JP2007170830A - 半導体圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイアフラム部の表面側と裏面側に加わる圧力を何れも感度よく検出できると共に、ダイアフラム部の中央付近にゲージ抵抗（感圧素子）を配置した場合にも感度の低下を抑制できる、半導体圧力センサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体圧力センサは、半導体基板の一面に凹部を備え、該凹部の薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部に感圧素子を配してなる半導体圧力センサであって、前記感圧素子は複数個、前記ダイアフラム部の一面および他面にそれぞれ配置されており、かつ、該一面に配された感圧素子のうち少なくとも一つは、前記ダイアフラム部をなす半導体基板に設けた貫通電極を介して、該他面に配された感圧素子と電気的に接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体圧力センサ及びその製造方法に係り、より詳細には、センサチップの外部応力に対する高感度化を図った半導体圧力センサ及びその製造方法に関する。

従来の半導体圧力センサとしては、例えば、図１４に示すものが挙げられる。この半導体圧力センサ１００は半導体基板１０１に形成され、半導体基板の裏面側からエッチングすることにより形成した薄肉のダイアフラム部１０２と、半導体基板の表面側に形成された４つのゲージ抵抗１０３を有している。４つのゲージ抵抗１０３はホイットストーンブリッジを構成するように電気的に接続されており、ダイアフラム部１０２が圧力を受けて撓むと、各ゲージ抵抗１０３にダイアフラム部１０２の撓み量に応じた応力が発生し、この応力に応じてゲージ抵抗１０３の抵抗値が変化する。この抵抗値変化を電気信号として取り出すことにより、半導体圧力センサ１００は圧力の検出をする（例えば、特許文献１の図５を参照）。

また、図１５に示すように、半導体基板２０１の表面側に代えて裏面側に４つのゲージ抵抗（抵抗体とも呼ぶ）２０３を備えた構成例も提案されている。このような構成とした半導体圧力センサ２００は、外部の圧力がダイアフラム部２０２の裏面側から加えられた際に、ダイアフラム部の裏面側の方が表面側よりも大きく撓むため、抵抗体がダイアフラム部の表面側に形成された、図１４の半導体圧力センサ１００と比べて、抵抗体にかかる応力を大きくすることができるので、外部の圧力に対する感度の向上が図れる（例えば、特許文献１の図１を参照）。

しかしながら、上述した２つの半導体圧力センサ１００（２００）は何れも、ダイアフラム部１０２（２０２）の表面あるいは裏面という同一面内に４つのゲージ抵抗１０３（２０３）が配置されている。したがって、図１５に示すようにゲージ抵抗を配置した場合には、ダイアフラム部の中央付近に配したゲージ抵抗２０３（ｒ１、ｒ３）にかかる応力が、ダイアフラム部の周縁付近に配したゲージ抵抗２０３（ｒ２、ｒ４）より比較的小さくなるため、外部の圧力に対する感度が低下するという問題があった。
特開２００２−３４０７１４号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ダイアフラム部の表面側と裏面側に加わる圧力を何れも感度よく検出できると共に、ダイアフラム部の中央付近にゲージ抵抗（感圧素子）を配置した場合にも感度の低下を抑制できる、半導体圧力センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る半導体圧力センサは、半導体基板の一面に凹部を備え、該凹部の薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部に感圧素子を配してなる半導体圧力センサであって、前記感圧素子は複数個、前記ダイアフラム部の一面および他面にそれぞれ配置されており、かつ、該一面に配された感圧素子のうち少なくとも一つは、前記ダイアフラム部をなす半導体基板に設けた貫通電極を介して、該他面に配された感圧素子と電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る半導体圧力センサは、請求項１において、前記貫通電極と前記半導体基板との間に、絶縁部を配したことを特徴とする。

本発明の請求項３に係る半導体圧力センサは、請求項１又は２において、前記感圧素子は、前記ダイアフラム部一面および他面にそれぞれ配置された配線部により、ホイットストーンブリッジを構成していることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る半導体圧力センサは、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記貫通電極が金属部材からなり、該貫通電極と前記配線部との間に、バリアメタル部を配したことを特徴とする。

本発明の請求項５に係る半導体圧力センサの製造方法は、半導体基板の一面に凹部を備え、該凹部の薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部の一面および他面にそれぞれ複数個の感圧素子を配してなる半導体圧力センサの製造方法であって、前記半導体基板の一面に前記凹部を設けて前記ダイアフラム部を形成する工程と、前記ダイアフラム部に貫通孔を形成する工程と、前記ダイアフラム部に前記感圧素子を形成する工程と、前記貫通孔内に貫通電極を形成する工程と、を少なくとも具備したことを特徴とする。

本発明に係る半導体圧力センサにおいては、ゲージ抵抗がダイアフラム部の両面にそれぞれ配されており、個々のゲージ抵抗はリード配線及び貫通電極によりホイットストーンブリッジを構成するように電気的に接続されている。このゲージ抵抗を両面に配置した構成により、応力の集中するダイアフラム部の周縁（端）において、圧縮と引張の両方の応力がゲージ抵抗にかかることになるので、ダイアフラム部の表面側と裏面側に加わる圧力を何れも感度よく検出できる半導体圧力センサが得られる。これに加えて、このゲージ抵抗を両面に配置した構成は、ダイアフラム部の中央付近にゲージ抵抗を配置した場合でも感度の低下を抑制できるという効果ももたらす。

本発明に係る半導体圧力センサの製造方法は、半導体基板に凹部をなすダイアフラム部を形成し、次いでダイアフラム部に貫通孔と感圧素子とを設けた後、この貫通孔内に貫通電極を形成することにより、上述した構成からなる半導体圧力センサを作製する。ゆえに、この製造方法は、上述した特長、すなわち表裏の何れでも感度よく検出可能であり、ダイアフラム部内におけるゲージ抵抗の位置にも依存しない、半導体圧力センサの提供に寄与する。

以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
後述する各実施形態で用いる半導体基板の両面には、予めパッシベーション（図示せず）が形成されている。このような半導体基板としては、シリコンウエハ等の半導体ウエハが好適に用いられるが、これに代えて半導体ウエハをチップ寸法に切断（ダイシング）した半導体チップを用いてもよい。

＜第一実施形態＞
図１は、本発明に係る半導体圧力センサの第一実施形態を示す模式的な平面図であり、図１（ａ）は表面側（平坦面をなす側）を、図１（ｂ）は裏面側（凹部を設けた側）を、それぞれ表している。図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿った模式的な断面図である。

図１に示すように、第一実施形態の半導体圧力センサ１０は、半導体基板１１の一面に凹部を備え、この凹部のうち薄板化された領域をダイアフラム部１２とし、このダイアフラム部１２に感圧素子として機能するゲージ抵抗（以下、感圧素子とも呼ぶ）１３を配している。

特に、図１及び図２の構成例は、ダイアフラム部１２の表面（平坦面をなす側）および裏面（凹部を設けた側）にそれぞれ２個づつ、計４個のゲージ抵抗１３（それぞれ、Ｒ１〜Ｒ４とも呼ぶ）を配置した場合である。図２に示すように、ダイアフラム部１２の表面に配されたゲージ抵抗のうち少なくとも一つ（例えば、Ｒ１）は、半導体基板１１を構成するダイアフラム部１２に設けた貫通電極１８を介して、ダイアフラム部１２の裏面に配された他のゲージ抵抗（例えば、Ｒ２）と電気的に接続されている。

図１及び図２に示した各ゲージ抵抗１３は、貫通電極１８やリード配線１４を介して、ホイットストーンブリッジ（図３）を構成するように電気的に接続されている。このようにゲージ抵抗１３をダイアフラム部１２の両面に配置することにより、応力の集中するダイアフラムの周縁部１２ｅにおいては圧縮と引張の両応力がゲージ抵抗１３に加わるので、この半導体圧力センサ１０は外部応力に対して高い感度を備えることができる。

図４は、ゲージ抵抗の配置と応力の加わる様子を示した模式的な断面図であり、（ａ）は従来の構成例を、（ｂ）は本発明の構成例を、それぞれ表している。なお、これらの図において、点線は半導体基板の凹部が内側に撓む様子を表している。

従来は半導体基板の一方の面側（表面側または裏面側）にのみゲージ抵抗が設けられている。例えば図４（ａ）に示すように、半導体基板の表面側（平坦面をなす側）にのみゲージ抵抗１０３を配置した場合には、ダイアフラム部１０２の周縁域に設けた２つのゲージ抵抗ｒ２、ｒ４（１０３）には引張応力が加わるのに対して、ダイアフラム部１０２の中央域に設けたゲージ抵抗ｒ１、ｒ３（１０３）には圧縮応力が加わることになる。ゆえに、引張応力の感度に比べて、圧縮応力の感度が低くなる傾向にあった。

これに対して、図４（ｂ）に示すように、本発明に係るゲージ抵抗の配置においては、全てのゲージ抵抗Ｒ１〜Ｒ４（１３）がダイアフラム部１２の周縁域に設けられ、かつ、ダイアフラム部１２の両面にそれぞれ配されている。ゆえに、この構成によれば、半導体基板１１の表面側（平坦面をなす側）に設けたゲージ抵抗Ｒ１、Ｒ３（１３）には引張応力が、半導体基板の裏面側（凹部を設けた側）に設けたゲージ抵抗Ｒ２、Ｒ４（１３）には圧縮応力が、個別に加わることになるので、外部応力に対する感度の優れた半導体圧力センサが得られる。

第一実施形態の半導体圧力センサ１０は、例えば、次に示すような手順により作製する。以下、図５〜図８に示した模式的な平面図を参照して説明する。ここで、各図面において、（ａ）は表面側（平坦面をなす側）を、（ｂ）は裏面側（凹部を設けた側）を、それぞれ表している。

（１）予め半導体基板（以下、ウェハとも呼ぶ）１１の裏面に対して異方性エッチング処理を施して凹部を形成し、薄肉部とした領域（以下、ダイアフラム部とも呼ぶ）１２を形成したものを用意する（不図示）。
（２）深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ：Deep Reactive Ion Etching ）法等により、ダイアフラム部１２の表裏を貫通する孔（以下、貫通孔と呼ぶ）１９ａ〜１９ｄを形成する［図５］。
（３）熱酸化法等を用い、半導体基板１１の表裏両面や貫通孔内に酸化膜を形成する（不図示）。

（４）ウェハ両面のパターニングを行った後、イオン注入法や熱拡散法等により、ウェハ１１の表裏にゲージ抵抗１３（Ｒ１〜Ｒ４）を形成する［図６］。
（５）各ゲージ抵抗１３に接続するように、リード配線１４を形成する［図７］。
（６）溶融金属吸引法やメッキ法等を用い、貫通孔１９（１９ａ〜１９ｄ）に金属を充填して、貫通電極１８を形成する［図８］。

（７）ダイアフラム部１２の両面に配したリード配線部にコンタクトホールを形成する（不図示）。
（８）必要に応じて、コンタクトホール（以下、コンタクト部とも呼ぶ）にＴｉＮ、ＴａＮ等のバリアメタルを形成する（不図示）。
（９）ダイアフラム１２の両面にそれぞれ、金属配線１７（１７ｓａ、１７ｓｂ、１７ｓｃ、１７ｓｄ、１７ｓｅ）、１８（１８ｒａ、１８ｒｂ、１８ｒｃ、１８ｒｄ）を形成する［図８］。

＜第二実施形態＞
図９は、本発明に係る半導体圧力センサの第二実施形態を示す模式的な平面図であり、（ａ）は表面側（平坦面をなす側）を、（ｂ）は裏面側（凹部を設けた側）を、それぞれ表している。第二実施形態の半導体圧力センサにおいては、ダイアフラム部の両面において、ゲージ抵抗をダイアフラム部の中央部に配置させた点が、上述した第一実施形態と異なっている。

図９に示すように、第二実施形態の半導体圧力センサ２０は、ゲージ抵抗２３（Ｒ１〜Ｒ４）をダイアフラム部２２の中央域２２ｃに配置しているが、半導体基板の表面側（平坦面をなす側）に設けたゲージ抵抗Ｒ１、Ｒ３（２３）には引張応力が、半導体基板の裏面側（凹部を設けた側）に設けたゲージ抵抗Ｒ２、Ｒ４（２３）には圧縮応力が、個別に加わることになる。したがって、本発明によれば、ゲージ抵抗２３をダイアフラム部２２の中央域２２ｃに配置した場合でも、外部応力に対する感度の優れた半導体圧力センサの提供が可能となる。

このように、ゲージ抵抗２３をダイアフラム部２２の中央域２２ｃに配置させても高感度が維持できるので、例えば、高圧用途などで、図１０に示すようにダイアフラム部４２の周縁域４２ｅが、断面方向から見て丸み形状を有する場合でも、効率よく応力を検知することが可能となる。

図１０において、（ａ）は半導体基板の断面図であり、（ｂ）はダイアフラム部の径方向の位置と各位置において発生する応力との関係を示すグラフであり、ｅ１、ｅ２はそれぞれ、断面図においてダイアフラム部４２の外周端部を表す。特に、図１０（ｂ）において、点線はダイアフラム部４２の周縁域４２ｅが断面方向から見て角型形状の場合（不図示）を、実線はダイアフラム部４２の周縁域４２ｅが断面方向から見て丸み形状の場合［図１０（ａ）］を、それぞれ表している。

図１０（ｂ）のグラフから、周縁域４２ｅの形状に依存せず、ダイアフラム部の外周端部ｅ１、ｅ２において圧縮（＋）応力が極大をとるのに対して、ダイアフラム部の中央域４２ｃでは引張（−）応力が発生する様子が読みとれる。角型形状の場合（点線）に比べて丸み形状の場合（実線）には、何れの応力も小さな数値となるが、図９の構成を採用することにより、高感度化が図れる。

＜第三実施形態＞
図１１は、本発明に係る半導体圧力センサの第三実施形態を示す模式的な断面図であり、（ａ）はダイアフラム部として機能する半導体基板を薄肉厚化し、その両面にゲージ抵抗を設けた状態を、（ｂ）は（ａ）の半導体基板にキャップ基板を貼り合わせた状態を、それぞれ表している。第三実施形態の半導体圧力センサは、予め両面にゲージ抵抗を設けた半導体基板を用意しておき、この半導体基板に別体をなすキャップ基板を一体化させる点が、上述した第一実施形態および第二実施形態と異なっている。

第三実施形態の半導体圧力センサ３０は、例えば、以下の手順により作製する。
（１）半導体基板（例えば、シリコン基板）を、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液等のアルカリ性エッチング液を用いた異方性エッチング法を用いて５〜６０μｍ程度まで薄肉化し、ダイアフラム部３２を形成する。
（２）この薄肉化した半導体基板に対して、深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ：Deep Reactive Ion Etching ）法等を用い、ダイアフラム部３２の表裏を貫通する孔（以下、貫通孔と呼ぶ）を形成する。
（３）この貫通孔を設けた半導体基板に絶縁膜を形成する（不図示）。

（４）この半導体基板に対して、第一実施形態と同様の手法により、ゲージ抵抗３３（Ｒ１〜Ｒ４）、リード配線３４、金属配線（不図示）、及び貫通電極３８を形成する［図１１（ａ）］。
（５）上記（１）〜（４）の工程により用意したダイアフラム部３２として機能する半導体基板と、別途用意した筒状のキャップ基板３１とを、常温接合法や陽極接合法等を用いて貼り合わせる［図１１（ｂ）］。これにより、半導体圧力センサ３０が得られる。

なお、上述した貫通電極としては、貫通孔を全て満たすように金属を充填した形態（図２、図１１）に代えて、貫通孔をなす半導体基板５１の断面に絶縁膜αを介して導電膜（例えば、銅メッキ膜やアルミニウム膜）５８を配し、貫通孔内に空洞５９を残す形態としてもよい（図１２）。後者の場合は、導電膜５８によって半導体基板５１の両面にそれぞれ設けた回路（不図示）同士の導通が確保される。

また、図１３に示すように、貫通孔をなす半導体基板６１の断面に、例えばボロン等からなる不純物を高濃度に拡散した領域βを設け、貫通孔内に空洞６９を残す形態を採用しても構わない。この場合には、領域βが導通を確保する役割を担う。

本発明に係る半導体圧力センサは、空気圧や水圧、油圧などの圧力を、高感度かつ高精度に測定することを可能とすることから、たとえば呼気圧モニタ、全自動洗濯機の水位検知などの用途に好適である。

本発明の半導体圧力センサの第一実施形態を示す模式的な平面図である。 図１に示すＡ−Ａ線に沿った模式的な断面図である。 ゲージ抵抗の電気的な配線図である。 ゲージ抵抗の配置と応力の加わる様子を示した模式的な断面図である。 第一実施形態の半導体圧力センサの製造工程を示す模式的な平面図である。 図５の後工程を示す模式的な平面図である。 図６の後工程を示す模式的な平面図である。 図７の後工程を示す模式的な平面図である。 本発明の半導体圧力センサの第二実施形態を示す模式的な平面図である。 半導体基板の断面図（ａ）とダイアフラム部の径方向の位置と各位置において発生する応力との関係を示すグラフ（ｂ）である。 本発明の半導体圧力センサの第三実施形態を示す模式的な断面図である。 貫通孔の他の一例を示す模式的な断面図である。 貫通孔の他の一例を示す模式的な断面図である。 従来の半導体圧力センサの模式的な断面図である。 図１４に示す半導体圧力センサの模式的な平面図である。

符号の説明

１０、２０、３０ 半導体圧力センサ、１１ 半導体基板、１２ ダイアフラム部、１３、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ ゲージ抵抗（感圧素子）、１４ リード配線、１７ 金属配線、１８ 貫通電極。

Claims (5)

1. 半導体基板の一面に凹部を備え、該凹部の薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部に感圧素子を配してなる半導体圧力センサであって、
   前記感圧素子は複数個、前記ダイアフラム部の一面および他面にそれぞれ配置されており、かつ、該一面に配された感圧素子のうち少なくとも一つは、前記ダイアフラム部をなす半導体基板に設けた貫通電極を介して、該他面に配された感圧素子と電気的に接続されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 前記貫通電極と前記半導体基板との間に、絶縁部を配したことを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ。
3. 前記感圧素子は、前記ダイアフラム部一面および他面にそれぞれ配置された配線部により、ホイットストーンブリッジを構成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体圧力センサ。
4. 前記貫通電極が金属部材からなり、該貫通電極と前記配線部との間に、バリアメタル部を配したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体圧力センサ。
5. 半導体基板の一面に凹部を備え、該凹部の薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部の一面および他面にそれぞれ複数個の感圧素子を配してなる半導体圧力センサの製造方法であって、
   前記半導体基板の一面に前記凹部を設けて前記ダイアフラム部を形成する工程と、
   前記ダイアフラム部に貫通孔を形成する工程と、
   前記ダイアフラム部に前記感圧素子を形成する工程と、
   前記貫通孔内に貫通電極を形成する工程と、
   を少なくとも具備したことを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
   

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