JP5434037B2 - Manufacturing method of semiconductor sensor and manufacturing method of piezoresistive element - Google Patents
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Description
本発明は、ピエゾ抵抗素子の製造方法に関する。本発明に係るピエゾ抵抗素子は、物理量の変動を検出する半導体センサなどの製造に応用することができ、特に加速度や圧力を検出する半導体センサの製造に応用することができる。 The present invention relates to a method for manufacturing a piezoresistive element. The piezoresistive element according to the present invention can be applied to manufacture of a semiconductor sensor or the like that detects a change in physical quantity, and can be applied particularly to manufacture of a semiconductor sensor that detects acceleration or pressure.
半導体の加工の一手法として、ボロン(元素記号:B)やリン(元素記号:P)などの不純物を半導体に拡散する手法がある。不純物の拡散により、例えば、トランジスタなどの能動素子やピエゾ抵抗素子などの抵抗素子を形成することができる。この結果として種々の半導体製品を製造することができる。半導体製品の中には、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の技術を応用した半導体センサが含まれる(例えば、特許文献1参照。)。 As one method of processing a semiconductor, there is a method of diffusing impurities such as boron (element symbol: B) and phosphorus (element symbol: P) into the semiconductor. By diffusion of impurities, for example, an active element such as a transistor or a resistance element such as a piezoresistive element can be formed. As a result, various semiconductor products can be manufactured. Semiconductor products include semiconductor sensors that apply MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology (see, for example, Patent Document 1).
不純物を半導体に拡散する方法は、主にイオン注入法と熱拡散法とに分類される。イオン注入法は、拡散する不純物の原子あるいは分子をイオン化して数MeVのエネルギーを与えて加速し、半導体に打ち込む技術である。この方法は、イオン注入の量及びイオン注入の深さなどの制御を正確に行うことができ、拡散のばらつきを少なくすることができる。しかし、イオン注入を行うための装置は非常に高価であり、半導体製品の製造コストの増大を招く。また、数MeVのエネルギーを持ったイオンを半導体に打ち込むため、イオンと半導体を構成する原子とが衝突することにより、半導体の結晶に損傷が発生し、結晶欠陥を招く。このため、加速度や圧力などを物理的な変位で検出するセンサ素子の製造にイオン注入法を用いることは、センサ素子の強度の劣化の原因となる。このため信頼性や安定性が低下する(例えば、非特許文献1参照。)。 Methods for diffusing impurities into semiconductors are mainly classified into ion implantation methods and thermal diffusion methods. The ion implantation method is a technique in which atoms or molecules of impurities to be diffused are ionized to give energy of several MeV and accelerated to be implanted into a semiconductor. This method can accurately control the amount of ion implantation, the depth of ion implantation, and the like, and can reduce variations in diffusion. However, an apparatus for performing ion implantation is very expensive and causes an increase in manufacturing cost of semiconductor products. Further, since ions having an energy of several MeV are implanted into the semiconductor, the ions collide with the atoms constituting the semiconductor, so that the semiconductor crystal is damaged and crystal defects are caused. For this reason, using an ion implantation method for manufacturing a sensor element that detects acceleration, pressure, and the like by physical displacement causes deterioration in the strength of the sensor element. For this reason, reliability and stability are reduced (for example, see Non-Patent Document 1).
一方、熱拡散法は、BやPなどを含む不純物源を半導体に曝し、半導体の表面近傍に不純物が拡散された層を作り、その後に熱処理を行うことにより、表面近傍に拡散された不純物を半導体の内部に移動させて不純物をさらに拡散し、拡散領域を形成する技術である。熱拡散法では、イオン注入を行うための装置のような高価な装置は必要としない点で、製造コストの面では、イオン注入法よりも有利である。しかし、不純物源を半導体に曝す際には、半導体の表面に拡散される不純物の濃度を固溶限以下に制御することはほぼ不可能であった。このため、熱処理によって形成された拡散領域の表面の不純物の濃度は高濃度にならざるを得なかった。 On the other hand, in the thermal diffusion method, an impurity source containing B, P, or the like is exposed to a semiconductor, a layer in which the impurity is diffused is formed near the surface of the semiconductor, and then a heat treatment is performed to remove the impurity diffused near the surface. In this technique, impurities are further diffused by being moved into the semiconductor to form a diffusion region. The thermal diffusion method is more advantageous than the ion implantation method in terms of manufacturing cost in that an expensive apparatus such as an apparatus for performing ion implantation is not required. However, when the impurity source is exposed to the semiconductor, it has been almost impossible to control the concentration of the impurity diffused on the surface of the semiconductor below the solid solubility limit. For this reason, the concentration of impurities on the surface of the diffusion region formed by the heat treatment has to be high.
例えば、特許文献3では、半導体加速度センサのピエゾ抵抗素子を形成する際、半導体基板を拡散炉の中に配置し、1000〜1200℃の雰囲気中でBを供給することが開示されている。このようにして形成されるピエゾ抵抗素子の拡散領域の表面付近における不純物濃度は、1×1020atms/cm3を越えてしまう。しかし、特許文献2に開示されているように、温度に対する特性変化の小ささや抵抗値の大きさの観点からピエゾ抵抗素子として好ましい不純物濃度は1×1018atms/cm3であり、1×1020atms/cm3より低い値であることが知られている。
For example,
本発明は、熱拡散法を用いて不純物を半導体の内部に拡散した後の不純物の表面濃度を低濃度に制御した半導体センサの製造方法、ピエゾ抵抗素子の製造方法などを提供する。 The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor sensor, a method for manufacturing a piezoresistive element, and the like in which the surface concentration of the impurity is controlled to be low after the impurity is diffused into the semiconductor using a thermal diffusion method.
本発明の一実施形態として、開口を有するマスクを半導体基板に形成し、その開口により露出する半導体基板を不純物源に曝して不純物拡散層を形成し、その不純物拡散層の酸化により不純物含有酸化物層を形成し、その不純物含有酸化物層の少なくとも一部を除去し、不純物含有酸化物層の除去後の不純物拡散層の不純物を半導体基板の内部に拡散してピエゾ抵抗素子を形成する拡散領域を形成し、ピエゾ抵抗素子を含む可撓部と、前記可撓部に連結したフレーム部と、を形成することを特徴とする半導体センサの製造方法を提供する。 As one embodiment of the present invention, a mask having an opening is formed on a semiconductor substrate, the semiconductor substrate exposed through the opening is exposed to an impurity source to form an impurity diffusion layer, and the impurity-containing oxide is formed by oxidizing the impurity diffusion layer. A diffusion region for forming a piezoresistive element by forming a layer, removing at least a part of the impurity-containing oxide layer, and diffusing impurities in the impurity diffusion layer after removing the impurity-containing oxide layer into the semiconductor substrate And a flexible part including a piezoresistive element and a frame part connected to the flexible part are formed.
不純物拡散層を酸化して不純物含有酸化物層し、不純物含有酸化物層を除去してから不純物拡散層の不純物を半導体基板の内部に拡散するので、熱拡散法を用いていても、不純物の表面濃度を低濃度に制御することができる。 The impurity diffusion layer is oxidized to form an impurity-containing oxide layer, and after removing the impurity-containing oxide layer, the impurities in the impurity diffusion layer are diffused into the semiconductor substrate. The surface concentration can be controlled to a low concentration.
また、不純物含有酸化物層を形成する温度が、前記ピエゾ抵抗素子を形成する温度より低くなっていてもよい。これにより、不純物含有酸化物層を形成する際に、半導体基板の内部に拡散する不純物量が多くなることを抑制できる。 The temperature for forming the impurity-containing oxide layer may be lower than the temperature for forming the piezoresistive element. Thereby, when forming an impurity containing oxide layer, it can suppress that the amount of impurities diffused inside a semiconductor substrate increases.
例えば、不純物含有酸化物層を形成する温度は、750℃以上800℃以下であり、拡散領域を形成する温度は、900℃以上1100℃以下とすることができる。750℃より低いと不純物含有酸化物層の形成が促進されず、また、800℃より高いと、不純物が半導体基板の内部に拡散する量が多くなってしまう。また、900℃より低いと、拡散領域の形成が促進されず、1100℃より高いと不純物が半導体基板の内部に拡散する量が多くなり、表面の不純物濃度が低くなる可能性がある。 For example, the temperature for forming the impurity-containing oxide layer can be 750 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, and the temperature for forming the diffusion region can be 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower. When the temperature is lower than 750 ° C., formation of the impurity-containing oxide layer is not promoted, and when the temperature is higher than 800 ° C., the amount of impurities diffused into the semiconductor substrate increases. When the temperature is lower than 900 ° C., the formation of the diffusion region is not promoted. When the temperature is higher than 1100 ° C., the amount of impurities diffused into the semiconductor substrate increases, and the impurity concentration on the surface may be lowered.
また不純物源は、三臭化ホウ素であり、不純物拡散層は、700℃以上900℃以下の温度にて形成されてもよい。三臭化ホウ素は気体であるので、拡散炉へのガス供給を制御することで、不純物拡散層の形成と不純物含有酸化物の形成とを連続して行える。また、700℃より低い温度であると、不純物拡散層の形成に時間を要し、また、900℃より高い温度であると、不純物が半導体基板の内部に拡散してしまうので、700℃以上900℃以下で不純物拡散層を形成するのがよい。 The impurity source may be boron tribromide, and the impurity diffusion layer may be formed at a temperature of 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. Since boron tribromide is a gas, the impurity diffusion layer and the impurity-containing oxide can be formed continuously by controlling the gas supply to the diffusion furnace. If the temperature is lower than 700 ° C., it takes time to form the impurity diffusion layer. If the temperature is higher than 900 ° C., impurities diffuse into the semiconductor substrate. It is preferable to form the impurity diffusion layer at a temperature not higher than ° C.
また、拡散領域の表面の不純物濃度は、1×1017atms/cm3以上1×1019atms/cm3以下であってもよい。これにより、拡散領域を用いて抵抗値、温度変化特性が良好なピエゾ抵抗素子を形成することができる。 The impurity concentration on the surface of the diffusion region may be 1 × 10 17 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less. Thereby, a piezoresistive element having a good resistance value and temperature change characteristics can be formed using the diffusion region.
本発明により、熱拡散法を用いて半導体の内部に拡散された不純物の表面濃度を低濃度に制御することができる。これにより、温度特性の良好なピエゾ抵抗素子を安価に製造することができる。この結果、良好な温度特性を有するピエゾ抵抗素子を用いた半導体センサの製造コストを小さくすることができる。したがって、加速度や圧力などを物理的な変位で検出するセンサ素子として好適に用いることができる。 According to the present invention, it is possible to control the surface concentration of impurities diffused into the semiconductor using a thermal diffusion method to a low concentration. Thereby, a piezoresistive element with good temperature characteristics can be manufactured at low cost. As a result, the manufacturing cost of a semiconductor sensor using a piezoresistive element having good temperature characteristics can be reduced. Therefore, it can be suitably used as a sensor element that detects acceleration, pressure, and the like by physical displacement.
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施形態及び実施例として図を参照しながら説明を行う。なお、本発明は下記の実施形態及び実施例に限られることはなく、拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態及び実施例も本発明の要旨に含まれる。 The best mode for carrying out the present invention will be described below as embodiments and examples with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments and examples, and can be expanded and modified. The expanded and modified embodiments and examples are also included in the gist of the present invention.
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1における半導体の処理手順の一例を表すフローチャートである。また、図2は、処理対象の半導体として半導体基板などを用いた場合の図1の各ステップでの半導体の状態を表す断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a flowchart showing an example of a semiconductor processing procedure according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the state of the semiconductor in each step of FIG. 1 when a semiconductor substrate or the like is used as the semiconductor to be processed.
(半導体の準備)
図2(A)は、半導体201の断面を示す。半導体201に対して、本発明の実施形態1に係る処理が施される。図1の処理手順を行うことにより、最終的には、半導体201の上面から所定の内部までの領域に拡散領域が形成される。少なくとも半導体201の上面はシリコンである。半導体201はシリコンの単結晶であってもよい。あるいは、半導体は複数の層からなる積層構造を有する半導体基板の最上層であってもよい。例えば、その半導体基板は、上面より、シリコン、酸化シリコン、シリコンが積層されているSOI(Silicon on Insulator)基板となっていてもよい。また、その半導体基板は、ガラス基板の上にシリコンが形成されたものであってもよい。なお、半導体201の厚さや大きさは特に限定されず、用途や、機能などに応じて任意に選択することができる。また、半導体201には、トランジスタなどの素子が既に形成された状態となっていてもよい。拡散領域が形成されるべき半導体における位置、範囲がマスクなどによって定められていてもよい(後述の実施形態2、3参照)。
(Preparation of semiconductor)
FIG. 2A shows a cross section of the
(不純物拡散層の形成)
ステップS101の処理として、不純物源を半導体201の少なくとも上面に曝し、不純物拡散層を形成する。この場合、加温環境にて拡散をすることにより、不純物拡散層の形成に要する時間を短縮することができる。不純物源を半導体201の表面に曝すには、不純物を含む化合物を溶媒などに溶解した液体をスピンコートなどにより半導体201の表面に塗布した後、拡散炉の中に配置する。そして拡散炉の中の温度を上げる。あるいは、液体を塗布するかわりに、拡散炉の中に、不純物を含む固体を半導体の表面に接するなど近傍に配置してもよい。また、半導体201の表面に不純物の塗布などの加工を行わずに、不純物を含む気体を拡散炉に供給してもよい。不純物としてボロンを用いる場合には、不純物を含む気体としては、BBr3(三臭化ホウ素)を用いることができる。また、他の不純物として、リンや砒素などを用いることができる。
(Formation of impurity diffusion layer)
As the processing in step S101, the impurity source is exposed to at least the upper surface of the
不純物源としてBBr3を用いる場合には、拡散炉の中の温度を700℃以上900℃以下の範囲にするとよい。温度が700℃未満であると不純物拡散層の形成に長い時間を要し、また、温度900℃を越える高温であると、ボロンが半導体内部に拡散し、最終的に形成される拡散領域のボロン濃度が高くなるからである。BBr3の流量は1分あたり28ミリグラム以上110ミリグラム以下とすることができる。また、必要に応じて、他の気体、例えば、N2(窒素)とO2(酸素)との何れか一以上を混合してもよい。例えば、N2を5slm(standard liter per minute)以上20slm以下の流量で拡散炉の中に導入し、O2を0sccm(standard cubic centimeter per minute)以上270sccm以下の流量で導入する。半導体を不純物源に曝す時間は5分以上60分以下の長さとすることができる。
When BBr 3 is used as the impurity source, the temperature in the diffusion furnace is preferably in the range of 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. If the temperature is lower than 700 ° C., it takes a long time to form the impurity diffusion layer. If the temperature is higher than 900 ° C., boron diffuses into the semiconductor, and boron is finally formed in the diffusion region. This is because the concentration becomes high. The flow rate of BBr 3 can be 28 milligrams or more and 110 milligrams or less per minute. If necessary, other gases, for example, may be mixed with any one or more of
以上の処理により、半導体の上面に不純物が堆積する。図2(B)は、半導体201の上面に不純物が堆積し、層202が形成された状態を示す。その層202の半導体201から離れたところには専ら不純物が存在するが、層202と半導体201との境界に近づくにつれ、半導体原子と不純物とが結合している頻度が増加する。すなわち、半導体原子と不純物とが拡散した状態が得られ、不純物拡散層が形成される。例えば、不純物としてボロンが用いられる場合には、層202の上面でのボロン濃度は、3.5×1022atms/cm3程度となり、層202と半導体201との境界でのボロン濃度は、半導体201としてシリコンが用いられる場合には、固溶限の2.5×1021atms/cm3程度となる。なお、層202と半導体201との境界でのシリコン濃度は5×1022atms/cm3程度となる。また層202と半導体201との境界からボロン濃度が3.5×1022atms/cm3程度となるまでの距離は、条件に依存するが、通常50nm以下となる。層202の部分うち、半導体201との境界からボロン濃度が上述の3.5×1022atms/cm3程度となるまでの部分を不純物拡散層という。
Through the above processing, impurities are deposited on the upper surface of the semiconductor. FIG. 2B shows a state in which impurities are deposited on the upper surface of the
図2(b)は、図2(B)に示される状態において、層202のうち不純物拡散層の表面からの深さに応じた不純物濃度の変化を示すグラフ(ボロンプロファイル)である。半導体201を拡散炉の中で不純物に曝すことにより、上述したように、不純物拡散層の上面ではボロン濃度は1×1020atms/cm3を越える。また、不純物拡散層の上面から半導体201の内部に向かうにつれ、急激に不純物濃度は減少する。
FIG. 2B is a graph (boron profile) showing a change in impurity concentration according to the depth from the surface of the impurity diffusion layer in the
O2の存在下ではステップS101の条件によっては、不純物拡散層の上に、ボロンシリケートガラス(B2O3+SiO2)が形成される場合もある。 In the presence of O 2 , boron silicate glass (B 2 O 3 + SiO 2 ) may be formed on the impurity diffusion layer depending on the conditions of step S101.
(不純物含有酸化物層の形成)
ステップS102の処理として、不純物拡散層を酸化する。例えば、拡散炉の中での加温環境にて、O2を所定流量で供給する。例えば、5slm以上20slm以下の流量とする。また必要に応じて、N2により希釈を行ってもよい。なお、不純物が半導体の内部への拡散しないようにするために、拡散炉の中の温度は、それほど高温としないのが好ましい。例えば、後述のステップS104の処理よりも低温とし、750℃以上800℃以下とする。酸化の処理の時間長は、30分以上150分以下程度の時間とする。750℃より低いと、酸化に時間を要し不純物が拡散し、また、800℃より高くても拡散が進むからである。
(Formation of impurity-containing oxide layer)
As a process of step S102, the impurity diffusion layer is oxidized. For example, O 2 is supplied at a predetermined flow rate in a heating environment in a diffusion furnace. For example, the flow rate is 5 slm or more and 20 slm or less. If necessary, it may be performed diluted with N 2. In order to prevent the impurities from diffusing into the semiconductor, the temperature in the diffusion furnace is preferably not so high. For example, the temperature is lower than that in step S104, which will be described later, and is set to 750 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. The time length of the oxidation treatment is about 30 minutes to 150 minutes. This is because if the temperature is lower than 750 ° C., it takes time to oxidize and impurities diffuse, and if the temperature is higher than 800 ° C., the diffusion proceeds.
ステップS102の処理により、層202が酸化される。この結果、不純物拡散層に、半導体酸化物により構成され不純物を含む不純物含有酸化物層が形成される。一般的に不純物含有酸化物層は、不純物拡散層の上面に形成される。また、不純物含有酸化物層には、不純物が高濃度(一般的には1×1020atms/cm3以上、特に1×1021atms/cm3以上)に含まれる。なお、ステップS102の熱処理はステップS101と同じ拡散炉の中で行ってもよいし、異なる拡散炉の中で行ってもよい。同じ拡散炉の中で行う方が、半導体201の移動などを行う必要がない。したがって、全体の処理に要する時間を短縮することができる。なお、同じ拡散炉の中で行う場合には、ステップS102の処理においては不純物源が拡散炉の中にないようにする。図2(C)は、不純物拡散層202の上面に不純物含有酸化物層203が形成された状態を示している。図2(b)に示されるように、図2(B)における不純物拡散層202の上面での不純物濃度が高い。そのような図2(B)における不純物拡散層202の上面に酸化の処理を行ったので、一般的に、不純物含有酸化物層203の不純物濃度は、不純物含有酸化物層203以外の不純物拡散層202の不純物濃度よりも高くなる。
The
(不純物含有酸化物層の除去)
ステップS103の処理として、ステップS102で形成された不純物含有酸化物層の少なくとも一部の除去を行う。不純物含有酸化物層の除去はエッチングによって行う。最終的な不純物拡散層での不純物濃度を低く制御するためには、不純物含有酸化物層を全て除去するのが好ましい。ただし、エッチングの条件によっては、不純物含有酸化物層が一部残る場合もある。なお、エッチングはドライエッチングやウェットエッチングを適宜選択して行うことができる。例えば、ウェットエッチングを行うのであれば、拡散炉から半導体を取り出し、3%のHF液により10分間処理を行う。HF液を用いれば、ボロンシリケートガラスが形成されていても除去することができる。図2(D)は、図2(C)に示された不純物含有酸化物層203を除去した後の半導体201の断面を示す。
(Removal of impurity-containing oxide layer)
As a process of step S103, at least a part of the impurity-containing oxide layer formed in step S102 is removed. The impurity-containing oxide layer is removed by etching. In order to control the impurity concentration in the final impurity diffusion layer to be low, it is preferable to remove all of the impurity-containing oxide layer. However, part of the impurity-containing oxide layer may remain depending on etching conditions. Etching can be performed by appropriately selecting dry etching or wet etching. For example, if wet etching is performed, the semiconductor is taken out of the diffusion furnace and treated with 3% HF solution for 10 minutes. If HF liquid is used, even if boron silicate glass is formed, it can be removed. FIG. 2D illustrates a cross section of the
(不純物の拡散のための熱処理)
ステップS104の処理として、半導体の熱処理(ドライブイン拡散処理)を行う。半導体201を拡散炉の中に配置し900℃以上1100℃以下に加温し、3時間程度の数時間置く。この場合、O2の流量を5slm以上20slm以下とし、必要に応じてN2により希釈を行ってもよい。これにより拡散領域204が形成される。この場合の拡散炉は、ステップS101、S102で使用したのと同じ拡散炉であってもよい。あるいは、異なる拡散炉であってもよい。同じ拡散炉を用いる場合には、不純物源がない状態でステップS104の処理を行う。この熱処理により、不純物が半導体201の内部にさらに拡散(drive in)される。これにより、不純物拡散層が形成された半導体の表面の不純物の濃度が小さくなる。図2(E)は、図2(D)の半導体201を熱処理した後の半導体201の断面を示す。図2(D)の不純物拡散層202の厚さが大きくなり、不純物の濃度が低下する。これにより、拡散領域204が半導体201の表面に形成される。図2(e)は、図2(E)に示される状態におけるボロンプロファイルの一例を示す。ステップS102での不純物含有酸化物層203の形成、ステップS104での熱処理の条件を適切に設定することにより、拡散領域204の表面の不純物濃度を制御することができる。この結果、図2(e)に示すように1×1019atms/cm3以下1×1017atms/cm3以上に制御することができる。したがって、ピエゾ抵抗素子として好ましい表面の不純物濃度である1×1018atms/cm3に制御可能である。
(Heat treatment for impurity diffusion)
As the processing in step S104, semiconductor heat treatment (drive-in diffusion processing) is performed. The
(表面のエッチング)
なお、ステップS104の処理が酸素の存在下で行われると、不純物拡散層の表面に、酸化物が形成される。この酸化物には不純物が含まれ、製品製造後などに不純物が半導体内部にさらに拡散し、抵抗値などの変化をもたらす可能性がある。そこで、この酸化物をエッチング処理により取り除いてもよい。例えば、3%のHF液により5分間処理を行う
(Surface etching)
Note that when the process of step S104 is performed in the presence of oxygen, an oxide is formed on the surface of the impurity diffusion layer. This oxide contains an impurity, and the impurity may further diffuse into the semiconductor after the manufacture of the product or the like, resulting in a change in resistance value or the like. Therefore, this oxide may be removed by etching. For example, the treatment is performed with 3% HF solution for 5 minutes.
不純物含有酸化物層203には、不純物が高濃度に含まれていたので、不純物含有酸化物層203の除去により、半導体基板201に含まれる不純物の総量は減少することになる。そして、ステップS104の処理としてドライブイン拡散処理が行われるので、不純物が拡散する範囲が拡大し、濃度が下がる。したがって、本発明においては、各ステップの処理時間、温度、ガスの流量などの条件を適切に選択することにより、不純物拡散層の厚さ、不純物含有酸化物層の厚さ、ドライブイン拡散処理による不純物が拡散する範囲の拡大の程度を適切に選択することにより、不純物拡散層204の表面の不純物濃度を調節することができる。
Since the impurity-containing
(実施例1)
図3は、本願発明者が、不純物としてボロンを用いて本発明の実施形態1に係る半導体基板の主面側の半導体に対して処理を行った際の条件の一例を示す。ステップS101での不純物拡散層の形成においては、拡散炉の中を875℃の温度に設定し58分間、半導体基板を、不純物源であるBBr3に曝した。BBr3の流量は110mg/分とし、O2の流量は13sccm、N2の流量は6.75slmとした。また、ステップS102での不純物含有酸化物層の形成においては、150分の間、O2の流量を10slmとし800℃の温度を維持した。また、ステップS103での不純物の拡散のための熱処理においては、360分の間、O2の流量を10slmとして1000℃の温度を維持した。
Example 1
FIG. 3 shows an example of conditions when the inventor of the present application processes a semiconductor on the main surface side of the semiconductor substrate according to
図4は、図3の条件で半導体の処理を行い、不純物の拡散のための熱処理により酸化された表面部分を取り除いた後のボロンプロファイルをSRP(Spread Resistance Profile)法を用いて得られた結果を示す。図4に示すように、半導体の表面でのボロンの濃度は、3.93×1017atms/cm3となった。したがって、本実施例での条件で半導体を処理することにより、ピエゾ抵抗素子として好適な不純物濃度を得ることができることがわかる。なお、半導体の表面から内部に行くにつれてボロンの濃度はやや増加し、表面から約0.3μmで最大値をとった後、ならだかに減少し、その後急減少し、1.39μmで最小となった。 FIG. 4 shows a result obtained by using a SRP (Spread Resistance Profile) method to obtain a boron profile after removing a surface portion oxidized by a heat treatment for diffusion of impurities under the conditions of FIG. Indicates. As shown in FIG. 4, the concentration of boron on the surface of the semiconductor was 3.93 × 10 17 atoms / cm 3 . Therefore, it can be seen that an impurity concentration suitable for a piezoresistive element can be obtained by processing a semiconductor under the conditions in this embodiment. The boron concentration slightly increased from the surface of the semiconductor to the inside, and after reaching a maximum value at about 0.3 μm from the surface, it gradually decreased, then decreased rapidly, and reached a minimum at 1.39 μm. .
(実施形態1の効果)
以上のように、本発明の実施形態1においては、熱拡散を用いて半導体の表面における不純物濃度が1×1019atms/cm3以下1×1017atms/cm3、特に1×1018atm/cm3程度となるように拡散することが可能となる。従来においては、このような濃度の拡散には、イオン注入を用いて注入されるイオンの量を精密に制御する必要であった。しかし、本発明の実施形態1においては、イオン注入を用いる必要が無いので、結晶欠陥の発生を抑制することができる。また、イオン注入のための特別な装置が不要であるので、処理のコストを削減することができる。
(Effect of Embodiment 1)
As described above, in the first embodiment of the present invention, the impurity concentration on the surface of the semiconductor is 1 × 10 19 atms / cm 3 or less, 1 × 10 17 atms / cm 3 , particularly 1 × 10 18 atm using thermal diffusion. It becomes possible to diffuse so as to be about / cm 3 . Conventionally, diffusion of such a concentration requires precise control of the amount of ions implanted using ion implantation. However, in
(実施形態2)
実施形態1では、拡散領域が形成される範囲を限定することについて特に言及しなかった。実施形態2では、拡散領域が形成される範囲を限定し、ピエゾ抵抗素子などを形成する領域を限定する場合について説明する。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, no particular mention is made of limiting the range in which the diffusion region is formed. In the second embodiment, a case where a region where a diffusion region is formed is limited and a region where a piezoresistive element or the like is formed is limited will be described.
図5は、ピエゾ抵抗素子を形成する方法について説明するための図である。この図に従って説明を行う。 FIG. 5 is a diagram for explaining a method of forming a piezoresistive element. The description will be given according to this figure.
(拡散用マスクの形成)
図5(A)は、拡散用マスクの形成後の半導体基板の断面を示す図である。シリコン単結晶基板やSOI基板などの半導体基板1を準備する。半導体基板1の主面側に開口部を有する拡散用マスク2を形成する。拡散用マスク2の材料としては、例えばSiO2、SieN4がある。これらの材料を半導体基板1の主面の側全体にCVD(Chemical Vapor Deposition)法などを用いて均一の厚さに堆積させ、1層あるいは複数層を形成する。その後、その上にフォトレジストを塗布する。そして、パターンの露光を行い、現像処理の後、エッチングを行ってパターンを拡散用マスク2に転写してパターニングを行う。
(Diffusion mask formation)
FIG. 5A is a view showing a cross section of the semiconductor substrate after the formation of the diffusion mask. A
(不純物拡散層の形成)
図5(B)は、半導体基板1の主面の側を不純物源に曝し、不純物拡散層3が拡散用マスク2の開口部に形成された状態の半導体基板1の断面を示す図である。すなわち、拡散用マスク2の存在下で、図1のステップS101の処理を行った後の状態を示している。図2(b)と同様に、不純物拡散層3においては、半導体基板の厚さ方向に対する不純物濃度は、表面において高くなるが表面から内部に行くに従って急激に減少する。
(Formation of impurity diffusion layer)
FIG. 5B is a view showing a cross section of the
(不純物含有酸化物層の形成)
図5(C)は、不純物拡散層3を形成した半導体基板1にO2を供給しながら熱処理を行い、不純物拡散層3の表面に不純物含有酸化物層4が形成された状態の半導体基板1の断面を示す図である。すなわち、拡散用マスク2の存在下で、図1のステップS102の処理を行った後の状態を示している。
(Formation of impurity-containing oxide layer)
FIG. 5C shows a
(不純物含有酸化物層の除去)
次に、不純物含有酸化物層4を除去する。すなわち、図1のステップS103の処理を行う。例えば、LALエッチング溶液などを用いるウェットエッチングにより、不純物含有酸化物層4を除去する。なお、不純物含有酸化物層4を除去した後に、あるいは、不純物含有酸化物層4を除去する前に、拡散用マスク2を除去してもよい。不純物含有酸化物層4は、拡散用マスク2の開口部分に形成されているので、拡散用マスク2で覆われている部分がエッチングされないようにするためには、不純物含有酸化物層4を除去した後に拡散用マスク2を除去するのがよい。あるいは、拡散用マスク2は、次に説明する「不純物の拡散のための熱処理」の後に除去してもよい。
(Removal of impurity-containing oxide layer)
Next, the impurity-containing
(不純物の拡散のための熱処理)
不純物含有酸化物層4を除去した後、熱処理を行って不純物を半導体基板の内部へさらに拡散させる。すなわち、図1のステップS104の処理を行う。
(Heat treatment for impurity diffusion)
After removing the impurity-containing
(表面のエッチング)
図5(D)は、ピエゾ抵抗素子5が半導体基板1の表面の所定の領域に形成された状態の半導体基板1の断面を示す図である。この状態は、不純物の拡散のための熱処理の後に、拡散用マスク2が残っていればそれを除去する。また、不純物拡散層3の表面が、熱処理により酸化されていれば、その除去も必要に応じて行うことにより得られる。実施形態1において説明したように、ピエゾ抵抗素子5における不純物の濃度は1×1019atms/cm3以下1×1017atms/cm3以上に制御することが可能である。特に1×1018atms/cm3程度にすることができる。
(Surface etching)
FIG. 5D is a view showing a cross section of the
(実施形態2の効果)
以上のように、本発明の実施形態2においては、熱拡散を用いて不純物を拡散して不純物の濃度が拡散領域の表面において1×1019atms/cm3以下1×1017atms/cm3以上となるピエゾ抵抗素子を形成することができる。特にイオン注入を行う必要がないので、廉価にピエゾ抵抗素子を形成することが可能となる。また、結晶欠陥の発生も抑制でき、MEMS分野の素子として用いるのに適している。
(Effect of Embodiment 2)
As described above, in the second embodiment of the present invention, the impurity is diffused using thermal diffusion, and the impurity concentration is 1 × 10 19 atms / cm 3 or less at the surface of the diffusion region, 1 × 10 17 atms / cm 3. A piezoresistive element as described above can be formed. In particular, since it is not necessary to perform ion implantation, a piezoresistive element can be formed at a low cost. In addition, generation of crystal defects can be suppressed, which is suitable for use as an element in the MEMS field.
(実施形態3)
本発明の実施形態2で説明したように形成されるピエゾ抵抗素子は、種々のセンサに使用することができる。そのようなセンサとしては、例えば、加速度センサ、圧力センサなどが挙げられる。実施形態3では、そのようなピエゾ抵抗素子を用いるセンサのうち、加速度センサを例に用いて説明を行う。加速度センサは、例えば、ハードディスクドライブの検出落下、携帯電話などの電子機器の傾き、移動やゲーム機のスティックに対する操作の検出、車の加速度を検出してエアバッグの作動をさせたりするのに用いられる。特に車などの専ら屋外に置かれる機械装置などに加速度センサが用いられる場合には、気温変化の影響を受ける。このため、ピエゾ抵抗素子の温度特性が劣る場合には、温度補償が必要となる。一方、実施形態2に係る製造方法により製造されるピエゾ抵抗素子においては、不純物濃度を低濃度に制御することができるので、温度特性を良好にすることができ、温度補償回路を不要としたり、回路の簡易化などにより面積の縮小をしたりすることができる。
(Embodiment 3)
The piezoresistive element formed as described in
(加速度センサの構造)
図6は、加速度センサの全体斜視図である。図6に示されるように、加速度センサ10は、略直方体である。加速度センサ10は、半導体基板からなるセンサ本体20と、ガラスなどからなる支持基板30により構成されている。図6では加速度センサの面内に直交する2軸(X軸とY軸)を設定し、この2軸に垂直な方向をZ軸と定めている。センサ本体20はSOI基板110を用いて構成されている。センサ本体20は、シリコン膜120、シリコン酸化膜130、シリコン基板140が順に積層して構成されている。そして開口を有するフレーム(フレーム部121およびフレーム部141)内に重錘体(錘部142)が配置され、この重錘体をフレームに対して可撓性を有する梁(可撓部123)によって支持して構成されている。支持基板30はセンサ本体20を支持する台座としての機能と、重錘体の下方(Z軸負方向)への過剰な変位を規制するストッパ基板としての機能を併せもっている。センサ本体20をパッケージ基板などへ直接実装する場合には、支持基板30は必要ではないことがある。
(Acceleration sensor structure)
FIG. 6 is an overall perspective view of the acceleration sensor. As shown in FIG. 6, the
図7は加速度センサの分解斜視図である。シリコン膜120は、固定されたフレーム部121(フレーム上部)と、フレーム部121内に配置された錘接合部122と、フレーム部121と錘接合部122とを接続する2対(計4本)の可撓部123を備えている。フレーム部121、錘接合部122、可撓部123は開口124によって画定されている。フレーム部121はシリコン酸化膜130を介してフレーム部141(フレーム下部)と接合されている。また、錘接合部122はシリコン酸化膜130を介して略クローバー形状の錘部142と接合されている。錘部142はフレーム部141の内壁と離間して配置されている。
FIG. 7 is an exploded perspective view of the acceleration sensor. The
支持基板30は例えば、ガラスなどからなる。ガラスである場合には、センサ本体20と陽極接合により接合することができる。支持基板はガラスに限定されず、金属(ステンレス、Fe−36%Ni合金からなるインバーなど)、絶縁性樹脂、Siなどの半導体を用いることができる。接合方法として、直接接合、共晶接合、接着剤による接着などから適宜選択することができる。また、支持基板30を設けずに、センサ本体20を直接実装基板やパッケージ基板に搭載させることも可能である。
The
図8は加速度センサの平面図及び断面図である。図8(A)は加速度センサ本体の平面図であり、4本の可撓部123上には3軸(XYZ)方向の加速度を検出するためのピエゾ抵抗素子Rx〜Rzが配設されている。ピエゾ抵抗素子は、可撓部123がフレーム部121および錘接合部122と接続する領域に配置されている。図面ではX軸に沿った方向に配置した1対の可撓部に、X方向およびZ方向の加速度を検出するためにピエゾ抵抗素子Rx1〜Rx4およびRz1〜Rz4が配置される。一方、Y軸に沿った方向に配置した1対の可撓部にY方向の加速度を検出するためのピエゾ抵抗素子Ry1〜Ry4が配置されている。なお、Y軸に沿った方向に配置した1対の可撓部にピエゾ抵抗素子Rz1〜Rz4を配置してもよい。
FIG. 8 is a plan view and a cross-sectional view of the acceleration sensor. FIG. 8A is a plan view of the acceleration sensor main body, and piezoresistive elements Rx to Rz for detecting acceleration in the three-axis (XYZ) directions are arranged on the four
図8(B)はセンサ本体のX−X断面に沿う断面図であり、錘部142の下面はフレーム部141の下端から離れており、ガラス基板との間にギャップが形成される。これにより、ガラス基板3との間にギャップによりZ軸の方向に一定量の変位が可能なように設定されている。図8(C)はセンサ本体のY−Y断面に沿う断面図であり、可撓部123は可撓性をもった自立薄膜である。
FIG. 8B is a cross-sectional view of the sensor main body along the XX cross section. The lower surface of the
なお、図6〜図8には、複数本の梁状の可撓部により重錘体を支持した構造の加速度センサが示されているが、このような構造にすることは必須ではない。例えば、加速度センサは、重錘体部が薄肉ダイアフラム状の可撓部に支持される構造となっていてもよい。図12は、そのような構造の加速度センサの構造の一例を示している。図12(A)は、加速度センサの上面図である。図12(B)は、加速度センサの断面図であり、X−X断面、Y−Y断面、あるいはZ−Z断面による断面を示している。図12に示されるように、中央に配置した錘部142を薄肉ダイアフラム状の可撓部123によりフレーム部121と連結する構造となっている。ダイアフラム上の可撓部123にピエゾ抵抗素子Rが配置され、重錘体の変位による可撓部123の撓みがピエゾ抵抗素子Rの抵抗変化として検出される。
6 to 8 show an acceleration sensor having a structure in which a weight body is supported by a plurality of beam-like flexible portions, such a structure is not essential. For example, the acceleration sensor may have a structure in which the weight body portion is supported by a thin diaphragm-like flexible portion. FIG. 12 shows an example of the structure of the acceleration sensor having such a structure. FIG. 12A is a top view of the acceleration sensor. FIG. 12B is a cross-sectional view of the acceleration sensor, and shows a cross section by an XX cross section, a YY cross section, or a ZZ cross section. As shown in FIG. 12, the
図9はピエゾ抵抗素子の詳細を説明する図面であり、図9(A)として平面図を示し、図9(B)として断面図(A−A断面)を示している。ピエゾ抵抗素子Rは、シリコン膜120にB(ボロン)やP(リン)などの不純物を拡散して形成したピエゾ抵抗素子である。すなわち、実施形態2において説明した手順で形成されたピエゾ抵抗素子である。可撓部123とフレーム部121の境界、および可撓部123と錘接合部122の境界近傍に配置されている。
FIG. 9 is a diagram for explaining the details of the piezoresistive element. FIG. 9A shows a plan view, and FIG. 9B shows a cross-sectional view (A-A cross section). The piezoresistive element R is a piezoresistive element formed by diffusing impurities such as B (boron) and P (phosphorus) in the
ピエゾ抵抗素子R上には絶縁層150が配置されている。絶縁層150は、配線152との接続箇所にコンタクトホール151を有している。なお、Rx1〜Rx4、Ry1〜Ry4、Rz1〜Rz4の計12個のピエゾ抵抗素子は検出方向ごとに接続されて、ブリッジ回路を形成している。なお、ブリッジ回路接続に関しては本願の出願人による特開2007−322297号公報などを参考にできる。フレーム部121上には、外部回路と接続するための電極パッド(図示せず)を有し、配線152の延長部分が当該電極パッドと接続して、加速度に伴う電気信号を外部回路へ取り出すことができる。
An insulating
(加速度センサの製造方法)
次に図10、図11を参照して、実施形態に係る加速度センサの製造の方法について述べる。図10、図11は本発明に係る実施形態に係る加速度センサの製造の方法を示す図面である。
(Acceleration sensor manufacturing method)
Next, a method for manufacturing the acceleration sensor according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 10 and 11 are drawings showing a method of manufacturing an acceleration sensor according to an embodiment of the present invention.
(SOI基板の準備(図10(A)参照))
シリコン膜120、酸化シリコン膜130、シリコン基板140を積層したSOI基板110を用意する。上述したように、シリコン膜120はフレーム部121、錘接合部122、可撓部123を構成する層である。酸化シリコン膜130は、シリコン膜120とシリコン基板140とを接合する層であり、かつエッチングストッパ層として機能する層である。シリコン基板140はフレーム部141、錘部142を構成する層である。SOI基板110は、SIMOXないし、貼り合せ法等により作成される。SOI基板110においては、シリコン膜120、シリコン酸化膜130、シリコン基板140の厚みは、例えば、それぞれ、5μm、2μm、600μmとなる。なお、外周が1〜2mm程度の加速度センサ10が直径150mm〜200mmのSOI基板であるウエハに多面付けで複数個配置されている。
(Preparation of SOI substrate (see FIG. 10A))
An
(拡散用マスクの形成(図10(B)参照))
SOI基板110のシリコン膜120側に不純物拡散用のマスクである拡散用マスクMを形成する。拡散用マスクMの材料としては、例えばシリコン窒化膜(Si3N4)やシリコン酸化膜(SiO2)などを用いることができる。ここではシリコン酸化膜をシリコン膜120全面に熱酸化あるいはプラズマCVD法により成膜した後、シリコン窒化膜を成膜し、シリコン窒化膜上にレジストパターン(図示せず)を形成し、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜にピエゾ抵抗素子Rに対応する開口をRIE(Reactive Ion Etching)及び熱リン酸などのウェットエッチングにより形成する。拡散用マスクMはシリコン膜120側からシリコン酸化膜、シリコン窒化膜の2層構造になっている(図面では特に区別して記載していない)。なお、シリコン窒化膜は後述する不純物の拡散防止用のために用いている。
(Formation of diffusion mask (see FIG. 10B))
A diffusion mask M that is an impurity diffusion mask is formed on the
(ピエゾ抵抗素子の形成(図10(C)参照))
ピエゾ抵抗素子を熱拡散法により形成する。実施形態2などで説明したピエゾ抵抗素子の製造の手順を用いて形成することができる。シリコン膜120側にBを拡散する場合、拡散炉の中を700℃以上900℃以下の温度にし、BBr3など(O2をともに流すこともある)を少なくとも拡散用マスクMが形成された面に曝す。このようにして不純物を堆積し、不純物拡散層を形成する。そして750℃以上800℃以下の炉内にO2を供給し不純物拡散層を酸化して不純物含有酸化物層を形成する。その後、フッ酸などの酸薬液によって表面の高い不純物濃度(一般に1×1020atms/cm3以上)の不純物含有酸化物層を除去する。その後、900℃以上1100℃以下の温度にした拡散炉の中で熱処理を行う。ピエゾ抵抗素子の形成の条件を適宜調整することにより拡散領域表面における不純物濃度の調整をすることができる。この結果、表面の不純物の濃度が所定の濃度(例えば、1×1017〜1×1019atms/cm3)にすることができる。
(Formation of a piezoresistive element (see FIG. 10C))
A piezoresistive element is formed by a thermal diffusion method. The piezoresistive element manufacturing procedure described in
上述した熱拡散法によれば、イオン注入法を用いないため可撓部123を構成するシリコン膜120に結晶欠陥の発生を抑制でき、長期安定性を実現できる。また、不純物濃度を調整することにより温度特性も良好にすることができる。
According to the thermal diffusion method described above, since no ion implantation method is used, generation of crystal defects in the
(絶縁層およびコンタクトホールの形成(図10(D)参照))
シリコン膜120上に絶縁層150を形成する。例えば、シリコン膜120の表面を熱酸化あるいはプラズマCVD法などを用いて、絶縁層をSiO2の層により形成できる。絶縁層150上にレジストをマスクとしたRIEによってコンタクトホール151を形成する。SiO2の膜はTEOS(Si(OC2H5)4)/O2、SiH4/N2Oなどのガスを用いて形成できる。SiO2の膜の厚さは30nm〜1μmとするのが好ましい。応力の範囲が−200MPa〜+200MPaであり膜厚が30nm〜1μmの範囲であれば、センサの感度やオフセット電圧への影響を小さくできる点で好ましいからである。そして、絶縁層150上にレジストをマスクとしたRIEによってコンタクトホール151を形成する。
(Formation of insulating layer and contact hole (see FIG. 10D))
An insulating
(配線の作成(図10(E)参照))
配線152を形成する。配線152はAl,Al−Si,Al−Ndなどの金属材料をスパッタ法などにより成膜し、それをパターニングすることで得られる。なお、配線152とピエゾ抵抗素子Rの間でオーミックコンタクトを形成するために、熱処理(380℃〜420℃)を施す。なお、配線152上に保護膜としてシリコン窒化膜(Si3N4)などの膜を設けてもよい。
(Creation of wiring (see Fig. 10E))
A
(シリコン膜の加工(図11(F)参照))
シリコン膜120をシリコン酸化膜130の上面が露出するまでRIEなどによりエッチングを行い、開口124を形成して、フレーム部121、錘接合部122、可撓部123を画定する。
(Processing of silicon film (see FIG. 11F))
The
(ギャップ形成(図11(G)参照))
フレーム部141の内枠に沿った開口を有するマスクを用いて、シリコン基板140をエッチングしてギャップ160を形成する。ギャップ160は、錘部142が下方(ガラス基板3側)へ変位するために必要な間隔である。例えば、5〜10μmである。ギャップ160の値は、センサのダイナミックレンジに応じて適宜設定することができる。
(Gap formation (see FIG. 11G))
The
(シリコン基板の加工(図11(H)参照))
次に、フレーム部141、錘部142に画定するためのマスクをシリコン基板140の下面に形成する。このマスクを用いてシリコン基板140をシリコン酸化膜130の下面が露出するまでエッチングを行なう。エッチングにはDRIE(Deep Reactive Ion Etching)を用いるのが好ましい。
(Processing of silicon substrate (see FIG. 11H))
Next, a mask for defining the
DRIEでは材料層を厚み方向に侵食しながら掘り進むエッチングステップと、エッチングによる侵食の進行に伴って形成される側壁にポリマーの壁を形成するデポジションステップと、を交互に繰り返す。掘り進んだ穴の側壁は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、ほぼ厚み方向にのみ侵食を進ませることが可能である。エッチングガスとしてSF6等のイオン・ラジカル供給ガスを用い、デポジションガスとしてC4F8等を用いることができる。 In DRIE, an etching step of digging while eroding a material layer in the thickness direction and a deposition step of forming a polymer wall on a side wall formed as the erosion progresses by etching are alternately repeated. Since the side wall of the hole that has been dug is protected by forming a polymer wall in sequence, it is possible to advance erosion almost only in the thickness direction. An ion / radical supply gas such as SF 6 can be used as an etching gas, and C 4 F 8 or the like can be used as a deposition gas.
(不要なシリコン酸化膜の除去(図11(I)参照))
エッチングストッパとして用いた部分の不要なシリコン酸化膜をRIEあるいはウェットエッチングにより除去する。これにより、シリコン酸化膜130は、フレーム部121とフレーム部141、錘接合部122と錘部142の間に存在することとなる。
(Removal of unnecessary silicon oxide film (see FIG. 11I))
The unnecessary silicon oxide film used as an etching stopper is removed by RIE or wet etching. As a result, the
(ガラス基板の接合(図11(J)参照))
センサ本体20と支持基板30とを接合する。支持基板30の材料としてガラスを用いる場合には、Naイオンなどの可動イオンを含む、いわゆるパイレックス(登録商標)ガラスであって、SOI基板110との接合には陽極接合を用いる。なお、陽極接合時の静電引力により錘部142が支持基板30の上面にスティッキングするのを防ぐために、ガラス基板3の上面にスパッタ法によりCrなどのスティッキング防止膜(図示せず)を形成しておいてもよい。これによりセンサ本体20とガラス基板3が接合され、加速度センサ10が構成される。
(Joining of glass substrates (see FIG. 11J))
The
(個片化)
加速度センサ10が形成されたウエハをダイシングソー等でダイシングし、個々の加速度センサ10に個片化する。なお、本明細書ではウエハに多面付け配置された「加速度センサ」と、個片化された「加速度センサ」とを特に区別せず加速度センサ10と呼んでいる。以上は加速度センサの製造方法の一例であって、順序は、適宜に変更可能であり、上記の順序に限られない。
(Individualization)
The wafer on which the
(実施例2)
各層の厚みが5μm/2μm/600μmとなっているSOI基板を準備し、SiO2からなる拡散用マスクを厚さ1μmで形成した後、800℃の炉内に毎分55mgの流量でBBr3を供給して10分間、不純物源に曝した。その際、15.75slmのN2で希釈される13slmの流量でO2を供給した。その後、不純物源の供給を止め、酸素流量を5slmとして800℃にて酸化を行った。この酸化による酸化物をバッファドフッ酸により除去し、1000℃の炉内に30分間10slmの流量でO2を供給しながらSOI基板を熱処理し、不純物を半導体内部へ拡散させた。そして、LALで1.5分の処理を行った。その後、上記のピエゾ抵抗素子を検出素子とする加速度センサを作製した。こうして得られたピエゾ抵抗における不純物の濃度分布をSIMS(二次イオン質量分析計)法により分析した。その結果、表面での不純物の濃度は1.24×1018atms/cm3であった。従って温度特性の良好な加速度センサが得られた。
(Example 2)
An SOI substrate having a thickness of 5 μm / 2 μm / 600 μm is prepared for each layer, a diffusion mask made of SiO 2 is formed with a thickness of 1 μm, and then BBr 3 is flown into a furnace at 800 ° C. at a flow rate of 55 mg / min. Feeded and exposed to impurity source for 10 minutes. At that time, O 2 was supplied at a flow rate of 13 slm diluted with 15.75 slm N 2 . Thereafter, the supply of the impurity source was stopped, and oxidation was performed at 800 ° C. with an oxygen flow rate of 5 slm. The oxidized oxide was removed by buffered hydrofluoric acid, and the SOI substrate was heat-treated while supplying O 2 at a flow rate of 10 slm for 30 minutes in a 1000 ° C. furnace to diffuse impurities into the semiconductor. And processing for 1.5 minutes was performed by LAL. Thereafter, an acceleration sensor using the piezoresistive element as a detection element was produced. The impurity concentration distribution in the piezoresistance thus obtained was analyzed by the SIMS (secondary ion mass spectrometer) method. As a result, the impurity concentration on the surface was 1.24 × 10 18 atoms / cm 3 . Therefore, an acceleration sensor with good temperature characteristics was obtained.
(比較例)
一方、実施例2における処理のうち、温度を800℃にし、5〜20slmの流量でO2を供給しながら表面を酸化する処理と酸化物をバッファドフッ酸による除去の処理を省略して、加速度センサを作成した。すなわち、各層の厚みが5μm/2μm/600μmとなっているSOI基板を準備し、SiO2からなる拡散用マスクを厚さ1μmで形成した後、800℃の炉内に毎分55mgの流量でBBr3を供給して10分間、不純物源に曝した。その際、15.75slmのN2で希釈される13slmの流量でO2を供給した。その後、不純物源の供給を止め、1000℃の炉内に30分間10slmの流量でO2を供給しながらSOI基板を熱処理し、不純物を半導体内部へ拡散させた。そして、LALで1.5分の処理を行った。その後、上記のピエゾ抵抗素子を検出素子とする加速度センサを作製した。こうして得られたピエゾ抵抗における不純物の濃度分布をSIMS法により分析したところ、表面での不純物の濃度は1.0×1020atms/cm3であった。したがって、実施例2で作成された加速度センサに比べて温度特性は劣ることになる。
(Comparative example)
On the other hand, among the processes in Example 2, the temperature is set to 800 ° C., the process of oxidizing the surface while supplying O 2 at a flow rate of 5 to 20 slm and the process of removing the oxide with buffered hydrofluoric acid are omitted. It was created. Specifically, an SOI substrate having a thickness of 5 μm / 2 μm / 600 μm is prepared for each layer, a diffusion mask made of
以上、説明したように本願発明によれば、ピエゾ抵抗素子の形成にイオン注入装置を用いないことで、製造コストを低減することができる。また、熱拡散法を用いたとしても温度変化特性が小さなピエゾ抵抗素子を製造することが可能である。 As described above, according to the present invention, the manufacturing cost can be reduced by not using the ion implantation apparatus for forming the piezoresistive element. Moreover, even if the thermal diffusion method is used, a piezoresistive element having a small temperature change characteristic can be manufactured.
(応用例)
加速度センサ10はチップ単体としても流通するが、ICなどの能動素子と組み合わせてモジュール化して電子部品としても流通する。加速度センサ10は、ゲーム機やモバイル端末機(例えば、携帯電話)等の様々な用途で利用可能である。なお、加速度センサ10とパッケージ基板/回路基板は、ワイヤボンディング、フリップチップ等の方法によって電気的に接続される。
(Application examples)
Although the
図13は、上記加速度センサ10と処理回路を実装したセンサモジュール400の一例を示す図である。図13において、センサモジュール400は、処理回路を含む信号処理チップ401と、メモリチップ402と、上記加速度センサ10を含むセンサチップ403と、が基板404上に実装されている。各チップ401,402,403は、ボンディングワイヤ405により接続されている。メモリチップ402は、信号処理チップ401の制御用のプログラムやパラメータ等を記憶するメモリである。
FIG. 13 is a diagram showing an example of a
図14は、処理回路の模式図示す。加速度センサ10を構成する各軸のセンサであるSensorX1402、センサSensorY1403、センサSensorZ1404、は増幅回路(Amplifier1401)により信号増幅され、サンプル/ホールド機能を有する回路(S/H1405、1406、1407)などを経る。その後、出力抵抗(Rout1408、1409、1410)とキャパシタ(Cx1411、Cy1412、Cz1413)を介して加速度検出信号(Xout、Yout、Zout)が出力される。なお、出力抵抗とキャパシタはローパスフィルタとして機能している。
FIG. 14 is a schematic diagram of the processing circuit. Sensor X1402, sensor SensorY1403, and sensor SensorZ1404, which are sensors of each axis constituting the
加速度センサ10の応用例を、半導体装置を一例として図15を参照して説明する。なお、本明細書において半導体装置とは、半導体技術を利用して機能しうる装置全般を指し、電子機器も半導体装置の範囲に含まれるものとする。半導体装置1501は、センサモジュールを実装した携帯型情報端末であって、本体1502により構成されている。本体1502は、ヒンジを介して接続されたディスプレイ部1503とキーボード部1504とを有している。例えば、キーボード部1504の下に設置されるハードディスク装置には、加速度センサ10が用いられる。これにより、半導体装置1501に加わる加速度を検出し、所定の値よりも大きな加速度が検出されると、ヘッドを退避しヘッドとディスク面が接触することによる損傷を防止することができる。なお、半導体装置1501にはハードディスクは必須ではない。例えば、半導体装置1501は、不揮発性半導体記憶素子を用いた携帯電話であってもよい。この場合には、例えば、携帯電話を所持する人が歩行することにより携帯電話に加わる加速度を検出し、歩数を計測することなどが可能となる。
An application example of the
201 半導体
202 不純物拡散層
203 不純物含有酸化物層
204 不純物拡散層
201 semiconductor
202 Impurity diffusion layer
203 Impurity-containing oxide layer
204 Impurity diffusion layer
Claims (4)
開口を有するマスクを半導体基板に形成し、
前記開口により露出する前記半導体基板を不純物源に曝して不純物拡散層を形成し、
前記不純物拡散層を酸化することにより、不純物の前記半導体表面における表面濃度が1×1020atms/cm3 以上であるように不純物を高濃度に含む不純物含有酸化物層を形成し、
不純物を高濃度に含む前記不純物含有酸化物層の少なくとも一部を除去し、
前記不純物含有酸化物層の除去後の前記不純物拡散層の不純物を前記半導体基板の内部に拡散することにより、不純物の前記半導体表面における表面濃度が1×1017atms/cm3 以上1×1019atms/cm3 以下であるように不純物が低濃度に制御されたピエゾ抵抗素子を形成する拡散領域を形成し、
前記ピエゾ抵抗素子を含む可撓部と、前記可撓部に連結したフレーム部と、を形成することを含み、
不純物が半導体の内部へ拡散しないように前記不純物含有酸化物層を形成する温度を、前記ピエゾ抵抗素子を形成する温度より低くすることを特徴とし、
前記不純物の前記半導体表面における表面濃度よりも濃度の高い領域が前記半導体内部に存在することを特徴とする、半導体センサの製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor sensor, wherein a surface concentration of impurities diffused inside a semiconductor is controlled to a low concentration on the semiconductor surface,
Forming a mask having an opening on a semiconductor substrate;
Exposing the semiconductor substrate exposed through the opening to an impurity source to form an impurity diffusion layer;
By oxidizing the impurity diffusion layer, an impurity-containing oxide layer containing the impurity at a high concentration is formed so that the surface concentration of the impurity on the semiconductor surface is 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more,
Removing at least a part of the impurity-containing oxide layer containing impurities at a high concentration;
By diffusing the impurities in the impurity diffusion layer after the removal of the impurity-containing oxide layer into the semiconductor substrate, the surface concentration of impurities on the semiconductor surface is 1 × 10 17 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 19. forming a diffusion region for forming a piezoresistive element in which impurities are controlled to a low concentration so as to be atms / cm 3 or less;
Forming a flexible part including the piezoresistive element and a frame part connected to the flexible part,
The temperature for forming the impurity-containing oxide layer is set lower than the temperature for forming the piezoresistive element so that impurities do not diffuse into the semiconductor ,
A method of manufacturing a semiconductor sensor, wherein a region having a concentration higher than a surface concentration of the impurity on the semiconductor surface exists in the semiconductor.
前記開口により露出する前記シリコン基板を700℃以上900℃以下の温度にて1分あたり28ミリグラム以上110ミリグラムの流量の三臭化ホウ素に曝して不純物拡散層を形成し、
750℃以上800℃以下の温度における前記不純物拡散層の酸化により不純物含有酸化物層を形成し、
前記不純物含有酸化物層の少なくとも一部を除去し、
前記不純物含有酸化物層の除去後の前記不純物拡散層の不純物を900℃以上1100℃以下の温度にて前記シリコン基板の内部に拡散してピエゾ抵抗素子を形成する拡散領域を形成し、
前記拡散領域の表面の不純物濃度を、1×1017atms/cm3以上1×1019atms/cm3以下とし、
前記ピエゾ抵抗素子を含む可撓部と、前記可撓部に連結したフレーム部と、を形成することを特徴とし、
前記不純物の前記シリコン基板表面における表面濃度よりも濃度の高い領域が前記シリコン基板内部に存在することを特徴とする、半導体センサの製造方法。 Forming a mask having an opening on a silicon substrate;
Exposing the silicon substrate exposed by the opening to boron tribromide at a flow rate of 28 to 110 milligrams per minute at a temperature of 700 to 900 ° C. to form an impurity diffusion layer;
Forming an impurity-containing oxide layer by oxidation of the impurity diffusion layer at a temperature of 750 ° C. or higher and 800 ° C. or lower;
Removing at least part of the impurity-containing oxide layer;
A diffusion region for forming a piezoresistive element by diffusing impurities in the impurity diffusion layer after removing the impurity-containing oxide layer into the silicon substrate at a temperature of 900 ° C. to 1100 ° C .;
The impurity concentration on the surface of the diffusion region is set to 1 × 10 17 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less,
Forming a flexible part including the piezoresistive element, and a frame part connected to the flexible part ,
A method of manufacturing a semiconductor sensor, wherein a region having a concentration higher than a surface concentration of the impurity on the surface of the silicon substrate is present in the silicon substrate .
前記開口を700℃以上900℃以下の温度にて1分あたり28ミリグラム以上110ミリグラムの流量の三臭化ホウ素に曝して不純物拡散層を形成し、
750℃以上800℃以下の温度における前記不純物拡散層の酸化により不純物含有酸化物層を形成し、
前記不純物含有酸化物層の少なくとも一部を除去し、
900℃以上1100℃以下の温度にて前記不純物含有酸化物層の除去後の前記不純物拡散層の不純物を前記シリコン基板の内部に拡散し拡散領域を形成し、
前記拡散領域の表面の不純物濃度を、1×1017atms/cm3以上1×1019atms/cm3以下とする、
ことを含み
前記不純物の前記シリコン基板表面における表面濃度よりも濃度の高い領域が前記シリコン基板内部に存在することを特徴とする、ピエゾ抵抗素子の製造方法。 Forming a mask having an opening in a silicon substrate;
The opening is exposed to boron tribromide at a flow rate of 28 to 110 milligrams per minute at a temperature of 700 to 900 ° C. to form an impurity diffusion layer,
Forming an impurity-containing oxide layer by oxidation of the impurity diffusion layer at a temperature of 750 ° C. or higher and 800 ° C. or lower;
Removing at least part of the impurity-containing oxide layer;
Diffusing impurities in the impurity diffusion layer after removal of the impurity-containing oxide layer at a temperature of 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower to form a diffusion region inside the silicon substrate;
The impurity concentration on the surface of the diffusion region is set to 1 × 10 17 atoms / cm 3 or more and 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less.
Only contains the
A method of manufacturing a piezoresistive element, wherein a region having a concentration higher than a surface concentration of the impurity on the surface of the silicon substrate is present in the silicon substrate .
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