JP2016031278A - 物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた検出感度を有する物理量センサーを提供すること、また、かかる物理量センサーを備える圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を提供すること。【解決手段】本発明の物理量センサー１は、一方の面に開口している凹部２４を有する基板２と、凹部２４の底部を含んでいて、受圧により撓み変形するダイヤフラム部２０と、ダイヤフラム部２０に配置されているピエゾ抵抗素子５と、基板２の他方の面側でダイヤフラム部２０の外周に沿って配置されていて、ダイヤフラム部２０に対してダイヤフラム部２０の厚さ方向に凹部２４の深さｄよりも小さい高さｈで突出している段差部３０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体に関するものである。

受圧により撓み変形するダイヤフラムを備えた圧力センサーが広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。このような圧力センサーは、一般に、ダイヤフラム上に配置されたセンサー素子でダイヤフラムの撓みを検出することにより、ダイヤフラムに加わった圧力を検出する。

また、このような圧力センサーに用いられるダイヤフラムは、一般に、特許文献１に開示されているように、基板の一方の面に凹部を形成することにより、その基板の凹部により薄肉化された部分を用いて構成されている。そして、このようなダイヤフラムの撓みを検出するセンサー素子がその基板の凹部が開口している側とは反対側の面に配置されている。

ところで、近年、圧力センサーのさらなる小型化が求められている。しかし、特許文献１に係る圧力センサーでは、ダイヤフラムを小型化すると、十分な検出感度を実現することが難しいという問題があった。

特開２０１１−７５４００号公報

本発明の目的は、優れた検出感度を有する物理量センサーを提供すること、また、かかる物理量センサーを備える圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
［適用例１］
本発明の物理量センサーは、一方の面側に開口している凹部を有する基板と、
前記凹部の底部を含んでいて、受圧により撓み変形するダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部に配置されているセンサー素子と、
前記基板の他方の面側で前記ダイヤフラム部の外周に沿って配置されていて、前記ダイヤフラム部に対して前記ダイヤフラム部の厚さ方向に突出していて、突出量が前記凹部の深さよりも小さい段差部と、
を備えることを特徴とする。

このような物理量センサーによれば、ダイヤフラム部が受圧により撓み変形したとき、ダイヤフラム部の段差部との間の境界部分に応力を集中させることができる。そのため、かかる境界部分にセンサー素子を配置することにより、検出感度を向上させることができる。

［適用例２］
本発明の物理量センサーでは、前記ダイヤフラム部の前記一方の面側の面が受圧面であることが好ましい。

これにより、基板の凹部が開口している側とは反対側の面に、半導体製造プロセスを用いて圧力基準室および段差部を容易に形成することができる。

［適用例３］
本発明の物理量センサーでは、前記センサー素子は、前記ダイヤフラム部の厚さ方向の中心よりも前記他方の面側に配置されていることが好ましい。

これにより、ダイヤフラム部の受圧により応力が集中する部分にセンサー素子を配置することができ、その結果、検出感度を向上させることができる。また、基板の凹部が開口している側の面にセンサー素子を配置する場合に比べて、センサー素子を簡単かつ高精度に形成することができる。

［適用例４］
本発明の物理量センサーでは、前記センサー素子は、前記ダイヤフラム部の中心よりも前記段差部側に配置されていることが好ましい。

これにより、ダイヤフラム部の受圧により応力が集中する部分にセンサー素子を配置することができ、その結果、検出感度を向上させることができる。

［適用例５］
本発明の物理量センサーでは、前記段差部は、前記基板とは別体の層で構成されていることが好ましい。
これにより、適宜な高さの段差部を簡単かつ高精度に形成することができる。

［適用例６］
本発明の物理量センサーでは、前記別体の層は、多結晶シリコンを含んでいることが好ましい。

これにより、成膜法を用いて段差部を簡単かつ高精度に形成することができる。また、シリコン基板を用いてダイヤフラム部を形成した場合、段差部とダイヤフラム部との間の線膨張係数差を小さくすることができ、その結果、物理量センサーの温度特性を優れたものとすることができる。

［適用例７］
本発明の物理量センサーでは、前記基板の前記他方の面側に配置されている圧力基準室を備えることが好ましい。

これにより、圧力基準室内の圧力を基準として圧力を検出することができる。また、基板の凹部が開口している側とは反対側の面に、半導体製造プロセスを用いて圧力基準室を容易に形成することができる。

［適用例８］
本発明の物理量センサーでは、前記圧力基準室の側壁部は、前記別体の層に接続していることが好ましい。

これにより、段差部と圧力基準室の側壁部との間の隙間を無くし、犠牲層エッチングにより圧力基準室を形成する際に用いるエッチング液の不本意な挙動を低減することができる。

［適用例９］
本発明の物理量センサーでは、前記段差部の突出量が０．１μｍ以上３８０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。

これにより、ダイヤフラム部が受圧により撓み変形したとき、ダイヤフラム部の段差部との間の境界部分に応力を効果的に集中させることができる。

［適用例１０］
本発明の物理量センサーでは、前記ダイヤフラム部の厚さが１μｍ以上８μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。

これにより、ダイヤフラム部が受圧により撓み変形したとき、ダイヤフラム部の段差部との間の境界部分に応力を効果的に集中させることができる。

［適用例１１］
本発明の圧力センサーは、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。
これにより、優れた検出感度を有する圧力センサーを提供することができる。

［適用例１２］
本発明の高度計は、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。

これにより、優れた検出感度を有する物理量センサーを備える高度計を提供することができる。

［適用例１３］
本発明の電子機器は、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。

これにより、優れた検出感度を有する物理量センサーを備える電子機器を提供することができる。

［適用例１４］
本発明の移動体は、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。

これにより、優れた検出感度を有する物理量センサーを備える移動体を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 図１に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子の配置を示す拡大平面図である。 図１に示す物理量センサーの作用を説明するための図であって、（ａ）は加圧状態を示す断面図、（ｂ）は加圧状態を示す平面図である。 図１に示す物理量センサーが備える段差部を説明するための模式図である。 段差部の高さと検出感度との関係を示すグラフである。 段差部の端位置と検出感度との関係を示すグラフである。 図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。 図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る物理量センサーのピエゾ抵抗素子の配置を示す拡大平面図である。 本発明の圧力センサーの一例を示す断面図である。 本発明の高度計の一例を示す斜視図である。 本発明の電子機器の一例を示す正面図である。 本発明の移動体の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を添付図面に示す各実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．物理量センサー
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る物理量センサーを示す断面図、図２は、図１に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子の配置を示す拡大平面図である。また、図３は、図１に示す物理量センサーの作用を説明するための図であって、図３（ａ）は加圧状態を示す断面図、図３（ｂ）は加圧状態を示す平面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」という。

図１に示す物理量センサー１は、ダイヤフラム部２０を有する基板２と、ダイヤフラム部２０に配置されている複数のピエゾ抵抗素子５（センサー素子）と、ダイヤフラム部２０とともに空洞部Ｓ（圧力基準室）を形成している積層構造体６と、基板２と積層構造体６との間に配置されている段差形成層３と、を備えている。

以下、物理量センサー１を構成する各部を順次説明する。
−基板−
基板２は、半導体基板２１と、半導体基板２１の一方の面上に設けられた絶縁膜２２と、絶縁膜２２の半導体基板２１とは反対側の面上に設けられた絶縁膜２３と、を有している。

半導体基板２１は、単結晶シリコンで構成されているシリコン層２１１（ハンドル層）と、シリコン酸化膜で構成されている酸化シリコン層２１２（ボックス層）と、単結晶シリコンで構成されているシリコン層２１３（デバイス層）とがこの順で積層されたＳＯＩ基板である。なお、半導体基板２１は、ＳＯＩ基板に限定されず、例えば、単結晶シリコン基板等の他の半導体基板であってもよい。

絶縁膜２２は、例えば、シリコン酸化膜であり、絶縁性を有する。また、絶縁膜２３は、例えば、シリコン窒化膜であり、絶縁性を有するとともに、フッ酸を含むエッチング液に対する耐性をも有する。ここで、半導体基板２１（シリコン層２１３）と絶縁膜２３（シリコン窒化膜）との間に絶縁膜２２（シリコン酸化膜）が介在していることにより、絶縁膜２３の成膜時に生じた応力が半導体基板２１に伝わるのを絶縁膜２２により緩和することができる。また、絶縁膜２２は、半導体基板２１およびその上方に半導体回路を形成する場合、素子間分離膜として用いることもできる。なお、絶縁膜２２、２３は、前述した構成材料に限定されず、また、必要に応じて、絶縁膜２２、２３のうちのいずれか一方を省略してもよい。

このような基板２の絶縁膜２３上には、パターニングされた段差形成層３が配置されている。この段差形成層３は、平面視でダイヤフラム部２０の周囲を囲むように形成されており、段差形成層３の上面と基板２の上面との間であって、ダイヤフラム部２０の中心側（内側）に、段差形成層３の厚さ分の段差部３０を形成する。

この段差形成層３は、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン（ポリシリコン）またはアモルファスシリコンで構成されている。また、段差形成層３は、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン（ポリシリコン）またはアモルファスシリコンにリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）して構成されていてもよい。この場合、段差形成層３は、導電性を有するため、例えば、空洞部Ｓの外側において基板２上にＭＯＳトランジスタを形成する場合、段差形成層３の一部をＭＯＳトランジスタのゲート電極として用いることができる。また、段差形成層３の一部を配線として用いることもできる。なお、段差部３０については、後に詳述する。

このような基板２には、周囲の部分よりも薄肉であり、受圧によって撓み変形するダイヤフラム部２０が設けられている。ダイヤフラム部２０は、半導体基板２１の下面に有底の凹部２４を設けることで形成されている。すなわち、ダイヤフラム部２０は、基板２の一方の面に開口している凹部２４の底部を含んで構成されている。このダイヤフラム部２０は、その下面が受圧面２５となっている。本実施形態では、図２に示すように、ダイヤフラム部２０は、正方形の平面視形状である。

本実施形態の基板２では、凹部２４がシリコン層２１１を貫通しており、ダイヤフラム部２０が酸化シリコン層２１２、シリコン層２１３、絶縁膜２２および絶縁膜２３の４層で構成されている。ここで、酸化シリコン層２１２は、後述するように、物理量センサー１の製造工程において凹部２４をエッチングにより形成する際にエッチングストップ層として利用することができ、ダイヤフラム部２０の厚さの製品ごとのバラツキを少なくすることができる。

なお、凹部２４がシリコン層２１１を貫通せず、ダイヤフラム部２０がシリコン層２１１の薄肉部、酸化シリコン層２１２、シリコン層２１３、絶縁膜２２および絶縁膜２３の５層で構成されていてもよい。

−ピエゾ抵抗素子−
複数のピエゾ抵抗素子５は、図１に示すように、それぞれ、ダイヤフラム部２０の厚み方向の中心よりも空洞部Ｓ側に形成されている。ここで、ピエゾ抵抗素子５は、半導体基板２１のシリコン層２１３に形成されている。

図２に示すように、複数のピエゾ抵抗素子５は、ダイヤフラム部２０の外周部に配置されている複数のピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄで構成されている。

基板２の厚さ方向から平面視（以下、単に「平面視」という）で四角形をなすダイヤフラム部２０の４つの辺にそれぞれ対応して、ピエゾ抵抗素子５ａ、ピエゾ抵抗素子５ｂ、ピエゾ抵抗素子５ｃ、ピエゾ抵抗素子５ｄが配置されている。

ピエゾ抵抗素子５ａは、ダイヤフラム部２０の対応する辺に対して垂直な方向に沿って延びている。そして、ピエゾ抵抗素子５ａの両端部には、１対の配線２１４ａが電気的に接続されている。同様に、ピエゾ抵抗素子５ｂは、ダイヤフラム部２０の対応する辺に対して垂直な方向に沿って延びている。そして、ピエゾ抵抗素子５ｂの両端部には、１対の配線２１４ｂが電気的に接続されている。

一方、ピエゾ抵抗素子５ｃは、ダイヤフラム部２０の対応する辺に対して平行な方向に沿って延びている。そして、ピエゾ抵抗素子５ｃの両端部には、１対の配線２１４ｃが電気的に接続されている。同様に、ピエゾ抵抗素子５ｄは、ダイヤフラム部２０の対応する辺に対して平行な方向に沿って延びている。そして、ピエゾ抵抗素子５ｄの両端部には、１対の配線２１４ｄが電気的に接続されている。

なお、以下では、配線２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄをまとめて「配線２１４」ともいう。

このようなピエゾ抵抗素子５および配線２１４は、それぞれ、例えば、リン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）したシリコン（単結晶シリコン）で構成されている。ここで、配線２１４における不純物のドープ濃度は、ピエゾ抵抗素子５における不純物のドープ濃度よりも高い。なお、配線２１４は、金属で構成されていてもよい。

また、複数のピエゾ抵抗素子５は、例えば、自然状態における抵抗値が互いに等しくなるように構成されている。

以上説明したようなピエゾ抵抗素子５は、配線２１４等を介して、ブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路）を構成している。このブリッジ回路には、駆動電圧を供給する駆動回路（図示せず）が接続されている。そして、このブリッジ回路では、ピエゾ抵抗素子５の抵抗値に応じた信号（電圧）として出力される。

−積層構造体−
積層構造体６は、前述した基板２との間に空洞部Ｓを画成するように形成されている。ここで、積層構造体６は、ダイヤフラム部２０のピエゾ抵抗素子５側に配置されていてダイヤフラム部２０とともに空洞部Ｓ（圧力基準室）を構成している「壁部」である。

この積層構造体６は、基板２上に平面視でピエゾ抵抗素子５を取り囲むように形成された層間絶縁膜６１と、層間絶縁膜６１上に形成された配線層６２と、配線層６２および層間絶縁膜６１上に形成された層間絶縁膜６３と、層間絶縁膜６３上に形成され、複数の細孔６４２（開孔）を備えた被覆層６４１を有する配線層６４と、配線層６４および層間絶縁膜６３上に形成された表面保護膜６５と、被覆層６４１上に設けられた封止層６６とを有している。

層間絶縁膜６１、６３は、それぞれ、例えば、シリコン酸化膜で構成されている。また、配線層６２、６４および封止層６６は、それぞれ、アルミニウム等の金属で構成されている。また、封止層６６は、被覆層６４１が有する細孔６４２を封止している。また、表面保護膜６５は、例えば、シリコン窒化膜である。ここで、配線層６２、６４は、それぞれ、平面視で空洞部Ｓを囲むように形成されている部分を含んでいる。

このような積層構造体６は、ＣＭＯＳプロセスのような半導体製造プロセスを用いて形成することができる。なお、シリコン層２１３上およびその上方には、半導体回路が作り込まれていてもよい。この半導体回路は、ＭＯＳトランジスタ等の能動素子、その他必要に応じて形成されたコンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード、配線（ピエゾ抵抗素子５に接続されている配線を含む）等の回路要素を有している。

基板２と積層構造体６とによって画成された空洞部Ｓは、密閉された空間である。この空洞部Ｓは、物理量センサー１が検出する圧力の基準値となる圧力基準室として機能する。本実施形態では、空洞部Ｓが真空状態（３００Ｐａ以下）となっている。空洞部Ｓを真空状態とすることによって、物理量センサー１を、真空状態を基準として圧力を検出する「絶対圧センサー」として用いることができ、その利便性が向上する。

ただし、空洞部Ｓは、真空状態でなくてもよく、大気圧であってもよいし、大気圧よりも気圧が低い減圧状態であってもよいし、大気圧よりも気圧が高い加圧状態であってもよい。また、空洞部Ｓには、窒素ガス、希ガス等の不活性ガスが封入されていてもよい。
以上、物理量センサー１の構成について簡単に説明した。

このような構成の物理量センサー１は、図３（ａ）に示すように、ダイヤフラム部２０の受圧面２５が受ける圧力に応じて、ダイヤフラム部２０が変形し、これにより、図３（ｂ）に示すように、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが歪み、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの抵抗値が変化する。それに伴って、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが構成するブリッジ回路の出力が変化し、その出力に基づいて、受圧面２５で受けた圧力の大きさを求めることができる。

より具体的に説明すると、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じる前の自然状態では、例えば、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの抵抗値が互いに等しい場合、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値の積とが等しく、ブリッジ回路の出力（電位差）はゼロとなる。

一方、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じると、図３（ｂ）に示すように、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂにその長手方向に沿った圧縮歪みおよび幅方向に沿った引張歪みが生じるとともに、ピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄその長手方向に沿った引張歪みおよびその幅方向に沿った圧縮歪みが生じる。したがって、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じたとき、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値とのうち、一方の抵抗値が増加し、他方の抵抗値が減少する。

このようなピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの歪みにより、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値の積との差が生じ、その差に応じた出力（電位差）がブリッジ回路から出力される。このブリッジ回路からの出力に基づいて、受圧面２５で受けた圧力の大きさ（絶対圧）を求めることができる。

ここで、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じたとき、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値とのうち、一方の抵抗値が増加し、他方の抵抗値が減少するため、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値の積との差の変化を大きくすることができ、それに伴って、ブリッジ回路からの出力を大きくすることができる。その結果、圧力の検出感度を高めることができる。

（段差部）
以下、段差部３０について詳述する。

図４は、図１に示す物理量センサーが備える段差部を説明するための模式図である。また、図５は、段差部の高さと検出感度との関係を示すグラフ、図６は、段差部の端位置と検出感度との関係を示すグラフである。

前述したように、段差部３０は、基板２上に配置された段差形成層３により形成されており、基板２の上面側でダイヤフラム部２０の外周に沿って配置されている。本実施形態では、段差部３０は、ダイヤフラム部２０の外周の全域にわたって配置されている。なお、図示では、平面視において、段差部３０とダイヤフラム部２０の外周部との間の距離がダイヤフラム部２０の全周にわたって一定であるが、かかる距離がダイヤフラム部２０の周方向での一部において異なる部分を有していてもよい。

図４に示すように、段差部３０は、ダイヤフラム部２０に対してダイヤフラム部２０の厚さ方向（上側）に突出していて、段差部３０の高さｈ（その突出量）が凹部２４の深さｄよりも小さい。このような段差部３０がダイヤフラム部２０の外周近傍に配置されていることにより、ダイヤフラム部２０が図４中の二点鎖線で示すように受圧により撓み変形したとき、ダイヤフラム部２０の段差部３０との間の境界部分に応力を集中させることができる（図４（ａ）参照）。そのため、かかる境界部分（またはその付近）にピエゾ抵抗素子５を配置することにより、検出感度を向上させることができる。

ここで、段差形成層３は、段差部３０の高さｈが比較的低く、かつ、段差部３０の位置Ｘがダイヤフラム部２０の外周縁近傍である。これにより、ダイヤフラム部２０の受圧による必要な撓み変形を許容しつつ、ダイヤフラム部２０の外周部またはその近傍部に受圧時の応力集中を生じさせる。言い換えると、段差形成層３は、ダイヤフラム部２０の外周部またはその近傍部において、ダイヤフラム部２０の受圧による撓み変形を適度に規制することにより、ダイヤフラム部２０の受圧時に応力集中を効率的に生じさせる。

図５に示すように、段差部３０の高さｈが３８００Å以下（３８０μｍ以下）であるとき、段差部３０を設けない場合に比べて検出感度が向上する。また、図５に示す結果では、段差部３０の高さｈが２０００Å（２００μｍ）であるとき、最も検出感度が向上する。図５に示す結果から、段差部３０の高さｈは、１Å以上３８００Å以下（３８０μｍ）の範囲内にあればよいが、１０００Å以上３０００Å以下（１００μｍ以上３００μｍ以下）であることが好ましく、１５００Å以上２５００Å以下（１５０μｍ以上２５０μｍ以下）であることがより好ましい。これにより、ダイヤフラム部２０が受圧により撓み変形したとき、ダイヤフラム部２０の段差部３０との間の境界部分に応力を効果的に集中させることができる。その結果、ダイヤフラム部２０の小型化を図っても、優れた検出感度を実現することができる。

なお、図５に示すグラフは、段差形成層３がポリシリコンで構成され、ダイヤフラム部２０の外周位置を基準とした段差部３０の位置Ｘ（以下、単に「段差部３０の位置Ｘ」という）が０μｍであり、ダイヤフラム部２０の幅（平面視でのダイヤフラム部２０の縁部から対向する縁部までの距離）が１５０μｍであり、ダイヤフラム部２０の厚さが３μｍである場合のシミュレーション結果である。ここで、「段差部３０の位置Ｘ」は、ダイヤフラム部２０の外周縁（図中の「０」の位置）を基準としてダイヤフラム部２０の中心側に向かう位置であって、ダイヤフラム部２０の外周縁に対してダイヤフラム部２０の中心側を「＋」、外側を「−」とした場合の段差部３０（段差形成層３の内側端）の位置である。また、図５における「主応力の気圧感度」は、受圧時にダイヤフラム部２０の上面の最も応力が大きくなる部分に基づく検出感度である。

これに対し、段差部３０の高さｈが低すぎると、段差形成層３の構成材料や弾性率、段差部３０の位置Ｘ等によっては、ダイヤフラム部２０の受圧による撓み変形に伴う応力集中を効果的に生じさせることが難しく、検出感度の向上の効果が著しく小さくなる傾向を示す。一方、段差部３０の高さｈが高すぎると、段差形成層３の構成材料や弾性率、段差部３０の位置Ｘ等によっては、ダイヤフラム部２０の受圧による撓み変形を阻害してしまい、かえって検出感度を低下させてしまう。

また、図６に示すように、段差部３０の位置Ｘが−５μｍ以上１５μｍ以下であるとき、段差部３０を設けない場合に比べて検出感度が効果的に向上する。図６に示す結果から、段差部３０の位置Ｘは、−５μｍ以上１５μｍ以下であればよいが、−２μｍ以上１５μｍ以下であることが好ましく、−１μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましく、−０．５μｍ以上５μｍ以下であることがさらに好ましい。これにより、ダイヤフラム部２０が受圧により撓み変形したとき、ダイヤフラム部２０の段差部３０との間の境界部分に応力を効果的に集中させることができる。その結果、ダイヤフラム部２０の小型化を図っても、優れた検出感度を実現することができる。

なお、図６に示すグラフは、段差形成層３がポリシリコンで構成され、段差部３０の高さｈが３０００Å（３００μｍ）であり、ダイヤフラム部２０の幅（平面視でのダイヤフラム部２０の縁部から対向する縁部までの距離）が１５０μｍであり、ダイヤフラム部２０の厚さが３μｍである場合のシミュレーション結果である。ここで、図６における「主応力の気圧感度」は、受圧時にダイヤフラム部２０の上面の最も応力が大きくなる部分に基づく検出感度である。

これに対し、段差部３０の位置Ｘが小さすぎると、ダイヤフラム部２０の受圧による撓み変形に伴う応力集中を効果的に生じさせることが難しく、検出感度の向上の効果が著しく小さくなる傾向を示す（図４（ｂ）参照）。一方、段差部３０の位置Ｘが大きすぎると、段差形成層３の構成材料や弾性率、段差部３０の高さｈ等によっては、ダイヤフラム部２０の受圧による撓み変形を阻害してしまい、かえって検出感度を低下させてしまう（図４（ｃ）参照）。

ここで、このような図５および図６に示す結果からもわかるように、段差部３０の位置Ｘが前述した範囲内であれば、図５に示す結果と同様の結果が得られるし、段差部３０の高さｈが前述したような範囲内であれば、図６に示す結果と同様の結果が得られる。また、ダイヤフラム部２０の厚さが１μｍ以上８μｍ以下の範囲内にある場合や、ダイヤフラム部２０の幅が５０μｍ以上３００μｍ以下の範囲内にある場合も、図５および図６に示す結果と同様の結果が得られることがシミュレーションにより確認されている。

このようなことから、ダイヤフラム部２０の厚さが１μｍ以上８μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、また、ダイヤフラム部２０の幅が５０μｍ以上３００μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。言い換えると、ダイヤフラム部２０の厚さは、段差部３０の高さｈに対して、３倍以上２７倍以下であることが好ましく、また、ダイヤフラム部２０の幅は、段差部３０の高さｈに対して、１６０倍以上１０００倍以下であることが好ましい。これにより、ダイヤフラム部２０が受圧により撓み変形したとき、ダイヤフラム部２０の段差部３０との間の境界部分に応力を効果的に集中させることができる。

また、段差部３０は、基板２とは別体の層である段差形成層３で構成されているため、適宜な高さの段差部３０を簡単かつ高精度に形成することができる。特に、段差形成層３を多結晶シリコンで構成することにより、成膜法を用いて段差部３０を簡単かつ高精度に形成することができる。また、段差形成層３を多結晶シリコンで構成すると、シリコン基板を用いてダイヤフラム部２０を形成した場合、段差部３０とダイヤフラム部２０との間の線膨張係数差を小さくすることができ、その結果、物理量センサー１の温度特性を優れたものとすることができる。

なお、段差形成層３の構成材料は、前述したように、単結晶シリコンまたはアモルファスシリコンであってもよいし、シリコン以外の材料であってもよいが、線膨張係数やヤング率が基板２の主たる構成材料（シリコン単結晶）に近いものであることが好ましい。具体的には、段差形成層３の構成材料の線膨張係数は、１×１０^−７／Ｋ^−１以上１×１０^−５／Ｋ^−１以下であることが好ましく、１×１０^−６／Ｋ^−１以上１×１０^−５／Ｋ^−１以下であることがより好ましく、１×１０^−６／Ｋ^−１以上５×１０^−６／Ｋ^−１以下であることがさらに好ましい。また、段差形成層３の構成材料のヤング率は、１×１０^１０Ｐａ以上１×１０^１２Ｐａ以下であることが好ましく、５×１０^１０Ｐａ以上５×１０^１１Ｐａ以下であることがより好ましい。

このような段差部３０を有する物理量センサー１において、ピエゾ抵抗素子５は、ダイヤフラム部２０の厚み方向の中心よりも受圧面２５とは反対側に配置されていて、ダイヤフラム部２０の中心よりも段差部３０側に偏在している。すなわち、ピエゾ抵抗素子５は、ダイヤフラム部２０の段差部３０の近くに配置されている。これにより、ダイヤフラム部２０の受圧により応力が集中する部分にピエゾ抵抗素子５を配置することができ、その結果、検出感度を向上させることができる。また、基板２の凹部２４が開口している側の面にピエゾ抵抗素子（センサー素子）を配置する場合に比べて、ピエゾ抵抗素子５を簡単かつ高精度に形成することができる。

また、ピエゾ抵抗素子５は、前述したようにダイヤフラム部２０の受圧により応力が集中する部分またはその近傍に配置されていればよく、具体的には、段差部３０からダイヤフラム部２０の中心側へ１０μｍ以内の領域内に配置されていることが好ましい。

また、前述したようにダイヤフラム部２０の下面を受圧面２５とし、基板２の上面側に空洞部Ｓを配置することにより、基板２の凹部２４が開口している側とは反対側の面に、後に詳述するように半導体製造プロセスを用いて空洞部Ｓおよび段差部３０を容易に形成することができる。

また、図１に示すように、空洞部Ｓの側壁部（平面視で配線層６２、６４の空洞部Ｓを囲んでいる部分）が段差形成層３の上面に接続しているため、段差部３０と空洞部Ｓの側壁部との間の隙間を無くし、後述する犠牲層エッチングにより空洞部Ｓを形成する際に用いるエッチング液の不本意な挙動を低減することができる。

（物理量センサーの製造方法）
次に、物理量センサー１の製造方法を簡単に説明する。

図７および図８は、図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。以下、物理量センサー１の製造方法を、これらの図に基づいて説明する。

［歪検出素子形成工程］
まず、図７（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板である半導体基板２１を用意する。

そして、半導体基板２１のシリコン層２１３にリン（ｎ型）またはボロン（ｐ型）等の不純物をドープ（イオン注入）することにより、図７（ｂ）に示すように、複数のピエゾ抵抗素子５および配線２１４を形成する。

例えば、ボロンを＋８０ｋｅＶでイオン注入を行う場合、ピエゾ抵抗素子５へのイオン注入濃度を１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度とする。また、配線２１４へのイオン注入濃をピエゾ抵抗素子５よりも多くする。例えば、ボロンを１０ｋｅＶでイオン注入を行う場合、配線２１４へのイオン注入濃度を５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度とする。また、前述したようなイオン注入の後、例えば、１０００℃程度で２０分程度のアニールを行う。

［絶縁膜等形成工程］
次に、図７（ｃ）に示すように、シリコン層２１３上に絶縁膜２２、絶縁膜２３および段差形成層３をこの順で形成する。

絶縁膜２２、２３の形成は、それぞれ、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により行うことができる。段差形成層３は、例えば、多結晶シリコンをスパッタリング法、ＣＶＤ法等により成膜した後、その膜に必要に応じてリン、ボロン等の不純物をドープ（イオン注入）し、その後、エッチングによりパターニングすることで形成することができる。

［層間絶縁膜・配線層形成工程］
次に、図７（ｄ）に示すように、絶縁膜２３上に、犠牲層４１、配線層６２、犠牲層４２および配線層６４をこの順で形成する。

この犠牲層４１、４２は、それぞれ、後述する空洞部形成工程により一部が除去され、残部が層間絶縁膜６１、６３となるものである。犠牲層４１、４２の形成は、それぞれ、シリコン酸化膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、そのシリコン酸化膜をエッチングによりパターンニングすることにより行う。

また、犠牲層４１、４２の厚さは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、１５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下程度とされる。

また、配線層６２、６４の形成は、それぞれ、例えばアルミニウムよりなる層をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成した後、パターニング処理することにより行う。

ここで、配線層６２、６４の厚さは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下程度とされる。

このような犠牲層４１、４２および配線層６２、６４からなる積層構造は、通常のＣＭＯＳプロセスを用いて形成され、その積層数は、必要に応じて適宜に設定される。すなわち、必要に応じてさらに多くの犠牲層や配線層が積層される場合もある。

［空洞部形成工程］
次に、犠牲層４１、４２の一部を除去することにより、図８（ｅ）に示すように、半導体基板２１と被覆層６４１との間に空洞部Ｓ（キャビティ）を形成する。これにより、層間絶縁膜６１、６３が形成される。

空洞部Ｓの形成は、被覆層６４１に形成された複数の細孔６４２を通じたエッチングにより、犠牲層４１、４２の一部を除去することにより行う。ここで、かかるエッチングとしてウェットエッチングを用いる場合、複数の細孔６４２からフッ酸、緩衝フッ酸等のエッチング液を供給し、ドライエッチングを用いる場合、複数の細孔６４２からフッ化水素酸ガス等のエッチングガスを供給する。このようなエッチングの際、絶縁膜２３がエッチングストップ層として機能する。また、絶縁膜２３は、エッチング液に対する耐性を有することから、絶縁膜２３に対して下側の構成部（例えば、絶縁膜２２、ピエゾ抵抗素子５、配線２１４等）をエッチング液から保護する機能をも有する。

ここで、かかるエッチングの前に、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により表面保護膜６５を形成する。これにより、かかるエッチングの際、犠牲層４１、４２の層間絶縁膜６１、６２となる部分を保護することができる。表面保護膜６５の構成材料としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリイミド膜、エポキシ樹脂膜など、素子を水分、ゴミ、傷などから保護するための耐性を有するものが挙げられ、特に、シリコン窒化膜が好適である。表面保護膜６５の厚さは、特に限定されないが、例えば、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下程度とされる。

［封止工程］
次に、図８（ｆ）に示すように、被覆層６４１上に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ等の金属膜等からなる封止層６６をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、各細孔６４２を封止する。これより、空洞部Ｓが封止層６６により封止され、積層構造体６を得る。

ここで、封止層６６の厚さは、特に限定されないが、例えば、１０００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下程度とされる。

［ダイヤフラム形成工程］
次に、シリコン層２１１の下面を必要に応じて研削した後、シリコン層２１１の下面の一部をエッチングにより除去（加工）することにより、図８（ｇ）に示すように、凹部２４を形成する。これにより、空洞部Ｓを介して被覆層６４１に対向するダイヤフラム部２０が形成される。

ここで、シリコン層２１１の下面の一部を除去する際、酸化シリコン層２１２がエッチングストップ層として機能する。これにより、ダイヤフラム部２０の厚さを高精度に規定することができる。

なお、シリコン層２１１の下面の一部を除去する方法としては、ドライエッチングであっても、ウェットエッチング等であってもよい。
以上のような工程により、物理量センサー１を製造することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図７は、本発明の第２実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。

以下、本発明の第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

第２実施形態は、空洞部の天井部の構成およびその製造方法が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

図９に示す物理量センサー１Ａは、絶縁膜２３上に配置された段差形成層３Ａを備えている。この段差形成層３Ａは、ダイヤフラム部２０の外周に沿って配置された複数の段差部３０Ａを有している。本実施形態では、各段差部３０Ａは、平面視で四角形をなすダイヤフラム部２０の各辺の途中にのみ対応して設けられている。すなわち、本実施形態では、各段差部３０Ａが各ピエゾ抵抗素子５の配置に対応して設けられている。このように複数の段差部３０Ａを配置することにより、ダイヤフラム部２０のピエゾ抵抗素子５が配置されている部分以外の部分において、段差部３０Ａによりダイヤフラム部２０の受圧による撓み変形を阻害してしまうのを低減することができる。そのため、検出感度をより向上することができる。

２．圧力センサー
次に、本発明の物理量センサーを備える圧力センサー（本発明の圧力センサー）ついて説明する。図１０は、本発明の圧力センサーの一例を示す断面図である。

図１０に示すように、本発明の圧力センサー１００は、物理量センサー１と、物理量センサー１を収納する筐体１０１と、物理量センサー１から得た信号を圧力データに演算する演算部１０２とを備えている。物理量センサー１は、配線１０３を介して演算部１０２と電気的に接続されている。

物理量センサー１は、筐体１０１の内側に、図示しない固定手段により固定されている。また、筐体１０１には、物理量センサー１のダイヤフラム部２０が、例えば大気（筐体１０１の外側）と連通するための貫通孔１０４を有している。

このような圧力センサー１００によれば、貫通孔１０４を介してダイヤフラム部２０が圧力を受ける。この受圧した信号を配線１０３を介して演算部に送信し、圧力データに演算する。この演算された圧力データは、図示しない表示部（例えば、パーソナルコンピューターのモニター等）を介して表示することができる。

３．高度計
次に、本発明の物理量センサーを備える高度計（本発明の高度計）の一例について説明する。図１１は、本発明の高度計の一例を示す斜視図である。

高度計２００は、腕時計のように、手首に装着することができる。また、高度計２００の内部には、物理量センサー１（圧力センサー１００）が搭載されており、表示部２０１に現在地の海抜からの高度、または、現在地の気圧等を表示することができる。

なお、この表示部２０１には、現在時刻、使用者の心拍数、天候等、様々な情報を表示することができる。

４．電子機器
次に、本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用したナビゲーションシステムについて説明する。図１２は、本発明の電子機器の一例を示す正面図である。

ナビゲーションシステム３００には、図示しない地図情報と、ＧＰＳ（全地球測位システム：Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）からの位置情報取得手段と、ジャイロセンサーおよび加速度センサーと車速データとによる自立航法手段と、物理量センサー１と、所定の位置情報または進路情報を表示する表示部３０１とを備えている。

このナビゲーションシステムによれば、取得した位置情報に加えて高度情報を取得することができる。高度情報を得ることにより、例えば、一般道路と位置情報上は略同一の位置を示す高架道路を走行する場合、高度情報を持たない場合には、一般道路を走行しているのか高架道路を走行しているのかナビゲーションシステムでは判断できず、優先情報として一般道路の情報を使用者に提供してしまっていた。そこで、本実施形態に係るナビゲーションシステム３００では、高度情報を物理量センサー１によって取得することができ、一般道路から高架道路へ進入することによる高度変化を検出し、高架道路の走行状態におけるナビゲーション情報を使用者に提供することができる。

なお、表示部３０１は、例えば液晶パネルディスプレイや、有機ＥＬ（Organic Electro-Luminescence）ディスプレイなど、小型かつ薄型化が可能な構成となっている。

なお、本発明の物理量センサーを備える電子機器は、上記のものに限定されず、例えば、パーソナルコンピューター、携帯電話、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシュミレーター等に適用することができる。

５．移動体
次いで、本発明の物理量センサーを適用した移動体（本発明の移動体）について説明する。図１３は、本発明の移動体の一例を示す斜視図である。

図１３に示すように、移動体４００は、車体４０１と、４つの車輪４０２とを有しており、車体４０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪４０２を回転させるように構成されている。このような移動体４００には、ナビゲーションシステム３００（物理量センサー１）が内蔵されている。

以上、本発明の物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

前述した実施形態では、段差部を、ダイヤフラム部を有する基板とは別体の層で形成する場合を例に説明したが、これに限定されず、ダイヤフラム部を有する基板と一体で段差部を形成してもよい。

また、１つのダイヤフラム部に設けられるピエゾ抵抗素子の数は、前述した実施形態では４つである場合を例に説明したが、これに限定されず、例えば、１つ以上３つ以下、または、５つ以上であってもよい。また、ピエゾ抵抗素子の配置や形状等も前述した実施形態に限定されず、例えば、前述した実施形態において、ダイヤフラム部の中央部にもピエゾ抵抗素子を配置してもよい。

また、前述した実施形態では、ダイヤフラム部の撓みを検出するセンサー素子としてピエゾ抵抗素子を用いた場合を例に説明したが、かかる素子としては、これに限定されず、例えば、共振子であってもよい。

また、前述した実施形態では、ダイヤフラム部を有する基板の凹部が形成されている側と反対側に圧力基準室を設けた場合を例に説明したが、かかる基板の凹部側の面に圧力基準室を形成してもよい。この場合、例えば、かかる基板の凹部を封鎖するように他の基板を接合して圧力基準室を形成することができる。

１‥‥物理量センサー
１Ａ‥‥物理量センサー
２‥‥基板
３‥‥段差形成層
３Ａ‥‥段差形成層
５‥‥ピエゾ抵抗素子（センサー素子）
５ａ‥‥ピエゾ抵抗素子（センサー素子）
５ｂ‥‥ピエゾ抵抗素子（センサー素子）
５ｃ‥‥ピエゾ抵抗素子（センサー素子）
５ｄ‥‥ピエゾ抵抗素子（センサー素子）
６‥‥積層構造体
２０‥‥ダイヤフラム部
２１‥‥半導体基板
２２‥‥絶縁膜
２３‥‥絶縁膜
２４‥‥凹部
２５‥‥受圧面
３０‥‥段差部
３０Ａ‥‥段差部
４１‥‥犠牲層
４２‥‥犠牲層
６１‥‥層間絶縁膜
６２‥‥配線層
６３‥‥層間絶縁膜
６４‥‥配線層
６５‥‥表面保護膜
６６‥‥封止層
１００‥‥圧力センサー
１０１‥‥筐体
１０２‥‥演算部
１０３‥‥配線
１０４‥‥貫通孔
２００‥‥高度計
２０１‥‥表示部
２１１‥‥シリコン層
２１２‥‥酸化シリコン層
２１３‥‥シリコン層
２１４‥‥配線
２１４ａ‥‥配線
２１４ｂ‥‥配線
２１４ｃ‥‥配線
２１４ｄ‥‥配線
３００‥‥ナビゲーションシステム
３０１‥‥表示部
４００‥‥移動体
４０１‥‥車体
４０２‥‥車輪
６４１‥‥被覆層
６４２‥‥細孔
ｄ‥‥凹部の深さ
ｈ‥‥段差部の高さ
Ｓ‥‥空洞部
Ｘ‥‥段差部の位置

Claims (14)

1. 一方の面側に開口している凹部を有する基板と、
   前記凹部の底部を含んでいて、受圧により撓み変形するダイヤフラム部と、
   前記ダイヤフラム部に配置されているセンサー素子と、
   前記基板の他方の面側で前記ダイヤフラム部の外周に沿って配置されていて、前記ダイヤフラム部に対して前記ダイヤフラム部の厚さ方向に突出していて、突出量が前記凹部の深さよりも小さい段差部と、
   を備えることを特徴とする物理量センサー。
2. 前記ダイヤフラム部の前記一方の面側の面が受圧面である請求項１に記載の物理量センサー。
3. 前記センサー素子は、前記ダイヤフラム部の厚さ方向の中心よりも前記他方の面側に配置されている請求項１または２に記載の物理量センサー。
4. 前記センサー素子は、前記ダイヤフラム部の中心よりも前記段差部側に配置されている請求項３に記載の物理量センサー。
5. 前記段差部は、前記基板とは別体の層で構成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の物理量センサー。
6. 前記別体の層は、多結晶シリコンを含んでいる請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサー。
7. 前記基板の前記他方の面側に配置されている圧力基準室を備える請求項５または６に記載の物理量センサー。
8. 前記圧力基準室の側壁部は、前記別体の層に接続している請求項７に記載の物理量センサー。
9. 前記段差部の突出量が０．１μｍ以上３８０μｍ以下の範囲内にある請求項１ないし８のいずれか１項に記載の物理量センサー。
10. 前記ダイヤフラム部の厚さが１μｍ以上８μｍ以下の範囲内にある請求項１ないし９のいずれか１項に記載の物理量センサー。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする圧力センサー。
12. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする高度計。
13. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする電子機器。
14. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする移動体。

Images