JPH01250030A - 圧力、および加速度の半導体トランスジューサ - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、自動車、工業計測および家庭電気機４等各
種の分野に用いて好適な、感度が向上された圧力、およ
び加速度の半導体トランスジューサに関する。

［従来技術］ 第５図は半導体トランスジューサのうち、半導体を用い
た圧力センサの構成を示す平面図である。

この図において、ｌは方形状に形成されたｎ型のシリコ
ン単結晶基盤（以下、Ｓｉ基盤という）、２は前記Ｓｉ
基盤ｌに形成された方形状のダイヤフラムである。３ａ
〜３ｄは各々、ボロン（はう素）等の３族元素を前記ダ
イヤフラム２に熱拡散法またはイオン注入法等によって
形成されたｐ型の拡散抵抗体であり、検出感度を高める
ためにダイヤフラム２の周縁部および中心部に各々Ｚｖ
Ａづつ配置されている。４，４・・・・・・は各々、ア
ルミニウム蒸着によって形成されたリード線であり、図
示のように前記拡散抵抗体３ａ〜３ｄに接続されている
。

５は拡散抵抗体３８〜３ｄと前記リード線４，４・・・
・・・を覆うようにＳｉ基盤ｌ上に積層された絶縁膜（
例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｚ）膜）である。

第６図は第５図のＡＡ線断面図であり、この図において
、Ｓｉ基盤ｌの下面から上面付近に至るまで削られた切
欠によって、ダイヤフラム２が形成されている。このダ
イヤフラム２の上面には拡散抵抗体３８〜３ｄが形成さ
れ、さらに、これら拡散抵抗体３８〜３ｄを覆うように
絶縁膜５がＳｉ基盤１の上面に形成されている。Ｓｉ基
盤ｌのダイヤフラム２を除いた残りの部分が枠体１ａで
ある。

なお、拡散抵抗体３ａ〜３ｄ各々をダイヤフラム２に形
成した際に、これら拡散抵抗体３８〜３ｄとダイヤフラ
ム２との間に空乏層（図示路）が形成され、これによっ
て拡散抵抗体３ａ〜３ｄとダイヤフラム２とが電気的に
絶縁されている。

以上が従来の半導体を用いた圧力センサの概要である。

次に、従来の加速度センサについて説明する。

第８図は従来の半導体を用いた加速度センサの構成を示
す平面図である。

この図において、１０は方形状に形成されたＳｉ基盤で
あり、このＳｉ基盤ｌＯの周縁部に沿って略平面“Ｃ”
字状の空隙部１１が形成されている。

１０ａは片持梁部であり、前記空隙部１１によって細く
形成されている。この片持梁部１０ａの先端には方形状
の重り部１０ｂが形成されている。

また、片持梁部１０ａを支持する側のＳｉ基盤１０が支
持部１０ｃとなる。１２．１２は各々前記片持梁部１０
ａの上面にボロン等の３族元素を熱拡散法またはイオン
注入法等によって形成されたｐ型の拡散抵抗体であり：
検出感度を高めるために片持梁部１０ａとＳｉ基盤１０
との接続部分の同梁部１０ａ側に形成されている。

第９図は第８図のＢＢ線断面図であり、この図において
、Ｓｉ基盤ｌＯの下面から上面付近に至るまで削られた
切欠によって、片持梁部１０ａが形成されている。また
、片持梁部１０ａには拡散抵抗体１２．１２（一方はこ
の図では見えない）が形成され、さらに、これら拡散抵
抗体１２．１２を覆うように絶縁膜１３がＳｉ基盤ｌＯ
の上面に形成されている。前記拡散抵抗体１２．１２を
片持梁部１０ａに形成した際に、拡散抵抗体１２８１２
と片持梁部１０ａとの間に空乏層（図示路）が形成され
、ごの空乏層によって拡散抵抗体１２．１２と片持梁部
１０ａとが電気的に絶縁されている。

以上が従来の半導体を用いた加速度センサの説明である
。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、上述した従来の圧力センサにあっては、ダイ
ヤフラム２（第６図参照）に拡散抵抗体３３〜３ｄを形
成したときに、これら拡散抵抗体３ａ〜３ｄとダイヤフ
ラム２との間に空乏層が形成され、これによって拡散抵
抗体３ａ〜３ｄとダイヤフラム２との間の電気的絶縁性
が保たれているが、使用環境温度の上昇に伴い、センサ
自体が高温になったときに、空乏層内にてキャリアの発
生数が多くなる。このため、ある温度を越えた時点で同
空乏層内に電流（リーク電流）が流れてしまい、拡散抵
抗体３ａ〜３ｄ各々の間が導通状態になって、使用不能
になるという問題がある。一方、この問題は、加速度セ
ンサにあっても同様に、ある温度を越えたときに、拡散
抵抗体１２．１２（第８図参照）と片持梁部１０ａとの
間にリーク電流が流れ、これらの間が導通状態になって
使用不能になる。

そこで、上記問題点を解決して使用上限温度を高めるた
めに、例えば、第７図に示すように、圧力センサにあっ
ては、サファイア基盤８を使用し、これに上面にシリコ
ン単結晶をエピタキシャル成長させて拡散抵抗体９８〜
９ｄを形成したもの（ＳＯ５基盤と称されている）が開
発されている。この場合、サファイアは高絶縁性を有し
ており、高温度（３００℃程度）までの使用が可能であ
る。しかし、その反面、サファイアは非常に高価である
ことと、ダイアフラムの加工が難しいなどの問題がある
。

また、他の問題として、圧力センサにあってはダイヤフ
ラム２を、また加速度センサにあっては、片持梁部１０
ａをそれぞれエツチングすることによって形成するので
、厚さの制御が非常に難しく、高感度のセンサを作成す
ることができない。そこで、上記問題点を解決して検出
感度を向上させろために、例えば、加速度センサにあっ
ては、重り部ｊｏｂ（第９図参照）に金属を乗せて重り
部自体の重量を増加させたものが開発されている。しか
し、検出感度を高めるために片持梁部１０ａを細くかつ
薄く形成するので、金属を乗せることは同梁部を破損さ
せ易く、その作成に困難が伴うという問題がある。

このように、従来の圧力センサおよび加速度センサなど
の半導体トランスジューサには、高温まで動作が可能で
、かつ検出感度が高く、しから低価格なものは無かった
。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、高温
まで動作が可能で、かつ高感度で、しから低価格な圧力
、および加速度の半導体トランスジューサを提供するこ
とを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上述の課題を解決するために、応力により変
位する撓み部分と、該撓み部分と一体的な支持固定体と
を有し、主として半導体単結晶基盤から形成される半導
体トランスジューサであって、該撓み部分は少なくとも
絶縁膜と、該絶縁膜上に形成される拡散抵抗体と、該拡
散抵抗体を被覆する保護膜とにより構成されるものであ
る。

そして、圧力センサにあっては、絶縁膜およびこの絶縁
膜に設けられる拡散抵抗部、およびこの拡散抵抗部の表
面上に形成される保護膜（絶縁膜）を有する撓み部分で
ある可動部と、該可動部の周囲を支持する支持固定部と
を具備することを特徴とし、 加速度センサにあっては、絶縁膜で形成される梁部であ
る可動部と、該梁部を少なくとも一箇所で支持する支持
固定部と、前記可動部に形成されろ拡散抵抗部と、この
拡散抵抗部の表面上に形成される保護膜（絶縁膜）とを
有することを特徴とするものである。

［作用］ 上記目的を達成するために、この発明による圧力、およ
び加速度の半導体トランスジユーザは、撓み部分である
絶縁膜上に複数個の拡散抵抗体を形成するため、撓み部
分が可決的に薄く形成できるようになると共に、これら
拡散抵抗量上に保護膜などを形成することにより絶縁性
が大幅に向−卜するようになる。

［実施例〕 以下、図面を参照してこの発明の実施例についいて説明
する。

第１図は、本発明の半導体トランスジューサのうち、圧
力センサの一実施例の構成を示す断面図である。なお、
この図において、前述した第５図と対応する部分には同
一の符号を付してその説明を省略する。

第１図において、１０．１０・・・は各々拡散抵抗体３
８〜３ｄの表面およびＳｉ基盤ｌの内壁面に形成された
絶縁膜（ＳｉＯｚ膜等）である。＋１はダイヤフラムで
あるポリシリコン（ｐｏｌｙ　Ｓ　ｉ）膜であり、前記
絶縁膜１０．１０・・・の表面に所定の厚みで形成され
ている。なお、本発明においては、ポリシリコン膜１１
と、内壁面に形成される絶縁膜１Ｏ１ｌＯ・・・とを総
括して保護膜とする。さて、この場合、ポリシリコン膜
１１の膜圧を変えることにより検出感度を変化させろこ
とができる。また、エツチングが行なわれなかった部分
が支持固定体である枠体１ａにより支持されている。

このように構成された圧力センサにおいて、拡散抵抗体
３３〜３ｄ各々が、絶縁膜１０．１０・・・によって覆
われているため、センサ自体が高温になってもこれら拡
散抵抗体３ａ〜３ｄ各々の間を流れるリーク電流が増大
しない。したがって、高温までの使用が可能になる。

次に、第２図を参照して上述した実施例である圧力セン
サの製造工程の一例について説明する。

■まず、熱拡散法を用いてＳｉ基盤１の上面に拡散抵抗
体３８〜３ｄをそれぞれ形成する。すなわち、ｎ型のＳ
ｉ基盤ｌを拡散炉内に配置し、１０００℃〜１２００℃
の雰、囲気中で高濃度のボロンを供給し、ｐ型の拡散抵
抗体３ａ〜３ｄを形成する（第２図（イ）参照）。次い
で、拡散抵抗体３ａ〜３ｄを形成した後、Ｓｉ基盤ｌの
上面に真空蒸着法等によって、アルミニウム層を形成し
、次いで、フォトリソグラフィによって、リード線４．
４・・・（図示路）を形成する。

■そして、拡散抵抗体３ａ〜３ｄおよびリード線４．４
・・・の形成後、Ｓｉ基盤ｌの上下面部々に熱酸化処理
を行い、ＳｉＯｘ膜（以下、絶縁膜という）５゜６を形
成する（第２図（ロ）参照）。この場合、Ｓｉ０、膜５
，６は耐エツチング性を有する。

■次いで、絶縁膜５．６の形成後、フォトリソグラフィ
によって、絶縁膜６にダイヤフラム形成用の窓７を開け
る（第２図（ハ）参照）。

■上記工程が終了した後、ＫＯ）（、ヒドラジンまたは
Ｅ　Ｐ　Ｗ等のエツチング液を用いてＳｉ基盤ｌの下面
から絶縁膜５に至るまでエツチングを行い、切欠を形成
する（第２図（ニ）参照）。この場合、拡散抵抗体３ａ
〜３ｄおよび絶縁膜５では、エツチングレートが低下し
てエツチングが略ストップずろか、これら以外の部分が
略完全に除去される。

そして、エツチングが行なわなかった部分が枠体１ａに
なる。

■次いで、切欠の形成後、Ｓｉ基盤１の下面に熱酸化処
理を行い、ＳｉＯｘ膜（以下、絶縁膜という）ｔｏ、１
０・・・を形成する（第２図（ホ）参照）。これにより
、拡散抵抗体３ａ〜３ｄが絶縁膜１０．ｌＯ・・・に覆
われる。なお、熱酸化処理の代わりに、ＣＶ　Ｄ　（ｃ
ｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）
法によって、Ｓ　１０２．　Ｓ　１３Ｎ　４．　Ｐ　Ｓ
　ＧまたはＢＳＧ等の絶縁膜を形成しても良い。

■次いで、絶縁膜１０．１０・・・の形成後、ＣＶＤ法
によって、これら絶縁膜１０．１０・・・の表面上にポ
リシリコン（Ｐ　ｏｌｙ−８ｉ）膜１１を形成する（第
２図（へ）参照）。このポリシリコン膜１１によってダ
イヤフラムが形成される。この場合、先に述べたように
ポリシリコン膜１１の厚みを変えろことによって検出感
度が変化するので、所望の検出感度を得ることができる
。上述した絶縁膜１Ｏ１ｌＯ・・・およびポリシリコン
膜１１により保護膜が形成される。

■そして、絶縁膜ｔｏ、ｔｏ・・・およびポリシリコン
膜１１の不要な部分（枠体１ａの下面の形成された部分
）を除去する（第２図（ト）参照）。すなわち、ＣＦ４
プラズマによりポリシリコン膜１１を除去し、次いで、
フッ化水素（ＨＰ）系のエッチャントにより絶縁膜６を
除去する。なお、ポリシリコン膜１１および絶縁膜６を
それぞれ除去する必要がない場合はそのまま残しても良
い。

上記した製造工程により圧力センサが作成される。

このように、絶縁膜５の下面に設けられた複数個の拡散
抵抗体３ａ〜３ｄ各々の表面上に絶縁膜１Ｏ１１０・・
・を形成したので、電気的な絶縁性が向上し、センサが
高温になっても拡散抵抗体３８〜３ｄ各々の間にリーク
電流がほとんど流れない。

したがって、高温まで使用が可能になる。また、絶縁膜
１０．１０・・・を拡散抵抗体３８〜３ｄの表面上に形
成するだけで良いので、サファイアからなる基盤を用い
る場合と比較して安価に作成できる。

また、ダイヤフラムを主としてポリシリコン膜ｌｌによ
って形成するので、容易にその膜厚の制御ができる。し
たがって、膜厚を非常に薄く形成でき、検出感度を向上
させることかできる。

次に、この発明の他の実施例である加速度センサについ
て説明する。

第３図はこの発明の加速度センサの一実施例の構成を示
す断面図である。なお、この図において、前述した第９
図と対応する部分には同一の符号を付してその説明を省
略する。

第３図において、１６はＳｉ基盤１４の上面に形成され
た５ｉｆｔ膜（以下、絶縁膜という）、１８゜２４は各
々Ｓｉ基盤１４の下面全体に形成されたポリシリコン、
５ｉｄｅまたは窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ、）等からなる
保護膜である。この場合、保護膜１８はＳｉ基盤ｌの下
面に形成されており、保護膜２４はＳｉ基盤ｌの切欠の
壁面および貫通孔の壁面に形成されている。上述した絶
縁膜１６および保護膜２４とで片持梁部１９か形成され
る。また、この片持梁部１９を支持する側のＳｉ基盤ｌ
が支持部１４ａとなる。前記絶縁膜１６および保護膜２
４各々を非常に薄く形成できるので、これにより形成さ
れた片持梁部１９は、わずかな加速度に対しても鋭敏に
反応する。＋　７．１７（一方はこの図では見えない）
は各々前記片持梁部１９の下面に隣接して設けられた拡
散抵抗体である。

このように形成された加速度センサにおいて、拡散抵抗
体１７．１７は各々保護膜２４によって電気的に絶縁さ
れているため、センサ自体が高温になってもこれらの間
にリーク電流がほとんど流れない。したがって、高温ま
での使用が可能になる。また、片持梁部Ｉ９を主として
絶縁膜１６および保護膜２４で形成するので、膜厚の制
御が容易である。したがって、薄く形成できるので検出
感度を向上させることができる。なお、この加速度セン
サにおいても、前記の圧力センサと同様に拡散抵抗体上
に絶縁膜を形成した上に、感度の自由な調整を主たる目
的とする、ポリシリコン等の保護膜を形成した二重の構
成としても良いが、いずれの場合ら拡散抵抗体上に保護
膜を形成するという表現に含める。

次に、第４図を参照して上述した実施例である加速度セ
ンサの製造工程の一例について説明する。

■まず、熱拡散法を用いて、ｎ型のＳｉ基盤１４の上面
に拡散抵抗体１７．１７（この図では一方は見えない）
およびこれら拡散抵抗体１７．１７に接続する拡散リー
ド線２０．２０（一方はこの図では見えない）を形成す
る。すなわち、Ｓｉ基盤１４を拡散炉内に配置し、１０
００℃〜１２００℃の雰囲気中で高濃度のボロンを供給
し、ｐ型の拡散抵抗体１７．Ｉ７および拡散リード２０
．２０・・・を形成する（第４図（イ）参照）。

■次いで、拡散抵抗体１７．１７および拡散リード線２
０．２０・・・の形成後、Ｓｉ基盤１４の上下面部々に
熱酸化処理を行い、５ｉＯｚ膜（以下、絶縁膜）１６．
１８を形成する（第４図（ロ）参照）。この場合、絶縁
膜１６．１８は耐エツチング性を有する。

■上記工程が終了した後、フォトリソグラフィによって
、絶縁膜１６に空隙部ＩＩ（第３図参照）を形成するた
めの窓２１を開ける（第４図（ハ）参照）。

■そして、窓２１を開けた後、フォトリソグラフィによ
って、絶縁膜１８に片持梁部１９（第３図参照）および
空隙部１１を形成するための窓２２．２３をそれぞれ開
ける（第４図（ニ）参照）。

■次いで、窓２２．２３を開けた後、Ｋ　ＯＨ、ヒドラ
ジンまたはＥＰＷ等のエツチング液を用いてＳｉ基盤１
４の下面から絶縁＠１６に至るまでエツチングを行い、
切欠を形成する（第４図（ホ）参照）。

この場合、拡散抵抗体１７．１７および絶縁膜１６では
エツチングレートが低下してエツチングが略ストップす
るが、これら以外の部分は略完全に除去される。これに
より、片持梁部１９および空隙部１１がそれぞれ形成さ
れろ。

■次いで、片持梁部１９および空隙部１１を形成した後
、Ｓｉ基盤１４の下面に熱酸化処理を行い、５ｉｎ２膜
（以下、保護膜という）２４を形成する（第４図（へ）
参照）。この保護膜２４を形成することによって、セン
サ自体が高温になっても拡散抵抗体１７．１７の間にリ
ーク電流がほとんど流れなくなる。また、拡散抵抗体１
７．１７を酸化から防ぐことができる。

このように、膜厚の制御が容易である絶縁膜１６および
保護膜２４から片持梁部１９を形成するので、検出感度
を向上させることができる。

また、拡散抵抗体１７．１７各々の表面上に保護膜２４
を形成したので、電気的な絶縁性が向上し、センサ自体
が高温になっても拡散抵抗１７゜１７の間にリーク電流
がほとんど流れない。したかって、高温まで使用が可能
になる。この場合、保護膜２４を拡散抵抗１７．１７各
々の表面上に形成するだけで、これら拡散抵抗１７．１
７間のリーク電流の発生を防止できるので、価格の上昇
が少なくて済むという利点が得られる。

なお、上述した加速度センサにおいて、片持梁部１９お
よび保護膜２４を各々、５ｉＯｚで形成したか、この他
に、ポリシリコン、ＰＳＧ、ＢＳＧ。

Ｓｉ、Ｎａ等を用いて形成しても良い。

また、上述した加速度センサにおいて、拡１牧抵抗体１
７．１７各々の上に被せる保護膜２４の形態としては、
これ以外に、圧力センサにおいて説明したように、拡散
抵抗体の回りのみに絶縁膜を被覆し、その上にさらに厚
み調整用の保護膜を重ねた構成の梁部とすることらでき
る。いずれにしても拡散抵抗体の上に保護膜を載せるこ
とになる。

また、上述した加速度センサは、片持梁構造のものにつ
いて説明しであるが、複数の梁部と、重り部を有する半
導体加速度センサにも勿論適用することができる。

［発明の効果］ 本発明は、上述のとおり構成されているので、以下の効
果を奏することができる。すなわち、（１）応力により
変位する撓み部分に、絶縁膜を採い、この絶縁膜上に拡
散抵抗体を形成し、その上に保護膜を被覆形成するため
に、サファイヤ基盤等の高価で特殊な材料を使用するこ
となく、高温まで良好な温度特性を示すようになる。

（２）薄い絶縁膜上に拡散抵抗を形成し、その上に膜厚
調整する機能を有する保護膜を形成したので、高い感度
を有するようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である圧力センサの構成を
示す断面図、 第２図は前記圧力センサの製造工程を示す図、第３図は
この発明の一実施例である加速度センサの構成を示す断
面図、 第４図は前記加速度センサの製造工程を示す図、第５図
は従来の圧力センサの構成を示す平面図、第６図は第５
図のＡＡ線断面図、 第７図は同圧力センサの他の実施例の構成を示す断面図
、 第８図は従来の加速度センサの構成を示す平面図、 第９図は第８図のＢＢ線断面図である。 ｌ・・・・・・半導体単結晶基盤、 Ｉａ・・・・・・枠体（支持部固定体）、３ａ〜３ｄ・
・・・・・拡散抵抗体、 １０、ｔｏ・・・・・・・・・絶縁膜、１１・・・・・
・ポリシリコン膜（１０，１０・・・、１１は保護膜、
撓み部分）、 １４・・・・・・半導体単結晶基盤、 １４ａ・・・・・・支持部（支持部固定体）、！６・・
・・・・絶縁膜、 １７．１７・・・・・・拡散抵抗体、 １９　・・・・・・片持梁部（撓み部分）、２４・・・
・・・保護膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　応力により変位する撓み部分と、該撓み部分と一体的
   な支持固定体とを有し、主として半導体単結晶基盤から
   形成される半導体トランスジューサであって、該撓み部
   分は少なくとも絶縁膜と、該絶縁膜上に形成される拡散
   抵抗体と、該拡散抵抗体を被覆する保護膜とにより構成
   されることを特徴とする圧力、および加速度の半導体ト
   ランスジューサ。