JP2014167475A - Semiconductor device, strain gauge, pressure sensor, and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体材料に外力が作用したときの抵抗値の変化を利用するピエゾ抵抗体を利用した半導体装置等に関する。 The present invention relates to a semiconductor device using a piezoresistor that utilizes a change in resistance value when an external force is applied to a semiconductor material.
特告平５−１３４５１号には、ダイアフラムにこれの歪に生じた出力信号を発する歪ゲージとして、ダイヤモンド単結晶板上にダイヤモンド半導体膜を形成して構成した歪ゲージを用いた圧力検出器が開示されている。 Japanese Patent Application No. 5-13451 discloses a pressure detector using a strain gauge formed by forming a diamond semiconductor film on a diamond single crystal plate as a strain gauge that emits an output signal generated in the strain of the diaphragm. It is disclosed.
しかし、従来の圧力検出器では、ピエゾ抵抗体を構成するダイヤモンド半導体膜としてボロン等の不純物を導入したドープ・ダイヤモンドを用いるため、温度依存性が大きく、また、製造プロセスが複雑になるなどの問題がある。 However, conventional pressure detectors use doped diamond into which impurities such as boron are introduced as the diamond semiconductor film that constitutes the piezoresistor. Therefore, problems such as large temperature dependence and complicated manufacturing processes There is.
本発明の目的は、温度依存性を小さくできるとともに、製造が容易なピエゾ抵抗体を有する半導体装置等を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device or the like having a piezoresistor that can reduce temperature dependence and can be easily manufactured.
本発明の半導体装置は、外力の作用により半導体の抵抗値が変化するピエゾ抵抗体を有する半導体装置において、前記半導体として機能する水素終端化されたダイヤモンドの表面を備え、前記ダイヤモンドの表面を元素または有機分子で修飾することを特徴とする。
この半導体装置によれば、半導体として機能する水素終端化されたダイヤモンドの表面を備えるので、温度依存性を抑制できるとともに、製造工程を単純化できる。
The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device having a piezoresistor in which the resistance value of the semiconductor changes by the action of an external force, and includes a hydrogen-terminated diamond surface that functions as the semiconductor, and the diamond surface is an element or It is modified with an organic molecule.
According to this semiconductor device, since the surface of the hydrogen-terminated diamond that functions as a semiconductor is provided, temperature dependency can be suppressed and the manufacturing process can be simplified.
前記ダイヤモンドが絶縁性ダイヤモンドで形成され、前記ダイヤモンドの表面の一部が水素終端化されてもよい。 The diamond may be formed of insulating diamond, and a part of the surface of the diamond may be hydrogen-terminated.
本発明の歪ゲージは、外力の作用により半導体の抵抗値が変化するピエゾ抵抗体を用いた歪ゲージにおいて、前記半導体として機能する水素終端化されたダイヤモンドの表面を備え、前記ダイヤモンドの表面を元素または有機分子で修飾することを特徴とする。
この歪ゲージによれば、半導体として機能する水素終端化されたダイヤモンドの表面を備えるので、温度依存性を抑制できるとともに、製造工程を単純化できる。
The strain gauge of the present invention is a strain gauge using a piezoresistor in which the resistance value of a semiconductor changes due to the action of an external force, and includes a hydrogen-terminated diamond surface that functions as the semiconductor, and the diamond surface is an element. Alternatively, it is modified with an organic molecule.
According to this strain gauge, since it has a hydrogen-terminated diamond surface that functions as a semiconductor, temperature dependency can be suppressed and the manufacturing process can be simplified.
前記ピエゾ抵抗体の一端にソース電極が、前記ピエゾ抵抗体の他端にドレイン電極が、前記ピエゾ抵抗体の前記一端および前記他端の間にゲート電極が、それぞれ配置された電界効果トランジスタが構成されてもよい。 A field effect transistor is configured in which a source electrode is disposed at one end of the piezoresistor, a drain electrode is disposed at the other end of the piezoresistor, and a gate electrode is disposed between the one end and the other end of the piezoresistor. May be.
前記ダイヤモンドの表面の外側に形成された保護層と、ドープ・ダイヤモンドにより形成され、前記ピエゾ抵抗体の温度を検出する温度センサと、を備え、前記ゲート電極は前記半導体のホールの量を制御してもよい。 A protective layer formed outside the surface of the diamond, and a temperature sensor formed of doped diamond and detecting the temperature of the piezoresistor, and the gate electrode controls the amount of holes in the semiconductor. May be.
本発明の圧力センサは、圧力を受けて変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムの変形量に基づいて半導体の抵抗値が変化するピエゾ抵抗体を用いた歪ゲージと、を備える圧力センサにおいて、前記半導体として機能する水素終端化されたダイヤモンドの表面を備え、前記ダイヤモンドの表面を元素または有機分子で修飾することを特徴とする。
この圧力センサによれば、半導体として機能する水素終端化されたダイヤモンドの表面を備えるので、温度依存性を抑制できるとともに、製造工程を単純化できる。
The pressure sensor of the present invention is a pressure sensor comprising: a diaphragm that is deformed by receiving pressure; and a strain gauge that uses a piezoresistor that changes a resistance value of the semiconductor based on a deformation amount of the diaphragm. A functional hydrogen-terminated diamond surface is provided, and the diamond surface is modified with an element or an organic molecule.
According to this pressure sensor, since the surface of the hydrogen-terminated diamond that functions as a semiconductor is provided, temperature dependency can be suppressed and the manufacturing process can be simplified.
本発明の半導体装置の製造方法は、外力の作用により半導体の抵抗値が変化するピエゾ抵抗体を有する半導体装置の製造方法において、水素プラズマによりダイヤモンドの表面の少なくとも一部を水素終端化し、前記ダイヤモンドの表面を元素または有機分子で修飾するステップと、前記水素終端化するステップにより水素終端化されたダイヤモンドの表面を抵抗体として形成するステップと、金属膜により前記抵抗体に対して電気的接続を獲得するステップと、前記抵抗体の表面の水素終端構造を保護するための保護層を形成するステップと、を備えることを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device comprising: a method for manufacturing a semiconductor device having a piezoresistor in which a semiconductor resistance value is changed by the action of an external force; Modifying the surface of the substrate with an element or an organic molecule, forming a hydrogen-terminated diamond surface by the hydrogen-termination step as a resistor, and electrically connecting the resistor to the resistor by a metal film And a step of forming a protective layer for protecting the hydrogen termination structure on the surface of the resistor.
本発明の半導体装置の製造方法は、外力の作用により半導体の抵抗値が変化するピエゾ抵抗体を有する半導体装置の製造方法において、水素プラズマによりダイヤモンドの表面の少なくとも一部を水素終端化し、前記ダイヤモンドの表面を元素または有機分子で修飾するステップと、前記水素終端化するステップにより水素終端化されたダイヤモンドの表面を電界効果トランジスタのホールチャンネルとして機能するピエゾ抵抗体を形成するステップと、金属膜により前記抵抗体に対して電気的接続を獲得するステップと、前記ホールチャンネル上にホール量を制御するためのゲート電極を形成するステップと、前記抵抗体の表面の水素終端構造を保護するための保護層を形成するステップと、を備えることを特徴とする。
前記元素が酸素、窒素、硫黄、塩素、フッ素、ヨウ素または臭素であり、前記有機分子がアルキル基またはベンゼン環であってもよい。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device comprising: a method for manufacturing a semiconductor device having a piezoresistor in which a semiconductor resistance value is changed by the action of an external force; A step of modifying a surface of the substrate with an element or an organic molecule, a step of forming a piezoresistor that functions as a hole channel of a field effect transistor by using the surface of the hydrogen-terminated diamond by the hydrogen-termination step, and a metal film Obtaining an electrical connection to the resistor; forming a gate electrode on the hole channel to control a hole amount; and protecting a hydrogen termination structure on the surface of the resistor. Forming a layer.
The element may be oxygen, nitrogen, sulfur, chlorine, fluorine, iodine or bromine, and the organic molecule may be an alkyl group or a benzene ring.
本発明の半導体装置によれば、半導体として機能する水素終端化されたダイヤモンドの表面を備えるので、温度依存性を抑制できるとともに、製造工程を単純化できる。 According to the semiconductor device of the present invention, since the surface of the hydrogen-terminated diamond that functions as a semiconductor is provided, temperature dependency can be suppressed and the manufacturing process can be simplified.
本発明の歪ゲージによれば、半導体として機能する水素終端化されたダイヤモンドの表面を備えるので、温度依存性を抑制できるとともに、製造工程を単純化できる。 According to the strain gauge of the present invention, since the surface of the hydrogen-terminated diamond that functions as a semiconductor is provided, temperature dependency can be suppressed and the manufacturing process can be simplified.
本発明の圧力センサによれば、半導体として機能する水素終端化されたダイヤモンドの表面を備えるので、温度依存性を抑制できるとともに、製造工程を単純化できる。 According to the pressure sensor of the present invention, since the surface of the hydrogen-terminated diamond that functions as a semiconductor is provided, temperature dependency can be suppressed and the manufacturing process can be simplified.
以下、本発明による半導体装置等の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of a semiconductor device and the like according to the present invention will be described.
本発明に適用されるピエゾ抵抗体は水素終端ダイヤモンド表面の半導体特性を利用したものである。 The piezoresistor applied to the present invention utilizes the semiconductor characteristics of the hydrogen-terminated diamond surface.
水素終端ダイヤモンドとは、ダイヤモンド表面において水素原子により終端化されている表面構造を持ったダイヤモンドである。ダイヤモンドは炭素の同素体の一つであり、結晶内部は炭素同士の共有結合により構成されている。ＣＶＤ（化学気相成長）法により合成されるダイヤモンドは、メタンなどの原料ガスとグラファイトの成長を抑制する水素ガスを含む環境下にて合成されるため、基本的には表面構造は水素終端状態となっている。酸素終端を持つダイヤモンド表面も水素プラズマ処理もしくは水素気流中で加熱することにより、ダイヤモンド表面を水素終端化することが可能である。水素終端ダイヤモンドはｐ型伝導性を持ち、その半導体特性を活かして、ガスセンサ・ＭＥＳＦＥＴ・ＭＩＳＦＥＴ・電子放出源などへの利用が試みられている。 A hydrogen-terminated diamond is a diamond having a surface structure that is terminated by hydrogen atoms on the diamond surface. Diamond is one of allotropes of carbon, and the inside of the crystal is composed of covalent bonds between carbons. Diamond synthesized by CVD (Chemical Vapor Deposition) is synthesized in an environment containing source gas such as methane and hydrogen gas that suppresses the growth of graphite, so the surface structure is basically a hydrogen-terminated state. It has become. A diamond surface having an oxygen termination can also be hydrogen-terminated by heating in a hydrogen plasma treatment or a hydrogen stream. Hydrogen-terminated diamond has p-type conductivity, and has been attempted to be utilized for gas sensors, MESFETs, MISFETs, electron emission sources, etc. by utilizing its semiconductor characteristics.
ピエゾ抵抗効果は、結晶に応力・ひずみが作用したときにその抵抗率が変化する効果である。例えば、単結晶シリコン等の半導体材料に外力が作用すると結晶格子に歪みが生じ、伝導バンドや価電子バンドのエネルギ状態が変化する。これによりバンド中のキャリアの数や移動度に変化が生じ、巨視的には電気伝導度あるいは抵抗率の変化が生じる。この特性を歪みセンサや圧力センサ等の物理センサの検出原理として利用できる。 The piezoresistive effect is an effect that the resistivity changes when stress or strain is applied to the crystal. For example, when an external force is applied to a semiconductor material such as single crystal silicon, the crystal lattice is distorted, and the energy state of the conduction band or the valence band changes. This causes a change in the number and mobility of carriers in the band, and macroscopically changes in electrical conductivity or resistivity. This characteristic can be used as a detection principle of a physical sensor such as a strain sensor or a pressure sensor.
本発明では、ピエゾ抵抗効果を生じる抵抗体として水素終端ダイヤモンド表面のｐ型半導体を用いており、応力・ひずみが作用した際のｐ型伝導層の抵抗率の変化を計測することにより、ピエゾ抵抗体を歪み検出素子として利用できる。 In the present invention, a p-type semiconductor on the surface of a hydrogen-terminated diamond is used as a resistor that produces a piezoresistance effect, and by measuring the change in resistivity of the p-type conductive layer when a stress / strain is applied, the piezoresistance is measured. The body can be used as a strain detection element.
従来のドープ・ダイヤモンド膜によるピエゾ抵抗体を製造する場合、ノンドープ・ダイヤモンド（絶縁性ダイヤモンド）膜を成膜した基板上にボロン等の不純物を導入したドープ・ダイヤモンド（導電性ダイヤモンド）膜を成膜し、抵抗体の形状にパターニングする必要があり、同一基板上へのノンドープ・ダイヤモンド膜およびドープ・ダイヤモンド膜両方の成膜を必要としている。 When manufacturing a piezoresistor using a conventional doped diamond film, a doped diamond (conductive diamond) film into which impurities such as boron are introduced is formed on a substrate on which a non-doped diamond (insulating diamond) film is formed. However, it is necessary to perform patterning in the shape of a resistor, and it is necessary to form both a non-doped diamond film and a doped diamond film on the same substrate.
一方、本発明のピエゾ抵抗体では、ノンドープ・ダイヤモンド膜を成膜後、同一ＣＶＤチャンバ内での水素プラズマ処理によりダイヤモンド表面のｐ型導電性が発現するため、ドーピングガスとしてのジボラン等の有毒ガスを必要とせず、ピエゾ抵抗体の作成プロセスを簡素化することが可能になる。 On the other hand, in the piezoresistor of the present invention, after forming a non-doped diamond film, the p-type conductivity of the diamond surface is manifested by hydrogen plasma treatment in the same CVD chamber, so a toxic gas such as diborane as a doping gas. Therefore, it is possible to simplify the process of creating the piezoresistor.
さらに、従来のドープ・ダイヤモンド膜によるピエゾ抵抗体では、ダイヤモンドの価電子帯の頂点から伝導帯の底までのバンドギャップが５．５ｅＶに対して、不純物としてボロンを用いた場合、アクセプター準位が価電子帯より上方０．３７ｅＶの比較的深い位置に形成される。一方、本発明による水素終端ダイヤモンド表面のｐ型伝導層を用いたピエゾ抵抗体によると、アクセプター準位が価電子帯より上方０．０５ｅＶ以下の浅い位置に形成されるため、室温にて熱励起しているアクセプターの割合が大きい。そのため、ドープ・ダイヤモンド膜によるピエゾ抵抗体では高温時に熱励起されるアクセプターの割合が顕著に増加することで温度依存性が大きくなるが、水素終端ダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体では、温度依存性を小さくすることが可能になり、高温環境化での使用に適した圧力センサ等を作製することが可能になる。 Furthermore, in a conventional piezoresistor made of a doped diamond film, when the band gap from the top of the valence band of diamond to the bottom of the conduction band is 5.5 eV, when boron is used as an impurity, the acceptor level is It is formed at a relatively deep position 0.37 eV above the valence band. On the other hand, according to the piezoresistor using the p-type conductive layer on the hydrogen-terminated diamond surface according to the present invention, the acceptor level is formed at a shallow position of 0.05 eV or less above the valence band, so that it is thermally excited at room temperature. A large percentage of acceptors. Therefore, the temperature dependence of the piezoresistor using a doped diamond film increases due to a significant increase in the proportion of acceptors that are thermally excited at high temperatures. However, the piezoresistor using hydrogen-terminated diamond has a temperature dependence. It becomes possible to make it small, and it becomes possible to produce a pressure sensor suitable for use in a high temperature environment.
図１は、ピエゾ抵抗体を使用した歪ゲージの構成例を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）の一部拡大図である。 1A and 1B are diagrams illustrating a configuration example of a strain gauge using a piezoresistor, in which FIG. 1A is a plan view, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line Ib-Ib in FIG. 1 (c) is a partially enlarged view of FIG. 1 (b).
図１（ａ）、図１（ｂ）および図１（ｃ）に示すように、歪ゲージは、表面にダイヤモンド膜１１が形成されたシリコン基板１０を用いて構成され、シリコン基板１０上に直線状のピエゾ抵抗体１２が形成される。ピエゾ抵抗体１２の両端には、電極１３，１３が形成され、電極１３，１３間の電圧値等に基づいてピエゾ抵抗体１２の抵抗値が計測される。ピエゾ抵抗体１２が本発明のピエゾ抵抗体に相当する。 As shown in FIG. 1A, FIG. 1B, and FIG. 1C, the strain gauge is configured using a silicon substrate 10 having a diamond film 11 formed on the surface, and a straight line is formed on the silicon substrate 10. A piezoresistor 12 is formed. Electrodes 13 and 13 are formed at both ends of the piezoresistor 12, and the resistance value of the piezoresistor 12 is measured based on the voltage value between the electrodes 13 and 13. The piezoresistor 12 corresponds to the piezoresistor of the present invention.
図１に示すように、シリコン基板１０の片端側（図１（ａ）における左端側）は支持部１５により支持され、片持ち梁構造の歪ゲージが構成される。他端側（図１（ａ）における右端側）に力が加えられシリコン基板１０が厚み方向に撓むと、ピエゾ抵抗体１２に引張応力または圧縮応力が加わり、応力に依存した抵抗値変化がピエゾ抵抗体１２に生ずる。その抵抗値を計測し応力印加前後における抵抗値変化量を算出することにより、歪み量を算出することができる。さらに、片持ち梁の機械的特性値や寸法値から歪ゲージに加わった応力および梁を撓ませるために要した力が算出される。したがって、ピエゾ抵抗体１２の抵抗値変化から、梁に加えた力を計測することが可能となる。 As shown in FIG. 1, one end side (left end side in FIG. 1A) of the silicon substrate 10 is supported by a support portion 15 to form a cantilever structure strain gauge. When a force is applied to the other end side (the right end side in FIG. 1A) and the silicon substrate 10 is bent in the thickness direction, a tensile stress or a compressive stress is applied to the piezoresistor 12, and a change in resistance value depending on the stress is caused. It occurs in the resistor 12. The strain amount can be calculated by measuring the resistance value and calculating the resistance value change amount before and after the stress application. Further, the stress applied to the strain gauge and the force required to deflect the beam are calculated from the mechanical characteristic values and dimensional values of the cantilever beam. Therefore, it is possible to measure the force applied to the beam from the change in the resistance value of the piezoresistor 12.
図１に示す歪ゲージを作製する手順としては、シリコン基板１０上にマイクロ波プラズマＣＶＤ装置によりダイヤモンド膜１１を成膜し、水素プラズマによりダイヤモンド表面の水素終端化処理を行う。次に、ピエゾ抵抗体１２に対応する水素終端部のパターニング、配線のフォトリソグラフィを経て、ピエゾ抵抗体１２および電極１３等を備える歪ゲージを作製することができる。なお、図１（ｃ）は、ピエゾ抵抗体１２の領域における水素終端ダイヤモンド表面の状態を模式的に表現している。 As a procedure for manufacturing the strain gauge shown in FIG. 1, a diamond film 11 is formed on a silicon substrate 10 by a microwave plasma CVD apparatus, and a hydrogen termination process is performed on the diamond surface by hydrogen plasma. Next, a strain gauge including the piezoresistor 12 and the electrode 13 can be manufactured through patterning of the hydrogen termination corresponding to the piezoresistor 12 and photolithography of the wiring. FIG. 1C schematically represents the state of the hydrogen-terminated diamond surface in the region of the piezoresistor 12.
図２は、本発明の圧力センサの構成例を示す図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図である。この圧力センサは、ピエゾ抵抗体を使用した歪ゲージの原理を利用したものである。 2A and 2B are diagrams showing a configuration example of the pressure sensor of the present invention, in which FIG. 2A is a plan view and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line IIb-IIb in FIG. This pressure sensor utilizes the principle of a strain gauge using a piezoresistor.
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、圧力センサは、表面にダイヤモンド膜２１が形成されたシリコン基板２０を用いて構成され、シリコン基板２０上に直線状のピエゾ抵抗体２２ａ，２２ａおよび「コ」の字形状のピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂが形成される。ピエゾ抵抗体２２ａの両端には電極２３ａ，２３ａが、ピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂの両端には電極２３ｂ，２３ｂが、それぞれ形成されている。電極２３ａ，２３ａ間の電圧値等に基づいてピエゾ抵抗体２２ａの抵抗値が、電極２３ｂ，２３ｂ間の電圧値等に基づいてピエゾ抵抗体２２ｂの抵抗値が、それぞれ計測される。ピエゾ抵抗体２２ａおよびピエゾ抵抗体２２ｂが、本発明のピエゾ抵抗体に相当する。 As shown in FIGS. 2A and 2B, the pressure sensor is configured using a silicon substrate 20 having a diamond film 21 formed on the surface thereof, and a linear piezoresistor 22a on the silicon substrate 20. , 22a and “U” -shaped piezoresistors 22b, 22b are formed. Electrodes 23a and 23a are formed on both ends of the piezoresistor 22a, and electrodes 23b and 23b are formed on both ends of the piezoresistors 22b and 22b, respectively. The resistance value of the piezoresistor 22a is measured based on the voltage value between the electrodes 23a and 23a, and the resistance value of the piezoresistor 22b is measured based on the voltage value between the electrodes 23b and 23b. The piezoresistor 22a and the piezoresistor 22b correspond to the piezoresistor of the present invention.
シリコン基板２０の中央部は他の領域よりも薄く形成され、ダイアフラム２５として機能する。ピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂはダイアフラム２５の端部に形成され、ピエゾ抵抗体２２ａ，２２ａはダイアフラム２５にかからないシリコン基板２０の周辺部に形成されている。 The central portion of the silicon substrate 20 is formed thinner than other regions and functions as the diaphragm 25. The piezoresistors 22 b and 22 b are formed at the end of the diaphragm 25, and the piezoresistors 22 a and 22 a are formed at the periphery of the silicon substrate 20 that does not touch the diaphragm 25.
ピエゾ抵抗体２２ａ，２２ａおよびピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂは、ブリッジ回路を構成しており、ダイアフラム２５に圧力が印加されシリコン基板２０の厚み方向に撓むと、ピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂに引張応力または圧縮応力が加わり、応力に依存した抵抗値変化がピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂに生ずる。その抵抗値変化をブリッジ回路により電流値または電圧値として出力することにより、ダイアフラム２５への応力印加前後における抵抗値変化量を算出することにより、ダイアフラム２５端部における歪み量を算出することができる。さらに、ダイアフラム２５の機械的特性値や寸法値からダイアフラム２５に加わった応力およびダイアフラム２５を撓ませるために要した圧力が算出される。したがって、ブリッジ回路の出力変化から、ダイアフラム２５に印加された圧力を計測することが可能となる。 The piezoresistors 22a and 22a and the piezoresistors 22b and 22b form a bridge circuit. When pressure is applied to the diaphragm 25 and the silicon substrate 20 is bent in the thickness direction, tensile stress or A compressive stress is applied, and a resistance value change depending on the stress occurs in the piezoresistors 22b and 22b. By outputting the change in the resistance value as a current value or a voltage value by the bridge circuit, and calculating the amount of change in the resistance value before and after the stress is applied to the diaphragm 25, the amount of distortion at the end of the diaphragm 25 can be calculated. . Further, the stress applied to the diaphragm 25 and the pressure required to deflect the diaphragm 25 are calculated from the mechanical characteristic values and dimensional values of the diaphragm 25. Therefore, the pressure applied to the diaphragm 25 can be measured from the output change of the bridge circuit.
図２に示す圧力センサを作製する手順としては、シリコン基板２０上にマイクロ波プラズマＣＶＤ装置によりダイヤモンド膜２１を成膜し、水素プラズマによりダイヤモンド表面の水素終端化処理を行う。次に、ピエゾ抵抗体２２ａ，２２ａおよびピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂに対応する水素終端部のパターニング、配線のフォトリソグラフィを経て、ピエゾ抵抗体２２ａ，２２ａ、ピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂおよび電極２３ａ，２３ａ，２３ｂ，２３ｂ等を備える圧力センサを作製することができる。 As a procedure for manufacturing the pressure sensor shown in FIG. 2, a diamond film 21 is formed on a silicon substrate 20 by a microwave plasma CVD apparatus, and a hydrogen termination process is performed on the diamond surface by hydrogen plasma. Next, through patterning of hydrogen termination portions corresponding to the piezoresistors 22a and 22a and the piezoresistors 22b and 22b, and photolithography of the wiring, the piezoresistors 22a and 22a, the piezoresistors 22b and 22b, and the electrodes 23a and 23a are processed. , 23b, 23b and the like can be manufactured.
ダイアフラム２５の作製に関しては、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を形成する前後を問わない。また異方性エッチングにより形成された矩形状のダイアフラム、等方性エッチングによる円形もしくは楕円のダイアフラム等、種々の形状のダイアフラムが適用される。 The diaphragm 25 may be manufactured before or after the diamond piezoresistor is formed. Various shapes of diaphragms such as a rectangular diaphragm formed by anisotropic etching and a circular or elliptical diaphragm by isotropic etching are applied.
ピエゾ抵抗体の配置は図２の例に限定されない。例えば、ダイアフラムの中央部に２つの水素終端ダイヤモンドピエゾ抵抗体を、ダイアフラムの端部に２つの水素終端ダイヤモンドピエゾ抵抗体を、それぞれ形成してもよい。この場合、ダイアフラムの中央部と端部とでピエゾ抵抗体に印加される応力（引張応力または圧縮応力）が逆転するため、４つのピエゾ抵抗体のブリッジ回路による出力合成によって、出力値を増大させることができる。また単一の水素終端ダイヤモンドピエゾ抵抗体をダイアフラムの端部または中央部に形成し、このピエゾ抵抗体の抵抗値変化から計測箇所の歪量を計測してもよい。 The arrangement of the piezoresistors is not limited to the example of FIG. For example, two hydrogen-terminated diamond piezoresistors may be formed at the center of the diaphragm, and two hydrogen-terminated diamond piezoresistors may be formed at the ends of the diaphragm. In this case, since the stress (tensile stress or compressive stress) applied to the piezoresistor is reversed between the center portion and the end portion of the diaphragm, the output value is increased by the output synthesis by the bridge circuit of the four piezoresistors. be able to. Alternatively, a single hydrogen-terminated diamond piezoresistor may be formed at the end or center of the diaphragm, and the amount of strain at the measurement location may be measured from the change in the resistance value of the piezoresistor.
図３は、図２に示す圧力センサに温度センサとしてのダイヤモンドサーミスタを付加した例を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のIIIｂ−IIIｂ線断面図である。なお、図３において、図２と同一要素には同一符号を付している。 3 is a diagram showing an example in which a diamond thermistor as a temperature sensor is added to the pressure sensor shown in FIG. 2, FIG. 3 (a) is a plan view, and FIG. 3 (b) is IIIb- in FIG. 3 (a). It is a IIIb line sectional view. In FIG. 3, the same elements as those in FIG.
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、ダイヤモンド膜２１の表面には、直線状のサーミスタ４が形成され、サーミスタ４の両端に電極４１，４１が接続されている。サーミスタ４の抵抗値を電極４１，４１間の電圧等に基づいて検出することにより、シリコン基板１の温度、すなわちダイアフラム２５に接触する流体等の温度を計測することができる。サーミスタ４はダイアフラム２５にかからないシリコン基板２０の周辺部に形成されており、ダイアフラム２５の撓みによる歪みが生ずることはなく、常に温度を正確に把握することが可能となる。サーミスタ４の抵抗値は、ダイアフラム２５に接触する流体等の温度計測のみならず、ピエゾ抵抗体２２ａ，２２ａおよびピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂの抵抗値の温度ドリフトの補償に使用することもできる。後者により、広い温度範囲における正確な圧力計測が可能となる。 As shown in FIGS. 3A and 3B, a linear thermistor 4 is formed on the surface of the diamond film 21, and electrodes 41 and 41 are connected to both ends of the thermistor 4. By detecting the resistance value of the thermistor 4 based on the voltage between the electrodes 41, 41, the temperature of the silicon substrate 1, that is, the temperature of the fluid or the like that contacts the diaphragm 25 can be measured. The thermistor 4 is formed in the peripheral part of the silicon substrate 20 that does not cover the diaphragm 25, so that distortion due to the bending of the diaphragm 25 does not occur, and the temperature can always be accurately grasped. The resistance value of the thermistor 4 can be used not only to measure the temperature of a fluid or the like that contacts the diaphragm 25 but also to compensate for temperature drift of the resistance values of the piezoresistors 22a and 22a and the piezoresistors 22b and 22b. The latter enables accurate pressure measurement over a wide temperature range.
図３に示す圧力センサを作製する手順としては、シリコン基板２０上にマイクロ波プラズマＣＶＤ装置によりノンドープ・ダイヤモンド膜であるダイヤモンド膜２１、サーミスタ４を構成するドープ・ダイヤモンド膜を順次、成膜する。サーミスタ４を構成するドープ・ダイヤモンド膜としては、例えば、ボロンをドープしたダイヤモンド膜を使用することができる。次に、ドープ・ダイヤモンド膜をパターニングし、サーミスタ４形成領域以外のドープ・ダイヤモンド膜は０２−ＲＩＥなどにより除去し、ノンドープ・ダイヤモンド膜であるダイヤモンド膜２１を露出させる。続けて水素プラズマによりダイヤモンド膜２１表面の水素終端化処理を行い、ピエゾ抵抗体２２ａ，２２ａおよびピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂに対応する水素終端化部のパターニング・配線のフォトリソグラフィにより、ダイヤモンド膜２１表面上にピエゾ抵抗体、電極およびサーミスタ４を形成することで、図３に示す圧力センサを作製することができる。 As a procedure for manufacturing the pressure sensor shown in FIG. 3, a diamond film 21 which is a non-doped diamond film and a doped diamond film constituting the thermistor 4 are sequentially formed on a silicon substrate 20 by a microwave plasma CVD apparatus. As the doped diamond film constituting the thermistor 4, for example, a diamond film doped with boron can be used. Next, the doped diamond film is patterned, and the doped diamond film other than the thermistor 4 formation region is removed by 02-RIE or the like, and the diamond film 21 which is a non-doped diamond film is exposed. Subsequently, the surface of the diamond film 21 is subjected to hydrogen termination treatment with hydrogen plasma, and the surface of the diamond film 21 is patterned by photolithography of the hydrogen termination portions corresponding to the piezoresistors 22a and 22a and the piezoresistors 22b and 22b. By forming the piezoresistor, the electrode, and the thermistor 4 on the top, the pressure sensor shown in FIG. 3 can be manufactured.
ダイヤモンドサーミスタの形成方法は限定されない。例えば、Ｓｉ基板上にマイクロ波プラズマＣＶＤ装置によりノンドープ・ダイヤモンド膜を成膜し、Ｃｒ（クロム）やＴｉ（チタン）等でダイヤモンドサーミスタ形成部分以外の領域を覆ってやり、ドープ・ダイヤモンドを成膜する。その後、ＣｒもしくはＴｉをエッチングしてリフトオフによりドープ・ダイヤモンド膜をパターニングしてもよい。 The method for forming the diamond thermistor is not limited. For example, a non-doped diamond film is formed on a Si substrate by a microwave plasma CVD apparatus, and a region other than a diamond thermistor formation portion is covered with Cr (chromium) or Ti (titanium) to form a doped diamond film. To do. Thereafter, Cr or Ti may be etched and the doped diamond film may be patterned by lift-off.
図４（ａ）は、図２に示す圧力センサに保護層を設けた例を示す断面図である。なお、図４（ａ）において、図２と同一要素には同一符号を付している。 FIG. 4A is a cross-sectional view showing an example in which a protective layer is provided on the pressure sensor shown in FIG. In FIG. 4A, the same elements as those in FIG.
図４（ａ）の例では、ダイヤモンド膜２１の表面全面に保護層５が形成されている。この保護層５によりダイヤモンド膜２１の表面の水素終端構造を高温による酸化等から保護することができる。また、保護層５により、水素終端表面の経時劣化やＮＯ2ガスなどの吸着による正孔濃度の変化等に対する影響が少なくなり、安定した動作を確保できる。 In the example of FIG. 4A, the protective layer 5 is formed on the entire surface of the diamond film 21. This protective layer 5 can protect the hydrogen termination structure on the surface of the diamond film 21 from oxidation or the like due to high temperature. Further, the protective layer 5 reduces the influence on the change of the hole concentration due to the time-dependent deterioration of the hydrogen-terminated surface and the adsorption of NO 2 gas and the like, and can ensure a stable operation.
保護層５の材質は限定されないが、保護層５の成膜時にダイヤモンド膜２１の表面と化学反応を生じない絶縁性材料が使用される。例えば、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、スパッタカーボン、ＥＣＲスパッタカーボン、Ｓｉ3Ｎ4（窒化珪素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、テフロン（登録商標）、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＳｉＯ2（酸化珪素）、ＴｉＯ2（酸化チタン）、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）、ＺｒＯ2（酸化ジルコニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）などが使用される。 The material of the protective layer 5 is not limited, but an insulating material that does not cause a chemical reaction with the surface of the diamond film 21 when the protective layer 5 is formed is used. For example, DLC (diamond-like carbon), sputtered carbon, ECR sputtered carbon, Si 3 N 4 (silicon nitride), AlN (aluminum nitride), CaF 2 (calcium fluoride), Teflon (registered trademark), SiC (silicon carbide) SiO 2 (silicon oxide), TiO 2 (titanium oxide), Al 2 O 3 (aluminum oxide), ZrO 2 (zirconium oxide), ZnO (zinc oxide) and the like are used.
図４（ｂ）は、図３に示す圧力センサに保護層を設けた例を示す断面図である。なお、図４（ｂ）において、図３と同一要素には同一符号を付している。 FIG. 4B is a cross-sectional view showing an example in which a protective layer is provided on the pressure sensor shown in FIG. In FIG. 4B, the same elements as those in FIG.
図４（ｂ）の例では、ダイヤモンド膜２１の表面全面に保護層５が形成されている。この保護層５によりダイヤモンド膜２１の表面の水素終端構造を高温による酸化等から保護することができる。また、保護層５により、水素終端表面の経時劣化やＮＯ2ガスなどの吸着による正孔濃度の変化等に対する影響が少なくなり、安定した動作を確保できる。また、保護層５は、サーミスタ４の機能に影響を与えない。 In the example of FIG. 4B, the protective layer 5 is formed on the entire surface of the diamond film 21. This protective layer 5 can protect the hydrogen termination structure on the surface of the diamond film 21 from oxidation or the like due to high temperature. Further, the protective layer 5 reduces the influence on the change of the hole concentration due to the time-dependent deterioration of the hydrogen-terminated surface and the adsorption of NO 2 gas and the like, and can ensure a stable operation. Further, the protective layer 5 does not affect the function of the thermistor 4.
保護層５の材質は限定されないが、保護層５の成膜時にダイヤモンド膜２１の表面およびサーミスタ４を構成するドープ・ダイヤモンドと化学反応を生じない絶縁性材料が使用される。例えば、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、スパッタカーボン、ＥＣＲスパッタカーボン、Ｓｉ3Ｎ4（窒化珪素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、テフロン（登録商標）、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＳｉＯ2（酸化珪素）、ＴｉＯ2（酸化チタン）、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）、ＺｒＯ2（酸化ジルコニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）などが使用される。 The material of the protective layer 5 is not limited, but an insulating material that does not chemically react with the surface of the diamond film 21 and the doped diamond constituting the thermistor 4 when the protective layer 5 is formed is used. For example, DLC (diamond-like carbon), sputtered carbon, ECR sputtered carbon, Si 3 N 4 (silicon nitride), AlN (aluminum nitride), CaF 2 (calcium fluoride), Teflon (registered trademark), SiC (silicon carbide) SiO 2 (silicon oxide), TiO 2 (titanium oxide), Al 2 O 3 (aluminum oxide), ZrO 2 (zirconium oxide), ZnO (zinc oxide) and the like are used.
図５は、ピエゾ抵抗体を使用した歪ゲージの構成例を示す図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＶｂ−Ｖｂ線断面図、図５（ｃ）は図５（ｂ）の一部拡大図である。図５のゲージは、図１に示す歪ゲージのピエゾ抵抗体にゲート電極を付加することで水素終端のｐ型半導体特性を利用したＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を構成したものである。なお、図５において図１と同一要素には同一符号を付している。 5A and 5B are diagrams illustrating a configuration example of a strain gauge using a piezoresistor, in which FIG. 5A is a plan view, FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line Vb-Vb in FIG. 5 (c) is a partially enlarged view of FIG. 5 (b). The gauge shown in FIG. 5 is a FET (field effect transistor) that uses a p-type semiconductor characteristic of hydrogen termination by adding a gate electrode to the piezoresistor of the strain gauge shown in FIG. In FIG. 5, the same elements as those in FIG.
図５（ａ）、図５（ｂ）および図５（ｃ）に示すように、歪ゲージは、表面にダイヤモンド膜１１が形成されたシリコン基板１０を用いて構成され、シリコン基板１０上に直線状のピエゾ抵抗体１２が形成される。ピエゾ抵抗体１２の両端には、電極１３，１３が形成され、電極１３，１３間の電圧値等に基づいてピエゾ抵抗体１２の抵抗値が計測される。また、ピエゾ抵抗体１２の中央にはゲート電極として機能する電極１４が形成され、電極１３，１３がソース、ドレインとして機能するＦＥＴが構成される。 As shown in FIG. 5A, FIG. 5B, and FIG. 5C, the strain gauge is configured using a silicon substrate 10 having a diamond film 11 formed on the surface, and a straight line is formed on the silicon substrate 10. A piezoresistor 12 is formed. Electrodes 13 and 13 are formed at both ends of the piezoresistor 12, and the resistance value of the piezoresistor 12 is measured based on the voltage value between the electrodes 13 and 13. In addition, an electrode 14 that functions as a gate electrode is formed in the center of the piezoresistor 12, and the FETs 13 and 13 function as a source and a drain.
図５に示すように、シリコン基板１０の一端側（図５（ａ）における左端側）は支持部１５により支持され、片持ち梁構造の歪ゲージが構成される。他端側（図５（ａ）における右端側）に力が加えられシリコン基板１０が厚み方向に撓むと、ピエゾ抵抗体１２に引張応力または圧縮応力が加わり、応力に依存した抵抗値変化がピエゾ抵抗体１２に生ずる。その抵抗値を計測し応力印加前後における抵抗値変化量を算出することにより、歪み量を算出することができる。さらに、片持ち梁の機械的特性値と寸法値から歪ゲージに加わった応力および梁を撓ませるために要した力が算出される。したがって、ピエゾ抵抗体１２の抵抗値変化から、梁に加えた力を計測することが可能となる。 As shown in FIG. 5, one end side (the left end side in FIG. 5A) of the silicon substrate 10 is supported by the support portion 15, and a strain gauge having a cantilever structure is formed. When a force is applied to the other end side (the right end side in FIG. 5A) and the silicon substrate 10 is bent in the thickness direction, a tensile stress or a compressive stress is applied to the piezoresistor 12, and a change in resistance depending on the stress is caused. It occurs in the resistor 12. The strain amount can be calculated by measuring the resistance value and calculating the resistance value change amount before and after the stress application. Further, the stress applied to the strain gauge and the force required to deflect the beam are calculated from the mechanical characteristic value and the dimension value of the cantilever beam. Therefore, it is possible to measure the force applied to the beam from the change in the resistance value of the piezoresistor 12.
また、図５に示す歪ゲージでは、ピエゾ抵抗効果を生じる抵抗体１２として水素終端ダイヤモンド表面のｐ型伝導層を利用したＦＥＴを作製し、電極１４のゲート電圧によりホール量が制御されたソース−ドレイン間のホールチャネルを用いており、応力・歪が作用した際のホールチャネルの抵抗率の変化を計測することにより、抵抗体１２を歪検出素子として利用する。ゲート電圧によるホール量の制御は、歪検出感度の調整や温度依存性の調整に利用することができる。 Further, in the strain gauge shown in FIG. 5, an FET using a p-type conductive layer on the surface of a hydrogen-terminated diamond is manufactured as a resistor 12 that generates a piezoresistance effect, and the amount of holes is controlled by the gate voltage of the electrode 14 − A hole channel between the drains is used, and the resistance 12 is used as a strain detection element by measuring a change in resistivity of the hole channel when a stress / strain is applied. The control of the hole amount by the gate voltage can be used for adjusting the strain detection sensitivity and adjusting the temperature dependence.
図５に示す歪ゲージを作製する手順としては、シリコン基板１０上にマイクロ波プラズマＣＶＤ装置によりダイヤモンド膜１１を成膜し、水素プラズマによりダイヤモンド表面の水素終端化処理を行う。次に、ピエゾ抵抗体１２に対応する水素終端部のパターニング、配線のフォトリソグラフィを経て、ピエゾ抵抗体１２および電極１３，１３，１４等を備える歪ゲージを作製することができる。なお、図５（ｃ）は、ピエゾ抵抗体１２の領域における水素終端ダイヤモンド表面の状態を模式的に表現している。 As a procedure for producing the strain gauge shown in FIG. 5, a diamond film 11 is formed on a silicon substrate 10 by a microwave plasma CVD apparatus, and a hydrogen termination process is performed on the diamond surface by hydrogen plasma. Next, a strain gauge including the piezoresistor 12 and the electrodes 13, 13, and 14 can be manufactured through patterning of the hydrogen termination corresponding to the piezoresistor 12 and photolithography of the wiring. FIG. 5C schematically represents the state of the hydrogen-terminated diamond surface in the region of the piezoresistor 12.
図６は、ピエゾ抵抗体を使用した圧力センサの構成を示す図であり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＶＩｂ−ＶＩｂ線断面図である。 6A and 6B are diagrams showing a configuration of a pressure sensor using a piezoresistor, in which FIG. 6A is a plan view and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line VIb-VIb in FIG.
図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、圧力センサは、表面にダイヤモンド膜２１が形成されたシリコン基板２０を用いて構成され、シリコン基板２０上に直線状のピエゾ抵抗体２２ａ，２２ａおよび「コ」の字形状のピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂが形成される。ピエゾ抵抗体２２ａの両端にはドレイン電極、ソース電極として機能する電極２３ａ，２３ａが、ピエゾ抵抗体２２ａの中央にはゲート電極として機能する電極２４ａが、それぞれ形成されて、水素終端ダイヤモンド表面のｐ型伝導層を利用したＦＥＴが構成される。また、ピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂの両端にはドレイン電極、ソース電極として機能する電極２３ｂ，２３ｂが、ピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂの中央には、ゲート電極として機能する電極２４ｂが、それぞれ形成されて水素終端ダイヤモンド表面のｐ型伝導層を利用したＦＥＴが構成される。電極２３ａ，２３ａ間の電圧値等に基づいてピエゾ抵抗体２２ａの抵抗値が、電極２３ｂ，２３ｂ間の電圧値等に基づいてピエゾ抵抗体２２ｂの抵抗値が、それぞれ計測される。また、水素終端ダイヤモンド表面のｐ型伝導層のホール量は、それぞれのＦＥＴのゲート電極により制御され、歪検出感度の調整や温度依存性の調整に利用することができる。具体的には、ゲート電圧を温度に応じて変化させることにより、ピエゾ抵抗体の抵抗値の温度依存性を打ち消すことができる。あるいは、ゲート電圧の電圧値を、ピエゾ抵抗体の抵抗値の温度依存性が抑制される電圧値に維持することができる。 As shown in FIG. 6A and FIG. 6B, the pressure sensor is configured using a silicon substrate 20 having a diamond film 21 formed on the surface, and a linear piezoresistor 22a on the silicon substrate 20. , 22a and “U” -shaped piezoresistors 22b, 22b are formed. Electrodes 23a and 23a functioning as drain electrodes and source electrodes are formed at both ends of the piezoresistor 22a, and an electrode 24a functioning as a gate electrode is formed at the center of the piezoresistor 22a. An FET using a conductive layer is formed. Also, electrodes 23b and 23b functioning as drain electrodes and source electrodes are formed at both ends of the piezoresistors 22b and 22b, respectively, and electrodes 24b functioning as gate electrodes are formed at the centers of the piezoresistors 22b and 22b, respectively. An FET using a p-type conductive layer on the hydrogen-terminated diamond surface is constructed. The resistance value of the piezoresistor 22a is measured based on the voltage value between the electrodes 23a and 23a, and the resistance value of the piezoresistor 22b is measured based on the voltage value between the electrodes 23b and 23b. Further, the hole amount of the p-type conductive layer on the surface of the hydrogen-terminated diamond is controlled by the gate electrode of each FET, and can be used for adjusting the strain detection sensitivity and adjusting the temperature dependence. Specifically, the temperature dependence of the resistance value of the piezoresistor can be canceled by changing the gate voltage according to the temperature. Alternatively, the voltage value of the gate voltage can be maintained at a voltage value at which the temperature dependence of the resistance value of the piezoresistor is suppressed.
シリコン基板２０の中央部は他の領域よりも薄く形成され、ダイアフラム２５として機能する。ピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂはダイアフラム２５の端部に形成され、ピエゾ抵抗体２２ａ，２２ａはダイアフラム２５にかからないシリコン基板２０の周辺部に形成されている。 The central portion of the silicon substrate 20 is formed thinner than other regions and functions as the diaphragm 25. The piezoresistors 22 b and 22 b are formed at the end of the diaphragm 25, and the piezoresistors 22 a and 22 a are formed at the periphery of the silicon substrate 20 that does not touch the diaphragm 25.
ピエゾ抵抗体２２ａ，２２ａおよびピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂは、ブリッジ回路を構成しており、ダイアフラム２５に圧力が印加されシリコン基板２０の厚み方向に撓むと、ピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂに引張応力または圧縮応力が加わり、応力に依存した抵抗値変化がピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂに生ずる。その抵抗値変化をブリッジ回路により電流値または電圧値として出力することにより、ダイアフラム２５への応力印加前後における抵抗値変化量を算出することにより、ダイアフラム２５端部における歪み量を算出することができる。さらに、ダイアフラム２５の機械的特性値からダイアフラム２５に加わった応力およびダイアフラム２５を撓ませるために要した圧力が算出される。したがって、ブリッジ回路の出力変化から、ダイアフラム２５に印加された圧力を計測することが可能となる。 The piezoresistors 22a and 22a and the piezoresistors 22b and 22b form a bridge circuit. When pressure is applied to the diaphragm 25 and the silicon substrate 20 is bent in the thickness direction, tensile stress or A compressive stress is applied, and a resistance value change depending on the stress occurs in the piezoresistors 22b and 22b. By outputting the change in the resistance value as a current value or a voltage value by the bridge circuit, and calculating the amount of change in the resistance value before and after the stress is applied to the diaphragm 25, the amount of distortion at the end of the diaphragm 25 can be calculated. . Further, the stress applied to the diaphragm 25 and the pressure required to bend the diaphragm 25 are calculated from the mechanical characteristic values of the diaphragm 25. Therefore, the pressure applied to the diaphragm 25 can be measured from the output change of the bridge circuit.
図６に示す圧力センサを作製する手順としては、シリコン基板２０上にマイクロ波プラズマＣＶＤ装置によりダイヤモンド膜２１を成膜し、水素プラズマによりダイヤモンド表面の水素終端化処理を行う。次に、ピエゾ抵抗体２２ａ，２２ａおよびピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂに対応する水素終端部のパターニング、配線のフォトリソグラフィを経て、ピエゾ抵抗体２２ａ，２２ａ、ピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂおよび電極２３ａ，２３ａ，２４ａ，２３ｂ，２３ｂ，２４ｂ等を備える圧力センサを作製することができる。 As a procedure for manufacturing the pressure sensor shown in FIG. 6, a diamond film 21 is formed on a silicon substrate 20 by a microwave plasma CVD apparatus, and a hydrogen termination process is performed on the diamond surface by hydrogen plasma. Next, through patterning of hydrogen termination portions corresponding to the piezoresistors 22a and 22a and the piezoresistors 22b and 22b, and photolithography of the wiring, the piezoresistors 22a and 22a, the piezoresistors 22b and 22b, and the electrodes 23a and 23a are processed. , 24a, 23b, 23b, 24b, etc. can be manufactured.
ピエゾ抵抗体の配置は図６の例に限定されない。例えば、ダイアフラムの中央部に２つの水素終端ダイヤモンドピエゾ抵抗体を、ダイアフラムの端部に２つの水素終端ダイヤモンドピエゾ抵抗体を、それぞれ形成してもよい。この場合、ダイアフラムの中央部と端部とでピエゾ抵抗体に印加される応力（引張応力または圧縮応力）が逆転するため、４つのピエゾ抵抗体のブリッジ回路による出力合成によって、出力値を増大させることができる。また単一の水素終端ダイヤモンドピエゾ抵抗体をダイアフラムの端部または中央部に形成し、このピエゾ抵抗体の抵抗値変化から計測箇所の歪量を計測してもよい。 The arrangement of the piezoresistors is not limited to the example of FIG. For example, two hydrogen-terminated diamond piezoresistors may be formed at the center of the diaphragm, and two hydrogen-terminated diamond piezoresistors may be formed at the ends of the diaphragm. In this case, since the stress (tensile stress or compressive stress) applied to the piezoresistor is reversed between the center portion and the end portion of the diaphragm, the output value is increased by the output synthesis by the bridge circuit of the four piezoresistors. be able to. Alternatively, a single hydrogen-terminated diamond piezoresistor may be formed at the end or center of the diaphragm, and the amount of strain at the measurement location may be measured from the change in the resistance value of the piezoresistor.
図７は、図６に示す圧力センサに温度センサとしてのダイヤモンドサーミスタを付加した例を示す図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のVIIｂ−VIIｂ線断面図である。なお、図７において、図６と同一要素には同一符号を付している。 7 is a view showing an example in which a diamond thermistor as a temperature sensor is added to the pressure sensor shown in FIG. 6, FIG. 7 (a) is a plan view, and FIG. 7 (b) is a view of VIIb− in FIG. 7 (a). It is a VIIb line sectional view. In FIG. 7, the same elements as those in FIG.
図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、ダイヤモンド膜２１の表面には、直線状のサーミスタ４が形成され、サーミスタ４の両端に電極４１，４１が接続されている。サーミスタ４の抵抗値を電極４１，４１間の電圧等に基づいて検出することにより、シリコン基板１の温度、すなわちダイアフラム２５に接触する流体等の温度を計測することができる。サーミスタ４はダイアフラム２５にかからないシリコン基板２０の周辺部に形成されており、ダイアフラム２５の撓みによる歪みが生ずることはなく、常に温度を正確に把握することが可能となる。サーミスタ４の抵抗値は、ダイアフラム２５に接触する流体等の温度計測のみならず、ピエゾ抵抗体２２ａ，２２ａおよびピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂの抵抗値の温度ドリフトの補償に使用することもできる。後者により、広い温度範囲における正確な圧力計測が可能となる。 As shown in FIG. 7A and FIG. 7B, a linear thermistor 4 is formed on the surface of the diamond film 21, and electrodes 41 and 41 are connected to both ends of the thermistor 4. By detecting the resistance value of the thermistor 4 based on the voltage between the electrodes 41, 41, the temperature of the silicon substrate 1, that is, the temperature of the fluid or the like that contacts the diaphragm 25 can be measured. The thermistor 4 is formed in the peripheral part of the silicon substrate 20 that does not cover the diaphragm 25, so that distortion due to the bending of the diaphragm 25 does not occur, and the temperature can always be accurately grasped. The resistance value of the thermistor 4 can be used not only to measure the temperature of a fluid or the like that contacts the diaphragm 25 but also to compensate for temperature drift of the resistance values of the piezoresistors 22a and 22a and the piezoresistors 22b and 22b. The latter enables accurate pressure measurement over a wide temperature range.
図７に示す圧力センサを作製する手順としては、シリコン基板２０上にマイクロ波プラズマＣＶＤ装置によりノンドープ・ダイヤモンド膜であるダイヤモンド膜２１、サーミスタ４を構成するドープ・ダイヤモンド膜を順次、成膜する。次に、ドープ・ダイヤモンド膜をパターニングすることで、サーミスタ４以外の領域を除去し、その領域のダイヤモンド膜２１の表面を露出させる。続いて、水素プラズマによりダイヤモンド表面の水素終端化処理を行う。次に、ピエゾ抵抗体２２ａ，２２ａおよびピエゾ抵抗体２２ｂ，２２ｂに対応する水素終端部のパターニング、配線のフォトリソグラフィを経て、図７に示す圧力センサを作製することができる。 As a procedure for manufacturing the pressure sensor shown in FIG. 7, a diamond film 21 which is a non-doped diamond film and a doped diamond film constituting the thermistor 4 are sequentially formed on a silicon substrate 20 by a microwave plasma CVD apparatus. Next, by patterning the doped diamond film, the region other than the thermistor 4 is removed, and the surface of the diamond film 21 in that region is exposed. Subsequently, a hydrogen termination process is performed on the diamond surface with hydrogen plasma. Next, the pressure sensor shown in FIG. 7 can be manufactured through patterning of the hydrogen termination portions corresponding to the piezoresistors 22a and 22a and the piezoresistors 22b and 22b and photolithography of the wiring.
図８（ａ）は、図６に示す圧力センサに保護層を設けた例を示す断面図である。なお、図８（ａ）において、図６と同一要素には同一符号を付している。 Fig.8 (a) is sectional drawing which shows the example which provided the protective layer in the pressure sensor shown in FIG. In FIG. 8A, the same elements as those in FIG.
図８（ａ）の例では、ダイヤモンド膜２１の表面全面に保護層５が形成されている。この保護層５によりダイヤモンド膜２１の表面の水素終端構造を高温による酸化等から保護することができる。また、保護層５により、水素終端表面の経時劣化やＮＯ2ガスなどの吸着による正孔濃度の変化等に対する影響が少なくなり、安定した動作を確保できる。 In the example of FIG. 8A, the protective layer 5 is formed on the entire surface of the diamond film 21. This protective layer 5 can protect the hydrogen termination structure on the surface of the diamond film 21 from oxidation or the like due to high temperature. Further, the protective layer 5 reduces the influence on the change of the hole concentration due to the time-dependent deterioration of the hydrogen-terminated surface and the adsorption of NO 2 gas and the like, and can ensure a stable operation.
保護層５の材質は限定されないが、保護層５の成膜時にダイヤモンド膜２１の表面と化学反応を生じない絶縁性材料が使用される。例えば、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、スパッタカーボン、ＥＣＲスパッタカーボン、Ｓｉ3Ｎ4（窒化珪素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、テフロン（登録商標）、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＳｉＯ2（酸化珪素）、ＴｉＯ2（酸化チタン）、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）、ＺｒＯ2（酸化ジルコニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）などが使用される。 The material of the protective layer 5 is not limited, but an insulating material that does not cause a chemical reaction with the surface of the diamond film 21 when the protective layer 5 is formed is used. For example, DLC (diamond-like carbon), sputtered carbon, ECR sputtered carbon, Si 3 N 4 (silicon nitride), AlN (aluminum nitride), CaF 2 (calcium fluoride), Teflon (registered trademark), SiC (silicon carbide) SiO 2 (silicon oxide), TiO 2 (titanium oxide), Al 2 O 3 (aluminum oxide), ZrO 2 (zirconium oxide), ZnO (zinc oxide) and the like are used.
図８（ｂ）は、図７に示す圧力センサに保護層を設けた例を示す断面図である。なお、図８（ｂ）において、図７と同一要素には同一符号を付している。 FIG. 8B is a cross-sectional view showing an example in which a protective layer is provided on the pressure sensor shown in FIG. In FIG. 8B, the same elements as those in FIG.
図８（ｂ）の例では、ダイヤモンド膜２１の表面全面に保護層５が形成されている。この保護層５によりダイヤモンド膜２１の表面の水素終端構造を高温による酸化等から保護することができる。また、保護層５により、水素終端表面の経時劣化やＮＯ2ガスなどの吸着による正孔濃度の変化等に対する影響が少なくなり、安定した動作を確保できる。また、保護層５は、サーミスタ４の機能に影響を与えない。 In the example of FIG. 8B, the protective layer 5 is formed on the entire surface of the diamond film 21. This protective layer 5 can protect the hydrogen termination structure on the surface of the diamond film 21 from oxidation or the like due to high temperature. Further, the protective layer 5 reduces the influence on the change of the hole concentration due to the time-dependent deterioration of the hydrogen-terminated surface and the adsorption of NO 2 gas and the like, and can ensure a stable operation. Further, the protective layer 5 does not affect the function of the thermistor 4.
保護層５の材質は限定されないが、保護層５の成膜時にダイヤモンド膜２１の表面およびサーミスタ４を構成するドープ・ダイヤモンドと化学反応を生じない絶縁性材料が使用される。例えば、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）、スパッタカーボン、ＥＣＲスパッタカーボン、Ｓｉ3Ｎ4（窒化珪素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＣａＦ2（フッ化カルシウム）、テフロン（登録商標）、ＳｉＣ（炭化珪素）、ＳｉＯ2（酸化珪素）、ＴｉＯ2（酸化チタン）、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）、ＺｒＯ2（酸化ジルコニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）などが使用される。 The material of the protective layer 5 is not limited, but an insulating material that does not chemically react with the surface of the diamond film 21 and the doped diamond constituting the thermistor 4 when the protective layer 5 is formed is used. For example, DLC (diamond-like carbon), sputtered carbon, ECR sputtered carbon, Si 3 N 4 (silicon nitride), AlN (aluminum nitride), CaF 2 (calcium fluoride), Teflon (registered trademark), SiC (silicon carbide) SiO 2 (silicon oxide), TiO 2 (titanium oxide), Al 2 O 3 (aluminum oxide), ZrO 2 (zirconium oxide), ZnO (zinc oxide) and the like are used.
以上のように、水素終端ダイヤモンド表面のｐ型伝導層をピエゾ抵抗体として用いることにより、ボロン等の不純物を導入したドープ・ダイヤモンドをピエゾ抵抗体としたダイヤモンド圧力センサと比較して、温度依存性を抑制できるとともに、製造プロセスを単純なものとすることができる。また、高温環境下に適用可能な高感度の歪ゲージや圧力センサを得ることができる。 As described above, by using the p-type conductive layer on the surface of the hydrogen-terminated diamond as a piezoresistor, the temperature dependence compared to a diamond pressure sensor using doped diamond introduced with impurities such as boron as a piezoresistor. Can be suppressed, and the manufacturing process can be simplified. In addition, a highly sensitive strain gauge and pressure sensor that can be applied in a high temperature environment can be obtained.
また、同一基板上にボロンドープ等によるドープ・ダイヤモンドサーミスタを形成することにより、温度検知や圧力計測値の温度補正が可能となる。さらに、保護層を設けることにより、ダイヤモンドの水素終端表面の経時劣化やＮＯ2ガスなどの吸着による正孔濃度の変化等に対する影響を抑制でき、安定した動作を確保できる。 Further, by forming a doped diamond thermistor by boron doping or the like on the same substrate, temperature detection and temperature correction of the pressure measurement value are possible. Further, by providing a protective layer, it is possible to suppress the influence on the change in the hole concentration due to the time-dependent deterioration of the hydrogen termination surface of diamond or the adsorption of NO 2 gas, etc., and a stable operation can be ensured.
上記の歪ゲージおよび圧力センサでは、水素プラズマ処理をダイヤモンド成膜後に行っているが、配線のための金属電極のパターニング後に水素プラズマ処理を行い、その後、水素終端ダイヤモンド抵抗体をパターニングしてもよい。 In the above strain gauge and pressure sensor, the hydrogen plasma treatment is performed after the diamond film is formed. However, the hydrogen plasma treatment may be performed after the metal electrode patterning for the wiring is performed, and then the hydrogen-terminated diamond resistor may be patterned. .
また、基板上へのダイヤモンド膜の合成方法は限定されず、熱フィラメントＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、高温高圧合成法、プラズマアークジェット法および物理蒸着法などが使用される。 The method for synthesizing the diamond film on the substrate is not limited, and a hot filament CVD method, a microwave plasma CVD method, a high temperature and high pressure synthesis method, a plasma arc jet method, a physical vapor deposition method, and the like are used.
ダイヤモンド膜に導電性を付与するためのドーパントとしては、ボロン、窒素、リン、ニッケルなどが使用される。 Boron, nitrogen, phosphorus, nickel, or the like is used as a dopant for imparting conductivity to the diamond film.
ダイヤモンド膜質は限定されず、単結晶（Ｉａ、Iｂ、IIａ、IIｂ）、ナノ多結晶、マイクロ多結晶、焼結体などが使用される。 The diamond film quality is not limited, and single crystals (Ia, Ib, IIa, IIb), nanopolycrystals, micropolycrystals, sintered bodies, and the like are used.
基板の材質は限定されないが、ダイヤモンドの熱膨張率と近い熱膨張率を持った基板が高温での使用に適している。例えば、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、Ｎｉ−Ｆｅ合金（ニッケル−鉄合金）、Ｗ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｂ（ニオブ）、グラファイト、グラッシーカーボン、アモルファスカーボンなどが使用される。 The material of the substrate is not limited, but a substrate having a thermal expansion coefficient close to that of diamond is suitable for use at a high temperature. For example, Si (silicon), SiC (silicon carbide), Ni-Fe alloy (nickel-iron alloy), W (tungsten), Ti (titanium), Mo (molybdenum), Nb (niobium), graphite, glassy carbon, amorphous Carbon or the like is used.
本発明において、ダイヤモンド表面がｐ型半導体特性を持つ水素終端として、ダイヤモンド表面が完全に水素終端化されたものに限定されず、一部のみ水素終端化されていてもよい。また経時劣化やＮＯ2ガスの吸着を回避するなどの目的から、表面を酸素、窒素、硫黄、塩素、フッ素、ヨウ素、臭素などの元素、もしくはアルキル基、ベンゼン環などの有機分子などにより修飾してもよい。 In the present invention, the hydrogen termination of the diamond surface having p-type semiconductor characteristics is not limited to the one in which the diamond surface is completely hydrogen-terminated, and only part of the diamond surface may be hydrogen-terminated. The surface is modified with elements such as oxygen, nitrogen, sulfur, chlorine, fluorine, iodine and bromine, or organic molecules such as alkyl groups and benzene rings, for the purpose of avoiding aging and NO 2 gas adsorption. May be.
本発明の圧力センサに使用されるダイアフラムを、金属部材を用いて構成することができる。図９（ａ）に示す例では、図２に示す圧力センサのダイアフラムに代えて、互いに接着された金属部材７とシリコン基板２０Ａによりダイアフラムを構成している。同様のダイアフラムを図４に示す圧力センサのダイアフラムに代えて使用することもできる。図９（ａ）に示すように、ダイアフラム７１の領域では金属部材７の厚みが薄く形成されることで、圧力を受けて金属部材７およびシリコン基板２０Ａが変形する。金属部材７の材質は圧力センサの用途に応じて任意に選択でき、例えば、シリコンでは達成不可能な耐腐食性をダイアフラムに与えることが可能となる。 The diaphragm used for the pressure sensor of this invention can be comprised using a metal member. In the example shown in FIG. 9A, instead of the diaphragm of the pressure sensor shown in FIG. 2, the diaphragm is constituted by the metal member 7 and the silicon substrate 20A bonded to each other. A similar diaphragm can be used instead of the diaphragm of the pressure sensor shown in FIG. As shown in FIG. 9A, the metal member 7 and the silicon substrate 20 </ b> A are deformed by pressure because the metal member 7 is formed thin in the area of the diaphragm 71. The material of the metal member 7 can be selected arbitrarily according to the application of the pressure sensor. For example, it is possible to give the diaphragm corrosion resistance that cannot be achieved with silicon.
本発明の圧力センサに使用されるピエゾ抵抗の形状として、任意の形状を適用することができる。図９（ｂ）は、繰り返し折り曲げられた形状のピエゾ抵抗体２７を示している。ピエゾ抵抗体２７の両端には、電極２８，２８が接続されている。このように、ピエゾ抵抗体を繰り返し折り曲げられた形状とすることでピエゾ抵抗体の実効長を伸ばすことができ、歪や圧力の検出感度を高めることができる。図９（ｂ）の例では、図９（ｂ）における左右方向の実効長を効率的に伸ばすことができる。 Any shape can be applied as the shape of the piezoresistor used in the pressure sensor of the present invention. FIG. 9B shows the piezoresistor 27 having a repeatedly bent shape. Electrodes 28 are connected to both ends of the piezoresistor 27. Thus, by making the piezoresistor be bent repeatedly, the effective length of the piezoresistor can be extended, and the detection sensitivity of strain and pressure can be increased. In the example of FIG. 9B, the effective length in the left-right direction in FIG. 9B can be efficiently extended.
（ピエゾ抵抗体を有する半導体装置の製造プロセス）
次に、ピエゾ抵抗体を有する半導体装置の製造プロセスの一例について、その詳細を説明する。
図１０〜図１１は、ピエゾ抵抗体を有する半導体装置の製造プロセスを示す図であり、各工程（ステップ１〜２０）における製造物の断面（図２（ｂ）に示される部位の断面に相当）を示している。以下、図１０〜図１１を参照しつつ各ステップについて説明する。
(Process for manufacturing a semiconductor device having a piezoresistor)
Next, details of an example of a manufacturing process of a semiconductor device having a piezoresistor will be described.
10 to 11 are diagrams showing a manufacturing process of a semiconductor device having a piezoresistor, and correspond to a cross section of a product (step shown in FIG. 2B) in each step (steps 1 to 20). ). Hereinafter, each step will be described with reference to FIGS.
（ステップ１）シリコン基板Ｂの表面に多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ；Poly Crystal Diamond）Ｌ１を形成した多結晶ダイヤモンド基板を準備する（図１０）。 (Step 1) A polycrystalline diamond substrate in which a polycrystalline diamond (PCD) L1 is formed on the surface of a silicon substrate B is prepared (FIG. 10).
（ステップ２）水素プラズマ処理により、多結晶ダイヤモンド基板の表面に水素終端ダイヤモンド層Ｌ２を形成する。 (Step 2) A hydrogen-terminated diamond layer L2 is formed on the surface of the polycrystalline diamond substrate by hydrogen plasma treatment.
（ステップ３）水素終端ダイヤモンド層Ｌ２の膜面に対して、Ａｌ（アルミニウム）スパッタリングを行い、Ａｌ膜Ｌ３を形成する。 (Step 3) Al (aluminum) sputtering is performed on the film surface of the hydrogen-terminated diamond layer L2 to form an Al film L3.
（ステップ４）さらに、Ａｌ膜Ｌ３の表面にポジ型のフォトレジストＲ１をスピンコートして恒温炉により焼成し、フォトレジストＲ１を乾燥させるとともにフォトレジストＲ１とＡｌ膜Ｌ３との密着性を高める。 (Step 4) Further, a positive photoresist R1 is spin-coated on the surface of the Al film L3 and baked in a constant temperature furnace to dry the photoresist R1 and improve the adhesion between the photoresist R1 and the Al film L3.
（ステップ５）パターンが描画されているフォトマスクＭ１を用いて、露光によりフォトレジストＲ１上にパターンを転写する。 (Step 5) Using the photomask M1 on which the pattern is drawn, the pattern is transferred onto the photoresist R1 by exposure.
（ステップ６）現像液により露光された箇所のフォトレジストＲ１を除去する。 (Step 6) The photoresist R1 at the portion exposed by the developer is removed.
（ステップ７）現像により残されたフォトレジストＲ１のパターンをマスクとして、Ａｌ膜Ｌ３のエッチングを行う。 (Step 7) The Al film L3 is etched using the pattern of the photoresist R1 left by development as a mask.
（ステップ８）アセトンによりフォトレジストＲ１を除去する。 (Step 8) The photoresist R1 is removed with acetone.
（ステップ９）パターニングされたＡｌ膜Ｌ３をマスクとして、水素終端表面（水素終端ダイヤモンド層Ｌ２）を形成した多結晶ダイヤモンドＬ１面に対して酸素プラズマエッチングにより、Ａｌ膜Ｌ３が形成された領域以外を酸素終端表面とする。 (Step 9) Using the patterned Al film L3 as a mask, oxygen plasma etching is performed on the polycrystalline diamond L1 surface on which the hydrogen-terminated surface (hydrogen-terminated diamond layer L2) is formed except for the region where the Al film L3 is formed. The oxygen terminated surface.
（ステップ１０）Ａｌのエッチング液により、Ａｌ膜Ｌ３を除去する。以上のステップにより、水素終端表面を形成した多結晶ダイヤモンドのピエゾ抵抗体が形成される。 (Step 10) The Al film L3 is removed with an Al etching solution. Through the above steps, a polycrystalline diamond piezoresistor having a hydrogen-terminated surface is formed.
（ステップ１１）水素終端表面を形成した多結晶ダイヤモンドのピエゾ抵抗体を作製した面に対して、ポジ型のフォトレジストＲ２をスピンコートし、恒温炉により焼成する（図１１）。これによりフォトレジストＲ２を乾燥させるとともに、フォトレジストＲ２と下地との密着性を高める。 (Step 11) A positive photoresist R2 is spin-coated on the surface of the polycrystalline diamond piezoresistor on which the hydrogen-terminated surface is formed, and baked in a constant temperature furnace (FIG. 11). This dries the photoresist R2 and improves the adhesion between the photoresist R2 and the base.
（ステップ１２）マスクＭ１と異なるパターンが描画されたマスクＭ２を用いて、露光によりフォトレジストＲ２上にパターンを転写する。 (Step 12) Using the mask M2 on which a pattern different from the mask M1 is drawn, the pattern is transferred onto the photoresist R2 by exposure.
（ステップ１３）現像液により露光された箇所のフォトレジストＲ２を除去する。 (Step 13) The photoresist R2 at the portion exposed by the developer is removed.
（ステップ１４）現像されたフォトレジストＲ２の表面に対して、Ｔｉ（チタン）スパッタリング、さらにＡｕ（金）スパッタリングを行い、Ｔｉ／Ａｕ膜Ｌ４を形成する。 (Step 14) The Ti / Au film L4 is formed by performing Ti (titanium) sputtering and further Au (gold) sputtering on the surface of the developed photoresist R2.
（ステップ１５）リフトオフによりフォトレジストＲ２と、フォトレジストＲ２上のＴｉ／Ａｕ膜Ｌ４を除去し、Ｔｉ／Ａｕ膜Ｌ４による金属配線を形成する。 (Step 15) The photoresist R2 and the Ti / Au film L4 on the photoresist R2 are removed by lift-off, and a metal wiring is formed by the Ti / Au film L4.
（ステップ１６）ピエゾ抵抗体および金属配線を作製した面に対して、ポジ型のフォトレジストＲ３のスピンコートを行い、恒温炉により焼成する。これによりフォトレジストＲ３を乾燥させるとともに、フォトレジストＲ３と下地との密着性を高める。 (Step 16) A positive photoresist R3 is spin-coated on the surface on which the piezoresistor and the metal wiring are fabricated, and baked in a constant temperature furnace. This dries the photoresist R3 and enhances the adhesion between the photoresist R3 and the base.
（ステップ１７）マスクＭ１およびマスクＭ２と異なるパターンが描画されたマスクＭ３を用いて、露光によりフォトレジストＲ３上にパターンを転写する。 (Step 17) Using the mask M3 on which a pattern different from the mask M1 and the mask M2 is drawn, the pattern is transferred onto the photoresist R3 by exposure.
（ステップ１８）現像液により露光された箇所のフォトレジストＲ３を除去する。 (Step 18) The photoresist R3 at the portion exposed by the developer is removed.
（ステップ１９）現像されたフォトレジストＲ３の表面に対して、Ｓｉ3Ｎ4（窒化珪素）スパッタリングを行い、Ｓｉ3Ｎ4膜Ｌ５を形成する。 (Step 19) Si 3 N 4 (silicon nitride) sputtering is performed on the surface of the developed photoresist R3 to form a Si 3 N 4 film L5.
（ステップ２０）リフトオフによりフォトレジストＲ３と、フォトレジストＲ３上のＳｉ3Ｎ4膜Ｌ５を除去し、ダイヤモンドの水素終端表面を保護するための、Ｓｉ3Ｎ4膜Ｌ５による保護膜を形成する。Ｔｉ／Ａｕ膜Ｌ４による金属配線は、外部との電気的接続を行うためにその一部が露出している。 (Step 20) The photoresist R3 and the Si 3 N 4 film L5 on the photoresist R3 are removed by lift-off, and a protective film made of the Si 3 N 4 film L5 is formed to protect the hydrogen-terminated surface of diamond. A part of the metal wiring formed by the Ti / Au film L4 is exposed to make an electrical connection with the outside.
ステップ２０の後、基板Ｂをエッチングしてダイヤフラムを形成することで、ダイヤモンド圧力センサを得ることができる。また、水素終端表面を形成したダイヤモンドピエゾ抵抗体を用いた加速度計、粘度計なども、同様の手法で製造することができる。 After step 20, the substrate B is etched to form a diaphragm, whereby a diamond pressure sensor can be obtained. In addition, an accelerometer, a viscometer and the like using a diamond piezoresistor having a hydrogen-terminated surface can be manufactured in the same manner.
（ピエゾＦＥＴの製造プロセス）
次に、水素終端ダイヤモンドピエゾＦＥＴの製造プロセスの一例について、その詳細を説明する。
図１２〜図１４は、水素終端ダイヤモンドピエゾＦＥＴの製造プロセスを示す図であり、各工程（ステップ１〜２５）における製造物の断面（図６（ａ）のXII-XII線における断面に相当）を示している。以下、図１２〜図１４を参照しつつ各ステップについて説明する。
(Piezo FET manufacturing process)
Next, the details of an example of the manufacturing process of the hydrogen-terminated diamond piezo FET will be described.
12 to 14 are diagrams showing a manufacturing process of the hydrogen-terminated diamond piezo FET, and a cross section of the product in each step (steps 1 to 25) (corresponding to a cross section taken along line XII-XII in FIG. 6A). Is shown. Hereinafter, each step will be described with reference to FIGS.
（ステップ１）シリコン基板Ｂの表面に多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ；Poly Crystal Diamond）Ｌ１を形成した多結晶ダイヤモンド基板を準備する（図１２）。 (Step 1) A polycrystalline diamond substrate having a polycrystalline diamond (PCD) L1 formed on the surface of a silicon substrate B is prepared (FIG. 12).
（ステップ２）水素プラズマ処理により、多結晶ダイヤモンド基板の表面に水素終端ダイヤモンド層Ｌ２を形成する。 (Step 2) A hydrogen-terminated diamond layer L2 is formed on the surface of the polycrystalline diamond substrate by hydrogen plasma treatment.
（ステップ３）水素終端ダイヤモンド層Ｌ２の膜面に対して、Ａｌ（アルミニウム）スパッタリングを行い、Ａｌ膜Ｌ３を形成する。 (Step 3) Al (aluminum) sputtering is performed on the film surface of the hydrogen-terminated diamond layer L2 to form an Al film L3.
（ステップ４）さらに、Ａｌ膜Ｌ３の表面にポジ型のフォトレジストＲ１をスピンコートして恒温炉により焼成し、フォトレジストＲ１を乾燥させるとともにフォトレジストＲ１とＡｌ膜Ｌ３との密着性を高める。 (Step 4) Further, a positive photoresist R1 is spin-coated on the surface of the Al film L3 and baked in a constant temperature furnace to dry the photoresist R1 and improve the adhesion between the photoresist R1 and the Al film L3.
（ステップ５）パターンが描画されているフォトマスクＭ１を用いて、露光によりフォトレジストＲ１上にパターンを転写する。 (Step 5) Using the photomask M1 on which the pattern is drawn, the pattern is transferred onto the photoresist R1 by exposure.
（ステップ６）現像液により露光された箇所のフォトレジストＲ１を除去する。 (Step 6) The photoresist R1 at the portion exposed by the developer is removed.
（ステップ７）現像により残されたフォトレジストＲ１のパターンをマスクとして、Ａｌ膜Ｌ３のエッチングを行う。 (Step 7) The Al film L3 is etched using the pattern of the photoresist R1 left by development as a mask.
（ステップ８）アセトンによりフォトレジストＲ１を除去する。 (Step 8) The photoresist R1 is removed with acetone.
（ステップ９）パターニングされたＡｌ膜Ｌ３をマスクとして、水素終端表面（水素終端ダイヤモンド層Ｌ２）を形成した多結晶ダイヤモンドＬ１面に対して酸素プラズマエッチングにより、Ａｌ膜Ｌ３が形成された領域以外を酸素終端表面とする。 (Step 9) Using the patterned Al film L3 as a mask, oxygen plasma etching is performed on the polycrystalline diamond L1 surface on which the hydrogen-terminated surface (hydrogen-terminated diamond layer L2) is formed except for the region where the Al film L3 is formed. The oxygen terminated surface.
（ステップ１０）Ａｌのエッチング液により、Ａｌ膜Ｌ３を除去する。以上のステップにより、水素終端表面を形成した多結晶ダイヤモンドのピエゾ抵抗体が形成される。以下、ピエゾ抵抗体に電極を接続することでピエゾＦＥＴが作製される。 (Step 10) The Al film L3 is removed with an Al etching solution. Through the above steps, a polycrystalline diamond piezoresistor having a hydrogen-terminated surface is formed. Thereafter, a piezo FET is manufactured by connecting an electrode to the piezoresistor.
（ステップ１１）水素終端表面を形成した多結晶ダイヤモンドのピエゾ抵抗体を作製した面に対して、ポジ型のフォトレジストＲ２をスピンコートし、恒温炉により焼成する（図１３）。これによりフォトレジストＲ２を乾燥させるとともに、フォトレジストＲ２と下地との密着性を高める。 (Step 11) A positive photoresist R2 is spin-coated on the surface of the polycrystalline diamond piezoresistor on which the hydrogen-terminated surface is formed, and baked in a constant temperature furnace (FIG. 13). This dries the photoresist R2 and improves the adhesion between the photoresist R2 and the base.
（ステップ１２）マスクＭ１と異なるパターンが描画されたマスクＭ２を用いて、露光によりフォトレジストＲ２上にパターンを転写する。 (Step 12) Using the mask M2 on which a pattern different from the mask M1 is drawn, the pattern is transferred onto the photoresist R2 by exposure.
（ステップ１３）現像液により露光された箇所のフォトレジストＲ２を除去する。 (Step 13) The photoresist R2 at the portion exposed by the developer is removed.
（ステップ１４）現像されたフォトレジストＲ２の表面に対して、Ｔｉ（チタン）スパッタリング、さらにＡｕ（金）スパッタリングを行い、Ｔｉ／Ａｕ膜Ｌ４を形成する。 (Step 14) The Ti / Au film L4 is formed by performing Ti (titanium) sputtering and further Au (gold) sputtering on the surface of the developed photoresist R2.
（ステップ１５）リフトオフによりフォトレジストＲ２と、フォトレジストＲ２上のＴｉ／Ａｕ膜Ｌ４を除去し、Ｔｉ／Ａｕ膜Ｌ４による金属配線を形成する。 (Step 15) The photoresist R2 and the Ti / Au film L4 on the photoresist R2 are removed by lift-off, and a metal wiring is formed by the Ti / Au film L4.
（ステップ１６）ピエゾ抵抗体および金属配線を作製した面に対して、ポジ型のフォトレジストＲ５のスピンコートを行い、恒温炉により焼成する。これによりフォトレジストＲ５を乾燥させるとともに、フォトレジストＲ５と下地との密着性を高める。 (Step 16) A positive photoresist R5 is spin-coated on the surface on which the piezoresistor and the metal wiring are fabricated, and baked in a constant temperature furnace. This dries the photoresist R5 and enhances the adhesion between the photoresist R5 and the base.
（ステップ１７）マスクＭ１およびマスクＭ２と異なるパターンが描画されたマスクＭ５を用いて、露光によりフォトレジストＲ５上にパターンを転写する。 (Step 17) Using the mask M5 on which a pattern different from the mask M1 and the mask M2 is drawn, the pattern is transferred onto the photoresist R5 by exposure.
（ステップ１８）現像液により露光された箇所のフォトレジストＲ５を除去する。 (Step 18) The photoresist R5 at the portion exposed by the developer is removed.
（ステップ１９）現像されたフォトレジストＲ５の表面に対してＡｌスパッタリングを行い、ゲート電極を構成するＡｌ膜Ｌ６を形成する。 (Step 19) Al sputtering is performed on the surface of the developed photoresist R5 to form an Al film L6 constituting the gate electrode.
（ステップ２０）リフトオフによりフォトレジストＲ５と、フォトレジストＲ５上のＡｌ膜Ｌ６を除去することで、水素終端表面を形成した多結晶ダイヤモンドのピエゾ抵抗体上にＡｌ膜Ｌ６によるゲート電極を形成する。Ａｌ膜Ｌ６によるゲート電極は、このピエゾ抵抗体からなるピエゾＦＥＴのホールチャネル上に位置づけられることになる。 (Step 20) By removing the photoresist R5 and the Al film L6 on the photoresist R5 by lift-off, a gate electrode made of the Al film L6 is formed on the polycrystalline diamond piezoresistor on which the hydrogen termination surface is formed. The gate electrode made of the Al film L6 is positioned on the hole channel of the piezo FET made of this piezoresistor.
（ステップ２１）水素終端表面を形成した多結晶ダイヤモンドのピエゾＦＥＴ、金属配線およびゲート電極を作製した面に対して、ポジ型のフォトレジストＲ６をスピンコートし、恒温炉により焼成する（図１４）。これによりフォトレジストＲ６を乾燥させるとともに、フォトレジストＲ６と下地との密着性を高める。 (Step 21) A positive photoresist R6 is spin-coated on the surface of the polycrystalline diamond piezo FET, metal wiring and gate electrode on which the hydrogen termination surface is formed, and baked in a constant temperature furnace (FIG. 14). . This dries the photoresist R6 and enhances the adhesion between the photoresist R6 and the base.
（ステップ２２）マスクＭ１、マスクＭ２およびマスクＭ５と異なるパターンが描画されたマスクＭ６を用いて、露光によりフォトレジストＲ６上にパターンを転写する。 (Step 22) Using the mask M6 on which a pattern different from the mask M1, the mask M2, and the mask M5 is drawn, the pattern is transferred onto the photoresist R6 by exposure.
（ステップ２３）現像液により露光された箇所のフォトレジストＲ６を除去する。 (Step 23) The photoresist R6 at the portion exposed by the developer is removed.
（ステップ２４）現像されたフォトレジストＲ６の面に対して、Ｓｉ3Ｎ4をスパッタリングし、Ｓｉ3Ｎ4膜Ｌ７を形成する。 (Step 24) Si 3 N 4 is sputtered on the surface of the developed photoresist R6 to form a Si 3 N 4 film L7.
（ステップ２５）リフトオフによりフォトレジストＲ６と、フォトレジストＲ６上のＳｉ3Ｎ4膜Ｌ７を除去し、ダイヤモンドの水素終端表面を保護するための、Ｓｉ3Ｎ4膜Ｌ７による保護層を形成する。Ｔｉ／Ａｕ膜Ｌ４による金属配線およびＡｌ膜Ｌ６によるゲート電極は、外部との電気的接続を行うためにその一部が露出している。 (Step 25) The photoresist R6 and the Si 3 N 4 film L7 on the photoresist R6 are removed by lift-off, and a protective layer made of the Si 3 N 4 film L7 is formed to protect the hydrogen-terminated surface of diamond. A part of the metal wiring made of the Ti / Au film L4 and the gate electrode made of the Al film L6 are exposed for electrical connection with the outside.
ステップ２５の後、基板Ｂをエッチングしてダイヤフラムを形成することで、ダイヤモンド圧力センサを得ることができる。また、水素終端表面を形成したダイヤモンドピエゾＦＥＴを用いた加速度計、粘度計なども、同様の手法で製造することができる。 After step 25, the substrate B is etched to form a diaphragm, whereby a diamond pressure sensor can be obtained. In addition, an accelerometer, a viscometer, and the like using a diamond piezo FET having a hydrogen-terminated surface can be manufactured by the same method.
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、半導体材料に外力が作用したときの抵抗値の変化を利用するピエゾ抵抗体を有する半導体装置等に対し、広く適用することができる。 The scope of application of the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be widely applied to a semiconductor device having a piezoresistor that uses a change in resistance value when an external force is applied to a semiconductor material.
１１，２１ ダイヤモンド膜（ダイヤモンド）
１２，２２ａ，２２ｂ ピエゾ抵抗体
４ サーミスタ（温度センサ）
５ 保護層
11, 21 Diamond film (diamond)
12, 22a, 22b Piezoresistor 4 Thermistor (temperature sensor)
5 Protective layer
Claims (9)
前記半導体として機能する水素終端化されたダイヤモンドの表面を備え、
前記ダイヤモンドの表面を元素または有機分子で修飾することを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device having a piezoresistor whose resistance value changes due to the action of external force,
Comprising a hydrogen-terminated diamond surface that functions as the semiconductor;
A semiconductor device, wherein the surface of the diamond is modified with an element or an organic molecule.
前記半導体として機能する水素終端化されたダイヤモンドの表面を備え、
前記ダイヤモンドの表面を元素または有機分子で修飾することを特徴とする歪ゲージ。 In strain gauges using piezoresistors, where the resistance of the semiconductor changes due to the action of external forces,
Comprising a hydrogen-terminated diamond surface that functions as the semiconductor;
A strain gauge, wherein the surface of the diamond is modified with an element or an organic molecule.
ドープ・ダイヤモンドにより形成され、前記ピエゾ抵抗体の温度を検出する温度センサと、を備え、
前記ゲート電極は前記半導体のホールの量を制御することを特徴とする請求項４に記載の歪ゲージ。 A protective layer formed outside the surface of the diamond;
A temperature sensor formed of doped diamond and detecting the temperature of the piezoresistor,
The strain gauge according to claim 4, wherein the gate electrode controls the amount of holes in the semiconductor.
前記半導体として機能する水素終端化されたダイヤモンドの表面を備え、
前記ダイヤモンドの表面を元素または有機分子で修飾することを特徴とする圧力センサ。 In a pressure sensor comprising: a diaphragm that is deformed under pressure; and a strain gauge that uses a piezoresistor that changes a resistance value of a semiconductor based on a deformation amount of the diaphragm.
Comprising a hydrogen-terminated diamond surface that functions as the semiconductor;
A pressure sensor, wherein the surface of the diamond is modified with an element or an organic molecule.
水素プラズマによりダイヤモンドの表面の少なくとも一部を水素終端化し、前記ダイヤモンドの表面を元素または有機分子で修飾するステップと、
前記水素終端化するステップにより水素終端化されたダイヤモンドの表面を抵抗体として形成するステップと、
金属膜により前記抵抗体に対して電気的接続を獲得するステップと、
前記抵抗体の表面の水素終端構造を保護するための保護層を形成するステップと、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device having a piezoresistor in which the resistance value of the semiconductor changes due to the action of an external force,
Hydrogen-terminating at least part of the surface of the diamond with hydrogen plasma and modifying the surface of the diamond with an element or organic molecule;
Forming a hydrogen-terminated diamond surface as a resistor by the hydrogen-termination step;
Obtaining an electrical connection to the resistor by a metal film;
Forming a protective layer for protecting the hydrogen termination structure on the surface of the resistor;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
水素プラズマによりダイヤモンドの表面の少なくとも一部を水素終端化し、前記ダイヤモンドの表面を元素または有機分子で修飾するステップと、
前記水素終端化するステップにより水素終端化されたダイヤモンドの表面を電界効果トランジスタのホールチャンネルとして機能するピエゾ抵抗体を形成するステップと、
金属膜により前記抵抗体に対して電気的接続を獲得するステップと、
前記ホールチャンネル上にホール量を制御するためのゲート電極を形成するステップと、
前記抵抗体の表面の水素終端構造を保護するための保護層を形成するステップと、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device having a piezoresistor in which the resistance value of the semiconductor changes due to the action of an external force,
Hydrogen-terminating at least part of the surface of the diamond with hydrogen plasma and modifying the surface of the diamond with an element or organic molecule;
Forming a surface of the diamond that has been hydrogen-terminated by the hydrogen-termination step to form a piezoresistor that functions as a hole channel of a field-effect transistor;
Obtaining an electrical connection to the resistor by a metal film;
Forming a gate electrode on the hole channel for controlling the amount of holes;
Forming a protective layer for protecting the hydrogen termination structure on the surface of the resistor;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記有機分子がアルキル基またはベンゼン環であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。 The element is oxygen, nitrogen, sulfur, chlorine, fluorine, iodine or bromine;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the organic molecule is an alkyl group or a benzene ring.
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| JP2020068291A (en) * | 2018-10-24 | 2020-04-30 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | Electronic element, temperature sensor, magnetic sensor, vibration sensor, and acceleration sensor |
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