(57)【要約】【課題】  光が半導体基板の凹部側に照射された場合でも、正確な圧力を検出することができるダイヤフラム型の半導体圧力センサを提供する。【解決手段】  一面にピエゾ抵抗素子５が設けられ、他面に凹部１２が設けられた半導体基板４を用いるダイヤフラム型の半導体圧力センサであって、半導体基板４には、少なくとも凹部１２の底面部１２ａに遮光特性を有する保護膜１３が設けられている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面にピエゾ抵抗素子が設けられ、他面に凹部が設けられた半導体基板を用いるダイヤフラム型の半導体圧力センサであって、
少なくとも前記凹部の底面部には、遮光特性を有する保護部材が設けられていることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
前記保護部材は、直接遷移型の半導体材料からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ。
【請求項３】
前記保護部材は、その表面に凹凸構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一面にピエゾ抵抗素子が設けられ、他面に凹部が設けられた半導体基板を用いるダイヤフラム型の半導体圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業上の様々な分野で圧力センサが使用されている。中でも半導体圧力センサは、小型軽量であり、なお且つ信頼性が高く、製造コストも安いため、車や家電製品等で広く利用されている。
【０００３】
ここで、図４に示す一般的な半導体圧力センサ１００の構造について説明すると、この半導体圧力センサ１００は、ダイヤフラム型のセンサーチップ１０１がパッケージ１０２内に収納された構造を有している。センサーチップ１０１は、圧力を受けたときに変形するダイヤフラムを構成する半導体基板１０３を有し、この半導体基板１０３の一方の面（図４中に示す上面）には、複数のピエゾ抵抗素子（図示せず。）が設けられている。これら複数のピエゾ抵抗素子は、半導体基板１０３の圧力変動を検出する検出回路を構成しており、この検出回路は、ボンディングワイヤー１０４によってパッケージ１０２に設けられたリード１０５と電気的に接続されている。また、半導体基板１０３の他方の面（図４中に示す下面）には、凹部１０３ａが形成されており、通常この部分の厚さが非常に薄くなっている。そして、このセンサーチップ１０１の下面は、接着剤層１０６を介してパッケージ１０２の底面部に接着固定されている。また、パッケージ１０２の下面部には、外部の圧力変動を半導体基板１０３に与える圧力導入孔１０７が設けられている。
【０００４】
以上のような構造を有する半導体圧力センサ１００では、外部からの圧力変動によって半導体基板１０３が撓むと、各ピエゾ抵抗素子に応力が発生する。このとき、半導体基板１０３の撓み量に応じて各ピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化するため、この抵抗値の変化を電気信号として取り出すことによって、圧力を検出することができる。
【０００５】
ところで、このような半導体圧力センサ１００では、半導体基板１０３として例えばシリコンような間接遷移型で吸収係数の小さい材料を用いている。このため、圧力導入孔１０７から入射した光が半導体基板１０３に照射されると、この入射した光が基板内で吸収されずにピエゾ抵抗素子に到達することがある。この場合、ピエゾ抵抗素子の導電率の低下やリーク電流の増加によって、このピエゾ抵抗素子の抵抗値が変動してしまい、その結果、出力される電気信号も変化することになる。このため、従来の半導体圧力センサでは、圧力導入孔１０７から入射した光が半導体基板１０３に照射された場合に、正確な圧力を検出することができなくなるといった問題があった。
【０００６】
なお、本発明に関連する公知文献としては、例えば下記特許文献１〜３がある。
特許文献１には、半導体基板の凹部に耐腐食用の保護膜を設けた構成が記載されている。しかしながら、この場合には、圧力導入孔から入射した光が保護膜を通過してピエゾ抵抗素子に到達してしまい、このピエゾ抵抗素子の抵抗値が変動することによって正確な圧力を検出することができなくなる。したがって、このような半導体圧力センサでは、使用環境が自ずと制限されたものとなる。
一方、特許文献２には、半導体圧力センサのチップ上に、外部光に対して光吸収性又は光反射性の物質を含有した軟質レジンからなる光遮断層を設けた構成が記載されている。また、特許文献３には、圧力センサを遮光性の物質を含む弾性物質で覆う構成が記載されている。しかしながら、この場合には、圧力センサ全体を遮光性の物質で覆う構造となるため、ピエゾ抵抗素子を遮光する構造として効率が悪く、製造コストも嵩むことになる。
【特許文献１】特開２０００−１９３５４８号公報
【特許文献２】特開平８−２８５７１２号公報
【特許文献３】特開平１０−７３５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、半導体基板の凹部側に光が照射された場合でも、正確な圧力を検出することができるダイヤフラム型の半導体圧力センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的を達成するために、本発明の請求項１に係る半導体圧力センサは、一面にピエゾ抵抗素子が設けられ、他面に凹部が設けられた半導体基板を用いるものであって、少なくとも凹部の底面部に遮光特性を有する保護部材が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の請求項２に係る半導体圧力センサは、請求項１に係る半導体圧力センサにおいて、保護部材が直接遷移型の半導体材料からなることを特徴とする。
また、本発明の請求項３に係る半導体圧力センサは、請求項１又は２に係る半導体圧力センサにおいて、保護部材の表面が凹凸構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明に係る半導体圧力センサでは、少なくとも凹部の底面部に遮光特性を有する保護部材が設けられていることから、この保護部材によって半導体基板の凹部側に照射された光を適切に遮断することができ、光が基板内を通過してピエゾ抵抗素子に到達するのを未然に防ぐことができる。したがって、この半導体圧力センサでは、半導体基板の凹部側に光が照射された場合でも、出力される電気信号の変動を抑制し、正確な圧力を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した半導体圧力センサについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上、特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１１】
図１に示すように、本発明を適用した半導体圧力センサ１は、ダイヤフラム型のセンサーチップ２がパッケージ３内に収納された構造を有している。
【００１２】
センサーチップ２は、図２示すように、圧力を受けたときに変形するダイヤフラムを構成する、例えばシリコン基板等の半導体基板４を有し、この半導体基板４の一面（図１中に示す上面）には、４つのピエゾ抵抗素子５が設けられている（なお、図２中にはピエゾ抵抗素子５を２つのみ図示している。）。これら４つのピエゾ抵抗素子５は、半導体基板４の圧力変動を検出する検出回路を構成するものであり、いわゆるホイットストーンブリッジ回路を構成するよう互いが接続されている。また、各ピエゾ抵抗素子５は、例えばシリコン基板中にボロンなどの拡散源を注入することによって形成することができる。
【００１３】
また、半導体基板４には、リード配線６が設けられている。このリード線６は、例えばシリコン基板中にボロン（ピエゾ抵抗素子５よりも高濃度のもの）などの拡散源を注入することによって形成することができる。そして、このリード配線６の一端は、ピエゾ抵抗素子５と電気的に接続されている。さらに、半導体基板４の上面には、その全面を覆うシリコン酸化膜７とシリコン窒化膜８とが順次積層されている。ここで、リード配線６の他端側の直上には、これらシリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８を厚み方向に貫通する孔部９が設けられている。そして、リード配線６の他端側は、この孔部９を通してシリコン窒化膜８上に例えばアルミニウムなどによって形成された電極パッド１１と電気的に接続されている。
【００１４】
一方、半導体基板４の他面（図１中に示す下面）には、凹部１２が設けられている。この凹部１２は、下面の略中央部に位置し、その縦断面は逆台形状である。すなわち、この凹部１２は、略矩形状に平坦化された底面部１２ａと、この底面部１２ａに向かって傾斜した４つの側面部１２ｂとを有している。そして、半導体基板４の底面部１２ａが形成された部分は、厚さが非常に薄くなった薄肉部４ａを形成している。
【００１５】
また、凹部１２の底面部１２ａには、遮光特性を有する保護膜１３が設けられている。この保護膜１３は、少なくとも凹部１２の底面部１２ａに形成された保護部材である。この保護部材としては、例えば、直接遷移型の半導体材料や、黒色塗料等の透過率の小さい材料を用いることが好ましい。直接遷移型の半導体材料としては、例えばアモルファスシリコン(ａ−Ｓｉ)や、アモルファスシリコンゲルマニウム(ａ−ＳｉＧｅ)等を用いることができる。
【００１６】
そして、この直接遷移型の半導体材料を用いた保護膜１３を凹部１２の底面部１２ａに形成する際は、先ず、半導体基板４の凹部１２が形成された面上に、例えばプラズマＣＶＤや光ＣＶＤ等の気相成長法によって保護膜１３を成膜する。次に、保護膜１３上にレジストを塗布した後に、このレジストを露光・現像することによって、保護膜１３の凹部１２の底面部１２ａに対応した領域のみを被覆するレジストパターンを形成する。次に、レジストパターンをマスクとして保護膜１３をエッチングした後に、このレジストパターンを除去する。これにより、凹部１２の底面部１２ａにのみ保護膜１３を形成することができる。
【００１７】
これに対して、透過率の小さい材料である黒色塗料としては、例えば、アクリル樹脂系塗料や、エポキシ樹脂系塗料等を挙げることができる。
【００１８】
そして、この黒色塗料を用いた保護膜１３を凹部１２の底面部１２ａに形成する場合には、上述した直接遷移型の半導体材料を用いる場合に必要な真空成膜プロセスとは異なり、塗布法などの大気雰囲気下での成膜プロセスを用いることができる。すなわち、この場合には、半導体基板４の他面を上方に向けた状態で黒色塗料を凹部１２に塗布することで、この凹部１２の底面部１２ａに保護膜１３を容易に形成することができる。
【００１９】
一方、上記４つのピエゾ抵抗素子５は、このような保護膜１３によって遮光された領域となる半導体基板４の薄肉部４ａに配置されている。この場合、半導体基板４の凹部１２側に照射される光のうち、凹部１２の底面１２ａに入射しようとする光は、保護膜１３で遮断され、凹部１２の側面１２ｂに入射した光は、半導体基板４の薄肉部４ａ側とは離間する方向に屈折して半導体基板４内を通過することになる。
【００２０】
なお、上記センサーチップ２は、例えばシリコン基板上に上記センサーチップ２となる構造体を多数形成した後に、このシリコン基板を個々のチップとして切り出すことで作製される。また、上記保護膜１３は、凹部１２の底面部１２ａと共に、凹部１２の側面部１２ｂを被覆した構造とすることもできる。
【００２１】
以上のようなセンサーチップ２は、図１に示すパッケージ３内に保持されている。このパッケージ３は、上述したセンサーチップ２を収納する収納凹部１４ａが設けられた基台１４を有し、この収納凹部１４ａの底面部に接着剤１５によってセンサーチップ２の下面が接着固定されている。また、基台１４の下面には、筒状部１６が下方に向かって突出して設けられている。この筒状部１６には、外部の圧力変動を半導体基板４に与える圧力導入孔１６ａを有している。一方、基台１４には、外部接続用のリード１７が収納凹部１４ａから外部へと延長して設けられている。そして、このリード１７は、ボンディングワイヤー１８によって上記センサーチップ２の電極パッド１１と電気的に接続されている。さらに、この基台１４の上面には、収納凹部１４を閉塞する蓋体１９が取り付けられている。
【００２２】
以上のような構造を有する半導体圧力センサ１では、外部からの圧力変動によって半導体基板４が撓むと、各ピエゾ抵抗素子５に応力が発生する。このとき、半導体基板４の撓み量に応じて各ピエゾ抵抗素子５の抵抗値が変化するため、この抵抗値の変化を電気信号として取り出すことによって、圧力を検出することができる。
【００２３】
ところで、この半導体圧力センサ１では、上述した半導体基板４の凹部１２に設けられた保護膜１３が圧力導入孔１６ａから入射した光を遮断する。具体的に、この半導体圧力センサ１では、凹部１２の底面１２ａにのみ遮光特性を有する保護膜１３を設けることによって、ピエゾ抵抗素子５との距離が短い半導体基板４の薄肉部４ａから進入する光を効率よく且つ適切に遮断することができ、この光が基板内を通過してピエゾ抵抗素子５に到達するのを未然に防ぐことができる。したがって、この半導体圧力センサ１では、圧力導入孔１６ａから入射した光が半導体基板４の凹部１２側に照射された場合でも、出力される電気信号の変動を抑制し、正確な圧力を検出することができる。
【００２４】
また、この半導体圧力センサ１では、保護膜１３が直接遷移型の半導体材料からなることで、この保護膜１３の膜厚を例えば１μｍ以下まで薄くした場合でも、圧力導入孔１６ａから入射した光を吸収し、この光が基板内を通過してピエゾ抵抗素子５に到達するのを防ぎことができる。すなわち、この保護膜１３は、直接遷移型の半導体材料からなることで、その厚みを薄くした場合でも、圧力導入孔１６ａから入射した光を適切に遮断することができる。
【００２５】
また、保護膜１３は、その表面に図３に示すような凹凸構造を有する構成であってもよい。具体的に、この保護膜１３の表面は、微小凹部２０ａと微小凸部２０ｂとが多数形成されてなるテクスチャー構造を有している。
【００２６】
この保護膜１３の表面をテクスチャー構造とする方法としては、例えば、上記保護膜１３をセンサーチップ２の裏面全体に成膜し、プラズマエッチングやサンドブラスト等で保護膜１３の表面を粗した後に、凹部１２の底面部１２ａのみレジストを形成し、このレジストが形成された部分以外の保護膜１３を除去し、最終的にレジストを除去する方法がある。この場合、保護膜１３の表面を微小凹部２０ａと微小凸部２０ｂとがランダムに形成されたテクスチャー構造を薄肉部４ａにのみ残すことができる。或いは、上記保護膜１３をセンサーチップ２の裏面全体に成膜し、微小開口が形成されたレジストパターンを凹部１２の底面部１２ａのみ形成し、このレジストパターンをマスクとして保護膜１３をウェットエッチングする方法がある。この場合、保護膜１３の微小開口に対応した部分は、レジストパターンが形成されていない部分、すなわち薄肉部４ａ以外の部分に比べてエッチング速度が遅くなる。これにより、薄肉部４ａ以外の保護膜１３を除去すると共に、保護膜１３の表面を微小凹部２０ａと微小凸部２０ｂとがランダムに形成されたテクスチャー構造の保護膜１３を薄肉部４ａにのみ残すことができる。或いは、半導体基板４として結晶方位（１１０）のシリコン基板を用い、このシリコン基板に異方性のエッチャントによって上記凹部１２を形成する方法がある。この場合、凹部１２の底面部１２に線状の微小テクスチャーが形成されるため、この上に形成される保護膜１３の表面を、この微小テクスチャーに対応した微小凹部２０ａと微小凸部２０ｂとが線状に形成されたテクスチャー構造とすることができる。
【００２７】
上記半導体圧力センサ１では、保護膜１３の表面をこのようなテクスチャー構造とすることで、圧力導入孔１６から入射した光の半導体基板４に対する進入角度が変化する。この場合、半導体基板４内において光がピエゾ抵抗素子５に到達するまでの距離が長くなることから、この半導体基板４の内部で吸収される光の量を増加させることができる。したがって、この場合には、圧力導入孔１６ａから入射した光を更に効率よく遮断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明を適用した半導体圧力センサの構造を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す半導体圧力センサのセンサーチップを拡大して示す断面図である。
【図３】図３は、図１に示す半導体圧力センサの保護膜を拡大して示す断面図である。
【図４】図４は、従来の半導体圧力センサの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…半導体圧力センサ、２…半導体チップ、３…パッケージ、４…半導体基板、５…ピエゾ抵抗素子、１２…凹部、１２ａ…底面部、１３…保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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