JPS6154267B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体圧力センサに係り、特に小形で
精度の良い半導体圧力センサに関する。

感圧素子としてシリコンなどの半導体基板に拡
散法またはエピタキシヤル沈積法などにより、ピ
エゾ抵抗体を一体に形成したいわゆる半導体圧力
センサは例えば特開昭47―18284号等により公知
である。

この半導体圧力センサは半導体製造技術の目ざ
ましい進歩により、小形でしかも寸法精度の優れ
たものが容易に作れるようになつた。しかしなが
ら、圧力センサの精度は半導体基板の寸法精度の
他に電気的な特性が大きく影響する。ピエゾ抵抗
体に発生する電気信号は半導体基板上に設けられ
た電極を介して外部に引き出されるが、電極間に
漏洩電流があつたり、電極と基板間の絶縁特性に
変化があると、それがセンサの測定誤差となり、
精度を低下させる原因となつていた。また、電極
間の漏洩電流を少くするためにパツシベイシヨン
膜として作用する酸化膜の厚さを厚くすると、酸
化膜の熱膨張係数はシリコンのそれに比べて10倍
以上も大きいためセンサの使用される零囲気温度
に変化があると零点が変化するという問題があつ
た。

本発明の目的とするところは、電気的特性が安
定しており、しかも零囲気温度によつて零点の変
化が少い、半導体圧力センサを提供することにあ
る。

本発明は半導体基板上のパツシベイシヨン膜厚
が、電気的特性及びセンサの零点の変化に大きく
影響することを実験により明らかにし、零点の変
化に影響が著しいダイヤフラム部上のパツシベイ
シヨン膜厚を極力薄くし、電気的絶縁を必要とす
る部分のパツシベイシヨン膜厚を厚くしたことを
特徴とするものである。

以下図面について説明する。第１図及び第２図
は、従来の半導体センサを示すものである。シリ
コン単結晶より成る基板１には薄肉のダイヤフラ
ム部２と、このダイヤフラム部をとりかこむよう
に厚肉の拘束部３とが一体に形成されている。拘
束部３の下面はダイヤフラム部の下面に形成した
測定圧室２ａに測定流体を導く通路をもつたハウ
ジング（図示省略）が接着される。ダイヤフラム
部２の上面にはピエゾ抵抗体５ａ，５ｂ，５ｃ，
５ｄが拡散法により形成され、これら抵抗体は抵
抗ブリツジを構成するように互に接続され、各接
続点はアルミニウム電極６を介して、リード線７
に接続されている。アルミニウム電極６と基板１
間には酸化膜による絶縁層８があり、これがいわ
ゆるパツシベイシヨン層として作用している。ダ
イヤフラム部２に一致した形状の凹部９と、リー
ド線７が貫通する孔１０ａを有するガラスキヤツ
プ１０が基板１上にかぶせられ、キヤツプと基板
とは接着剤１１により気密に接着され、凹部９は
真空もしくは所定の圧力に保持されている。

このような構成の半導体圧力センサにおいて、
測定圧室２ａに測定流体が導かれると、ダイヤフ
ラム部２に歪が生じ、その歪に応じて抵抗体５ａ
〜５ｄの抵抗値が変化し、その変化が電極６を介
して外部に取り出されて、測定圧室２ａの圧力を
表示するものである。

さて、このような構成の圧力センサを小形化す
ると次のような問題が生ずる。

すなわち、圧力センサの感度を所望の値に維持
するためには、ダイヤフラム部の外径を小さくし
た場合、それに応じてダイヤフラム部の厚さを薄
くしなければならない。ダイヤフラム部を薄くす
るとパツシベイシヨン膜としてダイヤフラム部表
面に設けた酸化膜８がセンサの零点温度特性に悪
影響を及ぼすことになる。つまり、酸化膜はリコ
ンに比べて熱膨張係数が10倍以上も大きいため零
囲気温度が変化するとダイヤフラム部に熱歪が加
わり、測定誤差を大きくしたり、零点が温度によ
り大巾に変化する。

一方、酸化膜厚を薄くすると、電極６相互間の
漏洩電流が大きくなつたり、酸化膜表面に付着す
る電荷により電極間に反転層が生じやすくなり、
結果として、零点の長期安定性が得られなくな
る。

また、ガラスキヤツプ１０と基板１とが有機接
着剤にて接着されている場合には、接着剤の成分
が酸化膜と化学反応し、長期使用中には電極間の
絶縁性が劣化して漏洩電流が増加して零点が不安
定となる。

このように、従来のセンサでは、小形化を計ら
んとすれば、精度の低下、零点の不安定などの問
題があつた。

本発明はこれらの欠点を除去するもので、以下
図面に示す実施例について説明する。第３図及び
第４図は本発明を実施して半導体圧力センサを示
すものであつて、シリコン単結晶よりなる半導体
基板１２は薄肉のダイヤフラム部１５と、そのま
わりをとりかこむ厚肉の拘束部１３とを備えてお
り、ダイヤフラム部上にはピエゾ抵抗体１６ａ，
１６ｂ，１６ｃ，１６ｄが形成されている。ダイ
ヤフラム部１５の下方には測定流体を導く測定圧
室１４が形成されている。抵抗体１６ａ〜１６ｄ
は拘束部１３の酸化膜１７（以下フイールド酸化
膜という）の下に設けられたクロスアンダ１８を
介して外部回路接続用パツド１９に接続されてい
る。前記クロスアンダー１８は基板を構成する半
導体材料の導電形とは反対の導電形つまり、基板
がｎ形であればＰ形をしている。２０は基板１２
の導電形と同一の導電層でパツド２１はこの層に
接続され、基板１２を所望の電位に保つためのも
のである。２２はダイヤフラム部１５上を覆うた
めのパツシベイシヨン膜としての酸化膜であり、
前述のフイールド酸化膜１７上に設けられてい
る。２３はフイールド酸化膜１７上にダイヤフラ
ム部１５をとりかこむように設けられた多結晶シ
リコン層であり、ガラスキヤツプ２５はこの層を
介して基板１２に接着される。ガラスキヤツプ２
５はダイヤフラム部１５の上部に密閉された基準
圧室好ましくは真空室２４を形成する。キヤツプ
２５は基準圧室を形成するために必要であつて、
必ずしもガラスである必要はないが、基板１２上
に接着されるため基板を熱膨張係数が近似したも
のが好ましく、ガラスを用いる場合には硼硅酸塩
ガラス（商品名パイレツクスガラス）が適してい
る。

第４図には電源２６が示されているがこれは、
ガラスキヤツプ２５を基板１２に接合するときに
使用されるものであつて、その詳細は米国特許第
3397278号に述べられている。この接合法は静電
接着と呼ばれており、基板１２とキヤツプ２５を
図のように重ね合せ、約300℃の零囲気中で基板
側を正極として500〜1000Vの電圧を印加し、約
20分間通電すれば、多結晶シリコン層２３とガラ
スキヤツプ２５は接着剤を使うことなく強固に接
着が完了する。この結合を真空雰囲気中で行えば
基準圧室２４は真空に保持される。

かかる構造の圧力センサにおいて、フイールド
酸化膜１７の厚さは、ダイヤフラム部上の酸化膜
２２の厚さの３倍以上、、好ましくは、10倍程度
になつている。また、酸化膜２２は、密閉空間で
ある基準圧室に設けられているため、外部から電
荷の付着する恐れがなく、かつ基準圧室が真空室
となつている場合には、酸化膜の劣化がほとんど
ないので、非常に薄くすることができる。発明者
等の実験によれば、真空雰囲気中でのパツシベイ
シヨン膜としての酸化膜厚は0.5μで十分その機
能を果すことが確認されている。

したがつて、零点温度特性に影響を与えるダイ
ヤフラム部上のパツシベイシヨン膜厚は従来品の
半分以下にすることができ、電極間の漏洩電流に
影響したり、電荷の付着しやすいフイールド酸化
膜は従来品に比べて５倍以上に厚くすることがで
きるので、精度は大巾に向上し、圧力センサの小
形化が可能となつた。

次に、基板１２の製造方法を第５図〜第９図に
ついて説明する。この実施例はフイールド酸化膜
を選択酸化により形成したものである。

まず、ｎ形シリコン基板１２の表面に200〜300
Åに酸化膜２７を形成し、その上にシリコンナイ
トライド（SiN）層２８を形成した後、所定の場
所をプラズマエツチングで除去する。このプラズ
マエツチングで除去された部分がフイールド酸化
膜１７の形成される部分であるから、第１０図の
ハツチングの部分がシリコンナイトライド層２８
になる。

次にホトレジスト２９を第１１図に示す如くク
ロスアンダ１８に相当する部分を除いて全面につ
け、ボロンのイオン打ち込みを実施する。この状
態を第５図に示す。

次に、レジスト２９を除去後、熱酸化すると、
シリコンナイトライド層２８の部分は酸化がほと
んど進行せず、層２８のない部分のみが酸化され
フイールド酸化膜１７が生ずる。フイールド酸化
膜の厚さは酸化の雰囲気例えば温度、時間を調整
することにより所望の厚さの酸化膜が得られる。

このプロセスは部分酸化ないしは選択酸化と呼
ばれ、半導体集積回路の分野ではすでに知られて
いる。このプロセスでは、ボロン打ち込みを行つ
た部分には酸化膜１７の下にＰ形のクロスアンダ
１８が一緒に形成される。その後、層２８及び最
初に設けた薄い酸化膜２７を除去すれば第６図の
状態となる。

次に、表面に酸化膜２２を形成し、ピエゾ抵抗
体を設ける部分の酸化膜２２を除去し、熱拡散あ
るいはイオン打ち込み法でピエゾ抵抗体１６を形
成する。

このとき、ピエゾ抵抗体の両端がクロスアンダ
ー１８と重なり電気的に接続されることになる。

この状態を第７図に示す。

次に、第８図に示すようにフイールド酸化膜１
７の外周部２０をホトエツチングし、そこにりん
を拡散し、基板１２とのコンタクトを良くする。

次にフイールド酸化膜１７上にダイヤフラム部
をとりかこむように多結晶シリコン層２３を形成
した後、酸化膜１７にスルーホールを設け、そこ
にパツド１９を形成する。

最後に酸化膜１７をマスクとして測定圧室１４
をエツチングにより形成する。ここで、室１４の
奥行きが大きく加工量が多いときには、機械的な
加工法を採用しても良い。しかし、ダイヤフラム
部の厚さ及び室とピエゾ抵抗体を設けられた相対
位置関係はセンサの精度に大きく影響するので特
に小形のセンサは、ホトエツチングが優れてい
る。

以上説明したプロセスは、フイールド酸化膜と
クロスアンダとが同時に形成可能であり、工程が
短縮できる利点がある。

フイールド酸化膜を形成する方法として、この
他に、基板全面に厚い酸化膜を形成し、その後ダ
イヤフラム上の酸化膜を除去する方法がある。

第１２図は、従来品と第３図及び第４図に示す
圧力センサをともにスパン温度補償をほゞ完全に
行つた後の零点温度特性を示すもので、ダイヤフ
ラム部厚さはともに30μ、酸化膜厚が従来品1.5
μ、本発明品ではフイールド酸化膜５μ、ダイヤ
フラム上の酸化膜0.5μである。本発明品は３１
で示す様に−40℃〜120℃までほとんど変化しな
いのに対し、従来品は同じ温度範囲で約25％の変
化があつた。

以上説明したように、本発明では、ダイヤフラ
ム部とそれ以外の拘束部とのパツシベイシヨン膜
厚を変えたので、センサの測定精度に及ぼすパツ
シベイシヨン膜の影響を小さくすることができ
る。

ダイヤフラム部上の酸化膜は密閉空間で使用さ
れるため劣化が少いので長期間にわたり安定であ
り、これを従来の酸化膜の半分以下にしてもパツ
シベイシヨンの機能はまつたく影響がない。

更に、外気露出する可能性の大きい、フイール
ド酸化膜は十分厚くしているので、電荷の付着に
よる表面反転層しきい値電圧は酸化膜厚に比例す
るので、反転層が生じにくくなる。

したがつて、本発明によれば零点温度特性を改
善することができ、電極間の漏洩電流を減少させ
測定誤差の小さい圧力センサを提供することがで
き、もつてセンサを小形化することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の半導体圧力センサの平面図、第
２図は第１図の―断面図、第３図は本発明を
実施した半導体圧力センサの平面図、第４図は第
３図の―断面図、第５図ないし第９図は半導
体基板の製造プロセスにおける基板の断面図、第
１０図及び第１１図はマスクの形状を示す平面
図、第１２図はセンサの零点温度特性図である。 １２……シリコン基板、１３……拘束部、１５
……ダイヤフラム部、１６ａ〜１６ｄ……ピエゾ
抵抗体、１７……フイールド酸化膜、２２……酸
化膜、２３……多結晶シリコン、２５……ガラス
キヤツプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 中央にダイヤフラム部を、その周辺に拘束部
   を有する半導体基板と、前記ダイヤフラム部に設
   けられたピエゾ抵抗体と、前記ダイヤフラム部上
   のピエゾ抵抗体の設けられた側に密閉空間を形成
   するように前記拘束部に接着されたキヤツプと、
   前記ピエゾ抵抗体に電気的に接続され、この抵抗
   体の抵抗変化を電気信号として外部へ引き出すた
   めの電極手段と、前記シリコン基板のピエゾ抵抗
   が設けられた面上にパツシベイシヨン膜を有する
   ものにおいて、前記拘束部のパツシベイシヨン膜
   厚さを、ダイヤフラム部のパツシベイシヨン膜厚
   さよりも厚くしたことを特徴とする半導体圧力セ
   ンサ。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記電極手
   段は、前記拘束部のパツシベイシヨン膜の下に基
   板を形成する半導体材料の導電形とは反対の導電
   形をした層を含むことを特徴とする半導体圧力セ
   ンサ。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記基板は
   シリコン単結晶より成り前記キヤツプは前記基板
   とほぼ等しい熱膨張係数を有するガラスより成
   り、キヤツプと前記基板の拘束部とは静電接着さ
   れている事を特徴とする半導体圧力センサ。 ４ 特許請求の範囲、第３項において、前記パツ
   シベイシヨン膜はシリコン酸化膜より成り前記拘
   束部の酸化膜上に、ダイヤフラム部をとりかこむ
   ように多結晶シリコン層を形成し、前記キヤツプ
   は前記多結晶シリコン層上に接着されている事を
   特徴とする半導体圧力センサ。 ５ 特許請求の範囲第１項において、前記拘束部
   のパツシベイシヨン膜厚は、前記ダイヤフラム部
   のパツシベイシヨン膜厚の３倍以上であることを
   特徴とする半導体圧力センサ。