JPH07105504B2

JPH07105504B2 - 半導体歪検出器

Info

Publication number: JPH07105504B2
Application number: JP13424586A
Authority: JP
Inventors: 剛深沢; 正人水越; 勝彦有賀; 公昭山口; 邦彦原
Original assignee: 日本電装株式会社
Priority date: 1986-06-10
Filing date: 1986-06-10
Publication date: 1995-11-13
Anticipated expiration: 2010-11-13
Also published as: JPS62291073A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は半導体歪検出器に係り、例えば高温において高
圧を測定するのに好適な半導体歪検出器に関する。

〔従来の技術〕

通常シリコン、ゲルマニウム等の半導体歪検出素子にお
いては機械的応力を加える事によってピエゾ抵抗効果に
よりその抵抗値が変化する。このような物理的現象を利
用した半導体歪検出器が従来より種々提案されている。
例えば、シリコンを用いた半導体圧力センサの場合、単
結晶シリコン基板の一部に起歪領域となる薄肉部を形成
し、その薄肉部、いわゆるダイヤフラム部の主表面内に
半導体歪ゲージを拡散層等で形成して、ダイヤフラム部
に加わる圧力により半導体歪ゲージを変形させ、ピエゾ
抵抗効果による抵抗値の変化を検出して圧力を測定して
いる。ここで、単結晶シリコン基板と半導体歪ゲージと
の電気的分離は単結晶シリコン基板内に形成されるPN接
合にて行なっている。

しかし、上記のような半導体圧力センサは高温において
使用するとPN接合部においてリーク電流が増加してしま
い、安定した測定が困難になるという問題があり、この
問題を解決する為に第２図に示すような半導体圧力セン
サが提案されている。図において、21はダイヤフラム部
21aの形成されたシリコン基板であり、22はシリコン基
板21上に形成されたシリコン酸化膜（SiO₂）等の絶縁膜
である。そして、ダイヤフラム部21aに相当する位置の
絶縁膜22上に多結晶シリコン等から成る半導体歪ゲージ
23を蒸着法等により形成する。又、シリコン基板21の厚
肉部は圧力媒体を導入するための貫通孔を有したガラス
等から成る台座24と陽極接合して固定されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、第２図に示す構造の半導体圧力センサに
よると、半導体歪ゲージ23とシリコン基板21とは絶縁膜
22によって電気的に完全に分離させるものの、圧力が加
わった際に、陽極接合部25に引張り応力が集中してしま
い、高温とくに高圧下においてはガラス製の台座24の引
張り強度が比較的小さいため陽極接合部25とりわけ、台
座24側にて破損してしまう可能性があり、強度面におい
て信頼性が低いという問題がある。

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みて創案されたも
ので、高温・高圧下においても基板と半導体歪ゲージと
の電気的に完全に分離し、しかも強度面においても信頼
性の高い半導体歪検出器を提供する事を目的としてい
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成する為に本発明の半導体歪検出器は、
薄肉の起歪領域をその一部に有する基板と、該基板の主
表面に第１の絶縁層を介して形成された多結晶シリコン
層と、該多結晶シリコン層内の前記起歪領域に相当する
部分の所定領域に不純物を導入する事によって形成され
るピエゾ抵抗層と、該ピエゾ抵抗層及び前記多結晶シリ
コン層の表面上に第２の絶縁層を介して形成される接合
用薄膜と、前記起歪領域に相当する部分を含むように形
成され基準圧室を作るべく有底孔を有し、前記接合用薄
膜と陽極接合される台座とを備えている。

〔作用〕

上記の手段によると、基板とピエゾ抵抗層とは第１の絶
縁層にて電気的に完全に分離され、又、第１の絶縁層上
に島状にピエゾ抵抗層を形成するのではなく、その上に
形成された多結晶シリコン層内に不純物のイオン注入ま
たは拡散によってピエゾ抵抗層が形成されるので表面が
平坦になり、その上に形成される接合用薄肉と台座とを
強固に陽極接合できる。又、圧力が加わった際に、陽極
接合部には主として圧縮応力が加わり、引張り応力の集
中は起こらない。

〔実施例〕

以下、本発明を図に示す実施例を用いて説明する。第１
図（ａ）は本発明を半導体圧力センサに適用した一実施
例の平面図であり、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図で
ある。図において、１は単結晶シリコン基板であり、そ
の主表面上にシリコンを熱酸化する事によって生成され
た厚さ5000Å程度のシリコン酸化膜による絶縁層２が形
成されている。尚、この絶縁層２は言うまでもなくシリ
コンを熱窒化したシリコン窒化膜（Si₃N₄）でもよく、
又、CVD法等によって形成されたもの、スパッタ法で形
成されたAl₂O₃、半絶縁性多結晶シリコン（SIPOS）等で
あってもよく、高温においても高い絶縁性を有する層で
あればよい。そして、絶縁層２上にはCVD法等により厚
さ１〜３μｍ程度の高比抵抗を有する多結晶シリコン層
３が形成される。

そして、多結晶シリコン層３内の４ケ所の所定領域に例
えばホウ素（Ｂ）等の不純物をイオン注入する事により
半導体歪ゲージとしてのＰ型導電型のピエゾ抵抗層４を
形成する。同じく多結晶シリコン層３内の所定領域にホ
ウ素等の不純物を高濃度にイオン注入し、互いのピエゾ
抵抗層４を電気的に接続し、ブリッジ回路を形成するた
めの低比抵抗を有する配線層５を形成する。さらに、配
線層５上に部分的に真空蒸着法等によりアルミニウムよ
り成る電極11を形成する。

そして、多結晶シリコン層３、ピエゾ抵抗層４及び配線
層５上の所定領域にCVD法等によりシリコン酸化膜等か
ら成る絶縁層としてパッシベーション膜６を形成する。
さらに、パッシベーション膜６上には陽極接合するため
に、CVD法等により例えば多結晶シリコンが３μｍ程度
の厚さに堆積された接合用薄膜７が形成される。尚、本
実施例においては、接合用薄膜７はコンタクトホール８
を介して単結晶シリコン基板１と電気的に接続されてい
る。又、単結晶シリコン基板１は例えば、水酸化カリウ
ム水溶液等を用いた異方性エッチングによってその厚み
を一部薄くして起歪領域、いわゆるダイヤフラム部13を
形成する。

そして、ダイヤフラム部13に相当する部分を含むように
有底孔を有した台座９を接合用薄膜７上に配置し、この
状態で接合用薄膜７と台座９との陽極接合を行い、基準
圧室10を形成する。尚、台座９の部材としては接合用薄
膜７とほぼ同じ熱膨張係数を有したものがよく、例えば
本実施例の場合においては、ほうけい酸ガラス（例えば
商品名パイレックスガラス）あるいは結晶化ガラス（商
品名デビトロン）、ムライト（3Al₂O₃・2SiO₂）等が望
ましい。又、陽極接合を基準圧力下、例えば真空状態に
て行えば基準圧室10の圧力は真空圧に保持され、被測定
媒体の絶対圧を測定することができる。又、この半導体
圧力センサを装置に組み付ける際には、その装置との間
の気密性は、例えば単結晶シリコン基板１の厚肉部の表
面1aにＯリングが接するようにして、その状態で台座９
上よりかしめて固定するといったようにして確保しても
よい。

そこで上記構成によると、ピエゾ抵抗層４及び配線層５
は絶縁層２によって単結晶シリコン基板１から電気的に
完全に絶縁されているので、高温においてもリーク電流
の影響を受ける事がない。又、従来の構造のように絶縁
層の上に蒸着法等によってピエゾ抵抗層を形成するので
はなく、絶縁層２上に形成された多結晶シリコン層３内
にピエゾ抵抗層４及び配線層５を不純物のイオン注入あ
るいは拡散により形成しているので、段差のない全く平
坦な表面が得られ、したがってパッシベーション膜６、
接合用薄膜７の形成後も平坦な表面を有することにな
り、接合用薄膜７と台座９との陽極接合を強固に行う事
ができる。また、圧力を加えた場合、圧力媒体は図中矢
印方向より加わり、陽極接合部には主として圧縮応力が
加わる。ここで台座９における強度は引張り強度よりも
圧縮強度の方が数倍以上大きいため、陽極接合部の台座
９側での破壊が非常に起こりにくくなる。そこで高温・
高圧下においても強度的に信頼性が高くなる。

次に、第３図（ａ）は本発明の他の実施例の平面図であ
り、同図（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図である。図におい
て、31、32、33、34、35は第１図における実施例と同様
な方法で形成されたそれぞれ単結晶シリコン基板31、絶
縁層32、多結晶シリコン層33、ピエゾ抵抗層34、配線層
35である。そして、パッシベーション膜36が多結晶シリ
コン層33、ピエゾ抵抗層34及び配線層35上に形成され
る。尚、パッシベーション膜36は第１図における実施例
とは違って配線層35上に形成されるアルミニウムによる
電極11の周辺にも形成されており、その外側の輪郭は多
結晶シリコン層33の輪郭と等しくなっている。そして、
パッシベーション膜36上に接合用薄膜37を形成し、さら
に、その上に基準圧室40を形成するための有底孔を有し
た、又、複数の例えば電極41の数に等しい数の貫通孔39
aを形成したガラス39を配置して、接合用薄膜37と台座3
9との陽極接合を行う。又、台座39の表面上にはAg−Pd
等よりなるボンディングパッド部42があらかじめ、印
刷、焼成してあり、このボンディングパッド部42と電極
41とはボンディングワイヤ43によりワイヤボンドされて
いる。

そこで本実施例によると、第１図における実施例と同等
な効果が得られるだけでなく、同時に多数の半導体圧力
センサを製造可能となり、製造コストを低減する事がで
きる。すなわち、第４図のウェハ状態の模式的断面図に
示すように、互いの輪郭が等しいのでウェハ状態におい
て単結晶シリコン基板31上に各層が形成されたウェハ50
と台座39のウェハ51を合わせてこの状態で陽極接合が行
なわれ、その後、図中一点鎖線に沿って切断され各々の
半導体圧力センサとする事ができる。

尚、本発明は上記の二つの実施例に限定される事なく、
その主旨を逸脱しない限り例えば以下の如く種々変形可
能である。

（１）接合用薄膜７、37は、台座９、39と陽極接合可能
な部材であればよく、それは、シリコンに限定される事
なくGe、Ni、Alといった金属又は半導体等の薄膜であれ
ばよい。

（２）ピエゾ抵抗層４、34及び配線層５、35は不純物を
イオン注入するのではなく、不純物を多結晶シリコン層
３、33の表面上にデポジットした後拡散して形成しても
よい。又、不純物としては、Al、Ga、In等であってもよ
く、Ｎ型不純物のＰ、As、Sb等であってもよい。

（３）本発明でいう基板としては、単結晶シリコン基板
１、31に限定される事なく、金属による基板、セラミッ
クによる基板等であってもよい。

（４）上記の実施例は絶対圧力を測定する半導体圧力セ
ンサを示しているが、例えば、台座９、39に圧力媒体を
導入するための貫通孔を形成し、相対圧力を測定する半
導体圧力センサとして用いてもよい。

〔発明の効果〕

以上述べた如く本発明の半導体歪検出器によると、基板
とピエゾ抵抗層とは第１の絶縁層にて電気的に完全に分
離されているので高温においてもリーク電流の影響を受
ける事なく安定した測定が可能となり、又、圧力を加え
た際に、陽極接合部には主として圧縮応力が加わり、陽
極接合部の台座側での破壊が非常におこりにくくなるの
で、高温・高圧下においても強度的に信頼性が高くな
る。したがって、高温・高圧下で使用可能な半導体歪検
出器を提供できるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例の平面図、第１図
（ｂ）は第１図（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図、第２図
は従来構造の半導体圧力センサの断面図、第３図（ａ）
は本発明の他の実施例の平面図、第３図（ｂ）は第３図
（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図、第４図は第３図におけ
る実施例のウェハ状態における模式的断面図である。１、31……単結晶シリコン基板,2、32……絶縁層,3、33
……多結晶シリコン層,4、34……ピエゾ抵抗層,6、36…
…パッシベーション膜,7、37……接合用薄膜,9、39……
台座,10、40……基準室圧,12……陽極接合部,13……ダ
イヤフラム部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山口公昭愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内 (72)発明者原邦彦愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内 (56)参考文献特開昭54−84985（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−44717（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−15293（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−110670（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄肉の起歪領域をその一部に有する基板
と、該基板の主表面に第１の絶縁層を介して形成された多結
晶シリコン層と、該多結晶シリコン層内の前記起歪領域に相当する部分の
所定領域に不純物を導入する事によって形成されるピエ
ゾ抵抗層と、該ピエゾ抵抗層及び前記多結晶シリコン層の表面上に第
２の絶縁層を介して形成される接合用薄膜と、前記起歪領域に相当する部分を含むように形成され基準
圧室を作るべく有底孔を有し、前記接合用薄膜と陽極接
合される台座とを備える事を特徴とする半導体歪検出
器。
【請求項２】上記基板が単結晶シリコン基板であり、上
記接合用薄膜が多結晶シリコン層である特許請求の範囲
第１項記載の半導体歪検出器。