(57)【要約】【課題】ダイアフラムの耐圧限界が高い半導体圧力センサを得る。【解決手段】ＳＯＩ基板１０の第２のシリコン基板１２にキャビティー２０が形成され、第１のシリコン基板１４によってダイアフラム２１が形成され、前記キャビティー２０を形成する第２のシリコン基板１２にベース基板３１が接合される半導体圧力センサであって、前記キャビティー２０を形成する前記第２のシリコン基板１２とベース基板３１との接合界面に、テーパ面１３ｂを形成して隙間を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貼り合わされた２枚のシリコン基板の一方のシリコン基板にキャビティーが形成され、他方のシリコン基板によってダイアフラムが形成され、
前記キャビティーを形成する一方のシリコン基板にベース基板が接合される半導体圧力センサであって、
前記キャビティーを形成する前記一方のシリコン基板とベース基板との接合界面に隙間を形成したことを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
請求項１記載の半導体圧力センサにおいて、前記隙間は、前記キャビティーを囲むように、前記一方のシリコン基板とベース基板との接合界面全周に渡って形成されている半導体圧力センサ。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体圧力センサにおいて、前記隙間は、前記一方のシリコン基板に形成された、前記キャビティー内に向かって前記ベース基板との間隔が広がるテーパ面である半導体圧力センサ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項記載の半導体センサは、前記２枚のシリコン基板は、酸化膜を挟んで貼り合わされたＳＯＩ基板であって、一方のシリコン基板にキャビティーが、他方のシリコン基板及び酸化膜によってダイアフラムが形成され、前記一方のシリコン基板に前記ベース基板が接合されている半導体圧力センサ。
【請求項５】
請求項４記載の半導体圧力センサにおいて、前記ＳＯＩ基板のダイアフラム部分の外側面には感応抵抗素子が、ブリッジ回路を構成するように前記ダイアフラムの輪郭に沿って形成されている半導体圧力センサ。
【請求項６】
請求項５項記載の半導体圧力センサにおいて、前記感応抵抗素子は、前記ダイアフラムの歪みに応じて抵抗値が変化するピエゾ素子である半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気圧等の圧力を測定する、ダイアフラム型の半導体圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車のタイヤ空気圧などを測定する半導体圧力センサとして、ダイアフラム型の半導体圧力センサが知られている（特許文献１）。
【０００３】
従来の半導体圧力センサの断面構造を図４に示した。この半導体圧力センサは、第１シリコン基板１１１と第２シリコン基板１１３とが酸化膜１１２を挟んで積層され、第１シリコン基板１１１上に、ピエゾ素子１０３がブリッジ回路を構成するように形成された、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板からなる半導体基板１１０が用いられている。この半導体基板１１０は、第２シリコン基板１１３の表面（図では下面）に、フォトレジスト等よりなる積層膜を形成し、この積層膜をマスクとして第２シリコン基板１１３をドライエッチングにより凹部１２２を形成する。その後、積層膜をウエットエッチングにより除去し、凹部１２２を塞ぐように、半導体基板１１０の表面にガラス基板１１５が接合され、凹部１２２内は真空状態に保持されている。
【０００４】
ダイアフラム１２１は、平面視矩形に、かつそのダイアフラム１２１の各辺上にピエゾ素子１０３がかかるように形成され、ピエゾ素子１０３はブリッジ回路を形成するように配線されていて、ブリッジ回路の中点電圧が、圧力測定電圧として出力される。
【０００５】
従来の半導体圧力センサは、第２シリコン基板１１３とガラス基板１１５との接合界面が全面接合されていた。この構成により、ダイアフラム１２１に圧力がかかると、ダイアフラム１２１は凹部１２２内に向かって凹むが、凹部１２２を形成する第２シリコン基板１１３他は変形しない。しかし、ダイアフラム１２１の撓み限界を超える圧力がかかると、曲げ応力がダイアフラム１２１と第２シリコン基板１１３との境界部分、オーバーエッチング部分１１３ａ等に集中してしまうため、ダイアフラム１２１が破損してしまうおそれがあった。そこで、ダイアフラム１２１が撓み限界を超えて撓まないように機械的ストッパを設けた半導体圧力センサが提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００１-３５８３４５号公報
【特許文献２】特開平１１-１４２２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、ダイアフラムの変形を機械的ストッパで制限する従来の半導体圧力センサは、衝撃的な圧力がかかるとダイアフラムが機械的ストッパに当接して破損する虞れがあり、破損しなくてもそれ以上の圧力がかかっているのか否か測定できなかった。また、この従来の半導体圧力センサは、形状及び構造が複雑であり、製造工程が煩雑になるという問題があった。
【０００７】
かかる従来技術の問題に鑑みて本発明は、ダイアフラムの耐圧限界が高い半導体圧力センサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的を達成する本発明は、貼り合わされた２枚のシリコン基板の一方のシリコン基板にキャビティーが形成され、他方のシリコン基板によってダイアフラムが形成され、前記キャビティーを形成する一方のシリコン基板にベース基板が接合される半導体圧力センサであって、前記キャビティーを形成する前記一方のシリコン基板とベース基板との接合界面に隙間を形成したことに特徴を有する。
【０００９】
実際的には、前記隙間は、前記キャビティーを囲むように、前記一方のシリコン基板とベース基板との接合界面全周に渡って形成される。
前記隙間は、前記一方のシリコン基板に形成された、前記キャビティー内に向かって前記ベース基板との間隔が広がるテーパ面とすることが好ましい。
【００１０】
本発明の半導体センサとしては、前記２枚のシリコン基板として、熱酸化膜を挟んで貼り合わされたＳＯＩ基板を使用し、一方のシリコン基板にキャビティーを、他方のシリコン基板及び熱酸化膜によってダイアフラムを形成され、前記一方のシリコン基板に前記ベース基板を接合することが適している。
【００１１】
実際的には、前記ＳＯＩ基板のダイアフラム部分の外側面には感応抵抗素子が、ブリッジ回路を構成するように前記ダイアフラムの輪郭に沿って形成される。前記感応抵抗素子は、前記ダイアフラムの歪みに応じて抵抗値が変化するピエゾ素子を使用することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
以上の構成からなる本発明によれば、ダイアフラムに負荷される圧力が大きくなると、一方のシリコン基板がその隙間部におけるベース基板との間隔が狭くなる方向に変形し始めるので、ダイアフラムの曲げ応力が分散されて、ダイアフラムの耐圧限界が高くなる。しかも所定圧力までは一方のシリコン基板は変形しないので、所定圧力範囲では正確な圧力測定が可能であり、前記一方のシリコン基板とベース基板が変形する所定圧力以上の圧力も測定することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の最良の実施形態について、添付図を参照して説明する。図１はダイアフラム型の半導体圧力センサにかかる本発明の実施形態の主要部を図２の切断線Ｉ-Ｉに沿って示す断面図、図２は同半導体圧力センサの要部を示す平面図、図３は、同半導体圧力センサの製造過程を示す工程図である。
【００１４】
先ず、ピエゾ素子２２、配線２３及びパッド２４が形成されたＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板１０を用意する。このＳＯＩ基板１０は、第１シリコン基板１１と第２シリコン基板１３とが、酸化膜であるシリコン酸化膜（Ｓｉ０2）１２を介して貼り合わされている。第１シリコン基板１１の回路面（上側面）には熱酸化膜であるシリコン酸化膜１４が形成されていて、このシリコン酸化膜１４の下に、ブリッジ回路を形成するように、感応抵抗素子としてのピエゾ素子２２、ピエゾ素子２２に導通した配線２３及びパッド２４が形成され、さらにピエゾ素子２２、配線２３及びシリコン酸化膜１４の上に、これらを絶縁保護する、シリコンナイトライドＳｉ3Ｎ4によるパッシベーション膜１５が形成されている。なお、各パッド２４は、パッシベーション膜１５から露出している。
【００１５】
ＳＯＩ基板１０には、第２シリコン基板１３にその表面側からキャビティー（凹部）２０を形成し、このキャビティー２０の上面を構成するシリコン酸化膜１２、第１シリコン基板１１、シリコン酸化膜１４及びパッシベーション膜１５によってダイアフラム２１が形成されている。このダイアフラム２１は、平面視矩形である。ピエゾ素子２２は、ダイアフラム２１の矩形輪郭の各辺にかかる位置に形成されている。
【００１６】
このダイアフラム２１を構成する、キャビティー２０に臨むシリコン酸化膜１２ｂの輪郭部分に丸み１２ａが形成されている。図示実施形態では、シリコン酸化膜１２と第２シリコン基板１３とが接合されているのでこの丸み１２ａは、シリコン酸化膜１２ｂ全周に渡って同様に形成されている。
【００１７】
さらにこの実施形態では、ダイアフラム２１を形成する第２シリコン基板１３とベース基板３１との接合界面に、ベース基板３１に接合されず、ベース基板３１との間に隙間を有するテーパ面１３ｂが形成されている。
【００１８】
そうして、第２シリコン基板１３の表面（下面）にベース基板としてのガラス基板またはＳｉＯ基板からなるベース基板３１が接合され、ダイアフラム２１とベース基板３１との間のキャビティー２０が密閉され、キャビティー２０内が真空に保持される。テーパ面１３ｂはベース基板３１との間に隙間があるので、接合されない。
【００１９】
このダイアフラム２１が外面に付加される圧力に応じて歪むと、その歪みに応じてピエゾ素子２２の抵抗値が変化する。このピエゾ素子２２によって形成されたブリッジ回路の中点電位が、センサ出力として公知の測定装置に出力される。なお、この測定装置の少なくとも一部の回路を、ＳＯＩ基板１０の回路面に形成してもよい。
【００２０】
次に、この半導体圧力センサの製造方法について説明する。図３（Ａ）は、ピエゾ素子２２、配線２３及びパッシベーション層１５が形成された、ＳＯＩ基板１０である。この段階でのＳＯＩ基板１０は、通常はウエハ状態で供給される。
【００２１】
先ず、ベース基板３１との接合面となる第２シリコン基板１３の表面をグラインドして、第２シリコン基板１３を所定の厚さに形成する（図３（Ｂ））。このグラインド工程は、ＳＯＩ基板１０の製造段階で施してもよい。
【００２２】
次に、ダイアフラム２１を形成する際のエッチング用のマスクとして、第２シリコン基板１３の表面（下面）に下方から、レジスト等を成膜する。このレジスト膜１６は、コーター等の通常工程により成膜することができる。続いて、第２シリコン基板１３の下面に形成されたレジスト膜１６のうち、ダイアフラム２１を形成すべき領域に対応したレジスト膜１６を光パターニングして、所望のパターンからなるマスクを形成する（図３（Ｃ））。この実施形態では、平面視矩形のダイアフラム２１が形成されるパターンを形成する。
【００２３】
次に、レジスト膜１６をマスクとして、第２シリコン基板１３をドライエッチングしてキャビティー２０を掘り、ダイアフラム２１を形成する（図３（Ｄ））。ここでは、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)プロセスで使用される公知のSi-Deep Etcherにより、第２シリコン基板１３の表面（図では下面）側から等方性エッチングと保護膜成膜という工程を繰り返して、第２シリコン基板１３部を掘り、キャビティー２０を形成する。Si-Deep Etcherでは、例えば、Ｃ4Ｆ8とＳＦ6という二種類のガスを使用する。
【００２４】
第２シリコン基板１３のエッチングが進み、シリコン酸化膜１２まで達すると、シリコン酸化膜１２がエッチングストッパーとなって、第２シリコン基板１３に平面視矩形のキャビティー２０が形成される。シリコン酸化膜１２はさらにエッチングされて所定厚のシリコン酸化膜１２ｂが形成されるが、その際、このキャビティー２０内のシリコン酸化膜１２ｂと第２シリコン基板１３との境界部分には、キャビティー２０を周回するように、丸み（Ｒ）１２ａが形成されている。このドライエッチング工程によれば、シリコン酸化膜１２、第２シリコン基板１３に上記のような丸み１２ａ、１３ａが形成されながらエッチングされるので、シリコン酸化膜１２がオーバーエッチングされることがない。
【００２５】
キャビティー２０の内壁面（内側面）はダイアフラム２１に対して直角に形成されるので、キャビティー２０の深さにかかわらずキャビティー２０の平面形状及びピエゾ素子２２に対する相対位置を一定に保つことができる。
【００２６】
このドライエッチング工程により、キャビティー２０の上面となるシリコン酸化膜１２ｂと、第１シリコン基板１１、シリコン酸化膜１４及びパッシベーション膜１５によってダイアフラム２１が形成される。
【００２７】
ダイアフラム２１を形成した後に、マスクであるレジスト膜１６を、例えば公知のレジスト剥離により全面除去する（図３（Ｅ））。なお、このレジスト剥離工程を施しても、シリコン酸化膜１２の丸み１２ａは維持される。
【００２８】
次に、レジスト膜１６を全面除去した第２シリコン基板１３のキャビティー２０を囲む表面（下面）に、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程によってテーパ面１３ｂを形成する（図３（Ｆ））。なお、このテーパ面１３ｂは、イオンミリング工程によって形成してもよい。
【００２９】
次に、第２シリコン基板１３の表面（下面）に、真空状態でベース基板３１を接合する（図３（Ｇ））。テーパ面１３ｂはベース基板３１と離反しているので、接合されることはなく、隙間が残される。この接合工程により、ダイアフラム２１とベース基板３１との間のキャビティー２０が真空状態に密閉され、絶対圧センサ構造が得られる。必要に応じて、ベース基板３１の表面（下面）をグラインドしてその厚さを調節する。
【００３０】
そうして最後に、ＳＯＩ基板１０とベース基板３１とが接合されたウエハをダイシングカットしてチップ単位に分断する。分断された各チップが、半導体圧力センサとなる。
【００３１】
以上の工程により製造された半導体圧力センサは、第１シリコン基板１１の表面側から圧力が印加されると、ダイアフラム２１が歪み、このダイアフラム２１の歪みに応じてピエゾ素子２２の抵抗値が変化して、ブリッジ回路の中点電位が変化する。この中点電位を公知の測定装置で測定し、所定の変換係数で変換することにより、圧力が測定される。
【００３２】
圧力が所定圧以上になると、キャビティー２０のダイアフラム２１側の面積が小さくなる方向、つまり第２シリコン基板１３がテーパ面１３ｂとベース基板３１との間隔が狭まる方向に変形する。この変形により、ダイアフラム２１に作用する圧力により生じる応力が分散されて、引張り、曲げ応力が軽減され、ダイアフラム２１の破損が防止される。
【００３３】
以上のように、本実施形態によれば、ダイアフラム２１に所定範囲内の圧力が作用する場合は、ダイアフラム２１が変形し、また歪んで、この歪みを受けたピエゾ素子２２により正確な圧力が測定される。ダイアフラム２１に作用する圧力が所定値を超えると、前述の通り第２シリコン基板１３が、テーパ面１３ｂとベース基板３１との間隔が狭まる方向に変形して、ダイアフラム２１に作用する曲げ、引張り応力が分散されるので、ダイアフラム２１の破損が防止される。その際、第２シリコン基板１３は圧力に応じて変形するので、所定圧力以上の圧力、圧力変化も測定できる。
【００３４】
以上の実施形態では、第２シリコン基板１３とベース基板３１との接合界面における隙間をテーパ面１３ｂとしたが、テーパ面に限定されず、断面形状は矩形、円弧その他の形状であってもよい。
【００３５】
この実施形態は、キャビィティー２０を真空とした絶対圧センサであるが、本発明は、ベース基板３１に圧力導入口を形成して、キャビティー２０を外部と連通させた差圧またはゲージ圧センサにも適用できる。
【００３６】
また、この実施形態では感応抵抗素子としてピエゾ素子を使用したが、ダイアフラム２１の歪みを検出できる素子であれば他の素子でもよい。また、ダイアフラム２１の形状も、圧力を受けて歪む形状であれば他の形状でもよく、感応抵抗素子の数、位置も図示実施形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明を適用した半導体圧力センサの実施形態の主要部を図２の切断線Ｉ-Ｉに沿って示す断面図である。
【図２】同半導体センサの要部を示す平面図である。
【図３】同半導体圧力センサに圧力がかかった場合の状態を示す図である。
【図４】従来の半導体圧力センサを縦断して主要部を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  ＳＯＩ基板
１１  第１シリコン基板（他方のシリコン基板）
１２  シリコン酸化膜（酸化膜）
１３  第２シリコン基板（一方のシリコン基板）
１３ｂ  テーパ面
１４  シリコン酸化膜
１５  パッシベーション膜
２０  キャビティー
２１  ダイアフラム
２２  ピエゾ素子（感応抵抗素子）
２３  配線
３１  ベース基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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