专利名称：半导体装置、应变仪、压力传感器及半导体装置的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种使用压电电阻体的半导体装置，该压电电阻体利用在半导体材料上作用外力时的电阻值变化。本申请根据2011年3月10日申请的日本国专利申请第2011-052261号、及2012年2月3日申请的日本国专利申请第2012-021571号并主张其优先权，将其内容引用在这 里。
背景技术：
以下引用专利、专利申请、专利公告、科学文献等已明确，但为了更充分地说明本发明的现有技术，将其内容引用在这里。特告平5-13451号公示了一种在振动膜上使用应变仪的压力检测器，该应变仪发出由振动膜应变产生的输出信号，在金刚石单晶板上形成金刚石半导体膜而构成。在现有的压力检测器中，作为构成压电电阻体的金刚石半导体膜，使用导入硼等杂质的掺杂金刚石，所以温度依赖性大，另外，制造过程复杂。
发明内容
本发明提供一种具有可以减小温度依赖性，并且制造容易的压电电阻体的半导体
>J-U装直。—种半导体装置，其具有压电电阻体，该压电电阻体因外力的作用而使半导体的电阻值变化，其特征在于，具有作为上述半导体起作用的被氢终端化的金刚石表面。上述金刚石由绝缘性金刚石形成，上述金刚石表面的一部分被氢终端化。一种应变仪，其使用压电电阻体，该压电电阻体因外力的作用而使半导体电阻值变化，其特征在于，具有作为上述半导体起作用的被氢终端化的金刚石表面。也可以分别在上述压电电阻体的一端配置源电极，在上述压电电阻体的另一端配置漏电极，在上述压电电阻体的上述一端及上述另一端之间配置栅电极，从而构成场效应晶体管。上述应变仪具有保护层，其形成在上述金刚石表面的外侧；以及温度传感器，其由掺杂金刚石形成，检测上述压电电阻体的温度，上述栅电极控制上述半导体的空穴量。一种压力传感器，其具有振动膜，其受到压力而进行变形；以及应变仪，其使用压电电阻体，该压电电阻体根据上述振动膜的变形量而使半导体的电阻值变化，其特征在于，具有作为上述半导体起作用的被氢终端化的金刚石表面。一种半导体装置的制造方法，该半导体装置具有压电电阻体，压电电阻体因外力的作用而使半导体电阻值变化，其特征在于，具有下述步骤通过氢等离子使金刚石表面的至少一部分被氢终端化；使通过上述氢终端化的步骤被氢终端化的金刚石表面作为电阻体而形成；利用金属膜与上述电阻体进行电气连接；以及形成用于保护上述电阻体表面的氢终端构造的保护层。
一种半导体装置的制造方法，该半导体装置具有压电电阻体，该压电电阻体因外力的作用而使半导体电阻值变化，其特征在于，具有下述步骤通过氢等离子使金刚石表面的至少一部分被氢终端化；形成压电电阻体，其使通过上述氢终端化的步骤氢被终端化的金刚石表面作为场效应晶体管的空穴通道起作用；利用金属膜与上述电阻体进行的电气连接；在上述空穴通道上形成用于控制空穴量的栅电极；以及形成用于保护上述电阻体表面的氢终端构造的保护层。根据本发明的半导体装置，因为具有作为半导体起作用的被氢终端化的金刚石表面，所以可以抑制温度可靠性，并且简化制造工序。根据本发明的应变仪，因为 具有作为半导体起作用的被氢终端化的金刚石表面，所以可以抑制温度依赖性，并且简化制造工序。根据本发明的压力传感器，因为具有作为半导体起作用的被氢终端化的金刚石表面，所以可以抑制温度依赖性，并且简化制造工序。
本申请附带的参照附图，构成发明公示的一部分。图IA是表示使用压电电阻体的应变仪的结构例的俯视图。图IB是图IA的Ib-Ib线剖视图。图IC是图IB的局部放大图。图2A及图2B是表示本发明的第I实施方式涉及的压力传感器的结构的图。图3A及图3B是表示在图2A及图2B所示的压力传感器上附加作为温度传感器的金刚石热敏电阻的例子的图。图4A是表示在图2A及图2B所示的压力传感器上设置保护层的例子的剖视图。图4B是表示在图3A及图3B所示的压力传感器上设置保护层的例子的剖视图。图5A、图5B及图5C是表示使用压电电阻体的应变仪的结构例的图。图6A及图6B是表示使用压电电阻体的压力传感器的结构的图。图7A及图7B是表示在图6A及图6B所示的压力传感器上附加作为温度传感器的金刚石热敏电阻的例子的图。图8A是表示在图6A及图6B所示的压力传感器上设置保护层的例子的剖视图。图SB是表示在图7A及图7B所示的压力传感器上设置保护层的例子的剖视图。图9A是表示其他实施方式涉及的振动膜的结构例的剖视图。图9B是表示其他实施方式涉及的压电电阻体的其他形状的图。图IOA至图IOT是表示具有压电电阻体的半导体装置的制造过程的图。图IlA至图IlY是表示氢终端金刚石压电FET的制造过程的图。
具体实施例方式下面，参照附图，说明本发明的实施方式。本发明的实施方式的下述说明，仅具体地说明在附加的权利要求中规定的发明及其等价物，并不以限定它们为目的，根据本公示内容，这对于本技术领域专业人员来说是明确的。对于本发明的第I实施方式涉及的半导体装置进行说明。
本发明中使用的压电电阻体，利用了氢终端金刚石表面的半导体特性。所谓氢终端金刚石，是指具有金刚石表面利用氢原子进行终端化的表面构造的金刚石。金刚石是碳的同位素之一，结晶内部通过碳之间的共价键构成。因为通过CVD(化学气相沉积)法合成的金刚石，在包含甲烷等原料气体和抑制石墨生长的氢气的环境下合成，所以基本上，表面构造成为氢终端状态。具有氧终端的金刚石表面，也可以通过氢离子体处理或在氢气流中加热，从而使金刚石表面氢终端化。氢终端金刚石具有P型传导性，利用其半导体特性，尝试在气体传感器 MESFET MISFET 电子发射源等中使用。压电电阻效应，是在结晶上作用应力 应变时，其电阻率变化的效应。例如，如果在单晶硅等半导体材料上作用外力，则在晶格上产生应变，传导带或价电带的能量状态变化。由此，带中的载流子的数量或移动能力产生变化，宏观上观察，发生导电能力或电阻率的变化。可以将该特性作为应变仪传感器或压力传感器等物理传感器的检测原理使用。在本发明中，作为产生压电电阻效应的电阻体，使用氢终端金刚石表面的p型半导体，通过测量应力 应变作用时的P型传导层的电阻率的变化，可以将压电电阻体作为应 变检测元件使用。在制造由现有的掺杂金刚石膜形成的压电电阻体的情况下，必须在形成非掺杂金刚石(绝缘性金刚石)膜的基板上，形成导入硼等杂质的掺杂金刚石(导电性金刚石)膜，制成电阻体的形状，必须在同一个基板上进行非掺杂金刚石膜及掺杂金刚石膜两种膜的成膜。另一方面，在本发明的压电电阻体中，因为在非掺杂金刚石膜成膜后，通过同一个CVD腔内的氢等离子体处理实现金刚石表面的p型导电性，所以不需要作为掺杂气体的乙硼烷等有毒气体，可以简化压电电阻体的制作过程。此外，在现有的由掺杂金刚石膜形成的压电电阻体中，从金刚石的价电带的顶点至传导带的底部为止的带间隙为5. 5eV，与之相对，在作为杂质使用硼的情况下，受主能级形成在与价电带相比上方0.37eV的较深的位置。另一方面，根据本发明涉及的使用氢终 端金刚石表面的P型传导层的压电电阻体，受主能级形成在与价电带相比上方小于或等于0. 05eV的较浅位置，所以在室温下由热激励引起的受主的比例较大。因此，在由掺杂金刚石膜形成的压电电阻体上，高温时热激励的受主的比例显著增加，从而温度依赖性增大，但在使用氢终端金刚石的压电电阻体中，可以减小温度依赖性，且可以制作适合于高温环境下使用的压力传感器等。图1A、图IB及图IC是表示使用压电电阻体的应变仪的结构例的图。图IA是俯视图。图IB是图IA的Ib-Ib线剖视图。图IC是图IB的局部放大图。如图1A、图IB及图IC所示，应变仪使用在表面形成金刚石膜11的硅基板10而构成，在硅基板10上形成直线状的压电电阻体12。在压电电阻体12的两端形成电极13、13，根据电极13、13间的电压值等，测量压电电阻体12的电阻值。压电电阻体12相当于本发明的压电电阻体。如图1A、图IB及图IC所示，硅基板10的一端侧(图IA中的左端侧)由支撑部15支撑，构成悬臂梁构造的应变仪。如果在另一端侧(图IA中的右端侧)施加力，使硅基板10向厚度方向弯曲，则在压电电阻体12上施加拉伸应力和压缩应力，在压电电阻体12上产生依赖于应力的电阻值变化。通过测量该电阻值，计算出应力施加前后的电阻值变化量，可以计算出应变量。此外，根据悬臂梁的机械特性值或尺寸值，计算出施加在应变仪上的应力及使梁弯曲所需的力。因此，可以根据压电电阻体12的电阻值变化，测量施加在梁上的力。作为制作图1A、图IB及图IC表示的应变仪的顺序，在硅基板10上利用微波等离子体CVD装置形成金刚石膜11，利用氢等离子体进行金刚石表面的氢终端化处理。然后，可以通过对应于压电电阻体12的氢终端部的图案形成、配线的光刻，制作具有压电电阻体12及电极13等的应变仪。此外，图IC示意地表示压电电阻体12的区域中的氢终端金刚石表面的状态。图2A及图2B是表示本发明的第I实施方式涉及的压力传感器的结构例的图。图2A是俯视图。图2B是图2A的Ib-Ib线剖视图。该压力传感器应用使用了压电电阻体的应
变仪的原理。如图2A及图2B所示，压力传感器使用在表面形成金刚石膜21的硅基板20而构成，在硅基板20上形成直线状的压电电阻体22a、22a及“ =|，，字状的压电电阻体22b、22b。在压电电阻体22a的两端形成电极23a、23a，在压电电阻体22b、22b的两端形成电极23b、23b。根据电极23a、23a间的电压值等，测量压电电阻体22a的电阻值，根据电极23b、23b间的电压值等，测量压力电阻体22b的电阻值。压电电阻体22a及压电电阻体22b，相当于本发明的压电电阻体。硅基板20的中央部与其他区域相比形成得较�。魑穸�25起作用。压电电阻体22b、22b形成在振动膜25的端部，压电电阻体22a、22a形成在与振动膜25无关的硅基板20的周边部。压电电阻体22a、22a及压电电阻体22b、22b构成电桥电路，如果在振动膜25上施加压力，向硅基板20的厚度方向弯曲，则向压电电阻体22b、22b上施加拉伸应力或压缩应力，在压电电阻体22b、22b中产生依赖于应力的电阻值变化。通过电桥电路将该电阻值变化作为电流值或电压值输出，计算出向振动膜25施加应力前后的电阻值变化量，从而可以计算出振动膜25端部的应变量。此外，根据振动膜25的机械特性值或尺寸值，计算出施加在振动膜25上的应力，及使振动膜25弯曲所需的压力。因此，可以根据电桥电路的输出变化，测量施加在振动膜25上的压力。作为制作图2A及图2B所示的压力传感器的顺序，在硅基板20上利用微波等离子体CVD装置将金刚石膜21成膜，通过氢等离子体进行金刚石表面的氢终端处理。然后，通过与电阻体22a、22a及压电电阻体22b、22b相对应的氢终端部的图案形成、配线的光刻，可以制作具有压电电阻体22a、22a、压电电阻体22b、22b及电极23a、23a、23b、23b等的压力传感器。振动膜25的制作，在形成金刚石压电电阻体的前后均可。另外，由各向异性蚀刻形成的矩形振动膜、由各向同性蚀刻形成的圆形或椭圆振动膜等各种形状的振动膜均适用。压电电阻体的配置不限定于图2A及图2B的例子。例如，可以分别在振动膜的中央部形成2个氢终端金刚石压电电阻体，在振动膜的端部形成2个氢终端金刚石压电电阻体。在这种情况下，因为在振动膜的中央部和端部，施加在压电电阻体上的应力(拉伸应力或压缩应力)反转，所以可以通过由4个压电电阻体的电桥电路引起的输出合成，使输出值增大。另外，也可以使单一的氢终端金刚石压电电阻体形成在振动膜的端部或中央部，根据该压电电阻体的电阻值变化，测量测量位置的应变量。图3A及图3B是表示在图2A及图2B所示的压力传感器上附加作为温度传感器的金刚石热敏电阻的例子的图。图3A是俯视图。图3B是图3A的IIIb-IIIb线剖视图。此夕卜，在图3A及图3B上,对于与图2A及图2B相同的要素标记相同的标号。如图3A及图3B所示，在金刚石膜21的表面形成直线状的热敏电阻4，在热敏电阻4的两端连接电极41、41。通过根据电极41、41间的电压等检测热敏电阻4的电阻值，可以测量硅基板I的温度，即，与振动膜25接触的流体等的温度。热敏电阻4形成在与振动膜25无关的硅基板20的周边部，不会产生由振动膜25的弯曲引起的应变，可以始终准确地掌握温度。热敏电阻4的电阻值不仅用于与振动膜25接触的流体等的温度测量，也可以用于压电电阻体22a、22a及压电电阻体22b、22b的电阻值的温度漂移的补偿。根据后者,可以进行较宽温度范围内的准确的压力测量。 说明制作图3A及图3B所示的压力传感器的顺序。首先，在硅基板20上，利用微波等离子体CVD装置依次形成非掺杂金刚石膜即金刚石膜21，和构成热敏电阻4的掺杂金刚石膜。作为构成热敏电阻4的掺杂金刚石膜，例如，可以使用掺杂了硼的金刚石膜。然后，使掺杂金刚石膜形成图案，热敏区域4形成区域以外的掺杂金刚石膜通过02-RIE等被去除，使非掺杂金刚石膜即金刚石膜21露出。然后，通过氢等离子体进行金刚石膜21表面的氢终端化处理，通过与压电电阻体22a、22a及压电电阻体22b、22b相对应的氢终端化部的图案形成 配线的光刻，在金刚石膜21表面上形成压电电阻体、电极、及热敏电阻4，制作图3A及图3B所示的压力传感器。不限定金刚石热敏电阻的形成方法。例如，也可以在硅基板上利用微波等离子体CVD装置形成非掺杂金刚石膜，由Cr (铬)或Ti (钛)等覆盖金刚石热敏电阻形成部分以外的区域，使掺杂金刚石膜成膜。然后，可以通过对Cr或Ti进行蚀刻剥离，使掺杂金刚石膜形成图案。图4A是表示在图2A及图2B中所示的压力传感器上设置保护层的例子的剖视图。此外，在图4A中，对于与图2A及图2B相同的要素标记相同的标号。在图4A的例子中，在金刚石膜21的整个表面上形成保护层5。通过该保护层5，可以保护金刚石膜21的表面的氢终端构造免受由高温引起的氧化等。另外，通过保护层5，可以减少氢终端表面老化或NO2气体等的吸附对空穴浓度变化等的影响，从而可以确保稳定的动作。保护层5的材质不限定，但使用在保护层5成膜时与金刚石膜21的表面不发生化学反应的绝缘性材料。例如，使用DLC(类金刚石碳)、溅射碳、ECR溅射碳、Si3N4 (氮化硅)、AlN (氮化铝)、CaF2 (氟化钙)、特氟纶(注册商标)、SiC (碳化硅)、SiO2 (氧化硅)、TiO2 (氧化钛)、Al2O3 (氧化招)、ZrO2 (氧化错)、ZnO (氧化锌)等。图4B是表示在图3A及图3B中所示的压力传感器上设置保护层的例子的剖视图。此外，在图4B中，对于与图3A及图3B相同的要素标记相同的标号。在图4B的例子中，在金刚石膜21的整个表面形成保护层5。通过该保护层5，可以保护金刚石膜21表面的氢终端构造免受由高温引起的氧化等。另外，通过保护层5，可以减少氢终端表面老化或NO2气体等的吸附对空穴浓度的变化等的影响，从而可以确保稳定的动作。另外，保护层5对于热敏电阻4的功能无影响。保护层5的材质并不限定，但使用在保护层5成膜时与金刚石膜21的表面及构成热敏电阻4的掺杂金刚石不发生化学反应的绝缘性材料。例如，使用DLC(类金刚石碳)、溅射碳、ECR溅射碳、Si3N4 (氮化硅)、AlN (氮化铝)、CaF2 (氟化钙)、特氟纶(注册商标)、SiC (碳化硅)、SiO2 (氧化硅)、TiO2 (氧化钛)、Al2O3 (氧化铝)、ZrO2 (氧化锆)、ZnO (氧化锌)等。图5A、图5B及图5C，是表示使用压电电阻体的应变仪的结构例的图。图5A是俯视图，图5B是图5A的Vb-Vb线剖视图。图5C是图5B的局部放大图。图5A、图5B及图5C的应变仪构成FET(场效应晶体管)，其通过在图1A、图IB及图IC所示的应变仪的压电电阻体上添加栅电极，从而使用氢终端的p型半导体特性。此外，在图5A、图5B及图5C上，对于与图1A、图IB及图IC相同的要素标记相同的标号。
如图5A、图5B及图5C所不,应变仪使用在表面形成金刚石膜11的娃基板10而构成，在硅基板10上形成直线状的压电电阻体12。在压电电阻体12的两端，形成电极13、13，根据电极13、13间的电压值等，测量压电电阻体12的电阻值。另外，在压电电阻体12的中央，形成作为栅电极起作用的电极14，从而构成电极13、13作为源极、漏极起作用的FET。如图5A、图5B及图5C所示，硅基板10的一端侧(图5A中的左端侧)由支撑部15支撑，构成悬臂梁构造的应变仪。如果在另一端侧(图5A中的右端侧)施加力，使硅基板10向厚度方向弯曲，则在压电电阻体12上施加拉伸应力或压缩应力，在压电电阻体12中产生依赖于应力的电阻值变化。通过测量该电阻值，计算出应力施加前后的电阻值变化量，可以计算出应变量。此外，根据悬臂梁的机械特性值和尺寸值计算出施加在应变仪上的应力及使梁弯曲所需的力。因此，可以根据压电电阻体12的电阻值变化，测量施加在梁上的力。另外，在图5A、图5B及图5C中所示的应变仪中，作为产生压电电阻效应的电阻体12，制作使用了氢终端金刚石表面的p型传导层的FET，使用通过电极14的栅电极电压控制空穴量的源极-漏极间空穴通道，通过测量应力 应变作用时的空穴通道的电阻率的变化，将电阻体12作为应变检测元件而利用。由栅电极电压引起的空穴量的控制，可以用于应变检测灵敏度的调整或温度依赖性的调整。作为制作图5A、图5B及图5C所示的应变仪的顺序，在硅基板10上利用微波等离子体CVD装置形成金刚石膜11，通过氢等离子体进行金刚石表面的氢终端化。然后，可以通过与压电电阻体12相对应的氢终端部的图案形成、配线的光刻，制作具有压电电阻体12及电极13、13、14等的应变仪。此外，图5C示意地表示压电电阻体12的区域中的氢终端金刚石表面的状态。图6A及图6B是表示使用压电电阻体的压力传感器的结构的图。图6A是俯视图，图6B是图6A的VIb-VIb线剖视图。如图6A及图6B所示，压力传感器使用在表面形成金刚石膜21的硅基板20而构成，在硅基板20上形成直线状的压电电阻体22a、22a及“ =| ”字状的压电电阻体22b、22b。分别在压电电阻体22a的两端形成作为漏电极、源电极起作用的电极23a、23a，在压电电阻体22a的中央，形成作为栅电极起作用的电极24a，构成使用氢终端金刚石表面的p型传导层的FET。另外，分别在压电电阻体22b、22b的两端形成作为漏电极、源电极起作用的电极23b、23b，在压电电阻体22b、22b的中央，形成作为栅电极起作用的电极24b，构成使用氢终端金刚石表面的P型传导层的FET。分别根据电极23a、23a间的电压值等，测量压电电阻体22a的电阻值，根据电极23b、23b间的电压值等，测量压电电阻体22b的电阻值。另外，氢终端金刚石表面的P型传导层的空穴量，可以通过各个FET的栅电极控制，用于应变检测灵敏度的调整或温度依赖性的调整。具体地说，通过对应于温度使栅电极电压变化，可以消除压电电阻体的电阻值的温度依赖性。或者，可以将栅电极电压的电压值维持为抑制压电电阻体的电阻值的温度依赖性的电压值。硅基板20的中央部与其他区域相比形成得较�。魑穸�25起作用。压电电阻体22b、22b形成在振动膜25的端部，压电电阻体22a、22a形成在与振动膜25无关的硅基板20的周边部。压电电阻体22a、22a及压电电阻体22b、22b构成电桥电路，如果在振动膜25上施加压力，向硅基板20的厚度方向弯曲，则在压电电阻体22b、22b上施加拉伸应力或压缩应力，在压电电阻体22b、22b上产生依赖于应力的电阻值变化。利用电桥电路将该电阻值变化作为电流值或电压值输出，计算出向振动膜25施加应力前后的电阻值变化量，可以计算 出振动膜25端部的应变量。此外，根据振动膜25的机械特性值，计算出施加在振动膜25上的应力及使振动膜25弯曲所需的压力。因此，可以根据电桥电路的输出变化，测量施加在振动膜25上的压力。作为制作图6A及图6B所示的压力传感器的顺序，在硅基板20上利用微波等离子体CVD装置形成金刚石膜21，利用氢等离子体进行金刚石表面的氢终端化处理。然后，可以通过与压电电阻体22a、22a及压电电阻体22b、22b相对应的氢终端部的图案形成、配线的光刻，制作具有压电电阻体22a、22a、压电电阻体22b、22b及电极23a、23a、24a、23b、23b、24b等的压力传感器。压电电阻体的配置并不限定于图6A及图6B的例子。例如，也可以分别在振动膜的中央部形成2个氢终端金刚石压电电阻体，在振动膜的端部形成2个氢终端金刚石压电电阻体。在这种情况下，因为在振动膜中央部和端部施加在压电电阻体上的应力(拉伸应力或压缩应力)反转，所以通过由4个压电电阻体的电桥电路进行的输出合成，可以使输出值增大。另外，可以使单一的氢终端金刚石压电电阻体形成在振动膜的端部或中央部，根据该压电电阻体的电阻值变化测量测量位置的应变量。图7A及图7B是表示在图6A及图6B所示的压力传感器上添加作为温度传感器的金刚石热敏电阻的例子的图。图7A是俯视图。图7B是图7A的VIIb-VIIb线剖视图。此夕卜，在图7A及图7B中，对于与图6A及图6B相同的要素标记相同的标号。如图7A及图7B所示，在金刚石膜21的表面形成直线状的热敏电阻4，在热敏电阻4的两端连接电极41、41。根据电极41、41间的电压等检测热敏电阻4的电阻值，可以测量硅基板I的温度，即，与振动膜25接触的流体等的温度。热敏电阻4形成在与振动膜25无关的硅基板20的周边部，可以不产生由振动膜25弯曲引起的应变，而始终准确地掌握温度。热敏电阻4的电阻值不仅用于与振动膜25接触的流体等的温度测量，也可以用于压电电阻体22a、22a及压电电阻体22b、22b的电阻值的温度漂移的补偿。利用后者，可以进行较宽温度范围的准确压力测量。作为制作图7A及图7B所示的压力传感器的顺序，依次在硅基板20上利用微波等离子体CVD装置形成作为非掺杂金刚石膜的金刚石膜21，和构成热敏电阻4的掺杂金刚石膜。然后，通过使掺杂金刚石膜形成图案，去除除了热敏电阻4以外的区域，使该区域的金刚石膜21的表面露出。然后，通过氢等离子体进行金刚石表面的氢终端化处理。然后，通过与压电电阻体22a、22a及压电电阻体22b、22b相对应的氢终端部的图案形成、配线的光亥IJ，可以制作图7A及图7B所示的压力传感器。图8A是表示在图6A及图6B所示的压力传感器上设置保护层的例子的剖视图。此夕卜，在图8A中，对于与图6A及图6B相同的要素标记相同的标号。在图8A的例子中，在金刚石膜21的整个表面形成保护层5。可以利用该保护层5保护金刚石膜21的表面的氢终端构造免受由高温引起的氧化等。另外，可以利用保护层5，减少氢终端表面的老化或NO2气体等的吸附对空穴浓度的变化等的影响，从而可以确保稳定的动作。保护层5的材质并不限定，可以使用在保护层5成膜时与金刚石膜21的表面不发生化学反应的绝缘性材料。例如，使用DLC (类金刚石碳)、溅射碳、ECR溅射碳、Si3N4 (氮化硅)、AlN (氮化铝)、CaF2 (氟化钙)、特氟纶(注册商标)、SiC (碳化硅)、SiO2 (氧化硅)、TiO2 (氧化钛)、Al2O3 (氧化招)、ZrO2 (氧化错)、ZnO (氧化锌)等。图SB是表示在图7A及图7B中所示的压力传感器上设置保护层的例子的剖视图。此外，在图8B中，对于与图7A及图7B相同的要素标记相同的标号。在图SB的例子中，在金刚石膜21的整个表面上形成保护层5。通过该保护层5，可以保护金刚石膜21表面的氢终端构造免受由高温引起的氧化等。另外，通过保护层5，可以减少氢终端表面的老化或NO2气体等的吸附对空穴浓度的变化等的影响，从而可以确保稳定的动作。另外，保护层5对于热敏电阻5的功能无影响。保护层5的材质并不限定，但使用在保护层5成膜时与金刚石膜21的表面及构成热敏电阻4的掺杂金刚石不发生化学反应的绝缘性材料。例如，使用DLC(类金刚石碳)、溅射碳、ECR溅射碳、Si3N4 (氮化硅)、AlN (氮化铝)、CaF2 (氟化钙)、特氟纶(注册商标)、SiC (碳化硅)、SiO2 (氧化硅)、TiO2 (氧化钛)、Al2O3 (氧化铝)、ZrO2 (氧化锆)、ZnO (氧化锋)等。如上所述，通过使用氢终端金刚石表面的p型传导层作为压电电阻体，与将导入硼等杂质的掺杂金刚石作为电阻体的金刚石压力传感器相比较，可以抑制温度依赖性，并且，可以使制造过程简单。另外，可以得到适合于高温环境下的高灵敏度的应变仪或压力传感器。另外，通过在同一个基板上形成由硼掺杂等形成的掺杂金刚石热敏电阻，从而可以进行温度检测或压力测量值的温度校正。此外，通过设置保护层，可以抑制金刚石的氢终端表面的老化或对NO2气体等的吸附对空穴浓度的变化等的影响，从而可以确保稳定的动作。
在上述应变仪及压力传感器中，在金刚石成膜后进行氢等离子体处理，但也可以在用于配线的金属电极的图案形成后进行氢等离子体处理，然后，使氢终端金刚石电阻体形成图案。另外，向基板上的金刚石膜的合成方法并不限定，可以使用热丝CVD法、微波等离子体CVD法、高温高压合成法、等离子电弧喷射法及物理蒸镀法等。
作为用于对金刚石膜实施导电性的掺杂剂，使用硼、氮、磷、镍等。金刚石膜材质并不限定，可以使用单晶(Ia、Ib、IIa、IIb)、纳多晶、微多晶、烧结体等。
基板的材质并不限定，但具有与金刚石的热膨胀率接近的热膨胀率的基板适合于在高温下使用。例如，可以使用Si (硅)、SiC (碳化硅),Ni-Fe合金(镍-铁合金)、W(钨)、Ti (钛)、Mo(钥)、Nb(银)、石墨、玻璃碳、无定形碳等。 在本发明中，作为金刚石表面具有p型半导体特性的氢终端，并不限定为金刚石表面完全被氢终端化的材料，也可以仅使一部分氢终端化。另外，为了避免老化或NO2气体吸附等的目的，可以将表面利用氧、氮、硫磺、氯、氟、碘、溴等元素、或烷基、苯环等有机分子等修饰。可以使用金属部件构成本发明的压力传感器使用的振动膜。图9A及图9B是表示其他实施方式的图。图9A是表示振动膜的结构例的剖视图。图9B是表示压电电阻体的其他形状的图。在图9A所示的例子中，取代图2A及图2B所示的压力传感器的振动膜，由彼此粘接的金属部件7和硅基板20A构成振动膜。可以取代图4A及图4B所示的压力传感器的振动膜而使用该振动膜。如图9A所示，通过在振动膜71的区域使金属部件7的厚度形成得较�。蚴艿窖沽Γ鹗舨考�7及硅基板20A变形。金属部件7的材质可以对应于压力传感器的用途任意地选择，例如，可以使振动膜具有由硅无法实现的耐腐蚀性。作为本发明的压力传感器使用的压电电阻的形状，可以使用任意形状。图9B表示反复折曲形状的压电电阻体27。在压电电阻体27的两端连接电极28、28。由此，通过使压电电阻体成为反复折曲的形状，可以使压电电阻体的有效长度增加，从而提高应变或压力的检测灵敏度。在图9B的例子中，可以高效地使图9B中的左右方向的有效长度增加。具有压电电阻体的半导体装置的制作过程下面，对于具有压电电阻体的半导体装置的制造过程的一个例子，说明其详细内容。图IOA至图IOT是表示具有压电电阻体的半导体装置的制造过程的图，表示各个工序(步骤I至20)的制造物的剖面(与图2B所示的部位的剖面相当)。下面，参照图IOA至图10T，对于各个步骤进行说明。在步骤I中，准备在硅基板B的表面形成了多晶金刚石(P⑶Poly CrystalDiamond) LI的多结晶金刚石基板(图10A)。在步骤2中，通过氢等离子体处理，在多晶金刚石基板的表面形成氢终端金刚石层 L2(图 10B)。在步骤3中，向氢终端金刚石层L2的膜表面进行Al (铝)溅射，形成Al膜L3 (图10C)。在步骤4中，进一步在Al膜L3的表面旋转涂敷胶片型光刻胶Rl并利用恒温炉烧结，使光刻胶Rl干燥，并且提高光刻胶Rl与Al膜L3的紧贴性(图10D)。在步骤5中，使用描绘有图案的光掩模M1，通过曝光将图案转印到光刻胶Rl上(图 10E)。在步骤6中，利用显影液去除曝光位置的光刻胶Rl (图10F)。在步骤7中，将通过显影剩下的光刻胶Rl的图案作为掩膜，进行Al膜L3的蚀刻(图 IOG)。在步骤8中，利用丙酮去除光刻胶Rl (图10H)。在步骤9中，将形成图案的Al膜L3作为掩膜，对形成氢终端表面(氢终端金刚石层L2)的多晶金刚石LI表面进行氧等离子体蚀刻，使形成Al膜L3以外的区域成为氧终端面(图101)。在步骤10中，利用Al的蚀刻液，去除Al膜L3。通过上述步骤I至10，形成压电电阻体(图10J)。在步骤11中，向制作形成氢终端表面的多晶金刚石的压电电阻体的表面，旋转涂敷胶片型的光刻胶R2，通过恒温炉烧制(图10K)。由此，使光刻胶R2干燥，提高光刻胶R2与基底的紧贴性。在步骤12中，使用描绘有与掩膜Ml不同图案的掩膜M2，通过曝光在光刻胶R2上转印图案(图10L)。在步骤13中，利用显影液去除曝光位置的光刻胶R2(图10M)。在步骤14中，向显影的光刻胶R2的表面，进行Ti (钛)溅射，然后进行Au (金)溅射，形成Ti/Au膜L4 (图10N)。在步骤15中，通过剥离去除光刻胶R2和光刻胶R2上的Ti/Au膜L4，形成由Ti/Au膜L4得到的金属配线(图100)。在步骤16中，向制作压电电阻体及金属配线的表面，进行胶片型光刻胶R3的旋转涂敷，通过恒温炉烧制(图10P)。由此，使光刻胶R3干燥，提高光刻胶R3与基底的紧贴性。在步骤17中，使用描绘有与掩膜Ml及掩膜M2不同的图案的掩膜M3，通过曝光在光刻胶R3上转印图案(图10Q)。在步骤18中，利用显影液去除曝光的位置的光刻胶R3(图10R)。在步骤19中，向显影的光刻胶R3的表面，进行Si3N4 (氮化硅)溅射，形成Si3N4膜L5(图 10S)。在步骤20中，通过剥离去除光刻胶R3、光刻胶R3上方的Si3N4膜L5，形成用于保护金刚石的氢终端表面的由Si3N4膜L5构成的保护膜。由Ti/Au膜L4形成的金属配线，为了进行与外部的电气连接而露出其一部分(图10T)。在步骤20之后，通过对基板B进行蚀刻而形成振动膜，可以得到金刚石压力传感器。另外，使用形成氢终端表面的金刚石压电电阻体的加速度计、粘度计等，可以利用同样的方法制造。压电FET的制造过程下面，对于氢终端金刚石压电FET的制造过程的一个例子，说明其详细内容。图IIA至图IIY是表示氢终端金刚石压电FET的制造过程的图，表示各个工序(步骤I至25)中的制造物的剖面(与图6A的XII-XII线的剖面相当)。下面，参照图IlA至图IIY对于各个步骤进行说明。在步骤I中，准备在硅基板B的表面形成了多晶金刚石膜(POT :Poly CrystalDiamond) LI的多晶金刚石基板(图11A)。在步骤2中，通过氢等离子体处理，在多晶金刚石基板的表面形成氢终端金刚石层 L2(图 11B)。
在步骤S3中，向氢终端金刚石层L2的膜表面，进行Al (铝)溅射，形成Al膜L3 (图11C)。在步骤4中，进一步在Al膜L3的表面旋转涂敷胶片型光刻胶Rl并利用恒温炉烧结，使光刻胶Rl干燥，并且提高光刻胶Rl与Al膜L3的紧贴性(图11D)。在步骤5中，使用描绘有图案的光掩模M1，通过曝光将图案转印到光刻胶Rl上(图 HE)。在步骤6中，利用显影液去除曝光位置的光刻胶Rl (图11F)。
在步骤7中，将通过显影剩下的光刻胶Rl的图案作为掩膜，进行Al膜L3的蚀刻(图 HG)。在步骤8中，利用丙酮去除光刻胶Rl (图11H)。在步骤9中，将形成图案后的Al膜L3作为掩膜，对形成氢终端表面(氢终端金刚石层L2)的多晶金刚石LI表面进行氧等离子蚀刻，使形成Al膜L3以外的区域成为氧终端表面(图111)。在步骤10中，利用Al的蚀刻液，去除Al膜L3(图11J)。通过上述I至10步骤，形成形成氢终端表面的多晶金刚石的压电电阻体。然后，通过在压电电阻体上连接电极，制作压电FET。在步骤11中，向制作形成氢终端表面的多晶金刚石的压电电阻体的表面，旋转涂敷胶片型的光刻胶R2，通过恒温炉烧制(图11K)。由此，使光刻胶R2干燥，并且提高光刻胶R2与基底的紧贴性。在步骤12中，使用描绘有与掩膜Ml不同图案的掩膜M2，通过曝光在光刻胶R2上转印图案(图11L)。在步骤13中，利用显影液去除曝光位置的光刻胶R2(图11M)。在步骤14中，向显影的光刻胶R2的表面，进行Ti (钛)溅射，然后进行Au (金)溅射，形成Ti/Au膜L4 (图I IN)。在步骤15中，通过剥离去除光刻胶R2和光刻胶R2上方的Ti/Au膜L4，形成由Ti/Au膜L4组成的金属配线(图110)。在步骤16中，向制作压电电阻体及金属配线的表面，进行胶片型的光刻胶R5的旋转涂敷，通过恒温炉烧制。由此，使光刻胶R5干燥，提高光刻胶R5与基底的紧贴性(图IIP)。在步骤17中，使用描绘有与掩膜Ml及掩膜M2不同的图案的掩膜M5，通过曝光在光刻胶R5上转印图案(图11Q)。在步骤18中，利用显影液去除曝光位置的光刻胶R5(图11R)。在步骤19中，向显影的光刻胶R5的表面，进行Al溅射，形成Al膜L6 (图11S)。在步骤20中，通过剥离去除光刻胶R5、光刻胶R5上方Al的膜L6，在形成氢终端表面的多晶金刚石的压电电阻体上形成由Al膜L6形成的栅电极。由Al膜L6形成的栅电极，位于由该压电电阻体构成的压电FET的空穴通道上方的位置(图11T)。在步骤21中，向制作形成氢终端表面的多晶金刚石的压电FET、金属配线及栅电极的表面，旋转涂敷胶片型的光刻胶R6，通过恒温炉烧制(图11U)。由此，使光刻胶R6干燥，提高光刻胶R6与基底的紧贴性。
在步骤22中，使用描绘有与掩膜Ml、掩膜M2及掩膜M5不同图案的掩膜M6，通过曝光在光刻胶R6上转印图案(图11V)。在步骤23中，利用显影液去除曝光位置的光刻胶R6(图11W)。在步骤24中，向显影的光刻胶R6的表面，进行Si3N4溅射，形成Si3N4膜L7 (图IIX)。在步骤25中，通过剥离去除光刻胶R6、光刻胶R6上方的Si3N4膜L7，形成用于保护金刚石氢终端表面的由Si3N4膜L7形成的保护层。由Ti/Au膜L4形成的金属配线及Al膜L6形成的栅电极，为了进行与外部的电气连接而使其一部分露出来(图11Y)。在步骤25之后，通过对基板B进行蚀刻，形成振动膜，可以得到金刚石压力传感器。另外，使用形成氢终端表面的金刚石压电FET的加速度计、粘度计等也可以通过同样的方法制造。 本发明的应用范围并不限定于上述实施方式。本发明可以广泛应用于具有压电电阻体的半导体装置等，上述压电电阻体利用在半导体材料上作用外力时的电阻值的变化。在本说明书中，“前、后、上、下、右、左、垂直、水平、横、行及列”等表示方向的词汇，涉及本发明的装置上的上述方向。因此，本发明说明书中的上述词汇应在本发明的装置上相对地解释。“构成”这一词汇用于执行本发明的功能而构成，或者用于表示装置的结构、要素、部分。此外，在权利要求中作为“单元加功能”表现的词汇，应包含可以用于执行本发明包含的功能的全部构造。以上对于本发明适当的实施方式进行了说明及例证，但这些只是发明的例示，并不应该限定地考虑，增加、删除、置换及其他变更在不脱离本发明的精神或范围的范围内都可以。即，本发明并不是由上述实施方式限定，而是由权利要求的范围限定。
权利要求
1.一种半导体装置，其具有压电电阻体，该压电电阻体因外力的作用而使半导体的电阻值变化，其特征在于， 具有作为上述半导体起作用的被氢终端化的金刚石表面。
2.如权利要求I所述的半导体装置，其特征在于， 上述金刚石由绝缘性金刚石形成，上述金刚石表面的一部分被氢终端化。
3.一种应变仪，其使用压电电阻体，该压电电阻体因外力的作用而使半导体电阻值变化，其特征在于， 具有作为上述半导体起作用的被氢终端化的金刚石表面。
4.如权利要求3所述的应变仪，其特征在于， 分别在上述压电电阻体的一端配置源电极，在上述压电电阻体的另一端配置漏电极，在上述压电电阻体的上述一端及上述另一端之间配置栅电极，从而构成场效应晶体管。
5.如权利要求4所述的应变仪，其特征在于，具有 保护层，其形成在上述金刚石表面的外侧；以及 温度传感器，其由掺杂金刚石形成，检测上述压电电阻体的温度， 上述栅电极控制上述半导体的空穴量。
6.一种压力传感器，其具有 振动膜，其受到压力而进行变形；以及 应变仪，其使用压电电阻体，该压电电阻体根据上述振动膜的变形量而使半导体的电阻值变化， 其特征在于， 具有作为上述半导体起作用的被氢终端化的金刚石表面。
7.一种半导体装置的制造方法，该半导体装置具有压电电阻体，压电电阻体因外力的作用而使半导体电阻值变化， 其特征在于，具有下述步骤 通过氢等离子使金刚石表面的至少一部分被氢终端化； 使通过上述氢终端化的步骤被氢终端化的金刚石表面作为电阻体而形成； 利用金属膜与上述电阻体进行电气连接；以及 形成用于保护上述电阻体表面的氢终端构造的保护层。
8.一种半导体装置的制造方法，该半导体装置具有压电电阻体，该压电电阻体因外力的作用而使半导体电阻值变化， 其特征在于，具有下述步骤 通过氢等离子使金刚石表面的至少一部分被氢终端化； 形成压电电阻体，其使通过上述氢终端化的步骤被氢终端化的金刚石表面作为场效应晶体管的空穴通道起作用； 利用金属膜与上述电阻体进行的电气连接； 在上述空穴通道上形成用于控制空穴量的栅电极；以及 形成用于保护上述电阻体表面的氢终端构造的保护层。
全文摘要
本发明涉及一种半导体装置、应变仪、压力传感器及半导体装置的制造方法。本发明提供一种半导体装置，其具有因外力的作用而使半导体的电阻值变化的压电电阻体，其特征在于，具有作为上述半导体起作用的被氢终端化的金刚石表面。
文档编号G01B7/16GK102683426SQ20121006194
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月9日 优先权日2011年3月10日
发明者新谷幸弘, 竹中一马 申请人:横河电机株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
