JPH0637187A - 半導体歪みセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 温度サイクルによる影響を受けにくく加速度
等に応じた歪みを正確に検出することができる半導体歪
みセンサを提供することにある。 【構成】 シリコンチップ６の一部に薄肉の可動部１４
〜１７が形成されている。シリコンチップ６の可動部１
４〜１７はピエゾ抵抗層１８ａ，１８ｂ、１９ａ，１９
ｂ、２０ａ，２０ｂ、２１ａ，２１ｂが形成されてい
る。シリコンチップ６上においてアルミ配線２３〜３
０，６３〜６６にてピエゾ抵抗層１８ａ，１８ｂ、１９
ａ，１９ｂ、２０ａ，２０ｂ、２１ａ，２１ｂと電気接
続され、同アルミ配線２３〜３０，６３〜６６は薄膜よ
りなり、厚みが１．３μｍ、幅が２０μｍとなり、断面
積が４０μｍ² 以下となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、加速度や振動等を検
出するための半導体歪みセンサ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としてピエゾ抵
抗素子による半導体加速度センサが使用されている（例
えば、特開平２−２３１５７１号公報）。即ち、シリコ
ンチップの一部に梁構造の可動部が形成され、厚さが４
０μｍ程度の可動部にピエゾ抵抗層が形成されている。
そして、このセンサはエアバックシステムに用いられ、
エアバック用加速度センサでは、５〜４９Ｇ程度の比較
的大きな加速度を差分（ある時刻の加速度と所定時間経
過後の加速度との差分）として検知するものである。一
方、近年では自動車のアンチロックブレーキシステム
（ＡＢＳシステム）においても加速度センサを用いるこ
とが検討されている。このＡＢＳ用加速度センサでは、
自動車の加減速時に変化する小さな加速度（０〜１．５
Ｇ）を差分ではなく直接（ある時刻での加速度を）感知
する必要があり、加速度に対する出力は、リニア（直線
的）であることが要求される。さらに、このセンサとし
ては、雰囲気温度の変化にも出力特性が変化しないこと
が要求される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ＡＢＳ用加
速度センサとして使用すべく小さな加速度（０〜１．５
Ｇ）を感知するために一般的な半導体加速度センサを高
感度化しようとすると、シリコンチップの薄肉部（可動
部）の厚さを略１５μｍ以下に薄くする必要がある。こ
の際、シリコンチップの実使用時には同センサが車室内
に設置され、センサ雰囲気として温度サイクルを伴うこ
ととなる。この温度サイクルに伴い、ピエゾ抵抗層と電
気接続するアルミ薄膜配線には応力が残り、その残った
応力がピエゾ抵抗層に至りセンサの出力特性が変動して
加速度を正確に測定することができない。つまり、セン
サ出力に温度ドリフトが発生してしまう。

【０００４】この発明の目的は、温度サイクルによる影
響を受けにくく加速度等に応じた歪みを正確に検出する
ことができる半導体歪みセンサを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明は、半導体基板
の一部に形成された薄肉の可動部と、前記半導体基板の
可動部に形成されたピエゾ抵抗層と、前記半導体基板上
に形成され、前記ピエゾ抵抗層と電気接続するための薄
膜よりなるアルミ系配線とを備えた半導体歪みセンサに
おいて、前記アルミ系配線の断面積を４０μｍ² 以下に
した半導体歪みセンサをその要旨とするものである。

【０００６】

【作用】アルミ系配線には温度サイクルに伴う応力が残
ることが少なくなりピエゾ抵抗層によるセンサ出力もそ
の影響を受けにくい。

【０００７】

【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。図１には半導体加速度センサの全体
構成図を示し、図２には図１のＡ−Ａ断面を示す。本セ
ンサは自動車のＡＢＳシステムに用いられるものであ
る。

【０００８】ステム１と、その上面に接合されたシェル
（蓋材）２により、後記シリコンチップ６を収納するパ
ッケージ材が構成されている。ステム１はコバール等の
金属よりなり、シェル２は鉄等の金属よりなる。ステム
１はその中央部に凸部３が形成され、同凸部３には４本
のリード端子４が貫通状態でガラス溶着にて固定されて
いる。又、ステム１の外周部にはセンサ取り付け用穴５
が形成されている。

【０００９】図３にはパッケージ内に配置されるシリコ
ンチップ６部分の斜視図を示し、図４にはシリコンチッ
プ６の平面を示し、図５には図４のＢ−Ｂ断面を示す。
ステム１の凸部３上には、パイレックスガラスよりなる
四角板状の台座７が接合され、台座７の上には四角板状
の半導体基板としてのシリコンチップ６が配置されてい
る。図４に示すように、シリコンチップ６はその裏面が
台座７と接合する四角枠状の第１支持部８を有し、同第
１支持部８はシリコンチップ６の４辺を用いて形成され
ている。シリコンチップ６における第１支持部８の内方
には上下に貫通する４つの溝１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，
１２ｄが形成され、４つの薄肉の可動部１４，１５，１
６，１７にて厚肉の四角形状の重り部１０が連結された
構造となっている。さらに、シリコンチップ６の第１支
持部８の内方において、上下に貫通する溝１１が溝１２
ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを囲むように形成されてい
る。そして、同溝１１にて厚肉のコ字状の第２支持部９
と厚肉の連結部１３とが区画されている。

【００１０】つまり、台座７と接合する厚肉の第１支持
部８に対し第２支持部９が延設され、第２支持部９から
薄肉の可動部１４〜１７が延設された構造となってい
る。又、溝１１により第１支持部８と第２支持部９とは
連結部１３にて連結された構造となっている。さらに、
第２支持部９と重り部１０とは前述したように可動部１
４，１５，１６，１７にて連結されている。この可動部
１４，１５，１６，１７の厚さは５μｍ程度となってお
り、２つずつのピエゾ抵抗層１８ａ，１８ｂ，１９ａ，
１９ｂ，２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂが形成されて
いる。又、図５に示すように台座７の上面中央部には凹
部２２が形成され、加速度が加わり重り部１０が変位し
たときに接触しないようになっている。

【００１１】又、図６にはシリコンチップ６の表面での
ピエゾ抵抗層と電気接続するためのアルミ配線パターン
を示す。本実施例では、アース用のアルミ配線２３と、
電源電圧印加用のアルミ配線２４と、加速度に応じた電
位差を取り出すための出力用のアルミ配線２５，２６と
が形成されている。又、これら配線に対しもう１組の４
つのアルミ配線が用意されている。つまり、アース用の
アルミ配線２７と、電源電圧印加用のアルミ配線２８
と、加速度に応じた電位差を取り出すための出力用のア
ルミ配線２９，３０とが形成されている。電源電圧印加
用のアルミ配線２４の途中にはシリコンチップ６の不純
物拡散層３１が介在され、その不純物拡散層３１の上を
シリコン酸化膜を介してアース用のアルミ配線２３が交
差状態で配置されている。同様に、電源電圧印加用のア
ルミ配線２８は不純物拡散層３２を介して電源電圧印加
用のアルミ配線２４と接続され、アース用のアルミ配線
２７は不純物拡散層３３を介してアース用のアルミ配線
２３と接続され、さらに、出力用のアルミ配線２９は不
純物拡散層３４を介して出力用のアルミ配線２５と接続
されている。又、出力用のアルミ配線３０と２６とは抵
抗調整のための不純物拡散層３５を介して接続されてい
る。そして、これらアルミ配線はアルミボンディグパッ
ド３６，３７，３８，３９，４０，４１，４２，４３と
接続されている。

【００１２】又、シリコンチップ６の重り部１０にもア
ルミ配線６３，６４，６５，６６が配置されている。ア
ルミ配線２３〜３０及び６３〜６６は同一寸法（幅及び
厚さが同一）となっている。つまり、図７に示すよう
に、各アルミ配線（図７では配線２６）は薄膜よりな
り、厚みが１．３μｍで幅が２０μｍであり、配線断面
積は２６μｍ² となっている。

【００１３】本実施例では、配線２３〜２６を用いた結
線がなされる。そして、図８に示すように各ピエゾ抵抗
層１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂ，
２１ａ，２１ｂにてホイートストーンブリッジ回路が形
成されるように電気接続されている。ここで、端子４４
はアース用端子であり、端子４５は電源電圧印加用端子
であり、端子４６及び４７は加速度に応じた電位差を取
り出すための出力端子である。この４つの端子４４，４
５，４６，４７は、図１，２に示すように、ワイヤ４８
にてリード端子４と接続されている。

【００１４】又、図１，２に示すように、シェル２内に
おけるシリコンチップ６の配置位置より上方において２
枚の隔壁板４９が上方ほど接近するように配設され、両
者の先端部がダンピング液用連通孔５０となっている。
そして、隔壁板４９の下側にはシリコーンオイル等のダ
ンピング液５１が充填されている。又、隔壁板４９には
それぞれ気体用連通孔５２が形成されている。

【００１５】次に、センサの製造方法を説明する。図９
〜図１３にはセンサの製造工程を示す。まず、図９に示
すように、Ｎ^- 型のシリコンウェハ５３を用意し、その
表面の全面に厚さ４５００Åのシリコン酸化膜５４を形
成する。そして、シリコン酸化膜５４の所定領域をエッ
チングにより除去し、シリコンウェハ５３の所定領域に
Ｐ⁺ 拡散層５５を形成する。さらに、図１０に示すよう
に、シリコンウェハ５３の全面にＣＶＤにより厚さ４０
００Åのシリコン酸化膜５６を形成する。そして、所定
領域Ｚ１のシリコン酸化膜５４，５６をエッチング除去
する。

【００１６】次に、図１１に示すように、シリコンウェ
ハ５３の上面の露出部に厚さ１０００Åのシリコン酸化
膜５７を形成する。さらに、シリコン酸化膜５７上に所
定のパターンのマスクを配置し、その後、イオン注入に
よりシリコンウェハ５３にピエゾ抵抗層としてのＰ⁺ 拡
散層５８を形成する。このＰ⁺ 拡散層５８はＰ⁺ 拡散層
５５とつながっている。

【００１７】引き続き、図１２に示すように、シリコン
酸化膜５７でのコンタクト部分を除去した後、真空蒸着
やスパッタリングによりアルミ５９による配線を行う。
さらに、図１３に示すように、シリコンウェハ５３の裏
面を、所定の感度が得られる厚さ（５μｍ程度）までエ
ッチングする。又、シリコンウェハ５３の表面をエッチ
ングして上下に貫通する溝１１，１２ａ，１２ｂ，１２
ｃ，１２ｄを形成する。

【００１８】そして、パイレックスガラスよりなる台座
７の上にシリコンウェハ５３を陽極接合する。その後、
シリコンウェハ５３及び台座７をダイシングカットして
図３に示すような所定の大きさに裁断する。

【００１９】次に、ステム１の凸部３上に台座７を接着
した後、ステム１上にシェル２を接合しダンピング液５
１を充填する。このようにして製造された半導体加速度
センサにおいては、アルミ配線２３〜３０及び６３〜６
６（例えば、図７で示す配線２６）を厚みが１．３μｍ
で幅が２０μｍとして配線断面積を４０μｍ² 以下にし
た。よって、アルミ配線には温度サイクルに伴う応力が
残ることが少なくピエゾ抵抗層によるセンサ出力もその
影響を受けにくくなる。以下に、それを実証するための
実験結果を示す。

【００２０】図１４にはアルミ配線断面積と１Ｇ出力の
温度ドリフト及び０Ｇ出力の温度ドリフトの測定結果を
示す。このときの温度サイクルは、図１５に示すよう
に、＋２５℃（常温）から−４０℃を経て＋８５℃に
し、それから＋２５℃に戻したものである。そして、サ
イクル初期の＋２５℃でのセンサ出力と、サイクル後の
＋２５℃でのセンサ出力との差分を測定したものであ
る。ここで、雰囲気温度として−４０〜＋８５℃とした
のは、自動車用加速度センサの実際の使用雰囲気温度を
考慮したものである。

【００２１】温度ドリフト（熱ヒステリシス）は、温度
サイクル中に生じた温度差と、シリコンとアルミ配線材
料との間の熱膨張差によりアルミ配線材料に応力が加わ
り、温度サイクル前後でアルミ配線材料における配線形
成時の内部応力値が変化し、それがピエゾ抵抗層に伝播
して発生するものである。

【００２２】この実験に際し、さらに詳細には、１Ｇ出
力の温度ドリフト量は、＋１Ｇをかけたときの温度ドリ
フト量と−１Ｇをかけたときの温度ドリフト量との平均
値としている。

【００２３】そこで、図１４に示すように、１Ｇ出力の
温度ドリフト量を１％より小さくするためには、アルミ
配線断面積を４０μｍ² 以下にする必要がある。アルミ
配線断面積を４０μｍ² 以下にすると、配線材料の内部
応力値の変化が小さくなりピエゾ抵抗層に伝播する応力
が小さくなる。又、アルミ配線断面積を４０μｍ² 以下
にすると、０Ｇ出力の温度ドリフト量も１％より小さく
なる。

【００２４】本発明者らが従来から行っていたアルミ配
線２３〜３０及び６３〜６６は、その断面積が２００μ
ｍ² 程度であった。尚、図４に示すように、台座７と接
合されたシリコンチップ６の第１支持部８に対し第２支
持部９と重り部１０と可動部１４〜１７とは溝１１によ
る連結部１３で連結されている。そして、図４に示すよ
うに、第１支持部８における台座７との接合歪みはピエ
ゾ抵抗層に対し伝播通路Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 ，Ｒ4 とな
り、溝１１が無い場合に比べ通路長さが長くなってい
る。よって、第１支持部８（接合部）で発生する台座７
との接合歪み（応力）は、連結部１３から第２支持部９
へと伝わるが、可動部１４〜１７へは伝わりにくくな
る。

【００２５】又、この半導体加速度センサを自動車のＡ
ＢＳシステムに組み込んだ状態では、図８のブリッジ回
路での出力端子４６，４７間の電圧がＡＢＳシステム用
コントローラに取り込まれる。そして、ＡＢＳシステム
用コントローラはその電圧により車両に加わる加速度を
検知し、車両減速度を算出して路面のμ状態を判別し、
それに適した疑似車速を作成して車両速度に近似させ車
輪のスリップ率の最適化を図る。

【００２６】このように本実施例の半導体加速度センサ
では、シリコンチップ６（半導体基板）上においてピエ
ゾ抵抗層と電気接続する薄膜アルミ配線２３〜３０及び
６３〜６６を、厚みが１．３μｍで幅が２０μｍとし配
線断面積を２６μｍ² として、断面積を４０μｍ² 以下
にした。よって、アルミ配線には温度サイクルに伴う応
力が残ることが少なくピエゾ抵抗層によるセンサ出力も
その影響を受けにくく、加速度等に応じた歪みを正確に
検出することができる。

【００２７】尚、この発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、例えば、前記実施例では両持ち梁構造であ
ったが、図１６，１７に示すように、片持ち梁構造でも
よい。つまり、コ字状の溝６０によりシリコンチップ６
の中央部に長方形の重り部６１が可動部６２を介して支
持され、可動部６２にピエゾ抵抗層６３ａ，６３ｂ，６
３ｃ，６３ｄを配置している。そして、これらピエゾ抵
抗層６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄをアルミ配線６４
ａ，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄにて電気的に接続する場合
に応用してもよい。

【００２８】又、配線材料としては前述のＡｌ（アル
ミ）の他にも、Ａｌ・ＳｉやＡｌ・Ｓｉ・Ｃｕでもよ
い。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
温度サイクルによる影響を受けにくく加速度等に応じた
歪みを正確に検出することができる優れた効果を発揮す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の半導体加速度センサの平面図ある。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】半導体加速度センサのシリコンチップ部分の斜
視図である。

【図４】シリコンチップの平面面である。

【図５】図４のＢ−Ｂ断面図である。

【図６】配線パータンを示すシリコンチップの平面図で
ある。

【図７】図６のＣ−Ｃ断面図である。

【図８】抵抗層の接続を示す図である。

【図９】センサの製造工程を示す図である。

【図１０】センサの製造工程を示す図である。

【図１１】センサの製造工程を示す図である。

【図１２】センサの製造工程を示す図である。

【図１３】センサの製造工程を示す図である。

【図１４】温度ドリフトの測定結果を示す図である。

【図１５】温度サイクルを示す図である。

【図１６】別例の半導体加速度センサの平面図である。

【図１７】図１６のＥ−Ｅ断面図である。

【符号の説明】

６ 半導体基板としてのシリコンチップ １４，１５，１６，１７ 可動部 １８ａ，１８ｂ、１９ａ，１９ｂ、２０ａ，２０ｂ、２
１ａ，２１ｂ ピエゾ抵抗層 ２３〜３０，６３〜６６ アルミ配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉野 好 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装 株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の一部に形成された薄肉の可
   動部と、 前記半導体基板の可動部に形成されたピエゾ抵抗層と、 前記半導体基板上に形成され、前記ピエゾ抵抗層と電気
   接続するための薄膜よりなるアルミ系配線とを備えた半
   導体歪みセンサにおいて、 前記アルミ系配線の断面積を４０μｍ² 以下にしたこと
   を特徴とする半導体歪みセンサ。