(57)【要約】【課題】各歪みゲージの位置において熱ヒステリシスの影響を小さくすることができる圧力センサを提供する。【解決手段】配線部３０は、半導体基板１３の表面１１のうち、ダイヤフラム部１４の周囲を一周するように設けられた外周領域１６に形成されていると共に、Ａｌを含んだ金属によって形成されている。また、配線部３０は、ダイヤフラム部１４の外周部である第１端部１４ａから当該配線部３０のうちダイヤフラム部１４側の第２端部３０ａまでの距離のうちの最短距離がバッファ距離ｄとなるように外周領域１６に形成されている。具体的には、配線部３０は、ｄ≧３５０μｍを満たすように外周領域１６に形成されている。これにより、ダイヤフラム部１４に形成された歪みゲージ２０に対する熱ヒステリシスが安定するので、各歪みゲージ２０の位置において配線部３０による熱ヒステリシスの影響が小さくなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面（１１）及び裏面（１２）を有する半導体基板（１３）の一部が前記裏面（１２）側から除去された薄肉状であると共に圧力を受けて変位するダイヤフラム部（１４）を有するセンサチップ（１０）と、
前記ダイヤフラム部（１４）に形成されていると共に、前記ダイヤフラム部（１４）の変位に応じて抵抗値が変化する複数の歪みゲージ（２０）と、
前記半導体基板（１３）の前記表面（１１）のうち、前記ダイヤフラム部（１４）の周囲を一周するように設けられた外周領域（１６）に形成されていると共に、Ａｌを含んだ金属によって形成された配線部（３０）と、
を備え、
前記配線部（３０）は、前記ダイヤフラム部（１４）の外周部である第１端部（１４ａ）から当該配線部（３０）のうち前記ダイヤフラム部（１４）側の第２端部（３０ａ）までの距離のうちの最短距離がバッファ距離となるように前記外周領域（１６）に形成されていることを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記バッファ距離をｄと定義すると、
前記配線部（３０）は、ｄ≧３５０μｍを満たすように前記外周領域（１６）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。
【請求項３】
前記配線部（３０）は、前記外周領域（１６）に多層に形成されており、前記半導体基板（１３）の前記表面（１１）に平行な面方向における前記ダイヤフラム部（１４）の前記第１端部（１４ａ）から前記配線部（３０）のうち前記ダイヤフラム部（１４）側の前記第２端部（３０ａ）までの各層の距離のうちの最短距離が前記バッファ距離となるように前記外周領域（１６）に形成されていることを特徴とする請求項１または２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、ダイヤフラム部の変位に応じて抵抗値が変化する複数の歪みゲージを備えた圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、圧力を受けて変位するダイヤフラム部を有するセンサチップと、ダイヤフラム部に形成された複数の歪みゲージと、ダイヤフラム部の周辺領域に形成された応力バランス膜と、を備えた圧力センサが、例えば特許文献１で提案されている。
【０００３】
応力バランス膜は、センサチップの温度の変化によって各歪みゲージの位置で生じる応力変化をバランスさせるように作用する。これにより、センサチップの温度の変化によって生じる熱ヒステリシスの影響によってセンサ出力の変化が抑制されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３８７３４５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、センサチップに形成される回路集積等により配線パターンの占有面積が増加すると、当該配線パターンによって熱ヒステリシスを発生させる応力そのものが増加してしまう。このため、応力バランス膜によって各歪みゲージの位置で生じる応力変化をバランスさせることができなくなり、ひいては熱ヒステリシスの影響が大きくなってしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は上記点に鑑み、各歪みゲージの位置において熱ヒステリシスの影響を小さくすることができる圧力センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、表面（１１）及び裏面（１２）を有する半導体基板（１３）の一部が裏面（１２）側から除去された薄肉状であると共に圧力を受けて変位するダイヤフラム部（１４）を有するセンサチップ（１０）を備えている。
【０００８】
また、ダイヤフラム部（１４）に形成されていると共に、ダイヤフラム部（１４）の変位に応じて抵抗値が変化する複数の歪みゲージ（２０）を備えている。
【０００９】
さらに、半導体基板（１３）の表面（１１）のうち、ダイヤフラム部（１４）の周囲を一周するように設けられた外周領域（１６）に形成されていると共に、Ａｌを含んだ金属によって形成された配線部（３０）を備えている。
【００１０】
そして、配線部（３０）は、ダイヤフラム部（１４）の外周部である第１端部（１４ａ）から当該配線部（３０）のうちダイヤフラム部（１４）側の第２端部（３０ａ）までの距離のうちの最短距離がバッファ距離となるように外周領域（１６）に形成されている。
【００１１】
これによると、配線部（３０）からダイヤフラム部（１４）までの距離がバッファ距離によって一定以上離されているので、ダイヤフラム部（１４）に形成された歪みゲージ（２０）に対する熱ヒステリシスが安定する。したがって、各歪みゲージ（２０）の位置において配線部（３０）による熱ヒステリシスの影響を小さくすることができる。
【００１２】
なお、この欄及び特許請求の範囲で記載した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ものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサの平面図である。
【図２】図１のII−II断面図である。
【図３】バッファ距離ｄと配線部に発生する熱ヒステリシスとの関係を示した図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る圧力センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１５】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。図１に示されるように、圧力センサは、センサチップ１０、複数の歪みゲージ２０、及び配線部３０を備えて構成されている。
【００１６】
センサチップ１０は、図２に示されるように、表面１１及び裏面１２を有する半導体基板１３から構成されている。また、センサチップ１０は、ダイヤフラム部１４を有している。ダイヤフラム部１４は、半導体基板１３の一部が裏面１２側から除去されて薄肉状にされた部分である。すなわち、ダイヤフラム部１４は、例えば半導体基板１３の裏面１２側の受圧面で圧力媒体の圧力を受けて変位する。半導体基板１３として、例えばシリコン基板が用いられる。
【００１７】
各歪みゲージ２０は、ダイヤフラム部１４の変位に応じて抵抗値が変化するセンシング手段である。本実施形態では、歪みゲージ２０はダイヤフラム部１４に４カ所形成されている。また、各歪みゲージ２０は、ホイートストンブリッジ回路を構成するように電気的に接続されている。これにより、各歪みゲージ２０のピエゾ抵抗効果を利用して、ダイヤフラム部１４の歪みに応じた電圧を圧力として検出することができる。
【００１８】
各歪みゲージ２０は、半導体基板１３に対するイオン注入により形成された拡散抵抗である。また、各歪みゲージ２０を覆うように、半導体基板１３の表面１１に絶縁膜１５が形成されている。絶縁膜１５は例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）である。なお、図１では絶縁膜１５を省略している。
【００１９】
配線部３０は、各歪みゲージ２０を電気的に接続する配線や、ボンディングワイヤが接合されるパッド等によって構成されたものである。配線部３０は、Ａｌを含んだ金属によって形成されている。ここで、「Ａｌを含んだ金属」とは、Ａｌそのものだけでなく、Ａｌ−ＳｉやＡｌ−Ｃｕ等のＡｌ合金も含まれている。
【００２０】
配線部３０は、半導体基板１３の表面１１に形成された絶縁膜１５のうち、ダイヤフラム部１４の周囲を一周するように設けられた外周領域１６に形成されている。配線部３０は外周領域１６の全体に形成されているのではなく、外周領域１６の範囲内で所定のレイアウトで形成されている。
【００２１】
そして、配線部３０は、当該配線部３０とダイヤフラム部１４との最短距離がバッファ距離となるように外周領域１６に形成されている。具体的には、ダイヤフラム部１４の外周部を第１端部１４ａとし、配線部３０のうちダイヤフラム部１４側の端部を第２端部３０ａとすると、第１端部１４ａから第２端部３０ａまでの距離のうちの最短距離がバッファ距離となるように配線部３０が外周領域１６に形成されている。
【００２２】
さらに、バッファ距離をｄと定義する。本実施形態では、配線部３０は、バッファ距離ｄがｄ≧３５０μｍを満たすように外周領域１６に形成されている。すなわち、ダイヤフラム部１４の第１端部１４ａと配線部３０の第２端部３０ａとの最短距離を３５０μｍとする。
【００２３】
次に、バッファ距離ｄを３５０μｍ以上とした根拠について説明する。発明者らは、図１及び図２に示された圧力センサにおいて、バッファ距離ｄを変化させたものを複数製造し、バッファ距離ｄと各歪みゲージ２０に発生する熱ヒステリシスとの関係を調べた。
【００２４】
熱ヒステリシスは、圧力センサの温度を所定の範囲で変化させたときに室温（例えば２５度）において各歪みゲージ２０に掛かる応力の最大値と最小値とをそれぞれ取得し、これら最大値と最小値との差分を求めることで得た。Ａｌには引っ張り応力が発生するので引っ張り応力の差分を求めた。また、バッファ距離ｄと熱ヒステリシスとの関係は、実際の製品についてだけではなく、製品と同じ構成のシミュレーション品についても調べた。その結果を図３に示す。
【００２５】
図３に示されるように、製品及びシミュレーション品の両方とも、バッファ距離ｄが大きくなると熱ヒステリシスが小さくなることがわかった。これは、配線部３０の第２端部３０ａが各歪みゲージ２０から離れることで各歪みゲージ２０が配線部３０から受ける応力の影響が小さくなるからである。
【００２６】
また、製品の場合、バッファ距離ｄが２００μｍを超えると、シミュレーション品よりも熱ヒステリシスの減少が緩やかになる。一方、シミュレーション品はバッファ距離ｄが２００μｍを超えても線形性を維持しながら熱ヒステリシスが減少する。
【００２７】
そして、バッファ距離ｄが３００μｍを超えると、製品及びシミュレーション品の両方とも熱ヒステリシスは緩やかに減少する。これは、配線部３０の第２端部３０ａに応力が掛かった状態（応力が残った状態）になっているためであると考えられる。バッファ距離ｄが無限大になれば熱ヒステリシスは０になると考えられる。
【００２８】
すなわち、シミュレーション品のように、バッファ距離ｄに対して線形性を維持して熱ヒステリシスが減少すると仮定すると、バッファ距離ｄが少なくとも３５０μｍであれば、熱ヒステリシスはほぼ一定になる。つまり、熱ヒステリシスが飽和するバッファ距離ｄが少なくとも３５０μｍとなる。言い換えると、バッファ距離ｄが３５０μｍ以上であれば熱ヒステリシスが安定する。上記の結果から、バッファ距離ｄを３５０μｍ以上に規定することで、各歪みゲージ２０が受ける熱ヒステリシスの影響を最小限にすることができる。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態では、ダイヤフラム部１４の第１端部１４ａと配線部３０の第２端部３０ａとの最短距離がバッファ距離ｄとなるように配線部３０が外周領域１６に形成されていることが特徴となっている。このように、配線部３０からダイヤフラム部１４までの距離が一定以上離されているので、各歪みゲージ２０に対する熱ヒステリシスを安定させることができる。したがって、各歪みゲージ２０の位置において配線部３０による熱ヒステリシスの影響を小さくすることができる。
【００３０】
また、配線部３０に発生する応力を緩和するための別途のパターンが不要になるので、外周領域１６における配線部３０の配線パターンの自由度を確保することができる。さらに、本実施形態では、バッファ距離ｄは３５０μｍ以上であると規定しているので、各歪みゲージ２０に対する熱ヒステリシスの影響をほぼ無くすことができる。
【００３１】
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図４に示されるように、配線部３０は、絶縁膜１５の上に形成された一層目の配線部３１と、この配線部３１の上に絶縁膜１７を介して形成された二層目の配線部３２と、によって構成されている。配線部３２は絶縁膜１８で覆われている。各配線部３１、３２は、外周領域１６の範囲内でそれぞれ所定のパターンにレイアウトされている。
【００３２】
そして、半導体基板１３の表面１１に平行な面方向において、各層におけるダイヤフラム部１４の第１端部１４ａと配線部３１、３２の第２端部３０ａとの距離のうちの最短距離がバッファ距離ｄとなるように、各配線部３１、３２が外周領域１６に形成されている。すなわち、ダイヤフラム部１４と一層目の配線部３１との距離と、ダイヤフラム部１４と二層目の配線部３２との距離と、のうちの最短距離が上述のバッファ距離ｄとされている。
【００３３】
図４に示されるように、本実施形態では、半導体基板１３の表面１１に平行な面方向において、ダイヤフラム部１４と二層目の配線部３２とがバッファ距離ｄとなるように当該配線部３２がレイアウトされている。一方、一層目の配線部３１はダイヤフラム部１４に対してバッファ距離ｄよりも長い距離が設けられて外周領域１６にレイアウトされている。
【００３４】
以上説明したのように、配線部３０が二層に形成された構造においても、各層においてバッファ距離ｄと熱ヒステリシスとの関係が成立する。したがって、各層のうちの最短距離をバッファ距離ｄとすることで、各層の配線部３１、３２による各歪みゲージ２０に対する熱ヒステリシスの影響を小さくすることができる。
【００３５】
（他の実施形態）
上記各実施形態で示された圧力センサの構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記の圧力センサは裏面受圧型として構成されているが、これは圧力センサの使用方法の一例である。したがって、圧力センサは両面受圧型として構成されていても良いし、表面受圧型として構成されていても良い。
【００３６】
上記各実施形態では、ダイヤフラム部１４の第１端部１４ａは四角形状にレイアウトされているが、多角形や円形でも良い。同様に、外周領域１６も四角形状に限られず、多角形や円形に設定されていても良い。このように、ダイヤフラム部１４や外周領域１６がどのような形状に設定されていても、ダイヤフラム部１４と配線部３０との間で上述のバッファ距離ｄが確保されていれば良い。
【００３７】
第２実施形態では、配線部３０が外周領域１６に２層に形成された構造が示されているが、配線部３０が外周領域１６に３層以上の多層に形成されていても良い。この場合、ダイヤフラム部１４の第１端部１４ａから配線部３０の第２端部３０ａまでの各層の距離のうちの最短距離がバッファ距離ｄとなるように、各層の配線部３０が外周領域１６に形成されていれば良い。
【符号の説明】
【００３８】
１０    センサチップ
１１    表面
１２    裏面
１３    半導体基板
１４    ダイヤフラム部
１４ａ  第１端部
１６    外周領域
２０    歪みゲージ
３０    配線部
３０ａ  第２端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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