JP2003172745A - 半導体加速度センサ - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高感度で超小型・薄型の半導体加速度センサ
を提供する。 【解決手段】 半導体基板の中央部に形成された質量部
と該半導体基板の周縁部に形成された枠部と、前記質量
部及び前記枠部の上方に設けられ、これら質量部及び枠
部を接続する薄肉の弾性部と該弾性部の上面側に形成さ
れた複数対のピエゾ抵抗素子とを具備し、前記質量部に
その幅が前記弾性部幅より広い略直方体形状の２対の切
り欠きを設け、該２対の切り欠きの上面側にて該質量部
と前記２対の弾性部とを接続した半導体加速度センサ。
を提供する。 【解決手段】 半導体基板の中央部に形成された質量部
と該半導体基板の周縁部に形成された枠部と、前記質量
部及び前記枠部の上方に設けられ、これら質量部及び枠
部を接続する薄肉の弾性部と該弾性部の上面側に形成さ
れた複数対のピエゾ抵抗素子とを具備し、前記質量部に
その幅が前記弾性部幅より広い略直方体形状の２対の切
り欠きを設け、該２対の切り欠きの上面側にて該質量部
と前記２対の弾性部とを接続した半導体加速度センサ。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、玩具、自動車、
航空機、携帯端末機器等に用いられる加速度検出用の半
導体加速度センサに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来から、加速度センサとしては、ピエ
ゾ抵抗効果、静電容量変化等の物理量変化を利用したも
のが、開発され製品化されている。これらの加速度セン
サは、様々な分野で広く用いることができるが、最近
は、小型、高感度で、多軸方向の加速度を同時に検出で
きるものが要求されている。 【０００３】シリコン単結晶は、格子欠陥が極めて少な
いために理想的な弾性体となること、半導体プロセス技
術をそのまま転用することができること等の特徴を有す
ることから、シリコン単結晶を母体として薄肉の弾性部
を設け、この薄肉の弾性部に加わる応力をピエゾ抵抗効
果素子によって電気信号に変換して出力とするピエゾ抵
抗効果型半導体加速度センサが特に注目されている。 【０００４】従来の３軸の半導体型加速度センサとして
は、例えば、特開昭６３−１６９０７８に記載されてい
るものがあり、その平面図を図８に、また、図８のＢ−
Ｂ線に沿った断面図を図９に示す。シリコン単結晶基板
（以下、Ｓｉ単結晶基板と称する）の薄肉部から成る梁
構造の弾性部を有し、Ｓｉ単結晶基板の厚肉部から成る
中央の質量部と周辺の枠部とは該弾性部で接続され、該
弾性部上には各軸複数個のピエゾ抵抗素子が形成されて
なる基本構造が示されている。 【０００５】まず、全体構造について図８、図９を用い
て説明する。これはＳｉ単結晶基板の厚肉部から成る質
量部２とそれを取り囲むように配置した枠部１と、該質
量部２および枠部１とを連結するＳｉ単結晶基板の薄肉
部より成る２対の互いに直交する梁状の弾性部３と該弾
性部上の２つの直交する方向（ＸとＹ）及び該弾性部３
に垂直な方向（Ｚ）に対応するように設けられた各軸複
数のピエゾ抵抗素子群１０とから構成される。また、該
弾性部３は図８に符号５で示したように薄肉部に貫通穴
を設けることによって梁形状とされており、変形しやす
く、高感度化に向いた構造となっている。 【０００６】この従来例は、３軸の加速度を検出する
が、その検出原理は、中央の質量部２が加速度に比例し
た力を受けて変位したときの弾性部３のたわみを該弾性
部に形成されたピエゾ抵抗素子群１０の抵抗値変化とし
て検出することで３軸方向の加速度を検出するものであ
る。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】上記の半導体加速度セ
ンサでは、高感度化の為には、質量部２の体積を大きく
する、弾性部３の長さを長くすることが効果的で、感度
はほぼ両者に比例して増加することは一般に良く知られ
ている通りである。すなわち、質量部２の体積を大きく
する、また、弾性部３の長さを長くすることによって、
弾性部３はより変形し易くなりピエゾ抵抗素子へ応力を
効果的に伝えることができ感度が上がる。ところが、質
量部２を大きくすることと弾性部３の長さを長くするこ
ととは相反することであり、特にチップサイズ一定の条
件下あるいはより小型化を図る場合に、従来技術では、
両者を両立させることはできなかった。つまり、質量部
２を大きくすれば、弾性部３の長さは短くなり、感度的
には大きな改善はできなかった。そこで従来、感度向上
のためにとられた方法は、質量部２の体積（すなわち重
さ）を増やす方法として質量部２の裏面に組立工程にお
いてガラス片などを接着することで感度を上げていた。
すなわち、従来技術では、弾性部３の長さを長くするこ
とはできないが、チップを厚さ方向（Ｓｉ単結晶基板の
厚さ方向）に長く延ばすことで質量部２の質量を大きく
して感度を上げていた。したがって、従来は小型かつ薄
型で高感度な加速度センサを実現することができなかっ
た。 【０００８】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、その目的は上述の課題を有効に解決し、小型かつ
薄型で、高感度化が可能な半導体加速度センサを提供す
ることにある。 【０００９】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は次の様な半導体加速度センサを採用した。
すなわち、Ｓｉ単結晶基板の中央部に形成された質量部
と、該Ｓｉ単結晶基板の周縁部に形成された枠部と、前
記質量部及び前記枠部の上方に設けられ、これら質量部
及び枠部を接続する薄肉の互いに直交する２対の弾性部
と、該弾性部の上面側に形成された複数対のピエゾ抵抗
素子とを具備してなる半導体加速度センサにおいて、前
記質量部の周囲４辺の略中央部に、互いに直交する２方
向において、その幅が前記弾性部より広い略直方体形状
の切り欠きを設け、該２対の切り欠き上面側の、前記枠
部と平行な部分にて、前記質量部と前記２対の薄肉の弾
性部とを接続する構造としたことである。 【００１０】 【作用】本発明に係る半導体加速度センサでは、該半導
体加速度センサにある加速度が作用すると、質量部はこ
の加速度の方向にこの加速度の大きさに比例して変位す
る。質量部の周囲に設けられた弾性部は、この質量部の
変位に対応して特定方向にたわみ、同時にこの弾性部に
設けられた複数対のピエゾ抵抗素子も歪む。したがっ
て、この歪によりピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化し、４
本のピエゾ抵抗素子を用いてフルブリッジ回路からなる
検出回路を構成すれば前記歪量の大きさに応じた電圧出
力が得られる。 【００１１】本発明の半導体加速度センサでは、前記質
量部においてＸおよびＹの２つの検出軸方向に対応し
て、その幅が前記弾性部幅より広い略直方体形状の２対
の切り欠きを設け、該切り欠きの上面側にて該質量部が
前記２対の弾性部と接続されているため、該質量部の体
積と該弾性部の長さとは、センサの性能上必要十分な範
囲においてそれぞれ独立に設計できる効果がある。つま
り、該質量部の体積を増加させること、および該弾性部
の長さを長くすること、の２つの設計パラメータを自由
に設定できるため、小型・薄型な素子構造において、高
感度化を同時に実現できる効果がある。 【００１２】 【実施例】以下、本発明の各実施態様について説明す
る。本発明の第1の実施例について図１、図２および図
３を用いて説明する。図１は半導体加速度センサの平面
図、図２は図１に示した本発明になる実施例を裏面から
見た平面図、図３は図１のＸ−Ｘ線（Ｘ軸）に沿う断面
図である。 【００１３】この半導体加速度センサは、弾性部の厚さ
を高精度に制御できるようにＳｉＯ２絶縁層を介してＳ
ＯＩ層を形成したＳｉ単結晶基板、すなわちＳＯＩウエ
ーハを用いた。ＳＯＩとはＳｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎ
ｓｕｌａｔｏｒの略であり、約１０μｍ厚さでＮ型のＳ
ｉ単結晶層のものを使用した。本実施例の加速度センサ
は、Ｓｉ単結晶基板の厚肉部から成る中央の質量部２
と、該質量部２を取り囲むように周辺に配置した枠部１
と、該質量部２と枠部１とを連結するＳｉ単結晶基板の
薄肉部から成る２対の梁状の弾性部３ａ、３ｂ、３ｃ、
３ｄと、該弾性部上にある２つの直交する検出軸（Ｘと
Ｙ軸）および該弾性部に垂直な１つの検出軸（Ｚ軸）に
対応して、該弾性部上に設置した各軸それぞれ４ケのピ
エゾ抵抗素子１１、１２、...、３３、３４とからな
り、該各軸４ヶのピエゾ抵抗素子はフルブリッジ検出回
路を構成してなる。前記質量部２はＸ（Ｚ）およびＹの
２つの検出軸方向に対応して、幅が前記弾性部幅より広
い略直方体形状の２対の切り欠きを持つ構造で、該切り
欠きの上面側にて該質量部２と前記２対の弾性部３とが
接続されている。 【００１４】この第1の実施例になるセンサ構造をより
理解しやすくするために、概略立体構造を従来構造と対
比して図４に示す。図４（ａ）は従来構造、（ｂ）は本
発明のセンサ構造である。同図の符号は、図１〜図３と
同一部は同じ符号を付した。図４（ｂ）より明らかなよ
うに、本発明の構造とすることによって、前記質量部２
の体積と前記弾性部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの長さをそ
れぞれ独立して制御できる。すなわち、前記薄肉の弾性
部の梁３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを細く、またできるだけ
長くし、かつ、前記質量部２を可能な限り大きくするこ
とに依って、センサの検出感度を向上することができ
た。 【００１５】以下、本実施例の製造方法について説明す
る。図５は、主要工程を説明するための図１のＸ軸方向
断面の一部を示している。ＳＯＩウエーハとは上述した
ように図５で符号をつけて示したように、Ｓｉのベース
基板６０、Ｓｉ活性層である表面のＳＯＩ層８０および
両者の間にあり、エッチングストッパーとして使われる
ＳｉＯ２層７０とで構成されたＳｉ単結晶基板である。
それぞれの厚さとしては、本実施例では、ベース基板６
０は５００〜６２５μｍ、ＳｉＯ２は１μｍ、そしてＳ
ＯＩ層は１０μｍ前後とした。 【００１６】製造プロセスの最初は、まず、ＳＯＩ層８
０の表面に、フォトレジストあるいは熱酸化ＳｉＯ２膜
などをマスクとして所定形状のパターンを作り、イオン
打ち込みなどの不純物拡散工程によってボロンを拡散し
たピエゾ抵抗素子１１、１２を作る（図５（ａ））。表
面不純物濃度としては、温度特性および感度の両方の観
点から、約２×１０１８原子／ｃｍ３付近を選んだ。 【００１７】次にピエゾ抵抗素子１１、１２の保護を目
的として、保護膜４１を作製する（図５（ｂ））。保護
膜４１としては、一般に半導体で使われているＳｉＯ２
とＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃａｔｅ
ｄ ｇｌａｓｓ）の多層膜を使い可動イオンのゲッタリ
ング効果を持たせている。ＳｉＯ２とＰＳＧの２層膜の
代わりにＳｉＯ２とＳｉＮの２層膜を使ってもよい。保
護膜４１の厚さは、できるだけ薄くして応力を小さくし
た方が高感度化の点では好ましく、０．３〜０．５μｍ
とした。 【００１８】次にピエゾ抵抗素子１１、１２の両端部上
の保護膜４１に電極接続用のスルーホール４０ａをフッ
酸を主体にした湿式エッチングにより形成した（図５
（ｃ））。 【００１９】次に、電極配線を作るために、まずスパッ
ターによりアルミニウム合金（アルミニウム、銅、Ｓｉ
などが主組成）を成膜する。厚さは、０．３〜０．５μ
ｍとした。フォトエッチングにより引き出し電極４０を
形成した（図５（ｄ））。 【００２０】次に、図５には表現できないが、図５
（ａ）に示したＳＯＩ層８０をドライエッチング法等に
よりエッチングして、図１に示した薄肉部への貫通パタ
ーン５を形成する。 【００２１】次に裏面のベース基板６０に、両面アライ
ナー装置を用いて表面のピエゾ抵抗素子１１、１２や上
記のＳＯＩ層８０への貫通パターン５等との位置をあわ
せて質量部２および枠部１の形状にフォトレジストマス
クを形成し、ドライエッチング法でベース基板６０をエ
ッチングし、更にエッチングストッパーのＳｉＯ２層７
０を湿式エッチングで除去した（図５（ｅ））。エッチ
ング液にはバッファードフッ酸を用いた。本工程のフォ
トレジストマスク形状を、正方形の形状の４辺におい
て、弾性部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが接続される位置に
矩形の切り欠きを設けた形状とした。このドライエッチ
ング工程で前記弾性部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが形成さ
れるが、エッチングストッパーのＳｉＯ２層７０を除去
せず残した方が、全体の応力バランスをとるのに良い場
合もあり、エッチングストッパーのＳｉＯ２層７０を前
記弾性部の裏側に一部残す方法も適用可能である。 【００２２】その後に、ウエーハ上に形成した多数の加
速度センサ素子をダイサー等を用い、１つ１つのセンサ
チップに切断し、パッケージング等の組み立て工程を経
て、半導体加速度センサを完成させた。 【００２３】本発明において、上記の切り欠きの深さＬ
（図２）を大きくすることによって、弾性部３ａ、３
ｂ、３ｃ、３ｄの長さを長くでき、かつ質量部２の体積
を最大にできた。実際に弾性部の長さおよび質量部の体
積を変えた時の検出感度を調べた結果を図６に示す。チ
ップサイズを大きくすることなく、両方のパラメータを
それぞれ独立に変えた時の概略結果である。実験した結
果では、チップサイズ一定のもとで弾性部の長さ（切り
欠き長さＬ）を変えた場合、切り欠きにより若干の質量
部の体積減少による感度低下はあるはずであるが、感度
はほぼ弾性部の長さに比例して増加するという結果であ
った。 【００２４】以上説明した様に、第1の実施例になる半
導体加速度センサによれば、チップサイズを一定にした
場合、弾性部の長さを現状に固定した場合でも、チップ
の厚みは増やすことなく質量部２の体積は容易に２倍以
上にでき、感度もそれに比例して向上できた。更に切り
欠き部分を大きくして弾性部の長さを現状の１．５倍以
上にすることも容易にでき、この時質量部２の体積減少
はわずかであり、ほとんど弾性部の長さに比例して感度
は増大した。また、質量部の切り欠き深さを最適化する
ことによって、感度を損なわずにチップサイズをより小
さくすることが可能である。 【００２５】次に、図７に本発明の他の実施例を示す。
本図は、センサの表面側の正面図であり、図1と同一部
には分かり易いように同じ符号を付した。本実施例で
は、質量部２において、４つ葉のクローバーのように４
方向に張り出した部分のコーナーを曲面とし、また同時
に枠部１の内側の４つのコーナー部も曲面とした。第２
の実施例は、上述の第一の実施例で説明したと同様な小
型、薄型で高感度化が可能という効果以外に、第２の実
施例固有の効果として、図５の製造方法で述べた質量部
２のドライエッチングにおいて、パターン幅の大小差の
軽減、また、エッチングガスの流れ改善、などによりエ
ッチング速度の均一性を向上できる効果がある。また、
枠部の機械的強度を増加させることができた。 【００２６】以上、第1および第２の実施例では、ＳＯ
Ｉ層８０に形成した貫通パターン５とウエーハ裏面から
ベース基板６０をエッチングして質量部２を形成する時
の貫通エッチングで除去するパターンとは同じ形状とし
たが、必ずしも一致している必要はなく、質量部２と弾
性部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄや枠部１とが切り離されれ
ば良い。また、ＳＯＩ層８０への貫通パターン５と質量
部２のパターン形状そのものも、上述の第1および第２
の実施例以外に種々考えられる。つまり、質量部２や枠
部１の形状としては、種々のものが考えられ、上述の本
実施例の形状に限定されるものではない。 【００２７】以上、本発明によれば、小型・薄型で高感
度化が可能な半導体加速度センサを提供することができ
る。
航空機、携帯端末機器等に用いられる加速度検出用の半
導体加速度センサに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来から、加速度センサとしては、ピエ
ゾ抵抗効果、静電容量変化等の物理量変化を利用したも
のが、開発され製品化されている。これらの加速度セン
サは、様々な分野で広く用いることができるが、最近
は、小型、高感度で、多軸方向の加速度を同時に検出で
きるものが要求されている。 【０００３】シリコン単結晶は、格子欠陥が極めて少な
いために理想的な弾性体となること、半導体プロセス技
術をそのまま転用することができること等の特徴を有す
ることから、シリコン単結晶を母体として薄肉の弾性部
を設け、この薄肉の弾性部に加わる応力をピエゾ抵抗効
果素子によって電気信号に変換して出力とするピエゾ抵
抗効果型半導体加速度センサが特に注目されている。 【０００４】従来の３軸の半導体型加速度センサとして
は、例えば、特開昭６３−１６９０７８に記載されてい
るものがあり、その平面図を図８に、また、図８のＢ−
Ｂ線に沿った断面図を図９に示す。シリコン単結晶基板
（以下、Ｓｉ単結晶基板と称する）の薄肉部から成る梁
構造の弾性部を有し、Ｓｉ単結晶基板の厚肉部から成る
中央の質量部と周辺の枠部とは該弾性部で接続され、該
弾性部上には各軸複数個のピエゾ抵抗素子が形成されて
なる基本構造が示されている。 【０００５】まず、全体構造について図８、図９を用い
て説明する。これはＳｉ単結晶基板の厚肉部から成る質
量部２とそれを取り囲むように配置した枠部１と、該質
量部２および枠部１とを連結するＳｉ単結晶基板の薄肉
部より成る２対の互いに直交する梁状の弾性部３と該弾
性部上の２つの直交する方向（ＸとＹ）及び該弾性部３
に垂直な方向（Ｚ）に対応するように設けられた各軸複
数のピエゾ抵抗素子群１０とから構成される。また、該
弾性部３は図８に符号５で示したように薄肉部に貫通穴
を設けることによって梁形状とされており、変形しやす
く、高感度化に向いた構造となっている。 【０００６】この従来例は、３軸の加速度を検出する
が、その検出原理は、中央の質量部２が加速度に比例し
た力を受けて変位したときの弾性部３のたわみを該弾性
部に形成されたピエゾ抵抗素子群１０の抵抗値変化とし
て検出することで３軸方向の加速度を検出するものであ
る。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】上記の半導体加速度セ
ンサでは、高感度化の為には、質量部２の体積を大きく
する、弾性部３の長さを長くすることが効果的で、感度
はほぼ両者に比例して増加することは一般に良く知られ
ている通りである。すなわち、質量部２の体積を大きく
する、また、弾性部３の長さを長くすることによって、
弾性部３はより変形し易くなりピエゾ抵抗素子へ応力を
効果的に伝えることができ感度が上がる。ところが、質
量部２を大きくすることと弾性部３の長さを長くするこ
ととは相反することであり、特にチップサイズ一定の条
件下あるいはより小型化を図る場合に、従来技術では、
両者を両立させることはできなかった。つまり、質量部
２を大きくすれば、弾性部３の長さは短くなり、感度的
には大きな改善はできなかった。そこで従来、感度向上
のためにとられた方法は、質量部２の体積（すなわち重
さ）を増やす方法として質量部２の裏面に組立工程にお
いてガラス片などを接着することで感度を上げていた。
すなわち、従来技術では、弾性部３の長さを長くするこ
とはできないが、チップを厚さ方向（Ｓｉ単結晶基板の
厚さ方向）に長く延ばすことで質量部２の質量を大きく
して感度を上げていた。したがって、従来は小型かつ薄
型で高感度な加速度センサを実現することができなかっ
た。 【０００８】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、その目的は上述の課題を有効に解決し、小型かつ
薄型で、高感度化が可能な半導体加速度センサを提供す
ることにある。 【０００９】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は次の様な半導体加速度センサを採用した。
すなわち、Ｓｉ単結晶基板の中央部に形成された質量部
と、該Ｓｉ単結晶基板の周縁部に形成された枠部と、前
記質量部及び前記枠部の上方に設けられ、これら質量部
及び枠部を接続する薄肉の互いに直交する２対の弾性部
と、該弾性部の上面側に形成された複数対のピエゾ抵抗
素子とを具備してなる半導体加速度センサにおいて、前
記質量部の周囲４辺の略中央部に、互いに直交する２方
向において、その幅が前記弾性部より広い略直方体形状
の切り欠きを設け、該２対の切り欠き上面側の、前記枠
部と平行な部分にて、前記質量部と前記２対の薄肉の弾
性部とを接続する構造としたことである。 【００１０】 【作用】本発明に係る半導体加速度センサでは、該半導
体加速度センサにある加速度が作用すると、質量部はこ
の加速度の方向にこの加速度の大きさに比例して変位す
る。質量部の周囲に設けられた弾性部は、この質量部の
変位に対応して特定方向にたわみ、同時にこの弾性部に
設けられた複数対のピエゾ抵抗素子も歪む。したがっ
て、この歪によりピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化し、４
本のピエゾ抵抗素子を用いてフルブリッジ回路からなる
検出回路を構成すれば前記歪量の大きさに応じた電圧出
力が得られる。 【００１１】本発明の半導体加速度センサでは、前記質
量部においてＸおよびＹの２つの検出軸方向に対応し
て、その幅が前記弾性部幅より広い略直方体形状の２対
の切り欠きを設け、該切り欠きの上面側にて該質量部が
前記２対の弾性部と接続されているため、該質量部の体
積と該弾性部の長さとは、センサの性能上必要十分な範
囲においてそれぞれ独立に設計できる効果がある。つま
り、該質量部の体積を増加させること、および該弾性部
の長さを長くすること、の２つの設計パラメータを自由
に設定できるため、小型・薄型な素子構造において、高
感度化を同時に実現できる効果がある。 【００１２】 【実施例】以下、本発明の各実施態様について説明す
る。本発明の第1の実施例について図１、図２および図
３を用いて説明する。図１は半導体加速度センサの平面
図、図２は図１に示した本発明になる実施例を裏面から
見た平面図、図３は図１のＸ−Ｘ線（Ｘ軸）に沿う断面
図である。 【００１３】この半導体加速度センサは、弾性部の厚さ
を高精度に制御できるようにＳｉＯ２絶縁層を介してＳ
ＯＩ層を形成したＳｉ単結晶基板、すなわちＳＯＩウエ
ーハを用いた。ＳＯＩとはＳｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎ
ｓｕｌａｔｏｒの略であり、約１０μｍ厚さでＮ型のＳ
ｉ単結晶層のものを使用した。本実施例の加速度センサ
は、Ｓｉ単結晶基板の厚肉部から成る中央の質量部２
と、該質量部２を取り囲むように周辺に配置した枠部１
と、該質量部２と枠部１とを連結するＳｉ単結晶基板の
薄肉部から成る２対の梁状の弾性部３ａ、３ｂ、３ｃ、
３ｄと、該弾性部上にある２つの直交する検出軸（Ｘと
Ｙ軸）および該弾性部に垂直な１つの検出軸（Ｚ軸）に
対応して、該弾性部上に設置した各軸それぞれ４ケのピ
エゾ抵抗素子１１、１２、...、３３、３４とからな
り、該各軸４ヶのピエゾ抵抗素子はフルブリッジ検出回
路を構成してなる。前記質量部２はＸ（Ｚ）およびＹの
２つの検出軸方向に対応して、幅が前記弾性部幅より広
い略直方体形状の２対の切り欠きを持つ構造で、該切り
欠きの上面側にて該質量部２と前記２対の弾性部３とが
接続されている。 【００１４】この第1の実施例になるセンサ構造をより
理解しやすくするために、概略立体構造を従来構造と対
比して図４に示す。図４（ａ）は従来構造、（ｂ）は本
発明のセンサ構造である。同図の符号は、図１〜図３と
同一部は同じ符号を付した。図４（ｂ）より明らかなよ
うに、本発明の構造とすることによって、前記質量部２
の体積と前記弾性部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの長さをそ
れぞれ独立して制御できる。すなわち、前記薄肉の弾性
部の梁３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを細く、またできるだけ
長くし、かつ、前記質量部２を可能な限り大きくするこ
とに依って、センサの検出感度を向上することができ
た。 【００１５】以下、本実施例の製造方法について説明す
る。図５は、主要工程を説明するための図１のＸ軸方向
断面の一部を示している。ＳＯＩウエーハとは上述した
ように図５で符号をつけて示したように、Ｓｉのベース
基板６０、Ｓｉ活性層である表面のＳＯＩ層８０および
両者の間にあり、エッチングストッパーとして使われる
ＳｉＯ２層７０とで構成されたＳｉ単結晶基板である。
それぞれの厚さとしては、本実施例では、ベース基板６
０は５００〜６２５μｍ、ＳｉＯ２は１μｍ、そしてＳ
ＯＩ層は１０μｍ前後とした。 【００１６】製造プロセスの最初は、まず、ＳＯＩ層８
０の表面に、フォトレジストあるいは熱酸化ＳｉＯ２膜
などをマスクとして所定形状のパターンを作り、イオン
打ち込みなどの不純物拡散工程によってボロンを拡散し
たピエゾ抵抗素子１１、１２を作る（図５（ａ））。表
面不純物濃度としては、温度特性および感度の両方の観
点から、約２×１０１８原子／ｃｍ３付近を選んだ。 【００１７】次にピエゾ抵抗素子１１、１２の保護を目
的として、保護膜４１を作製する（図５（ｂ））。保護
膜４１としては、一般に半導体で使われているＳｉＯ２
とＰＳＧ（Ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ ｓｉｌｉｃａｔｅ
ｄ ｇｌａｓｓ）の多層膜を使い可動イオンのゲッタリ
ング効果を持たせている。ＳｉＯ２とＰＳＧの２層膜の
代わりにＳｉＯ２とＳｉＮの２層膜を使ってもよい。保
護膜４１の厚さは、できるだけ薄くして応力を小さくし
た方が高感度化の点では好ましく、０．３〜０．５μｍ
とした。 【００１８】次にピエゾ抵抗素子１１、１２の両端部上
の保護膜４１に電極接続用のスルーホール４０ａをフッ
酸を主体にした湿式エッチングにより形成した（図５
（ｃ））。 【００１９】次に、電極配線を作るために、まずスパッ
ターによりアルミニウム合金（アルミニウム、銅、Ｓｉ
などが主組成）を成膜する。厚さは、０．３〜０．５μ
ｍとした。フォトエッチングにより引き出し電極４０を
形成した（図５（ｄ））。 【００２０】次に、図５には表現できないが、図５
（ａ）に示したＳＯＩ層８０をドライエッチング法等に
よりエッチングして、図１に示した薄肉部への貫通パタ
ーン５を形成する。 【００２１】次に裏面のベース基板６０に、両面アライ
ナー装置を用いて表面のピエゾ抵抗素子１１、１２や上
記のＳＯＩ層８０への貫通パターン５等との位置をあわ
せて質量部２および枠部１の形状にフォトレジストマス
クを形成し、ドライエッチング法でベース基板６０をエ
ッチングし、更にエッチングストッパーのＳｉＯ２層７
０を湿式エッチングで除去した（図５（ｅ））。エッチ
ング液にはバッファードフッ酸を用いた。本工程のフォ
トレジストマスク形状を、正方形の形状の４辺におい
て、弾性部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが接続される位置に
矩形の切り欠きを設けた形状とした。このドライエッチ
ング工程で前記弾性部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが形成さ
れるが、エッチングストッパーのＳｉＯ２層７０を除去
せず残した方が、全体の応力バランスをとるのに良い場
合もあり、エッチングストッパーのＳｉＯ２層７０を前
記弾性部の裏側に一部残す方法も適用可能である。 【００２２】その後に、ウエーハ上に形成した多数の加
速度センサ素子をダイサー等を用い、１つ１つのセンサ
チップに切断し、パッケージング等の組み立て工程を経
て、半導体加速度センサを完成させた。 【００２３】本発明において、上記の切り欠きの深さＬ
（図２）を大きくすることによって、弾性部３ａ、３
ｂ、３ｃ、３ｄの長さを長くでき、かつ質量部２の体積
を最大にできた。実際に弾性部の長さおよび質量部の体
積を変えた時の検出感度を調べた結果を図６に示す。チ
ップサイズを大きくすることなく、両方のパラメータを
それぞれ独立に変えた時の概略結果である。実験した結
果では、チップサイズ一定のもとで弾性部の長さ（切り
欠き長さＬ）を変えた場合、切り欠きにより若干の質量
部の体積減少による感度低下はあるはずであるが、感度
はほぼ弾性部の長さに比例して増加するという結果であ
った。 【００２４】以上説明した様に、第1の実施例になる半
導体加速度センサによれば、チップサイズを一定にした
場合、弾性部の長さを現状に固定した場合でも、チップ
の厚みは増やすことなく質量部２の体積は容易に２倍以
上にでき、感度もそれに比例して向上できた。更に切り
欠き部分を大きくして弾性部の長さを現状の１．５倍以
上にすることも容易にでき、この時質量部２の体積減少
はわずかであり、ほとんど弾性部の長さに比例して感度
は増大した。また、質量部の切り欠き深さを最適化する
ことによって、感度を損なわずにチップサイズをより小
さくすることが可能である。 【００２５】次に、図７に本発明の他の実施例を示す。
本図は、センサの表面側の正面図であり、図1と同一部
には分かり易いように同じ符号を付した。本実施例で
は、質量部２において、４つ葉のクローバーのように４
方向に張り出した部分のコーナーを曲面とし、また同時
に枠部１の内側の４つのコーナー部も曲面とした。第２
の実施例は、上述の第一の実施例で説明したと同様な小
型、薄型で高感度化が可能という効果以外に、第２の実
施例固有の効果として、図５の製造方法で述べた質量部
２のドライエッチングにおいて、パターン幅の大小差の
軽減、また、エッチングガスの流れ改善、などによりエ
ッチング速度の均一性を向上できる効果がある。また、
枠部の機械的強度を増加させることができた。 【００２６】以上、第1および第２の実施例では、ＳＯ
Ｉ層８０に形成した貫通パターン５とウエーハ裏面から
ベース基板６０をエッチングして質量部２を形成する時
の貫通エッチングで除去するパターンとは同じ形状とし
たが、必ずしも一致している必要はなく、質量部２と弾
性部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄや枠部１とが切り離されれ
ば良い。また、ＳＯＩ層８０への貫通パターン５と質量
部２のパターン形状そのものも、上述の第1および第２
の実施例以外に種々考えられる。つまり、質量部２や枠
部１の形状としては、種々のものが考えられ、上述の本
実施例の形状に限定されるものではない。 【００２７】以上、本発明によれば、小型・薄型で高感
度化が可能な半導体加速度センサを提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の半導体加速度センサを示
す平面図である。 【図２】図１の裏面の平面図である。 【図３】図１のＸ−Ｘ線（X軸）に沿う断面図である。 【図４】従来の半導体加速度センサおよび本発明になる
第１実施例の半導体加速度センサの立体構造図 【図５】本発明の第１実施例の半導体加速度センサの製
造方法を示す断面図である。 【図６】チップサイズ一定での弾性部の長さと感度との
関係を示すグラフである。 【図７】本発明になる第２の実施例を示す平面図であ
る。 【図８】従来の半導体加速度センサを示す平面図であ
る。 【図９】図８のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 【符号の説明】 １ 枠部、２ 質量部、３ ３ａ ３ｂ ３ｃ ３ｄ
弾性部、１０ ピエゾ抵抗素子、１１〜１４ ２１〜２
４ ３１〜３４ ピエゾ抵抗素子、６０ ＳＯＩウエー
ハの支持基板、７０ エッチングストッパー用ＳｉＯ２
層、８０ ＳＯＩ層、４１ 保護膜、４０ 引き出し電
極、４０ａ 保護膜に設けたスルーホール、４２ 外部
接続端子、５ ＳＯＩ層にエッチングで設けた貫通パタ
ーン。
す平面図である。 【図２】図１の裏面の平面図である。 【図３】図１のＸ−Ｘ線（X軸）に沿う断面図である。 【図４】従来の半導体加速度センサおよび本発明になる
第１実施例の半導体加速度センサの立体構造図 【図５】本発明の第１実施例の半導体加速度センサの製
造方法を示す断面図である。 【図６】チップサイズ一定での弾性部の長さと感度との
関係を示すグラフである。 【図７】本発明になる第２の実施例を示す平面図であ
る。 【図８】従来の半導体加速度センサを示す平面図であ
る。 【図９】図８のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 【符号の説明】 １ 枠部、２ 質量部、３ ３ａ ３ｂ ３ｃ ３ｄ
弾性部、１０ ピエゾ抵抗素子、１１〜１４ ２１〜２
４ ３１〜３４ ピエゾ抵抗素子、６０ ＳＯＩウエー
ハの支持基板、７０ エッチングストッパー用ＳｉＯ２
層、８０ ＳＯＩ層、４１ 保護膜、４０ 引き出し電
極、４０ａ 保護膜に設けたスルーホール、４２ 外部
接続端子、５ ＳＯＩ層にエッチングで設けた貫通パタ
ーン。
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フロントページの続き
Ｆターム(参考） 4M112 AA02 BA01 CA03 CA04 CA06
CA07 CA09 CA14 DA04 DA09
DA10 DA12 EA03 EA06 EA07
EA10 EA11 EA13 FA01 FA20
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 半導体基板の中央部に形成された質量部
と、該半導体基板の周縁部に形成された枠部と、前記質
量部及び前記枠部の上方に設けられ、これら質量部及び
枠部を接続する薄肉の直交する２対の弾性部と、該２対
の弾性部の上面側に形成された複数対のピエゾ抵抗素子
とを具備してなる半導体加速度センサであって、前記質
量部に、その幅が前記弾性部幅より広い略直方体形状の
２対の切り欠きを設け、該２対の切り欠きの上面側にて
該質量部と前記２対の弾性部とを接続したことを特徴と
する半導体加速度センサ。
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