JP2007163362A

JP2007163362A - 半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2007163362A
Application number: JP2005361861A
Authority: JP
Inventors: Kazutomo Doi; 一智土居; Shiro Kimura; 史郎木村; Mitsuhiro Kikuta; 光洋菊田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2007-06-28

Abstract

【課題】微小な加速度の検出が可能な半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】錘部と、前記錘部を支持する梁部と、前記梁部に設けられたピエゾ抵抗素子と、を備えた半導体装置において、前記錘部の上面に形成された凹形状のキャビティ部と、前記キャビティ部内に収容された可動自在な微小球体と、前記微小球体が前記キャビティ部から脱離することを防止する蓋とをさらに備え、前記微小球体の密度が前記錘部材料の密度より高いこと特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体歪ゲージを用いた半導体装置に関し、検出感度の向上を目的とした半導体装置及びその製造方法に関する。

歪ゲージを用いた半導体センサーは、加速度や傾きを高感度に検出することができるため、自動車のエアバッグ作動制御装置、パーソナルコンピュータや携帯電話の傾き検出器等、幅広い分野で利用されている。

このような半導体センサー５００の基本構造は、図１３に示すように、錘部２０１と、錘部２０１を支持する梁部（ビーム）２０２とが同一部材（半導体基板）により一体形成され、梁部２０２の上部にピエゾ抵抗素子２０３が形成されている構造である。また、梁部２０２の他方端には、梁部２０２を支える支持固定部２０７が形成されている。

ＸＹＺ三軸の加速度を測定する場合には、図１４に示すように、錘部２０１を中心として、４つの梁部２０２、ピエゾ抵抗素子２０３、支持固定部２０７を二次元に配置した構造を採用する。

この半導体センサー４００は、加速度によって錘部２０１が動くことで梁部２０２が歪み、この歪によって梁部２０２上に形成したピエゾ抵抗素子２０３の抵抗が変化し、この抵抗変化量から加速度を検出・測定する。

このような半導体加速度センサーの感度を高める技術として、下記特許文献１が提案されている。

特許第3223638号公報

特許文献１は、ピエゾ抵抗素子が設けられた梁部の両端部に連続して、前記梁部と同じ厚さの薄肉部を設け、該薄肉部は、少なくとも梁部の形成されている錘と固定枠の対向領域に連続して形成され、前記梁部の横幅よりも広いことを特徴とする半導体センサーである。この技術によると、薄肉部を設けたことにより、従来の構造に比べ、感度または強度を上げることができるとされる。

しかしながら、従来の構造または上記特許文献１に係る半導体加速度センサーでは、錘部が動かない程度の微小な加速度の場合には、梁部に歪が生じないためにず、ピエゾ抵抗値が変動しない。このため、加速度の検出ができないという問題があった。

本発明者らは、上記問題に鑑み鋭意研究を行った結果、微小な加速度においても歪を生じさせる手段を設けることにより、加速度の検出感度を飛躍的に高めることができることを知見し、本発明を完成させた。

上記課題を解決するための半導体装置に係る本発明は、錘部と、前記錘部を支持する梁部と、前記梁部に設けられたピエゾ抵抗素子と、を備えた半導体装置において、前記錘部の上面に形成された凹形状のキャビティ部と、前記キャビティ部内に可動状態で設けられた微小球体と、前記微小球体が前記キャビティ部から脱離することを防止する蓋と、をさらに備えることこと特徴とする。

上記構成によると、錘部１０１が動かないような小さい加速度であっても、錘部１０１の上面に形成されたキャビティ部１０４内の微小球体１０５が動き、これにより錘部１０１の重心が変化するので、これにより梁部１０２に歪が生じる。この歪によってピエゾ抵抗値が変化するので、微小な加速度を検出することができる。（図１（ｂ）、（ｃ）参照）

ここで、前記微小球体材料の密度が、前記錘部材料の密度より高いとすることができる。

この構成であると、微小球体が小さい加速度によって可動しやすくなるとともに、錘部の重心変化量が大きくなる。よって、より小さい加速度を検出できる。

また、高感度に加速度を検出するためには、キャビティ部内を微小球体がスムースに移動できることが好ましいため、微小球体の形状を真球とすることが好ましい。

キャビティ部の形状としては、（１）加速度が加えられないときには、微小球体が錘部の重心を含む鉛直線上に位置すること、（２）キャビティ部内に微小球体の測定方向への移動を妨げるものがないこと、が必要となる。しかしながら、キャビティ部の好ましい形状は、図１に示すようなＸＹＺ三軸の加速度を検出する装置と、図２に示すようなＸＹ二軸の加速度を検出する場合とで異なる。
よって、以下に場合を分けて、好ましいキャビティ部の形状について説明する。

図２に示すように二軸の加速度を検出する場合、錘部１０１を中心として、梁部１０２が一文字形状に２つ配置され、２つの梁部１０２それぞれにピエゾ抵抗素子１０３が設けられた構成を採用する。この場合、図２（ｂ）に示すように、微小球体１０５がキャビティ部１０４内において、測定方向（図面左右方向）に均一に移動しやすいことが求められるが、その他の方向への移動のしやすさは求められていない。よって、キャビティ部１０４の形状は、前記測定方向において角がないことが好ましく、測定方向の中心軸に対して線対称な形状であることが好ましい。
すなわち、錘部１０１の重心を含む鉛直線と平行で且つ一文字状に並んだ２つの梁部１０２と平行な平面で切断したとき、キャビティ部１０４の断面形状が、錘部１０１の鉛直線と平行な線を対称軸とする線対称な曲面であることが好ましい。キャビティ部１０４の断面形状が、円の一部であることがより好ましい。

上記構成においては、キャビティ部１０４の断面形状が、錘部１０１の鉛直線から遠ざかるにつれて深さが浅くなっている構成としてもよい。

また、図１に示すように三軸の加速度を検出する場合、錘部１０１を交差中心に配置して、梁部１０２が十文字形状に４つ配置され、４つの梁部１０２それぞれにピエゾ抵抗素子１０３が設けられた構成を採用する。この場合、キャビティ部１０４の形状は、微小球体１０５が全ての方向に均一に移動しやすいことが求められる。よって、キャビティ部１０４は曲面であって、錘部の重心を含む鉛直線とキャビティ部の交点を底とし、その表面が前記鉛直線を回転中心とする回転体表面形状であることが好ましく、キャビティ部の形状が、球面の一部であることがより好ましい。

また、前記梁部の前記錘部と反対方向の端部には、前記梁部を支持する支持固定部が形成されている構成とすることができる。

また、前記ピエゾ抵抗素子は、前記梁部の錘部側端部及び支持固定部側端部に形成されている構成とすることができる。

上記構成であると、より高感度に加速度を検出することができる。

前記錘部、前記梁部、前記キャビティ部、前記支持固定部が、一枚の基板をエッチングすることにより形成されている構成とすることができる。

ここで、基板としては半導体基板を用いることが好ましく、例えばシリコン基板、ＧａＡｓ基板等を用いることができる。微小球体材料としては、５０〜２００μｍの球形に加工できる材料であれば特に制約はなく、例えばソーダーガラス、鉛半田、鉛フリー半田、カーボン、銅等を用いることができる。蓋の材料もまた特に制約はないが、プラスチック材料やガラス等を用いることが好ましい。

また、微小球体の大きさは、錘部の重心を迅速に移動させる必要があるため、直径が５０〜２００μｍであることが好ましい。キャビティ部内を微小球体が移動するため、キャビティ部の大きさ及び微小球体の大きさは、両者の相対関係で決まるが、微小球体の直径をｒとしたとき、キャビティ部の直径Ｒが３／２ｒ〜３ｒの範囲内であることが好ましい。また、キャビティ部の深さを大きくすると、錘部の強度が低下して破損するおそれがあるため、錘部の最低残肉厚を５０μｍ以上とすることが好ましい。

上記課題を解決するための半導体装置の製造方法に係る本発明は、錘部と、前記錘部を支持する梁部と、前記梁部に設けられたピエゾ抵抗素子と、が一枚の半導体基板上に形成された半導体装置の製造方法において、半導体基板の錘部又は錘部となる予定位置をレジスト材料で覆い、等方性若しくは異方性エッチングによって、空洞部を形成する第１工程と、前記第１工程の後、レジストを除去する第２工程と、前記第２工程の後、前記空洞部に微小球体を挿入し、前記空洞部の上面を蓋で封止する第３工程とを備えることを特徴とする。

本発明によると、微小な加速度を確実に検知できる半導体装置を実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。

（実施例１）
図１（ａ）は、本実施例に係る半導体装置を示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。図１に示すように、本実施例に係る半導体装置１００は、錘部１０１と、錘部１０１を支持する梁部１０２と、梁部１０２上に形成されたピエゾ抵抗素子１０３とを有する。また、錘部１０１の上面には、半円球面状に凹んだキャビティ部１０４が形成されており、該キャビティ部１０４内に例えばソーダーガラス製の微小球体１０５が、キャビティ部１０４内を可動な状態で収容されている。また、キャビティ部１０４の上面（図１（ｂ）の図面上方向）には、微小球体１０５がキャビティ部１０４内から飛び出すことを防止する蓋１０６が設けられている。また、梁部１０２の錘部１０１と反対側の端部には、梁部１０２を支持固定する支持固定部１０７が形成されている。また、ピエゾ抵抗素子１０３は、それぞれの梁部１０２の錘部１０１側端部及び支持固定部１０７側端部に形成されている。

このような半導体装置２００の製造方法を図面を用いて説明する。
まず、シリコン（密度２．３３／ｃｍ³）からなる半導体基板２上に、ピエゾ抵抗素子形成のためのレジストパターン１を形成するアライメント工程を行った。（図３）

その後、公知の注入方法及び拡散方法を用いて、ピエゾ抵抗素子３を形成した。（図４）

この後、基板２上のキャビティ部形成部４以外の部分に、シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜６を形成し、この後、キャビティ部の形成を行うためのパターン５を形成するアライメント工程を行った。この後、パターン５よりエッチングを用いて、パターン５をシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜６へ転写した（図５）。

図５において転写したパターンを用いて、異方性エッチングもしくは等方性エッチングによりキャビティ部７の形成を行った。このキャビティ部の大きさは、直径２００μｍの半球であった。この後、マスクとして用いたパターン５及びシリコン窒化膜６の剥離を行った。（図６）

基板２裏面（図面の下面）に支持固定部となる部分のパターン８を形成するアライメント工程を行った。（図７）

図７において形成したパターン８を用いて、異方性エッチングもしくは等方性エッチングによって、錘部の稼働部となる部分９の形成した。（図８）

次に、基板２裏面（図面の下面）に支持梁部及び錘部を形成するためのパターン１０、１１の形成を行った。（図９）

図９にて形成したパターン１０、１１を用いて、異方性エッチングにより錘部１２、梁部１３及び支持固定部１４を形成した。（図１０）

基板２の表面に形成したキャビティ部７に、ソーダーガラス（密度２．４７ｇ／ｃｍ³）からなる粒子径５０μｍの微小球体１５を１個、マイクロマニュピレーターを用いて入れた。（図１１）

キャビティ部７上面に、微小球体１５が可動することによってキャビティ部７外に出ることを防止する板状の構造体（蓋）１６を固定し、半導体装置を組み立てた。（図１２）

（性能試験）
上記で作製した、図１に示す構造の半導体装置１００と、従来の方法で作製した図１４に示す構造の半導体装置４００とに、それぞれ公知の検出回路を接続し、錘部（１０１・２０１）に２．０Ｇ、７．５Ｇの荷重（重力加速度）がかかるものとして実験を行った。

その結果、図１３に示す従来の半導体センサー４００では、７．５Ｇの荷重がかかり、錘部２０１が可動した場合にのみ梁部２０２に歪が生じ、ピエゾ抵抗の変化を検知することが出来たが、２．０Ｇの荷重では錘部２０１が可動しなかったため、ピエゾ抵抗の変化を検知することができなかった。

他方、図１に示す本実施例に係る半導体センサー１００では、２．０ｇという低い荷重がかかった場合には、錘部１０１は可動しなかったものの、図１（ｂ）、（ｃ）に示すようにキャビティ部１０４内を微小球体１０５が移動して、錘部１０１の重心を含む鉛直線ＧがＧ’に移動し、これによって梁部１０２に歪が生じて、ピエゾ抵抗の変化を検知できた。また、７．５ｇの荷重が加わった場合には、錘部１０１が可動し、更に微小球体１０５がキャビティ部１０４内を移動して鉛直線Ｇが移動し、これらの相乗作用によって梁部１０２に歪が生じ、ピエゾ抵抗の変化を検知できた。
これらのことから、本発明の半導体装置を用いると、微小な加速度の検知が可能となることがわかる。

（実施例２）
実施例１と同様にして、図２に示す水平器（二軸の加速度（傾き）を検出する装置）２００を作製した。

本実施例にかかる水平器に公知の検出回路をつなぎ、微小な傾きを検出したところ、従来の水平器では検出できなかった微小な傾きを電気信号により検知することができた。これは、上記実施例１と同様に、微小な傾きによって微小球体１０５が動き、錘部１０１の重心が変化してピエゾ抵抗値が変動したためと考えられる。

以上説明したように、本発明によると、半導体装置の加速度等の検出感度を向上させることができる。よって産業上の意義は大きい。

実施例１の半導体装置を示す概略図であって、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＣ−Ｃ’線断面図であり、図１（ｃ）は、微小球体が移動した状態を示す図である。実施例２の半導体装置を示す概略図であって、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＤ−Ｄ’線断面図である。本発明の半導体装置の製造方法を示す概略工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法を示す概略工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法を示す概略工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法を示す概略工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法を示す概略工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法を示す概略工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法を示す概略工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法を示す概略工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法を示す概略工程断面図である。本発明の半導体装置の製造方法を示す概略工程断面図である。従来の半導体装置の基本構造を示す図であって、図１３（ａ）は平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。従来の半導体装置を示す図であって、図１４（ａ）は平面図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。

符号の説明

１ピエゾ抵抗形成のためのパターン
２半導体基板
３ピエゾ抵抗素子
４キャビティ部形成部
５キャビティ部形成のためのレジストパターン
６シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜
７可動領域のためのキャビティ部
８支持部形成のためのパターン
９錘部の可動のための溝部
１０錘部形成のためのパターン
１１支持部形成のためのパターン２
１２錘部
１３梁部
１４支持固定部
１５微小球体
１６微小球体の飛び出しを防止する板状構造体（蓋）
１００半導体装置
１０１錘部
１０２梁部
１０３ピエゾ抵抗素子
１０４キャビティ部（凹部）
１０５微小球体
１０６蓋
１０７支持固定部
２００半導体装置
２０１錘部
２０２梁部
２０３ピエゾ抵抗素子
２０７支持固定部

Claims

錘部と、
前記錘部を支持する梁部と、
前記梁部に設けられたピエゾ抵抗素子と、を備えた半導体装置において、
前記錘部の上面に形成された凹形状のキャビティ部と、
前記キャビティ部内に収容された可動自在な微小球体と、
前記微小球体が前記キャビティ部から脱離することを防止する蓋と、
を備えること特徴とする半導体装置。
前記微小球体材料の密度が、前記錘部材料の密度より高い
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記微小球体の形状が、真球である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記錘部を中心として、前記梁部が一文字形状に２つ配置されており、
前記２つの梁部それぞれにピエゾ抵抗素子が設けられており、
前記錘部の重心を含む鉛直線と前記キャビティ部との交点が前記キャビティ部の底であり、
前記鉛直線と平行で且つ前記一文字状に並んだ２つの梁部と平行な平面で切断したとき、前記キャビティ部の断面形状が、前記鉛直線に平行な線を対称軸とした線対称な曲面である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記キャビティ部の断面形状が、円の一部である
ことを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
前記錘部を交差中心として、前記梁部が十文字形状に４つ配置されており、
前記４つの梁部それぞれにピエゾ抵抗素子が設けられており、
前記キャビティ部の形状が、曲面であって、前記錘部の重心を含む鉛直線とキャビティ部の交点を底とし、その表面が前記鉛直線を回転中心とする回転体形状である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記キャビティ部の形状が、球面の一部である
ことを特徴とする請求項６に記載の半導体装置。
前記梁部の前記錘部と反対方向の端部には、前記梁部を支持する支持固定部が形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
前記ピエゾ抵抗素子は、前記梁部の錘部側端部及び支持固定部側端部に形成されている
ことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
前記錘部、前記梁部、前記キャビティ部、前記支持固定部が、一枚の基板をエッチングすることにより形成されている、
ことを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
錘部と、前記錘部を支持する梁部と、前記梁部に設けられたピエゾ抵抗素子と、が一枚の半導体基板上に形成された半導体装置の製造方法において、
半導体基板の錘部又は錘部となる予定位置をレジスト材料で覆い、等方性若しくは異方性エッチングによって、空洞部を形成する第１工程と、
前記第１工程の後、レジストを除去する第２工程と、
前記第２工程の後、前記空洞部に微小球体を挿入し、前記空洞部の上面を蓋で封止する第３工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記微小球体の密度が、前記半導体基板の密度よりも大きい
ことを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置の製造方法。