JPH0824195B2

JPH0824195B2 - 半導体センサと半導体歪みゲージの製造方法

Info

Publication number: JPH0824195B2
Application number: JP63248068A
Authority: JP
Inventors: 恵三山田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1988-09-30
Publication date: 1996-03-06
Anticipated expiration: 2011-03-06
Also published as: JPH0294666A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、半導体センサと半導体歪みゲージの製造方
法に関する。

（従来の技術）従来より半導体加速度センサは、作製されており、例
えばアイトリプルイートランザクションズオンエレ
クトロンデバイセズ（IEEE TRANASACTIONS ON ELELCTRO
N DEVICES）、VOL.ED−26,P1911、1979に紹介されてい
る。第２図はその半導体加速度センサの構造を示す。
（ａ）は平面図であり、（ｂ）はＹ−Ｙ′に沿った断面
図である。

通常、加速度を検出するためには、被加速度検出物に
固定し、加速度を検出するための基準点と、外部からの
振動に追髄して振動する、梁、及びおもりを必要とす
る。従来の加速度センサにおいては、加速度を検出する
ための、おもり６を加速度センサのチップ外周部ではな
く、その中心部分に形成し、１つの梁７で支える構造と
なっている。加速度を検出するための梁は、先ず、基板
裏面より異方性エッチングを行ない、適当な方法で途中
でエッチングを停止して、シリコンの薄膜を作製し、表
面より再度異方性エッチングを行なって、必要形状に形
成される。加速度を効率良く検出するために、梁の先端
部分に設けられるおもりは、梁を作製した際に、残った
半導体基板を直接用いるか、もしくはその表面に金属を
厚く盛る事によって形成される。半導体基板より、直接
おもりを作製する場合には、基板＜100＞面配向のシリ
コンを用い、異方性エッチングを適用して、Ｖ溝をおも
りとなる部分の周囲に基板を貫通するまで堀り、固定部
分から片持ち梁の部分を除いて、分離し作製される。更
に金属を盛る場合には、金属を付ける場所を指定するた
めと、シリコンは電気伝導性、密着性に乏しく、電気鍍
金に必要とされる電流を効率良く流し、密着層を設ける
ために、銀もしくはニッケルを予め蒸着し、その後に、
電気鍍金法などにより、金などの重量密度の大きな金属
を析出させておもりとする。従来の加速度センサにおい
ては梁が基板面に対して上下運動することにより、梁の
支持部分の表面部分に作製された歪みゲージ９に応力が
加わり、それを抵抗の変化として検出していた。第５図
に従来の半導体歪みゲージの作製法を及び、その方法に
よって作製された、半導体歪みゲージの構造を示した。
第５図は第２図で示した加速度センサをＹ−Ｙ′で切断
した断面について示したものである。始めに、（ａ）で
示した様に、半導体基板にイオン注入法によって不純物
を導入するのに必要とされる、マスクを形成するため
に、基板表面を酸化して、所定厚さの二酸化シリコン層
17を作製する。その後に、抵抗体が形成される部分の酸
化膜を弗酸を含む溶液にてエッチングを施し取り除く事
によって、半導体ゲージ抵抗体の形状を決定する。
（ｂ）に示した様に、露出したシリコン基板表面に基板
の導電性とは、異なった導電性を持たせることの出来る
不純物種のイオン注入を行ない、ゲージ抵抗体形成に必
要とされる適当な濃度の不純物を導入し、イオン注入層
19を得る。不純物を導入すると導入された荷電粒子の持
つエネルギーのために、シリコンの結晶性が部分的に失
われその電気的特性が劣化する、また導入された不純物
は格子の置換位置を占めておらず電気的に不活性である
ため、適当な温度でアニーリングを行ない、シリコンの
結晶性の回復と導入された不純物を格子位置に移動させ
て電気的に活性化する。その上にCVDなどによって二酸
化シリコン膜を形成した後、コンタクタ形成部分の酸化
膜を取り除き、その部分に不純物の濃度の高いP⁺拡散層
20を設ける事によってオーミック接触をとりやすいよう
にする。コンタクトの強度を向上するために、その上部
にポリシリコンを堆積させ、更にその上部に回路を形成
するために、アルミをスパッタによって堆積させる。こ
の状態で、適当な熱処理を施してポリシリコンとアルミ
と下部の抵抗体の間に合金層を形成し、良好なオーミッ
クコンタクトを形成する。最後に、アルミ、ポリシリコ
ンをエッチングして半導体抵抗と配線50よりなる素子を
得る。この様な工程によって作製された従来の歪みゲー
ジは、前述のように、梁が、基板面に対して垂直方向に
変位する事によって生じる応力変化を、電気信号に変換
する働きを持っている。梁の変位によってその支持部分
に生じる応力は、梁が下に変形した場合、基板表面側
は、引っ張り応力を受けるのに対して裏側は圧縮応力を
受ける。そのため構築物の幾何学的対称性を考慮すると
梁の表では、引っ張り応力が最大となり、裏面では圧縮
応力が最大となる。また、梁の中間の厚さのところで０
と成る、これらの事より従来の加速度センサでは、基板
面に対して垂直な加速度信号を有効に電気信号に変換す
るために、基板の表面もしくは裏面にゲージ抵抗体が形
成された構造が採用されている。

（発明が解決しようとする課題）通常の加速度測定においては、運動物の進行方向に生
じる加速度を検出することが、重要である場合が多い。
従来の加速度センサは、基板面に対して垂直な方向に生
じる加速度を測定するのに適した構造をしているため、
従来の加速度センサにおいて基板面と平行な方向の力を
検出するためには、センサ素子をパッケージに対して垂
直に設置しなくてはいけないため、組立工程が非常に煩
雑なものになる、さらに通常の半導体は平板状であり高
さは殆どないためパッケージは背の低いもので良いが、
垂直に基板を立てると背の高い特別なパッケージを作る
必要が生じるという問題があった。半導体加速度センサ
を横に設置してパッケージそのものを、垂直に配置する
事も可能であるが、安定した垂直設置を行なうために
は、別途治具が必要であり、コストがかさみ、通常とは
異なる設置方法であるため信頼性も低下する、などの問
題があった。

上記問題点を解決するために、センサ素子自身の加速
度を検出する軸を半導体基板面と水平な面上におくとセ
ンサの設置が非常に楽になる。しかしそのためには横方
向に、加速度を検出するための振動子を振動させ、その
運動によって生じた応力を電気信号に変換する必要があ
る。従来の半導体加速度センサに用いられている半導体
歪みゲージの構造では、歪みゲージが、基板の表面に形
成されており、梁の横方向に長く厚さ方向に薄いため、
横に振動する振動子の応力を有効に検出することが不可
能であった。更に、上記問題点を解決するためには横方
向の加速度によって生じる梁の横変位に伴う応力を有効
に電気信号に変換可能な、側面に形成された半導体歪み
ゲージが必要とされるが、従来半導体加速度センサにお
いては、配線類を半導体基板の側面に行なうことはされ
ていなかったため、梁の側面に半導体ゲージを形成する
技術は、確立されていないと言う問題点があった。

（課題を解決するための手段）本発明はゲージ抵抗体が、基板面に対して深さ方向に
掘った、溝の側面に形成されていることを、特徴とする
半導体加速度センサである。

さらに本発明は半導体歪みゲージの作製方法におい
て、ゲージを形成する部分に予め異方性エッチングによ
って、溝を開口する工程と、その、溝に、不純物を注入
する工程と溝底部の不純物層を除く、もしくは、注入さ
れている不純物とは異なる導電型の不純物を底部に注入
することを特徴とする、半導体歪みゲージの作製法であ
る。

以上半導体加速度センサについてだけ述べた。しかし
半導体力センサ、圧力センサ等の力学量センサも同様の
課題がある。また検出したい物理量（例えば温度、光な
ど）を歪みゲージの抵抗変化変換して検出する半導体セ
ンサが考えられるがこれも同様な課題がある。

（作用）近年急速に発展した、エッチング技術によって、特定
のエッチングガスを用いると、半導体と反応した物質が
エッチングが行なわれている部分の上部壁面に堆積して
エッチングが水平方向に進行するのを妨げるように働く
ため、垂直に深い穴を掘ることが可能である。溶液を用
いた、異方性エッチングにおいても、半導体の＜111＞
結晶面は、容易に酸化膜を作る性質を持つため、エッチ
ングの中間体として酸化物を形成するような溶液でエッ
チングを行なうと、＜111＞結晶面に、薄い酸化膜が堆
積しその方向へのエッチングの進行を妨げ、その結果と
して異方性を持ったエッチングが、可能と成る。イオン
注入はイオンが、高速に直進運動するため、目的とする
場所とイオン源とを結ぶ直線の間に障害物が無ければ、
目的物に確実に濃度の知れた不純物を導入することが可
能なため斜めにイオン注入を行なうことによって、側壁
に効率良く不純物を導入させることが可能である。ま
た、イオン注入においては、酸素や窒素などのシリコン
と反応して優良な絶縁膜を、形成させることが出来、不
純物も局所的に導入することが可能である。これによっ
て、ゲージ抵抗体間を絶縁したり、溶液による異方性エ
ッチングの形状に変化を持たせることが可能である。構
造については、従来の様に、与えられた基板表面に半導
体ゲージ抵抗体を設ける作製法及び構造とは、全く逆に
与えられた基板表面をエッチングによって、変形し元の
基板には存在しない平面を、新たに作製しその部分に半
導体ゲージ抵抗体を設けることによって、従来のゲージ
構造では、不可能であった多軸の応力検出が可能と成
る。

（実施例）第１図（ａ）〜（ｃ）に本発明の第１の実施例である
製造工程図を示す。先ず、基板表面を酸化して、溝を掘
るためのマスクを形成する。必要な場合は窒化膜や、レ
ジストなどを重ねる場合もある。次に、（ａ）で示した
様に、半導体基板にゲージ形成のための不純物を導入す
るためと、半導体ゲージ抵抗の長さ、幅を決定するため
に、反応性イオンエッチング、もしくは、基板＜100＞
面に配向した基板を用いてKOH、ヒドラジン等の異方性
エッチング液によって、異方性エッチングを施し細長い
溝２を形成する。次に、（ｂ）で示した様に、イオンイ
ンプランテイションによって、斜め方向から、不純物を
溝の壁面に打ち込みインプラ層３を作製する。壁面は、
溝を境にして２つ存在するが、どちらか一方しか用いな
い場合には基板を適当な角度に固定して、１度だけイオ
ン注入を行なう。両方の壁に抵抗体を形成する場合に
は、基板を適当な角度に保ったまま回転させてイオン注
入を施すか、一度傾けてイオン注入を行なったあとに設
置する角度を逆に傾けて再度イオン注入を行なうかす
る。このときに、必要ならば、電気的結合の外部の回路
と取るために、基板表面にも同時に不純物拡散して、コ
ンタクトの形成が容易になるようにすることが、望まし
い。イオン注入による、不純物の導入は、溝の側壁のみ
に行なわれることが、望ましいが、溝の底部４にも不純
物が注入され溝で仕切られた相対する側面の抵抗体が、
短絡するため再度異方性エッチングによって、底部に堆
積した不純物を除ける程度に、穴を堀り絶縁する。穴堀
りが困難な場合には、穴に対して今度は、他の導電性の
半導体を形成するような、不純物を垂直に打ち込みPN接
合を形成することによって、相対する側壁の抵抗体を絶
縁分離する。または、酵素、窒素などの不純物を打ち込
み、適当に熱処理することによって酸化膜、窒化膜等の
絶縁膜を形成することも出来る。最後に、アルミなどに
よって配線５を施し、（ｃ）に示すように半導体ゲージ
抵抗素子回路を得る。

第３図（ａ）〜（ｄ）に別の実施例を示す。この場合
には、異方性エッチングによってＶ溝を設けている事が
特徴である。基板には＜100＞面配向のシリコンを用
い、まず細い溝12を掘る（ａ図）。その後基板と反対の
導電性を形成する高濃度の不純物を細溝12の底面に注入
し第１インプラ層13を得る（ｂ図）。この層が溝の両側
に設けるゲージ抵抗体を絶縁する層となる。高濃度の不
純物を含むシリコンは異方性エッチング液によって、エ
ッチングされない性質があるため、（ｃ）で行なわれる
ｖ溝状に進行するエッチングを途中で停止して、台形の
形にすることが可能である。その後、基板表面より、KO
H、ヒドラジンなどの異方性エッチング液によって、斜
めに異方性エッチングを施し、Ｖ溝14を得る。その後
に、（ｄ）で示した様に、再度イオン注入をＶ溝14に対
して行なって、基板の側面に斜めに形成されたゲージ抵
抗体15を得る。

第４図には、第３の実施例を示した。第３の実施例の
場合には、第２の実施例で行なった、最初の細い溝の作
製を基板裏面から行なうことに特徴があり、他の工程が
第２の実施例と同様である。この場合、第４図（ｄ）で
示される、最終構造は、二酸化シリコンの薄膜によって
溝の両側面に形成された、ゲージ抵抗体が分離されてい
るので、その酸化膜をエッチングによって、取り除けば
別々に作動する２本の梁を得ることが可能である。第６
図に第４の実施例を示した。第６図の（ａ）に示したの
は、実施例１において作製される、最終構造である。第
４の実施例においてはその構造物に対して、更に裏面よ
り同等の工程を加えることによって、厚さ方向に２つの
電気的に分離されたゲージ抵抗体を作製するものであ
る。この様にすると、検出感度は向上し、梁の上下運動
に起因する応力も、梁の横運動に起因する応力とは独立
に検出可能と成る。

また、細溝の底面にイオン注入するのは酸素や窒素な
どでもよい。酸素及び窒素を用いた場合には、不純物を
導入した後に熱処理を施すことによって、シリコンとの
間に、化合物つまり酸化物や窒化物を生成させ次に行な
われるエッチングのストッパとする。

（発明の効果）本発明によれば、異方性エッチングによって溝を掘る
ことによって、応力を検出するための半導体ゲージ抵抗
を梁の側面に形成可能であり、不純物の導入にイオン注
入を用いることによって、基板面と平行な方向に高い感
度を持つセンサに必要とされる、ゲージ抵抗体を精度良
く容易に得ることが可能である。溝の大きさはミクロン
オーダーまで作製可能であり、非常に微細しかも、深さ
方向に伸びたゲージ抵抗体を得ることが可能である。実
施例2,3の様に、ゲージをほぼ90度に直交して作製した
場合には、１つの梁に２軸の物理量の検出を行なわせる
ことが可能である。実施例1,2に示された、最終形状か
ら更に異方性エッチングを加えることによって、抵抗体
の形状を様々な形にすることが可能である。実施例４に
示したように、裏面からエッチングを施して半導体基板
の両面に半導体ゲージ抵抗体を形成することによって、
より感度を上昇させることも可能である。特にＶ溝に作
製された抵抗体は、複数組み合せることによって同一基
板内にX,Y,Z方向の物理量を検出するのに必要とされ
る、ゲージ抵抗体を得ることが可能である。以上述べた
ように、従来の様に、与えられた基板表面に半導体ゲー
ジ抵抗体を設ける作製法及び構造とは、全く逆に与えら
れた基板表面をエッチングによって、変形し元の基板に
は存在しない平面を、新たに作製しその部分に半導体ゲ
ージ抵抗体を設けることによって、従来のゲージ構造で
は、不可能であった多軸の応力検出が可能と成る。別の
効果として、ICなどには、低抵抗でしかも大きな電流を
流すための、負荷抵抗が必要とされるが、本発明のよう
に抵抗体を深さ方向に形成することによって、その面積
を減少させることも可能である。本発明のゲージ抵抗体
の作製法では、非常に細い溝に、導電体である、抵抗層
を形成可能であるため、その抵抗層は溝を挟んでコンデ
ンサを形成しており、入力に対して、溝を挟んだ電極の
距離が変化するようにすれば、容量の変化によって応力
変化を検出させることも可能である。以上の効果より、
横にも縦にも振動できる梁に上記実施例１の構造の検出
素子を形成すれば、基板と平行な方向の物理量は、歪み
ゲージによって、垂直な方向の物理量は静電容量の変化
によって各々独立に測定することが可能であり、クロス
トークの小さな２軸検出の可能なセンサが、作製され
る。溝の幅が広い場合には、コンデンサの容量が減少し
感度が低くなるので、電極の間に誘電率の高い物質や、
圧電体を埋め込むことも可能である。溝の形状は実施例
には２つしか示されていないが、エッチングによって深
さ方向に穴を開けられれば、どの様な形状持つ場合でも
実施例同様な半導体歪みゲージを形成することが可能で
ある。本発明のセンサが検出する対象は主に加速度、力
などの力学量であるが、他の物理量であっても何らかの
方法で力学量に変換すれば検出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例である半導体ゲージ抵抗
体の製造工程図。第２図は従来の加速度センサの上面図
及び断面図。第３図は本発明の第２の実施例の製造工程
図。第４図は本発明の第３の実施例の製造工程図。第５
図は従来の半導体ゲージ抵抗体の製造工程図。第６図は
本発明の第４の実施例の製造工程図。１……梁、２……溝、３……インプラ層、４……底部インプラ層、５……アルミ配線、６……おもり、７……梁、８……固定部、９……ゲージ抵抗、10……ガラスカバー、 11……台座、12……細い溝、13……第１インプラ層、 14……Ｖ溝、15……第２インプラ層、 16……Ｎ型エピ層、17……酸化シリコン膜、 18……Ｐ型シリコン半導体基板、 19……イオン注入層、20……P⁺拡散層、 50……配線。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ゲージ抵抗体が、基板面に対して深さ方向
に掘った、溝の側面に形成されていることを、特徴とす
る半導体センサ。
【請求項２】半導体歪みゲージの作製方法において、ゲ
ージを形成する部分に予め異方性エッチングによって、
溝を開口する工程と、その、溝に、不純物を注入する工
程と溝底部の不純物層を除く、もしくは、注入されてい
る不純物とは異なる導電型の不純物を底部に注入するこ
とを特徴とする、半導体歪みゲージの製造方法。