JPH06196721A - 半導体加速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 リーク電流や出力の経時変化を抑制し得るよ
うにした新規なトランジスタ型半導体加速度センサを提
供することにある。 【構成】 Ｐ型シリコン基板の主表面に絶縁膜を介して
絶縁層を形成し、絶縁層上に梁形状の可動電極を形成す
る。そして、可動電極に対し自己整合的にＰ型シリコン
基板に不純物を拡散して可動電極の両側において固定電
極を形成し、可動電極の下の絶縁層をエッチング除去す
る。よって、Ｐ型シリコン基板１と、Ｐ型シリコン基板
１の上方に所定の間隔を隔てて配置された梁構造の可動
電極４と、Ｐ型シリコン基板１における可動電極４の両
側に可動電極４に対し自己整合的に形成された不純物拡
散層よりなる固定電極８，９と、固定電極８，９間のＰ
型シリコン基板１上に形成された絶縁膜とを備え、加速
度の作用に伴う可動電極４の変位によって生じる固定電
極８，９間の電流の変化で加速度が検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体加速度センサ
に係り、特に、自動車の車体制御、エンジン制御、エア
バック制御等に好適な半導体加速度センサ及びその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】自動車用の加速度センサに要求される性
能としては、比較的低レベルの加速度（０〜±１Ｇ）を
低レベルの周波数（０〜１００Ｈｚ）で精度よく検出す
ることが挙げられる。尚、ここで、１Ｇは加速度の単位
で、９．８ｍ／ｓｅｃ² を表す。

【０００３】ところで、このような加速度センサとして
は、従来から圧電効果を利用した圧電式、差動トランス
を利用した磁気式、あるいは半導体式でシリコンの微細
加工技術を駆使した半導体歪ゲージ式や静電容量式等が
広く知られている。この中でも低加速度レベル、低周波
数レベルを精度良く検出でき、安価で大量生産にむく方
式としては半導体式が最も有望と考えられている。

【０００４】又、静電容量式は歪ゲージ式に比較して、
検出感度が大きいという特徴を有している。このような
静電容量型加速度センサの従来例として特開平２−１３
４５７０号公報に開示されているものを図１５に示す。
図１５において静電容量型加速度センサの検出部は３枚
のシリコン基板１２０，１２１，１２２を絶縁膜である
熱酸化膜１２３を介して直接張り合わせ、接合したもの
である。シリコン基板１２０には、エッチング加工によ
り、接合前にシリコンビーム（梁状部）１２４と可動電
極１２５が予め形成されている。さらに、シリコン基板
１２１，１２２にも接合前に予めポリシリコンによる固
定電極１２６，１２７が形成されている。重り機能を有
する可動電極１２５はシリコンビーム１２４によって支
持されており、これに作用する図の上下方向の加速度の
大きさに応じて、可動電極１２５と固定電極１２６，１
２７との間の空隙の寸法が変化する。即ち、検出部に作
用する加速度に応じて空隙部の静電容量が変化し、この
変化をボンディングパッド１２８を介して、外部の電子
回路に取り出すことで加速度を検出しようとするもので
ある。

【０００５】しかしながら、このような構成の静電容量
型加速度センサにおいては、シリコン基板自身を１００
〜２００μｍ程も加工してビームを形成するために生じ
る高度な加工技術が要求されるとともに製造コストも増
大する。つまり、可動電極を形成するシリコン基板１枚
と固定電極を形成するシリコン基板２枚の合計３枚のシ
リコン基板が必要であり、低コスト化が困難なことであ
る。さらに、熱酸化膜を介してシリコン基板同志を接合
しなければならないため、プロセス上の熱的制約を受け
るだけでなく、可動電極１２５と固定電極１２６，１２
７の位置決め精度が劣る。さらには、加速度の検出を静
電容量の変化で行うため、静電容量を形成する電極面積
をその測定下限より小さくできず、小型化が望めなかっ
た。

【０００６】そこで、本出願人はこのような点に鑑み
て、先に特願平４−３０５７０８号により電界効果型ト
ランジスタを利用することにより、半導体技術を応用し
超小型で安価に製作することを可能にした新規な半導体
加速度センサを提案している。

【０００７】本出願人が先に提案したトランジスタ型加
速度センサは、電界効果型トランジスタのゲート電極を
基板の上方に所定の間隔を隔てて配置した構造とし、加
速度によりゲート電極が変位したことでゲート電極とチ
ャネルに印加される電界強度が変化し、又はゲート電極
の変位したことでゲート幅が変化し、その結果、加速度
をトランジスタのドレイン電流の変化で検知しようとし
たものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、その後、検
討した結果、リーク電流が大きい、出力の経時変化が比
較的大きい等の問題点が見い出された。

【０００９】即ち、本出願人が先に提案したトランジス
タ型半導体加速度センサにおいては、そのプロセス上半
導体基板とゲート電極間の絶縁膜を犠牲層としてエアギ
ャップを形成している。従って、チャネルとなる基板上
には通常のＭＯＳトランジスタのようなゲート酸化膜が
なくチャネルとなる基板表面が露出した状態となってい
る。このため、表面の物性が不安定であり、表面リーク
電流、出力の経時変化が起こる問題点があった。

【００１０】そこで、この発明の目的は、本出願人が先
に提案したトランジスタ型半導体加速度センサに改良を
加えることにより、リーク電流や出力の経時変化を抑制
し得るようにした新規なトランジスタ型半導体加速度セ
ンサを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体加速度セ
ンサは、半導体基板と、前記半導体基板の上方に所定の
間隔を隔てて配置された梁構造の可動電極と、前記半導
体基板における前記可動電極の両側に可動電極に対し自
己整合的に形成された不純物拡散層よりなる固定電極
と、前記固定電極間の基板上に形成された絶縁膜とを備
え、加速度の作用に伴う前記可動電極の変位によって生
じる前記固定電極間の電流の変化で加速度を検出するよ
うにした半導体加速度センサをその要旨とする。

【００１２】本発明の半導体加速度センサの製造方法
は、半導体基板の主表面に絶縁膜を介して犠牲層を形成
する第１工程と、前記犠牲層上に梁形状の可動電極を形
成する第２工程と、前記可動電極に対し自己整合的に半
導体基板に不純物を拡散して可動電極の両側において固
定電極を形成する第３工程と、前記可動電極の変位に伴
う前記固定電極間の電流の変化を検出できるように、前
記可動電極の下の前記犠牲層をエッチング除去する第４
工程とを備えたものである。

【００１３】

【作用】本発明の半導体加速度センサにおいて、加速度
が作用すると、可動電極が変位し、固定電極間の電流が
変化する。この固定電極間の電流の増減により加速度が
検出される。又、半導体基板のチャネル上に形成された
絶縁膜により基板が保護され、表面のリーク電流が低減
され、かつ、自然酸化のような経時変化を受けない。

【００１４】本発明の半導体加速度センサの製造方法に
おいては、第１工程により半導体基板の主表面に絶縁膜
を介して犠牲層が形成され、第２工程により犠牲層上に
梁形状の可動電極が形成される。そして、第３工程によ
り可動電極に対し自己整合的に半導体基板に不純物が拡
散されて可動電極の両側において固定電極が形成され
る。さらに、第４工程により可動電極の下の犠牲層がエ
ッチング除去され、可動電極の変位に伴う固定電極間の
電流の変化を検出できるようになる。その結果、前述の
半導体加速度センサが製造される。

【００１５】

【実施例】（第１実施例）以下、この発明を具体化した
一実施例を図面に従って説明する。

【００１６】図１は、本実施例のトランジスタ型の半導
体加速度センサの平面図を示す。又、図２には図１のＡ
−Ａ断面を示し、図３には図１のＢ−Ｂ断面を示す。図
２，３に示すように、Ｐ型シリコン基板１の主表面上に
は絶縁膜４４が全面に形成され、その絶縁膜４４の上に
は絶縁膜２が形成されている。絶縁膜４４は、トランジ
スタでいうチャネル表面を保護するためのもの（ゲート
絶縁膜）である。絶縁膜４４及び絶縁膜２は、Ｓｉ
Ｏ₂ ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等よりなる。又、Ｐ型シリコン基板１
上には、絶縁膜２の無い長方形状の領域、即ち、空隙部
３が形成されている（図１参照）。絶縁膜２の上には、
空隙部３を架設するように両持ち構造の可動電極４が配
置されている。この可動電極４は棒状のポリシリコンよ
りなる。このように、絶縁膜２によりＰ型シリコン基板
１と可動電極４とが絶縁されている。

【００１７】尚、可動電極４の下部における絶縁膜２の
空隙部３は、犠牲層としてエッチングされることにより
形成されるものである。この犠牲層エッチングの際に
は、可動電極４と基板表面を保護する絶縁膜４４がエッ
チングされず、犠牲層である絶縁層２がエッチングされ
るエッチング液が使用される。つまり、絶縁膜２として
Ｓｉ₃ Ｎ₄ 膜を用い、絶縁膜４４としてＳｉＯ₂ 膜を用
い、熱リン酸をエッチング液として使用している。

【００１８】又、絶縁膜２上には層間絶縁膜５が配置さ
れ、その上にコンタクトホール７を介して可動電極４と
電気的接続するためのアルミ配線６が配置されている。
図３において、Ｐ型シリコン基板１上には不純物拡散層
からなる固定電極８，９が形成され、この固定電極８，
９はＰ型シリコン基板１にイオン注入等によりＮ型不純
物を導入することによって形成されたものである。

【００１９】尚、可動電極（両持ち梁）４はポリシリコ
ンの他にも、タングステン等の耐熱金属を用いてもよ
い。又、図１に示すように、Ｐ型シリコン基板１には不
純物拡散層からなる配線１０，１１が形成され、配線１
０，１１はＰ型シリコン基板１にイオン注入等によりＮ
型不純物を導入することによって形成されたものであ
る。そして、固定電極８と配線１０とは電気的に接続さ
れるとともに固定電極９と配線１１とは電気的に接続さ
れている。

【００２０】さらに、配線１０はコンタクトホール１２
を介してアルミ配線１３と電気的に接続されている。
又、配線１１はコンタクトホール１４を介してアルミ配
線１５と電気的に接続されている。そして、アルミ配線
１３，１５及び６は外部の電子回路と接続されている。

【００２１】又、図３に示すように、Ｐ型シリコン基板
１における固定電極８，９間には反転層１６が形成さ
れ、同反転層１６は可動電極（両持ち梁）４により生じ
たものである。

【００２２】尚、絶縁膜２は必ずしも絶縁膜である必要
はなく、可動電極４と絶縁膜４４との選択エッチングが
可能な材料であればよい。次に、このように構成した半
導体加速度センサの製造工程を図４〜図１３を用いて説
明する。

【００２３】尚、センサ処理回路にＭＯＳＦＥＴを用い
ているものとする。図４に示すように、Ｐ型シリコン基
板１７を用意し、そのシリコン基板１７の主表面全面
に、後に形成されるセンサの基板表面保護及びトランジ
スタのゲート酸化膜に相当するゲート絶縁膜４５を形成
する。その後、図５に示すように、Ｐ型シリコン基板１
７に、フォトリソの工程を経て、イオン注入等によりセ
ンサの固定電極やトランジスタのソース・ドレインの配
線部分となるＮ型拡散層１８，１９，２０，２１を形成
する。

【００２４】そして、図６に示すように、その一部が犠
牲層となる絶縁膜２２をセンサ作製部に形成する。尚、
このとき、基板全体に絶縁膜２２を成膜し後からトラン
ジスタ作製部上の絶縁膜を除去してもよい。

【００２５】さらに、図７に示すように、ポリシリコン
を成膜し、フォトリソ工程を経てドライエッチ等でセン
サの可動電極２４及びトランジスタのゲート電極２５を
パターニングする。

【００２６】引き続き、図８に示すように、Ｎ型拡散層
からなるセンサの固定電極を形成するために、フォトリ
ソの工程を経て絶縁膜２２に可動電極２４に対して自己
整合的に開口部２６，２７を形成する。又、トランジス
タのソース・ドレインを形成するために、フォトリソ工
程を経てレジスト２８によりゲート電極２５に対して開
口部２９，３０を自己整合的に形成する。

【００２７】さらに、図９に示すように、絶縁膜２２の
開口部２６，２７、レジスト２８の開口部２９，３０か
ら可動電極２４，ゲート電極２５に対して自己整合的に
イオン注入等によって不純物を導入して、Ｎ型拡散層か
らなるセンサの固定電極３１，３２、トランジスタのソ
ース・ドレイン３３，３４を形成する。

【００２８】次に、図１０に示すように、可動電極２
４，ゲート電極２５とアルミ配線を電気的に絶縁するた
めの層間絶縁膜３５を成膜する。そして、図１１に示す
ように、層間絶縁膜３５に配線用拡散層１８，１９，２
０，２１とアルミ配線を電気的に接続するためのコンタ
クトホール３６，３７，３８，３９をフォトリソ工程を
経て形成する。

【００２９】さらに、図１２に示すように、電極材料で
あるアルミニウムを成膜して、フォトリソ工程を経てア
ルミ配線４０，４１，４２，４３等を形成する。そし
て、図１３に示すように、層間絶縁膜３５の一部と絶縁
膜２２の一部である犠牲層をエッチングする。

【００３０】このようにして、トランジスタ型半導体加
速度センサの製作工程が終了する。次に、加速度センサ
の作動を図３を用いて説明する。可動電極４とシリコン
基板１に電圧をかけると、反転層１６が形成され、固定
電極８，９間に電流が流れる。本加速度センサが加速度
を受けて、図中に示すＺ方向（基板に垂直方向）に可動
電極４が変位した場合には電界強度の変化によって反転
層１６のキャリア濃度が増大し電流が増大する。このよ
うに本加速度センサは電流量の増減で加速度を検出する
ことができる。

【００３１】又、シリコン基板１のチャネル上にゲート
絶縁膜４４を形成し基板１を保護しているため、表面の
リーク電流を低減でき、かつ、自然酸化のような経時変
化を受けない。つまり、チャネルとなる基板上には通常
のＭＯＳトランジスタのようなゲート酸化膜が存在する
ので、表面の物性が安定となり、表面リーク電流、出力
の経時変化が回避される。

【００３２】このように本実施例では、Ｐ型シリコン基
板１７（半導体基板）の主表面に絶縁膜４５を介して絶
縁膜２２（犠牲層）を形成し（第１工程）、絶縁膜２２
上に梁形状の可動電極２４を形成する（第２工程）。そ
して、可動電極２４に対し自己整合的にＰ型シリコン基
板１７に不純物を拡散して可動電極２４の両側において
固定電極３１，３２を形成し（第３工程）、可動電極２
４の下の絶縁膜２２（犠牲層）をエッチング除去した
（第４工程）。その結果、図１〜３に示すように、Ｐ型
シリコン基板１（半導体基板）と、Ｐ型シリコン基板１
の上方に所定の間隔を隔てて配置された梁構造の可動電
極４と、Ｐ型シリコン基板１における可動電極４の両側
に可動電極４に対し自己整合的に形成された不純物拡散
層よりなる固定電極８，９と、固定電極８，９間のＰ型
シリコン基板１上に形成された絶縁膜４４とを備え、加
速度の作用に伴う可動電極４の変位によって生じる固定
電極８，９間の電流の変化で加速度を検出するようにし
た。

【００３３】このように、加速度が作用すると、可動電
極４が変位し、固定電極８，９間の電流が変化する。こ
の固定電極８，９間の電流の増減により加速度が検出さ
れる。又、Ｐ型シリコン基板１のチャネル上に形成され
た絶縁膜４４により基板が保護され、表面のリーク電流
が低減され、かつ、自然酸化のような経時変化を受けな
い。よって、リーク電流や出力の経時変化を抑制し得る
ようにした新規なトランジスタ型半導体加速度センサと
することができる。 （第２実施例）次に、第２実施例を第１実施例との相違
点を中心に説明する。

【００３４】図１４に本実施例の半導体加速度センサの
断面を示す。図３に示す第１実施例では、チャネルとな
る基板部分を保護する絶縁膜が１層であったが、図１４
に示す第２実施例では２層構造となっている。つまり、
チャネルとなる基板表面を保護する絶縁膜４４と、絶縁
膜２の一部を犠牲層としてエッチングするときに絶縁膜
４４をエッチング液から保護する絶縁膜４６とからなっ
ている。絶縁膜４６を設けることにより、絶縁膜４４及
び絶縁膜２としての材料の選択範囲が広げることができ
る。例えば、第１実施例では絶縁膜４４を熱酸化によっ
て形成したＳｉＯ₂ とした場合、絶縁膜２にはＳｉＯ₂
は使用できないが、本実施例で絶縁膜４６をＳｉ₃ Ｎ₄
とすれば絶縁膜２をＳｉＯ₂ としてもフッ酸系エッチン
グ液を用いると絶縁膜２のみを犠牲層エッチングするこ
とができる。この場合、Ｓｉ₃ Ｎ ₄ である絶縁膜４６が
エッチングストッパーとなりＳｉＯ₂ である絶縁膜４４
はエッチングされない。尚、絶縁膜４６は絶縁膜２の犠
牲層エッチング終了後に空隙に面している領域を取り除
いてもよい。

【００３５】尚、この発明は上記各実施例に限定される
ものではなく、例えば、上記各実施例ではセンサはＰ型
基板について説明してきたが、Ｎ型基板では拡散層の不
純物をＰ型にすればよい。

【００３６】又、センサの可動電極を両持ち梁で示した
が、片持ち梁でもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
リーク電流や出力の経時変化を抑制し得るようにした新
規なトランジスタ型半導体加速度センサを提供すること
ができる優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の半導体加速度センサの平面図であ
る。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】図１のＢ−Ｂ断面図である。

【図４】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図で
ある。

【図５】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図で
ある。

【図６】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図で
ある。

【図７】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図で
ある。

【図８】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図で
ある。

【図９】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図で
ある。

【図１０】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図
である。

【図１１】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図
である。

【図１２】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図
である。

【図１３】半導体加速度センサの製造工程を示す断面図
である。

【図１４】第２実施例の半導体加速度センサの断面図で
ある。

【図１５】従来技術による半導体加速度センサを示す断
面図である。

【符号の説明】

１ 半導体基板としてのＰ型シリコン基板 ４ 可動電極 ８，９ 固定電極 １７ 半導体基板としてのＰ型シリコン基板 ２２ 犠牲層としての絶縁膜 ２４ 可動電極 ３１，３２ 固定電極 ４４ 絶縁膜 ４５ 絶縁膜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、 前記半導体基板の上方に所定の間隔を隔てて配置された
   梁構造の可動電極と、 前記半導体基板における前記可動電極の両側に可動電極
   に対し自己整合的に形成された不純物拡散層よりなる固
   定電極と、 前記固定電極間の基板上に形成された絶縁膜とを備え、
   加速度の作用に伴う前記可動電極の変位によって生じる
   前記固定電極間の電流の変化で加速度を検出するように
   したことを特徴とする半導体加速度センサ。
2. 【請求項２】 半導体基板の主表面に絶縁膜を介して犠
   牲層を形成する第１工程と、 前記犠牲層上に梁形状の可動電極を形成する第２工程
   と、 前記可動電極に対し自己整合的に半導体基板に不純物を
   拡散して可動電極の両側において固定電極を形成する第
   ３工程と、 前記可動電極の変位に伴う前記固定電極間の電流の変化
   を検出できるように、前記可動電極の下の前記犠牲層を
   エッチング除去する第４工程とを備えたことを特徴とす
   る半導体加速度センサの製造方法。