JP2000124468A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダイヤフラムを有する半導体圧力センサにお
いて、ダイヤフラムの受圧面への保護膜の形成を不要と
し、センサ特性の低下を防止する。 【解決手段】 半導体圧力センサ１００においては、半
導体基板１の内部に基準圧力室２を有し、半導体基板１
のうち基準圧力室２よりも一面１ａ側の部位が受圧用の
ダイヤフラム３として構成されている。ダイヤフラム３
の歪みに基づいた電気信号を発生するための感圧素子４
が、ダイヤフラム３の基準圧力室２側の面に形成されて
おり、この感圧素子４は、半導体基板１の内部に形成さ
れた導電体５により、半導体基板１の一面１ａに信号取
出し可能となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダイヤフラムを有
する半導体圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の半導体圧力センサは、一般に、
半導体基板内部に形成された空洞部からなる基準圧力室
と、半導体基板のうち基準圧力室よりも基板の一面側の
部位に形成された受圧用のダイヤフラムとを備える。そ
して、圧力媒体によってダイヤフラムの表面（受圧面）
に圧力がかかると、同じく受圧面に形成された感圧素子
によってダイヤフラムの歪みに基づいた電気信号が発生
し、圧力測定が可能となる。例えば、このようなものと
して、例えば、特開平８−２３６７８８号公報に記載の
ものが挙げられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記圧力セ
ンサにおいては、ダイヤフラムの受圧面側に感圧素子が
あり、圧力測定対象である圧力媒体がセンサの表面に導
かれるのであるが、圧力媒体に含まれる汚染物から感圧
素子を守り、感圧素子の挙動に悪影響を与えないように
するために、感圧素子の表面に保護膜を形成する必要が
ある。

【０００４】しかし、この表面保護膜を形成すると、ダ
イヤフラムの厚みが実質的に増加して、印加圧力に対す
る感圧素子部での歪み量が減って感度が低下したり、保
護膜材料とダイヤフラム材料との熱膨張係数が異なるこ
とによる熱膨張及び収縮の歪みによって温度特性精度が
低下するなど、圧力センサとしての特性に不具合が生じ
るという問題がある。

【０００５】本発明は上記問題点に鑑み、ダイヤフラム
を有する半導体圧力センサにおいて、ダイヤフラムの受
圧面への保護膜の形成を不要とし、センサ特性の低下を
防止することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明においては、感圧素子（４）を
ダイヤフラム（３）の基準圧力室（２）側の面に形成し
たことを特徴とする。本発明では、ダイヤフラム（３）
における感圧素子（４）の位置を、圧力媒体の導かれな
い側であるダイヤフラム（３）の基準圧力室側（裏面）
とすることで、感圧素子（４）を圧力媒体中の汚染物か
ら保護する必要が無くなり、圧力媒体の導かれる側のダ
イヤフラム（３）の受圧面（表面）への保護膜の形成を
不要とすることができる。

【０００７】そして、上述したダイヤフラムの厚み増加
による感度低下や、熱膨張及び収縮時のダイヤフラムの
歪みによる温度特性精度の低下等の保護膜に起因する不
具合を防止でき、精度良好な半導体圧力センサを得るこ
とができる。また、請求項２記載の発明は、半導体基板
（１）の内部に、感圧素子（４）から半導体基板（１）
の一面（１ａ）に引き出された導電体（５、５０）を形
成したことを特徴としており、この導電体（５、５０）
によって感圧素子（４）からの電気信号を半導体基板
（１）の一面（１ａ）に取出し可能とでき、センサの配
線構成を簡単なものにできる。

【０００８】また、請求項３記載の発明は、請求項２に
記載の半導体圧力センサの具体的構成を提供するもので
ある。なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形
態記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。 （第１実施形態）図１は、本発明の第１実施形態に係る
半導体圧力センサ（以下、単にセンサという）１００の
平面構成を示す説明図、図２（ａ）〜（ｄ）は、図１に
示すセンサ１００の製造工程を示す概略断面図である。

【００１０】まず、センサ１００の構成について、図１
及び図２（ｄ）を参照して述べる。１は第１導電型（例
えばＮ型）の半導体基板であり、第１の基板１１と第２
の基板１２とが貼り合わされたものとなっている。ここ
で、半導体基板１において、第１の基板１１の貼り合わ
せ面とは反対側の面を一面１ａとし、第２の基板１２の
貼り合わせ面とは反対側の面を他面１ｂとする。

【００１１】半導体基板１の内部には空洞部からなる基
準圧力室２が形成されており、この基準圧力室２よりも
半導体基板１の一面１ａ側の部位は受圧用のダイヤフラ
ム３として構成されている。詳しくは、第２の基板１２
の貼り合わせ面において、この貼り合わせ面より凹んだ
凹部１２ａが形成され、この凹部１２ａと第２の基板１
２の凹部１２ａを覆うように貼り合わされた第１の基板
１１とにより区画される空間が基準圧力室２を構成す
る。そして、第１の基板１１のうち凹部１２ａを覆う部
分がダイヤフラム３として構成されており、基板１の一
面１ａのうちダイヤフラム３の部分が、ダイヤフラム３
の受圧面となる。

【００１２】また、ダイヤフラム３の基準圧力室２側の
面、即ち第１の基板１１の貼り合わせ側の面には、第２
導電型の半導体からなる感圧素子（圧力検出素子）４
が、ダイヤフラム３の部分からダイヤフラム３として構
成されていない部分に渡って形成されている。図１の例
では、矩形状のダイヤフラム３の各辺を跨ぐように４個
形成されており、信号を引き出す導電体ともなってい
る。これら感圧素子は、例えば、Ｎ型の半導体基板１に
ボロンが注入されたＰ型拡散層からなる。

【００１３】また、半導体基板１の内部には、各感圧素
子４からの信号を半導体基板１の一面１ａに引き出すた
めの導電体５が形成されている。導電体５は感圧素子４
と同じ第２導電型からなり、その一端部が第１の基板１
１の貼り合わせ面にて感圧素子４に接続されて、第１の
基板１１の内部を通り、他端部が半導体基板１の一面１
ａに露出するように形成されている。

【００１４】そして、図１に示す様に、半導体基板１の
一面１ａには、半導体基板１の一面１ａに露出する各導
電体５の他端部と接続されたアルミニウム等の配線６が
形成されており（図２（ｄ）では図示せず）、それによ
って、各感圧素子４は検出回路（例えばブリッジ回路）
を構成している。係る構成を有するセンサ１００は、ダ
イヤフラム３が外部から圧力媒体としての気体や液体等
によって受圧すると、ダイヤフラム３にひずみが発生し
て変形する。この変形によって感圧素子４も変形するた
め、その抵抗値が変化し、上記検出回路にかかる電圧や
電流も変化する。このように圧力は、それに応じた電気
信号として検出される。

【００１５】次に、上記構成に基づき、本実施形態の製
造方法を述べる。図２（ａ）に示す様に、後に第１の基
板１１となる第１導電型の半導体からなる基板体１０１
を用意し、その一方面に、イオン注入法や気相拡散法等
により第２導電型の半導体からなる感圧素子４を形成す
るとともに、感圧素子４と同じ第２導電型の半導体から
なり感圧素子４よりも深い領域に導電体５を形成する。
ここで、導電体５を形成する領域の深さは、上記ダイヤ
フラム３の厚さ以上とする。

【００１６】また、図２（ｂ）に示す様に、エッチング
等により一方面に基準圧力室用の凹部１２ａが形成され
た第２の基板１２を用意する。ここで、凹部１２ａの深
さは、少なくとも圧力センサとして使用した時のダイヤ
フラム３の最大撓み量より深いことが必要であり、その
最適深さは、センサ使用時の特性精度や凹部加工時間な
どによって決まる。

【００１７】続いて、図２（ｃ）に示す様に、基板体１
０１における感圧素子４形成側の面と第２の基板１２に
おける凹部５形成側の面とを、真空室中で清浄な環境下
で貼り合せ、適当な温度で熱処理等を行い、接合する。
この時、感圧素子４と凹部１２ａとが上記図１に示す配
置関係となるように貼り合せる。そして、図２（ｄ）に
示す様に、基板体１０１の他方面にエッチングや研磨等
の加工を施して、基板体１０１を薄くする。基板体１０
１を所望のダイヤフラム３の厚さまで薄くしたところ
で、基板体１０１は第１の基板１１となり、第１の基板
１１と第２の基板１２とが貼り合わされた半導体基板１
が出来上がる。この時、導電体５が形成された領域の深
さは上記ダイヤフラム３の厚さ以上であるため、導電体
５は第１の基板１１となった基板体１０１の他方面、即
ち半導体基板１の一面１ａに露出する。

【００１８】この後、半導体基板１の一面１ａに配線６
を形成する等の工程を行うことにより、センサ１００が
形成される。ところで、本実施形態によれば、ダイヤフ
ラム３における感圧素子４の位置を、圧力媒体の導かれ
ない側であるダイヤフラム３の基準圧力室２側とする
（基準圧力室２は清浄な極低圧環境である）ことで、感
圧素子４を圧力媒体中の汚染物から保護する必要が無く
なり、圧力媒体の導かれる側のダイヤフラム３の受圧面
（半導体基板１の一面１ａ）への保護膜の形成を不要と
することができる。

【００１９】そのため、もし、ダイヤフラムの受圧面に
保護膜を形成した場合に起こるセンサ特性の不具合、即
ち、ダイヤフラムの厚みが実質的に増加して、印加圧力
に対する感圧素子部での歪み量が減って感度が低下した
り、保護膜材料とダイヤフラム材料との熱膨張係数が異
なることによる熱膨張及び収縮の歪みによって温度特性
精度が低下する等の不具合を防止でき、精度良好な半導
体圧力センサを得ることができる。

【００２０】（第２実施形態）図３は、本第２実施形態
に係るセンサ２００の平面構成を示す説明図、図４
（ａ）〜（ｅ）は、図３に示すセンサ２００の製造工程
を示す概略断面図である。本実施形態は、上記第１実施
形態とは導電体に係る部分の構成及び製造方法を変形さ
せたものであり、以下、主として、この変形したところ
について述べることとし、上記第１実施形態と同一部分
には図中、同一符号を付して説明を省略することとす
る。

【００２１】本実施形態のセンサ２００においては、導
電体５０が、第１の基板１１の貼り合わせ面から第１の
基板１１の内部途中にかけて形成された第１導電部５１
と、半導体基板１の一面１ａ（第１の基板１１の貼り合
わせ面とは反対側の面）から第１の基板１１の内部途中
にかけて形成された第２導電部５２との２つの部分から
なる。

【００２２】そして、第１導電部５１の一端部は、第１
の基板１１の貼り合わせ面にて感圧素子４に接続され、
第２導電部５２の一端部は、半導体基板１の一面１ａに
露出し、配線６に接続され、両導電部５１、５２の他端
部は第１の基板１１の内部にて接続されている。本実施
形態の製造方法について述べる。図４（ａ）に示す様
に、上記第１実施形態と同様に、基板体１０１を用意
し、その一方面に感圧素子４を形成するとともに、感圧
素子４と同じ第２導電型の半導体からなり感圧素子４よ
りも深い領域に導電体５０の第１導電部５１を形成す
る。ここで、第１導電部５１を形成する領域の深さは、
上記ダイヤフラム３の厚さ以下とする。

【００２３】また、上記第１実施形態と同様に、一方面
に基準圧力室用の凹部１２ａが形成された第２の基板１
２を用意し（図４（ｂ））、基板体１０１における感圧
素子４形成側の面と第２の基板１２における凹部５形成
側の面とを、清浄な環境下で貼り合せ、接合する（図４
（ｃ））。次に、基板体１０１の他方面から、上記第１
実施形態と同様の方法を用いて、基板体１０１を所望の
ダイヤフラム３の厚さまで薄くする（図４（ｄ））。こ
の時、第１導電部５１を形成する領域の深さは上記ダイ
ヤフラム３の厚さ以下であるため、第１導電部５１は第
１の基板１１となった基板体１０１の他方面、即ち半導
体基板１の一面１ａに露出していない。

【００２４】続いて、図４（ｅ）に示す様に、イオン注
入法や気相拡散法等により、半導体基板１の一面１ａ
（第１の基板１１の貼り合わせ面とは反対側の面）から
第１導電部５１にとどくように第２導電型の半導体から
なる第２導電部５２を形成する。こうして、第１及び第
２導電部５１、５２は、第１の基板１１の内部でつなが
り、導電体５０が形成される。

【００２５】この後、半導体基板１の一面１ａに配線６
（図４（ｅ）では図示せず）を形成する等の工程を行う
ことにより、センサ２００が形成される。本実施形態の
センサ２００においても、上記第１実施形態と同様の作
用効果を奏する。なお、上記各実施形態において、半導
体基板１の一面１ａのうちダイヤフラム３の領域以外に
保護膜を形成する分には構わない。例えば、配線６のみ
を保護する保護膜（絶縁性の酸化膜等）を形成してもよ
い。

【００２６】以上述べてきたように、本発明の半導体圧
力センサは、感圧素子４をダイヤフラム３の基準圧力室
２側の面に形成したことを主たる特徴としており、他の
部分については適宜設計変更可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体圧力センサ
の平面構成を示す説明図である。

【図２】図１に示す半導体圧力センサの製造工程を示す
概略断面図である。

【図３】本発明の第２実施形態に係る半導体圧力センサ
の平面構成を示す説明図である。

【図４】図３に示す半導体圧力センサの製造工程を示す
概略断面図である。

【符号の説明】

１…半導体基板、１ａ…半導体基板の一面、２…基準圧
力室、３…ダイヤフラム、４…感圧素子、５、５０…導
電体、１１…第１の基板、１２…第２の基板、１２ａ…
凹部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板（１）内部に形成された空洞
   部からなる基準圧力室（２）と、前記半導体基板（１）
   のうち前記基準圧力室（２）よりも前記半導体基板
   （１）の一面（１ａ）側の部位に形成された受圧用のダ
   イヤフラム（３）とを備える半導体圧力センサにおい
   て、 前記ダイヤフラム（３）の歪みに基づいた電気信号を発
   生するための感圧素子（４）が前記ダイヤフラム（３）
   の前記基準圧力室（２）側の面に形成されていることを
   特徴とする半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】 前記半導体基板（１）の内部には、前記
   感圧素子（４）から前記半導体基板（１）の一面（１
   ａ）に引き出されるように導電体（５、５０）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. 【請求項３】 前記半導体基板（１）は、前記ダイヤフ
   ラム（３）を構成する第１の基板（１１）と、凹部（１
   ２ａ）を有する第２の基板（１２）とを有し、前記第１
   の基板（１１）にて前記第２の基板（１２）の前記凹部
   （１２ａ）を覆うように貼り合わせたものであり、 前記基準圧力室（２）は、前記第１の基板（１１）にて
   覆われた前記凹部（１２ａ）により構成されており、 前記感圧素子（４）は、前記第１の基板（１１）のうち
   前記第２の基板（１２）との貼り合わせ面側に形成され
   ており、 前記導電体（５、５０）は、前記第１の基板（１１）に
   おいて前記貼り合わせ面から内部を通り前記貼り合わせ
   面とは反対側の面に露出するように形成されていること
   を特徴とする請求項２に記載の半導体圧力センサ。