(57)【要約】【課題】センサに作用する応力を緩和し、構成の簡素化を図り、かつ容易に製造できる半導体センサ及びその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】半導体基板に薄肉状に形成され、印加される力に応じて撓み変形するダイヤフラム部が形成された位置に対応した半導体基板の裏面２ａ側に設けられた溝部４を有し、この溝部４は、その側面が半導体基板の裏面２ａ側から表面２ｂ側に向かって漸次拡開して傾斜する拡開傾斜部５ａと、この拡開傾斜部５ａに連続して、半導体基板の裏面２ａから表面２ｂ側に向かって漸次縮小して傾斜する縮小傾斜部５ｂが形成され、拡開傾斜部５ａと縮小傾斜部５ｂとの傾斜方向が切り替わる部位に角部５ｃが形成されて構成される。【選択図】      図１
2004325220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に薄肉状に形成され、印加される力に応じて撓み変形するダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部が形成された位置に対応した前記半導体基板の一方面側に設けられた溝部と、
前記ダイヤフラム部が形成された位置に対応した前記半導体基板の他方面側に設けられて、前記ダイヤフラム部に生じる撓み変形を検出する検出手段と、
前記半導体基板を支持する基台部と
を有する半導体センサであって、
前記溝部は、その側面が前記半導体基板の一方面側から他方面側に向かって漸次拡開して傾斜する拡開傾斜部と、この拡開傾斜部に連続して、前記半導体基板の一方面側から他方面側に向かって漸次縮小して傾斜する縮小傾斜部が形成され、前記拡開傾斜部と前記縮小傾斜部との傾斜方向が切り替わる部位に角部が形成されてなる
ことを特徴とする半導体センサ。
【請求項２】
前記検出手段は、前記ダイヤフラム部に印加される圧力を検出する圧力センサである
ことを特徴とする請求項１記載の半導体センサ。
【請求項３】
半導体基板の他方面側に、ダイヤフラム部に生じる撓み変形を検出する検出手段を形成する第１の工程と、
前記半導体基板の一方面を選択的に除去し、前記検出手段が形成された位置に対応した前記半導体基板の一方面側に、側面が垂直な開孔部を形成する第２の工程と、
前記第２の工程で形成された開孔部内面を選択的に除去し、側面が前記半導体基板の一方面側から他方面側に向かって漸次拡開して傾斜する拡開傾斜部と、この拡開傾斜部に連続して、前記半導体基板の一方面側から他方面側に向かって漸次縮小して傾斜する縮小傾斜部と、前記拡開傾斜部と前記縮小傾斜部との傾斜方向が切り替わる部位に形成された角部とを有する溝部を形成し、前記検出手段が形成された位置に対応した前記半導体基板に前記ダイヤフラム部を形成する第３の工程と、
前記半導体基板に、前記半導体基板を支持する基台部を接合する第４の工程とを有することを特徴とする半導体センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ダイヤフラム部の撓み変形によりダイヤフラム部に加わる力を検出する半導体センサ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１参照）。この文献には、図５に示すように、半導体圧力センサチップ５０と、シリコンウェハからなる半導体基板５１と、シリコンウェハからなる半導体基板で形成された台座５２とが接合されて積層された半導体圧力センサの発明が記載されている。
【０００３】
半導体圧力センサチップ５０は、薄肉状のダイヤフラム部５３にピエゾ抵抗５４が形成され、このピエゾ抵抗５４により圧力導入孔５５を介してダイヤフラム部５３に加わる圧力を検出している。台座５２には、半導体基板５１と接合する側面側に溝部５６が形成されている。台座５２に形成された溝部５６により、半導体圧力センサチップ５０に加わる応力を緩和している。
【０００４】
この応力の発生は、半導体圧力センサチップ５０、半導体基板５１ならびに台座５２の熱膨張率の差異に起因しているため、応力は温度依存性を有している。したがって、この応力を緩和することにより、熱膨張率の差異等に起因するピエゾ抵抗５４の抵抗値変化（オフセット）の温度依存性を改善している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−９１２７２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、図５に示す従来の半導体圧力センサにおいては、半導体圧力センサチップ５０、半導体基板５１ならびに台座５２といった３枚の基板部材が必要となり、かつこれら３枚の基板部材を接合しなければならなかった。このため、構成部材が多くなると共に、製造工程も増え、製造コストが上昇するといった不具合を招いていた。
【０００７】
また、台座５２に応力を緩和するための溝部５６を形成する必要があるので、構造が複雑になると共に、製造工程も増え、製造コストが上昇するといった不具合を招いていた。
【０００８】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、センサに作用する応力を緩和し、構成の簡素化を図り、かつ容易に製造できる半導体センサ及びその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、半導体基板に薄肉状に形成され、印加される力に応じて撓み変形するダイヤフラム部と、前記ダイヤフラム部が形成された位置に対応した前記半導体基板の一方面側に設けられた溝部と、前記ダイヤフラム部が形成された位置に対応した前記半導体基板の他方面側に設けられて、前記ダイヤフラム部に生じる撓み変形を検出する検出手段と、前記半導体基板を支持する基台部とを有する半導体センサであって、前記溝部は、その側面が前記半導体基板の一方面側から他方面側に向かって漸次拡開して傾斜する拡開傾斜部と、この拡開傾斜部に連続して、前記半導体基板の一方面側から他方面側に向かって漸次縮小して傾斜する縮小傾斜部が形成され、前記拡開傾斜部と前記縮小傾斜部との傾斜方向が切り替わる部位に角部が形成されてなることを特徴とする。
【００１０】
上記特徴においては、半導体センサに作用する応力を、溝部に形成された角部で吸収するようにしているので、半導体センサに作用する応力を緩和することができる。これにより、検出手段のオフセットを小さくすることが可能になると共に、オフセットの温度による影響も少なくすることが可能となり、検出精度を向上させることができる。
【００１１】
また、検出手段が形成された半導体基板と、この半導体基板を支持する基台部の２枚の基板で半導体センサを構成することができるので、構成の小型化ならびに簡略化を図ることができる。さらに、製造が容易になると共に製造コストを低減することができる。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記検出手段は、前記ダイヤフラム部に印加される圧力を検出する圧力センサであることを特徴とする。
【００１３】
上記特徴においては、ダイヤフラム部に圧力が作用し、ダイヤフラム部に生じた撓み変形を検出手段で検出するようにしているので、ダイヤフラム部に印加された圧力を検出することができる。
【００１４】
請求項３記載の発明は、半導体基板の他方面側に、ダイヤフラム部に生じる撓み変形を検出する検出手段を形成する第１の工程と、前記半導体基板の一方面を選択的に除去し、前記検出手段が形成された位置に対応した前記半導体基板の一方面側に、側面が垂直な開孔部を形成する第２の工程と、前記第２の工程で形成された開孔部内面を選択的に除去し、側面が前記半導体基板の一方面側から他方面側に向かって漸次拡開して傾斜する拡開傾斜部と、この拡開傾斜部に連続して、前記半導体基板の一方面側から他方面側に向かって漸次縮小して傾斜する縮小傾斜部と、前記拡開傾斜部と前記縮小傾斜部との傾斜方向が切り替わる部位に形成された角部とを有する溝部を形成し、前記検出手段が形成された位置に対応した前記半導体基板に前記ダイヤフラム部を形成する第３の工程と、前記半導体基板に、前記半導体基板を支持する基台部を接合する第４の工程とを有することを特徴とする。
【００１５】
上記特徴においては、半導体センサに作用する応力を、溝部に形成された角部で吸収するようにしているので、半導体センサに作用する応力を緩和することができる。これにより、検出手段のオフセットを小さくすることが可能になると共に、オフセットの温度による影響も少なくすることが可能となり、検出精度を向上させることができる。
【００１６】
また、検出手段が形成された半導体基板と、この半導体基板を支持する基台部の２枚の基板で半導体センサを構成することができるので、構成の小型化ならびに簡略化を図ることができる。さらに、製造が容易になると共に製造コストを低減することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてこの発明の実施形態を説明する。
【００１８】
図１はこの発明の第１の実施形態に係る半導体センサの断面構造を示す図である。図１において、この第１の実施形態の半導体センサは、基台部１と、この基台部１に支持接合されて、加えられる力を検出するセンサ素子部２を備えて構成されている。
【００１９】
基台部１は、金属材等により構成され、センサ素子部２に接合されてセンサ素子部２を支持する。基台部１には、センサ素子部２に印加される力をセンサ素子部２に導入する導入孔３が、センサ素子部２に印加される力を検出する領域に対応して形成されている。
【００２０】
センサ素子部２は、シリコンウェハの半導体基板からなり、基板の裏面２ａ側には、導入孔３から導入された力を受ける溝部４が形成されている。この溝部４は、その側面が半導体基板の裏面２ａ側から表面２ｂ側に向かって漸次拡開して傾斜する拡開傾斜部５ａと、この拡開傾斜部５ａに連続して、半導体基板の裏面２ａ側から表面２ｂ側に向かって漸次縮小して傾斜する縮小傾斜部５ｂが形成されている。これにより、拡開傾斜部５ａと縮小傾斜部５ｂとの傾斜方向が切り替わる部位に、センサ素子部２に作用する応力を緩和する角部５ｃが形成されている。溝部４は、後述するようにシリコンの半導体基板に異方性エッチング加工を施すことにより形成される。
【００２１】
センサ素子部２は、略中央部が周囲に比べて薄肉に形成され、導入孔３を介して加えられる力に応じて撓み変形する矩形状のダイヤフラム部６が形成されている。ダイヤフラム部６には、ダイヤフラム部６に印加されてダイヤフラム部６を撓み変形させる力を検出する検出手段７が形成されている。検出手段７は、ダイヤフラム部６に印加される力として例えば圧力や加速度の力を、この力に応じて変化する例えば抵抗値や容量値に基づいて得られる電気信号に変換し、ダイヤフラム部６に印加された力を検出する。この検出手段７は、例えば圧力、加速度等を検出するピエゾ抵抗や静電容量等からなる。
【００２２】
センサ素子部２は、陽極接合法等を用いることにより金属等からなる基台部１に接合されている。
【００２３】
次に、上記構成の半導体センサの製造方法を、図２に示す製造工程断面図を参照して説明する。
【００２４】
まず、表面及び裏面を（１００）面とするシリコンの半導体基板２０の表面２ｂ側に、半導体センサに印加される力を検出する検出手段７を形成し、半導体基板２０の裏面２ａ側の表面に、酸化膜等のマスク材２１を形成する（図２（ａ））。
【００２５】
次に、半導体製造方法で常用されるフォトリソグラフィー技術ならびにドライエッチング技術を用いて、検出手段７の下方の半導体基板２０を選択的にエッチング除去して、半導体基板２０の裏面２ａ側から表面２ｂ側に垂直に開孔し、検出手段７の下方の半導体基板２０に、側壁が垂直な開孔部２２を形成する（図２（ｂ））。
【００２６】
次に、ＫＯＨ、ヒドラジン等のアルカリ性のエッチング液を用いた異方性のウエットエッチング技術により、開孔部２２の側面を異方性エッチングし、半導体基板２０の裏面２ａ側から表面２ｂ側に向かって漸次拡開して傾斜する（１１１）面の傾斜面となる拡開傾斜部５ａと、この拡開傾斜部５ａに連続して、半導体基板２０の裏面２ａ側から表面２ｂ側に向かって漸次縮小して傾斜する（１１１）面の傾斜面となる縮小傾斜部５ｂが形成され、拡開傾斜部５ａと縮小傾斜部５ｂとの傾斜方向が切り替わる部位に角部５ｃが形成される。これにより、半導体基板２０に図１に示す溝部４が形成されて、センサ素子部２が形成される（図２（ｃ））。
【００２７】
最後に、図示しないが、マスク材２１を除去した後、センサ素子部２が形成された半導体基板２０と、導入孔３が形成された基台部１が例えば陽極接合法により接合されて、図１に示す構造の半導体センサが製造される。
【００２８】
以上説明したように、上記第１の実施形態においては、基台部１とセンサ素子部２の熱膨張率の差に起因してセンサ素子部２に作用（図１の左右方向）する応力を、センサ素子部２の角部５ｃで吸収し、センサ素子部２のダイヤフラム部６に作用する応力を緩和することができる。これにより、検出手段７のオフセットを小さくすることが可能になると共に、オフセットの温度による影響も少なくすることが可能となり、検出精度を向上させることができる。
【００２９】
また、基台部１とセンサ素子部２の２枚の基板で構成できるので、従来に比べて構成の小型化ならびに簡略化を図ることができる。さらに、ウェハ状態でのバッチ処理が可能となり、かつ構成の簡略化により、製造が容易になると共に製造コストを低減することができる。
【００３０】
図３はこの発明の第２の実施形態に係る半導体センサの断面構造を示す図である。
【００３１】
図３において、この第２の実施形態の半導体センサの特徴とするところは、図１に示す第１の実施形態の半導体センサに比べて、センサ素子部２の表面２ｂ側に、陽極接合法により形成される陽極接合部３１を介してガラス基板３０を接合したことにあり、他は図１と同様である。
【００３２】
このガラス基板３０をセンサ素子部２に接合する構造において、ガラス基板３０は、検出手段７を閉塞する剛性の高い閉塞板であり、陽極接合法を用いることによりセンサ素子部２の厚肉部の表面２ｂ側に固着されている。このガラス基板３０は、陽極接合部３１に接するダイヤフラム部６ｂと厚肉部の機械的な強度を補強し、ダイヤフラム部６に応力が作用したときに陽極接合部３１に接するダイヤフラム部６ｂと厚肉部が撓み変形するのを防止するものである。
【００３３】
このように、上記第２の実施形態においては、センサ素子部２のダイヤフラム部６は、基台部１に固定されていないガラス基板３０により保持されているので、センサ素子部２に作用する応力の内、センサ素子部２の角部５ｃで吸収しきれない応力成分の大部分がガラス基板３０で吸収される。これにより、先の第１の実施形態で得られる効果に加えて、ダイヤフラム部６ａに加わる応力が、先の第１の実施形態に比べてさらに緩和され、検出手段７のオフセットを小さくすることが可能となり、検出精度を向上させることができる。
【００３４】
図４はこの発明の第３の実施形態に係る半導体センサの断面構造を示す図である。
【００３５】
図４において、この第３の実施形態の半導体センサの特徴とするところは、図３に示す第２の実施形態の半導体センサに比べて、センサ素子部２とガラス基板３０とを接合する陽極接合部４０を、２重の環状に形成したことにあり、他は図３と同様である。
【００３６】
このような実施形態においては、センサ素子部２に加わる応力は、２重の環状に形成された陽極接合部４０を介してガラス基板３０で吸収することができる。これにより、この第３の実施形態においては、先の第１の実施形態ならびに第２の実施形態で得られる効果と同様の効果を達成することができる。
【００３７】
さらに、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下に効果と共に記載する。
【００３８】
（イ）請求項１記載の半導体センサにおいて、前記検出手段は、ダイヤフラム部に印加された圧力、もしくは加速度により前記ダイヤフラム部に生じる撓み変形を検出するピエゾ抵抗、もしくは静電容量であることを特徴とする半導体センサ。
【００３９】
上記特徴においては、ダイヤフラム部に圧力もしくは加速度が加わり、ダイヤフラム部に生じた撓み変形をピエゾ抵抗もしくは静電容量で検出するようにしているので、ダイヤフラム部に印加された圧力もしくは加速度を検出することができる。
【００４０】
（ロ）前記請求項３記載の発明において、前記第２の工程で形成された開孔部の内面を、異方性エッチング法によりエッチング除去して、前記溝部を形成することを特徴とする半導体センサの製造方法。
【００４１】
上記特徴においては、溝部の側面に、拡開傾斜部と縮小傾斜部との傾斜方向が切り替わる部位に角部を容易に形成することができる。
【００４２】
（ハ）前記請求項３又は前記（ロ）に記載の発明において、前記検出手段は、前記ダイヤフラム部に印加される圧力を検出する圧力センサであることを特徴とする半導体センサの製造方法。
【００４３】
上記特徴において、ダイヤフラム部に圧力が作用し、ダイヤフラム部に生じた撓み変形を検出手段で検出するようにしているので、ダイヤフラム部に印加された圧力を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る半導体センサの断面構造を示す図である。
【図２】図１に示す半導体センサの製造方法を示す工程断面図である。
【図３】この発明の第２の実施形態に係る半導体センサの断面構造を示す図である。
【図４】この発明の第３の実施形態に係る半導体センサの断面構造を示す図である。
【図５】従来の半導体圧力センサの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
１…基台部
２…センサ素子部
２ａ…裏面
２ｂ…表面
３…導入孔
４，５６…溝部
５ａ…拡開傾斜部
５ｂ…縮小傾斜部
５ｃ…角部
６，５３…ダイヤフラム部
７…検出手段
２０，５１…半導体基板
２１…マスク材
２２…開孔部
３０…ガラス基板
３１，４０…陽極接合部
５０…半導体圧力センサチップ
５２…台座
５４…ピエゾ抵抗
５５…圧力導入孔
【図１】
2004325220.tif 000003
【図２】
2004325220.tif 000004
【図３】
2004325220.tif 000005
【図４】
2004325220.tif 000006
【図５】
2004325220.tif 000007