JPS61214582A - 半導体圧力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、結晶面指数を（ｈ、に、１１）とした場合に
、ｈ、に、ｆｉの全てが０と異なる値をもつ結晶面方位
を有する半導体基板の表面層に拡散抵抗層を形成した半
導体圧力変換装置に係り、特に観測面に働く三次元の応
力場を高感度・高精度で検出するに好適な半導体圧力変
換装置に関する。

〔発明の背景〕

従来、半導体のピエゾ抵抗効果を利用して、圧力あるい
は応力の印加に伴って生じる機械的歪を電気信号に変換
する装置としては１例えば、特開昭５６−１４０２２９
号公報に開示されているように、半導体圧力センサがあ
った。これは、シリコンのダイアフラム上に拡散抵抗に
よりブリッジ回路を組み、面圧に伴うダイアフラムの変
形による抵抗値変動を検出して圧力を測定するものであ
る。また、シリコン基板上に拡散抵抗層を形成し、基板
をセンサとして樹脂中に埋込み、拡散抵抗を形成した面
内に作用する二次元の応力場を検出するという試みもな
されている。しかし、いずれの場合も特定の応力成分に
ついての検出をねらいとしたもので、用途に限界があっ
た。一般の構造物には三次元の応力場が存在しており、
この三次元の応力場を分離検出することが従来の半導体
圧力センサをはじめとした機械的歪−電気変換素子では
行えないという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、三次元の応力場を高感度・高精度に検
出する半導体圧力変換装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

シリコン等の半導体におけるピエゾ抵抗効果は、２階の
テンソルで表される比抵抗ρ、歪力テンソルＸと、４階
のテンソルｎを用いて。

δρ、ｊ＝Σル、１ＡＸｋ＆　　　　　・・・　（１）
と表現される。

ρやＸのような２階のテンソルは、一般に６つの独立な
成分を含むので、４階のテンソル■は。

６行６列の行列として表される。三次元の応力場を検討
するために、直交３軸方向をそれぞれＸ。

’／ｅＺ方向とし、ＸＸｔ　’／Ｖｅ　　ＺＺ＊　ＶＺ
ｓ　　ＺＸ＊ｘｙをそれぞれ１〜６と書き直すと（１）
式は、δｐ、　＝　ｐ、、　７ＣＰ２　ＸＪ　　　　　
　−（２）と表せる。ここでｒ＃よは一般に２１の成分
を持つが。

対称性の良い結晶では独立な成分の数は少なくなり、シ
リコンやゲルマニウムのような立方対称を持つ結晶では
独立な成分は３になる。

任意の単結晶基板上に拡散抵抗を形成し、その抵抗値変
動を検出すると、一般に抵抗値変動に寄与する歪力成分
は６成分存在する。ところが、抵抗値変動を検出するの
は、拡散抵抗を形成した二次元の平面であるから１面上
で独立に測定できる抵抗成分は３成分しかない、したが
って１種類の拡散抵抗層を使用していたのでは、原理上
歪力成分を分離検出することは不可能である。

そこで、検出用の拡散ゲージを複数の独立した拡散抵抗
により構成する必要がある。同一面上で６種類の独立し
た抵抗値成分を検出するためには最低２種類の拡散抵抗
層を形成しなければならない、歪力に対する感度である
ピエゾ抵抗係数は、不純物の種類により大きく異なる。

したがって、結晶面指数を（ｈ、に、Ｑ）とした場合に
、ｈ。

ｋ、ｎの全てがＯとは異なる値を持つ結晶面を有する半
導体基板上にｐ型とｎ型の拡散抵抗層を形成し、それぞ
れの領域で独立な３種類の抵抗成分を検出することによ
り、同一面上で独立な６種類の抵抗成分が検出可能とな
る。これにより、観測面に働く三次元の応力場を一意に
決定することができる。

ただしく１００＞結晶軸方向を面内に有する単結晶基板
では、面内の拡散抵抗値変化に影響を及ぼす応力因子と
して面内応力成分と面に垂直な応力成分の計４成分にし
か原理上感度を有しないため、本来の目的である三次元
応力場の検出には不適当である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の半導体圧力変換装置の一実施例を第１図
及び第２図により説明する。この実施例は、ｎ型シリコ
ン（１１１）単結晶円板１を基板として作製した応力セ
ンサであり、第１図は平面図、第２図は第１図のＡ−Ａ
’線に沿った断面図の概略図である。基板１上に形成さ
れた６本の拡散抵抗層２，３は、３本ずつｐ型の拡散層
２とｎ型の拡散抵抗層３で形成され、端がそれぞれ１本
のＡｌ配線４で接続されている。なお、各抵抗層２．３
は４５°ずつ方向がずれて作成されているものとする。

また、Ａ−Ａ’線方向が、＜　１１２＞結晶軸方向と一
致しているものとする。３本のｐ型の拡散抵抗層２の一
端側は１本の共通のＡｌ配線４を介して共通電極端子９
に接続し、他端側は別個のＡｌ配線１０を介して別個の
電極端子１１に接続している。同じように、３本のｎ型
の拡散抵抗層３の一端側は、１本の共通のＡＱ配線１２
を介して共通電磁端子１３に接続し、他端は別個のＡｎ
配線１４を介して別個の電磁端子１５に接続している。

ｎ型拡散抵抗層３はｐ型拡散層５中に形成される。また
、ＡＱ配線４はＳ　ｉ　Ｏ，絶縁膜６により分離されて
おり、表面全体はパッシベーション膜７により覆われて
いる。なお、ｐ型拡散層５にｎ型拡散抵抗層７を形成し
、温度補償用のｐ　−ｎ接合体を同時に作製している０
次に本センサの動作を説明する。

Ａ−Ａ’線方向をＸ方向、面内で直交する方向をＸ方向
、面に垂直な方向を２方向として直交３軸を与え、軸方
向の応力をσ、各面内でのせん断応力をτで表すものと
する。第１図で、Ａ−Ａ’線図上の抵抗をρ２．左側を
ρ１、右側をρ３とすると、各抵抗値変化は、 と表わされる。ｐ型の拡散抵抗層２の拡散抵抗とｎ型の
拡散抵抗層３の拡散抵抗ではピエゾ抵抗係数πｔ　　（
１＝α．ｐ、・・−）の値が異なるため、６種類の独立
した抵抗値変化が計測できる。各抵抗値変化に寄与する
応力成分は６種類であるから、（２）式のマトリクスを
解く事により、歪力テンソルの各成分すなわち三次元の
応力場が分離検出される。

以上、本実施例にれば、三次元の応力場を検出するセン
サが実現でき、かつ温度補償用のｐ　−ｎ接合を利用す
ることにより幅広い温度での計測が可能になるという効
果がある。

前述した実施例では、各拡散抵抗層２，３は各層が４５
°の角度をなして形成されている。これは、（１１１）
面上で抵抗層の長手方向を＜　１１２＞結晶軸と＜１１
０＞結晶軸に合わせ、その中間４５°方向に１本抵抗層
を配置することを考慮したためである。しかし、この抵
抗層配置の方向は、任意（ただし、同一拡散抵抗層内で
２本以上が平行となる場合は不可）としても原理上かま
わない。

また、各拡散層内での拡散抵抗層は３本ずつとしている
が、配置数は各層で３本以上あってもかまわない、独立
に作用する応力成分は６成分であるから、各層で拡散抵
抗層３本以上合計６本以上存在すれば、応力成分は一意
に決定される。同一拡散層内に拡散抵抗層を４本以上形
成する場合には、その中の少なくとも３本がそれぞれ異
なる結晶方向を向いていればよい。

実際の測定は、拡散抵抗層の抵抗値の変化をそれぞれ検
出することになる。

以上説明した各実施例において、半導体単結晶基板は、
真空蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタ法、エピタキシャル法
などの薄膜作製法で作製された単結薄膜としてもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、同一の半導体単結晶基板上でピエゾ抵
抗効果に起因した６種類の独立した抵抗値変化を検出で
きるので、三次元の応力場を決定する応力センサを実現
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体圧力変換装置の一実施例の平面
図、第２図は第１図のＡ−Ａ’線の概略断面図である。 １・・・ｎ型シリコン（１１１）単結晶基板、２・・・
ｐ型拡散抵抗層、３・・・ｎ型拡散抵抗層、４，１０゜
１２．１４・・・Ａｆｉ配線、５・・・ｐ型拡散層、６
・・・ＳｉＯ□膜、７・・・パッシベーション膜、８・
・・ｎ型＃、数紙抗層、９．１１，１３，１５・・・電
極端子。 ＼４−一・−

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．半導体単結晶基板と基板上に作成した拡散抵抗ゲー
   ジからなる半導体圧力変換装置において、結晶面指数を
   （ｈ，ｋ，ｌ）とした場合、ｈ，ｋ，ｌの全てが０とは
   異なる値を持つ結晶面を有する半導体単結晶基板上にｐ
   型とｎ型の拡散抵抗層を形成し、両拡散層の抵抗ゲージ
   により１組の拡散ゲージを構成することを特徴とする半
   導体圧力変換装置。
2. ２．半導体単結晶基板が、真空蒸着法・ＣＶＤ法・スパ
   ツタ法あるいはエピタキシヤル法などの薄膜成長法によ
   り作製された単結晶薄膜であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の半導体圧力変換装置。
3. ３．ｐ型とｎ型の拡散抵抗層により構成されたゲージの
   近傍に温度補償用のｐ−ｎ接合体を形成したことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項，第２項記載の半導体圧力
   変換装置。