JP2773698B2 - Capacitive acceleration sensor and method of manufacturing the same - Google Patents

Capacitive acceleration sensor and method of manufacturing the same

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JP2773698B2
JP2773698B2 JP7222389A JP22238995A JP2773698B2 JP 2773698 B2 JP2773698 B2 JP 2773698B2 JP 7222389 A JP7222389 A JP 7222389A JP 22238995 A JP22238995 A JP 22238995A JP 2773698 B2 JP2773698 B2 JP 2773698B2
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semiconductor substrate
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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    • G01P2015/0822Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/0825Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0828Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は振動や衝撃等を検知
する半導体加速度センサおよびその製造方法に関し、特
にセンサ基板のおもり部に形成する可動電極と上下スト
ッパ基板に形成する固定電極との静電容量を利用した静
電容量型加速度センサおよびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor acceleration sensor for detecting vibration, impact, and the like, and a method for manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to an electrostatic sensor comprising a movable electrode formed on a weight portion of a sensor substrate and a fixed electrode formed on an upper and lower stopper substrate. The present invention relates to a capacitance type acceleration sensor using a capacitance and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、この種の半導体加速度センサは、
移動体などに固定され、その移動体の加速度量を測定す
るために用いられている。かかる半導体加速度センサ
は、その検出方法により、シリコンのピエゾ抵抗効果を
利用したピエゾ抵抗型のものと、容量変化を利用した静
電容量型のものとがある。
2. Description of the Related Art Conventionally, this kind of semiconductor acceleration sensor has
It is fixed to a moving body or the like and is used to measure the amount of acceleration of the moving body. Depending on the detection method, such a semiconductor acceleration sensor is classified into a piezoresistive sensor utilizing the piezoresistive effect of silicon, and an electrostatic capacitance sensor utilizing a change in capacitance.

【0003】図4は従来の一例を示すピエゾ抵抗型加速
度センサの断面図である。図4に示すように、かかるピ
エゾ型のセンサはセンサ基板1と、これを上下から挟む
下部ストッパ4および上部ストッパ5とから構成され、
そのセンサ基板1はリム部2と異方性エッチング加工に
より薄肉化した梁部7およびおもり部6とが形成され
る。また、このセンサ基板1には、おもり部6が可動し
易くなるように、異方性エッチングまたはドライエッチ
ングなどによりセンサ基板1を貫通した溝8が形成さ
れ、さらに上面の回路形成面で且つ梁部7のエッジ部分
に基板領域(リム部など)とは逆の型(例えば、基板が
n型の場合はp型)のピエゾ抵抗素子27が拡散または
イオン注入により形成される。
FIG. 4 is a sectional view of a conventional piezoresistive acceleration sensor. As shown in FIG. 4, such a piezo-type sensor includes a sensor substrate 1 and a lower stopper 4 and an upper stopper 5 sandwiching the sensor substrate 1 from above and below.
The sensor substrate 1 has a rim portion 2 and a beam portion 7 and a weight portion 6 thinned by anisotropic etching. The sensor substrate 1 is formed with a groove 8 that penetrates the sensor substrate 1 by anisotropic etching or dry etching so that the weight portion 6 can be easily moved. A piezoresistive element 27 of the opposite type (for example, p-type when the substrate is n-type) is formed by diffusion or ion implantation at the edge of the portion 7.

【0004】一方、センサ基板1の上下に接着固定され
る上部および下部ストッパ5,4には、おもり部6が可
動できるような空隙12,13を与えるとともに、セン
サ基板1に過度の衝撃が加わわった際、おもり部6が上
部および下部ストッパ5,4に触れることにより梁部7
が破壊されるのを防止する機能も兼ね備えている。
On the other hand, upper and lower stoppers 5 and 4 adhesively fixed to the upper and lower sides of the sensor substrate 1 are provided with gaps 12 and 13 for allowing the weight portion 6 to move, and an excessive impact is applied to the sensor substrate 1. When the weight 6 touches the upper and lower stoppers 5 and 4, the beam 7
It also has the function of preventing destruction.

【0005】なお、センサ基板1の回路形成面端部に
は、ピエゾ抵抗素子27に接続されるパッド11が形成
される。
A pad 11 connected to the piezoresistive element 27 is formed at an end of the circuit forming surface of the sensor substrate 1.

【0006】図5は図4に示すセンサ基板の部分切欠き
斜視図である。図5に示すように、このセンサ基板1に
は、前述したように、回路形成面28の梁部7のエッジ
にピエゾ抵抗素子27が設けられ、パッド11に電気的
に接続される。
FIG. 5 is a partially cutaway perspective view of the sensor substrate shown in FIG. As shown in FIG. 5, the piezoresistive element 27 is provided on the sensor substrate 1 at the edge of the beam portion 7 on the circuit forming surface 28, and is electrically connected to the pad 11, as described above.

【0007】かかるピエゾ抵抗型加速度センサの動作
は、センサ基板1に衝撃が加わわると、その際の慣性に
より梁部7のエッジが撓み、おもり部6が上下に変位す
る。このとき、梁部7のエッジに設けられたピエゾ抵抗
素子27は、応力を受けて抵抗値が変化する。この抵抗
値の変化をパッド11を介して外部に取り出すことによ
り、衝撃の大きさとして検出することができる。
In the operation of such a piezoresistive acceleration sensor, when an impact is applied to the sensor substrate 1, the edge of the beam 7 is bent by inertia at that time, and the weight 6 is displaced up and down. At this time, the resistance of the piezoresistive element 27 provided at the edge of the beam portion 7 changes under stress. By taking out the change in the resistance value through the pad 11 to the outside, the magnitude of the impact can be detected.

【0008】しかしながら、ピエゾ抵抗型加速度センサ
の場合、いわゆるピエゾ抵抗効果を利用しているため、
検出感度が低く、低加速度の検出には不向きである。ま
た、ピエゾ抵抗素子自体に温度依存性があるため、感度
の温度依存性が大きいという問題もある。
However, in the case of a piezoresistive acceleration sensor, a so-called piezoresistive effect is used.
It has low detection sensitivity and is not suitable for detecting low acceleration. Further, since the piezoresistive element itself has a temperature dependency, there is a problem that the temperature dependency of the sensitivity is large.

【0009】図6は図4に示すセンサの感度・温度特性
図である。図6に示すように、上述したセンサにおいて
は、ピエゾ抵抗素子27の表面不純物濃度を3×1018
〔個/cm3 〕とし、5V定電圧駆動を行ったときの感
度温度特性を示している。例えば、25°Cのときの感
度を基準としたとき、−40°Cで13%、85°Cで
−11%の感度変化が発生している。
FIG. 6 is a sensitivity / temperature characteristic diagram of the sensor shown in FIG. As shown in FIG. 6, in the above-described sensor, the surface impurity concentration of the piezoresistive element 27 is set to 3 × 10 18
[Cm / cm 3 ], and shows sensitivity temperature characteristics when 5 V constant voltage driving is performed. For example, when the sensitivity at 25 ° C. is used as a reference, the sensitivity changes by 13% at −40 ° C. and by −11% at 85 ° C.

【0010】このようなセンサの感度変化に対する補正
は、外部の周辺回路で行わざるを得ない。
The correction for such a change in the sensitivity of the sensor must be performed by an external peripheral circuit.

【0011】従来、かかるピエゾ型センサの問題点を改
善するために、静電容量型加速度センサが提案されてお
り、以下に、この静電容量型加速度センサとその製造方
法を説明する。
Hitherto, in order to improve the problem of the piezo sensor, a capacitance type acceleration sensor has been proposed. Hereinafter, this capacitance type acceleration sensor and a method of manufacturing the same will be described.

【0012】図7(a)〜(f)はそれぞれ従来の静電
容量型加速度センサおよびその製造方法を説明するため
の工程順に示したセンサの断面図である。
FIGS. 7A to 7F are cross-sectional views of a conventional capacitive acceleration sensor and a sensor shown in the order of steps for explaining a method of manufacturing the same.

【0013】まず、図7(a)に示すように、n型半導
体基板30に対し、後述するおもり部の上下可動電極お
よび配線として利用するために、両面からリンまたはヒ
素等のn型不純物を拡散し、n+ 拡散層31を形成す
る。ついで、異方性エッチングを行う際のマスク材とな
る保護膜32を半導体基板30の両面に被膜する。しか
る後、一般的なフォトリソグラフィ技術を用いてエッチ
ングにより薄膜を形成したい個所の保護膜32を除去し
て保護膜除去部33を形成する。ここでの保護膜32と
しては、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜が用いられ
る。
First, as shown in FIG. 7 (a), an n-type impurity such as phosphorus or arsenic is applied to an n-type semiconductor substrate 30 from both sides thereof so as to be used as a vertically movable electrode and a wiring of a weight portion described later. The n + diffusion layer 31 is formed by diffusion. Next, a protective film 32 serving as a mask material for performing anisotropic etching is coated on both surfaces of the semiconductor substrate 30. Thereafter, the protective film 32 where a thin film is desired to be formed is removed by etching using a general photolithography technique to form a protective film removing portion 33. Here, as the protective film 32, a silicon oxide film or a silicon nitride film is used.

【0014】次に、図7(b)に示すように、半導体基
板30を異方性エッチング液に浸してシリコンのエッチ
ングを行い、薄肉化した梁部7と厚肉のおもり部6およ
びリム部2を形成する。この異方性エッチング液として
は、水酸化カリウム水溶液,飽水ヒドラジン,EDP液
などが用いられ、エッチングレートを管理して引き上げ
時間を決定することにより、所望の梁厚を得るようにし
ている。
Next, as shown in FIG. 7 (b), the semiconductor substrate 30 is immersed in an anisotropic etching solution to etch silicon, thereby reducing the thickness of the beam portion 7, the thick weight portion 6, and the rim portion. Form 2 As the anisotropic etching solution, an aqueous solution of potassium hydroxide, saturated hydrazine, EDP solution, or the like is used, and a desired beam thickness is obtained by controlling the etching rate and determining the pulling time.

【0015】次に、図7(c)に示すように、溝部を形
成するために、シリコンエッチングを行った面とは反対
の面より保護膜32の除去を行い、除去部34を形成す
る。この場合、一般的なフォトリソグラフィ技術を用い
て梁部7の一部分で溝形成を行う個所の上の保護膜を除
去する。
Next, as shown in FIG. 7C, in order to form a groove, the protective film 32 is removed from the surface opposite to the surface on which the silicon etching has been performed, and a removed portion 34 is formed. In this case, the protective film on the portion where the groove is to be formed in a part of the beam portion 7 is removed using a general photolithography technique.

【0016】次に、図7(d)に示すように、前述した
異方性エッチングと同様の異方性エッチングまたはドラ
イエッチングにより、保護膜除去部34からシリコンエ
ッチングを行い、上下面で貫通した溝部8を形成する。
Next, as shown in FIG. 7D, silicon etching is performed from the protective film removing portion 34 by anisotropic etching or dry etching similar to the aforementioned anisotropic etching, and the upper and lower surfaces are penetrated. A groove 8 is formed.

【0017】さらに、図7(e)に示すように、両面の
保護膜32を除去した後、スパッタリング技術等により
上面に金属性のパッド11を被着し、センサ基板1を作
成する。
Further, as shown in FIG. 7E, after removing the protective films 32 on both surfaces, a metal pad 11 is adhered on the upper surface by a sputtering technique or the like, and the sensor substrate 1 is formed.

【0018】最後に、図7(f)に示すように、上述し
たセンサ基板1に対し、別途作成しておいた下部ストッ
パ4および上部ストッパ5を上下両面から接着固定する
ことにより、静電容量型加速度センサを完成する。この
際、センサ基板1を挟む下部ストッパ4および上部スト
ッパ5は、それぞれスルーホール部17を介して外部に
接続される下部固定電極9と、スルーホール部16を介
して外部に接続される固定電極10とを有し、センサ基
板1のおもり部6が上下に移動することを可能にする空
隙13,12が形成される。なお、これらの固定電極
9,10はおもりのサイズとほぼ同一の大きさとする。
これらに対応し、センサ基板1のおもり部6の上下面に
残るn+ 拡散層が上部可動電極14,下部可動電極15
となる。
Finally, as shown in FIG. 7 (f), the lower stopper 4 and the upper stopper 5, which have been separately prepared, are adhered and fixed to the above-mentioned sensor substrate 1 from both the upper and lower surfaces, thereby obtaining the capacitance. Type acceleration sensor is completed. At this time, the lower stopper 4 and the upper stopper 5 sandwiching the sensor substrate 1 are respectively connected to the lower fixed electrode 9 connected to the outside via the through hole 17 and the fixed electrode connected to the outside via the through hole 16. 10 and gaps 13 and 12 are formed to allow the weight 6 of the sensor substrate 1 to move up and down. The fixed electrodes 9 and 10 have substantially the same size as the weight.
In response to these, the n + diffusion layers remaining on the upper and lower surfaces of the weight portion 6 of the sensor substrate 1 form the upper movable electrode 14 and the lower movable electrode 15.
Becomes

【0019】図8は図7における容量型センサのセンサ
基板の部分切欠き斜視図である。図8に示すように、セ
ンサ基板1はパッド11がリム部2上に設けられる。こ
こに示すA−A’断面は、図7におけるセンサ基板1の
断面である。
FIG. 8 is a partially cutaway perspective view of the sensor substrate of the capacitive sensor shown in FIG. As shown in FIG. 8, the sensor substrate 1 has pads 11 provided on the rim portion 2. The AA ′ cross section shown here is a cross section of the sensor substrate 1 in FIG.

【0020】図9は図7における静電容量型加速度セン
サの等価回路図である。図9に示すように、かかるセン
サの動作にあたっては、上部固定電極10がコンデンサ
C1の端子T1側(上側)に対応し、上部可動電極14
がコンデンサC1の端子T3側(下側)に対応すると同
様に、下部可動電極15がコンデンサC2の端子T3側
(上側)に対応し、下部固定電極9がコンデンサC2の
端子T2側(下側)に対応する。
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of the capacitance type acceleration sensor shown in FIG. As shown in FIG. 9, in operation of such a sensor, the upper fixed electrode 10 corresponds to the terminal T1 side (upper side) of the capacitor C1, and the upper movable electrode 14
Corresponds to the terminal T3 side (lower side) of the capacitor C1, the lower movable electrode 15 corresponds to the terminal T3 side (upper side) of the capacitor C2, and the lower fixed electrode 9 corresponds to the terminal T2 side (lower side) of the capacitor C2. Corresponding to

【0021】センサ基板1が衝撃を受けると、その慣性
によりピエゾ型センサと同様に、おもり部6が上下に移
動する。このおもり部6が上側に移動した場合、上部固
定電極10と上部可動電極14との間の距離が短かくな
るので、コンデンサC1の静電容量が上昇する。逆に、
下部固定電極9と下部可動電極15との間の距離が広が
るので、コンデンサC2の静電容量は減少する。これに
より、衝撃の大きさを静電容量の変化に変換して検出す
ることが可能になる。
When the sensor substrate 1 receives an impact, the weight 6 moves up and down due to its inertia, as in the case of a piezo sensor. When the weight 6 moves upward, the distance between the upper fixed electrode 10 and the upper movable electrode 14 becomes shorter, so that the capacitance of the capacitor C1 increases. vice versa,
Since the distance between the lower fixed electrode 9 and the lower movable electrode 15 increases, the capacitance of the capacitor C2 decreases. This makes it possible to convert the magnitude of the impact into a change in capacitance and detect it.

【0022】かかる静電容量型加速度センサにおいて
は、前述したピエゾ抵抗型センサと異なり、温度依存性
を有する因子がないので、感度温度特性は改善される。
In such a capacitive acceleration sensor, unlike the above-described piezoresistive sensor, there is no temperature-dependent factor, so that the sensitivity-temperature characteristics are improved.

【0023】しかしながら、梁部7の形成そのものは、
エッチング時間を制御することにより行っているため、
ウェハロット間で梁厚のばらつきが発生したり、あるい
はエッチング液,濃度によるエッチング槽内ばらつきや
ウェハ厚の面内ばらつきなどによりウェハ面内でも梁厚
にばらつきが発生してしまう。このため、素子間でおも
り部6の変位のし易さに差が生じ、結果的に感度にばら
つきが発生してしまう。
However, the formation of the beam portion 7 itself is as follows.
Because it is performed by controlling the etching time,
The beam thickness varies between wafer lots, or the beam thickness also varies within the wafer surface due to variations in the etching bath due to the etching solution and concentration, and variations in the wafer thickness. For this reason, there is a difference in the easiness of displacement of the weight portion 6 between the elements, and as a result, the sensitivity varies.

【0024】また、このような梁厚のばらつきを抑制す
る方法としては、一般的に陽極酸化法によるエッチング
方法が知られている。
As a method for suppressing such a variation in beam thickness, an etching method using an anodic oxidation method is generally known.

【0025】図10はかかる従来の陽極酸化法を用いた
エッチング槽の断面図である。図10に示すように、p
型サブストレートnエピ層半導体基板(以下、n/p半
導体基板と称す)20にエッチング液45に対する保護
膜41,43を形成し、ついで一般のフォトリソグラフ
ィ技術を用いてエッチングを行いたい部分の保護膜を除
去する。このn/p半導体基板20を水酸化カリウム水
溶液等の異方性エッチング液45に浸漬しながらnエピ
層側に正電位、参照電極44に負電位を印加する。特
に、nエピ層側は、電圧印加部のコンタクト性の向上と
ウェハ面内の電位ばらつきを低減するために、高濃度の
n型拡散を行い、n+ 拡散層31をコンタクト部および
ウェハの面内全面またはメッシュ状に形成している。
FIG. 10 is a sectional view of an etching tank using such a conventional anodic oxidation method. As shown in FIG.
Protective films 41 and 43 for an etchant 45 are formed on an n-type substrate n-epi layer semiconductor substrate (hereinafter referred to as an n / p semiconductor substrate) 20, and protection of a portion to be etched using a general photolithography technique Remove the film. A positive potential is applied to the n-epi layer side and a negative potential is applied to the reference electrode 44 while immersing the n / p semiconductor substrate 20 in an anisotropic etching solution 45 such as an aqueous potassium hydroxide solution. In particular, on the n-epi layer side, high-concentration n-type diffusion is performed to improve the contact property of the voltage application portion and reduce the potential variation in the wafer surface, and the n + diffusion layer 31 is formed on the contact portion and the surface of the wafer. It is formed in the entire inner surface or in a mesh shape.

【0026】このエッチングはp型サブストレート側か
らnエピ層に向って進行するが、最初のうちnエピ層と
参照電極44間には逆バイアスが印加されているので、
電流は流れない。しかし、p型サブストレートとnエピ
層間に逆バイアスが印加されることにより発生している
nエピ層とp型サブストレート間の空乏層40の領域ま
でエッチングが進行すると、電流が流れはじめ、その部
分にはシリコン酸化膜42が形成されてエッチングが停
止する。
This etching proceeds from the p-type substrate side to the n-epi layer. Since a reverse bias is applied between the n-epi layer and the reference electrode 44 at first,
No current flows. However, when etching progresses to the region of the depletion layer 40 between the n-type epitaxial layer and the p-type substrate which is generated by applying a reverse bias between the p-type substrate and the n-type epitaxial layer, a current starts to flow. The silicon oxide film 42 is formed in the portion, and the etching stops.

【0027】従って、ウェハ面内でエッチング速度にば
らつきが発生しても、最初にエッチングが終了した部分
のエッチングはこれ以上進行しないので、均一な梁厚を
得ることが可能になる。そして、ウェハ面内全体でエッ
チングが終了すると、再び電流は流れなくなり、エッチ
ング完了となる。
Therefore, even if the etching rate varies in the wafer surface, the etching of the portion where the etching is completed first does not proceed any more, so that a uniform beam thickness can be obtained. When the etching is completed on the entire surface of the wafer, the current stops flowing again, and the etching is completed.

【0028】要するに、梁の厚さはnエピ層の厚みと空
乏層40の広がりによって発生したp型サブストレート
側の残厚で決定され、基板面内で均一になっている。
In short, the thickness of the beam is determined by the thickness of the n-epi layer and the remaining thickness on the p-type substrate side caused by the spread of the depletion layer 40, and is uniform in the substrate plane.

【0029】図11(a)〜(f)はそれぞれ従来の陽
極酸化法を利用した静電容量型加速度センサの製造方法
を説明するための工程順に示したセンサ断面図である。
FIGS. 11 (a) to 11 (f) are cross-sectional views of a sensor in the order of steps for explaining a method of manufacturing a capacitance type acceleration sensor using a conventional anodic oxidation method.

【0030】まず、図11(a)に示すように、n/p
半導体基板20に対し後述するおもり部の可動電極およ
び配線となるリンまたはヒ素等のn型不純物を拡散し、
両面にn+ 拡散層31を形成する。ついで、異方性エッ
チングを行う際のマスク材となる保護膜49を基板20
の両面に被膜する。しかる後、一般的なフォトリソグラ
フィ技術を用いて、エッチングで薄膜を形成したい個所
の保護膜49を除去し、保護膜除去部46を形成する。
これと同時に、陽極酸化を行う際の電極取り出しのため
に、nエピ層上保護膜49の除去を行い、保護膜除去部
48を形成する。さらに、基板20のp型サブストレー
トと、このp型サブストレート上に形成したn+ 拡散層
31とを後工程で短絡させるために、下部可動電極に対
応する個所の一部に対し、保護膜の除去を行って保護膜
除去部47を形成する。なお、このときの保護膜には、
前述した例と同様の酸化膜あるいは窒化膜等を用いる。
First, as shown in FIG.
The semiconductor substrate 20 is diffused with n-type impurities such as phosphorus or arsenic, which will be movable electrodes and wirings of a weight portion described later,
An n + diffusion layer 31 is formed on both sides. Next, a protective film 49 serving as a mask material for performing anisotropic etching is formed on the substrate 20.
On both sides. Thereafter, using a general photolithography technique, the protective film 49 where a thin film is to be formed is removed by etching, and a protective film removing portion 46 is formed.
At the same time, the protection film 49 on the n-epi layer is removed to take out the electrode when performing anodic oxidation, thereby forming a protection film removal part 48. Further, in order to short-circuit the p-type substrate of the substrate 20 and the n + diffusion layer 31 formed on the p-type substrate in a later step, a protective film is formed on a portion corresponding to the lower movable electrode. Is removed to form a protective film removing portion 47. In this case, the protective film includes
An oxide film or a nitride film similar to the above-described example is used.

【0031】ついで、図11(b)に示すように、n/
p半導体基板20を異方性エッチング液に浸し、前述し
た陽極酸化法を用いてシリコンのエッチングを行う。こ
のエッチングが完了すると、厚みが均一な薄肉化した梁
部7と厚肉のおもり部6およびリム部2が形成される。
また、この工程において、おもり部6の下部可動電極に
対応する個所の一部に対して行った保護膜除去(保護膜
除去部47の形成)に対しては、n+ 拡散層31からp
型サブストレートに入り込む形でV字型のエッチングが
進行し、おもり部裏面コンタクト孔50が形成される。
なお、nエピ層側の電極取出し用保護膜除去部48は、
治具等によりエッチング液に触れるのを防止している。
ここで、梁部7の厚みは、前述した陽極酸化法で説明し
たとおり、nエピ層の厚みとp型サブストレートに入り
込んだ空乏層の厚みとを合せた量になる。
Next, as shown in FIG.
The p semiconductor substrate 20 is immersed in an anisotropic etching solution, and silicon is etched using the anodic oxidation method described above. When this etching is completed, a thinned beam portion 7 having a uniform thickness, a thick weight portion 6 and a rim portion 2 are formed.
Further, in this step, the removal of the protective film (formation of the protective film removing portion 47) performed on a part of the portion corresponding to the lower movable electrode of the weight portion 6 requires the p +
The V-shaped etching proceeds so as to enter the mold substrate, and the contact hole 50 on the back surface of the weight is formed.
The electrode removal protective film removing portion 48 on the n-epi layer side includes:
A jig or the like prevents contact with the etching solution.
Here, the thickness of the beam portion 7 is the sum of the thickness of the n-epi layer and the thickness of the depletion layer that has entered the p-type substrate, as described in the anodic oxidation method described above.

【0032】ついで、図11(c)に示すように、溝部
を形成するために、nエピ層上の保護膜に対し、一般的
なフォトリソグラフィ技術を用いて梁部7の一部分に対
応す溝形成領域上の保護膜除去を行い、保護膜除去部5
1を形成する。このとき同時に、nエピ層とp型サブス
トレートを後工程で短絡させるため、上部可動電極に対
応する個所の一部に対し保護膜除去を行い、保護膜除去
部52を形成する。
Then, as shown in FIG. 11C, in order to form a groove, a groove corresponding to a part of the beam 7 is formed on the protective film on the n-epi layer by using a general photolithography technique. The protective film on the formation region is removed, and a protective film removing portion 5 is formed.
Form one. At this time, at the same time, in order to short-circuit the n-epi layer and the p-type substrate in a later step, the protection film is removed from a part of the portion corresponding to the upper movable electrode, and the protection film removal part 52 is formed.

【0033】ついで、図11(d)に示すように、前述
と同様の異方性エッチングまたはドライエッチングを用
い、保護膜除去部51からシリコンエッチングを行い、
上下面で貫通した溝部8を形成する。このとき、保護膜
除去部52からのエッチングも進行し、nエピ層からp
型サブストレートにわたるおもり部上面コンタクト孔5
3が形成される。
Then, as shown in FIG. 11D, silicon etching is performed from the protective film removing portion 51 using the same anisotropic etching or dry etching as described above.
A groove 8 penetrating through the upper and lower surfaces is formed. At this time, the etching from the protective film removing part 52 also proceeds, and
Contact hole 5 on the top of the weight over the die substrate
3 is formed.

【0034】さらに、図11(e)に示すように、両面
の保護膜49を除去した後、スパッタリング等により金
属性のパッド11と、おもり部上面コンタクト電極54
およびおもり部下面コンタクト電極55とを形成する。
これにより、センサ基板1が完成する。ここで、おもり
部上面コンタクト電極54はスパッタ膜がおもり部上面
コンタクト孔53に入り込み、nエピ層とp型サブスト
レートを短絡させる機能を有している。同様に、おもり
部下面コンタクト電極55はスパッタ膜がおもり部下面
コンタクト孔50に入り込み、n+ 拡散層31とp型サ
ブストレートを短絡させる機能を有している。
Further, as shown in FIG. 11 (e), after removing the protective films 49 on both surfaces, the metal pad 11 and the weight portion upper surface contact electrode 54 are formed by sputtering or the like.
And the weight portion lower surface contact electrode 55 are formed.
Thus, the sensor substrate 1 is completed. Here, the weight portion upper surface contact electrode 54 has a function that the sputtered film enters the weight portion upper surface contact hole 53 and short-circuits the n-epi layer and the p-type substrate. Similarly, the weight portion lower surface contact electrode 55 has a function that the sputtered film enters the weight portion lower surface contact hole 50 and short-circuits the n + diffusion layer 31 and the p-type substrate.

【0035】最後に、図11(f)に示すように、セン
サ基板1の上下面に別途作成した下部ストッパ4および
上部ストッパ5を接着固定して静電容量型加速度センサ
56が完成する。これら下部ストッパ4および上部スト
ッパ5の構造に関しては、前述した図7(f)のセンサ
の場合と同一である。
Finally, as shown in FIG. 11F, the lower stopper 4 and the upper stopper 5 separately formed on the upper and lower surfaces of the sensor substrate 1 are adhered and fixed to complete the capacitance type acceleration sensor 56. The structure of the lower stopper 4 and the upper stopper 5 is the same as that of the sensor shown in FIG.

【0036】かかる静電容量型加速度センサ56として
は、nエピ層とp型サブストレートおよびn+ 拡散層3
1とを電気的に短絡させ、p/nジャンクションによる
空乏層領域が発生しないようにしたことにある。
The capacitance type acceleration sensor 56 includes an n-epi layer, a p-type substrate, and an n + diffusion layer 3.
1 is electrically short-circuited so that a depletion layer region due to p / n junction is not generated.

【0037】図12は図11における静電型センサの等
価回路図である。図12に示すように、コンデンサC
1,C2の位置関係に関しては、前述した図9のセンサ
におけるコンデンサと同様であるが、かかる静電型セン
サでは、抵抗R1が付加されている。この抵抗R1は、
p型サブストレートの基板抵抗、おもり部上面コンタク
ト電極54とp型サブストレートの接触抵抗、およびお
もり部下面コンタクト電極55とp型サブストレートの
接触抵抗とから合成される。このため、コンデンサC2
に抵抗R1が接続されるので、C2とR1間において
は、時定数を持つことになる。
FIG. 12 is an equivalent circuit diagram of the electrostatic sensor shown in FIG. As shown in FIG.
The positional relationship between C1 and C2 is the same as that of the capacitor in the sensor of FIG. 9 described above, but in such an electrostatic sensor, a resistor R1 is added. This resistance R1 is
It is synthesized from the substrate resistance of the p-type substrate, the contact resistance between the weight upper surface contact electrode 54 and the p-type substrate, and the contact resistance between the weight lower surface contact electrode 55 and the p-type substrate. Therefore, the capacitor C2
Has a time constant between C2 and R1.

【0038】ところで、おもり部上面コンタクト孔53
およびおもり部下面コンタクト孔50の開口径は、広い
ほど接触抵抗および基板抵抗を低減することが可能とな
るが、その反面電極面積が減少してしまい、静電容量感
度を低下させてしまう。従って、通常開口径を100μ
m程度に小さくして使用するが、この場合には開口部の
面積が少ない上に、さらにスパッタ膜のコンタクト孔へ
の回り込みの悪さが発生し、接触性が悪くなるととも
に、接触抵抗が増大する。この結果、基板抵抗も大きく
なる。通常、p型サブストレートの基板抵抗を30〜5
0Ω・cm、開口径を100μmとした場合、常温では
数百kΩ〜数十MΩの抵抗R1が発生する。
The contact hole 53 on the upper surface of the weight portion
Also, as the opening diameter of the weight portion lower surface contact hole 50 is larger, the contact resistance and the substrate resistance can be reduced, but on the other hand, the electrode area is reduced and the capacitance sensitivity is lowered. Therefore, usually, the opening diameter is 100 μm.
m, but in this case, the area of the opening is small, and furthermore, the sputtered film is poorly wrapped around the contact hole, resulting in poor contactability and increased contact resistance. . As a result, the substrate resistance also increases. Usually, the substrate resistance of the p-type substrate is 30 to 5
When the resistance is 0 Ω · cm and the opening diameter is 100 μm, a resistance R1 of several hundred kΩ to several tens MΩ is generated at room temperature.

【0039】この抵抗R1は温度依存性を有するため、
R1とC2による時定数も温度依存性を有する。この結
果、センサの感度も温度依存性を有することになり、本
来の静電容量型加速度センサのメリットである感度の温
度依存性がないということが失われてしまう。具体的
に、前述した開口径100μmの条件での感度温度変化
率は、図6のピエゾ抵抗型加速度センサの温度特性とほ
ぼ同一になり、結局外部回路による感度の温度補正が必
要となる。
Since this resistor R1 has temperature dependency,
The time constants of R1 and C2 also have temperature dependence. As a result, the sensitivity of the sensor also has temperature dependence, and the advantage of the original capacitance type acceleration sensor that there is no temperature dependence of sensitivity is lost. Specifically, the sensitivity temperature change rate under the condition of the opening diameter of 100 μm described above is almost the same as the temperature characteristic of the piezoresistive acceleration sensor of FIG. 6, and eventually, the temperature correction of the sensitivity by an external circuit is required.

【0040】[0040]

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の加速度
センサ及びその製造方法は、梁形成のためのシリコン異
方性エッチングをそのエッチングレートと時間とのコン
トロールのみで行った場合、ウェハ間あるいはウェハ面
内で梁厚のばらつきが発生し、そのために検出感度がば
らつくという欠点がある。
The above-mentioned conventional acceleration sensor and the method of manufacturing the same, when the silicon anisotropic etching for forming a beam is performed only by controlling the etching rate and time, the wafer-to-wafer or wafer-to-wafer There is a drawback that the beam thickness varies in the plane and the detection sensitivity varies.

【0041】また、上述した従来例においては、梁厚の
ばらつきを抑制するために、陽極酸化法によるシリコン
異方性エッチングを行った場合、nエピ層とp型サブス
トレート間およびp型サブストレートとn+ 拡散層間を
短絡しなければならない。このとき、短絡させるための
シリコンエッチング開口径が小さいと、接触面積が減少
するので、接触抵抗および基板抵抗が増大し、この抵抗
の温度特性によって感度に温度依存性が発生するという
欠点がある。
Further, in the above-described conventional example, when silicon anisotropic etching is performed by anodic oxidation in order to suppress variations in the beam thickness, the distance between the n-epi layer and the p-type substrate and the p-type substrate are reduced. And the n + diffusion layer must be short-circuited. At this time, if the diameter of the silicon etching opening for short-circuiting is small, the contact area decreases, so that the contact resistance and the substrate resistance increase, and there is a disadvantage that the temperature characteristics of the resistance cause temperature dependency in sensitivity.

【0042】逆に、かかる基板抵抗を低くするために、
開口径を広げると、電極面積が減少してしまい、所望の
静電容量感度が得られなくなるという欠点がある。
Conversely, in order to reduce the substrate resistance,
Increasing the aperture diameter has the disadvantage that the electrode area is reduced, and the desired capacitance sensitivity cannot be obtained.

【0043】本発明の目的は、かかる梁厚のばらつきを
低減し、感度の揃った素子を実現するとともに、余分な
寄生抵抗を低減して良好な感度・温度特性を得られる静
電容量型加速度センサおよびその製造方法を提供するこ
とにある。
An object of the present invention is to reduce the variation in the beam thickness and to realize an element with uniform sensitivity, and to reduce an extra parasitic resistance to obtain a good sensitivity / temperature characteristic. It is to provide a sensor and a manufacturing method thereof.

【0044】[0044]

【課題を解決するための手段】本発明の静電容量型加速
度センサは、n/p型半導体基板に異方性エッチングを
施してリム部,薄肉化した梁部および上部可動電極,下
部可動電極を備えた厚肉のおもり部を形成したセンサ基
板と、前記センサ基板の上面および下面に接着固定さ
れ、前記おもり部が可動するための空隙を形成するとと
もに、前記おもり部に形成した前記上部可動電極,下部
可動電極に対向する位置に静電容量変化を検出するため
の固定電極をそれぞれ備えた上部ストッパおよび下部ス
トッパとを有し、前記センサ基板のリム部表面と前記お
もり部の前記上部可動電極,前記下部可動電極およびテ
ーパー部表面n+ 型半導体層で接続して構成される。
A capacitive acceleration sensor according to the present invention comprises a rim portion, a thinned beam portion, an upper movable electrode, and a lower movable electrode which are obtained by applying anisotropic etching to an n / p type semiconductor substrate. A sensor substrate formed with a thick weight portion provided with: and a gap for allowing the weight portion to move, which is adhesively fixed to the upper and lower surfaces of the sensor substrate, and the upper movable portion formed in the weight portion An upper stopper and a lower stopper each provided with a fixed electrode for detecting a change in capacitance at a position facing the electrode and the lower movable electrode, wherein the upper movable surface of the rim portion of the sensor substrate and the upper movable portion of the weight portion are provided; electrodes configured the lower movable electrode and the tapered portion surfaces are connected by n + -type semiconductor layer.

【0045】また、本発明の静電容量型加速度センサの
製造方法は、p型半導体基板の上面にn型のシリコン層
をエピタキシャル成長させたn/p型半導体基板の両面
にリンまたはヒ素等を拡散してn+ 型拡散層を形成する
工程と、前記n+ 型拡散層を形成した前記n/p型半導
体基板に第1の保護膜を被膜してから陽極酸化法を用い
た異方性エッチングを施してセンサ基板のおもり部,リ
ム部および梁部となる領域を形成する工程と、前記第1
の保護膜を除去した後、前記n/p型半導体基板の両面
からリンまたヒ素等の不純物拡散を行ってn+ 型拡散層
を厚く形成する工程と、前記n/p型半導体基板の両面
に第2の保護膜を被膜した後、前記おもり部を可動し易
くするために前記梁部の一部を異方性エッチングまたは
ドライエッチングにより除去し溝部を形成する工程と、
前記第2の保護膜を除去して露出した前記n/p型半導
体基板の前記n+ 型拡散層上にパッドをスパッタリング
等により被着し、前記センサ基板を完成させる工程と、
前記センサ基板の前記おもり部が可動できる空隙を与え
るとともに、前記おもり部の上下面それぞれと対向した
位置に静電容量を検出するための固定電極を形成した下
部ストッパおよび上部ストッパを前記センサ基板の上下
面に接着固定する工程とを含んで構成される。
Further, according to the method of manufacturing a capacitance type acceleration sensor of the present invention, phosphorus or arsenic is diffused on both sides of an n / p type semiconductor substrate obtained by epitaxially growing an n type silicon layer on the upper surface of a p type semiconductor substrate. and forming an n + -type diffusion layer, anisotropic etching using an anodic oxidation method from the first protection film coated on the n / p-type semiconductor substrate formed with the n + -type diffusion layer Forming regions to be weight portions, rim portions, and beam portions of the sensor substrate by performing
After the protective film is removed, a step of diffusing impurities such as phosphorus or arsenic from both sides of the n / p type semiconductor substrate to form a thick n + type diffusion layer, Forming a groove by removing a portion of the beam by anisotropic etching or dry etching to facilitate movement of the weight, after coating the second protective film;
Removing a pad from the n + -type diffusion layer of the n / p-type semiconductor substrate exposed by removing the second protective film by sputtering or the like to complete the sensor substrate;
The weight portion of the sensor substrate is provided with a space in which the weight portion can move, and a lower stopper and an upper stopper formed with fixed electrodes for detecting capacitance at positions opposed to the upper and lower surfaces of the weight portion, respectively. Bonding to the upper and lower surfaces.

【0046】[0046]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0047】図1は本発明の静電容量型加速度センサの
一実施の形態を示すセンサの断面図である。図1に示す
ように、本実施の形態におけるセンサは、おもり部6,
リム部2および梁部7を形成したセンサ基板1と、その
上下面に接着固定する下部および上部ストッパ4,5と
で構成され、センサ基板1の断面は、前述した図8の従
来例におけるA−A’断面と同様の断面を表わしてい
る。
FIG. 1 is a sectional view of a capacitance type acceleration sensor according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the sensor according to the present embodiment includes
The sensor substrate 1 includes a rim portion 2 and a beam portion 7 and lower and upper stoppers 4 and 5 adhesively fixed to upper and lower surfaces of the sensor substrate 1. The cross section of the sensor substrate 1 is the same as that of the conventional example shown in FIG. A cross section similar to the -A 'cross section is shown.

【0048】特に、センサ基板1は、上下面をn+ 拡散
層3で覆い、おもり部6のテーパー部18もこの層で覆
って形成される。このため、おもり部6のn型エピ層側
の面が上部可動電極14となり、対向面側が下部可動電
極15となるが、これらは相互にn+ 拡散層3で接続さ
れることになる。すなわち、これら上部可動電極14,
下部可動電極15とパッド11とは、n型の不純物層に
より共通に配線されることになる。要するに、センサ基
板1は、おもり部6およびリム部2の表裏が互いに接続
されたn型層で覆われる。
In particular, the sensor substrate 1 is formed so that the upper and lower surfaces are covered with the n + diffusion layer 3 and the tapered portion 18 of the weight 6 is also covered with this layer. Therefore, the surface of the weight portion 6 on the n-type epi layer side becomes the upper movable electrode 14, and the opposite surface side becomes the lower movable electrode 15, which are connected to each other by the n + diffusion layer 3. That is, these upper movable electrodes 14,
The lower movable electrode 15 and the pad 11 are commonly wired by an n-type impurity layer. In short, the sensor substrate 1 is covered with an n-type layer in which the front and back of the weight portion 6 and the rim portion 2 are connected to each other.

【0049】また、下部ストッパ4および上部ストッパ
5には、センサ基板1のおもり部6が上下に移動できる
ように、空隙13,12が形成されており、しかもそれ
ぞれおもり部6の上下面のサイズと同一で且つそれぞれ
対向した内側の位置に上部固定電極10および下部固定
電極9が形成される。上部固定電極10は、上部ストッ
パ5上に設けられたスルーホール部16を介して上面に
引き出され、外部とのコンタクトをとることが可能にな
っている。同様に、下部固定電極9は、スルーホール部
17を介して下面に引き出され、外部とのコンタクトを
とることが可能である。これらのストッパは、例えばセ
ラミック基板等に導電性ペースト等を用いて接着固定す
ることにより、実現できる。
The lower stopper 4 and the upper stopper 5 are provided with cavities 13 and 12 so that the weight 6 of the sensor substrate 1 can move up and down. The upper fixed electrode 10 and the lower fixed electrode 9 are formed at the same and opposite inner positions. The upper fixed electrode 10 is drawn out to the upper surface through a through-hole portion 16 provided on the upper stopper 5, and can make contact with the outside. Similarly, the lower fixed electrode 9 is drawn out to the lower surface through the through-hole portion 17 and can make contact with the outside. These stoppers can be realized, for example, by bonding and fixing to a ceramic substrate or the like using a conductive paste or the like.

【0050】次に、本実施の形態における静電容量型加
速度センサの動作について説明するに、かかるセンサの
等価回路は、前述した図9の従来のセンサの等価回路と
同等である。但し、パッド11から上部可動電極14ま
での配線およびパッド11から下部可動電極15までの
配線を行っているn型不純物の拡散抵抗は、数百Ω以下
と小さいので、この際は無視している。図9のセンサ同
様、上部固定電極10がコンデンサC1の上側電極に対
応し、上部可動電極14がコンデンサC1の下側電極に
対応する。同様に、下部可動電極15がコンデンサC2
の上側電極に対応し、下部固定電極9がコンデンサC2
の下側電極に対応する。
Next, the operation of the capacitance type acceleration sensor according to the present embodiment will be described. The equivalent circuit of this sensor is the same as the equivalent circuit of the conventional sensor shown in FIG. However, the diffusion resistance of the n-type impurity for wiring from the pad 11 to the upper movable electrode 14 and wiring from the pad 11 to the lower movable electrode 15 is as small as several hundred Ω or less, and is ignored in this case. . 9, the upper fixed electrode 10 corresponds to the upper electrode of the capacitor C1, and the upper movable electrode 14 corresponds to the lower electrode of the capacitor C1. Similarly, the lower movable electrode 15 is connected to the capacitor C2.
The lower fixed electrode 9 corresponds to the upper electrode of the capacitor C2.
Corresponding to the lower electrode.

【0051】ここで、センサ基板1が衝撃を受けると、
その慣性によりおもり部6が上下に移動する。このおも
り部6が上側に移動した場合、上部固定電極10と上部
可動電極14との距離が短かくなるので、静電容量が増
大する。逆に、下部固定電極9と下部可動電極15との
距離は広がるので、静電容量は減少する。同様に、おも
り部6が下側に移動した場合は、電極の広がりが逆の関
係になるので、静電容量も逆の関係になる。これによ
り、衝撃の大きさを静電容量の変化に変換して検出する
ことが可能になる。
Here, when the sensor substrate 1 receives an impact,
The weight 6 moves up and down due to its inertia. When the weight 6 moves upward, the distance between the upper fixed electrode 10 and the upper movable electrode 14 becomes shorter, so that the capacitance increases. Conversely, the distance between the lower fixed electrode 9 and the lower movable electrode 15 increases, so that the capacitance decreases. Similarly, when the weight 6 moves downward, the spread of the electrodes is in the opposite relationship, and the capacitance is also in the opposite relationship. This makes it possible to convert the magnitude of the impact into a change in capacitance and detect it.

【0052】上述した静電容量型加速度センサにおいて
は、陽極酸化法を用いて梁厚のコントロールを行ってい
るので、ウェハ間あるいはウェハ面内での梁厚のばらつ
きが少なく、おもり部の上下の移動し易さにばらつきが
なくなるので、均一感度の製品を実現できる。その上、
かかるセンサは、温度依存性を有する因子(部材)がな
くなるので、温度による感度の変化率は、非常に小さく
なる。
In the above-described capacitance type acceleration sensor, since the beam thickness is controlled by using the anodic oxidation method, the variation of the beam thickness between wafers or within the wafer surface is small, and the beam thickness at the top and bottom of the weight portion is small. Since there is no variation in ease of movement, a product with uniform sensitivity can be realized. Moreover,
In such a sensor, since the factors (members) having temperature dependency are eliminated, the rate of change in sensitivity due to temperature is extremely small.

【0053】図2は図1におけるセンサの感度・温度特
性図である。図2に示すように、上述した静電容量型加
速度センサを5Vの定電圧駆動で25°Cを基準とした
ときの感度の温度変化率を測定すると、±5%以下とな
り、従来の陽極酸化法を用いた静電容量型加速度センサ
の変化率と比較しても大幅に改善されていることが理解
される。
FIG. 2 is a sensitivity / temperature characteristic diagram of the sensor in FIG. As shown in FIG. 2, when the temperature change rate of the sensitivity when the above-mentioned capacitance type acceleration sensor is driven at a constant voltage of 5 V with reference to 25 ° C. is less than ± 5%, the conventional anodic oxidation It can be understood that it is greatly improved even when compared with the change rate of the capacitance type acceleration sensor using the method.

【0054】図3(a)〜(d)はそれぞれ本発明の静
電容量型加速度センサの製造方法の一実施の形態を説明
するための工程順に示したセンサの断面図である。
FIGS. 3A to 3D are cross-sectional views of a sensor in the order of steps for explaining an embodiment of a method of manufacturing a capacitive acceleration sensor according to the present invention.

【0055】まず、図3(a)に示すように、p型サブ
ストレート19Aおよびn型エピ層19Bからなるn/
p半導体基板20に対し、おもり部の可動電極および配
線を形成するために、リンまたはヒ素等のn+ 不純物を
拡散してn+ 拡散層21を両面に形成する。さらに、n
/p半導体基板20に対し、異方性エッチングを行う際
のマスク材となる保護膜22を両面に被膜した後、一般
的なフォトリソグラフィ技術を用いてエッチングを施
し、薄膜部を形成する個所の保護膜を除去し、保護膜除
去部23を形成する。また、この除去部23の形成と同
時に、陽極酸化を行うための電極取り出し窓を形成する
ために、nエピ層19B上の一部について保護膜22を
除去し、保護膜除去部24を形成する。なお、このとき
の保護膜22としては、シリコン酸化膜,シリコン窒化
膜等が用いられる。
First, as shown in FIG. 3 (a), an n / n layer composed of a p-type substrate 19A and an n-type epi layer 19B is formed.
In order to form a movable electrode and a wiring of a weight portion in the p semiconductor substrate 20, n + impurities such as phosphorus or arsenic are diffused to form n + diffusion layers 21 on both surfaces. Furthermore, n
/ P semiconductor substrate 20 is coated on both sides with a protective film 22 serving as a mask material when performing anisotropic etching, and then etched using a general photolithography technique to form a thin film portion. The protection film is removed, and a protection film removal part 23 is formed. At the same time as the formation of the removal portion 23, the protection film 22 is partially removed from the n-epi layer 19B to form an electrode extraction window for performing anodic oxidation, and the protection film removal portion 24 is formed. . Note that a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like is used as the protective film 22 at this time.

【0056】ついで、図3(b)に示すように、おもり
部6および梁部7を形成するために、n/p半導体基板
20を異方性エッチング液に浸し、エピ層上の保護膜除
去部23の個所に正電位を、エッチング液内に設けた参
照電極に負電位をそれぞれ印加し、陽極酸化法を用いな
がらシリコンのエッチングを行う。このときの異方性エ
ッチング液には、水酸化カリウム水溶液や飽水ヒドラジ
ン,EDP溶液などが用いられる。最初、p型サブスト
レート19A側からエッチングが開始され、その後nエ
ピ層19Bとp型サブストレート19Aにバイアスが印
加されることにより発生した空乏層領域までエッチング
が進行すると、そこで自動的にエッチングが終了する。
これにより、薄肉化し且つ基板面内で厚みの揃った梁部
7と、厚肉のおもり部6が形成される。
Next, as shown in FIG. 3B, in order to form the weight portion 6 and the beam portion 7, the n / p semiconductor substrate 20 is immersed in an anisotropic etching solution to remove the protective film on the epi layer. A positive potential is applied to the portion 23 and a negative potential is applied to the reference electrode provided in the etching solution, and silicon is etched using an anodic oxidation method. An aqueous solution of potassium hydroxide, saturated hydrazine, an EDP solution, or the like is used as the anisotropic etching solution at this time. First, etching is started from the p-type substrate 19A side, and thereafter, when etching proceeds to a depletion layer region generated by applying a bias to the n-epi layer 19B and the p-type substrate 19A, the etching is automatically performed there. finish.
As a result, a thin beam portion 7 having a uniform thickness in the plane of the substrate and a thick weight portion 6 are formed.

【0057】この薄肉化した梁部7の厚みは、例えばp
型サブストレート19Aの基板抵抗を30〜50Ω・c
m、nエピ層19Bの基板抵抗を3〜5Ω・cm、厚み
が8μmの半導体基板に対し、5Vのバイアスを印加す
るとともに、陽極酸化法を用いてエッチングを行った場
合、p型サブストレート19Aに約4μmの空乏層が広
がるので、梁部7の厚みは約12μmとなる。なお、n
エピ層側の電極取り出し用の保護膜除去部24は、治具
等によりエッチング液に触れるのを防止されている。
The thickness of the thinned beam 7 is, for example, p
The substrate resistance of the mold substrate 19A is 30 to 50Ω · c.
When a 5 V bias is applied to a semiconductor substrate having an m and n epi layer 19B having a substrate resistance of 3 to 5 Ω · cm and a thickness of 8 μm and etching is performed using an anodic oxidation method, a p-type substrate 19A is formed. Since the depletion layer of about 4 μm spreads over the entire area, the thickness of the beam portion 7 becomes about 12 μm. Note that n
The protective film removing portion 24 for taking out the electrode on the epi layer side is prevented from coming into contact with the etching solution by a jig or the like.

【0058】ついで、図3(c)に示すように、次工程
でのn型不純物拡散を行うために、半導体基板20上に
残された保護膜22を除去する。
Next, as shown in FIG. 3C, the protective film 22 left on the semiconductor substrate 20 is removed in order to perform n-type impurity diffusion in the next step.

【0059】さらに、図3(d)に示すように、p型サ
ブストレート19Aの表裏をn型層で互いに接続するた
めに、n/p半導体基板20の両面からリンまたはヒ素
等のn型不純物を拡散する。すなわち、最低でも薄肉化
した梁部7においては、前述の空乏層の広がりによって
残されたp型層をn型層に変える深さまでの拡散が行わ
れる。
Further, as shown in FIG. 3D, in order to connect the front and back of the p-type substrate 19A to each other with an n-type layer, an n-type impurity such as phosphorus or arsenic is applied from both sides of the n / p semiconductor substrate 20. To spread. In other words, at least in the thinned beam portion 7, the diffusion is performed to a depth at which the p-type layer left by the expansion of the depletion layer is changed to the n-type layer.

【0060】例えば、リンの不純物濃度1020個/cm
3 で950°C、60分の拡散を行った後、1100°
Cで180分程度の押込み酸化処理を行った場合、深さ
8μm程度の拡散を行うことができ、前述した空乏層の
広がりにより残された厚さ4μmのp型層をn型層に変
えることが可能になる。
For example, the impurity concentration of phosphorus is 10 20 / cm
After diffusion at 950 ° C for 60 minutes at 3
When the indentation oxidation treatment is performed with C for about 180 minutes, diffusion of about 8 μm in depth can be performed, and the 4 μm-thick p-type layer left by the expansion of the depletion layer is changed to an n-type layer. Becomes possible.

【0061】また、異方性エッチングにより形成された
おもり部のテーパー部にもn+ 拡散層3が形成されるの
で、nエピ層上に形成されたn+ 拡散層3から、nエピ
層,梁部7,テーパー部18を介して基板の裏面まで一
連のn型不純物層が形成される。しかる後、再び基板の
両面を保護膜25で被膜する。
[0061] Also, since n + diffusion layer 3 to the tapered portion of the weight portion formed by anisotropic etching is formed from the n + diffusion layer 3 formed on the n epitaxial layer, n epitaxial layer, A series of n-type impurity layers are formed up to the back surface of the substrate via the beam portion 7 and the tapered portion 18. Thereafter, both surfaces of the substrate are coated with the protective film 25 again.

【0062】ついで、図3(e)に示すように、おもり
部6を可動し易くするための溝部を形成するために、一
般的なリソグラフィ技術を用いて、nエピ層上の保護膜
25、特に梁部の一部分に対応する溝形成領域上の保護
膜25に対する除去を行い、保護膜除去部26を形成す
る。
Then, as shown in FIG. 3E, in order to form a groove for facilitating the movement of the weight portion 6, the protective film 25 on the n-epi layer is formed using a general lithography technique. In particular, the protection film 25 on the groove forming region corresponding to a part of the beam portion is removed to form a protection film removal part 26.

【0063】ついで、図3(f)に示すように、前述し
たのと同様に、かかる基板を異方性エッチング液に浸す
か、またはドライエッチングにより、保護膜除去部26
からのシリコンエッチングを行い、上下面で貫通した溝
部8を形成する。
Then, as shown in FIG. 3 (f), the substrate is immersed in an anisotropic etchant or dry-etched to remove the protective film 26 in the same manner as described above.
Then, a groove 8 penetrating through the upper and lower surfaces is formed.

【0064】さらに、図3(g)に示すように、基板両
面の保護膜25を除去した後、出力信号を外部に取り出
すための金属性のパッド11をスパッタリング等で形成
し、センサ基板1が完成する。かかるセンサ基板1に対
し、上下から下部および上部ストッパを接着固定すれ
ば、静電容量型加速度センサを構成することができる。
なお、このセンサ基板1の全体構造は、前述した図8の
従来例の外観と同様のものになる。
Further, as shown in FIG. 3 (g), after removing the protective films 25 on both surfaces of the substrate, a metal pad 11 for extracting an output signal to the outside is formed by sputtering or the like. Complete. If the lower and upper stoppers are adhesively fixed to the sensor substrate 1 from above and below, a capacitance type acceleration sensor can be configured.
The overall structure of the sensor substrate 1 is the same as the appearance of the above-described conventional example shown in FIG.

【0065】要するに、本実施の形態において、センサ
基板1のおもり部6がn型層で覆われることを除いて
は、従来と同様のステップを採用することができる。
In short, in the present embodiment, the same steps as those in the related art can be adopted except that the weight portion 6 of the sensor substrate 1 is covered with the n-type layer.

【0066】[0066]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の静電容量
型加速度センサおよびその製造方法は、n/p型半導体
基板に陽極酸化法を用いた異方性シリコンエッチングを
行っておもり部および薄肉化された梁部を形成してか
ら、n型不純物拡散を行ってp型半導体領域の表裏に互
いに接続されたn型層を形成することにより、梁厚の均
一な感度の揃った素子を実現することができるという効
果がある。
As described above, according to the capacitance type acceleration sensor and the method of manufacturing the same of the present invention, an anisotropic silicon etching using an anodizing method is performed on an n / p type semiconductor substrate and a weight portion and By forming a thinned beam portion and then performing n-type impurity diffusion to form n-type layers connected to each other on the front and back of the p-type semiconductor region, an element having a uniform beam thickness and uniform sensitivity can be obtained. There is an effect that it can be realized.

【0067】また、本発明によれば、異方性シリコンエ
ッチングにより、梁部およびおもり部,リム部を形成し
てから、基板両面よりn型不純物拡散を行って梁部の領
域を全面n型にし、パッドと上下可動電極をn型不純物
で配線することにより、余分な寄生抵抗を付加すること
がなくなり、良好な感度温度特性を得られるという効果
がある。
Further, according to the present invention, after the beam portion, the weight portion, and the rim portion are formed by anisotropic silicon etching, n-type impurity diffusion is performed from both sides of the substrate to entirely cover the n-type region. By arranging the pad and the upper and lower movable electrodes with n-type impurities, there is an effect that no extra parasitic resistance is added and a good sensitivity temperature characteristic can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の静電容量型加速度センサの一実施の形
態を示すセンサの断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a capacitance type acceleration sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1におけるセンサの感度・温度特性図であ
る。
FIG. 2 is a sensitivity / temperature characteristic diagram of the sensor in FIG.

【図3】本発明の静電容量型加速度センサの製造方法の
一実施の形態を説明するための工程順に示したセンサの
断面図である。
FIG. 3 is a sectional view of the sensor shown in the order of steps for explaining one embodiment of the method of manufacturing the capacitance type acceleration sensor of the present invention.

【図4】従来の一例を示すピエゾ抵抗型加速度センサの
断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional piezoresistive acceleration sensor.

【図5】図4に示すセンサ基板の部分切欠き斜視図であ
る。
5 is a partially cutaway perspective view of the sensor substrate shown in FIG.

【図6】図4に示すセンサの感度・温度特性図である。FIG. 6 is a sensitivity / temperature characteristic diagram of the sensor shown in FIG. 4;

【図7】従来の静電容量型加速度センサおよびその製造
方法を説明するための工程順に示したセンサの断面図で
ある。
FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional capacitance-type acceleration sensor and a sensor shown in the order of steps for explaining a method of manufacturing the same.

【図8】図7における容量型センサのセンサ基板の部分
切欠き斜視図である。
FIG. 8 is a partially cutaway perspective view of a sensor substrate of the capacitive sensor in FIG. 7;

【図9】図7における静電容量型加速度センサの等価回
路図である。
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of the capacitance type acceleration sensor in FIG. 7;

【図10】従来の陽極酸化法を用いたエッチング槽の断
面図である。
FIG. 10 is a cross-sectional view of an etching tank using a conventional anodic oxidation method.

【図11】従来の陽極酸化法を利用した静電容量型加速
度センサの製造方法を説明するための工程順に示したセ
ンサ断面図である。
FIG. 11 is a sensor cross-sectional view shown in the order of steps for explaining a method of manufacturing a capacitance type acceleration sensor using a conventional anodic oxidation method.

【図12】図11における静電型センサの等価回路図で
ある。
12 is an equivalent circuit diagram of the electrostatic sensor shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 センサ基板 2 リム部 3,21 n+ 拡散層 4 下部ストッパ 5 上部ストッパ 6 おもり部 7 梁部 8 溝部 9 下部固定電極 10 上部固定電極 11 パッド 12,13 空隙 14 上部可動電極 15 下部可動電極 16,17 スルーホール部 18 テーパー部 19A p型半導体基板 19B n型エピ層 20 n/p型半導体基板 22,25 保護膜 23,24,26 保護膜除去部DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor board 2 Rim part 3, 21 n + diffusion layer 4 Lower stopper 5 Upper stopper 6 Weight part 7 Beam part 8 Groove part 9 Lower fixed electrode 10 Upper fixed electrode 11 Pad 12, 13 Air gap 14 Upper movable electrode 15 Lower movable electrode 16 , 17 Through hole portion 18 Taper portion 19A p-type semiconductor substrate 19B n-type epilayer 20 n / p-type semiconductor substrate 22, 25 protective film 23, 24, 26 protective film removing portion

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 n/p型半導体基板に異方性エッチング
を施してリム部,薄肉化した梁部および上部可動電極,
下部可動電極を備えた厚肉のおもり部を形成したセンサ
基板と、前記センサ基板の上面および下面に接着固定さ
れ、前記おもり部が可動するための空隙を形成するとと
もに、前記おもり部に形成した前記上部可動電極,下部
可動電極に対向する位置に静電容量変化を検出するため
の固定電極をそれぞれ備えた上部ストッパおよび下部ス
トッパとを有し、前記センサ基板のリム部表面と前記お
もり部の前記上部可動電極,前記下部可動電極およびテ
ーパー部表面n+ 型半導体層で接続したことを特徴と
する静電容量型加速度センサ。
A rim portion, a thinned beam portion, an upper movable electrode, and an anisotropically etched n / p type semiconductor substrate;
A sensor substrate having a thick weight portion provided with a lower movable electrode, and adhesively fixed to the upper and lower surfaces of the sensor substrate to form a gap for the weight portion to move, and to be formed in the weight portion. An upper stopper and a lower stopper each provided with a fixed electrode for detecting a change in capacitance at a position facing the upper movable electrode and the lower movable electrode, wherein a rim portion surface of the sensor substrate and a weight portion of the weight portion are provided; the upper movable electrode, an electrostatic capacitance type acceleration sensor, characterized in that the lower movable electrode and the tapered portion surfaces are connected by n + -type semiconductor layer.
【請求項2】 p型半導体基板の上面にn型のシリコン
層をエピタキシャル成長させたn/p型半導体基板の両
面にリンまたはヒ素等を拡散してn+ 型拡散層を形成す
る工程と、前記n+ 型拡散層を形成した前記n/p型半
導体基板に第1の保護膜を被膜してから陽極酸化法を用
いた異方性エッチングを施してセンサ基板のおもり部,
リム部および梁部となる領域を形成する工程と、前記第
1の保護膜を除去した後、前記n/p型半導体基板の両
面からリンまたヒ素等の不純物拡散を行ってn+ 型拡散
層を厚く形成する工程と、前記n/p型半導体基板の両
面に第2の保護膜を被膜した後、前記おもり部を可動し
易くするために前記梁部の一部を異方性エッチングまた
はドライエッチングにより除去し溝部を形成する工程
と、前記第2の保護膜を除去して露出した前記n/p型
半導体基板の前記n+ 型拡散層上にパッドをスパッタリ
ング等により被着し、前記センサ基板を完成させる工程
と、前記センサ基板の前記おもり部が可動できる空隙を
与えるとともに、前記おもり部の上下面それぞれと対向
した位置に静電容量を検出するための固定電極を形成し
た下部ストッパおよび上部ストッパを前記センサ基板の
上下面に接着固定する工程とを含むことを特徴とする静
電容量型加速度センサの製造方法。
Forming an n + -type diffusion layer by diffusing phosphorus or arsenic on both sides of an n / p-type semiconductor substrate having an n-type silicon layer epitaxially grown on an upper surface of the p-type semiconductor substrate; A first protective film is coated on the n / p type semiconductor substrate having the n + type diffusion layer formed thereon, and then subjected to anisotropic etching using an anodic oxidation method, whereby a weight portion of the sensor substrate,
Forming a region to be a rim portion and a beam portion, and after removing the first protective film, diffusing impurities such as phosphorus or arsenic from both surfaces of the n / p type semiconductor substrate to form an n + type diffusion layer. Forming a second protective film on both surfaces of the n / p type semiconductor substrate, and then anisotropically etching or drying a part of the beam portion to facilitate movement of the weight portion. Removing a groove by etching to form a groove; and attaching a pad on the n + type diffusion layer of the n / p type semiconductor substrate exposed by removing the second protective film by sputtering or the like. A step of completing the substrate, and while providing a space in which the weight portion of the sensor substrate is movable, a lower stopper formed with a fixed electrode for detecting capacitance at a position opposed to each of the upper and lower surfaces of the weight portion, and Adhering and fixing an upper stopper to upper and lower surfaces of the sensor substrate.
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