(57)【要約】【課題】検出感度を向上させることができる物理量センサーを提供すること、また、かかる物理量センサーを備える圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を提供すること。【解決手段】本発明の物理量センサー１は、厚さ方向に開口している凹部２６を有し、受圧により撓み変形するダイヤフラム部２０と、平面視で凹部２６に重なってダイヤフラム部２０に配置されていて歪みにより電気信号を出力するピエゾ抵抗素子５と、を備える。【選択図】図４
2016099302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向に開口している凹部を有し、受圧により撓み変形するダイヤフラム部と、
平面視で前記凹部に重なって前記ダイヤフラム部に配置されていて歪みにより電気信号
を出力するセンサー素子と、
を備えることを特徴とする物理量センサー。
【請求項２】
前記センサー素子は、断面視で前記凹部の壁面に沿っている部分を有する請求項１に記
載の物理量センサー。
【請求項３】
前記凹部は、断面視で底部側に向けて幅が小さくなっている請求項１または２に記載の
物理量センサー。
【請求項４】
前記センサー素子は、断面視でＶ字状の部分を有する請求項３に記載の物理量センサー
。
【請求項５】
前記センサー素子は、ピエゾ抵抗素子である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の
物理量センサー。
【請求項６】
前記凹部は、前記ダイヤフラム部の外周部に沿って延びている請求項１ないし５のいず
れか１項に記載の物理量センサー。
【請求項７】
前記凹部は、前記ダイヤフラム部の外周に沿って間隔を隔てて複数並んで配置されてい
る請求項１ないし６のいずれか１項に記載の物理量センサー。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする圧
力センサー。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする高
度計。
【請求項１０】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする電
子機器。
【請求項１１】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする移
動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体に関するも
のである。
【背景技術】
【０００２】
受圧により撓み変形するダイヤフラムを備えた圧力センサーが広く用いられている（例
えば、特許文献１参照）。このような圧力センサーは、一般に、ダイヤフラム上に配置さ
れたセンサー素子でダイヤフラムの撓みを検出することにより、ダイヤフラムに加わった
圧力を検出する。
【０００３】
例えば、特許文献１に係る半導体圧力センサーは、半導体基板の一部に形成される薄肉
のダイヤフラム部と、ダイヤフラム部の表面に形成される歪検出素子（ピエゾ抵抗）と、
を有する。また、特許文献１に係る半導体圧力センサーのダイヤフラム部の表面には、ピ
エゾ抵抗の周辺領域に、圧力検出感度を向上させるためのＶ溝状の掘り込み部が形成され
ている。
【０００４】
しかし、特許文献１に係る半導体圧力センサーでは、受圧によってダイヤフラム部に生
じる応力が掘り込み部において局所的に高まるにもかかわらず、歪検出素子が掘り込み部
から離れた位置に配置されているため、検出感度を十分に向上させることができないとい
う問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２４７８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、検出感度を向上させることができる物理量センサーを提供すること、
また、かかる物理量センサーを備える圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を提
供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
［適用例１］
本発明の物理量センサーは、厚さ方向に開口している凹部を有し、受圧により撓み変形
するダイヤフラム部と、
平面視で前記凹部に重なって前記ダイヤフラム部に配置されていて歪みにより電気信号
を出力するセンサー素子と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
このような物理量センサーによれば、受圧による撓み変形に伴ってダイヤフラム部に生
じる応力（歪み）を凹部において局所的に高めることができる。そのため、かかる凹部に
平面視で重なる位置に配置されたセンサー素子によりダイヤフラム部の撓み変形を高感度
で検出することができる。よって、検出感度を向上させることができる。
【０００９】
［適用例２］
本発明の物理量センサーでは、前記センサー素子は、断面視で前記凹部の壁面に沿って
いる部分を有することが好ましい。
【００１０】
これにより、ダイヤフラム部の凹部に生じた応力をセンサー素子によりより効率的に検
出することができる。
【００１１】
［適用例３］
本発明の物理量センサーでは、前記凹部は、断面視で底部側に向けて幅が小さくなって
いることが好ましい。
【００１２】
これにより、ダイヤフラム部がシリコン単結晶を用いて構成されている場合、異方性エ
ッチングにより簡単かつ高精度に凹部を形成することができる。
【００１３】
［適用例４］
本発明の物理量センサーでは、前記センサー素子は、断面視でＶ字状の部分を有するこ
とが好ましい。
【００１４】
これにより、凹部の断面がＶ字状をなす場合において、センサー素子の少なくとも一部
を断面視で凹部の壁面に沿って配置することができる。
【００１５】
［適用例５］
本発明の物理量センサーでは、前記センサー素子は、ピエゾ抵抗素子であることが好ま
しい。
【００１６】
これにより、ダイヤフラム部に生じた応力（歪み）をセンサー素子により効率的に検出
することができる。
【００１７】
［適用例６］
本発明の物理量センサーでは、前記凹部は、前記ダイヤフラム部の外周部に沿って延び
ていることが好ましい。
【００１８】
これにより、受圧による撓み変形に伴ってダイヤフラム部の凹部に生じる応力（歪み）
を効率的に高めることができる。
【００１９】
［適用例７］
本発明の物理量センサーでは、前記凹部は、前記ダイヤフラム部の外周に沿って間隔を
隔てて複数並んで配置されていることが好ましい。
【００２０】
これにより、受圧による撓み変形に伴ってダイヤフラム部の凹部に生じる応力（歪み）
を効率的に高めることができる。
【００２１】
［適用例８］
本発明の圧力センサーは、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。
これにより、優れた検出感度を有する圧力センサーを提供することができる。
【００２２】
［適用例９］
本発明の高度計は、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。
これにより、優れた検出感度を有する高度計を提供することができる。
【００２３】
［適用例１０］
本発明の電子機器は、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。
【００２４】
これにより、優れた検出感度を有する物理量センサーを備える電子機器を提供すること
ができる。
【００２５】
［適用例１１］
本発明の移動体は、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。
【００２６】
これにより、優れた検出感度を有する物理量センサーを備える移動体を提供することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。
【図２】図１に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子（センサー素子）およびダイヤフラム部の凹部の配置を示す平面図である。
【図３】図１に示す物理量センサーの作用を説明するための図であって、（ａ）は加圧状態を示す断面図、（ｂ）は加圧状態を示す平面図である。
【図４】図１に示す物理量センサーの部分拡大断面図である。
【図５】ダイヤフラム部の位置と気圧感度比との関係を示すグラフである。
【図６】図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。
【図７】図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。
【図８】図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。
【図１０】本発明の圧力センサーの一例を示す断面図である。
【図１１】本発明の高度計の一例を示す斜視図である。
【図１２】本発明の電子機器の一例を示す正面図である。
【図１３】本発明の移動体の一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を添付
図面に示す各実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２９】
１．物理量センサー
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る物理量センサーを示す断面図、図２は、図１に示
す物理量センサーのピエゾ抵抗素子（センサー素子）およびダイヤフラム部の凹部の配置
を示す平面図である。図３は、図１に示す物理量センサーの作用を説明するための図であ
って、（ａ）は加圧状態を示す断面図、（ｂ）は加圧状態を示す平面図である。なお、以
下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」という。
【００３０】
図１に示す物理量センサー１は、ダイヤフラム部２０を有する基板２と、ダイヤフラム
部２０に配置されている機能素子である複数のピエゾ抵抗素子５（センサー素子）と、基
板２とともに空洞部Ｓ（圧力基準室）を形成している積層構造体６と、基板２と積層構造
体６との間に配置されている中間層３と、を備えている。
【００３１】
以下、物理量センサー１を構成する各部を順次説明する。
−基板−
基板２は、半導体基板２１と、半導体基板２１の一方の面上に設けられた絶縁膜２２と
、絶縁膜２２の半導体基板２１とは反対側の面上に設けられた絶縁膜２３と、を有してい
る。
【００３２】
半導体基板２１は、単結晶シリコンで構成されているシリコン層２１１（ハンドル層）
と、シリコン酸化膜で構成されている酸化シリコン層２１２（ボックス層）と、単結晶シ
リコンで構成されているシリコン層２１３（デバイス層）とがこの順で積層されたＳＯＩ
基板である。なお、半導体基板２１は、ＳＯＩ基板に限定されず、例えば、単結晶シリコ
ン基板等の他の半導体基板であってもよい。
【００３３】
絶縁膜２２は、例えば、シリコン酸化膜であり、絶縁性を有する。また、絶縁膜２３は
、例えば、シリコン窒化膜であり、絶縁性を有するとともに、フッ酸を含むエッチング液
に対する耐性をも有する。ここで、半導体基板２１（シリコン層２１３）と絶縁膜２３（
シリコン窒化膜）との間に絶縁膜２２（シリコン酸化膜）が介在していることにより、絶
縁膜２３の成膜時に生じた応力が半導体基板２１に伝わるのを絶縁膜２２により緩和する
ことができる。また、絶縁膜２２は、半導体基板２１およびその上方に半導体回路を形成
する場合、素子間分離膜として用いることもできる。なお、絶縁膜２２、２３は、前述し
た構成材料に限定されず、また、必要に応じて、絶縁膜２２、２３のうちのいずれか一方
を省略してもよい。
【００３４】
このような基板２の絶縁膜２３上には、パターニングされた中間層３が配置されている
。この中間層３は、基板２の厚さ方向から見た平面視（以下、単に「平面視」という）で
ダイヤフラム部２０の周囲を囲むように形成されており、中間層３の上面と基板２の上面
との間であって、ダイヤフラム部２０の中心側（内側）に中間層３の厚さ分の段差部を形
成する。これにより、ダイヤフラム部２０が受圧により撓み変形したとき、ダイヤフラム
部２０の段差部との間の境界部分に応力を集中させることができる。そのため、かかる境
界部分（またはその付近）にピエゾ抵抗素子５を配置することにより、検出感度を向上さ
せることができる。
【００３５】
この中間層３は、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン（ポリシリコン）またはア
モルファスシリコンで構成されている。また、中間層３は、例えば、単結晶シリコン、多
結晶シリコン（ポリシリコン）またはアモルファスシリコンにリン、ボロン等の不純物を
ドープ（拡散または注入）して構成されていてもよい。この場合、中間層３は、導電性を
有するため、例えば、空洞部Ｓの外側において基板２上にＭＯＳトランジスタを形成する
場合、中間層３の一部をＭＯＳトランジスタのゲート電極として用いることができる。ま
た、中間層３の一部を配線として用いることもできる。
【００３６】
このような基板２には、周囲の部分よりも薄肉であり、受圧によって撓み変形するダイ
ヤフラム部２０が設けられている。ダイヤフラム部２０は、半導体基板２１の下面に有底
の凹部２４を設けることで形成されている。すなわち、ダイヤフラム部２０は、基板２の
一方の面に開口している凹部２４の底部を含んで構成されている。このダイヤフラム部２
０は、その下面が受圧面２５となっている。本実施形態では、図２に示すように、ダイヤ
フラム部２０は、正方形（矩形）の平面視形状である。
【００３７】
本実施形態の基板２では、凹部２４がシリコン層２１１を貫通しており、ダイヤフラム
部２０が酸化シリコン層２１２、シリコン層２１３、絶縁膜２２および絶縁膜２３の４層
で構成されている。ここで、酸化シリコン層２１２は、後述するように、物理量センサー
１の製造工程において凹部２４をエッチングにより形成する際にエッチングストップ層と
して利用することができ、ダイヤフラム部２０の厚さの製品ごとのバラツキを少なくする
ことができる。
【００３８】
なお、凹部２４がシリコン層２１１を貫通せず、ダイヤフラム部２０がシリコン層２１
１の薄肉部、酸化シリコン層２１２、シリコン層２１３、絶縁膜２２および絶縁膜２３の
５層で構成されていてもよい。
【００３９】
また、基板２では、シリコン層２１３のダイヤフラム部２０に対応する部位の上面に複
数の凹部が形成されていて、これにより、ダイヤフラム部２０の空洞部Ｓ側の面に複数の
凹部２６が形成されている。なお、この凹部２６およびこれに関連する事項については、
後に詳述する。
【００４０】
−ピエゾ抵抗素子（機能素子）−
複数のピエゾ抵抗素子５は、図１に示すように、それぞれ、ダイヤフラム部２０の空洞
部Ｓ側に形成されている。ここで、ピエゾ抵抗素子５は、半導体基板２１のシリコン層２
１３に形成されている。特に、ピエゾ抵抗素子５は、平面視でダイヤフラム部２０の凹部
２６に重なる位置に配置されている。
【００４１】
図２に示すように、複数のピエゾ抵抗素子５は、ダイヤフラム部２０の外周部に配置さ
れている複数のピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄで構成されている。
【００４２】
平面視で四角形をなすダイヤフラム部２０の４つの辺にそれぞれ対応して、ピエゾ抵抗
素子５ａ、ピエゾ抵抗素子５ｂ、ピエゾ抵抗素子５ｃ、ピエゾ抵抗素子５ｄが配置されて
いる。
【００４３】
ピエゾ抵抗素子５ａは、ダイヤフラム部２０の対応する辺に対して平行な方向に沿って
延びている。そして、ピエゾ抵抗素子５ａの両端部には、外部に引き出す１対の配線２１
４ａが電気的に接続されている。同様に、ピエゾ抵抗素子５ｂは、ダイヤフラム部２０の
対応する辺に対して平行な方向に沿って延びている。そして、ピエゾ抵抗素子５ｂの両端
部には、外部に引き出す１対の配線２１４ｂが電気的に接続されている。
【００４４】
一方、ピエゾ抵抗素子５ｃは、１対で構成され、それぞれ、ダイヤフラム部２０の対応
する辺に対して垂直な方向に沿って延びている。そして、１対のピエゾ抵抗素子５ｃには
、配線５１ｃにより直列に電気的に接続された状態で、外部に引き出す１対の配線２１４
ｃが電気的に接続されている。同様に、ピエゾ抵抗素子５ｄは、１対で構成され、それぞ
れ、ダイヤフラム部２０の対応する辺に対して垂直な方向に沿って延びている。そして、
１対のピエゾ抵抗素子５ｄには、配線５１ｄにより直列に接続された状態で、外部に引き
出す１対の配線２１４ｄが電気的に接続されている。
【００４５】
なお、以下では、配線２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄをまとめて「配線２１
４」ともいう。
【００４６】
このようなピエゾ抵抗素子５および配線２１４は、それぞれ、例えば、リン、ボロン等
の不純物をドープ（拡散または注入）したシリコン（単結晶シリコン）で構成されている
。ここで、配線２１４における不純物のドープ濃度は、ピエゾ抵抗素子５における不純物
のドープ濃度よりも高い。なお、配線２１４は、金属で構成されていてもよい。
【００４７】
また、複数のピエゾ抵抗素子５は、例えば、自然状態における抵抗値が互いに等しくな
るように構成されている。
【００４８】
以上説明したようなピエゾ抵抗素子５は、配線２１４等を介して、ブリッジ回路（ホイ
ートストンブリッジ回路）を構成している。このブリッジ回路には、駆動電圧を供給する
駆動回路（図示せず）が接続されている。そして、このブリッジ回路では、ピエゾ抵抗素
子５の抵抗値に応じた信号（電圧）として出力される。これにより、ダイヤフラム部２０
に生じた応力（歪み）をピエゾ抵抗素子５により効率的に検出することができる。
【００４９】
−積層構造体−
積層構造体６は、前述した基板２との間に空洞部Ｓを画成するように形成されている。
ここで、積層構造体６は、ダイヤフラム部２０のピエゾ抵抗素子５側に配置されていてダ
イヤフラム部２０（または基板２）とともに空洞部Ｓ（内部空間）を区画形成（構成）し
ている。
【００５０】
この積層構造体６は、基板２上に平面視でピエゾ抵抗素子５を取り囲むように形成され
た層間絶縁膜６１と、層間絶縁膜６１上に形成された配線層６２と、配線層６２および層
間絶縁膜６１上に形成された層間絶縁膜６３と、層間絶縁膜６３上に形成され、複数の細
孔６４２（開孔）を備えた被覆層６４１を有する配線層６４と、配線層６４および層間絶
縁膜６３上に形成された表面保護膜６５と、被覆層６４１上に設けられた封止層６６とを
有している。
【００５１】
層間絶縁膜６１、６３は、それぞれ、例えば、シリコン酸化膜で構成されている。また
、配線層６２、６４および封止層６６は、それぞれ、アルミニウム等の金属で構成されて
いる。また、封止層６６は、被覆層６４１が有する細孔６４２を封止している。また、表
面保護膜６５は、例えば、シリコン窒化膜である。
【００５２】
このような積層構造体６において、被覆層６４１を除く配線層６２および配線層６４か
らなる構造体は、基板２の一方の面側に平面視でピエゾ抵抗素子５を囲んで配置されてい
る「壁部」を構成している。また、被覆層６４１は、この壁部に対して基板２とは反対側
に配置されていて空洞部Ｓ（内部空間）を壁部とともに構成している「天井部」を構成し
ている。
【００５３】
また、このような積層構造体６は、ＣＭＯＳプロセスのような半導体製造プロセスを用
いて形成することができる。なお、シリコン層２１３上およびその上方には、半導体回路
が作り込まれていてもよい。この半導体回路は、ＭＯＳトランジスタ等の能動素子、その
他必要に応じて形成されたコンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード、配線（ピエゾ抵
抗素子５に接続されている配線を含む）等の回路要素を有している。
【００５４】
基板２と積層構造体６とによって画成された空洞部Ｓは、密閉された空間である。この
空洞部Ｓは、物理量センサー１が検出する圧力の基準値となる圧力基準室として機能する
。本実施形態では、空洞部Ｓが真空状態（３００Ｐａ以下）となっている。空洞部Ｓを真
空状態とすることによって、物理量センサー１を、真空状態を基準として圧力を検出する
「絶対圧センサー」として用いることができ、その利便性が向上する。
【００５５】
ただし、空洞部Ｓは、真空状態でなくてもよく、大気圧であってもよいし、大気圧より
も気圧が低い減圧状態であってもよいし、大気圧よりも気圧が高い加圧状態であってもよ
い。また、空洞部Ｓには、窒素ガス、希ガス等の不活性ガスが封入されていてもよい。
【００５６】
以上、物理量センサー１の構成について簡単に説明した。
このような構成の物理量センサー１は、図３（ａ）に示すように、ダイヤフラム部２０
の受圧面２５が受ける圧力Ｐに応じて、ダイヤフラム部２０が変形し、これにより、図３
（ｂ）に示すように、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが歪み、ピエゾ抵抗素子５
ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの抵抗値が変化する。それに伴って、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、
５ｃ、５ｄが構成するブリッジ回路の出力が変化し、その出力に基づいて、受圧面２５で
受けた圧力の大きさを求めることができる。
【００５７】
より具体的に説明すると、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じる前の自然
状態では、例えば、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの抵抗値が互いに等しい場合
、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値の積とが
等しく、ブリッジ回路の出力（電位差）はゼロとなる。
【００５８】
一方、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じると、図３（ｂ）に示すように
、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂにその長手方向に沿った引張歪みおよび幅方向に沿った圧縮
歪みが生じるとともに、ピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄにその長手方向に沿った圧縮歪みおよ
びその幅方向に沿った引張歪みが生じる。したがって、前述したようなダイヤフラム部２
０の変形が生じたとき、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄ
の抵抗値とのうち、一方の抵抗値が増加し、他方の抵抗値が減少する。
【００５９】
このようなピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの歪みにより、ピエゾ抵抗素子５ａ
、５ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値の積との差が生じ、その差（電
位差）に応じた出力（電気信号）がブリッジ回路から出力される。このブリッジ回路から
の出力に基づいて、受圧面２５で受けた圧力の大きさ（絶対圧）を求めることができる。
【００６０】
ここで、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じたとき、ピエゾ抵抗素子５ａ
、５ｂの抵抗値とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値とのうち、一方の抵抗値が増加し、
他方の抵抗値が減少するため、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子
５ｃ、５ｄの抵抗値の積との差の変化を大きくすることができ、それに伴って、ブリッジ
回路からの出力を大きくすることができる。その結果、圧力の検出感度を高めることがで
きる。
【００６１】
（ダイヤフラム部の凹部）
以下、ダイヤフラム部２０に形成された凹部２６およびそれに関連する事項について詳
述する。
【００６２】
図４は、図１に示す物理量センサーの部分拡大断面図である。図５は、ダイヤフラム部
の位置と気圧感度比との関係を示すグラフである。なお、図５における「気圧感度比」は
、凹部なし（図中破線）のピエゾ抵抗位置（ここでは０．８８）を基準にした場合の気圧
感度（応力値／気圧）の比である。また、図５における「ダイヤフラム中心からの距離」
は、ダイヤフラム部の中心を「０」（基準）とし、ダイヤフラム部の外周縁を「１」とし
ている。
【００６３】
前述したように、ダイヤフラム部２０は、厚さ方向に開口している複数の凹部２６を有
する。本実施形態では、図４に示すように、ダイヤフラム部２０のシリコン層２１３の上
面に凹部２１３１が形成されている。この凹部２１３１の壁面は、絶縁膜２２、２３で覆
われているが、絶縁膜２２、２３は、凹部２１３１の壁面に追従して変形している。これ
により、絶縁膜２２、２３に覆われていて、凹部２１３１に対応した形状の凹部２６が形
成されている。このような凹部２６を有するダイヤフラム部２０によれば、図５に示すよ
うに、受圧による撓み変形に伴ってダイヤフラム部２０に生じる応力（歪み）を各凹部２
６において局所的に高めることができる。
【００６４】
そして、このような複数の凹部２６は、複数のピエゾ抵抗素子５に対応して配置されて
いて（図２参照）、各ピエゾ抵抗素子５は、平面視で、対応する凹部２６に重なって配置
されている。これにより、各ピエゾ抵抗素子５によりダイヤフラム部２０の撓み変形を高
感度で検出することができる。よって、物理量センサー１の検出感度を向上させることが
できる。ここで、複数の凹部２６は、４つのピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄにそ
れぞれ対応している４つの凹部２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄからなる。
【００６５】
また、複数の凹部２６は、図２に示すように、平面視で矩形をなすダイヤフラム部２０
の各辺に対応して配置されている。これにより、複数の凹部２６は、ダイヤフラム部２０
の外周に沿って間隔を隔てて複数並んで配置されている。これにより、受圧による撓み変
形に伴ってダイヤフラム部２０の各凹部２６に生じる応力（歪み）を効率的に高めること
ができる。これは、平面視で矩形をなすダイヤフラム部２０が撓み変形する際に、ダイヤ
フラム部２０の角部よりも各辺の方が生じる応力が大きくなるためである。
【００６６】
また、各凹部２６は、ダイヤフラム部の外周部（各辺）に沿って延びている溝である。
これにより、受圧による撓み変形に伴ってダイヤフラム部２０の各凹部２６に生じる応力
（歪み）を効率的に高めることができる。これは、平面視で矩形をなすダイヤフラム部２
０が撓み変形する際に、ダイヤフラム部２０の各辺に対して垂直な方向に延びている場合
に比べて、各凹部２６が変形しやすくなるためである。
【００６７】
また、図４に示すように、各ピエゾ抵抗素子５は、断面視で対応する各凹部２６の壁面
に沿っている部分を有する。これにより、ダイヤフラム部２０の各凹部２６に生じた応力
をセンサー素子によりより効率的に検出することができる。
【００６８】
また、各凹部２６は、図４に示すように、断面がＶ字状をなしている。このように各凹
部２６が断面視で底部側に向けて幅が小さくなっていることにより、シリコン単結晶で構
成されているシリコン層２１３に対して異方性エッチングにより簡単かつ高精度に凹部２
１３１を形成することができる。なお、各凹部２６の断面形状は、Ｖ字状に限定されず、
例えば、Ｕ字状、矩形等であってもよい。
【００６９】
また、各ピエゾ抵抗素子５は、対応する各凹部２６の壁面に沿って形成されていて、断
面視でＶ字状の部分を有する。このように、各凹部２６の断面がＶ字状をなす本実施形態
のような場合において、各ピエゾ抵抗素子５の少なくとも一部を断面視で凹部２６の壁面
に沿って配置することができる。
【００７０】
また、各凹部２６の深さｄは、特に限定されないが、ダイヤフラム部２０の厚さｔに対
して、０．１以上０．５以下であることが好ましく、０．２以上０．４以下であることが
より好ましく、具体的には、０．５μｍ以上２μｍ以下であることが好ましく、０．５μ
ｍ以上１．５μｍ以下であることが好ましい。これにより、ダイヤフラム部２０の必要な
強度を維持しつつ、前述したようなダイヤフラム部２０の各凹部２６における局所的な応
力の発生を効果的に生じさせることができる。
【００７１】
また、各凹部２６の幅は、各凹部２６の深さｄに対して、０．５以上１．５以下程度で
あることが好ましい。ダイヤフラム部２０の必要な強度を維持しつつ、前述したようなダ
イヤフラム部２０の各凹部２６における局所的な応力の発生を効果的に生じさせることが
できる。
【００７２】
（物理量センサーの製造方法）
次に、物理量センサー１の製造方法を簡単に説明する。
【００７３】
図６〜図８は、図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。以下、物理量セ
ンサー１の製造方法を、これらの図に基づいて説明する。
【００７４】
［素子形成工程］
まず、図６（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板である半導体基板２１を用意する。
【００７５】
そして、図６（ｂ）に示すように、半導体基板２１のシリコン層２１３に凹部２１３１
を形成する。
【００７６】
凹部２１３１の形成方法としては、特に限定されないが、ウェットエッチングによる異
方性エッチングを用いることが好ましい。これにより、前述したような断面がＶ字状の凹
部２１３１を簡単かつ高精度に形成することができる。
【００７７】
その後、平面視で凹部２１３１に重なるように、半導体基板２１のシリコン層２１３に
リン（ｎ型）またはボロン（ｐ型）等の不純物をドープ（イオン注入）することにより、
図６（ｃ）に示すように、複数のピエゾ抵抗素子５を形成する。また、図示しないが、配
線２１４も、ピエゾ抵抗素子５と同様に形成する。
【００７８】
例えば、ボロンを＋８０ｋｅＶでイオン注入を行う場合、ピエゾ抵抗素子５へのイオン
注入濃度を１×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ２程度とする。また、配線２１４へのイオン注
入濃をピエゾ抵抗素子５よりも多くする。例えば、ボロンを１０ｋｅＶでイオン注入を行
う場合、配線２１４へのイオン注入濃度を５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２程度とする。
また、前述したようなイオン注入の後、例えば、１０００℃程度で２０分程度のアニール
を行う。
【００７９】
［絶縁膜等形成工程］
次に、図７（ａ）に示すように、シリコン層２１３上に絶縁膜２２、絶縁膜２３および
中間層３をこの順で形成する。
【００８０】
絶縁膜２２、２３の形成は、それぞれ、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により
行うことができる。中間層３は、例えば、多結晶シリコンをスパッタリング法、ＣＶＤ法
等により成膜した後、その膜に必要に応じてリン、ボロン等の不純物をドープ（イオン注
入）し、その後、エッチングによりパターニングすることで形成することができる。
【００８１】
［層間絶縁膜・配線層形成工程］
次に、図７（ｂ）に示すように、絶縁膜２３上に、犠牲層４１、配線層６２、犠牲層４
２および配線層６４をこの順で形成する。
【００８２】
この犠牲層４１、４２は、それぞれ、後述する空洞部形成工程により一部が除去され、
残部が層間絶縁膜６１、６３となるものである。犠牲層４１、４２の形成は、それぞれ、
シリコン酸化膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、そのシリコン酸化膜をエ
ッチングによりパターニングすることにより行う。
【００８３】
また、犠牲層４１、４２の厚さは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、１５００
ｎｍ以上５０００ｎｍ以下程度とされる。
【００８４】
また、配線層６２、６４の形成は、それぞれ、例えばアルミニウムよりなる層をスパッ
タリング法、ＣＶＤ法等により形成した後、パターニング処理することにより行う。
【００８５】
ここで、配線層６２、６４の厚さは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、３００
ｎｍ以上９００ｎｍ以下程度とされる。
【００８６】
このような犠牲層４１、４２および配線層６２、６４からなる積層構造は、通常のＣＭ
ＯＳプロセスを用いて形成され、その積層数は、必要に応じて適宜に設定される。すなわ
ち、必要に応じてさらに多くの犠牲層や配線層が積層される場合もある。
【００８７】
［空洞部形成工程］
次に、犠牲層４１、４２の一部を除去することにより、図７（ｃ）に示すように、絶縁
膜２３と被覆層６４１との間に空洞部Ｓ（キャビティ）を形成する。これにより、層間絶
縁膜６１、６３が形成される。
【００８８】
空洞部Ｓの形成は、被覆層６４１に形成された複数の細孔６４２を通じたエッチングに
より、犠牲層４１、４２の一部を除去することにより行う。ここで、かかるエッチングと
してウェットエッチングを用いる場合、複数の細孔６４２からフッ酸、緩衝フッ酸等のエ
ッチング液を供給し、ドライエッチングを用いる場合、複数の細孔６４２からフッ化水素
酸ガス等のエッチングガスを供給する。このようなエッチングの際、絶縁膜２３がエッチ
ングストップ層として機能する。また、絶縁膜２３は、エッチング液に対する耐性を有す
ることから、絶縁膜２３に対して下側の構成部（例えば、絶縁膜２２、ピエゾ抵抗素子５
、配線２１４等）をエッチング液から保護する機能をも有する。
【００８９】
ここで、かかるエッチングの前に、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により表面保護膜６
５を形成する。これにより、かかるエッチングの際、犠牲層４１、４２の層間絶縁膜６１
、６２となる部分を保護することができる。表面保護膜６５の構成材料としては、例えば
、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリイミド膜、エポキシ樹脂膜など、素子を水分、
ゴミ、傷などから保護するための耐性を有するものが挙げられ、特に、シリコン窒化膜が
好適である。表面保護膜６５の厚さは、特に限定されないが、例えば、５００ｎｍ以上２
０００ｎｍ以下程度とされる。
【００９０】
［封止工程］
次に、図８（ａ）に示すように、被覆層６４１上に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜
、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ等の金属膜等からなる封止層６６をスパッタリング法、
ＣＶＤ法等により形成し、各細孔６４２を封止する。これより、空洞部Ｓが封止層６６に
より封止され、積層構造体６を得る。
【００９１】
ここで、封止層６６の厚さは、特に限定されないが、例えば、１０００ｎｍ以上５００
０ｎｍ以下程度とされる。
【００９２】
［ダイヤフラム形成工程］
次に、シリコン層２１１の下面を必要に応じて研削した後、シリコン層２１１の下面の
一部をエッチングにより除去（加工）することにより、図８（ｂ）に示すように、凹部２
４を形成する。これにより、空洞部Ｓを介して被覆層６４１に対向するダイヤフラム部２
０が形成される。
【００９３】
ここで、シリコン層２１１の下面の一部を除去する際、酸化シリコン層２１２がエッチ
ングストップ層として機能する。これにより、ダイヤフラム部２０の厚さを高精度に規定
することができる。
【００９４】
なお、シリコン層２１１の下面の一部を除去する方法としては、ドライエッチングであ
っても、ウェットエッチング等であってもよい。
以上のような工程により、物理量センサー１を製造することができる。
【００９５】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図９は、本発明の第２実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。
【００９６】
以下、本発明の第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心
に説明し、同様の事項はその説明を省略する。
【００９７】
本実施形態は、空洞部（圧力基準室）をダイヤフラム部に対してセンサー素子とは反対
側に設けた以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【００９８】
図９に示す物理量センサー１Ａは、基板２と、基板２の凹部２４の開口を封鎖する基板
７と、を備えている。このように凹部２４の開口を基板７で封鎖することにより、凹部２
４内の空間を空洞部として用いることができる。ここで、基板７は、基板２のシリコン層
２１１に気密的に接合されている。これにより、凹部２４内の空間が気密空間となってい
る。したがって、本実施形態では、ダイヤフラム部２０の凹部２６側の面が受圧面２５Ａ
となっており、凹部２６が受圧面２５Ａ側に配置されている。
以上説明したような第２実施形態によっても、検出感度を向上させることができる。
【００９９】
２．圧力センサー
次に、本発明の物理量センサーを備える圧力センサー（本発明の圧力センサー）ついて
説明する。図１０は、本発明の圧力センサーの一例を示す断面図である。
【０１００】
図１０に示すように、本発明の圧力センサー１００は、物理量センサー１と、物理量セ
ンサー１を収納する筐体１０１と、物理量センサー１から得た信号を圧力データに演算す
る演算部１０２とを備えている。物理量センサー１は、配線１０３を介して演算部１０２
と電気的に接続されている。
【０１０１】
物理量センサー１は、筐体１０１の内側に、図示しない固定手段により固定されている
。また、筐体１０１には、物理量センサー１のダイヤフラム部２０が、例えば大気（筐体
１０１の外側）と連通するための貫通孔１０４を有している。
【０１０２】
このような圧力センサー１００によれば、貫通孔１０４を介してダイヤフラム部２０が
圧力を受ける。この受圧した信号を配線１０３を介して演算部に送信し、圧力データに演
算する。この演算された圧力データは、図示しない表示部（例えば、パーソナルコンピュ
ーターのモニター等）を介して表示することができる。
【０１０３】
３．高度計
次に、本発明の物理量センサーを備える高度計（本発明の高度計）の一例について説明
する。図１１は、本発明の高度計の一例を示す斜視図である。
【０１０４】
高度計２００は、腕時計のように、手首に装着することができる。また、高度計２００
の内部には、物理量センサー１（圧力センサー１００）が搭載されており、表示部２０１
に現在地の海抜からの高度、または、現在地の気圧等を表示することができる。
【０１０５】
なお、この表示部２０１には、現在時刻、使用者の心拍数、天候等、様々な情報を表示
することができる。
【０１０６】
４．電子機器
次に、本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用したナビゲーションシステムに
ついて説明する。図１２は、本発明の電子機器の一例を示す正面図である。
【０１０７】
ナビゲーションシステム３００には、図示しない地図情報と、ＧＰＳ（全地球測位シス
テム：Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）からの位置情報取得手段
と、ジャイロセンサーおよび加速度センサーと車速データとによる自立航法手段と、物理
量センサー１と、所定の位置情報または進路情報を表示する表示部３０１とを備えている
。
【０１０８】
このナビゲーションシステムによれば、取得した位置情報に加えて高度情報を取得する
ことができる。高度情報を得ることにより、例えば、一般道路と位置情報上は略同一の位
置を示す高架道路を走行する場合、高度情報を持たない場合には、一般道路を走行してい
るのか高架道路を走行しているのかナビゲーションシステムでは判断できず、優先情報と
して一般道路の情報を使用者に提供してしまっていた。そこで、本実施形態に係るナビゲ
ーションシステム３００では、高度情報を物理量センサー１によって取得することができ
、一般道路から高架道路へ進入することによる高度変化を検出し、高架道路の走行状態に
おけるナビゲーション情報を使用者に提供することができる。
【０１０９】
なお、表示部３０１は、例えば液晶パネルディスプレイや、有機ＥＬ（Organic Electr
o-Luminescence）ディスプレイなど、小型かつ薄型化が可能な構成となっている。
【０１１０】
なお、本発明の物理量センサーを備える電子機器は、上記のものに限定されず、例えば
、パーソナルコンピューター、携帯電話、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計
、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、各種測定機器、計器類（例えば、車
両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター等に適用することができる。
【０１１１】
５．移動体
次いで、本発明の物理量センサーを適用した移動体（本発明の移動体）について説明す
る。図１３は、本発明の移動体の一例を示す斜視図である。
【０１１２】
図１３に示すように、移動体４００は、車体４０１と、４つの車輪４０２とを有してお
り、車体４０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪４０２を回転さ
せるように構成されている。このような移動体４００には、ナビゲーションシステム３０
０（物理量センサー１）が内蔵されている。
【０１１３】
以上、本発明の物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を図示
の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の
構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意
の構成物が付加されていてもよい。
【０１１４】
また、１つのダイヤフラム部に設けられるピエゾ抵抗素子（機能素子）の数、配置や形
状等は、前述した実施形態に限定されず、例えば、前述した実施形態において、ダイヤフ
ラム部の中央部にもピエゾ抵抗素子を配置してもよい。
【０１１５】
また、ダイヤフラム部に形成する凹部の形状および位置等は、前述した実施形態に限定
されず、例えば、凹部は、ダイヤフラム部の中央部側に配置されていてもよいし、ダイヤ
フラム部の周方向に沿って環状をなしていてもよい。
【０１１６】
また、前述した実施形態では、ダイヤフラム部に形成された凹部の壁面が絶縁膜で覆わ
れている場合を例に説明したが、かかる絶縁膜を省略してもよい。また、前述した実施形
態では、ダイヤフラム部のシリコン層に凹部を形成しているが、そのシリコン層に凹部を
形成せずに、シリコン層上に配置された絶縁膜等の他の層を加工することにより凹部を形
成してもよい。
【符号の説明】
【０１１７】
１‥‥物理量センサー
１Ａ‥‥物理量センサー
２‥‥基板
３‥‥中間層
５‥‥ピエゾ抵抗素子
５ａ‥‥ピエゾ抵抗素子
５ｂ‥‥ピエゾ抵抗素子
５ｃ‥‥ピエゾ抵抗素子
５ｄ‥‥ピエゾ抵抗素子
６‥‥積層構造体
７‥‥基板
２０‥‥ダイヤフラム部
２１‥‥半導体基板
２２‥‥絶縁膜
２３‥‥絶縁膜
２４‥‥凹部
２５‥‥受圧面
２５Ａ‥‥受圧面
２６‥‥凹部
２６ａ‥‥凹部
２６ｂ‥‥凹部
２６ｃ‥‥凹部
２６ｄ‥‥凹部
４１‥‥犠牲層
４２‥‥犠牲層
５１ｃ‥‥配線
５１ｄ‥‥配線
６１‥‥層間絶縁膜
６２‥‥配線層
６３‥‥層間絶縁膜
６４‥‥配線層
６５‥‥表面保護膜
６６‥‥封止層
１００‥‥圧力センサー
１０１‥‥筐体
１０２‥‥演算部
１０３‥‥配線
１０４‥‥貫通孔
２００‥‥高度計
２０１‥‥表示部
２１１‥‥シリコン層
２１２‥‥酸化シリコン層
２１３‥‥シリコン層
２１４‥‥配線
２１４ａ‥‥配線
２１４ｂ‥‥配線
２１４ｃ‥‥配線
２１４ｄ‥‥配線
３００‥‥ナビゲーションシステム
３０１‥‥表示部
４００‥‥移動体
４０１‥‥車体
４０２‥‥車輪
６４１‥‥被覆層
６４２‥‥細孔
２１３１‥‥凹部
Ｐ‥‥圧力
Ｓ‥‥空洞部
【図１】
2016099302.tif 000003
【図２】
2016099302.tif 000004
【図３】
2016099302.tif 000005
【図４】
2016099302.tif 000006
【図５】
2016099302.tif 000007
【図６】
2016099302.tif 000008
【図７】
2016099302.tif 000009
【図８】
2016099302.tif 000010
【図９】
2016099302.tif 000011
【図１０】
2016099302.tif 000012
【図１１】
2016099302.tif 000013
【図１２】
2016099302.tif 000014
【図１３】
2016099302.tif 000015