JPH0797645B2

JPH0797645B2 - ピエゾ抵抗素子

Info

Publication number: JPH0797645B2
Application number: JP20696989A
Authority: JP
Inventors: フレンチ・パトリック・ジェームス; 俊朗篠原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1989-08-11
Publication date: 1995-10-18
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: JPH0371676A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、ピエゾ抵抗素子およびその製造方法に係り、
特に半導体基板上に形成したピエゾ抵抗素子に関する。

（従来の技術）近年、半導体基板上に形成された半導体薄膜のピエゾ抵
抗効果による抵抗変化や変位による微小な容量変化を検
出することにより、加速度等を検出するようにした超小
形のピエゾ抵抗素子が注目されている。

このようなピエゾ抵抗素子は、薄膜技術を用いて形成さ
れるため、例えば、振動部分の長さが100μｍ程度、厚
さが１μｍ程度、チップ全体の大きさが1mm角程度と極
めて小形の素子を形成することができる。また、集積回
路によって他の素子と同一基板上に形成することができ
るという優れた特徴を有している。

このピエゾ抵抗素子構造の１つに、例えば、ｎ型シリコ
ン基板表面にp⁺拡散層からなる薄膜抵抗体パターンを形
成したものがある。

このようなピエゾ抵抗素子は、150℃以上の高温になる
とpn接合を介してリーク電流が発生するという問題があ
る。

そこで、この問題が解決すべく、２つの方法が提案され
ている。

その１つは、感圧抵抗体として多結晶シリコンを用い、
酸化シリコン膜によって絶縁分離するもので、このよう
にすれば高温下でもリーク電流が発生する心配はない。
しかしながら、この構造では感度が低下するという問題
がある。そこで、レーザ加工技術を用いた再結晶化技術
が提案されているが、この方法によっても、依然として
ゲージファクタは45以下であった。

もう１つは、SOI技術を用いた方法である。

このSOI技術を用いたピエゾ抵抗素子の製造工程を、第
４図（ａ）乃至第４図（ｆ）に示す。

すなわち、まず、第４図（ａ）に示すように、表面にp⁺
拡散層３を形成してなる第１のシリコン基板２と、第４
図（ｂ）に示すように、表面に酸化シリコン膜４を形成
してなる第２のシリコン基板１を用意する。

続いて、第４図（ｃ）に示すように、これら第１および
第２のシリコン基板1,2をそれぞれp⁺拡散層３および酸
化シリコン膜４が内側となるように接合する。

そして、第４図（ｄ）に示すように、第２のシリコン基
板をエッチング除去し、p⁺拡散層３を露呈せしめる。

この後、第４図（ｅ）に示すように、p⁺拡散層３をパタ
ーニングし、この上層を酸化シリコン膜５で被覆し、さ
らに電極パターン６を形成している。

この方法によれば、250℃程度でも良好な電気的特性を
呈し、高いゲージファクタを示している。

しかしながら、この方法では２枚のシリコン基板を用
い、一方をエッチング除去するなど、極めて複雑な製造
工程を必要とするという問題があった。

（発明が解決しようとする課題）このように、従来のピエゾ抵抗素子の形成方法で、高温
下でも感度を維持することができるものを得ようとする
と、複雑な製造工程を必要とし、コストの高騰を招くな
どの問題があった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、高温での
操作に耐え、高感度でかつ製造の容易なピエゾ抵抗素子
を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）そこで本発明のピエゾ抵抗素子では、ピエゾ抵抗部が周
囲を酸化シリコン膜で絶縁分離されると共に、断面形状
が１つの｛100｝面と２つの｛111｝面で囲まれた逆三角
形をなすように形成された単結晶シリコンで構成してい
る。

また、望ましくは、ピエゾ抵抗部が＜110＞方向に平行
または垂直に配列されたｐ型シリコン層で構成されるよ
うにしている。

（作用）上記構成により、ピエゾ抵抗素子の断面形状がシリコン
の１つの｛100｝面と２つの｛111｝面で囲まれた逆三角
形をなすように形成されているため、エッチング制御性
が良好で、寸法精度の高いものを得ることができる上、
機械的強度が高いため、矩形の場合よりも小さくするこ
とができ、感度の向上をはかることも可能となる。

形成に際しては、表面が｛100｝面となるように構成さ
れたシリコン基板表面に側面が｛110｝面を持つように
複数の溝を形成し、該溝の側面をアルカリエッチング液
を用いた異方性エッチングにより２つの溝で挾まれた領
域の側面｛111｝面を露出せしめ、整形することによ
り、容易に高精度の素子を形成することができる。

すなわち、本発明のピエゾ抵抗素子は、シリコンのアル
カリ異方性エッチングでは、結晶方位によってエッチン
グ速度が大きく異なるため、エッチング方位を選択する
ことによってのみ、制御性の良好なエッチングを行うこ
とができ、形状の高精度化をはかることが可能となる。

また、表面が酸化シリコン膜で覆われているうえ、pn接
合を用いていないため、リークの発生の心配もない。

さらに、＜110＞方向に平行または垂直に配列されたｐ
型シリコン層でピエゾ抵抗部を構成すると極めて高感度
となる。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

このピエゾ抵抗素子は、第１図（ａ）および第１図
（ｂ）に示すように、表面が｛100｝面の正方形状をな
す単結晶ｐ型のシリコン基板20の周縁部および中心部に
それぞれ各辺に沿って伸長すると共に断面が｛111｝面
を構成する分離溝9a,9b（９）を形成し、これら分離溝
の間に断面形状が１つの｛100｝面と２つの｛111｝面で
囲まれた逆三角形をなす島領域が形成され、この島領域
が各辺に沿って４つのピエゾ抵抗検出領域7a,7b,7c,7d
を構成してなるものである。

この４つのピエゾ抵抗検出領域7a,7b,7c,7dは、周囲が
酸化シリコン膜８を介して分離溝９内に充填された多結
晶シリコン膜10で互いに絶縁分離されると共に、＜110
＞方向に平行または垂直となるように各辺に沿って、互
いに直交するように配列され、各抵抗検出領域7a,7b,7
c,7dの接続はp⁺シリコン領域11でなされている。

ここで、第１図（ａ）は、第１図（ｂ）のＡ−Ａ断面図
である。

次に、このピエゾ抵抗素子の製造工程について説明す
る。

まず、第２図（ａ）に示すように、表面が｛100｝面を
なすように形成されたｐ型シリコン基板20の上面に酸化
シリコン膜12、窒化シリコン膜13、酸化シリコン膜14の
３層膜を順次堆積しこれらをフォトリソ法により選択的
に除去し、窓を形成する。

次いで、第２図（ｂ）に示すように、この３層膜をマス
クとして塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングによ
りシリコン基板20の表面を所定の深さまでエッチング
し、側面が｛100｝面を持つトレンチ15を形成する。

この後、第２図（ｃ）に示すように、これら３層膜をマ
スクとして水酸化カリウムKOHを用いた異方性エッチン
グにより、シリコン基板20のエッチングを行い、｛11
1｝面で囲まれた分離溝９を形成する。

このシリコン基板を点線ａで示すように反応性イオンエ
ッチングを用いて側面が｛110｝面を持つようにトレン
チを形成し、この状態で異方性エッチングを行なう方法
について考える。

水酸化カリウムKOHを用いた異方性エッチングにより、
シリコン基板のエッチングを行う場合、｛110｝面と｛1
00｝面と｛111｝面とのエッチング速度の比は、約600:3
00:1であるため、トレンチ側面は｛111｝面が露出する
まで速やかにエッチングされる。そして４つの｛111｝
面が露出したところでエッチングはほとんど停止する。

ここで、シリコン島の表面における幅をＷ、トレンチの
深さをＤ、エッチング停止時のシリコン島の下部のクビ
レ部分の幅をＳ、｛110｝面と｛111｝面とのなす角をΘ
（Θ＝35.26）とするとき、次のような式が成立する。

Ｗ＝Ｓ＋２×ＤtanΘ/2 ……（式）従って、シリコン島の表面における幅Ｗ、トレンチの深
さＤ、エッチング停止時のシリコン島の下部のくびれ部
分の幅Ｓのうちの１つを容易に設計することができる。

このようにしてエッチングを行った場合の、エッチング
停止時のシリコン島の下部のくびれ部分の幅Ｓくびれ部
の残った逆三角形断面を持つ柱状構造が形成されている
様子を示している。

このようにして、｛111｝面をエッチングストッパとし
て、高精度の形状加工を極めて容易に行うことが可能と
なる。

この後、分離溝表面を酸化し、酸化シリコン膜８を形成
して、シリコン島のくびれ部を酸化し、断面逆三角形状
の島領域を形成する。

そして、CVD法によりこの分離溝内に多結晶シリコン膜
を充填する。

この後、フォトリソ法により、表面の３層膜のコーナー
部に窓を形成し、この窓を介して、ヒ素イオン等の不純
物拡散を行い、p⁺拡散層11を形成した後、第２図（ｄ）
に示すように、表面の３層膜を除去する。

そして、通常の方法で配線パターンを形成し、ピエゾ抵
抗素子が完成する。

このようにして形成されたピエゾ抵抗素子は、ピエゾ抵
抗領域の断面形状がシリコンの１つの｛100｝面と２つ
の｛111｝面で囲まれた逆三角形をなすように形成され
ているため、エッチング制御性が良好で、寸法精度の高
いものを得ることができる。

すなわち、本発明のピエゾ抵抗素子は、エッチング方位
を選択することによってのみ、制御性の良好なエッチン
グを行うことができ、形状の高精度化をはかることが可
能となる。

また、表面が酸化シリコン膜で覆われているうえ、pn接
合を用いていないため、リークの発生の心配もない。ち
なみに操作可能温度は、pn接合を用いた素子の場合は精
々150℃程度であったものが、この素子では250℃程度で
も劣化を招くことはなかった。

また、この素子のゲージファクタは120程度となってお
り、従来の多結晶シリコンを用いた場合のゲージファク
タ40に比べて、感度が大幅に向上していることが分か
る。

次に、本発明の第２の実施例について図面を参照しつつ
詳細に説明する。

この例では、上述したようなピエゾ抵抗素子が、第３図
（ａ）に示すように、ｎ型シリコン層16内に形成された
ｐ型拡散領域17内に形成するか、または、第３図（ｂ）
に示すようにｎ型バリア層19上に形成されたｐ型エピタ
キシャル成長層内に形成されており、このようにするこ
とにより、圧力センサのダイヤフラムとなる肉薄部の形
成に際して、pn接合を電気化学的エッチングのエッチン
グストッパとして用いることができ、厚さの制御が極め
て容易となる。

ここで、70℃の水酸化カリウムをエッチャントとし、ｎ
層に正の電界を印加するようにすれば、ｎ型シリコン層
16あるいはｎ型バリア層19でエッチングは停止し、ダイ
ヤフラムとなる肉薄部の厚さの制御が容易に可能とな
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、単結晶シリコン
基板表面に、｛111｝面で囲まれた分離溝を形成し、こ
れら分離溝の間に形成され、断面形状が１つの｛100｝
面と２つの｛111｝面で囲まれた逆三角形をなす島領域
をセンサとして用いているため、形状加工が容易で、高
感度のピエゾ抵抗素子を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のピエゾ抵抗素子を示す
図、第２図（ａ）乃至第２図（ｄ）は第１図に示したピ
エゾ抵抗素子の製造工程を示す図、第３図（ａ）乃至第
３図（ｂ）はそれぞれ本発明の他の実施例を示す図、第
４図（ａ）乃至第４図（ｆ）は従来例のピエゾ抵抗素子
の製造工程を示す図である。１……第１のシリコン基板、２……第２のシリコン基
板、３……p⁺拡散層、４……酸化シリコン膜、５……酸
化シリコン膜、６……電極パターン、７……ピエゾ抵抗
領域、８……酸化シリコン膜、９……分離溝、10……多
結晶シリコン膜、11……p⁺シリコン領域、12……酸化シ
リコン膜、13……窒化シリコン膜、14……酸化シリコン
膜、15……トレンチ、16……ｎ型シリコン層、17……ｐ
型拡散領域、18……ｐ型シリコン層、19……ｎ型バリア
層、20……ｐ型のシリコン基板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板表面に形成された４つの｛11
1｝面で囲まれ、内壁に酸化シリコン膜を形成してなる
分離溝に囲まれた領域内に形成され、断面が１つの｛10
0｝面と２つの｛111｝面で囲まれた逆三角形をなすよう
に形成されたピエゾ抵抗部を含むようにしたことを特徴
とするピエゾ抵抗素子。
【請求項２】前記ピエゾ抵抗部は、ｐ型シリコン層から
なり、＜110＞方向に平行または垂直となるように形成
されていることを特徴とする請求項（１）記載のピエゾ
抵抗素子。