JP6474492B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents
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Description
この半導体基板は、外部圧力に起因して変形するように配置され、膜縁及び膜厚を有する膜;膜の第1の辺部上またはそれに隣接して位置する第1の抵抗器対であり、第1の抵抗器対が、第1のバイアスノードと第1の出力ノードとの間に接続された第1の抵抗器、及び該第1のバイアスノードと、第1の出力ノードとは異なる第2の出力ノードとの間に接続された第2の抵抗器を備え、第2の抵抗器の抵抗が第1の抵抗器の抵抗に等しい、第1の抵抗器対;測定されるべき外部圧力に起因する膜の変形を測定するための、第1の方向で配置された、1本以上の第1の細長いピエゾ抵抗条片を備える第1の抵抗器、測定されるべき外部圧力に起因する膜の変形を測定するための、第2の方向で配置された、1本以上の第2の細長いピエゾ抵抗条片を備える第2の抵抗器であり、第2の方向が第1の方向に対して実質的に垂直である、第1の抵抗器、第2の抵抗器、を備え、
本方法は、第1の電流源を第1の出力ノードに接続するステップであり、第1の電流源が、第1の所定の電流を第1の抵抗器を通して流し、第1の出力ノードが第1の出力電圧を帯びるように適合された、ステップ;第2の電流源を第2の出力ノードに接続するステップであり、第2の電流源が、第2の所定の電流を第2の抵抗器を通して流し、第2の出力ノードが第2の出力電圧を帯びるように適合され、第2の所定の電流が第1の所定の電流と実質的に等しい、ステップ;測定されるべき外部圧力の指標として、第1及び第2の出力ノード上で第1の差動電圧信号を得るステップ、を含む、方法を提供する。
異なる図面において、同じ参照符号は、同じまたは類似する要素を指す。
本発明において、用語「隔膜」及び「膜」は、(測定されるべき)外部圧力がそれに印加された場合に機械的に変形するように適合された、(「バルク」とも呼ばれる)周囲の基板材料と比較して低減された厚さを有する半導体基板の領域を示すための同義語として使用される。
背景技術の項で説明され、図1で例証される、特許文献1(Hitachi)の回路は、いくつかの欠点を有するが、その中で説明される基本原理の多くは、本発明でも使用されている。例えば、本発明の実施形態の膜縁は、好ましくは、印加圧力によって引き起こされる最大応力が、膜縁に対して垂直な少なくとも2つの領域に到達し、膜縁が<110>方向に配向されるような方法で実現される。平面<111>上の異方性エッチングストップにより膜縁の中央にそのような4つの領域を作り出すため、シリコンには正方形膜の異方性エッチングがしばしば使用される。他のエッチング方法を使用することによって、円形膜もまた、そのような4つの領域をもたらし、楕円形膜もそのような2つの領域を短径上にもたらす。ピエゾ抵抗器の応力感度はまた、結晶配向にも依存し、p型ドープ抵抗器は、<110>方向に沿って抵抗の最大変化を有し、また、<110>方向から45°の<100>方向に沿って抵抗の最小変化を有する。金属接続は、シリコンに応力を引き起こし、この応力は、クリープのため経時的に変化させることもできる。したがって、高濃度ドープのp型ドープ経路が、金属とピエゾ抵抗条片との間に実現される。これらの高濃度p型ドープ経路を<110>方向から45度の<100>方向に配置することによって、金属配線からの応力が、これらの条片の抵抗を変化させないことが確保される。
本発明の実施形態による圧力センサについて説明する前に、最初に、ホイートストンブリッジ回路の原理を説明する。これは、ホイートストンブリッジが従来技術の圧力センサにおいてしばしば使用されており、本発明との類似点及び差異を説明するのに役立つためである。
ブリッジが「平衡状態である」場合、以下の式が当てはまる。
R1/R2=R3/R4 (1)
これは、次式に等しい。
R1×R4=R2×R3 (2)
理想的圧力センサは、高い感度を有し(僅かな圧力に対しても出力信号が大きい)、ゼロオフセットを有し、完全な線形挙動を有し(出力電圧が印加圧力に対して厳密に比例する)、かつ温度変動及びパッケージ応力に対して非感受性である。更に、理想的圧力センサは、その表面に対して垂直な電場に対して非感受性である。
ゼロオフセットを低減させるために、当該技術分野において様々な試みがなされてきた。
図4は、本発明による半導体圧力センサ100の第1の実施形態の概略ブロック図を示し、図5はその部分的レイアウトの例を示す。
図5において確認できるように、第1の抵抗器R1及び第2の抵抗器R2は、膜2の異なる辺上に配置されているのではなく、同じ辺(より具体的には、正方形の膜の第1の辺S1の中央付近)に意図的に位置付けられている。こうすることによって、抵抗器間の距離は「小さく」なるため、抵抗器R1、R2の温度T1、T2は実質的に同じとなる(T1≒T2)。第1及び第2の抵抗器の抵抗は等しいため、また両方の抵抗器は同じ材料で構成されているため、両方の抵抗器の抵抗が、温度と共に同じように変動することになる(例えば、温度が上昇した場合、両方とも5%増加する)。この変動は、両方の抵抗器について関数が同じである限り、温度に対して線形または非線形であるかどうかは問題ではない。これは、同じ材料が使用されている場合のことである。抵抗R1、R2の、温度によるこのような増加(または減少)は、両方の出力電圧Vout−、Vout+をおよそ同じ量(一次で)減少(または増加)させることになるが、それらの間の差異に対して有意には影響を及ぼさない。換言すれば、温度変動は、(主に)コモンモード信号として現れるが、差動信号には影響を及ぼさない。上述から、図4の回路は、温度変動(経時的)に対して実質的に非感受性であり、また、膜2上の温度勾配に対しても実質的に非感受性である(抵抗器が近接して位置付けられているため)ことが理解できる。温度勾配に対する非感受性は、本発明の大きな利点である。
図9は、図5のレイアウトをより詳細に(かつ反転させて)示している。ピエゾ抵抗条片8、9を相互接続する引出領域6、及び「コーナー部品」3は、第1のドーパント型の高濃度ドープ層、例えば高濃度ドープしたp+型拡散層で構成される。これらは、比較的低い電気抵抗を有し、また、ピエゾ抵抗係数が比較的少ない方向に(示される実施例では、好ましくは、第1の方向Y及び第2の方向Xに対して±45°の角度で)延在する。引出領域6は、膜2の縁21を越えて延在し、また、膜2の外側で、バルクに位置する導体電極、例えば金属電極4とオーム接触している。そのような金属電極4は、例えばアルミニウムを含んでもよい。
第3の電流源CS3を用いてR5及びR8の該並列接続に対して第3の所定の電流I3を印加するステップと、第4の電流源CS4を用いてR6及びR7の該並列接続に対して第4の所定の電流I4を印加するステップと、第3の出力ノードB2及び第4の出力ノードD2上で第2の差動電圧信号ΔVrefを測定するステップと、
第1の差動電圧信号ΔVoutに対応する値を、第2の差動電圧信号ΔVrefに対応する値で修正するステップと、を含む。
21 膜縁
3 コーナー部品
4 金属電極
6 電極引出領域
MD 最大距離
8、9、10、11 第1、第2、第3、第4の抵抗器のピエゾ抵抗条片
P1、P2、… 第1、第2、…の抵抗器対
R1、R2、… 第1、第2の抵抗器
S1、S2、… 正方形膜の第1、第2の辺
T 膜厚
W 正方形膜の幅
Vdd 供給電圧
Gnd 接地電圧
Vbias バイアス電圧
Claims (15)
- 加えられる外部圧力を判定するための半導体圧力センサ(100、200、300、400)であって、
− 膜縁(21)及び膜厚(T)を有し、前記外部圧力に起因して変形するための、半導体基板の一部としての膜(2)、
− 前記膜(2)の第1の辺部(S1)上またはそれに隣接して位置する第1の抵抗器対(P1)であり、前記第1の抵抗器対(P1)が、第1のバイアスノード(A)と第1の出力ノード(D)との間に接続された第1の抵抗器(R1)、及び前記第1のバイアスノード(A)と、前記第1の出力ノード(D)とは異なる第2の出力ノード(B)との間に接続された第2の抵抗器(R2)を備え、前記第2の抵抗器(R2)の抵抗が前記第1の抵抗器(R1)の抵抗に等しい、第1の抵抗器対(P1)、
− 前記第1の出力ノード(D)に接続された、またはそれに接続可能であり、かつ第1の所定の電流(I1)を前記第1の抵抗器(R1)を通して流し、前記第1の出力ノード(D)が第1の出力電圧(Vout−)を帯びるように適合された、第1の電流源(CS1)、
− 前記第2の出力ノード(B)に接続された、またはそれに接続可能であり、かつ第2の所定の電流(I2)を前記第2の抵抗器(R2)を通して流し、前記第2の出力ノード(B)が第2の出力電圧(Vout+)を帯びるように適合された、第2の電流源(CS2)であり、前記第2の所定の電流(I2)が前記第1の所定の電流(I1)と実質的に等しい、第2の電流源(CS2)、
− 測定されるべき前記外部圧力に起因する前記膜(2)の変形を測定するための、第1の方向(X)で配置された、1本以上の第1の細長いピエゾ抵抗条片(8)を備える前記第1の抵抗器(R1)、測定されるべき前記外部圧力に起因する前記膜(2)の変形を測定するための、第2の方向(Y)で配置された、1本以上の第2の細長いピエゾ抵抗条片(9)を備える前記第2の抵抗器(R2)であり、前記第2の方向(Y)が前記第1の方向(X)に対して実質的に垂直である、第1の抵抗器(R1)、第2の抵抗器(R2)、を備え、
− 前記第1及び第2の出力電圧(Vout−、Vout+)が、測定されるべき前記外部圧力を示す第1の差動電圧信号(ΔVout)を形成する、半導体圧力センサ(100、200、300、400)。 - 前記第1の差動電圧信号(ΔVout)を、測定されるべき前記圧力を示す第1の圧力信号に変換するための、第1の差動増幅器を備える第1の読み出し回路を更に備える、請求項1に記載の半導体圧力センサ(100、200、300、400)。
- − 前記第1及び前記第2のピエゾ抵抗条片(8、9)が、nウェル内のp型ドープ領域として形成され、
− 前記第1のバイアスノード(A)が、前記nウェルと電気的に接続されている、請求項1または2に記載の半導体圧力センサ(100、300、400)。 - − 前記膜の第2の辺部(S2)上またはそれに隣接して位置する第2の抵抗器対(P2)であって、前記第2の辺部(S2)が、前記膜(2)の中心から測定されたときに、前記第1の辺部(S1)から実質的にまたは正確に90°の角距離に位置する、第2の抵抗器対(P2)を更に備え、
− 前記第2の抵抗器対(P2)が、前記第1のバイアスノード(A)と前記第2の出力ノード(B)との間で前記第2の抵抗器(R2)と並列に接続された第3の抵抗器(R3)と、前記第1のバイアスノード(A)と前記第1の出力ノード(D)との間で前記第1の抵抗器(R1)と並列に接続された第4の抵抗器(R4)とを備え、
− 前記第3の抵抗器(R3)が、前記第1の方向(X)で配置された、1本以上の細長いピエゾ抵抗条片(10)を備え、前記第4の抵抗器(R4)が、前記第2の方向(Y)で配置された、1本以上の細長いピエゾ抵抗条片(11)を備える、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体圧力センサ(300、400)。 - − 前記膜(2)の前記第1の辺部(S1)であるが前記膜(2)の外側に配置された第3の抵抗器対(P3)であって、前記第1のバイアスノード(A)と第3の出力ノード(B2)との間に接続された第5の抵抗器(R5)、及び前記第1のバイアスノード(A)と、前記第3の出力ノード(B2)とは異なる第4の出力ノード(D2)との間に接続された第6の抵抗器(R6)を備える、第3の抵抗器対(P3)と、
− 前記第3の出力ノード(B2)に接続され、かつ第3の所定の電流(I3)を前記第5の抵抗器(R5)を通して流し、前記第3の出力ノード(B2)が第3の出力電圧(Vref−)を提供するように適合された、第3の電流源(CS3)と、
− 前記第4の出力ノード(D2)に接続され、かつ第4の所定の電流(I4)を前記第6の抵抗器(R6)を通して流し、前記第4の出力ノード(D2)が第4の出力電圧(Vref+)を提供するように適合された、第4の電流源(CS4)であって、前記第3及び第4の所定の電流(I3、I4)が前記第1の所定の電流(I1)と実質的に等しい、第4の電流源(CS4)と、
− パッケージング応力を測定するための、前記第1の方向(X)で配置された、1本以上の細長いピエゾ抵抗条片を備える前記第5の抵抗器(R5)、及び前記第2の方向(Y)で配置された、1本以上の細長いピエゾ抵抗条片を備える前記第6の抵抗器(R6)と、
− 前記膜(2)の前記第2の辺部(S2)であるが前記膜(2)の外側に配置された第4の抵抗器対(P4)であって、前記第4の抵抗器対(P4)が、前記第1のバイアスノード(A)と前記第4の出力ノード(D2)との間で前記第6の抵抗器(R6)と並列に接続された第7の抵抗器(R7)、及び前記第1のバイアスノード(A)と前記第3の出力ノード(B2)との間で前記第5の抵抗器(R5)と並列に接続された第8の抵抗器(R8)を備え、前記第7の抵抗器(R7)が、前記第1の方向(X)で配置された、1本以上の細長いピエゾ抵抗条片を備え、前記第8の抵抗器(R8)が、前記第2の方向(Y)で配置された、1本以上の細長いピエゾ抵抗条片を備える、第4の抵抗器対(P4)と、を更に備え、
− 前記第5及び第6及び第7及び第8の抵抗器(R5、R6、R7、R8)の前記1本以上のピエゾ抵抗条片が、前記半導体基板上におけるパッケージングによって加えられる応力を測定するためだけに、前記膜厚(T)の少なくとも4.0倍の前記膜縁(21)からの距離で配置されており、
− 前記第3及び第4の出力電圧(Vref−、Vref+)が、前記パッケージ応力を示す第2の差動電圧信号(ΔVref)を形成する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体圧力センサ(400)。 - − 前記第1の差動電圧信号(ΔVout)及び前記第2の差動電圧信号(ΔVref)を、前記第1の差動増幅器へと選択的に供給するための多重変換装置、及び/または
− 前記第2の差動電圧信号(ΔVref)を、前記パッケージ応力を示す第2の圧力信号に変換するための、第2の差動増幅器を備える第2の読み出し回路を更に備える、請求項5に記載の半導体圧力センサ(400)。 - 前記抵抗器(R1、R2;R1、R2、R3、R4;R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8)の各々が、直列に接続された少なくとも2本または少なくとも3本のピエゾ抵抗条片を備える、請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体圧力センサ(100、200、300、400)。
- 前記抵抗器(R1、R2;R1、R2、R3、R4;R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8)の各々が、等しい数の細長いピエゾ抵抗条片(8、9;8、9、10、11)を備え、全てのピエゾ条片の寸法が同じである、請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体圧力センサ(100、200、300、400)。
- 各抵抗器対(P1;P1、P2;P1、P2、P3、P4)のレイアウトが、前記第1及び第2の出力ノード(D、B)への電気的相互接続のための第1及び第2の引出領域(6a、6c)と、前記第1のバイアスノード(A)への電気的相互接続のための第3の引出領域(6b)とを更に備え、前記第3の引出領域(6b)が、前記第1の引出領域と前記第2の引出領域との間に位置する、請求項7または8に記載の半導体圧力センサ(100、200、300、400)。
- − 前記基板が、CMOSウエハであり、
− 前記膜が(100)平面内に位置し、前記ピエゾ抵抗素子のうちの少なくとも1つが、<110>方向に配向される、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体圧力センサ(100、200、300、400)。 - 前記膜が、正方形状または円形状を有する、請求項10に記載の半導体圧力センサ(100、200、300、400)。
- 請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体圧力センサ(100、200、300、400)を備える、半導体デバイス。
- 半導体基板に加えられる外部圧力を判定する方法(1500)であって、前記半導体基板が、
− 前記外部圧力に起因して変形するように配置され、膜縁(21)及び膜厚(T)を有する膜(2)、
− 前記膜(2)の第1の辺部(S1)上またはそれに隣接して位置する第1の抵抗器対(P1)であり、前記第1の抵抗器対(P1)が、第1のバイアスノード(A)と第1の出力ノード(D)との間に接続された第1の抵抗器(R1)、及び前記第1のバイアスノード(A)と、前記第1の出力ノード(D)とは異なる第2の出力ノード(B)との間に接続された第2の抵抗器(R2)を備え、前記第2の抵抗器(R2)の抵抗が前記第1の抵抗器(R1)の抵抗に等しい、第1の抵抗器対(P1)、
− 測定されるべき前記外部圧力に起因する前記膜(2)の変形を測定するための、第1の方向(X)で配置された、1本以上の第1の細長いピエゾ抵抗条片(8)を備える前記第1の抵抗器(R1)、測定されるべき前記外部圧力に起因する前記膜(2)の変形を測定するための、第2の方向(Y)で配置された、1本以上の第2の細長いピエゾ抵抗条片(9)を備える前記第2の抵抗器(R2)であり、前記第2の方向(Y)が前記第1の方向(X)に対して実質的に垂直である、第1の抵抗器(R1)、第2の抵抗器(R2)、を備え、
前記方法が、
− 第1の電流源(CS1)を前記第1の出力ノード(D)に接続するステップ(1501)であり、前記第1の電流源が、第1の所定の電流(I1)を前記第1の抵抗器(R1)を通して流し、前記第1の出力ノード(D)が第1の出力電圧(Vout−)を帯びるように適合された、ステップ(1501)、
− 第2の電流源(CS2)を前記第2の出力ノード(B)に接続するステップ(1502)であり、前記第2の電流源が、第2の所定の電流(I2)を前記第2の抵抗器(R2)を通して流し、前記第2の出力ノード(B)が第2の出力電圧(Vout+)を帯びるように適合され、前記第2の所定の電流(I2)が前記第1の所定の電流(I1)と実質的に等しい、ステップ(1502)、
− 測定されるべき前記外部圧力の指標として、前記第1及び第2の出力ノード(B、D)上で第1の差動電圧信号(ΔVout)を得るステップ(1503)、を含む、方法。 - 前記基板が、請求項4に記載の第2の抵抗器対(P2)を更に備える、請求項13に記載の方法。
- 前記基板が、請求項5に記載の第3及び第4の抵抗器対(P3、P4)を更に備え、
前記方法が、
− 第3の電流源(CS3)を用いて、第3の所定の電流(I3)を、前記第5の抵抗器(R5)及び前記第8の抵抗器(R8)の前記並列接続に印加するステップと、
− 第4の電流源(CS4)を用いて、第4の所定の電流(I4)を、前記第6の抵抗器(R6)及び前記第7の抵抗器(R7)の前記並列接続に印加するステップと、
− 前記第3及び第4の出力ノード(B2、D2)上で第2の差動電圧信号(ΔVref)を測定するステップと、
− 前記第1の差動電圧信号(ΔVout)に対応する値を、前記第2の差動電圧信号(ΔVref)に対応する値で修正するステップと、を更に含む、請求項14に記載の方法。
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