JPH0510830B2 - - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
(1) 技術分野
本発明は、耐雰囲気性と感圧ダイアフラムの均
一性を向上させた半導体圧力センサに関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (1) Technical Field The present invention relates to a semiconductor pressure sensor with improved atmosphere resistance and uniformity of a pressure-sensitive diaphragm.
(2) 背景技術
シリコン半導体等においては、機械的応力が加
わると、ピエゾ抵抗効果により、その抵抗値が変
化する。この性質を利用したセンサーとしては、
単結晶シリコンよりなるダイアフラム上に歪ゲー
ジを拡散層で形成し、このダイアフラムに加わる
圧力によりこのダイアフラムが変形し、ピエゾ抵
抗効果で抵抗値が変化することから、その圧力を
検出する半導体圧力センサーがある。(2) Background Art When mechanical stress is applied to silicon semiconductors, the resistance value changes due to the piezoresistance effect. As a sensor that utilizes this property,
A strain gauge is formed using a diffusion layer on a diaphragm made of single-crystal silicon, and the pressure applied to the diaphragm deforms the diaphragm and changes the resistance value due to the piezoresistive effect, so a semiconductor pressure sensor that detects this pressure is developed. be.
この種の半導体のピエゾ抵抗効果を利用した半
導体圧力センサーとしては、各種構成のものが提
案されているが、その最も基本的なものは、第１
図に示す構造である。例えば、半導体基体として
ｎ型シリコン基板を用いた場合、受圧部たるダイ
アフラム部２（厚さ10〜30μｍ）の上にｐ型不純
物を含む拡散抵抗３を形成し、その上を保護層た
る絶縁膜４（ex.Si3N4）で覆い、さらにＡ配線
層５が形成された構造となる。 Various configurations have been proposed for this type of semiconductor pressure sensor that utilizes the piezoresistance effect of semiconductors, but the most basic one is the first one.
This is the structure shown in the figure. For example, when an n-type silicon substrate is used as the semiconductor substrate, a diffused resistor 3 containing a p-type impurity is formed on a diaphragm part 2 (thickness 10 to 30 μm) which is a pressure receiving part, and an insulating film which is a protective layer is formed on top of the diaphragm part 2 (thickness: 10 to 30 μm). 4 (ex. Si 3 N 4 ), and the A wiring layer 5 is further formed.
しかし、この構造では液体などの雰囲気の圧力
の測定に応用する際に測定対象雰囲気が含む、水
分、アルカリ金属イオンなどが半導体センサに及
ぼす悪影響を防ぐものとしては、絶縁膜４だけし
かなく不充分である。特にセサ表面−絶縁膜−抵
抗とう一種のMOS構造となつているので、表面
電位の影響を受け電気的特性が不安定となる。こ
のことを考慮て、耐雰囲気性を向上させたセンサ
としては、実開昭55−112864あるいは、実用新案
登録願昭和58−149085号などで述べられているも
のがある。その構造を第２図、第３図に示すが、
これらは基本的にダイアフラム部に形成する拡散
抵抗を、これとは反対の導電形の基板中に埋込ん
だ構造となつている。 However, when this structure is applied to the measurement of the pressure of an atmosphere such as a liquid, only the insulating film 4 is sufficient to prevent the adverse effects of moisture, alkali metal ions, etc. contained in the atmosphere to be measured on the semiconductor sensor. It is. In particular, since the sensor surface, insulating film, and resistor form a type of MOS structure, the electrical characteristics become unstable due to the influence of the surface potential. Taking this into consideration, sensors with improved resistance to atmosphere are described in U.S. Pat. Its structure is shown in Figures 2 and 3.
These basically have a structure in which a diffused resistor formed in a diaphragm portion is embedded in a substrate of the opposite conductivity type.
これらのセンサにおいては、Ｐ型拡散抵抗３は
シリコンエピタキシヤル層７で覆われており、
Pn接合により絶縁されている。さらに、エピタ
キシヤル層は緻密で化学的に安定なので、雰囲気
中の水分等の影響を受けることも少ない。 In these sensors, the P-type diffused resistor 3 is covered with a silicon epitaxial layer 7,
Insulated by Pn junction. Furthermore, since the epitaxial layer is dense and chemically stable, it is less affected by moisture in the atmosphere.
これらのセンサ液体中に完全に浸した状態で使
用する様な場合、例えばセンサをカテーテルの先
端に装着して、血圧を体内で直接に連続測定する
場合には、第２図に示す様な感圧ダイアフラム部
の表面だけに耐雰囲気性を持たせるだけでは不充
分で、第３図に示す様にセンサ素子全体に耐雰囲
気性を与えなくてはならない。しかし、第３図の
様にセンサ表面だけでなく、側面及び裏面にも
Si3N4などの保護層たる絶縁層を形成するには非
常に複雑な工程を要し、歩留も悪い。具体的には
一枚のシリコンウエフアから複数個のセンサを効
率よく製造しようとすると、シリコンウエフアに
完全な穴を明けてしまうような深いエツチングな
どの一般のシリコンICプロセスにはない技術が
必要となる。 When using these sensors completely immersed in liquid, for example when attaching the sensor to the tip of a catheter and continuously measuring blood pressure directly inside the body, the sensor will look like the one shown in Figure 2. It is insufficient to provide atmosphere resistance only to the surface of the pressure diaphragm portion; the entire sensor element must be provided with atmosphere resistance, as shown in FIG. However, as shown in Figure 3, not only the sensor surface but also the side and back surfaces
Forming an insulating layer such as Si 3 N 4 as a protective layer requires a very complicated process and has a low yield. Specifically, in order to efficiently manufacture multiple sensors from a single silicon wafer, techniques that are not available in general silicon IC processes, such as deep etching that creates a complete hole in the silicon wafer, are required. It becomes necessary.
また、このようなシリコンダイアフラム型の半
導体圧力センサの性能を決定する最大因子はダイ
アフラムの厚さ精度である。即ち、高精度の半導
体圧力センサをバラツキ少なく製造するためには
高精度のダイアフラム形成技術が必須となる。 Furthermore, the biggest factor determining the performance of such a silicon diaphragm type semiconductor pressure sensor is the accuracy of the thickness of the diaphragm. That is, in order to manufacture highly accurate semiconductor pressure sensors with less variation, a highly accurate diaphragm forming technique is essential.
従来から用いられている最も一般的なダイアフ
ラム形成法はエツチング工程を２回以上に分ける
方法である。これはエツチング液の温度・組成・
撹拌状態等によりエツチング速度が著しく変化す
るので、エツチングの途中でのダイアフラムの厚
さのモニタが必要となるからである。 The most common diaphragm forming method conventionally used is a method in which the etching process is divided into two or more steps. This depends on the temperature, composition, and temperature of the etching solution.
This is because the etching speed changes significantly depending on the stirring conditions and the like, so it is necessary to monitor the thickness of the diaphragm during etching.
従つてエツチングと厚さ測定という１対の工程
を繰返すことになる。しかし、この方法ではダイ
アフラムの厚さ精度の管理も困難であり、また厚
さの均一性に対しては本質的な対策にはなつてい
ない。 Therefore, the pair of steps of etching and thickness measurement are repeated. However, with this method, it is difficult to control the thickness accuracy of the diaphragm, and it does not provide an essential measure for thickness uniformity.
これに対して、アルカリ系のエツチング液に対
し、ボロンが高濃度に（厳密には５×1019個／cm3
以上）含まれている単結晶シリコンはエツチング
速度がほぼ零となることに注目し、ダイアフラム
の形成時のエツチング停止層として、このような
ボロンを高濃度に含む不純物層を用いたセンサが
特開昭53−86185等に提案されている。この方法
によりダイアフラムの均一性は飛躍的に向上した
がボロンを５×1019個／cm3以上といつた高濃度に
含む不純物層を形成する工程自体が非常に不安定
な工程であり、またこの様なボロンを高濃度に含
む不純物層は格子欠陥が多く機械的強度は弱いの
でダイアフラムの耐圧性及び製造のコスト・歩留
は逆に悪くなる。 On the other hand, compared to alkaline etching solutions, boron is present at a high concentration (5×10 19 pieces/cm 3 to be exact).
Noting that the etching rate of single-crystal silicon contained in the diaphragm is almost zero, a sensor using such an impurity layer containing a high concentration of boron as an etching stop layer during diaphragm formation was published in Japanese Patent Application. It was proposed in 1986-86185. Although this method dramatically improved the uniformity of the diaphragm, the process of forming an impurity layer containing a high concentration of boron, such as 5 x 10 19 elements/cm 3 or more, was itself an extremely unstable process. Since such an impurity layer containing a high concentration of boron has many lattice defects and has low mechanical strength, the pressure resistance of the diaphragm and the manufacturing cost and yield are adversely affected.
(3) 発明の目的
本発明は、液体などの測定対象雰囲気に影響さ
れることなく長時間にわたり安定に測定が行え、
かつ広範囲の圧力を高精度に測定できる感圧ダイ
アフラムの均一性に優れた半導体圧力センサと、
それを製造する方法を提案することを目的とす
る。(3) Purpose of the invention The present invention enables stable measurement over a long period of time without being affected by the atmosphere to be measured such as liquid.
A semiconductor pressure sensor with an excellent uniformity of pressure-sensitive diaphragm that can measure pressure over a wide range with high precision,
The purpose is to propose a method for manufacturing it.
(4) 発明の構成
本発明は、従来技術によるシリコンダイアフラ
ム型圧力センサが全てシリコンの単結晶基板を用
いていたのに対し、SOI（Si on Insulator）構造
と呼ばれるサフアイアなどの単結晶絶縁体の上に
直接単結晶シリコンをヘテロエピタキシヤル成長
技術により形成したものを用いている。(4) Structure of the Invention While all conventional silicon diaphragm pressure sensors used single crystal silicon substrates, the present invention utilizes a silicon diaphragm type pressure sensor using a single crystal insulator such as sapphire, which has a so-called SOI (Si on Insulator) structure. Single-crystal silicon is directly formed thereon by heteroepitaxial growth technology.
以下、本発明を図面にもとずいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be explained based on the drawings.
第４図は、本発明の一実施例としての半導体圧
力センサの構造を示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing the structure of a semiconductor pressure sensor as an embodiment of the present invention.
この実施例においては、単結晶絶縁性基板９と
してはサフアイアを用いており、その上に単結晶
シリコン７，１０をエピタキシアル成長させてい
る。このような基板は、SOI構造の中でも特に
SOS（Si on Sapphire）構造と呼ばれている。さ
て、第４図においてはサフアイア９を全く含まず
に単結晶シリコンエピタキシヤル成長層（n-型）
７，１０と絶縁層（ex SiO2とSi3N4の多層構造）
４のみでもつ２ダイアフラム部２を設け、前記単
結晶７と１０の間に拡散ピエゾ抵抗部（p-型）
３と拡散リード部６とを設け、前記拡散リード部
６はp+型拡散領域８を介して絶縁層４で離れて
いるＡ配線層５に通じるようにして、本発明の
半導体圧力センサが構成してある。 In this embodiment, sapphire is used as the single crystal insulating substrate 9, and single crystal silicon 7, 10 is epitaxially grown thereon. This type of substrate is especially suitable for SOI structures.
It is called the SOS (Si on Sapphire) structure. Now, in Fig. 4, a single crystal silicon epitaxial growth layer (n - type) containing no saphire 9 is shown.
7, 10 and insulating layer (ex SiO 2 and Si 3 N 4 multilayer structure)
Two diaphragm portions 2 having only 4 are provided, and a diffused piezoresistive portion (p - type) is provided between the single crystals 7 and 10.
3 and a diffusion lead portion 6, and the diffusion lead portion 6 communicates with the A wiring layer 5 separated by the insulating layer 4 via the p + type diffusion region 8, thereby constructing the semiconductor pressure sensor of the present invention. It has been done.
かかる構造のものにすることによりセンサ素子
の表面の大部分は単結晶絶縁性基板９、絶縁層
４，１１などの絶縁性物質で覆われ、導電性を有
する物質はＡ配線層５と、側面に現れるわずか
なn-型シリコン層のみである。このためセンサ
素子の絶縁性は非常に高く、かつ、サフアイア
Si3N4などは化学的には非常に安定な物質なので
耐雰囲気性は優れたものとなる。 By adopting such a structure, most of the surface of the sensor element is covered with insulating materials such as the single crystal insulating substrate 9 and the insulating layers 4 and 11, and the conductive material is covered with the A wiring layer 5 and the side surfaces. Only a small n -type silicon layer appears on the surface. Therefore, the insulation of the sensor element is extremely high, and the sapphire
Since Si 3 N 4 is a chemically very stable substance, it has excellent atmosphere resistance.
この構造とすることにより得られる第２の利点
はダイアフラムの形成が比較的容易に、かつ、非
常に精度よく行なえることである。即ち、従来行
われていたダイアフラムの形成法としては、エツ
チング工程を複数回に分ける方法とか、エツチン
グ停止層としての不純物濃度の著しく異なる層を
用いるとかの方法があつたが、これらは工程が非
常に複雑となり、歩留も悪かつた。これに対し、
本発明では絶縁層１１をSiO2とし、ダイアフラ
ム部２を形成するためのマスクとして利用し、エ
ツチング液として熱リン酸を用いること、熱リン
酸はサフアイア（α−Ａ2O3）は侵すが、Siや
SiO2は侵されないのでサフアイアの上にエピタ
キシアル成長させた単結晶シリコン層１０がその
ままエツチング停止層としての役割を果す。 A second advantage of this structure is that the diaphragm can be formed relatively easily and with great precision. In other words, conventional methods for forming a diaphragm include dividing the etching process into multiple steps and using layers with significantly different impurity concentrations as etching stop layers, but these methods require extremely long steps. The process became complicated and the yield was poor. In contrast,
In the present invention, the insulating layer 11 is made of SiO 2 and is used as a mask for forming the diaphragm part 2 , and hot phosphoric acid is used as the etching solution. ,Siya
Since SiO 2 is not attacked, the single crystal silicon layer 10 epitaxially grown on the sapphire serves as an etching stop layer.
従つて、ダイアフラム部の厚さはサフアイア基
板９の上に成長させた単結晶シリコン層７，１０
とその上に形成した絶縁層４の厚さの和として、
ほぼ正確に決定でき、その均一性の精度はそれら
の形成精度にほぼ等しくなり、非常に優れたもの
となる。 Therefore, the thickness of the diaphragm portion is equal to that of the single crystal silicon layers 7 and 10 grown on the sapphire substrate 9.
and the thickness of the insulating layer 4 formed thereon,
It can be determined almost accurately, and the accuracy of its uniformity is almost equal to the accuracy of their formation, which is extremely excellent.
このとき、エツチングマスク用のSiO2１１の
形成法としては、SiH4とO2の雰囲気中で300℃か
ら500℃に加熱して形成した後、800℃以上に再加
熱して、緻密化する方法がよい。また、この
SiO2はダイアフラム部の表面の絶縁層４として
同時形成すればよいが、さらに耐雰囲気性を向上
させるならば、Si3N4、Ａ2O3、Ta2O5、TaN、
シリコンオキシナイトライド（SiOxNy）アルミ
ニウムオキシナイトライド（ＡOxNy）、タン
タルオキシナイトライドなどを上から形成して、
多層構造とすることが有効である。 At this time, the method of forming SiO 2 11 for the etching mask is to form it by heating it from 300 to 500 degrees Celsius in an atmosphere of SiH 4 and O 2 , and then reheating it to 800 degrees Celsius or higher to make it dense. Good method. Also, this
SiO 2 may be formed simultaneously as the insulating layer 4 on the surface of the diaphragm part, but if the atmosphere resistance is to be further improved, Si 3 N 4 , A 2 O 3 , Ta 2 O 5 , TaN,
Forming silicon oxynitride (SiOxNy), aluminum oxynitride (AOxNy), tantalum oxynitride, etc. from above,
A multilayer structure is effective.
(5) 発明の効果
本発明は、半導体のピエゾ抵抗効果を利用した
圧力センサを形成するのに必要最小限の半導体層
だけを用い、他の部分のサフアイアなどの単結晶
絶縁体となることにより、センサ素子自体が本質
的に非常に優れた絶縁性と耐雰囲気性を得ている
ことを最大の特徴とする。このためカテーテル先
端型の血圧センサとして応用するにしても、その
実装が従来の半導体圧力センサに比べて著しく容
易となる。さらにその長期にわたる信頼性におい
てはエポキシ樹脂やシリコン樹脂により絶縁性を
獲得している場合とは比較にならない程優れてい
る。(5) Effects of the Invention The present invention uses only the minimum necessary semiconductor layer to form a pressure sensor that utilizes the piezoresistance effect of a semiconductor, and the other parts are made of a single crystal insulator such as sapphire. The most important feature is that the sensor element itself has essentially excellent insulation and atmospheric resistance. Therefore, even if it is applied as a catheter tip type blood pressure sensor, it is significantly easier to implement than a conventional semiconductor pressure sensor. Furthermore, its long-term reliability is incomparably superior to cases where insulation is obtained using epoxy resin or silicone resin.
またシリコンダイアフラムを均一性よく形成す
るに特別の工夫を施さなくてもよく、本質的な構
造をそのまま利用しているため、その均一性の高
さ、工程の簡便さは非常に優れたものとなつてい
る。このことはセンサ素子に耐雰囲気性を得るた
めにシリコンウエフアを３次元的に加工する必要
があつたことと加えて、従来技術によつて、本発
明と同程度の耐雰囲気性、感圧ダイアフラムの均
一性を有する半導体圧力センサを製造に必要であ
つた複雑な工程とは比較にならない程、容易に本
発明のセンサが製造されることを意味している。
即ち、歩留は飛躍的に向上する。 In addition, there is no need to make any special efforts to form a silicon diaphragm with good uniformity, and the essential structure is used as is, so its high uniformity and process simplicity are extremely excellent. It's summery. In addition to the necessity of three-dimensionally processing the silicon wafer in order to provide the sensor element with atmospheric resistance, this also means that the conventional technology has the same level of atmospheric resistance and pressure sensitivity as the present invention. This means that the sensor of the present invention is easier to manufacture than the complicated steps required to manufacture a semiconductor pressure sensor with uniform diaphragm.
In other words, the yield is dramatically improved.
さらにエツチングが不必要なので、エツチング
により、けずられていた領域が利用できるので同
一面積のウエフアから製造できるセンサ素子の個
数は著しく増加する。 Furthermore, since no etching is required, the area that would otherwise have been etched can be utilized, thereby significantly increasing the number of sensor elements that can be manufactured from a wafer of the same area.
第１図は、シリコンダイアフラム型圧力センサ
の基本構成図、第２図、第３図は、従来技術によ
る耐雰囲気性を向上させた半導体圧力センサの構
成図、第４図は、本発明の実施例たる耐雰囲気性
とダイアフラムの均一性を向上させた半導体圧力
センサの構成図である。
１……半導体基板（ｎ型シリコン）、２……ダ
イアフラム部、３……拡散ピエゾ抵抗部（p-
型）、４……絶縁膜（ex.SiO2とSi3N4の多層構
造）、５……Ａ配線層、６……拡散リード部
（p+型）、７……ｎ型シリコン単結晶層、８……
p+型拡散領域、９……絶縁体基板（サフアイ
ア）、１０……ｎ型シリコンエピタキシヤル成長
層、１１……絶縁膜（ex.SiO2）。
FIG. 1 is a basic configuration diagram of a silicon diaphragm pressure sensor, FIGS. 2 and 3 are configuration diagrams of a semiconductor pressure sensor with improved atmospheric resistance according to the prior art, and FIG. 4 is a diagram of the implementation of the present invention. 1 is a configuration diagram of an example semiconductor pressure sensor with improved atmosphere resistance and diaphragm uniformity; FIG. 1... Semiconductor substrate (n-type silicon), 2... Diaphragm part, 3... Diffused piezoresistive part (p -
type), 4... Insulating film (ex. multilayer structure of SiO 2 and Si 3 N 4 ), 5... A wiring layer, 6... Diffusion lead part (p + type), 7... N-type silicon single crystal Layer 8...
p + type diffusion region, 9... insulator substrate (saphire), 10... n-type silicon epitaxial growth layer, 11... insulating film (ex.SiO 2 ).
Claims (1)
圧部とするダイアフラム型半導体圧力センサにお
いて、上記シリコン単結晶薄膜がサフアイア単結
晶のみからなる基板の上にエピタキシヤル成長法
により形成され、かつ上記感圧部に対応する上記
サフアイヤ単結晶基板部分のみが選択エツチング
によりエツチング除去されていることを特徴とす
る半導体圧力センサ。 ２ サフアイヤ単結晶のみからなる基板の上にシ
リコン単結晶薄膜をエピタキシヤル成長させる工
程と、このシリコン単結晶薄膜に拡散抵抗部を形
成させる工程と、この拡散抵抗部に対応する上記
サフアイヤ単結晶基板の部分のみを上記シリコン
単結晶薄膜をエツチング停止層とする選択エツチ
ングにより除去してダイアフラム構造を形成させ
る工程を備えることを特徴とする半導体圧力セン
サの製造方法。 ３ 上記エツチングのエツチング液として熱リン
酸を用い、かつエツチング用マスクとしてSiO2
を用いることを特徴とする特許請求の範囲第２項
記載の半導体圧力センサの製造方法。[Scope of Claims] 1. A diaphragm type semiconductor pressure sensor in which the pressure sensing portion is a diffused resistor formed in a silicon single crystal thin film, in which the silicon single crystal thin film is grown on a substrate made only of sapphire single crystal by an epitaxial growth method. A semiconductor pressure sensor characterized in that only a portion of the sapphire single crystal substrate formed and corresponding to the pressure sensing portion is etched away by selective etching. 2. A step of epitaxially growing a silicon single crystal thin film on a substrate consisting only of a sapphire single crystal, a step of forming a diffused resistance part on this silicon single crystal thin film, and a step of forming the above-mentioned sapphire single crystal substrate corresponding to this diffused resistance part. A method for manufacturing a semiconductor pressure sensor, comprising the step of forming a diaphragm structure by selectively etching only the silicon single crystal thin film as an etching stop layer. 3 Hot phosphoric acid was used as the etching solution for the above etching, and SiO 2 was used as the etching mask.
A method of manufacturing a semiconductor pressure sensor according to claim 2, characterized in that the method uses:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20633483A JPS6097676A (en) | 1983-11-01 | 1983-11-01 | Semiconductor pressure sensor and manufacture thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20633483A JPS6097676A (en) | 1983-11-01 | 1983-11-01 | Semiconductor pressure sensor and manufacture thereof |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6097676A JPS6097676A (en) | 1985-05-31 |
| JPH0510830B2 true JPH0510830B2 (en) | 1993-02-10 |
Family
ID=16521576
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20633483A Granted JPS6097676A (en) | 1983-11-01 | 1983-11-01 | Semiconductor pressure sensor and manufacture thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| JP (1) | JPS6097676A (en) |
Families Citing this family (5)
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Citations (3)
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| JPS58206335A (en) * | 1982-05-18 | 1983-12-01 | ガ−バ−・サイエンテイフイツク・プロダクツ・インコ−ポレ−テツド | Vacuum workpiece holder |
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-
1983
- 1983-11-01 JP JP20633483A patent/JPS6097676A/en active Granted
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6097676A (en) | 1985-05-31 |
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