DE102008007222B4

DE102008007222B4 - Halbleitervorrichtung mit Störstellen dotiertem Widerstandselement

Info

Publication number: DE102008007222B4
Application number: DE102008007222.2A
Authority: DE
Inventors: Yuko Fukami; Ryuichiro Abe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2014-03-13
Anticipated expiration: 2028-02-02
Also published as: US20080188027A1; JP4497165B2; DE102008007222A1; US7670918B2; JP2008192839A

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung (100) mit den folgenden Schritten: Ausformen eines Einkristallsiliziumfilms (160) an einem Halbleitersubstrat (110) über einer Isolationsschicht (120); und Dotieren von Störstellen in den Einkristallsiliziumfilm (160), wodurch ein Widerstandselement (131, 132, 133, 134) ausgeformt wird, wobei die Störstellen Phosphorionen sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Störstellendichte, die in den Einkristallsiliziumfilm (160) dotiert wird, höher als 4 × 1019 cm–3 und geringer als 1 × 1020 cm–3 ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, die ein mit Störstellen dotiertes Widerstandselement aufweist.
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 JP 3468731 B2 und und JP 3698679 B2 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 Ωcm oder weniger und die Störstellendichte liegt bei 2 × 10²⁰/cm³ 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 × 10²⁰/cm³ oder mehr festgelegt.
Versuche, die von den Erfindern der 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.
Nach der Druckschrift US 2001/0015199 A1 wird ein thermischer Strömungssensor mit zumindest einem Heizwiderstand und einem Temperaturmesswiderstand auf einem Halbleitersubstrat über einen elektrischen Isolationsfilm erzeugt, mittels Erzeugen des Heizwiderstands und des Temperaturmesswiderstands mit einem mit Störstellen dotierten Silizium(Si)-Halbleiterdünnfilm, und mittels Durchführen eines Hochkonzentrations-Dotierungsprozesses derart, dass ein spezifischer elektrischer Widerstand (p) des Silizium(Si)-Halbleiterdünnfilms kleiner oder gleich 8 × 10^–4 Ω cm ist, mit einem vereinfachten Herstellungsprozess zur Erzeugung des Silizium(Si)-Halbleiterdünnfilms mit derselben Störstellenkonzentration in einem Stück zu geringen Kosten.
Außerdem beinhaltet gemäß der Druckschrift DE 103 58 281 A1 ein Strömungssensor zum Erfassen einer Strömung einer Flüssigkeit einen Dünnfilmabschnitt. Der Dünnfilmabschnitt weist eine Heizeinrichtung und eine Erfassungseinrichtung auf zum Erfassen einer Temperatur um die Heizeinrichtung. Die Heizeinrichtung ist aus einem Halbleiter hergestellt. Der Strömungssensor weist einen Passivierungsfilm auf.
Es ist Aufgabe der 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.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Halbleitervorrichtung gemäß der 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 ausgebildet, 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.
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.
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.
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.
Gemäß der 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 Erfindung werden aus einem besseren Verständnis der bevorzugten Ausführungsformen, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben werden, schneller ersichtlich.
Es zeigen:
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;
2 einen Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung als erste Ausführungsform darstellt;
3 eine die Halbleitervorrichtung zeigende Teilquerschnittsansicht, die entlang einer in 2 gezeigten Linie III-III gemacht wurde;
4 eine grafische Darstellung, die ein Widerstandswertsänderungsverhältnis in dem Widerstand in Bezug auf eine verstrichene Zeit bei 310°C darstellt;
5 eine grafische Darstellung, die ein Widerstandswertsänderungsverhältnis in dem Widerstand in Bezug auf eine Störstellendichte in dem Widerstand darstellt;
6 eine grafische Darstellung, die einen Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes in dem Widerstand in Bezug auf eine Störstellendichte in dem Widerstand zeigt;
7A–7E Querschnittsansichten, die einen Prozess zum Herstellen des Widerstands, der durch Dotieren von Störstellen in eine Halbleiterschicht ausgeformt wurde, zeigen;
8 eine grafische Darstellung, die das Widerstandswertsänderungsverhältnis in dem Widerstand, der durch Dotieren von Phosphor oder Arsen hergestellt wurde, zeigt; und
9 eine schematische Draufsicht, die eine Halbleitervorrichtung als zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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.
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 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 Erfindung ist auf der Grundlage dieser Entdeckung gemacht worden.
Unter Bezugnahme auf die 2 bis 8 wird eine erste Ausführungsform der 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 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.
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 Substrat 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Erfindung in einem hohen Temperaturbereich, der einen Bereich größer als 310°C umfasst, besonders auffallend.
Weil der Temperaturkoeffizient des Widerstandswertes gemäß der Erfindung hoch gemacht worden ist, kann die Temperaturempfindlichkeit hoch gemacht werden, während eine Abweichung beim Temperaturkoeffizienten des Widerstandswertes unterdrückt wird.
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.
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.
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.
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.
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 Multilayer 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.
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 Halbleitersubstrats 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.
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 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 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.
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. 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.
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.
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 Widerstandswertsänderungsverhältnis 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.
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.
Unter Bezugnahme auf 9 wird eine zweite Ausführungsform der 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.
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.
Die 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 Erfindung ausgeformt sind, finden ihre Verwendung bei verschiedenen Vorrichtungen, wie z. B. einem Beschleunigungssensor, einem Temperatursensor oder einem Feuchtigkeitssensor.
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.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung (100) mit den folgenden Schritten: Ausformen eines Einkristallsiliziumfilms (160) an einem Halbleitersubstrat (110) über einer Isolationsschicht (120); und Dotieren von Störstellen in den Einkristallsiliziumfilm (160), wodurch ein Widerstandselement (131, 132, 133, 134) ausgeformt wird, wobei die Störstellen Phosphorionen sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Störstellendichte, die in den Einkristallsiliziumfilm (160) dotiert wird, höher als 4 × 10¹⁹ cm^–3 und geringer als 1 × 10²⁰ cm^–3 ist.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Störstellendichte höher als 7 × 10¹⁹ cm^–3 ist.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement bei einer höheren Temperatur als 310°C verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des Widerstandselements die Funktion eines Erfassungsvorrichtungselements zum Erfassen einer physikalischen Größe hat.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Größe eine Strömungsmenge von Fluid ist, und der andere Teil des Widerstandselements die Funktion eines Temperatursensors zum Erfassen einer Temperatur um den Teil des Widerstandselements herum hat, welcher die Funktion des Erfassungsvorrichtungselements hat.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner folgenden Schritt aufweist: Ausformen eines Erfassungsvorrichtungselements (180) an dem Einkristallsiliziumfilm in der Nähe des Widerstandselements, um eine physikalische Größe zu erfassen.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands größer als 2000 ppm/°C hat.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner folgenden Schritt aufweist: Ausheilen des Halbleitersubstrats (110) zusammen mit dem Einkristallsiliziumfilm (160), um die Phosphorionen in dem Einkristallsiliziumfilm (160) zu diffundieren.
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausheilen bei 1000°C für die Dauer von zwei Stunden durchgeführt wird.