JP2004301726A

JP2004301726A - 半導体加速度センサ及びそのセンサにおけるストッパの製造方法

Info

Publication number: JP2004301726A
Application number: JP2003096101A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Saito; 宏齊藤; Kazushi Kataoka; 万士片岡; Hitoshi Yoshida; 仁吉田; Daisuke Wakabayashi; 大介若林
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】過度な加速度でビームに振動等が加わっても、応力を低減し耐衝撃性に優れた半導体加速度センサを提供する。
【解決手段】中央部３ａからビーム３ｂが導出されて枠体部３ｃへと接続されてなり、開口部３ｄに、その開口部内部へと突出する片持ち状のストッパ３ｅが構成されたシリコン膜３と、中央部３ａの下面に形成される懸吊部４ａ及び、その懸吊部４ａを取り囲む空隙部４ｂ並びに、その空隙部４ｂの外側に、枠体部３ｃの下面に形成される枠体部４ｃが構成されたシリコン酸化膜４と、加速度による力を受ける質量体夫々の上面が開口部３ｄから露出し、当該上面の一部が、懸吊部４ａの下面と係合して懸架される質量部５ａ及び、枠体部４ｃの下面に、質量体が一定の空隙を持って内部に格納される支持部５ｂが構成されたシリコン基板５とを備える。
【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、家電製品等に用いられ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれの方向の加速度を検出することができる３軸半導体加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体基板上に不純物を拡散してピエゾ抵抗を形成し、そのピエゾ抵抗の抵抗値の変化によって、当該半導体基板に加わった加速度を検出する半導体加速度センサが知られている。このようなセンサの中には、図７、８に示すように、Ｓｉ（シリコン）膜３の下部にＳｉＯ_２膜（シリコン酸化膜）４、Ｓｉ基板５が順に形成されたＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１を加工したものがある。具体的に説明すると、Ｓｉ膜３は、その上端部にピエゾ抵抗Ｒが形成されており、その中央部分には、平板状の中央部３ａが形成され、さらにその中央部３ａからは、ビーム３ｂが導出されて枠体部３ｃへと接続され、ビーム３ｂと枠体部３ｃとに囲まれた開口部３ｄが形成されている。
【０００３】
ＳｉＯ_２膜４には、中央部３ａの下面形状に合わせて懸吊部４ａが構成されると共に、その懸吊部４ａを取り囲むように空隙部４ｂが穿設され、空隙部４ｂの外側には、枠体部４ｃが構成されている。また、Ｓｉ基板５には、上面の一部が懸吊部４ａと係合して懸架してなり、加速度による力を受ける質量部５ａと、懸吊部４ａ等を介して当該質量部５ａを支えるための支持部５ｂとが形成されている（例えば、関連技術として、特許文献１、特許文献２参照）。そして、ガラス基板２’と支持部５ｂとは接着剤Ｂにて固定され、半導体加速度センサが構成される。
【０００４】
尚、半導体加速度センサにおいて、質量部とダイヤフラムを片持ち梁状に形成し、当該質量部の可動範囲を規制するストッパを設けたもの（例えば、特許文献３参照）が知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１４８２２９号公報（第３−４頁、第２図）
【特許文献２】
特開平７−２３４２４２号公報（第２−４頁、第２図、第６図）
【特許文献３】
特開平５−１２６８４３号公報（第２−３頁、第１図、第１１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図７、８に示した半導体加速度センサでは、センサに加速度が加わると、質量部５ａが力を受けて、その質量部５ａを支えているビーム３ｂが変形し、それに伴って、当該ビーム３ｂの上端に形成されたピエゾ抵抗Ｒの抵抗値が変化するので、その抵抗値を電圧値等に変換することにより、目的の加速度を検出している。しかしながら、当該ビーム３ｂは薄肉状に形成されているため、過度の加速度が加わり一定以上に変形すると、破損して加速度センサとして機能しなくなる恐れがある。
【０００７】
より詳しく説明すると、質量部５ａが下方側へと変位した場合については、当該質量部５ａの下端部がガラス基板２’ と当接して、ストッパの役目を果たすので、ビーム３ｂの破損を防止することができるが、反対に質量部５ａが上方側へと変位した場合には、最早、当該質量部５ａと当接するものは何もないから、過度な加速度が加わり、ビーム３ｂが一定以上に変形すると、当該ビーム３ｂが破損する恐れがある。また、上方側には変形を規制するものがないため、質量部５ａが大きく上方へと振れた後、反動で下方へ向かって戻るときに、当該質量部５ａが堅いガラス基板２’と衝突し、その機械的な衝撃でビーム３ｂが破損する恐れもあった。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、過度な加速度が発生し、ビーム３ｂに機械的な振動や衝撃が加わったとしても、その応力を低減して耐衝撃性に優れた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】
かかる半導体加速度センサを提供するために、本願の発明者らは、中央部の四方からビームが導出されて枠体部へと接続され、ビームと枠体部とに囲まれて形成される４つの開口部及び、それらの開口部それぞれに、当該開口部と前記枠体部との縁部から、その開口部内部へと突出する片持ち状のストッパが構成されたシリコン膜と、
前記中央部の下面に形成される懸吊部及び、その懸吊部を取り囲むように空隙部が穿設され、さらにその空隙部の外側に、シリコン膜の枠体部の下面に形成される枠体部が構成されたシリコン酸化膜と、
加速度による力を受ける４つの質量体それぞれの上面が前記空隙部を介して前記開口部から露出し、当該上面の一部が、前記懸吊部の下面と係合して懸架される質量部及び、シリコン酸化膜の枠体部の下面に、前記質量体が一定の空隙を持って内部に格納される支持部が構成されたシリコン基板と、を備えたことを特徴とするものを提案している（請求項１）。
【００１０】
また、前記ストッパにつき、先端部が質量部のそれぞれの質量体の重心線上に当たるように形成されているものを提案している（請求項２）。
【００１１】
また、前記ストッパが複数形成されていることを特徴とするものを提案している（請求項３）。
【００１２】
さらに、シリコン基板上にシリコン酸化膜とシリコン膜が順に形成されたＳＯＩ基板を用いて、そのシリコン膜上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによって、フォトレジストにエッチングガスを導入するための開口を形成し、ＲＩＥによってシリコン膜を異方性エッチングして、前記シリコン膜に、中央部の四方からビームが導出されて接続される枠体部と、ビームと枠体部とに囲まれて形成される４つの開口部と、当該開口部と前記枠体部との縁部から、その開口部内部へと突出する片持ち状のストッパとを形成した後、
前記開口部よりエッチング液を注入して、その開口部から露出している部分並びに、少なくともビームの下部に存在するシリコン酸化膜を等方性エッチングし、シリコン酸化膜に、前記中央部の下面に形成される懸吊部を形成すると共に、その懸吊部を取り囲む空隙部及び、さらにその空隙部の外側に、シリコン膜の枠体部の下面に形成する枠体部を形成することを特徴とした製造方法を提案している（請求項４）。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以上に示した解決手段を具体的な実施形態として、下記に詳細に説明する。まず、本願の半導体加速度センサの構造等について説明した後、その製造方法について詳しく説明することとする。
【００１４】
［半導体加速度センサの基本的構造］
図１、２は、本願の半導体加速度センサの基本的構造を示す図であり、図１は当該センサの斜視図、図２は当該センサの上面図（ａ）と、その上面図におけるＡ−Ａ’の断面図（ｂ）を示したものである。同図に示すように、本願の半導体加速度センサは、略立方体状ないし略矩形箱状からなり、ＳＯＩ基板１の下面部と、ガラス基板２の上面部とが接合されて構成されている。ＳＯＩ基板１は、一例として数μｍ〜１０μｍ程度の厚さのＳｉ膜３と、その下面に形成される０．３〜１μｍ程度の厚さのＳｉＯ_２膜４と、さらにその下面に形成される３００〜６００μｍ程度の厚さからなるＳｉ基板５とからなる。
【００１５】
ガラス基板２は、パイレックス（登録商標）ガラス等の可動イオンを含有するガラスであって、陽極接合によってガラス又はＳｉとの接合を行うものである。Ｓｉ膜３は、その上端部にピエゾ抵抗Ｒが形成されており（配置については後述する）、その中央部分には、鉛直視四角形平板状の中央部３ａが構成されており、当該中央部３ａの四辺中央部（四方）からは、略矩形平板状のビーム３ｂが導出されて、鉛直視四角形状に形成された枠体部（シリコン膜の枠体部）３ｃへと接続されている。
【００１６】
ＳｉＯ_２膜４は、その中央部分に、中央部３ａの下面形状に合わせて鉛直視四角形平板状の懸吊部４ａが構成されると共に、その懸吊部４ａを取り囲むように空隙部４ｂが穿設され、さらに空隙部４ｂの外側には、枠体部３ｃの下面形状に合わせて、鉛直視四角形状の枠体部（シリコン酸化膜の枠体部）４ｃが構成されている。また、Ｓｉ基板５は、半導体加速度センサに加わった加速度による力を受ける質量部５ａと、懸吊部４ａ等を介して当該質量部５ａを支えるための支持部５ｂとから構成されている。
【００１７】
質量部５ａは、略立方体状の４つの質量体で構成され、それらの質量体は、それぞれ上面が空隙部４ｂを介して開口部３ｄから露出し、当該上面の四隅のうちの一端（上面の一部）が懸吊部４ａの下面と係合して、宙に浮いた状態に懸架される一方、支持部５ｂは枠体部４ｃの下面形状に合わせて鉛直視四角形状の枠体からなり、その内部には当該質量体が一定の空隙を持って格納されている。
【００１８】
ところで、ビーム３ｂと枠体部３ｃとに囲まれて形成される４つの開口部３ｄにはそれぞれ、当該開口部３ｄと枠体部３ｃとの縁部３ｄａから、その先端部が質量部５ａのそれぞれの質量体の重心線上に当たるように、その開口部３ｄ内部へと突出する片持ち状のストッパ３ｅが形成されている。具体的には、当該枠体部３ｃの四隅部近傍から中央部３ａの中心部に向かって、長手方向にみて断面視四角形状でかつ片持ち状のストッパ３ｅが形成されている。
【００１９】
以上のように構成することで、質量部５ａが上方側へと推移した場合であっても、ストッパ３ｅの下端先端部が、当該質量部５ａの上端部と当接するので、ビーム３ｂが一定以上に変形することがなく、当該ビーム３ｂの破損を防止することができる。尚、ストッパ３ｅの先端部が、質量部５ａのそれぞれの質量体の重心線上に当たるようにしたので、ひねりが発生せず、回転方向の感度を拾うことないので、ノイズを低下させて感度特性を向上させることができる。
【００２０】
また、図２（ａ）に示すように、中央部３ａの横方向の両端部と、ビーム３ｂとが接続される部分には、当該ビーム３ｂの長手方向と平行となるよう、縦方向に夫々、Ｘ軸方向の加速度を検出するピエゾ抵抗Ｒｘ１、Ｒｘ２、Ｒｘ３、Ｒｘ４が形成されている。同様にして、中央部３ａの縦方向の両端部と、ビーム３ｂとが接続される部分には、当該ビーム３ｂの長手方向と平行となるよう、横方向に夫々、Ｙ軸方向の加速度を検出するピエゾ抵抗Ｒｙ１、Ｒｙ２、Ｒｙ３、Ｒｙ４が形成されている。
【００２１】
さらに、枠体部３ｃの縦方向の内側両端部と、ビーム３ｂとが接続される部分には、当該ビーム３ｂの長手方向と平行となるように夫々、Ｚ軸方向の加速度を検出するピエゾ抵抗Ｒｚ１、Ｒｚ４が形成されている。同様にして、枠体部３ｃの横方向の内側両端部と、ビーム３ｂとが接続される部分には、当該ビーム３ｂの長手方向に対して垂直となるように夫々、Ｚ軸方向の加速度を検出するピエゾ抵抗Ｒｚ２、Ｒｘ３が形成されている。
【００２２】
尚、これらのピエゾ抵抗は不純物拡散配線によって形成されており、不純物拡散配線によるパターンと連結され、さらに、そのパターン上の所定位置にコンタクト窓が形成されて、アルミ配線に連結されるようになっている（パターン等については図示省略）。当該パターンないしアルミ配線は、ホイーストンブリッジ回路を形成しているが、回路の詳細については、特開平６−３３１６４６号によることとして記載を省略する。
【００２３】
［半導体加速度センサの別形態の構造］
次に、本願の半導体加速度センサの別形態の構造について、図３に基づいて説明する。図３は、当該半導体加速度センサの上面図である。本形態の半導体加速度センサが上述の基本的構造と異なり、特徴を有するのは、ストッパ３ｅが複数設けられている点である。具体的に説明すると、それぞれの開口部３ｄには、ストッパ３ｅが２本形成され、それぞれのストッパ３ｅは、その長手方向が他のストッパ３ｅと直交する向きに形成されると共に、縦横方向それぞれのビーム３ｂの長手方向と平行となるように構成されている。このように構成することで、質量部５ａが上方に変位しても、当該質量部５ａの上面と、複数のストッパ３ｅの下面が当接するので、衝撃を充分に緩和することができる。なお、構造等の説明は、以上のとおりであるが、Ｓｉ膜３に不純物が侵入しないよう、Ｓｉ膜３の上には順にＳｉＯ_２膜、Ｓｉ_３Ｎ_４膜が形成される（図示せず）。
【００２４】
［半導体加速度センサの製造方法］
次に、上述の構造等を踏まえ、本願の半導体加速度センサの製造方法について、図１、２、並びに図４、５に基づいて詳細に説明する。図４、５は、各製造工程を示した図であって、図２（ａ）に示したＢ−Ｂ’の断面図である。まず、ＳＩＭＯＸ（ＳｉｌｉｃｏｎＩｍｐｌａｎｔｅｄＯｘｉｄｅ）ないし、貼り合わせ法等により構成されたＳＯＩ基板１上に、フォトレジスト８を塗布する。そして、上述した所定の位置にピエゾ抵抗を形成すべく、フォトリソグラフィにより、不純物を導入するための開口窓８ａを形成する。
【００２５】
具体的には、フォトレジスト８の上面にフォトマスクを載置し、紫外線を照射することにより、所定部分のフォトレジスト８を露光させた後、現像液を塗布することで開口窓８ａが形成される。その開口窓８ａが形成された後、熱拡散、イオン注入法（ボロンをデポジット拡散しても良い）によって不純物を導入し、ピエゾ抵抗となる不純物拡散配線９を形成する（図４（ａ）参照）。尚、特に図示はしないが、当該不純物拡散配線９と同様にして、ストッパ折れ検知配線６を形成することができる。
【００２６】
そして、ＨＮＯ_３等の除去液を塗布して、残存しているフォトレジスト８を除去した後、４００℃以下でＳｉＨ_４＋Ｏ_２のソースガスを用い、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によってＳｉＯ_２膜１０を形成し、さらにその上に、９００℃以下でＳｉＨ_４＋４ＮＨ_３のソースガスを用い、ＣＶＤ法によりＳｉ_３Ｎ_４膜１１を形成する（図４（ｂ）参照）。これにより、Ｓｉ膜３とＳｉ_３Ｎ_４膜１１との膨張率の違いをＳｉＯ_２膜１０で吸収しつつ、Ｓｉ_３Ｎ_４膜１１によって、不純物に対するバリア、すなわちパッシベーションとすることができる。
【００２７】
次に、当該Ｓｉ_３Ｎ_４膜１１上に、フォトレジスト１２を塗布し、所定の形状（中央部３ａ、ビーム３ｂ、枠体部３ｃ、開口部３ｄ、ストッパ３ｅ）を形成すべく、フォトマスクをして露光と現像を行い、エッチングガスを導入するための開口１２ａを形成する。そして、エッチングガスとしてＣＦ_４を用い、ＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）によって、Ｓｉ_３Ｎ_４膜１１、ＳｉＯ_２膜１０、Ｓｉ膜３をパターンの通り、異方性エッチングする（図４（ｃ）参照）。尚、エッチングにあたっては、誘電結合プラズマ形（ＩＣＰ）にしても良い。
【００２８】
次に、残存するフォトレジスト１２を除去液で除去し、開口部３ｄからフッ酸ないしフッ酸混合液等のエッチング液を注入して、当該開口部３ｄから露出している部分並びに、ビーム３ｂ及びストッパ３ｅの下部に存在するＳｉＯ_２膜を等方性エッチングし、空隙部４ｂを形成する（図５（ａ）参照）。そして、質量部５ａの下面にフォトレジストを塗布し、フォトマスクをして露光と現像を行い、支持部５ｂの下端部のみにフォトレジスト１２ａを残して、ＲＩＥにより異方性エッチングを行う。その後、エッチング部分にフォトレジストを塗布等をして、質量部５ａの下面にフォトレジスト１２ｂを残して、ＲＩＥによって異方性エッチングを行う（図５（ｂ）参照）。
【００２９】
次に、フォトレジスト１２ａ、１２ｂを除去液で除去し、ガラス基板２の上に支持部５ｂを載置する。そして、支持部５ｂを正電位となるようにし、ガラス基板２と支持部５ｂとの間に、２００Ｖ〜１０００Ｖの電圧を印加して、当該ガラス基板２及び支持部５ｂを４５０℃付近まで昇温させる。このようにすることで、ガラス基板２に含まれる陽イオンが負電位に引かれて、当該ガラス基板２の表層に到達する一方、同ガラス基板２内には大量の負イオンが残存し、支持部５ｂとの接合部に空間電荷層が形成されるため、当該ガラス基板２と支持部５ｂとの間に強い吸引力が生じて結合が完了する（図５（ｃ）参照）。
【００３０】
［ストッパの薄肉化の方法］
ところで、ストッパ３ｅをビーム３ｂよりも強固に形成してしまうと、過度な加速度が加わった場合に、力が逃げずビーム３ｂが破損する事態が生ずることとなる。これを回避するためには、ストッパ３ｅの強度を低下させること、すなわち、当該ストッパ３ｅがビーム３ｂよりも薄肉であることが必要である。ここでは、薄肉化の方法について図９に基づいて詳細に説明することとする。図９は図５（ｂ）の製造工程が終了し、フォトレジスト１２ａ、１２ｂを除去した後の状態を示す図であって、上下を反対に示した図である。
【００３１】
ストッパの薄肉化にあたっては、まずガラス基板２と支持部５ｂとの接合の前に、ＣＶＤにより半導体加速度センサの表面にＳｉＯ_２膜１３等を形成して、エッチングからの保護膜を形成する。このとき、ストッパ３ｅは質量部５ａの下部に位置していることから、当該ストッパ３ｅの表面には、質量部５ａの表面等と比較してＳｉＯ_２膜１３が付着しない。
【００３２】
そこで、フッ酸混合液でストッパ３ｅに積もったＳｉＯ_２膜１３の除去を行って（図６（ａ）参照）、ＴＭＡＨやＫＯＨによって等方性エッチングを行うことで、当該ストッパ３ｅを薄肉化することができる（図６（ｂ）参照）。そして、質量部５ａと支持部５ｂの上面のＳｉＯ_２膜１３をエッチングにより除去して、ガラス基板２との接合を行うようにすれば良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の発明にあっては、過度な加速度が発生し、ビームに機械的な振動や衝撃が加わったとしても、その応力を低減して耐衝撃性に優れたという効果を奏する。
【００３４】
請求項２記載の発明にあっては、回転方向の感度を拾わずにノイズを低下せしめ、感度特性を向上させることができるという効果を奏する。
【００３５】
請求項３記載の発明にあっては、衝撃を充分に緩和することができるという効果を奏する。
【００３６】
請求項４記載の発明にあっては、シリコン膜にストッパを形成することが可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の半導体加速度センサの構造を示す斜視図であって、内部構造を示すために一部切り欠いた図である。
【図２】一実施形態の半導体加速度センサの構造を示す図であって、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ上面図と、その上面図におけるＡ−Ａ’の断面図である。
【図３】別の実施形態の半導体加速度センサの構造を示す上面図である。
【図４】本願の半導体加速度センサの各製造工程を示す図であって、図２の上面図におけるＢ−Ｂ’の断面図である。
【図５】本願の半導体加速度センサの各製造工程を示す図であって、図２の上面図におけるＢ−Ｂ’の断面図である。
【図６】ストッパを薄肉化するための製造方法を示す図である。
【図７】従来の半導体化速度センサの構造を示す斜視図であって、内部構造を示すために一部切り欠いた図である。
【図８】従来の半導体化速度センサの構造を示す図であって、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ上面図と、その上面図におけるＡ−Ａ’の断面図である。
【符号の説明】
１ＳＯＩ基板
３シリコン膜
３ａ中央部
３ｂビーム
３ｃ枠体部（シリコン膜の枠体部）
３ｄ開口部
３ｄａ縁部
３ｅストッパ
３ｅａエッチング液導入孔
４シリコン酸化膜
４ａ懸吊部
４ｂ空隙部
４ｃ枠体部（シリコン酸化膜の枠体部）
５シリコン基板
５ａ質量部
５ｂ支持部
１２フォトレジスト
１２ａ開口
１４フォトレジスト

Claims

中央部の四方からビームが導出されて枠体部へと接続され、ビームと枠体部とに囲まれて形成される４つの開口部及び、それらの開口部それぞれに、当該開口部と前記枠体部との縁部から、その開口部内部へと突出する片持ち状のストッパが構成されたシリコン膜と、
前記中央部の下面に形成される懸吊部及び、その懸吊部を取り囲むように空隙部が穿設され、さらにその空隙部の外側に、シリコン膜の枠体部の下面に形成される枠体部が構成されたシリコン酸化膜と、
加速度による力を受ける４つの質量体それぞれの上面が前記空隙部を介して前記開口部から露出し、当該上面の一部が、前記懸吊部の下面と係合して懸架される質量部及び、シリコン酸化膜の枠体部の下面に、前記質量体が一定の空隙を持って内部に格納される支持部が構成されたシリコン基板と、を備えたことを特徴とする半導体加速度センサ。
前記ストッパは、先端部が質量部のそれぞれの質量体の重心線上に当たるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体加速度センサ。
前記ストッパが複数形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体加速度センサ。
シリコン基板上にシリコン酸化膜とシリコン膜が順に形成されたＳＯＩ基板を用いて、そのシリコン膜上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによって、フォトレジストにエッチングガスを導入するための開口を形成し、ＲＩＥによってシリコン膜を異方性エッチングして、前記シリコン膜に、中央部の四方からビームが導出されて接続される枠体部と、ビームと枠体部とに囲まれて形成される４つの開口部と、当該開口部と前記枠体部との縁部から、その開口部内部へと突出する片持ち状のストッパとを形成した後、
前記開口部よりエッチング液を注入して、その開口部から露出している部分並びに、少なくともビームの下部に存在するシリコン酸化膜を等方性エッチングし、シリコン酸化膜に、前記中央部の下面に形成される懸吊部を形成すると共に、その懸吊部を取り囲む空隙部及び、さらにその空隙部の外側に、シリコン膜の枠体部の下面に形成する枠体部を形成することを特徴とする半導体加速度センサにおけるストッパの製造方法。