JPH0337534A - 半導体歪検出装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体歪検出装置に係り、特に半導体基板上
に形成した抵抗体のピエゾ抵抗効果を利用した半導体歪
検出装置に関する。

（従来の技術） 近年、半導体基板上に形成された半導体薄膜のピエゾ抵
抗効果による抵抗変化や変位による微小な容量変化を検
出することにより、加速度等を検出するようにした超小
形の半導体歪検出装置が注目されている。

このような半導体歪検出装置は、薄膜技術を用いて形成
されるため、例えば、振動部分の長さが１００μｍ程度
、厚さが１μｍ程度、チップ全体の大きさが１ｍｍ角程
度と極めて小形の素子を形成することができる。また、
集積回路によって他の素子と同一基板上に形成すること
ができるという優れた特徴を有している。

この半導体歪検出装置は、その−例を第１７図に示すよ
うに、ｎ型のシリコン基板を整形加工し、感歪部（片持
ち梁部）１および重り部３を形成してなり、固定部２に
よって支持された重り部３の変位により片持ち梁部１に
生ずる歪を検出するものである。

この片持ち梁部１の支持部付近には、第１８図に断面図
を示すように４本の拡散抵抗Ｒ１，Ｒ２゜Ｒ３，Ｒ４が
形成されており、片持ち梁に歪が生じるとピエゾ抵抗効
果によって拡散抵抗４の抵抗値が変化する。この抵抗値
の変化を検出することにより加速度を検出することがで
きるものである。

この拡散抵抗は、（１００１基板上の＜１．１０＞。

＜　１−１０　＞方向にそれぞれ２本ずつ配置され、第
１９図に等価回路図を示すようにフルブリッジ回路を構
成している。

このため、片持ち梁部］は、この拡散抵抗の形成のため
にかなりの面積を必要とすることになる。

また、このような拡散抵抗の配置としては、第２０図（
ａ）および第２０図（ｂ）に示すように、端部を隣接さ
せた配置も考えられるが、いずれの場合も抵抗体を直交
させて配置する必要がある。このため、片持ち梁部の幅
を小さくしなければならない場合、このピエゾ抵抗部の
占める面積が大きくなり、設計の自由度が制約を受ける
ことになっていた。

また、このような拡散抵抗は、単結晶シリコン基板内に
ボロンなどを拡散させて形成され、通常ＰＮ接合を逆バ
イアスで使用するが、高温下ではリーク電流が増大し、
特性が劣化するという問題があった。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来の半導体歪検出装置においては、感歪
部の占める面積の低減に限界があり、さらなる縮小化が
望まれていた。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、半導体歪
検出装置の小形化をはかることを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） そこで本発明では、半導体歪検出装置の感歪部の上下両
面に相対向するように、感圧抵抗体を配設するようにし
ている。

望ましくは、感圧抵抗体として単結晶シリコンの棒状抵
抗体を形成すると共にこの棒状抵抗体の周囲を絶縁体で
被覆するようにしている。

望ましくは、この棒状抵抗体を断面形状がシリコンの１
つの（１，００１面と２つの＋　１．１．１１面で囲ま
れた逆三角形となるように形成している。

（作用） 本発明は、感歪部の上下両面に相対向するように配置さ
れた感圧抵抗体には互いに反対方向の応力が生じるとい
うことに着目してなされたもので、本発明によれば、感
圧抵抗体が、半導体歪検出装置の感歪部の上下両面に相
対向するように配置されているため、占有面積を大幅に
低減することができ、装置の小形化をはかることができ
る。さらには、ブリッジ回路を形成するための感圧抵抗
体相互間の配線の引き回しが少なくてすみ、信頼性の向
上につながるものとなる。

また、感圧抵抗体として単結晶シリコンの棒状抵抗体を
形成すると共にこの棒状抵抗体の周囲を絶縁体で被覆す
るようにしているため、拡散抵抗を用いた場合のように
リーク電流の発生を防止することができる。

さらに、棒状抵抗体を断面形状がシリコンの１つの＋１
．００１面と２つの＋１１１）面で囲まれた逆三角形と
なるように形成すれば、エツチング制御性が良好で、寸
法精度の高いものを得ることができる上、機械的強度が
高いため、矩形の場合よりも小さくすることができ、感
度の向上はかることも可能となる。

また、この棒状抵抗体は、少なくともＳｉ支持部とは絶
縁体で電気的分離されているため、拡散抵抗を用いた場
合のようにリークのおそれもない。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

この半導体歪検出装置は、第１図に感歪部（片持ち梁）
の拡大説明図を示すように、表面が（１００）面をなす
ように薄く形成されたシリコン基板の一部からなる感歪
部５１の上面および下面に互いに相対向するように、＜
１１０＞軸に沿って、断面形状が逆三角形をなすように
構成された２対の棒状抵抗体５２ａ、５２’ｂと５３ａ
、５３ｂとが形成され、感歪部５１の偏位によって生じ
るこれら棒状抵抗体５２ａ、５２ｂと５３ａ、５３ｂの
抵抗変化を電気信号として取り出すようにしたものであ
る。そして、これら棒状抵抗体は周りを酸化シリコン５
４で覆われており、さらに棒状抵抗体の周りの酸化シリ
コン５４とシリコン基板との間には多結晶シリコン５５
が充填されている。

これら棒状抵抗体は、第２図に相対向する一対の拡大図
を示すように、感歪部の上面および下面にそれぞれ１つ
の面が露出するように形成され、互いに相対向して走行
し、一端で接続部Ｓを介して一体的に形威されている。

モして他端では上面の棒状抵抗体の端部から所定の間隔
を隔てて、下面の棒状抵抗体の端部が引き出し部りとし
て上面に露呈するように形威されている。そして、上面
の棒状抵抗体の両端および引き出し部りには引き出し電
極５６が形威されており、この引き出し電極５６を介し
て第１５図に示すようなブリッジ回路をなすように配線
５７がなされている。

次に、この半導体歪検出装置の形状加工工程について第
３図乃至第１２図を参照しつつ説明する。

第３図（ａ）乃至第１２図（ａ）は第２図におけるＡＡ
断面に相当し、第３図（ｂ）乃至第１２図（ｂ）は第２
図におけるＢ−Ｂ断面に相当する。

まず、第３図（ａ）および第３図（ｂ）に示すように、
高濃度の１ｌｏ０１基板５０を用意する。

そして、第４図（ａ）および第４図（ｂ）に示すように
、この高濃度のＮ、００１基板５０の表面に棒状抵抗体
と肉薄部となる低濃度のｐ型エピタキシャル成長層５２
を形成する。

この後、第５図（ａ）および第５図（ｂ）に示すように
、この低濃度のｐ型エピタキシャル成長層５２の表面を
窒化シリコン膜５８で被覆し、一部をフォトリソ法によ
り選択的に除去し、これをマスクとして塩素ガスを用い
た反応性イオンエツチングにより低濃度のｐ型エピタキ
シャル成長層５２の上面をエツチングし、側面がｆｌ　
１０１面を持つトレンチＴを形成する。

そして、第６図（ａ）および第６図（ｂ）に示すように
、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等の強アルカリを用いた異
方性エツチングを行う。このとき、（１１１１面は他の
面に比ベエッチング速度が小さいため、低濃度のｐ型エ
ピタキシャル成長層５２は、断面が三角形状をなすよう
に形状加工がなされる。

この後、第７図（ａ）および第７図（ｂ）に示すように
、再び窒化シリコン膜５７の一部をフォトリソ法により
選択的に除去し、これをマスクとして塩素ガスを用いた
反応性イオンエツチングにより、低濃度のｐ型エピタキ
シャル成長層５２に棒状抵抗体の端部を形成するための
浅い溝Ｔ１を形成する。

さらに、第８図（ａ）および第８図（ｂ）に示すように
、この浅い溝Ｔ１のうち端部の溝を基板表面に達するま
で深くエツチングし、深い溝Ｔ２とし、棒状抵抗体を分
離する。

この後、第９図（ａ）および第９図（ｂ）に示すように
、酸化性雰囲気中で熱処理し、シリコンの露出面を酸化
し、表面を酸化シリコン膜５５て被覆する。このとき、
上部の棒状抵抗体と下部の棒状抵抗体はこの酸化シリコ
ン膜５５によって分離される。

そして、第１０図（ａ）および第１０図（ｂ）に示すよ
うに、多結晶シリコン層５４を堆積し、溝内に充填する
。そしてさらに、表面に酸化シリコン膜５５を形成し、
棒状抵抗体の周囲を酸化シリコン膜で被覆するようにす
る。

さらに、第１１図（ａ）および第１１図（ｂ）に示すよ
うに、この酸化シリコン膜に窓Ｗを開孔して不純物拡散
を行い電極取り出し用のｐ十拡散層５９を形威し、さら
に、ブリッジ回路を形成するための配線用の引き出し電
極５６を形成する。

そして最後に、第１２図（ａ）および第１２図（ｂ）に
示すように、フッ化水素（ＨＦ）中での電解エツチング
を用いて、裏面から高濃度基板のみをエツチングし、肉
薄部を形成するとともに、棒状抵抗体を形成し、配線５
７の接続を行い、第１図に示したような半導体歪検出装
置が完成する。

なお、異方性エツチングにおけるサイドエッチ量を低減
するために、異方性エツチングとフッ化水素（ＨＦ）中
での電解エツチングとの組み合わせを用いるようにして
も良い。

次に、このエツチング技術の原理を説明する。

ここでは、低濃度のエピタキシャル成長層に対し反応性
イオンエツチングを用いて側面が（１１０ ０）面を持つようにトレンチを形成し、この状態で異方
性エツチングを行なうようにした。

ところで、水酸化カリウムを用いた異方性エツチングに
より、シリコン基板のエツチングを行う場合、（１１０
１面と＋１００１面と＋１１１−１面とのエツチング速
度の比は、約６００　：　３００　：１であるため、ト
レンチ側面は（１１１１面が露出するまで速やかにエツ
チングされ、また下面もエツチング速度は遅いが（１１
１１面が露出するまでエツチングされる。そして４つの
（１１１１面が露出したところでエツチングはほとんど
停止する。

ここで、シリコン島の表面における幅をＷ、）レンチの
深さをＤ１エツチング停止時のシリコン島の下部のクビ
レ部分の幅をＳ、（１１０１面と（１１１１面とのなす
角を○（ｅ−３５，２６）とするとき（第６図参照）、
次のような式が成立する。

Ｗ　−Ｓ　＋　２　ｘ　Ｄ　ｔａｎ　ｅ　／　２−−・
−−−−（式）従って、シリコン島の表面における幅Ｗ
、）し１ ンチの深さＤ１エツチング停止時のシリコン島の下部の
くびれ部分の幅Ｓのうちの１つを容易に設計することが
できる。

このようにして、高精度の形状加工を極めて容易に行う
ことが可能となる。

このようにして形成された半導体歪検出装置は、肉薄部
の上面と下面に形成された棒状抵抗体Ｒ１（５３ａ）と
Ｒ３（５３ｂ）、Ｒ２（５２ａ）とＲ４（５２ｂ）には
、第１３図に示すように互いに反対方向の応力が生じる
ため、このようなピエゾ抵抗対を第１４図（ａ）に示す
ように、互いに平行して２対形成し、配線を行うことに
より、第１５図に等価回路を示すようにフルブリッジ回
路が容易に実現できる。

このように、本発明実施例の半導体歪検出装置によれば
、感歪部の占有面積を大幅に低減し、装置の小形化をは
かることが可能となる。

また、棒状抵抗体の表面は、絶縁膜で覆われているため
、ＰＮ接合を用いた場合のように、リーク電流の発生の
おそれはない。

　２ さらにまた、本発明の構造では抵抗体を単結晶シリコン
で構成しているため、絶縁体上に多結晶シリコンからな
るピエゾ抵抗体を形成したＳＯＩ構造に場合に比べ、不
純物濃度や結晶性のばらつきが小さく、特性が安定でか
つ良好な半導体歪検出装置の形成が可能となる。

なお、棒状抵抗体の配列は、前記実施例に限定されるこ
となく、第１４図（ｂ）に変形例を示すように２対の棒
状抵抗体を一直線をなすように配列するなど、必要に応
じて適宜変更可能である。

加えて、本発明は、単結晶シリコンからなる抵抗体を用
いた場合に限定されるものではなく、ダイヤフラムの表
面に、拡散抵抗を形成した圧力センサ等にも適用可能で
ある。

本発明の第２の実施例として、圧力センサについて説明
する、 この圧力センサは、第１６図（ａ）に示すように、ダイ
ヤフラムの両面に相対向するように２対の感圧抵抗体を
形成したもので、極めて近接した位置に形成することが
でき、抵抗値のバラツキを低減　３ することができる上、周辺回路への配線の引き回しが容
易であり、またダイヤフラム上での配線の引き回しを低
減することができ、信頼性の向上を計ることができる。

比較の為に、第１６図（ｂ）および第１６図（Ｃ）に従
来の圧力センサの構造を示すように、本発明の構造によ
れば、より小さな領域に抵抗体を形成することができ、
拡散抵抗や薄膜抵抗を用いた場合にも、膜厚が均一で抵
抗値のばらつきの小さいセンサの形成が可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の半導体歪検出装置によれ
ば、半導体歪検出装置の感歪部の上下両面に相対向する
ように、抵抗体を配設するようにしているため、装置の
小形化をはかることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の半導体歪検出装置を示
す図、第２図は第１図に示した半導体歪検出装置の感歪
部の要部説明図、第３図乃至第１４ ２図は半導体歪検出装置の感歪部の製造工程を示す図、
第１３図は応力の方向を示す図、第１４図（ａ）および
第１４図（ｂ）は抵抗体の配線構造を示す図、第１５図
は等価回路を示す図、第１６図（ａ）は本発明の第２の
実施例の圧力センサを示す図１、第１６図（ｂ）および
第１６図（Ｃ）は従来の圧力センサの平面図、第１７図
は従来例の半導体歪検出装置を示す図、第１８図は同装
置の等価回路図、第１９図は第↑７図のＡ−Ａ断面図、
第２０図（ａ）および第２０図（ｂ）は従来例の感圧抵
抗の配置例を示す図である。 １・・・感歪部（片持ち梁部）、２・・・固定部、３・
・・重り部、４・・・拡散抵抗、５０・・・シリコン基
板、５１・・・感歪部、５２・・・低濃度のエピタキシ
ャル成長層、５２　ａ　、　　５２　ｂ　、　５３　ａ
　、　　５３　ｂ　・・・棒状抵抗体、５４・・・酸化
シリコン、５５・・多結晶シリコン、５６・・・引き出
し電極、Ｔ・・・トレンチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上の薄肉感歪部に感圧抵抗体を配設し
   、該薄肉感歪部に生ずる応力変化を抵抗値変化として検
   出する半導体歪検出装置において、上記薄肉部の上下両
   面の相対向する位置に２本の感圧抵抗体からなる抵抗対
   を配設してなることを特徴とする半導体歪検出装置。