JP3596935B2

JP3596935B2 - Semiconductor pressure sensor

Info

Publication number: JP3596935B2
Application number: JP9846095A
Authority: JP
Inventors: 宏長坂; 建男横田; 一加納
Original assignee: Nagano Keiki Co Ltd
Current assignee: Nagano Keiki Co Ltd
Priority date: 1995-04-24
Filing date: 1995-04-24
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: JPH08293616A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体圧力センサに係り、特にシリコン基板にダイアフラムを形成し、ダイアフラム上に絶縁膜を介して形成したシリコン抵抗体のピエゾ抵抗効果を利用して圧力検出を行なう圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体圧力センサとして、半導体ピエゾ抵抗素子を半導体基板の表面部に反対導電型領域として形成した拡散型圧力センサや、単結晶シリコンの半導体ピエゾ抵抗部を絶縁膜を介することにより基板と分離した、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）型圧力センサが知られている。
【０００３】
このような圧力センサは、気体、液体の圧力測定に広く用いられている。
第１従来例
図３に従来の絶縁膜によって分離された半導体ピエゾ抵抗素子を有する圧力センサの要部断面図を示す。
【０００４】
圧力センサ２００は、単結晶シリコンウェハからなるシリコン基板２１を備えて構成されており、シリコン基板２１の下面（図中、下方）側の中央部には、例えば、異方性エッチングにより凹部が形成されることによりダイアフラム２２が形成されている。
【０００５】
このダイアフラム２２には、図示しない圧力導入口を介して測定体の圧力が印加されることとなる。
シリコン基板２１の上面側には、シリコン酸化膜よりなる絶縁層２３が形成され、絶縁層２３上にはシリコンウェハからなる半導体基板２４が形成されている。
【０００６】
半導体基板２４上には、熱酸化法又はＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔ）法で形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁層２５が形成されている。
絶縁層２５上には、Ｐ型多結晶シリコン薄膜をフォトリソグラフィー、ドライエッチング等によってパターン形成を行なうことにより半導体歪ゲージとして形成した半導体ピエゾ抵抗素子２６が設けられている。
【０００７】
半導体基板２４には、半導体基板２４を圧力検出用ブリッジ回路（ホイートストーンブリッジ）の最低電位端に接続する固定電位電極２７が接続されている。絶縁層２５の上面側には半導体ピエゾ抵抗素子２６及び固定電位電極２７（端子接続部を除く）を覆うように、ＣＶＤ法により形成されたシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜からなる表面絶縁層２８が形成されている。
【０００８】
さらに半導体ピエゾ抵抗素子２６の上側の表面絶縁層２８上には半導体基板２４と同電位のガード電極２９が形成されている。
上記構成において、絶縁層２３は半導体ピエゾ抵抗素子２６からの電流リークを高温時においても抑制し、半導体基板２４及びガード電極２９は外部ノイズ等から半導体ピエゾ抵抗素子２６を保護する。
【０００９】
次に動作を説明する。
ダイアフラム２２に印加された検出体の圧力は、歪として半導体ピエゾ抵抗素子２６に印加され、その歪量に応じて半導体ピエゾ抵抗素子２６は、その抵抗率が変化することとなり、図示しない圧力検出用ブリッジ回路により電圧信号に変換されることとなる。
【００１０】
この場合において、半導体ピエゾ抵抗素子２６とダイアフラム２２とは、絶縁され、半導体ピエゾ抵抗素子２６の上下両面を含む周囲には、絶縁層２５及び表面絶縁層２８により電気的シールド層が形成されていることとなり、電磁波ノイズに対しても電気的にガードされており、測定体の電位変化や高温雰囲気中においても、半導体ピエゾ抵抗素子２６に流れる電流が外部にリークすることはなく、出力される電圧信号が変動することがないので、正確な圧力検出が可能となっていた。
【００１１】
この場合において、シリコン基板２１と半導体ピエゾ抵抗素子２６は、絶縁層２３及び絶縁層２５によって絶縁され、固定電位電極２７を介して半導体基板２４の電位を半導体ピエゾ抵抗素子２６の電位に対して適当な固定電位に固定することにより、半導体基板２４が外部ノイズを遮断して半導体ピエゾ抵抗素子２６に交流的なノイズ電圧は誘導されないようになっていた。
【００１２】
また、ガード電極２９を適当な電位に固定することにより、表面絶縁層２８上に生ずる種々の電位変化から半導体ピエゾ抵抗素子２６を保護することとなり正確な圧力測定が可能となっていた。
第２従来例
図４に特開平４−１６２７７９号公報に開示されている他の圧力センサの要部断面図を示す。
【００１３】
圧力センサ３００は、単結晶シリコンで形成された筒状の台座３１を備えており、台座３１の一端面には、絶縁層３２が設けられている。
絶縁層３２上には、シリコンウェハからなる半導体基板３３が形成されている。
【００１４】
半導体基板３３上には、熱酸化法又はＣＶＤ法で形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁層３４が形成されている。
絶縁層３４上には、Ｐ型多結晶シリコン薄膜をフォトリソグラフィー、ドライエッチング等によってパターン形成を行なうことにより半導体歪ゲージとして形成した半導体ピエゾ抵抗素子３５が設けられている。
【００１５】
半導体基板３３には、半導体基板３３を圧力検出用ブリッジ回路の最低電位端に接続する固定電位電極３６が接続されている。
絶縁層３４の上面側には、電極３６の接続部分を除く半導体ピエゾ抵抗素子３５及び絶縁層３４（側面を除く）を覆うように、ＣＶＤ法により形成されたシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜からなる絶縁膜３７が形成されている。
【００１６】
絶縁膜３７上には、半導体ピエゾ抵抗素子３５に接続された電極３８が形成されている。
図５に図４の圧力センサ３００を用いて圧力検出回路を構成した場合の等価回路を示す。
【００１７】
上記圧力センサ３００の構成によれば、半導体基板３３の電位が直流電流Ｖ_ｄｃにより固定されるので、絶縁層３２が水などの導電性液体を通じて外部ノイズ電源Ｖ_ｎに接続されても半導体基板３３の電位が変動することがなく、半導体ピエゾ抵抗素子３５には交流的なノイズ電圧が誘導されないこととなっていた。
【００１８】
また、台座３１上に絶縁層３２を介して半導体基板３３が接合され、かつ、半導体基板３３の外周部が台座３１の外周部よりも内側になるように形成されているので、台座３１と半導体基板３３との沿面距離が長くとれる利点があった。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記第１従来例の圧力センサ２００においては、シリコン基板２１と半導体基板２４とは、絶縁層２３で絶縁されているが、シリコン基板２１、絶縁層２３及び半導体基板２４は、製法上、一枚の半導体ウェハに多数形成された後に同一面で切断することとなるので、シリコン基板２１と半導体基板２４の沿面距離は、絶縁層２３の厚さとほぼ同じとなる。
【００２０】
この場合において、絶縁層２３の厚さは厚くても数μｍ程度であるので、湿度等の環境状態にもよるが、シリコン基板２１と半導体基板２４の沿面耐電圧（絶縁層２３の表面に沿って電流が流れることのない電圧）は１００Ｖ以下である。
【００２１】
これ以上の電圧では、シリコン基板２１と半導体基板２４の間で沿面放電（絶縁層２３の表面に沿って電流が流れる）が生じ、シリコン基板２１及び半導体基板２４は同電位となってしまう。
【００２２】
このとき、半導体基板２４は、固定電位電極２７により半導体ピエゾ抵抗素子２６を含む電気回路の適当な電位に固定されているので、半導体ピエゾ抵抗素子２６に高電圧が印加されてしまう可能性がある。
【００２３】
一方、上記第２従来例の圧力センサ３００においては、台座３１と半導体基板３３の側面は露出しているので、高電圧による沿面放電の保護に対して十分とはいえないという問題点があった。
【００２４】
これを解決すべく、台座３１を絶縁体で形成すれば高電圧による沿面放電に対して有利となるが、ダイアフラム（半導体基板３３）とは異質な材料となるので、熱膨脹係数の違いに基づく熱応力による歪が発生し、良好な温度特性の圧力センサを得ることができないという新たな課題が生じる。
【００２５】
さらに、半導体ピエゾ抵抗素子３５が電気的に接続されるとともに半導体基板３３に接している絶縁層３２は、測定体（水など）と直接接することとなるので、測定体中の異物などにより絶縁層３２がダメージを受け（クラックや剥離など）、絶縁耐圧が低下してしまうという問題点があった。
【００２６】
またさらに、絶縁層３２をシリコン酸化膜で形成した場合には、上記の問題点に加えて測定体中のイオンが透過して絶縁耐圧が低下してしまうという問題点があった。
【００２７】
そこで、本発明の目的は、絶縁耐圧を向上させて沿面放電を起こすことなく正確に圧力測定を行なうことが可能な圧力センサを提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、ダイアフラムが形成されたシリコン基板と、電極部を有する半導体ピエゾ抵抗素子と、前記シリコン基板と前記半導体ピエゾ抵抗素子との間に設けられた導電体層と、前記シリコン基板と前記導電体層との間に設けられた第１絶縁層と、前記第１絶縁層に接合する外周部と前記半導体ピエゾ抵抗素子及び前記導電体層を被覆する内周部とを有する第２絶縁層とを備え、前記第２絶縁層は、前記電極部の外面を露出するとともに前記導電体層の側面を絶縁するように形成されたことを特徴とする構成を有している。
【００２９】
請求項２記載の発明は、前記半導体ピエゾ抵抗素子と前記導電体層との間に設けられた第３絶縁層を更に備えたことを特徴とする構成を有している。
【００３０】
請求項３記載の発明は、前記導電体層は、前記ダイアフラムの圧力検出面にほぼ平行な平面への投影面積が前記第１絶縁層より小さくなるように形成されたことを特徴とする構成を有している。
請求項４記載の発明は、前記導電体層は、圧力検出用ブリッジ回路の最低電位端に接続されたことを特徴とする構成を有している。
【００３１】
【作用】
請求項１記載の発明によれば、圧力センサは、ダイアフラムが形成されたシリコン基板上にその電極部分を除いて周囲絶縁層により絶縁された半導体ピエゾ抵抗素子と、を備えているので、半導体ピエゾ抵抗素子からシリコン基板に沿面放電が行なわれることを抑制することができ、正確に圧力測定を行なうことができる。
【００３２】
また、ダイアフラムをシリコン基板により形成しているので、周囲絶縁層へのダメージがなく長時間にわたって安定した高耐電圧特性を有する。
さらに、周囲絶縁層は、シリコン基板と半導体ピエゾ抵抗素子とを絶縁する第１絶縁層と、半導体ピエゾ抵抗素子の外面のうち第１絶縁層と接触している外面以外の部分を絶縁する第２絶縁層と、を備えて構成しているので、周囲絶縁層の形成が容易となる。
【００３３】
請求項３記載の発明によれば、導電体層をダイアフラムの圧力検出面にほぼ平行な平面への投影面積が第１絶縁層の上記平面への投影面積より小さくなるように形成し、この導電体層上に第３絶縁層及び第３絶縁層上に半導体ピエゾ抵抗素子を形成するとともに、第２絶縁層を第１絶縁層上に形成するに際し、半導体ピエゾ抵抗素子の電極部分を除く外面を覆うように設けているので、第１絶縁層及び第２絶縁層により半導体ピエゾ抵抗素子からシリコン基板に沿面放電が行なわれることを抑制することができ、正確に圧力測定を行なうことができる。
【００３４】
また、ダイアフラムをシリコン基板により形成しているので、第１絶縁層へのダメージがなく長時間にわたって安定した高耐電圧特性及び良好な温度特性を有する。
【００３５】
【実施例】
次に図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。
図１に実施例の圧力センサの断面図を示す。
【００３６】
圧力センサ１００は、Ｎ型単結晶シリコンウェハからなるシリコン基板１を備えて構成されており、シリコン基板１の下面（図中、下方）側の受圧面１ａの中央部には、例えば、異方性エッチングにより凹部が形成されることによりダイアフラム２が形成されている。
【００３７】
このダイアフラム２には、図示しない圧力導入口を介して測定体Ｍの圧力Ｐが印加されることとなる。
シリコン基板１の上面側には、シリコン酸化膜よりなる第１絶縁層としての絶縁層３が形成され、絶縁層３上には、ＣＶＤ法、スパッタリング法等により形成された酸化スズや酸化インジューム等の導電体層５が形成されている。この場合において、導電体層５は、ドライエッチング法などによりダイアフラム２の圧力検出面にほぼ平行な平面への投影面積が絶縁層３（第１絶縁層）の前述の平面への投影面積より小さくなるように形成する。すなわち、図面上側から圧力センサを見たと仮定すると、絶縁層３の周縁部分が導電体層５からはみだして見えるように構成することとなる。
【００３８】
導電体層５上には、シリコン酸化膜からなる絶縁層６が形成されている。
絶縁層６上には、Ｐ型多結晶シリコン薄膜をフォトリソグラフィー、ドライエッチング等によってパターン形成を行なうことにより半導体歪ゲージとして形成した半導体ピエゾ抵抗素子４が設けられている。
【００３９】
導電体層５には、導電体層５を圧力検出用ブリッジ回路の最低電位端に接続する固定電位電極７が接続されている。
絶縁層６の上面、絶縁層６の側面、導電体層５の側面及び絶縁層３の周縁部上面、半導体ピエゾ抵抗素子４及び固定電位電極７を覆うように、シリコン窒化膜からなる表面絶縁層８が形成されている。これにより、半導体ピエゾ抵抗素子の電極部分を除く外面が全て絶縁層（絶縁層＋表面絶縁層８＝周囲絶縁層）により覆われることとなる。
【００４０】
ここで、図１の圧力センサの製造方法について説明する。
まず、単結晶シリコンからなるシリコン基板１に異方性エッチングなどの方法でダイアフラム２を形成する。
【００４１】
次にダイアフラム２と反対面のシリコン基板１上に、熱酸化又は、ＣＶＤ及びスパッタリングなどの方法により絶縁層（シリコン酸化膜）３、導電体層（酸化スズや酸化インジューム）５、絶縁層（シリコン酸化膜）６を形成した後、シリコン薄膜を同様の方法で成膜し、このシリコン薄膜をドライエッチングにより半導体ピエゾ抵抗素子４に加工する。
【００４２】
導電体層５に接続される固定電位電極７は絶縁層６にドライエッチング等により孔開け加工した後、真空蒸着、スパッタリングなどの方法により電極膜を成膜することにより得られる。
【００４３】
シリコン基板端部の導電体層５と絶縁層６の形状は、ドライエッチング等の方法により得られる。
表面絶縁層８（シリコン窒化膜）は、プラズマＣＶＤ法により得られる。
【００４４】
次に図２を参照して動作を説明する。
ダイアフラムに印加された測定体Ｍの圧力Ｐは、歪として半導体ピエゾ抵抗素子４に印加され、その歪量に応じて半導体ピエゾ抵抗素子４は、その抵抗率が変化することとなる。
【００４５】
この場合において、半導体ピエゾ抵抗素子４は、図示しない電極配線により図２に示すようにブリッジ接続されており（圧力検出用ブリッジ回路）、このときの導電体層５の電位は、固定電位電極７を介して直流電圧Ｖ_ｄｃに固定される。
【００４６】
これにより絶縁層３が水などの導電性液体を通じて外部ノイズ電源Ｖｎに接続されても半導体基板の電位が変動することがなく、ピエゾ抵抗素子４により構成された半導体ピエゾ抵抗素子には交流的なノイズ電圧が誘導されない。
【００４７】
これらの結果、ダイアフラム２に加わる圧力に応じて半導体ピエゾ抵抗素子から出力される出力電圧は変化し、この出力電圧から正確な圧力値を知ることができる。
【００４８】
上記説明においては、固定電位電極７の電位を圧力検出用ブリッジ回路の最低電位端に接続していたが、半導体ピエゾ抵抗素子４を含む電気回路の電位を固定したり、半導体ピエゾ抵抗素子を含む電気回路を収納しているケースのアース電位に固定するように構成することも可能である。
【００４９】
また、各絶縁層は、シリコン酸化膜だけではなく、シリコン窒化膜やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）膜でもよい。
さらに導電体層５は金属薄膜や半導体及び半導体薄膜などで構成することも可能である。
【００５０】
さらにまた、上述の説明において、シリコン基板１、絶縁層３及び導電体層５で構成した構造は、シリコン基板で絶縁層を挟んだ市販されている直接接合基板を利用するように構成することも可能である。
【００５１】
本実施例によれば、導電体層５及び半導体ピエゾ抵抗素子は、電極部分を除き外面が絶縁層（絶縁層３及び表面絶縁層８）で絶縁、保護されているので、シリコン基板１と、半導体ピエゾ抵抗素子と、の沿面距離は第１従来例の圧力センサに比べより長くとれ、更に、第３従来例の圧力センサと比較してより高い絶縁耐圧を得ることができる。
【００５２】
これらにより、（圧力）測定体Ｍに商用電源からのリーク電流が存在する環境においても、正確な圧力検出が可能となる。
また、絶縁耐圧を必要とする絶縁層は、シリコンダイアフラムにより保護されているため、絶縁層へのダメージがなく長時間にわたって安定した高耐電圧特性を保持することが可能となる。
【００５３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、圧力センサの半導体ピエゾ抵抗素子は、シリコン基板上にその電極部分を除いて周囲絶縁層により絶縁されているので、半導体ピエゾ抵抗素子からシリコン基板に沿面放電が行なわれることを抑制することができ、正確に圧力測定を行なうことができる。また、ダイアフラムをシリコン基板により形成しているので、周囲絶縁層へのダメージがなく長時間にわたって安定した高耐電圧特性を保持することが可能となり、保守管理が容易となるとともに、ランニングコストの上昇を抑制することができる。
【００５４】
さらに、周囲絶縁層は、シリコン基板と半導体ピエゾ抵抗素子とを絶縁する第１絶縁層と、半導体ピエゾ抵抗素子の外面のうち第１絶縁層と接触している外面以外の部分を絶縁する第２絶縁層と、で構成しているので、周囲絶縁層の形成が容易で製造コストが上昇することもない。
【００５５】
請求項３記載の発明によれば、導電体層をダイアフラムの圧力検出面にほぼ平行な平面への投影面積が第１絶縁層の上記平面への投影面積より小さくなるように形成し、この導電体層上に第３絶縁層及び第３絶縁層上に形成された半導体ピエゾ抵抗素子を形成するとともに、第２絶縁層を第１絶縁層上に形成するに際し、半導体ピエゾ抵抗素子の電極部分を除く外面を覆うように設けているので、第１絶縁層及び第２絶縁層により半導体ピエゾ抵抗素子のほぼ外面全体にわたって絶縁することができ、シリコン基板との間で沿面放電が行なわれることを抑制することができるので正確に圧力測定を行なうことができる。
【００５６】
また、ダイアフラムをシリコン基板により形成しているので、第１絶縁層へのダメージがなく長時間にわたって安定した高耐電圧特性を保持することが可能となり、保守管理が容易となるととともに、ランニングコストの上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の圧力センサの要部を示す断面図である。
【図２】図１の実施例の等価回路図である。
【図３】第１従来例の圧力センサの要部を示す断面図である。
【図４】第２従来例実施例の圧力センサの要部を示す断面図である。
【図５】第２従来例の等価回路図である。
【符号の説明】
１００…圧力センサ
１…シリコン基板
２…ダイアフラム
３…絶縁層（第１絶縁層）
４…半導体ピエゾ抵抗素子
５…導電体層
６…絶縁層（第３絶縁層）
７…固定電位電極
８…表面絶縁層（第２絶縁層）
Ｍ…測定体
Ｐ…圧力[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a semiconductor pressure sensor, and more particularly, to a pressure sensor that forms a diaphragm on a silicon substrate and detects pressure using a piezoresistance effect of a silicon resistor formed on the diaphragm via an insulating film.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a semiconductor pressure sensor, a diffusion type pressure sensor in which a semiconductor piezoresistive element is formed as a region of the opposite conductivity type on a surface portion of a semiconductor substrate, or a semiconductor piezoresistive portion of single crystal silicon is separated from a substrate by interposing an insulating film. And SOI (Silicon On Insulator) type pressure sensors are known.
[0003]
Such a pressure sensor is widely used for pressure measurement of gas and liquid.
First conventional example FIG. 3 shows a sectional view of a main part of a conventional pressure sensor having a semiconductor piezoresistive element separated by an insulating film.
[0004]
The pressure sensor 200 includes a silicon substrate 21 made of a single-crystal silicon wafer, and a concave portion is formed in a central portion on the lower surface (the lower side in the figure) of the silicon substrate 21 by, for example, anisotropic etching. As a result, the diaphragm 22 is formed.
[0005]
The pressure of the measurement object is applied to the diaphragm 22 via a pressure inlet (not shown).
An insulating layer 23 made of a silicon oxide film is formed on the upper surface side of the silicon substrate 21, and a semiconductor substrate 24 made of a silicon wafer is formed on the insulating layer 23.
[0006]
On the semiconductor substrate 24, an insulating layer 25 made of a silicon oxide film formed by a thermal oxidation method or a CVD (Chemical Vapor Deposition) method is formed.
On the insulating layer 25, there is provided a semiconductor piezoresistive element 26 formed as a semiconductor strain gauge by patterning a P-type polycrystalline silicon thin film by photolithography, dry etching or the like.
[0007]
The semiconductor substrate 24 is connected to a fixed potential electrode 27 that connects the semiconductor substrate 24 to the lowest potential end of a pressure detection bridge circuit (Wheatstone bridge). On the upper surface side of the insulating layer 25, a surface insulating layer 28 made of a silicon oxide film or a silicon nitride film formed by a CVD method so as to cover the semiconductor piezoresistive element 26 and the fixed potential electrode 27 (excluding the terminal connection portion). Is formed.
[0008]
Further, a guard electrode 29 having the same potential as the semiconductor substrate 24 is formed on the surface insulating layer 28 on the upper side of the semiconductor piezoresistive element 26.
In the above configuration, the insulating layer 23 suppresses current leakage from the semiconductor piezoresistive element 26 even at a high temperature, and the semiconductor substrate 24 and the guard electrode 29 protect the semiconductor piezoresistive element 26 from external noise and the like.
[0009]
Next, the operation will be described.
The pressure of the detection object applied to the diaphragm 22 is applied as strain to the semiconductor piezoresistive element 26, and the semiconductor piezoresistive element 26 changes its resistivity in accordance with the amount of strain. The signal is converted into a voltage signal by the bridge circuit.
[0010]
In this case, the semiconductor piezoresistive element 26 and the diaphragm 22 are insulated, and an electric shield layer is formed around the semiconductor piezoresistive element 26 including the upper and lower surfaces by an insulating layer 25 and a surface insulating layer 28. That is, it is electrically guarded against electromagnetic wave noise, and the current flowing through the semiconductor piezoresistive element 26 does not leak to the outside even when the potential of the measurement object changes or in a high-temperature atmosphere, and the output voltage is not changed. Since the signal does not fluctuate, accurate pressure detection has been possible.
[0011]
In this case, the silicon substrate 21 and the semiconductor piezoresistive element 26 are insulated by the insulating layers 23 and 25, and the potential of the semiconductor substrate 24 is appropriately adjusted with respect to the potential of the semiconductor piezoresistive element 26 via the fixed potential electrode 27. By fixing to a fixed potential, the semiconductor substrate 24 blocks external noise and an AC noise voltage is not induced in the semiconductor piezoresistive element 26.
[0012]
Further, by fixing the guard electrode 29 to an appropriate potential, the semiconductor piezoresistive element 26 is protected from various potential changes occurring on the surface insulating layer 28, and accurate pressure measurement has been possible.
Second conventional example FIG. 4 is a sectional view of a main part of another pressure sensor disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-162779.
[0013]
The pressure sensor 300 includes a cylindrical pedestal 31 formed of single crystal silicon, and an insulating layer 32 is provided on one end surface of the pedestal 31.
On the insulating layer 32, a semiconductor substrate 33 made of a silicon wafer is formed.
[0014]
On the semiconductor substrate 33, an insulating layer 34 made of a silicon oxide film formed by a thermal oxidation method or a CVD method is formed.
On the insulating layer 34, there is provided a semiconductor piezoresistive element 35 formed as a semiconductor strain gauge by patterning a P-type polycrystalline silicon thin film by photolithography, dry etching or the like.
[0015]
A fixed potential electrode 36 that connects the semiconductor substrate 33 to the lowest potential end of the pressure detection bridge circuit is connected to the semiconductor substrate 33.
On the upper surface side of the insulating layer 34, a silicon oxide film or a silicon nitride film is formed by a CVD method so as to cover the semiconductor piezoresistive element 35 except for the connection portion of the electrode 36 and the insulating layer 34 (excluding the side surface). An insulating film 37 is formed.
[0016]
On the insulating film 37, an electrode 38 connected to the semiconductor piezoresistive element 35 is formed.
FIG. 5 shows an equivalent circuit when a pressure detection circuit is configured using the pressure sensor 300 of FIG.
[0017]
According to the configuration of the pressure sensor 300, the potential of the semiconductor substrate 33 is fixed by the DC current V _dc, the insulating layer 32 is an external noise source V semiconductor be connected to the _n-type substrate 33 through the conductive liquid, such as water Is not fluctuated, and no AC noise voltage is induced in the semiconductor piezoresistive element 35.
[0018]
Further, since the semiconductor substrate 33 is bonded on the pedestal 31 via the insulating layer 32 and the outer peripheral portion of the semiconductor substrate 33 is formed inside the outer peripheral portion of the pedestal 31, the pedestal 31 and the semiconductor There is an advantage that the creepage distance with the substrate 33 can be increased.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the pressure sensor 200 of the first conventional example, the silicon substrate 21 and the semiconductor substrate 24 are insulated by the insulating layer 23, but the silicon substrate 21, the insulating layer 23, and the semiconductor substrate 24 are formed by Since a large number of semiconductor wafers are cut on the same surface after being formed on one semiconductor wafer, the creepage distance between the silicon substrate 21 and the semiconductor substrate 24 is substantially equal to the thickness of the insulating layer 23.
[0020]
In this case, since the thickness of the insulating layer 23 is at most about several μm, depending on the environmental conditions such as humidity, the surface withstand voltage of the silicon substrate 21 and the semiconductor substrate 24 (along the surface of the insulating layer 23). Voltage at which no current flows) is 100 V or less.
[0021]
At a voltage higher than this, a creeping discharge (current flows along the surface of the insulating layer 23) occurs between the silicon substrate 21 and the semiconductor substrate 24, and the silicon substrate 21 and the semiconductor substrate 24 have the same potential.
[0022]
At this time, since the semiconductor substrate 24 is fixed at an appropriate potential of an electric circuit including the semiconductor piezoresistive element 26 by the fixed potential electrode 27, a high voltage may be applied to the semiconductor piezoresistive element 26. .
[0023]
On the other hand, in the pressure sensor 300 of the second conventional example, since the side surfaces of the pedestal 31 and the semiconductor substrate 33 are exposed, there is a problem that the pressure sensor 300 is not sufficient for protection of creeping discharge due to high voltage. .
[0024]
In order to solve this, if the pedestal 31 is formed of an insulator, it is advantageous for creeping discharge due to high voltage, but since it is a material different from the diaphragm (semiconductor substrate 33), the heat based on the difference in thermal expansion coefficient is obtained. A new problem arises in that distortion due to stress occurs, and a pressure sensor with good temperature characteristics cannot be obtained.
[0025]
Furthermore, since the insulating layer 32 electrically connected to the semiconductor piezoresistive element 35 and in contact with the semiconductor substrate 33 comes into direct contact with the measurement object (eg, water), the insulation layer 32 is exposed to foreign matter in the measurement object. 32 is damaged (crack, peeling, etc.), and there is a problem that the withstand voltage is reduced.
[0026]
Further, when the insulating layer 32 is formed of a silicon oxide film, in addition to the above-described problem, there is a problem that ions in the measurement body are transmitted and the withstand voltage is reduced.
[0027]
Therefore, an object of the present invention is to provide a pressure sensor capable of accurately measuring a pressure without causing a creeping discharge by improving a withstand voltage.
[0028]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the invention according to claim 1 is provided between a silicon substrate on which a diaphragm is formed, a semiconductor piezoresistive element having an electrode portion, and between the silicon substrate and the semiconductor piezoresistive element. A conductor layer, a first insulating layer provided between the silicon substrate and the conductor layer, and an outer peripheral portion bonded to the first insulating layer, and covering the semiconductor piezoresistive element and the conductor layer And a second insulating layer having an inner peripheral portion, wherein the second insulating layer is formed so as to expose an outer surface of the electrode portion and insulate a side surface of the conductor layer. have.
[0029]
The invention according to claim 2 has a configuration further comprising a third insulating layer provided between the semiconductor piezoresistive element and the conductor layer.
[0030]
The invention according to claim 3 is characterized in that the conductive layer is formed such that the projected area of the diaphragm on a plane substantially parallel to the pressure detecting surface is smaller than that of the first insulating layer. Have.
According to a fourth aspect of the present invention, the conductive layer is connected to the lowest potential terminal of the pressure detection bridge circuit.
[0031]
[Action]
According to the first aspect of the present invention, the pressure sensor includes the semiconductor piezoresistive element, which is insulated by the surrounding insulating layer except for the electrode portion on the silicon substrate on which the diaphragm is formed. The surface discharge from the resistance element to the silicon substrate can be suppressed, and the pressure can be accurately measured.
[0032]
In addition, since the diaphragm is formed of a silicon substrate, there is no damage to the surrounding insulating layer, and the device has a high withstand voltage characteristic that is stable for a long time.
Furthermore, the peripheral insulating layer is a first insulating layer that insulates the silicon substrate from the semiconductor piezoresistive element, and a second insulating layer that insulates a portion of the outer surface of the semiconductor piezoresistive element other than the outer surface that is in contact with the first insulating layer. And the insulating layer, the peripheral insulating layer can be easily formed.
[0033]
According to the third aspect of the present invention, the conductive layer is formed such that the projected area on a plane substantially parallel to the pressure detection surface of the diaphragm is smaller than the projected area of the first insulating layer on the plane. A third insulating layer is formed on the body layer, and a semiconductor piezoresistive element is formed on the third insulating layer. When the second insulating layer is formed on the first insulating layer, an outer surface of the semiconductor piezoresistive element excluding an electrode portion is removed. Since the first insulating layer and the second insulating layer are provided so as to cover, the surface discharge from the semiconductor piezoresistive element to the silicon substrate can be suppressed, and the pressure can be accurately measured.
[0034]
In addition, since the diaphragm is formed of the silicon substrate, the first insulating layer has no damage to the first insulating layer and has stable high withstand voltage characteristics and good temperature characteristics for a long time.
[0035]
【Example】
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a sectional view of the pressure sensor of the embodiment.
[0036]
The pressure sensor 100 includes a silicon substrate 1 made of an N-type single-crystal silicon wafer. The pressure sensor 100 has, for example, an anisotropic plate at the center of the pressure receiving surface 1 a on the lower surface (the lower side in the figure) of the silicon substrate 1. The diaphragm 2 is formed by forming the concave portion by the reactive etching.
[0037]
The pressure P of the measuring object M is applied to the diaphragm 2 via a pressure inlet (not shown).
On the upper surface side of the silicon substrate 1, an insulating layer 3 as a first insulating layer made of a silicon oxide film is formed. On the insulating layer 3, tin oxide or indium oxide formed by a CVD method, a sputtering method, or the like is formed. Etc. are formed. In this case, the projected area of the conductor layer 5 on a plane substantially parallel to the pressure detecting surface of the diaphragm 2 by dry etching or the like is smaller than the projected area of the insulating layer 3 (first insulating layer) on the aforementioned plane. It forms so that it may become. That is, assuming that the pressure sensor is viewed from the upper side of the drawing, the peripheral portion of the insulating layer 3 is configured to be seen from the conductor layer 5.
[0038]
An insulating layer 6 made of a silicon oxide film is formed on conductor layer 5.
On the insulating layer 6, a semiconductor piezoresistive element 4 formed as a semiconductor strain gauge by patterning a P-type polycrystalline silicon thin film by photolithography, dry etching or the like is provided.
[0039]
The conductor layer 5 is connected to a fixed potential electrode 7 that connects the conductor layer 5 to the lowest potential terminal of the pressure detection bridge circuit.
A surface insulating layer made of a silicon nitride film so as to cover the upper surface of the insulating layer 6, the side surface of the insulating layer 6, the side surface of the conductor layer 5, the upper surface of the peripheral portion of the insulating layer 3, the semiconductor piezoresistive element 4 and the fixed potential electrode 7. 8 are formed. As a result, the entire outer surface of the semiconductor piezoresistive element except for the electrode portion is covered with the insulating layer (insulating layer + surface insulating layer 8 = peripheral insulating layer).
[0040]
Here, a method of manufacturing the pressure sensor of FIG. 1 will be described.
First, a diaphragm 2 is formed on a silicon substrate 1 made of single-crystal silicon by a method such as anisotropic etching.
[0041]
Next, an insulating layer (silicon oxide film) 3, a conductor layer (tin oxide or indium oxide) 5, an insulating layer (silicon oxide film) 3 are formed on the silicon substrate 1 on the opposite side of the diaphragm 2 by a method such as thermal oxidation or CVD and sputtering. After forming the (silicon oxide film) 6, a silicon thin film is formed by the same method, and the silicon thin film is processed into the semiconductor piezoresistive element 4 by dry etching.
[0042]
The fixed potential electrode 7 connected to the conductor layer 5 is obtained by forming a hole in the insulating layer 6 by dry etching or the like, and then forming an electrode film by a method such as vacuum evaporation or sputtering.
[0043]
The shapes of the conductor layer 5 and the insulating layer 6 at the end of the silicon substrate can be obtained by a method such as dry etching.
The surface insulating layer 8 (silicon nitride film) is obtained by a plasma CVD method.
[0044]
Next, the operation will be described with reference to FIG.
The pressure P of the measuring object M applied to the diaphragm is applied to the semiconductor piezoresistive element 4 as a strain, and the resistivity of the semiconductor piezoresistive element 4 changes according to the amount of the strain.
[0045]
In this case, the semiconductor piezoresistive element 4 is bridge-connected by an electrode wiring (not shown) as shown in FIG. 2 (a pressure detection bridge circuit), and the potential of the conductor layer 5 at this time is fixed potential electrode 7 _Is fixed to the DC voltage _Vdc .
[0046]
Accordingly, even when the insulating layer 3 is connected to the external noise power supply Vn through a conductive liquid such as water, the potential of the semiconductor substrate does not change, and the semiconductor piezoresistive element constituted by the piezoresistive element 4 has an alternating current. No noise voltage is induced.
[0047]
As a result, the output voltage output from the semiconductor piezoresistive element changes according to the pressure applied to the diaphragm 2, and an accurate pressure value can be known from the output voltage.
[0048]
In the above description, the potential of the fixed potential electrode 7 is connected to the lowest potential end of the pressure detection bridge circuit. However, the potential of the electric circuit including the semiconductor piezoresistive element 4 is fixed, or the semiconductor circuit includes the semiconductor piezoresistive element. It is also possible to configure so as to be fixed to the earth potential of the case housing the electric circuit.
[0049]
Further, each insulating layer may be not only a silicon oxide film but also a silicon nitride film or an alumina (Al ₂ O ₃ ) film.
Further, the conductor layer 5 can be made of a metal thin film, a semiconductor, or a semiconductor thin film.
[0050]
Furthermore, in the above description, the structure composed of the silicon substrate 1, the insulating layer 3, and the conductor layer 5 may be configured to use a commercially available direct bonding substrate having an insulating layer sandwiched between silicon substrates. It is possible.
[0051]
According to the present embodiment, the outer surfaces of the conductor layer 5 and the semiconductor piezoresistive element except for the electrode portions are insulated and protected by the insulating layers (the insulating layer 3 and the surface insulating layer 8). The creepage distance with the semiconductor piezoresistive element can be made longer than that of the pressure sensor of the first conventional example, and a higher dielectric strength can be obtained as compared with the pressure sensor of the third conventional example.
[0052]
Accordingly, accurate pressure detection can be performed even in an environment where the (pressure) measuring object M has a leak current from a commercial power supply.
In addition, since the insulating layer requiring a withstand voltage is protected by the silicon diaphragm, it is possible to maintain stable high withstand voltage characteristics for a long time without damaging the insulating layer.
[0053]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, since the semiconductor piezoresistive element of the pressure sensor is insulated by the peripheral insulating layer except for the electrode portion on the silicon substrate, surface discharge from the semiconductor piezoresistive element to the silicon substrate is prevented. The measurement can be suppressed, and the pressure can be accurately measured. In addition, since the diaphragm is formed of a silicon substrate, it is possible to maintain stable high withstand voltage characteristics for a long time without damage to the surrounding insulating layer, which facilitates maintenance and increases running costs. Can be suppressed.
[0054]
Furthermore, the peripheral insulating layer is a first insulating layer that insulates the silicon substrate from the semiconductor piezoresistive element, and a second insulating layer that insulates a portion of the outer surface of the semiconductor piezoresistive element other than the outer surface that is in contact with the first insulating layer. Since it is composed of the insulating layer, the peripheral insulating layer can be easily formed, and the manufacturing cost does not increase.
[0055]
According to the third aspect of the present invention, the conductive layer is formed such that the projected area on a plane substantially parallel to the pressure detection surface of the diaphragm is smaller than the projected area of the first insulating layer on the plane. Forming a third insulating layer on the body layer and a semiconductor piezoresistive element formed on the third insulating layer, and forming an electrode portion of the semiconductor piezoresistive element when forming the second insulating layer on the first insulating layer. Since it is provided so as to cover the outer surface except the outer surface, it is possible to insulate almost the entire outer surface of the semiconductor piezoresistive element by the first insulating layer and the second insulating layer, and to suppress the occurrence of creeping discharge with the silicon substrate. Pressure measurement can be performed accurately.
[0056]
In addition, since the diaphragm is formed of a silicon substrate, it is possible to maintain stable high withstand voltage characteristics for a long time without damage to the first insulating layer, to facilitate maintenance and reduce running costs. The rise can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a main part of a pressure sensor according to an embodiment.
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the embodiment of FIG.
FIG. 3 is a sectional view showing a main part of a pressure sensor according to a first conventional example.
FIG. 4 is a sectional view showing a main part of a pressure sensor according to a second conventional example.
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of a second conventional example.
[Explanation of symbols]
100 pressure sensor 1 silicon substrate 2 diaphragm 3 insulating layer (first insulating layer)
4 semiconductor piezoresistive element 5 conductor layer 6 insulating layer (third insulating layer)
7: fixed potential electrode 8: surface insulating layer (second insulating layer)
M: Measurement object P: Pressure

Claims

  A silicon substrate on which a diaphragm is formed,
  A semiconductor piezoresistive element having an electrode portion,
  A conductor layer provided between the silicon substrate and the semiconductor piezoresistive element,
  A first insulating layer provided between the silicon substrate and the conductor layer;
  A second insulating layer having an outer peripheral portion joined to the first insulating layer and an inner peripheral portion covering the semiconductor piezoresistive element and the conductor layer;
  The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the second insulating layer is formed so as to expose an outer surface of the electrode portion and insulate a side surface of the conductor layer.

The semiconductor pressure sensor according to claim 1,
A semiconductor pressure sensor further comprising a third insulating layer provided between the semiconductor piezoresistive element and the conductor layer.

The semiconductor pressure sensor according to claim 1 or 2,
The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the conductor layer is formed such that a projection area on a plane substantially parallel to a pressure detection surface of the diaphragm is smaller than that of the first insulating layer.

The semiconductor pressure sensor according to any one of claims 1 to 3,
The semiconductor pressure sensor according to claim 1, wherein the conductor layer is connected to a lowest potential end of a pressure detection bridge circuit.