JP4497165B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体からなる抵抗体を備える半導体装置に関するものである。

従来、半導体からなる抵抗体を備える半導体装置として、抵抗体としての発熱体と感温体とを備え、流体の流量を検出する熱式流量センサが知られている（特許文献１〜３参照）。

特許文献１，２においては、発熱抵抗体（発熱体）や感温抵抗体（感温体）が、不純物のドーピングされたシリコン半導体膜（多結晶シリコン半導体膜、単結晶シリコン半導体膜）によって形成され、シリコン半導体膜の抵抗率が８×１０^−４Ωｃｍ以下（不純物濃度が２×１０^２０ｃｍ^−３以上）とされている。

また、特許文献３においては、発熱体や感温体が、不純物のドーピングされた単結晶シリコンによって形成され、不純物濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３以上とされている。
特許第３４６８７３１号 特許第３６９８６７９号 特開２００４−２０５４９８号公報

ところが、本発明者が、不純物のドーピングされた単結晶シリコンからなる抵抗体について詳細に検討を行ったところ、上述のように不純物濃度を高濃度とすると、抵抗体の温度（自身の発熱も含む）が高温（例えば３１０℃以上）においては、時間の経過とともに抵抗変化率が大きくなる（すなわち、抵抗値の経時変化が大きい）ことが明らかとなった。

本発明は上記問題点に鑑み、広い温度範囲において、抵抗値の経時変化を抑制することのできる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、不純物のドーピングされた単結晶シリコンからなる抵抗体において、高温における抵抗値の経時変化の主要因が、不純物の再拡散にあることを見出した。以下の発明は、この知見に基づくものである。

上記目的を達成する為に、請求項１に記載の半導体装置の製造方法は、半導体からなる抵抗温度係数２０００ｐｐｍ／℃以上の抵抗体を形成する工程として、基板としての半導体基板上に、絶縁層を介して積層された単結晶シリコンに対して、抵抗体の不純物濃度が７×１０^１９ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３未満の範囲内となるように、不純物としてのリンをイオン注入する注入工程と、注入工程後、深さ方向において単結晶シリコンの不純物濃度が均一となるように熱処理を実施してリンを拡散させ、抵抗体とする熱処理工程と、を含むことを特徴とする。

上述の知見から、不純物濃度が高いほど拡散係数が大きくなるので、抵抗値の経時変化が大きくなると考えられる。これに対し、本発明においては抵抗値を抑えているので、３１０℃以上の高温下において、抵抗値の経時変化を小さくすることができ、３１０℃未満の温度域も含めて、広い温度範囲において、抵抗値の経時変化を抑制することができる。このことは、本発明者によって確認されている。

なお、粒界（面）の存在する多結晶シリコンの場合、不純物濃度を高濃度（例えば２×１０^２０ｃｍ^−３以上）とすると、ドーピング後の熱処理（活性化アニール）によって粒径が大きくなり（換言すれば単結晶シリコンの状態に近づき）、抵抗温度係数が大きくなる。これに対し、本発明においては、単結晶シリコンによって抵抗体を形成するので、上述した不純物濃度（多結晶シリコンよりも低濃度）でも、抵抗温度係数を大きくすることが可能である。

特に本発明では、抵抗体の不純物濃度が、深さ方向において７×１０ ^１９ ｃｍ ^−３ 以上、１×１０^２０ｃｍ^−３未満の範囲内で均一となるように、抵抗体を形成するので、抵抗温度係数を大きくすることができる。なお、不純物として、Ｎ型不純物のなかで拡散係数の大きいリンを用い、且つ、熱処理を実施するので、深さ方向において抵抗体の不純物濃度を均一とすることができる。このように、拡散係数の大きいリンを用いても、抵抗値の経時変化を抑制することができる。また、上記濃度範囲においては、抵抗温度係数がほぼ一定の値を示すので、単結晶シリコンの厚さばらつきなどの製造要因によって不純物濃度にばらつきが生じても、抵抗温度係数のばらつきを小さくすることができる。

請求項２に記載のように、半導体装置が流体の流量を検出する流量検出部を有し、熱処理工程後、抵抗体をパターニングして、流量検出部を構成する発熱体及び発熱体の近傍の温度を感知する感温体を形成しても良い。上記した発明によれば、抵抗温度係数を２０００ｐｐｍ／℃以上とすることができるので、共通の抵抗体をパターニングして、発熱体と感温体を形成することができる。

熱処理工程では、例えば請求項３に記載のように、１０００℃にて２時間の熱処理を実施すると良い。

なお、抵抗体の温度が低温であると不純物の再拡散が生じにくいので、不純物濃度や不純物の種類に関わらず、抵抗値の経時変化が抑制される。したがって、請求項４に記載のように、抵抗体の最高温度が３１０℃以上において、より効果を発揮する。なお、抵抗体の温度とは、外部からの熱の影響だけでなく、抵抗体の発熱による影響も含むものである。

先ず、本発明の実施形態について説明する前に、本発明者が本発明を創作するに至った経緯を説明する。本発明者は、不純物（ドーパント）のドーピングされた単結晶シリコンからなる抵抗体について詳細に検討を行った。より具体的には、単結晶シリコンにリンをドーピングして、後述する実施形態に示す半導体装置（流量検出部）を形成し、経過時間と抵抗変化率との関係（すなわち、抵抗値の経時変化）について精査した。その結果、不純物濃度を高濃度とすると、図１に示すように、高温（３１０℃以上）において、経過時間とともに抵抗変化率が大きくなる（すなわち、抵抗値の経時変化が大きい）ことが明らかとなった。なお、図１は、各温度における経過時間と抵抗変化率との関係を示す図であり、リンをイオン注入して、不純物濃度を２×１０^２０ｃｍ^−３とした場合の例を示している。

また、リンの再拡散の活性化エネルギーは、３ｅＶ程度であることが知られているが、本発明者が抵抗値の経時変化（不純物濃度２×１０^２０ｃｍ^−３）の活性化エネルギーを実験的に求めたところ、３ｅＶ程度であった。すなわち、本発明者は、不純物のドーピングされた単結晶シリコンからなる抵抗体において、高温における抵抗値の経時変化の主要因が、不純物の再拡散にあることを見出した。本発明は、この知見に基づくものであり、以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図２は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。図３は、図２のIII-III線に沿う断面図である。図２においては、便宜上、発熱体、感温体、及び繋ぎ配線上の層間絶縁膜や保護膜を省略して図示している。また、図２に示す白抜き矢印は、流体の流れ方向を示している。

本実施形態に示す半導体装置は、以下に示すように流量検出部（フローセンサ）を備えており、例えば車両内燃機関の吸気管内に配置される。

図２及び図３に示すように、半導体装置１００は、半導体基板１１０上に、絶縁層１２０を介して流量検出部１３０が形成されたものである。詳しくは、流量検出部１３０として、発熱体１３１，１３２や感温体１３３，１３４が形成されている。

半導体基板１１０は、特許請求の範囲に記載の基板に相当するものである。本実施形態においては、半導体基板１１０としてシリコン基板を採用しており、流量検出部１３０を構成する発熱体１３１，１３２に対応して空洞部１１１が形成されている。この空洞部１１１は、半導体基板１１０の絶縁層１２０との接触面の裏面（以下、半導体基板１１０の裏面と示す）側に、矩形状の開口部１１３（図２において一点鎖線で示す）をもって形成され、この開口面積が半導体基板１１０の上面側（絶縁層１２０との接触面側）へ行くほど縮小されて、半導体基板１１０の上面では、開口部１１３よりも小さく、半導体基板１１０の厚さ方向に対して垂直な方向において開口部１１３に含まれる矩形状の底面部１１２（図２において破線で示す）となっている。

本実施形態においては、絶縁層１２０としてシリコン酸化膜を採用しており、絶縁層１２０の一部が、上述した空洞部１１１の底面部１１２を構成している。このように、半導体装置１００において、底面部１１２に相当する部位は、薄肉部（メンブレン）となっている。そして、発熱体１３１，１３２が、この薄肉部に形成されている。薄肉部は、流量検出部１３０を構成する他の箇所と比べてその膜厚が薄く形成されているため熱容量が低く抑えられ、他の箇所との熱的な絶縁が確保されている。

底面部１１２（薄肉部）を構成する絶縁層１２０上には、発熱体１３１，１３２が形成されている。発熱体１３１は、流体の流れ方向に対して上流側に配置された上流側発熱体であり、発熱体１３２は、流体の流れ方向に対して下流側に配置された下流側発熱体である。また、一対の発熱体１３１，１３２を挟むようにして、測温抵抗体からなる一対の感温体１３３，１３４が、薄肉部よりも厚い薄肉部周辺領域であって流体の上流側と下流側にそれぞれ形成されている。そして、これら発熱体１３１，１３２や感温体１３３，１３４は、繋ぎ配線部１３５を介して、図示されない信号生成回路との接続端子となるパッド１３６と接続されている。なお、本実施形態において、発熱体１３１，１３２、感温体１３３，１３４、及び繋ぎ配線部１３５は、それぞれ単結晶シリコンから形成されている。本実施形態に係る半導体装置１００は、抵抗体である発熱体１３１，１３２、感温体１３３，１３４、及び繋ぎ配線部１３５を構成する単結晶シリコンの不純物濃度に特徴があり、その詳細については後述する。

そして、これら発熱体１３１，１３２、感温体１３３，１３４、及び繋ぎ配線部１３５を覆うようにして、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜１４０が積層され、層間絶縁膜１４０上にシリコン窒化膜からなる保護膜１５０が積層されている。

このように構成される流量検出部１３０を備えた半導体装置１００においては、発熱体１３１，１３２が、電流の供給量によって発熱する機能に加えて、それ自身の抵抗値の変化に基づいて、自身の温度を感知する機能も有している。そして、上流側と下流側の各発熱体１３１，１３２で生じる熱のうち、流体によって奪われる熱に基づき、流体の流量が検出される。また、上流側の発熱体１３１と下流側の発熱体１３２とのそれぞれに生じる熱のうち、流体によって奪われる熱量の差に基づき、流体の流通方向が検出される。さらに、上流側の発熱体１３１と上流側の感温体１３３との温度差、及び、下流側の発熱体１３２と下流側の感温体１３４との温度差に基づき、各発熱体１３１，１３２に供給される電流量が制御される。なお、上述した流量検出部１３０の詳細については、本出願人による例えば特開２００４−２０５４９８号公報，特開２００４−２４１３９８号公報などを参照されたい。

次に、本発明の特徴部分である、発熱体１３１，１３２、感温体１３３，１３４、及び繋ぎ配線部１３５を構成する単結晶シリコンの不純物濃度について、図４〜図６を用いて説明する。図４は、各不純物濃度における経過時間と抵抗変化率との関係を示す図である。図５は、不純物濃度と抵抗変化率との関係を示す図である。図６は、不純物濃度と抵抗温度係数との関係を示す図である。なお、図４は、リンを不純物とし、３１０℃の温度条件での測定結果を示しており、不純物濃度１×１０^２０ｃｍ^−３を実線、不純物濃度７×１０^１９ｃｍ^−３を破線、不純物濃度２×１０^２０ｃｍ^−３を一点鎖線、不純物濃度６×１０^２０ｃｍ^−３を二点鎖線としている。また、図５は、リンを不純物とし、３１０℃の温度条件で通電から１０００時間経過後の測定結果を示しており、単結晶シリコンを実線、参考例としての多結晶シリコンを破線で示している。また、図６は、リンを不純物とした結果を示している。

上述したように、本発明者は、不純物のドーピングされた単結晶シリコンからなる抵抗体において、高温における抵抗値の経時変化の主要因が、不純物の再拡散にあることを見出した。この知見によれば、不純物濃度が高いほど拡散係数は大きくなるので、抵抗値の経時変化が大きくなるものと考えられる。

そこで、本発明者は、不純物濃度と抵抗値の経時変化との関係について精査した。その結果、図４に示すように、高温において、不純物濃度が高いほど抵抗値の経時変化（換言すれば、抵抗値の耐久変動）が大きいことを確認した。なお、多結晶シリコンからなる抵抗体についても、同様の傾向を確認した。また、図５に示すように、不純物濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３未満においては、３１０℃で通電から１０００時間経過後の抵抗変化率が、小さい値でほぼ一定（ほぼゼロ）となることを確認した。

先に図１においても示したように、抵抗体の温度が低温であると、抵抗値の経時変化は小さくなる。これは、低温においては、不純物の再拡散が生じにくいことによるものと考えられる。したがって、単結晶シリコンに不純物をドーピングして抵抗体を形成する場合には、不純物濃度を１×１０^２０ｃｍ^−３未満とすると、３１０℃未満の低温域だけでなく、３１０℃以上の高温域も含めて、広い温度範囲において、抵抗値の経時変化を抑制する（長期に亘って、品質を保証する）ことができる。

なお、抵抗体においては抵抗温度係数（ＴＣＲ）も大事な評価要素である。例えば抵抗温度係数が大きいほうが、温度に対する抵抗値の変化を大きくとることができる。そこで、本発明者は、抵抗値の経時変化を抑制しつつ、抵抗温度係数を大きくできる不純物濃度の範囲についても精査した。その結果、図６に示すように、抵抗体の不純物濃度を４×１０^１９ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３未満の範囲内とすると、抵抗温度係数を特に大きくできる（抵抗温度係数を２０００ｐｐｍ／℃以上にできる）ことを確認した。したがって、不純物のドーピングされた単結晶シリコンからなる抵抗体において、上述の不純物濃度とすると、温度に対する抵抗値の変化を大きくとることができ、例えば抵抗体を用いて物理量を検出する検出部において、検出感度を向上することができる。

さらに、図６に示すように、抵抗体の不純物濃度を７×１０^１９ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３未満の範囲内とすると、抵抗温度係数が大きい値でほぼ一定となることを確認した。詳しくは、抵抗温度係数がピーク値でほぼ一定となることを確認した。したがって、不純物のドーピングされた単結晶シリコンからなる抵抗体において、上述の不純物濃度とすると、温度に対する抵抗値の変化を大きくとることができるだけでなく、さらに抵抗温度係数のばらつきを小さくすることができる。例えば、単結晶シリコンの厚さのばらつきなど製造要因によって不純物濃度にばらつきが生じたとしても、抵抗温度係数のばらつきを小さくすることができるので、検出感度が向上された状態で品質を保証することができる。

本実施形態に係る半導体装置１００においては、上述の点を考慮して、不純物濃度が、７×１０^１９ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３未満の範囲内となるように、不純物としてリンがドーピングされた単結晶シリコンによって、抵抗体である発熱体１３１，１３２、感温体１３３，１３４、及び繋ぎ配線部１３５が形成されている。したがって、３１０℃以上の高温域も含めて、広い温度範囲において、抵抗値の経時変化を抑制する（長期に亘って、品質を保証する）ことができる。なお、上述したように、抵抗体の温度が低温においては、不純物の再拡散が生じにくく、抵抗値の経時変化が抑制されるので、本実施形態に係る半導体装置１００は、特に抵抗体の最高温度が３１０℃以上の高温域において、格別の効果を発揮するものである。また、温度に対する抵抗値の変化を大きくとることができるので、検出感度を向上することができる。さらには、抵抗温度係数のばらつきを小さくすることができるので、検出感度が向上された状態で品質を保証することができる。

なお、使用環境下において半導体装置１００の表面（例えば保護膜１５０）に付着するオイル等の異物は、３１０℃以上の高温で効率よく除去することができる。しかしながら、従来のフローセンサでは、抵抗体の不純物濃度が高いために、３１０℃以上の高温とすると、抵抗値の経時変化が大きくなるという問題が生じていた。また、抵抗値の経時変化を抑制しようとすると、温度を低くしなければならず、異物の除去が困難であった。これに対し、本実施形態に係る半導体装置１００によれば、３１０℃以上の高温域においても抵抗値の経時変化を抑制することができるので、抵抗値の経時変化を抑制しつつ誤検出の原因となる異物を除去することができる。

次に、本実施形態に係る半導体装置１００の製造方法について、図７（ａ）〜（ｃ）及び図８（ａ），（ｂ）を用いて説明する。なお、図７（ａ）〜（ｃ）及び図８（ａ），（ｂ）は、図３に対応する断面図（図２のIII-III線に沿う断面図）である。

まず、図７（ａ）に示すように、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用意する。このＳＯＩ基板は、６００μｍ程度の厚さをもった単結晶シリコンからなる半導体基板１１０と、半導体基板１１０の一面上に、０．０１μｍ以上（例えば１μｍ程度）の厚さをもって積層された例えばシリコン酸化膜からなる電気的な絶縁層１２０と、絶縁層１２０の半導体基板１１０とは反対側の面上に、０．２〜２μｍ程度の厚さをもって積層された単結晶シリコン膜１６０とにより構成されたものである。

次に、図７（ｂ）に示すように、不純物としてリンをイオン注入して単結晶シリコン膜１６０を所望の抵抗値に調整された抵抗体１６１とする。このイオン注入に当たっては、抵抗体１６１の不純物濃度が、７×１０^１９ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３未満の範囲内となるように、リンを注入する。なお、必要に応じて、イオン注入後にアニールを実施し、抵抗体１６１内におけるリンの拡散と電気的な活性化を行うと良い。このアニールにおいては、例えば１０００℃にて２時間の熱処理がなされる。

次に、抵抗体１６１（リンがドーピングされた単結晶シリコン膜１６０）を例えば反応性イオンエッチングによってパターニングし、図７（ｃ）に示すように、発熱体１３１，１３２、感温体１３３，１３４、及び繋ぎ配線部１３５を形成する。このように、上流側の発熱体１３１と下流側の発熱体１３２、上流側の感温体１３３と下流側の感温体１３４とを同一工程にて形成すると、発熱体１３１，１３２同士、感温体１３３，１３４同士で、それぞれ抵抗温度係数や抵抗値を簡易に一致させることができる。

次に、図８（ａ）に示すように、発熱体１３１，１３２、感温体１３３，１３４、及び繋ぎ配線部１３５を覆うように、例えばプラズマＣＶＤ法によってシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜１４０を絶縁層１２０上に堆積する。また、層間絶縁膜１４０上に、例えば低圧ＣＶＤ法にてシリコン窒化膜からなる保護膜１５０を堆積する。そして、図示しないが、層間絶縁膜１４０や保護膜１５０にコンタクトホールを形成し、繋ぎ配線部１３５の端部に例えばアルミニウムを主材料とするパッド１３６を形成する。なお、層間絶縁膜１４０のない構成としても良い。また、層間絶縁膜１４０の構成材料は上記例に限定されるものではないし、多層膜としても良い。また、保護膜１５０の構成材料も上記例に限定されるものではないし、多層膜としても良い。さらには、製造条件によっては、保護膜１５０を形成する前に、パッド１３６などの他の配線部を形成しても良い。

次に、図８（ｂ）に示すように、半導体基板１１０の裏面側に、例えばシリコン窒化膜からなるマスク部材を例えばプラズマＣＶＤ法により成膜し、先に図２に一点鎖線で示した開口部１１３に対応した開口部位を形成すべく、例えば反応性イオンエッチングにてマスク部材をエッチングする。そして、エッチングされたマスク部材をマスク１７０として、半導体基板１１０を例えばＫＯＨやＴＭＡＨ等のアルカリ性のエッチング液を用いて異方性エッチングする。このエッチングにより、半導体基板１１０に空洞部１１１が形成され、空洞部１１１を架橋するように薄肉部が形成される。なお、空洞部１１１の形成に当たっては、必ずしもウェットエッチングに限らず、ドライエッチングによって行うようにしてもよい。

空洞部１１１の形成後、ダイシングによりウェハを個々のチップに分割し、半導体装置１００が形成される。そして、形成された半導体装置１００は、そのパッド１３６が、ワイヤを介して回路基板（回路チップ）と電気的に接続される。

なお、本実施形態においては、単結晶シリコンの不純物濃度を、７×１０^１９ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３未満の範囲内とする例を示した。しかしながら、上述したように、単結晶シリコンの不純物濃度は少なくとも１×１０^２０ｃｍ^−３未満であれば良く、好ましくは４×１０^１９ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３未満の範囲内、より好ましくは７×１０^１９ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３未満の範囲内であれば良い。粒界（面）が存在する多結晶シリコンにおいては、不純物濃度を高濃度（２×１０^２０ｃｍ^−３以上）とすると、ドーピング後の熱処理（活性化アニール）によって粒径が大きくなり、単結晶シリコンの状態に近づいて抵抗温度係数が大きくなる。これに対し、本実施形態においては、単結晶シリコンによって抵抗体（発熱体１３１，１３２、感温体１３３，１３４、及び繋ぎ配線部１３５）を形成するので、不純物濃度を多結晶シリコンの濃度よりも低濃度である１×１０^２０ｃｍ^−３未満としても、抵抗温度係数を大きくすることが可能である。

また、本実施形態においては、不純物としてのリンを単結晶シリコン膜１６０にイオン注入して抵抗体１６１を形成し、抵抗体１６１をパターニングして発熱体１３１，１３２、感温体１３３，１３４、及び繋ぎ配線部１３５を構成する例を示した。しかしながら、単結晶シリコンへの不純物のドーピングはイオン注入に限定されるものではない。例えば、熱拡散法（ガス、又は、リンガラス等の固体）を用いて、単結晶シリコン膜１６０に不純物をドーピングしても良い。また、単結晶シリコン膜１６０を構成する原石に対して、不純物をドーピングしておいても良い。すなわち、上述したＳＯＩ基板の状態で、単結晶シリコン膜１６０が抵抗体１６１の状態とされていても良い。これらの方法を採用すると、結晶欠陥の発生を抑制することができる。

また、本実施形態においては、単結晶シリコンにドーピングされる不純物としてリンを用いる例を示した。リンは、その原子半径がシリコンの原子半径に近いので、イオン注入法を採用しても、結晶欠陥の発生を抑制することができる。また、拡散係数が大きいので、深さ方向において、濃度を均一化しやすい。しかしながら、不純物の種類は、上記例に限定されるものではない。リン以外のＮ型不純物でも良いし、Ｐ型不純物（例えば安価なボロン）でも良い。

また、本実施形態においては、単結晶シリコンが、ＳＯＩ基板の一部として構成される例を示した。しかしながら、上記例に限定されるものではない。例えば、ＳＩＭＯＸ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｉｄｅ）基板を採用することもできる。ＳＩＭＯＸ基板の場合、単結晶シリコンの厚さばらつきをＳＯＩ基板よりも抑制することができる。すなわち、抵抗温度係数のばらつきを抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図９に基づいて説明する。図９は、第２実施形態に係る半導体装置の、抵抗変化率を示す図である。

第２実施形態に係る半導体装置は、第１実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

上述したように、本発明者は、不純物のドーピングされた単結晶シリコンからなる抵抗体において、高温の使用環境における抵抗値の経時変化の主要因が、不純物の再拡散にあることを見出した。第１実施形態においては、この知見に基づき、単結晶シリコンにドーピングされる不純物の濃度を所定濃度とすることで、抵抗値の経時変化を抑制する例を示した。これに対し、本実施形態においては、拡散係数の小さい不純物を用いる点を特徴とする。

Ｎ型不純物の拡散係数の大きさは、リン（Ｐ）＞アンチモン（Ｓｂ）＞ヒ素（Ａｓ）＞ビスマス（Ｂｉ）の順であることが知られている。本発明者は、不純物種類と抵抗値の経時変化との関係について確認した。具体的には、リンよりも拡散係数の小さいヒ素を単結晶シリコンにドーピングし、７×１０^１９ｃｍ^−３に調整された半導体装置１００について、３１０℃の温度条件で通電から５００時間経過後の抵抗変化率を測定した。また、比較対象として、リンを単結晶シリコンにドーピングした半導体装置についても、同条件で測定を行った。その結果、図９に示すように、拡散係数の小さいヒ素のほうが、抵抗値の経時変化（換言すれば、抵抗値の耐久変動）が小さいことを確認した。なお、本実施形態に係る半導体装置１００の構成は、不純物の種類以外、第１実施形態に示した半導体装置１００と同じである。

このように、単結晶シリコンにドーピングされる不純物として、リンよりも拡散係数の小さいＮ型不純物を用いると、高温（３１０℃以上）において、リンよりも抵抗値の経時変化を小さくすることができる。なお、上述したように、抵抗体の温度が低温においては、不純物の再拡散が生じにくく、抵抗値の経時変化が抑制されるので、本実施形態に係る不純物としてヒ素を用いた半導体装置１００によれば、３１０℃未満の温度域も含めて、広い温度範囲において、抵抗値の経時変化を抑制することができる。すなわち、拡散係数の小さい不純物ほど、抵抗値の経時変化を小さく（効果的に抑制）することができる。

また、本実施形形態においては、ヒ素がドーピングされた単結晶シリコンからなる抵抗体の不純物濃度を、第１実施形態に示した１×１０^２０ｃｍ^−３未満の範囲内としている。このような構成とすると、第１実施形態に示した不純物濃度による再拡散抑制の効果と本実施形態に示した不純物の種類による再拡散抑制の効果とによって、抵抗値の経時変化をより小さくすることができる。なお、第１実施形態に示したように、不純物濃度によっては、抵抗温度係数を特に大きくすることもできる。さらには、抵抗温度係数のばらつきを抑制することもできる。

なお、第１実施形態においては、Ｎ型不純物において最も拡散係数の大きいリンを不純物とした。しかしながら、拡散係数の大きいリンであっても、不純物濃度を上述した所定濃度とすることで、抵抗値の経時変化を抑制し、好ましくは抵抗温度係数を大きくし、より好ましくは抵抗温度係数のばらつきを抑制することができる。

また、本実施形態においては、Ｎ型不純物について不純物の種類による再拡散抑制の効果を示した。しかしながら、Ｐ型不純物についても同様の効果を期待することができる。Ｐ型不純物の拡散係数は、アルミニウム（Ａｌ）＞ボロン（Ｂ）＞ガリウム（Ｇａ）＞インジウム（Ｉｎ）の順であることが知られている。アルミニウムはイオン注入法が採用できないなど一般的ではないので、具体的には、拡散係数の大きいボロンよりも拡散係数の小さいＰ型不純物を用いると良い。これによれば、高温（３１０℃以上）において、ボロンよりも抵抗値の経時変化を小さくすることができ、３１０℃未満の温度域も含めて、広い温度範囲において、抵抗値の経時変化を抑制することができる。すなわち、拡散係数の小さい不純物ほど、抵抗値の経時変化を小さく（効果的に抑制）することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図１０に基づいて説明する。図１０は、第３実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す模式的な平面図である。

第３実施形態に係る半導体装置は、第１実施形態又は第２実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第１実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。

第１実施形態においては、流量検出部１３０を構成する発熱体１３１，３１２、感温体１３３，１３４、及び繋ぎ配線部１３５が、不純物がドーピングされた単結晶シリコンからなる抵抗体として構成される例を示した。すなわち、物理量を検出する検出部の一部が、単結晶シリコンからなる抵抗体として構成される例を示した。これに対し、本実施形態においては、物理量を検出する検出部の周辺に、検出部とは異なるものとして、第１実施形態、又は、第２実施形態に示した単結晶シリコンからなる抵抗体が形成されている点を特徴とする。その一例を図１０に示す。

図１０に示す半導体装置１００においては、加速度などの物理量を検出する検出部１８０（センサ）が、絶縁層１２０を介して、半導体基板１１０上に形成されている。また、半導体基板１１０上であって、検出部１８０の周辺に、検出部１８０の測定環境の温度を調整する温度調整用の抵抗体（発熱体）として、単結晶シリコン膜１６０に不純物がドーピングされた抵抗体１６１が形成されている。そして、抵抗体１６１の不純物濃度が、第１実施形態に示した値（例えば７×１０^１９ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３未満の範囲内）とされている。

このような構成とすると、抵抗体１６１の抵抗値の経時変化を抑制することができ、長期に亘って、検出部１８０の周辺の温度をほぼ一定に保つことができる。したがって、検出部１８０が温度特性を有していても、検出部１８０の出力を安定化させることができる。

なお、本実施形態においては、抵抗体１６１の不純物濃度を、第１実施形態に示した所定濃度とすることで、抵抗値の経時変化を抑制する例を示した。しかしながら、第２実施形態に示したように、リンよりも拡散係数の小さいＮ型不純物やボロンよりも拡散係数の小さいＰ型不純物を用いることで、抵抗値の経時変化を抑制するようにしても良い。また、不純物濃度と不純物の種類を組み合わせても良い。

また、本実施形態においては、半導体基板１１０の厚さ方向に対して垂直な方向において、検出部１８０の周辺に抵抗体１６１が形成される例を示した。しかしながら、検出部１８０に対する抵抗体１６１の位置は上記例に限定されるものではなく、検出部１８０の周辺であれば良い。例えば、検出部１８０と抵抗体１６１が電気的に絶縁された状態で、半導体基板１１０の厚さ方向に対して垂直な方向の位置を見たときに、検出部１８０の少なくとも一部と抵抗体１６１が重なるように配置された構成としても良い。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態においては、基板としてシリコンからなる半導体基板１１０の例を示した。しかしながら、シリコン基板に限定されるものではない。シリコン基板以外の半導体基板を採用することもできる。また、半導体基板１１０以外にも、ガラス基板などを採用することもできる。

第１実施形態又は第２実施形態においては、物理量を検出する検出部（流量検出部１３０）の一部が、不純物のドーピングされた単結晶シリコンからなる抵抗体とされる例を示した。また、第３実施形態においては、検出部１８０の周辺に配置される温度調整用の抵抗体（発熱体）が、不純物のドーピングされた単結晶シリコンからなる抵抗体１６１とされる例を示した。しかしながら、不純物のドーピングされた単結晶シリコンからなる抵抗体の構成は、上記例に限定されるものではない。基板上に、半導体からなる抵抗体が形成され、抵抗体が不純物のドーピングされた単結晶シリコンからなる半導体装置であれば、第１実施形態に示した不純物濃度及び第２実施形態に示した不純物の種類の少なくとも一方を適用することができる。そして、その結果、上述した効果と同様乃至それに準ずる効果を期待することができる。例えば、流量検出部１３０以外にも、例えばガスの濃度を検出するガスセンサ、加速度を検出する加速度センサ、温度を検出する温度センサ、湿度を検出する湿度センサなどに対しても適用することができる。そして、これらのセンサにおいても、抵抗値の経時変化を抑制することができる。また、抵抗温度係数によっては、感度を向上することもできる。

各温度における経過時間と抵抗変化率との関係を示す図である。 第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図である。 図２のIII-III線に沿う断面図である。 各不純物濃度における経過時間と抵抗変化率との関係を示す図である。 不純物濃度と抵抗変化率との関係を示す図である。 不純物濃度と抵抗温度係数との関係を示す図である。 本実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置の、抵抗変化率を示す図である。 第３実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す模式的な平面図である。

符号の説明

１００・・・半導体装置
１１０・・・半導体基板（基板）
１１１・・・空洞部
１２０・・・絶縁層
１３０・・・流量検出部
１３１，１３２・・・発熱体
１３３，１３４・・・感温体
１３５・・・繋ぎ配線部
１６０・・・単結晶シリコン
１６１・・・抵抗体
１８０・・・検出部

Claims (4)

1. 基板上に、半導体からなる抵抗温度係数２０００ｐｐｍ／℃以上の抵抗体が形成された半導体装置の製造方法であって、
   前記抵抗体を形成する工程として、
   前記基板としての半導体基板上に、絶縁層を介して積層された単結晶シリコンに対して、前記抵抗体の不純物濃度が７×１０^１９ｃｍ^−３以上、１×１０^２０ｃｍ^−３未満の範囲内となるように、不純物としてのリンをイオン注入する注入工程と、
   前記注入工程後、深さ方向において前記単結晶シリコンの不純物濃度が均一となるように熱処理を実施して前記リンを拡散させ、前記抵抗体とする熱処理工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記半導体装置が、流体の流量を検出する流量検出部を有し、
   前記熱処理工程後、前記抵抗体をパターニングして、前記流量検出部を構成する発熱体及び前記発熱体の近傍の温度を感知する感温体を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記熱処理工程では、１０００℃にて２時間の熱処理を実施することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記抵抗体の最高温度が、３１０℃以上であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

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