TWI416739B - 半導體型應變檢測器及其製造方法 - Google Patents

半導體型應變檢測器及其製造方法 Download PDF

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Keiichi Nakanishi
Koichi Ida
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Description

半導體型應變檢測器及其製造方法
本發明是關於使用擴散電阻之半導體型應變檢測器(semiconductor type strain gauge)的構造及其製造方法，該應變檢測器可利用於各種加速度感測器、壓力感測器等。
習知的技術係使用應變檢測器(strain gauge)作為檢測加速度或壓力的感測器(sensor)，該應變檢測器有各種型式。使用半導體單結晶者亦常被使用，此等感測器係利用半導體的壓電電阻效應，將所施加的力量的變化以電阻變化的形態予以檢測出。利用這種壓電電阻效應之半導體型應變檢測器有體型(bulk type)檢測器或擴散型檢測器，因任何一種檢測器都是半導體基板本身作為檢測器，故需對該半導體基板施以加工。
第7圖係顯示以往一般使用的擴散型檢測器的構造，(a)為垂直剖面圖，(b)為由(a)的箭號A－A線方向觀看的俯視圖。在N型單結晶矽基板1的表面使P型雜質擴散，形成相反導電型的擴散電阻體2。該擴散電阻體2的表面是由作為絕緣膜之SiO2 等氧化膜3保護，蝕刻該氧化膜3的一部分，並以鋁等金屬膜形成正(＋)電極4及負(－)電極5。如此，在作為半導體基板的N型單結晶矽基板1上藉由擴散形成電阻層的情形下，無須以機械方式加工半導體基板。
[專利文獻1]美國專利第6635910號[專利文獻2]日本特開2001－264188號公報[專利文獻3]日本特表2004－531699號公報
但是，前述的習知技術的擴散型檢測器的構造，是在N型半導體基板，亦即N型單結晶矽基板1的表面上僅藉由擴散P型電阻體2而形成，故由於周圍的雜質或電荷，或該N型半導體基板的雜質濃度較低時，在氧化膜(絕緣膜)3之下容易產生通道(channel)。因此，電流所流過的路徑也會存在於上述P型擴散電阻體2的部分以外，造成擴散型檢測器的電阻值不穩定的問題。
本發明的半導體型應變檢測器及其製造方法係得以防止擴散型應變檢測器產生通道者，在上述P型擴散電阻體2的周圍附著有雜質或電荷時，或者半導體基板，亦即N型單結晶矽基板1的雜質濃度較低時，得以防止電極墊間容易產生通道，使擴散型檢測器的輸出電阻值穩定，例如藉由在P型擴散電阻體的周圍形成高濃度的相反導電型雜質擴散層，以解决上述課題。亦即，本發明是一種半導體型應變檢測器，包括：預定導電型之半導體基板；形成於該半導體基板的表面，且與該半導體基板為相反導電型之擴散電阻區域；及配設於該擴散電阻區域的兩端部之電極，其特徵在：在前述擴散電阻區域的周圍具備摻雜有比前述半導體基板還高濃度的雜質且與前述半導體基板為同一導電型的高濃度雜質擴散層，前述電極的一方係延伸形成至該高濃度雜質擴散層，前述擴散電阻區域與該高濃度雜質擴散層係相連接，在前述電極施加電壓，使之不會產生由該擴散電阻區域至該高濃度雜質擴散層之漏電。
再者，本發明是一種半導體型應變檢測器，包括：預定導電型的半導體基板；形成於該半導體基板的表面且與該半導體基板為相反導電型之擴散電阻區域；及配設於該擴散電阻區域的兩端部及中間部，而成為半橋接構造之電極，其特徵在：在前述擴散電阻區域的周圍具備摻雜有比前述半導體基板還高濃度的雜質且與前述半導體基板為同一導電型的高濃度雜質擴散層，前述電極的任一個係延伸形成至該高濃度雜質擴散層，前述擴散電阻區域與該高濃度雜質擴散層係相連接，在前述電極施加電壓，使之不會產生由該擴散電阻區域至該高濃度雜質擴散層之漏電。
而且，本發明是一種半導體型應變檢測器，包括：預定導電型的半導體基板；形成於該半導體基板的表面且與該半導體基板為相反導電型之擴散電阻區域；及配設於該擴散電阻區域的四個部位，而成為全橋接構造之電極，其特徵在：在前述擴散電阻區域的周圍具備摻雜有比前述半導體基板還高濃度的雜質且與前述半導體基板為同一導電型的高濃度雜質擴散層，前述電極的任一個係延伸形成至該高濃度雜質擴散層，前述擴散電阻區域與該高濃度雜質擴散層係相連接，在前述電極施加電壓，使之不會產生由該擴散電阻區域至該高濃度雜質擴散層之漏電。
又，本發明復在前述擴散電阻區域的一部分形成與前述半導體基板為相反導電型之高濃度雜質擴散層，並且連接於前述電極。
此外，本發明之前述擴散電阻區域與前述高濃度雜質擴散層之間隔為5 μ m以上。
再者，本發明的特徵在：在預定導電型的半導體基板的表面形成與該半導體基板為相反導電型之擴散電阻區域；在前述擴散電阻區域的周圍形成摻雜有比前述半導體基板還高濃度的雜質且與前述半導體基板為同一導電型的高濃度雜質擴散層；在前述半導體基板的表面形成保護膜；除去前述擴散電阻區域的兩個部位的一部分及前述高濃度雜質擴散層的一部分的上面的前述保護膜部分；形成一方與前述擴散電阻區域的一個部位連接，另一方連接於前述高濃度雜質擴散層及該擴散電阻區域之其他部位的兩個電極膜。
本發明的特徵係在：在預定導電型的半導體基板的表面形成與該半導體基板為相反導電型，且屬於半橋接構造之擴散電阻區域；在前述擴散電阻區域的周圍形成摻雜有比前述半導體基板還高濃度的雜質且與前述半導體基板為同一導電型的高濃度雜質擴散層；在前述半導體基板的表面形成保護膜；除去前述擴散電阻區域的三個部位的一部分及前述高濃度雜質擴散層的一部分的上面的前述保護膜部分；及形成其中任一個係與前述高濃度雜質擴散層連接之三個電極膜。
而且，本發明的特徵係在：在預定導電型的半導體基板的表面形成與該半導體基板為相反導電型，且屬於全橋接構造之擴散電阻區域；在前述擴散電阻區域的周圍形成摻雜有比前述半導體基板還高濃度的雜質之高濃度雜質擴散層；在前述半導體基板的表面形成保護膜；除去前述擴散電阻區域的四個部位的一部分及前述高濃度雜質擴散層的兩個部位的一部分的上面的前述保護膜部分；及形成其中任一個係與前述高濃度雜質擴散層連接之四個電極膜。
本發明的半導體型應變檢測器及其製造方法，因具有上述的構成、作用，故具有以下的功效：依照申請專利範圍第1項至第8項之本發明，藉由在擴散電阻體的外周部形成高濃度的相反導電型雜質擴散層，故可防止通道的產生，以防止作為輸出之擴散型檢測器的電阻值變成不穩定。
茲說明本發明的半導體型應變檢測器的實施形態。
在預定導電型的半導體基板上面或表面，使雜質擴散，以形成相反導電型的擴散電阻區域或擴散電阻體。在該擴散電阻體的周圍形成與用以防止通道產生之半導體基板相同導電型的高濃度雜質擴散層。以保護膜覆蓋該半導體基板上面或表面，蝕刻除去上述擴散電阻區域的一部分及高濃度雜質擴散層的一部分的上面的保護膜部分，亦即，與上述電極連接的部分的保護膜。
而且，可藉由鋁等導體膜形成電極，而與外部電路連接。
因例如N型矽基板的電位比P型擴散電阻體或擴散電阻區域還低時，則會發生漏電，故在正(＋)側電極使高濃度N型雜質擴散層與P型擴散電阻區域或擴散電阻體連接，以使其電位相同。而且，為了獲得該擴散電阻體與電極之歐姆接觸(ohmic contact)，以在該電極的下部配設與擴散電阻體相同導電型的高濃度擴散層較佳。
〔實施例一〕
其次根據第1圖至第6圖說明本發明半導體型應變檢測器的具體實施例。
以下參照圖面就本發明的實施例一加以說明。第1圖係顯示基本構造體，用以顯示使用於單一元件之本發明實施例一。(a)為垂直剖面圖，(b)為由(a)的箭號B－B線方向觀看的俯視圖。使雜質擴散在作為半導體基板的N型單結晶矽基板6的表面，以形成相反導電型的P型擴散電阻區域(擴散電阻體)7。在該P型擴散電阻區域7的表面，以SiO2 等氧化膜等形成有保護膜8，蝕刻除去該保護膜8的一部分，在該部位以鋁等金屬膜形成電極9a、9b。本發明在以「包圍P型擴散電阻區域7的周圍之方式形成高濃度N型雜質擴散層10」方面具有特徵。而且，在本實施例一中，係將正(＋)側電極9a連接於高濃度N型雜質擴散層10。
〔實施例二〕
其次就本發明的實施例二加以說明。第2圖為具備與第1圖所示的本發明實施例一大致相同構造之半導體型應變檢測器。(a)為垂直剖面圖，(b)為由(a)的箭號C－C線方向觀看的俯視圖。與該實施例一不同之點為採用：在前述實施例一所示的電極9a、9b的底面形成高濃度P型雜質擴散層11，並歐姆連接該電極9a、9b與前述P型擴散電阻區域7之構造。
其他的構成要素則與前述的實施例一相同，並標註同一號碼、同一符號，且省略其說明。
〔實施例三〕
其次就本發明的實施例三加以說明。第3圖係顯示使用於單一元件之本發明實施例三。(a)為垂直剖面圖，(b)為由(a)的箭號D－D線方向觀看的俯視圖。
使雜質擴散於作為半導體基板的P型單結晶矽基板12的表面，以形成相反導電型的N型擴散電阻區域(N型擴散電阻體)13。在該N型擴散電阻區域13的表面，以SiO2 等氧化膜等形成保護膜8，蝕刻去除該保護膜8的一部分，以鋁等金屬膜形成電極9a、9b。在該電極9a、9b的底面形成高濃度N型雜質擴散層14。本發明在「以包圍前述N型擴散電阻區域13的周圍之方式形成高濃度P型雜質擴散層15」方面具有特徵。而且，在本實施例三中，係將負(－)側的電極9b連接於高濃度P型雜質擴散層15。
第4圖至第6圖是顯示本發明的其他各實施例，亦即實施例四至實施例六之俯視圖。此外，各俯視圖係顯示保護膜下的半導體基板的上面。為了方便，於各圖中係以一點鏈線顯示位於比半導體基板上方的電極的平面形狀與位置。
第4圖係將P型擴散電阻區域16作成半橋接構造，由於係使用P型電阻體，故正(＋)側電極9a與高濃度N型雜質擴散層17係相連接。在擴散電阻區域使用N型電阻體的情形下，只要連接負(－)側電極9b與P型高濃度雜質擴散層(未圖示)即可。而且，也能實施成以位於中間的中間電極9c當作正(＋)電極9a，並與高濃度N型雜質擴散層17連接。
第5圖係與第4圖相同導電型的半導體基板，惟高濃度N型雜質擴散層的形狀不同之實施例。高濃度N型雜質擴散層18係配合P型擴散電阻區域16的形狀折彎而形成。
第6圖是顯示以P型擴散電阻區域19作成全橋接構造，分別形成高濃度N型雜質擴散層20a、20b於P型擴散電阻區域19的外側與內側，使該形成之外側與內側的各個高濃度N型雜質擴散層20a、20b與正(＋)側電極9a相連接。
此外，第4圖至第6圖所示的實施例之其他的構成要素與前述實施例一相同，並省略其說明。
其次，說明本發明半導體型應變檢測器之製造方法，使本發明內容更為明晰。
依照本發明半導體型應變檢測器之製造方法的步驟如下：(1)在預定導電型的半導體基板，亦即N型或P型單結晶矽基板6、12的表面形成與該半導體基板為相反導電型的P型或N型的擴散電阻區域7、13作為雜質擴散層。
(2)在該P型或N型擴散電阻區域7、13的周圍形成與該半導體基板為同一導電型，且摻雜有比該半導體基板還高濃度的雜質之高濃度N型或P型雜質擴散層10、15。該高濃度N型或P型雜質擴散層10、15只要與P型或N型擴散電阻區域7、13隔著5 μ m程度的間隔而形成即可。因若高濃度N型或P型雜質擴散層10、15與P型或N型擴散電阻區域7、13之間隔擴大，則半導體型應變檢測器輸出的電阻值穩定之功效會消失，故以3mm程度的範圍即可。
(3)在該半導體基板的表面形成保護膜8。
(4)除去上述P型或N型擴散電阻區域7、13的兩個部位的一部分與上述高濃度N型或P型雜質擴散層10、15的一部分的上面的前述保護膜8。
(5)形成兩個電極9a、9b，其一方與經除去保護膜8的P型或N型擴散電阻區域7、13的一個部位連接，另一方連接於經除去保護膜8的高濃度N型或P型雜質擴散層10、15及P型或N型擴散電阻區域7、13的其他部位。
其次，就試作例加以說明。在N型半導體基板藉由擴散形成P型電阻體，使電阻值成為3.5kΩ。分別在正(＋)側電極的下部形成高濃度N型雜質擴散層，以及在負(－)側電極的下部形成高濃度N型雜質擴散層。在N型半導體基板的表面形成1 μ m的SiO2 絕緣保護膜，以蝕刻形成窗之後，形成1 μ m厚的鋁電極。研磨該N型半導體基板的背面，精加工至25 μ m的厚度，進行切割，而獲得元件。
試作品的電阻體尺寸，當其電阻率(specific resistance)為0.03Ω．cm時，剖面積為60 μ m2 (寬30 μ m、深度2 μ m)，長度為750 μ m。元件的大小可為0.36mm×2.73mm×0.025mm。試作品的檢測率G為G＝(△R/R)．(1/ε)(其中，ε：應變，△R/R：電阻變化率)，約為100。
1．．．N型單結晶矽基板
6．．．N型單結晶矽基板(半導體基板)
7．．．P型擴散電阻區域
8．．．保護膜
9a．．．正(＋)側電極
9b．．．負(－)側電極
9c．．．中間電極
10．．．高濃度N型雜質擴散層
11．．．高濃度P型雜質擴散層
12．．．P型單結晶矽基板(半導體基板)
13．．．N型擴散電阻區域(N型擴散電阻體)
14．．．高濃度N型雜質擴散層
15．．．高濃度P型雜質擴散層
16．．．P型擴散電阻區域(P型擴散電阻體)
17．．．高濃度N型雜質擴散層
18．．．高濃度N型雜質擴散層
19．．．P型擴散電阻區域(P型擴散電阻體)
20a．．．高濃度N型雜質擴散層(外側)
20b．．．高濃度N型雜質擴散層(內側)
第1圖係顯示本發明半導體型應變檢測器的實施例一之圖面，(a)為垂直剖面圖，(b)為由(a)的箭號B－B線方向觀看的俯視圖。
第2圖係顯示本發明半導體型應變檢測器的實施例二之圖面，(a)為垂直剖面圖，(b)為由(a)的箭號C－C線方向觀看的俯視圖。
第3圖係顯示本發明半導體型應變檢測器的實施例三之圖面，(a)為垂直剖面圖，(b)為由(a)的箭號D－D線方向觀看的俯視圖。
第4圖係顯示本發明半導體型應變檢測器的實施例四之俯視圖。
第5圖係顯示本發明半導體型應變檢測器的實施例五之俯視圖。
第6圖係顯示本發明半導體型應變檢測器的實施例六之俯視圖。
第7圖係顯示習知擴散型檢測器的構造之圖面，(a)為垂直剖面圖，(b)為由(a)的箭號A－A線方向觀看的俯視圖。
6．．．N型單結晶矽基板(半導體基板)
7．．．P型擴散電阻區域
8．．．保護膜
9a．．．正(＋)側電極
9b．．．負(－)側電極
10．．．高濃度N型雜質擴散層

Claims (8)

  1. 一種半導體型應變檢測器，包括：預定導電型之半導體基板；形成於該半導體基板的表面且與該半導體基板為相反導電型之擴散電阻區域；以及配設於該擴散電阻區域的兩端部之複數個電極；其中：在該擴散電阻區域的周圍具備摻雜有比該半導體基板還高濃度的雜質且與該半導體基板為同一導電型的高濃度雜質擴散層，該複數個電極的至少一個係延伸形成至該高濃度雜質擴散層而使該擴散電阻區域與該高濃度雜質擴散層相連接，在使該擴散電阻區域與該高濃度雜質擴散層相連接之電極施加電壓，使之不會產生由該擴散電阻區域至該高濃度雜質擴散層之漏電。
  2. 一種半導體型應變檢測器，包括：預定導電型的半導體基板；形成於該半導體基板的表面且與該半導體基板為相反導電型之擴散電阻區域；以及配設於該擴散電阻區域的兩端部及中間部，而成為半橋接構造之三個電極；其中：在該擴散電阻區域的周圍具備摻雜有比該半導體基板還高濃度的雜質且與該半導體基板為同一導電型的高濃度雜質擴散層，僅該三個電極的任一個係延伸形成至該高濃度雜質擴散層，而使該擴散電阻區域與該高濃度雜質擴散層相連接，在使該擴散電阻區域與該高濃 度雜質擴散層相連接之電極施加電壓，使之不會產生由該擴散電阻區域至該高濃度雜質擴散層之漏電。
  3. 一種半導體型應變檢測器，包括：預定導電型的半導體基板；形成於該半導體基板的表面且與該半導體基板為相反導電型之擴散電阻區域；以及配設於該擴散電阻區域的四個部位，而成為全橋接構造之四個電極；其中：在該擴散電阻區域的周圍具備摻雜有比該半導體基板還高濃度的雜質且與該半導體基板為同一導電型的高濃度雜質擴散層，僅該四個電極的任一個係延伸形成至該高濃度雜質擴散層，而使該擴散電阻區域與該高濃度雜質擴散層相連接，在使該擴散電阻區域與該高濃度雜質擴散層相連接之電極施加電壓，使之不會產生由該擴散電阻區域至該高濃度雜質擴散層之漏電。
  4. 如申請專利範圍第1項、第2項或第3項中任一項之半導體型應變檢測器，其中，在該擴散電阻區域的一部分形成與該半導體基板為相反導電型之高濃度雜質擴散層，並且與該複數個電極的各個相連接。
  5. 如申請專利範圍第1項、第2項或第3項中任一項之半導體型應變檢測器，其中，該擴散電阻區域與該高濃度雜質擴散層之間隔為5μm以上。
  6. 一種半導體型應變檢測器之製造方法，係包括：在預定導電型的半導體基板的表面形成與該半導體基板為相 反導電型之擴散電阻區域；在該擴散電阻區域的周圍形成摻雜有比該半導體基板還高濃度的雜質且與該半導體基板為同一導電型的高濃度雜質擴散層；在該半導體基板的表面形成保護膜；除去該擴散電阻區域的兩個部位的一部分及該高濃度雜質擴散層的一部分的上面的該保護膜部分；形成一方與該擴散電阻區域的一個部位連接，另一方連接於該高濃度雜質擴散層及該擴散電阻區域之其他部位的兩個電極膜。
  7. 一種半導體型應變檢測器之製造方法，係包括：在預定導電型的半導體基板的表面形成與該半導體基板為相反導電型，且屬於半橋接構造之擴散電阻區域；在該擴散電阻區域的周圍形成摻雜有比該半導體基板還高濃度的雜質且與該半導體基板為同一導電型的高濃度雜質擴散層；在該半導體基板的表面形成保護膜；除去該擴散電阻區域的三個部位的一部分及該高濃度雜質擴散層的一部分的上面的該保護膜部分；及形成其中任一個係與該高濃度雜質擴散層連接之三個電極膜。
  8. 一種半導體型應變檢測器之製造方法，係包括：在預定導電型的半導體基板的表面形成與該半導體基板為相反導電型，且屬於全橋接構造之擴散電阻區域；在該擴散電阻區域的周圍形成摻雜有比該半導體基板還高濃度的雜質之高濃度雜質擴散層；在該半導體基板的表面形成保護膜；除去該擴散電阻區域的四個部位的一部分及該高濃度雜質擴散層的兩個部位的一部分的上面的 該保護膜部分；及形成其中任一個係與該高濃度雜質擴散層連接之四個電極膜。
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