JP6425794B1 - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】サイズを大きくすることなく、高い信頼性を維持して、高精度に圧力を測定することができる水素透過防止性能を備えた半導体圧力センサを得ること。
【解決手段】凹部が形成された第１の半導体基板と、第１の半導体基板に酸化膜を介して接合された第２の半導体基板とを備え、第１の半導体基板の凹部と第２の半導体基板とにより囲まれた空間で形成された基準圧力室と、第２の半導体基板の圧力を受ける面に、基準圧力室の外周に沿って形成されたピエゾ抵抗と、第２の半導体基板の圧力を受ける面と、第２の半導体基板および酸化膜の側面とに形成された保護膜とを備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に燃料電池を搭載した自動車において、水素ガスもしくは水素ガスを含む気体の圧力測定に用いられる半導体圧力センサに関する。

燃料電池車等に搭載されるタイプの燃料電池システムにおいては、高電圧の発生が可能な燃料電池スタックが用いられている。燃料電池スタックは、燃料電池セル積層体を、絶縁板、集電板、エンドプレート等で挟み込むように構成される。燃料電池セル積層体は、燃料電池セルを多数積層したものである。１組の燃料電池セルは、一般的には、アノード側電極、電解質膜、カソード側電極から成る膜電極アセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータから構成される。

燃料電池スタックにおいては、アノード側に燃料ガス（例えば水素ガス）を、カソード側に酸素ガス（例えば空気）を供給することによって、電池反応が起こり、起電力が発生して、カソード側に水が生成する。この発電を効率的に行うためには、燃料電池スタックに供給される水素ガス、および、空気の量を的確に測定し、過不足なく制御した上で供給する必要がある。水素ガスの制御には、圧力センサが利用されている。

従来、水素ガスもしくは水素ガスを含むガスの圧力を測定する用途においては、ＳＵＳ３１６に代表されるような金属材料を、受圧筐体や受圧ダイヤフラムに採用した圧力センサが用いられてきた。金属材料には、基本的に水素脆化という課題を有していため、一般に、表面に水素脆化を防止するコーティング処理がなされる。信頼性は担保されるが、重量が大きい、高コストであるという車載用に適さない重大な課題があった。更には、受圧ダイヤフラムが金属材料であることから、測定精度、応答性を上げることが難しいという課題もあった。

一方、単結晶シリコンを受圧ダイヤフラムに採用した半導体圧力センサが利用されている。半導体圧力センサは、絶対圧を測定するために、基準圧力室の内部を真空状態としている。基準圧力室は、受圧ダイヤフラムを有するシリコンウエハと、台座となるガラスウエハとを陽極接合することで構成される例が多い。しかしながら、水素ガスの分子径は、その共有結合半径が約３７ｐｍ、ファンデルワールス半径が約１２０ｐｍと非常に小さいため、ガラスのようなポーラスな材料では、ガス分子が透過してしまうという性質を有しているため、水素を含むガスの圧力を測定する用途には適していないという課題があった。

このような課題に対処するため、ガラスウエハを用いずに、基準圧力室を単結晶シリコン材で構成する半導体圧力センサがある（例えば、特許文献１参照）。この半導体圧力センサは、台座となる第１のシリコン基板と、受圧ダイヤフラムと凹部を有する第２のシリコン基板とを酸化膜を介して真空状態下において接合し、台座の面と凹部から基準圧力室を構成するようにしたものである。ダイヤフラムの周縁部にはピエゾ抵抗が設けられており、圧力が印加された際にダイヤフラムが撓んで生じる応力をピエゾ抵抗が検出することで、圧力が測定される。このように単結晶シリコンで基準圧力室を構成することにより、水素のような分子径の小さいガスを含むガスの圧力も、精度よく測定される。また、本発明が意図する燃料電池車等に搭載される燃料電池システムや、自動車に搭載されるエンジンが吸入する空気の圧力を測定する用途での半導体圧力センサの動作温度範囲は１２０℃程度までであり、このような温度帯域における単結晶シリコンの水素拡散係数は非常に小さいため、水素拡散係数を考慮しても、基準圧力室の高真空状態の維持は可能となる（水素拡散係数の温度依存性については、例えば、非特許文献１参照）。

特許第３９９４５３１号公報

Sabrina Bedard et al. "Diffusion of hydrogen in crystalline silicon" , Phys. Rev. B 61, 9895 (2000)

しかしながら、基準圧力室を単結晶シリコン材で構成する半導体圧力センサにおいても、水素透過現象の防止の観点において、なおも課題を残している。

例えば特許文献１に示された半導体圧力センサにおいて、第１のシリコン基板と第２のシリコン基板とが接合されることで生じた接合界面は、半導体圧力センサの側面で露出している。単結晶シリコン基板であるウエハに複数の半導体圧力センサは製造され、ダイシングによってこれらは個片化されるため、通常の製造においては、この露出を避けることはできない。接合界面は、２枚のウエハの接合面を鏡面状態になるまで研磨し、酸化膜を介して２枚のウエハを接合した際に生じるものであるが、接合する前の接合面に僅かな面粗れやうねり、傷などの欠陥がある場合、これらの欠陥は２枚のウエハが密着して接合されることを妨げる。欠陥が接合後にも接合界面に残されると、半導体圧力センサの内部の基準圧力室と外部の水素ガス雰囲気とが欠陥を介して連通する。連通した欠陥は、分子径の小さい水素ガスが基準圧力室に浸入するリークパスとなる可能性がある。第１の課題は、製造時に生じたリークパスを遮断できていないことである。絶対圧を測定するために真空状態を維持すべき基準圧力室内に、水素ガスが侵入して基準圧力室の真空度が低下すると、高精度に圧力を測定することができなくなり、測定の信頼性が低下する。

また、２枚のウエハの接合を促進させるため、接合界面に必要な酸化膜も、半導体圧力センサの側面で露出している。酸化膜の露出した箇所は、水素ガスによって還元反応が促進されるために組成変動を起こし得る。この組成変動により、接合界面の残留応力状態が変動して、新たなリークパスが生じ、水素ガスが侵入することで出力変動に至るという課題もある。第２の課題は、水素ガスの圧力の測定中に、新たなリークパスが生じることである。リークパスが発生して水素ガスが侵入し基準圧力室の真空度が低下すると、高精度に圧力を測定することができなくなり、測定の信頼性が低下する。

この発明に係る半導体圧力センサは、凹部が形成された第１の半導体基板と、第１の半導体基板に酸化膜を介して接合された第２の半導体基板とを備え、第１の半導体基板の凹部と第２の半導体基板とにより囲まれた空間で形成された基準圧力室と、第２の半導体基板の圧力を受ける面に、基準圧力室の外周に沿って形成されたピエゾ抵抗と、第２の半導体基板の圧力を受ける面と、第２の半導体基板および酸化膜の側面とに形成された、水素および酸素を含有しない、１≦ｘ≦４／３の窒化シリコン膜ＳｉＮｘを積層した積層膜である保護膜を備えたものである。

本発明に係る半導体圧力センサによれば、半導体圧力センサを大きくすることなく、高い信頼性を維持して、高精度に圧力を測定できる。

本発明の実施の形態１における半導体圧力センサの平面図である。 本発明の実施の形態１における半導体圧力センサの断面図である。 図２の保護膜近傍の拡大図である。 本発明の実施の形態１における半導体圧力センサの製造工程を示した図である。 図４に続く製造工程を示した図である。 本発明の実施の形態２における半導体圧力センサの平面図である。 本発明の実施の形態２における半導体圧力センサの断面図である。 本発明の実施の形態２における別の半導体圧力センサの平面図である。 本発明の実施の形態２における別の半導体圧力センサの断面図である。 本発明の実施の形態２における別の半導体圧力センサの断面図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１の平面図であり、図２は図１の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図である。以下、半導体圧力センサ１について、図面を参照して説明する。

半導体圧力センサ１は、主面２ａに凹部５が形成された第１の半導体基板２と、凹部５を覆う第２の半導体基板３と、第２の半導体基板３の圧力を受ける面である主面３ａに互いに離間して形成されたピエゾ抵抗６ａ〜６ｄとを備える。第１の半導体基板２の主面２ａと第２の半導体基板３の主面３ｂは、酸化膜７を介して接合される。第２の半導体基板３の主面３ａ等、後述する所定の位置に保護膜９を備える（図１は保護膜９を省略して示している）。第１の半導体基板２および第２の半導体基板３には単結晶シリコン基板を用い、第２の半導体基板３は変形可能な薄厚な基板である。

第１の半導体基板２の主面２ａから厚さ方向に形成された凹部５と、凹部５を覆う第２の半導体基板３とにより囲まれた空間で、基準圧力室４が形成される。図２において、凹部５と対向する第２の半導体基板３の破線で囲まれた領域は、ダイヤフラム８の断面を構成する。ダイヤフラムは、矩形形状の変形可能な受圧部であり、受けた圧力に応じて撓みが生じる。ダイヤフラムの大きさ、厚さで撓みの程度、すなわち感圧特性が決定される。ダイヤフラム８では、主に第２の半導体基板３の厚さが、ダイヤフラムの厚さとなる。図１において、破線で囲まれた部分はダイヤフラム８が形成された領域で、正方形状である。また破線位置は、基準圧力室４の外周位置である。

第２の半導体基板３の主面３ａに圧力が印加されると、ダイヤフラム８は基準圧力室４と外部の圧力の差圧に応じて撓み、それに伴い、ピエゾ抵抗６ａ〜６ｄの領域にも撓みが生じ、撓みに応じて抵抗値が変化する。この抵抗値は電気信号として取り出され、拡散配線層や金属電極膜（図示せず）を通じて外部に取り出される。

保護膜９は、ピエゾ抵抗６ａ〜６ｄや、拡散配線層などを外部の有害環境から保護する目的で、第２の半導体基板３の主面３ａに積層して形成される。さらに保護膜９は、第１の半導体基板２と第２の半導体基板３とが接合された接合界面１０、および酸化膜７が半導体圧力センサ１の側面で露出しないよう、第２の半導体基板３の側面部１１ａおよび酸化膜７の側面部１１ｂにも積層して形成される。

保護膜９は、例えば、ＣＶＤ等の成膜方法による窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ）が適している。窒化シリコン膜の残留応力が感圧特性に及ぼす影響を軽減するために、保護膜９の厚さは、保護効果が毀損されない範囲で薄い方が好ましい。しかしながらあまり薄すぎると、皆無にすることが困難なピンホール１２が、保護膜９を貫通しやすい。ピンホール１２が貫通すると、保護効果が著しく損なわれる。そのため図３に示すように、保護膜９は窒化シリコン膜を積層した積層膜とする。積層の工程は、１回あたりに成膜する膜の厚さを０．１μｍ程度とし、成膜するごとにＣＶＤのチャンバーからウエハを取り出さず、連続して実施する。ピンホール１２が互いに連結しないように膜を積層することで、保護膜９を貫通するピンホール１２のない、信頼性の高い保護膜９を得ることができる。成膜時のピンホール１２は一定の確率で発生してしまうが、積層する毎にピンホール１２が同じ位置に発生して重なり、連結しない限り、保護膜９の全体をピンホール１２が貫通することはない。すなわち、保護膜９を貫通するピンホール１２が形成される確率は、各積層膜にピンホール１２が発生する確率の積に比例するので、積層数を多くすればするほど、保護膜９を貫通するピンホール１２の確率を著しく小さくすることができる。実際には、保護膜９の積層数は、保護膜９全体の厚さ、残留応力を勘案して、５から１０層程度の間で適宜選択するのがよい。

水素および酸素を含有しない窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ）のシリコン原子と窒素原子との組成比を表す指数ｘとしては、理論的には０から４／３までの範囲の値を取り得る。そのうち、ｘが最大値４／３を取る場合がストイキオメトリックな組成比を有する場合であり、Ｓｉ_３Ｎ_４と表される。この組成比のとき、全ての結合がＳｉ−Ｎの結合となっており、シリコン原子と窒素原子とが最密充填された原子配列を有する。シリコン原子と窒素原子とは、原子サイズが異なるので、これらが最密充填されたＳｉ_３Ｎ_４の場合、分子はもとより水素原子などが透過する空隙が存在せず、ガス透過を防止する効果が最も高くなる。

これに対し、ｘの値が４／３より小さくなるにつれて、シリコン原子同士の結合（Ｓｉ−Ｓｉ）が増加する。同じサイズのシリコン原子同士が結合すると、原子配列構造が最密充填されたものとはならず、水素原子サイズよりも大きい空隙が生じる。パーコレーション理論によると、ｘの値が小さくなればなるほど、この空隙は大きくなり、かつ、連通して水素原子が透過するリークパスが形成される。すなわち、透過防止性能が低下して、膜厚によっては水素ガスが透過し始めるようになる。特に、ｘの値が１／２以下となると、このリークパスのネットワークが３次元的に構成され、透過防止性能が完全に消失する。以上のような窒化シリコン膜の特性から、有効な透過防止性能を得るために、ｘの値としては１以上の値であることが好ましい。したがって、１≦ｘ≦４／３を満たせば、有効な透過防止性能を得ることができる。

次に、半導体圧力センサ１の製造方法について、図４、図５を参照して説明する。なお単結晶シリコン基板であるウエハに複数の半導体圧力センサ１が同時に製造されるが、ここでは、一つの半導体圧力センサ１の製造について説明する。半導体圧力センサ１は、平面視で１辺が１ｍｍ程度の正方形である。ダイヤフラム８は、１辺が４００μｍ程度の正方形である。まず、図４（ａ）に示すように、第１の半導体基板２の主面２ａに、エッチングにより凹部５を形成する。基準圧力室４の形状、つまりはダイヤフラム８の形状を精度よく形成するためには、ボッシュプロセスを利用した誘導結合型の反応性イオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ−Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることが好ましい。ただし、エッチング方法はこれに限定されるものではなく、水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチル水酸化アンモニウム（ＴＭＡＨ）等のエッチング液を用いたウェット異方性エッチングによって形成しても良い。凹部５の深さは、基準圧力室４の容積に係る。万一、水素等何らかのガスが浸入することがあっても内圧の変化を小さく抑えるという観点からは、容積は大きい方が好ましく、可能な限り深くエッチングする必要がある。しかしエッチングの深さが増大すると、加工負荷は増すことになる。ここでは、台座をガラスウエハとせず単結晶シリコン基板で基準圧力室４を構成し、かつリークパスを遮断する積層した保護膜９を形成して、基準圧力室４への水素等のガスの浸入を防止しているため、加工負荷を低減する観点から、凹部５の深さは１０μｍ〜１００μｍ程度で良い。

続いて、図４（ｂ）に示すように、第１の半導体基板２の主面２ａに、熱酸化よって酸化膜７を形成する。酸化膜７は、凹部５の表面にも形成される。酸化膜７は、第２の半導体基板３との接合を促進するために必要であり、厚さは０．１μｍ〜０．５μｍ程度が好適である。ここでは、酸化膜７を第１の半導体基板２の主面２ａに形成する例を示したが、第２の半導体基板３の主面３ｂに形成してもよい。

続いて、図４（ｃ）に示すように、第１の半導体基板２の主面２ａと第２の半導体基板３の主面３ｂとを酸化膜７を介して真空中で接合し、基準圧力室４を形成する。接合は、１１００℃程度の高温下で酸雰囲気中において行うのが好ましいが、凹部５の面積がウエハ全体の面積に占める割合によっては、１２００℃程度まで温度を上げることにより、さらに接合強度を向上させてもよい。

第２の半導体基板３の一部の、凹部５を覆う領域はダイヤフラム８となるため、第１の半導体基板２と第２の半導体基板３を接合した後、測定する圧力範囲に応じて基板厚さを調整する。具体的には、第２の半導体基板３の主面３ａ全体を研削、研磨することにより、図５（ａ）に示すように、所定の厚さ、例えば２０μｍ程度とする。接合時に、２０μｍ程度の薄い厚さの第２の半導体基板３を取り扱うことが困難なためである。以上の工程により、所定の厚さを有した、ダイヤフラム８が形成される。

続いて、図５（ｂ）に示すように、ダイヤフラム８の外縁部、つまりは基準圧力室４の外周に沿って、ボロンなどの不純物をイオン注入し、その後の熱処理等により、ピエゾ抵抗６ａ〜６ｄを形成する。さらに、イオン注入およびその後の熱処理によって形成された拡散配線層（図示せず）、スパッタリング等の方法により、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等を成膜して金属電極膜（図示せず）を形成する。

続いて、単一のウエハ内で、平面視で各半導体圧力センサの境界領域において、第２の半導体基板３を貫通し、第１の半導体基板２の主面２ａに達するエッチングをＩＣＰ−ＲＩＥ等によって行う。このエッチングにより、図５（ｃ）に示すように、第２の半導体基板３の側面部１１ａおよび酸化膜７の側面部１１ｂが露出する。

続いて、第２の半導体基板３の主面３ａと、第２の半導体基板３の側面部１１ａおよび酸化膜７の側面部１１ｂとを覆うように、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の成膜方法により、窒化シリコン膜を複数回成膜して積層膜とした保護膜９を形成する。積層膜は、成膜するごとにＣＶＤのチャンバーからウエハを取り出さずに、連続して成膜することで形成される。積層した保護膜９の形成により、接合界面１０を通じたリークパスが生じていても遮断することができ、酸化膜７の側面部１１ｂに組成変動が生じることもなく、ピンホール１２が保護膜９の全体を貫通することもない。保護膜９の形成により、図２に示した半導体圧力センサ１を得るが、半導体圧力センサ１はウエハに複数製造されるため、その後ダイシングにより個片化される。

なお、水素や酸素を含有しない窒化シリコン膜は半導体プロセスでは汎用性のあるＣＶＤ等の成膜方法で形成できるので、ピエゾ抵抗の形成に用いるイオン注入等の工程と親和性が高く、低コスト化が可能である。また、各半導体圧力センサの境界領域において露出させた第２の半導体基板３の側面部１１ａおよび酸化膜７の側面部１１ｂに保護膜９を形成する構成としたため、半導体圧力センサ１の大きさを大きくすることはない。また、ダイヤフラム８や拡散配線層等の面内構成について設計を変更することもなく、従来の設計を流用できるため、材料や製造に係るコストが増加することもない。また、境界領域の一部がエッチングによりウエハの厚み方向にカットされているため、半導体圧力センサを個片化する際のダイシングラインが明確化され、ダイシング位置のミスによる不良発生を抑制することができる。また、ダイシング工程の時間を短縮できる効果もある。

なお、本発明に係る半導体圧力センサ１の用途は、燃料電池システムを搭載した車両に限定されるものではない。従来のエンジンを搭載した自動車においても、燃料改質等の手法を用いて吸入空気に微量の水素ガスを混入させる等の方法によって燃焼効率を改善する取り組みが図られているため、このような水素ガスを含む空気の圧力を測定する用途にも適している。

以上のように、この発明の実施の形態１における半導体圧力センサ１では、第２の半導体基板および酸化膜の側面部を保護膜で覆ったため、半導体圧力センサを大きくすることなく、安価で、製造時に生じた接合界面を通じたリークパスを遮断することができる。また保護膜を設けたため、接合界面に設けた酸化膜の側面部は露出せず、組成変動を未然に防止することができ、高い信頼性を維持することができる。また保護膜は水素および酸素を含有しない、１≦ｘ≦４／３の窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ）を積層した積層膜であるため、有効な水素透過防止性能を得ることができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２における半導体圧力センサ１の平面図を図６、断面図を図７に示す。なお図７は図６の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図であり、図６は保護膜９を省略して示している。実施の形態１は、基準圧力室４を１つ備えた半導体圧力センサ１であったが、実施の形態２における半導体圧力センサ１は、それぞれ厚さの異なるダイヤフラムを有した２つの基準圧力室を備えるものである。なお、他の構成については、実施の形態１の記載と同様であるため、同一の符号を付して、説明を省略する。

半導体圧力センサ１は、主面２ａに第１の凹部５ａ、第２の凹部５ｂが形成された第１の半導体基板２と、第２の凹部５ｂと連通する貫通孔１４を備え、第１の凹部５ａを覆う中間半導体基板１３と、貫通孔１４と第２の凹部５ｂを覆う第２の半導体基板３と、第２の半導体基板３の圧力を受ける面である主面３ａに互いに離間して設けられるピエゾ抵抗６ａ〜６ｈとを備える。第１の半導体基板２の主面２ａと中間半導体基板１３の主面１３ｂは、第１の酸化膜７ａを介して接合され、中間半導体基板１３の主面１３ａと第２の半導体基板３の主面３ｂは、第２の酸化膜７ｂを介して接合される。第２の半導体基板３の主面３ａには、保護膜９を備える。中間半導体基板１３には単結晶シリコン基板を用い、中間半導体基板１３は第２の半導体基板３と同様に変形可能な薄厚な基板である。

第１の半導体基板２の主面２ａから厚さ方向に形成された第１の凹部５ａと、第１の凹部５ａを覆う中間半導体基板１３とにより囲まれた空間で、第１の基準圧力室４ａが形成される。図７において、第１の凹部５ａと対向する中間半導体基板１３と第２の半導体基板３の右側の破線で囲まれた領域は、第１のダイヤフラム８ａの断面を構成する。第１のダイヤフラム８ａでは、主に中間半導体基板１３の厚さと第２の半導体基板３の厚さを足し合わせた厚さが、ダイヤフラムの厚さとなる。図６において、右側の破線で囲まれた部分は第１のダイヤフラム８ａが形成された領域で、正方形状である。また破線位置は、第１の基準圧力室４ａの外周位置である。

第１の半導体基板２の主面２ａから厚さ方向に形成された第２の凹部５ｂと、貫通孔１４を構成する中間半導体基板１３と、貫通孔１４を覆う第２の半導体基板３とにより囲まれた空間で、第２の基準圧力室４ｂが形成される。貫通孔１４は、第２の凹部５ｂの外形に一致させ、第２の凹部５ｂと連通させて中間半導体基板１３の厚さ方向に形成される。図７において、第２の凹部５ｂおよび貫通孔１４と対向する第２の半導体基板３の左側の破線で囲まれた領域は、第２のダイヤフラム８ｂの断面を構成する。第２のダイヤフラム８ｂでは、主に第２の半導体基板３の厚さが、ダイヤフラムの厚さとなる。図６において、左側の破線で囲まれた部分は、第２のダイヤフラム８ｂが形成された領域である。また破線位置は、第２の基準圧力室４ｂの外周位置である。

第１のダイヤフラム８ａと第２のダイヤフラム８ｂは、図６において同一形状であるが、厚さが異なることで同一の圧力に対して撓む量が異なるため、感圧特性は異なる。厚い第１のダイヤフラム８ａは小さく撓み、薄い第２のダイヤフラム８ｂは大きく撓む。従って、半導体圧力センサ１のサイズを大きくすることなく、異なる圧力領域で圧力の測定が可能となる。これにより、異なる圧力レンジに対して高精度に圧力測定を行うことができる。なお、第２のダイヤフラム８ｂの厚さは、第１のダイヤフラム８ａと比較して薄いため、破損の可能性は高くなるが、第２のダイヤフラム８ｂに破損等の異常が発生しても、第１のダイヤフラム８ａで広範囲の圧力領域で測定が可能である。

次に、半導体圧力センサ１の製造方法について説明する。半導体圧力センサ１は、平面視で１辺が１ｍｍ程度の正方形である。第１のダイヤフラム８ａと第２のダイヤフラム８ｂは、１辺が３００μｍ程度の正方形である。まず、第１の半導体基板２の主面２ａに、エッチングにより第１の凹部５ａ、第２の凹部５ｂを形成する。

続いて、第１の半導体基板２の主面２ａに、熱酸化よって第１の酸化膜７ａを形成する。第１の酸化膜７ａは、第１の凹部５ａと第２の凹部５ｂの表面にも形成される。ここでは、第１の酸化膜７ａを第１の半導体基板２の主面２ａに形成する例を示したが、中間半導体基板１３の主面１３ｂに形成してもよい。

続いて、第１の半導体基板２の主面２ａと中間半導体基板１３の主面１３ｂとを真空中で接合し、第１の基準圧力室４ａを形成する。接合は、１１００℃程度の高温下で酸雰囲気中において行うのが好ましい。

第１の凹部５ａを覆う中間半導体基板１３は第１のダイヤフラム８ａの一部となるため、第１の半導体基板２と中間半導体基板１３を接合した後、測定する圧力範囲に応じて基板厚さを調整する。具体的には、中間半導体基板１３の主面１３ａ全体を研削、研磨することにより、所定の厚さ、例えば２０μｍ程度とする。

続いて、中間半導体基板１３を貫通し、第２の凹部５ｂと連通する貫通孔１４を形成する。この貫通孔１４の形成手段は、第１の凹部５ａと第２の凹部５ｂの形成方法と同様に、ボッシュプロセスを利用したＩＣＰ−ＲＩＥが好ましい。貫通孔１４の外形は、第２の凹部５ｂの外形と同等の正方形である。

続いて、中間半導体基板１３の主面１３ａに、熱酸化よって第２の酸化膜７ｂを形成する。第２の酸化膜７ｂは、貫通孔１４の壁面、第２の凹部５ｂの表面にも形成される。ここでは、第２の酸化膜７ｂを中間半導体基板１３の主面１３ａに形成する例を示したが、第２の半導体基板３の主面３ｂに形成してもよい。

続いて、中間半導体基板１３の主面１３ａと第２の半導体基板３の主面３ｂとを真空中で接合し、第２の基準圧力室４ｂを形成する。接合は、１１００℃程度の高温下で酸雰囲気中において行うのが好ましい。

第１の凹部５ａを覆う第２の半導体基板３は第１のダイヤフラム８ａの一部となり、第２の凹部５ｂを覆う第２の半導体基板３は第２のダイヤフラム８ｂとなるため、中間半導体基板１３と第２の半導体基板３を接合した後、測定する圧力範囲に応じて基板厚さを調整する。具体的には、第２の半導体基板３の主面３ａ全体を研削、研磨することにより、所定の厚さ、例えば２０μｍ程度とする。以上の工程により、所定の異なる厚さを有した、第１のダイヤフラム８ａと第２のダイヤフラム８ｂが形成される。

続いて、第１のダイヤフラム８ａと第２のダイヤフラム８ｂの外縁部、つまりは第１の基準圧力室４ａと第２の基準圧力室４ｂの外周に沿って、ボロンなどの不純物をイオン注入し、その後の熱処理等により、ピエゾ抵抗６ａ〜６ｈを形成する。さらに、イオン注入およびその後の熱処理によって形成された拡散配線層、スパッタリング等の方法により、Ａｌ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等を成膜して金属電極膜を形成する。

続いて、単一のウエハ内で、平面視で半導体圧力センサの境界領域において、第２の半導体基板３および中間半導体基板１３を貫通し、第１の半導体基板２の主面２ａに達するエッチングをＩＣＰ−ＲＩＥ等によって行う。このエッチングにより、第２の半導体基板３および第１の酸化膜７ａおよび中間半導体基板１３および第２の酸化膜７ｂの側面部１１ａ〜１１ｄが露出する。その後、第２の半導体基板３の主面３ａと、第２の半導体基板３および第１の酸化膜７ａおよび中間半導体基板１３および第２の酸化膜７ｂの側面部１１ａ〜１１ｄとを覆うように、ＣＶＤ等の成膜方法により、窒化シリコン膜を複数回成膜して積層膜とした保護膜９を形成して、半導体圧力センサ１を得る。半導体圧力センサ１はウエハに複数製造されるため、その後ダイシングにより個片化される。

次に、実施の形態２に係る別の半導体圧力センサ１について、図８〜図１０にて説明する。図８は半導体圧力センサ１の平面図であり、図９、１０は半導体圧力センサ１の断面図である。なお図９は図８の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図、図１０は図８の一点鎖線Ｂ−Ｂにおける断面図であり、図８は、保護膜９を省略して示している。半導体圧力センサ１は、第１の中間半導体基板１５と第２の中間半導体基板１６を設け、第３の基準圧力室４ｃと第３のダイヤフラム８ｃを新たに備えたものである。なお、他の構成については、上述の記載と同様であるため、同一の符号を付している。

第１の半導体基板２の主面２ａから厚さ方向に形成された第３の凹部５ｃと、貫通孔１４ａ、１４ｂを構成する第１の中間半導体基板１５、第２の中間半導体基板１６と、貫通孔１４ｂを覆う第２の半導体基板３とにより囲まれた空間で、第３の基準圧力室４ｃが形成される。貫通孔１４ａは、第３の凹部５ｃの外形に一致させ、第３の凹部５ｃと連通させて、第１の中間半導体基板１５の厚さの方向に形成される。貫通孔１４ｂは、第３の凹部５ｃの外形に一致させ、第３の凹部５ｃおよび貫通孔１４ａと連通させて、第２の中間半導体基板１６の厚さの方向に形成される。図１０において、第３の凹部５ｃおよび貫通孔１４ａ、１４ｂと対向する第２の半導体基板３の破線で囲まれた領域は、第３のダイヤフラム８ｃの断面を構成する。第３のダイヤフラム８ｃでは、主に第２の半導体基板３の厚さが、ダイヤフラムの厚さとなる。図８において、上側の破線で囲まれた部分は、第３のダイヤフラム８ｃが形成された領域である。また破線位置は、第３の基準圧力室４ｃの外周位置である。第１の中間半導体基板１５と第２の中間半導体基板１６は第２の酸化膜７ｂを介して接合され、第２の中間半導体基板１６と第２の半導体基板３は第３の酸化膜７ｃを介して接合される。

図８〜図１０で示した半導体圧力センサ１は、第１のダイヤフラム８ａ、第２のダイヤフラム８ｂ、第３のダイヤフラム８ｃの、厚さの異なる３つのダイヤフラムを備えることで、半導体圧力センサ１のサイズを大きくすることなく、さらに異なる圧力領域で圧力の測定が可能となる。

以上のように、この発明の実施の形態２における半導体圧力センサ１では、２つ又は３つのダイヤフラムは平面視では同一形状で、厚さを変えることで、異なる感圧特性を備えたため、半導体圧力センサを大きくすることなく、安価で、異なる圧力領域に対して高精度な測定を実現することができる。また、２つ又は３つのダイヤフラムを備えたため、１つ又は２つのダイヤフラムに破損等の異常が発生しても、別のダイヤフラムにて測定が継続でき、システム全体の機能不全を回避することができる。なお、ここでは２つ又は３つのダイヤフラムを備えた半導体圧力センサの例を示したが、第１の半導体基板の凹部に連通するように貫通孔を有する中間半導体基板を重ねていけば、さらに厚さの異なる４つ以上のダイヤフラムを有する半導体圧力センサを作製することができる。

以上の実施の形態１、２に示した構成は、本発明の構成の一例であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、実施の形態の組み合わせや一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。

１ 半導体圧力センサ、２ 第１の半導体基板、３ 第２の半導体基板、４ 基準圧力室、５ 凹部、６ ピエゾ抵抗、７ 酸化膜、８ ダイヤフラム、９ 保護膜、１０ 接合界面、１１ 側面部、１２ ピンホール、１３ 中間半導体基板、１４ 貫通孔、１５ 第１の中間半導体基板、１６ 第２の中間半導体基板

Claims (3)

1. 凹部が形成された第１の半導体基板と、
   前記第１の半導体基板に酸化膜を介して接合された第２の半導体基板とを備え、
   前記第１の半導体基板の前記凹部と前記第２の半導体基板とにより囲まれた空間で形成された基準圧力室と、
   前記第２の半導体基板の圧力を受ける面に、前記基準圧力室の外周に沿って形成されたピエゾ抵抗と、
   前記第２の半導体基板の圧力を受ける面と、前記第２の半導体基板および前記酸化膜の側面とに形成された、水素および酸素を含有しない、１≦ｘ≦４／３の窒化シリコン膜ＳｉＮｘを積層した積層膜である保護膜と、を備えたことを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 前記積層膜は５から１０層の前記窒化シリコン膜ＳｉＮｘが積層さ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。
3. 複数の凹部が形成された第１の半導体基板と、
   前記第１の半導体基板に酸化膜を介して接合された中間半導体基板と、
   前記中間半導体基板に酸化膜を介して接合された第２の半導体基板とを備え、
   前記第１の半導体基板の第１の凹部と前記中間半導体基板とにより囲まれた空間で形成された第１の基準圧力室と、
   前記中間半導体基板は前記第１の半導体基板に形成された第２の凹部と連通する貫通孔を有し、前記第１の半導体基板の前記第２の凹部と前記中間半導体基板と前記第２の半導体基板とにより囲まれた空間で形成された第２の基準圧力室と、
   前記第２の半導体基板の圧力を受ける面に、前記第１と前記第２の基準圧力室の外周に沿って形成されたピエゾ抵抗と、
   前記第２の半導体基板の圧力を受ける面と、前記第２の半導体基板および前記中間半導体基板および前記酸化膜の側面とに形成された、水素および酸素を含有しない、１≦ｘ≦４／３の窒化シリコン膜ＳｉＮｘを５から１０層を積層した積層膜である保護膜と、を備えたことを特徴とする半導体圧力センサ。

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