JPH0289374A - シリコン薄膜ピエゾ抵抗素子の製造法 - 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〕 本発明は、例えば圧力センサ、ロードセル等に用いて好
適な半導体歪センサを構成するシリコン薄膜ピエゾ抵抗
素子の製造法に関する。

（従来の技術） 半導体歪ゲージは金属歪ゲージに比較してゲージ率か大
きく、僅かな機械的歪に対して大きな抵抗値変化を発生
することから、近時広く使用されるようになっている。

この半導体歪ゲージにはシリコン薄膜ピエゾ抵抗素子が
用いられており、シリコン薄膜ピエゾ抵抗素子は基板上
にシリコン薄膜を形成することにより得られる。薄膜形
成法としては真空蒸着法（ＰＶＤ）、気相成長法（ＣＶ
Ｄ）、スパッタ法等種々の方法が知られているが、特に
ＣＶＤ法の中でもプラズマＣＶＤ法は成膜速度が早いこ
と、約２００〜６００℃の比較的低い温度で成膜できる
という利点から、近時多く採用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

プラズマＣＶＤ法は、原料ガスに不純物としてのドーピ
ングガスを添加した混合ガスを反応容器内に供給し、反
応容器内にプラズマを生成して混合ガスを活性化するこ
とにより他のＣＶＤ法に比較して低い気体温度でイオン
・ラジカルを生成し、基板上に成膜する方法であるが。

特開昭６１−７０７１６号公報に見られるように基板温
度を５００〜６５０℃の高温にしてイオン・ラジカルの
移動度を大きくしなければ、結晶質でピエゾ抵抗効果を
持ったシリコン薄膜を形成できないという問題がある。

このように、基板温度を５００″Ｃ以上の高温に保持す
る必要から、反応容器に冷却手段が必要になるし１反応
容器内で基板を保持しつつ該基板を加熱する基板ホルダ
ーの温度分布を均一にしなければならないという問題が
ある。また、基板温度が高温のために原料ガスの反応速
度が速い結果、ドーピングガスの濃度分布が不均一にな
り、高品質の結晶質シリコン薄膜を形成をすることか困
難であるという欠点がある。

本発明は上述した従来技術の欠点等に鑑みなされたもの
で、基板温度を低く設定でき、従って反応容器の冷却手
段も不要にできると共に、ドーピングガスの濃度分布も
均一にてきる結果、低コストで高品質なシリコン薄膜ピ
エゾ抵抗素子を製造する製造法に関する。

〔課題を解決するための手段〕

上述した課題を解決するために構成された本発明の手段
は、ケイ素を含む原料ガスに３価又は５価の元素を含む
ドーピングガスを添加してなる混合ガスをプラズマ雰囲
気下で分解し、所定の温度状態にした基板上に非晶質シ
リコン薄膜を形成する第１工程と、該第１工程により前
記基板上に形成された非晶質シリコン薄膜を熱処理する
ことによりピエゾ抵抗効果を持つ結晶質シリコン薄膜に
する第２工程とからなる。

前記ドーピングガスに含まれる元素は３価又は５価のも
のであればよいが、３価の元素としてはホウ素、５価の
元素としてはリンを選択できる。

前記第１工程における基板の温度は３００℃以下であり
、常温を含むものである。

前記第１工程により形成された非晶質シリコン薄膜を熱
処理する際の加熱温度は５００℃以上に設定すればよい
。

（作用） 第１工程で基板上に非晶質のシリコン薄膜を形成し、第
２工程の熱処理を加えることにより、該非晶質シリコン
薄膜なピエゾ抵抗効果を持った結晶質シリコン薄膜に変
化させる。この際、第１工程では基板上に形成するシリ
コン薄膜は非晶質状態にすればよいから、基板温度は３
００℃以下でよい。

抵抗値が大きく殆んど絶縁体に近い非晶質シリコン薄膜
を第２工程ては、５００℃以上の温度で加熱することに
より、抵抗値か減少しピエゾ抵抗効果を持った結晶質シ
リコン薄膜に形成する。

〔本発明の構成〕

本発明において、第１工程て使用される原料ガスには、
モノシラン（Ｓ、Ｈ４）、ジシラン（Ｓ　ｉｚＨａ　）
　、四フッ化ケイ素（Ｓｉ　Ｆ、）等がある。該原料ガ
スに添加されるドーピングガスには、３価のホウ素（Ｂ
）を含むジボラン（８２Ｈ６）、三フッ化ホウ素（８２
Ｆ：ｌ）等と、５価のリン（Ｐ）を含むホスフィン（Ｐ
Ｈ３）、三フッ化リン（ＰＦ：ｌ　）等があり、３価の
ホウ素（Ｂ）を含むドーピングガスを用いるとＰ型半導
体を形成てき、５価のリン（Ｐ）を含むドーピングガス
を用いるとＮ型半導体を形成てきる。

第１工程において、前記原料ガスとドーピングガスの混
合ガスをプラズマ雰囲気下て分解し、基板上に成膜する
方法には、プラズマＣＶＤ法が用いられる。このプラズ
マＣＶＤ法におけるプラズマの生成方式には、例えば熱
電子放電形式、二極放電形式、磁場収束形式、無電極放
電形式等の基本方式があるか、これらは電源に直流或い
は高周波を用いていずれの方式を採用してもよい。

次に、成膜用の基板には、ガラス板、合成樹脂板、金属
板等を用いることができるか、金属板を用いる場合には
基板表面に予め絶縁層を形成しておく必要がある。

第１工程は基板上に結晶度の低い非晶質（アモルファス
）状態のシリコン薄膜を形成する工程であり、このため
に基板温度は約３００℃以下であれば常温でもよい。第
１工程により形成される非晶質シリコン薄膜の抵抗値は
約１０−１００ＭΩで殆んど絶縁体であり、ビニーゾ抵
抗効果は持っていない。

このように、基板温度は約３００″Ｃ以下の低温で良い
から、ＪＩ料ガスの反応速度を遅くてきると共に、基板
の温度分布を容易に平均化できる結果、ドーピングガス
の濃度分布を均一化でき、バラツキのない非晶質シリコ
ン薄膜を成形できる。

次に、本発明の第２工程における熱処理は、非晶質のシ
リコン薄膜をその抵抗値が例えば約１００Ω程度になる
ように結晶化させて、ピエゾ抵抗効果を持たせるための
処理である。この熱処理は、例えば電気炉等の公知の熱
処理炉を用いて大気中で行うことができる。熱処理温度
と熱処理時間は、抵抗値の同じ結晶質を得る場合でも、
熱処理温度を５５０℃としたときには熱処理時間を５時
間とし、熱処理温度を６００℃に設定するときには、熱
処理時間を１時間に設定すればよく、熱処理の温度と時
間は相対的に設定できるものである。

更に、非晶質シリコン薄膜の熱処理は大気中に限られる
ものではなく、成膜のためのプラズマＣＶＤ装置内の真
空状態の中ででも或いはＮ２ガスの雰囲気中で熱処理を
行っても同様の結晶質にすることができる。

（発明の効果） 本発明方法は基板上に非晶質のシリコン薄膜を形成する
第１工程と、該非晶質のシリコン薄膜な熱処理して結晶
質にする第２工程とから構成したから、次の諸効果を奏
する。

■　第１工程における基板温度は常温を含む低温でよい
から、反応容器、基板ホルダ等の温度管理が容易である
し、反応容器の冷却手段も不要にできるから、製造コス
トを低減できる。

■　荊記■項と同じ理由から基板ホルダの温度分布も平
均化できると共に、原料ガスの反応速度を遅くできるか
ら、ドーピングガスの濃度分布を均一にできる結果、性
能が安定した信頼性の高いピエゾ抵抗素子を製造てきる
。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

まず、実施例方法に用いるプラズマＣＶＤ装置を第１図
に示す。図において、ｌは反応容器としてのペルジャー
で、該ペルジャー１内は密閉構造になっている。２は前
記ペルジャーｌ内に設けられた上部電極、３は基板ホル
ダーを兼ねた下部電極で、上部電極２には該下部電極３
に向けて混合ガスを吹出すための多数のガス吹出孔が形
成されている。一方、下部電極３にはヒータ４が埋設さ
れており、基板を加熱できるようになっている。

５は上部電極２に接続された高周波電源で、該高周波電
源５は１３．５６ＭＨ，である。次に、６はモノシラン
（Ｓｉ　Ｈ，）を貯蔵した原料ガス用ボンベ、７はジボ
ラン（Ｂ２Ｈ６）を貯蔵したドーピングガス用ボンベで
、該各ボンベ６．７は配管８．９を介してペルジャーｌ
内とそれぞれ連通しており、該各配管８．９の途中には
バルブ１０．１１及び１２．１３と流量調整用のマスフ
ローコントローラ１４．１５がそれぞれ設けられている
。１６は窒素ガス（Ｎ２）を貯蔵したボンベで、該ボン
ベ１６は配管１７を介してペルジャーｌと連通しており
、該配管１７の途中にはバルブ１８．１９及びフローメ
ータ２０が設けられている。

一方、２１は基端側がペルジャーｌに接続された排気管
で、該排気管２１の一側分岐管２１Ａにはバルブ２２．
拡散ポンプ２３、回転ポンプ２４からなる真空装置２５
か設けられており、他側分岐管２１Ｂにはバルブ２６及
び回転ポンプ２７からなるガス吸引装置２８か設けられ
ている。

次に、上述した装置を用いてシリコン薄膜ピエゾ抵抗素
子を製造する方法について詳述する。最初に、下部電極
３上に基板２９を載置し、上部電極２と下部電極３との
間の距離を２０〜５０ｍｍに設定する。次に、基板２９
上に非晶質のシリコン薄膜を形成すべく、基板２９の温
度が約３００℃になるように、ヒータ４に通電して下部
電極３を加熱する。

一方、真空装置２５の拡散ポンプ２３、回転ポンプ２４
を駆動して、ペルジャー１内が約１０−’ｔ　ｏｒｒ台
の真空度になるまで真空引きを行った後、ガス吸引装置
２８に切換えて回転ポンプ２７を駆動し、原料ガス用ボ
ンベ６からモノシランを６５ｅｃｈｓ　（１分間に流れ
る質量流量ｔＱ／５ｉｎ）、ドーピングガス用ボンベ７
からジボランを３　ｘ　ｌ　Ｏ−’　〜０．０４５．ｃ
ｃ、ずつマスフローコントローラ１４．１５をそれぞれ
介してペルジャーｌ内に導入する。

しかる後、高周波型［５から上部電極２に２０〜１００
Ｗの高周波電力を印加してプラズマＰを発生させ、モノ
シラン及びジボランの混合ガスを活性化して基板２９上
に非晶質シリコン薄膜を形成する。所定の時間成膜を行
って所定の１−一得られたら、混合ガスの供給、ヒータ
４への給電を止め、基板温度が下ったらペルジャーｌ内
にボンベ１６からＮ２ガスを供給し、大気圧にしてシリ
コン薄膜の形成されている基板２９を取出す。

以上が実施例の第１工程で、基板２９上に形成された非
晶質シリコン薄膜は抵抗値が約１０〜１００ＭΩと著し
く大きく、殆んど絶縁体に近いもので、ピエゾ抵抗効果
は持っていない。

次に、第２工程として前記非晶質シリコン薄膜を結晶質
シリコン薄膜にするための熱処理を行う、この熱処理は
例えば電気高温炉等の公知の加熱炉により大気中で、非
晶質シリコン薄膜を例えば５００℃以上の温度で所定時
間加熱することにより行う、非晶質シリコン薄膜は結晶
質シリコン薄膜より比抵抗か大きいが、この熱処理を行
うことによってシリコン薄膜か非晶質から多結晶の結晶
質に変化し、これによって比抵抗が変化する。第３図は
下部電極３の基板温度を３００’Ｃにして形成した非晶
質シリコン薄膜の熱処理温度と熱処理時間と抵抗値の関
係を示す、熱処理温度を例えば５５０　’Ｃに設定する
と、当初１００ＭΩあった抵抗値は加熱後３時間以降か
ら減少し、５時間後には１００Ωに下り、その後一定と
なる。また、熱処理温度を６００℃に設定すると、１時
間で抵抗値を１００ＭΩからｌＯＯΩに下げることがで
きる。

かくして、第１工程とｆｆ１２工程により多結晶の結晶
質シリコン薄膜を形成できるが、第３図に該結晶質シリ
コン薄膜の荷重と抵抗変化率の関係を市販品の金属ひず
みゲージと比較して示す。結晶質シリコン薄膜の抵抗変
化率は金属ひずみゲージの場合と同様に荷重に対して直
線的に変化しており、また、そのゲージ率は１０〜２０
程度である。一般に多結晶シリコンのゲージ率は１５程
度とされていることから、明らかにピエゾ抵抗効果を有
する結晶質シリコン薄膜を形成できたことが確認される
。

第４図及び第５図は第２工程としての熱処理の前後にお
けるシリコン薄膜の結晶性をＸ線回折法によって比較し
た結果を示す。第４図は熱処理前の非晶質シリコン薄膜
のＸ線回折結果を示すが、結晶成分が特定の回折角にＩ
ＪＩｇ４されていない。

これに対し、第５図は実施例による熱処理後の結晶質シ
リコン薄膜のＸ線回折結果を示し、結晶成分が回折角２
θで約２８°、４８”　、５６’の位置にＨ測されてお
り、主な結晶成分のミラー指数による結晶面は、（１１
１）、（２２０）。

（３１１）の３面であって、通常の結晶質シリコン薄膜
と同じ結晶面であることが確認される。

実施例方法は叙上の如くであって、実施例によるシリコ
ン薄膜ピエゾ抵抗素子は金属歪ゲージに比較してゲージ
率は大きいから、ダイヤフラムの微小変位に対しても大
きい出力を得ることかできる。従って、建設機械用圧力
センサのように、圧力脈動に対するダイヤフラムの耐疲
労性を確保するため、ダイヤフラムの肉厚を厚くする結
果歪量が小さい圧力センサにも実施例方法によるシリコ
ン薄膜ピエゾ抵抗素子は好適に用いることができる。

なお、実施例は原料ガスとしてモノシラン、ドーピング
ガスとしてジボランを用いた場合を例に挙げたが、ジシ
ラン、四フッ化ケイ素を原料ガスとして用い、これに三
フッ化ホウ素、ホスフィン、三フッ化リンをドーピング
ガスとして適宜組合せてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施例に用いるプラズマＣＶＤ装
置の全体構成図、第２図は熱処理時間と抵抗値の関係を
示す線図、第３図は結晶質シリコン薄膜のゲージ率を金
属歪ゲージのゲージ率と比較して示す線図、第４図は熱
処理前の非晶質シリコン薄膜のＸ線回折線図、第５図は
熱処理後の結晶質シリコン薄膜のＸ線回折線図である。 ｌ・・・ペルジャー、２・・・上部電極、３・・・下部
電極、２９・・・基板、Ｐ・・・プラズマ。 第 図 ム 六冬ヌ＆王里ｇ寺団 （Ｈｒ） 第 図 Ｚ司 ！ （ｋｇｔ） 第４

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ケイ素を含む原料ガスに３価又は５価の元素を含
   むドーピングガスを添加してなる混合ガスをプラズマ雰
   囲気下で分解し、所定の温度状態にした基板上に非晶質
   シリコン薄膜を形成する第１工程と、該第１工程により
   前記基板上に形成された非晶質シリコン薄膜を熱処理す
   ることによりピエゾ抵抗効果を持つ結晶質シリコン薄膜
   にする第２工程とから構成してなるシリコン薄膜ピエゾ
   抵抗素子の製造法。
2. （２）前記ドーピングガスを組成する前記３価の元素は
   ホウ素であり、前記５価の元素はリンである特許請求の
   範囲（１）項記載のシリコン薄膜ピエゾ抵抗素子の製造
   法。
3. （３）前記第１工程における前記基板の温度は３００℃
   以下である特許請求の範囲（１）項記載のシリコン薄膜
   ピエゾ抵抗素子の製造法。
4. （４）前記非晶質シリコン薄膜を熱処理する加熱温度は
   ５００℃以上である特許請求の範囲（１）項記載のシリ
   コン薄膜ピエゾ抵抗素子の製造法。