JP2004069596A - Semiconductor pressure sensor and its manufacturing method - Google Patents

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JP2004069596A
JP2004069596A JP2002231294A JP2002231294A JP2004069596A JP 2004069596 A JP2004069596 A JP 2004069596A JP 2002231294 A JP2002231294 A JP 2002231294A JP 2002231294 A JP2002231294 A JP 2002231294A JP 2004069596 A JP2004069596 A JP 2004069596A
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piezoresistor
semiconductor
pressure sensor
substrate
layer
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JP2002231294A
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Inventor
Takeshi Fukada
深田 毅
Eiji Kawasaki
川崎 栄嗣
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Denso Corp
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Denso Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To increase an output and reliability of a semiconductor pressure sensor constructed by forming a piezoresistor on a semiconductor board. <P>SOLUTION: A laminate board formed by layering silicone layers 12 via an insulating layer 13 is arranged on the semiconductor board 11, and a part of the silicone layer 12 left by patterning of the silicone layers 12 is constructed as the piezoresistor 14 projected on the insulating layer 13. On the piezoresistor 14, a glass member 20 bound by anodic connection is mounted. A pressure applied to the glass member 20 is turned into an electrical signal by means of the piezoresistor 14. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板にピエゾ抵抗を形成してなる半導体圧力センサおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来この種の半導体圧力センサとしては、例えば、特開平6−302836号公報に記載のものが提案されている。このものは、半導体ウェハにピエゾ抵抗である歪みゲージのブリッジ構造を形成し、このピエゾ抵抗の上にガラス部材が陽極接合されてなり、ガラス部材に加わる圧力をピエゾ抵抗によって電気信号に変換するものである。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の半導体圧力センサでは、半導体基板に形成されているピエゾ抵抗は、イオン注入等により形成された、半導体基板とは異なる導電型を有する層であり、PN接合により、当該ピエゾ抵抗の周囲との電気的絶縁がなされている。
【0004】
このようなPN接合を有する構造であるため、ガラス部材を陽極接合する際に、PN接合の逆方向に電流を流す必要があり、PN接合を劣化させてしまうという問題がある。さらに、PN接合を用いていることによる高温でのリークによる特性劣化や、当該劣化したPN接合を用いることによる特性の変動も生じる。このように、従来のものではPN接合に起因する種々の問題が生じ、センサの信頼性を損ねる可能性がある。
【0005】
また、従来の半導体圧力センサでは、印加された圧力をピエゾ抵抗によって電気信号に変換しているが、さらなる出力の増大が望まれている。これは、精度良く圧力を検出するためには、圧力によってピエゾ抵抗から発生する信号を大きくする必要があるためである。
【0006】
本発明は上記問題に鑑み、半導体基板にピエゾ抵抗を形成してなる半導体圧力センサにおいて、出力を大きくするとともに、信頼性を向上させることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、半導体圧力センサにおける出力増大について検討を行った。ピエゾ抵抗からの信号を大きくするために、ピエゾ抵抗において圧力によって発生する単位面積あたりの応力を大きくすることを考えた。
【0008】
図4、図5は、そのような半導体圧力センサとして本発明者らの試作したセンサの製造工程を示す図である。まず、図4(a)に示すように、面方位が例えば(110)面であるn型のシリコン基板100を用意する。
【0009】
次に、図4(b)に示すように、シリコン基板100の一面にフォトマスク101を形成してB(ボロン)等の不純物をイオン注入することにより、シリコン基板100の一面の所定領域にピエゾ抵抗となるP+層102を形成する。
【0010】
次に、図4(c)に示すように、シリコン基板100の一面においてP+層102の所定領域をフォトマスク103でマスキングした状態で、RIE(反応性イオンエッチング)などによりシリコン基板100をエッチングする。それにより、シリコン基板100の一面に突起形状が形成され、この突起部がピエゾ抵抗104や配線部105となる。
【0011】
次に、図4(d)に示すように、段差部の側面において露出しているPN接合部分を保護するために、熱酸化などによりシリコン基板100の一面を酸化膜106にて被覆して保護する。
【0012】
次に、図5(a)、(b)に示すように、酸化膜106の一部をエッチング除去してコンタクトホール107を形成し、このコンタクトホール107を介してアルミなどからなる電極108をパターニング形成する。
【0013】
最後に、図5(c)に示すように、ピエゾ抵抗104の上にガラス部材109を陽極接合して搭載する。例えばガラス部材109をマイナス極、シリコン基板100をプラス極として陽極接合する。
【0014】
このようにして製造された試作品としての半導体圧力センサにおいては、ピエゾ抵抗104は突起形状であるため、従来の基板面内に形成されたピエゾ抵抗層に比べて、ガラス部材109との接触面積を小さくでき、結果、単位面積あたりの応力(歪み)の大きいピエゾ抵抗の構成を実現できる。そのため、センサの出力増大が図れる。
【0015】
しかし、この試作品においても、次のような問題が生じる。確実に突起形状(メサ形状)のピエゾ抵抗104を形成するためには、上記図4(c)に示すように、突起部の段差Dは例えば3μm程度となり、PN接合も段差部の側面に露出する。このような段差は、半導体製造プロセスにおいては、比較的大きな段差である。
【0016】
そのため、露出するPN接合を保護するための酸化膜106を形成する際に、段差部における酸化膜106のカバレッジが確保できなかったりする等の問題が生じ、センサの歩留まりが低下する恐れがある。
【0017】
また、上記試作品においても、やはりPN接合を有するため、そのPN接合に起因する種々の問題は回避し得ない。このようなことから、本発明者らは、突起形状のピエゾ抵抗を有するけれども、PN接合は有しない構成を実現するために、鋭意検討を行い、本発明を創出するに至った。
【0018】
すなわち、請求項1に記載の発明では、半導体基板(11)の上に絶縁層(13)を介して半導体層(12)を積層してなる積層基板(10)を有し、前記半導体層(12)をパターニングすることによって残った前記半導体層(12)の部分が、前記絶縁層(13)の上に突出するピエゾ抵抗(14)として構成されており、前記ピエゾ抵抗(14)の上にガラス部材(20)が陽極接合されて搭載されており、前記ガラス部材(20)に加わる圧力を前記ピエゾ抵抗(14)によって電気信号に変換するようにしたことを特徴とする半導体圧力センサ。
【0019】
それによれば、半導体層からなるピエゾ抵抗が、絶縁層の上に突出した突起形状(メサ形状)にて形成されるため、当該ピエゾ抵抗は単位面積あたりの応力が大きいものとなる。また、このピエゾ抵抗においては、上下方向すなわち基板厚み方向では絶縁層により、横方向すなわち基板面方向では空気により電気絶縁が確保される。
【0020】
そのため、本発明の半導体圧力センサにおいては、従来のような電気絶縁のためのPN接合が不要であり、実際にPN接合を持たない構成となっている。そして、PN接合が存在しないので、上述したようなガラス部材の陽極接合などによるPN接合劣化の問題がそもそも生じない。
【0021】
また、本発明のセンサでは、ピエゾ抵抗を突起形状としても、上記試作品に存在するようなPN接合が無いことから、上記試作品で行うようなPN接合を保護するための酸化膜を形成することが不要となる。そのため、センサの歩留まり低下の問題も回避することができる。
【0022】
よって、本発明によれば、出力を大きくするとともに、信頼性を向上させることのできる半導体圧力センサを提供することができる。
【0023】
また、請求項3に記載の発明では、半導体基板(11)の上に絶縁層(13)を介して半導体層(12)を積層してなる積層基板(10)を用意し、前記半導体層(12)をパターニングすることによって残った前記半導体層(12)の部分をピエゾ抵抗(14)として形成する工程と、前記ピエゾ抵抗(14)の上にガラス部材(20)を搭載して陽極接合する工程とを備えることを特徴とする。
【0024】
本発明によれば、上記請求項1に記載の圧力センサを適切に製造し得る製造方法を提供することができる。
【0025】
また、請求項2、請求項4の発明に記載のように、半導体層としてはシリコンからなるものを用いることができる。
【0026】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0027】
【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。図1は本発明の実施形態に係る半導体圧力センサS1の概略断面構成を示す図である。限定するものではないが、この圧力センサS1は、例えば自動車のエンジン内の燃焼圧を測定する燃焼圧センサとして適用できる。
【0028】
圧力センサS1は、シリコン等からなる半導体基板11の上に絶縁層13を介して半導体層としてのシリコンからなるシリコン層12を積層してなる積層基板10を有する。
【0029】
本例の積層基板10は、SOI(シリコンオンインシュレータ)基板10であり、半導体基板11としての第1のシリコン層11の上に絶縁層としての埋め込み酸化膜13を介してシリコン層としての第2のシリコン層(SOI層)12を貼り合わせてなるものである。
【0030】
シリコン層12はパターニングされており、残ったシリコン層12の部分が、絶縁層13の上に突出するピエゾ抵抗14および配線部15として構成されている。これら絶縁層13の上にて突起形状(メサ形状)を有するピエゾ抵抗14および配線部15は、例えばホイートストンブリッジ等のブリッジ回路を構成している。
【0031】
また、配線部15上の所定領域には、上記ブリッジ回路からの信号を取り出す等のためのアルミなどからなる電極16が形成されている。そして、歪みゲージとしてのピエゾ抵抗14の上には、ガラスからなるガラス部材20が陽極接合されて搭載されている。
【0032】
そして、このような圧力センサS1は例えば、図示しないセンサケースに収納されて、自動車エンジンの近傍に取り付けられ、当該エンジンの燃焼室からの燃焼圧がガラス部材20に加わるようになっている。
【0033】
例えば、燃焼室内の燃焼圧を受圧する金属ダイアフラムを介して、このダイアフラムによって移動するロッド部材を、ガラス部材20の上部に当接させることによって、当該燃焼圧は当該ロッド部材を介してガラス部材20の上部から印加される。
【0034】
このガラス部材20に印加された圧力は、ピエゾ抵抗14に印加され、ピエゾ抵抗14が歪む。すると、ピエゾ抵抗14によって構成されているブリッジ回路のバランスが変化し、この変化に基づく電気信号が配線部15上の電極16から出力されるようになっている。
【0035】
ここで、例えば電極16は、図示しない配線部材にボンディングワイヤ等によって接続されており、変換された圧力の電気信号は、当該電極16から上記配線部材を介して外部回路等に出力されるようになっている。こうして、上記燃焼圧の検出がなされる。
【0036】
このように、本実施形態の圧力センサS1は、半導体基板として新たにSOI基板等の積層基板10を用い、その積層基板10における絶縁層13上のシリコン層12を利用して突起形状(メサ形状)のピエゾ抵抗14を形成したことを主たる特徴としている。
【0037】
それによれば、シリコン層12からなるピエゾ抵抗14は、絶縁層13の上に突出した突起形状(メサ形状)にて形成されるため、当該ピエゾ抵抗14は単位面積あたりの応力が大きいものとなる。このことは、上記図4、図5に示される試作品において述べたのと同様の理由である。
【0038】
また、このピエゾ抵抗14においては、図1中の上下方向すなわち積層基板10の厚み方向(基板厚み方向)では絶縁層13により電気絶縁が確保され、図1中の横方向すなわち積層基板10の基板面方向(基板面方向)では空気により電気絶縁が確保される。
【0039】
そのため、本実施形態の半導体圧力センサS1においては、従来のような電気絶縁のためのPN接合が不要であり、実際にPN接合を持たない構成となっている。
【0040】
そして、PN接合が存在しないので、上述したようなガラス部材20の陽極接合などによるPN接合劣化、PN接合を用いていることによる高温でのリークによる特性劣化、更には、当該劣化したPN接合を用いることによる特性の変動といった、センサの信頼性を損ねる可能性のある問題がそもそも生じない。
【0041】
更に、本実施形態の圧力センサS1では、ピエゾ抵抗14を突起形状としても、上記図4、図5に示したような試作品に存在するPN接合が無いことから、上記試作品で行うようなPN接合を保護するための酸化膜106を形成することが不要となる。そのため、センサS1の歩留まり低下の問題も回避することができる。
【0042】
よって、本実施形態によれば、出力を大きくするとともに、信頼性を向上させることのできる半導体圧力センサS1を提供することができる。
【0043】
次に、上記圧力センサS1の製造方法について図2(a)〜(d)を参照して述べる。図2は、上記図1に対応した断面にて本製造工程を順番に示す工程図である。
【0044】
まず、図2(a)に示すように、半導体基板11の上に絶縁層13を介してシリコン層12を積層してなる積層基板10を用意する。ここで、この積層基板10におけるシリコン層12のうち上記ピエゾ抵抗14および配線部15となる部位の表面に、デポジション拡散やイオン注入等によって例えばB(ボロン)等の不純物を導入することにより、ピエゾ抵抗効果を示す所望の濃度を実現するようにして良い。
【0045】
次に、図2(b)に示すように、アルミ等をスパッタや蒸着等にて成膜し、フォトリソグラフ技術を用いてパターニングすることにより、電極16を形成する。
【0046】
次に、図2(c)に示すように、シリコン層12をドライエッチング等を用いてパターニングすることにより、残ったシリコン層12の部分をピエゾ抵抗14および配線部15として形成する。
【0047】
次に、図2(d)に示すように、ピエゾ抵抗14の上にガラス部材20を搭載して陽極接合する。このとき、例えば、陽極接合用の電極(図示せず)によってガラス部材20の上面と半導体基板11の下面とを挟み、例えばガラス部材20をマイナス極、半導体基板11をプラス極として電流を印加し陽極接合を行う。こうして、上記図1に示す半導体圧力センサS1が完成する。
【0048】
(他の実施形態)
本発明の他の実施形態に係る半導体圧力センサS2の概略断面構成を図3に示す。図3に示すセンサS2は、上記図1に示すセンサS1において、シリコン層12の表面に当該表面を平坦化するための酸化膜17を形成したものである。
【0049】
シリコン層12へ拡散された不純物によっては、シリコン層12の表面に凹凸が生じ、陽極接合に不具合が生じる場合がある。
【0050】
そのような場合、図3に示すように、上記図2(c)においてシリコン層12をパターニングした後に、酸化膜17を形成すれば平坦化がなされる。そして、この平坦な酸化膜17を介して陽極接合を行いガラス部材20を搭載すれば、陽極接合の接合性を確保できる。これが、図3のセンサS2による独自の効果である。
【0051】
なお、本発明のSOI基板等の積層基板10を用いたセンサでは、ピエゾ抵抗14を突起形状としても、上記図4や図5に示した試作品に存在するようなPN接合が無いことから、その突起による段差の大きさは、上記試作品に比べて小さいものにできる。例えば、上記試作品の段差が3μm程度なのに対して、本発明では、段差の大きさはシリコン層12の厚さであり1μm程度にできる。
【0052】
このような本発明の圧力センサにおける段差は、半導体製造プロセスにおいては、通常存在する程度の段差であり問題はない。そのため、図3に示すような酸化膜17を形成しても、酸化膜17の段差部におけるカバレッジが不十分であったり、その後の電極16をパターニング形成する際に電極膜のエッチング残りが生じたりするという問題は極力回避可能である。
【0053】
また、本発明では、積層基板において半導体基板の上に絶縁層を介して積層される半導体層は、上記シリコン層以外の半導体層、例えばゲルマニウムやガリウム等の層でも良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る半導体圧力センサの概略断面図である。
【図2】図1に示す半導体圧力センサの製造方法を示す工程図である。
【図3】本発明の他の実施形態としての半導体圧力センサの概略断面図である。
【図4】本発明者らの試作した半導体圧力センサの製造工程を示す図である。
【図5】図4に続く製造工程を示す図である。
【符号の説明】
10…積層基板、11…半導体基板、12…シリコン層、13…絶縁層、
14…ピエゾ抵抗、20…ガラス部材。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor pressure sensor having a piezoresistor formed on a semiconductor substrate and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a semiconductor pressure sensor of this type, for example, a sensor described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-302836 has been proposed. This device forms a bridge structure of a strain gauge, which is a piezoresistor, on a semiconductor wafer, and a glass member is anodically bonded on this piezoresistor, and converts the pressure applied to the glass member to an electric signal by the piezoresistor. It is.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional semiconductor pressure sensor, the piezoresistor formed on the semiconductor substrate is a layer formed by ion implantation or the like and having a conductivity type different from that of the semiconductor substrate. And electrical insulation is provided.
[0004]
Because of such a structure having a PN junction, it is necessary to supply a current in a direction opposite to the PN junction when the glass member is anodically bonded, and there is a problem that the PN junction is deteriorated. Further, characteristic deterioration due to leakage at a high temperature due to the use of the PN junction and fluctuation of characteristics due to the use of the deteriorated PN junction occur. As described above, in the conventional device, various problems due to the PN junction occur, and the reliability of the sensor may be impaired.
[0005]
Further, in a conventional semiconductor pressure sensor, an applied pressure is converted into an electric signal by a piezo resistor, but further increase in output is desired. This is because in order to accurately detect pressure, it is necessary to increase the signal generated from the piezoresistor due to the pressure.
[0006]
In view of the above problems, an object of the present invention is to increase the output and improve the reliability of a semiconductor pressure sensor having a piezoresistor formed on a semiconductor substrate.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have studied an increase in output in a semiconductor pressure sensor. In order to increase the signal from the piezoresistor, we considered increasing the stress per unit area generated by pressure in the piezoresistor.
[0008]
FIG. 4 and FIG. 5 are diagrams showing a manufacturing process of a sensor prototyped by the present inventors as such a semiconductor pressure sensor. First, as shown in FIG. 4A, an n-type silicon substrate 100 whose plane orientation is, for example, a (110) plane is prepared.
[0009]
Next, as shown in FIG. 4B, a photomask 101 is formed on one surface of the silicon substrate 100, and an impurity such as B (boron) is ion-implanted, so that a predetermined region on one surface of the silicon substrate 100 is A P + layer 102 serving as a resistor is formed.
[0010]
Next, as shown in FIG. 4C, the silicon substrate 100 is etched by RIE (reactive ion etching) or the like while a predetermined region of the P + layer 102 is masked with a photomask 103 on one surface of the silicon substrate 100. . As a result, a projection is formed on one surface of the silicon substrate 100, and the projection becomes the piezoresistor 104 and the wiring section 105.
[0011]
Next, as shown in FIG. 4D, one surface of the silicon substrate 100 is covered with an oxide film 106 by thermal oxidation or the like to protect the PN junction exposed on the side surface of the step. I do.
[0012]
Next, as shown in FIGS. 5A and 5B, a part of the oxide film 106 is removed by etching to form a contact hole 107, and an electrode 108 made of aluminum or the like is patterned through the contact hole 107. Form.
[0013]
Finally, as shown in FIG. 5C, a glass member 109 is mounted on the piezoresistor 104 by anodic bonding. For example, anodic bonding is performed using the glass member 109 as a negative electrode and the silicon substrate 100 as a positive electrode.
[0014]
In the semiconductor pressure sensor as a prototype manufactured in this way, since the piezoresistor 104 has a protruding shape, the contact area with the glass member 109 is larger than that of the conventional piezoresistive layer formed in the substrate surface. As a result, a configuration of a piezoresistor having a large stress (strain) per unit area can be realized. Therefore, the output of the sensor can be increased.
[0015]
However, this prototype also has the following problems. In order to surely form the piezoresistor 104 having a projection shape (mesa shape), as shown in FIG. 4C, the step D of the projection is, for example, about 3 μm, and the PN junction is also exposed on the side surface of the step. I do. Such a step is a relatively large step in a semiconductor manufacturing process.
[0016]
Therefore, when the oxide film 106 for protecting the exposed PN junction is formed, there arises a problem that coverage of the oxide film 106 at the step portion cannot be ensured, and the yield of the sensor may be reduced.
[0017]
In addition, since the prototype also has a PN junction, various problems caused by the PN junction cannot be avoided. From the above, the present inventors have conducted intensive studies to realize a configuration having a piezoresistor having a projection shape but not having a PN junction, and have led to the creation of the present invention.
[0018]
That is, according to the first aspect of the present invention, there is provided a laminated substrate (10) in which a semiconductor layer (12) is laminated on a semiconductor substrate (11) with an insulating layer (13) interposed therebetween. The portion of the semiconductor layer (12) remaining by patterning the layer (12) is configured as a piezoresistor (14) projecting above the insulating layer (13), and is formed on the piezoresistance (14). A semiconductor pressure sensor, wherein a glass member (20) is mounted by anodic bonding, and a pressure applied to the glass member (20) is converted into an electric signal by the piezoresistor (14).
[0019]
According to this, since the piezoresistor formed of the semiconductor layer is formed in a projection shape (mesa shape) protruding above the insulating layer, the piezoresistor has a large stress per unit area. In this piezoresistor, electrical insulation is ensured by the insulating layer in the vertical direction, that is, the thickness direction of the substrate, and by air in the lateral direction, that is, the direction of the substrate surface.
[0020]
For this reason, the semiconductor pressure sensor of the present invention does not require a PN junction for electrical insulation as in the related art, and has a configuration that does not actually have a PN junction. Since the PN junction does not exist, the problem of the PN junction deterioration due to the anodic bonding of the glass member does not occur in the first place.
[0021]
Further, in the sensor of the present invention, even when the piezoresistor has a projection shape, since there is no PN junction as in the prototype, an oxide film for protecting the PN junction as in the prototype is formed. It becomes unnecessary. Therefore, the problem of a decrease in sensor yield can be avoided.
[0022]
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor pressure sensor capable of increasing output and improving reliability.
[0023]
According to the third aspect of the present invention, a laminated substrate (10) is prepared by laminating a semiconductor layer (12) on a semiconductor substrate (11) via an insulating layer (13). 12) forming a portion of the semiconductor layer (12) remaining by patterning as a piezoresistor (14); mounting a glass member (20) on the piezoresistor (14) and performing anodic bonding; And a step.
[0024]
According to the present invention, it is possible to provide a manufacturing method capable of appropriately manufacturing the pressure sensor according to the first aspect.
[0025]
Further, as described in the second and fourth aspects of the present invention, a semiconductor layer made of silicon can be used.
[0026]
It should be noted that reference numerals in parentheses of the above-described units are examples showing the correspondence with specific units described in the embodiments described later.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention shown in the drawings will be described. FIG. 1 is a diagram showing a schematic sectional configuration of a semiconductor pressure sensor S1 according to an embodiment of the present invention. Although not limited, the pressure sensor S1 can be applied, for example, as a combustion pressure sensor that measures the combustion pressure in an automobile engine.
[0028]
The pressure sensor S1 has a laminated substrate 10 formed by laminating a silicon layer 12 made of silicon as a semiconductor layer on a semiconductor substrate 11 made of silicon or the like via an insulating layer 13.
[0029]
The laminated substrate 10 of this example is an SOI (silicon-on-insulator) substrate 10, and a second silicon layer 11 as a silicon layer via a buried oxide film 13 as an insulating layer on a first silicon layer 11 as a semiconductor substrate 11. Of the silicon layer (SOI layer) 12 of FIG.
[0030]
The silicon layer 12 is patterned, and the remaining portion of the silicon layer 12 is configured as a piezoresistor 14 and a wiring portion 15 protruding above the insulating layer 13. The piezoresistor 14 and the wiring portion 15 having a projection shape (mesa shape) on the insulating layer 13 constitute a bridge circuit such as a Wheatstone bridge.
[0031]
An electrode 16 made of aluminum or the like for extracting a signal from the bridge circuit is formed in a predetermined region on the wiring portion 15. On the piezoresistor 14 as a strain gauge, a glass member 20 made of glass is mounted by anodization.
[0032]
The pressure sensor S1 is housed in, for example, a sensor case (not shown) and attached near an automobile engine so that a combustion pressure from a combustion chamber of the engine is applied to the glass member 20.
[0033]
For example, a rod member moved by the diaphragm is brought into contact with an upper portion of the glass member 20 through a metal diaphragm that receives the combustion pressure in the combustion chamber, so that the combustion pressure is increased via the rod member. Is applied from above.
[0034]
The pressure applied to the glass member 20 is applied to the piezoresistor 14, and the piezoresistor 14 is distorted. Then, the balance of the bridge circuit constituted by the piezoresistor 14 changes, and an electric signal based on this change is output from the electrode 16 on the wiring section 15.
[0035]
Here, for example, the electrode 16 is connected to a wiring member (not shown) by a bonding wire or the like, and the converted pressure electric signal is output from the electrode 16 to an external circuit or the like via the wiring member. Has become. Thus, the combustion pressure is detected.
[0036]
As described above, the pressure sensor S1 of the present embodiment uses a new laminated substrate 10 such as an SOI substrate as a semiconductor substrate, and uses the silicon layer 12 on the insulating layer 13 in the laminated substrate 10 to form a protrusion (mesa-shaped). The main feature is that the piezo resistor 14 is formed.
[0037]
According to this, the piezoresistor 14 made of the silicon layer 12 is formed in a projecting shape (mesa shape) projecting above the insulating layer 13, so that the piezoresistor 14 has a large stress per unit area. . This is the same reason as described in the prototype shown in FIGS.
[0038]
In the piezoresistor 14, electrical insulation is ensured by the insulating layer 13 in the vertical direction in FIG. 1, that is, in the thickness direction of the laminated substrate 10 (substrate thickness direction), and in the lateral direction in FIG. In the plane direction (substrate plane direction), electrical insulation is ensured by air.
[0039]
Therefore, the semiconductor pressure sensor S1 of the present embodiment does not require a PN junction for electrical insulation as in the related art, and has a configuration that does not actually have a PN junction.
[0040]
Since the PN junction does not exist, the PN junction deteriorates due to the anodic bonding of the glass member 20 as described above, the characteristic deteriorates due to the leakage at a high temperature due to the use of the PN junction, and the deteriorated PN junction also occurs. There is no problem that may degrade the reliability of the sensor, such as a change in characteristics due to use.
[0041]
Further, in the pressure sensor S1 of the present embodiment, even when the piezoresistor 14 has a projection shape, since there is no PN junction existing in the prototype as shown in FIGS. It is not necessary to form the oxide film 106 for protecting the PN junction. Therefore, the problem of a decrease in the yield of the sensor S1 can be avoided.
[0042]
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide the semiconductor pressure sensor S1 that can increase the output and improve the reliability.
[0043]
Next, a method for manufacturing the pressure sensor S1 will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a process diagram sequentially showing the present manufacturing process in a cross section corresponding to FIG.
[0044]
First, as shown in FIG. 2A, a laminated substrate 10 is prepared by laminating a silicon layer 12 on a semiconductor substrate 11 with an insulating layer 13 interposed therebetween. Here, impurities such as B (boron) are introduced into the surface of the silicon layer 12 of the laminated substrate 10 to be the piezoresistor 14 and the wiring portion 15 by deposition diffusion, ion implantation, or the like. A desired concentration exhibiting a piezoresistive effect may be achieved.
[0045]
Next, as shown in FIG. 2B, an electrode 16 is formed by forming a film of aluminum or the like by sputtering or vapor deposition and patterning the film using photolithographic technology.
[0046]
Next, as shown in FIG. 2C, the remaining silicon layer 12 is formed as a piezoresistor 14 and a wiring portion 15 by patterning the silicon layer 12 using dry etching or the like.
[0047]
Next, as shown in FIG. 2D, the glass member 20 is mounted on the piezoresistor 14 and anodically bonded. At this time, for example, the upper surface of the glass member 20 and the lower surface of the semiconductor substrate 11 are sandwiched by an electrode for anodic bonding (not shown), and a current is applied by using the glass member 20 as a negative electrode and the semiconductor substrate 11 as a positive electrode. Perform anodic bonding. Thus, the semiconductor pressure sensor S1 shown in FIG. 1 is completed.
[0048]
(Other embodiments)
FIG. 3 shows a schematic sectional configuration of a semiconductor pressure sensor S2 according to another embodiment of the present invention. The sensor S2 shown in FIG. 3 is different from the sensor S1 shown in FIG. 1 in that an oxide film 17 for flattening the surface is formed on the surface of the silicon layer 12.
[0049]
Depending on the impurities diffused into the silicon layer 12, irregularities may occur on the surface of the silicon layer 12, which may cause a problem in anodic bonding.
[0050]
In such a case, as shown in FIG. 3, if the oxide film 17 is formed after the silicon layer 12 is patterned in FIG. Then, if anodic bonding is performed via the flat oxide film 17 and the glass member 20 is mounted, bondability of anodic bonding can be ensured. This is the unique effect of the sensor S2 in FIG.
[0051]
Note that, in the sensor using the laminated substrate 10 such as the SOI substrate of the present invention, even if the piezoresistor 14 has a protruding shape, there is no PN junction as present in the prototypes shown in FIGS. The size of the step due to the protrusion can be made smaller than that of the prototype. For example, while the step of the prototype is about 3 μm, in the present invention, the size of the step is the thickness of the silicon layer 12 and can be about 1 μm.
[0052]
Such a step in the pressure sensor of the present invention is a step which is usually present in a semiconductor manufacturing process, and does not cause any problem. For this reason, even if the oxide film 17 as shown in FIG. 3 is formed, the coverage at the step portion of the oxide film 17 is insufficient, or the electrode film is left unetched when the electrode 16 is subsequently formed by patterning. This problem can be avoided as much as possible.
[0053]
In the present invention, the semiconductor layer laminated on the semiconductor substrate via the insulating layer in the laminated substrate may be a semiconductor layer other than the silicon layer, for example, a layer of germanium or gallium.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a semiconductor pressure sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process chart showing a method for manufacturing the semiconductor pressure sensor shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic sectional view of a semiconductor pressure sensor as another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a manufacturing process of a semiconductor pressure sensor prototyped by the present inventors.
FIG. 5 is a view showing a manufacturing step following FIG. 4;
[Explanation of symbols]
10 laminated substrate, 11 semiconductor substrate, 12 silicon layer, 13 insulating layer,
14: Piezoresistance, 20: Glass member.

Claims (4)

半導体基板(11)の上に絶縁層(13)を介して半導体層(12)を積層してなる積層基板(10)を有し、
前記半導体層(12)をパターニングすることによって残った前記半導体層(12)の部分が、前記絶縁層(13)の上に突出するピエゾ抵抗(14)として構成されており、
前記ピエゾ抵抗(14)の上にガラス部材(20)が陽極接合されて搭載されており、
前記ガラス部材(20)に加わる圧力を前記ピエゾ抵抗(14)によって電気信号に変換するようにしたことを特徴とする半導体圧力センサ。
A laminated substrate (10) formed by laminating a semiconductor layer (12) on a semiconductor substrate (11) via an insulating layer (13);
A portion of the semiconductor layer (12) remaining by patterning the semiconductor layer (12) is configured as a piezoresistor (14) protruding above the insulating layer (13);
A glass member (20) is mounted on the piezoresistor (14) by anodic bonding,
A semiconductor pressure sensor wherein a pressure applied to the glass member (20) is converted into an electric signal by the piezoresistor (14).
前記半導体層(12)がシリコンからな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。The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the semiconductor layer (12) is made of silicon. 半導体基板(11)の上に絶縁層(13)を介して半導体層(12)を積層してなる積層基板(10)を用意し、
前記半導体層(12)をパターニングすることによって残った前記半導体層(12)の部分をピエゾ抵抗(14)として形成する工程と、
前記ピエゾ抵抗(14)の上にガラス部材(20)を搭載して陽極接合する工程とを備えることを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
A laminated substrate (10) is prepared by laminating a semiconductor layer (12) on a semiconductor substrate (11) via an insulating layer (13).
Forming a portion of the semiconductor layer (12) remaining by patterning the semiconductor layer (12) as a piezoresistor (14);
Mounting a glass member (20) on the piezoresistor (14) and performing anodic bonding.
前記半導体層(12)がシリコンからなることを特徴とする請求項3に記載の半導体圧力センサの製造方法。4. The method according to claim 3, wherein the semiconductor layer is made of silicon.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010139373A (en) * 2008-12-11 2010-06-24 Ngk Spark Plug Co Ltd Method for manufacturing pressure sensor
JP2010139380A (en) * 2008-12-11 2010-06-24 Ngk Spark Plug Co Ltd Pressure sensor
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