b of the extraction electrode 302 is circular.
  • the material of the capacitor electrode 301 is Cr, but the material is not limited to this.
  • another conductive member such as Au may be used.
  • the material of the extraction electrode 302 is an aluminum alloy. More specifically, although the material of the lead-out electrode 302 is AlSi, it is not limited thereto, and may be, for example, another aluminum alloy such as AlSiCu, AlCu, AlSb, AlTiCu.
  • the thickness T1 (see FIG. 2B) of the lead-out electrode 302 on the surface 21 of the substrate 2 is, for example, 1.3 ⁇ m.
  • the thickness T1 is the distance between the surface 21 of the substrate 2 and the surface 321 of the lead electrode 302.
  • a recess 322 having an annular shape as viewed in the thickness direction D1 is formed on the surface 321 of the lead-out electrode 302.
  • the extraction electrode 302 has a back surface 321 a facing the front surface 21 of the substrate 2 and a surface 321 opposite to the back surface 321 a.
  • the surface 321 faces in the same direction as the surface 21 of the substrate 2.
  • the length T2 (see FIG. 2B) at which the wall 7 protrudes from the dielectric film 6 is a predetermined distance T4 from the shortest distance T3 (see FIG.
  • the predetermined distance T4 is smaller than the thickness T1 of the lead electrode 302. From the viewpoint of enhancing the airtightness of the space 8, the predetermined distance T4 is preferably, for example, about one fourth to three quarters of the thickness of the extraction electrode 302.
  • the extraction electrode 302 is softer than the wall 7 and plastically deforms when the substrate 2 and the substrate 5 are joined at the time of manufacturing the physical quantity sensor 1.
  • the diaphragm 4 is opposed to the electrode 3 via the space 8.
  • the diaphragm 4 bends according to the physical quantity F1 (for example, pressing force) which is the measurement object of the physical quantity sensor 1.
  • the diaphragm 4 is flexible and deformable.
  • the diaphragm 4 is made of a semiconductor material as described above, and has conductivity.
  • the semiconductor material of the diaphragm 4 is, for example, Si.
  • the diaphragm 4 is supported by the substrate 5.
  • the thickness of the diaphragm 4 is smaller than the thickness of the substrate 5 in the thickness direction D1.
  • the substrate 5 supports the diaphragm 4 so that the diaphragm 4 faces the electrode 3 via the space 8.
  • the diaphragm 4 has a disk-shaped portion 401 facing the capacitor electrode 301 of the electrode 3 and a portion 402 facing the lead-out electrode 302 of the electrode 3.
  • the portion 401 is movable relative to the electrode 3.
  • the portion 401 of the diaphragm 4 is flexible toward the substrate 2, and the portion 402 is fixed relative to the substrate 2.
  • the portions 401 and 402 are integrally formed.
  • the plan view shape of the substrate 5 as viewed in the thickness direction D1 is square like the outer peripheral shape of the physical quantity sensor 1 (see FIG. 1), but it may be rectangular as well.
  • the substrate 5 has a front surface 51 and a back surface 52 opposite to each other in the thickness direction D1 of the substrate 5.
  • the substrate 5 has conductivity.
  • the substrate 5 is formed of a semiconductor material. More specifically, the semiconductor material of the substrate 5 is, for example, Si.
  • the diaphragm 4 is integrally formed on the substrate 5.
  • the diaphragm 4 and the substrate 5 can be formed by processing a semiconductor substrate (here, a silicon substrate). Therefore, the diaphragm 4 and the substrate 5 have the same potential.
  • an external connection electrode 9 electrically connected to the diaphragm 4 is formed on the surface 51 of the substrate 5.
  • the external connection electrode 9 functions as, for example, a pad electrode to which a conductive member such as a conductive wire 92 is connected.
  • the material of the external connection electrode 9 is, for example, AlSi or Au.
  • the external connection electrode 9 is formed to obtain an ohmic contact with the substrate 5.
  • the thickness of the substrate 5 is larger than the sum of the thickness of the diaphragm 4 and the thickness of the dielectric film 6.
  • the recess 53 can be formed by etching a part of the semiconductor substrate using, for example, an inductively coupled plasma etching system.
  • the surface 41 of the diaphragm 4 opposite to the opposite surface 42 to the electrode 3 is flush with the surface 51 of the substrate 5.
  • the substrate 5 is fixed to the substrate 2 such that the diaphragm 4 and the electrode 3 face each other via the space 8.
  • the front surface 21 of the substrate 2 and the back surface 52 of the substrate 5 are in contact with each other.
  • the glass forming the substrate 2 contains an alkali component, and the substrate 5 and the substrate 2 are directly bonded. “Directly bonded” means that they are bonded without using a bonding material or the like.
  • the glass forming the substrate 2 contains an alkali component, it becomes possible to directly bond the substrate 5 and the substrate 2 by anodic bonding at the time of manufacture of the physical quantity sensor 1 Cost reduction can be achieved.
  • the alkali component examples include Na, K, Na 2 O, K 2 O and the like.
  • borosilicate glass can be employed as the glass for forming the substrate 2.
  • Borosilicate glass contains an alkali component.
  • the difference between the linear expansion coefficients of the substrate 5 and the substrate 2 is smaller from the viewpoint of reducing the stress generated in the substrate 5 and the diaphragm 4 due to the difference between the linear expansion coefficients of the substrate 5 and the substrate 2. The smaller one is preferable.
  • a dielectric film 6 is formed on an opposing surface 42 of the diaphragm 4 facing the electrode 3.
  • the dielectric film 6 can ensure the electrical insulation between the diaphragm 4 and the electrode 3, and can prevent a short circuit between the diaphragm 4 and the electrode 3.
  • the dielectric constant of the dielectric film 6 in order to increase the sensitivity of the physical quantity sensor 1, it is preferable that the dielectric constant of the dielectric film 6 be higher. In the physical quantity sensor 1, the higher the dielectric constant of the dielectric film 6, the smaller the thickness of the dielectric film 6, and the higher the sensitivity.
  • the dielectric film 6 preferably has a high withstand voltage.
  • the dielectric film 6 is a nitride film made of nitride. More specifically, dielectric film 6 is a silicon nitride film made of silicon nitride.
  • the silicon nitride film which is the dielectric film 6 is formed using a thin film formation technique, a lithography technique and an etching technique.
  • the thin film formation technology here is LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition).
  • the source gases for forming the silicon nitride film by LPCVD are, for example, SiCl 2 H 2 and NH 3 .
  • the composition of the silicon nitride film which is the dielectric film 6 is, for example, a stoichiometric composition Si 3 N 4 .
  • the density of the silicon nitride film which is the dielectric film 6 is, for example, 2.9 g / cm 3 to 3.1 g / cm 3 .
  • the dielectric constant of the silicon nitride film which is the dielectric film 6 is, for example, 7.
  • the hydrogen content of the silicon nitride film which is the dielectric film 6 is, for example, 8 at% or less.
  • the thickness of the dielectric film 6 is, for example, 20 nm to 200 nm. When the dielectric film 6 is formed by LPCVD, an internal stress which is a tensile stress is generated in the dielectric film 6. By setting the thickness of the dielectric film 6 to 200 nm or less, the generation of internal stress in the dielectric film 6 can be suppressed.
  • a space 8 is defined by a wall 7 located between the dielectric film 6 and the electrode 3. More specifically, the wall 7 is located between a portion of the dielectric film 6 formed on the portion 402 of the diaphragm 4 and the lead-out electrode 302 of the electrode 3. In the physical quantity sensor 1, the tip 70 of the wall 7 is in contact with the extraction electrode 302 so that the space 8 is sealed.
  • the wall 7 has electrical insulation.
  • an inert gas is filled in a space 8 surrounded by the substrate 2, the substrate 5, the diaphragm 4, and the wall portion 7 to form an inert gas atmosphere.
  • the inert gas is preferably N 2 gas.
  • the inert gas is not limited to N 2 gas, and may be, for example, Ar gas, a mixed gas obtained by mixing N 2 gas and Ar gas, or another inert gas such as Ar gas.
  • the hole 76 which penetrates the wall 7 and the dielectric film 6 in the thickness direction D 1 of the substrate 2 and exposes a part of the electrode 3 from the wall 7 and the dielectric film 6 is the wall 7 and the dielectric The body film 6 is formed.
  • the hole 76 exposes the electrode pad 320 which is a part of the extraction electrode 302 from the wall 7 and the dielectric film 6.
  • the shape of the opening of the hole 76 is circular (see FIG. 1).
  • the wall 7 has a cylindrical shape.
  • a through hole 46 penetrating in the thickness direction D ⁇ b> 1 of the diaphragm 4 is formed in a portion 402 of the diaphragm 4 opposed to the lead electrode 302.
  • the through hole 46 is connected to the hole 76.
  • the electrode pad 320 which is a part of the electrode 3 is exposed from the surface 41 of the diaphragm 4 when viewed in the thickness direction D1 of the diaphragm 4.
  • the shape of the opening of the through hole 46 is circular (see FIG. 1).
  • the through hole 46 of the diaphragm 4 can be formed, for example, by etching a portion of the diaphragm 4 forming the through hole 46 by means of an inductively coupled plasma etching apparatus.
  • the hole 76 is located inside the through hole 46 when viewed from the side opposite to the substrate 2 in the diaphragm 4 (see FIG. 1).
  • the physical quantity sensor 1 for example, it is possible to suppress the conductive wire 91 bonded to the electrode pad 320 of the electrode 3 from contacting the diaphragm 4. That is, in the physical quantity sensor 1, it is possible to prevent a short circuit between the conductive wire 91 and the diaphragm 4.
  • the wall portion 7 has a protrusion 71 and a protrusion 72.
  • the dielectric film 6 has a surface 6 b opposed to the electrode 3 via the space 8.
  • the protrusion 71 protrudes from the surface 6 b of the dielectric film 6 toward the electrode 3.
  • the protrusion 71 is a part of the dielectric film 6.
  • the protrusion 72 is made of a nitride protruding from the protrusion 71 toward the electrode 3 and in contact with the electrode 3.
  • at least a part of the tip end 720 of the protrusion 72 is located in the recess 322 of the electrode 3 and in contact with the bottom surface 323 of the recess 322.
  • the projection 72 is made of silicon nitride containing Si—H bond.
  • the protrusions 72 include Si—H bonds and H—N bonds in addition to the Si—N bonds.
  • the silicon nitride film made of silicon nitride containing the Si—H bond, which is the projection 72, is formed by using a thin film forming technology, a lithography technology and an etching technology.
  • the thin film formation technology here is plasma CVD (Plasma Chemical Vapor Deposition).
  • the silicon nitride film containing Si—H bond can make the permeability of moisture smaller than that of the silicon oxide film. Whether or not the silicon nitride film contains a Si—H bond can be known, for example, by analysis by Fourier Transform Infrared Spectroscopy.
  • the criteria for determining whether the silicon nitride film contains Si-H bonds depend on the detection limit in analysis by Fourier transform infrared spectroscopy.
  • the concentration of hydrogen in the projection 72 is, for example, about 1 ⁇ 10 20 cm ⁇ 3 to 1 ⁇ 10 22 cm ⁇ 3 .
  • the concentration of hydrogen in the projection 72 can be known, for example, by analysis by Fourier transform infrared spectroscopy.
  • the dielectric film 6 made of a silicon nitride film formed by LPCVD as a result of analysis by Fourier transform infrared spectroscopy, the content of Si—H bond was less than the detection limit.
  • the source gases for forming a silicon nitride film having a Si—H bond by plasma CVD are SiH 4 and NH 3 , but not limited thereto, for example, SiH 4 and N 2 may be used.
  • the protrusions 72 have electrical insulation.
  • the silicon nitride film containing the Si—H bond, which is the projection 72, has a composition which deviates from that of the stoichiometric composition Si 3 N 4 and is SiNH. That is, the composition of the silicon nitride containing Si—H is different from the composition of the silicon nitride constituting the dielectric film 6.
  • the density of the silicon nitride film containing the Si—H bond is, for example, 2.4 g / cm 3 to 2.8 g / cm 3 .
  • the dielectric constant of the silicon nitride film containing the Si—H bond is, for example, 6.
  • the hydrogen content of the silicon nitride film which is the projection 72 is, for example, 20 at% to 25 at%.
  • the internal stress (tensile stress) of the silicon nitride film containing Si-H bond formed by plasma CVD is, for example, not more than one fifth of the internal stress (tensile stress) of the silicon nitride film formed by LPCVD. .
  • the protrusion 72 and the dielectric film 6 are made of different materials.
  • a material different from each other includes a case where all of a plurality of constituent elements are the same and differ in composition, a case where there is a different constituent element, a case in which the composition is the same and additives are different, and the like.
  • the physical quantity sensor 1 includes a protrusion 73 which protrudes from the surface 42 of the diaphragm 4 facing the electrode 3 toward the electrode 3 and is covered by the protrusion 71.
  • the thickness of the dielectric film 6 integrally formed with the protrusion 71 can be made larger than in the case where the protrusion 73 is not provided, and the thickness of the diaphragm 4 It is possible to further increase the thickness of the protrusion 71 in the vertical direction D1, that is, the protruding length of the protrusion 71.
  • the protrusion 73 is formed in a ring shape.
  • the protrusion 73 is formed of silicon oxide and has electrical insulation.
  • the protrusions 73 can be formed, for example, using thermal oxidation technology, photolithography technology and etching technology.
  • a base wafer which is a base of each of the plurality of physical quantity sensors 1 and a diaphragm wafer which is a base of the respective diaphragms 4 and the plurality of substrates 5 of the plurality of physical quantity sensors 1.
  • the base wafer is, for example, a glass wafer.
  • the diaphragm wafer is, for example, a semiconductor wafer.
  • a plurality of electrodes 3 are formed on the base wafer.
  • a Cr film as a source of the plurality of capacitor electrodes 301 is formed by sputtering on the surface of the base wafer constituting the surface 21 of the substrate 2.
  • a plurality of capacitor electrodes 301 are formed by patterning the Cr film using photolithography technology and etching technology.
  • a predetermined thickness for example, 1.3 ⁇ m from which the plurality of lead electrodes 302 are formed so as to cover a plurality of portions of the surface of the base wafer exposed from the plurality of capacitor electrodes 301 and the plurality of capacitor electrodes 301.
  • the plurality of extraction electrodes 302 are formed by patterning the AlSi film using photolithography technology and etching technology. However, at this stage, the above-mentioned concave portion 322 is not formed on the surface 321 of each of the plurality of lead-out electrodes 302.
  • the first to fourth steps described below are sequentially performed on the diaphragm wafer in this order.
  • a recess 53 is formed on the surface of the diaphragm wafer that constitutes the back surface 52 of the substrate 5 using photolithography technology and etching technology.
  • projections 73 are formed on the diaphragm wafer using thermal oxidation technology, photolithography technology and etching technology.
  • dielectric film 6 is formed on the bottom of each of the plurality of recesses 53 of the diaphragm wafer using LPCVD, photolithography technology and etching technology.
  • a part of the dielectric film 6 becomes a protrusion 71.
  • a hole corresponding to the hole 76 penetrating the wall 7 and the dielectric film 6 is not formed in the protrusion 71.
  • the projection 72 is formed on the projection 71 using plasma CVD, photolithography technology and etching technology. Thereafter, a hole 76 passing through the wall 7 including the projection 71 and the projection 72 and the dielectric film 6 is formed.
  • Steps 5 to 9 described in the above are sequentially performed in this order.
  • the wall 7 is joined to the lead electrode 302 by anodic bonding.
  • the extraction electrode 302 is plastically deformed such that the wall portion 7 crushes a part of the extraction electrode 302. Therefore, in the method of manufacturing the physical quantity sensor 1, the concave portion 322 is formed on the surface 321 of the lead electrode 302 and the wall portion 7 contacts the entire periphery of the bottom surface 323 of the concave portion 322 by performing the fifth step. .
  • the diaphragm 4 and the substrate 5 are formed by locally thinning the diaphragm wafer such that the thickness of the portion corresponding to the diaphragm 4 in the diaphragm wafer is a predetermined thickness.
  • the external connection electrode 9 is formed on the surface 51 of the substrate 5 using thin film formation technology, photolithography technology, etching technology and the like.
  • through holes 46 are formed in the diaphragm 4 using photolithography technology and etching technology.
  • the through hole 46 is connected to the hole 76 penetrating the wall 7 and the dielectric film 6.
  • a plurality of physical quantity sensors 1 can be obtained from the laminated wafer by dicing the laminated wafer.
  • moisture may infiltrate into the above-described space through the wall to change the capacitance between the diaphragm and the electrode.
  • the wall 7 which defines the space 8 has a protrusion 71 made of silicon nitride and a protrusion 72 made of silicon nitride having a Si—H bond.
  • the wall portion 7 is formed only of silicon nitride
  • the occurrence of the crack in the wall portion 7 is suppressed while the distance between the diaphragm 4 and the electrode 3 is increased. It becomes possible to improve the moisture resistance while improving the sensitivity.
  • the withstand voltage between the diaphragm 4 and the electrode 3 can be improved as compared with the case where the wall portion 7 is formed only of the silicon nitride having the S—H bond.
  • the above embodiment is only one of various embodiments of the present invention.
  • the above-mentioned embodiment can be variously changed according to design etc. if the object of the present invention can be achieved.
  • the dielectric film 6 is not limited to nitride, and may be formed of an oxide such as silicon oxide, for example.
  • the nitride constituting the dielectric film 6 is not limited to silicon nitride, and may be, for example, another nitride such as HfSiON or SiON.
  • the nitride constituting the projection 72 is not limited to the silicon nitride containing the Si-H bond, but also the HfSiON containing the Si-H bond, the SiON containing the Si-H bond, etc. Other nitrides may be used.
  • the diaphragm 4 is not limited to the case where it is integrally formed on the substrate 5, and may be formed separately from the substrate 5.
  • the physical quantity F1 to be measured by the physical quantity sensor 1 is not limited to the pressing force, and may be, for example, another physical quantity that causes the diaphragm 4 to be bent and deformed, such as pressure and acceleration.
  • the physical quantity sensor is not limited to the pressing force sensor but may be another physical quantity sensor such as a pressure sensor or an acceleration sensor.
  • the capacitor electrode 301 and the lead-out electrode 302 are formed of materials different from each other, but the present invention is not limited to this.
  • the capacitor electrode 301 may be formed of the same material as the extraction electrode 302.
  • the physical quantity sensor 1 may not have the protrusion 73, and the protrusion 73 may be formed of a semiconductor material. In this case, the protrusion 73 may be formed integrally with the diaphragm 4.
  • the semiconductor wafer used for manufacturing the physical quantity sensor 1 is a silicon wafer, but from the viewpoint of enhancing the accuracy of the thickness of the diaphragm 4, it may be an SOI (Silicon on Insulator) wafer.
  • SOI Silicon on Insulator
  • the physical quantity sensor 1 detects the physical quantity F1.
  • the physical quantity sensor 1 according to the first aspect includes a substrate 2, an electrode 3 formed on a surface 21 of the substrate 2, a diaphragm 4 formed of a semiconductor material, and a substrate 5 fixed to the substrate 2. It comprises a dielectric film 6 formed on the opposing surface 42 of the diaphragm 4 and a wall 7 positioned between the dielectric film 6 and the electrode 3 to define a space 8.
  • the diaphragm 4 bends according to the physical quantity F1.
  • the substrate 5 supports the diaphragm 4 so that the diaphragm 4 has an opposing surface 42 opposed to the electrode 3 via the space 8.
  • the dielectric film 6 has a surface 6 b opposed to the electrode 3 via the space 8.
  • the wall 7 has projections 71 and 72.
  • the protrusion 71 protrudes from the surface 6 b of the dielectric film 6 toward the electrode 3.
  • the protrusion 72 protrudes from the protrusion 71 toward the electrode 3 and is in contact with the electrode 3.
  • the projection 72 is different from the material of the dielectric film 6 and is made of nitride.
  • the physical quantity sensor 1 can improve the moisture resistance.
  • the dielectric constant of the dielectric film 6 is higher than the dielectric constant of the protrusion 72.
  • the thickness of the dielectric film 6 can be reduced, and the moisture resistance can be improved.
  • the physical quantity sensor 1 according to the third aspect further includes a protrusion 73 which protrudes from the opposing surface 42 of the diaphragm 4 toward the electrode 3 and is covered by the protrusion 71 in the first or second aspect.
  • the thickness of the dielectric film 6 integrally formed with the protrusion 71 can be made larger than in the case where the protrusion 73 is not provided, and the thickness of the diaphragm 4 It is possible to further increase the thickness, that is, the protruding length of the protrusion 71 in the longitudinal direction D1.
  • the dielectric film 6 is made of nitride. As a result, in the physical quantity sensor 1, it is possible to further improve the moisture resistance.
  • the protrusion 72 is made of silicon nitride containing a Si—H bond.
  • the thickness of the protrusion 72 in the thickness direction D 1 of the diaphragm 4, that is, the protruding length is made larger than the thickness of the protrusion 71 in the thickness direction D 1 of the diaphragm 4, that is, the protruding length.
  • the electrode 3 has a surface 321 opposite to the dielectric film 6 and provided with a recess 322. At least a portion of the tip end 720 of the projection 72 is located within the recess 322 of the electrode 3 and is in contact with the bottom surface 323 of the recess 322. Thereby, the physical quantity sensor 1 can further improve the moisture resistance.
  • a part of the electrode 3 from the wall 7 and the dielectric film 6 are formed so as to expose the wall 7 and the dielectric film 6.
  • the diaphragm 4 is formed with a through hole 46 connected to the hole 76.
  • the hole 76 is located inside the through hole 46 as viewed from the side opposite to the substrate 2 in the diaphragm 4. Therefore, in the physical quantity sensor 1, it is possible to prevent a short circuit between the conductive wire 91 and the diaphragm 4.
  • the substrate 2 is formed of glass containing an alkali component.
  • the substrate 5 is formed of silicon.
  • the diaphragm 4 is integrally formed on the substrate 5.
  • the substrate 5 and the substrate 2 are directly bonded. As a result, in the physical quantity sensor 1, it is possible to further improve the moisture resistance.
  • the terms indicating directions such as “front side” and “back side” indicate relative directions determined only by the relative positional relationship of members of the physical quantity sensor 1, and indicate absolute directions such as vertical direction is not.

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Abstract

物理量センサは物理量を検出する。この物理量センサは、第１基板と、第１基板に形成されている電極と、半導体材料により形成されたダイヤフラムと、第１基板に固定されている第２基板と、ダイヤフラムに形成されている誘電体膜と、誘電体膜と電極との間に位置する壁部とを備える。ダイヤフラムは上記物理量に応じて撓む。第２基板は、ダイヤフラムが電極に対して空間を介して対向する対向面を有するようにダイヤフラムを支持する。誘電体膜は、ダイヤフラムの対向面に形成されている。壁部は、上記空間を画定する。誘電体膜は空間を介して電極に対向する面を有する。壁部は第１突部と第２突部とを有する。第１突部は、誘電体膜の面から電極に向かって突出している。第２突部は、第１突部から電極に向かって突出し電極に接触している。第２突部は誘電体膜の材料と異なりかつ窒化物よりなる。

Description

物理量センサ
　本発明は、計測対象である物理量に応じて撓むダイヤフラムを備えた物理量センサに関する。
　従来の物理量センサとしては、ガラス基板と、ガラス基板の上面に形成された電極と、ガラス基板に接合固定された半導体基板と、半導体基板の上面に形成された電極とを備えた半導体物理量センサが知られている（特許文献１参照）。
　特許文献１に記載された半導体物理量センサでは、半導体基板の下面にキャビティが形成されている。半導体基板は、キャビティが形成されることで局部的に薄い薄板部が形成されている。薄板部は、外部から印加される物理量に応じて撓むダイヤフラムとして機能する。ダイヤフラムは、ガラス基板の上面の電極に対して空間を介して対面する。また、ダイヤフラムのガラス基板側の面には、絶縁膜であるシリコン酸化膜が形成されている。
　特許文献１に記載された半導体物理量センサでは、シリコン酸化膜とガラス基板の上面の電極との間に、上記の空間を画成する壁部が形成されている。
国際公開第２０１５／０２５４９６号
　物理量センサは物理量を検出する。この物理量センサは、第１基板と、第１基板に形成されている電極と、半導体材料により形成されたダイヤフラムと、第１基板に固定されている第２基板と、ダイヤフラムに形成されている誘電体膜と、誘電体膜と電極との間に位置する壁部とを備える。ダイヤフラムは上記物理量に応じて撓む。第２基板は、ダイヤフラムが電極に対して空間を介して対向する対向面を有するようにダイヤフラムを支持する。誘電体膜は、ダイヤフラムの対向面に形成されている。壁部は、上記空間を画定する。誘電体膜は空間を介して電極に対向する面を有する。壁部は第１突部と第２突部とを有する。第１突部は、誘電体膜の面から電極に向かって突出している。第２突部は、第１突部から電極に向かって突出し電極に接触している。第２突部は誘電体膜の材料と異なりかつ窒化物よりなる。
　この物理量センサは高い耐湿性を有する。
図１は実施の形態に係る物理量センサの平面図である。 図２Ａは図１に示す物理量センサの線ＩＩ－ＩＩにおける断面図である。 図２Ｂは図２Ａに示す物理量センサの部分拡大図である。
　図１は実施の形態に係る物理量センサ１の平面図である。図２Ａは図１に示す物理量センサ１の線ＩＩ－ＩＩにおける断面図である。図２Ｂは図２Ａに示す物理量センサ１の部分拡大図であり、部分Ａ１を示す。図１、２Ａ及び２Ｂは模式的な図であり、図中の各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。
　物理量センサ１は、図２Ａ及び２Ｂに示すように、基板２と、電極３と、ダイヤフラム４と、基板５と、誘電体膜６と、壁部７とを備える。基板２と電極３とダイヤフラム４と基板５と誘電体膜６とは厚さ方向Ｄ１に配列されている。電極３は基板２に形成されている。物理量センサ１は、静電容量式物理量センサである。ここにおいて、物理量センサ１のダイヤフラム４は、半導体材料により形成されている。物理量センサ１は物理量センサ１に印加される物理量Ｆ１を検出する。物理量Ｆ１は、例えばダイヤフラム４を押圧する押圧力である。ダイヤフラム４は、物理量センサ１の計測対象である物理量Ｆ１（例えば、押圧力）に応じて撓む。基板５は、ダイヤフラム４が電極３に対して空間８を介して対向するようにダイヤフラム４を支持している。基板５は基板２に固定されている。ダイヤフラム４は電極３に対向する対向面４２と、対向面４２の反対側の表面４１とを有する。誘電体膜６は、ダイヤフラム４における電極３に対向する対向面４２に形成されている。壁部７は誘電体膜６と電極３との間に位置して空間８を画定している。
　物理量センサ１では、電極３と誘電体膜６とダイヤフラム４はコンデンサを構成しており、計測対象である物理量Ｆ１の大きさに応じてコンデンサの静電容量すなわちダイヤフラム４と電極３の間の静電容量が変化する。
　物理量センサ１では、例えば、ダイヤフラム４の表面４１に物理量センサ１の計測対象の物理量Ｆ１（押圧力）がかかると、物理量Ｆ１に応じてダイヤフラム４が撓み、少なくともダイヤフラム４と電極３との距離が変化する。ここにおいて、ダイヤフラム４に対して誘電体膜６と電極３とが接触するような押圧力がかかった場合には、押圧力が大きいほど誘電体膜６と電極３とが接触する接触面積が大きくなる。物理量センサ１では、ダイヤフラム４と電極３との距離が変化することでダイヤフラム４と電極３との間の静電容量が変化する。また、物理量センサ１では、誘電体膜６と電極３との接触面積が変化することで、ダイヤフラム４と電極３との間の静電容量が変化する。したがって、物理量センサ１では、例えば、ダイヤフラム４と電極３との間に外部の制御装置から交流電圧を印加し、制御装置がダイヤフラム４と電極３との間の静電容量の変化を検出する。これにより、制御装置は、この静電容量の変化に基づいて物理量Ｆ１を検出して計測することができる。
　物理量センサ１の各構成要素については、以下に、より詳細に説明する。
　物理量センサ１の平面視形状は、例えば、正方形状である（図１参照）。「物理量センサ１の平面視形状」とは、基板５の厚さ方向Ｄ１から見た物理量センサ１の外周の形状である。物理量センサ１の平面視でのチップサイズ（Ｃｈｉｐ　Ｓｉｚｅ）は、例えば、１．４ｍｍ□（１．４ｍｍ×１．４ｍｍ）であるが、これに限らない。また、物理量センサ１の平面視形状は、正方形状に限らず、例えば、長方形状等の他の形状でもよい。
　物理量センサ１は、上述のように、基板２と、電極３と、ダイヤフラム４と、基板５と、誘電体膜６と、壁部７とを備える。
　基板２の平面視形状は、物理量センサ１の平面視形状と同様、正方形状であるが、これに限らず、例えば、長方形状等の他の形状でもよい。
　基板２は、基板２の厚さ方向Ｄ１において互いに反対側にある表面２１及び裏面２２を有する。基板２は電気絶縁性を有する。基板２の材料はガラスである。
　電極３は、基板２の表面２１上に形成されている。電極３は、コンデンサ用電極３０１と引出電極３０２とを有する。コンデンサ用電極３０１の平面視形状は、例えば、円形状である。引出電極３０２は、コンデンサ用電極３０１の中心３０１ｃから遠ざかる径方向３０１ｒに沿って形成されており、コンデンサ用電極３０１から径方向３０１ｒに突出している。ここにおいて、引出電極３０２は、コンデンサ用電極３０１の径方向３０１ｒにおいて互いに反対側の端３０２ａ、３０２ｂを有する。端３０２ａがコンデンサ用電極３０１に重なっている。引出電極３０２の厚さ方向Ｄ１と径方向３０２ｒとに直交する方向の幅はコンデンサ用電極３０１の直径よりも短い。引出電極３０２の端３０２ｂの厚さ方向Ｄ１から見た平面視形状は、円形状である。
　コンデンサ用電極３０１の材料は、Ｃｒであるが、これに限らず、例えば、Ａｕ等の他の導電部材でもよい。
　引出電極３０２の材料は、アルミニウム合金である。より詳細には、引出電極３０２の材料は、ＡｌＳｉであるが、これに限らず、例えば、ＡｌＳｉＣｕ、ＡｌＣｕ、ＡｌＳｂ、ＡｌＴｉＣｕ等の他のアルミニウム合金でもよい。基板２の表面２１上の引出電極３０２の厚さＴ１（図２Ｂ参照）は、例えば、１．３μｍである。厚さＴ１は、基板２の表面２１と引出電極３０２の表面３２１との距離である。引出電極３０２の表面３２１には厚さ方向Ｄ１から見て環形状を有する凹部３２２が形成されている。壁部７の少なくとも一部は、引出電極３０２の表面３２１の凹部３２２内に位置し凹部３２２の底面３２３の全周に亘って底面３２３に接触している。これにより、物理量センサ１は空間８の気密性を向上させることが可能となる。引出電極３０２は基板２の表面２１に対向する裏面３２１ａと、裏面３２１ａの反対側の表面３２１とを有する。表面３２１は基板２の表面２１と同じ方向に対向する。ここにおいて、誘電体膜６から壁部７が突出する長さＴ２（図２Ｂ参照）は、誘電体膜６と引出電極３０２の表面３２１との最短距離Ｔ３（図２Ｂ参照）よりも所定距離Ｔ４（図２Ｂ参照）だけ長い。所定距離Ｔ４は、引出電極３０２の厚さＴ１よりも小さい。空間８の気密性を高める観点から、所定距離Ｔ４は、例えば、引出電極３０２の厚さの４分の１から４分の３程度であるのが好ましい。引出電極３０２は、壁部７よりも柔らかく、物理量センサ１の製造時において基板２と基板５とを接合するときに塑性変形する。
　物理量センサ１では、電極３にダイヤフラム４が空間８を介して対向している。ダイヤフラム４は、物理量センサ１の計測対象である物理量Ｆ１（例えば、押圧力）に応じて撓む。要するに、ダイヤフラム４は、撓み変形可能である。ダイヤフラム４は、上述のように半導体材料により形成されており、導電性を有する。ダイヤフラム４の半導体材料は、例えば、Ｓｉである。
　ダイヤフラム４は、基板５に支持されている。厚さ方向Ｄ１において、ダイヤフラム４の厚さは、基板５の厚さよりも小さい。基板５は、ダイヤフラム４が電極３に対して空間８を介して対向するようにダイヤフラム４を支持している。ダイヤフラム４は、電極３のコンデンサ用電極３０１に対向する円板状の部分４０１と、電極３の引出電極３０２に対向する部分４０２とを有する。部分４０１は電極３に対して可動である。ダイヤフラム４の部分４０１は基板２に向かって撓み変形可能であり、部分４０２は基板２に対し相対位置が固定されている。ダイヤフラム４では、部分４０１、４０２は一体に形成されている。
　基板５の厚さ方向Ｄ１から見た平面視形状は、物理量センサ１の外周形状と同様、正方形状である（図１参照）が、これに限らず、長方形状でもよい。基板５は、基板５の厚さ方向Ｄ１において互いに反対側にある表面５１及び裏面５２を有する。基板５は、導電性を有する。基板５は、半導体材料により形成されている。より詳細には、基板５の半導体材料は、例えば、Ｓｉである。ここにおいて、物理量センサ１では、ダイヤフラム４が基板５に一体に形成されている。ダイヤフラム４及び基板５は、半導体基板（ここでは、シリコン基板）を加工することによって形成することができる。したがって、ダイヤフラム４と基板５とは同電位となる。物理量センサ１では、基板５の表面５１に、ダイヤフラム４に電気的に接続された外部接続用電極９が形成されている。外部接続用電極９は、例えば、導電ワイヤ９２等の導電部材が接続されるパッド電極として機能する。外部接続用電極９の材料は、例えば、ＡｌＳｉ、Ａｕである。外部接続用電極９は、基板５とオーミック接触（Ｏｈｍｉｃ　Ｃｏｎｔａｃｔ）が得られるように形成されている。
　厚さ方向Ｄ１において、基板５の厚さは、ダイヤフラム４の厚さと誘電体膜６の厚さとを合わせた厚さよりも大きい。物理量センサ１の製造方法では、例えば、基板５とダイヤフラム４との元になるシリコン基板の厚さ方向Ｄ１の一面に基板２側から見たダイヤフラム４の形状に対応する形状の開口を有する凹所５３を形成することによって、基板５及びダイヤフラム４を形成することができる。ここにおいて、物理量センサ１の製造方法では、半導体基板の一部を例えば誘導結合プラズマエッチング装置（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ　Ｅｔｃｈｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）によってエッチングすることによって凹所５３を形成することができる。ダイヤフラム４における電極３との対向面４２とは反対の表面４１は、基板５の表面５１と面一である。
　物理量センサ１では、ダイヤフラム４と電極３とが空間８を介して対向するように基板２に基板５が固定されている。ここにおいて、物理量センサ１では、基板２の表面２１と基板５の裏面５２とが接触している。物理量センサ１では、基板２を形成するガラスが、アルカリ成分を含んでおり、基板５と基板２とが直接接合されている。「直接接合されている」とは、接合材等を用いることなく接合されていることを意味する。物理量センサ１では、基板２を形成するガラスが、アルカリ成分を含んでいることにより、物理量センサ１の製造時に、基板５と基板２とを陽極接合によって直接接合することが可能となり、製造コストの低コスト化を図ることが可能となる。アルカリ成分としては、例えば、Ｎａ、Ｋ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ等がある。ここにおいて、基板２を形成するガラスとして、例えば、硼珪酸ガラスを採用することができる。硼珪酸ガラスは、アルカリ成分を含んでいる。物理量センサ１では、基板５と基板２との線膨張係数の差に起因して基板５とダイヤフラム４等に発生する応力を低減する観点から、基板５と基板２との線膨張係数の差が小さいほうが好ましい。
　物理量センサ１では、ダイヤフラム４における電極３と対向する対向面４２に誘電体膜６が形成されている。物理量センサ１では、誘電体膜６により、ダイヤフラム４と電極３との間の電気絶縁性を確保することが可能となり、ダイヤフラム４と電極３との短絡を防止することが可能となる。また、物理量センサ１では、物理量センサ１の感度を高くする観点からは、誘電体膜６の誘電率がより高いことが好ましい。物理量センサ１では、誘電体膜６の誘電率が高いほど誘電体膜６の厚さを小さくでき、感度を高くすることが可能となる。ここにおいて、物理量センサ１では、誘電体膜６と電極３とが所定距離だけ離れているときの静電容量と、誘電体膜６と電極３とが接触しているときの静電容量との差分が大きいほど感度が高い。また、誘電体膜６は、耐電圧が高いことが好ましい。
　誘電体膜６は、窒化物よりなる窒化膜である。より詳細には、誘電体膜６は、シリコン窒化物よりなるシリコン窒化膜である。ここにおいて、誘電体膜６であるシリコン窒化膜は、薄膜形成技術、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して形成されている。ここでの薄膜形成技術は、ＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）である。ＬＰＣＶＤによってシリコン窒化膜を成膜するときの原料ガスは、例えば、ＳｉＣｌ２Ｈ２及びＮＨ３である。誘電体膜６であるシリコン窒化膜の組成は、例えば、化学量論的組成のＳｉ３Ｎ４である。誘電体膜６であるシリコン窒化膜の密度は、例えば、２．９ｇ／ｃｍ３～３．１ｇ／ｃｍ３である。誘電体膜６であるシリコン窒化膜の誘電率は、例えば、７である。誘電体膜６であるシリコン窒化膜の水素の含有量は、例えば、８ａｔ％以下である。誘電体膜６の厚さは、例えば、２０ｎｍ～２００ｎｍである。ＬＰＣＶＤで誘電体膜６を形成する際に、誘電体膜６中に引張応力である内部応力が発生する。誘電体膜６の厚さを２００ｎｍ以下とすることにより、誘電体膜６に内部応力が発生することを抑制できる。
　物理量センサ１は、誘電体膜６と電極３との間に位置する壁部７によって空間８が画定されている。より詳細には、壁部７は、誘電体膜６のうちダイヤフラム４の部分４０２に形成されている部分と電極３の引出電極３０２との間に位置している。物理量センサ１では、空間８が密閉されるように壁部７の先端７０が引出電極３０２に接触している。壁部７は、電気絶縁性を有する。
　物理量センサ１では、基板２と基板５とダイヤフラム４と壁部７とで囲まれた空間８に不活性ガスを充填して不活性ガス雰囲気としてある。不活性ガスは、Ｎ２ガスであるのが好ましい。不活性ガスは、Ｎ２ガスに限らず、例えば、Ａｒガス、Ｎ２ガスとＡｒガスとを混合して得られた混合ガスまたはＡｒガス等の他の不活性ガスでもよい。
　物理量センサ１では、基板２の厚さ方向Ｄ１において壁部７と誘電体膜６とを貫通し電極３の一部を壁部７と誘電体膜６から露出させる孔７６が壁部７と誘電体膜６に形成されている。ここにおいて、孔７６は、引出電極３０２の一部である電極パッド３２０を壁部７と誘電体膜６から露出させる。孔７６の開口の形状は、円形状である（図１参照）。これにより、壁部７は、円筒形状を有する。ここにおいて、物理量センサ１では、ダイヤフラム４において引出電極３０２に対向する部分４０２に、ダイヤフラム４の厚さ方向Ｄ１に貫通する貫通孔４６が形成されている。ここにおいて、貫通孔４６は孔７６に繋がっている。これにより、物理量センサ１では、ダイヤフラム４の厚さ方向Ｄ１から見て、電極３の一部である電極パッド３２０がダイヤフラム４の表面４１から露出している。貫通孔４６の開口の形状は、円形状である（図１参照）。ダイヤフラム４の貫通孔４６は、例えば、誘導結合プラズマエッチング装置によってダイヤフラム４における貫通孔４６を形成する部分をエッチングすることによって形成できる。物理量センサ１では、ダイヤフラム４における基板２とは反対側から見て貫通孔４６の内側に孔７６が位置している（図１参照）。これにより、物理量センサ１では、例えば、電極３の電極パッド３２０にボンディングされた導電ワイヤ９１がダイヤフラム４に接触するのを抑制することが可能となる。つまり、物理量センサ１では、導電ワイヤ９１とダイヤフラム４との短絡を防止することが可能となる。
　壁部７は、突部７１と、突部７２と、を有する。誘電体膜６は空間８を介して電極３に対向する面６ｂを有する。突部７１は、誘電体膜６の面６ｂから電極３に向かって突出している。突部７１は、誘電体膜６の一部である。突部７２は、突部７１から電極３に向かって突出し電極３に接触している窒化物からなる。壁部７では、突部７２の先端７２０の少なくとも一部が、電極３の凹部３２２内に位置し凹部３２２の底面３２３に接触している。突部７２は、Ｓｉ－Ｈ結合を含有するシリコン窒化物よりなる。ここにおいて、要するに、突部７２は、Ｓｉ－Ｎ結合の他に、Ｓｉ－Ｈ結合と、Ｈ－Ｎ結合と、を含んでいる。突部７２である、Ｓｉ－Ｈ結合を含有するシリコン窒化物よりなるシリコン窒化膜は、薄膜形成技術、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して形成されている。ここでの薄膜形成技術は、プラズマＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）である。Ｓｉ－Ｈ結合を含有するシリコン窒化膜は、シリコン酸化膜よりも水分の透過性を小さくすることが可能となる。シリコン窒化膜がＳｉ－Ｈ結合を含有しているか否かは、例えば、フーリエ変換赤外分光法（Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による分析で知ることができる。言い換えれば、シリコン窒化膜がＳｉ－Ｈ結合を含有しているか否かを判断する基準は、フーリエ変換赤外分光法による分析での検出限界に依存する。突部７２における水素の濃度は、例えば、１×１０２０ｃｍ－３～１×１０２２ｃｍ－３程度である。突部７２における水素の濃度は、例えば、フーリエ変換赤外分光法による分析で知ることができる。ＬＰＣＶＤにより形成したシリコン窒化膜からなる誘電体膜６では、フーリエ変換赤外分光法による分析の結果、Ｓｉ－Ｈ結合の含有量が検出限界未満であった。
　プラズマＣＶＤによってＳｉ－Ｈ結合を有するシリコン窒化膜を成膜するときの原料ガスは、ＳｉＨ４及びＮＨ３であるが、これに限らず、例えば、ＳｉＨ４及びＮ２でもよい。突部７２は、電気絶縁性を有する。突部７２である、Ｓｉ－Ｈ結合を含有するシリコン窒化膜は、その組成が化学量論的組成のＳｉ３Ｎ４からずれており、ＳｉＮＨである。つまり、Ｓｉ－Ｈを含有するシリコン窒化物の組成は、誘電体膜６を構成するシリコン窒化物の組成とは異なる。Ｓｉ－Ｈ結合を含有するシリコン窒化膜の密度は、例えば、２．４ｇ／ｃｍ３～２．８ｇ／ｃｍ３である。Ｓｉ－Ｈ結合を含有するシリコン窒化膜の誘電率は、例えば、６である。突部７２であるシリコン窒化膜の水素の含有量は、例えば、２０ａｔ％～２５ａｔ％である。プラズマＣＶＤによって形成されたＳｉ－Ｈ結合を含有するシリコン窒化膜の内部応力（引張応力）は、例えば、ＬＰＣＶＤによって形成されたシリコン窒化膜の内部応力（引張応力）の５分の１以下である。上述の説明から明らかなように、物理量センサ１では、突部７２と誘電体膜６とが互いに異なる材料よりなる。ここにおいて、「互いに異なる材料」とは、複数の構成元素の全てが同じでかつ組成が異なる場合、異なる構成元素がある場合、組成が同じでかつ添加物が異なる場合等を含む。
　物理量センサ１は、ダイヤフラム４における電極３との対向面４２から電極３に向かって突出し突部７１により覆われている突部７３を備える。これにより、物理量センサ１では、突部７３を備えていない場合と比べて、突部７１が一体に形成されている誘電体膜６の厚さをより大きくすることが可能となり、ダイヤフラム４の厚さ方向Ｄ１における突部７１の厚さすなわち突部７１の突出する長さをより大きくすることが可能となる。突部７３は、リング状に形成されている。突部７３は、酸化シリコンにより形成されており、電気絶縁性を有する。突部７３は、例えば、熱酸化技術、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して形成できる。
　以下では、物理量センサ１の製造方法の一例について簡単に説明する。
　物理量センサ１の製造方法では、まず、複数の物理量センサ１それぞれの基板２の元になる基台ウェハと、複数の物理量センサ１のそれぞれのダイヤフラム４及び基板５の元になるダイヤフラムウェハと、を準備する。基台ウェハは、例えば、ガラスウェハである。ダイヤフラムウェハは、例えば、半導体ウェハである。
　物理量センサ１の製造方法では、基台ウェハを準備した後、基台ウェハに複数の電極３を形成する。
　基台ウェハに複数の電極３を形成する場合には、まず、基板２の表面２１を構成する基台ウェハの表面に複数のコンデンサ用電極３０１の元になるＣｒ膜をスパッタによって形成する。その後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用してＣｒ膜をパターニングすることによって、複数のコンデンサ用電極３０１を形成する。その後、基台ウェハの表面のうち複数のコンデンサ用電極３０１から露出した部位と複数のコンデンサ用電極３０１とを覆うように、複数の引出電極３０２の元になる所定厚さ（例えば、１．３μｍ）のＡｌＳｉ膜をスパッタによって形成する。その後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用してＡｌＳｉ膜をパターニングすることによって、複数の引出電極３０２を形成する。ただし、この段階では、複数の引出電極３０２の各々の表面３２１には、上述の凹部３２２は形成されていない。
　また、物理量センサ１の製造方法では、ダイヤフラムウェハを準備した後、ダイヤフラムウェハに対して以下に述べる第１工程から第４工程をこの順で順次行う。
　第１工程では、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して、基板５の裏面５２を構成するダイヤフラムウェハの表面に凹所５３を形成する。
　第２工程では、熱酸化技術、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用してダイヤフラムウェハに突部７３を形成する。
　第３工程では、ＬＰＣＶＤ、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用してダイヤフラムウェハの複数の凹所５３の各々の底面に誘電体膜６を形成する。ここにおいて、誘電体膜６の一部が突部７１となる。ただし、この段階では、突部７１には、壁部７と誘電体膜６とを貫通する孔７６に対応する孔は形成されていない。
　第４工程では、プラズマＣＶＤ、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して突部７１に突部７２を形成する。その後、突部７１と突部７２とを含む壁部７と誘電体膜６とを貫通する孔７６を形成する。
　物理量センサ１の製造方法では、上述の電極３が形成された基台ウェハと、凹所５３、突部７３、誘電体膜６及び壁部７が形成されたダイヤフラムウェハとを準備した後、以下に述べる第５工程から第９工程をこの順で順次行う。
　第５工程では、陽極接合によって壁部７を引出電極３０２に接合する。この第５工程において、壁部７が引出電極３０２の一部を押し潰すように引出電極３０２を塑性変形させる。したがって、物理量センサ１の製造方法では、第５工程を行うことにより、引出電極３０２の表面３２１に凹部３２２が形成されるとともに、凹部３２２の底面３２３の全周に亘って壁部７が接触する。
　第６工程では、ダイヤフラムウェハにおいてダイヤフラム４に対応する部分の厚さが所定の厚さとなるようにダイヤフラムウェハを局部的に薄くすることよって、ダイヤフラム４及び基板５を形成する。
　第７工程では、薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用して基板５の表面５１に外部接続用電極９を形成する。
　第８工程では、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用してダイヤフラム４に貫通孔４６を形成する。貫通孔４６は、壁部７と誘電体膜６とを貫通する孔７６に繋がる。物理量センサ１の製造方法では、第８工程が終了した段階で、複数の物理量センサ１が形成された積層ウェハすなわち基台ウェハとダイヤフラムウェハとが接合する接合体を得ることができる。
　第９工程では、積層ウェハをダイシングすることによって、積層ウェハから複数の物理量センサ１を得ることができる。
　特許文献１に記載された上述の半導体物理量センサでは、壁部を通して上記の空間に水分が浸入してダイヤフラムと電極との間の静電容量が変化する場合がある。
　本実施形態の物理量センサ１では、空間８を画定する壁部７が、シリコン窒化物からなる突部７１と、Ｓｉ－Ｈ結合を有するシリコン窒化物からなる突部７２とを有している。これにより、物理量センサ１では、壁部７を通して空間８内へ水分が浸入するのを抑制することが可能となる。また、物理量センサ１では、壁部７をシリコン窒化物のみで形成する場合と比べて、ダイヤフラム４と電極３との距離を大きくしながらも壁部７にクラックが発生するのを抑制することが可能となり、感度の向上を図りつつ耐湿性の向上を図ることが可能となる。また、物理量センサ１では、壁部７をＳ－Ｈ結合を有するシリコン窒化物のみで形成する場合と比べて、ダイヤフラム４と電極３との間の耐圧を向上させることが可能となる。
　上記の実施形態は、本発明の様々な実施形態の一つに過ぎない。上記の実施形態は、本発明の目的を達成できれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
　例えば、誘電体膜６は、窒化物に限らず、例えば、シリコン酸化物等の酸化物より形成されてもよい。
　また、誘電体膜６を構成する窒化物は、シリコン窒化物に限らず、例えば、ＨｆＳｉＯＮ、ＳｉＯＮ等の他の窒化物でもよい。
　また、突部７２を構成する窒化物は、Ｓｉ－Ｈ結合を含有しているシリコン窒化物に限らず、Ｓｉ－Ｈ結合を含有しているＨｆＳｉＯＮ、Ｓｉ－Ｈ結合を含有しているＳｉＯＮ等他の窒化物でもよい。
　また、ダイヤフラム４は、基板５に一体に形成されている場合に限らず、基板５とは別体に形成されていてもよい。
　また、物理量センサ１の計測対象である物理量Ｆ１は、押圧力に限らず、例えば、圧力、加速度等の、ダイヤフラム４を撓み変形させる他の物理量でもよい。要するに、物理量センサは、押圧力センサに限らず、圧力センサ、加速度センサ等の他の物理量センサでもよい。
　また、電極３では、コンデンサ用電極３０１と引出電極３０２とが互いに異なる材料により形成されているが、これに限らない。例えば、物理量センサ１では、誘電体膜６が電極３と接触しない場合、コンデンサ用電極３０１が引出電極３０２と同じ材料により形成されていてもよい。
　また、物理量センサ１は、突部７３を備えていなくてもよい、また、突部７３は、半導体材料により形成されていてもよい。この場合、突部７３は、ダイヤフラム４と一体に形成されていてもよい。
　物理量センサ１の製造に用いる半導体ウェハは、シリコンウェハであるが、ダイヤフラム４の厚さの精度を高める観点からは、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハでもよい。
　上述のように、物理量センサ１は物理量Ｆ１を検出する。第１の態様に係る物理量センサ１は、基板２と、基板２の表面２１に形成されている電極３と、半導体材料により形成されたダイヤフラム４と、基板２に固定されている基板５と、ダイヤフラム４の対向面４２に形成されている誘電体膜６と、誘電体膜６と電極３との間に位置して空間８を画定する壁部７とを備える。ダイヤフラム４は物理量Ｆ１に応じて撓む。基板５は、ダイヤフラム４が電極３に対して空間８を介して対向する対向面４２を有するようにダイヤフラム４を支持する。誘電体膜６は空間８を介して電極３に対向する面６ｂを有する。壁部７は、突部７１、７２を有する。突部７１は、誘電体膜６の面６ｂから電極３に向かって突出している。突部７２は、突部７１から電極３に向かって突出し電極３に接触している。突部７２は誘電体膜６の材料と異なりかつ窒化物よりなる。
　以上の構成により、物理量センサ１は、耐湿性の向上を図ることが可能となる。
　第２の態様に係る物理量センサ１では、誘電体膜６の誘電率が突部７２の誘電率よりも高い。これにより、物理量センサ１では、誘電体膜６の厚さを小さくすることが可能となり、耐湿性の向上を図ることが可能となる。
　第３の態様に係る物理量センサ１は、第１又は第２の態様において、ダイヤフラム４の対向面４２から電極３に向かって突出してかつ突部７１により覆われている突部７３をさらに備える。これにより、物理量センサ１では、突部７３を備えていない場合と比べて、突部７１が一体に形成されている誘電体膜６の厚さをより大きくすることが可能となり、ダイヤフラム４の厚さ方向Ｄ１における突部７１の厚さすなわち突出する長さをより大きくすることが可能となる。
　第４の態様に係る物理量センサ１では、第１から第３のいずれか一つの態様において、誘電体膜６が窒化物よりなる。これにより、物理量センサ１では、耐湿性の更なる向上を図ることが可能となる。
　第５の態様に係る物理量センサ１では、第１から第４のいずれか一つの態様において、突部７２は、Ｓｉ－Ｈ結合を含有しているシリコン窒化物よりなる。これにより、物理量センサ１では、ダイヤフラム４の厚さ方向Ｄ１における突部７２の厚さすなわち突出する長さをダイヤフラム４の厚さ方向Ｄ１における突部７１の厚さすなわち突出する長さよりも大きくすることが可能となり、耐湿性の向上を図りつつ感度の高感度化を図ることが可能となる。
　第６の態様に係る物理量センサ１では、第１から第５のいずれか一つの態様において、電極３は、誘電体膜６に対向してかつ凹部３２２が設けられた表面３２１を有する。突部７２の先端７２０の少なくとも一部が、電極３の凹部３２２内に位置してかつ凹部３２２の底面３２３に接触している。これにより、物理量センサ１では、耐湿性をより向上させることが可能となる。
　第７の態様に係る物理量センサ１では、第１から第６のいずれか一つの態様において、壁部７と誘電体膜６には、壁部７と誘電体膜６とから電極３の一部を露出させるように壁部７と誘電体膜６とを貫通する孔７６が形成されている。ダイヤフラム４には、孔７６に繋がる貫通孔４６が形成されている。ダイヤフラム４における基板２とは反対側から見て貫通孔４６の内側に孔７６が位置している。これにより、物理量センサ１は、電極３にワイヤボンディングされた導電ワイヤ９１がダイヤフラム４に接触するのを抑制することが可能となる。よって、物理量センサ１では、導電ワイヤ９１とダイヤフラム４との短絡を防止することが可能となる。
　第８の態様に係る物理量センサ１では、第１から第７のいずれか一つの態様において、基板２は、アルカリ成分を含むガラスにより形成されている。基板５は、シリコンにより形成されている。ダイヤフラム４は、基板５に一体に形成されている。基板５と基板２とが直接接合されている。これにより、物理量センサ１では、耐湿性の更なる向上を図ることが可能となる。
　実施の形態において、「表面」「裏面」等の方向を示す用語は物理量センサ１の部材の相対的な位置関係でのみ決まる相対的な方向を示し、鉛直方向等の絶対的な方向を示すものではない。
１　　物理量センサ
２　　基板（第１基板）
３　　電極
３２２　　凹部
４　　ダイヤフラム
４２　　対向面
４６　　貫通孔
５　　基板（第２基板）
６　　誘電体膜
７　　壁部
７１　　突部（第１突部）
７２　　突部（第２突部）
７２０　　先端
７３　　突部（第３突部）
７６　　孔
８　　空間

Claims (8)

  1. 物理量を検出する物理量センサであって、
    　　　第１基板と、
    　　　前記第１基板に形成されている電極と、
    　　　半導体材料により形成されており、前記物理量に応じて撓むダイヤフラムと、
    　　　前記ダイヤフラムが前記電極に対して空間を介して対向する対向面を有するように前記ダイヤフラムを支持し、前記第１基板に固定されている第２基板と、
    　　　前記ダイヤフラムの前記対向面に形成されている誘電体膜と、
    　　　前記誘電体膜と前記電極との間に位置し前記空間を画定する壁部と、
    を備え、
    前記誘電体膜は前記空間を介して前記電極に対向する面を有し、
    前記壁部は、
    　　　前記誘電体膜の前記面から前記電極に向かって突出している第１突部と、
    　　　前記第１突部から前記電極に向かって突出し前記電極に接触している第２突部と、
    を有し、
    前記第２突部は前記誘電体膜の材料と異なりかつ窒化物よりなる、物理量センサ。
  2. 前記誘電体膜の誘電率は前記第２突部の誘電率よりも高い、請求項１に記載の物理量センサ。
  3. 前記ダイヤフラムの前記対向面から前記電極に向かって突出してかつ前記第１突部により覆われている第３突部をさらに備えた、請求項１又は２に記載の物理量センサ。
  4. 前記誘電体膜は窒化物よりなる、請求項１から３のいずれか一項に記載の物理量センサ。
  5. 前記第２突部は、ＳＩ－Ｈ結合を含有しているシリコン窒化物よりなる、請求項１から４のいずれか一項に記載の物理量センサ。
  6. 前記電極は、前記誘電体膜に対向してかつ凹部が設けられた表面を有し、
    前記第２突部の先端の少なくとも一部は、前記電極の前記凹部内に位置し前記凹部の底面に接触している、請求項１から５のいずれか一項に記載の物理量センサ。
  7. 前記壁部と前記誘電体膜には、前記壁部と前記誘電体膜とから前記電極の一部を露出させるように前記壁部と前記誘電体膜とを貫通する孔が形成されており、
    前記ダイヤフラムは前記孔に繋がる貫通孔が形成されており、
    前記ダイヤフラムにおける前記第１基板とは反対側から見て前記貫通孔の内側に前記孔が位置している、請求項１から６のいずれか一項に記載の物理量センサ。
  8. 前記第１基板はアルカリ成分を含むガラスにより形成されており、
    前記第２基板はシリコンにより形成されており、
    前記ダイヤフラムは前記第２基板に一体に形成されており、
    前記第２基板と前記第１基板とが直接接合されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の物理量センサ。
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