JPH0727643A - ピエゾ抵抗型半導体圧力センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 安価で高精度に作製し得るピエゾ抵抗型半導
体圧力センサーの新規な構造を提供する。 【構成】 Ｓｉ単結晶基板の一方の主面側にくぼみを設
けてリム付きダイアフラムを形成し、該くぼみ底部のダ
イアフラム上にピエゾ抵抗体歪ゲージを形成した構造で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工業計測や自動車等の
分野で用いられるピエゾ抵抗型半導体圧力センサー素子
の新規な構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のピエゾ抵抗型半導体圧力センサー
素子は図２に示すように、Ｓｉ単結晶基板１の下面側に
平坦な底部を有するくぼみを設けることによりリム付き
ダイアフラム２が形成され、該基板１の上面側に酸化膜
３が設けられ、該酸化膜３の上部にノンドープ多結晶Ｓ
ｉ層４を有し、該ノンドープ多結晶Ｓｉ層４中に歪抵抗
体５が形成され、該歪抵抗体５の上部には電極６が設け
られると共に該電極６の配線部と多結晶Ｓｉ層４の間
に、絶縁膜７が介在され、ピエゾ抵抗体歪ゲージは歪抵
抗体５と電極６により構成される構造となっている。こ
の素子構造はＳｉ基板表面上に先ず歪ゲージを形成し、
最後に基板裏面を周縁部を残してエッチングしてくぼみ
を形成し、リム付きダイアフラム２を形成することによ
り得られる。該周縁部はダイアフラムのリムとなる。

【０００３】このダイアフラム２は通常１０〜１００μ
ｍ程度の厚さとされ、該ダイアフラム２に外部からの圧
力８または９がかかるとダイアフラム２が変形し、これ
に伴いダイアフラム２上方の歪抵抗体５の抵抗率がピエ
ゾ効果によって変化する。この抵抗率の変化量は基板の
結晶方位に依存し、加えられた力と関係のある電気信号
に変換して検出することができるので、これを圧力の検
出に用いることができる。図２において、左右２つの歪
ゲージが図示されているが、これらを横方向配列とし、
更に縦方向配列の２つの歪ゲージと合わせて４つの歪ゲ
ージでブリッジ回路を形成することにより、圧力変化を
ブリッジ出力として検出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところでこのような素
子構造は１枚のＳｉ単結晶基板に多数形成し、最後にダ
イシングして各素子に切離すのが一般的であるが、上記
のように従来の素子は、Ｓｉ単結晶基板の表面に作製さ
れた歪ゲージの位置に合わせてＳｉ基板裏面にダイアフ
ラムを形成する必要があり、素子の小型化に伴い、表面
の歪ゲージと裏面ダイアフラムの位置合わせは十分な精
度が必要となっている。この精度を出すためには、一般
に使用されているマスクアライメント装置では不十分
で、高価な両面マスク合わせのできる装置が必要であ
り、コスト高になる欠点がある。また、両面の位置合わ
せは時間がかかり、生産効率の面でも不利である。さら
に、ダイアフラムを形成するためにレジストを基板に塗
布し、露光、現像、エッチングし、レジストを剥離する
という工程が必要であるが、この工程において既に形成
されている歪ゲージに損傷や汚染を与える恐れもある。
歪ゲージに損傷や汚染が入ると、素子性能は著しく劣化
する。

【０００５】本発明の目的は、歪ゲージとダイアフラム
をＳｉ基板の別々の面に形成するために生ずる歪ゲージ
への損傷、汚染を低減し、さらに、歪ゲージとダイアフ
ラムを高価なマスクアライメント装置を使用せずに精度
よく配置し、安価で高精度に作製し得るピエゾ抵抗型半
導体圧力センサーの構造を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明のセンサーは、Ｓｉ単結晶基板の一方の主面側に
平坦な底部を有するくぼみが設けられてリム付きダイア
フラムが形成され、該くぼみ底部のダイアフラム上に少
なくとも１個のピエゾ抵抗体歪ゲージが形成されている
点に特徴がある。

【０００７】

【作用】本発明に用いるＳｉ単結晶基板は半導体装置製
造用に市販されているもので良く、ダイアフラム、抵抗
体歪ゲージの製造には、公知の半導体製造技術をそのま
ま適用することができる。ピエゾ抵抗型半導体圧力セン
サーを上記構造としたためダイアフラム、抵抗体歪ゲー
ジの形成を基板の片面のみの処理でできることになり、
フォトリソグラフィーの工程において問題となっていた
ダイアフラム部とピエゾ抵抗体、電極等の歪ゲージ部と
のＳｉ基板の表裏での位置合わせが不用となり、はるか
に簡単に素子を作製できる。また、使用するフォトリソ
グラフィー装置も片面の位置合わせでよいため標準品が
使用できる。さらに、ダイアフラム形成後に同一面に歪
ゲージを製作するため、従来ダイアフラム形成時に歪ゲ
ージが底面になるために起こっていた歪ゲージ部への汚
染や損傷の恐れがなくなった。

【０００８】

【実施例】図１は本発明のピエゾ抵抗型半導体圧力セン
サーの構造の一例を概念的に示す断面図である。Ｓｉ単
結晶基板２１の上面側に平坦な底部を有するくぼみが設
けられてリム付きダイアフラム２２が形成され、厚さ１
０〜１００μｍのダイアフラム２２上に酸化膜２３が形
成され、該酸化膜２３上にピエゾ抵抗体となる不純物ド
ープ多結晶Ｓｉ層２４が形成されている。多結晶Ｓｉ層
２４上には内部電極２５が設けられ、該内部電極２５と
リム上に配置される外部電極２６とは配線２７によって
接続されている。多結晶Ｓｉ層２４、内部電極２５、外
部電極２６および配線２７は、間にある絶縁膜２８によ
り分離され、最上部はパッシベーション膜２９で覆われ
ており、歪ゲージは、不純物ドープ多結晶Ｓｉ層２４、
内部電極２５、外部電極２６および電極をつなぐ配線２
７により構成される構造となっている。

【０００９】図１において、左右２つの歪ゲージが図示
されているが、これらを横方向に感度を持つピエゾ抵抗
体とし、更に縦方向に感度を持つ２つの歪ゲージを配置
すれば、各方向のピエゾ抵抗体は、それぞれの方向に応
じた圧力の増減で抵抗率が増減し、これら２組の歪ゲー
ジでブリッジ回路を形成して圧力の検出を行うことがで
きる。

【００１０】このようなピエゾ抵抗型半導体圧力センサ
ーの製作手順は、先ずＳｉ単結晶基板２１の熱酸化を行
って酸化膜を形成し、フォトリソグラフィーとエッチン
グにより基板２１上面の酸化膜にくぼみ形成のための窓
を明ける。次にシリコンに対して異方性エッチングが可
能なエッチャントにより上記窓明けされた部分からエッ
チングを行い、Ｓｉ基板２１に平坦な底部を有するくぼ
みを形成し、同時にリム付きダイアフラム２２を形成す
る。その後、ダイアフラム２２表面のクリーニングのた
め更に一旦熱酸化し、形成された酸化膜をエッチングに
より全部除去する。以上の工程により表面清浄なＳｉ製
リム付きダイアフラム２２が形成される。

【００１１】次に、ダイアフラム２２上に熱酸化により
酸化膜を形成し、該酸化膜上に不純物ドープの多結晶Ｓ
ｉ層を堆積し、パターニングを行うことによりダイアフ
ラム２１上にのみ酸化膜２３を残し、該酸化膜２３上に
独立のピエゾ抵抗体２４を形成する。抵抗体パターン形
成後、素子分離のための酸化膜２８を全面に形成し、フ
ォトリソグラフィーとエッチングにより抵抗体２４上の
該酸化膜２８に電極形成用の穴あけ５０を行う。続いて
導電材料を堆積し、フォトリソグラフィーとエッチング
により内部電極２５、外部電極２６および配線２７を形
成する。そして上面全面にパッシベーション膜２９を堆
積し、最後に検出信号を外部に取り出すためのリード線
を外部電極２６に接続してセンサーが完成する。

【００１２】本発明のピエゾ抵抗型半導体圧力センサー
によれば、従来の素子構造によるセンサーの特性とほぼ
同程度の感度が得られ、また、従来構造の素子に比べて
収率が大幅に向上する。

【００１３】

【発明の効果】本発明により、ピエゾ抵抗型半導体圧力
センサーを安価に且つ高精度に作製し得るようになり、
用途が一層拡大することが期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のピエゾ抵抗型半導体圧力センサーの構
造の一例を概念的に示す断面図である。

【図２】従来のピエゾ抵抗型半導体圧力センサーの構造
を概念的に示す断面図である。

【符号の説明】

２１ Ｓｉ単結晶基板 ２２ ダイアフラム ２３ 酸化膜 ２４ 多結晶Ｓｉ層 ２５ 内部電極 ２６ 外部電極 ２７ 配線 ２８ 絶縁膜 ２９ パッシベーション膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｓｉ単結晶基板の一方の主面側に平坦な
   底部を有するくぼみが設けられてリム付きダイアフラム
   が形成され、該くぼみ底部のダイアフラム上に少なくと
   も１個のピエゾ抵抗体歪ゲージが形成されてなるピエゾ
   抵抗型半導体圧力センサー。