JPH01142427A - 圧力センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 （１）発明の分野 本発明は半導体材料を用いる変容量圧力トランスデュー
サーの構造に関する。

（２）　　従来の技術 米国竹許第４．４１５．９４８号は２つの高度にドーピ
ングされたシリコンウェーハで、その１つは腐刻された
空胴を有するものを、１つのウエーノ・上に析出された
中間のガラス被覆を使用することにより結合することを
教示している。その他方のウェーハは静電結合にニジ被
覆されたウェーハに刺止さｎる。この装置において、シ
リコン自身が導電体の役をなし、フィードスルーは使用
さｆ′Ｌ々い。この特許は、軽度にドーピングさｒした
シリコンウェーハが使用さする場合およびシリコンウェ
ーハの間に囲い込まｎた空胴の内側表面上の金属化電極
への接触がその軽度にドーピングされたシリコンの中の
高い導電性の通路によってなさｎる場合に有利に用いる
ことのできる特別な構成の特徴を教示もしなけｎば示唆
もしていない。

米国萄許第４，４２０，７９０号は、二酸化ケイ素の不
動態化層にニジ被覆した２枚のシリコン板の間にシリコ
ンスペーサーを挿入することにょシ、また二酸化ケイ素
と窒化ケイ素の層を組合わすことによシ空胴を形成する
ことを教示している。こｎらの層はコンデンサー電極を
電気的に絶縁する。

センサー空胴は密刺さｎないで、周囲に対して開放さｎ
ている。２枚のシリコン板ははんだ隆起に１勺結合さ１
て＞　Ｄ　、そして板の間の間隔はスペーサーにニジ一
定に維持さｎている。

米国特許部４，４２４，７１３号はガラス、シリコンお
よびガラスの板から成るセンサー構造を作ることを゛教
示している。シリコンはガラスに対して静電結合によシ
刺止さｎている。シリコン板は両側に空胴を有し、一方
の側の上の空胴は他の側のものより大きくて、シリコン
の隔膜に応力除去を与える。この特許の教示は、圧力セ
ンサーのシリコン隔膜がガラス板にその前と後の表面両
方に陽極結合にニジ結合さｎているガラス−シリコン界
面に）ける応力を除去することを含む。ガラス板上の電
極への接触はガラス板の中の金属化された孔によって力
さする。

米国債許第４，３９０，９２５号は、ガラス板に静電的
に結合されたシリコン板の中の多数の相互に接続された
空胴を有するセンサーを作ることを教示する。そのよう
な構造は高圧センサーであると教示さｎている。

米国特許部４，１８４，１８９号は、刺止用ガラス混合
物にエリ約５００℃で結合された２枚の金属化ガラス板
を有するセンサーを作ることを教示する。板の間の間隔
はジムストック（調整用具、例えば、ガラス制止用スペ
ーサーリング）により達成さｎる。コンデンサーのため
の金属化ガードリングが使用さｎる。

米国竹許第４．２０７，６０４号は、ガラスフリットを
融解することに工＃）刊止された一対の金属化絶縁板を
有する圧力センサーを作ることを教示する。コンデンサ
ー用金属化ガードリングが使用さｎる。

米国釉許第４，３４５，２９９号は、容量性トランスデ
ユーサ−を形成するため円形刺止リング−を有する２枚
の金属化セラミック支持体を使用するこ々を教示する。

米国特許部４．１７７．４９６号は、一対の薄い絶縁板
（アルミナ石英、パイレックス）を金属化してコンデン
サーを形成することを教示する。ガラスフリットまたは
セラミック基羽を焼き付けて制止する。

米国將許第４．２６１，０８６号は、腐刻された空胴を
有する１枚のシリコンウェーハを使用しかつ七ｎを比較
的厚いガラス支持体（例えば、１纂〜２１１１１ｉ）に
陽極結合することにニジセンサー全作ることを教示する
。コンデンサー電極はガラスを金属化すること、訃工び
シリコン空胴の表面を高度にドーピングすることにニジ
形成さｎる。電気的接続はガラス中の金属化した孔を通
して作らｎる。

米国特許部４．５８６，４５３号は、ガラス支持体に陽
極結合さｎて、腐刻された空胴含有する１枚のシリコン
ウェーハを使用することにニジセンサーを作ることを教
示する。ガラス中にあけらｎた孔の金属被覆がある。金
属被覆された孔はコンデンサープレートへ接触を作るた
めの電気的フィードスルーとして使用さｎる。

たとい既知の容量型圧力センサーがあるにしても、減少
さ：ｎ九寄生キャパシタンス、感知用空胴の＠封の維持
に訃いて改善さ：ｒした信頼性を有しかつ加熱サイクル
によって不利な影１１’に受けない圧力センサーを持つ
必要はなお存続する。こｎらは本発明が克服する着干の
問題である。

発明の要約 本発明の１つの態様による圧力センサーは、２枚のシリ
コンウエーノ・の組合せ全使用し、各ウェーハがコンデ
ンサー電極への接触を作るために軽度にドーピングさｆ
ｌｆｃｎ−型のシリコンウェーノ１中に高度にドーピン
グさｎ　ｆｃ　ｐ十通路を有することにより、３工び一
１ｔ″１らのシリコンウエーノ・全パイレックスガラス
または二酸化ケイ素のエラな絶縁層全問に存在させるこ
とにニジ互いから電気的に絶縁させることにニジ、低い
寄生キャパシタンスを有する。圧力センサーの隔膜を含
むシリコンウェーハとシリコン支持体との間の電気絶縁
は、電極への接触を作る電気的フィードスルーの間の寄
生キャパシタンスを減少させるために１畳である。さも
なければ、フィードスルーとおよびドーぜングされた電
極とに結合されたｎとｐ十区域の間の空乏層キャパシタ
ンスによる寄生キャパシタンスが平行板コンデンサーの
キャパシタンスに比較して太きくなシ得る。

第１図について、圧力センサー５０はその中に腐刻され
た空胴２を有する上部シリコンウェーハ１Ａを含んでい
る。下のｎ−型シリコンウェーハ１Ｂは上のｎ−型シリ
コンウェーハ１Ａの支持体の役をする。隔膜３は空胴に
隣接したシリコンウェーハ１Ａの部分であり、たわみを
可能にするため比較的薄くなっている。表面４は空／Ｐ
１２の反対側のウェーハ１人の露出表面である。隔膜３
の高度にホウ素ドーピングをしたｐ十表面５は空胴２に
面しておシ、コンデンサー電極の役をする。電気的フィ
ードスルー６Ａと６ＢはそｎぞｎシリコンウェーハｌＡ
とシリコンウェーハＩＢと’ｋｍって伸びている。電気
的フィードスルー６Ａと６Ｂはｎ−型シリコン中に高度
にドーピングされたｐ十通路であシ、そｎ−ｔ’ｎコン
デンサー電極５と８に接触している。絶縁誘電体層Ｔは
パイレックスまたは二酸化ケイ素から形成さｎている。

層Ｔはシリコンウェーハ１Ａと１Ｂの間に位置し、そこ
で両ウェーハは空胴２の区域内に展開している層７を介
して互いに陽極結合さ１ている。金属コンデンサー電極
８は、空胴２に隣接する絶縁誘電体層７０部分の上に形
成さｆている。

動作に際して、コンデンサー電極５と８は平行板コンデ
ンサーを形成する。空胴２の隔膜３にかかる圧力は隔膜
３をたわ１せて、キャパシタンスを変化させる。この圧
力によるキャパシタンスの変化は電子回路に工、り　６
１１Ｊ定さｎる。圧力センサー５０は、５ｉｏ２ｉ電体
層Ｔを用いる様式のために高温、約ｉ　ｏｏｏ℃１で動
作することができる。

こｎは軽度にドーピングさまたｎ−型シリコンウェーハ
中の高度にドーピングさｆ′したｐ十通路の組合せを使
用してコンデンサー電極に接触させることによシ、また
シリコンウエーノ・全互いに絶縁層７を間に存在させて
電気的に絶縁することによフ達成さｎている。隔膜３を
含むシリコンウェー７１１人とシリコン支持体１Ｂとの
間の電気絶縁は、電極５と８の間の接触を作る電気的フ
ィードスルー６Ａと６Ｂの間の寄生キャパシタンスを減
少させるために重要である。さもなけｎば、フィードス
ルー６Ａと６Ｂ％おＬびドーピングされたｐ＋電極５と
に結合されたｎとｐ＋の区域の間の空乏層キャパシタン
スが平行板コンデンサーのキャパシタンスに比較して大
になり得る。

空乏層のキャパシタンスはフィードスルーの間の寄生キ
ャパシタンスに寄与するがシリコンウェーハの間にある
誘電層Ｔにニジ最小にさする。この装置のキャパシタン
スは次式で表わさｎる。

ｃ　−ｃ０＋　ｃｐ 上式中Ｃ８は圧力に工って変動する平行板コンデンサー
のキャパシタンスであり、ＣｐはＣ０と平行にある寄生
キャパシタンスであって、次のような成分から成る。

上式中、Ｃ工はフィードスルー６Ａとｐ膜電極のｐ十区
域、をよびｎ−ドーピングウェーハ１Ａとの間の空乏層
のキャパシタンスである。Ｃ２と０４は絶縁層７とシリ
コンウェーノＳ１人および１Ｂとの間の界面キャパシタ
ンスである。Ｃ３は誘電層７を横切るシリコンウェーハ
１Ａと１Ｂの間のキャパシタンスである。こｎは小さく
てかつＣｐに寄与する主接な項である。Ｃ５はｐ＋フィ
ードスルー６Ｂとウェーハ１Ｂとの間の空乏層のキャパ
シタンスであシ、そしてまた金属電極８とウェーハ１Ｂ
との間のキャパシタンスをも官ひ。後者は間にある誘電
層Ｔのために小さい。

圧力センサー５０を組立てる際にパイレックスガラスと
二酸化ケイ素を誘電層７のた・めに使用すると有利であ
る。なぜならばこ１らの材料はシリコンに陽極結合さｎ
て＠個を作ることができるからである。その上、パイレ
ックスはシリコンのそｎに近い熱膨張係数を有する。

例えば、次の工程がウェーハ１人を加工し、シリコンウ
ェーハ１Ａと１Ｂの間の誘電層７としてパイレックスガ
ラスを使用するときに用いらすることができる。

１）＠度にドーピングさｆたシリコンウェーハ・１人と
１Ｂをある厚さに研削してみがき上げる。

２）二酸化ケイ素または窒化ケイ素の薄膜ｔウェーハ１
Ａの両側に、集積回路の製造に慣用の技術を用いて成長
または析出させる。こｎらの薄膜はシリコンの腐刻に対
して不活性である。

６）ホトリトグラフィー技術を用いてウェーハにパター
ンを描いてから、隔膜区域の近くの表面４の酸化物また
は窒化物被膜食除く。次にｘｏＨとＨ２Ｏのような異方
性腐刻液管使用して適当な厚さの隔膜ができ上るまでシ
リコンを腐刻ｆる。

４）ウェーハ１Ａ（７）表面４の反対側にホトリトグラ
フィー技術を用いてパターンを描き、空胴区域で酸化物
を除き、そして１０μｍ１での浅い空胴２をシリコンウ
ェーハ１Ａの中に腐刻する。ウェーハの反対側における
腐刻も続ける。この追加の腐刻は第６段階においていつ
隔膜の腐刻２止めるべきかを考慮して行なわｎる。

５）次に、直径１０〜１００μｍ１厚さ２〜５μｍのア
ルミニウム短点を隔膜３上のフィードスルー６Ａと６Ｂ
の位置に蒸着する。ウェーノ−１Ａを炉に入１、そこで
ウェーノー表面に垂直に温度勾配がかけらｎる。炉内の
雰囲気は直空またはアルゴンのよう々不活性ガスである
。ウェーノ’　Ｉ　Ａ　’ｆｃ、アルミニウム短点がウ
ェーノーｉＡの低い温度の側にあるように置く。ウェー
ノ〜１を１００〜ｂ／−の温度勾配をかけて１０００℃
または化ｎ以上まで加熱する。アルミニウムはアルミニ
ウムーシリコンの共融液滴（優点：６７７°Ｃ）ｋ形成
して融解し、その液滴は温度勾配の方向に移動して、後
に高度にアルミニウムドーピングされたｐ十通路を残す
。この通路が電極５への接触を作るために使用さする。

６）空胴２のＩ７３１１１１１の電極５はホウ素の工う
なＰ−型ドーピング剤で空胴表面を高度にドーピングす
ることにより形成さｆる。その代ｐに、金属薄膜電極を
真空蒸着またはスパッタリングに工って析出させること
もできる。

ウェーハ１Ｂについて加工を次の工程に二り続ける。

７〕支持体のウェーハ１Ｂ上のアルミニウム−ぎングし
たｐ十通路が第５段階に要約された操作と同様にして形
成さｎる。この通路は電極８への接触を作るために使用
さｎる。

８）約４μｍの厚さのパイレッグラス薄膜をウェーハ１
Ｂ上に例えはスパッタリングにニジ析出させる。ホトリ
トグラフィー技術を用いて、パイレックス薄膜中にフィ
ードスルーの位置６Ｂに孔を腐刻してから、次に、例え
ば、１０００Ａのクロム、３０００Ａの金をパイレック
ス層の上に析出させて電極８を形成する。その電極金ま
たホトリトグラフィー技術を使用することにニジ、ある
いはシャＦウマスクを通しての金属の蒸着にニジ形をは
つきシさせることができる。

９）ウェーハ１Ａと１Ｂの結合は、電極５と８を心を合
せて配置し、ウェーノ・を−緒に保持し、七ｎらを真空
中で約４００℃に加熱しく絶対圧力センサーのため９、
モして４００−５００ボルトの陰電圧をパイレックス薄
膜を通してかけ（すなわち、ウェーハ１Ｂに対してかけ
る。その印加電圧は絶縁破壊に要する電界よやも低い。

〕、そしてシリコンウェーハ１Ａに対して陽電圧をρ１
ける。

こｎはシリコン１人とパイレックスＴとの間に気密な陽
極結合を形成することになる。

１０）外部金属接点パッドをフィードスルー位置６Ａと
６Ｂに通常の金属化技術にＬｌｌつける。

高温の用途のためには、二酸化ケイ素の誘電層７を形成
することが判に望ましい。６００℃以上の温度でシリコ
ンは導電性となり、真性キャリア濃度が外因性キアリア
濃度になる。従って、もし容量型シリコン圧力センサー
がこｎらの温度で使用さすることになっているならば、
シリコンウェーハ、すなわち１人と１Ｂは、コンデンサ
電極の短終を防ぐために二酸化ケイ素（Ｓｉ０２）のよ
うな高温絶縁層にニジ互いから絶縁さ１ていなけｎばな
らない。適当なセンサー６０が第２−に示されている。

＠似の特徴には第１図と同じ番号がついている。誘電層
７は二酸化ケイ素（Ｓ１Ｏ２）であシ、コンデンサ電極
５と９は共に軽度にドーぎングされたｎ−型シリコンウ
ェーノＳ１人と１Ｂの上の高度にドーピングされたｐ十
表面である。

二酸化ケイ素絶縁層７は、１つのウエーノ・（例えば、
ウェーハｉＢ）の上に成長させらｆｉ大酸化物層が温度
８００℃で陽極結合にニジシリコン（例えば、ウェーハ
ＩＡ）に結合さ１て＠制を形成することができるので、
使用さｎる。その上、二酸化ケイ素は高温材料であって
、１０００℃をかなシ超える温度においても使用さｎる
ことができる。両コンデンサ電極は共に高度にドーピン
グされたｐ十表面（例えば、ホウ素ドーピングされた）
である。こｎは、電極に使用さｎそうな可能性ある他の
導電性薄膜の加熱サイクルに＝９起る接着の問題（熱膨
張係数の不一致）′を除く。

第２図に示さｎるセンサー６０の構造配置はまた誘電層
７がパイレックスガラスフィルムである場合にも使用さ
れることができる。こｎは、パイレックスガラス（ｅａ
ｒｎｉｎｇ　７７４０　）がシリコンの熱膨張係数と、
二酸化ケイ素エクも良く一致するので、６００℃以下の
温度では役立つことができる。このことはセンサーにお
ける熱的歪みと応力を減小させる助けになる。

第６図について、センサー７０は第１因と第２　“図と
同じ番号表示にニジ結びつけらｎた類似の特徴を有する
。その構造は第１図の構造体５０に似ているが、ただセ
ンサー５０の高度にドーピングされた表面のコンデンサ
ー電極５が、空胴２に面する隔膜３の内側表面上に形成
された二酸化ケイ素またはその他の析出さまた絶Ｒ層の
工うな誘電層１０にニジ置きかわっている。層１ｏの望
胴側に金属電極１１が形成さｎている。その結果、画電
極９と１０はシリコンウェーハ１Ａと１Ｂから、第６図
に説明さｎているように絶縁層７にニジ絶縁さｎている
。

いろいろな修正と変形があり得ることは、本発明に関係
ある分野の熟練者には疑いなく思いつくことであろう。

例えば、特別の形の空胴がここに開示さ′！′したもの
の変形としてあシ得るであろう。

そｎによシ本開示が技術を進歩させた教示に基くこｎら
のおよびすべてその仲の変形は前記判許請求の範囲にニ
ジ定義された工うな本発明の範囲内にあると見なさｎる
ことが適当である。

４、＠単な図面の説明 第１図は、１つの半導体と１つの金属化コンデンサプレ
ートを使用する本発明の第１の態様による断面図である
。

第２必は、２つの半導体コンデンサプレートを使用する
本発明の第２の態様による断面図である。

第６図は２つの金属化コンデンサプレートラ使用する本
発明の第６の態様にＬる圧力センサーの断面図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン変容量圧力センサーであつて、第１のシ
   リコンウエーハ、第２のシリコーンウエーハおよび絶縁
   層を含み、 第１のシリコンウエーハは第１のコンデンサープレート
   と共に前記第１ウエーハを通つて前記第１コンデンサー
   プレートに接触する高度にドーピングされた第１の半導
   体通路を有し、 第２のシリコンウエーハは第２のコンデンサープレート
   と共に前記第２ウエーハを通つて前記第２コンデンサー
   プレートに接触する高度にドーピングされた第２の半導
   体通路を有し、 絶縁層は前記第１と第２のウエーハの間の導電結合を防
   ぎ、それにより第２の半導体通路 の間の寄生キャパシタンスを減少させるために前記第１
   と第２のシリコンウエーハに付けられていることを特徴
   とする、前記のシリコン変容量圧力センサー。
2. （２）第１コンデンサープレートが高度にドーピングさ
   れた半導体区域であり、そして第２コンデンサープレー
   トは金属被覆である、特許請求の範囲第１項に記載のシ
   リコン変容量圧力センサー。
3. （３）第１と第２のコンデンサープレートが高度にドー
   ピングされた区域である、特許請求の範囲第１項に記載
   のシリコン変容量圧力センサー。
4. （４）第１と第２のコンデンサープレートがそれぞれ絶
   縁層上に形成された金属被覆である、特許請求の範囲第
   １項に記載のシリコン変容量圧力センサー。
5. （５）絶縁層が二酸化ケイ素から形成されており、それ
   により比較的高い温度における動作に適当な構造を作つ
   ている、特許請求の範囲第１項に記載のシリコン変容量
   圧力センサー。