JPH06341913A

JPH06341913A - 集積化半導体圧力センサ

Info

Publication number: JPH06341913A
Application number: JP13046093A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Hashimoto; 廣和橋本
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1993-06-01
Filing date: 1993-06-01
Publication date: 1994-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】導電性の圧力媒体の圧力検出が可能であり、
かつ、チップの寸法を大きくすることなく圧力の検出感
度を高くできる。【構成】半導体基板は第１の導電型半導体の基板上に
第２の導電型半導体の層をエピタキシャル成長させて構
成したものであり、該半導体基板の一方面側の一部を凹
ませてダイアフラム２４が構成され、かつ、該ダイアフ
ラムの他方面側にゲージ抵抗２５が設けられた半導体圧
力センサ部分２０と、その他の素子部分２６が同一の半
導体基板上２１に構成された集積化半導体圧力センサに
おいて、前記ダイアフラム２４は、その内部に前記第１
の導電型半導体基板２２と第２の導電型半導体層２３の
間に埋め込み層２７が位置し、前記一方面側に前記埋め
込み層２７に到達しない深さまでの第１の凹み２８が形
成され、かつ、前記他方面側のゲージ抵抗２５を除く部
分に第２の凹み２９が形成されている

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、同一基板上に、埋め込
み層を有する半導体圧力センサとその他の素子が構成さ
れた集積化半導体圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ダイアフラム型の半導体圧力セ
ンサには、例えば図８に示すような、単一の半導体基板
（ｎ型のシリコン）１に構成されたダイアフラム１ａの
上部にｐ⁺型拡散層からなるゲージ抵抗２が形成され、
さらにその上にアルミニウムＡｌ配線３用のコンタクト
ホールを明けた状態でＳｉＯ₂膜４の絶縁膜が形成され
た、単独に構成されているものがある。

【０００３】また、その種のものの他に、例えば図９に
示すような、半導体圧力センサの構成部分６とその他の
電子素子構成部分７とを同一基板上８に構成して集積度
を上げるようにした集積化半導体圧力センサ（ワンチッ
プ集積化半導体圧力センサとも称する）がある。すなわ
ち、この集積化半導体圧力センサおいては、ｐ型半導体
基板８上に半導体圧力センサの構成部分６とその他の電
子素子構成部分７にはいずれもｎ⁺拡散層からなる埋め
込み層９が形成されている。また、半導体圧力センサの
構成部分６においては、ダイアフラム６ａがゲージ抵抗
１０反対側面（裏面）からある深さまで基板８が除去さ
れて構成されていて、埋め込み層９の上部にエピタキシ
ャル成長等によるｎ型半導体層１１、さらにｎ型半導体
層１１上部にｐ⁺拡散層からなるゲージ抵抗１０が形成
されている。

【０００４】したがって、半導体圧力センサの構成部分
６は埋め込み層９以外の構成はほぼ前記図８の単独に構
成された半導体圧力センサと同様である。なお、図９の
例では、電子素子構成部分７は、ｎ型半導体層にｐ層、
ｐ⁺層、ｎ⁺層を拡散させてバイポーラＩＣ７ａと薄膜抵
抗素子７ｂを構成しており、また、基板８上には、Ｓｉ
Ｏ₂膜１３、アルミニウム配線層１５、ＳｉＯ₂のパッシ
ベーション層１６が成膜されている。

【０００５】従来、この半導体圧力センサの構成部分６
の圧力に対する感度を上げるために、それのダイアフラ
ム６ａの平面的な寸法（例えば径）を大きくすること、
あるいは、ダイアフラム６ａの厚さを薄くすることが行
われている。この場合、ゲージ抵抗１０の拡散深さを
０．５〜２μｍとすると５μｍ程度の厚さにダイアフラ
ム６ａを構成することが可能である。一方、ダイアフラ
ム６ａの寸法を大きくすることは、コストアップを招く
ため望ましくない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記集積化
半導体圧力センサにおいて、ダイアフラム６ａの厚さを
薄くしようとすると、図１０に詳細に示すように、前記
埋め込み層９を図１０中の破線ａに示す範囲までも、す
なわち、エピタキシャル成長されたｎ型半導体層１１に
までエッチングを行うことになる。

【０００７】このようにした場合、ｎ型半導体層１１は
露出することになる。この半導体層１１はゲージ抵抗１
０に接続される電源電圧の電位をもつため、この半導体
圧力センサの構成部分６に導電性の圧力媒体を導入して
（当然、圧力媒体は図１０においてダイアフラム６ａの
下面から印加される）圧力測定することが可能ではなく
なる。

【０００８】つまり、従来の集積化半導体圧力センサで
は、図１０に示すように、エピタキシャル層のｎ型半導
体層１１に埋め込み層９の拡散深さを足した寸法（Ａ）
よりダイアフラム６ａ厚さを薄くすることはできないこ
とになる。エピタキシャル層を１０μｍ、埋め込み層を
５μｍとすると、前記寸法（Ａ）は１５μｍとなり、こ
の状態では圧力センサの構成部分６の感度を上げようと
するとダイアフラムの寸法を大きくすることになり、コ
ストのアップを招くという問題点が生じる。

【０００９】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたものであって、その目的は、導電性の圧力媒
体の圧力検出が可能であり、かつ、チップの寸法を大き
くすることなく圧力の検出感度を高くできる集積化半導
体圧力センサを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するため、次の構成を有する。すなわち、本発明は、半
導体基板は第１の導電型半導体の基板上に第２の導電型
半導体の層を積層（例えばエピタキシャル成長）させて
構成したものであり、該半導体基板の一方面側の一部を
凹ませてダイアフラムが構成され、かつ、該ダイアフラ
ムの他方面側にゲージ抵抗が設けられた半導体圧力セン
サ部分と、その他の素子部分とが同一の半導体基板上に
構成された集積化半導体圧力センサにおいて、前記ダイ
アフラムは、その内部に前記第１の導電型半導体基板と
第２の導電型半導体層の間に埋め込み層が位置し、前記
一方面側に前記埋め込み層に到達しない深さまでの第１
の凹みが形成され、かつ、前記他方面側のゲージ抵抗を
除く部分に第２の凹みが形成されていることを特徴とす
る集積化半導体圧力センサである。

【００１１】

【作用】本発明においては、半導体基板のダイアフラム
は、例えば図３に示すようにその内部に第１の導電型半
導体（図ではｐ型シリコン）基板２２と埋め込み層２７
を有し、前記一方面側に前記埋め込み層２７に到達しな
い深さまでの第１の凹み２８が形成されているので、こ
の埋め込み層２７はダイアフラム２４の前記一方面側に
露出しない。したがって、導電性の媒体を圧力センサ部
分２０に導入してダイアフラム２４に接しさせても、埋
め込み層２７さらには第２の導電型（図ではｎ型シリコ
ン）の半導体層２３が圧力媒体と接しないため、そのよ
うな導電性の媒体の圧力検出が可能になる。

【００１２】また、前記半導体基板の他方面側には、前
記ゲージ抵抗を除く部分に第２の凹み２９形成されてい
る。この第２の凹み２９により、前記一方面側の第１の
凹み２８が前記埋め込み層２７に到達しないという制限
がされていても、ダイアフラムの等価的な厚さを減少さ
せ、圧力に対する感度を上げることが可能となる。さら
に、他方面側の第２の凹み２９深さを種々に選ぶことに
より、ゲージの配置されている部分の厚みを考えること
なく所望の検出感度の半導体圧力センサ部分２０を構成
できる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。実施例に係る集積化半導体圧力センサは、
全体的には、図１に示す断面のように構成される。ま
た、図２〜図４は実施例に係る集積化半導体圧力センサ
の半導体圧力センサの部分２０の説明図である。また、
図５〜図７の（ａ）〜（ｊ）はこの集積化半導体圧力セ
ンサの製造工程を詳細に示す説明図である。

【００１４】図１に示すように、この実施例の集積化半
導体圧力センサは、半導体基板２１がｐ型半導体のシリ
コン基板２２上にｎ型半導体の層２３をエピタキシャル
成長させて構成したものであり、該半導体基板２１の一
方面側（図の下方面側）の一部を凹ませてダイアフラム
２４が構成され、該ダイアフラム２４の他方面側（図の
上方面側）にゲージ抵抗２５が設けられた半導体圧力セ
ンサ部分２０と、その他の素子部分２６が同一半導体基
板２１上に構成されたものであって、前記ダイアフラム
２４は、その内部に前記ｐ型半導体シリコン基板２２と
ｎ型半導体シリコン層２３の間に埋め込み層２７が位置
し、前記一方面側に前記埋め込み層２７に到達しない深
さまでの第１の凹み２８が形成され、かつ、前記他方面
側のゲージ抵抗を除く部分に第２の凹み２９が形成され
ている。

【００１５】前記半導体圧力センサ部分の概略断面構成
は図２（ａ）、平面構成は図２の（ｂ）に示すようにな
る。この断面構成は図１の（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面
図である。また、図３は該センサ部分の詳細構成図、図
４はゲージ抵抗２５周囲のさらなる詳細構成図である。

【００１６】図１，図３，図４に示すように、前記埋め
込み層２７はｐ型半導体のシリコン基板２２とｎ型半導
体層２３との境界面に沿うように拡がって構成され、か
つ、ｎ⁺の拡散層とされている。

【００１７】また、前記ｎ型の半導体層２３には、第２
の凹み２９の周囲に隣接してｐ⁺の拡散層が形成されて
いる。また、前記第２の凹み２９は、特に、図２の
（ｂ）に斜線で示すように、半導体圧力センサ部分２０
のほぼ中央部にほぼ直線的な梁３０を残して左右に分か
れて形成されている。

【００１８】ここで、梁３０は、好ましくは、半導体基
板２１のウェハが結晶方位（１１０）の場合に＜１１０
＞方向に沿って形成する。この場合、ゲージ抵抗２５も
＜１１０＞方向に沿って形成する。なお、＜１００＞方
位のウェハでも同様の効果を得ることが可能である。

【００１９】また、前記ゲージ抵抗２５は、図２の
（ｂ）に示すように、前記梁３０の長手方向両端部に各
１つ（２５ａ）と中央部に平行に２つ（２５ｂ）設けら
れており、各ゲージ抵抗２５は該梁３０の長手方向に沿
ってある程度長く構成されている。また、図３に示すよ
うに、ゲージ抵抗２５は、ｎ型半導体層２３の梁３０の
表面部にｐ⁺拡散層として構成されており、アルミニウ
ムからなる配線層３１が接続されている。

【００２０】前記ｎ型半導体層２３の表層にはＳｉＯか
らなる酸化膜３２とさらにその表層にＳｉＯからなるパ
ッシベーション３３とが形成されている。また、前記そ
の他の素子部分２６には、ｐ⁺拡散層３４、ｐ型拡散層
３５、エミッタ用のｎ⁺拡散層３６、Ｎｉ／Ｃｒ膜から
なる薄膜抵抗層３７が形成されており、例えばバイポー
ラＩＣ（集積回路）２６ａや薄膜抵抗２６ｂが構成され
る。

【００２１】本実施例の半導体圧力センサ部分２０は、
所望のダイアフラム２４の厚さを得て所望の圧力感度が
得られるほか、前記のような梁３０にゲージ抵抗２５を
設けるため、単に平面的にダイアフラム表面にゲージ抵
抗を設けた場合に比較して、ゲージ抵抗に加わる応力を
大きくすることができ、これにより、圧力感度が上昇す
る。また、梁３０の大きさ、第２の凹み２９の広さ及び
深さは所望する検出感度に応じて適宜に選択することが
できる。好ましくは、できるだけこの第２の凹み２９の
深さは深くし、かつ、梁３０の幅は狭くする。これによ
り、最良の検出感度が得られる。

【００２２】また、前記圧力センサ部分２０は、図２の
（ｂ）に斜線で示す部分でウェハ表面をエッチングし前
記第２の凹み２９を構成するが、この際には、エッチン
グ部分の厚さ方向は、埋め込み拡散層２７からほぼエピ
タキシャル成長したｎ型半導体層２３の厚さの分だけの
距離であるため、厚さ方向にエッチングすることが十分
に可能である。例えば、前記ダイヤフラム２４周辺を詳
細に示す図４のように、梁３０のある部分（ゲージ抵抗
２５の部分）のダイアフラム２４の厚さを２０μｍと
し、埋め込み層２７のｎ型半導体層２３への拡散を３μ
ｍ程度とし、ｎ型半導体層２３の厚さを１０μｍ程度と
すれば、該半導体層２３は上方から６μｍ程度の距離を
エッチングすることが可能である。

【００２３】次に上記の集積化半導体圧力センサの製造
工程の一例を図５から図７の（ａ）〜（ｊ）にしたがっ
て説明する。なお、以下の工程において、拡散・成膜パ
ターニングは周知の手法を用いるため、その詳細は略す
る。まず、出発のウェハ（ｐ型半導体基板に相当）２２
は、図５の（ａ）に示すように、（１１０）方位のｐ型
のシリコンウェハである。次いで、図５の（ｂ）に示す
ように、前記ウェハ２２にｎ型の不純物の例えばアンチ
モンＳｂを拡散させて埋め込み層２７ａを形成する。

【００２４】次いで、図５の（ｃ）に示すように、ｎ型
のエピタキシャル層（ｎ型半導体層）２３を成長させ
る。このエピタキシャル層の成長に応じてｐ型半導体基
板２２とｎ型半導体層２３との間の埋め込み層２７が形
成される。次いで、図５の（ｄ）に示すように、前記ｎ
型半導体層２３の表面にＳｉＯ₂の酸化膜３２を成膜
し、この酸化膜３２をパターニングしアイソレーション
のためのｐ⁺拡散層３４を形成する。

【００２５】次いで、図６の（ｅ）、（ｆ）に示すよう
に、酸化膜３２を成膜・パターニングしてその他の素子
部分２６のＩＣについて、拡散を行ってベース用のｐ型
拡散層３５を形成し、その後、エミッタ用のｎ⁺拡散層
３６を形成する。次いで、図６の（ｇ）に示すように、
酸化膜３２を成膜・パターニングして半導体圧力センサ
の部分２０に、拡散によりゲージ抵抗２５のためのｐ⁺
拡散層を形成する。

【００２６】次いで、図７の（ｈ）に示すように、例え
ばＮｉ／Ｃｒからなる薄膜抵抗層３７を成膜する。次い
で、図７の（ｉ）に示すように、コンタクトホールをパ
ターニングし、これを介して電極等のアルミニウムから
なる配線層３１を形成し、その後、配線層３１及びＳｉ
Ｏ₂酸化膜３２上にＳｉＯ₂からなるパッシベーション層
３３を成膜する。

【００２７】次いで、図７の（ｊ）に示すように、エッ
チングにより圧力センサ部２０に下面方向から第１の凹
み２８を形成し、また、上面方向から第２の凹み２９を
形成する。この場合、各凹み２８、２９のいずれを先に
するかあるいは同時にするかは製造条件により適宜に選
ぶ。

【００２８】以上のようにして、実施例の半導体圧力セ
ンサ部分２０とその他の素子部分２６を有する集積化半
導体圧力センサを製造できる。なお、前記の製造工程は
一例であり、本発明の構成の集積化半導体圧力センサで
あれば、他の種々の製造手法を採用して製造することは
もちろん可能である。また、前記実施例の集積化半導体
圧力センサの構成は本発明の好適な一例であり、本発明
は他の構成を取り得る。例えば、第１の導電型半導体基
板をｎ型シリコン基板に、第２の導電型半導体層をｐ型
シリコン層とすることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、導
電性の圧力媒体の圧力検出が可能であり、かつ、チップ
の寸法を大きくすることなく圧力の検出感度を高くでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る集積化半導体圧力センサ
の全体断面図である。

【図２】（ａ）、（ｂ）は、実施例に係る集積化半導体
圧力センサの半導体圧力センサの部分の側断面図、平面
図である。

【図３】図１の半導体圧力センサの部分の詳細断面図で
ある。

【図４】図１の半導体圧力センサのゲージ抵抗周辺を示
す詳細断面図である。

【図５】（ａ）〜（ｄ）はこの集積化半導体圧力センサ
の製造工程を詳細に示す説明図である。

【図６】（ｅ）〜（ｇ）はこの集積化半導体圧力センサ
の、図５に続く製造工程を詳細に示す説明図である。

【図７】（ｈ）〜（ｊ）はこの集積化半導体圧力センサ
の、図６に続く製造工程を詳細に示す説明図である。

【図８】単独の半導体圧力センサの一般的な構成例であ
る。

【図９】集積化半導体圧力センサの従来の構成例であ
る。

【図１０】図９の半導体圧力センサ部分の詳細断面図で
ある。

【符号の説明】

２０半導体圧力センサの部分２１半導体基板２２ｐ型半導体のシリコン基板２３ｎ型半導体の層２４ダイアフラム２５ゲージ抵抗２６その他の素子部分２７埋め込み層２８第１の凹み２８２９第２の凹み２９３０梁３１配線層３２ＳｉＯ₂酸化膜３３ＳｉＯ₂パッシベーション

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板は第１の導電型半導体の基板
上に第２の導電型半導体の層を積層させて構成したもの
であり、該半導体基板の一方面側の一部を凹ませてダイ
アフラムが構成され、かつ、該ダイアフラムの他方面側
にゲージ抵抗が設けられた半導体圧力センサ部分と、そ
の他の素子部分とが同一の半導体基板上に構成された集
積化半導体圧力センサにおいて、前記ダイアフラムは、その内部に前記第１の導電型半導
体基板と第２の導電型半導体層の間に埋め込み層が位置
し、前記一方面側に前記埋め込み層に到達しない深さま
での第１の凹みが形成され、かつ、前記他方面側のゲー
ジ抵抗を除く部分に第２の凹みが形成されていることを
特徴とする集積化半導体圧力センサ。