JPH0481868B2 - - Google Patents
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- JPH0481868B2 JPH0481868B2 JP58244784A JP24478483A JPH0481868B2 JP H0481868 B2 JPH0481868 B2 JP H0481868B2 JP 58244784 A JP58244784 A JP 58244784A JP 24478483 A JP24478483 A JP 24478483A JP H0481868 B2 JPH0481868 B2 JP H0481868B2
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- G—PHYSICS
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- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
- G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の属する技術分野〕
この発明は、測定すべき圧力変化を静電容量的
に検出する半導体センサ、特にその電極部の構造
に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Technical Field to Which the Invention Pertains] The present invention relates to a semiconductor sensor that capacitively detects a change in pressure to be measured, and particularly to the structure of an electrode portion thereof.
第１図はかかる半導体センサの従来例を示す構
成図で、イはその上面図、ロは断面図である。同
図において、１は金属層、２，９は絶縁層、３は
開口、４は金属電極リード、５はSiエピタキシヤ
ル層、６は低抵抗埋込み層、７はP+層、８はSi
単結晶基板、１０は表面安定化層、１１はダイア
フラム部、１２は空洞である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a conventional example of such a semiconductor sensor, in which A is a top view and B is a sectional view. In the figure, 1 is a metal layer, 2 and 9 are insulating layers, 3 is an opening, 4 is a metal electrode lead, 5 is a Si epitaxial layer, 6 is a low resistance buried layer, 7 is a P + layer, and 8 is a Si
A single crystal substrate, 10 a surface stabilizing layer, 11 a diaphragm portion, and 12 a cavity.
Si単結晶基板８は主表面が（100）面であり、
これにP+拡散層（１cm3当たりの濃度が1020程度）
７が形成されていて、ダイアフラム部１１および
空洞１２を形成する際のストツプ層となる。基板
８の一方の面には窒化シリコン（Si3N4）等の絶
縁層９が形成され、この絶縁層９と基板８の薄肉
部の表面には、ガラス等の表面安定化層１０が形
成される。基板８の他面にはエピタキシヤル層５
が形成され、その一部はくりぬかれて空洞１２に
なつており、さらに他の部分には、P+拡散層７
と金属電極部４との接触を図るための低抵抗埋込
み層６が形成されている。また、Siエピタキシヤ
ル層５上には、絶縁層９と同様にSi3N4等よりな
る絶縁層２が形成され、さらにその上には金属層
１が形成される。金属層１と絶縁層２とを貫通し
て形成される開口（穴）３は、空洞部１２を異方
性エツチングにて形成するときに、これを通して
エツチング液を供給するために明けられる。この
開口３の形状は、例えば同図イに示されるような
細長い溝であつて、それが「ハ」の字型に複数個
配列され、最終的には破線の如き形状にくりぬか
れて空洞１２が形成される。これは、主表面が
（100）面で、横方向が（011）面であるようなSi
単結晶基板８上に任意の形の閉じたパターンのマ
スクで、KOH系がエチレンジアミン・ピロカテ
コール系のエツチング剤を用いて異方性化学エツ
チングを行なうと、最終的に出来上がるパターン
は、（111）面と等価な面によつて４面が囲まれた
ピラミツド状となり、しかもそのパターンはマス
タパターンに内接するという性質を利用して、行
なわれる。こうして、金属層１とダイアフラム部
１１との間にキヤパシタンスが形成され、測定圧
力にてダイアフラム部１１が変位すると、これに
応じてキヤパシタンスが変化するので、圧力を容
量の関数として測定することができる。 The main surface of the Si single crystal substrate 8 is a (100) plane,
This is followed by a P + diffusion layer (concentration of about 10 to 20 per cm3 )
7 is formed and serves as a stop layer when forming the diaphragm portion 11 and the cavity 12. An insulating layer 9 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) or the like is formed on one surface of the substrate 8, and a surface stabilizing layer 10 made of glass or the like is formed on this insulating layer 9 and the thin surface of the substrate 8. be done. An epitaxial layer 5 is formed on the other surface of the substrate 8.
is formed, a part of which is hollowed out to form a cavity 12, and a P + diffusion layer 7 is formed in another part.
A low-resistance buried layer 6 is formed to make contact between the metal electrode portion 4 and the metal electrode portion 4 . Further, on the Si epitaxial layer 5, an insulating layer 2 made of Si 3 N 4 or the like is formed similarly to the insulating layer 9, and a metal layer 1 is further formed thereon. An opening (hole) 3 formed through the metal layer 1 and the insulating layer 2 is made to supply an etching solution therethrough when the cavity 12 is formed by anisotropic etching. The shape of the opening 3 is, for example, a long and narrow groove as shown in FIG. is formed. This is a Si whose main surface is a (100) plane and whose lateral direction is a (011) plane.
When anisotropic chemical etching is performed on a single crystal substrate 8 using a closed pattern mask of any shape using a KOH-based etching agent of ethylenediamine-pyrocatechol-based, the final pattern is (111). This is done by taking advantage of the property that it forms a pyramid whose four sides are surrounded by planes equivalent to the plane, and that the pattern is inscribed in the master pattern. In this way, capacitance is formed between the metal layer 1 and the diaphragm part 11, and when the diaphragm part 11 is displaced by the measurement pressure, the capacitance changes accordingly, so that pressure can be measured as a function of capacitance. .
しかしながら、かかる構造の半導体センサに
は、下記の如き欠点がある。 However, the semiconductor sensor having such a structure has the following drawbacks.
(イ) 開口３が細い溝から形成されているため、エ
ツチング液が入り難く、したがつて、空洞形成
に時間が掛かる。なお、溝を大きくすると、電
極部の実効面積が小さくなる。つまり、検出の
ためのキヤパシタンスが小さくなるので、溝を
広げるにも限度がある。(a) Since the opening 3 is formed from a narrow groove, it is difficult for the etching solution to enter, and therefore it takes time to form the cavity. Note that when the groove is made larger, the effective area of the electrode portion becomes smaller. In other words, since the capacitance for detection becomes small, there is a limit to how wide the groove can be.
(ロ) ダイアフラム部と対向する全面に電極部が形
成されているため、圧力変化に応答する検出容
量に付随するストレイ容量が大きく、したがつ
て、測定誤差が大きくなるばかりでなく、測定
感度が低下する。(b) Since the electrode portion is formed on the entire surface facing the diaphragm portion, the stray capacitance associated with the detection capacitance that responds to pressure changes is large, which not only increases measurement errors but also reduces measurement sensitivity. descend.
この発明はかかる欠点を除去すべくなされたも
ので、測定感度を向上させるとともにストレイ容
量を小さくすることにより、測定誤差が小さな高
精度の半導体形静電容量式圧力センサを提供する
ことを目的とする。
The present invention was made to eliminate such drawbacks, and an object of the present invention is to provide a highly accurate semiconductor capacitive pressure sensor with small measurement errors by improving measurement sensitivity and reducing stray capacity. do.
その要点は、半導体形式の圧力センサにおいて
ダイアフラム部とともに測定キヤパシタンスを構
成する電極部の面積を、少なくともダイアフラム
部のそれよりも小さくし、これを複数の腕部にて
支持する如く構成することにより、エツチング時
間の短縮化、検出感度の向上およびストレイ容量
の低下を図るようにした点にある。
The key point is that in a semiconductor-type pressure sensor, the area of the electrode part that constitutes the measurement capacitance together with the diaphragm part is at least smaller than that of the diaphragm part, and by configuring it to be supported by a plurality of arms, The aim is to shorten etching time, improve detection sensitivity, and reduce stray capacity.
第２Ａ図はこの発明の実施例を示す上面図、第
２Ｂ図は同じくその断面図である。
FIG. 2A is a top view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a sectional view thereof.
表面の結晶学的方向が（100）面であるＮまた
はＰ型のSi単結晶基板８に、イオン打ち込み法や
熱拡散法等によつてP+層７をダイアフラムの厚
さにした後、CVD（Chemical Vapor
Deposition；化学反応を利用した薄膜の形成方
法）等によつてエピタキシヤル層５をキヤパシタ
ンスの空隙に相当する厚さまで成長させ（この層
は低抵抗にせず、異方性化学エツチングを受け易
くしておく。）、次にP+層７と導通を図るように
低抵抗の埋込み層６を形成し、こうして作られる
集積体を挾むようにしてSi3N4やSiO2（酸化シリ
コン）等の絶縁層を0.5〜1μｍ程度形成した後、
金属電極リード４を作るために絶縁層の開口を行
なつてから金属層１を形成するところ迄は、従来
と同様である。 After forming a P + layer 7 to the thickness of a diaphragm by ion implantation, thermal diffusion, etc. on an N- or P-type Si single-crystal substrate 8 whose surface crystallographic direction is the (100) plane, CVD is applied. (Chemical Vapor
The epitaxial layer 5 is grown to a thickness corresponding to the capacitance gap by deposition (a method of forming a thin film using a chemical reaction) (this layer is not made to have low resistance, but is made easily susceptible to anisotropic chemical etching). ), then a low-resistance buried layer 6 is formed so as to be electrically conductive with the P + layer 7, and an insulating layer such as Si 3 N 4 or SiO 2 (silicon oxide) is placed between the resulting integrated body. After forming about 0.5 to 1 μm,
The process from opening the insulating layer to forming the metal electrode lead 4 to forming the metal layer 1 is the same as the conventional process.
つまり、この発明は、第２Ａ図からも明らかな
ようにその電極部およびダイアフラム部の形状に
特徴を有するもので、これらがどのようにして形
成されるかについて、以下に説明する。 That is, as is clear from FIG. 2A, this invention is characterized by the shapes of its electrode portion and diaphragm portion, and how these are formed will be described below.
いま、正方形のダイアフラムを作る場合は、第
２Ａ図に示される如く４個の台形（第２Ａ図では
開口３として示されている。）を結晶学的（011）
面と等価なSi基板面に対して、２個は互いに平行
に、また他の２個は直角にし、しかも、それぞれ
の台形に外接する長方形（一点鎖線で囲まれる部
分Ｃ）が僅かずつ重なるように、金属層のエツチ
ングを行なう。次に、この金属層の開口３をマス
クとして絶縁層２のエツチングを行なうが、この
とき、金属の付いていない側の絶縁層９も正方形
のダイアフラム部が形成されるように開口し、エ
ツチングを行なう。その後、こうして形成される
正方形に腕１４が付いた形状に金属を残し、他の
部分の金属をエツチング除去する。このようにす
ると、開口部には単結晶Siが露出することになる
ので、これをKOH系がエチレンジアミン・ピロ
カテコール系等の異方性化学エツチング液中に浸
すと、開口部から異方性エツチングが進む。台形
の開口３によるエツチングがまず進行するが、そ
の横方向は（111）面と等価な面で囲まれる、第
２Ａ図に一点鎖線で囲まれる部分Ｃにエツチング
が進む。ところで、異方性化学エツチングのシリ
コンに対する性質の１つとして、「２つの（111）
面が凹型に交わる部分のエツチングは、それ以外
の部分よりも遅い」という性質があり、これによ
り、２つの長方形の重なり合つた部分から再びエ
ツチングが進行し、内側の正方形の下がくり抜か
れて空洞１２（第２Ｂ図参照）となる。一方、こ
の空洞と反対側の面も同様にしてエツチングが行
なわれ、４面が（111）面で囲まれたくぼみが形
成され、薄肉部は第２Ｂ図に符号１１で示される
如くダイアフラム部となる。なお、異方性化学エ
ツチングに対する第２の性質である「１cm2当たり
の濃度が1020程度のP+層はエツチングされ難い」
という性質によつて、縦方向のエツチングはP+
層７によつてストツプされる。したがつて、Siエ
ピタキシヤル層５の厚さにて空洞１２の厚みは制
限され、これにより正確にギヤツプを形成するこ
とができる。なお、ダイアフラム部１１の厚さ
は、拡散層７によつて決まることは云う迄もな
い。また、金属層（電極部）１とダイアフラム部
１１とで形成される内、外の正方形の辺の長さの
比γ（＝ae／ａ）は、１よりも小さくなるように
選ばれるが、これは、検出容量を小さくせずに、
感度を上げるためである。すなわち、ダイアフラ
ム部に対応する部分全面を電極にすると感度が下
がり、また、電極をダイアフラムの中央部に作れ
ば、感度は向上するが検出容量が小さくなつてス
トレイ容量の影響を受け易くなるので、これらの
兼ね合いで決まる適宜な比γに選ばれる。 Now, when making a square diaphragm, as shown in Fig. 2A, four trapezoids (indicated as opening 3 in Fig. 2A) are crystallographically (011)
Two of the trapezoids are parallel to each other and the other two are perpendicular to the Si substrate surface, which is equivalent to the plane, and the rectangles circumscribing each trapezoid (portion C surrounded by a dashed-dotted line) slightly overlap each other. Next, the metal layer is etched. Next, the insulating layer 2 is etched using the opening 3 in the metal layer as a mask. At this time, the insulating layer 9 on the side where no metal is attached is also opened so that a square diaphragm part is formed, and the etching is performed. Let's do it. Thereafter, the metal is left in the thus formed square shape with arms 14, and the metal in other parts is removed by etching. In this way, the single crystal Si will be exposed at the opening, so if it is immersed in an anisotropic chemical etching solution such as KOH-based ethylenediamine/pyrocatechol-based etching solution, it will be anisotropically etched from the opening. progresses. Etching by the trapezoidal opening 3 first proceeds, but laterally the etching proceeds to a portion C surrounded by a dashed line in FIG. 2A, which is surrounded by a plane equivalent to the (111) plane. By the way, one of the properties of anisotropic chemical etching for silicon is that "two (111)
Etching is slower in the area where the surfaces intersect in a concave shape than in other areas, and as a result, etching progresses again from the area where the two rectangles overlap, and the bottom of the inner square is hollowed out. This becomes a cavity 12 (see FIG. 2B). On the other hand, etching is performed on the opposite side of the cavity in the same manner, forming a recess surrounded by (111) planes on four sides, and the thin part is connected to the diaphragm part as shown by reference numeral 11 in Fig. 2B. Become. Note that the second characteristic for anisotropic chemical etching is that "a P + layer with a concentration of about 10 to 20 per cm2 is difficult to etch."
Due to this property, vertical etching is P +
It is stopped by layer 7. Therefore, the thickness of the cavity 12 is limited by the thickness of the Si epitaxial layer 5, thereby making it possible to form a gap accurately. It goes without saying that the thickness of the diaphragm portion 11 is determined by the diffusion layer 7. Furthermore, the ratio γ (=a e /a) of the lengths of the inner and outer sides of the square formed by the metal layer (electrode portion) 1 and the diaphragm portion 11 is selected to be smaller than 1. , this can be done without reducing the detection capacity.
This is to increase sensitivity. In other words, if the entire surface of the part corresponding to the diaphragm is used as an electrode, the sensitivity will decrease, and if the electrode is made in the center of the diaphragm, the sensitivity will improve, but the detection capacitance will be small and will be more susceptible to stray capacitance. An appropriate ratio γ determined by these considerations is selected.
第３図はこの発明の他の実施例を示す上面図で
ある。 FIG. 3 is a top view showing another embodiment of the invention.
金属層１、すなわち電極部を、第２Ａ図では
（011）面方向に対して45゜傾斜した腕１４によつ
て支えるようにしているのに対し、この実施例は
（011）面に平行な腕と垂直な腕とによつて支持す
るようにした例である。なお、１３は開口であつ
て、腕部１４の下側の空洞を形成するための補助
開口である。つまり、Ｌ字形の開口３に外接する
正方形のうち、互いに斜めに配置された少なくと
も２つに対して細溝形の補助開口が重なり合つて
いることであり、これによつて、腕部１４の下に
空洞部を形成するための時間を短くすることがで
きる。なお、同図からも明らかなように、開口１
３の長さは、腕の幅の√２倍よりも大きく形成さ
れる。また、開口１３の幅を広げると空洞形成の
ための時間は短縮されるが、検出容量が小さくな
るので、これらを考慮して適宜に形成することが
望ましい。 The metal layer 1, that is, the electrode part, is supported by an arm 14 inclined at 45 degrees with respect to the (011) plane direction in FIG. This is an example in which it is supported by an arm and a vertical arm. Note that 13 is an opening, which is an auxiliary opening for forming a cavity below the arm portion 14. In other words, the narrow groove-shaped auxiliary openings overlap at least two of the squares circumscribing the L-shaped opening 3 and are arranged diagonally to each other. The time required to form a cavity underneath can be shortened. Furthermore, as is clear from the figure, opening 1
The length of 3 is larger than √2 times the width of the arm. Further, if the width of the opening 13 is increased, the time for forming the cavity is shortened, but the detection capacitance becomes smaller, so it is desirable to take these into consideration when forming the cavity as appropriate.
第４図はこの発明のさらに他の実施例を示す上
面図である。つまり、第２Ａ図の如くするかわり
に、電極部をダイアフラム部に対して45゜だけ傾
けて配置することによつても、上記と同様の効果
を期待することができる。 FIG. 4 is a top view showing still another embodiment of the invention. In other words, the same effect as described above can be expected by arranging the electrode section at an angle of 45 degrees with respect to the diaphragm section instead of as shown in FIG. 2A.
なお、以上はダイアフラム部および電極部の形
状が正方形の場合であるが、これを長方形のもの
とすることも可能である。 Note that although the diaphragm portion and the electrode portion are square in shape, they may also be rectangular.
この発明によれば、ダイアフラム部とともに測
定キヤパシタンスを構成する電極部の面積をダイ
アフラム部より小さくし、これを複数の腕により
支える如く構成したので、空洞部形成のための開
口部を検出容量を小さくすることなく大きくする
ことが可能となり、したがつて、エツチング時間
が短縮されるばかりでなく、検出感度を向上させ
ることができる利点をもたらすものである。ま
た、電極部を支えるための腕を、ダイアフラム部
以外の部分に僅かに掛かるようにしているため、
検出容量に付随するストレイ容量を小さくするこ
とができる利点を有するものである。
According to this invention, the area of the electrode part that constitutes the measurement capacitance together with the diaphragm part is made smaller than that of the diaphragm part, and this is supported by a plurality of arms, so that the opening for forming the cavity can be used to reduce the detection capacitance. This makes it possible to increase the size without increasing the etching time, which brings about the advantage that not only the etching time is shortened but also the detection sensitivity can be improved. In addition, the arm for supporting the electrode part is made to slightly hang over the part other than the diaphragm part, so
This has the advantage that the stray capacity associated with the detection capacity can be reduced.
第１図は半導体形静電容量式センサの従来例を
示す構成図、第２Ａ図はこの発明の実施例を示す
上面図、第２Ｂ図は同じくその断面構造を示す断
面図、第３図はこの発明の他の実施例を示す上面
図、第４図はこの発明のさらに他の実施例を示す
上面図である。
符号説明、１……金属層、２，９……絶縁層、
３……開口、４……金属電極リード、５……Siエ
ピタキシヤル層、６……低抵抗埋込み層、７……
P+層、８……Si単結晶基板、１０……表面安定
化層、１１……ダイアフラム部、１２……空洞、
１３……補助開口、１４……腕。
Fig. 1 is a configuration diagram showing a conventional example of a semiconductor capacitive sensor, Fig. 2A is a top view showing an embodiment of the present invention, Fig. 2B is a cross-sectional view showing the cross-sectional structure thereof, and Fig. 3 is a block diagram showing a conventional example of a semiconductor capacitive sensor. FIG. 4 is a top view showing still another embodiment of the invention. Symbol explanation, 1... Metal layer, 2, 9... Insulating layer,
3...Opening, 4...Metal electrode lead, 5...Si epitaxial layer, 6...Low resistance buried layer, 7...
P + layer, 8... Si single crystal substrate, 10... Surface stabilization layer, 11... Diaphragm part, 12... Cavity,
13...Auxiliary opening, 14...Arm.
Claims (1)
拡散層と、該拡散層上に形成されたSiエピタキシ
ヤル層と、該エピタキシヤル層の一部に形成され
前記P+拡散層と電気的につながる低抵抗埋込み
層と、前記エピタキシヤル層上および前記Si基板
のエピタキシヤル層とは反対の面にそれぞれ形成
された第１、第２の絶縁層と、該第１絶縁層上に
形成された金属層と、該金属層および絶縁層を貫
通する開口と前記第２絶縁層側の開口とを介して
異方性のエツチング処理を行なうことにより形成
されるダイアフラム部とからなり、該ダイアフラ
ム部と前記金属層との間に測定用キヤパシタンス
を形成してなる半導体形静電容量式圧力センサに
おいて、 前記金属層およびダイアフラム部の形状を方形
にするとともに、金属層の面積をダイアフラム部
のそれよりも若干小さくし、かつ金属層とダイア
フラム部の各辺が互いに平行となるように配置す
る一方、方形金属層の各角にそれぞれ腕部を設け
てなることを特徴とする半導体形静電容量式圧力
センサ。[Claims] 1. A Si single crystal substrate and a P + formed on the substrate.
a diffusion layer, a Si epitaxial layer formed on the diffusion layer, a low-resistance buried layer formed on a part of the epitaxial layer and electrically connected to the P + diffusion layer, and a Si epitaxial layer formed on the epitaxial layer and first and second insulating layers formed on the opposite side of the epitaxial layer of the Si substrate, a metal layer formed on the first insulating layer, and penetrating the metal layer and the insulating layer. It consists of a diaphragm part formed by performing an anisotropic etching process through an opening and an opening on the second insulating layer side, and a measurement capacitance is formed between the diaphragm part and the metal layer. In the semiconductor capacitive pressure sensor, the shape of the metal layer and the diaphragm part is made rectangular, the area of the metal layer is made slightly smaller than that of the diaphragm part, and each side of the metal layer and the diaphragm part is made rectangular. A semiconductor capacitive pressure sensor characterized in that the rectangular metal layers are arranged parallel to each other, and arms are provided at each corner of the rectangular metal layer.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24478483A JPS60138977A (en) | 1983-12-27 | 1983-12-27 | Semiconductor form electrostatic capacity type pressure sensor |
| DE19843445775 DE3445775C2 (en) | 1983-12-27 | 1984-12-12 | Capacitive semiconductor pressure transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24478483A JPS60138977A (en) | 1983-12-27 | 1983-12-27 | Semiconductor form electrostatic capacity type pressure sensor |
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