JP2004125417A

JP2004125417A - 半導体式圧力センサ

Info

Publication number: JP2004125417A
Application number: JP2002285604A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakahara; 中原　剛
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】ダイヤフラム部の破壊強度を高めると共に、ブリッジ回路からの出力電圧を十分に得ることが可能な半導体式圧力センサを提供する。
【解決手段】軸方位＜１００＞のシリコンウエハを所定サイズに切断してなる半導体基板１に肉薄のダイヤフラム部２と、このダイヤフラム部２の周囲に形成される肉厚の支持部３とを設け、ダイヤフラム部２に歪ゲージ４をブリッジ状に配設した半導体式圧力センサにおいて、歪ゲージ４の略中心とダイヤフラム部２の略中心との距離をＸ、及びダイヤフラム部２と支持部３との境界部１４とダイヤフラム部２の略中心との距離をＲとしたときのＸとＲとの比Ｘ／Ｒが０．９３から０．９８となるようにダイヤフラム部２に歪ゲージ４を配設した。
【選択図】　図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板のダイヤフラム部に複数の歪ゲージをブリッジ状に形成し、ダイヤフラム部が受ける圧力を電気信号として出力することで圧力を検出する半導体式圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の半導体式圧力センサにあっては、例えば肉薄のダイヤフラム部と、このダイヤフラム部の外側周囲に形成される肉厚の支持部とを有する半導体基板のダイヤフラム部にピエゾ抵抗素子からなる歪ゲージを配設し、ダイヤフラム部が受ける圧力によって歪ゲージに歪みを発生させ、その歪ゲージのピエゾ抵抗効果による抵抗値の変化をブリッジ回路の電気信号に変換して圧力の値を検出するものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−３８７２６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載の半導体式圧力センサの場合、歪ゲージの中心からダイヤフラム部の中心までの距離を第１の距離Ｌとし、ダイヤフラム部と支持部との境界部からダイヤフラム部の中心までの距離を第２の距離Ｍとしたときに、第１の距離Ｌが第２の距離Ｍに対して短く設定されており、しかも第１の距離Ｌと第２の距離Ｍとの比Ｌ／Ｍは約０．８に設定されることが一般的である。しかしながら、Ｌ／Ｍを０．８とする歪ゲージの配設位置に対応するダイヤフラム部箇所は圧力を受けたときに変位する変位量が最大ではないため歪ゲージの変位も十分に得られるものではなく、従って歪ゲージのピエゾ抵抗効果による抵抗値の変化をブリッジ回路の電圧変化として出力する際に、ブリッジ回路からの出力電圧値も小さくなる傾向となるため、ブリッジ回路からの出力電圧を増幅する増幅回路の倍率を上げるべく回路構成を複雑にしなければならないといった問題を有していた。
【０００５】
また、歪ゲージの抵抗値変化を大きく得るための手段としては前述の歪ゲージの形成位置以外にダイヤフラム部の厚さを薄く形成することでダイヤフラム部の圧力による歪み（撓み）量を増大させることが考えられるが、ダイヤフラム部における支持部との境界部が角部となっているため、圧力印加による応力が前記角部に集中し、薄肉のダイヤフラム部の破壊強度を十分に確保することが難しいといった問題を有している。
【０００６】
本発明はこの点に鑑みてなされたもので、その主な目的は、ダイヤフラム部の破壊強度を高めると共に、ブリッジ回路からの出力電圧を十分に得ることが可能な半導体式圧力センサを提供せんとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、軸方位＜１００＞のシリコンウエハを所定サイズに切断してなる半導体基板に肉薄のダイヤフラム部と、このダイヤフラム部の周囲に形成される肉厚の支持部とを設け、前記ダイヤフラム部に歪ゲージをブリッジ状に配設した半導体式圧力センサにおいて、前記歪ゲージの略中心と前記ダイヤフラム部の略中心との距離をＸ、及び前記ダイヤフラム部と前記支持部との境界部と前記ダイヤフラム部の略中心との距離をＲとしたときのＸとＲとの比Ｘ／Ｒが０．９３から０．９８となるように前記ダイヤフラム部に前記歪ゲージを配設したことを特徴とする。
【０００８】
また本発明は、前記比Ｘ／Ｒが０．９５となるように前記ダイヤフラム部に前記歪ゲージを配設したことを特徴とする。
【０００９】
また本発明は、前記境界部に対応する前記半導体基板の背面箇所に曲面部を設けたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態による半導体式圧力センサの正面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図、図３は図１のＢ−Ｂ断面図、図４は同実施形態による半導体式圧力センサのブリッジ回路図、図５は同実施形態による半導体式圧力センサの製造工程図、図６は同実施形態による半導体式圧力センサの出力電圧及び直線性を示す図、図７は同実施形態による半導体式圧力センサの要部拡大図、図８は同実施形態による半導体式圧力センサの圧力と出力電圧との関係を示す図である。
【００１１】
図１から図３において、１は例えば軸方位＜１００＞の図示しないシリコンウエハを所定サイズに切断してなる単結晶シリコンからなるｎ型の半導体基板であり、この半導体基板１は肉薄状に形成されるダイヤフラム部２と、このダイヤフラム部２の周囲に一体形成される肉厚状からなる支持部３とを有している。なお本実施形態の場合、ダイヤフラム部２の厚さは２０〜６０μｍ、ダイヤフラム部２の大きさは１辺が１．３ｍｍの正方形に設定されている。このダイヤフラム部２内の支持部３よりにピエゾ抵抗素子からなる４つの歪ゲージ４（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）を備えている。
【００１２】
これら歪ゲージ４ａ〜４ｄは低抵抗体からなる複数のリード部５によって電気的に接続され、各リード部５と歪ゲージ４ａ〜４ｄによってブリッジ回路６が構成されている。なお、７は熱酸化炉により半導体基板１の表面に形成されている二酸化珪素からなる熱酸化膜、８は水分やナトリウム等の外部からの汚染から熱酸化膜７を保護するシリコンナイトライド膜である。
【００１３】
そして、熱酸化膜７、シリコンナイトライド膜８には、各リード部５同士の各接合部９（９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ）に対応する部分にコンタクトホール１０が形成されるとともに、このコンタクトホール１０の形成箇所にアルミ等の導電材料からなる電極部１１を形成し、この電極部１１を外方に延長形成することでボンディングパッド部１２を形成している。
【００１４】
かかる構成の半導体式圧力センサは、ブリッジ回路６の接合部９ａ，９ｂとなるボンディングパッド１２にワイヤボンディングにより接続されるボンディングワイヤ１３を介し電源電圧Ｖｃｃを印加することにより、ダイアフラム部２の表裏の圧力差による歪みを各歪ゲージ４の変化に応じて、ブリッジ回路６の接合部９ｃ，９ｄとなるボンディングパッド１２からボンディングワイヤ１３を介し出力電圧Ｖｏを外部に取り出すものである（図４参照）。
【００１５】
次に、図５を用いて半導体式圧力センサの製造方法について説明する。
【００１６】
まず、ｎ型の半導体基板１を支持部３を残して水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のアルカリエッチング液を用いて異方性エッチング等により肉薄状のダイアフラム部２を形成する。このとき、ダイヤフラム部２と支持部３との境界部１４に対応する半導体基板１の背面箇所には角部１５が形成されている（図５（ａ）参照）。次に、六フッ化硫黄と水素の混合ガスを用いてプラズマエッチング法からなる等方性エッチングにより、角部１５が丸められることによって曲面部１６が形成される（図５（ｂ）参照）。その後、半導体基板１を酸化炉に投入して表裏面に熱酸化膜７を形成する。
【００１７】
なお、図５（ａ），（ｂ）において図示はされていないが前記異方性、等方性エッチング時には半導体基板１表面及び支持部３の背面に熱酸化膜７、シリコンナイトライド膜８が重ねて形成されており、前記等方性エッチング後に熱酸化膜７、シリコンナイトライド膜８が除去されるようになっている。
【００１８】
次に、ダイアフラム部２において、各歪ゲージ４ａ〜４ｄの形成箇所に対応する表面の熱酸化膜７を除去し、ボロン等のｐ型の半導体材料を用いて熱拡散によりダイヤフラム部２内の所定位置に各歪ゲージ４ａ〜４ｄを形成し、再び、各歪ゲージ４ａ〜４ｄの形成部分に熱酸化膜７を形成する（図５（ｃ）参照）。そして、各歪ゲージ４ａ〜４ｄを図１で示すブリッジ回路６状にするため、例えば、各歪ゲージ４ａ〜４ｄの両端から所定パターンで熱酸化膜７を除去し、各歪ゲージ４ａ〜４ｄよりも濃度が高いボロン等のｐ型の半導体材料を用い、熱拡散により各リード部５を形成し、ブリッジ回路６を形成する。
【００１９】
この場合、各リード部５により形成される各接合部９ａ〜９ｄは、コンタクトホール１０，電極部１１及びボンディングパッド１２が形成できるような接合部形状に形成する。そして、ブリッジ回路６を形成した後、半導体基板１の表面の熱酸化膜７上にシリコンナイトライド膜８を形成する（図５（ｄ）参照）。
【００２０】
次に、ダイアフラム部２において、各接合部９ａ〜９ｄの形成箇所に対応するシリコンナイトライド膜８をプラズマエッチング法等により除去し、このシリコンナイトライド膜８を除去した部分の熱酸化膜７をフッ酸混合液等を用い除去することにより、シリコンナイトライド膜８から熱酸化膜７を介し各接合部９ａ〜９ｄに達する各コンタクトホール１０が形成される（図５（ｅ）参照）。そして、この場合、熱酸化膜７の除去により半導体基板１の背面側に形成される熱酸化膜７は除去されることになる。
【００２１】
次に、このコンタクトホール１０の形成位置に、アルミ等からなる導電部材を用い、蒸着やスパッタリング法等により電極部１１及びボンディングパッド１２を形成する。次に、このボンディングパッド１２と図示しない外部回路とをボンディングワイヤ１３を用いてワイヤボンディングすることにより半導体式圧力センサが完成する（図５（ｆ）参照）。
【００２２】
かかる半導体式圧力センサにおいて、感度の良好な圧力を検出するには出力電圧Ｖｏの値をできるだけ大きくすると共に、圧力と出力電圧との関係を図示したときに圧力，出力電圧の特性曲線ができるだけ直線性を有するように歪ゲージ４のダイヤフラム部２に対する配設位置を見極める必要がある。
【００２３】
図６は、歪ゲージ４のダイヤフラム部２に対する配設位置を種々変えたときの半導体式圧力センサの出力電圧Ｖｏ、及び圧力，出力電圧の特性曲線から算出される直線性Ｔを示している。本実施形態の場合、歪ゲージ４の配設位置は図７に示すようにダイヤフラム部２の中心線ＣＬと境界部１４との距離を第１の距離Ｒ、ダイヤフラム部２の中心線ＣＬと歪ゲージ４の中心との距離を第２の距離Ｘとしたときに、第２の距離Ｘと第１の距離Ｒとの比Ｘ／Ｒが０．７５，０．８，０．８５，０．９，０．９５，１．０，１．０５の各位置にて出力電圧Ｖｏの測定及び、直線性Ｔの算出を行った。
【００２４】
なお、境界部１４は支持部３の傾斜面となる内壁面Ｌ１の熱酸化膜７側への延長線とダイヤフラム２の底面Ｌ２の支持部３側への延長線との交点Ｄを通りダイヤフラム部２の中心線ＣＬと平行となるように設定されており、この境界部１４と中心線ＣＬとの距離を第１の距離Ｒとしている。
【００２５】
そして、図６中、実線で示すように第１の距離Ｒと第２の距離Ｘとの比Ｘ／Ｒを歪ゲージ４の配設位置に応じて種々変えたときに半導体式圧力センサの出力電圧Ｖｏの測定を行った。ここで、図６に示す出力電圧Ｖｏの目盛は表示されていないが、この場合、出力電圧Ｖｏはグラフ縦軸の上側の方が大きい値であることを示しているので比Ｘ／Ｒが１のときに出力電圧Ｖｏが最大となっている。従って、出力電圧Ｖｏのみを考慮すればかかる半導体式圧力センサは比Ｘ／Ｒを１に設定したときに良好な電気信号出力が得られることになる。
【００２６】
また、各歪ゲージ４の配設位置による圧力，出力電圧の直線性Ｔの算出は日本電子機械工業会規格ＥＩＡＪ　ＥＤ−８４０２（１９９４年１２月制定）に基づいて行った。すなわち、図８に示すように圧力を定格圧力Ｐまで加圧したときの出力電圧Ｖｏ（図８中、曲線Ｅ）を測定し、さらに図８中、点線で示す座標（０，０）と座標（Ｐ，Ｖｏ）とを結ぶ圧力−電圧理想特性直線Ｆに対する一定圧力値Ｐ１での出力電圧のずれＶ１を測定し、式（Ｖ１×１００）／Ｖｏ（％ＦＳ）にて直線性Ｔが算出される。ここで、一定圧力値Ｐ１は定格圧力Ｐの半分の圧力値として設定されている。
【００２７】
図６中、点線は各歪ゲージ４の配設位置における直線性Ｔの算出結果をグラフ化したものである。この直線性Ｔのグラフにおいても直線性Ｔの目盛は表示されていないが、この場合、直線性Ｔのグラフ縦軸は、グラフ最上部において直線性Ｔは０を示し、グラブ下部に向かうに従って直線性Ｔは負の値が大きくなっていることを示していることから、直線性Ｔはグラフ上部にプロットされている方が圧力と出力電圧とが直線的であることになる。従って、直線性Ｔのみを考慮すればかかる半導体式圧力センサは比Ｘ／Ｒを０．９３以上かつ０．９８以下に設定したときに直線性Ｔが良好となり、比Ｘ／Ｒを０．９５に設定したときが最も直線性Ｔが良いことになる。
【００２８】
そして、この直線性Ｔが良好な箇所となる比Ｘ／Ｒを０．９３以上かつ０．９８以下に設定したときと、出力電圧Ｖｏが最も高い箇所となる比Ｘ／Ｒを１．０に設定したときについて、直線性Ｔ及び出力電圧Ｖｏの両者を比較してみると、出力電圧Ｖｏは比Ｘ／Ｒが０．９３以上かつ０．９８以下と１．０とでほぼ同レベルの出力電圧が得られているが、直線性Ｔは比Ｘ／Ｒが０．９３以上かつ０．９８以下と１．０とで同レベルではなく、比Ｘ／Ｒが０．９３以上かつ０．９８以下の方が比Ｘ／Ｒが１．０よりも良好な直線性Ｔが得られている。
【００２９】
従って、かかる実施形態における半導体式圧力センサにおいて比Ｘ／Ｒが０．９３から０．９８となるようにダイヤフラム部２に歪ゲージ４を配設することで、ダイヤフラム部２が受ける圧力によって歪ゲージ４に歪みが発生したときに、この歪ゲージ４の歪みに応じて良好な出力電圧Ｖｏが得られると共に、圧力と出力電圧Ｖｏとの特性曲線がより直線性を有するため、感度の良好な圧力の値を検出することができる。
【００３０】
また本実施形態では、比Ｘ／Ｒが０．９５となるようにダイヤフラム部２に歪ゲージ４を配設したことにより、ダイヤフラム部２が受ける圧力によって歪ゲージ４に歪みが発生したときに、この歪ゲージ４の歪みに応じて良好な出力電圧Ｖｏが得られると共に、圧力と出力電圧Ｖｏとの特性曲線が最も良い直線性を有するため、より感度の良好な圧力の値を検出することができる。
【００３１】
また本実施形態では、境界部１４に対応する半導体基板１の背面箇所に曲面部１６を設けたことにより、曲面部１６に加わる応力集中が吸収され、ダイヤフラム部２の破壊強度を高めることができ、ダイヤフラム部２の薄型化を実現できることから、さらに感度の良い出力が得られる半導体式圧力センサを得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、初期の目的を達成することができ、ダイヤフラム部の破壊強度を高めると共に、ブリッジ回路からの出力電圧を十分に得ることが可能な半導体式圧力センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による半導体式圧力センサの正面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図。
【図４】同実施形態による半導体式圧力センサのブリッジ回路図。
【図５】同実施形態による半導体式圧力センサの製造工程図。
【図６】同実施形態による半導体式圧力センサの出力電圧及び直線性を示す図。
【図７】同実施形態による半導体式圧力センサの要部拡大図。
【図８】同実施形態による半導体式圧力センサの圧力と出力電圧との関係を示す図。
【符号の説明】
１　　半導体基板
２　　ダイヤフラム部
３　　支持部
４　　歪ゲージ
５　　リード部
６　　ブリッジ回路
７　　熱酸化膜
８　　シリコンナイトライド膜
９　　接合部
１０　　コンタクトホール
１１　　電極部
１２　　ボンディングパッド
１４　　境界部
１６　　曲面部
Ｖｏ　出力電圧
Ｒ　　第１の距離
Ｘ　　第２の距離

Claims

軸方位＜１００＞のシリコンウエハを所定サイズに切断してなる半導体基板に肉薄のダイヤフラム部と、このダイヤフラム部の周囲に形成される肉厚の支持部とを設け、前記ダイヤフラム部に歪ゲージをブリッジ状に配設した半導体式圧力センサにおいて、
前記歪ゲージの略中心と前記ダイヤフラム部の略中心との距離をＸ、及び前記ダイヤフラム部と前記支持部との境界部と前記ダイヤフラム部の略中心との距離をＲとしたときのＸとＲとの比Ｘ／Ｒが０．９３から０．９８となるように前記ダイヤフラム部に前記歪ゲージを配設したことを特徴とする半導体式圧力センサ。
前記比Ｘ／Ｒが０．９５となるように前記ダイヤフラム部に前記歪ゲージを配設したことを特徴とする請求項１記載の半導体式圧力センサ。
前記境界部に対応する前記半導体基板の背面箇所に曲面部を設けたことを特徴とする請求項１記載の半導体式圧力センサ。