JPH0371676A

JPH0371676A - ピエゾ抵抗素子

Info

Publication number: JPH0371676A
Application number: JP20696989A
Authority: JP
Inventors: Patoritsuku Jieemusu Furenchi; フレンチ・パトリック・ジェームス; Toshiaki Shinohara; 俊朗篠原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1989-08-11
Filing date: 1989-08-11
Publication date: 1991-03-27
Anticipated expiration: 2010-10-18
Also published as: JPH0797645B2

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、ピエゾ抵抗素子およびその製造方法に係り、
特に半導体基板上に形成したピエゾ抵抗素子に関する。

（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
形のピエゾ抵抗素子が注目されている。

このようなピエゾ抵抗素子は、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１００μ箇程度、
厚さが１μ冒程度、チップ全体の大きさが１１１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。

このピエゾ抵抗素子構造の１つに、例えば、ｎ型シリコ
ン基板表面にｐ生鉱散層からなる薄膜抵抗体パターンを
形成したものがある。

このようなピエゾ抵抗素子は、１５０℃以上の高温にな
るとｐｎ接合を介してリーク電流が発生するという問題
がある。

そこで、この問題を解決すべく、２つの方法が提案され
ている。

その１つは、感圧抵抗体として多結晶シリコンを用い、
酸化シリコン膜によって絶縁分離するもので、このよう
にすれば高温下でもリーク電流が発生する心配はない。

しかしながら、この構造では感度が低下するという問題
がある。そこで、レーザ加工技術を用いた再結晶化技術
が提案されているが、この方法によっても、依然として
ゲージファクタは４５以下であった。

もう１つは、ＳＯＩ技術を用いた方法である。

このＳＯＩ技術を用いたピエゾ抵抗素子の製造工程を、
第４図（ａ）乃至第４図（「〉に示す。

すなわち、まず、第４図（ａ）に示すように、表面にｐ
生鉱散層３を形威してなる第１のシリコン基板２と、第
４図（ｂ）に示すように、表面に酸化シリコン膜４を形
成してなる第２のシリコン基板１を用意する。

続いて、第４図（Ｃ）に示すように、これら第１および
第２のシリコン基板１．２をそれぞれｐ＋拡散層３およ
び酸化シリコン膜４が内側となるように接合する。

そして、第４図（ｄ）に示すように、第２のシリコン基
板をエツチング除去し、ｐ＋拡散層３を露呈せしめる。

この後、第４図（θ）に示すように、ｐ生鉱散層３をバ
ターニングし、この上層を酸化シリコン膜５で被覆し、
さらに電極パターン６を形成している。

この方法によれば、２５０℃程度でも良好な電気的特性
を呈し、高いゲージファクタを示している。

しかしながら、この方法では２枚のシリコン基板を用い
、一方をエツチング除去するなど、極めて複雑な製造工
程を必要と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、従来のピエゾ抵抗素子の形成方法で、高温
下でも感度を維持することができるものを得ようとする
と、複雑な製造工程を必要とし、コストの高騰を招くな
どの問題があった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、高温での
操作に耐え、高感度でかつ製造の容易なピエゾ抵抗素子
を提供す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）そこで本発明のピエゾ抵抗素子では、ピエゾ抵抗部が周
囲を酸化シリコン膜で絶縁分離されると共に、断面形状
が１つの（１００）面と２つの＋１１１）面で囲まれた
逆三角形をなすように形成された単結晶シリコンで構成
している。

また、望ましくは、ピエゾ抵抗部が＜１１０＞方向に平
行または垂直に配列されたｐ型シリコン層で構成される
ようにしている。

（作用）上記構成により、ピエゾ抵抗素子の断面形状がシリコン
の１つの（１００）面と２つの＋１１１）面で囲まれた
逆三角形をなすように形成されているため、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、感度の向上をはかることも可能となる
。

形成に際しては、表面が＋１００１面となるように構成
されたシリコン基板表面に側面が（１１０）面を持つよ
うに複数の溝を形威し、鎮魂の側面をアルカリエツチン
グ液を用いた異方性エツチングにより２つの溝で挾まれ
た領域の側面の（１１１）面を露出せしめ、整形するこ
とにより、容易に高精度の素子を形成することができる
。

すなわち、本発明のピエゾ抵抗素子は、シリコンのアル
カリ異方性エツチングでは、結晶方位によってエツチン
グ速度が大きく異なるため、エツチング方位を選択する
ことによってのみ、制御性の良好なエツチングを行うこ
とができ、形状の高精度化をはかるここが可能となる。

また、表面が酸化シリコン膜で覆われているうえ、ｐｎ
接合を用いていないため、リークの発生の心配もない。

さらに、＜１１０＞方向に平行または垂直に配列された
ｐ型シリコン層でピエゾ抵抗部を構成すると極めて高感
度となる。

（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。

このピエゾ抵抗素子は、第１図（ａ）および第１図（ｂ
）に示すように、表面が＋１００）面の正方形状をなす
単結晶ｐ型のシリコン基板２０の周縁部および中心部に
それぞれ各辺に沿って伸長すると共に断面が（１１１）
面を構成する分離溝９ａ。

９ｂ（９）を形成し、これら分離溝の間に断面形状が１
つの＋１００１面と２つの（１１１＋面で囲まれた逆三
角形をなす島領域が形成され、この島領域が各辺に沿っ
て４つのピエゾ抵抗検出領域７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを
構成してなるものである。

この４つのピエゾ抵抗検出領域７ａ、７ｂ、７ｅ、７ｄ
は、周囲が酸化シリコン膜８を介して分離溝９内に充填
された多結晶シリコン膜１０で互いに絶縁分離されると
共に、＜１１０＞方向に平行または垂直となるように各
辺に沿って、互いに直交するように配列され、各抵抗検
出領域７ａ。

７ｂ、７ｃ、７ｄの接続はｐ＋シリコン領域１１でなさ
れている。

ここで、第１図（ａ）は、第１図（ｂ）のＡ−Ａ断面図
である。

次に、このピエゾ抵抗素子の製造工程について説明する
。

まず、第２図（ａ）に示すように、表面が（１，００）
面をなすように形成されたｐ型シリコン基板２０の上面
に酸化シリコン膜１２、窒化シリコン膜１３、酸化シリ
コン膜１４の３層膜を順次堆積しこれらをフォトリソ法
により選択的に除去し、窓を形成する。

次いで、第２図（ｂ）に示すように、この３層膜をマス
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
りシリコン基板２０の表面を所定の深さまでエツチング
し、側面が（１１０１面を持つトレンチ１５を形成する
。

この後、第２図（Ｃ）に示すように、これら３層膜をマ
スクとして水酸化カリウムＫＯＩＩを用いた異方性エツ
チングにより、シリコン基板２０のエツチングを行い、
（１１１１面で囲まれた分離溝９を形成する。

このシリコン基板を点線ａで示すように反応性イオンエ
ツチングを用いて側面が（１１，０１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
方法について考える。

水酸化カリウムＫＯＨを用いた異方性エツチング速度リ
、シリコン基板のエツチングを行う場合、（１，１０１
面と（１００１面と（１１１）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＋１．１１１面が露出するまで速やかにエツ
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Ｗｌ　トレンチ
の深さを０１工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（１１１）面とのな
す角をｅ　（ｅ−３５，２６）とするとき、次のような
式が成立する。

Ｗ　−Ｓ　＋　２　ｘ　Ｄｔａｎ　ｅ／　２−−　（式
）従って、シリコン島の表面における幅Ｗｌ　トレンチ
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。

このようにしてエツチングを行った場合の、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くびれ部
の残った逆三角形断面を持つ柱状構造が形成されている
様子を示している。

このようにして、（１１１）面をエツチングストッパと
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。

この後、分離溝表面を酸化し、酸化シリコン膜８を形成
して、シリコン島のくびれ部を酸化し、断面逆三角形状
の島領域を形成する。

そして、ＣＶＤ法によりこの分離溝内に多結晶シリコン
膜を充填する。

この後、フォトリソ法により、表面の３層膜のコーナ一
部に窓を形成し、この窓を介して、ヒ素イオン等の不純
物拡散を行い、ｐ生鉱散層１１を形成した後、第２図（
ｄ）に示すように、表面の３層膜を除去する。

そして、通常の方法で配線パターンを形成し、ピエゾ抵
抗素子が完成する。

このようにして形成されたピエゾ抵抗素子は、ピエゾ抵
抗領域の断面形状がシリコンの１つの＋１００）面と２
つの（１１１）面で囲まれた逆三角形をなすように形成
されているため、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。

すなわち、本発明のピエゾ抵抗素子は、エツチング方位
を選択することによってのみ、制御性の良好なエツチン
グを行うことができ、形状の高精度化をはかることが可
能となる。

ちなみに操作可能温度は、ｐｎ接合を用いた素子の場合
は精々１５０℃程度であったものが、この素子では２５
０℃程度でも劣化を招くことはなかった。

また、この素子のゲージファクタは１２０程度となって
おり、従来の多結晶シリコンを用いた場合のゲージファ
クタ４０に比べて、感度が大幅に向上していることが分
かる。

次に、本発明の第２の実施例について図面を参照しつつ
詳細に説明する。

この例では、上述したようなピエゾ抵抗素子が、第３図
（ａ）に示すように、ｎ型シリコン層１６内に形成され
たｐ型拡散領域１７内に形成するか、または、第３図（
ｂ）に示すようにｎ型バリア層１９上に形成されたｐ型
エピタキシャル戊長層内に形成されており、このように
することにより、圧力センサのダイヤフラムとなる肉薄
部の形成に際して、ｐｎ接合を電気化学的エツチングの
エツチングストッパとして用いることができ、厚さの制
御が極めて容易となる。

ここで、７０℃の水酸化カリウムをエッチャントとし、
ｎ層に正の電界を印加するようにすれば、ｎ型シリコン
層１６あるいはｎ型バリア層１９でエツチングは停止し
、ダイヤフラムとなる肉薄部の厚さの制御が容易に可能
となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、単結晶シリコン
基板表面に、＋１１１１面で囲まれた分離溝を形成し、
これら分離溝の間に形成され、断面形状が１つの（１０
０１面と２つの（１１１）面で囲まれた逆三角形をなす
島領域をセンサとして用いているため、形状加工が容易
で、高感度のピエゾ抵抗素子を得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の実施例のピエゾ抵抗素子を示す
図、第２図（ａ）乃至第２図（ｄ）は第１図に示したピ
エゾ抵抗素子の製造工程を示す図、第３図（ａ）乃至第
３図（ｂ）はそれぞれ本発明の他の実施例を示す図、第
４図（ａ）乃至第４図（ｆ）は従来例のピエゾ抵抗素子
の製造工程を示す図である。１・・・第１のシリコン基板、２・・・第２のシリコン
基板、３・・・ｐ生鉱散層、４・・・酸化シリコン膜、
５・・・酸化シリコン膜、６・・・電極パターン、７・
・・ピエゾ抵抗領域、８・・・酸化シリコン膜、９・・
・分離溝、１０・・・多結晶シリコン膜、１１・・・ｐ
＋シリコン領域、１２・・・酸化シリコン膜、１３・・
・窒化シリコン膜、１４・・・酸化シリコン膜、１５・
・・トレンチ、１６・・・ｎ型シリコン層、１７・・・
ｐ型拡散領域、１８・・・ｐ型シリコン層、１９・・・
ｎ型バリア層、２ｏ・・・ｐ型のシリコン基板。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）シリコン基板表面に形成された４つの｛１１１｝
面で囲まれ、内壁に酸化シリコン膜を形成してなる分離
溝に囲まれた領域内に形成され、断面が１つの｛１００
｝面と２つの｛１１１｝面で囲まれた逆三角形をなすよ
うに形成されたピエゾ抵抗部を含むようにしたことを特
徴とするピエゾ抵抗素子。
（２）前記ピエゾ抵抗部は、ｐ型シリコン層からなり、
〈１１０〉方向に平行または垂直となるように形成され
ていることを特徴とする請求項（１）記載のピエゾ抵抗
素子。