JP3278926B2 - Semiconductor pressure sensor - Google Patents

Semiconductor pressure sensor

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JP3278926B2
JP3278926B2 JP26024792A JP26024792A JP3278926B2 JP 3278926 B2 JP3278926 B2 JP 3278926B2 JP 26024792 A JP26024792 A JP 26024792A JP 26024792 A JP26024792 A JP 26024792A JP 3278926 B2 JP3278926 B2 JP 3278926B2
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crystal silicon
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、半導体圧力センサに
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor pressure sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、半導体圧力センサにおいては、例
えば、特開平1−150832号公報のように、より小
型・軽量化のためにダイヤフラムと集積回路とが一体と
なった1チップ圧力センサが各種知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a semiconductor pressure sensor, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-150832, various one-chip pressure sensors in which a diaphragm and an integrated circuit are integrated to reduce the size and weight are various. Are known.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】ところが、ダイヤフラ
ムと集積回路部は同一平面上に別々に配置されているた
め大型化を招いていた。又、受圧面がチップ表面の場
合、被測定物が大気や油等の場合、回路部表面の汚染防
止対策が必要となる。
However, since the diaphragm and the integrated circuit section are separately arranged on the same plane, the size has been increased. Further, when the pressure receiving surface is the chip surface, and when the measured object is the atmosphere, oil, or the like, it is necessary to take measures to prevent contamination of the circuit portion surface.

【0004】そこで、この発明の目的は、より小型化を
図ることが可能な半導体圧力センサを提供することを第
1の目的とする。 また、そのような半導体圧力センサに
おいて、回路の保護膜を必要としない構成とすることを
第2の目的とする。
It is therefore an object of the present invention to provide a semiconductor pressure sensor which can be made more compact .
This is the purpose of 1. Also, such a semiconductor pressure sensor
In addition, it is necessary to adopt a configuration that does not require a protective film for the circuit.
This is the second purpose.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願の請求項1に記載の発明は、半導体基板と、該
半導体基板の表面に重ね合わせて配置された、半導体よ
りなるダイヤフラムと、ダイヤフラムに形成されたピ
エゾ抵抗層と、前記半導体基板の表面と前記ダイヤフラ
ムとの重ね合わせにより形成された圧力基準室に位置す
るように前記半導体基板の表面に形成され、前記ピエゾ
抵抗層と電気的に接続された信号処理回路とを備えた半
導体圧力センサをその要旨とするものである
Means for Solving the Problems] To solve the above problems, the invention according to a first aspect of the present invention, a semiconductor substrate, are arranged superimposed on the surface of the <br/> semiconductor substrate, a semiconductor a diaphragm made of a piezoresistive layer formed on the diaphragm, to position the pressure reference chamber formed by superposition of the said semiconductor substrate surface diaphragm
It is formed on the semiconductor substrate surface to so that is for its gist the semiconductor pressure sensor with a said piezoresistive layer and electrically connected to the signal processing circuit.

【0006】[0006]

【作用】ダイヤフラムと集積回路(信号処理回路)とが
縦方向に配置されることとなり、同一面にダイヤフラム
と集積回路(信号処理回路)とを配置する場合に比べ小
さくすることが可能となる。又、集積回路(信号処理
)は、半導体基板及びダイヤフラムにて外気とは遮断
され、外気との接触が避けられる。
The diaphragm and the integrated circuit (signal processing circuit ) are arranged in the vertical direction, so that the size can be reduced as compared with the case where the diaphragm and the integrated circuit (signal processing circuit ) are arranged on the same surface. In addition, integrated circuit (signal processing times
The path is cut off from the outside air by the semiconductor substrate and the diaphragm, and the contact with the outside air is avoided.

【0007】[0007]

【実施例】以下、この発明を具体化した一実施例を図面
に従って説明する。図2には、パッケージングされた半
導体圧力センサ1の全体構成を示す。ステム2と、その
上面に接合されたシェル(蓋材)3によりパッケージ材
が構成されている。ステム2にはリード端子4が貫通状
態でガラス溶着にて固定されている。又、シェル3には
圧力導入管5が接続されている。シェル3内のステム2
上には半導体圧力センサ1が配置されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 2 shows the overall configuration of the packaged semiconductor pressure sensor 1. A package material is constituted by the stem 2 and a shell (lid material) 3 joined to the upper surface thereof. A lead terminal 4 is fixed to the stem 2 by glass welding in a penetrating state. Further, a pressure introducing pipe 5 is connected to the shell 3. Stem 2 in shell 3
The semiconductor pressure sensor 1 is arranged on the upper side.

【0008】図1には、半導体圧力センサ1の全体構成
図を示す。P- 型単結晶シリコン基板14の表面にはシ
リコンよりなるダイヤフラム21が配置されている。
又、ダイヤフラム21にはピエゾ抵抗層としてのP+
散層10が形成されている。さらに、P- 型単結晶シリ
コン基板14の表面とダイヤフラム21とにより形成さ
れた圧力基準室R1内においてP- 型単結晶シリコン基
板14の表面には、P+拡散層10と電気的に接続され
た集積回路(バイポーラトランジスタ15等)が形成さ
れている。
FIG. 1 shows an overall configuration diagram of a semiconductor pressure sensor 1. A diaphragm 21 made of silicon is arranged on the surface of the P type single crystal silicon substrate 14.
Further, a P + diffusion layer 10 as a piezoresistive layer is formed on the diaphragm 21. Further, in the pressure reference chamber R1 formed by the surface of the P - type single crystal silicon substrate 14 and the diaphragm 21, the surface of the P - type single crystal silicon substrate 14 is electrically connected to the P + diffusion layer 10. Integrated circuit (eg, bipolar transistor 15) is formed.

【0009】図3〜図9には、半導体圧力センサの製造
工程を示す。以下に、製造工程を説明する。図3に示す
ように、P- 型単結晶シリコン基板6を用意し、その主
表面上にシリコン酸化膜7を形成する。さらに、単結晶
シリコン基板6の主表面にシリコン酸化膜7を介してN
- 型単結晶シリコン基板8を直接接合する。引き続き、
-型単結晶シリコン基板8の裏面側を研摩して単結晶
シリコン基板8の厚さを5〜10μmにする。
3 to 9 show a manufacturing process of the semiconductor pressure sensor. Hereinafter, the manufacturing process will be described. As shown in FIG. 3, a P type single crystal silicon substrate 6 is prepared, and a silicon oxide film 7 is formed on the main surface thereof. Further, the main surface of the single crystal silicon substrate 6 is N
- bonding the type single crystal silicon substrate 8 directly. Continued
The back surface of the N -type single-crystal silicon substrate 8 is polished to reduce the thickness of the single-crystal silicon substrate 8 to 5 to 10 μm.

【0010】そして、図4に示すように、N- 型単結晶
シリコン基板8に対しLOCOS工程を施しLOCOS
酸化膜9を形成する。その後、図5に示すように、全面
のLOCOS酸化膜9を除去する。そして、ゲージ部の
み開口したレジストパターンを形成し、ボロンをインプ
ラしてピエゾ抵抗層としてのP+ 拡散層10を形成す
る。
[0010] Then, as shown in FIG. 4, a LOCOS process is performed on the N -type single crystal silicon substrate 8, and the LOCOS process is performed.
An oxide film 9 is formed. Thereafter, as shown in FIG. 5, the LOCOS oxide film 9 on the entire surface is removed. Then, a resist pattern having an opening only in the gauge portion is formed, and boron is implanted to form a P + diffusion layer 10 as a piezoresistive layer.

【0011】引き続き、図6に示すように、N- 型単結
晶シリコン基板8の全面にシリコン酸化膜11を形成す
るとともにシリコン酸化膜11にコンタクトホールを形
成する。そして、P+ 拡散層10から延びるタングステ
ン(W)による配線12を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 6, a silicon oxide film 11 is formed on the entire surface of the N type single crystal silicon substrate 8 and a contact hole is formed in the silicon oxide film 11. Then, a wiring 12 made of tungsten (W) extending from the P + diffusion layer 10 is formed.

【0012】この配線12の形成の際、図10に示すよ
うに、TiN層13を全面にデポジットしコンタクト部
のまわり2〜3μmを残したレジストパターンを形成
し、その後、TiN層13のエッチングを行う。次に、
高融点金属であるタングステン(W)をデポジットし配
線パターンを形成する(配線12を形成する)。尚、こ
の手法は、後記P- 型単結晶シリコン基板14での配線
の際の際にも用いられる。
At the time of forming the wiring 12, as shown in FIG. 10, a TiN layer 13 is deposited on the entire surface to form a resist pattern leaving 2-3 .mu.m around a contact portion, and then the TiN layer 13 is etched. Do. next,
Tungsten (W), which is a high melting point metal, is deposited to form a wiring pattern (forming wiring 12). This method is also used for wiring on the P type single crystal silicon substrate 14 described later.

【0013】次に、図7に示すように、不要なシリコン
酸化膜11を除去する。一方、図8に示すように、P-
型単結晶シリコン基板14を用意し、その主表面に通常
のバイポーラ工程を用いて演算増幅用のバイポーラトラ
ンジスタ15等を形成する。このバイポーラトランジス
タ15等より集積回路が形成される。又、P- 型単結晶
シリコン基板14の主表面には、タングステン(W)に
よる配線16,17を離間して配置するとともに、配線
16と17とをP+ 拡散層18にて電気的に接続する。
Next, as shown in FIG. 7, the unnecessary silicon oxide film 11 is removed. On the other hand, as shown in FIG. 8, P -
A type single crystal silicon substrate 14 is prepared, and a bipolar transistor 15 and the like for operational amplification are formed on the main surface thereof by using a normal bipolar process. An integrated circuit is formed from the bipolar transistor 15 and the like. On the main surface of the P -type single-crystal silicon substrate 14, wirings 16 and 17 made of tungsten (W) are arranged apart from each other, and wirings 16 and 17 are electrically connected by a P + diffusion layer 18. I do.

【0014】そして、図9に示すように、P- 型単結晶
シリコン基板14上にN- 型単結晶シリコン基板8を直
接接合する。その結果、P- 型単結晶シリコン基板14
の表面とN- 型単結晶シリコン基板8とにより圧力基準
室R1が形成される。この際、接合を真空雰囲気下で行
えば圧力基準室R1が真空となり絶対圧センサとなる。
又、接合を大気圧(1atm)雰囲気下で行えば圧力基
準室R1が大気圧(1atm)となり、相対圧センサと
なる。
Then, as shown in FIG. 9, an N type single crystal silicon substrate 8 is directly bonded on the P type single crystal silicon substrate 14. As a result, the P - type single crystal silicon substrate 14
And the N -type single-crystal silicon substrate 8 form a pressure reference chamber R1. At this time, if the joining is performed in a vacuum atmosphere, the pressure reference chamber R1 becomes a vacuum and becomes an absolute pressure sensor.
Further, if the joining is performed in an atmosphere of the atmospheric pressure (1 atm), the pressure reference chamber R1 becomes the atmospheric pressure (1 atm), and it becomes a relative pressure sensor.

【0015】ここで、圧力基準室R1の気圧設定方法に
ついて詳細に説明する。まず、圧力基準室R1が真空の
場合には、シリコン基板14と8とを重ね合わせて0.
1Pa程度の真空下でこの基板間にパルス状の電圧(±
100〜±500ボルト)を印加すると、基板全面が接
着される。さらに、接着強度を増すために1100℃の
熱処理を施す。一方、圧力基準室R1が大気圧の場合に
は、シリコン基板14と8とを重ね合わせて機械的に圧
力を加えてN2 ガス中で1100℃の熱処理を施す。
Here, a method of setting the atmospheric pressure of the pressure reference chamber R1 will be described in detail. First, when the pressure reference chamber R1 is in a vacuum, the silicon substrates 14 and 8 are superimposed on each other so as to be 0.1 mm.
Under a vacuum of about 1 Pa, a pulse-like voltage (±
When a voltage of 100 to ± 500 volts is applied, the entire surface of the substrate is bonded. Further, a heat treatment at 1100 ° C. is performed to increase the bonding strength. On the other hand, when the pressure reference chamber R1 is at atmospheric pressure, the silicon substrates 14 and 8 are superimposed and subjected to heat treatment at 1100 ° C. in N 2 gas by mechanically applying pressure.

【0016】さらに、P- 型単結晶シリコン基板14上
にN- 型単結晶シリコン基板8を直接接合する前に、図
11に示すように、シリコン基板8側において配線12
としてのタングステン(W)の接続部分には、レジスト
19を用いたドライエッチングにより切り込み20を形
成しておく。この切り込み20部分に、P- 型単結晶シ
リコン基板14側の配線16としてのタングステン
(W)が入り込み電気的接続が行われる。
Further, before the N -type single-crystal silicon substrate 8 is directly bonded to the P -type single-crystal silicon substrate 14, as shown in FIG.
A cut 20 is formed in the connection portion of tungsten (W) by dry etching using a resist 19. Tungsten (W) as the wiring 16 on the side of the P -type single-crystal silicon substrate 14 enters into the notch 20 and electrical connection is made.

【0017】そして、図9に示す状態からP- 型単結晶
シリコン基板6の裏面側からKOHや機械的研摩により
単結晶シリコン基板6とシリコン酸化膜7とを除去す
る。その結果、図1に示す半導体圧力センサ1が製造さ
れる。
Then, from the state shown in FIG. 9, the single crystal silicon substrate 6 and the silicon oxide film 7 are removed from the back surface side of the P type single crystal silicon substrate 6 by KOH or mechanical polishing. As a result, the semiconductor pressure sensor 1 shown in FIG. 1 is manufactured.

【0018】さらに、図2に示すように、このように製
造された半導体圧力センサ1をステム2上に配置すると
ともに、半導体圧力センサ1の配線17とリード端子4
とをワイヤ22により電気的に接続する。その後、ステ
ム2上にシェル3を配置し、シェル3内にコート材(シ
リコーンゲル)23を充填する。その結果、図2に示す
パッケージングされた半導体圧力センサ1が製造され
る。
Further, as shown in FIG. 2, the semiconductor pressure sensor 1 manufactured as described above is arranged on the stem 2, and the wiring 17 and the lead terminals 4 of the semiconductor pressure sensor 1 are arranged.
Are electrically connected by a wire 22. After that, the shell 3 is arranged on the stem 2 and the shell 3 is filled with a coating material (silicone gel) 23. As a result, the packaged semiconductor pressure sensor 1 shown in FIG. 2 is manufactured.

【0019】このように本実施例では、P- 型単結晶シ
リコン基板14(半導体基板)の表面に配置された、半
導体よりなるダイヤフラム21と、ダイヤフラム21に
形成されたP+ 拡散層10(ピエゾ抵抗層)と、P-
単結晶シリコン基板14の表面とダイヤフラム21とに
より形成された圧力基準室R1においてP- 型単結晶シ
リコン基板14の表面に形成され、P+ 拡散層10と電
気的に接続されたバイポーラトランジスタ15等よりな
る集積回路とを設けた。
As described above, in the present embodiment, the diaphragm 21 made of a semiconductor and disposed on the surface of the P - type single crystal silicon substrate 14 (semiconductor substrate), and the P + diffusion layer 10 (piezoelectric layer) formed on the diaphragm 21 are formed. Resistance layer), a pressure reference chamber R1 formed by the surface of the P -type single-crystal silicon substrate 14 and the diaphragm 21, formed on the surface of the P -type single-crystal silicon substrate 14 and electrically connected to the P + -type diffusion layer 10. And an integrated circuit composed of a bipolar transistor 15 and the like connected to the IC.

【0020】このように、バイポーラトランジスタ15
等よりなる集積回路と、ダイヤフラム21とが上下方向
(縦方向)に一体となっているので、同一平面上にダイ
ヤフラムと集積回路部とを別々に配置した場合に比べ、
チップサイズの小型化を図ることができる。より具体的
には、従来のものに比べ約1/4の面積に小型化でき
た。
As described above, the bipolar transistor 15
Since the integrated circuit composed of the above and the diaphragm 21 are integrated in the vertical direction (vertical direction), compared with the case where the diaphragm and the integrated circuit portion are separately arranged on the same plane,
Chip size can be reduced. More specifically, the area can be reduced to about 1/4 the area of the conventional one.

【0021】又、集積回路の各素子及びP+ 拡散層10
(ピエゾ抵抗層)がシリコン基板により囲まれており、
外部の大気にさらされることがない。よって、保護膜が
不要になるとともに、被測定対象が大気,油等でも、集
積回路の各素子及びP+ 拡散層10に直接被測定物が接
触しないために被測定物の制限を受けないこととなる。
このように、耐使用環境性向上に伴って油や大気の圧力
測定が可能となる。
Each element of the integrated circuit and the P + diffusion layer 10
(Piezoresistive layer) is surrounded by a silicon substrate,
No exposure to the outside atmosphere. Therefore, a protective film is not required, and even if the object to be measured is air, oil, or the like, the object to be measured is not restricted because the object does not directly contact each element of the integrated circuit and the P + diffusion layer 10. Becomes
As described above, the pressure of oil and the atmosphere can be measured with the improvement of the resistance to use environment.

【0022】尚、この発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、例えば、配線は高融点金属であるタングス
テン(W)の他にも、ポリシリコン配線でもよい。又、
アルミによる配線を行う場合には、公知のCUBIC技
術を用いればよい。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the wiring may be a polysilicon wiring other than tungsten (W) which is a high melting point metal. or,
In the case of performing wiring using aluminum, a known CUBIC technique may be used.

【0023】又、本半導体圧力センサは、自動車用や家
電用や気象用等に使用することができる。
The present semiconductor pressure sensor can be used for automobiles, home appliances, weather, and the like.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
より小型化を図ることができる。 また、回路の保護膜を
不要にすることができる優れた効果を発揮する。
As described in detail above, according to the present invention,
Further miniaturization can be achieved . Also, an excellent effect of eliminating the need for a protective film for a circuit is exhibited.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】半導体圧力センサの全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram of a semiconductor pressure sensor.

【図2】パッケージングされた半導体圧力センサを示す
全体構成図である。
FIG. 2 is an overall configuration diagram showing a packaged semiconductor pressure sensor.

【図3】半導体圧力センサの製造工程を示す断面図であ
る。
FIG. 3 is a sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor pressure sensor.

【図4】半導体圧力センサの製造工程を示す断面図であ
る。
FIG. 4 is a sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor pressure sensor.

【図5】半導体圧力センサの製造工程を示す断面図であ
る。
FIG. 5 is a sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor pressure sensor.

【図6】半導体圧力センサの製造工程を示す断面図であ
る。
FIG. 6 is a sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor pressure sensor.

【図7】半導体圧力センサの製造工程を示す断面図であ
る。
FIG. 7 is a sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor pressure sensor.

【図8】半導体圧力センサの製造工程を示す断面図であ
る。
FIG. 8 is a sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor pressure sensor.

【図9】半導体圧力センサの製造工程を示す断面図であ
る。
FIG. 9 is a sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor pressure sensor.

【図10】半導体圧力センサの製造工程におけるセンサ
の一部を拡大した断面図である。
FIG. 10 is an enlarged sectional view of a part of the sensor in a manufacturing process of the semiconductor pressure sensor.

【図11】半導体圧力センサの製造工程におけるセンサ
の一部を拡大した斜視図である。
FIG. 11 is an enlarged perspective view of a part of the sensor in a manufacturing process of the semiconductor pressure sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 P+ 拡散層(ピエゾ抵抗層) 14 P- 型単結晶シリコン基板(半導体基板) 15 バイポーラトランジスタ 21 ダイヤフラム R1 圧力基準室Reference Signs List 10 P + diffusion layer (piezoresistive layer) 14 P -type single crystal silicon substrate (semiconductor substrate) 15 Bipolar transistor 21 Diaphragm R1 Pressure reference chamber

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 半導体基板と、 半導体基板の表面に重ね合わせて配置された、半導体
よりなるダイヤフラムと、 ダイヤフラムに形成されたピエゾ抵抗層と、 前記半導体基板の表面と前記ダイヤフラムとの重ね合わ
により形成された圧力基準室内に位置するように前記
半導体基板の表面に形成され、前記ピエゾ抵抗層と電気
的に接続された信号処理回路 を備えたことを特徴とする半導体圧力センサ。
(1)A semiconductor substrate; The On the surface of a semiconductor substrateSuperimposePlaced, semiconductor
And a diaphragm consisting ofThe A piezoresistive layer formed on the diaphragm, a surface of the semiconductor substrate and the diaphragm,Superposition of
LetPressure reference chamber formed byTo be located withinSaid
The piezoresistive layer is formed on the surface of a semiconductor substrate and is electrically connected to the piezoresistive layer.
ConnectedSignal processing circuitWhen  A semiconductor pressure sensor comprising:
【請求項2】 前記ダイヤフラム及び前記半導体基板は
共にシリコンからなり、これらはシリコンの直接接合で
接続されていることを特徴とする請求項1に記載の半導
体圧力センサ。
2. The method according to claim 1, wherein the diaphragm and the semiconductor substrate are
Both are made of silicon, and these are directly bonded silicon
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is connected.
Body pressure sensor.
【請求項3】 前記圧力基準室内を真空とすることを特
徴とする請求項1又は2に記載の半導体圧力センサ。
3. The method according to claim 1, wherein the pressure reference chamber is evacuated.
The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein:
【請求項4】 前記圧力基準室内を大気圧とすることを
特徴とする請求項1又は2に記載の半導体圧力センサ。
4. The method according to claim 1, wherein the pressure reference chamber is set to atmospheric pressure.
The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein:
【請求項5】 少なくとも前記ダイヤフラムにコート材
を設けることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記
載の半導体圧力センサ。
5. A coating material for at least the diaphragm.
The method according to any one of claims 1 to 4, wherein
Onboard semiconductor pressure sensor.
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