JPH075060A

JPH075060A - 半導体圧力センサ

Info

Publication number: JPH075060A
Application number: JP14378393A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Hashimoto; 廣和橋本; Mikio Hashimoto; 橋本　　幹夫
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1993-06-15
Filing date: 1993-06-15
Publication date: 1995-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】振動等の生じる条件下で精度良く圧力を検出
でき、かつ、コストがかからない。【構成】半導体基板２０の下面（一方面側に相当）を
凹ませてダイアフラム２１が構成され、かつ、該ダイア
フラム２１の上面側（他方面側に相当）にゲージ抵抗２
２が設けられたものであって、前記ダイアフラム２１の
前記下面側は平坦であり、前記ダイアフラム２１の上面
側には連続する突状部２３を残して凹み２４が形成さ
れ、前記突状部２３には、ゲージ抵抗２２が半導体基板
２０の結晶方位に応じた方向に形成されたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車、工業計測など
に使用される半導体圧力センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来半導体圧力センサの圧力検出感度を
向上させるため、種々の提案がされている。一般に、半
導体圧力センサの圧力検出感度を上げるためには、ダイ
アフラムの厚さを薄くすればよいとされる。しかしなが
ら、このダイアフラム厚さを単に薄くしたのでは、図１
１に示すように、圧力に対するセンサ出力の直線性が悪
化してしまう。これは、ダイアフラムを薄くするとバル
ーン効果の影響が大きくなり、図１１のように、圧力の
増加に共なうセンサ出力の飽和が生じて非直線性が顕著
になるためである。

【０００３】このような非直線性を改善するために、従
来、ダイアフラムの一部の肉厚を厚くする構造（ボス構
造と称される）が採用されている。通常の構造の半導体
圧力センサは、例えば図１２（ａ）に示すように、半導
体からなるセンサチップ１０下面から凹み１１を形成し
て薄くした部分がダイアフラム１２となるが、前記のボ
ス構造のセンサチップでは、図１２（ｂ）に示すよう
に、そのダイアフラム１２の下面側の一部に肉厚を厚く
したボス部１３を設け、また、該ダイアフラム１２上面
に圧力検出用のゲージ抵抗（圧力による歪み変化を検出
する）を設けている。この種の半導体圧力センサによれ
ば、ボス構造によりダイアフラム１２の圧力による伸び
が抑制されるため、バルーン効果が減少し、非直線性が
改善できると言われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記種
類の半導体圧力センサにおいては、ボス部１３の重量が
ある程度あるため、センサに振動や加速度が加わる状況
下ではボス部１３が重りとなり加速度センサとして動作
してしまい、その振動等を圧力測定の雑音（ノイズ）と
して検出する場合が生じるという問題点があった。

【０００５】また、前記従来の半導体圧力センサは、図
１３に示すように、センサチップ１０をガラスなどから
なる台座１４上に固着して使用される。その場合、ボス
部１３の移動（主にダイアフラム厚さ方向の移動）に対
してボス部１３と台座１４が干渉し合わないようにする
余裕（マージン）１５を設けるために、台座１４上面を
エッチング加工して凹みを形成する必要があり、加工工
程が多くなりコストが高いという問題点があった。な
お、図１３において、符号１６は、前記台座１４の上面
及びチップ１０下面により包まれる空間にセンサ外部を
連通する孔である。この孔１６を介して前記空間に測定
媒体を導入したり、前記空間を大気に開放したりする。

【０００６】ところで、半導体圧力センサには、その使
用目的に応じた圧力レンジ等の検出特性がある。従来の
圧力センサは、ダイアフラムの厚さの設定を変えて、各
種圧力レンジに対応しており、当然のことながら、測定
したい圧力レンジが小さくなるにつれてダイアフラムの
厚さを薄くすることになる。すなわち、従来の半導体圧
力センサは、圧力レンジに対応してコントロールすべき
パラメータがダイアフラム厚のみである。

【０００７】しかしながら、ある種（第１種）の半導体
（例えばｐ型シリコンあるいはｎ型シリコン）板上に他
の種（第２種）の半導体（ｎ型シリコンあるいはｐ型シ
リコン）層をエピタキシャル成長等により積層したウェ
ハを使用してケミカルエッチングによりダイアフラムを
構成する場合、第１種の半導体板を除去して凹みを設
け、第２種の半導体層がダイアフラムになるため、測定
レンジに応じて種々の厚さの第２種（ｎ型シリコンある
いはｐ型シリコン）層を持つ半導体基板（材料ウェハ）
を用意する必要があり、コスト上にも（コストが増え
る）工程管理上（各種ウェハにラインが対応しなければ
ならない）にも問題点がある。

【０００８】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたものであって、その目的は、振動等の生じる
条件下で精度良く圧力を検出でき、かつ、コストがかか
らない半導体圧力センサを提供することである。また、
圧力検出特性例えば圧力レンジごとに種々の層厚の半導
体基板を用意する必要がない半導体圧力センサを提供す
ることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するため、次の構成を有する。本発明は、半導体基板
の一方面側を凹ませてダイアフラムが構成され、かつ、
該ダイアフラムの他方面側にゲージ抵抗が設けられた半
導体圧力センサにおいて、前記ダイアフラムの前記一方
面側は平坦であり、前記ダイアフラムの他方面側には半
導体基板の結晶方位に応じた方向に連続する突状部を残
して凹みが形成され、前記突状部には、ゲージ抵抗が形
成されたことを特徴とする半導体圧力センサである。

【００１０】また、本発明は、半導体基板の一方面側を
凹ませてダイアフラムが構成され、かつ、該ダイアフラ
ムの他方面側にゲージ抵抗が設けられた半導体圧力セン
サにおいて、前記ダイアフラムの前記一方面側は平坦で
あり、前記ダイアフラムの他方面側には半導体基板の結
晶方位に応じた方向に連続する突状部を残して凹みが形
成され、かつ、圧力検出特性に応じた、前記突状部の幅
Ｗ₀と前記凹みの幅Ｗ₁の比Ｗ₀／Ｗ₁、あるいは、前記突
状部の厚さｔ₀と前記凹みの部分の厚さｔ₁の比ｔ₀／ｔ₁
でダイアフラムが形成され、前記突状部には、ゲージ抵
抗が形成されたことを特徴とする半導体圧力センサであ
る。

【００１１】

【作用】本発明の半導体圧力センサにおいては、ダイア
フラムの一方面側は平坦であるので前記従来のようにボ
ス部を設けていない。したがって、振動の加わるような
状況下で、加速度センサとして動作しないため、その振
動がノイズとならない。

【００１２】また、前記ダイアフラムの他方面側には半
導体基板の結晶方位に応じた方向に連続する突状部を残
して凹みが形成され、前記突状部には、ゲージ抵抗が形
成されているので、凹みを形成してもゲージ抵抗のある
部分は薄くならないため、バルーン効果が減少し圧力に
対するセンサ出力の非直線性が劣化することを防げる。

【００１３】また、圧力検出特性例えば圧力レンジに応
じて、前記突状部の幅Ｗ₀と前記凹みの幅Ｗ₁の比Ｗ₀／
Ｗ₁、あるいは、前記突状部の厚さｔ₀と前記凹みの部分
の厚さｔ₁の比ｔ₀／ｔ₁でダイアフラムが形成する。こ
のため、ある種（第１種）の導電型半導体（例えばｐ型
シリコン）板上に他の種（第２種）の導電型半導体（例
えばｎ型シリコン）層をエピタキシャル成長等により積
層した半導体基板（材料ウェハ）を使用する場合におい
て、ケミカルエッチングにより第１種導電型半導体板を
除去して、第２種導電型層でダイアフラムを形成すると
き、材料になる半導体基板には測定レンジに応じて種々
の厚さの第２導電型層を持つ半導体基板を用意する必要
がない。したがって、種々の層厚の半導体基板（材料ウ
ェハ）を用意しなくても種々の圧力検出特性に対応した
半導体圧力センサを製造することができる。また、単一
の導電型の半導体からなる半導体基板を使用した場合
に、一方面から所定深さ凹ませてダイアフラムを構成す
る場合に、その凹みの深さが種々の半導体基板を用意す
る必要がない。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。本発明の実施例は、図１に示すチップ形状
の半導体圧力センサである。図１の（ａ）は該チップの
平面構成図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う該チップ
の側断面構成図である。

【００１５】図１に示すように、実施例の半導体圧力セ
ンサは、半導体基板２０の下面側（一方面側に相当）を
凹ませてダイアフラム２１が構成され、かつ、該ダイア
フラム２１の上面側（他方面側に相当）にゲージ抵抗２
２が設けられたものであって、前記ダイアフラム２１の
前記下面側は平坦であり、前記ダイアフラム２１の上面
側には連続する突状部２３を残して凹み２４が形成さ
れ、前記突状部２３には、ゲージ抵抗２２が半導体基板
２０の結晶方位に応じた方向に形成されたものである。

【００１６】実施例の半導体基板２０は、図１の（ｂ）
に示すように、ｐ型シリコン層の基部２５上にｎ型シリ
コン層からなるダイアフラム形成部２６が積層されてお
り、このｐ型シリコン基板を下方からダイアフラム形成
部２６の下限までエッチングして形成するものである。
また、前記ダイアフラム２１の下面側はこのエッチング
により平坦に形成されており、従来の半導体圧力センサ
のボス部のような厚肉部は形成されない。

【００１７】また、実施例の半導体基板２０は、その結
晶方位が（１１０）のウェハから構成されるものであ
る。この半導体基板２０の場合、その上面には、該基板
２０の周辺部２０ａを残して四角形形状の凹み２４（図
１中斜線で示す）がエッチングにより２箇所形成され、
かつ、この２箇所の凹み２４間に＜１１０＞方向に沿っ
てほぼ直線的に連続する突状部２３が形成されている。

【００１８】また、前記突状部２３の上面側にはゲージ
抵抗２２が前記＜１１０＞方向に沿って配列されてお
り、突状部２３の両端部の前記基板周辺部２０ａに近い
箇所に各１つのゲージ抵抗２２が、また、突状部２３の
中央部には並列に２つのゲージ抵抗２２が配列されてい
る。

【００１９】以上のように、この実施例では突状部２３
の形成方向とゲージ抵抗２２の配設方向が同じである。
しかしながら、本発明はこれに限定されず、ゲージ抵抗
がウェハの結晶方位に対して検出可能な方向に配設され
ていれば他の状態（他の箇所、他の個数）で配設するこ
とができる。ゲージ抵抗２２と結晶方位に関して、例え
ば藤倉電線技報第６６号（昭和５８年９月発行）があ
る。また、半導体基板はｎ型基板上にｐ型層が積層され
たもの、または、ｎ型あるいはｐ型のみからなる基板も
本発明の範囲内である。

【００２０】また、実施例のような本発明による構成
で、非直線性が劣化せずに圧力感度が上昇する。これは
次の理由による。図２は、ゲージ抵抗２２の周辺の、突
状部２３長手方向横断面を拡大して示すものである。

【００２１】図２のように、基板の上面（ゲージ抵抗２
２形成側）のエッチングにより突状部２３以外の箇所に
凹み２４を形成して薄膜部２１ａを形成している。圧力
が印加されるとダイアフラム２１が湾曲し、このさい、
ダイアフラム２１の湾曲の中立面（湾曲時に伸び・縮み
しない面）は、図２中、ほぼ符号ｅで示すようになる。
この場合の中立面ｅは、薄膜部２１ａの形成されていな
い元の状態のダイアフラム２１の中立面ｆよりも下方に
移動しゲージ抵抗２２から遠くなる。これは、ちょうど
梃子の支点が移動したことと同様であるから、当然、ダ
イアフラム２１湾曲時のゲージ抵抗２２への応力は増大
する。

【００２２】つまり、ゲージ抵抗２２の存在する部分の
ダイアフラム２１の厚さを薄くせずにセンサの感度を上
げることができる。また、ゲージ抵抗２２のある突状部
２３のダイアフラム２１の厚さは厚く、薄くないため、
その部分の伸びは小さく、バルーン効果等が生じ難く、
非直線性は劣化しない。また、この実施例のセンサチッ
プをガラスからなる台座上に載置固定する場合に、例え
ば前記図１３に示したセンサチップ１０のように、台座
１４をエッチング加工する必要がなく、製造コストが低
減する。

【００２３】次に実施例のセンサチップの製造工程の一
例を説明する。図３の（ａ）〜（ｅ）に製造工程の各段
階のチップを示し、図４にその説明図を示す。まず、図
３の（ａ）のように、出発ウェハはｐ型半導体のウェハ
２８である。この場合、結晶方位は（１１０）である。
その後、このウェハ２８は上層にｎ型半導体層２８ａが
エピタキシャル成長等により形成される。

【００２４】次いで、前記ウェハ２８を熱酸化し、上下
表面にＳｉＯ₂膜２９を成膜する。その後、フォトマス
ク、フォトレジストを使用したエッチングによりゲージ
抵抗２２を形成しようとする箇所のＳｉＯ₂膜２９を選
択的に除去し、窓明を行う。この窓明後に拡散させ、窓
開け箇所のシリコンをｎ型からｐ⁺ に変化させる。この
ｐ⁺ に変化した拡散層がゲージ抵抗２２になる。このよ
うにゲージ抵抗２２を形成した状態ウェハ断面構成は図
３の（ｂ）（図４（ａ）のIII−III線断面図）に示すよ
うになり、平面構成は図４の（ａ）に示すようになる。

【００２５】次いで、図３の（ｃ）に示すように、ウェ
ハ２８を下面から上面に向けてエッチングを行い、ダイ
アフラム２１を形成する。この場合、エッチストップに
よりｐ型半導体をエッチングしｎ型半導体層２８ａを残
す手法、あるいは、ｐ型半導体のエッチング時間により
ダイアフラム２１の厚さを決定する手法のいずれを用い
てもよい。

【００２６】次いで、ウェハ２８のアルミニウム等から
なる電極３０を形成する。電極３０を形成した状態のウ
ェハ２８の断面構成は図３の（ｄ）（図４（ｂ）のIV−
IV線断面図）に示すように、平面構成は図４の（ｂ）に
示すようになる。

【００２７】次いで、ウェハ２８を上面からエッチング
して突状部２３を残してダイアフラム２１の薄膜部２１
ａを形成する。以上のようにして、実施例の半導体チッ
プが製造される。

【００２８】次に実施例の半導体圧力センサにおいて、
突状部２３の端Ｗ₀、２つの凹みの幅Ｗ₁や突状部２３の
厚さｔ₀凹み２４の厚さｔ₁の寸法決定について説明す
る。図５に示すチップ形状の半導体圧力センサのように
各幅Ｗ₀、Ｗ₁、各厚さｔ₀、ｔ₁が定義される。図５の
（ａ）は該チップの（ｂ）のＶ−Ｖ線断面構成図、
（ｂ）は該チップの平面構成図である。

【００２９】この場合の半導体圧力センサにおいては、
ダイアフラム２１は、この半導体センサに要請される圧
力レンジに応じた、前記突状部２３の幅Ｗ₀と前記２つ
の凹み２４の幅（２つの凹みの内側面間の幅）Ｗ₁の比
Ｗ₀／Ｗ₁、あるいは、前記突状部２３の厚さｔ₀と前記
凹み２４の部分の厚さｔ₁の比ｔ₀／ｔ₁に形成され、前
記突状部２３には、ゲージ抵抗２２が形成されている。
なお、この場合の半導体圧力センサチップの製造工程は
前記図３と同様に行い、凹み２４の形成の設定を変える
だけが異なるので、その説明は略する。

【００３０】このように、前記幅Ｗ₀とＷ₁の比Ｗ₀／
Ｗ₁、あるいは、前記厚さｔ₀とｔ₁の比ｔ₀／ｔ₁を変え
ることによって、圧力に対する感度を変えることができ
る。これにより、要請される圧力レンジに応じた圧力セ
ンサを構成することができる（通常の半導体圧力センサ
は、前記幅Ｗ₀とＷ₁の比Ｗ₀／Ｗ₁＝１、前記厚さｔ₀と
ｔ₁の比ｔ₀／ｔ₁＝１である）。つまり、材料であるウ
ェハの仕様を変えず、製造条件をほとんどに変えずに各
種の圧力レンジに対応する圧力センサを構成することが
できる。

【００３１】ここで、上記のような寸法設定の原理を説
明するため、チップ上面に凹みを設けたものと、前記幅
Ｗ₀とＷ₁の比Ｗ₀／Ｗ₁あるいは前記厚さｔ₀とｔ₁の比ｔ
₀／ｔ₁を変えて種々に構成した半導体チップの調査例を
説明する。まず、前記幅Ｗ₀とＷ₁の比Ｗ₀／Ｗ₁を変化さ
せた場合について説明する。

【００３２】この場合、図６（ａ）〜（ｃ）に示すよう
な（この図では＜１１０＞方向の１／２で横断した構成
を示す）（１１０）方位の半導体チップのモデル：モデ
ル１、モデル２、モデル３を用いた。モデル１は、ダイ
アフラムに上部からの凹みを設けないもの、モデル２は
凹み２４を設けダイアフラム２１の中央部に細長く連続
する突状部２３を設けたもの、モデル３は、ダイアフラ
ム２１の中央部に比較的幅広い突状部２３を設けたもの
である。

【００３３】また、図７の（ａ）、（ｂ）ではこの半導
体チップをさらに幅方向中央から分割した１／４モデル
の平面図、側面図を示し、また、（ｃ）では前記１／２
モデルのダイアフラムを示しており、この図７に示すよ
うに、前記中央の線からの突状部の１／２幅をＡ、ダイ
アフラムの１／２幅をＢ、凹みの深さをＣ、突状部の厚
さをＤ、ダイアフラムの薄膜部の厚さをＤ−Ｃとした場
合の、各モデル１〜３の各サイズＡ〜Ｄ、及び、各厚さ
Ｄ−Ｃのデータ例は、チップエッジからチップ中心まで
の距離を１とした比で表せば図８に示すようになる。

【００３４】これら、モデル１〜３について、有限要素
法を用いて圧力を加えた場合の曲げ応力に関してシュミ
ュレーションを行なった。その結果を図９に示す。図９
は、チップ中心から突状部の長手方向つまり図７のチッ
プでは＜１１０＞方向の歪み分布をチップエッジからチ
ップ中心にかけて検出したものである。

【００３５】図９から、いずれのモデル１〜３もチップ
周囲からダイアフラムに変わる点（ダイアフラムエッ
ジ、チップエッジから１／２の点）の付近で最大引っ張
り歪みが生じており、その中で、前記凹みを形成しない
モデル１より前記凹みを形成したモデル２及びモデル３
のほうが歪みが大きい。このことは、ダイアフラムの上
部に凹みを設ければ歪みが大きくなり、圧力検出感度が
上がり、低いレンジの圧力を検出可能になることを示し
ているものである。また、モデル２とモデル３を比較す
ればモデル２の歪が大きい。このことは、ダイアフラム
の上部の凹みの幅Ｗ₁をより大きくし、あるいは突状部
の幅Ｗ₀をより小さくするよう設定すれば、より歪みが
大きくなり、圧力検出感度がより上がり、圧力検出レン
ジをより下げることができることを示している。

【００３６】さらに、前記厚さｔ₀とｔ₁の比ｔ₀／ｔ₁を
変化させた場合について説明する。この場合、図７に示
す薄膜部の厚さＤ−Ｃを変えたもので、図８に示す前記
モデル２と厚さＤ−Ｃの異なるモデル４、５である。図
１０に全モデルの歪みの検出結果を示す。

【００３７】図１０から、前記モデル２よりもモデル
４、５の方が歪みは大きく、したがって、ダイヤフラム
上部の凹みを深くし、ダイヤフラムの薄膜部の厚さをよ
り薄くすれば、検出感度が高く検出レンジが低くなるこ
とを示している。なお、前記実施例では平面形状が角形
のダイヤフラムを例にしたが、丸形、その他形状のダイ
ヤフラムでも本発明の範囲で、効果を得られる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明した通り本発明によれば、振動
等の生じる条件下で精度良く圧力を検出でき、かつ、台
座に対する加工が不要のためコストダウンを図ることが
できる。また、測定レンジごとに種々の層厚の半導体基
板を用意する必要がない。また、材料ウェハが一種類で
も製造条件をほとんど変えずに種々の圧力検出特性の圧
力センサを構成することができる。これにより、工程管
理がしやすく、歩留りが良好である。また、一種類の材
料を購入すればよいためコストダウンを図れる。また、
必要があれば、同一ウェハ内に同一製造条件で圧力レン
ジの異なるチップを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例の半導体圧
力センサチップの平面図、側断面図である。

【図２】図１のセンサチップの要部側断面図である。

【図３】（ａ）〜（ｅ）は、半導体圧力センサの製造工
程を示す断面図である。

【図４】（ａ）、（ｂ）は製造工程を説明する平面図で
ある。

【図５】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例の半導体圧
力センサチップの寸法設定を説明するための側断面図、
平面図である。

【図６】（ａ）〜（ｃ）は本発明の原理を説明するため
の半導体圧力センサチップの各モデル説明図である。

【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の原理を説明するため
の半導体圧力センサチップの各モデルの、各部サイズ説
明図である。

【図８】本発明の原理を説明するための半導体圧力セン
サチップの各モデルの、各部サイズ説明図である。

【図９】各モデル歪み測定結果例の説明図である。

【図１０】各モデル歪み測定結果例の説明図である。

【図１１】従来のセンサの圧力検出結果例である。

【図１２】（ａ）、（ｂ）は従来の通常構造の圧力セン
サチップ、ボス部を有する圧力センサのチップの各例で
ある。

【図１３】従来の台座に載置した圧力センサのチップ例
である。

【符号の説明】

２０半導体基板２１ダイアフラム２２ゲージ抵抗２３突状部２４凹み

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の一方面側を凹ませてダイア
フラムが構成され、かつ、該ダイアフラムの他方面側に
ゲージ抵抗が設けられた半導体圧力センサにおいて、前記ダイアフラムの前記一方面側は平坦であり、前記ダイアフラムの他方面側には半導体基板の結晶方位
に応じた方向に連続する突状部を残して凹みが形成さ
れ、前記突状部には、ゲージ抵抗が形成されたことを特徴と
する半導体圧力センサ。
【請求項２】半導体基板の一方面側を凹ませてダイア
フラムが構成され、かつ、該ダイアフラムの他方面側に
ゲージ抵抗が設けられた半導体圧力センサにおいて、前記ダイアフラムの前記一方面側は平坦であり、前記ダイアフラムの他方面側には半導体基板の結晶方位
に応じた方向に連続する突状部を残して凹みが形成さ
れ、かつ、圧力検出特性に応じた、前記突状部の幅Ｗ₀
と前記凹みの幅Ｗ₁の比Ｗ₀／Ｗ₁、あるいは、前記突状
部の厚さｔ₀と前記凹みの部分の厚さｔ₁の比ｔ₀／ｔ₁で
ダイアフラムが形成され、前記突状部には、ゲージ抵抗が形成されたことを特徴と
する半導体圧力センサ。