JP2009175023A

JP2009175023A - Semiconductor pressure sensor

Info

Publication number: JP2009175023A
Application number: JP2008014652A
Authority: JP
Inventors: Koichi Ida; 浩一井田
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2009-08-06

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor sensor for suppressing irregularity in output voltage of a bridge resistor even when displacement caused by alignment precision occurs on a diaphragm and piezoresistor. <P>SOLUTION: The semiconductor pressure sensor for forming a plurality of the piezoresistors on the diaphragm comprising a thin-walled part of a silicon substrate includes a thick-walled part on the center part of the diaphragm. The plurality of the piezoresistors are bridge-connected, and at least a pair of piezoresistors are arranged to be contacted on the thick-walled part of the diaphragm. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧力によって変形するダイヤフラムをシリコンウェハ上に形成し、歪みによって抵抗値が変化するピエゾ抵抗をダイヤフラムに配置した半導体圧力センサに関するものである。 The present invention relates to a semiconductor pressure sensor in which a diaphragm deformed by pressure is formed on a silicon wafer, and a piezoresistor whose resistance value changes due to strain is arranged on the diaphragm.

図5に、一般に使用されている半導体圧力センサの一例を示す。図5(a)は平面図であり、図5(b)は図5(a)のA-A'の断面図である。
半導体圧力センサは、シリコン基板1の表面4に不純物を注入したピエゾ抵抗R1、R2、R3、R4を形成し、裏面をエッチングして薄肉部を形成したダイヤフラム2を備える。 FIG. 5 shows an example of a commonly used semiconductor pressure sensor. FIG. 5 (a) is a plan view, and FIG. 5 (b) is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 5 (a).
The semiconductor pressure sensor includes a diaphragm 2 in which piezoresistors R1, R2, R3, and R4 in which impurities are implanted are formed on the surface 4 of the silicon substrate 1, and a thin portion is formed by etching the back surface.

上記半導体圧力センサに圧力が加わるとダイヤフラムが歪み、ピエゾ抵抗の抵抗値が変化し、この変化量を検出することで圧力を測定するが、変化量は微小なので検出にはホイートストンブリッジを利用するのが一般的である。図6にホイートストンブリッジ回路を示す。 When pressure is applied to the semiconductor pressure sensor, the diaphragm is distorted, and the resistance value of the piezoresistor changes. By detecting this amount of change, the pressure is measured, but since the amount of change is small, a Wheatstone bridge is used for detection. Is common. Fig. 6 shows the Wheatstone bridge circuit.

ダイヤフラムに圧力が加わってない状態では全てのピエゾ抵抗(R1〜R4)の抵抗値は等しく、出力電圧V_out=0となる。 In a state where no pressure is applied to the diaphragm, the resistance values of all the piezoresistors (R1 to R4) are equal and the output voltage _Vout = 0.

ダイヤフラムに圧力が加わった場合、場所により応力分布が違うためピエゾ抵抗R1とR2(またはR3とR4)の抵抗変化ΔR₁とΔR₂が異なり、ホイートストンブリッジに入力される電圧をV_inとすると、V_bとV_aの間の電圧V_outは数1によって与えられる。

ここで、R₀ ：R1〜R4の圧力の加わっていない状態の抵抗値
ΔR₁：R1またはR3の抵抗の変化
ΔR₂：R2またはR4の抵抗の変化
である。
なお、ピエゾ抵抗に圧力が加わったときの抵抗の変化量ΔRは、(π_L・σ_L＋π_T・σ_T)・Rで表され、発生した応力とピエゾ抵抗係数に依存することが分かる。
ここで、π_Ｌ:電流方向に平行なピエゾ抵抗係数
π_Ｔ:電流方向に垂直なピエゾ抵抗係数
σ_Ｌ:電流方向に平行な応力
σ_Ｔ:電流方向に垂直な応力
R :ピエゾ抵抗の初期抵抗
である。 When pressure is applied to the diaphragm, the stress distribution varies depending on the location, so the resistance changes ΔR ₁ and ΔR _{2 of the} piezoresistors R1 and R2 (or R3 and R4) are different, and the voltage input to the Wheatstone bridge is V _in The voltage V _out between V _b and V _a is given by equation 1.

Here, R ₀ : resistance value in a state where pressure of R1 to R4 is not applied ΔR ₁ : change in resistance of R1 or R3 ΔR ₂ : change in resistance of R2 or R4.
Note that the resistance change ΔR when pressure is applied to the piezoresistor is expressed by (π _L · σ _L + π _T · σ _T ) · R, and depends on the generated stress and the piezoresistive coefficient.
Where π _L : piezoresistance coefficient parallel to the current direction π _T : piezoresistance coefficient perpendicular to the current direction σ _L : stress parallel to the current direction σ _T : stress perpendicular to the current direction
R: The initial resistance of the piezoresistor.

シリコンを用いた半導体圧力センサでは、ダイヤフラムの加工が容易であり得られる応力が大きいことから、面方位(100)がよく用いられる。 In the semiconductor pressure sensor using silicon, the plane orientation (100) is often used because the diaphragm can be easily processed and the stress that can be obtained is large.

図7は、図5に示した半導体圧力センサにおいて、図5(b)の矢印のように圧力Pが加わったときのC-C'断面のダイヤフラムの応力分布図であり、横軸は位置、縦軸は応力である。
この半導体圧力センサは、シリコン基板の寸法X,Y=1.5mm、ダイヤフラムの寸法X₁,Y₁=0.7mmであり、ダイヤフラムの面方位は(100)、σ_Ｔは<110>、σ_Ｌは<1-10>である。 FIG. 7 is a stress distribution diagram of the diaphragm of the CC ′ cross section when pressure P is applied as indicated by the arrow in FIG. 5 (b) in the semiconductor pressure sensor shown in FIG. The vertical axis is stress.
This semiconductor pressure sensor has silicon substrate dimensions X, Y = 1.5 mm, diaphragm dimensions X ₁ , Y ₁ = 0.7 mm, the plane orientation of the diaphragm is (100), σ _T is <110>, and σ _L is <1-10>.

図7の応力分布から、σ_Ｔ、σ_Ｌともにダイヤフラムの位置によって応力が大きく異なることが分かる。このことから、ピエゾ抵抗の位置ずれによりセンサの出力が異なることが避けられない。 From the stress distribution in FIG. 7, it can be seen that both σ _T and σ _L vary greatly depending on the position of the diaphragm. For this reason, it is inevitable that the output of the sensor is different due to the displacement of the piezoresistor.

このような問題を改善するためにシリコン面方位(110)を用いて、σ_Ｔを<001>、σ_Ｌを<1-10>とする方法もあるが、改善できるのはσ_Ｌ方向の位置ずれのみであり、σ_Ｔ方向の位置ずれは改善できない。 A silicon surface orientation (110) in order to improve such problems, the sigma _T <001>, there is a method to the sigma _L <1-10>, the position of sigma _L direction can improve shift is only positional deviation of sigma _T direction can not be improved.

特開平6-302833JP-A-6-302833 特開2002-373991JP2002-373991 特開2004-279089JP2004-279089

本発明は上述した問題に鑑み成されたもので、ダイヤフラムとピエゾ抵抗のアライメント精度に起因する位置ずれが生じたとしても、ブリッジ抵抗の出力電圧のばらつきを抑制する半導体センサを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor sensor that suppresses variations in the output voltage of a bridge resistor even when a positional shift due to the alignment accuracy of a diaphragm and a piezoresistor occurs.

本発明はシリコン基板の薄肉部からなるダイヤフラムに、複数のピエゾ抵抗を形成した半導体圧力センサにおいて、ダイヤフラムの中央部に厚肉部を設けたことを特徴とする。そして複数のピエゾ抵抗はブリッジ接続され、少なくとも一対となるピエゾ抵抗がダイヤフラムの厚肉部に接して配置されることを特徴とする。 The present invention is characterized in that, in a semiconductor pressure sensor in which a plurality of piezoresistors are formed in a diaphragm made of a thin part of a silicon substrate, a thick part is provided in the central part of the diaphragm. The plurality of piezoresistors are bridge-connected, and at least a pair of piezoresistors are arranged in contact with the thick part of the diaphragm.

本発明によれば、ダイヤフラムの中央部に厚肉部を設け、ブリッジ接続されるピエゾ抵抗の少なくとも一対を厚肉部に接して配置することにより、アライメント精度に起因するピエゾ抵抗の抵抗値のばらつきを小さくできる。 According to the present invention, by providing a thick portion at the center of the diaphragm and disposing at least one pair of bridge-connected piezoresistors in contact with the thick portion, variations in the resistance value of the piezoresistors due to alignment accuracy Can be reduced.

図1は本発明による圧力センサのダイヤフラム構造を示す図であり、(a)は平面図、(b)は図1(a)のA-A'断面図である。
図1に示すように、ダイヤフラム22と、ブリッジ接続されるピエゾ抵抗R1〜R4を備え、一対のピエゾ抵抗のR2とR3はダイヤフラム内の厚肉部30の外周に接して配置する。
このとき、
ダイヤフラムの厚肉部30の横寸法X₂はX₁の1/3〜1/2倍、
ダイヤフラムの厚肉部30の縦寸法Y₂はY₁の1/3〜1/2倍、
ダイヤフラムの厚肉部30の厚み20はダイヤフラム薄肉部23の1〜2倍、
ダイヤフラムの厚肉部30と薄肉部29との形状は矩形とする。 1A and 1B are diagrams showing a diaphragm structure of a pressure sensor according to the present invention, in which FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
As shown in FIG. 1, a diaphragm 22 and bridge-connected piezoresistors R1 to R4 are provided, and a pair of piezoresistors R2 and R3 are arranged in contact with the outer periphery of the thick portion 30 in the diaphragm.
At this time,
1 / 3-1 / 2 times the transverse dimension X ₂ of the thick portion 30 of the diaphragm X _1,
1 / 3-1 / 2 times the longitudinal dimension Y ₂ of the thick portion 30 of the diaphragm Y _1,
The thickness 20 of the thick part 30 of the diaphragm is 1-2 times that of the thin part 23 of the diaphragm,
The shapes of the thick part 30 and the thin part 29 of the diaphragm are rectangular.

図2は、図1に示した半導体圧力センサにおいて、図1(b)の矢印のように圧力Pが加わったときのA-A'断面のダイヤフラムの応力分布図であり、横軸はダイヤフラムの位置、縦軸は応力である。
この半導体圧力センサは、例えばシリコン基板の寸法X,Y=1.5mm、ダイヤフラムの寸法X₁,Y₁=0.7mm、ダイヤフラム厚肉部寸法X₂,Y₂=0.3mmとし、ダイヤフラム面の面方位は(110)、σ_Ｔは<001>、σ_Ｌは<1-10>を用いた応力分布図である。 FIG. 2 is a stress distribution diagram of the diaphragm of the AA ′ cross section when the pressure P is applied as indicated by the arrow in FIG. 1 (b) in the semiconductor pressure sensor shown in FIG. 1, and the horizontal axis represents the diaphragm. The position and the vertical axis are stress.
This semiconductor pressure sensor has, for example, silicon substrate dimensions X, Y = 1.5 mm, diaphragm dimensions X ₁ , Y ₁ = 0.7 mm, diaphragm thick part dimensions X ₂ , Y ₂ = 0.3 mm, and the plane orientation of the diaphragm surface Is a stress distribution diagram using (110), σ _T is <001>, and σ _L is <1-10>.

図1に示すように、ダイヤフラム中心部に厚肉部X₂,Y₂を設けることにより、厚肉部の外周に幅30μｍ程度の応力一定領域eを生じる。
ピエゾ抵抗体幅を10μｍとしたとき、工程で生じる位置ずれ量を5μｍとすれば、σ_Ｔ方向に位置ずれが生じたとしてもピエゾ抵抗は応力一定領域eの範囲内にあるので、位置ずれにより応力変化はない。
したがって、ホイートストンブリッジをなす一対のピエゾ抵抗体をこの応力一定領域に配置することにより、少なくとも該ピエゾ抵抗の位置ずれの影響を防止することができる。 As shown in FIG. 1, by providing the thick portions X ₂ and Y ₂ at the center of the diaphragm, a constant stress region e having a width of about 30 μm is generated on the outer periphery of the thick portion.
When the piezoresistor width 10 [mu] m, if the positional deviation amount generated in step with 5 [mu] m, since the piezoresistive even misalignment sigma _T direction occurs in the range of stresses constant region e, the positional deviation There is no stress change.
Therefore, by arranging the pair of piezoresistors forming the Wheatstone bridge in the constant stress region, at least the influence of the displacement of the piezoresistors can be prevented.

図3は従来構造と本発明の構造の位置ずれと出力電圧誤差のグラフであり、横軸はσ_Ｔ方向の位置ずれであり、縦軸は出力電圧誤差である。
特性aは本発明の実施例の特性であり、特性bは従来構造の特性である。 Figure 3 is a graph of the displacement and the output voltage error of the structure of the conventional structure and the present invention, the horizontal axis represents the positional deviation of sigma _T direction, and the vertical axis is the output voltage error.
The characteristic a is a characteristic of the embodiment of the present invention, and the characteristic b is a characteristic of the conventional structure.

以上のことから、本発明の半導体圧力センサ(特性a)はピエゾ抵抗の位置ずれによる出力電圧のばらつきを従来の圧力センサ(特性b)に比べて約1/5に押さえることができる。
なお、図1のダイヤフラム中央の厚肉部20はダイヤフラム薄肉部23のエッチングの際に同時に形成されるので、厚肉部に対して薄肉部がずれることはない。 From the above, the semiconductor pressure sensor (characteristic a) of the present invention can suppress the variation of the output voltage due to the displacement of the piezoresistor to about 1/5 as compared with the conventional pressure sensor (characteristic b).
Note that the thick portion 20 at the center of the diaphragm in FIG. 1 is formed simultaneously with the etching of the thin portion 23 of the diaphragm, so that the thin portion is not displaced from the thick portion.

図4は本発明による他の実施例であり、ダイヤフラムを円形とした場合である。(a)は平面図を示し、(b)は図4(a)のB-B'断面図を示す。
図4のように、ダイヤフラム形状が円形の場合でも正方形の場合と同様の効果を得ることができる。円形のダイヤフラム59の内部に円形の厚肉部50を作製することにより、応力一定領域を備えることができる。 FIG. 4 shows another embodiment according to the present invention, in which the diaphragm is circular. (a) is a plan view, and (b) is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. 4 (a).
As shown in FIG. 4, even when the diaphragm shape is circular, the same effect as in the case of a square shape can be obtained. By producing the circular thick portion 50 inside the circular diaphragm 59, a constant stress region can be provided.

このとき、
ダイヤフラムの厚肉部50の直径63はダイヤフラム直径61の1/3〜1/2倍、
ダイヤフラムの厚肉部50の厚み51はダイヤフラム53の1〜2倍、
ダイヤフラムの厚肉部50と薄肉部59との形状は円形とする。
位置ずれに対する感度の変化量は、図2のダイヤフラムの応力分布図と同じになる。 At this time,
The diameter 63 of the thick part 50 of the diaphragm is 1/3 to 1/2 times the diaphragm diameter 61,
The thickness 51 of the thick part 50 of the diaphragm is 1-2 times that of the diaphragm 53,
The shapes of the thick part 50 and the thin part 59 of the diaphragm are circular.
The amount of change in sensitivity to displacement is the same as the stress distribution diagram of the diaphragm in FIG.

このようにダイヤフラムの形状は、正方形に限定されるものではなく、長方形であっても円形であってもよい。 Thus, the shape of the diaphragm is not limited to a square, and may be a rectangle or a circle.

本発明による圧力センサのダイヤフラム構造。(a)は平面図、(b)はA-A'断面図。The diaphragm structure of the pressure sensor by this invention. (a) is a plan view, (b) is a cross-sectional view along AA ′. 図1のA-A'断面のダイヤフラムの応力分布図である。eは応力一定領域である。FIG. 2 is a stress distribution diagram of the diaphragm of the AA ′ cross section of FIG. e is a constant stress region. 従来構造と本発明の構造の位置ずれと出力電圧の誤差のグラフである。It is a graph of the position shift of the conventional structure and the structure of this invention, and the error of output voltage. 本発明による実施例として、ダイヤフラムを円形とした場合である。(a)は平面図、(b)はB-B'断面図。As an embodiment according to the present invention, the diaphragm is circular. (a) is a plan view, (b) is a BB ′ cross-sectional view. 従来技術による圧力センサの構造である。(a)は平面図、(b)はC-C'断面図。It is the structure of the pressure sensor by a prior art. (a) is a plan view, (b) is a cross-sectional view along CC ′. 図5のピエゾ抵抗のホイ-トストンブリッジ回路である。Fig. 6 is a piezoresistive Wheatstone bridge circuit of Fig. 5; 図5において、圧力が加わったときのC-C'断面の応力分布図であり、面方位面方位は(100)、σ_Ｔは<1-10>、σ_Ｌは<110>である。FIG. 5 is a stress distribution diagram of the CC ′ cross section when pressure is applied. The plane orientation plane orientation is (100), σ _T is <1-10>, and σ _L is <110>.

Explanation of symbols

1,21,51 シリコン基板
22,52 ダイヤフラム
20,50 ダイヤフラム厚肉部 1,21,51 Silicon substrate
22,52 Diaphragm
20,50 Diaphragm thick part

Claims

In a semiconductor pressure sensor in which a plurality of piezoresistors are formed in a diaphragm made of a thin portion of a silicon substrate,
A semiconductor pressure sensor characterized in that a thick part is provided at the center of the diaphragm.

2. The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the plurality of piezoresistors are bridge-connected.

3. The semiconductor pressure sensor according to claim 2, wherein at least one pair of piezoresistors out of the plurality of bridge-connected piezoresistors is disposed in contact with a thick portion of the diaphragm.