JP2001099734A - 半導体容量式圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】安定的かつ安価に製造でき、かっ、信頼性と測
定精度の高い半導体容量式圧力センサを提供する。 【解決手段】半導体基板と、該半導体基板に保持され周
囲の圧力の変化に応じて変位するシリコン製ダイアフラ
ムと、前記半導体基板と前記ダイアフラムとの間に形成
される空隙と、該空隙の周縁を気密封止する酸化シリコ
ン膜とを有する半導体容量式圧力センサであって、前記
ダイアフラムは誘電体を介して前記半導体基板から絶縁
されており、該ダイアフラムに対抗する固定電極が前記
空隙を介して前記誘電体上に形成されており、前記空隙
が０．２μｍ〜１．３μｍ、前記ダイアフラムの直径が
１１０μｍ〜４００μｍ、前記ダイアフラムの厚みが
１．９μｍ〜１１．６μｍである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は流体の圧力を検出す
る半導体容量式圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体容量式圧力センサとして
は、例えば、特公昭62−502645号公報、特開平6−25242
0 号公報、特開平7−7162 号公報等に記載の圧力センサ
が知られている。特公昭62−502645号に記載の圧力セン
サは、半導体基板上に空隙を介して変形可能な中央部分
と基板に接合される周囲部分と周囲部分を通じて中央部
分にのびるエッチチャンネル部分とを有する固体材料
と、エッチチャンネルを封止する材料から構成された圧
力センサの構造と製造方法を提案している。

【０００３】また、特開平6−252420 号公報に記載の圧
力センサは、半導体基板表面をドーピングして形成した
第１の電極と、この第１の電極の上方に配したドーピン
グして導電化した多結晶シリコンダイアフラムによる第
２の電極と、これら第１、第２電極間に形成されたキャ
ビティー、およびダイアフラム層を貫通して形成した開
口部に選択的に堆積されたキャビティー封止用のプラグ
を有し、ダイアフラムキャビティーと外界圧力の差によ
りダイアフラムである第２の電極が変位しこの容量変化
を検出する構成となっている。

【０００４】さらに、特開平7−7162 号公報に記載の圧
力センサは、周囲圧の変化に応じて変化することのない
基準容量および周囲圧に応じて変化するアクティブ容量
を有し、半導体基板に形成した容量式の圧力センサであ
って、半導体基板に直接形成した拡散層である第一電極
および所定の圧力に保たれるよう封止された空洞を介し
て第一電極と対面して形成した単結晶シリコンから成る
導電領域を含む可撓性ダイアフラムの第二電極で構成さ
れる。基準容量、アクティブ容量とも半導体基板に拡散
層を形成しこれを第一電極として用いている。このセン
サは、周囲圧力の変化により可撓性ダイアフラムが偏位
して第一電極および第二電極間の容量が対応して変化す
ることを特徴としている。

【０００５】しかし、従来の半導体容量式の圧力センサ
を半導体基板表面に製作する際の課題として、ダイアフ
ラムの封止方法が複雑であるため安価に製造できないこ
と、圧力に応じて変位するダイアフラムが自身の残留応
力により弾性変形するため空隙量または歪み量が設計値
から変化して所定の性能が得られないこと、が挙げられ
る。

【０００６】また、半導体基板上に基準容量、アクティ
ブ容量および検出回路を有する容量式圧力センサに関し
て、高精度化をはかる際の課題としては、２つの容量−
半導体基板間に基板不純物濃度ないし基板−基準容量電
極の電位差に応じて変化する寄生容量（接合容量）が生
じることである。このため半導体基板を接地または電源
電圧として用いている検出回路と接続した場合、これら
の電極間で形成する圧力を検知するための容量に対しノ
イズとして働く電極−半導体基板間の寄生容量が非常に
大きく、かつ変化し、アクティブ容量の変化量に対する
寄生容量の比が増大し、これが温度などにより大きく変
化する。そのため、ＳＮ比が低下して、測定精度が低下
するという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、感度が十分に高く、か
つ、測定精度が良く耐久性と信頼性に優れた、半導体容
量式圧力センサを提供することにある。

【０００８】本発明の他の目的は、安定なプロセスで安
価に製造でき、かつ、測定精度の良い半導体容量式圧力
センサを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、半導体
基板と、該半導体基板に保持され周囲の圧力の変化に応
じて変位するシリコン製ダイアフラムと、前記半導体基
板と前記ダイアフラムとの間に形成される空隙と、該空
隙の周縁を気密封止する酸化シリコン膜とを有する半導
体容量式圧力センサであって、前記ダイアフラムに対向
する固定電極が誘電体上に形成されており、前記ダイア
フラムは誘電体を介して前記半導体基板から絶縁されて
おり、前記ダイアフラムの直径が１１０μｍ〜４００μ
ｍ、前記ダイアフラムの厚みが１．９μｍ〜１１．６μ
ｍであることにある。

【００１０】本発明の他の特徴は、前記半導体容量式圧
力センサにおいて、前記空隙を０．２μｍ〜１.３μｍ
としたことにある。

【００１１】本発明の他の特徴は、半導体基板上に形成
され周囲圧力に応じて変化するアクティブ容量と、前記
半導体基板上に形成され周囲圧力に対し実質的に変化し
ない基準容量と、前記アクティブ容量および基準容量と
電気的に接続され両者の差ないし比を検出し前記半導体
基板の電位を利用して動作する回路とを有する容量式圧
力センサであって、前記基準容量は、前記半導体基板上
に誘電体を介して形成された導電性の電極を含み、前記
アクティブ容量は、誘電体を介して前記半導体基板表面
に固定され周囲圧力の変化に応じて変位するポリシリコ
ン膜からなるダイアフラムと、前記半導体基板上に形成
した前記誘電体と前記ダイアフラムとの間に前記空隙を
介して形成される導電性の固定電極と、該空隙の周縁を
気密封止する酸化シリコン膜とを含み、前記ダイアフラ
ムの直径が１１０μｍ〜４００μｍ、前記ダイアフラム
の厚みが１．９μｍ〜１１．６μｍ、前記空隙が０．２
μｍ〜１.３μｍの範囲にあることにある。

【００１２】本発明によれば、誘電体を介してイアフラ
ムを半導体基板から絶縁すると共に、ダイアフラムの直
径を１１０μｍ〜４００μｍ、厚みを１．９μｍ〜１
１．６μｍとしたことにより、寄生容量を小さくするこ
とができ、感度が十分に高く、安価で測定精度が良く、
耐久性と信頼性の高い半導体容量式圧力センサを、安定
なプロセスで大量に提供することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の第一実施形態になる半導
体容量式圧力センサを図１〜図５で説明する。まず、本
発明の半導体容量式圧力センサを備えた圧力検出の構造
を、図１の平面図、図２の断面図で説明する。

【００１４】本発明の第一実施形態になる圧力検出ＩＣ
４００は、半導体基板１０に酸化物誘電体２０を介して
形成したアクティブ容量１００および基準容量２００、
検出回路３００から構成される半導体容量式圧力センサ
を備えており、たとえば、自動車用エンジンの吸気管圧
力を検出して燃料の噴射を制御するのに利用される。

【００１５】半導体基板１０は、半導体に一般的に用い
られている単結晶シリコン基板である。ＳＯＩ基板、エ
ピタキシャル基板なども用いることができる。バイポー
ラと比較してより少ない工程で高集積化できることで知
られているＣ−ＭＯＳデバイスを用いる場合には、抵抗
率８〜１２Ωcm程度のｎ型またはｐ型単結晶ＣＺ基板を
用いる。

【００１６】絶縁膜すなわち酸化物誘電体２０は、アク
ティブ容量１００および基準容量２００を半導体基板１
０から電気的に絶縁している。酸化物誘電体２０は、熱
酸化膜、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）酸化
膜、等で形成され比誘電率は３〜４程度である。Ｃ−Ｍ
ＯＳデバイスと同時形成する際には、熱酸化膜（フィー
ルド酸化膜）を用いることが可能であり、工程数の低減
につながるためより安価な圧力センサを提供することが
出来る。

【００１７】アクティブ容量１００は、アクティブ容量
固定電極３０ｂ、バリア誘電体層４０、空隙１１０、ダ
イアフラム構造体１２０で構成される。空隙１１０は封
止用誘電体５０によりほぼ真空に気密封止されている。
このため周囲圧力に比例してダイアフラム構造体１２０
は変位する。ダイアフラム構造体１２０はアクティブ容
量固定電極３０ｂと対面するダイアフラム電極１２０部
分と固定足場１２０ｂ部分からなる。ダイアフラム構造
体１２０にポリシリコンを用い不純物拡散法などで導体
化すればダイアフラム電極１２０を得ることが出来る。
また固定足場１２０ｂは、分離層をホトリソグラフィに
よるマスク形成後、部分的にエッチングし、その後ダイ
アフラム構造１２０を形成することにより得られ、バリ
ア誘電体層４０を介して半導体基板１０に固定される。

【００１８】本実施形態において、アクティブ容量１０
０のダイアフラム電極１２０の直径は１１０μｍ〜４０
０μｍ、ダイアフラム電極１２０の厚みは１．９μｍ〜
１１．６μｍ、アクティブ容量固定電極３０ｂと対面す
る部分におけるダイアフラム電極１２０とバリア誘電体
層４０の間の空隙１１０は０．２μｍ〜１.３μｍの範
囲とするのが望ましい。

【００１９】このような構成にすることにより、周囲圧
力の変化をアクティブ容量固定電極３０ｂとダイアフラ
ム電極１２０間の容量変化として変換することが可能で
ある。アクティブ容量固定電極３０ｂおよびダイアフラ
ム電極１２０の電位は下記の方法により検出回路３００
に導くことが出来る。すなわち、ダイアフラム電極１２
０の電位はダイアフラム電極接続部１３０により配線３
０ｃ、コンタクト構造７０を経由して配線部６０ｂに導
かれる。同様に、アクティブ容量固定電極３０ｂも配線
３０ｃ、コンタクト構造７０を経由し配線部６０ｂに達
する。ダイアフラム電極接続部１３０は酸化物誘電体２
０上に形成した配線３０ｃ上のバリア誘電体層４０の一
部を除去することにより電気的な導通を得る構造であ
る。固定電極３０ｂは、不純物ドープにより導電化した
多結晶膜が最適であり、特に、ＣＭＯＳデバイスのゲー
ト配線と同一の部材で一括加工すると安価である。下部
電極30ａ、アクティブ容量固定電極３０ｂ、配線３０ｃ
は導電性膜であり、不純物拡散したポリシリコン膜やシ
リサイド等のＣ−ＭＯＳデバイスのゲートと同時加工す
ると工程を簡略でき、より安価な圧力センサを提供でき
る。

【００２０】図３に、本発明の第一実施形態になる半導
体容量式圧力センサのブロック線図を示す。本実施形態
は一般的なスイッチドキャパシタ方式の容量−電圧変換
部（容量検出部）および、ゼロ点・感度調整部により構
成される。Ｖｃｃは電源電圧、ＳＷ１、ＳＷ２は切り替
えスイッチ、ＣＲは基準容量２００、ＣＳはアクティブ
容量１００、ＣＦは作動増幅器Ｇ１のフィードバック容
量、Ｇ２は作動増幅器を示す。いまＡ点に下部電極３０
ａ−半導体基板１０間の寄生容量があると仮定すると、
寄生容量と配線抵抗によりＳＷ１のスイッチング周波数
に一次遅れが発生し、測定精度を低下させる。さらに寄
生容量が電圧依存性を有する場合、さらに不安定な動作
を示し精度が悪化する。Ｂ点に寄生容量が存在する場
合、アクティブ容量１００の容量変化量と全容量のＳＮ
比が大きくなり測定精度を低下させ、さらに寄生容量が
電圧依存性を有すると出力ＶＯが不安定になる。

【００２１】本発明を適用した半導体容量式圧力センサ
の基準容量２００は、平行平板型容量でありその容量は
電極面積、電極間距離、電極間材料の比誘電率によって
決定される。本発明の第一実施形態では、電極間距離お
よび電極間材料の決定をバリア誘電体層４０によって行
っている。バリア誘電体層４０にＣＶＤナイトライド膜
を用いた場合、非誘電率は７〜９程度である。このため
アクティブ容量１００と比較しほぼ同容量をより小さな
面積で達成することができ、このためより安価な圧力セ
ンサを提供できる。

【００２２】本発明の第一実施形態において、空隙５０
は、固定電極１３０とダイアフラム構造１２０間の容量
間隔を決定しており、０.２〜１.３μｍのほぼ均一な厚
さで堆積された分離層１７０をエッチング除去すること
により得られる。このため空隙５０は、ほぼ０.２〜１.
３μｍの一定な間隔に保たれる。

【００２３】なお、本図にはエッチングにより除去され
るため図示されていないが、分離層１７０の一例として
は、ＰＳＧ（Phosphor Sicicate Glass）等のシリコン
酸化膜を用いることが可能である。

【００２４】固定足場１２０ｂは、ダイアフラム構造１
２０を半導体基板１１０に機械的に固定する部分であ
る。固定足場１２０ｂは、分離層１７０をホトリソグラ
フィによるマスク形成後、部分的にエッチングし、その
後ダイアフラム構造１２０を形成することにより得られ
る。

【００２５】本発明の第一実施形態になる半導体容量式
圧力センサの製造工程を、図４、図５で説明する。ま
ず、図４（ａ）に示すように、ＩＣ製造用の半導体基板
１０の熱酸化により、半導体基板１１上に誘電体２０を
形成する。次に、（ｂ）に示すように、ホトリソグラフ
ィによるマスキング後に所定の部分をドライエッチング
することにより、誘電体２０に段差構造１２０Ｃを得
る。

【００２６】次に、図４（ｃ）に示すように、ホト・エ
ッチ工程によりダイアフラム配線３０ｃとダイアフラム
構造１２０の接続部３０ｂを加工する。さらに、図４
（ｄ）に示すように、ＬＰＣＶＤ(Low Pressure Chemic
al VaporDeposition) 窒化膜のバリア層４０を堆積した
後、ダイアフラム電極接続部１３０を形成する。

【００２７】その後、図５（ａ）に示すように、バリア
層４０の上に分離層１７０を堆積した後、ホト・エッチ
工程によりダイアフラム構造１２０の足場部分１２０ｂ
を加工する。分離層１７０の厚みは、０.２〜１.３μｍ
に規定される。分離層１７０はシリコン酸化膜が用いら
れることが多く、本実施形態ではＨＦ系のエッチング液
でエッチ速度の速いＰＳＧを用いる。加工した分離層１
７０上に足場１２０ｂを堆積する。

【００２８】その後、図５（ｂ）に示すように、分離層
１７０を下地としてホト・エッチ加工によりダイアフラ
ム構造１２０を形成する。ダイアフラム構造１２０を導
電化するにはダイアフラム構造１２０に不純物ドープす
る方法がある。不純物ドープの方法はダイアフラム構造
１２０としての多結晶シリコン堆積後に固層拡散である
リン処理やイオン注入する方法がある。もしくは多結晶
シリコンを堆積中に不純物を混ぜドープド多結晶シリコ
ンを堆積する方法がある。また分離層１７０にｐ型ない
しｎ型の不純物を高濃度に含むＰＳＧを用いた場合、多
結晶シリコン堆積後のアニールによりＰＳＧ中の不純物
が多結晶シリコン中に固層拡散し多結晶シリコンを導電
化する方法もある。

【００２９】その後、図５（ｃ）に示すように、形成し
た分離層１７０を、エッチングにより除去する。ＬＰＣ
ＶＤ窒化膜のバリア層４０とＰＳＧの分離層１７０の組
み合わせの場合、ＨＦ系エッチング溶液でウエットエッ
チングすることができるが、本実施形態では分離層１７
０のサイドエッチ量とバリア層４０の選択比を適切なも
のとすることにより、ダイアフラム構造１２０の直径を
最大４００μｍ程度までとすることが可能である。

【００３０】図５（ｄ）は、ＬＰＣＶＤシリコン酸化膜
１６０によりダイアフラム構造１２０を気密封止した様
子を示す。

【００３１】本実施形態での、ＬＰＣＶＤシリコン酸化
膜１６０の製造条件は、デポ温度７２０〜７８０℃、デ
ポ圧３０〜１２０Ｐａ、デポガスはケイ酸エチル（ＴＥ
ＯＳ：Tetraethylorthosilicate）＋酸素（Ｏ₂）を採用
した。このため、空隙５０をＬＰＣＶＤシリコン酸化膜
１６０の堆積時の圧力である３０Ｐａから１２０Ｐａ程
度のほぼ真空状態に気密封止することが可能である。

【００３２】本製造プロセスによってＣＭＯＳ回路と同
一基板上に一体化した半導体容量式圧力センサを安定に
製造でき、かつ、小型で安価な、ダイアフラム構造１２
０の残留応力の影響を受けにくい高精度の、絶対圧基準
型の容量式圧力センサを提供できる。

【００３３】本発明において、ダイアフラム構造１２０
の材料は多結晶シリコンが最適であるが、他の素材から
成る導電性ないし絶縁性の膜によっても気密封止された
ダイアフラム構造１２０を有する圧力センサを得ること
が出来る。ダイアフラム構造１２０は０.２〜１.３μｍ
のほぼ均一な厚さで堆積された分離層１７０上に堆積す
るため、分離層１７０のエッチング後の下地とはほぼ均
一な間隔で形成される。

【００３４】本発明の第二実施形態を図６に示す。この
実施形態では、バリア誘電体層４０以外で構成した基準
容量２０ の例を示した。本実施形態では基準容量２０
０は、下部電極３０ａ、基準容量誘電体２０１、酸化膜
２０２、上部電極６０ａで構成される。本実施形態にお
いても、酸化物誘電体２０が、アクティブ容量１００お
よび基準容量２００を半導体基板１０から電気的に絶縁
している。ダイアフラム電極１２０の直径は１１０μｍ
〜４００μｍ、ダイアフラム電極１２０の厚みは１．９
μｍ〜１１．６μｍ、アクティブ容量固定電極３０ｂと
対面する部分におけるダイアフラム電極１２０とバリア
誘電体層４０の間の空隙１１０は０．２μｍ〜１.３μ
ｍの範囲とする。

【００３５】本構成によれば、基準容量２００の電極間
誘電体である基準容量誘電体２０１の厚さ・材料を、バ
リア誘電体層４０とは別個に決定することが出来るた
め、基準容量２００の面積より小さな圧力センサを安価
に提供することができる。

【００３６】本発明の第３の実施形態を図７、図８で説
明する。図７は本実施形態の縦断面図、図８はその平面
図である。

【００３７】本実施形態は、基準容量２００をアクティ
ブ容量１００と同一の製造方法により製作したものであ
る。基準容量２００は基準容量固定電極３０ｄ、空隙２
１０、ダイアフラム構造体２２０で構成され、アクティ
ブ容量１００と同じく、半導体基板１０上に酸化物誘電
体２０を介して形成する。本実施形態においても、酸化
物誘電体２０が、アクティブ容量１００および基準容量
２００を半導体基板１０から電気的に絶縁している。ま
た、アクティブ容量１００のダイアフラム電極１２０の
直径は１１０μｍ〜４００μｍ、ダイアフラム電極１２
０の厚みは１．９μｍ〜１１．６μｍ、アクティブ容量
固定電極３０ｂと対面する部分におけるダイアフラム電
極１２０とバリア誘電体層４０の間の空隙１１０は０．
２μｍ〜１.３μｍの範囲とする。

【００３８】本実施形態によれば、アクティブ容量１０
０、基準容量２００は共に半導体基板１０上に酸化物誘
電体２０を介して形成されるので、半導体基板１０−基
準容量２００間の寄生容量は小さく、実質的に電圧依存
性や温度依存性を有さないため、高精度の圧力センサを
提供することができる。基準容量２００の固定足場２２
０ｂの間隔はアクティブ容量１００の固定足場１２０ｂ
間隔に対して十分短く配置しており、周囲圧力に対して
実質的に変化しない。例えば、ダイアフラム構造体２２
０の変位は固定足場２２０ｂ間隔の４乗に比例するた
め、固定足場２２０ｂ間隔を固定足場１２０ｂの１／４
に設定した場合、容量変化の比は約１／２５６程度とな
る。

【００３９】このような構成にすることによって、基準
容量固定電極３０ｄはアクティブ容量固定電極３０ｂ
と、空隙２１０は空隙１１０と、ダイアフラム構造体２
２０はダイアフラム構造体１２０と同時に加工すること
が可能となり、アクティブ容量１００の製造ばらつきを
基準容量２００と相殺することができ、さらに同一部材
によるためノイズ等の外乱による特性変化も相殺するこ
とができる。

【００４０】以上の様な構成にすることによって、０.
２〜１.３μｍの空隙５０をより少ない工程で３０Ｐａ
から１２０Ｐａ程度のほぼ真空状態に気密封止でき安価
で、浮遊容量が小さいため良好な特性で、自動車用等の
厳しい環境下でも安定した信頼度の高い圧力センサを提
供できる。更に、回路部と圧力検出部の１チップ化が可
能となり、小型化、低価格化な圧力センサの提供が可能
となる。

【００４１】次に、本発明のダイアフラム構造体２２０
の最適構造について説明する。既に述べたとおり、本発
明において、アクティブ容量１００のダイアフラム電極
１２０の直径は１１０μｍ〜４００μｍ、ダイアフラム
電極１２０の厚みは１．９μｍ〜１１．６μｍ、アクテ
ィブ容量固定電極３０ｂと対面する部分におけるダイア
フラム電極１２０とバリア誘電体層４０の間の空隙１１
０は０．２μｍ〜１.３μｍの範囲とするのが望まし
い。以下、その根拠について実験結果を基に説明する。

【００４２】以下の説明において、ダイアフラム電極１
２０は、図９に示すように、直径が２ａ、厚さがｈであ
り、空隙の大きさをdとし、圧力Ｐが作用するものとす
る。

【００４３】まず、最初に図１０で、プロセスから制約
される空隙の範囲を示す。本発明の半導体容量式圧力セ
ンサにおいて、ダイアフラム構造１２０の端部がダイア
フラム封止部であり、封止用誘電体５０としてＬＰＣＶ
Ｄシリコン酸化膜を用いてダイアフラム構造１２０を密
封封止する。なお、ダイアフラム封止部の形状はＬＰＣ
ＶＤシリコン酸化膜の製造条件と空隙１１０の量に依存
する。

【００４４】本発明の半導体容量式圧力センサに関し、
空隙１１０を気密封止する際に考慮する封止材料の条件
は、空隙１１０の気密性を長期間保つため緻密な膜質で
あること、ダイアフラム構造１２０の圧力による変形を
実質的に妨げない空隙１１０を固定電極３０ｂおよびダ
イアフラム構造１２０間に有すること、圧力センサの基
準圧力とするため空隙１１０内が真空であること、ダイ
アフラム構造１２０の電流リークを防止するため絶縁性
を有することである。

【００４５】本発明では、これらの条件をすべて満足す
る材料としてＬＰＣＶＤシリコン酸化膜を採用した。Ｌ
ＰＣＶＤシリコン酸化膜は高温（７００から８００℃程
度）で熱エネルギーによりシリコン酸化膜を堆積するた
め、他の製法例えば４００℃程度で形成するプラズマＣ
ＶＤ法で堆積した膜と比較して緻密な膜質を有する。ま
た半導体基板表面はセンサ構造体による段差面を有する
ため、基板表面と基板に垂直な面に対する膜の付き具合
であるステップカバレッジを考慮する必要がある。ＬＰ
ＣＶＤシリコン酸化膜では表面部の厚さに対して側面部
には８０％以上の厚さの堆積膜を形成することが出来
る。他の材料としてＬＰＣＶＤ法で形成する窒化膜が考
えられるが、堆積時の膜の残留応力（実測値１.５ＧＰ
ａ 程度）がシリコン酸化膜（実測値０.１５ＧＰａ)と
比較して非常に大きいため約２５００Å以上堆積すると
膜自身の残留応力で割れが発生する欠点がある。

【００４６】封止用誘電体５０としてのＬＰＣＶＤシリ
コン酸化膜の本実施形態での製造条件は、デポ温度７２
０〜７８０℃、デポ圧３０〜１２０Ｐａ、デポガスはケ
イ酸エチル（ＴＥＯＳ：Tetraethylorthosilicate）＋
酸素（Ｏ₂）を採用した。

【００４７】上記製造条件のＬＰＣＶＤシリコン酸化膜
５０で空隙１１０の気密封止が可能な領域の実験結果を
図１０のＡに示した。空隙量ｄが０.１〜１.５μｍの試
料を空隙１１０が気密封止されるまでＬＰＣＶＤシリコ
ン酸化膜を堆積した。次に上記試料の断面をＳＥＭ（Sc
anning Electron Microscopy）で観察し、空隙の気密封
止に必要な最低膜厚さｈ、有効空隙量ｄを測定した。

【００４８】空隙が１.３μｍ以上では、酸化膜５０が
自分自身の成膜応力により割れる率が急激に増加した。
この実験結果から、この空隙は１.３μｍ以下とするの
が望ましい。

【００４９】空隙が小さい側の制約は、ポリＳｉの膜を
ＣＶＤ法で成膜した時のダイアフラムの内部応力に起因
する反りから決定される。この反りは、図１０のＢに示
すように、ダイアフラムの直径２ａと板厚ｈに依存す
る。直径３００μｍ、板厚７μｍの場合、反りは約実測
値で約０．２μｍであった。ダイアフラムの圧力による
変位は、容量変化の感度と製造プロセスの整合性などか
ら、０．２μｍに設計しているので、空隙量ｄは０．２
μｍ以上必要である。板厚が小さいと、成膜時のダイア
フラムの反りが図１０のＢに示すように急激に大きくな
り、反り量を超え、下の誘電体膜に接触する。

【００５０】また、空隙量ｄが０．２μｍ未満の場合、
ＬＰＣＶＤシリコン酸化１６０が空隙１１０内に入り込
み実質的に有効な空隙量が減少する。そのためダイアフ
ラム構造１２０の変位を妨げるため圧力センサとして機
能しなくなる。酸化膜の入り込みは空隙ｄの値に依存す
るが、圧力センサの機能を確保するため、実質的に必要
なな空隙量ｄは、ダイアフラムの変位量０．２μｍ 以
上である。

【００５１】一方、空隙が大きい側の制約は、前述のよ
うに、空隙の周辺部を酸化膜で気密封止し真空基準室を
形成するとき、酸化膜の成膜応力によって割れない範囲
で決められる。図１０のＢに示すように、ＬＰＣＶＤシ
リコン酸化膜を膜厚さ１.３μｍ以上堆積すると割れ(ク
ラック)が発生する。この原因は、ＬＰＣＶＤシリコン
酸化膜の堆積時に発生する残留応力（熱応力＋真正応
力）がＬＰＣＶＤシリコン酸化膜自身の破壊強度を上回
るからであると言われている。このような割れは塵埃の
元となり半導体の歩留まりを低下する原因である。この
ため、実質的に有効な最大の空隙量ｄは１.３μｍ以下
に制限される。

【００５２】次に、ダイアフラム電極１２０の厚みは
１．９μｍ〜１１．６μｍとするのが望ましい。まず、
この厚みの上限は、ダイアフラム電極の感度特性によっ
て決定される。図１１は、ダイアフラム電極の感度特性
として、圧力による容量変化からの制約を示す。信号処
理可能な容量Ｃの変化を得るためのダイアフラム寸法
は、（１）式から導かれ、その直径２ａと厚さｈで決め
られる。

【００５３】 Ｃ＝εＡ／（ｄ−ｗ(p)） ……（１） ここで、 ε：誘電率、 Ａ：電極面積、 ｄ：空隙、 ｗ（ｐ）：圧力Ｐによるダイアフラム ｗ(p)は、次式（２）で表わされるように、半径ａの４
乗に比例し、板厚ｈの３乗に反比例する曲線として、図
１１のように描かれる。

【００５４】 ｗ(p)＝ＫＰ・ａ^４／ｈ^３ Ｋ＝３ (１−ν^２)／（１６Ｅ） …… （２） 但し、νはポアソン比、Ｅはヤング この式（２）で表される曲線Ｌ1の下側が圧力センサー
として必要感度の得られる領域、すなわち、圧力により
得られる信号の処理限界より大きい容量変化の得られる
領域である。曲線Ｌ１に基づく、直径２ａと板厚ｈの関
係の一例を示すと次表の様になる。

【００５５】 直径２ａ（μｍ） １１０ １５０ ２２０ ２８０ ４００ ５００ 板厚 ｈ（μｍ） ２.１ ３.０ ５.１ ７.０ １１.６ １５.２ 例えば、空隙を０．６５μｍとした場合、直径２ａ＝２
８０μｍでは、板厚ｈ＝７μｍ、固定電極径ρ＝１５０
μｍとした場合、１００ｋＰａの圧力でダイアフラムが
０．２μｍ変位し、１１０ｆＦの容量変化が得られるの
で、容量の検出限界を１ｆＦとすれば１Ｐａすなわち１
％の分解能で圧力を容量変化として検出することができ
る。

【００５６】次に、図１２は、ダイアフラムの強度面か
らの限界寸法範囲を示す。ダイアフラムを周辺固定の弾
性円板として考えると、その周辺部の曲げ応力は、次式
（３）で表わされるように、半径ａの２乗に比例し板厚
ｈの２乗に反比例する。

【００５７】 σ＝ｋＰ・ａ^２／ｈ^２ …… （３） ここで、ｋは周辺の固定条件とポアソン比により決まる
定数であるが、単位圧力当たりで考えれば円板寸法と応
力の変換係数ともみることが出来る。上式（３）から、
板厚ｈは、次式（４）で表わされる。

【００５８】 ｈ＝√（３Ｐ／４σ）・ａ …… （４） 圧力センサーの製造プロセスが真空中での熱処理を採用
するものである場合、ダイアフラムの強度としては製造
プロセスの温度は考慮する必要がなく、使用時すなわち
室温における強度を考慮すれば良い。室温におけるポリ
シリコンＳiの破壊強度は約１ＧＰａであるから、これ
を圧力１００ＫＰa印加時に発生する応力とすれば、ｈ
＝０．００８６６ａとなる。また、安全率を４（圧力２
５０ＫＰa）とすれば、次式（５）で表わされる関係と
なる。すなわち、図１２の線分Ｌ２よりも上側の領域
が、室温で破壊しない領域である。

【００５９】 ｈ＝０．０１７３ａ …… （５） 曲線Ｌ２に基づく、直径２ａと板厚ｈの関係の一例を示
すと次表の様になる。

【００６０】 直径２ａ（μｍ） １１０ １５０ ２２０ ４００ 板厚 ｈ（μｍ） ０．９５ １.３ １.９ ３.５ また、半導体プロセスにおいて大気圧で熱処理を行う場
合、ダイアフラムの強度としては製造プロセスの最高温
度における強度を考慮する必要がある。製造プロセスに
おける最高温度を９００℃とすると、ポリシリコンＳi
の降伏応力は、約５５ＭＰａと小さいので、ｈとａは式
（６）で表わされる関係となる。すなわち、図１２の線
分Ｌ３よりも上側の領域が、製造プロセスの最高温度で
破壊しない領域である。

【００６１】ｈ＝０．００３７ａ …… （６） 曲線Ｌ３に基づく、直径２ａと板厚ｈの関係の一例を示
すと次表の様になる。

【００６２】 直径２ａ（μｍ） １１０ １５０ ２２０ ４００ 板厚 ｈ（μｍ） ２．０ ２.８ ４.１ ７.４ 次に、図１３は、空隙を形成するための犠牲層エッチン
グ可能距離からみた限界寸法範囲を示す。まず後でエッ
チングされる犠牲層としてＰＳＧ（リン処理ＳｉＯ２）
膜をダイアフラムの直径に相当する大きさに成膜する。
この上にダイアフラムとなるポリＳｉ膜を形成し、円周
側面から沸酸を用いてＰＳＧをエッチングし空隙を形成
する。ＰＳＧの厚さが０．２〜１．３μｍではサイドエ
ッチングできる距離は２００μｍで、直径にして４００
μｍの空隙を形成するのが限度である。４００μｍを超
えると、エッチングの不良が生じ、リーク電流が急激に
増大する。すなわち、図１３の直線Ｌ４よりも左側の領
域が、犠牲層エッチング可能距離からみた有効な領域で
ある。

【００６３】また、図１４は、センサ容量に対する浮遊
容量の倍数からみた限界寸法範囲を示す。図３でも説明
したように、ダイアフラム周辺部に設けた足場１２０ｂ
（ダイアフラム周辺部に設けた犠牲層エッチング用のエ
ッチング穴を除いてダイアフラムをＳｉ基板に絶縁膜を
介して固定する部分）とＳｉ基板１０との間には、Ｓｉ
３Ｎ４やＳｉＯ２の絶縁膜が誘電体として存在し、これ
が浮遊容量として働き、圧力により変化するゲージ容量
を電圧信号に変換する際に悪影響を与える。

【００６４】この目安として浮遊容量のゲージ容量に対
する倍数を表した。直径が２２０μｍ以下となると２乗
曲線で倍数が大きくなり、さらに、直径が１１０μｍ以
下となると急激に倍数が大きくなるので高精度で微少容
量を検出するのが難しくなる。すなわち、図１４の直線
Ｌ５よりも右側の領域、望ましくは直線Ｌ６よりも右側
の領域が、センサ容量に対する浮遊容量の倍数からみた
有効な領域である。

【００６５】以上の説明した実験、検討の結果を纏めた
ものが、図１５である。すなわち、ダイアフラムの直径
２ａと厚みｈの関係は、図１５の線分Ｌ１とＬ２、Ｌ４
とＬ５に囲まれた（１）の台形ａｂｃｄの領域内とする
のが望ましい。最も望ましいのは、上記領域の中で線分
Ｌ６よりも右側すなわち（２）の台形ｃｄｇｈの領域内
である。

【００６６】もし、半導体プロセスにおいて大気圧で熱
処理を行う場合は、上記領域の中で線分Ｌ３よりも上側
すなわち（３）の台形ｃｆｅｂの領域内とするのが望ま
しい。

【００６７】また、空隙に関しても先に述べた理由によ
り、０．２μｍ〜１.３μｍとするのが望ましい。

【００６８】

【発明の効果】本発明によれば、半導体プロセスで製造
される容量式絶対圧基準型圧力センサーに関し、ダイア
フラム電極の直径を１１０μｍ〜４００μｍ、ダイアフ
ラム電極の厚みを１．９μｍ〜１１．６μｍとしたこと
により、基準容量−半導体基板間の寄生容量を小さくか
つ電圧依存性を実質的に無視できる。そのため、感度が
十分に高く、測定精度の良く、耐久性に優れ、信頼性の
高い、安定した半導体容量式圧力センサを安定したプロ
セスで提供することが出来る。上記数値範囲は、製造プ
ロセス上及び使用上から見てベストの範囲であり、実用
性に優れた容量式圧力センサを提供することができる。

【００６９】また、半導体容量式圧力センサを上記数値
範囲とすることで、回路部と圧力検出部の１チップ化が
可能となり、小型化、低価格化な圧力センサの提供が可
能となる。さらに、自動車用としても良好な特性で安定
した信頼度の高い圧力センサを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態になる半導体容量式圧力
センサーの縦断面形状を示す図。

【図２】本発明の第１実施形態の平面図を示す図。

【図３】本発明の第１実施形態の圧力検出回路のブロッ
ク図を示す図。

【図４】本発明の第１実施形態の圧力センサの製造工程
を説明する図。

【図５】本発明の第１実施形態の圧力センサの製造工程
を説明する図。

【図６】本発明の第２実施形態になる半導体容量式圧力
センサーの縦断面形状を示す図。

【図７】本発明の第２実施形態になる半導体容量式圧力
センサーの縦断面形状を示す図。

【図８】本発明の第２実施形態の平面図を示す図。

【図９】本発明に関する実験結果を説明するための、ダ
イアフラム電極の形状に関する定義を示す図である。

【図１０】本発明のダイアフラム電極における、空隙の
気密封止が可能な領域の実験結果を示す図である。

【図１１】本発明のダイアフラム電極の感度特性とし
て、圧力と容量変化の関係を示す図である。

【図１２】本発明のダイアフラム電極の、強度面からの
限界寸法範囲を示す図である。

【図１３】本発明のダイアフラム電極において、空隙を
形成するための犠牲層エッチング可能距離からみた限界
寸法範囲を示す図である。

【図１４】本発明のダイアフラム電極において、センサ
容量に対する浮遊容量の倍数からみた限界寸法範囲を示
す図である。

【図１５】本発明のダイアフラム電極の望ましい形状と
して、図１０〜図１４の実験結果を纏めたものである。

【符号の説明】

１０…半導体基板、２０…酸化物誘電体、３０…導電
体、３０ａ…下部電極、３０ｂ…アクティブ容量固定電
極、３０ｃ…配線、３０ｄ…基準容量固定電極、４０…
バリア誘電体層、５０…封止用誘電体、６０…金属導電
体、６０ａ…上部電極、６０ｂ…配線部、７０…コンタ
クト構造、１００…アクティブ容量、１１０…空隙、１
２０、２２０…ダイアフラム構造体、１２０ａ…ダイア
フラム電極、１２０ｂ…固定足場、１３０…ダイアフラ
ム電極接続部、２００…基準容量、２０１…基準容量誘
電体、２０２…酸化膜、２０３…パッシベーション膜、
２１０…空隙、２２０ａ…ダイアフラム電極、２２０ｂ
…固定足場、３００…検出回路、４００…圧力検出Ｉ
Ｃ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 篤雄 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 宮崎 敦史 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 堀江 潤一 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 保川 彰夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 佐藤 真也 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD05 EE25 FF15 FF43 GG15 GG31 GG49 4M112 AA01 BA07 CA02 CA12 DA03 DA04 DA06 DA12 DA15 EA02 EA04 EA06 EA07 FA11

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板と、該半導体基板に保持され周
   囲の圧力の変化に応じて変位するシリコン製ダイアフラ
   ムと、前記半導体基板と前記ダイアフラムとの間に形成
   される空隙と、該空隙の周縁を気密封止する酸化シリコ
   ン膜とを有する半導体容量式圧力センサであって、 前記ダイアフラムに対向する固定電極が誘電体上に形成
   されており、 前記ダイアフラムは誘電体を介して前記半導体基板から
   絶縁されており、 前記ダイアフラムの直径が１１０μｍ〜４００μｍ、前
   記ダイアフラムの厚みが１．９μｍ〜１１．６μｍであ
   ることを特徴とする半導体容量式圧力センサ。
2. 【請求項２】請求項１記載の半導体容量式圧力センサに
   おいて、前記空隙が０．２μｍ〜１.３μｍであること
   を特徴とする半導体容量式圧力センサ。
3. 【請求項３】請求項１または２記載の半導体容量式圧力
   センサにおいて、前記ダイアフラムの直径が２２０μｍ
   〜４００μｍ、前記ダイアフラムの厚みが１．９μｍ〜
   １１．６μｍであることを特徴とする半導体容量式圧力
   センサ。
4. 【請求項４】半導体基板と、該半導体基板に保持され圧
   力の変化に応じて変位するシリコン製ダイアフラムと、
   前記半導体基板と前記ダイアフラムとの間に形成される
   空隙と、該空隙の周縁を気密封止する膜とを有する半導
   体容量式圧力センサであって、 前記ダイアフラムに対抗する固定電極が前記空隙を介し
   て前記半導体基板上に固定されており、 前記ダイアフラムの直径が２２０μｍ〜４００μｍ、前
   記ダイアフラムの厚みが１．９μｍ〜１１．６μｍであ
   ることを特徴とする半導体容量式圧力センサ。
5. 【請求項５】半導体基板上に形成され周囲圧力に応じて
   変化するアクティブ容量と、前記半導体基板上に形成さ
   れ周囲圧力に対し実質的に変化しない基準容量と、前記
   アクティブ容量および基準容量と電気的に接続され両者
   の差ないし比を検出し前記半導体基板の電位を利用して
   動作する回路とを有する容量式圧力センサであって、 前記基準容量は、前記半導体基板上に誘電体を介して形
   成された導電性の電極を含み、 前記アクティブ容量は、誘電体を介して前記半導体基板
   表面に固定され周囲圧力の変化に応じて変位するポリシ
   リコン膜からなるダイアフラムと、前記半導体基板上に
   形成した前記誘電体と前記ダイアフラムとの間に前記空
   隙を介して形成される導電性の固定電極と、該空隙の周
   縁を気密封止する酸化シリコン膜とを含み、 前記ダイアフラムの直径が１１０μｍ〜４００μｍ、前
   記ダイアフラムの厚みが１．９μｍ〜１１．６μｍ、前
   記空隙が０．２μｍ〜１.３μｍであることを特徴とす
   る半導体容量式圧力センサ。
6. 【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の半導体容
   量式圧力センサにおいて、周囲圧力をＰとしたとき、前
   記ダイアフラムの厚みｈの上限値を、次式（２）で求ま
   る変位ｗ(p)に基づき、前記ダイアフラムの直径２ａに
   応じて設定したことを特徴とする半導体容量式圧力セン
   サ。 ｗ(p)＝ＫＰ・ａ^４／ｈ^３ Ｋ＝３ (１−ν^２)／（１６Ｅ） … （２） 但し、νはポアソン比、Ｅはヤング率
7. 【請求項７】請求項６に記載の半導体容量式圧力センサ
   において、前記ダイアフラムの厚みｈの下限値を、次式
   （３）に基づき、前記ダイアフラムの直径２ａに応じて
   設定したことを特徴とする半導体容量式圧力センサ。 ｈ＝０．０１７３ａ …（５）
8. 【請求項８】請求項６に記載の半導体容量式圧力センサ
   において、前記ダイアフラムの厚みｈの下限値を、次式
   （４）に基づき、前記ダイアフラムの直径２ａに応じて
   設定したことを特徴とする半導体容量式圧力センサ。 ｈ＝０．０３７ａ …（６）
9. 【請求項９】請求項１〜８に記載の半導体容量式圧力セ
   ンサを、大気圧力の検知や自動車用エンジンの吸気管圧
   力検出に用いることを特徴とする、１００ｋＰａ測定用
   絶対圧基準型圧力センサ。