(57)【要約】【課題】電気信号の外部への取り出し構造の簡素化、チップ面積の増大の防止が図れるようにする。【解決手段】半導体チップ１の第２面（裏面）側に配置した台座３を貫通するような貫通電極３３を設け、貫通電極３３をリードピン４１に電気的に接続することで、外部へセンシング部の電気信号を出力できる構成とする。これにより、半導体チップ１および台座３を細長形状とする必要がないため、構造体Ａを構成するための半導体チップ１のチップ面積の増大を招かないようにできる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を第１面、裏面を第２面として、前記第１面の歪ゲージ（１２）が形成されていると共に、前記第２面が部分的に除去されることで、前記第１面側に圧力検出用のダイアフラム（１３）が形成されてなる半導体チップ（１）と、前記半導体チップ（１）における前記第１面側に接合された台座（３）とを有して構成された構造体（Ａ）を有し、
前記台座（３）には、該台座（３）の表裏を貫通する貫通孔（３１）が形成されていると共に、該貫通孔（３１）内に配置され、かつ、前記歪ゲージ（１２）に電気的に接続された貫通電極（３３）が備えられており、該貫通電極（３３）を通じて前記歪ゲージ（１２）の外部への電気的な接続が行われるように構成されていることを特徴とする半導体式圧力センサ。
【請求項２】
前記台座（３）は、絶縁基板で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体式圧力センサ。
【請求項３】
前記台座（３）は、シリコンで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体式圧力センサ。
【請求項４】
前記台座（３）には前記歪ゲージ（１２）と接続された信号処理回路が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体式圧力センサ。
【請求項５】
前記台座（３）の表面および前記貫通孔（３１）の内壁が絶縁膜（３４、３５）で覆われており、該絶縁膜（３４、３５）により前記貫通電極（３３）と前記台座（３）とが絶縁されていることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体式圧力センサ。
【請求項６】
前記台座（３）は、前記半導体チップ（１）にスペーサ層（２）を介して接合されており、該スペーサ層（２）のうち前記半導体チップ（１）に形成された前記ダイアフラム（１３）と対応する位置に基準圧力室構成用の窓部（２１）または凹部（２４）が形成されていると共に前記貫通孔（３１）と対応する場所にはコンタクトホール（２２）が形成され、前記コンタクトホール（２２）を通じて前記貫通電極（３３）が前記歪ゲージ（１２）と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体式圧力センサ。
【請求項７】
前記コンタクトホール（２２）を囲むように前記スペーサ層（２）を除去したコンタクト分離部（２３）が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体式圧力センサ。
【請求項８】
前記台座（３）に形成された前記貫通孔（３１）は、該台座（３）の表面に対してテーパ状もしくは垂直に形成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の半導体式圧力センサ。
【請求項９】
前記貫通電極（３３）は、前記貫通孔（３１）内を埋め尽くすように形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の半導体式圧力センサ。
【請求項１０】
前記貫通電極（３３）は、前記貫通孔（３１）の表面に一定膜厚で形成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の半導体式圧力センサ。
【請求項１１】
前記半導体チップ（１）は支持基板（１６）の上に絶縁膜（１７）を介してＳＯＩ層（１８）が形成されてなるＳＯＩ基板（１９）により構成され、前記歪ゲージ（１２）は、前記ＳＯＩ層（１８）を貫通して前記絶縁膜（１７）に達するように形成されたトレンチおよびこのトレンチ内に形成された絶縁体（１９ａ）にて絶縁分離することで構成されていることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の半導体式圧力センサ。
【請求項１２】
前記構造体（Ａ）が収容される中空部が備えられていると共に、該中空部を通じて前記構造体（Ａ）に備えられた前記歪ゲージ（１２）と外部との電気的な接続を行うための外部接続配線（４１、５、６１）が備えられたケース（４、５）を構成するアッセンブリ（Ｂ）を有し、
前記構造体（Ａ）における前記台座（３）側が前記中空部の内側に向けられることで前記貫通電極（３３）を介して前記外部接続配線（４１、５、６１）が前記歪ゲージ（１２）と電気的に接続され、前記半導体チップ（１）の前記第２面側に圧力の測定媒体が導かれるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の半導体式圧力センサ。
【請求項１３】
前記外部接続配線（４１、５、６１）は前記中空部に配置されるリードピン（４１）を含み、該リードピン（４１）に対して前記貫通電極（３３）が接合されていることを特徴とする請求項１２に記載の半導体式圧力センサ。
【請求項１４】
配線部（８ａ）が形成された実装基板（８）を有し、
前記貫通電極（３３）は、前記台座（３）の表面および側面まで延設され、
前記構造体（Ａ）が前記実装基板（８）に対し、前記貫通電極（３３）のうちの前記台座（３）の側面に位置する部分が前記配線部（８ａ）に接続されるように縦置き実装されていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の半導体式圧力センサ。
【請求項１５】
前記構造体（Ａ）に形成された前記貫通電極（３３）と電気的に接続されるリードフレーム（７０）と、
前記半導体チップ（１）の前記第２面側および前記リードフレーム（７０）の先端位置を露出させるように、前記構造体（Ａ）および前記リードフレーム（７０）を封止するモールド樹脂（７１）と、を備えていることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の半導体式圧力センサ。
【請求項１６】
表面を第１面、裏面を第２面として、前記第１面の歪ゲージ（１２）が形成されていると共に、前記第２面が部分的に除去されることで、前記第１面側に圧力検出用のダイアフラム（１３）が形成されてなる半導体チップ（１）と、前記半導体チップ（１）における前記第１面側に接合された台座（３）とを有して構成された構造体（Ａ）を有し、
前記台座（３）には、該台座（３）の表裏を貫通する貫通孔（３１）が形成されていると共に、該貫通孔（３１）内に配置され、かつ、前記歪ゲージ（１２）に電気的に接続された貫通電極（３３）が備えられており、該貫通電極（３３）を通じて前記歪ゲージ（１２）の外部への電気的な接続が行われるように構成されてなる半導体式圧力センサの製造方法であって、
前記半導体チップ（１）の表層部に前記歪ゲージ（１２）を形成する工程と、
前記半導体チップ（１）の前記第１面側にスペーサ層（２）を形成する工程と、
前記スペーサ層（２）に対して、圧力基準室形成用の窓部（２１）または凹部（２４）を形成すると共に、前記歪ゲージ（１２）との電気的な接続を図るためのコンタクトホール（２２）を形成する工程と、
前記スペーサ層（２）を挟んで前記半導体チップ（１）の反対側に前記台座（３）を接合する工程と、
前記台座（３）を部分的にエッチングすることで該台座（３）の表裏を貫通するように前記貫通孔（３１）を形成する工程と、
前記貫通孔（３１）内に前記貫通電極（３３）を形成する工程と、
前記半導体チップ（１）の前記第２面にマスク（１４）を配置したのち、前記半導体チップ（１）を前記第２面側からエッチングすることで薄膜化し、前記ダイアフラム（１３）を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする半導体式圧力センサの製造方法。
【請求項１７】
前記スペーサ層（２）に前記窓部（２１）または前記凹部（２４）および前記コンタクトホール（２２）を形成する工程では、前記コンタクトホール（２２）を囲むように前記スペーサ層（２）を除去してコンタクト分離部（２３）を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１６に記載の半導体式圧力センサの製造方法。
【請求項１８】
前記スペーサ層（２）を形成する工程では、該スペーサ層（２）をポリシリコンにより形成することを特徴とする請求項１６または１７に記載の半導体式圧力センサの製造方法。
【請求項１９】
前記スペーサ層（２）を形成する工程では、該スペーサ層（２）を酸化膜により形成し、
前記台座（３）を接合する工程では、前記台座（３）をシリコンで構成し、該台座（３）を前記スペーサ層（２）に対してシリコン直接接合により接合することを特徴とする請求項１６または１７に記載の半導体式圧力センサの製造方法。
【請求項２０】
前記スペーサ層（２）に前記凹部（２４）および前記コンタクトホール（２２）を形成する工程を行ったのち、前記半導体チップ（１）を熱酸化して酸化膜を形成する工程を行い、該熱酸化工程の後に前記台座（３）を前記スペーサ層（２）に直接シリコン接合し、
さらに、前記台座（３）に前記貫通孔（３１）を形成する工程を行ったのち、前記貫通孔（３１）を通じて前記熱酸化により形成された酸化膜をエッチバックすることで、前記コンタクトホール（２）から前記半導体チップ（１）の表面を再度露出させる工程を行うことを特徴とする請求項１９に記載の半導体式圧力センサの製造方法。
【請求項２１】
前記台座（３）に対して前記貫通孔（３１）を形成する工程では、該台座（３）の側面の位置においても前記貫通孔（３１）を形成し、
前記貫通電極（３３）を形成する工程では、該貫通電極（３３）が前記台座（３）の側面にも延設されるようにし、
配線部（８ａ）が形成された実装基板（８）を用意し、前記貫通電極（３３）のうち前記台座（３）の側面に位置する部分が前記配線部（８ａ）に接続されるように、前記構造体（Ａ）を前記実装基板（８）に対して縦置きで実装する工程と、を含んでいることを特徴とする請求項１６ないし２０のいずれか１つに記載の半導体式圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力検出用の素子が形成された半導体チップの表面に台座を接合したセンシング部を有する半導体式圧力センサおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１において、圧力検出用の素子が形成された半導体チップの表面に台座を接合した圧力センサが提案されている。この圧力センサでは、半導体チップの表面側に歪ゲージを形成すると共に、裏面側に凹部を設けることで半導体チップを部分的に薄肉化したダイアフラムを形成した構造において、半導体チップの表面側に台座を接合することによりセンシング部を含む構造体を構成している。
【０００３】
このような構造とすることにより、（１）歪ゲージが測定媒体に触れず高い信頼性を確保でき、（２）半導体チップの表面に加わる応力が圧縮となるので高い耐圧力を実現でき、（３）測定媒体にセンシング部を挿入できるので温度計測が可能となるという特長を享受できる。
【特許文献１】特許第２７９２１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に示される半導体式圧力センサでは、半導体チップと台座を接合した構造体を細長い形状にすると共に、その一端側にセンシング部が構成されるようにし、他端側に外部との電気的な接続を図るパッドなどが配置されるようにしている。このため、半導体式圧力センサのケースや配線基板等が一体化されたアッセンブリ内に上記構造体を収容したときに、センシング部以外の部分が圧力の測定媒体に触れないように、アッセンブリの内壁面と構造体の間に構造体の両端を避けるようにシール材を配置しなければならない等、電気信号の外部への取り出し構造が複雑になるという問題がある。また、センシング部以外の部分が圧力の測定媒体に触れないように、センシング部と電気信号の外部への取り出し場所との距離を離す必要があり、チップ面積の増大も招いてしまう。
【０００５】
なお、ここでは半導体チップと台座を接合した構造体をアッセンブリに収容する場合について説明したが、半導体チップを台座に接合した構造体を用いた他の構造、例えば樹脂モールドするような形態であっても、上述したような電気信号の外部への取り出し構造の複雑化およびチップ面積の増大の問題は同様に発生するため、これらの問題を解決できるようにすることが望まれている。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、電気信号の外部への取り出し構造の簡素化、チップ面積の増大の防止が図れる構造の半導体式圧力センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の半導体式圧力センサでは、表面を第１面、裏面を第２面として、第１面の歪ゲージ（１２）が形成されていると共に、第２面が部分的に除去されることで、第１面側に圧力検出用のダイアフラム（１３）が形成されてなる半導体チップ（１）と、半導体チップ（１）における第１面側に接合された台座（３）とを有して構成された構造体（Ａ）を有し、台座（３）には、該台座（３）の表裏を貫通する貫通孔（３１）が形成されていると共に、該貫通孔（３１）内に配置され、かつ、歪ゲージ（１２）に電気的に接続された貫通電極（３３）が備えられており、該貫通電極（３３）を通じて歪ゲージ（１２）の外部への電気的な接続が行われるように構成されていることを特徴としている。
【０００８】
このような半導体式圧力センサによれば、半導体チップ（１）の第２面（裏面）側に配置した台座（３）を貫通するような貫通電極（３３）を設け、貫通電極（３３）を通じて歪ゲージ（１２）の外部への電気的な接続が行われるようにしている。このため、半導体チップ（１）および台座（３）を細長形状とする必要がないため、構造体（Ａ）を構成するための半導体チップ（１）のチップ面積の増大を招かないようにできるし、簡素な構造であるため、電気信号の外部への取り出し構造が複雑になることもない。
【０００９】
このような半導体式圧力センサにおいて、台座（３）をガラスなどの絶縁基板で構成することができる。
【００１０】
また、台座（３）をシリコンで構成しても良い。この場合、台座（３）と半導体チップ（１）を構成する材料が共にシリコンにできるため、台座（３）からの熱応力を最小にでき、温度特性が良好なセンサとすることが可能となる。さらに、このように台座（３）をシリコンで構成する場合には、台座（３）に歪ゲージ（１２）と接続された信号処理回路を形成することもできる。このようにすれば、信号処理回路を形成するための回路チップを無くしたり小さくしたりすることが可能となる。
【００１１】
なお、台座（３）をシリコンで構成することから、台座（３）の表面および貫通孔（３１）の内壁を絶縁膜（３４、３５）で覆い、該絶縁膜（３４、３５）により貫通電極（３３）と台座（３）との絶縁を図ることになる。
【００１２】
また、台座（３）を半導体チップ（１）に対してスペーサ層（２）を介して接合することができる。この場合、スペーサ層（２）のうち半導体チップ（１）に形成されたダイアフラム（１３）と対応する位置に基準圧力室構成用の窓部（２１）または凹部（２４）を形成すると共に、貫通孔（３１）と対応する場所にはコンタクトホール（２２）を形成し、コンタクトホール（２２）を通じて貫通電極（３３）が歪ゲージ（１２）と電気的に接続された構成とすることができる。
【００１３】
このとき、コンタクトホール（２２）を囲むようにスペーサ層（２）を除去したコンタクト分離部（２３）を形成すれば、例えばスペーサ層（２）をポリシリコンで構成する場合のように、高温になると抵抗値が低下してしまい絶縁が十分でなくなる可能性がある場合においても、各コンタクトホール（２２）がスペーサ層（２）を通じて電気的に導通してしまわないようにできる。
【００１４】
また、台座（３）に形成された貫通孔（３１）の形状は任意であり、該台座（３）の表面に対してテーパ状もしくは垂直に形成することができる。また、貫通電極（３３）に関しても、貫通孔（３１）内を埋め尽くすように形成されていても良いし、貫通孔（３１）の表面に一定膜厚で形成されていても良い。
【００１５】
半導体チップ（１）は単一のシリコン基板（１０）から形成されていても良いが、支持基板（１６）の上に絶縁膜（１７）を介してＳＯＩ層（１８）が形成されてなるＳＯＩ基板（１９）により構成されていても良い。この場合、歪ゲージ（１２）は、例えば、ＳＯＩ層（１８）を貫通して絶縁膜（１７）に達するように形成されたトレンチおよびこのトレンチ内に形成された絶縁体（１９ａ）にて絶縁分離することで構成される。
【００１６】
上記のような構造体（Ａ）は、例えば、構造体（Ａ）が収容される中空部および該中空部を通じて構造体（Ａ）に備えられた歪ゲージ（１２）と外部との電気的な接続を行うための外部接続配線（４１、５、６１）が備えられたケース（４、６）を構成するアッセンブリ（Ｂ）に収容される。
【００１７】
このような構成においては、構造体（Ａ）における台座（３）側が中空部の内側に向けられることで貫通電極（３３）を介して外部接続配線（４１、５、６１）が歪ゲージ（１２）と電気的に接続され、半導体チップ（１）の第２面側に圧力の測定媒体が導かれるような構成とすることができる。
【００１８】
このため、アッセンブリ（Ｂ）に備えられた中空部に沿って半導体チップ（１）および台座（３）を細長形状とする必要がないく、上述したように、構造体（Ａ）を構成するための半導体チップ（１）のチップ面積の増大を招かないようにできる。
【００１９】
また、このような構造では、貫通電極（３３）を外部接続配線（４１、５、６１）に電気的に接合してしまいさえすれば、中空部の内壁面と構造体（Ａ）の間に保護材（４３）を注入するだけで良く、アッセンブリ（Ｂ）の内壁面と構造体（Ａ）の間に構造体（Ａ）の両端を避けるようにシール材を配置しなければならない等、電気信号の外部への取り出し構造が複雑になることもない。
【００２０】
具体的には、外部接続配線（４１、５、６１）は中空部に配置されるリードピン（４１）を含んだ構成とされ、該リードピン（４１）に対して貫通電極（３３）が接合された構成とすることができる。
【００２１】
また、配線部（８ａ）を含んだ実装基板（８）を備え、貫通電極（３３）を台座（３）の表面および側面まで延設することで、構造体（Ａ）が実装基板（８）に対し、貫通電極（３３）のうちの台座（３）の側面に位置する部分が配線部（８ａ）に接続されるように縦置き実装構造とすることもできる。
【００２２】
さらに、構造体（Ａ）に形成された貫通電極（３３）と電気的に接続されるリードフレーム（７０）と、半導体チップ（１）の第２面側およびリードフレーム（７０）の先端位置を露出させるように、構造体（Ａ）およびリードフレーム（７０）を封止するモールド樹脂（７１）とを備えた構造とすることもできる。
【００２３】
以上の説明では本発明を半導体式圧力センサという装置発明として把握した場合について記載したが、以下に示す本発明を製造方法の発明として把握することもできる。
【００２４】
すなわち、本発明では、半導体チップ（１）の表層部に歪ゲージ（１２）を形成する工程と、半導体チップ（１）の第１面側にスペーサ層（２）を形成する工程と、スペーサ層（２）に対して、圧力基準室形成用の窓部（２１）または凹部（２４）を形成すると共に、歪ゲージ（１２）との電気的な接続を図るためのコンタクトホール（２２）を形成する工程と、スペーサ層（２）を挟んで半導体チップ（１）の反対側に台座（３）を接合する工程と、台座（３）を部分的にエッチングすることで該台座（３）の表裏を貫通するように貫通孔（３１）を形成する工程と、貫通孔（３１）内に貫通電極（３３）を形成する工程と、半導体チップ（１）の第２面にマスク（１４）を配置したのち、半導体チップ（１）を第２面側からエッチングすることで薄膜化し、ダイアフラム（１３）を形成する工程と、を含んでいることも特徴としている。
【００２５】
このような製造工程により、表面を第１面、裏面を第２面として、第１面の歪ゲージ（１２）が形成されていると共に、第２面が部分的に除去されることで、第１面側に圧力検出用のダイアフラム（１３）が形成されてなる半導体チップ（１）と、スペーサ層（２）を挟んで半導体チップ（１）とは反対側に接合された台座（３）とを有して構成され、台座（３）に、該台座（３）の表裏を貫通する貫通孔（３１）を形成すると共に、該貫通孔（３１）内に配置され、かつ、歪ゲージ（１２）に電気的に接続された貫通電極（３３）が備えられた構造体（Ａ）を備える半導体式圧力センサを製造することができる。
【００２６】
この場合、スペーサ層（２）に窓部（２１）または凹部（２４）およびコンタクトホール（２２）を形成する工程において、コンタクトホール（２２）を囲むようにスペーサ層（２）を除去してコンタクト分離部（２３）を形成する工程を行うことができる。
【００２７】
また、スペーサ層（２）を形成する工程では、該スペーサ層（２）をポリシリコンにより形成することもできるが、酸化膜により形成することもできる。このように酸化膜によりスペーサ層（２）を形成する場合、台座（３）を接合する工程において、該台座（３）をスペーサ層（２）に対してシリコン直接接合により接合することができる。また、スペーサ層（２）に凹部（２４）およびコンタクトホール（２２）を形成する工程を行ったのち、半導体チップ（１）を熱酸化して酸化膜を形成する工程を行い、該熱酸化工程の後に台座（３）をスペーサ層（２）に直接シリコン接合することができる。そして、このように熱酸化を行う場合には、さらに、台座（３）に貫通孔（３１）を形成する工程を行ったのち、貫通孔（３１）を通じて熱酸化により形成された酸化膜をエッチバックすることで、コンタクトホール（２）から半導体チップ（１）の表面を再度露出させることができる。
【００２８】
また、台座（３）に対して貫通孔（３１）を形成する工程にて、該台座（３）の側面の位置においても貫通孔（３１）を形成しておき、貫通電極（３３）を形成する工程にて、該貫通電極（３３）が台座（３）の側面にも延設されるようにしておけば、貫通電極（３３）のうち台座（３）の側面に位置する部分が配線部（８ａ）に接続されるように、構造体（Ａ）を実装基板（８）に対して縦置きで実装することもできる。
【００２９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００３１】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本実施形態にかかる半導体式圧力センサの断面図であり、図２は、図１中のセンシング部を構成する構造体Ａの拡大断面を模式的に描いた図である。図３は、図２に示す構造体の上面レイアウトを示した図である。図２は、ほぼ図３のＡ−Ａ矢視断面を示したものに相当している。図４は、半導体式圧力センサの回路構成を示した図である。以下、これらの図を参照して半導体式圧力センサの構造について説明する。
【００３２】
図１に示すように、半導体式圧力センサは、センシング部を構成する構造体Ａと半導体式圧力センサのケースや配線等が一体化されたアッセンブリＢとを有して構成されている。そして、構造体ＡがアッセンブリＢ内に固定されることで、外部との電気的な導通が図られると共に、圧力の測定媒体が流動する配管などへの取り付けが行えるようになっている。
【００３３】
構造体Ａは、図２に示すように、半導体チップ１の表面および裏面をそれぞれ第１面および第２面として、第１面の上にスペーサ層２を介して台座３が接合されることで構成されている。半導体チップ１の第１面には酸化膜１１が形成され、この酸化膜１１の下層（半導体チップ１の第１面の表層部）に、ｎ型もしくはｐ型不純物がドーピングされた歪ゲージ１２が形成されている。また、半導体チップ１には、歪ゲージ１２と対応する位置において、第２面側からエッチングすることで部分的に薄肉化し、圧力印加に伴って撓むように構成されたダイアフラム１３が形成されている。
【００３４】
歪ゲージ１２は、図３に示すように、ダイアフラム１３におけるエッジ部分、つまり最も薄肉化されている部分であって第１面と平行な面とテーパ面との境界部分（図３中の正方形部分）に延設されている。この歪ゲージ１２は、ダイアフラム１３のエッジ部分が構成する四角形の各辺に１つずつ配置され、それらが歪ゲージ１２と同様に半導体チップ１の表層部に形成された拡散層１４を通じて電気的に接続されることで、図４に示すようにホイートストンブリッジ状に接続され、センシング部が構成されている。
【００３５】
具体的には、半導体チップ１における酸化膜１１の表面にポリシリコン等で構成されたスペーサ層２が形成され、スペーサ層２を挟んで半導体チップ１の反対側にガラス等の絶縁基板で構成された台座３が接合されている。
【００３６】
図３は、断面構造を示したものではないが、図を見やすくするためにスペーサ層２にハッチングを示してある。この図に示されるように、スペーサ層２のうちダイアフラム１３と対応する場所には圧力基準室となる窓部２１が形成され、複数の歪ゲージ１２それぞれの接続位置、つまり拡散層１４と対応する各場所には、コンタクトホール２２が形成されている。、さらに、各コンタクトホール２２を囲むようにスペーサ層２が除去されることで、コンタクト分離部２３が形成されている。
【００３７】
一方、台座３のうちコンタクトホール２２と対応する場所には貫通孔３１が形成されており、この貫通孔３１およびコンタクトホール２２を埋め尽くすように貫通電極３３が形成されている。このような構造により、貫通電極３３が各拡散層１４と電気的に接続され、図４に示されるような回路構造が構成されている。
【００３８】
なお、スペーサ層２は基本的には高抵抗材料であるポリシリコン等で構成されているため、各拡散層１４間の絶縁が図れるようになっているが、ポリシリコン等の材料は高温になると抵抗値が低下するため、絶縁が十分でなくなる可能性がある。このため、コンタクトホール２２を囲むようにコンタクト分離部２３を形成することにより、各コンタクトホール２２がスペーサ層２を通じて電気的に導通してしまわないようにしてあるが、スペーサ層２の材料の選択によってはコンタクト分離部２３を無くしても構わない。
【００３９】
このように構成された構造体Ａは、半導体チップ１の第１面側がスペーサ層２を介して台座３と接合された、いわゆるフェイスダウン構造となり、台座３に形成した貫通電極３３を通じてアッセンブリＢに設けられた各種回路を含む外部接続配線を通じて、歪ゲージ１２の電気信号を外部に取り出せる構造となる。
【００４０】
一方、アッセンブリＢは、図１に示すように、センサハウジング４とフレキシブルリード５およびコネクタ６を備えた構成とされている。
【００４１】
センサハウジング４は、中空形状とされており、中空部内に導体金属で構成された複数のリードピン４１を収容すると共に、構造体Ａを収容するものである。センサハウジング４の中空部内はガラスハーメチック等の絶縁体４２にてハーメッチック封止され、複数のリードピン４１が互いに接触したり、センサハウジング４の中空部内壁と接触したりしないような構成となっている。
【００４２】
そして、リードピン４１のうちの一端側に構造体Ａにおける台座３側が向けられ、台座３から露出した貫通電極３３がリードピン４１にはんだ等を介して電気的に接続されている。この電気的接続部および半導体チップ１の中間位置（厚みの途中の位置）まで保護材４３で覆われ、電気的接合部が測定媒体と接触しないようにシールが為されている。
【００４３】
なお、センサハウジング４の外周には雄ネジ溝４４が掘られており、この雄ネジ溝４４が図示しない測定媒体の流動する配管の雌ネジ穴内にネジ締めされることで、半導体式圧力センサの配管への固定が行われる。
【００４４】
フレキシブルリード５は、本実施形態では、図１に示すようなＵ字状で構成され、一部がリードピン４１の他端と電気的に接続されている。このフレキシブルリード５には、センシング部の電気信号を処理するための信号処理回路などを構成する回路チップ５１、コンデンサ５２等が装着されている。なお、フレキシブルリード５には、図示しないが電源ラインやＧＮＤライン、さらにはセンシング部から出力される電気信号出力用のラインなど、外部接続配線の一部が形成されており、このフレキシブルリード５に回路チップ５１やコンデンサ５２の裏面などに設けられたパッドとはんだ等を介して電気的に接続されることで、所望のラインと回路チップ５１やコンデンサ５２との電気的な接続が図れるようになっている。
【００４５】
コネクタ６は、コネクタピン６１やＯリング６２等を備えて構成され、コネクタピン６１を介して外部との電気的な接続を取るためのものである。
【００４６】
このように構成された半導体式圧力センサでは、図４に示すような回路構成となるように各部が電気的に接続され、ホイートンストンブリッジを構成するように配置された歪ゲージ１２の相対する２本の抵抗値が印加された圧力に応じて増減することで圧力を検出することができる。また、ダイアフラム１３に対して、印加される応力の絶対値が等しくなるように各歪ゲージ１２を配置することで、ブリッジ全体の合成抵抗が圧力には依存せず、温度にのみ依存するよう設計することができる。その結果、図４に示す回路構成のように、ホイートンストンブリッジの中間電位２点の電位差を圧力出力とし、かつ、ホイートンストンブリッジへの印加電圧を温度出力とした温度計測可能な半導体式圧力センサとすることができる。そして、このような構成では、圧力検出に必要な４本の端子のみで温度も計測できる構造にできるため、リードピン４１も最小数とすることができ、小型・低コスト化に寄与できる。このような回路構造については、上述した特許文献１において公知となっているため、詳細については省略する。
【００４７】
なお、温度測定に関しては、半導体チップ１に別途温度検出素子他の拡散抵抗、ＴＣＲの大きな金属薄膜抵抗、ダイオード等を設けても良い。
【００４８】
続いて、上記のように構成される半導体式圧力センサの製造方法について説明する。図５、図６は、本実施形態の半導体式圧力センサの製造工程を示した断面図であり、これらの図を参照して説明する。
【００４９】
まず、図５（ａ）に示す工程では、例えば半導体チップ１を構成するｎ型のシリコン基板１０を用意し、シリコン基板１０の表面を熱酸化することにより、所望膜厚の酸化膜１１を形成する。
【００５０】
図５（ｂ）に示す工程では、シリコン基板１０の第１面に対してイオン注入用のマスクを配置したのち、第１面の所定の位置に、例えばｐ型不純物であるボロン等をイオン注入したのち、熱処理して注入された不純物を活性化させることでｐ型の歪ゲージ１２を形成する。なお、ここではイオン注入法により歪ゲージ１２を形成したが、熱拡散により形成しても良い。
【００５１】
図５（ｃ）、（ｄ）に示す工程では、ポリシリコン（多結晶シリコン）等からなるスペーサ層２を成膜した後、スペーサ層２の所望位置をエッチング除去することにより、圧力基準室を構成するための窓部２１、コンタクトホール２２、コンタクト分離部２３を形成する。
【００５２】
図５（ｅ）に示す工程では、ガラス等からなる台座３をスペーサ層２の表面に陽極接合する。これにより、窓部２１が空間として残り、圧力基準室が形成される。なお、このときの接合に関しては、Ａｕ共晶、低融点ガラス、ハンダ等、圧力基準室の気密を保つことができるのであれば他の方法でも構わない。
【００５３】
図６（ａ）に示す工程では、台座３のうちコンタクトホール２２に対応する部分をエッチングして、テーパ状の貫通孔３１を形成する。
【００５４】
図６（ｂ）に示す工程では、歪ゲージ１２と電気的接続を取るためにＡｌ等の金属やメッキの下地になるＣｕ等の金属等を順次成膜し、引き続き、メッキを施すことで、貫通孔３１を金属３２で埋め尽くす。
【００５５】
図６（ｃ）に示す工程では、金属３２の所望位置をエッチング除去して、貫通電極３３を形成する。
【００５６】
図６（ｄ）に示す工程では、シリコン基板１０の第２面の表面に窒化膜１５を成膜したのち、ダイアフラム形成予定領域と対応する位置において窒化膜１５をエッチングにより除去する。
【００５７】
図６（ｅ）に示す工程では、窒化膜１５をマスクとしたエッチングを行うことで、シリコン基板１０を掘り込んでダイアフラム１３を形成する。この後、台座３と共にシリコン基板１０をダイシングカットすることでチップ単位に分割し、半導体チップ１がスペーサ層２を介して台座３に接合されたセンシング部を含む構造体Ａが構成される。
【００５８】
そして、このように構成された構造体Ａをセンサハウジング４とフレキシブルリード５およびコネクタ６が備えられたアッセンブリＢにおけるセンサハウジング４の中空部内に配置し、はんだ等を介してリードピン４１と貫通電極３３を電気的に接合したのち、保護材４３を注入することで、本実施形態の半導体式圧力センサが完成する。
【００５９】
以上説明した本実施形態の半導体式圧力センサによれば、半導体チップ１の第２面（裏面）側に配置した台座３を貫通するような貫通電極３３を設け、貫通電極３３を通じて歪ゲージ１２の外部への電気的な接続が行われるようにしている。このため、半導体チップ１および台座３を細長形状とする必要がないため、構造体Ａを構成するための半導体チップ１のチップ面積の増大を招かないようにできるし、簡素な構造であるため、電気信号の外部への取り出し構造が複雑になることもない。
【００６０】
特に、本実施形態の半導体式圧力センサによれば、半導体チップ１の第２面（裏面）側に配置した台座３を貫通するような貫通電極３３を設け、貫通電極３３をリードピン４１に電気的に接続することで、外部へセンシング部の電気信号を出力できる構成としている。このため、アッセンブリＢにおけるセンサハウジング４の中空部に沿って半導体チップ１および台座３を細長形状とする必要がないため、上述したように、構造体Ａを構成するための半導体チップ１のチップ面積の増大を招かないようにできる。
【００６１】
また、このような構造では、貫通電極３３をリードピン４１に電気的に接合してしまいさえすれば、センサハウジング４の中空部の内壁面と構造体Ａの間に保護材４３を注入するだけで良く、アッセンブリＢの内壁面と構造体Ａの間に構造体Ａの両端を避けるようにシール材を配置しなければならない等、電気信号の外部への取り出し構造が複雑になることもない。
【００６２】
さらに、特許文献１に示される構造の場合、外部との電気的な接続も、上記パッド等を半導体チップと台座の間に配置すると共に、半導体チップの長手方向の長さが台座よりも長くなるようにすることでパッド等を台座から露出させ、パッドとアッセンブリ側に設置されていた配線基板の配線などとをボンディングワイヤで接続することにより行っている。このとき、半導体チップのうちパッドが形成された表面とアッセンブリ側に設置された配線基板の表面とが垂直となるため、ワイヤボンディング等の実装工程が複雑になる。
【００６３】
これに対して、本実施形態の半導体式圧力センサによれば、貫通電極３３をリードピン４１に電気的に接合すれば良いため、従来のように半導体チップのうちパッドが形成された表面とアッセンブリ側に設置された配線基板の表面とが垂直となるためにワイヤボンディング等の実装工程が複雑になるという問題も解消することができる。
【００６４】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、半導体式圧力センサにおけるセンシング部を構成する構造体Ａの構造を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なっている構造体Ａについてのみ説明する。
【００６５】
図７は、本実施形態の半導体式圧力センサにおけるセンシング部を構成する構造体Ａの断面図である。この図に示されるように、本実施形態の半導体式圧力センサでは、スペーサ層２を酸化膜で構成すると共に、スペーサ層２を半導体チップ１の表面が露出しない程度に部分的にエッチングすることで凹部２４を形成している。また、スペーサ層２の表面にシリコンで構成された台座３がシリコン直接接合により接続されている。そして、スペーサ層２に形成された凹部２４にて、スペーサ層２と台座３との間に圧力基準室が形成された構造となっている。
【００６６】
このような構造とすることで、第１実施形態と同様の効果が得られるだけでなく、台座３と半導体チップ１を構成する材料が共にシリコンにできるため、台座３からの熱応力を最小にでき、温度特性が良好なセンサとすることが可能となる。
【００６７】
なお、本図に示されるように、貼り合わせた台座３がシリコンであることから、電極３３との絶縁性を確保するために、台座３の表面および貫通孔３１の内壁を絶縁膜３４、３５で覆った構造としている。
【００６８】
続いて、本実施形態の半導体式圧力センサの製造方法について説明する。図８〜図１０は、本実施形態の半導体式圧力センサの製造工程を示した断面図であり、これらの図を参照して説明する。
【００６９】
まず、図８（ａ）、（ｂ）に示す工程では、上述した図５（ａ）、（ｂ）と同様の工程を行うことで、半導体チップ１の表面に酸化膜１１を形成すると共に、半導体チップ１の表層部に歪ゲージ１２を形成する。
【００７０】
図８（ｃ）、（ｄ）に示す工程では、ＣＶＤ法等により酸化膜を成膜したのち、熱処理を施し酸化膜の膜質を改善を行うことでスペーサ層２を形成する。そして、スペーサ層２の所望位置をエッチング除去することにより、圧力基準室を構成するための凹部２４およびコンタクトホール２２を形成する。そして、図８（ｅ）に示す工程では、再度、熱酸化を行い、歪ゲージ１２のＰＮ接合部を保護するための酸化膜７を形成する。
【００７１】
次に、図９（ａ）に示す工程では、高抵抗のシリコンからなる台座３をシリコン直接接合によりスペーサ層２の表面に接合し、必要に応じてシリコンを研削することで台座３の厚みを調整する。これにより、スペーサ層２に形成された凹部２４が空間として残り、台座３とスペーサ層２の間に圧力基準室が形成される。引き続き、図９（ｂ）に示す工程では、絶縁膜３４をＣＶＤもしくは熱酸化により形成し、この絶縁膜３４のうち貫通孔３１の形成予定領域を開口させる。この絶縁膜３４をマスクとして用いたエッチングを行うことで、台座３のうちコンタクトホール２２に対応する部分に貫通孔３１を形成する。
【００７２】
続いて、図９（ｃ）に示す工程にて、熱酸化によって貫通孔３１の内壁（側面）にＳｉＯ2からなる絶縁膜３５を形成したのち、エッチバックしてスペーサ層２を後退させ、歪ゲージ１２を露出させる。そして、図９（ｄ）に示す工程において、貫通孔３１内を歪ゲージ１２と電気的接続を取るための金属３２で埋め尽くす。この後、図９（ｅ）に示す工程にて、金属３２の所望位置をエッチング除去して、貫通電極３３を形成する。
【００７３】
そして、図１０（ａ）、（ｂ）に示す工程では、図６（ｄ）、（ｅ）と同様の工程により、シリコン基板１０の第２面に形成した窒化膜１４をマスクとしてエッチングを行うことで、シリコン基板１０を掘り込んでダイアフラム１３を形成する。この後、台座３と共にシリコン基板１０をダイシングカットすることでチップ単位に分割し、半導体チップ１がスペーサ層２を介して台座３に接合されたセンシング部を含む構造体Ａが構成される。
【００７４】
そして、このように構成された構造体Ａをセンサハウジング４とフレキシブルリード５およびコネクタ６が備えられたアッセンブリＢにおけるセンサハウジング４の中空部内に配置し、はんだ等を介してリードピン４１と貫通電極３３を電気的に接合したのち、保護材４３を注入することで、本実施形態の半導体式圧力センサが完成する。
【００７５】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、半導体式圧力センサにおけるセンシング部を構成する構造体Ａの電気的な接続構造を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なっている構造体Ａについてのみ説明する。
【００７６】
図１１は、本実施形態の半導体式圧力センサにおけるセンシング部を構成する構造体Ａの断面図である。この図に示すように、第１または第２実施形態に示したセンシング部を構成する構造体Ａが縦置き実装されている。具体的には、貫通電極３３が台座３の表面から側面まで延設されるようにしてあり、台座３の側面においいて貫通電極３３が実装基板８に備えられた配線部８ａに接合されている。このように構造体Ａを縦置き実装することも可能であり、このような構造であっても電気信号の外部への取り出し構造の簡素化、チップ面積の増大の防止を図ることができる。
【００７７】
また、このような構造の場合、構造体Ａの側面で電気信号の外部への取り出しが行われることになり、台座３の表面側が電気信号の取り出しのために他の部材等で拘束されたりすることがないので、センサハウジング４等からの熱応力の影響を最小することができ、温度特性の良好なセンサを得ることができる。
【００７８】
なお、このような縦置き実装の場合には、上記第１、第２実施形態のように貫通電極３３がリードピン４１に直接接合される代わりに、実装基板８を介して他の配線等と電気的に接合されることになるが、実装基板８と共にセンサハウジング４の中空部内に挿入されるようにし、実装基板８がセンサハウジング４の中空部から飛び出して配線部８ａとフレキシブルリード５の配線部と電気的に接続できるような形態とすれば良い。
【００７９】
（他の実施形態）
上記第１、第２実施形態では、構造体ＡやアッセンブリＢを構成する各部の構造や材質等について例を挙げて説明しているが、これらは単なる一例を示したものであり、様々に改良可能である。
【００８０】
例えば、上記第１実施形態では、台座３に対してテーパ状の貫通孔３１を形成し、この貫通孔３１を埋め尽くすように貫通電極３３を備えたものを示した。しかしながら、これは単なる一例であり、他の構造であっても構わない。図１２〜図１４は、貫通孔３１の形状もしくは貫通電極３３の形状を変更した場合の構造体Ａの断面図である。
【００８１】
図１２に示すように、台座３に対して貫通孔３１を垂直に加工しても良い。また、図１３に示すように、貫通孔３１を貫通電極３３で埋め尽くさず、貫通電極３３が貫通孔３１の表面のみに形成される形態としても良い。さらに、図１４に示すように、シリコン基板１０に代えて支持基板１６の表面に絶縁膜１７を介してＳＯＩ（Silicon on insulator）層１８が形成されたＳＯＩ基板１９を用いても良い。この場合、各歪ゲージ１２は、ＳＯＩ層１８に不純物をドーピングしておいた後、ＳＯＩ層１８に対して絶縁膜１７まで達するトレンチ加工を行い、トレンチ内を絶縁体１９ａで絶縁分離することで構成される。このようにＳＯＩ基板１９を用いれば、より高温での半導体式圧力センサの使用が可能になる。なお、ＳＯＩ基板１９ではなく、支持基板上に絶縁膜を介して多結晶シリコンを形成した基板であっても同様の効果を得ることができる。
【００８２】
さらに、上記各実施形態では、構造体ＡをアッセンブリＢに収容する場合について説明したが、上記各実施形態で示した構造体Ａを樹脂モールドするような実装形態としても構わない。図１５は、構造体Ａを樹脂モールドした半導体式圧力センサの断面構造を示したものである。この図に示されるように、半導体チップ１のうちセンシング部が構成された側の表面に台座３を貼り付けるフェイスダウン構造において、台座３の貫通孔３１に形成した貫通電極３３がリードフレーム７０に接合されるようにし、半導体チップ１における第２面側（ダイアフラム１３の凹み部）およびリードフレーム７０の端子部分が露出するように、半導体チップ１およびリードフレーム７０を部分的にモールド樹脂７１で封止した構造としても良い。
【００８３】
また、上記第１、第２実施形態において、図６や図１０などに示したように、貫通電極３３を形成した後にダイアフラム１３を形成する場合を例に挙げて説明したが、ダイアフラム１３を形成した後に貫通電極３３を形成するようにしても良い。
【００８４】
また、上記第３実施形態で示した縦置き実装構造や上記図１２〜図１５に示した構造に関して、第１実施形態に示したような台座３をガラス等の絶縁基板で構成した場合に対してのみ説明しているが、勿論、第２実施形態で示したような台座３をシリコンで構成する場合にも適用することができる。
【００８５】
なお、上記各実施形態において、台座３をシリコンにて構成する場合、台座３に対して信号処理回路などを作り込むことも可能である。このようにすれば、信号処理回路のための回路チップ５１を無くしたり、小型化することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる半導体式圧力センサの断面図である。
【図２】図１中のセンシング部を構成する構造体Ａの拡大断面図である。
【図３】図２に示す構造体Ａの上面レイアウトを示した図である。
【図４】図１に示す半導体式圧力センサの回路構成を示した図である。
【図５】図２に示す半導体式圧力センサの構造体Ａの製造工程を示した断面図である。
【図６】図５に続く半導体式圧力センサの構造体Ａの製造工程を示した断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態の半導体式圧力センサにかかるセンシング部を構成する構造体Ａの断面図である。
【図８】図７に示す半導体式圧力センサの構造体Ａの製造工程を示した断面図である。
【図９】図８に続く半導体式圧力センサの構造体Ａの製造工程を示した断面図である。
【図１０】図９に続く半導体式圧力センサの構造体Ａの製造工程を示した断面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態の半導体式圧力センサにかかるセンシング部を構成する構造体Ａの断面図である。
【図１２】本発明の他の実施形態の半導体式圧力センサにかかるセンシング部を構成する構造体Ａの断面図である。
【図１３】本発明の他の実施形態の半導体式圧力センサにかかるセンシング部を構成する構造体Ａの断面図である。
【図１４】本発明の他の実施形態の半導体式圧力センサにかかるセンシング部を構成する構造体Ａの断面図である。
【図１５】構造体Ａを樹脂モールドした半導体式圧力センサの断面構造を示した図である。
【符号の説明】
【００８７】
１…半導体チップ、２…スペーサ層、３…台座、４…センサハウジング、５…フレキシブルリード、６…コネクタ、７…酸化膜、８…実装基板、８ａ…配線部、１０…シリコン基板、１１…酸化膜、１２…歪ゲージ、１３…ダイアフラム、１４…拡散層、１５…窒化膜、１６…支持基板、１７…絶縁膜、１８…ＳＯＩ層、１９…ＳＯＩ基板、１９ａ…絶縁体、２１…窓部、２２…コンタクトホール、２３…コンタクト分離部、２３…凹部、２４…凹部、３１…貫通孔、３２…金属、３３…貫通電極、３４、３５…絶縁膜、４１…リードピン、４２…絶縁体、４３…保護材、４４…雄ネジ溝、５１…回路チップ、５２…コンデンサ、６１…コネクタピン、６２…Ｏリング、７０…リードフレーム、７１…モールド樹脂、Ａ…構造体、Ｂ…アッセンブリ。
【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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