(57)【要約】  圧力センサは、Si基板（１０ａ）、SiO2層（１０ｂ）、表面Si膜（１０ｃ）からなるSOI基板に構成されている。Si基板（１０ａ）にはエッチングによる開口部（１３）が形成されていて、この部分の表面Si膜（１０ｃ）およびSiO2層（１０ｂ）で、メンブレン構造の変位部（１２）が構成されている。変位部（１２）にはピエゾ抵抗素子（１１）が形成されている。変位部（１２）は検出す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の抵抗値が変化する。メンブレン構造の変位部（１２）の厚み寸法tsは１μｍ以上１０μｍ以下であり、ピエゾ抵抗素子（１１）の不純物濃度のピーク位置（深さ）Pdは０．５μｍより深く、変位部（１２）の厚み寸法の１／２の深さより浅い位置である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み１μｍ以上のＳｉで構成され、検出量に応じて変位する変位部を備え、前記変位部の内部に不純物の拡散によるピエゾ抵抗素子が形成されたピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサにおいて、
前記ピエゾ抵抗素子は前記変位部の表面から０．５μｍより深く、前記変位部の厚み寸法の１／２の深さより浅い位置に不純物濃度のピークがあることを特徴とするピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ。
【請求項２】
前記変位部の厚みは１μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１に記載のピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ。
【請求項３】
前記変位部は、表面にSi酸化膜またはSi窒化膜が形成された、請求項１または２に記載のピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサとして用いられるＭＥＭＳに関し、特にピエゾ抵抗素子の抵抗値変化によって圧力や加速度等を検出するピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）によるセンサが開示されている。特許文献１には、ダイヤフラムが形成されたSOI基板と、SOI基板上に形成された４つのピエゾ抵抗素子とで構成された半導体圧力センサが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３０１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ピエゾ抵抗型センサのピエゾ抵抗素子は、感度を高めるために、メンブレンや梁等の変位部を構成するＳｉの表面付近の極浅い位置に形成される。Ｓｉの表面には保護膜やシールド膜が形成される場合もある。このピエゾ抵抗素子の深さ（不純物濃度のピーク深さ）について記載された先行技術文献はないが、通常は保護膜などを除いたＳｉ表面から０．３μｍ以下である。【０００５】
このように、ピエゾ抵抗素子の深さ（不純物濃度のピーク深さ）がＳｉ表面から０．３μｍ以下であると、センサの感度を高める点では有効であるが、メンブレンや梁等の変位部の厚みにばらつきが生じた際に、センサ感度がその影響を受けて大きくばらつくという問題がある。これは、変位部の表面に生じる応力がその厚みの２乗に反比例するためである。センサ感度とばらつきとの関係については後に詳述する。【０００６】
センサ感度のばらつきが重要視される用途では、このばらつきを個別に補正するなどの工程が必要となり、コストアップの要因となる。【０００７】
そこで、本発明は、これらの事情に鑑み、ピエゾ抵抗素子が形成される変位部の厚みのばらつきがセンサ感度の変動に与える影響を低減したピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明は、
厚み１μｍ以上のＳｉで構成され、検出量に応じて変位する変位部を備え、前記変位部の内部に不純物の拡散によるピエゾ抵抗素子が形成されたピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサにおいて、
前記ピエゾ抵抗素子は前記変位部の表面から０．５μｍより深く、前記変位部の厚み寸法の１／２の深さより浅い位置に不純物濃度のピークがあることを特徴とする。【０００９】
（２）前記変位部の厚みは１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。【００１０】
（３）前記変位部は、表面にSi酸化膜またはSi窒化膜が形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、メンブレンや梁などの変位部の厚みばらつきがセンサ感度に与える影響を低減できるので、所望のセンサ感度を有するピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサを構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１はメンブレンや梁などの変位部（活性層）１２におけるピエゾ抵抗素子１１の位置関係を示す図である。
【図２】図２（Ａ）は変位部１２の厚み寸法tsと変位部１２に掛かる最大応力σとの定性的な関係を示す図である。図２（Ｂ）は変位部１２の厚み寸法tsとピエゾ抵抗素子１１の深さ（不純物濃度のピークの深さ）位置での応力効率E との定性的な関係を示す図である。図２（Ｃ）は変位部１２の厚み寸法tsと感度Ｓとの定性的な関係を示す図である。
【図３】図３は、変位部の厚み寸法をパラメータにした、ピエゾ抵抗素子１１の深さ（不純物濃度のピークの深さ）と感度との関係をFEMで求めた結果を示す図である。
【図４】図４はピエゾ抵抗素子１１の不純物濃度のプロファイルの例を示す図である。
【図５】図５は実施例１に係る圧力センサの断面図である。
【図６】図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）は図５に示した圧力センサの製造過程を示す断面図である。
【図７】図７は実施例２に係る圧力センサの断面図である。
【図８】図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）は図７に示した圧力センサの製造過程を示す断面図である。
【図９】図９は実施例３に係る加速度センサの断面図である。
【図１０】図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）は図９に示した加速度センサの製造過程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１はメンブレンや梁などの変位部（活性層）１２におけるピエゾ抵抗素子１１の位置関係を示す図である。変位部１２はＳｉ層で構成されている。ピエゾ抵抗素子１１は不純物の拡散により形成されている。変位部の厚み寸法はts、ピエゾ抵抗素子１１の不純物濃度のピークの深さはPdで表す。
【００１４】
図２（Ａ）は変位部１２の厚み寸法tsと変位部１２に掛かる最大応力σとの定性的な関係を示す図である。この関係を式で表すと次のとおりである。
【００１５】
σ＝（１／ts2 ）α
ここでαは変位部１２の寸法で定まる係数である。
【００１６】
図２（Ｂ）は変位部１２の厚み寸法tsと、ピエゾ抵抗素子１１の深さ（不純物濃度のピークの深さ）位置での応力効率E との定性的な関係を示す図である。この関係を式で表すと次のとおりである。
【００１７】
E＝（ts／２−Pd ）／（ts／２）
＝（ts−２Pd ）／ts
図２（Ｃ）は変位部１２の厚み寸法tsと感度Ｓとの定性的な関係を示す図である。この関係を式で表すと次のとおりである。
【００１８】
Ｓ＝σ×E
＝α（ts−２Pd ）／ts3
ここで、変位部１２の厚み寸法が最も厚いときをtsmax 最も薄いときをtsmin で表すと、それぞれにおける感度Smax，Sminは次のとおりである。
【００１９】
Smax＝α（tsmax −２Pd ）／tsmax 3
Smin＝α（tsmin −２Pd ）／tsmin 3
Smax＝Sminとなるようにピエゾ抵抗素子の深さ（不純物濃度のピークの深さ）Pdの値を決めると、変位部の厚み寸法のばらつみに対する感度への影響が最も小さくなる。
【００２０】
Smax＝Smin
α（tsmax −２Pd ）／tsmax 3 ＝α（tsmin −２Pd ）／tsmin 3
Pd＝tsmax tsmin（tsmax2−tsmin2）／{ 2（tsmax3−tsmin3）}
図３は、変位部の厚み寸法をパラメータにした、ピエゾ抵抗素子１１の深さ（不純物濃度のピークの深さ）と感度との関係をFEMで求めた結果を示す図である。ピエゾ抵抗素子１１の深さが変位部の厚み寸法の１／２の深さ（中立面）であると感度は最低となり、ピエゾ抵抗素子１１の深さが浅い程、感度が大きくなる。そして、ピエゾ抵抗素子１１の深さが浅い程、変位部の厚み寸法ばらつきに対する感度ばらつきの比が大きくなる。
【００２１】
従来構造の場合、メンブレンや梁等の変位部の厚みは１０μｍであり、この厚みには通常のプロセスで作製すると、±０．５μｍのばらつきが生じる。従来構造では変位部の表面にピエゾ抵抗が形成されているので、センサ感度は変位部の厚みの２乗の影響を受けてばらつく。すなわち、感度ばらつきは±１０％以上となる。
【００２２】
これに対し、本発明の構造では、変位部の厚みが１０μｍで、ピエゾ抵抗の不純物濃度のピーク位置を変位部の表面から０．５μｍの深さ位置に形成した場合、従来構造に比べて変位部の厚みばらつきの影響を受けにくくなる。本発明の構造では、図３に示すように、変位部１２の厚み寸法が１０±０．５μｍ（tsmax ＝１０．５μｍ，tsmin ＝９．５μｍ）である場合、ピエゾ抵抗素子の深さPd＝２μｍのとき、感度ばらつきは±６％である。
【００２３】
図３に表れているように、変位部１２が厚い程、ピエゾ抵抗素子の深さばらつきに対する感度ばらつきは小さくなるが、変位部１２が厚くなる程、感度は低下する。センサを小型化するためにはセンサの検出感度を高める必要がある。このようにセンサの感度と変位部１２の厚みには相関があり、感度を高めるには変位部１２を薄くする必要がある。一般的に民生用途で使用されるＭＥＭＳセンサではメンブレンや梁の厚みは１０μｍ以下である。そのため、変位部１２の厚み寸法は１０μｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
図４はピエゾ抵抗素子１１の不純物濃度のプロファイルの例を示す図である。横軸は深さ、縦軸はキャリア濃度である。従来のピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサにおいてはプロファイルＰで示すように、不純物濃度のピークの深さは０．２μｍであったが、本発明では、プロファイルＮ１，Ｎ２で示すように、不純物濃度のピークの深さは０．８μｍや１．６５μｍである。
【実施例】
【００２５】
《実施例１》
図５は実施例１に係る圧力センサの断面図である。この圧力センサは、Si基板１０ａ、SiO2層１０ｂ、表面Si膜１０ｃからなるSOI基板に構成されている。Si基板１０ａにはエッチングによる開口部１３が形成されていて、この部分の表面Si膜１０ｃおよびSiO2層１０ｂで、メンブレン構造の変位部１２が構成されている。変位部１２にはイオン注入によるピエゾ抵抗素子１１が形成されている。変位部１２は検出す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の抵抗値が変化する。【００２６】
ここで、メンブレン構造の変位部１２の厚み寸法tsは１μｍ以上１０μｍ以下であり、ピエゾ抵抗素子１１の不純物濃度のピーク位置（深さ）Pdは０．５μｍより深く、変位部１２の厚み寸法の１／２の深さより浅い位置である。【００２７】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）は図５に示した圧力センサの製造過程を示す断面図である。まず、図６（Ａ）に示すように、Si基板１０ａ、SiO2層１０ｂ、表面Si膜１０ｃからなるSOI基板１０を用意する。次に、図６（Ｂ）に示すように、表面Si膜１０ｃからイオン注入により、ピエゾ抵抗素子１１を形成する。その後、図６（Ｃ）に示すように、Si基板１０ａにエッチングによって開口部１３を形成する。これによりメンブレン構造の変位部１２を形成する。【００２８】
《実施例２》
図７は実施例２に係る圧力センサの断面図である。この例では、ピエゾ抵抗素子１１が形成されたSi膜１０ｃの表面に保護膜１４が形成されている。その他の構成は図５に示した圧力センサと同じである。【００２９】
図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）、図８（Ｄ）は図７に示した圧力センサの製造過程を示す断面図である。まず、図８（Ａ）に示すように、Si基板１０ａ、SiO2層１０ｂ、表面Si膜１０ｃからなるSOI基板１０を用意する。次に、図８（Ｂ）に示すように、表面Si膜１０ｃからイオン注入により、ピエゾ抵抗素子１１を形成する。その後、図８（Ｃ）に示すように、表面に熱酸化もしくはCVD法によりSi酸化膜またはSi窒化膜からなる保護膜１４を形成する。その後、図８（Ｄ）に示すように、Si基板１０ａにエッチングによって開口部１３を形成する。これによりメンブレン構造の変位部１２を形成する。【００３０】
《実施例３》
図９は実施例３に係る加速度センサの断面図である。この加速度センサは、Si基板１０ａ、SiO2層１０ｂ、表面Si膜１０ｃからなるSOI基板に構成されている。Si基板１０ａにはエッチングによる開口部１３が形成されていて、この部分の表面Si膜１０ｃおよびSiO2層１０ｂで、梁構造の変位部１２が構成されている。また、Si基板１０ａのうち、梁構造の変位部１２でつながる一方は固定部として作用し、Si基板１０ａのうち他方は錘として作用する。変位部１２にはイオン注入によるピエゾ抵抗素子１１が形成されている。変位部１２は検出すべき加速度に応じて屈曲し、それにともなってピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化する。【００３１】
ここで、メンブレン構造の変位部１２の厚み寸法tsは１μｍ以上１０μｍ以下であり、ピエゾ抵抗素子１１の不純物濃度のピーク位置（深さ）Pdは０．５μｍより深く、変位部１２の厚み寸法の１／２の深さより浅い位置である。【００３２】
図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）は図９に示した加速度センサの製造過程を示す断面図である。まず、図１０（Ａ）に示すように、Si基板１０ａ、SiO2層１０ｂ、表面Si膜１０ｃからなるSOI基板１０を用意する。次に、図１０（Ｂ）に示すように、表面Si膜１０ｃからイオン注入により、ピエゾ抵抗素子１１を形成する。その後、図１０（Ｃ）に示すように、Si基板１０ａにエッチングによって開口部１３を形成する。これにより梁構造の変位部１２を形成する。
【符号の説明】
【００３３】
１０…SOI基板
１０ａ…Si基板
１０ｂ…SiO2層
１０ｃ…Si膜
１１…ピエゾ抵抗素子
１２…変位部
１３…開口部
１４…保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年11月27日(2015.11.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み１μｍ以上のＳｉで構成され、検出量に応じて変位する変位部を備え、前記変位部の内部に不純物の拡散によるピエゾ抵抗素子が形成され、前記変位部に作用する圧力を前記検出量とするピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサにおいて、
前記ピエゾ抵抗素子は前記変位部の表面から０．５μｍより深く、前記変位部の厚み寸法の１／２の深さより浅い位置に不純物濃度のピークがあることを特徴とするピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ。
【請求項２】
厚み１μｍ以上のＳｉで構成され、検出量に応じて変位する変位部を備え、前記変位部の内部に不純物の拡散によるピエゾ抵抗素子が形成されたピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサにおいて、
前記変位部は、Ｓｉが露出する第１面を有し、
前記ピエゾ抵抗素子は前記第１面から０．５μｍより深く、前記変位部の厚み寸法の１／２の深さより浅い位置に不純物濃度のピークがあることを特徴とするピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ。
【請求項３】
厚み１μｍ以上のＳｉで構成され、検出量に応じて変位する変位部を備え、前記変位部の内部に不純物の拡散によるピエゾ抵抗素子が形成されたピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサにおいて、
前記変位部は、Ｓｉ窒化膜が形成された第１面を有し、
前記ピエゾ抵抗素子は前記第１面から０．５μｍより深く、前記変位部の厚み寸法の１／２の深さより浅い位置に不純物濃度のピークがあることを特徴とするピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ。
【請求項４】
厚み１μｍ以上のＳｉで構成され、検出量に応じて変位する変位部を備え、前記変位部の内部に不純物の拡散によるピエゾ抵抗素子が形成されたピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサにおいて、
表面Ｓｉ膜とＳｉＯ２層とＳｉ基板とからなるＳＯＩ基板を含んで構成されており、
前記変位部は、前記ＳＯＩ基板における前記表面Ｓｉ膜側の表面である第１面を有し、
前記ピエゾ抵抗素子は前記第１面から０．５μｍより深く、前記変位部の厚み寸法の１／２の深さより浅い位置に不純物濃度のピークがあることを特徴とするピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ。
【請求項５】
前記変位部は、前記第１面にＳｉ酸化膜またはＳｉ窒化膜が形成された、請求項１または請求項４に記載のピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ。
【請求項６】
前記変位部の厚みは１μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１〜５のいずれかに記載のピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ。
【手続補正書】
【提出日】平成28年5月2日(2016.5.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み１μｍ以上のＳｉで構成され、検出量に応じて変位する変位部を備え、前記変位部の内部に不純物の拡散によるピエゾ抵抗素子が形成されたピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサにおいて、
前記変位部は、Ｓｉが露出する第１面を有し、
前記ピエゾ抵抗素子は前記第１面から０．５μｍより深く、前記変位部の厚み寸法の１／２の深さより浅い位置に不純物濃度のピークがあることを特徴とするピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ。
【請求項２】
厚み１μｍ以上のＳｉで構成され、検出量に応じて変位する変位部を備え、前記変位部の内部に不純物の拡散によるピエゾ抵抗素子が形成されたピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサにおいて、
前記変位部は、Ｓｉ窒化膜が形成された第１面を有し、
前記ピエゾ抵抗素子は前記第１面から０．５μｍより深く、前記変位部の厚み寸法の１／２の深さより浅い位置に不純物濃度のピークがあることを特徴とするピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ。
【請求項３】
厚み１μｍ以上のＳｉで構成され、検出量に応じて変位する変位部を備え、前記変位部の内部に不純物の拡散によるピエゾ抵抗素子が形成されたピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサにおいて、
表面Ｓｉ膜とＳｉＯ２層とＳｉ基板とからなるＳＯＩ基板を含んで構成されており、
前記変位部は、前記ＳＯＩ基板における前記表面Ｓｉ膜側の表面である第１面を有し、
前記ピエゾ抵抗素子は前記第１面から０．５μｍより深く、前記変位部の厚み寸法の１／２の深さより浅い位置に不純物濃度のピークがあることを特徴とするピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ。
【請求項４】
前記変位部は、前記第１面にＳｉ酸化膜またはＳｉ窒化膜が形成された、請求項３に記載のピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ。
【請求項５】
前記変位部の厚みは１μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１〜４のいずれかに記載のピエゾ抵抗型ＭＥＭＳセンサ。
【国際調査報告】
2014088020.tif 000013
2014088020.tif 000014