JP5657929B2 - 加速度センサ - Google Patents

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Description

本発明は、帯電による特性悪化を防止し、信頼度の高い加速度センサに関する。
半導体製造技術を発展させた微小電気機械システム(MEMS)技術により、ごく微小に製造され、固定電極と、印加される加速度によって固定電極との距離が変化する可動電極との間の静電容量の変化を検出することにより、印加された加速度を検出する加速度センサが知られている。可動電極部では、可動電極をなす基板と同一の基板からなり、可動電極を可動支持する梁部(ビーム部)が、設計上高精度な厚み管理が要求されること、基板を深堀エッチング加工する際にボックス層(埋め込み絶縁層)が、エッチングストップとして利用されること等の製造工程の簡便さから、SOI基板が用いられる。
このような加速度センサでは、可動電極の支持基板とシリコン活性層とは互いに絶縁されており、同様に、フレーム部の支持基板とシリコン活性層、ビーム部とも互いに絶縁されている。シリコン酸化膜である埋め込み絶縁層は誘電体であり、SOI基板がコンデンサを構成するので、可動電極が、対向するガラス板に接触する際等に生じる静電気の電荷の蓄積により、シリコン活性層と支持基板との間に電位差が生じてしまう。ピエゾ抵抗型加速度センサにおいても、SOI基板からなる可動部の変位を抑制するためのガラス板が接合され、可動部が静電気により帯電する。静電容量式加速度センサ及びピエゾ抵抗型加速度センサにおいて、可動電極の主面とその裏面との電位差は、出力誤差の要因となる(特許文献1参照)。
特開平7−35767号公報
本発明は、帯電による特性悪化を抑制し、信頼度の高い加速度センサを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第1の態様は、シリコン活性層、埋め込み絶縁層、支持基板からなるSOI基板から形成され、SOI基板の上面から下面へ貫通する窓部を有するフレーム部と、SOI基板から形成され、窓部の内部に配置される可動電極と、フレーム部のシリコン活性層と可動電極のシリコン活性層とを連結し、ビーム部に対して可動電極を揺動可能に支持するビーム部と、可動電極と対向する面に可動電極と離間して配置される固定電極と可動電極においてシリコン活性層と支持基板とを電気的に接続するコンタクト部と、を備える加速度センサであることを要旨とし、コンタクト部が、一対のビーム部が通る軸上であって、可動電極の中心よりも、一対のビーム部それぞれと可動電極との境界にそれぞれ近い位置に1つずつのみ設けることを特徴とする
また、本発明の第1の態様に係る加速度センサにおいては、コンタクト部は、SOI基板の上面から、シリコン活性層、埋め込み絶縁層を介して、支持基板まで貫通するコンタクトホールに設けられる、金属からなるコンタクトプラグによって、シリコン活性層と支持基板とを電気的に接続する。
また、本発明の第1の態様に係る加速度センサにおいては、コンタクト部は、SOI基板の上面から、シリコン活性層、埋め込み絶縁層を介して、支持基板まで貫通するコンタクトホールに設けられる、半導体からなるコンタクトプラグによって、シリコン活性層と支持基板とを電気的に接続することを特徴とする請求項1に記載の加速度センサ。
また、本発明の第1の態様に係る加速度センサにおいては、コンタクトプラグが、銅からなる。
また、本発明の第1の態様に係る加速度センサにおいては、コンタクトプラグが、アルミニウムからなる。
また、本発明の第1の態様に係る加速度センサにおいては、コンタクトプラグが、クロムからなる。
また、本発明の第1の態様に係る加速度センサにおいては、コンタクトプラグが、多結晶シリコンからなる。
また、本発明の第1の態様に係る加速度センサにおいては、コンタクトプラグが、SOI基板と同じ導電型である。
本発明によれば、帯電による特性悪化を抑制し、信頼度の高い加速度センサを提供することができる。
本発明の実施の形態に係る加速度センサの基本的な構成を説明する模式的な斜視図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサが備えるセンサチップの模式的な上面図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサを、図2のII−II方向から見た模式的な断面図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサのコンタクト部を説明する模式的な断面図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサのコンタクト部を説明する模式的な断面図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサのコンタクト部を説明する模式的な断面図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサのコンタクト部を説明する模式的な断面図である。 本発明の実施の形態に係る加速度センサのコンタクト部を説明する模式的な断面図である。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法の関係、各層の厚みの比率等は、現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでなく、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
(加速度センサ)
本発明の実施の形態に係る加速度センサは、図1に示すように、矩形のSOI基板からなるセンサチップ1と、矩形のガラス基板からなり、センサチップ1の上下面をそれぞれ挟み込んで固定する上部固定板2、下部固定板3とを備える。
センサチップ1は、センサチップ1上に並ぶ2つの矩形状の領域をそれぞれ縁取るように形成された、センサチップ1の上面から下面へ貫通する窓部10a,10bと、窓部10a,10bをそれぞれ囲む枠となるフレーム部11とを有する。
センサチップ1は、窓部10a,10bのそれぞれ内部に、それぞれフレーム部11から離間するように形成された矩形平板状の可動電極4a,4bを備える。可動電極4a,4bは、それぞれ一対のビーム部41a,42a、ビーム部41b,42bによって、フレーム部11と連結されている。可動電極4a,4b、ビーム部41a,42a,41b,42bは、それぞれセンサチップ1をなす同一のSOI基板から微小電気機械システム(MEMS)技術により形成可能である。ビーム部41a,42a,41b,42bは、SOI基板のシリコン活性層からなり、SOI基板の埋め込み絶縁層をエッチングストップとして深堀エッチングし、更に埋め込み絶縁層を選択的にエッチング除去して形成される。
ビーム部41a,42aは、可動電極4a上面の対向する2辺上にそれぞれ位置し、ビーム部41a,42aがねじれることにより、可動電極4aは、ビーム部41a,42aを互いに結ぶ直線を回転軸として揺動する。同様に、ビーム部41b,42bは、可動電極4b上面の対向する2辺上にそれぞれ位置し、可動電極4bは、ビーム部41b,42bを互いに結ぶ直線を回転軸として揺動する。
図1及び図2に示すように、可動電極4aは、上面の、ビーム部41a,42aと連結しない2辺の内の1辺を共有する領域に、厚さが可動電極4aの他所より薄い、平面パターンが帯状の段差部43aを有する。段差部43aは、センサチップ1を構成するSOI基板のシリコン活性層(活性層)を選択的に除去することにより形成される。ビーム部41a,42aは、可動電極4aの段差部43aを除く上面の2辺の、それぞれ中点に位置している。
図2及び図3に示すように、可動電極4aは、それぞれビーム部41a,42aの近傍の上部に、それぞれSOI構造のシリコン活性層111と支持基板113とを、埋め込み絶縁層112を介して電気的に接続するコンタクト部61a,62aを備える。可動電極4bは、可動電極4aと同様に、段差部43bを有し、コンタクト部61b,62b等を備えるが、可動電極4bは、可動電極4aと2回回転対称の配置となっている。すなわち、可動電極4a及び可動電極4bは、フレーム部11の、2つの窓部10a,10bの互いに隣り合う2辺に挟まれる領域の中心を通る、センサチップ1に対する垂線を回転軸(対称の中心)とした2回回転対称のトポロジーを有している。
センサチップ1は、窓部10a,10bにそれぞれ近接し、それぞれ平面パターンが概略として矩形状の領域を縁取るように形成された、センサチップ1の上面から下面へ貫通する検出電極窓部50a,50bを有する。検出電極窓部50aの内部には、それぞれ平面パターンが矩形状の2つの検出電極部51a,52aが互いに離間して配置される。同様に、検出電極窓部50bの内部には、それぞれ平面パターンが矩形状の2つの検出電極部51b,52bが互いに離間して配置される。検出電極部51a,52a,51b,52bは、それぞれフレーム部11から離間して配置され、上部固定板2及び下部固定板3により上下面を固定される。
図2及び図3に示すように、各検出電極部51a,52a,51b,52bは、それぞれ上部に、それぞれSOI構造のシリコン活性層111と支持基板113とを、埋め込み絶縁層112を介して電気的に接続するコンタクト部63a,64a,63b,64bを有する。検出電極部51a,52a,51b,52bは、それぞれ上面の中央部に、それぞれ金属膜からなる検出電極50-1,50-2,50-4,50-5を備える。検出電極部51a,52a,51b,52bは、それぞれセンサチップ1をなす同一のSOI基板から、MEMS技術により形成可能である。
センサチップ1の上面の検出電極窓部50a,50bの間には、センサチップ1の外部に配線される接地電極12が設けられ、フレーム部11は接地電極12により接地電位をとる。フレーム部11の上部の接地電極12近傍には、SOI構造のシリコン活性層111と支持基板113とを、埋め込み絶縁層112を介して電気的に接続するコンタクト部65が設けられている。
可動電極4aは、図3に示すように、下面に、ビーム部41a,42aを互いに結ぶ直線を境界線として、上面に段差部43aを有しない一方側に、厚さが可動電極4aの他所よりも薄くなるように形成された凹部44aを有する。凹部44aは、平面パターン上、4辺に側壁を持つ矩形に形成され、内部に、可動電極4aに対して垂直に設けられた補強壁45aを備える。
上部固定板2は、図1及び図3に示すように、センサチップ1と対向する下面の、可動電極4aと対向する領域に、それぞれ矩形の電極膜である第1の固定電極21a及び第2の固定電極22aを備える。第1の固定電極21a及び第2の固定電極22aは、ビーム部41a,42aを互いに結ぶ直線を境界線として、互いに離間して配置されている。同様に、上部固定板2の下面の可動電極4bと対向する領域には、第1の固定電極21b及び第2の固定電極22bが設けられ、第1の固定電極21b及び第2の固定電極22bは、ビーム部41b,42bを互いに結ぶ直線を境界線として、互いに離間して配置されている。固定電極21a,22a,21b,22bは、例えば、アルミニウム系合金等の金属からなる。
検出電極部51a,52aは、第1の固定電極21a及び第2の固定電極22aに、検出電極部51b,52bは、第1の固定電極21b及び第2の固定電極22bにそれぞれ電気的に接続されている。検出電極部51a,52a,51b,52bは、互いに離間し、それぞれフレーム部11、可動電極4a,4bから離間しているので、各検出電極部が互いに絶縁され、各検出電極部の寄生容量や、各検出電極部間のクロストークを低減し、高精度な容量検出を行うことができる。上部固定板2は更に、上面から下面へ貫通する貫通口20-1〜20-5を有し、検出電極50-1,50-2、接地電極12、検出電極50-4,50-5は、それぞれ5つの貫通口20-1〜20-5を介して、外部に露出、配線される。
下部固定板3は、センサチップ1と対向する上面の、可動電極4aと対向する領域に付着防止膜31aを備える。同様に、下部固定板3は、上面の、可動電極4bと対向する領域に付着防止膜31bを備える。付着防止膜31a,31bは、例えば、固定電極21a,22a,21b,22bと同じ材料で形成可能である。
(コンタクト部)
以下、可動電極4aのコンタクト部61aの構造を例として説明するが、他の可動電極4aのコンタクト部62a、可動電極4bのコンタクト部61b,62b、検出電極部51a,52a,51b,52bのコンタクト部63a,64a,63b,64b、及びフレーム部11のコンタクト部65も同様の構造を採用可能である。
コンタクト部61aは、エッチングにより形成されたコンタクトホールを有する。例えば、反応性イオンエッチング(RIE)等の垂直異方性のドライエッチングによりコンタクトホール601を形成する場合、コンタクトホール601は、図4に示すように、SOI基板の上面から、シリコン活性層111、埋め込み絶縁層112を介して、支持基板113まで直線状に貫通する形状となる。
一方、ウェットエッチングによりコンタクトホール602を形成する場合は、先ずシリコン活性層111を、水酸化カリウム水溶液(KOH溶液)、テトラメチルアンモニウム水酸化水溶液(TMAH溶液)等のアルカリ系エッチング液により、シリコン(Si)の結晶性を利用した異方性エッチングを行う。シリコン活性層111の表面を、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等をエッチングマスクとして、コンタクトホール602の形成予定領域以外を保護した状態でエッチングすればよい。アルカリ系のエッチングにより、シリコン活性層111が貫通し、埋め込み絶縁層112が露出した時点で、エッチング液をフッ酸(HF)系のエッチング液に変更し、埋め込み絶縁層112をエッチングする。シリコン酸化層のウェットエッチングは等方性エッチングとなるため、コンタクトホール602は、図5に示すように、SOI基板の上面から、シリコン活性層111、埋め込み絶縁層112を介して、支持基板113まで貫通し、埋め込み絶縁層112が水平方向へのサイドエッチをされた形状となる。
図6に示すように、ドライエッチングにより形成されたコンタクトホール601に、コンタクトプラグ70を埋め込み、シリコン活性層111と、支持基板113とを電気的に接続することによりコンタクト部61aを構成できる。コンタクトプラグ70は、例えば、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、クロム(Cr)等の金属、或いは多結晶シリコン(Si)等の半導体を、スパッタ法、CVD法、プラズマCVD法等により形成可能である。
一方、図7に示すように、ウェットエッチングにより形成されたコンタクトホール602に、スパッタ装置により、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、銅(Cu)等の金属からなるコンタクトプラグ701を形成し、シリコン活性層111と、支持基板113とを電気的に接続することによりコンタクト部61aを構成する場合は、図7に示すように、コンタクトプラグ701と、埋め込み絶縁層112との間に間隙が空いてしまう。温度変化の激しい環境下では、埋め込み絶縁層112中の間隙により、断線等の破損が生じる可能性がある。
図8に示すように、コンタクトホール602に埋め込み絶縁層112との間隙のないようなコンタクトプラグ702を形成されたコンタクト部61aを構成するには、例えば、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、クロム(Cr)等の金属、或いは多結晶シリコン(Si)等の半導体をCVD法により成膜すればよい。例えば、多結晶シリコン等をCVD法によりコンタクトプラグ702として形成することにより、コンタクトホール602が、埋め込み絶縁層112をサイドエッチされた形状であっても、コンタクトプラグ702との間に間隙が空かず、信頼性の高いコンタクト部を形成可能である。
アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、銅(Cu)等の金属は、低抵抗であり配線材料としては優れているが、シリコン(Si)との接触部ではショットキー障壁により両者間でのオーミック特性が非線形となってしまう。オーミック特性は、熱処理(アニーリング)等により改善させることができる。
また、コンタクトプラグ70,702として多結晶シリコンを用いた場合は、必要に応じてセンサチップ1をなすSOI基板の導電型と同じ導電型の不純物を拡散させてもよい。
(加速度の検出方法)
以下、実施の形態に係る加速度センサによる加速度の検出方法を説明する。可動電極4aにx方向の加速度が印加された場合、可動電極4aと、固定電極21a,22aとの間の静電容量C1,C2も変化する。ここで、x方向の加速度が印加されていないときの可動電極4aと、固定電極21a,22aとの間の静電容量をC0とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔCとすれば、x方向の加速度が印加されたときの静電容量C1,C2は、
C1=C0−ΔC …(1)
C2=C0+ΔC …(2)
と表すことができる。
同様に、他方の可動電極4bにx方向の加速度が印加された場合、可動電極4bと各固定電極21b,22bとの間の静電容量C3,C4は、
C3=C0−ΔC …(3)
C4=C0+ΔC …(4)
と表すことができる。
静電容量C1〜C4の値は、検出電極部51a,52a及び51b,52bから取出す電圧信号を演算処理することで検出することができる。静電容量C1,C2の差分値CA(=C1−C2)と、静電容量C3,C4の差分値CB(=C3−C4)との和(±4ΔC)を算出すれば、この差分値CA,CBの和に基づいて、印加されたx方向の加速度を検出できる。
一方、可動電極4aにz方向の加速度が印加された場合、z方向の加速度が印加されていないときの可動電極4aと、固定電極21a,22aとの間の静電容量をC0とし、加速度の印加によって生じる静電容量の変化分をΔCとすれば、z方向の加速度が印加されたときの静電容量C1,C2は、
C1=C0+ΔC …(5)
C2=C0−ΔC …(6)
と表すことができる。
同様に、他方の可動電極4bにz方向の加速度が印加された場合、可動電極4bと各固定電極21b,22bとの間の静電容量C3,C4は、
C3=C0−ΔC …(7)
C4=C0+ΔC …(8)
と表すことができる。
静電容量C1,C2の差分値CA(=C1−C2)と、静電容量C3,C4の差分値CB(=C3−C4)との差(±4ΔC)を算出すれば、この差分値CA,CBの差に基づいて、印加されたz方向の加速度を検出できる。
本発明の実施の形態に係る加速度センサによれば、それぞれSOI基板からなる可動電極、フレーム部、検出電極部のシリコン活性層と支持基板とを電気的に接続するコンタクト部を備えるので、各シリコン活性層と支持基板との電位差がなくなり、帯電によるセンサの特性悪化を抑制し、センサの検出精度、信頼度を向上できる。
また、本発明の実施の形態に係る加速度センサによれば、サイドエッチされたコンタクトホールであっても、多結晶シリコン等をCVD法によりコンタクトプラグとして形成することにより、埋め込み絶縁層に間隙を生じず、断線等の破損の恐れが少ないコンタクト部を構成できる。
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
既に述べた実施の形態においては、可動電極、固定電極間の静電容量の変位から、印加された加速度を検出する静電容量式加速度センサについて説明したが、コンタクト部は、ピエゾ抵抗型加速度センサの、SOI基板からなる可動部等に設けても良い。
また、既に述べた実施の形態においては、スパッタ法、CVD法、プラズマCVD法等により形成されたコンタクトプラグ70,701,702を説明したが、一例であり、コンタクトプラグ70,701,702は,めっき法により形成されてもよい。
このように、発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
1…センサチップ
2…上部固定板
3…下部固定板
4a,4b…可動電極
10a,10b…窓部
11…フレーム部
12…接地電極
20-1〜20-5…貫通口
21a,22a,21b,22b…固定電極
31a,31b…付着防止膜
41a,42a,41b,42b…ビーム部
43a,43b…段差部
44a…凹部
45a…補強壁
50-1,50-2,50-4,50-5…検出電極
50a,50b…検出電極窓部
51a,52a,51b,52b…検出電極部
61a,62a,61b,62b,63a,64a,63b,64b,65…コンタクト部
70,701,702…コンタクトプラグ
111…シリコン活性層
112…絶縁層
113…支持基板
601,602…コンタクトホール

Claims (8)

  1. シリコン活性層、埋め込み絶縁層、支持基板からなるSOI基板から形成され、前記SOI基板の上面から下面へ貫通する窓部を有するフレーム部と、
    前記SOI基板から形成され、前記窓部の内部に配置される可動電極と、
    前記フレーム部のシリコン活性層と前記可動電極のシリコン活性層とを連結し、前記フレーム部に対して前記可動電極を揺動可能に支持する一対のビーム部と、
    前記可動電極と対向する面に前記可動電極と離間して配置される固定電極と
    記可動電極において前記シリコン活性層と前記支持基板とを電気的に接続するコンタクト部と、を備え、
    前記コンタクト部は、前記一対のビーム部が通る軸上であって、前記可動電極の中心よりも、前記一対のビーム部それぞれと前記可動電極との境界にそれぞれ近い位置1つずつのみ設けることを特徴とする加速度センサ。
  2. 前記コンタクト部は、前記SOI基板の上面から、前記シリコン活性層、前記埋め込み絶縁層を介して、前記支持基板まで貫通するコンタクトホールに設けられる、金属からなるコンタクトプラグによって、前記シリコン活性層と前記支持基板とを電気的に接続することを特徴とする請求項に記載の加速度センサ。
  3. 前記コンタクト部は、前記SOI基板の上面から、前記シリコン活性層、前記埋め込み絶縁層を介して、前記支持基板まで貫通するコンタクトホールに設けられる、半導体からなるコンタクトプラグによって、前記シリコン活性層と前記支持基板とを電気的に接続することを特徴とする請求項に記載の加速度センサ。
  4. 前記コンタクト部が、銅からなることを特徴とする請求項に記載の加速度センサ。
  5. 前記コンタクト部が、アルミニウムからなることを特徴とする請求項に記載の加速度センサ。
  6. 前記コンタクト部が、クロムからなることを特徴とする請求項に記載の加速度センサ。
  7. 前記コンタクト部が、多結晶シリコンからなることを特徴とする請求項に記載の加速度センサ。
  8. 前記多結晶シリコンが、前記SOI基板の導電型と同じ導電型であることを特徴とする請求項に記載の加速度センサ。
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