JPH04148834A - 半導体圧力センサ - 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】 〔発明のＩｌｌ的〕 （産業上の利用分野） 本発明は差圧伝送器等に使用される半導体圧力センサに
関する。

（従来の技術） 差圧伝送器等に使用される半導体圧力センサとして、従
来、第６図に示す構造のものが知られている。

この図に示ず゛ｌ’導体圧力センセンＩ１１形のエツチ
ング穴１０１が形成されたＮ　４’型ンリコン基板１０
２と、このＮ＋型ンリコン基板１ｏ２」−に設けられる
Ｎ型エピタキシャルシリコン１０３と、このＮ型エピタ
キシャルシリコン１ｏ３Ｆに形成されるピエゾ抵抗１０
４とを備えており、Ｎ型エピタキシャルシリコン１．０
３の各面に圧力がかがってとき、この圧力差に応じて変
形してピエゾ抵抗１０４の抵抗値を変化させ、この変化
分を前記圧力差に応じた圧力差信号として出力する。

また、他の半導体圧力センサと１７で、第７図に示すも
のも知られている。

この図に示す半導体圧力センサは円形のエツチング穴１
０５が形成されたＮ型シリコン基板１０６と、このＮ型
シリコン基板１．、０６上に形成されるピエゾ抵抗１．
０７とを備えており、Ｎ型シリコン基板１０６の６面に
圧力がかかってとき、この圧力差に応じて変形してピエ
ゾ抵抗１０７の抵抗値を変化させ、この変化分を前記圧
力差に応した圧力差信号として１１１力する。

このように、」二連した各半導体圧力センサは単結晶シ
リコンの優れた弾性を利用し、薄膜ンリコンダイヤフラ
ム１０８．１０９の両面にががる圧力差に応答する応力
を険ｔ１１シてこれを圧力差信号として出力する。

（発明か解決しようとする課題） ところで、このような半導体圧力センサでは、この半導
体圧力センサを構成するチップの大きさを縮小するにし
たかって、耐圧力が向−Ｊニして過大圧に対する信頼性
か向上する傾向かある。

そして、このような利点をａ効に活用するため、チップ
を縮小することが必要となっているが、チップを縮小す
るとき、これに叶って薄膜シリコンダイヤフラム１０８
．１０９を構成するＮ型エピタキシャルシリコン１０３
やＮ型シリコン基板１０６も薄くしなければならない。

そして、このような薄膜シリコンダイヤフラム１０８．
１０９の薄膜化技術とｊ〜で、従来、弗硝酸エツチング
や電解エツチング等のウェットエツチングが試みられて
いる。

この場合、電解エツチングでは、陽極となる被エツチン
グ基板に電極を接続し、５％の弗硝酸でダイヤフラムを
形成する。

このとき、エツチング面に保護膜として窒化シリコン膜
を形成し、フォトエツチングによりダイヤフラムの大き
さに対応する円形パターンを形成する。

次いて、被エツチング面の保護膜を除去し、エツチング
液に浸して薄膜ダイヤフラムを形成さぜた後、エツチン
グされないで残った厚板部分の保護膜を除去し、パイレ
ックスガラスの台座に静電結合なる技術によって接合し
て圧力を測定できる外容器に搭載する。

しかしながら、このような従来の構成では、エツチング
する瓜が多く、所望の薄膜シリコンダイヤフラムを形成
するのに、長時間エツチングｌ「ｋに浸しておかなけれ
ばならず、電極接続箇所の不完全さに起因して熱が発生
したり、電極接続点から各薄膜シリコンダイヤプラムの
エツチング場所マでの距離に起因するシリース抵抗の違
いから、工・ソチングのバラ゛ツキが大きくな一ンたり
することかあった。

また、保護膜である窒化シリコン膜の熱膨張係数と、緩
衝膜である二酸化シリコン膜の熱膨張係数との違いから
、薄膜にクラックが発生し易く、またピンホール等かあ
、った場合、台座との接続表面が弗硝酸等のエツチング
液により荒れる現象が起こり、気密性の信頼性が損なわ
れてｌ−まうという問題かあった。

さらに、エツチングする深さがシリコン基板の厚さにほ
ぼ比例することから、ザイドエッチンク量も大きく、１
．　ｍ　ｍφより小さなダイヤフラムを形成することか
難しいという問題があった。

本発明は−１−記のＪｉｆ情に鑑み、等方性エツチング
でのエツチング時間を短縮することができるとともに、
土台との接続部となるエツチングされないシリコン表面
を完全にミラー状に保つことができ、また静電接合時の
気密性を向上させることができるとともに、過大圧印加
時の高耐圧性を強化することができ、さらにセンザチッ
プの小型化を達成することがてきる″Ｉ′−導体圧力セ
ンサセンｆＪ（することを１甲１１自としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明による半導体圧力セ
ンサは、単結晶半導体基板に圧力を導入する開口部を持
ち、内部に前記開１１部より大きな空洞を伴った円形薄
膜ダイヤフラムを有することを特徴としている。

（作用） 上記の構成において、単結晶゛１′導体基板に圧力を導
入する開口部を持ち、内部に前記間［−１部より大きな
空洞を伴った円形薄膜ダイヤフラムにすることにより、
等方性エツチングでのエツチング時間を短縮させるとと
もに、土台との接続部となるエツチングされないシリコ
ン表面を完全にミラ状に保持させ、また静電接合時の気
密性を向」ニさせるとともに、過大圧印加時の高耐圧性
を強化させ、さらにセンサチップの小型化を達成させる
。

（実施例） 第１図は本発明による半導体圧力センサの第１実施例を
示す斜現図である。

この図に示す半導体圧力センサ１は低濃度ボロンの基板
（Ｐ型シリコン基板）２と、このＰ型シリコン基板２上
に形成されるＮ型エピタキンヤル層゛づと、このＮ型エ
ピタキシャル層３」二に形成されるピエゾ抵抗（図示は
省略する）とを備えている。

前記Ｐ型シリコン基板２は第２図に示す如くパイレック
スガラス等と接合する面（パイレックスガラス土台）に
矩形エツチング穴４が形成されており、パイレックスガ
ラスに接続されるとき、このパイレックスガラスの圧力
導入穴と前記矩形エッヂフグ穴４とが連通ずるように接
続される。

また、前記Ｎ型エピタギシャル層３は数ΩＣｎｌの抵抗
率となるような濃度でリンを含んでおり、そのド面側に
は犠牲層となる低抵抗部分を除去して空洞５が形成され
、この空洞３によって第３図に示す如く上から見たとき
円形となるダイヤフラム部６が形成されている。

このようにこの実施例においては、Ｐ型シリコン基板２
上に形成した犠牲層をエツチングしてこの犠牲層上に形
成されているＮ型エピタキシャル層３の下面に空洞５を
形成してダイヤフラム部６を作るようにしたので、等方
性エツチングでのエツチング時間を短縮することかでき
るとともに、土台との接続部となるエツチングされない
シリコン表面を完全にミラー状に保つことかでき、また
静電接合時の気密性を向上させることができる。

また、犠牲層を薄くすることにより、ダイヤプラム部６
の変位量を小さくして過大圧印加時の高耐圧性を強化す
ることができるととも、この犠牲層」二に形成されるＮ
型エピタキシャル層３の厚さを薄くすることができ、こ
れよって圧力検知感度を大幅に向」ニさせることができ
るとともに、チップザイズを縮小してセンサチップの小
型化を達成することができる。

また、Ｐ型シリコン基板２側からの表面距離（Ｐ型シリ
コンｌ＋（板２のＡ点からこのＰ型ンリコン基板２およ
びＮ型エピタキシャル層３に沿ってＮ型エビタギシャル
Ｍ３のＢ点まで至る距離）を大きくとれるため、Ｐ型シ
リコン基数２と土台とを接合するとき、接合歪みが発生
してもダイヤフラム部６への影響を極めて小さくするこ
とができる。

第４図は本発明による゛１′、導体圧カセンづの第２実
施例を示す断面図である。

この図に示す゛１毛導体圧力センサ１０はＰ型もしくは
Ｎ型の任意の抵抗率を持つシリコン基板］１」二にシリ
コン酸化膜］２を形成した後、このシリコン酸化膜１２
」二にＮ型シリコン１２を形成したウェハー１４によっ
て構成されており、エツチング加工によって前記シリコ
ン基板１１に矩形エツチング穴１５を形成１．た後、前
記シリコン酸化膜１２を犠牲層としてエツチングするこ
とにより前記Ｎ型シリコン１３の下面に空洞１６を形成
する。

このような構造にしても、上述した実施例と同様に等方
性エツチングでのエツチング時間を短縮することができ
るとともに、土台との接続部となるエツチングされない
シリコン表面を完全にミラ状に保つことができ、また静
電接合時の気密性を向上させることができるとともに、
過大圧印加時の高耐圧性を強化することができ、さらに
センサチップの小型化を達成することができる。

第５図は本発明による半導体圧力センサの第３実施例を
示す断面図である。

この図に示す１１−導体圧力センサ２０はシリコン基板
２１上に形成したＮ＋＋型シリコン層２２の」二にＮ型
エピタキシャルシリコン２３を形成したウェハー２４に
よって構成されており、エッヂング加ｌ−によって前記
シリコン基板２１に矩形エッチフグ穴２５を形成した後
、前記Ｎ″１型シリコン層２２を犠牲層としてエツチン
グすることにより前記Ｎ型エピタキシャルシリコン２３
のＦ面に空洞２６を形成する。

このような構造にしても、上述した実施例と同様に等方
性エツチングでのエツチング時間を短縮することができ
るとともに、土台との接続部となるエツチングされない
シリコン表面を完全にミラー状に保つことができ、また
静電接合時の気密性を向」ニさせることができるととも
に、過大圧印加時の高耐圧性を強化することかでき、さ
らにセンザチソプの小型化を達成することができる。

〔発明の効果〕

以」二説明したように本発明によれば、等方性エツチン
グでのエツチング時間を短縮することができるとともに
、土台との接続部となるエツチングされないシリコン表
面を完全にミラー状に保つことができ、また静電接合時
の気密性を向上させることができるとともに、過大圧印
加時の高耐圧性を強化することができ、さらにセンサチ
ップの小型化を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による牢導体圧力センサの第１実施例を
示す斜視図、第２図は第１図に示ず１′、導体圧力セン
サの底面図、第３図は第１図に示す２１′導体圧力セン
サの」二面図、第４図は本発明による゛１′、導体圧カ
センサの第２実施例を示す断面図、第５図は本発明によ
るコ１′導体圧力センサの第３実施例を示す断面図、第
６図は従来から知られている半導体圧力センサの一例を
示す断面図、第７図は従来から知られている？１テ導体
圧力センサの他の一例を示す断面図である。 ２　η１結晶士導体基板（Ｐ型シリコンＭ板）３・・２
１！導体（Ｎ型エピタキシャル層３）４・開口部（矩形
エツチング穴） ５・空洞 ６・・円形薄膜ダイヤフラム（ダイヤフラム部）１２・
・・絶縁層（シリコン酸化膜） ２２・・・高濃度エピタキシャル層 （Ｎ４＋型シリコン層）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）単結晶半導体基板に圧力を導入する開口部を持ち
   、内部に前記開口部より大きな空洞を伴った円形薄膜ダ
   イヤフラムを有することを特徴とする半導体圧力センサ
   。
2. （２）前記空洞の周辺を形成する肉厚部が前記単結晶基
   板と同じ半導体である請求項１記載の半導体圧力センサ
   。
3. （３）前記空洞の周辺を形成する肉厚部が絶縁層である
   請求項１記載の半導体圧力センサ。
4. （４）前記空洞の周辺を形成する肉厚部が高濃度エピタ
   キシャル層である請求項１記載の半導体圧力センサ。