JPH0697699B2 - 半導体形静電容量式圧力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、測定すべき圧力変化
を静電容量的に検出する半導体センサ、特にその電極部
の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５はかかる半導体センサの従来例を示
す構成図で、（イ）はその上面図、（ロ）は断面図であ
る。同図において、１は金属層、２，９は絶縁層、３は
開口、４は金属電極リード、５はＳｉエピタキシャル
層、６は低抵抗埋込み層、７はＰ⁺層、８はＳｉ単結晶
基板、１０は表面安定化層、１１はダイアフラム部、１
２は空洞である。

【０００３】Ｓｉ単結晶基板８は主表面が（１００）面
でありこれにＰ⁺拡散層（１cm3当りの濃度が１０²⁰程
度）７が形成されていて、ダイアフラム部１１および空
洞１２を形成する際のストップ層となる。基板８の一方
の面は窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）等の絶縁層９が形成さ
れ、この絶縁層９と基板８の薄肉部の表面には、ガラス
等の表面安定化層１０が形成される。基板８の他面には
エピタキシャル層５が形成され、その一部はくりぬかれ
て空洞１２になっており、さらに他の部分には、Ｐ⁺拡
散層７と金属電極部４との接触を図るための低抵抗埋込
み層６が形成されている。

【０００４】また、Ｓｉエピタキシャル層５上には、絶
縁層９と同様にＳｉ₃Ｎ₄等よりなる絶縁層２が形成さ
れ、さらにその上には金属層１が形成される。金属層１
と絶縁層２とを貫通して形成される開口（穴）３は、空
洞部１２を異方性エッチングにて形成するときに、これ
を通してエッチング液を供給するため明けられる。この
開口３の形状は、例えば同図（イ）に示されるような細
長い溝であって、それが「ハ」の字型に複数個配列さ
れ、最終的には破線の如き形状にくりぬかれて空洞１２
が形成される。

【０００５】これは、主表面が（１００）面で、横方向
が（０１１）面であるようなＳｉ単結晶基板８上に任意
の形の閉じたパターンのマスクで、ＫＯＨ形やエチレン
ジアミン・ピロカテコール系のエッチング剤を用いて異
方性化学エッチングを行なうと、最終的に出来上がるパ
ターンは、（１１１）面と等価な面によって４面が囲ま
れたピラミッド状となり、しかもそのパターンはマスク
パターンに内接するという性質を利用して、行なわれ
る。

【０００６】こうして、金属層１とダイアフラム部１１
との間にキャパシタンスが形成され、測定圧力にてダイ
アフラム部１１が変位すると、これに応じてキャパシタ
ンスが変化するので、圧力を容量の関数として測定する
ことができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
構造の半導体センサには、下記の如き欠点がある。

【０００８】イ）開口３が細い溝から形成されているた
め、エッチング液が入り難く、したがって、空洞形成に
時間がかかる。なお、溝を大きくすると、電極部の実効
面積が小さくなる、つまり、検出のためのキャパシタン
スが小さくなるので、溝を広げるにも限度がある。

【０００９】ロ）ダイアフラム部と対向する全面に電極
部が形成されているため、圧力変化に応答する検出容量
に付随するストレイ容量が大きく、したがって、測定誤
差が大きくなるばかりでなく、測定感度が低下する。

【００１０】この発明はかかる欠点を除去すべくなされ
たもので、測定感度を向上させるとともにストレイ容量
を小さくすることにより、測定誤差が小さな高精度の半
導体形静電容量式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】上記目的達成のため、本
発明では、Ｓｉ単結晶基板と、該基板上に形成されたＰ
^＋拡散層と、該拡散層上に形成されたＳｉエピタキシャ
ル層と、該エピタキシャル層の一部に形成され前記Ｐ^＋
拡散層と電気的につながる低抵抗埋込み層と、前記エピ
タキシャル層上および前記Ｓｉ基板のエピタキシャル層
とは反対の面にそれぞれ形成された第１，第２の絶縁層
と、該第１絶縁層上に形成された金属層と、該金属層お
よび絶縁層を貫通する開口と前記第２絶縁層側の開口と
を介して異方性のエッチング処理を行なうことにより形
成されるダイアフラム部とからなり、該ダイアフラム部
と前記金属層との間に測定用キャパシタンスを形成して
なる半導体形静電容量式圧力センサにおいて、前記金属
層およびダイアフラム部の形状を方形にするとともに、
金属層の面積をダイアフラム部のそれよりも若干小さく
し、かつ金属層とダイアフラム部の各辺が互いに所定の
角度をなすように配置する一方、方形金属層の各角にそ
れぞれ腕部を設け、さらに金属層の中心部には細溝形の
補助開口を設けた。

【００１２】

【作用】本発明では、半導体形式の圧力センサにおいて
ダイアフラム部とともに測定キャパシタンスを構成する
電極部の面積を、少なくともダイアフラム部のそれより
も小さくし、これを複数の腕部にて支持する如く構成す
ることにより、エッチング時間の短縮化、検出感度の向
上およびストレイ容量の低下を図る。

【００１３】

【実施例】図１はこの発明の実施例を示す上面図、図２
は同じくその断面図である。

【００１４】表面の結晶学的方向が（１００）面である
ＮまたはＰ型のＳｉ単結晶基板８に、イオン打ち込み法
や熱拡散法等によってＰ⁺ 層７をダイアフラムの厚さに
した後、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学反
応を利用した薄膜の形成方法）等によってエピタキシャ
ル層５をキャパシタンスの空隙に担当する厚さまで成長
させ（この層は低抵抗にせず、異方性化学エッチングを
受け易くしておく。）、次にＰ⁺層７と導通を図るよう
に低抵抗の埋込み層６を形成し、こうして作られる集積
体を挾むようにしてＳｉ₃Ｎ₄やＳｉＯ₂（酸化シリコ
ン）等の絶縁層を０．５〜１μｍ程度形成した後、金属
電極リード４を作るために絶縁層の開口を行なってから
金属層１を形成するところ迄は、従来と同様である。

【００１５】つまり、この発明は、図１からも明らかな
ようにその電極部およびダイアフラム部の形状に特徴を
有するもので、これらがどのようにして形成されるかに
ついて、以下に説明する。

【００１６】いま、正方形のダイアフラムを作る場合
は、図１に示される如く４個の台形（図１では開口３と
して示されている。）を結晶学的（０１１）面と等価な
Ｓｉ基板面に対して、２個は互いに平行に、また他の２
個は直角にし、しかも、それぞれの台形に外接する長方
形（一点鎖線で囲まれる部分Ｃ）が僅かずつ重なるよう
に、金属層のエッチングを行なう。次に、この金属層の
開口３をマスクとして絶縁層２のエッチングを行なう
が、このとき、金属の付いていない側の絶縁層９も正方
形のダイアフラム部が形成されるように開口し、エッチ
ングを行なう。その後、こうして形成される正方形に腕
１４が付いた形状に金属を残し、他の部分の金属をエッ
チング除去する。

【００１７】このようにすると、開口部には単結晶Ｓｉ
が露出することになるので、これをＫＯＨ系やエチレン
ジアミン・ピロカテコール系等の異方性化学エッチング
液中に浸すと、開口部から異方性エッチングが進む。台
形の開口３によるエッチングがまず進行するが、その横
方向は（１１１）面と等価な面で囲まれる、図１に一点
鎖線で囲まれる部分Ｃにエッチングが進む。

【００１８】ところで、異方性化学エッチングのシリコ
ンに対する性質の１つとして、「２つの（１１１）面が
凹型に交わる部分のエッチングは、それ以外の部分より
も遅い」という性質があり、これにより、２つの長方形
の重なり合った部分から再びエッチングが進行し、内側
の正方形の下がくり抜かれて空洞１２（図２参照）とな
る。

【００１９】一方、この空洞と反対側の面も同様にして
エッチングが行なわれ、４面が（１１１）面で囲まれた
くぼみが形成され、薄肉部は図２に符号１１で示される
如くダイアフラム部となる。なお、異方性化学エッチン
グに対する第２の性質である「１cm³当りの濃度が１０
²⁰程度のＰ⁺層はエッチングされ難い」という性質によ
って、縦方向のエッチングはＰ⁺層７によってストップ
される。したがって、Ｓｉエピタキシャル層５の厚さに
て空洞１２の厚みは制限され、これにより正確にギャッ
プを形成することができる。

【００２０】なお、ダイアフラム部１１の厚さは、拡散
層７によって決まることは云う迄もない。また、金属層
（電極部）１とダイアフラム部１１とで形成される内、
外の正方形の辺の長さの比γ（＝ａｅ／ａ）は、１より
も小さくなるように選ばれるが、これは、検出容量を小
さくせずに、感度を上げるためである。すなわち、ダイ
アフラム部に対応する部分全面を電極にすると感度が下
がり、また、電極をダイアフラムの中央部に作れば、感
度は向上するが検出容量が小さくなってストレイ容量の
影響を受け易くなるので、これらの兼ね合いで決まる適
宜な比γに選ばれる。

【００２１】図３は、この発明の他の実施例を示す上面
図である。金属層１、すなわち電極部を、図１では（０
１１）面方向に対して４５゜傾斜した腕１４によって支
えるようにしているのに対し、この実施例は、（０１
１）面に平行な腕と垂直な腕とによって支持するように
した例である。

【００２２】なお、１３は開口であって、腕部１４の下
側の空洞を形成するための補助開口である。つまり、Ｌ
字形の開口３に外接する正方形のうち、互いに斜めに配
置された少なくとも２つに対して細溝形の補助開口が重
なり合っていることであり、これによって、腕部１４の
下に空洞部を形成するための時間を短くすることができ
る。なお、同図からも明らかなように、開口１３の長さ
は、腕の幅の√２倍よりも大きく形成される。また、開
口１３の幅を広げると空洞形成のための時間は短縮され
るが、検出容量が小さくなるので、これらを考慮して適
宜に形成することが望ましい。

【００２３】図４はこの発明のされに他の実施例を示す
上面図である。つまり、図１の如くするかわりに、電極
部をダイアフラム部に対して４５゜だけ傾けて配置する
ことによっても、上記と同様の効果を期待することがで
きる。なお、以上はダイアフラム部および電極部の形状
が正方形の場合であるが、これを長方形のものとするこ
とも可能である。

【００２４】

【発明の効果】この発明によれば、ダイアフラム部とと
もに測定キャパシタンスを構成する電極部の面積をダイ
アフラム部より小さくし、これを複数の腕により支える
如く構成したので、空洞部形成のための開口部を検出容
量を小さくすることなく大きくすることが可能となり、
したがって、エッチング時間が短縮されるばかりでな
く、検出感度を向上させることができる利点をもたらす
ものである。また、電極部を支えるための腕を、ダイア
フラム部以外の部分に僅かに掛かるようにしているた
め、検出容量に付随するストレイ容量を小さくすること
ができる利点を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例を示す上面図である。

【図２】この発明の実施例の断面構造を示す断面図であ
る。

【図３】この発明の他の実施例を示す上面図である。

【図４】この発明のさらに他の実施例を示す上面図であ
る。

【図５】半導体形静電容量式センサの従来例を示す構成
図である。

【符号説明】

１…金属層、２，９…絶縁層、３…開口、４…金属電極
リード、５…Ｓｉエピタキシャル層、６…低抵抗埋込み
層、７…Ｐ⁺層、８…Ｓｉ単結晶基板、１０…表面安定
化層、１１…ダイヤフラム部、１２…空洞、１３…補助
開口、１４…腕

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｓｉ単結晶基板と、該基板上に形成され
   たＰ^＋拡散層と、該拡散層上に形成されたＳｉエピタキ
   シャル層と、該エピタキシャル層の一部に形成され前記
   Ｐ^＋拡散層と電気的につながる低抵抗埋込み層と、前記
   エピタキシャル層上および前記Ｓｉ基板のエピタキシャ
   ル層とは反対の面にそれぞれ形成された第１，第２の絶
   縁層と、該第１絶縁層上に形成された金属層と、該金属
   層および絶縁層を貫通する開口と前記第２絶縁層側の開
   口とを介して異方性のエッチング処理を行なうことによ
   り形成されるダイアフラム部とからなり、該ダイアフラ
   ム部と前記金属層との間に測定用キャパシタンスを形成
   してなる半導体形静電容量式圧力センサにおいて、前記
   金属層およびダイアフラム部の形状を方形にするととも
   に、金属層の面積をダイアフラム部のそれよりも若干小
   さくし、かつ金属層とダイアフラム部の各辺が互いに所
   定の角度をなすように配置する一方、方形金属層の各角
   にそれぞれ腕部を設け、さらに金属層の中心部には細溝
   形の補助開口を設けてなることを特徴とする半導体形静
   電容量式圧力センサ。