JPS62266876A - 半導体圧力センサ - 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〕 本発明は単結晶シリコン基板に拡散等により感圧素子を
配置したもので、特にダイアフラムの均一性にすぐれ、
信号処理用のモスＩｃ、バイポーラＩＣ等を一体化した
ものに採用するのに好適な半導体圧力センサの構造に関
する。

〔従来の技術〕

通常シリコン、ゲルマニウム等の半導体圧力検出素子に
おいては機械的応力を加える事によってピエゾ砥粒効果
によりその抵抗値が変化する。このような物理的現象を
利用して単結晶シリコン板よりなる半導体圧力センサで
は、半導体ダイアフラム上に歪ゲージを拡散層等で形成
し、ダイアフラムに加わる圧力により歪ゲージを変形さ
せ、ピニジ抵抗効果による抵抗値の変化を検出して圧力
を測定している。この場合高精度のものをバラツキの少
なく作るためにはダイアフラムの）７さを精度よく作る
事が重要である。

しかし従来ダイアフラムの受圧部を形成する場合、エツ
チング液の温度、攪拌状態、エツチング波の組成の変化
等によりエツチング速度が著しく変わるのでその正確な
制御が必要であるばかりでなく、ダイアフラムの厚さを
測定してはエツチングを繰返している。この半導体圧力
センサの特性の均一化をおこなうためにはダイアフラム
の厚さが非常に重要な因子をなす。しかし上述のような
従来の方法ではダイアフラムの厚さと平行度を精度よく
制御する事は掻めて困難であり、その結果歩留りは悪く
コストアップの原因となっている。

これらの事より従来より　（１００）、（１１０）面等
の単結晶シリコン基板に高精度のボロン不純物層を形成
するとアルカリ系のエツチング液、たとえば水酸化カリ
ウム（ＫＯＨ）溶液でエツチングしても高濃度ボロン層
のエツチング速度が非常に遅くなり選択的なエツチング
ができる事から次のようにしてダイアフラム部を形成し
ていた。

（例えば特開昭５３−４２５７９号公報参照）第６図は
Ｎ型又はＰ型の特定の方向をもった結晶面で例えば（１
００）面の単結晶シリコン基板１の一生面をなす片側表
面に熱酸化膜２を形成したものである。引続き第７図は
熱酸化膜２の形成されていない反対側の主面に、後工程
でのアルカリエツチングを停止させるためにＰ型不純物
としてボロンを、不純物濃度５ＸＩＯ”個／　ｃｏｄ以
上で予定の領域に拡散した不純物層３を形成したものを
示す。この場合５Ｘ１０”個／　ｃｔｌとした。

続いて基板１の不純物層３の表面にＮ型単結晶２９３７
層４をエピタキシャル成長させたものを第８図に示す。

このシリコン層４の膜厚は半導体圧力センサの圧力測定
装置により任意に選択する事が可能である。たとえば１
気圧測定用のものとしてはダイアフラム３　ｎのものに
大寸しては５０μ程度が最適である。又第８図にはダイ
アフラム形成用のエツチングマスクとしての熱酸化膜２
を予定の領域だけ開孔したものも示している。ここで周
知の方法である水酸化カリウム等の選択的エツチング液
を使用してダイアフラム形成用の工・ノチングをおこな
う。この時熱酸化膜２は水酸化カリウム溶液に対しての
マスクとして働く。

エツチングはこの熱酸化膜２の除去しである部分におい
て順次進行していくが、ボロンが５×ＩＱ　１９個／ｃ
ｎｌ含まれている単結晶シリコンはエツチング速度がほ
ぼゼロであるので、不純物層３に到達するとエツチング
は自動的に停止し、不純物層３とエピタキシャル成長さ
せたＮ型単結晶２９３７層４による厚さでもってダイア
フラムは形成される。このようにして形成されたダイア
フラム６とダイアフラム支持体７を第９図に示す。

又、感圧素子として例えばピエゾ砥粒５はダイアフラム
部エツチング前に形成したがここでは説明を省いた。

〔発明が解決しようとする問題点３ 以上述べたように、単結晶シリコン基板内に予めエツチ
ングに対する所定の停止部となる不純物層を形成し、こ
の領域までシリコン基板をエツチングするようにしてい
るためダイアフラムの厚さ及び平行度は不純物層とエピ
タキシャル成長層による厚さでもってのみ決定され、そ
の制御はきわめて容易であるばかりでなく、目的とする
所定のダイアフラムの厚さに達するとエツチングは自動
的に停止するので特性のそろった半導体圧力センサを多
数製造する事が可能である。

しかしながら、上に述べた従来のダイアフラムの形成に
おいても、熱処理温度が低く、又熱処理時間の短いうち
は問題がなかったが、半導体圧力センサにその信号処理
用のモスＩＣ、バイポーラＩＣ等を一体化した場合等に
おいては高温、長時間の熱処理にさらされる事になり、
一般に単結晶シリコン基板として半導体圧力センサには
通常Ｎ型１〜１０Ω・ｃｍの比抵抗のものを使用してお
り、この場合エツチングの停止のための高濃度のホロン
不純物層からＮ型エピクキシャル層上方にボロンが拡散
していきＮ型エピタキシャル層がＰ型化してしまうおそ
れがある。そして半導体圧力センサの素子としてＰ型の
ピエゾ抵抗素子を使用する場合にピエゾ抵抗素子をＮ型
エピタキシャル層内に形成できなくなってしまうという
問題がある。

そこで本発明は、上記の問題点に鑑み、高温、長時間の
熱処理を受けてもエピタキシャル層上方へのボロンの拡
散を制御する半導体圧力センサの構造を提供する事を目
的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成する為に、本発明の半導体圧力センサ
は、単結晶シリコン基板の一主面に形成されたＰ型不純
物濃度が所定値以上のＰ型不純物層と、ｉｆｆ　ｐ型不
純物層上に形成された所定の厚さをもつＮ型エピタキシ
ャル層と、該Ｎ型エピタキシャル層の受圧ＬＩＴ域に相
当する所定位置に形成され、前記Ｎ型エピタキシャル層
の不純物濃度より高ン；度のＮ型不純物を有するＮ型拡
散領域と、該Ｎ型拡散領域の所定位置に配設された感圧
素子と、前記単結晶シリコン基板の他主面の前記受圧領
域に相当する部分を前記Ｐ型不純物層までエツチングを
して形成したダイアフラム部とを備えている。

Ｃ作用〕 そして、上記の手段によると、ダイアフラム部を形成す
る際のエツチングはＰ型不純物層により自動的に停止し
、グイアクラム部の厚さ及び平行度を精度よく抑制でき
る。又、その為に用いたＰ型不純物層が熱により拡散し
たとしても比較時高不純物４度のＮ型拡散領域には拡！
ｌＪ１．Ｌにくくなり、従って、感圧装置に影響する事
がなくなる。

〔実施例〕

以下、一実施例を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図はＮ型又はＰ型の特定の方向をもった結晶面で例
えばＰ型１０〜２０Ω・ＣＩＩＩ（ｔｏｏ）面の単結晶
シリコン基板８の一生面上に将来半導体圧力センサから
の信号処理用のバイポーラＩＣを形成する領域内にヒ素
、アンチモン等のＮ型不純物をイオン注入しＮ゛型埋込
み層９を形成する。

又、素子分離を行なう為にボロン等のＰ型不純物をイオ
ン注入しＰ゛型アイソレーション層１０を形成する。同
様にＰ型不純物をイオン注入し工。

チング停正層となるＰ゛型不純物層１１を形成する。こ
こで、このＰ゛型不純物層１１の不純物濃度は第１０図
のボロン濃度とエツチング速度との関係を示すグラフに
おいて、エツチング速度が遅いボロン濃度を使用してお
り、本実施例では５×１０”８　ｃｍ　−３以上の濃度
である。又、Ｐ゛型不純物層１１とＰ゛型アイソレーシ
ョン層１０は同時に形成してもよい。

次に第２図に示すように、その状態で例えば厚さ５〜１
５μｍで比抵抗１〜５ΩｃｍのＮ型エピタキシャル層１
２の積層し、その上方から上記と同様の方法で上記のＰ
゛型アイソレーション層１０に相対するようにＰ゛型ア
イソレーション層１０ａを形成する。又、Ｐ゛型不純物
層１１に相対する位置にＮ型不純物をイオン注入しＮ型
拡散領域１３を形成する。ここで、そのＮ型拡散領域■
３の不純物濃度は後工程でＰ゛型アイソレーション層１
０．１０２を拡散し素子分離領域形成後において、Ｎ型
エピタキシャル層１２の不純物濃度より高濃度で、本実
施例では５　Ｘ　１０　”ｃｍ−’〜ｌＸ１０＋８ｃｍ
−１になるように調整されている。そして、−工面全面
にシリコン酸化膜（ＳｉＣ２）１７を形成する。

引続き第３図に示すように、Ｐ゛アイソレーション層１
０．１０ａを拡散し素子分離領域を形成する。この際、
Ｐ゛不純物層１１、Ｎ型拡散領域１３も拡散しており第
３図は両者が接する状態を示している。そして、第４図
に示すように、Ｎ型拡散会ｎ域１３内にピエゾ抵抗素子
となるＰ゛型歪ゲージ１５を形成し、又、バイポーラＩ
Ｃ部１４に信号処理用のバイポーラＩｃを公知の方法に
より形成する。尚、言うまでもなく、このバイポーラ［
ＣはモスＩｃ等の他の回路であってもよい。

又、その後図示はしないが配線層、保護膜等を形成して
おり、保護膜等は後述するダイアフラム１８の上部頭載
には形成しないといった様にしてもよい。

次に第５図に示すように、単結晶シリコン基板８の他主
面にダイヤフラム形成用のエツチングマスクとしての熱
酸化膜１６を形成し、予定の領域だけ開孔する。そうし
た上で、公知の方法である水酸化カリウム等の選択的エ
ツチング液を使用してエツチングを行い、ダイヤフラム
部１８を形成する。この時、熱酸化膜１０はエツチング
液に対してのマスクとして働く。又、エツチングはこの
熱酸化膜１６の開孔しである部分において順次進行し、
Ｐ゛型不純物層１１で停止する。尚、このダイアフラム
部１８の厚さは、Ｐ゛不純物ＦＪＩＩとＮ型エピタキシ
ャル層１２の厚さによりほぼ決定されるものである。

以上述べたように本実施例の半導体圧力センサによると
、５　Ｘ　１０　”ｃｔｎ−３以上の不純物濃度を有す
るＰ゛型不純物層１１を使用している為に、第１０図か
らもわかるようにエツチングはこのＰ゛型不純物層１１
においてほとんど進行せず停止し、ダイアフラムの厚さ
及び平行度を精度よく制御できる。そして、信号処理用
のバイポーラＩＣ等を一体的に形成している為に一層に
高温、長時間の熱処理工程が加わり不純物が拡散するが
、Ｐ゛型不純物層１１における不純物はＮ型拡散領域１
３が比較的高４度の不純物４度を有する為にその領域へ
の進行を抑制され、したがって、Ｎ型拡散領域１３がＰ
型化してしまうという弊害がなく、Ｐ゛歪ゲージ１５を
安定的に形成する事が出来るという効果がある。

（発明の効果〕 以上述べた如く、本発明によれば、Ｐ型不純物濃度が所
定値以上のＰ型不純物層をエツチング停止層として使用
しているので、従来のものと同様にダイアフラムの厚さ
及び平行度を精度よく制御でき、又、比較的高濃度の不
純物濃度を有するＮ型ビ散領域によりＰ型不純物層から
のＰ型不純物の侵入を抑制でき、したがって感圧素子を
安定的に形成する事が出来るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明の一実施例を工程順に説明す
る為の断面図、第６図乃至第９図は従来技術を工程順に
説明する為の断面図、第１０図はボロン濃度とエツチン
グ速度との関係を示す特性図である。 ８・・・単結晶シリコン基板、９・・・Ｎ゛不純物層。 １０．１０ａ・・・Ｐ９型アイソレーション層、１１・
・・Ｐ゛型不純物層、１２・・・Ｎ型エピクキシャル層
。 １３・・・Ｎ型拡散領域、１４・・・バイポーラＩＣ部
。 １５・・・Ｐゝ型歪ゲージ、１６・・・熱酸化膜、１７
・・・Ｓ＋Ｏｚ、１８・・・ダイアフラム部。 代理人弁理士　岡　　部　　　隆 ２　　　　　口　　　　　　　　図 −（’Ｊ　　　　　　　　　　　　　　ロ職　　　　荘
　　　　　　　　脈 寸　ロ　　−　　　〜 ゼ士ハト四輛　（舅安１）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）単結晶シリコン基板の一主面に形成されたＰ型不
   純物濃度が所定値以上のＰ型不純物層と、該Ｐ型不純物
   層上に形成された所定の厚さをもつＮ型エピタキシャル
   層と、該Ｎ型エピタキシャル層の受圧領域に相当する所
   定位置に形成され、前記Ｎ型エピタキシャル層の不純物
   濃度より高濃度のＮ型不純物を有するＮ型拡散領域と、
   該Ｎ型拡散領域の所定位置に配設された感圧素子と、前
   記単結晶シリコン基板の他主面の前記受圧領域に相当す
   る部分を前記Ｐ型不純物層までエッチングをして形成し
   たダイアフラム部とを備えることを特徴とする半導体圧
   力センサ。
2. （２）上記Ｎ型拡散領域が、上記Ｎ型エピタキシャル層
   形成後に該Ｎ型エピタキシャル層にＮ型不純物を注入す
   る事によって形成される特許請求の範囲第１項記載の半
   導体圧力センサ。