JP5357469B2 - 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）。

従来の半導体圧力センサの断面構造を図１１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、ゲージ抵抗１０１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）から、酸化膜１１２に達するキャビティ１２２が形成されている。第１シリコン基板１１１の表面には、ゲージ抵抗１０１も覆うように酸化膜（パッシベーション膜）１１４が形成されているが、ゲージ抵抗１０１部分の厚さのみ、酸化膜１１２と同等の厚さに薄く形成されている。キャビティ１２２の天井部分の酸化膜１１２、第１シリコン基板１１１及び酸化膜１１４がダイヤフラム１２１を構成している。

この従来例では、酸化膜１１４と酸化膜１１２とがゲージ抵抗１０１に重複する部位以外では同じ膜厚に設定されているので、シリコンと酸化膜１１４との熱膨張係数差によってダイヤフラム１２１に生じる熱応力を低減することができるとされている。

しかし従来の半導体圧力センサは、ダイヤフラム１２１に圧力がかかると、凹部１２２の内側面とダイヤフラム１２１の裏面（酸化膜１１２）とが接合された境界角部に応力が集中して、この境界角部から破損しやすかった。

かかる従来技術の問題に鑑みて本発明は、衝撃または衝撃的な圧力変化を受けてもダイヤフラムが破損し難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形成され、少なくとも他方のシリコン基板によってダイヤフラムが形成され、該ダイヤフラム周縁に複数のセンサ素子が配置された半導体圧力センサであって、前記他方のシリコン基板の表面に少なくとも前記複数のセンサ素子を覆う保護膜を有し、この保護膜によって、該複数のセンサ素子よりも前記ダイヤフラムの内周側に段差を設けたこと、及びこの段差は、平面視で、前記ダイヤフラムの平面形状との相似形、円形、またはダイヤフラムの平面形状よりも辺数が多い凸多角形であって、前記一方のシリコン基板の前記キャビティの輪郭の内側に内包されていること、に特徴を有する。

より具体的な態様によれば、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形成され、少なくとも他方のシリコン基板によってダイヤフラムが形成され、該ダイヤフラム周縁に複数のセンサ素子が配置された半導体圧力センサであって、前記他方のシリコン基板の表面に該表面全体を覆う保護膜を有し、前記ダイヤフラム上の保護膜に、前記ダイヤフラムの平面形状よりも小さい面積の平面形状を呈する凹部が形成されていること、及びこの凹部の内周面は、平面視で、前記ダイヤフラムの平面形状との相似形、円形、またはダイヤフラムの平面形状よりも辺数が多い凸多角形であって、前記一方のシリコン基板の前記キャビティの輪郭の内側に内包されていること、に特徴を有する。

別の態様によれば、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形成され、少なくとも他方のシリコン基板によってダイヤフラムが形成され、該ダイヤフラム周縁に複数のセンサ素子が配置された半導体圧力センサであって、前記他方のシリコン基板の表面に少なくとも前記複数のセンサ素子を覆う保護膜を有し、この保護膜に、前記ダイヤフラムの平面形状よりも小さい面積の平面形状で該ダイヤフラムを露出させる開口部を設けたこと、及びこの開口部の内周面は、平面視で、前記ダイヤフラムの平面形状との相似形、円形、またはダイヤフラムの平面形状よりも辺数が多い凸多角形であって、前記一方のシリコン基板の前記キャビティの輪郭の内側に内包されていること、に特徴を有する。

前記開口部の平面形状は、前記ダイヤフラムの平面形状と相似形であることが好ましい。例えば、前記ダイヤフラムの平面形状が一辺の長さＸの正方形である場合は、前記開口部の平面形状は、前記ダイヤフラムと中心位置を一致させた正方形とし、各辺の長さＡを１／２Ｘ≦Ａとする。

以上の構成からなる本発明によれば、ダイヤフラムに衝撃または衝撃的な圧力変化が加わると、ダイヤフラムの前記凹部または前記開口部の内周面によって衝撃が分散され、キャビティとダイヤフラムとを接続する端部への応力集中が減少して破損が防止される。

本発明の最良の実施形態について、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適用した本発明の第１実施形態の主要部を示す平面図、図２は、図１の切断線II−IIに沿って切断して要部を示す断面図である。

この半導体圧力センサのピエゾ素子２２は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１０に形成されている。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（ＳｉＯ₂）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、ブリッジ回路を形成するように、感応抵抗素子として複数のピエゾ素子２２が埋設形成されている。不図示であるが、複数のピエゾ素子２２の周囲はシリコン酸化膜で埋められており、該シリコン酸化膜上に、各ピエゾ素子２２に接続する配線及びパッドが形成されている。さらに回路面には、ピエゾ素子２２、配線及び第１シリコン基板１１の表面を絶縁保護する保護膜として、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が全面的に形成されている。なお、各パッドは、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が形成され、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、平面視矩形（正方形）であり、その矩形の輪郭をダイヤフラム輪郭線２１ａとして示した（図１）。ピエゾ素子２２は、ダイヤフラム輪郭線２１ａ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。なお、ダイヤフラム２１の外周領域、つまりダイヤフラム輪郭線２１ａの外周領域は、圧力変化によって変形しない固定領域２３になっている。

さらにこの第１実施形態では、ダイヤフラム輪郭線２１ａの内側領域のパッシベーション膜１５に、ダイヤフラム２１の中央部分の厚みが薄くなるように凹部４１を形成して、ダイヤフラム２１をその断面において段差を有する形状とした。この凹部４１の平面形状は、ダイヤフラム輪郭線２１ａと相似形で小さい正方形であって、ピエゾ素子２２よりもさらに内周側に位置する寸法である。パッシベーション膜１５の厚さは、例えば、ピエゾ素子２２上では１〜２μｍ、凹部４１ではピエゾ素子２２部分に比して半分程度の０．５〜１μｍが好ましい。

この凹部４１は、パッシベーション膜１５に、凹部４１となる部分を囲むようにその外周部分をマスキングしてエッチングすることにより形成できる。

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。

ここで、ダイヤフラム２１に衝撃または衝撃的な圧力変化が加わると、ダイヤフラム２１は、凹部４１の内周面４１ｂがあることにより衝撃が分散され、キャビティ２０の端部２０ａへの応力伝達の集中が減少するので、端部２０ａの破損が防止される。

図２において、凹部４１の底面４１ａと内周面４１ｂ、内周面４１ｂとダイヤフラム２１の表面は角を成しているが、丸みをつけるか、内周面４１ｂを斜面にすることが好ましい。また、凹部４１の底面４１ａは平坦としてあるが、中央に向かって徐々に深くなる、つまりダイヤフラム２１が中心に向かって徐々に薄くなるように形成してもよい。

図３及び図４には、さらに凹部４１の別の実施例を示した。図３に示される凹部４２は、平面視形状が円形である。その中心は、ダイヤフラム輪郭線２１ａの中心と一致している。図４に示される凹部４３は、平面視、正八角形である。そうしてこの正八角形の各辺が、ダイヤフラム輪郭線２１ａの各辺と平行に対向し、角部と対向している。これら凹部４２、４３を備えた場合も、上述の凹部４１を備えた場合と同様に、ダイヤフラム２１に衝撃または衝撃的な圧力変化が加わると、ダイヤフラム２１は先ず、凹部４２、４３の中央部分が変形するのでキャビティ２０の端部２０ａへの応力が分散され、端部２０ａのシリコン酸化膜１２、第１シリコン基板１１の破損が防止される。

凹部４１、４２、４３の平面視形状、大きさはこれらの実施例に限定されない。例えば、凹部４１の形状は、第１シリコン基板１１の結晶方位より２度程度ずらすことで、結晶方位に沿った亀裂の進行を抑制できる。

図５は、ダイヤフラム型の半導体圧力センサに適用した本発明の第２実施形態の主要部を示す平面図、図６は、図５の切断線VI−VIに沿って切断して要部を示す断面図である。この第２実施形態は、第１実施形態のダイヤフラム２１上のパッシベーション膜１５を一部除去して該除去部分に第１シリコン基板１１を露出させる開口部５１を設け、この開口部５１により、ダイヤフラム２１をその断面において段差を有する形状とした実施形態である。

開口部５１の平面形状は、ダイヤフラム輪郭線２１ａと相似形で小さい正方形であって、ピエゾ素子２２よりもさらに内周側に位置する寸法に設定してある。開口部５１の中心位置とダイヤフラム２１の中心位置は一致させる。開口部５１の各辺の長さ寸法Ａの下限は、ダイヤフラム２１の各辺の長さ寸法Ｘとしたとき、１／２Ｘ≦Ａであることが好ましい。長さ寸法Ａが１／２Ｘ未満であると、開口部５１による応力分散の効果が小さくなる。別言すれば、パッシベーション膜１５は、少なくともピエゾ素子２２を覆い、かつ、ダイヤフラム２１の輪郭線２１ａから長さ寸法１／４Ｘまでの範囲に存在するように設ける。

開口部５１は、第１シリコン基板１１の回路面上にパッシベーション膜１５を全面的に形成した後、パッシベーション膜１５に、開口部５１となる部分を囲むようにその外周部分をマスキングしてエッチングすることにより形成できる。あるいは、開口部５１となる部分をマスキングしておき、その外周部分のみにパッシベーション膜１５を成膜することにより形成できる。

この第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、ダイヤフラム２１に衝撃または衝撃的な圧力変化が加わると、ダイヤフラム２１は、開口部５１の内周面５１ｂがあることにより衝撃が分散され、キャビティ２０の端部２０ａへの応力伝達の集中が減少するので、端部２０ａの破損が防止される。

図５において、開口部５１の内周面５１ｂと第１シリコン基板１１の表面（ダイヤフラム２１の表面）は直角をなしているが、丸みをつけても、内周面５１ｂを斜面にしてもよい。図７に、開口部５１の別の実施例として、内周面５１ｂ’を、第１シリコン基板１１の表面から４５°傾けた斜面で形成した開口部５１’を示す。開口部５１’は、エッチングにより形成する場合、内周面５１ｂ’を第１シリコン基板１１に対して垂直な面とするよりも斜面とするほうが製造容易である。

開口部５１の平面形状は、ダイヤフラム２１との相似形状や正方形状に限らず、種々の変形が可能であり、例えばダイヤフラム２１と中心位置を一致させた平面視円形（図３）や、各辺を、ダイヤフラム輪郭線２１ａの各辺と平行に対向させ、角部と対向させた平面視、正八角形（図４）とすることもできる。

図８は、開口部５１の位置及びエッジ形状を異ならせた半導体圧力センサにおいて、圧力印加時にダイヤフラム２１が受ける応力を測定した結果を示している。この応力測定は、図９（ａ）〜（ｅ）に示される半導体圧力センサについて、ピエゾ素子２２のダイヤフラム内周側のエッジ位置にかかる応力を測定したものである。応力測定点Ｐと応力集中点Ｆを図９に示す。

図９（ａ）の半導体圧力センサは、第１シリコン基板１１上に凹凸のない均一なパッシベーション膜１５を有する第１比較例である。この第１比較例では、ダイヤフラム２１の輪郭線２１ａ上に最も応力が集中していた。第１シリコン基板１１上にパッシベーション膜１５が全く存在していない場合も、この第１比較例と同等の測定結果が得られた。

図９（ｂ）の半導体圧力センサは、開口部５１をピエゾ素子２２よりも内側に設け、開口部５１の内周面５１ｂを第１シリコン基板１１に対して垂直な面とした第１実施例である。具体的に開口部５１は、ピエゾ素子２２から４０μｍ内側に設けてある。この第１実施例では、ダイヤフラム２１の輪郭線２１ａよりも内側に位置する、開口部５１の内周面（パッシベーション膜１５のエッジ）に最も応力が集中していた。

図９（ｃ）の半導体圧力センサは、開口部５１をピエゾ素子２２より内側に設け、開口部５１の内周面５１ｂを第１シリコン基板１１に対して４５°傾けた斜面とした第２実施例である。具体的に開口部５１は、ピエゾ素子２２から４０μｍ内側に設けてある。この第２実施例においても、ダイヤフラム２１の輪郭線２１ａよりも内側に位置する、開口部５１の内周面（パッシベーション膜１５のエッジ）に最も応力が集中していた。

図９（ｄ）の半導体圧力センサは、開口部５１をピエゾ素子２２より外側に設け、開口部５１の内周面５１ｂを第１シリコン基板１１に対して垂直な面とした第２比較例である。具体的に開口部５１は、ピエゾ素子２２から４０μｍ外側に設けてある。この第２比較例では、第１比較例と同様に、ダイヤフラム２１の輪郭線２１ａ上に最も応力が集中していた。

図９（ｅ）の半導体圧力センサは、開口部５１をピエゾ素子２２より外側に設け、開口部５１の内周面５１ｂを第１シリコン基板１１に対して４５°傾けた斜面とした第３比較例である。具体的に開口部５１は、ピエゾ素子２２から４０μｍ外側に設けてある。この第３比較例においても、第１、第２比較例と同様に、ダイヤフラム２１の輪郭線２１ａ上に最も応力が集中していた。第２比較例と第３比較例は、開口部５１の内周面５１ｂの角度のみ異ならせたものである。

図８をみると、開口部５１をピエゾ素子２２よりも外側に設けた第２比較例と第３比較例では、開口部５１を有さない第１比較例に比べて、圧力印加時にダイヤフラム２１の受ける応力は若干増大しており、耐圧性は低下することがわかる。これに対し、開口部５１をピエゾ素子２２よりも内側に設けた第１実施例と第２実施例では、上記第１〜第３比較例に比べて、圧力印加時にダイヤフラム２１の受ける応力が減少しており、圧力が大きくなるほど第１〜第３比較例との差が大きくなることがわかる。よって、ダイヤフラム２１の第１シリコン基板１１を露出させる開口部５１をピエゾ素子２２より内側に設けることで、ピエゾ素子２２のエッジにかかる応力を低減させることでき、耐圧性が向上することが明らかである。

また、図８において第１実施例と第２実施例または第２比較例と第３比較例に注目すると、いずれも同様の結果が得られている。第１実施例と第２実施例及び第２比較例と第３比較例は、開口部５１の内周面５１ｂの角度のみ異ならせたものである。よって、開口部５１の内周面５１ｂの角度によって、圧力印加時にダイヤフラム２１の受ける応力は変わらないことが明らかである。内周面５１ｂを垂直な面としても斜面としても、ピエゾ素子２２のエッジにかかる応力を低減させることでき、耐圧性は向上する。

図１０は、パッシベーション膜１５の形状を異ならせた半導体圧力センサにおいて、圧力印加時にダイヤフラム２１が受ける応力を測定した結果を示している。この応力測定は、上記第１比較例と第３〜第５実施例において、ピエゾ素子２２のダイヤフラム内周側のエッジ位置にかかる応力を測定したものである。

第１比較例では、上述のように、凹凸のない均一なパッシベーション膜１５が第１シリコン基板１１上に全面的に形成されている。この第１比較例の測定結果は図８に示す結果と同一である。

第３実施例は、図１及び図２に示されるように、第１シリコン基板１１上に全面的に形成されたパッシベーション膜１５に、ピエゾ素子２２より内側に位置させて、平面視正方形状の凹部４１を設けた半導体圧力センサである。凹部４１の各辺は６００μｍである。

第４実施例は、図３に示されるように、パッシベーション膜１５が第１シリコン基板１１上に全面的に形成されていて、このパッシベーション膜１５に、ピエゾ素子２２より内側に位置させて、平面視円形状の凹部４１を設けた半導体圧力センサである。凹部４１の直径は６００μｍである。

第５実施例は、平面視円形状の開口部５１をピエゾ素子２２より内側に設けた半導体圧力センサである。開口部５１の直径は６００μｍである。

図１０から明らかなように、凹部４１または開口部５１を介してダイヤフラム２１をその断面において段差を有する形状とした第３〜第５実施例は、段差のないダイヤフラム２１を備えた第１比較例に比べて、圧力印加時にダイヤフラム２１の受ける応力が減少し、耐圧性が向上している。

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またはゲージ圧センサにも適用できる。

本発明を適用した半導体圧力センサの実施形態の要部を示す平面図である。 同実施形態の主要部を図１の切断線II−IIに沿って示す断面図である。 同実施形態における凹部の別の実施例を示す平面図である。 同実施形態における凹部のさらに別の実施例を示す平面図である。 本発明を適用した半導体圧力センサの別実施形態の要部を示す平面図である。 同実施形態の主要部を図５の切断線VI−VIに沿って示す断面図である。 同実施形態における開口部の別の実施例を示す断面図である。 開口部の位置及びエッジ形状を異ならせた半導体圧力センサにおいて、圧力印加時にダイヤフラムにかかる応力の大きさを示すグラフである。 （ａ）〜（ｅ）図８の応力測定に用いた半導体圧力センサを説明する斜視断面図である。 パッシベーション膜の形状を異ならせた半導体圧力センサにおいて、圧力印加時にダイヤフラムにかかる応力の大きさを示すグラフである。 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。

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）
１３ 第２シリコン基板（一方のシリコン基板）
１５ パッシベーション膜（保護膜）
２０ キャビティ
２０ａ 端部
２１ ダイヤフラム
２１ａ ダイヤフラム輪郭線
２２ ピエゾ素子
３１ ベース基板
４１ ４２ ４３ 凹部
４１ａ 底面
４１ｂ 内周面
５１ 開口部
５１ｂ 内周面

Claims (4)

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形成され、少なくとも他方のシリコン基板によってダイヤフラムが形成され、該ダイヤフラム周縁に複数のセンサ素子が配置された半導体圧力センサであって、
   前記他方のシリコン基板の表面に少なくとも前記複数のセンサ素子を覆う保護膜を有し、この保護膜によって、該複数のセンサ素子よりも前記ダイヤフラムの内周側に段差を設けたこと、
   前記段差は、平面視で、前記ダイヤフラムの平面形状との相似形、円形、またはダイヤフラムの平面形状よりも辺数が多い凸多角形であって、前記一方のシリコン基板の前記キャビティの輪郭の内側に内包されていること、
   を特徴とする半導体圧力センサ。
2. 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形成され、少なくとも他方のシリコン基板によってダイヤフラムが形成され、該ダイヤフラム周縁に複数のセンサ素子が配置された半導体圧力センサであって、
   前記他方のシリコン基板の表面に該表面全体を覆う保護膜を有し、前記ダイヤフラム上の保護膜に、前記ダイヤフラムの平面形状よりも小さい面積の平面形状を呈する凹部が形成されていること、及び
   前記凹部の内周面は、平面視で、前記ダイヤフラムの平面形状との相似形、円形、またはダイヤフラムの平面形状よりも辺数が多い凸多角形であって、前記一方のシリコン基板の前記キャビティの輪郭の内側に内包されていること、
   を特徴とする半導体圧力センサ。
3. 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形成され、少なくとも他方のシリコン基板によってダイヤフラムが形成され、該ダイヤフラム周縁に複数のセンサ素子が配置された半導体圧力センサであって、
   前記他方のシリコン基板の表面に少なくとも前記複数のセンサ素子を覆う保護膜を有し、この保護膜に、前記ダイヤフラムの平面形状よりも小さい面積の平面形状で該ダイヤフラムを露出させる開口部を設けたこと、及び
   前記開口部の内周面は、平面視で、前記ダイヤフラムの平面形状との相似形、円形、またはダイヤフラムの平面形状よりも辺数が多い凸多角形であって、前記一方のシリコン基板の前記キャビティの輪郭の内側に内包されていること、
   を特徴とする半導体圧力センサ。
4. 請求項３記載の半導体圧力センサにおいて、前記ダイヤフラムの平面形状は一辺の長さＸの正方形をなし、前記開口部の平面形状は、前記ダイヤフラムと中心位置を一致させた正方形をなし、該正方形の各辺の長さＡは１／２Ｘ≦Ａである半導体圧力センサ。