JP3555388B2

JP3555388B2 - 半導体ヨーレートセンサ

Info

Publication number: JP3555388B2
Application number: JP17486997A
Authority: JP
Inventors: 加納　　一彦; 義則大塚; 真紀子藤田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2017-06-30
Also published as: JPH1126777A; DE19828606B4; DE19828606A1; US6028332A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料よりなる梁構造体を有してヨーレートを検出する半導体ヨーレートセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の半導体ヨーレートセンサとして、特開平８−１４８６９８号公報に示されるものがある。
この半導体ヨーレートセンサにおいては、半導体材料にて梁構造体を構成するとともにこの梁構造体を基板の上面において所定間隔を隔てた位置に配置し、梁構造体を基板の表面に対し水平方向に振動させたとき、基板の表面に対する垂直方向の梁構造体の変位に基づいて、ヨーレートを検出するようにしている。
【０００３】
さらに、梁構造体に水平変位検出用の可動ゲート電極を設けるとともに、基板にソース・ドレイン電極を設け、梁構造体の水平方向の変位、すなわち梁構造体の強制振動をソース・ドレイン間のドレイン電流として検出し、その検出出力に基づき梁構造体を一定の共振周波数で強制振動させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のものでは、梁構造体の水平方向の変位を検出するために、梁構造体に水平変位検出用の可動ゲート電極を設ける他、基板にもソース・ドレイン電極を設ける必要があり、構成が複雑になるという問題がある。
本発明は上記問題に鑑みたもので、梁構造体の強制振動を、新規な簡単な構成にてモニタできるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明においては、梁部（５、６、２４ｂ、２４ｃ）に、梁構造体（２、３）の強制振動をモニタする歪ゲージ（１５、１９、２５、２９）を形成したことを特徴としている。
このように梁構造体を構成する梁部に歪ゲージを形成するという簡単な構成にて、梁構造体の強制振動をモニタすることができる。
【０００６】
また、請求項１に記載の発明において、歪ゲージは、４本の梁部のうち２本の梁部のぞれぞれに長手方向が梁構造体の強制振動の方向となるように形成され、梁構造体の強制振動中に、一方が圧縮の歪みを受けたとき他方が引っ張りの歪みを受けるようになっているとともに、直列接続されてブリッジ回路を構成しており、さらに、ブリッジ回路の出力に基づいて、可動電極と固定電極の間に強制振動用の電圧を印加する回路手段（４０〜４６）を備え、梁構造体の強制振動をモニタする歪ゲージにより構成されたブリッジ回路の出力に基づき、回路手段が強制振動用の電圧を可動電極と固定電極の間に印加し、それによる梁構造体の強制振動を歪ゲージにてモニタするという閉ループにて、自励発振回路が構成されている。このことにより、２本の梁部のぞれぞれに形成した強制振動モニタ用の歪ゲージを用いて自励発振回路を構成し、梁構造体を共振周波数で強制振動させることができる。また、歪ゲージの配線は、請求項２、３に記載したように、梁部に形成した、拡散層（１６、２０、２６、３０）、金属配線（１６’）とすることができ、その配線を用いて、請求項４に記載したように、歪ゲージと、アンカー部に形成した電極部（１７、１８、２１、２２、２７、２８、３１、３２）間を電気接続することができる。
【０００７】
この場合、配線は、請求項５に記載したように、梁部でＵターンする形状を有するものの他、請求項６に記載したように、梁部から質量部を回る形状を有して構成することができる。後者の場合には、梁幅が狭い場合であっても歪ゲージおよび配線を容易に形成することができる。
【０００８】
また、請求項７に記載の発明のように、歪ゲージを梁部の面内方向振動時の中立軸に対しオフセットした位置に形成することにより、梁構造体の強制振動を好適にモニタすることができる。

【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態を示す半導体ヨーレートセンサの模式的な平面構成を示す。
【００１０】
図１に示すように、半導体ヨーレートセンサは、半導体基板１の上面に梁構造体（可動構造体）２、３を備え、両梁構造体２、３を逆相にて励振させ、差動検出を行ってヨーレートを検出するようにしている。
梁構造体２は、基板１側から突出する４つのアンカー部４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄにより架設されており、基板１の上面において所定間隔を隔てた位置に配置されている。
【００１１】
アンカー部４ａとアンカー部４ｃの間には、梁部５が架設されており、アンカー部４ｂとアンカー部４ｄとの間には、梁部６が架設されている。
また、梁部５と梁部６との間には、質量部（重り部又はマス部）７が架設されている。この質量部７には、上下に貫通する透孔７ａが設けられており、一方の側面からは櫛歯状の励振用可動電極８が突出し、他方の側面からは櫛歯状の励振用可動電極９が突出した構造となっている。これら可動電極８、９は、棒状をなし、等間隔をおいて平行に延びている。
【００１２】
梁構造体３も、梁構造体２と同様の構成となっている。
また、基板１の上面には、櫛歯状の励振用固定電極１０、１１、１２が配置されている。各固定電極１０、１１、１２は、基板１側から突出するアンカー部により支持されており、梁構造体２、３の各可動電極８、９と対向するように櫛歯状の形状となっている。
【００１３】
さらに、基板１の上面部において、梁構造体２、３における質量部７と対向する領域に、下部電極（ヨーレート検出用固定電極）１３、１４がそれぞれ形成されている。
上記した構成において、梁構造体２の可動電極８と固定電極１０との間、および梁構造体２の可動電極９と固定電極１１との間に、逆相の駆動電圧を印加すると、電極間の静電気力により、梁構造体２が基板１の表面に対し水平（平行）方向に強制振動される。同様に、梁構造体３の可動電極８と固定電極１１との間、および梁構造体３の可動電極９と固定電極１２との間に、逆相の駆動電圧を印加すると、電極間の静電気力により、梁構造体３が基板１の表面に対し水平方向に強制振動される。
【００１４】
このとき、図に示す方向、すなわち基板１表面方向に向く軸のまわりにヨーΩが発生すると、梁構造体２、３の質量部７に対し基板１の表面に垂直な方向にコリオリ力が生じる。ここで、コリオリ力ｆｃは梁構造体２、３の質量部７の質量ｍ、振動の速度Ｖ、ヨーΩに依存し、数式１で表される。
【００１５】
【数１】
ｆｃ＝２ｍＶΩ
そして、梁構造体２、３の強制振動中、すなわち励振中において、コリオリ力ｆｃにより梁構造体２、３の質量部７が変位すると、この変位が、梁構造体２、３と下部電極１３、１４との間に形成されるコンデンサの容量（静電容量）変化として検出される。
【００１６】
ここで、梁構造体２、３の振動の位相を１８０度ずらすことにより、梁構造体２、３の質量部７の変位方向を逆にし、差動検出を行って精度よくヨーレートを検出することができる。
図２に、図１に示す半導体ヨーレートセンサの左半分、すなわち梁構造体２の斜視構成を示す。図１中には図示しなかったが、本実施形態では、図２に示すように、歪ゲージ１５、１９を、梁部５、６に拡散層にて形成し、梁構造体２の強制振動をモニタするようにしている。
【００１７】
歪ゲージ１５は、拡散層にて形成された配線１６を介してアンカー部４ｃに形成された電極部１７、１８に接続され、歪ゲージ１９は、拡散層にて形成された配線２０を介してアンカー部４ｄに形成された電極部１７、１８に接続されている。なお、梁構造体２の強制振動中において、歪ゲージ１５、１９は梁構造体２の振動方向に位置しており、歪ゲージ１５、１９のうち一方が圧縮の歪みを受けたとき他方が引っ張りの歪みを受けるため、歪ゲージ１５、１９の抵抗値は互いに逆方向に変化する。
【００１８】
図３に、梁構造体２の駆動・検出回路の構成を示す。
歪ゲージ１５、１９は、直列接続されてハーフブリッジ回路を構成しており、歪ゲージ１５、１９のそれぞれの抵抗値変化が電圧変化として出力される。この出力された電圧は、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４０およびアンプ４１を介しモニタ信号として取り出される。ここで、梁構造体２の強制振動中においては、モニタ信号と、梁構造体２を強制振動させる駆動電圧とは位相が９０度ずれている。そして、移相器４２を介してモニタ信号の位相を９０度ずらし、その信号を一方の固定電極１０に印加するとともに、反転器４３により位相反転した信号を他方の固定電極１１に印加する。なお、質量部７に設けられた可動電極８、９は、基準電圧（例えば接地電圧）に固定されている。
【００１９】
このように、梁構造体２の強制振動をモニタする歪ゲージ１５、１９の出力に基づいて、梁構造体２を強制振動させるための電圧を、可動電極８、９と固定電極の間に１０、１１間に印加し、それによる梁構造体２の強制振動を歪ゲージ１５、１９にてモニタするという閉ループにて、自励発振回路を構成している。そして、この自励発振回路により、梁構造体２を共振周波数で強制振動させることができる。
【００２０】
また、移相器４２を介したモニタ信号を、整流器４４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４５、乗算器４６にて構成される自動ゲイン調整器（ＡＧＣ）回路Ａを通すことにより、移相器４２を介したモニタ信号の振幅を一定にし、梁構造体２の強制振動における振幅を一定にすることができる。
また、梁構造体２と下部電極１３との間に形成されるコンデンサの容量は、Ｃ−Ｖ変換器４７にて電圧に変換され、同期検波回路４８にて、アンプ４１を介したモニタ信号により同期検波され、ヨーレート信号として出力される。
【００２１】
なお、他方の梁構造体３にも、梁構造体２と同様に、それぞれの梁部５、６に歪ゲージが形成され、梁構造体３の強制振動をモニタして、梁構造体３を強制振動させ、ヨーレート検出を行う。
次に、上記したヨーレートセンサの製造方法について、図２中のＡ−Ａ断面を用いて説明する。
【００２２】
まず、図４に示すように、単結晶のＮ型のシリコン基板（第１の半導体基板）１００を用意し、このシリコン基板１００にアライメント用の溝１００ａをトレンチエッチングにより形成する。この後、シリコン基板１００の上に、犠牲層用薄膜としてのシリコン酸化膜１０１をＣＶＤ法等により成膜する。
次に、図５に示すように、シリコン酸化膜１０１の一部をエッチングして凹部１０２を形成する。この凹部１０２は、後述する犠牲層エッチング工程において、梁構造体が表面張力等で基板に付着する場合に、その付着面積を減らす突起を設けるために形成する。さらに、シリコン酸化膜１０１の上に、犠牲層エッチング時のエッチングストッパとなるシリコン窒化膜（第１の絶縁体薄膜）１０３を成膜する。そして、シリコン窒化膜１０３とシリコン酸化膜１０１との積層体に対しフォトリソグラフィを経てドライエッチング等によりアンカ部形成領域に開口部１０４を形成する。なお、このとき形成される開口部は、梁構造体２、３および固定電極１０、１１、１２の全てのアンカ部に対して形成される。
【００２３】
引き続き、図６に示すように、開口部１０４およびシリコン窒化膜１０３の上に、アンカー部を構成する膜としてポリシリコン薄膜を０．５〜２μｍ程度の膜厚で成膜し、その成膜中または成膜後に不純物を導入して導電性薄膜とする。さらに、そのポリシリコン薄膜をフォトリソグラフィを経てパターニングして、開口部１０４およびシリコン窒化膜１０３の上の所定領域に不純物ドープトポリシリコン薄膜１０５を形成する。この後、ポリシリコン薄膜１０５上に窒化膜１０６を形成する。
【００２４】
なお、ポリシリコン薄膜のフォトリソグラフィ工程において、ポリシリコン薄膜が薄い（０．５〜２μｍ）ので、ポリシリコン薄膜の下でのシリコン窒化膜１０３の開口部１０４の形状を透視することができ、フォトマスク合わせを正確に行うことができる。
そして、図７に示すように、窒化膜１０６の上に、シリコン酸化膜（第２の絶縁体薄膜）１０７を成膜する。
【００２５】
さらに、図８に示すように、シリコン酸化膜１０７の上に、貼り合わせ用薄膜としてのポリシリコン薄膜１０８を成膜し、貼り合わせのためにポリシリコン薄膜１０８の表面を機械的研磨等により平坦化する。
次に、図９に示すように、シリコン基板１００とは別の単結晶シリコン基板（第２の半導体基板）１０９を用意し、ポリシリコン薄膜１０８とシリコン基板１０９とを貼り合わせる。
【００２６】
さらに、図１０に示すように、シリコン基板１００、１０９を表裏逆にして、シリコン基板１００側を機械的研磨等を行い薄膜化する。その際、シリコン基板１００に形成した溝１００ａの深さまで、すなわち溝１００ａが露呈するまで研磨を行うと、シリコン酸化膜１０１の層が出現し、研磨における硬度が変化するため、研磨の終点を容易に検出することができる。また、アライメント用の溝１００ａ内に形成されたシリコン酸化膜１０１をアライメントマークとして、以下に示す工程の成膜およびトレンチエッチングが行われる。
【００２７】
この研磨後、梁構造体の強制振動をモニタするための歪ゲージ１１０および配線１１１を形成する。この場合、Ｎ型の単結晶シリコン基板１００に対し、ボロン（Ｂ）を低ドーズ量（３×１０^１４ｃｍ^−３程度）でイオン注入して歪ゲージ１１０を形成し、ボロン（Ｂ）を高ドーズ量（１×１０^１６ｃｍ^−３程度）でイオン注入して配線１１１をそれぞれ拡散層で形成する。
【００２８】
そして、図１１に示すように、層間絶縁膜１１２を成膜し、フォトリソグラフィを経てドライエッチング等によりコンタクトホールを形成する。そして、層間絶縁膜１１２の上の所定領域にシリコン窒化膜１１３を形成し、さらに電極部としてのアルミ電極１１４を成膜・フォトリソグラフィを経て形成する。
また、ここには図示していないが、単結晶シリコン基板の電位をとる箇所にリン（Ｐ）をイオン注入し、その上部に電極を形成している。
【００２９】
この後、図１２に示すように、マスク材１１５を用い、梁構造体のパターンのホトリソグラフィ経て、梁構造体を形成する。つまり、シリコン基板１００に梁構造体および固定電極を画定するための溝１１６をトレッチエッチングにより形成する。このとき、エッチングは、フォトレジストのようなソフトマスク、あるいは酸化膜のようなハードマスクを用いて行う。
【００３０】
最後に、図１３に示すように、ＨＦ系のエッチング液によりシリコン酸化膜１０１をエッチング除去して、シリコン基板１００を可動構造とし、シリコン基板１００に梁構造体および固定電極を形成する。この際、エッチング後の乾燥工程で可動部が基板に固着するのを防止するため、バラジクロルベンゼン等の昇華剤を用いる。
【００３１】
このようにして、図１、図２に示す半導体ヨーレートセンサを製造することができる。なお、図１３に示すシリコン基板１０９〜シリコン窒化膜１０３までの部分にて図１に示す基板１を構成している。
また、この実施形態では、梁構造体２、３の２つの振動子により差動検出してＳ／Ｎ感度を向上させるものを示したが、１つの梁構造体でヨーレート検出を行うようにしてもよい。
（他の実施形態）
上記第１実施形態では、配線１６、２０を、梁部５、６でＵターンする形状により歪ゲージ１５、１９と電極部１７、１８間に形成するものを示したが、図１４に示すように、配線１６、２０を、梁部５、６から質量部７を回る形状により歪ゲージ１５、１９と電極部１７、１８間に形成するようにすれば、梁部５、６の梁幅が狭い場合でも、梁部５、６に歪ゲージ１５、１９および配線１６、２０を容易に形成することができる。
【００３２】
また、質量部７をアンカー部４ａ〜４ｄに支持する４つの梁部５、６の各々に歪ゲージを形成し、それらをフルブリッジ回路を構成するように接続して、梁構造体２の強制振動をモニタするようにしてもよい。
さらに、本発明は、図１５に示すように、２つの梁構造体２、３を、梁部２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを介して、４つのアンカー部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄにより支持し、音叉型の振動を行うように構成された半導体ヨーレートセンサにも同様に適用することができる。
【００３３】
この場合、図１６に示すように、歪ゲージ２５を梁部２４ｂに形成するとともに歪ゲージ２５を配線２６によりアンカー部２３ｃに形成された電極部２７、２８に電気接続し、また歪ゲージ２９を梁部２４ｃに形成するとともに歪ゲージ２９を配線３０によりアンカー部２３ｄに形成された電極部３１、３２に電気接続する。あるいは、図１７に示すように、梁部２４ｂ、２４ｃから質量部７を回る形状の配線２６、３０を用い、配線２６により歪ゲージ２５を電極部２７、２８に電気接続し、また配線３０により歪ゲージ２９を電極部３１、３２に電気接続するようにしてもよい。
【００３４】
なお、図１６、図１７に示す構成の場合、図１８に示すように、歪ゲージ２５（２９）を梁部２４ｂ（２４ｃ）の中立軸に対して偏位した位置、すなわちオフセットした位置に形成することによって、歪ゲージ２５（２９）から梁構造体２（３）の強制振動に応じた出力を好適に取り出すことができる。
このような構成にすることによって、第１実施形態と同様に、梁構造体２、３の強制振動をモニタすることができる。
【００３５】
なお、図１６、図１７に示す構成において、歪ゲージ２５、２９を、４つの梁部２４ａ〜２４ｄのうちアンカー部２３ｃ、２３ｄに対し内側となる梁部２４ｂ、２４ｃにそれぞれ設けることにより、拡散層（歪ゲージ２５、２９、配線２６、３０）の上に保護膜（パッシベーション膜）を形成した場合に、膜応力により音叉型構造の梁構造体が変形するのを最小限に抑えることができる。
【００３６】
また、上記した種々の実施形態において、歪ゲージ１５、１９、２５、２９の配線１６、２０、２６、３０を拡散層にて形成するものを示したが、アルミ配線等の金属配線にて形成するようにしてもよい。例えば、図２に示す構成に対し、図１９に示すようにアルミ配線１６’を形成し、コンタクトホール１６ａ、１６ｂを介して歪ゲージ１５とアルミ配線１６’を電気接続する。
【００３７】
なお、本発明は、上記したような梁構造体２、３と下部電極１３、１４間の容量に基づいてヨーレート検出を行う静電容量型のものに限らず、特開平８−１４８６９８号公報に示されるトランジスタ検出型のものにも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す半導体ヨーレートセンサの平面構成図である。
【図２】図１に示す梁構造体２の斜視構成図である。
【図３】図１に示す梁構造体２の駆動・検出回路の構成を示す図である。
【図４】図１、図２に示す半導体ヨーレートセンサの製造方法を示す工程図である。
【図５】図４に続く工程を示す工程図である。
【図６】図５に続く工程を示す工程図である。
【図７】図６に続く工程を示す工程図である。
【図８】図７に続く工程を示す工程図である。
【図９】図８に続く工程を示す工程図である。
【図１０】図９に続く工程を示す工程図である。
【図１１】図１０に続く工程を示す工程図である。
【図１２】図１１に続く工程を示す工程図である。
【図１３】図１２に続く工程を示す工程図である。
【図１４】本発明の他の実施形態を半導体ヨーレートセンサの斜視構成図である。
【図１５】本発明のさらに他の実施形態を半導体ヨーレートセンサの平面構成図である。
【図１６】図１５に示す半導体ヨーレートセンサの部分拡大図である。
【図１７】図１５に示す半導体ヨーレートセンサの他の構成に係る部分拡大図である。
【図１８】図１６、図１７に示す構成場合の歪ゲージ２５、２９の形成位置を示す図である。
【図１９】歪ゲージ１５の配線をアルミ配線１６’を用いて形成した実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１…基板、２、３…梁構造体、４ａ〜４ｄ、２３ａ〜２３ｄ…アンカー部、
５、６、２４ａ〜２４ｄ…梁部、７…質量部、８、９…励振用可動電極、
１０、１１、１２…励振用固定電極、１３、１４…下部電極、
１５、１９、２５、２９…歪ゲージ、１６、２０、２６、３０…配線、
１７、１８、２１、２２、２７、２８、３１、３２…電極部。

Claims

基板（１）と、梁構造体（２、３）と、固定電極（１０、１１、１２）とを備え、
前記梁構造体は、半導体材料よりなり、前記基板上に形成されたアンカー部（４ａ〜４ｄ、２３ａ〜２３ｄ）と、前記アンカー部により梁部（５、６、２４ａ〜２４ｄ）を介して支持され前記基板の上面において所定間隔を隔てた位置に配置された質量部（７）と、この質量部に設けられた可動電極（８、９）を有しており、
前記固定電極は、前記可動電極と対向する形状を有して前記基板上に固定されており、
前記可動電極と前記固定電極の間に駆動電圧を印加して、前記梁構造体を前記基板の表面に対し水平方向に強制振動させたとき、前記基板の表面に対する垂直方向の前記梁構造体の変位に基づいて、ヨーレートを検出するようにした半導体ヨーレートセンサにおいて、
前記質量部は、４本の前記梁部を介して前記アンカー部に支持されており、
前記４本の梁部のうち２本の梁部のぞれぞれに長手方向が前記梁構造体の強制振動の方向となるように形成され、前記梁構造体の強制振動をモニタする歪ゲージ（１５、１９、２５、２９）を有し、
前記２本の梁部のそれぞれに形成された歪ゲージは、前記梁構造体の強制振動中に、一方が圧縮の歪みを受けたとき他方が引っ張りの歪みを受けるようになっているとともに、直列接続されてブリッジ回路を構成しており、
さらに、前記ブリッジ回路の出力に基づいて、前記可動電極と前記固定電極の間に前記強制振動用の電圧を印加する回路手段（４０〜４６）を備え、
前記梁構造体の強制振動をモニタする前記歪ゲージにより構成された前記ブリッジ回路の出力に基づき、前記回路手段が前記強制振動用の電圧を前記可動電極と前記固定電極の間に印加し、それによる前記梁構造体の強制振動を前記歪ゲージにてモニタするという閉ループにて、自励発振回路が構成されていることを特徴とする半導体ヨーレートセンサ。
前記梁部に、前記歪ゲージの配線をなす拡散層（１６、２０、２６、３０）を形成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体ヨーレートセンサ。
前記梁部に、前記歪ゲージの配線をなす金属配線（１６’）を形成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体ヨーレートセンサ。
前記アンカー部に前記歪ゲージの出力を取り出すための電極部（１７、１８、２１、２２、２７、２８、３１、３２）が形成されており、前記配線が前記歪ゲージと前記電極部の間に形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体ヨーレートセンサ。
前記配線は前記梁部でＵターンする形状を有して前記歪ゲージと前記電極部間に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体ヨーレートセンサ。
前記配線は前記梁部から前記質量部を回る形状を有して前記歪ゲージと前記電極部間に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体ヨーレートセンサ。
前記歪ゲージは前記梁部の面内方向振動時の中立軸に対しオフセットした位置に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の半導体ヨーレートセンサ。