JP3380908B2 - シリコン加速度センサの製法 - Google Patents

シリコン加速度センサの製法

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【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】この発明はシリコン加速度セ
ンサとその製法に関し、特に質量部の質量をできるだけ
大きくして感度を向上させる技術に関する。 【0002】 【従来の技術】図3に示す加速度センサはシリコン基板
1の異方性エッチングにより作製され、枠部2と、その
枠部2内に島状に形成された質量部3と、その質量部3
を枠部2に橋絡させて支持する薄肉の梁状構造部4とよ
り成る。質量部3と枠部2との間には各々を隔離する透
孔5(5a,5b)が形成され、梁状構造部4の下側に
溝5b′が形成されている。 【0003】梁状構造部4及び枠部2の上面にピエゾ抵
抗素子R(R1〜R4)が形成され、配線7により図4
に示すようなブリッジ回路が構成される。P1〜P4は
外部と接続するための端子(電極)である。例えば端子
P1〜P3間に電源電圧を印加すれば、端子P2〜P4
間に不平衡電圧が発生する。入力加速度がゼロの場合に
は、R2×R3=R1×R4で、ブリッジ回路は平衡し
ている。 【0004】図3Bの上下方向に加速度が入力される
と、質量部3に変位が生じるため梁状構造部4にたわみ
が発生し、その上面に形成されたピエゾ抵抗素子が変形
して、その抵抗値が変化するので、ブリッジのバランス
が崩れ、その時の不平衡電圧から加速度を検出できる。
この加速度センサの感度は質量部3の質量に比例するの
で、できるだけ大きくするのが望ましい。 【0005】次に図3の加速度センサの製法を図5を参
照して、工程順に説明する。 梁状構造部4の厚さを持つN型シリコン層1nと質
量部3の厚さから梁状構造部4の厚さを差し引いた厚さ
を持つP型シリコン層1pとからなるシリコン基板1の
両面を酸化させて、酸化膜9a,9bをそれぞれ形成す
る。 透孔5(5a,5b)を形成して、枠部2及び質量
部3を分離して作製するために、フォトリソグラフィ技
術を用いたエッチング処理(以下フォトリソ・エッチン
グと言う)により、酸化膜9bをパターニングして、そ
の一部をロ字形状に除去する。この場合、次の工程でP
型層1pをエッチングする際、板面より斜め方向にエッ
チングされることを考慮して、その分酸化膜9bの除去
する幅Wa′,Wb′を大きくする必要がある。従っ
て、それに適合するようにマスクを設計しなければなら
ない。 【0006】 前の工程でパターニングされた酸化膜
9bをマスクに利用して、水酸化カリウム溶液等を用い
た異方性のウエットエッチングによりP型層1pをエッ
チングし、N型層1nに達する少し前で止める。 前の工程で残したP型層1pを、水酸化カリウム溶
液等を用いた電解エッチングによりN型層1nとの境界
面までエッチングして全て除去する。ここで電解エッチ
ングを用いるのは、N型層1nとの境界面でエッチング
をストップできるからである。この工程により透孔5a
を形成するために必要な溝5a′と、透孔5bを形成す
るために必要な溝であると共に梁状構造部4の下の溝で
もある溝5b´を同時に形成する。 【0007】シリコンを水酸化カリウム溶液等でエッチ
ングする場合、P型でも、N型でも、ある大きさの正の
電圧(パッシベーション電圧)以上の電圧を印加する
と、エッチング中のシリコン表面に酸化膜が形成される
(陽極酸化と言う)ため、エッチングが停止する。そこ
でN型層1nにパッシベーション電圧またはそれ以上の
電圧を印加し、P型層1pにパッシベーション電圧より
小さい電圧を印加して(PN接合面には逆電圧が印加さ
れるので電流は流れない)、P型層1pを電解エッチン
グする。N型層1nが露出するとその表面が陽極酸化さ
れて、酸化膜が形成され、エッチングが停止する。 【0008】 N型層1nの酸化膜9aの下側にピエ
ゾ抵抗素子R(R1〜R4の総称)を作製し、更にピエ
ゾ抵抗素子Rと接続される配線7、端子P(P1〜P4
の総称)を酸化膜9a上に作製する。 透孔5(5a,5bの総称)を形成するために、酸
化膜9aをフォトリソ・エッチングによりパターニング
して、一部を除去する。 【0009】 酸化膜9aのパターニングに対応する
ように、N型層1nをエッチングして透孔5(5a,5
b)を作製する。これにより枠部2、質量部3及び梁状
構造部4を有する加速度センサが作製される。 【0010】 【発明が解決しようとする課題】 (1)図5ので実施するP型層の異方性のウエットエ
ッチングでは、結晶面ごとにエッチングレートに差があ
るため、板面に対して斜めにエッチングされる。そのこ
とを考慮してマスクに利用する酸化膜9bの穴の幅W
a′,Wb′を大きくしなければならない。板面に直角
にエッチングできたと仮定した理想的な場合には前記幅
はWa,Wbと狭くてよい。従って質量部3の体積、質
量共大きくなる。しかし、従来の技術では斜めにエッチ
ングされるので、その分体積、質量が減少し、質量部の
質量と比例関係にある加速度センサの感度が低下する欠
点があった。 【0011】(2)もしP型層が図6B、Cに示すよう
に板面と直角にエッチングできるのであれば、酸化膜9
bをエッチングする際に用いるマスク15には、図6A
に示すように透明部15bの左右の幅を図5の溝5
a′,5b′の底の幅Wa,Wbに等しくすればよい。
マスク15の周縁部15a及び中央部15cは枠部2及
び質量部3の表面(または裏面)と同じ形状でよい。 【0012】しかし、従来の技術では、P型層1pは斜
めにエッチングされるので、もし図6Aと同じマスク1
5を用いれば、図7B,Cに示すようにエッチングさ
れ、溝5a′,5b′がV形となり、加速度センサの透
孔5a,5bや梁状構造部4をうまく形成できなくな
る。そのためマスク15は、図8Aに示すように斜め方
向のエッチングを考慮して、始めから透明部15bの左
右の幅をWa′,Wb′に拡げておく必要がある。 【0013】このように従来のエッチング方法では、エ
ッチングに使用するマスクのパターン15a,15cと
枠部2、質量部3の寸法が異なるため、マスクのパター
ン設計が複雑となり、設計工数が大きくなる問題があっ
た。この発明の目的は、質量部3の側面における斜め方
向のエッチングによる質量の減少を防止すると共に、エ
ッチングに使用するマスクのパターン設計を容易にしよ
うとするものである。 【0014】 【課題を解決するための手段】(1)請求項1の発明
は、シリコン基板に形成された質量部とその質量部を取
り囲む枠部とが梁状構造部により接続され、梁状構造部
の一部の領域に設けたピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に
よって入力加速度を検出するシリコン加速度センサの製
に関する。特に、質量部の側面が板面と直角に形成さ
れる。 【0015】(2)そして、前記(1)において、シリ
コン基板は、梁状構造部の厚さを持つN型層と、そのN
型層の下に形成され、質量部の厚さから梁状構造部の厚
さを差し引いた厚さを持つP型層より成る。 (3)状構造部の厚さを持つN型層と、質量部の厚さ
から梁状構造部の厚さを差し引いた厚さを持つP型層と
より成るシリコン基板の両面を酸化させて、酸化膜を形
成する工程と、P型層の表面の酸化膜をパターニングす
る工程と、P型層の表面の酸化膜をマスクとして、P型
層を異方性のドライエッチングにより、N型層に達する
少し前まで板面と直角にエッチングする工程と、前記の
エッチング工程で残されたP型層を電解エッチングによ
りN型層に達するまでエッチングする工程と、N型層の
表面の酸化膜の下側に、ピエゾ抵抗素子を形成し、その
ピエゾ抵抗素子と接続される配線を酸化膜上に形成する
工程と、N型層の表面の酸化膜をP型層の表面の酸化膜
のパターニングに対応するようにパターニングする工程
と、N型層の表面の酸化膜のパターニングに対応するよ
うにN型層をエッチングして、枠部と質量部を隔離する
透孔を形成すると共に、枠部と質量部を橋絡する梁状構
造部を形成する工程とより成る。 【0016】 【発明の実施の形態】この発明の実施例を図1、図2
に、図3、図5と対応する部分に同じ符号を付けて示
し、その製造工程を順に説明する。 N型層1n及びP型層1pより成るシリコン基板1
の両面を酸化させて、後の工程でマスクとして使用する
酸化膜9a,9bを作製する。 【0017】 酸化膜9bをパターニングする。この
発明では次の工程で行うP型層1pは板面と直角にエッ
チングするので、酸化膜9bのエッチングにより除去す
る部分の幅Wa,Wbを従来のように斜め方向のエッチ
ングを考慮して拡げておく必要はない。 酸化膜9bをマスクとしてP型層1pを異方性のド
ライエッチングにより板面と直角にエッチングし、N型
層1nに達する少し前で止める。 【0018】 前の工程で残したP型層1pを電解エ
ッチングにより除去する。 N型層1nの上面にブリッジ回路を構成するための
ピエゾ抵抗素子R(R1〜R4)、配線7、端子P(P
1〜P4)を作製する。 酸化膜9aを酸化膜9bのパターニングと対応する
ようにパターニングして(しかし梁状構造部4と対応す
る部分は残す)、次の工程で用いるマスクパターンを作
製する。 【0019】 酸化膜9aのパターニングに対応する
ように、N型層1nをエッチングして透孔5a,5bを
作製する。これにより枠部2、質量部3及び梁状構造部
4を有する加速度センサが作製される。ここで、N型層
1nのエッチングには酸化膜9a自体をマスクとして使
うことができる。また、酸化膜9aと同一のパターニン
グを施したマスク層を酸化膜9a上に形成し、このマス
ク層をマスクとして用いることもできる。マスク層とし
てはフォトレジストあるいはクロム等の金属を使用でき
る。 【0020】上述の製造工程において、従来例と大きく
異なる点は、において従来は異方性のウエットエッチ
ングによりP型層1pを斜めにエッチングしていたのに
対して、異方性のドライエッチングを採用して板面と直
角にエッチングするようにした点である。これにより、
質量部3の斜めのエッチングによる質量の減少を防止で
きる。 【0021】 【発明の効果】 (1) 以上述べたように、この発明では工程において、
異方性のドライエッチングによるP型層1pを板面と直
角にエッチングするようにしたので、質量部3の斜めの
エッチングによる質量の減少が防止され、それだけセン
サの検出感度を向上できる。 【0022】(2) この発明では、の工程でP型層1p
を板面と直角にエッチングするので、の工程で、酸化
膜9bのパターニングに用いるマスクのパターン設計で
は、マスクの周縁部及び中央部の寸法をセンサの枠部2
及び質量部3の形状と同じにすればよいので、設計が簡
単となり設計工数を縮減できる。
【図面の簡単な説明】 【図1】この発明の製造工程を示す原理的な断面図。 【図2】この発明の製法により製造されたシリコン加速
度センサを示す図で、Aは平面図、BはAのa−a′断
面図。 【図3】従来のシリコン加速度センサを示す図で、Aは
平面図、BはAのa−a′断面図。 【図4】図3Aにおいてピエゾ抵抗素子により形成され
るブリッジ回路の回路図。 【図5】図3のシリコン加速度センサの製造工程を示す
断面図。 【図6】図5の工程においてP型層1pが板面と直角
にエッチングできたと仮定したときの図で、Aは工程
で酸化膜9bのパターニングに使用するマスクの原理的
な平面図、Bは工程のエッチング終了後のシリコン基
板1のAに対応する平面図、CはBのb−b′断面図。 【図7】Aは図6Aと同一寸法のマスクの平面図、Bは
図5の工程3において、図6Aと同じマスク15を用い
て、異方性のウエットエッチングによりP型層をエッチ
ングした場合のシリコン基板の平面図、CはBのb−
b′断面図。 【図8】Aは図5の工程において酸化膜9bのパター
ニングに使用するマスクの原理的な平面図、Bは工程
のエッチング終了後のシリコン基板1のAに対応する平
面図、CはBのb−b′断面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 15/12 H01L 29/84

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 梁状構造部の厚さを持つN型層と、質量
    部の厚さから前記梁状構造部の厚さを差し引いた厚さを
    持つP型層とより成るシリコン基板の両面を酸化させ
    て、酸化膜を形成する工程と、 前記P型層の表面の酸化膜をパターニングする工程と、 前記P型層の表面の酸化膜をマスクとして、前記P型層
    を異方性のドライエッチングにより、前記N型層に達す
    る少し前まで板面と直角にエッチングする工程と、 前記のエッチング工程で残されたP型層を電解エッチン
    グにより前記N型層に達するまでエッチングする工程
    と、 前記N型層の表面の酸化膜の下側に、ピエゾ抵抗素子を
    形成し、そのピエゾ抵抗素子と接続される配線を前記酸
    化膜上に形成する工程と、 前記N型層の表面の酸化膜を前記P型層の表面の酸化膜
    のパターニングに対応するようにパターニングする工程
    と、 前記N型層の表面の酸化膜のパターニングに対応するよ
    うにN型層をエッチングして、枠部と質量部を隔離する
    透孔を形成すると共に、前記枠部と質量部を橋絡する前
    記梁状構造部を形成する工程と、 より成ることを特徴とするシリコン加速度センサの製
    法。
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