JPH07115209A - 半導体圧力センサ及びその製造方法並びに触覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 機械的信頼性がよく、高感度で温度安定性に
優れた超小型の半導体圧力センサを低コストで作成す
る。 【構成】 ダイヤフラム２をＳｉ基板１にその周辺部を
支持させ、ダイヤフラム２上にバルクＳｉからなるピエ
ゾ抵抗５を形成する。ダイヤフラム２の周辺部にはＳｉ
Ｏ₂膜からなる誘電分離層４を形成し、ダイヤフラム２
下面には圧力室３を形成する。この圧力室３及び誘電分
離層４は、イオン注入によりｐ^-−Ｓｉ基板１にｐ⁺領域
２１を形成した後、ＨＦ水溶液中にて電流を流すことに
より、ｐ⁺領域２１の一部を多孔質Ｓｉ領域３０に変化
させ、さらに電流密度を上げて残ったｐ⁺領域２１を電
解エッチングすることにより圧力室３を形成する。さら
に、多孔質Ｓｉ領域３０を熱酸化させてＳｉＯ₂領域に
変化させ、誘電分離層４を形成する。

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及びそ
の製造方法、並びに触覚センサに関する。具体的には、
空気等の流体の圧力を検出するための超小型の半導体圧
力センサ及びその製造方法、並びに当該半導体圧力セン
サを応用した触覚センサに関する。

【０００２】

【従来の技術とその問題点】図１４（ａ）は従来の半導
体圧力センサを示す一部破断した平面図、（ｂ）はその
断面図、（ｃ）はその一部拡大した断面図であって、圧
力センサＩはシリコン基板１０１に窒化シリコン（Ｓｉ
Ｎ）からなるカバー１０２が重ねられ、カバー１０２の
周辺部はシリコン基板１０１に接合されている。カバー
１０２の中央には薄膜状の円形をしたダイヤフラム１０
３が形成され、カバー１０２の内面にはダイヤフラム１
０３がその厚さ方向に揺動自在に変位できるように圧力
室１０４が形成されている。ダイヤフラム１０３の下面
にはポリシリコンからなるピエゾ抵抗１０６が形成され
ている。しかして、空気等の流体がダイヤフラム１０３
に加えられると、加えられた空気等の圧力によりダイヤ
フラム１０３がその厚さ方向に変位する。ダイヤフラム
１０３が変位するとダイヤフラム１０３に形成されたピ
エゾ抵抗１０６に歪みが生じてその抵抗値が変化する。
この抵抗値をピエゾ抵抗１０６にＡｌなどの金属配線１
０７によって接続された抵抗値検知回路（図示せず）等
により検出することにより導入された空気等の圧力を知
ることができる。

【０００３】また、図１５（ａ）（ｂ）は別な従来例で
ある半導体圧力センサＪを示す平面図及びその断面図で
あって、シリコン基板１１１上に薄膜状をしたポリシリ
コンからなるカバー１１２が重ねられている。また、カ
バー１１２の中央には薄膜状のダイヤフラム１１３が形
成されている。基板１１１の内面にはダイヤフラム１１
３が揺動自在に変位できるように圧力室１１４が形成さ
れている。また、ダイヤフラム１１３の上面にはポリシ
リコンからなるピエゾ抵抗１１５がダイヤフラム１１３
の四方に形成されていて、さらにパッシベーション膜１
１６により覆われている。ピエゾ抵抗１１５はパッシベ
ーション膜１１６に開口されたコンタクホール１１７を
通して金属配線１１８に接続され、さらに金属配線１１
８を介して接続された抵抗値検知回路等によってピエゾ
抵抗１１５の抵抗値の変化を検出することにより、圧力
センサＪに導入された空気等の圧力を知ることができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらの半導体圧力セ
ンサＩや圧力センサＪにあっては、ダイヤフラムは窒化
シリコンやポリシリコンから作成されているために疲労
やクリープが発生しやすく、使用時間の経過とともに圧
力センサの感度や線形性に変化を生じていた。このた
め、センサ特性が安定せず機械的な信頼性に乏しかっ
た。

【０００５】また、ポリシリコンを用いたピエゾ抵抗
は、単結晶シリコンを用いたピエゾ抵抗と比較してゲー
ジ率（歪み量に対する抵抗変化の割合）が小さく、これ
ら従来例の圧力センサのようにポリシリコンを用いてピ
エゾ抵抗を形成した圧力センサの感度は低いものとなっ
ていた。

【０００６】さらに、ポリシリコンを用いたピエゾ抵抗
の抵抗温度係数（ＴＣＲ）は単結晶シリコンを用いたピ
エゾ抵抗に比べて大きいので、温度による抵抗値変化が
大きい。このため、ポリシリコンを用いてピエゾ抵抗を
形成した圧力センサの温度特性が悪かった。

【０００７】また、図１６にはさらに別な従来例である
圧力センサＫの断面図を示す。この圧力センサＫは、２
枚の単結晶シリコンウエハが貼り合わせられたのち、上
側のシリコンウエハでシンニングプロセスによってピエ
ゾ抵抗１２１が形成され、さらに下側のウエハ１２５に
はエッチストップ層が形成されたのち電気化学エッチン
グ（ＥＣＥ）法を用いてダイヤフラム１２２が精度よく
形成されている。ピエゾ抵抗１２１には、金属配線１２
３が接続されており、ダイヤフラム１２２、ピエゾ抵抗
１２１及び金属配線１２３の表面にはパッシベーション
膜１２４が形成されている。

【０００８】このような圧力センサＫにあっては、ピエ
ゾ抵抗１２１及びダイヤフラム１２２は単結晶シリコン
から作成されているため圧力センサＩ、Ｊのようにセン
サ感度や温度特性が悪いことや機械的信頼性に欠けると
いうような欠点はない。しかし、ＥＣＥ法を用いて形成
することのできるダイヤフラムの厚さは５μｍ程度にし
かできないため、圧力センサが大きくなってしまうとい
う欠点があった。また、単結晶シリコンウエハを２枚用
いなければならず、しかも複雑な作製プロセスを経なけ
ればならなかったので、その作製コストが高くついてい
た。

【０００９】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、機械的信頼
性や感度が高く、しかも良好な温度特性を持ちコストの
低い超小型の半導体圧力センサを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の超小型半導体圧
力センサは単結晶シリコンからなる薄膜状のダイヤフラ
ムをシリコン基板に支持させて、前記ダイヤフラムに単
結晶シリコンからなるピエゾ抵抗を埋め込み、酸化膜に
よって前記ダイヤフラムと前記シリコン基板とを誘電分
離したことを特徴としている。また、前記ダイヤフラム
に圧力を導入するための導入口を当該シリコン基板の下
面に設けることとしてもよい。

【００１１】また、ダイヤフラムの電位を一定に保った
り、ピエゾ抵抗を設けた領域のダイヤフラムの厚さを他
の領域のダイヤフラムの厚さより薄く作成してもよい。
さらに、ダイヤフラムの変位を制限するためのストッパ
を基板に設けることとしてもよい。

【００１２】さらに、ピエゾ抵抗に温度補償用手段ある
いはオフセット調整手段が付加された抵抗値検出回路を
備えることとしてもよい。

【００１３】また、セルフチェック機能のためのヒータ
を設けることとしてもよく、１個又は２個以上の円環状
に配設することにしてもよい。

【００１４】また、本発明の超小型半導体圧力センサの
製造方法は、第１の導電型シリコン基板表面に高濃度の
第１の導電型領域を形成し、前記高濃度の第１の導電型
領域内のダイヤフラムを形成しようとする領域に第２の
導電型領域を形成し、さらに前記第２の導電型領域内に
ピエゾ抵抗である第１の導電型領域を形成する第１の工
程と、露出した前記高濃度の第１の導電型領域を除く前
記第１の導電型シリコン基板表面にレジスト膜を形成す
る第２の工程と、ＨＦ水溶液中で前記シリコン基板に電
流を流し、前記高濃度の第２の導電型領域のうち酸化膜
を形成しようとする領域を多孔質化し、残る高濃度の第
２の導電型領域を電解エッチングして圧力室を形成する
第３の工程と、多孔質化された領域を熱酸化して酸化膜
を形成する第４の工程を有することを特徴としている。
また、前記第３の工程においてＨＦ水溶液の替りにバッ
ファ弗酸を用いることとしてもよい。

【００１５】また、酸化温度が４５０℃以下の第１の酸
化工程と酸化温度が８００℃以上の第２の酸化工程から
多孔質化された領域を熱酸化することとしてもよい。ま
た。多孔質化する領域の多孔度を４０〜６０％とするこ
とにしてもよい。

【００１６】本発明の触覚センサは、本発明の半導体圧
力センサを２次元的に配列し、配列した前記半導体圧力
センサの全面を弾性膜で覆ったことを特徴としている。

【００１７】

【作用】本発明の半導体圧力センサにあっては、ダイヤ
フラム及びピエゾ抵抗は単結晶シリコンで作成されてい
るため、機械的強度が強く長期間の使用でもセンサ特性
が安定し、機械的な信頼性を向上させることができる。
また、単結晶シリコンのゲージ率が高いために圧力セン
サの感度を高めることができる。さらに、抵抗温度係数
が小さいため温度による抵抗値の変化を少なくできるの
で、温度安定性を向上させることもできる。

【００１８】また、本発明にあっては、ピエゾ抵抗をイ
オン注入法によりダイヤフラムに埋め込んだ後、その周
囲の領域をＨＦ水溶液またはバッファ弗酸中で多孔質シ
リコン化し、さらに、多孔質シリコン化された領域の内
周域を電解エッチングすることによってダイヤフラムを
作成することができる。したがって、従来例のエレクト
ロケミカルエッチングに比べてダイヤフラムを薄く作成
することができ、簡単に、小型で機械的信頼性が高い半
導体圧力センサを製造することができる。

【００１９】また、多孔質シリコン化された領域を熱酸
化することによって酸化膜を形成し、ピエゾ抵抗とシリ
コン基板とを誘電分離することもできる。従って、ピエ
ゾ抵抗とシリコン基板とが酸化膜により誘電分離され、
高温（約１５０℃以上）でもピエゾ抵抗とシリコン基板
との間にリーク電流が流れることがなく、高温環境下で
の使用が可能になる。

【００２０】しかも、ピエゾ抵抗をダイヤフラムに埋め
込んでいるので、従来の圧力センサのように２枚のシリ
コン基板を必要とせず、１枚のシリコン基板から作製す
ることができるので、コストも安価にすることができ
る。

【００２１】また、ダイヤフラムを一定の電位に保つこ
とにより、安定したピエゾ抵抗の抵抗値が得られ、圧力
センサの検出誤差を小さくすることができる。

【００２２】さらに、ピエゾ抵抗を設ける領域のダイヤ
フラムの厚さを他の領域のダイヤフラムの厚さよりも薄
くすれば、小さな圧力でもって大きなダイヤフラムの変
位を生じることになり、さらに圧力センサの感度を向上
させることができる。

【００２３】また、温度補償用手段あるいはオフセット
調整手段を抵抗値検出回路に有しているので、温度変化
による検出誤差を小さくすることができ、抵抗値検出回
路のオフセット値を調整することができる。

【００２４】また、シリコン基板にダイヤフラムの変位
を制限するためのストッパを設けておけば、過大な圧力
が導入された場合でもダイヤフラムの破損を防ぐことが
できる。

【００２５】さらに、ダイヤフラム上にセルフチェック
機能のためのヒータを備えておくと、圧力センサの異常
を容易に発見することができ、センサの信頼性を高める
ことができる。例えば、ヒータを１又は２以上の円環状
に配置することとしてもよい。

【００２６】また、シリコン基板の下面に圧力導入口を
設けることにより、機械的信頼性に高く、高感度で温度
安定性に優れた差圧式の超小型の圧力センサを提供する
ことができる。

【００２７】本発明の触覚センサは、本発明の半導体圧
力センサが２次元的に配列されているので、機械的信頼
性がよく、高感度で温度特性の優れた小型の触覚センサ
を低コストで提供することができる。また、構成単位の
圧力センサが非常に小さいので、触覚センサの解像度を
向上させることができる。

【００２８】

【実施例】図１は本発明の一実施例である超小型の半導
体圧力センサＡを示す断面図である。圧力センサＡは単
結晶シリコンからなるＳｉ基板１の中央に薄膜状のダイ
ヤフラム２が支持されて、ダイヤフラム２がその厚さ方
向に自由に弾性変形できるように圧力室３がダイヤフラ
ム２下面のＳｉ基板１に形成されている。ダイヤフラム
２の上面には、例えば図１１に示すように４つのピエゾ
抵抗５が埋め込まれている。また、ダイヤフラム２及び
圧力室３の周辺の領域にはＳｉＯ₂膜からなる誘電分離
層４が形成されていて、この誘電分離層４によりダイヤ
フラム２及びピエゾ抵抗５はＳｉ基板１から完全に誘電
分離されている。Ｓｉ基板１、ダイヤフラム２及びピエ
ゾ抵抗５の表面は窒化シリコン（ＳｉＮ）からなるパッ
シベーション膜６によって覆われており、パッシベーシ
ョン膜６の上に形成されたＡｌの金属配線７はパッシベ
ーション膜６に開口したコンタクトホール８を通してピ
エゾ抵抗５に電気的に接続されている。この上にさらに
ＳｉＮからなる別なパッシベーション膜９が形成されて
いる。また、図示はしないが金属配線７には、ピエゾ抵
抗５の抵抗値の変化を検出するための抵抗値検出回路が
接続されている。

【００２９】しかして、圧力センサＡに空気等の圧力が
導入されると、導入された圧力によりダイヤフラム２が
その厚さ方向に弾性変形する。ダイヤフラム２が弾性変
形すると、ダイヤフラム２上のピエゾ抵抗５が歪み、そ
の歪みに応じてピエゾ抵抗５の抵抗値が変化する。ピエ
ゾ抵抗５の抵抗値が変化すると、金属配線７を通して接
続された抵抗値検出回路の出力端子の両端に電位差を生
じ、生じた電位差を検出することにより当該圧力センサ
Ａに導入された空気等の圧力の大きさを知ることができ
る。

【００３０】この圧力センサＡにあっては、ダイヤフラ
ム２及びピエゾ抵抗５ともに単結晶シリコンから作成さ
れているために機械的強度が強く、疲労が少なくクリー
プも発生しにくい。したがって、長期の使用にも耐え、
圧力センサの使用に伴ってセンサの特性が劣化すること
がなく、耐久性に優れたものである。

【００３１】また、ピエゾ抵抗５は単結晶シリコンで作
成されているので、センサの感度も高く、温度変化によ
っても感度が安定している。さらに、Ｓｉ基板１とピエ
ゾ抵抗５との間にはＳｉＯ₂膜による誘電分離層４が形
成されているので、Ｓｉ基板１へのリーク電流が少な
く、１５０℃以上の高温環境下での使用も可能である。

【００３２】次に本発明の圧力センサＡの製造方法につ
いて説明する。図２（ａ）〜（ｋ）に示すものは、上記
圧力センサＡの製造方法を示す断面図であって、以下、
図２に従って詳細に説明する。まず、単結晶シリコンか
らなるｐ^-−Ｓｉ基板（シリコンウエハ）１の１個分の
センサ形成領域においては、図２（ａ）に示すように、
Ｓｉ基板１の表面の誘電分離層４並びに圧力室３を形成
しようとする領域にｐ型イオンをイオン注入してｐ⁺領
域２１を形成し、ｐ⁺領域２１内のダイヤフラム２を形
成しようとする領域にｎ型イオンを注入してｎ領域２２
を形成し、さらにｎ領域２２内のピエゾ抵抗５を形成し
ようとする領域にｐ型イオンをイオン注入してｐ領域２
３を形成する。また、ｐ^-−Ｓｉ基板１の裏面にｐ型ド
ーパントを拡散させてｐ⁺領域２４を形成する。ここ
で、このｐ⁺領域２４は多孔質シリコン及び圧力室形成
時の裏面側コンタクト層となるものである。

【００３３】次にＳｉ基板１裏面のｐ⁺領域２４の表面
に多孔質シリコン及び圧力室形成時の電極となるＡｌ薄
膜２５を形成する（図２（ｂ））。次にＳｉ基板１表面
の全面にレジスト膜２６を形成し、パターニングによっ
て当該レジスト膜２６のｐ⁺領域２１と接する部分に窓
２７を開口し、ｐ⁺領域２１を露出させる（図２
（ｃ））。また、Ｓｉ基板１裏面のＡｌ薄膜２５をレジ
スト等などのカバー２８で覆い、この後に行なう多孔質
シリコン及び圧力室形成時に使用するＨＦ水溶液からの
保護を行なうとともに、Ａｌ薄膜２５に接続させた配線
２９をカバー２８より引き出しておく（図２（ｄ））。
この配線２９は、多孔質シリコン及び圧力室形成時の電
流をＳｉ基板１に流すためのものである。

【００３４】このようにして作成されたＳｉ基板１をＨ
Ｆ（フッ化水素）水溶液中に浸漬し、Ｐｔ電極を対向電
極（図示せず）として、Ｓｉ基板１を陽極に、対向電極
を陰極にして対向電極とＳｉ基板１裏面のｐ⁺領域２４
間に電流を流すと、図２（ｅ）に示すようにＳｉ基板１
表面のｐ⁺領域２１の外周部が徐々に多孔質Ｓｉ領域３
０に変化する。このとき、多孔質Ｓｉ領域３０の多孔質
シリコンの空孔度（多孔質Ｓｉ領域３０の体積に対する
空孔の割合）が４０〜６０％となるまで電流を流す。

【００３５】この後引続いて電流密度を増加していく
と、多孔質Ｓｉ領域３０の内周域にあるまだ多孔質化さ
れていないｐ⁺領域２１がエッチングされて空隙を生
じ、圧力室３が形成される。こうしてｐ⁺領域２１の一
部がエッチングされてｎ領域２２にダイヤフラム２が形
成される（図２（ｆ））。

【００３６】図３にＨＦ濃度及びＳｉ基板に流された電
流密度とＳｉ基板が多孔質化される場合又は電解エッチ
ングされる場合との関係について示しているが、図３中
の線イより下の領域（領域１）のＨＦ濃度及び電流密度
の条件下においてはＳｉ基板１は多孔質化され、線ロよ
り上の領域（領域２）のＨＦ濃度及び電流密度の条件下
においてはＳｉ基板１は電解エッチングされる。なお、
線イと線ロとの間の領域は遷移領域である。例えば、図
３のＡ点に示した濃度のＨＦ水溶液中においてＡ点の電
流密度となるようにＳｉ基板１と対向電極との間に電流
を流すと、図４（ａ）に示すように窓２７を通して一部
がＨＦ水溶液中露出しているｐ⁺領域２１に裏面コンタ
クト層となるｐ⁺領域２４から電流が流れてその一部が
多孔質シリコンに変化し、多孔質Ｓｉ領域３０が形成さ
れる。

【００３７】次に電流密度を上げて、図３中のＢ点に示
した電流密度の電流を流すと多孔質化されていないｐ⁺
領域２１はエッチングされる。このとき、多孔質Ｓｉ領
域３０はほとんどキャリアを持たないためエッチングさ
れず、図４（ｂ）に示すようにＳｉ基板１の中央のｐ⁺
領域２１がエッチングされて空隙を生じ、圧力室３が形
成される。なお、ピエゾ抵抗５であるｐ領域２３はレジ
スト膜２６でカバーされているため、裏面のコンタクト
層であるｐ⁺領域２４からＨＦ水溶液に流れる電流の経
路にはならないので、多孔質化せずエッチングもされな
い。

【００３８】ついで、図２（ｇ）に示すようにＳｉ基板
１表面のレジスト膜２６とＳｉ基板１裏面のカバー２８
及び配線２９を取り除き、Ｓｉ基板１表面にＳｉＮによ
る一時的なパッシベーション膜３１を設けた後、ＴＭＡ
Ｈ（テトラメチルアンモニウムハイドロキシド）による
エッチングによってＳｉ基板１裏面のＡｌ薄膜２５とコ
ンタクト層であるｐ⁺領域２４を取り除く。次に、パッ
シベーション膜３１にＳｉ基板１表面の多孔質Ｓｉ領域
３０と接する部分に窓を開口し、酸素あるいは水蒸気を
含む酸化性雰囲気中で、最初は４５０℃以下で高温処理
し、その後処理温度を上昇させ８００℃以上で処理し、
多孔質Ｓｉ領域３０を熱酸化させると、図２（ｈ）に示
すように、Ｓｉ基板１に埋め込まれている多孔質Ｓｉ領
域３０はＳｉＯ₂領域３２に変化し、誘電分離層４とな
る。このとき、多孔質Ｓｉ領域３０の酸化速度は結晶性
その他のＳｉ領域の酸化速度よりも１００〜１０００倍
大きいので、多孔質Ｓｉ領域３０のみが酸化されＳｉＯ
₂領域３２が形成されることになる。また、この過程に
おいて圧力室３内が減圧され、減圧された圧力室３内の
圧力を基準圧力とすることができる。

【００３９】次に、Ｓｉ基板１の表面にＳｉＮによるパ
ッシベーション膜６を形成し、図２（ｉ）に示すように
当該パッシベーション膜６のピエゾ抵抗５（ｐ領域２
３）と接する部分の一部にコンタクトホール８を開口す
る。そして、図２（ｊ）に示すように、パッシベーショ
ン膜６の上にＡｌによって所定の金属配線７を形成する
と共にコンタクトホール８を通して金属配線７とピエゾ
抵抗５とを電気的に接続する。さらに、図２（ｋ）に示
すように、この上からＳｉＮを堆積させることによって
金属配線７保護用のパッシベーション膜９を形成し、パ
ッシベーション膜９をパターニングして金属配線７の電
極パットとなる部分でコンタクトホール（図示せず）を
開口し、パッシベーション膜９を焼成し、圧力センサＡ
を作製する。

【００４０】この製造方法によれば、ＨＦ水溶液中にお
ける多孔質Ｓｉ形成プロセス、多孔質Ｓｉ酸化プロセ
ス、ＨＦ電解エッチングプロセスを組合わせることによ
り、Ｓｉ基板１にバルクＳｉのピエゾ抵抗５、ダイヤフ
ラム２及びＳｉＯ₂からなる誘電分離層４を形成するこ
とができ、機械的信頼性がよく、高感度で、良好な温度
特性を持つ超小型の半導体圧力センサＡを作製すること
ができる。

【００４１】また、従来例のように２枚のＳｉ基板を必
要とせず、その接合やシンニング等の工程も必要ないの
で、圧力センサＡのコストを安価にすることができる。

【００４２】なお上述の製造方法において、ＨＦ水溶液
中における多孔質Ｓｉ形成プロセス、多孔質Ｓｉ酸化プ
ロセス、ＨＦ電解エッチングプロセスにおいては電圧に
よってプロセス制御を行なっておらず、配線２９とＳｉ
基板１のｐ⁺領域２４（コンタクト層）との接続抵抗は
必ずしも低い必要はなく、また再現性がなくてもよい。
このため、直接Ｓｉ基板１のコンタクト層であるｐ⁺領
域２４に配線２９を接続することにしてもよく、図２
（ｂ）に示した配線２９接続用のＡｌ薄膜２５の作成を
省略することもできる（合わせて、形成したＡｌ薄膜２
５をエッチングによって取り除く工程（図２（ｇ））も
省略することができる）。

【００４３】また、ＨＦ水溶液の替わりにＨＦ＋ＮＨ₄
Ｆ水溶液等のバッファ弗酸を用いたＢＯＥ（バッファ・
オキサイド・エッチング）によって、多孔質Ｓｉ形成、
ＨＦ電解エッチングを行なうこととしてもよい。

【００４４】また、以上の製造方法においてはｐ^-−Ｓ
ｉ基板を用いた製造方法について説明したが、ｎ^-−Ｓ
ｉ基板を用いて同様にして圧力センサＡを製造すること
もできる。図５にｎ^-−Ｓｉ基板４１を用いた圧力セン
サＡの製造方法について示す。まず、図５（ａ）に示す
ように、単結晶シリコンよりなるｎ^-−Ｓｉ基板（シリ
コンエウハ）４１の表面の誘電分離層４並びに圧力室３
を形成しようとする領域にｎ型イオンをイオン注入して
ｎ⁺領域４２を形成し、ｎ⁺領域４２内のダイヤフラム２
を形成しようとする領域にｐ型イオンを注入してｐ領域
４３を形成し、さらにｐ領域４３内のピエゾ抵抗５を形
成しようとする領域にｎ型イオンをイオン注入してｎ領
域４４を形成する。また、ｎ^-−Ｓｉ基板１の裏面にｎ
型イオンを拡散させてｎ⁺領域４５を形成する。

【００４５】次にＳｉ基板１裏面のｎ⁺領域４５の表面
に多孔質シリコン及び圧力室形成時の電極となるＡｌ薄
膜２５を形成し（図５（ｂ））、この後、図２に示した
製造方法と同様にして圧力センサＡを製造することがで
きる（図５（ｃ）〜（ｋ））。

【００４６】図６は、本発明の別な実施例である圧力セ
ンサＢを示す断面図である。圧力センサＢのＳｉ基板１
には、Ｓｉ基板１裏面から圧力室３に圧力を導入するた
めの差圧導入口１０がエッチング等により開口されてい
る。このように、Ｓｉ基板１に差圧導入口１０を設ける
ことより、差圧式の圧力センサＢを簡単に製造すること
もできる。

【００４７】図７は、本発明のさらに別な実施例である
圧力センサＣの一部破断した断面図である。ダイヤフラ
ム２の上面には別なイオン注入が施されてドーピング部
１２が形成されており、別なコンタクトホール１３を通
してパッシベーション膜６上に形成された別な金属配線
１１に接続されている。また、金属配線１１上には別な
パッシベーション膜９が金属配線７やダイヤフラム２上
に形成されている。このドーピング部１２には金属配線
１１から電圧が印加され、ダイヤフラム２の電位が一定
に保たれている。このように、ダイヤフラム２の電位を
一定に保つことにより、ピエゾ抵抗５の感度を安定させ
ることができ、ノイズに影響されず感度の安定した圧力
センサＣを作成することができる。

【００４８】図８はさらに別な実施例である圧力センサ
Ｄの断面図であって、ダイヤフラム２の厚さはピエゾ抵
抗５が形成された領域において、他の領域よりも薄く作
成されている。このようにピエゾ抵抗５が形成された領
域の厚さを薄く作成することにより、小さな圧力によっ
てもピエゾ抵抗５の抵抗値が大きく変化し、さらに圧力
センサＤの感度を向上させることもできる。

【００４９】図９にさらに別な実施例である圧力センサ
Ｅの断面図を示すが、第２の実施例である差圧式の圧力
センサＢのダイヤフラム２の外周部において、Ｓｉ基板
１からダイヤフラム２の上部に突出させるようにしてＳ
ｉ基板１上面にストッパ１５を設けている。このストッ
パ１５は、例えば、圧力センサＥの表面保護用のパッシ
ベーション膜９の上面にＰＳＧ（Phospho-Silicate Gla
ss)からなる犠牲層を設け、犠牲層の上部にポリシリコ
ンによって所定の形状にストッパ１５を形成したのち、
犠牲層をＨＦ水溶液などのＨＦ系のエッチング液により
エッチング除去することにより作成することができる。
このようにストッパ１５を設けておくと、ダイヤフラム
２が大きく変形した時、ダイヤフラム２がストッパ１５
に当たることによってそれ以上の変形を制限されるの
で、例えば差圧導入口１０より過大な圧力が導入されて
も、ダイヤフラム２の変位量が制限され、ダイヤフラム
２が破損するのを防止することができる。

【００５０】図１０に示すものは本発明の圧力センサＥ
の抵抗値検出回路の等価回路の一例を示すものであっ
て、ダイヤフラム２の四辺に形成された４つのピエゾ抵
抗５と１つのオフセット調整用抵抗１６によってブリッ
ジ回路を形成しており、４つのピエゾ抵抗５の何れか１
つのピエゾ抵抗５と並列にして温度補償用抵抗１７が挿
入されている。例えば、これらのオフセット調整用抵抗
１６と温度補償用抵抗１７はダイヤフラム２の変形によ
り影響を受けないようにＳｉ基板１の表面に形成されて
いる。このブリッジ回路からなる抵抗値検出回路では、
入力端子間に定電流Ｉが供給されていて、出力端子間の
電圧Ｖを検出することによりピエゾ抵抗５の抵抗値の変
化を検出できる。

【００５１】この検出回路にあっては、ピエゾ抵抗５が
ダイヤフラム２の変位によって抵抗変化を受けない場合
には、温度が変化しても温度補償用抵抗１７によりブリ
ッジ回路の出力が変化しないようになっている。また、
オフセット調整用抵抗１６を調整することにより、ダイ
ヤフラム２の変位が０の場合に出力が０となるようにオ
フセット量を調整することができる。

【００５２】図１１にはセルフチェック機能が付加され
た本発明のさらに別な実施例である圧力センサＦの一部
破断された平面図を示す。ダイヤフラム２上には４つの
ピエゾ抵抗５を挟むようにして対角線状に２本のヒータ
１８、１８が設けられている。これらのヒータ１８に配
線１９から一定の電流を通電することによりダイヤフラ
ム２に一様に熱が加わり、４つのピエゾ抵抗５の抵抗値
が同じように変化する。しかし、例えばダイヤフラム２
に破損があってヒータ１８が断線していればヒータ１８
には電流が流れず、ダイヤフラム２の破損を知ることが
できる。あるいはダイヤフラム２の温度上昇に偏りを生
じ、圧力センサＦに圧力を印加していない場合（変位＝
０）であっても４つのピエゾ抵抗５の抵抗値のバランス
がくずれ出力端子間に電位差を生じたり、あるいは、オ
フセット調整用抵抗１６や温度補償用抵抗１７の抵抗値
の調整量が大きくなるため、圧力センサＦの異常を検知
することができる。

【００５３】また、図１２に示すものはセルフチェック
用の別なヒータ１８が設けられた圧力センサＧを示す一
部破断した平面図である。円形状をしたダイヤフラム２
には、円環状に２本のヒータ１８、１８が配設されてい
る。ヒータ１８は円環状に１個配設してもよく、あるい
は、本実施例のように同心円状に２重の円環若しくはそ
れ以上の多重の円環を描くように配設してもよい。もち
ろん、３本以上のヒータ１８を配設することとしてもよ
い。このように、円形状にヒータ１８を配設することに
よりダイヤフラム２全面に均一に熱を分布させることが
でき、より確実に圧力センサＧの異常を検出することが
できる。

【００５４】図１３（ａ）（ｂ）は、本発明の一実施例
である触覚センサＨを示す平面図及びその断面図であっ
て、触覚センサＨは圧力センサＡがガラス等の基板３６
上に多数アレイ状に配置され、配置された圧力センサＡ
の表面全体に可撓性のエラストマによる弾性膜３５が重
ねられている。この弾性膜３５の上面から圧力が加えら
れると、弾性膜３５の弾性変形により圧力センサＡに圧
力が印加される。印加された圧力は圧力センサＡにより
検知された後、個々の圧力センサＡのセンサ信号を処理
することによって、触覚センサＨに印加された圧力分布
を知ることができる。

【００５５】

【発明の効果】本発明の半導体圧力センサにあっては、
ダイヤフラム及びピエゾ抵抗は単結晶シリコンで作成さ
れているため、機械的強度が強く長期間の使用でもセン
サ特性が安定し、機械的な信頼性を向上させることがで
きる。また、単結晶シリコンのゲージ率が高いために圧
力センサの感度を高めることができる。さらに、抵抗温
度係数が小さいため温度による抵抗値の変化を少なくで
きるので、温度安定性を向上させることもできる。

【００５６】また、本発明にあっては、ピエゾ抵抗をイ
オン注入法によりダイヤフラムに埋め込んだ後、その周
囲の領域をＨＦ水溶液またはバッファ弗酸中で多孔質シ
リコン化し、さらに、多孔質シリコン化された領域の内
周域を電解エッチングすることによってダイヤフラムを
作成することができる。したがって、従来例のエレクト
ロケミカルエッチングに比べてダイヤフラムを薄く作成
することができ、簡単に、小型で機械的信頼性が高い半
導体圧力センサを製造することができる。

【００５７】また、多孔質シリコン化された領域を熱酸
化することによって酸化膜を形成し、ピエゾ抵抗とシリ
コン基板とを誘電分離することもできる。従って、ピエ
ゾ抵抗とシリコン基板とが酸化膜により誘電分離され、
高温（約１５０℃以上）でもピエゾ抵抗とシリコン基板
との間にリーク電流が流れることがなく、高温環境下で
の使用が可能になる。

【００５８】しかも、ピエゾ抵抗をダイヤフラムに埋め
込んでいるので、従来の圧力センサのように２枚のシリ
コン基板を必要とせず、１枚のシリコン基板から作製す
ることができるので、コストも安価にすることができ
る。

【００５９】また、ダイヤフラムを一定の電位に保つこ
とにより、安定したピエゾ抵抗の抵抗値が得られ、圧力
センサの検出誤差を小さくすることができる。

【００６０】さらに、ピエゾ抵抗を設ける領域のダイヤ
フラムの厚さを他の領域のダイヤフラムの厚さよりも薄
くすれば、小さな圧力でもって大きなダイヤフラムの変
位を生じることになり、さらに圧力センサの感度を向上
させることができる。

【００６１】また、温度補償用手段あるいはオフセット
調整手段を抵抗値検出回路に有しているので、温度変化
による検出誤差を小さくすることができ、抵抗値検出回
路のオフセット値を調整することができる。

【００６２】また、シリコン基板にダイヤフラムの変位
を制限するためのストッパを設けておけば、過大な圧力
が導入された場合でもダイヤフラムの破損を防ぐことが
できる。

【００６３】さらに、ダイヤフラム上にセルフチェック
機能のためのヒータを備えておくと、圧力センサの異常
を容易に発見することができ、センサの信頼性を高める
ことができる。例えば、ヒータを１又は２以上の円環状
に配置することとしてもよい。

【００６４】また、シリコン基板の下面に圧力導入口を
設けることにより、機械的信頼性に高く、高感度で温度
安定性に優れた差圧式の超小型の圧力センサを提供する
ことができる。

【００６５】本発明の触覚センサは、本発明の半導体圧
力センサを２次元的に配列されているので、機械的信頼
性がよく、高感度で温度特性の優れた小型の触覚センサ
を低コストで提供することができる。また、構成単位の
圧力センサが非常に小さいので、触覚センサの解像度を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である半導体圧力センサを示
す断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｋ）は同上の半導体圧力センサの製
造方法を示す断面図である。

【図３】Ｓｉ基板が多孔質化又は電解エッチングされる
ＨＦ水溶液のＨＦ濃度及び電流密度の条件を表わす図で
ある。

【図４】（ａ）（ｂ）は、Ｓｉ基板が多孔質化され、電
解エッチングされる状態を示す説明図である。

【図５】（ａ）〜（ｋ）は本発明の半導体圧力センサの
別な製造方法を示す断面図である。

【図６】本発明の別な実施例である半導体圧力センサを
示す断面図である。

【図７】本発明の別な実施例である半導体圧力センサを
示す一部破断した断面図である。

【図８】本発明のさらに別な実施例である半導体圧力セ
ンサを示す断面図である。

【図９】本発明のさらに別な実施例である半導体圧力セ
ンサを示す断面図である。

【図１０】本発明の半導体圧力センサのピエゾ抵抗の抵
抗値検出回路を示す等価回路図である。

【図１１】本発明のさらに別な実施例である半導体圧力
センサを示す一部破断した平面図である。

【図１２】本発明のさらに別な実施例である半導体圧力
センサを示す一部破断した平面図である。

【図１３】（ａ）は本発明の一実施例である触覚センサ
を示す平面図、（ｂ）はその断面図である。

【図１４】（ａ）は従来例である圧力センサを示す一部
破断した平面図、（ｂ）はその断面図、（ｃ）はその一
部拡大した断面図である。

【図１５】（ａ）は別な従来例である圧力センサを示す
平面図、（ｂ）はその断面図である。

【図１６】さらに別な従来例である圧力センサを示す断
面図である。

【符号の説明】

２ ダイヤフラム ３ 圧力室 ４ 誘電分離層 ５ ピエゾ抵抗 ６、９ パッシベーション膜 １０ 差圧導入口 １５ ストッパ １８ ヒータ ３０ 多孔質Ｓｉ領域 ３５弾性膜

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶シリコンからなる薄膜状のダイヤ
   フラムをシリコン基板に支持させて、前記ダイヤフラム
   に単結晶シリコンからなるピエゾ抵抗を埋め込み、酸化
   膜によって前記ダイヤフラムと前記シリコン基板とを誘
   電分離したことを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】 前記ダイヤフラムに圧力を導入するため
   の導入口を前記シリコン基板の下面に設けたことを特徴
   とする請求項１に記載の半導体圧力センサ。
3. 【請求項３】 前記ダイヤフラムの電位を一定に保持し
   たことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体圧力
   センサ。
4. 【請求項４】 前記ピエゾ抵抗を設けた領域のダイヤフ
   ラムの厚さを、他の領域のダイヤフラムの厚さよりも薄
   く作成したことを特徴とする請求項１、２又は３に記載
   の半導体圧力センサ。
5. 【請求項５】 前記シリコン基板にダイヤフラムの変位
   を制限するためのストッパを設けたことを特徴とする請
   求項１、２、３又は４に記載の半導体圧力センサ。
6. 【請求項６】 前記ピエソ抵抗に温度補償用手段あるい
   はオフセット調整手段を有する抵抗値検出回路を備えた
   ことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の
   半導体圧力センサ。
7. 【請求項７】 前記ダイヤフラムにセルフチェック機能
   のためのヒータを設けたことを特徴とする請求項１、
   ２、３、４、５又は６に記載の半導体圧力センサ。
8. 【請求項８】 前記ヒータを１個又は２個以上の円環状
   に配設したことを特徴とする請求項７に記載の半導体圧
   力センサ。
9. 【請求項９】 第１の導電型シリコン基板表面に高濃度
   の第１の導電型領域を形成し、前記高濃度の第１の導電
   型領域内のダイヤフラムを形成しようとする領域に第２
   の導電型領域を形成し、さらに前記第２の導電型領域内
   にピエゾ抵抗である第１の導電型領域を形成する第１の
   工程と、 露出した前記高濃度の第１の導電型領域を除く前記第１
   の導電型シリコン基板表面にレジスト膜を形成する第２
   の工程と、 ＨＦ水溶液中で前記シリコン基板に電流を流し、前記高
   濃度の第２の導電型領域のうち酸化膜を形成しようとす
   る領域を多孔質化し、残る高濃度の第２の導電型領域を
   電解エッチングして圧力室を形成する第３の工程と、 多孔質化された領域を熱酸化して酸化膜を形成する第４
   の工程を有することを特徴とする半導体圧力センサの製
   造方法。
10. 【請求項１０】 前記第３の工程においてＨＦ水溶液の
    替りにバッファ弗酸を用いることを特徴とする請求項９
    に記載の半導体圧力センサの製造方法。
11. 【請求項１１】 前記第４の工程が、酸化温度が４５０
    ℃以下の第１の酸化工程と酸化温度が８００℃以上の第
    ２の酸化工程とからなることを特徴とする請求項９又は
    １０に記載の半導体圧力センサの製造方法。
12. 【請求項１２】 前記多孔質化する領域の空孔率を４０
    〜６０％とすることを特徴とする請求項９、１０又は１
    １に記載の半導体圧力センサの製造方法。
13. 【請求項１３】 請求項１、２、３、４、５、６、７又
    は８に記載の半導体圧力センサを２次元的に配列し、配
    列した前記半導体圧力センサの全面に弾性膜を形成した
    ことを特徴とする触覚センサ。