JP3385688B2 - 半導体ヨーレートセンサおよびその製造方法 - Google Patents

半導体ヨーレートセンサおよびその製造方法

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    • Y10S73/00—Measuring and testing
    • Y10S73/01—Vibration

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、例えば自動車の車体
制御やナヴイゲーション等において使用されるトランジ
スタ型の半導体ヨーレートセンサおよびその製造方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば自動車の車体に作用するヨーレー
ト等を検出するヨーレートセンサとしては、例えば特開
平２−２２３８１７号公報に示されるような振動ジャイ
ロが知られている。この振動ジャイロは、金属製の角棒
の特定される面に対して圧電素子を接着して振動体を構
成し、これを細い棒によって支持するように構成してい
る。また、特開平４−１４２４２０号公報に示された角
速度センサは、金属製の音叉に対して圧電素子を接着し
て構成されている。すなわち、これらのヨーレート等の
加速度を検出する装置は、いずれも圧電素子で本体に振
動を与え、測定対象であるヨーレートによって発生され
たコリオリの力で生じた歪みを、圧電素子で検出される
電圧の変化によって検出しようとしている。
【０００３】この様に構成されるセンサ機構における検
出感度等の性能は、振動体の支持方法や加工精度によっ
て左右されるようになり、したがって高性能のセンサ機
構を作成するためには、その加工組み立て上の困難度が
高く、必然的に高価となる問題点を有する。また、セン
サ機構の小型化に対しても、加工組み立ての制約上から
容易ではない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な点に鑑みなされたもので、容易に且つ安価に構成する
ことができるようにすると共に、作用する加速度が高精
度に検出することができて、例えば自動車等に搭載して
車体制御用やナヴィゲーション等に効果的に利用できる
ようにしたヨーレートセンサおよびその製造方法を提供
しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体ヨ
ーレートセンサは、半導体基板と、この半導体基板の上
方に位置して半導体基板面から所定の間隔を隔てて配置
され、梁構造体によって変位自在に支持された可動電極
と、半導体基板の上方に位置して半導体基板面から所定
の間隔を隔て且つ可動電極にギャップを介して配置さ
れ、可動電極を静電気を利用して振動させる励振用固定
電極と、半導体基板の表面部に、可動電極に対向する位
置に不純物拡散領域によって形成されたソースおよびド
レイン電極とを備える。
【０００６】そして、可動電極の本体部は、少なくとも
１つの直線状の縁を有するように構成され、ソースおよ
びドレイン電極は、それぞれその一方の端部が可動電極
の縁部かかるように細片状に並べて形成され、可動電極
さらにソースおよびドレイン電極によってトランジスタ
が構成され、励振用固定電極により所定の周期をもって
可動電極を励振する際に伴う可動電極の変位によってソ
ースおよびドレイン電極間に電流変化が生ずるように構
成され、この電流変化によってヨーレートが検出される
ようにしたものである。
【０００７】また、この発明に係る半導体ヨーレートセ
ンサの製造方法は、半導体基板の表面上に犠牲層を形成
する第１の工程と、犠牲層上に複数の振動支持用の梁と
少なくとも１つの直線状の縁とを有する可動電極、およ
びこの可動電極に対する励振用固定電極を形成する第２
の工程と、可動電極に自己整合的に半導体基板に不純物
を導入し拡散により、一方の端部が可動電極の縁部にか
かるように細片状に並べて形成され、可動電極との重な
りに対応するゲート幅を設定するソースおよびドレイン
電極を形成する第３の工程と、可動電極の変位に伴うソ
ース電極とドレイン電極との間の電流変化が検出できる
ように、半導体基板と可動電極との間の犠牲層をエッチ
ング除去する第４の工程とを備え、可動電極が励振用固
定電極からの静電気力によって振動され、ヨーレートに
よって生ずるコリオリ力で変位されるようにしたもので
ある。
【０００８】
【作用】この様に構成されるヨーレートセンサは、励振
用固定電極によって可動電極を振動させるもので、この
振動している可動電極に対してヨーレートによる加速度
が作用すると、コリオリの力によって可動電極が変位さ
れる。この可動電極が変位すると、この可動電極がゲー
ト電極として作用するようになるトランジスタを構成す
るソース電極とドレイン電極との間に流れる電流が変化
し、結果としてこの電流変化によってヨーレートが検出
される。
【０００９】ここで、励振用固定電極と励振電極をコン
デンサのギャップが変化するような平行平板に構成した
場合に作用する力Ｆ1 は次のように表現される。 Ｆ1 ＝１／２・ε・ｗ・ｈ／ｇ2 ・Ｖ2 ……(1) ただし ε：空気の誘電率 ｗ：固定電極と励振電極の対向長さ ｈ：固定電極と励振電極の対向する厚さ ｇ：固定電極と励振電極の距離（ギャップ） Ｖ：固定電極と励振電極間の印加電圧 前記(1) 式からわかるように可動電極の変位に伴い励振
電極が変位した場合にはギャップｇが変化するため、力
Ｆ1 も変化する。例えばギャップｇが４μｍから２μｍ
に変化した場合、力Ｆ1 は４倍となる。したがって、安
定した振動を得るためには振動中のギャップｇと印加電
圧Ｖの双方を制御する必要があって容易ではない。これ
に対して、励振用固定電極と励振電極とを櫛の歯状にし
て組み合わせた場合には、励振電極の細片状の櫛の歯を
引き込むように静電気力が作用する。このため、ギャッ
プｇは変化せずに対向部の長さｗが変化するようにな
り、静電気力Ｆ2 は次のように表現されるようになる。
【００１０】 Ｆ2 ＝１／２・ε・ｈ／ｇ・Ｖ2 ……(2) この(2) 式から理解されるように、励振電極の櫛の歯が
固定電極に引き込まれても、静電気力Ｆ2 は常に一定で
あり、印加電圧Ｖを変化させるだけで安定して振動を可
動電極に作用させることが可能とされる。
【００１１】また、この様に構成されるヨーレートセン
サの製造方法によれば、コリオリ力による可動電極の垂
直方向または水平方向の変位量を例えば０．０５μｍと
仮定し、犠牲層の厚さを例えば０．５μｍとすれば、垂
直方向の変化率は１０％となる。水平方向に対しても同
様の変化率を得ようとすると、可動電極とソースおよび
ドレイン電極の重なりを０．５μｍとしなければならな
い。しかし、現在の製造プロセスにおいて、０．５μｍ
の重なりを精度よく実現することは非常に困難であり、
水平方向の変位量の検出精度を上げることが困難とな
る。この点、不純物拡散によってゲート幅が形成される
ようにすることによって、製造プロセスにおけるアニー
ル温度や時間の設定によって、微小なゲート幅を容易に
制御することができる。
【００１２】すなわち、ヨーレートを電流変化によって
検出されるようにすることにより、ヨーレートセンサを
超小型に構成することが可能とされるものであり、例え
ば電流値を１０μＡとすれば、これに必要なトランジス
タの大きさは１０×１０μｍ以下である。さらにＩＣ技
術を応用した表面マイクロマシニング技術によって、
梁、重り、励振用固定電極、可動電極、さらにソースお
よびドレイン電極のそれぞれ寸法および位置精度は、従
来の角棒や音叉型に比べて格段に向上されるものであ
り、小型化して且つ安価にして高性能なヨーレートセン
サが得られるようになる。
【００１３】
【実施例】以下、この発明の前提となる技術の参考例の
図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。図１は
ヨーレートセンサの平面的な構成の参考例を示すもの
で、この参考例においてはＰ型のシリコン基板によって
半導体基板11が構成される。この半導体基板11上には、
例えば４個所のアンカー部121〜124が形成され、このア
ンカー部121〜124にそれぞれ一端が支持される梁131〜1
34によって重り14が支持される。
【００１４】この重り14には、例えば対向する一対の辺
部分から側方に突設されるようにして、トランジスタの
ゲート電極を構成するようになる細片状の可動電極151
および152 が一体的に形成されるもので、重り14はこの
可動電極151 および152 の本体機構として構成されて、
ヨーレートによる変位量を稼ぐために設定される。さら
に重り14には、可動電極151 および152 のそれぞれ両側
に位置して、それぞれ一対の細片を櫛の歯状に平行に設
定した励振電極161 〜164 が突設形成されるもので、こ
の励振電極161 〜164 は重り14および可動電極151 およ
び152 に振動を与える作用をする。
【００１５】これらアンカー部121〜124、梁131〜134、
重り14、可動電極151と152、さらに励振電極161〜164
は、例えばポリシリコンやタングステン等の耐熱性金属
によって一体的に構成されている。この参考例において
は、代表的な材料としてポリシリコンが使用される。
【００１６】重り14とこれと一体的に構成される可動電
極151 および152 と励振電極161 〜164 は、半導体基板
11の主表面上に所定の間隔を隔てて配置され、梁131 〜
134を介してアンカー部121 〜124 によって保持され
る。
【００１７】細片状の可動電極151 および152 それぞれ
に対応するＰ型シリコンでなる半導体基板11の主表面部
には、イオン注入等の手段によってＮ型不純物を導入す
ることによって形成された拡散層からなるソース電極17
1 および172 と、ドレイン電極181 および182 が形成さ
れ、可動電極151 および152 がそれぞれゲート電極とし
て作用するトランジスタが構成されるようにしている。
【００１８】励振電極161 〜164 にそれぞれ対応して励
振用固定電極191 〜194 が配置される。この励振用固定
電極191 〜194 は、それぞれ半導体基板11の主面上の励
振電極161 〜164 と同じ高さ位置に固定的に設定される
もので、それぞれ櫛の歯状にした３本の細片を有し、中
央の１本の細片が励振用電極161 〜164 をそれぞれ構成
する一対の細片の中央位置に設定され、他の２本の細片
が上記一対の細片の外側にそれぞれ位置するように設定
され、互いに櫛の歯を組み合わせるように設定されて、
その各櫛の歯の相互間に所定のギャップが形成されるよ
うにする。
【００１９】これらの励振用固定電極191 〜194 のそれ
ぞれには、アルミニウム配線を介して図示しない励振用
電源に接続され、所定の周波数の電圧信号が供給される
もので、静電気力によって励振電極161 〜164 を振動さ
せて、重り14および可動電極151 〜154 を振動させる。
この場合、可動電極151 および152 と励振電極161 〜16
4 が一体的に設けられる重り14が、アルミニウム配線を
介して外部回路に接続され、さらにソース電極171 と17
2 およびドレイン電極181 と182 もアルミニウム配線を
介して外部の図示しない電流検出回路に接続される。
【００２０】図２の（Ａ）は、図１のａ−ａ線に対応す
る部分の断面構造を示すもので、半導体基板11はＰ型シ
リコンによって構成され、その主表面部にＮ型不純物に
よる拡散層によるソース電極172 とドレイン電極182 が
形成されるもので、ゲート用の可動電極152 によってソ
ース電極172 とドレイン電極182 との間に反転層21が形
成されるようになる。22は半導体基板11上に形成された
層間絶縁膜からなる絶縁膜であり、231 および232 はそ
れぞれソース電極172 およびドレイン電極182に接続さ
れたアルミニウム配線である。可動電極152 と半導体基
板11との間には、絶縁膜22の厚さに対応するエアギャッ
プ24が設定され、このゲート用とされる可動電極152 が
基板11に対して垂直方向および紙面に対して垂直方向に
対して変位可能とされている。
【００２１】図２の（Ｂ）は図１のｂ−ｂ線に対応する
断面構成を示すもので、半導体基板11の上に形成された
絶縁膜22で支えられるようにして、例えばポリシリコン
で構成した重り14が設定されるもので、この重り14はア
ンカー部121 と122 との間に梁131 と132 を介して保持
されている。ここで、絶縁膜22はエアギャップ24を設定
するためのもので、ＳｉＯ2 あるいはＳｉ3 Ｎ4 等によ
って構成される。
【００２２】この絶縁膜22は、重り14や梁131 〜134 と
共にこの図では示されない可動電極151 および152 と半
導体基板11との間隔を設定する犠牲層で構成されるもの
で、アンカー部121 〜124 に対応する部分を除いてエッ
チング除去されてエアギャップ24が形成される。このエ
ッチングに際しては、重り14、梁131 〜134 、可動電極
151 および152 、さらにアンカー部121 〜124 を構成す
る材料であるポリシリコンと基板11がエッチングされ
ず、犠牲層である絶縁膜22のみがエッチングされるエッ
チング液が使用される。図２の（Ｃ）は図１のｃ−ｃ線
に対応する断面構造で、重り14と半導体基板11の表面と
の間にギャップ24が設定されている。
【００２３】次に、この様に構成されるヨーレートセン
サの製造方法について、図３および図４により説明す
る。これらの図においては、図２の（Ａ）に示した部分
を代表する状態で示している。また、右半分にはセンサ
処理回路としてＭＯＳＦＥＴを想定し、その製造プロセ
スを併せて示す。
【００２４】まず、図３の（Ａ）で示すようにＰ型シリ
コンからなる半導体基板11の表面上に、センサ作製部に
対応して犠牲層とされる絶縁膜22を形成する。この絶縁
膜22は、まず基板11の主表面の全体に形成した後、トラ
ンジスタ作製部上の絶縁膜を除去するようにして形成し
てもよい。そして、（Ｂ）図で示すようにこのトランジ
スタ作製部に対応する半導体基板11の主表面上に、ゲー
ト酸化によってゲート絶縁膜25を形成する。
【００２５】次に、（Ｃ）図で示すようにこの絶縁膜22
および25上にポリシリコンによる膜が成膜され、フォト
リソ工程を経て可動電極15さらにトランジスタのゲート
26が加工される。同時に、この図では示されないがアン
カー部121 〜124 、梁131 〜134 、重り14等が加工され
る。そして（Ｄ）図で示すようにフォトリソ工程によっ
てレジスト28が形成され、絶縁膜22に開口271 および27
2 を形成するもので、可動電極15に対して自己整合的に
窓開けする。
【００２６】また、トランジスタ作成部においてレジス
ト28によって開口291 および292 が自己整合的に窓開け
される。この様に窓開けされたならば、（Ｅ）図で示す
ように半導体基板11にイオン注入等の手段によって不純
物が導入され、Ｎ型拡散層からなる可動電極15に対応す
るソース電極17およびドレイン電極18が形成され、さら
にトランジスタ部のソース電極30およびドレイン電極31
が形成される。
【００２７】次に図４の（Ａ）で示すように可動電極15
やトランジスタ部のゲート26とアルミニウム配線を電気
的に絶縁するために、全面に層間絶縁膜32が成膜され
る。そして、（Ｂ）図で示すように層間絶縁膜32に対し
て、ソース電極17およびドレイン電極18、さらにソース
電極30およびドレイン電極31の部分に対応してコンタク
トホール331 〜334 を開口し、（Ｃ）図で示すように各
コンタクトホール331 〜334 にそれぞれ対応して電極材
料であるアルミニウムが成膜されて、アルミニウム配線
341 〜344 が形成される。
【００２８】そして、（Ｄ）図で示すように可動電極15
の下部の絶縁膜22が犠牲層とされてエッチングされ、こ
の可動電極15の下部にエアギャップ24が形成されるよう
になり、ヨーレートセンサが完成される。
【００２９】この様に構成されるヨーレートセンサの作
動について説明すると、ゲート用の可動電極151 および
152 に対して半導体基板11との間に電圧を印加すると、
ソース電極171 および172 とドレイン電極181 および18
2 との間にそれぞれ反転層21が形成され、その相互間に
電流が流れる。また励振用固定電極191 〜194 と励振電
極161 〜164 との間に、ある周波数の励振用電圧を印加
すると、静電気力によって励振電極161 〜164 に水平方
向の振動が発生し、重り14と共に可動電極151〜154 も
振動される。ヨーレートによって発生するコリオリ力
は、この振動の速度に比例するものであり、振動速度を
大きくとるために周波数は振幅の大きくなる共振点に選
ぶことが好ましい。
【００３０】この様にして励振され振動している重り14
およびゲートとされる可動電極151および152 に対し
て、半導体基板11と水平で且つ振動に垂直な軸を持った
ヨーレートが発生すると、振動速度並びに振動体質量に
比例した基板11方向に垂直なコリオリ力が発生し、重り
14および可動電極151 および152 が基板11と垂直方向に
変位する。そして、ゲート用の可動電極151 および152
が基板11と垂直方向に変位することにより、電界強度が
変化してソース電極171 および172 それぞれとドレイン
電極181 および182 間の電流が変わり、この電流変化に
よってヨーレートが検出できるようになる。
【００３１】すなわち、図２の（Ａ）で矢印で示すｚ方
向にゲート用の可動電極151 および152 が変位したと
き、反転層21のキャリア濃度が減少して電流が減少す
る。可動電極151 および152 が反対方向に変位した場合
には、反転層21のキャリア濃度が増大してソース・ドレ
イン間の電流が増大する。また、可動電極151 および15
2の垂直方向の変位によって、この部分のトランジスタ
の容量が変化してしきい値電圧が変わり、ソース・ドレ
イン間の電流がさらに変化して一種の電気的増幅が起
き、高感度の検出能力が設定されることになる。したが
ってこの様に構成されるヨーレートセンサにあっては、
電流量の増減によってヨーレートが検出されるようにな
り、同時に増幅機能をも持つようになって、性能並びに
機能が向上される。
【００３２】このヨーレートセンサにおいて、梁131 〜
134 を構成する材料として、シリコン基板11上に成膜し
た薄膜、例えば高濃度に不純物をドープしたポリシリコ
ンあるいは耐熱性の金属のような材料が使用される。こ
のため、梁131 〜134 の厚さのばらつきを充分に低減さ
せることが可能とされる。一般的に、片持ちの梁や両持
ちの梁に対して１点荷重が加わった場合、その変位は梁
の厚さの３乗と幅の１乗に反比例する。このため、梁の
幅の加工に比較して厚さの加工に非常に精度が要求され
る。
【００３３】ここで、ノイズとなる加速度の作用による
電流変化を打ち消すためには、可動電極151 および152
が基板11の面に対して垂直に円（楕円）を描くように可
動するもので、このため例えば振動の周期に合わせて可
動電極151 および152 が最も基板11に近付くときと最も
離れるときとを常に検出し、その差動を取るようにすれ
ば、加速度による電流変化分を打ち消すことができる。
【００３４】上記に示した製造方法においては、梁131
〜134の厚さを薄膜の堆積膜厚によって制御できるよう
にしているものであり、従来から知られているバルクの
機械的な加工に比較して膜厚の制御性が著しく良好であ
る。したがって、ヨーレートによりコリオリ力が発生し
た際の可動部分の変位量の制御性が著しく向上される。
【００３５】また、この梁131 〜134 を形成するため
に、半導体基板11上に予め犠牲層を形成した後に梁形状
のポリシリコン層を形成し、犠牲層をエッチング除去す
ることによって基板11の面上に所定の間隔が設定された
梁131 〜134 が形成されるようにした。ここで、犠牲層
とは最終的に除去消失させることを目的として予め形成
される薄膜のことである。トランジスタの反転層のキャ
リア濃度は、基板11とゲート電極（可動電極）との距離
に反比例するものであり、同様にこの距離に対して電流
も反比例する。
【００３６】上記における製造方法にあっては、ゲート
である可動電極151および152と半導体基板11との距離は
犠牲層の厚さによって制御されるものであり、この場合
犠牲層の膜厚の制御性が良好なものであるため、ソース
電極とドレイン電極間の電流値の制御性も著しく向上さ
れる。
【００３７】さらにこのヨーレートセンサにあっては、
ゲート用可動電極151 および152 に対し、垂直方向に相
対する半導体基板11にソースおよびドレイン電極を設
け、可動電極151 および152 の変位によってソース・ド
レイン間の電流を変化させるトランジスタ構造を採用し
ている。したがって、ソース・ドレイン間の電流変化か
ら可動電極151 および152 の変位を検出してヨーレート
を測定している。トランジスタにおいては、通常ゲート
電圧を変化させることによりドレイン電流を変化させて
いるが、ゲートと基板間のギャップが変化することでも
反転層のキャリア濃度が変化してドレイン電流が変化す
るもので、ヨーレートにより発生したコリオリ力を受け
たゲート用可動電極151 および152 の変位を、ソース電
極171 および172 それぞれとドレイン電極181 および18
2 間の電流量により検出できる。
【００３８】また、トランジスタにおいてドレイン電流
を決定する要因としては、ゲート・基板間の電界強度の
他に、しきい値電圧がある。しきい値電圧はゲート・基
板間の静電容量の関数であり、容量が大きくなると（ゲ
ート・基板間の距離が短くなる）しきい値電圧が小さく
なる。またしきい値電圧が小さくなると、ゲート・基板
間の電界強度が等しい場合でもドレイン電流が増加す
る。したがって、ヨーレートによってゲート可動電極が
半導体基板11に対して垂直方向のに変位した際にはしき
い値電圧が変化し、このためドレイン電流もヨーレート
に対応して変化する。
【００３９】ここで、ゲート用の可動電極151 および15
2 が基板11の方向に変位した場合には、容量増加によっ
てしきい値電圧が小さくなり、ドレイン電流が増加す
る。さらにゲート・基板間の電界強度が大きくなるため
にドレイン電流が増加する。したがって、ゲート用可動
電極151 および152 の変位率以上にドレイン電流変化が
起こる。
【００４０】例えば、ゲートと基板11間の距離を０．５
μｍ、ゲート長を２μｍ、ソース・ドレイン間電圧を５
Ｖ、基板キャリア濃度を２×１０15ｃｍ-3、ゲート・基
板間の比誘電率を１（空気を想定）、ゲート電圧を１０
Ｖとして、ゲートの変位とドレイン電流値の変化を予測
すると、ゲートが基板側に０．００５μｍ変位、すなわ
ち１％の変位率においてはドレイン電流変化率は４．８
７％となり、４．８７倍の増幅が生じたことになる。
【００４１】この様にゲート用可動電極151 および152
の変位により電界強度としきい値電圧が変化するため
に、ゲートの変位が小さい場合においてもドレイン電流
変化率は大きく取れる。
【００４２】さらにこのヨーレートセンサを製造するに
際して、ソースおよびドレイン電極171 、172 と181 、
182 が、ゲート用の可動電極151 および152 の形状を形
成した後に、自己整合的に形成される拡散層によって構
成されるようにした。すなわち、半導体基板上に犠牲層
を形成してゲート用可動電極151 および152 の形状を形
成した後、ソースおよびドレイン電極を形成する部分に
窓を開け、その後この窓を介して半導体基板11の所定部
分にイオンで不純物を導入することで、ソース電極171
および172 、さらにドレイン電極181 および182 を構成
する拡散層が形成される。
【００４３】したがって、ゲート用可動電極151 および
152 を、常にソース電極171 および172 とドレイン電極
181 および182 との間の中央部に確実に形成できるよう
になり、製作プロセスにおける位置合わせ作業を単純化
できる。また、これらの製造方法においてはすべてＩＣ
作製プロセスそのもの、およびその流用で対応でき、Ｉ
Ｃ作製プロセスの中でセンサ構造体が作製できるもの
で、他の回路要素との一体化が容易に可能とされる。
【００４４】上記に説明したヨーレートセンサにおいて
は、ヨーレート検出部を両持ちの梁構造によって構成し
たが、これはもちろん片持ちの梁構造でも実現すること
ができ、さらに梁の数も特に４本である必要はない。ま
たトランジスタ並びに励振電極を振動方向の両側に設け
るようにしたがこれはもちろん片側でもよい。また、励
振用固定電極の櫛の歯の本数を固定側３本、可動側を２
本として示したが、それ以外の本数の組み合わせで構成
してもよい。さらに基板としてＰ型半導体を用いて説明
したが、これはＮ型半導体で構成することもできるもの
で、このＮ型の場合の拡散電極はＰ型で構成される。さ
らに重り14は４角形である必要はなく、例えば三角形で
構成することもできる。
【００４５】図５は第１の実施例の平面構造を示すもの
で、図１に示した参考例においてはヨーレートによって
生じたコリオリ力によって、可動電極151および152が半
導体基板11に対して垂直方向に変位した状態を検出する
ようにしている。これに対して、この実施例においては
アンカー部121〜124によりそれぞれ梁131〜134で支えら
れている４角形平板状の重り14自体の水平方向の変位を
検出するようにしている。すなわち、半導体基板11の主
表面上にそれぞれ一部分が重り14の下部に重なるように
して、細片状の拡散部によるソース電極17およびドレイ
ン電極18を平行に並べて形成する。ここで、この重り14
を支える梁131〜134は、図で示すｘおよびｙの方向にそ
れぞれ変位されるように、ｘおよびｙの方向に延びる２
つの片によってそれぞれ構成されるようにしている。
【００４６】この実施例にあっては、ソース電極17およ
びドレイン電極18に対するゲート幅の変化によってヨー
レートによる変位量を検出するようにしているもので、
微小なゲート幅の変化が検出されるようにゲート幅の小
さなトランジスタを形成し、電流変化率を減少させない
ようにしている。
【００４７】重り14にｘ方向の振動を与え、これに基板
11の垂直方向を軸としたヨーレートが生ずると、重り14
にｙ方向のコリオリ力が生じて変位が起きる。このとき
可動電極となる重り14とソース電極17およびドレイン電
極18との重なり、すなわちトランジスタでいうゲート幅
が変わるため電流変化が起き、この電流変化によりヨー
レートが検出できる。
【００４８】図６はこの実施例における特にトランジス
タ部を構成するソース電極17部分の製造工程を示してい
るもので、ドレイン電極18部分も同様に作成できるので
省略する。すなわち、まず（Ａ）図で示すように半導体
基板11の上に犠牲層41およびポリシリコン層を形成し、
このポリシリコン層を加工してゲート用可動電極とされ
る重り14を形成する。そして、フォトリソ工程によって
トランジスタのソースとされる部分に開口42を形成す
る。
【００４９】次に、（Ｂ）図で示すように開口42の部分
に対応する半導体基板11の主面上にイオン注入等の手段
によって不純物を導入し拡散層43が形成されるようにす
る。この拡散層43はソース電極とされるもので、ソース
電極17はゲート用可動電極とされる重り14に対して自己
整合的に形成される。この様な状況では、可動電極とさ
れる重り14と拡散層43とは対向して形成されていないも
のであり、したがってトランジスタのゲート幅は“０”
の状態である。
【００５０】このため、（Ｃ）図で示すようにアニール
によって導入された不純物の活性化を行うもので、この
活性化に伴う拡散によって拡散層43と可動電極とされる
重り14とにゲート幅に相当する重なり44が形成され、ソ
ース電極17として機能されるようになってトランジスタ
構造が得られる。この様な状態で（Ｄ）図で示すように
犠牲層41をエッチングによって除去すると、ゲート用可
動電極とされる重り14が変位可能とされ、コリオリ力に
よってこの重り14が矢印で示すように変位すると、トラ
ンジスタのゲート幅（重なり44）が変化し、重り14の変
位量に対応した電流変化がソース・ドレイン電極間に生
ずる。すなわち、拡散層43における拡散距離によってゲ
ート幅が設定されるようになり、したがって微小ゲート
幅のトランジスタが再現性良好に容易に実現される。
【００５１】ゲート幅の変化による電流検出によって、
常にヨーレート（コリオリ力）の大きさに対応してリニ
アな電流値が検出される。第１の実施例においてはゲー
ト用可動電極151 、152 と半導体基板11との距離変化に
よってヨーレートを検出しているので、変化率が大きく
なるとヨーレートの大きさと電流変化がリニアな関係か
ら外れることがある。これは、電流項がエアギャップ24
に反比例するためである。しかし、この第２の実施例に
よればゲート用可動電極とされる重り14とソース電極17
およびドレイン電極18との重なりが増加すればそれだけ
比例してソース・ドレイン間の電流が増加し、逆に重な
りが減少すればそれだけソース・ドレイン間電流が減少
するようになって、ヨーレートの大きさが正確にソース
・ドレイン間電流に反映される。
【００５２】また、ゲート用電極である重り14に対して
自己整合的に不純物を導入し、これを拡散することによ
りソース電極17およびドレイン電極18が形成されるよう
にすると共に、拡散によって重り14との重なりに対応す
るゲート幅が設定されるものであるため、製造プロセス
において位置合わせが必要なく、且つ微小なゲート幅を
持つトランジスタ構造が実現できる。このため、作製さ
れるセンサ毎にドレイン電流がばらつくことがなく、可
動電極である重り14の微小変位が確実に高精度に検出で
きるようになる。
【００５３】なお、図５においては重り14に対して１組
のソース電極17およびドレイン電極18のみが形成される
ようにして示したが、重り14の例えば対向する辺部に対
応して他のソースおよびドレイン電極が形成されるよう
にしてもよい。この場合、対向される２個のトランジス
タおけるドレイン電流の差によってヨーレートを検出す
ることができる。この場合、ノイズ成分となる基板垂直
方向の加速度を取り除くことができる。
【００５４】この実施例において、半導体基板11の面に
対して垂直方向の加速度が生じた場合、半導体基板11と
可動電極とされる重り14との距離が変化し、対向設定さ
れる２組のトランジスタのドレイン電流が同相に変化
し、水平方向のヨーレートが生じた場合には２つのトラ
ンジスタのドレイン電流が逆相に変化する。このため、
加速度とヨーレートとを１つのセンサ機構によって検出
測定可能にすることもできる。これは、基板垂直方向の
ゲート電極の変位では、２個のトランジスタのドレイン
電流が同相且つ同量変化することで差に現われないため
である。加速度は同相でヨーレートは逆相であることが
利用される。
【００５５】また実施例では１つのトランジスタに対し
て、それぞれ１つのソース電極とドレイン電極を組み合
わせ設定したが、これはそれぞれ複数ソース電極および
ドレイン電極が並べて設定されるように構成することも
できる。
【００５６】次に第２の実施例を前提条件となる参考例
との相違点を中心に説明する。図７はその構成を示す図
で、高抵抗シリコンからなる半導体基板11上に絶縁膜45
1および452を所定の間隔で形成し、この絶縁膜451およ
び452上にそれぞれ励振用固定電極461および462が形成
される。そして、この励振用固定電極461と462の相互間
に、低抵抗ポリシリコンでなる可動電極47が配置設定さ
れる。また、可動電極47がコリオリ力により上下に変位
し易いように、固定電極461および462の厚さＤが、可動
電極47の厚さｄよりも厚く構成されている。この場合、
可動電極47は固定電極461および462の厚さ方向におい
て、ほぼその中心に位置するよう作製される。
【００５７】この様に構成されるヨーレートセンサにお
いて、可動電極47に電圧を印加し、図２の（Ａ）で示し
たように反転層49を形成させてソース電極およびドレイ
ン電極とされる同図で示す拡散層172 と182 との間に電
流を流す。また、励振用固定電極461 および462 に所定
の周波数の電圧信号を印加して、静電気力によって可動
電極47を基板11の面と平行な水平方向に振動させる。
【００５８】この状態でヨーレートによって可動電極47
がコリオリの力を受け、基板11の面に対して垂直なｚ方
向に移動すると、固定電極とされる拡散層172 と182 と
の間の電流が増大する。したがって、この拡散層172 と
182 との間の電流量の変化によってコリオリ力が検出さ
れ、ヨーレートが求められる。
【００５９】ここで、可動電極47と励振用固定電極461
および462 とが同等の膜厚によって構成されると、可動
電極47がコリオリ力によりｚ方向の力を受けても、可動
電極47とこの固定電極461 および462 の間にｚ方向と逆
の吸引力が作用するため、可動電極47の変位に対して制
動力が作用する。このため、固定電極461 および462の
膜厚Ｄを可動電極47の膜厚ｄよりも大きく構成し、その
相互間に吸引力が作用しないようにした。
【００６０】図８の（Ａ）はこの様な機能を詳細に説明
するためのもので、可動電極47と励振用固定電極461 お
よび462 の厚さが同じ場合である。この状態で可動電極
47が基板の方向に変位すると、可動電極47と励振用固定
電極461 、462 間の電極間容量が減少する。したがっ
て、可動電極47と励振用固定電極461 、462 の間電圧が
印加された場合、可動電極47には励振用固定電極461 、
462 間に引き込まれる上向の力が作用する。
【００６１】図８の（Ｂ）は励振用固定電極461 、462
の厚さを可動電極47の厚さより厚くした例を示してい
る。この様な構成とすると、固定電極47に対して励振用
固定電極461 、462 の厚さが充分に厚いものであるた
め、可動電極47が変位しても、励振用固定電極461 、46
2 との対向面積だけを考えると、その相互間の電極間容
量が変化しない。したがって、励振用固定電極461 、46
2 の間に可動電極47が引き込まれることがない。この様
に可動電極並びに励振用固定電極の厚さを変えることに
より、可動電極47が励振用固定電極461 、462 側に引き
込まれないようにすることができる。
【００６２】図９は第３の実施例を示すもので、前記第
２の実施例との相違点を中心に説明する。すなわち、高
抵抗ポリシリコンからなる半導体基板11の上に、絶縁膜
451および452を所定の間隔で形成し、この絶縁膜451お
よび452の上にそれぞれ励振用固定電極461および462が
形成される。そして、この励振用固定電極461と462との
相互間に、低抵抗ポリシリコンでなる可動電極47が配置
設定される。
【００６３】ここで、可動電極47がコリオリ力によって
上下に変位し易いように、固定電極461および462の厚さ
Ｄが、可動電極47の厚さｄよりも充分に薄く構成されて
いる。また、可動電極47は励振用固定電極461、462の厚
さ方向において、ほぼ中心に位置するように作製するも
ので、この実施例においても第２の実施例と同様の効果
が得られる。
【００６４】図１０は励振用固定電極461 および462 の
膜厚を可動電極47の膜厚より充分に薄く構成するように
している。この様に可動電極47に対して励振用固定電極
461および462 の膜厚の薄い場合、可動電極47が変位し
ても、固定電極461 、462 との対向面積だけを考える
と、この両電極間の容量は変化しない。したがって、励
振用固定電極461 と462 の間に可動電極47が引き込まれ
ることがないもので、この様に電極部の厚さを変えるこ
とによって、可動電極47が励振用固定電極461 と462 と
の間に引き込まれないようにすることができる。
【００６５】図１１および図１２は第４の実施例を示す
もので、本発明の前提となる技術の参考例との相違点を
中心に説明する。本発明の前提となる技術の参考例にあ
っては、可動電極や重り、さらに梁が導電性のポリシリ
コンによって構成されているものであるため、ソース電
極とドレイン電極との間に反転層を形成し、その間に電
流を流そうとすると、可動電極以外に重りおよび梁の部
分にも基板との間に電位差が生じ、必然的にその間に静
電気力が発生する。
【００６６】この静電気力を見積もると、例えば可動電
極と基板との電位差を１０Ｖ、ギャップを０．５μｍと
すると、静電気力は１平方ｍ当たり１７７１Ｎとなり、
これは可動電極を厚さ１μｍのポリシリコンによって構
成されるものとすると、自重のおよそ８万倍である。
【００６７】したがって、非常に大きな力で可動電極、
重りさらに梁部が基板に引き付けられるようになり、可
動電極が基板に対して接触されないように梁を頑丈に、
すなわち梁のばね定数を大きくする必要がある。しか
し、これは逆にコリオリ力を受けた場合に可動電極の変
位量を小さくするようになり、コリオリ力の検出すなわ
ちヨーレートの検出を困難にする。この様な静電気力の
影響を減らすためには、静電気力を発生する面積を小さ
くする必要がある。
【００６８】この実施例はこの様な問題点に対処するも
ので、可動電極として機能しない部分、すなわち重り1
4、梁131 〜134 等に対応する半導体基板11に対して、
下部電極601 〜603 を形成する。この下部電極601 〜60
3 は、コンタクトホール611 〜613 を介してアルミニウ
ム配線621 〜623 にそれぞれ接続されているもので、こ
の様に下部電極601 〜603 を形成することにより、静電
気力を発生する面積が最小限とされ、可動電極151 、15
2 が基板11に接触することが防止される。
【００６９】ここで、コリオリ力の大きさは可動部分の
質量に大きく影響されるもので、コリオリ力により大き
な力を得て変位量を稼ぐために、図１３で示すように重
り14の上に、さらに例えば比重の大きなＡｕ、Ｗ等の金
属による重り140 を付加するように構成することができ
る。
【００７０】図１４は第５の実施例を示すもので、特に
第１の実施例との相違点を中心に説明する。図５で示し
た第１の実施例にあっては、可動電極、重り、梁が導電
性のポリシリコンで一体的に形成されている。このた
め、ソース電極とドレイン電極との間に反転層を形成し
て電流を流そうとすると、可動電極以外の重りや梁にお
いても基板との電位差が生じ、必然的に静電気力が発生
する。したがって、非常に大きな力によって基板に引き
付けられるようになり、可動電極が基板に接触されない
ようにするため、梁をばね定数が大きくされるように頑
丈に形成する必要がある。
【００７１】しかし、この様な条件を満足するように梁
を構成すると、逆にコリオリ力を受けた場合に可動電極
の変位量を小さくするようになり、コリオリ力の検出、
すなわちヨーレートの検出感度を低下させる。この様な
静電気力の影響を減らすためには、静電気力を発生する
面積を小さくする必要がある。
【００７２】このため、この実施例においては可動電極
として機能しない部分、すなわち重り14および梁131 〜
134 等に対向した半導体基板11の面に、下部電極604 を
形成する。この下部電極604 は、可動部分が振動してい
る際にも対向する部分に存在されるように、振幅よりも
充分に大きめに形成される。
【００７３】この下部電極604 は、ソース電極17および
ドレイン電極18と電気的に分離して構成されるもので、
この下部電極604 は図示されないコンタクトホールを介
してアルミニウム配線部に接続されている。
【００７４】
【発明の効果】以上のようにこの発明に係る半導体ヨー
レートセンサによれば、容易に且つ安価に構成すること
ができるようにすると共に、作用する加速度が高精度に
検出することができて、例えば自動車等に搭載して車体
制御用やナヴィゲーション等に効果的に利用できる。特
にトランジスタ構造によってヨーレートによって変化す
る電流値によって高精度にヨーレートが検出できるもの
であるため、車体制御等が高精度に実行できるようにな
る。また、この様な半導体ヨーレートセンサは、通常の
ＩＣ製造プロセスの応用によって簡単に製造できるよう
になって、特にヨーレートを検出するトランジスタ構造
部が、ヨーレートの作用によって変位する部材の関係で
高精度に作成できるものであるため、高感度で且つ信頼
性に富むヨーレートセンサが容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の前提条件となる参考例に係る半導体
ヨーレートセンサを説明するための平面から見た構成
図。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ図１のａ−ａ線、ｂ
−ｂ線、およびｃ−ｃ線に対応する部分の断面図。
【図３】（Ａ）〜（Ｅ）は上記ヨーレートセンサの製造
工程を順次説明する断面図。
【図４】（Ａ）〜（Ｄ）は図３の（Ｅ）に続く製造工程
を順次説明する断面図。
【図５】この発明の第１の実施例を説明する平面から見
た構成図。
【図６】（Ａ）〜（Ｄ）はこの第１の実施例の製造過程
を順次説明する断面図。
【図７】この発明の第２の実施例を説明する可動電極部
の断面図。
【図８】（Ａ）および（Ｂ）は上記実施例の作用を説明
するための図。
【図９】この発明の第３の実施例を説明する図。
【図１０】可動電極と励振用固定電極の厚さを変えた場
合の状態を説明するための図。
【図１１】この発明の第４の実施例を説明する平面から
見た構成図。
【図１２】（Ａ）は図１１のａ−ａ線に対応する部分の
断面図、（Ｂ）は同じくｂ−ｂ線に対応する部分の断面
図。
【図１３】コリオリ力を稼ぐための手段を説明する図。
【図１４】この発明の第５の実施例を説明する平面から
見た構成図。
【符号の説明】
11…半導体基板、121〜124…アンカー部、131〜134…
梁、14…重り、151、152、47…可動電極、161〜614…励
振電極、17、171、172…ソース電極、18、181、182…ド
レイン電極、191〜194、461、462…励振用固定電極、21
…反転層、22…絶縁膜、601〜604…下部電極。
フロントページの続き (72)発明者 加納 一彦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本 電装株式会社内 (72)発明者 山本 敏雅 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本 電装株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−322579（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−312576（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−248872（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−242114（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−25764（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−114123（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−93668（ＪＰ，Ａ) 特公 昭48−14877（ＪＰ，Ｂ１) 欧州特許出願公開194953（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04 H01L 29/84

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板と、 この半導体基板の上方に位置して前記半導体基板面から
    所定の間隔を隔てて配置され、梁構造体によって変位自
    在に支持された可動電極と、 前記半導体基板の上方に位置して前記半導体基板面から
    所定の間隔を隔て且つ前記可動電極にギャップを介して
    配置され、前記可動電極を静電気を利用して振動させる
    励振用固定電極と、 前記半導体基板の表面部に、前記可動電極に対向する位
    置に不純物拡散領域によって形成されたソースおよびド
    レイン電極とを具備し、 前記可動電極の本体部は、少なくとも１つの直線状の縁
    を有するように構成され、前記ソースおよびドレイン電
    極は、それぞれその一方の端部が前記可動電極の前記縁
    部かかるように細片状に並べて形成され、 前記可動電極さらにソースおよびドレイン電極によって
    トランジスタが構成され、前記励振用固定電極により所
    定の周期をもって前記可動電極を励振する際に伴う前記
    可動電極の変位によって前記ソースおよびドレイン電極
    間に電流変化が生ずるように構成され、この電流変化に
    よってヨーレートが検出されるようにしたことを特徴と
    する半導体ヨーレートセンサ。
  2. 【請求項２】 前記可動電極は対向する位置で一対の縁
    を有するように構成されるもので、この一対の縁部にそ
    れぞれかかるようにして、この縁部それぞれに対応して
    前記ソースおよびドレイン電極が形成されるようにした
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体ヨーレートセン
    サ。
  3. 【請求項３】 前記半導体基板には、前記可動電極に対
    向する領域で、且つ少なくとも前記固定電極の存在しな
    い領域で下部電極を備え、前記可動電極と前記下部電極
    とは同電位に設定することで前記可動電極と前記半導体
    基板との間の静電引力が作用されないようにしたことを
    特徴とする請求項１記載の半導体ヨーレートセンサ。
  4. 【請求項４】 前記可動電極は本体部およびこの本体部
    の側方に突設される細片状部材を含み構成され、前記励
    振用固定電極は前記可動電極を構成する細片状部材の両
    側に位置して設定される固定電極部材で構成され、前記
    励振用固定電極の厚さ（Ｄ）が前記可動電極の細片状部
    材の厚さ（ｄ）よりも厚く設定され、且つ前記可動電極
    は前記励振用固定電極の厚さ方向においてそのほぼ中心
    に位置されて、前記可動電極が前記半導体基板と垂直方
    向に変位してもこの可動電極と前記固定電極との対向面
    積が変化されないようにしたことを特徴とする請求項１
    記載の半導体ヨーレートセンサ。
  5. 【請求項５】 前記可動電極は本体部およびこの本体部
    の側方に突設される細片状部材を含み構成され、前記励
    振用固定電極は前記可動電極を構成する細片状部材の両
    側に位置して設定される固定電極部材で構成され、前記
    励振用固定電極の厚さ（Ｄ）が前記可動電極の細片状部
    材の厚さ（ｄ）よりも薄く設定され、且つ前記可動電極
    は前記励振用固定電極の厚さ方向においてそのほぼ中心
    に位置されて、前記可動電極が前記半導体基板と垂直方
    向に変位してもこの可動電極と前記固定電極との対向面
    積が変化されないようにしたことを特徴とする請求項１
    記載の半導体ヨーレートセンサ。
  6. 【請求項６】 半導体基板と、 この半導体基板の上方に位置して前記半導体基板面から
    所定の間隔を隔てて配置され、梁構造体によって変位自
    在に支持された可動電極と、 前記半導体基板の上方に位置して前記半導体基板面から
    所定の間隔を隔て且つ前記可動電極にギャップを介して
    配置され、前記可動電極を静電気を利用して振動させる
    励振用固定電極と、 前記半導体基板の表面部に、前記可動電極に対向する位
    置に不純物拡散領域によって形成されたソースおよびド
    レイン電極とを具備し、 前記可動電極さらにソースおよびドレイン電極によって
    トランジスタが構成され、前記励振用固定電極により所
    定の周期をもって前記可動電極を励振する際に伴う前記
    可動電極の変位によって前記ソースおよびドレイン電極
    間に電流変化が生ずるように構成され、この電流変化に
    よってヨーレートが検出されるようにしたものであっ
    て、 前記半導体基板には、前記可動電極に対向する領域で、
    且つ少なくとも前記固定電極の存在しない領域で下部電
    極を備え、前記可動電極と前記下部電極とは同電位に設
    定することで前記可動電極と前記半導体基板との間の静
    電引力が作用さ れないようにしたことを特徴とする半導
    体ヨーレートセンサ。
  7. 【請求項７】 半導体基板の表面上に犠牲層を形成する
    第１の工程と、 前記犠牲層上に複数の振動支持用の梁と少なくとも１つ
    の直線状の縁とを有する可動電極、およびこの可動電極
    に対する励振用固定電極を形成する第２の工程と、 前記可動電極に自己整合的に前記半導体基板に不純物を
    導入し拡散により、一方の端部が前記可動電極の前記縁
    部にかかるように細片状に並べて形成され、前記可動電
    極との重なりに対応するゲート幅を設定するソースおよ
    びドレイン電極を形成する第３の工程と、 前記可動電極の変位に伴う前記ソース電極とドレイン電
    極との間の電流変化が検出できるように、前記半導体基
    板と前記可動電極との間の前記犠牲層をエッチング除去
    する第４の工程とを具備し、 前記可動電極が前記励振用固定電極からの静電気力によ
    って振動され、ヨーレートによって生ずるコリオリ力で
    変位されるようにしたことを特徴とする半導体ヨーレー
    トセンサの製造方法。
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