TWI506278B - High Voltage Resistive MEMS Sensors - Google Patents

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Description

高壓電阻型MEMS感應器
本發明係關於一種用作感應器之MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微機電系統)，特別係關於一種藉由高壓電阻元件之電阻值變化而檢測壓力或加速度等之高壓電阻型MEMS感應器。
例如專利文獻1中揭示有利用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)之感應器。於專利文獻1中表示有包含形成有膜片(diaphram)之SOI(Silicon On Insulator，矽晶絕緣體)基板、及形成於SOI基板上之4個高壓電阻元件之半導體壓力感應器。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2006-30158號公報
為了提高靈敏度，而將高壓電阻型感應器之高壓電阻元件形成於構成隔膜(membrane)或樑等移位部之Si之表面附近之極淺的位置。亦有於Si之表面形成保護膜或屏蔽膜之情況。雖無記載該高壓電阻元件之深度(雜質濃度之峰值深度)之先前技術文獻，但通常為距保護膜等除外之Si表面0.3μm以下。
如此，若高壓電阻元件之深度(雜質濃度之峰值深度)為距Si表面0.3μm以下，則於提高感應器之靈敏度方面較為有效，但於隔膜或樑 等移位部之厚度產生偏差時，存在感應器靈敏度受其影響而產生較大偏差之問題。其原因在於：於移位部之表面產生之應力與其厚度之平方成反比例。關於感應器靈敏度與偏差之關係，於下文進行詳細敍述。
於重視感應器靈敏度之偏差之用途中，必需個別地修正該偏差等之步驟，因而成為成本增高之主要原因。
因此，本發明係鑒於該等情況，其目的在於提供一種減少形成有高壓電阻元件之移位部之厚度偏差對感應器靈敏度之變動造成之影響的高壓電阻型MEMS感應器。
(1)本發明係一種高壓電阻型MEMS感應器，其包括由厚度1μm以上之Si構成且對應於檢測量而進行移位之移位部，於上述移位部之內部形成有因雜質之擴散所致之高壓電阻元件；其特徵在於：上述高壓電阻元件於距上述移位部之表面較0.5μm深且較上述移位部之厚度尺寸之1/2之深度淺的位置具有雜質濃度之峰值。
(2)上述移位部之厚度較佳為1μm以上且10μm以下。
(3)上述移位部較佳為於表面形成有Si氧化膜或Si氮化膜。
根據本發明，可減少隔膜或樑等移位部之厚度偏差對感應器靈敏度造成之影響，故可構成具有所期望之感應器靈敏度之高壓電阻型MEMS感應器。
10‧‧‧SOI基板
10a‧‧‧Si基板
10b‧‧‧SiO2 層
10c‧‧‧Si膜
11‧‧‧高壓電阻元件
12‧‧‧移位部
13‧‧‧開口部
14‧‧‧保護膜
E‧‧‧應力效率
P、N1、N2‧‧‧分佈圖
Pd‧‧‧深度
S‧‧‧靈敏度
ts‧‧‧厚度尺寸
σ‧‧‧最大應力
圖1係表示隔膜或樑等移位部(活性層)12中之高壓電阻元件11之位置關係的圖。
圖2(A)係表示移位部12之厚度尺寸ts與施加於移位部12之最大應 力σ之定性關係的圖。圖2(B)係表示移位部12之厚度尺寸ts與於高壓電阻元件11之深度(雜質濃度之峰值之深度)位置之應力效率E之定性關係的圖。圖2(C)係表示移位部12之厚度尺寸ts與靈敏度S之定性關係的圖。
圖3係表示利用FEM(finite element method，有限元素法)求出以移位部之厚度尺寸為參數之高壓電阻元件11之深度(雜質濃度之峰值之深度)與靈敏度之關係之結果的圖。
圖4係表示高壓電阻元件11之雜質濃度之分佈圖之例的圖。
圖5係實施例1之壓力感應器之剖面圖。
圖6(A)、圖6(B)、圖6(C)係表示圖5所示之壓力感應器之製造過程之剖面圖。
圖7係實施例2之壓力感應器之剖面圖。
圖8(A)、圖8(B)、圖8(C)及圖8(D)係表示圖7所示之壓力感應器之製造過程之剖面圖。
圖9係實施例3之加速度感應器之剖面圖。
圖10(A)、圖10(B)、圖10(C)係表示圖9所示之加速度感應器之製造過程之剖面圖。
圖1係表示隔膜或樑等移位部(活性層)12中之高壓電阻元件11之位置關係的圖。移位部12係由Si層構成。高壓電阻元件11係藉由雜質之擴散而形成。移位部之厚度尺寸係以ts表示，高壓電阻元件11之雜質濃度之峰值之深度係以Pd表示。
圖2(A)係表示移位部12之厚度尺寸ts與施加於移位部12之最大應力σ之定性關係的圖。若以數式表示該關係，則如下所述。
σ=(1/ts2 )α
此處，α係由移位部12之尺寸決定之係數。
圖2(B)係表示移位部12之厚度尺寸ts與於高壓電阻元件11之深度(雜質濃度之峰值之深度)位置之應力效率E之定性關係的圖。若以數式表示該關係，則如下所述。
E=(ts/2-Pd)/(ts/2)=(ts-2Pd)/ts
圖2(C)係表示移位部12之厚度尺寸ts與靈敏度S之定性關係的圖。若以數式表示該關係，則如下所述。
S=σ×E=α(ts-2Pd)/ts3
此處，若以tsmax 表示移位部12之厚度尺寸最厚時，以tsmin 表示最薄時，則各者之靈敏度Smax、Smin係如下所述。
Smax=α(tsmax -2Pd)/tsmax 3
Smin=α(tsmin -2Pd)/tsmin 3
若以成為Smax=Smin之方式決定高壓電阻元件之深度(雜質濃度之峰值之深度)Pd之值，則對於對應於移位部之厚度尺寸之偏差之靈敏度的影響最小。
Smax=Smin
α(tsmax -2Pd)/tsmax 3 =α(tsmin -2Pd)/tsmin 3
Pd=tsmax tsmin (tsmax 2 -tsmin 2 )/{2(tsmax 3 -tsmin 3 )}
圖3係表示利用FEM求出以移位部之厚度尺寸為參數之高壓電阻元件11之深度(雜質濃度之峰值之深度)與靈敏度之關係之結果的圖。若高壓電阻元件11之深度為移位部之厚度尺寸之1/2之深度(中立面)則靈敏度最低，高壓電阻元件11之深度越淺，則靈敏度變得越大。而且，高壓電阻元件11之深度越淺，則靈敏度偏差相對於移位部之厚度尺寸偏差之比變得越大。
於先前構造之情形時，隔膜或樑等移位部之厚度為10μm，若以 通常之製程製作，則該厚度會產生±0.5μm之偏差。於先前構造中，於移位部之表面形成有高壓電阻，故感應器靈敏度受到移位部之厚度之平方之影響而產生偏差。即，靈敏度偏差為±10%以上。
相對於此，於本發明之構造中，於移位部之厚度為10μm，且將高壓電阻之雜質濃度之峰值位置形成於距移位部之表面0.5μm之深度位置之情形時，與先前構造相比，不易受到移位部之厚度偏差之影響。於本發明之構造中，如圖3所示，於移位部12之厚度尺寸為10±0.5μm(tsmax =10.5μm，tsmin =9.5μm)之情形時，於高壓電阻元件之深度Pd=2μm時，靈敏度偏差為±6%。
如圖3中所表示般，移位部12越厚，則對應於高壓電阻元件之深度偏差之靈敏度偏差越小，但移位部12越厚，則靈敏度越低。為了使感應器小型化而必須提高感應器之檢測靈敏度。如此，感應器之靈敏度與移位部12之厚度存在關聯，為了提高靈敏度而必須使移位部12變薄。一般而言，於以民生用途使用之MEMS感應器中，隔膜或樑之厚度為10μm以下。因此，移位部12之厚度尺寸較佳為10μm以下。
圖4係表示高壓電阻元件11之雜質濃度之分佈圖之例的圖。橫軸為深度，縱軸為載子濃度。如於先前之高壓電阻型MEMS感應器中以分佈圖P所示般，雜質濃度之峰值之深度為0.2μm，但於本發明中，如以分佈圖N1、N2所示般，雜質濃度之峰值之深度為0.8μm或1.65μm。
[實施例] 《實施例1》
圖5係實施例1之壓力感應器之剖面圖。該壓力感應器構成為包括Si基板10a、SiO2 層10b、表面Si膜10c之SOI基板。於Si基板10a形成有因蝕刻所致之開口部13，由該部分之表面Si膜10c及SiO2 層10b構成隔膜構造之移位部12。於移位部12形成有因離子注入所致之高壓電阻 元件11。移位部12對應於應檢測之壓力而彎曲，隨之，高壓電阻元件之電阻值產生變化。
此處，隔膜構造之移位部12之厚度尺寸ts為1μm以上且10μm以下，高壓電阻元件11之雜質濃度之峰值位置(深度)Pd係較0.5μm深且較移位部12之厚度尺寸之1/2之深度淺的位置。
圖6(A)、圖6(B)、圖6(C)係表示圖5所示之壓力感應器之製造過程之剖面圖。首先，如圖6(A)所示，準備包括Si基板10a、SiO2 層10b、表面Si膜10c之SOI基板10。其次，如圖6(B)所示，自表面Si膜10c藉由離子注入而形成高壓電阻元件11。其後，如圖6(C)所示，於Si基板10a藉由蝕刻而形成開口部13。藉此，形成隔膜構造之移位部12。
《實施例2》
圖7係實施例2之壓力感應器之剖面圖。於該例中，於形成有高壓電阻元件11之Si膜10c之表面形成有保護膜14。其他構成係與圖5所示之壓力感應器相同。
圖8(A)、圖8(B)、圖8(C)、圖8(D)係表示圖7所示之壓力感應器之製造過程之剖面圖。首先，如圖8(A)所示，準備包括Si基板10a、SiO2 層10b、表面Si膜10c之SOI基板10。其次，如圖8(B)所示，自表面Si膜10c藉由離子注入而形成高壓電阻元件11。其後，如圖8(C)所示，於表面藉由熱氧化或CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)法而形成包括Si氧化膜或Si氮化膜之保護膜14。其後，如圖8(D)所示，於Si基板10a上藉由蝕刻而形成開口部13。藉此，形成隔膜構造之移位部12。
《實施例3》
圖9係實施例3之加速度感應器之剖面圖。該加速度感應器構成為包括Si基板10a、SiO2 層10b、表面Si膜10c之SOI基板。於Si基板10a 形成有因蝕刻所致之開口部13，由該部分之表面Si膜10c及SiO2 層10b構成樑構造之移位部12。又，Si基板10a中之由樑構造之移位部12聯結之一者係作為固定部發揮作用，Si基板10a中之另一者係作為錘發揮作用。於移位部12形成有因離子注入所致之高壓電阻元件11。移位部12對應於應檢測之加速度而彎曲，隨之，高壓電阻元件之電阻值產生變化。
此處，隔膜構造之移位部12之厚度尺寸ts為1μm以上且10μm以下，高壓電阻元件11之雜質濃度之峰值位置(深度)Pd係較0.5μm深且較移位部12之厚度尺寸之1/2之深度淺的位置。
圖10(A)、圖10(B)、圖10(C)係表示圖9所示之加速度感應器之製造過程之剖面圖。首先，如圖10(A)所示，準備包括Si基板10a、SiO2 層10b、表面Si膜10c之SOI基板10。其次，如圖10(B)所示，自表面Si膜10c藉由離子注入而形成高壓電阻元件11。其後，如圖10(C)所示，於Si基板10a藉由蝕刻而形成開口部13。藉此，形成樑構造之移位部12。
10‧‧‧SOI基板
10a‧‧‧Si基板
10b‧‧‧SiO2 層
10c‧‧‧Si膜
11‧‧‧高壓電阻元件
12‧‧‧移位部
13‧‧‧開口部
Pd‧‧‧深度
ts‧‧‧厚度尺寸

Claims (2)

  1. 一種高壓電阻型MEMS感應器，其包括由厚度1μm以上之Si構成且對應於檢測量而進行移位之移位部，於上述移位部之內部形成有因雜質之擴散所致之高壓電阻元件；其特徵在於：上述高壓電阻元件於距上述移位部之表面較0.5μm深且較上述移位部之厚度尺寸之1/2之深度淺的位置具有雜質濃度之峰值，其中上述移位部之厚度為1μm以上且10μm以下。
  2. 如請求項1之高壓電阻型MEMS感應器，其中上述移位部於表面形成有Si氧化膜或Si氮化膜。
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