JP3478895B2 - 加速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコン基板の表面側
に形成された薄膜をエッチングすることによって製造さ
れる加速度センサ及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、自動車におけるＡＢＳ（アンチロ
ックブレーキシステム）、エアバッグシステム、サスペ
ンションコントロールシステム等に利用される加速度セ
ンサとして、例えば図１４，図１５に示されるバルク型
の歪みゲージ式加速度センサ５０が知られている。

【０００３】このタイプの加速度センサ５０は、直方体
状をした面方位（１００）のシリコン単結晶基板５１の
バルクを、その表面及び裏面の双方から選択的にエッチ
ング（結晶異方性エッチング）することによって製造さ
れる。エッチングによって形成されたカンチレバー構造
部５２は、マス部５４と複数の梁５３によって構成され
ている。マス部５４は、おもりの役割を果たすものであ
り、梁５３によって支持されている。各梁５３の上面に
は、複数の歪みゲージ５５が形成されている。従って、
この加速度センサ５０に加速度が印加すると、マス部５
４が所定の方向に変位し、梁５３に湾曲が生じる。この
とき、梁５３の上面に形成された歪みゲージ５５に歪み
が生じる結果、いわゆるシリコンのピエゾ抵抗効果によ
って、歪みゲージ５５の抵抗値が増加または減少する。
そして、この抵抗値の変化を検出することによって、加
速度が検知される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の加速
度センサ５０の場合、所定の検出感度を得るためには、
少なくとも厚さｔが２００μｍ〜３００μｍのシリコン
単結晶基板５１を使用して、ある程度肉厚なマス部５４
を形成する必要がある。

【０００５】しかし、肉厚なシリコン単結晶基板５１を
裏面側からエッチングするときには、異方性エッチング
の特性（即ち、(111) 面に沿った開口角θ=125.26 °の
エッチング穴が形成されること）を考慮して、開口部ａ
の寸法をある程度大きく設定しなければならない。これ
に伴ってチップの幅Ｗも大きくなり、加速度センサ５０
全体の小型化が充分に図れないという問題があった。

【０００６】また、図１５に示されるように、バルク型
の加速度センサ５０は、通常、シリコン単結晶基板５１
の裏面に塗布されたダイボンド材５６を介して別の基板
５７上に接合される。この場合、マス部５４を変位可能
な状態にするためには、マス部５４へのダイボンド材５
６の付着や、マス部５４と基板５７との接触を回避させ
ておく必要がある。しかし、そのためにはシリコン単結
晶基板５１の裏面に台座５８を配置する必要があり、加
速度センサ５０の実装作業が煩雑であった。

【０００７】上記のバルク型の加速度センサ５０とは別
のタイプのセンサとして、シリコン基板の表面側に形成
された薄膜をエッチングすることによって製造される、
いわゆる表面型の加速度センサが知られている。例えば
特公平４−７１３４４号公報には、この種の加速度セン
サを「陽極化成」によって製造する方法が開示されてい
る。その概要を以下に簡単に記す。

【０００８】まずｐ型単結晶シリコン基板の一部を陽極
化成し、多孔質シリコン層を形成する。次に、その表面
にｐ型の単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させ
る。次にそのエピタキシャル成長層の一部を除去し、そ
こから露出した多孔質シリコン層を酸化させる。次にエ
ピタキシャル成長層上面の所定部分に、ｎ型の拡散歪み
ゲージを形成する。次に酸化された多孔質シリコン層を
ふっ酸でエッチングし、エピタキシャル成長層の下部に
空洞部を形成する。最後に前記拡散歪みゲージに電極を
形成して、表面型の加速度センサを完成させる。

【０００９】ところが、この製造方法には次の〜に
記す問題点があった。即ち、ｐ型単結晶シリコン基板
上にＳｉ₃ Ｎ₄ マスクを配置し、その開口部を陽極化成
するという方法が採られているため、陽極化成部の大き
さや深さにばらつきが生じやすい。従って、処理温度や
処理時間等を厳密に設定する必要がある。ポーラスな
多孔質シリコン上へのエピタキシャル成長層の形成は、
極めて困難である。エピタキシャル成長層がｐ型であ
るため、拡散歪みゲージをｎ型にする必要がある。この
場合、拡散歪みゲージがｐ型であるときに比べてゲージ
ファクターが小さくなり、所望の検出感度が得られな
い。

【００１０】また、上記の特公平４−７１３４４号公報
の加速度センサに限られず、表面型の加速度センサの場
合、大きなマス部や複雑な内部形状を有するマス部を形
成することが一般的に難しかった。そのため、バルク型
と同等の検出感度を備えた表面型の加速度センサの登場
が望まれていた。

【００１１】本発明は上記の課題を解消するためになさ
れたものであり、その目的は、小型化、高感度化及び実
装容易化を達成することができる加速度センサを提供す
ることにある。

【００１２】また、本発明の別の目的は、上記の優れた
加速度センサを確実に製造することができるばかりでな
く、製造時の工程簡略化及び作業容易化を達成すること
ができる加速度センサの製造方法を提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、請求項１に記載の発明は、ｐ型単結晶シリコン基
板の表面側に形成された凹部内にカンチレバー構造部を
変位可能に配置した加速度センサにおいて、前記カンチ
レバー構造部は、ｎ型シリコン層からなる第１のマス部
と、ｐ型シリコン層からなり前記第１のマス部の下面略
中央部から突出する第２のマス部と、前記第１のマス部
をその側方から支持する梁とによって構成される加速度
センサをその要旨とする。

【００１４】請求項２に記載の発明は、請求項１におい
て、前記第１のマス部は、矩形状でありかつその側方か
ら延びる４本の梁によって支持されている。請求項３に
記載の発明は、請求項２において、前記第２のマス部の
形状は略四角錐である。

【００１５】 請求項４に記載の発明は、請求項１乃至
３のいずれか１項において、前記第１のマス部は、ｎ型
シリコン単結晶のエピタキシャル成長層からなる。請求
項５に記載の発明は、不純物添加によって、ｐ型単結晶
シリコン基板の表面側の所定領域に第１のｐ型シリコン
層を形成する工程と、前記第１のｐ型シリコン層を形成
した前記ｐ型単結晶シリコン基板の上面にｎ型単結晶シ
リコンのエピタキシャル成長層を形成することによっ
て、同エピタキシャル成長層内に前記第１のｐ型シリコ
ン層を埋め込む工程と、不純物添加によって、前記第１
のｐ型シリコン層を埋め込んだ前記エピタキシャル成長
層の上面から前記第１のｐ型シリコン層へ到達するよう
に開口部形成用の第２のｐ型シリコン層を前記エピタキ
シャル成長層に形成する工程と、前記エピタキシャル成
長層の上面にｐ型シリコンからなる歪みゲージを形成す
る工程と、前記第２のｐ型シリコン層及び前記歪みゲー
ジを形成した後、前記エピタキシャル成長層の上面にエ
ッチングレジストを形成した状態で陽極化成処理を行う
ことによって、前記第１のｐ型シリコン層及び第２のｐ
型シリコン層を、前記第２のマス部となるべき領域を残
してｐ型多孔質シリコン層に変化させる工程と、前記第
１のｐ型シリコン層及び第２のｐ型シリコン層を前記ｐ
型多孔質シリコン層に変化させた後、前記エピタキシャ
ル成長層の上面に前記歪みゲージに接続する配線パター
ンを形成し、その配線パターンを覆うパッシベーション
膜を形成する工程と、前記パッシベーション膜を形成し
た後、前記ｐ型多孔質シリコン層をアルカリエッチング
によって除去することにより、前記ｐ型多孔質シリコン
層があった部分を空洞化する工程とからなる請求項１乃
至４のいずれか１項の加速度センサを製造する方法をそ
の要旨とする。

【００１６】 請求項６に記載の発明は、請求項５にお
いて、前記開口部形成用の第２のｐ型シリコン層は、前
記第１のマス部が形成されるべき領域を包囲するように
形成されるとしている。

【００１７】

【作用】請求項１〜４に記載された発明によると、第１
のマス部に加えて第２のマス部が形成されているため、
第１のマス部のみの場合に比べて加速度に対する反応性
が高くなる。また、カンチレバー構造部をｎ型単結晶シ
リコンのエピタキシャル成長層からなるものとしたこと
により、その上にゲージファクターの大きなｐ型シリコ
ンからなる歪みゲージを形成することができる。さら
に、この加速度センサはいわゆる表面型であるため、ｐ
型単結晶シリコンの裏面からの異方性エッチングを経る
ことなく製造される。

【００１８】 請求項５に記載の発明によると、所定領
域にあらかじめ第１のｐ型シリコン層及び第２のｐ型シ
リコン層を形成した後、その第１のｐ型シリコン層及び
第２のｐ型シリコン層を陽極化成することにより、後に
空洞化されるべき部分に多孔質シリコン層が形成され
る。このとき、第２のマス部が形成されるべき領域につ
いては陽極化成を受けないように処理条件が設定され
る。この多孔質シリコン層に対してアルカリエッチング
を行うと、非多孔質部分よりも易溶な多孔質シリコン層
のみが選択的にエッチングされる。この結果、空洞化さ
れずに溶け残った部分に第２のマス部が形成される。

【００１９】 請求項６に記載の発明によると、開口部
形成用の第２のｐ型シリコン層が第１のマス部が形成さ
れるべき領域を包囲しているため、シリコンの多孔質化
が同領域の下面中央部に向かって均等に進行しやすくな
る。

【００２０】

【実施例】

〔実施例１〕以下、本発明を表面型の加速度センサ１に
具体化した実施例１を図１〜図９に基づき詳細に説明す
る。

【００２１】図１，図２には、本実施例の加速度センサ
１の構成が概略的に示されている。面方位（１１０）の
ｐ型シリコン単結晶基板（以下、単にシリコン基板と呼
ぶ。）２の表面側中央部には、多孔質化されたｐ型シリ
コンからなる層をアルカリエッチングすることによって
得られる略正方形状の凹部３が形成されている。この凹
部３は、矩形状をした４つの開口部４を有している。ま
た、この凹部３内には、いわゆるＨブリッジ型のカンチ
レバー構造部が上下方向（シリコン基板２の厚さ方向）
に変位可能に配置されている。

【００２２】図１，図２に示されるように、前記カンチ
レバー構造部は、第１のマス部５及び第２のマス部６か
らなる質量体Ｍと、前記第１のマス部５をその側方から
支持する４本の梁７とによって構成されている。

【００２３】第１のマス部５は、シリコン基板２上に積
層されたｎ型シリコン層（詳細にはｎ型単結晶シリコン
のエピタキシャル成長層８）によって構成されている。
この実施例の場合、加速度センサ１の上面側から見たと
きの第１のマス部５の形状は矩形である。第２のマス部
６は、第１のマス部５の下面中央部から所定高さだけ突
出している。略四角錐状をした第２のマス部６は、エピ
タキシャル成長層８内に埋め込まれたｐ型シリコン層２
６からなる。なお、前記四角錐の４つの底辺は、対応す
る第１のマス部５の４つの辺にそれぞれ略平行な関係に
ある。第１のマス部５及び第２のマス部６からなる質量
体Ｍは、加速度が印加した際に揺動するおもりとしての
機能を有する。各々の梁７は、ｎ型単結晶シリコンのエ
ピタキシャル成長層８によって構成されるとともに、第
１のマス部５の４つのコーナー部に連結されている。な
お、これらの梁７は互いに平行な関係にある。

【００２４】各梁７の上面には、不純物添加によって、
ｐ型シリコンからなる拡散歪みゲージ１０が形成されて
いる。図１において概略的に示されるように、拡散歪み
ゲージ１０は、各梁７の上面に２つずつ直列にレイアウ
トされている。各拡散歪みゲージ１０の長手方向は、い
ずれも各梁７の延びる方向（即ち、<111> 方向）と平行
な関係にある。

【００２５】図２に示されるように、エピタキシャル成
長層８の上面には、層間絶縁層としての薄い酸化膜（Ｓ
ｉＯ₂ 膜）１１が形成されている。この酸化膜１１の上
面には、スパッタリングや真空蒸着等の物理的成膜法に
よって、アルミニウム製の配線パターン１２及びボンデ
ィングパッド１３が形成されている。また、前記酸化膜
１１の所定部分、即ち拡散歪みゲージ１０の両端上側と
なる部分には、層間接続用のコンタクトホール１４が形
成されている。コンタクトホール１４は、配線パターン
１２とその下層にある拡散歪みゲージ１０とを電気的に
接続している。そして、これらの配線パターン１２は、
シリコン基板２の外縁部上面に配置されたボンディング
パッド１３にそれぞれ電気的に接続されている。酸化膜
１１の上面には、表層における絶縁を図るための薄いパ
ッシベーション膜１５が、上記の物理的成膜法によって
形成されている。前記パッシベーション膜１５の所定部
分に設けられた開口部からは、ボンディングパッド１３
が露出されている。

【００２６】図２には、加速度センサ１を別の基板（マ
ザーボード）１６に実装した状態が示されている。即
ち、シリコン基板２の裏面には全体的にダイボンド材１
７が塗布され、そのダイボンド材１７を介してシリコン
基板２とマザーボード１６とが接合される。そして、シ
リコン基板２側のボンディングパッド１３とマザーボー
ド１６側のボンディングパッド１８とは、ワイヤボンデ
ィング１９を介して電気的に接続される。なお、前記マ
ザーボード１６には、加速度センサ１からの出力電圧に
基づいて加速度を求めるための信号処理回路が形成され
ている。

【００２７】この加速度センサ１において、各部の取り
うる寸法の範囲は以下の通りである。シリコン基板２の
幅Ｗ及び厚さ（ただし、エピタキシャル成長層８等の薄
膜を含む。）ｔは、それぞれ数百μｍ，数百μｍ〜数mm
（本実施例では約１０００μｍ，約５５０μｍ）であ
る。エピタキシャル成長層８の厚さは、数μｍ〜数十μ
ｍ（本実施例では約１０μｍ）である。酸化膜１１の厚
さ及びパッシベーション膜１５の厚さは、それぞれ０．
５μｍ〜１μｍ，０．５μｍ〜１μｍ（本実施例では１
μｍ，１μｍ）である。第１のマス部５の底面と凹部３
の底面との間の間隙Ｃ1 は、数μｍ〜数十μｍ（本実施
例では約１０μｍ）である。第２のマス部６の最大突出
高さは数μｍ〜数十μｍ（本実施例では約５μｍ）であ
る。

【００２８】この場合、第２のマス部６の下頂点６ａと
その下頂点６ａの下方に位置する凹部３の底面中央部と
の間隙Ｃ2 は、数μｍ〜数十μｍ程度であることがよ
い。前記間隙Ｃ2 が小さすぎると、小さな加速度が印加
しただけで、第２のマス部６の下頂点６ａが凹部３の底
面中央部に当接してしまう。従って、加速度が印加した
ときに質量体Ｍが変位しうる範囲が限られてしまい、大
きな加速度の検出が不能となる。一方、前記間隔Ｃ2 が
大きいと、大きな加速度が印加しなければ、下頂点６ａ
が凹部３の底面中央部に当接しなくなる。従って、必要
以上に質量体Ｍが変位することによって、加速度センサ
１が破壊するおそれがある。つまり、この場合には第２
のマス部６の下頂点６ａがストッパとしての機能を果た
さないからである。

【００２９】この加速度センサ１に図１の矢印Ａ1 の方
向から加速度が印加すると、両マス部５，６が下方に変
位し、各梁７に湾曲が生じる。このとき、拡散歪みゲー
ジ１０に歪みが生じる結果、シリコンのピエゾ抵抗効果
によって拡散歪みゲージ１０の抵抗値が増加または減少
する。そして、この抵抗値の変化を検出することによっ
て、加速度が検知される。

【００３０】次に、この加速度センサ１を製造する手順
を図３〜図９に基づいて詳細に説明する。まず、直方体
状をした面方位（１１０）のｐ型単結晶シリコン基板２
を用意する。そして、シリコン基板２を高温の酸化雰囲
気中に晒すことによって、外表面に薄い酸化膜２５を形
成する。次いで、この酸化膜２５をフォトエッチングす
ることによって、このシリコン基板２の表面側に、矩形
状の開口部を有するマスクを形成する。なお、前記マス
クの開口部は、後に凹部３が形成されるべき領域に対応
している。次に、前記シリコン基板２に対してイオン注
入等によってほう素を打ち込み、さらにそのほう素を熱
拡散させる。この結果、図３に示されるように、シリコ
ン基板２のほぼ中央部にｐ型シリコン層２６が形成され
る。

【００３１】次に、図４に示されるように、ｐ型シリコ
ン層２６が形成されたシリコン基板２の上面に、気相成
長によってｎ型単結晶シリコンのエピタキシャル成長層
８を形成する。その結果、エピタキシャル成長層８内に
ｐ型シリコン層２６が埋め込まれた状態となる。なお、
埋め込まれたｐ型シリコン層２６は、いわゆる這い上が
り現象によってエピタキシャル成長層８側にも拡散す
る。

【００３２】この後、エピタキシャル成長層８が形成さ
れたシリコン基板２の表面に、上記と同様の手順によっ
てマスク（図示略）を形成する。さらに、フォトエッチ
ングによって同マスクの所定領域に開口部を４つ形成す
る。

【００３３】次に、前記シリコン基板２に対してイオン
注入等によってほう素を打ち込み、さらにそのほう素を
熱拡散させる。この結果、エピタキシャル成長層８に、
矩形状をした開口部形成用のｐ型シリコン層２７が４つ
形成される。このｐ型シリコン層２７は、埋め込まれて
いるｐ型シリコン層２６の深さまで到達する。この場
合、開口部形成用のｐ型シリコン層２７は、第１のマス
部５が形成されるべき領域を包囲するように形成され
る。なお、図５に示されるように、不要となったマスク
はこの後に剥離される。

【００３４】次に、シリコン基板２のエピタキシャル成
長層８の上面に、図示しないマスクを配置する。次い
で、前記シリコン基板２に対してイオン注入等によって
ほう素を打ち込み、さらにそのほう素を熱拡散させる。
この結果、図６に示されるように、後に梁７の上面とな
るべき部分に拡散歪みゲージ１０が形成される。

【００３５】次いで、エピタキシャル成長層８の上面を
全体的にエッチングレジスト２８で被覆する。この後、
フォトリソグラフィによって、ｐ型シリコン層２７の上
面にあたる部分に開口部２８ａを４つ形成する。そし
て、シリコン基板２を高濃度のふっ酸水溶液中に浸漬
し、この状態でシリコン基板２を陽極として電流を流
す。前記のような陽極化成によってｐ型シリコン層２
６，２７の部分のみを選択的に多孔質化することによ
り、図７に示されるように、当該部分をｐ型多孔質シリ
コン層９に変化させる。ただし、この場合において第２
のマス部６となるべき領域のみが、ｐ型シリコン層２６
のまま残るように陽極化成の諸条件を設定する。本実施
例では、そのときの好適な条件として、ふっ酸水溶液の
温度を１０℃〜７０℃に、処理時間を数分〜数百分に、
通電量を数ｍＡ／ｃｍ² 〜数十ｍＡ／ｃｍ²に設定して
いる。かかる範囲を逸脱すると、処理効率が悪化した
り、所望の形状をした第２のマス部６が得られなくなる
おそれがある。そして、上記の陽極化成の後、不要とな
ったエッチングレジスト２８を剥離する。

【００３６】図９は、陽極化成の進み方を概念的に表し
た図である。同図において、Ｌ1 〜Ｌ3 は陽極化成の最
前線を示している。シリコン部分の多孔質化は、まず第
１のマス部５となる領域の側面に位置するｐ型シリコン
層２７の上層から始まり、徐々にその下層に及ぶ。ｐ型
シリコン層２７の多孔質化が終了すると、シリコン部分
の多孔質化は、次に第１のマス部５となる領域の下面に
位置するｐ型シリコン層２６に及ぶ。そして、前記シリ
コン部分の多孔質化は、第１のマス部５となる領域の下
面外周部から下面中央部へと及ぶ。本実施例では、陽極
化成の最前線がＬ3 の状態となったときに陽極化成をス
トップさせる。従って、未改質部分であるｐ型シリコン
層２６が、第１のマス部５となるべき領域の下面中央部
において四角錐状に残ることになる。なお、凹部３の底
面中央部となるべき箇所にも、同様の未改質部分ができ
る。

【００３７】次に、前記シリコン基板２を酸素中または
空気中で加熱することにより、その上面に酸化膜１１を
形成する。次いで、フォトエッチングを行うことによっ
て、酸化膜１１の所定部分にコンタクトホール１４を形
成する。このシリコン基板２に対してＡｌのスパッタリ
ングまたは真空蒸着を行った後、フォトリソグラフィを
行うことによって、配線パターン１２及びボンディング
パッド１３を形成する。

【００３８】次いで、ＣＶＤ等によってＳｉＮやＳｉ₃
Ｎ₄ などを堆積させることにより、図８に示されるよう
に、シリコン基板２の上面に配線パターン１２を覆うよ
うなパッシベーション膜１５を形成する。前記パッシベ
ーション工程において、パッシベーション膜１５には、
ボンディングパッド１３を露出させるための開口部と、
ｐ型シリコン層２７を部分的に露出させるための開口部
とが形成される。

【００３９】次に、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウ
ムハイドロオキサイド）でアルカリエッチングを行うこ
とによって、多孔質シリコン層９を異方性エッチングす
る。ｐ型シリコン層２６，２７は、陽極化成を経て多孔
質化されることにより、比較的アルカリに溶解しやすく
なっている。従って、多孔質シリコン層９があった部分
には、空洞部２９が容易に形成される。一方、陽極化成
を受けていない未改質部分、即ち第１のマス部５となる
べき領域の下面中央部は、多孔質部分ほどアルカリに溶
解しやすくはない。従って、この部分には溶け残りがで
き、結果として四角錐状をした第２のマス部６が形成さ
れる。図１，図２に示す加速度センサ１は、以上のよう
にして作製される。なお、本実施例のようにＴＭＡＨを
使用したアルカリエッチングの場合、好適な処理時間は
数分、好適な処理温度は数十℃である。

【００４０】さて、本実施例の加速度センサ１の場合、
従来からある第１のマス部５（つまり、単純な形状のマ
ス部）に加えて、その下面中央部に第２のマス部６が形
成されている。このため、第２のマス部６を持たないも
のと比較して、質量部Ｍがよりいっそう重くなる。その
結果、質量部Ｍの加速度に対する反応性が確実に高くな
る。ゆえに、加速度センサ１の高感度化が達成される。

【００４１】また、この加速度センサ１の場合、カンチ
レバー構造部を構成する梁７が、ｎ型単結晶シリコンの
エピタキシャル成長層８によって形成されている。この
ため、エピタキシャル成長層８の上面に、ゲージファク
ターの大きなｐ型シリコンからなる拡散歪みゲージ１０
を形成することができる。従って、ｎ型シリコンからな
る拡散歪みゲージを備えた従来の加速度センサに比較し
て、より高感度なものになる。また、この加速度センサ
１はいわゆる表面型であるため、シリコン基板２の裏面
側からの異方性エッチングを経ることなく製造すること
ができる。よって、従来のバルク型の加速度センサに特
有の問題（即ち、(111) 面に沿ったエッチング穴が形成
されることに伴うチップ幅Ｗの増大など）も解消され
る。ゆえに、所定の検出感度を維持しつつ、加速度セン
サ１全体の小型化を図ることができる。加えて、表面型
の加速度センサ１であると、両マス部５，６がシリコン
基板２の底面から露出することがないため、ダイボンド
材１７の付着やマザーボード１６との接触という事態も
起こらない。従って、台座を配置する必要もなくなり、
加速度センサ１の実装作業が従来に比べて容易になる。

【００４２】そして、本実施例の製造方法によると、次
のような作用効果を奏する。第１に、所定領域にあらか
じめｐ型シリコン層２６，２７を形成した後、同層を陽
極化成する方法であるため、シリコン基板２の表面を直
接的に陽極化成する従来方法と比較して、陽極化成部の
形状や深さにばらつきが生じにくい。これは、ｐ型シリ
コン層２６の厚さを高精度で制御できることにも関係が
ある。第２に、ｐ型シリコン層２６上にエピタキシャル
成長層８を形成する方法であるため、とりわけ形成が困
難であるということもない。第３に、エピタキシャル成
長層８が１段で済むのにもかかわらず、複雑な内部形状
を有する質量体Ｍを得ることができる。以上のようなこ
とから、この製造方法によると、加速度センサ１を製造
する際の工程簡略化及び作業容易化を達成することがで
きる。

【００４３】さらに、ｐ型多孔質シリコン層９を除去す
るこの製造方法であると、シリコン基板２の面方位に特
に制約を受けないというメリットがある。また、本実施
例の製造方法は、基本的にはバイポーラＩＣの製造プロ
セスに近いものである。従って、加速度センサ１とバイ
ポーラＩＣとを一体化できるというメリットがある。こ
のことは、加速度センサ１の小型化や高速化を実現する
うえで好都合である。また、開口部形成用のｐ型シリコ
ン層２７は、第１のマス部５が形成されるべき領域を包
囲するように形成される。従って、シリコンの多孔質化
が同領域の下面中央部に向かって均等に進行しやすくな
る。ゆえに、ちょうど第１のマス部５の下面中央部に、
所望の第２のマス部６を形成することができる。

【００４４】さらに、下頂点６ａと凹部３の底面中央部
との間隙Ｃ2 が所定範囲に設定されていることから、第
２のマス部６にストッパとしての機能も確実に付与され
ている。従って、加速度センサ１の強度向上が図られる
とともに、比較的大きな加速度の検出も可能となる。 〔実施例２〕次に、図１０に基づいて実施例２を説明す
る。なお、実施例１と同様の構成については同じ部材番
号を付すかわりに、その詳細な説明を省略する。また、
断面形状については実施例１の加速度センサ１のそれと
ほぼ同じになるため、図１等を参照することにする。

【００４５】図１０には、本実施例の表面型の加速度セ
ンサ３１の構成が概略的に示されている。面方位（１１
０）のｐ型シリコン単結晶基板（以下、単にシリコン基
板と呼ぶ。）２の表面側中央部には、多孔質化されたｐ
型シリコンからなる層をアルカリエッチングすることに
よって得られる略矩形状の凹部３が形成されている。こ
の凹部３は、所定形状の開口部３２を有している。前記
凹部３内には、いわゆる片持ち式のカンチレバー構造部
が上下方向に変位可能に配置されている。このカンチレ
バー構造部は、第１のマス部５及び第２のマス部６から
なる質量体Ｍと、第１のマス部５を側方から支持する１
本の片持ち梁３３とによって構成されている。

【００４６】第１のマス部５は矩形状であり、シリコン
基板２上に積層されたｎ型単結晶シリコンのエピタキシ
ャル成長層８によって構成されている。略四角錐状をし
た第２のマス部６はｐ型シリコン層２６からなり、第１
のマス部５の下面略中央部から所定高さだけ突出してい
る。片持ち梁３３は、ｎ型単結晶シリコンのエピタキシ
ャル成長層８によって構成されている。この片持ち梁３
３の上面には、不純物添加によってｐ型シリコンからな
る拡散歪みゲージ１０が２つ形成されている。図１０に
おいて概略的に示されるように、拡散歪みゲージ１０
は、片持ち梁３３の上面に直列にレイアウトされてい
る。各拡散歪みゲージ１０の長手方向は、いずれも片持
ち梁３３の延びる方向（即ち、<111> 方向）と平行であ
る。また、前記開口部３２は、一部分（即ち片持ち梁３
３の部分）が切り欠かれた略ロ字状であり、第１のマス
部５を全体的に包囲している。

【００４７】この加速度センサ３１に図１０の矢印Ａ1
の方向から加速度が印加すると、両マス部５，６が全体
的に下方に変位し、片持ち梁３３に湾曲が生じる。この
とき、拡散歪みゲージ１０に歪みが生じる結果、シリコ
ンのピエゾ抵抗効果によって各拡散歪みゲージ１０の抵
抗値が増加または減少する。そして、この抵抗値の変化
を検出することによって、加速度が検知される。なお、
この加速度センサ３１は、開口部３２を異なる形状にす
ることを除き、基本的には実施例１の製造方法に準拠し
て作製される（図３〜図８参照）。従って、その詳細な
説明については割愛する。

【００４８】以上のような本実施例の加速度センサ３１
及びその製造方法であっても、前記実施例１のときと同
様の作用効果を奏する。 〔実施例３〕次に、図１１，図１２に基づいて実施例３
を説明する。この実施例の加速度センサ３６は、実施例
１，２とは異なり、いわゆる静電容量式の表面型三次元
加速度センサ３６である。なお、上記実施例１と同様の
構成については同じ部材番号を付すかわりに、その詳細
な説明を省略する。

【００４９】面方位（１１０）のシリコン基板２の表面
側中央部には、多孔質化されたｐ型シリコンからなる層
をアルカリエッチングすることによって得られる略正方
形状の凹部３が形成されている。この凹部３は、Ｌ字状
をした４つの開口部３７を有している。また、この凹部
３内には、いわゆるバタフライ型の変位体が変位可能に
配置されている。

【００５０】前記変位体は、マス部３８、１本の支持柱
３９及び４本の梁４０によって構成されている。おもり
として機能する矩形状のマス部３８は、ｎ型エピタキシ
ャル成長層８からなる。ｐ型シリコン層２６からなる支
持柱３９は、マス部３８の下面中央部に形成されてい
る。図１１に示されるように、この支持柱３９はその中
央部に括れを有する四角柱であり、その各側面は凹面に
なっている。バネ部として機能する薄い梁４０は酸化膜
１１からなり、マス部３８の側方に形成されている。従
って、支持柱３９はマス部３８を下面側から弾性的に支
承し、各梁４０はマス部３８を側面側から弾性的に支承
している。

【００５１】前記マス部３８の上面には、スパッタリン
グや真空蒸着等の物理的成膜法によって、５つの可動電
極４１が形成されている。また、シリコン基板２の外縁
部の上面には、同じく物理的成膜法によって形成された
ボンディングパッド１３が配置されている。前記可動電
極４１とボンディングパッド１３とは、マス部３８の上
面から梁４０の上面にわたって形成された配線パターン
１２を介して電気的に接続されている。これらの配線パ
ターン１２は、可動電極４１と同様に物理的成膜法によ
って形成される。

【００５２】シリコン基板２の上面には、裏面側に凹部
４２ａを有するガラス基板４２が陽極接合法によって接
合されている。ガラス基板４２を接合した場合、前記凹
部４２ａとシリコン基板２側の凹部３とによて、マス部
３８を収容する１つの空間が区画される。ガラス基板４
２側の凹部４２ａ内には、物理的成膜法によって５つの
固定電極４３が形成されている。これらの固定電極４３
は、それぞれ可動電極４１と相対する位置に、同可動電
極４１と一定の間隔を隔てて配置されている。従って、
これらの可動電極４１と固定電極４３とによって、合計
５つのコンデンサが構成されている。リファレンス用コ
ンデンサは、マス部３８の中央部にレイアウトされてい
る。その他のコンデンサは、リファレンス用コンデンサ
の周囲にレイアウトされている。なお、各固定電極４３
は、図示しない配線パターンを介してボンディングパッ
ド１３に電気的に接続されている。

【００５３】この加速度センサ３６に、例えば図１１の
矢印Ａ1 の方向から加速度が印加すると、マス部３８の
外縁部は下方に変位する反面、マス部３８の中央部はい
ずれの方向にも変位しない。即ち、中央部の下面には支
持柱３９が存在しているからである。従って、リファレ
ンス用コンデンサ以外のコンデンサのキャパシタンスに
変化が生じる。そして、このキャパシタンスの変化を検
出することによって、そのときの加速度が検知される。

【００５４】次に、この加速度センサ１のシリコン基板
２側は、基本的には実施例１において示した手順に類似
した手順によって作製することができる。なお、この加
速度センサ３６では拡散歪みゲージ１０は不要であるた
め、その形成工程は省略されている。

【００５５】まず、ほう素の打ち込み・熱拡散によっ
て、ｐ型単結晶シリコン基板２の表面側の所定領域に、
ｐ型シリコン層２６を形成する（図３参照）。次に、シ
リコン基板２の上面にｎ型単結晶シリコンのエピタキシ
ャル成長層８を形成することによって、同エピタキシャ
ル成長層８内にｐ型シリコン層２６を埋め込む（図４参
照）。次に、ほう素の打ち込み・熱拡散によって、エピ
タキシャル成長層８に開口部形成用のｐ型シリコン層２
７を形成する（図５参照）。

【００５６】次に、エピタキシャル成長層８の上面にエ
ッチングレジスト２８を形成した状態で陽極化成処理を
行う。この処理によって、各ｐ型シリコン層２６，２７
を、支持柱３９となるべき領域のみを残してｐ型多孔質
シリコン層９に変化させる（図７参照）。ただし、本実
施例においては上下の未改質部分が連結している必要が
あるため、陽極化成の条件は、前記実施例１，２のとき
よりも、いくぶん穏やかに設定される。ここでは、その
好適な条件として、ふっ酸水溶液の温度を数十℃に、処
理時間を数分に、通電量を数ｍＡ／ｃｍ² 〜数十ｍＡ／
ｃｍ² に設定している。そして、上記の陽極化成の後、
不要となったエッチングレジスト２８を剥離する。

【００５７】次に、エピタキシャル成長層８の上面に可
動電極４１及び配線パターン１２を形成した後、さらに
パッシベーション膜１５を形成する（図８参照）。この
後、ｐ型多孔質シリコン層９をＴＭＡＨで異方性エッチ
ングすることにより、ｐ型多孔質シリコン層９があった
部分を空洞化する。陽極化成を受けていない未改質部
分、即ち支持柱３９となるべき領域は、多孔質部分ほど
アルカリに溶解しやすくはない。従って、この部分には
溶け残りができ、結果として所定形状の支持柱３９が形
成される。以上のように作製された加速度センサ３６の
下側部には、固定電極４３があらかじめ形成されている
ガラス基板２が陽極接合される。

【００５８】さて、本実施例の加速度センサ３６と上記
実施例１，２の加速度センサ１，３１とでは、溶け残り
部分の形状や拡散歪みゲージ１０の有無等に若干の差異
はあるものの、基本構成については大きな差異はない。
また、その製造方法についても同じく大差はない。従っ
て、この加速度センサ３６も実施例１，２と同様の効果
を奏する。即ち、加速度センサ３６の小型化、高感度化
及び実装容易化を達成できるとともに、製造時の工程簡
略化及び作業容易化を達成することができる。

【００５９】なお、本発明は上記実施例のみに限定され
ることはなく、例えば次のように変更することが可能で
ある。 （１） エピタキシャル成長層８の厚さや、ｐ型シリコ
ン層２６の埋め込み厚さ（即ち、ｐ型多孔質シリコン層
９の厚さ）は、変更可能である。例えば図１３（ａ），
図１３（ｂ）の加速度センサ４５では、実施例１等に比
べてエピタキシャル成長層８が厚くなっている反面、ｐ
型シリコン層２６の埋め込み厚さが薄くなっている。逆
に、図１３（ｃ），図１３（ｄ）の加速度センサ４６で
は、実施例１等に比べてエピタキシャル成長層８が薄く
なっている反面、ｐ型シリコン層２６の埋め込み厚さが
厚くなっている。ここで、両加速度センサ４５，４６を
比較した場合、第１のマス部５に対する第２のマス部６
の容積比は、後者の加速度センサ４６のほうが大きいこ
とがわかる。つまり、後者の加速度センサ４６のほう
が、第２のマス部６が付加したことによる質量増加の効
果が顕著に現れる結果となる。

【００６０】（２） ｐ型単結晶シリコン基板２として
面方位（１１０）以外の基板、例えば（１１１）基板や
（１００）基板等を使用してもよい。なお、実施例１に
おいて（１００）基板を使用すれば、より高感度にする
ことができる。

【００６１】（３） ＴＭＡＨ以外のアルカリ系エッチ
ャントとして、例えばＫＯＨ、ヒドラジン、ＥＰＷ（エ
チレンジアミン−ピロカテコール−水）等を使用しても
よい。

【００６２】（４） 配線パターン１２及びボンディン
グパッド１３を形成する金属材料として、Ａｌのほかに
例えばＡｕ等を選択してもよい。 （５） 実施例１において、梁７の本数、形状、レイア
ウトを変更することは可能である。即ち、梁７の本数は
３本以下や５本以上でもよい。

【００６３】（６） 加速度センサ１，３１等を製造す
る場合、ｎ型単結晶シリコンのエピタキシャル成長層８
に代えて、例えばｎ型の多結晶シリコン層やアモルファ
スシリコン層等を形成してもよい。ただし、ｎ型単結晶
シリコンのエピタキシャル成長層８を使用した実施例の
構成が、検出感度の向上という観点からみて最も好まし
い。

【００６４】（７） 実施例１，２において例示した拡
散型の歪みゲージ１０に代えて、例えばＣｒや多結晶シ
リコン等からなる薄膜歪みゲージを形成してもよい。 （８） シリコン基板２の表面におけるカンチレバー構
造部の周囲のスペースに、信号論理回路等として機能す
るバイポーラＩＣを形成してもよい。

【００６５】（９） 第１のマス部５の形状は矩形以外
のもの、例えば円形、楕円形、三角形、その他の多角形
等でもよい。なお、ここに列挙した形状のマス部５の下
面に形成される第２のマス部６の形状も、円錐、楕円
錐、三角錐、その他の多角錐等にすることが許容され
る。

【００６６】（１０） 第２のマス部６の形成位置は、
必ずしも第１のマス部５の下面中央部でなくてもよく、
下面外縁部に近くてもよい。ただし、実施例１のような
Ｈブリッジ型の加速度センサ１においては、第２のマス
部６を極力中央部に配置することが検出精度向上にプラ
スに作用する。これとは逆に、実施例２の片持ち式の加
速度センサ３１においては、第２のマス部６を極力を外
縁部（詳細には片持ち梁３３とは反対側の外縁部）に配
置することがよい。

【００６７】ここで、特許請求の範囲に記載された技術
的思想のほかに、前述した実施例及び別例によって把握
される技術的思想をその効果とともに以下に列挙する。 （１） 請求項１〜４のいずれかにおいて、カンチレバ
ー構造部の周囲にバイポーラＩＣを形成すること。この
構成であると、加速度センサの小型化及び高速化が達成
できる。 （２） ｐ型単結晶シリコン基板の表面側に形成された
凹部内にカンチレバー構造部を変位可能に配置した表面
型の加速度センサにおいて、前記カンチレバー構造部
は、ｎ型エピタキシャル成長層からなる第１のマス部
と、ｐ型シリコン層からなり前記第１のマス部の下面略
中央部から突出する第２のマス部と、前記第１のマス部
をその側方から支持する片持ち梁とによって構成される
加速度センサ。この構成であると、小型化、高感度化及
び実装容易化を達成できる。

【００６８】（３） ｐ型単結晶シリコン基板の表面側
に形成された凹部内に変位体を変位可能に配置し、前記
変位体の上面に可動電極を形成し、前記可動電極に相対
する位置に固定電極を離間させて配設した静電容量式の
加速度センサにおいて、前記変位体は、ｎ型エピタキシ
ャル成長層からなるマス部と、ｐ型シリコン層からなり
前記マス部の下面略中央部を支持する支持柱と、前記マ
ス部をその側方から支持する複数の梁とによって構成さ
れる静電容量式の加速度センサ。この構成であると、小
型化、高感度化及び実装容易化を達成できる。

【００６９】なお、本明細書中において使用した技術用
語を次のように定義する。 「カンチレバー構造部： 加速度が印加した時に変位す
る部分を意味し、例えば複数本の梁によってマス部を支
持したものや、片持ち梁によってマス部を支持したもの
等をいう。」 「陽極化成： 電解液中で基板を陽極として電流を流す
ことにより、その基板に多孔質層を形成する一括改質加
工をいう。」

【００７０】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１〜４に記
載の発明によれば、小型化、高感度化及び実装容易化を
達成できる加速度センサを提供することができる。請求
項３に記載の発明によれば、より高感度化を達成するこ
とができる。請求項５，６に記載の発明によれば、上記
の優れた加速度センサを確実に製造することができるば
かりでなく、製造時の工程簡略化及び作業容易化を達成
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の加速度センサを示す概略斜視図。

【図２】同加速度センサの実装状態を示すＡ−Ａ線にお
ける概略断面図。

【図３】（ａ）は同加速度センサの製造手順を示す部分
概略断面図、（ｂ）はその概略平面図。

【図４】同じく（ａ）は部分概略断面図、（ｂ）は概略
平面図。

【図５】同じく（ａ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線における部分
概略断面図、（ｂ）は概略平面図。

【図６】同じく（ａ）は（ｂ）のＣ−Ｃ線における部分
概略断面図、（ｂ）は概略平面図。

【図７】同じく（ａ）は（ｂ）のＤ−Ｄ線における部分
概略断面図、（ｂ）は概略平面図。

【図８】同じく（ａ）は（ｂ）のＥ−Ｅ線における部分
概略断面図、（ｂ）は概略平面図。

【図９】陽極化成の進み方を示す説明図。

【図１０】実施例２の加速度センサを示す概略斜視図。

【図１１】実施例３の加速度センサを示す概略斜視図。

【図１２】同加速度センサの概略断面図。

【図１３】（ａ），（ｂ）は別例１の加速度センサの製
造手順を示す断面図、（ｃ），（ｄ）は別例２の加速度
センサの製造手順を示す断面図。

【図１４】従来のバルク型の加速度センサを示す概略平
面図。

【図１５】同加速度センサの実装状態を示すＦ−Ｆ線に
おける概略断面図。

【符号の説明】

１，３１，４５，４６…加速度センサ、２…ｐ型単結晶
シリコン基板、３…凹部、５…第１のマス部、６…第２
のマス部、６ａ…下頂点、７…梁、８…ｎ型シリコン層
としてのエピタキシャル成長層、９…ｐ型多孔質シリコ
ン層、１０…拡散歪みゲージ、１２…配線パターン、１
５…パッシベーション膜、２６，２７…ｐ型シリコン
層、２８…エッチングレジスト，３３…梁としての片持
ち梁、Ｃ2…間隙。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 29/84 G01P 15/12 H01L 21/306

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ｐ型単結晶シリコン基板（２）の表面側に
   形成された凹部（３）内にカンチレバー構造部を変位可
   能に配置した加速度センサ（１，３１，４５，４６）に
   おいて、 前記カンチレバー構造部は、ｎ型シリコン層（８）から
   なる第１のマス部（５）と、ｐ型シリコン層（２６）か
   らなり前記第１のマス部（５）の下面略中央部から突出
   する第２のマス部（６）と、前記第１のマス部（５）を
   その側方から支持する梁（７，３３）とによって構成さ
   れる加速度センサ。
2. 【請求項２】前記第１のマス部（５）は矩形状であり、
   かつその側方から延びる４本の梁（７）によって支持さ
   れている請求項１に記載の加速度センサ。
3. 【請求項３】前記第２のマス部（６）の形状は略四角錐
   である請求項２に記載の加速度センサ。
4. 【請求項４】前記第１のマス部（５）は、ｎ型シリコン
   単結晶のエピタキシャル成長層（８）からなる請求項１
   乃至３のいずれか１項に記載の加速度センサ。
5. 【請求項５】 不純物添加によって、ｐ型単結晶シリコ
   ン基板（２）の表面側の所定領域に第１のｐ型シリコン
   層（２６）を形成する工程と、前記第１のｐ型シリコン層（２６）を形成した 前記ｐ型
   単結晶シリコン基板（２）の上面にｎ型単結晶シリコン
   のエピタキシャル成長層（８）を形成することによっ
   て、同エピタキシャル成長層（８）内に前記第１のｐ型
   シリコン層（２６）を埋め込む工程と、 不純物添加によって、前記第１のｐ型シリコン層（２
   ６）を埋め込んだ前記エピタキシャル成長層（８）の上
   面から前記第１のｐ型シリコン層（２６）へ到達するよ
   うに開口部形成用の第２のｐ型シリコン層（２７）を前
   記エピタキシャル成長層（８）に形成する工程と、 前記エピタキシャル成長層（８）の上面にｐ型シリコン
   からなる歪みゲージ（１０）を形成する工程と、前記第２のｐ型シリコン層（２７）及び前記歪みゲージ
   （１０）を形成した後、 前記エピタキシャル成長層
   （８）の上面にエッチングレジスト（２８）を形成した
   状態で陽極化成処理を行うことによって、前記第１のｐ
   型シリコン層（２６）及び第２のｐ型シリコン層（２
   ７）を、前記第２のマス部（６）となるべき領域を残し
   てｐ型多孔質シリコン層（９）に変化させる工程と、前記第１のｐ型シリコン層（２６）及び第２のｐ型シリ
   コン層（２７）を前記ｐ型多孔 質シリコン層（９）に変
   化させた後、前記エピタキシャル成長層（８）の上面に
   前記歪みゲージ（１０）に接続する配線パターン（１
   ２）を形成し、その配線パターン（１２）を覆うパッシ
   ベーション膜（１５）を形成する工程と、前記パッシベーション膜（１５）を形成した後、 前記ｐ
   型多孔質シリコン層（９）をアルカリエッチングによっ
   て除去することにより、前記ｐ型多孔質シリコン層
   （９）があった部分を空洞化する工程とからなる請求項
   １乃至４のいずれか１項の加速度センサを製造する方
   法。
6. 【請求項６】 前記第２のｐ型シリコン層（２７）は、
   前記第１のマス部（５）が形成されるべき領域を包囲す
   るように形成される請求項５に記載の加速度センサの製
   造方法。