JPH0745840A - 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には薄肉の可動部１０，１
１，１２，１３が形成されている。可動部１０，１１，
１２，１３にはピエゾ抵抗層１８ａ，１８ｂ，１９ａ，
１９ｂ，２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂが形成されて
いる。シリコンチップ６上にはアルミボンディングパッ
ド３２，３３，３４，３５，３６が形成されている。そ
して、ピエゾ抵抗層１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，
２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂとアルミボンディング
パッド３２，３３，３４，３５，３６とが、シリコンチ
ップ６に形成した拡散配線２３〜３１にて電気的に接続
されている。

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４０
μｍ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、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的に接続されたボ
ンディングパッドとを備えた半導体歪みセンサにおい
て、前記ピエゾ抵抗層と前記ボンディングパッドとを、
前記半導体基板に形成した不純物拡散層にて電気的に接
続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】ピエゾ抵抗層とボンディングパッドとが不純物
拡散層にて電気的に接続される。よって、アルミ配線を
使用した場合には温度サイクルに伴う内部応力値の変化
によりセンサ出力に温度ドリフトが発生していたが、本
発明では、配線用の不純物拡散層が半導体基板内に形成
されているので半導体基板を完全弾性体とすると温度サ
イクルに伴う応力値の変化が発生しない。

【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５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９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが
形成され、４つの薄肉の可動部１０、１１、１２、１３
にて厚肉の四角形状の重り部１４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１５が溝９ａ，９ｂ，
９ｃ，９ｄを囲むように形成されている。そして、同溝
１５にて厚肉のコ字状の第２支持部１６と厚肉の連結部
１７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１６が延設され、第２支持部１６
から薄肉の可動部１０〜１３が延設された構造となって
いる。又、溝１５により第１支持部８と第２支持部１６
とは連結部１７にて連結された構造となっている。さら
に、第２支持部１６と重り部１４とは前述したように可
動部１０、１１、１２、１３にて連結されている。この
可動部１０、１１、１２、１３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，１
９ａ，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１４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１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０
ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと電気接続するための不純
物拡散層としての拡散配線のパターンを示す。又、図７
には図６のＣ−Ｃ断面を示す。

【００１２】図６に示すように、本実施例では、アース
用の拡散配線２３、２４と、電源印加用の拡散配線２５
と、加速度に応じた電位差を取り出すための出力用の拡
散配線２６、２７と、ホイートストーンブリッジ回路形
成のための拡散配線２８，２９，３０，３１とが形成さ
れている。そして、これらの拡散配線のうち、２３，２
４，２５，２６，２７は、アルミボンディングパッド３
２，３３，３４，３５、３６と接続されている。

【００１３】拡散配線２３〜２７及び、２８〜３１は、
図７に示すように、シリコンチップ６の内部に不純物の
拡散により形成されている。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３７，３８はアース用端子であり、端子３
９は電源電圧印加用端子であり、端子４０及び４１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。
また、０Ｇの時に出力電位差が０Ｖとなるように、拡散
配線２８〜３１がすべて同一抵抗値であるとともに、ア
ース端子に接続されている拡散配線２３と２４とが同一
抵抗値である。この５つの端子３７、３８，３９，４
０，４１は、図１，２に示すように、ワイヤ４２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４３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４４となっている。
そして、隔壁板４３の下側にはシリコーンオイル等のダ
ンピング液４５が充填されている。又、隔壁板４３には
それぞれ気体用連通孔４６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１４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４７を用意し、その
表面の全面に厚さ４５００Åのシリコン酸化膜４８を形
成する。そして、シリコン酸化膜４８の所定領域をエッ
チングにより除去し、シリコンウェハ４７の拡散配線領
域にＰ⁺ 拡散層４９を形成する。さらに、図１０に示す
ように、シリコンウェハ４７の全面にＣＶＤにより厚さ
４０００Åのシリコン酸化膜５０を形成する。そして、
所定領域Ｚ１のシリコン酸化膜５０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４７の上面の露出部に厚さ１０００Åのシリコン酸化
膜５１を形成する。さらに、シリコン酸化膜５１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４７にピエゾ抵抗層としてのＰ⁺ 拡
散層５２を形成する。このＰ⁺ 拡散層５２はＰ⁺ 拡散層
４９とつながっている。

【００１７】引き続き、図１２に示すように、ワイヤボ
ンディングパッド部におけるシリコン酸化膜５０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
によりアルミボンディングパッド５３を形成する。ここ
で、図１２は図６のＤ−Ｄ断面を示す図である。

【００１８】さらに、図１３，１４に示すように、シリ
コンウェハ４７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４７の表面をエッチングして上下に貫通する溝１５，
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを形成する。ここで、図１４は
図６のＤ−Ｄ断面を示す図である。

【００１９】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４７を陽極接合する。その後、
シリコンウェハ４７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。

【００２０】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４
５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、図６に示すように、ピエゾ抵抗層１
８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂ，２１
ａ，２１ｂとアルミボンディングパッド３２，３３，３
４，３５，３６とを、シリコンチップ６に形成した拡散
配線（不純物拡散層）２３，２４，２５，２６，２７，
２８，２９，３０，３１にて電気的に接続した。

【００２１】又、アルミ配線を使用した場合には温度サ
イクルに伴う内部応力値の変化によりセンサ出力に温度
ドリフトが発生していた。つまり、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℃に戻した温度サイクルにおいて、
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温度ドリフトとす
る。この温度ドリフトがアルミ配線を使用した場合には
発生していた。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。

【００２２】温度ドリフト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搬して発生するものであ
る。

【００２３】ところが、本実施例においてはピエゾ抵抗
層１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂ，
２１ａ，２１ｂとアルミボンディングパッド３２〜３６
とを拡散配線２３〜３１にて電気的に接続したので、配
線部で生じていた内部応力値の変化をゼロにし、温度ド
リフトのない高精度なセンサを得ることができる。これ
は、拡散配線２３〜３１がシリコン内に形成されてお
り、前述の金属配線のように温度サイクル前後で応力変
化が原理上（シリコンは完全弾性体）発生しないためで
ある。又、金属配線を拡散配線（不純物拡散層）２３〜
３１に代えることにより配線抵抗が増加するが、ピエゾ
抵抗層１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０
ｂ，２１ａ，２１ｂの抵抗値に比べ拡散配線（不純物拡
散層）２３〜３１の抵抗値を１／１０以下の低抵抗にし
ておけばセンサ感度の低下につながることはない。その
ために、ピエゾ抵抗層１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９
ｂ，２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂと拡散配線（不純
物拡散層）２３〜３１とを別々に形成している。

【００２４】又、図８のホイートストーンブリッジ回路
に示されているように、配線として用いている抵抗値が
ブリッジ回路内の抵抗として無視できなくなるため拡散
配線（不純物拡散層）２８〜３１を同一抵抗値とすると
ともに、アース端子と接続されている拡散配線（不純物
拡散層）２３，２４を同一抵抗値としている。

【００２５】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１
６と重り部１４と可動部１０〜１３とは溝１５による連
結部１７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１５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１７から第２支持部１６へと
伝わるが、可動部１０〜１３へは伝わりにくくなる。

【００２６】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４０，４１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。

【００２７】このように本実施例では、ピエゾ抵抗層１
８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂ，２１
ａ，２１ｂとワイヤボンディングパッド３２，３３，３
４，３５，３６とを、拡散配線（不純物拡散層）２３〜
３１にて電気的に接続した。よって、アルミ配線を使用
した場合には温度サイクルに伴う内部応力値の変化によ
りセンサ出力に温度ドリフトが発生していたが、本実施
例では、拡散配線（不純物拡散層）２３〜３１がシリコ
ンチップ６内に形成されているのでシリコンチップ６を
完全弾性体とすると温度サイクルに伴う応力値の変化が
発生しない。その結果、温度サイクルによる影響を受け
にくく加速度に応じた歪みを正確に検出することができ
る。

【００２８】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、片持ち梁構造でもよい。

【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である。

【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図である。

【図５】図４のＢ−Ｂ断面図である。

【図６】配線パター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電気接続図である。

【図９】センサの製造工程を示す断面図である。

【図１０】センサの製造工程を示す断面図である。

【図１１】センサの製造工程を示す断面図である。

【図１２】センサの製造工程を示す断面図である。

【図１３】センサの製造工程を示す断面図である。

【図１４】センサの製造工程を示す断面図である。

【図１５】温度サイクルを示す説明図である。

【符号の説明】

６ 半導体基板としてのシリコンチップ １０，１１，１２，１３ 可動部 １８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ，２０ａ，２０ｂ，２
１ａ，２１ｂ ピエゾ抵抗層 ２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３
１ 不純物拡散層としての拡散配線 ３２，３３，３４，３５，３６ アルミボンディングパ
ッド

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
   的に接続されたボンディングパッドとを備えた半導体歪
   みセンサにおいて、 前記ピエゾ抵抗層と前記ボンディングパッドとを、前記
   半導体基板に形成した不純物拡散層にて電気的に接続し
   たことを特徴とする半導体歪みセンサ。