JPH03262974A - 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に関するものである。

（従来の技術） 従来より半導体加速度センサは、第７図に示したように
、単結晶シリコンをマイクロマシニングと呼ばれる微細
加工技術を駆使して作製されている。加速度センサはス
コップの様な形状をしたおもり８１を先端に有する梁構
造をしている。加速度がその構造体に加えられると、先
端おもり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、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効果素
子８３を梁８２のつけ根に形成することによって、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８３からアルミ配線８５を用いて
、電気信号をやり取りし、アルミパッド８４から電気信
号を外に取り出すような構造をしている。ピエゾ抵抗体
は、第８図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７図に示すような、半導体加速度センサに用いられる
ピエゾ抵抗素子は、第９図のように作られる。まず、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を用意する。

（ａ）図では後者の例を示す。その表面を酸化して酸化
膜２１を形成する。（（ｂ）図）。次にリソグラフィ技
術を用いてピエゾ抵抗体を設ける場所の酸化膜２１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２４を形成する。通常この不純物には
硼素が用いられる。その後、アニールして拡散種を電気
的に活性化し、所望の拡散プロファイルを得る。次いで
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２５を設ける（（Ｃ）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）。このように、アルミ配線
が行なわれたピエゾ抵抗体は、通常ホイートストンブリ
ッジを構成するように配線されており、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、工程（ｅ）に示されたように基板表面よ
り、ダイアフラム形成領域２７をエツチングして除去し
、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。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。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出来るだ
け減少させることが望ましい。それの究極的なものとし
て、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、実際にはこの構成では
逆に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、梁の大部分がピエゾ抵抗効果素子から成って
いることを特徴とする半導体加速度センサである。

お互いに電気的に絶縁された高濃度不純物拡散領域を一
つの半導体単結晶の梁のなかに二つ以上有し、その領域
をピエゾ抵抗素子として用いることを特徴とする半導体
加速度センサ。

上記不純物領域の表面もしくは裏面に、絶縁層を設けた
ことを特徴とする半導体加速度センサ用シリコン単結晶
梁。

（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が止まるため、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薄膜まで得
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在る
。上記に示した不純物拡散による方法では、非常に薄い
シリコン薄膜を得ることが可能である。しかし、不純物
を高濃度に拡散された場所は、通常電気の良導体に成っ
てしまっている。このことは、高濃度の不純物を導入し
た領域には、直接回路を作製することが出来ないことを
意味している。一方、高濃度不純物領域自身は、不純物
濃度が高く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として用いることが
、可能であることが知られている。すなわち、高濃度不
純物を導入した場所をピエゾ抵抗素子として活用できれ
ば、感圧素子の機能を持った非常に膜厚の薄いシリコン
薄膜を容易に得ることが可能なはずである。しかし、従
来ではこの様な用途に用いられた報告は一度もない。も
っばら静電型の加速度センサにおいて、複雑な形状を得
るために用いられているだけである。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６図（
ａ）に示したように、片持ち梁の先端へ図面上片または
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、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。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６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、高濃度不純物拡散法では、１つの梁は全て同
じ拡散領域から成っているため、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、梁の全てでなく大部分をピエゾ抵抗素子と
することでこの問題を解決している。より具体的には梁
を電気的に絶縁された複数の領域に分割する事によって
、応力の極性に応じて独立に抵抗値変化可能なように個
別ピエゾ抵抗素子を設け、効率よく各々の応力を検出で
きるようにしている。更に、ピエゾ抵抗体の表面もしく
は裏面に設けた絶縁膜によって、梁全体に対してのピエ
ゾ抵抗素子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
のため従来梁の薄膜化に伴う感度上昇効果に対して悪影
響が存在したが、これを除去出来る。

（実施例） 第１図に本発明の第一の実施例を示した。この加速度は
、次のように作製される。最初に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ｌＸＩＯ２０ｃｍ−３
）の硼素を導入し、ピエゾ抵抗３４とする（（ａ）図）
。熱酸化あるいはＣＶＤ法等を用いて、その領域の表面
に酸化膜３５を設ける。コンタクトをとるために、酸化
膜３５に端部３６を開口する（（ｂ）図）。

その後配線金属のアルミを蒸着しエツチングしてアルミ
配線３７を形成する（（Ｃ）図）。次にヒドラジン等を
用いた異方性エツチングシリコン基板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、シリコン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と同時に、高濃度不純物領域内の
絶縁境界となる領域３９を同時にエツチングして除去し
そこを空間とする。これらの工程を経たシリコン梁形成
部分は上から見た場合に第１図（ｅ）の様な構造をして
いる。梁の幅を５０μｍとすると、領域３９中の細い部
分は７ｐｍ、太い部分は２５ｐｍでいとである。４１は
ピエゾ抵抗作用領域である。第１図（ｅ）に示されてい
るように、抵抗体はその幅を減少させると電気抵抗値が
高くなり、輻の広い領域の電気抵抗値の変化は無視でき
るようになる。そのためこの様な抵抗体を形成すると圧
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。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
の膜を堆積す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梁厚みが増加
し、感度の低下を引き起こすため、ピエゾ抵抗素子の厚
みと同一くらいが良い。梁を形成するための基板３３の
エツチングは通常の異方性エツチングを行えないため、
等方性のエツチング液を用いるか、ＲＩＥのようなドラ
イエツチング等を用いる。従来のように高濃度不純物導
入を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電気的に分けることによって
、高濃度不純物領域からなるピエゾ抵抗体を、一つの梁
のなかに複数設けることが可能であり、ホイートストン
ブリッドを作製する場合に有利となる。

本発明のように高濃度不純物領域内に絶縁境界を設けて
、複数の領域に分けないと、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、効率よく応力変化を電圧変化に変換
できないが、本発明では各々の応力に対応するように、
ピエゾ抵抗体が分離設置されているため、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。なおこの実施例では梁の厚さの制御
がしやすいため高濃度に不純物をドープしたが、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図に第二の実施例の上面図を示した。この実施例で
は高濃度不純物領域を電気的に分離するために、酸化領
域４４を用いている。つまり分離したい境界線上に沿っ
て、高濃度不純物領域を選択酸化法などを使って酸化し
、表面から裏面までを酸化領域４４とすることによって
、電気的に独立した複数の領域に分けた構造が示されて
いる。この酸化はアルミ配線が行われる前に行う必要が
ある。

そうしないと配線を痛めてしまうおそれがある。

この様にしておくと第１図とちがい梁の中に空間が生じ
ないので、梁の強度を大きくすることが出来る。またそ
の上に他の回路で必要とされる配線を施すことも出来る
。

第３図に第三の実施例の上面図を示した。第一二の実施
例でエツチングによって取り除いたり、酸化したりした
領域に、ピエゾ抵抗体とは逆導電型の不純物領域４５を
形成する方法である。硼素を導入されたシリコン基板Ｐ
型の導電型を有しているため、Ｎ型の不純物を多量に境
界線上に導入すれば、ＰＮ接合が生じ電気的に分離する
ことが可能である。梁を形成するときボロンエッチスト
ップ法を用いた場合、高濃度不純物導入領域３４中の硼
素の濃度は非常に高いためこれを上回るだけのＮ型の不
純物を導入することには困難が伴う。

第４図には第四の実施例を示した。（ａ）が上面図、（
ｂ）が断面図である。この例では電気的に分離したい領
域の部分に、ＭＯＳ　）ランジスタのゲート４６を形成
したことが特徴である。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がゲート下に空乏層を作ったり、
その導電型を反転が可能である。この効果によってゲー
ト直下の部分を空乏化して絶縁体にしたり、反転化して
、電気的に分離することが可能である。この方法は薄膜
が非常に薄い場合等ＭＯＳゲート４６の電界の影響が梁
の裏面まで到達する場合に有効な方法である。基板がＰ
型でピエゾ抵抗体がＮ型である場合には、同様に空乏層
を形成することで絶縁領域を形成できる。なお、ゲート
４６はショットキーゲートでもよい。

なお第１〜４図の実施例では絶縁領域の平面形状はほぼ
同じであるが、第５図に示すような平面形状でもよい。

また絶縁領域は両側の高濃度領域間を電気的に絶縁すれ
ばよいのでもっと細くてもよい。また絶縁領域は梁の長
さ方向に限らず、梁の幅方向に梁を横断するように形成
してもよい。また第１〜４図の実施例では高濃度領域を
二つに分けているが、三つ以上に分けてもよい。第１〜
４図の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
の加速度を測定できる。また面内の方向の加速度を測る
センサとして、特願昭６３−２４８０６７号明細書に記
載したように、従来とは反対に中心部を支持体とし、周
辺部をおもりとした構成にして感度を上げ、しかも前述
の梁を対称に２〜４本形成して面内方向の回転力を指向
性よく測れるようにしたセンサがある。このようなセン
サにも本発明は適用することができ、非常に効果的であ
る。

（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
構造および製造方法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電気的に
分離して設けた構造を有しているため、従来から用いら
れているピエゾ抵抗素子と同等の回路構成を採用する・
ことか簡単に出来、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、最終的に梁を作製する時点で、
絶縁領域に対してエツチング、酸化、ゲート作製すれば
良いためプロセスが繁雑になる心配もない。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複数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。更に高濃度不純物導入によるエツチング停止法は、
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も有している
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す図である。 第２図〜第５図は本発明の別の実施例を示す図である。 第６図は問題点が生じる原因を説明するための図である
。第７図は従来の半導体加速度センサの上面図である。 第８図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来の半導体加速度セ
ンサの上面図および断面図である。第９図は従来の半導
体加速度センサの製造工程を示す図である。 １・・・シリコン基板、２・・・不純物領域、３・・・
絶縁膜、４・・・コンタクトホール、５・・・アルミ配
線、２１゜１、酸化膜、２２・・・エピタキシャル層、
２３・・・シリコン単結晶基板、２４・・・高濃度不純
物導入領域、２５・・・コンタクトホール、２６・・・
アルミ配線、２７・・・ダイアフラム形成領域、３２・
・・Ｎ型エピタキシャル層領域、３４・・・ピエゾ抵抗
、３５・・・絶縁体、３６・・・コンタクトホール形成
端部、３７・・・アルミ配線、３８・・・シリコンダイ
アフラム、３９・・・絶縁境界、４１・・・高濃度不純
物導入領域、４２．・１分離溝、４３・・・コンタクト
ホール、４４・・・酸化領域、４５・・・逆型不純物導
入領域、４６・・ゲート、８１・・・先端おもり、８２
、・・梁、８３・・ピエゾ抵抗効果素子、８４・・アル
ミパッド、８５・・・アルミ配線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）梁の大部分がピエゾ抵抗効果素子から成っている
   ことを特徴とする半導体加速度センサ。
2. （２）お互いに電気的に絶縁された不純物拡散領域を一
   つの半導体単結晶の梁のなかに二つ以上有し、その領域
   をピエゾ抵抗素子として用いる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。
3. （３）上記不純物領域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または２に記載の半導
   体加速度センサ。