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JP2015143635A - 物理量センサー、高度計、電子機器および移動体 - Google Patents

物理量センサー、高度計、電子機器および移動体 Download PDF

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diaphragm
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Abstract

【課題】熱膨張に起因するダイアフラムの不本意な変形を低減することのできる物理量センサー、この物理量センサーを備えた信頼性の高い高度計、電子機器および移動体を提供する。
【解決手段】物理量センサー１は、ダイアフラム２４を有する基板２と、ダイアフラム２４上に配置されているセンサー素子３と、基板２上に配置され、センサー素子３を囲んでいる空洞部７を有する壁部５と、壁部５と連続している被覆部６と、被覆部６の一部と重なって配置され、被覆部６の構成材料よりも熱膨張率の小さい材料を含んでいる補強部８と、を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、物理量センサー、高度計、電子機器および移動体に関するものである。
例えば、特許文献１に示すようなＭＥＭＳ振動子を圧力センサーに応用することが考えられる。具体的に説明すると、特許文献１のＭＥＭＳ振動子は、基板と、基板の上面に設けられている振動子と、振動素子を囲む周囲構造体と、を有しているが、基板の振動素子が設けられている部分を受圧によって撓み変形するダイアフラムとすることで、特許文献１のＭＥＭＳ振動子を圧力センサーとして用いることが可能となる。この場合、ダイアフラムの撓み量に応じて振動子の共振周波数が変化するため、共振周波数からの変化に基づいて圧力を検出することができる。
しかしながら、特許文献１のＭＥＭＳ振動子を上記のような圧力センサーに応用した場合、次のような問題が生じる。特許文献１のＭＥＭＳ振動子では、周囲構造体は、振動子を囲む空洞部を有する壁部と、空洞部の開口を塞ぐように壁部に設けられている被覆部と、を有している。また、基板がシリコン基板で構成され、壁部がＳｉＯ２層とアルミニウム層の積層体で構成され、被覆部がアルミニウム層で構成されている。そのため、これら各部の熱膨張率の違いから、圧力センサーに熱歪みが発生する。発生した熱歪みは、ダイアフラムを不本意に変形させ、それによって、感度が悪化してしまう。
特開平９−１２６９２０号公報
本発明の目的は、熱膨張に起因するダイアフラムの不本意な変形を低減することのできる物理量センサー、この物理量センサーを備えた信頼性の高い高度計、電子機器および移動体を提供することにある。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］
本適用例の物理量センサーは、撓み変形可能なダイアフラムを有する基板と、
前記基板の前記ダイアフラム上に配置されているセンサー素子と、
前記基板上に配置され、前記基板の平面視で前記センサー素子を囲んでいる壁部と、
前記基板の平面視で、一部が前記センサー素子と重なっていて、前記壁部と接続している被覆部と、
前記基板の平面視で、前記被覆部の一部と重なっていて、前記被覆部の構成材料よりも熱膨張率の小さい材料を含んでいる補強部と、
を有することを特徴とする。
これにより、補強部によって被覆部の熱膨張を低減することができるため、熱膨張に起因するダイアフラムの不本意な変形を低減することができる。また、補強部を被覆部の一部と重なるように設けることで、補強部の重量を低減することができ、補強部の重量によって被覆部が撓み変形してしまうことを低減することもできる。
［適用例２］
本適用例の物理量センサーでは、前記補強部は、前記壁部または前記ダイアフラムに含まれている材料を構成材料として含んでいることが好ましい。
これにより、熱膨張に起因するダイアフラムの不本意な変形をより低減することができる。
［適用例３］
本適用例の物理量センサーでは、前記補強部は、構成材料としてシリコンを含んでいることが好ましい。
これにより、補強部を容易に形成することができる。
［適用例４］
本適用例の物理量センサーでは、前記補強部は、前記基板の平面視にて、格子状の部分を有していることが好ましい。
これにより、補強部の重量を抑えつつ、被覆部の熱膨張を効果的に低減することができる。
［適用例５］
本適用例の物理量センサーでは、前記補強部は、前記基板の平面視にて、放射状の部分を有していることが好ましい。
これにより、補強部の重量を抑えつつ、被覆部の熱膨張を効果的に低減することができる。
［適用例６］
本適用例の物理量センサーでは、前記補強部は、前記被覆部上に設けられていることが好ましい。
これにより、補強部の形成が容易となる。
［適用例７］
本適用例の物理量センサーでは、前記被覆部は、
厚さ方向に貫通する貫通孔を備えている第１層と、
前記第１層に重ねて設けられ、前記貫通孔を封止する第２層と、を有し、
前記補強部は、前記基板の平面視で、前記貫通孔と重なるように配置されていることが好ましい。
これにより、空洞部の気密性をより担保することができる。
［適用例８］
本適用例の物理量センサーでは、前記補強部は、前記被覆部に埋設されていることが好ましい。
これにより、被覆部の熱膨張を低減することができるとともに、被覆部の反りも低減することができる。
［適用例９］
本適用例の物理量センサーでは、前記被覆部は、
厚さ方向に貫通する貫通孔を備えた第１層と、
前記第１層に重ねて設けられ、前記貫通孔を封止する第２層と、を有し、
前記補強部は、前記第１層と前記第２層の間に配置されており、前記基板の平面視にて、前記貫通孔からずれて配置されていることが好ましい。
これにより、物理量センサーを製造する際に、補強部が邪魔になることを防止することができる。
［適用例１０］
本適用例の物理量センサーでは、圧力を検出する圧力センサーであることが好ましい。
これにより、利便性の高い物理量センサーとなる。
［適用例１１］
本適用例の高度計は、上記適用例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、信頼性の高い高度計が得られる。
［適用例１２］
本適用例の電子機器は、上記適用例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、信頼性の高い電子機器が得られる。
［適用例１３］
本適用例の移動体は、上記適用例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、信頼性の高い移動体が得られる。
本発明の物理量センサーの第１実施形態を示す断面図である。 図１に示す物理量センサーが有するセンサー素子を示す平面図である。 図２に示すセンサー素子を含んだ回路を説明する図である。 図１に示す物理量センサーが有する補強部を示す平面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。 本発明の物理量センサーの第２実施形態が有する補強部を示す平面図である。 本発明の物理量センサーの第３実施形態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、高度計、電子機器および移動体を添付図面に示す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、本発明の物理量センサーの第１実施形態を示す断面図である。図２は、図１に示す物理量センサーが有するセンサー素子を示す平面図である。図３は、図２に示すセンサー素子を含んだ回路を説明する図である。図４は、図１に示す物理量センサーが有する補強部を示す平面図である。図５ないし図１２は、それぞれ、図１に示す物理量センサーの製造方法を説明する断面図である。なお、以下の説明では、図１中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
物理量センサー１は、圧力を検出することのできる圧力センサーである。物理量センサー１を圧力センサーとすることで、種々の電子機器に搭載することのできるセンサーとなり、その利便性が向上する。
図１に示すように、物理量センサー１は、基板２と、センサー素子３と、素子周囲構造体４と、空洞部７と、補強部８と、半導体回路９と、を有している。
≪基板≫
基板２は、板状をなしており、例えば、シリコン等の半導体で構成された半導体基板２１上に、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）で構成されている第１絶縁膜２２と、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）で構成されている第２絶縁膜２３と、をこの順に積層することにより構成することができる。ただし、第１絶縁膜２２および第２絶縁膜２３の材料としては、製造時に半導体基板２１を保護することと、半導体基板２１とセンサー素子３との間を絶縁することができれば、特に限定されない。
基板２の平面視形状は、特に限定されず、例えば、略正方形または略長方形等の矩形や、円形とすることができ、本実施形態では、略正方形となっている。
また、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アフラム２４が設けられている。ダイアフラム２４は、基板２の下面に有底の凹部２５を設けることで形成され、その下面が受圧面（物理量検知面）２４１となっている。このようなダイアフラム２４の平面視形状は、特に限定されず、例えば略正方形または略長方形等の矩形や、円形とすることができるが、本実施形態では略正方形となっている。また、ダイアフラム２４の厚さは、特に限定されないが、例えば、１０μｍ以上、５０μｍ以下であるのが好ましく、１５μｍ以上、２５μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、ダイアフラム２４は、十分に撓み変形することができる。
また、本実施形態の基板２では、凹部２５が半導体基板２１を貫通しており、ダイアフラム２４が第１絶縁膜２２および第２絶縁膜２３の２層で構成されているが、例えば、凹部２５が半導体基板２１を貫通しておらず、ダイアフラム２４が半導体基板２１、第１絶縁膜２２および第２絶縁膜２３の３層で構成されていてよい。
また、半導体基板２１上およびその上方には半導体回路（回路）９が作り込まれている。この半導体回路９は、必要に応じて形成されたＭＯＳトランジスタ９１等の能動素子、キャパシタ、インダクタ、抵抗、ダイオード、配線等の回路要素を有している。このように、基板２に半導体回路９を作り込むことで、半導体回路９を別体として設ける場合と比較して、物理量センサー１の小型化を図ることができる。なお、図１では、説明の便宜上、ＭＯＳトランジスタ９１のみを図示している。
≪センサー素子≫
センサー素子３は、図２に示すように、基板２のダイアフラム２４上に設けられている複数（本実施形態では４つ）のピエゾ抵抗素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄで構成されている。
ピエゾ抵抗素子３ａ、３ｂは、平面視で四角形をなすダイアフラム２４の互いに対向する１対の辺２４ａ、２４ｂに対応して設けられ、ピエゾ抵抗素子３ｃ、３ｄは、平面視で四角形をなすダイアフラム２４の他の互いに対向する１対の辺２４ｃ、２４ｄに対応して設けられている。
ピエゾ抵抗素子３ａは、ダイアフラム２４の外周部近傍（辺２４ａ近傍）に設けられたピエゾ抵抗部３１ａを有している。ピエゾ抵抗部３１ａは、辺２４ａに平行な方向に沿って延びている長手形状をなしている。このピエゾ抵抗部３１ａの両端部にはそれぞれ配線３９ａが接続されている。同様に、ピエゾ抵抗素子３ｂは、ダイアフラム２４の外周部近傍（辺２４ｂ近傍）に設けられたピエゾ抵抗部３１ｂを有している。このピエゾ抵抗部３１ｂの両端部にはそれぞれ配線３９ｂが接続されている。
一方、ピエゾ抵抗素子３ｃは、ダイアフラム２４の外周部近傍（辺２４ｃ近傍）に設けられた１対のピエゾ抵抗部３１ｃと、１対のピエゾ抵抗部３１ｃ同士を接続している接続部３３ｃとを有している。１対のピエゾ抵抗部３１ｃは、互いに平行であり、かつ、辺２４ｃに対して垂直な方向に沿って延びている長手形状をなしている。この１対のピエゾ抵抗部３１ｃの一端部（ダイアフラム２４の中心側の端部）同士は、接続部３３ｃを介して接続されており、１対のピエゾ抵抗部３１ｃの他端部（ダイアフラム２４の外周側の端部）にはそれぞれ配線３９ｃが接続されている。同様に、ピエゾ抵抗素子３ｄは、ダイアフラム２４の外周部近傍（辺２４ｄ近傍）に設けられた１対のピエゾ抵抗部３１ｄと、１対のピエゾ抵抗部３１ｄ同士を接続している接続部３３ｄとを有している。１対のピエゾ抵抗部３１ｄの一端部（ダイアフラム２４の中心側の端部）同士は、接続部３３ｄを介して接続されており、１対のピエゾ抵抗部３１ｄの他端部（ダイアフラム２４の外周側の端部）にはそれぞれ配線３９ｄが接続されている。
このようなピエゾ抵抗部３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ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）したポリシリコン（多結晶シリコン）で構成されている。また、ピエゾ抵抗素子３ｃ、３ｄの接続部３３ｃ、３３ｄおよび配線３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄは、それぞれ、例えば、ピエゾ抵抗部３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄよりも高濃度でリン、ボロン等の不純物をドープ（拡散または注入）したポリシリコン（多結晶シリコン）で構成されている。なお、接続部３３ｃ、３３ｄおよび配線３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄは、それぞれ、金属で構成されていてもよい。
また、ピエゾ抵抗素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、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。そして、これらのピエゾ抵抗素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、配線３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄ等を介して、互いに電気的に接続され、図３に示すように、ブリッジ回路３０（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３０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３０は、ピエゾ抵抗素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの抵抗値に応じた信号（電圧）を出力する。
このようなセンサー素子３は、前述したような極めて薄いダイアフラム２４を用いても、共振子のような振動素子をセンサー素子として用いた場合のようにダイアフラム２４への振動漏れによってＱ値が低下するという問題がない。
≪素子周囲構造体４≫
素子周囲構造体４は、センサー素子３が配置されている空洞部７を画成するように形成されている。この素子周囲構造体４は、基板２上にセンサー素子３を取り囲むように形成された環状の壁部５と、壁部５の内壁に囲まれている空洞部７の開口を塞ぐ被覆部６とを有している。
このような素子周囲構造体４は、層間絶縁膜４１と、層間絶縁膜４１上に形成された配線層４２と、配線層４２および層間絶縁膜４１上に形成された層間絶縁膜４３と、層間絶縁膜４３上に形成された配線層４４と、配線層４４および層間絶縁膜４３上に形成された表面保護膜４５と、封止層４６とを有している。配線層４４は、空洞部７の内外を連通する複数の細孔４４２を備えた被覆層４４１を有しており、被覆層４４１上に配置されている封止層４６が細孔４４２を封止している。このような素子周囲構造体４では、層間絶縁膜４１、配線層４２、層間絶縁膜４３、配線層４４（ただし、被覆層４４１を除く部分）および表面保護膜４５で前述した壁部５が構成され、被覆層（第１層）４４１および封止層（第２層）４６で前述した被覆部６が構成されている。被覆部６は、壁部５と接続して設けられており、かつ平面視で一部がセンサー素子３と重なっている。
なお、配線層４２、４４は、空洞部７を囲むように形成されている配線層４２ａ、４４ａと、半導体回路９の配線を構成する配線層４２ｂ、４４ｂと、を含んでいる。これにより、半導体回路９は、配線層４２ｂ、４４ｂによって、物理量センサー１の上面に引き出されている。
層間絶縁膜４１、４３としては、特に限定されないが、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）等の絶縁膜を用いることができる。また、配線層４２、４４としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム膜等の金属膜を用いることができる。また、封止層４６としては、特に限定されないが、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ等の金属膜を用いることができる。また、表面保護膜４５としては、特に限定されないが、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ものを用いることができる。
≪空洞部≫
基板２と素子周囲構造体４とによって画成された空洞部７、言い換えると、壁部５の内壁によって形成された孔の両側開口を基板２と被覆部６とで塞ぐことで画成された空洞部７は、センサー素子３を収容する収容部として機能している。また、空洞部７は、密閉された空間である。この空洞部７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。空洞部７は、真空状態（３００Ｐａ以下）とすることが好ましく、これにより、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る。そのため、物理量センサー１の利便性が向上する。ただし、空洞部７内は、真空でなくてもよく、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７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。
≪補強部≫
補強部８は、被覆部６の上面に配置されている。また、物理量センサー１の平面視にて、補強部８は、被覆部６の一部と重なるように配置されている。この補強部８は、被覆部６の熱膨張による変形を低減する機能を有している。これにより、ダイアフラム２４に不本意な熱応力が印加されることを低減することができ、物理量センサー１の感度が向上する。具体的には、基板２と、壁部５と、被覆部６とを比較した場合、その構成材料の熱膨張係数の異なりから、昇温時には被覆部６が基板２および壁部５よりも大きく膨張する。すると、被覆部６の熱膨張によって生じた応力がダイアフラム２４に伝わって、ダイアフラム２４が撓み変形してしまう。このように、検知対象である外圧以外の力（不要応力）によってダイアフラム２４が撓み変形すると、圧力の感度が低下してしまう。そこで、本実施形態では、補強部８を設けて被覆部６の熱膨張を低減し、ダイアフラム２４に加わる前記不要応力を低減することで、圧力検知感度の悪化や、使用温度に応じた感度のバラつき（温度特性の悪化）を低減している。
このような機能を有する補強部８は、被覆部６の構成材料よりも熱膨張率の小さい材料を含んでいる。そのため、補強部８は、被覆部６よりも膨張し難く、これにより、被覆部６の熱膨張が低減される。補強部８に含まれる材料としては、被覆部６の構成材料よりも熱膨張率の小さい材料であれば、特に限定されないが、ダイアフラム２４に含まれる材料であることが好ましい。これにより、補強部８の熱膨張の程度をダイアフラム２４の熱膨張の程度に近づけることができる。すなわち、被覆部６の熱膨張の程度をダイアフラム２４の熱膨張の程度に近づけることができ、ダイアフラム２４に加わる前記不要応力を効果的に低減することができる。
特に、補強部８は、構成材料としてシリコンを含んでいることが好ましい。具体的には、補強部８は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）で構成されていることが好ましい。このように、補強部８を酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）で構成することで、上記効果を発揮することができるとともに、補強部８を比較的簡単に形成することができる。
図４に示すように、補強部８は、全体的に格子状をなしている。具体的には、平面視で互いに直交する２つの方向を第１方向および第２方向としたとき、補強部８は、第１方向に延在し、第２方向に並んで配置されている複数の第１延在部８１と、第２方向に延在し、第１方向に並んで配置されている複数の第２延在部８２とが交差した構成となっている。このような形状とすることで、補強部８の重量を軽くしつつ、被覆部６の熱膨張を効果的に低減することができる。補強部８の重量をなるべく軽くすることで、重みによる被覆部６の撓みを低減することができる。
ただし、補強部８の形状としては、本実施形態に限定されず、例えば、不規則な形状であってもよい。また、本実施形態のような格子状の部分を一部に有しているような形状であってもよい。
また、補強部８は、被覆部６の上面（外面）に配置されている。これにより、補強部８を簡単に形成することができる。また、補強部８は、被覆部６の被覆層４４１に形成されている細孔４４２と重なるように設けられている。これにより、封止層４６のみならず、補強部８によっても細孔４４２を封止することができるので、空洞部７の気密性（真空状態）をより確実に維持することができる。
このような補強部８（第１、第２延在部８１、８２）の厚さとしては、特に限定されないが、例えば、被覆部６の厚さの１／２倍以上、５倍以下であるのが好ましく、１倍以上、２倍以下であるのがより好ましい。これにより、被覆部６の過度な厚み増による物理量センサー１の大型化を防止しつつ、上記効果をより効果的に発揮することができる。
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、ダイアフラム２４の受圧面２４１が受ける圧力に応じてダイアフラム２４が変形し、これにより、ピエゾ抵抗素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが歪み、その撓み量に応じてピエゾ抵抗素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの抵抗値が変化する。それに伴って、ピエゾ抵抗素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが構成するブリッジ回路３０の出力が変化し、その出力に基づいて、受圧面２４１で受けた圧力（絶対圧）の大きさを求めることができる。特に、前述したように、物理量センサー１には補強部８が設けられているため、各部の熱膨張に起因する圧力検知感度の悪化や、使用温度に応じた感度のバラつきを低減することができる。
以上のような物理量センサー１では、空洞部７および半導体回路が半導体基板２１の同じ面側に設けられているため、空洞部７を形成している素子周囲構造体４が半導体基板２１の半導体回路とは反対側から張り出すことがなく、低背化を図ることができる。その上で、素子周囲構造体４は、層間絶縁膜４１、４３および配線層４２、４４のうちの少なくとも一方と同一の成膜により形成されている。これにより、ＣＭＯＳプロセス（特に層間絶縁膜４１、４３や配線層４２、４４を形成する工程）を利用して、素子周囲構造体４を半導体回路と一括して形成することができる。そのため、物理量センサー１の製造工程が簡略化され、その結果、物理量センサー１の低コスト化を図ることができる。また、本実施形態のように空洞部７を封止する場合であっても、成膜法を用いて空洞部７を封止することができ、従来のような基板を貼り合わせてキャビティを封止する必要がなく、この点でも、物理量センサー１の製造工程が簡略化され、その結果、物理量センサー１の低コスト化を図ることができる。
また、前述したようにセンサー素子３がピエゾ抵抗素子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを含み、かつ、センサー素子３および半導体回路が半導体基板２１の同じ面側にあるため、ＣＭＯＳプロセス（特にＭＯＳトランジスタ９１を形成する工程）を利用して、センサー素子３を半導体回路と一括して形成することができる。そのため、この点でも、物理量センサー１の製造工程をより簡略化することができる。
また、センサー素子３がダイアフラム２４の素子周囲構造体４側に配置されているため、センサー素子３を空洞部７内に収納することができ、そのため、センサー素子３の劣化を防止したり、センサー素子３の特性低下を低減したりすることができる。
次に、物理量センサー１の製造方法を簡単に説明する。
図５ないし図１２は、図１に示す物理量センサー１の製造工程を示す図である。以下、これらの図に基づいて説明する。
［センサー素子・ＭＯＳトランジスタ形成工程］
まず、図５に示すように、シリコン基板等の半導体基板２１の上面を熱酸化することにより第１絶縁膜（シリコン酸化膜）２２を形成し、さらに、第１絶縁膜２２上に第２絶縁膜（シリコン窒化膜）２３をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成する。これにより基板２Ａを得る。
第１絶縁膜２２は、半導体基板２１およびその上方に半導体回路９を形成する際の素子間分離膜として機能する。また、第２絶縁膜２３は、後に行われる空洞部形成工程において実施されるエッチングに対する耐性を有しており、いわゆるエッチングストップ層として機能する。なお、第２絶縁膜２３は、パターニング処理によって、センサー素子３を形成する平面範囲を含む範囲と半導体回路９内の一部の素子（コンデンサ）などの範囲に限定して形成する。これにより、半導体基板２１およびその上方に半導体回路９を形成する際の障害となることがなくなる。
また、図示しないが、半導体基板２１の上面のうち第１絶縁膜２２および第２絶縁膜２３が形成されていない部分には、ＭＯＳトランジスタ９１のゲート絶縁膜を熱酸化により形成するとともに、ＭＯＳトランジスタ９１のソースおよびドレインをリン、ボロン等の不純物をドープして形成する。
次に、基板２Ａの上面に、多結晶シリコン膜（またはアモルファスシリコン膜）をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、その多結晶シリコン膜をエッチングによりパターニングして、図６に示すように、センサー素子３を形成するための素子形成用膜３Ａと、ＭＯＳトランジスタ９１のゲート電極９１１を形成する。
次に、素子形成用膜３Ａが露出するように、基板２Ａの上面の一部に、フォトレジスト膜２０を形成した後、素子形成用膜３Ａにリン、ボロン等の不純物をドープ（イオン注入）することにより、図７に示すように、センサー素子３を形成する。このイオン注入では、ピエゾ抵抗部３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄへの不純物のドープ量が接続部３３ｃ、３３ｄおよび配線３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄよりも多くなるようにフォトレジスト膜２０の形状やイオン注入条件等を調整する。
［層間絶縁膜・配線層形成工程］
基板２Ａの上面に、図８に示すように、層間絶縁膜４１、４３および配線層４２、４４を形成する。これにより、センサー素子３およびＭＯＳトランジスタ９１等が層間絶縁膜４１、４３および配線層４２、４４で覆われた状態となる。
層間絶縁膜４１、４３の形成は、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。層間絶縁膜４１、４３のそれぞれの厚さは、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４２、４４の形成は、層間絶縁膜４１、４３上に、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４２、４４のそれぞれの厚さは、特に限定されないが、例えば、３００ｎｍ以上９００ｎｍ以下程度とされる。
また、配線層４２ａ、４４ａは、平面視で複数のセンサー素子３を囲むように環状をなしている。また、配線層４２ｂ、４４ｂは、半導体基板２１上およびその上方に形成された配線（例えば、半導体回路９の一部を構成する配線）に電気的に接続される。
このような層間絶縁膜４１、４３と配線層４２、４４との積層構造は、通常のＣＭＯＳプロセスにより形成され、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配線層が層間絶縁膜を介して積層される場合もある。
［空洞部形成工程］
図９に示すように、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により表面保護膜４５を形成した後、エッチングにより空洞部７を形成する。表面保護膜４５は、一種類以上の材料を含む複数の膜層で構成され、被覆層４４１の細孔４４２を封止してしまわないように形成する。なお、表面保護膜４５の構成材料としては、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もので形成される。表面保護膜４５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。
また、空洞部７の形成は、被覆層４４１に形成された複数の細孔４４２を通じたエッチングにより、層間絶縁膜４１、４３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４４２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４４２からフッ化水素酸ガス等のエッチングガスを供給する。
［封止工程］
次に、図１０に示すように、被覆層４４１上に、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｔｉ、ＴｉＮ等の金属膜等からなる封止層４６をスパッタリング法、ＣＶＤ法等により形成し、各細孔４４２を封止する。これより、空洞部７が封止層４６により封止され、また、被覆部６が形成される。封止層４６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。
［補強部形成工程］
次に、図１１に示すように、被覆部６の上面に補強部８を形成する。補強部８の形成は、シリコン酸化膜またはシリコン窒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。
［ダイアフラム形成工程］
最後に、半導体基板２１の下面の一部を、図１２に示すように、ウェットエッチングにより除去する。これにより、周囲よりも薄肉なダイアフラム２４が形成された物理量センサー１を得る。なお、半導体基板２１の下面の一部を除去する方法としては、ウェットエッチングに限らず、ドライ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。なお、半導体回路が有するＭＯＳトランジスタ以外の能動素子、コンデンサ、インダクタ、抵抗、ダイオード、配線等の回路要素は、上述した適宜の工程（例えば、振動素子形成工程、絶縁膜形成工程、被覆層形成工程、封止層形成工程）の途中において作り込んでおくことができる。例えば、第１絶縁膜２２とともに回路素子間分離膜を形成したり、センサー素子３とともにゲート電極、容量電極、配線等を形成したり、層間絶縁膜４１、４３とともにゲート絶縁膜、容量誘電体層、層間絶縁膜を形成したり、配線層４２、４４とともに回路内配線を形成したりすることができる。
＜第２実施形態＞
次に本発明の物理量センサーの第２実施形態について説明する。
図１３は、本発明の物理量センサーの第２実施形態が有する補強部を示す平面図である。
以下、本発明の物理量センサーの第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、補強部の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。
図１３に示すように、本実施形態の補強部８は、全体的に放射状をなしている。具体的には、補強部８は、被覆部６の縁部に沿って配置されている枠状の枠部８３と、被覆部６の中心部から放射状に延び、先端が枠部８３に繋がっている複数の延在部８４とを有している。このような形状とすることで、被覆部６の熱膨張を効果的に低減することができる。より具体的には、被覆部６の面内方向のどの方向への熱膨張もほぼ均一に低減することができる。また、補強部８の重量を軽くすることができる。補強部８の重量をなるべく軽くすることで、重みによる被覆部６の撓みを低減することができる。
このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
＜第３実施形態＞
次に本発明の物理量センサーの第３実施形態について説明する。
図１４は、本発明の物理量センサーの第３実施形態を示す断面図である。
以下、本発明の物理量センサーの第３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３実施形態は、補強部の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。
本実施形態の補強部８は、被覆部６内に埋設されている。具体的には、補強部８は、被覆層４４１と封止層４６との間に介在して設けられている。このように、補強部８を被覆部６内に埋設することによって、被覆部６の内側から被覆部６の熱膨張を低減することができるので、より効果的に、被覆部６の熱膨張を低減することができる。また、補強部８を被覆部６内に埋設することによって、前述した第１実施形態のようにいずれかの主面上に配置した場合と比較して、熱膨張時の被覆部６の反りを低減することができる。そのため、各部の熱膨張に起因する圧力検知感度の悪化や、使用温度に応じた感度のバラつきをより効果的に低減することができる。
また、本実施形態の補強部８は、表面保護膜４５と一体的に形成されている。これにより、例えば、前述した第１実施形態のように、補強部８を形成する工程を別途設ける必要がなくなるので、物理量センサー１の製造工程の簡略化、低コスト化を図ることができる。
ここで、本実施形態の物理量センサー１の製造方法について説明すると、本実施形態の構成では、表面保護膜４５とともに補強部８が形成されている状態で、前述の第１実施形態で述べた［空洞部形成工程］が行われることとなる。そのため、補強部８は、被覆層４４１に配置されている細孔４４２を塞がないように、平面視で、細孔４４２と重ならないように、細孔４４２からずれて配置されている。これにより、［空洞部形成工程］を確実に行うことができる。なお、細孔４４２の全てを塞がない限り、補強部８は、一部の細孔４４２と重なっていてもよい。
このような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
２．高度計
次に、本発明の物理量センサーを備える高度計の一例について説明する。図１５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。
３．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１６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）、フライトシュミレーター等に適用することができる。
４．移動体
次いで、本発明の物理量センサーを備える移動体について説明する。図１７は、本発明の移動体の一例を示す斜視図である。
図１７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、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、他の任意の構成物や、工程が付加されていてもよい。
また、前述した実施形態では、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、本発明は、これに限定されず、例えば、フラップ型の振動子、櫛歯電極等の他のＭＥＭＳ振動子や、水晶振動子等の振動素子を用いることもできる。
また、前述した実施形態では、４つのセンサー素子を用いる場合を例に説明したが、本発明は、これに限定されず、センサー素子の数は、１つ以上３つ以下、または、５つ以上であってもよい。
１……物理量センサー
２、２Ａ……基板
２０……フォトレジスト膜
２１……半導体基板
２２……第１絶縁膜
２３……第２絶縁膜
２４……ダイアフラム
２４ａ……辺
２４ｂ……辺
２４ｃ……辺
２４ｄ……辺
２４１……受圧面
２５……凹部
３……センサー素子
３Ａ……素子形成用膜
３ａ……ピエゾ抵抗素子
３ｂ……ピエゾ抵抗素子
３ｃ……ピエゾ抵抗素子
３ｄ……ピエゾ抵抗素子
３０……ブリッジ回路
３１ａ……ピエゾ抵抗部
３１ｂ……ピエゾ抵抗部
３１ｃ……ピエゾ抵抗部
３１ｄ……ピエゾ抵抗部
３３ｃ……接続部
３３ｄ……接続部
３９ａ……配線
３９ｂ……配線
３９ｃ……配線
３９ｄ……配線
４……素子周囲構造体
４１……層間絶縁膜
４２……配線層
４２ａ……配線層
４２ｂ……配線層
４３……層間絶縁膜
４４……配線層
４４ａ……配線層
４４ｂ……配線層
４４１……被覆層
４４２……細孔
４５……表面保護膜
４６……封止層
５……壁部
６……被覆部
７……空洞部
８……補強部
８１……第１延在部
８２……第２延在部
８３……枠部
８４……延在部
９……半導体回路
９１……ＭＯＳトランジスタ
９１１……ゲート電極
２００……高度計
２０１……表示部
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
なお、配線層４２、４４は、空洞部７を囲むように形成されている配線層４２ｂ、４４
ｂと、半導体回路９の配線を構成する配線層４２ａ、４４ａと、を含んでいる。これによ
り、半導体回路９の配線は、配線層４２ａ、４４ａによって、物理量センサー１の上面に引き出
されている。
また、配線層４２ｂ、４４ｂは、平面視で複数のセンサー素子３を囲むように環状をな
している。また、配線層４２ａ、４４ａは、半導体基板２１上およびその上方に形成され
た配線（例えば、半導体回路９の一部を構成する配線）に電気的に接続される。
［補強部形成工程］
次に、図１１に示すように、被覆部６の上面に補強部８を形成する。補強部８の形成は
、シリコン酸化膜またはシリコン窒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またはシリコン窒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。
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。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。

Claims (13)

  1. 撓み変形可能なダイアフラムを有する基板と、
    前記基板の前記ダイアフラム上に配置されているセンサー素子と、
    前記基板上に配置され、前記基板の平面視で前記センサー素子を囲んでいる壁部と、
    前記基板の平面視で、一部が前記センサー素子と重なっていて、前記壁部と接続している被覆部と、
    前記基板の平面視で、前記被覆部の一部と重なっていて、前記被覆部の構成材料よりも熱膨張率の小さい材料を含んでいる補強部と、
    を有することを特徴とする物理量センサー。
  2. 前記補強部は、前記壁部または前記ダイアフラムに含まれている材料を構成材料として含んでいる請求項１に記載の物理量センサー。
  3. 前記補強部は、構成材料としてシリコンを含んでいる請求項１または２に記載の物理量センサー。
  4. 前記補強部は、前記基板の平面視にて、格子状の部分を有している請求項１ないし３のいずれか１項に記載の物理量センサー。
  5. 前記補強部は、前記基板の平面視にて、放射状の部分を有している請求項１ないし３のいずれか１項に記載の物理量センサー。
  6. 前記補強部は、前記被覆部上に設けられている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサー。
  7. 前記被覆部は、
    厚さ方向に貫通する貫通孔を備えている第１層と、
    前記第１層に重ねて設けられ、前記貫通孔を封止する第２層と、を有し、
    前記補強部は、前記基板の平面視で、前記貫通孔と重なるように配置されている請求項６に記載の物理量センサー。
  8. 前記補強部は、前記被覆部に埋設されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の物理量センサー。
  9. 前記被覆部は、
    厚さ方向に貫通する貫通孔を備えた第１層と、
    前記第１層に重ねて設けられ、前記貫通孔を封止する第２層と、を有し、
    前記補強部は、前記第１層と前記第２層の間に配置されており、前記基板の平面視にて、前記貫通孔からずれて配置されている請求項８に記載の物理量センサー。
  10. 圧力を検出する圧力センサーである請求項１ないし９のいずれか１項に記載の物理量センサー。
  11. 請求項１ないし９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。
  12. 請求項１ないし９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。
  13. 請求項１ないし９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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