JP4844198B2 - 半導体素子、センサ装置、並びに半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度検出素子と圧力検出素子とを備えた半導体素子、この半導体素子の製造方法、及びこの半導体素子を搭載したセンサ装置に関するものである。

温度、及び圧力を検出することができる一体型センサ装置として、例えば、特開２００４−１９８３９４号公報（特許文献１）によって開示された温度センサ一体型圧力センサ装置が知られている。

特許文献１に記載された温度センサ一体型圧力センサ装置によると、センサ装置のケースに圧力導入孔が形成されている。この圧力導入孔の入口付近には、媒体の温度を測定するための温度センサが配置されており、圧力導入孔の終点付近には、媒体の圧力を測定するための圧力センサが配置されている。
特開２００４−１９８３９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された温度センサ一体型圧力センサ装置では、温度センサ、及び圧力センサがケース内の異なる場所に配置されているため、温度センサ、及び圧力センサを設置するためのスペースを２箇所ケースに設ける必要がある。また、温度センサを設置するための設置工程、及び圧力センサを設置するための設置工程が必要である。よって、特許文献１に記載された温度センサ一体型圧力センサ装置では、センサ装置の小型化やセンサ装置の製造コスト低減には限界がある。

そこで、本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧力検出機能（圧力検出素子）、及び温度検出機能（温度検出素子）を１チップに集約した半導体素子、この半導体素子の製造方法、及びこの半導体素子を搭載したセンサ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る半導体素子は、厚肉部、及び一面側を凹部とする薄肉化処理を施して当該厚肉部よりも肉厚が薄い薄肉ダイアフラム部を備えた半導体基板と、薄肉ダイアフラム部の所定領域に形成されたピエゾ効果を有する複数のピエゾ抵抗素子と、一端を温接点とし他端を冷接点とし、半導体基板の他面側表面上に形成される熱電対と、を備え、冷接点は、厚肉部の領域に位置するように形成され、熱電対は、冷接点から温接点までの間にその向きが変更される折曲部が形成され、温接点は、半導体基板の他面側表面上から浮揚するように形成されることを特徴とする。これにより、圧力検出機能、及び温度検出機能を１チップに集約した半導体素子を得ることができる。また、冷接点は半導体基板の厚肉部の領域に位置するように形成されているので、温接点の温度が上昇したとしても冷接点の温度上昇は抑えられ、冷接点と温接点との間の温度差をより大きくすることができる。したがって、半導体素子の温度検出機能をより高精度なものとすることができる。また、熱電対には折曲部が形成され、温接点は、半導体基板の他面側表面上から浮揚するように形成されている。これにより、温接点の熱感度がよりいっそう向上するので、被測温体からの熱照射（赤外線照射）の受光に伴う冷接点と温接点との間の温度差を大きくすることができる。したがって、半導体素子の温度検出機能をよりいっそう高精度のものとすることができる。

請求項２に係る半導体素子は、請求項１に記載された半導体素子において、熱電対は複数のピエゾ抵抗素子の直上を避けて形成されたことを特徴とする。これにより、ピエゾ抵抗素子が有する圧力検出感度の低下を防ぐことができる。

請求項３に係る半導体素子は、請求項１又は２に記載された半導体素子において、温接点は、赤外線吸収膜によって被覆されていることを特徴とする。これにより、温接点の熱感度をさらに向上させることができるため、半導体素子の温度検出機能をさらに高精度なものとすることができる。

なお、請求項１〜３のいずれかに記載された半導体素子に形成された熱電対としては、請求項４に記載のように、異種材料であるポリシリコンとアルミニウムとを用いることができる。

請求項５に係る半導体素子は、請求項１〜４のいずれかに記載された半導体素子において、温接点は薄肉ダイアフラム部の領域に位置するように形成されることを特徴とする。これにより、温接点の熱感度が向上するので、冷接点と温接点との間の温度差をより大きくすることができる。したがって、半導体素子の温度検出機能をより高精度なものとすることができる。

請求項６に係る半導体素子の製造方法は、半導体基板の一面側を凹部とする薄肉化処理を施して、半導体基板における厚肉部よりも肉厚が薄い薄肉ダイアフラム部を形成する工程と、薄肉ダイアフラム部の所定領域にピエゾ効果を有する複数のピエゾ抵抗素子を形成する工程と、一端を温接点とし他端を冷接点とする熱電対を半導体基板の他面側表面上に形成する工程と、を備え、冷接点は厚肉部の領域に位置するように形成され、熱電対は、冷接点から温接点までの間にその向きが変更される折曲部が形成され、温接点は、半導体基板の他面側表面上から浮揚するように形成されることを特徴とする。請求項６に記載された半導体素子の製造方法により得られる効果は、上述した請求項１における効果と同等であるため、その説明を省略する。

請求項７に係る半導体素子の製造方法は、請求項６に記載された半導体素子の製造方法において、熱電対は複数のピエゾ抵抗素子の直上を避けて形成されることを特徴とする。請求項７に記載された半導体素子の製造方法により得られる効果は、上述した請求項２における効果と同等であるため、その説明を省略する。

請求項８に係る半導体素子の製造方法は、請求項６又は７に記載された半導体素子の製造方法において、温接点は前記薄肉ダイアフラム部の領域に位置するように形成されることを特徴とする。請求項８に記載された半導体素子の製造方法により得られる効果は、上述した請求項５における効果と同等であるため、その説明を省略する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る半導体素子１００について、図１、及び図２を用いて説明する。また、半導体素子１００を搭載したセンサ装置２００、２１０について、図４、及び図５を用いて説明する。

図１（ａ）は、半導体素子１００の概略断面図である。図１（ｂ）は、半導体素子１００を上面から見た様子を示す概略上面図である。図２（ａ）は、熱電対２０の構成、及び熱電対２０における出力の取り出しを示す模式図である。図２（ｂ）は、半導体素子１００における熱電対２０の配置構造を模式的に示した概略断面図である。図４は、半導体素子１００を搭載した、裏面受圧構造のセンサ装置２００の断面を示す概略断面図である。図５は、半導体素子１００を搭載した、表面受圧構造のセンサ装置２１０の断面を示す概略断面図である。

本実施形態に係る半導体素子１００は、図１（ａ）に示すように、厚肉部１０ａと、一面側を凹部とする薄肉化処理（例えば、エッチング処理）を施して厚肉部１０ａよりも肉厚が薄い薄肉ダイアフラム部１０ｂと、を備えた半導体基板１０を基材とし、薄肉ダイアフラム１０ｂの領域には、ピエゾ効果によって圧力を検出する複数のピエゾ抵抗素子１４ａ及び１４ｂが形成されている。また、薄肉化処理が施されていない半導体基板１０の他面側には、被測温体からの熱放射（赤外線照射）受ける熱電対２０（２０ａ、２０ｂ）が形成されている。以下、半導体素子１００の各構成要素について説明する。

半導体基板１０は、例えば、シリコン基板であり、望ましくは、格子欠陥が少なく弾力性に富んだシリコン基板である。半導体基板１０の薄肉ダイアフラム部１０ｂは、上述の通り、半導体基板１０の一面側（熱電対２０が形成されない側）を凹部とする薄肉化処理を部分的に施すことによって形成されている。なお、薄肉ダイアフラム部１０ｂの平面形状は、例えば、図１（ｂ）に示すように、ほぼ矩形型である。

半導体基板１０の薄肉ダイアフラム部１０ｂの領域には、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、圧力を検出するピエゾ抵抗素子１４ａ、１４ｂがピエゾ効果を有する材料を用いて不純物拡散等の方法によって形成されている。ピエゾ抵抗素子１４ａ、１４ｂは、半導体基板１０とは異なる導電型（通常、ｎ型半導体基板１０に対して、ｐ型のピエゾ抵抗素子１４ａ、１４ｂ）となるように形成されており、ピエゾ抵抗素子１４ａ、１４ｂからできるだけ大きな出力を得るために、ピエゾ抵抗素子１４ａ、１４ｂがホイートストーンブリッジを形成するように接続されている。

なお、ピエゾ抵抗素子における上記ピエゾ効果とは、ピエゾ抵抗素子を構成する結晶に圧力が加わったときにこの結晶格子に歪みが生じ、ピエゾ抵抗素子中のキャリア数等が変化して、その抵抗が変化する現象のことである。

半導体基板１０の他面側（薄肉化処理が施されていない側）表面上には、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、被測温体からの熱放射（赤外線照射）を受ける熱電対２０が形成されている。熱電対２０は、一端を温接点２０ｃとし他端を基準接点としての冷接点２０ｄとするものである。そして、両接点間の温度差によって定まる熱起電力を発生させるために、異種材料（導体）の一端同士を電気的に接続するとともに、他端同士を電気的に接続したものである。

具体的には、図２（ａ）に示すように、熱電対２０は、半導体基板１０の他面側表面上に異種材料で形成された熱電対２０ａ、２０ｂが交互に直列に接続されている（サーモパイル）。そして、熱電対２０ａ、２０ｂの接続部が一つおきに温接点２０ｃ、及び冷接点２０ｄとなる。異種材料の組み合わせとしては、例えば、多結晶シリコン（ポリシリコン）とアルミニウムとの組み合せを用いることができる。

図２（ｂ）に熱電対２０ａ、２０ｂの配置構造を示す。例えば、熱電対２０ａを多結晶シリコンとし、熱電対２０ｂをアルミニウムとすると、熱電対２０ａとしての多結晶シリコンのパターンは、半導体基板１０の他面側表面上に形成されている。そして、熱電対２０ａとしての多結晶シリコンのパターン上には、熱電対２０ｂとしてのアルミニウムのパターンが形成されている。熱電対２０ａとしての多結晶シリコン２０ａのパターンと熱電対２０ｂとしてのアルミニウムのパターンとの接続点は上記の温接点２０ｃ、又は冷接点２０ｄとなる。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、冷接点２０ｄは、半導体基板１０の厚肉部１０ａの領域に位置するように形成されている。これは、厚肉部１０ａの領域は熱容量が大きいため、冷接点２０ｄのヒートシンク（放熱部）としての役割を果たすこととなり、冷接点２０ｄの温度上昇を抑えることができるからである。

また、温接点２０ｃは、薄肉ダイアフラム部１０ｂの領域に位置するように形成されている。これは、薄肉ダイアフラム部１０ｂは熱容量が小さいため、温接点２０ｃが図示しない被測温体からの熱放射（赤外線照射）を受けた場合、温接点２０ｃの温度を効率的に上昇させることができるからである。

なお、熱電対２０を半導体基板１０の他面側表面上に形成するにあたって、ピエゾ効果を十分に発揮させるために、ピエゾ抵抗素子１４ａ、１４ｂの直上を避けて形成することが望ましい。

ところで、被測温体からの熱放射（赤外線照射）を効率的に吸収し、温接点２０ｃの温度を効率良く上昇させるために、温接点２０ｃを被覆するように赤外線吸収膜１８を形成してもよい（図１（ａ））。温接点２０ｃを被覆する赤外線吸収膜１８は、例えば、ポリエステル樹脂にカーボンを含有させ、焼き固めた焼結体を用いることができる。赤外線吸収膜１８による温接点２０ｃの被覆にあたっては、温接点２０ｃを直接被覆してもよく、若しくは、図示しない窒化シリコン膜等の保護膜を介して温接点２０ｃを被覆してもよい。

さらには、赤外線吸収膜１８の周辺に赤外線反射膜（図示せず）を形成してもよい。赤外線吸収膜１８の周辺に赤外線反射膜を形成することで、温接点２０ｃと冷接点２０ｄとの温度差が大きくなるため、熱電対２０の感度をより向上させることができる。

次に、本実施形態における半導体素子１００が圧力を測定するための動作について説明する。

図１（ａ）に示す薄肉ダイアフラム部１０ｂに対して、紙面の上方、又は下方から圧力Ｐが加わると、薄肉ダイアフラム部１０ｂが圧力に応じて弾性的に変位し、薄膜ダイアフラム１０ｂに形成されたピエゾ抵抗素子１４ａ、１４ｂに歪みが生じ、抵抗が変化する。

上述した通り、ピエゾ抵抗素子１４ａ、１４ｂはホイートストーンブリッジを形成しているため、ピエゾ抵抗素子１４ａ、１４ｂの抵抗変化は電圧変化として検出することができる。そして、この電圧変化を図示しない処理回路で処理することで、圧力Ｐを導き出すことができる。

次に、本実施形態における半導体素子１００が温度を測定するための動作について説明する。

被測温体からの熱放射（赤外線照射）がサーモパイルを構成する熱電対２０の温接点２０ｃに注がれることによって、温接点２０ｃはその線量に応じた温度に加熱される。一方、熱電対２０の冷接点（基準接点）２０ｄは、ヒートシンクの役割を果たす厚肉部１０ａの領域に形成されているため、温接点２０ｃの温度の変動に関わりなくほぼ一定の温度に保持されている。

すると、熱電対２０において、温接点２０ｃと冷接点２０ｄとの間には、温度差が発生するとともに、この温度差に応じた熱起電力（ゼーベック効果）が生じる。そして、サーモパイル（熱電対２０）の両端には、熱電対２０ａ、２０ｂの各組で発生する熱起電力の合計に等しい電位差Ｖｏｕｔ（図２（ａ））が生じ、この電位差Ｖｏｕｔに基づく電気信号を図示しない信号処理回路で処理することで、被測温体の温度を導き出すことができる。

ところで、本実施形態に係る半導体素子１００は、例えば、以下の工程１〜３を経ることによって得ることができる。
（工程１）半導体基板１０の一面側を凹部とする薄肉化処理を施して半導体基板１０の厚肉部１０ａよりも肉厚が薄い薄肉ダイアフラム部１０ｂを形成する。
（工程２）薄肉ダイアフラム部１０ｂの所定領域に不純物を拡散して、ピエゾ効果を有する複数のピエゾ抵抗素子１４ａ、１４ｂを形成する。
（工程３）半導体基板１０の他面側表面上に、一端を温接点２０ｃとし他端を冷接点２０ｄとする熱電対２０（ポリシリコン、アルミニウム）を形成する。このとき、冷接点２０ｄは厚肉部１０ａの領域に位置するように形成されている。

なお、工程３において、ピエゾ抵抗素子１４の感度が低下することを防ぐため、熱電対２０はピエゾ抵抗素子１４の直上を避けて形成することが望ましい。また、工程３において、冷接点２０ｄと温接点２０ｃとの間の温度差をより大きくするため、温接点２０ｃは薄肉ダイアフラム部１０ｂの領域に位置するように形成することが望ましい。

次に、半導体素子１００を搭載したセンサ装置２００について、図４を用いて説明する。

センサ装置２００は、金属製のキャップ３０、及びステム３６で真空密閉された空間内に半導体素子１００を収納してパッケージ化（以下、缶パッケージと言う。）したものである。

缶パッケージには、被測温体からの熱放射（赤外線）が透過するバンドパスフィルタ３１が設けられており、半導体素子１００が備える熱電対２０がバンドパスフィルタ３１を透過した熱放射（赤外線照射）を受ける。

また、缶パッケージにおいて、バンドパスフィルタ３１の半導体素子１００を挟んだ反対側（半導体素子１００の一面側）には、薄肉ダイアフラム部１０ｂに向けて圧力を導入する圧力導入孔３４が形成されている。このような構造（裏面受圧構造）を有するセンサ装置２００は、環境の圧力とともに被測温体の温度や環境の温度を検出する場合に好適に用いることができる。

センサ装置２００が図面下方から圧力導入孔３４を介して圧力Ｐ１を受けると、薄膜ダイアフラム１０ｂが弾性的に変位し、これとともにピエゾ抵抗素子１４ａ、１４ｂに歪みが生じ、この歪みに応じてピエゾ抵抗素子１４ａ、１４ｂの抵抗値が変化する。そして、この抵抗値の変化に応じた電圧変化がワイヤ３３ａを介して処理回路３２に出力されることで圧力Ｐ１が導き出される。

また、被測温体からの熱放射（赤外線照射）はバンドパスフィルター３１を介して熱電対２０の温接点２０ｃに伝達する。そして、サーモパイルのゼーベック効果によって熱起電力の合計Ｖｏｕｔに基づく電気信号がワイヤ３３ｂを介して処理回路３２に伝達されることで、被測温体の温度Ｔ１が導き出される。

続いて、半導体素子１００を搭載して、温度センサ及び圧力センサが一体となったセンサ装置２１０について、図５を用いて説明する。

センサ装置２１０は、底壁部、及び側壁部で囲まれた空間４１が形成された樹脂パッケージ４０を備えており、半導体素子１００は、空間４１の底壁部に配置されている。そして、空間４１内には、熱伝導度が高く、圧力伝達が可能なゲル状の封止剤４２が半導体素子１００を覆うように充填されている。このような構造（表面受圧構造）を有するセンサ装置２１０は、例えば、オイル等の圧力媒体の圧力Ｐ２を測定するとともに、この圧力媒体の温度Ｔ２を測定する場合に好適に用いることができる。

センサ装置２１０が図面上方から圧力Ｐ２、温度Ｔ２の圧力媒体を受けると、封止剤４２を介して半導体素子１００に伝達される。

圧力Ｐ２によって、薄膜ダイアフラム１０ｂが弾性的に変位し、これとともにピエゾ抵抗素子１４ａ、１４ｂにも歪みが生じ、この歪みに応じてピエゾ抵抗素子１４ａ、１４ｂの抵抗値が変化する。そして、この抵抗値の変化に応じた電圧変化がワイヤ４３ａを介して図示しない処理回路に出力されることで圧力Ｐ２が導き出される。

また、温度Ｔ２が熱電対２０の温接点２０ｃに伝達されることにより、サーモパイルのゼーベック効果によって熱起電力の合計Ｖｏｕｔに基づく電気信号がワイヤ４３ａとは異なるワイヤ４３ｂを介して図示しない処理回路に伝達され、圧力媒体の温度Ｔ２が導き出される。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る半導体素子１１０について、図３（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。なお、第１の実施形態と共通する部分には同一の参照番号を付してその説明は省略する。

図３（ａ）は、半導体素子１１０の断面を示す概略断面図である。図３（ｂ）は、半導体素子１１０を上面から見た様子を示す概略上面図、図３（ｃ）は、半導体素子１１０における熱電対２１の配置構造を模式的に示した概略断面図である。

本実施形態に係る半導体素子１１０は、図３（ａ）に示すように、冷接点２１ｄが半導体基板１０の厚肉部１０ａの領域に位置するように形成され、熱電対２１ａ、２１ｂは冷接点２１ｄから温接点２１ｃまでの間にその向きが変更される折曲部が形成されている。これに伴って、温接点２１ｃは半導体基板１０から浮揚するように形成されている。すなわち、温接点２１ｃは半導体基板１０と非接触の状態となっている。なお、図３（ｂ）において、熱電対２１を示す線分のうち破線となっている部分は、熱電対２１のうち半導体基板１０から浮揚している部分を示すものである。

このように、温接点２１ｃが半導体基板１０から浮揚した状態であれば、図示しない被測温体温からの熱放射（赤外線照射）を受けることによって温接点２１ｃが蓄えた熱の放路が形成されていないこととなるため、温接点２１ｃの熱感度はよりいっそう向上した状態となる。したがって、温接点２１ｃが図示しない被測温体からの熱放射（赤外線照射）を受けたとき、温接点２１ｃの温度を極めて効率的に上昇させることができる。一方、上述した通り、冷接点２１ｄはヒートシンク（放熱部）としての役割を果たす厚肉部１０ｂの領域に形成されており、温接点２１ｃの温度が上昇したとしても、冷接点２１ｄの温度上昇を抑えることができる。

したがって、本実施形態に係る半導体素子１１０では、冷接点２１ｄと温接点２１ｃとの間の温度差をよりいっそう大きくすることができるため、両接点間の温度差によって定まる熱起電力もよりいっそう大きくすることができる。

ところで、冷接点２１ｄから温接点２１ｃまでの間にその向きが変更される折曲部が形成された熱電対２１は、例えば、半導体基板１０の他面側表面上、及びシリコン酸化膜５１上をフロート方やエピ成長法等の手法によりポリシリコン２１ａを積層後、シリコン酸化膜５１を除去することで形成することができる（図３（ｃ））。

以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、数々の変形実施が可能である。

また、本発明のうち従属請求項に係る発明においては、従属先の請求項の構成要件の一部を省略する構成とすることもできる。

本発明の第１の実施形態における半導体素子１００を示す図、（ａ）は、半導体素子１００の概略断面図、（ｂ）は、半導体素子１００の概略上面図を示す図である。 （ａ）は、半導体素子１００における熱電対の構成、及び熱電対における出力の取り出しを模式的に示した図、（ｂ）は、半導体素子１００における熱電対２０の配置構造を模式的に示した概略断面図である。 本発明の第２の実施形態における半導体素子１１０を示す図であり、（ａ）は、半導体素子１００の概略断面図、（ｂ）は、半導体素子１１０の概略上面図を示す図、（ｃ）は、半導体素子１１０における熱電対２１の配置構造を模式的に示した概略断面図である。 裏面受圧構造のセンサ装置２００の断面を示す概略断面図である。 表面受圧構造のセンサ装置２１０の断面を示す概略断面図である。

符号の説明

１０・・・半導体基板、１０ａ・・・厚肉部、１０ｂ・・・薄膜ダイアフラム部、１４ａ,１４ｂ・・・ピエゾ素子、１８・・・赤外線吸収膜、２０,２１・・熱電対、２２・・・空洞部、３０・・・キャップ、３１・・・バンドパスフィルタ、３２・・・処理回路、３３,４３・・・ワイヤ、３４・・・圧力導入路、３５・・・ステム、４０・・・パッケージ、４２・・・封止剤、５１・・・絶縁膜

Claims (8)

1. 厚肉部、及び一面側を凹部とする薄肉化処理を施して当該厚肉部よりも肉厚が薄い薄肉ダイアフラム部を備えた半導体基板と、
   前記薄肉ダイアフラム部の所定領域に形成されたピエゾ効果を有する複数のピエゾ抵抗素子と、
   一端を温接点とし他端を冷接点とし、前記半導体基板の他面側表面上に形成される熱電対と、を備え、
   前記冷接点は、
   前記厚肉部の領域に位置するように形成され、
   前記熱電対は、
   前記冷接点から前記温接点までの間にその向きが変更される折曲部が形成され、
   前記温接点は、
   前記半導体基板の他面側表面上から浮揚するように形成されることを特徴とする半導体素子。
2. 前記熱電対は、
   前記複数のピエゾ抵抗素子の直上を避けて形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記温接点は、
   赤外線吸収膜によって被覆されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体素子。
4. 前記熱電対は、
   ポリシリコンとアルミニウムとからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体素子。
5. 前記温接点は、
   前記薄肉ダイアフラム部の領域に位置するように形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体素子。
6. 半導体基板の一面側を凹部とする薄肉化処理を施して、前記半導体基板における厚肉部よりも肉厚が薄い薄肉ダイアフラム部を形成する工程と、
   前記薄肉ダイアフラム部の所定領域にピエゾ効果を有する複数のピエゾ抵抗素子を形成する工程と、
   一端を温接点とし他端を冷接点とする熱電対を前記半導体基板の他面側表面上に形成する工程と、を備え、
   前記冷接点は、
   前記厚肉部の領域に位置するように形成され、
   前記熱電対は、
   前記冷接点から前記温接点までの間にその向きが変更される折曲部が形成され、
   前記温接点は、
   前記半導体基板の他面側表面上から浮揚するように形成されることを特徴とする半導体素子の製造方法。
7. 前記熱電対は、
   前記複数のピエゾ抵抗素子の直上を避けて形成されることを特徴とする請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
8. 前記温接点は、
   前記薄肉ダイアフラム部の領域に位置するように形成されることを特徴とする請求項６又は７に記載の半導体素子の製造方法。

Images