JP2018072229A - 半導体差圧センサおよびその製造方法 - Google Patents

半導体差圧センサおよびその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2018072229A
JP2018072229A JP2016214079A JP2016214079A JP2018072229A JP 2018072229 A JP2018072229 A JP 2018072229A JP 2016214079 A JP2016214079 A JP 2016214079A JP 2016214079 A JP2016214079 A JP 2016214079A JP 2018072229 A JP2018072229 A JP 2018072229A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pressure sensor
differential pressure
semiconductor substrate
semiconductor
diaphragm
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2016214079A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6293236B1 (ja
Inventor
英治 吉川
Eiji Yoshikawa
英治 吉川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to JP2016214079A priority Critical patent/JP6293236B1/ja
Priority to US15/443,270 priority patent/US10260976B2/en
Priority to DE102017209858.9A priority patent/DE102017209858B4/de
Application granted granted Critical
Publication of JP6293236B1 publication Critical patent/JP6293236B1/ja
Publication of JP2018072229A publication Critical patent/JP2018072229A/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0054—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements integral with a semiconducting diaphragm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0067—Mechanical properties
    • B81B3/0072—For controlling internal stress or strain in moving or flexible elements, e.g. stress compensating layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/0009—Structural features, others than packages, for protecting a device against environmental influences
    • B81B7/0019—Protection against thermal alteration or destruction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00642—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for improving the physical properties of a device
    • B81C1/0065—Mechanical properties
    • B81C1/00666—Treatments for controlling internal stress or strain in MEMS structures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0618—Overload protection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G01L9/0047—Diaphragm with non uniform thickness, e.g. with grooves, bosses or continuously varying thickness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0264—Pressure sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0127—Diaphragms, i.e. structures separating two media that can control the passage from one medium to another; Membranes, i.e. diaphragms with filtering function
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/05—Temporary protection of devices or parts of the devices during manufacturing
    • B81C2201/056—Releasing structures at the end of the manufacturing process

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

【課題】−４０℃から１３０℃程度の広い温度範囲において安定して高精度な測定を行うことが可能な信頼性の高い半導体差圧センサと、この半導体差圧センサを安価且つ高歩留まりで製造することが可能な製造方法を提供する。【解決手段】半導体差圧センサエレメント１００Ａは、ダイヤフラム５の内側にのみ感歪素子６を配置し、ダイヤフラム５に沿って応力緩和溝１３を設けているので、ケースの膨張または収縮による熱応力が感歪素子６へ伝播しにくく、外部の温度変化による特性変動が抑制される。また、凹部３の内部に犠牲柱１２を設け、第二の半導体基板２を薄肉化するダイヤフラム形成工程や洗浄工程が繰り返し実施される機能素子形成工程において、ダイヤフラム５を犠牲柱１２で保持するようにしたので、ダイヤフラム５の破損を防止することができ、歩留まりが著しく向上する。【選択図】図７

Description

本発明は、ダイヤフラムの表面と裏面に印加された圧力の差を検出する半導体差圧センサおよびその製造方法に関する。
近年、自動車等の移動手段においては、環境保護の観点から排気ガスに関する規制が強化されている。パワートレインの電動化が進む一方で、従来の内燃機関を搭載したシステムにおいても改善が図られており、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンのいずれにおいても、排気ガス浄化システムの搭載が進んでいる。
このようなシステムにおいては、外部環境に微小粒子が排出されないように、ディーゼルパーティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、ガソリンパーティキュレートフィルタ（ＧＰＦ）等のフィルタが用いられるが、いずれも使用回数の増加に伴いフィルタが目詰まりして所期の機能が得られにくくなる。このため、所定の間隔でフィルタの目詰まりを検知しフィルタ機能を回復させる処置が行われる。本発明に係る半導体差圧センサは、例えば、このようなシステムに用いられ、フィルタの上流側と下流側の圧力差を測定することによってフィルタの目詰まりを検知するものである。
この種の半導体差圧センサとして、特許文献１には、第一基板に第二基板を重ねてなる基体内の重なり面に設けられた第一凹部からなる第一空隙部の上に、感歪素子を備えたダイヤフラムを有する半導体差圧センサが開示されている。この先行例による半導体差圧センサにおいて、第一空隙部の内底部には、第一基板の外面側に向かって第二凹部が設けられ、この第二凹部が外部に繋がる開口を備えることによって、第一空隙部と外部とが連通している。
また、この先行例による半導体差圧センサは、次のような工程によって製造されている。まず、第一基板に第一凹部を形成し、第一凹部の内側部に保護膜を形成した後、第一凹部の内底部に第二凹部を形成する。その後、第一基板の第一凹部が形成された面に第二基板を貼り合わせ、第二基板を薄肉化してダイヤフラムを形成し、さらに感歪素子および導電部を形成する。その後、基体の他面側から第一基板を薄肉化し、第二凹部に繋がる開口部を形成する（詳しくは、本発明の実施の形態１の比較例として後述する）。
この先行例のような半導体差圧センサにおいて所期の機能を発現するためには、測定対象となる２箇所の圧力を確実に気密分離した上で導圧することが可能なアセンブリ構造が欠かせない。半導体差圧センサのアセンブリ構造に求められる必須要件の１点目は、ダイヤフラムの表面と裏面に圧力が印加されても、その差圧によって搭載されているケースから半導体差圧センサチップ（以下、センサチップと略す）が剥離することなく保持されていることである。
ダイヤフラムの表面のみに圧力が印加される圧力センサであれば、センサチップの裏面側を保持すれば良いが、ダイヤフラムの両面で受圧する半導体差圧センサにおいては、基本的には負圧側の面で保持することになる。上記のようなＤＰＦ、ＧＰＦ等のフィルタの目詰まりを検知する用途においては、基本的にはフィルタの上流側が正圧となるので、フィルタの下流側の面でセンサチップを保持することになるが、システムの動作上、圧力の大小関係が常に同じであるとは限らない。また、その他の用途においては、測定対称となる２箇所において圧力の大小関係が変化するのが通常である。このため、印加される圧力によってセンサチップが剥離しないようにケースに強固に固定されている必要がある。
２点目は、測定対象となる２箇所の圧力が確実に気密分離された状態、すなわちダイヤフラムの表面側と裏面側が確実に気密分離された状態でケースに保持されていることである。このため、センサチップの下面側にダイボンド材を塗布するだけでは不十分であり、センサチップの側面にもダイボンド材を厚く塗布するという対策が取られていた。
特開２０１２−２６９５６号公報
半導体差圧センサが使用される温度範囲は一般に、−４０℃から１３０℃程度と広く、この範囲の温度変化によって樹脂製のケースが膨張と収縮を繰り返す。前述のように、センサチップはケースに強固に固定されているため、ケースの膨張または収縮による熱歪みはそのままセンサチップに伝播する。一方、感歪素子は、本来測定すべき圧力差による歪みと、ケースの熱歪みによる歪みを区別することができないため、熱歪みによる測定誤差が生じるという課題があった。
特許文献１に開示された半導体差圧センサには、熱歪みによる測定誤差を抑制する対策はとられておらず、感歪素子がダイヤフラムの内側から第二基板の外周域に亘って設けられているため、ケースの膨張または収縮による熱歪みが伝播し易い。
また、特許文献１に開示された半導体差圧センサの製造方法には、以下のような課題がある。１つ目の課題として、第一基板にエッチングで第二凹部を形成する工程において、既に第一凹部が形成された部分に均一にレジストを塗布することは非常に困難である。特許文献１では、第一凹部の深さは特に限定していないが、受圧ダイヤフラムの外形を規定する第一凹部の深さは、好ましくは数μｍから数十μｍ程度である。
このような深さを有する第一凹部の底面にさらに第二凹部を形成する場合、マスキング処理を行う必要があるが、一般的なスピン塗布ではレジストの膜厚に大きなムラが発生する。また、第一凹部の底面に焦点を合わせて高い精度で第二凹部のパターンを写真製版することも難しい。仮に、なんらかの対策を講じてこれらを技術的に可能にしたとしても、コストのかかる専用工程となる。
２つ目の課題として、第二基板と、第一凹部および第二凹部とを形成した第一基板とを接合した後に、第二基板を薄くしてダイヤフラムを形成する工程において、ダイヤフラムが破壊され、歩留まりが低下するという課題がある。第二基板を薄くする方法としては、グラインダーで研削した後、ポリッシャーで鏡面研磨する方法が一般的であるが、第二基板をグラインダーで研削し、所定の厚さ近くまで薄くなると、第一基板には第一凹部および第二凹部が既に形成されているため、グラインダーの負荷によってダイヤフラムが大きく撓み、ついには破壊に至る恐れがある。
半導体基板には多数の差圧センサチップが同時に形成されており、その中の１個のダイヤフラムが破損した場合であっても、後工程には高度な清浄度が要求される半導体ウェハプロセスが控えていることから、当該半導体基板を廃棄せざるを得ない。すなわち、ダイヤフラム形成工程の歩留まりは１００％であることが求められるが、特許文献１に記載された製造方法では達成が非常に困難である。
３つ目の課題として、仮にダイヤフラムを形成する工程が無事に終了したとしても、感
歪素子等の機能素子を形成するための半導体ウェハプロセスにおいて、洗浄工程によりダイヤフラムが破壊されるという課題がある。半導体ウェハプロセスの代表的な洗浄方法として、超音波洗浄、メガソニック洗浄、ブラシ洗浄、および高圧ジェット洗浄等があるが、いずれもダイヤフラムに対して重篤なダメージを及ぼす可能性が非常に高い。特にメガソニック洗浄においては、ダイヤフラムの共振周波数とメガソニック周波数とが近接するため、共振によりダイヤフラムが破壊しやすい。
さらに、４つ目の課題として、感歪素子や電極等の機能素子を形成した後に、外部と連通する開口を設けるために第一基板を薄肉化する工程において、ダイヤフラムが破損する可能性がある。この工程では、グラインダーおよびポリッシャーの研磨ヘッドにダイヤフラムの表面を接触させて半導体基板を保持するため、異物の噛み込みや、研削および研磨時の砥粒、塵埃の衝撃等により、ダイヤフラムが破損しやすい。なお、研削および研磨時に機能素子を保護するために、従来、ダイヤフラムを有する第二基板の表面に保護テープを貼り付ける対策がとられていたが、保護テープを剥離する際にもダイヤフラムが破損することがあった。
微小な圧力差を検出する用途の差圧センサにおいては、ダイヤフラムが薄く且つ大きく設計されるため、これらの工程においてダイヤフラムが破損する可能性がより高くなる。製造工程におけるダイヤフラムの破壊は、その被害が当該製品だけに留まるものではなく、同じラインで製造される他製品や製造装置にもダメージを及ぼす非常に深刻な問題である。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、−４０℃から１３０℃程度の広い温度範囲において、安定して高精度な測定を行うことが可能な信頼性の高い半導体差圧センサを得ることを目的とする。また、上記半導体差圧センサを安価且つ高歩留まりで製造することが可能な製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体差圧センサは、第一の半導体基板の一方の主面と、第二の半導体基板の一方の主面とが、第二の半導体基板に形成された酸化膜を介して接合されている半導体差圧センサエレメントを備えた半導体差圧センサであって、第一の半導体基板は、一方の主面に設けられた凹部と、凹部と他方の主面側の外部とを連通させる導圧孔とを有し、第二の半導体基板は、凹部の外形によって規定されるダイヤフラムと、他方の主面のダイヤフラムの内側に配置された感歪素子と、ダイヤフラムの外側の枠部に配置された電極と、感歪素子と電極とを電気的に接続する拡散配線とを有するものである。
また、第一の半導体基板の一方の主面と、第二の半導体基板の一方の主面とが、第二の半導体基板に形成された酸化膜を介して接合されている半導体差圧センサエレメントを備えた半導体差圧センサであって、第一の半導体基板は、一方の主面に設けられた凹部と、凹部の周囲に凹部に沿って設けられた応力緩和溝と、凹部と他方の主面側の外部とを連通させる導圧孔とを有し、第二の半導体基板は、凹部の外形によって規定されるダイヤフラムと、他方の主面のダイヤフラムの内側に配置された感歪素子と、ダイヤフラムの外側の枠部に配置された電極と、感歪素子と電極とを電気的に接続する拡散配線とを有するものである。
また、本発明に係る半導体差圧センサの製造方法は、凹部を有する第一の半導体基板の一方の主面と第二の半導体基板の一方の主面とが酸化膜を介して接合され、凹部の外形によって規定されるダイヤフラムを有し、凹部が第一の半導体基板の他方の主面側の外部と導圧孔によって連通している半導体差圧センサの製造方法であって、第一の半導体基板の一方の主面の凹部となる領域を、一部を残してエッチングすることにより、内部に犠牲柱
を有する凹部を形成する凹部形成工程と、凹部および犠牲柱が形成された第一の半導体基板の一方の主面と、酸化膜を有する第二の半導体基板の一方の主面とを接合する接合工程と、第二の半導体基板を他方の主面の側から所定の厚さに薄肉化し、ダイヤフラムを形成するダイヤフラム形成工程と、ダイヤフラムが形成された第二の半導体基板に、ダイヤフラムの内側に配置された感歪素子、ダイヤフラムの外側の枠部に配置された電極、および感歪素子と電極とを電気的に接続する拡散配線を形成する機能素子形成工程と、第一の半導体基板の他方の主面から凹部の底面までを貫通させるようにエッチングすることにより、導圧孔を形成すると同時に犠牲柱を除去する導圧孔形成工程とを含むものである。
本発明に係る半導体差圧センサによれば、ダイヤフラムの内側にのみ感歪素子を配置し、ダイヤフラムの外側の枠部に配置した電極と拡散配線によって電気的に接続するようにしたので、半導体差圧センサエレメントが実装されるケースの膨張または収縮による熱応力が感歪素子へ伝播しにくく、外部の温度変化による特性変動が抑制されることから、−４０℃から１３０℃程度の広い温度範囲においても安定して高精度な測定を行うことが可能である。
また、本発明に係る半導体差圧センサによれば、ダイヤフラムの内側にのみ感歪素子を配置し、ダイヤフラムの外側の枠部に配置した電極と拡散配線によって電気的に接続するようにしたので、半導体差圧センサエレメントが実装されるケースの膨張または収縮による熱応力が感歪素子へ伝播しにくい。さらに、ダイヤフラムに沿って応力緩和溝を設けることにより、ケースの膨張または収縮による熱応力の感歪素子への伝播を効果的に遮断することができるので、外部の温度変化による特性変動が抑制されることから、−４０℃から１３０℃程度の広い温度範囲においても安定して高精度な測定を行うことが可能である。
また、本発明に係る半導体差圧センサの製造方法によれば、凹部の内部に犠牲柱を設け、第二の半導体基板を薄肉化するダイヤフラム形成工程および機能素子形成工程においてダイヤフラムを犠牲柱で保持するようにしたので、それらの工程でのダイヤフラムの破損を防止することができ、歩留まりが著しく向上する。さらに、犠牲柱は凹部の形成と同時に形成することができ、導圧孔の形成と同時に除去することができるため、犠牲柱の形成と除去のために工程数が増えることなく、製造コストの上昇を招かない。また、第一の半導体基板の他方の主面の側から凹部の底面までエッチングすることにより導圧孔を形成するようにしたので、安価で容易な工程で高精度な導圧孔を形成することが可能である。さらに、ダイヤフラムおよび機能素子を形成した後に第一の半導体基板を研削、研磨する必要がないため、ダイヤフラムおよび機能素子の破損を防止することができ、歩留まりが向上する。
本発明の実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメントを示す平面図および断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメントの製造方法における犠牲柱の変形例を示す平面図および断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体差圧センサエレメントを示す平面図および断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体差圧センサエレメントの変形例を示す平面図および断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメントの第一の半導体基板の側面を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメントの第一の半導体基板の裏側の主面を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体差圧センサエレメントを示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態６に係る半導体差圧センサエレメントを示す平面図および断面図である。 本発明の実施の形態６に係る半導体差圧センサエレメントを示す下面図である。 本発明の比較例である従来の半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。 本発明の比較例である従来の半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。 本発明の比較例である従来の半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。
実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る半導体差圧センサについて、図面に基づいて説明する。図１（ａ）は、本実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメントを示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）中Ａ−Ａで示す部分における断面図、図２は、本実施の形態１に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造を示す断面図である。なお、各図において、同一、相当部分には同一符号を付している。
本実施の形態１に係る半導体差圧センサは、第一の半導体基板１の一方の主面１ａと、第二の半導体基板２の一方の主面２ａとが、酸化膜４を介して接合された半導体差圧センサエレメント１００を備えている。第一の半導体基板１は、主面１ａに設けられた凹部３と、凹部３と第一の半導体基板１の他方の主面１ｂ側の外部とを連通させる導圧孔８とを有している。凹部３の外形は、典型的には正方形であり、その大きさは半導体差圧センサの測定圧力レンジに応じて設定される。また、凹部３の深さは特に限定されるものではないが、加工上の観点から数μｍから数十μｍ程度であることが好ましい。また、導圧孔８の形状は、典型的には正方形柱である。
第二の半導体基板２に形成された酸化膜４は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)ウェハの埋込酸化膜（ＢＯＸ層）に相当する。微差圧測定用途の半導体差
圧センサの場合、酸化膜４の厚さがダイヤフラム５の厚さに対して厚すぎると測定精度が
低下する。このため、酸化膜４の厚さは、導圧孔８の形成等に支障がないようできるだけ薄い方が好ましく、例えば０．５μｍから１．０μｍ程度である。
第二の半導体基板２は薄く研磨されており、その中央部に、凹部３の外形によって外周が規定されるダイヤフラム５を有している。半導体差圧センサエレメント１００は、第一の半導体基板１に形成された導圧孔８がダイヤフラム５に対向する凹部３と連通していることにより、第一の半導体基板１の裏面である主面１ｂ側から印加される圧力をダイヤフラム５に導く構造となっている。
ダイヤフラム５の内側には、ダイヤフラム５に発生する歪みを検出する感歪素子６が配置されている。感歪素子６は、典型的にはピエゾ抵抗であり、拡散配線９を介して互いに電気的に接続され、ホイートストンブリッジ回路を構成している。当該ブリッジの各端子には、電源供給および信号取り出し用の電極１０が形成されている。
電極１０は、ダイヤフラム５の外側の枠部である外枠部７に配置され、拡散配線９によって感歪素子６と電気的に接続されている。ダイヤフラム５の面積および厚さは、測定する圧力レンジ、感歪素子６の感度等を勘案して設計されるものであるが、例えば、フルスケールで１０ｋＰａを測定する用途の場合、一辺が約１．３ｍｍ、厚さ１０μｍの正方形である。
以上のように構成された半導体差圧センサエレメント１００は、図２に示すように、樹脂製のケース３０に実装される。図２において、Ｐ１は半導体差圧センサの表面側にかかる圧力を示し、Ｐ２は裏面側にかかる圧力を示している。また、図中、σｈで示す矢印は、ケース３０にかかる熱応力を示している。半導体差圧センサエレメント１００は、差圧（Ｐ１−Ｐ２）によって剥離しないように、樹脂製のケース３０にダイボンド材３１によって強固に固定される。また、圧力Ｐ１、Ｐ２を気密分離するため、ダイボンド材３１は、第一の半導体基板１の下側の主面１ｂのみならず、側面１ｃにも設けられる。
半導体差圧センサエレメント１００の電極１０は、ケース３０の導体部３３とボンディングワイヤ３４で接続される。さらに、用途にもよるが、圧力媒体から半導体差圧センサエレメント１００を保護するために、半導体差圧センサの表面側と、裏面側の導圧孔８の内部にジェル３２が設けられる。ジェル３２の材質は、圧力媒体の腐食性等によって、シリコン系ジェルまたはフッ素系ジェル等が適宜選択される。
樹脂製のケース３０は、コストおよび加工性の面で優れているが、外部環境の温度変化によって膨張または収縮するため、ケース３０からの熱応力がダイボンド材３１を介して半導体差圧センサエレメント１００に伝搬する。感歪素子６が外枠部７に跨るように配置されている場合、本来測定すべき圧力差（Ｐ１−Ｐ２）によるダイヤフラム５の歪みに対し、ケース３０から伝播した熱応力σｈによる熱歪みが重畳されて検知され、測定誤差が生じる。本実施の形態１に係る半導体差圧センサは、このような測定誤差を抑制するため、ケース３０からの熱応力が伝播しにくいダイヤフラム５の内側にのみ、感歪素子６を配置している。
本実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメント１００の製造方法を説明する前に、比較例として、従来の半導体差圧センサエレメントの製造方法について、図１８から図２０を用いて簡単に説明する。まず、図１８（ａ）に示すように、第一基板１０１に第一凹部１０５ａを形成する。次に、図１８（ｂ）に示すように、第一凹部１０５ａの内側の少なくとも一部に保護膜１０７を形成した後、図１８（ｃ）に示すように第一凹部１０５ａの底部に第二凹部１０６ａを形成する。
続いて、図１９（ａ）に示すように、第一基板１０１の第一凹部１０５ａが形成された面に、保護膜１０８が形成された第二基板１０２を貼り合わせ、第一空隙部１０５を形成する。続いて、図１９（ｂ）に示すように、第二基板１０２を薄肉化してダイヤフラム１０３を形成する。その後、図２０（ａ）に示すように、ダイヤフラム１０３に感歪素子１０４および導電部を形成する。さらに、図２０（ｂ）に示すように、第一基板１０１を外面側から薄肉化して第二凹部１０６ａに繋がる開口部を形成し、第二空隙部１０６を形成する。
次に、本実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメント１００の製造方法について、図３から図５を用いて説明する。まず、図３（ａ）に示すように、第一の半導体基板１の一方の主面１ａの凹部３となる領域を、一部を残してエッチングすることにより、内部に犠牲柱１２を有する凹部３を形成する（凹部形成工程）。具体的には、第一の半導体基板１の凹部３となる部分以外（すなわち犠牲柱１２となる部分を含む）をレジスト等でマスキングし、ボッシュプロセス等によってエッチングすることにより、凹部３と犠牲柱１２を同時に形成する。
犠牲柱１２は、典型的には正方形柱であるが、円柱であっても良い。犠牲柱１２の個数、配置については一定の自由度があるが、凹部３の略中央部に配置することが望ましい。犠牲柱１２は、後のダイヤフラム形成工程および機能素子形成工程においてダイヤフラム５が破損しないように、ダイヤフラム５を保持する働きをする。従って、犠牲柱１２で保持されたダイヤフラム５の共振周波数が、ダイヤフラム形成工程および機能素子形成工程における各種外力の周波数と近接しないように設計することが肝要である。
続いて、図３（ｂ）に示すように、酸化膜４を有する第二の半導体基板２を用意し、図４（ａ）に示すように、凹部３および犠牲柱１２が形成された第一の半導体基板１の一方の主面１ａと、第二の半導体基板２の一方の主面２ａとを接合する（接合工程）。この接合には、ＳＯＩウェハの製造技術として確立している直接接合が好適である。すなわち、よく洗浄された第一の半導体基板１と第二の半導体基板２を室温下で仮接合した後、１１００℃程度の酸化雰囲気下で熱処理することにより、強固な接合強度が得られる。
その後、図４（ｂ）に示すように、第二の半導体基板２を他方の主面２ｂの側から薄肉化し、図５（ａ）に示すように所定の厚さを有するダイヤフラム５を形成する（ダイヤフラム形成工程）。第二の半導体基板２の薄肉化は、グラインダー等で研削し、さらにポリッシングすることにより行われる。前述の比較例では、第二基板１０２を薄肉化してダイヤフラム１０３を形成する工程（図１９（ｂ）参照）においてダイヤフラム１０３に非常に大きな外力が作用し、破損に至ることが多かったが、本実施の形態１に係る製造方法では、薄肉化の際に犠牲柱１２でダイヤフラム５を保持しているので、ダイヤフラム５の破損が抑制される。
続いて、図５（ｂ）に示すように、ダイヤフラム５が形成された第二の半導体基板２に、ダイヤフラム５の内側に配置された感歪素子６、ダイヤフラム５の外側の外枠部７に配置された電極１０、および感歪素子６と電極１０とを電気的に接続する拡散配線９を形成し、さらに、これらの機能素子を保護する保護膜１１を形成する（機能素子形成工程）。これらは半導体ウェハプロセスによって形成される。感歪素子６は例えばピエゾ抵抗であり、第二の半導体基板２の不純物タイプとは逆の極性の不純物をイオン注入等で注入することにより形成される。拡散配線９も同様であるが、配線として用いるため、より低抵抗となるようにする。
これら一連の半導体ウェハプロセスにおいては、例えば超音波洗浄、メガソニック洗浄、ブラシスクラブ洗浄、高圧ジェット洗浄等の洗浄工程が繰り返し行われる。前述の比較例では、これらの洗浄工程によってダイヤフラム５が破損に至ることが多く、破損の程度によっては当該ウェハを廃棄するため、歩留まりが非常に低いという課題があった。これに対し、本実施の形態１に係る製造方法では、犠牲柱１２がダイヤフラム５を保持しているので、ダイヤフラム５の破損が抑制される。
最後に、図５（ｃ）に示すように、第一の半導体基板１の他方の主面１ｂから凹部３の底面３ａまでの間を貫通させるようにエッチングすることにより、導圧孔８を形成すると同時に犠牲柱１２を除去する（導圧孔形成工程）。導圧孔８の形成には、ボッシュプロセスによるエッチングが用いられる。この工程では、図５（ｂ）示す犠牲柱の幅寸法Ｌｐよりも、導圧孔８の幅寸法Ｌ２が大きく設計されており（Ｌ２＞Ｌｐ）、導圧孔８が犠牲柱１２を内包しているため、エッチングにより導圧孔８が形成されると同時に犠牲柱１２は消失する。
なお、導圧孔形成工程において、仮に犠牲柱１２を除去するためのエッチングがオーバーエッチングとなっても、第二の半導体基板２の主面２ａには酸化膜４が形成されているため、これがエッチングストッパーとして機能し、ダイヤフラム５はエッチングされない。以上の工程により、本実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメント１００が完成する。
また、図６（ａ）は、本実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメントの製造方法における犠牲柱の変形例を示す平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）中、Ｂ−Ｂで示す部分の断面図であり、図５（ｂ）と同じ製造段階、すなわち導圧孔８を形成する直前の状態を示している。この変形例では、ダイヤフラム５を保持する犠牲柱として、中空構造の犠牲柱１２ａを設けている。中空構造の犠牲柱１２ａは、正方形柱の犠牲柱１２に比べてエッチングされ易く、効率的に除去される。
以上のように、本実施の形態１によれば、ダイヤフラム５の内側にのみ感歪素子６を配置し、ダイヤフラム５の外側の外枠部７に配置した電極１０と拡散配線９によって電気的に接続するようにしたので、ケース３０の膨張または収縮による熱応力が感歪素子６へ伝播しにくく、外部の温度変化による特性変動の少ない高精度な半導体差圧センサが得られる。
また、本実施の形態１に係る半導体差圧センサの製造方法によれば、凹部３の内部に犠牲柱１２、１２ａを設け、第二の半導体基板２を薄肉化するダイヤフラム形成工程と、半導体ウェハプロセスの洗浄工程が繰り返し実施される機能素子形成工程において、ダイヤフラム５を犠牲柱１２、１２ａで保持するようにしたので、それらの工程でのダイヤフラム５の破損を防止することができ、歩留まりが著しく向上する。
また、犠牲柱１２ａを中空構造とすることにより、導圧孔形成工程において、より効率的且つ確実に犠牲柱１２ａを除去することができ、歩留まりがさらに向上する。なお、犠牲柱１２、１２ａは、凹部３の形成と同時に形成することができ、導圧孔８の形成と同時に除去することができるため、犠牲柱１２、１２ａの形成と除去のために工程数が増えることなく、製造コストの上昇を招かない。
また、第一の半導体基板１の他方の主面１ｂの側から凹部３の底面３ａまでエッチングすることにより導圧孔８を形成するようにしたので、安価な工程で高精度な導圧孔８を容易に形成することができる。比較例の導圧孔の形成方法では、第一凹部１０５ａの底部にさらに第二凹部１０６ａを延設する際のレジスト塗布性や、第二凹部１０６ａの写真製版精度に課題があるが、本実施の形態１に係る導圧孔形成工程では、そのような課題は存在しない。
さらに、本実施の形態１に係る半導体差圧センサの製造方法では、ダイヤフラム５や感歪素子６等の機能素子が形成された後に第一の半導体基板１を研削、研磨する必要がないため、比較例のように第一基板１０１の研削、研磨によってダイヤフラム１０３が破損したり感歪素子１０４等がダメージを受けたりすることはない。従って、本実施の形態１によれば、安価で歩留まりの高い半導体差圧センサの製造方法を提供することが可能である。
実施の形態２．
図７（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る半導体差圧センサエレメントを示す平面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）中Ｃ−Ｃで示す部分における断面図である。なお、本実施の形態２に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造は、上記実施の形態１と同様であるので図２を流用する。本実施の形態２に係る半導体差圧センサエレメント１００Ａは、ダイヤフラム５の形状に沿って感歪素子６の近傍に配置された応力緩和溝１３を有している。その他の構成については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
応力緩和溝１３は、第一の半導体基板１の一方の主面１ａの凹部３の周囲に、凹部３に沿って設けられている。このように、ダイヤフラム５の境界に沿うように応力緩和溝１３を設けることにより、ケース３０の膨張または収縮による熱応力が感歪素子６へ伝播するのを効果的に遮断することができる。
また、図８（ａ）は、本実施の形態２に係る半導体差圧センサエレメントの変形例を示す平面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）中Ｄ−Ｄで示す部分における断面図である。本実施の形態２の変形例である半導体差圧センサエレメント１００Ｂは、第一の半導体基板１の一方の主面１ａに、凹部３の外側を多重に囲む入れ子構造の応力緩和溝１３ａ、１３ｂを有している。このように、応力緩和溝１３ａ、１３ｂを多重入れ子構造とすることにより、熱応力遮断効果がさらに向上する。
なお、応力緩和溝１３、１３ａ、１３ｂの幅寸法は、１０μｍ程度であることが望ましい。応力緩和溝１３、１３ａ、１３ｂの幅寸法が大きくなり過ぎると、あたかも微小なダイヤフラムであるかのように動作して測定精度を低下させたり、第一の半導体基板１と第二の半導体基板２との接合性を阻害したりする可能性がある。また、応力緩和溝１３、１３ａ、１３ｂの深さ寸法は、基本的には凹部３と同じであるが、これに限定されるものではない。応力緩和溝１３、１３ａ、１３ｂと凹部３の深さ寸法が同じである場合、それらを同時に形成することができるので効率的である。
本実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、凹部３に沿って応力緩和溝１３、１３ａ、１３ｂを設けることにより、ケース３０からの熱応力をより効果的に遮断することが可能となり、外部の温度変化による特性変動がさらに少ない非常に高精度な半導体差圧センサが得られる。また、応力緩和溝１３、１３ａ、１３ｂは、凹部３と同時に形成することができるため、製造工程の煩雑化を伴わずに測定精度の向上が図られる。
実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造を示している。本実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメント１００Ｃは、第一の半導体基板１の側面１ｃに、段差部であるオーバーハング部１４を有すると共に、側面１ｃおよび主面１ｂに微小凹凸形状領域１５、１５ａを有するものである。その他の構成については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
半導体差圧センサにおいては、表裏の気密分離を確実にするために、半導体差圧センサエレメントの裏面のみならず側面にもダイボンド材が厚く塗布される。このため、従来の半導体差圧センサの製造過程において、ダイボンド材の塗布量および塗布位置にばらつきが生じ、ダイボンド材が表面張力等により半導体差圧センサエレメントの表面側の電極にまで這い上がり、ワイヤボンド信頼性を著しく低下させるという課題があった。
さらに、半導体差圧センサエレメントがケースから剥離するまでには至らなくとも、半導体差圧センサエレメントの裏面および側面とダイボンド材との間の界面の一部が剥離し、これらが外部に連通する微小なリークパスを形成し、半導体差圧センサエレメントの表裏の気密分離を維持できなくなるという課題があった。このような気密分離不良は、フィルタの目詰まりを検知する用途においては、フィルタの目詰まりという事象を全く検知できないという致命的な不良であり、測定精度の低下よりも深刻であった。
本実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメント１００Ｃは、上記のような課題を解決するものであり、そのための手段として、第一の半導体基板１の主面１ａ、１ｂを繋ぐ側面１ｃに、段差部であるオーバーハング部１４を備えている。これにより、第一の半導体基板１は、第二の半導体基板２と接合された主面１ａの面積が、裏側の主面１ｂの面積よりも大きくなっている。このような構造とすることにより、半導体差圧センサエレメント１００Ｃは、第一の半導体基板１の裏側の主面１ｂおよび側面１ｃにダイボンド材３１が厚く塗布された場合でも、オーバーハング部１４によりダイボンド材３１の這い上がりを抑制することができ、ワイヤボンディングの信頼性を向上させることができる。
さらに、ダイボンド材３１の這い上がりを抑制するための別の手段として、半導体差圧センサエレメント１００Ｃのダイボンド材３１と接する部分に、図１０および図１１に示すような微小凹凸形状領域を設けることが効果的である。図１０は、図９中Ｓで示す箇所の部分拡大断面図であり、図１１は、図９中Ｂで示す箇所の部分拡大断面図である。
図１０に示す微小凹凸形状領域１５は、第一の半導体基板１の一方の主面１ａと他方の主面１ｂを繋ぐ側面１ｃの、オーバーハング部１４より裏面側に設けられている。微小凹凸形状領域１５の幅寸法Ｘ１および深さ寸法Ｙ１は、いずれも典型的には１μｍから５μｍ程度である。
また、図１１に示す微小凹凸形状領域１５ａは、半導体差圧センサエレメント１００Ｃの裏面である第一の半導体基板１の主面１ｂに設けられている。微小凹凸形状領域１５ａの凹部の幅寸法Ｘ２および深さ寸法Ｙ２は、いずれも典型的には１μｍから５μｍ程度であり、凸部の幅寸法も１μｍから５μｍ程度である。半導体差圧センサエレメント１００Ｃの裏面に設けられる微小凹凸形状領域１５ａは、側面に設けられる微小凹凸形状領域１５よりも自由度の高い設計が可能である。
なお、本実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメント１００Ｃにおいて、オーバーハング部１４、側面の微小凹凸形状領域１５、および裏面の微小凹凸形状領域１５ａのいずれか一つを備えていてもよい。ただし、それら全てを備えることにより、高い相乗効果が得られる。また、オーバーハング部１４を有していない上記実施の形態１および上記実施の形態２に係る半導体差圧センサエレメント１００、１００Ａ、１００Ｂにおいて、第一の半導体基板１の側面１ｃおよび裏面側の主面１ｂに、微小凹凸形状領域１５、１５ａを設けてもよい。
本実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメント１００Ｃの製造方法について、図１２および図１３を用いて説明する。なお、ここでは導圧孔形成工程についてのみ説明し、接合工程、ダイヤフラム形成工程、および機能素子形成工程は、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
本実施の形態３では、導圧孔形成工程において、図１２（ａ）に示すように、第一の半導体基板１の裏面側の主面１ｂに第一の保護膜１６を形成し、後に導圧孔８となる領域、およびオーバーハング部１４となる領域の第一の保護膜１６を除去して開口させる。続いて、第一の半導体基板１の第一の保護膜１６の上に第二の保護膜１７を形成し、後に導圧孔８となる領域の第二の保護膜１７を除去して開口させる。なお、第一の保護膜１６には例えば酸化膜、第二の保護膜１７には例えば窒化膜というように、材料の異なる膜が用いられる。
次に、図１２（ｂ）に示すように、第一の保護膜１６および第二の保護膜１７が形成された第一の半導体基板１を、主面１ｂの側から所定の深さＤ１だけエッチングして、導圧孔８となる領域に深さＤ１の第一の凹部８ａを形成する。なお、８インチウェハを用いる場合、Ｄ１は、例えば１００μｍから２００μｍ程度である。このエッチングには、典型的にはボッシュプロセスによるＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）が用いられる。続いて、図１３（ａ）に示すように、材料選択性を利用して第二の保護膜１７のみを除去し、第一の保護膜１６と、後に導圧孔８およびオーバーハング部１４となる第一の保護膜１６の開口部を露出させる。
次に、図１３（ｂ）に示すように、第一の保護膜１６が形成された第一の半導体基板１を、主面１ｂの側から深さＤ２だけボッシュプロセスによるＤＲＩＥによりエッチングする。なお、Ｄ２は、第一の半導体基板１の厚さとＤ１の差であり、Ｄ１とＤ２の和は第一の半導体基板１の厚さに等しい。８インチウェハの場合、Ｄ２は例えば５００μｍから６００μｍ程度である。このエッチングにより、第一の半導体基板１の一方の主面１ａから距離Ｄ１の側面に位置するオーバーハング部１４と、導圧孔８とを形成すると同時に、犠牲柱１２を除去する。
その後、必要に応じて、第一の半導体基板１の側面１ｃおよび主面１ｂに、規則的な微小凹凸形状領域１５、１５ａを形成する。微小凹凸形状領域１５、１５ａは、例えばボッシュプロセスによるエッチングによってマイクロスキャロップ構造として形成することができる。ボッシュプロセスは、エッチングレシピの調整によって凹凸の深さと大きさを調整することができるため、微小凹凸形状領域１５、１５ａの形成に好適である。以上の工程により、本実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメント１００Ｃが完成する。
本実施の形態３によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、半導体差圧センサエレメント１００Ｃの側面にオーバーハング部１４を備えることにより、ダイボンド材３１の這い上がりを抑制することができる。このため、半導体差圧センサエレメント１００Ｃ表面側の外枠部７に位置する電極１０のボンディング面を清浄に保てるので、ワイヤボンディング信頼性を向上させることができる。また、オーバーハング部１４を設けることにより、ダイボンド材３１の塗布量および塗布位置の制御が容易となり、半導体差圧センサの表裏の気密分離を確実に行うことができる。
また、半導体差圧センサエレメント１００Ｃのダイボンド材３１と接する部分に微小凹凸形状領域１５、１５ａを設けることにより、ダイボンド材３１との接触面積および界面距離を飛躍的に増大させることができるため、ダイボンド材３１の這い上がりをさらに抑制することができると共に、リークパスが外部に繋がる可能性を著しく低下させることができ、気密信頼性の向上が図られる。
また、微小凹凸形状領域１５、１５ａがダイボンド材３１に強く噛み込むため、ダイボンド材３１が半導体差圧センサエレメント１００Ｃを保持する力が著しく向上する。従っ
て、半導体差圧センサエレメント１００Ｃがケース３０から剥離しにくくなり、圧力差が大きい環境下においても精度の高い測定が行える。
実施の形態４．
図１４は、本発明の実施の形態４に係る半導体差圧センサエレメントを示している。なお、本実施の形態４に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造は、上記実施の形態３と同様であるので図９を流用する。本実施の形態４に係る半導体差圧センサエレメント１００Ｄは、導圧孔８と凹部３の間に連通孔１８を有し、導圧孔８の開口断面積を連通孔１８の断面積よりも大きくすることにより、ダイボンド材３１が導圧孔８を閉塞しないようにしたものである。その他の構成については、上記実施の形態３と同様であるので説明を省略する。
図１４に示すように、半導体差圧センサエレメント１００Ｄを構成する第一の半導体基板１は、導圧孔８の外部に連通する側の開口幅Ｌ２が、ダイヤフラム５の外形を規定する凹部３に連通する連通孔１８の開口幅Ｌ３よりも大きくなるように形成されている。このように、導圧孔８と凹部３の間に連通孔１８を有する構造は、オーバーハング部１４を形成する際の第一の半導体基板１のエッチングにより同時に形成することができる。
従来の半導体差圧センサの課題として、半導体差圧センサエレメントをケースに保持するためのダイボンド材が導圧孔の内部にはみ出し、最悪の場合、導圧孔を閉塞させてしまい、所期の圧力を測定できなくなるという課題があった。これに対し、本実施の形態４に係る半導体差圧センサは、凹部３との間に連通孔１８を設けることにより導圧孔８の開口断面積を大きくとっているので、ダイボンド材３１の塗布量が多い場合や塗布位置にばらつきが生じた場合でも、導圧孔８がダイボンド材３１によって閉塞されにくい。
本実施の形態４によれば、上記実施の形態３と同様の効果に加え、上記実施の形態３よりも導圧孔８の開口断面積を大きくとることにより、導圧孔８がダイボンド材３１によって閉塞されるリスクを大幅に低減することが可能となり、さらに信頼性の高い半導体差圧センサが得られる。
実施の形態５．
図１５は、本発明の実施の形態５に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造を示している。なお、本実施の形態５に係る半導体差圧センサエレメント１００は、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。本実施の形態５に係る半導体差圧センサは、半導体差圧センサエレメント１００が実装されるケース３０の第一の半導体基板１と接合される部分に、複数の溝３５を有するものである。
従来の半導体差圧センサにおいては、ダイボンド材とケースの界面の一部が剥離し、ここにリークパスが形成されるという課題があった。このような課題を解決するために、本実施の形態５に係る半導体差圧センサのケース３０は、第一の半導体基板１の裏面側の主面１ｂと接合される部分に、複数の溝３５を有している。これらの溝３５を設けることにより、ダイボンド材３１とケース３０との接触面積が著しく増加し、ダイボンド材３１がケース３０に噛み込むようになり、半導体差圧センサエレメント１００がケース３０に強固に保持される。
また、ケース３０とダイボンド材３１との界面距離が著しく増大するので、リークパスが発生しにくい。さらに、ケース３０の膨張または収縮による熱応力が溝３５によって吸収されるため、外部の温度変化による特性変動が抑制され、安定して高い測定精度が得られる。
本実施の形態５によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、ケース３０の第一の半導体基板１と接合される部分に複数の溝３５を有することにより、気密信頼性および測定精度の向上が図られる。
実施の形態６．
図１６（ａ）は、本発明の実施の形態６に係る半導体差圧センサエレメントを示す平面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）中Ｅ−Ｅで示す部分における断面図、図１７は、本実施の形態６に係る半導体差圧センサエレメントを示す下面図である。なお、図１６（ｂ）および図１７には、製造の過程で形成され除去される犠牲柱１２ｂを点線で示している。
半導体差圧センサにおいて微小な圧力差を検知するためには、ダイヤフラムの剛性を低く設計することが望ましく、必然的に薄く大きなものとなる。このため、従来の半導体差圧センサは、突発的に過大な圧力差が印加された場合、ダイヤフラムが著しく大きく撓み、破壊に至るという課題があった。このような課題を解決するために、本実施の形態６に係る半導体差圧センサエレメント１００Ｅは、ダイヤフラム５の変位を抑制するストッパー１９を有している。
ストッパー１９は、図１７に示すように、第一の半導体基板１の導圧孔８の内部に、支持梁２０により四方から保持されている。ストッパー１９は、半導体差圧センサエレメント１００Ｅに過大な圧力差が印加されてダイヤフラム５の撓みが非常に大きくなった場合に、ダイヤフラム５の変位を抑制するものであることから、ダイヤフラム５の変位量が最も大きい中心部に対向するように配置するのが効果的である。
ストッパー１９と支持梁２０は、導圧孔形成工程において、ストッパー１９と支持梁２０の部分がエッチングされないようにマスキングすることにより形成される。なお、上記実施の形態１では、犠牲柱１２をダイヤフラム５の中央部に配置したが（図５（ａ））、本実施の形態５では、犠牲柱１２ｂをストッパー１９と支持梁２０を避けた四箇所に配置する。導圧孔８が犠牲柱１２ｂを内包しているため、導圧孔８を形成するためのエッチングにより犠牲柱１２ｂは消失する。
本実施の形態６によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、導圧孔８の内部にダイヤフラム５の変位を抑制するストッパー１９を有することにより、圧力差が大きい環境においてもダイヤフラム５の破壊を抑制することが可能となり、さらに信頼性の高い半導体差圧センサが得られる。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
本発明は、半導体差圧センサとして利用することができ、特に、排気ガス浄化システムにおけるフィルタの目詰まりを検知する用途に好適である。
１ 第一の半導体基板、１ａ、１ｂ 主面、１ｃ 側面、２ 第二の半導体基板、２ａ、２ｂ 主面、３ 凹部、３ａ 底面、４ 酸化膜、５ ダイヤフラム、６ 感歪素子、７ 外枠部、８ 導圧孔、８ａ 第一の凹部、９ 拡散配線、１０ 電極、１１ 保護膜、１２、１２ａ、１２ｂ 犠牲柱、１３、１３ａ、１３ｂ 応力緩和溝、１４ オーバーハング部、１５、１５ａ 微小凹凸形状領域、１６ 第一の保護膜、１７ 第二の保護膜、１８ 連通孔、１９ ストッパー、２０ 支持梁、３０ ケース、３１ ダイボンド材、３２ ジェル、３３ 導体部、３４ ボンディングワイヤ、３５ 溝、１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ 半導体差圧センサエレメント
本発明は、ダイヤフラムの表面と裏面に印加された圧力の差を検出する半導体差圧センサおよびその製造方法に関する。
近年、自動車等の移動手段においては、環境保護の観点から排気ガスに関する規制が強化されている。パワートレインの電動化が進む一方で、従来の内燃機関を搭載したシステムにおいても改善が図られており、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンのいずれにおいても、排気ガス浄化システムの搭載が進んでいる。
このようなシステムにおいては、外部環境に微小粒子が排出されないように、ディーゼルパーティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）、ガソリンパーティキュレートフィルタ（ＧＰＦ）等のフィルタが用いられるが、いずれも使用回数の増加に伴いフィルタが目詰まりして所期の機能が得られにくくなる。このため、所定の間隔でフィルタの目詰まりを検知しフィルタ機能を回復させる処置が行われる。本発明に係る半導体差圧センサは、例えば、このようなシステムに用いられ、フィルタの上流側と下流側の圧力差を測定することによってフィルタの目詰まりを検知するものである。
この種の半導体差圧センサとして、特許文献１には、第一基板に第二基板を重ねてなる基体内の重なり面に設けられた第一凹部からなる第一空隙部の上に、感歪素子を備えたダイヤフラムを有する半導体差圧センサが開示されている。この先行例による半導体差圧センサにおいて、第一空隙部の内底部には、第一基板の外面側に向かって第二凹部が設けられ、この第二凹部が外部に繋がる開口を備えることによって、第一空隙部と外部とが連通している。
また、この先行例による半導体差圧センサは、次のような工程によって製造されている。まず、第一基板に第一凹部を形成し、第一凹部の内側部に保護膜を形成した後、第一凹部の内底部に第二凹部を形成する。その後、第一基板の第一凹部が形成された面に第二基板を貼り合わせ、第二基板を薄肉化してダイヤフラムを形成し、さらに感歪素子および導電部を形成する。その後、基体の他面側から第一基板を薄肉化し、第二凹部に繋がる開口部を形成する（詳しくは、本発明の実施の形態１の比較例として後述する）。
この先行例のような半導体差圧センサにおいて所期の機能を発現するためには、測定対象となる２箇所の圧力を確実に気密分離した上で導圧することが可能なアセンブリ構造が欠かせない。半導体差圧センサのアセンブリ構造に求められる必須要件の１点目は、ダイヤフラムの表面と裏面に圧力が印加されても、その差圧によって搭載されているケースから半導体差圧センサチップ（以下、センサチップと略す）が剥離することなく保持されていることである。
ダイヤフラムの表面のみに圧力が印加される圧力センサであれば、センサチップの裏面側を保持すれば良いが、ダイヤフラムの両面で受圧する半導体差圧センサにおいては、基本的には負圧側の面で保持することになる。上記のようなＤＰＦ、ＧＰＦ等のフィルタの目詰まりを検知する用途においては、基本的にはフィルタの上流側が正圧となるので、フィルタの下流側の面でセンサチップを保持することになるが、システムの動作上、圧力の大小関係が常に同じであるとは限らない。また、その他の用途においては、測定対称となる２箇所において圧力の大小関係が変化するのが通常である。このため、印加される圧力によってセンサチップが剥離しないようにケースに強固に固定されている必要がある。
２点目は、測定対象となる２箇所の圧力が確実に気密分離された状態、すなわちダイヤフラムの表面側と裏面側が確実に気密分離された状態でケースに保持されていることである。このため、センサチップの下面側にダイボンド材を塗布するだけでは不十分であり、センサチップの側面にもダイボンド材を厚く塗布するという対策が取られていた。
特開２０１２−２６９５６号公報
半導体差圧センサが使用される温度範囲は一般に、−４０℃から１３０℃程度と広く、この範囲の温度変化によって樹脂製のケースが膨張と収縮を繰り返す。前述のように、センサチップはケースに強固に固定されているため、ケースの膨張または収縮による熱歪みはそのままセンサチップに伝播する。一方、感歪素子は、本来測定すべき圧力差による歪みと、ケースの熱歪みによる歪みを区別することができないため、熱歪みによる測定誤差が生じるという課題があった。
特許文献１に開示された半導体差圧センサには、熱歪みによる測定誤差を抑制する対策はとられておらず、感歪素子がダイヤフラムの内側から第二基板の外周域に亘って設けられているため、ケースの膨張または収縮による熱歪みが伝播し易い。
また、特許文献１に開示された半導体差圧センサの製造方法には、以下のような課題がある。１つ目の課題として、第一基板にエッチングで第二凹部を形成する工程において、既に第一凹部が形成された部分に均一にレジストを塗布することは非常に困難である。特許文献１では、第一凹部の深さは特に限定していないが、受圧ダイヤフラムの外形を規定する第一凹部の深さは、好ましくは数μｍから数十μｍ程度である。
このような深さを有する第一凹部の底面にさらに第二凹部を形成する場合、マスキング処理を行う必要があるが、一般的なスピン塗布ではレジストの膜厚に大きなムラが発生する。また、第一凹部の底面に焦点を合わせて高い精度で第二凹部のパターンを写真製版することも難しい。仮に、なんらかの対策を講じてこれらを技術的に可能にしたとしても、コストのかかる専用工程となる。
２つ目の課題として、第二基板と、第一凹部および第二凹部とを形成した第一基板とを接合した後に、第二基板を薄くしてダイヤフラムを形成する工程において、ダイヤフラムが破壊され、歩留まりが低下するという課題がある。第二基板を薄くする方法としては、グラインダーで研削した後、ポリッシャーで鏡面研磨する方法が一般的であるが、第二基板をグラインダーで研削し、所定の厚さ近くまで薄くなると、第一基板には第一凹部および第二凹部が既に形成されているため、グラインダーの負荷によってダイヤフラムが大きく撓み、ついには破壊に至る恐れがある。
半導体基板には多数の差圧センサチップが同時に形成されており、その中の１個のダイヤフラムが破損した場合であっても、後工程には高度な清浄度が要求される半導体ウェハプロセスが控えていることから、当該半導体基板を廃棄せざるを得ない。すなわち、ダイヤフラム形成工程の歩留まりは１００％であることが求められるが、特許文献１に記載された製造方法では達成が非常に困難である。
３つ目の課題として、仮にダイヤフラムを形成する工程が無事に終了したとしても、感歪素子等の機能素子を形成するための半導体ウェハプロセスにおいて、洗浄工程によりダイヤフラムが破壊されるという課題がある。半導体ウェハプロセスの代表的な洗浄方法として、超音波洗浄、メガソニック洗浄、ブラシ洗浄、および高圧ジェット洗浄等があるが、いずれもダイヤフラムに対して重篤なダメージを及ぼす可能性が非常に高い。特にメガソニック洗浄においては、ダイヤフラムの共振周波数とメガソニック周波数とが近接するため、共振によりダイヤフラムが破壊しやすい。
さらに、４つ目の課題として、感歪素子や電極等の機能素子を形成した後に、外部と連通する開口を設けるために第一基板を薄肉化する工程において、ダイヤフラムが破損する可能性がある。この工程では、グラインダーおよびポリッシャーの研磨ヘッドにダイヤフラムの表面を接触させて半導体基板を保持するため、異物の噛み込みや、研削および研磨時の砥粒、塵埃の衝撃等により、ダイヤフラムが破損しやすい。なお、研削および研磨時に機能素子を保護するために、従来、ダイヤフラムを有する第二基板の表面に保護テープを貼り付ける対策がとられていたが、保護テープを剥離する際にもダイヤフラムが破損することがあった。
微小な圧力差を検出する用途の差圧センサにおいては、ダイヤフラムが薄く且つ大きく設計されるため、これらの工程においてダイヤフラムが破損する可能性がより高くなる。製造工程におけるダイヤフラムの破壊は、その被害が当該製品だけに留まるものではなく、同じラインで製造される他製品や製造装置にもダメージを及ぼす非常に深刻な問題である。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、−４０℃から１３０℃程度の広い温度範囲において、安定して高精度な測定を行うことが可能な信頼性の高い半導体差圧センサを得ることを目的とする。また、上記半導体差圧センサを安価且つ高歩留まりで製造することが可能な製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る半導体差圧センサは、第一の半導体基板の一方の主面と、第二の半導体基板の一方の主面とが、第二の半導体基板に形成された酸化膜を介して接合されている半導体差圧センサエレメントを備えた半導体差圧センサであって、第一の半導体基板は、一方の主面に設けられた凹部と、凹部の周囲に凹部に沿って設けられた凹部を多重に囲む入れ子構造の応力緩和溝と、凹部と他方の主面側の外部とを連通させる導圧孔とを有し、第二の半導体基板は、凹部の外形によって規定されるダイヤフラムと、他方の主面のダイヤフラムの内側に配置された感歪素子と、ダイヤフラムの外側の枠部に配置された電極と、感歪素子と電極とを電気的に接続する拡散配線とを有するものである。
また、本発明に係る半導体差圧センサの製造方法は、凹部を有する第一の半導体基板の一方の主面と第二の半導体基板の一方の主面とが酸化膜を介して接合され、凹部の外形によって規定されるダイヤフラムを有し、凹部が第一の半導体基板の他方の主面側の外部と導圧孔によって連通している半導体差圧センサの製造方法であって、第一の半導体基板の一方の主面の凹部となる領域を、一部を残してエッチングすることにより、内部に犠牲柱を有する凹部を形成する凹部形成工程と、凹部および犠牲柱が形成された第一の半導体基板の一方の主面と、酸化膜を有する第二の半導体基板の一方の主面とを接合する接合工程と、第二の半導体基板を他方の主面の側から所定の厚さに薄肉化し、ダイヤフラムを形成するダイヤフラム形成工程と、ダイヤフラムが形成された第二の半導体基板に、ダイヤフラムの内側に配置された感歪素子、ダイヤフラムの外側の枠部に配置された電極、および感歪素子と電極とを電気的に接続する拡散配線を形成する機能素子形成工程と、第一の半導体基板の他方の主面から凹部の底面までを貫通させるようにエッチングすることにより、導圧孔を形成すると同時に犠牲柱を除去する導圧孔形成工程とを含むものである。
本発明に係る半導体差圧センサによれば、ダイヤフラムの内側にのみ感歪素子を配置し、ダイヤフラムの外側の枠部に配置した電極と拡散配線によって電気的に接続するようにしたので、半導体差圧センサエレメントが実装されるケースの膨張または収縮による熱応力が感歪素子へ伝播しにくい。さらに、ダイヤフラムに沿って凹部を多重に囲む入れ子構造の応力緩和溝を設けることにより、ケースの膨張または収縮による熱応力の感歪素子への伝播を効果的に遮断することができるので、外部の温度変化による特性変動が抑制されることから、−４０℃から１３０℃程度の広い温度範囲においても安定して高精度な測定を行うことが可能である。
また、本発明に係る半導体差圧センサの製造方法によれば、凹部の内部に犠牲柱を設け、第二の半導体基板を薄肉化するダイヤフラム形成工程および機能素子形成工程においてダイヤフラムを犠牲柱で保持するようにしたので、それらの工程でのダイヤフラムの破損を防止することができ、歩留まりが著しく向上する。さらに、犠牲柱は凹部の形成と同時に形成することができ、導圧孔の形成と同時に除去することができるため、犠牲柱の形成と除去のために工程数が増えることなく、製造コストの上昇を招かない。また、第一の半導体基板の他方の主面の側から凹部の底面までエッチングすることにより導圧孔を形成するようにしたので、安価で容易な工程で高精度な導圧孔を形成することが可能である。さらに、ダイヤフラムおよび機能素子を形成した後に第一の半導体基板を研削、研磨する必要がないため、ダイヤフラムおよび機能素子の破損を防止することができ、歩留まりが向上する。
本発明の実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメントを示す平面図および断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメントの製造方法における犠牲柱の変形例を示す平面図および断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体差圧センサエレメントを示す平面図および断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体差圧センサエレメントの変形例を示す平面図および断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメントの第一の半導体基板の側面を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメントの第一の半導体基板の裏側の主面を示す部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体差圧センサエレメントを示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態６に係る半導体差圧センサエレメントを示す平面図および断面図である。 本発明の実施の形態６に係る半導体差圧センサエレメントを示す下面図である。 本発明の比較例である従来の半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。 本発明の比較例である従来の半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。 本発明の比較例である従来の半導体差圧センサエレメントの製造方法を示す断面図である。
実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る半導体差圧センサについて、図面に基づいて説明する。図１（ａ）は、本実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメントを示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）中Ａ−Ａで示す部分における断面図、図２は、本実施の形態１に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造を示す断面図である。なお、各図において、同一、相当部分には同一符号を付している。
本実施の形態１に係る半導体差圧センサは、第一の半導体基板１の一方の主面１ａと、第二の半導体基板２の一方の主面２ａとが、酸化膜４を介して接合された半導体差圧センサエレメント１００を備えている。第一の半導体基板１は、主面１ａに設けられた凹部３と、凹部３と第一の半導体基板１の他方の主面１ｂ側の外部とを連通させる導圧孔８とを有している。凹部３の外形は、典型的には正方形であり、その大きさは半導体差圧センサの測定圧力レンジに応じて設定される。また、凹部３の深さは特に限定されるものではないが、加工上の観点から数μｍから数十μｍ程度であることが好ましい。また、導圧孔８の形状は、典型的には正方形柱である。
第二の半導体基板２に形成された酸化膜４は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)ウェハの埋込酸化膜（ＢＯＸ層）に相当する。微差圧測定用途の半導体差
圧センサの場合、酸化膜４の厚さがダイヤフラム５の厚さに対して厚すぎると測定精度が低下する。このため、酸化膜４の厚さは、導圧孔８の形成等に支障がないようできるだけ薄い方が好ましく、例えば０．５μｍから１．０μｍ程度である。
第二の半導体基板２は薄く研磨されており、その中央部に、凹部３の外形によって外周が規定されるダイヤフラム５を有している。半導体差圧センサエレメント１００は、第一の半導体基板１に形成された導圧孔８がダイヤフラム５に対向する凹部３と連通していることにより、第一の半導体基板１の裏面である主面１ｂ側から印加される圧力をダイヤフラム５に導く構造となっている。
ダイヤフラム５の内側には、ダイヤフラム５に発生する歪みを検出する感歪素子６が配置されている。感歪素子６は、典型的にはピエゾ抵抗であり、拡散配線９を介して互いに電気的に接続され、ホイートストンブリッジ回路を構成している。当該ブリッジの各端子には、電源供給および信号取り出し用の電極１０が形成されている。
電極１０は、ダイヤフラム５の外側の枠部である外枠部７に配置され、拡散配線９によって感歪素子６と電気的に接続されている。ダイヤフラム５の面積および厚さは、測定する圧力レンジ、感歪素子６の感度等を勘案して設計されるものであるが、例えば、フルスケールで１０ｋＰａを測定する用途の場合、一辺が約１．３ｍｍ、厚さ１０μｍの正方形である。
以上のように構成された半導体差圧センサエレメント１００は、図２に示すように、樹脂製のケース３０に実装される。図２において、Ｐ１は半導体差圧センサの表面側にかかる圧力を示し、Ｐ２は裏面側にかかる圧力を示している。また、図中、σｈで示す矢印は、ケース３０にかかる熱応力を示している。半導体差圧センサエレメント１００は、差圧（Ｐ１−Ｐ２）によって剥離しないように、樹脂製のケース３０にダイボンド材３１によって強固に固定される。また、圧力Ｐ１、Ｐ２を気密分離するため、ダイボンド材３１は、第一の半導体基板１の下側の主面１ｂのみならず、側面１ｃにも設けられる。
半導体差圧センサエレメント１００の電極１０は、ケース３０の導体部３３とボンディングワイヤ３４で接続される。さらに、用途にもよるが、圧力媒体から半導体差圧センサエレメント１００を保護するために、半導体差圧センサの表面側と、裏面側の導圧孔８の内部にジェル３２が設けられる。ジェル３２の材質は、圧力媒体の腐食性等によって、シリコン系ジェルまたはフッ素系ジェル等が適宜選択される。
樹脂製のケース３０は、コストおよび加工性の面で優れているが、外部環境の温度変化によって膨張または収縮するため、ケース３０からの熱応力がダイボンド材３１を介して半導体差圧センサエレメント１００に伝搬する。感歪素子６が外枠部７に跨るように配置されている場合、本来測定すべき圧力差（Ｐ１−Ｐ２）によるダイヤフラム５の歪みに対し、ケース３０から伝播した熱応力σｈによる熱歪みが重畳されて検知され、測定誤差が生じる。本実施の形態１に係る半導体差圧センサは、このような測定誤差を抑制するため、ケース３０からの熱応力が伝播しにくいダイヤフラム５の内側にのみ、感歪素子６を配置している。
本実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメント１００の製造方法を説明する前に、比較例として、従来の半導体差圧センサエレメントの製造方法について、図１８から図２０を用いて簡単に説明する。まず、図１８（ａ）に示すように、第一基板１０１に第一凹部１０５ａを形成する。次に、図１８（ｂ）に示すように、第一凹部１０５ａの内側の少なくとも一部に保護膜１０７を形成した後、図１８（ｃ）に示すように第一凹部１０５ａの底部に第二凹部１０６ａを形成する。
続いて、図１９（ａ）に示すように、第一基板１０１の第一凹部１０５ａが形成された面に、保護膜１０８が形成された第二基板１０２を貼り合わせ、第一空隙部１０５を形成する。続いて、図１９（ｂ）に示すように、第二基板１０２を薄肉化してダイヤフラム１０３を形成する。その後、図２０（ａ）に示すように、ダイヤフラム１０３に感歪素子１０４および導電部を形成する。さらに、図２０（ｂ）に示すように、第一基板１０１を外面側から薄肉化して第二凹部１０６ａに繋がる開口部を形成し、第二空隙部１０６を形成する。
次に、本実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメント１００の製造方法について、図３から図５を用いて説明する。まず、図３（ａ）に示すように、第一の半導体基板１の一方の主面１ａの凹部３となる領域を、一部を残してエッチングすることにより、内部に犠牲柱１２を有する凹部３を形成する（凹部形成工程）。具体的には、第一の半導体基板１の凹部３となる部分以外（すなわち犠牲柱１２となる部分を含む）をレジスト等でマスキングし、ボッシュプロセス等によってエッチングすることにより、凹部３と犠牲柱１２を同時に形成する。
犠牲柱１２は、典型的には正方形柱であるが、円柱であっても良い。犠牲柱１２の個数、配置については一定の自由度があるが、凹部３の略中央部に配置することが望ましい。犠牲柱１２は、後のダイヤフラム形成工程および機能素子形成工程においてダイヤフラム５が破損しないように、ダイヤフラム５を保持する働きをする。従って、犠牲柱１２で保持されたダイヤフラム５の共振周波数が、ダイヤフラム形成工程および機能素子形成工程における各種外力の周波数と近接しないように設計することが肝要である。
続いて、図３（ｂ）に示すように、酸化膜４を有する第二の半導体基板２を用意し、図４（ａ）に示すように、凹部３および犠牲柱１２が形成された第一の半導体基板１の一方の主面１ａと、第二の半導体基板２の一方の主面２ａとを接合する（接合工程）。この接合には、ＳＯＩウェハの製造技術として確立している直接接合が好適である。すなわち、よく洗浄された第一の半導体基板１と第二の半導体基板２を室温下で仮接合した後、１１００℃程度の酸化雰囲気下で熱処理することにより、強固な接合強度が得られる。
その後、図４（ｂ）に示すように、第二の半導体基板２を他方の主面２ｂの側から薄肉化し、図５（ａ）に示すように所定の厚さを有するダイヤフラム５を形成する（ダイヤフラム形成工程）。第二の半導体基板２の薄肉化は、グラインダー等で研削し、さらにポリッシングすることにより行われる。前述の比較例では、第二基板１０２を薄肉化してダイヤフラム１０３を形成する工程（図１９（ｂ）参照）においてダイヤフラム１０３に非常に大きな外力が作用し、破損に至ることが多かったが、本実施の形態１に係る製造方法では、薄肉化の際に犠牲柱１２でダイヤフラム５を保持しているので、ダイヤフラム５の破損が抑制される。
続いて、図５（ｂ）に示すように、ダイヤフラム５が形成された第二の半導体基板２に、ダイヤフラム５の内側に配置された感歪素子６、ダイヤフラム５の外側の外枠部７に配置された電極１０、および感歪素子６と電極１０とを電気的に接続する拡散配線９を形成し、さらに、これらの機能素子を保護する保護膜１１を形成する（機能素子形成工程）。これらは半導体ウェハプロセスによって形成される。感歪素子６は例えばピエゾ抵抗であり、第二の半導体基板２の不純物タイプとは逆の極性の不純物をイオン注入等で注入することにより形成される。拡散配線９も同様であるが、配線として用いるため、より低抵抗となるようにする。
これら一連の半導体ウェハプロセスにおいては、例えば超音波洗浄、メガソニック洗浄、ブラシスクラブ洗浄、高圧ジェット洗浄等の洗浄工程が繰り返し行われる。前述の比較例では、これらの洗浄工程によってダイヤフラム５が破損に至ることが多く、破損の程度によっては当該ウェハを廃棄するため、歩留まりが非常に低いという課題があった。これに対し、本実施の形態１に係る製造方法では、犠牲柱１２がダイヤフラム５を保持しているので、ダイヤフラム５の破損が抑制される。
最後に、図５（ｃ）に示すように、第一の半導体基板１の他方の主面１ｂから凹部３の底面３ａまでの間を貫通させるようにエッチングすることにより、導圧孔８を形成すると同時に犠牲柱１２を除去する（導圧孔形成工程）。導圧孔８の形成には、ボッシュプロセスによるエッチングが用いられる。この工程では、図５（ｂ）示す犠牲柱の幅寸法Ｌｐよりも、導圧孔８の幅寸法Ｌ２が大きく設計されており（Ｌ２＞Ｌｐ）、導圧孔８が犠牲柱１２を内包しているため、エッチングにより導圧孔８が形成されると同時に犠牲柱１２は消失する。
なお、導圧孔形成工程において、仮に犠牲柱１２を除去するためのエッチングがオーバーエッチングとなっても、第二の半導体基板２の主面２ａには酸化膜４が形成されているため、これがエッチングストッパーとして機能し、ダイヤフラム５はエッチングされない。以上の工程により、本実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメント１００が完成する。
また、図６（ａ）は、本実施の形態１に係る半導体差圧センサエレメントの製造方法における犠牲柱の変形例を示す平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）中、Ｂ−Ｂで示す部分の断面図であり、図５（ｂ）と同じ製造段階、すなわち導圧孔８を形成する直前の状態を示している。この変形例では、ダイヤフラム５を保持する犠牲柱として、中空構造の犠牲柱１２ａを設けている。中空構造の犠牲柱１２ａは、正方形柱の犠牲柱１２に比べてエッチングされ易く、効率的に除去される。
以上のように、本実施の形態１によれば、ダイヤフラム５の内側にのみ感歪素子６を配置し、ダイヤフラム５の外側の外枠部７に配置した電極１０と拡散配線９によって電気的に接続するようにしたので、ケース３０の膨張または収縮による熱応力が感歪素子６へ伝播しにくく、外部の温度変化による特性変動の少ない高精度な半導体差圧センサが得られる。
また、本実施の形態１に係る半導体差圧センサの製造方法によれば、凹部３の内部に犠牲柱１２、１２ａを設け、第二の半導体基板２を薄肉化するダイヤフラム形成工程と、半導体ウェハプロセスの洗浄工程が繰り返し実施される機能素子形成工程において、ダイヤフラム５を犠牲柱１２、１２ａで保持するようにしたので、それらの工程でのダイヤフラム５の破損を防止することができ、歩留まりが著しく向上する。
また、犠牲柱１２ａを中空構造とすることにより、導圧孔形成工程において、より効率的且つ確実に犠牲柱１２ａを除去することができ、歩留まりがさらに向上する。なお、犠牲柱１２、１２ａは、凹部３の形成と同時に形成することができ、導圧孔８の形成と同時に除去することができるため、犠牲柱１２、１２ａの形成と除去のために工程数が増えることなく、製造コストの上昇を招かない。
また、第一の半導体基板１の他方の主面１ｂの側から凹部３の底面３ａまでエッチングすることにより導圧孔８を形成するようにしたので、安価な工程で高精度な導圧孔８を容易に形成することができる。比較例の導圧孔の形成方法では、第一凹部１０５ａの底部にさらに第二凹部１０６ａを延設する際のレジスト塗布性や、第二凹部１０６ａの写真製版精度に課題があるが、本実施の形態１に係る導圧孔形成工程では、そのような課題は存在しない。
さらに、本実施の形態１に係る半導体差圧センサの製造方法では、ダイヤフラム５や感歪素子６等の機能素子が形成された後に第一の半導体基板１を研削、研磨する必要がないため、比較例のように第一基板１０１の研削、研磨によってダイヤフラム１０３が破損したり感歪素子１０４等がダメージを受けたりすることはない。従って、本実施の形態１によれば、安価で歩留まりの高い半導体差圧センサの製造方法を提供することが可能である。
実施の形態２．
図７（ａ）は、本発明の実施の形態２に係る半導体差圧センサエレメントを示す平面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）中Ｃ−Ｃで示す部分における断面図である。なお、本実施の形態２に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造は、上記実施の形態１と同様であるので図２を流用する。本実施の形態２に係る半導体差圧センサエレメント１００Ａは、ダイヤフラム５の形状に沿って感歪素子６の近傍に配置された応力緩和溝１３を有している。その他の構成については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
応力緩和溝１３は、第一の半導体基板１の一方の主面１ａの凹部３の周囲に、凹部３に沿って設けられている。このように、ダイヤフラム５の境界に沿うように応力緩和溝１３を設けることにより、ケース３０の膨張または収縮による熱応力が感歪素子６へ伝播するのを効果的に遮断することができる。
また、図８（ａ）は、本実施の形態２に係る半導体差圧センサエレメントの変形例を示す平面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）中Ｄ−Ｄで示す部分における断面図である。本実施の形態２の変形例である半導体差圧センサエレメント１００Ｂは、第一の半導体基板１の一方の主面１ａに、凹部３の外側を多重に囲む入れ子構造の応力緩和溝１３ａ、１３ｂを有している。このように、応力緩和溝１３ａ、１３ｂを多重入れ子構造とすることにより、熱応力遮断効果がさらに向上する。
なお、応力緩和溝１３、１３ａ、１３ｂの幅寸法は、１０μｍ程度であることが望ましい。応力緩和溝１３、１３ａ、１３ｂの幅寸法が大きくなり過ぎると、あたかも微小なダイヤフラムであるかのように動作して測定精度を低下させたり、第一の半導体基板１と第二の半導体基板２との接合性を阻害したりする可能性がある。また、応力緩和溝１３、１３ａ、１３ｂの深さ寸法は、基本的には凹部３と同じであるが、これに限定されるものではない。応力緩和溝１３、１３ａ、１３ｂと凹部３の深さ寸法が同じである場合、それらを同時に形成することができるので効率的である。
本実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、凹部３に沿って応力緩和溝１３、１３ａ、１３ｂを設けることにより、ケース３０からの熱応力をより効果的に遮断することが可能となり、外部の温度変化による特性変動がさらに少ない非常に高精度な半導体差圧センサが得られる。また、応力緩和溝１３、１３ａ、１３ｂは、凹部３と同時に形成することができるため、製造工程の煩雑化を伴わずに測定精度の向上が図られる。
実施の形態３．
図９は、本発明の実施の形態３に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造を示している。本実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメント１００Ｃは、第一の半導体基板１の側面１ｃに、段差部であるオーバーハング部１４を有すると共に、側面１ｃおよび主面１ｂに微小凹凸形状領域１５、１５ａを有するものである。その他の構成については、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
半導体差圧センサにおいては、表裏の気密分離を確実にするために、半導体差圧センサエレメントの裏面のみならず側面にもダイボンド材が厚く塗布される。このため、従来の半導体差圧センサの製造過程において、ダイボンド材の塗布量および塗布位置にばらつきが生じ、ダイボンド材が表面張力等により半導体差圧センサエレメントの表面側の電極にまで這い上がり、ワイヤボンド信頼性を著しく低下させるという課題があった。
さらに、半導体差圧センサエレメントがケースから剥離するまでには至らなくとも、半導体差圧センサエレメントの裏面および側面とダイボンド材との間の界面の一部が剥離し、これらが外部に連通する微小なリークパスを形成し、半導体差圧センサエレメントの表裏の気密分離を維持できなくなるという課題があった。このような気密分離不良は、フィルタの目詰まりを検知する用途においては、フィルタの目詰まりという事象を全く検知できないという致命的な不良であり、測定精度の低下よりも深刻であった。
本実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメント１００Ｃは、上記のような課題を解決するものであり、そのための手段として、第一の半導体基板１の主面１ａ、１ｂを繋ぐ側面１ｃに、段差部であるオーバーハング部１４を備えている。これにより、第一の半導体基板１は、第二の半導体基板２と接合された主面１ａの面積が、裏側の主面１ｂの面積よりも大きくなっている。このような構造とすることにより、半導体差圧センサエレメント１００Ｃは、第一の半導体基板１の裏側の主面１ｂおよび側面１ｃにダイボンド材３１が厚く塗布された場合でも、オーバーハング部１４によりダイボンド材３１の這い上がりを抑制することができ、ワイヤボンディングの信頼性を向上させることができる。
さらに、ダイボンド材３１の這い上がりを抑制するための別の手段として、半導体差圧センサエレメント１００Ｃのダイボンド材３１と接する部分に、図１０および図１１に示すような微小凹凸形状領域を設けることが効果的である。図１０は、図９中Ｓで示す箇所の部分拡大断面図であり、図１１は、図９中Ｂで示す箇所の部分拡大断面図である。
図１０に示す微小凹凸形状領域１５は、第一の半導体基板１の一方の主面１ａと他方の主面１ｂを繋ぐ側面１ｃの、オーバーハング部１４より裏面側に設けられている。微小凹凸形状領域１５の幅寸法Ｘ１および深さ寸法Ｙ１は、いずれも典型的には１μｍから５μｍ程度である。
また、図１１に示す微小凹凸形状領域１５ａは、半導体差圧センサエレメント１００Ｃの裏面である第一の半導体基板１の主面１ｂに設けられている。微小凹凸形状領域１５ａの凹部の幅寸法Ｘ２および深さ寸法Ｙ２は、いずれも典型的には１μｍから５μｍ程度であり、凸部の幅寸法も１μｍから５μｍ程度である。半導体差圧センサエレメント１００Ｃの裏面に設けられる微小凹凸形状領域１５ａは、側面に設けられる微小凹凸形状領域１５よりも自由度の高い設計が可能である。
なお、本実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメント１００Ｃにおいて、オーバーハング部１４、側面の微小凹凸形状領域１５、および裏面の微小凹凸形状領域１５ａのいずれか一つを備えていてもよい。ただし、それら全てを備えることにより、高い相乗効果が得られる。また、オーバーハング部１４を有していない上記実施の形態１および上記実施の形態２に係る半導体差圧センサエレメント１００、１００Ａ、１００Ｂにおいて、第一の半導体基板１の側面１ｃおよび裏面側の主面１ｂに、微小凹凸形状領域１５、１５ａを設けてもよい。
本実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメント１００Ｃの製造方法について、図１２および図１３を用いて説明する。なお、ここでは導圧孔形成工程についてのみ説明し、接合工程、ダイヤフラム形成工程、および機能素子形成工程は、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
本実施の形態３では、導圧孔形成工程において、図１２（ａ）に示すように、第一の半導体基板１の裏面側の主面１ｂに第一の保護膜１６を形成し、後に導圧孔８となる領域、およびオーバーハング部１４となる領域の第一の保護膜１６を除去して開口させる。続いて、第一の半導体基板１の第一の保護膜１６の上に第二の保護膜１７を形成し、後に導圧孔８となる領域の第二の保護膜１７を除去して開口させる。なお、第一の保護膜１６には例えば酸化膜、第二の保護膜１７には例えば窒化膜というように、材料の異なる膜が用いられる。
次に、図１２（ｂ）に示すように、第一の保護膜１６および第二の保護膜１７が形成された第一の半導体基板１を、主面１ｂの側から所定の深さＤ１だけエッチングして、導圧孔８となる領域に深さＤ１の第一の凹部８ａを形成する。なお、８インチウェハを用いる場合、Ｄ１は、例えば１００μｍから２００μｍ程度である。このエッチングには、典型的にはボッシュプロセスによるＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）が用いられる。続いて、図１３（ａ）に示すように、材料選択性を利用して第二の保護膜１７のみを除去し、第一の保護膜１６と、後に導圧孔８およびオーバーハング部１４となる第一の保護膜１６の開口部を露出させる。
次に、図１３（ｂ）に示すように、第一の保護膜１６が形成された第一の半導体基板１を、主面１ｂの側から深さＤ２だけボッシュプロセスによるＤＲＩＥによりエッチングする。なお、Ｄ２は、第一の半導体基板１の厚さとＤ１の差であり、Ｄ１とＤ２の和は第一の半導体基板１の厚さに等しい。８インチウェハの場合、Ｄ２は例えば５００μｍから６００μｍ程度である。このエッチングにより、第一の半導体基板１の一方の主面１ａから距離Ｄ１の側面に位置するオーバーハング部１４と、導圧孔８とを形成すると同時に、犠牲柱１２を除去する。
その後、必要に応じて、第一の半導体基板１の側面１ｃおよび主面１ｂに、規則的な微小凹凸形状領域１５、１５ａを形成する。微小凹凸形状領域１５、１５ａは、例えばボッシュプロセスによるエッチングによってマイクロスキャロップ構造として形成することができる。ボッシュプロセスは、エッチングレシピの調整によって凹凸の深さと大きさを調整することができるため、微小凹凸形状領域１５、１５ａの形成に好適である。以上の工程により、本実施の形態３に係る半導体差圧センサエレメント１００Ｃが完成する。
本実施の形態３によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、半導体差圧センサエレメント１００Ｃの側面にオーバーハング部１４を備えることにより、ダイボンド材３１の這い上がりを抑制することができる。このため、半導体差圧センサエレメント１００Ｃ表面側の外枠部７に位置する電極１０のボンディング面を清浄に保てるので、ワイヤボンディング信頼性を向上させることができる。また、オーバーハング部１４を設けることにより、ダイボンド材３１の塗布量および塗布位置の制御が容易となり、半導体差圧センサの表裏の気密分離を確実に行うことができる。
また、半導体差圧センサエレメント１００Ｃのダイボンド材３１と接する部分に微小凹凸形状領域１５、１５ａを設けることにより、ダイボンド材３１との接触面積および界面距離を飛躍的に増大させることができるため、ダイボンド材３１の這い上がりをさらに抑制することができると共に、リークパスが外部に繋がる可能性を著しく低下させることができ、気密信頼性の向上が図られる。
また、微小凹凸形状領域１５、１５ａがダイボンド材３１に強く噛み込むため、ダイボンド材３１が半導体差圧センサエレメント１００Ｃを保持する力が著しく向上する。従って、半導体差圧センサエレメント１００Ｃがケース３０から剥離しにくくなり、圧力差が大きい環境下においても精度の高い測定が行える。
実施の形態４．
図１４は、本発明の実施の形態４に係る半導体差圧センサエレメントを示している。なお、本実施の形態４に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造は、上記実施の形態３と同様であるので図９を流用する。本実施の形態４に係る半導体差圧センサエレメント１００Ｄは、導圧孔８と凹部３の間に連通孔１８を有し、導圧孔８の開口断面積を連通孔１８の断面積よりも大きくすることにより、ダイボンド材３１が導圧孔８を閉塞しないようにしたものである。その他の構成については、上記実施の形態３と同様であるので説明を省略する。
図１４に示すように、半導体差圧センサエレメント１００Ｄを構成する第一の半導体基板１は、導圧孔８の外部に連通する側の開口幅Ｌ２が、ダイヤフラム５の外形を規定する凹部３に連通する連通孔１８の開口幅Ｌ３よりも大きくなるように形成されている。このように、導圧孔８と凹部３の間に連通孔１８を有する構造は、オーバーハング部１４を形成する際の第一の半導体基板１のエッチングにより同時に形成することができる。
従来の半導体差圧センサの課題として、半導体差圧センサエレメントをケースに保持するためのダイボンド材が導圧孔の内部にはみ出し、最悪の場合、導圧孔を閉塞させてしまい、所期の圧力を測定できなくなるという課題があった。これに対し、本実施の形態４に係る半導体差圧センサは、凹部３との間に連通孔１８を設けることにより導圧孔８の開口断面積を大きくとっているので、ダイボンド材３１の塗布量が多い場合や塗布位置にばらつきが生じた場合でも、導圧孔８がダイボンド材３１によって閉塞されにくい。
本実施の形態４によれば、上記実施の形態３と同様の効果に加え、上記実施の形態３よりも導圧孔８の開口断面積を大きくとることにより、導圧孔８がダイボンド材３１によって閉塞されるリスクを大幅に低減することが可能となり、さらに信頼性の高い半導体差圧センサが得られる。
実施の形態５．
図１５は、本発明の実施の形態５に係る半導体差圧センサのアセンブリ構造を示している。なお、本実施の形態５に係る半導体差圧センサエレメント１００は、上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。本実施の形態５に係る半導体差圧センサは、半導体差圧センサエレメント１００が実装されるケース３０の第一の半導体基板１と接合される部分に、複数の溝３５を有するものである。
従来の半導体差圧センサにおいては、ダイボンド材とケースの界面の一部が剥離し、ここにリークパスが形成されるという課題があった。このような課題を解決するために、本実施の形態５に係る半導体差圧センサのケース３０は、第一の半導体基板１の裏面側の主面１ｂと接合される部分に、複数の溝３５を有している。これらの溝３５を設けることにより、ダイボンド材３１とケース３０との接触面積が著しく増加し、ダイボンド材３１がケース３０に噛み込むようになり、半導体差圧センサエレメント１００がケース３０に強固に保持される。
また、ケース３０とダイボンド材３１との界面距離が著しく増大するので、リークパスが発生しにくい。さらに、ケース３０の膨張または収縮による熱応力が溝３５によって吸収されるため、外部の温度変化による特性変動が抑制され、安定して高い測定精度が得られる。
本実施の形態５によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、ケース３０の第一の半導体基板１と接合される部分に複数の溝３５を有することにより、気密信頼性および測定精度の向上が図られる。
実施の形態６．
図１６（ａ）は、本発明の実施の形態６に係る半導体差圧センサエレメントを示す平面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）中Ｅ−Ｅで示す部分における断面図、図１７は、本実施の形態６に係る半導体差圧センサエレメントを示す下面図である。なお、図１６（ｂ）および図１７には、製造の過程で形成され除去される犠牲柱１２ｂを点線で示している。
半導体差圧センサにおいて微小な圧力差を検知するためには、ダイヤフラムの剛性を低く設計することが望ましく、必然的に薄く大きなものとなる。このため、従来の半導体差圧センサは、突発的に過大な圧力差が印加された場合、ダイヤフラムが著しく大きく撓み、破壊に至るという課題があった。このような課題を解決するために、本実施の形態６に係る半導体差圧センサエレメント１００Ｅは、ダイヤフラム５の変位を抑制するストッパー１９を有している。
ストッパー１９は、図１７に示すように、第一の半導体基板１の導圧孔８の内部に、支持梁２０により四方から保持されている。ストッパー１９は、半導体差圧センサエレメント１００Ｅに過大な圧力差が印加されてダイヤフラム５の撓みが非常に大きくなった場合に、ダイヤフラム５の変位を抑制するものであることから、ダイヤフラム５の変位量が最も大きい中心部に対向するように配置するのが効果的である。
ストッパー１９と支持梁２０は、導圧孔形成工程において、ストッパー１９と支持梁２０の部分がエッチングされないようにマスキングすることにより形成される。なお、上記実施の形態１では、犠牲柱１２をダイヤフラム５の中央部に配置したが（図５（ａ））、本実施の形態５では、犠牲柱１２ｂをストッパー１９と支持梁２０を避けた四箇所に配置する。導圧孔８が犠牲柱１２ｂを内包しているため、導圧孔８を形成するためのエッチングにより犠牲柱１２ｂは消失する。
本実施の形態６によれば、上記実施の形態１と同様の効果に加え、導圧孔８の内部にダイヤフラム５の変位を抑制するストッパー１９を有することにより、圧力差が大きい環境においてもダイヤフラム５の破壊を抑制することが可能となり、さらに信頼性の高い半導体差圧センサが得られる。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
本発明は、半導体差圧センサとして利用することができ、特に、排気ガス浄化システムにおけるフィルタの目詰まりを検知する用途に好適である。
１ 第一の半導体基板、１ａ、１ｂ 主面、１ｃ 側面、２ 第二の半導体基板、２ａ、２ｂ 主面、３ 凹部、３ａ 底面、４ 酸化膜、５ ダイヤフラム、６ 感歪素子、７ 外枠部、８ 導圧孔、８ａ 第一の凹部、９ 拡散配線、１０ 電極、１１ 保護膜、１２、１２ａ、１２ｂ 犠牲柱、１３、１３ａ、１３ｂ 応力緩和溝、１４ オーバーハング部、１５、１５ａ 微小凹凸形状領域、１６ 第一の保護膜、１７ 第二の保護膜、１８ 連通孔、１９ ストッパー、２０ 支持梁、３０ ケース、３１ ダイボンド材、３２ ジェル、３３ 導体部、３４ ボンディングワイヤ、３５ 溝、１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ 半導体差圧センサエレメント

Claims (12)

  1. 第一の半導体基板の一方の主面と、第二の半導体基板の一方の主面とが、前記第二の半導体基板に形成された酸化膜を介して接合されている半導体差圧センサエレメントを備えた半導体差圧センサであって、
    前記第一の半導体基板は、前記一方の主面に設けられた凹部と、前記凹部と他方の主面側の外部とを連通させる導圧孔とを有し、
    前記第二の半導体基板は、前記凹部の外形によって規定されるダイヤフラムと、他方の主面の前記ダイヤフラムの内側に配置された感歪素子と、前記ダイヤフラムの外側の枠部に配置された電極と、前記感歪素子と前記電極とを電気的に接続する拡散配線とを有することを特徴とする半導体差圧センサ。
  2. 第一の半導体基板の一方の主面と、第二の半導体基板の一方の主面とが、前記第二の半導体基板に形成された酸化膜を介して接合されている半導体差圧センサエレメントを備えた半導体差圧センサであって、
    前記第一の半導体基板は、前記一方の主面に設けられた凹部と、前記凹部の周囲に前記凹部に沿って設けられた応力緩和溝と、前記凹部と他方の主面側の外部とを連通させる導圧孔とを有し、
    前記第二の半導体基板は、前記凹部の外形によって規定されるダイヤフラムと、他方の主面の前記ダイヤフラムの内側に配置された感歪素子と、前記ダイヤフラムの外側の枠部に配置された電極と、前記感歪素子と前記電極とを電気的に接続する拡散配線とを有することを特徴とする半導体差圧センサ。
  3. 前記応力緩和溝は、前記凹部を多重に囲む入れ子構造であることを特徴とする請求項２記載の半導体差圧センサ。
  4. 前記第一の半導体基板は、前記一方の主面と前記他方の主面を繋ぐ側面に段差部を有し、前記一方の主面の面積が前記他方の主面の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体差圧センサ。
  5. 前記第一の半導体基板は、前記一方の主面と前記他方の主面を繋ぐ側面に、凹凸形状領域を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体差圧センサ。
  6. 前記第一の半導体基板は、前記他方の主面に凹凸形状領域を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体差圧センサ。
  7. 前記導圧孔は、連通孔を介して前記凹部と連通しており、前記導圧孔の開口断面積は、前記連通孔の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体差圧センサ。
  8. 前記半導体差圧センサエレメントは、ダイボンド材を介してケースに接合されており、前記ケースは、前記第一の半導体基板の前記他方の主面との接合部に、複数の溝を有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の半導体差圧センサ。
  9. 前記第一の半導体基板は、前記ダイヤフラムの少なくとも中心部に対向するように設けられ前記ダイヤフラムの変位を抑制するストッパーと、前記ストッパーを前記導圧孔の内部に保持する支持梁とを有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の半導体差圧センサ。
  10. 凹部を有する第一の半導体基板の一方の主面と第二の半導体基板の一方の主面とが酸化膜を介して接合され、前記凹部の外形によって規定されるダイヤフラムを有し、前記凹部が前記第一の半導体基板の他方の主面側の外部と導圧孔によって連通している半導体差圧センサの製造方法であって、
    前記第一の半導体基板の前記一方の主面の前記凹部となる領域を、一部を残してエッチングすることにより、内部に犠牲柱を有する前記凹部を形成する凹部形成工程、
    前記凹部および前記犠牲柱が形成された前記第一の半導体基板の前記一方の主面と、前記酸化膜を有する前記第二の半導体基板の前記一方の主面とを接合する接合工程、
    前記第二の半導体基板を他方の主面の側から所定の厚さに薄肉化し、前記ダイヤフラムを形成するダイヤフラム形成工程、
    前記ダイヤフラムが形成された前記第二の半導体基板に、前記ダイヤフラムの内側に配置された感歪素子、前記ダイヤフラムの外側の枠部に配置された電極、および前記感歪素子と前記電極とを電気的に接続する拡散配線を形成する機能素子形成工程、
    前記第一の半導体基板の他方の主面から前記凹部の底面までを貫通させるようにエッチングすることにより、前記導圧孔を形成すると同時に前記犠牲柱を除去する導圧孔形成工程、
    を含むことを特徴とする半導体差圧センサの製造方法。
  11. 前記犠牲柱は、中空構造であることを特徴とする請求項１０記載の半導体差圧センサの製造方法。
  12. 前記導圧孔形成工程は、
    前記第一の半導体基板の前記他方の主面に第一の保護膜を形成し、前記導圧孔となる領域、および前記第一の半導体基板の側面の段差部となる領域の前記第一の保護膜を除去して開口させる工程、
    前記第一の半導体基板の前記第一の保護膜の上に第二の保護膜を形成し、前記導圧孔となる領域の前記第二の保護膜を除去して開口させる工程、
    前記第一の保護膜および前記第二の保護膜が形成された前記第一の半導体基板を、前記他方の主面の側から所定の深さＤ１だけエッチングして、前記導圧孔となる領域に深さＤ１の第一の凹部を形成する工程、
    前記第二の保護膜を除去する工程、
    前記第一の保護膜が形成された前記第一の半導体基板を、前記他方の主面の側から前記第一の半導体基板の厚さとＤ１の差であるＤ２だけエッチングすることにより、前記第一の半導体基板の前記一方の主面から距離Ｄ１の前記側面に位置する前記段差部と前記導圧孔を形成すると同時に、前記犠牲柱を除去する工程、
    を含むことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の半導体差圧センサの製造方法。
JP2016214079A 2016-11-01 2016-11-01 半導体差圧センサおよびその製造方法 Active JP6293236B1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016214079A JP6293236B1 (ja) 2016-11-01 2016-11-01 半導体差圧センサおよびその製造方法
US15/443,270 US10260976B2 (en) 2016-11-01 2017-02-27 Semiconductor differential pressure sensor and manufacturing method of the same
DE102017209858.9A DE102017209858B4 (de) 2016-11-01 2017-06-12 Halbleiter-Differenzdrucksensor und Herstellungsverfahren des selbigen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016214079A JP6293236B1 (ja) 2016-11-01 2016-11-01 半導体差圧センサおよびその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP6293236B1 JP6293236B1 (ja) 2018-03-14
JP2018072229A true JP2018072229A (ja) 2018-05-10

Family

ID=61628963

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016214079A Active JP6293236B1 (ja) 2016-11-01 2016-11-01 半導体差圧センサおよびその製造方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10260976B2 (ja)
JP (1) JP6293236B1 (ja)
DE (1) DE102017209858B4 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022014490A (ja) * 2020-07-07 2022-01-20 三菱電機株式会社 半導体圧力センサおよびその製造方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11692895B2 (en) * 2021-03-30 2023-07-04 Rosemount Aerospace Inc. Differential pressure sensor

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0572069A (ja) * 1991-09-17 1993-03-23 Toshiba Corp 半導体圧力センサ
JPH07174654A (ja) * 1993-12-20 1995-07-14 Hokuriku Electric Ind Co Ltd 圧力センサ
JPH09325082A (ja) * 1996-06-06 1997-12-16 Yamatake Honeywell Co Ltd 半導体圧力変換器
US20020014124A1 (en) * 2000-07-26 2002-02-07 Endress + Hauser Gmbh + Co. Capacitive pressure sensor
JP2005221351A (ja) * 2004-02-05 2005-08-18 Yokogawa Electric Corp 圧力センサ及び圧力センサの製造方法
JP2010181372A (ja) * 2009-02-09 2010-08-19 Fujikura Ltd 圧力センサの製造方法及び圧力センサ
JP2011237364A (ja) * 2010-05-13 2011-11-24 Mitsubishi Electric Corp 半導体圧力センサ
JP2013124947A (ja) * 2011-12-15 2013-06-24 Panasonic Corp 半導体圧力センサ
JP2015075422A (ja) * 2013-10-10 2015-04-20 株式会社デンソー 圧力センサ
JP2015143713A (ja) * 2015-04-27 2015-08-06 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 半導体圧力センサ

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5320705A (en) * 1988-06-08 1994-06-14 Nippondenso Co., Ltd. Method of manufacturing a semiconductor pressure sensor
JP2729005B2 (ja) * 1992-04-01 1998-03-18 三菱電機株式会社 半導体圧力センサ及びその製造方法
DE10036433A1 (de) 2000-07-26 2002-02-07 Endress Hauser Gmbh Co Kapazitiver Drucksensor
JP2005221453A (ja) * 2004-02-09 2005-08-18 Denso Corp 圧力センサ
JP2012026956A (ja) 2010-07-27 2012-02-09 Fujikura Ltd 圧力センサの製造方法及び圧力センサ
US8466523B2 (en) 2011-10-07 2013-06-18 Continental Automotive Systems, Inc. Differential pressure sensor device
JP2015011004A (ja) 2013-07-02 2015-01-19 株式会社デンソー 圧力センサ
CN107010589A (zh) * 2016-01-28 2017-08-04 精工爱普生株式会社 压力传感器及其制造方法、高度计、电子设备及移动体

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0572069A (ja) * 1991-09-17 1993-03-23 Toshiba Corp 半導体圧力センサ
JPH07174654A (ja) * 1993-12-20 1995-07-14 Hokuriku Electric Ind Co Ltd 圧力センサ
JPH09325082A (ja) * 1996-06-06 1997-12-16 Yamatake Honeywell Co Ltd 半導体圧力変換器
US20020014124A1 (en) * 2000-07-26 2002-02-07 Endress + Hauser Gmbh + Co. Capacitive pressure sensor
JP2005221351A (ja) * 2004-02-05 2005-08-18 Yokogawa Electric Corp 圧力センサ及び圧力センサの製造方法
JP2010181372A (ja) * 2009-02-09 2010-08-19 Fujikura Ltd 圧力センサの製造方法及び圧力センサ
JP2011237364A (ja) * 2010-05-13 2011-11-24 Mitsubishi Electric Corp 半導体圧力センサ
JP2013124947A (ja) * 2011-12-15 2013-06-24 Panasonic Corp 半導体圧力センサ
JP2015075422A (ja) * 2013-10-10 2015-04-20 株式会社デンソー 圧力センサ
JP2015143713A (ja) * 2015-04-27 2015-08-06 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 半導体圧力センサ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022014490A (ja) * 2020-07-07 2022-01-20 三菱電機株式会社 半導体圧力センサおよびその製造方法
JP7365974B2 (ja) 2020-07-07 2023-10-20 三菱電機株式会社 半導体圧力センサおよびその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP6293236B1 (ja) 2018-03-14
DE102017209858A1 (de) 2018-05-03
DE102017209858B4 (de) 2024-02-29
US10260976B2 (en) 2019-04-16
US20180120184A1 (en) 2018-05-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7493822B2 (en) Small gauge pressure sensor using wafer bonding and electrochemical etch stopping
JP5286153B2 (ja) 圧力センサの製造方法
KR101178989B1 (ko) 압력 센서 및 그 제조 방법
US7997142B2 (en) Low pressure sensor device with high accuracy and high sensitivity
US10197462B2 (en) Differential pressure sensor full overpressure protection device
JP3489309B2 (ja) 半導体力学量センサの製造方法および異方性エッチングマスク
US11128958B2 (en) Method for manufacturing a semiconductor die provided with a filtering module, semiconductor die including the filtering module, package housing the semiconductor die, and electronic system
US20090190782A1 (en) Vibration transducer
JP6293236B1 (ja) 半導体差圧センサおよびその製造方法
JP5639985B2 (ja) 半導体圧力センサおよび半導体圧力センサの製造方法
KR100661350B1 (ko) Ｍｅｍｓ 소자 패키지 및 그 제조방법
KR100904994B1 (ko) 압력센서 제조방법 및 그 구조
JP4548771B2 (ja) 容量式圧力センサの製造方法
JP5941808B2 (ja) 圧力センサ素子
JP2010281570A (ja) 半導体圧力センサ
KR20200012728A (ko) 압력 센서
WO2009104545A1 (ja) 半導体圧力センサの製造方法
US20220242722A1 (en) Stress isolation using three-dimensional trenches
JPH09162419A (ja) 力変換素子
JP2021012146A (ja) 半導体圧力センサおよびその製造方法
JP3337110B2 (ja) 半導体デバイス及びその製造方法
JP5656062B2 (ja) 振動式圧力センサ
JP2014055868A (ja) 圧力センサ及びその製造方法並びに部材接合方法
JPH04313275A (ja) 半導体圧力センサ
JP2003298070A (ja) 半導体装置の製造方法及びそれを用いた半導体装置

Legal Events

Date Code Title Description
TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20180116

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20180213

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6293236

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250