JPH04119672A - 半導体圧力センサ及びその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、面方位がほぼ（１１０）である単結晶シリコ
ン基板をエツチングして凹設されたダイヤフラム部を有
する半導体圧力センサに関する。

［従来の技術］ 従来の半導体圧力センサの一例を第８図に示す。

この半導体圧力センサは、面方位がほぼ（１１Ｏ）であ
る単結晶シリコン基板１ａを異方性エツチングして略四
角形状に凹設されたダイヤフラム部４ａを有する。面方
位がほぼ（１１０）の場合、ブリッジを構成する歪みゲ
ージはダイヤフラム部４ａの周辺部及び中央部に設けら
れる。

この基板１ａの非ダイヤフラム部７ａは、第３図に示す
ように、例えばパイレックスガラス製の台座３に接合さ
れ、台座３の圧力導入孔３１を通じて外部からダイヤフ
ラム部４ａの凹面に圧力が導入される。

特公昭６０−１３３１４号公報の半導体圧力センサは、
面方位が（１００）である半導体結晶の表面における異
なる２種類の結晶軸に平行な辺を有する八角形状のダイ
ヤフラム部を開示している。

この面方位をもつ半導体圧力センサでは、歪みゲージを
全てダイヤフラム部の周辺部に配置することが一般的で
ある。更に上記公報は、上記構造をとることにより、局
部的な応力集中を排して許容印加圧力の最大値を大きく
できるという効果を秦し得ることについて開示している
。

［発明が解決しようとする課題］ 上述したごとき単結晶シリコン基板をそれと究膨張係数
が異なる台座に接合する半導体圧カセ〕すにおいて、従
来より、両者の熱膨張係数の差によりダイヤフラム部に
熱応力が生じ、ダイヤフラム面内におけるこの熱応力の
ばらつきによりブリッジに熱応力に起因した出力（以下
、熱応力出火と呼ぶ。）が発生することが知られている
。こＣ熱応力出力は、圧力信号以外の信号成分（以下、
オフセット電圧と呼ぶ。）であり、後述するが温度変化
に対する非直線性をもつことが多く、連片簡単な電子回
路では、この非直線性を補償することがむずかしいため
、半導体圧力センサの精度向上の大きな障害となってお
り、それにもかかわらず、従来、有効な解決策は示され
ていなかった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり温度補償
精度を格段に向上することが可能な半導体圧力センサを
提供することを、その目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明の半導体圧力センサは、ダイヤフラム部上に設け
られた歪みゲージと、前記ダイヤフラムの基台として面
方位がほぼ（１１０＞であるシリコン結晶の基台とをも
ち、前記基台と異なる熱膨脹率を有し前記基台に接合さ
れる台座とを備える半導体圧力センサにおいて、 前記ダイヤフラム部は、＜１００＞軸、＜１１０〉軸、
＜１１１＞軸に直交する辺をもつ八角形状を有すること
を特徴としている。

ここで、面方位がほぼ（１１０）であるとは、（１１０
）面から例えば数度程度傾斜してもよいということをい
う。トランジスタを集積化するために基板表面にエピタ
キシャル成長を行うにはこのような傾斜が欠陥低減上で
好都合である。

［作用及び発明の効果コ 本発明に開示するところの、八角形状のダイヤフラム部
をもち面方位がほぼ（１１０）であるシリコン結晶の基
台と、この基台と異なる熱膨張係数を有する台座とを備
える半導体圧力センサ（以下、（１１０）型へ角形半導
体圧力センサと称する）は、はぼ四角形状のダイヤフラ
ム部をもつシリコン結晶の基台と、この基台と異なる熱
膨張係数を有する台座とを備える従来の半導体圧力セン
サ（以下、四角形半導体圧力センサと称する）に比べて
、ダイヤフラム部面内における熱応力の分布を変え得る
ことが有限要素法による計算及び試作で判明した。

その結果、本発明の（１１０）型へ角形半導体圧力セン
サによれば、従来より温度変動に関らず出力誤差を極め
て小さくすることができる。

［実施例］ （実施例１） 本発明の半導体圧力センサの一実施例を第１図〜第４図
により説明する。

この半導体圧力センサは、第３図に示すように、ダイヤ
フラム部４をもち一辺が約３ｍｍの正方形にダイシング
された単結晶シリコンチップからなる基板１と、基板１
の非ダイヤフラム部７すなわちダイヤフラム部４の周縁
部に静電接合されたパイレックスガラス（商品名）製の
台座３とからなる。台座３に貫孔された圧力導入孔３］
を通じて外部からダイヤフラム部４の凹面側に被測定圧
力が導入され、一方、ダイヤフラム部４の平坦面側に一
定の基準圧力が印加される。

基板１の厚さは約０．３ｍｍ、面方位はほぼ（１１０）
であって、基板１の中央部には異方性エツチングにより
八角形状のダイヤフラム部４が凹設されている。

ダイヤフラム部４は、厚さが約４０μｍであって、＜１
００＞軸、＜１１０＞軸、＜１１１＞軸に直交する辺に
より区画されている。第１辺乙１の長さは約０．５４ｍ
ｍ、第２辺乙２の長さは約０．８４ｍｍ、第３辺乙３の
長さは約０．４８ｍｍとされている。

ダイヤフラム部４の周辺部及び中央部には、基板１と反
対導電型の不純物ドープにより４個の歪みゲージ２が形
成され、これら歪みゲージ２は第４図に示すように、ブ
リッジ接続されている。

以下、この半導体圧力センサの製造工程について説明す
る。

ほぼ面方位か（１１０）である単結晶シリコンウェハに
通常の半導体プロセス技術により、歪ゲージ２ａ〜２ｄ
を形成し、その後、配線、パッシベーション、コンタク
トホール形成、ホンディング用パッドの形成を行う。歪
みゲージ２ａ〜２ｄの配置は通常の（１１０）面を用い
た場合と同様で、ダイヤフラム部４の中心を通る＜１１
０＞軸を対称軸とするように、ゲージ長手方向を＜１１
０〉方向に合わせ、歪みゲージ２ａ、２ｄはダイヤフラ
ム部４の周辺部に、歪みゲージ２ｂ、２Ｃはその中央部
に配置する。

次にウェハ裏面には第２図に示すようにホトリソ法によ
り酸化膜等のエツチング用マスクを形成し、ＫＯＨ水溶
液などにより異方性エツチングする。このようにすると
、＜１００＞軸、く１１０〉軸、＜１１１＞軸に垂直な
直線によりへ角形をもつダイヤフラム４を形成すること
ができる。

次にこのウェハをダイシングし、パイレックスガラス製
の台座３に静電接合し、ホンディング用パッドと図示し
ない入出力ピンとを金線等によりボンディングする。

この種の半導体圧力センサの構造及び製造工程について
は良く知られているので、これ以上の説明は省略する。

次に、ブリッジ（第４図参照）の出力端に発生する熱誤
差オフセット電圧について説明する。

この熱誤差オフセット電圧は、主として台座３と基板１
との熱膨張係数の差や、基板１とそれに被着された熱酸
化膜やパッシベーション膜等との熱膨張係数の差に起因
して生じる熱応力がダイヤフラム部面内においてばらつ
くことにより生じる。

パイレックス台座による熱応力を有限要素法によって解
析した径方向における熱応力の分布について第５図に示
す。Ａはこの実施例の半導体圧力センサにおける径方向
の熱応力分布を示し、Ｂはこの実施例の半導体圧力セン
サに対しダイヤフラム部の対向辺間距離が等しい四角形
状の半導体圧力センサ（第８図参照）における径方向の
熱応力分布を示す。

解析条件は、温度差１００℃、熱膨張係数差１ｘ１０　
−？［’Ｃ−”］と仮定し、圧力差はＯとした。

第５図かられかるように、この実施例の半導体圧力セン
サ（Ａ＞は従来の半導体圧力センサ（Ｂ）に比較して、
ダイヤフラム部４の面内における熱応力ばらつきが格段
に小さいことがわかる。特に、この実施例の半導体圧カ
センザでは、ダイヤフラム部４の中央部と周辺部とで熱
応力がほぼ等しくなるので、ブリッジ出力Ｖｏｕｔに熱
誤差出力電圧がほとんど発生しないことがわかった。

したがって、ダイヤフラム部４の中央部に配置された歪
みゲージ２ｂ、２Ｃと、周辺部に配置された歪みゲージ
２ａ、２ｄとの熱応力の差が極めて小さくでき、その結
果、熱誤差オフセット電圧は大幅に低減される。

なお、第４図のブリッジにおいて、熱誤差オフセット電
圧を含む全オフセット電圧ｖｏｕｔ　（ｐ＝○）は、 Ｖｏｕｔ　（ｐ＝○） ＝Ｖｉｎ−（Ｒｂ−Ｒｃ−Ｒａ−Ｒｄ）／（（Ｒａ十Ｒ
ｂ）　　　（Ｒｃ＋Ｒｄ））ただし、Ｒａ、　Ｒｂ、Ｒ
Ｃ，Ｒｄはそれぞれ、歪ゲージ２ａ、２ｂ、２Ｃ１２ｄ
の抵抗値とし、ダイヤフラム４に加えられる圧力差ｐは
Ｏとする。

なあ、歪ゲージ２ａ〜２ｄの抵抗値は熱応力とともに、
各歪ゲージ自体の抵抗温度係数ＴＣＰのばらつきによっ
て変化する。

いま、空温から１５０℃程度までの範囲において、パイ
レックスガラスの熱膨張係数αｐ＝３゜２Ｘ１０　−６
　　［℃−”］、温温度下［℃］におけるＳｉの熱膨張
係数αＳ丑４．８ｘ１０−９Ｔ＋２．６Ｘ１０　−６　
［’Ｃ−１］とすると、熱歪量６丁は εＴｌ＝１．／’Ｔ’８（αローα５）ｄＴ≠１−２．
４Ｘ１０−９・Ｔ２ 十〇ｙ６Ｘ１０−６−Ｔ＋ε０ となり、温度依存性をもつ。ただし、ＴＢは基板１と台
座３とを接合した時の温度、εＯは温度Ｔが０℃である
場合の熱歪量とする。

上式の温度下についての２次成分は、熱歪の温度依存性
の非直線性成分を表しており、前述のように熱歪の絶対
値自体よりも、この非直線性成分が温度補償上問題とな
ることが多い。

これらの熱歪量１６Ｔ１が各歪ゲージ２ａ〜２ｄの温度
変動により各抵抗値が変化するが、ブリッジ接続におい
ては、上記オフセット電圧■○Ｕｔ　（ｐ＝Ｏ）の式か
られかるように、各歪ゲージ２ａ〜２ｄの抵抗値のばら
つき（Ｒに周辺部の２ａ、２ｄと中央部の２ｂ、２Ｃと
の熱歪量の差〉が実際には熱誤差オフセット電圧（主に
熱応力出力）として現れる。

次に、この実施例の半導体圧力センサについてダイヤフ
ラム部４の各辺長の比率を種々、変更した試験品を作製
し、その温度変化に対する熱誤差オフセット電圧の変動
量を測定した。比較測量として四角形状で辺間距離が等
しいものも作製し、その温度変化に対する熱誤差オフセ
ット電圧の変動量を１として、第６図に相対表示する。

試験条件は、ダイヤフラム部４の圧力差はＯ１温度変化
は２５℃と１２０℃、ダイヤフラム部４の第１辺乙１の
長さを乙、豆いに平行で第１辺に直角な両筒２辺間乙２
の距離をし、互いに平行な同第１辺乙１間の距離をＬ−
とし、Ｌ′／Ｌを１゜０４としたく第７図参照）。

第６図から乙／Ｌ＝０．４とすると、変動量をほぼＯと
することができることかわかった。ただし、パッシベー
ション膜等の影響も考慮すると、ダイヤフラムの厚さ等
のスケールを変えると、第６図に示したグラフは多少変
わる可能性かある。

変形態様 歪ゲージ２ａ〜２ｄは単結晶シリコン（１１０＞面に不
純物ドープして作製したが、この他、ダイヤフラム４の
上に設けられたポリシリコン抵抗としてもよい。

また、面方位が（１１０）の基板１に面方位か（１００
）の単結晶シリコン基板を張りあわせ、この（１００）
基板に歪ゲージ抵抗体を形成してもよい。

エツチング方法としては、ＫＯＨ水溶液の他に、従来知
られている各種のものか採用可能である。

台座３は、パイレックスガラス以外の材料を採用するこ
とができる。

この実施例ではブリッジを構成する４本の歪ゲージ２ａ
〜２ｄをダイヤフラム４上に形成したが、ダイヤフラム
４上に歪ゲージ２ａ、２ｂ、あるいは２Ｃ１２ｄのいず
れかの組み合わせで構成されたいわゆるハーフブリッジ
回路でも同様の効果がある。

（実施例効果） 以上説明したようにこの実施例のでは、八角形状のダイ
ヤフラム部をもち面方位がほぼ（１１０）である単結晶
シリコン製の基板と、この基板と異なる熱膨張係数を有
する台座とを備える半導体圧力センサにおいて、ダイヤ
フラム部の第１辺の長さ乙をダイヤフラム部の両筒２辺
間の距離りに対し、その比１／１を変えることにより熱
応力の影響度合を任意に変えることができる。したがっ
て、この実施例によれば、熱応力出力をなくすのみなら
ず、熱応力出力を任意に変えられるので圧力感度の温度
補償のため、熱応力出力を積極的に利用すること（ただ
し、圧力感度とオフセット電圧はまったく異なるものな
ので完全な補償方法ではない。）も可能となり、温度変
化による出力の変動が極めて小ざい半導体圧力センサを
作製することが可能−となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ＞は本発明の半導体圧力センサに用いる基板
の一実施例を示す平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ
Ａ断面図、同図（Ｃ）は同図（ａ）のＣＣ断面図、同図
（ｄ）は同図（ａ）のＢＢ断面図、第２図はその製造に
用いるエツチング用マスクを示す平面図、第３図は上記
実施例の半導体圧力センサの断面図、第４図はブリッジ
接続回路図、第５図は径方向の熱応力分布を示す線図、
第６図は温度変化に対するブリッジのオフセット電圧変
動を示す線図、第７図は第６図において用いた試料の寸
法を表わす図、第８図（ａ）は従来の半導体圧力センサ
の基板の平面図、同図（ｂ）はそのＡＡ断面図、同図（
Ｃ）はそのＢＢ断面図である。 １・・・基板 ２ａ〜２ｄ・・・歪みゲ ３・・・台座 ４・・・ダイヤフラム部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　ダイヤフラム部上に設けられた歪みゲージと、前記ダ
   イヤフラムの基台として面方位がほぼ（１１０）である
   シリコン結晶の基台とをもち、前記基台と異なる熱膨脹
   率を有し前記基台に接合される台座とを備える半導体圧
   力センサにおいて、前記ダイヤフラム部は、＜１００＞
   軸、＜１１０〉軸、＜１１１＞軸に直交する辺をもつ八
   角形状を有することを特徴とする半導体圧力センサ。