JP2624311B2 - 半導体センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体センサに関する。

（従来の技術） 従来より半導体加速度センサは、作製されており、例
えばアイトリプルイートランザクションズオンエレクト
ロデバイセス（IEEE TRANSAVTIONS ON ELECTRON DEVICE
S）、VOL.ED−26,P1911、1979に紹介されている様なも
のがある。

第２図は、従来の半導体加速度センサの一つである。
上記半導体加速度センサの構造を示す。（ａ）は平面図
であり、（ｂ）はその断面図である。

通常、加速度を検出するためには、被加速度検出物に
固定し、加速度を検出するための基準点と、外部からの
振動に追髄して振動する、梁、及びおもりを必要とす
る。従来の加速度センサにおいては、加速度を検出する
ための、おもり１を加速度センサのチップ外周部ではな
く、その中心部分に形成し、１つの梁２で支える構造と
なっている。加速度を検出するための梁２は、先ず、基
板裏面より異方性エッチングを行ない、適当な方法で途
中でエッチングを停止して、シリコンの薄膜を作製し、
表面より再度異方性エッチングを行なって、必要形状に
形成される。加速度を効率良く検出するために、梁２の
先端部分に設けられるおもり１は、梁を作製した際に、
残った半導体基板を直接用いるか、もしくはその表面に
金属を厚く盛る事によって形成される。半導体基板よ
り、直接おもりを作製する場合には、基板に〈100〉面
配向のシリコンを用い、異方性エッチングを適用して、
Ｖ溝をおもりとなる部分の周囲に基板を貫通するまで堀
り、固定部分から片持ち梁の部分を除いて、分離し作製
される。更に金属を盛る場合には、金属を付ける場所を
指定するためと、シリコンは電気伝導性、密着性に乏し
く、電気鍍金に必要とされる電流を効率良く流し、密着
層を設けるために、銀もしくはニッケルを予め蒸着し、
その後に、電気鍍金法などにより、金などの重量密度の
大きな金属を厚く付ける事が行なわれている。そしてそ
の外周部に、半導体回路を含む加速度検出のための、固
定部３を設けた構造により成っている。そして、おもり
の振動によって生じた、梁の支持部分に生じる応力をゲ
ージ抵抗体５によって電気信号に変換している。通常支
持部分に形成されたゲージ抵抗体は、梁のある場所とは
他の場所に作られた、同様の抵抗値を持つ抵抗体と接続
され、抵抗体ブリッジを形成している。抵抗体ブリッジ
は次の様に入力された加速度信号を電圧の形に変換す
る。加速度センサに加速度が加わると、加えられた加速
度の大きさに従って、梁がたわみ支持部分に応力が生じ
る。その応力は、半導体ゲージ抵抗体のバンド構造に変
化をもたらし、いわゆるピエゾ抵抗効果によって、ゲー
ジ抵抗体の抵抗値が広い範囲の応力値に対して比例して
変化する。この効果は、基板に単結晶を用いた場合に
は、異方性を持ち、結晶の面方位の違いによって加えら
れた力によって、もたらされる抵抗値変化の符号が異な
る性質がある。ブリッジ回路では、第６図に示したよう
に、初期値の等しいピエゾ抵抗体を４つの環状につな
ぎ、４つの端子の内、１つのび同志を、２組に分け、各
々を入力、出力端子とする。Ｖ＋、Ｖ−と示された入力
端子に一定の電圧をかけておくと、出力端子にはR1＊R2
−R3＊R4に比例する出力電圧が現れるため、抵抗体の内
いずれか１つが、加速度に比例した抵抗値の変化を起こ
せば、加速度に比例した電気信号を取り出すことが出来
る。よって、加えられた加速度によって、相隣あう抵抗
体の抵抗値が初期値から異なれば異なるほど、大きな電
圧変化を持つ電気信号に変換される。従来で片持ち梁
が、固定部分に対して固定される側の支持部分のみに加
速度検出のためのゲージ抵抗体が設けられており、、同
じ位相を持つ、応力のみを加速度の検出に用いており、
ブリッジを構成する４つの抵抗体の内、R1のみ多くてR
1、R2の２つの抵抗体だけを加速度入力に対して可変と
した構造をとっている。

この加速度センサは、上下方向の加速度を検出するた
め、振動子１、２は基板面に対して上下に変位し、振動
子の運動可能な空間を与えるためと、大きな加速度が加
えられた際に、振動子の破壊を防止するためガラスの台
座８、およびガラスカバー７が設けられている。

（発明が解決しようとする課題） 従来の加速度センサ構造においては、上記の様に、大
きな重量をもったおもりを作製することが非常に困難で
あり、軽いおもりを採用していたために、梁に生じる応
力の殆ど梁が、固定部分に対して支持されている部分の
みに、生じていた。そのため、外部からの加速度信号を
有効に応力変化に変換可能なのは、片持ち梁の支持部分
だけであり、加速度検出用のゲージ抵抗をその支持部分
にしか形成しなかった。そのため４つの抵抗体を全て可
変としたフルブリッジ構成を採用することが出来ず、感
度が劣るという問題があった。またこの構成のまま感度
を増加しようとすれば、応力を電圧に変換できる効率は
同じなので、同じ加速度入力に対する出力電圧を、上昇
させるためには梁を薄くするか、おもりを重くするかし
て加速度を大きな応力に変換するしかなく、両者とも、
採用した場合には、梁の支持部分に生じる応力の大きさ
を増加させるように作用し、衝撃に対する破壊強度の低
下を招くため信頼性が低下する。よって高信頼性を要求
される用途には使用が不可能であった。また従来の加速
度センサにおいても、複数の梁をもたせ、１つ乃至は、
２つの抵抗体を可変としたブリッジをいくつも作製す
る、もしくはピエゾ抵抗効果の異方性を用いて４つの梁
に第７図で示したように抵抗体を配置することによって
全ての抵抗体を可変とした構成にし、感度を上昇させる
ことが原理的には可能であるが、従来の構造のまま梁を
複数作製すると、共振周波数が上昇それに伴って、定加
速度入力に対する梁の振動振幅が減少し、結果的にゲー
ジ抵抗体数の増加によって見込まれる感度の上昇分と、
梁を多く設けたことによって生じる。振幅の減少分が打
ち消しあい、出力感度の上昇は期待できないという問題
があった。更に、導電性の異なるピエゾ抵抗体は同じ応
力変化に対して逆の抵抗値変化を示すため、それらを組
み合せることによって、全ての抵抗体を可変にした構成
も可能であるが、両者の間で温度に対する特性が異なる
ために、温度特性が劣化するなどの問題があった。ま
た、異なった不純物を打ち込まなくてはいけないため、
製造プロセスが複雑になると言う欠点があった。更にシ
リコン基板は高温での熱処理プロセスを経て作製され、
その上に載せられる回路も同様の高温プロセスを経て形
成されるために、基板内に大きな熱応力を内蔵してい
る。そのため、梁の様に膜厚の薄いものを作製すると、
内部応力がそこに集中し、梁部分に形成された抵抗体
は、外部から加速度信号を加えない場合においても、無
応力の場合の抵抗値から大きく変化している。そのた
め、直線性、オフセットなどの点で特性が劣ってしまう
という問題があった。

以上半導体加速度センサについてだけ述べた。しかし
半導体力センサ、圧力センサ等の力学量センサも同様の
課題がある。また検出したい物理量（例えば温度、光な
ど）をおもりや梁に加わる力学量に変換して検出する半
導体センサが考えられるがこれも同様な課題がある。

本発明の目的は発明の構造がおもりを有効に作製可能
であることを利用し、物理量検出のために使用される梁
を固定中心に対して対称に複数設置することによる指向
性向上効果、高い周波数で起こる不要な振動モードの抑
圧効果、更には、梁の相対する支持部分にゲージ抵抗体
を設け、抵抗体ブリッジを構成するゲージ抵抗体をすべ
て可変とした構成によって生じる実質的な感度上昇を実
現可能にして、上記問題点を解決し、感度、直線性、オ
フセットなどの諸特性を改善できるセンサ構造を提供す
ることにある。

（課題を解決するための手段） シリコン基板から切り離されて製造される物理量検出
部を有する半導体センサにおいて、センサ中心部分に、
計測の基準点となる固定部を有し前記中心部分の周囲に
おもりを有し、かつ両者を結び付ける梁または膜を持つ
半導体センサであって前記固定部より１つもしくは、対
称に複数の梁を有し、かつ、前記膜または少なくとも１
つの梁のおもりの付け根の付近および前記膜または梁を
支える支持部分付近に、各々少なくと１つの半導体ゲー
ジを有するとともに、これらの固定点、おもり、及び梁
あるいは膜が、半導体ウェハの加工により一体形成され
ていることを特徴とする、半導体センサ。

（作用） 本発明の半導体センサにおいては、従来のセンサ構造
とは全く逆に、力学量センサの測定のための固定部を、
センサ中心部分の重心位置に設定している。このことに
より固定部が非常に小さいにもかかわらず、非常に安定
した構造を持ち固定部の周囲にある梁部分以外の半導体
部分は、すべておもりとして活用可能であり、検出感度
を上昇させるために必要な、おもりの重量の増加が無理
無く行なえる。通常センサが、共振周波数成分を含んだ
振動に出会うと、そのモードに応じた振動を行なうが、
ねじれ振動が起こると、梁が破壊され易い。本発明では
梁を固定中心に対して対称になる様に設けたため、高い
周波数で見られる不要なねじれ振動モードを抑圧するこ
とが可能である。また、ねじれ振動が起こった場合に
も、形状が対称でないと特定の方向に大きな振動が継続
し、特定の梁に集中的な応力が生じるが、構造に対称性
が存在すると、特定の梁に応力の集中が継続することを
回避できるため、耐久性の向上が図れる。更に従来の構
造においては重量の重いおもりを作製することが困難で
あり、小さな重量のおもりを用いていたために、検出す
べく物理量に対応してそれを応力に変換できるのは、梁
が固定部に固定されている支持部分のみであった。しか
し、上記の様に重量の重いおもりの作製が可能になる
と、梁の支持部分のみならず、おもりが梁と結ばれてい
る場所にも、梁の支持部分に生じる応力と同様の大きさ
でしかも、逆位相の応力が引き起こされる。そこで従来
の片持ち梁の構造では不可能であった、抵抗体ブリッジ
を構成するゲージ抵抗を全て可変にした構造を採用する
ことが可能になる。よって１つの梁を用いた場合で従来
の２倍もしくは４倍の感度が得られる。更に、梁の本数
を複数にしていくと、梁の本数倍の出力感度を上昇させ
ることが可能である。従来のセンサ構造において同様な
事を行なうと、課題の項で述べたように、出力感度を有
効に上昇させることが不可能である。その理由は従来の
構造においては小さな空間内に物理量を十分に検出でき
るだけの重量を備えたおもりを作製することが困難であ
るためである。本発明の場合には、おもりを外側に作製
しているため、梁を増やしたことによる振幅の低下に見
合うだけの、力を生じさせるおもりを、容易に積載する
ことが可能であり、梁の本数に比例して感度を上昇させ
ることが可能である。更に、抵抗体ブリッジを構成する
ゲージ抵抗を全て梁の上に作製しているため、全てのゲ
ージ抵抗体は半導体が高温での製造プロセスによって、
内蔵してきた内部応力を均一に受ける。そのため可変以
外の抵抗体を梁以外の部分に形成した場合に比べて、オ
フセット電圧は小さくなり、温度変化に対する内部応力
によるドリフトも小さな値とすることが可能である。通
常基板に生じている内部応力の分布は一定ではなく、各
チップごとに異なった値をとるため、半導体センサを作
製した後に、トリミングによってオフセット電圧を調節
することは非常に大変であり、コストもかかるが、本発
明の場合にはその必要は無い。

（実施例） 第１図に本発明の第１の実施例である加速度センサの
斜視図を示した。１は加速度を検出するためのおもり、
２は固定部とおもりを結び付ける梁、３は固定部、４が
アルミパッド、５は加速度を電気信号に変換するための
ゲージ抵抗（歪みゲージ）である。本実施例の加速度セ
ンサは、固定部３からおもり１に向かって、１つの梁２
が形成され、梁には、おもりの付け根付近、および梁２
の支持部分に加速度を検出するための、ゲージ抵抗５が
形成されている。この様にゲージ抵抗を配置すると、梁
の固定部分とおもりと梁との付け根には、同一の振動に
対して位相が180度異なった応力が生じるため、１つの
梁において、抵抗体ブリッジを構成する、全ての抵抗体
が加速度入力に対して可変となる様な、抵抗体フルブリ
ッジを構成することが可能である。シリコンの破壊強度
はどこの場所でも同じと考えると、各々の抵抗体に同じ
応力が生じるように設計した場合が一番耐久性の高い構
造となる。そこで、実際に作製された梁に生じる応力が
固定部とおもり部分で異なる場合には、応力値の小さい
方の梁の幅を対称に減らして、両者を同じ応力値にする
ことが望ましい。このセンサは第５図に示した製造工程
を用いて作製される。第５図は第１図のｘ−ｘ′に沿っ
ての断面を表しているただし歪みゲージを一つ省略して
ある。基板には基板には〈100〉配向のＰ型単結晶シリ
コン９を用いる。表面には梁の厚さを決定するために、
Ｎ型のエピ層10を設ける。最初に通常の半導体製造プロ
セスを用いてゲージ部分を作製する。基板両面に酸化シ
リコン膜11を形成する。次に表面の酸化膜をエッチング
により一部分を除き、イオン打ち込みによってゲージ抵
抗を作製するための窓とする。その窓に対してホウ素を
打ち込んで、Ｎ型エピ層中にＰ型不純物打ち込み層12、
つまり、第１図で言うところの、加速度検出のためのＰ
型歪みゲージ抵抗体５を得る（ａ図）。次に、上記Ｐ型
抵抗体の両脇にP⁺拡散13を行ない、電気信号を取り出す
ためのオーミックコンタクトの形成を行なう（ｂ図）。
その上にCVDにより酸化シリコンを堆積させ、上記コン
タクト部分の酸化シリコンを開口した後アルミの蒸着を
行ない、エッチングを施して、配線14およびパッド４の
形成を行なう（ｃ図）。その後に、半導体基板裏面の酸
化膜の一部分を取り除いて、これをマスクとしてKOH、
ヒドラジンなどの溶液を用いて異方生エッチングする。
エッチングはＮ型エピ層に予め適当な電圧を加え続けて
おくことにより、自動的にエピ層と基板の界面付近で停
止するため中心固定部分および周辺のおもり部分以外の
梁と成る部分がダイアフラム状に形成される（ｄ図）。
さらに上記手法により作製されたダイアフラムを、梁状
に成形するために基板上面より、再度エッチングを施し
加速度センサを得る（ｅ図）。第１図（ａ）に第１の実
施例を示す。（ａ）は本発明の半導体加速度センサの上
面斜視図であり、（ｂ）はその側面斜視図である。１は
おもり部分であり上下方向の加速度が加えられると、そ
の大きさに比例して、上下運動をする。２はおもりと基
準点を結び付ける梁である。梁の支持部分に作製され
た。５で示されるピエゾ抵抗の変化より、加速度を電気
信号に変換する。６はパッケージの一部分を表してお
り、加速度センサの固定点３と接続されている。パッケ
ージに、任意の台座６を予め設けることにより、おもり
１が振動できる空間を与えることが可能である。台座の
長さは任意である。半導体加速度センサ固定中心の高さ
を基板厚さとし、シリコンのおもり部分を削って空間を
設けても良い。更に、無加速度状態での、おもりと台座
との間隙を、適当に設定することにより、梁に大きな加
速度が加えられたときに、振動子が破壊することを防止
するための、ストッパの役割を台座に、兼ねさせること
が可能である。

第１図では抵抗体を縦に並べた例についてのみ示して
あるが、第８図（ａ）〜（ｃ）に示したように抵抗体を
配列しても同様な効果がある。ａは第４の実施例であ
り、抵抗体を全て梁に対して縦に並べたもの、ｂは第５
の実施例で抵抗体を並列に横に並べたもの、ｃは第６の
実施例であり抵抗体を縦と横に組み合わして配列した例
である。どの例でも同様に感度向上を期待することが可
能である。

次に梁に関する別の実施例である第２の実施例を第３
図に示した。この様に梁５を２つ設けると、ねじり運動
に対しての抵抗力が、高まり加速度センサの耐久性は向
上する。この場合２つの梁にピエゾ抵抗体を作製するこ
とが可能であるため、同じ耐久性のままで、感度を２倍
上昇させることが出来る。第３の実施例である第４図の
様に、梁を４つにして、梁にすべて同じ様にゲージを形
成し、加算器で足し合わせれば、少なくとも従来の８倍
の感度を得ることが可能である。このことは、同じ感度
を持たせた場合には、１つの梁の支持部分に加えられる
応力の値を、従来構造の８分の１に小さく出来ることを
意味しており、梁の破壊および劣化を防ぐのに、非常に
有効である。上記複数の梁を持つ実施例においては、縦
方向に抵抗を配列したものしか示されていないが、第１
図、第８図で示した種々の配列の組み合せてもよい。

さらに、梁が対称に設置されているために、基板面に
垂直な方向の、加速度には応答するが、それ以外の加速
度には非常に応答特性が低いため、１軸方向の指向性に
優れた、加速度センサを得ることが出来る。

またこのセンサは、上記の様な加速度センサとしてだ
けでなく、おもり部分に直接荷重を加えることによっ
て、力センサとしてもそのまま機能する。よって、これ
を用いることにより非常に微小な秤を作製することが可
能となる。直接荷重を加えるには例えば微小な棒をおも
り部分に接触させればよい。また前述の実施例の場合よ
り梁を厚くすればその分だけ大きな力を測定できるよう
になる。例えば前記実施例ではmgオーダの力しか測れな
いとしても梁を厚くしていけばｇ、kgオーダーの力を測
ることができる。

また本発明の半導体センサは加速度、力センサ以外に
圧力も検出できる。つまり梁を形成せずダイアフラムに
すればよい。第５図に示した製造工程でｄ図の工程で止
めれば圧力センサとなる。

さらに本発明のセンサは、何らかの方法で力学量に変
換できれば加速度、力、圧力という力学量以外の物理量
も検出することができる。例えば温度を検出したいとき
は梁の上に梁を構成する半導体と熱膨張率の異なる材料
（金属、絶縁物など何でもよい）の膜を形成しておく
と、梁がバイメタルの役割を果たしゲージ抵抗に応力が
発生するのでこれを測定すればよい。また力センサとし
て使う場合微小な棒を使うことを述べたが、温度等の力
学量以外の物理量を棒の動きに変換できれば検出が可能
である。

また強い光が照射されたときに生じる温度変化を前述
の“バイメタル”構造の梁で検出すれば温度を介して光
の強度等を測定できる。すなわち検出したい物理量をい
ったん別の物理量に変換しそれをさらに力学量に変換し
て検出してもよい。

（発明の効果） 以上説明した用に、本発明では従来のセンサとは全く
逆に、物理量検出のための基準点を、センサの中心部分
に設定しているため、容易に大きな重量を持つおもりを
積載可能である。固定部分が、重心位置にあるので従来
に比較して小さいにもかかわらず、センサの構造は非常
に安定してものとなっている。上記の様に大きな重量の
おもりを積載可能であり、検出すべき物理量に対応する
応力は、固定部分に対する梁の支持部分だけでなく、お
もりと梁の付け根部分にも有効に生じるため、本発明に
おいては物理量を検出するためのゲージ抵抗を、従来の
様に固定部分に対する支持部分のみ成らず、おもりと梁
の付け根付近にも配置し、検出する物理量に対して全て
の抵抗体を可変としたことにより、検出感度を向上出来
る。更に４つの抵抗体が可変であると、ピエゾ抵抗素子
が持っている非線型性を打ち消し、直線性の向上を図る
ことが出来る。更には梁を複数持つ構造を採用している
ため、梁の振動の自由度を制限し、指向性を高めること
が出来る。また、１つの梁に加えられる定常的な応力の
値を減らしたままで、同じ感度が得られるため、耐衝撃
性の高いセンサを容易に得ることが可能である。

更に、対称性の良い形にすることによって、非定常的
に高い周波数領域で起こる、梁の破壊に寄与するよう
な、不要な振動モードを抑圧し耐久性を向上する事が可
能である。梁部分とおもりの部分ではシリコンの厚さが
異なるため急激な温度変化が生じた場合には、両者の間
で温度差が生じその温度差が、加速度を検出するための
ゲージ抵抗体の抵抗値変化に結び付き、問題になるが、
梁の上に全ての抵抗体を配置した場合には、その影響が
無視できる。よって温度に対するドリフトは小さく出来
るという効果がある。さらに、抵抗体を梁の上にすべて
配置したため、全ての抵抗体は同じ内部応力を受け、半
導体センサ作製中に生じる半導体基板の内部応力発生に
起因する、出力電圧のオフセットを小さく出来る効果が
ある。実施例においては、梁の全てに抵抗体を設けた
が、複数梁のある場合にはその内のいずれかのみに抵抗
体を設けることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｂ）は本発明による第１実施例の加速度
センサの斜視図、第２図（ａ）（ｂ）は従来の加速度セ
ンサの斜視図、第３図は本発明による第２実施例の加速
度センサの斜視図、第４図は本発明による第３実施例の
加速度センサの斜視図、第５図（ａ）〜（ｅ）は本発明
の半導体加速度センサの製造工程図、第６図は抵抗体ブ
リッジの構成図、第７図は従来の加速度センサの上面
図、第８図（ａ）〜（ｃ）は本発明による第４、第５第
６の実施例の加速度センサの斜視図。 １……おもり、２……梁、３……固定部、４……アルミ
パッド、５……ゲージ抵抗、６……台座、７……ガラス
カバー、８……ガラス台座、９……Ｐ型シリコン半導体
基板、10……Ｎ型エピ層、11……酸化シリコン膜、12…
…イオン注入層、13……P⁺拡散層、14……アルミ配線。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン基板から切り離されて製造される
   物理量検出部を有する半導体センサにおいて、センサ中
   心部分に、計測の基準点となる固定部を有し前記中心部
   分の周囲におもりを有し、かつ両者を結びつける梁また
   は膜を持つ半導体センサであって、前記固定部より１つ
   もしくは、対称に複数の梁を有し、かつ、前記膜または
   少なくとも１つの梁のおもりの付け根付近および前記膜
   または梁を支える支持部分付近に、各々、すくなくとも
   １つの半導体ゲージを有するとともに、これらの固定
   点、おもり、及び梁あるいは膜が、半導体ウエハの加工
   により一体形成されていることを特徴とする半導体セン
   サ。