JP2004177218A

JP2004177218A - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JP2004177218A
Application number: JP2002342575A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Saito; 宏齊藤; Kazushi Kataoka; 万士片岡
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】加速度を精度よく測定することのできる半導体加速度センサを提供する。
【解決手段】加速度が加わったときに変位する錘部８と、上記錘部８に連結した可撓部６と、上記可撓部６を支持するフレーム７と、その可撓部６の撓み量に応じた電気信号を出力する上記可撓部６に形成したピエゾ抵抗９と、上記ピエゾ抵抗９からの出力を取り出す電極とを備えた半導体加速度センサにおいて、上記錘部８のうち、ピエゾ抵抗９と熱伝導的に接続する部分の表面に、金属材料を含んでなる放熱層１１を形成してなり、上記ピエゾ抵抗９に発生した熱を上記放熱層１１に伝導させてなる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車、航空機、家電製品等に用いる半導体加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体加速度センサには、加速度を受けて変位する錘部の支持の仕方により、片持ち梁方式と両持ち梁方式とがある。また、その錘部の変位した量、すなわち加速度を測定する方法にも、機械的な歪みを電気抵抗の変化で測定する方法と、静電容量の変化で測定する方法とがある。例えば、特許文献１には機械的な歪みを電気抵抗の変化で検出する両持ち梁方式の半導体加速度センサが開示してある。図５は、この半導体加速度センサの２面図であり、図５（ａ）は上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるＡ−Ａ’部分の断面図である。
【０００３】
この半導体加速度センサは、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板よりなる半導体基板をエッチングして形成したものであって、図５に示すように、半導体加速度センサチップ１と、このチップ１に接合して支持する台座１０とを備えてなり、チップ１は、厚肉の錘部８と、この錘部８の外周縁を離間して外囲するフレーム７と、このフレーム７及び錘部８との間に懸架して、錘部８をフレーム７に揺動自在に支持させる薄肉の可撓部６（ビーム又はカンチレバ）を４つと、この可撓部６に形成したピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚと、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚからの出力をそれぞれ取り出す電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚとを備えている。そして、フレーム７を接着剤１６により台座１０に接着して固定すると共に、その接着剤１６に厚みを持たせるようにして、錘部８の下端面と台座１０の表面との間に空隙部分Ｃを形成し、この空隙部分Ｃで錘部８を揺動させている。
【０００４】
この半導体加速度センサに加速度が加わったときには、その加速度に応じて錘部８が揺動変位し、この錘部８の揺動変位に応じて可撓部６が撓む。そして、可撓部６に形成したピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚが、この可撓部６の撓み量に応じてその抵抗値を変化させるため、電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚからはピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚの抵抗値変化に応じた電圧値の変化を測定でき、この電圧値を参照して、加わった加速度の値を求めている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２３４２４２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この半導体加速度センサで加速度を測定するときには、上記のようにピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚに電圧を印加するため、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚには熱が発生している。また、電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚとピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚとを高濃度拡散配線（図示せず）で電気的に接続している場合には、その高濃度拡散配線にも電圧が加わった状態となるため、この高濃度拡散配線にも熱が発生する。このように、可撓部６に形成したピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚや高濃度拡散配線に熱が発生すると、可撓部６や、この可撓部６表面に形成した保護膜であるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等が熱膨張させてしまうことがある。可撓部６等が熱膨張すると、その形状が変形して出力特性に変動を生じさせてしまうことがあり、測定結果に著しい誤差を生じさせてしまうことがある。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、精度よく加速度を測定することのできる半導体加速度センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の半導体加速度センサは、加速度が加わったときに変位する錘部と、上記錘部に連結した可撓部と、上記可撓部を支持するフレームと、上記可撓部の撓み量に応じた電気信号を出力する上記可撓部に形成した抵抗体と、上記抵抗体からの出力を取り出す電極とを備えた半導体加速度センサにおいて、上記錘部の表面のうち、上記抵抗体と熱伝導的に接続する部分に、金属材料を含んでなる放熱層を形成してなることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１に記載の発明において、上記錘部に、上記抵抗体と電気的に接続する高濃度拡散配線を形成すると共に、その高濃度拡散配線及び上記放熱層を熱伝導的に接続してなることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明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、上記錘部の表面のうち、上記抵抗体と熱伝導的に接続する部分の表面に、凹部を形成すると共に、その凹部の表面にも上記放熱層を形成してなることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る半導体加速度センサの実施の形態を、図を参照して以下に説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、第１の実施形態における半導体加速度センサの２面図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’部分の断面図である。図１において、１は半導体加速度センサのチップ、７はフレーム、９（９Ｘ，９Ｙ，９Ｚ）は抵抗体としてのピエゾ抵抗、６は可撓部、８は錘部、１１は放熱層、１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚは電極、１０は台座を、それぞれ示している。
【００１３】
半導体加速度センサチップ１は、ＳＯＩ基板をエッチングして形成しており、ＳＯＩ基板は、活性層２の厚みを数μｍ〜１０μｍ程度、中間酸化膜３の厚みを０．３〜１μｍ程度、支持層４の厚みを３００〜６００μｍ程度に積層したものを用いている。このようなＳＯＩ基板をエッチングして形成する錘部８及びフレーム７は共に、その厚み方向に活性層２、中間酸化膜３、支持層４を有してなり、可撓部６は活性層２からなっている。
【００１４】
錘部８の厚み方向の一端面（以下、錘部の上端面）に形成する放熱層１１は、錘部８の上端面に、アルミニウム等の金属材料をスパッタ又は蒸着等して形成する。その放熱層１１を設ける箇所は、錘部８のうち、ピエゾ抵抗９と熱伝導的に接続する部分の表面、すなわちピエゾ抵抗９を形成した可撓部６と連結する部分及びその近傍部分の表面には少なくとも形成する。さらに好ましくは、錘部８の全表面である。しかし、この半導体加速度センサチップ１は、半導体基板をエッチングして形成しているため、スパッタ又は蒸着が比較的容易な部分は、錘部８の全表面のうち、その厚み方向の両端面であるが、この半導体加速度センサチップ１では、可撓部６を、錘部８の厚み方向の上端面に略面一になるように形成しているので、ピエゾ抵抗９からの熱の伝導効率を鑑みて、錘部８の上端面だけに形成するようにしている。このように、錘部８のうち、ピエゾ抵抗９と熱伝導的に接続する部分の表面に放熱層１１を形成したので、ピエゾ抵抗９のうち、錘部８に近い側のピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙで発生した熱を、放熱層１１に迅速に伝導させることができる。従って、熱を可撓部６から効率的に放出させることができ、精度よく加速度を測定することが可能となる。
【００１５】
また、上記の錘部８に放熱層１１を形成したのと同じようにして、フレーム７のうち、ピエゾ抵抗９と熱伝導的に接続する部分の表面にも放熱層を形成すれば、ピエゾ抵抗９で発生した熱を、フレーム７に形成した放熱層にも熱伝導させることができ、可撓部６の熱をより迅速に放出させることが可能となり、より一層精度よく加速度を測定することが可能となる。
【００１６】
錘部８は、４つの可撓部６に連結した中央錘部８１と、この中央錘部８１に連結した４つの側錘部８２よりなり、外観状は十字の形状をなしている。この側錘部８２は、可撓部６により中央錘部８１を中心として、３次元方向に自在に揺動できる。
【００１７】
ピエゾ抵抗９は、半導体不純物拡散技術により可撓部６の活性層２に形成してあり、半導体加速度センサチップ１のＸ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｘと、同Ｙ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｙ、同Ｚ軸方向にかかる加速度を検出するピエゾ抵抗９Ｚよりなっている。このピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚの配置については、ピエゾ抵抗９Ｚは、４つの可撓部６のそれぞれに形成すると共に、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙは、４つの可撓部６のうち中央錘部８１を挟んで対向する２つの可撓部６のそれぞれに形成する。また、４つのピエゾ抵抗９Ｘ間は、ホイーストンブリッジ回路を構成するように、アルミ配線又は不純物拡散配線により電気的に接続する。また、ピエゾ抵抗９Ｙ，９Ｚについても、それぞれ同様にホイーストンブリッジ回路を構成させている。
【００１８】
電極１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚは、上記のピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙ，９Ｚでそれぞれ構成させた３つのホイーストンブリッジ回路にそれぞれ電気的に接続し、各ホイーストンブリッジ回路からの出力を外部に取り出せるようにしている。電極とホイーストンブリッジ回路との電気的な接続は、アルミ配線や不純物拡散配線等により行なっている。
【００１９】
フレーム７は、厚肉に形成してあり、錘部８をその外周縁を離間して外囲すると共に、可撓部６を介してその錘部８を揺動自在に支持している。このフレーム７は、自動車や航空機等の移動体に固定して用いる。
【００２０】
可撓部６は、薄肉に形成してあり、その厚み方向に撓み可能であると共に、その長手方向を軸にして捻転可能である。この可撓部６は、その長手方向の一端部が錘部８に連結すると共に、他端部はフレーム７に連結して、フレーム７に錘部８を揺動自在に支持させている。
【００２１】
台座１０は、パイレックスガラス（ＰｙｒｅｘＧｌａｓｓ、コーニング社の登録商標）等のガラス板よりなり、フレーム７に接合して、チップ１を支持している。この台座１０は、チップ１を支持する機能の他に、錘部８が過度に揺動したときに、その過度の揺動を制限するストッパーの機能も持たせている。この台座１０がストッパーの機能を有することにより、錘部８が過度に揺動した場合に、可撓部６がこの過度の揺動を支えきれずに崩壊してしまう、といったことを防止できる。なお、この台座１０には、ガラス板以外にも、シリコン基板を用いてもよい。
【００２２】
上記の半導体加速度センサの製造工程を以下に説明する。まず、ＳＯＩ基板の活性層２を形成した方の表面（以下、基板上面）のうち、放熱層１１を形成しようとする部分、すなわち錘部８を形成しようとする部分にアルミニウムをスパッタにより積層し、放熱層１１を形成する。次に、ＳＯＩ基板の活性層２を形成していない方の表面（以下、基板下面）側から、フレーム７及び錘部８を形成しようとする部分以外の部分を、中間酸化膜３に達するまでドライエッチングする。このとき、ＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）、Ｄ−ＲＩＥ（ＤｅｅｐＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）等のエッチング方法を用いれば、ＳＯＩ基板を垂直にエッチングすることができ、半導体加速度センサを小型化しやすくなって好ましい。
【００２３】
次に、基板上面側から、フレーム７及び錘部８及び可撓部６を形成しようとする部分以外の部分を、中間酸化膜３に達するまでウェットエッチングして、フレーム７及び錘部８及び可撓部６を、そのそれぞれの連結部分だけを残して切り離す。
【００２４】
次に、錘部８を基板下面側から、所定の長さだけウェットエッチングして除去する。これにより、錘部８は、フレーム７よりエッチング分だけ厚みが薄くなるので、フレーム７に台座１０を接合したとき、錘部８と台座１０との間に空隙部分Ｃができ、錘部８はこの空隙部分Ｃで揺動可能となる。
【００２５】
続いて、フレーム７及び錘部８以外の部分にある中間酸化膜３を、基板下面側からフッ酸を含んだ液によりエッチング除去する。これにより、フレーム７及び錘部８及び可撓部６間と、可撓部６の下面とに残っている中間酸化膜３を除去する。このとき、錘部８の表面は活性層２であり、可撓部６の表面と略同じ高さになる。なお、可撓部６の表面には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜よりなる絶縁膜を形成して保護膜にしている。
【００２６】
続いて、４つの可撓部６の所定の位置に、それぞれ半導体不純物拡散技術によりピエゾ抵抗９を形成する。さらに、イオン注入又はボロンをデポジット拡散して不純物拡散配線を形成すると共に、この不純物拡散配線により、同一方向の加速度を検出する４つのピエゾ抵抗同士を電気的に接続して、ホイーストンブリッジ回路を構成させる。このようにして、ＳＯＩ基板から半導体加速度センサのチップ１を形成する。最後に、フレーム７と台座１０とを陽極接合して、半導体加速度センサを製造する。
【００２７】
なお、上記の製造工程において、基板下面側から中間酸化膜３をエッチング除去するときに、フッ酸を含んだ液によりエッチング除去したが、これはドライエッチングで行なうようにしてもよい。
【００２８】
また、放熱層１１は、基板下面側からフレーム７及び可撓部６及び錘部８を形成するためのドライエッチングを行なう前に形成しておいたが、そのドライエッチングを行なった後から、活性層２をエッチングするまでの間で行なうようにしてもよい。
【００２９】
また、錘部８を所定の長さだけ、基板下面側からウェットエッチングして除去することにより、フレーム７と台座１０を接合したときに、錘部８と台座１０との間に空隙部分Ｃを形成するようにしたが、これは、錘部８をエッチング除去するのに限定するものではなく、例えばフレーム７と台座１０とを接合するときに、所定の厚みを有する部材を介して接合するようにして、錘部８と台座１０との間に空隙部分Ｃを形成するようにしてもよい。またその他にも、台座１０の表面のうち、フレーム７と接合する部分以外の部分を掘り込むことで、掘り込んだ部分の表面と、錘部８との間に空隙部分Ｃを形成するようにしてもよい。
【００３０】
また、ピエゾ抵抗９から放熱層１１への熱伝導性をより向上させるため、放熱層１１と錘部８の表面との間には、熱伝導性の低いシリコン酸化膜やシリコン窒化膜を非介在状態にさせることが好ましい。
【００３１】
また上記では、放熱層１１を形成する対象に、３軸方向に加わった加速度をそれぞれ検出できる３軸の半導体加速度センサを適用したが、これに限定するものではなく、１軸や２軸方向の加速度を検出する半導体加速度センサに適用して形成するようにしてもよい。
【００３２】
上記のように、錘部８のうち、ピエゾ抵抗９と熱伝導的に接続する部分の表面に放熱層１１を形成したので、この半導体加速度センサは、ピエゾ抵抗９に発生した熱を効率的に放熱させることができ、加速度を精度よく測定することが可能となる。
【００３３】
（第２実施形態）
図２は、第２の実施の形態における半導体加速度センサを示している。なお、上記の第１実施形態と同じものについては同じ符号を付与している。
【００３４】
この半導体加速度センサでは、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙと電気的に接続した高濃度拡散配線１５上にコンタクト窓１２を形成すると共に、このコンタクト窓１２を介して放熱層１１と高濃度拡散配線１５とを熱伝導的に接続している。このようにすることで、ピエゾ抵抗９Ｘ，９Ｙで発生した熱を、熱伝導性が高い高濃度拡散配線１５を介して、錘部８の上端面に形成した放熱層１１に迅速に熱伝導させることが可能となる。
【００３５】
上記のように、放熱層１１と高濃度拡散配線１５とを熱伝導的に接続したので、この半導体加速度センサは、ピエゾ抵抗９で発生した熱をより効率的に放熱させることができ、より精度よく加速度を測定することが可能となる。
【００３６】
（第３実施形態）
図３は、第３の実施の形態における半導体加速度センサを示している。上記の第１実施形態と同じものについては同じ符号を付与している。
【００３７】
この半導体加速度センサでは、ピエゾ抵抗９と熱伝導的に接続する部分の表面、すなわち放熱層１１を形成した部分の錘部８表面に凹部１３を形成し、さらにこの凹部１３の表面にも放熱層１１を形成している。このようにすることで、錘部８は、その凹部１３の側壁の面積分だけ表面積が増加するので、この凹部１３の表面に形成する放熱層１１の表面積も増加させることができる。従って、放熱層１１の空気に接触する表面積が増え、この放熱層１１からの放熱性を向上させることができる。これにより、ピエゾ抵抗９で発生した熱をより効率的に放熱させることが可能となり、加速度を一層高精度に測定させることが可能となる。この凹部１３を錘部８の表面に形成する際には、錘部８表面の活性層２に、アルカリ異方性エッチング液等を活用して方形状に掘り込み加工することで形成している。ただし、この方法以外にも、錘部８の表面に凹部１３を形成できればどのような方法を活用してもよい。
【００３８】
また、図４には、別の実施形態として、錘部８に形成する凹部の形状を断面Ｖ字状にしたものを示している。このものでは、錘部８の上端面にＶ字状の溝１４を形成し、このＶ字状の溝１４の表面にも放熱層１１を形成している。このようにすることでも、放熱層１１の表面積を増加させることができるので、放熱性を向上させることができる。これにより、ピエゾ抵抗９で発生した熱を効率的に放熱させることができ、より高精度に加速度を測定させることが可能となる。なお、上記の凹部の形状は、方形状やＶ字状に限定するものではなく、その他にも錘部８の表面積を増加できるものであればどのような形状であってもよい。
【００３９】
上記のように、錘部８の表面のうち、放熱層１１を形成する部分に、凹部１３を形成すると共に、その凹部１３の表面にも放熱層１１を形成したので、放熱層１１の表面積を増加させて、放熱性をより向上させることができ、より精度よく加速度を測定させることが可能となる。
【００４０】
以上、本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限らず、種々の形態で実施することができる。
【００４１】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１乃至請求項３に記載の半導体加速度センサは、抵抗体に発生した熱を、金属材料を含んでなる放熱層に伝導させて放熱させるので、加速度を精度よく測定することが可能になる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体加速度センサの第１の実施の形態における２面図である。
【図２】本発明に係る半導体加速度センサの第２の実施の形態における上面図である。
【図３】本発明に係る半導体加速度センサの第３の実施の形態における上面図である。
【図４】上記半導体加速度センサにおける、別の実施の形態の上面図である。
【図５】従来の半導体加速度センサ示す２面図である。
【符号の説明】
６可撓部
７フレーム
８錘部
９ピエゾ抵抗
１１放熱層
１３凹部
１４溝
１５高濃度拡散配線
１７Ｘ，１７Ｙ，１７Ｚ電極

Claims

加速度が加わったときに変位する錘部と、
上記錘部に連結した可撓部と、
上記可撓部を支持するフレームと、
上記可撓部の撓み量に応じた電気信号を出力する上記可撓部に形成した抵抗体と、
上記抵抗体からの出力を取り出す電極とを備えた半導体加速度センサにおいて、上記錘部の表面のうち、上記抵抗体と熱伝導的に接続する部分に、金属材料を含んでなる放熱層を形成してなることを特徴とする半導体加速度センサ。
上記錘部に、上記抵抗体と電気的に接続する高濃度拡散配線を形成すると共に、その高濃度拡散配線及び上記放熱層を熱伝導的に接続してなることを特徴とする請求項１に記載の半導体加速度センサ。
上記錘部の表面のうち、上記抵抗体と熱伝導的に接続する部分の表面に、凹部を形成すると共に、その凹部の表面にも上記放熱層を形成してなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体加速度センサ。