(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が（１１０）面のシリコン基板に凹部が形成され、その凹部の側壁として、当該基板表面に対し垂直なる４つの（１１１）面と、基板表面に対し約３５°の２つの（１１１）面と、基板表面に対し４５°の２つの（１００）面とを有し、当該凹部の底部により八角形のダイヤフラムが形成された半導体圧力センサであって、
凹部の底部と、基板表面に対し約３５°の（１１１）面の側壁との交点により形成されるダイヤフラムの２つの辺の間隔を、Ｌ１とし、
凹部の底部と、基板表面に対し４５°の（１００）面の側壁との交点により形成されるダイヤフラムの辺の長さを、Ｌ２としたとき、
０．６５＜Ｌ２／Ｌ１＜１
を満足するようにしたことを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
０．７≦Ｌ２／Ｌ１≦０．９を満足させてなる請求項１に記載の半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体圧力センサに係り、詳しくは、シリコン基板の一部領域に薄肉のダイヤフラムを有する半導体圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン基板の一部領域にダイヤフラムを有する半導体圧力センサが特開平４−１１９６７２号公報に開示されている。これは、ダイヤフラム（センシング部）の形状を四角形状から八角形状にすることでオフセット電圧（基準圧力下での出力値）の温度特性（一次成分）の改善を図るものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このオフセット電圧の温度特性（一次成分）は温度補償回路により容易に補償可能なものであり、センサ特性上、最も問題となるのは温度特性の非直線性（二次成分）である。又、センサの実使用範囲は−３０℃程度から１００℃或いは１２０℃程度に及び、温度特性の非直線性については室温より高温側のみならず低温側も考慮する必要がある。近年、低温域から高温域まで高精度（例えば１％ＦＳ；１％フルスケール出力）の半導体圧力センサが必要となってきているが、低温域に対し温度特性の非直線性（二次成分）に起因する精度劣化が発生し精度向上に対し改善の余地がある。
【０００４】
これらのことを図１４（オフセット電圧の温度依存性）を例として説明すると、図１４の縦軸は室温２５℃を基準（オフセット電圧；０ｍＶ）とした時の各温度でのオフセット電圧である。この図よりオフセット電圧には温度依存性があり、それは直線（一次成分のみ）ではなく、曲がり（二次成分）を有していることが分かる。この曲がり分（二次成分）を次のように定義する。室温のオフセットと高温側の最高温度（図１４では１００℃）および低温側の最低温度（図１４では−３０℃程度）のオフセットの３点で考える。つまり、２５℃でのオフセット値Ｐ25と、１００℃でのオフセット値Ｐ100 と、−３０℃でのオフセット値Ｐ-30 との関係において、Ｐ25とＰ100 を結ぶ直線（図１４では破線にて示す）より外挿される−３０℃における値Ｐ-30 ’と、前述のオフセット値Ｐ-30 との差ΔＰが温度特性に関する二次成分とする。この曲がり分が、精度上大きな劣化の原因となるので、この二次成分をより少なくすることが望まれている。
【０００５】
尚、図１４においては２５℃でのセンサ出力値（Ｐ25）から測定を始め、−３０℃→１００℃→２５℃の経路で測定を行ったものであり、この経路において測定値にヒステリシスが存在しているので、測定線は２本存在している。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、−３０℃程度の低温域から１２０℃程度の高温域にわたってオフセット電圧の温度特性の非直線性（二次成分）である曲がり分を抑止することを可能としたダイヤフラムを有する半導体圧力センサを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、凹部の底部と、基板表面に対し約３５°の（１１１）面の側壁との交点により形成されるダイヤフラムの２つの辺の間隔を、Ｌ１とし、
凹部の底部と、基板表面に対し４５°の（１００）面の側壁との交点により形成されるダイヤフラムの辺の長さを、Ｌ２としたとき、
０．６５＜Ｌ２／Ｌ１＜１
を満足させることにより、温度が変わったときの出力が直線的に変わり、曲がり（二次成分）を「０」に近づけることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明によれば、０．７≦Ｌ２／Ｌ１≦０．９を満足させることにより、温度特性の直線性をより確実に確保することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に従って説明する。
図１には半導体圧力センサの全体構成を示す。図１において、左上にはセンサチップの平面図を示し、その右側にＡ−Ａ断面を、下側にＢ−Ｂ断面を、さらにその下側にＣ−Ｃ断面を示す。
【００１０】
図１において、センサチップとして表面が（１１０）面のシリコン基板１が用いられており、シリコン基板１の中央部には凹部１ａが形成されている。この凹部１ａの底部により薄肉のダイヤフラム２が形成されている。ダイヤフラム２は八角形をなし、８つの辺３〜１０を有する。つまり、例えば図１の場合、＜１００＞軸に平行な辺３，７と、＜１１０＞軸に平行な辺５，９と、＜１１１＞軸に平行な辺６，１０と、＜１１１＞軸に直交する辺４，８とを有する。又、図２に示すように、この凹部１ａは、８つの側壁Ｓ１〜Ｓ８を有する。即ち、基板表面に対し垂直なる（１１１）面よりなる４つの側壁Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８と、基板表面に対し約３５°の（１１１）面よりなる２つの側壁Ｓ１，Ｓ５と、基板表面に対し４５°の（１００）面よりなる２つの側壁Ｓ３，Ｓ７とを有する。
【００１１】
ここで、図２に示すように、凹部１ａの底部と、基板表面に対し約３５°の（１１１）面の側壁Ｓ１，Ｓ５との交点により形成されるダイヤフラムの２つの辺３，７の間隔を、「Ｌ１」とする。又、凹部２の底部と、基板表面に対し４５°の（１００）面の側壁Ｓ３，Ｓ７との交点により形成されるダイヤフラムの辺５，９の長さを、「Ｌ２」とする。
【００１２】
この場合において、０．６５＜Ｌ２／Ｌ１＜１を満足している。ただし、Ｌ１とＬ２の単位は等しい。
図１に示すように、ダイヤフラム２の中央部には不純物拡散層よりなる歪みゲージ（ピエゾ抵抗素子）１１ａ，１１ｃが＜１１０＞軸方向に所定の間隔を隔てて形成されている。又、ダイヤフラム２の外周部には不純物拡散層よりなる歪みゲージ（ピエゾ抵抗素子）１１ｂ，１１ｄが＜１００＞軸方向に所定の間隔を隔てて形成されている。図１の平面図において左右に配置した歪みゲージ１１ｂ，１１ｄをサイドゲージと呼び、歪みゲージ（サイドケージ）１１ｂ，１１ｄの中心位置はダイヤフラム２の中心と一致している。この４つの歪みゲージ１１ａ〜１１ｄは電気的にはフルブリッジ接続されている。
【００１３】
シリコン基板１はガラス台座１４の上に接合されている。ガラス台座１４の中央部には圧力導入孔１５が形成され、この圧力導入孔１５を通してダイヤフラム２に圧力が印加される。そして、歪みゲージ１１ａ〜１１ｄによるフルブリッジ回路の出力は温度補償回路にて温度補償される。つまり、フルブリッジ回路の出力の温度特性の一次成分が補償される。
【００１４】
本構成においては、センサチップの形状は次のようである。シリコン基板１（チップ）の厚さが３００μｍで、ダイヤフラム２の縦横の寸法は１．３×１．４（Ｌ１＝１．３）ｍｍであり、シリコン基板１の縦横の寸法（チップサイズ）は（２．７〜３．３）×（２．７〜３．３）ｍｍであり、歪みゲージ１１ａ〜１１ｄの縦横の大きさは１６０×３２０μｍ〜２２４×４０６μｍである。ダイヤフラム２の厚みは１１〜１５μｍである。又、図１の平面図において左右に配置した歪みゲージ（サイドケージ）１１ｂ，１１ｄは、両サイドゲージの中心位置（ダイヤフラム２の中心）から両サイドにそれぞれ５７９±２５μｍ（図１でｄで示す距離）だけ離間している。
【００１５】
次に、このようなダイヤフラム２を有するシリコン基板１の製造工程を説明する。
まず、図３に示すように、平板状のシリコン基板１を用意し、イオン注入等によりシリコン基板１の表層部における所定の位置に歪みゲージ（不純物拡散層）１１ａ〜１１ｄを形成する。そして、シリコン基板１における不純物を拡散した面とは反対の面（図では下面）にシリコン窒化膜１６を形成する。さらに、図４に示すように、シリコン窒化膜１６の表面にパターンマスク１７を配置する。このパターンマスク１７は図５に示すように、所望の形状の開口部１８が形成されている。そして、図６に示すように、このマスク１７を用いてシリコン窒化膜１６をエッチングしてシリコン窒化膜１６に所望の形状の開口部１９を形成する。
【００１６】
さらに、図７に示すように、シリコン窒化膜１６をマスクとしてＫＯＨ等の異方性エッチング液を用いてシリコン基板１をエッチングして凹部１ａを形成する。これにより、薄肉のダイヤフラム２が形成される。このとき、図５におけるｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４の寸法を所定値とすることでダイヤフラム２の八角形状におけるＬ２／Ｌ１を０．６５〜１．０に制御することが可能となる。尚、シリコン窒化膜１６の代わりにシリコン酸化膜を用いてもよい。
【００１７】
図８にはオフセット電圧（センサ出力）の温度特性の非直線性に関する試作評価結果を示す。図８において黒抜きの丸が試作評価結果である。
図８において横軸にはＬ２／Ｌ１をとり、縦軸には出力値をとっている。尚、図８の縦軸は、オフセット電圧の代わりに圧力相当値で表示した。又、温度範囲は低温側（−３０〜２５℃）と高温側（２５〜１００℃）であり、オフセット電圧における温度特性の非直線性値を示す指標として（図の縦軸）として次のものを用いた。
【００１８】
つまり、まず、図９に示すように２５℃の出力値Ｖ25と、１００℃の出力値Ｖ100 とを求め、さらに、−３０℃の出力値Ｖ-30 を求める。そして、このＶ25とＶ100 を外挿した直線上における−３０℃での出力Ｖ-30 ’と実測値Ｖ-30 との差ΔＶ-30 を求める。このΔＶ-30 （より詳しくは圧力に変換した値）を図８の縦軸にとっている。
【００１９】
評価に用いたサンプルは図１０に示すように実装したものを用いた。センサチップの形状は前述のものである。又、台座１４はガラスを用いており、その厚さは２．５ｍｍである。又、台座１４は半田２４を用いて金属プレート２５に接着されており、これを樹脂ケース（ＰＢＴ）２６に形成された凹部２７内に配置し、接着剤２８，２９を用いて接着している。尚、接着剤２８，２９としてはフロロシリコン系接着剤が用いられる。又、金属プレート２５は４２アロイ製で、縦横の寸法は４×４ｍｍで、厚さは０．８ｍｍである。
【００２０】
又、シリコン基板（シリコンチップ）１の表面の金属配線パッドと樹脂ケース２６上にリードフレーム３０とが金属細線３１にてワイヤボンディングされている。さらに、汚染保護のため、ゲル３２がチップ表面およびリードフレーム３０のワイヤボンディング部に塗布されている。
【００２１】
図８より、Ｌ２／Ｌ１＝０．６５〜１．０の範囲内で、圧力センサとしての要求仕様である１％ＦＳを満足する。１％ＦＳを図８では許容範囲ΔＶPER として示す。
【００２２】
図８（出力値ΔＶ-30 のＬ２／Ｌ１依存性を示す図）において、Ｌ２／Ｌ１＝０．４６と小さな値をとると出力値ΔＶ-30 が大きくなってしまうが、Ｌ２／Ｌ１が「０．４６」よりも大きくなると出力値ΔＶ-30 が小さくなっていき、Ｌ２／Ｌ１が「０．７」以上の領域において出力値ΔＶ-30 が、ΔＶ-30 ＝０に接近することが分かる。このようになる理由は次のようであると推測される。
【００２３】
図１に示すように八角形ダイヤフラム２の形状としてＬ２／Ｌ１が大きい場合と、図１１に示すように八角形ダイヤフラム２の形状としてＬ２／Ｌ１が小さい場合とを比較すると、Ｌ１の値が一定の場合、図１の八角形ダイヤフラム２の辺４，６，８，１０に比べ図１１の八角形ダイヤフラム２の辺４，６，８，１０の方が歪みゲージ１１ａ〜１１ｄに接近することになる。従って、Ｌ２／Ｌ１が小さい場合には、八角形ダイヤフラム２の辺４，６，８，１０が歪みゲージ１１ａ〜１１ｄに近いために辺４，６，８，１０の付近で発生する熱応力が歪みゲージ１１ａ〜１１ｄに影響を及ぼし、フルブリッジ構成用抵抗である歪みゲージ１１ａ〜１１ｄに加わる熱応力のバランスを悪化させている。このようにして、八角形ダイヤフラム２の辺４，６，８，１０で発生する熱応力による歪みゲージ１１ａ〜１１ｄに加わる応力が雰囲気温度（低温、室温、高温）により異なるため、出力値ΔＶ-30 、即ち、オフセットの温度特性の非直線性が劣化する。換言すれば、Ｌ２／Ｌ１を大きくすれば八角形ダイヤフラム２の辺４，６，８，１０による熱応力の影響を少なくすることができ歪みゲージ１１ａ〜１１ｄに加わる熱応力をバランス良く保つことができることになる。
【００２４】
尚、図８において、Ｌ２／Ｌ１＞０．７の領域において出力値ΔＶ-30 が「０」に最も近くなるが「０」とならないのは、シリコン基板１の表面を覆う保護膜（図示略）やガラス台座１４等の構造物の影響を受けるためと推測される。つまり、シリコン基板１と異種材料である他の構造物との接合あるいは接着部において両者の熱膨張率の差による熱応力が発生し、この応力が歪みゲージ１１ａ〜１１ｄに伝わる。この際、歪みゲージ１１ａ〜１１ｄの受ける熱応力のバランスを悪化させる。そのために、Ｌ２／Ｌ１を最適化しても出力値ΔＶ-30 が「０」にならないものと推測される。
【００２５】
図８においてＬ２／Ｌ１＝１、即ち、四角形ダイヤフラムの場合には出力値ΔＶ-30 のプロット点のバラツキが大きくなっている。このバラツキを図８においてＭにて示す。Ｌ２／Ｌ１＝１のとき出力値ΔＶ-30 のバラツキが大きくなる理由は次のようであると推測される。
【００２６】
図１２には、Ｌ２／Ｌ１＝１、即ち、四角形ダイヤフラム２としたときのシリコン基板１を示し、（ａ）は基板１を裏面から見た図であり、（ｂ）はＦ−Ｆ線での断面図である。尚、ハッチングを付した領域５０は、基板１の厚肉部からダイヤフラム２の薄肉部に向かう斜面部（テーパ面）であることを示す。図１２（ａ）において、四角形ダイヤフラム２での辺３と辺５との交点（四角形の第１の角）には辺（垂直面）４０が位置し、四角形ダイヤフラム２での辺５と辺７との交点（四角形の第２の角）には辺（垂直面）４１が位置し、四角形ダイヤフラム２での辺７と辺９との交点（四角形の第３の角）には辺（垂直面）４２が位置し、さらに、四角形ダイヤフラム２での辺９と辺３との交点（四角形の第４の角）には辺（垂直面）４３が位置すべきところを製造誤差により辺（垂直面）４３’が位置してしまっている。すると、図１２（ｂ）に示すように、四角形ダイヤフラム２での第４の角部以外の角部においては、基板１の表面に垂直なるダイヤフラム端部となるのに対し、四角形ダイヤフラム２での第４の角部ではテーパ面５０となり、この角部から外れた箇所に垂直面４３’が位置する形状となってしまう。つまり、Ｌ２／Ｌ１＝１の場合には、四角形ダイヤフラム２の角部において薄肉部に垂直な面ができる時と、テーパ面５０による面ができる時とが存在し、熱応力の影響度合いが異なる。
【００２７】
即ち、実際の加工では製造バラツキがあるために、図１２の辺（垂直面）４０，４１，４２，４３の位置がチップウェハ或いはロットによりズレたり、辺４０，４１，４２，４３の相対位置関係がズレたりする。図１３には、辺（垂直面）４１は角（図中、符号６０にて示す箇所）に一致しているが、他の辺４０，４２，４３が角からズレてしまった場合を示す。
【００２８】
このような製造誤差の存在により、前述したように出力値ΔＶ-30 は歪みゲージ１１ａ〜１１ｄに加わる熱応力のバランスにより成り立っており、図１２や図１３に示すような状態ではバランスを同じように保つことができなくなり、図８のＭにて示すバラツキが大きくなるものと考えられる。
【００２９】
これらの点を考慮して、図８から、Ｌ２／Ｌ１の範囲として、０．６５＜Ｌ２／Ｌ１＜１が好ましい範囲となる。又、図８において、Ｌ２／Ｌ１の値が０．７〜０．９の範囲においてプロット点が許容範囲ΔＶPER 内にある。よって、０．７≦Ｌ２／Ｌ１≦０．９がより好ましい範囲である。さらに、０．７≦Ｌ２／Ｌ１≦０．８が更に好ましい範囲である。
【００３０】
このように本実施の形態は、下記の特徴を有する。
（イ）図２に示すように、凹部１ａの底部と、基板表面に対し約３５°の（１１１）面の側壁Ｓ１，Ｓ５との交点により形成されるダイヤフラムの２つの辺３，７の間隔を、Ｌ１とし、
凹部１ａの底部と、基板表面に対し４５°の（１００）面の側壁Ｓ３，Ｓ７との交点により形成されるダイヤフラムの辺５，９の長さを、Ｌ２としたとき、
０．６５＜Ｌ２／Ｌ１＜１
を満足させることにより、温度が変わったときの出力が直線的に変わり、曲がり（二次成分）を「０」に近づけることができる。
【００３１】
このようにして、オフセット電圧の温度特性の非直線性（二次成分）の改善を−３０℃程度の低温域から１００℃或いは１２０℃程度の高温域にわたり行い、ダイヤフラムの最適化を行うことができることとなる。
（ロ）図８から分かるように、０．８≦Ｌ２／Ｌ１≦０．９を満足させることにより、更に温度特性の直線性をより確実に確保することができる。
【００３２】
これまで説明してきた実施形態の他にも、以下のように実施してもよい。
上述した例においては、ダイヤフラム２に４つの歪みゲージ１１ａ〜１１ｄを配置し、フルブリッジ接続したが、他にも、ダイヤフラム２に２つの歪みゲージを配置し、ハーフブリッジ接続してもよい。
【００３３】
さらに、ダイヤフラム２における比Ｌ２／Ｌ１が０．６５〜１．０の範囲であればよく、ダイヤフラム２の大きさや厚さ、シリコン基板１の厚さ、チップサイズは任意の大きさに設定できる。
【００３４】
又、圧力検知のための歪みゲージ１１ａ〜１１ｄも同様に大きさ、形状、濃度等は任意の値であり、電気的に接続されていればよい。
台座１４はガラス以外にもシリコン、或いは、ガラス・シリコン複層構造物等でも可能である。
【００３５】
台座１４の厚みは２．５ｍｍに対し変更してもよい。
保護膜、メタル配線の有無および種類は問わない。
接着材としては、フロロシリコン系以外に、エポキシ系、シリコン系、フッ素ゴム系の接着材が考えられる。
【００３６】
台座１４と金属プレート２５とは接着剤により接着してもよい。
ゲル３２の有無は問わない。
金属プレート２５はなくてもよい。この場合、センサチップ／台座と樹脂ケースは接着剤を用いて接着する。
【００３７】
ケース２６の材質は樹脂（ＰＢＴやＰＰＳ等）だけでなく、金属、セラミック等でもよい。この場合、接着は半田や接着剤を用いて行う。
上記に示す構造物の形状や材質によりＬ２／Ｌ１の最適値は若干変わることがある。
【００３８】
尚、温度範囲によりＬ２／Ｌ１の最適値は若干変わることがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態における半導体圧力センサの全体構成図。
【図２】半導体圧力センサのセンサチップを裏面から見た図。
【図３】製造工程を説明するための断面図。
【図４】製造工程を説明するための断面図。
【図５】製造工程を説明するためのマスクの平面図。
【図６】製造工程を説明するための断面図。
【図７】製造工程を説明するための断面図。
【図８】測定結果を示す図。
【図９】測定方法を説明するための図。
【図１０】サンプルを示す断面図
【図１１】出力特性を説明するための基板の構成図。
【図１２】出力特性を説明するための基板の構成図。
【図１３】出力特性を説明するための基板の構成図。
【図１４】温度特性の非直線性を説明するための説明図。
【符号の説明】
１…シリコン基板、１ａ…凹部、２…ダイヤフラム、３〜１０…辺、Ｓ１〜Ｓ８…側壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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