JPH02143465A - 半導体センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ピエゾ抵抗効果を利用した半導体センサ及
びその製造方法に関し、特に圧力センサ、加速度センサ
に関するものである。

〔従来の技術〕

近年１．半導体センサに対する高精度化、高性能化の要
求が増大しており、この要求を満たすべく、従来単結晶
シリコン基板中に形成していたピエゾ抵抗素子を、絶縁
体上に形成された半導体シリコン膜中に形成するという
試みがなされている。

第６図ａ）は従来の半導体圧力センサを示す平面図であ
り、第６図ｂ）は第６図ａ）のＸ−Ｘ−線上の断面図で
ある。図において、１は単結晶シリコン基板、２は二酸
化シリコン膜（Ｓｉ０２：以下酸化膜と称す）、３１〜
３４はＰ型の単結晶シリコン層よりなるピエゾ抵抗、５
はアルミニウム配線、６１〜６４はアルミニウムで形成
されたポンディングパッド、７はダイヤフラムである。

次にピエゾ抵抗３１を拡大した平面図および断面図をそ
れぞれ第７図ａ）、　ｂ）に示す。第７図において、８
はピエゾ抵抗３１とアルミニウム配線５を接続するため
のコンタクト、４はアルミニウム配線５とピエゾ抵抗３
１を分離するための酸化膜である。

次に動作について説明する。第６図に示された半導体圧
力センサをパッケージングして、センサの上面に測定す
べき圧力を、センサの下面のダイヤフラム７に参照用の
圧力（例えば真空、大気圧）を印加する。ダイヤフラム
７の部分の単結晶シリコンは他の部分に比べ薄くなって
いるため、測定圧と参照圧の間に圧力差が生じると、ダ
イヤフラム７が容易に変形する。ダイヤフラム７上に形
成されたピエゾ抵抗はダイヤフラム７の変形によって応
力が加わりその抵抗が変化する。この場合、ピエゾ抵抗
の変化の割合は、ダイヤフラム７の半径方向に配置され
た抵抗３２．３４で大きく、ダイヤフラム７の円周方向
に配置された抵抗３１゜３３で小さい。このピエゾ抵抗
３１〜３４の抵抗の変化の割合を、第６図に示されたホ
イートストンブリッジを形成して、すなわちパッド６１
．６３に電圧を印加して電流を流し、パッド６２，６４
の間に生じた電位差を測定することによって検出する。

このようにして半導体圧力センサは圧力差を電圧に変換
する。

ピエゾ抵抗３１〜３４を酸化膜２上に形成する目的は、 ■　ダイヤフラム７を酸化膜２のところまで薄くするこ
とが゛容易に出来、そのためセンサの感度が向上する ■　ピエゾ抵抗は酸化膜２上に作られているため高温動
作が可能になる の２点である。

さて、ピエゾ抵抗を酸化膜（絶縁膜）上に形成する方法
としては、コストの点からレーザ再結晶化法が最も有利
である。このレーザ再結晶化法は、第８図に示すように
、酸化膜２上に堆積された多結晶シリコン３ａ上に直径
１００μｍ程度に絞られた出力１０〜２０Ｗのアルゴン
レーザ光９を図中矢印の方向に走査速度２５０■／Ｓで
走査しながら照射する。レーザ光９が照射された多結晶
シリコン３ａは溶融シリコン３ｂになり、アルゴンレー
ザ光９の照射が終了すると固化再結晶化し、単結晶シリ
コン３Ｃになる。レーザ光の照射終了後、単結晶シリコ
ン３Ｃにボロンを導入してＰ型にし、写真製版技術、エ
ツチング技術等によって第７図のようにピエゾ抵抗配線
３１を形成する。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように従来の半導体圧力センサはレーザ再結晶化技
術によって形成されていた。そのためピエゾ抵抗は、こ
のプロセスにおいてシリコンの融点である１４２０°Ｃ
まで加熱されることになる。

すなわちレーザ再結晶化時に酸化膜２上の単結晶化シリ
コン３ｃは酸化膜２上で１４２０″Ｃで固化し、室温ま
で冷やされる。ところがシリコンは酸化膜に比べてその
熱膨脹率が１０倍もあるため酸化膜とシリコンの間の熱
膨脹率の差によって単結晶シリコン３ｃには約５　Ｘ　
１０”　ｄｙｎｅ／Ｃｍ２もの応力（歪）がかかる。シ
リコンの降伏応力は約１０　’　９ｄｙｎｅ／　ｃｍ２
であるだめ、この再結晶化法によって作成された半導体
圧力センサの測定圧力のダイナミックレンジが減少する
という問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、形成時の歪の少ないピエゾ抵抗を有する半導
体センサおよびその製造方法を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係る半導体センナは、 ■　絶縁膜中にピエゾ抵抗と同じ導電型の不純物を含む
酸化膜を含む、または、 ■　ピエゾ抵抗内に規則的に結晶欠陥を含む、ようにし
たものである。

この発明にかかる半導体センサの製造方法は、第１の絶
縁体中に（００１）面またはこれと等価な面を主面とす
る半導体単結晶基板に達する開口部を設ける工程、該開
口部を含む第１の絶縁体上に非単結晶の半導体層を形成
する工程、該非単結晶の半導体層上に第２の絶縁体層ス
トライプを該半導体単結晶基板の＜１００＞方向から±
１０度の範囲の方向に設ける工程、レーザ光を該半導体
単結晶基板の＜１１０＞方向から±１０度の範囲の方向
に走査しながら照射する工程、該レーザが照射された該
非単結晶の半導体層を用いて＜１１０〉方向に電流を流
すピエゾ抵抗素子を形成する工程を含むことにより、素
子に周期的に結晶欠陥を導入したピエゾ抵抗素子を得る
ようにしたものである。

〔作用〕

この発明においては、 化膜、あるいは、 ■　ピエゾ抵抗内に規則的に導入された結晶欠陥 は、絶縁膜上のピエゾ抵抗内の残留応力を減少させる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図は本発明の一実施例による半導体センサを示し、
図において、１．　３１．　４．　５．　８は従来の半
導体センサと全く同一のものであるのでその説明を省略
する。

２１はボロンの含有量が４．　０　ｌ！ｅ１ｇｈｔ％の
酸化膜（以下Ｂ　Ｓ　Ｇ　（Ｂｏｒｏｎ　Ｓ目１ｃａｔ
ｅ　Ｇｌａｓｓ）膜と称す）で、膜厚は１μｍである。

ピエゾ抵抗３１の配置等は従来の半導体センサと同様に
第６図のように構成されており、ホイートストーンブリ
ッジの形成、圧力の検出方法等の、本実施例による半導
体圧力センサの動作は従来の半導体圧力センサと同一で
ある。

ここで、本実施例による半導体圧力センサはピエゾ抵抗
３１の下にＢＳＧ膜２１を使用しており、そのガラス転
移温度は６５０　’Ｃである。レーザ再結晶化工程によ
って、このＢＳＧ膜２１の上のシリコン膜が溶融し、１
４２０°Ｃで固化し、室温まで冷却される際、ＢＳＧ膜
２１は８５０″Ｃまでは粘度が低く、シリコンとＢＳＧ
膜の熱膨脹率の差による応力を吸収する。従ってＢＳＧ
Ｍ２１を使用した場合のピエゾ抵抗３１の残留応力は６
５０°Ｃから室温までの熱膨脹のみにより生ずる。従来
の半導体圧力センサに使用されていた酸化膜２はガラス
転移温度が１１５０°Ｃであるので、ＢＳＧ膜を使用し
た場合は酸化膜を使用した場合に比べて、ピエゾ抵抗の
残留応力は約１／２　（（６５０−２０）／　（１１５
Ｏ−２０）：室温を２０℃と仮定して）まで減少する。

従ってこの発明による半導体圧力センサの圧力測定のダ
イナミックレンジは大きく増大することとなる。

ここで、上記実施例においてピエゾ抵抗の下の絶縁膜に
ＢＳＧを使用したのは、レーザ再結晶化時に、ＢＳＧ膜
中の不純物（ボロン）がシリコン中に混入してもピエゾ
抵抗の導電型をＰ型のまま変えないようにするためであ
って、導電型がＮ型のピエゾ抵抗を使用する場合は、ピ
エゾ抵抗下にり７　（Ｐ）を８モル％含むＰＳＧ膜（Ｐ
ｈｏｓｐｈｏ　５ｔ１１ｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ膜、ガラ
ス転移温度７５０″Ｃ）を使用すれば、上記と同様の効
果を得ることができる。

なお、上記実施例ではピエゾ抵抗の下の絶縁膜をすべて
ＢＳＧ膜としたが、絶縁膜を多層構造とし、その１つを
ＢＳＧ膜としてもよいし、ピエゾ抵抗の下にのみＢＳＧ
膜を使用してもよい。

次にこの発明の第２の実施例を図について説明する。第
２図ａ）＋　ｂ）はそれぞれ本箱２の実施例のピエゾ抵
抗の部分の平面図、断面図であり、１゜２、　３１．　
５．　８は従来の半導体圧力センサと全く同一のもので
あるため説明を省略する。３５は単結晶シリコン３１中
に２１．２μｍ間隔でピエゾ抵抗３１の長辺方向に対し
４５°の方向に入った結晶欠陥（結晶亜粒界）である。

ピエゾ抵抗３１の配置等は従来の半導体圧力センサと同
様に第６図のように構成されており、ホイートストーン
ブリッジの形成、圧力の検出方法等の動作は従来の半導
体圧力センサと同一である。

この第２の実施例による半導体圧力センサにおいては、
ピエゾ抵抗３１の中に規則的に結晶欠陥３５が入ってい
る。結晶欠陥（結晶粒界、結晶亜粒界を含む）は結晶格
子の並びが乱れたものであり、双晶を除いてはその周辺
で、結晶歪を解放する作用がある。従ってピエゾ抵抗３
１の残留応力は従来の半導体圧力センサのピエゾ抵抗に
比べて小さくなる。そのためこの第２の実施例の半導体
圧力センサにおいても圧力測定のダイナミックレンジが
増大する。

さて、通常のレーザ光を酸化膜上の多結晶シリコンに照
射すると、再結晶化シリコン中には多数の結晶欠陥が発
生する。この場合でもピエゾ抵抗の残留応力は減少する
が、結晶欠陥がピエゾ抵抗中にランダムに発生するため
個々のピエゾ抵抗の抵抗値がばらつき、ホイートストー
ンブリッジを構成したときの発生電位差が個々の半導体
圧力センサによって違ってくる。そのため個々の半導体
圧力センサの特性を１つづつ調整しなければならず、莫
大なコストがかかる。従って、結晶欠陥は周期的に（規
則的に）導入する必要がある。

次に、ピエゾ抵抗内に周期的に結晶欠陥を導入する方法
の一例を記述する。第３図〜第５図は、周期的に結晶欠
陥を導入する方法を工程別に示したもので、それぞれａ
）は平面図、ｂ）はａ）のｌ−ｌ−線上の断面図、ｃ）
はａ）の■−■−線上の断面図である。

まず（００１）面を主面とする単結晶シリコン基板１上
にリセスを用いたＬＯＣＯ８法（ＬｏｃａｌＯｘｌｄａ
ｔｌｏｎ　ｏｆ　Ｓ目Ｉｃｏｎ）で開口部２２と厚さ１
μｍの熱酸化膜２を形成し、その上に全面に多結晶シリ
コン３ａをＣＶＤ法（化学的気相成長法）により厚さ５
０００Ａ堆積する。その上に厚さ５００Ａのシリコン窒
化膜４１をＣＶＤ法により堆積した後、単結晶シリコン
基板１の＜１００＞方向にストライプ状に幅５μｍ１　
間隔１０μｍでパターニングする。なお、開口部２２の
大きさは１辺２μｍの正方形であり、シリコン窒化ｗＸ
４１のストライプの間に１つずつ設ける。この状態の図
が第３図である。

この上から直径１００μｍに絞ったアルゴンレーザ光（
図示せず）を図中＜１１０＞方向に走査速度２５　ｃｍ
／ｓで照射する。−回の走査が終わった後はレーザ光を
＜１１０＞方向（図面中上方）に３０μｍずらして次の
走査を行なう。全ての走査が完了し、シリコン窒化膜４
１を除去した後の状態を第４図に示す。第４図において
３５は結晶亜粒界であり、単結晶化シリコン３１中に１
５μｍ毎（＜１１０＞方向へは２１．　２＝　１５ｘＪ
ｔ１ｍ毎）に入っている。

ここで再結晶化の機構について説明する。第３図におい
て、シリコン窒化膜４１はレーザ光の反射防止膜として
作用する。従って、固化再結晶化はまず開口部２２から
起こり、シリコン窒化膜４１の無い多結晶シリコン３ａ
へ続き、最終的には温度の高いシリコン窒化膜４１の下
の多結晶シリコン３ａで終端する。従って、シリコン窒
化膜４１の中央下の多結晶シリコン３ａではその両側の
シリコン窒化膜４１の無いところからの固化（結晶成長
）が対面することになる。これを第３図ａ）中に矢印で
示しである。

再結晶化後のシリコン結晶３１は固化がいずれも同一の
単結晶基板１から開口部２２を介して行われているので
全く同一の結晶軸を持つはずであるが、レーザパワーの
ゆらぎ、酸化膜２との界面に発生する歪等のため結晶軸
は多少ずれ、その結果シリコン窒化膜４１の中央下に一
本の結晶亜粒界３５（この左右で結晶軸は約２６程ずれ
ていることがわかっている）が発生する。このように、
この方法によればシリコン窒化膜４１の下に一本ずつ結
晶亜粒界を発生させることが可能である。

この後、単結晶化シリコン膜３１中にボロンを加速電圧
５０ｋＶで５　Ｘ　１０　”／Ｃｍ”イオン注入し、９
５０’Ｃ，２時間のアニールによってＰ型の単結晶シリ
コンにする。次に写真製版、エツチング技術によってビ
′エゾ抵抗として使用する部分３６を残して、他の単結
晶化シリコンを除去したのが、第５図である。あとは通
常のプロセスにより厚さ４０００Ａの酸化膜４をＣＶＤ
法により堆積し、写真製版、エツチング技術によりコン
タクト８を開口し、アルミニウム配線（厚さ１μｍ）５
を行えば第２図に示したような構造が完成する。

なお上記実施例では結晶亜粒界を２１．２μｍ毎に設け
たが、これは他の欠陥（双晶は除く）であってもよく、
またその間隔も２１．２μｍに限定されない。さらにこ
こではすべて圧力センサについて述べたが、ピエゾ抵抗
をカンチレバーに取り付けた加速度センサにも適用でき
ることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明にかかる半導体センサおよびそ
の製造方法によれば、■　ピエゾ抵抗の下の絶縁膜にピ
エゾ抵抗と同じ導電型の不純物を含む酸化膜を含ませる
か、■　ピエゾ抵抗中に周期的に結晶欠陥を導入、する
ようにしたので、ダイナミックレンジの高い半導体セン
サが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による半導体センサのピエ
ゾ抵抗を示す平面図及び断面図、第２図はこの発明の他
の実施例による半導体センサのピエゾ抵抗を示す平面図
及び断面図、第３図ないし第５図はこの発明の他の実施
例による半導体センサのピエゾ抵抗の製造方法を示すた
めの工程別平面図及び断面図、第６図は従来の半導体セ
ンサを示す平面図及び断面図、第７図は従来の半導体セ
ンサのピエゾ抵抗を示す平面図及び断面図、第８図は従
来の半導体センサのピエゾ抵抗の製造方法を示すための
断面図である。 ■は単結晶シリコン基板、２１はＢＳＧ膜、３１は単結
晶シリコン膜、４は酸化膜、５は配線、８はコンタクト
、３５は結晶亜粒界、３ａは多結晶シリコン、４１はシ
リコン窒化膜、２２は開口部、２は酸化膜、３６は単結
晶シリコン膜。 なお図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）　絶縁体上にレーザ再結晶化法によって形成される
   ピエゾ抵抗素子よりなる半導体センサにおいて、 上記絶縁体はピエゾ抵抗素子と同じ導電型の不純物を含
   む二酸化シリコン膜を含むことを特徴とする半導体セン
   サ。 ２）　絶縁体上にレーザ再結晶化法によって形成される
   ピエゾ抵抗素子よりなる半導体センサにおいて、 上記ピエゾ抵抗素子に周期的に結晶欠陥を含ませたこと
   を特徴とする半導体センサ。 ３）　第１の絶縁体中に（００１）面またはこれと等価
   な面を主面とする半導体単結晶基板に達する開口部を設
   ける工程と、 該開口部を含む第１の絶縁体上に非単結晶の半導体層を
   形成する工程と、 該非単結晶の半導体層上に第２の絶縁体層ストライプを
   該半導体単結晶基板の＜１００＞方向から±１０度の範
   囲の方向に設ける工程と、 レーザ光を該半導体単結晶基板の＜１１０＞方向から±
   １０度の範囲の方向に走査しながら照射する工程と、 該レーザが照射された該非単結晶の半導体層を用いて＜
   １１０＞方向に電流を流すピエゾ抵抗素子を形成する工
   程とを含むことを特徴とする半導体センサの製造方法。