(57)【要約】【課題】半導体基板にピエゾ抵抗を形成してなる半導体圧力センサにおいて、出力を大きくするとともに、信頼性を向上させる。【解決手段】半導体基板１１の上に絶縁層１３を介してシリコン層１２を積層してなる積層基板１０を有し、シリコン層１２をパターニングすることによって残ったシリコン層１２の部分が、絶縁層１３の上に突出するピエゾ抵抗１４として構成されており、ピエゾ抵抗１４の上にガラス部材２０が陽極接合されて搭載されており、ガラス部材２０に加わる圧力をピエゾ抵抗１４によって電気信号に変換するようになっている。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板（１１）の上に絶縁層（１３）を介して半導体層（１２）を積層してなる積層基板（１０）を有し、
前記半導体層（１２）をパターニングすることによって残った前記半導体層（１２）の部分が、前記絶縁層（１３）の上に突出するピエゾ抵抗（１４）として構成されており、
前記ピエゾ抵抗（１４）の上にガラス部材（２０）が陽極接合されて搭載されており、
前記ガラス部材（２０）に加わる圧力を前記ピエゾ抵抗（１４）によって電気信号に変換するようにしたことを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
前記半導体層（１２）がシリコン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】
半導体基板（１１）の上に絶縁層（１３）を介して半導体層（１２）を積層してなる積層基板（１０）を用意し、
前記半導体層（１２）をパターニングすることによって残った前記半導体層（１２）の部分をピエゾ抵抗（１４）として形成する工程と、
前記ピエゾ抵抗（１４）の上にガラス部材（２０）を搭載して陽極接合する工程とを備えることを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
【請求項４】
前記半導体層（１２）がシリコンからなることを特徴とする請求項３に記載の半導体圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板にピエゾ抵抗を形成してなる半導体圧力センサおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の半導体圧力センサとしては、例えば、特開平６−３０２８３６号公報に記載のものが提案されている。このものは、半導体ウェハにピエゾ抵抗である歪みゲージのブリッジ構造を形成し、このピエゾ抵抗の上にガラス部材が陽極接合されてなり、ガラス部材に加わる圧力をピエゾ抵抗によって電気信号に変換するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の半導体圧力センサでは、半導体基板に形成されているピエゾ抵抗は、イオン注入等により形成された、半導体基板とは異なる導電型を有する層であり、ＰＮ接合により、当該ピエゾ抵抗の周囲との電気的絶縁がなされている。
【０００４】
このようなＰＮ接合を有する構造であるため、ガラス部材を陽極接合する際に、ＰＮ接合の逆方向に電流を流す必要があり、ＰＮ接合を劣化させてしまうという問題がある。さらに、ＰＮ接合を用いていることによる高温でのリークによる特性劣化や、当該劣化したＰＮ接合を用いることによる特性の変動も生じる。このように、従来のものではＰＮ接合に起因する種々の問題が生じ、センサの信頼性を損ねる可能性がある。
【０００５】
また、従来の半導体圧力センサでは、印加された圧力をピエゾ抵抗によって電気信号に変換しているが、さらなる出力の増大が望まれている。これは、精度良く圧力を検出するためには、圧力によってピエゾ抵抗から発生する信号を大きくする必要があるためである。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑み、半導体基板にピエゾ抵抗を形成してなる半導体圧力センサにおいて、出力を大きくするとともに、信頼性を向上させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、半導体圧力センサにおける出力増大について検討を行った。ピエゾ抵抗からの信号を大きくするために、ピエゾ抵抗において圧力によって発生する単位面積あたりの応力を大きくすることを考えた。
【０００８】
図４、図５は、そのような半導体圧力センサとして本発明者らの試作したセンサの製造工程を示す図である。まず、図４（ａ）に示すように、面方位が例えば（１１０）面であるｎ型のシリコン基板１００を用意する。
【０００９】
次に、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板１００の一面にフォトマスク１０１を形成してＢ（ボロン）等の不純物をイオン注入することにより、シリコン基板１００の一面の所定領域にピエゾ抵抗となるＰ＋層１０２を形成する。
【００１０】
次に、図４（ｃ）に示すように、シリコン基板１００の一面においてＰ＋層１０２の所定領域をフォトマスク１０３でマスキングした状態で、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などによりシリコン基板１００をエッチングする。それにより、シリコン基板１００の一面に突起形状が形成され、この突起部がピエゾ抵抗１０４や配線部１０５となる。
【００１１】
次に、図４（ｄ）に示すように、段差部の側面において露出しているＰＮ接合部分を保護するために、熱酸化などによりシリコン基板１００の一面を酸化膜１０６にて被覆して保護する。
【００１２】
次に、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、酸化膜１０６の一部をエッチング除去してコンタクトホール１０７を形成し、このコンタクトホール１０７を介してアルミなどからなる電極１０８をパターニング形成する。
【００１３】
最後に、図５（ｃ）に示すように、ピエゾ抵抗１０４の上にガラス部材１０９を陽極接合して搭載する。例えばガラス部材１０９をマイナス極、シリコン基板１００をプラス極として陽極接合する。
【００１４】
このようにして製造された試作品としての半導体圧力センサにおいては、ピエゾ抵抗１０４は突起形状であるため、従来の基板面内に形成されたピエゾ抵抗層に比べて、ガラス部材１０９との接触面積を小さくでき、結果、単位面積あたりの応力（歪み）の大きいピエゾ抵抗の構成を実現できる。そのため、センサの出力増大が図れる。
【００１５】
しかし、この試作品においても、次のような問題が生じる。確実に突起形状（メサ形状）のピエゾ抵抗１０４を形成するためには、上記図４（ｃ）に示すように、突起部の段差Ｄは例えば３μｍ程度となり、ＰＮ接合も段差部の側面に露出する。このような段差は、半導体製造プロセスにおいては、比較的大きな段差である。
【００１６】
そのため、露出するＰＮ接合を保護するための酸化膜１０６を形成する際に、段差部における酸化膜１０６のカバレッジが確保できなかったりする等の問題が生じ、センサの歩留まりが低下する恐れがある。
【００１７】
また、上記試作品においても、やはりＰＮ接合を有するため、そのＰＮ接合に起因する種々の問題は回避し得ない。このようなことから、本発明者らは、突起形状のピエゾ抵抗を有するけれども、ＰＮ接合は有しない構成を実現するために、鋭意検討を行い、本発明を創出するに至った。
【００１８】
すなわち、請求項１に記載の発明では、半導体基板（１１）の上に絶縁層（１３）を介して半導体層（１２）を積層してなる積層基板（１０）を有し、前記半導体層（１２）をパターニングすることによって残った前記半導体層（１２）の部分が、前記絶縁層（１３）の上に突出するピエゾ抵抗（１４）として構成されており、前記ピエゾ抵抗（１４）の上にガラス部材（２０）が陽極接合されて搭載されており、前記ガラス部材（２０）に加わる圧力を前記ピエゾ抵抗（１４）によって電気信号に変換するようにしたことを特徴とする半導体圧力センサ。
【００１９】
それによれば、半導体層からなるピエゾ抵抗が、絶縁層の上に突出した突起形状（メサ形状）にて形成されるため、当該ピエゾ抵抗は単位面積あたりの応力が大きいものとなる。また、このピエゾ抵抗においては、上下方向すなわち基板厚み方向では絶縁層により、横方向すなわち基板面方向では空気により電気絶縁が確保される。
【００２０】
そのため、本発明の半導体圧力センサにおいては、従来のような電気絶縁のためのＰＮ接合が不要であり、実際にＰＮ接合を持たない構成となっている。そして、ＰＮ接合が存在しないので、上述したようなガラス部材の陽極接合などによるＰＮ接合劣化の問題がそもそも生じない。
【００２１】
また、本発明のセンサでは、ピエゾ抵抗を突起形状としても、上記試作品に存在するようなＰＮ接合が無いことから、上記試作品で行うようなＰＮ接合を保護するための酸化膜を形成することが不要となる。そのため、センサの歩留まり低下の問題も回避することができる。
【００２２】
よって、本発明によれば、出力を大きくするとともに、信頼性を向上させることのできる半導体圧力センサを提供することができる。
【００２３】
また、請求項３に記載の発明では、半導体基板（１１）の上に絶縁層（１３）を介して半導体層（１２）を積層してなる積層基板（１０）を用意し、前記半導体層（１２）をパターニングすることによって残った前記半導体層（１２）の部分をピエゾ抵抗（１４）として形成する工程と、前記ピエゾ抵抗（１４）の上にガラス部材（２０）を搭載して陽極接合する工程とを備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明によれば、上記請求項１に記載の圧力センサを適切に製造し得る製造方法を提供することができる。
【００２５】
また、請求項２、請求項４の発明に記載のように、半導体層としてはシリコンからなるものを用いることができる。
【００２６】
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一例である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態に係る半導体圧力センサＳ１の概略断面構成を示す図である。限定するものではないが、この圧力センサＳ１は、例えば自動車のエンジン内の燃焼圧を測定する燃焼圧センサとして適用できる。
【００２８】
圧力センサＳ１は、シリコン等からなる半導体基板１１の上に絶縁層１３を介して半導体層としてのシリコンからなるシリコン層１２を積層してなる積層基板１０を有する。
【００２９】
本例の積層基板１０は、ＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１０であり、半導体基板１１としての第１のシリコン層１１の上に絶縁層としての埋め込み酸化膜１３を介してシリコン層としての第２のシリコン層（ＳＯＩ層）１２を貼り合わせてなるものである。
【００３０】
シリコン層１２はパターニングされており、残ったシリコン層１２の部分が、絶縁層１３の上に突出するピエゾ抵抗１４および配線部１５として構成されている。これら絶縁層１３の上にて突起形状（メサ形状）を有するピエゾ抵抗１４および配線部１５は、例えばホイートストンブリッジ等のブリッジ回路を構成している。
【００３１】
また、配線部１５上の所定領域には、上記ブリッジ回路からの信号を取り出す等のためのアルミなどからなる電極１６が形成されている。そして、歪みゲージとしてのピエゾ抵抗１４の上には、ガラスからなるガラス部材２０が陽極接合されて搭載されている。
【００３２】
そして、このような圧力センサＳ１は例えば、図示しないセンサケースに収納されて、自動車エンジンの近傍に取り付けられ、当該エンジンの燃焼室からの燃焼圧がガラス部材２０に加わるようになっている。
【００３３】
例えば、燃焼室内の燃焼圧を受圧する金属ダイアフラムを介して、このダイアフラムによって移動するロッド部材を、ガラス部材２０の上部に当接させることによって、当該燃焼圧は当該ロッド部材を介してガラス部材２０の上部から印加される。
【００３４】
このガラス部材２０に印加された圧力は、ピエゾ抵抗１４に印加され、ピエゾ抵抗１４が歪む。すると、ピエゾ抵抗１４によって構成されているブリッジ回路のバランスが変化し、この変化に基づく電気信号が配線部１５上の電極１６から出力されるようになっている。
【００３５】
ここで、例えば電極１６は、図示しない配線部材にボンディングワイヤ等によって接続されており、変換された圧力の電気信号は、当該電極１６から上記配線部材を介して外部回路等に出力されるようになっている。こうして、上記燃焼圧の検出がなされる。
【００３６】
このように、本実施形態の圧力センサＳ１は、半導体基板として新たにＳＯＩ基板等の積層基板１０を用い、その積層基板１０における絶縁層１３上のシリコン層１２を利用して突起形状（メサ形状）のピエゾ抵抗１４を形成したことを主たる特徴としている。
【００３７】
それによれば、シリコン層１２からなるピエゾ抵抗１４は、絶縁層１３の上に突出した突起形状（メサ形状）にて形成されるため、当該ピエゾ抵抗１４は単位面積あたりの応力が大きいものとなる。このことは、上記図４、図５に示される試作品において述べたのと同様の理由である。
【００３８】
また、このピエゾ抵抗１４においては、図１中の上下方向すなわち積層基板１０の厚み方向（基板厚み方向）では絶縁層１３により電気絶縁が確保され、図１中の横方向すなわち積層基板１０の基板面方向（基板面方向）では空気により電気絶縁が確保される。
【００３９】
そのため、本実施形態の半導体圧力センサＳ１においては、従来のような電気絶縁のためのＰＮ接合が不要であり、実際にＰＮ接合を持たない構成となっている。
【００４０】
そして、ＰＮ接合が存在しないので、上述したようなガラス部材２０の陽極接合などによるＰＮ接合劣化、ＰＮ接合を用いていることによる高温でのリークによる特性劣化、更には、当該劣化したＰＮ接合を用いることによる特性の変動といった、センサの信頼性を損ねる可能性のある問題がそもそも生じない。
【００４１】
更に、本実施形態の圧力センサＳ１では、ピエゾ抵抗１４を突起形状としても、上記図４、図５に示したような試作品に存在するＰＮ接合が無いことから、上記試作品で行うようなＰＮ接合を保護するための酸化膜１０６を形成することが不要となる。そのため、センサＳ１の歩留まり低下の問題も回避することができる。
【００４２】
よって、本実施形態によれば、出力を大きくするとともに、信頼性を向上させることのできる半導体圧力センサＳ１を提供することができる。
【００４３】
次に、上記圧力センサＳ１の製造方法について図２（ａ）〜（ｄ）を参照して述べる。図２は、上記図１に対応した断面にて本製造工程を順番に示す工程図である。
【００４４】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１１の上に絶縁層１３を介してシリコン層１２を積層してなる積層基板１０を用意する。ここで、この積層基板１０におけるシリコン層１２のうち上記ピエゾ抵抗１４および配線部１５となる部位の表面に、デポジション拡散やイオン注入等によって例えばＢ（ボロン）等の不純物を導入することにより、ピエゾ抵抗効果を示す所望の濃度を実現するようにして良い。
【００４５】
次に、図２（ｂ）に示すように、アルミ等をスパッタや蒸着等にて成膜し、フォトリソグラフ技術を用いてパターニングすることにより、電極１６を形成する。
【００４６】
次に、図２（ｃ）に示すように、シリコン層１２をドライエッチング等を用いてパターニングすることにより、残ったシリコン層１２の部分をピエゾ抵抗１４および配線部１５として形成する。
【００４７】
次に、図２（ｄ）に示すように、ピエゾ抵抗１４の上にガラス部材２０を搭載して陽極接合する。このとき、例えば、陽極接合用の電極（図示せず）によってガラス部材２０の上面と半導体基板１１の下面とを挟み、例えばガラス部材２０をマイナス極、半導体基板１１をプラス極として電流を印加し陽極接合を行う。こうして、上記図１に示す半導体圧力センサＳ１が完成する。
【００４８】
（他の実施形態）
本発明の他の実施形態に係る半導体圧力センサＳ２の概略断面構成を図３に示す。図３に示すセンサＳ２は、上記図１に示すセンサＳ１において、シリコン層１２の表面に当該表面を平坦化するための酸化膜１７を形成したものである。
【００４９】
シリコン層１２へ拡散された不純物によっては、シリコン層１２の表面に凹凸が生じ、陽極接合に不具合が生じる場合がある。
【００５０】
そのような場合、図３に示すように、上記図２（ｃ）においてシリコン層１２をパターニングした後に、酸化膜１７を形成すれば平坦化がなされる。そして、この平坦な酸化膜１７を介して陽極接合を行いガラス部材２０を搭載すれば、陽極接合の接合性を確保できる。これが、図３のセンサＳ２による独自の効果である。
【００５１】
なお、本発明のＳＯＩ基板等の積層基板１０を用いたセンサでは、ピエゾ抵抗１４を突起形状としても、上記図４や図５に示した試作品に存在するようなＰＮ接合が無いことから、その突起による段差の大きさは、上記試作品に比べて小さいものにできる。例えば、上記試作品の段差が３μｍ程度なのに対して、本発明では、段差の大きさはシリコン層１２の厚さであり１μｍ程度にできる。
【００５２】
このような本発明の圧力センサにおける段差は、半導体製造プロセスにおいては、通常存在する程度の段差であり問題はない。そのため、図３に示すような酸化膜１７を形成しても、酸化膜１７の段差部におけるカバレッジが不十分であったり、その後の電極１６をパターニング形成する際に電極膜のエッチング残りが生じたりするという問題は極力回避可能である。
【００５３】
また、本発明では、積層基板において半導体基板の上に絶縁層を介して積層される半導体層は、上記シリコン層以外の半導体層、例えばゲルマニウムやガリウム等の層でも良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体圧力センサの概略断面図である。
【図２】図１に示す半導体圧力センサの製造方法を示す工程図である。
【図３】本発明の他の実施形態としての半導体圧力センサの概略断面図である。
【図４】本発明者らの試作した半導体圧力センサの製造工程を示す図である。
【図５】図４に続く製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１０…積層基板、１１…半導体基板、１２…シリコン層、１３…絶縁層、
１４…ピエゾ抵抗、２０…ガラス部材。
【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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