JP2002310831A - 半導体センサ - Google Patents

半導体センサ

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JP2002310831A
JP2002310831A JP2001121417A JP2001121417A JP2002310831A JP 2002310831 A JP2002310831 A JP 2002310831A JP 2001121417 A JP2001121417 A JP 2001121417A JP 2001121417 A JP2001121417 A JP 2001121417A JP 2002310831 A JP2002310831 A JP 2002310831A
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soi substrate
sensor
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誠一郎 石王
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体センサにおいて、その温度特性を改善
した構造を提供すること。 【解決手段】 ガラス台座には、少なくとも半導体式圧
力センサの使用温度範囲において、温度変化に対するそ
の線膨張係数の変化量がSOI基板の同変化量とほぼ同
等である材質を用いている。それによって、少なくとも
半導体式圧力センサの使用温度範囲において温度が変化
しても、SOI基板とガラス台座との変形量がほぼ均一
になるため、温度変化によるオフセット出力の変動を防
止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体センサに関
するもので、特にその温度特性を改善した構造に関す
る。
【0002】
【従来技術】従来、半導体センサにおいて、シリコンよ
りなる半導体基板の表面に、印加力学量に応じて抵抗値
が変化するピエゾ抵抗素子が複数個形成され、半導体基
板の裏面に、異方性エッチングなどを施すことにより凹
部が形成され、さらに、このような半導体基板を、陽極
接合によりガラス台座と接合したものがある。
【0003】ところが、このような半導体センサの使用
温度が、例えば、高温から低温に変化した場合、半導体
基板及びガラス台座は収縮するが、半導体基板とガラス
台座との線膨張係数差により、半導体基板とガラス台座
との収縮量が異なるため、半導体基板とガラス台座との
接合部に応力が発生してしまう。
【0004】それによって、発生した応力がそれぞれの
ピエゾ抵抗素子へ伝わってしまい、半導体センサに力学
量が印加されていないにも関わらず出力が導出されてし
まうという問題があった。
【0005】そこで、図4に示されるように、ガラス台
座に、半導体基板を形成するシリコンの線膨張係数とほ
ぼ近似した線膨張係数を有する材質を用いることによっ
て、上記問題点を解決していた。
【0006】上述のような構造にしたことにより、半導
体基板とガラス台座との収縮量がほぼ同等になるため、
半導体センサの使用温度の変化により発生する応力を低
減することができ、それによって、オフセット出力を低
減していた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図4に示され
るように、上記従来技術に用いられているガラスの材質
は、その線膨張係数とシリコンの線膨張係数との差が温
度変化によって不均一になっているため、半導体基板と
ガラス台座との変形量が温度変化によって異なり、オフ
セット出力が変動してしまうという問題がある。
【0008】そこで、本発明の目的は、上記問題点に鑑
み、温度特性を改善した半導体センサの構造を提供する
ことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の半導体
センサは、半導体基板と、半導体基板に接合された台座
部とを備えた半導体センサにおいて、台座部には、少な
くとも半導体センサの使用温度範囲において、温度変化
に対するその線膨張係数の変化量が半導体基板の同変化
量と略同等である材質を用いたことを特徴としている。
【0010】請求項1に記載の発明によれば、少なくと
も半導体センサの使用温度範囲において温度が変化して
も、半導体基板と台座部との変形量はほぼ均一になるた
め、温度変化によるオフセット出力の変動を防止するこ
とができる。
【0011】請求項2に記載の半導体センサは、請求項
1に記載の半導体センサの使用温度範囲が、少なくとも
−40〜+150℃であることを特徴としている。
【0012】本発明の半導体センサは車載用に多く用い
られるが、車載内部におけるセンサの搭載位置の温度範
囲は、一般的に−40〜+150℃であるため、請求項
2に記載の発明によれば、センサ搭載位置の温度変化に
よるオフセット出力の変動を防止することができる。
【0013】請求項3に記載の半導体センサは、半導体
基板の厚さに対する台座部の厚さの比は2.5以下とす
ることを特徴としている。
【0014】請求項3に記載の発明によれば、台座部の
剛力を小さくすることができるため、オフセット出力を
低減することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明を半導体式圧力セン
サに適用した一実施形態を、図面に従って説明する。
【0016】尚、本実施形態の半導体式圧力センサは、
例えば、車輌用のエンジンにおけるインテークマニホー
ルド内の吸入空気の圧力を検出するために用いられる。
【0017】図1には、本実施形態の半導体式圧力セン
サの断面構造を示す。
【0018】まず、図1に示されるように、本実施形態
では、半導体基板として、シリコンにより形成された第
1の半導体層1a(SOI層)と、同様にシリコンによ
り形成された第2の半導体層1bと、第1の半導体層1
aと第2の半導体層1bとの間に形成された埋め込み酸
化膜1cとを有するSOI基板1を用いている。
【0019】第2の半導体層1bの中央部には凹部2が
形成され、それによって、平面形状が四角形の薄肉部3
が形成されるとともに、その周囲の四角枠部が厚肉部4
となっている。
【0020】この薄肉部3がダイアフラムとなり、この
薄肉部3よりなるダイアフラムに圧力が印加されると歪
みが生じる。
【0021】尚、この薄肉部3は、例えば、SOI基板
1の裏面(第2の半導体層1b側)に所定のパターンの
マスクを形成し、KOH(水酸化カリウム)などのエッ
チング液を用いて異方性エッチングを行い、凹部2を形
成することにより形成される。
【0022】SOI基板1の薄肉部3の表面(第1の半
導体層1a側)には、薄肉部3の歪みに応じてその抵抗
値が変化する歪みゲージとしてのピエゾ抵抗素子5、6
が、拡散やイオン注入などの半導体プロセスを用いて、
例えば、ボロンなどのP型不純物によって形成されてい
る。
【0023】また、第1の半導体層1aの所定領域には
トレンチ7が形成され、このトレンチ7には、SiO2
8が充填されており、SOI基板1の表面(第1の半導
体層1a側)には、順に、絶縁酸化膜9、アルミ配線1
0、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜よりなる保護膜1
1が形成されている。
【0024】さらに、SOI基板1の下部には、陽極接
合によってガラス台座12が接合され、それによって、
SOI基板1はガラス台座12に支持された状態となっ
ている。
【0025】この際に、図2に示されるように、従来技
術では、ガラス台座12に用いられている材質は、その
線膨張係数とシリコンの線膨張係数との差が温度変化に
よって不均一になっている。
【0026】そのため、SOI基板1とガラス台座12
との変形量が温度変化によって異なり、オフセット出力
が変動してしまうという問題がある。
【0027】そこで、本実施形態では、図2に示される
ように、ガラス台座12には、少なくとも半導体式圧力
センサの使用温度範囲において、温度変化に対するその
線膨張係数の変化量がSOI基板1の同変化量とほぼ同
等である材質を用いている。
【0028】それによって、少なくとも半導体式圧力セ
ンサの使用温度範囲において温度が変化しても、SOI
基板1とガラス台座12との変形量がほぼ均一になるた
め、温度変化によるオフセット出力の変動を防止するこ
とができる。
【0029】さらに、本実施形態では、半導体基板とし
てSOI基板1を用いているため、図2に示される従来
技術に用いられているような、シリコンの線膨張係数と
ほぼ近似した線膨張係数を有する材質をガラス台座12
に用いると、センサの温度特性が悪化するという問題が
ある。
【0030】具体的に説明すると、SOI基板1は、第
1の半導体層1aと埋め込み酸化膜1c及び第2の半導
体層1bとを接合する工程において、湾曲形状(図1中
において上側に凸)に反ってしまう。
【0031】その原因として、この接合工程は、110
0℃程度の高温状態で行われるため、接合工程を施した
後に室温状態に戻すと、シリコンよりなる半導体層1
a、1bと埋め込み酸化膜1cとの線膨張係数の差によ
って、SOI基板1は湾曲形状に反ってしまうからであ
る。
【0032】そして、このように湾曲形状に反ったSO
I基板1を、陽極接合によってガラス台座12と接合す
ると、SOI基板1の反りは低減するが、これと同時
に、SOI基板1の表面に形成されたピエゾ抵抗素子5
〜8も変形するため、誤差が発生してしまう。
【0033】その後、350℃程度の高温状態から室温
状態に戻すと、従来技術では、ガラス台座12に、シリ
コンの線膨張係数とほぼ近似した線膨張係数を有する材
質を用いているので、それによって、SOI基板1とガ
ラス台座12との収縮量がほぼ同等になるため、SOI
基板1及びガラス台座12は変形せず、ピエゾ抵抗素子
5〜8も変形しない。
【0034】即ち、陽極接合前には、ピエゾ抵抗素子5
〜8は湾曲形状に反っているが、陽極接合後に高温状態
から室温状態に戻すと、ピエゾ抵抗素子5〜8の形状は
平坦になっている。
【0035】それによって、温度変化によるピエゾ抵抗
素子5、6の特性が悪化してしまい、センサの温度特性
も悪化してしまう。
【0036】そこで、本実施形態では、図2に示される
ように、少なくとも半導体式圧力センサの使用温度範囲
において、ガラス台座12の線膨張係数が、SOI基板
1の線膨張係数よりも上側の領域にかい離がある材質を
用いている。
【0037】それにより、陽極接合後に高温状態から室
温状態に戻すと、SOI基板1とガラス台座12との線
膨張係数には差分が生じるため、SOI基板1及びガラ
ス台座12は変形し、これと同時にピエゾ抵抗素子5〜
8も変形する。
【0038】よって、陽極接合後に高温状態から室温状
態に戻すことにより、SOI基板1及びガラス台座12
が変形しても、ガラス台座12の線膨張係数がSOI基
板1の線膨張係数よりも大きいので、ピエゾ抵抗素子5
〜8は陽極接合前の形状に戻ったと考えることができる
ため、センサの温度特性を向上させることができる。
【0039】尚、本実施形態の半導体センサは車載用に
多く用いられるが、車載内部におけるセンサ搭載位置の
温度範囲は、一般的に−40〜+150℃である。
【0040】そこで、少なくとも−40〜+150℃に
おいて、上述のような特性を満たすようにすれば、セン
サ搭載位置の温度変化によるオフセット出力の変動を防
止することができる。
【0041】さらに、本実施形態の半導体式圧力センサ
は、SOI基板1の厚さに対するガラス台座12の厚さ
の比を2.5以下にしており、以下その効果を説明す
る。
【0042】具体的には、本実施形態では、SOI基板
1の厚さを400μmとしており、ガラス台座の厚さを
1mm以下にしている。
【0043】ガラス台座12を厚くすると、ガラス台座
12の剛力が大きくなってしまうので、上記陽極接合工
程を施した後に室温状態に戻しても、SOI基板1及び
ガラス台座12は変形しないため、ガラス台座12の厚
さに応じてオフセット出力は増加してしまう。
【0044】そこで、SOI基板1の厚さに対するガラ
ス台座12の厚さの比を2.5以下にしたことにより、
オフセット出力を低減することができ、図3に示される
ように、電子制御装置(ECU)におけるTNOの許容
範囲を満たすことができる。
【0045】尚、TNOとは、測定温度おけるオフセッ
ト出力から室温状態におけるオフセット出力を引いた値
を示すものであり、このTNOの値により、温度変化に
よるオフセット出力の変化量が分かる。
【0046】尚、本発明は、上記実施形態に限られるも
のではなく、様々な態様に適用可能である。
【0047】例えば、本発明は、本実施形態のような半
導体式圧力センサに限らず、加速度センサなどのような
他の力学量センサにも応用可能である。
【0048】また、本実施形態では、半導体基板として
SOI基板を用いたが、他の半導体基板を用いても同様
の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の半導体式圧力センサの断面構造を
示す図である。
【図2】本実施形態及び従来技術に用いられているガラ
ス台座の材質とシリコンとの温度変化のよる線膨張係数
の変化を示すグラフである。
【図3】本実施形態のガラス台座の厚さ及びSOI基板
に対するガラス台座の厚さの比とTNOとの関係を表す
グラフである。
【図4】従来技術に用いられているガラス台座の材料と
シリコンとの温度変化のよる線膨張係数の変化を示すグ
ラフである。
【符号の説明】
1…SOI基板、 1a…第1の半導体層、 1b…第2の半導体層、 1c…埋め込み酸化膜、 2…凹部、 3…薄肉部、 4…厚肉部、 5、6…ピエゾ抵抗素子、 7…トレンチ、 8…SiO2、 9…絶縁酸化膜、 10…アルミ配線、 11…保護膜、 12…ガラス台座、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 康利 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 Fターム(参考) 2F055 AA22 BB03 CC02 DD05 EE14 FF01 FF13 GG49 4M112 AA01 AA02 BA01 CA03 CA08 CA14 CA15 DA04 EA03 EA06 EA11 EA13 FA03 FA08

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、前記半導体基板に接合さ
    れた台座部とを備えた半導体センサにおいて、 前記台座部には、少なくとも前記半導体センサの使用温
    度範囲において、温度変化に対するその線膨張係数の変
    化量が前記半導体基板の同変化量と略同等である材質を
    用いたことを特徴とする半導体センサ。
  2. 【請求項2】 前記半導体センサの使用温度範囲が、少
    なくとも−40〜+150℃であることを特徴とする請
    求項1に記載の半導体センサ。
  3. 【請求項3】 前記半導体基板の厚さに対する前記台座
    部の厚さの比は2.5以下とすることを特徴とする請求
    項1または2に記載の半導体センサ。
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