JP2004085296A

JP2004085296A - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JP2004085296A
Application number: JP2002244865A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Eda; 江田　和夫; Kazushi Kataoka; 片岡　万士; Akira Aoki; 青木　亮
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】耐衝撃性を向上させることができる半導体加速度センサを提供する。
【解決手段】半導体基板からなり錘部３を梁部４で吊り下げ支持してなる枠状の加速度センサチップ２と、錘部３とはギャップを設けた状態で対向するとともに、錘部３との対向面が少なくとも平坦であるストッパ（上部ストッパ５ａ、下部ストッパ５ｂ）とを備えた半導体加速度センサにおいて、錘部３には、ストッパとの対向面に少なくとも１つの突起部７を形成する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車、航空機及び家電製品に用いられる半導体加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体加速度センサとしては、例えば、特開２０００−３３８１２４号公報に記載のものを挙げることができる。
【０００３】
この半導体加速度センサは、シリコンからなり略中央に錘部を梁部で吊り下げ支持してなる枠状の加速度センサチップと、この錘部と各ギャップを設けた状態で対向するとともに、陽極接合を用いて加速度センサチップの所望の位置に連結支持された平板状の上部ガラスストッパ及び下部ガラスストッパとを備えている。なお、加速度センサチップの梁部には、錘部の動きを検出する感応抵抗を備えている。
【０００４】
ここで、上述の各ギャップは、上部ガラスストッパ及び下部ガラスストッパに凹部を設けることで形成されており、上部ガラスストッパ及び下部ガラスストッパ側に凸部であるストッパが設けられて、錘部衝突位置の調整を行っている。これらの上述の各ギャップにより、可動部である錘部と上部ガラスストッパ及び下部ガラスストッパとの衝突を防止するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述のような半導体加速度センサにおいては、上部ガラスストッパ及び下部ガラスストッパ側に凸部を設けているが、上部ガラスストッパ及び下部ガラスストッパと加速度センサチップとを例えば陽極接合し位置合わせの際に、配置位置ずれが生じることがあり、凸部を加速度センサチップの所望の衝突位置に精度良く、安定して配置できない可能性があるので、位置合わせずれがない場合に比べて強度低減が起こる可能性があった。
【０００６】
本発明は上記問題点を改善するためになされたものであり、耐衝撃性を向上させることができる半導体加速度センサを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の半導体加速度センサは、図１にその一例を示すように、半導体基板からなり錘部３を梁部４で吊り下げ支持してなる枠状の加速度センサチップ２と、錘部３とはギャップを設けた状態で対向するとともに、錘部３との対向面が少なくとも平坦であるストッパ（図１においては上部ストッパ５ａ、下部ストッパ５ｂ）とを備えた半導体加速度センサにおいて、錘部３には、ストッパとの対向面に少なくとも１つの突起部７を形成したことを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項２に記載の半導体加速度センサは、図６にその一例を示すように、請求項１に記載の発明において、錘部３と突起部７とを一体形成したことを特徴とするものである。
【０００９】
また、請求項３に記載の半導体加速度センサは、請求項１又は請求項２に記載の発明において、突起部７の錘部３の吊り下げ支持の先端側である先端部７ａを、錘部３の重心位置よりも吊り下げ支持の先端側に形成したことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施形態を図１乃至図５に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体加速度センサを示す断面図であり、図２は、梁部４に発生する応力を算出したシミュレーション結果を示すグラフである。また、図３及び図４は各々、半導体加速度センサの製造方法を示す第１及び第２説明図であり、図５は、錘部３を示す説明図である。
【００１１】
第１実施形態における半導体加速度センサは、例えばＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎｏｎ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハ１といった半導体基板からなり、開口部６を有しこの開口部６内に配置した錘部３とこの錘部３を吊り下げるように片持ち支持する梁部４とを有してなる枠状の加速度センサチップ２と、加速度センサチップ２の錘部３とは所望のギャップを設けた状態で対向するとともに、錘部３との対向面が少なくとも平坦であり、少なくとも錘部３を覆う上部ストッパ５ａ、下部ストッパ５ｂと、錘部３の上下面に上部ストッパ５ａ、下部ストッパ５ｂとの間に設けた突起部７とを備えている。なお、上部ストッパ５ａ及び下部ストッパ５ｂは、例えばガラスで構成されている。
【００１２】
ここで、第１実施形態においては、突起部７は、錘部３の上下両面に設けているが、錘部３の上下面のうち、少なくとも１面側に設けられていればよい。
【００１３】
ここで、第１実施形態においては、図１に示すように、突起部７の錘部３の吊り下げ支持の先端側である先端部７ａは、錘部３の重心位置（図示せず）よりも錘部３の吊り下げ支持の先端側（Ｙ軸方向）であるようにする。なお、錘部３の重心位置は、錘部３が図５（ａ）のようにＹ軸方向に対称形である場合には、厚み方向（Ｘ軸方向）の中点でかつＹ軸方向の幅の中点に位置する。なお、図５においては、錘部３は、簡略のため図１に示すようにその構成を詳細には記載していない。
【００１４】
第１実施形態においては、突起部７の先端部７ａが、錘部３の重心位置よりも錘部３の吊り下げ支持の先端側（Ｙ軸方向）となるように設定することで、梁部４に発生する応力が効率的に低減できる。
【００１５】
なお、突起部７は、錘部３と上部ストッパ５ａ及び下部ストッパ５ｂとが衝突する際のストッパとして用いるが、突起部７のＸ軸方向の厚み及びＹ軸方向の幅は、錘部３が加速度を受けた際に動く距離や、錘部３と上部ストッパ５ａ及び下部ストッパ５ｂとのギャップから決定される値であり、所望の値に設定可能である。
【００１６】
図２は、梁部４に発生する応力の低減効果のシミュレーションを示す一例であり、図５（ａ）に示すように、錘部３の重心を通過するＸ軸箇所でのＹ軸方向の幅ａと、錘部３の先端から突起部７の先端部７ａまでの距離ｂとの比、つまりｂ／ａを横軸として、梁部４に発生する応力を縦軸としたグラフである。図２に示すように、梁部４に発生する応力は、ｂ／ａは、０＜ｂ／ａ≦０．５の範囲に設定することで、梁部４に発生する応力が効果的に低減できる。
【００１７】
なお、ｂ／ａ＞０．５とすると、梁部４に発生する応力が増加する傾向となり、また、０＜ｂ／ａ≦０．５での同じ応力を発生する突起部７の位置と比べて、後述する例えば金属膜厚のような突起部７の厚みを厚くする必要が生じるため、好ましくは０＜ｂ／ａ≦０．５の範囲でｂ／ａを設定する。ここで、ｂ／ａは、図２に示すように、例えば、０．２≦ｂ／ａ≦０．５に設定することで、梁部４に発生する応力が約１６〜約３２％低減できる。
【００１８】
なお、加速度センサチップ２は、例えば、図１に示すように、２つのシリコン層１ａ、１ｃの間に、酸化膜層である中間酸化膜１ｂとして例えばシリコン酸化膜を挟み込んでなるｎ型のＳＯＩウエハ１を含んでなり、ＳＯＩウエハ１には、熱酸化により酸化膜８が形成されており、上下面の各酸化膜８には、窒化膜９を備えている。
【００１９】
以下に、第１実施形態における半導体加速度センサの製造方法を図１、図３、図４に基づいて説明する。まず、図３（ａ）に示すように、ｎ型のＳＯＩウエハ１の上下に、熱酸化によって酸化膜８を形成する。
【００２０】
次に、例えばフォトリソ工程、エッチング工程により所望の箇所への窓開け（図示せず）、ｐ型不純物注入、拡散工程を繰り返すことにより、歪みゲージとして利用する感応抵抗１０と、配線として利用する拡散配線抵抗１１とを形成する。
【００２１】
次に、図３（ｂ）に示すように、例えば減圧ＣＶＤ法により窒化膜９を形成し、フォトリソ工程、エッチング工程等により所望の箇所に電極パッドコンタクト用窓開けを行い、スパッタリング法により電極パッドとして用いる例えばＡｌ−Ｓｉ金属膜１２を成膜した後、フォトリソ工程、エッチング工程等により所望の配線パターンを形成する。
【００２２】
次に、図３（ｃ）に示すように、フォトリソ工程等により錘部３の上下面の所望の箇所以外をレジスト（図示せず）でカバーし電解メッキ法等により突起部７である例えばＣｕ金属膜を成膜後、レジスト除去する。
【００２３】
その後、図４（ａ）に示すように、例えば、フォトリソ工程、エッチング工程により錘部３に相当する箇所下面の所望の箇所に窓開けを行い、ＤＲＩＥ（ディープ　リアクティブ　イオン　エッチング）によりシリコン層１ａを中間酸化膜１ｂが露出するまでエッチング除去する。なお、通常のＲＩＥは、対象厚みが数千オングストロームであるが、ＤＲＩＥは、ドライで深く掘るための手法であり、対象厚みが数十μｍ〜数百μｍである。
【００２４】
次に、図４（ｂ）に示すように、フォトリソ工程、エッチング工程等により錘部３に相当する箇所上面の所望の箇所に窓開けを行い、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロゲン）等のアルカリ溶液を用いて、シリコンの異方性ウェットエッチング及びＨＦ系溶液による中間酸化膜１ｂのエッチング除去を行うことで、錘部３を吊り下げるように片持ち支持する梁部４を形成する。
【００２５】
そして最後に、図１に示すように、例えば４００℃程度の高温下で、ガラスである上部ストッパ５ａ及び下部ストッパ５ｂそれぞれを加速度センサチップ２の上下面に陽極接合する。なお、この陽極接合は、上部ストッパ５ａ及び下部ストッパ５ｂを陰極とし、加速度センサチップ２を陽極として、例えば６００Ｖの高電圧の直流電圧を印加することで行う。
【００２６】
かかる半導体加速度センサにおいては、錘部３には、上部ストッパ５ａ及び下部ストッパ５ｂとの対向面に突起部７を形成することで、梁部４に発生する応力を低減させることができるので、半導体加速度センサの耐衝撃性を向上させることができる。
【００２７】
また、突起部７の先端部７ａが、錘部３の重心位置よりも錘部３の吊り下げ支持の先端側（Ｙ軸方向）となるように設定し、突起部７を錘部３の上部ストッパ５ａ及び下部ストッパ５ｂとの対向面に配置することで、梁部４に発生する応力が効率的に低減できる。
【００２８】
ここで、第１実施形態においては、図５（ａ）に示すように錘部３の先端から突起部７の先端部７ａまでの距離をｂとしているが、図５（ｂ）に示すように、例えば錘部３がＹ軸方向に対称形のテーパー状である場合には、錘部３の厚み方向（Ｘ軸方向）の中点での長さを錘部３の長さａと定義し、錘部３の厚み方向（Ｘ軸方向）中点の位置を起点とし、その起点から突起部７の先端部７ａまでの距離をｂと定義してもよい。
【００２９】
次に、錘部３と突起部７とを一体形成した実施形態を、本発明の第２実施形態として図６乃至図８に基づいて説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る半導体加速度センサを示す断面図であり、図７及び図８は各々、半導体加速度センサの製造方法を示す第１及び第２説明図である。なお、第１実施形態との同一箇所には同一符号を付して、共通部分の説明は省略する。
【００３０】
第２実施形態においては、半導体加速度センサは、図６に示すように、例えばＳＯＩ（ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハ１といった半導体基板からなり、開口部６を有しこの開口部６内に配置した錘部３とこの錘部３を吊り下げるように片持ち支持する梁部４とを有してなる枠状の加速度センサチップ２と、加速度センサチップ２の錘部３とは所望のギャップを設けた状態で対向するとともに、錘部３との対向面が少なくとも平坦であり、少なくとも錘部３を覆う上部ストッパ５ａ、下部ストッパ５ｂと、下部ストッパ５ｂに向う錘部３の下部側に錘部３と一体形成した突起部７とを備えている。
【００３１】
ここで、図６に示すように、突起部７の先端部７ａは、錘部３の重心位置よりも錘部３の吊り下げ支持の先端側（Ｙ軸方向）であるようにする。第２実施形態においても、突起部７の先端部７ａが、錘部３の重心位置よりも錘部３の吊り下げ側の先端側（Ｙ軸方向）になるように設定することで、梁部４に発生する応力が低減できる。
【００３２】
以下に、第２実施形態における半導体加速度センサの製造方法を図６乃至図８に基づいて説明する。まず、ｎ型のＳＯＩウエハ１の上下に、熱酸化によって酸化膜８を形成する。
【００３３】
次に、図７（ａ）に示すように、例えばフォトリソ工程、エッチング工程により、錘部３に相当する箇所の下面に所望の窓開けを行い、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ等のアルカリ溶液を用いて異方性のウエットエッチングを行い、ＳＯＩウエハ１の掘込みを行うことで、図６に示したストッパとして用いる突起部７に相当する箇所を形成する。
【００３４】
なお、突起部７に相当する箇所の形成のためのＳＯＩウエハ１の堀込み深さの最小値は、錘部３上下方向に加速度が印加された際に、錘部３の先端より先に突起部７が下部ストッパ５ｂと衝突するのに必要な最小の深さで、最大値は必要な可動域を確保できる最大の深さとである。
【００３５】
そして、図７（ｂ）、（ｃ）に示す工程は、図３（ａ）、（ｂ）に示す工程と同様にして、例えば、窒化膜９と、感応抵抗１０と、拡散配線抵抗１１と、Ａｌ−Ｓｉ金属膜１２と、所望の配線パターンとを形成する。
【００３６】
そして、図８（ａ）に示すように、フォトリソ工程、エッチング工程により錘部３に相当する箇所の所望の箇所に窓開けを行い、ＤＲＩＥによりＳＯＩウエハ１を中間酸化膜１ｂが露出するまでエッチング除去する。次に、図８（ｂ）に示すように、フォトリソ工程、エッチング工程により錘部３に相当する箇所の上面の所望の箇所に窓開けを行い、ＴＭＡＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性ウェットエッチング及びＨＦ系溶液による中間酸化膜１ｂのエッチング除去を行うことで、錘部３を吊り下げるように片持ち支持する梁部４を形成する。
【００３７】
なお、この錘部３の上面をエッチングする際に、錘部３の先端部もエッチングすることで、錘部３の上面にストッパ用の段差部１３を形成するが、この段差部１３は、錘部３と上部ストッパ５ａとが衝突する際のストッパとして用いる。
【００３８】
そして最後に、図６に示すように、ガラスである上部ストッパ５ａ及び下部ストッパ５ｂそれぞれを加速度センサチップ２の上下面に陽極接合し、錘部３の下面側に突起部７を錘部３と一体形成した半導体加速度センサを形成する。
【００３９】
かかる半導体加速度センサにおいては、下部ストッパ５ｂとの対向面に錘部３と一体化して突起部７を形成することで、梁部４に発生する応力を低減させることができるので、半導体加速度センサの耐衝撃性を向上させることができる。
【００４０】
また、錘部３と突起部７とを一体形成することで、シリコンと熱膨張係数が大きく異なるものを錘部３に形成する必要が無いので、より良好な温度特性を備えた半導体加速度センサを提供することができる。また、錘部３と突起部７とを一体形成することで、例えば金属膜を錘部３に形成する工程を削減することができる。
【００４１】
【発明の効果】
上記のように本願の請求項１に係る発明の半導体加速度センサにあっては、半導体基板からなり錘部を梁部で吊り下げ支持してなる枠状の加速度センサチップと、錘部とはギャップを設けた状態で対向するとともに、錘部との対向面が少なくとも平坦であるストッパとを備えた半導体加速度センサにおいて、錘部には、ストッパとの対向面に少なくとも１つの突起部を形成することで、錘部を吊り下げ支持する梁部に発生する応力を低減させることができるので、半導体加速度センサの耐衝撃性を向上させることができるという効果を奏する。
【００４２】
また、請求項２に係る発明の半導体加速度センサにあっては、請求項１に記載の発明において、錘部と突起部とを一体形成したことで、錘部と突起部との熱膨張係数が等しいので、良好な温度特性を備えた半導体加速度センサを提供することができるという効果を奏する。
【００４３】
また、請求項３に係る発明の半導体加速度センサにあっては、請求項１又は請求項２に記載の発明において、突起部の錘部の吊り下げ支持の先端側である先端部を、錘部の重心位置よりも吊り下げ支持の先端側に形成することで、梁部に発生する応力を効率的に低減させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体加速度センサを示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る梁部に発生する応力を算出したシミュレーション結果を示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施形態に係る半導体加速度センサの製造方法を示す第１説明図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る半導体加速度センサの製造方法を示す第２説明図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る錘部を示す説明図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る半導体加速度センサを示す断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る半導体加速度センサの製造方法を示す第１説明図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る半導体加速度センサの製造方法を示す第２説明図である。
【符号の説明】
１　ＳＯＩウエハ
１ａ、１ｃ　シリコン層
１ｂ　中間酸化膜
２　加速度センサチップ
３　錘部
４　梁部
５ａ　上部ストッパ
５ｂ　下部ストッパ
６　開口部
７　突起部
７ａ　先端部
８　酸化膜
９　窒化膜
１０　感応抵抗
１１　拡散配線抵抗
１２　金属膜
１３　段差部

Claims

半導体基板からなり錘部を梁部で吊り下げ支持してなる枠状の加速度センサチップと、前記錘部とはギャップを設けた状態で対向するとともに、前記錘部との対向面が少なくとも平坦であるストッパとを備えた半導体加速度センサにおいて、
前記錘部には、前記ストッパとの対向面に少なくとも１つの突起部を形成したことを特徴とする半導体加速度センサ。
前記錘部と前記突起部とを一体形成した請求項１に記載の半導体加速度センサ。
前記突起部の前記錘部の吊り下げ支持の先端側である先端部を、前記錘部の重心位置よりも前記吊り下げ支持の先端側に形成した請求項１又は請求項２に記載の半導体加速度センサ。