JPH03196576A - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - 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、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、例えばウェ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
イズ等によって両生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
両面の半導体層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、ウェハ直接
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、ウェハ直接接合の場合、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
ェハが湾曲し、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、一体止されているもので、第１の半導体
層１１の絶縁物層Ｉ３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１
５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Ｉｆが歪み、この歪み量が歪み検出素子Ｉ
４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型層ＩＢ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、イオン打込みウェハ直接接合法等が
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１
３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のシリコンウェハ３および３２を形成する。この
ＰＮ接合は、ウェハα接接台、イオン打ち込み、あるい
はＰ型不純物０拡散等によって形成される。そして、こ
のシリコシウェハの一方、例えば第２のシリコンウェハ
３のＰ型層に対応する面に、熱酸化によって絶縁ゼ層３
３が形成される。

この様に構成された第１および第２のシリコシウェハ３
１および３２は、Ｐ型層に対応する表面、表よび絶縁物
層３３の面を親水処理し、清浄な雰囲シ下で、（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’ＣＣＮ２または０２雰囲気中で
１時間熱処理し、完全に接合させる。

次に、この接合されたウェハ３１および３２のの一方、
例えばシリコンウェハ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１３４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−ＨＮＯ
３系のエツチング液によって、スクライブライン３Ｂ、
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３Ｂ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■２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ェハに反りが生ず
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
ンウェハ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１
５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Ｉ２の
いずれが一方に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。 第 図 （Ａ） 第２図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （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
   在設定された絶縁物層と、 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、それぞれ
   ＰＮ接合を形成する第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、 を具備したことを特徴とする半導体圧力センサ。
2. （２）前記第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の半導体圧力センサ。
3. （３）前記第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の
   半導体圧力センサ。
4. （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第２の導電型層が形成され
   るようにした請求項１の半導体圧力センサ。
5. （５）第１の導電型の第１の半導体基板の一方の面に、
   第２の導電層を形成して、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、第２の
   導電層を形成して、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
   導電型層が形成された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。