JP5558198B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

Description

この発明は、半導体圧力センサに関するものである。

従来の圧力センサ用半導体基板は、以下の手順で製造される。
まず、単結晶シリコン基板からなる第１半導体基板の一面側に所定の厚さの酸化膜を形成し、酸化膜の厚み方向に穴方向の一致する貫通穴を、酸化膜の一部を除去して形成する。次いで、貫通穴の内周面と面一の内周面を有する凹部を第１半導体基板に形成する。次いで、単結晶シリコン基板からなる第２半導体基板を、酸化膜の表面に露出する貫通穴を覆うように、第１半導体基板に酸化膜を介して接合する。また、第２半導体基板を薄肉化して凹部と相対する第２半導体基板の部位にダイヤフラムを形成し、さらに、ダイヤフラムの表面に歪検出素子を形成することで、従来の圧力センサ用半導体基板が製造される（例えば、特許文献１参照）。

特許第４２１４５６７号明細書

従来の圧力センサ用半導体基板では、第１半導体基板に形成された凹部の開口縁部の位置と、酸化膜に形成された貫通穴の縁部の位置が一致している。ここで、酸化膜には、残留応力が生じているが、酸化膜に働く残留応力に起因した応力の大きさは、貫通穴の縁部で不連続となる。また、圧力がダイヤフラムに外部から付加されて、ダイヤフラムが撓むと、凹部の開口縁部に大きな応力が生じる。従来の圧力センサ用半導体基板のように、凹部の開口縁部の位置と貫通穴の縁部の位置とが一致していると、ダイヤフラムが撓む際にダイヤフラムに発生する応力に、貫通穴の縁部を境界として不連続となる応力が重畳される。このため、圧力がダイヤフラムに外部から付加されたときのダイヤフラムの破壊耐圧が著しく低下する。

この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ダイヤフラムの破壊耐圧を向上させることのできる半導体圧力センサを得ることを目的とする。

この発明の半導体圧力センサは、厚さ方向の一面に開口する凹部が形成された第１半導体基板と、第１半導体基板の一面と相対して配置され、第１半導体基板側の面に第２絶縁 膜が設けられた第２半導体基板と、第１半導体基板と第２半導体基板との間に介装され、凹部と第２半導体基板上の第２絶縁膜との間を連通する貫通穴が形成された第１絶縁膜と、を備え、第１半導体基板、第２絶縁膜および第１絶縁膜から気密な基準圧力室が形成され、貫通穴及び凹部の開口と相対する側から見て、貫通穴の縁部の少なくとも一部が、凹部の開口縁部の内側に位置している。

この発明に係る半導体圧力センサによれば、第１絶縁膜に形成された貫通穴及び第１半導体基板に形成された凹部の開口と相対する側から見て、貫通穴の縁部の少なくとも一部が、凹部の開口縁部より内側に位置している。これにより、凹部の開口縁部と貫通穴の縁部とが離間して配置されるので、第２半導体基板が撓む際に第２半導体基板に発生する応力に、貫通穴の縁部を境界として不連続となる応力が重畳されることがなくなり、圧力が凹部と相対する第２半導体基板の部位に外部から付加されたときの第２半導体基板の破壊耐圧を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの断面図である。 この発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法の準備工程を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法の絶縁膜・凹部形成工程を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法の基板連結工程を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法のダイヤフラム形成工程を説明する図である。 はこの発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法の歪検出素子形成・後処理工程を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの要部拡大断面図である。 この発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの破壊耐圧と（第１酸化シリコン膜の延出量）／（第１酸化シリコン膜の厚さ）との関係を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る半導体圧力センサの断面図である。 この発明の実施の形態３に係る半導体圧力センサの断面図である。 この発明の実施の形態３に係る半導体圧力センサの連結基板酸化処理工程を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法のダイヤフラム形成工程を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法の歪検出素子形成・後処理工程を説明する図である。 この発明の実施の形態４に係る半導体圧力センサの断面図である。 この発明の実施の形態４に係る半導体圧力センサの製造方法の絶縁膜・凹部形成工程を説明する図である。 この発明の実施の形態４に係る半導体圧力センサの製造方法の半導体圧力センサの製造方法の酸化膜選択除去工程を説明する図である。 この発明の実施の形態４に係る半導体圧力センサの製造方法の基板連結工程を説明する図である。 この発明の実施の形態４に係る半導体圧力センサの製造方法のダイヤフラム形成工程を説明する図である。 この発明の実施の形態４に係る半導体圧力センサの製造方法の歪検出素子形成・後処理工程を説明する図である。 この発明の実施の形態５に係る半導体圧力センサの断面図である。 この発明の実施の形態６に係る半導体圧力センサの断面図である。 この発明の実施の形態７に係る半導体圧力センサ付き内燃機関装置のブロック構成図である。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの断面図である。

図１において、半導体圧力センサ１Ａは、厚さ方向の一面に開口する凹部２が形成された第１半導体基板３と、一面を凹部２と逆側に向け、他面を凹部２に向けて配置される第２半導体基板４と、第１半導体基板３と第２半導体基板４との間に介装され、凹部２と第２半導体基板４とを連通する貫通穴５が形成された第１絶縁膜としての第１酸化シリコン膜６と、第２半導体基板４の一面側に設けられる歪検出素子７と、を備える。
また、図示しないが、半導体圧力センサ１Ａは、歪検出素子７への電力供給や、歪検出素子７から出力される電気信号を外部に取り出すための配線や電極、及びこれらを保護するための保護膜などを有している。

第１半導体基板３及び第２半導体基板４のそれぞれは、単結晶シリコン基板が用いられ、このように単結晶シリコン基板の間に酸化シリコン膜を備えた構造は一般にＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）と呼ばれる。

凹部２は、深さ方向を第１半導体基板３の厚み方向に一致させて形成され、深さ方向に直交する断面の外形が正方形に作製されている。また、第１酸化シリコン膜６の厚さ方向は、第１半導体基板３及び第２半導体基板４の厚み方向に一致し、貫通穴５の穴方向は、第１酸化シリコン膜６の厚み方向に一致している。

そして、貫通穴５及び凹部２の開口と相対する側から見て、貫通穴５の縁部は、全域で凹部２の開口縁部より内側に位置し、貫通穴５と凹部２の開口縁部との間の距離は、所定の値になっている。つまり、第１酸化シリコン膜６は、所定の長さだけ、凹部２の開口縁部から延出されている。

また、基準圧力室８が、凹部２と貫通穴５を構成する壁面、及び貫通穴５の開口を覆う第２半導体基板４の壁面に囲まれる空間により形成されている。また、凹部２と相対する第２半導体基板４の領域が、ダイヤフラム９を構成する。即ち、第２半導体基板４内のダイヤフラム９とその他の領域との境界は、凹部２の開口縁部と相対する第２半導体基板４の枠で定義される。なお、ダイヤフラム９の外周縁部の一部は、第１酸化シリコン膜６を介して凹部２と相対する。

また、歪検出素子７が、凹部２と逆側に向けられたダイヤフラム９の一面に互いに離間して複数形成されている。
ダイヤフラム９に外部から圧力が加えられると、ダイヤフラム９が撓み、主にダイヤフラム９の境界側の部位が歪む。
歪検出素子７は、ダイヤフラム９の歪み量に応じて抵抗が変化する抵抗素子を有し、抵抗の変化に応じた電気信号を出力するように構成されている。
つまり、ダイヤフラム９は、基準圧力室８と外部の圧力との差圧に応じて撓むので、半導体圧力センサ１Ａは、ダイヤフラム９の一面（凹部２と逆側の面）に付加される圧力と基準圧力室８との差圧に応じた圧力を検出する。なお、基準圧力室８内の圧力が真空である場合、ダイヤフラム９に付加された圧力を絶対圧として測定することが可能となる。

以上のように構成された半導体圧力センサ１Ａによれば、貫通穴５及び凹部２の開口と相対する側から見て、貫通穴５の縁部の全域が、凹部２の開口縁部より内側に位置している。ここで、第１酸化シリコン膜６では残留応力が生じており、第１酸化シリコン膜６の残留応力に起因した応力の大きさは、貫通穴５の縁部で不連続に変化する。半導体圧力センサ１Ａでは、凹部２の開口縁部と貫通穴５の縁部とが離間して配置されるので、ダイヤフラム９に外部から付加される圧力と基準圧力室８内の圧力の差に起因してダイヤフラム９が撓んだときにダイヤフラム９に生じる応力に、貫通穴５の縁部を境界として不連続となるように生じる第１酸化シリコン膜６の応力が重畳されることがなくなる。これにより、ダイヤフラム９への局所的な応力集中が抑制されてダイヤフラム９の破壊耐圧が大きくなるので、ダイヤフラム９が破壊されることを未然に防止できる。

次いで、半導体圧力センサ１Ａの製造方法について説明する。
図２はこの発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法の準備工程を説明する図、図３のこの発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法の絶縁膜・凹部形成工程を説明する図、図４はこの発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法の基板連結工程を説明する図、図５はこの発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法のダイヤフラム形成工程を説明する図、図６はこの発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法の歪検出素子形成・後処理工程を説明する図である。

準備工程では、図２に示されるように、第１半導体素地基板１０及び第２半導体素地基板１１を用意する。
第１半導体素地基板１０及び第２半導体素地基板１１は、面方位が１００の単結晶シリコン基板である。第１半導体素地基板１０の導電型、及び抵抗率は、特に限定されるものではないが、例えば、第１半導体素地基板１０は、Ｐ型の導電型を有し、かつ、１〜１０Ω・ｃｍ程度の抵抗率を有するものが好適である。第２半導体素地基板１１としては、導電型がＮ型であり、１〜１０Ω・ｃｍ程度の抵抗率を有するものが好適である。

絶縁膜・凹部形成工程では、図３に示されるように、第１半導体素地基板１０の表面を熱酸化法によって酸化する。これにより、第１半導体素地基板１０は、第１半導体基板３と、第１半導体基板３の表面全域に構成される第１酸化シリコン膜６からなる半導体／絶縁膜基板１２となる。第１酸化シリコン膜６の厚さは０．１μｍ以上が好ましく、より好ましくは０．２〜３．０μｍである。第１酸化シリコン膜６の厚さを０．２〜３．０μｍとすることで、水分が第１酸化シリコン膜６の表面に吸収されやすくなる。

次いで、第１半導体基板３の厚み方向の一面側の第１酸化シリコン膜６の所定部位を、写真製版技術とプラズマエッチング技術を用いて除去し、正方形の内形形状を有する貫通穴５を形成する。

さらに、貫通穴５を介して第１半導体基板３にエッチングを施し、第１半導体基板３の一面に開口する凹部２を形成する。
凹部２の形成には、パーフルオロシクロブタンガスと六フッ化硫黄ガスとを交互にエッチング対称領域に導入することで、第１半導体基板３の厚み方向へのエッチングを行うことが可能な所謂ボッシュプロセスを採用する。第１半導体基板３のエッチング条件を調整することで、凹部２の内形の一辺を第１酸化シリコン膜６の貫通穴５の一辺より１〜５μｍ程度大きくする。なお、凹部２の形成には、ボッシュプロセスを採用するものに限定されず、水酸化カリウム、水酸化テトラメチルアンモニウムなどのアルカリ溶液によるウェットエッチングを採用してもよい。

基板連結工程では、図４に示されるように、第２半導体素地基板１１が、貫通穴５を覆い、第１酸化シリコン膜６を介して第１半導体基板３と相対するように、以下に説明する直接接合法によって、半導体／絶縁膜基板１２と第２半導体素地基板１１とを連結する。

半導体／絶縁膜基板１２と第２半導体素地基板１１との連結作業では、まず、９８％の濃度の硫酸と３０％の濃度の過酸化水素水とを容積比で４：１の割合で混合して１３０℃に加熱した混合溶液を用意し、半導体／絶縁膜基板１２をこの混合溶液により約１０分間洗浄処理を施した後、純水にて洗浄する。これにより、半導体／絶縁膜基板１２の表面は親水化される。

次に、室温下にて、半導体／絶縁膜基板１２と第２半導体素地基板１１とを、第２半導体素地基板１１が貫通穴５を覆うように互いに密接させて仮固定する。

半導体／絶縁膜基板１２と第２半導体素地基板１１との仮固定は、大気圧〜真空の圧力環境下で行えばよいが、後工程で形成される基準圧力室８を真空にする場合には、真空中で仮固定を行うのが好ましい。

そして、仮固定した半導体／絶縁膜基板１２と第２半導体素地基板１１に対してアニール処理を行い、半導体／絶縁膜基板１２と第２半導体素地基板１１とを接合する。これにより、基準圧力室８が、凹部２と貫通穴５の壁面、及び貫通穴５の開口を覆う第２半導体素地基板１１の壁面に囲まれる空間により形成される。

半導体／絶縁膜基板１２と第２半導体素地基板１１とを強固に接合するためには、アニール処理の条件は、１０００〜１２００℃の温度範囲で行うのが好適であり、また処理時間は、２時間以上、より望ましくは６時間以上がよい。また、半導体／絶縁膜基板１２と第２半導体素地基板１１の表面の酸化を行うため、酸素や水蒸気を導入した環境下でアニール処理を行うのが好ましい。なお、アニール処理により形成される酸化膜の図示は省略している。

ダイヤフラム形成工程では、図５に示されるように、第２半導体素地基板１１を研削、化学機械研磨などの技術を用いて所定の厚さまで薄肉化する。第２半導体基板４が、薄肉化された第２半導体素地基板１１により構成される。また、ダイヤフラム９が、凹部２の開口と相対する第２半導体基板４の領域により形成される。

第２半導体素地基板１１の研削・研磨時は、大気圧環境下で行われるので、基準圧力室８が真空の場合、第２半導体素地基板１１の厚みが薄くなるほどダイヤフラム９の形成対称となる第２半導体素地基板１１の部位（以下、ダイヤフラム形成領域とする）が撓み、形成されたダイヤフラム９の厚みがばらついてしまう可能性がある。

ダイヤフラム９の薄肉化の限界は、このダイヤフラム９の厚みのばらつきやダイヤフラム９の撓み量により決定される。ダイヤフラム９の厚みのばらつき及びダイヤフラム９の撓み量は、１μｍ以下であることが望ましい。半導体圧力センサ１Ａが測定する圧力範囲にもよるが、例えば、半導体圧力センサ１Ａが０〜１気圧の圧力の範囲を測定するのに用いられる場合、外形が一辺５００μｍの正方形で、厚さが２０μｍのダイヤフラム９であれば、ダイヤフラム９の厚みのバラつきや撓み量を１μｍ以下にすることができる。

歪検出素子形成後処理工程では、まず、図６に示されるように、歪検出素子７をダイヤフラム９の所定の位置に以下に説明するように形成する。
例えば、歪検出素子７は、Ｎ型である第２半導体基板４にボロンなどのＰ型の不純物を注入して拡散することで第２半導体基板４に形成することが好ましい。

なお、可視光では、凹部２が見えないため、ダイヤフラム９の境界を判別しづらい。そこで、１０００ｎｍ以上の波長を含む白色光を第１半導体基板３、第１酸化シリコン膜６、及び第２半導体基板４に照射し、透過した光または反射した光を赤外線カメラで撮像することで、ダイヤフラム９の境界を確認することができる。
これにより、歪検出素子７を、ダイヤフラム９の中央部や、外部からダイヤフラム９に付加される圧力が、ダイヤフラム９を撓ませる方向に働いたときに、最も歪み量が大きくなるダイヤフラム９の外周縁部側の領域の正確な位置に形成することができるようになる。

そして、図示しないが、歪検出素子７への電力供給や、歪検出素子７から出力される電気信号を外部に取り出すための配線や電極、及びこれらを保護するための保護膜などを形成した後、一体化されている第１半導体基板３、第１酸化シリコン膜６、及び第２半導体基板４を所定の形状にダイシングする。さらに、第１半導体基板３の他面側の第１酸化シリコン膜６は必要に応じて削除することで、半導体圧力センサ１Ａの製造が完了する。

半導体圧力センサ１Ａを上記のように構成したことによる効果を試験により確認したので以下にその内容を具体的に説明する。
図７はこの発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの要部拡大断面図、図８はこの発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの破壊耐圧と（第１酸化シリコン膜の延出量）／（第１酸化シリコン膜の厚さ）との関係を示す図である。

図７に示されるように、半導体圧力センサ１Ａの凹部２の開口縁部からの第１酸化シリコン膜６の貫通穴５の縁部までの距離、言い換えれば、凹部２の開口縁部からの第１酸化シリコン膜６の延出量をＸ、第１酸化シリコン膜６の厚さをＴとする。
また、図示しないが、以下に説明する比較用半導体圧力センサを用意した。比較用半導体圧力センサとしては、貫通穴５及び凹部２の開口と相対する側から見て、貫通穴５の縁部が、凹部２の開口縁部に一致するもの、貫通穴５の縁部が、凹部２の開口縁部の外側に位置するものを用意した。
説明の便宜上、以下では、比較用半導体圧力センサの凹部２の開口縁部から貫通穴５の縁部までの距離を−Ｘとする。

そして、Ｘ／Ｔをパラメータとして、半導体圧力センサ１Ａ及び比較用半導体圧力センサのダイヤフラム９の破壊耐圧を測定した。
比較用半導体圧力センサは、Ｘ／Ｔが０、及び約−２０、及び−４０のものを用意し、半導体圧力センサ１Ａは、Ｘ／Ｔが約２０、４０、６０、８０、及び１００のものを用意した。

破壊耐圧は、ダイヤフラム９のサイズと厚さ、及び第１酸化シリコン膜６の厚さにより変化する。なお、ダイヤフラム９のサイズとは、ダイヤフラム９の厚み方向に垂直な断面の外形のサイズをいう。
各半導体圧力センサとも、各Ｘ／Ｔの値ごとに、ダイヤフラム９のサイズと厚さ、及び第１酸化シリコン膜６の厚さの条件の異なる複数を用意している。このとき、各半導体圧力センサとも、ダイヤフラム９の外形の一辺は２００〜２０００μｍの範囲内に、ダイヤフラム９の厚さは５〜５０μｍの範囲内に、第１酸化シリコン膜６の厚さＴは０．１〜５．０μｍの範囲内にあるものを用いている。

破壊耐圧の測定結果を図８に示す。
図８において、各半導体圧力センサで測定された破壊耐圧の値は、Ｘ／Ｔが０である比較用半導体圧力センサの破壊耐圧の値で規格化したものを相対値として示している。なお、Ｘ／Ｔが同じ値である複数の半導体圧力センサで測定された破壊耐圧の値の平均値を◆で図示している。

Ｘ／Ｔが０の比較用半導体圧力センサの破壊耐圧が最小となり、半導体圧力センサ１Ａ、及び比較用半導体圧力センサとも、Ｘ／Ｔの絶対値が大きくなるにつれて、壊耐耐圧が連続的に大きくなった。そして、Ｘ／Ｔが０の比較用半導体圧力センサの破壊耐圧は、半導体圧力センサ１Ａのダイヤフラム９の破壊耐圧の最大値の略半分の値である。

Ｘ／Ｔ＝０の比較用半導体圧力センサの絶縁耐圧と比較して、半導体圧力センサ１Ａの絶縁耐圧は、Ｘ／Ｔの値が１５程度になると１．５倍となり、Ｘ／Ｔ＝５０付近で２倍に達した。また、Ｘ／Ｔが５０を超えると、Ｘ／Ｔの増大に伴う半導体圧力センサ１Ａの破壊耐圧の増加は飽和に向かった。

半導体圧力センサ１Ａの破壊耐圧が、Ｘ／Ｔの値に関わらず、Ｘ／Ｔが０の比較用半導体圧力センサの破壊耐圧より大きくなるのは、圧力がダイヤフラム９に外部から付加されてダイヤフラム９が撓む際にダイヤフラム９に発生する応力に、貫通穴５の縁部を境界として不連続となるように生じる第１酸化シリコン膜６の応力が重畳されることがなくなるためであると考えられる。そして、Ｘ／Ｔが５０以上では、Ｘ／Ｔの値にかかわらず略一定の破壊耐圧が測定されたが、これは、ダイヤフラム９への局所的な応力集中が大きく抑制されるので、ダイヤフラム９への局所的な応力集中を避けた条件下で本来発揮されるダイヤフラム９の破壊耐圧の値が測定結果に表れたものと考えられる。

また、半導体圧力センサ１ＡのＸ／Ｔが０に近づくほど、破壊耐圧が低下するのは、貫通穴５の縁部が、凹部２の開口縁部と相対するダイヤフラム９の外縁部と一致したときに、ダイヤフラム９に外部から圧力を付加したときに発生する応力が、最もダイヤフラム９の境界側の部位に集中しやすくなるためと思料される。

一方、Ｘ／Ｔ＜０の比較用半導体圧力センサでも、Ｘ／Ｔ＝０の比較用半導体圧力センサと比較してダイヤフラム９の破壊耐圧が大きくなった。
しかしながら、第１半導体基板３及び第２半導体基板４の外形が一定であると仮定すると、Ｘ／Ｔの絶対値が０より大きくなるほど、第１半導体基板３及び第２半導体基板４の第１酸化シリコン膜６を介した接合面積が減少する。このため、Ｘ／Ｔを＜０とすることは、第１半導体基板３及び第２半導体基板４との間の第１酸化シリコン膜６を介した接合強度の確保、及び基準圧力室８の気密性の確保の観点で好ましくない。
また、第１半導体基板３及び第２半導体基板４の間の一定の接合面積を確保する場合には、第１半導体基板３及び第２半導体基板４の外形サイズが大きくなるので、やはり好ましくない。

以上まとめると、Ｘ／Ｔ＞０とすることで、第１半導体基板３及び第２半導体基板４の間の接合面積を減少させることなく、ダイヤフラム９の破壊耐圧を向上させることができるという効果が得られる。また、Ｘ／Ｔ＞５０の領域では、Ｘ／Ｔの増大に伴うダイヤフラム９の破壊耐圧の増大が飽和される。また、Ｘ／Ｔ＞５０となる場合、絶縁膜・凹部形成工程におけるエッチング時間に長時間を要し、第１酸化シリコン膜６を所望の寸法通りに形成することが難しくなる。このため、半導体圧力センサ１ＡのＸ／Ｔは、０＜Ｘ／Ｔ≦５０の範囲に設定するのがより好ましい。

なお、この実施の形態１では、貫通穴５及び凹部２の開口と相対する側から見て、貫通穴５の縁部の全域が、凹部２の開口縁部より内側に位置し、貫通穴５の縁部全域が、凹部２の開口縁部から所定の距離Ｘだけ離間した位置にあるものとして説明したが、貫通穴５の縁部の少なくとも一部が、凹部２の開口縁部の内側に位置していれば、ダイヤフラム９の破壊耐圧の向上効果が得られる。

また、第１半導体基板３及び第２半導体基板４は、単結晶シリコン基板であるものとして説明したが、第１半導体基板３及び第２半導体基板４は、単結晶シリコン基板に限定されず、シリコンカーバイド基板などを用いてもよい。また、第１絶縁膜は第１酸化シリコン膜６であるものとして説明したが、第１酸化シリコン膜６に限定されず、シリコンカーバイド絶縁膜などを用いてもよい。

また、ダイヤフラム９の断面形状、及び貫通穴５の内形形状は、正方形であるものとして説明したが、円形など、他の形状であっても上記と同様の効果がえられる。

実施の形態２．
図９はこの発明の実施の形態２に係る半導体圧力センサの断面図である。
なお、図９において、上記実施の形態１と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
図９において、半導体圧力センサ１Ｂは、第２半導体基板４と第１酸化シリコン膜６に形成された貫通穴５を覆う第２絶縁膜としての第２酸化シリコン膜１５が、第２半導体基板４の凹部側の面に設けられている。つまり、第２酸化シリコン膜１５が、ダイヤフラム９と凹部２との間に配置されるように、第２半導体基板４の第１酸化シリコン膜６側の面に設けられている。
半導体圧力センサ１Ｂの他の構成は、半導体圧力センサ１Ａと同様である。

半導体圧力センサ１Ｂの製造方法を以下に説明する。
半導体圧力センサ１Ｂの製造方法は、基板連結工程を実施に先立って、第２半導体素地基板酸化工程を実施する他は、半導体圧力センサ１Ａの製造方法と同様である。
第２半導体素地基板酸化工程は、第２半導体素地基板１１の表面全域に第２酸化シリコン膜１５が形成されるように第２半導体素地基板１１を酸化処理するものである。

以下、説明の便宜上、酸化処理された第２半導体素地基板１１を第２半導体素地基板１１として説明する。
基板連結工程では、第２半導体素地基板１１の一面側を第１酸化シリコン膜６と逆側に向け、第２半導体素地基板１１の他面を、第１酸化シリコン膜６側上に配置されるように、第２酸化シリコン膜１５を形成した第２半導体素地基板１１を配置する。これにより、第２酸化シリコン膜１５が第１酸化シリコン膜６の貫通穴５を覆うように設けられる。
以下、半導体圧力センサ１Ａの製造方法と同様の手順で、半導体圧力センサ１Ｂを製造することができる。

この実施の形態２によれば、第２酸化シリコン膜１５が、ダイヤフラム９と凹部２との間に配置されるように、第２半導体基板４の第１半導体基板３側の面に設けられている。第２酸化シリコン膜１５にも、第１酸化シリコン膜６と同様に残留応力が発生しており、第１酸化シリコン膜６と第２酸化シリコン膜１５とが接するように配置されることから、第１酸化シリコン膜６の残量応力に起因した応力の貫通穴５の縁部での不連続性が、大幅に軽減される。貫通穴５の縁部での応力の不連続性が大幅に軽減されることから、外部からダイヤフラム９に加えられた圧力と基準圧力室８内の圧力の差によってダイヤフラム９が撓む際、ダイヤフラム９に発生する応力は、ダイヤフラム９の撓みに起因するもののみに抑制することができる。これにより、ダイヤフラム９の破壊耐圧を一層向上させることができる。

なお、この実施の形態２では、第２絶縁膜は第２酸化シリコン膜１５であるものとして説明したが、第２酸化シリコン膜１５に限定されず、シリコンカーバイド絶縁膜などを用いてもよい。

実施の形態３．
図１０はこの発明の実施の形態３に係る半導体圧力センサの断面図である。
なお、図１０において、上記実施の形態１と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
図１０において、半導体圧力センサ１Ｃは、第３絶縁膜としての第３酸化シリコン膜１６が、基準圧力室８の表面、言い換えれば、凹部２と貫通穴５を構成する壁面、及び貫通穴５の開口を覆う第２半導体基板４の壁面の全域に形成されている。
半導体圧力センサ１Ｃの他の構成は、半導体圧力センサ１Ａと同様である。

以上のように構成された半導体圧力センサ１Ｃによれば、凹部２と貫通穴５を構成する壁面、及び貫通穴５の開口を覆う第２半導体基板４の壁面の全域に第３酸化シリコン膜１６が形成されている。第３酸化シリコン膜１６が、凹部２の表面層に形成されることで、ダイヤフラム９に圧力がかかったときに、応力が集中する領域が、第１酸化シリコン膜６を介した第１半導体基板３及び第２半導体基板４の接合界面に対してずらされる。

ここで、第１酸化シリコン膜６を介した第１半導体基板３及び第２半導体基板４の接合界面には、第１半導体基板３及び第２半導体基板４のシリコンの結晶格子定数の不整合に起因して、残留応力が発生している。このような第１半導体基板３と第２半導体基板４の接合界面に、ダイヤフラム９への圧力の付加によって大きな応力が集中すると、第２半導体基板４に発生したクラックがダイヤフラム９へ進展して、ダイヤフラム９の破壊につながることあがる。

半導体圧力センサ１Ｃでは、ダイヤフラム９に圧力がかかったときに、応力が集中する領域が、第１酸化シリコン膜６を介した第１半導体基板３及び第２半導体基板４の接合界面からずれるので、第２半導体基板に発生したクラックが進行して、ダイヤフラム９が破壊されることが防止される。つまり、ダイヤフラム９の破壊耐圧を向上させることができる。

半導体圧力センサ１Ｃの製造方法を以下に説明する。
図１１はこの発明の実施の形態３に係る半導体圧力センサの連結基板酸化処理工程を説明する図、図１２はこの発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法のダイヤフラム形成工程を説明する図、図１３はこの発明の実施の形態１に係る半導体圧力センサの製造方法の歪検出素子形成・後処理工程を説明する図である。
なお、図１１〜図１３において、上記実施の形態１と同一または相当部分には、同一符号を付し、その説明は省略する。
半導体圧力センサ１Ｃの製造方法は、準備工程、絶縁膜・凹部形成工程、基板連結工程、連結基板酸化処理工程、ダイヤフラム形成工程、及び歪検出素子形成・後処理工程を有する。

準備工程、及び絶縁膜・凹部形成工程は、半導体圧力センサ１Ａの製造方向の準備工程、絶縁膜・凹部形成工程と同様である。基板連結工程では、半導体／絶縁膜基板１２と第２半導体素地基板１１とを仮固定する前に、予め、半導体／絶縁膜基板１２を、水蒸気を含む環境下に配置し、凹部２の内壁面に水分を含ませておく。

次いで行う連結基板酸化処理工程では、図１１に示されるように、半導体／絶縁膜基板１２と第２半導体素地基板１１に対してアニール処理を高温にて行う。これにより、凹部２の内壁面に含まれた水分により、凹部２と貫通穴５の壁面、及び貫通穴５の開口を覆う第２半導体基板４の壁面が酸化されて第３酸化シリコン膜１６が形成され、第３酸化シリコン膜１６の内側に構成される空間が、基準圧力室８となる。

以下、図１２及び図１３に示されるように、半導体圧力センサ１Ａの製造方法と同様、ダイヤフラム形成工程、及び歪検出素子形成・後処理工程を実施することで、半導体圧力センサ１Ｃを得ることができる。

ここで、基板連結工程前に、予め半導体／絶縁膜基板１２の凹部２及び貫通穴５の内壁面に第３酸化シリコン膜１６に相当する酸化膜を構成しておくことも考えられる。しかし、予め凹部２の表面に酸化膜を形成しておくと、酸化膜に発生する応力によって第１半導体基板３に歪みが生じたり、凹部２の開口縁部近傍での第１半導体基板３の応力が不均一となることに起因して、第１半導体基板３と第２半導体基板４の間との接合不良が発生したりする場合がある。

また、アニール処理により、第２半導体素地基板１１と凹部２に酸化膜を形成した半導体／絶縁膜基板１２とを接合する際、半導体／絶縁膜基板１２の凹部２側の端部近傍の部位と、当該部位と相対する第２半導体素地基板１１の部位とで、酸化膜の成長速度が異なる。これに起因して、半導体／絶縁膜基板１２の凹部２側の端部近傍の部位が隆起し、第２半導体素地基板１１が、この部分のみと接触し、半導体／絶縁膜基板１２の他の表面に接触せずに、半導体／絶縁膜基板１２と第２半導体素地基板１１とが接合不良を起こす恐れがある。
半導体圧力センサ１Ｃの製造方法によれば、半導体／絶縁膜基板１２と第２半導体素地基板１１とを予め仮固定した後に第３酸化シリコン膜１６を形成するので、この問題を回避可能できる。

実施の形態４．
図１４はこの発明の実施の形態４に係る半導体圧力センサの断面図である。
なお、図１４において、上記実施の形態１と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

図１４において、半導体圧力センサ１Ｄは、第１半導体基板３に一体に形成されて、基準圧力室８内に設けられるストッパ１７を有する他は半導体圧力センサ１Ａと同様に構成されている。

ストッパ１７は、ダイヤフラム９の中心と相対する凹部２の底部に突設されている。
ここで、半導体圧力センサ１Ｄが測定する圧力の範囲をＰ１〜Ｐ２とする。
そして、半導体圧力センサ１Ｄの周囲の気圧がＰ１であるときに、ストッパ１７の突出端とダイヤフラム９との間に所定の隙間が形成され、かつ、半導体圧力センサ１Ｄの周囲の気圧がＰ２となってダイヤフラム９が撓んだときに、ストッパ１７の突出端がダイヤフラム９と接触せず、かつ、極力ダイヤフラム９と極力接近するようになっている。

以上のように構成された半導体圧力センサ１Ｄによれば、測定する圧力の範囲の最大値Ｐ２より大きな所定の圧力（外力）で、ダイヤフラム９が所定量撓まされたときに、ストッパ１７がダイヤフラム９に当接される。これにより、予期せぬ過大圧力が、外部からダイヤフラム９に付加されたときでも、ダイヤフラム９が所定量より大きく撓むことが、ストッパ１７により規制されるので、ダイヤフラム９が破壊されることを極力防止できる。

次いで、半導体圧力センサ１Ｄの製造方法について説明する。
図１５はこの発明の実施の形態４に係る半導体圧力センサの製造方法の絶縁膜・凹部形成工程を説明する図、図１６はこの発明の実施の形態４に係る半導体圧力センサの製造方法の半導体圧力センサの製造方法の酸化膜選択除去工程を説明する図、図１７はこの発明の実施の形態４に係る半導体圧力センサの製造方法の基板連結工程を説明する図、図１８はこの発明の実施の形態４に係る半導体圧力センサの製造方法のダイヤフラム形成工程を説明する図、図１９はこの発明の実施の形態４に係る半導体圧力センサの製造方法の歪検出素子形成・後処理工程を説明する図である。
なお、図１５〜図１９において、上記実施の形態１と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

半導体圧力センサ１Ｄの製造方法は、準備工程、絶縁膜・凹部形成工程、基板連結工程、ダイヤフラム形成工程、及び歪検出素子形成・後処理工程を有する。
準備工程は、半導体圧力センサ１Ａの製造方法の準備工程と同様である。
絶縁膜・凹部形成工程では、半導体圧力センサ１Ａと同様の手法で、第１酸化シリコン膜６に貫通穴５を形成するが、図１５に示されるように、貫通穴５を形成領域の中央に位置する第１酸化シリコン膜６の所定部位を島状に残す。次いで、貫通穴５を介して第１半導体基板３にエッチングを施して、凹部２を形成する。これにより、凹部２の底部から突設され、突出端に第３酸化シリコン膜１６の一部を有するストッパ１７が凹部２内に形成される。

酸化膜選択除去工程では、図１６に示されるように、ストッパ１７の突出端に形成された第３酸化シリコン膜１６の部位のみを、ドライエッチングなどにより選択的に除去する。なお、イオンミリングなどの方法を用いて、ストッパの突出端に形成されている第３酸化シリコン膜１６の部位を選択的に除去してもよい。
このとき、第３酸化シリコン膜１６だけでなく、ストッパ１７の突出端から基端に向かって所定の領域を除去する。また、ストッパ１７の突出端面は、粗面にしておく。

次いで行う基板連結工程では、図１７に示されるように、半導体圧力センサ１Ａの製造方法の基板連結工程と同様、第２半導体素地基板１１が、貫通穴５を覆い、第１酸化シリコン膜６を介して第１半導体基板３と相対するように、半導体／絶縁膜基板１２と第２半導体素地基板１１とを仮固定する。このとき、ストッパ１７の突出端と第２半導体素地基板１１との間には所定の隙間が形成される。

以下、図１８及び図１９に示されるように、半導体圧力センサ１Ａの製造方法と同様に、ダイヤフラム形成工程、及び歪検出素子形成・後処理工程を実施することで、半導体圧力センサ１Ｄの製造が完了する。

以上の半導体圧力センサ１Ｄの製造方法によれば、ダイヤフラム形成工程では、上述したように、第２半導体素地基板１１を研削、化学機械研磨により薄肉化してダイヤフラム９を形成している。

例えば、基準圧力室８が真空の場合、第２半導体素地基板１１が薄肉化するにつれて、第２半導体素地基板１１のダイヤフラム形成領域が撓む。形成したダイヤフラム９を微小な圧力の検出用に用いる場合、ダイヤフラム９の厚さは特に薄くする必要がある。このため、ストッパ１７を設けていない場合には、第２半導体素地基板１１の厚さが、所望のダイヤフラム９の厚さに近づくと、研削時の荷重によっては第２半導体素地基板１１のダイヤフラム形成領域が大きく撓む。これにより、形成したダイヤフラム９の厚さが大きくばらついてしまうことがある。また、予期せぬ過大な圧力がダイヤフラム９に付加されたときに、ダイヤフラム９の変位が規制されず、ダイヤフラム９が大きく撓んで破壊してしまう恐れがある。

一方、半導体圧力センサ１Ｄの製造方法のように、ダイヤフラム形成工程の前にストッパ１７を設けておくことで、第２半導体素地基板１１の研削時、第２半導体素地基板１１のダイヤフラム形成領域が大きく撓もうとしても、ストッパ１７に当接して大きく撓むことが防止される。これにより、形成されるダイヤフラム９の厚みのばらつきを抑制することができる。さらには、ダイヤフラム９に過大な圧力が付加されても、ダイヤフラム９の撓みが抑制されるので、ダイヤフラム９が破壊されることが防止される。

また、ストッパ１７の突出端面を粗面としておくことで、半導体圧力センサ１Ｄの完成後、ダイヤフラム９がストッパ１７に当接したときに、ストッパ１７とダイヤフラム９とが密着して離れなくなることを防止できる。

なお、この実施の形態５によれば、形成するストッパ１７の数は一つであるものとして説明したが、形成するストッパ１７の数は一つに限定されるものではなく、ダイヤフラム９のサイズや厚みなどに応じ、適宜ストッパ１７の形成数及びストッパ１７の基準圧力室８内の配置位置を設定することで、ダイヤフラム形成工程でのダイヤフラム９の厚さのばらつきを抑制したり、破壊耐圧を向上させたりすることができる場合もある。

実施の形態５．
図２０はこの発明の実施の形態５に係る半導体圧力センサの断面図である。
なお、図２０において、上記実施の形態３と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
図２０において、半導体圧力センサ１Ｅは、ストッパ１７の表面を含む基準圧力室８の表面全域に、第３絶縁膜としての第４酸化シリコン膜１８を備える。他の構成は半導体圧力センサ１Ｃの構成と同様である。

なお、半導体圧力センサ１Ｅの製造方法は、半導体圧力センサ１Ｄの製造方法において、基板連結工程とダイヤフラム形成工程の間に、半導体圧力センサ１Ｃの製造方法の連結基板酸化処理工程と同様の工程を追加して構成している。

以上のように構成された半導体圧力センサ１Ｅによれば、第４酸化シリコン膜１８に覆われたストッパ１７の先端とダイヤフラム９との間の隙間を第１酸化シリコン膜６の厚さよりさらに小さくすることが可能である。

ここで、半導体圧力センサ１Ｅが、測定する圧力範囲の最大値Ｐ２が付加される環境下におかれてダイヤフラム９が撓んだときに、ダイヤフラム９が貫通穴５より凹部２の底部側に突出されないことは多々ある。

半導体圧力センサ１Ｅが、圧力範囲の最大値Ｐ２が付加される環境下におかれてダイヤフラム９が撓んだときでも、ダイヤフラム９と接触しないように、ストッパ１７の突出端を貫通穴５内に挿入させることで、以下の効果が得られる。

即ち、ダイヤフラム形成工程で、第２半導体素地基板１１を研削するときのダイヤフラム形成領域の撓みをさらに抑制することができるので、ダイヤフラム９の厚みのばらつきを一層小さくすることができる。また、過大な圧力でダイヤフラム９が外部から押圧されて撓んだときに、ダイヤフラム９が大きく撓むことが一層防止されるので、破壊耐圧をより向上させることができる。

実施の形態６．
図２１はこの発明の実施の形態６に係る半導体圧力センサの断面図である。
なお、図２１において、上記実施の形態１と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。

図２１において、半導体圧力センサ１Ｆは、凹部２の底部と第１半導体基板３の他面とを連通する連通穴２０が形成されている。他の構成は、半導体圧力センサ１Ａの構成と同様である。

次いで、半導体圧力センサ１Ｆの製造方法について説明する。
半導体圧力センサ１Ｆの製造方法は、絶縁膜・凹部形成工程の後に、連通穴形成工程を追加する他は、第１半導体圧力センサ１Ａの製造方法と同様である。

連通穴形成工程では、半導体／絶縁膜基板１２の他面側の第１酸化シリコン膜６を写真製版技術とプラズマエッチング技術を用いて除去し、凹部２の底部と第１半導体基板３の他面とを連通する連通穴２０を、絶縁膜・凹部形成工程での凹部の形成方法と同様、ボッシュプロセスを用いて形成する。ボッシュプロセスを用いて連通穴２０を形成することで、連通穴２０の穴方向を第１半導体基板３の厚み方向に一致させて第１半導体基板３をエッチングできるので、連通穴２０の開口を小さくでき、第１半導体基板３の他面を、例えばダイボンド材によってケーシングなどに固定するための領域が確保される。

上記のように構成された半導体圧力センサ１Ｆは、第１半導体基板３側の圧力と、第２半導体基板４側の圧力との差を測定する差圧センサとなる。つまり、例えば、区画された２つの空間のうち、一方の空間にダイヤフラム９が露出するように配置され、他方の空間に連通穴２０の開口が露出するように配置することで、半導体圧力センサ１Ｆは、区画された空間の圧力差を測定することができる差圧センサとして利用可能となる。

実施の形態７．
図２２はこの発明の実施の形態７に係る半導体圧力センサ付き内燃機関装置の構成図である。

図２２において、半導体圧力センサ付き内燃機関装置２４は、吸気通路２６及び排気経路２７を有する内燃機関２５と、内燃機関２５の吸気通路２６の圧力を測定可能に内燃機関２５に取り付けられた半導体圧力センサ１Ａを有する。
つまり、半導体圧力センサ１Ａのダイヤフラム９の一面が、吸気通路２６内に配置されている。

内燃機関２５において、吸気通路２６の圧力の測定範囲は、高々５気圧程度であるものが多いが、バックファイアが発生すると、吸気通路２６内の圧力が異常に大きくなる。
このため、吸気通路２６の圧力の測定範囲に対し、ダイヤフラム９は、５倍から１０倍以上の破壊耐圧が求められる。
半導体圧力センサ１Ａは、ダイヤフラム９の破壊耐圧が向上しており、ダイヤフラム９の厚みをある程度厚くするだけで、内燃機関２５の吸気通路２６内の圧力測定用としても使用できる。

なお、この実施の形態７では、内燃機関２５に半導体圧力センサ１Ａを取り付けて、半導体圧力センサ付き内燃機関装置２４を構成するものとして説明したが、半導体圧力センサ１Ａに代え、半導体圧力センサ１Ｂ〜１Ｆのいずれかが取り付けられていてもよい。

１Ａ〜１Ｆ 半導体圧力センサ、２ 凹部、３ 第１半導体基板、４ 第２半導体基板、５ 貫通穴、６ 第１酸化シリコン膜（第１絶縁膜）、１５ 第２酸化シリコン膜（第２絶縁膜）、１６ 第３酸化シリコン膜（第３絶縁膜）、１８ 第４酸化シリコン膜（第３絶縁膜）、１７ ストッパ、２５ 内燃機関、２６ 吸気通路。

Claims (5)

1. 厚さ方向の一面に開口する凹部が形成された第１半導体基板と、
   上記第１半導体基板の一面と相対して配置され、上記第１半導体基板側の面に第２絶縁膜が設けられた第２半導体基板と、
   上記第１半導体基板と上記第２半導体基板との間に介装され、上記凹部と上記第２半導体基板上の上記第２絶縁膜との間を連通する貫通穴が形成された第１絶縁膜と、
   を備え、
   上記第１半導体基板、上記第２絶縁膜および上記第１絶縁膜から気密な基準圧力室が形成され、
   上記貫通穴及び上記凹部の開口と相対する側から見て、上記貫通穴の縁部の少なくとも一部が、上記凹部の開口縁部の内側に位置していることを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 上記凹部と上記貫通穴を構成する壁面、及び上記貫通穴の開口を覆う上記第２絶縁膜の全域に第３絶縁膜が形成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. 上記凹部と上記貫通穴を構成する壁面、及び上記貫通穴の開口を覆う上記第２半導体基板の壁面に囲まれる空間内に、上記凹部と相対する上記第２半導体基板の部位を上記凹部側に所定量以上撓ませる外力が付加されたときに、上記第２半導体基板の撓みを規制するストッパが設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体圧力センサ。
4. 上記凹部と上記第１半導体基板の他面とを連通する連通穴が上記第１半導体基板に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体圧力センサ。
5. 上記凹部と相対する上記第２半導体基板の部位に、上記凹部と逆側から付加される圧力に応じた圧力値を検出可能に構成され、上記圧力が付加される上記第２半導体基板の面は、内燃機関の吸気通路内に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体圧力センサ。

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