JPH0688762A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、ダイヤフラム部の一層の薄膜化に
よって耐圧力性および高感度化を図り得、温度変化によ
る圧力伝達媒体の体積変化を低減化し、また半導体エピ
タキシャル層剥離方向の過大差圧印加時のバックアップ
効果を安定に保持することにある。 【構成】 第１の導圧路３を形成した半導体基板１の上
部にエピタキシャル層２を形成するとともに、半導体基
板と対面するエピタキシャル層の面部に第１の導圧路３
の口径よりも大なる凹状の圧力受け部４を有する半導体
圧力センサにおいて、半導体基板とは反対側のエピタキ
シャル層の面部に、第１の圧力受け部との間でダイヤフ
ラム部６を構成する凹状の圧力受け部５を形成し、当該
圧力受け部側の半導体エピタキシャル層面部に当該圧力
受け部の径よりも小さな口径の第２の導圧路９をもった
導圧台１０を設けた圧力センサである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、差圧伝送器等に利用さ
れる半導体圧力センサに係わり、特に高耐圧性、超小型
化等を実現する上で有効な構造とする半導体圧力センサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般的に知られている半導体圧力
センサは、単結晶シリコン自身の有する優れた弾性特性
に着目し、その単結晶シリコンを用いて薄膜シリコンダ
イヤフラム（以下、ダイヤフラムと指称する）を形成す
る一方、当該ダイヤフラムの一方面部側の表面に、ダイ
ヤフラム両面にかかる圧力の差に応答して変化する応力
変化に応じてピエゾ抵抗特性の変化をもたらす応力セン
サが配置され、前記ダイヤフラムの他方面部側にはダイ
ヤフラム本来の機能を高めるべく薄膜化を実現するため
に円形状の凹部が形成され、全体として単結晶半導体チ
ップを構成している。

【０００３】ところで、単結晶半導体チップの大きさ
は、縮小化するにつれて、ダイヤフラムの柔軟性を高め
ること等から、耐圧力性に強いことが見い出されてい
る。従って、このセンサチップの縮小化を実現するため
にはダイヤフラムのより薄膜化する技術が必要となって
くる。以下、従来の半導体圧力センサの構造および薄膜
化製造工程について図３（ａ）〜（ｄ）を参照しながら
説明する。

【０００４】先ず、図３（ａ）に示す如く高抵抗のＰ型
シリコン基板１０１上に第１のＮ型エピタキシャル層１
０２を成長し、さらに熱酸化膜１０３および低抵抗のＮ
⁺⁺型エピタキシャル層１０４を形成する。その後、図３
（ｂ）に示す如く第１のＮ型エピタキシャル層１０２上
および低抵抗のＮ⁺⁺型エピタキシャル層１０４上に第２
のＮ型エピタキシャル層１０５を成長し、当該第２のＮ
型エピタキシャル層１０５の表面であってダイヤフラム
として機能する領域に応力センサとしてのピエゾ抵抗部
１０７を配置する一方、前記熱酸化膜１０３にエッチン
グ用の穴パターン１０８を形成する。

【０００５】さらに、図３（ｃ）に示すように第２のＮ
型エピタキシャル層１０５の表面にワックス等を施して
保護した後、異方性エッチング液を用いてＰ型シリコン
基板１０１をエッチングし、Ｎ⁺⁺型エピタキシャル層１
０４に達するエッチング穴１０９を形成する。引き続
き、図３（ｄ）に示す如く等方性エッチング液を用いて
Ｎ⁺⁺型エピタキシャル層１０４をエッチングし、凹状の
圧力受け部１１０を形成するとともに熱酸化膜１０３を
除去する。

【０００６】しかる後、ピエゾ抵抗部１０７上に電極を
介してリード線を取り出し、一方、圧力受け部１１０と
隣り合う第２のＮ型エピタキシャル層１０５がダイヤフ
ラムとなっているので、このダイヤフラムの機能を十分
に生かすように台座に接合した後、測定圧力を適切に出
力する外囲器に設置される。従って、以上のような構造
および製造工程をとることにより、ダイヤフラム１０６
の薄膜化が可能になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、以上のような
構造および製造工程をとる半導体圧力センサでは、電極
やリード線の全てが大きな容積の圧力媒体中に設置され
ることから少なからず圧力変動の影響を受け、また、た
とえダイヤフラム１０６の薄膜化が実現したとしても、
温度変化によって大きな容積の圧力伝達媒体の体積が変
化すると、その変化分がダイヤフラム圧力となって印加
されるので、それがそのまま測定誤差となって現れる問
題がある。このことは、センサの小型化にも自ずと限界
が生じてくる。

【０００８】さらに、ダイヤフラムの薄膜化が進むにつ
れて差圧を高感度に測定することが可能となるが、逆に
過大差圧を受けた時にはダイヤフラムが破壊する危険度
が益々増大する傾向にあり、その意味からも耐圧性を高
めるべくダイヤフラムの中央変位量を制限するためのバ
ックアッププレートが必要となってくる。

【０００９】そこで、従来技術においては、ピエゾ抵抗
部側からセンサチップ側へ印加される過大差圧に対して
はＰ型シリコン基板１０１自体がバックアッププレート
としての役割を果たすものの、それとは逆のＮ⁺⁺型エピ
タキシャル層を剥離する方向への過大圧力に対してはバ
ックアッププレートの機能をもっていない。

【００１０】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、ダイヤフラムの一層の薄膜化を実現して耐圧力性お
よび高感度化を図り、かつ、温度変化に対する圧力伝達
媒体の体積変化を極力低減化し、半導体エピタキシャル
層剥離方向の過大差圧印加時のバックアップ効果を安定
に保持する半導体圧力センサを提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に対応する発明は、単結晶半導体基板の一
方面部に半導体エピタキシャル層を形成するとともに、
前記半導体基板に第１の導圧路を貫通し、かつ、前記半
導体基板と対面する前記半導体エピタキシャル層の面部
に第１の導圧路の口径よりも大なる径の凹状の第１の圧
力受け部を有する半導体圧力センサにおいて、前記半導
体基板とは反対側の前記半導体エピタキシャル層の面部
に、前記第１の圧力受け部との間でダイヤフラム部を構
成する凹状の第２の圧力受け部を形成するとともに、こ
の第２の圧力受け部側のダイヤフラム部の所定位置に応
力センサを配置し、前記第２の圧力受け部側の前記半導
体エピタキシャル層の面部に前記第２の圧力受け部の径
よりも小さな口径の第２の導圧路をもった導圧台を設け
た半導体圧力センサである。

【００１２】なお、半導体エピタキシャル層の両面部に
設けた第１および第２の圧力受け部としては、測定感
度，温度変化による圧力伝達媒体の体積変化および過大
差圧時の耐圧性等に基づいて、前記圧力受け部の凹状部
分の径、凹状部分の段差および前記ダイヤフラム部の厚
さを適宜に選定するものとする。

【００１３】

【作用】従って、請求項１，２に対応する発明は以上の
ような手段を講じたことにより、半導体エピタキシャル
層の両面に凹状の圧力受け部を形成したことにより、ダ
イヤフラム部のより一層の薄膜化を実現でき、圧力セン
サの小型化およびダイヤフラム部の測定感度を大幅に向
上させることができる。しかも、半導体基板と対面する
半導体エピタキシャル層の面部に第１の導圧路の口径よ
りも大なる径の凹状の第１の圧力受け部を設け、これに
加えて更に半導体基板とは反対側の半導体エピタキシャ
ル層の面部に第２の導圧路の口径よりも大なる径の凹状
の第２の圧力受け部を設けたので、圧力伝達媒体の体積
はこれら導圧路と圧力受け部との合計体積だけとなり、
従来に比べて圧力伝達媒体の体積が大幅に削減化でき、
温度変化による影響量を低減化できる。

【００１４】さらに、ピエゾ抵抗部側からセンサチップ
に印加される過大差圧は半導体基板自体がバックアップ
プレートの役割を果たすが、さらに半導体エピタキシャ
ル層剥離方向の過大差圧については第２の導圧路をもっ
た導圧台がバックアップ効果を発揮し、耐圧性能を大き
く向上でき、しかも正圧・負圧両方向の導圧管の接続を
可能とすることができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図１および
図２を参照して説明する。図１は台座を含んだ半導体圧
力センサの構造例を示す断面図、図２は結線パタンニン
グを望むような位置関係をもって切断した斜め方向から
見た断面図である。

【００１６】これらの図において１は高抵抗のＰ型シリ
コン基板であって、このシリコン基板１の上面部には所
要とする厚さをもった低抵抗のＮ型エピタキシャル層２
が形成され、さらにシリコン基板１の下部面の例えばほ
ぼ中央部分から真上の上面部方向に向かって徐々に縮小
する口径の第１の導圧路３が設けられている。この第１
の導圧路３は異方性エッチング液によるエッチング工程
の下に形成される。

【００１７】そして、Ｐ型シリコン基板１と対面する側
のＮ型エピタキシャル層２の面部側に等方エッチング液
を用いてエッチングを行うことにより、前記第１の導圧
路３の上部側口径よりも十分に大きな径をもつ凹状の第
１の圧力受け部４が形成され、さらに当該第１の圧力受
け部４とは反対側面であるＮ型エピタキシャル層２の上
部面側にも同様に等方エッチング液を用いて前記第１の
圧力受け部４と同程度の大きさをもった凹状の第２の圧
力受け部５が形成され、これら２つの圧力受け部４，５
によって挟まれたシリコン薄膜部分が薄膜シリコンのダ
イヤフラム部６を構成する。

【００１８】さらに、前記Ｎ型エピタキシャル層２の上
面部に位置する第２の圧力受け部５の面部であって、比
較的周縁部に近い個所には応力センサとしてのピエゾ抵
抗部７が形成され、かつ、これらピエゾ抵抗部７からＮ
型エピタキシャル層２上を通って外方に導出するように
結線用パタンニング８が形成されている。

【００１９】また、前記Ｎ型エピタキシャル層２の上面
部には、Ｐ型シリコン基板１とでダイヤフラム部６を挟
むような位置関係で、かつ、第１の導圧路３と同程度の
圧力導入形状をもった第２の導圧路９を有する導圧台１
０が接合されている。この導圧台１０の材料としては、
センサチップとの陽極接合が容易なパイレックスガラス
等のシリコン化合物を用いるとよい。

【００２０】なお、前記Ｎ型エピタキシャル層２の上下
面部に形成される凹状の圧力受け部４、５の径、凹状部
分の段差およびダイヤフラム部６の厚さの比率は任意に
選定できるものであるが、特に所望とする測定感度を得
ること、温度変化による圧力伝達媒体の体積変化等を低
減化すること等の観点から選定され、さらに過大差圧の
印加時にダイヤフラム部６の変形量が凹状部分の段差で
制限されるような大きさ、つまりダイヤフラム部６の変
形によって導圧路３，９の小口径部分を閉塞することに
より高耐圧性を確保する点も考慮して適宜に選定され
る。

【００２１】そして、Ｐ型シリコン基板１側からは絶縁
台座１１を、導圧台１０側からは絶縁台座１２を被せる
ようにして突き合わせ接合し、半導体圧力センサ本体を
図示するごとくパッケージングする。

【００２２】従って、以上のような実施例の半導体圧力
センサによれば、Ｎ型エピタキシャル層２の両面に凹状
の圧力受け部４，５を形成することにより、膜厚数ミク
ロンのダイヤフラム部６が実現でき、従来に比べて更な
る薄膜化が可能となり、ひいてはダイヤフラム部６の小
型化に伴って半導体圧力センサの小型化およびダイヤフ
ラム部６の測定感度を大幅に向上させることができる。

【００２３】しかも、従来の圧力センサにおいては、ダ
イヤフラム部６の径に比べて膜厚の比率が大きく、不必
要な自己耐圧性能を有するだけであり、ダイヤフラム部
６の測定感度が大きく制約を受けていることになる。こ
れに対して、本発明圧力センサは、ダイヤフラム部６の
径と膜厚の比率とから所望とする測定感度が得られ、種
々の構造上の改良，つまり絞り形式をもった小口径の導
圧路３，９やその口径に比して大きな径のダイヤフラム
部６とすることにより、自己耐圧性能を十分に高めるこ
とができる。

【００２４】一方、ダイヤフラム部６の薄膜化の進行に
伴い、過大差圧の印加時にセンサチップの破壊が益々増
大する可能性が生じてくるが、そのためにもバックアッ
ププレートが必要不可欠なものとなる。この点、従来技
術では、片方にのみバッアッププレートが形成されてい
るのみであり、過大差圧に十分に対処できるものでない
が、本発明圧力センサの場合には、小口径の導圧路３，
９とそれよりも大きな径のダイヤフラム部６との関係か
ら過大圧力を抑制する一方、特に導圧台１０がＮ型エピ
タキシャル層２の剥離方向の過大差圧に対してバックア
ッププレートとなり得、これによって耐圧性能を大きく
向上でき、しかも正圧・負圧両方向の導圧管の接続が可
能となるために絶対圧計の半導体圧力センサにおいて柔
軟性を有する。

【００２５】さらに、圧力伝達媒体の全体体積が両導圧
路３，９およびダイヤフラム部６の圧力受け部４，５の
体積合計に限定されることから、従来に比して著しく媒
体体積を削減化でき、これによって温度変化に対する媒
体体積の変化を大幅に少なくでき、測定誤差を低減化、
ひいては測定精度の向上に大きく寄与する。

【００２６】さらに、ダイヤフラム部６の比較的周縁部
に近い個所にピエゾ抵抗部７を形成する一方、このピエ
ゾ抵抗部７からＮ型エピタキシャル層２上に形成した結
線用パタニング８により外部電極に結線するので、圧力
伝達媒体の体積変化等の影響を受けることがなく、しか
もセンサチップと導圧台１０との接合時の気密性を保持
することができる。なお、本発明はその要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施できる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ダ
イヤフラムの一層の薄膜化を実現でき、これにより耐圧
力性および高感度化を図ることができ、しかも温度変化
による圧力伝達媒体の体積変化を極力低減化でき、か
つ、半導体エピタキシャル層剥離方向の過大差圧印加時
のバックアップ効果を安定に保持できる半導体圧力セン
サを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる半導体圧力センサの一実施例を
示す構造断面図。

【図２】図１に示す半導体圧力センサを、結線パタンニ
ングを望むような位置関係をもって切断した斜め方向か
ら見た断面図。

【図３】従来の半導体圧力センサの構造および製造工程
を説明する図。

【符号の説明】

１…Ｐ型シリコン基板、２…Ｎ型エピタキシャル層、３
…第１の導圧路、４…第１の圧力受け部、５…第２の圧
力受け部、６…ダイヤフラム部、７…ピエゾ抵抗部、９
…第２の導圧路、１０…導圧台。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶半導体基板の一方面部に半導体エ
   ピタキシャル層を形成するとともに、前記半導体基板に
   第１の導圧路を貫通し、かつ、前記半導体基板と対面す
   る前記半導体エピタキシャル層の面部に第１の導圧路の
   口径よりも大なる径の凹状の第１の圧力受け部を有する
   半導体圧力センサにおいて、 前記半導体基板とは反対側の前記半導体エピタキシャル
   層の面部に、前記第１の圧力受け部との間でダイヤフラ
   ム部を構成する凹状の第２の圧力受け部を形成するとと
   もに、この第２の圧力受け部側のダイヤフラム部の所定
   位置に応力センサを配置し、前記第２の圧力受け部側の
   前記半導体エピタキシャル層の面部に前記第２の圧力受
   け部の径よりも小さな口径の第２の導圧路をもった導圧
   台を設けたことを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】 半導体エピタキシャル層の両面部に設け
   た第１および第２の圧力受け部は、測定感度，温度変化
   による圧力伝達媒体の体積変化および過大差圧時の耐圧
   性等に基づいて、当該圧力受け部の凹状部分の径、当該
   凹状部分の段差および前記ダイヤフラム部の厚さを適宜
   に選定するものである請求項１記載の半導体圧力セン
   サ。