JPH0694557A

JPH0694557A - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JPH0694557A
Application number: JP24287292A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Hashimoto; 廣和橋本; Hitoshi Nishimura; 仁西村
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1992-09-11
Filing date: 1992-09-11
Publication date: 1994-04-05

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体圧力センサの半導体チップを小型化し
ても、有効なダイアフラム領域の面積の減少を最小限に
できるため、半導体圧力センサをより小型かつ高感度と
し得る。【構成】半導体チップ２８は、ｐ型半導体からなる第
一の半導体層３０とｎ型半導体からなる第二の半導体層
３２が、接合面３４を介して接合され、第一の半導体層
３０に、前記接合面３４の反対面３６側から前記接合面
３４と同一平面３４ａの近傍に亙って穴３８が形成さ
れ、前記第一の半導体層３０と第二の半導体層３２との
間に、前記接合面３４と同一平面３４ａを含んで広がる
空間４０が、前記穴３８に連通して形成されたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体圧力センサに係
り、例えば、自動車、家庭電化製品、工業計測機器等に
広範囲に使用されている半導体圧力センサの小型化に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路の製作に用いられ
る半導体微細加工技術を生かして、物理的な動きをする
超小型の機械（マイクロマシン）を製作する、マイクロ
マシニングと呼ばれる技術が脚光を浴びており、このマ
イクロマシニングを生かして半導体圧力センサ等の半導
体センサの開発が進んでいる。半導体圧力センサは、自
動車、家庭電化製品、工業計測機器等に広範囲に使用さ
れている。

【０００３】半導体圧力センサには、ピエゾ抵抗効果型
のものがある。図５は、従来のピエゾ抵抗効果型の半導
体圧力センサの半導体チップ１０の構造を示すものであ
る。図５の（ａ）はその縦断面構造、図５の（ｂ）はそ
の平面構造である。

【０００４】図５の半導体チップ１０は、シリコンＳｉ
からなり、略平板状の形状を有する。以下においては、
半導体チップ１０の上方を向いている面を上面１０ａと
し、下方を向いている面を下面１０ｂとする。前記半導
体チップ１０は、その中央部に下面１０ｂ側から上面１
０ａの裏面に向かって円錐台形状に穴１２が穿設され、
該穴１２の周囲が台座１４とされている。この場合、前
記穴１２の深部１６（前記上面１０ａの裏面に最も近い
所に相当する）と上面１０ａとの間でダイアフラム部１
８が形成されている。このダイアフラム部１８の上面１
０ａ側には、拡散層に歪み検出用のゲージ抵抗２０が形
成されている。なお、穴１２のテーパー状の内側面をテ
ーパー部２２という。このテーパー部２２の上側の部分
とダイアフラム部１８が歪んで圧力を検出しており、こ
れら歪みの生じるのが有効なダイアフラム領域である。

【０００５】図５の半導体圧力センサで圧力を検出する
際には、該センサに圧力を導入する。この圧力により、
ダイアフラム部１８（ダイアフラム領域全体にも）に歪
みが生じ、この歪みで前記ゲージ抵抗２０の抵抗値が変
化し、この抵抗値変化から圧力を検出している。

【０００６】上記の構造の半導体圧力センサにおいて、
図５の（ａ）に示すように、ダイアフラム部１８の径を
ｗとし、ダイアフラム部１８の厚さをｈとすれば、該半
導体圧力センサの感度Ｓは、これら径ｗと厚さｈに対し
て次式（１）の関係を有する。Ｓ∝（ｗ／ｈ）² ・・・（１）即ち、感度Ｓは、径ｗと厚さｈの比（ｗ／ｈ）の２乗に
比例する。したがって、感度Ｓを向上させるためには、
（ａ）ダイアフラム部１８の厚さｈは、できるだけ薄
く、（ｂ）ダイヤフラム部１８の面積（∝ｗ²）は、で
きるだけ大きくする必要がある。

【０００７】今日、圧力センサへの小型化の要請は強
く、例えば腕時計にまで圧力センサ（気圧、水圧等の検
出用）を備えたものがある。この要請に応えるべく、前
記の半導体圧力センサを小型化するためには、半導体チ
ップ１０を小型化する必要がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ここで、半導体チップ
１０を小型化すると、テーパー部２２がダイアフラム領
域に占める割合が増加し、その分、有効なダイアフラム
領域の面積が減少する。そのため、従来は、半導体チッ
プ１０を小型化するに際して、以前のチップと同様の感
度を得るために、前記（１）式により、ダイアフラム部
１８の厚さｈをできるだけ薄くする必要があった。

【０００９】しかしながら、一般のエッチング等による
半導体の薄膜化技術により、ダイアフラム部１８の膜厚
をμｍオーダーで制御することは、困難な面が多く、コ
ストが上昇する要因となるという問題点がある。また、
テーパー部２２の領域は、ウェーハの厚さを薄くするこ
とにより減らすことができると考えられるが、ウェーハ
の厚さを薄くすることは、各熱処理工程でのウェーハの
変形を防ぐために限界があり、事実上困難であるという
問題点がある。

【００１０】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、半導体チップを小型化しても
ダイアフラム領域の有効な面積の減少を最小限にできる
ようにして、より小型かつ高感度とし得る半導体圧力セ
ンサを提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体の一部
にダイアフラムが形成されていて、このダイアフラムの
歪みにより圧力を検出する半導体圧力センサにおいて、
第一の半導体層と第二の半導体層が接合面を介して接合
され、前記第一の半導体層に、前記接合面の反対面側か
ら前記接合面と略同一平面の近傍に亙って穴が形成さ
れ、前記第一の半導体層と第二の半導体層との間に、前
記接合面と略同一平面を含んで広がる空間が前記穴に連
通して形成されているものとして、前記課題を解決する
ものである。

【００１２】

【作用】本発明においては、例えば図１に示すように、
第一の半導体層３０（図１では下側）と第二の半導体層
３２（図１では上側）を接合面３４を介して接合し、第
一の半導体層３０に、前記接合面３４の反対面３６側か
ら前記接合面３４と略同一平面３４ａの近傍に亙って穴
３８を形成し、前記第一の半導体層３０と第二の半導体
層３２との間に、前記接合面３４と略同一平面３４ａを
含んで広がる空間４０を前記穴３８に連通して形成した
ものである。

【００１３】従来の半導体チップにおいては、穴の深部
のみによりダイアフラム部を構成しているため、小型化
しようとするとテーパー部に影響されて、有効なダイア
フラム領域が減少していた。これに比較して、本発明
は、接合面と略同一平面を含んで広がる空間を形成する
ことにより、ダイアフラム領域を所望に合わせて広くし
得る。即ち、例えば前記図５に示した従来の半導体圧力
センサであれば、穴の深部の径が有効ダイアフラム領域
の径にほぼ相当し、図１に示すように、有効ダイアフラ
ム領域は、径がほぼＤ₁になる。これに比較して、本発
明では、前記空間４０の径が有効ダイアフラム領域の径
に相当し、有効ダイアフラム領域は、径がほぼＤ₂にな
る。径Ｄ₂は、径Ｄ₁より大幅に大きくできるため、空間
４０上のダイアフラム部４２を大幅に広くすることがで
きる。ダイヤフラム部４２は、例えば面積比で４〜５倍
にして、感度を数倍に上げることができる。

【００１４】したがって、半導体圧力センサの半導体チ
ップを小型化しても、有効なダイアフラム領域の面積の
減少を最小限にできるため、半導体圧力センサをより小
型かつ高感度とし得る。

【００１５】

【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。図１は、本発明の第一実施例に係る半導体圧
力センサの半導体チップ２８の構成を示すものである。
なお、図１の（ａ）は、該半導体チップ２８の縦断面構
成を示し、図１の（ｂ）は、該半導体チップ２８の平面
構成を示す。

【００１６】図１に示されるように、第一実施例の半導
体チップ２８は、ｐ型半導体からなる第一の半導体層３
０とｎ型半導体からなる第二の半導体層３２が、接合面
３４を介して接合され、第一の半導体層３０に、前記接
合面３４の反対面３６側から前記接合面３４と同一平面
３４ａの近傍に亙って穴３８が形成され、前記第一の半
導体層３０と第二の半導体層３２との間に、前記接合面
３４と同一平面３４ａを含んで広がる空間４０が、前記
穴３８に連通して形成されたものである。なお、前記接
合面と反対面３６側には、穴３８を形成する際に用いら
れるエッチングマスク４４が設けられている。また、第
二の半導体層３２の上部には、ゲージ抵抗２０が形成さ
れている。

【００１７】前記半導体チップは、次のように製造す
る。まず、図２（ａ）に示すような断面構造のウェーハ
（チップ単位で示している）を構成する。このウェーハ
は、第一の半導体層３０がｐ型半導体で、第二の半導体
層３２がｎ型半導体であり、さらに前記空間４０となる
部分にｐ＋拡散層４６が形成されている。なお、穴３８
を形成するパターンがエッチングマスク４４に構成され
ている。

【００１８】前記のウェーハは、種々の方法で作製する
ことができる。作製方法の一例としては、次のものがあ
る。すなわち、図２の（ｂ）に示すように、ｐ型半導体
基板３０ａの上部にイオン打ち込み等により、ｐ＋拡散
層４６ａを形成し、次いで、図２の（ｃ）に示すよう
に、その基板３０ａの上部にｐ＋拡散層４６ｂを埋め込
み拡散させ、ｎ型半導体３２ａをエピタキシャル成長さ
せる。このｐ型半導体基板３０ａが前記第一の半導体層
３０になり、ｎ型半導体３２ａが前記第二の半導体層３
２になる。また、各ｐ＋拡散層４６ａ、４６ｂが前記ｐ
＋拡散層４６になる。なお、第二の半導体層３２は、そ
の上部にピエゾ抵抗からなるゲージ抵抗２０を、拡散も
しくはイオンインプラント（イオン打ち込み）等により
形成しておくことはもちろんである。

【００１９】前記半導体チップ２８は、上記のように構
成されたウェーハに対して種々のエッチングが施されて
製造される。図３（ａ）〜（ｃ）は、製造途中の各段階
のウェーハの断面形状を示す。図２の（ａ）に示したウ
ェーハに対して、裏面（図において下側）から、異方性
のエッチング液、例えばＫＯＨ（水酸化カリウム）液、
ＥＰＷ（エチレンジアミン・ピロカテコール・水）液等
を用いたウェットエッチングを行う。該エッチングによ
り図３の（ａ）に示すように、穴３８に相当する半導体
シリコンが除去される。なお、この際のエッチングに
は、周知のエレクトロケミカルエッチストップ法を用い
る。

【００２０】図３の（ａ）からさらにエッチングが進む
と、エッチストップ法を用いているため、図３の（ｂ）
に示すように、ｐ＋拡散層４６の上面でエッチングは停
止する。この際エッチングされた第一の半導体層３０の
内側面のテーパー面４７は、（１１１）面である。次い
で、図３の（ｂ）のウェーハに対して、等方性のエッチ
ング液例えばＨＦ・ＨＮＯ₃系液によりさらにエッチン
グを続けるとｐ＋拡散層４６の領域だけがエッチングさ
れて、図３の（ｃ）に示すよう形状が得られる。このエ
ッチングされたｐ＋拡散層４６であった領域は、空間４
０になる。

【００２１】以上のように、ウェーハは、上記の種々の
手順のエッチングが施されて、図３の（ｃ）の形状な
る。このウェーハをダイシングすることにより、図１に
示した半導体チップ２８が構成される。即ち、例えば前
記図５に示した従来の半導体圧力センサの半導体チップ
であれば、穴１２の深部の径が有効ダイアフラム領域の
径にほぼ相当し、図３に示すように、有効ダイアフラム
領域は、異方性エッチングによりエッチストップした際
の径Ｄ₁になる。これに比較して、前記半導体チップ２
８では、前記空間４０の径Ｄ₂がほぼ有効ダイアフラム
領域の径になり、径Ｄ₂は、径Ｄ₁より大幅に大きくでき
るため、有効ダイアフラム領域を大幅に拡大する（例え
ば面積比で４〜５倍）ことができる。したがって、ダイ
アフラム部４２が比較的厚い状態で高感度を得ることが
できる。

【００２２】なお、前記ウェーハは、ｐ＋拡散層４６が
エッチングされた後において、第二の半導体層３２の裏
面側（下側）のｎ型半導体が露出することになるが、露
出部分はエッチングの際に印加された電圧のためエッチ
ングされず厚さが一定なダイアフラム部４２を得ること
ができる。

【００２３】したがって、この半導体チップ２８は、ダ
イアフラム部４２を従来に比較して拡大できるのみなら
ず、ダイアフラム部４２の厚さを一定とし得るため、所
望の性能を有する、小型かつ高感度の半導体圧力センサ
を構成することができる。

【００２４】本発明は、図１に示したような、前記第一
実施例の半導体チップ２８の構成に限定されず、他の構
成を取り得る。例えば、本発明の第二実施例として、ウ
ェーハは、図４に示すような、第一の半導体層５０、第
二の半導体層５２を双方ｎ型半導体として、空間４０に
相当する部分にｐ＋（ｐ）拡散層４８を形成したものと
して、このウェーハから半導体チップを構成することが
できる。

【００２５】第二実施例の半導体チップを構成する際に
は、前記図４の（ａ）に示すウェーハに対して、まず、
第一の半導体層５０のエッチングをｐ＋（ｐ）拡散層４
８が露出するまで行う。この際は、エレクトロケミカル
エッチングではなく、通常のＫＯＨ液、ＥＰＷ液等を用
いた異方性エッチングを行う。この際、エッチングの深
さは、正確に制御する必要はなく、図４の（ｂ）に示す
ように、ｐ＋（ｐ）拡散層４８に到達していれば問題が
なく、このｐ＋（ｐ）拡散層４８に出た瞬間に止める必
要はない。図４の（ｂ）の段階からは、エッチング液を
等方性のエッチング液（ＨＦ・ＨＮＯ₃系液等）に変え
て、エッチングを行う。これにより、前記ｐ＋（ｐ）拡
散層４８のみエッチングされて、最終的に、図１に示し
たものと同様の外観構成の半導体チップになる。また、
本発明にかかる半導体チップを構成するに際して、穴の
形状は図１乃至図４に示した形状（円錐の一部の側面形
状）に限定されず、空間に亙る穴であればいずれの形状
でもよい。また、同様に、空間も第一の半導体層と第二
の半導体層の接合面と略同一平面を含むものであれば、
いずれの形状でもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、半
導体圧力センサの半導体チップを小型化しても、有効な
ダイアフラム領域の面積の減少を最小限にできるため、
半導体圧力センサをより小型かつ高感度とし得るという
優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の半導体圧力センサの第一実施
例に係る半導体チップの説明図であり、（ａ）は縦断面
図、（ｂ）は平面図である。

【図２】図２は、図１の半導体チップのウェーハ製作を
説明する図であり、（ａ）〜（ｃ）は各途中構成の説明
図である。

【図３】図３は、図１の半導体チップの製作手順を説明
する図であり、（ａ）〜（ｃ）は各途中構成の説明図で
ある。

【図４】図４は、本発明の半導体圧力センサの第二実施
例に係る半導体チップの説明図であり、（ａ）、（ｂ）
各途中構成の説明図である。

【図５】図５、従来の半導体圧力センサの半導体チップ
の構成説明図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は平面
図である。

【符号の説明】

２０抵抗ゲージ２８半導体チップ３０ｐ型半導体からなる第一の半導体層３２ｎ型半導体からなる第二の半導体層３４接合面３４ａ接合面と同一平面３６エッチングマスク３８穴４０空間４２ダイアフラム部５０ｎ型半導体からなる第一の半導体層５２ｎ型半導体からなる第二の半導体層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体の一部にダイアフラムが形成され
ていて、このダイアフラムの歪みにより圧力を検出する
半導体圧力センサにおいて、第一の半導体層と第二の半導体層が接合面を介して接合
され、前記第一の半導体層に、前記接合面の反対面側から前記
接合面と略同一平面の近傍に亙って穴が形成され、前記第一の半導体層と第二の半導体層との間に、前記接
合面と略同一平面を含んで広がる空間が前記穴に連通し
て形成されていることを特徴とする半導体圧力センサ。