JPH08107219A - 半導体加速度センサ及び半導体加速度センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 片持ち梁の膜厚の製造上のばらつきを押さえ
ることにより、歩留りの向上と、検査項目の削減を行
い、低コストの半導体加速度センサを提供する。 【構成】 ＳＯＩ基板のシリコン薄膜層５を加速度セン
サの片持ち梁６として、シリコン酸化膜層４をエッチス
トップ層とエアーダンパとして、また、ベースシリコン
層３を重り１と支持体２として使用する。 【効果】 加速度センサの感度を決定する最も重要な要
素の一つである片持ち梁の膜厚のばらつきが著しく減少
し、目的感度を持つ加速度センサの歩留りが向上し、従
来必要であった、加速度センサの感度の全数検査工程が
不必要となり、低コストの加速度センサの提供が可能。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体ピエゾ抵抗効果
を応用した産業用小型半導体加速度センサ及びその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、±１Ｇ程度の検出感度を持つ小型
半導体加速度センサは主として自動車用の姿勢制御、高
精度測定装置に付随する微小振動測定等に用いられてき
た。図５に一般的な半導体加速度センサの構造の断面図
を示す。

【０００３】これらの半導体加速度センサの構造は例え
ば特開平１−２５００３０などにその構造が開示されて
いる。図５において加速度の検出部はシリコン単結晶基
板の一部を薄くし、さらに片持ち梁構造とすることで、
外部からの加速度は前記片持ち梁６のたわみに変換され
る。この片持ち梁７のたわみは前記片持ち梁内の内部応
力として、前記片持ち梁６上に設けられたをピエゾ抵抗
素子７に伝わり、前記ピエゾ抵抗素子は加わった応力に
応じてその抵抗値を変化させる。

【０００４】ここで、前記ピエゾ抵抗素子は前記シリコ
ン単結晶中に構成されたたわみの応力の影響の無い他の
参照抵抗とホイートストーンブリッヂ回路を構成し、抵
抗値変化を電圧値変化として外部回路に伝える。この電
圧値変化をモニターする事により、半導体加速度センサ
に加わった加速度の大きさを知ることができる。従っ
て、半導体加速度センサの感度は前記片持ち梁の物理的
な大きさと前記片持ち梁と一体に構成される重り１の重
さ、及び、ピエゾ抵抗素子の電気的な特性とピエゾ抵抗
素子の置かれる位置による。片持ち梁は厚さが薄く、幅
が細く、長さが長いほどたわみやすく、検出可能な加速
度は小さくなる。

【０００５】また、片持ち梁の大きさが等しい場合は構
成される重りの部分の重さが重いほど高感度となる。し
かし、検出感度を高くしすぎると、片持ち梁は物理的に
破壊されやすくなる。ピエゾ抵抗素子の電気的な特性は
シリコン単結晶中の不純物の種類及び、埋め込みの面方
位、さらに、ピエゾ抵抗素子を形成する際の導入不純物
濃度により異なる。この電気的特性は不純物濃度の関数
となり、その値はピエゾ抵抗係数として公知である。ま
た、片持ち梁上の応力が集中する位置にピエゾ抵抗素子
を形成する事により半導体加速度センサの感度を向上さ
せることが可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記片持ち梁
構造を形成する際にバルクのシリコンウエハーをエッチ
ング等により薄くする必要がある。このエッチング時に
生じる、面内ばらつきは片持ち梁の膜厚のばらつきとな
り、直接的に半導体加速度センサの感度特性に影響を与
える。このため、目的とする感度を持つ半導体加速度セ
ンサを得るためには、製造された全数の半導体加速度セ
ンサの感度検査を行う必要がありコスト高になると言う
課題があった。また、エッチングのばらつきを抑える方
法として公知である電気化学エッチング法は、高濃度の
不純物をあらかじめシリコン単結晶基板中に導入し、シ
リコン半導体のダイオードとしての性質を利用してい
る。しかし、この電気化学エッチング法においてはエッ
チング条件の設定が難しく、さらに複数枚を同時エッチ
ングするためには特別な装置が必要となるなどの問題が
ある。

【０００７】そこで、本発明の目的は、従来のこのよう
な課題を解決するため、ＳＯＩ基板のシリコン薄膜層を
片持ち梁として用いる事により、簡便にエッチング時の
面内ばらつきを無くし、低コストの小型半導体加速度セ
ンサを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明はＳＯＩ基板上のシリコン薄膜層を片持ち梁
として使用し、ベースシリコン層と前記シリコン薄膜層
の間にあるシリコン酸化膜層をエッチストップ層に、前
記ベースシリコン層を重りとして使用することにより、
ウエハー面内でエッチングによる片持ち梁の膜厚ばらつ
きを原理上無くす事が可能となる。

【０００９】

【作用】上記のように構成された半導体加速度センサで
は、片持ち梁を形成する際に、ベースシリコン層を塩化
カリウム溶液等で異方性エッチングを行っていくが、エ
ッチング速度が面内でばらついたとしても、シリコンよ
りエッチング速度が選択的に小さい酸化膜層までエッチ
ングされた段階でエッチングは停止し、上部のシリコン
薄膜層までエッチングが進むことはない。このため、あ
らかじめ定めておいた上部シリコン薄膜層の厚さのみで
片持ち梁部の厚さが決まるため再現性が良く、ウエハー
面内全体に目的とする感度を持つ半導体加速度センサを
得ることができる。エッチングが終了した時点で残る薄
いシリコン酸化膜層はフッ酸、フッ化アンモニウム混合
溶液等で選択的に除去が可能である。また、片持ち梁部
の厚さに比較し十分シリコン酸化膜層が薄い場合は除去
を行わなくとも、エアーダンパとしての使用が可能であ
る。

【００１０】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図に基づいて説明
する。 ［実施例１］図１は、本発明における半導体加速度セン
サの構造の一実施例を示す正面図であり、図２は図１に
おけるＡ−Ａ’線での断面図である。

【００１１】重り１と前記重り部分を支える支持体２
は、厚さ３００μｍから７００μｍのベースシリコン層
３の上に、厚さ３０００Åから１μｍのシリコン酸化膜
層４があり、さらに、その上方に厚さ５μｍから３０μ
ｍのシリコン薄膜層５の３層で構成される。前記重り１
の大きさは、目的とする感度により縦横の長さは５００
μｍから５ｍｍの範囲で選択され、厚さはＳＯＩ基板の
厚さにより決定される。

【００１２】本実施例では横方向で２１４０μｍ、縦方
向で５００μｍから２１４０μｍ、厚さ５３１μｍとし
た。片持ち梁６は前記ベースシリコン層３とシリコン酸
化膜層４の両方、あるいは、ベースシリコン層４のみが
シリコンの異方性エッチングにより除去され構成され
る。大きさは厚さ５μｍから５０μｍ、幅１０μｍから
２００μｍ、長さ５０μｍから１５００μｍの範囲で目
的とする感度及び物理的強度から計算により決定され
る。

【００１３】本実施例においては、片持ち梁６の厚さは
ＳＯＩ基板のシリコン薄膜層の厚さにより１５μｍを用
い、本数は２本としたが、目的とする感度と他軸感度が
得られる構造であれば、厚さや本数と配置は限定されな
い。しかし、片持ち梁の厚さを５μｍ以下とし、また本
数を２本とすると、加速度センサを切り出すダイシング
工程で折れやすくなる。また、片持ち梁６が１本である
と他軸感度が大きくなることから、片持ち梁６の厚さは
１０μｍ以上で、本数は２本あるいは４本が望ましい。

【００１４】前記片持ち梁６は前記重り１と支持体２と
一体で構成されており、外部から加わる加速度と重り１
の質量により変換された力を受けて変位する。前記片持
ち梁６上にはピエゾ抵抗素子７を形成する不純物層とし
てボロンが片持ち梁部の表面近傍に局在する。ピエゾ抵
抗素子の長さは５０μｍから２００μｍで幅は５μｍか
ら３０μｍである。前記片持ち梁６上に形成される前記
ピエゾ抵抗素子７と同じ抵抗値を持つ参照抵抗８が、外
部からの加速度の影響を受けない場所である支持体２や
重り１上に形成され、前記ピエゾ抵抗素子７とアルミニ
ウムやチタン、不純物拡散、ポリシリコン等の電気的配
線９によりホイートストーンブリッヂ回路１０を構成す
る。前記電気的配線９の抵抗値はピエゾ抵抗素子の抵抗
値と比較して十分に小さくなければならない。

【００１５】前記ホイートストーンブリッヂ回路１０に
は外部回路に加速度の信号を送るためと、外部出力のオ
フセットを調製するためと、電源をセンサ中の回路に供
給するための、６個以上のコンタクト１２が接続され
る。過大な加速度による片持ち梁６の破損を防ぐため、
支持体２の上下にはギャップ１３ａ，１３ｂを持つ、上
部制振板１４と下部制振板１５が張り合わせられ、固定
されている。前記重り１は上・下制振板１４、１５のギ
ャップ１３ａ，１３ｂの範囲のみを動くこととなり、過
大な加速度による片持ち梁６の物理的破壊を防ぐことが
できる。このギャップ１３の深さは目的とする感度によ
り５０μｍから２００μｍの範囲内で設定を行う。前記
制振板１４の材質は、重り１の動きを抑えることが可能
で、さらに、前記支持体２に強固に張り合わせ固定でき
るものであれば良い。

【００１６】本実施例では制振板１４としてパイレック
スガラスを使用し、支持体２との固定は陽極接合法によ
り行った。本発明による、片持ち梁６の膜厚のばらつき
は片持ち梁６の厚さを１５μｍとしたとき、４インチの
ウエハー面内で５％程度に収まっていた。このばらつき
はほぼシリコン薄膜層５の厚さの初期ばらつきであり、
異方性エッチングによるばらつきの増加は観察されなか
った。この範囲のばらつきであれば、出力信号のばらつ
きはほぼ１０％程度に収まるため、全数検査を行う必要
は無くなる。

【００１７】［実施例２］図３に本発明の他の実施例と
して、エアーダンパ１９を有する加速度センサの断面図
を示す。実施例２による加速度センサはＳＯＩ基板のシ
リコン酸化膜層４を選択除去せずに、そのまま残してあ
る。このシリコン酸化膜層４の厚さは１μｍ以下であ
り、片持ち梁６の厚さ１５μｍと比較して十分に小さ
い。このため、シリコン酸化膜層４を残しておいても加
速度センサの実効的な感度にはほとんど影響がない。こ
のような構成を取る加速度センサは上部制振板１４に設
けられたギャップ１３ａとシリコン酸化膜層４の間と、
下部制振板１５に設けられたギャップ１３ｂとシリコン
酸化膜層４の間が密閉された空間を持つ。このため、加
速度センサに伝わる振動等の高周波ノイズは密閉された
空気の圧力により除去される。しかし、測定対象の加速
度成分が高周波成分である場合は、このエアーダンパ１
９は不適であり、加速度センサの製造時にシリコン酸化
膜層４を除去する事が望ましい。

【００１８】図４は本発明による加速度センサの製造方
法を示す流れ図である。工程（イ）から（ホ）は次に示
す手順で工程を進める。 （イ）半導体プロセスにより、ＳＯＩ基板のシリコン薄
膜層５に、片持ち梁６、ピエゾ抵抗素子７、参照抵抗
８、電気的配線９及び、コンタクト１２を形成した後、
前記シリコン薄膜層５のパターンに合わせて、裏面のベ
ースシリコン層３にエッチング窓パターン１６をシリコ
ン窒化膜などのマスク層１７で形成する。

【００１９】（ロ）あらかじめ必要量のギャップ１３ａ
を形成した上部制振板１４を、エッチング溶液が浸入し
ないように前記シリコン薄膜層５に強固に張り合わせ
る。 （ハ）上部制振板１４を張り合わせたＳＯＩ基板を加熱
したシリコンの異方性エッチング溶液中に入れ、ベース
シリコン層３の一部を除去し、重り１を形成する。エッ
チングを行う際に、面内にエッチング速度のばらつきが
生じても、ＳＯＩ基板のシリコン酸化膜層４がエッチス
トップの役目を果たし、ばらつきを吸収する。

【００２０】（ニ）異方性エッチング溶液から取り出
し、十分に洗浄し、裏面のエッチング窓パターン１６を
選択的に除去する。実施例１のようにエアーダンパ１９
を形成しない場合はエッチング窓パターン１６の除去後
に、シリコン酸化膜層４の一部を選択的に除去する。実
施例２のようにエアーダンパ１９を生成する場合は、シ
リコン酸化膜層４の除去は行わない。

【００２１】（ホ）あらかじめ必要量のギャップ１３ｂ
を形成した下部制振板１５をベースシリコン層に張り合
わせ、ダイシングにより個々の半導体加速度センサを切
り出し完成させる。 本実施例では、異方性エッチングを行うエッチング溶液
に、３００μｍを越える深いシリコンエッチングには９
５℃に加熱した塩化カリウムの３５％溶液を、数μｍか
ら１５０μｍ程度のシリコンエッチングには、エチレン
ジアミン（１リットル）、ピロカテコール（１６０グラ
ム）、水（１３５グラム）、ピラジン（６グラム）をか
っこ内の比率で混合し９０℃に加熱した溶液（以下ＥＰ
Ｗと略す）、並びに、９０℃に加熱した２０％〜４０％
のテトラメチルアンモニウムヒドロオキサイド溶液（以
下ＴＭＡＨと略す）を使用した。特に、片持ち梁６を形
成する場合は、ベースシリコン層３のほとんどをエッチ
ングにより除去する必要があるため、エッチングの８０
から９０％程度を塩化カリウム溶液で行い、残りのエッ
チングをＥＰＷあるいはＴＭＡＨで行った。

【００２２】実施例２ではシリコンエッチングの終了時
に残るシリコン酸化膜層４は、加速度センサの外部から
伝わる高周波ノイズを除去するエアーダンパ（１９）と
して使用しているが、エアーダンパが不必要な場合はフ
ッ酸、フッ化アンモニウム混合溶液で選択的に除去可能
である。従来の単結晶シリコン基板を用いた加速度セン
サでは、本発明と同様に片持ち梁６を形成すると、塩化
カリウム溶液のエッチング速度による面内のばらつき
（３％から１０％）により、片持ち梁６の膜厚が１５μ
ｍの狙い値で５μｍか２５μｍの範囲でばらつく。この
ため、加速度センサとして目的感度を持つセンサの数は
全体の４０％程度となってしまう。しかし、本発明によ
る加速度センサは片持ち梁６形成時のエッチングばらつ
きが無くなるため、ウエハー面内でほぼ均一な膜厚を持
つ片持ち梁６の形成が可能となる。このため、全体数の
８０％以上で目的感度を持つ加速度センサが得られた。

【００２３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したようにＳＯＩ基
板のシリコン薄膜層を片持ち梁として、シリコン酸化膜
層をエッチストップ層及び、エアーダンパとして、シリ
コンベース層を重り並びに、支持体として使用するとい
う構成としたので、片持ち梁のエッチング時の膜厚ばら
つきが無く、半導体加速度センサの出力のばらつきが著
しく減少するため、半導体加速度センサの検査項目の削
減及び、低コスト化が可能であるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体加速度センサの構造を示した正
面図である。

【図２】本発明の半導体加速度センサの構造を示した断
面図である。

【図３】本発明のエアーダンパを有する半導体加速度セ
ンサの断面図である。

【図４】本発明の半導体加速度センサ製造方法を示した
説明図である。

【図５】従来の方法により作製された半導体加速度セン
サの構造の断面図である。

【符号の説明】

１ 重り ２ 支持体 ３ ベースシリコン層 ４ シリコン酸化膜層 ５ シリコン薄膜層 ６ 片持ち梁 ７ ピエゾ抵抗素子 ８ 参照抵抗 ９ 電気的配線 １０ ホイートストーンブリッヂ回路 １１ 外部回路 １２ コンタクト １３ ギャプ １４ 上部制振板 １５ 下部制振板 １６ エッチング窓パターン １７ マスク層 １９ エアーダンパ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一体に構成された重り、支持
   体、片持ち梁と前記片持ち梁上に形成されたピエゾ抵抗
   素子と、前記支持体あるいは前記重り上に形成された参
   照抵抗と、前記片持ち梁の過剰な加速度による物理的な
   破壊を防ぐ２枚の制振板と、外部回路との電気的接続を
   行うコンタクトとを有し、前記ピエゾ抵抗素子と前記参
   照抵抗により構成されたホイートストンブリッジ回路の
   電圧変化により印加された加速度を検出しうる半導体加
   速度センサにおいて、ＳＯＩ基板のシリコン薄膜層を前
   記片持ち梁として、並びにシリコン酸化膜層を前記片持
   ち梁を形成する際のエッチストップ層として、並びにベ
   ースシリコン層を少なくとも前記重りあるいは前記支持
   体の一部として構成する事を特徴とした半導体加速度セ
   ンサ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体加速度センサにお
   いて、ＳＯＩ基板のシリコン薄膜層を前記片持ち梁とし
   て、並びにシリコン酸化膜層を前記片持ち梁を形成する
   際のエッチストップ層及びエアーダンパとして、並びに
   ベースシリコン層を少なくとも前記重りあるいは前記支
   持体の一部として構成する事を特徴とした半導体加速度
   センサ。
3. 【請求項３】 少なくとも、半導体プロセスによりＳＯ
   Ｉ基板のシリコン薄膜層にピエゾ抵抗素子と、参照抵抗
   と、片持ち梁と、電気的配線と、コンタクトを形成する
   工程と、前記シリコン薄膜層のパターンに合わせて裏面
   のベースシリコン層にエッチング窓パターンをマスク層
   で形成する工程と、あらかじめ必要量のギャップを形成
   した上部制振板とシリコン薄膜層を張り合わせる工程
   と、ＳＯＩ基板のベースシリコン層の一部を前記窓パタ
   ーンからエッチングにより除去し前記重りを形成する工
   程と、前記窓パターンを形成するマスク層を選択的に除
   去する工程と、あらかじめ必要量のギャップを形成した
   下部制振板をベースシリコン層と張り合わせる工程とダ
   イシングにより個々のセンサを切り出す工程からなる半
   導体加速度センサの製造方法。