JP2800334B2 - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

半導体圧力センサおよびその製造方法

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JP2800334B2 JP1334782A JP33478289A JP2800334B2 JP 2800334 B2 JP2800334 B2 JP 2800334B2 JP 1334782 A JP1334782 A JP 1334782A JP 33478289 A JP33478289 A JP 33478289A JP 2800334 B2 JP2800334 B2 JP 2800334B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、特に歪み検出素子等の半導体素子部に対
する絶縁耐力が向上されるようにした半導体圧力センサ
およびその製造方法に関する。
[従来の技術] 半導体圧力センサは、単結晶シリコン基板のような半
導体基板に対して、例えばピエゾ抵抗素子による歪みゲ
ージを形成してダイヤフラムを構成し、この半導体基板
に機械的な圧力が作用したときの変形によって、歪みゲ
ージに抵抗値の変化を生じさせる。そして、この歪みゲ
ージにおけるピエゾ抵抗効果による抵抗値の変化を検出
することによって、作用された圧力の大きさを測定する
ものである。
この様な半導体圧力センサとしては、例えば特開昭61
−239575号公報に示されているものであるが、この圧力
センサにあっては、ピエゾ抵抗素子の形成されたダイヤ
フラムとなる半導体層と、支持部材となる半導体層との
間に絶縁物層を埋設形成し、肉薄に形成されるダイヤフ
ラムと、その表面に形成される他の絶縁物層に起因する
バイメタル動作を抑制するようにしている。
しかし、この様に構成される半導体圧力センサにあっ
ては、半導体層の相互間に介在される絶縁物層の厚さが
約0.5〜2μmであり、非常に薄い状態で形成されてい
る。したがって、例えばウエハをチップに分割するダイ
シングを行った場合、絶縁物層の両面に位置する半導体
層の相互が接触することがあり、また接触することなく
正常な製品となった後においても、絶縁物層の外周部の
側面部に水滴あるいは埃等が付着した場合、若しくはノ
イズ等によって両半導体層の間に沿面放電開始電圧以上
の電圧が印加された状態となった場合には、絶縁物層の
両面の半導体相互が導通するようになる。その結果、外
部の電位がピエゾ抵抗素子を形成した半導体層に導か
れ、この圧力センサの駆動電源等の各種回路部分が、一
体化されたワンチップ圧力センサの回路との間で、相互
作用を引き起こすようになる。すなわち、誤動作や出力
の変動等の原因となる。
この様な問題を解決するためには、絶縁物層の膜厚を
大きくすることであるが、この圧力センサのように中間
層に絶縁物層である酸化膜層を形成するには、ウエハ直
接接合あるいは酸素イオン打ち込み等の方法が考えられ
る。しかし、ウエハ直接接合の場合、接合界面に用いら
れる酸化シリコン膜は、非常に高い平滑度が要求され、
このため熱酸化膜が用いられる。この熱酸化膜は、実質
上形成できる膜厚が1μm程度である。
また酸化膜を熱酸化ではなく、他のCVD等で厚く形成
することも考えられるが、この様にして酸化膜の膜厚を
大きくすると、半導体層を形成するシリコンとの熱膨張
係数の差等に起因して、半導体層の内部応力によってウ
エハが湾曲し、破壊される。
[発明が解決しようとする課題] この発明は上記のような点に鑑みなされたもので、埋
設設定される中間層となる絶縁物層の膜厚を厚くするこ
となく、特にピエゾ素子等の半導体素子の形成された半
導体層部分の絶縁耐力が向上され、高い信頼性が確実に
得られるようにする半導体圧力センサおよびその製造方
法を提供しようとするものである。
[課題を解決するための手段] この発明に係る半導体圧力センサは、それぞれ第1の
導電型に設定される第1および第2の半導体層を、絶縁
物層を介して接合して構成するもので、その一方の半導
体層に歪み検出素子を形成し、他方の半導体層に圧力導
入用の開口を形成する。そして、第1および第2の半導
体層の少なくとも一方に、絶縁物層に接する位置で第2
の導電型にした拡散層を形成し、PN接合が形成されるよ
うにしている。
また、この半導体圧力センサの製造方法にあっては、
第1の導電型の第1および第2の半導体基板それぞれの
一方の面に対応して、第2の導電型の拡散層を形成する
と共に、一方の半導体基板の拡散層を有する面に絶縁物
層を形成して第1および第2の半導体層を構成し、この
第1および第2の半導体層を、それぞれ拡散層を有する
方の面が対向するようにして接合する。この場合、一方
の半導体層の拡散層を有しない面の部分には、歪み検出
素子を形成してダイヤフラムとされる。
[作用] この様にして構成される半導体圧力センサにあって
は、ダイヤフラムを構成し、歪み検出素子等の半導体素
子の形成された第1の半導体層と、圧力導入部を構成す
るようになる第2の半導体層との間に埋設設定される絶
縁物層の膜厚が非常に薄い状態であっても、この絶縁物
層に接する半導体層において拡散層が形成され、PN接合
が形成されるようになる。したがって、例えば大きなノ
イズ電圧が印加された状態となっても、PN接合部分に空
乏層が広がり、PN接合コンデンサが形成される状態とな
って、中間層である絶縁物層に印加される電圧を小さく
することができる。このため沿面放電が確実に抑制さ
れ、信頼性の高い圧力センサとすることができる。
[発明の実施例] 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明す
る。第1図はその断面構造を示しているもので、ダイヤ
フラムを構成するN型のシリコン基板からなる第1の半
導体層11、同じくN型のシリコン基板からなる第2の半
導体層12を備える。
この第1の半導体層11および第2の半導体層12は、中
間層とされる酸化シリコン膜による絶縁物層13を介して
積層され、一体化されているもので、第1の半導体層11
の絶縁物層13と反対側の主表面には、ピエゾ抵抗素子に
よる歪み検出素子14が形成されている。また、第2の半
導体層12には、絶縁膜層13に至る開口15が形成されてい
るもので、この開口15は圧力導入部として作用し、ダイ
ヤフラムを構成する第1の半導体層11に圧力が作用さ
れ、この圧力の大きさに対応して第1の半導体層11が歪
み、この歪み層が歪み検出素子14で電気的に検出される
ようにしている。
ここで、第1および第2の半導体層11および12の、そ
れぞれ絶縁物層13に接する部分には、P型16および17が
形成され、それぞれPN接合が形成されるようにする。こ
のPN接合を形成する手段は、例えばエピタキシャル成長
法、イオン打込みウエハ直接接合法等がある。
この様に構成される半導体圧力センサにおいて、例え
ば第1の半導体層11に正、第2の半導体層12に負の電圧
が、ノイズとして印加されたとすると、第2の半導体層
12に空乏層121が形成され、コンデンサの作用をするよ
うになる。したがって、中間層である絶縁物層13を誘電
体としたコンデンサと、空乏層121によるコンデンサと
が直列に接続された状態となり、中間層近傍の電界集中
の状態が緩和される。これによって中間層を構成する絶
縁物層13に印加される電圧を小さくすることができ、第
1の半導体層11と第2の半導体層12との間の沿面放電が
抑制され、絶縁耐力が向上されるものである。
第2図はこの様な半導体圧力センサの製造工程を示し
ているもので、まず第2図の(A)で示すように一方の
面に対応してP型層を形成したPN接合を有する第1およ
び第2のシリコンウエハ31および32を形成する。このPN
接合は、ウエハ直接接合、イオン打ち込み、あるいはP
型不純物の拡散等によって形成される。そして、このシ
リコンウエハの一方、例えば第2のシリコンウエハ32の
P型層に対応する面に、熱酸化によって絶縁物層33が形
成される。
この様に構成された第1および第2のシリコンウエハ
31および32は、P型層に対応する表面、および絶縁物層
33の面を親水処理し、清浄な雰囲気下で、(B)図で示
すように互いにその親水処理した表面を接合させ、1000
℃〜1200℃のN2またはO2雰囲気中で1時間熱処理し、完
全に接合させる。
次に、この接合されたウエハ31および32のの一方、例
えばシリコンウエハ31の露出した面を研磨して、ダイヤ
フラムとして作用させられるように薄膜化し、その表面
に酸化膜34を形成する。そして、歪みゲージ35をイオン
打ち込みあるいは拡散法等によって形成する。
次に(C)図で示すようにアルカリまたはHF−HNO3
のエッチング液によって、スクライブライン36、圧力導
入孔37を開口形成した後、ラインXに沿ってカットす
る。
第3図は他の実施例の圧力センサを示しているもの
で、この実施例にあっては、ダイヤフラム部を区画する
絶縁部層13の両面の全体を、P型層21、22で覆うように
している。したがって、この様に構成すれば、ダイヤフ
ラム部における放電を、より効果的に防ぐことができる
ようになる。
第4図で示す実施例にあっては、N型の第1の半導体
層11と第2の半導体層12とを、絶縁物層13を介して接合
した状態で、拡散法、あるいはイオン打ち込み法によっ
て、絶縁物層13の外周部分に対応してP型層23、24を形
成した例である。この様にしても、第1の半導体層11と
第2の半導体層12との間の沿面放電が効果的に抑制でき
る。
この様な圧力センサは、第2図で示したような製造工
程によって製造できるものであるが、PN接合を拡散若し
くはイオン打ち込みによって形成する場合には、第2図
の(C)で示すようにスクライブライン36および圧力導
入孔37を形成した後、イオン打ち込みまたは拡散を行
い、P型層23および24を形成するものである。
第5図で示す実施例では、第2の半導体層12の絶縁物
層13に接する面に、全体的な領域で分散されるようにし
て、複数のP型層251、252、…を形成している。この様
に構成することによって、第1図で示したと同様に、逆
バイアスが印加されたときに空乏層が形成されて、絶縁
耐圧が向上される。
ここで、絶縁物層13の全面に対応してP型層を形成す
ると、エピタキシャル成長によってウエハに反りが生ず
るものであるが、この実施例で示したようにP型層が分
散して形成すると、この様な反りの発生を抑制すること
ができる。したがって、正確な圧力を効果的に測定でき
るようになる。
この様な分散されたP型層251、252、…は、第6図で
示すように半導体層12を構成するシリコンウエハ41上に
酸化膜42を形成し、レジスト43をマスクとして、例えば
B+イオンを打ち込むことによって形成されるもので、任
意のパターンでPN接合が形成される。
また、第3図および第5図で示した実施例にあって
は、中間層である絶縁物層13が、圧力導入のための開口
15に対して露出されない構造となっている。したがっ
て、この様な構造の場合には弗酸等のシリコン酸化膜を
侵す媒体の圧力測定でも確実に実行できる。
さらに実施例においては、N型の半導体基板に対して
P型層を形成するように説明したが、このP型およびN
型の関係は逆であっても良い。また、この圧力センサに
作用するノイズ電圧が、正負のどちらか一方である場合
には、第1の半導体層11あるいは第2の半導体層12のい
ずれか一方にPN接合を形成すれば良いものである。
[発明の効果] 以上のようにこの発明に係る半導体圧力センサにあっ
ては、PN接合を形成することによって、ノイズ電圧が印
加された状態で、中間層部の近傍に空乏層が形成される
ようになり、中間層に作用する電圧を小さなものとする
ことができる。したがって、歪み検出素子等の半導体素
子の形成された半導体層に対する絶縁耐力が著しく向上
され、信頼性の高い圧力センサが得られるようになる。
また、この圧力センサは通常の半導体装置の製造工程を
応用した簡単な方法で製造できるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例に係る半導体圧力センサを
説明する断面構成図、第2図の(A)乃至(C)は上記
圧力センサの製造工程を順次説明する図、第3図乃至第
5図はそれぞれこの発明の他の実施例を示す図、第6図
は第5図で示した実施例のP型層の形成手段を説明する
図である。 11……第1の半導体層、12……第2の半導体層、13……
絶縁物層、14……歪み検出素子、15……開口(圧力導
入)、16、17……P型層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 29/84 G01L 9/04 101

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ダイヤフラムを形成する第1の導電型に設
    定された第1の半導体層と、 この第1の半導体層に積層して構成され、前記第1の半
    導体層の方向に向けて圧力を導入する開口を形成した、
    前記第1の半導体層と同じ第1の導電型の第2の半導体
    層と、 前記積層された第1および第2の半導体層の相互間に介
    在して、前記開口部分を含み形成された絶縁物層と、 この絶縁物層に接するようにして、前記第1および第2
    の半導体層部分若しくはその一方に形成された第2の導
    電型層と、 前記第1の半導体層に形成された歪み検出素子とを具備
    し、 前記絶縁物層に接して前記第1および第2の半導体層部
    分若しくはその一方にPN接合が形成されるようにしたこ
    とを特徴とする半導体圧力センサ。
  2. 【請求項2】前記PN接合を形成する第2の導電型層は、
    前記第1の半導体層の前記絶縁物層に接する面の全面、
    および前記第2の半導体層の前記開口部を除く前記絶縁
    物層に接する面にそれぞれ形成されるようにした請求項
    1記載の半導体圧力センサ。
  3. 【請求項3】前記PN接合を形成する第2の導電型層は、
    前記絶縁物層の両面の全面に対応してそれぞれ形成され
    るようにした請求項1記載の半導体圧力センサ。
  4. 【請求項4】前記第1若しくは第2の半導体層の少なく
    とも一方に、前記絶縁物層に接する状態で、この絶縁物
    層の全面に分散した複数個所で前記PN接合を形成する第
    2の導電型層が形成されるようにした請求項1記載の半
    導体圧力センサ。
  5. 【請求項5】第1の導電型の第1の半導体基板の一方の
    面に、PN接合を形成する第2の導電型の拡散層を形成し
    て、第1の半導体層を形成する手段と、 第1の導電型の第2の半導体基板の一方の面に、PN接合
    を形成する第2の導電型の拡散層を形成して、第2の半
    導体層を形成する手段と、 前記第1若しくは第2の半導体層の一方の、前記第2の
    導電型の拡散層が形成された面の全面に絶縁物層を形成
    する手段と、 前記第1および第2の半導体層それぞれの、前記第2の
    導電型の拡散層が形成された面を対向させ、前記絶縁物
    層を介在してその相互間を接合する手段と、 前記第2の半導体層に、前記絶縁物層に至るように圧力
    を導入する開口を形成する手段とを具備し、 前記第1の半導体層には歪み検出素子を形成して、圧力
    検出用ダイヤフラムが形成されるようにしたことを特徴
    とする半導体圧力センサの製造方法。
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