JP2012018140A - 半導体圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、半導体圧力センサ及びその製造方法に係り、ダイヤフラム上でのシリコン酸化膜による段差部分への応力集中を低減することを目的とする。
【解決手段】半導体基板の開口部に形成されるダイヤフラムと、ダイヤフラム上に配置され、該ダイヤフラムの撓みに応じた検出信号を出力する歪ゲージと、を備える半導体圧力センサにおいて、ダイヤフラム上におけるシリコン酸化膜による段差部を、該段差部側面の面外方向が、該ダイヤフラムの段差部位において生じる最大応力の方向との間で垂直関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるように形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体圧力センサ及びその製造方法に関し、特に、半導体基板に撓みに応じた検出信号を出力する歪ゲージが配置されるダイヤフラム部を備えるピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧力センサ及びその製造方法に関する。

従来、自動車のエンジン制御や気圧計などに用いられる半導体圧力センサが知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。特許文献１記載の半導体圧力センサは、シリコン（Ｓｉ）基板にダイヤフラム部を設け、ダイヤフラム上に４個のピエゾ抵抗ゲージを配置して、ブリッジ回路を形成する。かかる半導体圧力センサにおいて、ダイヤフラムが印加圧力によって撓むと、２つのピエゾ抵抗ゲージが抵抗増加しかつ他の２つのピエゾ抵抗ゲージが抵抗減少する。このピエゾ抵抗ゲージの抵抗変化は、上記したブリッジ回路における２つの入力端子に一定電圧が印加された状態での他の２つの出力端子間の電位差に現われる。従って、ブリッジ回路における２つの入力端子に電圧が印加された状態で２つの出力端子間の電位差を測定することで、ダイヤフラムの印加圧力を検出することが可能となる。

尚、半導体圧力センサにおけるＳｉ基板へのブリッジ回路を構成する拡散リードや歪ゲージ、コンタクトホール、電極等は、不純物導入、エッチング、蒸着等の技術を用いて形成されると共に、ダイヤフラムは、そのＳｉ基板の裏面をエッチングして形成される。

また、特許文献２には、以下のことが記載されている。すなわち、＜１１０＞結晶軸方向に発生する感度は、＜１００＞結晶軸方向のものに比べてピエゾ抵抗係数が非常に大きいため、（１１０）面における応力検出においては、＜１００＞結晶軸方向ではなく、＜１１０＞結晶軸方向に発生する応力を用いることが有効である。そのため、（１１０）面においては＜１１０＞は一方向しか存在しないため、より感度の高い結晶軸に対してより高い出力を得ようとすると、必然的に、拡散ゲージ抵抗は、＜１１０＞結晶軸方向に沿ってダイヤフラムの中心寄りに配置された２個のセンターゲージＲｃと、センターゲージＲｃよりもダイヤフラムの周辺部に配置された２個のサイドゲージＲｓと、からなる配置を採らざるを得ない。

特開平７−１５３９７４号公報 特開２００２−３４０７１３号公報

ところで、半導体圧力センサの製造においては、プロセスの簡素化・廉価化を図るため、前工程において拡散マスクとして形成したシリコン酸化膜の除去を省略することがあるが、この場合には、歪ゲージがダイヤフラムの中心に配置されると、ダイヤフラム上においてシリコン酸化膜により段差部が生じる。ダイヤフラム上のシリコン酸化膜による段差部側面の面外方向（法線方向）が、そのダイヤフラムの段差部位において生じる最大応力の方向との間で平行関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるようにダイヤフラムの段差部が形成されると、応力集中が生じ易くなり、ダイヤフラムの耐圧性が損なわれてしまう。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、ダイヤフラム上におけるシリコン酸化膜による段差部分への応力集中を低減することが可能な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。

本発明の半導体圧力センサは、半導体基板の開口部に形成されるダイヤフラムと、前記ダイヤフラム上に配置され、該ダイヤフラムの撓みに応じた検出信号を出力する歪ゲージと、を備える半導体圧力センサであって、前記ダイヤフラム上におけるシリコン酸化膜による段差部は、該段差部側面の面外方向が、該ダイヤフラムの段差部位において生じる最大応力の方向との間で垂直関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるように形成されていることを特徴とする。

尚、上記半導体圧力センサにおいて、前記ダイヤフラム上に形成される拡散リードを備え、前記半導体基板の表面が（１１０）面であることとしてもよい。

また、上記半導体圧力センサにおいて、前記ダイヤフラム上における前記歪ゲージの配向が＜１１０＞方向又は＜１１１＞方向であることとしてもよい。

また、上記半導体圧力センサにおいて、前記ダイヤフラム上における前記歪ゲージの配向が＜１１０＞方向であり、前記ダイヤフラムの平面形状は、垂線が＜１１０＞方向に向く互いに平行に向かい合う二辺と垂線が＜１００＞方向に向く互いに平行に向かい合う二辺とに囲まれる略矩形形状であることとしてもよい。

また、上記半導体圧力センサにおいて、前記ダイヤフラム上における前記歪ゲージの配向が＜１１１＞方向であり、前記ダイヤフラムの平面形状は、各辺の垂線が＜１１１＞方向に向く平行四辺形であることとしてもよい。

また、本発明の半導体圧力センサの製造方法は、半導体基板の開口部に形成されるダイヤフラムと、前記ダイヤフラム上に配置され、該ダイヤフラムの撓みに応じた検出信号を出力する歪ゲージと、を備える半導体圧力センサの製造方法であって、前記ダイヤフラム上におけるシリコン酸化膜による段差部が、該段差部側面の面外方向が該ダイヤフラムの段差部位において生じる最大応力の方向との間で垂直関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるように形成されるように、拡散マスクを形成する拡散マスク工程を備えることを特徴とする。

更に、上記半導体圧力センサの製造方法において、前記拡散マスク工程における拡散マスクの形成後、不純物導入により拡散リードを形成する拡散工程を備えることとしてもよい。

本発明によれば、ダイヤフラム上でのシリコン酸化膜による段差部分への応力集中を低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサの上面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサの断面図である。 本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサにおけるダイヤフラム部分の拡大上面図である。 本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサにおけるダイヤフラム部分の拡大斜視図である。 （Ａ）〜（Ｊ）は本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサを製造するための工程を表した図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体圧力センサの上面図である。 本発明の第２実施形態に係る半導体圧力センサの断面図である。

以下、図面を用いて、本発明に係る半導体圧力センサの具体的な実施の形態について説明する。

本発明の半導体圧力センサは、半導体基板の開口部に形成されるダイヤフラムと、前記ダイヤフラム上に配置され、該ダイヤフラムの撓みに応じた検出信号を出力する歪ゲージと、を備える半導体圧力センサであって、前記ダイヤフラム上におけるシリコン酸化膜による段差部は、該段差部側面の面外方向が、該ダイヤフラムの段差部位において生じる最大応力の方向との間で垂直関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるように形成される。

また、本発明の半導体圧力センサの製造方法は、半導体基板の開口部に形成されるダイヤフラムと、前記ダイヤフラム上に配置され、該ダイヤフラムの撓みに応じた検出信号を出力する歪ゲージと、を備える半導体圧力センサの製造方法であって、前記ダイヤフラム上におけるシリコン酸化膜による段差部が、該段差部側面の面外方向が該ダイヤフラムの段差部位において生じる最大応力の方向との間で垂直関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるように形成されるように、拡散マスクを形成する拡散マスク工程を備える。

これらの本発明において、「面外方向」とは、ダイヤフラムの段差部の側面に直交する方向のことであり、また、「最大応力の方向」とは、ダイヤフラムの段差部とその周辺に発生する最大応力の方向のことであるとする。

これらの本発明の形態において、ダイヤフラム上におけるシリコン酸化膜による段差部は、該段差部側面の面外方向が、該ダイヤフラムの段差部位において生じる最大応力の方向との間で垂直関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるように形成される。このため、本発明の形態によれば、ダイヤフラム上でのシリコン酸化膜による段差部が、その段差部側面の面外方向がダイヤフラムの段差部位において生じる最大応力の方向との間で平行関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるように形成される構成と比べて、ダイヤフラム上に形成される段差部分への応力集中計数を低減することができ、ダイヤフラムの耐圧性を向上させることができる。

実施形態１

図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサ１０の上面図を示す。また、図２（Ａ）は半導体圧力センサ１０の図１に示すＡ−Ａ断面図を、図２（Ｂ）は半導体圧力センサ１０の図１に示すＢ−Ｂ断面図を、また、図２（Ｃ）は半導体圧力センサ１０の図１に示すＣ−Ｃ断面図を、それぞれ示す。図３は、本実施形態の半導体圧力センサ１０におけるダイヤフラム部分の拡大上面図を示す。また、図４は、本実施形態の半導体圧力センサ１０におけるダイヤフラム部分の拡大斜視図を示す。

本実施形態の半導体圧力センサ１０は、自動車のエンジン制御、排気浄化制御、又は気圧計などに用いられ得るセンサである。図１に示す如く、半導体圧力センサ１０は、半導体基板としてシリコン（Ｓｉ）基板１２を備えており、Ｓｉ基板１２に対する周知の半導体製造技術を施すことにより製造される。Ｓｉ基板１２は、四つの辺により区画されており、主表面及び主表面とは反対の主裏面の結晶方位が共に（１１０）面である平面略矩形の板状部材である。このため、Ｓｉ基板１２の（１１０）面内には、互いに直交する２つの結晶軸＜１１０＞及び＜１００＞が存在する。

図２に示す如く、Ｓｉ基板１２には、主裏面に凹状に空いた開口部１４が形成されている。開口部１４は、Ｓｉ基板１２を異方性エッチングすることにより形成される。開口部１４は、４つの側壁１４ａにより囲まれる空間を構成している。開口部１４をＳｉ基板１２表面に平行に切った際の断面形状（平面形状）は、略正方形である矩形形状であり、この矩形形状の各辺は、その垂線がＳｉ基板１２の＜１１０＞方向又は＜１００＞方向に向くように設けられている。４つの側壁１４ａはすべて、Ｓｉ基板１２表面に対してテーパ状に形成されている。

開口部１４の主表面側には、薄肉（薄板）のダイヤフラム１６が形成されている。ダイヤフラム１６は、表裏の圧力差に応じた量だけ撓むことが可能な部材である。ダイヤフラム１６の平面形状は、二組の互いに平行に向かい合う一対の辺により囲まれる略正方形である矩形形状である。一方の組の二辺は、垂線がＳｉ基板１２の＜１１０＞方向に向くように形成されており、また、他方の組の二辺は、その垂線がＳｉ基板１２の＜１００＞方向に向くように形成されている。ダイヤフラム１６は、Ｓｉ基板１２を異方性エッチングすることにより開口部１４が形成されることに伴って形成される。

図３及び図４に示す如く、ダイヤフラム１６上には、そのダイヤフラム１６の撓みに応じた検出信号を出力する歪ゲージ２０〜２６が配置されている。歪ゲージ２０〜２６は、Ｓｉ基板１２の主表面に不純物のイオン注入や拡散により形成される。各歪ゲージ２０〜２６はそれぞれ、ダイヤフラム１６の配置部位における撓みに伴う基準からの抵抗値変化に応じた検出信号を出力するピエゾ抵抗である。

歪ゲージ２０，２２は、ダイヤフラム１６の表面全体の部位の中で圧力印加時にダイヤフラム１６が最も圧縮される部位である中心近傍に配置されるセンターゲージである。また、歪ゲージ２４，２６は、ダイヤフラム１６の表面全体の部位の中で圧力印加時にダイヤフラム１６が最も引っ張られる部位である開口部１４の側壁１４ａに近い周辺部（特に、ダイヤフラム１６を構成する辺の中点近傍）に配置されるサイドゲージである。以下、適宜、歪ゲージ２０，２２をセンターゲージ２０，２２と、歪ゲージ２４，２６をサイドゲージ２４，２６と、それぞれ称す。センターゲージ２０，２２とサイドゲージ２４，２６とは、応力に対する抵抗値の変化の方向が逆となるように設けられている。

歪ゲージ２０〜２６は、Ｓｉ基板１２の主表面に不純物のイオン注入や拡散により形成される拡散リード２８を介して結線され、電気的に接続されている。歪ゲージ２０〜２６は、拡散リード２８により互いに直列接続された閉回路であるホイートストンブリッジ回路を構成している。

拡散リード２８は、Ｓｉ基板１２の全体の中で四隅に分かれるように４分割された広範な領域を有している。各拡散リード２８の領域は、ダイヤフラム１６の表面全体の部位の中で四隅を含んでおり、絶縁層である後述のシリコン酸化膜を介して画成されている。歪ゲージ２０〜２６は、Ｓｉ基板１２の＜１１０＞方向に配向されており、Ｓｉ基板１２の＜１１０＞方向に電流が流れるようになっている。センターゲージ２０，２２は、互いにＳｉ基板１２の＜１００＞方向において隣接しつつ、それぞれＳｉ基板１２の＜１１０＞方向に延びている。また、サイドゲージ２４，２６はそれぞれ、Ｓｉ基板１２の＜１１０＞方向に延びている。

Ｓｉ基板１２の主表面には、拡散リード２８に接続されるコンタクトホール３０及び電極３２が形成されている。コンタクトホール３０及び電極３２は、歪ゲージ２０〜２６と外部の検出装置とを電気的に接続して、上記のブリッジ回路へ電圧を印加し或いはブリッジ回路からの検出信号を出力するために設けられている。コンタクトホール３０及び電極３２は、Ｓｉ基板１２の主表面上の層間絶縁膜であるシリコン酸化膜３４上に、アルミニウムを用いた蒸着等により形成される。

上記のホイートストンブリッジ回路において、２つの入力電極３２の間に直流定電圧Ｖが与えられていると、ダイヤフラム１６の撓みが歪ゲージ２０〜２６の抵抗値の変化として現われ、２つの出力電極３２の間に被検出圧力に応じたレベルの電圧検出信号が出力されることとなる。

上記した構造を有する半導体圧力センサ１０は、Ｓｉ基板１２の主裏面にガラス台座等が陽極接合等により接合されている。Ｓｉ基板１２の主裏面側に形成される開口部１４内は、ガラス台座等への接合が行われていると、真空等の一定の圧力に保たれて封止されることで、以後、圧力基準室として扱うことができる。

このような半導体圧力センサ１０の構造においては、Ｓｉ基板１２の主表面側に被検出対象の圧力が印加されると、印加圧力に応じてダイヤフラム１６の撓みが発生する。この際には、ダイヤフラム１６の撓みにより各歪ゲージ２０〜２６の抵抗値が変化して、各歪ゲージ２０〜２６から印加圧力に応じた電圧検出信号が出力される。かかる電圧信号は、電極３２から外部の検出装置へ送られて信号処理される。これにより、外部の検出装置において被検出対象の圧力が検出される。

次に、図５（Ａ）〜（Ｊ）を参照して、本実施形態の半導体圧力センサ１０の製造方法について説明する。

図５（Ａ）〜（Ｊ）は、本実施形態の半導体圧力センサ１０を製造するための工程を表した図を示す。尚、図５（Ａ）〜（Ｊ）には、半導体圧力センサ１０の図１に示すＡ−Ａ断面図が示されている。

本実施形態において、半導体圧力センサ１０は、主表面及び主裏面が（１１０）面であるシリコンウェハを用いて複数個のチップ単位で製造される。具体的には、まず、各半導体圧力センサ１０のＳｉ基板１２が形成されるべきシリコンウェハを、鏡面状に研磨しかつ洗浄する（図５（Ａ））。そして、洗浄済みのシリコンウェハの主表面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）３４を形成する（図５（Ｂ））。

次に、フォトリソグラフィによりシリコンウェハ全体に拡散パターンを形成し（図５（Ｃ））、その後、熱拡散による不純物導入により歪ゲージ２０〜２６及び拡散リード２８を形成する（図５（Ｄ））。この際、センターゲージ２０，２２の形成は、後に形成されるダイヤフラム１６の表面全体の部位の中で中心近傍に配置されるように行われ、かつ、サイドゲージ２４，２６の形成は、そのダイヤフラム１６の表面全体の部位の中で周辺部に配置されるように行われる。

次に、上記のシリコンウェハの主表面に保護膜（ＳｉＯ２）３６を形成する（図５（Ｅ））。そして、フォトリソグラフィによりシリコンウェハの主裏面にマスク３８を用いてエッチングパターンを形成し（図５（Ｆ））、その後、アルカリ性溶液に浸して、シリコンウェハの主裏面を異方性エッチングし、ダイヤフラム１６を形成する（図５（Ｇ））。このダイヤフラム１６の形成に用いるマスク３８のデザインは、それぞれ垂線が＜１１０＞方向に向く互いに平行に向かい合う二辺と、それぞれ垂線が＜１００＞方向に向く互いに平行に向かい合う二辺と、に囲まれる略矩形形状を有している。

上記の如く、ダイヤフラム１６の形成が行われた後は、フォトリソグラフィによりシリコンウェハの主表面にコンタクトホールパターンを形成し、その後、エッチングによりシリコンウェハの主表面にコンタクトホール３０を形成する（図５（Ｈ））。そして、シリコンウェハの主表面にアルミニウム（Ａｌ）を蒸着し（図５（Ｉ））、フォトリソグラフィによりシリコンウェハの主表面に配線パターンを形成し、その後、エッチングによりシリコンウェハの主表面に電極３２を形成する（図５（Ｊ））。

このような処理が行われると、複数個の半導体圧力センサ１０が形成されたＳｉ基板１２からなるシリコンウェハが製造される。そして、このシリコンウェハが個々のＳｉ基板１２となる矩形状のチップに分断された後、それらの各Ｓｉ基板１２を用いて各半導体圧力センサ１０の製造が行われる。

ところで、本実施形態の半導体圧力センサ１０においては、Ｓｉ基板１２の主表面に被検出対象の圧力が印加されると、ダイヤフラム１６が撓んで応力が発生する。この応力は、ダイヤフラム１６上において歪ゲージ２０〜２６の配置位置近傍で最大であり、その最大応力の方向は、歪ゲージ２０〜２６が延びるＳｉ基板１２の＜１１０＞方向に一致している。すなわち、歪ゲージ２０〜２６は、ダイヤフラム１６において最大応力が発生する位置近傍に配置されている。以下、最大応力とは、圧力の印加により半導体圧力センサ１０のダイヤフラム１６に発生する最大の応力のことである。

本実施形態のダイヤフラム１６は略正方形の部材であるが、４辺が固定された正方形の平板に発生する最大応力は次式（１）で表される。但し、σｍａｘは最大応力である。αは最大応力係数である。Ｐは印加圧力である。ｂは正方形の平板の１辺の長さに対する半分の長さである。ｈは平板の厚みである。

σｍａｘ＝±α×Ｐ×ｂ^２／ｈ^２ ・・・（１）
最大応力は引っ張り応力と圧縮応力とに分けることができる。以下、応力の極性として＋の引っ張り応力と−の圧縮応力とが存在し、平板の中心を（ｘ，ｙ）＝原点（０，０）とする。周辺固定された平板の中央で圧縮応力が発生するように圧力が印加された場合、平板上で最大応力が発生する最大応力点については、＋の引っ張り応力の最大応力点は（０，±ｂ）又は（±ｂ，０）であり、−の圧縮応力の最大応力点は（０，０）である。また、周辺固定された平板の中央で引っ張り応力が発生するように圧力が印加された場合、平板上で最大応力が発生する最大応力点については、＋の引っ張り応力の最大応力点は（０，０）であり、−の圧縮応力の最大応力点は（０，±ｂ）又は（±ｂ，０）である。このように、平板の中心及び周辺において、極性の異なる応力が発生する。シリコン酸化膜により形成される段差部位の最大応力方向は、ダイヤフラムの中心とダイヤフラムの段差部位周辺とを結んだ直線の方向となる。

また、半導体圧力センサ１０の製造においては、プロセスの簡素化・廉価化を図るため、前工程において拡散マスクとして形成したシリコン酸化膜３４の除去を省略することがあるが、この場合には、ダイヤフラム１６上においてシリコン酸化膜３４による段差部が生ずる。ここで、歪ゲージ２０〜２６は、上記の如く、Ｓｉ基板１２の＜１１０＞方向に延びており、Ｓｉ基板１２の＜１１０＞方向に電流が流れる構造に形成されている。

この点、本実施形態においては、圧力印加時にダイヤフラム１６に最大応力が生じる最大応力点付近に歪ゲージ２０〜２６が形成される。同時に、ダイヤフラム１６上にシリコン酸化膜３４により形成される段差部が、そのダイヤフラム１６の段差部の側面の面外方向（すなわち、法線方向）がそのダイヤフラム１６の段差部位において生じる最大応力方向との間で垂直関係にありかつダイヤフラム１６の面（以下、ダイヤフラム面と称す）との間で平行関係にあるように形成される。

このような半導体圧力センサ１０の構造においては、上記ダイヤフラム１６上の段差部が、シリコン酸化膜３４により形成される段差部側面の面外方向がダイヤフラム１６の段差部位において生じる最大応力方向との間で平行関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるように形成される従来の構成に比べて、ダイヤフラム１６への圧力印加時に発生する応力集中がダイヤフラム１６の段差部位及びその段差部位の周辺で生じ難くなる。

尚、本実施形態の半導体圧力センサ１０の構造においては、シリコン酸化膜３４により形成されるダイヤフラム１６の段差部側面の面外方向がダイヤフラム１６の段差部位において生じる最大応力方向との間で平行関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるように形成される段差部が一部存在するが、この段差部は、シリコン酸化膜３４により形成されるダイヤフラム１６の段差部側面の面外方向がダイヤフラム１６の段差部位において生じる最大応力方向との間で垂直関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にある段差部に比べて、段差部側面の面積が小さくなる。段差部側面の面積が小さいということは、圧力印加時にダイヤフラム１６上において生じる応力集中が減じられることを意味する。

従って、本実施形態の半導体圧力センサ１０の構造によれば、ダイヤフラム１６上におけるシリコン酸化膜３４によるダイヤフラム１６の段差部位への応力集中を低減することが可能となる。このため、本実施形態の半導体圧力センサ１０によれば、ダイヤフラム１６の耐圧性を向上させることができ、その結果として、半導体圧力センサ１０の圧力使用範囲を拡大させて、半導体圧力センサ１０の圧力使用範囲の限定を緩和させることができる。

実施形態２

図６は、本発明の第２実施形態に係る半導体圧力センサ１００の上面図を示す。また、図７は、半導体圧力センサ１００の図６に示すＡ−Ａ断面図を示す。図６及び図７において、上記図１及び図２に示す構成と同一の構成部分については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。

本実施形態の半導体圧力センサ１００は、上記した第１実施形態の半導体圧力センサ１０と同様に、自動車のエンジン制御や排気浄化制御，気圧計などに用いられるセンサである。図７に示す如く、半導体圧力センサ１００において、Ｓｉ基板１２には、主裏面に凹状に空いた開口部１０４が形成されている。

開口部１０４は、Ｓｉ基板１２を異方性エッチングすることにより形成される。開口部１０４は、４つの側壁１０４ａにより囲まれる空間を構成している。開口部１０４をＳｉ基板１２表面に平行に切った際の断面形状（平面形状）は、２組の互いに向かい合う一対の辺により囲まれる平行四辺形（特に、各辺の長さが等しくなるひし形）である。４つの側壁１０４ａはすべて、Ｓｉ基板１２の（１１０）面に対して垂直な面であり、法線が＜１１１＞方向に向く（１１１）面である。

開口部１０４の主表面側には、薄肉（薄板）のダイヤフラム１０６が形成されている。ダイヤフラム１０６は、表裏の圧力差に応じた量だけ撓むことが可能な部材である。ダイヤフラム１０６の平面形状は、２組の互いに平行に向かい合う一対の辺により囲まれる平行四辺形（特に、各辺の長さが等しくなるひし形）である。ダイヤフラム１０６は、Ｓｉ基板１２を異方性エッチングすることにより開口部１０４が形成されることに伴って形成される。

ダイヤフラム１０６上には、そのダイヤフラム１０６の撓みに応じた検出信号を出力する歪ゲージ１１０〜１１６が配置されている。歪ゲージ１１０〜１１６は、Ｓｉ基板１２の主表面に不純物のイオン注入や拡散を施すことにより形成される。各歪ゲージ１１０〜１１６はそれぞれ、ダイヤフラム１０６の配置部位における撓みに伴う基準からの抵抗値変化に応じた検出信号を出力するピエゾ抵抗である。

歪ゲージ１１０，１１２は、ダイヤフラム１０６の表面全体の部位の中で圧力印加時にダイヤフラム１０６が最も圧縮される部位である中心近傍に配置されるセンターゲージである。また、歪ゲージ１１４，１１６は、ダイヤフラム１０６の表面全体の部位の中で圧力印加時にダイヤフラム１０６が最も引っ張られる部位である開口部１０４の側壁１０４ａに近い周辺部（特に、ダイヤフラム１０６を構成する辺の中点近傍）に配置されるサイドゲージである。以下、適宜、歪ゲージ１１０，１１２をセンターゲージ１１０，１１２と、歪ゲージ１１４，１１６をサイドゲージ１１４，１１６と、それぞれ称す。センターゲージ１１０，１１２とサイドゲージ１１４，１１６とは、応力に対する抵抗値の変化の方向が逆となるように設けられている。

歪ゲージ１１０〜１１６は、Ｓｉ基板１２の主表面に不純物のイオン注入や拡散により形成される拡散リード１１８を介して結線され、電気的に接続されている。歪ゲージ１１０〜１１６は、拡散リード１１８により互いに直列接続された閉回路であるホイートストンブリッジ回路を構成している。

拡散リード１１８は、Ｓｉ基板１２の全体の中で４分割された広範な領域を有している。各拡散リード１１８の領域は、ダイヤフラム１０６の表面全体の部位の中で四隅を含んでおり、絶縁層である後述のシリコン酸化膜を介して画成されている。歪ゲージ１１０〜１１６は、Ｓｉ基板１２の＜１１１＞方向に配向されており、Ｓｉ基板１２の＜１１１＞方向に電流が流れるようになっている。センターゲージ１１０，１１２は、互いにＳｉ基板１２の＜１１１＞方向において隣接しつつ、それぞれＳｉ基板１２の＜１１１＞方向に延びている。また、サイドゲージ１１４，１１６はそれぞれ、Ｓｉ基板１２の＜１１１＞方向に延びている。

Ｓｉ基板１２の主表面には、拡散リード１１８に接続されるコンタクトホール１２０及び電極１２２が形成されている。コンタクトホール１２０及び電極１２２は、ゲージ１１０〜１１６と外部の検出装置とを電気的に接続して、上記のブリッジ回路へ電圧を印加し或いはブリッジ回路からの検出信号を出力するために設けられている。コンタクトホール１２０及び電極１２２は、Ｓｉ基板１２の主表面上の層間絶縁膜であるシリコン酸化膜１２４上に、アルミニウムを用いた蒸着等により形成される。

このような半導体圧力センサ１００の構造においては、Ｓｉ基板１２の主表面側に被検出対象の圧力が印加されると、その印加圧力に応じてダイヤフラム１０６の撓みが発生する。この際には、ダイヤフラム１０６の撓みにより各歪ゲージ１１０〜１１６の抵抗値が変化して、各歪ゲージ１１０〜１１６から印加圧力に応じた電圧検出信号が出力される。かかる電圧信号は、電極１２２から外部の検出装置へ送られて信号処理されて、その外部の検出装置での被検出対象の圧力検出に用いられる。

尚、本実施形態の半導体圧力センサ１００を製造するための工程は、上記した第１実施形態の半導体圧力センサ１０を製造するための工程と同じであるので、その説明を省略する。

一方、本実施形態の半導体圧力センサ１００においては、Ｓｉ基板１２の主表面に被検出対象の圧力が印加されると、ダイヤフラム１０６が撓んで応力が発生する。この応力は、ダイヤフラム１０６上において歪ゲージ１１０〜１１６の配置位置近傍で最大であり、その最大応力の方向は、歪ゲージ１１０〜１１６が延びるＳｉ基板１２の＜１１１＞方向に略一致している。すなわち、歪ゲージ１１０〜１１６は、ダイヤフラム１０６において最大応力が発生する位置近傍に配置されている。

また、半導体圧力センサ１００の製造においては、プロセスの簡素化・廉価化を図るため、前工程において拡散マスクとして形成したシリコン酸化膜１２４の除去を省略することがある。この場合には、ダイヤフラム１０６上においてシリコン酸化膜１２４による段差部が生ずる。ここで、歪ゲージ１１０〜１１６はそれぞれ、上記の如く、Ｓｉ基板１２の＜１１１＞方向に延びており、Ｓｉ基板１２の＜１１１＞方向に電流が流れる構造に形成されている。

本実施形態においては、圧力印加時にダイヤフラム１０６に最大応力が生じる最大応力点付近に歪ゲージ１１０〜１１６が形成される。シリコン酸化膜１２４により形成されるダイヤフラム１０６の段差部が、その段差部側面の面外方向がダイヤフラム１０６の段差部位において生じる最大応力との間で垂直関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるように形成される。

このような半導体圧力センサ１００の構造においては、ダイヤフラム１０６上の段差部が、シリコン酸化膜１２４により形成される段差部側面の面外方向がそのダイヤフラム１０６の段差部位において生じる最大応力方向との間で平行関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるように形成される従来の構成に比べて、ダイヤフラム１０６への圧力印加時に発生する応力集中がダイヤフラム１０６の段差部位及びその段差部位の周辺で生じ難くなる。

尚、本実施形態の半導体圧力センサ１００の構造においては、シリコン酸化膜１２４により形成されるダイヤフラム１０６の段差部側面の面外方向がダイヤフラム１０６の段差部位において生じる最大応力方向との間で平行関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるように形成される段差部が一部存在するが、この段差部は、シリコン酸化膜１２４により形成されるダイヤフラム１０６の段差部側面の面外方向がダイヤフラム１６の段差部位において生じる最大応力方向との間で垂直関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にある段差部に比べて、段差部側面の面積が小さくなる。段差部側面の面積が小さいということは、圧力印加時にダイヤフラム１０６上において生じる応力集中が減じられることを意味する。

従って、本実施形態の半導体圧力センサ１００の構造によれば、ダイヤフラム１０６上におけるシリコン酸化膜１２４によるダイヤフラム１０６の段差部位への応力集中を低減することが可能となる。このため、本実施形態の半導体圧力センサ１００によれば、ダイヤフラム１０６の耐圧性を向上させることができ、その結果として、半導体圧力センサ１００の圧力使用範囲を拡大させて、半導体圧力センサ１００の圧力使用範囲の限定を緩和させることができる。

１０，１００ 半導体圧力センサ
１２ Ｓｉ基板
１４，１０４ 開口部
１６，１０６ ダイヤフラム
２０〜２６，１１０〜１１６ ゲージ
２８，１１８ 拡散リード
３０，１２０ コンタクトホール
３２，１２２ 電極
３４，１２４ シリコン酸化膜
３６ 保護膜

Claims (7)

1. 半導体基板の開口部に形成されるダイヤフラムと、前記ダイヤフラム上に配置され、該ダイヤフラムの撓みに応じた検出信号を出力する歪ゲージと、を備える半導体圧力センサであって、
   前記ダイヤフラム上におけるシリコン酸化膜による段差部は、該段差部側面の面外方向が、該ダイヤフラムの段差部位において生じる最大応力の方向との間で垂直関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるよう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. 前記ダイヤフラム上に形成される拡散リードを備え、
   前記半導体基板の表面が（１１０）面であることを特徴とする請求項１に記載された半導体圧力センサ。
3. 前記ダイヤフラム上における前記歪ゲージの配向が＜１１０＞方向又は＜１１１＞方向であることを特徴とする請求項２に記載された半導体圧力センサ。
4. 前記ダイヤフラム上における前記歪ゲージの配向が＜１１０＞方向であり、
   前記ダイヤフラムの平面形状は、垂線が＜１１０＞方向に向く互いに平行に向かい合う二辺と垂線が＜１００＞方向に向く互いに平行に向かい合う二辺とに囲まれる略矩形形状であることを特徴とする請求項３に記載された半導体圧力センサ。
5. 前記ダイヤフラム上における前記歪ゲージの配向が＜１１１＞方向であり、
   前記ダイヤフラムの平面形状は、各辺の垂線が＜１１１＞方向に向く平行四辺形であることを特徴とする請求項３に記載された半導体圧力センサ。
6. 半導体基板の開口部に形成されるダイヤフラムと、前記ダイヤフラム上に配置され、該ダイヤフラムの撓みに応じた検出信号を出力する歪ゲージと、を備える半導体圧力センサの製造方法であって、
   前記ダイヤフラム上におけるシリコン酸化膜による段差部が、該段差部側面の面外方向が該ダイヤフラムの段差部位において生じる最大応力の方向との間で垂直関係にありかつダイヤフラム面との間で平行関係にあるように形成されるように、拡散マスクを形成する拡散マスク工程を備えることを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
7. 前記拡散マスク工程における拡散マスクの形成後、不純物導入により拡散リードを形成する拡散工程を備えることを特徴とする請求項６記載の半導体圧力センサの製造方法。

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