半導体圧力センサ

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【発明の名称】	半導体圧力センサ
【発明者】	【氏名】宮島久和【氏名】片岡万士【氏名】西條隆司【氏名】江田和夫【氏名】青木亮
【要約】	【課題】低コストで高感度な半導体圧力センサを提供する。【解決手段】単結晶シリコン（１１０）基板１の主表面側に、４つのピエゾ抵抗Ｒ１～Ｒ４が形成された半導体センサチップ１を備えている。ピエゾ抵抗Ｒ１～Ｒ４はブリッジ接続される。各ピエゾ抵抗Ｒ１～Ｒ４がそれぞれダイアフラム部２の変形を検出する感圧素子を構成する。ダイアフラム部２の平面形状が矩形状に形成されている。ダイアフラム部２の平面形状において単結晶シリコン（１１０）基板１の＜００１＞方向に平行な辺の長さをＨ１、＜００１＞方向に直交する方向に平行な辺の長さをＨ２とすると、上記比率Ｈ１／Ｈ２がダイアフラム部２の厚さに応じて所望の感度が得られるような値に設定されている。ダイアフラム部２の厚さが１５０μｍ、上記比率Ｈ１／Ｈ２が１．４であって、ダイアフラム部２の主表面の面積を一定としたときに略最大の感度を得ることができる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】厚み方向の主表面側ほど開口面積が小さくなる凹所が裏面側に設けられることによって上記主表面側の中央部に薄肉のダイアフラム部が形成された半導体（１１０）基板と、該半導体基板の主表面側に配設されダイアフラム部の変形を検出する感圧素子とを備え、ダイアフラム部の平面形状は、矩形状であって互いに直交する辺の長さの比率が当該ダイアフラム部の厚みに応じて所望の感度が得られるような比率に設定されてなることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】ダイアフラム部は、当該ダイアフラム部の平面形状において半導体（１１０）基板の＜００１＞方向に平行な辺の長さをＨ１、＜００１＞方向に直交する方向に平行な辺の長さをＨ２とすると、当該ダイアフラム部の厚さが１０μｍないし３０μｍのときにはＨ１／Ｈ２＝１．２であることを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサ。
【請求項３】ダイアフラム部は、当該ダイアフラム部の平面形状において半導体（１１０）基板の＜００１＞方向に平行な辺の長さをＨ１、＜００１＞方向に直交する方向に平行な辺の長さをＨ２とすると、当該ダイアフラム部の厚さが１２０μｍないし１５０μｍのときにはＨ１／Ｈ２＝１．４であることを特徴とする請求項１記載の半導体圧力センサ。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体圧力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、半導体圧力センサとして、図４に示すように、単結晶シリコン（１１０）基板１のダイアフラム部２の主表面側に、４つのピエゾ抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が形成された半導体センサチップ１０を備えた半導体圧力センサが提案されている。ここにおいて、４つのピエゾ抵抗Ｒ１～Ｒ４は、図示しない配線によりブリッジ接続されており、ピエゾ抵抗Ｒ１，Ｒ３がブリッジの対角に位置し、ピエゾ抵抗Ｒ２，Ｒ４がブリッジの対角に位置する。なお、各ピエゾ抵抗Ｒ１～Ｒ４がそれぞれダイアフラム部２の変形を検出する感圧素子を構成している。
【０００３】ダイアフラム部２は、異方性エッチング技術などを利用して単結晶シリコン（１１０）基板１の裏面側に凹所３を設けることにより形成されている。ここにおいて、凹所３は、単結晶シリコン（１１０）基板１の厚み方向の主表面側ほど（図４（ｂ）の上側ほど）開口面積が小さくなっている。要するに、凹所３は、断面台形状に形成されている。
【０００４】なお、半導体センサチップ１０は、裏面側にガラス台座６が接合された形でパッケージ（図示せず）に納装される。ここにおいて、ガラス台座６には、上記凹所３に連通し圧力を導入するための孔６ａが穿孔されている。
【０００５】ところで、上述の４つのピエゾ抵抗Ｒ１～Ｒ４のうちの２つのピエゾ抵抗Ｒ１，Ｒ３はダイアフラム部２の中央部に形成され、残りの２つのピエゾ抵抗Ｒ２，Ｒ４はダイアフラム部２の端部近傍に形成されている。なお、図４（ａ）の右上の２つの矢印は図４（ａ）における単結晶シリコン（１１０）基板１の結晶の軸方向を示す。すなわち、ピエゾ抵抗Ｒ１，Ｒ３は＜００１＞方向に沿って同一直線上に形成され、ピエゾ抵抗Ｒ２，Ｒ４は＜－１１０＞方向（図４（ａ）の右方向）に沿って同一直線上に形成されている。
【０００６】また、ダイアフラム部２の平面形状は正方形状に形成されており、＜００１＞方向に平行な辺の長さＨ１と、＜－１１０＞方向に平行な辺の長さＨ２とは略等しくなっている（Ｈ１≒Ｈ２）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来構成の半導体圧力センサは、ダイアフラム部２の厚さを薄くすることにより感度を高めることが望まれる一方で、使用用途によってはダイアフラム部２の機械的な強度の観点からダイアフラム部２の厚さを厚くすることが望まれている。要するに、ダイアフラム部２の厚さは、使用用途などに応じて適宜設定される。
【０００８】しかしながら、上記従来構成の半導体圧力センサでは、ダイアフラム部２の厚さによっては所望の感度を得ることができず、ダイアフラム部２の面積を増大させて感度を向上させる必要があった。このため、半導体センサチップ１０のチップ面積が大きくなり、１枚のウェハからの半導体センサチップ１０の収量が少なくなり、コストが高くなってしまうという不具合があった。
【０００９】本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、低コストで高感度な半導体圧力センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記目的を達成するために、厚み方向の主表面側ほど開口面積が小さくなる凹所が裏面側に設けられることによって上記主表面側の中央部に薄肉のダイアフラム部が形成された半導体（１１０）基板と、該半導体基板の主表面側に配設されダイアフラム部の変形を検出する感圧素子とを備え、ダイアフラム部の平面形状は、矩形状であって互いに直交する辺の長さの比率が当該ダイアフラム部の厚みに応じて所望の感度が得られるような比率に設定されてなることを特徴とするものであり、ダイアフラム部の矩形状に形成された平面形状において直交する辺の長さの比率を当該ダイアフラム部の厚みに応じて所望の感度が得られるように設定することにより、ダイアフラム部の平面形状が正方形状に形成されている場合に比べて、ダイアフラム部の面積を小さくしても感度を向上させることができ、結果として低コスト化および高感度化を図ることができる。
【００１１】請求項２の発明は、請求項１の発明において、ダイアフラム部は、当該ダイアフラム部の平面形状において半導体（１１０）基板の＜００１＞方向に平行な辺の長さをＨ１、＜００１＞方向に直交する方向に平行な辺の長さをＨ２とすると、当該ダイアフラム部の厚さが１０μｍないし３０μｍのときにはＨ１／Ｈ２＝１．２であるので、ダイアフラム部の厚さが１０μｍないし３０μｍの場合においてダイアフラム部の面積を一定としたときに略最大の感度を得ることができる。
【００１２】請求項３の発明は、請求項１の発明において、ダイアフラム部は、当該ダイアフラム部の平面形状において半導体（１１０）基板の＜００１＞方向に平行な辺の長さをＨ１、＜００１＞方向に直交する方向に平行な辺の長さをＨ２とすると、当該ダイアフラム部の厚さが１２０μｍないし１５０μｍのときにはＨ１／Ｈ２＝１．４であるので、ダイアフラム部の厚さが１２０μｍないし１５０μｍの場合においてダイアフラム部の面積を一定としたときに略最大の感度を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】ところで、本願発明者らは、図４に示した従来構成の半導体圧力センサのダイアフラム部２の平面形状における面積を基準面積とし、ダイアフラム部３の平面形状における面積を一定としてダイアフラム部の平面形状において互いに直交する辺の長さの比率を種々変化させてピエゾ抵抗Ｒ１～Ｒ４よりなるブリッジの出力電圧を測定した（一定の圧力を印加して測定を行った）。その結果の一例を図２に示す。図２は、横軸がダイアフラム部２の平面形状において半導体（１１０）基板の＜００１＞方向に平行な辺の長さをＨ１、＜－１１０＞方向に平行な辺（つまり＜００１＞方向に直交する方向に平行な辺）の長さをＨ２としたときの比率Ｈ１／Ｈ２、縦軸が出力電圧を示す。また、図２は、半導体センサチップ１０のチップサイズを２．６ｍｍ□、単結晶シリコン（１１０）基板１の厚さを０．３ｍｍとし、ダイアフラム部２の厚さを１５０μｍ、ダイアフラム部２の主表面側の面積を０．３６５ｍｍ²一定とした場合の例であり、横軸の１．０が従来構成（ダイアフラム部２の平面形状が正方形）に相当する。
【００１４】図２から、本願発明者らは、上記比率Ｈ１／Ｈ２を変化させることによりダイアフラム部２の面積を一定としたまま出力電圧を変化させることができる、つまり、上記比率Ｈ１／Ｈ２を変化させることによりダイアフラム部２の面積を一定としたまま感度を変化させることができるという知見を得た。
【００１５】本願発明者らは、この知見に基づいて本発明を行った。
【００１６】本実施形態の半導体圧力センサの基本構成は図４に示し従来構成と略同じであって、図１に示すように、ダイアフラム部２の平面形状が矩形状に形成され、上記比率Ｈ１／Ｈ２がダイアフラム部２の厚さに応じて所望の感度が得られるような値に設定されている点に特徴がある。なお、図４に示した従来構成と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００１７】図１の半導体圧力センサは、ダイアフラム部２の厚さが１５０μｍ、上記比率Ｈ１／Ｈ２が１．４であって、図２から、ダイアフラム部２の主表面の面積を一定としたときに略最大の感度を得ることができることが分かる。
【００１８】また、ダイアフラム部２の厚さが１２０μｍないし１５０μｍの場合には、上記比率Ｈ１／Ｈ２を１．４に設定することによって、ダイアフラム部２の主表面の面積を一定としたときに略最大の感度を得ることができる。
【００１９】また、ダイアフラム部２の厚さを１５μｍとした場合には、図３に示すように、上記比率Ｈ１／Ｈ２を１．２に設定することによって、ダイアフラム部２の主表面の面積を一定としたときに略最大の感度を得ることができる。同様に、ダイアフラム部２の厚さが１０μｍないし３０μｍの場合には上記比率Ｈ１／Ｈ２を１．２に設定することによって、ダイアフラム部２の主表面の面積を一定としたときに略最大の感度を得ることができる。
【００２０】しかして、本実施形態では、ダイアフラム部２の矩形状に形成された平面形状において直交する辺の長さＨ１，Ｈ２の比率Ｈ１／Ｈ２を当該ダイアフラム部２の厚みに応じて所望の感度が得られるように設定することにより、ダイアフラム部２の平面形状が正方形状に形成されている場合に比べて、ダイアフラム部２の面積を小さくしても感度を向上させることができ、半導体センサチップ１０のチップ面積の増大を抑制することができるから、結果として低コスト化および高感度化を図ることができる。
【００２１】
【発明の効果】請求項１の発明は、厚み方向の主表面側ほど開口面積が小さくなる凹所が裏面側に設けられることによって上記主表面側の中央部に薄肉のダイアフラム部が形成された半導体（１１０）基板と、該半導体基板の主表面側に配設されダイアフラム部の変形を検出する感圧素子とを備え、ダイアフラム部の平面形状は、矩形状であって互いに直交する辺の長さの比率が当該ダイアフラム部の厚みに応じて所望の感度が得られるような比率に設定されているので、ダイアフラム部の矩形状に形成された平面形状において直交する辺の長さの比率を当該ダイアフラム部の厚みに応じて所望の感度が得られるように設定することにより、ダイアフラム部の平面形状が正方形状に形成されている場合に比べて、ダイアフラム部の面積を小さくしても感度を向上させることができ、結果として低コスト化および高感度化を図ることができるという効果がある。
【００２２】請求項２の発明は、請求項１の発明において、ダイアフラム部は、当該ダイアフラム部の平面形状において半導体（１１０）基板の＜００１＞方向に平行な辺の長さをＨ１、＜００１＞方向に直交する方向に平行な辺の長さをＨ２とすると、当該ダイアフラム部の厚さが１０μｍないし３０μｍのときにはＨ１／Ｈ２＝１．２であるので、ダイアフラム部の厚さが１０μｍないし３０μｍの場合においてダイアフラム部の面積を一定としたときに略最大の感度を得ることができるという効果がある。
【００２３】請求項３の発明は、請求項１の発明において、ダイアフラム部は、当該ダイアフラム部の平面形状において半導体（１１０）基板の＜００１＞方向に平行な辺の長さをＨ１、＜００１＞方向に直交する方向に平行な辺の長さをＨ２とすると、当該ダイアフラム部の厚さが１２０μｍないし１５０μｍのときにはＨ１／Ｈ２＝１．４であるので、ダイアフラム部の厚さが１２０μｍないし１５０μｍの場合においてダイアフラム部の面積を一定としたときに略最大の感度を得ることができるという効果がある。

【出願人】	【識別番号】０００００５８３２【氏名又は名称】松下電工株式会社
【出願日】	平成１１年１月２６日（１９９９．１．２６）
【代理人】	【識別番号】１０００８７７６７【弁理士】【氏名又は名称】西川惠清（外１名）
【公開番号】	特開２０００－２１４０２３（Ｐ２０００－２１４０２３Ａ）
【公開日】	平成１２年８月４日（２０００．８．４）
【出願番号】	特願平１１－１６３８２