(57)【要約】  半導体圧力センサ（７２０）は、薄肉領域（４０２）に対応する半導体基板の部分に歪みを付与する薄膜圧電素子（７０１）を備える。薄膜圧電素子（７０１）は、歪みゲージとして機能する拡散抵抗（４０６、４０８、４１０、および４１２）から離間して形成され、薄膜圧電素子の上部電極層に接続されるボンディングパッド（７１６Ａ）、および下部電極層に接続されるボンディングパッド（７１６Ｆ）近傍まで延設される。拡散抵抗（４０６、４０８、４１０、および４１２）は金属配線（７２２）および拡散配線（７２４）によりブリッジ回路を構成する。自己診断時、薄膜圧電素子（７０１）に所定電圧が印加される。電圧印加前後のブリッジ回路の出力差が所定の範囲外であれば、半導体圧力センサ（７２０）に破損が生じたと判断される。
2011010571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄肉領域および前記薄肉領域の周囲に設けられた厚肉領域を有する半導体基板と、
前記半導体基板の一主面に形成され、前記薄肉領域に対応する前記半導体基板の部分の歪みに応じて抵抗値を変化させる少なくとも１つの歪みゲージ抵抗と、
前記半導体基板上において、前記薄肉領域の少なくとも一部を含む領域に形成されて、下部電極層、圧電層、および上部電極層を有する少なくとも１つの薄膜圧電素子とを備え、
前記少なくとも１つの薄膜圧電素子は、前記少なくとも１つの歪みゲージ抵抗から離間した領域に形成される、半導体圧力センサ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの薄膜圧電素子は、前記薄肉領域の中央部に向かう方向に長手軸を有する細長形状を有する、請求の範囲第１項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの薄膜圧電素子は、前記薄肉領域と前記厚肉領域との境界を横切って前記厚肉領域まで延びるように設けられる、請求の範囲第２項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項４】
前記少なくとも１つの薄膜圧電素子はさらに、前記厚肉領域において、前記薄肉領域の外周に沿って延びるように設けられる、請求の範囲第３項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項５】
前記少なくとも１つの薄膜圧電素子は、前記半導体基板上に形成された複数の薄膜圧電素子を含む、請求の範囲第３項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項６】
前記複数の薄膜圧電素子は、前記厚肉領域上で互いに結合される、請求の範囲第５項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項７】
前記複数の薄膜圧電素子は、前記薄肉領域の中央部まで延長されるとともに前記薄肉領域の前記中央部で互いに結合される、請求の範囲第５項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項８】
前記半導体圧力センサは、さらに、
前記厚肉領域上に設けられた複数のボンディングパッドを備え、
前記少なくとも１つの薄膜圧電素子は、前記複数のボンディングパッドのうちの少なくとも１つのボンディングパッドの近傍まで延びるように設けられる、請求の範囲第３項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項９】
前記複数のボンディングパッドは前記半導体基板の一辺に並んで設けられる、請求の範囲第８項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項１０】
前記上部電極層および前記下部電極層は、前記半導体基板の前記一辺に並んだ前記複数のボンディングパッドのうち、第１端に位置する第１のボンディングパッドと、第２端に位置する第２のボンディングパッドとにそれぞれ接続される、請求の範囲第９項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項１１】
前記半導体圧力センサは、前記少なくとも１つの歪みゲージ抵抗として４つの歪みゲージ抵抗を備え、
前記薄肉領域は略四辺形を呈し、
前記４つの歪みゲージ抵抗は、前記薄肉領域の各辺の中点近傍に形成される、請求の範囲第１項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの薄膜圧電素子は、前記薄肉領域の対角線上に形成される、請求の範囲第１１項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項１３】
前記薄肉領域は、略円形を呈している、請求の範囲第１項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの歪みゲージ抵抗は、前記半導体基板の一主面に不純物を拡散することによって形成された拡散抵抗である、請求の範囲第１項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項１５】
前記圧電層の主成分は、ＰＺＴである、請求の範囲第１項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの歪みゲージ抵抗は、前記薄肉領域上の配線に接続され、
前記配線は、拡散配線を含む、請求の範囲第１項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項１７】
前記圧電層の厚さは、０．０１μｍ以上５μｍ以下である、請求の範囲第１項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項１８】
前記半導体基板は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板である、請求の範囲第１項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項１９】
半導体圧力センサの製造方法であって、
第１の導電型を有する一主面Ｓｉ層と、他主面Ｓｉ層とを有する半導体基板を準備する工程と、
前記一主面Ｓｉ層に、前記第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する歪みゲージ抵抗を形成する工程と、
前記一主面Ｓｉ層における前記歪みゲージ抵抗と隣接する領域に、前記第２の導電型を有し前記歪みゲージ抵抗よりも不純物濃度の高い拡散配線を形成する工程と、
前記一主面Ｓｉ層上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜上に下部電極層を形成する工程と、
前記下部電極層上に圧電層を形成する工程と、
前記圧電層上に上部電極層を形成する工程と、
前記第１の層間絶縁膜、前記下部電極層、前記圧電層、および前記上部電極層上に第２の層間絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の層間絶縁膜に、前記拡散配線、前記下部電極層、および前記上部電極層に至るコンタクトホールを形成する工程と、
前記第２の層間絶縁膜上および前記コンタクトホールに金属配線を形成する工程と、
前記他主面Ｓｉ層に基準圧力室を形成する工程とを備える、半導体圧力センサの製造方法。
【請求項２０】
前記下部電極層に至るコンタクトホールと前記上部電極層に至るコンタクトホールとは、同時に形成される、請求の範囲第１９項に記載の半導体圧力センサの製造方法。
【請求項２１】
ダイアフラムと、前記ダイアフラムの外縁部を支持するための支持部とを含む半導体基板と、
前記半導体基板の主表面に配置されるとともに、前記ダイアフラムに印加された圧力に応じて各々の抵抗値を変化させる複数の抵抗素子を含む、少なくとも１つの抵抗ブリッジとを備え、
前記複数の抵抗素子は、前記ダイアフラムと前記支持部との境界の一部を含む前記主表面内の一部の領域に、集合的に配置される、半導体圧力センサ。
【請求項２２】
前記複数の抵抗素子は、
第１の抵抗素子と、
前記第１の抵抗素子に電気的に接続されるとともに、前記第１の抵抗素子に隣接するように前記領域に配置された、第２の抵抗素子とを含む、請求の範囲第２１項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項２３】
前記第１の抵抗素子は、前記境界に平行する方向に沿って延在するように、前記領域に形成され、
前記第２の抵抗素子は、前記境界と交差する方向に沿って延在するように、前記領域に形成される、請求の範囲第２２項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの抵抗ブリッジは、互いに電気的に並列に接続された複数の抵抗ブリッジである、請求の範囲第２１項に記載の半導体圧力センサ。
【請求項２５】
ダイアフラムと、前記ダイアフラムの外縁部を支持するための支持部とを含む半導体基板と、
前記半導体基板の主表面に配置されるとともに、前記ダイアフラムに印加された圧力に応じて各々の抵抗値を変化させる複数の抵抗素子を含む、少なくとも１つの抵抗ブリッジとを備え、
前記複数の抵抗素子は、前記ダイアフラムと前記支持部との境界の一部を含む前記主表面内の一部の領域に、集合的に配置され、
前記複数の抵抗素子の各々の前記抵抗値に基づいて前記圧力を示す信号を出力するための信号処理回路をさらに備える、圧力センサ装置。
【請求項２６】
電子機器であって、
ダイアフラムと、前記ダイアフラムの外縁部を支持するための支持部とを含む半導体基板と、
前記半導体基板の主表面に配置されるとともに、前記ダイアフラムに印加された圧力に応じて各々の抵抗値を変化させる複数の抵抗素子を含む、少なくとも１つのブリッジとを備え、
前記複数の抵抗素子は、前記ダイアフラムと前記支持部との境界の一部を含む前記主表面内の一部の領域に、集合的に配置され、
前記複数の抵抗素子の各々の前記抵抗値に基づいて前記圧力を示す信号を出力するための信号処理回路と、
前記信号処理回路からの前記信号に基づいて所定の処理を実行するための本体部とをさらに備える、電子機器。
【請求項２７】
圧力に基づいて信号電圧を変化させるように構成されたセンサと、
前記センサから出力された信号を処理するための信号処理回路とを備え、
前記信号処理回路は、
前記信号電圧を増幅するための増幅回路と、
前記増幅回路の出力電圧に基づいて、前記圧力に従って変化する第１の電圧を生成するための第１の演算回路とを備え、
前記第１の演算回路は、前記増幅回路の前記出力電圧に対して所定の相関関係を有する電圧を、所定のオフセット電圧から減算することによって、前記第１の電圧を生成するように構成される、圧力センサ装置。
【請求項２８】
前記信号処理回路は、
前記第１の電圧に基づいて、前記圧力に従って変化する第２の電圧を生成するための第２の演算回路をさらに備え、
前記圧力に対する前記第１の電圧の第１の変化率は、前記圧力に対する前記第２の電圧の第２の変化率と異なり、
前記第１の電圧は、前記センサにより検出される前記圧力の範囲の上限値において、前記第２の電圧に一致する、請求の範囲第２７項に記載の圧力センサ装置。
【請求項２９】
前記第２の変化率の絶対値は、前記第１の変化率の絶対値よりも大きい、請求の範囲第２８項に記載の圧力センサ装置。
【請求項３０】
前記第２の演算回路は、前記第１の電圧を増幅することにより前記第２の電圧を生成する、請求の範囲第２９項に記載の圧力センサ装置。
【請求項３１】
前記信号処理回路は、
前記第１の電圧を前記信号処理回路の外部に出力するための第１の端子と、
前記第２の電圧を前記信号処理回路の外部に出力するための第２の端子とをさらに備える、請求の範囲第２８項に記載の圧力センサ装置。
【請求項３２】
前記範囲は、大気圧の標準値を含みかつ前記上限値が前記標準値の近傍の値となるように定められる、請求の範囲第２８項に記載の圧力センサ装置。
【請求項３３】
圧力に基づいて信号電圧を変化させるように構成されたセンサと、
前記センサから出力された信号を処理するための信号処理回路とを備え、
前記信号処理回路は、
前記信号電圧を増幅するための増幅回路と、
前記増幅回路の出力電圧に基づいて、前記圧力に従って変化する検出電圧を生成するための演算回路とを含み、
前記演算回路は、前記増幅回路の前記出力電圧に対して所定の相関関係を有する電圧を、所定のオフセット電圧から減算することによって、前記検出電圧を生成するように構成され、
前記検出電圧に基づいて、所定の処理を実行する本体部をさらに備える、電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力印加により変形可能なダイアフラムの歪みに基づいて、圧力を電気信号に変換する半導体圧力センサ、その半導体圧力センサを備えた圧力センサ装置、圧力センサ装置を含む電子機器、および、半導体圧力センサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車の内燃機関、民生機器、測定機器、医療機器などといった多岐に渡る分野において、圧力を電気信号に変換する小型の装置として半導体圧力センサが用いられている。民生機器の分野では、半導体圧力センサは、たとえばハードディスクドライブ、給湯器、エアコン、洗濯機、食器洗い機および掃除機等に用いられる。測定機器の分野では、半導体圧力センサは、たとえば空圧計、水圧計、および油圧計等に用いられる。医療機器の分野では、半導体圧力センサは、たとえば血圧計等に用いられる。【０００３】
半導体圧力センサは、半導体集積回路の製造に用いられる微細加工技術を利用して作製される。半導体圧力センサは、一般的に、シリコン基板の一部を薄膜状に加工することによって形成されたダイアフラムを備える。【０００４】
ダイアフラムに印加される圧力により、ダイアフラムに歪みが生じる。ダイアフラムに生じた歪みを検出するために、圧力によってその抵抗値を変化させる抵抗素子（たとえばピエゾ素子）が、シリコン基板の表面に配置される。半導体圧力センサは、抵抗素子の抵抗値の変化により圧力を検出する。【０００５】
たとえば、特許文献１（特開２００９−４９０２６号公報）は、各々が抵抗素子として機能する４つのショットキーバリアダイオードを備えた半導体圧力センサを開示する。４つのショットキーバリアダイオードは、ホイートストンブリッジを構成する。ショットキーバリアダイオードの内部抵抗は、ショットキー接合部に生じた歪みにより変化する。【０００６】
図４７は、従来の半導体圧力センサの一例を示した図である。図４７を参照して、半導体圧力センサ１００は、薄肉部１０２と厚肉部１０４とによるダイアフラム構造を有する。図４７では、薄肉部１０２は破線で囲まれた領域として示される。厚肉部１０４は、薄肉部１０２周囲に位置する。薄肉部１０２の一主面には、歪みゲージ抵抗１０６、１０８、１１０、および１１２が形成される。【０００７】
図４８は、図４７に示した半導体圧力センサ１００のＸＬＶＩＩＩ−ＸＬＶＩＩＩ断面図である。図４８を参照して、ガラス基板１１６が厚肉部１０４の底面に設けられる。【０００８】
上記した構成により、薄肉部１０２とガラス基板１１６との間には、その外周が厚肉部１０４によって囲まれた基準圧力室１１４が形成される。半導体圧力センサ１００を絶対気圧の測定に用いる場合、通常、基準圧力室１１４は真空状態とされる。【０００９】
半導体圧力センサ１００の周囲の気圧に応じて薄肉部１０２に歪みが生じる。その歪みに応じて、歪みゲージ抵抗１０６、１０８、１１０、および１１２の抵抗値が変化する。歪みゲージ抵抗１０６、１０８、１１０、および１１２は図示しない配線によってブリッジ回路を構成する。【００１０】
図４９は、図４７に示した歪みゲージ抵抗１０６、１０８、１１０、および１１２によって構成されたブリッジ回路１５０を示した図である。図４９を参照して、入力端子１２２Ａ、１２２Ｂの間には所定電圧が印加される。出力端子１２０Ａ、１２０Ｂの間には、薄肉部１０２の歪みに応じた電圧が発生する。【００１１】
図４７〜図４９に示した構成を有する半導体圧力センサの感度を向上させるためには、薄肉部を薄くしなければならない。しかし、半導体圧力センサの製造中または半導体圧力センサの使用中に、薄肉部に破損が生じることがあった。【００１２】
一般に、薄肉部の破損を目視で確認することは困難である。このため従来の信頼性試験では、たとえば半導体圧力センサが配された密閉チャンバ内の気圧を変化させながら、その圧力センサの出力を確認するといった方法が採用されていた。【００１３】
しかしながら、上述した方法では、信頼性試験のために大掛かりな装置および長い試験時間が必要であった。さらに、半導体圧力センサを電子機器内部に組み込んだ後には、そのセンサを試験することは困難であった。【００１４】
特許文献２（特開昭６０−２９６２７号公報（特公平４−２６０５１号公報））は、ダイアフラムの破損を検出可能な半導体圧力センサを開示する。図５０は、特許文献２の図１に示された半導体圧力センサを説明するための図である。図５０を参照して、半導体圧力センサ２００は、歪みゲージ抵抗２０２，２０４と、配線２０６と、トランジスタ２０８とを備える。歪みゲージ抵抗２０２、２０４と、配線２０６と、トランジスタ２０８とは、ダイアフラム２０１の一主面に配置される。【００１５】
配線２０６は、ダイアフラム２０１のへき開方向Ａ、Ｂの両方と交差する方向に形成される。ダイアフラム２０１の破損により配線２０６が断線した場合、ダイアフラム２０１の破損がトランジスタ２０８によって検知される。【００１６】
特許文献３（特開２００１−３４９７９７号公報）は、ダイアフラムの異常を検出可能な圧力センサを開示する。図５１は、特許文献３の図１に示された半導体圧力センサを説明するための図である。図５１を参照して、半導体圧力センサ３００は、薄肉部３０２Ａを含むダイアフラム３０２と、検出部３０４Ａ，３０４Ｂ、および３０４Ｃと、歪付与部材３０６と、支持部材３０８と、台座３１０とを備える。検出部３０４Ａ，３０４Ｂ，および３０４Ｃは、薄肉部３０２Ａの歪みに基づいて電気信号を出力する。歪付与部材３０６は、薄肉部３０４Ａに強制的に歪みを生じさせる。支持部材３０８は、歪付与部材３０６を支持する。【００１７】
歪付与部材３０６はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電素子により構成される。歪付与部材３０６に電圧が印加されることによって歪付与部材３０６が膨張する。歪付与部材３０６が膨張することによって、薄肉部３０２Ａが下方に押し下げられる。薄肉部３０２Ａが押し下げられることによって、薄肉部３０２Ａに強制的に歪みを生じさせることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００９−４９０２６号公報
【特許文献２】特開昭６０−２９６２７号公報（特公平４−２６０５１号公報）
【特許文献３】特開２００１−３４９７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
特許文献２は、ダイアフラムのへき開方向と交差する方向に沿って配線を配置することにより、ダイアフラムの破損を検知する技術思想を開示する。しかし特許文献２に開示された構成によれば、ダイアフラムの破損にともなって破損検知用の配線が断線しなければダイアフラムの破損を検知することができない。【００２０】
さらに、特許文献２に開示された構成によれば、ダイアフラムの破損を検出するためにトランジスタが用いられる。このため、ダイアフラムの破損を検出するためにトランジスタへの電流供給が必要となる。【００２１】
特許文献３は、半導体圧力センサの薄肉部の表面に圧電素子を配置するとともに、その圧電素子により薄肉部に強制的に歪みを生じさせる技術を開示する。【００２２】
この技術によれば、圧電素子への電圧印加後における半導体圧力センサの出力に基づいて半導体圧力センサの自己診断を行なうことができる。【００２３】
しかしながら、特許文献３の図１に示された半導体圧力センサは、支持部材により圧電素子を固定する構成を有する。このため、特許文献３に開示された半導体圧力センサを製造するために複雑な工程を要する。特許文献３は、周知のＩＣ製造手法によって、ダイアフラムの一主面に圧電素子が形成されることを示唆している。しかし特許文献３は、半導体圧力センサの一主面に薄膜として圧電素子を形成し、これにより圧電素子の支持部材を不要とする構成について明示していない。【００２４】
薄肉部の表面に薄膜の圧電素子を配置する場合、薄膜圧電素子の配置を考慮する必要がある。単純に薄肉部の表面全体に薄膜圧電素子を配置すると、薄肉部と薄膜圧電素子との間の熱膨張率の違いにより、薄肉部に予期しない歪みが生じる。このため、半導体圧力センサの出力に狂いが生ずる。【００２５】
さらに、薄膜圧電素子による自己診断機能が正常に動作するためには、薄膜圧電素子の配置にも配慮しなければならない。【００２６】
ダイアフラムを作成する際の加工精度により、ダイアフラムの位置と抵抗素子の位置との間にずれが生じる可能性がある。ダイアフラムおよび抵抗素子の間の相対的な位置がずれることによって、同じ工程により製造された複数の圧力センサ装置の間で、抵抗ブリッジの特性のばらつきが生じる可能性がある。抵抗ブリッジの特性とは、たとえば、ダイアフラムに印加される圧力と抵抗ブリッジの出力電圧との関係である。【００２７】
一般的に、圧力センサ装置は、広い範囲にわたり圧力を検出できるように構成される。たとえば大気圧は、標準気圧（約１０１．３［ｋＰａ］）の付近で変化する。半導体圧力センサを大気圧の検出のために使用する場合、そのセンサの感度が標準気圧の近傍で高いことが好ましい。【００２８】
しかしながら、従来の圧力センサ装置の構成によれば、圧力センサ装置の検出範囲が広い。したがって、圧力センサ装置の感度が所望の領域、特に検出範囲の上限値近くの領域においてのみ高くなるように圧力センサ装置を構成することは容易ではない。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明の１つの目的は、薄肉部上に薄膜圧電素子を配置することによって自己診断を実行することが可能であるととともに、その薄膜圧電素子による出力への影響を低減可能な半導体圧力センサを提供することである。【００３０】
本発明の他の目的は、ダイアフラムの位置と抵抗ブリッジの位置との間のずれに起因する抵抗ブリッジの特性のばらつきが大きくなることを抑制することである。【００３１】
本発明の他の目的は、半導体圧力センサの検出範囲の上限値付近の領域においてその半導体圧力センサの検出感度を高めることを可能にすることである。【００３２】
本明細書において「自己診断機能」とは、半導体圧力センサが該半導体圧力センサ自身の構造的な欠陥を検知する機能を指す。【００３３】
本明細書において「診断基準電圧」とは、ダイアフラムの破損等の欠陥が存在しない半導体圧力センサが自己診断を実施した時の、半導体圧力センサの出力電圧の差分を指す。【００３４】
本明細書において「オフセット電圧」とは、ダイアフラムに歪みが生じていない状態における、半導体圧力センサの出力を指す。【００３５】
本明細書において「薄肉領域」とは、半導体基板に形成された薄肉部の表面、および薄肉部を含む。本明細書において「厚肉領域」とは、半導体基板に形成された厚肉部の表面、および厚肉部を含む。【００３６】
本発明のある局面では、半導体圧力センサは、薄肉領域および薄肉領域の周囲に設けられた厚肉領域を有する半導体基板と、半導体基板の一主面に形成され、薄肉領域に対応する半導体基板の部分の歪みに応じて抵抗値を変化させる歪みゲージ抵抗と、半導体基板上において、薄肉領域の少なくとも一部を含む領域に形成されて、下部電極層、圧電層、および上部電極層を有する少なくとも１つの薄膜圧電素子とを備える。少なくとも１つの薄膜圧電素子は、歪みゲージ抵抗から離間した領域に形成される。【００３７】
上記構成によれば、薄膜圧電素子への電圧印加前後の半導体圧力センサの出力に基づいて、半導体圧力センサの自己診断を行なうことができる。さらに、薄膜圧電素子と半導体基板の熱膨張率の違いによる歪みゲージ抵抗の変形を低減することによって、半導体圧力センサの出力、たとえばオフセット電圧等に狂いが生じることを防止することができる。【００３８】
好ましくは、少なくとも１つの薄膜圧電素子は、薄肉領域の中央部に向かう方向に長手軸を有する細長形状を有する。【００３９】
上記構成によれば、小面積の薄膜圧電素子によって薄肉領域全体を均一に歪ませることができるので、自己診断の精度を高めることができる。【００４０】
本発明の一実施形態において、少なくとも１つの薄膜圧電素子は、薄肉領域と厚肉領域との境界を横切って厚肉領域まで延びるように設けられてもよい。【００４１】
上記構成によれば、薄膜圧電素子の一部が物理的に強固な厚肉領域上に固定されるため、自己診断時に薄肉部に付与される歪み量が安定する。これにより、自己診断の精度を高めることができるとともに、薄膜圧電素子の金属配線を厚肉領域上のみで行なうことができる。【００４２】
本発明の一実施形態において、少なくとも１つの薄膜圧電素子はさらに、厚肉領域において、薄肉領域の外周に沿って延びるように設けられてもよい。【００４３】
上記構成によれば、薄膜圧電素子の一部が厚肉領域上に強固に固定される。これにより自己診断時に薄肉部に付与される歪み量が安定するので、自己診断の精度を高めることができる。【００４４】
本発明の一実施形態において、少なくとも１つの薄膜圧電素子は、半導体基板上に形成された複数の薄膜圧電素子を含んでもよい。【００４５】
上記構成によれば、半導体基板上の異なる位置に形成された複数の薄膜圧電素子に同じ電圧を印加することによって薄肉部全体を均一に歪ませることができる。【００４６】
本発明の一実施形態において、複数の薄膜圧電素子は、前記厚肉領域上で互いに結合されてもよい。【００４７】
上記構成によれば、薄膜圧電素子の上部電極層の配線および薄膜圧電素子の下部電極層の配線がひとつずつでよいため、半導体圧力センサの構成を簡便にすることができる。【００４８】
本発明の一実施形態において、複数の薄膜圧電素子は、薄肉領域の中央部まで延長されるとともに薄肉領域の中央部で互いに結合されてもよい。【００４９】
本発明の一実施形態において、半導体圧力センサは、さらに、厚肉領域上に設けられた複数のボンディングパッドを備え、少なくとも１つの薄膜圧電素子は、複数のボンディングパッドのうちの少なくとも１つのボンディングパッドの近傍まで延びるように設けられてもよい。【００５０】
上記構成によれば、薄膜圧電素子の金属配線を短くすることができるので、歪みゲージ抵抗の金属配線に利用できる領域を広くすることができる。これにより、複数の歪みゲージ抵抗を接続してブリッジ回路を構成する際に、配線長の調整を容易にすることができる。【００５１】
本発明の一実施形態において、複数のボンディングパッドは半導体基板の一辺に並んで設けられてもよい。【００５２】
上記構成によれば、ワイヤボンディング時の利便性を向上することができる。
本発明の一実施形態において、上部電極層および下部電極層は、半導体基板の一辺に並んだ複数のボンディングパッドのうち、第１端に位置する第１のボンディングパッドと、第２端に位置する第２のボンディングパッドとにそれぞれ接続されてもよい。【００５３】
本発明の一実施形態において、半導体圧力センサは、４つの前記歪みゲージ抵抗を備え、薄肉領域は略四辺形を呈し、歪みゲージ抵抗は、前記薄肉領域の各辺の中点近傍に形成されてもよい。【００５４】
上記構成によれば、歪みゲージ抵抗の抵抗値を大きく変化させることができるので、半導体圧力センサの感度を向上させることができる。【００５５】
好ましくは、少なくとも１つの薄膜圧電素子は、薄肉領域の対角線上に形成されてもよい。【００５６】
本発明の一実施形態において、薄肉領域は、略円形を呈していてもよい。
上記構成によれば、円周上の半導体基板の歪み方が同じであるために、歪みゲージ抵抗の配置における自由度が高まる。【００５７】
好ましくは、歪みゲージ抵抗は、半導体基板の一主面に不純物を拡散することによって形成された拡散抵抗である。【００５８】
好ましくは、圧電層の主成分はＰＺＴである。
好ましくは、歪みゲージ抵抗は、薄肉領域上の配線に接続され、配線は、拡散配線を含む。【００５９】
好ましくは、圧電層の厚さは０．０１μｍ以上５μｍ以下である。
上記構成によれば、薄膜圧電素子の上部電極層に至るコンタクトホールと薄膜圧電素子の下部電極層に至るコンタクトホールとを同時に形成することができるので、半導体圧力センサの製造時間を短縮することができる。【００６０】
好ましくは、半導体基板は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板である。【００６１】
上記構成によれば、薄肉部の製造時に、薄肉部の厚さの精度を良くすることができる。
本発明の他の局面において、半導体圧力センサの製造方法は、第１の導電型を有する一主面Ｓｉ層と、他主面Ｓｉ層とを有する半導体基板を準備する工程と、一主面Ｓｉ層に、第１の導電型とは異なる第２の導電型を有する歪みゲージ抵抗を形成する工程と、一主面Ｓｉ層における歪みゲージ抵抗と隣接する領域に、前記第２の導電型を有し前記歪みゲージ抵抗よりも不純物濃度の高い拡散配線を形成する工程と、一主面Ｓｉ層上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、第１の層間絶縁膜上に下部電極層を形成する工程と、下部電極層上に圧電層を形成する工程と、圧電層上に上部電極層を形成する工程と、第１の層間絶縁膜、下部電極層、圧電層、および上部電極層上に第２の層間絶縁膜を形成する工程と、第２の層間絶縁膜に、拡散配線、下部電極層、および上部電極層に至るコンタクトホールを形成する工程と、第２の層間絶縁膜上およびコンタクトホールに金属配線を形成する工程と、他主面Ｓｉ層に基準圧力室を形成する工程とを備える。【００６２】
前記製造方法において、下部電極層に至るコンタクトホールと上部電極層に至るコンタクトホールとは同時に形成される。【００６３】
本発明の他の局面において、半導体圧力センサは、半導体基板と、少なくとも１つの抵抗ブリッジとを備える。半導体基板は、ダイアフラムと、ダイアフラムの外縁部を支持するための支持部とを含む。少なくとも１つの抵抗ブリッジは、半導体基板の主表面に配置される。少なくとも１つの抵抗ブリッジは、ダイアフラムに印加された圧力に応じて各々の抵抗値を変化させる複数の抵抗素子を含む。複数の抵抗素子は、ダイアフラムと支持部との境界の一部を含む主表面内の一部の領域に、集合的に配置される。【００６４】
好ましくは、複数の抵抗素子は、第１の抵抗素子と、第２の抵抗素子とを含む。第２の抵抗素子は、第１の抵抗素子に電気的に接続されるとともに、第１の抵抗素子に隣接するように領域に配置される。【００６５】
好ましくは、第１の抵抗素子は、境界に平行する方向に沿って延在するように、領域に形成される。第２の抵抗素子は、境界と交差する方向に沿って延在するように、領域に形成される。【００６６】
好ましくは、少なくとも１つの抵抗ブリッジは、互いに電気的に並列に接続された複数の抵抗ブリッジである。【００６７】
本発明の他の局面において、圧力センサ装置は、半導体基板と、少なくとも１つの抵抗ブリッジとを備える。半導体基板は、ダイアフラムと、ダイアフラムの外縁部を支持するための支持部とを含む。少なくとも１つの抵抗ブリッジは、半導体基板の主表面に配置される。少なくとも１つの抵抗ブリッジは、ダイアフラムに印加された圧力に応じて各々の抵抗値を変化させる複数の抵抗素子を含む。複数の抵抗素子は、ダイアフラムと支持部との境界の一部を含む主表面内の一部の領域に、集合的に配置される。圧力センサ装置は、複数の抵抗素子の各々の抵抗値に基づいて圧力を示す信号を出力するための信号処理回路をさらに備える。【００６８】
本発明の他の局面において、電子機器は、半導体基板と、少なくとも１つの抵抗ブリッジとを備える。半導体基板は、ダイアフラムと、ダイアフラムの外縁部を支持するための支持部とを含む。少なくとも１つの抵抗ブリッジは、半導体基板の主表面に配置される。少なくとも１つの抵抗ブリッジは、ダイアフラムに印加された圧力に応じて各々の抵抗値を変化させる複数の抵抗素子を含む。複数の抵抗素子は、ダイアフラムと支持部との境界の一部を含む主表面内の一部の領域に、集合的に配置される。電子機器は、複数の抵抗素子の各々の抵抗値に基づいて圧力を示す信号を出力するための信号処理回路と、信号処理回路からの信号に基づいて所定の処理を実行するための本体部とをさらに備える。【００６９】
本発明の他の局面において、圧力センサ装置は、圧力に基づいて信号電圧を変化させるセンサと、センサから出力された信号を処理するための信号処理回路とを備える。信号処理回路は、信号電圧を増幅するための増幅回路と、増幅回路の出力電圧に基づいて、圧力に従って変化する検出電圧を生成するための演算回路とを含む。演算回路は、増幅回路の出力電圧に対して所定の相関関係を有する電圧を、所定のオフセット電圧から減算することによって、検出電圧を生成するように構成される。【００７０】
好ましくは、信号処理回路は、第１の電圧に基づいて、圧力に従って変化する第２の電圧を生成するための第２の演算回路をさらに備える。圧力に対する第１の電圧の第１の変化率は、圧力に対する第２の電圧の第２の変化率と異なる。第１の電圧は、圧力センサにより検出される圧力の範囲の上限値において、第２の電圧に一致する。【００７１】
好ましくは、第２の変化率の絶対値は、第１の変化率の絶対値よりも大きい。
好ましくは、第２の演算回路は、第１の電圧を増幅することにより第２の電圧を生成する。【００７２】
好ましくは、信号処理回路は、第１の電圧を信号処理回路の外部に出力するための第１の端子と、第２の電圧を信号処理回路の外部に出力するための第２の端子とをさらに備える。【００７３】
好ましくは、圧力の範囲は、大気圧の標準値を含みかつ上限値が標準値の近傍の値となるように定められる。【００７４】
本発明の他の局面では、電子機器は、圧力に基づいて信号電圧を変化させるように構成されたセンサと、センサから出力された信号を処理するための信号処理回路とを備える。信号処理回路は、信号電圧を増幅するための増幅回路と、増幅回路の出力電圧に基づいて、圧力に従って変化する検出電圧を生成するための演算回路とを含む。演算回路は、増幅回路の出力電圧に対して所定の相関関係を有する電圧を、所定のオフセット電圧から減算することによって、検出電圧を生成するように構成される。電子機器は、検出電圧に基づいて、所定の処理を実行する本体部をさらに備える。
【発明の効果】
【００７５】
本発明によれば、薄肉領域上に形成された薄膜圧電素子に電圧を印加することにより、半導体圧力センサの自己診断を行なうことができる。薄膜圧電素子が歪みゲージ抵抗から離間した領域に形成されているため、薄膜圧電素子と半導体基板との熱膨張率の違いによる歪みゲージ抵抗の変形を最小限に抑えることができる。したがって、半導体圧力センサの出力に狂いが生じることを防止することができる。【００７６】
本発明によれば、薄膜圧電素子が厚肉領域上の所定の位置まで延びるように設けられる。これにより薄膜圧電素子の一部を厚肉領域に固定することができるとともに、薄膜圧電素子の金属配線を短くすることができる。このため、自己診断の精度が高まるとともに、歪みゲージ抵抗の金属配線に使用できる領域を広くすることができる。【００７７】
本発明によれば、ダイアフラムの位置と抵抗ブリッジの位置との間のずれに起因する、抵抗ブリッジの特性のばらつきが大きくなることを抑制することができる。【００７８】
本発明によれば、検出範囲の上限値付近の領域における圧力センサ装置の検出感度を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施の形態に係る圧力センサ装置を備える電子機器の構成を概念的に示すブロック図である。
【図２】図１に示した圧力センサ装置１０の上面図である。
【図３】図１に示した圧力センサ装置１０の側面図である。
【図４】図２および図３に示した圧力センサ装置１０の内部を示した断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体圧力センサ４００の上面図である。
【図６】図５に示した半導体圧力センサ４００のＶＩ−ＶＩ断面図である。
【図７】図５に示した半導体圧力センサ４００について、基準圧力室４１８の内部の圧力と外気圧との間の気圧差によって薄肉領域４０２に歪みが生じた状態を模式的に示した図である。
【図８】図５に示した半導体圧力センサ４００のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面を模式的に示した断面図である。
【図９】薄膜圧電素子４１４への印加電圧を変化させた時の、薄肉領域４０２中心の変位量の例をプロットした図である。
【図１０】図１に示した半導体圧力センサ４００における、拡散抵抗４０６、４０８、４１０、４１２、および薄膜圧電素子４１４の配線パターンの一例を示した図である。
【図１１】本発明の第１の実施の形態にかかる半導体圧力センサ４００の変形例を示した上面図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態にかかる半導体圧力センサ５００の上面図である。
【図１３】図１２に示した半導体圧力センサ５００の変形例を示した図である。
【図１４】図１２に示した半導体圧力センサ５００の別の変形例を示した図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態にかかる半導体圧力センサ６００の上面図である。
【図１６】図１５に示した半導体圧力センサ６００の変形例を示した図である。
【図１７】本発明の第４の実施の形態にかかる半導体圧力センサ７００の上面図である。
【図１８】オフセット電圧を０に設定可能な金属配線および拡散配線の例を示した図である。
【図１９】図１７に示した半導体圧力センサ７００の他の変形例を示した図である。
【図２０】図１７に示した半導体圧力センサ７００のさらに別の変形例を示した図である。
【図２１】本発明に係る製造方法の第１工程を示す図である。
【図２２】本発明に係る製造方法の第２工程を示す図である。
【図２３】本発明に係る製造方法の第３工程を示す図である。
【図２４】本発明に係る製造方法の第４工程を示す図である。
【図２５】本発明に係る製造方法の第５工程を示す図である。
【図２６】本発明に係る製造方法の第６工程を示す図である。
【図２７】本発明に係る製造方法の第７工程を示す図である。
【図２８】本発明の第５の実施の形態に係るセンサの構成を概略的に示す平面図である。
【図２９】図２８に示したシリコン基板６の主表面６Ａ上の位置に対する応力の関係を示した図である。
【図３０】図２８に示した抵抗ブリッジＢ１〜Ｂ４の回路図である。
【図３１】図２８に示した抵抗ブリッジＢ１を詳細に示した図である。
【図３２】第５の実施の形態に係るセンサの比較例の構成を示した平面図である。
【図３３】図３２に示したセンサ１Ａの製造の際に生じ得る課題を説明するための第１の図である。
【図３４】図３２に示したセンサ１Ａの製造の際に生じ得る課題を説明するための第２の図である。
【図３５】第６の実施の形態に係る信号処理回路の回路図である。
【図３６】ダイアフラムに印加される圧力と、ホイートストンブリッジから出力される電圧との関係を示した図である。
【図３７】ダイアフラムに印加される圧力と、信号処理回路２の演算部２２から出力される電圧Ｖｏｕｔ１との関係を示した図である。
【図３８】ダイアフラムに印加される圧力と、信号処理回路２の演算部２３から出力される電圧Ｖｏｕｔ２との関係を示した図である。
【図３９】第６の実施の形態に係る信号処理回路の比較例の構成を示す回路図である。
【図４０】ダイアフラムに印加される圧力と、信号処理回路２５１の演算部３２から出力される電圧Ｖｏｕｔとの関係を示す図である。
【図４１】圧力センサ装置１０に含まれるセンサ１の状態を模式的に示した断面図である。
【図４２】センサの検討例を模式的に示した断面図である。
【図４３】第６の実施の形態に係る信号処理回路の第１の変形例を示した図である。
【図４４】図４３に示した演算部２２Ａから出力される電圧Ｖｏｕｔ１を説明するための図である。
【図４５】第６の実施の形態に係る信号処理回路の第２の変形例を示した図である。
【図４６】第６の実施の形態に係る信号処理回路の第３の変形例を示した図である。
【図４７】従来の半導体圧力センサの一例を示した図である。
【図４８】図４７に示した半導体圧力センサ１００のＸＬＶＩＩＩ−ＸＬＶＩＩＩ断面図である。
【図４９】図４７に示した歪みゲージ抵抗１０６、１０８、１１０、および１１２によって構成されたブリッジ回路１５０を示した図である。
【図５０】特許文献２の図１に示された半導体圧力センサを説明するための図である。
【図５１】特許文献３の図１に示された半導体圧力センサを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００８０】
以下において本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００８１】
図１は、本発明の実施の形態に係る圧力センサ装置を備える電子機器の構成を概念的に示すブロック図である。図１を参照して、本発明の実施の形態に係る電子機器１０００は、圧力センサ装置１０と、本体部５０とを備える。圧力センサ装置１０は、半導体圧力センサ（以下、単に「センサ」と称することもある）１と、信号処理回路２とを含む。１つの実施の形態において、圧力センサ装置１０は大気圧を検出するために用いられる。ただし、圧力センサ装置１０の用途は大気圧の検出に限定されるものではない。
【００８２】
半導体圧力センサ１は、半導体圧力センサ１に印加された圧力（たとえば大気圧）を検出するとともに、その検出結果を示す信号電圧を信号処理回路２に送信する。半導体圧力センサ１は、半導体圧力センサ１に印加された圧力に従って信号電圧を変化させる。
【００８３】
信号処理回路２は、半導体圧力センサ１からの信号電圧に基づいて、半導体圧力センサ１に印加された圧力を示す検出電圧（信号）を生成する。信号処理回路２は、その検出電圧を本体部５０に出力する。本体部５０は、信号処理回路２から出力された検出電圧（すなわち圧力センサ装置１０から出力された検出電圧）に基づいて所定の処理を実行する。
【００８４】
本発明の実施の形態に係る電子機器１０００の種類は特に限定されるものではない。一例として、電子機器１０００は、ハードディスクである。ハードディスクの場合、磁気ディスクとヘッドとの間の間隔がハードディスクの周辺の気圧によって変動しうる。たとえば本体部５０は、磁気ディスクと、ヘッドと、磁気ディスクとヘッドとの間の間隔を調整するための機構とを含む。本体部５０は、圧力センサ装置１０からの検出電圧に基づいて、磁気ディスクとヘッドとの間の間隔が一定に保たれるよう、磁気ディスクとヘッドとの間の間隔を調整する。
【００８５】
他の例では、電子機器１０００はカーナビゲーションシステムである。車両の周囲の大気圧は、車両の高度によって変化する。本体部５０は、圧力センサ装置１０からの検出電圧に基づいて、車両の現在の高度を算出する。これにより、システムは、車両の高度の情報を取得することができる。
【００８６】
図２は、図１に示した圧力センサ装置１０の上面図である。図３は、図１に示した圧力センサ装置１０の側面図である。図２および図３を参照して、半導体圧力センサ１および信号処理回路２は、パッケージ３の内部に収納される。半導体圧力センサ１および信号処理回路２は配線５によって電気的に接続される。パッケージ３には、パッケージ３の外部からパッケージ３の内部に大気を導入するための開口部４が形成される。
【００８７】
図４は、図２および図３に示した圧力センサ装置１０の内部を示した断面図である。図４を参照して、パッケージ３は、容器３Ａと、容器３Ａを塞ぐための蓋３Ｂとを備える。容器３Ａは、たとえばセラミックにより形成される。蓋３Ｂは、たとえば金属により形成される。蓋３Ｂには開口部４（貫通孔）が形成される。
【００８８】
半導体圧力センサ１は、ダイアフラム７とダイアフラム７の外縁を支持する支持部８とが一体的に形成されたシリコン基板６を含む。ダイアフラム７は、シリコン基板６の一部を薄膜状に加工することによって形成される。たとえば、所定のエッチングマスクを介してシリコン基板６の裏面にエッチングを施すことにより、ダイアフラム７および支持部８が形成される。
【００８９】
シリコン基板６は、台座９に設置される。シリコン基板６の裏面に形成された開口部は台座９によって塞がれる。したがってシリコン基板６の内部には、圧力が一定に保たれた圧力室が形成される。本実施の形態では、圧力室の内部はほぼ真空（０［Ｐａ］）である。圧力室の内部の圧力を以下では「基準圧力」とも呼ぶ。
【００９０】
信号処理回路２は、たとえばシリコンチップに形成された半導体集積回路である。信号処理回路の構成は後に詳細に説明する。ダイアフラム７が形成されたシリコン基板６の主表面には、抵抗素子（図示せず）が形成される。この抵抗素子と信号処理回路２とは配線５により接続される。配線５は、たとえば金製のワイヤである。
【００９１】
信号処理回路２が形成された半導体チップの防湿性を高めるために、たとえばシリコンチップは樹脂により封止されてもよい。同様に、防湿の観点から、パッケージ３の内部の空間は、水分を通しにくい素材（たとえばジェル等）で満たされていてもよい。ただし、その素材は、圧力センサ装置１０の周囲の気圧によってダイアフラム７に圧力を印加するように変形できることが求められる。
【００９２】
次に、図１〜図３に示された半導体圧力センサ１の実施形態が説明される。なお、各実施の形態に係る半導体圧力センサの構成において、薄肉領域は図４に示したダイアフラム７に対応し、厚肉領域は、図４に示した支持部８に対応する。
【００９３】
［第１の実施の形態］
図５は、本発明の第１の実施の形態にかかる半導体圧力センサ４００の上面図である。図５を参照して、半導体圧力センサ４００は、半導体基板４０１を有する。半導体基板４０１は、薄肉領域４０２および厚肉領域４０４を有する。薄肉領域４０２は、半導体基板４０１の主表面のほぼ中央に設けられる。厚肉領域４０４は、薄肉領域４０２の周囲に設けられる。半導体基板４０１は、薄肉部および厚肉部によるダイアフラム構造を有する。
【００９４】
薄肉部の一主面には、拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２が形成される。拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２は、薄肉部の一主面に不純物の拡散によって形成される。拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２は、薄肉部の歪みを検知する歪みゲージ抵抗である。拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２は図示しない配線によりブリッジ回路を構成する。
【００９５】
薄肉領域４０２上には、拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２上を避けて薄膜圧電素子４１４が配置される。薄膜圧電素子４１４は、半導体圧力センサ４００の自己診断に使用される。自己診断の方法については後述する。
【００９６】
半導体基板４０１と薄膜圧電素子４１４とは熱膨張率が異なる。このため、半導体圧力センサ４００に温度変化が生じた場合には、半導体基板４０１における薄膜圧電素子４１４との接触面付近において予期しない歪みが生ずることがある。
【００９７】
通常、半導体圧力センサ４００に薄膜圧電素子４１４を形成する際には、５００℃〜８００℃の高温下で圧電材料を焼成した後、半導体圧力センサ４００を常温まで冷却する。このため、前記歪みは半導体圧力センサ４００の製造過程において既に発生している。
【００９８】
この歪みが拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２の抵抗値に影響を与えることを防止するために、薄膜圧電素子４１４は、拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２からできるだけ離して配置される。
【００９９】
さらに、自己診断時に薄肉領域４０２全体を均一に歪ませるために、薄膜圧電素子４１４は薄肉領域４０２の中心４０２Ｃに向かう方向に長手軸を有する細長形状を有することが望ましい。自己診断時の薄膜圧電素子４１４の変形方向および薄肉領域４０２の歪み方については後述する。
【０１００】
図６は、図５に示した半導体圧力センサ４００のＶＩ−ＶＩ断面図である。図６を参照して、厚肉部４０４Ａの底部には台座としてのガラス基板４１６が固着される。薄肉部４０２Ａとガラス基板４１６との間には、基準圧力室４１８が形成される。
【０１０１】
薄肉部４０２Ａは、基準圧力室４１８の内部の圧力と外気圧との気圧差に応じて歪みを生ずる。そのため、半導体圧力センサ４００を絶対圧の測定に用いる場合には、通常、基準圧力室４１８は真空状態とされる。本発明に係る半導体圧力センサは、以下の全ての実施形態について、絶対圧測定型圧力センサ、相対圧測定型圧力センサの双方に適用可能である。
【０１０２】
薄膜圧電素子４１４は、下部電極層４１４Ａ、圧電層４１４Ｂ、および上部電極層４１４Ｃを有する。圧電層４１４Ｂは例えばＰＺＴ等の圧電材料によって構成される。下部電極層４１４Ａと上部電極層４１４Ｃとの間に電圧が印加されることにより、圧電層４１４Ｂの全体が膨張または収縮する。本発明の実施の形態では、圧電層４１４Ｂを薄肉領域４０２と並行な方向に収縮させることにより、薄肉領域４０２に意図的に歪みを生じさせて自己診断が行なわれる。自己診断の方法については後述する。
【０１０３】
図７は、図５に示した半導体圧力センサ４００について、基準圧力室４１８の内部の圧力と外気圧との間の気圧差によって薄肉領域４０２に歪みが生じた状態を模式的に示した図である。
【０１０４】
図７を参照して、外気圧と基準圧力室４１８の内部の圧力との間の圧力差によって、薄肉部４０２Ａに歪みが生ずる。拡散抵抗４０８および４１２は、薄肉領域４０２の中心４０２Ｃに向かう方向に長手軸を有する。図７に示されるように、薄肉部４０２Ａに歪みが生じたときに、拡散抵抗４０８，４１２の各々が長くなる。このため、拡散抵抗４０８，４１２の抵抗値が増大する。
【０１０５】
一方、図５に示した拡散抵抗４０６，４１０は、拡散抵抗４０８，４１２とは異なり、薄肉領域４０２の中心４０２Ｃに向かう方向と垂直な向きに長手軸を有する。薄肉部４０２Ａに歪みが生じた場合には、拡散抵抗４０６，４１０の幅が広くなる。このため拡散抵抗４０６，４１０の抵抗値が減少する。
【０１０６】
拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２の抵抗値の変化によって半導体圧力センサ４００は外気圧を測定することができる。例えば、拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２をブリッジ接続すればよい。拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２の接続の例は後述する。
【０１０７】
次に、薄膜圧電素子４１４による半導体圧力センサ４００の自己診断機能について説明する。
【０１０８】
図８は、図５に示した半導体圧力センサ４００のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面を模式的に示した断面図である。図８は、薄膜圧電素子４１４に電圧が印加された状態における半導体圧力センサ４００の断面を示す。
【０１０９】
図８を参照して、下部電極層４１４Ａと上部電極層４１４Ｃの間に電圧が印加されると、圧電層４１４Ｂは矢印４１５に沿った方向に収縮する。圧電層４１４Ｂが収縮すると薄肉部４０２Ａの一主面（圧電層４１４Ｂ側）も同時に収縮する。しかしながら薄肉部４０２Ａの他主面（ガラス基板４１６側の面）は圧電層４１４Ｂの拘束を受けない。このため薄肉部４０２Ａの一主面の面積と薄肉部４０２Ａの他主面の面積とに違いが生じる。したがって図８に示されるように、全体としてガラス基板４１６側に凹むように薄肉部４０２Ａに歪みが生じる。すなわち薄膜圧電素子４１４に電圧が印加されることにより、半導体圧力センサ４００は、基準圧力室４１８の内部の圧力と外気圧との間に圧力差が発生した状態を擬似的に発生させることができる。
【０１１０】
薄肉部４０２Ａ全体を均一に歪ませるために、薄膜圧電素子４１４は、薄肉領域４０２の中心４０２Ｃに向かう方向に長手軸を有する細長形状を有することが望ましい。また、図１に示した拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２から離間して薄膜圧電素子４１４を配置するならば、薄膜圧電素子４１４の形状は略長方形でもよいし、略楕円形でもよい。これは本明細書中の他の実施形態についても同様である。
【０１１１】
半導体圧力センサ４００の自己診断時、薄膜圧電素子４１４への電圧印加前後でのセンサ出力の差が診断基準電圧から所定の範囲内であれば、半導体圧力センサ４００に破損が生じていないと判断される。破損が生じていないことが予め判っている半導体圧力センサについて、薄膜圧電素子への電圧印加前後のセンサ出力に基づいて診断基準電圧を設定すればよい。なお、この実施形態では薄膜圧電素子４１４への電圧印加前後のセンサ出力差を診断基準電圧として採用しているが、電圧印加後のセンサ出力を診断基準電圧として採用することもできる。これは本明細書中の他の実施形態についても同様である。
【０１１２】
図９は、薄膜圧電素子４１４への印加電圧を変化させた時の、薄肉領域４０２中心の変位量の例をプロットした図である。図９に一例が示されるように、薄膜圧電素子４１４に電圧が印加された際の薄肉領域４０２の変位量は、通常、ヒステリシス特性を有する。このため、半導体圧力センサの自己診断を行なう前には、薄膜圧電素子４１４に予期しない電圧が印加されないようにする等の注意が必要である。薄肉領域４０２の変位量は、たとえば薄膜圧電素子４１４の材料、厚さ、形状等によって異なる。
【０１１３】
上記した方法以外に、薄膜圧電素子４１４に交流電圧を印加して薄肉領域４０２を振動させることによって、半導体圧力センサ４００の自己診断を行なうこともできる。この場合、薄膜圧電素子４１４に交流電圧が印加された際における半導体圧力センサ４００の出力波形に基づいてセンサの自己診断が行なわれる。
【０１１４】
図１０は、図１に示した半導体圧力センサ４００における、拡散抵抗４０６、４０８、４１０、４１２、および薄膜圧電素子４１４の配線パターンの一例を示した図である。図１０を参照して、金属配線４２０は実線で示され、不純物の拡散により形成される拡散配線４２２は点線で示される。参照符号４２４、４２６、４２８、４３０、４３４、および４３８はボンディングパッドを指している。
【０１１５】
金属配線４２０と半導体基板４０１との熱膨張率の違いによる薄肉領域４０２の歪みを軽減するために、薄肉領域４０２上の配線には拡散配線を用いることが望ましい。拡散配線４２２は、半導体基板４０１の選択領域に高濃度の不純物を注入することにより形成される。
【０１１６】
ボンディングパッド４２６および４３０（またはボンディングパッド４２４および４２８）の間には、基準電圧として例えば５Ｖの電圧が印加される。ボンディングパッド４２４および４２８（またはボンディングパッド４２６および４３０）の間の電圧が半導体圧力センサの出力となる。ボンディングパッド４２４および４２８は図示しない増幅回路に接続されていてもよい。これは本明細書中の他の実施形態についても同様である。
【０１１７】
ボンディングパッド４２４とボンディングパッド４２８との間のオフセット電圧を無くすために、拡散抵抗４０６および４０８の抵抗比と、拡散抵抗４１２および４１０の抵抗比とは同一であることが望ましい。各抵抗値は半導体圧力センサ４００の構成に応じて所定の値に設定される。また、拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２の抵抗値を全て同一の値としてもよい。これは本明細書中の他の実施形態についても同様である。
【０１１８】
拡散抵抗４０６および拡散抵抗４１０の抵抗値は、薄肉領域４０２の歪みが大きくなるほど減少する。一方、拡散抵抗４０８および拡散抵抗４１２の抵抗値は、薄肉領域４０２の歪みが大きくなるほど増大する。このため、ボンディングパッド４２４および４２８の間には、薄肉領域４０２の歪み量に応じた電圧が生じる。
【０１１９】
ボンディングパッド４３８は薄膜圧電素子４１４の下部電極層４１４Ａに接続される。ボンディングパッド４３４は薄膜圧電素子４１４の上部電極層（図６において符号４１４Ｃにより示される）に接続される。ボンディングパッド４３８および４３４の間に電圧を印加することにより、薄肉領域４０２に意図的に歪みを生じさせることができる。
【０１２０】
半導体圧力センサ４００の自己診断時、薄膜圧電素子４１４への電圧印加前後におけるボンディングパッド４２４および４２８間の出力電圧の差が、診断基準電圧から所定の範囲内であればダイアフラムの破損が無いと判断される一方、診断基準電圧から所定の範囲外であればダイアフラムの破損有りと判断される。
【０１２１】
図５および図１０において、薄肉領域４０２の形状が略正方形として示される。しかし薄肉領域４０２の形状は特に限定されるものではない。図１１に示されるように、薄肉領域４０２の主表面の形状は、例えば略円形でもよい。これは本明細書の他の実施形態についても同様である。
【０１２２】
薄肉領域４０２の形状が略正方形である場合には、薄肉部に歪みが生じた際に薄肉領域４０２の各辺の中点近傍が、薄肉領域４０２の頂点近傍と比較して大きく変形する。薄肉領域の各辺の中点近傍に拡散抵抗を配置することによって、薄肉領域の形状を略円形とした場合と比較して半導体圧力センサの感度を向上することができる。この場合、薄膜圧電素子は拡散抵抗と離間した位置、たとえば薄肉領域の対角線上に配置すればよい。
【０１２３】
一方、薄肉領域４０２の形状が略円形である場合には、薄肉領域４０２に歪みが生じた際における薄肉領域４０２の円周上での変形量がほぼ同一となる。このため拡散抵抗の配置における自由度が高まる。
【０１２４】
図１０に示す半導体圧力センサ４００の構成によれば、薄膜圧電素子４１４が薄肉領域４０２内にのみ形成される。このため、薄膜圧電素子４１４の下部電極および上部電極の配線（金属配線４３２および４３６）が拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２のブリッジ回路を横切ることになる。この場合、ブリッジ回路の金属配線４２０と薄膜圧電素子４１４の金属配線４３２および４３６とを互いに別の階層の金属配線で形成する等の工夫が必要になる。このために半導体圧力センサの配線に制約が生ずる可能性がある。このような課題を解決可能な半導体圧力センサが、第２の実施の形態で説明される。
【０１２５】
［第２の実施の形態］
図１２は、本発明の第２の実施の形態にかかる半導体圧力センサ５００の上面図である。図１２を参照して、半導体圧力センサ５００は、薄膜圧電素子４１４に代えて薄膜圧電素子５０２を備える。薄膜圧電素子５０２はブリッジ回路の金属配線４２０を横切って厚肉領域４０４まで延びる。この点において、半導体圧力センサ５００の構成は、図１０に示した構成と異なる。薄膜圧電素子５０２は金属配線５０４とは電気的に絶縁された別の階層に形成される。これは、本明細書における他の実施形態についても同様である。本発明における半導体圧力センサの製造方法については後述する。
【０１２６】
薄膜圧電素子５０２は、下部電極層５０２Ａと、圧電層と、上部電極層とを有する。下部電極層５０２Ａは、金属配線を介してボンディングパッド５１８に接続される。薄膜圧電素子５０２の上部電極層は、金属配線を介してボンディングパッド５１６に接続される。本構成によれば、薄膜圧電素子５０２の下部電極または上部電極に接続される金属配線をブリッジ回路の外側に配置することができる。これにより、半導体圧力センサ５００の金属配線を一層のみの配線によって形成できるとともに、ブリッジ回路の金属配線４２０のレイアウトの自由度が高まる。
【０１２７】
半導体圧力センサ５００のオフセット電圧、すなわち薄肉領域４０２に歪みが生じていない時の半導体圧力センサ５００の出力を０に設定する場合には、各ボンディングパッドから各拡散抵抗までの配線抵抗を同じ値とするために、金属配線４２０および拡散配線４２２の配線長を揃えることが望ましい。本実施の形態に係る半導体圧力センサ５００においては、薄膜圧電素子５０２が厚肉領域４０４上の任意の位置まで延びるように薄膜圧電素子５０２が配置される。これにより、薄膜圧電素子５０２の金属配線を任意の位置に配置できる。したがってボンディングパッド４２４、４２６、４２８、４３０、５１６、および５１８の配置、あるいはブリッジ回路の金属配線４２０および拡散配線４２２の配線長の調整が容易となる。
【０１２８】
さらに、薄膜圧電素子５０２が厚肉領域４０４の一部に固定される。このため、図１０に示された半導体圧力センサ４００と比較して、薄膜圧電素子５０２が薄肉領域４０２に及ぼす歪み量を安定させることができる。これにより自己診断の精度を高めることができる。
【０１２９】
図１３は、図１２に示した半導体圧力センサ５００の変形例を示した図である。図１３を参照して、半導体圧力センサ５３０は薄膜圧電素子５０２に代えて薄膜圧電素子５３２を有する。薄膜圧電素子５３２は、延設部５３２Ｘおよび５３２Ｙを有する。この点において、半導体圧力センサ５３０は図１２に示した半導体圧力センサ５００と異なる。延設部５３２Ｘおよび５３２Ｙは、薄肉領域４０２の外周に沿って延びるように厚肉領域４０４上に形成される。
【０１３０】
薄膜圧電素子５３２は、下部電極層５３２Ａと、圧電層と、上部電極層とを有する。下部電極層５３２Ａは、ボンディングパッド５１８に接続される。薄膜圧電素子５３２の上部電極層は、ボンディングパッド５１６に接続される。本構成によれば、薄膜圧電素子５３２が延設部５３２Ｘおよび延設部５３２Ｙによって厚肉領域４０４に固定されるので、薄膜圧電素子５３２が薄肉領域４０２に及ぼす歪み量をさらに安定させることができる。これにより自己診断の精度を高めることができる。
【０１３１】
図１４は、図１２に示した半導体圧力センサ５００の別の変形例を示した図である。図１４を参照して、半導体圧力センサ５５０は、薄膜圧電素子５０２に代えて薄膜圧電素子５５２を備える。薄膜圧電素子５５２は、薄肉領域４０２の外周を囲むように厚肉領域４０４上に形成される。この点において、半導体圧力センサ５５０は、図１２に示した半導体圧力センサ５００と異なる。薄膜圧電素子５５２は、薄肉領域４０２の外周を囲む部分として延設部５５４を有する。
【０１３２】
薄膜圧電素子５５２は、下部電極層５５２Ａと、圧電層と、上部電極層とを有する。下部電極層５５２Ａは、ボンディングパッド５１８に接続される。薄膜圧電素子５５２の上部電極層は、ボンディングパッド５１６に接続される。本構成によれば、薄膜圧電素子５５２が厚肉領域４０４に強固に固定されるので、薄膜圧電素子５５２が薄肉領域４０２に及ぼす歪み量をさらに安定させることができる。これにより自己診断の精度をさらに高めることができる。
【０１３３】
［第３の実施の形態］
図１５は、本発明の第３の実施の形態にかかる半導体圧力センサ６００の上面図である。図１５を参照して、半導体圧力センサ６００は、薄肉領域４０２上に設けられた複数の薄膜圧電素子６０２、６０４、６０６、および６０８を備える。この点において、半導体圧力センサ６００は、図１０に示した半導体圧力センサ４００と異なる。
【０１３４】
拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２は、薄肉領域４０２に歪みが生じた時の変形量が大きい位置、すなわち薄肉領域４０２の各辺の中点近傍に設けられる。
【０１３５】
薄膜圧電素子６０２、６０４、６０６、および６０８は、拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２から離れた位置、たとえば薄肉領域４０２の対角線上に設けられる。薄膜圧電素子６０２、６０４、６０６、および６０８は拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２から所定距離離れていれば良く、薄膜圧電素子を設ける位置は薄肉領域４０２の対角線上に限定されない。ただし拡散抵抗の予期しない歪みを最小とするために、各薄膜圧電素子は、薄肉領域の外周に沿って隣り合った２つの拡散抵抗の中間に配置することが望ましい。
【０１３６】
薄膜圧電素子６０２は、下部電極層６０２Ａと、圧電層と、上部電極層とを有する。下部電極層６０２Ａは、ボンディングパッド６１０に接続される。薄膜圧電素子６０２の上部電極層は、ボンディングパッド６１２に接続される。
【０１３７】
薄膜圧電素子６０４は、下部電極層６０４Ａと、圧電層と、上部電極層とを有する。下部電極層６０４Ａは、ボンディングパッド６１４に接続される。薄膜圧電素子６０４の上部電極層は、ボンディングパッド６１６に接続される。
【０１３８】
薄膜圧電素子６０６は、下部電極層６０６Ａと、圧電層と、上部電極層とを有する。下部電極層６０６Ａは、ボンディングパッド６１８に接続される。薄膜圧電素子６０４の上部電極層は、ボンディングパッド６２０に接続される。
【０１３９】
薄膜圧電素子６０８は、下部電極層６０８Ａと、圧電層と、上部電極層とを有する。下部電極層６０８Ａは、ボンディングパッド６２２に接続される。薄膜圧電素子６０８の上部電極層は、ボンディングパッド６２４に接続される。
【０１４０】
本構成によれば、自己診断時、薄膜圧電素子６０２、６０４、６０６、および６０８が協働して薄肉領域４０２に歪みを付与する。このため、薄膜圧電素子６０２、６０４、６０６、および６０８に同じ電圧を印加すれば、薄肉領域４０２全体に均一な歪みを付与することができる。これにより、自己診断の精度を高めることができる。
【０１４１】
図１６は、図１５に示した半導体圧力センサ６００の変形例を示した図である。図１６を参照して、半導体圧力センサ６３０は、薄膜圧電素子６３２，６３４，６３６，６３８を備える。薄膜圧電素子６３２，６３４，６３６，６３８は、薄肉領域４０２の対角線上に設けられるとともに、薄肉領域４０２の中心４０２Ｃ近傍で互いに結合される。この点において半導体圧力センサ６３０は、図１５に示した半導体圧力センサ６００と異なる。
【０１４２】
下部電極層６３６Ａは、薄膜圧電素子６３２，６３４，６３６，６３８に共通の下部電極層である。下部電極層６３６Ａは、ボンディングパッド６４０に結合される。同様に、薄膜圧電素子６３２，６３４，６３６，６３８に共通の上部電極層がボンディングパッド６４２に接続される。本構成によれば、薄膜圧電素子６３２〜６３８の上部電極の配線と、薄膜圧電素子６３２〜６３８の下部電極の配線とをそれぞれ１つずつ設ければよいため、半導体圧力センサ６３０の構成を簡便化することができる。
【０１４３】
［第４の実施の形態］
図１７は、本発明の第４の実施の形態にかかる半導体圧力センサ７００の上面図である。図１７を参照して、半導体圧力センサ７００は、薄膜圧電素子７０１を備える。薄膜圧電素子７０１は、薄膜圧電素子７０２、７０４、７０６、および７０８と、延設部７１０Ａ、７１０Ｂ、７１０Ｃ、および７１０Ｄとを備える。薄膜圧電素子７０２、７０４、７０６、および７０８は、薄肉領域４０２の対角線上に設けられる。延設部７１０Ａ、７１０Ｂ、７１０Ｃ、および７１０Ｄは厚肉領域４０４上に配置される。薄膜圧電素子７０２、７０４、７０６、および７０８は、延設部７１０Ａ、７１０Ｂ、７１０Ｃ、および７１０Ｄによって互いに結合される。この点において、半導体圧力センサ７００は、図１５に示した半導体圧力センサ６００と異なる。
【０１４４】
薄膜圧電素子７０１はさらに延設部７１０Ｅ、または７１０Ｆによってボンディングパッド７１６Ｆ、または７１６Ａ近傍まで延設されている。ボンディングパッド７１６Ａ、７１６Ｂ、７１６Ｃ、７１６Ｄ、７１６Ｅ、および７１６Ｆと、薄膜圧電素子７０１とは電気的に絶縁された別の階層に形成される。半導体圧力センサ７００の製造方法については後述する。延設部７１０Ｅ、７１０Ｆはボンディングパッド直下まで延設されていてもよい。
【０１４５】
薄膜圧電素子７０２、７０４、７０６、および７０８が厚肉領域上の延設部７１０Ａ、７１０Ｂ、７１０Ｃ、および７１０Ｄにより互いに結合されている。このため薄膜圧電素子７０１の上部電極層および薄膜圧電素子７０１の下部電極層７０１Ａの配線をそれぞれ１つずつ設ければよい。薄膜圧電素子７０１の上部電極層は、ボンディングパッド７１６Ａに接続される。薄膜圧電素子７０１の下部電極層７０１Ａは、ボンディングパッド７１６Ｆに接続される。
【０１４６】
薄膜圧電素子７０１は厚肉領域４０４上で延設部７１０Ａ、７１０Ｂ、７１０Ｃ、および７１０Ｄによって固定される。このため薄膜圧電素子７０１が薄肉領域４０２に及ぼす歪み量を安定させることができる。これにより自己診断の精度を高めることができる。
【０１４７】
さらに、薄膜圧電素子７０１は延設部７１０Ｅ、または７１０Ｆによってボンディングパッド７１６Ａまたは７１６Ｆの近傍まで延びている。このため、薄膜圧電素子７０１の金属配線を短くすることができる。これにより、拡散抵抗４０６、４０８、４１０、および４１２を接続するブリッジ回路の金属配線７１２を配置するために使用できるスペースが広くなるので、金属配線７１２による配線抵抗の調整が容易となる。延設部７１０Ｆ、または７１０Ｅはボンディングパッド７１６Ｆ、または７１６Ａ直下まで延設されていてもよい。
【０１４８】
図１７に示されるように、ボンディングパッド７１６Ａ、７１６Ｂ、７１６Ｃ、７１６Ｄ、７１６Ｅ、および７１６Ｆは半導体基板４０１の一辺に並んで設けられる。このような構成によって、ボンディングパッドへワイヤボンディングを行なう際の利便性が向上する。
【０１４９】
図１７では、金属配線７１２が実線で示されるとともに、拡散配線７１４が破線で示される。拡散抵抗４０６は、金属配線７１２および拡散配線７１４によってボンディングパッド７１６Ｂおよび７１６Ｅに接続される。拡散抵抗４０８は、金属配線７１２および拡散配線７１４によってボンディングパッド７１６Ｄおよび７１６Ｅに接続される。拡散抵抗４１０は、金属配線７１２および拡散配線７１４によってボンディングパッド７１６Ｃおよび７１６Ｄに接続される。拡散抵抗４１２は、金属配線７１２および拡散配線７１４によってボンディングパッド７１６Ｂおよび７１６Ｃに接続される。半導体圧力センサ７００のオフセット電圧を無くすために、金属配線７１２および拡散配線７１４の長さを各拡散抵抗の間で互いに等しくすることが望ましい。
【０１５０】
図１８は、オフセット電圧を０に設定可能な金属配線および拡散配線の例を示した図である。図１８を参照して、半導体圧力センサ７２０において、拡散抵抗４０６，４０８，４１０，４１２の各々をボンディングパッドに接続する金属配線７２２および拡散配線７２４の長さは、互いに等しい。これにより配線抵抗の抵抗値を互いに等しくすることができる。この点において、半導体圧力センサ７２０は、図１７に示した半導体圧力センサ７００と異なる。
【０１５１】
図１９は、図１７に示した半導体圧力センサ７００の他の変形例を示した図である。図１９を参照して、薄膜圧電素子７０２，７０４，７０６，７０８は、薄肉領域４０２の対角線上に設けられるとともに薄肉領域４０２の中心４０２Ｃ近傍で互いに結合される。この点において、半導体圧力センサ７３０は、図１７に示した半導体圧力センサ７００と異なる。このような構成によって、薄膜圧電素子７０１が薄肉領域４０２に付与する歪み量を大きくすることができる。これにより薄膜圧電素子７０１に印加する電圧が低くても自己診断が可能となる。
【０１５２】
図２０は、図１７に示した半導体圧力センサ７００のさらに別の変形例を示した図である。図２０を参照して、半導体圧力センサ７８０は薄膜圧電素子７８２を有する。薄膜圧電素子７８２はスリット部７８４を有する。この点において半導体圧力センサ７８０は図１７に示した半導体圧力センサ７００と異なる。
【０１５３】
薄膜圧電素子７８２にスリット部７８４を設けることにより、薄膜圧電素子７８２と半導体基板４０１との接触面積が小さくなる。これにより、薄膜圧電素子７８２と半導体基板４０１の熱膨張率の違いにより生ずる、半導体基板４０１の予期しない歪みを軽減することができる。
【０１５４】
本発明の各実施の形態について、半導体圧力センサの歪みゲージ抵抗として拡散抵抗を用いたが、歪みゲージ抵抗は拡散抵抗でなくても良い。例えば、セラミックス複合材料あるいはカーボンナノチューブ複合材料を半導体基板上に形成したものであってもよい。
【０１５５】
本発明の各実施の形態について、半導体圧力センサの歪みゲージ抵抗として４つの拡散抵抗を用いる例を示したが、拡散抵抗の数は４つでなくてもよい。半導体圧力センサに要求される感度で薄肉領域の歪み量を測定できるのであれば、拡散抵抗の数は１つであってもよい。
【０１５６】
本発明の各実施の形態について、半導体圧力センサの半導体基板の一主面にトランジスタやダイオード等の回路素子を形成することもできる。
【０１５７】
［本発明の実施形態に係る半導体圧力センサの製造方法］
次に、上記の実施形態に係る半導体圧力センサの製造方法について図２１〜図２７を用いて説明する。なお作図および説明の都合上、各領域の膜厚および幅の比率は必ずしも正確ではない。
【０１５８】
半導体圧力センサ８００に含まれる拡散抵抗を形成するために、たとえばＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）法が用いられる。
【０１５９】
図２１は、本発明に係る製造方法の第１工程を示す図である。図２１を参照して、まず、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板８０２を用意する。ＳＯＩ基板８０２は、一主面Ｓｉ（Ｓｉｌｉｃｏｎ）層８０４と、埋込酸化膜層８０６と、他主面Ｓｉ層８０８とを有する。ＳＯＩ基板８０２の一主面（一主面Ｓｉ層８０４の表面）を保護するために、パッド酸化膜８１０およびＳｉＮ膜８１２を形成する。ＳＯＩ基板８０２は、例えば、２枚の半導体基板によって形成される。２枚の半導体基板の各々の貼り合わせ界面を、研削および研磨して鏡面仕上げし、その後に、熱酸化により２枚の半導体基板を接合する。これによりＳＯＩ基板が形成される。ＳｉＮ膜８１２は、例えばＣＶＤ法（化学気相成長法）により形成する。
【０１６０】
一主面Ｓｉ層８０４は第１の導電型を有する。以下、一主面Ｓｉ層はｎ型半導体として説明するが、一主面Ｓｉ層８０４がｐ型半導体であってもよい。
【０１６１】
ＳｉＮ膜８１２上のアクティブ領域８１３にはレジスト８１４が塗布される。アクティブ領域８１３とは後に拡散抵抗が形成される領域である。その後、ＳｉＮ膜８１２のエッチングを行ない、レジスト８１４が塗布されていない領域のＳｉＮ膜８１２が除去される。
【０１６２】
図２２は、本発明に係る製造方法の第２工程を示す図である。図２２を参照して、ＳｉＮ膜８１２のエッチングを行った後、レジスト８１４を除去する。次に、ウェット酸化法やパイロジェニック法によりフィールド酸化膜８１６を形成する。さらにアクティブ領域８１３のＳｉＮ膜８１２およびパッド酸化膜８１０を除去する。
【０１６３】
その後、アクティブ領域８１３には例えばボロン等の不純物が注入され、拡散抵抗８１８が形成される。フィールド酸化膜８１６は拡散抵抗８１８の形成後に除去される。
【０１６４】
図２３は、本発明に係る製造方法の第３工程を示す図である。図２３を参照して、拡散抵抗８１８の形成後に、拡散抵抗８１８に隣接して、拡散抵抗８１８と同じ導電型を有する不純物が注入された拡散配線８２０Ａ、８２０Ｂが形成される。拡散配線８２０Ａ、８２０Ｂの不純物濃度が拡散抵抗８１８の不純物濃度より高くなるように、拡散抵抗８１８に隣接した領域に、高濃度の不純物が注入される。その後、第１の層間絶縁膜８２２が形成される。第１の層間絶縁膜８２２としては例えば、リンやボロン等の不純物を含まないシリコン酸化物であるＮＳＧ（Ｎｏｎｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）膜が用いられる。なお、本明細書に記載の製造方法では、ＮＳＧ膜をＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）膜あるいはＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）膜に代用することもできる。
【０１６５】
図２４は、本発明に係る製造方法の第４工程を示す図である。図２４を参照して、第１の層間絶縁膜８２２上に下部電極層８２４、圧電層８２６、および上部電極層８２８が形成される。
【０１６６】
下部電極層８２４、圧電層８２６、上部電極層８２８は例えばスパッタ法により形成される。下部電極層８２４の材料としては白金あるいはチタンが用いられる。下部電極層８２４の膜厚は、白金の場合には例えば１７５０Åに設定され、チタンの場合には例えば２００Åに設定される。
【０１６７】
圧電層８２６の材料としては例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が用いられる。圧電層８２６の膜厚は例えば１００００Åに設定される。
【０１６８】
上部電極層８２８の材料としては例えばイリジウムあるいは酸化イリジウムが用いられる。上部電極層８２８の膜厚は、イリジウムの場合には例えば１０００Åに設定され、酸化イリジウムの場合には例えば８００Åに設定される。
【０１６９】
下部電極層８２４、圧電層８２６、上部電極層８２８の膜厚は上記したものに限定されない。下部電極層８２４、上部電極層８２８の膜厚は、後述するコンタクトホール形成時に、コンタクトホールが各電極層を貫通しないような範囲で設定すればよい。
【０１７０】
図２５は、本発明に係る製造方法の第５工程を示す図である。図２５を参照して、下部電極層８２４、圧電層８２６、および上部電極層８２８を選択的にエッチングすることにより、薄膜圧電素子の所定のパターンが形成される。この時、下部電極層８２４、圧電層８２６、および上部電極層８２８が拡散抵抗８１８と重ならないように、パターンが形成される。
【０１７１】
図２６は、本発明に係る製造方法の第６工程を示す図である。図２６を参照して、下部電極層８２４、圧電層８２６、および上部電極層８２８のエッチング後、第２の層間絶縁膜８３０が形成される。さらに第２の層間絶縁膜８３０には、拡散配線８２０Ａに至るコンタクトホール８３２Ａ、拡散配線８２０Ｂに至るコンタクトホール、上部電極層８２８に至るコンタクトホール８３２Ｂ、および下部電極層８２４に至るコンタクトホール８３２Ｃが形成される。図示の都合上、拡散配線８２０Ｂに至るコンタクトホールは図２６には示されていない。
【０１７２】
下部電極層８２４に至るコンタクトホール８３２Ｃと、上部電極層８２８に至るコンタクトホール８３２Ｂとは第２の層間絶縁膜８３０のエッチングによって同時に形成される。この時、圧電層８２６の膜厚が大きすぎると、コンタクトホール８３２Ｂの深さとコンタクトホール８３２Ｃの深さとが大きく異なる。このため、上部電極層８２８がエッチング液に長時間曝される。
【０１７３】
さらに、自己診断機能を果たすために、圧電層８２６の膜厚は所定の厚みを確保しなければならない。したがって、圧電層８２６の膜厚は０．０１μｍ以上５μｍ以下とすることが望ましい。
【０１７４】
図２７は、本発明に係る製造方法の第７工程を示す図である。図２７を参照して、コンタクトホール８３２Ａ、８３２Ｂ、８３２Ｃおよび第２の層間絶縁膜８３０上には金属配線８３４Ａ、８３４Ｂ、８３４Ｃが形成される。金属配線８３４Ａ、８３４Ｂ、８３４Ｃの主成分は、例えばアルミニウムあるいは銅等である。
【０１７５】
金属配線の８３４Ａ、８３４Ｂ、８３４Ｃの形成後に半導体圧力センサ８００の一主面を保護するためのパッシベーション膜８３６が形成される。パッシベーション膜８３６としては例えばＳｉＮ膜が用いられる。
【０１７６】
パッシベーション膜８３６の一部には、ボンディングパッド８３８を形成するための開孔部が形成される。
【０１７７】
次に、他主面Ｓｉ層８０８および埋込酸化膜層８０６の一部がエッチングされる。これによりダイアフラムが形成される。
【０１７８】
埋込酸化膜層８０６のエッチングの後、他主面Ｓｉ層８０８の底部にはガラス基板８４２が接合される。ガラス基板８４２と他主面Ｓｉ層８０８との接合は真空中で行なわれる。これにより一主面Ｓｉ層８０４とガラス基板８４２との間に形成される基準圧力室８４０の内部は真空とされる。
【０１７９】
以上、本発明に係る半導体圧力センサの製造方法について説明した。本製造方法によれば、従来の半導体装置製造プロセスを利用して半導体圧力センサを製造することができる。
【０１８０】
下部電極層８２４、圧電層８２６、および上部電極層８２８は、金属配線８３４Ａ、８３４Ｂ、および８３４Ｃとは電気的に絶縁された別の階層に形成される。このため、半導体圧力センサにおける、金属配線および薄膜圧電素子の配置、形状の自由度を高めることができる。
【０１８１】
さらに、圧電層８２６の膜厚を０．０１μｍ以上５μｍ以下とすれば、下部電極層８２４および上部電極層８２８に至るコンタクトホールを同時に形成することが可能となる。これにより半導体圧力センサの製造時間を短縮することができる。
【０１８２】
［第５の実施の形態］
図２８は、本発明の第５の実施の形態に係るセンサの構成を概略的に示す平面図である。なお、図１〜図４に示された要素と同一または対応する要素には、同一の符号が付されている。さらに、以後の説明においても、図１〜図４に示された要素が参照される。
【０１８３】
図２８を参照して、センサ１は、ダイアフラム７およびダイアフラム７の外縁部を支持するための支持部８とを含むシリコン基板６を備える。センサ１は、さらに、抵抗ブリッジＢ１〜Ｂ４を備える。抵抗ブリッジＢ１〜Ｂ４の各々は、シリコン基板６の主表面６Ａに配置された複数の抵抗素子を含む。
【０１８４】
抵抗ブリッジＢ１〜Ｂ４の各々は４つの抵抗素子を含む。具体的には、抵抗ブリッジＢ１は、抵抗素子１１Ａ，１２Ａ，１３Ａ，１４Ａを含む。抵抗ブリッジＢ２は、抵抗素子１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂを含む。抵抗ブリッジＢ３は、抵抗素子１１Ｃ，１２Ｃ，１３Ｃ，１４Ｃを含む。抵抗ブリッジＢ４は、抵抗素子１１Ｄ，１２Ｄ，１３Ｄ，１４Ｄを含む。後に詳細に説明するように、４つの抵抗素子は、ホイートストンブリッジを構成する。各抵抗素子は、圧力に応じてその抵抗値を変化させる抵抗素子であり、たとえばピエゾ素子である。なお、実施の形態１〜４と同じく、抵抗素子に拡散抵抗を用いることもできる。
【０１８５】
１つの抵抗ブリッジに含まれる４つの抵抗素子は、ダイアフラム７と支持部８との境界７Ａの一部を含む主表面６Ａの一部の領域に集合的に配置される。具体的には、抵抗素子１１Ａ〜１４Ａは、境界７Ａの一部を含む領域６Ａ１に配置される。抵抗素子１１Ｂ〜１４Ｂは、境界７Ａの一部を含む領域６Ａ２に配置される。抵抗素子１１Ｃ〜１４Ｃは、境界７Ａの一部を含む領域６Ａ３に配置される。抵抗素子１１Ｄ〜１４Ｄは、境界７Ａの一部を含む領域６Ａ４に配置される。
【０１８６】
抵抗ブリッジＢ１，Ｂ３は互いに対向するようにシリコン基板６の主表面６Ａに配置される。同様に、抵抗ブリッジＢ２，Ｂ４は、互いに対向するようにシリコン基板６の主表面６Ａに配置される。図５に示す直線Ｘ，Ｙは、ダイアフラム７の中心点Ｏを通り、互いに直交する直線である。抵抗ブリッジＢ１，Ｂ３は直線Ｘ上に配置される。抵抗ブリッジＢ２，Ｂ４は直線Ｙ上に配置される。したがって、抵抗ブリッジＢ１〜Ｂ４は、点Ｏを中心として、シリコン基板６の主表面６Ａに等方的に配置される。
【０１８７】
この実施の形態では、抵抗ブリッジの個数は、複数であれば特に限定されない。ただし、抵抗ブリッジの個数が多くなるほど、各ブリッジに一定の電圧を印加したときに複数の抵抗ブリッジ全体での消費電力が大きくなる。一方、複数の抵抗ブリッジ全体に流れる電流を一定に制御する場合、抵抗ブリッジの個数が多くなるほど１つのブリッジを流れる電流が小さくなる。このため、ダイアフラム７に印加される圧力に対する抵抗ブリッジの出力電圧の変化が小さくなる。
【０１８８】
抵抗ブリッジの個数は、たとえば上述の観点から定められる。たとえば図２８に示したように、４つの抵抗ブリッジが半導体基板の主表面上に配置される。さらに複数の抵抗ブリッジは、シリコン基板６の主表面６Ａ上に等方的に配置されることが好ましい。
【０１８９】
図２９は、図２８に示したシリコン基板６の主表面６Ａ上の位置に対する応力の関係を示した図である。図２９を参照して、グラフの横軸は、図２８に示した直線Ｘ上の位置を示す。位置ｘ0は、シリコン基板６の一方端（たとえば紙面左側に位置するシリコン基板６の端部）の位置である。位置ｘ1は、直線Ｘと境界７Ａとの第１の交点（直線Ｙに対して紙面左側に位置する交点）の位置に対応する。位置ｘ2は、ダイアフラム７の中心点Ｏの位置に対応する。位置ｘ3は、直線Ｘと境界７Ａとの第２の交点（直線Ｙに対して紙面右側に位置する交点）の位置に対応する。位置ｘ4は、シリコン基板６の他方端（たとえば紙面右側に位置するシリコン基板６の端部）の位置を示す。
【０１９０】
図２９に示すように、ダイアフラム７に働く応力は、ダイアフラム７の外縁部において最も大きくなる。ダイアフラム７に印加する圧力によって、ダイアフラム７の外縁部に作用する応力が大きく変化する。抵抗ブリッジを構成する４つの抵抗素子はダイアフラム７の外縁部に配置される。したがって、ダイアフラム７に印加される圧力により、各抵抗素子の抵抗値を大きく変化させることができる。
【０１９１】
図３０は、図２８に示した抵抗ブリッジＢ１〜Ｂ４の回路図である。図３０を参照して、この実施の形態では、電気的に並列に接続された４つの抵抗ブリッジＢ１〜Ｂ４が半導体基板の主表面に設けられる。
【０１９２】
抵抗ブリッジＢ１〜Ｂ４の各々はホイートストンブリッジである。抵抗ブリッジＢ１〜Ｂ４の構成は互いに同様であるので、抵抗ブリッジＢ１の構成を代表的に説明する。
【０１９３】
抵抗ブリッジＢ１は、抵抗素子１１Ａ〜１４Ａを含む。抵抗素子１１Ａ，１３Ａは、電極１６Ａと電極１６Ｄとの間に直列に接続される。同様に、抵抗素子１２Ａ，１４Ａは、電極１６Ａと電極１６Ｄとの間に直列に接続される。電圧Ｖｂｉａｓが電極１６Ａに印加される。電極１６Ｄは接地される。抵抗素子１１Ａ，１３Ａの接続点は、電極１６Ｂに接続される。抵抗素子１２Ａ，１４Ａの接続点は、電極１６Ｃに接続される。電極１６Ａ〜１６Ｄは、たとえば配線５に接続されるためにシリコン基板６の主表面６Ａに形成されたボンディングパッドである。
【０１９４】
ダイアフラム７に圧力が印加されていない状態（すなわち真空状態）では、各抵抗素子１１Ａ〜１４Ａの抵抗値が互いに同じとなる。ダイアフラム７に印加される圧力の変化に対し、抵抗素子１１Ａ，１４Ａの抵抗値と抵抗素子１２Ａ，１３Ａの抵抗値とは互いに逆方向に変化する。抵抗ブリッジＢ２〜Ｂ４の各々についても同様に、ダイアフラム７に印加される圧力に応じて各ブリッジに含まれる４つの抵抗素子の各々の抵抗値が変化する。
【０１９５】
ダイアフラム７に圧力が印加されていない状態では、電極１６Ｂの電圧ＶＡ0および電極１６Ｃの電圧ＶＢ0はともに１／２Ｖｂｉａｓである。ダイアフラム７が加圧されて各ブリッジの抵抗素子の抵抗値が変化することにより、電圧ＶＡ0は１／２Ｖｂｉａｓから減少する一方で、電圧ＶＢ0は１／２Ｖｂｉａｓから増加する。
【０１９６】
図３１は、図２８に示した抵抗ブリッジＢ１を詳細に示した図である。抵抗ブリッジＢ２〜Ｂ４の各々の構成は、図３１に示される抵抗ブリッジＢ１の構成と同様である。
【０１９７】
図３１を参照して、抵抗ブリッジＢ１は、ダイアフラム７と支持部８との境界７Ａの一部を含む領域６Ａ１に配置された抵抗素子１１Ａ〜１４Ａを含む。抵抗素子１１Ａ，１２Ａは互いに隣接して配置される。抵抗素子１１Ａは配線１５Ａによって抵抗素子１２Ａに電気的に接続される。
【０１９８】
抵抗素子１１Ａ，１３Ａは互いに隣接して配置される。抵抗素子１１Ａは配線１５Ｂによって抵抗素子１３Ａに電気的に接続される。
【０１９９】
抵抗素子１２Ａ，１４Ａは互いに隣接して配置される。抵抗素子１２Ａは配線１５Ｃによって抵抗素子１４Ａに電気的に接続される。
【０２００】
互いに隣接して配置される２つの抵抗素子のうちの一方は、ダイアフラム７と支持部８との境界７Ａに平行する方向に沿って延在するようにシリコン基板６の主表面６Ａの領域６Ａ１に形成される。上記の２つの抵抗素子の他方は、境界７Ａと交差する方向に沿って延在するように領域６Ａ１に形成される。
【０２０１】
具体的に説明すると、抵抗素子１３Ａは、境界７Ａに平行な方向に沿って延在するようにシリコン基板６の主表面６Ａの領域６Ａ１に形成される。抵抗素子１１Ａは境界７Ａと交差する方向に沿って延在するように領域６Ａ１に形成される。同様の関係は、抵抗素子１１Ａ，１２Ａの間に成立するとともに、抵抗素子１２Ａ，１４Ａの間に成立する。
【０２０２】
図３１では、境界７Ａは直線で示される。図２８に示されるように、ダイアフラム７の輪郭が円形である場合には、その円の接線に沿って延在するように抵抗素子１２Ａ，１３Ａが形成されてもよい。
【０２０３】
互いに隣接して配置された２つの抵抗素子は、境界に対して異なる方向に沿って延在するように形成される。これによりダイアフラム７に印加される圧力に応じて、各々の抵抗値を互いに逆方向に変化させることができる。したがって複数の抵抗素子を抵抗ブリッジとして機能させることができる。
【０２０４】
図３２は、第５の実施の形態に係るセンサの比較例の構成を示した平面図である。図３２を参照して、センサ１Ａは、４つの抵抗素子１１〜１４を含む１つの抵抗ブリッジを備える。抵抗素子１１〜１４は、シリコン基板６の主表面６Ａ上に分散的に配置される。図３２に示した構成によれば、センサ１Ａの加工精度に起因する抵抗ブリッジの特性ばらつきが大きくなる可能性がある。
【０２０５】
図３３は、図３２に示したセンサ１Ａの製造の際に生じ得る課題を説明するための第１の図である。図３３を参照して、抵抗素子１１〜１４は、ダイアフラム７が形成されたシリコン基板６の主表面６Ａに形成される。なお、図３３では４つの抵抗素子のうち抵抗素子１１，１３のみを示す。
【０２０６】
主表面６Ａと反対側に位置する主表面６Ｂ（裏面）には、開口部６Ｃが形成される。主表面６Ｂにエッチング（異方性エッチングおよび等方性エッチングのいずれでもよい）を施すことによって、主表面６Ｂに開口部６Ｃが形成される。
【０２０７】
抵抗素子１１，１３は、ダイアフラム７と支持部８との境界７Ａと重なるように配置されることが好ましい。一般的には、シリコン基板６の主表面６Ａ上に抵抗素子が配置され、その後にダイアフラム７および支持部８が形成される。このため、主表面６Ｂの開口部６Ｃの位置が抵抗素子１１〜１４の主表面６Ａの位置に対してずれる可能性がある。位置のずれの程度は、センサの加工精度に依存する。ずれの程度が大きい場合、抵抗ブリッジの感度、すなわちダイアフラムに印加される圧力に対する電圧の変化の比がばらつく可能性がある。これによりセンサの検出精度が低下する。
【０２０８】
図３４は、図３２に示したセンサ１Ａの製造の際に生じ得る課題を説明するための第２の図である。図３４を参照して、シリコン基板６の主表面６Ｂから主表面６Ａへ向かう向きにシリコンがエッチングされる。シリコン基板６の内部はテーパ状に加工される。このため、抵抗素子１１〜１４の位置がダイアフラム７と支持部８との境界の位置に対してずれる可能性がある。
【０２０９】
図３１に戻り、この実施の形態では、抵抗ブリッジを構成する複数の抵抗素子が１つの領域に集合的に配置される。抵抗素子１１Ａ〜１４Ａは同種類の抵抗であり、同一の工程によって形成される。抵抗素子１１Ａ〜１４Ａが１つの領域に集合的に配置されることによって、抵抗素子１１Ａ〜１４Ａの間で特性（たとえば抵抗値、温度特性など）のばらつきが大きくなることを抑制できる。この結果、圧力がダイアフラムに印加されていない状態において抵抗ブリッジＢ１の平衡状態を得ることができる。
【０２１０】
複数のセンサの間では、抵抗素子の抵抗値が異なる場合が生じ得る。しかしながら１つの抵抗ブリッジに含まれる複数の抵抗素子の抵抗値のばらつきが小さい場合には、抵抗ブリッジの平衡状態を得ることができる。よって、複数のセンサの間における抵抗ブリッジの特性のばらつきを小さくすることができる。
【０２１１】
さらに、この実施の形態では、第１の抵抗素子と、その第１の抵抗素子と電気的に接続される第２の抵抗素子とが隣接して配置される。互いに電気的に接続される２つの抵抗素子を隣接して配置することによって、ダイアフラム７と支持部８との境界の位置ずれが生じても、２つの抵抗素子の抵抗値の変化の方向を互いに同じとすることができる。これにより、抵抗ブリッジの特性ばらつきを小さくすることができる。さらに２つの抵抗素子を接続するための配線を短くすることができる。
【０２１２】
さらに、この実施の形態では、センサは、電気的に並列に接続された複数の抵抗ブリッジを備える。抵抗ブリッジＢ１に対して境界７ＡがＸ，Ｙの少なくとも一方の方向にずれた場合、抵抗ブリッジＢ１〜Ｂ４の各々の特性が変動する。しかしながら、複数の抵抗ブリッジが電気的に並列に接続されることにより、１つの抵抗ブリッジの特性の変動が、他の抵抗ブリッジの特性の変動によって相殺される。この結果、複数のセンサの間における抵抗ブリッジの特性のばらつきを小さくすることができる。
【０２１３】
なお、第５の実施の形態では、ダイアフラム７すなわち薄肉領域の形状は円形に限定されるものではない。第１〜第４の実施の形態と同様に、ダイアフラム（薄肉領域）の形状が略正方形であってもよい。
【０２１４】
［第６の実施の形態］
この実施の形態は、半導体圧力センサから出力される信号を処理するための回路に関する。この信号処理回路は、上記の第１〜第５の実施形態に係る半導体圧力センサのいずれとも組み合わせることができる。
【０２１５】
図３５は、第６の実施の形態に係る信号処理回路の回路図である。図３５を参照して、抵抗素子１１〜１４は、ホイートストンブリッジを構成する。具体的に説明すると、抵抗素子１１，１２は、ノード２０と接地ノードとの間に直列に接続される。同様に、抵抗素子１３，１４は、ノード２０と接地ノードとの間に直列に接続される。電圧Ｖｂｉａｓがノード２０に印加される。抵抗素子１３，１４の接続点はノード２５に接続される。抵抗素子１１，１２の接続点はノード２６に接続される。抵抗素子１１〜１４は、たとえば図５に示した拡散抵抗４０６，４０８，４１０，４１２に対応する。あるいは、抵抗素子１１〜１４を図３０に示した抵抗ブリッジＢ１〜Ｂ４にそれぞれ置き換えてもよい。
【０２１６】
信号処理回路２は、増幅部２１と、演算部２２，２３とを備える。増幅部２１は、差動増幅器２１１，２１２と、抵抗２１３，２１４，２１５とを含む。
【０２１７】
差動増幅器２１１は、ノード２５に接続された非反転入力端子（記号「＋」により示す。以下も同様）と、抵抗２１３の一方端および抵抗２１４の一方端の両方に接続された反転入力端子（記号「−」により示す。以下も同様）と、ノード２７に接続された出力端子とを備える。抵抗２１４の他方端は、差動増幅器２１１の出力端子とともにノード２７に接続される。
【０２１８】
差動増幅器２１２は、ノード２６に接続された非反転入力端子と、抵抗２１３の他方端および抵抗２１５の一方端の両方に接続された反転入力端子と、ノード２８に接続された出力端子とを備える。抵抗２１５の他方端は、差動増幅器２１２の出力端子とともにノード２８に接続される。
【０２１９】
演算部２２は、差動増幅器２２１と、抵抗２２２〜２２５と、オフセット電源２２６と、駆動電源２２７とを含む。
【０２２０】
差動増幅器２２１は、駆動電源２２７から電源電圧ＶＤＤが供給されることにより動作する。抵抗２２２は、ノード２８と、差動増幅器２２１の反転入力端子との間に接続される。抵抗２２３は、差動増幅器２２１の反転入力端子と差動増幅器２２１の出力端子との間に接続される。抵抗２２４は、ノード２７と、差動増幅器２２１の非反転入力端子との間に接続される。抵抗２２５は、差動増幅器２２１の非反転入力端子とオフセット電源２２６との間に接続される。
【０２２１】
オフセット電源２２６は、電圧ＶＤＤを発生させる。図３５に示した構成では、オフセット電源２２６および駆動電源２２７は互いに別の電源として示されているが、これらは１つの電源に共通化されてもよい。
【０２２２】
演算部２３は、差動増幅器２３１と、抵抗２３２，２３３と、駆動電源２３４とを含む。差動増幅器２２１は、駆動電源２３４から電源電圧ＶＤＤが供給されることにより動作する。差動増幅器２２１は、ノード２９に接続された非反転入力端子と、抵抗２３２の一方端および抵抗２３３の一方端に接続された反転入力端子と、端子３０に接続された出力端子とを備える。抵抗２３３の他方端は、差動増幅器２３１の出力端子とともに端子３０に接続される。抵抗２３２，２３３の各々は可変抵抗である。したがって抵抗２３２，２３３の抵抗値は可変である。
【０２２３】
次に、信号処理回路２の動作について詳しく説明する。ノード２５における電圧ＶＡ0およびノード２６における電圧ＶＢ0は、抵抗素子１１〜１４の抵抗値の変化によって変化する。すなわちダイアフラム７に印加される圧力によって、電圧ＶＡ0およびＶＢ0が変化する。ダイアフラム７に圧力が印加されていない場合には、電圧ＶＡ0およびＶＢ0はともに１／２Ｖｂｉａｓである。圧力がダイアフラム７に印加されることにより、電圧ＶＡ0およびＶＢ0は、１／２Ｖｂｉａｓから変化する。
【０２２４】
図３６は、ダイアフラムに印加される圧力と、ホイートストンブリッジから出力される電圧との関係を示した図である。図３６を参照して、ダイアフラム７に印加される圧力がＰ0であるとき、電圧Ｖ（Ｐ）は１／２Ｖｂｉａｓである。圧力Ｐ0は基準圧力に等しい。
【０２２５】
ダイアフラム７に印加される圧力がＰ0から増加するに従って、電圧ＶＡ0は１／２Ｖｂｉａｓから低下する。一方で、電圧ＶＢ0は、ダイアフラム７に印加される圧力が増加するに従って１／２Ｖｂｉａｓより上昇する。圧力Ｐに対する電圧ＶＢ0の増加量と圧力Ｐに対する電圧ＶＡ0の減少量とは同じである。したがって、電圧ＶＢ0はＶＢ0＝１／２Ｖｂｉａｓ＋ΔＶ（Ｐ）と表わされ、電圧ＶＡ0は、ＶＡ0＝１／２Ｖｂｉａｓ−ΔＶ（Ｐ）と表わされる。ΔＶ（Ｐ）は圧力Ｐに応じて変化する。電圧ＶＢ0およびＶＡ0の間の差は２ΔＶ（Ｐ）である。電圧ＶＢ0およびＶＡ0の間の電圧差は、センサ１から出力される信号電圧に相当する。
【０２２６】
増幅部２１は、電圧ＶＢ0およびＶＡ0の間の差に対応する電圧を増幅する。増幅部２１の増幅度（利得）をαと表わす。増幅度αは抵抗２１３〜２１５の抵抗値に従って定められる。抵抗２１３の抵抗値をＲ1と示し、抵抗２１４，２１５の各々の抵抗値をＲ2と示す。増幅度αは、α＝Ｒ2／Ｒ1と表わされる。
【０２２７】
ノード２８における電圧ＶＢ1は、ＶＢ1＝１／２Ｖｂｉａｓ＋（１＋α）ΔＶ（Ｐ）と表わされる。一方、ノード２７における電圧ＶＡ1は、ＶＡ1＝１／２Ｖｂｉａｓ−（１＋α）ΔＶ（Ｐ）と表わされる。電圧ＶＢ0およびＶＡ0の間の差は２（１＋α）ΔＶ（Ｐ）である。すなわち、増幅部２１は、センサ１から出力される信号電圧を増幅して出力する。
【０２２８】
圧力Ｐ1は、センサ１によって検出される圧力の範囲の上限値である。この実施の形態では、センサ１の検出範囲は以下のように定められる。すなわち、検出範囲は、標準気圧（約１０１．３［ｋＰａ］）の値を含み、かつ、圧力Ｐ1が標準気圧の近傍に位置する。圧力Ｐ1の値は、たとえば１１０［ｋＰａ］である。この実施の形態では、圧力センサ装置１０がたとえば気圧センサとして使用される。よって、圧力センサ装置１０により実際に検出される圧力の範囲は、センサ１の検出範囲の上限値近傍の範囲となる。
【０２２９】
図３５に戻り、演算部２２は、電圧ＶＡ1およびＶＢ1に基づき、ダイアフラム７に印加された圧力に従って変化する電圧Ｖｏｕｔ１を生成する。具体的には、演算部２２は電圧ＶＡ1およびＶＢ1の間の差に比例する電圧を、オフセット電圧ＶＤＤから減算することによって、電圧Ｖｏｕｔ１を生成する。
【０２３０】
図３７は、ダイアフラムに印加される圧力と、信号処理回路２の演算部２２から出力される電圧Ｖｏｕｔ１との関係を示した図である。図３７を参照して、圧力Ｐ0における電圧Ｖｏｕｔ１はＶＤＤであり、圧力Ｐ1における電圧Ｖｏｕｔ１は０である。電圧Ｖｏｕｔ１の減少量は圧力の増加量に比例する。この実施の形態では、抵抗２２２，２２４の抵抗値はともにＲ3であり、抵抗２２３，２２５の抵抗値はいずれもＲ4である。電圧Ｖｏｕｔ１は、以下の式に従って表わされる。
【０２３１】
Ｖｏｕｔ１＝ＶＤＤ−Ｒ4／Ｒ3（ＶＢ1−ＶＡ1）
このように、本実施の形態ではオフセット電圧（ＶＤＤ）から、増幅部２１の出力電圧（ＶＢ1−ＶＡ1）に比例する電圧を減算することによって電圧Ｖｏｕｔ１を生成する。比例係数（Ｒ4／Ｒ3）は、圧力Ｐ1における電圧Ｖｏｕｔ１が０となるように定められる。
【０２３２】
電圧Ｖｏｕｔ１は圧力Ｐ1の近傍の領域では０付近の値となる。これにより、圧力Ｐ1の近傍の領域における圧力センサ装置の感度を高めることができる。本明細書では、「感度」とは、圧力の範囲に対する電圧の変化量の比を意味する。圧力の範囲がＰ0から圧力Ｐ1までの範囲である場合、圧力センサ装置の感度はＶＤＤ／（Ｐ1−Ｐ0）と表わされる。
【０２３３】
演算部２２は、増幅部２１から出力される電圧に対して所定の相関関係を有する電圧を生成するように構成される。「所定の相関関係」とは、演算部２２により生成される電圧が、増幅部２１から出力される電圧に基づいて一意的に定まるという関係である。したがって相関関係は比例関係に限定されない。
【０２３４】
再び図３５を参照して、演算部２３は、電圧Ｖｏｕｔ１を増幅することにより電圧Ｖｏｕｔ２を端子３０から出力する。抵抗２３２の抵抗値をＲ5と示し、抵抗２３３の抵抗値をＲ6と示す。電圧Ｖｏｕｔ２は以下の式に従って表わされる。
【０２３５】
Ｖｏｕｔ２＝（Ｒ5＋Ｒ6）／Ｒ5×Ｖｏｕｔ１
一般に、差動増幅器は、電源電圧よりも高い電圧を出力することができない。したがって、電圧Ｖｏｕｔ２の最大値はＶＤＤである。
【０２３６】
図３８は、ダイアフラムに印加される圧力と、信号処理回路２の演算部２３から出力される電圧Ｖｏｕｔ２との関係を示した図である。図３８を参照して、圧力Ｐ1′以下では電圧Ｖｏｕｔ２はＶＤＤである。圧力がＰ1′から増加するに従って、電圧Ｖｏｕｔ２は電圧ＶＤＤから低下する。電圧Ｖｏｕｔ２は、圧力Ｐ1において０である。
【０２３７】
演算部２３は電圧Ｖｏｕｔ２の変化率を電圧Ｖｏｕｔ１の変化率と異ならせる。ここで「変化率」とは、圧力の変化量に対する電圧の変化量の比の絶対値を意味する。より具体的には、演算部２３は電圧Ｖｏｕｔ２の変化率を電圧Ｖｏｕｔ１の変化率よりも大きくする。これにより検出範囲の上限値付近の領域において圧力センサ装置の検出感度が高められる。抵抗２３２，２３３はともに可変抵抗である。抵抗２３２，２３３の少なくとも一方の抵抗値を変化させることによって、電圧Ｖｏｕｔ２の変化率を変更できる。すなわち、感度を調節することができる。
【０２３８】
センサ（ダイアフラム）に印加される圧力が高くなるほど、その出力電圧が大きくなるように信号処理回路を構成する場合には、検出範囲の上限値付近の領域において圧力センサ装置の感度を高めることは容易ではない。この点について、第６の実施の形態に係る信号処理回路の比較例を示しながら説明する。
【０２３９】
図３９は、第６の実施の形態に係る信号処理回路の比較例の構成を示す回路図である。図３９を参照して、信号処理回路２５１は、演算部２２に代えて演算部３２を備える点、および、演算部２３を含まない点において信号処理回路２と異なる。抵抗２２２の一方端はノード２７に接続され、抵抗２２４の一方端はノード２８に接続される。この点において、演算部３２は演算部２２と異なる。さらに、演算部３２はオフセット電源２２６を含まない点、および、抵抗２２５の一端が接地される点において演算部２２と異なる。演算部３２は電圧Ｖｏｕｔを出力する。
【０２４０】
図４０は、ダイアフラムに印加される圧力と、信号処理回路２５１の演算部３２から出力される電圧Ｖｏｕｔとの関係を示す図である。図４０を参照して、電圧Ｖｏｕｔは圧力Ｐ0において０であり、かつ圧力に比例する。圧力Ｐ1において電圧ＶｏｕｔはＶＤＤである。図４０に示した構成によれば、圧力センサ装置の最大の感度は、ＶＤＤ／（Ｐ1−Ｐ0）である。圧力Ｐ1′から圧力Ｐ1までの範囲における圧力センサ装置の感度を上記の感度より高くすることはできない。
【０２４１】
圧力センサ装置の感度を高めるため、たとえば図３５に示した構成を有する演算部２３を図３９に示す演算部３２の出力に接続することが考えられる。しかしながら、図４０に示されるように、その上限値がＰ1′よりも小さい範囲の圧力に対して圧力センサ装置の感度が高くなる。一方、圧力Ｐ1′から圧力Ｐ1までの範囲では、Ｖｏｕｔが一定である。すなわち、この範囲における圧力センサ装置の感度が低下する。
【０２４２】
図４１は、圧力センサ装置１０に含まれるセンサ１の状態を模式的に示した断面図である。図４１を参照して、センサ１の内部の圧力（基準圧力）はＰ0である。この実施の形態では、センサ１の内部はほぼ真空である。よって圧力Ｐ0の値は、ほぼ０である。
【０２４３】
圧力（気圧）ＰはＰ0より高いため、ダイアフラム７はセンサ１の外側からの圧力によって変形する。一方、センサ１の周囲の環境も真空である場合、すなわちセンサ１に印加される圧力ＰがＰ0である場合、ダイアフラム７の歪みは発生しない。したがって、ダイアフラム７は、圧力Ｐにしたがって、実線の矢印および破線の矢印に示すように動く。
【０２４４】
図３９に示した構成によれば、圧力Ｐ＝Ｐ0であるときのダイアフラム７の状態に対応する電圧が圧力センサ装置１０の基準電圧である。すなわちセンサ１の内部の圧力と、センサ１の外部の圧力とが等しいときに、圧力センサ装置１０の出力電圧が基準電圧（０）になる。しかしながら圧力センサ装置を気圧センサとして用いる場合には、センサ１（ダイアフラム７）に印加される圧力ＰがＰ0近傍で変化する状況は発生しない。
【０２４５】
さらに、圧力Ｐ1′から圧力Ｐ1までの範囲において圧力センサ装置の出力電圧は上限（ＶＤＤ）に近い電圧となる。このため、図３９に示した構成によれば、上記の範囲において圧力センサ装置の感度を高めることが困難となる。
【０２４６】
この実施の形態では、圧力Ｐ＝Ｐ1であるときのダイアフラム７の状態に対応する電圧を圧力センサ装置１０の基準電圧とする。さらに、圧力Ｐによるダイアフラム７の状態の変化にともなって、圧力センサ装置の出力電圧を基準電圧より変化させる。これにより、圧力センサ装置の感度を、標準気圧を含む所望の領域において高くすることができる。
【０２４７】
図３７に示される電圧と圧力との関係は、たとえば図４１に示した構造と異なる構造を有するセンサを用いることによって得られることができる。図４２は、センサの検討例を模式的に示した断面図である。図４２を参照して、センサ１の内部の圧力は、センサ１の検出範囲の上限値（Ｐ1）に等しい。センサ１の周囲の気圧（圧力Ｐ）はセンサ１の内部の圧力Ｐ1より小さい。したがって、ダイアフラム７は半導体圧力センサ１の外側に向けて突出するように変形する。
【０２４８】
上述の説明と同様に、センサ１の内部の圧力と、センサ１の外部の圧力とが等しいときに、圧力センサ装置１０の出力電圧が基準電圧（０）になる。したがって、圧力Ｐ＝Ｐ1であるときに、圧力センサ装置１０の出力電圧が基準電圧になる。圧力Ｐは圧力Ｐ1よりも小さくなるように変化する。この結果、圧力センサ装置１０の出力電圧を図３７に示した関係に従って変化させることができる。
【０２４９】
しかしながら、半導体圧力センサ１の内部の圧力が正確にＰ1となるように半導体圧力センサ１を製造することは容易ではない。よって一般的には、図４１に示されるように、半導体圧力センサ１の内部は真空である。本実施の形態によれば、このような一般的な圧力センサを気圧センサとして使用する場合に、標準気圧を含む所望の領域における感度を高くすることができる。
【０２５０】
なお、この実施の形態に係る信号処理回路は図３５に示した構成を有するものと限定されない。以下に、本実施の形態に係る信号処理回路の変形例について説明する。
【０２５１】
図４３は、第６の実施の形態に係る信号処理回路の第１の変形例を示した図である。図４３を参照して、信号処理回路２Ａは、演算部２２に代えて演算部２２Ａを備える点において信号処理回路２と異なる。演算部２２Ａは、オフセット電源２２６に代えてオフセット電源２２６Ａを含む点において演算部２２と異なる。信号処理回路２Ａの他の部分の構成は、信号処理回路２の対応する部分の構成と同様である。
【０２５２】
オフセット電源２２６Ａは、オフセット電圧Ｖ１を発生させる。電圧Ｖ１は差動増幅器２２１の電源電圧ＶＤＤよりも低い電圧である。
【０２５３】
図４４は、図４３に示した演算部２２Ａから出力される電圧Ｖｏｕｔ１を説明するための図である。図４４を参照して、電圧Ｖｏｕｔ１は圧力Ｐ0においてＶ１であり、圧力Ｐ1において０となる。電圧Ｖｏｕｔ１は圧力に比例して低下する。なお、比例係数は、抵抗２２２，２２４の抵抗値Ｒ3と抵抗２２３，２２５の抵抗値Ｒ4との比によって定められる。Ｒ4／Ｒ3＝Ｖ１／（Ｐ1−Ｐ0）である。
【０２５４】
図４３に示した構成においても、半導体圧力センサ１の検出範囲の上限値（圧力Ｐ1）に近い領域において、電圧Ｖｏｕｔ１は０付近の電圧となる。したがって、圧力Ｐ1に近い領域における圧力センサ装置の感度を高くすることができる。
【０２５５】
図４５は、第６の実施の形態に係る信号処理回路の第２の変形例を示した図である。図４５を参照して、信号処理回路２Ｂは、端子３５をさらに備える点において信号処理回路２と異なる。端子３５は、ノード２９に接続される。信号処理回路２Ｂは電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２の両方を外部に出力することができる。たとえば電圧Ｖｏｕｔ１に基づいて広い範囲にわたる圧力を検出することができる。さらに、電圧Ｖｏｕｔ２に基づいて、標準気圧を含む所望の領域（検出範囲の上限値に近い領域）では、検出感度を高くすることができる。
【０２５６】
図４６は、第６の実施の形態に係る信号処理回路の第３の変形例を示した図である。図４６を参照して、信号処理回路２Ｃは、電圧Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２のいずれか一方を選択する選択部３６を備える点において信号処理回路２と異なる。選択部３６は、信号ＳＥＬに応じて電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２の一方を選択するとともに、その選択された電圧を、端子３０に出力する。信号ＳＥＬはたとえば信号処理回路２Ｃの外部から選択部３６に与えられる。図４６に示すように、電圧Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２の一方が選択的に出力されるように信号処理回路が構成されていてもよい。
【０２５７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０２５８】
以上説明したように本発明の半導体圧力センサは薄膜圧電素子による自己診断機能を備える。薄膜圧電素子に電圧を印加することにより、半導体圧力センサの構造的な欠陥を検知することができる。さらに、薄膜圧電素子は歪みゲージ抵抗として機能する拡散抵抗から離間して形成される。これにより薄膜圧電素子と半導体基板の熱膨張率の違いによって拡散抵抗に生ずる変形を低減することができ、拡散抵抗の予期しない抵抗値変化を低減することができる。【０２５９】
薄膜圧電素子は厚肉領域上の所定の位置まで延びている。これにより薄膜圧電素子が薄肉領域に付与する歪み量を安定させることができ、半導体圧力センサの自己診断精度が向上する。【０２６０】
さらに、薄膜圧電素子は拡散抵抗をブリッジ接続するための金属配線とは電気的に絶縁された別の階層に形成される。このため、薄膜圧電素子および金属配線の配置、形状の自由度が高まる。たとえば、金属配線および拡散配線の配線長の調整が容易となる等の利点がある。したがって、本発明の産業上の利用可能性は高い。
【符号の説明】
【０２６１】
１、４００，５００，５３０，５５０，６００，６３０，７００，７２０，７３０，７８０，８００  半導体圧力センサ、１Ａ  センサ、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２５１  信号処理回路、３  パッケージ、３Ａ  容器、３Ｂ  蓋、４，６Ｃ  開口部、５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ  配線、６  シリコン基板、６Ａ，６Ｂ  主表面、６Ａ１，６Ａ２，６Ａ３，６Ａ４  領域、７  ダイアフラム、７Ａ  境界、８  支持部、９  台座、１０  圧力センサ装置、１１〜１４，１１Ａ〜１４Ａ，１１Ｂ〜１４Ｂ，１１Ｃ〜１４Ｃ，１１Ｄ〜１４Ｄ  抵抗素子、１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ  電極、２０，２５〜２９  ノード、２１  増幅部、２２，２３，２２Ａ，３２  演算部、３０，３５  端子、３６  選択部、５０  本体部、２１１，２１２，２２１，２３１  差動増幅器、２１３〜２１５，２２２〜２２５，２３２，２３３  抵抗、２２６，２２６Ａ  オフセット電源、２２７，２３４  駆動電源、４０１  半導体基板、４０２  薄肉領域、４０２Ａ  薄肉部、４０２Ｃ  中心、４０４  厚肉領域、４０４Ａ  厚肉部、４０６，４０８，４１０，４１２，８１８  拡散抵抗、４１４，５０２，５３２，５５２，６０２，６０４，６０６，６０８，６３２，６３４，６３６，６３８，７０１，７０２，７０４，７０６，７０８，７８２  薄膜圧電素子、４１４Ａ，５０２Ａ，５３２Ａ，５５２Ａ，６０２Ａ，６０４Ａ，６０６Ａ，６０８Ａ，６３６Ａ，７０１Ａ，８２４  下部電極層、４１４Ｂ，８２６  圧電層、４１４Ｃ，８２８  上部電極層、４１５  矢印、４１６，８４２  ガラス基板、４１８，８４０  基準圧力室、４２０，４３２，５０４，７１２，７２２，８３４Ａ  金属配線、４２２，７１４，７２４，８２０Ａ，８２０Ｂ  拡散配線、４２４，４２６，４２８，４３４，４３８，５１６，５１８，６１０，６１２，６１４，６１６，６１８，６２０，６２２，６２４，６４０，６４２，７１６，７１６Ａ，７１６Ｂ，７１６Ｃ，７１６Ｄ，７１６Ｆ，８３８  ボンディングパッド、５３２Ｘ，５３２Ｙ，５５４，７１０Ａ，７１０Ｅ，７１０Ｆ  延設部、７８４  スリット部、８０２  基板、８０４  一主面Ｓｉ層、８０６  埋込酸化膜層、８０８  他主面Ｓｉ層、８１０  パッド酸化膜、８１２  ＳｉＮ膜、８１３  アクティブ領域、８１４  レジスト、８１６  フィールド酸化膜、８２２  第１の層間絶縁膜、８３０  第２の層間絶縁膜、８３２Ａ，８３２Ｂ，８３２Ｃ  コンタクトホール、８３６  パッシベーション膜、１０００  電子機器、Ｂ１〜Ｂ４  抵抗ブリッジ、Ｏ  中心点、Ｘ，Ｙ  直線。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【国際調査報告】
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