JP2005134155A

JP2005134155A - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JP2005134155A
Application number: JP2003367784A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Wakabayashi; 大介若林; Kazushi Kataoka; 万士片岡; Hisakazu Miyajima; 久和宮島; Sumio Akai; 澄夫赤井; Hitoshi Yoshida; 仁吉田; Koji Goto; 浩嗣後藤; Makoto Morii; 誠森井
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2005-05-26
Anticipated expiration: 2023-10-28
Also published as: JP4134881B2

Abstract

【課題】応力の吸収効率を向上させて温度特性の優れた半導体加速度センサを提供すること。
【解決手段】第１主面と第２主面とを有する半導体基板からなり、内方を開口した支持部２と、基端部３１を支持部２の第１主面側に設けて開口内に延設された弾性を有する梁部３と、梁部３により吊り下げ支持されて遊動自在に可動する錘部４と、梁部３に設けられるとともに作用する加速度に応じて抵抗値の変化するピエゾ抵抗５と、支持部２の第２主面側に少なくとも第２主面を分断するように設けてなり、支持部２の隅角から梁部３の基端部３１へ伝達する応力を吸収する緩和手段６とを有してなる半導体加速度センサ。
【選択図】図１

Description

本発明は、応力を電気信号に変換することにより作用した加速度を検知する半導体加速度センサに関し、特に、温度特性に優れた半導体加速度センサに関するものである。

この種の背景技術として、例えば、特開２０００−１８７０４０号公報（特許文献１）に提案されているものがあり、これを図３に示す。図３（ａ）はその全体概略平面図であり、図３（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの概略断面図である。

このものは、シリコンからなる半導体基板にて形成されており、支持部１１０と、撓み部１２０と、重り部１３０と、切込み溝１４０とを備えている。

支持部１１０は、重り部１３０を支持するものであり、平面視において略四角形状に形成されている。また、その内方は、それぞれの辺が支持部１１０の周縁と平行となる略四角形状に開口されており、全体として支持部１１０は枠体に構成されている。

撓み部１２０は、支持部１１０と重り部１３０との間に介在して重り部１３０を吊り下げ支持するものであり、平面視において短冊状に形成されており、その厚みは弾性を有するように薄肉状に形成されている。また、このものは、支持部１１０と一体に形成され、支持部１１０を構成する４辺の上面から内方にそれぞれ突設しており、支持部１１０の内方の中央付近で交差して交差部１１１を構成している。

また、撓み部１２０表面の交差部１１１近傍及び支持部１１０近傍には複数のピエゾ抵抗（図示せず）が形成されている。ここで、支持部１１０の任意の一辺と平行な方向をＸ軸とし、そのＸ軸と９０°の角度で交差する他の一辺と平行な方向をＹ軸、Ｘ軸とＹ軸との両方と９０°の角度で交差する方向をＺ軸としたとき、これらのピエゾ抵抗は、それぞれの軸方向に作用する加速度を検出するためにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対応する４つを一組としてホイートストンブリッジを構成している。

重り部１３０は、作用する加速度の大きさに応じて遊動し、撓み部１２０の撓み量を変化させるものであり、換言すると、重り部１３０が受けた加速度をニュートンの運動方程式で導出される力に変換して撓み部１２０を撓ませるものである。このものは、支持部１１０の内方の空間に位置して撓み部１２０により吊り下げ支持されており、その形状は、支持部１１０の厚み方向において下面（図３（ｂ）の下側）に向かって幅の狭くなる台形状をなし、平面視において略四角形状をなしている。

切込み溝１４０は、支持部１１０と上部キャップ（図示せず）及び支持部１１０と下部キャップ（図示せず）を接合した際に発生する応力を緩和するものであり、その形状は、断面視においてＶ字形状に形成されている。また、このものは、支持部１１０のそれぞれの辺に複数形成されており、さらに、それぞれの辺と一体化している撓み部１２０と平行な方向に形成されている。また、切込み溝１４０の長手方向の一端は支持部１１０の周縁に達している。

したがって、上記構成の半導体加速度センサによれば、支持部１１０と上部キャップ及び支持部１１０と下部キャップを陽極接合を用いて接合した際に、支持部１１０と各キャップとの線膨張係数の違いにより生じる応力を切込み溝１４０により吸収できるので、撓み部１２０に発生する歪みを低減して温度特性を向上することができるのである。
特開２０００−１８７０４０号

しかしながら、このような半導体加速度センサは、ＫＯＨなどを用いた半導体基板の結晶方位に依存する異方性エッチングで切込み溝１４０を形成しているため、その深さは半導体加速度センサの大きさや破壊強度などにより限定されてしまう。ゆえに、接合部分で発生する応力、特に、支持部１１０の隅角で発生する応力が支持部１１０の内方の周縁を伝達して撓み部１２０に作用してしまう恐れがあり、高精度な温度特性を要求される状況においては精度的に不十分である場合があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、応力の吸収効率を向上させて温度特性の優れた半導体加速度センサを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の半導体加速度センサは、第１主面と第２主面とを有する半導体基板からなり、内方を開口した支持部と、基端部を支持部の前記第１主面側に設けて開口内に延設された弾性を有する梁部と、梁部により吊り下げ支持されて遊動自在に可動する錘部と、梁部に設けられるとともに作用する加速度に応じて抵抗値の変化するピエゾ抵抗と、支持部の前記第２主面側に少なくとも前記第２主面を分断するように設けてなり、支持部の隅角から梁部の基端部へ伝達する応力を吸収する緩和手段と、を有してなることを特徴とするものである。

このものによれば、支持部の第２主面側を他部材に接合した際に、接合部から伝達される応力、特に、応力の集中する支持部の隅角から伝達してくる応力の伝達経路を緩和手段により分断して応力の吸収効率を向上することができる。

請求項２に係る発明の半導体加速度センサは、請求項１記載の構成において、半導体基板はＳＯＩ基板からなるとともに、前記緩衝手段はその深さをＳＯＩ基板の絶縁層まで穿設した凹状体であるものとしている。

このものによれば、緩衝手段の深さを支持部の厚み方向におけるほぼ全域まで設けることができ、また、深さの制御手段としてシリコンとエッチングレートの異なる絶縁層がエッチングストッパとなるので、緩衝手段の深さのバラツキを抑制できる。

本発明の半導体加速度センサによれば、緩衝手段により支持部の第２主面側から伝達される応力の伝達経路を緩和手段により分断して応力の吸収効率を向上することができるので、線膨張係数の違いにより温度変化で生じる応力に対しても撓み部の受ける影響を低減して温度特性を向上することができる。

また、半導体基板としてＳＯＩ基板を用いることにより、緩衝手段として深さを支持部の厚み方向におけるほぼ全域まで設けた凹状体を形成することができ、また、凹状体の深さの制御を絶縁層で行えるので、緩衝手段の深さのバラツキを抑制でき、結果的に、温度特性を向上させ、かつ温度特性のバラツキを抑制することができる。

［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る半導体加速度センサについて図１に基づき説明する。図１（ａ）はその概略斜視図、図１（ｂ）はその概略下面図である。

この実施形態の半導体加速度センサは、例えば、シリコン（Ｓｉ）からなる支持層１１上に、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる絶縁層１２を介してシリコンからなる活性層１３を積層したＳＯＩ基板１を加工することにより形成しており、その主要構成要素として、支持部２と、梁部３と、錘部４と、ピエゾ抵抗５と、緩和手段６とを備えている。

このうち、支持部２は、半導体加速度センサの基体となるものであり、梁部３を介して錘部４を支持するものである。このものは、ＳＯＩ基板１の内方を穿設した枠体であり、平面視において略四角形状に形成している。また、この支持部２は、支持層１１、絶縁層１２、活性層１３の３層で構成しており、その支持層１１の表面にはピエゾ抵抗５と接続した、例えば、アルミニウム（Ａｌ）からなる電極（図示せず）を形成している。

梁部３は、作用する加速度に応じて錘部４が遊動自在に動くように吊り下げ支持するものである。このものは、ＳＯＩ基板１の活性層１３にて構成しており、支持部２の各辺の略中央付近を基端部３１として内方に向かって突設し、支持部２の中央付近で交差部２１を介して互いに一体化している。また、この梁部３は、平面視において短冊状であり、かつその厚みを活性層１３と略同等に形成している。本実施形態では活性層１３の厚みを５μｍ程度としており、このような厚みにおいては、梁部３は作用する加速度に応じて可撓する弾性体として機能する。

錘部４は、作用する加速度の大きさに応じて誘導して梁部３の撓み量を変化させるものである。このものは、ＳＯＩ基板１の支持層１１にて構成しており、主錘部４１と４つの補助錘部４２とからなる。

このうち、主錘部４１は、交差部２１の下面に絶縁層１２を介して結合している。その形状は平面視において略四角形状であり、その厚みは支持部２の支持層１１の厚みと略同等であり、主錘部４１の下面が支持部２の下面と同一平面を構成している。

一方、補助錘部４２は、主錘部４１の４つの隅角にそれぞれ一体化して形成しており、加速度が作用していない状態でＳＯＩ基板１の活性層１３側から見たときに、隣り合う梁部３とその梁部３を支持する支持部２の辺とで囲まれた領域に位置するように形成している。その形状は、平面視において略四角形状であり、その厚みは主錘部４１と略同等の厚みを有している。

ピエゾ抵抗５は、応力により梁部３が変形した際の撓み量を電気信号に変換するものである。このものは、梁部３の表面に形成しており、詳細には梁部３と支持部２との結合部分近傍及び梁部３と交差部２１との結合部分近傍に配置している。このうち、交差部２１の近傍にあるピエゾ抵抗５は、支持部２の辺と平行な方向のベクトル成分を持つ加速度に対して応答し、例えば、支持部２の任意の一辺と平行な方向をＸ軸と規定し、Ｘ軸と直交してかつ支持部２の辺と平行な方向をＹ軸と規定すると、Ｘ軸と平行な支持部２上にある４つのピエゾ抵抗５で１組のホイートストンブリッジを構成し、また、Ｙ軸と平行な支持部２上にある４つのピエゾ抵抗で１組のホイートストンブリッジを構成している。さらに、支持部２の近傍にあるピエゾ抵抗５は、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向のベクトル成分を持つ加速度に対して応答し、例えば、この方向をＺ軸と規定すると、梁部３上にある４つのピエゾ抵抗５で１組のホイートストンブリッジを構成している。

緩和手段６は、支持部２を台座（図示せず）やパッケージ（図示せず）などと接合したときに線膨張係数の違いにより発生する応力を緩和するものであり、一端が支持部２の外周縁に連結し、他端が支持部２の内周縁に連結する凹状体である。このものは、支持部２の下面に形成しており、その位置は、支持部２の隅角と梁部３との間の略中央付近に支持部２の辺の長手方向と直交するように配置している。また、緩和手段６は、凹状体の深さを支持部２の支持層１１と略同等に形成し、その支持部２の辺の長手方向と平行な幅を１０μｍ程度に形成しており、支持部２の各辺を支持部２の隅角と梁部３との間で分断している。これにより、支持部２を構成する活性層１３は、略四角状の連続した環状体に構成され、絶縁層１２及び支持層１１は、緩和手段６により分割されて８つの塊体で構成されることとなる。

次に、その製造方法について説明する。

まず、それぞれの層厚が、例えば、支持層１１が４００μｍ程度、絶縁層１２が０．５μｍ程度、活性層１３が５μｍ程度のＳＯＩ基板１を用い、その表面に、例えば、パイロジェニック酸化法により二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる酸化膜を形成する。

次いで、活性層１３にピエゾ抵抗５、拡散配線（図示せず）、金属配線（図示せず）及び電極（図示せず）を形成する。このうち、ピエゾ抵抗５及び拡散配線の形成は、まず、梁部３及び支持部２の所定の位置の酸化膜を除去し、例えば、活性層がｎ型の導電型を有する場合、導電型がｐ型となる不純物、例えば、ボロン（Ｂ）をイオン注入法又はデポジット拡散法等を用いて支持層１１に注入する。続いて、１１００℃程度に昇温した水蒸気と酸素との混合気体中で３０分程度不純物を熱拡散して処理を終える。

一方、金属配線及び電極の形成は、拡散配線上の所定の位置の酸化膜を除去してコンタクトホール（図示せず）を形成し、活性層１３の酸化膜上に、例えば、アルミニウム（Ａｌ）をスパッタ法を用いて積層する。続いて、フォトレジスト（図示せず）を塗布後、所定形状にパターニングして処理を終える。

次いで、支持層１１にフォトレジストを塗布し、支持部２と錘部４との境界となる部位及び緩和手段６となる部位のフォトレジストを除去し、誘導結合型プラズマエッチング（ＩＣＰ）を用いて支持層１１を絶縁層１２に至るまでエッチング除去して支持部２と錘部４及び緩和手段６を構成する凹状体を形成する。このとき、ＩＣＰには、例えば、六フッ化硫黄（ＳＦ_６）を用いている。

次いで、活性層１３にフォトレジストを塗布し、隣り合う梁部３と支持部２とに囲まれた領域のフォトレジストを除去し、ＩＣＰを用いて活性層１３をエッチングして開口部２２を形成する。

最後に、例えば、フッ化水素酸（ＨＦ）の溶液を霧状にして噴霧し、支持部２の支持層１１と当接する絶縁層１２及び錘部４の主錘部４１と当接する絶縁層１２を除いた他の領域の絶縁層１２をエッチングして錘部４を遊動自在にし、半導体加速度センサを完成する。

このあと、半導体加速度センサを台座やパッケージなどに接合して外部と電気的に接続することにより、加速度センサ装置として使用可能になる。

ここにおいて、例えば、半導体加速度センサをガラスからなる台座に接合した場合、半導体加速度センサを構成するシリコン（Ｓｉ）の線膨張係数は２．６×１０^−６／Ｋ程度、台座の線膨張係数は２．８×１０^−６／Ｋ程度であるため、環境温度の変化に伴い、この線膨張係数の差が影響して応力を発生させてしまう。しかしながら、本実施形態の半導体加速度センサによれば、この応力を支持部２に緩和手段６として形成した凹状体によりその伝達経路を分断しているため、特に応力の集中する支持部の隅角から伝達してくる応力を効率的に吸収することができ、梁部３の受ける影響を低減して温度特性を向上することができる。また、ＳＯＩ基板１を用いて半導体加速度センサを実現しているので、凹状体の深さを支持層１１の厚みと同等に設けることができ、さらに、絶縁層１２をエッチングストッパとして利用できるので、凹状体の深さのバラツキを抑制でき、結果的に半導体加速度センサの温度特性のバラツキを抑制することができる。

なお、緩和手段６は、支持部２の辺の長手方向に対して直交するように設けたものに限定されるものではなく、例えば、斜めに交わるように設けてもよく、支持部２の辺を分断可能であれば、その交わる角度は適宜設計変更が可能なものである。また、その形成位置は、支持部２の各辺の隅角と梁部３との間の略中央付近に限定されるものではなく、任意に選択できるものである。また、支持部２の各辺の隅角と梁部３との間を分断できれば、緩和手段６はその間に複数個存在してもかまわない。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る半導体加速度センサを図２に基づいて説明する。図２（ａ）は、その概略斜視図であり、図２（ｂ）はその概略下面図である。

本実施形態の半導体加速度センサは、支持部７の所定の部分が第１の実施形態と異なるものであり、他の構成要素は第１の実施形態と実質的に同一であるので、同一部材には同一の番号を付して説明を省略する。

本実施形態の支持部７は、支持層１１側からの平面視において、緩和手段６で挟まれ、かつ梁部３の基端部３１を包含する部位７１が第１の実施形態と異なっている。この部位７１は、その外縁側をエッチングにより除去して支持部７の隅角近傍の幅よりも薄く形成しており、錘部４の自重や作用した加速度によって支持層１１が撓むことのない程度に設定している。

したがって、本実施形態の半導体加速度センサによれば、この応力を支持部７に緩和手段６として形成した凹状体によりその伝達経路を分断しているため、特に応力の集中する支持部の隅角から伝達してくる応力を効率的に吸収することができ、また、支持部２における梁部３の基端部３１を包含する部位７１が直接受ける応力をも減少することができ、温度特性をより向上することができる。

本発明の第１の実施形態に係る半導体加速度センサを示すものであり、（ａ）はその概略斜視図、（ｂ）は支持層から見た概略下面図である。本発明の第２の実施形態に係る半導体加速度センサを示すものであり、（ａ）はその概略斜視図、（ｂ）は支持層から見た概略下面図である。従来の半導体加速度センサを示すものであり、（ａ）はその概略平面図、（ｂ）はＡ−Ａ線で切断したときの概略断面図である。

符号の説明

１ＳＯＩ基板
１２絶縁層
２支持部
２２開口部
３梁部
３１基端部
４錘部
５ピエゾ抵抗
６緩和手段

Claims

第１主面と第２主面とを有する半導体基板からなり、
内方を開口した支持部と、
基端部を支持部の前記第１主面側に設けて開口内に延設された弾性を有する梁部と、
梁部により吊り下げ支持されて遊動自在に可動する錘部と、
梁部に設けられるとともに作用する加速度に応じて抵抗値の変化するピエゾ抵抗と、
支持部の前記第２主面側に少なくとも前記第２主面を分断するように設けてなり、支持部の隅角から梁部の基端部へ伝達する応力を吸収する緩和手段と、を有してなることを特徴とする半導体加速度センサ。
前記半導体基板はＳＯＩ基板からなるとともに、前記緩衝手段はその深さをＳＯＩ基板の絶縁層まで穿設した凹状体である請求項１記載の半導体加速度センサ。