JPH0827296B2 - 半導体加速度センサ - Google Patents

半導体加速度センサ

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JPH0827296B2
JPH0827296B2 JP1114772A JP11477289A JPH0827296B2 JP H0827296 B2 JPH0827296 B2 JP H0827296B2 JP 1114772 A JP1114772 A JP 1114772A JP 11477289 A JP11477289 A JP 11477289A JP H0827296 B2 JPH0827296 B2 JP H0827296B2
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文史朗 八巻
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、半導体基板上にピエゾ抵抗素子(又は層)
を形成し、弾性変化時に発生する前記ピエゾ抵抗層の抵
抗値変化を電気信号として出力する半導体加速度センサ
に関するもので、特に該センサの出力特性のバラツキを
改善した構造の加速度センサに係るものである。
(従来の技術) 半導体加速度センサは、半導体装置の微細加工技術を
用いて、極めて小型に形成されると共に集積回路として
他の素子と同一基板上に搭載することができる。このた
め、例えば自動車の安全走行に関連した電子的アンチス
キッド制御(Electronic Skid Controll、ESC)等にお
ける加速度検出に使用されている。
このような半導体加速度センサの従来技術の一例(特
開昭61−97572号)について図面を参照して以下説明す
る。第6図(a)及び(b)は、それぞれ該センサの模
式的な平面図及びOO´線断面図で、第7図(a)及び
(b)は、該センサの製造工程を説明するためのそれぞ
れ平面図及びOO´線断面図である。両図において、ピエ
ゾ抵抗層、Al電極及び保護膜等の記載は省略してある。
第7図に示すように、第1導電型(以後P型とする)
のSi基板1上に第2導電型(以後N型とする)のSi層2
が形成されている。このN型Si層2の厚さは、Si片持ば
りの厚さと同一に設定する。次にSi片持ばり3及びSi重
り4(第6図参照)の形状を決定するために、Si層2中
に帯状にP型のSi領域5を形成する。このP型Si領域5
は、Si層2の表面からSi基板1に達するまで形成する。
この後、Si基板1の裏面に適当なマスク(例えばレジス
ト、SiO2、Si3N4等)6を形成する。
次に第6図に示すように、マスク6を用いて、P型の
Si部分即ちSi基板1とSi領域5とを、後述のエレクトロ
・ケミカル・エッチング法により一度に除去し、Si片持
ばり3、Si重り4及びその回りの空隙7を形成する。
次に第8図を参照して、エレクトロ・ケミカル・エッ
チング法について説明する。Siウェーハ8及び電極板9
(一般にPt等を用いる)がエッチング浴槽10中のSiエッ
チング液11に浸される。Siウェーハ8の被エッチング面
と反対側の主面には酸化膜12と、N型Si層2に接する電
極膜13とが形成される。電極板9と電極膜13とには、電
極膜13側を正とする約0.6Vの電源14が接続される。この
電圧印加によりN型Si層2は、P型Si領域5及びP型Si
基板1より耐エッチング性が増す。そのためP型Si領域
5とP型Si基板1の部分ではエッチングが進み、N型Si
層2との境界で、実質的にエッチングは止まる。なお、
エッチング液としては、エチレンジアミン系やKOHの水
溶液が使用される。
上記構成の半導体加速度センサーにおいてSi片持ばり
3に垂直に加速度Gが加わったとき、Si片持ばりは偏位
する。これによりSi片持ばり3の固定端近傍の薄肉部に
設けられたピエゾ抵抗層(図示していない)の抵抗値R
が、R+△Rに変化したとすると、一般に次式が成立す
る。
mはSi片持ばり3及びSi重り4の合計質量、lは固定
端よりこれらSi層の重心Gまでの距離、hはSi片持ばり
3の薄肉部の厚さ、wはその幅、Kはピエゾ抵抗係数と
呼ばれ、ピエゾ抵抗層の結晶方位、不純物濃度等により
決まる定数である(第6図参照)。このピエゾ抵抗値の
変化の割合△R/Rは、例えばブリッジ回路等を用いて検
出される。
上記の従来例においては、エレクトロ・ケミカル・エ
ッチング法に問題がある。即ちエッチング工程中、薄肉
部直下のP型Si基板1の被エッチング面とエッチング溶
液との界面付近の溶液濃度及び表面電界にバラツキがあ
ると、エッチングが停止した時点でN型Si層3の表面に
P型Siが点在するように残る。即ちSi片持ばり3の薄肉
部の厚さhが不均一になり、半導体加速度センサとして
の出力特性、例えば△R/Rにバラツキが出てしまうとい
う欠点を有している。
(発明が解決しようとする課題) これまで述べたように、Si片持ばりの薄肉部の板厚
は、半導体加速度センサの出力を決定する主要な因子で
ある。従って前記薄肉部の板厚は常に一定で均一である
ことが必要である。エレクトロ・ケミカル・エッチング
法により、Si片持ばりを形成する従来技術では、前記薄
肉部の板厚を一定に制御する点に対して改善が得られる
が、前述の通りエッチングのバラツキがあり、未だ十分
とは言えない。又エレクトロ・ケミカル・エッチング法
はケミカル・エッチング法に比べ多くの手数を必要とす
る。
本発明は、上記のような点に鑑みなされたもので、よ
り簡単なエッチング法により、Si片持ばりの薄肉部の板
厚をエッチング条件の微妙な変化に影響されることなく
常に一定とし、出力特性にバラツキのない半導体加速度
センサを提供することである。
[発明の構成] (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、ピエゾ抵抗層を形成
した薄肉部の一端を固定し、薄肉部から延在する厚肉部
を自由端とする片持半導体部材を有し、この片持半導体
部材の偏位に応じて変化するピエゾ抵抗値により加速度
を検出する半導体加速度センサにおいて、前記半導体が
シリコンであるとともに、前記薄肉部の一方の主面に露
出して形成されるピエゾ抵抗層と、薄肉部の他方の主面
にエレクトロ・ケミカル・エッチングの際のストッパ層
として露出し、前記ピエゾ抵抗層に対抗する直下の領域
を含んで形成されるボロンのピーク不純物濃度が1019at
oms/cm3以上の半導体領域とを、具備することを特徴と
するものである。
(作用) 半導体加速度センサの薄肉部と厚肉部とを有する片持
半導体部材は、KOH水溶液等を用いたSi基板の異方性エ
ッチングにより形成される。
本発明に係る半導体加速度センサにおいては、ピエゾ
抵抗層直下のSi基板領域に、予め高ピーク不純物濃度の
半導体領域を埋め込み、薄肉部形成のための前記異方性
エッチングに際し、エッチング・ストッパ層として機能
させる。これにより片持半導体部材の薄肉部の板厚はバ
ラツキなく均一に形成される。又前記埋め込み領域をエ
ッチング・ストッパ層として機能させるためには、不純
物濃度は勾配を有し、そのピーク不純物濃度は1019atom
s/cm3以上であることが必要である(第3図参照)。な
お、埋め込んだ高ピーク不純物濃度の半導体領域に、さ
らに素子としての電気回路機能が付与されるかどうか
は、本願発明にとって関連がない。
(実施例) 第1図(a)及び(b)は本発明の半導体加速度セン
サの一実施例のそれぞれ斜視図及びOO´線断面図であ
る。P型Si基板21上にN型Si層22が積層される。この積
層基板を加工して、片持半導体部材40が形成される。片
持半導体部材40は、薄肉部40a及び延在する厚肉部40bと
から成る。薄肉部40aは、N型Si層22と同体で、その一
端は基板21に固定され、他端は厚肉部40b内に延在し
て、Si片持ばり23を構成する。厚肉部40bと固定端を除
く薄肉部40aとは、その回りの空隙27によって基板21か
ら分離される。厚肉部40bはSi片持ばり23の前記延在部
分と、これに固着する基板21の分離された部分即ちSi重
り24とから成り、片持半導体部材40の自由端を形成す
る。
薄肉部40aの一方の主面(図面では上面)に露出した
ピエゾ抵抗層(P型拡散層)28が形成されている。図面
では、代表例として、Si片持ばりの長手方向のピエゾ抵
抗層と幅方向のピエゾ抵抗層とを図示しているが、これ
に限定されない。薄肉部40aの他方の主面(下面)に露
出して、前記ピエゾ抵抗層に対向する直下の領域を含ん
で、ピーク不純物濃度が1019atoms/cm3以上、例えば5
×1019atoms/cm3のP+半導体領域(以後P+埋め込み層と
呼ぶ)25が形成されている。符号26は、SiO2膜とSi3N4
膜とから成るエッチング用マスクである。なおピエゾ抵
抗層のAl電極配線及びチップ表面の保護膜等の図示は省
略してある。
次に上記半導体加速度センサの製造工程の概略につい
て、図面を参照して説明する。第2図に示すようにまず
不純物濃度(ボロンの濃度)が1015atoms/cm3程度で厚
さ約300μmの(100)面P型Si基板21を準備する。次に
Si基板21の表面に熱酸化膜を形成し、光蝕刻法により熱
酸化膜を開口し、P型不純物例えばボロンを選択的に拡
散して、エッチングストッパ層となるP+埋め込み層25を
形成する。次に熱酸化膜を除去した後、基板表面に、エ
ピタキシャル気相成長により、不純物濃度が1015atoms/
cm3程度、厚さ20μmのN型Si層22を堆積する。エピタ
キシャル成長の間、Si基板21及びN型Si層22は約1100℃
の高温に加熱されるので、前記P+埋め込み層25は、不純
物が、基板21及びSi層22内へ更に拡散され、不純物濃度
勾配を持つ厚さ10μmで、ピーク不純物濃度1019atoms/
cm3以上の層となる。次に通常のシリコンプロセスによ
り、P+埋め込み層25上のN型Si層22内に選択的にピエゾ
抵抗層28(P型拡散層)を形成し、引き続きこれとオー
ミック接触をするAl電極及びパッシベーション膜(図示
なし)を設ける。次に、P型Si基板21の裏面にSiO2膜と
Si3N4膜から成るエッチング用マスク26を形成する。
次に第1図に示すように、薄肉部40a及び厚肉部40bを
形成するために、Si基板21の表面(上面)をワックス等
により保護し、裏面(下面)から約90℃程度のKOH水溶
液中にて異方性エッチングを行ない、空隙27を形成する
と同時に、薄肉部40a及び厚肉部40bの形状、寸法、即ち
Si片持ばり23及びSi重り24の形状、寸法を精度良く決定
し、半導体加速度センサが得られる。
KOH水溶液によるSi基板の異方性エッチングにおい
て、エッチング速度とSi基板のピーク不純物濃度との相
互依存性は第3図に示す通りである。横軸はSi基板のピ
ーク不純物濃度(atoms/cm3)、縦軸はエッチング速度
(任意目盛)である。同図によればSi基板のピーク不純
物濃度が1019atoms/cm3前後で、エッチング速度は階段
状に変化する。この特性は、KOH水溶液の濃度や、液温
等のエッチング条件の微妙な変化に影響されないで、ほ
ぼ一定である。従ってピーク不純物濃度が1019atoms/cm
3以上のP+埋め込み層25を薄肉部40a直下に設けておけ
ば、エッチングは該層25で実質的にストップする。他方
P+埋め込み層を設けていない空隙形成領域では引き続き
エッチングが行なわれ、空隙27が形成される。
これにより、Si片持ばり23の板厚hは、エッチング条
件、即ちKOH水溶液の濃度及び温度、或いはエッチング
時間等の微妙なバラツキに関係なく、使用するSi基板の
P+埋め込み層及びエピタキシャル層の厚さにより決定さ
れる。従って△R/R値はバラツキが小さく、出力特性の
揃った半導体加速度センサが得られる。なお試行結果に
よれば、上述の実施例の半導体加速度センサの出力特性
のバラツキ幅は、従来の加速度センサのバラツキ幅の約
数分の1程度と大幅に改善することができた。
なお上記実施例においては、(100)面でP型のSi基
板の場合について述べたが、(110)面であっても、N
型であっても、そしてこれらのどの組み合わせであって
も、本発明を適用することができる。
上記実施例においては、P+埋め込み層が1個の場合に
について述べたが、形状及び位置が同じものが複数個の
場合や、形状及び位置が異なるもの複数個の場合でも差
し支えない。第4図はその一例を示すもので、Si基板41
とエピタキシャル層42との間の同じ深さの位置に、形状
の異なる2つのP+埋め込み層45a及び45bを設けたもので
ある。又第5図は他の一例で、Si基板51とエピタキシャ
ル層52から成る積層基板の異なる深さの位置に、形状の
同じP+埋め込み層55a、55bを設けたものである。このよ
うに、必要により複数個のP+埋め込み層を形成し、出力
特性の異なる多目的半導体加速度センサを容易に得るこ
とができる。
[発明の効果] 以上述べたように、本発明の半導体加速度センサにお
いては、薄肉部(片持ばり)の板厚を、使用する基板の
P+埋め込み層及びエピタキシャル層の厚さにより決定で
きるので、エッチング条件の微妙な変化に影響されるこ
となく板厚はほぼ一定で、出力特性の揃った半導体加速
度センサを容易に高歩留りで製造できる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)及び(b)は、本発明の半導体加速度セン
サの一実施例のそれぞれ斜視図及び断面図、第2図
(a)及び(b)は第1図の半導体加速度センサの製造
工程を説明するためのそれぞれ平面図及び断面図、第3
図はエッチング速度のピーク不純物濃度依存性を示す
図、第4図及び第5図は本発明の他の実施例に用いられ
る半導体基板の断面図、第6図(a)及び(b)は従来
の半導体加速度センサの一例を示すそれぞれ平面図及び
断面図、第7図(a)及び(b)は第6図の半導体加速
度センサの製造工程を説明するためのそれぞれ平面図及
び断面図、第8図はエレクトロ・ケミカル・エッチング
を説明するための図である。 1,21,41,51……半導体基板、2,22,42,52……エピタキシ
ャルSi層、3,23……Si片持ばり、4,24……Si重り、6,26
……マスク、7,27……空隙、25……ピーク不純物濃度が
1019atoms/cm3以上の半導体領域(P+埋め込み層)、28
……ピエゾ抵抗層、40……片持半導体部材、40a……薄
肉部、40b……厚肉部。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ピエゾ抵抗層を形成した薄肉部の一端を固
    定し、薄肉部から延在する厚肉部を自由端とする片持半
    導体部材を有し、この片持半導体部材の偏位に応じて変
    化するピエゾ抵抗値により加速度を検出する半導体加速
    度センサにおいて、前記半導体がシリコンであるととも
    に、前記薄肉部の一方の主面に露出して形成されるピエ
    ゾ抵抗層と、薄肉部の他方の主面にエレクトロ・ケミカ
    ル・エッチングの際のストッパ層として露出し、前記ピ
    エゾ抵抗層に対向する直下の領域を含んで形成されるボ
    ロンのピーク不純物濃度が1019atoms/cm3以上の半導体
    領域とを、具備することを特徴とする半導体加速度セン
    サ。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01110262A (ja) * 1987-10-23 1989-04-26 Nissan Motor Co Ltd 半導体加速度センサの製造方法

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