(57)【要約】【課題】各種のセンサに用いられる、歪抵抗薄膜に関して、高ＧＦおよび低ＴＣＲで、かつ、ブリッジ回路内の複数の素子のＴＣＲバラツキを低減することを目的とする。【解決手段】表面に酸化膜を有したＳｉ等の基板２上に、クロムと酸素を主体とした歪抵抗薄膜４、電極６、保護膜８を積層して歪抵抗素子１０を形成しており、この歪抵抗薄膜４は、クロム領域１２とクロム酸化物領域１４とを設け、クロム領域１２とクロム酸化物領域１４とを交互に複数配置して形成した構成である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロム領域とクロム酸化物領域とを有し、
前記クロム領域と前記クロム酸化物領域とを交互に複数配置して形成した歪抵抗薄膜。
【請求項２】
請求項１記載の歪抵抗薄膜を膜厚方向に分割して形成した歪抵抗素子。
【請求項３】
請求項１記載の歪抵抗薄膜を膜厚方向に分割して形成した複数の歪抵抗素子と、複数の前記歪抵抗素子を組み合わせて形成したブリッジ回路を有する歪検出装置。
【請求項４】
酸素と不活性ガスの雰囲気中において、クロムをターゲットとしてスパッタリング工法または真空蒸着工法を用いて、体心立方のクロムと非晶質のクロム酸化物とからなるクロム系薄膜を形成するクロム系薄膜形成工程と、前記クロム系薄膜を熱処理して、体心立方のクロムと菱面体晶のクロム酸化物とからなる歪抵抗薄膜を形成する熱処理工程とを備え、クロム領域とクロム酸化物領域とを交互に複数配置して前記歪抵抗薄膜を形成する歪抵抗薄膜の製造方法。
【請求項５】
酸素と不活性ガスの雰囲気中において、前記酸素の分圧を１．０×１０-5Ｐａ以上とする請求項４記載の歪抵抗薄膜の製造方法。
【請求項６】
前記クロム系薄膜形成工程では、酸素と不活性ガスの雰囲気中において、酸素と不活性ガスの分圧を変化させながら、体心立方のクロムと非晶質のクロム酸化物とからなるクロム系薄膜を形成する請求項４記載の歪抵抗薄膜の製造方法。
【請求項７】
前記クロム系薄膜形成工程では、酸素と不活性ガスの雰囲気中において、酸素分圧を低くして、体心立方のクロムと非晶質のクロム酸化物とからなる第１クロム系薄膜を形成する第１クロム系薄膜形成工程と、酸素分圧を高くして、体心立方のクロムと非晶質のクロム酸化物とからなる第２クロム系薄膜を形成する第２クロム系薄膜形成工程とを有し、前記第２クロム系薄膜形成工程後に前記熱処理工程を施す請求項４記載の歪抵抗薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種のセンサに用いられる、歪抵抗薄膜とその製造方法および歪抵抗薄膜を用いた歪抵抗素子と歪検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
歪抵抗材料は歪むことによって電気抵抗が変化する材料である。例えば、歪抵抗材料をダイアフラム構造物上に形成すれば、ダイアフラム構造物が外力等を受けて変形すると、歪抵抗材料の抵抗も変化する。この抵抗変化を測定することによって外力等の大きさを測定することができる。
【０００３】
歪抵抗薄膜を用いた素子に要求される特性の中で特に重要なものとして以下の点が挙げられる。
【０００４】
第１に、歪（ε）に対する抵抗変化（ΔＲ/Ｒ）が大きいことである。この値（ΔＲ/εＲ）をゲージ率（Gauge Factor：GF）といい、ＧＦが大きければ高感度な素子を作製することが可能となる。この素子の感度が向上することでノイズに対する余裕度を確保できるとともにアンプの増幅率も小さくて良いというメリットがある。
【０００５】
第２に、温度変化による電気抵抗の変化が小さいことである。この値（ΔＲ/ΔＴ）を抵抗温度係数（Temperature Coefficient of Resistance：TCR）といい、ＴＣＲが大きいと、歪による抵抗変化に対して温度変化による抵抗変化の比率が大きくなり、歪を正確に求めることが困難になる。
【０００６】
第３に、複数の素子を用いてブリッジ回路を形成した場合、ブリッジを構成する各歪抵抗薄膜のＴＣＲのバラツキが小さいことである。これが大きければ素子の感度が悪くなってしまう。そのため、素子感度を向上させるためにはブリッジ回路内の複数の素子の各歪抵抗薄膜のＴＣＲバラツキを低減させることが必要である。
【０００７】
すなわち、素子感度を向上させるためには、ＧＦを増大させ、ＴＣＲを低減させ、ブリッジ回路内の複数の素子のＴＣＲバラツキを低減させることが重要となる。
【０００８】
一般的に、歪抵抗材料としては、Ｎｉ−Ｃｒ系やＣｕ−Ｎｉ系等の金属材料、ならびにシリコン等の半導体材料のようなものが知られている。但し、どちらの材料も一長一短で、例えば金属材料はＴＣＲが小さく、特性の熱に対する安定性は非常に高いが、ＧＦが小さい（ＧＦ＝２〜３）。半導体材料はＧＦは大きい（１０〜１００）が、ＴＣＲが非常に大きい。
【０００９】
これに対して、ＧＦが大きく、かつ、ＴＣＲが小さい材料として、クロムと酸素を主体とした歪抵抗薄膜が挙げられる。
【００１０】
なお、この出願に関連する先行技術文献情報として、例えば特許文献１が知られている。
【特許文献１】特開平６−２１３６１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記従来の構成において、クロムと酸素を主体とした歪抵抗薄膜はＧＦが大きく、かつ、ＴＣＲが小さいものの、ブリッジ回路内の複数の素子のＴＣＲバラツキが大きく、安定な歪抵抗薄膜を再現良く得ることができないという問題点を有していた。
【００１２】
本発明は上記問題点を解決し、ＧＦを増大させ、ＴＣＲを低減させ、ブリッジ回路内の複数の素子のＴＣＲバラツキを低減させた歪抵抗薄膜とその製造方法および歪抵抗薄膜を用いた歪抵抗素子と歪検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記問題点を解決するために本発明は、クロム領域とクロム酸化物領域とを有し、前記クロム領域と前記クロム酸化物領域とを交互に複数配置して形成した構成である。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成により、クロム領域とクロム酸化物領域とを交互に複数配置して形成しているので、ＴＣＲバラツキの要因と推定されるクロムと酸素の組成のバラツキを抑制でき、ＴＣＲのバラツキを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における歪抵抗薄膜について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施の形態１における歪抵抗素子の断面図、図２は図１のＡ部の透過型電子顕微鏡写真である。
【００１７】
図１、図２において、歪抵抗素子１０は、表面に酸化膜を有したシリコン等の基板２上に、クロムと酸素を主体とした歪抵抗薄膜４、電極６、保護膜８を積層して形成している。
【００１８】
図３、図４は電子エネルギー損失分光法（Electron Energy Loss Spectroscopy：EELS）を用いて熱処理後の歪抵抗薄膜４の断面の組成分布を分析した写真である。図３は図１のＡ部のクロムの分布図、図４は図１のＡ部の酸素の分布図を表しており、白く表した部分が濃度の高い箇所である。酸素はクロム酸化物に含有されているので、酸素の濃度が高い部分はクロム酸化物の領域であることが分かる。このクロム酸化物は３価のクロム酸化物（Ｃｒ2Ｏ3）として存在している。
【００１９】
この図３、図４において、歪抵抗薄膜４は、クロム濃度の高いクロム領域１２とクロム酸化物濃度の高いクロム酸化物領域１４とを有し、クロム領域１２とクロム酸化物領域１４とを交互に５層配置して形成されている。クロム領域１２におけるクロム濃度が均一であって、クロム酸化物領域１４における酸素濃度も均一となることが望ましい。
【００２０】
次に、歪抵抗薄膜の製造方法について説明する。
【００２１】
歪抵抗薄膜の製造方法では、酸素と不活性ガスの雰囲気中において、クロムをターゲットとしてスパッタリング工法を用いて、体心立方のクロムと非晶質のクロム酸化物とからなるクロム系薄膜を形成し（クロム系薄膜形成工程）、このクロム系薄膜を熱処理して、体心立方のクロムと菱面体晶のクロム酸化物とからなる歪抵抗薄膜４を形成し（熱処理工程）、クロム領域１２とクロム酸化物領域１４とを交互に複数配置して形成している。
【００２２】
図５、図６は、オージェ電子分光法（Auger Electron Spectroscopy：AES）を用いて熱処理前後の歪抵抗薄膜４の成分組成を膜厚方向に分析した結果を示す。この図において、横軸は歪抵抗薄膜４および基板１の深さ方向、縦軸はオージェ電子の強度を表しており、実線でクロムと酸素を表している。図５によれば、熱処理前にはクロムと酸素の濃度がそれぞれ均一なクロム系薄膜が形成されており、図６によれば、歪抵抗薄膜４の膜厚方向に対して、クロム領域１２とクロム酸化物領域１４が１０ｎｍ程度の厚みで交互に５層配置されていることが分かる。
【００２３】
具体的な製造方法について説明する。
【００２４】
スパッタターゲットにはクロムを用いるが、クロムは酸素との親和性の強い材料であるため成膜雰囲気をどれだけ高真空にしても、形成するクロム系薄膜には雰囲気に残存する酸素が取り込まれてしまう。また、このクロム系薄膜に混入する酸素量を制御することは非常に困難であるので、スパッタガスとして不活性ガスのＡｒ以外に酸素を積極的に導入し、雰囲気に残存する酸素の影響を抑制している。特に、導入する酸素の分圧下限は１．０×１０-5Ｐａ以上が好ましく、上限は歪抵抗薄膜４をデバイス化した際にこれが絶縁化してしまわない程度が好ましい。
【００２５】
装置設定温度は、１５０℃以上にした状態で、成膜時の圧力は１．０×１０-1〜１０Ｐａ程度である。成膜直後のクロム系薄膜はｂｃｃクロム（体心立方構造のクロム）の微結晶と非晶質のクロム酸化物とからなるが、これらが均質かつ形成されるクロムの結晶を微細にすることが重要である。スパッタリング工法以外のクロム系薄膜を形成する方法としては真空蒸着工法等が挙げられる。
【００２６】
その後、クロム系薄膜に電極６を真空蒸着工法やスパッタリング工法を用いて形成する。電極６の材料や膜厚は、そのシート抵抗や歪抵抗薄膜４との密着力ならびに所望の形状へ加工するプロセスとの整合性を考慮して選べばよい。また、電極６の単層で歪抵抗薄膜４との密着力を確保できない場合には、電極６および歪抵抗薄膜４と親和性のある材料を密着層として用いてもよい。電極６の形状はマスクして成膜することで形成してもよいし、基板１の全面に電極６を形成した後に所望の形状に加工してもよい。
【００２７】
次に、電極６および歪抵抗薄膜４を所望の形状にした後、保護膜８を電極６の端子取り出し部を除く部分にスパッタリング工法やＣＶＤ工法を用いて形成する。保護膜８の材料や膜厚はそのバリア性、電極６や歪抵抗薄膜４との密着力、被覆性ならびに保護膜８を所望の形状に加工するプロセスとの整合性を考慮して選択すればよい。保護膜８の形状はマスクを用いて形成してもよいし、基板１の全面に形成した後に所望の形状に加工してもよい。
【００２８】
保護膜８の形成後に、４００℃以上の非酸化雰囲気中で歪抵抗薄膜４の熱処理を施す。歪抵抗薄膜４を保護膜８で覆い、熱処理雰囲気を非酸化雰囲気にするのは、歪抵抗薄膜４が熱処理雰囲気によって反応し、その組成が変動することを防ぐためである。熱処理温度は非晶質クロム酸化物を完全に結晶化させるために、４００℃以上とするのが好ましい。これは、熱処理後の歪抵抗薄膜４に安定相のクロム酸化物（Ｃｒ2Ｏ3）を生成できるからである。なお、熱処理温度と熱処理時間等を考慮して、結晶粒径の粗大化を抑制することが望ましい。このような条件で熱処理を行うことで、成膜直後にはｂｃｃクロムの微結晶と非晶質クロム酸化物であったクロム系薄膜を結晶化させ、ｂｃｃクロムと三方晶のクロム酸化物（Ｃｒ2Ｏ3）を形成することができる。
【００２９】
上記構成により、クロム領域１２とクロム酸化物領域１４とを交互に複数配置して形成しているので、ＴＣＲバラツキの要因と推定されるクロムと酸素の組成のバラツキを抑制でき、ＴＣＲのバラツキを低減できる。また、この歪抵抗薄膜４をクロム領域１２とクロム酸化物領域１４の膜厚方向に分割すれば歪抵抗素子１０を形成できる。
【００３０】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における歪抵抗薄膜について図面を参照しながら説明する。
【００３１】
実施の形態２における歪抵抗薄膜の製造方法では、酸素と不活性ガスのＡｒとの雰囲気中において、クロムをターゲットとしてスパッタリング工法を用いて酸素を有するクロム系薄膜を形成する際（クロム系薄膜形成工程）、Ａｒと酸素の分圧を変化させながら成膜する点で、実施の形態１とは異なる。
【００３２】
上記構成により、分圧を制御することによって、例えば、クロム領域１２やクロム酸化物領域１４の厚みを歪抵抗薄膜４の膜厚の３分の２以下にしたりクロム領域１２とクロム酸化物領域１４を膜厚方向に３層以上配置したり、その他、積層回数や積層厚みを制御したりすることができる。
【００３３】
また、クロム系薄膜形成工程では、酸素と不活性ガスの雰囲気中において、酸素分圧を低くして、体心立方のクロムと非晶質のクロム酸化物とからなる第１クロム系薄膜を形成する第１クロム系薄膜形成工程と、酸素分圧を高くして、体心立方のクロムと非晶質のクロム酸化物とからなる第２クロム系薄膜を形成する第２クロム系薄膜形成工程を施し、第２クロム系薄膜形成工程後に熱処理工程を施すようにしてもよい。なお、第１クロム系薄膜形成工程後に一度熱処理工程を施しておいてもよい。
【００３４】
さらに、複数の歪抵抗素子１０を組み合わせたブリッジ回路を形成して歪検出装置として用いてもよい。この場合、各歪抵抗素子１０の歪抵抗薄膜４のＴＣＲバラツキが小さいので、歪検出装置の精度を向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明に係る歪抵抗薄膜とその製造方法および歪抵抗薄膜を用いた歪抵抗素子と歪検出装置は、ＧＦを増大させ、ＴＣＲを低減させ、ブリッジ回路内の複数の素子のＴＣＲバラツキを低減させられるので、各種電子機器に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１における歪抵抗素子の断面図
【図２】図１のＡ部の透過型電子顕微鏡写真
【図３】図１のＡ部のＥＥＬＳ法を用いて分析したクロムの分布を表わす写真
【図４】図１のＡ部のＥＥＬＳ法を用いて分析した酸素の分布を表わす写真
【図５】図１のＡ部の熱処理工程前の成分組成を示す分析図
【図６】図１のＡ部の熱処理工程後の成分組成を示す分析図
【符号の説明】
【００３７】
２  基板
４  歪抵抗薄膜
６  電極
８  保護膜
１０  歪抵抗素子
１２  クロム領域
１４  クロム酸化物領域
【図１】
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【図５】
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【図６】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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