JP2871064B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

半導体圧力センサ

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哲夫 藤井
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体圧力センサに関する。
〔従来技術〕
従来の半導体式圧力センサとして、半導体ピエゾ部を
半導体基板の表面部の反対導電型領域として形成したバ
ルク型、及び、それを半導体基板表面に薄い絶縁膜を介
して搭載したSOI型のものが知られている。
このような半導体圧力センサは、液体、気体の圧力測
定に広く用いられている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、従来の液体圧力、特に導電性液体(例
えば水)の測定において、原因不明のノイズがセンサ出
力に重畳していた。
本発明者らは、種々検討の結果、ある場合にはこのノ
イズ電圧が被測定液体を通じてセンサ外部から誘導さ
れ、またある場合には被測定液体自身から発生すること
に気がついた。
例えばバルク型を例として説明する。
従来のバルク型半導体圧力センサでは、基板は、ピエ
ゾ抵抗部の最低電位から、基板、ピエゾ抵抗部間のPN接
合の電位差だけシフトした電位となっている。
この半導体基板が導電性液体に接触すると、この導電
性液体を通じてセンサ外部のノイズ源に接続された状態
になり、このノイズ源の電位変動や電流変動の影響は液
体、半導体基板、PN接合を介してピエゾ抵抗部に影響す
る。
また、ノイズ源の電位、電流が一定と仮定しても、液
体抵抗やPN接合の抵抗が熱雑音電圧を発生する。
また、PN接合の抵抗を通じてピエゾ抵抗部から液体側
に流れるリーク電流に基づく雑音電圧もその一因とな
る。
これらの雑音電圧は、低消費電力化を図るためピエゾ
抵抗部を高抵抗化するとより顕著となった。
同様の問題がSOI型の半導体圧力センサでも発生す
る。
すなわち、外部ノイズ源の電位変動の影響は、液体、
半導体基板、半導体基板とピエゾ抵抗部との間の絶縁膜
の容量を介して交流的に影響する。
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、導電
性流体圧力の測定精度を向上させた半導体圧力センサを
提供することを、その目的としている。
〔課題を解決するための手段〕
本発明の半導体圧力センサは、 N型の半導体基板の表面部に設けられ、所定電位が印
加されたP型の半導体ピエゾ抵抗部を有する半導体圧力
センサにおいて、 前記半導体基板に所定の固定電位を付与する固定電位
電極が前記半導体基板に接続され、前記ピエゾ抵抗部に
印加する最高電位よりも大きな電位を前記固定電位電極
より前記半導体基板に印加したことを特徴としている。
〔作用及び発明の効果〕
本発明では、ピエゾ抵抗部に印加する最高電位よりも
大きな電位を半導体基板に印加している。
したがって、たとえ導電性液体の圧力を測定する場合
であっても、外部ノイズ源により又は各種熱雑音電圧に
より半導体基板電位が変動することがなく、半導体基板
電位の変動によりピエゾ抵抗部の電位が直流的に又は交
流的に変動するのを防止することができると共に、PN接
合部位に広がる空乏層によって外部からのノイズを抑え
ることができる。
このように本発明では、半導体基板電位の固定を工夫
しているので、ピエゾ抵抗部からの出力電圧に外部ノイ
ズ源かどからのノイズ電圧の混入を大幅に低減でき、感
度改善に優れた効果を奏することができる。
〔実施例〕
本発明の実施例を第1図に示す。
この実施例は、バルク型の半導体圧力センサに適用し
たものであって、パイレックスガラス(商品名)ででき
た台座1a、台座1aに接合されたN型のSi基板(本発明で
いう半導体基板)3a、Si基板3a表面にボロンをドープし
て形成された4個のピエゾ抵抗部5a、Si基板3a表面に形
成された絶縁膜6a、信号電極7a、固定電位電極8aを有
し、更に、絶縁膜6a上には信号電極7a及び固定電位電極
8aと電極ピン(図示せず)とを接続するためのAl配線層
(図示せず)が形成されている。各ピエゾ抵抗部5aはブ
リッジ接続され、そして、固定電位電極8aとブリッジの
最高電位端VLとの間にPN接合を逆バイアスするバイアス
電圧Vbが印加されている。
第2図は、この半導体圧力センサの等価回路である。
Si基板3aのダイヤフラム部の台座1a側の表面は被測定
媒体としての水に接触しており、水は図示しない導路を
通じて外部に連通している。
ここで、Si基板3aの電位変動によりブリッジ出力にノ
イズが発生する点を説明する。
ブリッジ出力であるので、4個のピエゾ抵抗部5とSi
基板3aとの間の静電容量が等しければノイズ電圧はブリ
ッジ出力に混入しない。
しかし実際には、各ピエゾ抵抗部5の形状(大きさ)
はばらつきをもつので、各ピエゾ抵抗部5とSi基板3aと
の間の静電容量はばらつき、そのために各ピエゾ抵抗部
5に誘導されるノイズ電圧の大きさは異なる。Si基板3a
の表面の不純物濃度がばらつく場合も同じである。
そして、図示しない配線層(特に、ブリッジの出力配
線)と絶縁膜6aとの間の静電容量によりブリッジの出力
端にはノイズ電圧が誘導される。
本発明は、まさに上述した原因により、たとえブリッ
ジ構成を採用してもノイズが混入することに着目してな
されたものであり、Si基板3aの電位の固定を工夫するこ
とにより上記ノイズ混入を防止できるようにしたもので
ある。
本発明者らの実測によれば工場内での工業用水には商
用周波数60Hzで数10〜数100mV程度のノイズ電圧が乗っ
ていた。そして、基板電位を固定しない場合、数10mV以
上の交流ノイズが観測された。
この実施例では、上記したように半導体基板電位の固
定を工夫しているので、上記ノイズ源からPN接合空乏層
の容量12を通じて交流ノイズが混入するのを防止するこ
とができる。
また、このPN接合を通じての直流ノイズの混入を防止
することもできる。
特にこの実施例では、Si基板3aをブリッジの最高電位
端VLに対して正バイアスしているので、PN接合空乏層を
拡大してブリッジの寄生容量を低減し、それによりこの
PN接合空乏層を通じてピエゾ抵抗部5aへの交流ノイズの
混入を更に低減している。
次に、本発明に関する参考例を第3図に示す。
この半導体圧力センサは、単結晶シリコンからなる台
座1、台座1に下地絶縁膜2を介してウエハを直接接合
または静電接合された単結晶シリコンからなる基板3、
基板3表面の絶縁膜4上に形成された4個のピエゾ抵抗
部5、ピエゾ抵抗部5を保護する表面絶縁膜6、表面絶
縁膜6の開孔部に配設されピエゾ抵抗部5の端部に接合
されるAlからなる信号電極7、表面絶縁膜6の開孔部に
配設され基板3に接合されるAlからなる固定電位電極8
とを有している。
また、表面絶縁膜6上に配線されたAl配設(図示せ
ず)により、各信号電極7はブリッジ接続され、そし
て、固定電位電極8はブリッジの最低電位端VLに接続さ
れている。
基板3のダイヤフラム部30の台座1側の面は被測定媒
体としての水9に接触しており、水9は図示しない導路
を通じて外部に連通している。
この参考例では、抵抗r及び容量Cを通じて外部ノイ
ズ電源Vnが最低電位端VLに接続されている。抵抗rは外
部ノイズ電源Vnの内部抵抗、水の抵抗などで構成され、
容量Cは下地絶縁膜2により構成される。
なお、台座1の周縁はさらにパッケージとの熱膨張差
による応力を緩和するため、例えばシリコンの台座1を
はさみパッケージ(図示せず)に組みつける。ダイヤフ
ラム部30のピエゾ抵抗部側の表面には密封ガスまたは真
空により基準圧力が与えられている。
圧力測定に際して、ブリッジの最低電位端VLと最高電
位端とは直流電源Vdcの両端に接続される。
このようにすれば、基板3の電位が直流電源Vdcによ
り固定されるので、基板3が水9を通じて外部ノイズ電
源Vnに接続されても基板3の電位が変動することがな
い。
本参考例は、基板3の電位を固定することにより上記
ノイズ混入を防止できるようにしたものである。
次に、この半導体圧力センサの製造方法を簡単に説明
する。
ミラー研磨した比抵抗が1〜10Ω・cmで面方位が(10
0)でN型シリコンがらなる台座用の基板(図示せず)
に熱酸化により絶縁膜2として酸化膜を0.5〜1.0μmの
厚さで形成する。一方、ミラー研磨した同質の基板用の
基板(図示せず)を用意し、上記両基板を例えば過酸化
水素水と濃硫酸の混合液中での親水性化処理を行い、洗
浄、乾燥後、張合せ、炉中1100℃で約0.5〜2時間のウ
エハ接合を窒素雰囲気下で行い一体化した。
次に、図示しない基板用の基板のダイヤフラムに適当
な所定の厚さにラッピング(あらけずり)し、ミラー研
磨した。続いて、ミラー研磨した表面に熱酸化により絶
縁膜4として酸化膜を0.5〜1.0μmで形成した。続いて
この絶縁膜4としての酸化膜上にLPVD法により50〜300n
mの厚さのポリシリコン層(図示せず)を形成し、この
ポリシリコン層に所定の濃度の不純物(たとえばボロ
ン、リン、ヒ素等)をイオン注入法で導入し、800〜100
0℃の熱処理で活性化した。
次に、このドープしたポリシリコン層をドライエッチ
ング等で所定のパターンに形成しピエゾ抵抗部5を絶縁
膜4上に形成した。続いて、絶縁膜6としてCVD法によ
りシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を形成し、それ
を開孔してピエゾ抵抗部用のコンタクト孔を開孔し、更
に絶縁膜4、6の両方を貫通して基板3に達するコンタ
クト孔を開孔する。この場合、基板3やピエゾ抵抗部5
の濃度が低く、続いて形成する電極とオーミックコンタ
クトがとれない場合は、このコンタクト部に高濃度領域
を形成しておく。続いてAl等を蒸着等により形成し、所
定の配設パターン(図示せず)、信号電極7及び固定電
位電極8を形成した。
次に、レジスト、又はその他のマスク材を所定の領域
に被覆して、KOH液、APW液、弗硝酸系のエッチング液で
溝部100を酸化膜2の表面までエッチングした。
本発明者らの実測によれば工場内での工業用水には商
用周波数60Hzで数10〜数100mV程度のノイズ電圧が乗っ
ていた。そして、基板電位を固定しない場合、数10mV以
上の交流ノイズが観測された。本参考例の回路構成とす
ると、出力電圧におけるノイズは、0.03mV以下に激減
し、実用上差し支えない程度とすることができた。例え
ばフルスケール出力30mVのときノイズレベルは0.1%FS
以下となる。
なお、この参考例において、当然固定電位電極8を他
の一定電位の点に接続してもよい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示す断面図、第2図は実施例
の等価回路図、第3図は参考例の断面図、第4図は参考
例の等価回路図である。 3a……Si基板 5……ピエゾ抵抗部 8a……固定電位電極
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−102567(JP,A) 実開 昭58−92745(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 29/84

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】N型の半導体基板の表面部に設けられ、所
    定電位が印加されたP型の半導体ピエゾ抵抗部を有する
    半導体圧力センサにおいて、 前記半導体基板に所定の固定電位を付与する固定電位電
    極が前記半導体基板に接続され、前記ピエゾ抵抗部に印
    加する最高電位よりも大きな電位を前記固定電位電極よ
    り前記半導体基板に印加したことを特徴とする半導体圧
    力センサ。
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