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Die
gegenwärtige Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung,
die ein mit Störstellen dotiertes Widerstandselement aufweist.
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Bisher
ist ein thermischer Strömungssensor zum Erfassen einer
Durchflussmenge eines Fluids bekannt. Diese Art von Strömungssensor
umfasst ein Heizeinrichtungselement und ein temperaturempfindliches
Element, die beide dadurch hergestellt werden, dass in eine Siliziumhalbleiterschicht
Störstellen dotiert werden. Beispiele für diese
Art von Sensor sind in den
japanischen
Patenten Nr. 3468731 und Nr.
3698679 gezeigt.
In dieser Sensorvorrichtung sind ein Heizeinrichtungselement und
ein temperaturempfindliches Element durch Dotieren von Störstellen
in eine Halbleiterschicht hergestellt. Sowohl das Heizeinrichtungselement
als auch das temperaturempfindliche Element sind Widerstandselemente,
und ihr spezifischer Widerstand beträgt 8 × 10
–4 Ωcm oder weniger und
die Störstellendichte liegt bei 2 × 10
20/cm
3 oder mehr.
In einem anderen Beispiel, das in der
JP-A-2004-205498 gezeigt
ist, ist die Störstellendichte in dem Widerstandselement,
das durch Dotieren von Störstellen in eine Halbleiterschicht
hergestellt wurde, auf 1 × 10
20/cm
3 oder mehr festgelegt.
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Versuche,
die von den Erfindern der gegenwärtigen Erfindung durchgeführt
wurden, zeigten, dass eine Widerstandswertsänderung bzw. Änderung
des Widerstandswerts durch Alterung bzw. Aging in dem Widerstand,
der eine hohe Störstellendichte aufweist, groß ist,
wenn sich der Widerstand auf einer hohen Temperatur, wie z. B. einer
höheren Temperatur als 310°C, befindet.
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Es
ist Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung eine verbesserte
Halbleitervorrichtung zu schaffen, die einen Widerstand aufweist,
der durch Dotieren von Störstellen in eine Halbleiterschicht
hergestellt wird und in dem die Widerstandswertsänderung durch
Alterung in einem breiten Temperaturbereich unterdrückt
wird.
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Gelöst
wird die Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Halbleitervorrichtung gemäß der gegenwärtigen
Erfindung wird durch den folgenden Prozess hergestellt. Es wird
ein Substrat, wie z. B. ein Silizium-auf-Halbleiter (SOI), hergestellt.
Auf dem Substrat wird ein Einkristallsiliziumfilm ausge bildet, und anschließend
werden Störstellen, wie z. B. Phosphor, in den Einkristallsiliziumfilm
dotiert. Die Störstellendichte in dem Einkristallsiliziumfilm
liegt unter 1 × 1020/cm3. Anschließend werden Widerstandselemente
derart ausgeformt, dass durch Ätzen oder dergleichen unnötige
Bereiche entfernt werden.
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Die
somit hergestellte Halbleitervorrichtung kann als Erfassungsvorrichtung
bzw. Detektor zum Erfassen einer Menge einer Fluidströmung,
wie z. B. einer Luftströmung, verwendet werden. In diesem Fall
wird ein Teil der Widerstandselemente als temperaturempfindliche
Elemente zum Erfassen einer Temperatur verwendet, und der anderen
Teil der Widerstandselemente wird als Heizeinrichtungselemente zum
Aufrechterhalten einer Temperatur um die temperaturempfindlichen
Elemente herum verwendet.
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Die
Störstellendichte liegt unter 1 × 1020/cm3, um den Betrag bzw. Grad einer Widerstandswertsänderung
durch Alterung insbesondere bei einer hohen Temperatur, welche mehr
als 310°C beträgt, zu unterdrücken. Weil
die Widerstandswertsänderung durch Alterung meist durch
Diffusion der Störstellen verursacht wird, kann die Widerstandswertsänderung durch
Begrenzen der Störstellendichte unterdrückt werden.
Als Störstellen werden Störstellen des N-Typs,
wie z. B. Phosphor, oder des P-Typs, wie z. B. Bor, verwendet. Vorzugsweise
wird ein solches Störstellenelement ausgewählt,
das einen niedrigeren Diffusionskoeffizienten aufweist, um die Widerstandswertsänderung
durch Alterung zu unterdrücken.
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Um
die Empfindlichkeit der temperaturempfindlichen Elemente zu verbessern
ist es wünschenswert, Widerstandselemente zu verwenden,
die einen hohen Temperaturkoeffizienten aufweisen. Zu diesem Zweck
kann eine untere Grenze der Störstellendichte auf eine
Höhe von 4 × 1019/cm3 festgelegt sein. Wenn man beide Faktoren
berücksichtigt, d. h. das Unterdrücken der Widerstandswertsänderung
durch Alterung und das Erzielen des hohen Temperaturkoeffizienten,
wird die Störstellendichte auf einen Bereich von 4 × 1019/cm3 bis 1 × 1020/cm3 festgelegt.
Der meistbevorzugte Bereich für die Störstellendichte liegt
bei 7 × 1019/cm3 bis
1 × 1020/cm3,
worin der Temperaturkoeffizient im Wesentlichen konstant ist.
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Gemäß der
gegenwärtigen Erfindung wird die Widerstandswertsänderung
durch Alterung in dem Widerstand, der durch Dotieren von Störstellen in
den Einkristallsiliziumfilm ausgebildet ist, insbesondere bei einer
hohen Temperatur unterdrückt, während gleichzeitig
ein hoher Temperaturkoeffizient erzielt wird. Andere Aufgaben und
Merkmale der gegenwärtigen Erfindung werden aus einem besseren Verständnis
der bevorzugten Ausführungsformen, die im Folgenden unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben werden,
schneller ersichtlich.
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Es
zeigen:
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1 eine
grafische Darstellung, die einen Zusammenhang zwischen einer verstrichenen
Zeit bei verschiedenen Temperaturen und einem Widerstandswertsänderungsverhältnis
in einem Widerstand, der durch Dotieren von Störstellen
in eine Halbleiterschicht hergestellt wurde, zeigt;
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2 einen
Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß der
gegenwärtigen Erfindung als erste Ausführungsform
darstellt;
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3 eine
die Halbleitervorrichtung zeigende Teilquerschnittsansicht, die
entlang einer in 2 gezeigten Linie III-III gemacht
wurde;
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4 eine
grafische Darstellung, die ein Widerstandswertsänderungsverhältnis
in dem Widerstand in Bezug auf eine verstrichene Zeit bei 310°C darstellt;
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5 eine
grafische Darstellung, die ein Widerstandswertsänderungsverhältnis
in dem Widerstand in Bezug auf eine Störstellendichte in
dem Widerstand darstellt;
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6 eine
grafische Darstellung, die einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes
in dem Widerstand in Bezug auf eine Störstellendichte in
dem Widerstand zeigt;
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7A–7E Querschnittsansichten,
die einen Prozess zum Herstellen des Widerstands, der durch Dotieren
von Störstellen in eine Halbleiterschicht ausgeformt wurde,
zeigen;
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8 eine
grafische Darstellung, die das Widerstandswertsänderungsverhältnis
in dem Widerstand, der durch Dotieren von Phosphor oder Arsen hergestellt
wurde, zeigt; und
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9 eine
schematische Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung als zweite
Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung zeigt.
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Als
erstes werden unter Bezugnahme auf 1 Versuche,
die von den Erfindern durchgeführt wurden, erklärt.
Ein Widerstand wird durch Dotieren von Phosphor (das als Störstellen
oder als Dotiermittel bezeichnet wird) in Einkristallsilizium ausgeformt. Die
Dichte der Störstellen ist auf 2 × 1020/cm3 festgelegt. Der Widerstand wird bei unterschiedlichen
Temperaturen, d. h. von 250°C bis 340°C, platziert,
und es wird sein Widerstandswertsänderungsverhältnis bzw.
Verhältnis der Widerstandswertsänderung (in %)
gemessen. Wie in der grafischen Darstellung zu sehen ist, erhöht
sich das Widerstandswertsänderungsverhältnis entsprechend
der verstrichenen Zeit, wenn die Temperatur mehr als 310°C
beträgt. Das bedeutet, dass sich der Widerstandswert des
dotierten Widerstands in stärkerem Maße ändert,
wenn die Temperatur hoch ist.
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Andererseits
ist bekannt, dass eine Aktivierungsenergie bei einer Rediffusion
von Phosphor bei 3 eV liegt. Eine Aktivierungsenergie von Widerstandswertsänderungen
durch Alterung lag gemäß Versuchen, die von den
Erfindern der gegenwärtigen Erfindung durchgeführt
wurden, bei ungefähr 3 eV. Bei den Versuchen wurde ein
Widerstand getestet, der eine Phosphordichte von 2 × 1020/cm3 hatte. Das bedeutet,
dass die Erfinder Folgendes herausgefunden haben: Ein Hauptfaktor,
der die Widerstandswertsänderung in dem Widerstand, der
durch Dotieren von Störstellen in ein Einkristallsilizium
hergestellt wurde, bei einer hohen Temperatur verursacht liegt in
der Rediffusion der Störstellen. Die gegenwärtige
Erfindung ist auf der Grundlage dieser Entdeckung gemacht worden.
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Unter
Bezugnahme auf die 2 bis 8 wird eine
erste Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung
beschrieben. Eine obere Seite in 3 wird nur
zur einfacheren Erklärung als eine obere Seite einer Halbleitervorrichtung 100 bezeichnet.
In der ersten Ausführungsform wird die gegenwärtige Erfindung
bei einer Halbleitervorrichtung zum Erfassen einer Menge einer Fluidströmung
verwendet (Strömungssensor). Der Strömungssensor
ist in einer Ansaugleitung bzw. einem Ansaugrohr von beispielsweise
einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung für ein
Kraftfahrzeug angeordnet. In 2 gibt ein
Pfeil die Richtung der Fluidströmung an.
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Wie
in den 2 und 3 dargestellt ist, umfasst eine
Halbleitervorrichtung 100 eine Erfassungsvorrichtung bzw.
einen Detektor 130 zum Erfassen einer Menge einer Fluidströmung,
wobei die Erfassungsvorrichtung 130 an einem Halbleitersubstrat 110 mit
einer Isolierschicht 120 dazwischen ausgeformt ist. Die
Erfassungsvorrichtung 130 umfasst Heizeinrichtungselemente 131, 132 und
temperaturempfindliche Elemente 133, 134. Das
Halbleitersubstrat 110 ist ein Siliziumsubstrat. Das Sub strat 110 weist
einen Hohlraum 111 auf, der an einer unteren Seite des
Substrats ausgeformt ist. Wie in 3 zu sehen
ist, weist der Hohlraum 111 eine eckige bzw. viereckige
untere Öffnung (square bottom opening) 113 und
ein oberes Ende auf, das in einer unteren Fläche bzw. Bodenfläche 112 einer
Isolierschicht 120, die an dem Substrat ausgeformt ist,
endet. Der Hohlraum 111 ist an dem unteren Ende am größten bzw.
breitesten und an dem oberen Ende am kleinsten bzw. engsten.
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An
dem Siliziumsubstrat 110 ist eine Isolierschicht 120 mit
Siliziumoxiden ausgebildet. Aufgrund des Hohlraums 111 weist
die Halbleitervorrichtung 100 einen dünnem Membranabschnitt
auf, an dem die Heizeinrichtungselemente 131, 132 ausgeformt sind.
Der Membranabschnitt weist eine geringere Wärmekapazität
auf als andere Abschnitte der Halbleitervorrichtung. Ein Paar von
temperaturempfindlichen Elementen 133, 134 ist
an der Isolierschicht 120 an beiden Seiten der Heizeinrichtungselemente 131, 132 ausgeformt.
Die temperaturempfindlichen Elemente sind an einem dicken Abschnitt
positioniert, der an beiden Seiten des dünnen Abschnitts
vorhanden ist. Ein temperaturempfindliches Element 133, das
an einem stromaufwärtigen Bereich der Fluidströmung
positioniert ist, wird als stromaufwärtiges temperaturempfindliches
Element bezeichnet, und das andere temperaturempfindliche Element 134, das
an einem stromabwärtigen Bereich der Fluidströmung
positioniert ist, wird als stromabwärtiges temperaturempfindliches
Element bezeichnet. Die Heizeinrichtungselemente 131, 132 und
die temperaturempfindlichen Elemente 133, 134 sind
durch Verbindungsabschnitte 135, die mit Kontaktierungsflächen 136 verbunden
sind, elektrisch verbunden. Die Kontaktierungsflächen 136 sind
mit einer Schaltung zur Verarbeitung von Signalen von der Halbleitervorrichtung 100 elektrisch
verbunden.
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Die
Heizeinrichtungselemente 131, 132, die temperaturempfindlichen
Elemente 133, 134 und die Verbindungsabschnitte 135 sind
durch Dotieren von Störstellen in die Einkristallsiliziumschicht
auf die Art und Weise hergestellt, wie sie später detailliert
erklärt wird. Eine Isolierschicht 140, welche
diese Bauteile bedeckt, ist mit Siliziumoxiden ausgeformt. Eine Schutzschicht 150,
welche die Isolierschicht 140 bedeckt, ist mit Siliziumnitrid
ausgeformt.
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Die
Heizeinrichtungselemente
131,
132 erzeugen gemäß einem
ihnen zugeführten elektrischen Strom Wärme. Außerdem
erfassen die Heizeinrichtungselemente auf der Grundlage von Änderungen bei
ihren eigenen Widerstandswerten eine Temperatur. Eine Fluidströmungsmenge
wird auf der Grundlage einer Wärmemenge erfasst, die von
den Heizeinrichtungselementen
131,
132 abgegeben
wird. Ferner wird eine Richtung der Fluidströmung auf der Grundlage
einer Wärmemenge erfasst, die von jedem der Heizeinrichtungselemente
131,
132 abgegeben
wird. Eine Menge an elektrischem Strom, die jedem der Heizeinrichtungselemente
131,
132 geliefert wird,
wird auf der Grundlage einer Temperaturdifferenz zwischen dem stromaufwärtigen
Heizeinrichtungselement
131 und dem stromaufwärtigen
temperaturempfindlichen Element
133 und einer Temperaturdifferenz
zwischen dem stromabwärtigen Heizeinrichtungselement
132 und
dem stromabwärtigen temperaturempfindlichen Element
134 gesteuert.
Details der Funktion der Erfassungsvorrichtung
130 sind in
der
JP-A-2004-205498 und
in der
JP-A-2004-241398 offenbart.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 die
Dichte der Störstellen (des Dotierungsmittels), die in
das Einkristallsilizium dotiert sind, um die Heizeinrichtungselemente 131, 132, die
temperaturempfindlichen Elemente 133, 134 und die
Verbindungsabschnitte 135 auszuformen, detailliert beschrieben.
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4 zeigt
einen Zusammenhang zwischen einer Testzeit (einer Zeit, die bei
310°C verstrichen ist) und einem Widerstandswertsänderungsverhältnis
(in Prozent) in dem Widerstand, der durch Dotieren von Störstellen
in eine Einkristallsiliziumschicht ausgeformt wurde. Es wurden verschiedene
Exemplare bzw. Muster des Widerstandes durch Dotieren von unterschiedlichen
Mengen an Phosphor ausgeformt, um dadurch in den Widerständen
unterschiedliche Störstellendichten, d. h. von 7 × 1019/cm3 bis 6 × 1020/cm3, zu realisieren.
Entsprechende Linien in der grafischen Darstellung zeigen das Widerstandswertsänderungsverhältnis
(%) der Widerstandsexemplare, welche die folgenden Störstellendichten aufweisen:
Linie (1) 7 × 1019/cm3;
Linie (2) 1 × 1020/cm3;
Linie (3) 2 × 1020/cm3;
und Linie (4) 6 × 1020/cm3.
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5 zeigt
einen Zusammenhang zwischen dem Widerstandswertsänderungsverhältnis
(in %) und der Störstellendichte. Widerstandsexemplare sind
dadurch hergestellt worden, dass unterschiedliche Mengen an Phosphor
in Einkristallsilizium oder Polysilizium dotiert wurden. Die somit
hergestellten Widerstandsexemplare sind für 1000 Stunden
auf 310°C gehalten worden, und anschließend wurden die
Widerstandswertsänderungsverhältnisse der jeweiligen
Exemplare gemessen. Eine Volllinie zeigt die Testergebnisse der
Widerstandsexemplare, die aus dem Einkristallsilizium hergestellt
wurden, und eine gestrichelte Linie zeigt die der Widerstandsexemplare,
die aus Polysilizium hergestellt wurden.
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6 zeigt
einen Temperaturkoeffizienten der Widerstandsexemplare, die durch
Dotieren von unterschiedlichen Mengen an Phosphor ausgeformt wurden.
Die Menge an Phosphor, die in das Einkristallsilizium dotiert wurde,
wurde von 1,0 × 1019/cm3 bis auf 1,0 × 1021/cm3 verändert.
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Wie
in 4 gezeigt ist, wird das Widerstandswertsänderungsverhältnis
der Widerstandsexemplare mit zunehmender Störstellendichte
höher, wenn die Widerstandsexemplare auf einer hohen Temperatur,
wie z. B. 310°C, gehalten werden. Dieses Phänomen
kann wie folgt erklärt werden: Es wurde von den Erfindern
herausgefunden, dass ein Hauptfaktor, welcher in dem Widerstand,
der durch Dotieren von Störstellen in ein Einkristallsilizium
ausgeformt wurde, bei einer hohen Temperatur eine Widerstandswertsänderung
verursacht, eine Rediffusion der Störstellen ist; und je
höher die Störstellendichte ist, desto höher
wird ein Diffusionskoeffizient. Das gleiche Phänomen ist
auch bei dem Widerstand zu beobachten, bei dem Störstellen
in Polysilizium dotiert wurden. Wie in 5 gezeigt
ist, ist das Widerstandswertsänderungsverhältnis
in den Widerstandsexemplaren, deren Störstellendichte kleiner als
1,0 × 1020/cm3 ist,
ungeachtet der Störstellendichte sehr gering (beinahe null)
und konstant. Wie in 1 gezeigt ist, ist das Widerstandsänderungsverhältnis
je nach verstrichener Zeit gering, wenn der Widerstand auf einer
niedrigen Temperatur gehalten wird. Dies kann durch die Tatsache
erklärt werden, dass die Rediffusion der Störstellen
bei einer niedrigen Temperatur nicht aktiv ist.
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Aus
den oben erwähnten Testergebnissen ergibt sich zum Einen,
dass die Widerstandswertsänderung in dem Widerstand, der
durch Dotieren von Störstellen in ein Einkristallsilizium
ausgeformt worden ist, in einem breiten Temperaturbereich dadurch auf
ein niedriges Niveau gedrückt bzw. gesenkt wird, dass die
Störstellendichte kleiner als 1,0 × 1020/cm3 gemacht wird,
und zum Anderen, dass der Widerstandswert des Widerstands für
einen langen Zeitraum unverändert bleibt.
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Für
einen Widerstand, welcher eine Temperatur erfasst, ist es auch wichtig,
dass ein Temperaturkoeffizient des Widerstandswerts (TCR; Temperature
Coefficient of Resistance) angemessen hoch ist. Wie in 6 dargestellt
ist, kann ein TCR so festgelegt sein, dass er hoch ist (höher
als 2000 ppm/°C), wenn die Störstellendichte in
einem Bereich von 4,0 × 1019/cm3 bis 1,0 × 1020/cm3 liegt. Außerdem kann der TCR in
diesem Bereich der Störstellendichte im Wesentlichen konstant
gemacht werden. Daraus ergibt sich, dass der Temperaturkoeffizient
des Widerstands so festgelegt werden kann, dass er hoch ist, während
das Widerstandswertsänderungsverhältnis niedrig
gehalten bzw. unterdrückt wird, indem die Störstellendichte
in dem oben erwähnten Bereich festgelegt wird.
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In
der ersten oben beschriebenen Ausführungsform sind die
Heizeinrichtungselemente 131, 132, die temperaturempfindlichen
Elemente 133, 134 und die Verbindungsabschnitte 135 ausgeformt,
wobei die oben beschriebenen Testergebnisse berücksichtigt
wurden. Das heißt die Störstellendichte, welche
in das Einkristallsilizium dotiert wurde, ist auf einen Bereich
von 7 × 1019/cm3 bis
1,0 × 1020/cm3 festgelegt.
Demgemäß wird die Widerstandswertsänderung
durch Alterung in einem breiten Temperaturbereich, der einen höheren
Temperaturbereich als 310°C umfasst, auf ein niedriges
Niveau gedrückt bzw. gesenkt. Weil in einem niedrigen Temperaturbereich
die Rediffusion nicht aktiv ist und daher die Widerstandswertsänderung
gering ist, sind die Wirkungen der gegenwärtigen Erfindung
in einem hohen Temperaturbereich, der einen Bereich größer
als 310°C umfasst, besonders auffallend. Weil der Temperaturkoeffizient
des Widerstandswertes gemäß der gegenwärtigen
Erfindung hoch gemacht worden ist, kann die Temperaturempfindlichkeit
hoch gemacht werden, während eine Abweichung beim Temperaturkoeffizienten
des Widerstandswertes unterdrückt wird.
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Außerdem
werden Fremdpartikel, die an der Oberfläche der Schutzschicht 150 haften,
dadurch effektiv entfernt, dass die Erfassungsvorrichtung bei einer
hohen Temperatur verwendet wird (wie z. B. bei einer höheren
Temperatur 310°C). Eine herkömmliche Erfassungsvorrichtung
kann nicht bei einer hohen Temperatur verwendet werden, weil ihre
Widerstandswertsänderung durch Alterung bei einer hohen Temperatur
groß ist. Demgemäß war es schwierig, Fremdpartikel,
die an der Oberfläche der herkömmlichen Erfassungsvorrichtung
haften, zu entfernen.
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Im
Folgenden wird ein Herstellungsverfahren der Halbleitervorrichtung 100 unter
Bezugnahme auf die 7A bis 7E beschrieben,
welche die Querschnittsansichten zeigen, die der Vorrichtung entsprechen,
die in 3 gezeigt ist. Als erstes wird ein in 7A dargestelltes
SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Substrat hergestellt. Das SOI besteht
aus Folgendem: einem Halbleitersubstrat 110, das aus einem
Einkristallsilizium mit einer Dicke von ungefähr 600 μm
hergestellt wurde; einer Isolierschicht 120, welche aus
Siliziumoxiden mit einer Dicke von mehr als 0,01 μm (beispielsweise
ungefähr 1 μm) hergestellt und an das Halbleitersubstrat 110 laminiert
wurde; und einem Einkristallsiliziumfilm 160 mit einer
Dicke von ungefähr 0,2 bis 2 μm, der an die Isolierschicht 120 laminiert
ist.
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Wie
in 7B dargestellt ist, wird anschließend
eine Widerstandsschicht 161 mit einem Sollwiderstandswert
durch Dotieren von Phosphor in den Einkristallsiliziumfilm 160 ausgeformt.
Das Phosphor wird durch Injizieren von Phosphorionen in den Einkristallsiliziumfilm 160 dotiert,
so dass die Störstellendichte (die Phosphordichte) in einen
Bereich von 7,0 × 1019/cm3 bis 1,0 × 1020/cm3 fällt. Vorzugsweise ist die Widerstandsschicht 161 ausgeglüht
bzw. annealed, so dass Phosphor diffundiert und darin elektrisch
aktiviert wird. Das Annealing wird beispielsweise bei 1000°C
zwei Stunden lang durchgeführt.
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Wie
in 7C gezeigt ist, werden anschließend die
Heizeinrichtungselemente 131, 132, die temperaturempfindlichen
Elemente 133, 134 und die Verbindungsabschnitte 135 in
der Widerstandsschicht 161 durch aktiviertes Ionenätzen
ausgeformt. Bei diesem Vorgang wird sowohl das stromaufwärtige
Heizeinrichtungselement 131 als auch das stromabwärtige
Heizeinrichtungselement 132 zur gleichen Zeit ausgeformt.
Daher ist es einfach, beide Heizeinrichtungselemente 131, 132 mit
dem gleichen Widerstandswert und dem gleichen Temperaturkoeffizient des
Widerstandswertes herzustellen. Ebenso wird sowohl das stromaufwärtige
temperaturempfindliche Element 133 als auch das stromabwärtige
temperaturempfindliche Element 134 zur gleichen Zeit ausgeformt.
Daher ist es einfach, beide mit dem gleichen Widerstand und dem
gleichen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes herzustellen.
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Wie
in 7D gezeigt ist, wird anschließend eine
Isolierschicht 140, welche die Heizeinrichtungselemente 131, 132,
die temperaturempfindlichen Elemente 133, 134 und
die Verbindungsabschnitte 135 bedeckt bzw. umgibt, durch
ein Plasma-CVD-Verfahren ausgeformt. Die Isolierschicht 140 ist
beispielsweise aus Siliziumoxiden hergestellt. Eine Schutzschicht 150,
die aus einem Siliziumnitridfilm hergestellt ist, wird an die Isolierschicht 140 beispielsweise durch
ein Low-Pressure-CVD-Verfahren laminiert. Anschließend
werden Kontaktlöcher (nicht dargestellt) durch die Schutzschicht 150 und
durch die Isolierschicht 140 hindurch ausgeformt, und die
Kontaktierungsflächen 136, die im Wesentlichen
aus Aluminium hergestellt sind, sind an den Enden der Verbindungsabschnitte 135 ausgeformt,
wie es in 2 dargestellt ist. Die Isolierschicht 140 und
die Schutzschicht 150 können aus anderen Materialien
als dem oben erwähnten hergestellt sein, und sie können
als Multilager ausgeformt sein. Die Kontaktierungsflächen 136 können
vor dem Ausformen der Schutzschicht 150 hergestellt werden,
wenn es erwünscht ist oder wenn es der Herstellungsvorgang
so erfordert.
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Wie
in 7E gezeigt ist, wird anschließend in
dem Halbleitersubstrat 110 der Hohlraum 111 ausgeformt,
der die untere Öffnung bzw. Bodenöffnung 113 aufweist
und die untere Fläche bzw. Bodenfläche 112 der
Isolierschicht 120 erreicht (siehe 3). Als erstes
wird bei diesem Vorgang an der unteren Fläche des Halbleitersub strats 110 ein
Abdeckfilm, der beispielsweise aus Siliziumnitrid hergestellt ist,
ausgeformt. Von dem Abdeckfilm wird beispielsweise durch aktiviertes
Ionenätzen ein viereckiger bzw. quadratischer Bereich,
welcher der unteren Öffnung 113 entspricht, entfernt,
um so eine Maske 170 auszubilden. Anschließend
wird unter Verwendung der Maske 170 ein anisotropes Ätzen
mit einer alkalischen Lösung, wie z. B. KOH oder TMAH,
durchgeführt. Somit wird der Hohlraum 111, welcher
die in 7E gezeigte Form bzw. Gestalt
hat, gebildet. Durch Ausbilden des Hohlraums 111 wird ein
dünner Membranabschnitt ausgeformt, an dem die Heizeinrichtungselemente 131, 132 positioniert
sind. Das Ätzen des Hohlraums 111 ist nicht auf
das Nassätzen begrenzt, sondern er kann auch durch Trockenätzen geätzt
werden. Nachdem der Hohlraum 111 ausgeformt ist, wird das
SOI-Substrat in einzelne Erfassungsvorrichtungschips getrennt, von
welchen jeder der Halbleitervorrichtung 100 entspricht.
Die Halbleitervorrichtung 100 ist durch die Kontaktierungsflächen 136 mit
einer signalverarbeitenden Schaltung elektrisch verbunden.
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Obwohl
in der vorhergehenden Ausführungsform die Störstellendichte
auf einen Bereich von 7,0 × 1019/cm3 bis 1,0 × 1020/cm3 festgelegt worden ist, ist die Störstellendichte
nicht auf diesen Bereich begrenzt. Sie kann in einem Bereich von
4,0 × 1019/cm3 bis
1,0 × 1020/cm3 liegen,
um beabsichtigte Vorteile der gegenwärtigen Erfindung zu
erzielen. Der am meisten bevorzugte Bereich ist der von 7 × 1019/cm3 bis 1,0 × 1020/cm3 In dem Fall,
dass zum Ausformen des Widerstandselements ein Polysiliziumfilm
verwendet wird und die Störstellendichte größer
als 2,0 × 1020/cm3 ist,
wird der Temperaturkoeffizient des Widerstandswertes dadurch erhöht,
dass nach dem Dotieren der Störstellen ein Annealing erfolgt,
weil die Partikelgröße des Polysiliziums groß und
der des Einkristallsiliziums ähnlich wird. In der gegenwärtigen
Erfindung wird jedoch das Einkristallsilizium verwendet, um die
Widerstandselemente auszuformen, und der Temperaturkoeffizient des
Widerstandswertes kann sogar dann ausreichend hoch gemacht werden,
wenn die Störstellendichte kleiner als 1,0 × 1020/cm3 ist, um die
Widerstandswertsänderung durch Alterung zu unterdrücken
bzw. zu senken.
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Obwohl
die in 7B gezeigte Widerstandsschicht 161 durch
Dotieren von Phosphorionen in den Einkristallsiliziumfilm 160 ausgeformt
wird, können Phosphor oder andere Störstellen
durch andere Verfahren, wie z. B. ein Wärmedispersionsverfahren (welches
Gas oder festes Phosphor bzw. Solid Phosphor verwendet), dotiert
werden. Alternativ können die Störstellen dem
SOI-Substrat direkt hinzugefügt werden. In dem vorhergehenden
Vorgang wird für die Störstellen Phosphor verwendet,
weil ein Atomradius von Phosphor dem von Silizium nahekommt, und Kristalldefekte
werden sogar dann unterdrückt, wenn das Ioneneinspritzverfahren
verwendet wird.
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Ferner
kann die Störstellendichte in der Tiefenrichtung leicht
gleichförmig gemacht werden, weil der Diffusionskoeffizient
von Phosphor groß ist. Die Störstellen sind jedoch
nicht auf Phosphor begrenzt, sondern es können andere Materialien,
wie zum Beispiel Störstellen des N-Typs oder Störstellen
des P-Typs, welche preiswertes Bor umfassen, verwendet werden. Obwohl
der Einkristallsiliziumfilm 160, der an dem SOI ausgeformt
ist, als Basisfilm verwendet wird, um in der vorhergehenden Ausführungsform
Widerstandselemente auszuformen, können auch andere Substrate,
wie z. B. ein SIMOX-(Silicon-Implanted-Oxide-)Substrat, verwendet
werden. In dem Falle einer Verwendung von SIMOX kann die Dickenabweichung
des Einkristallsiliziumfilms kleiner gemacht werden als die des
SOI-Substrats, wodurch eine Abweichung des Temperaturkoeffizienten
des Widerstandwertes unterdrückt wird.
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In
der ersten oben beschriebenen Ausführungsform wird für
die Störstellen, welche in den Einkristallsiliziumfilm
dotiert werden, Phosphor verwendet. Als Störstellen können
jedoch Materialien verwendet werden, die einen niedrigeren Diffusionskoeffizienten
haben als Phosphor. Es ist allgemein bekannt, dass die Niveaureihenfolge
des Diffusionskoeffizienten von Störstellen des N-Typs
wie folgt lautet: Phosphor (P) > Antimon
(Sb) > Arsen (As) > Wismut (Bi). Es wurde
ein Widerstandsexemplar hergestellt, indem in einen Einkristallsiliziumfilm
Arsen (As) mit einer Dichte von 7 × 1019/cm3 dotiert wurde. Zum Vergleich wurde ein
anderes Widerstandsexemplar dadurch hergestellt, dass in den Einkristallsiliziumfilm Phosphor
(P) mit der gleichen Dichte dotiert wurde. Das Widerstandswertsänderungsverhältnis
durch Alterung wurde für beide Exemplare gemessen, nachdem
die Exemplare für 500 Stunden auf 310°C gehalten
wurden.
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8 zeigt
die Testergebnisse der beiden Exemplare. Aus der grafischen Darstellung
ist zu sehen, dass das Widerstandswertsänderungsverhältnis durch
Alterung bei dem arsendotierten Exemplar kleiner ist als bei dem
phosphordotierten Exemplar. Der Grund dafür ist der, dass
der Diffusionskoeffizient von Arsen niedriger ist als der von Phosphor.
Dies bedeutet, dass das Widerstandswertsänderungsverhältnis durch
Alterung bei einer hohen Temperatur (310°C) dadurch klein
gemacht werden kann, dass als Dotiermittel ein Material verwendet
wird, das einen niedrigeren Diffusionskoeffizienten hat. Weil das
Widerstandswertsänd erungsverhältnis bei einer
niedrigen Temperatur klein ist, kann das Widerstandswertsänderungsverhältnis
durch Alterung in einem breiten Temperaturbereich dadurch klein
gemacht werden, dass als Dotiermittel ein Material verwendet wird,
das einen niedrigen Diffusionskoeffizienten hat. Wenn wie in der
ersten Ausführungsform das Arsen mit der Dichte von 1 × 1020/cm3 dotiert worden
ist, kann des Weiteren das Widerstandswertsänderungsverhältnis durch
Alterung kleiner gemacht werden als das des phosphordotierten Widerstands.
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Die
Verhältnis zwischen dem Diffusionskoeffizienten und der
Widerstandswertsänderung durch Alterung ist oben hinsichtlich
der Störstellen des N-Typs beschrieben. Das gleiche ist
auch auf die Störstellen des P-Typs übertragbar.
Es ist allgemein bekannt, dass der Diffusionskoeffizient der Störstellen
des P-Typs die folgende Reihenfolge hat: Aluminium (Al)> Bor (B) > Gallium (Ga) > Indium (In). Weil Aluminium
nicht durch das Ioneneinspritzverfahren dotiert werden kann, wird
vorteilhafterweise als Dotiermittel zum Ausformen des Widerstandselements, welches
ein kleineres Widerstandswertsänderungsverhältnis
durch Alterung hat, Bor oder ein Störstellenelement, das
einen niedrigeren Diffusionskoeffizienten als Bor hat, verwendet.
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Unter
Bezugnahme auf 9 wird eine zweite Ausführungsform
der gegenwärtigen Erfindung beschrieben. In dieser Ausführungsform
sind die Widerstandselemente 161, die durch das Verfahren
ausgeformt werden, das in der ersten Ausführungsform beschrieben
wurde, um ein Erfassungsvorrichtungselement bzw. Detektorelement 180 herum
angeordnet. Das Erfassungsvorrichtungselement 180 zum Erfassen
einer physikalischen Größe, wie z. B. einer Beschleunigung,
ist an einer Isolierschicht 120 angeordnet, die an einem
Halbleitersubstrat 110 ausgeformt ist. Die Widerstandselemente 161 werden
ausgeformt, indem in einen Einkristallsiliziumfilm, der an dem Halbleitersubstrat 110 ausgeformt
ist, Störstellen dotiert werden. Die Störstellendichte
ist auf einen Bereich von 7 × 1019/cm3 bis 1 × 1020/cm3 festgelegt, welcher der gleiche ist wie
der in der ersten Ausführungsform. Die Widerstandselemente,
die um das Erfassungsvorrichtungselement 180 angeordnet
sind, haben die Funktion von Heizeinrichtungen, um eine Temperatur
des Erfassungsvorrichtungselements 180 konstant zu halten.
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Weil
das Widerstandswertsänderungsverhältnis durch
Alterung in den Widerstandselementen 161 auf die gleiche
Art und Weise wie in der ersten Ausführungsform auf ein
niedriges Niveau gedrückt bzw. verringert wird, kann das
Erfassungsvorrichtungselement 180 auf einer konstanten
Temperatur gehalten werden, um dadurch Ausgaben des Erfassungsvorrichtungselements
in einem großen Temperaturbereich zu stabilisieren. Obwohl
in dem in 9 gezeigten Beispiel die Widerstandselemente 161 um das
Erfassungsvorrichtungselement 180 herum angeordnet sind,
ist ihre Position nicht auf diese Position begrenzt. Beispielsweise
können die Widerstandselemente 161 an das Erfassungsvorrichtungselement 180 mit
einer dazwischen angeordneten Isolierschicht laminiert sein.
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Die
gegenwärtige Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen
Ausführungsformen begrenzt, sondern kann unterschiedlich
modifiziert werden. Obwohl beispielsweise das Substrat 110,
das aus Silizium hergestellt ist, in den vorhergehenden Ausführungsformen
verwendet wird, können andere Substrate, wie z. B. ein
Glassubstrat verwendet werden. Die Widerstandselemente, die durch
Dotieren von Störstellen in einen Einkristallsiliziumfilm
ausgeformt sind, werden in den vorhergehenden Ausführungsformen
als Erfassungsvorrichtungselement oder als Elemente zum Aufrechterhalten
einer Temperatur verwendet. Die Widerstandselemente, die gemäß der
gegenwärtigen Erfindung ausgeformt sind, finden ihre Verwendung
bei verschiedenen Vorrichtungen, wie z. B. einem Beschleunigungssensor,
einem Temperatursensor oder einem Feuchtigkeitssensor.
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Erfindungsgemäß werden
Widerstandselemente 131, 132, 133, 134 dadurch
ausgeformt, dass in einen Einkristallfilm 160, der an einem
Substrat, wie z. B. einem Silizium-auf-Isolator-Substrat ausgeformt
ist, Störstellen dotiert werden. Als Erfassungsvorrichtung
zum Erfassen von beispielsweise einer Luftströmungsmenge
wird eine Halbleitervorrichtung 100 verwendet, die derartige
Widerstandselemente aufweist. Die Störstellendichte in
dem Einkristallsilizium ist so hergestellt, dass sie kleiner als
1 × 1020/cm3 ist,
um eine Widerstandswertsänderung durch Alterung insbesondere
bei einer höheren Temperatur als 310°C zu unterdrücken.
Um einen hohen Temperaturkoeffizienten (TCR) des Widerstandselementes sowie
eine geringe Widerstandswertsänderung durch Alterung zu
erzielen, wird die Störstellendichte auf einen Bereich
von 4 × 1019/cm3 bis
1 × 1020/cm3 und
stärker bevorzugt auf einen Bereich von 7 × 1019/cm3 bis 1 × 1020/cm3 festgelegt.
Als Störstellen können Störstellen des
N-Typs, wie z. B. Phosphor, oder des P-Typs, wie z. B. Bor, verwendet
werden. Vorzugsweise werden Störstellen, die einen niedrigen
Diffusionskoeffizienten aufweisen, verwendet, um eine geringe Widerstandswertsänderung
durch Alterung zu erzielen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 3468731 [0002]
- - JP 3698679 [0002]
- - JP 2004-205498 A [0002, 0027]
- - JP 2004-241398 A [0027]