JPS6329981A - 半導体圧力変換器 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、ダイヤフラム形の半導体圧力変換器に関する
もので、特にオフセット電圧のドリフトを減少させた構
造に係るものである。

（従来の技術） 半導体圧力変換器は工業用プラントの圧力、流量等の計
測あるいは民生用機器に使用され、その応用分野は拡大
されている。

第３図は半導体圧力変換器の一例を模式的に示す斯面図
である。　１はシリコン単結晶からなる感圧半導体基板
（以下感圧基板という）である。

感圧幕板１の中央部は薄肉でダイアフラム１ａと呼ばれ
、その一方の主面には複数個の拡散抵抗層２が形成され
ている。　感圧基板１の周辺部は肉厚となり、感圧基板
台３に固定される。　感圧基板台３は、熱膨脹係数を感
圧基板１と同じにするためシリコンからなり、中央部に
貫通孔を有し、圧力導入用バイブ４を介して外囲器底部
５ａにマラントされる。　５は外囲器でハウジングとも
呼ばれる。　６はボンディングワイヤ、７はリードビン
である。

圧力導入用バイブ４を経てダイヤフラム１ａに被測定圧
が入力されるとダイヤフラムは変形し、拡散抵抗層２に
歪を生じ、その抵抗値が変化する。

感圧基板１の結晶方位によって、入力圧に対して増加す
る抵抗と減少する抵抗とが選べるので、両者を組み会わ
せて圧力検出のためのホイーストンブリッジ（第４図参
照）を構成できる。　第４図の出力端子ａ、ｂ間の電圧
ｖａｂを測定することによって入力圧を検出することが
できる。　一般に所定の周囲条件（湿度等）下で入力圧
の無い場合に、電圧Ｖａｂは例えば０に調整され使用さ
れる。

しかし使用中、周囲条件等の変化により入力圧が無くて
も出力端子間に電圧が現れることが多い。

この電圧をオフピット電圧（Ｖ　ａｒｔ　）という。　
オフセット電圧は時間の経過に従って変動するが、この
変動をドリフトと呼ぶ。　オフセット電圧のドリフトは
測定値の誤差に直接つながるので、圧力変換器ではオフ
セット電圧のドリフトが最小になるよう構成される。　
拡散抵抗を使用する半導体圧力変換器は感圧基板上の表
面電荷の蓄積により、長時間にわたるオフセット電圧の
ドリフトの問題がある。　表面電荷は第４図に示すよう
に、感圧基板とそれを組込んでいるハウジング等の電位
が異なるため、両者の間の媒質が分極し、その影響で生
じている。　そこでこの表面電荷によるオフセット電圧
のドリフトを防ぐため、表面７１ｉを放電させる等の対
策が必要となる。

この対策の１つとして特開昭５５−３３０９２号に開示
された方法がある。　第５図及び第６図はこの従来例を
示す断面図及び平面図である。

拡散抵抗層２の上面のみに絶縁膜（例えば５ｉ０２膜）
８を介してＡＩ　、Ａｕ等の金属のシールド層９が形成
されている。　シールド層９は感圧基板１と端部９ａで
接続され同電位となっている。　従って拡散抵抗層２と
シールド層９との間には外部電界は存在できないので、
ハウジングと感圧基板又はシールド層との間に電位差が
あっても、絶縁膜８にはこれによる分極電荷は発生せず
、前記表面電荷によるオフセット電圧のドリフトは防止
される。　しかしながらオフセット電圧のドリフトは出
来るだけ小さくすることが望まれる。　このニーズに対
しては前記シールド層を設ける対策だけでは不十分であ
る。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明者らはオフセット電圧のドリフトとシールド層の
形状との関係を調べた。　その結果の１例を第７図に示
す。　第７図は周囲温度を所定温度に維持した時、オフ
セット電圧（縦軸）が時間（横軸）の経過によって変動
（ドリフト）する有様を示したものである。　破線で示
す曲線は、拡散抵抗上の絶縁膜面のみにシールド層を形
成したもので、実線はダイヤフラムに対抗する部分全面
にシールド層を形成したものである。

この結果から明らかなようにオフセット電圧のドリフト
はシールド層の面積の広いほど小さくなる。　他方、温
度を変化させた場合のオフセット電圧の変化（以下温度
特性と略記する）を調べると、後述するようにシールド
層の面積を広くすると温度特性の変化が著しいことがわ
かった。

そのため従来技術では拡散抵抗の上面のみにシールド層
を形成することで温度特性の低下を防ぐとともに、オフ
セット電圧のドリフト対策を行っていた。　しかし高粘
度の圧力変換器を提供する場合、オフセット電圧のドリ
フト量を小さくし、且つ温度特性を低下させないことが
望まれ、従来技術ではこのような圧力変換器を提供する
には至らなかった。

本発明の目的は、半導体圧力変換器のオフセット電圧の
ドリフトに関し、従来技術に比較しオフセット電圧のド
リフトｍを減少させると共に温度特性が低下しない半導
体圧力変圧器を提供することである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は一方の主面に拡散抵抗層が形成されているダイ
ヤフラムと、肉厚の周辺部とからなる感圧シリコン単結
晶基板を有する半導体圧力変換器において、前記一方の
主面側に、前記ダイヤフラムと絶縁膜を介して相対する
少なくともダイヤフラムの面積と等しい対向面積の導電
層を有し、該導電層は前記感圧シリコン単結晶基板と電
気的に接続され、且つ該導電層の熱膨脹係数がシリコン
の熱膨脹係数の０．５倍ないし４倍とすることを特徴と
する半導体圧力変換器である。

（作用） 前記導電層（以下シールド層という）は感圧シリコン単
結晶基板と同電位でその面積も対向するダイヤフラムの
面積と等しいかそれより大きいので、拡散抵抗層面には
外部電界による表面電荷は蓄積されず、オフセット電圧
のドリフトは従来よりも減少する。　これと共に前記シ
ールド層には、熱膨脹係数がシリコンのそれに比較的近
い（０，５倍〜４倍）例えばモリブデンシリサイド又は
チタン・タングステン合金等を使用するので、拡散抵抗
層の熱による内部歪は無視できる程度に減少し、温度特
性は低下しない。

（実施例） 拡散抵抗層上の表面電荷に起因するオフセット電圧のド
リフトは、シールド層を拡散抵抗層面上のみに形成する
より、ダイセフラム全面を覆うようにした方がその効果
が大きいく第７図参照）。

しかしながらシールド層を広げると、オフセット電圧の
温度特性が悪化することを本発明者らは発見した。　第
８図はその試行結果を示すものである。　即ちシールド
層を設けない場合（点線の曲線ａ）、Ａ＋シールド層を
拡散抵抗層上のみに形成した場合（−点鎖線ｂ）及びＡ
１シールド層をダイヤフラム全面上に形成した場合（二
点鎖線Ｃ）について、それぞれ複数個の試料を製作し、
５０℃の温度変化を与えたときの各試料のオフセット電
圧Ｖ　ａｒｔの変動（ドリフト）値ΔＶｆ）ｆｆを測定
した。

横軸は△Ｖｌ、ＰＦの値を、縦軸はその個数ｎを示す。

一定の温度変化を与えたときのオフセット電圧の変動の
分布を示すこれらの曲線から明らかなように、温度特性
はシールド層を広げると悪化することがわかる。

これはシールド層とシリコン感圧基板との熱膨脹係数の
違いで拡散抵抗層に内部歪を生じるためと推定された。

　特にシールド層はＡ１で形成され、熱膨脹係数がシリ
コンより　１ケタはど大きいため、ダイヤフラム全面に
シールド層を形成した場合、シールド層を設けない場合
に比較して温度特性がかなり悪化している。

この問題点を解決するための手段は、シリコンと熱膨脹
係数の比較的一致した導電性の物質でシールド層を形成
することである。　第１表は６秤の材質とその熱膨脹係
数を示す表である。

第１表 第１図及び第２図は本発明の実施例の一例を示すもので
、それぞれ感圧基板の部分断面図及び部分平面図である
。　感圧シリコン単結晶基板１の薄肉のダイヤフラム１
ａの一方の主面に複数個の拡散抵抗層２が形成されてい
る。　１つは、ダイヤフラム１ａと絶縁膜（シリコン酸
化膜）８を介して相対づる導電層（シールド層）で、モ
リブデンシリサイド（例えばＭＯ８１２合金）から成り
、ダイヤフラム１ａの上方全面に真空蒸着等により形成
される。　ＭＯ８ｉ２合金層（シールド層）は、約４０
００Ｘ程の厚さとする。　合金層の厚さを厚くすること
は温度特性の低下につながり好ましくない。　ＭＯ８Ｉ
２合金層は、酸化膜等の絶縁物８により拡散抵抗層２と
電気的に絶縁されると共に感圧基板１と端部１９ａで接
続され、これと同電位になっている。　従ってＵＡ敗低
抗層２はＭＯ８ｉ２合金層１９と感圧基板とにより外部
から電気的にシールドされる。　シールド層に１ｙｊｏ
３ｉ２合金を使用した半導体圧力変換器に５０℃の温度
変化を与えたときのオフセット電圧変動を第８図の実線
ｄで示す。

シールド層１つはシールド層の電気抵抗を減らすためモ
リブデン（Ｍｏ　）により形成することもできる。　例
えばモリブデンシリサイドとモリブデンの８！ｉ層構造
（Ｍ　ＯＳ　ｉ　２　／　Ｍ　Ｏ／　Ｍ　ＯＳ　ｉ　２
又はＭｏ　Ｓ　ｉ　２　／ＭＯ）で５ｉｎ２膜とＭＯＪ
ｇとの間にＭｏＳｉ２層を形成して密着性を向上する。

モリブデンの熱膨脹係数も第１表に示すようにシリコン
と近い値であり温度特性の向上が図れる。

ＭｏＳｉ２合金はＳｉもしくは５ｉ０２との密着性を向
上させるため、所望により約５００℃３０分のアニール
を行う。　これによりＭｏ５ｉ２合金と３ｉ　との密着
性が向上し、電気的接触状態も良くなる。

またシールド層は、チタン・タングステン（Ｔｉ　Ｗ）
合金により形成することも可能である。

ＴｉＷ合金もダイヤフラム全面に真空熱＠等により３０
００Ｘはど形成する。　第１表に示すようにＴｉＷの熱
膨脹係数も３ｉと近い値で温度特性は向上する。

前記実施例等からシールド層の材質は、その熱膨脹係数
がシリコンの熱膨脹係数の０．５倍ないし４倍となる材
質のものが必要である。

本発明はＳｉ　と熱膨脹係数が比較的一致した導電性の
物質でシールド層を形成することであり、前記実施例以
外の物質、例えば高濃度の不純物をドープした多結晶シ
リコン等でシールド層を形成しても差支えない。

［発明の効果］ 前述の拡散抵抗層上の表面電荷によるオフセット電圧の
ドリフトは、感圧基板と同電位のシールド層を設けるこ
とにより減少する。　本発明ではシールド層をダイヤフ
ラム上方全面に形成するので、従来のシールド層を拡散
抵抗層上方のみに形成する場合に比較して、オフセット
電圧のドリフト減少の程度は大きい。　特に長時間経過
後のオフレット電圧の変化量に対しその効果は著しいく
第７図参照）。

他方、温度が変化した場合のオフセット電圧の変動（温
度特性）は、シールド層をＡＩ、Ａｕ等に代えて、シリ
コンと比較的熱膨脹係数の合う材質のモリブデンシリナ
イド等を使用するため、シールド層をダイヤフラム上方
全面に形成するにもかかわらず、シールド層を設けない
場合とほぼ同等の温度特性が得られる（第８図参照）。

　従ってシールド層をダイヤフラム上方全面に形成し、
熱膨脹係数がシリコンと比較的一致した材質を使用する
本発明の半導体圧力変換器は、温度特性を低下させるこ
となくオフセット電圧のドリフトを従来より減少させる
ことができた。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の半導体圧力変換器のそれぞ
れの部分断面図及び部分平面図、第３図は半導体圧力変
換器（本発明及び従来共通使用）の断面図、第４図は拡
散抵抗層、シールド層及び外部電圧源等の電気接続図、
第５図及び第６図は従来の」′導体圧力変換器のそれぞ
れ部分断面図又は部分平面図、第７図はオフセット電圧
のドリフトと時間との関係を示す図、第８図はオフセッ
ト電圧の温度特性である。 １・・・感圧シリコン単結晶基板（感圧基板）、１ａ・
・・ダイヤフラム、　２・・・拡散抵抗層、　８・・・
絶縁物、　９，１９・・・導電層（シールド層）。 特許出願人　株式会社　東　　芝 第１図　　　　　　第２図 第３図 第４　図 第５図　　　　　第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　一方の主面に拡散抵抗層が形成されているダイヤフ
   ラムと称する薄肉の中央部と肉厚の周辺部とからなる感
   圧シリコン単結晶基板を有する半導体圧力変換器におい
   て、前記−方の主面側に、前記ダイアフラムと絶縁膜を
   介して相対する少なくともダイヤフラムの面積と等しい
   対向面積の導電層を有し、該導電層は前記感圧シリコン
   単結晶基板と電気的に接続され、且つ該導電層の熱膨脹
   係数はシリコンの熱膨脹係数の０．５倍ないし４倍であ
   ることを特徴とする半導体圧力変換器。 ２　上記導電層がモリブデンシリサイドまたはチタン・
   タングステン合金により形成されている特許請求の範囲
   第１項記載のの半導体圧力変換器。 ３　上記導電層がモリブデンシリサイドとモリブデンと
   の積層構造より成る特許請求の範囲第１項記載の半導体
   圧力変換器。