JP2014135391A - Piezoresistive element and semiconductor sensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoresistive element with less variation in the output voltage, and the like.SOLUTION: A piezoresistive element 10 includes: a semiconductor substrate 11 of a first conductivity type containing a first impurity; a piezoresistive layer 12 of a second conductivity type which is embedded in the semiconductor substrate 11 and contains a second impurity; and a barrier layer 13 of the first conductivity type which is formed between the surface of the semiconductor substrate 11 and the piezoresistive layer 12, and contains a third impurity. When a region in which the concentration of the second impurity is the concentration of the first impurity or more is defined as the piezoresistive layer 12, and a region in which the concentration of the third impurity is the concentration of the first impurity or more is defined as the barrier layer 13, the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13 overlap each other with a predetermined layer width in a thickness direction of the semiconductor substrate 11.

Description

本発明は、ピエゾ抵抗素子及び半導体センサに関する。   The present invention relates to a piezoresistive element and a semiconductor sensor.

従来から、ピエゾ抵抗素子を用いた半導体センサが知られている。このような半導体センサの一例としては、ピエゾ抵抗素子を用い、半導体で形成されたダイヤフラムを備えた圧力センサ等を挙げることができる。   Conventionally, a semiconductor sensor using a piezoresistive element is known. As an example of such a semiconductor sensor, a pressure sensor using a piezoresistive element and having a diaphragm formed of a semiconductor can be cited.

又、ピエゾ抵抗素子の製造方法としては、例えば、半導体基板表面に拡散やイオン注入により不純物を添加することにより、ピエゾ抵抗層を形成する方法(第1の方法とする)が知られている。又、半導体基板に、異なる導電型の不純物層を高エネルギー(例えば1MeV)でイオン注入することにより、埋め込みピエゾ抵抗層を形成する方法(第2の方法とする)が知られている(例えば、特許文献1参照)。   As a method for manufacturing a piezoresistive element, for example, a method of forming a piezoresistive layer (referred to as a first method) by adding impurities to the surface of a semiconductor substrate by diffusion or ion implantation is known. In addition, a method of forming a buried piezoresistive layer (second method) by implanting impurity layers of different conductivity types into a semiconductor substrate with high energy (for example, 1 MeV) is known (for example, Patent Document 1).

更に、半導体基板に溝を形成し、溝の内部に半導体基板と異なる導電型のピエゾ抵抗層を形成すると共に、ピエゾ抵抗層の上部に半導体基板と同じ導電型のシリコン層を形成する方法(第3の方法とする)が知られている(例えば、特許文献2参照)。   Further, a method of forming a groove in the semiconductor substrate, forming a piezoresistive layer having a different conductivity type from the semiconductor substrate in the groove, and forming a silicon layer having the same conductivity type as the semiconductor substrate on the piezoresistive layer (first step) 3 is known) (see, for example, Patent Document 2).

特開平7−131035号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-1331035 特開2007−250869号公報JP 2007-250869 A

しかしながら、上記第1の方法で製造されたピエゾ抵抗素子は、ピエゾ抵抗層が表面に形成されているため、湿度雰囲気等において不純物イオンやチャージの影響を受け易く、出力電圧が変動するという問題が生じる。   However, since the piezoresistive element manufactured by the first method has the piezoresistive layer formed on the surface, the piezoresistive element is easily affected by impurity ions and charges in a humidity atmosphere or the like, and the output voltage fluctuates. Arise.

又、上記第2の方法で製造されたピエゾ抵抗素子は、上記第1の方法で製造されたピエゾ抵抗素子よりも湿度雰囲気中の不純物イオンやチャージの影響は軽減されるが、ピエゾ抵抗層表面のバリア効果が弱く、出力電圧変動を完全には抑制できない。つまり、出力電圧が変動するという問題は解決されていない。   The piezoresistive element manufactured by the second method is less affected by impurity ions and charges in the humidity atmosphere than the piezoresistive element manufactured by the first method, but the surface of the piezoresistive layer. The barrier effect is weak and the output voltage fluctuation cannot be completely suppressed. That is, the problem that the output voltage fluctuates is not solved.

又、ピエゾ抵抗素子を用いたセンサ(例えば、圧力センサ)の場合、センサ感度はピエゾ抵抗層の半導体基板表面からの深さ方向の位置に依存している。又、イオン注入のエネルギーが高いほど、ピエゾ抵抗層が半導体基板表面から深い位置に形成されることが知られている。   In the case of a sensor using a piezoresistive element (for example, a pressure sensor), the sensor sensitivity depends on the position of the piezoresistive layer in the depth direction from the semiconductor substrate surface. It is also known that the higher the ion implantation energy, the deeper the piezoresistive layer is formed from the surface of the semiconductor substrate.

つまり、高エネルギー(例えば1MeV)でイオン注入すると、ピエゾ抵抗層が半導体基板表面から深い位置に形成されるため、センサの感度が低下する問題が生じる。この場合、センサの感度を高めようとすると、圧力センサのダイヤフラムを大きくする必要があり、センサの小型化が困難になるという問題が生じる。   That is, when ions are implanted with high energy (for example, 1 MeV), the piezoresistive layer is formed at a deep position from the surface of the semiconductor substrate, which causes a problem that the sensitivity of the sensor is lowered. In this case, in order to increase the sensitivity of the sensor, it is necessary to increase the diaphragm of the pressure sensor, which causes a problem that it is difficult to downsize the sensor.

又、上記第3の方法で製造されたピエゾ抵抗素子は、上記第1の方法や第2の方法よりも製造工程が増加するため、出力電圧変動が少ないピエゾ抵抗素子を安価に作製することができず、出力電圧変動が少ないピエゾ抵抗素子を量産レベルで提供することは困難である。   Moreover, since the piezoresistive element manufactured by the third method requires more manufacturing steps than the first and second methods, it is possible to manufacture a piezoresistive element with less output voltage fluctuation at a low cost. It is difficult to provide a piezoresistive element with low output voltage fluctuation at a mass production level.

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、出力電圧変動が少ないピエゾ抵抗素子等を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to provide a piezoresistive element or the like with less output voltage fluctuation.

本ピエゾ抵抗素子(10)は、第1の不純物を含む第1導電型の半導体基板(11)と、前記半導体基板(11)に埋め込まれた、第2の不純物を含む第2導電型のピエゾ抵抗層(12)と、前記半導体基板(11)の表面と前記ピエゾ抵抗層(12)との間に形成された、第3の不純物を含む前記第1導電型のバリア層(13)と、を備え、前記第2の不純物の濃度が前記第1の不純物の濃度以上となる領域を前記ピエゾ抵抗層(12)と定義し、前記第3の不純物の濃度が前記第1の不純物の濃度以上となる領域を前記バリア層(13)と定義した場合に、前記ピエゾ抵抗層(12)と前記バリア層(13)とは、前記半導体基板(11)の厚さ方向に所定の層幅の重なりを有することを要件とする。   The piezoresistive element (10) includes a first conductive type semiconductor substrate (11) containing a first impurity and a second conductive type piezo containing a second impurity embedded in the semiconductor substrate (11). A resistance layer (12), and a barrier layer (13) of the first conductivity type including a third impurity formed between the surface of the semiconductor substrate (11) and the piezoresistive layer (12); A region where the concentration of the second impurity is equal to or higher than the concentration of the first impurity is defined as the piezoresistive layer (12), and the concentration of the third impurity is equal to or higher than the concentration of the first impurity. When the region to be defined is defined as the barrier layer (13), the piezoresistive layer (12) and the barrier layer (13) overlap each other in a thickness direction of the semiconductor substrate (11) with a predetermined layer width. It is a requirement to have

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。   Note that the reference numerals in the parentheses are given for ease of understanding, are merely examples, and are not limited to the illustrated modes.

開示の技術によれば、出力電圧変動が少ないピエゾ抵抗素子等を提供できる。   According to the disclosed technique, it is possible to provide a piezoresistive element or the like with less output voltage fluctuation.

第1の実施の形態に係るピエゾ抵抗素子を例示する断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a piezoresistive element according to a first embodiment. 第1の実施の形態に係るピエゾ抵抗素子の濃度プロファイルを例示する図である。It is a figure which illustrates the density | concentration profile of the piezoresistive element which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係るピエゾ抵抗素子の製造方法を示すフローチャートの例である。It is an example of the flowchart which shows the manufacturing method of the piezoresistive element which concerns on 1st Embodiment. 比較例1に係るピエゾ抵抗素子を例示する断面図である。6 is a cross-sectional view illustrating a piezoresistive element according to Comparative Example 1. FIG. 比較例1に係るピエゾ抵抗素子の出力電圧変動の測定結果を例示する図である。It is a figure which illustrates the measurement result of the output voltage variation of the piezoresistive element concerning comparative example 1. 比較例2に係るピエゾ抵抗素子を例示する断面図である。6 is a cross-sectional view illustrating a piezoresistive element according to Comparative Example 2. FIG. 比較例2に係るピエゾ抵抗素子の出力電圧変動の測定結果を例示する図である。It is a figure which illustrates the measurement result of the output voltage variation of the piezoresistive element concerning comparative example 2. 第1の実施の形態に係るピエゾ抵抗素子の出力電圧変動の測定結果を例示する図である。It is a figure which illustrates the measurement result of the output voltage variation of the piezoresistive element concerning a 1st embodiment. イオン注入加速電圧と圧力センサ感度低下率との関係を例示する図である。It is a figure which illustrates the relationship between an ion implantation acceleration voltage and a pressure sensor sensitivity fall rate. 第2の実施の形態に係る半導体センサを例示する断面図である。It is sectional drawing which illustrates the semiconductor sensor which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施の形態に係るセンサ素子のダイヤフラム面を例示する平面図である。It is a top view which illustrates the diaphragm surface of the sensor element which concerns on 2nd Embodiment.

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。   Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.

〈第1の実施の形態〉
図1は、第1の実施の形態に係るピエゾ抵抗素子を例示する断面図である。図1を参照するに、ピエゾ抵抗素子10は、半導体基板11と、ピエゾ抵抗層12と、バリア層13と、絶縁膜14とを有する。なお、半導体基板11の表面に熱酸化膜が形成されていてもよい。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a piezoresistive element according to the first embodiment. Referring to FIG. 1, the piezoresistive element 10 includes a semiconductor substrate 11, a piezoresistive layer 12, a barrier layer 13, and an insulating film 14. A thermal oxide film may be formed on the surface of the semiconductor substrate 11.

半導体基板11は、ピエゾ抵抗層12やバリア層13が形成される部分であり、第1の不純物を含む第1導電型の半導体基板である。半導体基板11は、例えば、第1の不純物を含むシリコン基板であるが、シリコン基板に代えてSiC基板やポリシリコン膜等を用いてもよい。   The semiconductor substrate 11 is a portion where the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13 are formed, and is a first conductivity type semiconductor substrate containing a first impurity. The semiconductor substrate 11 is, for example, a silicon substrate containing a first impurity, but a SiC substrate, a polysilicon film, or the like may be used instead of the silicon substrate.

なお、本願において、第1導電型とはN型又はP型であり、第2導電型とは第1導電型とは逆導電型のP型又はN型である。例えば、半導体基板11に第1の不純物としてリン(P)等の5価の元素を注入すればN型の半導体基板となり、ホウ素(B)等の3価の元素を注入すればP型の半導体基板となる。なお、本実施の形態では、以下、半導体基板11が、第1の不純物としてリン(P)が注入されたN型の半導体基板である場合を例に説明する。   In the present application, the first conductivity type is N-type or P-type, and the second conductivity type is P-type or N-type opposite to the first conductivity type. For example, if a pentavalent element such as phosphorus (P) is implanted as the first impurity into the semiconductor substrate 11, an N type semiconductor substrate is formed. If a trivalent element such as boron (B) is implanted, a P type semiconductor is formed. It becomes a substrate. In the present embodiment, a case where the semiconductor substrate 11 is an N-type semiconductor substrate in which phosphorus (P) is implanted as the first impurity will be described below as an example.

ピエゾ抵抗層12は、半導体基板11に埋め込まれている。ピエゾ抵抗層12は、半導体基板11と異なる導電型とされている。半導体基板11に第2の不純物としてリン(P)等の5価の元素を注入すればN型のピエゾ抵抗層12となり、ホウ素(B)等の3価の元素を注入すればP型のピエゾ抵抗層12となる。以下、ピエゾ抵抗層12が、半導体基板11に第2の不純物としてホウ素(B)が注入されたP型の層である場合を例に説明する。   The piezoresistive layer 12 is embedded in the semiconductor substrate 11. The piezoresistive layer 12 has a conductivity type different from that of the semiconductor substrate 11. If a pentavalent element such as phosphorus (P) is implanted as the second impurity into the semiconductor substrate 11, an N-type piezoresistive layer 12 is formed. If a trivalent element such as boron (B) is implanted, a P-type piezoresistor is formed. The resistance layer 12 is formed. Hereinafter, a case where the piezoresistive layer 12 is a P-type layer in which boron (B) is implanted as the second impurity in the semiconductor substrate 11 will be described as an example.

バリア層13は、半導体基板11の表面11aとピエゾ抵抗層12との間に形成されている。バリア層13は、半導体基板11と同じ導電型とされている。半導体基板11に第3の不純物としてリン(P)等の5価の元素を注入すればN型のバリア層13となり、ホウ素(B)等の3価の元素を注入すればP型のバリア層13となる。以下、バリア層13が、半導体基板11に第3の不純物としてリン(P)が注入されたN型の層である場合を例に説明する。   The barrier layer 13 is formed between the surface 11 a of the semiconductor substrate 11 and the piezoresistive layer 12. The barrier layer 13 has the same conductivity type as the semiconductor substrate 11. If a pentavalent element such as phosphorus (P) is implanted as a third impurity into the semiconductor substrate 11, an N-type barrier layer 13 is formed. If a trivalent element such as boron (B) is implanted, a P-type barrier layer is formed. 13 Hereinafter, a case where the barrier layer 13 is an N-type layer in which phosphorus (P) is implanted as the third impurity in the semiconductor substrate 11 will be described as an example.

絶縁膜14は、半導体基板11の表面11a上に形成されている。絶縁膜14は、例えば、ピエゾ抵抗素子10を用いた半導体センサにおいて、半導体基板11とその上に形成される配線等の導電層とを絶縁する層間絶縁膜である。絶縁膜14の材料としては、例えば、SiOやSiN等を用いることができる。 The insulating film 14 is formed on the surface 11 a of the semiconductor substrate 11. For example, in the semiconductor sensor using the piezoresistive element 10, the insulating film 14 is an interlayer insulating film that insulates the semiconductor substrate 11 from a conductive layer such as wiring formed thereon. As a material of the insulating film 14, for example, SiO 2 or SiN can be used.

ここで、ピエゾ抵抗層12及びバリア層13の深さや層幅、最大不純物濃度(不純物の濃度の最大値)について説明する。まず、図1を参照しながら、ピエゾ抵抗層12及びバリア層13の深さや層幅等について概略を説明し、その後、図2を参照しながら、ピエゾ抵抗層12及びバリア層13の深さや層幅等について正確に定義する。   Here, the depth and layer width of the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13, and the maximum impurity concentration (maximum impurity concentration) will be described. First, the depth and layer width of the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13 will be outlined with reference to FIG. 1, and then the depth and layer of the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13 will be described with reference to FIG. Define the width etc. accurately.

図1において、Dはピエゾ抵抗層12の深さ、Dはバリア層13の深さを示している。又、Wはピエゾ抵抗層12の層幅、Wはバリア層13の層幅を示している。又、Wは、ピエゾ抵抗層12とバリア層13とが半導体基板11の厚さ方向に重なる部分の層幅(以下、重複部層幅とする)を示している。 In FIG. 1, D 1 indicates the depth of the piezoresistive layer 12, and D 2 indicates the depth of the barrier layer 13. W 1 represents the layer width of the piezoresistive layer 12, and W 2 represents the layer width of the barrier layer 13. W 3 indicates the layer width of the portion where the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13 overlap in the thickness direction of the semiconductor substrate 11 (hereinafter referred to as the overlapping portion layer width).

半導体基板11の表面11aを基準とするピエゾ抵抗層12の深さDは、0.5μm以上1.1μm以下とすると好適であり、0.6μm以上0.7μm以下とすると最適である。ピエゾ抵抗層12の層幅Wは1.1μm以上3μm以下とすると好適であり、2μm以上2.4μm以下とすると最適である。 The depth D 1 of the piezoresistive layer 12 relative to the surface 11a of the semiconductor substrate 11 is preferable to the 0.5μm or 1.1μm or less is optimal when the 0.6μm or 0.7μm below. Layer width W 1 of the piezoresistive layer 12 is preferable to be less than 3μm or 1.1 .mu.m, it is optimal when the 2μm or 2.4μm or less.

又、ピエゾ抵抗層12の最大不純物濃度は1×1017ions/cm以上5×1018ions/cm以下とすると好適であり、4×1017ions/cm以上6×1017ions/cm以下とすると最適である。 The maximum impurity concentration of the piezoresistive layer 12 is preferably 1 × 10 17 ions / cm 3 or more and 5 × 10 18 ions / cm 3 or less, and 4 × 10 17 ions / cm 3 or more and 6 × 10 17 ions / cm 3. It is optimal if it is less than cm 3 .

半導体基板11の表面11aを基準とするバリア層13の深さDは、0.01μm以上0.1μm以下とすると好適であり、0.01μm以上0.05μm以下とすると最適である。 The depth D 2 of the barrier layer 13 relative to the surface 11a of the semiconductor substrate 11 is preferable to a 0.01μm or 0.1μm or less is optimal when the 0.01μm or 0.05μm or less.

バリア層13の層幅Wは0.2μm以上0.7μm以下とすると好適であり、0.3μm以上0.4μm以下とすると最適である。バリア層13の最大不純物濃度は5×1017ions/cm以上1×1019ions/cm以下とすると好適であり、8×1017ions/cm以上1.2×1018ions/cm以下とすると最適である。 Layer width W 2 of the barrier layer 13 is preferable to the 0.2μm or 0.7μm or less is optimal when the 0.3μm or 0.4μm below. The maximum impurity concentration of the barrier layer 13 is preferably 5 × 10 17 ions / cm 3 or more and 1 × 10 19 ions / cm 3 or less, and is 8 × 10 17 ions / cm 3 or more and 1.2 × 10 18 ions / cm 3. 3 or less is optimal.

但し、上記数値範囲内から適切な数値を選択し、ピエゾ抵抗層12の上側とバリア層13の下側とが半導体基板11の厚さ方向に重なるように、ピエゾ抵抗層12及びバリア層13を形成しなければならない。ピエゾ抵抗層12とバリア層13との重複部層幅Wは、0.1μm以上0.5μm以下とすると好適であり、0.3μm以上0.4μm以下とすると最適である。 However, an appropriate numerical value is selected from the above numerical range, and the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13 are set so that the upper side of the piezoresistive layer 12 and the lower side of the barrier layer 13 overlap in the thickness direction of the semiconductor substrate 11. Must be formed. The overlapping portion layer width W 3 between the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13 is preferably 0.1 μm or more and 0.5 μm or less, and most preferably 0.3 μm or more and 0.4 μm or less.

ここで、上記の好適な範囲は、ピエゾ抵抗素子10が正常に機能すると共に、従来のピエゾ抵抗素子に比べて出力電圧変動を少なくできる範囲である。又、上記の最適な範囲は、ピエゾ抵抗素子10が正常に機能すると共に、従来のピエゾ抵抗素子に比べて出力電圧変動を少なくでき、更にセンサ感度低下率を抑制可能な範囲である。   Here, the preferable range is a range in which the piezoresistive element 10 functions normally and output voltage fluctuation can be reduced as compared with the conventional piezoresistive element. Further, the optimum range is a range in which the piezoresistive element 10 functions normally, the output voltage fluctuation can be reduced as compared with the conventional piezoresistive element, and the sensor sensitivity reduction rate can be suppressed.

なお、センサ感度低下率とは、ピエゾ抵抗層12が半導体基板11の最表面に存在する場合のセンサ感度を基準とし、それに対してどの程度センサ感度が低下したかを示す数値である。例えば、上記の好適な範囲ではセンサ感度低下率を−25%程度に抑制でき、上記の最適な範囲ではセンサ感度低下率を−10%程度に抑制できる。   The sensor sensitivity decrease rate is a numerical value indicating how much the sensor sensitivity has decreased with respect to the sensor sensitivity when the piezoresistive layer 12 is present on the outermost surface of the semiconductor substrate 11. For example, the sensor sensitivity decrease rate can be suppressed to about −25% in the above preferable range, and the sensor sensitivity decrease rate can be suppressed to about −10% in the above optimal range.

例えば、上記特許文献1の例では、センサ感度低下率は−40%以上となるため、本実施の形態に係るピエゾ抵抗素子10では、大型化を招くことなく、上記特許文献1の例に比べてセンサ感度低下率を大幅に抑制できる。   For example, in the example of Patent Document 1, since the sensor sensitivity decrease rate is −40% or more, the piezoresistive element 10 according to the present embodiment does not cause an increase in size, compared with the example of Patent Document 1. Sensor sensitivity decrease rate can be greatly suppressed.

なお、ピエゾ抵抗層12の層幅Wが3μmよりも大きく、かつ、バリア層13の層幅Wが0.7μmよりも大きくなると、ピエゾ抵抗素子10が正常に機能しなくなる。又、半導体基板11の表面11a近傍のピエゾ抵抗層12の不純物濃度が高くなるため、バリア層13中の空乏層の厚みが薄くなり、十分なバリア効果を得ることができなくなり、ピエゾ抵抗素子10の出力電圧変動が増加する要因となる。又、ピエゾ抵抗層12とバリア層13の不純物濃度の高い領域が厚さ方向に重複すると二重拡散となるため、半導体基板11にリーク電流が発生しやすくなり、この点でもピエゾ抵抗素子10の出力電圧変動が増加する要因となる。 Incidentally, greater than layer width W 1 of the piezoresistive layer 12 is 3 [mu] m, and the layer width W 2 of the barrier layer 13 is larger than 0.7 [mu] m, piezoresistive element 10 may not function properly. In addition, since the impurity concentration of the piezoresistive layer 12 in the vicinity of the surface 11a of the semiconductor substrate 11 is increased, the thickness of the depletion layer in the barrier layer 13 is reduced, and a sufficient barrier effect cannot be obtained. The output voltage fluctuation increases. In addition, if the high impurity concentration regions of the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13 overlap in the thickness direction, double diffusion occurs, so that a leak current is likely to occur in the semiconductor substrate 11. It becomes a factor that output voltage fluctuation increases.

ところで、図1では、ピエゾ抵抗層12及びバリア層13の深さや層幅を模式的に示したが、図2を参照しながら、ここで正確に定義する。前述のように、本実施の形態では、一例として、N型の半導体基板11(シリコン基板)に、P型のピエゾ抵抗層12及びN型のバリア層13が形成されているものとする。   Incidentally, in FIG. 1, the depth and the layer width of the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13 are schematically shown. However, they are accurately defined here with reference to FIG. As described above, in this embodiment, as an example, the P-type piezoresistive layer 12 and the N-type barrier layer 13 are formed on the N-type semiconductor substrate 11 (silicon substrate).

図2において、横軸は、半導体基板11の表面11aを基準とする深さ[μm]である。つまり、横軸の原点(縦軸との交点)は半導体基板11の表面11aである。又、図2において、縦軸は、半導体基板11の第1の不純物の濃度を基準とした他の層の不純物濃度[ions/cm]である。つまり、縦軸の原点(横軸との交点)は半導体基板11の第1の不純物(例えば、N型の不純物であるリン)の濃度である。 In FIG. 2, the horizontal axis represents the depth [μm] with respect to the surface 11 a of the semiconductor substrate 11. That is, the origin of the horizontal axis (intersection with the vertical axis) is the surface 11 a of the semiconductor substrate 11. In FIG. 2, the vertical axis represents the impurity concentration [ions / cm 3 ] of other layers based on the concentration of the first impurity of the semiconductor substrate 11. That is, the origin of the vertical axis (intersection with the horizontal axis) is the concentration of the first impurity (for example, phosphorus which is an N-type impurity) in the semiconductor substrate 11.

図2において、Piはピエゾ抵抗層12の第2の不純物(例えば、P型の不純物であるホウ素)の濃度プロファイルであり、Baはバリア層13の第3の不純物(例えば、N型の不純物であるリン)の濃度プロファイルである。   In FIG. 2, Pi is the concentration profile of the second impurity (for example, boron which is a P-type impurity) in the piezoresistive layer 12, and Ba is the third impurity (for example, an N-type impurity in the barrier layer 13). It is a concentration profile of a certain phosphorus).

本実施の形態では、第2の不純物の濃度が半導体基板11の第1の不純物の濃度以上となる領域をピエゾ抵抗層12と定義している。つまり、半導体基板11の表面11aを基準としてピエゾ抵抗層12の深さを定義した場合に、ピエゾ抵抗層12は、第2の不純物の濃度と第1の不純物の濃度が一致する第1の深さPを有する。そして、更に、ピエゾ抵抗層12は、第1の深さPよりも深く第2の不純物の濃度が最大になる第2の深さPと、第2の深さPよりも深く第2の不純物の濃度と第1の不純物の濃度が一致する第3の深さPとを有する。 In the present embodiment, a region where the second impurity concentration is equal to or higher than the first impurity concentration of the semiconductor substrate 11 is defined as the piezoresistive layer 12. That is, when the depth of the piezoresistive layer 12 is defined on the basis of the surface 11a of the semiconductor substrate 11, the piezoresistive layer 12 has the first depth at which the second impurity concentration and the first impurity concentration match. It is having a P 1. Then, further, piezoresistive layer 12, a second depth P 2 which deeper than the first depth P 1 concentration of the second impurity is maximized, depth first than the second depth P 2 2 and the third depth P 3 in which the concentration of the first impurity is the same.

そして、半導体基板11の表面11aから第2の深さPまでの深さDが、ピエゾ抵抗層12の深さとなる。又、第1の深さPから第3の深さPまでの層幅Wがピエゾ抵抗層12の層幅となる。 The depth D 1 from the surface 11 a of the semiconductor substrate 11 to the second depth P 2 is the depth of the piezoresistive layer 12. Further, the layer width W 1 from the first depth P 1 to the third depth P 3 is the layer width of the piezoresistive layer 12.

同様に、本実施の形態では、第3の不純物の濃度が半導体基板11の第1の不純物の濃度以上となる領域をバリア層13と定義している。つまり、半導体基板11の表面11aを基準としてバリア層13の深さを定義した場合に、バリア層13は、半導体基板11の表面11aと一致する第4の深さBを有する。そして、更に、バリア層13は、第4の深さBよりも深く第3の不純物の濃度が最大になる第5の深さBと、第5の深さBよりも深く第3の不純物の濃度と第1の不純物の濃度が一致する第6の深さBとを有する。 Similarly, in this embodiment, a region where the concentration of the third impurity is equal to or higher than the concentration of the first impurity of the semiconductor substrate 11 is defined as the barrier layer 13. That is, when the depth of the barrier layer 13 is defined with reference to the surface 11 a of the semiconductor substrate 11, the barrier layer 13 has a fourth depth B 4 that coincides with the surface 11 a of the semiconductor substrate 11. Further, the barrier layer 13 is deeper than the fourth depth B 4 and has a fifth depth B 5 at which the concentration of the third impurity is maximum, and a third depth deeper than the fifth depth B 5 . having a concentration of impurities and the sixth depth B 6 in which the concentration of the first impurity match.

そして、半導体基板11の表面11aから第5の深さBまでの深さDが、バリア層13の深さとなる。又、第4の深さB(=半導体基板11の表面11a)から第6の深さBまでの層幅Wがバリア層13の層幅となる。又、ピエゾ抵抗層12の第1の深さPからバリア層13の第6の深さBまでの層幅Wが重複部層幅となる。 The depth D 2 from the surface 11 a of the semiconductor substrate 11 to the fifth depth B 5 is the depth of the barrier layer 13. Further, the layer width W 2 from the fourth depth B 4 (= surface 11 a of the semiconductor substrate 11) to the sixth depth B 6 is the layer width of the barrier layer 13. Further, the layer width W 3 from the first depth P 1 of the piezoresistive layer 12 to the sixth depth B 6 of the barrier layer 13 is the overlapping portion layer width.

なお、図2の例では、ピエゾ抵抗層12の第1の深さPが半導体基板11の表面11aよりも深い位置とされているが、半導体基板11の表面11a側において第2の不純物の濃度が第1の不純物の濃度より高い場合がある。その場合には、バリア層13の第4の深さBと同様に、ピエゾ抵抗層12の第1の深さPは半導体基板11の表面11aと一致し、重複部層幅Wはバリア層13の層幅Wと一致する。 In the example of FIG. 2, the first depth P 1 of the piezoresistive layer 12 is deeper than the surface 11 a of the semiconductor substrate 11. The concentration may be higher than the concentration of the first impurity. In that case, like the fourth depth B 4 of the barrier layer 13, the first depth P 1 of the piezoresistive layer 12 coincides with the surface 11 a of the semiconductor substrate 11, and the overlapping portion layer width W 3 is It corresponds to the layer width W 2 of the barrier layer 13.

Figure 2014135391
Figure 2014135391

Figure 2014135391
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上記の好適な範囲を表1に、上記の最適な範囲を表2にまとめた。このように、本実施の形態では、ピエゾ抵抗層12とバリア層13とは、半導体基板11の厚さ方向に重複部層幅Wの重なりを必ず有する。つまり、本実施の形態において、重複部層幅Wがゼロとなることはない。 The preferred ranges are summarized in Table 1, and the optimum ranges are summarized in Table 2. Thus, in the present embodiment, the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13 necessarily have an overlap of the overlapping portion layer width W 3 in the thickness direction of the semiconductor substrate 11. That is, in the present embodiment, the overlap layer width W 3 does not become a zero.

次に、図3を参照しながら、ピエゾ抵抗素子10の製造方法について簡単に説明する。一例として、N型の半導体基板11に、P型のピエゾ抵抗層12及びN型のバリア層13を形成する例を示す。   Next, a method for manufacturing the piezoresistive element 10 will be briefly described with reference to FIG. As an example, an example in which a P-type piezoresistive layer 12 and an N-type barrier layer 13 are formed on an N-type semiconductor substrate 11 is shown.

まず、ステップS100において、半導体基板11となるN型のシリコンウェハを準備する。次に、ステップS101において、シリコンウェハの表面を熱酸化し、熱酸化膜(SiO)を成膜する。 First, in step S100, an N-type silicon wafer to be the semiconductor substrate 11 is prepared. Next, in step S101, the surface of the silicon wafer is thermally oxidized to form a thermal oxide film (SiO 2 ).

次に、ステップS102において、熱酸化膜に開口部を形成し、開口部からシリコンウェハに例えば不純物としてホウ素をイオン注入し、P型のピエゾ抵抗層12をシリコンウェハに埋め込む。この際、ピエゾ抵抗層12の深さ、層幅、及び最大不純物濃度が表1又は表2の範囲に入るように、イオン注入加速電圧やドーズ量を制御する。なお、ピエゾ抵抗層12の深さ、層幅、及び最大不純物濃度とイオン注入加速電圧やドーズ量との関係は、実験や計算等により予め求めておくことができる。   Next, in step S102, an opening is formed in the thermal oxide film, and boron, for example, as an impurity is ion-implanted into the silicon wafer from the opening to embed the P-type piezoresistive layer 12 in the silicon wafer. At this time, the ion implantation acceleration voltage and the dose are controlled so that the depth, layer width, and maximum impurity concentration of the piezoresistive layer 12 fall within the ranges shown in Table 1 or Table 2. It should be noted that the relationship between the depth, layer width, and maximum impurity concentration of the piezoresistive layer 12, the ion implantation acceleration voltage, and the dose can be obtained in advance through experiments, calculations, and the like.

次に、ステップS103において、開口部からシリコンウェハに例えば不純物としてリンをイオン注入し、半導体基板11の表面11aとピエゾ抵抗層12との間にN型のバリア層13を形成する。この際、バリア層13の深さ、層幅、及び最大不純物濃度が表1又は表2の範囲に入るように、イオン注入加速電圧やドーズ量を制御する。なお、バリア層13の深さ、層幅、及び最大不純物濃度とイオン注入加速電圧やドーズ量との関係は、実験や計算等により予め求めておくことができる。   Next, in step S <b> 103, for example, phosphorus is ion-implanted into the silicon wafer from the opening to form an N-type barrier layer 13 between the surface 11 a of the semiconductor substrate 11 and the piezoresistive layer 12. At this time, the ion implantation acceleration voltage and the dose amount are controlled so that the depth, layer width, and maximum impurity concentration of the barrier layer 13 fall within the ranges shown in Table 1 or Table 2. Note that the relationship between the depth, the layer width, and the maximum impurity concentration of the barrier layer 13, the ion implantation acceleration voltage, and the dose can be obtained in advance by experiments, calculations, or the like.

次に、ステップS104において、所定条件によりアニールを行った後、ステップS105において、シリコンウェハの表面に層間絶縁膜である絶縁膜14を成膜することにより、ピエゾ抵抗素子10が完成する。なお、ピエゾ抵抗素子10を用いた半導体センサを作製する場合には、更に、コンタクトホールや電極、ダイヤフラム等の形成を行う工程が必要となる。ピエゾ抵抗素子10を用いた半導体センサの例については、後述する。   Next, in step S104, annealing is performed under a predetermined condition, and then in step S105, an insulating film 14 that is an interlayer insulating film is formed on the surface of the silicon wafer, whereby the piezoresistive element 10 is completed. In the case of manufacturing a semiconductor sensor using the piezoresistive element 10, a process for forming contact holes, electrodes, diaphragms, and the like is further required. An example of a semiconductor sensor using the piezoresistive element 10 will be described later.

ここで、比較例を参照しながら、本実施の形態に係るピエゾ抵抗素子10の奏する効果について説明する。図4は、比較例1に係るピエゾ抵抗素子を例示する断面図である。図4を参照するに、比較例1に係るピエゾ抵抗素子10Aは、ピエゾ抵抗層12が半導体基板11の表面11aの近傍に形成されている点、バリア層を有しない点が、第1の実施の形態に係るピエゾ抵抗素子10(図1参照)と相違する。   Here, the effects produced by the piezoresistive element 10 according to the present embodiment will be described with reference to a comparative example. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a piezoresistive element according to the first comparative example. Referring to FIG. 4, the piezoresistive element 10A according to Comparative Example 1 is different from the first embodiment in that the piezoresistive layer 12 is formed in the vicinity of the surface 11a of the semiconductor substrate 11 and does not have a barrier layer. It differs from the piezoresistive element 10 (refer FIG. 1) which concerns on this form.

ピエゾ抵抗素子10Aは、ピエゾ抵抗層12が半導体基板11の表面11aの近傍に形成されている。そのため、高いセンサ感度を得られる点では好適であるが、バリア層が形成されていないため、例えば、湿度雰囲気等において不純物イオンやチャージの影響を受けやすく、出力電圧が変動する問題を生じる。   In the piezoresistive element 10 </ b> A, the piezoresistive layer 12 is formed in the vicinity of the surface 11 a of the semiconductor substrate 11. Therefore, although it is preferable in that high sensor sensitivity can be obtained, since the barrier layer is not formed, for example, it is easily affected by impurity ions and charges in a humidity atmosphere or the like, causing a problem that the output voltage fluctuates.

図5は、比較例1に係るピエゾ抵抗素子の出力電圧変動の測定結果を例示する図である。なお、図5の測定結果は、比較例1に係るピエゾ抵抗素子を搭載した半導体センサ100(第2の実施の形態で後述)を複数個作製し、各半導体センサ100を高温高湿状態に所定時間放置後、常温に戻して個々に通電し、出力電圧を測定してプロットしたものである。つまり、測定した出力電圧は、半導体センサ100のホイートストーンブリッジ回路の出力電圧である。   FIG. 5 is a diagram illustrating the measurement result of the output voltage fluctuation of the piezoresistive element according to Comparative Example 1. Note that the measurement results in FIG. 5 show that a plurality of semiconductor sensors 100 (described later in the second embodiment) on which the piezoresistive element according to Comparative Example 1 is mounted are prepared, and each semiconductor sensor 100 is set in a high temperature and high humidity state. After standing for a period of time, the temperature was returned to room temperature and energized individually, and the output voltage was measured and plotted. That is, the measured output voltage is the output voltage of the Wheatstone bridge circuit of the semiconductor sensor 100.

図5に示すように、試験後のピエゾ抵抗素子10Aでは、出力電圧は±0.1〜±1.3mV程度の範囲でばらついており、時間による出力電圧変動も大きい。これは、ピエゾ抵抗素子10Aでは、ピエゾ抵抗層12が半導体基板11の表面11aの近傍に形成されているため、高温高湿状態において不純物イオンやチャージの影響を受け易いためと考えられる。   As shown in FIG. 5, in the piezoresistive element 10A after the test, the output voltage varies in the range of about ± 0.1 to ± 1.3 mV, and the output voltage variation with time is large. This is presumably because in the piezoresistive element 10A, the piezoresistive layer 12 is formed in the vicinity of the surface 11a of the semiconductor substrate 11, and thus is easily affected by impurity ions and charges in a high temperature and high humidity state.

図6は、比較例2に係るピエゾ抵抗素子を例示する断面図である。図6を参照するに、比較例2に係るピエゾ抵抗素子10Bは、ピエゾ抵抗層12とバリア層13が離間しており重なりを全く有しない点が、第1の実施の形態に係るピエゾ抵抗素子10(図1参照)と相違する。   FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a piezoresistive element according to the second comparative example. Referring to FIG. 6, the piezoresistive element 10B according to the comparative example 2 is that the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13 are separated from each other and have no overlap at all. 10 (see FIG. 1).

ピエゾ抵抗素子10Bは、ピエゾ抵抗層12が半導体基板11の表面11aから所定の深さに形成されており、更にバリア層13が形成されている。そのため、高温高湿状態における不純物イオンやチャージの影響は比較例1に係るピエゾ抵抗素子10Aの場合よりも軽減されると考えられる。   In the piezoresistive element 10B, the piezoresistive layer 12 is formed to a predetermined depth from the surface 11a of the semiconductor substrate 11, and a barrier layer 13 is further formed. Therefore, it is considered that the influence of impurity ions and charge in a high-temperature and high-humidity state is reduced as compared with the case of the piezoresistive element 10A according to Comparative Example 1.

しかし、バリア層13の濃度が低く、十分な空乏層が存在しないため、バリア効果が弱く、例えば、湿度雰囲気等における不純物イオンやチャージの影響による出力電圧変動を完全には抑制できない。   However, since the concentration of the barrier layer 13 is low and there is no sufficient depletion layer, the barrier effect is weak, and for example, output voltage fluctuations due to the influence of impurity ions or charge in a humidity atmosphere or the like cannot be completely suppressed.

図7は、比較例2に係るピエゾ抵抗素子の出力電圧変動の測定結果を例示する図である。なお、図7の測定結果は、比較例2に係るピエゾ抵抗素子を搭載した半導体センサ100(第2の実施の形態で後述)を複数個作製し、各半導体センサ100を高温高湿状態に所定時間放置後、常温に戻して個々に通電し、出力電圧を測定してプロットしたものである。つまり、測定した出力電圧は、半導体センサ100のホイートストーンブリッジ回路の出力電圧である。   FIG. 7 is a diagram illustrating the measurement result of the output voltage variation of the piezoresistive element according to Comparative Example 2. Note that the measurement results in FIG. 7 show that a plurality of semiconductor sensors 100 (described later in the second embodiment) on which the piezoresistive elements according to Comparative Example 2 are mounted are prepared, and each semiconductor sensor 100 is set in a high temperature and high humidity state. After standing for a period of time, the temperature was returned to room temperature and energized individually, and the output voltage was measured and plotted. That is, the measured output voltage is the output voltage of the Wheatstone bridge circuit of the semiconductor sensor 100.

図7に示すように、試験後のピエゾ抵抗素子10Bでは、出力電圧は0〜+0.3mV程度の範囲でばらついており、時間による出力電圧変動も生じている。出力電圧変動は、ピエゾ抵抗素子10Aよりも低減されてはいるが、完全には抑制できていないことが確認できる。   As shown in FIG. 7, in the piezoresistive element 10B after the test, the output voltage varies in the range of about 0 to +0.3 mV, and the output voltage varies with time. Although the output voltage fluctuation is reduced as compared with the piezoresistive element 10A, it can be confirmed that it is not completely suppressed.

一方、図8は、第1の実施の形態に係るピエゾ抵抗素子の出力電圧変動の測定結果を例示する図である。なお、図8の測定結果は、ピエゾ抵抗素子10を搭載した半導体センサ100(第2の実施の形態で後述)を複数個作製し、各半導体センサ100を高温高湿状態に所定時間放置後、常温に戻して個々に通電し、出力電圧を測定してプロットしたものである。つまり、測定した出力電圧は、半導体センサ100のホイートストーンブリッジ回路の出力電圧である。   On the other hand, FIG. 8 is a diagram illustrating the measurement result of the output voltage fluctuation of the piezoresistive element according to the first embodiment. Note that the measurement results in FIG. 8 show that a plurality of semiconductor sensors 100 (described later in the second embodiment) on which the piezoresistive elements 10 are mounted are manufactured, and each semiconductor sensor 100 is left in a high temperature and high humidity state for a predetermined time. The graph is plotted by measuring the output voltage after returning to normal temperature and energizing each individual. That is, the measured output voltage is the output voltage of the Wheatstone bridge circuit of the semiconductor sensor 100.

図8に示すように、試験後のピエゾ抵抗素子10では、出力電圧変動は0〜+0.01mV程度の範囲に収まっており、出力電圧変動はほとんど生じていない。ピエゾ抵抗素子10の出力電圧変動は、比較例2に係るピエゾ抵抗素子10Bに比べると10分の1以下に抑制されている。   As shown in FIG. 8, in the piezoresistive element 10 after the test, the output voltage fluctuation is in the range of about 0 to +0.01 mV, and the output voltage fluctuation hardly occurs. The output voltage fluctuation of the piezoresistive element 10 is suppressed to 1/10 or less as compared with the piezoresistive element 10B according to the comparative example 2.

これは、ピエゾ抵抗素子10では、ピエゾ抵抗層12とバリア層13とが半導体基板11の厚さ方向に所定の層幅の重なりを有するためである。つまり、ピエゾ抵抗素子10では、ピエゾ抵抗層12とバリア層13の層幅の重なり部分に厚い空乏層が形成され、形成された厚い空乏層により不純物イオンやチャージの影響を抑制する効果が向上したためである。   This is because, in the piezoresistive element 10, the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13 have a predetermined layer width overlap in the thickness direction of the semiconductor substrate 11. That is, in the piezoresistive element 10, a thick depletion layer is formed in the overlapping portion of the layer widths of the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13, and the effect of suppressing the influence of impurity ions and charges is improved by the formed thick depletion layer. It is.

なお、表1に示した好適な条件で作製したピエゾ抵抗素子10と、表2に示した最適な条件で作製したピエゾ抵抗素子10の何れについても、図8に示すような結果が得られることを発明者らは確認している。   The results shown in FIG. 8 can be obtained for both the piezoresistive element 10 manufactured under the preferable conditions shown in Table 1 and the piezoresistive element 10 manufactured under the optimal conditions shown in Table 2. The inventors have confirmed.

但し、図9に示すように、イオン注入加速電圧が高くなると圧力センサ感度低下率が大きくなる。表1に示した好適な条件で作製する場合には、表2に示した最適な条件で作製する場合に比べて、イオン注入加速電圧を高くする必要があるため、その分、圧力センサ感度低下率が大きくなる。   However, as shown in FIG. 9, as the ion implantation acceleration voltage increases, the pressure sensor sensitivity decrease rate increases. When manufacturing under the preferable conditions shown in Table 1, it is necessary to increase the ion implantation acceleration voltage as compared with the case of manufacturing under the optimal conditions shown in Table 2. Therefore, the sensitivity of the pressure sensor is reduced accordingly. The rate increases.

しかし、表1に示した好適な条件で作製する場合でも、前述の特許文献2ほど高エネルギー(例えば1MeV)でイオン注入する必要はないため、表1に示した好適な条件で作製しても従来のピエゾ抵抗素子に比べて圧力センサ感度低下率を小さくできる。なお、表1に示した好適な条件で作製する場合のイオン注入加速電圧は、最大でも500[keV]程度である。   However, even in the case of manufacturing under the preferable conditions shown in Table 1, it is not necessary to perform ion implantation with high energy (for example, 1 MeV) as in the above-mentioned Patent Document 2, so that it is possible to manufacture under the preferable conditions shown in Table 1. Compared with the conventional piezoresistive element, the pressure sensor sensitivity reduction rate can be reduced. It should be noted that the ion implantation acceleration voltage in the case of manufacturing under suitable conditions shown in Table 1 is about 500 [keV] at the maximum.

このように、第1の実施の形態では、第1の不純物を含む第1導電型の半導体基板11に、第2の不純物を含む第2導電型のピエゾ抵抗層12を埋め込み、半導体基板11の表面11aとピエゾ抵抗層12との間に第3の不純物を含む第1導電型のバリア層13を形成する。その際、ピエゾ抵抗層12とバリア層13とが半導体基板11の厚さ方向に所定の層幅の重なりを有するようにする。   Thus, in the first embodiment, the second conductivity type piezoresistive layer 12 containing the second impurity is embedded in the first conductivity type semiconductor substrate 11 containing the first impurity, and the semiconductor substrate 11 A first conductivity type barrier layer 13 containing a third impurity is formed between the surface 11 a and the piezoresistive layer 12. At this time, the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13 are overlapped with each other with a predetermined layer width in the thickness direction of the semiconductor substrate 11.

その結果、層幅の重なり部分に従来は存在しなかった厚い空乏層が形成され、形成された厚い空乏層により不純物イオンやチャージの影響を抑制する効果が向上するため、従来よりも出力電圧変動を抑制できる。   As a result, a thick depletion layer that did not exist in the past is formed in the overlapping part of the layer width, and the effect of suppressing the influence of impurity ions and charge is improved by the formed thick depletion layer, so the output voltage fluctuations than before Can be suppressed.

又、第1の実施の形態に係るピエゾ抵抗素子10では、以下のような効果も得られる。すなわち、高エネルギー(例えば1MeV)でイオン注入する従来のピエゾ抵抗素子と比べて、圧力センサ感度低下率を小さくできる。これにより、ピエゾ抵抗素子10を用いた半導体センサの小型化が可能となり、半導体センサの設計自由度を向上できる。   The piezoresistive element 10 according to the first embodiment can also provide the following effects. That is, the rate of decrease in sensitivity of the pressure sensor can be reduced as compared with a conventional piezoresistive element in which ions are implanted with high energy (for example, 1 MeV). Thereby, the semiconductor sensor using the piezoresistive element 10 can be miniaturized, and the degree of freedom in designing the semiconductor sensor can be improved.

又、ピエゾ抵抗層の深さを0.5μm〜1.1μmとすることにより、後述する半導体センサのダイヤフラムにおいて結晶欠陥が発生する領域を減少させることが可能となり、半導体センサの機械的耐圧や耐衝撃性の悪化を防止できる。   In addition, by setting the depth of the piezoresistive layer to 0.5 μm to 1.1 μm, it becomes possible to reduce the area where crystal defects occur in the diaphragm of the semiconductor sensor, which will be described later. Impairment of impact can be prevented.

又、互いに導電型が異なるピエゾ抵抗層12とバリア層13によりPN接合ダイオードが形成され、逆方向耐圧が低下する。そのため、ESD(electro-static discharge;静電気放電)印加時にピエゾ抵抗層12から半導体基板11に電流が流れ、半導体センサの配線に流れる電流の密度が減少するため、半導体センサのESD耐圧を向上できる。   Further, a PN junction diode is formed by the piezoresistive layer 12 and the barrier layer 13 having different conductivity types, and the reverse breakdown voltage is lowered. For this reason, when ESD (electro-static discharge) is applied, current flows from the piezoresistive layer 12 to the semiconductor substrate 11 and the density of current flowing through the wiring of the semiconductor sensor is reduced, so that the ESD withstand voltage of the semiconductor sensor can be improved.

〈第2の実施の形態〉
第2の実施の形態では、第1の実施の形態に係るピエゾ抵抗素子10を備えた半導体センサの例を示す。なお、第2の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する。
<Second Embodiment>
In the second embodiment, an example of a semiconductor sensor including the piezoresistive element 10 according to the first embodiment is shown. In the second embodiment, the description of the same components as those already described is omitted.

図10は、第2の実施の形態に係る半導体センサを例示する断面図である。図10を参照するに、第2の実施の形態に係る半導体センサ100は、センサ素子200と、接着樹脂300と、制御IC(Integrated Circuit、集積回路)400と、接着樹脂500と、基板600と、ボンディングワイヤ700と、リッド800を有する。   FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor sensor according to the second embodiment. Referring to FIG. 10, a semiconductor sensor 100 according to the second embodiment includes a sensor element 200, an adhesive resin 300, a control IC (Integrated Circuit) 400, an adhesive resin 500, a substrate 600, and the like. , A bonding wire 700 and a lid 800.

ここで、センサ素子200は、ダイヤフラム部210と、台座220とを有する。又、ダイヤフラム部210は、ダイヤフラム面250と、ダイヤフラム支持部260とを有する。更に、台座220の中央部には溝230が形成されており、リッド800は、貫通穴810を有する。   Here, the sensor element 200 includes a diaphragm portion 210 and a pedestal 220. The diaphragm portion 210 has a diaphragm surface 250 and a diaphragm support portion 260. Further, a groove 230 is formed in the central portion of the pedestal 220, and the lid 800 has a through hole 810.

より詳しくは、半導体センサ100は、以下のような構成を有する。すなわち、3段の面を有する基板600の下段面上に、接着樹脂500により制御IC400が接着されており、更に制御IC400上に接着樹脂300によりセンサ素子200の台座220が接着されている。   More specifically, the semiconductor sensor 100 has the following configuration. That is, the control IC 400 is bonded to the lower surface of the substrate 600 having three surfaces by the adhesive resin 500, and the pedestal 220 of the sensor element 200 is bonded to the control IC 400 by the adhesive resin 300.

接着樹脂500は、制御IC400の下面全体に存在するが、台座220は、中央部に溝230が形成されており、溝が形成されていない領域にのみ接着樹脂300が存在する。センサ素子200のダイヤフラム面250上及び制御IC400上には配線用の端子としてパッドがあり(図示せず)、パッド同士がボンディングワイヤ700により電気的に接続されている。   The adhesive resin 500 exists on the entire lower surface of the control IC 400, but the pedestal 220 has a groove 230 formed in the center, and the adhesive resin 300 exists only in a region where no groove is formed. Pads (not shown) are provided as wiring terminals on the diaphragm surface 250 and the control IC 400 of the sensor element 200, and the pads are electrically connected by bonding wires 700.

又、基板600の中段の表面にも配線用の端子としてパッドが設けられており(図示せず)、制御IC400と基板600のパッド同士もボンディングワイヤ700で電気的に接続されている。基板600の上段には、リッド800が設置され、センサ素子200を覆っている。又、リッド800の中央には、貫通穴810が設けられ、ダイヤフラム面250が外部の圧力を感知できるように構成されている。   Also, pads are provided as wiring terminals on the middle surface of the substrate 600 (not shown), and the pads of the control IC 400 and the substrate 600 are also electrically connected by bonding wires 700. A lid 800 is installed on the upper stage of the substrate 600 and covers the sensor element 200. A through hole 810 is provided at the center of the lid 800 so that the diaphragm surface 250 can sense an external pressure.

センサ素子200は、所定の物理量を検出するための素子であり、半導体センサ100においては、絶対圧力を検出する。ここで、絶対圧力とは、完全真空(又は絶対真空)を基準とした圧力であり、それ故、センサ素子200は、真空状態に保たれた真空基準室240を有する。なお、本実施の形態においては、センサ素子200は、圧力センサ素子である例を挙げて説明するが、本発明は、基板600からの応力の影響を排除する必要がある種々のセンサ素子200に用いることができる。   The sensor element 200 is an element for detecting a predetermined physical quantity, and the semiconductor sensor 100 detects an absolute pressure. Here, the absolute pressure is a pressure based on a complete vacuum (or an absolute vacuum). Therefore, the sensor element 200 has a vacuum reference chamber 240 maintained in a vacuum state. In the present embodiment, the sensor element 200 is described as an example of a pressure sensor element. However, the present invention is applied to various sensor elements 200 that need to eliminate the influence of stress from the substrate 600. Can be used.

センサ素子200は、ダイヤフラム部210と、台座220とを備える。ダイヤフラム部210は、センサ素子200のセンサ面を構成する部品であり、圧力により発生した応力を、電気信号に変換して検出する。ダイヤフラム部210は、ダイヤフラム面250と、ダイヤフラム支持部260とを有する。   The sensor element 200 includes a diaphragm unit 210 and a pedestal 220. The diaphragm unit 210 is a component that constitutes the sensor surface of the sensor element 200, and detects stress generated by pressure by converting it into an electrical signal. The diaphragm part 210 has a diaphragm surface 250 and a diaphragm support part 260.

ダイヤフラム面250は圧力を検出する面であり、薄膜状に形成される。ダイヤフラム面250は、圧力が加わると撓みが生じ、その撓みにより、ダイヤフラム面250に印加された絶対圧力が検出できるように構成されている。また、ダイヤフラム支持部260は、ダイヤフラム面250を支持する支持部である。   The diaphragm surface 250 is a surface for detecting pressure and is formed in a thin film shape. Diaphragm surface 250 is configured to bend when pressure is applied, and the absolute pressure applied to diaphragm surface 250 can be detected by the deflection. Further, the diaphragm support portion 260 is a support portion that supports the diaphragm surface 250.

ダイヤフラム部210は、半導体により構成されてよく、例えば、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いることにより、シリコン活性層でダイヤフラム面250を形成し、埋め込み酸化膜及び裏面のシリコン基板でダイヤフラム支持部260を形成できる。   The diaphragm unit 210 may be formed of a semiconductor. For example, by using an SOI (Silicon on Insulator) substrate, the diaphragm surface 250 is formed by a silicon active layer, and the diaphragm support unit 260 is formed by a buried oxide film and a backside silicon substrate. Can be formed.

台座220は、ダイヤフラム部210を支持する支持部材であり、例えば、台座220の外周に沿った端部の表面上にダイヤフラム部210のダイヤフラム支持部260の裏面が接着固定される。台座220は、例えば、ガラス基板や、シリコン基板から構成されてもよい。ガラス基板の場合には、多層化されたガラス基板が用いられてもよい。   The pedestal 220 is a support member that supports the diaphragm portion 210. For example, the back surface of the diaphragm support portion 260 of the diaphragm portion 210 is bonded and fixed onto the surface of the end portion along the outer periphery of the pedestal 220. The pedestal 220 may be composed of, for example, a glass substrate or a silicon substrate. In the case of a glass substrate, a multilayered glass substrate may be used.

台座220の裏面は、センサ素子200の実装面を構成し、被実装面である制御IC400の上面に、接着樹脂300を用いて接着されて固定される。   The back surface of the pedestal 220 constitutes the mounting surface of the sensor element 200 and is bonded and fixed to the upper surface of the control IC 400, which is the mounted surface, using an adhesive resin 300.

図11は、センサ素子のダイヤフラム面を例示する平面図である。図11を参照するに、ダイヤフラム面250は、ピエゾ抵抗素子10と、不純物抵抗配線252と、金属配線253と、パッド254とを備える。ピエゾ抵抗素子10及び不純物抵抗配線252は、ホイートストーンブリッジ回路を構成し、出力電圧を検出できるように構成されている。   FIG. 11 is a plan view illustrating a diaphragm surface of the sensor element. Referring to FIG. 11, the diaphragm surface 250 includes the piezoresistive element 10, an impurity resistance wiring 252, a metal wiring 253, and a pad 254. The piezoresistive element 10 and the impurity resistance wiring 252 constitute a Wheatstone bridge circuit so that an output voltage can be detected.

ピエゾ抵抗素子10は、圧電素子の一種であり、印加される圧力に応じて抵抗値が変化する。よって、ピエゾ抵抗素子10を用いたホイートストーンブリッジ回路は、出力電圧の変化により、ダイヤフラム面250に印加された圧力が検出できるように構成されている。つまり、ダイヤフラム面250に印加された圧力をピエゾ抵抗素子10の抵抗値変化に対応する出力電圧変化により検出できる。   The piezoresistive element 10 is a kind of piezoelectric element, and its resistance value changes according to the applied pressure. Therefore, the Wheatstone bridge circuit using the piezoresistive element 10 is configured so that the pressure applied to the diaphragm surface 250 can be detected by the change in the output voltage. That is, the pressure applied to the diaphragm surface 250 can be detected by a change in output voltage corresponding to a change in resistance value of the piezoresistive element 10.

又、金属配線253は、ホイートストーンブリッジ回路を形成するための配線であり、パッド254は、外部との電気的接続を行うための端子又は電極である。外部からパッド254に電源を供給してホイートストーンブリッジ回路に電圧を印加し、圧力の印加によるピエゾ抵抗素子10の抵抗値の変化から、ホイートストーンブリッジ回路の出力電圧の変化を検出する。これにより、ダイヤフラム面250に印加された絶対圧力を検出できる。例えば、ダイヤフラム面250を図11に示したように構成することにより、センサ素子200は、絶対圧力を検出できる。   The metal wiring 253 is a wiring for forming a Wheatstone bridge circuit, and the pad 254 is a terminal or an electrode for electrical connection with the outside. Power is supplied to the pad 254 from the outside to apply a voltage to the Wheatstone bridge circuit, and a change in the output voltage of the Wheatstone bridge circuit is detected from a change in the resistance value of the piezoresistive element 10 due to the application of pressure. Thereby, the absolute pressure applied to the diaphragm surface 250 can be detected. For example, the sensor element 200 can detect the absolute pressure by configuring the diaphragm surface 250 as shown in FIG.

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳説したが、本発明は、上述した実施の形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。   The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made to the above-described embodiment without departing from the scope of the present invention. And substitutions can be added.

例えば、第1の実施の形態では、N型の半導体基板11にP型のピエゾ抵抗層12及びN型のバリア層13を形成する例を示したが、P型の半導体基板11にN型のピエゾ抵抗層12及びP型のバリア層13を形成してもよい。   For example, in the first embodiment, an example in which the P-type piezoresistive layer 12 and the N-type barrier layer 13 are formed on the N-type semiconductor substrate 11 is shown. The piezoresistive layer 12 and the P-type barrier layer 13 may be formed.

又、半導体基板11の不純物とバリア層13の不純物が異なっていてもよい。例えば、半導体基板11の不純物がリン(P)で、バリア層13の不純物が砒素(As)等でもよい。   Further, the impurity of the semiconductor substrate 11 and the impurity of the barrier layer 13 may be different. For example, the impurity of the semiconductor substrate 11 may be phosphorus (P), and the impurity of the barrier layer 13 may be arsenic (As).

又、第2の実施の形態では、第1の実施の形態に係るピエゾ抵抗素子10を搭載する半導体センサ100として圧力センサを例示した。しかし、ピエゾ抵抗素子10は、圧力センサ以外に、加速度センサやジャイロセンサ等の半導体センサにも搭載可能である。   In the second embodiment, the pressure sensor is exemplified as the semiconductor sensor 100 on which the piezoresistive element 10 according to the first embodiment is mounted. However, the piezoresistive element 10 can be mounted not only on the pressure sensor but also on a semiconductor sensor such as an acceleration sensor or a gyro sensor.

10 ピエゾ抵抗素子
11 半導体基板
11a 表面
12 ピエゾ抵抗層
13 バリア層
14 絶縁膜
100 半導体センサ
200 センサ素子
210 ダイヤフラム部
220 台座
230 溝
240 真空基準室
250 ダイヤフラム面
252 不純物抵抗配線
253 金属配線
254 パッド
260 ダイヤフラム支持部
300、500 接着樹脂
400 制御IC
600 基板
700 ボンディングワイヤ
800 リッド
810 貫通穴
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Piezoresistive element 11 Semiconductor substrate 11a Surface 12 Piezoresistive layer 13 Barrier layer 14 Insulating film 100 Semiconductor sensor 200 Sensor element 210 Diaphragm part 220 Base 230 Groove 240 Vacuum reference chamber 250 Diaphragm surface 252 Impurity resistance wiring 253 Metal wiring 254 Pad 260 Diaphragm Support part 300, 500 Adhesive resin 400 Control IC
600 Substrate 700 Bonding wire 800 Lid 810 Through hole

Claims (10)

第1の不純物を含む第1導電型の半導体基板と、
前記半導体基板に埋め込まれた、第2の不純物を含む第2導電型のピエゾ抵抗層と、
前記半導体基板の表面と前記ピエゾ抵抗層との間に形成された、第3の不純物を含む前記第1導電型のバリア層と、を備え、
前記第2の不純物の濃度が前記第1の不純物の濃度以上となる領域を前記ピエゾ抵抗層と定義し、前記第3の不純物の濃度が前記第1の不純物の濃度以上となる領域を前記バリア層と定義した場合に、前記ピエゾ抵抗層と前記バリア層とは、前記半導体基板の厚さ方向に所定の層幅の重なりを有するピエゾ抵抗素子。
A first conductivity type semiconductor substrate containing a first impurity;
A second conductivity type piezoresistive layer containing a second impurity embedded in the semiconductor substrate;
A barrier layer of the first conductivity type formed between the surface of the semiconductor substrate and the piezoresistive layer and containing a third impurity;
A region where the concentration of the second impurity is equal to or higher than the concentration of the first impurity is defined as the piezoresistive layer, and a region where the concentration of the third impurity is equal to or higher than the concentration of the first impurity is defined as the barrier. When defined as a layer, the piezoresistive layer and the barrier layer have a predetermined layer width overlap in the thickness direction of the semiconductor substrate.
前記半導体基板の表面を基準として前記ピエゾ抵抗層及び前記バリア層の深さを定義した場合に、
前記ピエゾ抵抗層は、前記第2の不純物の濃度と前記第1の不純物の濃度が一致する深さ又は前記半導体基板の表面側において前記第2の不純物の濃度が前記第1の不純物の濃度より高い場合には前記半導体基板の表面と一致する深さである第1の深さと、前記第1の深さよりも深く前記第2の不純物の濃度が最大になる第2の深さと、前記第2の深さよりも深く前記第2の不純物の濃度と前記第1の不純物の濃度が一致する第3の深さと、を有し、
前記バリア層は、前記半導体基板の表面と一致する第4の深さと、前記第4の深さよりも深く前記第3の不純物の濃度が最大になる第5の深さと、前記第5の深さよりも深く前記第3の不純物の濃度と前記第1の不純物の濃度が一致する第6の深さと、を有し、
前記所定の層幅は、前記第1の深さと前記第6の深さとの間の厚さである請求項1記載のピエゾ抵抗素子。
When defining the depth of the piezoresistive layer and the barrier layer with reference to the surface of the semiconductor substrate,
The piezoresistive layer has a depth at which the concentration of the second impurity and the concentration of the first impurity coincide with each other, or the concentration of the second impurity at the surface side of the semiconductor substrate is higher than the concentration of the first impurity. If it is higher, a first depth that is the same as the surface of the semiconductor substrate, a second depth that is deeper than the first depth and at which the concentration of the second impurity is maximized, and the second depth And a third depth at which the concentration of the second impurity and the concentration of the first impurity coincide with each other deeper than the depth of
The barrier layer includes a fourth depth coinciding with the surface of the semiconductor substrate, a fifth depth deeper than the fourth depth and a maximum concentration of the third impurity, and the fifth depth. And a sixth depth at which the concentration of the third impurity and the concentration of the first impurity coincide with each other,
The piezoresistive element according to claim 1, wherein the predetermined layer width is a thickness between the first depth and the sixth depth.
前記第4の深さと前記第6の深さとの間の厚さを前記バリア層の層幅と定義した場合に、前記バリア層の層幅は前記所定の層幅と一致する請求項2記載のピエゾ抵抗素子。   3. The layer width of the barrier layer matches the predetermined layer width when a thickness between the fourth depth and the sixth depth is defined as a layer width of the barrier layer. Piezoresistive element. 前記第3の不純物の濃度の最大値は、前記第2の不純物の濃度の最大値よりも大きい請求項2又は3記載のピエゾ抵抗素子。   The piezoresistive element according to claim 2 or 3, wherein the maximum value of the concentration of the third impurity is larger than the maximum value of the concentration of the second impurity. 前記第2の深さは、0.5μm以上1.1μm以下であり、前記第5の深さは、0.01μm以上0.1μm以下である請求項2乃至4の何れか一項記載のピエゾ抵抗素子。   5. The piezo according to claim 2, wherein the second depth is not less than 0.5 μm and not more than 1.1 μm, and the fifth depth is not less than 0.01 μm and not more than 0.1 μm. Resistance element. 前記第2の深さは、0.6μm以上0.7μm以下であり、前記第5の深さは、0.01μm以上0.05μm以下である請求項5記載のピエゾ抵抗素子。   6. The piezoresistive element according to claim 5, wherein the second depth is 0.6 μm or more and 0.7 μm or less, and the fifth depth is 0.01 μm or more and 0.05 μm or less. 前記第2の不純物の濃度の最大値は、1×1017ions/cm以上5×1018ions/cm以下であり、前記第3の不純物の濃度の最大値は、5×1017ions/cm以上1×1019ions/cm以下である請求項2乃至6の何れか一項記載のピエゾ抵抗素子。 The maximum value of the concentration of the second impurity is 1 × 10 17 ions / cm 3 or more and 5 × 10 18 ions / cm 3 or less, and the maximum value of the concentration of the third impurity is 5 × 10 17 ions. The piezoresistive element according to any one of claims 2 to 6, wherein the piezoresistive element is not less than / cm 3 and not more than 1 x 10 19 ions / cm 3 . 前記第2の不純物の濃度の最大値は、4×1017ions/cm以上6×1017ions/cm以下であり、前記第3の不純物の濃度の最大値は、8×1017ions/cm以上1.2×1018ions/cm以下である請求項7記載のピエゾ抵抗素子。 The maximum value of the concentration of the second impurity is 4 × 10 17 ions / cm 3 or more and 6 × 10 17 ions / cm 3 or less, and the maximum value of the concentration of the third impurity is 8 × 10 17 ions. The piezoresistive element according to claim 7, which is not less than / cm 3 and not more than 1.2 × 10 18 ions / cm 3 . 請求項1乃至8の何れか一項記載のピエゾ抵抗素子を搭載した半導体センサ。   A semiconductor sensor equipped with the piezoresistive element according to claim 1. ダイヤフラム面に印加された応力を前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値変化に対応する出力電圧変化により検出する請求項9記載の半導体センサ。   The semiconductor sensor according to claim 9, wherein the stress applied to the diaphragm surface is detected by a change in output voltage corresponding to a change in resistance value of the piezoresistive element.
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