CN100380129C - 加速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种防止外力引起的裂缝的传播并谋求减小加速度传感器相对半导体基片主面方向的尺寸的加速度传感器。加速度传感器(2)配备有半导体基片(6)、半导体基片(6)上设置的、加速度传感元件(3)及围绕该传感元件(3)的框架(8)、框架(8)上设置的中间层(34、36)、与中间层(34、36)接合用于密封加速度传感元件的封罩部分(5)。框架(8)及中间层(34、36)上，分别在相对于半导体基片(6)主面方向大致相同的位置上设置框状沟槽，并在整体上形成框状沟槽(38)。

Description

加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种加速度传感器。
技术背景
目前，公知的加速度传感器是将加速度传感元件及围绕该传感元件的框架设置在半导体基片上，将封罩部分接合在框架上，籍此对加速度传感元件进行密封(譬如，参考专利文献1)。
专利文献1：特开2002-134759号公报
可是，按照上述结构，由于加速度传感元件及框架共同形成于半导体基片上，由于外力在封罩部分与框架的接合区域造成的裂纹、或者在接合区域当封罩部分和框架的材质不同时因两者的热膨胀系数不同而存在的残余应力，易于传播至加速度传感元件，其结果是，有时会引起加速度传感器的特性变动。
发明内容
本发明的目的是提供一种不易因外力或残余应力而引起特性变动的加速度传感器。
为达成上述目的，本发明所涉及的加速度传感器的第1种形态是：
备有基片、基片上所配设的加速度传感元件及围绕该传感元件的框架、框架上配设的中间层、与中间层接合用于密封加速度传感元件的封罩部分，其特征是框架及中间层在相对基片主面方向大致相同的位置上分别设置有框状的沟槽。
本发明所涉及的加速度传感的第2种形态是：
备有基片、基片上所配设的加速度传感元件及围绕该传感元件的框架、框架上配设的中间层、与中间层接合用于密封加速度传感元件的封罩部分，其特征是框架带有与中间层与封罩部分的接合区域相比延伸至加速度传感元件一侧的延展部分，并在该延展部分上设有围绕加速度传感元件的框状沟槽。
按照本发明所涉及的第1种形态，由于中间层和框架上设置有框状沟槽，即使外力使封罩部分与框架的接合区域产生裂纹，由于沟槽能阻止裂纹的行进，因此，也能够保持加速度传感器的气密性，使加速度传感元件不发生特性变动。并且，由于中间层和框架的框状沟槽设定于相对基板主面方向的大致相同的位置上，因此，能够谋求加速度传感器相对基板主面方向的尺寸的小型化。
按照本发明所涉及的第2种形态，由于在框架的延展部分上设置有围绕加速度传感元件的框状沟槽，使中间层与封罩部分接合处的残余应力不会越过沟槽传播，因此，能防止加速度传感元件的特性变动。
附图说明
图1为本发明所涉及的加速度传感器的实施形态1的截面图；
图2为图1中的基座部分的俯视图；
图3(a)为图1中的加速度传感元件的俯视图；
图3(b)为图3(a)的从III方向看到的加速度传感元件的侧面图；
图4为本发明所涉及的加速度传感器的实施形态2的局部放大截面图；
图5为本发明所涉及的加速度传感器的实施形态3的局部放大截面图；
图6为本发明所涉及的加速度传感器的实施形态4的截面图；
图7为图6中基座部分的俯视图；
图8为本发明所涉及的加速度传感器的实施形态5的局部放大截面图；
图9为本发明所涉及的加速度传感器的实施形态6的局部放大截面图。
图中标记说明
3加速度传感元件
4A基座部分
5封罩部分
6半导体基片
8框架
28金属层
30加速度传感器
34绝缘层
36非掺杂多晶硅层
38框状沟槽
具体实施方式
下面参照附图说明本发明所涉及的实施形态。
实施形态1：
图1为本发明所涉及的实施形态1的截面图。本加速度传感器2备有用于承载加速度传感元件3的基座部分4、与基座部分4相接合用于密封加速度传感元件3的封罩部分5。
图2为基座部分4的俯视图。基座部分4备有矩形半导体硅基片6(广义上的基片)，在该基片6主面上，设置有用于检测加速度的传感元件3和围绕该传感元件3的框架8。框架8通常为矩形，本发明不受其形状的限定。加速度传感元件3和框架8，譬如，是在半导体基片6上沉积了掺杂有作为杂质的磷的多晶硅层后，通过刻蚀等方法选择性地去除多晶硅而形成的。除磷外，钾、硼、砷等也可作为掺杂剂。
图3(a)、(b)为加速度传感元件3的放大图。加速度传感元件3为电容式加速度传感元件，备有受外力作用而变位的质量块10。质量块10带有一个与半导体基片6主面保持规定的间隔，以图3(a)的左右方向为长度方向、上下方向为宽度方向的近似矩形的可动电极12。可动电极12通过从各短边分别向长度方向突出来的突出部分14L、14R，然后再向宽度方向延伸的横梁16L、16R，与固定在半导体基片6主面上的支撑体18L、18R连结。横梁16L、16R在图3(a)中左右方向的长度(宽)短于上下方向的长度，并在左右方向上能够略微伸缩，其结果是，加速度传感器2左右方向上受外力作用时，可动电极12能够在左右方向上变位。可动电极12上形成有自各长边的中央分别向宽度方向延伸的规定大小的槽20U、20D。槽20U、20D内分别配置有固定在半导体基片6主面上的固定电极22U、22D。加速度传感器2受外力作用，则固定电极22U与形成槽20U的可动电极12部分内面的间隙，及固定电极22D与形成槽20D的可动电极12部分内面的间隙将发生变化，因而，可动电极12和固定电极22U、22D间的静电容量发生变化(如上所述，形成可动电极12及固定电极22U、22D的多晶硅中，为了使其电性导通而掺杂了磷。)。静电容量的变化被作为电信号输往外部的电容测量电路(图中未标出)。
本发明不受加速度传感元件3的结构的限定，譬如，可动电极也可在与半导体基片6的主面垂直的方向上变位。并且不限于电容式，压敏电阻式也可以。
回到图1、2，框架8上形成有非掺杂的多晶硅层24。多晶硅层24是利用诸如CVD法的工艺而成膜的硅氧化膜，通过设定其厚度，使形成框架8的多晶硅中所含的磷不至于扩散到多晶硅层24与封罩部分5的接合界面而析出。多晶硅层24构成框架8与封罩部分5之间的中间层。框架8和多晶硅层24在相对于主面方向大致相同的位置上分别形成框状的贯通沟槽，整体上构成了框状沟槽25。
封罩部分5备有由矩形硅半导体基片经诸如锪孔加工的工艺形成凹槽26的封罩(主体)27，并在形成凹槽26一侧的主面上形成有金属层28。金属层28是在封罩27上用诸如蒸镀或喷射等工艺形成钛膜，然后再形成镍膜。钛膜和镍膜的厚度，考虑到与多晶硅层24之间的接合强度及随着膜形成而产生的残余应力，分别以数十nm、数百nm为宜。
制造加速度传感器2时，将基座部分4的多晶硅层24和封罩部分5的金属层28重叠在一起，以此状态，将基座部分4和封罩部分5放入真空或者惰性气体下的加热炉内，在400℃下加热数十分钟至数小时。结果，多晶硅层24的多晶硅和金属层28的镍形成共晶合金，基座部分4和封罩部分5实现接合。此时，由于基座部分4的经掺杂的框架8与金属层28之间存在一层非掺杂多晶层24，因此，形成框架8的多晶硅中所含的磷即使扩散到非掺杂的多晶硅层24，磷也不会到达多晶硅层24与金属层28的接合面而析出。因此，可以防止基座部分4和封罩部分5的接合不良。
具备这种结构的加速度传感器2，由于基座部分4和封罩部分5的接合区域为多层构造而易受外力影响。譬如，在金属框(图中未标示)上加热加速度传感器2进行芯片焊接时，硅半导体基片6和金属框粘接，由两者热膨胀系数的差异产生的残余应力；在芯片焊接工序后的用于密封加速度传感器2的模塑工序时，射出模塑树脂的压力；完成承载加速度传感器2的器件后，因加速度传感器2放置环境(如受热过程和湿气)引起的模塑和芯片焊接的劣化所产生的应力的变化等，都可作为外力的例子列举出来。
若是现有的不带沟槽25的结构，受上述外力的影响在接合区域的各层间(半导体基片6与框架8之间及框架8与多晶硅层24之间)会产生裂纹，真空密封受到破坏，加速度传感元件3的特性有时会发生变动。并且，即使未产生裂纹，应力通过框架8和半导体基片6传播至加速度传感元件3，也有可能引起加速度传感元件3的特性变动。
对此，按照本实施形态的结构，即使受外力影响产生裂纹，由于沟槽25能阻止裂纹的行进，传感器2的气密性得以保持，传感元件3也不会发生特性变动。并且，应力也不会越过沟槽25传播，不会对传感元件3的特性产生影响。因此，籍由开设沟槽25，可提供性能可靠的加速度传感器2。
本实施形态还因为框架8上设置的框状沟槽和多晶硅层24上设置的框状沟槽配设于相互重合的位置，因此可以缩小加速度传感器2的相对于半导体基片6主面方向的尺寸。
实施形态2
图4为本发明所涉及的加速度传感器的实施形态2的局部放大截面图。下述说明中，与实施形态1相同或类似的构成要素，用同一标记或以在同一标记上加注适当注脚的形式表示。
本实施形态所涉及的加速度传感器30，其半导体基片6的主面上形成有绝缘层32。绝缘层32是在半导体基片6上用诸如CVD法的工艺先形成硅氧化膜，再形成硅氮化膜。加速度传感元件3和框架8形成于该绝缘层32上，它们之间是绝缘的。
金属层28和框架8之间，不是象实施形态1那样存在着规定厚度的多晶硅层24，而是存在着作为扩散防止层的绝缘层34及非掺杂多晶硅层36(这些层34、36构成框架8和封罩部分5之间的中间层)。因此，进行基座部分4A的制造工序时，在框架8上用诸如CVD法的工艺形成绝缘层34，再用诸如喷射的工艺形成多晶硅层36。然后，将基座部分4A的多晶硅层36和封罩部分5的金属层28重叠在一起。在此状态下，与实施形态1同样，加热使多晶硅层36的多晶硅与金属层28的镍形成共晶合金，对基座部分4A和封罩部分5实施接合。由于多晶硅层36与框架8之间存在着扩散防止层34，因此，可以防止形成框架8的硅中所含的磷扩散到非掺杂的多晶硅层36，在多晶硅层36和金属层28的界面上析出。
绝缘层32、框架8、绝缘层34及多晶硅层36，相对于主面方向在大致相同的位置上分别形成框状的贯通沟槽，整体上构成了框状沟槽38。
具有这种结构的加速度传感器30，因基座部分4A和封罩部分5的接合区域为多层构造而易受外力的影响，但是，即使受外力影响产生裂纹，因沟槽38可以阻止裂纹的行进，加速度传感器30的密封性得到保护，加速度传感元件3也不会发生特性变动。由于应力也不会越过沟槽38传播，不会对加速度传感元件3的特性产生影响。因此，通过开设沟槽38，可提供性能可靠的加速度传感器30。
本实施形态还因为绝缘层32、框架8、绝缘层34及多晶硅层36上分别开设的框状沟槽配设于相互重叠的位置上，因此可以缩小加速度传感器30的相对于半导体基片6主面方向的尺寸。
在半导体基片6上，也可在与绝缘层32、框架8、绝缘层34及多晶硅层36的相对于主面方向大致相同的位置上形成框状的沟槽，籍此，也可以与绝缘层32、框架8、绝缘层34及多晶硅层36一起构成框状的沟槽38。沟槽38深达半导体基片6的构造，应力的传播距离比沟槽开设到绝缘层32时更长，因此，不仅可以增加防止上述应力传播的效果，还具有防止绝缘层32与半导体基片6之间可能产生的裂纹的行进及应力的传播的效果。
实施形态3
图5为本发明所涉及的加速度传感器的实施形态3的局部放大截面图。本实施形态所涉及的加速度传感器40虽与实施形态2的加速度传感器30的结构相类似，但其基座部分4上不设置沟槽38，而是在封罩主体27B的接合区域开设框状的沟槽42。沟槽42也可通过与凹槽26B同样的工序(譬如锪孔加工)形成，也可通过其他工序(如刻蚀)形成。
应力有时会通过封罩部分5B的侧面传播。如本实施形态那样设置沟槽42时，由于应力不会越过沟槽42传播，不会对传感元件3的特性造成影响，因此可提供性能可靠的加速度传感器40。
实施形态4
图6为本发明所涉及的加速度传感器的实施形态4的截面图。图7为本实施形态所涉及的加速度传感器50的基座部分4C的俯视图。速度传感器50虽然具有与实施形态1的加速度传感器2类似的结构，但其基座部分与封罩部分的接合区域未设置沟槽25，而是在与接合区域相比延展到加速度传感元件3一侧的框架8C(即接合区域与加速度传感元件3之间)上设置框状沟槽52。
在基座部分4C与封罩部分5的接合部位，因多晶硅层24与金属层28的材料(硅和镍)的热膨胀系数的差异而产生的残余应力，以多晶硅层24和金属层28的接合端部54为最大。因此，在未设置沟槽52时，残余应力通过框架8C及半导体基片6传播至加速度传感元件3，有时会引起该传感元件3的特性变动。但设置沟槽52时，应力不会越过沟槽52传播，不会对传感元件3的特性产生影响，因此可提供性能稳定的加速度传感器50。
半导体基片6上也可以相对于主面方向在与框架8C的框状沟槽52大致相同的位置上形成框状沟槽。
实施形态5
图8为本发明所涉及的加速度传感器的实施形态5的截面图。本实施形态所涉及的加速度传感器60虽然具有与实施形态2的加速度传感器30相类似的结构，但其封罩部分和基座部分的接合区域未开设沟槽38，而是在与接合区域相比延展至加速度传感元件3一侧的框架8D部分及绝缘层32(即接合区域与加速度传感元件3之间)上设置框状沟槽62。
在封罩部分5的金属层28与基座部分4D的多晶硅层36的接合处，因镍与硅的热膨胀系数的差异而产生的残余应力，以金属层28和多晶硅层36的接合端部64为最大。因此，在未设置沟槽62时，残余应力通过多晶硅层36、绝缘层34、框架8、绝缘层32、继而通过半导体基片6传播至加速度传感元件3，有时会引起该传感元件3的特性变动。但设置沟槽62时，应力不会越过沟槽62传播，因此不会对传感元件3的特性产生影响，可提供性能稳定的加速度传感器60。
半导体基片6上也可以在与绝缘层32、框架8D相对于主面方向大致相同的位置上设置框状的沟槽，并与绝缘层32、框架8D一同构成框状沟槽62。
实施形态6
图9为本发明所涉及的加速度传感器的实施形态6的截面图。本实施形态所涉及的加速度传感器70配备有与实施形态2、3、5相同的沟槽38E、42E、62E。基座部分4E的沟槽38E和封罩部分5E的沟槽42E形成于相对半导体基片主面方向的大致相同的位置上，能够减小加速度70相对于主面方向的尺寸。
设置沟槽62E后，即使不设置沟槽38E、42E，也可防止应力向加速度传感元件3传播。沟槽38E、42E主要用于防止裂纹对加速度传感器70的密封性的破坏。
以上对本发明的具体实施形态进行了说明。本发明并不局限于这些实施形态，而能进行各种改变。譬如，框架及框架与封罩部分间所配置的中间层(例如，实施形态1为多晶硅层24，实施形态2为至少包含绝缘层34的各层)上分别形成的框状沟槽，如果设置于相对半导体基片主面方向大致相同的位置处，即使沟槽不连通(中间层上形成的框状沟槽不是贯通槽时)，也包含在本发明的范围内。但是，考虑到利用其他工序制作的基座部分与封罩部分的接合以及沟槽形成的难易等问题，中间层上形成的沟槽最好在中间层与封罩部分的接合界面上处于开放状态。并且，为了应对基座部分与封罩部分接合区域各层间可能产生的裂纹及残余应力，框架及中间层的各沟槽最好为贯通沟槽。这从沟槽形成的简易程度考虑也是有利的。
并且，对于实施形态2、6，不在半导体基片上直接形成的绝缘层上设置沟槽的构造也包含在本发明的范围内。
此外，下述结构也包含在本发明的范围内，即在与中间层与封罩部分的接合区域相比延伸到内侧的延展部分上所形成的框状沟槽不是贯通沟槽。

Claims (4)

1.一种加速度传感器，配备有基片；加速度传感元件及围绕该传感元件的框架，该加速度传感元件及围绕该传感元件的框架是设置在基片上的；框架上设置的中间层；以及通过与中间层接合来密封加速度传感元件的封罩部分，其特征是，在框架及中间层上关于基片主面方向大致相同的位置上分别设置有框状沟槽。
2.如权利要求1所述的加速度传感器，其特征是，在框架及中间层上分别设置的沟槽为贯通槽。
3.如权利要求1或2所述的加速度传感器，其特征是，在封罩部分的与中间层相接合的区域中，在关于基片主面方向与上述框架及中间层的沟槽大致相同的位置上设置有框状沟槽。
4.一种加速度传感器，配备有基片；加速度传感元件及围绕该传感元件的框架，该加速度传感元件及围绕该传感元件的框架是设置在基片上的；框架上设置的中间层；以及通过与中间层接合来密封加速度传感元件的封罩部分，其特征是，框架具有与中间层和封罩部分的接合区域相比还延伸到加速度传感元件一侧的延展部分，在该延展部分上以围绕加速度传感元件的方式设置有框状沟槽。
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