JP4066577B2

JP4066577B2 - 半導体加速度センサ

Info

Publication number: JP4066577B2
Application number: JP30475199A
Authority: JP
Inventors: 宏齊藤; 澄夫赤井; 拓郎石田; 万士片岡; 浩則上; 隆司西條; 誠斉藤
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-10-27
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: JP2001124797A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピエゾ抵抗の変化により加速度を検出する半導体加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体加速度センサを図７乃至図１０の従来例にもとづき説明する。図７は半導体加速度センサの断面図であり、図８は半導体加速度センサの上面図で、特に半導体加速度センサの本体部となるチップ部１の上面構造を示すものである。チップ部１には、重り部５と撓み部４が形成されている。重り部５は、加速度検出のための質量体であり、撓み部４により支持されている。ここで、撓み部４とチップ部１の重り部５周辺部（フレーム）との境界を支持部と称する。これらは、チップ部１下面からアルカリ異方性エッチングにより、撓み部４の肉薄形状の形成するとともに、重り部５周辺を貫通させてコの字に近いスリット１０を形成することで形成される。重り部５は異方性エッチングで形成されるため、その断面形状は台形となる（図中重り部底面１９を破線で示す）。また、撓み部４上にはピエゾ抵抗６が形成され、従来例では、撓み部４が２本互いに平行に形成され、各撓み部４には各々２個、合計４個のピエゾ抵抗６が形成されている。この４個のピエゾ抵抗６の配置構成を図９に撓み部４を拡大して示し、また、ピエゾ抵抗６の配線回路を図１０に示す。図７における上部ガラスストッパ２及び下部ガラスストッパ３は、チップ部１上面，下面に各々陽極接合により接合され、過大な加速度が生じたとき、重り部５の変位を制限し撓み部４の破壊を防止する役目を備えている。
【０００３】
以上が基本構成であるが、他の構成要素についても製造過程を交えながら簡単に述べる。結晶面（１００）のシリコン単結晶ウェハ（チップ部１）を酸化して酸化膜を形成した後、後工程で重り部５及び撓み部４を形成する領域の酸化膜だけを、フォトリソグラフィ技術によりコの字型に近い形状で除去する（酸化膜８）。次に酸化膜８をエッチングマスクとしてシリコンウェハのエッチングを行う。エッチングの深さは、一般に６μｍから３０μｍ程度である。再度酸化を行い、後工程で形成されるアルミニウム配線１３とピエゾ抵抗６との接続を行うためのＰ＋（ボロン）拡散層配線１１を形成する。続いて、イオン注入によりピエゾ抵抗６を撓み部４にブリッジ回路を形成するように組み合わせて形成する。そして、ピエゾ抵抗６に接続されたＰ＋拡散層配線１１とアルミニウム配線１３とをコンタクト部１２で接続する。アルミニウム配線１３をワイヤボンディング用のパッド１４に接続し、さらにこのパッド１４と電源供給用及び電気信号出力用の外部端子とをワイヤ１５でボンディング接続する。次にアルミニウム配線１３の保護膜として、窒化膜９でパッシベーション（半導体表面の電気的特性の安定化，外部雰囲気の影響からの保護）する。続いて、上部ガラスストッパー２とチップ１とを接合するアルミ薄膜７を形成し、この保護膜として窒化膜（図示せず）をパッシベーションする。そしてチップ１下面からアルカリ異方性エッチングにより撓み部４を薄くするとともに、重り部５周辺部を貫通させ、コの字型に近い形状のスリット１０を形成する。次にアルミニウム配線１３、パッド１４、アルミ薄膜７上の窒化膜（図示せず）を除去する。こうしてできた重り部５と撓み部４の上下に上部ガラスストッパー２、下部ガラスストッパー３を陽極接合してエアーダンピング構造を形成して、過度の加速度が加わることによる撓み部４の破壊（折れ）を防止する。上部ガラスストッパー２、下部ガラスストッパー３の凹部には、その凹部の深さより小さい高さの突起２０を形成し、重り部５の振れ幅を制御して半導体加速度センサの周波数特性を制御する。以上半導体加速度センサの各構成要素について説明した。
【０００４】
次に加速度検出の動作について説明する。加速度αがチップ部１の垂直方向に加わると重り部５に力Ｆ＝ｍα（ｍ：質量）が発生し、重り部５が変位する。この力Ｆにより撓み部４が撓んで表面に歪みが発生し、この歪みによりピエゾ抵抗６の抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗６は、第１の撓み部４にＲ１とＲ４、第２の撓み部にＲ２とＲ３として設けられるとともに、図１０に示すようなブリッジ回路を構成するように配線されている。ここで、端子ｐ１と端子ｐ４には定電圧電源が接続され、ピエゾ抵抗６（Ｒ１からＲ４）の抵抗値変化が端子ｐ２と端子ｐ３間の電圧変化として出力される。このように加速度αは、ピエゾ抵抗６の抵抗値変化として検出され、電圧変化による電気信号として出力される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
半導体加速度センサの感度は下式で与えられる。下式より半導体加速度センサの感度を向上させるさせるためには、重り部５を重くする、撓み部４の厚さを薄くする、撓み部４の幅を狭くするなどが考えられる。
【０００６】
【数１】

【０００７】
しかしながら、重り部５を重くすることは、重り部５を大きくすることにつながり、これはチップ部１を大きくすることになり小型化に不適である。また、撓み部４の薄くすることについては、厚みをおよそ１０μｍ以下にまですると、振動や衝撃により製造工程中に折れ易く収率が悪くなるという問題があった。さらに、撓み部４の幅を狭くすることについては、ピエゾ抵抗６の大きさ（長さ，幅）を小さくし、幅を狭くすることが考えられるが、感度を低下させることなくピエゾ抵抗６を小型形成することには限界がある。
【０００８】
本発明は、上記事由に鑑みてなしたもので、その目的とするところは、感度の高い半導体加速度センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、加速時に変位する重り部と、該重り部に連結された撓み部と、該撓み部を支持する支持部と、該撓み部に前記重り部の変位により前記撓み部に生じる歪みを検出するピエゾ抵抗を有して、該ピエゾ抵抗の抵抗変化をもとに加速度を検知する半導体加速度センサにおいて、前記撓み部を複数本の平行な撓み部で構成し、その内の２本の各撓み部には２個のピエゾ抵抗を形成し、第１のピエゾ抵抗を撓み部の長手方向に対し平行かつ撓み部の長手方向中心線上に配置し、第２のピエゾ抵抗を撓み部の長手方向に対し直交かつ第１のピエゾ抵抗の延長線上に配置すると共に、第１の撓み部の第２のピエゾ抵抗を支持部側の端部に配置し、第２の撓み部の第２のピエゾ抵抗を重り部側の端部に配置したことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る半導体加速度センサについて図３及び図１１にもとづき説明する。
【００１４】
図１は本発明の第１の参考の形態の半導体加速度センサを示す上面図で、特に半導体加速度センサの本体部となるチップ部１の上面構造を示すものである。基本構成は従来の実施例と同様で、チップ部１には、重り部５と撓み部４が形成されている。重り部５は、加速度検出のための質量体であり、撓み部４により支持されている。また、撓み部４上にはピエゾ抵抗６が形成され、撓み部４が２本互いに平行に形成され、各撓み部４には各々２個、合計４個のピエゾ抵抗６が形成されている。ピエゾ抵抗６は、第１の撓み部４にＲ１とＲ４、第２の撓み部にＲ２とＲ３として設けられるとともに、図１０に示すようなブリッジ回路を構成するように配線されている。
【００１５】
また、加速度検出の動作についても基本は従来例と同様である。加速度αがチップ部１の垂直方向に加わると重り部５に力Ｆ＝ｍα（ｍ：質量）が発生し、重り部５が変位する。この力Ｆにより撓み部４が撓み、表面に歪みが発生し、この歪みによりピエゾ抵抗６の抵抗値が変化し、この抵抗値変化が図１０のブリッジ回路の端子ｐ２，端子ｐ３間の電圧変化として出力される。このように加速度αは、ピエゾ抵抗６の抵抗値変化として検出され、電圧変化による電気信号として出力される。
【００１６】
ここで、図１１に解析結果にもとづく撓み部４に加わる応力の集中の特性概略図を示す。撓み部４の両端部の内側近傍に応力が集中していることがわかる。すなわちピエゾ抵抗６をこの部位に配置すれば、撓み部４の撓みをより大きな抵抗値変化として検出することができる。
【００１７】
ここで第１の撓み部４において、第１のピエゾ抵抗６（Ｒ４）を撓み部４の長手方向に対し平行かつ撓み部４の長手方向中心線上に配置し、第２のピエゾ抵抗（Ｒ１）を撓み部４の長手方向に対し直交かつ撓み部４の長手方向中心線上かつ、撓み部４の支持部側の端部（上述の応力集中部位）に配置するようにする。同様に第２の撓み部４において、第１のピエゾ抵抗６（Ｒ３）を撓み部４の長手方向に対し平行かつ撓み部４の長手方向中心線上に配置し、第２のピエゾ抵抗（Ｒ２）を撓み部４の長手方向に対し直交かつ撓み部４の長手方向中心線上かつ、撓み部４の支持部側の端部（上述の応力集中部位）に配置するようにする。
【００１８】
このように配置することで、重り部５が上方に変位した場合、ピエゾ抵抗６（Ｒ１）とピエゾ抵抗６（Ｒ２）には強い圧縮応力（ピエゾ抵抗６の線を横から圧縮する応力）が働き、反対に重り部５が下方に変位した場合、ピエゾ抵抗６（Ｒ１）とピエゾ抵６（Ｒ２）には強い引張り応力（ピエゾ抵抗６の線を横から引張る応力）が働く。このように加速度を高い感度で検知することができる。さらに、各撓み部４において、第１のピエゾ抵抗６（Ｒ４，Ｒ３）と第２のピエゾ抵抗６（Ｒ１，Ｒ２）とが、撓み部４の長手方向中心線上に配置されるため、ピエゾ抵抗６の配置に必要な幅が減少する。よって、撓み部４の幅を狭くすることができ、前記の感度の式より感度を向上させることができる。
【００１９】
このように、ピエゾ抵抗６を配置することにより、先ず、撓み部４の応力集中箇所で重り部５の変位を検知するので、高い感度で加速度を検知することができるという効果を奏するとともに、ピエゾ抵抗６の配置に必要な幅が減少して撓み部４の幅を狭くすることができるので、さらに高い感度で加速度検知ができるという効果を奏する。
【００２０】
図２は本発明の第２の参考の形態の半導体加速度センサを示す上面図で、特に半導体加速度センサの本体部となるチップ部１の上面構造を示すものである。基本構成及び加速度検出動作は第１の参考の形態と同様であるが、ここで各撓み部４において、第２のピエゾ抵抗（Ｒ１，Ｒ２）を撓み部４の重り部５側の端部（上述の応力集中部位）に配置するようにしたものである。図１１に示したように撓み部４の応力集中が重り部５側の内側近傍にもあることから、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。また、撓み部４の幅を狭くしより高い感度で加速度検知ができる効果も同様である。
【００２１】
図３は本発明の第１の実施の形態の半導体加速度センサを示す上面図で、特に半導体加速度センサの本体部となるチップ部１の上面構造を示すものである。基本構成及び加速度検出動作は第１及び第２の実施の形態と同様であるが、ここで、第１の撓み部４において、第２のピエゾ抵抗（Ｒ１）を撓み部４の支持部側の端部（上述の応力集中部位）に配置し、第２の撓み部４において、第２のピエゾ抵抗（Ｒ２）を撓み部４の重り部５側の端部（上述の応力集中部位）に配置するようにしたものである。すなわち第２のピエゾ抵抗６が、第１の撓み部４では支持部側、第２の撓み部４では重り部５側に互いに反対の側に配置した構成である。図１１に示したように撓み部４の応力集中が支持部側及び重り部５側の内側近傍にもあることから、第１の参考の形態と同様の効果を奏することができる。また、撓み部４の幅を狭くしより高い感度で加速度検知ができる効果も同様である。
【００２２】
さらに本実施の形態の特有の動作について説明する。例えば、図３において、第２の撓み部４（Ｒ２，Ｒ３を有する）が第１の撓み部４（Ｒ１，Ｒ４を有する）に比べて大きく上方に変位した場合、すなわち捩れが発生した場合、圧縮応力はピエゾ抵抗６（Ｒ２）に大きく作用することになり、ピエゾ抵抗６（Ｒ２）とピエゾ抵抗６（Ｒ１）の抵抗値に差が生じる。この抵抗値の差により撓み部４の捩れを検出することができる。尚、ピエゾ抵抗６（Ｒ１）を重り部５側に、ピエゾ抵抗６（Ｒ２）を支持部側に入れ替えても同様の作用となる。このように第２のピエゾ抵抗６を、第１の撓み部４では支持部側、第２の撓み部４では重り部５側に互いに反対の側に配置するようにしたので、撓み部４の捩れを検出することができるという効果を奏する。
【００２３】
図４は本発明の第３の参考の形態の半導体加速度センサを示す上面図で、特に半導体加速度センサの本体部となるチップ部１の上面構造を示すものである。基本構成及び加速度検出動作は第１及び第２の参考の形態と同様である。
【００２４】
ここで第１の撓み部４において、第１のピエゾ抵抗６（Ｒ４）を撓み部４の長手方向に対し平行かつ撓み部４の長手方向中心線上に配置し、第２のピエゾ抵抗（Ｒ１）を撓み部４の長手方向に対し直交かつ撓み部４の長手方向中心線上かつ、第１のピエゾ抵抗６（Ｒ４）と重ねて（交差させて）配置する。第１のピエゾ抵抗６（Ｒ４）と第２のピエゾ抵抗（Ｒ１）は互いに絶縁された状態にある。同様に第２の撓み部４において、第１のピエゾ抵抗６（Ｒ３）を撓み部４の長手方向に対し平行かつ撓み部４の長手方向中心線上に配置し、第２のピエゾ抵抗（Ｒ２）を撓み部４の長手方向に対し直交かつ撓み部４の長手方向中心線上かつ、第１ピエゾ抵抗６（Ｒ３）と重ねて（交差させて）配置する。第１のピエゾ抵抗６（Ｒ３）と第２のピエゾ抵抗（Ｒ２）は互いに絶縁された状態にある。
【００２５】
第１のピエゾ抵抗６と第２のピエゾ抵抗６の交差部の構成の一例を図５に示す。ここでは、第１の撓み部４において説明するが、第２の撓み部４についても同様である。ここでは、第２のピエゾ抵抗６（Ｒ１）のほぼ中央を分断し、この分断した部分に第１のピエゾ抵抗６（Ｒ４）を配置する。分断された第２のピエゾ抵抗６（Ｒ１）は、アルミスパッタリング（アルミブリッジ２１）により接続する。尚、アルミスパッタリングを行う前に、交差部（第１のピエゾ抵抗６）の上部を酸化膜等の絶縁層で覆う必要がある。このように配置することによりピエゾ抵抗６の配置に必要な幅を減少させることができる。また、図１１の撓み部４の応力集中特性を見ると、撓み部４中央部の応力は両端に比べ小さいが、比較的広範囲に安定していることがわかる。よってピエゾ抵抗６の形成位置のばらつきによる検知感度の変動が抑えられ、安定した応力検知を行うことができる。
【００２６】
また、図示はしないが、第１のピエゾ抵抗が形成されたチップ（シリコンウェハ）の上に酸化膜をＣＶＤ等で積層し、この上にポリシリコン層を積層し、このポリシリコン層に第２のピエゾ抵抗を形成するような２層構造でもよい。
【００２７】
このように、ピエゾ抵抗６の配置に必要な幅が減少して撓み部４の幅を狭くすることができるので、高い感度で加速度検知ができるという効果を奏する。また、第１のピエゾ抵抗６（Ｒ１，Ｒ２）が撓み部４の中央部に配置できるので、ピエゾ抵抗６の形成位置のばらつきの影響を受け難く、安定した応力検知を行うことができるという効果を奏する。
【００２８】
図６は本発明の第４の参考の形態の半導体加速度センサを示す上面図で、特に半導体加速度センサの本体部となるチップ部１の上面構造を示すものである。基本構成及び加速度検出動作は第１の参考の形態と同様であるが、ここでは撓み部４が３本であり、両側の２本の撓み部４に第１の参考の形態と同様ピエゾ抵抗６（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）を配置し、中央の撓み部４にはピエゾ抵抗６は配置しない構成である。加速度検出動作は、両側の２本の撓み部４及びピエゾ抵抗６で行われ、その動作及び効果は第１の参考の形態と同様である。中央の撓み部４’は、撓み部の折れ防止のための補強の役割を果たす。本参考の形態では、第１の参考の形態のピエゾ抵抗６の配置を用いているが、第１の実施の形態又は第２乃至第３の参考の形態のピエゾ抵抗６の配置でもよい。
【００２９】
このように本発明は２本に限らず３本以上の複数本の撓み部を有する半導体加速度センサにも適用してもよい。なお、ピエゾ抵抗６を配置する撓み部４は、複数本の内特に限定するものではないが、両側の２本であることが望ましい。
【００３０】
【発明の効果】
上述の如く、本発明の請求項１記載の発明によれば、加速時に変位する重り部と、該重り部に連結された撓み部と、該撓み部を支持する支持部と、該撓み部に前記重り部の変位により前記撓み部に生じる歪みを検出するピエゾ抵抗を有して、該ピエゾ抵抗の抵抗変化をもとに加速度を検知する半導体加速度センサにおいて、前記撓み部を複数本の平行な撓み部で構成し、その内の２本の各撓み部には２個のピエゾ抵抗を形成し、第１のピエゾ抵抗を撓み部の長手方向に対し平行かつ撓み部の長手方向中心線上に配置し、第２のピエゾ抵抗を撓み部の長手方向に対し直交かつ第１のピエゾ抵抗の延長線上に配置するようにしたので、撓み部４の幅を狭くし、高い感度の半導体加速度センサが提供できた。
また、第１の撓み部の第２のピエゾ抵抗を支持部側の端部に配置し、第２の撓み部の第２のピエゾ抵抗を重り部側の端部に配置したので、撓み部の応力の高い部位で加速度を検知し、さらに感度を向上させることができると共に、撓み部の捩れを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体加速度センサを示す上面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の半導体加速度センサを示す上面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の半導体加速度センサを示す上面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態の半導体加速度センサを示す上面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態の半導体加速度センサにおける撓み部のピエゾ抵抗構成を示す図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態の半導体加速度センサを示す上面図である。
【図７】従来の半導体加速度センサの断面図である。
【図８】従来の半導体加速度センサの上面図である。
【図９】従来の半導体加速度センサのピエゾ抵抗の配置構成図である。
【図１０】半導体加速度センサのピエゾ抵抗の配線図である。
【図１１】半導体加速度センサの撓み部の応力集中特性の概略図である。
【符号の説明】
１半導体加速度センサ（チップ部）
４撓み部
５重り部
６ピエゾ抵抗
Ｒ１ピエゾ抵抗
Ｒ２ピエゾ抵抗
Ｒ３ピエゾ抵抗
Ｒ４ピエゾ抵抗

Claims

加速時に変位する重り部と、該重り部に連結された撓み部と、該撓み部を支持する支持部と、該撓み部に前記重り部の変位により前記撓み部に生じる歪みを検出するピエゾ抵抗を有して、該ピエゾ抵抗の抵抗変化をもとに加速度を検知する半導体加速度センサにおいて、
前記撓み部を複数本の平行な撓み部で構成し、その内の２本の各撓み部には２個のピエゾ抵抗を形成し、
第１のピエゾ抵抗を撓み部の長手方向に対し平行かつ撓み部の長手方向中心線上に配置し、
第２のピエゾ抵抗を撓み部の長手方向に対し直交かつ第１のピエゾ抵抗の延長線上に配置すると共に、第１の撓み部の第２のピエゾ抵抗を支持部側の端部に配置し、第２の撓み部の第２のピエゾ抵抗を重り部側の端部に配置したことを特徴とする半導体加速度センサ。