JPS6410110B2 - - Google Patents
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- JPS6410110B2 JPS6410110B2 JP7359081A JP7359081A JPS6410110B2 JP S6410110 B2 JPS6410110 B2 JP S6410110B2 JP 7359081 A JP7359081 A JP 7359081A JP 7359081 A JP7359081 A JP 7359081A JP S6410110 B2 JPS6410110 B2 JP S6410110B2
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- Japan
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- resistance
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- pressure sensor
- diaphragm
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は半導体圧力センサに係り、特に温度特
性の優れた圧力センサに関する。
性の優れた圧力センサに関する。
従来の半導体圧力センサは、例えば特開昭55−
52925号公報等に示されるように、その平面図が
第１図ａに、そして第１図ａのｂ−ｂ線にお
ける断面が第１図ｂに示されるように構成されて
いる。たとえば貫通孔が設けられたほう硅酸系ガ
ラス１の上面にたとえば静電接合技術を用いて半
導体圧力センサ２が固着されている。この半導体
圧力センサ２は、前記貫通孔と通じる裏面にて凹
陥部３が設けられたシリコンチツプ材からなる。
凹陥部３によつて比較的層厚が薄く形成された部
分のシリコンチツプ材は、その上面および下面の
圧力差により歪みが生ずるダイヤフラム（図中点
線で示す領域内）となつている。半導体圧力セン
サ２の表面には、両端において電極を有する抵抗
体４が４個形成されている。この各抵抗体４は異
なる導電型の不純物を選択拡散することによつて
形成される。４個の各抵抗体４は、それぞれダイ
ヤフラム領域の各４辺近傍に位置付けられ、その
形状は図中ｘ方向へ延在していることが前提とな
つている。すなわち、ｙ方向に並設される抵抗
は、ｘ方向に延在する長さ2lの抵抗層４Ａ，４Ｂ
が形成されて構成され、各抵抗層４Ａ，４Ｂの両
端にはそれぞれダイヤフラム領域外にて電極５
Ａ，５Ｂが形成されている。
52925号公報等に示されるように、その平面図が
第１図ａに、そして第１図ａのｂ−ｂ線にお
ける断面が第１図ｂに示されるように構成されて
いる。たとえば貫通孔が設けられたほう硅酸系ガ
ラス１の上面にたとえば静電接合技術を用いて半
導体圧力センサ２が固着されている。この半導体
圧力センサ２は、前記貫通孔と通じる裏面にて凹
陥部３が設けられたシリコンチツプ材からなる。
凹陥部３によつて比較的層厚が薄く形成された部
分のシリコンチツプ材は、その上面および下面の
圧力差により歪みが生ずるダイヤフラム（図中点
線で示す領域内）となつている。半導体圧力セン
サ２の表面には、両端において電極を有する抵抗
体４が４個形成されている。この各抵抗体４は異
なる導電型の不純物を選択拡散することによつて
形成される。４個の各抵抗体４は、それぞれダイ
ヤフラム領域の各４辺近傍に位置付けられ、その
形状は図中ｘ方向へ延在していることが前提とな
つている。すなわち、ｙ方向に並設される抵抗
は、ｘ方向に延在する長さ2lの抵抗層４Ａ，４Ｂ
が形成されて構成され、各抵抗層４Ａ，４Ｂの両
端にはそれぞれダイヤフラム領域外にて電極５
Ａ，５Ｂが形成されている。
また、ｘ方向に並設される抵抗は、ｘ方向に延
在する長さｌの抵抗層４Ｃ，４Ｃ、および４Ｄ，
４Ｄが形成されて構成され、各抵抗層４Ｃ，４Ｃ
は低抵抗すなわち比較的面積の大きな拡散層６Ｃ
によつて接続され、また各抵抗層４Ｄ，４Ｄは同
様にして抵抗層７Ｃによつて接続されている。そ
して、拡散層６Ｃによつて接続された抵抗層４Ｃ
の両端にはダイヤフラム領域外にて電極５Ｃが、
また拡散層７Ｃによつて接続された抵抗層４Ｄの
両端にはダイヤフラム領域外にて電極５Ｄが形成
されている。
在する長さｌの抵抗層４Ｃ，４Ｃ、および４Ｄ，
４Ｄが形成されて構成され、各抵抗層４Ｃ，４Ｃ
は低抵抗すなわち比較的面積の大きな拡散層６Ｃ
によつて接続され、また各抵抗層４Ｄ，４Ｄは同
様にして抵抗層７Ｃによつて接続されている。そ
して、拡散層６Ｃによつて接続された抵抗層４Ｃ
の両端にはダイヤフラム領域外にて電極５Ｃが、
また拡散層７Ｃによつて接続された抵抗層４Ｄの
両端にはダイヤフラム領域外にて電極５Ｄが形成
されている。
なお、シリコンチツプ材の表面は各電極を露呈
させて保護膜となるシリコン酸化膜８が形成され
ている。
させて保護膜となるシリコン酸化膜８が形成され
ている。
このようにして構成される半導体圧力センサ
は、第２図に示すように、電源Ｅに結線されてホ
イートストンブリジ回路を形成し出力V0の変化
に基づいて圧力値を算出するようになつている。
なお、図中抵抗９は第１図ａ中において抵抗層と
電極の間における抵抗を示している。
は、第２図に示すように、電源Ｅに結線されてホ
イートストンブリジ回路を形成し出力V0の変化
に基づいて圧力値を算出するようになつている。
なお、図中抵抗９は第１図ａ中において抵抗層と
電極の間における抵抗を示している。
しかし、このように構成したシリコンチツプ単
体すなわちほう硅酸系ガラス１に接着しない状態
の圧力零におけるその出力の温度特性は第３図の
実線αで示されるように、ほとんど温度に関係な
く一定であるのに対して、第１図に示すようにほ
う硅酸系ガラス１に接着した構造にするとその出
力は点線βのようになり、温度影響を受けるよう
になることが判つた。この特性は高性能圧力セン
サを得る上で極めて不利な特性となる。
体すなわちほう硅酸系ガラス１に接着しない状態
の圧力零におけるその出力の温度特性は第３図の
実線αで示されるように、ほとんど温度に関係な
く一定であるのに対して、第１図に示すようにほ
う硅酸系ガラス１に接着した構造にするとその出
力は点線βのようになり、温度影響を受けるよう
になることが判つた。この特性は高性能圧力セン
サを得る上で極めて不利な特性となる。
本発明の目的は、温度変化にもかかわらず常に
一定した出力を取り出せる半導体圧力センサを提
供することにある。
一定した出力を取り出せる半導体圧力センサを提
供することにある。
本発明は上記欠点がシリコンチツプとガラスの
線膨張係数の差によつて生ずるダイヤフラム面の
熱応力によつて発生することを実験および解析的
に確認し、この欠点を解消する手段としてパター
ン形状の差によつて生ずる抵抗変化の差をできる
限り小さくするようなパターンとしたものであ
る。
線膨張係数の差によつて生ずるダイヤフラム面の
熱応力によつて発生することを実験および解析的
に確認し、この欠点を解消する手段としてパター
ン形状の差によつて生ずる抵抗変化の差をできる
限り小さくするようなパターンとしたものであ
る。
したがつて、本発明は、ダイヤフラムを形成す
るシリコン基板の（100）面の各辺近傍に同一方
向へ延在する４個の抵抗層が設けられ、このうち
相対向する２個の抵抗層のそれぞれは低抵抗の拡
散層を介して前記方向へ平行に延在してダイヤフ
ラム外の領域上に配置された電極に接続されてい
る半導体圧力センサにおいて、相対向する他の２
個の抵抗層のそれぞれに低抵抗の拡散層領域を形
成し、この拡散層により前記２個の抵抗層の歪み
による抵抗変化と同じ変化を前記他の２個の抵抗
層にも生じさせるようにしたものである。
るシリコン基板の（100）面の各辺近傍に同一方
向へ延在する４個の抵抗層が設けられ、このうち
相対向する２個の抵抗層のそれぞれは低抵抗の拡
散層を介して前記方向へ平行に延在してダイヤフ
ラム外の領域上に配置された電極に接続されてい
る半導体圧力センサにおいて、相対向する他の２
個の抵抗層のそれぞれに低抵抗の拡散層領域を形
成し、この拡散層により前記２個の抵抗層の歪み
による抵抗変化と同じ変化を前記他の２個の抵抗
層にも生じさせるようにしたものである。
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
第４図は本発明による半導体圧力センサの一実
施例を示す構成図である。第１図ａと同符号のも
のは同材料を示している。第１図ａと異なる構成
は、低抵抗の拡散層６Ｃ，７Ｃが形成されている
抵抗層４Ｃ，４Ｄ以外の抵抗層、すなわちｙ方向
へ並設されている抵抗層４Ａ，４Ｂにおいて、そ
のほぼ中央部にそれぞれ前記拡散層６Ｃ，７Ｃと
ほぼ等しい面積を有する拡散層１０Ａ，１０Ｂを
設けたことにある。
施例を示す構成図である。第１図ａと同符号のも
のは同材料を示している。第１図ａと異なる構成
は、低抵抗の拡散層６Ｃ，７Ｃが形成されている
抵抗層４Ｃ，４Ｄ以外の抵抗層、すなわちｙ方向
へ並設されている抵抗層４Ａ，４Ｂにおいて、そ
のほぼ中央部にそれぞれ前記拡散層６Ｃ，７Ｃと
ほぼ等しい面積を有する拡散層１０Ａ，１０Ｂを
設けたことにある。
このようにして構成した半導体圧力センサにお
いて本発明の目的が達成できる理由を以下説明す
る。まず、従来の半導体圧力センサにおいて、詳
細な熱応力解析ならびに実験からたとえば125℃，
20℃，−40℃におけるダイヤフラム表面に発生す
る応力はダイヤフラム中心からの距離に対してそ
れぞれ第５図の実線Ａ，Ｂ，Ｃに示すようにな
る。この場合、ダイヤフラムの大きさは1.45mm×
1.45mm、板厚は25μm、チツプ厚さは180μm、ほ
う硅酸ガラスの厚さは１mmである。第１図におい
てｘ，ｙの両軸方向応力σx，σyは一致して、ダイ
ヤフラム内はほぼ一様であり、温度が下がるにつ
れて圧縮応力が大きくなる特徴がある。ダイヤフ
ラム以外の部分では応力が急激に小さくなる。
いて本発明の目的が達成できる理由を以下説明す
る。まず、従来の半導体圧力センサにおいて、詳
細な熱応力解析ならびに実験からたとえば125℃，
20℃，−40℃におけるダイヤフラム表面に発生す
る応力はダイヤフラム中心からの距離に対してそ
れぞれ第５図の実線Ａ，Ｂ，Ｃに示すようにな
る。この場合、ダイヤフラムの大きさは1.45mm×
1.45mm、板厚は25μm、チツプ厚さは180μm、ほ
う硅酸ガラスの厚さは１mmである。第１図におい
てｘ，ｙの両軸方向応力σx，σyは一致して、ダイ
ヤフラム内はほぼ一様であり、温度が下がるにつ
れて圧縮応力が大きくなる特徴がある。ダイヤフ
ラム以外の部分では応力が急激に小さくなる。
第１図示した拡散抵抗パターンは（100）面上
にｘ，ｙ軸ともに＜110＞軸に選択されることが
一般的である。圧力による抵抗変化の主要部は、
抵抗層４Ａ、抵抗層４Ｃ、抵抗層４Ｂ、抵抗層４
Ｄである。普通それらの領域はほとんど同一幅と
同一長さに設計される。ダイヤフラム面上の第２
に重要な抵抗部分は拡散層６Ｃおよび７Ｃの領域
である。これらの領域はｘ軸上に配置された抵抗
には存在するがｙ軸上に配置された抵抗には存在
しない。そこでその領域におけるピエゾ抵抗効果
について考えてみると、電流の支配的方向はｙ軸
であるので、 ΔR／Ｒ≒πlσy＋πtσx≒（πl＋πt）σ ……(1) 式が成立する。
にｘ，ｙ軸ともに＜110＞軸に選択されることが
一般的である。圧力による抵抗変化の主要部は、
抵抗層４Ａ、抵抗層４Ｃ、抵抗層４Ｂ、抵抗層４
Ｄである。普通それらの領域はほとんど同一幅と
同一長さに設計される。ダイヤフラム面上の第２
に重要な抵抗部分は拡散層６Ｃおよび７Ｃの領域
である。これらの領域はｘ軸上に配置された抵抗
には存在するがｙ軸上に配置された抵抗には存在
しない。そこでその領域におけるピエゾ抵抗効果
について考えてみると、電流の支配的方向はｙ軸
であるので、 ΔR／Ｒ≒πlσy＋πtσx≒（πl＋πt）σ ……(1) 式が成立する。
ここでΔRは応力による抵抗変化分、Ｒは拡散
層６Ｃおよび７Ｃの領域の抵抗値、πl，πtは縦お
よび横ピエゾ抵抗係数である。
層６Ｃおよび７Ｃの領域の抵抗値、πl，πtは縦お
よび横ピエゾ抵抗係数である。
さらにピエゾ抵抗係数を使つて(1)式を書き表わ
せば、 である。
せば、 である。
特定な抵抗におけるπ11，π12，π44は文献W.P.
Mason“Use of Piezoresistive Materials in
the Measurment of Displacement，Force，
and Torque”，J.Acoust.Soc.America vol29，
No.10，pp1096−1101（1957）により詳述されてい
る。これによれば、Ｐ形シリコンで比抵抗が
7.8Ωcmのとき、 π11＝6.6×10-12dynes／cm2， π12＝−1.1×10-12 dynes／cm2，π44 ＝138.1×10-12dynes／cm2 である。
Mason“Use of Piezoresistive Materials in
the Measurment of Displacement，Force，
and Torque”，J.Acoust.Soc.America vol29，
No.10，pp1096−1101（1957）により詳述されてい
る。これによれば、Ｐ形シリコンで比抵抗が
7.8Ωcmのとき、 π11＝6.6×10-12dynes／cm2， π12＝−1.1×10-12 dynes／cm2，π44 ＝138.1×10-12dynes／cm2 である。
したがつて
πl＋πt≒5.5÷10-12dynes／cm2 ……(3)
となる。今、第２図において、相対する辺たとえ
ば抵抗層４Ｃに対する抵抗層４Ｂは、第５図に示
された応力に対して、ほぼ同一量の抵抗変化を示
す。この場合、抵抗層６Ｃで示した領域は対応す
る領域がないため、この領域の抵抗が変化すると
直ちに出力変化につながる。抵抗層６Ｃの応力感
度は(3)式で示されるように引張応力に対して正の
感度を持つ。そこで第５図に示される応力が加え
られると、高温では抵抗層６Ｃの抵抗は上昇し、
低温では低下する。このため第２図に示されたブ
リツジ回路の出力V0は高温側で上昇し低温側で
低下する。これは第３図に示した点線βに示す特
性と同一の程度差を示し、このようにして、点線
βに示す特性の原因がシリコンとガラスの線膨張
係数の差によるダイヤフラム上の熱応力と抵抗パ
ターンの差によるものであることが判る。
ば抵抗層４Ｃに対する抵抗層４Ｂは、第５図に示
された応力に対して、ほぼ同一量の抵抗変化を示
す。この場合、抵抗層６Ｃで示した領域は対応す
る領域がないため、この領域の抵抗が変化すると
直ちに出力変化につながる。抵抗層６Ｃの応力感
度は(3)式で示されるように引張応力に対して正の
感度を持つ。そこで第５図に示される応力が加え
られると、高温では抵抗層６Ｃの抵抗は上昇し、
低温では低下する。このため第２図に示されたブ
リツジ回路の出力V0は高温側で上昇し低温側で
低下する。これは第３図に示した点線βに示す特
性と同一の程度差を示し、このようにして、点線
βに示す特性の原因がシリコンとガラスの線膨張
係数の差によるダイヤフラム上の熱応力と抵抗パ
ターンの差によるものであることが判る。
したがつて、実施例に示すように拡散層６Ｃお
よび７Ｃに相当する領域を抵抗層４Ａと４Ｂにも
設けることによつて、ブリツジ状態に接続したと
きに相対する辺はほとんど電気的に対称となる。
よび７Ｃに相当する領域を抵抗層４Ａと４Ｂにも
設けることによつて、ブリツジ状態に接続したと
きに相対する辺はほとんど電気的に対称となる。
実験結果によると本実施例の半導体圧力センサ
の温度変化による出力特性は第６図に示すように
なつた。実線α′はシリコンチツプ単体の場合、点
線β′はほう硅酸系ガラスに接着した場合の零点を
示す特性である。従来に比較し1/10程度に改良さ
れたことが判明した。
の温度変化による出力特性は第６図に示すように
なつた。実線α′はシリコンチツプ単体の場合、点
線β′はほう硅酸系ガラスに接着した場合の零点を
示す特性である。従来に比較し1/10程度に改良さ
れたことが判明した。
本実施例では、新たに設ける拡散層１０Ａ，１
０Ｂはそれぞれ抵抗層４Ａ，４Ｂのほぼ中央に設
けたものであるが、必ずしも中央部に設ける必要
はなく中央から多少ずれてもよいことはいうまで
もない。
０Ｂはそれぞれ抵抗層４Ａ，４Ｂのほぼ中央に設
けたものであるが、必ずしも中央部に設ける必要
はなく中央から多少ずれてもよいことはいうまで
もない。
さらに、本実施例では、半導体圧力センサを固
着する支持台としてガラスを用いたものであるが
金属等の他の材料であつてもよいことはいうまで
もない。
着する支持台としてガラスを用いたものであるが
金属等の他の材料であつてもよいことはいうまで
もない。
以上述べたように本発明による半導体圧力セン
サによれば、温度変化にもかかわらず常に一定し
た出力を取り出せるようにすることができる。
サによれば、温度変化にもかかわらず常に一定し
た出力を取り出せるようにすることができる。
第１図は従来の半導体圧力センサの一例を示す
構成図で、第１図ａは平面図、第１図ｂは第１図
ａのｂ−ｂ線における断面図、第２図は前記
半導体圧力センサを使用する場合の電気回路図、
第３図は従来の半導体圧力センサの温度変化に対
する出力特性を示すグラフ、第４図は本発明によ
る半導体圧力センサの一実施例を示す構成図、第
５図は本発明による半導体圧力センサの効果を説
明するために必要とするグラフ、第６図は本発明
による半導体圧力センサの温度変化に対する出力
特性を示すグラフである。 １……ほう硅酸系ガラス、２……半導体圧力セ
ンサ、３……凹陥部、４……抵抗体、４Ａ，４
Ｂ，４Ｃ，４Ｄ……抵抗層、６Ｃ，７Ｃ，１０
Ａ，１０Ｂ……拡散層。
構成図で、第１図ａは平面図、第１図ｂは第１図
ａのｂ−ｂ線における断面図、第２図は前記
半導体圧力センサを使用する場合の電気回路図、
第３図は従来の半導体圧力センサの温度変化に対
する出力特性を示すグラフ、第４図は本発明によ
る半導体圧力センサの一実施例を示す構成図、第
５図は本発明による半導体圧力センサの効果を説
明するために必要とするグラフ、第６図は本発明
による半導体圧力センサの温度変化に対する出力
特性を示すグラフである。 １……ほう硅酸系ガラス、２……半導体圧力セ
ンサ、３……凹陥部、４……抵抗体、４Ａ，４
Ｂ，４Ｃ，４Ｄ……抵抗層、６Ｃ，７Ｃ，１０
Ａ，１０Ｂ……拡散層。
Claims (1)
- １ （100）面を主表面とする半導体基板の裏面
に凹陥部を形成して層厚の小さな四角形状ダイヤ
フラムが形成され、前記主表面のダイヤフラム領
域内の各辺中心部近傍に４個の拡散抵抗層が設け
られ、それぞれの両端は、ダイヤフラム領域外へ
引き出されているとともに、前記拡散抵抗層のう
ち相対向する２個はそれぞれ近傍のダイヤフラム
領域辺と平行に形成された第１の抵抗層からな
り、他の相対向する２個はそれぞれ低抵抗の拡散
層を介して、前記第１の抵抗層と同方向に平行な
２個の抵抗層からなる第２の抵抗層から構成され
る半導体圧力センサにおいて、前記第１の抵抗層
はその一部に前記低抵抗の拡散層とほぼ同じ面積
を有する低抵抗の拡散層を形成したことを特徴と
する半導体圧力センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7359081A JPS57188885A (en) | 1981-05-18 | 1981-05-18 | Semiconductor pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7359081A JPS57188885A (en) | 1981-05-18 | 1981-05-18 | Semiconductor pressure sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57188885A JPS57188885A (en) | 1982-11-19 |
| JPS6410110B2 true JPS6410110B2 (ja) | 1989-02-21 |
Family
ID=13522675
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7359081A Granted JPS57188885A (en) | 1981-05-18 | 1981-05-18 | Semiconductor pressure sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57188885A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6174374A (ja) * | 1984-09-19 | 1986-04-16 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 半導体圧力変換器 |
| JPH0758795B2 (ja) * | 1985-01-28 | 1995-06-21 | 日本電気株式会社 | 圧力センサ |
-
1981
- 1981-05-18 JP JP7359081A patent/JPS57188885A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57188885A (en) | 1982-11-19 |
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