JP2008198748A - 半導体センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】物理量の検出感度をより高めることのできる半導体センサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体圧力センサユニットは、当該センサを取り巻く雰囲気の圧力の変化に応じてひずむステム７０と半導体圧力センサ１とを有している。半導体圧力センサ１は、ステム（正確にはステムの薄肉部）７０のひずみに応じてひずむゲージ部３１と、ゲージ部３１の両端に形成されるとともに、当該センサ１外との電気的な接続に供される第１及び第２ボンディングパッド３４ａ及び３４ｂとを有しており、当該センサ１を取り巻く雰囲気の圧力の変化を、第１及び第２ボンディングパッド３４ａ及び３４ｂ間の電気抵抗値の変化として検出する。このゲージ部３１は、支持基板、埋め込み絶縁膜、及び半導体層が順次積層されているＳＯＩ基板を用いて形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体センサ及びその製造方法に関する。

半導体センサとしては、従来、例えば半導体圧力センサとして構成された技術が特許文献１に記載されている。この文献に記載された半導体圧力センサは、高濃度不純物領域からなるゲージ部がイオン注入や熱拡散等を通じて半導体基板の表層部に形成され、例えば検出対象の薄肉部等に配設される。この検出対象の薄肉部に印加された圧力に応じて該薄肉部がひずむと、この薄肉部に配設された半導体基板（ゲージ部）もひずむ。そのひずみに応じてゲージ部の電気抵抗値が変化する。このように、半導体圧力センサは、検出対象に印加される圧力の変化をゲージ部の電気抵抗値の変化として検出する。ちなみに、この従来技術では、ゲージ部は、半導体基板の上表面からおよそ「２μｍ」までの表層部に形成されており、半導体基板自体は「１０〜１４μｍ」の厚さに形成されている。
米国特許第６６３５９１０号公報

ところで、こうした従来の半導体圧力センサでは、半導体基板の表層部に対するイオン注入を通じて、高濃度不純物領域からなるゲージ部を形成していた。こうしたイオン注入を通じて形成された不純物領域においては、イオンが注入される深さを正確に制御することが難しいため、イオン注入後、熱拡散を実行することで、不純物領域の濃度の均一化を図っていた。

しかしながら、そうした熱拡散を通じて不純物濃度の均一化を図ったとしても、注入されたイオンの、半導体基板内における拡散態様を制御することは難しく、結局のところ、不純物プロファイルにばらつきが生じてしまうことがある。そして、こうした不純物プロファイルのばらつきは、ゲージ部の電気抵抗値がばらつく原因ともなり、圧力変化の検出感度にばらつきが生じることが懸念される。

なお、こうした状況は、検出対象の薄肉部に印加される圧力の変化をゲージ部の電気抵抗値の変化として検出する半導体圧力センサに限らず、他にも、温度変化に起因する検出対象の体積変化をゲージ部の電気抵抗値の変化として検出することで、検出対象の温度変化を検出する半導体温度センサなど、他の半導体センサにおいても同様に起こり得るものとなっている。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、物理量変化の検出感度をより高めることのできる半導体センサ及びその製造方法を提供することにある。

こうした目的を達成するため、請求項１あるいは請求項１１に記載の発明では、当該半導体センサを取り巻く雰囲気の物理量が作用するように支持されるとともに、この作用する物理量の変化に応じてひずむゲージ部と、前記ゲージ部の異なる箇所に形成されるとともに、当該半導体センサ外との電気的な接続に供される第１及び第２ボンディングパッドとを備え、前記物理量の変化を、前記第１及び第２ボンディングパッド間の電気抵抗値の変化として検出する半導体センサとして、前記ゲージ部は、支持基板、埋め込み絶縁膜、及び半導体層が順次積層されているＳＯＩ基板の、半導体層に形成されることとした。

半導体センサとしての上記請求項１に記載の構成、あるいは、上記請求項１１に記載の製造方法にて製造された半導体センサの構成では、まず、当該半導体センサを取り巻く雰囲気の物理量がゲージ部に作用し、このゲージ部は、作用した物理量の変化に応じてひずむ。そして、このゲージ部のひずみに応じて、第１及び第２ボンディングパッド間の電気抵抗値が変化するため、電気抵抗値の変化に基づくことで、雰囲気の物理量の変化を検出することができる。

ここで、ＳＯＩ基板の半導体層に対して、従来技術と同様に、例えばイオン注入及び熱拡散を通じてゲージ部を形成すると、ゲージ部はその不純物濃度が略均一に形成される。詳しくは、ＳＯＩ基板の半導体層に対して注入されたイオンは、埋め込み絶縁膜を透過して支持基板まで到達することはほとんどなく、深くとも、埋め込み絶縁膜よりも表層側、すなわち、半導体層内に留まる。こうして多数のイオンが半導体層に留まっている状態にて熱拡散されるため、均一な不純物濃度の不純物領域が形成されることとなる。そのため、課題の欄で記載した従来技術とは異なり、半導体層の不純物プロファイルがばらつくことは少なく、ひいては、ゲージ部の電気抵抗値がばらつくことも少ない。したがって、物理量の検出感度にばらつきがほとんど生じなくなり、物理量の検出感度にもばらつきがほとんど生じなくなる。すなわち、ＳＯＩ基板の半導体層にゲージ部を形成する上記構成及び方法によれば、物理量変化の検出感度をより高めることができるようになる。

もっとも、ＳＯＩ基板の半導体層に対するイオン注入及び熱拡散に限らず、ゲージ部をＳＯＩ基板の半導体層に形成することは可能であり、そうした場合にも、上述の効果と同様の効果を得ることができる。詳しくは、ＳＯＩ基板は、通常、上表面に埋め込み絶縁膜が形成されたシリコンウエハと、もう１枚のシリコンウエハを熱圧着した後、一方のシリコンウエハを途中まで研削・除去して作製される（いわゆる貼り合わせＳＯＩ基板）。また、そうしたシリコンウエハを作製するに先立って、例えば、ピアノ線に吊るしたシリコン単結晶片（種結晶）を多結晶シリコンのシリコン融液に漬けた後、ピアノ線を徐々に巻き挙げることで、シリコンインゴットが作製される（いわゆるチョクラルスキー法）。そうしたシリコン単結晶成長時に不純物を適宜ドーピングすることで、ドーピングされた不純物は、シリコンインゴット内で十分に均一に拡散することができる。こうした均一な不純物濃度を持つシリコンインゴットからＳＯＩ基板の半導体層となるシリコンウエハを作製し、上述のように貼り合わせて、ＳＯＩ基板を作製する。そして、こうしたＳＯＩ基板の半導体層にゲージ部を形成する。そのため、課題の欄に記載した従来技術のように、半導体層の不純物プロファイルがばらつくことは少なく、ひいては、ゲージ部の電気抵抗値がばらつくことも少ない。したがって、物理量の検出感度にはばらつきがほとんど生じなくなり、物理量の検出感度にもばらつきがほとんど生じなくなる。すなわち、半導体センサとしての上記構成及び方法によれば、物理量変化の検出感度をより高めることができるようになる。

こうした構成及び方法においては、例えば請求項２あるいは請求項１２に記載の発明のように、前記半導体層を、１×１０＾１９〜１×１０＾２１ｃｍ−３の不純物濃度に形成することが望ましい。これにより、半導体センサとしての検出精度を高めることができるとともに、温度特性が安定するようになる。

ところで、こうした半導体圧力センサにあっては、ゲージ部の電気抵抗値がほとんどばらつかなくなったとしても、作用した物理量に応じてゲージ部がひずむことができなければ、物理量の変化を正確に捉えることは難しい。詳しくは、課題の欄に記載した従来技術では、半導体基板内部に形成されたゲージ部はおよそ「２μｍ」の厚さに薄く形成されており、ゲージ部単独での剛性は低いものの、半導体基板自体の厚さはおよそ「１０〜１４μｍ」の厚さに厚く形成されており、全体としての剛性は高い。そのため、作用した物理量に応じてひずむことが難しく、ひいては、物理量の変化に対する感度を向上することも難しい。

その点、上記請求項１または２に記載の構成あるいは上記請求項１１または１２に記載の方法において、例えば請求項３あるいは請求項１３に記載の発明では、前記半導体層を、１〜２μｍの厚さに形成し、前記ＳＯＩ基板を、１０μｍよりも薄く形成することとした。これにより、ゲージ部単独での剛性が低いことはもちろんのこと、半導体センサ全体の剛性も低くなる。すなわち、ゲージ部は作用した物理量に応じてひずむことができるようになり、ひいては、物理量の変化を正確に捉えることができるようになる。したがって、物理量の検出感度をさらに高めることができるようになる。

ゲージ部の形状としては、例えば請求項４あるいは請求項１４に記載の発明のように、複数の直線部及び複数の折り返し部から構成される形状である折れ型形状に形成されていることが望ましい。これにより、ゲージ部の電気抵抗値を所望の値に設定しつつも、ゲージ部の占める面積を小さくすることができるようになる。すなわち、半導体センサとしての体格の小型化を図ることができるようになる。

また、上記請求項１〜４あるいは上記請求項１１〜１４のいずれかに記載の構成あるいは方法において、例えば請求項５あるいは請求項１５に記載の発明のように、前記ゲージ部を、電気的な絶縁性を持つ絶縁膜によって覆うこととすれば、電磁ノイズがゲージ部に印加されることを抑制することができるようになる。

ところで、ゲージ部が薄く形成され、剛性が低く形成されると、例えば、当該半導体センサに対して外力が加えられたり、半導体センサを、該半導体センサを支持する支持部材に配設する際に保持力が印加されたりすることに起因して、当該半導体センサ（特にゲージ部）が破壊されてしまうことも懸念される。その点、例えば請求項６あるいは請求項１６に記載の発明のように、当該半導体センサを保護するための第１保護膜を絶縁膜上表面に形成することが望ましい。これにより、外力が加えられても第１保護膜によってゲージ部は保護されているため、また、半導体センサを支持部材に配設する際には第１保護膜を把持すればよいため、外力が直接ゲージ部に加えられたり、必要以上に大きな把持力がゲージ部に印加されることは抑制される。したがって、ゲージ部、ひいては、当該半導体センサが破壊されてしまうことを抑制することができる。

また、例えば水滴が当該半導体センサ（特にゲージ部）に付着するようなことがあると、付着した水滴を介してゲージ部の意図しない箇所に電流が流れ、電気抵抗値が変動してしまい、ひいては、物理量の検出感度が変動してしまうこともある。その点、例えば請求項７あるいは請求項１７に記載の発明のように、前記第１保護膜と前記絶縁膜との間に、前記ゲージ部を保護するための第２保護膜を形成することとしてもよい。これにより、水滴に起因する物理量の検出感度の変動を抑制することができるようになる。

検出感度のさらなる高感度化を図るためには、上記請求項１１〜１７のいずれかに記載の方法において、例えば請求項１８に記載の発明のように、前記支持基板及び前記埋め込み基板を順次、前記支持基板の裏面側から除去することとしてもよい。あるいは、上記請求項１６または１７に記載の方法において、例えば請求項１９に記載の発明のように、前記第１保護膜の上表面から前記埋め込み絶縁膜の上表面に至る複数の貫通孔を形成し、これら複数の貫通孔を利用したウエットエッチングにより前記埋め込み絶縁膜の一部を除去するとともに、残存した埋め込み絶縁膜と共に前記支持基板をダイシングソーを用いて除去することとしてもよい。またあるいは、上記請求項１６または１７に記載の方法において、例えば請求項２０に記載の発明のように、前記第１保護膜の上表面から前記埋め込み絶縁膜の上表面に至る複数の貫通孔を形成し、これら複数の貫通孔を利用したウエットエッチングにより前記埋め込み絶縁膜を除去することとしてもよい。これにより、支持基板及び埋め込み絶縁膜が割愛された半導体センサが製造され、そうした半導体センサは、半導体センサとしての剛性がより低くなるため、ゲージ部は、作用した物理量に対してより忠実にひずむことができるようになる。ひいては、物理量の変化をより正確に捉えることができるようになる。したがって、物理量の検出感度をさらに高めることができるようになる。

もっとも、例えば金属材料から形成される支持部材によって当該半導体センサが支持されるような場合にあっては、上記請求項１１〜１７のいずれかに記載の方法において、例えば請求項２１に記載の発明のように、支持基板を除去するにとどめることが望ましい。これにより、埋め込み絶縁膜は割愛されることなく残された半導体センサが製造され、ゲージ部と支持部材との電気的な絶縁を確保しつつも、半導体センサの低剛性化を図ることができるようになる。

こうした半導体センサは、単独で使用することももちろん可能であるが、ハーフブリッジ回路やフルブリッジ回路等を構成することで、より高い検出精度にて物理量の検出が可能となる。ただし、ハーフブリッジ回路やフルブリッジ回路を構成する際、ゲージ部の配置ずれが生じると、せっかく高めた検出精度が劣化することが懸念される。

その点、上記請求項８あるいは請求項２２に記載の発明のように、直列に配列された複数のゲージ部を、同一のＳＯＩ基板の半導体層に形成することが望ましい。これにより、例えばハーフブリッジ回路やフルブリッジ回路などを半導体プロセスを通じて構成することができるため、上述したゲージ部の配置ずれの発生が抑制される。ひいては、高い検出精度を持つ半導体センサが容易に実現されるようになる。

また、例えば請求項９あるいは請求項２３に記載の発明のように、前記物理量は、少なくとも当該半導体センサを取り巻く雰囲気の圧力を含み、当該半導体センサは、半導体圧力センサとして構成されることとしてもよい。他にも、例えば請求項１０あるいは請求項２４に記載の発明のように、前記物理量は、当該半導体センサを取り巻く雰囲気の温度であり、当該半導体センサは、半導体温度センサとして構成されることとしてもよい。

以下、本発明にかかる半導体センサの一実施の形態について、図１〜図３を参照しつつ説明する。なお、図１に、本実施の形態の半導体センサをステムに配設した半導体センサユニット全体の平面構造を示し、図２に、同じく半導体センサユニット全体の側面断面構造を示す。また、図３に、本実施の形態の半導体センサの拡大側面断面図を示す。なお、本実施の形態の半導体センサは、当該半導体センサを取り巻く雰囲気の圧力の変化を検出する半導体圧力センサとして具体化されており、支持基板、埋め込み絶縁膜、及び半導体層が順次積層されているＳＯＩ基板を用いて、後述する製造方法を通じて製造される。またさらに、本実施の形態の半導体センサは、図１に示されるように、実際には、２つのゲージ部が直列に配列された一対のゲージ部を有しており、いわゆるハーフブリッジ回路を構成しているが、図２及び図３では、便宜上、ゲージ部を１つだけ有しているものとして図示している。

はじめに、これら図１〜図３を併せ参照して、本実施の形態の半導体圧力センサ１の構成及び機能について説明する。

これら図１〜図３に示されるように、半導体圧力センサ１は、例えばアルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム合金等の金属材料を用いて有底円筒状に形成されたステム７０上表面の略中央に配設されており、ＳＯＩ基板を構成する埋め込み絶縁膜２０上層の半導体層に作製されたゲージ部３１を備える。

詳しくは、ゲージ部３１は、例えば「１μｍ」の厚さで薄く形成されるとともに、図１に示すように、複数の直線部３２と折り返し部３３とからなる折れ型形状に形成されている。ゲージ部３１がこのような折れ型形状に形成されるため、ゲージ部３１の電気抵抗値を所望の値に設定しつつ、ゲージ部３１の薄肉部７０ｂに占める面積を小さくすることができる。すなわち、半導体圧力センサ１としての体格の小型化が図られている。

また、ゲージ部３１は、図１〜図３に示されるように、その両端に、当該半導体圧力センサ１外との電気的な接続に供される第１及び第２ボンディングパッド３４ａ及び３４ｂを有している。これら第１及び第２ボンディングパッド３４ａ及び３４ｂの上表面にはそれぞれ、例えばアルミニウム（Ａｌ）やアルミニウム合金などの金属材料を用いて、第１電極５１ａ及び第２電極５１ｂが形成されている（図３参照）。なお、図２に示されるように、ステム７０は、十分な厚さを有して形成されるとともに支持台（支持部材）として機能する筒部７０ａと、上底部中央に薄く形成されて雰囲気の圧力変化に応じてひずむ薄肉部７０ｂとを有しており、ゲージ部３１は、例えば低融点ガラスなどの接着剤８０を用いて薄肉部７０ｂ上表面に接着された埋め込み絶縁膜２０上に形成されている。なお、埋め込み絶縁膜２０は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）にて、例えば「１μｍ」の厚さで形成されており、この埋め込み絶縁膜２０が介在することにより、ゲージ部３１は、薄肉部７０ｂ（ステム７０）と電気的に絶縁されている。

また、ゲージ部３１は、図３に示されるように、その第１及び第２ボンディングパッド３４ａ及び３４ｂ、直線部３２、並びに、直線部３２間が、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）やＢＰＳＧ等を用いて、例えば「１μｍ」の厚さに形成された絶縁膜４０によって被覆されている。この絶縁膜４０のうち、第１及び第２ボンディングパッド３４ａ及び３４ｂの略中央に位置する箇所には、貫通孔４０ａ及び４０ｂがそれぞれ形成され、これら貫通孔４０ａ及び４０ｂを介して、第１及び第２ボンディングパッド３４ａ及び３４ｂの上表面に接するように、上記第１電極５１ａ及び５１ｂが形成されている。この絶縁膜４０により、ゲージ部３１の電気的な絶縁性が高められる。また、第１及び第２電極５１ａ及び５１ｂにより、当該半導体圧力センサ１外とゲージ部３１との電気的な接続が可能となり、当該半導体圧力センサ１の圧力検出結果を出力することができる。

また、図３に示されるように、当該半導体圧力センサ１を保護するための（第１）保護膜６０が、例えばポリイミド等の材料を用いて、例えば「５０μｍ」の厚さをもって、絶縁膜４０の上表面に形成されている。また、当該半導体圧力センサ１外との電気的な接続を取るべく、保護膜６０のうち、上記第１電極５１ａ及び第２電極５１ｂが位置する箇所には、貫通孔６０ａ及び６０ｂが形成されている。これにより、例えば半導体圧力センサ１に対し外力が加えられても、保護膜６０によってゲージ部３１は保護されるようになる。また、例えば半導体圧力センサ１をステム７０の薄肉部７０ｂに配設する際には、保護膜６０を把持すればよいため、必要以上に大きな把持力がゲージ部３１に印加されることを抑制することができるようになる。なお、保護膜６０の厚さが「５０μｍ」と厚く形成されているため、半導体圧力センサ１全体としての剛性が高められてしまうようにも思われるが、既述したように、保護膜６０はポリイミドを用いて形成されているため、剛性は低く、そうした懸念は払拭される。

また、図１に示されるように、既述したように、当該半導体圧力センサ１は、直列に配列されたゲージ部３１を２つ有している。こうした一対のゲージ部３１は、後述する製造方法において、同一のＳＯＩ基板を用いて形成されており、いわゆるハーフブリッジ回路を構成している。こうしたハーフブリッジ回路については一般に知られているため、ここでの詳しい説明を割愛するが、半導体圧力センサ１は、同一のＳＯＩ基板を用いて形成されているため、ハーフブリッジ回路を構成する際のゲージ部の配置ずれが生じにくくなり、高い検出精度を有する半導体圧力センサ１を容易に構成することができるようになる。

以上のように構成された半導体圧力センサ１を取り巻く雰囲気の圧力が大きくなると、まず、ステム７０の薄肉部７０ｂ下表面に印加される圧力が大きくなり、薄肉部７０ｂは、大きくひずむ（変形する）。そして、薄肉部７０ｂが大きくひずむと、この薄肉部７０ｂ上表面に配設された半導体圧力センサ１（正確にはゲージ部３１）も、このひずみに追従して大きくひずむ（変形する）。このようにゲージ部３１が大きくひずむと、第１及び第２ボンディングパッド３４ａ及び３４ｂ間の電気抵抗値も大きく変化することとなる。逆に、半導体圧力センサ１を取り巻く雰囲気の圧力が小さくなると、まず、ステム７０の薄肉部７０ｂ下表面に印加される圧力は小さくなり、薄肉部７０ｂは、ほとんどひずまない（変形しない）。そして、薄肉部７０ｂがほとんどひずまないため、この薄肉部７０ｂ上表面に配設されたゲージ部３１も、薄肉部７０ｂのひずみに追従してひずまない（変形しない）。このようにゲージ部３１がほとんどひずまないため、第１及び第２ボンディングパッド３４ａ及び３４ｂ間の電気抵抗値はほとんど変化しないこととなる。このように、第１及び第２ボンディングパッド３４ａ及び３４ｂ間の電気抵抗値に基づくことで、当該半導体圧力センサ１を取り巻く雰囲気の圧力の変化を検出することができる。

ところで、既述したように、ゲージ部３１は、ＳＯＩ基板の半導体層３０に形成されている。こうしたＳＯＩ基板の半導体層３０は、その製造過程から、その不純物濃度が略均一であることが多い。以下、その理由を説明する。

ＳＯＩ基板は、通常、上表面に埋め込み絶縁膜が形成されたシリコンウエハと、もう１枚のシリコンウエハを熱圧着した後、一方のシリコンウエハを途中まで研削・除去して作製される（いわゆる貼り合わせＳＯＩ基板）。また、そうしたシリコンウエハを作製するに先立って、例えば、ピアノ線に吊るしたシリコン単結晶片（種結晶）を多結晶シリコンのシリコン融液に漬けた後、ピアノ線を徐々に巻き上げる、いわゆるチョクラルスキー法を通じて、シリコンインゴットが作製される。なお、シリコン単結晶が成長してシリコンインゴットとなるには、長時間を要するため、そうしたシリコン単結晶成長時に不純物を随時ドーピングすることで、ドーピングされた不純物は、シリコンインゴット内で十分に均一に拡散することができる。こうした均一な不純物濃度を持つシリコンインゴットからＳＯＩ基板の半導体層となるシリコンウエハを作製し、上述のように貼り合わせて、ＳＯＩ基板を作製する。そして、こうしたＳＯＩ基板の半導体層３０にゲージ部３１を形成する。そのため、課題の欄に記載した従来技術のように、半導体層３０の不純物プロファイルがばらつくことは少なく、ひいては、ゲージ部３１の電気抵抗値がばらつくことも少ない。したがって、圧力変化の検出感度にはばらつきがほとんどなくなる。すなわち、圧力変化の検出感度をより高めることができるようになる。

また、たとえ、ゲージ部３１の電気抵抗値がほとんどばらつかなくなったとしても、ステム７０の薄肉部７０ｂに印加された圧力に応じてひずむステム７０の薄肉部７０ｂのひずみに追従してゲージ部３１がひずむことができなければ、圧力変化を正確に捉えることは難しい。その点、本実施の形態では、半導体層３０（ひいてはゲージ部３１）が薄さ「１μｍ」と薄く形成されており、ＳＯＩ基板を構成する支持基板は除去されている。そのため、ゲージ部３１単独での剛性が低いことはもちろんのこと、半導体圧力センサ１全体での剛性も低くなる。すなわち、薄肉部７０ｂのひずみに追従してゲージ部３１もひずむことができるようになり、ひいては、薄肉部７０ｂのひずみを正確に捉えることができるようになる。したがって、雰囲気の圧力変化の検出感度をさらに高めることができるようになる。

以下、上述した半導体圧力センサ１を含む半導体圧力センサユニットを製造する方法について、図４を併せ参照して説明する。なお、図４（ａ）〜（ｆ）は、そうした半導体圧力センサユニットを製造する方法について、製造プロセスを模式的に示す側面断面図である。

半導体圧力センサ１を製造するにあたっては、まず、図４（ａ）に示されるように、例えばシリコンからなる支持基板１０上表面に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いて形成された埋め込み絶縁膜２０を有するＳＯＩ基板を準備する。なお、このＳＯＩ基板は、既述したチョクラルスキー法及びドーピングを通じて形成されており、半導体層３０はおよそ「１μｍ」の厚さに形成されており、ＳＯＩ基板はおよそ「８μｍ」の厚さに形成されている。また、半導体層３０の不純物濃度は、ゲージ部３１のゲージ率を高めるべく、例えば「１×１０＾１９〜１×１０＾２０（ｃｍ−３）」に均一に設定されている。なお、半導体層３０（のちにゲージ部３１）の不純物濃度については、上記範囲に設定されなくとも、半導体層３０全域に渡って均一であればよい。上記範囲に均一に設定されることにより、ゲージ部３１のひずみに対する、該ゲージ部３１の電気抵抗値の変化が大きくなる。さらに、ゲージ部３１の温度変化に対して、該ゲージ部３１の電気特性が変化しにくくなる。

ＳＯＩ基板を準備すると、次に、図４（ｂ）に示されるように、例えばエッチングを通じて、半導体層３０をパターニングする。詳しくは、埋め込み絶縁膜２０上表面の全面に形成されていた半導体層３０のうち、不要な部分をエッチング除去することにより、先の図１〜図３に示したゲージ部３１（直線部３２、折り返し部３３、第１及び第２ボンディングパッド３４ａ及び３４ｂ）を形成する。なお、既述したように、本実施の形態の半導体圧力センサ１では、ゲージ部３１を２つ直列に接続した、いわゆるハーフブリッジ回路を構成するため、図４（ｂ）に示すように、半導体層３０には、１組のゲージ部３１がパターニングされる。

次に、図４（ｃ）に示されるように、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）を用いて、例えば「１μｍ」の厚さにて、ゲージ部３１を被覆する絶縁膜４０を形成する。詳しくは、ゲージ部３１を構成する直線部３２、折り返し部３３（図示略）、第１及び第２ボンディングパッド３４ａ及び３４ｂの上表面のみならず、これら直線部３２間も被覆されるように、絶縁膜４０を形成する。このように絶縁膜４０を形成することにより、電磁ノイズがゲージ部３１に印加されることを抑制することができるようになる。

次に、図４（ｄ）に示されるように、絶縁膜４０のうち、第１及び第２ボンディングパッド３４ａ及び３４ｂの略中央に位置する箇所に、貫通孔４０ａ及び４０ｂをそれぞれ形成する。そして、貫通孔４０ａ及び４０ｂを介して、第１及び第２ボンディングパッド３４ａ及び３４ｂの上表面に接するように、例えばアルミニウムやアルミニウム合金等を用いて、第１及び第２電極５１ａ及び５１ｂを形成する。なお、第１及び第２電極５１ａ及び５１ｂの形成材料は、金属材料に限らず、例えばポリシリコンなどの半導体材料を用いて形成してもよい。また、第１及び第２電極５１ａ及び５１ｂの形成方法も、フォトマスクによるパターニング、めっき、インクジェット法、マスク蒸着など、様々な方法を用いることができる。

こうして第１電極５１ａ及び５１ｂが形成されると、次に、図４（ｅ）に示すように、絶縁膜４０並びに第１及び第２電極５１ａ及び５１ｂの上表面に、例えばポリイミドなどの材料を用いて、例えば「５０μｍ」の厚さにて、保護膜６０を形成する。さらに、当該半導体圧力センサ外とゲージ部３１とを電気的に接続できるように、保護膜６０のうち、上記第１及び第２電極５１ａ及び５１ｂが位置する箇所に、貫通孔６０ａ及び６０ｂをそれぞれ設ける。このように保護膜６０を形成することにより、例えば半導体圧力センサ１に対し外力が加えられても、保護膜６０によってゲージ部３１は保護されるようになる。また、例えば半導体圧力センサ１をステム７０の薄肉部７０ｂに配設する際には、保護膜６０を把持すればよいため、必要以上に大きな把持力がゲージ部３１に印加されることを抑制することができるようになる。

そして、図４（ｆ）に示すように、例えば機械研磨などを通じて、ＳＯＩ基板を下表面（裏面）側から徐々に研磨していき、支持基板１０を除去する。こうして先の図３に示した半導体圧力センサ１が完成する。また、半導体圧力センサ１の完成後、例えば低融点ガラスからなる接着剤８０を用いて、薄肉部７０ｂ略中央の所定の位置にゲージ部３１を貼り付けることで、先の図１及び図２に示した半導体圧力センサユニットが完成することとなる。

なお、本発明に係る半導体圧力センサ及びその製造方法は、本実施の形態で例示した構成及び方法に限られるものではなく、本実施の形態を適宜変更した例えば次の形態として実施することもできる。

上記実施の形態では、ステム７０を形成する材料として、金属材料を採用したため、ゲージ部３１の電気的な絶縁を図るべく、埋め込み絶縁膜２０をそのまま残していた。しかし、ステム７０の形成材料は金属材料に限らない。他に、例えばゴムなどの高い弾性を有する樹脂材料などを用いてステム７０を形成してもよい。要は、当該センサを取り巻く雰囲気の圧力変化に伴ってひずむ材料であれば、形成材料については任意である。

上記実施の形態（変形例を含む）では、ステム７０を金属材料を用いて形成したため、ゲージ部３１の電気的な絶縁を図るべく、埋め込み絶縁膜２０をそのまま残していた（図４（ｆ）参照）。しかし、既述したように、ステムの形成材料は任意であるため、埋め込み絶縁膜２０は必ずしも必要ではない。すなわち、ゲージ部３１の電気的な絶縁が確保される場合にあっては、図４（ｆ）に対応する図として図５に示すように、埋め込み絶縁膜２０を残すことなく、除去することとしてもよい。そうした埋め込み絶縁膜２０の除去方法としては、例えば機械研磨などを通じて、ＳＯＩ基板を下表面（裏面）側から徐々に研磨していき、支持基板１０及び埋め込み絶縁膜２０を除去する方法を採用することができる。

上記実施の形態（変形例を含む）では、低融点ガラスを接着剤８０として採用し、ステム７０の薄肉部７０ｂとゲージ部３１（正確には埋め込み絶縁膜２０）とを接着していた。しかし、既述したように、埋め込み絶縁膜２０が割愛された構成にあっては、ステム７０の薄肉部７０ｂとゲージ部３１とを接着することとしてもよい。なお、そうした接着剤８０としては、低融点ガラスに限らず、有機接着剤やポリイミド樹脂、または、銀ペーストなどを用いることもできる。

上記実施の形態（変形例を含む）では、先の図１等に示すように、雰囲気の圧力変化を高い検出精度で検出すべく、同一のＳＯＩ基板を用いて、２つのゲージ部を直列に配列した一対のゲージ部を形成し、いわゆるハーフブリッジ回路を構成していた。こうしたハーフブリッジ回路に限らず、同一のＳＯＩ基板を用いて、４つのゲージ部を配列するフルブリッジ回路を構成してもよい。これにより、検出精度をさらに高めることができるようになる。また、検出精度が十分に高いのであれば、こうしたハーフブリッジ回路やフルブリッジ回路を構成しなくともよい。こうした回路を構成しない場合、先の図４（ｂ）に示したような、１枚のＳＯＩ基板に対し複数のゲージ部をパターニングする必要はなく、１枚のＳＯＩ基板に対し、１つのゲージ部をパターニングすることとしてもよい。あるいは、図６に示すように、１枚のＳＯＩ基板に対し複数のゲージ部をパターニングしておき、そうしたＳＯＩ基板を例えばダイシングソー９０を用いて切断することで、ゲージ部を各別に分離することとしてもよい。

先の図３に対応する図として、図７に示すように、第１及び第２電極５１ａ及び５１ｂを保護する（第２）保護膜４１を、保護膜６０と絶縁膜４０との間に形成することとしてもよい。具体的には、先の図４（ｄ）に示す工程と、図４（ｅ）に示す工程との間に、絶縁膜４０上表面並びに第１及び第２電極５１ａ及び５１ｂの上表面及び側面の全面を被覆するように、例えばプラズマＣＶＤを通じて、窒化シリコン（ＳｉＮ）にて、保護膜４１を形成する工程を加えることとしてもよい。これにより、水滴に起因する圧力変化の検出感度の変動を抑制することができるようになる。

上記実施の形態（変形例を含む）では、ゲージ部３１は、電気的な絶縁性を持つ絶縁膜４０によって覆われていることとしたが、これに限らず、電磁ノイズがゲージ部３１に重畳されても、圧力の検出精度を高く維持することができる、あるいは、電磁ノイズがゲージ部３１に重畳されることがほとんどないのであれば、絶縁膜４０を割愛した構成としてもよい。また、上記実施の形態（変形例を含む）では、絶縁膜４０上表面に、当該センサを保護するための保護膜６０が形成されていたが、こうした保護膜６０を割愛した構成としてもよい。

上記実施の形態（変形例を含む）では、ゲージ部３１を、直線部３２と折り返し部３３とからなる折れ型に形成したが、これに限らない。他に例えば、図８に示すような渦巻き型や、直線型などを採用することとしてもよい。要は、ゲージ部３１の両端に形成する第１及び第２ボンディングパッド間の電気抵抗値を所望の値とすることができ、高い検出感度を維持することができるのであれば、ゲージ部の形状は任意である。

また、上記変形例では、埋め込み絶縁膜２０の除去方法として、例えば機械研磨などを通じて、ＳＯＩ基板を下表面（裏面）側から徐々に研磨していき、支持基板１０及び埋め込み絶縁膜２０を除去する方法を採用していたが、これに限らない。他に例えば、図９（ａ）に示すように、例えばエッチング等を通じて、保護膜６０の上表面から埋め込み絶縁膜２０（図９（ａ）では図示略）の上表面に至る貫通孔６０ｃを複数形成する。このとき、貫通孔６０ｃは、第１ボンディングパッド３４ａと直線部３２との間、直線部３２間や、直線部３２と第２ボンディングパッド３４ａとの間を通過するように形成される。このような貫通孔６０ｃが形成されると、次に、貫通孔６０ｃに所定の薬液を注ぐ。この薬液が貫通孔６０ｃを流れ、ゲージ部３１直下の埋め込み絶縁膜２０を徐々に溶解することとなる。すなわち、ウエットエッチングを通じて、ＳＯＩ基板の上表面（表面）側から埋め込み絶縁膜２０を除去することができる。なお、こうしたウエットエッチングを通じて埋め込み絶縁膜２０を全て除去することにより、支持基板１０も除去されるようにしてもよく、図９（ａ）に示されるように、埋め込み絶縁膜２０の一部を残しておき、この残された一部、保護膜６０、ゲージ部３１、及び、支持基板１０をともども、ダイシングソー９０で切断することで、ゲージ部を各別に分離してもよい。これにより、図９（ｂ）に示す半導体圧力センサを作製することができる。

上記実施の形態（変形例を含む）では、半導体層３０はおよそ「１μｍ」の厚さに薄く形成されており、ＳＯＩ基板はおよそ「８μｍ」の厚さに形成されていることとしたが、これに限らない。要は、半導体層３０の厚さが「１〜２μｍ」であり、ＳＯＩ基板の厚さが「１０μｍ」よりも薄く形成されていれば、本発明は同様に有効である。

上記実施の形態（変形例を含む）では、ＳＯＩ基板を構成する半導体層３０の不純物濃度は、既述した製造過程から、例えば「１×１０＾１９〜１×１０＾２０（ｃｍ−３）」に、均一に設定されていることとしたが、こうした範囲に設定されなくとも、半導体層３０全域に渡って均一であればよい。もっとも、ＳＯＩ基板の半導体層３０にイオン注入及び熱拡散を実行した上で、この半導体層３０にゲージ部３１を形成したとしても、同様の効果を得ることはできる。詳しくは、半導体層３０に対して注入されたイオンは、埋め込み絶縁膜２０を透過して支持基板１０まで到達することはほとんどなく、深くとも、埋め込み絶縁膜よりも表層側、すなわち、半導体層内に留まる。こうして多数のイオンが半導体層に留まっている状態にて熱拡散されるため、均一な不純物濃度の半導体層が形成されることになる。そのため、半導体層の不純物プロファイルがばらつくことは少なく、ひいては、ゲージ部３１の電気抵抗値がばらつくことは少ない。したがって、圧力の検出感度にもばらつきはほとんど生じなくなる。

上記実施の形態（変形例を含む）では、当該センサを取り巻く雰囲気の圧力の変化を検出する半導体圧力センサとして構成していたが、これに限らない。ステム７０の薄肉部７０ｂは、当該半導体圧力センサを取り巻く雰囲気の圧力の変化に応じてひずむだけでなく、他に例えば、ステム７０の薄肉部７０ｂに印加される荷重の変化に応じてもひずむ。したがって、当該センサに印加される荷重の変化を検出する半導体荷重センサとして構成することとしてもよい。さらに、他にも、当該センサを取り巻く雰囲気の温度の変化を検出する半導体温度センサとして構成してもよい。なお、この場合、半導体層の不純物濃度としては「１×１０＾１９〜１×１０＾２１（ｃｍ−３）」に設定することが望ましい。要は、当該センサを取り巻く雰囲気の物理量の変化を、ゲージ部のひずみに起因する電気抵抗値の変化として検出することができれば、検出対象とする物理量は任意である。

本発明に係る半導体圧力センサの一実施の形態について、当該センサをステムに配設した半導体圧力センサユニット全体の構造を平面方向から示す平面図。 同実施の形態の半導体圧力センサについて、当該センサをステムに配設した半導体圧力センサユニット全体の構造を側面方向から示す側面断面図。 同実施の形態の半導体圧力センサについて、その側面構造を拡大して示す拡大側面断面図。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明に係る半導体圧力センサの製造方法の一実施の形態の各工程を示す工程図。 同実施の形態の半導体圧力センサの製造方法の変形例について、埋め込み絶縁膜を除去する除去工程を示す図。 同実施の形態の半導体圧力センサの製造方法の他の変形例について、ゲージ部を各別に分離する分離工程を示す図。 同実施の形態の半導体圧力センサの製造方法のその他の変形例について、保護膜４１を形成する保護膜形成工程を示す図。 ゲージ部の形状について、変形例を示す平面図。 同実施の形態の半導体圧力センサの製造方法のさらに他の変形例について、（ａ）は、埋め込み絶縁膜を除去する除去工程を示す図。（ｂ）は、ゲージ部を各別に分離する分離工程を示す図。

符号の説明

１…半導体圧力センサ（半導体センサ）、１０…支持基板、２０…埋め込み絶縁膜、３０…半導体層、３１…ゲージ部、３２…直線部、３３…折り返し部、３４ａ…第１ボンディングパッド、３４ｂ…第２ボンディングパッド、４０…絶縁膜、４０ａ…貫通孔、５０…電極、５１ａ…第１電極、５１ｂ…第２電極、６０…（第２）保護膜、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ…貫通孔、７０…ステム（支持部材）、７０ａ…筒部、７０ｂ…薄肉部、８０…接着剤、９０…ダイシングソー。

Claims (24)

1. 当該半導体センサを取り巻く雰囲気の物理量が作用するように支持されるとともに、この作用する物理量の変化に応じてひずむゲージ部と、
   前記ゲージ部の異なる箇所に形成されるとともに、当該半導体センサ外との電気的な接続に供される第１及び第２ボンディングパッドとを備え、
   前記物理量の変化を、前記第１及び第２ボンディングパッド間の電気抵抗値の変化として検出する半導体センサであって、
   前記ゲージ部は、支持基板、埋め込み絶縁膜、及び半導体層が順次積層されているＳＯＩ基板の、半導体層に形成されることを特徴とする半導体センサ。
2. 前記半導体層は、１×１０＾１９〜１×１０＾２１ｃｍ−３の不純物濃度に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
3. 前記半導体層は、１〜２μｍの厚さに形成されており、前記ＳＯＩ基板は、１０μｍよりも薄く形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体センサ。
4. 前記ゲージ部は、複数の直線部及び複数の折り返し部から構成される形状である折れ型形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体センサ。
5. 前記ゲージ部は、電気的な絶縁性を持つ絶縁膜によって覆われていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体センサ。
6. 前記絶縁膜の上表面には、当該半導体センサを保護するための第１保護膜が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の半導体センサ。
7. 前記絶縁膜と前記第１保護膜との間には、前記ゲージ部を保護するための第２保護膜が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体センサ。
8. 直列に配列された複数のゲージ部が、同一のＳＯＩ基板の半導体層に形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体センサ。
9. 前記物理量は、少なくとも当該半導体センサを取り巻く雰囲気の圧力を含み、当該半導体センサは、半導体圧力センサとして構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体センサ。
10. 前記物理量は、当該半導体センサを取り巻く雰囲気の温度であり、当該半導体センサは、半導体温度センサとして構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体センサ。
11. 当該半導体センサを取り巻く雰囲気の物理量が作用するように支持されるとともに、作用する物理量の変化に応じてひずむゲージ部と、
    前記ゲージ部の異なる箇所に形成されるとともに、当該半導体センサ外との電気的な接続に供される第１及び第２ボンディングパッドとを備え、
    前記物理量の変化を、前記第１及び第２ボンディングパッド間の電気抵抗値の変化として検出する半導体センサを製造する方法であって、
    前記ゲージ部を、支持基板、埋め込み絶縁膜、及び半導体層が順次積層されているＳＯＩ基板の、半導体層に形成することを特徴とする半導体センサの製造方法。
12. 前記半導体層を、１×１０＾１９〜１×１０＾２１ｃｍ−３の不純物濃度に形成することを特徴とする請求項１１に記載の半導体センサの製造方法。
13. 前記半導体層を、１〜２μｍの厚さに形成し、前記ＳＯＩ基板を、１０μｍよりも薄く形成することを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体センサの製造方法。
14. 前記ゲージ部を、複数の直線部及び複数の折り返し部から構成される形状である折れ型形状に形成することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の半導体センサの製造方法。
15. 前記ゲージ部を、電気的な絶縁性を持つ絶縁膜によって覆うことを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の半導体センサの製造方法。
16. 前記絶縁膜上表面に、当該半導体センサを保護するための第１保護膜を形成することを特徴とする請求項１５に記載の半導体センサの製造方法。
17. 前記第１保護膜と前記絶縁膜との間に、前記ゲージ部を保護するための第２保護膜を形成することを特徴とする請求項１６に記載の半導体センサの製造方法。
18. 前記支持基板及び前記埋め込み絶縁膜を順次、前記支持基板の裏面側から除去することを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の半導体センサの製造方法。
19. 前記第１保護膜の上表面から前記埋め込み絶縁膜の上表面に至る複数の貫通孔を形成し、これら複数の貫通孔を利用したウエットエッチングにより前記埋め込み絶縁膜の一部を除去するとともに、残存した埋め込み絶縁膜と共に前記支持基板をダイシングソーを用いて除去することを特徴とする請求項１６または１７に記載の半導体センサの製造方法。
20. 前記第１保護膜の上表面から前記埋め込み絶縁膜の上表面に至る複数の貫通孔を形成し、これら複数の貫通孔を利用したウエットエッチングにより前記埋め込み絶縁膜を除去することを特徴とする請求項１６または１７に記載の半導体センサの製造方法。
21. 前記支持基板を除去することを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の半導体センサの製造方法。
22. 直列に配列された複数のゲージ部を、同一のＳＯＩ基板の半導体層に形成することを特徴とする、請求項１１〜２１のいずれか一項に記載の半導体センサの製造方法。
23. 前記物理量を、少なくとも当該半導体センサを取り巻く雰囲気の圧力を含むものとし、当該半導体センサを、半導体圧力センサとして構成することを特徴とする請求項１１〜２２のいずれか一項に記載の半導体センサの製造方法。
24. 前記物理量を、当該半導体センサを取り巻く雰囲気の温度とし、当該半導体センサを、半導体温度センサとして構成することを特徴とする請求項１１〜２２のいずれか一項に記載の半導体センサの製造方法。

Images