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    • 专利摘要:
    Ein Halbleiterdrucksensor enthält ein Halbleitersubstrat (10), welches ein Diaphragma (30) zur Aufnahme eines Drucks und eine Brückenschaltung zum Erfassen einer Verformung des Diaphragmas (30) entsprechend dem Druck aufweist. Die Brückenschaltung enthält ein Paar erster Meßwiderstände (41, 44) und ein Paar zweiter Meßwiderstände (42a, 43a). Die ersten Meßwiderstände (41, 44) sind auf dem Diaphragma (30) in der Mitte angeordnet, und die zweiten Meßwiderstände (42a, 43a) sind auf dem Diaphragma (30) am Rand angeordnet. Jeder erste Meßwiderstand (41, 44) besitzt einen ersten Widerstandwert, welcher größer als ein zweiter Widerstandswert jedes zweiten Meßwiderstands (42a, 43a) ist. Die TNO-Charakteristik des Sensors ist derart verbessert, daß der Sensor eine hohe Erfassungsgenauigkeit besitzt.
    公开号:DE102004010670A1
    申请号:DE102004010670
    申请日:2004-03-04
    公开日:2004-09-16
    发明作者:Takashi Kariya Katsumata；Hiroaki Kariya Tanaka；Inao Kariya Toyoda
    申请人:Denso Corp；
    IPC主号:G01L9-04
    专利说明:
    [0001] Die vorliegende Erfindung beziehtsich auf einen Halbleiterdrucksensor, welcher ein Diaphragma aufweist.
    [0002] Ein Halbleiterdrucksensor, welcherein Diaphragma aufweist (d.h. ein Halbleiterdrucksensor eines Diaphragmatyps)enthältein Diaphragma und einen Verformungsmeßwiderstand. Sowohl das Diaphragmaals auch der Verformungsmeßwiderstand sindzur Erfassung eines Drucks auf einem Halbleitersubstrat gebildet.Das Substrat besitzt eine Hauptebene einer (110)-Kristallebene (d.h.eine (110)-Ebene). Dieser Drucksensor wird beispielsweise in derjapanischen Veröffentlichungsschriftder ungeprüftenPatentanmeldung Nr. 2001-356061 (entsprechend dem US-Patent Nr.6,601,452) offenbart. Insbesondere ist das Diaphragma auf der Hauptebenedes Substrats gebildet und erfaßteinen Druck. Der Verformungsmeßwiderstandist auf dem Diaphragma gebildet und bildet eine Brückenschaltung zurAufgabe eines erfaßtenSignals entsprechend einer Verformung des Diaphragmas.
    [0003] Dabei wird ein anderer Drucksensor,welcher ein Paar von Mittenmeßwiderständen undein Paar von Seitenmeßwiderständen aufweist,in der japanischen Veröffentlichungsschriftder ungeprüftenPatentanmeldung Nr. H11-94666(entsprechend dem US-Patent Nr. 6,595,065) offenbart. Bei diesemSensor sind die Verformungsmeßwiderstände, d.h.die Mitten- und Seitenmeßwiderstände, aufder (110)-Ebene des Substrats angeordnet. Die Mittenmeßwiderstände sindauf dem Diaphragma in der Mitte und entlang einer <110>-Kristallachse (d.h.einer <110>-Achse) angeordnet.Die Seitenmeßwiderstände sindauf dem Diaphragma am Rand angeordnet.
    [0004] Bei den obigen Sensoren ist eineGlasbasis bzw. ein Glassockel (glas base) auf das Substrat unterAnwendung eines anodischen Bondverfahrens und dergleichen gebondet.Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substrats unterscheidetsich von demjenigen des Glassockels. Wenn daher die Temperatur umden Sensor herum sich ändert,wird eine thermische Spannung zwischen dem Substrat und dem Glassockelerzeugt. Die thermische Spannung kann das Diaphragma verformen,so daß sich derWiderstandswert jedes auf dem Diaphragma angeordneten Widerstandsproportional zu der Verformung ändert.Die jedem Widerstand aufgebrachte thermische Spannung ist unterschiedlich,da der Widerstand auf einer unterschiedlichen Position auf dem Diaphragmaangeordnet ist. Insbesondere unterscheidet sich die thermische Spannung,welche jedem Mittenmeßwiderstandaufgebracht wird, von der thermischen Spannung, welche jedem Seitenmeßwiderstandaufgebracht wird. Somit liefert ein Unterschied zwischen der thermischenSpannung, welche dem Mittenmeßwiderstandaufgebracht wird, und der thermischen Spannung, welche dem Seitenmeßwiderstandaufgebracht wird, einen Erfassungsfehler als Rauschen. Des weiteren ändert sichder Unterschied der thermischen Spannung in Bezug auf die Temperaturnichtlinear, so daß dieTemperaturabhängigkeiteines Offsets der Ausgangsspannung in Bezug auf die Temperatur einebestimmte Krümmung aufweist.Daher unterscheidet sich bei der Temperaturabhängigkeit des Offsets der Ausgangsspannung eineNeigung des Offsets der Ausgangsspannung in Bezug auf die Temperaturzwischen einer Raumtemperatur und einer bestimmten hohen Temperaturvon derjenigen zwischen einer bestimmten Temperatur und der Raumtemperatur.Dieser Unterschied der Neigung wird als Charakteristik eines nichtlinearen Temperaturoffsets(TNO: temperature nonlinearity offset) bezeichnet. Die TNO-Charakteristikist eine Charakteristik des Offsets der Ausgangsspannung, welcheeinen nichtlinearen Bezug zu der Temperatur aufweist. Die TNO-Charakteristikist eine der wichtigsten Faktoren für die Bestimmung der Genauigkeit desSensors.
    [0005] Wenn des weiteren der Drucksensorbezüglichder Größe minimiertwird, d.h., es wird das Substrat minimiert, wird in Betracht gezogen,das Diaphragma zu minimieren. Der Grund dafür besteht darin, daß das Diaphragmaeinen großenBereich in dem Sensor beansprucht. In diesem Fall wird der Unterschiedder thermischen Spannung zwischen den Mittenmeßwiderständen und den Seitenmeßwiderständen größer, sodaß derErfassungsfehler größer wird.Somit wird dann, wenn das Diaphragma kleiner wird, die TNO-Charakteristikschlechter, d.h., der Unterschied der Neigung wird größer. Daherist es schwierig, den Sensor zu minimieren, ohne daß eine Verschlechterungder TNO-Charakteristik auftritt.
    [0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindungist es, im Hinblick auf die oben beschriebenen Schwierigkeiten einenHalbleiterdrucksensor zu schaffen, welcher eine hohe Erfassungsgenauigkeitbesitzt.
    [0007] Die Lösung der Aufgabe erfolgt durchdie Merkmale des Anspruchs 1.
    [0008] Ein Halbleiterdrucksensor enthält ein Halbleitersubstrat,welches ein Diaphragma zur Aufnahme eines Drucks aufweist, und eineBrückenschaltungzur Erfassung einer Verformung des Diaphragmas entsprechend demDruck. Die Brückenschaltungenthältein Paar erster Meßwiderstände undein Paar zweiter Meßwiderstände. Dieersten Meßwiderstände sindauf dem Diaphragma in der Mitte angeordnet, und die zweiten Meßwiderstände sindauf dem Diaphragma am Rand angeordnet. Jeder erste Meßwiderstandbesitzt einen ersten Widerstandswert, welcher größer als ein zweiter Widerstandswert vonjedem zweiten Meßwiderstandist.
    [0009] Obwohl bei dem obigen Sensor diedem ersten Meßwiderstandaufgebrachte thermische Spannung sich von derjenigen, welche demzweiten Meßwiderstandaufgebracht wird, in einem Fall unterscheidet, bei welchem die thermischeSpannung dem Sensor aufgebracht wird, wird ein Erfassungsfehlerentsprechend dem Unterschied zwischen den thermischen Spannungendurch Steuern der Widerstandswerte der Mitten- und Seitenmeßwiderstände kompensiert.Daher besitzt der Sensor eine hohe Erfassungsgenauigkeit.
    [0010] Vorzugsweise besitzt die Brückenschaltung einvorbestimmtes Verhältnisdes Widerstandswerts zwischen dem zweiten Widerstandswert und dem erstenWiderstandswert, und das Diaphragma besitzt ein anderes vorbestimmtesVerhältnisder thermischen Spannung zwischen einer zweiten thermischen Spannung,welche dem zweiten Meßwiderstandaufzubringen ist, und einer ersten thermischen Spannung, welchedem ersten Meßwiderstandaufzubringen ist, in einem Fall, bei welchem eine thermische Spannungdem Substrat aufgebracht wird. Das vorbestimmte Verhältnis desWiderstandswerts ist gleich dem vorbestimmten Verhältnis derthermischen Spannung.
    [0011] Vorzugsweise sind die ersten Meßwiderstände unddie zweiten Meßwiderstände derartin Reihe miteinander verbunden, daß die Brückenschaltung eine wheatstonescheBrückebildet. Jeder zweite Meßwiderstandenthältdes weiteren einen dritten Meßwiderstand,welcher einen dritten Widerstandswert aufweist und auf dem Diaphragmaam Rand angeordnet ist. Die zweiten und dritten Meßwiderstände sindintegriert in Reihe derart verbunden, daß die zweiten und dritten Meßwiderstände einenMeßwiderstandbilden. Der erste Widerstandswert ist gleich einem Ge samtwiderstandswertder zweiten und dritten Widerstandswerte. In diesem Fall wird die TNO-Charakteristikdes Sensors derart verbessert, daß die Offsetspannung der Brückenschaltungin einem Fall zu Null wird, bei welchem der Druck nicht dem Sensoraufgebracht wird. Somit kann eine feine Widerstandswertänderungentsprechend einem dem Sensor aufgebrachten feinen Druck derarterfaßt werden,daß derSensor eine viel höhereErfassungsgenauigkeit aufweist.
    [0012] Vorzugsweise wird das Halbleitersubstrat auseinkristallinem Silizium gebildet, welches eine Hauptebene einer(110)-Kristallebene besitzt. Der erste Meßwiderstand besitzt eine Längsrichtungentlang einer <110>-Kristallachse deseinkristallinen Siliziums, der zweite Meßwiderstand besitzt eine Längsrichtungentlang der <110>-Kristallachse des einkristallinenSiliziums, und der dritte Meßwiderstandbesitzt eine Längsrichtungentlang einer <100>-Kristallachse deseinkristallinen Siliziums. Vorzugsweise besitzt jeder Meßwiderstandeine gefaltete Struktur eines Drahtwiderstands derart, daß der Drahtwiderstandparallel zu der <110>-Kristallachse oderzu der <100>-Kristallachse befindlichist, und das Diaphragma besitzt eine achteckige Form mit einem Paarvon Seiten entlang der <110>-Kristallachse, einemPaar von Seiten entlang der <100>-Kristallseite undvier Seiten zur Herstellung einer Verbindung zwischen der Seiteentlang der <110>-Kristallachse undder Seite entlang der <100>-Kristallachse.
    [0013] Vorzugsweise enthält der Sensor des weitereneine Austiefung bzw. Konkavität,welche in dem Substrat angeordnet ist, um das Diaphragma vorzusehen;und eine Glasbasis bzw. einen Glassockel (glass base), welcher aufdem Substrat angeordnet ist. Die Meßwiderstände sind auf der ersten Oberfläche desSubstrats angeordnet, und der Glas sockel ist an der zweiten Oberfläche desSubstrats befestigt, um eine Kammer zwischen dem Glassockel undder Austiefung zu bilden. Vorzugsweise ist die Kammer derart verschlossen,daß derSensor einen Absolutdrucksensor bildet, und die Meßwiderstände sindaus einem Diffusionswiderstand gebildete Verformungsmeßwiderstände.
    [0014] Die vorliegende Erfindung wird inder nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungerläutert.
    [0015] 1 zeigteine Querschnittsansicht, welche einen Halbleiterdrucksensor einerersten bevorzugten Ausführungsformder vorliegenden Erfindung darstellt;
    [0016] 2 zeigteine Draufsicht, welche den Sensor der bevorzugten Ausführungsformdarstellt;
    [0017] 3 zeigtein Schaltungsdiagramm, welches eine Brückenschaltung des Sensors derbevorzugten Ausführungsformdarstellt;
    [0018] 4 zeigteine Draufsicht, welche einen Halbleitersensor entsprechend einerVergleichsanordnung der bevorzugten Ausführungsform darstellt;
    [0019] 5 zeigtein Schaltungsdiagramm, welches eine Brückenschaltung des Sensors derVergleichsanordnung darstellt; und
    [0020] 6A zeigteine Beziehung zwischen einer thermischen Spannung und einer Positiondes Sensors der Vergleichsanordnung, und 6B zeigt eine Querschnittsansicht, welcheden Sensor des Vergleichs darstellt.
    [0021] Die Erfinder der vorliegenden Erfindunghaben einleitend einen Halbleiterdrucksensor eines Diaphragmatypsals Vergleich wie in 4 dargestellt studiert.Der Drucksensor 200 enthält ein Halbleitersubstrat 10,ein Diaphragma 30 und viele Verformungsmeßwiderstände 41-44.Das Diaphragma 30 ist auf einer Hauptebene des Substrats 10 gebildet. DieWiderstände 41-44 sindauf dem Diaphragma 30 angeordnet. Die Hauptebene des Substrats 10 ist eine(110)-Kristallebene (d.h. eine (110)-Ebene), welche eine Kristallebenevon einkristallinem Silizium ist, welches eine <110>-Kristallachse(d.h. ein <110>-Achse) und eine <100>-Kristallachse (d.h. eine <100>-Achse) aufweist. Die <110>-Achse und die <100>-Achse bilden ein Paarvon Kristallachsen, welche einen rechten Winkel miteinander bilden,d.h. die <110>-Achse ist senkrechtzu der <100>-Achse ausgerichtet.
    [0022] Die Empfindlichkeit in einem Falleiner entlang der <110>-Achse erzeugten Belastungist größer alsdie Empfindlichkeit in einem Fall einer entlang der <100>-Achse erzeugten Belastung.Es wird nämlichdie Belastung parallel zu der <110>-Achse empfindlichim Vergleich mit der Belastung parallel zu der <100>-Achseerfaßt.Dies liegt daran, daß derKoeffizient des piezoelektrischen Widerstandswerts entlang der <110>-Achse wesentlich größer alsderjenige entlang der <100>-Achse ist. Es wirddaher dann, wenn eine Verformung in dem Diaphragma mit der (110)-Ebenederart gemessen wird, daß derdem Diaphragma aufgebrachte Druck erfaßt wird, bevorzugt, daß die Verformungunter Verwendung der Belastung entlang der <110>-Achse und nicht entlang der <100>-Achse gemessen wird.
    [0023] Die (110)-Ebene besitzt lediglicheine <110>-Achse, d.h. eine <110>-Richtung. Es wirddaher verlangt, daß dieWiderstände 41-44 einein 4 dargestellte bestimmteAnordnung dahingehend besitzen, daß das erfaßte Signal größer wird, d.h.,daß dasAusgangssignal entsprechend der Verformung größer wird. Die in 4 dargestellte Anordnungist derart bestimmt, daß dieBelastung entlang der <110>-Achse mit einer hohenEmpfindlichkeit im Vergleich mit der Belastung entlang der <100>-Achse erfaßt werdenkann. Insbesondere ist die Anordnung derart ausgebildet, daß ein Paarvon Mittenmeßwiderständen 41, 44 aufdem Diaphragma nahezu in der Mitte angeordnet ist und ein Paar vonSeitenmeßwiderständen 42, 43 aufdem Diaphragma 30 an dem Rand angeordnet ist. Jeder Widerstand 41-44 isthauptsächlichentlang der <110>-Achse angeordnet.Es sind dabei die Mittenmeßwiderstände 41, 44 naheder Mitte angeordnet, und es sind die Seitenmeßwiderstände 42, 43 andem Rand im Vergleich mit den Mittenmeßwiderständen 41, 44 angeordnet.Eine Längsrichtungdes Widerstands 41-44 ist hauptsächlich parallel zu der <110>-Achse des Substrats 10 befindlich.
    [0024] Die vier Meßvorrichtungen bilden eineBrückenschaltungzur Erfassung der entlang der <110>-Achse gebildeten Belastung.Insbesondere ist die Brückenschaltungwie in 5 dargestellteine wheatstonesche Brücke.Die wheatstonesche Brückeenthältdie Widerstände 41-44.Ein Mittenmeßwiderstand 41 besitzteinen Widerstandswert RA, und der andere Mittenmeßwiderstand 44 besitzteinen Widerstandswert RD. Ein Seitenmeßwiderstand 42 besitzteinen Widerstandswert RB, und der andere Seitenmeßwiderstand 43 besitzteinen Widerstandswert RC. Diese Widerstände 41-44 sind derartin Reihe geschaltet, daß dieWiderständeeine rechtwinklig geformte, geschlossene Schaltung bilden. Somitist die wheatstonesche Brückegebildet.
    [0025] In der Brückenschaltung sind als Paarvorkommende Eingangsanschlüsse 45, 46 mitder Brückenschaltungderart verbunden, daß einelektrischer Gleichstrom der Brücken schaltungaufgebracht wird. Der Gleichstrom I fließt zwischen den Anschlüssen 45, 46.Wenn zu dieser Zeit das Diaphragma durch den Druck verformt wird, ändern sichdie Widerstandswerte RA, RB, RC, RD entsprechend der Verformungdes Diaphragmas 30. Daher wird ein Mittenwertpotential(midpoint potential) Vout zwischen einem Paar von Ausgangsanschlüssen 47, 48 erzeugt. DasMittenwertpotential Vout entspricht der Verformung des Diaphragmas 30,d.h. dem Druck, wobei ein erfaßtesSignal als Mittenwertpotential Vout an den Ausgangsanschlüssen 47, 48 ausgegebenwird.
    [0026] Bei dem obigen Sensor 200 wirddie dem Substrat 10, d.h. dem Diaphragma 30, aufgebrachte thermischeSpannung unter Verwendung eines Finite-Elemente-Verfahrens (FEM,finite element method) analysiert. Insbesondere wird die den Mitten- undSeitenmeßwiderständen aufgebrachtethermische Spannung berechnet. 6 stelltein Ergebnis einer Berechnung der thermischen Spannung σ2 auf demSubstrat 10 dar. Die den Mittenmeßwiderständen 41, 44 aufgebrachtethermische Spannung σ1, welcheauf dem Diaphragma 30 in der Mitte angeordnet sind, istkleiner als die den Seitenmeßwiderständen 42, 43,welche auf dem Diaphragma 30 an dem Rand angeordnet sind,aufgebrachte thermische Spannung σ2.
    [0027] Dabei ist die Widerstandswertänderungdes Widerstands 41-44 in Beziehung zu der thermischen Spannungim wesentlichen proportional zu dem Widerstandswert des Widerstands 41-44.Daher wird erwogen, daß dieWiderstandswerte RB, RC der Seitenmeßwiderstände 42, 43 aufeinen kleineren Wert festgesetzt werden, als die WiderstandswerteRA, RD der Mittenmeßwiderstände 41, 44,so daß dieWiderstandswertänderungder Widerstände 42, 43 gleichder Widerstandswertänderungder Widerstände 41, 44 wird.Somit wird die TNO-Charakteristik des Sensors 200 verbessert.
    [0028] Im Hinblick auf die obige Analysewird ein Halbleiterdrucksensor mit einem Diaphragma (d.h. ein Halbleiterdrucksensoreines Diaphragmatyps) 100 einer bevorzugten Ausführungsformder vorliegenden Erfindung wie in 1 und 2 dargestellt geschaffen.Der Sensor 100 enthältdas Halbleitersubstrat 10, das Diaphragma 30 undeine Glasbasis bzw. einen Glassockel 40. Das Diaphragma 30 istauf dem Substrat 10 gebildet. Das Substrat 10 istaus einkristallinem Silizium gebildet. Eine Vorderseitenoberfläche 12 desSubstrats 10 als Hauptebene besitzt die (110)-Kristallebene(d.h. die (110)-Ebene). Eine Rückseitenoberfläche 11 desSubstrats besitzt ebenfalls die (110)-Ebene. Daher besitzen beideHauptebenen 11, 12 eine Planare Ausrichtung (110).
    [0029] Das Substrat 10 enthält eineAustiefung bzw. Konkavität 20,welche auf der Rückseitenoberfläche 11 angeordnetist. Die Austiefung 20 bildet das Diaphragma 30 zum Erfasseneines darauf aufgebrachten Drucks. Insbesondere besitzt ein Teildes Substrats 10, welches auf der Austiefung 20 angeordnet ist,einen dünnenAbschnitt derart, daß dasDiaphragma 30 gebildet ist. Viele Widerstände 41-44 sindauf der Vorderseitenoberfläche 12 desdünnenAbschnitts, d.h. auf dem Diaphragma 30, angeordnet.
    [0030] Wie in 2 dargestelltbesitzt das Diaphragma 30 eine achteckige Form. Insbesonderebesitzt das Diaphragma 30 ein Paar von Seiten entlang der <110>-Achse und ein Paarvon Seiten entlang der <100>-Achse. Des weiterenbesitzt das Diaphragma 30 vier Seiten für eine Verbindung zwischen derSeite entlang der <110>-Achse und der Seiteentlang der <100>-Achse.
    [0031] Die Verformungsmeßwiderstände 41-44 sind aufder Vorderseitenoberfläche 12 desSubstrats 10 gebildet. Die Verformungsmeßwiderstände 41-44 lieferndie Brückenschaltungzum Erfassen der Verformung des Diaphragmas 30 und zurAusgabe eines Erfassungssignals. Die Widerstände 41-44 sindunter Verwendung eines Implantationsverfahrens, eines Diffusionsverfahrensund dergleichen gebildete Diffusionsmeßwiderstände. Die Längsrichtung jedes Widerstands 41-44 istentlang der <110>-Achse des Substrats 10 gelegen.Insbesondere besitzt der Widerstand 41-44 eine gefalteteStruktur eines Drahtwiderstands. Die Längsrichtung des Drahtwiderstands istparallel zu der <110>-Richtung gelegen.
    [0032] Die Widerstände 41-44 setzen sichzusammen aus einem Paar von Mittenmeßwiderständen 41, 44 undeinem Paar von Seitenmeßwiderständen 42, 43.Die Mittenmeßwiderstände 41, 44 sindauf dem Diaphragma 30 in der Mitte angeordnet, und die Seitenmeßwiderstände 42, 43 sindauf dem Diaphragma 30 am Rand angeordnet. Jeder Seitenmeßwiderstand 42, 43 enthält den erstenMeßwiderstand 42a, 43a undden zweiten Meßwiderstand 42b, 43b. DieLängsrichtungdes ersten Meßwiderstands 42a, 43a istentlang der <110>-Achse gelegen, und die Längsrichtungdes zweiten Meßwiderstands 42b, 43b istentlang der <100>-Achse gelegen. Dieersten und zweiten Meßwiderstände 42a, 42b, 43a, 43b sindin Reihe miteinander verbunden.
    [0033] Die Widerstände 41-44 sind miteinem (nicht dargestellten) Draht miteinander verbunden, welcher auseiner Diffusionsschicht und dergleichen gebildet ist, so daß die Widerstände 41-44 wiein 3 dargestellt eineBrückenschaltungbilden. Ein Mittenmeßwiderstand 41 besitzteinen Widerstandswert RA, und der andere Mittenmeßwiderstand 44 besitzt einenWiderstandswert RD. Der erste Meßwiderstand 42a deseinen Seitenmeßwiderstands 42 be sitzteinen Widerstandswert RB1, und der zweite Widerstand 42b deseinen Seitenmeßwiderstands 42 besitzteinen Widerstandswert RB2. Daher ergibt sich der GesamtwiderstandswertRB des einen Seitenmeßwiderstands 42 durchRB1+RB2. Der erste Meßwiderstand 43a desanderen Seitenmeßwiderstands 43 besitzteinen Widerstandswert RC1, und der zweite Widerstand 43b desanderen Seitenmeßwiderstands 43 besitzteinen Widerstandswert RC2. Daher ergibt sich der GesamtwiderstandswertRC des anderen Seitenmeßwiderstands 43 zu RC1+RC2.Diese Widerstände 41-44 sindmiteinander in Reihe derart verbunden, daß die Widerstände einerechtwinklig geformte geschlossene Schaltung bilden. Somit wirddie wheatstonesche Brückederart gebildet, daß dieentlang der <110>-Achse gebildete Spannungdurch die Brückenschaltungerfaßtwird.
    [0034] Bei den Seitenmeßwiderständen 42, 43 ist dieLängsrichtungdes ersten Meßwiderstands 42a, 43a entlangder <110>-Achse des Substrats 10 derartgelegen, daß dererste Meßwiderstand 42a, 43a dieBelastung erfassen kann. Insbesondere wird der erste Meßwiderstand 42a, 43a zueinem belastungsempfindlichen Meßwiderstand, welcher eine Empfindlichkeitgegenüberder Belastung, d.h. der Belastungsänderung, besitzt. Die Längsrichtungdes zweiten Meßwiderstands 42b, 43b istentlang der <100>-Achse des Substrats 10 derartangeordnet, daß derzweite Meßwiderstand 42b, 43b dieBelastung im wesentlichen nicht erfassen kann. Insbesondere wirdder zweite Meßwiderstand 42b, 43b zueinem belastungsunempfindlichen Meßwiderstand, welcher im wesentlichenkeine Empfindlichkeit gegenüberder Belastungsänderungbesitzt.
    [0035] In der in 3 dargestellten Brückenschaltung sind in einemPaar vorkommende Eingangsanschlüsse 45, 46 mitder Brückenschaltungderart verbunden, daß einGleichstrom der Brückenschaltung aufgebrachtwird. Der Gleich strom I, d.h. der konstante Gleichstrom I, fließt zwischenden Anschlüssen 45, 46.Wenn zu dieser Zeit das Diaphragma 30 unter dem Druck verformtwird, ändernsich die Widerstandswerte RA, RB1, RC1, RD entsprechend der Verformung.Daher wird das Mittenwertpotential Vout zwischen einem Paar vonAusgangsanschlüssen 47, 48 erzeugt.Das Mittenwertpotential Vout entspricht der Verformung des Diaphragmas 30,d.h. dem Druck, derart, daß daserfaßteSignal als das Mittenwertpotential Vout an den Ausgangsanschlüssen 47, 48 ausgegebenwird.
    [0036] Wie in 1 dargestelltist bei dem obigen Sensor 100 der Glassockel 40 aufdas Substrat 10 unter Verwendung des anodischen Bondverfahrens unddergleichen gebondet. Insbesondere ist der Glassockel 40 aufdie Rückseitenoberfläche 11 des Substrats 10 gebondet.Bei dieser Ausführungsform istdie Austiefung 20 mit dem Glassockel 40 derart verschlossen,daß dieAustiefung 20 zu einer Bezugsdruckkammer für die Bereitstellungdes Bezugsdrucks wird. Somit bildet der Sensor 100 einenAbsolutdrucksensor.
    [0037] Obwohl die Austiefung 20 vollständig indem Sensor 100 verschlossen ist, kann der Sensor 100 einanderer Typ eines Drucksensors sein, welcher einen Druckeinfügungsdurchgangfür eineVerbindung zwischen der Außenseiteund der Austiefung 20 enthält. In diesem Fall wird einDruck als Meßobjekt durchden Durchgang in die Austiefung derart eingeführt, daß der Druck dem Diaphragma 30,d.h. der Rückseitenoberfläche desDiaphragmas 30, aufgebracht wird.
    [0038] Der Sensor 100 wird wiefolgt hergestellt. Das Substrat 10, welches die (110)-Ebeneals Hauptebene besitzt, wird vorbereitet. Sowohl die Vorderseitenoberfläche 12 alsauch die Rückseitenoberfläche 11 desSubstrats 10 liegt in der (110)-Ebene. Die Verformungsmeßwiderstände 41-44 undverschiedene Arten von Drähtenwerden auf der Vorderseitenoberfläche 12 des Substrats 10 unterVerwendung eines Halbleiterherstellungsverfahrens wie des Ionenimplantierungsverfahrensund des Diffusionsverfahrens gebildet. Dabei besitzen die in 2 dargestellten Seitenmeßwiderstände 42, 43 desSensors 100 unterschiedliche Strukturen, welche sich vonjenen des in 4 dargestelltenSensors 200 unterscheiden. Es ist jedoch leicht, die Widerstände 42, 43 des in 2 dargestellten Sensorsunter Verwendung einer unterschiedlichen Maske im Falle des Ionenimplantierungsverfahrenszu bilden. Insbesondere besitzt die Maske eine vorbestimmte Öffnung,bei welcher die Struktur den Seitenmeßwiderständen 42, 43 entspricht,welche die ersten bzw. zweiten Meßwiderstände 42a, 42b, 43a, 43b aufweisen.
    [0039] Danach wird eine (nicht dargestellte) Ätzmaskezum Ätzender Rückseitenoberfläche 11 des Substrats 10 aufder Rückseitenoberfläche 11 gebildet.Die Ätzmaskeenthälteine Öffnung,welche eine vorbestimmte Struktur entsprechend der Austiefung 20 besitzt.Die Ätzmaskewird aus einem Siliziumnitridfilm hergestellt, welcher unter Verwendungdes CVD-Verfahrens und dergleichen gebildet wird. Nachdem die Ätzmaskeauf der Rückseitenoberfläche 11 desSubstrats 10 gebildet worden ist, wird die Rückseitenoberfläche 11 derartgeätzt,daß dieAustiefung 20 auf dem Substrat 10 gebildet wird.Somit wird das Diaphragma 30 auf der Vorderseitenoberfläche 12 desSubstrats 10 gebildet. Die Rückseitenoberfläche 11 wirdmit einem anisotropen Ätzverfahren unterVerwendung eines alkalischen Ätzmittels(d.h. einer Ätzlösung) wieeinem KOH-Ätzmittel(d.h. einer Kaliumhydroxidlösung)und einem TMAH-Ätzmittel (d.h.einer Tetramethylammoniumhydroxidlösung) geätzt.
    [0040] Somit ist das Substrat 10 fertiggestellt,welches die Verformungsmeßwiderstände 41-44 und dasDiaphragma 30 aufweist. Danach wird die Ätzmaskeunter Verwendung eines Ätzverfahrensund dergleichen entfernt. Danach wird der Glassockel 40 aufdas Substrat 10 unter Verwendung des anodischen Bondverfahrensund dergleichen gebondet.
    [0041] Bei den Seitenmeßwiderständen 42, 43 wird dererste Meßwiderstand 42a, 43a zudem belastungsunempfindlichen Meßwiderstand, welcher im wesentlichenkeine Empfindlichkeit gegenüberder Belastungsänderungaufweist. Jeder Widerstandswert RB1, RC1 der ersten Meßwiderstände 42a, 43a wirdauf einen kleineren Wert als den Widerstandswert RA, RD der Mittenmeßwiderstände 41, 44 festgelegt.Daher ist das Ausgangssignal von dem Seitenmeßwiderstand 42, 43 entsprechendder großen thermischenSpannung sogar dann nahezu gleich dem Ausgangssignal von dem Mittenmeßwiderstand 41, 44 entsprechendder kleinen thermischen Spannung, wenn die thermische Spannung demSeitenmeßwiderstand 42, 43 aufgebrachtwird, welche größer alsdiejenige ist, welche dem Mittenmeßwiderstand 41, 44 aufgebrachtwird. D.h., der Unterschied zwischen der thermischen Spannung, welchedem Seitenmeßwiderstand 42, 43 aufgebrachtwird, und der thermischen Spannung, welche dem Mittenmeßwiderstand 41, 44 aufgebrachtwird, wird im wesentlichen durch Steuern der Widerstandswerte RA,RB1, RC1, RD kompensiert.
    [0042] Beispielsweise ist eine Längsseite(d.h. eine Länge)L des Diaphragmas 30 gleich einer Querseite (d.h. einerBreite) L des Diaphragmas 30 wie in 1 dargestellt. Die Länge L und die Breite L betragenjeweils 450 μm.In diesem Fall beträgtdie thermische Spannung σ1,welche an den Mittenmeßwiderstand 41, 44 angelegtwird, etwa 70% der thermischen Spannung σ2, welche an den Seitenmeßwiderstand 42, 43 angelegtwird. Dieses Ergebnis wurde von den Erfindern unter Verwendung desFEM wie in 6 dargestellterzielt. Daher wird der Widerstandswert RB1, RC1 des ersten Meßwiderstands 42a, 43a auf 70%des Widerstandswerts RA, RD des Mittenmeßwiderstands 41, 44 festgelegt.D.h., es gilt RB1 = RC1 = 0,7 × RD = 0,7 × R undRB2 = RC2 = 0,3 × RA= 0,3 × RD= 0,3 × R.
    [0043] Im allgemeinen ist die Widerstandswertänderungdes Verformungsmeßwiderstandsentsprechend der thermischen Spannung proportional zu dem Widerstandswertdes Widerstands. Daher ist die Widerstandswertänderung des Seitenmeßwiderstands 42, 43 nahezugleich derjenigen des Mittenmeßwiderstands 41, 44,wenn die thermische Spannung dem Sensor 100 aufgebrachtwird.
    [0044] Im allgemeinen wird der Widerstandswert desMittenmeßwiderstandsgleich demjenigen des Seitenmeßwiderstandsfestgelegt, so daß vierWiderstände,welche die Brückenschaltungbilden, nahezu gleich sind, so daß die Offsetspannung der Brückenschaltungleicht in einem Fall zu Null wird, bei welchem der Druck nicht demSensor aufgebracht wird (d.h., der aufgebrachte Druck ist gleichNull). Daher kann eine feine Widerstandswertänderung entsprechend einemfeinen Druck, welcher dem Sensor aufgebracht wird, erfaßt werden.
    [0045] Bei dieser Ausführungsform ist der gesamte WiderstandswertRB, RC des Seitenmeßwiderstands 42, 43,welcher sich zusammensetzt aus dem Widerstandswert RB1, RC1 desersten Meßwiderstands 42a, 43a unddem Widerstandswert RB2, RC2 des zweiten Meßwiderstands 42b, 43b,gleich dem Widerstandswert RA, RD des Mittenmeßwiderstands 41, 44.Demgegenüberwird der gesamte Widerstandswert RB, RC des Seitenmeßwiderstands 42, 43 inden Widerstandswert RB1, RC1 des ersten Meßwiderstands 42a, 43a undin den Widerstandswert RB2, RC2 des zweiten Meßwiderstands 42b, 43b unterteilt.Der Widerstandswert RB1, RC1 des ersten Meßwiderstands 42a, 43a wirdkleiner als der Widerstandswert RA, RD des Mittenmeßwiderstands 41, 44.Insbesondere ist der gesamte Widerstandswert (d.h. 0,7 × R + 0,3 × R) desSeitenmeßwiderstands 42, 43 gleichdem Widerstandswert (d.h. R) des Mittenmeßwiderstands 41, 44).D.h., es gilt RB1 + RB2 = RC1 + RC2 = RA = RD. Daher sind die WiderstandswerteRA, RB, RC, RD der vier Widerstände 41-44,welche die Brückenschaltungbilden, im wesentlichen gleich, d.h. R, so daß die Offsetspannung der Brückenschaltungleicht in einem Fall zu Null wird, bei welchem der Druck nicht demSensor aufgebracht wird (d.h. bei welchem der aufgebrachte Druckgleich Null ist). Daher kann eine feine Widerstandsänderungentsprechend einem feinen Druck, welcher dem Sensor aufgebrachtwird, erfaßtwerden. Wenn demgegenüberder Sensor 100 nicht die zweiten Meßwiderstände 42b, 43b enthält, wirdder Widerstandswert RB, RC des Seitenmeßwiderstands 42, 43 unterschiedlichzu dem Widerstandswert RA, RD des Mittenmeßwiderstands 41, 44.Daher wird die Offsetspannung des Sensors 100 in einemFall groß, beiwelchem der Druck gleich Null ist, so daß die Offsetspannung durcheine Signalprozessorschaltung nicht kompensiert wird.
    [0046] Obwohl die thermische Spannung σ1, welchean den Mittenmeßwiderstand 41, 44 angelegt wird,etwa 70% der thermischen Spannung σ2, welche an den Seitenmeßwiderstand 42, 43 angelegt wird,bei diesem Sensor 100 beträgt, kann das Verhältnis derthermischen Spannung, welche zwischen dem Mittenmeßwiderstand 41, 44 unddem Seitenmeßwiderstand 42, 43 angelegtwird, unterschiedlich werden, wenn die Dimensionen des Diaphragmas 30,die Form des Diaphragmas 30, die Dimensionen der Widerstände 41-44 und/oderdie Form der Widerstände 41-44 unterschiedlich ist.Daher ist es notwendig, das Verhältnisder thermischen Spannung in jedem Sensor, welcher ein unterschiedlichesDiaphragma und/oder unterschiedliche Verformungsmeßwiderstände aufweist,unter Verwendung der FEM-Analyse zu berechnen. D.h., es ist notwendig, dasVerhältnisdes Widerstandswerts RB1, RC1 und des Widerstandswerts RA, RD unterVerwendung der FEM-Analyse in einem Fall zu berechnen, bei welchemein Sensor eine unterschiedliche Konstruktion aufweist, die sichvon derjenigen des in 2 dargestelltenSensors 100 unterscheidet. Obwohl bei dem obigen: Sensor 100 diethermische Spannung σ1, welchedem Mittenmeßwiderstand 41, 44 aufgebrachtwird, sich von der thermischen Spannung σ2 unterscheidet, welche demSeitenmeßwiderstand 42, 43 aufgebrachtwird, ist die Widerstandswertänderungdes Mittenmeßwiderstands 41, 44 imwesentlichen an die Widerstandswertänderung des Seitenmeßwiderstands 42, 43 angeglichen.Somit ist die TNO-Charakteristik des Sensors 100 verbessert.Daher besitzt der Drucksensor 100 sogar dann eine hoheErfassungsgenauigkeit, wenn der Sensor 100 minimiert ist.
    [0047] Derartige Änderungen und Modifizierungen werdenals im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegend angesehen, welchedurch die beigefügten Ansprüche definiertwird.
    [0048] Vorstehend wurde ein Halbleiterdrucksensor miteinem Diaphragma offenbart. Der Halbleiterdrucksensor enthält ein Halbleitersubstrat(10), welches ein Diaphragma (30) zur Aufnahmeeines Drucks und eine Brückenschaltungzum Erfassen einer Verformung des Diaphragmas (30) entsprechend demDruck aufweist. Die Brückenschaltungenthält einPaar erster Meßwiderstände (41, 44)und ein Paar zweiter Meßwiderstände (42a, 43a).Die ersten Meßwiderstände (41, 44)sind auf dem Diaphragma (30) in der Mitte angeordnet, unddie zweiten Meßwiderstände (42a, 43a)sind auf dem Diaphragma (30) am Rand angeordnet. Jeder ersteMeßwiderstand (41, 44)besitzt einen ersten Widerstandswert (Ra, Rd), welcher größer alsein zweiter Widerstandswert (Rb1, Rc1) jedes zweiten Meßwiderstands(42a, 43a) ist. Die TNO-Charakteristik des Sensorsist derart verbessert, daß derSensor eine hohe Erfassungsgenauigkeit besitzt.
    权利要求:
    Claims (13)
    [1] Halbleiterdrucksensor mit: einem Halbleitersubstrat(10), welches ein Diaphragma (30) zur Aufnahmeeines Drucks und eine Brückenschaltungzur Erfassung einer Verformung des Diaphragmas (30) entsprechenddem Druck aufweist, wobei die Brückenschaltung ein Paar ersterMeßwiderstände (41, 44)und ein Paar zweiter Meßwiderstände (42a, 43a)enthält, dieersten Meßwiderstände (41, 44)auf dem Diaphragma (30) in der Mitte angeordnet sind unddie zweiten Meßwiderstände (42a, 43a)auf dem Diaphragma (30) am Rand angeordnet sind und jedererste Meßwiderstand(41, 44) einen ersten Widerstandswert (RA, RD)aufweist, welcher größer als einzweiter Widerstandswert (RB1, RC1) jedes zweiten Meßwiderstands(42a, 43a) ist.
    [2] Sensor nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß dieBrückenschaltungein vorbestimmtes Verhältnis einesWiderstandswerts zwischen dem zweiten Widerstandswert (RB1, RC1)und dem ersten Widerstandswert (RA, RD) besitzt, das Diaphragma(30) ein anderes vorbestimmtes Verhältnis der thermischen Spannungzwischen einer dem zweiten Meßwiderstand(42a, 43a) aufzubringenden zweiten thermischenSpannung (σ2)und einer dem ersten Meßwiderstand(41, 44) aufzubringenden ersten thermischen Spannung(σ1) ineinem Fall besitzt, bei welchem eine thermische Spannung (σ) dem Substrat(10) aufgebracht wird und das vorbestimmte Verhältnis desWiderstandswerts gleich dem vorbestimmten Verhältnis der thermischen Spannungist.
    [3] Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beidethermischen Spannungen, welche dem ersten Meßwiderstand (41, 44)und dem zweiten Meßwiderstand(42a, 43a) aufzubringen sind, unter Verwendungeines Finite-Elemente-Verfahrensderart bestimmt werden, daß dasvorbestimmte Verhältnisder thermischen Spannung erzielt wird.
    [4] Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,daß dieersten Meßwiderstände (41, 44)und die zweiten Meßwiderstände (42a, 43a)miteinander in Reihe derart verbunden sind, daß die Brückenschaltung eine wheatstonescheBrückebildet, jeder zweite Meßwiderstand(42a, 43a) das weiteren einen dritten Meßwiderstand(42b, 43b) enthält, welcher einen dritten Widerstandswert(RB2, RC2) aufweist und auf dem Diaphragma (30) am Randangeordnet ist, die zweiten und dritten Meßwiderstände (42a, 42b, 43a, 43b)integriert in Reihe derart miteinander verbunden sind, daß die zweitenund dritten Meßwiderstände (42a, 42b, 43a, 43b)einen Meßwiderstand (42, 43)bilden und der erste Widerstandswert (RA, RD) gleich einemgesamten Widerstandswert (RB, RC) der zweiten und dritten Widerstandswerte(42a, 42b, 43a, 43b) ist.
    [5] Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dasHalbleitersubstrat (10) aus einkristallinem Silizium gebildetist, welches eine Hauptebene einer (110)-Kristallebene aufweist, der ersteMeßwiderstand(41, 44) eine Längsrichtung entlang einer <110>-Kristallachse deseinkristallinen Siliziums aufweist, der zweite Meßwiderstand(42a, 43a) eine Längsrichtung entlang der <110>-Kristallachse deseinkristallinen Siliziums aufweist und der dritte Meßwiderstand(42b, 43b) eine Längsrichtung entlang einer <100>-Kristallachse deseinkristallinen Siliziums aufweist.
    [6] Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jederMeßwiderstand(41, 42a, 42b, 43a, 43b, 44) einegefaltete Struktur eines Drahtwiderstands derart aufweist, daß der Drahtwiderstandparallel zu der <110>-Kristallachse oderder <100>-Kristallachse verläuft und dasDiaphragma (30) eine achteckige Form aufweist, welche einPaar von Seiten entlang der <110>-Kristallachse, einPaar von Seiten entlang der <100>-Kristallachse undvier Seiten füreine Verbindung zwischen der Seite entlang der <110>-Kristallachseund der Seite entlang der <100>-Kristallachse aufweist.
    [7] Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,daß dasDiaphragma (30) eine Länge(L) von 450 μmund eine Breite (L) von 450 μmaufweist und das vorbestimmte Verhältnis des Widerstandswerts 0,7 beträgt.
    [8] Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnetdurch: eine Austiefung (20), welche in dem Substrat(10) angeordnet ist, um das Diaphragma (30) zubilden; und einen Glassockel (40), welcher auf demSubstrat (10) angeordnet ist, wobei das Substrat (10)eine erste Oberflächeund eine zweite Oberfläche(11, 12) aufweist, die Meßwiderstände (41, 42a, 42b, 43a, 43b, 44)auf der ersten Oberflächedes Substrats (10) angeordnet sind und der Glassockel(40) auf der zweiten Oberfläche (12) des Substrats(10) befestigt ist, wodurch eine Kammer zwischen dem Glassockel(40) und der Austiefung (20) gebildet wird.
    [9] Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieKammer derart verschlossen ist, daß der Sensor einen Absolutdrucksensorbildet und die Meßwiderstände (41, 42a, 42b, 43a, 43b, 44) Verformungsmeßwiderstände sind,welche aus einem Diffusionswiderstand gebildet sind.
    [10] Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,daß dieBrückenschaltungein vorbestimmtes Verhältnis einesWiderstandswerts zwischen dem zweiten Widerstandswert (42a, 43a)und dem ersten Widerstandswert (41, 44) aufweist, dasDiaphragma (30) ein anderes vorbestimmtes Verhältnis derthermischen Spannung zwischen einer dem zweiten Meßwiderstand(42a, 43a) anzulegenden zweiten thermischen Spannung(σ2) undeiner dem ersten Meßwiderstand(41, 44) aufzubringenden ersten thermischen Spannung(σ1) ineinem Fall aufweist, bei welchem eine thermische Spannung (σ) dem Substrat(10) aufgebracht wird und das vorbestimmte Verhältnis desWiderstandswerts gleich dem vorbestimmten Verhältnis der thermischen Spannungderart ist, daß einenichtlineare Temperaturoffsetcharakteristik des Sensors verbessertist.
    [11] Sensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet,daß dieersten Meßwiderstände (41, 44)und die zweiten Meßwiderstände (42a, 43a)in Reihe derart miteinander verbunden sind, daß die Brückenschaltung eine wheatstonescheBrückebildet, jeder zweite Meßwiderstand(42a, 43a) des weiteren einen dritten Meßwiderstand(42b, 43b) enthält, welcher einen dritten Widerstandswert(RB2, RC2) aufweist und auf dem Diaphragma (30) am Randangeordnet ist, die zweiten und dritten Meßwiderstände (42a, 42b, 43a, 43b)integriert in Reihe derart verbunden sind, daß die zweiten und dritten Meßwiderstände (42a, 42b, 43a, 43b)einen Meßwiderstand(42, 43) bilden und der erste Widerstandswert(RA, RC) gleich einem gesamten Widerstandswert (RB, RC) der zweitenund dritten Widerstände(42a, 42b, 43a, 43b) ist.
    [12] Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,daß daserste Halbleitersubstrat (10) aus einkristallinem Siliziumgebildet ist, welches eine Hauptebene einer (110)-Kristallebeneaufweist, der erste Meßwiderstand(41, 44) eine Längsrichtung entlang einer <110>-Kristallachse deseinkristallinen Siliziums aufweist, der zweite Meßwiderstand(42a, 43a) eine Längsrichtung entlang der <110>-Kristallachse deseinkristallinen Siliziums aufweist und der dritte Meßwiderstand(42b, 43b) eine Längsrichtung entlang einer <100>-Kristallachse deseinkristallinen Siliziums aufweist.
    [13] Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,daß jederMeßwiderstand(41, 42a, 42b, 43a, 43b, 44) einegefaltete Struktur eines Drahtwiderstands derart aufweist, daß der Drahtwiderstandparallel zu der <110>-Kristallachse oderder <100>-Kristallachse befindlichist und das Diaphragma (30) eine achteckige Form.aufweist, welche ein Paar von Seiten entlang der <110>-Kristall achse, einPaar von Seiten entlang der <100>-Kristallachse undvier Seiten füreine Verbindung zwischen der Seite entlang der <110>-Kristallachseund der Seite entlang der <100>-Kristallachse aufweist.
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