JP4918140B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、気圧等の圧力を測定する半導体圧力センサに関する。

従来、自動車のタイヤ空気圧などを測定する半導体圧力センサとして、ダイヤフラム型の半導体圧力センサが知られている（特許文献１乃至６）。

従来の半導体圧力センサの断面構造を図６に示した。この半導体圧力センサは、第１シリコン基板１１１と第２シリコン基板１１３とが酸化膜１１２を挟んで積層され、第１シリコン基板１１１上に、ピエゾ素子１０３及び回路素子１０４がブリッジ回路を構成するように形成された、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板からなる半導体基板１１０が用いられている。この半導体基板１１０は、第２シリコン基板１１３の表面（図では下面）に、フォトレジスト等よりなる積層膜を形成し、この積層膜をマスクとして第２シリコン基板１１３をドライエッチングして凹部（キャビティ）１２２を形成する。その後、積層膜をウエットエッチングにより除去し、凹部１２２が真空状態となるように、半導体基板１１０をシリコン基板又はガラス基板と接合する。

なお、ダイヤフラム１２１は、平面視矩形に、かつそのダイヤフラム１２１の各辺の中央上にピエゾ素子１０３がかかるように形成され、ブリッジ回路の中点電圧が、圧力測定電圧として出力される。
特開２００１-３５８３４５号公報 特開２００１-３５２０７８号公報 特開２００２-２０８７０８号公報 特開平５-０６３２１１号公報 特開２００２-０７１４９３号公報 特開２００２-３５０２５９号公報

しかし従来の半導体圧力センサは、シリコン酸化膜除去工程において、積層膜の下層部分であるシリコン酸化膜を、フッ酸系エッチング液等を用いたウエットエッチングにより除去している。その際、酸化膜１１２は、第２シリコン基板１１３との境界部分がオーバーエッチングされて浸食部１１２ａが形成されてしまう。この浸食部１１２ａによりダイヤフラム１２１の大きさや位置が変化してしまう。オーバーエッチングによる浸食部１１２ａの量、深さ等を制御するのは困難なので、ダイヤフラム１２１の大きさ、位置を制御することができなかった。そのため、ダイヤフラム１２１の輪郭とピエゾ素子１０３との相対的な位置ずれを生じ、またダイヤフラム１２１の形状誤差を生じて、圧力と中点電圧との相関関係が変化して、測定誤差を生じていた。

図７（Ａ）、（Ｂ）にピエゾ素子１０３とダイヤフラム１２１の輪郭（各辺）との位置関係を示した。図７（Ａ）は、ピエゾ素子１０３がダイヤフラム１２１の各辺の中央部にかかるように位置している、ずれを生じていない状態を示し、図７（Ｂ）は、ダイヤフラム１２１が位置ずれした状態（図では上方及び右方にずれた状態）を示した。図では、ダイヤフラム１２１の一辺を７００[μm]、ピエゾ素子１０３の寸法を５０×４０[μm]に設定してある。

図８（Ａ）、（Ｂ）は、ダイヤフラム１２１が位置ずれしていない場合と位置ずれした
場合における、圧力変化（５０から１００[kPa]）と中点電位との関係をシミュレーションしたグラフである。図８（Ａ）において、縦軸は中点電位[mV]、横軸は圧力[kPa]、黒菱形は設計値、四角形、三角形、Ｘはそれぞれダイヤフラムが縦横に、ずれ量５[μm]、10[μm]、15[μm]だけずれた場合における、圧力と中点電位との関係を示している。図８（Ｂ）は、前記ダイヤフラムが位置ずれした各場合におけるフルスケール変化率をシミュレーションしたグラフである。フルスケール変化率は、ダイヤフラム縦横ずれ無しのフルスケール値を基準として、各ずれ量の中点電位フルスケール値の比を算出している。

このシミュレーション結果から分かるように、ダイヤフラム１２１とピエゾ素子１０３の位置関係がずれる従来の半導体圧力センサは、圧力の変化とピエゾ素子の中点電位との相関関係が設計値からずれてしまい、誤差を発生してしまう問題があることが分かる。なお、ダイヤフラム１２１の大きさが設計値からずれた場合も同様に誤差を生じる。

そこで本発明は、ダイヤフラムとピエゾ素子との相対位置ずれ又はダイヤフラムの形状誤差が小さく、測定誤差の発生が少ない半導体圧力センサを得ることを目的とする。

かかる目的を達成する本発明は、２枚のシリコン基板が酸化膜を挟んで貼り合わされたＳＯＩ基板の一方のシリコン基板にキャビティが掘り込まれて形成され、他方のシリコン基板及び酸化膜によってダイヤフラムが形成された半導体圧力センサであって、前記一方のシリコン基板のキャビティの内側壁面には掘り方向に周期的な凹凸が形成されており、前記キャビティに臨むダイヤフラムの酸化膜は、キャビティの内壁側面を規制する前記一方のシリコン基板との境界部において、該一方のシリコン基板によるキャビティ径と同一径を有し、かつ該境界部からダイヤフラム中心に向けてキャビティ径を小径とする円弧断面を有し、かつこの円弧断面は、前記一方のシリコン基板の凹凸断面から連続的に形成されていることに特徴を有する。

前記キャビティに臨むダイヤフラムの酸化膜は、該ダイヤフラムの前記境界部から中央部分に向かって厚さが減少し、薄肉となる領域を有するように形成することが好ましい。この構成によれば、ダイヤフラムの感度誤差を小さくできる。
前記キャビティは平面視矩形、より好ましくは正方形とする。

本発明の半導体圧力センサにおいて、前記円弧断面は、前記キャビティを周回するように前記一方のシリコン基板との境界部分に沿って形成される。
前記ＳＯＩ基板のダイヤフラム部分の回路側の面には、感応抵抗素子がブリッジ回路を構成するように、前記ダイヤフラムの輪郭に沿って形成されるのが実際的である。

前記キャビティの内壁側面は、前記ダイヤフラムに対して略直角に形成される。前記感応抵抗素子は、前記ダイヤフラムの歪みに応じて抵抗値が変化するピエゾ素子とすることができる。

以上の構成からなる本発明によれば、ダイヤフラムを構成する酸化膜に、キャビティの内壁側面を規制するシリコン基板との境界部分で円弧断面が形成されているので、ダイヤフラムの輪郭と感応抵抗素子との相対位置の精度が高く、誤差を発生し難い。

本発明を適用した半導体圧力センサの実施形態の主要部を図３の切断線Ｉ-Ｉに沿って示す断面図である。 同断面図において、キャビティの内壁を規制する一方のシリコン基板とキャビティに臨むダイヤフラム酸化膜の境界部分を拡大した断端面図である。 同半導体センサの要部を示す平面図である。 同半導体圧力センサの製造過程を説明する工程図である。 同半導体圧力センサにおいて、円弧断面の半径を変えて耐圧シミュレーションした結果をグラフで示す図である。 従来の半導体圧力センサを縦断して主要部を示す断面図である。 感応抵抗素子とダイヤフラムの輪郭との位置関係を説明する図である。 感応抵抗素子とダイヤフラムの位置ずれによる誤差の影響をシミュレーションしてグラフで示す図である。

符号の説明

１０ ＳＯＩ基板
１１ 第１シリコン基板（他方のシリコン基板）
１２ シリコン酸化膜（酸化膜）
１２ａ 円弧状断面
１３ 第２シリコン基板（一方のシリコン基板）
１３ａ 内壁側面
１４ シリコン酸化膜
１５ パッシベーション膜
１７ 境界部
２０ キャビティ
２１ ダイヤフラム
２２ ピエゾ素子（感応抵抗素子）
２３ 配線
３１ ベース基板

本発明の最良な実施形態について、添付図を参照して説明する。図１はダイヤフラム型の半導体圧力センサにかかる本発明の実施形態の主要部を図３の切断線Ｉ-Ｉに沿って示す断面図、図２は、同断面図において、キャビティの内壁側面を規制するシリコン基板とキャビティに臨むダイヤフラム酸化膜の境界部分を拡大した断端面図、図３は同半導体圧力センサの要部を示す平面図である。

先ず、ピエゾ素子２２、配線２３及びパッド２４が形成されたＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板１０を用意する。このＳＯＩ基板１０は、第１シリコン基板１１と第２シリコン基板１３とが、酸化膜であるシリコン酸化膜（Ｓｉ０₂）１２を介して貼り合わされている。第１シリコン基板１１の回路面（上側面）には酸化膜としてシリコン酸化膜１４が形成されていて、このシリコン酸化膜１４の下に、ブリッジ回路を形成するように、感応抵抗素子としてのピエゾ素子２２、ピエゾ素子２２に導通した配線２３及びパッド２４が形成され、さらにピエゾ素子２２、配線２３及び第１シリコン基板１１の表面を絶縁保護する、シリコンナイトライドＳｉ₃Ｎ₄などによるパッシベーション膜１５が形成されている。なお、各パッド２４は、パッシベーション膜１５から露出している。

ＳＯＩ基板１０には、第２シリコン基板１３にその表面側からキャビティ（凹部）２０を形成し、このキャビティ２０の上面を構成するシリコン酸化膜１２、第１シリコン基板１１、シリコン酸化膜１４及びパッシベーション膜１５によってダイヤフラム２１が形成されている。このダイヤフラム２１は、図７に示したダイヤフラム同様に、平面視矩形（正方形）である（図３）。ピエゾ素子２２は、ダイヤフラム２１の矩形輪郭の各辺にかかる位置に形成されている。別言すれば、ピエゾ素子２２の大部分がキャビティ２０の上方に存在し、一部がキャビティ２０の外周に位置するように形成されている。

このダイヤフラム２１を構成する、キャビティ２０に臨むシリコン酸化膜１２は、キャビティ２０の内壁側面１３ａを規制する第２シリコン基板１３との境界部１７において、第２シリコン基板１３によるキャビティ径と同一径を有し、かつ該境界部１７からダイヤフラム２１の中心に向けてキャビティ径を小径とする円弧断面（丸み）１２ａを有している。さらにこの円弧断面１２ａは、該シリコン酸化膜１２全周に渡ってキャビティ２０内を周回するように連続的に形成されている。このような円弧断面１２ａが存在することにより、ダイヤフラム２１の反り、歪みにより生じる反り応力の集中を緩和することができる。

以上の通り構成されたＳＯＩ基板１０の第２シリコン基板１３の表面（下面）にガラス基板又はＳi基板からなるベース基板３１が接合され、ダイヤフラム２１とベース基板３１との間のキャビティ２０が密閉される。なおキャビティ２０内は、真空とされる。

このダイヤフラム２１が外面に付加される圧力に応じて歪むと、その歪みに応じてピエゾ素子２２の抵抗値が変化し、このピエゾ素子２２によって形成されたブリッジ回路の中点電位が変化する。このようにピエゾ素子２２の抵抗値の変化によって変動する中点電位が、センサ出力として公知の測定装置に出力される。なお、この測定装置の少なくとも一部の回路をＳＯＩ基板１０の回路面に形成してもよい。

次に、この半導体圧力センサの製造方法について、図４に示した、製造過程を示す工程図を参照して説明する。図４（Ａ）は、ピエゾ素子２２、配線２３、シリコン酸化膜１４及びパッシベーション層１５が形成された、ＳＯＩ基板１０である。この段階でのＳＯＩ基板１０は、通常はシリコンウエハ状態で供給される。

このＳＯＩ基板１０に対して、先ず、ベース基板３１との接合面となる第２シリコン基板１３の表面を鏡面加工して、第２シリコン基板１３を所定の厚さに形成する（図４（Ｂ））。このグラインド工程は、シリコンウエハの製造段階で施してもよい。

次に、ダイヤフラム２１を形成する際のエッチング用のマスクとして、第２シリコン基板１３の表面（下面）に下方から、レジスト等を成膜する。このレジスト膜１６は、コーター等を使用して通常工程により成膜することができる。続いて、第２シリコン基板１３の下面に形成されたレジスト膜１６のうち、ダイヤフラム２１を形成すべき領域に対応したレジスト膜１６を露光して、所望のパターンからなるマスクを形成する（図４（Ｃ））。この実施形態では、平面視矩形のダイヤフラム２１が形成されるパターンを形成する。

次に、レジスト膜１６をマスクとして、第２シリコン基板１３をドライエッチングしてキャビティ２０を掘り、ダイヤフラム２１を形成する（図４（Ｄ））。ここでは、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)プロセスで使用される公知のシリコンディープエッチング装置（Si-Deep Etcher）により、第２シリコン基板１３の表面（図では下面）側から等方性エッチング、保護膜成膜及び異方向性エッチングという工程を繰り返して、第２シリコン基板１３を掘り、キャビティ２０を形成する。シリコンディープエッチング装置では、例えば、Ｃ₄Ｆ₈とＳＦ₆という二種類のガスを使用する。
この等方性エッチング、保護膜成膜及び異方性エッチング工程の繰り返しによるドライエッチングにより、キャビティ２０の内壁側面１３ａには、掘り方向に周期的な凹凸が形成される（図２参照）。

第２シリコン基板１３のエッチングが進み、シリコン酸化膜１２まで達すると、シリコン酸化膜１２がエッチングストッパーとなって、第２シリコン基板１３に平面視矩形のキャビティ２０が形成される（図３参照）。シリコン酸化膜１２はさらにエッチングされて、所定厚のシリコン酸化膜１２ｂが形成されるが、その際、このキャビティ２０内のシリコン酸化膜１２ｂと第２シリコン基板１３との境界部１７は、第２シリコン基板１３によるキャビティ径と同一径を有し、かつ該境界部１７からダイヤフラム２１の中心に向けてキャビティ径を小径とする円弧断面１２ａを形成するようにエッチングされる。この円弧断面１２ａは、第２シリコン基板１３の内壁側面１３ａの凹凸断面から連続的に形成され、キャビティ２０を囲むように境界部１７全周に亘って形成されている。したがって、シリコン酸化膜１２ｂがオーバーエッチングされることがない。なお、キャビティ２０内のシリコン酸化膜１２ｂは、円弧断面１２ａからキャビティ２０の中央に向かって徐々に厚さが減少し、中央部において最も薄肉となるように形成される。

さらに、この実施形態において、キャビティ２０の内壁側面１２ａ（内側面）はダイヤフラム２１に対して略直角方向に形成されるので、キャビティ２０の深さにかかわらず、キャビティ２０の平面形状及びピエゾ素子２２に対する相対位置を一定に保つことができる。

このドライエッチング工程により、キャビティ２０の上面となるシリコン酸化膜１２ｂと、第１シリコン基板１１、及びパッシベーション膜１５によってダイヤフラム２１が形成される。

ダイヤフラム２１を形成した後に、マスクであるレジスト膜１６を、例えば公知のレジスト剥離により全面除去する（図４（Ｅ））。なお、このレジスト剥離工程を施しても、シリコン酸化膜１２の円弧断面１２ａは維持される。

次に、レジスト膜１６を全面除去した第２シリコン基板１３の表面（下面）に、真空状態でベース基板３１を接合する（図４（Ｆ））。これにより、ダイヤフラム２１とベース基板３１との間のキャビティ２０が真空室とされ、絶対圧センサ構造が得られる。

さらに、必要に応じて、ベース基板３１の表面（下面）をグラインドしてその厚さを調節する（図４（Ｇ））。そうして最後に、ＳＯＩ基板１０とベース基板３１とが接合されたウエハをダイシングカットしてチップ単位に分断する。分断された各チップが、半導体圧力センサとなる。

この半導体圧力センサは、第１シリコン基板１１の表面側から圧力が印加されると、ダイヤフラム２１が歪み、このダイヤフラム２１の歪みに応じてピエゾ素子２２の抵抗値が変化して、ブリッジ回路の中点電位が変化する。この中点電位を公知の測定装置で測定し、所定の変換係数で変換することにより、圧力が測定される。

以上のように、本実施形態によれば、キャビティ２０の内面を形成するシリコン酸化膜１２に円弧断面１２ａが形成されているので、ダイヤフラム２１の位置ずれや形状ずれを生じ難く、位置、形状誤差が非常に小さくなる。つまり、圧力と中点電位について設計上の特性を備えた半導体圧力センサが容易に得られる。

次に、前記半導体圧力センサの力学的特性について説明する。ここでは、本発明の実施形態について、キャビティ２０のサイズ、ダイヤフラム２１の厚み、円弧断面１２ａの半径及びダイヤフラム２１の材質と、ダイヤフラム２１への印加引張圧力と最大主応力の最大値との関係をシミュレーションして得た結果を説明する。
表１は、キャビティティサイズ、ダイヤフラムの厚さ、円弧断面の半径、ダイヤフラムの材質を示している。
＜表１＞

このシミュレーションで使用するＳi、ＳｉＯ₂の物性は、表２の通りである。
＜表２＞

以上の条件に基づきシミュレーションした結果は、下記表３及び図５にグラフで示した通りである。なお、最大曲げ応力は、ダイヤフラムに１気圧相当の歪みが加わっていると仮定したときの円弧部分（図１の円弧断面１２ａ）に発生する応力の最大値である。
＜表３＞

このシミュレーション結果から、この実施形態の半導体圧力センサでは、円弧断面１２ａに作用する最大曲げ応力の最大値が、円弧断面１２ａの半径、２[μm]、５[μm]、１０[μm]の順に小さくなることが分かった。このことより本実施形態の半導体圧力センサは、円弧断面１２ａを備えることにより最大主応力の最大値が小さく、応力が分散されるので応力集中による破損がなくなり、耐圧が高くなる。この実施形態において円弧断面１２ａの半径は、１０[μm]程度が好ましい。また、円弧断面１２ａは、第２シリコン基板１３よりも、シリコン酸化膜１２にある方が好ましい。

以上の実施形態は、キャビティ２０を真空とした絶対圧センサであるが、本発明は、ベース基板３１に圧力導入口を形成して、キャビティ２０を外部と連通させた差圧又はゲージ圧センサにも適用できる。

また、感応抵抗素子としてピエゾ素子を使用したが、ダイヤフラム２１の歪みを検出できる素子であれば他の素子でもよい。さらに、ダイヤフラム２１の形状も、圧力を受けて歪む形状であれば他の形状でもよく、感応抵抗素子の数、形成位置も限定されない。

精度のバラツキが小さく小型、薄型化が可能なので、携帯電話、PND（Portable Navigation Device）、腕時計、歩数計等、薄く小型で高精度が必要な気圧、大気圧測定用途に適用できる。

Claims (7)

1. ２枚のシリコン基板が酸化膜を挟んで貼り合わされたＳＯＩ基板の一方のシリコン基板にキャビティが掘り込まれて形成され、他方のシリコン基板及び酸化膜によってダイヤフラムが形成された半導体圧力センサであって、
   前記一方のシリコン基板のキャビティの内側壁面には掘り方向に周期的な凹凸が形成されており、
   前記キャビティに臨むダイヤフラムの酸化膜は、キャビティの内壁側面を規制する前記一方のシリコン基板との境界部において、該一方のシリコン基板によるキャビティ径と同一径を有し、かつ該境界部からダイヤフラム中心に向けてキャビティ径を小径とする円弧断面を有し、
   かつこの円弧断面は、前記一方のシリコン基板の凹凸断面から連続的に形成されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 請求項１記載の半導体圧力センサにおいて、前記キャビティに臨むダイヤフラムの酸化膜は、該ダイヤフラムの前記境界部から中央部分に向かって厚さが減少し、薄肉となる領域を有する半導体圧力センサ。
3. 請求項１又は２記載の半導体圧力センサにおいて、前記キャビティは平面視矩形である半導体圧力センサ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項記載の半導体圧力センサにおいて、前記円弧断面は、前記キャビティの境界部全周に亘って形成されている半導体圧力センサ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項記載の半導体圧力センサにおいて、前記ＳＯＩ基板のダイヤフラム部分には感応抵抗素子が、ブリッジ回路を構成するように前記ダイヤフラムの輪郭に沿って形成されている半導体圧力センサ。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項記載の半導体圧力センサにおいて、前記キャビティの内壁側面は、前記ダイヤフラムに対して略直角に形成されている半導体圧力センサ。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項記載の半導体圧力センサにおいて、前記感応抵抗素子は、前記ダイヤフラムの歪みに応じて抵抗値が変化するピエゾ素子である半導体圧力センサ。

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