JP2013156061A - Ｓｏｎ構造を有する物理量センサおよびその製造方法。 - Google Patents

Ｓｏｎ構造を有する物理量センサおよびその製造方法。 Download PDF

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Abstract

【課題】ＳＯＮ構造のダイアフラムの外周部からの熱応力を緩和し、さらに安価で高精度の物理量センサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】ＳＯＮ構造２２のダイアフラム７の外周部に応力緩和領域（トレンチ溝５）を設けることで、パッケージ８０とチップ２７との線膨張係数差によって発生する熱応力がダイアフラム７へ伝わることを緩和する効果と、被測定圧力Ｆによって発生する機械的応力を外周部に配置された電子回路１１へ伝わることを緩和することができる。その結果、高精度な物理量センサ１００とすることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、圧力センサや加速度センサなどのＳＯＮ構造を有する物理量センサおよびその製造方法に関する。
図７は、一般的な圧力センサ６００の全体の模式図である。圧力センサ６００は、パッケージ８０と、このパッケージ８０内の凹部８０ａに固定される半導体チップ８５と、半導体チップ８５と図示しない外部回路をボンディングワイヤ８２を介して接続し、パッケージ８０の一部である外部導出端子８１と、半導体チップ８５を被覆するゲル８３を備える。また、半導体チップ８５とパッケージ８０は接着剤８４で固定される。流体などの圧力（被測定圧力Ｆ）はゲル８３を介して半導体チップ８５に印加されて圧力測定が行なわれる。
また、特許文献１，３では、ダイアフラムの周囲に溝を形成し、応力のダイアフラムへの伝達を制御することが記載されている。
また、特許文献２では、円形状のダイアフラム１を支持させたフレームに窪みを形成し、また窪みからフレームの端部にわたる取出し部７を凹設する。窪み６の外周域のフレーム上面には取出し部に切れ目を有する円環状の封止溝を凹設する。封止溝及び取出し部には上端面がフレームより高くなった封止部をフッ素系樹脂などにより形成する。このフレーム上面にカバー３を重ね、陽極接合法により接合して圧力センサを作成する。カバーの内面に設けた接続配線は封止部に埋入され、封止部とカバーとは隙間なく圧着される。これによって、圧力室の気密性を高めることができることがすることが記載されている。この発明ではダイアフラムの周囲に形成される封止溝は環状に形成されている。
また、特許文献４では、シリコン等の半導体のセンサ素子のダイヤフラムの周囲に、厚肉部を介して、このダイヤフラムを囲むように薄肉部を一体に形成する。薄肉部の外側に、センサ素子の脚部が形成され、このセンサ素子が取り付けられる取付面に，脚部が接合されている。こうすることで、脚部からの応力が薄肉部に集中してダイアフラムに伝達されず、高精度な圧力センサにできることが記載されている。
また、特許文献５では、ＳＯＮ構造を用いて、半導体基板表面にダイアフラム等の圧力検出部を形成するのと同時に基準圧力室を形成して、製造工程が簡略化でき、低コスト化が可能で、機械的強度が強く、高精度の測定が可能な半導体センサ及びその製造方法を実現できることが記載されている。
また、特許文献６では、マイクロマシンセンサを製造する方法及びこの方法により製造されるセンサにおいて、半導体基板に複数の開口を設けることが提案される。これらの開口を半導体基板内に設けた後に熱処理が行われ、この熱処理では、基板の深部に設けられた中空室への開口が転移せしめたＳＯＮ構造で圧力センサを形成することが記載されている。
また、特許文献７では、バンプを形成する圧力センサにおいて、応力緩和のために、バンプに対応する領域に空洞を形成することが記載されている。
特表２００２−５３０６４１号公報 特開平７−２０９１７号公報 特開昭６３−１２２９２５号公報 特開平７−２８０６７９号公報 特許第３６２９１８５号公報 特表２００４−５３１８８２号公報 特開２００９−２６４９０５号公報
しかし、特許文献１〜４では、ダイアフラムはＳＯＮ構造で形成されていない。また、特許文献５,６ではＳＯＮ構造の外周部に応力緩和領域は形成されていない。さらに、特許文献７では、第２のＳＯＮ構造上に形成されるバンプからの機械的応力はダイアフラムに伝達するため、第２のＳＯＮ構造は応力緩和領域としての働きは小さい。
前記の特許文献１〜７では、ダイアフラムをＳＯＮ構造で形成し、このダイアフラムの外周部に応力緩和領域となるトレンチ溝やＳＯＮ構造を設けて圧力センサの精度を高めることについては記載されていない。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、ＳＯＮ構造のダイアフラムの外周部からの熱応力を緩和し、安価で高精度の物理量センサおよびその製造方法を提供することにある。
前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、半導体基板の表面層に配置され基準圧力室となるＳＯＮ（ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｎｏｔｈｉｎｇ）構造を構成する空洞と、該空洞上の前記ＳＯＮ構造を構成する半導体層からなるダイアフラムと、前記半導体基板の前記ダイアフラムの外周部に該ダイアフラムと離れて配置される圧力緩和領域と、前記ダイアフラムに配置されるホイートストンブリッジと、前記圧力緩和領域の外周部に配置される電子回路と、前記ホイートストンブリッジと前記電子回路を接続する接続配線とを具備する構成とする。
また、特許請求の範囲の請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記圧力緩和領域が、トレンチ溝であり、該トレンチ溝の平面形状が一部切れた箇所がある環状で、該一部切れた箇所上に前記ホイートストンブリッジと前記電子回路とを接続する前記接続配線を配置するとよい。
また、特許請求の範囲の請求項３記載の発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記圧力緩和領域が、前記ＳＯＮ構造を第１ＳＯＮ構造とし該第１ＳＯＮ構造の外周部に配置される第２ＳＯＮ構造であるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明において、前記第２ＳＯＮ構造の平面形状が、環状もしくは一部切れた箇所がある環状であるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発明において、前記物理量センサが、圧力センサもしくは加速度センサであるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項６に記載の発明によれば、前記請求項２もしくは前記請求項５のいずれか一項に記載のＳＯＮ構造を有する物理量センサの製造方法において、半導体ウェハの表面層にトレンチホール群と、該トレンチホール群の外周部に前記トレンチホール群と離して平面形状が一部切れた箇所がある環状のトレンチ溝を形成する工程と、アニールを施して、前記トレンチホール群のトレンチホールを変形させて、一つの大きな空洞を形成しＳＯＮ構造とする工程と、前記空洞上のダイアフラムとなる半導体層にホイートストンブリッジを形成し、前記トレンチ溝の外周部に電子回路を形成し、前記ホイートンブリッジと前記電子回路を接続する配線を前記環状の一部切れた前記箇所上に形成する工程と、を含む製造方法とする。
また、特許請求の範囲の請求項７に記載の発明によれば、請求項６に記載の発明において、前記トレンチホール群と前記トレンチ溝を同時に形成するとよい。
また、特許請求の範囲の請求項８に記載の発明によれば、前記請求項３〜請求項５のいずれか一項に記載のＳＯＮ構造を有する物理量センサの製造方法において、半導体ウェハの表面層に第１トレンチホール群と、該第１トレンチホール群の外周部に前記第１トレンチホール群と離して平面形状が環状もしくは一部切れた箇所がある環状の第２トレンチホール群を形成する工程と、アニールを施して、前記第１トレンチホール群の第１トレンチホールおよび前記第２トレンチホール群の第２トレンチホールを変形させて、第１ＳＯＮ構造を構成する第１空洞および第２ＳＯＮ構造を構成する第２空洞をそれぞれ形成する工程と、前記第１空洞上のダイアフラムとなる半導体層にホイートストンブリッジを形成し、前記第２空洞の外周部に電子回路を形成し、前記ホイートンブリッジと前記電子回路を接続する配線を前記第２空洞上もしくは前記第２空洞が切れた前記箇所上を横切って形成する工程と、を含む製造方法とする。
また、特許請求の範囲の請求項９に記載の発明によれば、請求項８に記載の発明において、前記第１トレンチホール群と前記第２トレンチホール群を同時に形成するとよい。
この発明によれば、ＳＯＮ構造のダイアフラムの外周部に応力緩和領域を設けることで、パッケージとチップとの線膨張係数差によって発生する熱応力がダイアフラムへ伝わることを緩和する効果と、被測定圧力Ｆによって発生する機械的応力を外周部に配置された電子回路へ伝わることを緩和することができる。その結果、高精度な物理量センサとすることができる。
前記圧力緩和領域をトレンチ溝もしくは第２のＳＯＮ構造とすることで、ＳＯＮ構造の形成と同時に形成できるようになり、低コストで物理量センサを形成できる。
この発明の第１実施の形態である圧力センサの構成図であり、（ａ）は完成品の要部断面図、（ｂ）はＳＯＮ構造を形成する前のトレンチホール群とトレンチ溝を形成した平面図、（ｃ）はＳＯＮ構造を形成した後の要部平面図である。 この発明の第２実施の形態である圧力センサの製造方法であり、（ａ）〜（ｃ）は工程順に示した要部製造工程図である。 この発明の第３実施の形態である圧力センサの構成図であり、（ａ）は完成品の要部断面図、（ｂ）はＳＯＮ構造を形成する前の第１、第２トレンチホール群を形成した平面図、（ｃ）はＳＯＮ構造を形成した後の要部平面図である。 この発明の第４実施の形態である圧力センサの製造方法であり、（ａ）〜（ｃ）は工程順に示した要部製造工程図である。 組立後の圧力センサ１００の半導体チップ２７の表面２７ａに発生する引張り応力分布を示す図である。 被測定圧力Ｆをダイアフラム７が受けた場合の応力分布を示す図である。 従来の圧力センサ５００の全体図である。 ＳＯＮ構造を用いた圧力センサ５００であり、（ａ）は完成品の要部断面図、（ｂ）はＳＯＮ構造を形成する前の要部平面図、（ｃ）はＳＯＮ構造を形成した後の要部平面図である。 図６の圧力センサの製造方法であり、（ａ）〜（ｃ）は工程順に示した要部製造工程図である。 チップ表面での引張り応力分布を示す図である。 ガスや流体からダイアフラムが被測定圧力Ｆを受けたときのチップ表面の応力分布を示す図である。
図８は、ＳＯＮ構造を用いた圧力センサ５００であり、同図（ａ）は完成品の要部断面図、同図（ｂ）はＳＯＮ構造を形成する前の要部平面図、同図（ｃ）はＳＯＮ構造を形成した後の要部平面図である。図１（ａ）は支持基板は示されていない。
この圧力センサ５００は、半導体基板５１の表面層に形成される基準圧力準室となる空洞５４と、空洞５４上のダイアフラム５７となるｐ−半導体層５６と、このダイアフラム５７に形成されるホイートストンブリッジ５８（ｐ−層のゲージ抵抗５８ａで構成される）を備える。このダイアフラム５７の外周部に配置される電子回路６１と、前記ホイートストンブリッジ５８と前記電子回路６１を接続する配線６２を備える。また、図８では示さないが、図７に示すパッケージ８０と、外部導出端子８１と、ボンディングワイヤ８２とおよびゲル８３を備える。
前記の空洞５４上の半導体層５６と空洞５４および空洞５４下の半導体基板５１で図８に示すＳＯＮ構造７２を構成する。
尚、図中の符号で、６３はｐ−層であるゲージ抵抗５８ａを形成するｎウェル領域、６４は電子回路６１を構成するｐチャネルＭＯＳＦＥＴ５９が形成されるｎウェル領域、６５はｎチャネルＭＯＳＦＥＴ６０が形成されるｐウェル領域、６６はＬＯＣＯＳ、６７、６８はゲート電極、６９はソース領域およびドレイン領域となるｐ＋領域、７０はソース領域およびドレイン領域となるｎ＋領域、また、半導体層５６は空洞５４上に形成される図示しない薄い半導体層上に形成した同一の導電型（ｐ型）のエピタキシャル層も合せた層である。
図９は、図８の圧力センサの製造方法であり、同図（ａ）〜同図（ｃ）は工程順に示した要部製造工程図である。
まず、同図（ａ）において、ｐ−半導体ウェハ５１ａにトレンチホール群５２のトレンチホール５２ａを形成する。
つぎに、同図（ｂ）において、水素アニールを施すことでによりトレンチホール群５２のトレンチホール５２ａが変形し、半導体ウェハ５１ａ内に空洞５４が形成されＳＯＮ構造７２が出来上がる。空洞５４上の半導体層５６がダイアフラム５７となる。
つぎに、同図（ｃ）において、ダイアフラム７にホイートストンブリッジ５８のゲージ抵抗５８ａをｐ−層で形成し、空洞５４以外の半導体ウェハ５１上にＩＣ製造工程で、例えばＭＯＳトランジスタ（例えば、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ５９、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ１０）で構成される電子回路６１を形成する。また、ホイートストンブリッジ５８と電子回路６１を配線６２で接続する。続いて、半導体ウェハ５１ａを切断して半導体チップ７７とし、図７に示すパッケージ８０に半導体チップ７７を固着して圧力センサ５００は完成する。図９（ｃ）では電子回路６１を構成する横型のＭＯＳトランジスタのみを示した。
図８の圧力センサ５００において、前記の空洞５４を基準圧力室とし、空洞５４上にダイアフラム５７を配置することで、半導体チップ７７に印加される圧力（気体や液体による圧力）に応じてダイアフラム５７に変形が発生する。
この変形により、ダイアフラム５７に機械的な応力が発生する。この機械的応力により、ダイアフラム５７に配置されたホイーストンブリッジ５８のゲージ抵抗５８ａの抵抗値が変動する（ピエゾ抵抗効果）。
このホイートストンブリッジ５８を構成するゲージ抵抗５８ａにより、抵抗変化を電気信号へ変換される。
この電気信号を、ＭＯＳトランジスタ等によって構成された電子回路６１である信号増幅器や調整回路にて増幅・特性トリミングした後、圧力センサ出力として外部へ出力する。
しかし、図８の圧力センサ５００では、半導体チップ７７をパッケージ８０に接着剤８４で固着した際、パッケージ８０（例えばＰＰＳ（ｐｏｌｙ ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ）、ＰＢＴ（ｐｏｌｙ ｂｕｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌｅｔｅ）などの樹脂やセラミックやリン青銅など）と、半導体チップ７７（シリコン）とで線膨張係数に差が生じる。そのため、接着時の温度を基準に半導体チップ７７とパッケージ８０の間に機械的な応力が発生してしまう。
具体的に接着時の温度より低い温度環境下においては、半導体チップ７７よりパッケージ８０の熱膨張係数が大きいため、半導体チップ７７よりパッケージ８０が大きく縮む。そのためのチップ６５裏面には圧縮応力が発生し、一方半導体チップ７７表面には引張り応力が発生する。
図１０は、半導体チップ表面７７ａでの引張り応力分布を示す図である。図８の圧力センサ５００では、この引張り応力が半導体チップ７７の中心部にて極大となるような形になり、その結果、半導体チップ７７の中心部に配置されたセンサ部（半導体チップ７７）に応力が加わり、これが圧力センサ５００の誤差となって現れる。つまり、被測定圧力以外の要因で発生する機械的な応力は外乱要素であるが、図８の圧力センサ５００ではこれを誤信号として検出してしまう構造になっている。
図１１は、ガスや流体からダイアフラムが被測定圧力Ｆを受けたときのチップ表面の応力分布を示す図である。図１１から分かるように、この被測定圧力Ｆによる引張り応力は空洞５４の端部で極大となり、その外側ではその引張り応力は緩やかに小さくなる。そのため、被測定圧力Ｆはダイアフラム５７の周囲で広い領域に影響を及ぼす。そのため、電子回路６１を形成する領域をダイアフラム５７から離さなくてはいけない。そうするとチップサイズが大きくなる。
この発明のポイントは、ダイアフラムの周囲に圧力緩和領域を設けて、外周からダイアフラムが受ける圧力の外乱要因を排除し、またダイアフラムから外周の電子回路が被測定圧力から受ける影響を小さくして高精度の圧力センサを提供することである。実施の形態を以下に説明する。
＜実施の形態１＞
図１は、この発明の第１の実施の形態である圧力センサ１００の構成図であり、同図（ａ）は完成品の要部断面図、同図（ｂ）はＳＯＮ構造２２を形成する前のトレンチホール群とトレンチ溝を形成した平面図、同図（ｃ）はＳＯＮ構造を形成した後の要部平面図である。図１（ａ）は図２（ｃ）に相当し、図１（ｂ）は図２（ａ）に相当し、図１（ｃ）は図２（ｂ）に相当する。
この圧力センサ１００は、半導体基板１の表面層に形成される基準圧力準室となる空洞４と、空洞４上のｐ−半導体層６からなるダイアフラム７と、このダイアフラム７に形成されるホイートストンブリッジ８（ｐ−層のゲージ抵抗８ａで構成される）を備える。このダイアフラム７の外周部に配置される圧力緩和領域であるトレンチ溝５と、このトレンチ溝５の外周部に配置される電子回路１１と、前記ホイートストンブリッジ８と前記電子回路１１を接続する配線１２を備える。また、図１では示さないが、図７に示すパッケージ８０と、外部導出端子８１と、ボンディングワイヤ８２とおよびゲル８３を備える。
トレンチ溝５は平面形状が４箇所で切られた環状でありダイアフラム７を取り囲むように配置され、この切られた箇所２１上に前記配線１２が形成される。ここでは４箇所で切られた例を示したが、切られた箇所は１箇所以上あればよく、１箇所で切られて、その箇所に配線１２を集中して配置する場合もある。このように配線１２をトレンチ溝５が切れている箇所２１（平坦面）に形成する理由は、トレンチ溝５の段差の影響により、配線１２を形成する為のレジストが塗布や露光がうまく行えずにパターン崩れが発生したり、配線１２の厚さが段差部で局所的に薄くなる事を防止するためのものである。また、ホイートストンブリッジ８は４個のゲージ抵抗８ａで構成される。
前記の空洞４上の半導体層６と空洞４および空洞４下の半導体基板１で図２（ｂ）に示すようにＳＯＮ構造２２を構成する。また、ここでは電子回路１１はその構成要素であるｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９とｎチャネルＭＯＳＦＥＴ１０のみを示した。
尚、図中の符号で、１３はｎウェル領域、１４は電子回路１１を構成するｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９が形成されるｎウェル領域、１５はｎチャネルＭＯＳＦＥＴ１０が形成されるｐウェル領域、１６はＬＯＣＯＳ、１７、１８はゲート電極、１９はソース領域およびドレイン領域となるｐ＋領域、２０はソース領域およびドレイン領域となるｎ＋領域、また、半導体層６は後述のアニール処理によりＳＯＮ構造を形成する際に空洞４上に形成される薄い半導体層（例えば、１μｍ程度の厚さ）と、その薄い半導体層の上に形成した同一の導電型（ｐ型）のエピタキシャル層（例えば、５μｍ〜１５μｍ程度の厚さ）を合せた層である。半導体層６は、このエピタキシャル層を形成しないで薄い半導体層のみを利用する場合もある。
図５は、組立後の圧力センサ１００の半導体チップ２７の表面２７ａに発生する引張り応力分布を示す図である。この図は、パッケージ８０に半導体チップ２７を１００〜１５０℃の高温で接着した後、室温状態に戻したときの半導体チップ２７とパッケージ８０の間に発生する機械的応力の面内分布を示す。
応力は剛性が低い箇所（空洞４など）や段差がついている箇所に集中するという性質がある。そのため、ダイアフラム７の周辺にトレンチ溝５による段差を設けることで、図８の構造ではダイアフラム７で極大となっていた応力を、トレンチ溝５の箇所で極大となるように変化させる。その結果、ダイアフラム７上に発生する応力を大幅に低減することができる。
前記したように、圧力緩和領域であるトレンチ溝５をダイアフラム７の周囲に配置することで、ダイアフラム７が周囲から受ける圧力の影響（外乱）を緩和できる。その結果、高精度の圧力センサ１００を製作できる。
つまり、トレンチ溝５を設けることで、ダイアフラム７に対し、パッケージ８０との線膨張係数差による応力（特にゲージ抵抗８ａが形成される半導体基板１の表面層の引張り応力）の影響が小さくなり、被測定圧力Ｆ以外の外乱要素である圧力が低減されて圧力センサ１００の精度を向上することができる。
図６は、被測定圧力Ｆをダイアフラム７が受けた場合の応力分布を示す図である。被測定圧力Ｆはトレンチ溝５が防波堤となり電子回路１１へ伝達される機械的応力は小さくなる。その結果、圧力センサ１００の精度を向上することができる。
前記したように、トレンチ溝５を設けることで、前記したように、外周からダイアフラム７が受ける圧力の影響およびダイアフラムから電子回路１１が受ける圧力の影響を小さくできるため、電子回路１１とダイアフラム５の間の距離Ｌ１を図８の構造に比べより短縮することができて、チップサイズを小型化できる。
＜実施の形態２＞
図２は、この発明の第２の実施の形態である圧力センサ１００の製造方法であり、同図（ａ）〜同図（ｃ）は工程順に示した要部製造工程図である。
まず、同図（ａ）において、ｐ−半導体ウェハ１ａにトレンチホール群２とこれと離してトレンチ溝３を同時に形成する。トレンチ溝３の開口部の幅Ｗはトレンチホール群２のトレンチホール２ａの開口部の直径Ｄ１（例えば、０．５μｍ程度）より大きくして、つぎの工程の水素アニールなどのアニール処理により空洞が形成されないようにする。また、トレンチ溝３の深さＴ２はトレンチホール２ａの深さＴ１以上であることが望ましい。トレンチホール群２とトレンチ溝３は同時に形成することができる。トレンチホール群２とトレンチ溝３の間の距離Ｌ１ａは、つぎの空洞２を形成する工程で、空洞２とトレンチ溝５が接しない範囲でできるだけ小さくするとチップサイズを小さくする上で好ましい。
つぎに、同図（ｂ）において、水素アニールなどのアニール処理を施すことでによりトレンチホール群２が変形し、半導体ウェハ１内に空洞４が形成されＳＯＮ構造２２が出来上がる。このとき、トレンチ溝３も変形するが開口部は塞がらず空洞は形成されずトレンチ溝５となる。空洞４上には薄い半導体層が形成され、その上にエピタキシャル層を形成することで半導体層６が形成されダイアフラム７とすることができる。エピタキシャル層を形成せずにアニール処理により形成される空洞４上の薄い半導体層のみをダイアフラム７とすることもできる。また、トレンチ溝３が変形してトレンチ溝５となり、このトレンチ溝５が圧力緩和領域となる。
つぎに、同図（ｃ）において、ダイアフラム７にホイートストンブリッジ８のゲージ抵抗８ａをｐ−層で形成し、空洞４以外の半導体ウェハ１ａ上にＩＣ製造工程で、例えばＭＯＳトランジスタ（例えば、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ１０）で構成される電子回路１１を形成する。また、ホイートストンブリッジ８と電子回路１１を接続する配線１２（Ａｌ配線など）はトレンチ溝５が形成されない領域に形成する。続いて、半導体ウェハ１ａを切断して半導体チップ２７とし、図７に示すパッケージ８０に半導体チップ２７の裏面を接着剤などにより固着して圧力センサ１００が完成する。
＜実施の形態３＞
図３は、この発明の第３の実施の形態である圧力センサ２００の構成図であり、同図（ａ）は完成品の要部断面図、同図（ｂ）はＳＯＮ構造２２，２５を形成する前の第１、第２トレンチホール群２，２３を形成した平面図、同図（ｃ）はＳＯＮ構造を２２，２５形成した後の要部平面図である。図３（ａ）は図４（ｃ）に相当し、図３（ｂ）は図４（ａ）に相当し、図３（ｃ）は図４（ｂ）に相当する。
この圧力センサ２００は、半導体基板１の表面層に形成される基準圧力準室となる第１空洞４（図１の空洞４と同じ）と、この第１空洞４の外周部に第１空洞４と離して配置され圧力緩和領域となる第２空洞２４と、第１空洞４上の半導体層６からなるダイアフラム７と、第２空洞２４の外周部に配置される電子回路１１と、前記ホイートストンブリッジ８と前記電子回路１１を接続する配線１２を備える。また、図３では示さないが、図７に示すパッケージ８０と、外部導出端子８１と、ボンディングワイヤ８２とおよびゲル８３を備える。
第２空洞２４の平面形状は第１空洞４の周囲を取り囲む環状とする。勿論、環状でなく一部切られた箇所を有する形状でも構わない。ダイアフラム７にはホイートストンブリッジ８を構成するゲージ抵抗８ａが形成されている。前記の第１空洞４が形成された領域が図１のＳＯＮ構造２２と同じであり、ここでは同一符号を付して第１ＳＯＮ構造２２と呼ぶことにする。また第２空洞２４が形成された領域が第２ＳＯＮ構造２５である。
圧力緩和領域である第２空洞２４（第２ＳＯＮ構造２５の構成要素）をダイアフラム７の周囲に配置することで、図５と同様に、応力を圧力緩和領域である第２ＳＯＮ構造２５で極大となるように変化させることができダイアフラム７が周囲から受ける応力を緩和できる。つまり、第２ＳＯＮ構造２５を設けることで、ダイアフラム７に対して、線膨張係数差による応力の影響が小さくなり、被測定圧力Ｆ以外の外乱要素である圧力が低減されて圧力センサ２００の精度を向上することができる。
また、被測定圧力Ｆは第２ＳＯＮ構造２５が防波堤となり電子回路１１へ伝達される機械的応力は小さくなる。その結果、圧力センサ２００の精度を向上することができる。
前記したように、第２ＳＯＮ構造２５を設けることで、前記したように、外周からダイアフラム７が受ける圧力の影響およびダイアフラム７から電子回路１１が受ける圧力の影響を小さくできるため、電子回路１１とダイアフラム７の間の距離を図８の構造に比べより短縮することができて、チップサイズを小型化できる。
＜実施の形態４＞
図４は、この発明の第４の実施の形態である圧力センサ２００の製造方法であり、同図（ａ）〜同図（ｃ）は工程順に示した要部製造工程図である。
まず、同図（ａ）において、ｐ−半導体ウェハ１ａに第１トレンチホール群２とこれと離して第１トレンチホール群２の周囲を取り囲むように環状の第２トレンチホール群２３を同時に形成する。第２トレンチホール群２３を構成する第２トレンチホール２３ａの開口部の直径Ｄ２と深さＴ３は第１トレンチホール群２を構成する第１トレンチホール２ａの開口部の直径Ｄ１（例えば、０．５μｍ程度）と深さＴ１（例えば、７μｍ〜１０μｍ程度）と同じにする。また、第１トレンチホール群２と第２トレンチホール群２３との距離Ｌ２ａは、後で施される水素アニールによりそれぞれの空洞４，２４がつながらないような距離（例えば数μｍ程度）に配置する。
つぎに、同図（ｂ）において、水素アニールなどのアニール処理を施すことでにより第１、第２トレンチホール群２，２３が変形し、半導体基板内に第１、第２空洞４，２４が形成され第１、第２ＳＯＮ構造２２，２５が出来上がる。第１空洞４上の半導体層６がダイアフラム７となり、第２ＳＯＮ構造２５が圧力緩和領域となる。但し、半導体層６は薄い半導体層とその上に形成されるエピタキシャル層で構成されることが多い。
つぎに、同図（ｃ）において、ダイアフラム７にホイートストンブリッジ８のゲージ抵抗８ａをｐ−層で形成し、空洞４以外の半導体ウェハ１ａ上にＩＣ製造工程で、例えばＭＯＳトランジスタ（例えば、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ９、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ１０）で構成される電子回路１１を形成する。また、ホイーストンブリッジ８と電子回路１１を接続する配線１２を形成する。続いて、半導体ウェハ１ａを切断して半導体チップ２７とし、図７に示すパッケージ８０に半導体チップ２７を接着剤により固着して圧力センサ２００は完成する。
ＳＯＮ化した箇所はトレンチ溝５と比較して表面が平坦であるため、電子回路１１を形成するためのＩＣ製造工程内でのレジスト塗布や除去、配線１２（Ａｌ配線など）の配置が非常に容易になる。また、配線１２（幅や厚さおよび配置）に関する設計自由度はトレンチ溝５の場合に比べて非常に高くなる。
尚、前記実施の形態１〜実施の形態４では物理量センサとして圧力センサ１００．２００を例に挙げて説明したが、これに限るものではなく加速度センサなどにも本発明は適用できる。
１ 半導体基板
１ａ ｐ−半導体ウェハ
２ トレンチホール群／第１トレンチホール群
２ａ ホール／第１ホール
３ トレンチ溝（水素アニール前）
４ 空洞／第１空洞
５ トレンチ溝（水素アニール後）
６ 半導体層
７ ダイアフラム
８ ホイーストンブリッジ
８ａ ゲージ抵抗
９ ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ
１０ ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ
１１ 電子回路
１２ 配線
１３，１４ ｎウェル領域
１５ ｐウェル領域
１６ ＬＯＣＯＳ
１７，１８ ゲート電極
１９ ｎ＋領域
２０ ｐ＋領域
２１ 箇所
２２ ＳＯＮ構造／第１ＳＯＮ構造
２３ 第２トレンチホール群
２３ａ 第２ホール
２４ 第２空洞
２５ 第２ＳＯＮ構造
８０ パッケージ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ１ａ，Ｌ２ａ 距離
Ｄ１ ホールの直径／第１ホールの直径
Ｄ２ 第２ホールの直径
Ｗ トレンチ溝の開口部の幅
Ｔ１ ホールの深さ／第１ホールの深さ
Ｔ２ トレンチの深さ
Ｔ３ 第２ホールの深さ

Claims (9)

  1. 半導体基板の表面層に配置され基準圧力室となるＳＯＮ（ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｎｏｔｈｉｎｇ）構造を構成する空洞と、該空洞上の前記ＳＯＮ構造を構成する半導体層からなるダイアフラムと、前記半導体基板の前記ダイアフラムの外周部に該ダイアフラムと離れて配置される圧力緩和領域と、前記ダイアフラムに配置されるホイートストンブリッジと、前記圧力緩和領域の外周部に配置される電子回路と、前記ホイートストンブリッジと前記電子回路を接続する接続配線とを具備することを特徴とするＳＯＮ構造を有する物理量センサ。
  2. 前記圧力緩和領域が、トレンチ溝であり、該トレンチ溝の平面形状が一部切れた箇所がある環状で、該一部切れた箇所上に前記ホイートストンブリッジと前記電子回路とを接続する前記接続配線を配置することを特徴とする請求項１に記載のＳＯＮ構造を有する物理量センサ。
  3. 前記圧力緩和領域が、前記ＳＯＮ構造を第１ＳＯＮ構造とし該第１ＳＯＮ構造の外周部に配置される第２ＳＯＮ構造であることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＮ構造を有する物理量センサ。
  4. 前記第２ＳＯＮ構造の平面形状が、環状もしくは一部切れた箇所がある環状であることを特徴とする請求項３に記載のＳＯＮ構造の物理量センサ。
  5. 前記物理量センサが、圧力センサもしくは加速度センサであ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ＳＯＮ構造を有する物理量センサ
  6. 前記請求項２もしくは前記請求項５のいずれか一項に記載のＳＯＮ構造を有する物理量センサの製造方法において、
    半導体ウェハの表面層にトレンチホール群と、該トレンチホール群の外周部に前記トレンチホール群と離して平面形状が一部切れた箇所がある環状のトレンチ溝を形成する工程と、
    アニールを施して、前記トレンチホール群のトレンチホールを変形させて、一つの大きな空洞を形成しＳＯＮ構造とする工程と、
    前記空洞上のダイアフラムとなる半導体層にホイートストンブリッジを形成し、前記トレンチ溝の外周部に電子回路を形成し、前記ホイートンブリッジと前記電子回路を接続する配線を前記環状の一部切れた前記箇所上に形成する工程と、
    を含むことを特徴とするＳＯＮ構造を有する物理量センサの製造方法。
  7. 前記トレンチホール群と前記トレンチ溝を同時に形成することを特徴とする請求項６に記載のＳＯＮ構造を有する物理量センサ。
  8. 前記請求項３〜請求項５のいずれか一項に記載のＳＯＮ構造を有する物理量センサの製造方法において、
    半導体ウェハの表面層に第１トレンチホール群と、該第１トレンチホール群の外周部に前記第１トレンチホール群と離して平面形状が環状もしくは一部切れた箇所がある環状の第２トレンチホール群を形成する工程と、
    アニールを施して、前記第１トレンチホール群の第１トレンチホールおよび前記第２トレンチホール群の第２トレンチホールを変形させて、第１ＳＯＮ構造を構成する第１空洞および第２ＳＯＮ構造を構成する第２空洞をそれぞれ形成する工程と、
    前記第１空洞上のダイアフラムとなる半導体層にホイートストンブリッジを形成し、前記第２空洞の外周部に電子回路を形成し、前記ホイートンブリッジと前記電子回路を接続する配線を前記第２空洞上もしくは前記第２空洞が切れた前記箇所上を横切って形成する工程と、
    を含むことを特徴とするＳＯＮ構造を有する物理量センサの製造方法。
  9. 前記第１トレンチホール群と前記第２トレンチホール群を同時に形成することを特徴とする請求項８に記載のＳＯＮ構造を有する物理量センサの製造方法。
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