JP3730868B2 - 薄膜圧電抵抗センサ製作の方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は半導体圧電抵抗ゲージに関し、特に、絶縁された可撓性の基板上に配置された、ドープされた（または、不純物注入された）半導体材料の薄膜の選択された部分がレーザーアニーリング処理により活性化される方法により組み立てられた圧電抵抗センサに関する。
【０００２】
（本発明の背景）
半導体材料（例えば、ドープされたシリコン）が圧電抵抗特性を有することは、当該技術分野で既知である。これは、材料が歪み（例えば、曲げ）にさらされるときに半導体材料の電気抵抗が変化することを単に意味する。従って、抵抗における変化、及び半導体材料に加えられる歪みは精密に測定できる。この材料、及びその特性が圧電抵抗センサとして使用できる。
【０００３】
その種のデバイスを製作するための１つの方法は、一片のドープされた（または、不純物注入された）シリコンを単に取り上げ、それを歪みを受ける部材へ接着剤によって接着することである。一般に、歪みを受ける部材は可撓金属シート、ベロー（または、ふいご）、又はダイアフラムである。歪みを受ける部材の反対側は測定中の媒体にさらされる。膜を曲げることは歪みを引き起こし、従って、抵抗がゲージ上で変化する。この接着センサ技術に対する主な欠点は、出力ドリフトに対する感受性である。センサが古くなるにつれて、半導体材料と歪みを受ける部材の間の接着も変化する。
【０００４】
米国特許第5,518,951号は、２つ又は３つ以上の絶縁シリコン層を直接的に歪みを受ける部材（例えば、金属シート、ベロー、又はダイアフラム）に付けることにより形成されたセンサを記載する。ドープされたシリコンの層が絶縁層に付けられる。次に、抵抗測定デバイスとこれから形成される圧電抵抗センサの間の接続のための金属接点が、選択された予め定められた位置に形成される。次に、非導電性のドープされた層が、金属接点の間の特定の位置で選択的に活性化されて抵抗センサを形成する。適切な波長のレーザーが、層の中のドープ剤を活性化して活性及び導電性を有するように使用される。これは、金属接点の間の層を加熱し、アニールし、再結晶させる原因となり、それによりドーピング原子が導電性を有するようにし、圧電抵抗センサを金属接点の間に形成する原因となる。
【０００５】
米国特許第5,518,951号のセンサ組立技術は、大きな改良の余地を残している。金属接点の配置の後に抵抗器が形成されるとき、抵抗器はパッドの隣接するエッジの間にだけ形成できる。活性化がレーザーが到達できる所にだけ起こるので、抵抗器と金属パッドの間の接点の領域は、パッドのエッジと抵抗器の間に形成される薄い接触線より小さいことが多い。ドープされた層の表面に対して９０度より小さい角度でレーザーを配置することさえ、パッドと抵抗器の間の接点の増加する領域を提供することに失敗した。如何なる熱的変形も、抵抗器を故障させる原因となるこの薄い接続を破綻させることが出来る。
【０００６】
従って、熱的変形に耐えることができ、大量生産のための方法で実施できる更に強固な設計に対する必要性が存在する。
【０００７】
（発明の要約）
圧電抵抗センサを組み立てるための従来技術の方法の困難及び問題に、薄膜半導体圧電抵抗センサを形成する本発明の方法により取り組む。選択された材料の基板の形態の歪みを受ける部材は、測定される媒体における変化に応答してたわむダイアフラムとして機能する。一般に、たわみは媒体の圧力又は温度の変化により起こる。本発明の好ましい実施例では、基板は可撓性ダイアフラムであり、可撓性ダイアフラムの変位はダイアフラム上の圧電抵抗センサを通して測定され、圧力変化、力の変化、温度変化、重さの変化、等の表示を提供する。
【０００８】
付着処理を使用して、非導電性の半導体層がダイアフラムの洗浄された表面に付着される。正確でムラのない付着技術の使用は全ての付着層の所望する厚さを制御し、それによりムラのない設計耐性を示すセンサの大量生産を可能にする。第１に、薄い誘電体絶縁層（窒化ケイ素、又は酸化ケイ素の何れか）がダイアフラム表面に付着される。（圧電抵抗センサを形成する）ドープされたアモルファス／多結晶シリコン（または、非結晶／多結晶シリコン）の層が誘電体層の上で蒸着される。蒸着されたとき、層は高い抵抗を持ち低い圧電抵抗特性を有するようになる。
【０００９】
次に、非導電性のドープされたシリコン層が１つ又は複数の選択された位置で活性化され、１つ又は複数の圧電抵抗センサが形成される。レーザーは、層の中に存在するドーピング原子を活性化するために使用される。次に、圧電抵抗センサの間の接続のための金属接点が、スパッタリング又は蒸着法の何れかを使用して圧電抵抗センサの上部のドープされた膜上の選択された位置に配置される。接点位置のためのシャドーマスクパターンがドープされた層の上部に配置され、金属が適切な接点位置で付着されることを可能にする。マスクは、基板上に形成された位置合わせデバイスの使用により圧電抵抗センサと位置合わせされる。位置合わせデバイスは機械的デバイス（例えば、ノッチ、ラグ、マークセンサ及び金属パッドがそれに対して形成されるマーク）でもよい。これは、基板上の種々の層及び構成要素の正確でムラのない配置を保証する。
【００１０】
任意に、パッシベーション層も適用できる。このパッシベーション層は、センサを汚染し性能に影響する如何なる不純物も閉め出す。
【００１１】
（発明の詳細な説明）
説明を明確にするために、本発明の薄膜圧電抵抗センサの製造方法は、ただ１つのセンサの作製に関して説明される。しかしながら、本発明の方法が本発明の方法と組み合わせた、従来の半導体ウェハー技術の使用により、多数のセンサの製造にも使用できることは理解されなければならない。さらに、本発明の好まれる実施例はシリコンベースの材料を使用したセンサ製造を開示しているが、例えば同様な特性を示すゲルマニウム等を含む、他の半導体から形成されることも理解されなければならない。
【００１２】
ここで薄膜圧電抵抗センサを製造するために利用される製造方法の説明のために図１Ａから１Ｆ及び図４を参照する。図１Ａから１Ｆにおいて、本発明の処理の異なった処理における、薄膜圧電抵抗センサが一連の概略的な断面図で示されている。図４は図１Ａ−１Ｆの製造ステップに対応する流れ図を示している。
【００１３】
選択された材料の基板１の形状の、歪み受信部材は本発明のセンサのための支持体を与える。図１Ａに示されているように、基板１は好まれるものとして、ステンレススチール、ニッケル、ヘースト合金（Hastalloy）、インコネル（Inconel）、クロニウム、またはチタン等の、可撓性の材料物質から形成されているが、材料が圧力及び高温の変化への応答で曲がり（または、たわみ）、設計されたセンサが測定する媒体と互換性がある（または、相性が良い）という条件を満たせば、それらは、例えばセラミック等の、他のいかなる材料から形成されてもよい。例えば、図２に示されている圧力センサの応用例において、流体流２９の圧力変化への応答でたわむ圧力ダイアフラムを備えるために、金属基板１が開口２７を覆っている。本発明の処理によって製造されたセンサがトルクセンサ、ロードセル、及び加速度計等の、他の多くの力の測定用の用途で利用できることは理解されなければならない。
【００１４】
図１Ａ及び図４のステップ３１に示されているように、本発明の第１ステップで、基板１の上面３が以降の層の適用のために準備される。基板１の上面３は適当な厚さに研削され、絶縁層の接合を促進するために滑らかな仕上げ面にラップ仕上げされる。ラップ仕上げの後、基板１はそれの表面からラップ用のコンパウンド及び流体を洗い流すために洗浄される。次に、ラップ仕上げされた表面は湿式の処理でパッシベーションされ、さらに洗浄される。最後に、基板１はラップ仕上げまたは洗浄処理により残された水分や湿気を取り除くために脱水チャンバ（dehydration chamber）で加熱乾燥（ベーク）される。
【００１５】
図１Ｂ及び図４のステップ３３に示されているように、第２ステップで、基板１の上面３に絶縁層５が付着される。層５は窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）、それらの混合物（または、化合物）、または同様な品質を持った他の絶縁性の誘電層から形成されてもよい。その優れた接合特性により、二酸化珪素が好まれる。
【００１６】
層の付着の好まれる方法はプラズマにより増強された化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）である。スパッタリングされた、または熱的に成長した酸化物をこの付着処理に使用することもできるが、（ＰＥＣＶＤには）制御された方法で半導体材料の薄膜を付着するためにプラズマ増強による熱分解の長所がある。ＰＥＣＶＤ処理の操作は米国特許No．5,518,951にも説明されているように、この分野で周知であり、その方法の全体はここでも取り込まれる。
【００１７】
付着方法のパラメーターはデバイスの特性、使用法、及び構成に応じて変化する。制限のためではなく、説明のためだけの目的として、この方法の各ステップで使用される付着処理のパラメーターは、実施のための特定の例として、与えられている。さらに、ダイアフラム材料と適用可能で、半導体材料の付着に適しているいかなる処理が、好まれる実施例で利用されている処理の代わりに使用されてもよいことは理解されなければならない。
【００１８】
絶縁層５を付着させるために、好まれる処理を使用して、好まれる材料、すなわち、二酸化珪素、シラン（ＳｉＨ₄）、及び亜酸化窒素１−２％がチャンバに導入される。チャンバは最低で２５０℃程度、好まれるものとして３００℃で、最高で１３０Ｐａ（１０００ミリトル）、好まれるものとして４８Ｐａ（３６０ミリトル）の圧力に設定される。プラズマのエネルギーは５０Ｗを周波数１３．５ＭＨｚで約５０分印加し、結果として３．５から５マイクロメートルの厚さの酸化物膜となる。
【００１９】
選択的に、必要ではないが、デバイスに２つ以上の絶縁層が適用されてもよい。これらの付加的な層は第１の絶縁層と同じ材料で形成されてもよいし、絶縁層５及び絶縁層５の上の付加的な層の両方を接合するために適用可能な他の異なった材料から形成されてもよい。
【００２０】
絶縁層５の形成に続き、図１Ｃ及び図４のステップ３５に示されているように、不純物注入された非結晶／多結晶シリコン層（または、アモルファス／多結晶シリコン層）７が絶縁層５の上に蒸着される。多結晶シリコン層７の一部は以後に説明される処理ステップに従って、結果的に圧電抵抗センサゲージに形成される。しかしながら、付着されたときには、非結晶／多結晶シリコン層７は高抵抗であり、圧電抵抗としての特性が低く、付着された誘電絶縁層５と同様である。本発明の好まれる実施例において、非結晶／多結晶シリコン層７はボロンにより不純物注入される。しかしながら、層７が他の材料で不純物注入されてもよいこと、及び他の不純物注入された半導体材料から構成されてもよいことは理解されなければならない。
【００２１】
不純物注入された層７は絶縁層５を付着するために使用されたのと同様な方法でＰＥＣＶＤ装置により蒸着される。ＰＥＣＶＤシステムを利用して、意図された０．５マイクロメートルの厚さで、ボロンを不純物注入した材料を付着するために、不純物注入されたシランが４５ＳＣＣＭの流量でチャンバに導入される。チャンバは約３００℃で、約４０から１３０Ｐａ（３００から１０００トル）の圧力に設定される。プラズマのエネルギーは３０Ｗを周波数１３．５ＭＨｚで、所望の薄膜の厚さを付着するための時間の間で印加される。
【００２２】
次に、図１Ｄ及び図４のステップ３７に示されているように、本発明の方法に従って、不純物注入された層（以下、単に不純物注入層と呼ぶ）７に１つ以上の圧電抵抗センサが形成される。これらの１つ以上の圧電抵抗センサを作製するために、不純物注入層はアニール処理により、選択的に活性化され、伝導性及び圧電抵抗性にされる必要がある。アニール処理をし、不純物注入層７に圧電抵抗センサを形成するため、不純物注入層７の特定の場所に、１つ以上の個々の圧電抵抗センサ２１をトレースするために、例えばＹＡＧレーザーやアルゴンレーザー等の、レーザー光線を使用することが好まれる。レーザーは多結晶の層７を加熱するために、層７の予め決められ、予め選択された領域、または領域で、層７を横切るように向けられる。レーザーによって発生した熱は多結晶層７のレーザーに当たらなかった部分をそのままにしながら、レーザーの真下の領域をアニールする（または、焼きなます）。そして、そのままにされた部分は隣接する圧電抵抗センサの間の絶縁体として振舞うように、（レーザーの）影響を受けないようにする。
【００２３】
レーザーによって層７に適用される出力や時間等の、処理上の条件はレーザーのエネルギーが非結晶／多結晶シリコン層により吸収され、アニールするように選択される。不純物注入層７のレーザー処理される片の全体の長さは（以下で形成される）２つのパッドの間の長さとして画定されるセンサの最終的な長さより長い長さであるという条件を除いて、所望の長さにされてもよい。好まれるものとして、不純物注入層のレーザー処理される片の全体の長さはセンサの最終的な長さの少なくと１．２５倍である。このようにすることにより、センサが金属パッドの下でいくらかの距離だけ拡張し、完全で中断の無い接続を確実にすることができる。
【００２４】
不純物注入層７の圧電抵抗センサの適切な位置を促進するために、ダイアフラムの表面を位置決めし、固定した場所に保持するためのアライメントデバイス（または、位置決めデバイス）を形成することが望まれる。このようにすることにより、特に圧電抵抗センサ及び金属パッドが互いに導電性の接続をするように、多様な層の形成の位置決めを可能にすることができる。これを達成するための１つのデバイスは図３に示されているように、ダイアフラムの表面の縁にノッチ３０を形成することである。このノッチ３０は対応する保持器の接合部（図示せず）にフィットするように設計することができ、それにより、本発明の薄膜センサデバイスの形成中に、ダイアフラムを固定した位置に保持することができる。あるいは、ラグ（または、出っ張り）、アライメントマーク、２つ以上のノッチや他の類似のデバイスをダイアフラムの表面の層の、適切な整列や位置決めを確実にするために使用することもできる。
【００２５】
センサの形成の後、不純物注入層７の表面は不純物注入層７と金属パッド１１との間の適当な接合を確実にするために洗浄されるのが望ましい。これは図４のステップ３９に示されている。いくつかの異なった方法、すなわち、プラズマ洗浄、ＰＦ洗浄、または湿式の化学エッチングが使用されてもよい。
【００２６】
図１Ｅ及び図４のステップ４１に示されているように、金属接続パッド１１が不純物注入層７の、１つ以上のセンサ２１の各々の縁に対応する、予め選択された場所に付着される。接続パッド１１の場所のためのシャドーマスクパターン１３が不純物注入層７の上に配置され、適切な配置及び接続パッド１１の形成を可能にするために、デバイス３０により整列または位置決めされる。シャドーマスクパターン１３により、望まれない金属部１１ａが不純物注入層７の表面に付着されることが防止される。好まれるものとして、接合層が最初に付着され、すなわち、ＮｉＣｒまたはＴｉ、その後に接続パッド１１が続く。パッドは好まれるものとして、アルミニウム／１％シリコンの混合物（または、化合物）、または金により形成され、約１．０ミリメートルの厚さに付着される。次に、マスク１３及び望まれない１１ａが取り除かれ、不純物注入層７の表面に金属パッド１１が残される。
【００２７】
上述のステップに続き、図１Ｆ及び図４のステップ４３に示されているように、パッシベーション層１５がレーザーでアニールされた層７上に蒸着または手作業で適用される。パッシベーション層１５は不純物及び汚染物をシリコン表面から封止し、デバイスが環境からの影響から守る。
【００２８】
図３を参照すると、４つの抵抗を持ったホイートストンブリッジ２５が非結晶／多結晶シリコンライン層７上に画定される点線で示されている。回路２５の各抵抗は圧電抵抗センサ部材として振舞う。金属接点１１は電子抵抗測定装置が回路２５と接続されるのを可能にする。不純物注入層７のレーザーが接触しなかった部分は本質的に高抵抗のまま残され、その下の絶縁層と関連して、抵抗器とダイアフラムとの間の、及び個々の隣接する抵抗器の間の絶縁体として振舞う。
【００２９】
したがって、従来技術で必要とされる、層の領域の形成や除去のための、高価なフォトリソグラフィのステップを必要としない。ホイートストンブリッジセンサ回路がここで開示されたが、本発明の方法が不純物注入層７上のいかなる圧電抵抗センサ部材または回路設計を形成するために使用されてもよいことは理解されなければならない。
【００３０】
本発明の方法及び装置の好まれる実施例が図面で図示され、上で説明されてきたが、本発明が開示された実施例に限定されず、本発明の範囲から外れずに多様な改良が可能であることは理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるプロセスの異なるステップの間の薄膜センサの部分断面図を示す。
【図２】 本発明による薄膜センサの圧力感知アプリケーションの側面図である。
【図３】 本発明により定められるホイートストン・ブリッジの平面図である。
【図４】 図１により示されるセンサの組立のプロセスを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 基板
３ 上面
５ 絶縁層
７ 多結晶シリコン層
１１ 金属パッド
１１ａ 不要な金属部
１３ シャドーマスクパターン
１５ パッシベーション層
２１ センサ
２５ ホイートストンブリッジ
２７ 開口
２９ 流体流
３０ ノッチ

Claims (9)

1. 圧電抵抗半導体センサゲージを形成するための方法であって、
   互いに反対方向を向いた２つの表面を有する基板の少なくとも第１の表面を準備し、
   基板の前記第１の表面に誘電体絶縁層を付着させ、
   ドープされた半導体層を誘電体絶縁層の上部に付着させ、前記半導体層は付着されたときに高い抵抗率を有し、
   ドープされた半導体層を１つ又は複数の選択された領域でアニールして前記１つ又は複数の選択された領域の前記半導体層の抵抗率を下げ、前記アニールされた半導体材料から成る１つ又は複数のセンサゲージをそこで画定し、
   アニールにより起こった表面酸化及び／又は汚染物質を除去し、及び
   前記アニールされた半導体材料に少なくとも部分的に重なるように、電気的接点を前記アニールされた半導体材料に隣接して付加すること、
   のステップから成る方法。
2. 前記基板が、その表面の少なくとも１つに形成された位置合わせデバイスを有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記基板がその表面の少なくとも１つに形成された位置合わせデバイスを有し、前記位置合わせデバイスがノッチ、ラグ、及びマークから成るグループから形成される機械的デバイスであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記基板を準備するステップが、少なくとも前記第１の表面を研削し、ラップ仕上げし、洗浄し、及び乾燥させる諸ステップから成ることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記誘電体絶縁層を付着させるステップが、プラズマによって増強された化学蒸着による蒸着が、窒化ケイ素、酸化ケイ素、及びそれらの混合物から成るグループから選択された材料で形成された絶縁層を処理するステップから成ることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記電気的接点の形成の後に、パッシベーション層を前記電気的接点及びドープされた層上に付着させるステップを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記ドープされた半導体層を誘電体絶縁層の上面に付着させるステップが、プラズマによって増強された化学蒸着による蒸着が、ドープされたアモルファス／多結晶シリコン材料の層を処理するステップから成ることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 前記付着が、プラズマによって増強された化学蒸着処理であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 前記半導体層の一部をアニールするステップが、前記層の１つ又は複数の選択された部分をレーザービームで照射して、ドープされた半導体層をアニールして高い導電率を有するようにしてセンサを形成することから成ることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

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