JP2540973B2

JP2540973B2 - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JP2540973B2
Application number: JP2062985A
Authority: JP
Inventors: 恵三山田
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-03-13
Filing date: 1990-03-13
Publication date: 1996-10-09
Anticipated expiration: 2011-10-09
Also published as: JPH03262973A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、半導体加速度センサとその製造方法に関す
るものである。

（従来の技術）半導体加速度センサは従来より第４図に示したよう
に、単結晶シリコンにマイクロマシニングと呼ばれる微
細加工技術を施して作製されている。加速度センサは先
端にスコップの様な形状をしたおもり81を有する梁構造
をしている。加速度がこの構造体に加えられると、先端
おもり81には加速度に比例した力が生じるため、それを
支えている梁82に生じる応力の値もその力に比例してい
る。そこで、梁に生じた応力の変化を電気抵抗値の変化
に変換できる、いわゆる感圧素子であるピエゾ抵抗体83
を梁82のつけ根に形成することによって、最終的に電気
的な信号に変換し、加速度の検出を行なっている。通常
ピエゾ抵抗効果素子からアルミ配線85を通して、電気信
号をやり取りし、アルミパッド84から電気信号を外に取
り出す。

ビエゾ抵抗体は、第５図（ａ）、（ｂ）に示した構造
を持ち、簡単には次の様なデバイスである。即ち半導体
に圧力を加えると、結晶を形成している、原子の間隔が
変化する。そのため半導体のバンド構造が加えられた圧
力によって変化し、各バンドを占める自由電子の占有率
や易動度が変化する。電気抵抗値はそれらの値に敏感な
ため、加えられた力に比例して電気抵抗値が変化するこ
とを利用したデバイスである。

第４図に示したような、半導体加速度センサに用いら
れるピエゾ抵抗素子は、第６図のように作られる。母体
として用いられる基板には、Ｎ型の導電型を有するシリ
コン単結晶基板もしくはＮ型のエピタキキャル層22をも
つｐ型基板23を有する（ａ図）。その表面を酸化して酸
化膜21を形成する。リソグラフィ技術を用いてピエゾ抵
抗体を設ける場所の酸化膜をエッチングして開孔する。
次にその場所にイオン注入法、あるいは拡散法によっ
て、所望の濃度を有する不純物を導入し不純物領域24を
形成する（ｂ図）。通常この不純物には硼素が用いられ
る。その後、アニールして拡散した不純物の電気的活性
化および所望の拡散プロファイルを得る。アニールによ
って生成した酸化膜の一部分を開孔してコンタクトホー
ル25を設ける（ｃ図）。その上部にアルミ配線26を行な
って、外部との電気的な接続が取れるようにする（ｄ
図）。ピエゾ抵抗体は、通常ホイートストンブリッジを
構成するようにアルミ配線が形成されており、加えられ
た加速度に比例した電圧が取り出せるように工夫が為さ
れている。基板の表面に設けられたピエゾ抵抗素子から
なる回路を得た後、基板表面より、異方性エッチングを
行ないダイアフラム27を形成し、10ミクロン程度の厚み
が残ったところでエッチングを停止してシリコンの薄膜
を得る（ｅ図）。特に基板を薄膜化する場合には時間で
エッチングの深さを調節したり、陽極酸化法などのエッ
チング停止技術を用いてシリコンの薄膜化がなされる。

（発明が解決しようとする課題）半導体加速度センサでは、小型でしかも感度の良いセ
ンサの製造が望まれている。構造的にこの問題を解決す
るためには、センサに使用されている、シリコン梁の厚
みをできる限り減少させることが考えられる。この究極
の構造としては、梁全体が応力を検出できる素子のみで
構成されているセンサが考えられる。しかし、従来の加
速度センサ構造を適応すると、ピエゾ抵抗効果素子の効
率的な動作が不可能で、感度を高く取れない問題点があ
った。

（課題を解決するための手段）本発明は、おもりが接続された梁を有し梁にピエゾ抵
抗効果素子が形成された半導体加速度センサにおいて、
梁全体をピエゾ抵抗効果素子とし、梁の少なくとも片面
の一部分を金属で被い電気的に短絡させたことを特徴と
する半導体加速度センサである。

またこのピエゾ抵抗効果素子の表面もしくは裏面に絶
縁層を設けた半導体加速度センサも本発明に含まれる。

（作用）従来から、シリコンの薄膜を得るために種々のエッチ
ング停止技術が開発されてきた。もっとも一般的に用い
られているのが、陽極酸化による方法である。この方法
は、PN接合を有するシリコンウエハーを用いて、Ｎ側に
陽極酸化に必要なプラスの電圧をかけておきながらエッ
チングする方法である。この方法では、おおよそ10ミク
ロン程度の厚みを持ったシリコン薄膜まで得ることが出
来る。センサを小型化し、しかも感度を更に良くするた
めには、更に薄いシリコン薄膜を得る必要がある。

従来からシリコン基板に対して高濃度の不純物を拡散
すると、その領域が特定のエッチング液に対して溶解し
なくなる性質があることが知られている。この方法では
主に硼素が不純物として用いられるため、この手法はボ
ロンエッチストップと呼ばれている。この方法を用いる
と不純物の拡散されている領域がエッチング中に露出す
ると、自動的にエッチングされ無くなるため、拡散制御
の限界である、１ミクロン付近以下の薄いシリコン膜ま
で得ることが可能である。

一方、加速度センサでは、単に薄いシリコン梁を作製
するだけではなく、感圧素子を梁上に作製する必要があ
る。シリコンに不純物を拡散したとえ不純物濃度が高く
なってもシリコンであることに変わり無いため、ピエゾ
抵抗素子と呼ばれる感圧素子を形成することが、可能で
あることが知られている。すなわち、不純物を導入した
薄いシリコン膜全体を梁として用いる。つまり梁全体を
ピエゾ抵抗素子として活用できれば、感度が著しく向上
するはずである。しかし、従来この様な報告は一度もな
い。その理由を以下に述べる。一般に梁には片持ちと両
持ち形式の２種類の支え方が存在する。第３図（ａ）に
示したように、方持ち梁70の先端へ、図面は下方に力を
加えた場合に、梁の表面に生じる応力は、膜面全体に渡
って圧縮か、引っ張りかどちらか一方の方向性しか持た
ない。この場合には、上記素子を用いて応力を検出する
ことが可能な様に見える。しかし、不純物拡散によって
得られたピエゾ抵抗素子は、梁の厚み全体に渡っている
ため、不純物の拡散が全く均一であると仮定すると、梁
の表面に表れる応力と表面に表れる応力とが打ち消し合
って、出力には梁の変形に対応した電気抵抗値の変化
が、出てこないのである。これは第３図（ａ）と逆に図
面の上方に力を加えた場合も同じである。一方、通常商
用で用いられる梁形式には梁持ち梁がある。第３図
（ｂ）に示した様に、両持ち梁形式では、梁の各々の支
持端において、圧縮応力と引っ張り応力が同時に起こる
ため、複数のピエゾ抵抗体を梁表面に設置することによ
って、効率よく応力を検出できる所に意義がある。とこ
ろが、梁全体が全て同じ拡散領域から成っていると、梁
の全ての領域に渡って、１つのピエゾ抵抗体が設置され
ているのと同等の機能しか持ち得ない。そのため両持ち
形式の利点である、各支持端での応力方向の極性反転が
裏目に出て、表面、裏面どちらを考慮した場合には、１
つのピエゾ抵抗体中に引っ張りと圧縮の、２つの効果が
共存することになり、応力検出の効果が打ち消し合うた
めに、検出感度が著しく劣ってしまい実用的でないとい
う問題がある。

本発明では、これらの領域のうち、一つの応力に対応
した部分だけが実質的に抵抗変化を起こすように、不要
な部分を導電体で被う事によって短絡し効率よく応力を
検出できるようにしている。

更に、ピエゾ抵抗体の表面もしくは裏面に絶縁膜を設
けることによって、梁全体に対してのピエゾ抵抗体の厚
み方向の位置を、裏面側か、表面側に近い方に持ってく
ることによって、ピエゾ抵抗体内で応力の打ち消し合い
が起こらないように、梁の表面と裏面で生じる、逆方向
の応力による干渉効果を避けている。このため梁を薄膜
化することによる感度上昇の効果をそのまま生かすこと
ができる。

（実施例）第１図（ａ）〜（ｅ）に本発明の第一の実施例を示し
た。ここでは片持梁の場合について説明する。Ｎ型の導
電型を有するシリコン単結晶基板33に、酸化膜21をマイ
クにイオン注入を行ない、異方性エッチングのエッチス
トップとして機能する程度に高濃度（例えば１×10²⁰cm
^-3）の硼素を導入しピエゾ抵抗34とする（ａ図）。この
ピエゾ抵抗34となるｐ型高濃度層の深さは１μｍとす
る。このとき梁を支持する支持体となる部分にも抵抗を
３つ形成しておく。あとの工程でこの４つの抵抗をつな
いでブリッジを構成する。熱酸化あるいはCVD法等を用
いて、その領域の表面に酸化膜35を設ける。ピエゾ抵抗
34の一部分を短絡するためと、コンタクトをとるため
に、酸化膜35に開口36を形成する（ｂ図）。次に蒸着法
等でアルミを堆積し、パターニングしてアルミ配線37及
び短絡領域100を得る（ｃ図）。短絡領域のアルミは配
線も兼ねている。ここではピエゾ抵抗34の長さの2/3程
度を短絡した。短絡する長さは長い方がよく、例えば90
％程度短絡してもよい。次にヒドラジン等を用いた異方
性エッチングを行ないシリコン基板33の裏面から薄膜化
し、シリコンのダイアフラム38を得る（ｄ図）。最後
に、基板33の表から再度エッチングを行なって梁の形状
を決定する。梁の厚さはピエゾ抵抗34と同じ１μｍにな
る。従来、梁の厚さ10μｍ以上あったが、これより薄く
すれば感度を高くできる。これらの工程を経たシリコン
梁形成部分は、上から見ると第１図（ｅ）の様な構造を
している。41はピエゾ抵抗作用領域である。梁はアルミ
配線37のある側で支持体に接続し、短絡領域のある側で
おもりに接続している。本実施例ではピエゾ抵抗34は梁
の支持体側だけにおいて効果的に働くようになってい
る。金属で被われている部分は実質的に抵抗がほとんど
ゼロとみなしてよいので、その下に設けられているピエ
ゾ抵抗の抵抗値の影響を受けない。そのためこの様な抵
抗を形成すると圧縮応力、引っ張り応力に対応する電気
抵抗値の変化を外部に取り出すことが出来る。ピエゾ抵
抗として働く部分をおもり側に設けてもよいが本実施例
のように支持体にできるだけ近づけた方が感度が高い。
なお、他の抵抗と組みあわせてブリッジを構成するとき
は、短絡領域と接続するアルミ配線を上層に形成すれば
よい。

第１図（ｅ）のような構造体で更に検出感度や機械的
強度を向上させたい場合には、シリコンダイアフラムを
形成後、基板裏面から絶縁性の膜を堆積させると好まし
い結果が得られる。この場合絶縁膜には窒化膜を用いる
と、比較的薄い膜で良好な特性が得られる。膜厚は厚い
ほど干渉効果を減らす効果が生じるため良いが、あまり
厚くすると全体の梁厚が増加し、感度の低下を引き起こ
すため、ピエゾ抵抗素子の厚みと同じくらいが良い。高
濃度不純物導入を従来のようにエッチングの停止にのみ
使用するのではなくて、この様に高濃度の硼素領域を部
分的に短絡させることによって、梁全体に渡って存在す
る高濃度不純物領域からなるピエゾ抵抗体を、特定の位
置のみがピエゾ抵抗素子として作用するように選択可能
であり、ホイートストブリッジを作製する場合に有利と
なる。本実施例のように高濃度不純物領域がピエゾ抵抗
素子として機能する領域を限定しないと、１つの梁の中
では圧縮応力と引っ張り応力が同時に発生するため、両
者の効果がキャンセルしあって、電気抵抗の変化が表れ
ないが、本発明では不純物の導入されている領域の限定
された領域のみを、各々の応力に対応するように、ピエ
ゾ抵抗体として作用できるため、必要な応力だけを取り
出すことが可能であり、簡単にホイートストンブリッジ
を構成することが出来る。そのため高感度化が容易に達
成できる特徴がある。

なお、本実施例の梁の形成に用いたボロンエッチスト
ップ法ではウエハーをエッチング液に漬け込むだけで良
いため、生産管理が非常に容易であるなどの経済効果を
有しているが、梁を高濃度にするかどうかは本質的でな
く、高濃度でなくてもよいことは明らかである。

第２図には第二の実施例を示した。（ａ）が上面図、
（ｂ）が断面図である。この例では電気的短絡が必要な
領域の部分に、絶縁領域を介してトランジスタのゲート
46を設けた構造を有していることが特徴である。ピエゾ
抵抗体は硼素を不純物としているためＰ型の導電型を持
っている。すなわちキャリアはホールである。よってゲ
ートに適当に電圧を印加することでゲート下に空乏層を
作ったり、その導電型を反転させることが可能である。
この効果によってゲート直下の部分の導電率を変化させ
て、電気的にピエゾ抵抗効果素子として機能する領域の
位置を変えるこてができる。単に感度を向上させるだれ
でなく、この実施例のようにゲートを用いた位置制御を
行う場合には、加える電圧の大きさや極性、及びその位
置をコントロールすることにより、導通領域の形を変化
させて、不純物の導入されている領域内で実際にピエゾ
抵抗効果素子として機能する領域の位置を変化させて、
応力の微妙な分布に対応させることができる。

なお、以上述べた実施例では短絡領域を支持体の近く
に形成したが、梁の中央部やおもりの近くでもよい。ま
た、短絡してある領域が千鳥上に分散していても構わな
い。むしろこの様に短絡領域を応力検出に合わせて、変
形することによって従来にはないピエゾ抵抗効果素子の
特性を引き出すことが可能になる。

また以上の実施例では、梁が単結晶半導体である場合
を述べたが、多結晶半導体でもよいし、梁も片持梁に限
らず両持梁等でもよい。また実施例では梁はシリコン基
板面と垂直に振動するが、梁を基板面内の方向に薄く、
基板面と垂直方向に厚く形成すると、梁が基板面内の方
向に振動し、面内の方向の加速度を測れるセンサが得ら
れるが、本発明はこのようなセンサも含む。

（発明の効果）半導体加速度センサでは小型、高感度化が望まれてい
るが、その解決手段として、センサに使用されているシ
リコンから成る梁の厚みを減少させる手法が在る。さら
にはその薄く形成された、梁の上に、ピエゾ抵抗体とし
て効果的に機能する素子を乗せることが重要であった。
本発明ではこの両者の要求に対して、充分に応えるセン
サ構造を提供することが可能であり、センサの小型化、
高感度化を達成できる。

従来から半導体基板に高濃度の不純物を導入した領域
を設けて、その領域を異方性エッチングのエッチストッ
ブとして用いることが行われてきた。当然この領域はピ
エゾ抵抗素子として動作する性質を持っているが、全て
の高濃度不純物導入領域が電気的に接続されているため
に、ピエゾ抵抗効果を効率よく検出できる回路構成を用
いることが出来なかった。しかし、本発明によれば、高
濃度不純物領域を部分的に短絡させることによって、一
つの応力に対応する場所だけを、ピエゾ抵抗効果素子と
して機能させることが出来るため、従来から用いられて
いる基板表面にイオン注入法によって作るピエゾ抵抗素
子と、同等の回路構成を採用することが簡単に出来、感
度のよい応力検出手段を提供できる効果がある。工程
も、従来のアルミ配線を配線する際に同時に実施可能で
あり、プロセスが繁雑になる心配もない。もちろんアル
ミ以外の金属を用いても構わない。通常、高濃度不純物
拡散は数ミクロンの深さであり、従来では作ることの出
来なかった、１ミクロン程度のシリコン単結晶薄膜の上
にピエゾ抵抗素子を積載してフルブリッジ構成とした半
導体加速度センサが作製可能であり、その構成を用いて
効率よく加速度を検出することが可能である。

更に、ピエゾ抵抗素子部分に絶縁膜を堆積することに
よって、基板表面と裏面に生じる逆向きの応力が、干渉
し合うことを避け、効率良く応力を検出することが出来
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例の半導体加速度センサを
説明する図である。第２図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本
発明の第二の実施例である半導体加速度センサの梁の部
分の上面図および平面図である。第３図は問題点が生じ
る原因を説明するための図である。第４図は従来の半導
体加速度センサの上面図である。第５図（ａ）、（ｂ）
はそれぞれ従来の半導体素子の上面図および断面図であ
る。第６図は従来の半導体素子の製造工程を示す図であ
る。１……シリコン基板、２……不純物領域、３……絶縁
膜、４……コンタクトホール、５……アルミ配線、21…
…酸化膜、22……エピタキシャル層、23……シリコン単
結晶基板、24……高濃度不純物導入領域、25……コンタ
クトホール、26……アルミ配線、27……ダイアフラム形
成領域、32……Ｎ型エピタキシャル層領域、34……ピエ
ゾ抵抗、35……絶縁体、36……コンタクトホール形成端
部、37……アルミ配線、38……シリコンダイアフラム、
41……高濃度不純物導入領域、43……コンタクトホー
ル、46……ゲート、47……伝導層、81……先端おもり、
82……梁、83……ピエゾ抵抗効果素子、84……アルミパ
ッド、85……アルミ配線、100……短絡領域

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】おもりが接続された梁を有し梁にピエゾ抵
抗効果素子が形成されている半導体加速度センサにおい
て、梁全体をピエゾ抵抗効果素子とし、梁の少なくとも
片面の一部分を金属で被い電気的に短絡させたことを特
徴とする半導体加速度センサ。
【請求項２】上記ピエゾ抵抗効果素子の表面もしくは裏
面に絶縁層を設けた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。