(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体で構成され、圧力を受けて変位するダイヤフラム部（１０ａ）を有するセンサチップ（１０）と、
前記ダイヤフラム部（１０ａ）に形成された複数の歪みゲージ（１ａ〜１ｄ）と、
前記ダイヤフラム部（１０ａ）の周辺領域に形成され、温度変化によって前記複数の歪みゲージ（１ａ〜１ｄ）のそれぞれの位置で生じる応力変化をバランスさせるように応力を発生する応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）とを備え、
前記応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）は、降伏応力による残留歪みによって前記応力変化をバランスさせるものであることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
半導体で構成され、圧力を受けて変位するダイヤフラム部（１０ａ）を有するセンサチップ（１０）と、
前記ダイヤフラム部（１０ａ）に形成された複数の歪みゲージ（１ａ〜１ｄ）と、
前記ダイヤフラム部（１０ａ）の周辺領域に形成され、前記センサチップ（１０）の雰囲気温度を２５℃から７０℃まで変化させその後２５℃に戻したときに前記複数の歪みゲージ（１ａ〜１ｄ）のそれぞれの位置で生じる応力変化をバランスさせるように応力を発生する応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）とを備え、
前記応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）は、降伏応力による残留歪みによって前記応力変化をバランスさせるものであることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項３】
半導体で構成され、圧力を受けて変位するダイヤフラム部（１０ａ）を有するセンサチップ（１０）と、
前記ダイヤフラム部（１０ａ）に形成された複数の歪みゲージ（１ａ〜１ｄ）と、
前記ダイヤフラム部（１０ａ）の周辺領域に形成され、前記センサチップ（１０）の雰囲気温度を２５℃から−３０℃まで変化させその後２５℃に戻したときに前記複数の歪みゲージ（１ａ〜１ｄ）のそれぞれの位置で生じる応力変化をバランスさせるように応力を発生する応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）とを備え、
前記応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）は、降伏応力による残留歪みによって前記応力変化をバランスさせるものであることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項４】
前記応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）は、前記ダイヤフラム部（１０ａ）の周辺領域に複数形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の半導体圧力センサ。
【請求項５】
前記ダイヤフラム部（１０ａ）の周辺領域に前記複数の歪みゲージ（１ａ〜１ｄ）の引き出し配線（２）が形成されており、前記応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）は、前記引き出し配線（２）の一部として形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の半導体圧力センサ。
【請求項６】
前記応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）は、前記ダイヤフラム部（１０ａ）の４隅に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の半導体圧力センサ。
【請求項７】
前記応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）は、三角形の形状であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の半導体圧力センサ。
【請求項８】
前記応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）は、ＡＬ−Ｓｉ膜であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の半導体圧力センサ。
【請求項９】
前記応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）は、Ｎｉ膜であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１つに記載の半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に半導体圧力センサにおけるセンサチップの平面構成を示す。センサチップ１０は、シリコンで構成され、図中の点線で示すように、薄肉のダイヤフラム部１０ａを有している。このダイヤフラム部１０ａには不純物拡散層からなる４つのピエゾ抵抗（歪みゲージ）１ａ〜１ｄが形成されており、中央に配置された２つの歪みゲージ１ａ、１ｂはセンターゲージ、周辺に配置された２つの歪みゲージ１ｃ、１ｄはサイドゲージであって、それぞれ図５に示すようにブリッジ結線されており、ＯA 端子、ＯB 端子から圧力に応じた電気信号を出力するようになっている。また、ダイヤフラム部１０ａの周辺領域には、歪みゲージ１ａ〜１ｄと電気接続されたＡｌの引き出し配線２が形成されており、その引き出し配線２に接続された図示しない回路部からセンサ出力を得ることができるように成っている。
【０００３】
また、センサチップ１０は、図６に示すように、ガラス台座１１に陽極接合され、このガラス台座１１は、シリコーン系接着剤１２によって、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）などで構成されたケース１３内に接着固定されている。また、センサチップ１０の表面にはシリコーンゲル１４が塗布されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した構成においては、ケース１３からセンサチップ１０への熱歪みの影響が問題になる。このため、図６に示すように、ガラス台座１１の下面に、４２アロイで構成されたプレート１５をシリコーン系接着剤１６で接着固定し、そのプレート１５によって、ケース１３からセンサチップ１０への熱歪みの影響を低減するようにしている。
【０００５】
しかしながら、本発明者等が上記した構成のものについてさらに検討を進めたところ、センサチップ１０の雰囲気温度を、室温（２５℃）から７０℃以上の高温又は−３０℃以下の低温にし、その後室温に戻したとき、センサ出力が変化する熱ヒステリシスの影響が出ていることを新たに見出した。具体的には、室温から７０℃の高温にした後、室温に戻したとき、図７中のＡで示すように、センサ出力がマイナス側に変動した。なお、図７中のＡにおけるダイヤフラム部からの距離２７２μｍは、ダイヤフラム部１０ａの４隅の端部と引き出し配線２までの距離を示している。
【０００６】
本発明は、上記した熱ヒステリシスによる出力変動を低減することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は上記した問題について鋭意検討し、温度変化によって複数の歪みゲージ１ａ〜１ｄのそれぞれの位置で生じる応力変化に差が生じているのではないかと考えた。そこで、Ａｌ膜に応力緩和作用があることに着目し、図８に示すように、ダイヤフラム部１０ａの４隅にＡｌ膜２ａ〜２ｄを形成（この場合、引き出し配線２の一部として形成）し、このものについて出力変動を測定した。その結果、図７中のＢに示すように、センサ出力がプラス側に変動した。
【０００８】
このことについて考察すると、ダイヤフラム部１０ａの４隅にＡｌ膜２ａ〜２ｄを形成しない場合には、図４、図８中のｘ方向の位置における応力σが、室温のとき（図中の上側の線で示す）と、室温から高温（７０℃）にしその後室温に戻したとき（図中の下側の線で示す）とで図９（ａ）に示すように変化し、センターゲージ１ａ、１ｂにおける応力差（室温での応力と、室温から高温にしその後室温に戻したときの応力との差）Δσc と、サイドゲージ１ｃ、１ｄにおける応力差Δσs が、Δσc −Δσs ＜０になる。
【０００９】
また、ダイヤフラム部１０ａの４隅にＡｌ膜２ａ〜２ｄを形成した場合、Ａｌ膜は降伏応力が１５ＭＰａと非常に小さいため上記した温度変化が生じたときＡｌ膜にかかる応力が容易に降伏応力を超えてしまい、Ａｌ膜２ａ〜２ｄに残留歪み（応力が開放されても残る応力）が生じる。この残留歪みが生じたことによって、図９（ｂ）に示すように、センターゲージ１ａ、１ｂにおける応力差Δσc と、サイドゲージ１ｃ、１ｄにおける応力差Δσs が、Δσc −Δσs ＞０になる。このため、ダイヤフラム部１０ａの４隅にＡｌ膜２ａ〜２ｄを形成しない場合と、形成した場合とで、センサ出力がマイナス側とプラス側に変化する。
【００１０】
従って、ダイヤフラム部１０ａの４隅に形成するＡｌ膜２ａ〜２ｄを最適化すれば、センサ出力の変動をなくすことができる。
そこで、次に、図１０に示すように、ダイヤフラム部１０ａの４隅に形成するＡｌ膜２ａ〜２ｄを形成する位置を変化させ、ダイヤフラム部１０ａの端部（ダイヤフラム端）との距離ｄと、センサ出力の変動量（熱ヒステリシス量）との関係について検討を行った。その結果を図１１に示す。この図１１から分かるように、距離ｄが大きくなるほど熱ヒステリシス量が小さくなっており、距離ｄが約８０μｍのとき熱ヒステリシス量がほぼ０になる。そして、距離ｄが約８０μｍとなるようにダイヤフラム部１０ａの４隅にＡｌ膜２ａ〜２ｄを形成したものについて出力変動を測定した結果、図７中のＣに示すように、センサ出力がほぼ０となった。
【００１１】
従って、このように配置されたＡｌ膜２ａ〜２ｄは、温度変化によって４つの歪みゲージ１ａ〜１ｄのそれぞれの位置で生じる応力変化をバランスさせるように応力を発生する応力バランス膜として機能している。
なお、室温から高温（７０℃）にしその後室温に戻した場合以外に、室温から低温（（−３０℃）にしその後室温に戻した場合も、上記したのと同様に、出力変動をほぼ０にすることができた。
【００１２】
本発明は上記した検討を基になされたもので、請求項１に記載の発明においては、半導体圧力センサにおいて、温度変化によって複数の歪みゲージ（１ａ〜１ｄ）のそれぞれの位置で生じる応力変化をバランスさせるように応力を発生する応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）を設け、この応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）は、ダイヤフラム部（１０ａ）の周辺領域に形成されたものであって、降伏応力による残留歪みによって前記応力変化をバランスさせるものであることを特徴としている。また、請求項２に記載の発明においては、センサチップ（１０）の雰囲気温度を２５℃から７０℃まで変化させその後２５℃に戻したときに複数の歪みゲージ（１ａ〜１ｄ）のそれぞれの位置で生じる応力変化をバランスさせるように応力を発生する応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）を設け、この応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）は、ダイヤフラム部（１０ａ）の周辺領域に形成されたものであって、降伏応力による残留歪みによって前記応力変化をバランスさせるものであることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明においては、センサチップ（１０）の雰囲気温度を２５℃から−３０℃まで変化させその後２５℃に戻したときに複数の歪みゲージ（１ａ〜１ｄ）のそれぞれの位置で生じる応力変化をバランスさせるように応力を発生する応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）を設け、この応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）は、ダイヤフラム部（１０ａ）の周辺領域に形成されたものであって、降伏応力による残留歪みによって前記応力変化をバランスさせるものであることを特徴としている。請求項１乃至３に記載の発明によれば、上記したように、熱ヒステリシスによる出力変動を低減することができる。
【００１４】
なお、応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）は、請求項４に記載の発明のように、ダイヤフラム部（１０ａ）の周辺領域に複数形成されたものとすることができ、さらに、請求項５に記載の発明のように、複数の歪みゲージ（１ａ〜１ｄ）の引き出し配線（２）の一部として形成することができる。さらに、具体的に、応力バランス膜（２ａ〜２ｄ）は、請求項６に記載の発明のように、ダイヤフラム部（１０ａ）の４隅に形成されたものとすることができ、請求項７に記載の発明のように、三角形の形状であるものとすることができ、請求項８、９に記載の発明のように、ＡＬ−Ｓｉ膜あるいはＮｉ膜とすることができる。
【００１５】
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の一実施形態に係る半導体圧力センサの平面図を示し、図２に図１中のII−II断面図を示す。
センサチップ１０は、図２に示すように、Ｐ型のシリコン基板３にＮ型の埋め込み層４が形成され、さらにＰ型のシリコン基板３の上にＮ型のエピタキシャル層５が形成された構成になっている。そして、Ｐ型のシリコン基板３の一部はエッチングによって除去され、その部分が薄肉のダイヤフラム部１０ａとなっている。
【００１７】
このダイヤフラム部１０ａには、図１に示すように、センターゲージ１ａ、１ｂ、サイドゲージ１ｃ、１ｄが不純物拡散によって形成されており、これらセンターゲージ１ａ、１ｂとサイドゲージ１ｃ、１ｄは、図５に示すように、ブリッジ結線されてブリッジ回路を構成している。
また、Ｎ型のエピタキシャル層５にはＰ型のアイソレーション領域６が形成され、ダイヤフラム部１０ａが周囲から絶縁された領域になっている。そして、Ｎ型のエピタキシャル層５の上に酸化膜７が形成され、さらにその上のダイヤフラム部１０ａの周辺領域にＡｌの引き出し配線２が形成され、さらにその上には酸化膜、窒化膜などの保護膜８が形成されている。
【００１８】
センターゲージ１ａ、１ｂ、サイドゲージは、酸化膜７に形成されたコンタクト穴を介して引き出し配線２と電気接続されており、引き出し配線２は、Ｎ型のエピタキシャル層５に形成された図示しない回路部に電気的に接続されている。そして、その回路部にてブリッジ回路からの電気信号を処理し、センサ出力として外部に出力する。
【００１９】
また、ダイヤフラム部１０ａの４隅には、図１に示すように、応力バランス膜としてのＡｌ膜２ａ〜２ｄが引き出し配線２の一部として形成されている。この場合、ダイヤフラム端からの距離ｄは、約８０μｍとしている。従って、この実施形態のものによれば、図７中のＣで示すように、熱ヒステリシスによる出力変動がほぼ０となった半導体圧力センサとすることができる。
【００２０】
次に、上記した半導体圧力センサの製造方法について説明する。図３にその工程図を示す。
まず、Ｐ型のシリコン基板３にＮ型の埋め込み層４が形成され、さらにＰ型のシリコン基板３の上にＮ型のエピタキシャル層５が形成された半導体基板を用意する（図３（ａ）参照）。次に、Ｎ型のエピタキシャル層５にＰ型のアイソレーション領域６を形成し（図３（ｂ）参照）、Ｎ型のエピタキシャル層５の上に酸化膜７を形成する（図３（ｃ）参照）。
【００２１】
この後、引き出し配線２および応力バランス膜２ａ〜２ｄをＡｌで形成する（図３（ｄ）参照）。そして、保護膜８を形成した（図３（ｅ）参照）後、Ｐ型のシリコン基板３を裏面側からエッチングしてダイヤフラム部１０ａを形成する（図３（ｆ）参照）。このようにして、図１、図２に示す半導体圧力センサが構成される。
【００２２】
従って、上記した製造方法によれば、応力バランス膜２ａ〜２ｄを引き出し配線２と同一工程で形成しているため、従来の製造工程に対し特別な工程を設けることなく、応力バランス膜２ａ〜２ｄを形成することができる。
なお、上記した実施形態においては、応力バランス膜としてのＡｌ膜２ａ〜２ｄを引き出し配線２の一部として形成するものを示したが、引き出し配線２と分離して応力バランス膜としてのＡｌ膜２ａ〜２ｄを形成するようにしてもよい。
【００２３】
また、その応力バランス膜２ａ〜２ｄの形状は、三角形に限らず、他の形状であってもよい。また、その配置もダイヤフラム部１０ａの４隅に限らず他の個所に配置されていてもよい。
また、応力バランス膜２ａ〜２ｄとしては、降伏応力が小さい膜であればＡｌ以外に、ＡＬ−Ｓｉ、Ｎｉなどの膜を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体圧力センサの平面図である。
【図２】図１中のII−II断面図である。
【図３】図１、図２に示す半導体圧力センサの製造工程を示す図である。
【図４】従来の半導体圧力センサの平面図である。
【図５】歪みゲージ１ａ〜１ｄによるブリッジ回路の構成を示す図である。
【図６】半導体圧力センサをケース１３に固定した状態を示す図である。
【図７】ダイヤフラム端からのＡｌ膜２ａ〜２ｄまでの距離と高温後出力変動量との関係を示す図である。
【図８】ダイヤフラム部１０ａの４隅にＡｌ膜２ａ〜２ｄを形成した状態を示す図である。
【図９】ダイヤフラム部１０ａの４隅にＡｌ膜２ａ〜２ｄを形成しない場合と、形成した場合の応力変化を説明するための図である。
【図１０】ダイヤフラム部１０ａの４隅に形成するＡｌ膜２ａ〜２ｄを形成する位置を変化させた状態を示す図である。
【図１１】ダイヤフラム端からＡｌ膜２ａ〜２ｄまでの距離ｄと熱ヒステリシス量との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ａ〜１ｄ…歪みゲージ、２…引き出し配線、
２ａ〜２ｄ…応力バランス膜としてのＡｌ膜、１０…センサチップ、
１０ａ…ダイヤフラム部。
【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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