JP2009069030A

JP2009069030A - 圧力検出素子

Info

Publication number: JP2009069030A
Application number: JP2007238665A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Deo; 晋一出尾; Yukihisa Yoshida; 幸久吉田; Eiji Yoshikawa; 英治吉川; Hiroshi Kobayashi; 浩小林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2009-04-02

Abstract

【課題】小型化された構造においても温度ヒステリシスの低減が可能な圧力検出装置を提供する。
【解決手段】受圧部にかかる圧力を電気信号に変えて検出する圧力検出素子において、基板と、基板の裏面に設けられ、その底部が受圧部となる凹部と、受圧部に設けられた歪センサ部と、基板に設けられ、歪センサ部に接続された拡散配線と、基板の表面上に設けられ、拡散配線と接続された金属膜とを含み、受圧部が、基板の表面に垂直な対称中心軸に対して対称な形状からなり、対称中心軸から受圧部の端部までの最短距離Ｌと、受圧部の端部から金属膜までの最短距離Ｓとの間に、以下の式（１）：
Ｌ／Ｓ≦３．５（１）
の関係が成立する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力を電気的な信号に変換して検出する圧力検出素子に関する。

従来の半導体圧力検出素子は、シリコン基板から形成され、その一部が薄膜の受圧部となっている。圧力検出素子に圧力が加わった場合、受圧部が変形し、これをひずみゲージの抵抗変化または固定電極との静電容量変化として検出する。ここで電気的に信号を取り出すためには、圧力検出素子に金属膜を形成する必要がある。金属膜はシリコン基板と熱膨張率が異なるため、圧力検出素子の温度が大きく変化すると、金属膜が塑性変形を起こす。この塑性変形は圧力−出力の温度ヒステリシスとなり、正確な圧力検出の妨げとなる。これに対して、温度ヒステリシスを低減するために、圧力検出素子に、金属膜と同様に塑性変形を起こす応力バランス膜を形成し、金属膜の塑性変形で発生する応力を相殺して温度ヒステリシスを低減する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許３８７３４５４号公報

しかしながら、圧力検出素子が小型化されると、応力バランス膜を形成する位置が制限され、金属膜の塑性変形で発生する応力を十分に相殺することが困難になる。また、圧力発生源である金属膜が非対称に配置された場合、応力バランス膜で応力を相殺させることが困難となる。
即ち、金属膜の塑性変形で発生する応力を、応力バランス膜を配置することにより相殺するという手段によらない応力の緩和手段が必要となる。

そこで、本発明は、応力バランス膜を用いることなく、小型化された構造においても温度ヒステリシスの低減が可能な圧力検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、受圧部にかかる圧力を電気信号に変えて検出する圧力検出素子であって、基板と、基板の裏面に設けられ、その底部が受圧部となる凹部と、受圧部に設けられた歪センサ部と、基板に設けられ、歪センサ部に接続された拡散配線と、基板の表面上に設けられ、拡散配線と接続された金属膜とを含み、受圧部が、基板の表面に垂直な対称中心軸に対して対称な形状からなり、対称中心軸から受圧部の端部までの最短距離Ｌと、受圧部の端部から金属膜までの最短距離Ｓとの間に、以下の式（１）：
Ｌ／Ｓ≦３．５（１）
の関係が成立することを特徴とする圧力検出素子である。

本発明にかかる圧力検出素子では、受圧部と金属膜との位置関係を調整して、温度ヒステリシスを低減した圧力検出装置を提供することができる。

以下に、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、「上」、「下」、「左」、「右」およびこれらの用語を含む名称を適宜使用するが、これらの方向は図面を参照した発明の理解を容易にするために用いるものであり、実施形態を上下反転、あるいは任意の方向に回転した形態も、当然に本願発明の技術的範囲に含まれる。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる圧力検出素子の上面図であり、図２は、図１の圧力検出素子を、Ｉ−Ｉ方向に見た場合の断面図である。

圧力検出素子１００は、シリコン基板１を含む。シリコン基板１には、例えば表面が（１００）面のｎ型の単結晶シリコンが用いられる。シリコン基板１の底面の中央には凹部２が設けられており、凹部２の底部が、薄膜のシリコン基板からなる受圧部３となっている。

受圧部３の表面側には、歪ゲージ４が設けられている。歪ゲージ４はｐ型拡散領域からなり、不純物濃度は１×１０^１５／ｃｍ^３〜１×１０^１８／ｃｍ^３の範囲にある。受圧部３には４つの歪ゲージ４が設けられている。それぞれの歪ゲージ４には拡散配線７が接続されている。

拡散配線７は、不純物濃度が１×１０^１８／ｃｍ^３以上のｐ型拡散領域からなる。シリコン基板１の表面には、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜８が形成され、その上に金属配線層６や金属パッド部５が設けられている。金属配線層６や金属パッド部５と、拡散配線７とは、絶縁膜８に形成された接続部（図示せず）により電気的に接続されている。金属配線６を省略して、拡散配線７との接続部に金属パッド部５を形成しても構わない。

なお、シリコン基板１の裏面にガラス基板等の板状体（図示せず）を取り付けて、凹部２内の領域Ａを真空状態に封止することにより、領域Ｂの絶対圧力を測定することが可能となる。

本実施の形態１にかかる圧力検出素子１００では、受圧部３に設けられた４つの歪ゲージ４がブリッジ回路になるように拡散配線７で接続されている。圧力検出素子１００において領域Ａと領域Ｂに圧力差が生じた場合、その差圧で受圧部３が撓み、更に受圧部３の撓みにより歪ゲージ４の抵抗値が変化する。これを出力電圧の変化としてパッド電極５で検出することにより受圧部３にかかる圧力を検出することができる。なお、歪ゲージ４を配置する位置を適切に選択することにより、圧力に対してほぼ線形の出力電圧を得ることができる。

図３は、圧力検出素子において発生する温度ヒステリシスでの一例である。横軸が温度変化、縦軸が圧力検出素子の出力電圧である。図３では、圧力検出素子の温度を２５℃から一旦１２５℃まで上昇させた後、再度２５℃に下げた場合の、２５℃における出力電圧の差を温度システリシスとして矢印で表している。

このような温度ヒステリシスは、シリコン基板１と金属膜（パッド電極５および金属配線６）との熱膨張率の差に起因して発生する応力が、受圧部３に影響するためと考えられる。そこで、発明者らは以下のような実験を行い、温度ヒステリシス量が、受圧部３の大きさと、受圧部３の端部から金属膜までの最短距離とに依存することを見出し、本発明を完成した。

図４は、圧力検出素子の上面概略図であり、受圧部３と金属膜（パッド電極５または金属配線６）とのレイアウトを示すものである。
受圧部３（図２に示す凹部２の底面）の形状は、通常、矩形形状であり、対称中心（点対称の中心、対称中心を通ってシリコン基板１の表面に垂直な軸を「対称中心軸」という）１０を有する。対称中心軸と、受圧部３の端部との最短距離をＬとする。なお、受圧部３は、対象中心１０を有する形状であれば、円や楕円であっても構わない。
一方、受圧部３の端部と金属膜との最短距離、即ち、受圧部３の端部と、この端部に最も近い金属膜との距離をＳとする。

なお、距離Ｌおよび距離Ｓは、シリコン基板１の表面に平行な方向の距離で表される。

以下の表１に示すようなＮｏ．１〜５の試料を用いて、Ｌ／Ｓと温度ヒステリシスとの関係を調べた。

［表１］

表１において、金属膜の大きさは、形状が丸（Ｎｏ．１〜３、５）の場合は直径、形状が四角（Ｎｏ．４）の場合はその一辺とした。金属膜の材料には、Ｓｉを１〜２ｗｔ％含有したＡｌＳｉ膜を用いた。

図５は、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５の試料について、Ｌ／Ｓと温度ヒステリシスの関係を示したグラフであり、横軸にＬ／Ｓの値を、縦軸に温度ヒステリシス（％ＦＳ）を示す。
一般に、圧力検出素子の温度ヒステリシスが０．５％ＦＳ以下であれば、エンジン制御などの用途に使用することができる。従って、図５より、Ｌ／Ｓの値が３．５以下になるようにすれば、全ての試料で温度ヒステリシスが０．５％ＦＳ以下となり、エンジン制御等に使用可能な圧力検出素子を得ることができる。この場合、距離Ｌと距離Ｓとがこのような条件を満たすように配置すれば良く、金属膜と歪ゲージ４との位置関係は考慮する必要がない。

更には、Ｌ／Ｓの値が２．０以下であれば、温度ヒステリシスは検出下限以下とすることができる。

例えば、圧力検出素子において、受圧部３が一辺４００μｍの正方形である場合、受圧部３の回転中心１０と端部との距離Ｌは２００μｍとなるため、Ｌ／Ｓを３．５以下にするためには、受圧部３と金属層との最短距離Ｓを５８μｍ以上とすればよい。
また、Ｌ／Ｓを２．０以下にして、温度ヒステリシスを検出限界以下とするためには、受圧部３と金属層との最短距離Ｓを１００μｍ以上とすればよい。

次に、本実施の形態にかかる温度ヒステリシスの低減のメカニズムについて説明する。例えば圧力検出素子１００に温度サイクルが加えられた場合、金属膜から発生する応力がおよぶ範囲と、受圧部３の撓みに起因による応力がおよぶ範囲とが重なり合った場合に、受圧部３の撓みが金属膜から発生する応力の影響を受けて、温度ヒステリシスが発生すると推定される。

ここで、受圧部３の撓みによる応力分布は、受圧部３の代表寸法であるＬに対して相似形である。
一方、金属膜から発生する応力については、金属膜の近傍では金属膜の形状や大きさに依存して応力分布は変化する。例えば、金属膜が四角形であれば、四角形の隅部で応力が大きくなるような分布となる。しかしながら、金属膜からある程度離れた領域では金属膜の形状や大きさによらず、金属膜からの距離のみに依存した応力分布となる。通常、圧力検出素子１００の金属膜は、拡散配線７等との関係で受圧部３から一定以上の距離で配置されるため、応力分布は金属膜からの距離Ｓのみに依存する。
即ち、金属膜から発生する熱応力がおよぶ範囲と、受圧部の撓みに起因する応力がおよぶ範囲が重なり合うか否かは、ＬとＳに依存する。

以上が、金属膜の大きさや形状に依存せず、Ｌ／Ｓの値にのみ依存して温度ヒステリシスが決定される理由と考えられる。
また、金属膜が複数個あっても、個々の金属膜から発生する応力がおよぶ範囲は、それぞれ独立である。このため、それぞれの金属膜に対してＬ／Ｓが所定量以下であれば、温度ヒステリシスを小さくすることができる。

このように、本実施の形態かかる圧力検出素子１００では、Ｌ／Ｓが所定量以下となるように設計すれば、温度ヒステリシスを抑制することができ、従来のように、複数の金属膜の位置関係等を考慮する必要はなくなる。

次に、本実施の形態１にかかる圧力検出素子１００の製造方法について、図６を参照しながら説明する。図６中、図１と同一符号は同一又は相当箇所を示す。
圧力検出素子１００の製造方法は、以下の工程１〜５を含む。

工程１：図６（ａ）に示すように、表面の面方位が（１００）でｎ型の単結晶シリコン基板１を準備する。

工程２：図６（ｂ）に示すように、主表面に、不純物拡散またはイオン注入技術により、歪ゲージ４および拡散領域７を形成する。歪ゲージ４および拡散領域７はｐ型領域からなり、歪ゲージ４の不純物濃度は、１×１０^１５／ｃｍ^３〜１×１０^１８／ｃｍ^３の範囲であり、拡散領域７の不純物濃度は、１×１０^１８／ｃｍ^３以上となる。

工程３：図６（ｃ）に示すように、例えばＣＶＤ法を用いて、シリコン基板１の表面に酸化シリコン膜等からなる絶縁膜８を形成する。

工程４：図６（ｄ）に示すように、例えばスパッタ法を用いて、絶縁膜８の上に金属膜（金属パッド５、金属配線６）を形成する。金属膜は、Ａｌや、Ｓｉを微量に添加したＡｌＳｉ、Ｃｕやその合金からなることが好ましい。金属膜と拡散配線７とは、絶縁膜８を開口し、接続部を設けることにより電気的に接続される
なお、外部信号を取り出す金属パッド以外は、例えば窒化シリコンからなる保護膜（図示せず）で覆うことが好ましい。

工程５：図６（ｅ）に示すように、シリコン基板１を裏面からエッチングして、凹部２を形成する。凹部２の底部が、薄膜のシリコン基板１からなる受圧部３となる。エッチングには、例えばＫＯＨなどのアルカリ溶液を用いたウェットエッチング法や、ＳＦ_６ガスプラズマを用いたプラズマエッチング法が用いられる。

なお、小型化された圧力検出素子１００のエッチングには、プラズマエッチングを用いることが好ましい。これは、ウェットエッチングでは、エッチング方向が結晶方位に依存して（１００）基板を用いると側壁がテーパー形状の凹部２となるが、プラズマエッチングでは、ほぼ垂直の側壁を有する凹部２を形成できるからである。

受圧部３の位置や金属層の位置は、Ｌ／Ｓの値が３．５以下、更には２．０以下となるように予め設計されている。

なお、絶対圧を検出する圧力検出素子とする場合は、例えばガラス基板のような板状体をシリコン基板１の裏面に接合して、凹部２内を真空状態に封止する。シリコン基板１の接合には、例えば陽極接合法が用いられる。

以上の製造方法により、図１に示すような本実施の形態１にかかる圧力検出素子１００が完成する。

実施の形態２．
図７は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態２にかかる圧力検出素子の断面図であり、図１のＩ−Ｉ方向と同じ方向に見た場合の断面図である。図７中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。

圧力検出素子２００では、基板に、ｎ型の単結晶シリコン層１２／酸化シリコン層１３／単結晶シリコン支持層１５の積層構造を有する、いわゆるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板が用いられる。多の構造は、上述の圧力検出素子１００と同様である。

圧力検出素子２００では、ＳＯＩ基板を用いることで、受圧部３の厚みの制御が容易に行える。
即ち、酸化シリコン層１３のエッチング速度は、シリコン支持層１５のエッチング速度に比べて１００分の１以下である。このため、酸化シリコン膜１６をストッパ層として用いてシリコン支持層１５をエッチングすることができる。ここで、酸化シリコン層１３は非常に薄いため、受圧部３の厚みは実質的に単結晶シリコン層１２の厚みとなる。単結晶シリコン層１２厚みは、機械研磨により１μｍ以下の精度で調整可能であり、受圧部３を厚みの制御性が増し、良好な検出特性を有する圧力検出素子２００が提供できる。

本発明の実施の形態１にかかる圧力検出素子の上面図である。本発明の実施の形態１にかかる圧力検出素子の断面図である。圧力検出素子の温度と出力との関係である。本発明に圧力検出素子の模式図である。Ｌ／Ｓと温度ヒステリシスとの関係である。本発明の実施の形態１にかかる圧力検出素子の製造工程の断面図である。本発明の実施の形態２にかかる圧力検出素子の上面図である。

符号の説明

１シリコン基板、２凹部、３受圧部、４歪ゲージ、５金属パッド、６金属配線、７拡散配線、８絶縁膜、９金属膜、１０回転中心、１１受圧部回転中心、１２コンタクトホール、１２シリコン層、１３酸化シリコン層、１４単結晶シリコン支持層、１００、２００圧力検出素子。

Claims

受圧部にかかる圧力を電気信号に変えて検出する圧力検出素子であって、
基板と、
該基板の裏面に設けられ、その底部が受圧部となる凹部と、
該受圧部に設けられた歪センサ部と、
該基板に設けられ、該歪センサ部に接続された拡散配線と、
該基板の表面上に設けられ、該拡散配線と接続された金属膜とを含み、
該受圧部が、該基板の表面に垂直な対称中心軸に対して対称な形状からなり、
該対称中心軸から該受圧部の端部までの最短距離Ｌと、該受圧部の端部から該金属膜までの最短距離Ｓとの間に、以下の式（１）：
Ｌ／Ｓ≦３．５（１）
の関係が成立することを特徴とする圧力検出素子。
上記最短距離Ｌと、上記最短距離Ｓとの間に、以下の式（２）：
Ｌ／Ｓ≦２．０（２）
の関係が成立することを特徴とする請求項１に記載の圧力検出素子。
上記凹部の底部が、矩形形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力検出素子。
更に、上記基板の裏面に、上記凹部を封止するように板状体が接続されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧力検出素子。
上記基板がシリコンからなり、上記金属膜がアルミニウムを主体とした合金からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧力検出素子。
上記基板が、単結晶シリコン層／酸化シリコン層／支持シリコン基板の３層構造からなり、上記受圧部は単結晶シリコンおよび酸化シリコンからなり、上記金属膜がアルミニウムを主体とした合金からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧力検出素子。