JP2013195097A - 半導体圧力センサ及びその製造方法、並びに圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤフラムの機械的強度を犠牲にせずに検出感度の向上を実現できる半導体圧力センサを提供する。
【解決手段】半導体圧力センサ１０は、ダイヤフラムを支持し中空部３１を有する支持基板２１Ｐと、ダイヤフラムの受圧面に形成された複数の半導体ピエゾ抵抗素子Ｐ１〜Ｐ４とを備える。中空部３１のダイヤフラム側一端は封止されている。ダイヤフラムは、外周部２２ｐと、中空部３１内に突出する錘部３２を持つ厚肉部と、この厚肉部を外周部２２ｐに連結する薄肉部２２ｂとを有する。この薄肉部２２ｂの外周端には半導体ピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ４が形成され、薄肉部２２ｂの内周端には半導体ピエゾ抵抗素子Ｐ２，Ｐ３が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力や加速度などの外的作用を検出する技術に関し、特に、ピエゾ抵抗効果を用いて外的作用を検出する技術に関する。

単結晶シリコンなどの半導体材料を用いて作製される半導体センサは、ピエゾ抵抗効果、圧電効果並びに静電容量変化などの検出原理に基づいて圧力や加速度などの外的作用（外力）を高感度で検出するセンサとして広く採用されている。半導体センサは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術やＭＳＴ（Ｍｉｃｒｏ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）技術を用いて作製できるため、機械式センサや光学式センサと比べると低コスト化と小型化が容易という利点がある。このような半導体センサは、たとえば、感震器などの計測機器、歩数計並びに携帯端末に組み込まれている。

ピエゾ抵抗効果は、外的作用により発生した機械的応力に応じて物質の電気抵抗が変化する現象をいう。一般に、ピエゾ抵抗効果を利用するピエゾ抵抗型の半導体圧力センサは、ダイヤフラムと呼ばれる薄肉部を有しており、このダイヤフラムの表面にピエゾ抵抗素子が形成される。ダイヤフラムが外的作用を受けて変形すると、その変形（歪み）に応じて機械的応力（以下、単に「応力」とも呼ぶ。）が発生し、この応力に応じてピエゾ抵抗素子の電気抵抗が変化する。その電気抵抗の変化は電気信号に変換されて取り出される。このようなピエゾ抵抗型の半導体圧力センサは、たとえば、特開２００６−３０１５９号公報（特許文献１）に開示されている。

従来のピエゾ抵抗型の半導体圧力センサでは、検出感度向上のために、ダイヤフラムの形成領域の面積を大きくしたり、ダイヤフラムの厚さを薄くしたりする方法が採用されていた。しかしながら、ダイヤフラムの形成領域の面積が大きいと、半導体圧力センサのチップサイズの小型化が難しくなる。また、ダイヤフラムの厚さを薄くすれば、ダイヤフラムの機械的強度が低下する。そこで、特許文献１に開示されている半導体圧力センサ（ピエゾ抵抗型圧力センサ）では、ピエゾ抵抗素子からなる応力検出部の周辺部においてダイヤフラムの一部に溝が形成される。ダイヤフラムが圧力を受けて歪んだとき、この歪みに応じて発生した応力を当該溝が応力検出部に集中させるので、ダイヤフラムの形成領域の面積を増加させることなく検出感度の向上を実現することができる。

特開２００６−３０１５９号公報（段落００１２〜００１７、段落００２４〜００２６及び図１など）

しかしながら、特許文献１の半導体圧力センサでは、外部から圧力を受ける度に、ダイヤフラムに形成された溝に応力集中が発生するので、繰り返し応力に対するダイヤフラムの機械的強度（疲労強度）が低いという問題がある。このため、長期使用によりダイヤフラムの溝の部分に破損や亀裂が発生したり、半導体圧力センサの最大許容圧力が低い値となるという懸念がある。このような問題を回避するにはダイヤフラムを全体的に厚くすればよいが、ダイヤフラムを全体的に厚くすれば、検出感度の向上を実現することができない。

上記に鑑みて本発明の目的は、ダイヤフラムの機械的強度を犠牲にせずに検出感度の向上を実現することができる半導体圧力センサ及びその製造方法、並びに圧力検出装置を提供することである。

本発明の第１の態様による半導体圧力センサは、受圧面と該受圧面に対向する裏面とを有するダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの当該裏面を支持する支持面と中空部とを有する支持基板と、前記受圧面に形成され、前記受圧面の歪みに応じた可変の電気抵抗を有する複数の半導体ピエゾ抵抗素子とを備え、前記中空部の前記ダイヤフラム側一端は、前記ダイヤフラムの当該裏面によって封止されており、前記ダイヤフラムは、前記支持面により支持されている外周部と、前記中空部内に突出する錘部を持つ厚肉部と、前記厚肉部を前記外周部に連結し前記厚肉部よりも薄い薄肉部とを有し、前記複数の半導体ピエゾ抵抗素子は、前記薄肉部の前記外周部側の外周端に形成された第１の半導体ピエゾ抵抗素子と、前記薄肉部の前記厚肉部側の内周端に形成された第２の半導体ピエゾ抵抗素子とを含むことを特徴とする。

本発明の第２の態様による圧力検出装置は、前記第１の態様による半導体圧力センサと、前記半導体圧力センサに含まれる当該複数の半導体ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を示す電圧信号に基づいて、前記半導体圧力センサに印加された圧力の値を算出する演算部とを備えることを特徴とする。

本発明の第３の態様による半導体圧力センサの製造方法は、支持基板と該支持基板上に形成された半導体結晶層とを含む基板を用意する工程と、前記半導体結晶層の表層部に不純物を選択的に導入して複数の半導体ピエゾ抵抗素子を形成する工程と、前記支持基板の裏面を選択的にエッチングして所定の深さを有する環状凹部を形成する工程と、前記支持基板の裏面のうち前記環状凹部の領域と該環状凹部で囲まれる凸状領域との双方に対して選択的に異方性エッチングを実行することにより、前記支持基板内に中空部と該中空部内に配置される錘部とを形成すると同時に前記半導体結晶層を含むダイヤフラムを形成する工程とを備え、前記ダイヤフラムは、前記支持基板により支持されている外周部と、前記中空部内に突出する錘部を持つ厚肉部と、前記厚肉部を前記外周部に連結し前記厚肉部よりも薄い薄肉部とを有し、前記複数の半導体ピエゾ抵抗素子は、前記薄肉部の前記外周部側の外周端に形成された第１の半導体ピエゾ抵抗素子と、前記薄肉部の前記厚肉部側の内周端に形成された第２の半導体ピエゾ抵抗素子とを含むことを特徴とする。

本発明の第４の態様による半導体圧力センサの製造方法は、支持基板と該支持基板上に形成された半導体結晶層とを含む基板を用意する工程と、前記半導体結晶層の表層部に不純物を選択的に導入して複数の半導体ピエゾ抵抗素子を形成する工程と、前記支持基板の裏面を選択的にエッチングして所定の深さを有する凹部を形成する工程と、前記凹部の形成後、前記支持基板の当該凹部内の所定の環状領域を露出させるエッチングマスク形成する工程と、前記支持基板の裏面に対して前記エッチングマスクを使用した異方性エッチングを実行することにより、前記支持基板内に中空部と該中空部内に配置される錘部とを形成すると同時に前記半導体結晶層を含むダイヤフラムを形成する工程とを備え、前記ダイヤフラムは、前記支持基板により支持されている外周部と、前記中空部内に突出する錘部を持つ厚肉部と、前記厚肉部を前記外周部に連結し前記厚肉部よりも薄い薄肉部とを有し、前記複数の半導体ピエゾ抵抗素子は、前記薄肉部の前記外周部側の外周端に形成された第１の半導体ピエゾ抵抗素子と、前記薄肉部の前記厚肉部側の内周端に形成された第２の半導体ピエゾ抵抗素子とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、ダイヤフラムの受圧面に作用する圧力に応じて、錘部で区画されたビーム部の外周端と内周端とに互いに逆方向の応力集中（引張応力及び圧縮応力）が発生し、それら逆方向の応力集中を第１及び第２の半導体ピエゾ抵抗素子で検出することができるため、検出感度の向上を実現することができる。また、ダイヤフラムの応力集中箇所には溝を形成する必要がない。したがって、ダイヤフラムの機械的強度を犠牲にせずに検出感度の向上を実現することができる。

（Ａ）は、本発明に係る実施の形態１のピエゾ抵抗型の半導体圧力センサの断面構造を概略的に示す図であり、図１（Ｂ）は、この半導体圧力センサの上面図である。 （Ａ），（Ｂ）は、実施の形態１のピエゾ抵抗素子の構成例を示す上面図である。 （Ａ），（Ｂ）は、外部圧力に応じてダイヤフラムが歪んだ状態を示すピエゾ抵抗素子の断面図である。 実施の形態１のピエゾ抵抗素子を含むブリッジ回路の等価回路図である。 実施の形態１の圧力検出装置の構成例を概略的に示す機能ブロック図である。 実施の形態１の半導体圧力センサの第１の製造工程を説明するための半導体構造の概略断面図である。 実施の形態１の半導体圧力センサの第２の製造工程を説明するための半導体構造の概略断面図である。 実施の形態１の半導体圧力センサの第３の製造工程を説明するための半導体構造の概略断面図である。 実施の形態１の半導体圧力センサの第４の製造工程を説明するための半導体構造の概略断面図である。 実施の形態１の半導体圧力センサの第５の製造工程を説明するための半導体構造の概略断面図である。 実施の形態１の半導体圧力センサの第６の製造工程を説明するための半導体構造の概略断面図である。 実施の形態１の変形例であるピエゾ抵抗型の半導体圧力センサの断面構造を概略的に示す図である。 本発明に係る実施の形態２のピエゾ抵抗型の半導体圧力センサの断面構造を概略的に示す図である。 実施の形態２の半導体圧力センサの第１の製造工程を説明するための半導体構造の概略断面図である。 実施の形態２の半導体圧力センサの第２の製造工程を説明するための半導体構造の概略断面図である。 実施の形態２の半導体圧力センサの第３の製造工程を説明するための半導体構造の概略断面図である。 実施の形態２の半導体圧力センサの第４の製造工程を説明するための半導体構造の概略断面図である。 実施の形態２の半導体圧力センサの第５の製造工程を説明するための半導体構造の概略断面図である。 （Ａ）は、本発明に係る実施の形態３のピエゾ抵抗型の半導体圧力センサの断面構造を概略的に示す図であり、（Ｂ）は、この半導体圧力センサの上面図である。 実施の形態３のピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を検出するブリッジ回路の等価回路図である。 実施の形態３の圧力検出装置の構成例を概略的に示す機能ブロック図である。 加速度に応じてダイヤフラムが歪んだ状態を示すピエゾ抵抗素子の断面図である。

以下、本発明に係る種々の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、図面において、同一符号を付された構成要素は、同一構造及び同一機能を有するものとしてその詳細な説明の重複記載を省略する。

実施の形態１．
図１（Ａ）は、本発明に係る実施の形態１の圧力検出装置におけるピエゾ抵抗型の半導体圧力センサ１０の断面構造を概略的に示す図であり、図１（Ｂ）は、この半導体圧力センサ１０の上面図である。図１（Ａ）は、図１（Ｂ）の半導体圧力センサ１０のＩａ−Ｉａ線における概略断面を示している。半導体圧力センサ１０は、中空部３１を有する支持基板２１Ｐを用いて構成されている。図１（Ａ），（Ｂ）において、Ｚ軸方向は、この支持基板２１Ｐの厚み方向と一致し、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は互いに直交する。

半導体圧力センサ１０は、支持基板２１Ｐ上に絶縁膜２３Ｐを介して配置された薄膜２２と、この薄膜２２の受圧面に形成された半導体ピエゾ抵抗素子（以下、単に「ピエゾ抵抗素子」と呼ぶ。）Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４と、これらピエゾ抵抗素子Ｐ１〜Ｐ４を被覆する窒化膜などの保護膜２４とを備える。なお、説明の便宜上、図１（Ｂ）には図１（Ａ）の保護膜２４は示されていない。

薄膜２２は、半導体圧力センサ１０のダイヤフラムを構成し、単結晶シリコンなどの半導体結晶材料からなる。図１（Ａ），（Ｂ）に示されるように、この薄膜２２は、中央部２２ｍと、支持基板２１Ｐにより支持される矩形環状の周辺部２２ｐと、中央部２２ｍを周辺部２２ｐに連結する矩形環状のビーム部（薄肉部）２２ｂとを有する。薄膜２２の中央部２２ｍは、絶縁膜２３Ｍ及び半導体層２１Ｍの積層体からなる錘部３２の上方一端に結合し、薄膜２２のうち錘部３２に結合する部分が中央部２２ｍを構成している。錘部３２は、図１（Ａ）に示されるように支持基板２１Ｐの中空部３１内に突出するように配置される。

支持基板２１Ｐの中空部３１の受圧面側の一端は、薄膜２２によって封止されており、中空部３１の受圧面とは反対側の他端は、ガラス板などの封止部材２５によって封止されているので、中空部３１は、密閉された気密室を構成している。

半導体圧力センサ１０のダイヤフラムは、薄膜２２と錘部３２とで構成される。薄膜２２の周辺部２２ｐはダイヤフラムの外周部を構成し、薄膜２２の中央部２２ｍと錘部３２とはダイヤフラムの厚肉部を構成し、薄膜２２のビーム部２２ｂはダイヤフラムの薄肉部を構成する。ピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ４は、ダイヤフラムの薄肉部２２ｂの外周端に形成されており、他のピエゾ抵抗素子Ｐ２，Ｐ３は、薄肉部２２ｂの内周端に形成されている。これらピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、図１（Ｂ）に示されるようにほぼＸ軸方向に沿って一直線状に配列されている。

ピエゾ抵抗素子Ｐ１〜Ｐ４の電気抵抗は、ピエゾ抵抗効果により薄膜２２の受圧面の歪みに応じて変化する。図２（Ａ），（Ｂ）は、ピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ２の構成例を示す上面図である。ピエゾ抵抗素子Ｐ１は、図２（Ａ）に示されるように、半導体結晶層に導入されたＰ型不純物拡散領域からなるピエゾ抵抗拡散領域４１と、このピエゾ抵抗拡散領域４１の延在方向両端と接合する高濃度のＰ型不純物拡散領域であるコンタクト領域４２Ａ，４２Ｂとで構成されている。コンタクト領域４２Ａ，４２Ｂ上には、当該コンタクト領域４２Ａ，４２Ｂとそれぞれオーミック接触するアルミニウムなどの金属配線４３Ａ，４３Ｂが形成されている。他のピエゾ抵抗素子Ｐ３は、ピエゾ抵抗素子Ｐ１とほぼ同じ構造を有する。一方、図２（Ｂ）に示されるように、ピエゾ抵抗素子Ｐ２は、半導体結晶層に導入されたＰ型不純物拡散領域からなるピエゾ抵抗拡散領域４４と、このピエゾ抵抗拡散領域４４の延在方向両端と接合する高濃度のＰ型不純物拡散領域であるコンタクト領域４５Ａ，４５Ｂとで構成されている。コンタクト領域４５Ａ，４５Ｂ上には、当該コンタクト領域４５Ａ，４５Ｂとそれぞれオーミック接触するアルミニウムなどの金属配線４６Ａ，４６Ｂが形成されている。他のピエゾ抵抗素子Ｐ４は、ピエゾ抵抗素子Ｐ２とほぼ同じ構造を有する。

ダイヤフラムの可動部は、中央部２２ｍ及び錘部３２からなる厚肉部とビーム部（薄肉部）２２ｂとで構成される。ダイヤフラムに対する外部圧力と中空部３１内の内部圧力との間に差が生ずると、この圧力差に応じてダイヤフラムがＺ軸方向の正方向または負方向に変形する。図３（Ａ）は、外部圧力が内部圧力よりも低い場合のダイヤフラムの変形状態を示す図であり、図３（Ｂ）は、外部圧力が内部圧力よりも高い場合のダイヤフラムの変形状態を示す図である。

外部圧力が内部圧力よりも低い場合は、図３（Ａ）に示されるようにダイヤフラムの可動部が支持基板２１Ｐに対してＺ軸正方向に変形して凸形状となる。このとき、外周端のピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ４には圧縮応力が作用し、内周端のピエゾ抵抗素子Ｐ２，Ｐ３には引張応力が作用する。一方、外部圧力が内部圧力よりも高い場合は、図３（Ｂ）に示されるようにダイヤフラムの可動部が支持基板２１Ｐに対してＺ軸負方向に変形して凹形状となる。このとき、外周端のピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ４には引張応力が作用し、内周端のピエゾ抵抗素子Ｐ２，Ｐ３には圧縮応力が作用する。たとえば、引張応力の作用を受けると原子間距離が増して電気抵抗値が高くなり、圧縮応力の作用を受けると原子間距離が短くなって電気抵抗値が低減するピエゾ抵抗素子を使用することができる。

ピエゾ抵抗素子Ｐ１〜Ｐ４の電気抵抗の変化を検出する電気回路としては、ブリッジ回路を使用すればよい。図４は、本実施の形態のブリッジ回路の一例であるホイートストンブリッジ回路の等価回路図である。図４に示されるように、ピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は環状に直列接続されている。ピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ４間の接続点（ノード）には、ＧＮＤ電圧が印加（すなわち接地）され、ピエゾ抵抗素子Ｐ２，Ｐ３間の接続点（ノード）には、電源電圧（参照電圧）ＶＤＤが印加されている。また、ピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ２間の接続点（ノード）は、信号電圧Ｖ_＋を外部に出力し、ピエゾ抵抗素子Ｐ３，Ｐ４間の接続点（ノード）は、信号電圧Ｖ₋を外部に出力する。これらピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の電気抵抗（ゲージ抵抗）をそれぞれＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４で表すとき、差動信号電圧Ｖｏ（＝Ｖ_＋−Ｖ₋）を次式で表現することができる。
Ｖｏ＝［Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ２）−Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）］×ＶＤＤ

図５は、実施の形態１の圧力検出装置１の構成例を概略的に示す機能ブロック図である。この圧力検出装置１は、半導体圧力センサ１０から出力された差動信号電圧Ｖｏを圧力値Ｐｖに換算する。図５に示されるように、圧力検出装置１は、半導体圧力センサ１０に駆動電圧を供給する駆動回路１４と、差動出力電圧Ｖｏを増幅する差動増幅器１１と、差動増幅器１１の出力に対してゲイン調整を行うゲイン調整器１２と、ゲイン調整器１２の出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）１３と、Ａ／Ｄ変換器１３の出力から所望の周波数成分を抽出するフィルタ部１６と、フィルタ部１６の出力に基づいて圧力値Ｐｖを算出する圧力演算部１７とを有している。

次に、図６〜図１１を参照しつつ、上記半導体圧力センサ１０の製造方法について説明する。図６〜図１１は、半導体圧力センサ１０の製造工程を説明するための半導体構造の概略断面図である。

まず、図６に示されるようなＳＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板２０を用意する。このＳＯＩ基板２０は、シリコン材料からなる支持基板２１と、この支持基板２１上に形成された半導体結晶層２２と、半導体結晶層２２と支持基板２１との間に介在して半導体結晶層２２を支持基板２１から電気的に分離する埋め込み絶縁膜２３とを有するものである。ＳＯＩ基板２０の最表層をなす半導体結晶層２２は、たとえば、厚みが数μｍ〜十数μｍ程度の単結晶シリコン層とすればよく、また、埋め込み絶縁膜２３は、たとえば、厚みが数μｍ程度のシリコン酸化膜とすればよい。

次に、図７に示されるように半導体結晶層２２の表面にピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４を形成する。具体的には、フォトリソグラフィ技術を用いて、半導体結晶層２２の表層部に選択的にボロンなどのＰ型不純物を導入してピエゾ抵抗拡散領域を形成し、次いで、フォトリソグラフィ技術を用いて、半導体結晶層２２の表層部にボロンなどのＰ型不純物を選択的に導入して高濃度のコンタクト領域を形成する。そして、たとえばスパッタリング法を用いて、これらコンタクト領域上にアルミニウムなどの金属配線を形成することで、ピエゾ抵抗素子Ｐ１〜Ｐ４を作製することができる。次に、これらピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４は、ブリッジ回路を構成するように結線される。その後、ピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４上に窒化膜などの保護膜２４を形成する。

次に、図７のウエハの裏面に研削及び研磨を施した後に、図８に示すようにこの裏面上に開口部２８ｈを有するマスク層２８を形成する。具体的には、たとえば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法あるいは熱酸化法を用いて当該裏面上に酸化膜（ＳｉＯ_２）やシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）を成膜し、この酸化膜やシリコン窒化膜をパターニングすることでマスク層２８を形成することができる。

次に、図９に示されるように、図８の開口部２８ｈ内にレジストパターン２７を形成し、このレジストパターン２７及びマスク層２８をマスクとしたエッチングを実行することで上面視で矩形環状を有する凹部２１ｃを形成する。このとき、凹部２１ｃの段差を調整することで図１の錘部３２の厚さを制御することができる。その後、レジストパターン２７は除去される。

レジストパターン２７の除去後、図１０に示すように、マスク層２８をエッチングマスクとして埋め込み絶縁膜２３が露出するまで支持基板２１を垂直方向に異方性エッチングする。このとき、埋め込み絶縁膜２３は、異方性エッチングに対するストッパ膜として機能する。異方性エッチングとしては、たとえば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）、あるいは、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液やＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液を用いた異方性エッチングを使用することができる。

次に、図１１に示すように、中空部３１内の埋め込み絶縁膜２３の露出部分をエッチングで除去する。このとき、埋め込み絶縁膜２３がシリコン酸化膜からなる場合には、たとえば、フッ化水素などを用いたエッチングで埋め込み絶縁膜２３の露出部分を除去することができる。

次に、たとえば陽極接合法により、支持基板２１Ｐの裏面にガラス材料からなる封止部材２５を貼り合わせて中空部３１の開放端を封止する。この結果、図１（Ａ）に示したように中空部３１を気密室とする半導体圧力センサ１０が作製される。なお、後工程のパッケージ工程で中空部３１に気密室を形成する場合には、支持基板２１Ｐの裏面に封止部材２５を貼り合わせる工程は不要である。

ところで、錘部３２に対する加速度の影響を低減させるために、錘部３２にリング形状をなす空洞部を形成して錘部３２の重量を減らすことが望ましい。図１２は、半導体圧力センサ１０の変形例である半導体圧力センサ１０Ａの断面構造を概略的に示す図である。図１２に示されるように、この半導体圧力センサ１０Ａは、中心部に空洞部２１ｖを持つ半導体層２１Ｍａと絶縁膜２３Ｍとからなる錘部３２Ａを有する。半導体圧力センサ１０Ａの構成は、この錘部３２Ａを除いて、図１（Ａ），（Ｂ）に示した半導体圧力センサ１０の構成と同じである。図１２の空洞部２１ｖは、上記図６〜図１１で示した製造工程に、レジストパターンをマスクとして使用するエッチング工程を追加することで形成することができる。

以上に説明したように実施の形態１の半導体圧力センサ１０は、圧力差によりダイヤフラムの可動部に歪みが発生したとき、錘部３２で区画されたビーム部（薄肉部）２２ｂの外周端と内周端とにそれぞれ応力集中を発生させ、それら応力集中をピエゾ抵抗素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４で検出することができる。ダイヤフラムの厚肉部を構成する錘部３２は、ダイヤフラムの薄肉部２２ｂよりも外的作用に対して変形しにくい。このため、特にビーム部２２ｂの内周端に形成されたピエゾ抵抗素子Ｐ２，Ｐ３に作用する応力は、錘部３２の両端部を支点とする薄肉部２２ｂの歪みにより生ずるため、錘部３２を形成しない場合と比べると大きな応力となる。よって、錘部３２を形成しない場合よりも、検出感度を向上させることができる。

また、ダイヤフラムの応力集中箇所には溝を形成する必要がない。このため、特許文献１の構造と比べると、繰り返し応力に対するダイヤフラムの機械的強度（疲労強度）が高く、定格圧力（連続的に所望の性能を維持することができる最大の圧力）を高めることが可能である。

したがって、実施の形態１の半導体圧力センサ１０は、ダイヤフラムの機械的強度を犠牲にせずに検出感度の向上を実現することができる。

さらに、図１２に示したように錘部３２Ａに空洞部２１ｖが形成される場合には、加速度の影響を低減させることができる。このため、加速度が発生し得る使用状況でも、ダイヤフラムの機械的強度を犠牲にせずに検出感度の向上を実現し得る半導体圧力センサ１０Ａを提供することができる。

実施の形態２．
次に、本発明に係る実施の形態２について説明する。図１３は、実施の形態２のピエゾ抵抗型の半導体圧力センサ１０Ｂの断面構造を概略的に示す図である。本実施の形態の半導体圧力センサ１０Ｂの基本構造は、製造方法の一部が異なる点を除いて、実施の形態１の半導体圧力センサ１０の基本構造とほぼ同じである。

図１３に示されるように、半導体圧力センサ１０Ｂは、中空部３１と、この中空部３１内に配置された錘部３２Ｂとを有し、錘部３２Ｂは、実施の形態１の半導体圧力センサ１０と同様に中空部３１内に配置されている。

以下、実施の形態２の半導体圧力センサ１０Ｂの製造方法について説明する。図１４〜図１８は、この半導体圧力センサ１０Ｂの製造工程を説明するための半導体構造の概略断面図である。

まず、実施の形態１の場合と同様に、図６のＳＯＩ基板２０を用意し、図７に示したようにこのＳＯＩ基板２０の半導体結晶層２２の上面にピエゾ抵抗素子Ｐ１〜Ｐ４を形成し、さらに保護膜２４を形成する。

次に、図７のウエハの裏面に研削及び研磨を施した後に、図１４に示すようにこの裏面上に開口部２８Ｂｈを有するマスク層２８Ｂを形成する。具体的には、たとえば、ＣＶＤ法あるいは熱酸化法を用いて当該裏面上に酸化膜（ＳｉＯ_２）やシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）を成膜し、この酸化膜やシリコン窒化膜をパターニングすることでマスク層２８Ｂを形成することができる。

次に、図１５に示されるように、マスク層２８Ｂをエッチングマスクとしたエッチングを実行することで所定の深さを有する凹部２１ｄを形成する。続けて、図１６に示すように、図１５の凹部２１ｄ内にレジストパターン２９を形成する。

次に、図１７に示すように、レジストパターン２９及びマスク層２８Ｂをエッチングマスクとして、埋め込み絶縁膜２３が露出するまで支持基板２１を垂直方向に異方性エッチングする。このとき、埋め込み絶縁膜２３は、異方性エッチングに対するストッパ膜として機能する。このときの異方性エッチングとしては、高アスペクト比を実現する反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を使用すればよい。その後、レジストパターン２９は除去される。

次に、図１８に示すように、中空部３１内の埋め込み絶縁膜２３の露出部分をエッチングで除去する。このとき、埋め込み絶縁膜２３がシリコン酸化膜からなる場合には、たとえば、フッ化水素を用いたエッチングで埋め込み絶縁膜２３の露出部分を除去することができる。この結果、中空部３１を形作る内周端面２１ｗを有する支持基板２１Ｐと錘部３２Ｂとが形成される。

次に、たとえば陽極接合法により、支持基板２１Ｐの裏面にガラス材料からなる封止部材２５を貼り合わせて中空部３１の開放端を封止する。この結果、図１３に示した中空部３１を気密室とする半導体圧力センサ１０Ｂが作製される。なお、後工程のパッケージ工程で中空部３１に気密室を形成する場合には、支持基板２１Ｐの裏面に封止部材２５を貼り合わせる工程は不要である。

以上に説明した製造方法により実施の形態１の半導体圧力センサ１０と同様の基本構造を有する半導体圧力センサ１０Ｂを作製することができる。

本実施の形態の半導体圧力センサ１０Ｂでは、実施の形態１の半導体圧力センサ１０の錘部３２と比べて錘部３２Ｂの厚みが大きいため、錘部３２Ｂの下方一端と封止部材２５との間のギャップ幅が小さい。これにより、非常に大きな外部圧力が作用した場合に錘部３２Ｂがストッパとして機能するので、ダイヤフラムの破壊を防止することができる。大きな外部圧力に対して錘部３２Ｂの下方一端が封止部材２５と当接して、ダイヤフラムの可動部の移動量が制限されるので、ダイヤフラムが破損するまで変形することが防止される。これにより、絶対最大定格圧（この値を超えると半導体圧力センサ１０Ｂに損傷が生じる可能性のある値）の大幅な向上を実現することができる。錘部３２Ｂの下方一端と封止部材２５との間のギャップ幅は、エッチング工程（図１５）のプロセス条件を制御することで、たとえば２０μｍ以下の幅に調整することが可能である。

なお、実施の形態１に係る製造方法を用いた場合にも、錘部３２の厚みを増して錘部３２をストッパとして機能させることができる。具体的には、図９の構造形成のためのエッチング工程で環状凹部２１ｃのアスペクト比を高めることにより錘部３２の厚みを増すことができる。

実施の形態３．
次に、本発明に係る実施の形態３について説明する。図１９（Ａ）は、本発明に係る実施の形態３の圧力検出装置におけるピエゾ抵抗型の半導体圧力センサ１０Ｃの断面構造を概略的に示す図であり、図１９（Ｂ）は、この半導体圧力センサ１０Ｃの上面図である。図１９（Ａ）は、図１９（Ｂ）の半導体圧力センサ１０ＣのＸＩＸａ−ＸＩＸａ線における概略断面を示している。説明の便宜上、図１９（Ｂ）には保護膜２４は示されていない。

本実施の形態の半導体圧力センサ１０Ｃは、圧力検出とともに加速度を検出し得る構成を有することを特徴とする。この半導体圧力センサ１０Ｃは、上記実施の形態１の半導体圧力センサ１０の製造方法あるいは上記実施の形態２の半導体圧力センサ１０Ｂの製造方法を用いて作製され得る。

図１９（Ａ）に示されるように、半導体圧力センサ１０Ｃは、中空部３１と、この中空部３１内に配置された錘部３２Ｃとを有し、錘部３２Ｃは、実施の形態１，２の半導体圧力センサ１０，１０Ｂと同様に中空部３１内に配置されている。錘部３２Ｃは、加速度検出用の重量を確保するために厚みの大きな半導体層２１Ｍｃを有する。

また、図１９（Ｂ）に示されるように、半導体結晶層２２の上面（受圧面）には、Ｘ軸方向に沿って直線状に配列されたピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ２，Ｐｘ３，Ｐｘ４と、Ｙ軸方向に沿って直線状に配列されたピエゾ抵抗素子Ｐｙ１，Ｐｙ２，Ｐｙ３，Ｐｙ４と、Ｙ軸方向に沿って直線状に配列されたピエゾ抵抗素子Ｐｚ１，Ｐｚ２，Ｐｚ３，Ｐｚ４とが形成されている。ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ４，Ｐｙ１，Ｐｙ４，Ｐｚ１，Ｐｚ４は、ダイヤフラムの薄肉部２２ｂの外周端に形成され、ピエゾ抵抗素子Ｐｘ２，Ｐｘ３，Ｐｙ２，Ｐｙ３，Ｐｚ２，Ｐｚ３は、ダイヤフラムの薄肉部２２ｂの内周端に形成されている。

図２０は、ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４，Ｐｚ１〜Ｐｚ４の電気抵抗の変化を検出するブリッジ回路の等価回路図である。ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１〜Ｐｘ４は、正の電源電圧ＶＤＤｘとＧＮＤ電圧とを利用して差動信号電圧Ｖｘｏ（＝Ｖｘ_＋−Ｖｘ₋）を出力するブリッジ回路５０Ｘを構成している。また、ピエゾ抵抗素子Ｐｙ１〜Ｐｙ４は、正の電源電圧ＶＤＤｙとＧＮＤ電圧とを利用して差動信号電圧Ｖｙｏ（＝Ｖｙ_＋−Ｖｙ₋）を出力するブリッジ回路５０Ｙを構成し、そして、ピエゾ抵抗素子Ｐｚ１〜Ｐｚ４は、正の電源電圧ＶＤＤｚとＧＮＤ電圧とを利用して差動信号電圧Ｖｚｏ（＝Ｖｚ_＋−Ｖｚ₋）を出力するブリッジ回路５０Ｚを構成している。

ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ２，Ｐｘ３，Ｐｘ４の電気抵抗をＲｘ_１，Ｒｘ_２，Ｒｘ_３，Ｒｘ_４と表し、ピエゾ抵抗素子Ｐｙ１，Ｐｙ２，Ｐｙ３，Ｐｙ４の電気抵抗をＲｙ_１，Ｒｙ_２，Ｒｙ_３，Ｒｙ４と表し、ピエゾ抵抗素子Ｐｙ１，Ｐｙ２，Ｐｙ３，Ｐｙ４の電気抵抗をＲｙ_１，Ｒｙ_２，Ｒｙ_３，Ｒｙ_４と表すとき、差動信号電圧Ｖｘｏ，Ｖｙｏ，Ｖｚｏは、次式で表現することができる。
Ｖｘｏ＝［Ｒｘ_１／（Ｒｘ_１＋Ｒｘ_２）−Ｒｘ_４／（Ｒｘ_３＋Ｒｘ_４）］×ＶＤＤｘ、
Ｖｙｏ＝［Ｒｙ_１／（Ｒｙ_１＋Ｒｙ_２）−Ｒｙ_４／（Ｒｙ_３＋Ｒｙ_４）］×ＶＤＤｙ、
Ｖｚｏ＝［Ｒｚ_１／（Ｒｚ_１＋Ｒｚ_２）−Ｒｚ_４／（Ｒｚ_３＋Ｒｚ_４）］×ＶＤＤｚ

図２１は、実施の形態３の圧力検出装置１Ｃの構成例を概略的に示す機能ブロック図である。この圧力検出装置１Ｃは、半導体圧力センサ１０Ｃから出力された差動信号電圧Ｖｚｏから圧力値ＰｖとＺ軸方向の加速度Ａｚとを検出し、半導体圧力センサ１０Ｃから出力された差動信号電圧Ｖｘｏ，ＶｙｏからＸ軸方向及びＹ軸方向の加速度Ａｘ，Ａｙを検出することができる。

図２１に示されるように、この圧力検出装置１Ｃは、半導体圧力センサ１０Ｃに駆動電圧を供給する駆動回路１４Ｃと、差動信号電圧Ｖｘｏ，Ｖｙｏ，Ｙｚｏをそれぞれ入力とする差動増幅器１１Ｘ，１１Ｙ，１１Ｚと、差動増幅器１１Ｘ，１１Ｙ，１１Ｚの出力を入力とするゲイン調整器１２Ｘ，１２Ｙ，１２Ｚと、ゲイン調整器１２Ｘ，１２Ｙ，１２Ｚの出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）１３Ｘ，１３Ｙ，１３Ｚと、フィルタ部１６Ｘ，１６Ｙ及びフィルタバンク１６Ｚとを有する。

加速度演算部１７Ｘ，１７Ｙは、フィルタ部１６Ｘ，１６Ｙの出力に基づいてＸ軸方向加速度Ａｘ及びＹ軸方向加速度Ａｙをそれぞれ検出する。たとえば、図２２に示されるように、Ｘ軸正方向（右方）の加速が生じたとき、支持基板２１Ｐは、錘部３２Ｃに対してＸ軸正方向に移動する。これにより、ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ３には圧縮応力が作用し、ピエゾ抵抗素子Ｐｘ２，Ｐｘ４には引張応力が作用するので、ピエゾ抵抗素子Ｐｘ１，Ｐｘ３の電気抵抗Ｒｘ_１，Ｒｘ_３は低減し、ピエゾ抵抗素子Ｐｘ２，Ｐｘ４の電気抵抗は増大することとなる。このような電気抵抗の変化を加速度演算部１７Ｘは加速度Ａｘに変換することができる。

フィルタバンク１６Ｚは、Ａ／Ｄ変換器１３Ｚの出力から高周波数成分と低周波数成分とを抽出し、高周波数成分を加速度演算部１７Ｚに与え、低周波数成分を圧力演算部１７に与える。加速度演算部１７Ｚは、高周波数成分からＺ軸方向加速度Ａｚを算出し、圧力演算部１７は、高周波数成分からＺ軸方向の圧力値Ｐｖを算出することができる。圧力の時間変化は、加速度の時間変化よりも緩やかである場合が多いため、フィルタバンク１６Ｚを用いた周波数解析により一つの差動信号電圧Ｖｚｏから加速度Ａｚと圧力Ｐｖとを検出することができる。

したがって、実施の形態３の半導体圧力センサ１０Ｃは、一つのチップで加速度Ａｘ，Ａｙ，Ａｚと圧力Ｐｖの検出を実現することができる。

実施の形態１〜３の変形例．
以上、図面を参照して本発明に係る種々の実施の形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な形態を採用することもできる。たとえば、支持基板２１Ｐの中空部３１の上面視形状や錘部３２，３２Ｂ，３２Ｃの上面視形状は、図１（Ｂ）及び図１９（Ｂ）に示したように矩形状であるが、これに限定されるものではない。たとえば、これらの形状が円形状あるいは楕円形状であってもよい。

また、上記実施の形態１〜３の半導体圧力センサ１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、気密室の圧力を基準圧力とし、外部圧力とこの基準圧力との間の絶対圧を検出する絶対圧センサとして構成されているが、これに限定されるものではない。封止部材２５に代えて中空部３１の他端を開放端とする部材を使用すれば、差圧センサを構成することができる。

Ｐ１〜Ｐ４，Ｐｘ１〜Ｐｘ４，Ｐｙ１〜Ｐｙ４，Ｐｚ１〜Ｐｚ４ ピエゾ抵抗素子、 １，１Ｃ 圧力検出装置、 １０，１０Ｂ，１０Ｃ 半導体圧力センサ、 １１，１１Ｘ，１１Ｙ，１１Ｚ 差動増幅器、 １２Ｘ，１２Ｙ，１２Ｚ ゲイン調整器、 １３，１３Ｘ，１３Ｙ，１３Ｚ Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）、 １４，１４Ｃ 駆動回路、 １６，１６Ｘ，１６Ｙ フィルタ部、 １６Ｚ フィルタバンク、 １７ 圧力演算部、 １７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚ 加速度演算部、 ２０ ＳＯＩ基板、 ２１ 支持基板、 ２１Ｍ 半導体層、 ２１ｖ 空洞部、 ２２ 薄膜（半導体結晶層）、 ２２ｍ 中央部、 ２２ｂ ビーム部（薄肉部）、 ２２ｐ 周辺部、 ２３ 埋め込み絶縁膜、 ２４ 保護膜、 ２５ 封止部材、 ３１ 中空部、 ３２，３２Ｂ，３２Ｃ 錘部、 ４１，４４ ピエゾ抵抗拡散領域、 ４２Ａ，４２Ｂ，４５Ａ，４５Ｂ コンタクト領域。

Claims (12)

1. 受圧面と該受圧面に対向する裏面とを有するダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムの当該裏面を支持する支持面と中空部とを有する支持基板と、
   前記受圧面に形成され、前記受圧面の歪みに応じた可変の電気抵抗を有する複数の半導体ピエゾ抵抗素子と
   を備え、
   前記中空部の前記ダイヤフラム側一端は、前記ダイヤフラムの当該裏面によって封止されており、
   前記ダイヤフラムは、
   前記支持面により支持されている外周部と、
   前記中空部内に突出する錘部を持つ厚肉部と、
   前記厚肉部を前記外周部に連結し前記厚肉部よりも薄い薄肉部とを有し、
   前記複数の半導体ピエゾ抵抗素子は、
   前記薄肉部の前記外周部側の外周端に形成された第１の半導体ピエゾ抵抗素子と、
   前記薄肉部の前記厚肉部側の内周端に形成された第２の半導体ピエゾ抵抗素子とを含む
   ことを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 請求項１に記載の半導体圧力センサであって、
   前記薄肉部は、前記厚肉部を取り囲むように環状に形成されており、
   前記外周部は、前記薄肉部を取り囲むように環状に形成されている
   ことを特徴とする半導体圧力センサ。
3. 請求項２に記載の半導体圧力センサであって、
   前記複数の半導体ピエゾ抵抗素子は、
   前記薄肉部の当該外周端に形成された第３の半導体ピエゾ抵抗素子と、
   前記薄肉部の当該内周端に形成された第４の半導体ピエゾ抵抗素子とをさらに含み、
   前記第１及び第２の半導体ピエゾ抵抗素子は、前記受圧面に並行な第１の方向に沿って配列されており、
   前記第３及び第４の半導体ピエゾ抵抗素子は、前記受圧面に並行で且つ前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って配列されている
   ことを特徴とする半導体圧力センサ。
4. 請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の半導体圧力センサであって、前記錘部は、空洞部を有することを特徴とする半導体圧力センサ。
5. 請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の半導体圧力センサであって、前記中空部は、前記ダイヤフラムとは反対側で封止された他端を有し、気密室を構成していることを特徴とする半導体圧力センサ。
6. 請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の半導体圧力センサであって、前記半導体ピエゾ抵抗素子は、半導体結晶層に導入された不純物拡散領域を含むことを特徴とする半導体圧力センサ。
7. 請求項６に記載の半導体圧力センサであって、前記半導体結晶層は、単結晶シリコン層であることを特徴とする半導体圧力センサ。
8. 請求項１から７のうちのいずれか１項に記載の半導体圧力センサと、
   前記半導体圧力センサに含まれる当該複数の半導体ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を示す電圧信号に基づいて、前記半導体圧力センサに印加された圧力の値を算出する演算部と
   を備えることを特徴とする圧力検出装置。
9. 請求項３に記載の半導体圧力センサと、
   前記半導体圧力センサに含まれる当該複数の半導体ピエゾ抵抗素子の電気抵抗の変化を示す電圧信号に基づいて、前記半導体圧力センサに印加された圧力の値を算出する演算部とを備え、
   前記演算部は、前記電圧信号の周波数解析により前記半導体圧力センサに作用した加速度の値を前記圧力の値とともに算出する
   ことを特徴とする圧力検出装置。
10. 支持基板と該支持基板上に形成された半導体結晶層とを含む基板を用意する工程と、
    前記半導体結晶層の表層部に不純物を選択的に導入して複数の半導体ピエゾ抵抗素子を形成する工程と、
    前記支持基板の裏面を選択的にエッチングして所定の深さを有する環状凹部を形成する工程と、
    前記支持基板の裏面のうち前記環状凹部の領域と該環状凹部で囲まれる凸状領域との双方に対して選択的に異方性エッチングを実行することにより、前記支持基板内に中空部と該中空部内に配置される錘部とを形成すると同時に前記半導体結晶層を含むダイヤフラムを形成する工程と
    を備え、
    前記ダイヤフラムは、
    前記支持基板により支持されている外周部と、
    前記中空部内に突出する錘部を持つ厚肉部と、
    前記厚肉部を前記外周部に連結し前記厚肉部よりも薄い薄肉部とを有し、
    前記複数の半導体ピエゾ抵抗素子は、
    前記薄肉部の前記外周部側の外周端に形成された第１の半導体ピエゾ抵抗素子と、
    前記薄肉部の前記厚肉部側の内周端に形成された第２の半導体ピエゾ抵抗素子とを含む
    ことを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
11. 支持基板と該支持基板上に形成された半導体結晶層とを含む基板を用意する工程と、
    前記半導体結晶層の表層部に不純物を選択的に導入して複数の半導体ピエゾ抵抗素子を形成する工程と、
    前記支持基板の裏面を選択的にエッチングして所定の深さを有する凹部を形成する工程と、
    前記凹部の形成後、前記支持基板の当該凹部内の所定の環状領域を露出させるエッチングマスク形成する工程と、
    前記支持基板の裏面に対して前記エッチングマスクを使用した異方性エッチングを実行することにより、前記支持基板内に中空部と該中空部内に配置される錘部とを形成すると同時に前記半導体結晶層を含むダイヤフラムを形成する工程と
    を備え、
    前記ダイヤフラムは、
    前記支持基板により支持されている外周部と、
    前記中空部内に突出する錘部を持つ厚肉部と、
    前記厚肉部を前記外周部に連結し前記厚肉部よりも薄い薄肉部とを有し、
    前記複数の半導体ピエゾ抵抗素子は、
    前記薄肉部の前記外周部側の外周端に形成された第１の半導体ピエゾ抵抗素子と、
    前記薄肉部の前記厚肉部側の内周端に形成された第２の半導体ピエゾ抵抗素子とを含む
    ことを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
12. 請求項１０または１１に記載の半導体圧力センサの製造方法であって、
    前記異方性エッチングの実行後、前記支持基板と前記半導体結晶層との間に介在する埋め込み絶縁膜の露出部分をエッチングで除去するステップをさらに備え、
    前記基板は、ＳＯＩ基板である
    ことを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。

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