JP5899939B2

JP5899939B2 - 半導体圧力センサ、及び、その製造方法

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Publication number: JP5899939B2
Application number: JP2012005386A
Authority: JP
Inventors: 直樹栫山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2032-01-13
Also published as: JP2013145163A

Description

本発明は、半導体基板と、該半導体基板に形成された歪ゲージと、を備える半導体圧力センサ、及び、その製造方法に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、ダイヤフラム部上に設けられた歪みゲージと、ダイヤフラムの基台として面方位がほぼ（１１０）であるシリコン結晶の基台と、基台に接合される台座とを備える半導体圧力センサが提案されている。このダイヤフラム部は、＜１００＞軸、＜１１０＞軸、＜１１１＞軸に各々直交する対向２辺をもつ八角形状を有し、＜１００＞軸に直交する対向２辺間距離と＜１１０＞軸に直交する対向２辺間距離とがほぼ等しくなっている。

特許第２８６４７００号公報

ところで、上記したように特許文献１に示される半導体圧力センサでは、ダイヤフラム部の＜１００＞軸に直交する対向２辺間距離と＜１１０＞軸に直交する対向２辺間距離とがほぼ等しくなっているので、ダイヤフラム部面内各部の熱応力のばらつきが低減されている。しかしながら、本発明者が検討したところ、上記構成においても、熱応力のばらつきが生じ、その熱応力によって圧力の検出精度が低下する虞のあることが判明した。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、圧力の検出精度の低下が抑制された半導体圧力センサ、及び、その製造方法を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、主面（１０ａ）の面方位が（００１）であるシリコン基板（１０）と、
該シリコン基板（１０）の主面（１０ａ）に形成された歪ゲージ（３０）と、を備え、
シリコン基板（１０）には、厚さが局所的に薄くなった薄肉部（１３）が形成され、その薄肉部（１３）の上に歪ゲージ（３０）が設けられた半導体圧力センサであって、
主面（１０ａ）は、結晶方位［１１０］と結晶方位［−１１０］によって規定される平面に沿い、
薄肉部（１３）の外形輪郭線は、自身の中心（１３ａ）を対称点とする点対称な八角形を成し、
八角形を構成する８つの辺の内、互いに対向する２つの第１辺（１４，１５）が結晶方位［１１０］に沿い、互いに対向する２つの第２辺（１６，１７）が結晶方位［−１１０］に沿い、第１辺（１４，１５）と第２辺（１６，１７）とを連結する４つの第３辺（１８〜２１）が、結晶方位［１１０］から結晶方位［−１１０］に向かって４５°傾いた方向に沿っており、
２つの第１辺（１４，１５）の間、及び、２つの第２辺（１６，１７）の間はそれぞれ距離Ｌ１だけ離れ、
第１辺（１４，１５）と第２辺（１６，１７）との間は、結晶方位［−１１０］に沿う方向において距離Ｌ２だけ離れており、
歪ゲージ（３０）の中心（３０ａ）は、薄肉部（１３）の中心（１３ａ）から、０．４５Ｌ１以上、０．４８７５Ｌ１以下だけ離れ、
Ｌ２／Ｌ１は、０．２９５以上、０．３３以下の値であることを特徴とする。

このように本発明によれば、歪ゲージ（３０）の中心（３０ａ）は、薄肉部（１３）の中心（１３ａ）から、０．４５Ｌ１以上、０．４８７５Ｌ１以下だけ離れ、Ｌ２／Ｌ１は、０．２９５以上、０．３３以下の値となっている。詳しい説明は、実施形態にて説明するが、上記数値範囲の場合、薄肉部（１３）の熱歪によって発生する熱応力が、歪ゲージ（３０）に印加されることが抑制される。少なくとも歪ゲージ（３０）の中心（３０ａ）に印加される熱応力がゼロに近くなる。以上により、熱応力が歪ゲージ（３０）に印加されることが抑制され、圧力の検出精度の低下が抑制される。

なお、請求項１にて記載した結晶方位［−１１０］における、−１とは、１の上方にバーが付された物に相当する。表記することが困難なので、−にてバーを示している。

請求項２に記載のように、第１辺（１４，１５）及び第２辺（１６，１７）の中央それぞれに、歪ゲージ（３１〜３４）が１つずつ設けられた構成を採用することができる。この場合、請求項３に記載のように、４つの歪ゲージ（３１〜３４）によって、ホイーストンブリッジ回路を構成しても良い。なお、請求項４に記載のように、歪ゲージ（３０）としては、ピエゾ抵抗素子を採用することができ、その形状としては、請求項５に記載のように、導電材料から成る、結晶方位［１１０］に沿う長辺（３０ｂ）と結晶方位［−１１０］に沿う短辺（３０ｃ）とをそれぞれ複数有し、長辺（３０ｂ）と短辺（３０ｃ）とがつづら折りに連結された構成を採用することができる。

請求項６に記載の発明の作用効果は、請求項１に記載の発明の作用効果と同等なので、その記載を省略する。

なお、請求項７に記載のように、開口部（６１）は、組み合わさることで十字を成す５つの矩形部（６２）と、隣り合う２つの矩形部（６２）によって構成される４つの角部それぞれに１つ設けられる４つの三角部（６３）と、から成る構成を採用することができる。これにより、請求項１に記載の形状を有する薄肉部（１３）が形成される。

半導体圧力センサの概略構成を示す上面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。歪ゲージの形状を示す上面図である。マスクの概略構成を示す上面図である。裏面に形成された薄肉部の形状を示す下面図である。主面に生じる応力分布図であり、（ａ）は圧力印加時、（ｂ）は高温時を示す。応力のＬ２／Ｌ１依存性を示すグラフであり、（ａ）は印加圧力と熱応力、（ｂ）は熱応力を印加圧力で規格化した値を示している。規格化応力のｘ／Ｌ１依存性を示すグラフである。ｘを変化させた場合における、規格化熱応力のＬ２／Ｌ１依存性を示すグラフであり、（ａ）は広範囲での規格化熱応力の振る舞いを示し、（ｂ）は、ゼロ近傍での規格化熱応力の振る舞いを示している。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本実施形態に係る半導体圧力センサを、図１〜図９に基づいて説明する。なお、以下においては、互いに直交する３方向を、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向と示す。

図１及び図２に示すように、半導体圧力センサ１００は、要部として、シリコン基板１０と、歪ゲージ３０と、支持部材５０と、を有している。シリコン基板１０の主面１０ａに歪ゲージ３０が形成され、シリコン基板１０の裏面１０ｂが、支持部材５０に固定されている。

シリコン基板１０は、直方体を成し、主面１０ａの面方位が（００１）と成っている。そして、主面１０ａは、結晶方位［１１０］と結晶方位［−１１０］の規定する平面に沿い、シリコン基板１０の厚さ方向は、結晶方位［００１］に沿っている。本実施形態では、結晶方位［１１０］がｘ方向に沿い、結晶方位［−１１０］がｙ方向に沿い、結晶方位［００１］がｚ方向に沿っている。なお、上記した結晶方位［−１１０］における、−１とは、１の上方にバーが付された物に相当する。表記することが困難なので、−にてバーを示している。

図１及び図２に示すように、シリコン基板１０には、厚さが局所的に薄くなった薄肉部１３が形成され、この薄肉部１３の外形輪郭線（図１で破線で示した線）が八角形を成している。この八角形を成す８つの辺１４〜２１の内、２つの第１辺１４，１５がｘ方向に沿い、２つの第２辺１６，１７がｙ方向に沿い、残り４つの第３辺１８〜２１が、ｘ方向からｙ方向に４５°傾いた方向に沿っている。そして、２つの第１辺１４，１５の間、及び、２つの第２辺１６，１７の間はそれぞれ距離Ｌ１だけ離れ、第１辺１４，１５と第２辺１６，１７との間は、距離Ｌ２だけ離れている。Ｌ２／Ｌ１は、０．２９５以上、０．３３以下の値であり、本実施形態では、Ｌ２／Ｌ１＝０．３２と成っている。

歪ゲージ３０は、応力の印加によって、抵抗値が変動するピエゾ抵抗素子である。歪ゲージ３０は、図３に示すように、導電材料から成るｘ方向に沿う長辺３０ｂとｙ方向に沿う短辺３０ｃとがつづら折りに連結されて成る。この構成により、歪ゲージ３０には、主としてｘ方向に沿う電流（図３に記す矢印）が流れる。そのため、薄肉部１３におけるｘ方向の歪みに起因する応力をσ_ｘ、ｙ方向の歪みに起因する応力をσ_ｙとすると、歪ゲージ３０の出力に影響する応力は、σ_ｘ−σ_ｙとなる。本実施形態では、４つの歪ゲージ３１〜３４が薄肉部１３上に形成されており、これら４つの歪ゲージ３１〜３４によって、ホイーストンブリッジ回路が構成されている。

図１及び図２に示すように、歪ゲージ３１〜３４の中心３１ａ〜３４ａそれぞれは、薄肉部１３の中心１３ａから、距離ｘだけ離れている。距離ｘは、０．４５Ｌ１以上、０．４８７５Ｌ１以下であり、本実施形態では、ｘ＝０．４７５Ｌ１と成っている。そして、中心３１ａ〜３４ａそれぞれは、薄肉部１３上に位置している。また、本実施形態では、第１歪ゲージ３１が第１辺１４の中央に位置し、第２歪ゲージ３２が第１辺１５の中央に位置している。そして、第３歪ゲージ３３が第２辺１６の中央に位置し、第４歪ゲージ３４が第２辺１７の中央に位置している。

支持部材５０は、シリコン基板１０を支持するものである。シリコン基板１０の裏面１０ｂと支持部材５０の上面とが陽極接合などにより固定されている。

次に、半導体圧力センサ１００の製造方法の内、薄肉部１３の形成工程を説明する。先ず、シリコン基板１０の裏面１０ｂに、図４に示すマスク６０を形成する。マスク６０は、八角形の薄肉部１３を形成するための開口部６１を有している。破線で示すように、開口部６１は、５つの矩形部６２と、４つの三角部６３と、を有し、５つの矩形部６２が十字に組み合わされ、隣り合う２つの矩形部６２によって構成される４つの角部それぞれに１つの三角部６３が設けられた形状を成している。薄肉部１３の距離Ｌ１は、矩形部６２におけるｘ方向及びｙ方向に沿う辺の長さによって決定され、距離Ｌ２は、三角部６３におけるｘ方向及びｙ方向に沿う辺の長さによって決定される。三角部６３は、直角二等辺三角形である。以上が、マスク形成工程である。

マスク形成工程後、開口部６１から露出した裏面１０ｂをエッチングすることで、薄肉部１３を形成する。以上が、エッチング工程である。なお、エッチング時間を調整することによって、距離Ｌ１、Ｌ２を微調整することができる。以上の工程を経ることで、図５に示す薄肉部１３が形成される。

次に、薄肉部１３に生じる応力（σ_ｘ−σ_ｙ）を図６及び図７に基づいて説明する。図６の（ａ）は、常温にて、圧力印加時に生じる歪みに起因する応力（印加応力）の応力分布を示し、図６の（ｂ）は、高温時に生じる歪みに起因する応力（熱応力）の応力分布を示している。図６では、濃淡によって、薄肉部１３に生じる歪みを表現している。濃度が薄くなるほど、ピエゾ抵抗効果に寄与する成分が正側に大きいことを示し、濃度が濃くなるほど、ピエゾ抵抗効果に寄与する応力が負側に大きいことを示している。この応力分布は、本発明者がシミュレーションすることによって得たものである。

図７の（ａ）は、印加応力と熱応力のＬ２／Ｌ１依存性を示し、図７の（ｂ）は、熱応力を印加応力にて割った値（規格化熱応力）のＬ２／Ｌ１依存性を示している。図７の（ａ）に示すように、印加応力は、Ｌ２／Ｌ１が大きくなるにしたがって、緩やかに減少する振る舞いを示す。これに対して、熱応力は、Ｌ２／Ｌ１が大きくなるにしたがって、急激に減少する振る舞いを示し、Ｌ２／Ｌ１＝０．３２にて０と成っている。

次に、図８に基づいて、印加応力のｘ／Ｌ１依存性を説明する。図８の縦軸は、最大応力を１として規格化した規格化応力を示している。図８には、薄肉部１３の外形輪郭線が四角形、八角形の場合それぞれにおける印加応力の振る舞いが示されている。実線は正四角形、破線はＬ２／Ｌ１＝０．１４である角度の小さい八角形（角小八角）、点線はＬ２／Ｌ１＝０．２９である正八角形、二点鎖線はＬ２／Ｌ１＝０．３３である角度の大きい八角形（角大八角）の印加応力の振る舞いを示している。図８に示されるように、四角形、Ｌ２／Ｌ１の値が０．１４〜０．３３である八角形の場合、規格化応力は、ｘ／Ｌ１＝０．４５〜０．４８７５の範囲にて最大値をとる。この実験結果は、薄肉部１３の外形輪郭線が、Ｌ２／Ｌ１＝０．１４〜０．３３である八角形の場合において、歪ゲージ３０が、ｘ／Ｌ１＝０．４５〜０．４８７５の位置にある場合に、印加応力を最も感度良く検出することができることを示している。

次に、図９に基づいて、規格化熱応力のＬ２／Ｌ１依存性を説明する。図９には、様々な距離ｘにおける規格化熱応力の振る舞いが示されている。実線はｘ＝０．４５Ｌ１、破線は０．４６２５Ｌ１、一点鎖線は０．４７５Ｌ１、二点鎖線は０．４８７５Ｌ１である場合の規格化熱応力の振る舞いを示している。図９に示されるように、ｘが０．４５Ｌ１以上、０．４８７５Ｌ１以下である場合に、Ｌ２／Ｌ１が、０．２９５以上、０．３３以下の範囲にて、規格化熱応力がゼロとなっている。

以上により、ｘが０．４５Ｌ１以上、０．４８７５Ｌ１以下であり、Ｌ２／Ｌ１が０．２９５以上、０．３３以下である場合に、印加応力を最も感度良く検出することができ、且つ、規格化熱応力（熱応力）をほぼゼロとすることができる。上記したように、歪ゲージ３１〜３４の中心３１ａ〜３４ａそれぞれは、薄肉部１３の中心１３ａから、距離ｘ＝０．４７５Ｌ１だけ離れ、Ｌ２／Ｌ１＝０．３２と成っている。これは、上記したｘとＬ１／Ｌ２の範囲内に含まれ、この組み合わせの場合、規格化熱応力がゼロとなる。したがって、熱応力の歪ゲージ３０への印加が抑制され、圧力の検出精度の低下が抑制される。

本実施形態では、ｘ＝０．４７５Ｌ１、Ｌ２／Ｌ１＝０．３２である例を示した。しかしながら、ｘが０．４５Ｌ１以上、０．４８７５Ｌ１以下である場合に、Ｌ２／Ｌ１が、０．２９５以上、０．３３以下の値であればよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

１０・・・シリコン基板
１３・・・薄肉部
１４，１５・・・第１辺
１６，１７・・・第２辺
１８〜２１・・・第３辺
３０・・・歪ゲージ
５０・・・支持部材
６０・・・マスク
１００・・・半導体圧力センサ

Claims

主面（１０ａ）の面方位が（００１）であるシリコン基板（１０）と、
該シリコン基板（１０）の主面（１０ａ）に形成された歪ゲージ（３０）と、を備え、
前記シリコン基板（１０）には、厚さが局所的に薄くなった薄肉部（１３）が形成され、その薄肉部（１３）の上に前記歪ゲージ（３０）が設けられた半導体圧力センサであって、
前記主面（１０ａ）は、結晶方位［１１０］と結晶方位［−１１０］によって規定される平面に沿い、
前記薄肉部（１３）の外形輪郭線は、自身の中心（１３ａ）を対称点とする点対称な八角形を成し、
前記八角形を構成する８つの辺の内、互いに対向する２つの第１辺（１４，１５）が結晶方位［１１０］に沿い、互いに対向する２つの第２辺（１６，１７）が結晶方位［−１１０］に沿い、前記第１辺（１４，１５）と前記第２辺（１６，１７）とを連結する４つの第３辺（１８〜２１）が、結晶方位［１１０］から結晶方位［−１１０］に向かって４５°傾いた方向に沿っており、
２つの前記第１辺（１４，１５）の間、及び、２つの前記第２辺（１６，１７）の間はそれぞれ距離Ｌ１だけ離れ、
前記第１辺（１４，１５）と前記第２辺（１６，１７）との間は、結晶方位［−１１０］に沿う方向において距離Ｌ２だけ離れており、
前記歪ゲージ（３０）の中心（３０ａ）は、前記薄肉部（１３）の中心（１３ａ）から、０．４５Ｌ１以上、０．４８７５Ｌ１以下だけ離れ、
Ｌ２／Ｌ１は、０．２９５以上、０．３３以下の値であることを特徴とする半導体圧力センサ。
前記第１辺（１４，１５）及び前記第２辺（１６，１７）の中央それぞれに、前記歪ゲージ（３１〜３４）が１つずつ設けられ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。
４つの前記歪ゲージ（３１〜３４）によって、ホイーストンブリッジ回路が構成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体圧力センサ。
前記歪ゲージ（３０）は、ピエゾ抵抗素子であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の半導体圧力センサ。
前記歪ゲージ（３０）は、導電材料から成る、結晶方位［１１０］に沿う長辺（３０ｂ）と結晶方位［−１１０］に沿う短辺（３０ｃ）とをそれぞれ複数有し、
前記長辺（３０ｂ）と前記短辺（３０ｃ）とがつづら折りに連結されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体圧力センサ。
請求項１〜５いずれかに記載の半導体圧力センサの製造方法であって、
前記シリコン基板（１０）の裏面（１０ｂ）に、八角形の前記薄肉部（１３）を形成するための開口部（６１）を有するマスク（６０）を形成するマスク形成工程と、
該マスク形成工程後、前記マスク（６０）の開口部（６１）から露出した裏面（１０ｂ）をエッチングすることで、前記薄肉部（１３）を形成するエッチング工程と、を有することを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
前記開口部（６１）は、組み合わさることで十字を成す５つの矩形部（６２）と、隣り合う２つの前記矩形部（６２）によって構成される４つの角部それぞれに１つ設けられる４つの三角部（６３）と、から成ることを特徴とする請求項６に記載の半導体圧力センサの製造方法。