(57)【要約】【課題】  半導体圧力センサにおいて、応力の測定精度及び感度の向上と流体中での圧力計測を可能にすることを目的とする。【解決手段】  半導体基板上に幅が異なる複数の抵抗を設けてシート抵抗の変化量を計測するため、抵抗体の長さ及び幅の不均一性による影響を受けず、応力の測定精度を向上させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成された幅が異なる複数の抵抗体からなるセンサ部とを有することを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
前記抵抗体が多結晶シリコン膜であり、前記抵抗体の幅（Ｗ）とシート抵抗（Ｒｓ）との関係を関係式（ｌｎＲｓ＝Ａ＋ｎ×［Ｂ−ｌｎＷ］）により表現し、定数であるＡ、Ｂ及びｎを、最小二乗法を利用して求める手段を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ。
【請求項３】
前記多結晶シリコン膜の厚さが前記多結晶シリコン膜の幅の０．２倍以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の半導体圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に製作された半導体圧力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板に抵抗体を設け、その半導体基板にかかった圧力を抵抗体の抵抗値の変化によって検出する半導体圧力センサは、従来から知られている。
【０００３】
例えば、半導体装置の製造工程において用いられるＣＶＤ法によって形成されたシリコン酸化膜がもつ応力は次のように計測される。先ず、半導体基板（厚さｔｓ）を用意し、次にその基板の反り（反り量Ａ）を計測する。続いてＣＶＤ法によりシリコン酸化膜（膜厚ｔｆ）を形成後、更にその基板の反り（反り量Ｂ）を計測する。計測された反り量Ａ及びＢをもとにシリコン酸化膜がもつ応力（応力σｆ）を式（１）を用いて計算する。
【０００４】
ここでＹ、λはそれぞれ半導体基板のヤング率及びポアッソン比、Ｄは計測エリアの直径、ΔＨは反りの変化量（Ａ−Ｂの絶対値）、また、Ｙ／（１−λ）は１．８１Ｅ５（ＭＰａ）である。
【数１】
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【０００５】
半導体基板の反り量は、半導体基板の結晶方位、半導体基板に導入された導電に寄与する不純物の型及びその濃度の影響を受けるため、従来のように（１）式を用いて得られた応力は相対的なものである。
【０００６】
更に、半導体基板中の酸素濃度の不均一性によるＢＭＤ（バルク・マイクロ・ディフェクト）の不均一性、半導体基板の厚さの不均一性、半導体基板の直径の不均一性、半導体基板が円形であることによる半導体基板の反りの不均一性等、の影響を受けるため、得られた応力は不均一性が比較的大きい。
【０００７】
図４に従来技術における半導体圧力センサの一例として、シリコン基板を用いた圧力センサの断面び平面の模式図を示す。図４（ａ）に示すように、半導体圧力センサとして、Ｎ型の半導体基板２０内に抵抗体としてＰ型の拡散層２１が設けられている。また、その表面に例えばシリコン酸化膜２２が形成されている。拡散層２１の抵抗は電極２３を通して計測される。
【０００８】
また、図４（ｂ）に示すように、コンタクトホール２４を介して計測された拡散層２１の抵抗Ｒは次のようになる。拡散層２１に電流Ｉを流し、電流方向と平行方向に加えた応力をＴｌ、これと垂直方向の応力をＴｔ、それぞれのピエゾ係数をπｌ、πｔとすると、拡散層２１の抵抗の変化率（ΔＲ／Ｒ）は（２）式で与えられる。
【０００９】
ΔＲ／Ｒ＝πｌＴｌ＋πｔＴｔ・・・（２）式
また、歪ゲージファクタ（Ｇ）及び歪量（ε）を導入すると（３）式の関係になる。ここでＹ、λ、それぞれ半導体基板のヤング率及びポアッソン比である。
【００１０】
Ｇ＝（ΔＲ／Ｒ）／ε＝１＋２λ＋Ｙ・πｌ・・・（３）式
ここで、（３）式の第１項及び第２項は形状変化による抵抗値の変動分を示し、第３項は結晶の歪による変動分を示す。（３）式を用いて圧力及び半導体基板の変形量と拡散層の抵抗値の変化率との関係が求められ、圧力センサとして機能する。
【００１１】
（例えば、非特許文献１及び２参照。）。
【００１２】
ここで示したタイプの圧力センサによって得られる応力は先に述べたように相対的なものであり、また、不均一性も比較的大きい。更に、センサ部が半導体基板に埋め込まれているため、圧力を計測するためにはセンサ部とそれ以外の半導体基板部分を同時に変化させる必要がある。このため、圧力センサは計測される物体に接触して使用される。従って、固体については計測可能だが、流体である液体及び気体の圧力を計測できないという欠点をもつ。
【非特許文献１】Yozo Kanda, “A Graphical Representation of the Piezo-resistance Coefficients in Silicon”, IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES, VOL.ED-29, No.1, pp.64-70, JANUARY 1982
【非特許文献２】J.J.Wortman and R.A.Evans, “Young’s Modulus, Shear Modulus, and Poisson’s Ratio in Silicon and Germanium”, J.Appl.Phys., vol. 36, pp.153-156, 1965
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、半導体圧力センサにおいて、応力の測定精度及び感度の向上と流体中での圧力計測を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するため、本発明の第１の態様は、半導体圧力センサとして、半導体基板と、前記半導体基板上に絶縁膜を介して形成された幅が異なる複数の抵抗体からなるセンサ部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、シート抵抗の変化量を計測するため、抵抗体の長さ及び幅の不均一性による影響を受けず、応力の測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は、本発明第１の実施例を示す半導体圧力センサの断面模式図及び平面模式図である。
【００１８】
図１（ａ）に示すように、半導体基板としてシリコン基板１０を用意する。続いて、熱酸化法により下地シリコン酸化膜１１を１００〜４００ｎｍ程度シリコン基板１０の上に形成する。更に、ＣＶＤ法により多結晶シリコン膜１２を２００ｎｍ〜４μｍ程度、下地シリコン酸化膜１１の上に形成する。
【００１９】
次に、イオン注入法により、例えばボロンイオンをドーズ量として１Ｅ１４ｃｍ−２〜１Ｅ１６ｃｍ−２程度、多結晶シリコン膜へ導入する。更に、ＣＶＤ法により、絶縁膜（図示せず）を多結晶シリコン膜１２の上にマスクとして形成し、１，０００℃程度での熱処理を行い、ボロンイオンの活性化を図る。その後、マスクとして利用した絶縁膜はエッチング法により除去する。
【００２０】
続いて、図１（ｂ）に示すようにリソグラフィ法及びドライエッチング法を用い、多結晶シリコン膜１２をパターニングし、抵抗体を形成する。この時、図１（ｃ）に示す抵抗体の幅Ｗを変えて、例えば５種類のパターン（幅Ｗは２，４，６，８，２０μｍ）を形成する。
【００２１】
次に、応力を計測する膜として、ＣＶＤ法を用いて、例えばシリコン酸化膜１３を多結晶シリコン膜１２の上に形成する。更に、リソグラフィ法及びエッチング法を用い、シリコン酸化膜１３にコンタクトホール１５（図２（ｃ））を形成する。続いて、スパッタ法によりＡｌ電極膜１４を３００ｎｍ程度形成した後、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用い、選択的にパターニングを行い、電極及び配線を形成する。
【００２２】
更に、必要であれば熱処理等、またパッケージ等も行って、半導体圧力センサを完成させる。
【００２３】
上述のように得られた抵抗体を用い、シート抵抗を計測し、その変化量を求めることにより、抵抗体の長さ及び幅の不均一性による影響を受けずに、応力の測定精度向上が可能になる。
【００２４】
また、多結晶シリコン膜のアスペクト比（膜厚／幅）を大きく取り、例えば、アスペクト比を０．２以上にする。多結晶シリコン膜の側面からも応力の影響を良好に検出可能になり、圧力センサとしての感度向上が得られる。また、流体である液体及び気体の圧力も計測可能な圧力センサを得られる。
【実施例２】
【００２５】
第２の実施例における半導体圧力センサは基本的に第１の実施例における半導体圧力センサと同じ構造をもつ。第２の実施例において異なる点は、計測される膜が積層構造をなしていることである。また、積層構造の膜は同一の成膜装置を用いて連続的に形成しても良いし、異なる成膜装置を用いて形成しても良い。本実施例においては積層構造として２層構造の例について示す。
【００２６】
計測される２層構造の膜として、例えば次の３種類の構造を形成する。第１に低圧ＣＶＤ法により形成したシリコン窒化膜と常圧ＣＶＤ法により形成したシリコン酸化膜の構造（以下、ＬＰＣＶＤ−ＳｉＮ／ＡＴ−ＣＶＤと称す。）、第２に低圧ＣＶＤ法により形成したシリコン窒化膜とプラズマＣＶＤ法により形成したシリコン窒酸化膜の構造（以下、ＬＰＣＶＤ−ＳｉＮ／Ｐ−ＳｉＯＮと称す。）、及び第３にプラズマＣＶＤ法により形成したシリコン窒化膜とプラズマＣＶＤ法により形成したシリコン窒酸化膜の構造（以下、Ｐ−ＳｉＮ／Ｐ−ＳｉＯＮと称す。）である。
【００２７】
製造工程は第１の実施例と基本的に同じであるため、その説明については省略する。
【００２８】
図２に本実施例における抵抗体のシート抵抗（Ｒｓ）と幅（Ｗ）との関係を示す。ここで、抵抗体である多結晶シリコン膜の厚さは２５０ｎｍであり、その不純物濃度は３．２Ｅ１５ｃｍ−２である。図２（ａ）に示すように、抵抗体のシート抵抗（Ｒｓ）と幅（Ｗ）との関係は以下の（４）式で表すことができる。ここでＡは定数、また、ｎは計測される膜に関連する定数である。
【００２９】
ｌｎ（Ｒｓ）＝Ａ＋ｎ×［６．１７−ｌｎ（Ｗ）］・・・（４）式
（４）式を変形すると以下の式になる。
【００３０】
Ｒｓ＝ｅＡ×ｅ６．１７・ｎ／Ｗｎ・・・（５）式
更に、Ｒｓの微小変化量をΔＲｓとする。ΔＲｓは以下（６）式となる。
【数２】
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【００３１】
（６）式を（５）式で割ると以下の（７）式となる。
【００３２】
ΔＲｓ／Ｒ＝ΔＡ＋（６．１７―ｌｎＷ）Δｎ−ｎ・ΔＷ／Ｗ・・・（７）式
（７）式を更にまとめると以下の（８）式となる。
【００３３】
ΔＲｓ／Ｒ＝ｎ{ΔＡ／ｎ＋（６．１７―ｌｎＷ）Δｎ／ｎ―ΔＷ／Ｗ}・・・（８）式
また、抵抗体のシート抵抗（Ｒｓ）、抵抗（Ｒ）、幅（Ｗ）、及び長さ（Ｌ）との関係は以下の（９）式で表せる。
【００３４】
Ｒ＝Ｌ・Ｒｓ／Ｗ・・・（９）式
従って、それぞれが微小変化したときは次の（１０）式となる。
【００３５】
ΔＲｓ／Ｒ＝−ΔＷ／Ｗ＋ΔＬ／Ｌ＋ΔＲｓ／Ｒｓ・・・（１０）式
（８）式、（３）式及び（１０）とを比較することにより、定数であるｎ及びＡを求めることができる。
【００３６】
即ち、ｎ＝ε、ΔＡ＝ΔＲ／Ｒ、（６．１７―ｌｎＷ）×Δｎ／ｎ＝−１、ΔＲｓ／Ｒ＝ｎ・Ｙ／πｌ、ΔＷ／Ｗ＝２λである。ｎは歪量を表し、膜の応力は歪量にヤング率を掛けることにより求められることから、ｎを知ることにより膜の応力を求めることが可能である。
【００３７】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による第１の実施例における半導体圧力センサの断面及び平面を示す模式図。
【図２】本発明による第２の実施例の半導体圧力センサにおける抵抗体のシート抵抗と幅との関係を示すグラフ。
【図３】本発明による第２の実施例の半導体圧力センサにおける抵抗体の不純物濃度と係数との関係を示すグラフ。
【図４】従来例における半導体圧力センサの断面及び平面を示す模式図。
【符号の説明】
【００３９】
１０、２０  シリコン基板
１１、２２  下地シリコン酸化膜
１２  多結晶シリコン膜
１３  シリコン酸化膜
１４、２３  Ａｌ電極膜
１５、２４  コンタクトホール
２１  拡散層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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