JP4965274B2

JP4965274B2 - 圧力センサ

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Publication number: JP4965274B2
Application number: JP2007024956A
Authority: JP
Inventors: 晋一出尾; 英治吉川; 浩小林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2027-02-05
Also published as: JP2008190970A

Description

本発明は圧力センサに関し、特に、半導体圧力センサに関する。

従来の圧力センサでは、基板の裏面に凹部が形成され、凹部の底面が圧力起歪部となっている。また、圧力起歪部の上方に当たる基板の表面上に、歪ゲージが形成されている。圧力起歪部が変形した場合、この変形量を歪ゲージの抵抗変化として検出し、歪量の測定を行っている。凹部を形成する手法としてはウェットエッチングやドライエッチング法が知られている。（１００）結晶方位の基板を用いてシリコンをアルカリ溶液でエッチングするとテーパー形状にエッチングされる。テーパー角は結晶方位で決まる角であり、およそ５４度のテーパー角が形成される。用いる基板厚みは基板ハンドリングの制限から数百μｍ以上の厚みであることが一般的である。この基板厚みとテーパー角によって素子全体の大きさが大きくなり、センサ小型化への障壁となっていた。センサの小型化を実現するにはこのテーパー形状は好ましく無いので、（１１０）結晶方位のシリコン基板を用いてアルカリ溶液によるウェットエッチングを用いる方法が知られている。また、他の方法として、シリコンの結晶方向に依存しないようにプラズマを用いたドライエッチングによりほぼ垂直壁を有した凹部を形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−３１００号公報

しかしながら、発明者は凹部を略垂直に加工してセンサを小型化した場合、圧力起歪部の機械的強度が著しく低下し、小さな圧力を加えただけ圧力起歪部が損傷し破壊するという問題を見出した。更に、基板として単結晶シリコン/酸化シリコン/単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板（Silicon On Insulator）を用いた場合に、機械的強度の低下が更に顕著になることが判明した。これについて、発明者が鋭意研究した結果、センサ表面に形成される導電膜や絶縁膜のパターニングされた形状が影響を及ぼしていることを見出した。即ち、パターニングされた導電膜および絶縁膜端面ではシリコン基板との熱膨張係数の違いによる膜応力が存在し、その応力がシリコン基板の破壊耐性を低下させていることを見出した。これに対して、発明者は、導電膜や絶縁膜の形成領域を最適化することにより、圧力起歪部の損傷や破壊が大幅に軽減できることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明は、圧力起歪部が形成された凹部の側壁を略垂直に形成した小型圧力センサにおいて、センサ素子の小型化を実現しつつ圧力起歪部（ダイヤフラム）の破壊耐性を大幅に向上する圧力センサの提供を目的とする。

本発明は、単結晶シリコン基板と、単結晶シリコン基板を底面からエッチングして形成された凹部と、凹部の底面に露出した圧力起歪部と、圧力起歪部の上方の活性層に設けられた歪ゲージと、活性層上に、絶縁膜を挟んで形成された導電層とを含み、圧力起歪部に与えられた圧力を歪ゲージの抵抗変化として検出する圧力センサであって、活性層の＜１１０＞方向に沿った、圧力起歪部の回転中心からの線上にある、圧力起歪部の縁部から導電膜の縁部までの距離Ｓと導電膜の段差Ｄが、Ｓ／Ｄ≧８０の関係を満たすことを特徴とする圧力センサである。

また、本発明は、支持基板、絶縁層、および単結晶シリコンからなる活性層が積層されたＳＯＩ基板と、支持基板を底面からエッチングして形成された凹部と、凹部の底面に露出した圧力起歪部と、圧力起歪部の上方の活性層に設けられた歪ゲージと、活性層上に、絶縁膜を挟んで形成された導電層とを含み、圧力起歪部に与えられた圧力を歪ゲージの抵抗変化として検出する圧力センサであって、活性層の＜１１０＞方向に沿った、圧力起歪部の回転中心からの線上にある、圧力起歪部の縁部から導電膜の縁部までの距離Ｓと導電膜の段差Ｄが、Ｓ／Ｄ≧８０の関係を満たすことを特徴とする圧力センサでもある。

以上のように、本発明にかかる圧力センサでは、ダイヤフラムの強度を向上させつつ、センサ素子の小型化が可能となる。

実施の形態１。
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる圧力センサの断面図であり、後述する図２を、＜１１０＞方向に見た場合の断面図である。

圧力センサ１００は、シリコン基板１からなる。シリコン基板１には、ｎ型の拡散配線２、およびｎ型の歪ゲージ３が形成されている。拡散配線２、歪ゲージ３は、不純物拡散法やイオン注入法により形成される。拡散配線２の不純物濃度は１×１０^１８〜１×１０^２０ａｔｏｍ／ｃｍ^３程度であり、歪ゲージ３の不純物濃度は１×１０^１７〜１×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３程度である。拡散配線２は、歪ゲージ３と配線層７とを電気的に接続する役割を果たす。

歪ゲージ３としては、Ｎｉ−Ｃｒなどの金属膜や、ｎ型シリコンからなるシリコン基板１中に形成されたｐ型領域を用いることもできる。ｐ型領域を用いる場合は、ｐ型領域をｎ型のシリコン基板１から電気的に分離するために、ｐｎ接合領域を逆バイアス状態にする必要がある。

シリコン基板１のもう一方の面には凹部１８が設けられ、凹部の底面が圧力起歪部８となっている。本凹部１８は素子小型化を実現する為に、少なくとも一つ以上の側壁面は略垂直に加工される。

歪ゲージ３が形成されたシリコン基板１の上には、例えば酸化シリコンからなる第１絶縁膜４が形成されている。更に、第１絶縁膜４の上には、導電膜５が形成されている。本導電膜５は歪ゲージ３の静電耐性を強める為のシールドの役割を果たす。シールドとしては、リンなどの不純物を含む多結晶シリコンの膜が単結晶シリコンからなるシリコン基板と熱膨張係数が近いため、歪ゲージからの出力温度特性を考慮した場合に望ましい。第１絶縁膜４は、拡散配線２、歪ゲージ３と、導電膜５との間を電気的に絶縁している。

導電膜５の上には、例えば酸化シリコンからなる第２絶縁膜６が形成されている。
第１絶縁膜４、第２絶縁膜６には、第１ビア２２、および第２ビアが設けられ、これらを埋め込むように、例えばアルミニウムからなる配線層が設けられている。配線層７は、パッド部（図示せず）に接続され、ワイヤボンドや半田バンプ接合により、外部に信号を出力する。

導電膜５は、歪ゲージに外部からノイズ信号が入らないようにするために、一定の電源電位に保たれている。圧力センサでは、配線層７を介して電源に接続されている。なお、導電膜５は、浮遊電位であってもシールド効果を示すことは確認されているが、大量のマイナス電荷が圧力センサの表面に入射した場合、導電膜５が電源電位に接続されている方が速やかにマイナス電荷を除去できるので望ましい。

圧力センサでは、圧力起歪部８にかかる圧力により圧力起歪部が歪み、かかる歪量を、歪ゲージ３の抵抗変化として検出する。例えば、凹部１８が形成されたシリコン基板面にガラス基板（図示せず）を陽極接合し、圧力起歪部の下方の凹部１８を真空に保持することにより、圧力センサにかかる絶対圧を測定する絶対圧センサとなる。また、図１に示すようにガラス基板を設けない場合は、圧力起歪部の両側（圧力センサの上部と下部）の差圧を測定できる差圧センサとなる。

本実施の形態では、圧力起歪部８に対して、導電膜および絶縁膜を形成する領域を調整し、ダイヤフラムの破壊強度の変化を測定し、図３に示す実験結果を得た。図３の結果から、発明者は、導電膜および導電膜の形成領域と圧力起歪部８との位置関係がダイヤフラム（圧力起歪部）の破壊耐性に大きく影響することを見出した。

図２（ａ）に、圧力センサを上面から見た場合の、圧力起歪部８とその上方に形成された導電膜５との位置関係を、図２（ｂ）に、導電膜端面の断面図を表す。理解を容易にするために、第２絶縁膜等は省略した。

ここでシリコン基板に主表面が（１００）結晶方位の単結晶基板を用いた場合、図２（ａ）に示すように、紙面の上下方向、左右方向が＜１１０＞方向となる。また、シリコン基板１に形成される圧力起歪部は、＜１１０＞方向に沿って各辺が形成された矩形形状からなる。図２では、圧力起歪部８の回転中心をＯで表している。ここで、回転中心Ｏは、圧力起歪部８を、回転中心Ｏの周りで１８０度回転させても、元の形状と同じである位置をいう。

また、シリコン基板１の表面に対して鉛直方向から見た場合の、＜１１０＞方向の、回転中心Ｏから圧力起歪部８の縁部に向かった直線の延長線上において、圧力起歪部８の縁部から導電膜５の縁部までの距離をＳとする。図３では、導電膜５の縁部が、圧力起歪部８の縁部より内側（回転中心Ｏ側）にある場合は、−（マイナス）符号を付して表した。また導電膜の縁部における段差をＤとする。

なお、歪量の検出感度を向上させるために、歪ゲージ３は圧力起歪部８の上部を覆うように形成されている。

図３では、横軸に距離Ｓと段差Ｄの比（Ｓ／Ｄ）を、縦軸にダイヤフラム（圧力起歪部８）の破壊強度を示す。図３からわかるように、Ｓ／Ｄの絶対値を約８０以上とすることにより、破壊強度が大幅に向上し、約３倍程度改善することができる。より好適には、Ｓ／Ｄの値は、１００以上で１３００以下の値である。Ｓ／Ｄは１３００以上であっても機械的強度向上の点で効果があるが、素子小型化の点ではテーパー形状エッチングとの差別化が小さくなる。

例えば、段差Ｄが０．３μｍの場合、＜１１０＞方向に沿った、圧力起歪部８の縁部から導電膜５の縁部までの距離Ｓは、２４μｍ以上であれば良く、更に好適には、３０μｍ以上で３９０μｍ以下となる。

また、導電膜５がシールド効果を有するには、歪ゲージ３の上方を覆うように導電膜５を形成する必要がある。

以上の条件を満たしつつ、ＳとＤとの関係をこのように設定することにより、圧力起歪部８の破壊耐性を大幅に向上し、素子小型化が実現できる。

なお、図２から分かるように、主表面が（１００）面の単結晶シリコンからなる活性層１３では、＜１１０＞方向は２方向存在する。このような場合は、双方において、Ｓ／Ｄが８０以上となることが必要となる。

また、シリコン基板１の主表面が（１１０）面の場合は、破壊耐圧を向上するにはシリコン基板の面に沿った方向の＜１１０＞方向について、Ｓ／Ｄが８０以上となることが必要となる。例えばシリコン基板の表面に対して鉛直方向から見た場合の、＜１１０＞方向の、回転中心Ｏから圧力起歪部の縁部に向かった直線の延長線上において、圧力起歪部の縁部から絶縁膜の縁部までの距離をＳとする。また絶縁膜の縁部における段差をＤとする。Ｓ／Ｄの絶対値を約８０以上とすることにより、圧力起歪部の破壊強度が大幅に向上する。

更に、圧力起歪部の形状が、円形、略円形、多角形、リング状であっても、図３のような関係が成立することを、実験的に確認している。

膜段差が導電膜５の場合を述べたが、単結晶シリコンと異質の材料である絶縁膜や、他の導電膜５、例えば配線層７の端部であっても同様の効果が得られる。

図４は、全体が２００で表される、本実施の形態にかかる他の圧力センサであり、圧力起歪部８がリング状に形成されている。図４（ａ）は上面図（図２と同様に、第２絶縁膜６等は省略）、図４（ｂ）は、図４（ａ）をＡ−Ａ方向に見た場合の断面図である。図４中、図１と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。

圧力センサ２００においても膜段差Ｄと、圧力起歪部８の縁部とシールド膜５の縁部との距離Ｓとの間に、Ｓ／Ｄが８０以上、更に好適にはＳ／Ｄが１００以上で１３００以下の関係が成立する。

なお、図４（ａ）に示すように、導電膜が、回転中心Ｏに対して対称に形成されていない場合もあるが、このような場合でも、＜１１０＞方向においてＳ／Ｄが上記関係を有すれば良い。

なお、本発明の効果が得られる理由は膜端部の応力分布がダイヤフラムに影響し、圧力起歪部の破壊強度を決定しているものと考えられる。単結晶シリコンは＜１１０＞方向に割れやすい特性を有するため、＜１１０＞方向に対してＳ／Ｌを所定の範囲内にすることで、破壊強度を向上できるものと考えられる。

次に、図５を用いて、本実施の形態にかかる圧力センサ１００の製造方法について説明する。圧力センサ１００の製造方法は以下の工程１〜５を含む。

工程１：図５（ａ）に示すように、単結晶シリコン基板１を準備する。
単結晶シリコン基板はｎ型の単結晶シリコンからなり、主表面は（１００）である。支持基板１１は、単結晶シリコンから形成されるが、多結晶シリコン、サファイア等から形成されても構わない。

次に単結晶シリコン基板の主表面に、ｎ型領域を形成し、拡散配線および歪ゲージとする。ｎ型領域の形成には、例えば、熱拡散法やイオン注入法が用いられる。
歪ゲージの性能は、不純物濃度に大きく依存する。歪ゲージの不純物濃度は、約１×１０^１７〜約１×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３の範囲内であることが好ましい。また、拡散配線の不純物濃度は、抵抗を下げるために高濃度であることが好ましく、約１×１０^１８〜約１×１０^２０ａｔｏｍ／ｃｍ^３の範囲内であることが好ましい。

工程２：図５（ｂ）に示すように、歪ゲージが形成されたシリコン基板主表面の上面を覆うように第１絶縁膜を形成する。第１絶縁膜は、例えば酸化シリコンからなり、ＣＶＤ法等を用いて形成する。

続いて、シールド膜を形成する。シールド膜は、例えば、ＣＶＤ法を用いて多結晶シリコン膜を全面に形成した後、写真製版技術および反応性プラズマエッチングを用いて、所望の形状に加工して形成する。なお、多結晶シリコン膜の導電性を向上させるために、例えばリン等の不純物を導入するのが好ましい。

工程３：図５（ｃ）に示すように、全面に第２絶縁膜を形成する。第２絶縁膜は、例えば、酸化シリコンからなり、ＣＶＤ法を用いて形成する。

次に、写真製版技術、反応性イオンエッチングを用いて、第２絶縁膜、第１絶縁膜に第１ビア２１、第２ビアを形成する。第１ビアは、シールド膜に達するように形成し、第２ビアは、拡散配線に達するように形成する。

次に、例えばスパッタ法や蒸着法によりアルミニウム層を全面に形成した後、写真製版技術を用いて所望の形状にパターニングし、配線層を形成する。配線層は、拡散配線とシールド膜に接続され、更に電源（図示せず）にも接続される。この結果、シールド膜の電位は、電源電位となる。
なお、配線層を形成した後、表面を保護膜で覆っても構わない。保護膜は、例えば窒化シリコンからなる。

工程４：図５（ｄ）に示すように、シリコン基板を主表面と反対面からエッチングし、凹部１８を形成し、凹部１８の底面に露出した領域を圧力起歪部８とする。支持基板のエッチングとしては、ＳＦ_６ガスを用いた反応性プラズマエッチングが用いられる。エッチングする深さは、圧力センサ１００が使用される圧力に応じて決定される。プラズマエッチングの条件例えば基板に印加する高周波電力を調整することで、側壁をおよそ垂直に掘ることが可能である。シリコン基板として（１１０）結晶面を主表面とする場合は、ＫＯＨなどのアルカリ溶液を用いたエッチングでも一つ以上の側壁をおよそ垂直に掘ることができる。

工程５：図５（ｅ）に示すように、絶対圧センサとして用いる場合は、エッチングを実施した面にガラス基板１０を陽極接合し、凹部内を真空状態とする。また、差圧センサとして用いる場合は、ガラス基板１０は必ずしも必要ではない。

最後に、半田バンプやワイヤボンドを用いて、配線層７に接続されたパッド部（図示せず）と外部との接続をおこなう。以上の工程で、本実施の形態にかかる圧力センサ１００が完成する。

実施の形態２．
図６は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態２にかかる圧力センサの断面図であり、後述する図７を、＜１１０＞方向に見た場合の断面図である。
圧力センサ３００は、支持基板１１、埋め込み酸化膜（絶縁層）１２、および活性層１３からなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１４を含む。ＳＯＩ基板１４では、例えば支持基板１１、活性層１３はシリコンからなり、埋め込み酸化膜１２は酸化シリコンからなる。更に、活性層１３は単結晶シリコンから形成され、一方、支持基板１１は、単結晶シリコン基板の他、多結晶シリコンやサファイアから形成されても良い。

活性層１３には、ｎ型の拡散配線２、およびｎ型の歪ゲージ３が形成されている。拡散配線２、歪ゲージ３は、不純物拡散法やイオン注入法により形成される。拡散配線２の不純物濃度は１×１０^１８〜１×１０^２０ａｔｏｍ／ｃｍ^３程度であり、歪ゲージ３の不純物濃度は１×１０^１７〜１×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３程度である。拡散配線２は、歪ゲージ３と配線層７とを電気的に接続する役割を果たす。

歪ゲージ３としては、Ｎｉ−Ｃｒなどの金属膜や、ｎ型シリコンからなる活性層１３中に形成されたｐ型領域を用いることもできる。ｐ型領域を用いる場合は、ｐ型領域をｎ型の活性層１３から電気的に分離するために、ｐｎ接合領域を逆バイアス状態にする必要がある。

支持基板１１には、埋め込み酸化膜１２が露出するように凹部が設けられ、凹部の底面が圧力起歪部８となっている。圧力センサ３００では、凹部の底面に埋め込み酸化膜１２が残っているが、埋め込み酸化膜１２を更に薄膜化したり、すべて除去して活性層１３を露出させることもできる。また、所定の膜厚の支持基板１１を残す場合もある。

活性層１３の上には、例えば酸化シリコンからなる第１絶縁膜４が形成されている。更に、第１絶縁膜４の上には、導電膜５が形成されている。導電膜５は、リンなどの不純物を含む多結晶シリコンやアルミニウム等から形成される。多結晶シリコンは、単結晶シリコンからなる活性層１３と熱膨張係数が近いため、温度特性を考慮した場合、多結晶シリコンを用いることが望ましい。第１絶縁膜４は、拡散配線２、歪ゲージ３と、導電膜５との間を電気的に絶縁している。
導電膜５の上には、例えば酸化シリコンからなる第２絶縁膜６が形成されている。

第１絶縁膜４、第２絶縁膜６には、第１ビア２１、および第２ビア２２が設けられ、これらを埋め込むように、例えばアルミニウムからなる配線層７が設けられている。配線層７は、パッド部（図示せず）に接続され、ワイヤボンドや半田バンプ接合により、外部に信号を出力する。

導電膜５は、歪ゲージ３に外部からノイズ信号が入らないようにするために、一定の電源電位に保たれている。圧力センサ３００では、配線層７を介して電源に接続されている。なお、シールド膜５は、浮遊電位であってもシールド効果を示すことは確認されているが、大量のマイナス電荷が圧力センサ３００の表面に入射した場合、導電膜５が電源電位に接続されている方が速やかにマイナス電荷を除去できるので望ましい。

圧力センサ３００では、圧力起歪部８にかかる圧力により圧力起歪部８が歪み、かかる歪量を、歪ゲージ３の抵抗変化として検出する。

例えば、支持基板１１の底面にガラス基板（図示せず）を陽極接合し、圧力起歪部８の下方の凹部を真空に保持することにより、圧力センサ３００にかかる絶対圧を測定する絶対圧センサとなる。また、図６に示すようにガラス基板を設けない場合は、圧力起歪部８の両側（圧力センサ３００の上部と下部）の差圧を測定できる差圧センサとなる。

本実施の形態では、圧力起歪部８に対して、導電膜５を形成する領域を調整し、ダイヤフラムの破壊強度の変化を測定し、図８に示す実験結果を得た。図８の結果から、発明者は、導電膜５の形成領域と圧力起歪部８との位置関係がダイヤフラム（圧力起歪部８）の破壊耐性に大きく影響することを見出した。

図７に、圧力センサ３００を上面から見た場合の、圧力起歪部８とその上方に形成された導電膜５との位置関係を表す。理解を容易にするために、第２絶縁膜６等は省略した。
通常、活性層１３は（１００）基板からなり、図７に示すように、紙面の上下方向、左右方向が＜１１０＞方向となる。また、支持基板１１に形成される圧力起歪部８（支持基板１１に形成された凹部の底面）は、＜１１０＞方向に沿って各辺が形成された矩形形状からなる。図２では、圧力起歪部８の回転中心をＯで表している。ここで、回転中心Ｏは、圧力起歪部８を、回転中心Ｏの周りで１８０度回転させても、元の形状と同じである位置をいう。

また、活性層１３の表面に対して鉛直方向から見た場合の、＜１１０＞方向の、回転中心Ｏからの延長線上における圧力起歪部８の縁部から導電膜５の縁部までの距離をＳとし、縁部での膜段差をＤとする。図８では、導電膜５の段差が、圧力起歪部８の縁部より内側（回転中心Ｏ側）にある場合は、−（マイナス）符号を付して表した。

図８は、横軸に距離Ｓと段差Ｄの比（Ｓ／Ｄ）を、縦軸にダイヤフラム（圧力起歪部８）の破壊強度を示す。図８からわかるように、Ｓ／Ｄの絶対値を８０以上とすることにより、破壊強度が大幅に向上し、８０以下の場合の約５程度とすることができる。好適には、Ｓ／Ｄの値は１００以上で１３００以下の値である。

例えば、段差Ｄが０．３μｍの場合、＜１１０＞方向に沿った、圧力起歪部８の縁部からシールド膜５の縁部までの距離Ｓは、２４μｍ以上であれば良く、好適には、３０μｍ以上で３９０μｍ以下となる。

上述のように、導電膜５がシールド効果を有するには、歪ゲージ３の上方を覆うように導電膜５を形成する必要があり、そのような条件を満たしつつ、距離Ｓと段差Ｄとの関係をこのように設定することにより、圧力起歪部８の破壊耐性を大幅に向上させつつ、素子小型化を実現し、ノイズのない圧力測定結果を得ることが可能となる。

なお、図７から分かるように、主表面が（１００）面の単結晶シリコンからなる活性層１３では、＜１１０＞方向は２方向存在する。このような場合は、双方において、Ｓ／Ｌが０．１以上となることが必要となる。

また、活性層１３の主表面が（１１０）面の場合は、破壊耐圧を向上するには活性層の面に沿った方向の＜１１０＞方向について、Ｓ／Ｄが８０以上となることが必要となる。

更に、圧力起歪部８の形状が、円形、略円形、多角形、リング状であっても、図８のような関係が成立することを、実験的に確認している。

なお、膜段差が導電膜からなる場合を述べたが、単結晶シリコンと異質の材料である絶縁膜や、他の導電膜、例えば配線層の端部であっても同様の効果が得られる。

図９は、全体が４００で表される、本実施の形態にかかる他の圧力センサであり、圧力起歪部８がリング状に形成されている。図９（ａ）は上面図（図２と同様に、第２絶縁膜６等は省略）、図９（ｂ）は、図９（ａ）をＢ−Ｂ方向に見た場合の断面図である。図９中、図６と同一符号は、同一又は相当箇所を示す。

圧力センサ４００においても、回転中心Ｏから圧力起歪部８の縁部までの距離Ｌと、圧力起歪部８の縁部とシールド膜５の縁部との距離Ｓとの間に、Ｓ／Ｄが８０以上、好適にはＳ／Ｄが１００以上で１３００以下の関係が成立する。

なお、図９（ａ）に示すように、導電膜５が、回転中心Ｏに対して対称に形成されていない場合もあるが、このような場合でも、＜１１０＞方向においてＳ／Ｄが上記関係を有すれば良い。

なお、本発明の効果が得られる理由は必ずしも明らかではないが、導電膜５の縁部の応力分布や、ＳＯＩ基板１４の応力分布が互いに影響しあい、圧力起歪部８の破壊強度を決定しているものと考えられる。また、主表面が（１００）面の単結晶シリコン基板は、＜１１０＞方向に割れやすい特性を有するため、＜１１０＞方向に対してＳ／Ｄを所定の範囲内にすることで、破壊強度を向上できるものと考えられる。

次に、図１０を用いて、本実施の形態にかかる圧力センサ３００の製造方法について説明する。圧力センサ３００の製造方法は以下の工程１〜５を含む。

工程１：図１０（ａ）に示すように、シリコンからなる支持基板１１、酸化シリコンからなる埋め込み酸化膜１２、およびシリコンからなる活性層１３が、順次積層されたＳＯＩ基板１を準備する。
活性層１３は、ｎ型の単結晶シリコンからなり、主表面は（１００）である。支持基板１１は、単結晶シリコンから形成されるが、多結晶シリコン、サファイア等から形成されても構わない。

次に、ＳＯＩ基板１の活性層１３に、ｎ型領域を形成し、拡散配線２および歪ゲージ３とする。ｎ型領域の形成には、例えば、熱拡散法やイオン注入法が用いられる。

歪ゲージ３の性能は、不純物濃度に大きく依存する。歪ゲージ３の不純物濃度は、約１×１０^１７〜約１×１０^１８ａｔｏｍ／ｃｍ^３の範囲内であることが好ましい。

また、拡散配線２の不純物濃度は、抵抗を下げるために高濃度であることが好ましく、約１×１０^１８〜約１×１０^２０ａｔｏｍ／ｃｍ^３の範囲内であることが好ましい。

工程２：図１０（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板１の上面を覆うように第１絶縁膜４を形成する。第１絶縁膜４は、例えば酸化シリコンからなり、ＣＶＤ法等を用いて形成する。
続いて、導電膜５を形成する。導電膜５は、例えば、ＣＶＤ法を用いて多結晶シリコン膜を全面に形成した後、写真製版技術および反応性プラズマエッチングを用いて、所望の形状に加工して形成する。なお、多結晶シリコン膜の導電性を向上させるために、例えばリン等の不純物を導入するのが好ましい。

工程３：図１０（ｃ）に示すように、全面に第２絶縁膜６を形成する。第２絶縁膜６は、例えば、酸化シリコンからなり、ＣＶＤ法を用いて形成する。

次に、写真製版技術、反応性イオンエッチングを用いて、第２絶縁膜６、第１絶縁膜４に第１ビア２１、第２ビア２２を形成する。第１ビア２１は、シールド膜５に達するように形成し、第２ビア２２は、拡散配線２に達するように形成する。

次に、例えばスパッタ法や蒸着法によりアルミニウム層を全面に形成した後、写真製版技術を用いて所望の形状にパターニングし、配線層７を形成する。配線層７は、拡散配線２とシールド膜５に接続され、更に電源（図示せず）にも接続される。この結果、シールド膜５の電位は、電源電位となる。

なお、配線層７を形成した後、表面を保護膜で覆っても構わない。保護膜は、例えば窒化シリコンからなる。

工程４：図１０（ｄ）に示すように、支持基板１１を底面からエッチングし、凹部を形成し、凹部の底面に露出した領域を圧力起歪部８とする。支持基板１１のエッチングには、例えば、ＳＦ_６ガスを用いた反応性プラズマエッチングが用いられる。エッチングする深さは、圧力センサ３００が使用される圧力に応じて決定される。例えば、支持基板１１を若干残して圧力起歪部８を厚く形成する場合もある。また、図９（ｄ）に示すように、埋め込み酸化膜１２が露出するまで支持基板１１をエッチングする場合もある。更には、埋め込み酸化膜１２を部分的に、または全て除去する場合や、活性層１３を若干エッチングする場合もある。また支持基板として（１１０）結晶面を主表面とする場合は、ＫＯＨなどのアルカリ溶液を用いたエッチングでも一つ以上の側壁をおよそ垂直に掘ることができる。

工程５：図１０（ｅ）に示すように、絶対圧センサとして用いる場合は、支持基板１３の底面にガラス基板１０を陽極接合し、凹部内を真空状態とする。また、差圧センサとして用いる場合は、ガラス基板１０は必ずしも必要ではない。
最後に、半田バンプやワイヤボンドを用いて、配線層７に接続されたパッド部（図示せず）と外部との接続をおこなう。以上の工程で、本実施の形態にかかる圧力センサ３００が完成する。

なお、実施の形態１、２では、拡散配線２や歪ゲージ３をｎ型領域から形成したが、ｐ型領域から形成することも可能である。

本発明の実施の形態１にかかる圧力センサの断面図である。本発明の実施の形態１にかかる圧力センサの上面図および断面図である。距離Ｓ／段差Ｄと、ダイヤフラムの破壊強度との関係である。本発明の実施の形態１にかかる他の圧力センサの上面図および断面図である。本発明の実施の形態１にかかる圧力センサの製造工程の断面図である。本発明の実施の形態２にかかる圧力センサの断面図である。本発明の実施の形態２にかかる圧力センサの上面図である。距離Ｓ／段差Ｄと、ダイヤフラムの破壊強度との関係である。本発明の実施の形態２にかかる他の圧力センサの上面図および断面図である。本発明の実施の形態２にかかる圧力センサの製造工程の断面図である。

符号の説明

１シリコン基板、２拡散配線、３歪ゲージ、４第一絶縁層、５導電膜、６第二絶縁層、７配線層、８圧力起歪部、１０ガラス基板、１１支持基板、１２埋め込み絶縁層、１３、活性層、１４ＳＯＩ基板、１８凹部２２ビア、１００圧力センサ。

Claims

単結晶シリコン基板と、
該シリコン基板を底面からエッチングして形成された凹部と、
該凹部の底面に露出した圧力起歪部と、
該圧力起歪部の上方の活性層に設けられた歪ゲージと、
該活性層上に、絶縁膜を挟んで形成された導電層とを含み、
該圧力起歪部に与えられた圧力を該歪ゲージの抵抗変化として検出する圧力センサであって、
該活性層の＜１１０＞方向に沿った、該圧力起歪部の回転中心からの線上にある、該圧力起歪部の縁部から該導電膜の縁部までの距離Ｓと該導電膜の段差Ｄが、
Ｓ／Ｄ≧８０
の関係を満たすことを特徴とする圧力センサ。
上記単結晶シリコン基板の主表面が、（１００）面または（１１０）面であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
上記導電膜が、多結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
上記導電膜の電位が、圧力センサの電源電位に保持されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
支持基板、絶縁層、および単結晶シリコンからなる活性層が積層されたＳＯＩ基板と、
該支持基板を底面からエッチングして形成された凹部と、
該凹部の底面に露出した圧力起歪部と、
該圧力起歪部の上方の該活性層に設けられた歪ゲージと、
該活性層上に、絶縁膜を挟んで形成された導電膜とを含み、
該圧力起歪部に与えられた圧力を該歪ゲージの抵抗変化として検出する圧力センサであって、
該活性層の＜１１０＞方向に沿った、該圧力起歪部の回転中心からの線上にある、該圧力起歪部の縁部から該導電膜の縁部までの距離Ｓと該導電膜の段差Ｄが、
Ｓ／Ｄ≧８０
の関係を満たすことを特徴とする圧力センサ。
上記活性層の主表面が、（１００）面または（１１０）面であることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
上記導電膜が、多結晶シリコンからなることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
上記導電膜の電位が、圧力センサの電源電位に保持されていることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。