JPH03262973A - 半導体加速度センサ - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体加速度センサとその製造方法に関する
ものである。

（従来の技術） 半導体加速度センサは従来より第４図に示したように、
草結晶シリコンにマイクロマシニングと呼ばれる微細加
工技術を施して作製されている。加速度センサは先端に
スコップ０様な形状をしたおもり８１を有する梁構造を
している。加速度がこの構造体に加えられると、先端お
もり８１には加速度に比例した力が生じるため、それを
支えている梁８２に生じる応力の値もその力に比例して
いる。そこで、梁に生じた応力の変化を電気抵抗値の変
化に変換できる、いわゆる感圧素子であるピエゾ抵抗体
８３を梁８２のつけ根に形成することによって、最終的
に電気的な信号に変換し、加速度の検出を行なっている
。通常ピエゾ抵抗効果素子からアルミ配線８５を通して
、電気信号をやり取りし、アルミパッド８４から電気信
号を外に取り出す。

ピエゾ抵抗体は、第５図（ａ）、（ｂ）に示した構造を
持ち、簡単には次の様なデバイスである。即ち半導体に
圧力を加えると、結晶を形成している、原子の間隔が変
化する。そのため半導体のバンド構造が加えられた圧力
によって変化し、各バンドを占める自由電子の占有率や
易動度が変化する。電気抵抗値はそれらの値に敏感なた
め、加えられた力に比例して電気抵抗値が変化すること
を利用したデバイスである。

第４図に示したような、半導体加速度センサに用いられ
るピエゾ抵抗素子は、第６図のように作られる。母体と
して用いられる基板には、Ｎ型の導電型を有するシリコ
ン単結晶基板もしくはＮ型のエピタキシャル層２２をも
つｐ型基板２３を用いる（ａ図）。その表面を酸化して
酸化膜２１を形成する。リソグラフィ技術を用いてピエ
ゾ抵抗体を設ける場所の酸化膜をエツチングして開孔す
る。次にその場所にイオン注入法、あるいは拡散法によ
って、所望の濃度を有する不純物を導入し不純物領域２
４を形成する（ｂ図）。通常この不純物には硼素が用い
られる。

その後、アニールして拡散した不純物の電気的活性化お
よび所望の拡散プロファイルを得る。アニールによって
生成した酸化膜の一部分を開孔してコンタクトホール２
５を設ける（０図）。その上部にアルミ配線２６を行な
って、外部との電気的な接続が取れるようにする（ｄ図
）。ピエゾ抵抗体は、通常ホイートストンブリッジを構
成するようにアルミ配線が形成されており、加えられた
加速度に比例した電圧が取り出せるように工夫が為され
ている。基板の表面に設けられたピエゾ抵抗素子からな
る回路を得た後、基板表面より、異方性エツチングを行
ないダイアフラム２７を形成し、１０ミクロン程度の厚
みが残ったところでエツチングを停止してシリコンの薄
膜を得る（ｅ図）。特に基板を薄膜化する場合には時間
でエツチングの深さを調節したり、陽極酸化法などのエ
ツチング停止技術を用いてシリコンの薄膜化がなされる
。

（発明が解決しようとする課題） 半導体加速度センサでは、小型でしかも感度の良いセン
サの製造が望まれている。構造的にこの問題を解決する
ためには、センサに使用されている、シリコン梁の厚み
をできる限り減少させることが考えられる。この究極の
構造としては、梁全体が応力を検出できる素子のみで構
成されているセンサが考えられる。しかし、従来の加速
度センサ構造を適応すると、ピエゾ抵抗効果素子の効率
的な動作が不可能で、感度を高く取れない問題点があっ
た。

（課題を解決するための手段） 本発明は、おもりが接続された梁を有し梁にピエゾ抵抗
効果素子が形成された半導体加速度センサにおいて、梁
全体をピエゾ抵抗効果素子とし、梁の少なくとも片面の
一部分を金属で被い電気的に短絡させたことを特徴とす
る半導体加速度センサである。

またこのピエゾ抵抗効果素子の表面もしくは裏面に絶縁
層を設けた半導体加速度センサも本発明に含まれる。

（作用） 従来から、シリコンの薄膜を得るために種々のエツチン
グ停止技術が開発されてきた。もっとも一般的に用いら
れているのが、陽極酸化による方法である。この方法は
、ＰＮ接合を有するシリコンウェハーを用いて、Ｎ側に
陽極酸化に必要なプラスの電圧をかけておきながらエツ
チングする方法である。この方法では、おおよそ１０ミ
クロン程度の厚みを持ったシリコン薄膜まで得ることが
出来る。センサを小型化し、しかも感度を更に良くする
ためには、更に薄いシリコン薄膜を得る必要がある。

従来からシリコン基板に対して高濃度の不純物を拡散す
ると、その領域が特定のエツチング液に対して溶解しな
くなる性質があることが知られている。この方法では主
に硼素が不純物として用いられるため、この手法はボロ
ンエッチストップと呼ばれている。この方法を用いると
不純物の拡散されている領域がエツチング中に露出する
と、自動的にエツチングされ無くなるため、拡散制御の
限界である、１ミクロン付近以下の薄いシリコン膜まで
得ることが可能である。

一方、加速度センサでは、単に薄いシリコン梁を作製す
るだけではなく、感圧素子を梁上に作製する必要がある
。シリコンに不純物を拡散したとえ不純物濃度が高くな
ってもシリコンであることに変わり無いため、ピエゾ抵
抗素子と呼ばれる感圧素子を形成することが、可能であ
ることが知られている。すなわち、不純物を導入した薄
いシリコン膜全体を梁として用いる。つまり梁全体をピ
エゾ抵抗素子として活用できれば、感度が著しく向上す
るはずである。しかし、従来この様な報告は一度もない
。その理由を以下に述べる。一般に梁には片持ちと両持
ち形式の２種類の支え方が存在する。第３図（ａ）に示
したように、片持ち梁７０の先端へ、図面は下方に力を
加えた場合に、梁の表面に生じる応力は、膜面全体に渡
って圧縮か、引っ張りかどちらか一方の方向性しか持た
ない。この場合には、上記素子を用いて応力を検出する
ことが可能な様に見える。しかし１．不純物拡散によっ
て得られたピエゾ抵抗素子は、梁の厚み全体に渡ってい
るため、不純物の拡散が全く均一であると仮定すると、
梁の表面に表れる応力と表面に表れる応力とが打ち消し
合って、出力には梁の変形に対応した電気抵抗値の変化
が、出てこないのである。これは第３図（ａ）と逆に図
面の上方に力を加えた場合も同じである。一方、通常商
用で用いられる梁形式には両持ち梁がある。第３図（ｂ
）に示した様に、両持ち梁形式では、梁の各々の支持端
において、圧縮応力と引っ張り応力が同時に起こるため
、複数のピエゾ抵抗体を梁表面に設置することによって
、効率よく応力を検出できる所に意義がある。ところが
、梁全体が全て同じ拡散領域から成っていると、梁の全
ての領域に渡って、１つのピエゾ抵抗体が設置されてい
るのと同等の機能しか持ち得ない。そのため両持ち形式
の利点である、各支持端での応力方向の極性反転が裏目
に出て、表面、裏面どちらを考慮した場合には、１つの
ピエゾ抵抗体中に引っ張りと圧縮の、２つの効果が共存
することになり、応力検出の効果が打ち消し合うために
、検出感度が著しく劣ってしまい実用的でないという問
題がある。

本発明では、これらの領域のうち、一つの応力に対応し
た部分だけが実質的に抵抗変化を起こすように、不要な
部分を導電体で被う事によって短絡し効率よく応力を検
出できるようにしている。

更に、ピエゾ抵抗体の表面もしくは裏面に絶縁膜を設け
ることによって、梁全体に対してのピエゾ抵抗体の厚み
方向の位置を、裏面側か、表面側に近い方に持ってくる
ことによって、ピエゾ抵抗体内で応力の打ち消し合いが
起こらないように、梁の表面と裏面で生じる、逆方向の
応力による干渉効果を避けている。このため梁を薄膜化
することによる感度上昇の効果をそのまま生かすことが
できる。

（実施例） 第１図（ａ）〜（ｅ）に本発明の第一の実施例を示した
。

ここでは片持梁の場合について説明する。Ｎ型の導電型
を有するシリコン単結晶基板３３に、酸化膜２１をマス
クにイオン注入を行ない、異方性エツチングのエッチス
トップとして機能する程度に高濃度（例えばｌＸ１０２
０ｃｍ−３）の硼素を導入しピエゾ抵抗３４とする（ａ
図）。このピエゾ抵抗３４となるｐ型高濃度層の深さは
ｌｐｍとする。このとき梁を支持する支持体となる部分
にも抵抗を３つ形成しておく。あとの工程でこの４つの
抵抗をつないでブリッジを構成する。熱酸化あるいはＣ
ＶＤ法等を用いて、その領域の表面に酸化膜３５を設け
る。ピエゾ抵抗３４の一部分を短絡するためと、コンタ
クトをとるために、酸化膜３５に開口３６を形成する（
ｂ図）。次に蒸着法等でアルミを堆積し、パターニング
してアルミ配線３７及び短絡領域１００を得る（Ｃ図）
。短絡領域のアルミは配線も兼ねている。ここではピエ
ゾ抵抗３４の長さの２／３程度を短絡した。短絡する長
さは長い方がよく、例えば９０％程度短絡してもよい。

次にヒドラジン等を用いた異方性エツチングを行ないシ
リコン基板３３の裏面から薄膜化し、シリコンのダイア
フラム３８を得る（ｄ図）。最後に、基板３３の表から
再度エツチングを行なって梁の形状を決定する。梁の厚
さはピエゾ抵抗３４と同じｌｐｍになる。従来、梁の厚
さ１０ｐｍ以上あったが、これより薄くすれば感度を高
くできる。これらの工程を経たシリコン梁形成部分は、
上から見ると第１図（ｅ）の様な構造をしている。４１
はピエゾ抵抗作用領域である。梁はアルミ配線３７のあ
る側で支持体に接続し、短絡領域のある側でおもりに接
続している。本実施例ではピエゾ抵抗３４は梁の支持体
側だけにおいて効果的に働くようになっている。金属で
被われている部分は実質的に抵抗がほとんどゼロとみな
してよいので、その下に設けられているピエゾ抵抗の抵
抗値の影響を受けない。そのためこの様な抵抗を形成す
ると圧縮応力、引っ張り応力に対応する電気抵抗値の変
化を外部に取り出すことが出来る。

ピエゾ抵抗として働く部分をおもり側に設けてもよいが
本実施例のように支持体にできるだけ近づけた方が感度
が高い。なお、他の抵抗と組みあわせてブリッジを構成
するときは、短絡領域と接続するアルミ配線を上層に形
成すればよい。

第１図（ｅ）のような構造体で更に検出感度や機械的強
度を向上させたい場合には、シリコンダイアフラムを形
成後、基板裏面から絶縁性の膜を堆積させると好ましい
結果が得られる。この場合絶縁膜には窒化膜を用いると
、比較的薄い膜で良好な特性が得られる。膜厚は厚いほ
ど干渉効果を減らす効果が生じるため良いが、あまり厚
くすると全体の膜厚が増加し、感度の低下を引き起こす
ため、ピエゾ抵抗素子の厚みと同じくらいが良い。高濃
度不純物導入を従来のようにエツチングの停止にのみ使
用するのではなくて、この様に高濃度の硼素領域を部分
的に短絡させることによって、梁全体に渡って存在する
高濃度不純物領域からなるピエゾ抵抗体を、特定の位置
のみがピエゾ抵抗素子として作用するように選択可能で
あり、ホイートストブリッジを作製する場合に有利とな
る。本実施例のように高濃度不純物領域がピエゾ抵抗素
子として機能する領域を限定しないと、１つの梁の中で
は圧縮応力と引っ張り応力が同時に発生するため、両者
の効果がキャンセルしあって、電気抵抗の変化が表れな
いが、本発明では不純物の導入されている領域の限定さ
れた領域のみを、各々の応力に対応するように、ピエゾ
抵抗体として作用できるため、必要な応力だけを取り出
すことが可能であり、簡単にホイートストンブリッジを
構成することが出来る。そのため高感度化が容易に達成
できる特徴がある。

なお、本実施例の梁の形成に用いたボロンエッチストッ
プ法ではウェハーをエツチング液に漬は込むだけで良い
ため、生産管理が非常に容易であるなどの経済効果を有
しているが、梁を高濃度にするかどうかは本質的でなく
、高濃度でなくてもよいことは明らかである。

第２図には第二の実施例を示した。（ａ）が上面図、（
ｂ）が断面図である。この例では電気的短絡が必要な領
域の部分に、絶縁領域を介してトランジスタのゲート４
６を設けた構造を有していることが特徴である。ピエゾ
抵抗体は硼素を不純物としているためＰ型の導電型を持
っている。すなわちキャリアはホールである。よってゲ
ートに適当に電圧を印加することでゲート下に空乏層を
作ったり、その導電型を反転させることが可能である。

この効果によってゲート直下の部分の導電率を変化させ
て、電気的にピエゾ抵抗効果素子として機能する領域の
位置を変えるこてができる。単に感度を向上させるだれ
ではなく、この実施例のようにゲートを用いた位置制御
を行う場合には、加える電圧の大きさや極性、及びその
位置をコントロールすることにより、導通領域の形を変
化させて、不純物の導入されている領域内で実際にピエ
ゾ抵抗効果素子として機能する領域の位置を変化させて
、応力の微妙な分布に対応させることができる。

なお、以上述べた実施例では短絡領域を支持体の近くに
形成したが、梁の中央部やおもりの近くでもよい。また
、短絡しである領域が千鳥上に分散していても構わない
。むしろこの様に短絡領域を応力検出に合わせて、変形
することによって従来にはないピエゾ抵抗効果素子の特
性を引き出すことが可能になる。

また以上の実施例では、梁が単結晶半導体である場合を
述べたが、多結晶半導体でもよいし、梁も片持梁に限ら
ず両持梁等でもよい。また実施例では梁はシリコン基板
面と垂直に振動するが、梁を基板面内の方向に薄く、基
板面と垂直方向に厚く形成すると、梁が基板面内の方向
に振動し、面内の方向の加速度を測れるセンサが得られ
るが、本発明はこのようなセンサも含む。

（発明の効果） 半導体加速度センサでは小型、高感度化が望まれている
が、その解決手段として、センサに使用されているシリ
コンから成る梁の厚みを減少させる手法が在る。さらに
はその薄く形成された、梁の上に、ピエゾ抵抗体として
効果的に機能する素子を乗せることが重要であった。本
発明ではこの両者の要求に対して、充分に応えるセンサ
構造を提供することが可能であり、センサの小型化、高
感度化を達成できる。

従来から半導体基板に高濃度の不純物を導入した領域を
設けて、その領域を異方性エツチングのエッチストップ
として用いることが行われてきた。当然この領域はピエ
ゾ抵抗素子として動作する性質を持っているが、全ての
高濃度不純物導入領域が電気的に接続されているために
、ピエゾ抵抗効果を効率よく検出できる回路構成を用い
ることが出来なかった。しかし、本発明によれば、高濃
度不純物領域を部分的に短絡させることによって、一つ
の応力に対応する場所だけを、ピエゾ抵抗効果素子とし
て機能させることが出来るため、従来から用いられてい
る基板表面にイオン注入法によって作るピエゾ抵抗素子
と、同等の回路構成を採用することが簡単に出来、感度
のよい応力検出手段を提供できる効果がある。工程も、
従来のアルミ配線を配線をする際に同時に実施可能であ
り、プロセスが繁雑になる心配もない。もちろんアルミ
以外の金属を用いても構わない。通常、高濃度不純物拡
散は数ミクロンの深さであり、従来では作ることの出来
なかった、１ミクロン程度のシリコン単結晶薄膜の上に
ピエゾ抵抗素子を積載してフルブリッジ構成とした半導
体加速度センサが作製可能であり、その構成を用いて効
率よく加速度を検出することが可能である。

更に、ピエゾ抵抗素子部分に絶縁膜を堆積することによ
って、基板表面と裏面に生じる逆向きの応力が、干渉し
合うことを避け、効率良く応力を検出することが出来る
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例の半導体加速度センサを
説明する図である。第２図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本
発明の第二の実施例である半導体加速度センサの梁の部
分の上面図および平面図である。第３図は問題点が生じ
る原因を説明するための図である。 第４図は従来の半導体加速度センサの上面図である。第
５図（ａ）、′（ｂ）はそれぞれ従来の半導体素子の上
面図および断面図である。第６図は従来の半導体素子の
製造工程を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）おもりが接続された梁を有し梁にピエゾ抵抗効果
   素子が形成されている半導体加速度センサにおいて、梁
   全体をピエゾ抵抗効果素子とし、梁の少なくとも片面の
   一部分を金属で被い電気的に短絡させたことを特徴とす
   る半導体加速度センサ。
2. （２）上記ピエゾ抵抗効果素子の表面もしくは裏面に絶
   縁層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の半導体
   加速度センサ。