(57)【要約】【課題】耐環境性に優れ、高い圧力感度を有しつつもセンサ上の配線等による微小応力の影響を受けることのない圧力センサを提供する。【解決手段】半導体でできたセンサチップ１０の所定位置にダイアフラム１１を形成し、少なくともこのダイアフラムを含んだセンサチップ上に差圧又は圧力検出用のセンサゲージ２１０を設け、このセンサゲージが協働してブリッジ回路を形成する複数のセンサゲージからなり、センサゲージ間は半導体抵抗２２０で接続され、かつ当該半導体抵抗及びセンサゲージは絶縁膜２３０で覆われ、絶縁膜の一部を貫通して形成され半導体抵抗に電気的に接続されたコンタクト２５０を形成するための電極取り出し用のコンタクト穴２４０の個数が、前記センサゲージの数以下となっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体でできたセンサチップの所定位置にダイアフラムを形成し、
少なくとも前記ダイアフラムを含んだセンサチップ上に差圧又は圧力検出用のセンサゲージを設けた圧力センサにおいて、
前記センサゲージが、協働してブリッジ回路を形成する複数のセンサゲージからなり、前記センサゲージ間は半導体抵抗で接続され、かつ当該半導体抵抗及びセンサゲージは絶縁膜で覆われ、
前記絶縁膜の一部を貫通して形成され前記半導体抵抗に電気的に接続されたコンタクトを形成するための電極取り出し用のコンタクト穴の個数が、前記センサゲージの数以下であることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記センサチップがシリコンからなり、当該センサチップが（１００）面に形成され、かつ前記センサゲージの方向が＜１１０＞方向に形成され、かつ前記半導体抵抗が＜１００＞方向に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶対圧やゲージ圧、差圧を測定するのに適した圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、半導体チップ上の一部にダイアフラムを形成し、このダイアフラム上にピエゾ抵抗素子をブリッジ状に配して被測定媒体の圧力に応じたダイアフラムの変位をピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に変えて被測定媒体の圧力を検出する圧力センサが広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
かかる特許文献１に記載のような半導体ピエゾ抵抗素子を有する圧力センサのセンサチップにおいて、特に抵抗素子でブリッジ回路を構成するものについては、その構造上アルミニウムなどの金属で配線すると共に、抵抗と配線のコンタクト箇所が抵抗数×２個存在するようになる。しかしながら、このような構造を有する圧力センサ自体に熱などが加わった場合、アルミニウム、絶縁膜、半導体抵抗相互の線膨張係数の違いに基づく熱変化に伴うストレス（熱応力）がこれらの各構成要素に発生し、センサ出力のゼロ点をシフトさせる要因となっている。
【特許文献１】特開２００２−２７７３３７号公報（２頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、特開平９−１２６９２２号公報（以下、「特許文献２」とする）に記載された圧力センサは、厚さ３００μｍのシリコン基板の（１１０）面上に、熱拡散によりボロンを拡散することでピエゾ抵抗素子を形成すると共にピエゾ抵抗素子の形成方法と同様の方法で拡散抵抗からなる電極配線を形成している。そして、シリコン基板の（１１０）面上に電子ビーム蒸着法でアルミニウム層を形成し、このアルミニウム層をフォトリソグラフィ工程で所定形状にパターン化して電極パッドを形成している。また、シリコン基板の（１１０）面の裏面側には水酸化カリウムで異方性エッチングを行なうことによりダイアフラムを形成している。
【０００５】
より具体的には、特許文献２に記載の圧力センサは、同文献の図面から明らかなように、ダイアフラムと拡散抵抗を形成するシリコン単結晶基板に（１１０）面のものを使用していると共に、ピエゾ抵抗素子の形成方向をシリコン基板の（１１０）面上の＜１１１＞方向と略同方向となるように配置している。また、拡散抵抗による配線はシリコン基板の（１１０）面上の＜１００＞方向及び＜１１０＞方向に向けられているという構成のみを有している。そして、このような構成を有することで、配線に圧力感度を持たせて圧力感度を少しでも向上させるという課題のみを解決しようとしている。従って、特許文献２に記載の圧力センサは、高い圧力感度を有しつつもセンサ上の配線等による微小応力の影響を受けないようにするという課題を解決するための構成を有していない。
【０００６】
これに加えて、特許文献２に記載された圧力センサは、半導体抵抗を絶縁膜で保護していないので、耐環境性が著しく悪くなると共に、センサ出力にドリフトなどのノイズ成分が大きく影響するため高精度を達成できない。
【０００７】
本発明の目的は、耐環境性に優れ、高い圧力感度を有しつつもセンサ上の配線等による微小応力の影響を受けることのない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】
本発明にかかる圧力センサは、
半導体でできたセンサチップの所定位置にダイアフラムを形成し、
少なくとも前記ダイアフラムを含んだセンサチップ上に差圧又は圧力検出用のセンサゲージを設けた圧力センサにおいて、
前記センサゲージが、協働してブリッジ回路を形成する複数のセンサゲージからなり、前記センサゲージ間は半導体抵抗で接続され、かつ当該半導体抵抗及びセンサゲージは絶縁膜で覆われ、
前記絶縁膜の一部を貫通して形成され前記半導体抵抗に電気的に接続されたコンタクトを形成するための電極取り出し用のコンタクト穴の個数が、前記センサゲージの数以下であることを特徴としている。
【０００９】
圧力センサがこのような構成を有することで、コンタクト穴に対応する領域であってそれぞれ線膨張係数の異なる金属と絶縁膜と半導体で構成される部分の個数を少なくすることができるので、センサ上の配線等による微小応力の影響を受け難くすることができる。また、半導体抵抗とセンサゲージが絶縁膜で覆われることで耐環境性に優れた圧力センサとすることができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の本発明にかかる圧力センサは、請求項１に記載の圧力センサにおいて、
前記センサチップがシリコンからなり、当該センサチップが（１００）面に形成され、かつ前記センサゲージの方向が＜１１０＞方向に形成され、かつ前記半導体抵抗が＜１００＞方向に形成されていることを特徴としている。
【００１１】
センサチップがシリコンからなり、かつセンサゲージがダイアフラムに印加する圧力によって生じる応力に感度を有する＜１１０＞方向に形成され、半導体抵抗はこの応力に感度を有さない＜１００＞方向に形成されていることで、より高い圧力感度を有しつつもセンサ上の配線等による微小応力の影響を受け難い耐環境性に優れた圧力センサとすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、耐環境性に優れ、高い圧力感度を有しつつもセンサ上の配線等による微小応力の影響を受けることのない圧力センサを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の第１の実施形態にかかる圧力センサ１について図面に基いて説明する。本発明の第１の実施形態にかかる圧力センサ１は、図１及び図２に示すように結晶面方位が（１００）面のｎ型単結晶Ｓｉからなる正方形のセンサチップ１０を有している。なお、本実施形態及びこれに続く第２の実施形態における説明では「圧力」の用語のみを用いるが、ダイアフラムの両面に異なる圧力が加わり、この差圧を測定する場合もこれらの実施形態に含まれることは言うまでもない。
【００１４】
センサチップ１０は、チップ表面の所定位置に形成された正方形のダイアフラム１１と、センサチップ１０の外周部を形成しダイアフラム１１を取り囲む厚肉部１２とからなる。そして、センサチップ１０の裏面中央にはダイアフラム１１の形成によって正方形の凹部１３が形成され、厚肉部１２が台座１５に陽極接合されている。台座１５は、パイレックス（登録商標）ガラスやセラミックス等によってセンサチップ１０と略同一の大きさを有する角柱体に形成されている。また、台座１５には、ダイアフラム１１の裏側に被測定媒体の圧力を導く導圧路１５ａが形成されている。
【００１５】
ダイアフラム１１は、図２に示す平面視でその対角線がセンサチップ１０の対角線と直交するようにセンサチップ１０に対して略４５°傾いた状態で形成されている（図２中の点線で示すダイアフラム１１の縁部参照）。そして、ダイアフラム表面の周縁部付近にはピエゾ領域として作用し圧力を検出する４つの圧力検出用のセンサゲージ２１０（２１１〜２１４）がセンサチップ１０の対角線に平行する位置に形成されている。即ち、これらのセンサゲージ２１１〜２１４は、センサチップ１０の（１００）面においてピエゾ抵抗係数が最大となる＜１１０＞方向に形成されている。
【００１６】
また、ブリッジ回路を形成する複数のセンサゲージ２１０の各センサゲージ間は拡散抵抗配線（半導体抵抗）２２０（２２１〜２２４）で接続され、かつセンサゲージ２１０及び拡散抵抗配線２２０は後述する一部のコンタクト穴２４０（２４１〜２４４）を除いて図３に示す酸化膜（絶縁膜）２３０で覆われている。
【００１７】
なお、拡散抵抗配線２２０は、図２に示すように幅が広く示され実際に抵抗値が低くなっていると共に、センサゲージ２１０は、図２において幅が狭く示され実際に抵抗値が高くなっている。これによって、拡散抵抗配線２２０とセンサゲージ２１０が協働してブリッジ回路を形成している。
【００１８】
そして、これらセンサゲージ２１０と拡散抵抗配線２２０の組み合わせで形成されるブリッジ回路の各拡散抵抗配線２２１〜２２４のそれぞれの所定位置には、酸化膜２３０の一部を貫通して形成され拡散抵抗配線２２０からの電極取り出し用のコンタクト２５０（２５１〜２５４）を形成するためのコンタクト穴２４０（２４１〜２４４）が対応して形成されている。なお、本実施形態の場合、このコンタクト穴２４０はブリッジ回路への電力印加用の２つのコンタクト穴２４２，２４４と、ブリッジ回路からの出力取り出し用の２つのコンタクト穴２４１，２４３との合計４個のコンタクト穴からなっており、コンタクト穴２４０の個数がセンサゲージ２１１〜２１４の数（４個）以下となっている。
【００１９】
上述の通り、各コンタクト穴２４０に対応するように形成されたコンタクト２５０（２５１〜２５４）はアルミニウムでできている。そして、コンタクト２５０は、図３に示すようにその一部である埋め込み部２５０ａ（２５１ａ〜２５４ａ）がコンタクト穴を埋めるように形成され、その残部が酸化膜上にコンタクトパッド２５０ｂ（２５１ｂ〜２５４ｂ）として形成されている。そして、このコンタクト２５０によって拡散抵抗配線２２０とコンタクトパッド２５０ｂがそれぞれ電気的に導通され、コンタクトパッド２５０ｂに図示しないワイヤボンディングを施すことでブリッジ回路に電力を供給したりブリッジ回路からの出力を取り出したりするようになっている。
【００２０】
なお、図２に示す圧力センサ１においては、圧力センサチップの上面に、異形角型Ｕ字状を有する４つの幅広の拡散抵抗配線２２１〜２２４が配置され、この各拡散抵抗配線２２１〜２２４は、その各両端部が図中点線で示す菱形のダイアフラム１１の上面縁部近傍にそれぞれ位置している。そして、各拡散抵抗配線２２１〜２２４の端部は隣接する各拡散抵抗配線２２１〜２２４の端部と僅かな距離だけ離間している。そして、この離間した間に幅狭の抵抗値の高いセンサゲージ２１１〜２１４が＜１１０＞方向に配置されている。
【００２１】
しかしながら、この図２に示したブリッジ回路パターンは本発明の理解の容易化を図るために例示した平面視パターン構成の一例を示したものに過ぎず、センサチップが（１００）面上に形成され、拡散抵抗配線がセンサチップ上面の＜１００＞方向に配置され、センサゲージがセンサチップ上面の＜１１０＞方向に配置され、拡散抵抗配線とセンサゲージが酸化膜で覆われ、電極取出し用のコンタクト穴の個数がセンサゲージの個数以下であれば、必ずしも図２に示すようなセンサゲージと拡散抵抗配線の配置パターンには限定されないことは言うまでもない。
【００２２】
続いて、かかる圧力センサ１の製造方法について説明する。この圧力センサ１を製造するにあたって、例えば厚さ３００μｍのシリコン基板の所定位置に特開２０００−１７１３１８号公報の段落（０００８）〜段落（００１２）に記載されたような公知のプロセスでダイアフラム１１を形成する。そして、図３に示すように、このシリコン基板の（１００）面上に熱拡散によりボロンを拡散し、センサゲージ２１０を形成する。続いて、センサゲージ２１０を形成したのと同様の方法で拡散抵抗からなる拡散抵抗配線２２０を形成する。そして、これらセンサゲージ２１０及び拡散抵抗配線２２０が局所的に形成されたシリコン基板の（１００）面上全体を酸化させてこの面上にＳｉＯ２層からなる酸化膜２３０を形成する。そして、フォトリソグラフィ工程とエッチングにより所望の場所にコンタクト穴２４０を形成する。これに続いて、コンタクト２５０を形成する。このコンタクト２５０を形成するにあたって、アルミ蒸着を行うことでコンタクト穴２４０を埋めて埋め込み部２５０ａを形成すると共にその周囲にボンディング用のコンタクトパッド２５０ｂを形成する。そして、必要に応じてコンタクトパッド２５０ｂにワイヤボンディングを行う。
【００２３】
このような製造プロセスによって本実施形態にかかる圧力センサ１を製造することで、それぞれ線膨張係数の異なる金属でできたコンタクト２５０と酸化膜２３０と半導体でできた拡散抵抗配線２２０とで構成されるコンタクト穴２４０の部分の個数を少なくすることができる。その結果、センサ上の配線等による微小応力の影響を受け難くすることができる。また、拡散抵抗配線２２０とセンサゲージ２１０が酸化膜２３０で覆われることで、ゴミやコンタミ成分の付着に強い耐環境性に優れた圧力センサとすることができる。
【００２４】
続いて、本発明の第２の実施形態にかかる圧力センサ２について説明する。なお、第１の実施形態と同等の構成については、対応する符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２５】
この第２の実施形態にかかる圧力センサ２は、図４及び図５に示すように、第１の実施形態に係る圧力センサ１に備わった圧力検出部と同等の構成の圧力検出部２Ａに加えて、センサチップ１０の厚肉部１２の上面に静圧測定用の圧力検出部２Ｂを備えている。この静圧検出用の圧力検出部２Ｂは、上述したダイアフラム上に形成された圧力検出部２Ａと同様の構成を有しているが、主に圧力検出部２Ａの外側に配置されている。そして、圧力センサ２にかかる静圧をこの圧力検出部２Ｂで測定することで、圧力測定の補正に利用している。
【００２６】
具体的には、センサチップの（１００）面上に形成されたダイアフラム１１の＜１１０＞方向に圧力検出用の４つのセンサゲージ３１０（３１１〜３１４）が形成されると共に、これら４つのセンサゲージ間を電気的に接続する拡散抵抗配線３２０（３２１〜３２４）がセンサチップの（１００）面上に形成されている。また、厚肉部１２の＜１１０＞方向に静圧検出用の４つのセンサゲージ３６０（３６１〜３６４）が形成されるとともに、これら４つのセンサゲージ間を電気的に接続する拡散抵抗配線３７０（３７１〜３７４）がセンサチップの（１００）面上に形成されている。
【００２７】
なお、静圧検出用の拡散抵抗配線３７０（３７１〜３７４）の形状は、図５においては圧力検出部２Ａの拡散抵抗配線３２０（３２１〜３２４）と同等の図中幅広の異形角型Ｕ字状に示しており、かつ所定の部分にダイアフラムに向かって延在部が形成され、実際に抵抗値が小さくなっている。なお、本実施形態では、拡散抵抗配線３７２と３２２は、静圧測定用の拡散抵抗配線３７２の一部に圧力測定用の拡散抵抗配線３２２がダイアフラム１１に向かって突出した一体構造をなし、拡散抵抗配線３７４と３２４は、静圧測定用の拡散抵抗配線３７４の一部に圧力測定用の拡散抵抗配線３２４がダイアフラムに向かって突出した一体構造をなしている。
【００２８】
そして、図中上下に示す２つのコンタクト穴３４２，３４４に対応して形成されたコンタクト３５２，３５４がそれぞれ電源用のコンタクトを構成し、図中内側の左右に示す２つのコンタクト穴３４１，３４３に対応して形成されたコンタクト３５１，３５３がそれぞれ圧力検出用のコンタクトを構成し、図中左右の外側に示す２つのコンタクト穴３４５，３４６に対応して形成されたコンタクト３５５，３５６が静圧検出用のコンタクトを示している。
【００２９】
即ち、本実施形態では、コンタクト穴３４１，３４３とこれらにそれぞれ対応して形成されたコンタクト３５１，３５３が圧力検出用のコンタクト穴及びコンタクトをなし、コンタクト穴３４５，３４６とこれらにそれぞれ対応して形成されたコンタクト３５５，３５６が静圧検出用のコンタクト穴及びコンタクトをなしている。一方、コンタクト穴３４２，３４４とこれらにそれぞれ対応して形成されたコンタクト３５２，３５４が圧力検出用と静圧検出用の電源コンタクト穴及び電源コンタクトとして共用されている。
【００３０】
しかしながら、上述した実施形態のブリッジ回路パターンは、第１の実施形態にかかるブリッジ回路パターンと同様に、本発明の理解の容易化を図るために例示した平面視パターン構成の一例を示したものに過ぎず、センサチップが（１００）面上に形成され、圧力測定用及び静圧測定用の拡散抵抗配線が共にセンサチップ（１００）面上の＜１００＞方向に配置され、圧力測定用及び静圧測定用のセンサゲージが共にセンサチップ（１００）面上の＜１１０＞方向に配置されていれば、必ずしも図５に示すようなセンサゲージと拡散抵抗配線の配置パターンには限定されるものでないことは言うまでもない。
【００３１】
なお、圧力センサ２の製造方法は、第１の実施形態における圧力センサ１の製造方法と同様であるので、ここではその詳細な説明を省略する。
【００３２】
このような圧力検出部２Ａと静圧検出部２Ｂを一体に設けた圧力センサ２においても上述した条件即ち、電極取り出し用のコンタクト穴の個数が、センサゲージの数以下であることが成立する。即ち、センサゲージの数が８個でコンタクト穴の数が６個であるので、コンタクト穴の個数がセンサゲージの総数以下となり、上述した条件を満たし、第１の実施形態と同等の作用効果を発揮する。具体的には、それぞれ線膨張係数の異なる金属でできたコンタクト３５０と酸化膜３３０と半導体でできた拡散抵抗配線３２０又は拡散抵抗配線３７０とで構成されるコンタクト穴３４０の部分の個数を少なくすることができる。その結果、センサ上の配線等による微小応力の影響を受け難くできる。また、拡散抵抗配線３２０，３７０とセンサゲージ３１０，３６０が絶縁膜で覆われることで耐環境性に優れた圧力センサとすることができる。
【００３３】
続いて、従来例に比べて本発明が特有の作用効果を奏することを確認する評価試験を行ったので、この評価試験結果について説明する。
【００３４】
図６は、いわゆるサーマルヒス比較という温度サイクル印加試験における圧力センサの繰り返し出力特性を示す評価試験結果である。なお、ここで、横軸は加熱と冷却を繰り返した時間軸を示し、縦軸は一定圧力が加えられた状態での横軸の加熱特性曲線に対応する圧力センサの出力を示している。同図において、従来型の圧力センサ（以下、これを「比較例」とする）の出力特性を４回測定し、その出力特性をＢ（ｂ１〜ｂ４）として示すと共に、本発明の上述した第２の実施形態における圧力センサ（以下、「本実施例」とする）の出力特性を４回測定し、その出力特性をＡ（ａ１〜ａ４）として示した。
【００３５】
このサーマルヒス特性図から、比較例は温度変化に追従して出力がかなり変動するのに対し、本実施例では出力が一定の出力範囲内に収まって温度変化の影響をさほど受けることなく安定した出力特性を示していることが明らかになった。
【００３６】
以上説明したように本発明に係る圧力センサは、半導体でできたセンサチップの所定位置にダイアフラムを形成し、少なくともこのダイアフラムを含んだセンサチップ上に差圧又は圧力検出用のセンサゲージを設け、このセンサゲージが、協働してブリッジ回路を形成する複数のセンサゲージからなり、これらセンサゲージ間は拡散抵抗配線（半導体抵抗）で接続され、かつこれら拡散抵抗配線及びセンサゲージは酸化膜（絶縁膜）で覆われ、酸化膜の一部を貫通して形成され半導体抵抗に電気的に接続されたコンタクトを形成するための電極取り出し用のコンタクト穴の個数が、センサゲージの数以下であることで、コンタクト穴に対応する領域であってそれぞれ線膨張係数の異なる金属と絶縁膜と半導体で構成される部分の個数を少なくすることができる。その結果、センサ上の配線等による微小応力の影響を受け難くできる。また、半導体抵抗とセンサゲージが絶縁膜で覆われることで耐環境性に優れた圧力センサとすることができる。
【００３７】
また、好ましくは、本発明にかかる圧力センサは、センサチップがシリコンからなり、当該センサチップが（１００）面に形成され、かつセンサゲージの方向が＜１１０＞方向に形成され、かつ半導体抵抗が＜１００＞方向に形成されていることで、より高い圧力感度を有しつつもセンサ上の配線等による微小応力の影響を受け難い耐環境性に優れた圧力センサとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態かかる圧力センサの概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示した圧力センサを示す平面図である。
【図３】図１に示した圧力センサのコンタクト穴近傍領域を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態における圧力センサの概略構成を示す断面図である。
【図５】図４に示した圧力センサを示す平面図である。
【図６】第２の実施形態における本実施例と比較例の評価試験結果を示す出力特性図である。
【符号の説明】
【００３９】
１，２    圧力センサ
２Ａ    圧力検出部
２Ｂ    静圧検出部
１０    センサチップ
１１    ダイアフラム
１２    厚肉部
１３    凹部
１５    台座
１５ａ    導圧路
２１０（２１１〜２１４）    センサゲージ
２２０（２２１〜２２４）    拡散抵抗配線（半導体抵抗）
２３０    酸化膜（絶縁膜）
２４０（２４１〜２４４）    コンタクト穴
２５０（２５１〜２５４）    コンタクト
２５０ａ（２５１ａ〜２５４ａ）    埋め込み部
２５０ｂ（２５１ｂ〜２５４ｂ）    コンタクトパッド
３１０（３１１〜３１４）    ゲージ抵抗
３２０（３２１〜３２４）    拡散抵抗配線
３３０    酸化膜
３４０（３４１〜３４４）    コンタクト穴
３５０（３５１〜３５６）    コンタクト
３６０（３６１〜３６４）    ゲージ抵抗
３７０（３７１〜３７４）    拡散抵抗配線
【図１】
2008215892.tif 000003
【図２】
2008215892.tif 000004
【図３】
2008215892.tif 000005
【図４】
2008215892.tif 000006
【図５】
2008215892.tif 000007
【図６】
2008215892.tif 000008