JPH0323676A - 半導体加速度センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体加速度センサおよびその製造方法に係
り、特に半導体基板上に形成した片持ち梁を用いた半導
体加速度センサおよびその製造方法に関する。

（従来の技術） 近年、半導体基板上に形成された半導体薄膜のピエゾ抵
抗効果による抵抗変化や変位による微少な容量変化を検
出することにより、加速度を検出するようにした超小形
の半導体加速度センサが注目されている。

このような半導体加速度センサは、薄膜技術を用いて形
成されるため、例えば、振動部分の長さが１００μ雪程
度、厚さが１μ一程度、チップ全体の大きさが１一一角
程度と極めて小形の素子を形成することができる。また
、集積回路によって他の素子と同一基板上に形戒するこ
とができるという優れた特徴を有している。

この半導体加速度センサ構造の１つに、例えばＩＥＥＥ
　ＥｌｅｅＬｏｒｏｎ　Ｄｅｖｉｅｅｓ．Ｊｏ１．ＥＤ
−２６．Ｎｏ．ｌ２，ｐ．１９１１．Ｄｅｃ．ｌ９７９
″Ａ　Ｂａｔｃｈ−Ｐａｂｒｌｃａｔｅｄ　Ｓｌｌｌｃ
ｌｎ　ＡｅｃｅｌｅｒＯ■ｅｔｅｒ１；記載されている
ものがある。

この半導体加速度センサは、第６図（ａ）乃至第６図（
ｅ）に斜視図および断面図を示すように、ｎ型のシリコ
ン基板２１を整形加工し空隙２４を形成することにより
、片持ち粱部２２および重り部２３を形成してなり、片
持ち梁部２２によって支持された重り部２３の変位によ
る片持ち梁部２２に生ずる歪を検出するものである。こ
こで、第６図（ｂ）乃至第６図（ｅ）は、第６図（ａ）
のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図である。

この片持ち梁部２２の支持部付近には拡散抵抗が形成さ
れており、片持ち梁に歪が生じるとピエゾ抵抗効果によ
って拡散抵抗の抵抗値が変化する。

この抵抗値の変化を検出することにより加速度を検出す
ることができるものである。

このため、片持ち梁部２２などの形状加工には高度の加
工精度が要求される。

従来、このような半導体加速度センサの形状加工は、次
のようにして行われていた。

まず、第７図（ａ）に示すように、表面に拡散抵抗（図
示せず）を形成してなるｎ型シリコン基板の上面および
下面をそれぞれ酸化シリコン膜３２、３３で被覆し、下
面に片持ち梁川の穴開け部３４と下部空隙用の穴開け部
３５の部分とをフォトエッチング法により除去する。

次いで、第７図（ｂ）に示すように、これらの酸化シリ
コン膜をマスクとしてシリコン基板のエッチングを行う
。このエッチングは、水酸化カリウムＫｏｊｉを用いた
異方性エッチングにより行い、片持ち梁の部分の膜厚の
制御は、エッチング液の温度およびエッチング時間の制
御によって行う。

この後、第７図（Ｃ）に示すように、上面の酸化シリコ
ン膜３２の上部空隙用の穴開け部３６の部分をフォトエ
ッチング法により除去する。

そして、第７図（ｄ）に示すように、穴開けした上面の
酸化シリコン膜３２および先に穴開けした下面の酸化シ
リコン膜３３をマスクとして、同様にシリコン基板のエ
ッチングを行い、上下面に貫通した空隙３８が形成され
るまでエッチングを続行する。

最後に、第７図（ｅ）に示すように、上面および下面の
酸化シリコン膜３２．３３を除去する。

このようにして、片持ち梁３７と重り３９の形状が得ら
れる。

この方法では、片持ち梁３７の膜厚のコントロールが困
難であり、ばらつきが大きいという問題があった。

そこで、片持ち梁３７の膜厚をコントロールす？ために
、エレクトロケミカルエッチングストップ技術を用いた
次のような方法が提案されている。

例えば、エレクトロケミカルエッチングストップ技術を
用いた半導体加速度センサの形状加工は■、通常次のよ
うにして行われる。

まず、第８図（ａ）に示すように、ｐ型シリコン基板４
１上にエビタキシャル成長法によってｎ型シリコン層４
２を形成した後、上部に酸化シリコン膜４３を形成する
。

この後、第８図（ｂ）に示すように、ｎ型シリコン層４
２中に不純物拡散によってｐ型拡散領域４４を形成する
。

そして、第８図（Ｃ）に示すように、酸化シリコン膜４
３の一部をフォトリソ法により除去し、ｎ型シリコン層
コンタクト部４５を形成する。

そして、第８図（ｄ）に示すように、基板表面全体に電
極４６を形成する。

続いて、第８図（ｅ）に示すように、裏面エッチング用
のマスクとして酸化シリコン膜４７を形成し、片持ち梁
川穴開け部４８と空隙用穴開け部４９とを形成する。

このようにしてマスクの形成されたシリコン基板を、エ
レクトロケミカルエッチングストップ技術を用いてエッ
チングする。

このエレクトロケミカルエッチングに用いるエッチング
装置は、第９図に示すように、ヒドラジン水化物あるい
は水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液等のアルカリ系エッ
チング液５４を充填した容器５７内に、上述のようにし
てマスクの形成されたシリコン基板からなる被処理基体
５３および陰極５５を浸漬し、電源５６の陽極側に被処
理基体５３の表面の電極４６を接続し、これら陽極と陰
極との間に電位差を与えてエッチングを行い、ｐ型領域
４１および４４とｎ型領域４２の腐蝕電位の差を利用し
てｐ型領域のみ選択的にエッチングしようとするもので
ある。

このようにしてエッチングを行い第８図（ｆ）に示すよ
うに、ｐ−ｎ接合面でエッチングを停止し、ｐ型領域の
みが選択的にエッチングされるようにすることができる
。片持ち梁部５０および重り部５１が形成される。５２
はシリコン基板と重り部５１との間の空隙である。

最後に、第８図（ｇ）に示すように、表面の電極４６を
除去し、半導体加速度センサの形状加工が完了する。

この方法によれば、ｐ−ｎ接合面をエッチングストッパ
として用いるようにしているため、片持ち梁の膜厚のコ
ントロールは容易となる。

しかしながら、この方法では、シリコンのエッチング時
にエレクトロケミカルエッチングストップ技術を用いて
いるため、電圧印加用の電極を形成しなければならず、
コスト高となる上、エッチングが基板と陰極の位置関係
に敏感であることから、バッチ処理が困難であることな
どから、コスト高となるという問題があった。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来の半導体加速度センサの形成方法で、
加工精度を高めようとすると、コストの高騰を招くなど
の問題があった。

ところで、センサ感度をあげるためには、片持ち梁の断
面は強度的に許される限り小さいほうがよい。しかし、
従来の半導体加速度センサでは、片持ち梁の断面形状は
ほぼ矩形であり、小さくするにも強度的に問題があった
。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、半導体加
速度センサの高感度化をはかることを目的とする。

また、本発明では、低コストで容易に制御性よく寸法精
度の高い半導体加速度センサの形状加工を行うことを目
的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） そこで本発明では、半導体加速度センサの片持ち梁を断
面形状がシリコンの１つの＋１００）面と２つの（１１
１１面で囲まれた逆三角形をなすように形成している。

また、本発明では、片持ち梁の断面形状がシリコンの１
つの｛１００｝面と２つの（１１０）面と２つの｛１１
１１面で囲まれた五角形をなすように形成されている。

また、本発明では、表面が（１００１面となるように構
成されたシリコン基板表面に側面が｛１１０｝面を持つ
ように複数の溝を形成し、該溝の側面をアルカリエッチ
ング液を用いた異方性エッチングにより２つの溝で挾ま
れた領域の側面の（１　１　１１面を露出せしめ、片持
ち梁をなすように整形するようにしている。

（作用） 上記構成により、半導体加速度センサの片持ち梁を断面
形状がシリコンの１つの（１００）面と２つの（１１１
｝面で囲まれた逆三角形をなすように形成されているた
め、エッチング制御性が良好で、寸法精度の高いものを
得ることができる上、機械的強度が高いため、矩形の場
合よりも小さくすることができ、感度の向上はかること
も可能となる。

また、片持ち梁の断面形状が五角形の場合も逆三角形を
なす場合と同様に、感度の高いものを得ることが可能と
なる。

また、本発明の方法は、シリコンのアルカリ異方性エッ
チングでは、結晶方位によってエッチング速度が大きく
異なるという点に着目してなされたもので、エッチング
方位を選択することによってのみ、制御性の良好なエッ
チングを行うことができ、形状の高精度化をはかること
が可能となる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

この半導体加速度センサは、第１図（ａ）乃至第１図（
ｄ）に示すように、表面が（１００）面をなすように形
成されたシリコン基板１０１の一部に貫通する空隙１０
３を形成し、所望の寸法を有する片持ち梁１０４を介し
て可動性のある重り部１０２が形成されており、この片
持ち梁１０４の断面形状が逆三角形をなすように構成さ
れていることを特徴としている。ここで、第１図（ｂ）
乃至第１図（ｄ）は、第１図（ａ）のＡ−Ａ断面図、Ｂ
−Ｂ断面図およびＣ−Ｃ断面図である。

次に、この半導体加速度センサの形状加工工程について
説明する。

まず、第２図（ａ）に示すように、表面に拡散抵抗（図
示せず）を形成してなり、表面が（１００）面をなすよ
うに形成されたシリコン基板１０１の上面および下面を
それぞれ酸化シリコン膜１０５、１０６で被覆し、上面
の酸化シリコン膜１０５の一ｍをフォトリソ法により選
択的に除去し、これをマスクとして塩素ガスを用いた反
応性イオンエッチングによりシリコン基板１０１の上面
をエッチングし、側面が（１　１　０１面を持つトレン
チ１０７を形成する。

この後、第２図（ｂ）に示すように、下面の酸化シリコ
ン膜１０６の一部をフォトリソ法により選択的に除去し
、半導体加速度センサ完成時に空隙となる位置に開口部
１０８を形成する。

次いで、第２図（Ｃ）に示すように、これらの酸化シリ
コン膜をマスクとして水酸化カリウムＫＯＪＩを用いた
異方性エッチングにより、シリコン基板のエッチングを
行う。この図は、エッチング未終了時の状態を示す図で
あり、上面側は（１　１　１１面１１１で囲まれたエッ
チング孔１０９が形戊され、エッチングはほぼ停止して
いるが、下面側はまだ（１００）面１１２が露出してい
る。

このようにしてさらにエッチングを続行すると、上面か
らのエッチング孔と下面からのエッチング孔は完全に貫
通し、空隙１０３が形成される一方、片持ち梁１０４の
下方に残っていたシリコンも除去され、断面逆三角形状
の片持ち梁１０４が形成される。

次に、このエッチング技術の原理を第３図を参照しつつ
、説明する。

第３図は、シリコン基板の断面を示す図であり、表面の
面方位が（１００）面であり、紙面が｛１１０｝の面方
位に相当する。

このシリコン基板を点線ａで示すように反応性イオンエ
ッチングを用いて側面が（１１０１面を持つようにトレ
ンチを形成し、この状態で異方性エッチングを行なう方
法について考える。

水酸化カリウムＫＯＩ１を用いた異方性エッチングニヨ
リ、シリコン基板のエッチングを行う場合、｛１　１　
０｝面と（１００）面と（１　１　１｝面とのエッチン
グ速度の比は、約６００　：　３００　：　１であるた
め、トレンチ側面は＋１１１１面が露出するまで速やか
にエッチングされ、また下而もエッチング速度は遅いが
（１　１　１１面が露出するまでエッチングされる。そ
して４つの（１　１１）面が露出したところでエッチン
グはほとんど停止する。

ここで、シリコン島の表面における幅をＷ１　トレンチ
の深さをＤ１エッチング停止時のシリコン島の下部のク
ビレ部分の幅をＳ，（１　１　０１面と（１　１　１１
面とのなす角をｅ　（ｅ−３５．２６”　）とするとき
、次のような式が或立する。

Ｗ−Ｓ＋Ｄｔａｎ　ｅ−＝　（式） 従って、シリコン島の表面における幅Ｗ、トレンチの深
さＤ１エッチング停止時のシリコン島の下部のくびれ部
分の幅Ｓのうちの１つを容易に設計することができる。

次に、本発明の第２の実施例について図面を参照しつつ
詳細に説明する。

まず、第４図（ａ）に示すように、前記第１の実施例の
場合と同様に、表面に拡散抵抗（図示せず）を形成して
なり、表面が｛１００｝面をなすように形成されたシリ
コン基板１０１の上面および下面をそれぞれ酸化シリコ
ン膜１０５、１０６で被覆し、上面の酸化シリコン膜１
０５の一部をフォトリソ法により選択的に除去し、これ
をマスクとして塩素ガスを用いた反応性イオンエッチン
グによりシリコン基板１０１の上面をエッチングし、側
面が｛１　１　０｝面を持つトレンチ１０７を形成する
。ここで、このトレンチ１０７の寸法および位置は前記
式Ｗ−Ｓ＋Ｄｔａｎｅにおいて、Ｓが負の値となるよう
にトレンチ間隔Ｗ．トレンチ深さＤを設計する。

この後、第４図（ｂ）に示すように、これらの酸化シリ
コン膜をマスクとして水酸化カリウムＫＯＨを用いた異
方性エッチングにより、シリコン基板のエッチングを行
う。このとき、エッチング孔１０９が形成され、片持ち
梁１０４とシリコン基板１０１との間にギャップを有す
るような形状となる。

次いで、第４図（ｅ）に示すように、エッチング孔１０
９内に露呈するシリコン基板表面を熱酸化により酸化し
、エッチング保護膜としての酸化シリコン膜２０１を形
成する。

この後、第４図（ｄ）に示すように、下面の酸化シリコ
ン膜１０６の一部をフォトリソ法により選択的に除去し
、下面の開口部１０８を形成する。

この状態で、第４図（ｅ）に示すように、これらの酸化
シリコン膜をマスクと七て水酸化カリウムＫＯＨを用い
た異方性エッチングにより、シリコン基板のエッチング
を行い、シリコン基板の下面にエッチング孔１１０が形
成される。このとき、片持ち梁１０４の表面は、酸化シ
リコン膜２０１で被覆されているため、エッチングされ
ずに保護される。

そして最後に第４図（ｆ）に示すように、片持ち梁１０
４の下方に残留している酸化シリコン膜２０１を除去し
、半導体加速度センサの形状加工が完了する。

この方法によっても、前記第１の実施例と同様の効果を
得ることができる。そして、これに加えてさらに、本発
明の第２の実施例の方法によれば、第４図（ｂ）に示し
た上面のエッチング工程において、片持ち梁１０４とシ
リコン基板１０１との間にくびれを残す必要がないため
、トレンチ間隔Ｗおよびトレンチ深さＤの寸法精度の許
容限界が大きくなり、さらに製造が容易となる。

次に、本発明の第３の実施例について説明する。

この方法は、片持ち梁の断面形状が五角形となるように
形成するものである。

まず、第４図（ａ）に示すように、表面に拡散抵抗（図
示せず）を形成してなり、表面が｛１００｝面をなすよ
うに形成されたシリコン基板１０１のトレンチ形成領域
よりもやや大きくなるように、イオン注入法によりｐ形
の高濃度領域３０１を形成する。

この後、第５図（ｂ）に示すように、前記第１の実施例
と同様に上面および下面をそれぞれ酸化シリコン膜１０
５、１０６で被覆し、上面の酸化シリコン膜１０５の一
部をフォトリソ法により選択的に除去し、これをマスク
として塩素ガスを用いた反応性イオンエッチングにより
シリコン基板１ｏ１の上面をエッチングし、側面が（１
１０１面を持つトレンチ１０７を形或する。このとき、
トレンチ１０７の上部にｐ形の高濃度領域３０１が残る
ようにする。

次いで、第２図（Ｃ）に示すように、これらの酸化シリ
コン膜をマスクとして水酸化カリウムＫＯＪ１を用いた
異方性エッチングにより、シリコン基板のエッチングを
行う。このとき、ｐ形の高濃度領域３０１は水酸化カリ
ウムに対するエッチング速度が非常に遅いため、断面が
おおむね五角形の片持ち梁３０２が形成される。

あとは、前記前記第２の実施例と全く同様にして形状加
工をおこない、必要に応じて、ｐ形の高濃度領域３０１
はエッチング除去するようにしてもよいし、そのまま残
すようにしても良い。

この方法によれ′ば、前記第１の実施例の方法による効
果に加えて、片持ち梁の断面積を大きくすることができ
るため、片持ち梁の力学上の設計自由度および片持ち梁
上に形成する素子の設計自由度が向上するという効果を
奏功する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の半導体加速度センサによ
れば、半導体加速度センサの片持ち梁を断面形状がシリ
コンの１つの（１００）面と２つの＋１　１　１｝面で
囲まれた逆三角形または１つの＋１００１面と２つの（
１１０）面と２つの｛１１１｝面で囲まれた五角形をな
すように形成しているため、高精度化かつ高感度化を測
ることができる。

また、本発明の方法では、表面が｛１００｝面となるよ
うに構成されたシリコン基板表面に側面が｛１　１　０
｝面を持つように複数の満を形成し、該溝の側面をアル
カリエッチング液を用いた異方性エッチングにより２つ
の溝で挾まれた領域の側面の｛１　１　１｝面を露出せ
しめ、片持ち梁をなすように整形しているため、容易に
高精度の半導体加速度センサを得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の半導体加速度センサを
示す図、第２図（ａ）乃至第２図（ｄ）は第１図に示し
た半導体加速度センサの製造工程を示す図、第３図は本
発明の方法の原理説明図、第４図（ａ）乃至第４図（ｒ
）は本発明の第２の実施例の半導体加速度センサの製造
工程を示す図、第５図（ａ）乃至第５図（ｅ）は本発明
の第３の実施例の半導体加速度センサの製造工程の一部
を示す図、第６図は従来例の半導体加速度センサを示す
図、第７図（ａ）乃至第７図（ｅ）は同半導体加速度セ
ンサの製造工程を示す図、第８図（ａ）乃至第８図（ｇ
）は他の従来例の半導体加速度センサの製造工程を示す
図、第９図はエレクトロケミカルエッチングに用いるエ
ッチング装置を示す図である。 ２１・・・ｎ型のシリコン基板、２２・・・片持ち梁部
２３・・・重り部、２４・・・空隙、３２．３３・・・
酸化シリコン膜、３４・・・上部片持ち梁川の穴開け部
、３５・・・下部空隙用の穴開け部、４１・・・ｐ型シ
リコン基板、４２・・・ｎ型シリコン層、４３・・・酸
化シリコン膜、４４・・・ｐ型拡散領域、４５・・・ｎ
型シリコン層コンタクト部、４６・・・電極、４７・・
・酸化シリコン膜、４８・・・片持ち梁用穴開け部、４
つ・・・空隙用穴開け部、１０１・・・シリコン基板、
１０２・・・片持ち梁、１０３・・・空隙、１０４・・
・重り部、１０５．１′０６・・・酸化シリコン膜、１
０７・・・トレンチ、１０８・・・開口部、１０９・・
・エッチング孔。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン基板上に形成され、一端を支持された片
   持ち梁の変位から加速度を検出することによって加速度
   を検出するようにした半導体加速度センサにおいて、 前記片持ち梁の断面形状がシリコンの１つ の｛１００｝面と２つの｛１１１｝面で囲まれた逆三角
   形をなすように形成されていることを特徴とする半導体
   加速度センサ。
2. （２）シリコン基板上に形成され、一端を支持された片
   持ち梁の変位から加速度を検出することによって加速度
   を検出するようにした半導体加速度センサにおいて、 前記片持ち梁の断面形状がシリコンの１つ の｛１００｝面と２つの｛１１０｝面と２つの｛１１１
   ｝面で囲まれた五角形をなすように形成されていること
   を特徴とする半導体加速度センサ。
3. （３）表面が｛１００｝面となるように構成されたシリ
   コン基板表面に側面が｛１１０｝面を持つように複数の
   溝を形成する溝形成工程と、 該溝の側面をアルカリエッチング液を用い た異方性エッチングにより２つの溝で挾まれた領域の側
   面の｛１１１｝面を露出せしめるエッチング工程とを含
   み、片持ち梁をなすように整形することを特徴とする半
   導体加速度センサの製造方法。