DE112017007036T5 - Widerstandsschaltung, oszillationsschaltung und fahrzeuginterne sensorvorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Widerstandsschaltung ist so ausgelegt, dass ein P-Widerstandsabschnitt und ein N-Widerstandsabschnitt elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei der P-Widerstandsabschnitt P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 101 und 102 aufweist, die so angeordnet sind, dass sie einen rechten Winkel miteinander bilden, und elektrisch in Reihe geschaltet sind, und wobei der N-Widerstandsabschnitt mit N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 103 und 104 versehen ist, die so angeordnet sind, dass sie einen rechten Winkel miteinander bilden, und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Ferner ist das P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 101 entlang einer <100>-Orientierungsrichtung eines Halbleitersubstrats 100 angeordnet und ist das N-Diffusionsschicht-Widerstandselement 103 entlang einer <110>-Orientierungsrichtung des Halbleitersubstrats 100 angeordnet. Es ist daher möglich, die Widerstandsschaltung, eine Oszillationsschaltung und eine fahrzeuginterne Sensorvorrichtung bereitzustellen, welche durch mechanische Spannungen hervorgerufene Schwankungen von Eigenschaften verringern.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Widerstandsschaltung, eine Oszillationsschaltung und eine fahrzeuginterne Sensorvorrichtung und insbesondere eine Widerstandsschaltung, eine Oszillationsschaltung und eine fahrzeuginterne Sensorvorrichtung, wodurch bei der Montage erzeugte durch mechanische Spannungen hervorgerufene Schwankungen von Eigenschaften abgemildert werden.
• Technischer Hintergrund
• Als technischer Hintergrund zum vorliegenden technischen Gebiet ist JP-1994 - 45527-A (Patentdokument 1) bekannt. Patentdokument 1 beschreibt eine Halbleitervorrichtung, bei der ein gebogenes p-Widerstandselement außerhalb eines auf einer n-Epitaxieschicht gebildeten p-Diffusionsgebiets gebildet ist, ein gebogenes n-Widerstandselement auf dem p-Diffusionsgebiet gebildet ist und das gebogene p-Widerstandselement und das gebogene n-Widerstandselement durch eine Aluminiumzwischenverbindung verbunden sind.
• Dokument zum Stand der Technik
• Patentdokument
• Patentdokument 1: JP-1994-45527-A
• Kurzfassung der Erfindung
• Durch die Erfindung zu lösende Probleme
• Wenn mechanische Spannungen auf ein auf einem Halbleiterchip gebildetes Widerstandselement einwirken, schwankt der Widerstandswert des Widerstandselements durch den Piezowiderstandseffekt. Deshalb erzeugt bei der Einkapselung des Halbleiterchips in eine Baugruppe das Material für die Baugruppe mechanische Spannungen im Halbleiterchip, woraus sich Abweichungen des tatsächlichen Widerstandswerts des Widerstandselements von einem Sollwert ergeben könnten. Durch Schwankungen des Widerstandswerts des Widerstandselements in einer solchen Schaltung, die in Bezug auf den Widerstandswert des Widerstandselements arbeitet, werden Änderungen von Eigenschaften der Schaltung hervorgerufen. Beispielsweise ändert sich bei einem RC-Oszillator, bei dem ein Widerstandselement und ein Kapazitätselement verwendet werden, die Oszillationsfrequenz durch die Änderung des Widerstandswerts des Widerstandselements. Zur Verhinderung einer solchen Änderung von Eigenschaften muss der Einfluss der mechanischen Spannungen auf das Widerstandselement verringert werden.
• Es ist jedoch schwierig, den Widerstandswert des Widerstandselements streng zu steuern. Dies liegt daran, dass eine Änderung eines Herstellungsprozesses zu einer Änderung des Widerstandswerts des Widerstandselements führt. Wenn sich der Widerstandswert des Widerstandselements abhängig von Variationen beim Herstellungsprozess ändert, bestehen selbst bei der in Patentdokument 1 beschriebenen Technik Bedenken hinsichtlich einer Änderung des Verhältnisses zwischen dem Widerstandswert des gebogenen p-Widerstandselements und jenem des gebogenen n-Widerstandselements, wodurch die Wirkung der Aufhebung der Änderung der Widerstandswerte bei mechanischen Spannungen abnimmt.
• Mittel zur Lösung der Probleme
• Zur Lösung der Probleme weist eine Widerstandsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung einen N-Widerstandsabschnitt und einen P-Widerstandsabschnitt auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Der N-Widerstandsabschnitt weist ein erstes N-Diffusionsschicht-Widerstandselement und ein zweites N-Diffusionsschicht-Widerstandselement auf, die einen rechten Winkel miteinander bilden und elektrisch in Reihe geschaltet sind, und der P-Widerstandsabschnitt weist ein erstes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement und ein zweites P-Diffusionsschicht-Widerstandselement auf, die einen rechten Winkel miteinander bilden und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Ferner ist das erste N-Diffusionsschicht-Widerstandselement entlang einer <110>-Orientierungsrichtung angeordnet und ist das erste P-Diffusionsschicht-Widerstandselement entlang einer <100>-Orientierungsrichtung angeordnet.
• Wirkung der Erfindung
• Gemäß der vorliegenden Erfindung können eine Widerstandsschaltung, eine Oszillationsschaltung und eine fahrzeuginterne Sensorvorrichtung bereitgestellt werden, die durch mechanische Spannungen hervorgerufene Schwankungen von Eigenschaften verringern können.
• Andere Probleme, Konfigurationen und Wirkungen als die vorstehend beschriebenen sind anhand der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsformen leicht verständlich.
• Figurenliste
• Es zeigen:
• 1 eine Draufsicht einer Anordnung von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen und N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen, die eine Widerstandsschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform bilden,
• 2 eine Graphik, die Änderungen einer Scherspannung und normaler mechanischer Spannungen bei der Anwendung mechanischer Spannungen auf ein Widerstandselement zeigt,
• die 3(a), 3(b), 3(c) und 3(d) Diagramme, die Kristallachsenanisotropien von Piezowiderstandskoeffizienten des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements und des N-Diffusionsschicht-Widerstandselements zeigen,
• 4 eine Graphik, die eine Beziehung zwischen einer Widerstandsänderungsrate und dem Spannungsanwendungswinkel bei der Anwendung mechanischer Spannungen auf das Widerstandselement zeigt,
• 5 eine Graphik, welche die Beziehung zwischen der Widerstandsänderungsrate und dem Spannungsanwendungswinkel bei der Anwendung mechanischer Spannungen auf das Widerstandselement zeigt,
• 6(a) eine Draufsicht, die P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente zeigt, welche als grundlegendes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement gemäß der ersten Ausführungsform dienen, und 6(b) eine Draufsicht, die ein P-Diffusionsschicht-Widerstandselement gemäß einer ersten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt,
• 7 eine Draufsicht, welche die Anordnung von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen und N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen zeigt, welche eine Widerstandsschaltung gemäß einer zweiten Modifikation der ersten Ausführungsform bilden,
• 8 eine Draufsicht, welche die Anordnung von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen und N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen zeigt, welche eine Widerstandsschaltung gemäß einer dritten Modifikation der ersten Ausführungsform bilden,
• 9(a) eine Draufsicht der Anordnung von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen und N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen, die eine Widerstandsschaltung gemäß einer vierten Modifikation der ersten Ausführungsform bilden, und 9(b) eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A' aus 9(a),
• 10(a) eine Draufsicht eines P-Diffusionsschicht-Widerstandselements, das als grundlegendes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement gemäß der ersten Ausführungsform dient, und 10(b) eine Draufsicht eines P-Diffusionsschicht-Widerstandselements gemäß einer fünften Modifikation der ersten Ausführungsform,
• 11 eine Graphik, die eine Beziehung zwischen einer Widerstandsänderungsrate und dem Seitenverhältnis eines Widerstandselements bei der Anwendung mechanischer Spannungen auf das Widerstandselement zeigt,
• 12 einen Schaltplan einer Oszillationsschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
• 13 eine Draufsicht der Anordnung von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen und N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen, die eine Widerstandsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform bilden,
• 14 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Messung der Luftströmungsrate innerhalb eines Fahrzeugs gemäß einer dritten Ausführungsform und
• 15 ein Konfigurationsdiagramm der Vorrichtung zur Messung der Luftströmungsrate innerhalb eines Fahrzeugs gemäß der dritten Ausführungsform.
• Modi zum Ausführen der Erfindung
• Ausführungsformen werden nachstehend detailliert auf der Grundlage der Zeichnungen beschrieben. In allen Zeichnungen zur Beschreibung der Ausführungsformen sind Elemente, welche die gleichen Funktionen aufweisen, mit den gleichen oder relevanten Bezugszahlen bezeichnet und werden nicht wiederholt beschrieben. Ferner sind bei Vorhandensein mehrerer ähnlicher Elemente (Stellen) häufig Zeichen zu allgemeinen Bezugszeichen hinzugefügt, um individuelle oder spezifische Stellen anzugeben. Überdies werden in den folgenden Ausführungsformen gleiche oder ähnliche Teile grundsätzlich nicht wiederholt beschrieben, es sei denn, dass die Situation dies speziell erfordert.
• Ferner ist in den Zeichnungen, die in den Ausführungsformen verwendet werden, häufig eine Schraffur selbst in einer Schnittansicht fortgelassen, um eine einfache Darstellung zu ermöglichen. Überdies ist eine Schraffur selbst in einer Draufsicht häufig hinzugefügt, um eine einfache Darstellung zu ermöglichen.
• Ferner entspricht die Größe jeweiliger Stellen in Schnitt- oder Draufsichten nicht unbedingt jener bei einer tatsächlichen Vorrichtung, und spezifische Stellen sind häufig vergrößert, um das Verständnis zu erleichtern. Überdies ist, selbst wenn eine Schnittansicht einer Draufsicht entspricht, eine spezifische Stelle häufig vergrößert, um das Verständnis zu erleichtern.
• Erste Ausführungsform
• Merkmale einer Widerstandsschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform werden mit Bezug auf die 1 bis 5 beschrieben. 1 ist eine Draufsicht, welche die Anordnung von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen und N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen, welche die Widerstandsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform bilden, zeigt. 2 ist eine Graphik, welche Änderungen der Scherspannung und normaler mechanischer Spannungen bei der Anwendung mechanischer Spannungen auf ein Widerstandselement zeigt, und in 2 bezeichnet σ_lt die Scherspannung, und σ_t und σ_l bezeichnen die normalen mechanischen Spannungen. 3(a), 3(b), 3(c) und 3(d) sind Diagramme, welche Kristallachsenanisotropien von Piezowiderstandskoeffizienten des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements und des N-Diffusionsschicht-Widerstandselements zeigen. Die 4 und 5 sind Graphiken, welche die Beziehung zwischen der Widerstandsänderungsrate und dem Spannungsanwendungswinkel bei der Anwendung mechanischer Spannungen auf das Widerstandselement zeigen.
• Eine Konfiguration der Widerstandsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform wird mit Bezug auf 1 beschrieben.
• Die Widerstandsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform ist mit zwei P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 101 und 102 und zwei N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 103 und 104 versehen, die auf einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats 100 ausgebildet sind. Die P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 101 und 102 und die N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 103 und 104 sind in Wannen ausgebildet, die sich nach Bedarf im Halbleitersubstrat 100 befinden und durch die Wannen elektrisch vom Halbleitersubstrat 100 isoliert sind. Wenn der Leitungstyp des Halbleitersubstrats 100 beispielsweise der P-Typ ist, befinden sich die P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 101 und 102 innerhalb einer N-Wanne 105, wie in 1 dargestellt ist, wobei die N-Wanne 105 durch einen Versorgungsanschluss auf einem geeigneten Potential gehalten wird.
• Die P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 101 und 102 erstrecken sich entlang der <100>-Orientierungsrichtung des Halbleitersubstrats 100. Andererseits erstrecken sich die N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 103 und 104 entlang der <110>-Orientierungsrichtung des Halbleitersubstrats 100. Ferner sind die P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 101 und 102 und die N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 103 und 104 in Reihe geschaltet.
• Merkmale der Widerstandsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform, ihr Betrieb beim Anwenden mechanischer Spannungen darauf sowie Wirkungen davon werden nachstehend mit Bezug auf die 2 bis 5 beschrieben.
• Eine Widerstandsänderung eines Widerstandselements durch den Piezowiderstandseffekt, d. h. die Empfindlichkeit des Widerstandselements für mechanische Spannungen, kann durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden.
  [Gleichung 1] $$\frac{\Delta \text{R}}{\text{R}}=\pi \left|\sigma \right|+{\pi }_{\text{t}}{\sigma }_{\text{t}}+{\pi }_{\text{z}}{\sigma }_{\text{z}}+{\pi }_{\text{s}}{\sigma }_{|\text{t}}$$

  
• In Gleichung (1) bezeichnen π_ι , π_t , π_z und π_s Piezowiderstandskoeffizienten des Widerstandselements in Längsrichtung, in Querrichtung, in senkrechter Richtung bzw. in Scherrichtung. Zusätzlich bezeichnen σ_l , σ_t , σ_z und σ_lt in Längsrichtung, in Querrichtung, in senkrechter Richtung bzw. in Scherrichtung auf das Widerstandselement angewendete mechanische Spannungen. Es ist jedoch zu verstehen, dass der Piezowiderstandskoeffizient π_z und die mechanische Spannung σ_z hier wegen des geringen Einflusses auf die Widerstandsänderung des Widerstandselements nicht berücksichtigt werden.
• Die Piezowiderstandskoeffizienten π_ι , π_t und π_s können durch die Gleichungen (2) bis (5) berechnet werden.
  [Gleichung 2] $${\pi }_{\text{l}}={\pi }_{11}-2\left({\pi }_{11}-{\pi }_{12}-{\pi }_{44}\right)\left\{{\left({\text{l}}_1{\text{m}}_1\right)}^2+{\left({\text{m}}_1{\text{n}}_1\right)}^2+{\left({\text{n}}_1{\text{l}}_1\right)}^2\right\}$$

  

  [Gleichung 3] $${\pi }_{\text{t}}={\pi }_{12}+\left({\pi }_{11}-{\pi }_{12}-{\pi }_{44}\right)\left\{{\left({\text{l}}_1{\text{l}}_2\right)}^2+{\left({\text{m}}_1{\text{m}}_2\right)}^2+{\left({\text{n}}_1{\text{n}}_2\right)}^2\right\}$$

  

  [Gleichung 4] $${\pi }_{\text{s}}=2\left({\pi }_{11}-{\pi }_{12}-{\pi }_{44}\right)\left({\text{l}}_1{}^3{\text{l}}_2+{\text{m}}_1{}^3{\text{m}}_2+{\text{n}}_1{}^3{\text{n}}_2\right)$$

  

  [Gleichung 5] $$\left[\begin{array}{ccc}{\text{l}}_1& {\text{m}}_1& {\text{n}}_1\\ {\text{l}}_2& {\text{m}}_2& {\text{n}}_2\\ {\text{l}}_3& {\text{m}}_3& {\text{n}}_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\text{cos}\varphi \text{ cos}\theta \text{ cos}\psi -\text{sin}\varphi \text{ sin}\psi & \text{sin}\varphi \text{ cos}\theta \text{ cos}\psi +\text{cos}\varphi \text{ sin}\psi & -\text{sin}\theta \text{ cos}\psi \\ -\text{cos}\varphi \text{ cos}\theta \text{ sin}\psi -\text{sin}\varphi \text{ cos}\psi & -\text{sin}\varphi \text{ cos}\theta \text{ sin}\psi +\text{cos}\varphi \text{ cos}\psi & \text{sin}\theta \text{ sin}\psi \\ \text{cos}\varphi \text{ sin}\theta & \text{sin}\varphi \text{ sin}\theta & \text{cos}\theta \end{array}\right]$$

  
• In den Gleichungen (2) bis (5) bezeichnen π₁₁ , π₁₂ und π₄₄ Piezowiderstandskoeffizienten, die sich auf eine Hauptkristallachse von Silicium beziehen, und sie werden durch die Störstellenkonzentration und die Temperatur bestimmt. l₁ , l₂ , l₃ , m₁ , m₂ , m₃ , n₁ , n₂ und n₃ bezeichnen Koeffizienten einer Koordinatentransformation für die Hauptkristallachse von Silicium und können unter Verwendung der Euler-Winkel φ, θ und ψ anhand Gleichung (5) erhalten werden. Falls ein Widerstandselement auf einer Hauptfläche eines Halbleiterwafers in einer gewöhnlichen (100)-Ebene ausgebildet ist, gelten φ = 0 Grad und θ = 90 Grad, so dass sich die Gleichungen (2) bis (4) folgendermaßen unter Verwendung von Gleichung (5) vereinfachen lassen.
  [Gleichung 6] $${\pi }_{\text{i}}={\pi }_{11}-2\left({\pi }_{11}-{\pi }_{12}-{\pi }_{44}\right)\left({\text{cos}}^2\psi {\text{sin}}^2\psi \right)$$

  

  [Gleichung 7] $${\pi }_{\text{t}}={\pi }_{12}+\left({\pi }_{11}-{\pi }_{12}-{\pi }_{44}\right)\left(2{\text{cos}}^2\psi {\text{sin}}^2\psi \right)$$

  

  [Gleichung 8] $${\pi }_{\text{s}}=2\left({\pi }_{11}-{\pi }_{12}-{\pi }_{44}\right)\left({\text{sin}}^3\psi \text{cos}\psi -{\text{cos}}^3\psi \text{sin}\psi \right)$$

  
• Die Gleichungen (2) bis (4) werden zu den Gleichungen (6) bzw. (8) vereinfacht.
• In den Gleichungen (6) bis (8) bezeichnet ψ eine Variable, die den Anordnungswinkel des Widerstandselements in der Waferebene repräsentiert.
• Es seien nun zwei Widerstandselemente betrachtet, nämlich Widerstandselemente A und B, die unter einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Die Widerstandselemente A und B weisen die gleiche Form und den gleichen Typ auf, und ihr Widerstandswert beträgt R. Falls angenommen wird, dass der Anordnungswinkel des Widerstandselements A ψ ist und dass der Anordnungswinkel des Widerstandselements B ψ + 90 Grad ist, gleicht der Piezowiderstandskoeffizient π_IA des Widerstandselements A dem Piezowiderstandskoeffizient π_IB des Widerstandselements B, wie durch die Gleichungen (9) und (10) ausgedrückt.
  [Gleichung 9] $${\pi }_{|\text{A}}={\pi }_{11}-2\left({\pi }_{11}-{\pi }_{12}-{\pi }_{44}\right)\left({\text{cos}}^2\psi {\text{sin}}^2\psi \right)$$

  

  [Gleichung 10] $$\begin{array}{ll}{\pi }_{\text{IB}}\hfill & ={\pi }_{11}-2\left({\pi }_{11}-{\pi }_{12}-{\pi }_{44}\right)\left\{{\text{cos}}^2\left(\psi +90\right){\text{sin}}^2\left(\psi +90\right)\right\}\hfill \\ \hfill & ={\pi }_{11}-2\left({\pi }_{11}-{\pi }_{12}-{\pi }_{44}\right)\left({\text{sin}}^2\psi {\text{cos}}^2\psi \right)\hfill \\ \hfill & ={\pi }_{\text{IA}}\hfill \end{array}$$

  
• Bei einer Vereinfachung des Piezowiderstandskoeffizienten π_t gleicht der Piezowiderstandskoeffizient π_tA des Widerstandselements A dem Piezowiderstandskoeffizienten π_tB des Widerstandselements B.
  [Gleichung 11] $${\pi }_{\text{tA}}={\pi }_{\text{tB}}$$

  
• Ebenso gleicht bei einer Vereinfachung des Piezowiderstandskoeffizienten π_s der Piezowiderstandskoeffizient π_sA des Widerstandselements A dem Piezowiderstandskoeffizienten πs_B des Widerstandselements B.
  [Gleichung 12] $${\pi }_{\text{sA}}={\pi }_{\text{sB}}$$

  
• Daher wird die Schwankungsrate des Widerstandswerts des Widerstandselements A unter mechanischen Spannungen unter Verwendung von Gleichung (1) durch Gleichung (13) ausgedrückt.
  [Gleichung 13] $$\frac{\Delta {\text{R}}_{\text{A}}}{\text{R}}={\pi }_{\text{lA}}{\sigma }_{\text{lA}}+{\pi }_{\text{tA}}{\sigma }_{\text{tA}}+{\pi }_{\text{sA}}{\sigma }_{|\text{tA}}$$

  
• Überdies wird die Schwankungsrate des Widerstandswerts des Widerstandselements B unter mechanischen Spannungen unter Verwendung von Gleichung (1) durch Gleichung (14) ausgedrückt.
  [Gleichung 14] $$\frac{\Delta {\text{R}}_{\text{B}}}{\text{R}}={\pi }_{\text{lA}}{\sigma }_{\text{lB}}+{\pi }_{\text{tA}}{\sigma }_{\text{tB}}-{\pi }_{\text{sA}}{\sigma }_{|\text{tB}}$$

  
• Wenn angenommen wird, dass eine mechanische Spannung σ₀ in Richtung eines Winkels α in Bezug auf die Längsrichtung des Widerstandselements A auf dieses angewendet wird, lassen sich als nächstes die mechanische Spannung σ_IA in Längsrichtung (normale mechanische Spannung), die mechanische Spannung σ_TA in Querrichtung (normale mechanische Spannung) und die mechanische Spannung σ_ITA in Scherrichtung (Scherspannung), die auf das Widerstandselement A einwirken, durch die Gleichungen (15), (16) bzw. (17) ausdrücken.
  [Gleichung 15] $${\sigma }_{\text{lA}}={\sigma }_{\text{0}}{\text{cos}}^2\alpha +v{\sigma }_{\text{0}}{\text{sin}}^2\alpha$$

  

  [Gleichung 16] $${\sigma }_{\text{tA}}={\sigma }_{\text{0}}{\text{sin}}^2\alpha +v{\sigma }_{\text{0}}{\text{cos}}^2\alpha$$

  

  [Gleichung 17] $${\sigma }_{|\text{tA}}=-2\left({\sigma }_{\text{0}}-v{\sigma }_{\text{0}}\right)\text{sin }\alpha \text{ cos}\alpha$$

  
• In den Gleichungen (15) bis (17) bezeichnet v das Poisson-Verhältnis von Silicium, das etwa 0,3 beträgt.
• Die mechanische Spannung σ₀ wird unter einem Winkel von (α + 90) Grad auf das Widerstandselement B angewendet, so dass ähnlich wie bei den Piezowiderstandskoeffizienten die mechanische Spannung σ_lB in Längsrichtung (normale mechanische Spannung), die mechanische Spannung σ_tB in Querrichtung (normale mechanische Spannung) und die mechanische Spannung σ_ltB in Scherrichtung (Scherspannung), die auf das Widerstandselement B einwirken, wie folgt berechnet und vereinfacht werden.
  [Gleichung 18] $$\begin{array}{cc}{\sigma }_{\text{lB}}& ={\sigma }_{\text{0}}{\text{cos}}^2\left(\alpha +90\right)+v{\sigma }_{\text{0}}{\text{sin}}^2\left(\alpha +90\right)\\ & ={\sigma }_{\text{0}}{\text{sin}}^2\alpha +v{\sigma }_{\text{0}}{\text{cos}}^2\alpha \\ & ={\sigma }_{\text{tA}}\end{array}$$

  

  [Gleichung 19] $$\begin{array}{cc}{\sigma }_{\text{tB}}& ={\sigma }_{\text{0}}{\text{sin}}^2\left(\alpha +90\right)+v{\sigma }_{\text{0}}{\text{cos}}^2\left(\alpha +90\right)\\ & ={\sigma }_{\text{0}}{\text{cos}}^2\alpha +v{\sigma }_{\text{0}}{\text{sin}}^2\alpha \\ & ={\sigma }_{\text{lA}}\end{array}$$

  

  [Gleichung 20] $$\begin{array}{cc}{\sigma }_{|\text{tB}}& =-2\left({\sigma }_{\text{0}}+v{\sigma }_{\text{0}}\right)\text{sin}\left(\alpha +90\right)\text{cos}\left(\alpha +90\right)\\ & =2\left({\sigma }_{\text{0}}+v{\sigma }_{\text{0}}\right)\text{cos}\alpha \text{sin}\alpha \\ & ={\sigma }_{|\text{tA}}\end{array}$$

  
• Die Gleichungen (15) bis (17) werden zu den Gleichungen (18) bzw. (20) vereinfacht.
• Anhand der Gleichungen (13) und (14) wird die Gesamtwiderstandsänderung ΔR_TOT bei der Reihenschaltung der Widerstandselemente A und B durch Gleichung (21) ausgedrückt.
  [Gleichung 21] $$\begin{array}{cc}\Delta {\text{R}}_{\text{TOT}}& =\text{R}\frac{\Delta {\text{R}}_{\text{A}}}{\text{R}}+\text{R}\frac{\Delta {\text{R}}_{\text{B}}}{\text{R}}\\ & =\text{R}\left({\pi }_{\text{lA}}{\sigma }_{\text{lA}}+{\pi }_{\text{tA}}{\sigma }_{\text{tA}}+{\pi }_{\text{sA}}{\sigma }_{|\text{tA}}+{\pi }_{\text{lA}}{\sigma }_{\text{lB}}+{\pi }_{\text{tA}}{\sigma }_{\text{tB}}-{\pi }_{\text{sA}}{\sigma }_{|\text{tB}}\right)\end{array}$$

  
• Durch Einsetzen der Gleichungen (15) bis (20), (6) und (7) in Gleichung (21) lässt sich die Gesamtwiderstandsänderung ΔR_TOT durch Gleichung (22) ausdrücken.
  [Gleichung 22] $$\begin{array}{cc}\Delta {\text{R}}_{\text{TOT}}& =\text{R}\left({\pi }_{\text{lA}}{\sigma }_{\text{lA}}+{\pi }_{\text{tA}}{\sigma }_{\text{tA}}+{\pi }_{\text{sA}}{\sigma }_{|\text{tA}}+{\pi }_{\text{lA}}{\sigma }_{\text{tA}}+{\pi }_{\text{tA}}{\sigma }_{\text{lA}}-{\pi }_{\text{sA}}{\sigma }_{|\text{tA}}\right)\\ & =\text{R}\left({\pi }_{\text{lA}}+{\pi }_{\text{tA}}\right)\left({\sigma }_{\text{lA}}+{\sigma }_{\text{tA}}\right)\\ & =\text{R }{\sigma }_{\text{0}}\left({\pi }_{\text{lA}}+{\pi }_{\text{tA}}\right)\left(1+v\right)\\ & =\text{R }{\sigma }_{\text{0}}\left({\pi }_{\text{11}}+{\pi }_{\text{12}}\right)\left(1+v\right)\end{array}$$

  
• Anhand Gleichung (22) ist verständlich, dass durch Kombinieren der beiden in einem rechten Winkel zueinander angeordneten Widerstandselemente, welche überdies die gleiche Form und den gleichen Typ aufweisen, bewirkt wird, dass die Komponenten, die sich auf die Scherspannung beziehen, aufgehoben werden und dass die Konstanten, die keine Terme enthalten, die sich auf den Anordnungswinkel ψ und den Winkel α der Anwendung mechanischer Spannungen beziehen, in der Gesamtwiderstandsänderung ΔR_TOT verbleiben.
• Als nächstes sei eine weitere Aufhebung der restlichen Widerstandsänderungskomponenten betrachtet. Weil das P-Diffusionsschicht-Widerstandselement und das N-Diffusionsschicht-Widerstandselement im Allgemeinen eine entgegengesetzte Polarität des Eichfaktors aufweisen, ermöglicht eine Kombination dieser Widerstandselemente mit einem geeigneten Widerstandsverhältnis, dass die durch mechanische Spannungen induzierte Widerstandsänderung in der Nähe bei null liegt. Wenn zwei P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente (hier häufig als „P-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaar“ bezeichnet), die einen rechten Winkel zueinander bilden und in Reihe geschaltet sind, und zwei N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente (nachstehend häufig als „N-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaar“ bezeichnet), die einen rechten Winkel miteinander bilden und in Reihe geschaltet sind, in Reihe geschaltet werden, wird die Gesamtwiderstandsänderung ΔR_{TOT_NP} durch Gleichung (23) ausgedrückt. R_P bezeichnet den Widerstandswert jedes P-Diffusionsschicht-Widerstandselements, und R_N bezeichnet den Widerstandswert des N-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars.
  [Gleichung 23] $$\begin{array}{cc}\Delta {\text{R}}_{\text{TOT\_NP}}& ={\text{R}}_{\text{P}}{\sigma }_0\left({\pi }_{11\_\text{P}}+{\pi }_{12\_\text{P}}\right)\left(1+v\right)+{\text{R}}_{\text{N}}{\sigma }_0\left({\pi }_{11\_\text{N}}+{\pi }_{12\_\text{N}}\right)\left(1+v\right)\\ & ={\sigma }_0\left(1+v\right)\left\{{\text{R}}_{\text{P}}\left({\pi }_{11\_\text{P}}+{\pi }_{12\_\text{P}}\right)+{\text{R}}_{\text{N}}\left({\pi }_{11\_\text{N}}+{\pi }_{12\_\text{N}}\right)\right\}\end{array}$$

  
• Im Allgemeinen weisen das P-Diffusionsschicht-Widerstandselement und das N-Diffusionsschicht-Widerstandselement in Bezug auf die durch mechanische Spannungen induzierte Widerstandsänderung eine entgegengesetzte Polarität auf. Ferner kann, wenngleich der Widerstandsänderungsbetrag des N-Diffusionsschicht-Widerstandselements größer ist als jener des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements, die Widerstandsänderung ΔR_{TOT_NP} wirksam verringert werden, indem beispielsweise der Widerstandswert des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements auf einen höheren Wert gelegt wird als jener des N-Diffusionsschicht-Widerstandselements und die P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente und die N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente kombiniert werden. Bevorzugter bewirkt die Auswahl des Verhältnisses zwischen dem Widerstandswert R_P und dem Widerstandswert R_N auf der Grundlage der folgenden Gleichung (24), dass die Gesamtwiderstandsänderung ΔR_{TOT_NP} in Gleichung (23) null wird und die Abhängigkeit der Widerstandswerte von mechanischen Spannungen aufgehoben wird.
  [Gleichung 24] $$\frac{{\text{R}}_{\text{P}}}{{\text{R}}_{\text{N}}}=\frac{\left({\pi }_{11\_\text{N}}+{\pi }_{12\_\text{N}}\right)}{\left({\pi }_{11\_\text{P}}+{\pi }_{12\_\text{P}}\right)}$$

  
• Als nächstes wird als ein Verfahren zum Auflösen der beschriebenen Abhängigkeit der Widerstandswerte von mechanischen Spannungen ein Beispiel von Berechnungsergebnissen beschrieben, die auf der Grundlage tatsächlicher physikalischer Konstanten erhalten wurden.
• 2 zeigt berechnete Werte der Scherspannung σ_lt , der normalen mechanischen Spannung σ_t und der normalen mechanischen Spannung σ_l bei der Anwendung einer mechanischen Spannung σ₀ = 100 MN/m² auf das Widerstandselement unter einem Winkel α in Bezug auf die Längsrichtung des Widerstandselements. Es sei bemerkt, dass das Poisson-Verhältnis von Silicium als 0,3 angenommen wird.
• Die 3(a), 3(b), 3(c) und 3(d) zeigen Kristallachsenanisotropien der Piezowiderstandskoeffizienten des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements und des N-Diffusionsschicht-Widerstandselements und den Anordnungswinkel ψ, wenn eine <100>-Orientierungsrichtung einer Hauptkristallachse als Referenz einen Parameter bildet. 3(a) zeigt die Kristallachsenanisotropien der Piezowiderstandskoeffizienten π_{I_P} und π_{t_P} des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements. 3(b) zeigt die Kristallachsenanisotropien der Piezowiderstandskoeffizienten π_{I_N} und π_{t_N} des N-Diffusionsschicht-Widerstandselements. 3(c) zeigt die Kristallachsenanisotropie eines Piezowiderstandskoeffizienten π_{s_P} des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements. 3(d) zeigt die Kristallachsenanisotropie eines Piezowiderstandskoeffizienten π_{s_N} des N-Diffusionsschicht-Widerstandselements. Auf der Grundlage des Nicht-Patentdokuments (Y. Kanda, „A Graphical Representation of the Piezoresistance Coefficients in Silicon“ IEEE Trnas. Elec. Dev., Band ED-29, Nr. 1, Januar 1982) wird angenommen, dass Folgendes gilt: $${\mathrm{\pi }}_{\text{11\_P}}=\mathrm{6,6}\times {10}^{-11}{\text{m}}^2/\text{N}\text{,}$$

  

  $${\mathrm{\pi }}_{\text{12\_P}}=-\mathrm{1,1}\times {10}^{-11}{\text{m}}^2/\text{N}\text{,}$$

  

  $${\mathrm{\pi }}_{\text{44\_P}}=\mathrm{138,1}\times {10}^{-11}{\text{m}}^2/\text{N}\text{,}$$

  

  $${\mathrm{\pi }}_{\text{11\_N}}=-\mathrm{102,2}\times {10}^{-11}{\text{m}}^2/\text{N}\text{,}$$

  

  $${\mathrm{\pi }}_{\text{12\_N}}=\mathrm{53,4}\times {10}^{-11}{\text{m}}^2/\text{N und}$$

  

  $${\mathrm{\pi }}_{\text{44\_N}}=-\mathrm{13,6}\times {10}^{-11}{\text{m}}^2/\text{N}\text{.}$$

  
• Wie in den 3(a), 3(b), 3(c) und 3(d) dargestellt ist, haben die Piezowiderstandskoeffizienten des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements und des N-Diffusionsschicht-Widerstandselements jeweils eine Winkelabhängigkeit in Bezug auf die Kristallachsenrichtung. Bei einer Anordnung des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements entlang der <100>-Orientierungsrichtung werden die Piezowiderstandskoeffizienten π_l und π_t des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements minimal, so dass die Empfindlichkeiten in Bezug auf mechanische Spannungen minimal werden. Bei einer Anordnung des N-Diffusionsschicht-Widerstandselements entlang der <110>-Orientierungsrichtung wird der Piezowiderstandskoeffizient π_l des N-Diffusionsschicht-Widerstandselements minimal. Ferner ist die Winkelabhängigkeit des Piezowiderstandskoeffizienten π_s des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements in Bezug auf die Kristallachsenrichtung gewöhnlich gleich der Winkelabhängigkeit des Piezowiderstandskoeffizienten π_s des N-Diffusionsschicht-Widerstandselements in Bezug auf die Kristallachsenrichtung. Der Piezowiderstandskoeffizient π_s des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements wird unabhängig davon null, ob das P-Diffusionsschicht-Widerstandselement entlang der <100>-Orientierungsrichtung oder der <110>-Orientierungsrichtung angeordnet ist, und der Piezowiderstandskoeffizient π_s des N-Diffusionsschicht-Widerstandselements wird unabhängig davon null, ob das N-Diffusionsschicht-Widerstandselement entlang der <100>-Orientierungsrichtung oder der <110>-Orientierungsrichtung angeordnet ist.
• 4 zeigt Ergebnisse der Berechnung der Widerstandsänderungsraten ΔR/R bei der Anwendung mechanischer Spannungen auf verschiedene Widerstandselemente auf der Grundlage der in den 2, 3(a), 3(b), 3(c) und 3(d) dargestellten Berechnungsergebnisse. Ein Spitze-Spitze-Wert der Widerstandsänderungsrate ΔR/R in Bezug auf den Winkel α der Anwendung mechanischer Spannungen wird nachstehend als ΔR/R_p-p ausgedrückt.
• In 4 bezeichnet eine Bezugszahl 400 die Widerstandsänderungsrate ΔR/R bei Anordnung eines einzelnen P-Diffusionsschicht-Widerstandselements entlang der <110>-Orientierungsrichtung, in der die Empfindlichkeit für mechanische Spannungen maximal wird und ΔR/R_p-p 18 % erreicht. Andererseits bezeichnet in 4 eine Bezugszahl 401 die Widerstandsänderungsrate ΔR/R bei Anordnung des einzelnen P-Diffusionsschicht-Widerstandselements entlang der <100>-Orientierungsrichtung, in der die Empfindlichkeit für mechanische Spannungen minimal wird. Bei Anordnung des einzelnen P-Diffusionsschicht-Widerstandselements entlang der <100>-Orientierungsrichtung ist ΔR/R_p-p 1 %, und die Abhängigkeit des Widerstandswerts vom Winkel der Anwendung mechanischer Spannungen ist verglichen mit dem Fall stark verringert, in dem das einzelne P-Diffusionsschicht-Widerstandselement entlang der <110>-Orientierungsrichtung angeordnet ist.
• In 4 bezeichnet eine Bezugszahl 402 die Widerstandsänderungsrate ΔR/R der beiden P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente (P-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaar), welche einen rechten Winkel miteinander bilden und in Reihe geschaltet sind. Wenngleich ΔR/R_p-p 0 % ist und die Abhängigkeit des Widerstandswerts vom Winkel der Anwendung mechanischer Spannungen gelöst ist, verbleibt jedoch ein Versatz ΔR/R = 0,2 %.
• In 4 bezeichnet eine Bezugszahl 403 die Widerstandsänderungsrate ΔR/R bei einer Reihenschaltung zweier P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente (P-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaar), welche einen rechten Winkel miteinander bilden und in Reihe geschaltet sind, und zweier N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente (N-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaar), welche einen rechten Winkel miteinander bilden und in Reihe geschaltet sind. Der Widerstandswert des P-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars wird 8,87 Mal so groß gewählt wie jener des N-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars. Dieser Wert wird auf der Grundlage der vorhergehenden Erwägungen durch Gleichung (24) erhalten. Wie in 4 dargestellt ist, wird der im P-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaar verbleibende Versatz (mit einer Bezugszahl 402 bezeichnet) entfernt, so dass die Abhängigkeit des Widerstandswerts vom Winkel der Anwendung mechanischer Spannungen vollständig beseitigt wird.
• Die bisherigen Erörterungen gelten für einen Fall eines idealen Widerstands mit einem festgelegten Widerstandswert. Tatsächlich weicht der Widerstandswert jedoch infolge von Variationen der Herstellungsprozesse von einem idealen Sollwert ab. Zur Verwirklichung der stabilen Widerstandselemente, die selbst beim Vorhandensein von Variationen jeweils eine geringere Abhängigkeit des Widerstandswerts vom Winkel der Anwendung mechanischer Spannungen aufweisen, können die Anordnungsrichtungen des P-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars und des N-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars in Bezug auf eine Waferkristallachse spezifiziert werden.
• Insbesondere kann, wie in 1 dargestellt ist, das P-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaar entlang der <100>-Orientierungsrichtung angeordnet werden, in der die Empfindlichkeiten in Bezug auf die mechanischen Spannungen minimal werden, und das N-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaar entlang der <110>-Orientierungsrichtung angeordnet werden, in der die Empfindlichkeiten in Bezug auf mechanische Spannungen minimal werden.
• 5 zeigt Ergebnisse der Berechnung der Widerstandsänderungsrate ΔR/R in Bezug auf den Winkel α der Anwendung mechanischer Spannungen, wenn der Widerstandswert des P-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars um 1 % abweicht und der Widerstandswert des N-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars um 1 % abweicht.
• In 5 bezeichnet eine Bezugszahl 500 die Widerstandsänderungsrate ΔR/R bei einer Anordnung des P-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars entlang der <110>-Orientierungsrichtung, in der die Empfindlichkeiten in Bezug auf mechanische Spannungen maximal werden, und einer Anordnung des N-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars entlang der <100>-Orientierungsrichtung, in der die Empfindlichkeiten in Bezug auf mechanische Spannungen maximal werden. In diesem Fall ist ΔR/R_p-p 0,8 % bis 0,9 % und tritt die Abhängigkeit vom Winkel der Einwirkung mechanischer Spannungen auf.
• In 5 bezeichnet eine Bezugszahl 501 die Widerstandsänderungsrate ΔR/R bei einer Anordnung des P-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars entlang der <100>-Orientierungsrichtung, in der die Empfindlichkeiten in Bezug auf mechanische Spannungen minimal werden, und einer Anordnung des N-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars entlang der <100>-Orientierungsrichtung, in der die Empfindlichkeiten in Bezug auf mechanische Spannungen maximal werden. In diesem Fall ist ähnlich wie beim Bezugszeichen 500 ΔR/R_p-p 0,8 % bis 0,9 % und tritt die Abhängigkeit vom Winkel der Einwirkung mechanischer Spannungen auf.
• Andererseits bezeichnet in 5 eine Bezugszahl 502 die Widerstandsänderungsrate ΔR/R bei der Anordnung des P-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars entlang der <100>-Orientierungsrichtung, in der die Empfindlichkeiten in Bezug auf mechanische Spannungen minimal werden, und der Anordnung des N-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars entlang der <110>-Orientierungsrichtung, in der die Empfindlichkeiten in Bezug auf mechanische Spannungen minimal werden, wie in 1 dargestellt ist. In diesem Fall beträgt ΔR/R_p-p lediglich 0,05 %.
• Auf diese Weise ermöglicht es (1) die Kombination der Widerstandselemente, die einen rechten Winkel miteinander bilden und die gleiche Form und den gleichen Typ aufweisen, die Abhängigkeit des Widerstandswerts von der Anwendung mechanischer Spannungen zu verringern. (2) Ferner ermöglicht eine Kombination des P-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars, dessen Elemente einen rechten Winkel in Bezug zueinander bilden und in Reihe geschaltet sind, und des N-Diffusionsschicht-Widerstandselementpaars, dessen Elemente einen rechten Winkel miteinander bilden und in Reihe geschaltet sind, die Verringerung der Abhängigkeit des Widerstandselements vom Winkel der Anwendung mechanischer Spannungen. (3) Überdies ermöglicht die Anordnung der P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente und der N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente jeweils entlang der vorgegebenen Kristallachsenrichtung, in der die Piezowiderstandskoeffizienten niedrig werden, eine Verringerung der Abhängigkeit des Widerstandswerts vom Winkel der Anwendung mechanischer Spannungen infolge von Variationen des Widerstandswerts. Daher kann eine Widerstandsschaltung bereitgestellt werden, die in der Lage ist, durch mechanische Spannungen hervorgerufene Schwankungen von Eigenschaften zu verringern.
• <Modifikationen der ersten Ausführungsform>
• Widerstandselemente und Widerstandschaltungen gemäß Modifikationen der ersten Ausführungsform werden mit Bezug auf die 6(a) bis 11 beschrieben. 6(a) ist eine Draufsicht, welche ein P-Diffusionsschicht-Widerstandselement zeigt, das als grundlegendes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement gemäß der ersten Ausführungsform dient. 6(b) ist eine Draufsicht eines P-Diffusionsschicht-Widerstandselements gemäß einer ersten Modifikation der ersten Ausführungsform. 7 ist eine Draufsicht, welche die Anordnung von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen und N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen zeigt, welche eine Widerstandsschaltung gemäß einer zweiten Modifikation der ersten Ausführungsform bilden. 8 ist eine Draufsicht, welche die Anordnung von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen und N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen zeigt, welche eine Widerstandsschaltung gemäß einer dritten Modifikation der ersten Ausführungsform bilden. 9(a) ist eine Draufsicht, welche die Anordnung von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen und N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen zeigt, welche eine Widerstandsschaltung gemäß einer vierten Modifikation der ersten Ausführungsform bilden. 9(b) ist eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A' aus 9(a). 10(a) ist eine Draufsicht, welche ein P-Diffusionsschicht-Widerstandselement zeigt, das als grundlegendes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement gemäß der ersten Ausführungsform dient. 10(b) ist eine Draufsicht eines P-Diffusionsschicht-Widerstandselements gemäß einer fünften Modifikation der ersten Ausführungsform. 11 ist eine Graphik, welche eine Beziehung zwischen der Widerstandsänderungsrate ΔR/R_p-p bei der Anwendung einer mechanischen Spannung auf ein Widerstandselement und dem Seitenverhältnis (Länge/Breite) des Widerstandselements zeigt.
• Erste Modifikation
• 6(a) zeigt das P-Diffusionsschicht-Widerstandselement, das als grundlegendes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement gemäß der ersten Ausführungsform dient, und 6(b) zeigt ein P-Diffusionsschicht-Widerstandselement gemäß der ersten Modifikation der ersten Ausführungsform.
• Wie in 6(a) dargestellt ist, ist ein P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 603 entlang der <100>-Orientierungsrichtung angeordnet. Ferner ist eine Diffusionsschicht 602A an einem Endabschnitt des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 603 ausgebildet und ist die Diffusionsschicht 602A über Kontakte 601A elektrisch mit einer Metallverbindungsschicht 600 verbunden. Überdies ist eine Diffusionsschicht 602B im anderen Endabschnitt des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 603 ausgebildet und ist die Diffusionsschicht 602B über Kontakte 601B elektrisch mit einer Metallverbindungsschicht 604 verbunden. Weil die Diffusionsschicht 602A mit den Kontakten 601A mit einem geringen Widerstand verbunden ist und die Diffusionsschicht 602B mit den Kontakten 601B mit einem geringen Widerstand verbunden ist, werden die Diffusionsschichten 602A und 602B silicidiert.
• Ferner ist die Diffusionsschicht 602A so ausgebildet, dass von den Seiten der silicidierten Diffusionsschicht (des Silicidgebiets) 602A, die in einem Endabschnitt des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 603 ausgebildet ist, die Seite, die zur im anderen Endabschnitt des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 603 ausgebildeten Diffusionsschicht 602B entgegengesetzt ist, entlang der <110>-Orientierungsrichtung verläuft. Ebenso ist die Diffusionsschicht 602B so ausgebildet, dass von den Seiten der silicidierten Diffusionsschicht (des Silicidgebiets) 602B, die im anderen Endabschnitt des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 603 ausgebildet ist, die Seite, die zur im einen Endabschnitt des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 603 ausgebildeten Diffusionsschicht 602A entgegengesetzt ist, entlang der <110>-Orientierungsrichtung verläuft. Mit anderen Worten sind die Seiten der Diffusionsschichten 602A und 602B, die einander über das P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 603 gegenüberstehen, entlang der <110>-Orientierungsrichtung in den beiden silicidierten Diffusionsschichten 602A und 602B, die in den beiden Endabschnitten des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 603 angeordnet sind, parallel angeordnet.
• Wenn ein Strom durch das P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 603 geleitet wird, folgt er einem Stromweg 612, der den kürzesten Abstand zwischen einer Diffusionsschicht 602A und der anderen Diffusionsschicht 602B aufweist. Dies liegt daran, dass der Strom die Eigenschaft hat, sich auf einem Weg mit dem geringsten Widerstand zu konzentrieren, so dass sich der Strom, wenn die Diffusionsschichten 602A und 603B wie in 6(a) dargestellt angeordnet sind, auf dem Stromweg 612 konzentriert, der von Geraden, welche die Diffusionsschicht 602A als silicidiertes Gebiet mit der Diffusionsschicht 602B als anderes silicidiertes Gebiet verbinden, den kürzesten Weg bildet.
• Wenn die Diffusionsschichten 602A und 602B auf diese Weise angeordnet sind, verläuft der Stromweg, auf dem der Strom zugeführt wird, selbst dann, wenn das P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 603 entlang der <100>-Orientierungsrichtung angeordnet ist, in einer Richtung, die um einen Winkel β von der <100>-Orientierungsrichtung abweicht. Weil der Piezowiderstandseffekt auf den Weg einwirkt, auf dem der Strom zugeführt wird, bewirken die Diffusionsschichten 602A und 602B, die wie in 6(a) angeordnet sind, möglicherweise das Auftreten einer Spannungsabhängigkeit infolge einer Abweichung der Richtung, in welcher der Strom durchgeleitet wird.
• Die in 6(b) dargestellte erste Modifikation soll das vorstehend beschriebene Problem adressieren. Bei der ersten Modifikation ist ein P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 608 entlang der <100>-Orientierungsrichtung angeordnet. Ferner ist eine Diffusionsschicht 607A an einem Endabschnitt des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 608 ausgebildet und ist die Diffusionsschicht 607A über Kontakte 606A elektrisch mit einer Metallverbindungsschicht 605 verbunden. Überdies ist eine Diffusionsschicht 607B im anderen Endabschnitt des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 608 ausgebildet und ist die Diffusionsschicht 607B über Kontakte 606B elektrisch mit einer Metallverbindungsschicht 610 verbunden. Weil die Diffusionsschicht 607A mit den Kontakten 606A mit einem geringen Widerstand verbunden ist und die Diffusionsschicht 607B mit den Kontakten 606B mit einem geringen Widerstand verbunden ist, werden die Diffusionsschichten 607A und 607B silicidiert.
• Von den Seiten der silicidierten Diffusionsschicht (des Silicidgebiets) 607A, die in einem Endabschnitt des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 608 ausgebildet ist, ist die Seite, die der im anderen Endabschnitt des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 608 gebildeten Diffusionsschicht 607B entgegengesetzt ist, orthogonal zur Richtung (<100>-Orientierungsrichtung), in der sich das P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 608 erstreckt. Ebenso ist von den Seiten der silicidierten Diffusionsschicht (des Silicidgebiets) 607B, die im anderen Endabschnitt des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 608 ausgebildet ist, die Seite, die der im einen Endabschnitt des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 608 gebildeten Diffusionsschicht 607A entgegengesetzt ist, orthogonal zur Richtung (<100>-Orientierungsrichtung), in der sich das P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 608 erstreckt. Mit anderen Worten sind die Seiten der Diffusionsschichten 607A und 607B, die einander über das P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 608 gegenüberstehen, entlang der <100>-Orientierungsrichtung in den beiden silicidierten Diffusionsschichten 607A und 607B, die in den beiden Endabschnitten des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 608 angeordnet sind, parallel angeordnet.
• Überdies sind die mehreren Kontakte 606A parallel zur Seite der Diffusionsschicht 607A entgegengesetzt zur Diffusionsschicht 607B voneinander beabstandet angeordnet. Ebenso sind die mehreren Kontakte 606B parallel zur Seite der Diffusionsschicht 607B entgegengesetzt zur Diffusionsschicht 607A voneinander beabstandet angeordnet.
• Durch derartiges Anordnen der Diffusionsschichten 607A und 607B verläuft der kürzeste Stromweg entlang der <100>-Orientierungsrichtung, und er ist von den Geraden, welche eine Diffusionsschicht 607A mit der anderen Diffusionsschicht 607B verbinden, als Stromweg 609 bezeichnet.
• Um den Strom strenger in <100>-Orientierungsrichtung zuzuführen, ist es bevorzugt, Gebiete 611 in einem Abschnitt, welcher ein Endabschnitt der Metallverbindungsschicht 605 ist und mit den Kontakten 606A verbunden ist, und in einem Abschnitt, der ein Endabschnitt der Metallverbindungsschicht 610 ist und mit den Kontakten 606B verbunden ist, bereitzustellen, so dass sich die Gebiete 611 in der gleichen Richtung wie die Richtung (<100>-Orientierungsrichtung) erstrecken, in der sich das P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 608 erstreckt, wobei sie ähnliche Formen wie die Diffusionsschichten 607A und 607B aufweisen.
• Eine derartige Anordnung der Diffusionsschichten 607A und 607B und der Kontakte 606A und 606B bewirkt, dass die Richtung, in welcher der Strom im P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 608 durchgeleitet wird, nahe bei der <100>-Orientierungsrichtung liegt, so dass eine geringere Abhängigkeit des Widerstandselements von mechanischen Spannungen verwirklicht werden kann.
• Zweite Modifikation
• 7 zeigt die Anordnung von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen und N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen, die eine Widerstandsschaltung gemäß der zweiten Modifikation der ersten Ausführungsform bilden.
• Wie in 7 dargestellt ist, weist die Widerstandsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform Gebiete 703, in denen mehrere Paare von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 700 entlang der <110>-Orientierungsrichtung angeordnet sind, und Gebiete 704, in denen mehrere Paare von N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 702 entlang der <100>-Orientierungsrichtung angeordnet sind, auf. Das Paar von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 700 besteht aus zwei P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 700, welche einen rechten Winkel miteinander bilden und entlang der <100>-Orientierungsrichtung angeordnet sind, während das Paar von N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 702 aus zwei N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 702 besteht, die einen rechten Winkel miteinander bilden und entlang der <110>-Orientierungsrichtung angeordnet sind. Mehrere P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 700 sind innerhalb einer N-Wanne 701 ausgebildet. Ferner sind die Gebiete 703 und 704 alternierend in der <110>-Orientierungsrichtung angeordnet und alternierend in einer zur <110>-Orientierungsrichtung orthogonalen Richtung angeordnet, so dass die Gebiete 703 und 704 schachbrettartig angeordnet sind.
• Zur Beseitigung des Einflusses mechanischer Spannungen auf die Widerstandsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform ist es wünschenswert, dass der Wert der von den P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen empfangenen mechanischen Spannung und der Wert der von den N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen empfangenen mechanischen Spannung möglichst nahe beieinander liegen. Andererseits ist die auf einen Halbleiterchip einwirkende mechanische Spannung nicht gleichmäßig, sondern hat eine bestimmte Verteilung, so dass, wenn die P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente und die N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente voneinander beabstandet sind, möglicherweise der Einfluss mechanischer Spannungen nicht so stark beseitigt werden kann.
• Die zweite Modifikation wurde angesichts des vorstehend beschriebenen Problems erreicht, und es kann, indem der Abstand zwischen den P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 700 und den N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 702 physikalisch möglichst klein gemacht wird, ermöglicht werden, dass die auf die P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 700 angewendete mechanische Spannung und die auf die N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 702 angewendete mechanische Spannung dicht beieinander liegen. Gemäß der zweiten Modifikation kann daher eine Widerstandsschaltung bereitgestellt werden, die in der Lage ist, durch mechanische Spannungen erzeugte Schwankungen von Eigenschaften zu verringern.
• Dritte Modifikation
• 8 zeigt die Anordnung von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen und N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen zeigt, die eine Widerstandsschaltung gemäß der dritten Modifikation der ersten Ausführungsform bilden.
• Wie in 8 dargestellt ist, weist die Widerstandsschaltung gemäß der dritten Ausführungsform ein Gebiet 802, in dem mehrere Paare von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 800 entlang der <110>-Orientierungsrichtung angeordnet sind, und ein Gebiet 804, in dem mehrere Paare von N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 803 entlang der <100>-Orientierungsrichtung angeordnet sind, auf. Das Paar von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 800 besteht aus zwei P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 800, die einen rechten Winkel miteinander bilden, entlang der <100>-Orientierungsrichtung angeordnet sind und die gleiche Länge aufweisen, während das Paar von N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 803 aus zwei N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 803 besteht, die einen rechten Winkel miteinander bilden, entlang der <110>-Orientierungsrichtung angeordnet sind und die gleiche Länge aufweisen. Mehrere P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 800 sind innerhalb einer N-Wanne 801 ausgebildet. Ferner sind die Paare von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 800 mit unterschiedlichen Längen im Gebiet 802 angeordnet, während die Paare von N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 803 mit unterschiedlichen Längen im Gebiet 804 angeordnet sind.
• Bei der Widerstandsschaltung gemäß der vorstehend beschriebenen zweiten Modifikation sind im Gebiet 703 leere Gebiete 705, in denen keine P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 700 vorhanden sind, gebildet und im Gebiet 704 leere Gebiete 705, in denen keine N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 702 vorhanden sind, gebildet, so dass die Flächenausnutzung der Widerstandsschaltung verschlechtert ist. Weil eine Vergrößerung der Chipfläche eine Kostenerhöhung eines Halbleiterchips bewirkt, ist eine hohe Flächenausnutzung der Widerstandsschaltung wünschenswert.
• Um dem Problem Rechnung zu tragen, ist bei der dritten Modifikation das Paar von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 800 mit einer geringen Länge in jedem leeren Gebiet im Gebiet 802 angeordnet und ist das Paar von N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 803 mit einer geringen Länge im leeren Gebiet im Gebiet 804 angeordnet, wodurch die Flächenausnutzung verbessert ist. Gemäß der dritten Ausführungsform kann daher eine Widerstandsschaltung bereitgestellt werden, die nicht nur die in der vorstehenden ersten Ausführungsform beschriebenen Wirkungen erreicht, sondern durch Verbessern der Flächenausnutzung der Widerstandsschaltung auch geringe Kosten aufweist.
• Vierte Modifikation
• 9(a) zeigt die Anordnung von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen und N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen, die eine Widerstandsschaltung gemäß der vierten Modifikation der ersten Ausführungsform bilden, und 9(b) zeigt einen Querschnitt entlang einer Linie A-A' aus 9(a). Es sei bemerkt, dass in den 9(a) und 9(b) silicidierte Gebiete fortgelassen sind.
• Wie in den 9(a) und 9(b) dargestellt ist, ist die Widerstandsschaltung gemäß der vierten Modifikation durch die Verwendung von N-Wannen 901 und 908 für die Isolation von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 904, 905, 906, 909, 910 und 911 vom Halbleitersubstrat 100 als N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente gekennzeichnet.
• Bei der Widerstandsschaltung gemäß der vierten Modifikation wird ein Strom von einer Metallverbindungsschichten 913 über Kontakte 900 durch die N-Wanne 901 geleitet und dann über Kontakte 902, eine Metallverbindungsschicht 914 und Kontakte 903 durch die P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 904, 905 und 906 geleitet. Anschließend wird der Strom über Kontakte 907, eine Metallverbindungsschicht 915 und Kontakte 916 durch die N-Wanne geleitet, dann über Kontakte 917, eine Metallverbindungsschicht 918 und Kontakte 919 durch die P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 909, 910 und 911 geleitet und ferner über einen Kontakt 912 durch eine Metallverbindungsschicht 920 geleitet. In diesem Fall wirken die N-Wannen 901 und 908 als N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente.
• Gemäß der vierten Modifikation ist es nicht nur möglich, die in der vorstehenden ersten Ausführungsform beschriebenen Wirkungen zu erzielen, sondern auch Gebiete für die Bildung der N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente zu verkleinern, so dass sich die Wirksamkeit der Montage der Widerstandsschaltung verbessert. Ferner können die Positionen der P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 904, 905 und 906 dicht zu jenen des N-Diffusionsschicht-Widerstandselements (N-Wanne 901) gesetzt werden und können die Positionen der P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 909, 910 und 911 dicht zu jenen des N-Diffusionsschicht-Widerstandselements (N-Wanne 908) gesetzt werden, so dass der Einfluss der Verteilung mechanischer Spannungen verringert wird. Daher kann kostengünstig eine Widerstandsschaltung bereitgestellt werden, welche durch mechanische Spannungen hervorgerufene Schwankungen von Eigenschaften verringert.
• Es sei bemerkt, dass bei der in den 9(a) und 9(b) dargestellten Widerstandsschaltung der Strom vorzugsweise zuerst in die N-Wanne 901 eingegeben wird und dann in die P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 904, 905 und 906, die in der N-Wanne 901 ausgebildet sind, eingegeben wird. Bei der vorstehenden Konfiguration geschieht ein Spannungsabfall durch die N-Wanne 901, und die Potentiale der P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 904, 905 und 906 sind daher stets niedriger als jene der N-Wanne 901. Daher ist eine zwischen den P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 904, 905 und 906 und der N-Wanne 901 vorhandene parasitäre Diode in Sperrrichtung vorgespannt, so dass es möglich ist, die P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 904, 905 und 906 elektrisch von der N-Wanne 901 zu isolieren. Daher kann bei der Widerstandsschaltung ein in der Nähe des Sollwerts liegender Widerstandswert erreicht werden.
• Fünfte Modifikation
• 10(a) zeigt ein P-Diffusionsschicht-Widerstandselement, das als grundlegendes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement gemäß der ersten Ausführungsform wirkt, und 10(b) zeigt ein P-Diffusionsschicht-Widerstandselement gemäß der fünften Modifikation der ersten Ausführungsform.
• Ein in 10(a) dargestelltes als grundlegendes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement dienendes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 1000 ist im Wesentlichen identisch mit dem in 6(a) dargestellten P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 603. Mit anderen Worten ist das P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 1000 entlang der <100>-Orientierungsrichtung angeordnet. Ferner ist eine Diffusionsschicht 1003A an einem Endabschnitt des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 1000 ausgebildet und ist die Diffusionsschicht 1003A über Kontakte 1004A elektrisch mit einer Metallverbindungsschicht 1005 verbunden. Überdies ist eine Diffusionsschicht 1003B im anderen Endabschnitt des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 1000 ausgebildet und ist die Diffusionsschicht 1003B über Kontakte 1004B elektrisch mit einer Metallverbindungsschicht 1006 verbunden. Weil die Diffusionsschicht 1003A mit den Kontakten 1004A mit einem geringen Widerstand verbunden ist und die Diffusionsschicht 1003B mit den Kontakten 1004B mit einem geringen Widerstand verbunden ist, werden die Diffusionsschichten 1003A und 1003B silicidiert.
• Die in 10(b) dargestellte fünfte Modifikation ist durch die Unterteilung des in 10(a) dargestellten als grundlegendes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement dienenden P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 1000 in zwei P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 1001 und 1002 gekennzeichnet. Mit anderen Worten gleichen die Längen der P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 1001 und 1002 jener des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 1000, während die Breiten der P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 1001 und 1002 in etwa halb so groß sind wie jene des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 1000. Während die Widerstandswerte der P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 1001 und 1002 in etwa zwei Mal so groß sind wie jene des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 1000, ermöglicht die Parallelschaltung der P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 1001 und 1002 durch die Metallverbindungsschichten 1005 und 1006, dass die Widerstandswerte der P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 1001 und 1002 im Wesentlichen jenen des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 1000 gleichen.
• Gemäß der fünften Modifikation wird der Winkel β_a des kürzesten Stromwegs in Bezug auf die <100>-Orientierungsrichtung beim P-Diffusionsschicht-Widerstandselement 1000 auf einen Winkel β_b des kürzesten Stromwegs in Bezug auf die <100>-Orientierungsrichtung bei den P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 1001 und 1002 verringert, so dass ein Strom in einer Richtung zugeführt wird, welche der <100>-Orientierungsrichtung näher liegt. Mit anderen Worten wird, weil die Breite für die gleiche Länge geringer ist, d. h. das Seitenverhältnis (Länge für eine Breite = 1) des Widerstandselements höher ist, die Abweichung der Stromrichtung in Bezug auf die <100>-Orientierungsrichtung verringert.
• 11 zeigt eine Beziehung zwischen der Widerstandsänderungsrate ΔR/R_p-p und dem Seitenverhältnis (Länge/Breite) des Widerstandselements bei Berücksichtigung des Einflusses der Abweichung der Stromrichtung (Widerstandsänderungsrate (ΔR/R) der beiden in 4 mit der Bezugszahl 402 bezeichneten P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente, die einen rechten Winkel miteinander bilden und in Reihe geschaltet sind).
• Wie in 11 dargestellt ist, wird bei einem kleineren Seitenverhältnis des Widerstandselements die Abweichung der Stromrichtung von der <100>-Orientierungsrichtung größer und wird daher die Widerstandsänderungsrate ΔR/R_p-p größer.
• Gemäß der fünften Modifikation liegt die Richtung, in der der Strom zugeführt wird, wegen der Unterteilung des P-Diffusionsschicht-Widerstandselements 1000 in mehrere P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente (beispielsweise die beiden P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 1001 und 1002) näher bei der <100>-Orientierungsrichtung, so dass eine Widerstandsschaltung bereitgestellt werden kann, bei der die durch mechanische Spannungen hervorgerufenen Schwankungen von Eigenschaften verringert sind.
• Zweite Ausführungsform
• Eine Oszillationsschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform wird mit Bezug auf die 12 und 13 beschrieben. 12 ist ein Schaltplan der Oszillationsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform. 13 ist eine Draufsicht, welche die Anordnung von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen und N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen, welche die Widerstandsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform bilden, zeigt.
• Die Oszillationsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform weist eine Widerstandsschaltung 1200, einen Kondensator 1201 und MOS(Metall-Oxid-Halbleiter)-Transistoren 1202 und 1203 auf. Die Widerstandsschaltung 1200 ist beispielsweise die in der ersten Ausführungsform beschriebene Widerstandsschaltung.
• Die Oszillationsfrequenz der Ausgabe Vout der in 12 dargestellten Oszillationsschaltung wird durch Gleichung (25) angegeben.
  [Gleichung 25] $$\text{f}\left({\text{V}}_{\text{out}}\right)=\frac{{\text{V}}_{\text{th1}}}{\text{R}}\frac{1}{{\text{CV}}_{\text{th2}}}$$

  
• In Gleichung 25 bezeichnen R den Widerstandswert der Widerstandsschaltung 1200, C den Kapazitätswert des Kondensators 1201, V_th1 die Schwelle des MOS-Transistors 1202 und V_th2 die Schwelle des MOS-Transistors 1203.
• Wie in Gleichung (25) dargestellt ist, schwankt, wenn der Widerstandswert R der Widerstandsschaltung 1200 infolge mechanischer Spannungen bei der Montage schwankt, auch die Oszillationsfrequenz. Beispielsweise wird bei einer Sensorvorrichtung, die einen Ausgangswert von einem Sensor in eine Frequenz umwandelt und die Frequenz ausgibt, oder einer Vorrichtung, welche die Zeit mit Bezug auf die Frequenz eines Oszillators misst, eine Schwankung der Oszillationsfrequenz des Oszillators, wodurch die Grundlage eines Signals gebildet wird, als Fehler in der Vorrichtung angesehen. Es ist daher wünschenswert, dass die Oszillationsfrequenz des Oszillators stabil ist. Beispielsweise ermöglicht das Einstellen des Widerstandswerts des Oszillators durch Abstimmen oder dergleichen nach der Zusammensetzung einer Baugruppe das Verringern des Einflusses der mechanischen Spannungen bei der Montage eines Halbleiterchips, welcher den Oszillator aufweist, in der Baugruppe. In diesem Fall ist es jedoch nicht möglich, eine Schwankung des Widerstandswerts R der Widerstandsschaltung 1200 zu korrigieren, die infolge einer Änderung mechanischer Spannungen auftritt, die mit einer Verschlechterung der Baugruppe einhergehen, welche durch eine Änderung der Umgebungstemperatur während des Einsatzes und einer Langzeitverwendung hervorgerufen wird.
• Dennoch ermöglicht gemäß der zweiten Ausführungsform die Verringerung der Abhängigkeit der Widerstandsschaltung 1200 selbst von mechanischen Spannungen, welche die Oszillationsfrequenz des Oszillators beeinflussen, dass der Widerstandswert R der Widerstandsschaltung 1200 beim Einwirken mechanischer Spannungen mit einem beliebigen Betrag in einer beliebigen Richtung im Wesentlichen konstant gehalten wird, so dass ein Oszillator bereitgestellt werden kann, der eine stabile Oszillationsfrequenz ausgibt.
• 13 zeigt ein Beispiel der Anordnung von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 1302 und N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 1300, welche die Widerstandsschaltung 1200 bilden. Ähnlich wie bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform sind die P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 1302 entlang der <100>-Orientierungsrichtung angeordnet und sind die N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 1300 entlang der <110>-Orientierungsrichtung angeordnet. Ferner sind mehrere Sätze von zwei P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen (Paare von P-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 1302), die jeweils einen rechten Winkel miteinander bilden, und mehrere Sätze von zwei N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 1300 (Paare von N-Diffusionsschicht-Widerstandselementen 1300), die jeweils einen rechten Winkel miteinander bilden, vorhanden. Mehrere P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 1302 befinden sich innerhalb einer N-Wanne 1303.
• Ein Gebiet, in dem sich mehrere N-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 1300 befinden, ist von Substratkontakten 1301 umgeben, und das Potential des Halbleitersubstrats 100 ist durch die Substratkontakte 1301 festgelegt. Ferner ist in der N-Wanne 1303 ein Gebiet, in dem sich die mehreren P-Diffusionsschicht-Widerstandselemente 1302 befinden, von Wannenkontakten 1304 umgeben und ist das Potential der N-Wanne 1303 ist durch die Wannenkontakte 1304 festgelegt.
• Gemäß der zweiten Ausführungsform sind das Potential des Halbleitersubstrats 100 und jenes der N-Wanne 1303 stabilisiert, so dass ein Oszillator bereitgestellt werden kann, der eine stabile Oszillationsfrequenz mit einer geringeren Abhängigkeit von mechanischen Spannungen ausgeben kann und für den Einfluss von Rauschen weniger empfindlich ist.
• Dritte Ausführungsform
• Eine Vorrichtung zur Messung der Luftströmungsrate innerhalb eines Fahrzeugs gemäß einer dritten Ausführungsform wird mit Bezug auf die 14 und 15 beschrieben. 14 ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung zur Messung der Luftströmungsrate innerhalb eines Fahrzeugs gemäß der dritten Ausführungsform. 15 ist ein Konfigurationsdiagramm der Vorrichtung zur Messung der Luftströmungsrate innerhalb eines Fahrzeugs gemäß der dritten Ausführungsform.
• Wie in 14 dargestellt ist, weist eine Luftströmungsraten-Messvorrichtung 1400 gemäß der dritten Ausführungsform ein Sensorelement 1401 und einen Halbleiterchip 1402 auf. Ferner ist der Halbleiterchip 1402 dadurch gekennzeichnet, dass er einen AD-Wandler 1403, einen Signalverarbeitungsabschnitt 1404, eine Ausgangsschaltung 1405 und eine Oszillationsschaltung 1406, wie in der zweiten Ausführungsform beschrieben, aufweist.
• Das Sensorelement 1401 ist ein Widerstandsbrücken-Temperatursensor, der ein Heizelement zum Erwärmen von zu messender Luft aufweist, welcher die Temperaturverteilung der Luft misst und ansprechend auf die Luftströmungsrate ein elektrisches Signal ausgibt. Das ausgegebene elektrische Signal wird durch den AD-Wandler 1403 in ein Digitalsignal gewandelt und durch den Signalverarbeitungsabschnitt 1404 einem Rechenprozess in der Art einer Korrektur unterzogen. Korrigierte Daten zur Luftströmungsrate werden durch die Ausgangsschaltung 1405 in ein Frequenzmoduliersignal umgewandelt, welches ausgegeben wird. Die Oszillationsschaltung 1406 steuert den Signalverarbeitungsabschnitt 1404 an und führt der Ausgangsschaltung eine Referenzfrequenz zur Erzeugung des Frequenzmoduliersignals zu. Es sei bemerkt, dass zugeordnete Blöcke in der Art einer Stromversorgungsschaltung, einer Schutzschaltung und einer Heizelement-Steuerschaltung in der in 14 dargestellten Luftströmungsraten-Messvorrichtung 1400 fortgelassen sind.
• Wie in 15 dargestellt ist, sind ein Sensorelement 1502 und ein Halbleiterchip 1503 miteinander integriert und in die gleiche Chipbaugruppe 1504 eingekapselt. Die Chipbaugruppe 1504 ist ferner in ein Gehäuse 1500 eingekapselt. Überdies ist die Chipbaugruppe 1504 so aufgebaut, dass darin ein Öffnungsabschnitt 1506 ausgebildet ist und das Sensorelement 1502 vom Öffnungsabschnitt 1506 freigegeben ist. Ein Strömungsdurchgang 1505 ist im Gehäuse 1500 ausgebildet, und die zu messende Luft erreicht das Sensorelement 1502 durch einen Weg 1501, so dass die Luftströmungsrate gemessen werden kann.
• Der Halbleiterchip 1503, der die Oszillationsschaltung 1406 aufweist, wird zwei Montageprozessen unterzogen, wobei es sich um einen Prozess zur Einkapselung in die Chipbaugruppe 1504 und einen anschließenden Prozess zur Einkapselung in das Gehäuse 1500 handelt. Dabei kann sich die Oszillationsfrequenz der Oszillationsschaltung 1406 ändern, wenn sie bei der Montage mechanischen Spannungen ausgesetzt ist. Wenn sich die Oszillationsfrequenz der Oszillationsschaltung 1406 ändert, ändert sich auch das ausgegebene Strömungsratensignal, so dass sich die Genauigkeit der Luftströmungsraten-Messvorrichtung 1400 verschlechtert. Überdies wird die Vorrichtung 1400 zur Messung der Luftströmungsrate innerhalb des Fahrzeugs in einer Umgebung in der Art des Motorraums verwendet, wo sich die Temperatur oder die Feuchtigkeit stark ändert, so dass sich bei der Vorrichtung 1400 zur Messung der Luftströmungsrate innerhalb des Fahrzeugs verglichen mit einem unter verhältnismäßig stabilen Bedingungen von Verbrauchern verwendeten Sensor das Problem einer hohen Schwankung mechanischer Spannungen während der Verwendung ergibt.
• Dennoch kann gemäß der dritten Ausführungsform die Abhängigkeit der Oszillationsfrequenz des Oszillators von mechanischen Spannungen verringert werden, so dass eine Luftströmungsraten-Messvorrichtung 1400 bereitgestellt werden kann, wodurch die Luftströmungsrate stabil gemessen werden kann.
• Wenngleich die vorliegende Erfindung auf der Grundlage der Ausführungsformen spezifisch beschrieben wurde, erübrigt es sich zu bemerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und dass verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung vorgenommen werden können. Beispielsweise wurden die vorstehenden Ausführungsformen zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben, damit diese leicht verstanden werden kann, und die vorliegende Erfindung ist nicht unbedingt darauf beschränkt, dass sie alle bisher beschriebenen Konfigurationen aufweist. Ferner kann die Konfiguration einer bestimmten Ausführungsform durch die Konfiguration einer anderen Ausführungsform ersetzt werden, oder die Konfiguration einer anderen Ausführungsform kann zur Konfiguration der bestimmten Ausführungsform hinzugefügt werden. Insbesondere können für einen Teil der Konfiguration jeder Ausführungsform Hinzufügungen, Fortlassungen und Ersetzungen anderer Konfigurationen vorgenommen werden.
• Bezugszeichenliste

100:

Halbleitersubstrat

101, 102:

P-Diffusionsschicht-Widerstandselement

103, 104:

N-Diffusionsschicht-Widerstandselement

105:

N-Wanne

400, 401, 402, 403:

Widerstandsänderungsrate

500, 501, 502:

Widerstandsänderungsrate

600:

Metallverbindungsschicht

601A, 601B:

Kontakt

602A, 602B:

Diffusionsschicht

603:

P-Diffusionsschicht-Widerstandselement

604:

Metallverbindungsschicht

605:

Metallverbindungsschicht

606A, 606B:

Kontakt

607A, 607B:

Diffusionsschicht

608:

P-Diffusionsschicht-Widerstandselement

609:

Stromweg

610:

Metallverbindungsschicht

611:

Gebiet

612:

Stromweg

700:

P-Diffusionsschicht-Widerstandselement

701:

N-Wanne

702:

N-Diffusionsschicht-Widerstandselement

703, 704:

Gebiet

705:

leeres Gebiet

800:

P-Diffusionsschicht-Widerstandselement

801:

N-Wanne

802:

Gebiet

803:

N-Diffusionsschicht-Widerstandselement

804:

Gebiet

900:

Kontakt

901:

N-Wanne

902, 903:

Kontakt

904, 905, 905:

P-Diffusionsschicht-Widerstandselement

907:

Kontakt

908:

N-Wanne

909, 910, 911:

P-Diffusionsschicht-Widerstandselement

912:

Kontakt

913, 914, 915:

Metallverbindungsschicht

916, 917:

Kontakt

918:

Metallverbindungsschicht

919:

Kontakt

920:

Metallverbindungsschicht

1000, 1001, 1002:

P-Diffusionsschicht-Widerstandselement

1003A, 1003B:

Diffusionsschicht

1004A, 1004B:

Kontakt

1005, 1006:

Metallverbindungsschicht

1200:

Widerstandsschaltung

1201:

Kondensator

1202, 1203:

MOS-Transistor

1300:

N-Diffusionsschicht-Widerstandselement

1301:

Substratkontakt

1302:

P-Diffusionsschicht-Widerstandselement

1303:

N-Wanne

1304:

Wannenkontakt

1400:

Luftströmungsraten-Messvorrichtung

1401:

Sensorelement

1402:

Halbleiterchip

1403:

AD-Wandler

1404:

Signalverarbeitungsabschnitt

1405:

Ausgangsschaltung

1406:

Oszillationsschaltung

1500:

Gehäuse

1501:

Weg

1502:

Sensorelement

1503:

Halbleiterchip

1504:

Chipbaugruppe

1505:

Strömungsdurchgang

1506:

Öffnungsabschnitt

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• JP 1994 [0002]
• JP 45527 A [0002]
• JP 6045527 A [0003]

Claims (13)

1. Widerstandsschaltung, welche Folgendes aufweist: ein Halbleitersubstrat, einen N-Widerstandsabschnitt, der auf einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, und einen P-Widerstandsabschnitt, der auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist und elektrisch in Reihe mit dem N-Widerstandsabschnitt geschaltet ist, wobei der N-Widerstandsabschnitt ein erstes N-Diffusionsschicht-Widerstandselement und ein zweites N-Diffusionsschicht-Widerstandselement aufweist, die so angeordnet sind, dass sie einen rechten Winkel miteinander bilden, und die elektrisch in Reihe geschaltet sind, der P-Widerstandsabschnitt ein erstes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement und ein zweites P-Diffusionsschicht-Widerstandselement aufweist, die so angeordnet sind, dass sie einen rechten Winkel miteinander bilden, und die elektrisch in Reihe geschaltet sind, das erste N-Diffusionsschicht-Widerstandselement entlang einer zweiten Kristallorientierungsrichtung des Halbleitersubstrats angeordnet ist, wobei die zweite Kristallorientierungsrichtung von einer ersten Kristallorientierungsrichtung des Halbleitersubstrats verschieden ist und die Empfindlichkeit für mechanische Spannungen auf der Grundlage eines Piezowiderstandskoeffizienten in der ersten Kristallorientierungsrichtung maximal wird, und das erste P-Diffusionsschicht-Widerstandselement entlang einer von der zweiten Kristallorientierungsrichtung verschiedenen Richtung angeordnet ist.
2. Widerstandsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Widerstandswerte des ersten P-Diffusionsschicht-Widerstandselements und des zweiten P-Diffusionsschicht-Widerstandselements größer als der Widerstandswert sowohl des ersten N-Diffusionsschicht-Widerstandselements als auch des zweiten N-Diffusionsschicht-Widerstandselements sind.
3. Widerstandsschaltung nach Anspruch 1, wobei die zweite Kristallorientierungsrichtung die <110>-Orientierungsrichtung ist.
4. Widerstandsschaltung nach Anspruch 1, wobei das erste P-Diffusionsschicht-Widerstandselement entlang einer Orientierungsrichtung angeordnet ist, die einen Winkel von 45 Grad mit der zweiten Kristallorientierungsrichtung einschließt.
5. Widerstandsschaltung nach Anspruch 1, wobei das erste P-Diffusionsschicht-Widerstandselement aus einem Halbleitergebiet gebildet ist, in dem ein P-Störstoff in das Halbleitersubstrat eingebracht ist, eine erste Metallverbindungsschicht über ein erstes Silicidgebiet elektrisch mit einem Endabschnitt des Halbleitergebiets verbunden ist, eine zweite Metallverbindungsschicht über ein zweites Silicidgebiet elektrisch mit dem anderen Endabschnitt des Halbleitergebiets verbunden ist, eine Seite des ersten Silicidgebiets, die dem zweiten Silicidgebiet gegenüberliegt, orthogonal zur Richtung bereitgestellt ist, in der sich das erste P-Diffusionsschicht-Widerstandselement erstreckt, und eine Seite des zweiten Silicidgebiets, die dem ersten Silicidgebiet gegenüberliegt, orthogonal zur Richtung bereitgestellt ist, in der sich das erste P-Diffusionsschicht-Widerstandselement erstreckt.
6. Widerstandsschaltung nach Anspruch 5, wobei ein erster Isolierfilm zwischen dem ersten Silicidgebiet und der ersten Metallverbindungsschicht ausgebildet ist, ein zweiter Isolierfilm zwischen dem zweiten Silicidgebiet und der zweiten Metallverbindungsschicht ausgebildet ist, mehrere erste Kontakte, die das erste Silicidgebiet elektrisch mit der ersten Metallverbindungsschicht verbinden, parallel zu einer Seite des ersten Silicidgebiets im ersten Isolierfilm ausgebildet sind, wobei die eine Seite dem zweiten Silicidgebiet gegenüberliegt, und mehrere zweite Kontakte, die das zweite Silicidgebiet elektrisch mit der zweiten Metallverbindungsschicht verbinden, parallel zu einer Seite des zweiten Silicidgebiets im zweiten Isolierfilm ausgebildet sind, wobei die eine Seite dem ersten Silicidgebiet gegenüberliegt.
7. Widerstandsschaltung nach Anspruch 1, wobei der N-Widerstandsabschnitt und der P-Widerstandsabschnitt alternierend in der zweiten Kristallorientierungsrichtung angeordnet sind und alternierend in einer zur zweiten Kristallorientierungsrichtung orthogonalen Richtung angeordnet sind.
8. Widerstandsschaltung nach Anspruch 1, wobei der N-Widerstandsabschnitt ferner ein drittes N-Diffusionsschicht-Widerstandselement und ein viertes N-Diffusionsschicht-Widerstandselement aufweist, die einen rechten Winkel miteinander bilden und elektrisch in Reihe geschaltet sind, der P-Widerstandsabschnitt ferner ein drittes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement und ein viertes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement aufweist, die einen rechten Winkel miteinander bilden und elektrisch in Reihe geschaltet sind, die Längen des dritten N-Diffusionsschicht-Widerstandselements und des vierten N-Diffusionsschicht-Widerstandselements in Erstreckungsrichtung kleiner sind als die Länge sowohl des ersten N-Diffusionsschicht-Widerstandselements als auch des zweiten N-Diffusionsschicht-Widerstandselements in Erstreckungsrichtung und die Längen des dritten P-Diffusionsschicht-Widerstandselements und des vierten P-Diffusionsschicht-Widerstandselements in Erstreckungsrichtung kleiner sind als die Länge sowohl des ersten P-Diffusionsschicht-Widerstandselements als auch des zweiten P-Diffusionsschicht-Widerstandselements in Erstreckungsrichtung.
9. Widerstandsschaltung nach Anspruch 1, welche Folgendes aufweist: ein erstes N-Gebiet, das auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, und ein zweites N-Gebiet, das auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats getrennt vom ersten N-Gebiet ausgebildet ist, wobei das erste P-Diffusionsschicht-Widerstandselement innerhalb des ersten N-Gebiets ausgebildet ist, das zweite P-Diffusionsschicht-Widerstandselement innerhalb des zweiten N-Gebiets ausgebildet ist, das erste N-Gebiet als erstes N-Diffusionsschicht-Widerstandselement wirkt und das zweite N-Gebiet als zweites N-Diffusionsschicht-Widerstandselement wirkt.
10. Widerstandsschaltung nach Anspruch 1, wobei das erste P-Diffusionsschicht-Widerstandselement mit einem ersten Teil und einem zweiten Teil versehen ist, die in der zweiten Kristallorientierungsrichtung voneinander getrennt sind, der erste Teil und der zweite Teil in einer von der zweiten Kristallorientierungsrichtung verschiedenen Richtung angeordnet sind und der erste Teil und der zweite Teil elektrisch parallel geschaltet sind.
11. Widerstandsschaltung nach Anspruch 1, wobei das Seitenverhältnis des ersten P-Diffusionsschicht-Widerstandselements größer oder gleich zwei ist.
12. Oszillationsschaltung, welche Folgendes aufweist: ein Halbleitersubstrat, einen Kondensator, der auf einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, und eine Widerstandsschaltung, die auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei die Oszillationsfrequenz der Oszillationsschaltung durch den Kapazitätswert des Kondensators und den Widerstandswert der Widerstandsschaltung festgelegt ist, wobei die Widerstandsschaltung Folgendes aufweist: einen N-Widerstandsabschnitt, der auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, und einen P-Widerstandsabschnitt, der auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist und elektrisch in Reihe mit dem N-Widerstandsabschnitt geschaltet ist, wobei der N-Widerstandsabschnitt ein erstes N-Diffusionsschicht-Widerstandselement und ein zweites N-Diffusionsschicht-Widerstandselement aufweist, die so angeordnet sind, dass sie einen rechten Winkel miteinander bilden, und die elektrisch in Reihe geschaltet sind, der P-Widerstandsabschnitt ein erstes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement und ein zweites P-Diffusionsschicht-Widerstandselement aufweist, die so angeordnet sind, dass sie einen rechten Winkel miteinander bilden, und die elektrisch in Reihe geschaltet sind, das erste N-Diffusionsschicht-Widerstandselement entlang einer zweiten Kristallorientierungsrichtung des Halbleitersubstrats angeordnet ist, wobei die zweite Kristallorientierungsrichtung von einer ersten Kristallorientierungsrichtung des Halbleitersubstrats verschieden ist und die Empfindlichkeit für mechanische Spannungen auf der Grundlage eines Piezowiderstandskoeffizienten in der ersten Kristallorientierungsrichtung maximal wird, und das erste P-Diffusionsschicht-Widerstandselement entlang einer von der zweiten Kristallorientierungsrichtung verschiedenen Richtung angeordnet ist.
13. Fahrzeuginterne Sensorvorrichtung, welche Folgendes aufweist: einen Halbleiterchip, der eine Oszillationsschaltung mit einer durch den Kapazitätswert eines Kondensators und den Widerstandswert einer Widerstandsschaltung festgelegten Oszillationsfrequenz aufweist, ein Sensorelement, das einen Erfassungsabschnitt aufweist, der eine elektrische Eigenschaft ansprechend auf eine physikalische Größe erfasst, eine Chipbaugruppe, die den Halbleiterchip und das Sensorelement durch ein erstes Harz einkapselt, so dass der Erfassungsabschnitt freiliegt, und ein Gehäuse, das einen Teil der Umgebung der Chipbaugruppe durch ein zweites Harz einkapselt, so dass der Erfassungsabschnitt freiliegt, wobei die Oszillationsschaltung Folgendes aufweist: ein Halbleitersubstrat, den Kondensator, der auf einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, und die Widerstandsschaltung, die auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei die Widerstandsschaltung Folgendes aufweist: einen N-Widerstandsabschnitt, der auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, und einen P-Widerstandsabschnitt, der auf der Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist und elektrisch in Reihe mit dem N-Widerstandsabschnitt geschaltet ist, wobei der N-Widerstandsabschnitt ein erstes N-Diffusionsschicht-Widerstandselement und ein zweites N-Diffusionsschicht-Widerstandselement aufweist, die so angeordnet sind, dass sie einen rechten Winkel miteinander bilden, und die elektrisch in Reihe geschaltet sind, der P-Widerstandsabschnitt ein erstes P-Diffusionsschicht-Widerstandselement und ein zweites P-Diffusionsschicht-Widerstandselement aufweist, die so angeordnet sind, dass sie einen rechten Winkel miteinander bilden, und die elektrisch in Reihe geschaltet sind, das erste N-Diffusionsschicht-Widerstandselement entlang einer zweiten Kristallorientierungsrichtung des Halbleitersubstrats angeordnet ist, wobei die zweite Kristallorientierungsrichtung von einer ersten Kristallorientierungsrichtung des Halbleitersubstrats verschieden ist und die Empfindlichkeit für mechanische Spannungen auf der Grundlage eines Piezowiderstandskoeffizienten in der ersten Kristallorientierungsrichtung maximal wird, und das erste P-Diffusionsschicht-Widerstandselement entlang einer von der zweiten Kristallorientierungsrichtung verschiedenen Richtung angeordnet ist.

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