JPH06151893A - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、ピエゾ抵抗素子を有する半導体圧
力センサに関するもので、製造工程においてピエゾ抵抗
素子の酸化によりその濃度が低下する問題点、イオン汚
染による特性変動の問題点とを解消することを目的とす
る。 【構成】 本発明は、半導体圧力センサにおいて、ピエ
ゾ抵抗素子１０５上に酸化膜１０６と窒化膜１２０を形
成することと、ピエゾ抵抗素子１０５間にチャネル防止
層１２１を設けることとを行ったものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体圧力センサ、
特にシリコン半導体のもつピエゾ抵抗効果を利用した圧
力センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコン圧力センサは、小型軽量で高性
能、応答性に優れていることから、自動車、計測分野、
ＦＡ分野等で多用されるようになってきている。

【０００３】この種の圧力センサは、電学論Ｃ、１０９
〔１２〕（平成元年）Ｐ．８５８−８５９で開示されて
いるように、シリコンダイアフラム上に形成したピエゾ
抵抗素子（以下単にピエゾ抵抗と記す）の圧力による抵
抗変化を利用して、圧力を検出する構成が一般的であ
り、基板としてシリコンを使うことからＬＳＩ等の集積
化技術との一体化も盛んになっている。

【０００４】従来のこの種の圧力センサの製造工程の構
造断面フローを図５ないし図７に示し順に説明する。

【０００５】図５（ａ）（１００）のＰ型シリコン基板
１０１上のバイポーラ素子形成領域に拡散技術によりＳ
ｂ（アンチモン）を拡散し、Ｎ⁺ 埋込層１０２を形成す
る。

【０００６】図５（ｂ）次いで、エピタキシャル技術に
よりＰ（リン）ドープのＮ型エピタキシャル層１０３を
形成する。次いで、拡散技術により、Ｂ（ボロン）を拡
散し、前記Ｎ⁺ 埋込層１０２周辺のＮ型エピタキシャル
層１０３表面からＰ型シリコン基板１０１まで到達する
Ｐ⁺ 分離層１０４を形成する。

【０００７】次いで、拡散技術により、Ｂを拡散しピエ
ゾ抵抗１０５を形成する。この時、同時に、酸化膜１０
６を基板表裏に２００〜５００Å形成する。

【０００８】図５（ｃ）次いで、ＣＶＤ（化学的気相成
長）技術により窒化膜１０７を基板表裏の前記酸化膜１
０６上に形成する。

【０００９】図５（ｄ）次いで、分離領域１０８の窒化
膜１０７、酸化膜１０６を、エッチング技術により除去
する。

【００１０】図６（ｅ）次いで、酸化技術により分離酸
化膜１０９を１μｍ程度形成する。

【００１１】図６（ｆ）次いで、窒化膜１０７、酸化膜
１０６をエッチング技術により一旦除去し、次いで、酸
化技術により酸化膜１０６を基板表裏に２００〜５００
Å程度再形成する。この時、ピエゾ抵抗１０５表面も同
時に酸化される。この酸化膜１０６の除去、再形成は、
分離酸化膜１０９周辺のＮ型エピタキシャル層１０３表
面において、分離酸化膜１０９形成時に窒化物が形成さ
れるため、この窒化物を除去するために行なわれる。こ
の窒化物を除去せずにおくと分離酸化膜１０９周辺での
電気的リークを引き起こすためである。

【００１２】次いで、インプラ（インプランテーショ
ン）、拡散技術により、バイポーラ形成領域にＢを拡散
し、ＮＰＮトランジスタのベース層１１０を形成する。

【００１３】次いで、インプラ、拡散技術により、バイ
ポーラ素子形成領域に、Ａｓ（ヒ素）を拡散し、ＮＰＮ
トランジスタのエミッタ層１１１、コレクタ層１１２を
形成する。

【００１４】図６（ｇ）次いで、ＣＶＤ技術により０．
５μｍ程度のＰＳＧ（リンをドープした酸化膜）１１３
を上面に形成し、酸素雰囲気の熱処理による平坦化を行
ない、ＰＳＧ１１３表面段差をなだらかにする。この酸
素雰囲気の熱処理は、後に形成されるＡｌ配線のＰＳＧ
表面段差による段切れを防止するために行なうものであ
り、この熱処理と同時にピエゾ抵抗１０５表面も酸化さ
れる。

【００１５】次いで、ＣＶＤ技術により０．２μｍ程度
の窒化膜１１４を７００〜１０００℃で形成し、表面の
窒化膜１１４を除去する（即ち、基板裏面だけに窒化膜
１１４を形成する）。この窒化膜１１４除去は、後に形
成されるコンタクトの断面形状がオーバーハングになり
Ａｌ配線が切れることを防止するために行なわれるもの
である。

【００１６】図７（ｈ）次いで、コンタクト孔１１５を
所定箇所に開孔し、Ａｌ配線１１６を形成する。

【００１７】次いで、素子を保護するためのパッシベー
ション膜１１７をプラズマＣＶＤ技術により１μｍ程度
形成する。

【００１８】次いでＰ型シリコン基板１０１側のダイア
フラム形成領域の窒化膜１１４、酸化膜１０６をエッチ
ング除去する。

【００１９】図７（ｉ）次いで、窒化膜１１４、パッシ
ベーション膜１１７をマスクに、アルカリ性のエッチン
グ液（ＫＯＨなど）でＰ型シリコン基板１０１を異方性
エッチングし、ダイアフラム１１８を形成する。

【００２０】そして、窒化膜１１４、酸化膜１０６をエ
ッチング除去する。

【００２１】図７（ｊ）次いで、Ａｌ配線１１６上のパ
ッシベーション膜１１７をエッチング除去し、圧力セン
サと外部を電気的に接続するためのボンディングパッド
１１９を形成する。

【００２２】このようにして形成された圧力センサは、
印加された圧力によりダイアフラムが変形し、そのひず
みによるピエゾ抵抗の抵抗値変化を電気信号に変換する
ものである。

【００２３】この圧力センサを組立てた状態を図８及び
図９に示す。

【００２４】図８は、負圧測定に用いられる形式のもの
で、圧力センサ裏面にガラス５０５が貼り合わされ、ガ
ラス５０５がケース５０３に貼り合わされている。ま
た、ボンディングパッド１１９と外部へつながる電極５
０１とをワイヤ５０２で接続してあり、圧力センサの表
面側のケース５０３内は真空となっている。

【００２５】さらに、ダイアフラム１１８領域のガラス
５０５には穴が設けられ、外部に開放された圧力測定口
５０４とダイアフラムがつながっている。

【００２６】ここで圧力測定口５０４の圧力が変化する
ことにより、ダイアフラム１１８がたわみ、ピエゾ抵抗
１０５の抵抗値変化を生じる。この抵抗値変化を電気信
号に変換する動作を行なうものである。

【００２７】図９は、大気圧測定に用いられる形式のも
ので、圧力センサ裏面にガラス６０５が貼り合わされ、
ガラス６０５がケース６０３に貼り合わされている。こ
こでダイアフラム１１８とガラス６０５との間は、真空
となっており、真空室６０６が形成されている。

【００２８】また、ボンディングパッド１１９と外部へ
つながる電極６０１とをワイヤ６０２で接続してある。

【００２９】さらに、ケース６０３には、穴があいてお
り、外部に開放された圧力測定口６０４が設けられてい
る。

【００３０】ここで、圧力測定口６０４の圧力が変化す
ることにより、ダイアフラム１１８がたわみ、ピエゾ抵
抗１０５の抵抗値変化が生じる。この抵抗値変化を電気
信号に変換する動作を行なうものである。

【００３１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
製造方法、構造では、分離酸化膜形成後の酸化膜再形
成、ＰＳＧ平坦化時の酸化といった工程と同時にピエゾ
抵抗上も酸化され、ピエゾ抵抗のボロン濃度が低下し、
抵抗値を変化させてしまうといった問題点や、圧力によ
る抵抗値変化（抵抗変化率）を小さくさせてしまうとい
った問題点がある。

【００３２】特に、抵抗変化率が小さくなると、その分
信号増巾のためのアンプゲインを大きくしなければなら
ず、その際ノイズも増巾され、ノイズ特性が悪くなると
いった問題点につながっていた。

【００３３】また、図９に示した組立形態のときには、
圧力測定口から汚染物質としてイオン（例えばマイナス
イオン，Ｃｌ^- 等）がピエゾ抵抗上に浸入し、そのため
ピエゾ抵抗間の領域がイオンによる電界効果で反転した
り、チャネルを形成したりし、ピエゾ抵抗間にリークが
生じ、特性変動を引き起こすといった問題点があった。

【００３４】この発明は以上述べたピエゾ抵抗の濃度低
下といった問題点を除去するために、ピエゾ抵抗が酸化
されないようにし、出力特性のすぐれた半導体圧力セン
サを提供することを目的とする。

【００３５】また、イオン汚染による特性変動の問題点
を除去するために、ピエゾ抵抗間にチャネル防止層を形
成し、出力特性のすぐれた半導体圧力センサを提供する
ことを目的とする。

【００３６】

【課題を解決するための手段】この発明は前記目的達成
のため、半導体圧力センサ装置において、ピエゾ抵抗上
形成膜を酸化膜、窒化膜の積層構造としたものであり、
その製造方法として、分離酸化膜形成後の酸化膜再形成
工程前に、ピエゾ抵抗形成領域上に酸化防止膜を形成し
たものであり、さらに、ピエゾ抵抗間にチャネル防止層
を形成するようにしたものである。

【００３７】

【作用】前述したように、この発明によれば、ピエゾ抵
抗形成領域上に酸化防止膜として窒化膜を形成している
ので、従来の酸化防止膜が無かった構造、製造方法に比
べて、酸化工程の影響がなくなるため、ピエゾ抵抗にお
けるＢ濃度の低下が防止され、抵抗変化率が小さくなる
といった問題点がなくなり、圧力センサの特性向上が期
待できる。

【００３８】さらには、チャネル防止層の形成も行なう
ようにしたので、ピエゾ抵抗間のリークを防止でき、特
性変動を起こすことのない圧力センサを得られる。

【００３９】

【実施例】図１に、本発明の第１の実施例を示し、以下
に説明する。

【００４０】図１（ｅ）は、図６（ｅ）に示した従来例
と同じであり、従って符号も同一である。また、ここま
での工程も従来例と同一であるので説明は省略する。

【００４１】図１（ｆ）前記までの工程の後、窒化膜１
０７を公知のエッチング技術により一旦除去する。

【００４２】次いで、公知のＣＶＤ技術により、０．２
μｍ程度の窒化膜１２０を基板表裏に形成する。

【００４３】前記窒化膜１０７を一旦除去する理由は、
この窒化膜１０７を一部だけ除去するにはプラズマエッ
チング技術で行う必要があり、そうすると本例ではバイ
ポーラトランジスタ（１１０、１１１、１１２などの部
分）形成領域が傷つき易いからである（全部除去すると
きはプラズマエッチングでなくてよい）。

【００４４】次いで、公知のホトリソ（ホトリソグラフ
ィ）／エッチング技術により、ピエゾ抵抗１０５以外の
領域の窒化膜１２０を除去する。この時、窒化膜１２０
は、分離酸化膜１０９と距離をへだてて形成する。

【００４５】次いで、公知のエッチング、酸化技術によ
り、露出している酸化膜１０６を一旦除去し、再度２０
０〜５００Åの酸化膜１０６の形成を行なう。この理由
は従来技術で説明した通りである。

【００４６】次いで、公知のインプラ、拡散技術によ
り、バイポーラ形成領域に、ＮＰＮトランジスタのベー
ス層１１０、エミッタ層１１１、コレクタ層１１２を形
成する。

【００４７】以下図１（ｇ）〜（ｊ）に至る工程は従来
例の図６（ｇ）ないし図７（ｊ）と同じ工程を経る。従
って図１（ｊ）は図７（ｊ）と同じであるので説明は省
略する。本実施例では、ダイアフラム形成用の窒化膜１
２０と、ピエゾ抵抗上の窒化膜１２０を同時形成した
が、別形成とする工程としてもかまわない。これは、以
下の実施例においても同様である。

【００４８】次に、図２に、本発明の第２の実施例を示
し、以下に説明する。

【００４９】図２は、第１の実施例において、図１
（ｆ）の工程で、図２（ｆ）の工程を行なったもので、
以下図１（ｇ）〜（ｊ）に至る工程と同様に行ない、図
１（ｊ）に相当する図として、図２（ｊ）が完成図とな
っている。

【００５０】図２（ｆ） 図１（ｅ）（従来例図６
（ｅ））の工程の後、窒化膜１０７を公知のエッチング
技術により除去する。

【００５１】次いで、公知のＣＶＤ技術により、０．２
μｍ程度の窒化膜１２０を形成する。

【００５２】次いで、公知のホトリソ、エッチング技術
により、ピエゾ抵抗１０５上のみの窒化膜１２０を残
し、それ以外をエッチング除去する。

【００５３】次いで公知のエッチング、酸化技術によ
り、露出している酸化膜１０６の除去及び再形成を行な
う。

【００５４】次いで、公知の拡散技術により、ＮＰＮト
ランジスタのベース層１１０、エミッタ層１１１、コレ
クタ層１１２を形成する。

【００５５】以下従来例の図６（ｇ）ないし図７（ｊ）
と同じ工程であるので説明は省略する。

【００５６】次に、図３に、第３の実施例を示し、以下
に説明する。

【００５７】図３は、第１の実施例において、図１
（ｆ）の工程で、図３（ｆ）の工程を行なったもので、
以下図１（ｇ）〜（ｊ）に至る工程と同様に行ない、図
１（ｊ）に相当する図として、図３（ｊ）が完成図とな
っている。

【００５８】図３（ｆ） 図１（ｅ）の工程の後、窒化
膜１０７を公知のエッチング技術により除去する。

【００５９】次いで、公知のインプラ技術により、ピエ
ゾ抵抗１０５間のＮ型エピタキシャル１０３中にＮ型不
純物を導入し、チャネル防止層１２１を形成する。ここ
では、Ｎ型エピタキシャル層１０３の濃度を１×１０¹⁵
ａｔｍｓ／ｃｃ程度、チャネル防止層１２１には、Ａｓ
で１×１０¹⁹ａｔｍｓ／ｃｃ程度の濃度とした。

【００６０】次いで、公知のＣＶＤ技術により、０．２
μｍ程度の窒化膜１２０を形成する。

【００６１】次いで、公知のホトリソ、エッチング技術
により、ピエゾ抵抗１０５以外の領域の窒化膜１２０を
除去する。次いで、公知のエッチング、酸化技術によ
り、露出している酸化膜１０６の除去及び再形成を行な
う。

【００６２】次いで、公知のインプラ拡散技術により、
ＮＰＮトランジスタのベース層１１０、エミッタ層１１
１、コレクタ層１１２を形成する。

【００６３】以下従来例の図６（ｇ）ないし図７（ｊ）
と同じ工程であるので説明は省略する。

【００６４】ここでチャネル防止層１２１は、窒化膜１
２０形成前に、形成しているが、特にこの工程位置には
限定されず、これ以前またはこれより後の工程でもかま
わない。

【００６５】次に、図４に、第４第５の実施例を示し、
以下に説明する。

【００６６】図４は、第２の実施例に於いて、図２
（ｆ）の工程で図４（ｆ）の工程を行なったもので、以
下図１（ｇ）〜（ｊ）に至る工程と同様に行ない、図２
（ｊ）に相当する図として、図４（ｊ）が完成図となっ
ている。

【００６７】図４（ｆ）第４の実施例として、図１
（ｅ）の工程の後、窒化膜１０７を公知のエッチング技
術により除去する。

【００６８】次いで、公知のインプラ技術により、ピエ
ゾ抵抗１０５間のＮ型エピタキシャル層１０３中にＮ型
不純物を導入し、チャネル防止層１２１を形成する。

【００６９】ここでは、Ｎ型エピタキシャル層１０３の
濃度を１×１０¹⁵ａｔｍｓ／ｃｃ程度、チャネル防止層
１２１には、Ａｓで１×１０¹⁹程度の濃度とした。

【００７０】次いで、公知のＣＶＤ技術により、０．２
μｍ程度の窒化膜１２０を形成する。

【００７１】次いで公知のホトリソ、エッチング技術に
より、ピエゾ抵抗１０５上のみの窒化膜１２０を残しエ
ッチング除去する。次いで公知のエッチング、酸化技術
により、露出している酸化膜１０６の除去、再形成を行
なう。

【００７２】次いで、公知のインプラ、拡散技術によ
り、ＮＰＮトランジスタのベース層１１０、エミッタ層
１１１、コレクタ層１１２を形成する。

【００７３】以下従来例の図６（ｇ）ないし図７（ｊ）
と同じ工程であるので説明は省略する。

【００７４】図４（ｆ）第５の実施例として、図１
（ｅ）の工程の後、窒化膜１０７を公知のエッチング技
術により除去する。

【００７５】次いで、公知のＣＶＤ技術により、０．２
μｍ程度の窒化膜１２０を形成する。

【００７６】次いで、公知のホトリソ、エッチング技術
により、ピエゾ抵抗１０５上のみの窒化膜１２０を残
し、それ以外をエッチング除去する。次いで公知のエッ
チング、酸化技術により露出している酸化膜１０６の除
去、再形成を行なう。

【００７７】次いで公知の拡散技術によりＮＰＮトラン
ジスタのベース層１１０を形成する。

【００７８】次いで公知のインプラ拡散技術によりＮＰ
Ｎトランジスタのエミッタ層１１１、コレクタ層１１２
及びチャネル防止層１２１を同時形成する。

【００７９】以下従来例の図６（ｇ）ないし図７（ｊ）
と同じ工程であるので説明は省略する。

【００８０】以上の第３、第４、第５の実施例におい
て、ピエゾ抵抗１０５上に窒化膜１２０を形成し、かつ
チャネル防止層１２１を形成しているが、窒化膜１２０
の形成無しに、チャネル防止層１２１を形成できること
は言うまでもない。

【００８１】

【発明の効果】以上詳細に説明したようにこの発明によ
れば、ピエゾ抵抗形成領域上に酸化防止膜として窒化膜
を形成しているので、従来の酸化防止膜が無かった構
造、製造方法に比べて、酸化工程の影響がなくなるた
め、ピエゾ抵抗におけるＢ濃度の低下が防止され、抵抗
変化率が小さくなるといった問題点がなくなり、圧力セ
ンサの特性向上が期待できる。

【００８２】さらには、チャネル防止層の形成も行なう
ようにしたので、ピエゾ抵抗間のリークを防止でき、特
性変動を起こすことのない圧力センサが実現可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例

【図２】本発明の第２の実施例

【図３】本発明の第３の実施例

【図４】本発明の第４、第５の実施例

【図５】従来例（その１）

【図６】従来例（その２）

【図７】従来例（その３）

【図８】従来例の組立図（その１）

【図９】従来例の組立図（その２）

【符号の説明】

１０５ ピエゾ抵抗 １０６ 酸化膜 １２０ 窒化膜 １２１ チャネル防止層

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上にピエゾ抵抗素子を有する
   半導体圧力センサにおいて、該ピエゾ抵抗素子の上に第
   １の絶縁膜、さらにその上に第２の絶縁膜が積層されて
   いることを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 【請求項２】 前記第１の絶縁膜が酸化膜、第２の絶縁
   膜が窒化膜であることを特徴とする請求項１記載の半導
   体圧力センサ。
3. 【請求項３】 半導体基板上に複数のピエゾ抵抗素子を
   有する半導体圧力センサにおいて、該ピエゾ抵抗素子間
   にチャネル防止層が設けられていることを特徴とする半
   導体圧力センサ。
4. 【請求項４】 前記チャネル防止層は、該チャネル防止
   層に隣接する層より不純物濃度の高く、かつ前記ピエゾ
   抵抗素子と逆導電型の層であることを特徴とする請求項
   ３記載の半導体圧力センサ。
5. 【請求項５】 （ａ）半導体基板上にピエゾ抵抗素子を
   形成する工程、 （ｂ）前記基板上に第１の絶縁膜、第２の絶縁膜を積層
   し、所定のパターニングを行い、所定箇所に分離絶縁膜
   を形成する工程、 （ｃ）前記第２の絶縁膜を除去し、その後、少くとも前
   記ピエゾ抵抗素子上の前記第１の絶縁膜上に第３の絶縁
   膜を形成する工程、以上の工程を含むことを特徴とする
   半導体圧力センサの製造方法。
6. 【請求項６】 前記第１の絶縁膜を酸化膜、第２、第３
   の絶縁膜を窒化膜とすることを特徴とする請求項５記載
   の半導体圧力センサの製造方法。
7. 【請求項７】 半導体基板上に複数のピエゾ抵抗素子を
   形成し、該ピエゾ抵抗素子間に、チャネル防止層とし
   て、その層に隣接する層より不純物濃度が高くなり、か
   つ前記ピエゾ抵抗素子とは逆導電型の層となるよう不純
   物を注入し形成することを特徴とする半導体圧力センサ
   の製造方法。