JP5822978B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents
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まず、単結晶シリコン基板からなる第1半導体基板の一面側に所定の厚さの酸化膜を形成し、酸化膜の厚み方向に穴方向の一致する貫通穴を、酸化膜の一部を除去して形成する。次いで、貫通穴の内周面と面一の内周面を有する凹部を第1半導体基板に形成する。次いで、単結晶シリコン基板からなる第2半導体基板を、酸化膜の表面に露出する貫通穴を覆うように、第1半導体基板に酸化膜を介して接合する。また、第2半導体基板を薄肉化して凹部と相対する第2半導体基板の部位にダイヤフラムを形成し、さらに、ダイヤフラムの表面に歪検出素子を形成することで、従来の圧力センサ用半導体基板が製造される(例えば、特許文献1参照)。
図1はこの発明の実施の形態1に係る半導体圧力センサの断面図である。
また、図示しないが、半導体圧力センサ1Aは、歪検出素子7への電力供給や、歪検出素子7から出力される電気信号を外部に取り出すための配線や電極、及びこれらを保護するための保護膜などを有している。
ダイヤフラム9に外部から圧力が加えられると、ダイヤフラム9が撓み、主にダイヤフラム9の境界側の部位が歪む。
歪検出素子7は、ダイヤフラム9の歪み量に応じて抵抗が変化する抵抗素子を有し、抵抗の変化に応じた電気信号を出力するように構成されている。
つまり、ダイヤフラム9は、基準圧力室8と外部の圧力との差圧に応じて撓むので、半導体圧力センサ1Aは、ダイヤフラム9の一面(凹部2と逆側の面)に付加される圧力と基準圧力室8との差圧に応じた圧力を検出する。なお、基準圧力室8内の圧力が真空である場合、ダイヤフラム9に付加された圧力を絶対圧として測定することが可能となる。
図2はこの発明の実施の形態1に係る半導体圧力センサの製造方法の準備工程を説明する図、図3のこの発明の実施の形態1に係る半導体圧力センサの製造方法の絶縁膜・凹部形成工程を説明する図、図4はこの発明の実施の形態1に係る半導体圧力センサの製造方法の基板連結工程を説明する図、図5はこの発明の実施の形態1に係る半導体圧力センサの製造方法のダイヤフラム形成工程を説明する図、図6はこの発明の実施の形態1に係る半導体圧力センサの製造方法の歪検出素子形成・後処理工程を説明する図である。
第1半導体素地基板10及び第2半導体素地基板11は、面方位が100の単結晶シリコン基板である。第1半導体素地基板10の導電型、及び抵抗率は、特に限定されるものではないが、例えば、第1半導体素地基板10は、P型の導電型を有し、かつ、1〜10Ω・cm程度の抵抗率を有するものが好適である。第2半導体素地基板11としては、導電型がN型であり、1〜10Ω・cm程度の抵抗率を有するものが好適である。
凹部2の形成には、パーフルオロシクロブタンガスと六フッ化硫黄ガスとを交互にエッチング対象領域に導入することで、第1半導体基板3の厚み方向へのエッチングを行うことが可能な所謂ボッシュプロセスを採用する。第1半導体基板3のエッチング条件を調整することで、凹部2の内形の一辺を第1酸化シリコン膜6の貫通穴5の一辺より1〜5μm程度大きくする。なお、凹部2の形成には、ボッシュプロセスを採用するものに限定されず、水酸化カリウム、水酸化テトラメチルアンモニウムなどのアルカリ溶液によるウェットエッチングを採用してもよい。
例えば、歪検出素子7は、N型である第2半導体基板4にボロンなどのP型の不純物を注入して拡散することで第2半導体基板4に形成することが好ましい。
これにより、歪検出素子7を、ダイヤフラム9の中央部や、外部からダイヤフラム9に付加される圧力が、ダイヤフラム9を撓ませる方向に働いたときに、最も歪み量が大きくなるダイヤフラム9の外周縁部側の領域の正確な位置に形成することができるようになる。
図7はこの発明の実施の形態1に係る半導体圧力センサの要部拡大断面図、図8はこの発明の実施の形態1に係る半導体圧力センサの破壊耐圧と(第1酸化シリコン膜の延出量)/(第1酸化シリコン膜の厚さ)との関係を示す図である。
また、図示しないが、以下に説明する比較用半導体圧力センサを用意した。比較用半導体圧力センサとしては、貫通穴5及び凹部2の開口と相対する側から見て、貫通穴5の縁部が、凹部2の開口縁部に一致するもの、貫通穴5の縁部が、凹部2の開口縁部の外側に位置するものを用意した。
説明の便宜上、以下では、比較用半導体圧力センサの凹部2の開口縁部から貫通穴5の縁部までの距離を−Xとする。
比較用半導体圧力センサは、X/Tが0、及び約−20、及び−40のものを用意し、半導体圧力センサ1Aは、X/Tが約20、40、60、80、及び100のものを用意した。
各半導体圧力センサとも、各X/Tの値ごとに、ダイヤフラム9のサイズと厚さ、及び第1酸化シリコン膜6の厚さの条件の異なる複数を用意している。このとき、各半導体圧力センサとも、ダイヤフラム9の外形の一辺は200〜2000μmの範囲内に、ダイヤフラム9の厚さは5〜50μmの範囲内に、第1酸化シリコン膜6の厚さTは0.1〜5.0μmの範囲内にあるものを用いている。
図8において、各半導体圧力センサで測定された破壊耐圧の値は、X/Tが0である比較用半導体圧力センサの破壊耐圧の値で規格化したものを相対値として示している。なお、X/Tが同じ値である複数の半導体圧力センサで測定された破壊耐圧の値の平均値を◆で図示している。
しかしながら、第1半導体基板3及び第2半導体基板4の外形が一定であると仮定すると、X/Tの絶対値が0より大きくなるほど、第1半導体基板3及び第2半導体基板4の第1酸化シリコン膜6を介した接合面積が減少する。このため、X/Tを<0とすることは、第1半導体基板3及び第2半導体基板4との間の第1酸化シリコン膜6を介した接合強度の確保、及び基準圧力室8の気密性の確保の観点で好ましくない。
また、第1半導体基板3及び第2半導体基板4の間の一定の接合面積を確保する場合には、第1半導体基板3及び第2半導体基板4の外形サイズが大きくなるので、やはり好ましくない。
図9はこの発明の実施の形態2に係る半導体圧力センサの断面図である。
なお、図9において、上記実施の形態1と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
図9において、半導体圧力センサ1Bは、第2半導体基板4と第1酸化シリコン膜6に形成された貫通穴5を覆う第2絶縁膜としての第2酸化シリコン膜15が、第2半導体基板4の凹部側の面に設けられている。つまり、第2酸化シリコン膜15が、ダイヤフラム9と凹部2との間に配置されるように、第2半導体基板4の第1酸化シリコン膜6側の面に設けられている。
半導体圧力センサ1Bの他の構成は、半導体圧力センサ1Aと同様である。
半導体圧力センサ1Bの製造方法は、基板連結工程を実施に先立って、第2半導体素地基板酸化工程を実施する他は、半導体圧力センサ1Aの製造方法と同様である。
第2半導体素地基板酸化工程は、第2半導体素地基板11の表面全域に第2酸化シリコン膜15が形成されるように第2半導体素地基板11を酸化処理するものである。
基板連結工程では、第2半導体素地基板11の一面側を第1酸化シリコン膜6と逆側に向け、第2半導体素地基板11の他面を、第1酸化シリコン膜6側上に配置されるように、第2酸化シリコン膜15を形成した第2半導体素地基板11を配置する。これにより、第2酸化シリコン膜15が第1酸化シリコン膜6の貫通穴5を覆うように設けられる。
以下、半導体圧力センサ1Aの製造方法と同様の手順で、半導体圧力センサ1Bを製造することができる。
図10はこの発明の実施の形態3に係る半導体圧力センサの断面図である。
なお、図10において、上記実施の形態1と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
図10において、半導体圧力センサ1Cは、第3絶縁膜としての第3酸化シリコン膜16が、基準圧力室8の表面、言い換えれば、凹部2と貫通穴5を構成する壁面、及び貫通穴5の開口を覆う第2半導体基板4の壁面の全域に形成されている。
半導体圧力センサ1Cの他の構成は、半導体圧力センサ1Aと同様である。
図11はこの発明の実施の形態3に係る半導体圧力センサの連結基板酸化処理工程を説明する図、図12はこの発明の実施の形態3に係る半導体圧力センサの製造方法のダイヤフラム形成工程を説明する図、図13はこの発明の実施の形態3に係る半導体圧力センサの製造方法の歪検出素子形成・後処理工程を説明する図である。
なお、図11〜図13において、上記実施の形態1と同一または相当部分には、同一符号を付し、その説明は省略する。
半導体圧力センサ1Cの製造方法は、準備工程、絶縁膜・凹部形成工程、基板連結工程、連結基板酸化処理工程、ダイヤフラム形成工程、及び歪検出素子形成・後処理工程を有する。
半導体圧力センサ1Cの製造方法によれば、半導体/絶縁膜基板12と第2半導体素地基板11とを予め仮固定した後に第3酸化シリコン膜16を形成するので、この問題を回避可能できる。
図14はこの発明の実施の形態4に係る半導体圧力センサの断面図である。
なお、図14において、上記実施の形態1と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
ここで、半導体圧力センサ1Dが測定する圧力の範囲をP1〜P2とする。
そして、半導体圧力センサ1Dの周囲の気圧がP1であるときに、ストッパ17の突出端とダイヤフラム9との間に所定の隙間が形成され、かつ、半導体圧力センサ1Dの周囲の気圧がP2となってダイヤフラム9が撓んだときに、ストッパ17の突出端がダイヤフラム9と接触せず、かつ、極力ダイヤフラム9と極力接近するようになっている。
図15はこの発明の実施の形態4に係る半導体圧力センサの製造方法の絶縁膜・凹部形成工程を説明する図、図16はこの発明の実施の形態4に係る半導体圧力センサの製造方法の酸化膜選択除去工程を説明する図、図17はこの発明の実施の形態4に係る半導体圧力センサの製造方法の基板連結工程を説明する図、図18はこの発明の実施の形態4に係る半導体圧力センサの製造方法のダイヤフラム形成工程を説明する図、図19はこの発明の実施の形態4に係る半導体圧力センサの製造方法の歪検出素子形成・後処理工程を説明する図である。
なお、図15〜図19において、上記実施の形態1と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
準備工程は、半導体圧力センサ1Aの製造方法の準備工程と同様である。
絶縁膜・凹部形成工程では、半導体圧力センサ1Aと同様の手法で、第1酸化シリコン膜6に貫通穴5を形成するが、図15に示されるように、貫通穴5を形成領域の中央に位置する第1酸化シリコン膜6の所定部位を島状に残す。次いで、貫通穴5を介して第1半導体基板3にエッチングを施して、凹部2を形成する。これにより、凹部2の底部から突設され、突出端に第3酸化シリコン膜16の一部を有するストッパ17が凹部2内に形成される。
このとき、第3酸化シリコン膜16だけでなく、ストッパ17の突出端から基端に向かって所定の領域を除去する。また、ストッパ17の突出端面は、粗面にしておく。
図20はこの発明の実施の形態5に係る半導体圧力センサの断面図である。
なお、図20において、上記実施の形態3と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
図20において、半導体圧力センサ1Eは、ストッパ17の表面を含む基準圧力室8の表面全域に、第3絶縁膜としての第4酸化シリコン膜18を備える。他の構成は半導体圧力センサ1Cの構成と同様である。
図21はこの発明の実施の形態6に係る半導体圧力センサの断面図である。
なお、図21において、上記実施の形態1と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
半導体圧力センサ1Fの製造方法は、絶縁膜・凹部形成工程の後に、連通穴形成工程を追加する他は、第1半導体圧力センサ1Aの製造方法と同様である。
図22はこの発明の実施の形態7に係る半導体圧力センサ付き内燃機関装置の構成図である。
つまり、半導体圧力センサ1Aのダイヤフラム9の一面が、吸気通路26内に配置されている。
このため、吸気通路26の圧力の測定範囲に対し、ダイヤフラム9は、5倍から10倍以上の破壊耐圧が求められる。
半導体圧力センサ1Aは、ダイヤフラム9の破壊耐圧が向上しており、ダイヤフラム9の厚みをある程度厚くするだけで、内燃機関25の吸気通路26内の圧力測定用としても使用できる。
Claims (7)
- 厚さ方向の一面に開口する凹部が形成された第1半導体基板と、
第1半導体基板の一面と相対して配置される第2半導体基板と、
上記第1半導体基板と上記第2半導体基板との間に介装され、上記凹部と上記第2半導体基板との間を連通する貫通穴が形成された第1絶縁膜と、
上記第2半導体基板の前記凹部と逆側の面に設けられる歪検出素子と、
を備え、
上記第1半導体基板、上記第2半導体基板および上記第1絶縁膜から気密な基準圧力室が形成され、
上記貫通穴及び上記凹部の開口と相対する側から見て、上記貫通穴の縁部の少なくとも一部が、上記凹部の開口縁部の内側に位置していることを特徴とする半導体圧力センサ。 - 上記貫通穴の縁部の全域が、上記凹部の開口縁部より内側に位置していることを特徴とする請求項1に記載の半導体圧力センサ。
- 上記貫通穴の縁部全域が、上記凹部の開口縁部から所定の距離Xだけ離間した位置にあり、上記第1絶縁膜の厚さをTとしたときに、0<X/T≦50を満たすことを特徴とする請求項2に記載の半導体圧力センサ。
- 上記凹部と上記貫通穴を構成する壁面、及び上記貫通穴の開口を覆う上記第2半導体基板の壁面の全域に第3絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の半導体圧力センサ。
- 上記凹部と上記貫通穴を構成する壁面、及び上記貫通穴の開口を覆う上記第2半導体基板の壁面に囲まれる空間内に、上記凹部と相対する上記第2半導体基板の部位を上記凹部側に所定量以上撓ませる外力が付加されたときに、上記第2半導体基板の撓みを規制するストッパが設けられていることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の半導体圧力センサ。
- 厚さ方向の一面に開口する凹部が形成された第1半導体基板と、
第1半導体基板の一面と相対して配置される第2半導体基板と、
上記第1半導体基板と上記第2半導体基板との間に介装され、上記凹部と上記第2半導体基板との間を連通する貫通穴が形成された第1絶縁膜と、
上記第2半導体基板の前記凹部と逆側の面に設けられる歪検出素子と、
を備え、
上記第1半導体基板、上記第2半導体基板および上記第1絶縁膜から基準圧力室が形成され、
上記貫通穴及び上記凹部の開口と相対する側から見て、上記貫通穴の縁部の少なくとも一部が、上記凹部の開口縁部の内側に位置し、
上記凹部と上記第1半導体基板の他面とを連通する連通穴が上記第1半導体基板に形成されていることを特徴とする半導体圧力センサ。 - 上記凹部と相対する上記第2半導体基板の部位に、上記凹部と逆側から付加される圧力に応じた圧力値を検出可能に構成され、上記圧力が付加される上記第2半導体基板の面は、内燃機関の吸気通路内に配置されることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の半導体圧力センサ。
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