JPS6218072A - 半導体歪検出器 - Google Patents
半導体歪検出器Info
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- JPS6218072A JPS6218072A JP15674085A JP15674085A JPS6218072A JP S6218072 A JPS6218072 A JP S6218072A JP 15674085 A JP15674085 A JP 15674085A JP 15674085 A JP15674085 A JP 15674085A JP S6218072 A JPS6218072 A JP S6218072A
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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。
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、多結晶半導体薄膜を用いた半導体歪検出器に
関し、例えば高温状態において各種液体や気体の圧力、
或いは各種応力歪等を検出する検出器に有効利用し得る
ものである。
関し、例えば高温状態において各種液体や気体の圧力、
或いは各種応力歪等を検出する検出器に有効利用し得る
ものである。
〔従来の技術］
今日、ｎ型シリコン車結晶基板の一主面にＰ型ピエゾ砥
抗領域をブリッジ状に複数個拡散形成した半導体歪検出
器が広く利用されている。
抗領域をブリッジ状に複数個拡散形成した半導体歪検出
器が広く利用されている。
しかし、この歪検出器では抵抗領域がＰｎ接合によって
ｎ型基板から電気的に分離されているため、Ｐｎ接合部
のリーク電流が増加する高温中では使用できず、その使
用温度の上限は一般に約１５０°Ｃ程度にとどまってい
る。そこで、この問題を解決するため、シリコン単結晶
基板上にＳｉｎｇ等の絶縁膜を形成し、この絶縁膜上に
多結晶シリコン、あるいは非結晶シリコンのピエゾ抵抗
領域をＣＶＤ法または蒸着法によって形成した半導体歪
検出器が考えられているが、多結晶または非結晶のシリ
コンは大きなピエゾ抵抗効果を示さないため、高能率の
歪検出器が得られないという問題がある。
ｎ型基板から電気的に分離されているため、Ｐｎ接合部
のリーク電流が増加する高温中では使用できず、その使
用温度の上限は一般に約１５０°Ｃ程度にとどまってい
る。そこで、この問題を解決するため、シリコン単結晶
基板上にＳｉｎｇ等の絶縁膜を形成し、この絶縁膜上に
多結晶シリコン、あるいは非結晶シリコンのピエゾ抵抗
領域をＣＶＤ法または蒸着法によって形成した半導体歪
検出器が考えられているが、多結晶または非結晶のシリ
コンは大きなピエゾ抵抗効果を示さないため、高能率の
歪検出器が得られないという問題がある。
本発明は、上記点に鑑み、多結晶半導体薄膜にて歪検出
部を構成することによって絶縁性基板上への薄膜形成を
容易にし、それによって高温状態における使用を可能に
し、かつこの歪検出部において単結晶シリコンなみの大
きなピエゾ抵抗効果を得ることができる半導体歪検出器
を提供することを目的とする。
部を構成することによって絶縁性基板上への薄膜形成を
容易にし、それによって高温状態における使用を可能に
し、かつこの歪検出部において単結晶シリコンなみの大
きなピエゾ抵抗効果を得ることができる半導体歪検出器
を提供することを目的とする。
ところで、本発明者等は、多結晶半導体、とりわけ多結
晶シリコンのピエゾ抵抗効果について研究した結果、不
純物濃度と結晶粒径の積が十分大きい場合、粒界の影響
がきわめて弱くなり、結晶粒の配向性が極めて重要にな
ることを見出した。
晶シリコンのピエゾ抵抗効果について研究した結果、不
純物濃度と結晶粒径の積が十分大きい場合、粒界の影響
がきわめて弱くなり、結晶粒の配向性が極めて重要にな
ることを見出した。
そして、多結晶シリコンの配向性とゲージファクタとの
関係を理論的及び実験的に考察してみると、多結晶シリ
コンの各結晶粒を垂直配向し、かつ面内方位も揃った多
結晶シリコンのゲージファクタ（つまり縦（長手）方向
ゲージファクタにβ、ｔＸ方向ゲージファクタＫＬ）は
、単結晶シリコンとほぼ同じ大きさ、及び異方性（つま
り特定結晶方位に対して強く感応すること）をもつこと
が分かった。
関係を理論的及び実験的に考察してみると、多結晶シリ
コンの各結晶粒を垂直配向し、かつ面内方位も揃った多
結晶シリコンのゲージファクタ（つまり縦（長手）方向
ゲージファクタにβ、ｔＸ方向ゲージファクタＫＬ）は
、単結晶シリコンとほぼ同じ大きさ、及び異方性（つま
り特定結晶方位に対して強く感応すること）をもつこと
が分かった。
また、ゲージファクタに及ぼす垂直配向及び面内配向の
ゆらぎの影響について考察してみると、面内配向のゆら
ぎα及び垂直配向のゆらぎβとすると、ゆらぎ角α、β
が０〜１０″以内、望ましくは数置以内であれば、その
影響は実質的に零とみなせる値となり、ゲージファクタ
に１、Ｋｔは単結晶シリコンの値とほぼ一致することが
分かった。
ゆらぎの影響について考察してみると、面内配向のゆら
ぎα及び垂直配向のゆらぎβとすると、ゆらぎ角α、β
が０〜１０″以内、望ましくは数置以内であれば、その
影響は実質的に零とみなせる値となり、ゲージファクタ
に１、Ｋｔは単結晶シリコンの値とほぼ一致することが
分かった。
以上の考察の結果、多結晶シリコンにおいても配向性を
制御することにより、単結晶なみのゲージファクタが得
られることを見出した。
制御することにより、単結晶なみのゲージファクタが得
られることを見出した。
そこで、本発明は、上記した如き考察に基づいて実現さ
れたものであり、 少なくとも一主面が絶縁性を有する基板上に、多結晶半
導体の薄膜からなる歪検出部が形成され、かつこの薄膜
を構成する各結晶粒の結晶軸が基板に対して垂直配向さ
れ、かつ基板に対して平行な結晶面内の結晶軸が全て一
定方向に配向されていることを特徴とする半導体歪検出
器からなるものである。
れたものであり、 少なくとも一主面が絶縁性を有する基板上に、多結晶半
導体の薄膜からなる歪検出部が形成され、かつこの薄膜
を構成する各結晶粒の結晶軸が基板に対して垂直配向さ
れ、かつ基板に対して平行な結晶面内の結晶軸が全て一
定方向に配向されていることを特徴とする半導体歪検出
器からなるものである。
それによって本発明によれば、多結晶半導体薄膜の各結
晶粒の結晶方向が、従来の如きランダム配向に対して、
全てを特定された方向に配向されるようにしてこの薄膜
を絶縁性基板上に成長させることにより、単結晶シリコ
ンなみのピエゾ抵抗５効果を達成できるようにしたもの
である。
晶粒の結晶方向が、従来の如きランダム配向に対して、
全てを特定された方向に配向されるようにしてこの薄膜
を絶縁性基板上に成長させることにより、単結晶シリコ
ンなみのピエゾ抵抗５効果を達成できるようにしたもの
である。
以下、本発明の実施例について説明する。本例では半導
体歪検出器の一例として圧力検出器への応用例を示す。
体歪検出器の一例として圧力検出器への応用例を示す。
そして、絶縁性基板、つまりこの場合には基板自体が絶
縁材料（例えばガラスやセラミックなど）からなるもの
、または基板（例えば半導体や金属など）上に形成され
た絶縁層（例えばＣａＦ、層やＳｉｎ、層など）を有す
る基板を示しているが、この絶縁性基板上に、各結晶粒
の結晶面内の方向を同一方向に配向した良質の多結晶半
導体薄膜を何に成長・形成させるかについて、重点を置
いて説明する。
縁材料（例えばガラスやセラミックなど）からなるもの
、または基板（例えば半導体や金属など）上に形成され
た絶縁層（例えばＣａＦ、層やＳｉｎ、層など）を有す
る基板を示しているが、この絶縁性基板上に、各結晶粒
の結晶面内の方向を同一方向に配向した良質の多結晶半
導体薄膜を何に成長・形成させるかについて、重点を置
いて説明する。
まず本発明の第１実施例を説明する。第１図は圧力検出
器の断面構造を示すものである。まず１１は（１００）
結晶面を有するダイアフラム状の単結晶シリコン基板で
、この基板１１上には結晶性の絶縁物であるフッカカル
シウム（ＣａＦ、）を真空蒸着法によりエピタキシャル
成長させて形成した約５０００人の厚さの絶縁層１２が
形成されている。１３は絶縁層１２上に形成された歪検
出部をなす多結晶シリコン半導体薄膜で、この薄膜１３
は約１．５μｍの厚さに真空蒸着法またはＣＶＤ法によ
り形成され、その後所定パターンにエツチング形成され
たものである。この半導体薄膜１３はシリコン基板１１
の凹状起歪部（ダイアフラム部）に対応する領域内に配
置される。そして、この多結晶シリコン半導体薄膜１３
および絶縁層１２上にはＳｉｎｇより成る保護［１１１
４が形成されている。この保護膜１４はＣＶＤ法あるい
はスバッタ法により基板全面に形成された後、所定パタ
ーンにエツチング形成されたものである。１５は半導体
薄膜１３の所定部位に電気的接続するためのアルミニウ
ム等の電極である。
器の断面構造を示すものである。まず１１は（１００）
結晶面を有するダイアフラム状の単結晶シリコン基板で
、この基板１１上には結晶性の絶縁物であるフッカカル
シウム（ＣａＦ、）を真空蒸着法によりエピタキシャル
成長させて形成した約５０００人の厚さの絶縁層１２が
形成されている。１３は絶縁層１２上に形成された歪検
出部をなす多結晶シリコン半導体薄膜で、この薄膜１３
は約１．５μｍの厚さに真空蒸着法またはＣＶＤ法によ
り形成され、その後所定パターンにエツチング形成され
たものである。この半導体薄膜１３はシリコン基板１１
の凹状起歪部（ダイアフラム部）に対応する領域内に配
置される。そして、この多結晶シリコン半導体薄膜１３
および絶縁層１２上にはＳｉｎｇより成る保護［１１１
４が形成されている。この保護膜１４はＣＶＤ法あるい
はスバッタ法により基板全面に形成された後、所定パタ
ーンにエツチング形成されたものである。１５は半導体
薄膜１３の所定部位に電気的接続するためのアルミニウ
ム等の電極である。
上記の構成とすることによって、絶縁層１２を構成する
Ｃ ａ Ｆ ２は絶縁物で弗るため、シリコン基板１１
と歪検出部となる半導体薄膜１３とを電気的に完全に絶
縁することができ、例えば３００℃程度の高温状態にお
いても十分な絶縁を得られる。
Ｃ ａ Ｆ ２は絶縁物で弗るため、シリコン基板１１
と歪検出部となる半導体薄膜１３とを電気的に完全に絶
縁することができ、例えば３００℃程度の高温状態にお
いても十分な絶縁を得られる。
また、第２図において多結晶シリコンの各結晶粒の状態
を模式図に示すように、下地となるＣａＦ２は結晶性で
あり、その結晶構造は単結晶シリコンと同じ面心立方で
、またその格子定数はシリコンと非常に近いため、（１
１０）結晶面を有するシリコン基板１１上に結晶性の良
い（１１０）結晶面を有するＣａＦｚ膜（′４ｇＡ縁層
）１２をエピタキシャル成長させることができる。さら
に、このＣａＦＺ膜１２膜上２面上させた多結晶シリコ
ン半導体薄膜１３は下地のＣａＦ、膜１２結晶方位を引
き維ぎ、（１１０）面が基板１１．１２に対して垂直配
向（この場合＜ＩＴＯ＞方向）し、面内の方位も一定方
向に配向（この場合＜１１０＞方Ｊｉｉｌｌ）したもの
となる。
を模式図に示すように、下地となるＣａＦ２は結晶性で
あり、その結晶構造は単結晶シリコンと同じ面心立方で
、またその格子定数はシリコンと非常に近いため、（１
１０）結晶面を有するシリコン基板１１上に結晶性の良
い（１１０）結晶面を有するＣａＦｚ膜（′４ｇＡ縁層
）１２をエピタキシャル成長させることができる。さら
に、このＣａＦＺ膜１２膜上２面上させた多結晶シリコ
ン半導体薄膜１３は下地のＣａＦ、膜１２結晶方位を引
き維ぎ、（１１０）面が基板１１．１２に対して垂直配
向（この場合＜ＩＴＯ＞方向）し、面内の方位も一定方
向に配向（この場合＜１１０＞方Ｊｉｉｌｌ）したもの
となる。
第３図に上記多結晶シリコン半導体薄膜１３の走査電子
顕微鏡写真を示すが、結晶粒径が数千人ないし１μで、
晶癖を持った各結晶粒子が一定の方向に配向しているこ
とがわかる。第４図にこの多結晶シリコン半導体薄膜１
３の反射電子線回折像（ＲＨＢＥＤ）の写真を示す。こ
の写真のようにスポットが観測され、強く面内方向に配
向していることを示している。すなわち、本発明の構成
によって歪検出部となる多結晶シリコン半導体薄膜１３
を多結晶でありながら、基板に垂直な結晶軸の方位（＜
ＩＴＯ＞方向）および基板に平行な結晶面内の方位（＜
１１０＞方向）を一定方向に揃えたものとすることがで
きるのである。
顕微鏡写真を示すが、結晶粒径が数千人ないし１μで、
晶癖を持った各結晶粒子が一定の方向に配向しているこ
とがわかる。第４図にこの多結晶シリコン半導体薄膜１
３の反射電子線回折像（ＲＨＢＥＤ）の写真を示す。こ
の写真のようにスポットが観測され、強く面内方向に配
向していることを示している。すなわち、本発明の構成
によって歪検出部となる多結晶シリコン半導体薄膜１３
を多結晶でありながら、基板に垂直な結晶軸の方位（＜
ＩＴＯ＞方向）および基板に平行な結晶面内の方位（＜
１１０＞方向）を一定方向に揃えたものとすることがで
きるのである。
第５図及び第６図に、本実施例による歪検出器のゲージ
ファクタの一例を、ゲージの方位別及び縦、横方向別に
示す。本例では歪検出部となる多結晶シリコン半導体薄
膜には公知の方法によりポロン（Ｂ）が添加され、その
不純物濃度が１×ＩＱ ２０ｃｍ−３に設定され、また
一定温度（この場合２７℃）に設定された場合である。
ファクタの一例を、ゲージの方位別及び縦、横方向別に
示す。本例では歪検出部となる多結晶シリコン半導体薄
膜には公知の方法によりポロン（Ｂ）が添加され、その
不純物濃度が１×ＩＱ ２０ｃｍ−３に設定され、また
一定温度（この場合２７℃）に設定された場合である。
第５図をみると、本実施例の如く配向性を制御シた多結
晶シリコン膜を用いた場合、ゲージファクタは特性（ロ
）となり、結晶方位＜１１０＞のとき単結晶シリコンの
特性（イ）にかなり近い値を示し、通常のランダム配向
多結晶シリコンの特性（ハ）に比べてかなり優れた値と
なる。また本例のものは結晶方位＜１００＞において単
結晶シリコンと同様にほぼ零となり、ゲージファクタに
異方性があることが分かる。また、第６図をみると、本
例のものは（特性（ロ））は単結晶シリコンと同様に縦
方向ＫＮに感応し、横力向Ｋｔにはほとんど感応しない
ことが分かる。
晶シリコン膜を用いた場合、ゲージファクタは特性（ロ
）となり、結晶方位＜１１０＞のとき単結晶シリコンの
特性（イ）にかなり近い値を示し、通常のランダム配向
多結晶シリコンの特性（ハ）に比べてかなり優れた値と
なる。また本例のものは結晶方位＜１００＞において単
結晶シリコンと同様にほぼ零となり、ゲージファクタに
異方性があることが分かる。また、第６図をみると、本
例のものは（特性（ロ））は単結晶シリコンと同様に縦
方向ＫＮに感応し、横力向Ｋｔにはほとんど感応しない
ことが分かる。
次に、本発明の第２実施例を説明する。前記実施例にお
いては、絶縁性基板としてＣａＦ２膜１２を有する単結
晶シリコン基板１１を用いたが、本実施例では第７図に
示す様に、ステンレス等の耐熱、耐腐食性金属からなる
基板２１を用いる。
いては、絶縁性基板としてＣａＦ２膜１２を有する単結
晶シリコン基板１１を用いたが、本実施例では第７図に
示す様に、ステンレス等の耐熱、耐腐食性金属からなる
基板２１を用いる。
そこでこの基板２１上に５ｉＯｚからなる絶縁層２２が
ＣＶＤ法あるいはスパッタ法により形成される。この絶
縁層２２に対し、フォトリソグラフィによりグレーティ
ングを形成した後、真空蒸着法により、歪検出部となる
結晶シリコン半導体２３が形成される。このとき、Ｓｉ
Ｏ□薄膜２２に対して多結晶シリコンが垂直配向する条
件で膜形成を行なうと、多結晶シリコンは垂直配向する
ばかりでなく、グレーティングの向きにそって、基板に
平行な結晶面内の方位も一定方向に揃ったものとなる。
ＣＶＤ法あるいはスパッタ法により形成される。この絶
縁層２２に対し、フォトリソグラフィによりグレーティ
ングを形成した後、真空蒸着法により、歪検出部となる
結晶シリコン半導体２３が形成される。このとき、Ｓｉ
Ｏ□薄膜２２に対して多結晶シリコンが垂直配向する条
件で膜形成を行なうと、多結晶シリコンは垂直配向する
ばかりでなく、グレーティングの向きにそって、基板に
平行な結晶面内の方位も一定方向に揃ったものとなる。
この後、前記実施例と同様を方法で、保護膜２４および
電極２５を形成して半導体歪検出器が完成される。
電極２５を形成して半導体歪検出器が完成される。
なお、この場合、結晶面内の配向性を改善する目的で、
多結晶シリコン半導体２３を形成後、レーザビームある
いは電子ビーム等を用いたアニールを行なっても良い。
多結晶シリコン半導体２３を形成後、レーザビームある
いは電子ビーム等を用いたアニールを行なっても良い。
本実施例の構成とすることにより、高温、高圧用の圧力
センサに利用できる半導体歪検出器が実現可能となる。
センサに利用できる半導体歪検出器が実現可能となる。
また図面は示さないが、歪検出素子となる多結晶シリコ
ン半導体部を同一の基板上に複数個形成することも可能
である。この場合、絶縁膜によって各多結晶シリコン半
導体は相互に絶縁されるようになる。
ン半導体部を同一の基板上に複数個形成することも可能
である。この場合、絶縁膜によって各多結晶シリコン半
導体は相互に絶縁されるようになる。
以上の様に、本発明の半導体歪検出器は、絶縁。
性基板上に多結晶半導体を構成する各結晶粒の結晶内の
方向が全て一定方向に配向、望ましくは垂直配向および
面内配向させた多結晶半導体薄膜からなる歪検出部を構
成することにより、基板と多結晶半導体との電気的絶縁
を完全にし、しかも単結晶シリコンなみの大きなピエゾ
抵抗効果を得ることができ、従って高温状態において使
用可能な高能率の半導体歪検出器を得ることができる。
方向が全て一定方向に配向、望ましくは垂直配向および
面内配向させた多結晶半導体薄膜からなる歪検出部を構
成することにより、基板と多結晶半導体との電気的絶縁
を完全にし、しかも単結晶シリコンなみの大きなピエゾ
抵抗効果を得ることができ、従って高温状態において使
用可能な高能率の半導体歪検出器を得ることができる。
第１図は本発明の第１実施例を示す半導体歪検出器の断
面図、第２図は多結晶シリコンの各結晶粒の状態を示す
模式図、第３．４図は多結晶シリコンの結晶状態を示す
写真、第５．６図は本実施例による歪検出器のゲージフ
ァクタの実験結果を示す図、第７図は本発明の第２実施
例を示す半導体歪検出器の断面図である。 １１・・・単結晶シリコン基板、１２・・・絶縁層（Ｃ
ａＦ、膜）、１３・・・多結晶シリコン半導体薄膜。 １４・・・保護膜、１５・・・電極。 代理人弁理士 岡 部 隆 第４図 サージ゛丙方イ辷 第５図 第６図
面図、第２図は多結晶シリコンの各結晶粒の状態を示す
模式図、第３．４図は多結晶シリコンの結晶状態を示す
写真、第５．６図は本実施例による歪検出器のゲージフ
ァクタの実験結果を示す図、第７図は本発明の第２実施
例を示す半導体歪検出器の断面図である。 １１・・・単結晶シリコン基板、１２・・・絶縁層（Ｃ
ａＦ、膜）、１３・・・多結晶シリコン半導体薄膜。 １４・・・保護膜、１５・・・電極。 代理人弁理士 岡 部 隆 第４図 サージ゛丙方イ辷 第５図 第６図
Claims (1)
- 少なくとも１主面が絶縁性を有する基板上に、多結晶
半導体の薄膜からなる歪検出部が形成され、かつこの薄
膜を構成する各結晶粒の結晶軸が基板に対して垂直配向
され、かつ基板に対して平行な結晶面内の結晶軸が全て
一定方向に配向されていることを特徴とする半導体歪検
出器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15674085A JPS6218072A (ja) | 1985-07-16 | 1985-07-16 | 半導体歪検出器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15674085A JPS6218072A (ja) | 1985-07-16 | 1985-07-16 | 半導体歪検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6218072A true JPS6218072A (ja) | 1987-01-27 |
| JPH0584676B2 JPH0584676B2 (ja) | 1993-12-02 |
Family
ID=15634280
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15674085A Granted JPS6218072A (ja) | 1985-07-16 | 1985-07-16 | 半導体歪検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6218072A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4984046A (en) * | 1988-04-28 | 1991-01-08 | U.S. Philips Corporation | Silicon pressure sensor having a resistance layer of polycrystalline semicondutor |
| US5095349A (en) * | 1988-06-08 | 1992-03-10 | Nippondenso Co., Ltd. | Semiconductor pressure sensor and method of manufacturing same |
| US5191798A (en) * | 1988-09-30 | 1993-03-09 | Kabushiki Kaisha Komatsu Seisakusho | Pressure sensor |
| US5320705A (en) * | 1988-06-08 | 1994-06-14 | Nippondenso Co., Ltd. | Method of manufacturing a semiconductor pressure sensor |
| USRE34893E (en) * | 1988-06-08 | 1995-04-04 | Nippondenso Co., Ltd. | Semiconductor pressure sensor and method of manufacturing same |
| US5471086A (en) * | 1992-09-29 | 1995-11-28 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor device having piezo resistance |
| US8327712B2 (en) | 2009-02-27 | 2012-12-11 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor pressure sensor having symmetrical structure, and manufacturing method thereof |
-
1985
- 1985-07-16 JP JP15674085A patent/JPS6218072A/ja active Granted
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4984046A (en) * | 1988-04-28 | 1991-01-08 | U.S. Philips Corporation | Silicon pressure sensor having a resistance layer of polycrystalline semicondutor |
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| US8327712B2 (en) | 2009-02-27 | 2012-12-11 | Mitsubishi Electric Corporation | Semiconductor pressure sensor having symmetrical structure, and manufacturing method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0584676B2 (ja) | 1993-12-02 |
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