JP6340985B2 - 物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体 - Google Patents

Description

本発明は、物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体に関するものである。

受圧により撓み変形するダイヤフラムを備えた圧力センサーが広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。このような圧力センサーは、一般に、ダイヤフラムが壁部の一部を構成する空洞部を備えており、ダイヤフラム上に配置されたセンサー素子でダイヤフラムの撓みを検出することにより、ダイヤフラムに加わった圧力を検出する。

例えば、特許文献１に記載のトランスデューサーは、シリコン基板の裏面に凹部を形成することによりダイヤフラムが形成され、一方、当該シリコン基板の表面にポリシリコンを用いて形成された真空室（空洞部）が設けられている。ここで、真空室の側壁がシリコン基板の凹部により薄肉化された部分に接続されている。すなわち、平面視で真空室の側壁面のシリコン基板側の端がシリコン基板の凹部の底部の外周縁よりもダイヤフラムの中心側に位置している。

ところで、金属を用いて空洞部を構成することが提案されている。しかし、特許文献１に記載のトランスデューサーでは、真空室の側壁がシリコン基板の凹部により薄肉化された部分に接続されているため、金属を用いて真空室を構成すると、真空室とシリコン基板との線膨張係数差に起因して、温度変化に伴って感圧特性が変動してしまうという問題がある。

特開２００５−３７３０９号公報

本発明の目的は、優れた温度特性を有する物理量センサーを提供すること、また、かかる物理量センサーを備える圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
［適用例１］
本発明の物理量センサーは、一方の面側に開口している凹部を有する基板と、
前記凹部の底部を含んでいるダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部に配置されているセンサー素子と、
空洞部を介して前記ダイヤフラム部に対向している天井部と、
前記基板と前記天井部との間に配置されていて、前記基板および前記天井部とともに前記空洞部を構成し、前記空洞部に面している内壁面を有する側壁部と、
を備え、
前記天井部および前記側壁部のうちの少なくとも一方が金属を含んで構成され、
前記基板の平面視において、前記底部の外周縁は、前記内壁面の前記基板側の端よりも前記ダイヤフラム部の中心側に位置し、
前記平面視で、前記側壁部の内周面の基板側の端との間の距離が０．１μｍ以上２５μｍ以下の範囲内にある部分を有し、
前記ダイヤフラム部の厚さは、１μｍ以上８μｍ以下であり、
前記ダイヤフラム部の幅は、５０μｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする。

このような物理量センサーによれば、側壁部が基板の比較的剛性の高い肉厚部（凹部により形成された薄肉部と異なる部分）に接続されているため、天井部または側壁部と基板との線膨張係数差が大きい場合であっても、天井部または側壁部の歪みがダイヤフラム部（薄肉部）に伝わるのを低減することができる。そのため、優れた温度特性を有する物理量センサーを提供することができる。

［適用例２］
本発明の物理量センサーでは、前記天井部および前記側壁部が金属を含んで構成されていることが好ましい。
これにより、気密性に優れた空洞部を形成することができる。

［適用例３］
本発明の物理量センサーでは、前記金属は、アルミニウム、チタンまたは窒化チタンであることが好ましい。

これらの金属は、半導体製造プロセスとの親和性が高い。そのため、高精度な空洞部を比較的簡単に形成することができる。

［適用例４］
本発明の物理量センサーでは、前記基板は、複数の前記凹部を有しており、
前記平面視で、１つの前記空洞部に複数の前記ダイヤフラム部が重なっていることが好ましい。
これにより、検出感度を向上させることができる。

［適用例５］
本発明の物理量センサーでは、前記空洞部は、前記基板の前記凹部が開口している側とは反対側に配置されていることが好ましい。
このような場合、本発明の効果が顕著となる。

［適用例６］
本発明の圧力センサーは、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。
これにより、優れた温度特性を有する圧力センサーを提供することができる。

［適用例７］
本発明の高度計は、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。
これにより、優れた温度特性を有する高度計を提供することができる。

［適用例８］
本発明の電子機器は、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。

これにより、優れた温度特性を有する物理量センサーを備える電子機器を提供することができる。

［適用例９］
本発明の移動体は、本発明の物理量センサーを備えることを特徴とする。

これにより、優れた温度特性を有する物理量センサーを備える移動体を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 図１に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子（センサー素子）および側壁部の配置を示す平面図である。 図１に示す物理量センサーの作用を説明するための図であって、（ａ）は加圧状態を示す断面図、（ｂ）は加圧状態を示す平面図である。 図１に示す物理量センサーが備える側壁部およびその位置（距離Ｘ）を説明するための模式図である。 側壁部の位置（距離Ｘ）と感度比（気圧感度／温度感度）との関係を示すグラフである。 側壁部の位置（距離Ｘ）と気圧感度との関係を示すグラフである。 側壁部の位置（距離Ｘ）と温度感度との関係を示すグラフである。 図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。 図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。 図１０に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子（センサー素子）および側壁部の配置を示す平面図である。 図１０に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子を含むブリッジ回路を示す図である。 本発明の圧力センサーの一例を示す断面図である。 本発明の高度計の一例を示す斜視図である。 本発明の電子機器の一例を示す正面図である。 本発明の移動体の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を添付図面に示す各実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．物理量センサー
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る物理量センサーを示す断面図、図２は、図１に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子（センサー素子）および側壁部の配置を示す平面図である。図３は、図１に示す物理量センサーの作用を説明するための図であって、図３（ａ）は加圧状態を示す断面図、図３（ｂ）は加圧状態を示す平面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」という。

図１に示す物理量センサー１は、ダイヤフラム部２０を有する基板２と、ダイヤフラム部２０に配置されている複数のピエゾ抵抗素子５（センサー素子）と、基板２とともに空洞部Ｓ（圧力基準室）を形成している積層構造体６と、基板２と積層構造体６との間に配置されている段差形成層３と、を備えている。

以下、物理量センサー１を構成する各部を順次説明する。
−基板−
基板２は、半導体基板２１と、半導体基板２１の一方の面上に設けられた絶縁膜２２と、絶縁膜２２の半導体基板２１とは反対側の面上に設けられた絶縁膜２３と、を有している。

半導体基板２１は、単結晶シリコンで構成されているシリコン層２１１（ハンドル層）と、シリコン酸化膜で構成されている酸化シリコン層２１２（ボックス層）と、単結晶シリコンで構成されているシリコン層２１３（デバイス層）とがこの順で積層されたＳＯＩ基板である。なお、半導体基板２１は、ＳＯＩ基板に限定されず、例えば、単結晶シリコン基板等の他の半導体基板であってもよい。

絶縁膜２２は、例えば、シリコン酸化膜であり、絶縁性を有する。また、絶縁膜２３は、例えば、シリコン窒化膜であり、絶縁性を有するとともに、フッ酸を含むエッチング液に対する耐性をも有する。ここで、半導体基板２１（シリコン層２１３）と絶縁膜２３（シリコン窒化膜）との間に絶縁膜２２（シリコン酸化膜）が介在していることにより、絶縁膜２３の成膜時に生じた応力が半導体基板２１に伝わるのを絶縁膜２２により緩和することができる。また、絶縁膜２２は、半導体基板２１およびその上方に半導体回路を形成する場合、素子間分離膜として用いることもできる。なお、絶縁膜２２、２３は、前述した構成材料に限定されず、また、必要に応じて、絶縁膜２２、２３のうちのいずれか一方を省略してもよい。

このような基板２の絶縁膜２３上には、パターニングされた段差形成層３が配置されている。この段差形成層３は、平面視でダイヤフラム部２０の周囲を囲むように形成されており、段差形成層３の上面と基板２の上面との間であって、ダイヤフラム部２０の中心側（内側）に段差形成層３の厚さ分の段差部を形成する。これにより、ダイヤフラム部２０が受圧により撓み変形したとき、ダイヤフラム部２０の段差部との間の境界部分に応力を集中させることができる。そのため、かかる境界部分（またはその付近）にピエゾ抵抗素子５を配置することにより、検出感度を向上させることができる。

この段差形成層３は、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン（ポリシリコン）またはアモルファスシリコンで構成されている。また、段差形成層３は、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン（ポリシリコン）またはアモルファスシリコンにリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）して構成されていてもよい。この場合、段差形成層３は、導電性を有するため、例えば、空洞部Ｓの外側において基板２上にＭＯＳトランジスタを形成する場合、段差形成層３の一部をＭＯＳトランジスタのゲート電極として用いることができる。また、段差形成層３の一部を配線として用いることもできる。

このような基板２には、周囲の部分よりも薄肉であり、受圧によって撓み変形するダイヤフラム部２０が設けられている。ダイヤフラム部２０は、半導体基板２１の下面に有底の凹部２４を設けることで形成されている。すなわち、ダイヤフラム部２０は、基板２の一方の面に開口している凹部２４の底部を含んで構成されている。このダイヤフラム部２０は、その下面が受圧面２５となっている。本実施形態では、図２に示すように、ダイヤフラム部２０は、正方形の平面視形状である。

本実施形態の基板２では、凹部２４がシリコン層２１１を貫通しており、ダイヤフラム部２０が酸化シリコン層２１２、シリコン層２１３、絶縁膜２２および絶縁膜２３の４層で構成されている。ここで、酸化シリコン層２１２は、後述するように、物理量センサー１の製造工程において凹部２４をエッチングにより形成する際にエッチングストップ層として利用することができ、ダイヤフラム部２０の厚さの製品ごとのバラツキを少なくすることができる。

なお、凹部２４がシリコン層２１１を貫通せず、ダイヤフラム部２０がシリコン層２１１の薄肉部、酸化シリコン層２１２、シリコン層２１３、絶縁膜２２および絶縁膜２３の５層で構成されていてもよい。

−ピエゾ抵抗素子−
複数のピエゾ抵抗素子５は、図１に示すように、それぞれ、ダイヤフラム部２０の空洞部Ｓ側に形成されている。ここで、ピエゾ抵抗素子５は、半導体基板２１のシリコン層２１３に形成されている。

図２に示すように、複数のピエゾ抵抗素子５は、ダイヤフラム部２０の外周部に配置されている複数のピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄで構成されている。

基板２の厚さ方向から見た平面視（以下、単に「平面視」という）で四角形をなすダイヤフラム部２０の４つの辺にそれぞれ対応して、ピエゾ抵抗素子５ａ、ピエゾ抵抗素子５ｂ、ピエゾ抵抗素子５ｃ、ピエゾ抵抗素子５ｄが配置されている。

ピエゾ抵抗素子５ａは、ダイヤフラム部２０の対応する辺に対して垂直な方向に沿って延びている。そして、ピエゾ抵抗素子５ａの両端部には、１対の配線２１４ａが電気的に接続されている。同様に、ピエゾ抵抗素子５ｂは、ダイヤフラム部２０の対応する辺に対して垂直な方向に沿って延びている。そして、ピエゾ抵抗素子５ｂの両端部には、１対の配線２１４ｂが電気的に接続されている。

一方、ピエゾ抵抗素子５ｃは、ダイヤフラム部２０の対応する辺に対して平行な方向に沿って延びている。そして、ピエゾ抵抗素子５ｃの両端部には、１対の配線２１４ｃが電気的に接続されている。同様に、ピエゾ抵抗素子５ｄは、ダイヤフラム部２０の対応する辺に対して平行な方向に沿って延びている。そして、ピエゾ抵抗素子５ｄの両端部には、１対の配線２１４ｄが電気的に接続されている。

なお、以下では、配線２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ、２１４ｄをまとめて「配線２１４」ともいう。

このようなピエゾ抵抗素子５および配線２１４は、それぞれ、例えば、リン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）したシリコン（単結晶シリコン）で構成されている。ここで、配線２１４における不純物のドープ濃度は、ピエゾ抵抗素子５における不純物のドープ濃度よりも高い。なお、配線２１４は、金属で構成されていてもよい。

また、複数のピエゾ抵抗素子５は、例えば、自然状態における抵抗値が互いに等しくなるように構成されている。

以上説明したようなピエゾ抵抗素子５は、配線２１４等を介して、ブリッジ回路（ホイートストンブリッジ回路）を構成している。このブリッジ回路には、駆動電圧を供給する駆動回路（図示せず）が接続されている。そして、このブリッジ回路では、ピエゾ抵抗素子５の抵抗値に応じた信号（電圧）として出力される。

−積層構造体−
積層構造体６は、前述した基板２との間に空洞部Ｓを画成するように形成されている。ここで、積層構造体６は、ダイヤフラム部２０のピエゾ抵抗素子５側に配置されていてダイヤフラム部２０（または基板２）とともに空洞部Ｓ（圧力基準室）を構成している「壁部」である。

この積層構造体６は、基板２上に平面視でピエゾ抵抗素子５を取り囲むように形成された層間絶縁膜６１と、層間絶縁膜６１上に形成された配線層６２と、配線層６２および層間絶縁膜６１上に形成された層間絶縁膜６３と、層間絶縁膜６３上に形成され、複数の細孔６４２（開孔）を備えた被覆層６４１を有する配線層６４と、配線層６４および層間絶縁膜６３上に形成された表面保護膜６５と、被覆層６４１上に設けられた封止層６６とを有している。ここで、配線層６４の被覆層６４１が、空洞部Ｓを介してダイヤフラム部２０に対向している「天井部」であり、配線層６２および配線層６４の被覆層６４１を除く部分からなる構造体が、基板２と被覆層６４１との間に配置されていて、基板２および被覆層６４１とともに空洞部Ｓを構成している「側壁部」である。なお、側壁部およびそれに関連する事項については、後に詳述する。

層間絶縁膜６１、６３は、それぞれ、例えば、シリコン酸化膜で構成されている。また、配線層６２、６４および封止層６６は、それぞれ、アルミニウム等の金属で構成されている。また、封止層６６は、被覆層６４１が有する細孔６４２を封止している。また、表面保護膜６５は、例えば、シリコン窒化膜である。ここで、配線層６２、６４は、それぞれ、平面視で空洞部Ｓを囲むように形成されている部分を含んでいる。

このような積層構造体６は、ＣＭＯＳプロセスのような半導体製造プロセスを用いて形成することができる。なお、シリコン層２１３上およびその上方には、半導体回路が作り込まれていてもよい。この半導体回路は、ＭＯＳトランジスタ等の能動素子、その他必要に応じて形成されたコンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード、配線（ピエゾ抵抗素子５に接続されている配線を含む）等の回路要素を有している。

基板２と積層構造体６とによって画成された空洞部Ｓは、密閉された空間である。この空洞部Ｓは、物理量センサー１が検出する圧力の基準値となる圧力基準室として機能する。本実施形態では、空洞部Ｓが真空状態（３００Ｐａ以下）となっている。空洞部Ｓを真空状態とすることによって、物理量センサー１を、真空状態を基準として圧力を検出する「絶対圧センサー」として用いることができ、その利便性が向上する。

ただし、空洞部Ｓは、真空状態でなくてもよく、大気圧であってもよいし、大気圧よりも気圧が低い減圧状態であってもよいし、大気圧よりも気圧が高い加圧状態であってもよい。また、空洞部Ｓには、窒素ガス、希ガス等の不活性ガスが封入されていてもよい。
以上、物理量センサー１の構成について簡単に説明した。

このような構成の物理量センサー１は、図３（ａ）に示すように、ダイヤフラム部２０の受圧面２５が受ける圧力Ｐに応じて、ダイヤフラム部２０が変形し、これにより、図３（ｂ）に示すように、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが歪み、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの抵抗値が変化する。それに伴って、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが構成するブリッジ回路の出力が変化し、その出力に基づいて、受圧面２５で受けた圧力の大きさを求めることができる。

より具体的に説明すると、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じる前の自然状態では、例えば、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの抵抗値が互いに等しい場合、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値の積とが等しく、ブリッジ回路の出力（電位差）はゼロとなる。

一方、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じると、図３（ｂ）に示すように、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂにその長手方向に沿った圧縮歪みおよび幅方向に沿った引張歪みが生じるとともに、ピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄその長手方向に沿った引張歪みおよびその幅方向に沿った圧縮歪みが生じる。したがって、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じたとき、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値とのうち、一方の抵抗値が増加し、他方の抵抗値が減少する。

このようなピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの歪みにより、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値の積との差が生じ、その差に応じた出力（電位差）がブリッジ回路から出力される。このブリッジ回路からの出力に基づいて、受圧面２５で受けた圧力の大きさ（絶対圧）を求めることができる。

ここで、前述したようなダイヤフラム部２０の変形が生じたとき、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値とのうち、一方の抵抗値が増加し、他方の抵抗値が減少するため、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂの抵抗値の積とピエゾ抵抗素子５ｃ、５ｄの抵抗値の積との差の変化を大きくすることができ、それに伴って、ブリッジ回路からの出力を大きくすることができる。その結果、圧力の検出感度を高めることができる。

（側壁部）
以下、側壁部について詳述する。

図４は、図１に示す物理量センサーが備える側壁部およびその位置（距離Ｘ）を説明するための模式図である。図５は、側壁部の位置（距離Ｘ）と感度比（気圧感度／温度感度）との関係を示すグラフである。図６は、側壁部の位置（距離Ｘ）と気圧感度との関係を示すグラフ、図７は、側壁部の位置（距離Ｘ）と温度感度との関係を示すグラフである。

前述したように、配線層６２、６４がそれぞれ金属で構成されている。すなわち、被覆層６４１で構成された「天井部」と、配線層６２、および配線層６４の被覆層６４１を除く部分（層間絶縁膜６３を貫通する部分）からなる構造体で構成された「側壁部」との双方が金属を含んで構成されている。一方、基板２は、主にシリコンで構成されている。

ここで、配線層６２、６４の線膨張係数は、基板２の線膨張係数に比べて大きく、配線層６２、６４と基板２との線膨張係数差が比較的大きい。そのため、温度変化により配線層６２、６４に生じた応力が基板２に伝わることとなる。このとき、かかる応力がダイヤフラム部２０に伝わると、感度特性が変動してしまう。

そこで、物理量センサー１では、天井部と基板２とが並ぶ方向で基板２側にある配線層６２の内壁面の端６２１が、図２に示すように、平面視で凹部２４の底部の外周縁２４１よりも外側に位置している。すなわち、平面視において、凹部２４の底部の外周縁２４１は、配線層６２の内壁面の基板２側の端６２１よりもダイヤフラム部２０の中心側に位置している。したがって、配線層６２が基板２の比較的剛性の高い肉厚部（凹部２４により形成された薄肉部と異なる部分）に接続されているため、配線層６２、６４と基板２との線膨張係数差が大きい場合であっても、配線層６２、６４の歪みがダイヤフラム部２０（薄肉部）に伝わるのを低減することができる。そのため、物理量センサー１は、優れた温度特性を有する。

物理量センサー１では、空洞部Ｓは、基板２の凹部２４が開口している側とは反対側に配置されているため、仮に平面視で配線層６２の内壁面の基板２側の端６２１が凹部２４の底部の外周縁２４１よりも内側に位置していると、前述した配線層６２、６４の歪みがダイヤフラム部２０に直接的に伝わってしまい、感度特性が著しく変動する。このようなことから、平面視で配線層６２の内壁面の基板２側の端６２１が凹部２４の底部の外周縁２４１よりも外側に位置していることにより、配線層６２、６４の歪みがダイヤフラム部２０（薄肉部）に伝わるのを効果的に低減することができる。

また、平面視で、凹部２４の底部の外周縁２４１と配線層６２の内周面の基板２側の端６２１との間の距離Ｘは、図５に示す結果から、０．１μｍ以上２５μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上２０μｍ以下であることがより好ましく、５μｍ以上１５μｍ以下であることがさらに好ましい。これにより、配線層６２、６４の歪みがダイヤフラム部２０に伝わるのを効果的に低減することができる。

これに対し、距離Ｘが小さすぎると、配線層６２、６４の構成材料、ダイヤフラム部２０の厚さ等によっては、配線層６２、６４に生じた歪みがダイヤフラム部２０に伝わりやすくなる。一方、距離Ｘが大きすぎると、単に物理量センサー１の大型化を招いてしまう。また、距離Ｘを大きくしすぎても、配線層６２、６４の歪みがダイヤフラム部２０に伝わるのを低減する効果は変わらないばかりか、被覆層６４１が無駄に大きくなって潰れやすくなったり、空洞部Ｓの真空度が低くなったりする傾向となる。

なお、図５に示すグラフは、ダイヤフラム部２０の幅（平面視でダイヤフラムの縁部から対向する縁部までの距離）が１５０μｍであり、ダイヤフラム部２０の厚さが３μｍである場合のシミュレーション結果である。ここで、「距離Ｘ」は、凹部２４の底部の外周縁２４１（図４中の「０」の位置）を基準として、ダイヤフラム部２０の外側に向かう距離であって、その外側を「＋」、内側を「−」としている。また、図５における「感度比」（Ｓｐ／Ｓｔ）は、図６に示す気圧感度（Ｓｐ）と、図７に示す温度感度（Ｓｔ）との比である。

本実施形態では、凹部２４の底部の外周縁の全周にわたって距離Ｘが一定となっている。したがって、距離Ｘが前述した範囲を満たすことにより、配線層６２、６４の歪みがダイヤフラム部２０（薄肉部）に伝わるのを効果的に低減することができる。なお、凹部２４の底部の外周縁２４１の周方向での一部において、配線層６２の内周面の基板２側の端６２１との間の距離が異なる部分を有していてもよいし前述した範囲から外れていてもよい。

また、物理量センサー１では、前述したように配線層６２、６４が金属を含んで構成されているため、気密性に優れた空洞部Ｓを形成することができる。

ここで、配線層６２、６４の構成材料として用いる金属は、アルミニウム、チタンまたは窒化チタンであることが好ましい。これらの金属は、半導体製造プロセスとの親和性が高い。そのため、高精度な空洞部Ｓを比較的簡単に形成することができる。

また、ダイヤフラム部２０の厚さが１μｍ以上８μｍ以下の範囲内にある場合や、ダイヤフラム部２０の幅が５０μｍ以上３００μｍ以下の範囲内にある場合も、図５に示す結果と同様の結果が得られることがシミュレーションにより確認されている。

このようなことから、ダイヤフラム部２０の厚さが１μｍ以上８μｍ以下の範囲内にあることが好ましく、また、ダイヤフラム部２０の幅が５０μｍ以上３００μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。言い換えると、ダイヤフラム部２０の厚さは、距離Ｘに対して、０．１倍以上０．８倍以下であることが好ましく、また、ダイヤフラム部２０の幅は、距離Ｘに対して、５倍以上３０倍以下であることが好ましい。

（物理量センサーの製造方法）
次に、物理量センサー１の製造方法を簡単に説明する。

図８および図９は、図１に示す物理量センサーの製造工程を示す図である。以下、物理量センサー１の製造方法を、これらの図に基づいて説明する。

［歪検出素子形成工程］
まず、図８（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板である半導体基板２１を用意する。

そして、半導体基板２１のシリコン層２１３にリン（ｎ型）またはボロン（ｐ型）等の不純物をドープ（イオン注入）することにより、図８（ｂ）に示すように、複数のピエゾ抵抗素子５および配線２１４を形成する。

例えば、ボロンを＋８０ｋｅＶでイオン注入を行う場合、ピエゾ抵抗素子５へのイオン注入濃度を１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度とする。また、配線２１４へのイオン注入濃をピエゾ抵抗素子５よりも多くする。例えば、ボロンを１０ｋｅＶでイオン注入を行う場合、配線２１４へのイオン注入濃度を５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度とする。また、前述したようなイオン注入の後、例えば、１０００℃程度で２０分程度のアニールを行う。

［絶縁膜等形成工程］
次に、図８（ｃ）に示すように、シリコン層２１３上に絶縁膜２２、絶縁膜２３および段差形成層３をこの順で形成する。

絶縁膜２２、２３の形成は、それぞれ、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により行うことができる。段差形成層３は、例えば、多結晶シリコンをスパッタリング法、ＣＶＤ法等により成膜した後、その膜に必要に応じてリン、ボロン等の不純物をドープ（イオン注入）し、その後、エッチングによりパターニングすることで形成することができる。

［層間絶縁膜・配線層形成工程］
次に、図８（ｄ）に示すように、絶縁膜２３上に、犠牲層４１、配線層６２、犠牲層４２および配線層６４をこの順で形成する。

この犠牲層４１、４２は、それぞれ、後述する空洞部形成工程により一部が除去され、残部が層間絶縁膜６１、６３となるものである。犠牲層４１、４２の形成は、それぞれ、シリコン酸化膜をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、そのシリコン酸化膜をエッチングによりパターニングすることにより行う。

また、犠牲層４１、４２の厚さは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、１５００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下程度とされる。

また、配線層６２、６４の形成は、それぞれ、例えばアルミニウムよりなる層をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成した後、パターニング処理することにより行う。

ここで、配線層６２、６４の厚さは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下程度とされる。

このような犠牲層４１、４２および配線層６２、６４からなる積層構造は、通常のＣＭＯＳプロセスを用いて形成され、その積層数は、必要に応じて適宜に設定される。すなわち、必要に応じてさらに多くの犠牲層や配線層が積層される場合もある。

［空洞部形成工程］
次に、犠牲層４１、４２の一部を除去することにより、図９（ｅ）に示すように、絶縁膜２３と被覆層６４１との間に空洞部Ｓ（キャビティ）を形成する。これにより、層間絶縁膜６１、６３が形成される。

空洞部Ｓの形成は、被覆層６４１に形成された複数の細孔６４２を通じたエッチングにより、犠牲層４１、４２の一部を除去することにより行う。ここで、かかるエッチングとしてウェットエッチングを用いる場合、複数の細孔６４２からフッ酸、緩衝フッ酸等のエッチング液を供給し、ドライエッチングを用いる場合、複数の細孔６４２からフッ化水素酸ガス等のエッチングガスを供給する。このようなエッチングの際、絶縁膜２３がエッチングストップ層として機能する。また、絶縁膜２３は、エッチング液に対する耐性を有することから、絶縁膜２３に対して下側の構成部（例えば、絶縁膜２２、ピエゾ抵抗素子５、配線２１４等）をエッチング液から保護する機能をも有する。

ここで、かかるエッチングの前に、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により表面保護膜６５を形成する。これにより、かかるエッチングの際、犠牲層４１、４２の層間絶縁膜６１、６２となる部分を保護することができる。表面保護膜６５の構成材料としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリイミド膜、エポキシ樹脂膜など、素子を水分、ゴミ、傷などから保護するための耐性を有するが挙げられ、特に、シリコン窒化膜が好適である。表面保護膜６５の厚さは、特に限定されないが、例えば、５００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下程度とされる。

［封止工程］
次に、図９（ｆ）に示すように、被覆層６４１上に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ等の金属膜等からなる封止層６６をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、各細孔６４２を封止する。これより、空洞部Ｓが封止層６６により封止され、積層構造体６を得る。

ここで、封止層６６の厚さは、特に限定されないが、例えば、１０００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下程度とされる。

［ダイヤフラム形成工程］
次に、シリコン層２１１の下面を必要に応じて研削した後、シリコン層２１１の下面の一部をエッチングにより除去（加工）することにより、図９（ｇ）に示すように、凹部２４を形成する。これにより、空洞部Ｓを介して被覆層６４１に対向するダイヤフラム部２０が形成される。

ここで、シリコン層２１１の下面の一部を除去する際、酸化シリコン層２１２がエッチングストップ層として機能する。これにより、ダイヤフラム部２０の厚さを高精度に規定することができる。

なお、シリコン層２１１の下面の一部を除去する方法としては、ドライエッチングであっても、ウェットエッチング等であってもよい。
以上のような工程により、物理量センサー１を製造することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。

図１０は、本発明の第２実施形態に係る物理量センサーを示す断面図である。図１１は、図１０に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子（センサー素子）および側壁部の配置を示す平面図、図１２は、図１０に示す物理量センサーのピエゾ抵抗素子を含むブリッジ回路を示す図である。

以下、本発明の第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

第２実施形態は、複数のダイヤフラム部を有する以外は、前述した第１実施形態と同様である。

図１０に示す物理量センサー１Ａは、同一の基板２Ａに複数のダイヤフラム部２０が設けられている。すなわち、基板２Ａは、複数の凹部２４を有している。本実施形態では、図１１に示すように、４つのダイヤフラム部２０が行列状に配置されており、各ダイヤフラム部２０には、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが配置されている。このような物理量センサー１Ａは、ダイヤフラム部２０ごとの４つのユニット１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを備えているといえる。

このような４つのユニット１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは、図１２に示すようなブリッジ回路７０（ホイートストンブリッジ回路）を構成している。このブリッジ回路７０には、駆動電圧ＡＶＤＣを供給する駆動回路（図示せず）が接続されている。そして、ブリッジ回路７０では、ピエゾ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの抵抗値変化に応じた信号を電位差Ｖｏｕｔとして出力される。これにより、小型化に伴ってピエゾ抵抗素子５の１つあたりの面積が小さくなっても、直列に接続された複数のピエゾ抵抗素子５の合計により面積を増やすことができる。そのため、１／ｆノイズを低減しつつ、受圧感度（検出感度）を高めることができる。したがって、小型化を図っても、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

また、平面視で、１つの空洞部Ｓに複数のダイヤフラム部２０が重なっている。ここで、図１１に示すように、平面視で、配線層６２の内壁面の基板２側の端６２１Ａが、複数の凹部２４の底部の外周縁２４１よりも外側に位置している（複数の凹部２４を包含している）。すなわち、平面視において、各凹部２４の底部の外周縁２４１は、配線層６２の内壁面の基板２側の端６２１Ａよりもダイヤフラム部２０の中心側に位置している。これにより、配線層６２、６４の歪みがダイヤフラム部２０（薄肉部）に伝わるのを低減することができる。そのため、物理量センサー１Ａは、優れた温度特性を有する。

また、平面視で、凹部２４の底部の外周縁２４１（他の凹部２４の外周縁２４１と隣り合わない辺の部分）と配線層６２の内周面の基板２側の端６２１Ａとの間の距離Ｘは、０．１μｍ以上２５μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上２０μｍ以下であることがより好ましく、５μｍ以上１５μｍ以下であることがさらに好ましい。これにより、配線層６２、６４の歪みがダイヤフラム部２０に伝わるのを効果的に低減することができる。

２．圧力センサー
次に、本発明の物理量センサーを備える圧力センサー（本発明の圧力センサー）ついて説明する。図１３は、本発明の圧力センサーの一例を示す断面図である。

図１３に示すように、本発明の圧力センサー１００は、物理量センサー１と、物理量センサー１を収納する筐体１０１と、物理量センサー１から得た信号を圧力データに演算する演算部１０２とを備えている。物理量センサー１は、配線１０３を介して演算部１０２と電気的に接続されている。

物理量センサー１は、筐体１０１の内側に、図示しない固定手段により固定されている。また、筐体１０１には、物理量センサー１のダイヤフラム部２０が、例えば大気（筐体１０１の外側）と連通するための貫通孔１０４を有している。

このような圧力センサー１００によれば、貫通孔１０４を介してダイヤフラム部２０が圧力を受ける。この受圧した信号を配線１０３を介して演算部に送信し、圧力データに演算する。この演算された圧力データは、図示しない表示部（例えば、パーソナルコンピューターのモニター等）を介して表示することができる。

３．高度計
次に、本発明の物理量センサーを備える高度計（本発明の高度計）の一例について説明する。図１４は、本発明の高度計の一例を示す斜視図である。

高度計２００は、腕時計のように、手首に装着することができる。また、高度計２００の内部には、物理量センサー１（圧力センサー１００）が搭載されており、表示部２０１に現在地の海抜からの高度、または、現在地の気圧等を表示することができる。

なお、この表示部２０１には、現在時刻、使用者の心拍数、天候等、様々な情報を表示することができる。

４．電子機器
次に、本発明の物理量センサーを備える電子機器を適用したナビゲーションシステムについて説明する。図１５は、本発明の電子機器の一例を示す正面図である。

ナビゲーションシステム３００には、図示しない地図情報と、ＧＰＳ（全地球測位システム：Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）からの位置情報取得手段と、ジャイロセンサーおよび加速度センサーと車速データとによる自立航法手段と、物理量センサー１と、所定の位置情報または進路情報を表示する表示部３０１とを備えている。

このナビゲーションシステムによれば、取得した位置情報に加えて高度情報を取得することができる。高度情報を得ることにより、例えば、一般道路と位置情報上は略同一の位置を示す高架道路を走行する場合、高度情報を持たない場合には、一般道路を走行しているのか高架道路を走行しているのかナビゲーションシステムでは判断できず、優先情報として一般道路の情報を使用者に提供してしまっていた。そこで、本実施形態に係るナビゲーションシステム３００では、高度情報を物理量センサー１によって取得することができ、一般道路から高架道路へ進入することによる高度変化を検出し、高架道路の走行状態におけるナビゲーション情報を使用者に提供することができる。

なお、表示部３０１は、例えば液晶パネルディスプレイや、有機ＥＬ（Organic Electro-Luminescence）ディスプレイなど、小型かつ薄型化が可能な構成となっている。

なお、本発明の物理量センサーを備える電子機器は、上記のものに限定されず、例えば、パーソナルコンピューター、携帯電話、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター等に適用することができる。

５．移動体
次いで、本発明の物理量センサーを適用した移動体（本発明の移動体）について説明する。図１６は、本発明の移動体の一例を示す斜視図である。

図１６に示すように、移動体４００は、車体４０１と、４つの車輪４０２とを有しており、車体４０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪４０２を回転させるように構成されている。このような移動体４００には、ナビゲーションシステム３００（物理量センサー１）が内蔵されている。

以上、本発明の物理量センサー、圧力センサー、高度計、電子機器および移動体を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

また、１つのダイヤフラム部に設けられるピエゾ抵抗素子の数は、前述した実施形態では４つである場合を例に説明したが、これに限定されず、例えば、１つ以上３つ以下、または、５つ以上であってもよい。また、ピエゾ抵抗素子の配置や形状等も前述した実施形態に限定されず、例えば、前述した実施形態において、ダイヤフラム部の中央部にもピエゾ抵抗素子を配置してもよい。

また、前述した実施形態では、ダイヤフラム部の撓みを検出するセンサー素子としてピエゾ抵抗素子を用いた場合を例に説明したが、かかる素子としては、これに限定されず、例えば、共振子であってもよい。

また、前述した実施形態では、ダイヤフラム部を有する基板の凹部が形成されている側と反対側に圧力基準室（空洞部）を設けた場合を例に説明したが、かかる基板の凹部側の面に圧力基準室を形成してもよい。この場合、例えば、かかる基板の凹部を封鎖するように他の基板を接合して圧力基準室を形成することができる。

１‥‥物理量センサー
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ‥‥ユニット
１Ａ‥‥物理量センサー
２‥‥基板
２Ａ‥‥基板
３‥‥段差形成層
５‥‥ピエゾ抵抗素子（センサー素子）
５ａ‥‥ピエゾ抵抗素子（センサー素子）
５ｂ‥‥ピエゾ抵抗素子（センサー素子）
５ｃ‥‥ピエゾ抵抗素子（センサー素子）
５ｄ‥‥ピエゾ抵抗素子（センサー素子）
６‥‥積層構造体
２０‥‥ダイヤフラム部
２１‥‥半導体基板
２２‥‥絶縁膜
２３‥‥絶縁膜
２４‥‥凹部
２５‥‥受圧面
４１‥‥犠牲層
４２‥‥犠牲層
６１‥‥層間絶縁膜
６２‥‥配線層
６３‥‥層間絶縁膜
６４‥‥配線層
６５‥‥表面保護膜
６６‥‥封止層
７０‥‥ブリッジ回路
１００‥‥圧力センサー
１０１‥‥筐体
１０２‥‥演算部
１０３‥‥配線
１０４‥‥貫通孔
２００‥‥高度計
２０１‥‥表示部
２１１‥‥シリコン層
２１２‥‥酸化シリコン層
２１３‥‥シリコン層
２１４‥‥配線
２１４ａ‥‥配線
２１４ｂ‥‥配線
２１４ｃ‥‥配線
２１４ｄ‥‥配線
２４１‥‥外周縁
３００‥‥ナビゲーションシステム
３０１‥‥表示部
４００‥‥移動体
４０１‥‥車体
４０２‥‥車輪
６２１‥‥端
６２１Ａ‥‥端
６４１‥‥被覆層
６４２‥‥細孔
Ｓ‥‥空洞部

Claims (9)

1. 一方の面側に開口している凹部を有する基板と、
   前記凹部の底部を含んでいるダイヤフラム部と、
   前記ダイヤフラム部に配置されているセンサー素子と、
   空洞部を介して前記ダイヤフラム部に対向している天井部と、
   前記基板と前記天井部との間に配置されていて、前記基板および前記天井部とともに前記空洞部を構成し、前記空洞部に面している内壁面を有する側壁部と、
   を備え、
   前記天井部および前記側壁部のうちの少なくとも一方が金属を含んで構成され、
   前記基板の平面視において、前記底部の外周縁は、前記内壁面の前記基板側の端よりも前記ダイヤフラム部の中心側に位置し、
   前記平面視で、前記側壁部の内周面の基板側の端との間の距離が０．１μｍ以上２５μｍ以下の範囲内にある部分を有し、
   前記ダイヤフラム部の厚さは、１μｍ以上８μｍ以下であり、
   前記ダイヤフラム部の幅は、５０μｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする物理量センサー。
2. 前記天井部および前記側壁部が金属を含んで構成されている請求項１に記載の物理量センサー。
3. 前記金属は、アルミニウム、チタンまたは窒化チタンである請求項１または２に記載の物理量センサー。
4. 前記基板は、複数の前記凹部を有しており、
   前記平面視で、１つの前記空洞部に複数の前記ダイヤフラム部が重なっている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の物理量センサー。
5. 前記空洞部は、前記基板の前記凹部が開口している側とは反対側に配置されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の物理量センサー。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする圧力センサー。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする高度計。
8. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする電子機器。
9. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサーを備えることを特徴とする移動体。

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