JP2010139376A - Pressure detecting element - Google Patents

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高 森
Toshiyuki Matsuoka
俊幸 松岡
Takuya Mizuno
卓也 水野
Takio Kojima
多喜男 小島
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pressure detecting element using a Si semiconductor substrate equipped with a pressure-sensitive resistor and a temperature-sensitive resistor wherein the resistor and a wiring layer are properly connected through a contact hole and a reliable wiring layer is formed. <P>SOLUTION: The pressure detecting element 100 has the Si semiconductor substrate including the pressure-sensing resistor 113 and the temperature-sensitive resistor 114, an insulating layer in which contact holes 115C, 115D are bored, and a wiring layer 116 connected to upper surfaces 113U, 114U of the resistors. The insulating layer has a multi-step shape wherein the wiring layer forming part 115CW has a plurality of slope sections 115CS1, 115CS2 and a planar section 115CP positioned between the two adjacent slope sections. The thickness Th of the wiring layer is smaller than 1.2 times the total step height Dz, of the insulating layer and greater than 1.2 times the step heights Ds1, Ds2 formed in the respective slope sections 115CS1, 115CS2. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、内燃機関の筒内圧などの圧力を検出可能な圧力検出素子に関し、特に、感圧特性を持つ感圧抵抗体を有するSi半導体基板を備える圧力検出素子に関する。   The present invention relates to a pressure detection element capable of detecting a pressure such as an in-cylinder pressure of an internal combustion engine, and more particularly to a pressure detection element including a Si semiconductor substrate having a pressure-sensitive resistor having pressure-sensitive characteristics.

従来より、内燃機関の筒内圧などの圧力を検出可能な圧力検出素子として、圧力により自身に生じる応力変化を、ピエゾ抵抗効果を利用して検出するSi半導体基板を有する圧力検出素子が知られている。例えば、特許文献1に、このような圧力検出素子が開示されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, as a pressure detection element capable of detecting a pressure such as an in-cylinder pressure of an internal combustion engine, a pressure detection element having a Si semiconductor substrate that detects a change in stress caused by the pressure using a piezoresistance effect is known. Yes. For example, Patent Document 1 discloses such a pressure detection element.

特許文献1の力変換素子(圧力検出素子)は、検出対象である圧力を検出する板状のSi半導体基板(支持基板(17)等)に、ピエゾ抵抗(23:感圧抵抗体)及び絶縁膜(18:絶縁層)を備え、この絶縁膜(18)に穿孔したコンタクトホール(36a,36b)を通じて、ピエゾ抵抗負電極(21:配線層)及びピエゾ抵抗正電極(22:配線層)を、ピエゾ抵抗(23)に接続させている(特許文献1の図4及び図9参照)。   The force conversion element (pressure detection element) of Patent Document 1 is provided with a piezoresistor (23: pressure sensitive resistor) and insulation on a plate-like Si semiconductor substrate (support substrate (17), etc.) that detects the pressure to be detected. A piezoresistive negative electrode (21: wiring layer) and a piezoresistive positive electrode (22: wiring layer) are provided through contact holes (36a, 36b) drilled in the insulating film (18). And piezoresistor (23) (see FIGS. 4 and 9 of Patent Document 1).

特開2003−136494号公報JP 2003-136494 A

この特許文献1の図4,図9を参照すると容易に理解できるように、この特許文献1に記載の力変換素子(圧力検出素子)に形成するコンタクトホール(36a,36b)は、その内壁がピエゾ抵抗(23)の上面に直交する方向に沿って延びる筒形状となっている。
このため、ピエゾ抵抗負電極(21)及びピエゾ抵抗正電極(22)を、確実にコンタクトホール(36a,36b)の底に露出するピエゾ抵抗(23)に接続させるためには、ピエゾ抵抗負電極(21)及びピエゾ抵抗正電極(22)を厚く形成する必要がある。例えば、特許文献1では、コンタクトホール(36a,36b)が埋められ、これから飛び出すほどに厚いピエゾ抵抗負電極(21)及びピエゾ抵抗正電極(22)を形成している。
As can be easily understood with reference to FIG. 4 and FIG. 9 of Patent Document 1, the inner walls of the contact holes (36a, 36b) formed in the force conversion element (pressure detection element) described in Patent Document 1 have an inner wall. It has a cylindrical shape extending along a direction orthogonal to the upper surface of the piezoresistor (23).
Therefore, in order to securely connect the piezoresistive negative electrode (21) and the piezoresistive positive electrode (22) to the piezoresistor (23) exposed at the bottom of the contact hole (36a, 36b), the piezoresistive negative electrode (21) and the piezoresistive positive electrode (22) must be formed thick. For example, in Patent Document 1, the contact holes (36a, 36b) are filled, and the piezoresistive negative electrode (21) and the piezoresistive positive electrode (22) are formed so as to protrude from the contact holes (36a, 36b).

しかしながら、スパッタリングでピエゾ抵抗負電極(21)及びピエゾ抵抗正電極(22)を厚く形成するのは、工数や時間が掛かる上、これらを厚くすると、自身に応力が生じやすく、特に、温度変化などでコンタクトホール(36a,36b)の上縁の角部付近に断線が生じ易い。   However, forming the piezoresistive negative electrode (21) and the piezoresistive positive electrode (22) thickly by sputtering takes man-hours and time. Therefore, disconnection is likely to occur near the corners of the upper edges of the contact holes (36a, 36b).

そこで、コンタクトホールを、ピエゾ抵抗の上面から上方に向かうほど径大となるテーパ形状とすることが考えられるが、この場合でも、ピエゾ抵抗負電極(21)及びピエゾ抵抗正電極(22)を厚くすると、自身の応力で、コンタクトホール(36a,36b)の上縁の角部付近に断線が生じ易い。その一方、これらを薄くすると、斜面に直交する方向の厚みが薄くなり、断線を生じるなどの不具合を生じる虞がある。   Therefore, it is conceivable that the contact hole has a tapered shape with a diameter increasing toward the upper side from the upper surface of the piezoresistor. Even in this case, the piezoresistive negative electrode (21) and the piezoresistive positive electrode (22) are thickened. Then, disconnection is likely to occur near the corners of the upper edges of the contact holes (36a, 36b) due to their own stress. On the other hand, if these are made thin, the thickness in the direction perpendicular to the slope becomes thin, and there is a risk of causing problems such as disconnection.

本発明は、かかる現状に鑑みてなされたものであって、ピエゾ抵抗効果を用いる感圧抵抗体を備えるSi半導体基板を用いた圧力検出素子において、コンタクトホールを介した、ピエゾ抵抗体と配線層とを確実に接続するとともに、信頼性の高い配線層を形成した圧力検出素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the current situation, and in a pressure detection element using a Si semiconductor substrate including a pressure-sensitive resistor using a piezoresistance effect, the piezoresistor and a wiring layer via a contact hole are provided. And a pressure detecting element in which a highly reliable wiring layer is formed.

その解決手段は、感圧抵抗体と、感温抵抗体と、上記感圧抵抗体及び上記感温抵抗体それぞれの少なくとも一部を覆うと共に、上記感圧抵抗体及び上記感温抵抗体の少なくともいずれかの上面に届くコンタクトホールが穿孔された絶縁層と、上記絶縁層上に形成され、上記コンタクトホールを介して、上記感圧抵抗体または上記感温抵抗体の上記上面に接続する配線層と、を有するSi半導体基板を備える圧力検出素子であって、上記絶縁層で構成される上記コンタクトホールの少なくともいずれかは、少なくとも、上記配線層が接して形成される配線層形成部位が、上記配線層が接続する抵抗体の上記上面に直交する第1方向について上記上面から離れるほど、上記上面に平行な第2方向について上記上面のうち上記コンタクトホールに露出する接続面から離れる傾斜した形態とされた複数の斜面部と、隣り合う2つの上記斜面部の間に位置し、上記抵抗体の上記上面に平行な平面部と、を有する複数段形状とされてなり、上記コンタクトホールの上記配線層形成部位に形成された上記配線層の、上記第1方向の寸法を、上記配線層の厚みとし、上記絶縁層のうち、上記抵抗体の上記上面から、上記コンタクトホール周囲の頂面までの、上記第1方向の寸法を、上記絶縁層の全段差としたとき、上記配線層の厚みは、上記絶縁層の全段差の1.2倍より小さく、各々の上記斜面部で形成される上記第1方向の段差の1.2倍よりも大きくされてなることを特徴とする圧力検出素子である。   The solution includes a pressure-sensitive resistor, a temperature-sensitive resistor, and at least a part of the pressure-sensitive resistor and the temperature-sensitive resistor, and at least the pressure-sensitive resistor and the temperature-sensitive resistor. An insulating layer having a contact hole reaching any one of the upper surfaces, and a wiring layer formed on the insulating layer and connected to the upper surface of the pressure-sensitive resistor or the temperature-sensitive resistor through the contact hole And at least one of the contact holes formed of the insulating layer, at least a wiring layer forming portion formed in contact with the wiring layer is the pressure detecting element including the Si semiconductor substrate having The further away from the top surface in the first direction perpendicular to the top surface of the resistor to which the wiring layer is connected, the more exposed the contact hole in the top surface in the second direction parallel to the top surface. A plurality of sloped portions separated from the connecting surface to be formed, and a plurality of sloped portions located between two adjacent sloped portions and parallel to the top surface of the resistor. The dimension in the first direction of the wiring layer formed in the wiring layer forming portion of the contact hole is the thickness of the wiring layer, and from the upper surface of the resistor in the insulating layer, When the dimension in the first direction to the top surface around the contact hole is the total step of the insulating layer, the thickness of the wiring layer is smaller than 1.2 times the total step of the insulating layer, The pressure detecting element is configured to be larger than 1.2 times the step in the first direction formed by the slope portion.

前述したように、配線層の厚みを厚くしようとすると、工数やコストがかかる上、形成された絶縁層に応力が残留しやすく、断線や剥がれを生じる虞がある。従って、薄い配線層としたい。
一方、配線層は、通電の抵抗や薄すぎることによる断線を考慮し、その厚みを或る程度を確保する必要がある。
また、Si半導体基板における抵抗体(感圧抵抗体、感温抵抗体)と配線層との接続において、絶縁層に形成したコンタクトホールの内壁面が、抵抗体の上面に直交する筒状である場合はもちろん、上面から離れるほど径大となる斜面(テーパ面)で形成されている場合でも、絶縁膜の厚みが大きく(段差が大きく)、相対的に配線層の厚みが薄い場合には、斜面部分で、配線層の斜面部に直交する方向の膜厚が薄くなり、配線層に断線を生じるなどの不具合が生じる虞がある。
このため、コンタクトホール内での配線層の厚さを、段差の1.2倍以上の大きさの厚いものとすることが行われている。
As described above, when it is attempted to increase the thickness of the wiring layer, man-hours and costs are increased, and stress is likely to remain in the formed insulating layer, which may cause disconnection or peeling. Therefore, a thin wiring layer is desired.
On the other hand, the wiring layer needs to secure a certain thickness in consideration of current resistance and disconnection due to being too thin.
Further, in the connection between the resistor (pressure-sensitive resistor, temperature-sensitive resistor) and the wiring layer in the Si semiconductor substrate, the inner wall surface of the contact hole formed in the insulating layer has a cylindrical shape orthogonal to the upper surface of the resistor. Of course, even when it is formed with a slope (tapered surface) that increases in diameter with increasing distance from the upper surface, if the thickness of the insulating film is large (the step is large) and the wiring layer is relatively thin, At the slope portion, the film thickness in the direction orthogonal to the slope portion of the wiring layer becomes thin, and there is a possibility that problems such as disconnection occur in the wiring layer.
For this reason, the thickness of the wiring layer in the contact hole is increased to be 1.2 times as large as the step.

これに対し、本件発明の圧力検出素子では、コンタクトホールをなす絶縁層において、少なくとも配線層形成部位を、複数段形状としている。しかも、配線層の厚みThを、全段差Dzの1.2倍よりも小さく(薄く:Th<1.2Dz)しておきつつ、各段差(例えばDs1,Ds2)の1.2倍よりも厚くしてある(Th>1.2Ds1,Ds2)。このため、各段差については配線層の厚みを確保しつつ、全段差との関係では、従来に比して、厚みを薄くできている。かくして、このコンタクトホールにおける抵抗体の上面と配線層との接続を、確実に行い、しかも、配線層の厚みを薄くできるので、工数やコストを低減できる上、配線層に生じる応力を低減できるので、残留応力による断線等の不具合も低減できる。   On the other hand, in the pressure detection element of the present invention, at least the wiring layer forming portion in the insulating layer forming the contact hole has a multi-stage shape. In addition, while the thickness Th of the wiring layer is smaller than 1.2 times the total step Dz (thin: Th <1.2Dz), it is thicker than 1.2 times each step (for example, Ds1, Ds2). (Th> 1.2Ds1, Ds2). For this reason, with respect to each step, the thickness of the wiring layer is ensured, and in relation to all the steps, the thickness can be reduced as compared with the conventional case. Thus, the connection between the upper surface of the resistor and the wiring layer in this contact hole can be reliably performed, and the thickness of the wiring layer can be reduced, thereby reducing the man-hours and costs and reducing the stress generated in the wiring layer. In addition, problems such as disconnection due to residual stress can be reduced.

なお、コンタクトホールのうち、少なくとも、配線層が接して形成される配線層形成部位について、複数段形状としていればよい。従って、コンタクトホールのうち、配線層形成部のみが複数段形状とされ、他の部位は、筒状あるいは一段の斜面形状とされていても良いし、コンタクトホールの全周について、複数段形状となっていても良い。
また、圧力検出素子の絶縁層には、感圧抵抗体の上面に届くコンタクトホールと、感温抵抗体の上面に届くコンタクトホールとが穿孔されていても良いし、一方が穿孔されていても良い。
Of the contact holes, at least the wiring layer forming portion formed in contact with the wiring layer may have a multi-stage shape. Therefore, in the contact hole, only the wiring layer forming part may be formed in a plurality of steps, and the other part may be formed in a cylindrical shape or a one-step inclined shape. It may be.
Further, the insulating layer of the pressure detection element may have a contact hole reaching the upper surface of the pressure sensitive resistor and a contact hole reaching the upper surface of the temperature sensitive resistor, or one of them may be perforated. good.

さらに、前述の圧力検出素子であって、前記平面部における、前記第2方向のうち前記接続面から離れる方向の寸法Lが、自身に連なる上段及び下段の前記斜面部で形成される各段差以上の大きさである圧力検査素子とすると良い。   Furthermore, in the above-described pressure detection element, the dimension L in the direction away from the connection surface in the second direction in the planar portion is greater than or equal to each step formed by the upper and lower slope portions connected to itself. It is preferable that the pressure inspection element has a size of.

コンタクトホールの平面部の寸法Lが小さいと、斜面部同士の間に平面部を設けて複数段形状とした効果が低くなりがちである。即ち、平面部の寸法Lが小さいと、斜面部分が連続した形(例えば1段の形状)に近くなり、斜面部を複数設けた利点が小さくなりがちである。
これに対し、本件発明の圧力検出素子では、平面部の寸法Lを、各段差(例えば、Ds1,Ds2)に対して、大きく取っている(例えば、L>Ds1,Ds2)ので、配線層の斜面部に直交する方向の膜厚が薄くなることが抑制され、配線層の断線などの不具合を防止できる。
If the dimension L of the flat portion of the contact hole is small, the effect of providing a flat portion between the slope portions to form a plurality of steps tends to be low. That is, when the dimension L of the flat surface portion is small, the slope portion is close to a continuous shape (for example, one-stage shape), and the advantage of providing a plurality of slope portions tends to be small.
On the other hand, in the pressure detection element of the present invention, the dimension L of the plane portion is set larger than each step (for example, Ds1, Ds2) (for example, L> Ds1, Ds2). It is possible to prevent the film thickness in the direction orthogonal to the slope portion from being reduced, and to prevent problems such as disconnection of the wiring layer.

なお、平面部の寸法Lは、段差(例えばDs1,Ds2)に対し、その五倍以上(例えば、L≧5Ds1,L≧5Ds2)とするのが好ましい。配線層に掛かる応力について、段差間の相互の影響を小さくできるからである。   In addition, it is preferable that the dimension L of the plane portion is not less than five times (for example, L ≧ 5Ds1, L ≧ 5Ds2) with respect to the step (for example, Ds1, Ds2). This is because the mutual influence between the steps can be reduced with respect to the stress applied to the wiring layer.

さらに、上記いずれかに記載の圧力検出素子であって、前記斜面部が、前記抵抗体の前記上面となす角が、45度以下である圧力検出素子とすると良い。   Furthermore, the pressure detection element according to any one of the above, wherein the angle between the inclined surface and the upper surface of the resistor is 45 degrees or less.

配線層を形成するに当たり、スパッタリングなどにより、第1方向に堆積させて形成するので、斜面部のなす角(例えば、α1,α2)が大きい場合、薄い配線層を形成すると、斜面部に直交する方向に見たときの膜厚が薄くなりすぎる虞がある。
これに対し、本件発明の圧力検出素子では、斜面部の角を45度以下としている(例えば、α1,α2≦45deg)ので、斜面部に直交する方向について、配線層の膜厚が薄くなりすぎるのを防止できる。
When forming the wiring layer, it is formed by depositing in the first direction by sputtering or the like. Therefore, when the angle formed by the slope portion (for example, α1, α2) is large, if a thin wiring layer is formed, it is orthogonal to the slope portion. The film thickness when viewed in the direction may become too thin.
On the other hand, in the pressure detection element of the present invention, the angle of the slope portion is set to 45 degrees or less (for example, α1, α2 ≦ 45 deg), so that the thickness of the wiring layer becomes too thin in the direction orthogonal to the slope portion. Can be prevented.

さらに、上記のいずれか1項に記載の圧力検出素子であって、前記配線層は、少なくとも、前記抵抗体の前記接続面との間に、導電性を有し、上記配線層中の成分が上記抵抗体中に拡散するのを抑制する拡散防止層を備える圧力検出素子とすると良い。   Furthermore, in the pressure detection element according to any one of the above, the wiring layer has conductivity between at least the connection surface of the resistor, and a component in the wiring layer is A pressure detection element including a diffusion preventing layer that suppresses diffusion into the resistor is preferable.

抵抗体(感圧抵抗体、感温抵抗体)は、シリコン中にリンなどの不純物をドープして形成するが、例えば、配線層をAu,Ptなどで形成し、この配線層が抵抗体に接した状態で高温に曝されると、これらの原子が拡散して、抵抗体の抵抗を変化させたり、両者の接続部分に脆いシリコン化合物を形成して、接続部分で破断したりする不具合を生じさせる虞がある。
これに対し、本件発明の圧力検出素子では、配線層に拡散防止層を備えている。このため、抵抗体に、配線層中の成分が拡散することが防止され、抵抗体の抵抗変化や、配線層と抵抗体との接続部位で破断することが防止できる。
A resistor (pressure-sensitive resistor, temperature-sensitive resistor) is formed by doping impurities such as phosphorus in silicon. For example, a wiring layer is formed of Au, Pt, etc., and this wiring layer is used as a resistor. When exposed to high temperatures in contact, these atoms diffuse, changing the resistance of the resistor, forming a brittle silicon compound at the connection between the two, and breaking at the connection. There is a risk of causing it.
In contrast, the pressure detection element of the present invention includes a diffusion prevention layer in the wiring layer. For this reason, it is possible to prevent the components in the wiring layer from diffusing into the resistor, and it is possible to prevent a resistance change of the resistor and a breakage at a connection portion between the wiring layer and the resistor.

なお、拡散防止層は、導電性を有し、且つ、配線層中の成分が抵抗体中に拡散するのを抑制する性質を有するものであり、例えば、配線層にAu,Ptからなる層を設けた場合、これよりも抵抗体側に設けたTiNからなる層が挙げられる。また、WN,HfNからなる層も挙げられる。
また、拡散防止層は、配線層のうち、抵抗体と接している部位、具体的には、少なくとも、抵抗体の上面の接続面との間に設ければ良い。従って、配線層のうち、抵抗体の上面の接続面上に位置する部位にのみ、TiN等からなる拡散防止層を設けても良いし、形成する配線層全体が、拡散防止層を含む構成としても良い。
The diffusion prevention layer has conductivity and has a property of suppressing the diffusion of components in the wiring layer into the resistor. For example, a layer made of Au or Pt is used as the wiring layer. When it is provided, a layer made of TiN provided on the resistor side than this is mentioned. Moreover, the layer which consists of WN and HfN is also mentioned.
In addition, the diffusion prevention layer may be provided in a portion of the wiring layer that is in contact with the resistor, specifically, at least between the connection surface on the upper surface of the resistor. Therefore, a diffusion prevention layer made of TiN or the like may be provided only in a portion of the wiring layer located on the connection surface on the upper surface of the resistor, or the entire wiring layer to be formed includes a diffusion prevention layer. Also good.

さらに上記のいずれか1項に記載の圧力検出素子であって、前記Si半導体基板は、酸化シリコン絶縁層を含むSOI基板であり、前記抵抗体は、上記酸化シリコン絶縁層の直上に形成されてなる圧力検出素子とすると良い。   Further, in the pressure detection element according to any one of the above, the Si semiconductor substrate is an SOI substrate including a silicon oxide insulating layer, and the resistor is formed immediately above the silicon oxide insulating layer. It is preferable to use a pressure detecting element.

本件発明の圧力検出素子では、SOI基板を用い、抵抗体は、酸化シリコン絶縁層の直上に形成されている。このため、抵抗体と他の回路との絶縁抵抗が、高温下で低下することが防止され、高温下でも動作可能である。
したがって、特に、配線層を薄くできたことと相俟って、高温下での応力による、配線層の剥がれや割れを防止して、信頼性の高い圧力検出素子とすることができる。
In the pressure detection element of the present invention, an SOI substrate is used, and the resistor is formed immediately above the silicon oxide insulating layer. For this reason, it is prevented that the insulation resistance of a resistor and another circuit falls under high temperature, and it can operate | move under high temperature.
Therefore, in particular, coupled with the fact that the wiring layer can be made thin, it is possible to prevent peeling and cracking of the wiring layer due to stress under high temperature, and to provide a highly reliable pressure detecting element.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図1に、本実施形態に係る圧力検出素子100の構造を示す。また、図2に、この圧力検出素子100に用いるSi半導体基板110の縦断面を示す。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the structure of a pressure detection element 100 according to this embodiment. FIG. 2 shows a longitudinal section of the Si semiconductor substrate 110 used for the pressure detection element 100.

本実施形態の圧力検出素子100は、Si半導体基板110と、支持基板130,及び、バンプ140を備える。このうち、支持基板130は、アルミナからなるセラミック基板131と、これに形成された接続パッド132からなる。一方、Si半導体基板110は、SOI基板(Silicon On Insulator)であり、感圧抵抗体113等が形成された回路形成面110Cがセラミック基板131と対向するように配置され、パッド116P,117Pが、Auからなるバンプ140を介して、電気的及び機械的に、接続パッド132にフリップチップ接続されている。   The pressure detection element 100 of this embodiment includes a Si semiconductor substrate 110, a support substrate 130, and bumps 140. Among these, the support substrate 130 includes a ceramic substrate 131 made of alumina and connection pads 132 formed thereon. On the other hand, the Si semiconductor substrate 110 is an SOI substrate (Silicon On Insulator), and is arranged so that the circuit forming surface 110C on which the pressure sensitive resistor 113 and the like are formed faces the ceramic substrate 131, and the pads 116P and 117P are The connection pads 132 are flip-chip connected electrically and mechanically via bumps 140 made of Au.

この圧力検出素子100は、図1中に矢印で示すように、押圧力PPを受けると、Si半導体基板110が歪み、感圧抵抗体113の抵抗値が変化する。従って、この感圧抵抗体113に定電流を流している場合には、感圧抵抗体113の両端に生じる電圧が変化し、また、この感圧抵抗体113に定電圧を印加している場合には、感圧抵抗体113を流れる電流が変化する。これを検知することにより、押圧力PPの大きさを検知することができる。   When the pressure detecting element 100 receives a pressing force PP as shown by an arrow in FIG. 1, the Si semiconductor substrate 110 is distorted and the resistance value of the pressure sensitive resistor 113 changes. Accordingly, when a constant current is passed through the pressure-sensitive resistor 113, the voltage generated at both ends of the pressure-sensitive resistor 113 changes, and when a constant voltage is applied to the pressure-sensitive resistor 113. The current flowing through the pressure sensitive resistor 113 changes. By detecting this, the magnitude of the pressing force PP can be detected.

ついで、このSi半導体基板110について、図2を参照して詳述する。このSi半導体基板110は、前述したようにSOI基板であり、Siからなる厚さ525μmのSi支持層111上に、酸化シリコンからなる厚さ0.4μmの中間酸化膜層112が形成されている。この中間酸化膜層112直上には、厚さ0.4〜1.0μmの感圧抵抗体113、及び、感温抵抗体114が形成されている。これらは、Siにリン等をドープしたP型半導体であり、後述するように、面方位が(110)面またはこれと等価な面方位のSi活性層を、断面台形状にエッチングして形成してある。
このように、本実施形態の圧力検出素子100では、Si半導体基板110としてSOI基板を用い、感圧抵抗体113及び感温抵抗体114は、中間酸化膜層112(酸化シリコン絶縁層)の直上に形成されている。このため、これらの抵抗体113,114と他の回路との絶縁抵抗が、高温下で低下することが防止され、高温下でも動作可能である。
さらに、後述するように、配線層116を薄くできたことと相俟って、高温下での応力による、配線層116の剥がれや割れを防止して、信頼性の高い圧力検出素子100とすることができる。
Next, the Si semiconductor substrate 110 will be described in detail with reference to FIG. As described above, this Si semiconductor substrate 110 is an SOI substrate, and an intermediate oxide film layer 112 made of silicon oxide and having a thickness of 0.4 μm is formed on a Si support layer 111 made of Si and having a thickness of 525 μm. . A pressure sensitive resistor 113 and a temperature sensitive resistor 114 having a thickness of 0.4 to 1.0 μm are formed immediately above the intermediate oxide film layer 112. These are P-type semiconductors in which Si is doped with phosphorus or the like. As will be described later, an Si active layer having a (110) plane or equivalent plane orientation is etched into a trapezoidal cross section. It is.
Thus, in the pressure detection element 100 of the present embodiment, an SOI substrate is used as the Si semiconductor substrate 110, and the pressure sensitive resistor 113 and the temperature sensitive resistor 114 are directly above the intermediate oxide film layer 112 (silicon oxide insulating layer). Is formed. For this reason, the insulation resistance between these resistors 113 and 114 and other circuits is prevented from decreasing at a high temperature and can operate at a high temperature.
Further, as will be described later, coupled with the fact that the wiring layer 116 can be thinned, the peeling and cracking of the wiring layer 116 due to stress under high temperature can be prevented, and a highly reliable pressure detecting element 100 can be obtained. be able to.

このうち、感圧抵抗体113は、<110>方向に延びる部位を主とする形態とされている。具体的には、複数本の<110>方向に延びる部位を列置し、これらの端部同士を短い接続部で接続して、一本のジグザグ状の形態とした感圧抵抗体である。なお、長い一本の<110>方向に延びる部位を有する感圧抵抗体としても良い。この感圧抵抗体113に、自身が<110>方向に伸縮する応力が掛かると、ピエゾ抵抗効果によって、自身の抵抗値が変化する。
一方、感温抵抗体114は、<100>方向に延びる部位を主とする形態とされているため、この感温抵抗体114に応力が掛かっても、ピエゾ抵抗効果がほとんど生じないので、自身の抵抗値はほとんど変化しないように構成されている。但し、この感温抵抗体114は、自身(Si半導体基板110)の温度によって抵抗値が変化する。このため、その抵抗値から、感温抵抗体114自身のさらにはSi半導体基板110の温度を知ることができる。なお、感温抵抗体114の形態は、複数本の<100>方向に延びる部位を列置し、これらの端部同士を短い接続部で接続して、一本のジグザグ状の形態とした感温抵抗体である。なお、長い一本の<100>方向に延びる部位を有する感温抵抗体としても良い。
Of these, the pressure-sensitive resistor 113 is mainly configured to extend in the <110> direction. Specifically, it is a pressure-sensitive resistor in which a plurality of portions extending in the <110> direction are arranged and these end portions are connected by a short connecting portion to form a single zigzag shape. In addition, it is good also as a pressure-sensitive resistor which has one long site | part extended in <110> direction. When the pressure sensitive resistor 113 is subjected to stress that expands and contracts in the <110> direction, the resistance value of the pressure sensitive resistor 113 changes due to the piezoresistive effect.
On the other hand, since the temperature sensitive resistor 114 is mainly configured to have a portion extending in the <100> direction, even if stress is applied to the temperature sensitive resistor 114, the piezoresistive effect hardly occurs. The resistance value is configured to hardly change. However, the resistance value of the temperature sensitive resistor 114 changes depending on the temperature of itself (Si semiconductor substrate 110). For this reason, the temperature of the temperature sensitive resistor 114 itself and further the temperature of the Si semiconductor substrate 110 can be known from the resistance value. The temperature-sensitive resistor 114 has a single zigzag shape in which a plurality of portions extending in the <100> direction are arranged and these end portions are connected by a short connection portion. It is a temperature resistor. In addition, it is good also as a temperature sensitive resistor which has one long site | part extended in <100> direction.

さらに、中間酸化膜層112、感圧抵抗体113及び感温抵抗体114上には、SiO2からなる絶縁層115が形成されて、これらを覆っている。
但し、この絶縁層115の所定部位には、第1コンタクトホール115Cが穿孔されている。このため、感圧抵抗体113の上面113Uのうち、この感圧抵抗体113の端部付近の所定部位が、具体的には、感圧抵抗体113の上面113Uのうち、後述する配線層116と接続する接続面113Uaが、第1コンタクトホール115C内に露出している。
同様に、この絶縁層115の所定位置には、第2コンタクトホール115Dが穿孔されている。このため、感温抵抗体114の上面114Uのうち、この感温抵抗体114の端部付近の所定部位が、具体的には、感温抵抗体114の上面114Uのうち、配線層117と接続する接続面114Uaが、第2コンタクトホール115D内に露出している。
Further, an insulating layer 115 made of SiO 2 is formed on the intermediate oxide film layer 112, the pressure sensitive resistor 113, and the temperature sensitive resistor 114 to cover them.
However, a first contact hole 115 </ b> C is formed in a predetermined portion of the insulating layer 115. Therefore, a predetermined portion near the end of the pressure-sensitive resistor 113 in the upper surface 113U of the pressure-sensitive resistor 113, specifically, a wiring layer 116 described later in the upper surface 113U of the pressure-sensitive resistor 113 is used. The connection surface 113Ua that connects to is exposed in the first contact hole 115C.
Similarly, a second contact hole 115 </ b> D is drilled at a predetermined position of the insulating layer 115. Therefore, a predetermined portion of the upper surface 114U of the temperature sensitive resistor 114 near the end of the temperature sensitive resistor 114 is specifically connected to the wiring layer 117 of the upper surface 114U of the temperature sensitive resistor 114. The connecting surface 114Ua to be exposed is exposed in the second contact hole 115D.

第1コンタクトホール115Cは、概略、接続面113Ua側に向かってすぼむ先細のテーパ形状(円錐台形状)とされている。詳細には、途中に、感圧抵抗体113の上面113Uに平行なリング状の平面部115CPと、これを挟む2つの斜面部115CS1,115CS2とからなる2段形状(2段の円錐台形状)とされている。
この第1コンタクトホール115Cの内周面のうち、周方向の一部には、図2及び図7に示すように、この第1コンタクトホール115Cから、絶縁層115のうちこの第1コンタクトホール115C周囲の頂面115T1を越えて、絶縁層115上に延びる、Pt等からなる配線層116が形成されている。
従って、この実施形態においては、絶縁層115は、第1コンタクトホール115Cのうち、配線層116が接する配線層形成部位115CWを含む内周面全体が、2つの斜面部115CS1,115CS2と、この隣り合う2つの斜面部115CS1,115CS2の間に位置し、感圧抵抗体113の上面113Uに平行な1つの平面部115CPと、を有する2段形状とされてなる。しかも、2つの斜面部115CS1,115CS2は、感圧抵抗体113の上面113Uに直交する第1方向DD1について上面113Uから離れるほど、即ち、図2中上方ほど、上面113に平行な第2方向DD2について、上面113のうち第1コンタクトホール115Cに露出する接続面113Uaから離れる形態とされている。
The first contact hole 115C has a generally tapered shape (conical frustum shape) that is recessed toward the connection surface 113Ua. Specifically, a two-stage shape (two-stage truncated cone shape) including a ring-shaped flat surface portion 115CP parallel to the upper surface 113U of the pressure-sensitive resistor 113 and two inclined surface portions 115CS1 and 115CS2 sandwiching the ring-shaped flat surface portion 115CP. It is said that.
As shown in FIGS. 2 and 7, a part of the inner peripheral surface of the first contact hole 115C in the circumferential direction extends from the first contact hole 115C to the first contact hole 115C in the insulating layer 115. A wiring layer 116 made of Pt or the like extending over the insulating layer 115 beyond the surrounding top surface 115T1 is formed.
Therefore, in this embodiment, the insulating layer 115 has the entire inner peripheral surface including the wiring layer forming portion 115CW in contact with the wiring layer 116 in the first contact hole 115C and the two inclined portions 115CS1 and 115CS2. The two-step shape having one plane portion 115CP which is located between the two slope portions 115CS1 and 115CS2 and which is parallel to the upper surface 113U of the pressure-sensitive resistor 113 is formed. Moreover, the two slope portions 115CS1 and 115CS2 are separated from the top surface 113U in the first direction DD1 orthogonal to the top surface 113U of the pressure sensitive resistor 113, that is, in the second direction DD2 parallel to the top surface 113 in the upper direction in FIG. The upper surface 113 is separated from the connection surface 113Ua exposed to the first contact hole 115C.

絶縁層115の第1コンタクトホール115C、及び、配線層116について、図7を参照して、さらに詳細に説明する。
第1コンタクトホール115Cの配線層形成部位115CWに形成された配線層116の、第1方向DD1(図中上下方向)の寸法を、配線層116の厚みTh(本実施形態では、Th=0.4μm)とする。また、感圧抵抗体113の上面113Uから、第1コンタクトホール115C周囲の頂面115T1までの、第1方向DD1の寸法を、絶縁層115の全段差Dz(本実施形態では、Dz=0.6μm)とする。
The first contact hole 115C of the insulating layer 115 and the wiring layer 116 will be described in more detail with reference to FIG.
The dimension of the wiring layer 116 formed in the wiring layer forming portion 115CW of the first contact hole 115C in the first direction DD1 (vertical direction in the figure) is the thickness Th of the wiring layer 116 (Th = 0.0 in this embodiment). 4 μm). Further, the dimension in the first direction DD1 from the upper surface 113U of the pressure-sensitive resistor 113 to the top surface 115T1 around the first contact hole 115C is the total step Dz of the insulating layer 115 (Dz = 0.0 in this embodiment). 6 μm).

この場合において、本実施形態では、配線層116の厚みThは、絶縁層115の全段差Dzの1.2倍より小さく(Th<1.2Dz)なっている。即ち、配線層116の厚みは、従来よりも薄くしてある。つまり、従来のコンタクトホールでは、断線が生じやすい薄さにしてある。   In this case, in the present embodiment, the thickness Th of the wiring layer 116 is smaller than 1.2 times the total step Dz of the insulating layer 115 (Th <1.2Dz). That is, the thickness of the wiring layer 116 is made thinner than before. In other words, the conventional contact hole is thin enough to cause disconnection.

一方、各々の斜面部115CS1,115CS2で形成される第1方向DD1の段差を、段差Ds1,Ds2としたとき(本実施形態では、Ds1=0.3μm、Ds2=0.3μm)、配線層116の厚みThは、これらの1.2倍よりも、それぞれ大きく(Th>1.2Ds1,Th>1.2Ds2)されている。即ち、各段差Ds1,Ds2についてみれば、配線層116の厚みThは、断線が生じにくい厚さにされている。   On the other hand, when the steps in the first direction DD1 formed by the inclined portions 115CS1 and 115CS2 are the steps Ds1 and Ds2 (Ds1 = 0.3 μm, Ds2 = 0.3 μm in this embodiment), the wiring layer 116 is used. The thickness Th of each is larger than these 1.2 times (Th> 1.2Ds1, Th> 1.2Ds2). That is, regarding the steps Ds1 and Ds2, the thickness Th of the wiring layer 116 is set to a thickness that hardly causes disconnection.

このため、各段差Ds1,Ds2との関係では、配線層116の厚みThを確保しつつ、全段差Dzとの関係では、従来に比して、厚みThを薄くできている。かくして、この第1コンタクトホール115Cにおける感圧抵抗体113の上面113Uと配線層116との接続を、確実に行うことができる。
しかも、配線層116の厚みThを薄くできるので、工数やコストを低減できる上、配線層116に生じる応力を低減できるので、残留応力による断線等の不具合も低減できる。
For this reason, the thickness Th of the wiring layer 116 is secured in relation to the respective steps Ds1 and Ds2, while the thickness Th can be made thinner than in the conventional case in relation to the entire step Dz. Thus, the connection between the upper surface 113U of the pressure-sensitive resistor 113 and the wiring layer 116 in the first contact hole 115C can be reliably performed.
In addition, since the thickness Th of the wiring layer 116 can be reduced, man-hours and costs can be reduced, and the stress generated in the wiring layer 116 can be reduced, so that problems such as disconnection due to residual stress can be reduced.

しかも、本実施形態では、第1コンタクトホール115Cのうち、平面部115CPにおける、第2方向DD2のうち接続面113Uaから離れる方向DD2H(図中左右方向)の寸法Lcが、Lc=5μmとされている。つまり、この平面部115CPの方向DD2Hの寸法Lcを、自身に連なる上段及び下段の斜面部115CS1,115CS2で形成される各段差Ds1,Ds2以上の大きさとしてある。
第1コンタクトホール115Cの平面部115CPの寸法Lcが小さいと、斜面部115CS1,115CS2同士の間に平面部115CPを設けて2段形状とした効果が低くなりがちである。即ち、平面部115CPの寸法Lcが小さいと、斜面部分が連続した形(1段の形状)に近くなり、斜面部115CS1,115CS2を複数設けた利点が小さくなりがちである。
これに対し、本実施形態の圧力検出素子100では、平面部115CPの寸法Lcを、各段差Ds1,Ds2に対して、大きく取っている、即ちLc>Ds1,Lc>Ds2としているので、配線層116の斜面部115CS1,115CS2に直交する方向DD3(図中、左上−右下方向)の膜厚が薄くなることが抑制され、配線層116の断線などの不具合を防止できる。
In addition, in the present embodiment, the dimension Lc in the direction DD2H (left and right direction in the drawing) of the first contact hole 115C in the plane portion 115CP away from the connection surface 113Ua in the second direction DD2 is Lc = 5 μm. Yes. That is, the dimension Lc in the direction DD2H of the flat surface portion 115CP is set to be larger than the steps Ds1 and Ds2 formed by the upper and lower slope portions 115CS1 and 115CS2 connected to the plane portion 115CP.
If the dimension Lc of the flat surface portion 115CP of the first contact hole 115C is small, the effect of providing the flat surface portion 115CP between the slope portions 115CS1 and 115CS2 and making it a two-stage shape tends to be low. That is, when the dimension Lc of the plane portion 115CP is small, the slope portion is close to a continuous shape (one-stage shape), and the advantage of providing a plurality of slope portions 115CS1 and 115CS2 tends to be small.
On the other hand, in the pressure detection element 100 of the present embodiment, the dimension Lc of the planar portion 115CP is set larger than the steps Ds1 and Ds2, that is, Lc> Ds1, Lc> Ds2, and therefore the wiring layer It is possible to prevent the film thickness in the direction DD3 (upper left-lower right direction in the figure) perpendicular to the slope portions 115CS1 and 115CS2 of the 116 from being reduced, and problems such as disconnection of the wiring layer 116 can be prevented.

なお、本実施形態では、図7に示すように、平面部115CPの寸法Lc(=5μm)を、段差Ds1(=0.3μm),Ds2(=0.3μm)に対し、その17倍程度とした。
このように、平面部115CPの寸法Lcを、段差Ds1,Ds2に対し、その五倍以上、例えば、Lc≧5Ds1,Lc≧5Ds2とするのが好ましい。配線層116に掛かる応力について、段差間の相互の影響を小さくできるからである。
In the present embodiment, as shown in FIG. 7, the dimension Lc (= 5 μm) of the flat portion 115CP is about 17 times the steps Ds1 (= 0.3 μm) and Ds2 (= 0.3 μm). did.
Thus, it is preferable that the dimension Lc of the plane portion 115CP is five times or more of the steps Ds1 and Ds2, for example, Lc ≧ 5Ds1, Lc ≧ 5Ds2. This is because the mutual influence between the steps can be reduced with respect to the stress applied to the wiring layer 116.

配線層116を形成するに当たっては、スパッタリングなどにより、第1方向DD1にPt等を堆積させて形成するので、斜面部115CS1,115CS2のなす角(例えば、α1,α2)が大きい場合、厚み(Th)の薄い配線層116を形成すると、斜面部115CS1,115CS2に直交する方向DD3に見たときの膜厚Tαが薄くなりすぎる虞がある。
これに対し、斜面部115CS1,115CS2が、感圧抵抗体113の上面113Uとなす角α1,α2を、45度以下としてある。具体的には、α1=30deg,α2=30degとしてある。これにより、斜面部115CS1,115CS2に直交する方向DD3について、配線層116の膜厚Tαが薄くなりすぎるのを防止できている。
The wiring layer 116 is formed by depositing Pt or the like in the first direction DD1 by sputtering or the like. Therefore, when the angles (eg, α1, α2) formed by the slope portions 115CS1 and 115CS2 are large, the thickness (Th When the thin wiring layer 116 is formed, the film thickness Tα when viewed in the direction DD3 perpendicular to the slope portions 115CS1 and 115CS2 may be too thin.
On the other hand, the angles α1 and α2 between the slope portions 115CS1 and 115CS2 and the upper surface 113U of the pressure-sensitive resistor 113 are set to 45 degrees or less. Specifically, α1 = 30 deg and α2 = 30 deg. Thereby, it is possible to prevent the film thickness Tα of the wiring layer 116 from becoming too thin in the direction DD3 orthogonal to the slope portions 115CS1 and 115CS2.

また、本実施形態においては、前述したように、感圧抵抗体113のほか、感温抵抗体114も形成したが、この感温抵抗体114と配線層117との接続のための第2コンタクトホール115Dについても、第1コンタクトホール115Cと同様の形態に形成してある。即ち、図2に示すように、配線層117及び第2コンタクトホール115Dの形状は、配線層116及び第1コンタクトホール115Cの形状と、同様である(図2においては左右対称に描いてある)ので、図7を参照して説明する。   In the present embodiment, as described above, in addition to the pressure sensitive resistor 113, the temperature sensitive resistor 114 is also formed. However, the second contact for connecting the temperature sensitive resistor 114 and the wiring layer 117 is used. The hole 115D is also formed in the same form as the first contact hole 115C. That is, as shown in FIG. 2, the shapes of the wiring layer 117 and the second contact hole 115D are the same as the shapes of the wiring layer 116 and the first contact hole 115C (in FIG. 2, they are drawn symmetrically). A description will be given with reference to FIG.

第2コンタクトホール115Dの配線層形成部位115DWに形成された配線層117の厚みTh(第1方向DD1の寸法)は、配線層116と同じくTh=0.4μmである。また、絶縁層115の全段差Dz(感温抵抗体114の上面114Uから、第2コンタクトホール115D周囲の頂面115T2までの、第1方向DD1の寸法)は、前述したDz=0.6μmである。   The thickness Th (the dimension in the first direction DD1) of the wiring layer 117 formed in the wiring layer forming portion 115DW of the second contact hole 115D is Th = 0.4 μm, similarly to the wiring layer 116. Further, the total step Dz of the insulating layer 115 (the dimension in the first direction DD1 from the upper surface 114U of the temperature sensitive resistor 114 to the top surface 115T2 around the second contact hole 115D) is Dz = 0.6 μm described above. is there.

本実施形態では、配線層117の厚みThも、絶縁層115の全段差Dzの1.2倍より小さく(Th<1.2Dz)なっている。即ち、配線層116の厚みは、従来よりも薄くしてある。つまり、従来のコンタクトホールでは、断線が生じやすい薄さにしてある。   In the present embodiment, the thickness Th of the wiring layer 117 is also smaller than 1.2 times the total step Dz of the insulating layer 115 (Th <1.2Dz). That is, the thickness of the wiring layer 116 is made thinner than before. In other words, the conventional contact hole is thin enough to cause disconnection.

一方、各々の斜面部115DS1,115DS2で形成される第1方向DD1の段差を、段差Ds3,Ds4としたとき(本実施形態では、Ds3=0.3μm、Ds4=0.3μm)、配線層117の厚みThは、これらの1.2倍よりも、それぞれ大きく(Th>1.2Ds3,Th>1.2Ds4)されている。即ち、各段差Ds3,Ds4についてみれば、配線層117の厚みThは、断線が生じにくい厚さにされている。   On the other hand, when the steps in the first direction DD1 formed by the slopes 115DS1 and 115DS2 are steps Ds3 and Ds4 (in this embodiment, Ds3 = 0.3 μm, Ds4 = 0.3 μm), the wiring layer 117 The thickness Th of each is larger than these 1.2 times (Th> 1.2Ds3, Th> 1.2Ds4). In other words, regarding each of the steps Ds3 and Ds4, the thickness Th of the wiring layer 117 is set to a thickness that hardly causes disconnection.

このため、各段差Ds3,Ds4との関係では、配線層117の厚みThを確保しつつ、全段差Dzとの関係では、従来に比して、厚みThを薄くできている。かくして、この第2コンタクトホール115Dにおける感温抵抗体114の上面114Uと配線層117との接続をも、確実に行うことができる。
しかも、配線層117の厚みThを薄くできるので、工数やコストを低減できる上、配線層117に生じる応力を低減できるので、残留応力による断線等の不具合も低減できる。
For this reason, the thickness Th of the wiring layer 117 is ensured in the relationship with the steps Ds3 and Ds4, while the thickness Th is reduced in the relationship with the entire step Dz as compared with the conventional case. Thus, the connection between the upper surface 114U of the temperature-sensitive resistor 114 and the wiring layer 117 in the second contact hole 115D can be reliably performed.
In addition, since the thickness Th of the wiring layer 117 can be reduced, man-hours and costs can be reduced, and stress generated in the wiring layer 117 can be reduced, so that problems such as disconnection due to residual stress can be reduced.

しかも、本実施形態では、第2コンタクトホール115Dのうち、平面部115DPにおける、第2方向DD2のうち接続面114Uaから離れる方向DD2H(図中左右方向)の寸法Lが、Ld=5μmとされている。つまり、この平面部115DPの方向DD2Hの寸法Ldを、自身に連なる上段及び下段の斜面部115DS1,115DS2で形成される各段差Ds3,Ds4以上の大きさとしてある。
このため、配線層117の斜面部115DS1,115DS2に直交する方向DD3(図中、左上−右下方向)の膜厚が薄くなることが抑制され、配線層117の断線などの不具合を防止できる。
Moreover, in the present embodiment, the dimension L of the second contact hole 115D in the direction DD2H (the left-right direction in the drawing) away from the connection surface 114Ua in the second direction DD2 in the planar portion 115DP is Ld = 5 μm. Yes. That is, the dimension Ld in the direction DD2H of the flat portion 115DP is set to be larger than the steps Ds3 and Ds4 formed by the upper and lower slope portions 115DS1 and 115DS2 connected to the plane portion 115DP.
For this reason, it is possible to prevent the film thickness in the direction DD3 (upper left-lower right direction in the figure) perpendicular to the slopes 115DS1 and 115DS2 of the wiring layer 117 from being reduced, and problems such as disconnection of the wiring layer 117 can be prevented.

とくに、平面部115DPの寸法Lを、段差Ds3,Ds4に対し、その五倍以上、例えば、Ld≧5Ds3,Ld≧5Ds4とするのが好ましい。配線層117に掛かる応力について、段差間の相互の影響を小さくできるからである。   In particular, it is preferable that the dimension L of the flat surface portion 115DP is five times as large as the steps Ds3 and Ds4, for example, Ld ≧ 5Ds3, Ld ≧ 5Ds4. This is because the mutual influence between the steps can be reduced with respect to the stress applied to the wiring layer 117.

また、斜面部115DS1,115DS2が、感温抵抗体114の上面114Uとなす角α3,α4を、45度以下の、α3=30deg,α4=30degとしてある。これにより、斜面部115DS1,115DS2に直交する方向DD3について、配線層117の膜厚Tαが薄くなりすぎるのを防止できている。   Further, the angles α3 and α4 formed by the slope portions 115DS1 and 115DS2 with the upper surface 114U of the temperature-sensitive resistor 114 are set to α3 = 30 deg and α4 = 30 deg that are 45 degrees or less. Thereby, it is possible to prevent the film thickness Tα of the wiring layer 117 from becoming too thin in the direction DD3 orthogonal to the slope portions 115DS1 and 115DS2.

ついで、本実施形態の圧力検出装置100の製造について説明する。なお、Si半導体基板110の製造において、感圧抵抗体113のほか、感温抵抗体114も形成するのであるが、形成する配線パターン(延びる方向)が異なるのみで、同じ製造手法で、配線パターンを異ならせることで2つを作り分ける。従って、以下では、Si半導体基板110に感圧抵抗体113を作り込む手法を主として説明することとし、感温抵抗体114の製造手法は省略することがある。   Next, manufacture of the pressure detection device 100 of the present embodiment will be described. In the manufacture of the Si semiconductor substrate 110, the temperature sensitive resistor 114 is formed in addition to the pressure sensitive resistor 113, but the wiring pattern (extending direction) to be formed is different, and the same manufacturing method is used. Make two differently by making different. Therefore, in the following, a method for forming the pressure sensitive resistor 113 in the Si semiconductor substrate 110 will be mainly described, and a method for manufacturing the temperature sensitive resistor 114 may be omitted.

先ず、Si半導体基板110の製造について、図3〜図6を参照して説明する。図3(a)に示すように、ウェハ120として、SiからなるSi支持層111(厚さ525μm)上に、中間酸化膜層112(厚さ0.4μm)を介して、p型のSiからなるSi活性層121(厚さ0.4μm)が積層されたものを用意する。なお、このSi活性層121の表面121Sは、結晶面の(100)面とされている。   First, the manufacture of the Si semiconductor substrate 110 will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 3A, the wafer 120 is made of p-type Si via an intermediate oxide film layer 112 (thickness 0.4 μm) on a Si support layer 111 (thickness 525 μm) made of Si. A layer in which an Si active layer 121 (thickness 0.4 μm) is stacked is prepared. The surface 121S of the Si active layer 121 is the (100) plane of the crystal plane.

そこで、図3(b)に示すように、Si活性層121の所定位置に不純物(P)をドープして、このSi活性層121内に、前述した、ジグザグの所定パターンを有する感圧抵抗体113及び感温抵抗体114を形成する。なお、感圧抵抗体113については、不純物濃度を5×10-17 cm-1とし、感温抵抗体114については、不純物濃度を7×10-19 cm-1とし、ドープ後、活性化のため、1000℃×30分、アニールを施した。
その後、不要なSi活性層121を、RIEにより除去して、中間酸化膜層112上に感圧抵抗体113及び感温抵抗体114を残す(図3(c)参照)。
Therefore, as shown in FIG. 3B, a predetermined position of the Si active layer 121 is doped with an impurity (P), and the Si active layer 121 has the aforementioned zigzag predetermined pattern in the pressure sensitive resistor. 113 and temperature sensitive resistor 114 are formed. The pressure-sensitive resistor 113 has an impurity concentration of 5 × 10 −17 cm −1 , and the temperature-sensitive resistor 114 has an impurity concentration of 7 × 10 −19 cm −1 and is activated after doping. Therefore, annealing was performed at 1000 ° C. for 30 minutes.
Thereafter, the unnecessary Si active layer 121 is removed by RIE, leaving the pressure-sensitive resistor 113 and the temperature-sensitive resistor 114 on the intermediate oxide film layer 112 (see FIG. 3C).

ついで、中間酸化膜層112上、感圧抵抗体113及び感温抵抗体114を覆うように、PE−SiO2からなる、厚さ0.5μmの絶縁膜115を形成する(図3(d)参照)。 Next, an insulating film 115 made of PE-SiO 2 and having a thickness of 0.5 μm is formed on the intermediate oxide film layer 112 so as to cover the pressure sensitive resistor 113 and the temperature sensitive resistor 114 (see FIG. 3D). ).

その後、図4(a)に示すように、絶縁膜115のうち、感圧抵抗体113の上面113U上の所定位置に、この上面113U(接続面113Ua)が露出する第1コンタクトホール115Cを形成する。同様に、感温抵抗体114の上面114U上の所定位置に、上面114U(接続面114Ua)が露出する第2コンタクトホール115Dを形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 4A, a first contact hole 115C in which the upper surface 113U (connection surface 113Ua) is exposed is formed at a predetermined position on the upper surface 113U of the pressure sensitive resistor 113 in the insulating film 115. To do. Similarly, a second contact hole 115D in which the upper surface 114U (connection surface 114Ua) is exposed is formed at a predetermined position on the upper surface 114U of the temperature sensitive resistor 114.

この第1コンタクトホール115Cの形成について、図5,図6を参照して説明する。
先ず、絶縁層115の表面115S上に、第1レジスト膜R1を形成し、露光現像して、第1,第2コンタクトホール115C,115Dを形成する位置に、第1開口OR1を開口させる。その後、第1開口OR1内に露出する絶縁層115をエッチングして、凹み115Rを形成する。この際、凹み115Rの深さは、絶縁層115の厚みの半分程度、具体的には、形成する斜面部115CS2,115DS2の段差Ds2,Ds4の深さとする。
なお、エッチング液の回り込みにより、凹み115Rの外径は、第1開口OR1よりも大きくなる。
The formation of the first contact hole 115C will be described with reference to FIGS.
First, a first resist film R1 is formed on the surface 115S of the insulating layer 115, exposed and developed, and a first opening OR1 is opened at a position where the first and second contact holes 115C and 115D are formed. Thereafter, the insulating layer 115 exposed in the first opening OR1 is etched to form a recess 115R. At this time, the depth of the recess 115R is about half the thickness of the insulating layer 115, specifically, the depth of the steps Ds2 and Ds4 of the slopes 115CS2 and 115DS2 to be formed.
Note that the outer diameter of the recess 115R becomes larger than the first opening OR1 due to the etching solution.

ついで、第1レジスト膜R1を除去し、再び、絶縁層115の表面115S上に、第2レジスト膜R2を形成し、露光現像して、第1,第2コンタクトホール115C,115Dを形成する位置に、第2開口OR2を開口させる。第2レジスト膜R2は、先に形成した凹み115Rの表面まで覆っており、第2開口OR2は、この凹み115Rの底面115RTの一部が露出するように開口させる。その後、第2開口OR2内に露出する絶縁層115を、感圧抵抗体113の上面113Uのうち、接続面113Uaが露出するまで、及び、感温抵抗体114の上面114Uのうち、接続面114Uaが露出するまで、エッチングする。かくして、2段形状の第1,第2コンタクトホール115C,115Dをそれぞれ形成する(図4(a)参照)。これら第1,第2コンタクトホール115C,115Dの形態については、前述した。   Next, the first resist film R1 is removed, and the second resist film R2 is formed again on the surface 115S of the insulating layer 115, exposed and developed, and the first and second contact holes 115C and 115D are formed. Then, the second opening OR2 is opened. The second resist film R2 covers the surface of the previously formed recess 115R, and the second opening OR2 is opened so that a part of the bottom surface 115RT of the recess 115R is exposed. Thereafter, the insulating layer 115 exposed in the second opening OR2 is connected to the connection surface 114Ua of the upper surface 113U of the pressure-sensitive resistor 113 until the connection surface 113Ua is exposed and of the upper surface 114U of the temperature-sensitive resistor 114. Etch until exposed. Thus, two-stage first and second contact holes 115C and 115D are formed (see FIG. 4A). The forms of the first and second contact holes 115C and 115D have been described above.

その後、第2レジスト層を除去する。さらに、次述する配線層116,117との接続抵抗を低下させるべく、第1,第2コンタクトホール115C,115Dから露出する接続面113Ua,114Ua上に、スパッタリングによってPtを100nm堆積させ、アニールして、PtSi化合物からなる接続層119を形成する(図4(b)参照)。   Thereafter, the second resist layer is removed. Further, in order to lower the connection resistance with the wiring layers 116 and 117 described below, Pt is deposited to 100 nm by sputtering on the connection surfaces 113Ua and 114Ua exposed from the first and second contact holes 115C and 115D, and annealed. Thus, a connection layer 119 made of a PtSi compound is formed (see FIG. 4B).

ついで、絶縁層115の表面115S、及び、第1,第2コンタクトホール115C,115D内の所定位置、及び、接続面113Ua,114Ua上(接続層119上)に、配線層116,117を形成する。具体的には、スパッタリングにより、Ti(0.02μm)、TiN(0.2μm)、Pt(0.4μm)の3層をこの順に堆積させて、配線層116,117を形成する(図4(c)参照)。このうち、TiNからなる層は、その上に堆積させたPtが感圧抵抗体113,感温抵抗体114中に拡散するのを防止する拡散防止層116D,117Dである。この拡散防止層116D,117Dにより、感圧抵抗体の抵抗変化や、配線層と感圧抵抗体との接続部位で破断することが防止できる。   Next, wiring layers 116 and 117 are formed on the surface 115S of the insulating layer 115, predetermined positions in the first and second contact holes 115C and 115D, and the connection surfaces 113Ua and 114Ua (on the connection layer 119). . Specifically, three layers of Ti (0.02 μm), TiN (0.2 μm), and Pt (0.4 μm) are deposited in this order by sputtering to form the wiring layers 116 and 117 (see FIG. 4C). ). Among these layers, the layers made of TiN are diffusion prevention layers 116D and 117D for preventing Pt deposited thereon from diffusing into the pressure sensitive resistor 113 and the temperature sensitive resistor 114. The diffusion prevention layers 116D and 117D can prevent a change in resistance of the pressure sensitive resistor and breakage at the connection portion between the wiring layer and the pressure sensitive resistor.

さらに、絶縁層115の表面115S上、配線層116,117のパッド116P,117Pを除く全体に、PE−SiO2からなる保護膜118を形成し、図2に示すSi半導体基板110が完成する。   Further, a protective film 118 made of PE-SiO2 is formed on the surface 115S of the insulating layer 115 on the entire surface except the pads 116P and 117P of the wiring layers 116 and 117, thereby completing the Si semiconductor substrate 110 shown in FIG.

その後、このSi半導体基板110のパッド116P,117Pを、セラミック基板131の接続パッド132に、Auからなるバンプ140でフリップチップ接続させて、圧力検出素子100が完成する。
なお、以上の説明において示した各部の寸法の値と、図面に記載の形態とが合致していない場合がある。各図面に記載の形態は参考であり、各部の実際の形態や寸法関係を規定するものではない。
Thereafter, the pads 116P and 117P of the Si semiconductor substrate 110 are flip-chip connected to the connection pads 132 of the ceramic substrate 131 by the bumps 140 made of Au, thereby completing the pressure detecting element 100.
In addition, the value of the dimension of each part shown in the above description and the form described in the drawings may not match. The form described in each drawing is a reference, and does not define the actual form or dimensional relationship of each part.

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態においては、感圧抵抗体113について、第1コンタクトホール115Cの全周に亘り、2つの斜面部115CS1,115CS2及び平面部115CPを形成したものを示した。感温抵抗体114についても同様にした。
しかし、コンタクトホールのうち、少なくとも、配線層が接して形成される配線層形成部位について、複数段形状としていればよい。従って、コンタクトホールのうち、配線層形成部のみが複数段形状とされ、他の部位は、筒状あるいは一段の斜面形状とされていても良いし、コンタクトホールの全周について、複数段形状となっていても良い。
In the above, the present invention has been described with reference to the embodiment. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that the present invention can be appropriately modified and applied without departing from the gist thereof. .
For example, in the embodiment, the pressure-sensitive resistor 113 is shown in which two slope portions 115CS1 and 115CS2 and a plane portion 115CP are formed over the entire circumference of the first contact hole 115C. The same applies to the temperature-sensitive resistor 114.
However, it is sufficient that at least a wiring layer forming portion formed in contact with the wiring layer in the contact hole has a multi-stage shape. Therefore, in the contact hole, only the wiring layer forming part may be formed in a plurality of steps, and the other part may be formed in a cylindrical shape or a one-step inclined shape. It may be.

また、実施形態においては、第1コンタクトホール115Cとして、2つの斜面部115CS1,115CS2及び平面部115CPを形成した、2段形状のものを示した。
しかし、3段以上の多段形状としても良い。
In the embodiment, the first contact hole 115C has a two-stage shape in which two slope portions 115CS1 and 115CS2 and a plane portion 115CP are formed.
However, it may be a multi-stage shape having three or more stages.

さらに、実施形態においては、1つのSi半導体基板110に、1つの感圧抵抗体113、1つの感温抵抗体114とを形成したものを例示したが、1つのSi半導体基板内に、複数の感圧抵抗体を形成しても良く、また、その場合に、一部の感圧抵抗体について、その延びる方向を、他の感圧抵抗体と異ならせても良い。また、単数あるいは複数の圧力検出素子(Si半導体基板)の4つ以上の感圧抵抗体を用いて、ホイートストンブリッジを構成して、Si半導体基板に受けた応力に応じた差電圧を得るようにしても良い。また、ブリッジ回路など、複数の感圧抵抗体を協働させて用いるには、応力に対して各感圧抵抗体が異なる挙動を示すように、配置や感圧抵抗体の延びる方向などのパターンを考慮すると良い。
また、前述の実施形態では、感圧抵抗体113にも感温抵抗体114にも、多段形状のコンタクトホール115C,115Dを形成した例を示した。しかし、感圧抵抗体のコンタクトホールのみ多段形状とする、あるいは逆に、感温抵抗体のコンタクトホールのみ多段形状としても良い。
Furthermore, in the embodiment, an example in which one pressure-sensitive resistor 113 and one temperature-sensitive resistor 114 are formed on one Si semiconductor substrate 110 is illustrated. A pressure sensitive resistor may be formed, and in that case, the extending direction of some pressure sensitive resistors may be different from other pressure sensitive resistors. In addition, a Wheatstone bridge is configured using four or more pressure-sensitive resistors of one or a plurality of pressure detecting elements (Si semiconductor substrates) so as to obtain a differential voltage corresponding to the stress applied to the Si semiconductor substrate. May be. In addition, in order to use a plurality of pressure sensitive resistors in cooperation with each other, such as a bridge circuit, a pattern such as an arrangement or a direction in which the pressure sensitive resistors extend so that each pressure sensitive resistor behaves differently with respect to stress. It is good to consider.
In the above-described embodiment, the example in which the multi-stage contact holes 115C and 115D are formed in the pressure-sensitive resistor 113 and the temperature-sensitive resistor 114 has been described. However, only the contact holes of the pressure sensitive resistor may be multi-staged, or conversely, only the contact holes of the temperature sensitive resistor may be multi-staged.

実施形態に係る圧力検出素子の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the pressure detection element which concerns on embodiment. 実施形態に係る圧力検出素子のうち、Si半導体基板の断面図である。It is sectional drawing of Si semiconductor substrate among the pressure detection elements which concern on embodiment. 実施形態に係り、Si半導体基板の製造工程のうち、SOI基板について、抵抗体上にSi酸化膜を形成する工程までを説明する説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a process up to a process of forming a Si oxide film on a resistor for an SOI substrate in the manufacturing process of a Si semiconductor substrate according to the embodiment. 実施形態に係り、Si半導体基板の製造工程のうち、コンタクトホールの形成及び配線層の形成の工程を説明する説明図である。It is explanatory drawing which concerns on embodiment and explains the process of formation of a contact hole and formation of a wiring layer among manufacturing processes of a Si semiconductor substrate. 実施形態に係り、Si半導体基板の製造工程のうち、2段形状のコンタクトホールを形成する工程のうち、上段を形成する工程を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the process of forming an upper stage among the processes of forming a two-stage contact hole among manufacturing processes of a Si semiconductor substrate according to the embodiment. 実施形態に係り、Si半導体基板の製造工程のうち、2段形状のコンタクトホールを形成する工程のうち、下段を形成する工程を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the process of forming a lower step among the processes of forming a two-stage contact hole among manufacturing processes of a Si semiconductor substrate according to the embodiment. 実施形態に係り、2段形状のコンタクトホールと配線層の形状及び寸法関係を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the shape and dimensional relationship of a two-stage contact hole and a wiring layer concerning embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

100 圧力検出素子
110 Si半導体基板(SOI基板)
110C 回路形成面
113 感圧抵抗体
113U (感圧抵抗体の)上面
113Ua (上面のうち)接続面
114 感温抵抗体
114U (感温抵抗体の)上面
114Ua (上面のうち)接続面
115 絶縁層
115S (絶縁層の)表面
115C (絶縁層に形成した感圧抵抗体との)第1コンタクトホール(コンタクトホール)
115CW (第1コンタクトホールの)配線層形成部位
115CS1,115CS2 斜面部
115CP 平面部
115T1 (絶縁層のうち第1コンタクトホール周囲の)頂面
115D (絶縁層に形成した感温抵抗体との)第2コンタクトホール
115DS1,115DS2 斜面部
115DP 平面部
115T2 (絶縁層のうち第2コンタクトホール周囲の)頂面
116,117 配線層
116D,117D 拡散防止層
119 接続層
120 ウェハ
121 Si活性層
121S (Si活性層の)表面
131 セラミック基板
132 接続パッド
DD1 第1方向
DD2 第2方向
DD2H 第2方向のうち接続面から離れる方向
DD3 斜面部に直交する方向
Dz 全段差
Ds1,Ds2,Ds3,Ds4 各斜面部の段差
Th 配線層の厚み
Lc,Ld 平面部の接続面開口から離れる方向の寸法
α1,α2,α3,α4 斜面部が抵抗体の上面となす角
Tα 配線層の斜面部直交する方向に見たときの膜厚
100 Pressure sensing element 110 Si semiconductor substrate (SOI substrate)
110C Circuit forming surface 113 Pressure sensitive resistor 113U (Pressure sensitive resistor) upper surface 113Ua (Of upper surface) Connection surface 114 Temperature sensitive resistor 114U (Temperature sensitive resistor) Upper surface 114Ua (Of upper surface) Connection surface 115 Insulation Layer 115S (insulating layer) surface 115C (with pressure sensitive resistor formed in insulating layer) first contact hole (contact hole)
115CW (first contact hole) wiring layer forming portion 115CS1, 115CS2 slope 115CP flat portion 115T1 top surface 115D (around the first contact hole of the insulating layer) first surface (with temperature sensitive resistor formed in the insulating layer) 2 Contact holes 115DS1, 115DS2 Slope portion 115DP Plane portion 115T2 Top surface 116, 117 Wiring layer 116D, 117D Diffusion prevention layer 119 Connection layer 120 Wafer 121 Si active layer 121S (Si active) Surface 131 of the layer Ceramic substrate 132 Connection pad DD1 First direction DD2 Second direction DD2H Direction away from the connection surface among the second directions DD3 Direction perpendicular to the slope Dz All steps Ds1, Ds2, Ds3, Ds4 Step Th Thickness of wiring layer Lc, Ld Dimension α1 away from part of the connecting surface opening, α2, α3, thickness when α4 slope portion is viewed in a direction slant portion perpendicular top and angle Tα wiring layer of the resistor

Claims (5)

感圧抵抗体と、
感温抵抗体
上記感圧抵抗体及び上記感温抵抗体それぞれの少なくとも一部を覆うと共に、上記感圧抵抗体及び上記感温抵抗体の少なくともいずれかの上面に届くコンタクトホールが穿孔された絶縁層と、
上記絶縁層上に形成され、上記コンタクトホールを介して、上記感圧抵抗体または上記感温抵抗体の上記上面に接続する配線層と、を有する
Si半導体基板を備える
圧力検出素子であって、
上記絶縁層で構成される上記コンタクトホールの少なくともいずれかは、
少なくとも、上記配線層が接して形成される配線層形成部位が、
上記配線層が接続する抵抗体の上記上面に直交する第1方向について上記上面から離れるほど、上記上面に平行な第2方向について上記上面のうち上記コンタクトホールに露出する接続面から離れる傾斜した形態とされた複数の斜面部と、
隣り合う2つの上記斜面部の間に位置し、上記抵抗体の上記上面に平行な平面部と、
を有する複数段形状とされてなり、
上記コンタクトホールの上記配線層形成部位に形成された上記配線層の、上記第1方向の寸法を、上記配線層の厚みとし、
上記絶縁層のうち、上記抵抗体の上記上面から、上記コンタクトホール周囲の頂面までの、上記第1方向の寸法を、上記絶縁層の全段差としたとき、
上記配線層の厚みは、
上記絶縁層の全段差の1.2倍より小さく、
各々の上記斜面部で形成される上記第1方向の段差の1.2倍よりも大きく
されてなることを特徴とする
圧力検出素子。
A pressure sensitive resistor,
Temperature-sensitive resistor Insulation in which a contact hole that covers at least a part of each of the pressure-sensitive resistor and the temperature-sensitive resistor and reaches the upper surface of at least one of the pressure-sensitive resistor and the temperature-sensitive resistor is formed Layers,
A pressure detecting element comprising a Si semiconductor substrate formed on the insulating layer and having a wiring layer connected to the top surface of the pressure sensitive resistor or the temperature sensitive resistor through the contact hole,
At least one of the contact holes formed of the insulating layer is
At least the wiring layer forming portion formed in contact with the wiring layer,
As the distance from the upper surface in the first direction orthogonal to the upper surface of the resistor to which the wiring layer is connected is increased, the inclined surface is separated from the connection surface exposed to the contact hole in the upper surface in the second direction parallel to the upper surface. A plurality of sloped portions,
A plane portion located between two adjacent slope portions and parallel to the upper surface of the resistor;
A multi-stage shape having
The wiring layer formed at the wiring layer forming portion of the contact hole has a dimension in the first direction as a thickness of the wiring layer,
Among the insulating layers, when the dimension in the first direction from the upper surface of the resistor to the top surface around the contact hole is the entire step of the insulating layer,
The thickness of the wiring layer is as follows:
Less than 1.2 times the total step of the insulating layer,
A pressure detecting element, wherein the pressure detecting element is made larger than 1.2 times the step in the first direction formed by each of the slope portions.
請求項1に記載の圧力検出素子であって、
前記平面部における、前記第2方向のうち前記接続面から離れる方向の寸法が、自身に連なる上段及び下段の前記斜面部で形成される各段差以上の大きさである
圧力検査素子。
The pressure detection element according to claim 1,
The pressure inspection element in which the dimension in the direction away from the connection surface in the second direction in the plane portion is larger than each step formed by the upper and lower slope portions connected to itself.
請求項1または請求項2に記載の圧力検出素子であって、
前記斜面部が、前記抵抗体の前記上面となす角が、いずれも45度以下である
圧力検出素子。
The pressure detection element according to claim 1 or 2,
The pressure detection element in which the angle between the slope and the upper surface of the resistor is 45 degrees or less.
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の圧力検出素子であって、
前記配線層は、少なくとも、前記抵抗体の前記接続面との間に、導電性を有し、上記配線層中の成分が上記抵抗体中に拡散するのを抑制する拡散防止層を備える
圧力検出素子。
The pressure detection element according to any one of claims 1 to 3,
The wiring layer includes at least a diffusion prevention layer that has conductivity between the connection surface of the resistor and suppresses diffusion of components in the wiring layer into the resistor. element.
請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の圧力検出素子であって、
前記Si半導体基板は、酸化シリコン絶縁層を含むSOI基板であり、
前記抵抗体は、上記酸化シリコン絶縁層の直上に形成されてなる
圧力検出素子。
The pressure detection element according to any one of claims 1 to 4,
The Si semiconductor substrate is an SOI substrate including a silicon oxide insulating layer,
The resistor is a pressure detecting element formed immediately above the silicon oxide insulating layer.
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