(57)【要約】【課題】異なる圧力帯域においても、高精度に圧力を測定することができる機能安全性を備えた半導体圧力センサを得ること。【解決手段】複数の凹部が形成された第１の半導体基板と、第１の半導体基板に第１の酸化膜を介して接合された中間半導体基板と、中間半導体基板に第２の酸化膜を介して接合された第２の半導体基板とを備え、第１の半導体基板の第１の凹部と中間半導体基板とにより囲まれた空間で形成された第１の基準圧力室と、中間半導体基板は第１の半導体基板に形成された第２の凹部と連通する貫通孔を有し、第１の半導体基板の第２の凹部と中間半導体基板と第２の半導体基板とにより囲まれた空間で形成された第２の基準圧力室と、第２の半導体基板の圧力を受ける面に、第１と第２の基準圧力室の外周に沿って形成されたピエゾ抵抗とを備えた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の凹部が形成された第１の半導体基板と、
前記第１の半導体基板に第１の酸化膜を介して接合された中間半導体基板と、
前記中間半導体基板に第２の酸化膜を介して接合された第２の半導体基板とを備え、
前記第１の半導体基板の第１の凹部と前記中間半導体基板とにより囲まれた空間で形成された第１の基準圧力室と、
前記中間半導体基板は前記第１の半導体基板に形成された第２の凹部と連通する貫通孔を有し、前記第１の半導体基板の前記第２の凹部と前記中間半導体基板と前記第２の半導体基板とにより囲まれた空間で形成された第２の基準圧力室と、
前記第２の半導体基板の圧力を受ける面に、前記第１と前記第２の基準圧力室の外周に沿って形成されたピエゾ抵抗と、を備えたことを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
複数の凹部が形成された第１の半導体基板と、
前記第１の半導体基板に第１の酸化膜を介して接合された第１の中間半導体基板と、
前記第１の中間半導体基板に第２の酸化膜を介して接合された第２の中間半導体基板と、
前記第２の中間半導体基板に第３の酸化膜を介して接合された第２の半導体基板とを備え、
前記第１の半導体基板の第１の凹部と前記第１の中間半導体基板とにより囲まれた空間で形成された第１の基準圧力室と、
前記第１の中間半導体基板は前記第１の半導体基板に形成された第２の凹部と連通する貫通孔を有し、前記第１の半導体基板の前記第２の凹部と前記第１の中間半導体基板と前記第２の中間半導体基板とにより囲まれた空間で形成された第２の基準圧力室と、
前記第１の中間半導体基板は前記第１の半導体基板に形成された第３の凹部と連通する貫通孔を有し、前記第２の中間半導体基板は前記第１の半導体基板に形成された第３の凹部と連通する貫通孔を有し、前記第１の半導体基板の前記第３の凹部と前記第１の中間半導体基板と前記第２の中間半導体基板と前記第２の半導体基板とにより囲まれた空間で形成された第３の基準圧力室と、
前記第２の半導体基板の圧力を受ける面に、前記第１と前記第２と前記第３の基準圧力室の外周に沿って形成されたピエゾ抵抗と、を備えたことを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項３】
前記第２の半導体基板の圧力を受ける面に形成された保護膜を備えたこと特徴とする請求項１または２に記載の半導体圧力センサ。
【請求項４】
前記第２の半導体基板の圧力を受ける面と、
前記第２の半導体基板の側面と、前記中間半導体基板の側面と、前記第１の酸化膜の側面と、前記第２の酸化膜の側面と、に形成された保護膜を備えた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５】
前記第２の半導体基板の圧力を受ける面と、
前記第２の半導体基板の側面と、前記第１の中間半導体基板の側面と、前記第２の中間半導体基板の側面と、前記第１の酸化膜の側面と、前記第２の酸化膜の側面と、前記第３の酸化膜の側面と、に形成された保護膜を備えたことを特徴とする請求項２に記載の半導体圧力センサ。
【請求項６】
前記保護膜は、水素および酸素を含有しない、１≦ｘ≦４／３の窒化シリコン膜ＳｉＮｘを積層した積層膜であることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項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、特に燃料電池を搭載した自動車において、水素ガスもしくは水素ガスを含む気体の圧力測定に用いられる半導体圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車等に搭載されるタイプの燃料電池システムにおいては、高電圧の発生が可能な燃料電池スタックが用いられている。燃料電池スタックは、燃料電池セル積層体を、絶縁板、集電板、エンドプレート等で挟み込むように構成される。燃料電池セル積層体は、燃料電池セルを多数積層したものである。１組の燃料電池セルは、一般的には、アノード側電極、電解質膜、カソード側電極から成る膜電極アセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータから構成される。
【０００３】
燃料電池スタックにおいては、アノード側に燃料ガス（例えば水素ガス）を、カソード側に酸素ガス（例えば空気）を供給することによって、電池反応が起こり、起電力が発生して、カソード側に水が生成する。この発電を効率的に行うためには、燃料電池スタックに供給される水素ガス、および、空気の量を的確に測定し、過不足なく制御した上で供給する必要がある。水素ガスの制御には、圧力センサが利用されている。
【０００４】
従来、水素ガスもしくは水素ガスを含むガスの圧力を測定する用途においては、ＳＵＳ３１６に代表されるような金属材料を、受圧筐体や受圧ダイヤフラムに採用した圧力センサが用いられてきた。金属材料には、基本的に水素脆化という課題を有していため、一般に、表面に水素脆化を防止するコーティング処理がなされる。信頼性は担保されるが、重量が大きい、高コストであるという車載用に適さない重大な課題があった。更には、受圧ダイヤフラムが金属材料であることから、測定精度、応答性を上げることが難しいという課題もあった。
【０００５】
一方、単結晶シリコンを受圧ダイヤフラムに採用した半導体圧力センサが利用されている。半導体圧力センサは、絶対圧を測定するために、基準圧力室の内部を真空状態としている。基準圧力室は、受圧ダイヤフラムを有するシリコンウエハと、台座となるガラスウエハとを陽極接合することで構成される例が多い。しかしながら、水素ガスの分子径は、その共有結合半径が約３７ｐｍ、ファンデルワールス半径が約１２０ｐｍと非常に小さいため、ガラスのようなポーラスな材料では、ガス分子が透過してしまうという性質を有しているため、水素を含むガスの圧力を測定する用途には適していないという課題があった。
【０００６】
このような課題に対処するため、ガラスウエハを用いずに、基準圧力室を単結晶シリコン材で構成する半導体圧力センサがある（例えば、特許文献１参照）。この半導体圧力センサは、台座となる第１のシリコン基板と、受圧ダイヤフラムと凹部を有する第２のシリコン基板とを酸化膜を介して真空状態下において接合し、台座の面と凹部から基準圧力室を構成するようにしたものである。ダイヤフラムの周縁部にはピエゾ抵抗が設けられており、圧力が印加された際にダイヤフラムが撓んで生じる応力をピエゾ抵抗が検出することで、圧力が測定される。このように単結晶シリコンで基準圧力室を構成することにより、水素のような分子径の小さいガスを含むガスの圧力も、精度よく測定される。また、本発明が意図する燃料電池車等に搭載される燃料電池システムや、自動車に搭載されるエンジンが吸入する空気の圧力を測定する用途での半導体圧力センサの動作温度範囲は１２０℃程度までであり、このような温度帯域における単結晶シリコンの水素拡散係数は非常に小さいため、水素拡散係数を考慮しても、基準圧力室の高真空状態の維持は可能となる（水素拡散係数の温度依存性については、例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３９９４５３１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Sabrina Bedard et al. "Diffusion of hydrogen in crystalline silicon" , Phys. Rev. B 61, 9895 (2000)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、基準圧力室を単結晶シリコン材で構成する半導体圧力センサにおいても、本発明が想定する用途では、機能安全性の担保や高精度測定において、大きな課題を残している。
【００１０】
現在の半導体圧力センサの製造技術に基づくと、車両の寿命期間に亘る故障率は２０〜１００ＦＩＴ（Ｆａｉｌｕｒｅ  Ｉｎ  Ｔｉｍｅ）程度であるので、本発明に係る半導体圧力センサが想定するシステムが求める機能安全性を十分に満足することができない。従来の半導体圧力センサは単一のダイヤフラムしか備えていないので、何らかの突発的な事由によりダイヤフラムに破損等の異常が発生すると、システム全体が機能不全に陥る。最悪の場合、走行不能などの致命的な事象に繋がるリスクがあり、機能安全性が担保されていない。特許文献１に示された従来の半導体圧力センサも、単一のダイヤフラムしか備えていないので、この例に漏れない。
【００１１】
機能安全性を向上するために、同一の厚さ、大きさの複数のダイヤフラムを備え、半導体圧力センサの機能の冗長化を図ることはできる。動作状態に関するフェール判定を行う上では、さらに異なる圧力レンジに対して高精度に圧力測定を行うことが要求されるが、同じ厚さ、大きさで、同じ感圧特性を示す複数のダイヤフラムを備えても、この要求は満たされない。異なる圧力レンジに対して高精度で圧力測定を行うためには、それぞれの圧力レンジに応じて感圧特性を最適化したダイヤフラムを半導体圧力センサが備える必要がある。従来の半導体圧力センサにおいて単一のチップ内でこれを行う場合、異なる感圧特性を有したダイヤフラムを作製するには、平面方向にダイヤフラムの大きさを変えることになる。圧力レンジの広い方（高圧側）に合わせてダイヤフラムの大きさを最適設計すると、圧力レンジの狭い方（低圧側）のダイヤフラムサイズをより大きくしなければならず、半導体圧力センサのチップのサイズが大きくなってしまう。また低圧側で最適設計すると、高圧側を高精度化することが困難となる。このように、適度な大きさの単一の半導体圧力センサにおいては、異なる圧力レンジに対する高精度測定の要求は満たされていない。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明に係る半導体圧力センサは、複数の凹部が形成された第１の半導体基板と、第１の半導体基板に第１の酸化膜を介して接合された中間半導体基板と、中間半導体基板に第２の酸化膜を介して接合された第２の半導体基板とを備え、第１の半導体基板の第１の凹部と中間半導体基板とにより囲まれた空間で形成された第１の基準圧力室と、中間半導体基板は第１の半導体基板に形成された第２の凹部と連通する貫通孔を有し、第１の半導体基板の第２の凹部と中間半導体基板と第２の半導体基板とにより囲まれた空間で形成された第２の基準圧力室と、第２の半導体基板の圧力を受ける面に、第１と第２の基準圧力室の外周に沿って形成されたピエゾ抵抗を備えたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る半導体圧力センサによれば、半導体圧力センサを大きくすることなく、複数の異なる圧力レンジ対して高精度に圧力を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における半導体圧力センサの平面図である。
【図２】本発明の実施の形態１における半導体圧力センサの断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１における半導体圧力センサの出力特性を示した図である。
【図４】本発明の実施の形態１における別の半導体圧力センサの平面図である。
【図５】本発明の実施の形態１における別の半導体圧力センサの断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１における別の半導体圧力センサの断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１における別の半導体圧力センサの出力特性を示した図である。
【図８】本発明の実施の形態２における半導体圧力センサの平面図である。
【図９】本発明の実施の形態２における半導体圧力センサの断面図である。
【図１０】図９の保護膜近傍の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１の平面図であり、図２は図１の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図である。以下、半導体圧力センサ１について、図面を参照して説明する。
【００１６】
半導体圧力センサ１は、主面２ａに第１の凹部７ａ、第２の凹部７ｂが形成された第１の半導体基板２と、第２の凹部７ｂと連通する貫通孔８を備え、第１の凹部７ａを覆う中間半導体基板３と、貫通孔８と第２の凹部７ｂを覆う第２の半導体基板４と、第２の半導体基板４の圧力を受ける面である主面４ａに互いに離間して設けられるピエゾ抵抗９ａ〜９ｈとを備える。第１の半導体基板２の主面２ａと中間半導体基板３の主面３ｂは、第１の酸化膜１０を介して接合され、中間半導体基板３の主面３ａと第２の半導体基板４の主面４ｂは、第２の酸化膜１１を介して接合される。第２の半導体基板４の主面４ａには、保護膜１４を備える（図１は保護膜１４を省略して示している）。第１の半導体基板２、中間半導体基板３および第２の半導体基板４には単結晶シリコン基板を用い、中間半導体基板３および第２の半導体基板４は変形可能な薄厚な基板である。
【００１７】
第１の半導体基板２の主面２ａから厚さ方向に形成された第１の凹部７ａと、第１の凹部７ａを覆う中間半導体基板３とにより囲まれた空間で、第１の基準圧力室５が形成される。図２において、第１の凹部７ａと対向する中間半導体基板３と第２の半導体基板４の右側の破線で囲まれた領域は、第１のダイヤフラム１２の断面を構成する。ダイヤフラムは、矩形形状の変形可能な受圧部であり、受けた圧力に応じて撓みが生じる。ダイヤフラムの大きさ、厚さで撓みの程度、すなわち感圧特性が決定される。第１のダイヤフラム１２では、主に中間半導体基板３の厚さと第２の半導体基板４の厚さを足し合わせた厚さが、ダイヤフラムの厚さとなる。図１において、右側の破線で囲まれた部分は第１のダイヤフラム１２が形成された領域で、正方形状である。また破線位置は、第１の基準圧力室５の外周位置である。
【００１８】
第１の半導体基板２の主面２ａから厚さ方向に形成された第２の凹部７ｂと、貫通孔８を構成する中間半導体基板３と、貫通孔８を覆う第２の半導体基板４とにより囲まれた空間で、第２の基準圧力室６が形成される。貫通孔８は、第２の凹部７ｂの外形に一致させて、中間半導体基板３の厚さ方向に形成される。図２において、第２の凹部７ｂおよび貫通孔８と対向する第２の半導体基板４の左側の破線で囲まれた領域は、第２のダイヤフラム１３の断面を構成する。第２のダイヤフラム１３では、主に第２の半導体基板４の厚さが、ダイヤフラムの厚さとなる。図１において、左側の破線で囲まれた部分は、第２のダイヤフラム１３が形成された領域である。また破線位置は、第２の基準圧力室６の外周位置である。
【００１９】
第２の半導体基板４の主面４ａに圧力が印加されると、第１のダイヤフラム１２および第２のダイヤフラム１３は、第１の基準圧力室５および第２の基準圧力室６と外部の圧力の差圧に応じて撓み、それに伴い、ピエゾ抵抗９ａ〜９ｈの領域にも撓みが生じ、撓みに応じて抵抗値が変化する。この抵抗値は電気信号として取り出され、拡散配線層や金属電極膜（図示せず）を通じて外部に取り出される。
【００２０】
保護膜１４は、ピエゾ抵抗９ａ〜９ｈや、拡散配線層などを外部の有害環境から保護する目的で形成される。保護膜１４の材料は、例えば窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ）である。なお、有害環境の懸念がない場合は、保護膜１４は設けなくてもよい。
【００２１】
図３は、本発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１の出力特性を示した図である。図３において、破線は第１のダイヤフラム１２の出力特性、実線は第２のダイヤフラム１３の出力特性を示す。横軸が印可される圧力、縦軸がダイヤフラムの感圧特性に応じた出力電圧である。第１のダイヤフラム１２と第２のダイヤフラム１３は、図１において同一形状であるが、厚さが異なることで同一の圧力に対して撓む量が異なるため、感圧特性は異なる。厚い第１のダイヤフラム１２は小さく撓み、薄い第２のダイヤフラム１３は大きく撓む。従って、印加される圧力の範囲が、図に示したＡの領域では第２のダイヤフラム１３を利用し、Ｂの領域では第１のダイヤフラム１２を利用することで、半導体圧力センサ１のサイズを大きくすることなく、異なる圧力領域で圧力の測定が可能となる。これにより、動作状態に関するフェール判定を行う上で、異なる圧力レンジに対して高精度に圧力測定を行うことができる。なお、第２のダイヤフラム１３の厚さは、第１のダイヤフラム１２と比較して薄いため、破損の可能性は高くなる。第２のダイヤフラム１３に破損等の異常が発生しても、第１のダイヤフラム１２でＡ、Ｂの２つの領域の圧力測定が可能である。Ａ領域における測定精度はある程度低下するものの、システム全体の機能不全を回避することができる。
【００２２】
次に、半導体圧力センサ１の製造方法について説明する。単結晶シリコン基板であるウエハに複数の半導体圧力センサ１が同時に製造されるが、ここでは、一つの半導体圧力センサ１の製造について説明する。半導体圧力センサ１は、平面視で１辺が１ｍｍ程度の正方形である。第１のダイヤフラム１２と第２のダイヤフラム１３は、１辺が３００μｍ程度の正方形である。まず、第１の半導体基板２の主面２ａに、エッチングにより第１の凹部７ａ、第２の凹部７ｂを形成する。第１の基準圧力室５および第２の基準圧力室６の形状、つまりは第１のダイヤフラム１２および第２のダイヤフラム１３の形状を精度よく形成するためには、ボッシュプロセスを利用した誘導結合型の反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ−Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることが好ましい。ただし、エッチング方法はこれに限定されるものではなく、水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ）等のエッチング液を用いたウェット異方性エッチングによって形成しても良い。第１の凹部７ａと第２の凹部７ｂの深さは、第１の基準圧力室５および第２の基準圧力室６の容積に係る。万一、水素等何らかのガスが浸入することがあっても内圧の変化を小さく抑えるという観点からは、容積は大きい方が好ましく、可能な限り深くエッチングする必要がある。しかし加工負荷は増大する。ここでは、台座をガラスウエハとせず、単結晶シリコン基板で第１の基準圧力室５および第２の基準圧力室６を構成することで、第１の基準圧力室５および第２の基準圧力室６への水素等のガスの浸入を防止しているため、加工負荷を低減する観点から、第１の凹部７ａと第２の凹部７ｂの深さは１０μｍ〜１００μｍ程度で良い。
【００２３】
続いて、第１の半導体基板２の主面２ａに、熱酸化よって第１の酸化膜１０を形成する。第１の酸化膜１０は、第１の凹部７ａと第２の凹部７ｂの表面にも形成される。第１の酸化膜１０は、中間半導体基板３との接合を促進するために必要であり、厚さは０．１μｍ〜０．５μｍ程度が好適である。ここでは、第１の酸化膜１０を第１の半導体基板２の主面２ａに形成する例を示したが、中間半導体基板３の主面３ｂに形成してもよい。
【００２４】
続いて、第１の半導体基板２の主面２ａと中間半導体基板３の主面３ｂとを真空中で接合し、第１の基準圧力室５を形成する。接合は、１１００℃程度の高温下で酸雰囲気中において行うのが好ましいが、第１の凹部７ａと第２の凹部７ｂの面積がウエハ全体の面積に占める割合によっては、１２００℃程度まで温度を上げることにより、さらに接合強度を向上させてもよい。
【００２５】
第１の凹部７ａを覆う中間半導体基板３は第１のダイヤフラム１２の一部となるため、第１の半導体基板２と中間半導体基板３を接合した後、測定する圧力範囲に応じて基板厚さを調整する。具体的には、中間半導体基板３の主面３ａ全体を研削、研磨することにより、所定の厚さ、例えば２０μｍ程度とする。接合時に、２０μｍ程度の薄い厚さの中間半導体基板３を取り扱うことが困難なためである。
【００２６】
続いて、中間半導体基板３を貫通し、第２の凹部７ｂと連通する貫通孔８を形成する。この貫通孔８の形成手段は、第１の凹部７ａと第２の凹部７ｂの形成方法と同様に、ボッシュプロセスを利用したＩＣＰ−ＲＩＥが好ましい。貫通孔８の外形は、第２の凹部７ｂの外形と同等の正方形である。
【００２７】
続いて、中間半導体基板３の主面３ａに、熱酸化よって第２の酸化膜１１を形成する。第２の酸化膜１１は、貫通孔８の壁面、第２の凹部７ｂの表面にも形成される。第２の酸化膜１１は、第２の半導体基板４との接合を促進するために必要であり、厚さは０．１μｍ〜０．５μｍ程度が好適である。ここでは、第２の酸化膜１１を中間半導体基板３の主面３ａに形成する例を示したが、第２の半導体基板４の主面４ｂに形成してもよい。
【００２８】
続いて、中間半導体基板３の主面３ａと第２の半導体基板４の主面４ｂとを真空中で接合し、第２の基準圧力室６を形成する。接合は、１１００℃程度の高温下で酸雰囲気中において行うのが好ましい。
【００２９】
第１の凹部７ａを覆う第２の半導体基板４は第１のダイヤフラム１２の一部となり、第２の凹部７ｂを覆う第２の半導体基板４は第２のダイヤフラム１３となるため、中間半導体基板３と第２の半導体基板４を接合した後、測定する圧力範囲に応じて基板厚さを調整する。具体的には、第２の半導体基板４の主面４ａ全体を研削、研磨することにより、所定の厚さ、例えば２０μｍ程度とする。接合時に、２０μｍ程度の薄い厚さの第２の半導体基板４を取り扱うことが困難なためである。以上の工程により、所定の異なる厚さを有した、第１のダイヤフラム１２と第２のダイヤフラム１３が形成される。
【００３０】
続いて、第１のダイヤフラム１２と第２のダイヤフラム１３の外縁部、つまりは第１の基準圧力室５と第２の基準圧力室６の外周に沿って、ボロンなどの不純物をイオン注入し、その後の熱処理等により、ピエゾ抵抗９ａ〜９ｈを形成する。さらに、イオン注入およびその後の熱処理によって形成された拡散配線層、スパッタリング等の方法により、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等を成膜して金属電極膜を形成する。
【００３１】
その後、第２の半導体基板４の主面４ａに、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の成膜方法により、窒化シリコン等を成膜して保護膜１４を形成し、半導体圧力センサ１を得る。なお、半導体圧力センサ１はウエハに複数製造されるため、ダイシングにより個片化される。
【００３２】
次に、実施の形態１に係る別の半導体圧力センサ１について、図４〜図６にて説明する。図４は別の半導体圧力センサ１の平面図であり、図５、６は別の半導体圧力センサ１の断面図である。なお図５は図４の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図、図６は図４の一点鎖線Ｂ−Ｂにおける断面図であり、図４は、保護膜１４を省略して示している。半導体圧力センサ１は、第１の中間半導体基板１５と第２の中間半導体基板１６を設け、第３の基準圧力室１７と第３のダイヤフラム１９を新たに備えたものである。なお、他の構成については、上述の記載と同様であるため、同一の符号を付している。
【００３３】
第１の半導体基板２の主面２ａから厚さ方向に形成された第３の凹部７ｃと、貫通孔８ａ、８ｂを構成する第１の中間半導体基板１５および第２の中間半導体基板１６と、貫通孔８ｂを覆う第２の半導体基板４とにより囲まれた空間で、第３の基準圧力室１７が形成される。貫通孔８ａは、第３の凹部７ｃの外形に一致させて、第１の中間半導体基板１５の厚さの方向に形成される。貫通孔８ｂは、第３の凹部７ｃの外形に一致させて、第２の中間半導体基板１６の厚さの方向に形成される。図６において、第３の凹部７ｃおよび貫通孔８ａ、８ｂと対向する第２の半導体基板４の破線で囲まれた領域は、第３のダイヤフラム１９の断面を構成する。第３のダイヤフラム１９では、主に第２の半導体基板４の厚さが、ダイヤフラムの厚さとなる。図４において、上側の破線で囲まれた部分は、第３のダイヤフラム１９が形成された領域である。また破線位置は、第３の基準圧力室１７の外周位置である。第１の中間半導体基板１５と第２の中間半導体基板１６は第２の酸化膜１１を介して接合され、第２の中間半導体基板１６と第２の半導体基板４は第３の酸化膜１８を介して接合される。
【００３４】
図７は、図４〜図６で示した半導体圧力センサ１の出力特性を示した図である。図において、一点鎖線は第１のダイヤフラム１２の出力特性、破線は第２のダイヤフラム１３の出力特性、実線は第３のダイヤフラム１９の出力特性を示す。横軸が印可される圧力、縦軸がダイヤフラムの感圧特性に応じた出力電圧である。第１のダイヤフラム１２、第２のダイヤフラム１３、第３のダイヤフラム１９の３つのダイヤフラムを備えることで、半導体圧力センサ１のサイズを大きくすることなく、さらに異なる圧力領域で圧力の測定が可能となる。これにより、動作状態に関するフェール判定を行う上で、さらに異なる圧力レンジに対して高精度に圧力測定を行うことができる。システム全体の機能不全も、さらに回避される。
【００３５】
なお、本発明に係る半導体圧力センサ１の用途は、燃料電池システムを搭載した車両に限定されるものではない。従来のエンジンを搭載した自動車においても、燃料改質等の手法を用いて吸入空気に微量の水素ガスを混入させる等の方法によって燃焼効率を改善する取り組みが図られているため、このような水素ガスを含む空気の圧力を測定する用途にも適している。
【００３６】
以上のように、この発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１では、２つ又は３つのダイヤフラムは平面視では同一形状で、厚さを変えることで、異なる感圧特性を備えたため、半導体圧力センサを大きくすることなく、安価で、異なる圧力領域に対して高精度な測定を実現することができる。また、２つ又は３つのダイヤフラムを備えたため、１つのダイヤフラムに破損等の異常が発生しても、別のダイヤフラムにて測定が継続でき、システム全体の機能不全を回避することができる。なお、ここでは２つ又は３つのダイヤフラムを備えた半導体圧力センサの例を示したが、第１の半導体基板の凹部に連通するように貫通孔を有する中間半導体基板を重ねていけば、さらに厚さの異なる４つ以上のダイヤフラムを有する半導体圧力センサを作製することができる。
【００３７】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２における半導体圧力センサ１の平面図を図８、断面図を図９に示す。なお図９は図８の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図であり、図８は保護膜１４を省略して示している。実施の形態１では、第１の半導体基板２と中間半導体基板３とが接合された第１の接合界面２０と、中間半導体基板３と第２の半導体基板４とが接合された第２の接合界面２１とは半導体圧力センサ１の側面で露出していたが、実施の形態２においては、これらが露出しないよう、中間半導体基板３と第２の半導体基板４と第１の酸化膜１０と第２の酸化膜１１の側面に、積層した保護膜１４を形成して覆うものである。なお、他の構成については、実施の形態１の記載と同様であるため、同一の符号を付して、説明を省略する。
【００３８】
保護膜１４は、例えば、ＣＶＤ等の成膜方法による窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ）が適している。窒化シリコン膜の残留応力が感圧特性に及ぼす影響を軽減するために、保護膜１４の厚さは、保護効果が毀損されない範囲で薄い方が好ましい。しかしながらあまり薄すぎると、皆無にすることが困難なピンホール２２が、保護膜１４を貫通しやすい。ピンホール２２が貫通すると、保護効果が著しく損なわれる。そのため図１０に示すように、保護膜１４は窒化シリコン膜を積層した積層膜とする。積層の工程は、１回あたりに成膜する厚さを０．１μｍ程度とし、成膜するごとにＣＶＤのチャンバーからウエハを取り出さず、連続して実施する。ピンホール２２が互いに連結しないように膜を積層することで、保護膜１４を貫通するピンホール２２のない、信頼性の高い保護膜１４を得ることができる。成膜時のピンホール２２は一定の確率で発生してしまうが、積層する毎にピンホール２２が同じ位置に発生して重なり、連結しない限り、保護膜１４の全体をピンホール２２が貫通することはない。すなわち、保護膜１４を貫通するピンホール２２が形成される確率は、各積層膜にピンホール２２が発生する確率の積に比例するので、積層数を多くすればするほど、保護膜１４を貫通するピンホール２２の確率を著しく小さくすることができる。実際には、保護膜１４の積層数は、保護膜１４全体の厚さ、残留応力を勘案して、５から１０層程度の間で適宜選択するのがよい。
【００３９】
水素および酸素を含有しない窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ）のシリコン原子と窒素原子との組成比を表す指数ｘとしては、理論的には０から４／３までの範囲の値を取り得る。そのうち、ｘが最大値４／３を取る場合がストイキオメトリックな組成比を有する場合であり、Ｓｉ３Ｎ４と表される。この組成比のとき、全ての結合がＳｉ−Ｎの結合となっており、シリコン原子と窒素原子とが最密充填された原子配列を有する。シリコン原子と窒素原子とは、原子サイズが異なるので、これらが最密充填されたＳｉ３Ｎ４の場合、分子はもとより水素原子などが透過する空隙が存在せず、ガス透過を防止する効果が最も高くなる。
【００４０】
これに対し、ｘの値が４／３より小さくなるにつれて、シリコン原子同士の結合（Ｓｉ−Ｓｉ）が増加する。同じサイズのシリコン原子同士が結合すると、原子配列構造が最密充填されたものとはならず、水素原子サイズよりも大きい空隙が生じる。パーコレーション理論によると、ｘの値が小さくなればなるほど、この空隙は大きくなり、かつ、連通して水素原子が透過するリークパスが形成される。すなわち、透過防止性能が低下して、膜厚によっては水素ガスが透過し始めるようになる。特に、ｘの値が１／２以下となると、このリークパスのネットワークが３次元的に構成され、透過防止性能が完全に消失する。以上のような窒化シリコン膜の特性から、有効な透過防止性能を得るために、ｘの値としては１以上の値であることが好ましい。したがって、１≦ｘ≦４／３を満たせば、有効な透過防止性能を得ることができる。
【００４１】
次に、半導体圧力センサ１の製造方法について説明する。金属電極膜の成膜までは、実施の形態１での製造方法と同様であるため省略する。単一のウエハ内で、平面視で各半導体圧力センサの境界領域において、第２の半導体基板４および中間半導体基板３を貫通し、第１の半導体基板２の主面２ａに達するエッチングをＩＣＰ−ＲＩＥ等によって行う。このエッチングにより、中間半導体基板３と第２の半導体基板４と第１の酸化膜１０と第２の酸化膜１１の側面が露出する。その後、第２の半導体基板４の主面４ａ、および中間半導体基板３と第２の半導体基板４と第１の酸化膜１０と第２の酸化膜１１の側面を覆うように、ＣＶＤ等の成膜方法により、窒化シリコン膜を複数回成膜して積層膜とした保護膜１４を形成する。積層膜は、成膜するごとにＣＶＤのチャンバーからウエハを取り出さずに、連続して成膜することで形成される。積層した保護膜１４の形成により、第１の接合界面２０と第２の接合界面２１を通じたリークパスが生じていても遮断することができ、ピンホール２２が保護膜１４の全体を貫通することもない。なお、水素や酸素を含有しない窒化シリコン膜は半導体プロセスでは汎用性のあるＣＶＤ等の成膜方法で形成できるので、ピエゾ抵抗の形成に用いるイオン注入等の工程と親和性が高く、低コスト化が可能である。保護膜１４の形成により、図９に示した半導体圧力センサ１を得るが、半導体圧力センサ１はウエハに複数製造されるため、その後ダイシングにより個片化される。
【００４２】
以上のように、この発明の実施の形態２における半導体圧力センサ１では、中間半導体基板と第２の半導体基板と第１の酸化膜と第２の酸化膜の側面を保護膜で覆ったため、接合界面を通じたリークパスが生じることを回避することができる。また保護膜を設けたため、接合界面に設けた第１の酸化膜および第２の酸化膜は露出せず、組成変化を未然に防止することができ、高信頼性を維持することができる。また保護膜は水素および酸素を含有しない、１≦ｘ≦４／３の窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ）を積層した積層膜であるため、有効な透過防止性能を得ることができる。
【００４３】
以上の実施の形態１、２に示した構成は、本発明の構成の一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、実施の形態の組み合わせや一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４４】
１  半導体圧力センサ、２  第１の半導体基板、３  中間半導体基板、４  第２の半導体基板、５  第１の基準圧力室、６  第２の基準圧力室、７ａ  第１の凹部、７ｂ  第２の凹部、７ｃ  第３の凹部、８  貫通孔、９  ピエゾ抵抗、１０  第１の酸化膜、１１  第２の酸化膜、１２  第１のダイヤフラム、１３  第２のダイヤフラム、１４  保護膜、１５  第１の中間半導体基板、１６  第２の中間半導体基板、１７  第３の基準圧力室、１８  第３の酸化膜、１９  第３のダイヤフラム、２０  第１の接合界面、２１  第２の接合界面、２２  ピンホール
【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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