JPS6250634A - 半導体圧力センサ - 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】 「産業上の利用分野」 この発明は零点温度変動の減少を図った半導体圧力セン
サに関する。

「従来の技術」 周知のように、半導体圧力センサは、Ｓｉダイヤプラム
に形成したゲージ抵抗の抵抗値の変化に基づいて圧力を
検出するしので、零点温度特性と感度温度特性の２種類
の温度特性がある。零点温度特性とは、測定圧力が零の
場合の周囲温度変化に基づく検出出力の変化特性であり
、また、感度温度特性とは、周囲温度変化に基づく検出
感度の変化特性である。そして、この発明は、特に零点
温度特性の改良に関する。

零点温度変動が発生する原因として、次の５つの原因が
考えられる。

（１）Ｓｉセンサチップ、台座、これらを接合する接着
剤の各々の熱膨張係数の差 （２）基準室内のガスの熱膨張 （３）ゲージ抵抗の不純物濃度の不均一（４）ｐ−ｎ接
合の逆方向リーク電流 （５）Ｓ　ｉダイヤフラム上に形成された５ｉＯｚ保護
膜およびＡＩ配線パターンの各熱膨張係数の差以下、こ
れらの各原因について考察する。

（１）Ｓｉセンサチップ、台座、接着剤の各熱膨張係数
の間に差があると、周囲温度の変化に応じてＳｉセンサ
チップに熱応力が発生し、このため検出出力が変化する
。しかし、この温度変動は、台座および接着剤として、
Ｓｉとほぼ等しい熱膨張係数をもつ材料を使用したり、
あるいは、接着剤を用いず、直接Ｓｉセンサチップと台
座とを静電接着することにより、はぼ解決されている。

（２）絶対圧型センサの場合、Ｓｉダイヤフラム下部の
気密室内に、ある温度ＴＩにおいて基皇圧力Ｐ１のガス
を封じ込め、そこを基準室としている。

この場合、周囲温度が変化すると、ボイル・シャルルの
法則にしたがって基準室内の圧力Ｐが次式のように変化
する。なおこの時、体積変化は無視することができる。

Ｐ＝（Ｔ／Ｔ　Ｉ）Ｐ　１ すなわち、周囲温度の変化に基づいて基準室内の圧力が
変化し、したがって、圧力センサの検出出力が変化する
。しかし、この温度変動は、基準室内の圧力を敗Ｔ　ｏ
ｒｒ程度にすれば、実質的に無視できる程度に小さくし
得る。

（３）４個のゲージ抵抗の不純物濃度が不均一であると
、ゲージ抵抗の温度係数が各々異なり、この結果、周囲
温度の変化に応じて検出出力が変化する。しかし、この
温度変動は、ゲージ抵抗を拡散する際の拡散源として、
イオンインプランテーションを用いたり、あるいは、４
個のゲージ抵抗を互いに近接して各ゲージ抵抗の不純物
濃度を均一にすることにより改善することができる。

（４）ゲージ抵抗とＳｉダイヤフラムとは、ｐ−ｎ接合
によって絶縁分離されているが、僅かなリーク電流が流
れる。このリーク電流は、温度の上昇と共に指数関数的
に増加し、したがって、高温で圧力センサを動作させる
場合は注意が必要である。

すなわち、高温で圧力センサを動作させると、リーク電
流が増加するため、ゲージ抵抗に流れる電流が減少し、
感度が低下する。また、４個のゲージ抵抗の各リーク電
流が、温度変化に対し不均等に変化すると、零点温度変
動が発生する。しかし、１００℃以下の環境においては
、接合面積にもよるが、リーク電流がｎＡオーダであり
、したがって、通常の使用状態ではほとんど問題になら
ない。

以上のように、前述した零点温度変動の各原因のうち、
（１）〜（４）についてはそれぞれなんらかの解決策が
ある。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、原因の（５）については、未だ有効な解
決策がないのが現状である。

そこでこの発明は、原因の（５）に基づく零点温度変動
を解決した半導体圧力センサを提供することを目的とし
ている。

「問題点を解決するための手段」 第１図は半導体圧力センサのセンサチップの構成例を示
す断面図であり、この図において、ｌはＳｉ基板、２は
Ｓｉダイヤフラム、３は拡散によって形成されたゲージ
抵抗、４はＳ　ｉ　Ｏｘ保護膜（絶縁膜）、５はＡ１配
線パターンである。このＡ１配線パターンは、ゲージ抵
抗３をブリツノ回路に接続し、あるいは、電極パッドま
で信号を引き出すためのものである。　この図に示すよ
うに、Ｓｉダイヤフラム２の上面には５ｉＯｚ保護膜４
およびＡＩ配線パターン５が形成され、これらＳ　ｉ　
Ｏを保護膜４．ＡＩ配線パターン５およびＳｉダイヤフ
ラム２の各熱膨張係数が各々異なることから、周囲温度
変化に基づく検出出力の温度変動が発生する。

ところで、Ｓｉ、ＡＩ、５ｉＯｔ各熱膨張係数は各々、
Ｓ　ｉ　＋　３．４　Ｘ　Ｉ　Ｏ−８（’Ｃ−’）Ａｌ
　：　２３．４Ｘ１０″″’（’Ｃ−’）ＳｉＯｘ　：
　ｏ、ａｘ　ｌ　Ｏ″″８（０Ｃ−’）であり、Ｓｉｎ
、の熱膨張係数はＳｉのそれより１桁小さく、一方、Ａ
１の熱膨張係数はＳｉのそれより１桁大きい。このこと
は、５ｉＯｚ保護膜４の熱膨張に基づく出力変化の温度
係数と、ＡＩ配線パターン５の熱膨張に基づく出力変化
の温度係数の極性が逆になることを意味する。具体的に
は、５ｉＯ７保護膜４の熱膨張が検出出力を負方向へ変
化させ、一方、ＡＩ配線パターン５の熱膨張が検出出力
を正方向へ変化させる。また、５ｉＯｚ保護膜４および
ＡＩ配線パターン５の各々が零点温度特性に与える影響
は、各膜厚およびＳｉダイヤフラム２上に占める面積に
応じて決まる。なお、第２図は、ＡＩ配線パターン５の
膜厚（横軸）と、温度が１℃変化した時発生する熱応力
の圧力換算値（縦袖）との関係を示す図であり、この図
は５ｉＯｚ保護膜４の厚さが０．６μｍ、Ａｌ配線パタ
ーン５がＳｉダイヤフラム２上に占める面積の割合か２
６％の場合である。

以上の結果、５ｉＯｙ保護膜４の面積、厚さおよびＡｌ
配線パターン５の面積、厚さを各々適切に選べば、両者
に基づく温度変動が相殺され、前述した原因（５）に基
づく温度変動をほぼ零のすることが可能になる。

この発明は上記の点に着目してなされたもので、配線パ
ターンがダイヤフラム上に占める面積の割合または配線
パターンの厚さと絶縁膜の厚さの比を、零点温度変動が
零となる値に選択したことを特徴としている。

「実施例」 第３図は、Ａｌ配線パターン５がＳｉダイヤフラム２上
に占める面積を２６％（一定）とし、Ａｌ膜厚／　Ｓ　
ｉ　Ｏ＊膜厚 なる比を種々変化させて実験した場合における零点温度
変動量（５０°Ｃにおける検出出力と−１０℃における
検出出力との差）を示す図である。なお、この実験にお
いては、前述した原因（１）の影響を完全に除くため、
センサチップと台座の接着を行なっていない。また、原
因（３）の影響を除くため、４１のゲージ抵抗の値およ
びその温度係数がほぼ等しいセンサチップを使用してい
る。　この図から明らかなように、Ａｌ配線パターン５
の占めろ面積が２６％の場合は、ｒＡＩ膜厚／　Ｓ　ｒ
　Ｏを膜厚」を約０．８とすることにより、零点温度変
動量をほぼ零とすることができる。

第４図は、ｒＡ１膜厚／　Ｓ　ｉ　Ｏを膜厚」を一定と
し、Ａｌ配線パターン５かＳｉダイヤフラム２上に占め
る面積を変化させて実験した場合における零点温度変動
量（同前）を示す図である。ここで、実線Ｌ１　、Ｌ　
２　、Ｌ　３は各々、ｒＡｌ膜厚／　Ｓ　ｉ　Ｏを膜厚
」の値が６．６．３．３．０．８３の場合である。この
図から明らかなように、Ａｌ配線パターン５がＳｉダイ
ヤフラム２上に占める面積を、 Ａｌ膜厚／　Ｓ　ｉ　Ｏを膜厚＝６．６の場合→約ｌＯ
％Ａｌａ厚／　Ｓ　ｉ　Ｏを膜厚−３，３の場合→約１
５％Ａｔ膜厚／　Ｓ　ｉＯを膜厚＝０．８３の場合−約
２５％とすれば、零点温度変動をほぼ零とすることがで
きる。

「発明の効果」 この発明によれば、配線パターンが半導体ダイヤフラム
上に占める面積の割合、または配線パターンの厚さと絶
縁膜の厚さの比を、零点温度変動がほぼ零となる値に選
択したので、配線パターン、絶縁膜、ダイヤフラムの間
の熱膨張係数の相違に基づく零点温度変動をほぼ零とす
ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体圧力センサの構成例を示す断面図、第２
図はＡＩ配線パターンの膜厚と、温度が１　’Ｃ変化し
た時発生する熱応力の圧力換算値との関係を示す図、第
３図はＡｌ膜厚／Ｓｉｎ、膜厚の値を変化させた場合に
おける零点温度変動量を示す図、第４図はＡ１配線パタ
ーンがダイヤプラム上に占める面積を変化させた場合に
おける零点温度変動暑木云す回で凧ス− ２・・・・・・Ｓｉダイヤフラム、３・・・・・・ゲー
ジ抵抗、４・・・・・・Ｓｉｎ、保護模、５・・・・・
・Ａ１配線パターン。 第２図 Ａノ賎厚（μｍ） 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体ダイアヤラムにゲージ抵抗を形成すると共に、前
   記半導体ダイヤフラム上に絶縁膜および配線パターンを
   形成してなる半導体圧力センサにおいて、前記配線パタ
   ーンが前記半導体ダイヤフラム上に占める面積の割合ま
   たは前記配線パターンの厚さと前記絶縁膜の厚さの比を
   、零点温度変動がほぼ零となる値に選択してなる半導体
   圧力センサ。