WO2018131234A1 - ピエゾ抵抗素子、力学量検知センサおよびマイクロフォン - Google Patents

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WO2018131234A1
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piezoresistive element
field effect
effect transistor
strain
layer
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PCT/JP2017/036747
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Inventor
雅信 野村
義治 芳井
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
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    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/08—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/02—Microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors

Definitions

  • the present invention relates to a piezoresistive element, and more particularly to a piezoresistive element having a dramatically higher gauge factor and higher detection sensitivity than conventional ones.
  • the present invention also relates to a mechanical quantity detection sensor such as a pressure sensor, a strain gauge, an acceleration sensor, and an angular velocity sensor using the piezoresistive element of the present invention. Furthermore, the present invention relates to a microphone using the piezoresistive element of the present invention.
  • Piezoresistive elements are used for mechanical quantity detection sensors such as pressure sensors, strain gauges, acceleration sensors, angular velocity sensors, and microphones.
  • the piezoresistive element may be formed by implanting ions into a membrane or beam made of Si or the like.
  • FIG. 10 shows a pressure sensor 1000 disclosed in Patent Document 1.
  • the pressure sensor 1000 includes an SOI (Silicon on Insulator) substrate 104 composed of a Si substrate 101, a SiO 2 layer 102, and a surface Si film 103.
  • An opening 105 is formed in the Si substrate 101 by etching, and the displacement portion 106 of the membrane structure is configured by the SiO 2 layer 102 and the surface Si film 103 in this portion.
  • a piezoresistive element 107 is formed in the displacement portion 106 by ion implantation.
  • the displacement portion 106 bends according to the pressure to be detected, and the resistance value of the piezoresistive element 107 changes accordingly.
  • the pressure sensor 1000 detects the magnitude of pressure from the magnitude of change in the resistance value of the piezoresistive element 107.
  • the gauge factor K which is a figure of merit of the piezoresistive element, is obtained by the following relational expression (Formula 1).
  • a piezoresistive element made of a single material is said to have a limit in detection sensitivity. Since the piezoresistive element 107 of the pressure sensor 1000 uses a piezoresistive material made of a single material doped with Si, the detection sensitivity is limited.
  • the gauge factor K of a piezoresistive element using a piezoresistive material doped with Si which is commercially available at the time of filing of the present application, is considered to be about 180 at most.
  • An object of the present invention is to provide a piezoresistive element having a high gauge factor and high detection sensitivity.
  • Another object of the present invention is to provide a mechanical quantity detection sensor such as a pressure sensor, a strain gauge, an acceleration sensor, an angular velocity sensor, and a microphone with high detection sensitivity by using the piezoresistive element of the present invention. To do.
  • a piezoresistive element of the present invention includes a field effect transistor and a piezoelectric capacitor, and the piezoelectric capacitor is connected in series to the gate electrode of the field effect transistor, and the piezoelectric element
  • the charge generated when strain is applied to the body capacitor varies the gate voltage of the field effect transistor, changes the resistance value between the source electrode and the drain electrode of the field effect transistor, and the magnitude of the change in resistance value
  • the magnitude of strain is detected, and the resistance value has an area that changes exponentially with respect to the magnitude of the strain, and an area that changes exponentially detects the magnitude of strain. I was going to use it.
  • a field effect transistor having a pn junction inside can be used.
  • a highly reliable piezoresistive element can be manufactured with high productivity by using a widely used Si semiconductor processing technique.
  • a field effect transistor having no pn junction can be used as the field effect transistor.
  • the piezoresistive element (field effect transistor) can be realized with a simple structure. Further, since there is no pn junction, there is an advantage that noise caused by the pn junction is not superimposed on the detection signal.
  • a mechanical quantity detection sensor such as a pressure sensor, a strain gauge, an acceleration sensor, or an angular velocity sensor can be produced using the piezoresistive element of the present invention.
  • a microphone can be manufactured using the piezoresistive element of the present invention.
  • the piezoresistive element of the present invention has a markedly higher gauge factor and higher detection sensitivity than conventional ones.
  • the mechanical quantity detection sensor of the present invention uses the piezoresistive element of the present invention having a high gauge factor, the detection sensitivity is high.
  • the mechanical quantity detection sensor of the present invention uses the piezoresistive element of the present invention having a high gauge factor, it can detect extremely small strain. Therefore, the mechanical quantity detection sensor of the present invention can be designed to operate the mechanical structure with a small load, and can be more reliable than the conventional one. Specifically, since it is possible to design the displacement amount of the displacement portion with respect to the strain to be small, it is possible to provide a highly reliable mechanical quantity detection sensor that does not break the displacement portion even when used for a long period of time. .
  • the mechanical quantity detection sensor of the present invention uses the piezoresistive element of the present invention having a high gauge factor, it can be designed to have a large dynamic range that detects a small strain to a large strain. is there.
  • the microphone of the present invention uses the piezoresistive element of the present invention having a high gauge factor, the sensitivity is high.
  • the microphone of the present invention can be a highly reliable microphone that does not break even when used for a long period of time, or a microphone with a large dynamic range.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing a pressure sensor 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing the piezoresistive element 200 according to the first embodiment.
  • 2 is a circuit diagram of a piezoresistive element 200.
  • FIG. 3 (A) is a I DS -V G characteristic diagram of the piezoresistive element 200.
  • Figure 3 (B) is a Log (I DS) -V G characteristic diagram of the piezoresistive element 200.
  • 3 is an explanatory diagram showing a field effect transistor according to model X.
  • FIG. 4 is a Log (R DS ) - ⁇ characteristic diagram of a piezoresistive element 200.
  • FIG. FIG. 7A is a cross-sectional view showing a pressure sensor 300 according to the second embodiment.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view showing a piezoresistive element 400 according to the second embodiment. It is explanatory drawing which shows the field effect transistor concerning Model Y. 6 is a Log (R DS ) - ⁇ characteristic diagram of a piezoresistive element 400.
  • each embodiment shows an embodiment of the present invention by way of example, and the present invention is not limited to the content of the embodiment. Moreover, it is also possible to implement combining the content described in different embodiment, and the implementation content in that case is also included in this invention. Further, the drawings are for helping understanding of the embodiment, and may not be drawn strictly. For example, a drawn component or a dimensional ratio between the components may not match the dimensional ratio described in the specification. In addition, the constituent elements described in the specification may be omitted in the drawings or may be drawn with the number omitted.
  • FIG. 1A shows a pressure sensor 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 1B shows the piezoresistive element 200 according to the first embodiment formed in the pressure sensor 100.
  • 1A and 1B are both cross-sectional views.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of the piezoresistive element 200.
  • the pressure sensor 100 includes a membrane 1 and a support 2 that supports the membrane 1.
  • the membrane 1 is a portion that is displaced (curved) when pressure is applied to the pressure sensor 100.
  • a Si substrate made of Si is prepared, and the surface of the Si substrate is oxidized to produce a membrane forming substrate 5 in which the Si layer 3 and the SiO 2 layer 4 are laminated. It is produced by forming the opening 6 on the back surface of the Si layer 3 of the substrate 5 by etching. That is, the Si layer 3 and the SiO 2 layer 4 in the region where the opening 6 of the membrane forming substrate 5 is formed correspond to the membrane 1.
  • the thickness of the Si layer 3 is 10 ⁇ m.
  • the thickness of the SiO 2 layer 4 is 20 nm.
  • the Si layer 3 and the SiO 2 layer 4 in the region where the opening 6 of the membrane forming substrate 5 is not formed correspond to the support 2.
  • the pressure sensor 100 is formed with four piezoresistive elements 200 which are not understood from FIG. Each of the piezoresistive elements 200 is formed at a boundary portion between the membrane 1 and the support 2.
  • the piezoresistive element 200 includes a field effect transistor 20A and a piezoelectric capacitor 20B.
  • the field effect transistor 20A is formed on the support 2.
  • the field effect transistor 20A is formed on a p-type Si substrate 7 in which a pair of n-type Si regions 7a and 7b are formed apart from each other.
  • the p-type Si substrate 7 is manufactured by the FZ method (floating zone method) or the CZ method (Czochralski method).
  • the n-type Si regions 7 a and 7 b are formed by implanting ions into the Si layer 3 constituting the support 2.
  • the carrier concentration of the p-type Si substrate 7 is 1E15 cm ⁇ 3 .
  • the carrier concentration of the n-type Si regions 7a and 7b is 1E16 cm ⁇ 3 .
  • the n-type Si region 7a is in contact with the drain electrode 10 described later, and the region on the side of the n-type Si region 7a in contact with the drain electrode 10 has a high concentration of 1E19 cm ⁇ 3 in order to make ohmic contact with the drain electrode 10. Has been.
  • the n-type Si region 7b is in contact with the source electrode 11 described later, and the region on the side of the n-type Si region 7b in contact with the source electrode 11 has a high level of 1E19 cm ⁇ 3 in order to make ohmic contact with the source electrode 11. It is in concentration.
  • a gate insulating film 8 made of SiO 2 is formed on the p-type Si substrate 7 between the separated n-type Si regions 7a and 7b.
  • the thickness of the gate insulating film 8 is 20 nm.
  • a gate electrode 9 made of polysilicon is formed on the gate insulating film 8.
  • the thickness of the gate electrode 9 is 200 nm.
  • a pair of openings is provided between the gate insulating film 8 and the SiO 2 layers 4 on both sides thereof, and a drain electrode 10 made of Al is formed on the n-type Si region 7a exposed from the opening, and is exposed from the opening.
  • a source electrode 11 made of Al is formed on the n-type Si region 7b.
  • Each of the drain electrode 10 and the source electrode 11 has a thickness of 200 nm.
  • a first protective layer 12 made of SiO 2 is formed so as to cover the gate electrode 9, the drain electrode 10, and the source electrode 11.
  • the thickness of the first protective layer 12 is 500 nm.
  • an opening is provided in the first protective layer 12, and an extraction electrode 13 is extracted from the gate electrode 9 exposed from the opening.
  • the extraction electrode 13 is formed in a two-layer structure of an Al layer having a thickness of 100 nm and a Pt layer having a thickness of 50 nm formed thereon.
  • the extraction electrode 13 is connected to the piezoelectric capacitor 20B.
  • the piezoelectric capacitor 20B is formed on the membrane 1 (Si layer 3 and SiO 2 layer 4) of the pressure sensor 100.
  • the piezoelectric capacitor 20B includes a lower electrode 14.
  • the lower electrode 14 is formed integrally with the extraction electrode 13 extracted from the gate electrode 9 of the field effect transistor 20A, and although not shown, a 100 nm thick Al layer and a 50 nm Pt formed thereon are formed. It consists of a two-layer structure with layers.
  • a piezoelectric body 15 made of AlN is formed on the lower electrode 14.
  • the thickness of the piezoelectric body 15 is 100 nm.
  • An upper electrode 16 made of Al is formed on the piezoelectric body 15.
  • the thickness of the upper electrode 16 is 100 nm.
  • a second protective layer 17 made of SiO 2 is formed so as to cover the field effect transistor 20A and the piezoelectric capacitor 20B.
  • the thickness of the second protective layer 17 is 500 nm.
  • Each of the four piezoresistive elements 200 formed in the pressure sensor 100 includes a circuit shown in FIG. That is, the piezoresistive element 200 includes a circuit in which the piezoelectric capacitor 20B is connected in series to the gate electrode of the field effect transistor 20A.
  • the pressure sensor 100 detects the magnitude of the pressure applied to the membrane 1 based on the magnitude of the change in resistance value between the source electrode 11 and the drain electrode 10 of the field effect transistor 20A of the piezoresistive element 200.
  • I DS -V G characteristics of the field effect transistor 20A - source-drain current gate voltage characteristic
  • FIG. 3 (A) the vertical axis I DS is a linear representation the I DS -V G characteristics.
  • FIG. 3 (B), the vertical axis I DS log scale was Log (I DS) is -V G characteristics.
  • 3A and 3B are simulation values and are calculated using the model X of the field effect transistor shown in FIG. 4 matched with the field effect transistor 20A. The channel width corresponding to the depth in FIG. 4 was set to 1 mm.
  • I DS -V G characteristics, and a semiconductor carrier concentration is adjusted by a gate electrode species.
  • model X the work function of the gate electrode was set to 4.25 eV.
  • the piezoelectric capacitor 20 ⁇ / b> B of the piezoresistive element 200 generates a charge Q when a strain is applied to the piezoelectric body 15.
  • the generated charge Q can be obtained by the following relational expression (Formula 2)
  • the capacitance Cp of the piezoelectric capacitor 20B can be obtained by the following relational expression (Formula 3).
  • the gate voltage V G can be obtained by the following (formula 4).
  • the piezoresistive element 200, the piezoelectric body and the charge Q on the piezoelectric layer 15 strain ⁇ is applied in the capacitor 20B is generated, the gate voltage V G of the field effect transistor 20A is varied by the generated charge Q . Then, by the gate voltage V G of the field effect transistor 20A is changed, the source of the field effect transistor 20A - drain resistance R DS is changed.
  • FIG. 6 shows Log (R DS ) - ⁇ characteristics of the piezoresistive element 200 according to the present embodiment.
  • the pressure sensor 100 uses a region (region indicated by a thick solid line) in which the Log (R DS ) - ⁇ characteristic of the piezoresistive element 200 is linear in FIG.
  • the magnitude of the strain ⁇ (pressure) applied to the piezoelectric capacitor 20B) is detected.
  • the pressure sensor 100 detects the magnitude of the strain ⁇ applied to the piezoresistive element 200 in the region of ⁇ 3E-4 ⁇ ⁇ ⁇ 1E-4.
  • the gauge factor K of the piezoresistive element 200 according to the present embodiment is estimated.
  • the gauge factor K the following (Equation 1) described above is applied.
  • the gauge factor K varies greatly depending on whether the initial resistance value is R or R + ⁇ R. Therefore, in such a case, it is preferable to obtain by the following (Expression 5) in which (Expression 1) is replaced with a differential form.
  • the piezoresistive element 200 according to the present embodiment has a gauge factor K that is about two orders of magnitude higher than that of a conventional piezoresistive element using Si material, and has extremely high detection sensitivity.
  • the pressure sensor 100 according to the present embodiment using the piezoresistive element 200 having a dramatically higher gauge factor K than the conventional one also has extremely high detection sensitivity.
  • a Si substrate made of Si is prepared.
  • the Si substrate is formed by the FZ method and exhibits p-type conductivity.
  • the surface of the Si substrate is oxidized to produce a membrane-forming substrate 5 in which the Si layer 3 and the SiO 2 layer 4 are laminated.
  • ions are implanted into each of the four regions of the Si layer 3 in the membrane forming substrate 5 where the field effect transistor 20A is to be formed, thereby forming n-type Si regions 7a and 7b, respectively.
  • the SiO 2 layer 4 of the membrane forming substrate 5 is processed to form a gate insulating film 8. That is, a pair of openings is formed on both sides of the gate insulating film 8 to separate the gate insulating film 8 from the SiO 2 layer 4.
  • One opening is an opening for forming the source electrode 11, and the other opening is an opening for forming the drain electrode 10.
  • the gate electrode 9 is formed on the gate insulating film 8
  • the drain electrode 10 is formed on the n-type Si region 7a
  • the source electrode 11 is formed on the n-type Si region 7b, thereby completing the field effect transistor 20A.
  • the first protective layer 12 is formed on the field effect transistor 20A. Subsequently, an opening necessary for wiring is formed in the first protective layer 12.
  • the extraction electrode 13 that connects the field effect transistor 20A and the piezoelectric capacitor 20B is formed.
  • One end of the extraction electrode 13 is connected to the gate electrode 9 of the field effect transistor 20A.
  • the other end of the extraction electrode 13 is extracted to the region of the SiO 2 layer 4 of the membrane forming substrate 5 where the piezoelectric capacitor 20B is to be formed. This portion becomes the lower electrode 14.
  • the piezoelectric body 15 is formed on the lower electrode 14 in the region where the piezoelectric capacitor 20B is to be formed. Subsequently, the upper electrode 16 is formed on the piezoelectric body 15 to complete the piezoelectric capacitor 20B.
  • the second protective layer 17 is formed on the field effect transistor 20A and the piezoelectric capacitor 20B. Subsequently, an opening necessary for wiring is formed in the second protective layer 17.
  • an opening 6 is formed on the back surface of the Si layer 3 of the membrane forming substrate 5 by etching to form the membrane 1 to complete the pressure sensor 100 including the four piezoresistive elements 200.
  • FIG. 7A shows a pressure sensor 300 according to the second embodiment.
  • FIG. 7B shows a piezoresistive element 400 according to the second embodiment formed in the pressure sensor 300.
  • the configurations of the pressure sensor 300 and the piezoresistive element 400 that are not changed from the pressure sensor 100 and the piezoresistive element 200 according to the first embodiment are the same. The symbol is attached.
  • four piezoresistive elements 400 are formed in the pressure sensor 300.
  • Each piezoresistive element 400 has a structure in which a field effect transistor 40A and a piezoelectric capacitor 40B are connected to each other.
  • a membrane forming substrate 5 in which a Si substrate is prepared for the membrane 1, the surface of the Si substrate is oxidized, and the Si layer 3 and the SiO 2 layer 4 are laminated. And an opening 6 is formed on the back surface of the Si layer 3 of the membrane-forming substrate 5 by etching.
  • the membrane 31 is an SOI substrate in which a first Si layer 41, a first SiO 2 layer 42, and a second Si layer 43 are laminated.
  • a substrate having a p-type Si active layer is prepared, the surface of the second Si layer 43 is oxidized to form a second SiO 2 layer 44, and the first Si layer 41, the first SiO 2 layer 42, the first A membrane forming substrate 45 in which two Si layers 43 and a second SiO 2 layer 44 are laminated is formed, and an opening 6 is formed on the back surface of the first Si layer 41 of the membrane forming substrate 45 by etching. It was produced by.
  • the piezoresistive element 200 ions are implanted into the Si layer 3 of the support 2 part to form a pair of n-type Si regions 7b and 7c.
  • a pair of p ++ type Si regions 37b and 37c having a doping amount larger than that of the p type Si active layer 37a is formed instead.
  • the gate insulating film 8 and the gate electrode 9 are formed on the p-type Si active layer 37a
  • the drain electrode 10 is formed on the p ++-type Si region 37b
  • p The source electrode 11 was formed on the ++ type Si region 37c.
  • the field effect transistor 20A of the piezoresistive element 200 has a pn junction inside, but the field effect transistor 40A of the piezoresistive element 400 does not have a pn junction inside.
  • the piezoelectric capacitor 40B of the piezoresistive element 400 has the same structure as the piezoelectric capacitor 20B of the piezoresistive element 200. However, for the sake of convenience, different symbols (“20B” and “40B”) are given to both.
  • the field effect transistor 40A of the piezoresistive element 400 will be further described.
  • the carrier concentration of the p-type Si active layer 37a is 1E16 cm ⁇ 3 .
  • the carrier concentration of the p ++ type Si regions 37b and 37c is 1E19 cm ⁇ 3 .
  • the p-type Si active layer 37a and the p ++-type Si regions 37b and 37c have a thickness of 55 nm.
  • a gate insulating film 8 made of SiO 2 is formed on the p-type Si active layer 37a between the p ++-type Si regions 37b and 37c which are separated from each other.
  • the thickness of the gate insulating film 8 is 20 nm.
  • a gate electrode 9 made of Ni is formed on the gate insulating film 8.
  • the thickness of the gate electrode 9 is 200 nm.
  • a pair of openings is provided between the gate insulating film 8 and the second SiO 2 layers 44 on both sides thereof, and the drain electrode 10 made of Al is formed on the p ++ type Si region 37b exposed from the opening.
  • the source electrode 11 made of Al is formed on the p ++ type Si region 37c exposed from the opening.
  • Each of the drain electrode 10 and the source electrode 11 has a thickness of 200 nm.
  • a first protective layer 12 made of SiO 2 is formed so as to cover the gate electrode 9, the drain electrode 10, and the source electrode 11.
  • the thickness of the first protective layer 12 is 500 nm.
  • an opening is provided in the first protective layer 12, and an extraction electrode 13 is extracted from the gate electrode 9 exposed from the opening.
  • the extraction electrode 13 is formed in a two-layer structure of an Al layer having a thickness of 100 nm and a Pt layer having a thickness of 50 nm formed thereon.
  • the extraction electrode 13 is connected to the piezoelectric capacitor 40B.
  • the piezoelectric capacitor 40B of the piezoresistive element 400 is the same as the piezoelectric capacitor 20B of the piezoresistive element 200, the description thereof is omitted.
  • the piezoresistive element 400 having the above structure has the Log (R DS ) - ⁇ characteristic shown in FIG.
  • Log (R DS) -V G characteristics of Figure 9 were matched to the field effect transistor 40A, it is obtained by calculation using a model Y of the field effect transistor shown in FIG.
  • the channel width corresponding to the depth of FIG. 8 was set to 1 mm.
  • the work function of the gate electrode was set to 4.85 eV.
  • the pressure sensor 300 is applied to the piezoresistive element 400 using a region (region indicated by a thick solid line) in which the Log (RDS) - ⁇ characteristic of the piezoresistive device 400 has a linear relationship in FIG.
  • the magnitude of the applied strain ⁇ (pressure) is detected.
  • the piezoresistive element 400 according to the present embodiment including the field effect transistor 40A that does not have a pn junction therein is also about two digits compared to the conventional piezoresistive element using Si material. It has a high gauge factor K and extremely high detection sensitivity.
  • the pressure sensor 300 according to this embodiment using the piezoresistive element 400 having a dramatically higher gauge factor K than the conventional one also has extremely high detection sensitivity. Note that the piezoresistive element 400 (pressure sensor 300) has an advantage that noise caused by the pn junction does not overlap the detection signal because the field-effect transistor 40A does not have a pn junction.
  • the gate insulating film 8 is formed on the p-type Si substrate 7, the drain electrode 10 is formed on the n-type Si region 7a, and the n-type Si region 7b is formed.
  • the source electrode 11 is formed, the p-type and the n-type are interchanged, the gate insulating film 8 is formed on the n-type Si substrate, the drain electrode 10 is formed on the p-type Si region, and the p-type Si is formed.
  • the source electrode 11 may be formed on the region.
  • the pressure sensors 100 and 300 are manufactured as the mechanical quantity detection sensors.
  • the type of the mechanical quantity detection sensor is arbitrary, for example, a strain gauge, an acceleration sensor, an angular velocity sensor, or the like. It may be.
  • a microphone may be constituted by the piezoresistive element (pressure sensor) of the present invention.

Abstract

ゲージ率が高く、検知感度が高いピエゾ抵抗素子を提供する。　電界効果トランジスタ２０Ａと圧電体キャパシタ２０Ｂとを備え、電界効果トランジスタ２０Ａのゲート電極９に、圧電体キャパシタ２０Ｂが直列に接続され、圧電体キャパシタ２０Ｂに歪が印加された際に発生する電荷により、電界効果トランジスタ２０Ａのゲート電極９の電圧（ゲート電圧）を変動させ、ソース電極１１とドレイン電極１０との間の抵抗値を変化させ、抵抗値の変化の大きさから歪の大きさを検知し、抵抗値は歪の大きさに対して指数関数的に変化する領域を有し、指数関数的に変化する領域を歪の大きさを検知するのに使用するようにした。

Description

ピエゾ抵抗素子、力学量検知センサおよびマイクロフォン
　本発明は、ピエゾ抵抗素子に関し、さらに詳しくは、従来に比べて飛躍的にゲージ率が高く、検知感度が高いピエゾ抵抗素子に関する。
　また、本発明は、本発明のピエゾ抵抗素子を使用した圧力センサ、歪ゲージ、加速度センサ、角速度センサなどの力学量検知センサに関する。さらに、本発明は、本発明のピエゾ抵抗素子を使用したマイクロフォンに関する。
　圧力センサ、歪ゲージ、加速度センサ、角速度センサなどの力学量検知センサや、マイクロフォンに、ピエゾ抵抗素子が使用されている。
　ピエゾ抵抗素子は、Ｓｉなどからなるメンブレンや梁などに、イオンを注入して形成される場合がある。
　そのようなピエゾ抵抗素子を備えた圧力センサ（ピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ）が、特許文献１（ＷＯ２０１４／０８８０２０Ａ１号公報）に開示されている。図１０に、特許文献１に開示された圧力センサ１０００を示す。
　圧力センサ１０００は、Ｓｉ基板１０１、ＳｉＯ２層１０２、表面Ｓｉ膜１０３からなるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１０４を備えている。Ｓｉ基板１０１には、エッチングによって開口１０５が形成され、この部分のＳｉＯ２層１０２および表面Ｓｉ膜１０３によって、メンブレン構造の変位部１０６が構成されている。変位部１０６には、イオン注入によってピエゾ抵抗素子１０７が形成されている。
　圧力センサ１０００は、変位部１０６が、検知されるべき圧力に応じて湾曲し、それにともなってピエゾ抵抗素子１０７の抵抗値が変化する。圧力センサ１０００は、ピエゾ抵抗素子１０７の抵抗値の変化の大きさから、圧力の大きさを検知する。
　一般的に、ピエゾ抵抗素子の性能指数であるゲージ率Ｋは、下記（式１）の関係式によって求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ピエゾ抵抗素子のゲージ率Ｋは、大きいほど、検知感度が高く、歪の大きさを正確に検知することができるため好ましい。
ＷＯ２０１４／０８８０２０Ａ１号公報
　単一材料からなるピエゾ抵抗素子は、検知感度に限界があるといわれている。圧力センサ１０００のピエゾ抵抗素子１０７は、Ｓｉにドーピングをした単一材料からなるピエゾ抵抗材料を用いたものであるため、検知感度に限界があった。
　本願の出願時点において商用化されている、Ｓｉにドーピングをしたピエゾ抵抗材料を用いたピエゾ抵抗素子のゲージ率Ｋは、大きくても１８０程度に留まるものと考えられる。
　本発明は、ゲージ率が高く、検知感度の高いピエゾ抵抗素子を提供することを目的とする。また、本発明は、本発明のピエゾ抵抗素子を使用することによって、検知感度の高い、圧力センサ、歪ゲージ、加速度センサ、角速度センサなどの力学量検知センサや、マイクロフォンを提供することを目的とする。
　上述した従来の課題を解決するために、本発明のピエゾ抵抗素子は、電界効果トランジスタと、圧電体キャパシタと、を備え、電界効果トランジスタのゲート電極に、圧電体キャパシタが直列に接続され、圧電体キャパシタに歪が印加された際に発生する電荷により、電界効果トランジスタのゲート電圧を変動させ、電界効果トランジスタのソース電極とドレイン電極との間の抵抗値を変化させ、抵抗値の変化の大きさから、歪の大きさを検知し、抵抗値は、歪の大きさに対して、指数関数的に変化する領域を有し、指数関数的に変化する領域を、歪の大きさを検知するのに使用するようにした。
　電界効果トランジスタとして、ｐ-ｎ接合を内部に有する電界効果トランジスタを使用することができる。この場合には、広く汎用されているＳｉ半導体の加工技術を使って、信頼性の高いピエゾ抵抗素子を、高い生産性で製造することができる。
　また、電界効果トランジスタとして、ｐ-ｎ接合を内部に有さない電界効果トランジスタを使用することができる。この場合には、ピエゾ抵抗素子（電界効果トランジスタ）を、簡素な構造で実現することができる。また、ｐ-ｎ接合が存在しないため、ｐ-ｎ接合に起因するノイズが検知信号に重畳しないという利点がある。
　本発明のピエゾ抵抗素子を使用して、圧力センサ、歪ゲージ、加速度センサ、角速度センサなどの力学量検知センサを作製することができる。また、本発明のピエゾ抵抗素子を使用して、マイクロフォンを作製することができる。
　本発明のピエゾ抵抗素子は、従来に比べて飛躍的にゲージ率が高く、検知感度が高い。
　本発明の力学量検知センサは、ゲージ率が高い本発明のピエゾ抵抗素子を使用しているため、検知感度が高い。
　また、本発明の力学量検知センサは、ゲージ率が高い本発明のピエゾ抵抗素子を使用しているため、極めて小さい歪を検知することができる。そのため、本発明の力学量検知センサは、機械的構造を小さな負荷で作動するように設計することができ、従来よりも信頼性の高いものとすることができる。具体的には、歪に対する変位部の変位量を小さなものに設計することが可能であるため、長期間使用しても変位部が破損しない、信頼性の高い力学量検知センサとすることができる。
　また、本発明の力学量検知センサは、ゲージ率が高い本発明のピエゾ抵抗素子を使用しているため、小さな歪から大きな歪までを検知する、ダイナミックレンジの大きなものに設計することも可能である。
　また、本発明のマイクロフォンは、ゲージ率が高い本発明のピエゾ抵抗素子を使用しているため、感度が高い。また、本発明のマイクロフォンは、長期間使用しても破損しない信頼性の高いマイクロフォンや、ダイナミックレンジの大きなマイクロフォンにすることができる。
図１（Ａ）は、第１実施形態にかかる圧力センサ１００を示す断面図である。図１（Ｂ）は、第1実施形態にかかるピエゾ抵抗素子２００を示す断面図である。 ピエゾ抵抗素子２００の回路図である。 図３（Ａ）は、ピエゾ抵抗素子２００のＩＤＳ-ＶＧ特性図である。図３（Ｂ）は、ピエゾ抵抗素子２００のＬｏｇ（ＩＤＳ）-ＶＧ特性図である。 モデルＸにかかる電界効果トランジスタを示す説明図である。 ピエゾ抵抗素子２００のＬｏｇ（ＲＤＳ）-ＶＧ特性図である。 ピエゾ抵抗素子２００のＬｏｇ（ＲＤＳ）-ε特性図である。 図７（Ａ）は、第２実施形態にかかる圧力センサ３００を示す断面図である。図７（Ｂ）は、第２実施形態にかかるピエゾ抵抗素子４００を示す断面図である。 モデルＹにかかる電界効果トランジスタを示す説明図である。 ピエゾ抵抗素子４００のＬｏｇ（ＲＤＳ）-ε特性図である。 特許文献１に記載された圧力センサ１０００を示す断面図である。
　以下、図面とともに、本発明を実施するための形態について説明する。
　なお、各実施形態は、本発明の実施の形態を例示的に示したものであり、本発明が実施形態の内容に限定されることはない。また、異なる実施形態に記載された内容を組合せて実施することも可能であり、その場合の実施内容も本発明に含まれる。また、図面は、実施形態の理解を助けるためのものであり、必ずしも厳密に描画されていない場合がある。たとえば、描画された構成要素ないし構成要素間の寸法の比率が、明細書に記載されたそれらの寸法の比率と一致していない場合がある。また、明細書に記載されている構成要素が、図面において省略されている場合や、個数を省略して描画されている場合などがある。
　［第１実施形態］
　図１（Ａ）に、第１実施形態にかかる圧力センサ１００を示す。また、図１（Ｂ）に、圧力センサ１００に形成した同じく第1実施形態にかかるピエゾ抵抗素子２００を示す。なお、図１（Ａ）、（Ｂ）は、いずれも断面図である。また、図２に、ピエゾ抵抗素子２００の回路図を示す。
　第１実施形態にかかる圧力センサ１００は、メンブレン１と、メンブレン１を支える支持体２を備えている。メンブレン１は、圧力センサ１００に圧力が印加されたときに、変位（湾曲）する部分である。
　メンブレン１は、ＳｉからなるＳｉ基材を用意し、Ｓｉ基材の表面を酸化させて、Ｓｉ層３とＳｉＯ２層４とが積層されたメンブレン形成用基材５を作製し、メンブレン形成用基材５のＳｉ層３の裏面にエッチングによって開口６を形成することによって作製されたものである。すなわち、メンブレン形成用基材５の開口６を形成した領域の、Ｓｉ層３およびＳｉＯ２層４がメンブレン１に該当する。メンブレン１部分において、Ｓｉ層３の厚みは１０μｍである。ＳｉＯ２層４の厚みは２０ｎｍである。
　メンブレン形成用基材５の開口６を形成していない領域の、Ｓｉ層３およびＳｉＯ２層４が支持体２に該当する。
　圧力センサ１００には、図１（Ａ）からは分からないが、４個のピエゾ抵抗素子２００が形成されている。ピエゾ抵抗素子２００は、それぞれ、メンブレン１と支持体２との境界部分に形成されている。
　ピエゾ抵抗素子２００は、電界効果トランジスタ２０Ａと圧電体キャパシタ２０Ｂとを備える。
　電界効果トランジスタ２０Ａは、支持体２上に形成されている。
　電界効果トランジスタ２０Ａは、内部に離間して１対のｎ型Ｓｉ領域７ａ、７ｂが形成された、ｐ型Ｓｉ基板７に形成されている。ｐ型Ｓｉ基板７は、ＦＺ法（フローティングゾーン法）、またはＣＺ法（チョクラルスキー法）により製造されたものである。ｎ型Ｓｉ領域７ａ、７ｂは、支持体２を構成するＳｉ層３に、イオンを注入して形成したものである。
　ｐ型Ｓｉ基板７のキャリア濃度は１Ｅ１５ｃｍ－３である。また、ｎ型Ｓｉ領域７ａ、７ｂのキャリア濃度は１Ｅ１６ｃｍ－３である。ただし、ｎ型Ｓｉ領域７ａは後述するドレイン電極１０と接しており、ｎ型Ｓｉ領域７ａのドレイン電極１０と接する側の領域は、ドレイン電極１０とオーミックコンタクトをとるために１Ｅ１９ｃｍ－３の高濃度にされている。同様に、ｎ型Ｓｉ領域７ｂは後述するソース電極１１と接しており、ｎ型Ｓｉ領域７ｂのソース電極１１と接する側の領域は、ソース電極１１とオーミックコンタクトをとるために１Ｅ１９ｃｍ－３の高濃度にされている。
　離間しているｎ型Ｓｉ領域７ａ、７ｂ間の、ｐ型Ｓｉ基板７上に、ＳｉＯ２からなるゲート絶縁膜８が形成されている。ゲート絶縁膜８の厚みは２０ｎｍである。
　ゲート絶縁膜８上に、ポリシリコンからなるゲート電極９が形成されている。ゲート電極９の厚みは２００ｎｍである。
　ゲート絶縁膜８と、その両側のＳｉＯ２層４との間に、１対の開口が設けられ、開口から露出したｎ型Ｓｉ領域７ａ上にＡｌからなるドレイン電極１０が形成され、開口から露出したｎ型Ｓｉ領域７ｂ上にＡｌからなるソース電極１１が形成されている。ドレイン電極１０、ソース電極１１の厚みは、それぞれ、２００ｎｍである。
　ゲート電極９、ドレイン電極１０、ソース電極１１を覆うように、ＳｉＯ２からなる第１保護層１２が形成されている。第１保護層１２の厚みは５００ｎｍである。
　第１保護層１２に開口を設け、開口から露出したゲート電極９から、引出電極１３が引き出されている。図示しないが、引出電極１３は、１００ｎｍの厚みのＡｌ層と、その上に形成された５０ｎｍのＰｔ層との２層構造に形成されている。引出電極１３は、圧電体キャパシタ２０Ｂに接続されている。
　圧電体キャパシタ２０Ｂは、圧力センサ１００のメンブレン１（Ｓｉ層３およびＳｉＯ２層４）上に形成されている。
　圧電体キャパシタ２０Ｂは、下部電極１４を備える。下部電極１４は、電界効果トランジスタ２０Ａのゲート電極９から引き出された引出電極１３と一体的に形成されており、図示しないが、１００ｎｍの厚みのＡｌ層と、その上に形成された５０ｎｍのＰｔ層との２層構造からなる。
　下部電極１４上に、ＡｌＮからなる圧電体１５が形成されている。圧電体１５の厚みは１００ｎｍである。
　圧電体１５上に、Ａｌからなる上部電極１６が形成されている。上部電極１６の厚みは１００ｎｍである。
　電界効果トランジスタ２０Ａおよび圧電体キャパシタ２０Ｂを覆うように、ＳｉＯ２からなる第２保護層１７が形成されている。第２保護層１７の厚みは５００ｎｍである。
　圧力センサ１００に形成された４個のピエゾ抵抗素子２００は、それぞれ、図２に示す回路を備える。すなわち、ピエゾ抵抗素子２００は、電界効果トランジスタ２０Ａのゲート電極に、圧電体キャパシタ２０Ｂが直列に接続された回路を備える。
　圧力センサ１００に圧力が印加されると、メンブレン１が変位（湾曲）する。
　メンブレン１が変位すると、圧電体キャパシタ２０Ｂのピエゾ抵抗素子２００の圧電体１５に歪が発生する。圧電体１５に歪が発生すると、圧電体１５に電荷が発生する。その電荷が引出電極１３を経由して、電界効果トランジスタ２０Ａのゲート電極９の電圧（ゲート電圧）を変動させ、ソース電極１１とドレイン電極１０との間の抵抗値を変化させる。
　圧力センサ１００は、メンブレン１に印加された圧力の大きさを、ピエゾ抵抗素子２００の電界効果トランジスタ２０Ａのソース電極１１とドレイン電極１０との間の抵抗値の変化の大きさによって検知する。
　次に、ピエゾ抵抗素子２００の電界効果トランジスタ２０Ａの特性について説明する。
　本実施形態における、電界効果トランジスタ２０ＡのＩＤＳ‐ＶＧ特性（ソース・ドレイン間電流‐ゲート電圧特性）を、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示す。ただし、図３（Ａ）は、縦軸ＩＤＳを線形表示したＩＤＳ-ＶＧ特性である。図３（Ｂ）は、縦軸ＩＤＳを対数表示したＬｏｇ（ＩＤＳ）-ＶＧ特性である。なお、図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、シミュレーション値であり、電界効果トランジスタ２０Ａに合致させた、図４に示す電界効果トランジスタのモデルＸを用いて計算したものである。なお、図４の奥行に相当するチャンネル幅は１ｍｍに設定した。ＩＤＳ‐ＶＧ特性は、半導体のキャリア濃度や、ゲート電極種などにより調整される。モデルＸにおいては、ゲート電極の仕事関数を４．２５ｅＶに設定した。
　図３（Ｂ）に示すように、Ｌｏｇ（ＩＤＳ）-ＶＧ特性においては、Ｌｏｇ（ＩＤＳ）とＶＧとが直線関係になる領域（太い実線で示す領域）が存在し、この領域は一般にＶＧが閾値電圧Ｖｔよりも低いところに存在する。
　図３（Ｂ）の縦軸を抵抗値に変換すると、図５に示すＬｏｇ（ＲＤＳ）-ＶＧ特性となり、Ｌｏｇ（ＲＤＳ）-ＶＧ特性においても、Ｌｏｇ（ＲＤＳ）とＶＧ特性とが直線関係になる領域（太い実線で示す領域）が存在する。本実施形態においては、この直線領域がＶＧ＝０Ｖを含むように設計している。なお、電界効果トランジスタ２０Ａのゲート容量ＣＧは、ゲート絶縁膜８の形状、大きさなどから、８．９Ｅ-１２Ｆと試算される。
　一方、ピエゾ抵抗素子２００の圧電体キャパシタ２０Ｂは、圧電体１５に歪が印加されると電荷Ｑが発生する。ＡｌＮからなる圧電体１５を、圧電定数ｄ３１＝２．７８ｐｍ／Ｖ、比誘電率εｒ＝１０．７、ヤング率Ｙ＝３００ＧＰａ、膜厚ｔ＝１００ｎｍとし、キャパシタ面積Ｓを１００μｍ×１００μｍとすると、発生する電荷Ｑは下記（式２）の関係式によって求めることができ、圧電体キャパシタ２０Ｂの容量Ｃｐは下記（式３）の関係式によって求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　圧電体１５に発生した電荷Ｑは、圧電体キャパシタ２０Ｂの圧電体キャパシタ容量Ｃｐと電界効果トランジスタ２０Ａのゲート容量ＣＧとの間で分配関係をもちながら、ゲート電極９側に流入してゲート電圧ＶＧを変動させる。したがって、ゲート電圧ＶＧは下記の（式４）で求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　以上のように、ピエゾ抵抗素子２００は、圧電体キャパシタ２０Ｂの圧電体１５に歪εが印加されると電荷Ｑが発生し、発生した電荷Ｑによって電界効果トランジスタ２０Ａのゲート電圧ＶＧが変動する。そして、電界効果トランジスタ２０Ａのゲート電圧ＶＧが変動することによって、電界効果トランジスタ２０Ａのソース-ドレイン間抵抗ＲＤＳが変
化する。
　図６に、本実施形態にかかるピエゾ抵抗素子２００のＬｏｇ（ＲＤＳ）-ε特性を示す。
　本実施形態にかかる圧力センサ１００は、図６において、ピエゾ抵抗素子２００のＬｏｇ（ＲＤＳ）-ε特性が直線関係にある領域（太い実線で示す領域）を使用して、ピエゾ抵抗素子２００（圧電体キャパシタ２０Ｂ）に印加された歪ε（圧力）の大きさを検知する。具体的には、圧力センサ１００は、－３Ｅ－４≦ε≦１Ｅ－４の領域において、ピエゾ抵抗素子２００に印加された歪εの大きさを検知する。直線部は、Ｒ＝９９６６０×ｅｘｐ（１６１００×ε）の関係式となり、印加された歪εに対して、ソース-ドレイン間抵抗ＲＤＳが大きく変化する。
　本実施形態にかかるピエゾ抵抗素子２００のゲージ率Ｋを試算する。ゲージ率Ｋについては、既出の下記（式１）を適用するが、抵抗変化ΔＲが大きい場合は、初期抵抗値をＲでとるか、Ｒ＋ΔＲでとるかによって、ゲージ率Ｋが大きく異なってしまう。そこで、このような場合は、（式１）を微分形式に置換えた、下記（式５）で求めることが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　（式５）に、本実施形態のＲ＝９９６６０×ｅｘｐ（１６１００×ε）を代入すると、ゲージ率Ｋは１６１００になる。本実施形態にかかるピエゾ抵抗素子２００は、Ｓｉ材料を使用した従来のピエゾ抵抗素子に比べて２桁程度高いゲージ率Ｋを備えており、極めて高い検知感度を備えている。そして、従来よりも飛躍的にゲージ率Ｋの高いピエゾ抵抗素子２００を使用した本実施形態にかかる圧力センサ１００も、極めて高い検知感度を備えている。
　次に、本実施形態にかかる圧力センサ１００およびピエゾ抵抗素子２００の製造方法の一例について、簡潔に説明する。なお、以下の各工程は、従来から電界効果トランジスタや薄膜キャパシタなどを作製するのに広く一般的に使用されている、成膜技術、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術などを応用しておこなう。
　まず、メンブレン１を形成するために、ＳｉからなるＳｉ基材を用意する。Ｓｉ基材はＦＺ法により形成されており、p型の伝導性を示す。
　次に、Ｓｉ基材の表面を酸化させて、Ｓｉ層３とＳｉＯ２層４とが積層されたメンブレン形成用基材５を作製する。
　次に、メンブレン形成用基材５における、電界効果トランジスタ２０Ａを形成する４つの領域のＳｉ層３に、それぞれイオンを注入して、ｎ型Ｓｉ領域７ａ、７ｂを、それぞれ形成する。
　次に、メンブレン形成用基材５のＳｉＯ２層４を加工し、ゲート絶縁膜８を形成する。すなわち、ゲート絶縁膜８の両側に１対の開口を形成し、ゲート絶縁膜８をＳｉＯ２層４から分離する。なお、一方の開口はソース電極１１を形成するための開口となり、他方の開口はドレイン電極１０を形成するための開口となる。
　次に、ゲート絶縁膜８上にゲート電極９、ｎ型Ｓｉ領域７ａ上にドレイン電極１０、ｎ型Ｓｉ領域７ｂ上にソース電極１１を、それぞれ形成し、電界効果トランジスタ２０Ａを完成させる。
　次に、電界効果トランジスタ２０Ａ上に、第１保護層１２を形成する。続いて、第１保護層１２に、配線のために必要な開口を形成する。
　次に、電界効果トランジスタ２０Ａと圧電体キャパシタ２０Ｂとを接続する引出電極１３を形成する。なお、引出電極１３の一端は、電界効果トランジスタ２０Ａのゲート電極９に接続される。引出電極１３の他端は、メンブレン形成用基材５のＳｉＯ２層４の、圧電体キャパシタ２０Ｂを形成する領域上にまで引き出される。この部分は下部電極１４となる。
　次に、圧電体キャパシタ２０Ｂを形成する領域の下部電極１４に、圧電体１５を形成する。続いて、圧電体１５上に、上部電極１６を形成し、圧電体キャパシタ２０Ｂを完成させる。
　次に、電界効果トランジスタ２０Ａおよび圧電体キャパシタ２０Ｂ上に、第２保護層１７を形成する。続いて、第２保護層１７に、配線のために必要な開口を形成する。
　最後に、メンブレン形成用基材５のＳｉ層３の裏面にエッチングによって開口６を形成し、メンブレン１を形成して、４つのピエゾ抵抗素子２００を備えた圧力センサ１００を完成させる。
　［第２実施形態］
　図７（Ａ）に、第２実施形態にかかる圧力センサ３００を示す。また、図７（Ｂ）に、圧力センサ３００に形成した同じく第２実施形態にかかるピエゾ抵抗素子４００を示す。なお、以下の説明および図７（Ａ）、（Ｂ）において、第１実施形態にかかる圧力センサ１００、ピエゾ抵抗素子２００から変更していない圧力センサ３００、ピエゾ抵抗素子４００の構成については、同一の符号を付している。なお、圧力センサ３００には、４個のピエゾ抵抗素子４００が形成されている。また、各ピエゾ抵抗素子４００は、それぞれ、電界効果トランジスタ４０Ａと圧電体キャパシタ４０Ｂとが接続された構造からなる。
　第２実施形態にかかる圧力センサ３００、ピエゾ抵抗素子４００は、第１実施形態にかかる圧力センサ１００、ピエゾ抵抗素子２００の構成の一部に変更を加えた。
　具体的には、圧力センサ１００では、メンブレン１を、Ｓｉ基材を用意し、Ｓｉ基材の表面を酸化させて、Ｓｉ層３とＳｉＯ２層４とが積層されたメンブレン形成用基材５を作製し、メンブレン形成用基材５のＳｉ層３の裏面にエッチングによって開口６を形成することによって作製していた。圧力センサ３００では、これに代えて、メンブレン３１を、第１のＳｉ層４１、第１のＳｉＯ２層４２、第２のＳｉ層４３が積層されたＳＯＩ基板であり、前記のＳｉ層４３はｐ型Ｓｉ活性層を有する基板を用意し、第２のＳｉ層４３の表面を酸化させて第２のＳｉＯ２層４４を形成し、第１のＳｉ層４１、第１のＳｉＯ２層４２、第２のＳｉ層４３、第２のＳｉＯ２層４４が積層されたメンブレン形成用基材４５を作製し、メンブレン形成用基材４５の第１のＳｉ層４１の裏面にエッチングによって開口６を形成することによって作製した。
　また、ピエゾ抵抗素子２００では、支持体２部分のＳｉ層３に、イオンを注入して、１対のｎ型Ｓｉ領域７ｂ、７ｃを形成していた。ピエゾ抵抗素子４００では、これに代えて、ｐ型Ｓｉ活性層３７ａよりもドーピング量の多い１対のｐ++型Ｓｉ領域３７ｂ、３７ｃを形成した。そして、ピエゾ抵抗素子４００の電界効果トランジスタ４０Ａは、ｐ型Ｓｉ活性層３７ａ上にゲート絶縁膜８およびゲート電極９を形成し、ｐ++型Ｓｉ領域３７ｂ上にドレイン電極１０を形成し、ｐ++型Ｓｉ領域３７ｃ上にソース電極１１を形成した。ピエゾ抵抗素子２００の電界効果トランジスタ２０Ａは内部にｐ-ｎ接合を有していたが、ピエゾ抵抗素子４００の電界効果トランジスタ４０Ａは内部にｐ-ｎ接合を有していない。
　なお、ピエゾ抵抗素子４００の圧電体キャパシタ４０Ｂは、ピエゾ抵抗素子２００の圧電体キャパシタ２０Ｂと同一の構造からなる。ただし、便宜上、両者には異なる符号（「２０Ｂ」と「４０Ｂ」）を付した。
　ピエゾ抵抗素子４００の電界効果トランジスタ４０Ａについて、さらに説明を進める。
　ｐ型Ｓｉ活性層３７ａのキャリア濃度は１Ｅ１６ｃｍ－３である。ｐ++型Ｓｉ領域３７ｂ、３７ｃのキャリア濃度は１Ｅ１９ｃｍ－３である。ｐ型Ｓｉ活性層３７ａ、ｐ++型Ｓｉ領域３７ｂ、３７ｃの厚みは５５ｎｍである。
　離間しているｐ++型Ｓｉ領域３７ｂ、３７ｃ間の、ｐ型Ｓｉ活性層３７ａ上に、ＳｉＯ２からなるゲート絶縁膜８が形成されている。ゲート絶縁膜８の厚みは２０ｎｍである。
　ゲート絶縁膜８上に、Ｎｉからなるゲート電極９が形成されている。ゲート電極９の厚みは２００ｎｍである。
　ゲート絶縁膜８と、その両側の第２のＳｉＯ２層４４との間に、１対の開口が設けられ、開口から露出したｐ++型Ｓｉ領域３７ｂ上にＡｌからなるドレイン電極１０が形成され、開口から露出したｐ++型Ｓｉ領域３７ｃ上にＡｌからなるソース電極１１が形成されている。ドレイン電極１０、ソース電極１１の厚みは、それぞれ、２００ｎｍである。
　ゲート電極９、ドレイン電極１０、ソース電極１１を覆うように、ＳｉＯ２からなる第１保護層１２が形成されている。第１保護層１２の厚みは５００ｎｍである。
　第１保護層１２に開口を設け、開口から露出したゲート電極９から、引出電極１３が引き出されている。図示しないが、引出電極１３は、１００ｎｍの厚みのＡｌ層と、その上に形成された５０ｎｍのＰｔ層との２層構造に形成されている。引出電極１３は、圧電体キャパシタ４０Ｂに接続されている。
　上述したとおり、ピエゾ抵抗素子４００の圧電体キャパシタ４０Ｂは、ピエゾ抵抗素子２００の圧電体キャパシタ２０Ｂと同一であるため、その説明を省略する。
　以上の構造からなるピエゾ抵抗素子４００は、図９に示すＬｏｇ（ＲＤＳ）-ε特性を備える。なお、図９のＬｏｇ（ＲＤＳ）-ＶＧ特性は、電界効果トランジスタ４０Ａに合致させた、図８に示す電界効果トランジスタのモデルＹを用いて計算したものである。なお、図８の奥行に相当するチャンネル幅は１ｍｍに設定した。モデルＹにおいては、ゲート電極の仕事関数を４．８５ｅＶに設定した。
　ピエゾ抵抗素子４００は、圧電体１５に歪がない場合（ε＝０）の抵抗値と、歪が印加された場合（ε＝ｘ）の抵抗値とが、大きく変化する。
　本実施形態にかかる圧力センサ３００は、図９において、ピエゾ抵抗素子４００のＬｏｇ（ＲＤＳ）-ε特性が直線関係にある領域（太い実線で示す領域）を使用して、ピエゾ抵抗素子４００に印加された歪ε（圧力）の大きさを検知する。なお、直線部は、Ｒ＝４２００００×ｅｘｐ（１６８００×ε）の関係式となり、印加された歪εに対して、ソース-ドレイン間抵抗ＲＤＳが大きく変化する。上述した（式５）にＲ＝４２００００×ｅｘｐ（１６８００×ε）を代入してゲージ率Ｋを計算すると、ピエゾ抵抗素子４００のゲージ率Ｋは１６８００になる。
　以上のように、内部にｐ-ｎ接合を有していない電界効果トランジスタ４０Ａを備えた本実施形態にかかるピエゾ抵抗素子４００も、Ｓｉ材料を使用した従来のピエゾ抵抗素子に比べて２桁程度高いゲージ率Ｋを備えており、極めて高い検知感度を備えている。そして、従来よりも飛躍的にゲージ率Ｋの高いピエゾ抵抗素子４００を使用した本実施形態にかかる圧力センサ３００も、極めて高い検知感度を備えている。なお、ピエゾ抵抗素子４００（圧力センサ３００）は、電界効果トランジスタ４０Ａがｐ-ｎ接合を有していないため、ｐ-ｎ接合に起因するノイズが検知信号に重畳しないという利点を備えている。
　以上、第１実施形態にかかる圧力センサ１００、ピエゾ抵抗素子２００、第２実施形態にかかる圧力センサ３００、ピエゾ抵抗素子４００について説明した。しかしながら、本発明が上述した内容に限定されることはなく、発明の趣旨に沿って、種々の変更が可能である。
　たとえば、第１実施形態にかかるピエゾ抵抗素子２００では、ｐ型Ｓｉ基板７上にゲート絶縁膜８を形成し、ｎ型Ｓｉ領域７ａ上にドレイン電極１０を形成し、ｎ型Ｓｉ領域７ｂ上にソース電極１１を形成したが、これらのｐ型とｎ型とを入れ替えて、ｎ型Ｓｉ基板上にゲート絶縁膜８を形成し、ｐ型Ｓｉ領域上にドレイン電極１０を形成し、ｐ型Ｓｉ領域上にソース電極１１を形成するようにしても良い。
　また、第１実施形態、第２実施形態では、力学量検知センサとして圧力センサ１００、３００を作製したが、力学量検知センサの種類は任意であり、たとえば、歪ゲージ、加速度センサ、角速度センサなどであっても良い。
　また、本発明のピエゾ抵抗素子（圧力センサ）により、マイクロフォンを構成しても良い。
１、３１・・・メンブレン
２、３２・・・支持体
３、４１、４３・・・Ｓｉ層
４、４２、４４・・・ＳｉＯ２層
５、４５・・・メンブレン形成用基材
６、３６・・・開口
７・・・ｐ型Ｓｉ基板
７ｂ、７ｃ・・・ｎ型Ｓｉ領域
８・・・ゲート絶縁膜
９・・・ゲート電極
１０・・・ドレイン電極
１１・・・ソース電極
１２・・・第１保護層
１３・・・引出電極
１４・・・下部電極
１５・・・圧電体
１６・・・上部電極
１７・・・第２保護層
２０Ａ、４０Ａ・・・電界効果トランジスタ
２０Ｂ、４０Ｂ・・・圧電体キャパシタ
１００、３００・・・圧力センサ
２００、４００・・ピエゾ抵抗素子

Claims (5)

  1. 　電界効果トランジスタと、
    　圧電体キャパシタと、を備え、
    　前記電界効果トランジスタのゲート電極に、前記圧電体キャパシタが直列に接続され、
    　前記圧電体キャパシタに歪が印加された際に発生する電荷によって、前記電界効果トランジスタのゲート電圧を変動させ、前記電界効果トランジスタのソース電極とドレイン電極との間の抵抗値を変化させ、
    　前記抵抗値の変化の大きさから、前記歪の大きさを検知するピエゾ抵抗素子であって、
    　前記抵抗値は、前記歪の大きさに対して、指数関数的に変化する領域を有し、
    　前記指数関数的に変化する領域を、前記歪の大きさを検知するのに使用したピエゾ抵抗素子。
  2. 　前記電界効果トランジスタが、ｐ-ｎ接合を内部に有する電界効果トランジスタである、請求項１に記載されたピエゾ抵抗素子。
  3. 　前記電界効果トランジスタが、ｐ-ｎ接合を内部に有さない電界効果トランジスタである、請求項１に記載されたピエゾ抵抗素子。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載されたピエゾ抵抗素子を使用した、力学量検知センサ。
  5. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載されたピエゾ抵抗素子を使用した、マイクロフォン。
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