力学量計測装置
【課題】
ｐ型不純物層とｎ型不純物層との組み合わせより構成される多軸ひずみ計測が可能な半導体チップにおいて、製造時における感度ばらつきが大きいため、計測精度が低下する。
【解決手段】
ｐ型不純物層４ｂ，４ｄのシート抵抗値を１２０Ω以上、ｎ型不純物層４ａ，４ｃのシート抵抗値を１００Ω以下とする。さらにｐ型不純物層４ｂ，４ｄから構成されるひずみ検知部の折り返し回数を、ｎ型不純物層４ａ，４ｃより少なくする
【効果】
ｐ型不純物層の感度ばらつきを減少できるとともに、ｐ型不純物層とｎ型不純物層のひずみ感度の温度依存性を揃えることができ、多軸ひずみ計測精度の向上が可能となる。
ｐ型不純物層とｎ型不純物層との組み合わせより構成される多軸ひずみ計測が可能な半導体チップにおいて、製造時における感度ばらつきが大きいため、計測精度が低下する。
【解決手段】
ｐ型不純物層４ｂ，４ｄのシート抵抗値を１２０Ω以上、ｎ型不純物層４ａ，４ｃのシート抵抗値を１００Ω以下とする。さらにｐ型不純物層４ｂ，４ｄから構成されるひずみ検知部の折り返し回数を、ｎ型不純物層４ａ，４ｃより少なくする
【効果】
ｐ型不純物層の感度ばらつきを減少できるとともに、ｐ型不純物層とｎ型不純物層のひずみ感度の温度依存性を揃えることができ、多軸ひずみ計測精度の向上が可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は力学量の計測装置、および力学量の計測が可能なシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで力学量計測装置として特開２００６−００３１８２号公報に示されるように、半導体単結晶基板に局所的に不純物層を設け、この不純物層の抵抗値のひずみ依存性から、半導体単結晶基板を貼り付けた被測定物のひずみを計測しようとする方法が行われている。また、これらの方法では、不純物抵抗のひずみ感度の結晶異方性を利用し、特定の方向に電流を流せるようにした不純物層４つを用いてホイートストンブリッジ回路（以下、ブリッジ、もしくはブリッジ回路と呼ぶ）を形成し、特定方位のひずみの計測を実現している。なお、該力学量計測装置を低消費電力化するために、特開２００６−００３１８２号公報の図１８にあるように、各不純物層を折り返して、コンタクトと配線で接続して細長くする、ということも行われている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−００３１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の公知例においては、ｐ型不純物層のシート抵抗ばらつきに由来したオフセットや感度ばらつきが非常に大きく、計測上の障害や計測精度が大幅に低下するという問題があった。よって本発明では、高精度な計測が可能な力学量計測装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題は、ｐ型不純物層のシート抵抗値をｎ型不純物層のシート抵抗値より高くすること、またはｐ型不純物層の折り返し数をｎ型不純物層の折り返し数より少なくすることにより達成される。または、ブリッジ回路を構成する４つの不純物層のうち、対向する２つを隣に形成することにより達成される。または、ブリッジ回路を構成する各不純物層の折り返しの間隔と、ブリッジ回路の対向する２つの不純物層の間隔を一致させることにより達成される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ｐ型不純物層の抵抗値のばらつきが小さくなり、ブリッジ回路のオフセットが小さくなって高精度な計測をすることができる。また、本発明によれば感度バラツキが減少するので、２軸のひずみを分離して計測しようとする際にも精度良く計測値を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【０００８】
本発明においては、ひずみ感応部として半導体基板に不純物層を設けたものであり、半導体単結晶の結晶方位とピエゾ抵抗係数の関係を考慮し、不純物層の電流方向とひずみを計測する方向との関係を、所望の特性を得られるように考慮したものである。以下では、単結晶半導体基板２の結晶面や結晶方位の表記には、ミラー指数を用いる。
【０００９】
ミラー指数表記においては、マイナス方向を指定する場合、数字の上にバーを付するが、本明細書中においては便宜上バーの付いた数字は“−”をつけて〔−１１０〕のように表記する。また特定の面や方向を表す場合には（）と〔〕をそれぞれ用い、単結晶半導体基板内において等価である面や方向を表す場合には、それぞれ｛｝と＜＞を用いて表記する。さらに、本明細書においては不純物層の長手方向に電流を流し、電流の流れる方向の抵抗値の変動を計測する。不純物層の長手方向という表記は電流を流し抵抗値変動を計測する方向を意味するものとする。
【実施例１】
【００１０】
図１，図２に示すように、１つの半導体基板上にｐ型不純物層４ｂ，４ｄとｎ型不純物層４ａ，４ｃを組み合わせたブリッジ回路を用いて、多軸ひずみ場の計測を行うことが可能である。すなわち本実施例においては、＜１００＞方向と平行な方向に電流を流しブリッジ回路の対辺を構成するｎ型不純物層４ａ，４ｃと、＜１００＞方向に平行な方向に電流を流しブリッジ回路の対辺を構成するｐ型不純物層４ｂ，４ｄの組み合わせによってブリッジ回路４を構成しており、このうち該ｐ型不純物層４ｂ，４ｄはどの方向のひずみに対してもひずみ感度が非常に低いのに対して、ｎ型不純物層４ａ，４ｃは、電流方向のひずみに対する感度が高く、さらに電流方向と直角な方向のひずみに対する感度をある程度持つ。よって図１，図２に示すように、ブリッジ回路４を構成することによって、ｐ型不純物層４ｂ，４ｄの電流方向のひずみを主に検知することが可能となる。
【００１１】
なお、各不純物層においては、低消費電力化を行うために高抵抗化することが望まれ、そのために図３に示すように複数本の不純物層４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを設け、それぞれコンタクトホール５１と配線５０で接続して、折り返しながら長さを稼ぎ、抵抗値を増加させるという方法が取られる。あるいは図４に示すように、コンタクトホール１１と配線１２でなく、各拡散層自体で折り返すのでも同様な効果がある。
【００１２】
しかしながら、ウエハ毎，ロット毎にｐ型不純物層４ｂ，４ｄの実際のシート抵抗値が製造プロセスにおける設定値から大きく変化することが多く、回路パターン設計時に想定した値と異なるシート抵抗値にでき上がるものが多かった。よってｐ型不純物層４ｂ，
４ｄの抵抗値がｎ型不純物層４ａ，４ｃの抵抗値と異なるものが多いためにブリッジ回路に不均衡が生じ、大きなオフセットが発生する場合が多かった。この出力をアンプで増幅しようとする際に、オフセットのために出力が飽和してしまう等の問題があり、高倍率の増幅ができず、高精度な計測に支障をきたしていた。すなわち、オフセットが大きくなってしまうために、倍率を上げた高精度な測定が難しくなるという問題があった。
【００１３】
上記の力学量計測装置におけるｐ型不純物層のシート抵抗ばらつきは、ｐ型不純物であるボロン原子の挙動に由来することが明らかとなってきた。すなわち、ボロン原子のようにｐ型不純物の半導体中での拡散がｎ型不純物に比べて格段に速いために不純物分布が崩れやすく、また、ボロン原子は半導体中において侵入型の拡散機構を持つために、その拡散した原子がひずみ場にトラップされやすい。この現象は、高濃度にイオン注入される場合には、イオン注入領域に発生する異種原子混入に起因するひずみ場が形成されることによって著しく悪化する。また半導体基板内にイオン注入に起因する微小欠陥が多量に含まれている場合には、この微小欠陥へのトラップによりさらにこのバラツキが大きくなる。
【００１４】
すなわち、拡散したボロン原子は、拡散パターンの角部やコンタクト部などのひずみの集中場にトラップされやすく、これらのひずみはイオン注入量が多いほど、すなわち、シート抵抗が高いほど大きくなる。ロット毎，ウエハ毎、あるいはウエハ面内における僅かなパターンずれや形状のばらつきによってもひずみの集中の程度が変わるので、トラップの量が大きく変化しやすく、これが抵抗値のばらつきに反映される。
【００１５】
力学量計測装置の断面構造を図５に示す。シリコン基板２の表面に不純物層４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄおよび５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが形成され、これにコンタクトホール５１が接続されており、このコンタクトホール５１の端部には配線５０が形成されている。このコンタクトホール５１および配線５０は層間絶縁膜５２に埋め込まれている。さらに断面の詳細を図６に、平面の拡大図を図７に示す。本発明においては、図６や図７に示す各不純物層の折り返し部１３やコンタクトホール５１との境界面１２においては、ひずみが集中しやすく、ここにボロン原子がトラップされやすい。よって、コンタクトホール５１との境界面１２や折り返し部１３のパターンの若干のズレや加工誤差等によって局所的なひずみ値が変動することから、これがトラップ量に影響を与え、シート抵抗値のばらつきの原因となる。
【００１６】
以上の要因によって、ｐ型不純物層を構成するボロン原子の分布がばらつくため、不純物層のシート抵抗が大きくばらつくことが明らかとなってきた。
【００１７】
なお、ｎ型不純物層を構成するヒ素やリン原子では、半導体中の拡散速度がボロンに比べて格段に低く、また置換型拡散機構を持つためにひずみ場の影響を受けにくい。よって、ｎ型不純物層ではロット毎，ウエハ毎、あるいはウエハ面内における微妙な熱処理温度の違いの影響を受けにくいという特徴がある。ｎ型不純物層では不純物濃度を小さくしすぎると、ひずみ取得特性の温度依存性が過大となるために、ひずみセンサの特性が悪くなるという問題が発生する。
【００１８】
そこで本発明では、図３や図４に示す力学量測定装置において、ｐ型不純物層４ｂ，
４ｄのｐ型不純物のシート抵抗を１２０Ω以上、表面不純物濃度換算で５×１０19cm-3以下とすることを特徴とする。
【００１９】
ｐ型不純物のシート抵抗を増加させること、すなわち不純物注入量を減らすことにより、シート抵抗値に与える不純物分布の影響を相対的に低下させる効果を持つようにできる。すなわち、ボロン原子の注入量を減らすことによって、イオン注入層事態が持つひずみ場を減少させることができ、ひずみ場にトラップされる原子の量が少なくなることから、ｐ型不純物層４ｂ，４ｄの抵抗ばらつきを小さくすることができる。また、ｐ型不純物の注入量を減らすことで、半導体結晶内の結晶格子のひずみや微小欠陥等を減少させることができるので、濃度ばらつきやトラップ量のばらつきを抑えることが可能となり、結果としてｐ型不純物層のシート抵抗ばらつきが低減できる。図１９に示すようにシート抵抗を
１２０Ω以上とするとシート抵抗ばらつきの範囲は２割以下となる。このようにシート抵抗を１２０Ω以上とすることによりシート抵抗バラツキの発生が抑えられるので、オフセットが過大になることを防止することができる。また、シート抵抗の上限値は実施例２で後述する温度依存性の理由から５００Ω以下とすることが望ましい。
【００２０】
一方、ｎ型不純物層では、半導体中の拡散速度がボロンに比べて格段に低いために、シート抵抗を増加させなくともばらつきは大きくならない。逆に、ｎ型不純物層４ａ，４ｃのシート抵抗をｐ型と同様に増加させてしまうと、ひずみ感度の温度依存性が過大となるために望ましくない。すなわちｎ型不純物層の感度の温度依存性はｐ型不純物層に比べて非常に大きいために、温度変化によって大きな誤差が生じやすく、逆に測定精度を低下させる原因となるという大きな問題が発生するため、ｐ型不純物層とは逆に不純物濃度を増加させることが望ましい。図２０に示すように、シート抵抗が１００Ωを越えるとピエゾ抵抗係数の温度依存性が急激に大きくなることがわかる。すなわちシート抵抗を１００Ω以下とすることにより、温度変化による誤差を最小限に抑えることができる。シート抵抗１００Ω以下とは表面不純物濃度換算で１×１０20cm-3以上に相当する。なお、シート抵抗が４０Ω以下になるとピエゾ抵抗係数が最大値の２割以下と小さくなり、ひずみ感度が小さくなりすぎるのでノイズに弱くなる等、問題点が大きくなる。このように、望ましくはｎ型不純物層のシート抵抗は４０Ω以上１００Ω以下が望ましい。
【００２１】
よって、ｐ型とｎ型の不純物層を組み合わせて１つのブリッジを構成する場合において、ｐ型不純物層４ｂ，４ｄのｐ型不純物のシート抵抗を１２０Ω以上、ｎ型不純物層４ａ，４ｃのｎ型不純物のシート抵抗を１００Ω以下とすることによって、ｐ型不純物層に由来するばらつきと、ｎ型不純物層に由来する温度変化によるひずみ感度の変動を、両方とも防止できる力学量測定装置を得ることができる。
【００２２】
さらに図８に示すように、これに加えてｐ型不純物層の折り返し回数を少なくすることで、ひずみの集中箇所を減らすことができ、これによって不純物分布のばらつきを低減することが可能となる。すなわちｐ型不純物層の総面積に対するひずみ集中箇所の面積の割合を低下させることができるので、シート抵抗のばらつきを低減させることが可能となる。ｐ型不純物層とｎ型不純物層を組み合わせて用いるブリッジ回路において、ｐ型不純物層４ｂ，４ｄの折り返し数をｎ型不純物層４ａ，４ｃの折り返し数より少なくし、さらにｐ型不純物層４ｂ，４ｄのシート抵抗値を１２０Ω以上、ｎ型不純物層４ａ，４ｃのシート抵抗値を１００Ω以下とする。これによって、ｐ型不純物層４ｂ，４ｄのシート抵抗ばらつきが低減できるためにブリッジ回路４のオフセットを抑えることができ、またブリッジ回路４のひずみ感度の温度依存性が過大とならないようにすることができる。よってこの出力をアンプ等によって増幅しようとする場合にも、出力が飽和するという問題がなく、高倍率に増幅して高感度な測定が可能となる。
【００２３】
また、本発明によれば、ｐ型不純物層の折り返し回数をｎ型不純物層の折り返し回数より少なくするとともに、ｐ型不純物の注入量を減らしてシート抵抗値をｎ型不純物層より大きくすることによって、図８に示すように、ｐ型不純物層４ｂ，４ｄの長さをｎ型不純物層４ａ，４ｃの長さとほぼ同じにできるという副次効果もある。通常、ｐ型不純物層の折り返し数を少なくした場合には、ｐ型不純物層４ｂ，４ｄだけ長くなるために、ｐ型不純物層とｎ型不純物層との間で温度差やひずみ分布の差が発生するために誤差が大きくなる。しかしながら、本実施例の場合には、ｎ型不純物層の折り返し数が多くなるように折り返すことによってｐ型不純物層４ｂ，４ｄとｎ型不純物層４ａ，４ｃがほぼ同じ長さにできることから、ほぼ同じ位置に配置できる。よってｐ型不純物層４ｂ，４ｄとｎ型不純物層４ａ，４ｃの温度やひずみ状態を全く同じにできるので、温度が変化した場合や大きなひずみ分布がある場合においても誤差の発生を防止することができる。なお、ここでｎ型不純物層とｐ型不純物層の幅はほぼ同じであることを仮定している。
【００２４】
なお、このようにｐ型不純物層の折り返し数を少なくするのと同時に、ｐ型不純物やｎ型不純物の注入量を所定の範囲にすると、これらの相乗効果によって多くの利点が生じるが、どちらか一方の処理を行うだけでも、オフセットを抑制する効果は十分に有する。
【００２５】
さらに、図６から図８を用いて、主にブリッジ回路４について説明したが、図９に示すように１つのシリコン基板２に複数のブリッジ回路を設け、多軸ひずみ場のひずみ状態を計測する場合でも同様な利点が生じるとともに、ブリッジ回路が小さくなるので全体的にチップ面積を小さくでき、低コストで製造できるという利点も生じる。
【実施例２】
【００２６】
図１０や図１１に示すように、１つの半導体基板上に、ｐ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路４とｎ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路５の両方を有する力学量計測装置を用いると、多軸ひずみ場におけるひずみ状態を計測できる。図１０に示す力学量計測装置では、＜１１０＞方向を電流の方向と平行とするｐ型不純物層１４ａ,１４ｂ,１４ｃ，１４ｄで構成されるブリッジ回路４と、＜１００＞方向を電流方向と平行とするｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄで構成されるブリッジ回路５を、同一のシリコン基板２に形成してある。ブリッジ回路４では＜１１０＞方向の垂直ひずみが、ブリッジ回路５では＜１１０＞方向を座標軸とするせん断ひずみが、それぞれ計測できる。
【００２７】
また図１１に示す力学量計測装置では、＜１１０＞方向を電流の方向と平行とするｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄで構成されるブリッジ回路４と＜１１０＞方向を電流の方向と平行とするｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄで構成されるブリッジ回路５を、同一のシリコン基板に形成してある。この２つのブリッジ回路を用いることにより、〔１１０〕と〔−１１０〕の直交２軸のひずみを分離して求めることが可能となる。
【００２８】
これらの力学量計測装置では、同一のシリコン基板２上にブリッジ回路４とブリッジ回路５を形成していることから、接着時に発生する感度誤差や貼り付け位置の誤差などが低減でき、高精度計測が可能となる。また、微小領域に各方向のひずみ量を計測するブリッジ回路を設けられることから、微小部に発生する応力集中場のひずみでも精度良く求められるという利点がある。
【００２９】
しかしながら、これだけでは、前述のように、ブリッジ回路４の不純物分布がロット毎，ウエハ毎に変わり、これに起因してブリッジ回路４のひずみ感度が大きく変動するために、高精度な計測が難しかった。すなわち、１つの半導体基板上に、ｐ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路とｎ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路の両方を有する力学量計測装置を用いて、それぞれのブリッジの出力から多軸ひずみを分離して求めようとする場合には、ウエハ毎，ロット毎にｐ型不純物拡抵抗のシート抵抗が大きく変化するために、ｐ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路のひずみに対する感度が大きく変動する。よって、ｐ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路とｎ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路の両方の計測値を用いて、その局所領域のひずみ状態をテンソル量として求めようとする際に設計された抵抗値を用いて行うと誤差が発生し、正確な計測が実現できないという問題がある。また、ｐ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路とｎ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路とでは、両者のひずみ感度の温度依存性が大きく異なるために、温度が変化した際には大きな誤差となるという問題もあった。
【００３０】
図１２，図１３には本発明における第２の実施例を示す。なお、図１２，図１３には半導体基板２は記していないが、ブリッジ回路４とブリッジ回路５が半導体基板表面に形成されているところを、ブリッジ回路４とブリッジ回路５の部分のみ記したものである。本実施例では、実施例１と同様に、ｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄのシート抵抗を１２０Ω以上とし、ｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄのシート抵抗を１００Ω以下とする。これによってｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの不純物分布のばらつきを抑えられるので、ブリッジ回路４のひずみ感度のばらつきを抑えることが可能となる。さらに図１２，図１３に示すように、ブリッジ回路４を構成するｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの折り返し数を、ブリッジ回路５を構成するｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの折り返し数より少なくする。これによって、さらにｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの不純物分布のばらつきを抑えられ、またｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの長さがｐ型不純物層１４ａ，14ｂ，１４ｃ，１４ｄに比べて極端に長くなるのを抑えられるので、ブリッジ回路４のひずみ感度のばらつきを抑えることが可能となる。よって本実施例によれば、微小部分の多軸ひずみが精度良く計測可能な力学量計測装置が提供できる。さらに詳細に述べると、ブリッジ回路４とブリッジ回路５の大きさをほぼ揃えることができるので、半導体基板面内で同様なひずみを受けられるようにできる。すなわち、実施例１に示した抵抗値の範囲内でｎ型不純物層の折り返し回数を少なくすると、１本の不純物層の長さが必然的に長くなる。その場合にはチップ端部近傍までブリッジ回路４が配置されることになり、チップ端部において被測定物のひずみと異なったひずみ量がｎ型不純物層に負荷され、ｐ型不純物層のひずみ負荷状態と異なることになるため、計測精度が低下するという問題が生じる。しかしながら、ｎ型不純物層の折り返し回数をｐ型より多くすることによって、ｎ型不純物層の長さがｐ型不純物層とほぼ同等にできるので、この問題が解消できる。すなわち、上記に述べたようなｐ型シート抵抗ばらつきの低減効果とともに、ｎ型不純物層の大きさが小さくできるようになるために、ばらつきの防止とともに計測精度の低下防止も実現できる。本実施例によれば、ブリッジ回路５のひずみ状態をブリッジ回路４と同様にすることができたので、ひずみ分布や温度分布がある被測定物を計測する場合にも、多軸のひずみ状態を容易に計測することができる。
【００３１】
しかしながら、単に上記の方法だけでも、図１０や図１１に示すような１つの半導体基板上に、ｐ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路４とｎ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路５の両方を有する力学量計測装置では多軸のひずみ計測精度が低下する場合がある。すなわち、ｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄのシート抵抗を１２０Ω以上にし、ｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄのシート抵抗を１００Ω以下にしても、ｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄのひずみ感度の温度依存性による抵抗変化量と、ｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄのひずみ感度の温度依存性による抵抗変化量が異なる条件では、温度が変化した場合に多軸ひずみ状態の計測を行う場合に、２つのセンサの温度依存性が異なるために誤差が拡大してしまう。
【００３２】
そこで、図１４に示すようにｐ型不純物濃度をｎ型不純物濃度の４３％程度を中心として２０％から６０％の範囲とすることにより、温度変化に対するピエゾ抵抗の変化率をｎ型とｐ型で２割の範囲内でほぼ等しくすることができる。これをシート抵抗に変換して考えると、ｐ型不純物のシート抵抗とｎ型不純物のシート抵抗比が１.６７〜５.０：１となる。さらにｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄのシート抵抗を１２０Ω以上
（望ましくは１２０〜５００Ω）にし、ｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄのシート抵抗を１００Ω以下（望ましくは４０〜１００Ω）であり、前出の比が満足できるシート抵抗が望ましい。例えば、ｎ型不純物層のシート抵抗を８０Ω程度とすると、ｐ型不純物層のシート抵抗は１３４Ωから４００Ω程度が望ましい。シート抵抗がこのような範囲にあるように図１０，図１１の力学量測定装置を形成することによって、温度が変化した場合でも高精度な多軸ひずみ状態の計測が可能となる。
【００３３】
なお、本実施例の場合には２つのブリッジ回路が１つのシリコン基板２に形成された場合について述べたが、さらに多くのブリッジ回路が形成された場合でも同様な効果を有する。
【００３４】
また、このようにｐ型不純物層の折り返し数を少なくするのと同時に、ｐ型不純物の注入量を減らしてシート抵抗値を増加させると、これらの相乗効果によって多くの利点が生じるが、どちらか一方の処理を行うだけでも、オフセットを抑制する効果は十分に有する。
【実施例３】
【００３５】
特許文献１等の公知例においては、４つの不純物層の抵抗値を同一にして、ブリッジ回路が平衡するように設計するが、実際に製造すると４つの不純物層の値が微妙に異なり、若干のオフセットが発生してしまう。よって本発明においては、ブリッジを構成する４つの不純物層の抵抗値が等しく、オフセットが極力発生しない力学量計測装置を提供する。
【００３６】
図１５には本発明の第三の実施例を示す。図１５ではブリッジ回路の対辺を構成するｐ型不純物層１４ａと１４ｃを並べて配置し、またブリッジ回路の対辺を構成するｐ型不純物層１４ｂと１４ｄを隣に並べて配置する。また、ｐ型不純物層１４ａを構成する各拡散抵抗の間隔を寸法Ｌとし、ｐ型不純物層１４ｃを構成する各拡散抵抗の間隔も同様にＬとし、さらにｐ型不純物層１４ａとｐ型不純物層１４ｃの距離、およびｐ型不純物層１４ｂとｐ型不純物層１４ｄの距離もＬとする。このように各拡散抵抗の間隔を一定にし、ｐ型不純物層１４ａとｐ型不純物層１４ｃ，ｐ型不純物層１４ｂとｐ型不純物層１４ｄと、の間隔を一定にすることによって、各不純物層の応力状態を同一にすることができ、ボロン原子の不純物拡散速度や電気的活性の程度，原子トラップの程度をそろえることができる。すなわち、ｐ型不純物層１４ａとｐ型不純物層１４ｃのように、ブリッジ回路の二辺以上を構成する不純物層を同じ方向を向いて配置する場合には、複数の不純物層を同じ方向を向いて一定間隔Ｌで配置し、この複数の不純物層を電気的に連絡してブリッジ回路の二辺以上を構成する不純物層を形成することで、各不純物層の均一性を高めることができる。これによって、ｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ,１４ｃ,１４ｄの抵抗値を精密に一致させることができるので、ブリッジ回路のオフセットの発生を防止することができる。なお、図１５ではｐ型不純物層から構成されるブリッジ回路を例に挙げて示した。ｐ型不純物層のほうが、ボロン原子の拡散が早いために元来のパターンが同じ間隔に並んでいない場合のばらつきが大きく、本実施例はｐ型不純物層のシート抵抗バラツキ低減に効果が高い。しかしながらｎ型不純物層から構成されるブリッジ回路でも、本実施例によればイオン注入条件の均一化が図られることから、ｐ型より効果は小さいが同様な効果を有する。
【００３７】
さらに図１６に示すように、ｐ型不純物層１４ａと１４ｃの端部や１４ｂと１４ｄの端部に、電気的にブリッジ回路には接続されていないダミー拡散抵抗６を設けても良い。ダミー拡散抵抗６と各不純物層１４ａ〜１４ｄとの間隔や、ダミー拡散抵抗６どうしの間隔もＬにすることが望ましい。すなわち、複数の不純物層を同じ方向を向いて一定間隔Ｌで配置し、この複数の不純物層を電気的に連絡してブリッジ回路の二辺以上を構成する不純物層を形成するとともに、複数の不純物層はダミー拡散抵抗を含むようにする。ダミー拡散抵抗は、不純物層の並びのうち、ブリッジ回路を構成する不純物層よりも端に設けることが望ましい。その場合には、さらに各不純物層の周辺の応力状態を均一にできるので、よりバラツキ低減に寄与することができる。
【００３８】
また、図１７に示すように、ｐ型不純物層４ｂと４ｄの間隔をＬとすることでも、４ｂと４ｄの抵抗値を精密に同一に作製することが可能となり、図１６に示す実施例に比べては若干劣るものの、オフセットの発生を防止することが可能となる。また、図１８に示す不純物層１４ａ，１４ｃのように、複数の不純物層を電気的に連絡してブリッジ回路の一辺を構成する不純物層を構成する場合でも、その両側の不純物層をダミー拡散抵抗６としても良い。
【００３９】
同様に、図示はしないが図８や図９のように、ｐ型不純物層及びｎ型不純物層を同じ向きに配置する場合でも、それぞれの導電型の不純物層で、一定の間隔Ｌで並んだ複数の不純物層を電気的に連絡してブリッジ回路の二辺を構成する不純物層を形成したり、各不純物層の周辺にダミー拡散抵抗６を設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施例１の動作原理の説明に用いた模式図である。
【図２】実施例１の動作原理の説明に用いた電気回路の接続を示す図である。
【図３】実施例１の動作原理の説明に用いた模式図である。
【図４】実施例１の動作原理の説明に用いた模式図である。
【図５】実施例１の動作原理の説明に用いた断面模式図である。
【図６】実施例１の動作原理の説明に用いた断面模式図である。
【図７】実施例１の動作原理の説明に用いた平面模式図である。
【図８】実施例１の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図９】実施例１の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図１０】実施例２の動作原理の説明に用いた模式図である。
【図１１】実施例２の動作原理の説明に用いた模式図である。
【図１２】実施例２の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図１３】実施例２の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図１４】ｐ型とｎ型の不純物濃度比と、ピエゾ抵抗係数の温度に対する変化率比との関係を示した図である。
【図１５】実施例３の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図１６】実施例３の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図１７】実施例３の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図１８】実施例３の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図１９】不純物層のシート抵抗とばらつきの関係を示した図である。
【図２０】ピエゾ抵抗係数の温度依存性を示した図である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 力学量計測装置
２ シリコン基板
２ａ 主面
３ 不純物層
４，５ ブリッジ回路
４ａ，４ｃ，５ａ，５ｃ，１５ａ〜１５ｄ ｎ型不純物層
４ｂ，４ｄ、５ｂ，５ｄ，１４ａ〜１４ｄ ｐ型不純物層
６ ダミー拡散抵抗
８ 接着面
５０ 配線
５１ コンタクトホール
５２ 層間絶縁膜
１０７ パッド
３０６ ウェル
【技術分野】
【０００１】
本発明は力学量の計測装置、および力学量の計測が可能なシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで力学量計測装置として特開２００６−００３１８２号公報に示されるように、半導体単結晶基板に局所的に不純物層を設け、この不純物層の抵抗値のひずみ依存性から、半導体単結晶基板を貼り付けた被測定物のひずみを計測しようとする方法が行われている。また、これらの方法では、不純物抵抗のひずみ感度の結晶異方性を利用し、特定の方向に電流を流せるようにした不純物層４つを用いてホイートストンブリッジ回路（以下、ブリッジ、もしくはブリッジ回路と呼ぶ）を形成し、特定方位のひずみの計測を実現している。なお、該力学量計測装置を低消費電力化するために、特開２００６−００３１８２号公報の図１８にあるように、各不純物層を折り返して、コンタクトと配線で接続して細長くする、ということも行われている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−００３１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の公知例においては、ｐ型不純物層のシート抵抗ばらつきに由来したオフセットや感度ばらつきが非常に大きく、計測上の障害や計測精度が大幅に低下するという問題があった。よって本発明では、高精度な計測が可能な力学量計測装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題は、ｐ型不純物層のシート抵抗値をｎ型不純物層のシート抵抗値より高くすること、またはｐ型不純物層の折り返し数をｎ型不純物層の折り返し数より少なくすることにより達成される。または、ブリッジ回路を構成する４つの不純物層のうち、対向する２つを隣に形成することにより達成される。または、ブリッジ回路を構成する各不純物層の折り返しの間隔と、ブリッジ回路の対向する２つの不純物層の間隔を一致させることにより達成される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、ｐ型不純物層の抵抗値のばらつきが小さくなり、ブリッジ回路のオフセットが小さくなって高精度な計測をすることができる。また、本発明によれば感度バラツキが減少するので、２軸のひずみを分離して計測しようとする際にも精度良く計測値を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【０００８】
本発明においては、ひずみ感応部として半導体基板に不純物層を設けたものであり、半導体単結晶の結晶方位とピエゾ抵抗係数の関係を考慮し、不純物層の電流方向とひずみを計測する方向との関係を、所望の特性を得られるように考慮したものである。以下では、単結晶半導体基板２の結晶面や結晶方位の表記には、ミラー指数を用いる。
【０００９】
ミラー指数表記においては、マイナス方向を指定する場合、数字の上にバーを付するが、本明細書中においては便宜上バーの付いた数字は“−”をつけて〔−１１０〕のように表記する。また特定の面や方向を表す場合には（）と〔〕をそれぞれ用い、単結晶半導体基板内において等価である面や方向を表す場合には、それぞれ｛｝と＜＞を用いて表記する。さらに、本明細書においては不純物層の長手方向に電流を流し、電流の流れる方向の抵抗値の変動を計測する。不純物層の長手方向という表記は電流を流し抵抗値変動を計測する方向を意味するものとする。
【実施例１】
【００１０】
図１，図２に示すように、１つの半導体基板上にｐ型不純物層４ｂ，４ｄとｎ型不純物層４ａ，４ｃを組み合わせたブリッジ回路を用いて、多軸ひずみ場の計測を行うことが可能である。すなわち本実施例においては、＜１００＞方向と平行な方向に電流を流しブリッジ回路の対辺を構成するｎ型不純物層４ａ，４ｃと、＜１００＞方向に平行な方向に電流を流しブリッジ回路の対辺を構成するｐ型不純物層４ｂ，４ｄの組み合わせによってブリッジ回路４を構成しており、このうち該ｐ型不純物層４ｂ，４ｄはどの方向のひずみに対してもひずみ感度が非常に低いのに対して、ｎ型不純物層４ａ，４ｃは、電流方向のひずみに対する感度が高く、さらに電流方向と直角な方向のひずみに対する感度をある程度持つ。よって図１，図２に示すように、ブリッジ回路４を構成することによって、ｐ型不純物層４ｂ，４ｄの電流方向のひずみを主に検知することが可能となる。
【００１１】
なお、各不純物層においては、低消費電力化を行うために高抵抗化することが望まれ、そのために図３に示すように複数本の不純物層４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを設け、それぞれコンタクトホール５１と配線５０で接続して、折り返しながら長さを稼ぎ、抵抗値を増加させるという方法が取られる。あるいは図４に示すように、コンタクトホール１１と配線１２でなく、各拡散層自体で折り返すのでも同様な効果がある。
【００１２】
しかしながら、ウエハ毎，ロット毎にｐ型不純物層４ｂ，４ｄの実際のシート抵抗値が製造プロセスにおける設定値から大きく変化することが多く、回路パターン設計時に想定した値と異なるシート抵抗値にでき上がるものが多かった。よってｐ型不純物層４ｂ，
４ｄの抵抗値がｎ型不純物層４ａ，４ｃの抵抗値と異なるものが多いためにブリッジ回路に不均衡が生じ、大きなオフセットが発生する場合が多かった。この出力をアンプで増幅しようとする際に、オフセットのために出力が飽和してしまう等の問題があり、高倍率の増幅ができず、高精度な計測に支障をきたしていた。すなわち、オフセットが大きくなってしまうために、倍率を上げた高精度な測定が難しくなるという問題があった。
【００１３】
上記の力学量計測装置におけるｐ型不純物層のシート抵抗ばらつきは、ｐ型不純物であるボロン原子の挙動に由来することが明らかとなってきた。すなわち、ボロン原子のようにｐ型不純物の半導体中での拡散がｎ型不純物に比べて格段に速いために不純物分布が崩れやすく、また、ボロン原子は半導体中において侵入型の拡散機構を持つために、その拡散した原子がひずみ場にトラップされやすい。この現象は、高濃度にイオン注入される場合には、イオン注入領域に発生する異種原子混入に起因するひずみ場が形成されることによって著しく悪化する。また半導体基板内にイオン注入に起因する微小欠陥が多量に含まれている場合には、この微小欠陥へのトラップによりさらにこのバラツキが大きくなる。
【００１４】
すなわち、拡散したボロン原子は、拡散パターンの角部やコンタクト部などのひずみの集中場にトラップされやすく、これらのひずみはイオン注入量が多いほど、すなわち、シート抵抗が高いほど大きくなる。ロット毎，ウエハ毎、あるいはウエハ面内における僅かなパターンずれや形状のばらつきによってもひずみの集中の程度が変わるので、トラップの量が大きく変化しやすく、これが抵抗値のばらつきに反映される。
【００１５】
力学量計測装置の断面構造を図５に示す。シリコン基板２の表面に不純物層４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄおよび５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが形成され、これにコンタクトホール５１が接続されており、このコンタクトホール５１の端部には配線５０が形成されている。このコンタクトホール５１および配線５０は層間絶縁膜５２に埋め込まれている。さらに断面の詳細を図６に、平面の拡大図を図７に示す。本発明においては、図６や図７に示す各不純物層の折り返し部１３やコンタクトホール５１との境界面１２においては、ひずみが集中しやすく、ここにボロン原子がトラップされやすい。よって、コンタクトホール５１との境界面１２や折り返し部１３のパターンの若干のズレや加工誤差等によって局所的なひずみ値が変動することから、これがトラップ量に影響を与え、シート抵抗値のばらつきの原因となる。
【００１６】
以上の要因によって、ｐ型不純物層を構成するボロン原子の分布がばらつくため、不純物層のシート抵抗が大きくばらつくことが明らかとなってきた。
【００１７】
なお、ｎ型不純物層を構成するヒ素やリン原子では、半導体中の拡散速度がボロンに比べて格段に低く、また置換型拡散機構を持つためにひずみ場の影響を受けにくい。よって、ｎ型不純物層ではロット毎，ウエハ毎、あるいはウエハ面内における微妙な熱処理温度の違いの影響を受けにくいという特徴がある。ｎ型不純物層では不純物濃度を小さくしすぎると、ひずみ取得特性の温度依存性が過大となるために、ひずみセンサの特性が悪くなるという問題が発生する。
【００１８】
そこで本発明では、図３や図４に示す力学量測定装置において、ｐ型不純物層４ｂ，
４ｄのｐ型不純物のシート抵抗を１２０Ω以上、表面不純物濃度換算で５×１０19cm-3以下とすることを特徴とする。
【００１９】
ｐ型不純物のシート抵抗を増加させること、すなわち不純物注入量を減らすことにより、シート抵抗値に与える不純物分布の影響を相対的に低下させる効果を持つようにできる。すなわち、ボロン原子の注入量を減らすことによって、イオン注入層事態が持つひずみ場を減少させることができ、ひずみ場にトラップされる原子の量が少なくなることから、ｐ型不純物層４ｂ，４ｄの抵抗ばらつきを小さくすることができる。また、ｐ型不純物の注入量を減らすことで、半導体結晶内の結晶格子のひずみや微小欠陥等を減少させることができるので、濃度ばらつきやトラップ量のばらつきを抑えることが可能となり、結果としてｐ型不純物層のシート抵抗ばらつきが低減できる。図１９に示すようにシート抵抗を
１２０Ω以上とするとシート抵抗ばらつきの範囲は２割以下となる。このようにシート抵抗を１２０Ω以上とすることによりシート抵抗バラツキの発生が抑えられるので、オフセットが過大になることを防止することができる。また、シート抵抗の上限値は実施例２で後述する温度依存性の理由から５００Ω以下とすることが望ましい。
【００２０】
一方、ｎ型不純物層では、半導体中の拡散速度がボロンに比べて格段に低いために、シート抵抗を増加させなくともばらつきは大きくならない。逆に、ｎ型不純物層４ａ，４ｃのシート抵抗をｐ型と同様に増加させてしまうと、ひずみ感度の温度依存性が過大となるために望ましくない。すなわちｎ型不純物層の感度の温度依存性はｐ型不純物層に比べて非常に大きいために、温度変化によって大きな誤差が生じやすく、逆に測定精度を低下させる原因となるという大きな問題が発生するため、ｐ型不純物層とは逆に不純物濃度を増加させることが望ましい。図２０に示すように、シート抵抗が１００Ωを越えるとピエゾ抵抗係数の温度依存性が急激に大きくなることがわかる。すなわちシート抵抗を１００Ω以下とすることにより、温度変化による誤差を最小限に抑えることができる。シート抵抗１００Ω以下とは表面不純物濃度換算で１×１０20cm-3以上に相当する。なお、シート抵抗が４０Ω以下になるとピエゾ抵抗係数が最大値の２割以下と小さくなり、ひずみ感度が小さくなりすぎるのでノイズに弱くなる等、問題点が大きくなる。このように、望ましくはｎ型不純物層のシート抵抗は４０Ω以上１００Ω以下が望ましい。
【００２１】
よって、ｐ型とｎ型の不純物層を組み合わせて１つのブリッジを構成する場合において、ｐ型不純物層４ｂ，４ｄのｐ型不純物のシート抵抗を１２０Ω以上、ｎ型不純物層４ａ，４ｃのｎ型不純物のシート抵抗を１００Ω以下とすることによって、ｐ型不純物層に由来するばらつきと、ｎ型不純物層に由来する温度変化によるひずみ感度の変動を、両方とも防止できる力学量測定装置を得ることができる。
【００２２】
さらに図８に示すように、これに加えてｐ型不純物層の折り返し回数を少なくすることで、ひずみの集中箇所を減らすことができ、これによって不純物分布のばらつきを低減することが可能となる。すなわちｐ型不純物層の総面積に対するひずみ集中箇所の面積の割合を低下させることができるので、シート抵抗のばらつきを低減させることが可能となる。ｐ型不純物層とｎ型不純物層を組み合わせて用いるブリッジ回路において、ｐ型不純物層４ｂ，４ｄの折り返し数をｎ型不純物層４ａ，４ｃの折り返し数より少なくし、さらにｐ型不純物層４ｂ，４ｄのシート抵抗値を１２０Ω以上、ｎ型不純物層４ａ，４ｃのシート抵抗値を１００Ω以下とする。これによって、ｐ型不純物層４ｂ，４ｄのシート抵抗ばらつきが低減できるためにブリッジ回路４のオフセットを抑えることができ、またブリッジ回路４のひずみ感度の温度依存性が過大とならないようにすることができる。よってこの出力をアンプ等によって増幅しようとする場合にも、出力が飽和するという問題がなく、高倍率に増幅して高感度な測定が可能となる。
【００２３】
また、本発明によれば、ｐ型不純物層の折り返し回数をｎ型不純物層の折り返し回数より少なくするとともに、ｐ型不純物の注入量を減らしてシート抵抗値をｎ型不純物層より大きくすることによって、図８に示すように、ｐ型不純物層４ｂ，４ｄの長さをｎ型不純物層４ａ，４ｃの長さとほぼ同じにできるという副次効果もある。通常、ｐ型不純物層の折り返し数を少なくした場合には、ｐ型不純物層４ｂ，４ｄだけ長くなるために、ｐ型不純物層とｎ型不純物層との間で温度差やひずみ分布の差が発生するために誤差が大きくなる。しかしながら、本実施例の場合には、ｎ型不純物層の折り返し数が多くなるように折り返すことによってｐ型不純物層４ｂ，４ｄとｎ型不純物層４ａ，４ｃがほぼ同じ長さにできることから、ほぼ同じ位置に配置できる。よってｐ型不純物層４ｂ，４ｄとｎ型不純物層４ａ，４ｃの温度やひずみ状態を全く同じにできるので、温度が変化した場合や大きなひずみ分布がある場合においても誤差の発生を防止することができる。なお、ここでｎ型不純物層とｐ型不純物層の幅はほぼ同じであることを仮定している。
【００２４】
なお、このようにｐ型不純物層の折り返し数を少なくするのと同時に、ｐ型不純物やｎ型不純物の注入量を所定の範囲にすると、これらの相乗効果によって多くの利点が生じるが、どちらか一方の処理を行うだけでも、オフセットを抑制する効果は十分に有する。
【００２５】
さらに、図６から図８を用いて、主にブリッジ回路４について説明したが、図９に示すように１つのシリコン基板２に複数のブリッジ回路を設け、多軸ひずみ場のひずみ状態を計測する場合でも同様な利点が生じるとともに、ブリッジ回路が小さくなるので全体的にチップ面積を小さくでき、低コストで製造できるという利点も生じる。
【実施例２】
【００２６】
図１０や図１１に示すように、１つの半導体基板上に、ｐ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路４とｎ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路５の両方を有する力学量計測装置を用いると、多軸ひずみ場におけるひずみ状態を計測できる。図１０に示す力学量計測装置では、＜１１０＞方向を電流の方向と平行とするｐ型不純物層１４ａ,１４ｂ,１４ｃ，１４ｄで構成されるブリッジ回路４と、＜１００＞方向を電流方向と平行とするｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄで構成されるブリッジ回路５を、同一のシリコン基板２に形成してある。ブリッジ回路４では＜１１０＞方向の垂直ひずみが、ブリッジ回路５では＜１１０＞方向を座標軸とするせん断ひずみが、それぞれ計測できる。
【００２７】
また図１１に示す力学量計測装置では、＜１１０＞方向を電流の方向と平行とするｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄで構成されるブリッジ回路４と＜１１０＞方向を電流の方向と平行とするｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄで構成されるブリッジ回路５を、同一のシリコン基板に形成してある。この２つのブリッジ回路を用いることにより、〔１１０〕と〔−１１０〕の直交２軸のひずみを分離して求めることが可能となる。
【００２８】
これらの力学量計測装置では、同一のシリコン基板２上にブリッジ回路４とブリッジ回路５を形成していることから、接着時に発生する感度誤差や貼り付け位置の誤差などが低減でき、高精度計測が可能となる。また、微小領域に各方向のひずみ量を計測するブリッジ回路を設けられることから、微小部に発生する応力集中場のひずみでも精度良く求められるという利点がある。
【００２９】
しかしながら、これだけでは、前述のように、ブリッジ回路４の不純物分布がロット毎，ウエハ毎に変わり、これに起因してブリッジ回路４のひずみ感度が大きく変動するために、高精度な計測が難しかった。すなわち、１つの半導体基板上に、ｐ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路とｎ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路の両方を有する力学量計測装置を用いて、それぞれのブリッジの出力から多軸ひずみを分離して求めようとする場合には、ウエハ毎，ロット毎にｐ型不純物拡抵抗のシート抵抗が大きく変化するために、ｐ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路のひずみに対する感度が大きく変動する。よって、ｐ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路とｎ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路の両方の計測値を用いて、その局所領域のひずみ状態をテンソル量として求めようとする際に設計された抵抗値を用いて行うと誤差が発生し、正確な計測が実現できないという問題がある。また、ｐ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路とｎ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路とでは、両者のひずみ感度の温度依存性が大きく異なるために、温度が変化した際には大きな誤差となるという問題もあった。
【００３０】
図１２，図１３には本発明における第２の実施例を示す。なお、図１２，図１３には半導体基板２は記していないが、ブリッジ回路４とブリッジ回路５が半導体基板表面に形成されているところを、ブリッジ回路４とブリッジ回路５の部分のみ記したものである。本実施例では、実施例１と同様に、ｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄのシート抵抗を１２０Ω以上とし、ｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄのシート抵抗を１００Ω以下とする。これによってｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの不純物分布のばらつきを抑えられるので、ブリッジ回路４のひずみ感度のばらつきを抑えることが可能となる。さらに図１２，図１３に示すように、ブリッジ回路４を構成するｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの折り返し数を、ブリッジ回路５を構成するｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの折り返し数より少なくする。これによって、さらにｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの不純物分布のばらつきを抑えられ、またｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄの長さがｐ型不純物層１４ａ，14ｂ，１４ｃ，１４ｄに比べて極端に長くなるのを抑えられるので、ブリッジ回路４のひずみ感度のばらつきを抑えることが可能となる。よって本実施例によれば、微小部分の多軸ひずみが精度良く計測可能な力学量計測装置が提供できる。さらに詳細に述べると、ブリッジ回路４とブリッジ回路５の大きさをほぼ揃えることができるので、半導体基板面内で同様なひずみを受けられるようにできる。すなわち、実施例１に示した抵抗値の範囲内でｎ型不純物層の折り返し回数を少なくすると、１本の不純物層の長さが必然的に長くなる。その場合にはチップ端部近傍までブリッジ回路４が配置されることになり、チップ端部において被測定物のひずみと異なったひずみ量がｎ型不純物層に負荷され、ｐ型不純物層のひずみ負荷状態と異なることになるため、計測精度が低下するという問題が生じる。しかしながら、ｎ型不純物層の折り返し回数をｐ型より多くすることによって、ｎ型不純物層の長さがｐ型不純物層とほぼ同等にできるので、この問題が解消できる。すなわち、上記に述べたようなｐ型シート抵抗ばらつきの低減効果とともに、ｎ型不純物層の大きさが小さくできるようになるために、ばらつきの防止とともに計測精度の低下防止も実現できる。本実施例によれば、ブリッジ回路５のひずみ状態をブリッジ回路４と同様にすることができたので、ひずみ分布や温度分布がある被測定物を計測する場合にも、多軸のひずみ状態を容易に計測することができる。
【００３１】
しかしながら、単に上記の方法だけでも、図１０や図１１に示すような１つの半導体基板上に、ｐ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路４とｎ型不純物抵抗で構成されたブリッジ回路５の両方を有する力学量計測装置では多軸のひずみ計測精度が低下する場合がある。すなわち、ｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄのシート抵抗を１２０Ω以上にし、ｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄのシート抵抗を１００Ω以下にしても、ｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄのひずみ感度の温度依存性による抵抗変化量と、ｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄのひずみ感度の温度依存性による抵抗変化量が異なる条件では、温度が変化した場合に多軸ひずみ状態の計測を行う場合に、２つのセンサの温度依存性が異なるために誤差が拡大してしまう。
【００３２】
そこで、図１４に示すようにｐ型不純物濃度をｎ型不純物濃度の４３％程度を中心として２０％から６０％の範囲とすることにより、温度変化に対するピエゾ抵抗の変化率をｎ型とｐ型で２割の範囲内でほぼ等しくすることができる。これをシート抵抗に変換して考えると、ｐ型不純物のシート抵抗とｎ型不純物のシート抵抗比が１.６７〜５.０：１となる。さらにｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄのシート抵抗を１２０Ω以上
（望ましくは１２０〜５００Ω）にし、ｎ型不純物層１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄのシート抵抗を１００Ω以下（望ましくは４０〜１００Ω）であり、前出の比が満足できるシート抵抗が望ましい。例えば、ｎ型不純物層のシート抵抗を８０Ω程度とすると、ｐ型不純物層のシート抵抗は１３４Ωから４００Ω程度が望ましい。シート抵抗がこのような範囲にあるように図１０，図１１の力学量測定装置を形成することによって、温度が変化した場合でも高精度な多軸ひずみ状態の計測が可能となる。
【００３３】
なお、本実施例の場合には２つのブリッジ回路が１つのシリコン基板２に形成された場合について述べたが、さらに多くのブリッジ回路が形成された場合でも同様な効果を有する。
【００３４】
また、このようにｐ型不純物層の折り返し数を少なくするのと同時に、ｐ型不純物の注入量を減らしてシート抵抗値を増加させると、これらの相乗効果によって多くの利点が生じるが、どちらか一方の処理を行うだけでも、オフセットを抑制する効果は十分に有する。
【実施例３】
【００３５】
特許文献１等の公知例においては、４つの不純物層の抵抗値を同一にして、ブリッジ回路が平衡するように設計するが、実際に製造すると４つの不純物層の値が微妙に異なり、若干のオフセットが発生してしまう。よって本発明においては、ブリッジを構成する４つの不純物層の抵抗値が等しく、オフセットが極力発生しない力学量計測装置を提供する。
【００３６】
図１５には本発明の第三の実施例を示す。図１５ではブリッジ回路の対辺を構成するｐ型不純物層１４ａと１４ｃを並べて配置し、またブリッジ回路の対辺を構成するｐ型不純物層１４ｂと１４ｄを隣に並べて配置する。また、ｐ型不純物層１４ａを構成する各拡散抵抗の間隔を寸法Ｌとし、ｐ型不純物層１４ｃを構成する各拡散抵抗の間隔も同様にＬとし、さらにｐ型不純物層１４ａとｐ型不純物層１４ｃの距離、およびｐ型不純物層１４ｂとｐ型不純物層１４ｄの距離もＬとする。このように各拡散抵抗の間隔を一定にし、ｐ型不純物層１４ａとｐ型不純物層１４ｃ，ｐ型不純物層１４ｂとｐ型不純物層１４ｄと、の間隔を一定にすることによって、各不純物層の応力状態を同一にすることができ、ボロン原子の不純物拡散速度や電気的活性の程度，原子トラップの程度をそろえることができる。すなわち、ｐ型不純物層１４ａとｐ型不純物層１４ｃのように、ブリッジ回路の二辺以上を構成する不純物層を同じ方向を向いて配置する場合には、複数の不純物層を同じ方向を向いて一定間隔Ｌで配置し、この複数の不純物層を電気的に連絡してブリッジ回路の二辺以上を構成する不純物層を形成することで、各不純物層の均一性を高めることができる。これによって、ｐ型不純物層１４ａ，１４ｂ,１４ｃ,１４ｄの抵抗値を精密に一致させることができるので、ブリッジ回路のオフセットの発生を防止することができる。なお、図１５ではｐ型不純物層から構成されるブリッジ回路を例に挙げて示した。ｐ型不純物層のほうが、ボロン原子の拡散が早いために元来のパターンが同じ間隔に並んでいない場合のばらつきが大きく、本実施例はｐ型不純物層のシート抵抗バラツキ低減に効果が高い。しかしながらｎ型不純物層から構成されるブリッジ回路でも、本実施例によればイオン注入条件の均一化が図られることから、ｐ型より効果は小さいが同様な効果を有する。
【００３７】
さらに図１６に示すように、ｐ型不純物層１４ａと１４ｃの端部や１４ｂと１４ｄの端部に、電気的にブリッジ回路には接続されていないダミー拡散抵抗６を設けても良い。ダミー拡散抵抗６と各不純物層１４ａ〜１４ｄとの間隔や、ダミー拡散抵抗６どうしの間隔もＬにすることが望ましい。すなわち、複数の不純物層を同じ方向を向いて一定間隔Ｌで配置し、この複数の不純物層を電気的に連絡してブリッジ回路の二辺以上を構成する不純物層を形成するとともに、複数の不純物層はダミー拡散抵抗を含むようにする。ダミー拡散抵抗は、不純物層の並びのうち、ブリッジ回路を構成する不純物層よりも端に設けることが望ましい。その場合には、さらに各不純物層の周辺の応力状態を均一にできるので、よりバラツキ低減に寄与することができる。
【００３８】
また、図１７に示すように、ｐ型不純物層４ｂと４ｄの間隔をＬとすることでも、４ｂと４ｄの抵抗値を精密に同一に作製することが可能となり、図１６に示す実施例に比べては若干劣るものの、オフセットの発生を防止することが可能となる。また、図１８に示す不純物層１４ａ，１４ｃのように、複数の不純物層を電気的に連絡してブリッジ回路の一辺を構成する不純物層を構成する場合でも、その両側の不純物層をダミー拡散抵抗６としても良い。
【００３９】
同様に、図示はしないが図８や図９のように、ｐ型不純物層及びｎ型不純物層を同じ向きに配置する場合でも、それぞれの導電型の不純物層で、一定の間隔Ｌで並んだ複数の不純物層を電気的に連絡してブリッジ回路の二辺を構成する不純物層を形成したり、各不純物層の周辺にダミー拡散抵抗６を設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施例１の動作原理の説明に用いた模式図である。
【図２】実施例１の動作原理の説明に用いた電気回路の接続を示す図である。
【図３】実施例１の動作原理の説明に用いた模式図である。
【図４】実施例１の動作原理の説明に用いた模式図である。
【図５】実施例１の動作原理の説明に用いた断面模式図である。
【図６】実施例１の動作原理の説明に用いた断面模式図である。
【図７】実施例１の動作原理の説明に用いた平面模式図である。
【図８】実施例１の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図９】実施例１の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図１０】実施例２の動作原理の説明に用いた模式図である。
【図１１】実施例２の動作原理の説明に用いた模式図である。
【図１２】実施例２の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図１３】実施例２の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図１４】ｐ型とｎ型の不純物濃度比と、ピエゾ抵抗係数の温度に対する変化率比との関係を示した図である。
【図１５】実施例３の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図１６】実施例３の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図１７】実施例３の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図１８】実施例３の不純物層のレイアウト例を示した模式図である。
【図１９】不純物層のシート抵抗とばらつきの関係を示した図である。
【図２０】ピエゾ抵抗係数の温度依存性を示した図である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 力学量計測装置
２ シリコン基板
２ａ 主面
３ 不純物層
４，５ ブリッジ回路
４ａ，４ｃ，５ａ，５ｃ，１５ａ〜１５ｄ ｎ型不純物層
４ｂ，４ｄ、５ｂ，５ｄ，１４ａ〜１４ｄ ｐ型不純物層
６ ダミー拡散抵抗
８ 接着面
５０ 配線
５１ コンタクトホール
５２ 層間絶縁膜
１０７ パッド
３０６ ウェル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にひずみ検出部を有し、被測定物に貼り付けもしくは埋め込みを行って該被測定物のひずみの計測を実施する力学量測定装置において、
前記半導体基板上に、ｎ型不純物層で構成されたブリッジ回路と、ｐ型不純物層で構成されたブリッジ回路とを有し、
前記ｐ型不純物層のシート抵抗は前記ｎ型不純物層のシート抵抗の１.６７ 〜５倍であることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項２】
請求項１において、ｐ型不純物層の不純物濃度をｎ型不純物層の不純物濃度の２０から６０％にすることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項３】
請求項１において、
ｎ型不純物層のシート抵抗を４０〜１００Ωであり、
ｐ型不純物層のシート抵抗を１２０Ω〜５００Ωであることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記ｎ型不純物層及び前記ｐ型不純物層は、折り返して形成され、
前記ｎ型不純物層の折り返し数は、前記ｐ型不純物層の折り返し数よりも多いことを特徴とする力学量計測装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記ｎ型不純物層と前記ｐ型不純物層とは、その長さ及び幅が略同一であることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項６】
半導体基板上にひずみ検出部を有し、被測定物に貼り付けもしくは埋め込みを行って該被測定物のひずみの計測を実施する力学量測定装置において、
前記半導体基板上に、ｐ型不純物層を有するブリッジ回路を有し、
前記ｐ型不純物層のシート抵抗は１２０〜５００Ωであることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記ｐ型不純物層は、その長手方向が＜１００＞方向を向いていることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項８】
請求項６において、
前記ブリッジ回路は、前記ｐ型不純物層とｎ型不純物層とを有することを特徴とする力学量計測装置。
【請求項９】
半導体基板上にひずみ検出部を有し、被測定物に貼り付けもしくは埋め込みを行って該被測定物のひずみの計測を実施する力学量測定装置において、
前記半導体基板上に、ｎ型不純物層を有するブリッジ回路を有し、
前記ｎ型不純物層のシート抵抗は４０〜１００Ωであることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記ｎ型不純物層は、その長手方向が＜１００＞方向を向いていることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１１】
請求項８において、
前記ｎ型不純物層のシート抵抗は４０〜１００Ωであり、
前記ｎ型不純物層及び前記ｐ型不純物層は、折り返して形成され、
前記ｎ型不純物層の折り返し数は、前記ｐ型不純物層の折り返し数よりも多いことを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記ｎ型不純物層と前記ｐ型不純物層とは、その長さ及び幅が略同一であることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１３】
半導体基板上にひずみ検出部を有して測定を行う力学量測定装置において、
前記ひずみ検出部はブリッジ回路を有し、
前記半導体基板上に、ブリッジ回路の一辺を構成する不純物層を折り返して形成し、
前記折り返した不純物層は、折り返しで隣り合う間隔は等しく、前記ブリッジ回路の他の一辺を構成する不純物層までの距離は、前記間隔と等しいことを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記不純物層が構成するブリッジ回路の一辺と、前記不純物層の折り返し間隔と同じ距離で隣り合う不純物層が構成するブリッジ回路の他の一辺とは、ブリッジ回路の対辺であることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１５】
半導体基板上にひずみ検出部を有して測定を行う力学量測定装置において、
前記ひずみ検出部はブリッジ回路を有し、
前記半導体基板上に、ブリッジの回路一辺を構成する不純物層を折り返して形成し、
前記折り返した不純物層は、折り返しで隣り合う間隔は等しく、
前記折り返した不純物層は、その周囲にブリッジ回路を構成しないダミー不純物層を有し、
前記ダミー不純物層までの距離は、前記間隔と等しいことを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１６】
同一半導体基板上に複数のひずみ検出部が設けられており、
前記ひずみ検出部が、主としてｐ型不純物層で構成されたブリッジ回路と、ｎ型不純物層で構成されたブリッジ回路であり、
各ブリッジ回路の対角の不純物層が隣に並んでいることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１】
半導体基板上にひずみ検出部を有し、被測定物に貼り付けもしくは埋め込みを行って該被測定物のひずみの計測を実施する力学量測定装置において、
前記半導体基板上に、ｎ型不純物層で構成されたブリッジ回路と、ｐ型不純物層で構成されたブリッジ回路とを有し、
前記ｐ型不純物層のシート抵抗は前記ｎ型不純物層のシート抵抗の１.６７ 〜５倍であることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項２】
請求項１において、ｐ型不純物層の不純物濃度をｎ型不純物層の不純物濃度の２０から６０％にすることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項３】
請求項１において、
ｎ型不純物層のシート抵抗を４０〜１００Ωであり、
ｐ型不純物層のシート抵抗を１２０Ω〜５００Ωであることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記ｎ型不純物層及び前記ｐ型不純物層は、折り返して形成され、
前記ｎ型不純物層の折り返し数は、前記ｐ型不純物層の折り返し数よりも多いことを特徴とする力学量計測装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記ｎ型不純物層と前記ｐ型不純物層とは、その長さ及び幅が略同一であることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項６】
半導体基板上にひずみ検出部を有し、被測定物に貼り付けもしくは埋め込みを行って該被測定物のひずみの計測を実施する力学量測定装置において、
前記半導体基板上に、ｐ型不純物層を有するブリッジ回路を有し、
前記ｐ型不純物層のシート抵抗は１２０〜５００Ωであることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記ｐ型不純物層は、その長手方向が＜１００＞方向を向いていることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項８】
請求項６において、
前記ブリッジ回路は、前記ｐ型不純物層とｎ型不純物層とを有することを特徴とする力学量計測装置。
【請求項９】
半導体基板上にひずみ検出部を有し、被測定物に貼り付けもしくは埋め込みを行って該被測定物のひずみの計測を実施する力学量測定装置において、
前記半導体基板上に、ｎ型不純物層を有するブリッジ回路を有し、
前記ｎ型不純物層のシート抵抗は４０〜１００Ωであることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記ｎ型不純物層は、その長手方向が＜１００＞方向を向いていることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１１】
請求項８において、
前記ｎ型不純物層のシート抵抗は４０〜１００Ωであり、
前記ｎ型不純物層及び前記ｐ型不純物層は、折り返して形成され、
前記ｎ型不純物層の折り返し数は、前記ｐ型不純物層の折り返し数よりも多いことを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記ｎ型不純物層と前記ｐ型不純物層とは、その長さ及び幅が略同一であることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１３】
半導体基板上にひずみ検出部を有して測定を行う力学量測定装置において、
前記ひずみ検出部はブリッジ回路を有し、
前記半導体基板上に、ブリッジ回路の一辺を構成する不純物層を折り返して形成し、
前記折り返した不純物層は、折り返しで隣り合う間隔は等しく、前記ブリッジ回路の他の一辺を構成する不純物層までの距離は、前記間隔と等しいことを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１４】
請求項１３において、
前記不純物層が構成するブリッジ回路の一辺と、前記不純物層の折り返し間隔と同じ距離で隣り合う不純物層が構成するブリッジ回路の他の一辺とは、ブリッジ回路の対辺であることを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１５】
半導体基板上にひずみ検出部を有して測定を行う力学量測定装置において、
前記ひずみ検出部はブリッジ回路を有し、
前記半導体基板上に、ブリッジの回路一辺を構成する不純物層を折り返して形成し、
前記折り返した不純物層は、折り返しで隣り合う間隔は等しく、
前記折り返した不純物層は、その周囲にブリッジ回路を構成しないダミー不純物層を有し、
前記ダミー不純物層までの距離は、前記間隔と等しいことを特徴とする力学量計測装置。
【請求項１６】
同一半導体基板上に複数のひずみ検出部が設けられており、
前記ひずみ検出部が、主としてｐ型不純物層で構成されたブリッジ回路と、ｎ型不純物層で構成されたブリッジ回路であり、
各ブリッジ回路の対角の不純物層が隣に並んでいることを特徴とする力学量計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００８−８２９０７（Ｐ２００８−８２９０７Ａ）
【公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２６３７２１（Ｐ２００６−２６３７２１）
【出願日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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