压阻式传感器

摘要

本发明使压阻式传感器的动作特性更稳定。压阻式传感器包括：压阻区域(102)，形成于半导体层(101)中，且导入了第一导电型的不纯部；保护区域(103)，覆盖形成有压阻区域(102)的区域的上部而形成于半导体层(101)中，且导入了第二导电型的不纯部；及接触区域(104a)、接触区域(104b)，连接于压阻区域(102)，在形成有保护区域的区域以外到达半导体层(101)的表面而形成，且导入了第一导电型的不纯部，使“压阻区域(102)的杂质浓度＜保护区域(103)的杂质浓度＜接触区域(104a)、接触区域(104b)的杂质浓度”。

权利要求

1.一种压阻式传感器，其特征在于，包括：

压阻区域，形成于半导体层中，且导入了第一导电型的杂质；

保护区域，覆盖形成有所述压阻区域的区域的上部而形成于所述半导体层中，且导入了第二导电型的杂质；以及接触区域，连接于所述压阻区域，在形成有所述保护区域的区域以外到达所述半导体层的表面而形成，且导入了第一导电型的杂质，使所述压阻区域的杂质浓度＜所述保护区域的杂质浓度＜所述接触区域的杂质浓度。

2.根据权利要求1所述的压阻式传感器，其特征在于，还包括：电极，在所述半导体层的表面侧与所述接触区域欧姆连接。

3.根据权利要求1或2所述的压阻式传感器，其特征在于，所述接触区域包括连接于所述压阻区域的第一接触区域、及到达所述半导体层的表面的第二接触区域，使所述压阻区域的杂质浓度＜所述保护区域的杂质浓度＜所述第一接触区域的杂质浓度＜所述第二接触区域的杂质浓度。

4.根据权利要求1或2所述的压阻式传感器，其特征在于，包括形成于所述半导体层中的较周围更薄的膜片，所述压阻区域形成于所述膜片。

5.根据权利要求4所述的压阻式传感器，其特征在于，所述膜片形成为俯视矩形，四个所述压阻区域配置于所述膜片的各边上。

6.根据权利要求1或2所述的压阻式传感器，其特征在于，n型杂质为磷，p型杂质为硼。

7.根据权利要求1或2所述的压阻式传感器，其特征在于，所述半导体层是由硅所构成。

说明书

压阻式传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种在半导体层的膜片(diaphragm)上具有压阻区域的压阻式传感器。

背景技术

[0002] 例如，根据受到了压力的膜片的挠曲量、即位移来输出压力值的压力传感器以半导体设备为代表而被广泛用于工业用途中。这种压力传感器中，有利用压阻效应以应力的形式检测膜片的位移，并根据所检测到的应力而输出压力值的压阻式。这种利用压阻效应的压阻式传感器通常具有在形成于n型半导体基板的膜片上，形成导入了p型杂质的压阻区域而成的元件结构。

[0003] 另外，专利文献1中公开了在所述压阻区域上形成由导入了n型杂质的区域构成的保护区域，覆盖压阻区域的上部。根据这种元件结构的压阻式传感器(半导体压力传感器)，能够不易受到设于半导体基板的表面的绝缘保护膜(例如二氧化硅)中或附着于表面的钠离子等污染物质的影响，从而能够谋求压阻区域的稳定化而实现高精度、高灵敏度的传感器动作特性。

[0004] [现有技术文献]

[0005] [专利文献]

[0006] 专利文献1：日本专利特公昭60-32993号公报

[0007] 专利文献2：日本专利特开2011-013179号公报

发明内容

[0008] [发明所要解决的问题]

[0009] 另外，当为了提高压阻区域的灵敏度而降低了压阻区域中的p型杂质的浓度时，难以实现压阻区域与电极的电连接。因此，通过连接于压阻区域而形成以更高浓度导入了p型杂质的接触区域，并将此接触区域电连接(欧姆连接)于电极，而实现电极与压阻区域的电连接(参照专利文献2)。

[0010] 但是，即便欲在这些压阻区域(高浓度的p型杂质区域及低浓度的p型杂质区域)的表面形成n型的杂质区域(保护区域)，利用保护区域将这些p型杂质区域完全覆盖，但使由高浓度的p型杂质区域构成的接触区域的表面反转(设为n型杂质区域)也非常困难。假设提高了保护区域中的n型杂质浓度时，也在与高浓度的p型杂质区域之间形成有pn接合，因而产生其击穿电压(breakdown voltage)(反向耐电压)降低，不可供实用的新问题。

[0011] 如上文所述那样，现有技术中难以设为以保护区域将压阻区域完全覆盖的状态，压阻式传感器的动作特性变得不稳定，例如导致使用温度范围变窄。

[0012] 本发明是为了消除以上那样的问题点而成，其目的在于使压阻式传感器的动作特性更稳定。

[0013] [解决问题的技术手段]

[0014] 本发明的压阻式传感器包括：压阻区域，形成于半导体层中，且导入了第一导电型的杂质；保护区域，覆盖形成有压阻区域的区域的上部而形成于半导体层中，且导入了第二导电型的杂质；及接触区域，连接于压阻区域，在形成有保护区域的区域以外到达半导体层的表面而形成，且导入了第一导电型的杂质，使压阻区域的杂质浓度＜保护区域的杂质浓度＜接触区域的杂质浓度。

[0015] 所述压阻式传感器中，还包括在半导体层的表面侧与接触区域欧姆连接的电极。

[0016] 所述压阻式传感器中，半导体层例如只要由硅构成即可。

[0017] 所述压阻式传感器中，接触区域包括连接于压阻区域的第一接触区域、及到达半导体层的表面的第二接触区域，使压阻区域的杂质浓度＜保护区域的杂质浓度＜第一接触区域的杂质浓度＜第二接触区域的杂质浓度。

[0018] 所述压阻式传感器中，包括形成于半导体层中且较周围更薄的膜片，压阻区域形成于膜片。例如，膜片形成为俯视矩形，四个压阻区域配置于膜片的各边上。

[0019] 所述压阻式传感器中，只要n型杂质为磷，p型杂质为硼即可。

[0020] 所述压阻式传感器中，半导体层只要由硅构成即可。

[0021] [发明的效果]

[0022] 如以上所说明，根据本发明，覆盖第一导电型的压阻区域的上部而形成第二导电型的保护区域，并形成连接于压阻区域的第一导电型的接触区域，且使压阻区域的杂质浓度＜保护区域的杂质浓度＜接触区域，因而可获得压阻式传感器的动作特性变得更稳定的优异效果。

附图说明

[0023] 图1是表示本发明的实施方式1的压阻式传感器的结构的截面图。

[0024] 图2是表示本发明的实施方式1的压阻式传感器的结构的平面图。

[0025] 图3是表示本发明的实施方式2的压阻式传感器的结构的截面图。

[0026] 图4A是表示本发明的实施方式2的压阻式传感器的制造方法的说明中的中途步骤的状态的截面图。

[0027] 图4B是表示本发明的实施方式2的压阻式传感器的制造方法的说明中的中途步骤的状态的截面图。

[0028] 图4C是表示本发明的实施方式2的压阻式传感器的制造方法的说明中的中途步骤的状态的截面图。

[0029] 图4D是表示本发明的实施方式2的压阻式传感器的制造方法的说明中的中途步骤的状态的截面图。

[0030] 图4E是表示本发明的实施方式2的压阻式传感器的制造方法的说明中的中途步骤的状态的截面图。

[0031] 图5是表示各杂质导入区域的厚度方向的浓度分布的特性图。

[0032] 符号的说明

[0033] 100：元件区域

[0034] 101：半导体层

[0035] 102：压阻区域

[0036] 103：保护区域

[0037] 104a、104b：接触区域

[0038] 105a、105b：电极

[0039] 106：绝缘层

具体实施方式

[0040] 以下，对本发明的实施方式进行说明。

[0041] [实施方式1]

[0042] 首先，参照图1对本发明的实施方式1的压阻式传感器进行说明。实施方式1的压阻式传感器在元件区域100中，包括压阻区域102、保护区域103、接触区域104a、接触区域104b及电极105a、电极105b。

[0043] 压阻区域102是形成于半导体层101中且导入了第一导电型的杂质的区域。半导体层101例如是由硅所构成。半导体层101例如为硅基板的表面侧的部分。而且，半导体层101也可为广为人知的绝缘体上硅(Silicon on Insulator，SOI)的表面硅层。而且，第一导电型例如为p型。压阻区域102是在包含硅的半导体层101中导入作为p型杂质的硼(B)而成的p型区域。

[0044] 另外，保护区域103是覆盖形成有压阻区域102的区域的上部而形成于半导体层101中且导入了第二导电型的杂质的区域。第二导电型例如为n型。压阻区域102是在包含硅的半导体层101中导入作为n型杂质的磷(p)而成的n型区域。

[0045] 另外，保护区域103在俯视时将整个压阻区域102覆盖。保护区域103在俯视时设为压阻区域102以上的面积。此外，保护区域103也可在半导体层101的厚度方向上，形成于较压阻区域102更靠半导体层101的表面侧。保护区域103无需与压阻区域102接触而形成。

[0046] 另外，接触区域104a、接触区域104b是连接于压阻区域102，在形成有保护区域的区域以外到达半导体层101的表面而形成且导入了第一导电型(例如p型)的杂质的区域。电极105a、电极105b在半导体层101的表面侧，与接触区域104a、接触区域104b各自欧姆连接。电极105a、电极105b例如是由金(Au)、铜(Cu)、铝(Al)等金属所构成。

[0047] 另外，实施方式1的压阻式传感器是使“压阻区域102的杂质浓度＜保护区域103的杂质浓度＜接触区域104a、接触区域104b的杂质浓度”。此外，各杂质例如能够通过广为人知的离子植入法而导入。

[0048] 此外，实施方式1中，在半导体层101的表面形成有由氧化硅等绝缘材料所构成的绝缘层106。电极105a、电极105b形成于绝缘层106上，贯穿绝缘层106而与接触区域104a、接触区域104b欧姆连接。

[0049] 根据这种元件结构的压阻式传感器，即便钠离子等污染物质(正离子)附着于表面，也能使电的影响仅止于配置在半导体层101的表面侧的保护区域103内。因此，配置得较保护区域103更深的压阻区域102不会受到污染物质的影响。

[0050] 另外，接触区域104a、接触区域104b与压阻区域102相比而杂质浓度更高，而且经设为高达与电极105a、电极105b进行欧姆连接的程度的杂质浓度。因此，即便所述污染物质附着于接触区域104a、接触区域104b，也不会在此区域中形成大的耗尽(depletion)层，能够充分减小污染物质的影响。

[0051] 进行更详细说明。若钠离子等污染物质存在于压阻区域的表面侧，则会导致不稳定性。最普遍的利用p型杂质区域的压阻的情况下，若存在钠离子等则在压阻区域的表层部形成耗尽区域，而且视压阻区域的杂质浓度不同，有时形成反转层。

[0052] 若这样形成耗尽区域或反转层，则薄层电阻(sheet resistance)变化。此问题导致压阻区域的电阻值变动。结果引起传感器的输出精度的降低、或输出不稳定等现象。此处，用于形成反转层的阈值电压Vth是由以下的式子表示。当以p型形成了压阻区域时，成为压阻区域的杂质浓度＝NA，阈值电压Vth具有压阻的杂质浓度依赖性。而且，钠离子的电荷具有与Vth同样的效果。因此，压阻区域的杂质浓度越低，越容易受到钠离子等运作电荷的影响。在作为压阻区域而灵敏度最高的约1018cm-3左右的浓度的情况下，在仅相当于几伏(V)左右的电荷量下便会受到影响。

[0053] [数1]

[0054]

[0055]

[0056] NA：受体杂质浓度，q：电子的电荷量，

[0057] εSi：硅的相对介电常数，εOX：氧化膜的相对介电常数，

[0058] ε0：真空的介电常数，k：波尔茨曼常数(Boltzmann's constant)，[0059] ni：本征半导体载流子(carrier)浓度，xOX：氧化膜厚

[0060] 费米能级(Fermi level)与禁带中央能级之差

[0061] VFB：平带电压(flat-band voltage)

[0062] 此处，若为了与电极接触而简单地提高压阻区域的杂质浓度，且利用离子植入法来形成不同导电型的保护区域，则事实上无法以保护区域来覆盖整个压阻区域。离子植入法中，周边部的杂质浓度降低得不够彻底，容易受到所述污染物质的离子的影响。而且，若为了抑制此影响而以更高浓度的杂质区域来形成保护区域，则引起击穿电压的明显降低，因而无法实际使用。

[0063] 相对于此，根据实施方式，如上文所述，使“压阻区域102的杂质浓度＜保护区域103的杂质浓度＜接触区域104a、接触区域104b的杂质浓度”，因而所述问题得到抑制，将压阻区域102及接触区域104a、接触区域104b中的薄层电阻的变化抑制于最小限度，能够实现动作特性稳定的高灵敏度的压阻式的传感器。这种实施方式1的压阻式传感器例如可用作压力传感器或加速度传感器。

[0064] 例如，若如图2所示，在半导体层101中形成较周围更薄的俯视矩形的膜片121，并以在膜片121的四条边上配置压阻区域的方式配置四个元件区域100，将四个压阻区域桥式连接，则能够制成以膜片121作为受压部的压力传感器。通过以桥式输出的形式来检测伴随受到了压力的膜片121的变形的、四个压阻区域的电阻值的变化，可检测压力。加速度传感器也基本上具有同样的结构。

[0065] [实施方式2]

[0066] 接下来，参照图3对本发明的实施方式2的压阻式传感器进行说明。实施方式2的压阻式传感器在元件区域100中包括压阻区域102、保护区域103、接触区域104a、接触区域104b及电极105a、电极105b。而且，在半导体层101的表面形成有绝缘层106。这些结构与上文所述的实施方式1相同。

[0067] 实施方式2中，接触区域104a包括连接于压阻区域102的第一接触区域141a、及到达半导体层101的表面的第二接触区域142a。接触区域104b也同样，包括连接于压阻区域102的第一接触区域141b、及到达半导体层101的表面的第二接触区域142b。实施方式2中，电极105a、电极105b在半导体层101的表面侧与第二接触区域142a、第二接触区域142b各自欧姆连接。

[0068] 另外，使“压阻区域102的杂质浓度＜保护区域103的杂质浓度＜第一接触区域141a、第一接触区域141b的杂质浓度＜第二接触区域142a、第二接触区域142b的杂质浓度”。

[0069] 第一接触区域141a、第一接触区域141b在半导体层101的厚度方向上，形成为与压阻区域102相同程度的深度。俯视时，与压阻区域102的一端侧接触而形成有第一接触区域141a，在压阻区域102的另一端侧形成有第一接触区域141b。

[0070] 另外，第二接触区域142a、第二接触区域142b在半导体层101的厚度方向上，形成为与保护区域103相同程度的深度。

[0071] 根据实施方式2，在几乎不增大压阻区域102与接触区域104a、接触区域104b的接触部位的杂质浓度差的情况下，使接触区域104a、接触区域104b与电极105a、电极105b的欧姆连接更良好。根据实施方式2，能够使压阻区域102-第一接触区域141a、第一接触区域141b-第二接触区域142a、第二接触区域142b的路径的杂质浓度平缓。

[0072] 以下，参照图4A～图4E对实施方式2的压阻式传感器的制造方法进行说明。

[0073] 首先，如图4A所示，在半导体层101上形成具备开口部201a的无机掩模层201。开口部201a配置于形成接触区域104a、接触区域104b的部位。例如，在半导体层101上利用溅镀法或化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)法等堆积法来堆积氧化硅(SiO2)等无机绝缘材料而形成氧化硅层。接着，利用众所周知的光刻技术及蚀刻技术将所形成的氧化硅层图案化，由此形成开口部201a而制成无机掩模层201即可。当半导体层101为硅时，氧化硅层也可将其表面热氧化而形成。蚀刻中，例如能够利用将氢氟酸(HF)作为蚀刻剂的湿式蚀刻选择性地蚀刻氧化硅，由此形成开口部201a。

[0074] 接着，利用广为人知的离子植入法使用无机掩模层201在半导体层101中选择性地离子植入硼，由此形成p型杂质区域202。此处，以将p型杂质导入至形成上文所述的第二接触区域142a、第二接触区域142b的区域程度的深度的方式，以规定的植入能量进行离子植入。

[0075] 接下来，如图4B所示，利用离子植入法使用无机掩模层201在半导体层101中选择性地再次离子植入硼，由此形成第一接触区域141a、第一接触区域141b及第二接触区域142a、第二接触区域142b。此步骤中，以将p型杂质导入至形成第一接触区域141a、第一接触区域141b的程度的深度的方式，以规定的植入能量进行离子植入。

[0076] 通过所述两次离子植入，而在第二接触区域142a、第二接触区域142b(p型杂质区域202)中两次导入杂质，从而杂质浓度成为更高的浓度。若通过一次离子植入来形成接触区域104a、接触区域104b，则通常难以提高半导体层101的表面侧的杂质浓度，而如所述那样，通过两次离子植入，能够充分提高表面侧的杂质浓度。

[0077] 接下来，如图4C所示，在半导体层101上形成具备开口部203a的无机掩模层203。开口部203a配置于形成压阻区域102及接触区域104a、接触区域104b的部位。此处，开口部203a的区域包含上文所述的无机掩模层201的开口部201a的区域。因此，例如只要在无机掩模层201中新形成开口部203a，由此制成无机掩模层203即可。此外，也可去除无机掩模层
201后，与上文所述同样地操作，由此新形成无机掩模层203。

[0078] 接下来，利用离子植入法使用无机掩模层203在半导体层101中再次选择性地离子植入硼，由此形成p型杂质区域204。此处，以将p型杂质导入至形成压阻区域102的区域程度的深度的方式，以规定的植入能量进行离子植入。p型杂质区域204是成为压阻区域102的区域。

[0079] 接着，将无机掩模层203去除后，如图4D所示，在半导体层101上形成具备开口部205a的无机掩模层205。开口部205a配置于形成保护区域103的部位。与上文所述同样地，只要在半导体层101上形成氧化硅层，利用众所周知的光刻技术及蚀刻技术将所形成的氧化硅层图案化，由此形成开口部205a而制成无机掩模层205即可。

[0080] 接下来，利用离子植入法使用无机掩模层205在半导体层101中选择性地离子植入磷，由此形成作为n型杂质区域的保护区域103。由此，以覆盖于作为p型杂质区域的压阻区域102上的状态而形成保护区域103。此处，以将n型杂质导入至形成保护区域103的区域程度的深度的方式，以规定的植入能量进行离子植入。

[0081] 此外，所述杂质导入区域的形成中，进行离子植入后，进行用于使所植入的离子活化的加热处理。

[0082] 接着，将无机掩模层205去除后，如图4E所示，形成绝缘层106，而且在绝缘层106中形成贯穿孔106a。例如，利用规定的堆积法来堆积氧化硅而形成绝缘层106。接下来，利用众所周知的光刻技术及蚀刻技术将所形成的绝缘层106图案化，由此形成贯穿孔106a即可。

[0083] 然后，在绝缘层106上，形成在形成电极105a、电极105b的区域具有开口部的掩模图案(未图示)，在此掩模图案上堆积规定的金属而形成金属膜。例如，只要利用广为人知的蒸镀法或电镀法来形成金属膜即可。接着，将掩模图案去除(剥离(lift off))，由此如图3所示那样形成电极105a、电极105b。

[0084] 接下来，参照图5对所述各杂质导入区域中的、半导体层101的深度方向上的浓度分布进行说明。各杂质导入区域的杂质浓度视深度而变化，具有图5所示那样的分布。

[0085] 图5中，特性(a)为俯视时压阻区域102(保护区域103)的区域中的p型杂质的浓度分布。特性(b)为俯视时保护区域103(压阻区域102)的区域中的n型杂质的浓度分布。

[0086] 另外，图5中，特性(c)为俯视时由两次离子植入所形成的接触区域104a、接触区域104b(实施方式2)的区域中的p型杂质的浓度分布。而且，图5中，特性(d)为俯视时由一次离子植入所形成的接触区域104a、接触区域104b(实施方式1)的区域中的p型杂质的浓度分布。

[0087] 如图5所示，通过离子植入所形成的杂质区域的杂质浓度视深度而变化。因此，压阻区域102中，以杂质峰浓度在规定深度成为呈现规定灵敏度的“压阻区域杂质浓度”的方式进行设定。

[0088] 另外，保护区域103中，表面侧的“保护区域杂质浓度”的区域是以压阻区域102的形成区域成为下侧并将此区域完全覆盖的方式，设定得高于“压阻区域杂质浓度”。

[0089] 此外，接触区域104a、接触区域104b中，若由一次离子植入来形成，则即便以在规定深度高于“压阻区域杂质浓度”的方式设定，通常也如特性(d)所示，表面侧的杂质浓度降低。相对于此，若由两次离子植入来形成，则如特性(c)所示，在规定深度高于“压阻区域杂质浓度”，且在表面侧也获得充分高的杂质浓度。

[0090] 由所述说明表明，通过利用多次离子植入来形成各杂质区域，能够更容易地实现压阻区域102、保护区域103、接触区域104a、接触区域104b中的所需的浓度分布状态。这样，通过使用离子植入法，能够容易且有效地形成上文所述的实施方式2的压阻式传感器的各杂质区域。

[0091] 如以上所说明，根据本发明，覆盖第一导电型的压阻区域的上部而形成第二导电型的保护区域，并形成连接于压阻区域的第一导电型的接触区域，且使压阻区域的杂质浓度＜保护区域的杂质浓度＜接触区域，因而压阻式传感器的动作特性变得更稳定。

[0092] 此外，本发明不限定于以上所说明的实施方式，在本发明的技术思想内，在本领域中技术人员明白可实施多种变形及组合。例如，当然也可将第一导电型设为n型，将第二导电型设为p型。而且，半导体层不限于硅，也可由其他半导体构成。而且，各杂质区域不限于离子植入法，也可利用广为人知的扩散法来形成。