JPH10142254A - 半導体集積型容量加速度センサおよびその製法 - Google Patents

半導体集積型容量加速度センサおよびその製法

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JPH10142254A
JPH10142254A JP9205088A JP20508897A JPH10142254A JP H10142254 A JPH10142254 A JP H10142254A JP 9205088 A JP9205088 A JP 9205088A JP 20508897 A JP20508897 A JP 20508897A JP H10142254 A JPH10142254 A JP H10142254A
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movable
wafer
acceleration sensor
capacitive acceleration
integrated capacitive
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JP9205088A
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Paolo Ferrari
フェラーリ パオロ
Mario Foroni
フォローニ マリオ
Benedetto Vigna
ビグナ ベネデット
Flavio Villa
ビーラ フラビオ
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SGS Thomson Microelectronics SRL
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造時破損の少ない、高感度の集積型加速度
センサを提供する。 【解決手段】 加速度センサは、空隙（３）を有する絶
縁層（２）によって隔てられた第１（１）および第２
（４）の単結晶シリコンウエハーを有する分離されたＳ
ＯＩ基板（５０）の一部中に形成される。空隙（３）上
の第２のウエハー（４）中にウエル（１５）が形成さ
れ、次に対応する２つの固定電極（２９ａ、２９ｂ）に
対向する２つの可動電極（２８ａ、２８ｂ）を有するセ
ンサの可動質量（２４）を形成する単結晶シリコン質量
（２３）を切り離すために空隙まで溝を形成する。無負
荷状態において、各可動電極（２８）は、可動電極に対
向する２つの固定電極（２９）から異なった距離離され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積型容量
加速度センサおよびその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】周知のように、加速度センサは自動車産
業において、エアバッグ、ＡＢＳ、アクティブサスペン
ション、エンジン制御およびＡＳＲ（スリップ回転防
止）に広く使用されている。最近、従来の微小慣性機械
スイッチと比較して、低価格、高性能および高信頼性、
よりよい信号／雑音比、インテリジェントセンサおよび
オンライン自己試験システムを構成するためのメモリと
の一体化、並びにより優れた再現性および感度など多く
の利点を有する観点から、マイクロエレクトロニクス技
術を使用して組み立てられた電子機械的シリコン構造を
加速度センサとして使用することが提案されている。
【０００３】試作品であるシリコン一体型加速度センサ
が、最近動作において本質的に相違する６つの形式で組
み立てられた。 −ピエゾ電子型：加速度によって動かされる質量がピエ
ゾ電子材料の薄い膜を圧縮ないし伸長し、その膜の両端
の電圧が検出される。 −ピエゾ抵抗型：シリコンダイヤフラムの質量変位が、
ダイヤフラム中に拡散されたピエゾ抵抗素子で構成され
たホイーストーンブリッジを不平衡とする。
【０００４】−容量型：加速度が、１つのキャパシター
の可動電極を形成する振動重りの変位を引き起こす（容
量の絶対変化）、あるいは反対側に２つの容量が変化す
るように電気的に接続された２つのキャパシターに共通
の１つの電極の変位を引き起こす（容量の相対変化）。 −しきい値型：加速度によって引き起こされるシリコン
マイクロビームの屈折が電子回路を閉じる。
【０００５】−共振型：加速度が、振動され支持された
マイクロメカニカル構造の本質的な周波数を偏倚する。 −トンネル効果型：加速度が一方が可動である２つの電
極の距離を変動させ、量子的トンネル電流が発生する。
本発明は、差動型容量加速度センサに関する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来、一体型マイクロ
構造はバルクマイクロマシニング技術を使用して組み立
てられることが好ましかったが、これにおいては単結晶
シリコンの優れた機械的特性を利用するためにシリコン
ウエハーは両面が処理されていた。しかしながら、両面
処理およびウエハーの特別な取扱の必要性は、バルクマ
イクロマシニングを現在の一体型回路組立技術と両立し
がたいものとする。
【０００７】８０年代中頃、表面マイクロマシニングが
提案されたが、これにおいては感応素子は多結晶シリコ
ンで形成され、支持された構造はデポシットし、次に削
り代層を除去することによって形成される。この詳細
は、例えば、センサとアクチュエータ Ａ ４５ （１
９９４）７−１６頁の W. Kuehnel 、S.Sherman 著「ワ
ンチップ検出回路を有する表面マイクロマシンされたシ
リコン加速度計」という論文中に、あるいは Analog De
vices 社出願の特許ＥＰ−Ａ−Ｏ ５４３ ９０１中に
見出される。プレナーマイクロ電子技術と比較しても、
支持された構造の解放（即ち、構造を半導体の残りから
切り離す）時に毛管現象および付随するファンデルワー
ルス力の結果としてマイクロ構造が破損し易いために、
上述した解決策は種々の問題を発生する。（この詳細
は、センサとアクチュエータ Ａ ４３ （１９９４）
２３０−２３８頁の R. Legtenberg、H.A.C. Tilmans著
「洗浄および乾燥後のマイクロマシンされた構造の状
態：付着メカニズムのモデルと調査」という論文中に見
出される。） 「ウエハーディゾルビング」のような他の特化された技
術は、標準のプレナーマイクロ電子技術と全体的には両
立しない特有のプロセスによってシリコンマイクロ構造
を形成するために提供される。ある意味では、これら
「特別な」処理は、単に他の材料を使用した実際に処理
されるシリコン上への移転からなっており、分離したチ
ップ上に処理・制御回路が形成されるような感応部分の
組み立てを提供するだけである。
【０００８】異なる形式のセンサに対しては、最初のウ
エハーが空隙を形成するためにセンサ領域において選択
的に除去された酸化物を有するシリコン−シリコン酸化
物−シリコン層からなる専用ＳＯＩ（シリコン−オン−
インシュレータ）構造が提案されている。ウエハーの前
面から空隙に到達するように形成された溝は、支持され
た構造の形成を提供する。せん断応力センサに関するこ
の詳細は、例えば、マイクロエレクトロメカニカルシス
テムジャーナル、巻１、Ｎ．２、１９９２年７月８９−
９４頁、J Shajii、Kay-Yip Ngおよび M.A. Schidt著
「ウエハーボンディング技術を使用したマイクロ組立さ
れた浮遊体せん断応力センサ」という論文中に見出され
る。（空隙の形成を除く）ボンディング技術は、日本応
用物理ーナル、巻２８、Ｎ．８、１９８９年８月、１４
２６−１４４３頁、J. Hausman、G.A. Spierings、U.K.
P. Biermanおよび J.A. Pals著「シリコン−オン−イン
シュレータボンディングウエハー薄化技術の評価」とい
う論文に見出される。
【０００９】現在提案されている解決策に付随する典型
的な欠点を克服するために設計された加速度センサおよ
びその組立方法を提供することが、本発明の目的であ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、対応す
る固定電極（２９ａ、２９ｂ）と対向する可動電極（２
８ａ、２８ｂ）を有する半導体可動質量（５０）を有す
る集積型容量加速度センサであって、前記半導体可動質
量（５０）が、前記可動質量並びに前記可動及び固定端
子を形成する単結晶センサ領域（１５）を具備すること
を特徴とする集積型容量加速度センサ、およびその組み
立て方法が提供される。
【００１１】実際本発明によれば、加速度センサは専用
ＳＯＩ基板の一部を形成する単結晶シリコンウエハー中
に形成され、ウエハーの表面から形成された溝はキャパ
シター群の慣性電極を形成する単結晶シリコン質量を分
離する。
【００１２】
【発明の実施の形態】望ましいがそれには限定されない
本発明の実施例は添付図示を参照して説明される。単結
晶シリコンの第１のウエハー１上に温度的に育成される
シリコン酸化層２が形成される（図１）。
【００１３】選択的に一部を除去し、「空隙」を形成す
るための開口３を形成するために酸化層２がマスクさ
れ、エッチングされる（図２）。空隙３が第２のウエハ
ー４の上面と第１のウエハー１の底面との間で垂直に酸
化層２によって隔てられている専用ＳＯＩ構造５０を形
成するために、例えば、上記J. Hausman、G.A. Spierin
gs、U.K.P. Biermanおよび J.A. Pals著の論文に記述さ
れている方法を使用して、例としてＰ型で示されている
単結晶シリコンの第２のウエハー４が酸化層上に接着さ
れる。
【００１４】ここで、ＳＯＩ基板５０は、集積回路のバ
イポーラおよびＭＯＳ電子素子を形成する通常の方法で
処理される。より特別には（図４）、第２のウエハー４
は第２のウエハー４の上面６から酸化層２に延びる接合
あるいは誘電絶縁体５と、Ｎ型ウエル１０内に形成さ
れ、Ｐ型ソース及びドレン領域１１並びにゲート酸化領
域１４によって第２のウエハーから絶縁された制御ゲー
ト領域１２を含むＭＯＳトランジスタとを有している。
電子素子を形成するときに、Ｎ型ウエル１０は、また空
隙３に到達し空隙３全体を実際上覆うように形成され
る。実際、ウエル１５は、第２のウエハー４の残部
（４’）および底面において空隙３によって垂直に隔て
られる（センサを格納することを意図する）領域を定義
し、適当にパターンの形成されたマスクを使用してＮ型
あるいはＰ型ウエル打ち込みステップ（例においてはウ
エル１０の打ち込みステップ）と同時に形成されること
が望ましい。
【００１５】誘電性保護層１６（即ち、窒化シリコンあ
るいはＢＰＳＧーボロン燐シリコンガラス）はデポジッ
トされ、接触は開放され、金属層はデポジットされ、第
２のウエハー上に接触電極を形成するために定義され、
そして図４に示す中間構造を得る。この点で、加速度計
の可動質量を開放し、可動電極から固定電極を分離し、
誘電層１６および空隙３上の第２のウエハーの部分を切
り離す光化学的および化学的エッチングステップによっ
て異なるポテンシャル領域を分離し、溝２０を形成す
る。
【００１６】実際の溝２０の形は、斜視図６および平面
図７に示されている。より特別には、第１および第２の
溝２０ａ、２０ｂはセンサの固定電極から可動部分を分
離するジグザグの電気的に絶縁された溝を定義し、第３
および第４の溝２０ｃ、２０ｄは、２３によって全体が
示されている可動構造を分離するための開放溝を定義し
ており、溝２０ｃ、２０ｄの場合には厳密には必要のな
いものであるけれども電極の効果的な絶縁を確保するた
めに（含まれている）誘電層１６から空隙３（図５）ま
での厚さおよび第２のウエハー４の外壁４’までの長さ
でＰＮ接合を越えて、全ての溝２０はＮ型ウエル１５中
に伸びている。
【００１７】さらに特別には、可動構造２３はＨ型であ
り、梁状の可動質量２４と可動質量２４を構造５０に固
定する一対の横断アーム２５から構成されている。横断
アーム２５−可動質量２４を平衡位置に復元するバネと
して働く−は、図７において矢印２７によって示される
垂直端側面において構造５０に固定されるが、この垂直
側面は可動構造２３の固定具を定義し、素子表面の上面
と空隙３の底面において溝２０によって垂直に境界が定
められる。複数の横断面２８ａ、２８ｂは可動質量２４
の各端面から伸び、キャパシターセンサの可動電極を定
義し、横断面に対応する交互櫛型２９ａ、２９ｂは固定
電極を定義する。
【００１８】固定電極２９ａ、２９ｂは、対応する接点
１７ａ、１７ｂによって２つの異なる電圧Ｖ+ およびＶ
- でバイアスされており、一方可動電極２８ａ、２８ｂ
は横断アーム２５の端点近傍において４つの接点１７ｃ
において電圧Ｖでバイアスされる。ここで、Ｖ- ＜Ｖ＜
Ｖ+ である。各可動電極２８ａ、２８ｂは、２つの固定
対向電極２９ａ、２９ｂから異なる距離によって隔てら
れている。図８の基本セルの拡大された詳細に示すよう
に、平衡条件において、一方の可動電極２８ａは、矢印
Ａによって示される第１（上方）の方向、および第１の
方向と反対方向でそれぞれ可動電極２８ａと対向する
（図８）２つの固定電極２９ａから距離ｄ１、ｄ２（ｄ
１＞ｄ２）によって隔てられ、他方の電極２８ｂは（他
方の電極２８ｂと第１および第２の方向で対向する）対
応する固定電極２９ｂから距離ｄ１、ｄ２によって隔て
られている。
【００１９】従って、各可動電極２８ａ、２８ｂは、距
離ｄ１、ｄ２でそれと対向する２つの固定電極２９ａ、
２９ｂとともに２つの並列キャパシターを形成し、２つ
の距離の差を考えると、各可動電極２８ａ、２８ｂに対
する有効キャパシターは、距離ｄ２における固定電極２
９ａ、２９ｂで定義されるものとなる（図８において左
側Ｃ１と右側Ｃ２）。このように、センサは端子１７ａ
および１７ｂの間で直列に接続され共通端子１７ｃを有
する２つのキャパシターを具備し、各キャパシターは複
数の基本キャパシターＣ１、Ｃ２の（静止した時）距離
ｄ１を隔てられた電極に関し並列接続を構成する。
【００２０】（図８に矢印で示される）可動質量と平行
な加速度Ａが存在すると、それは実線で表された理想位
置から破線で表された位置に動かされ、キャパシターＣ
１の距離ｄ１は減少し、キャパシターＣ２の距離ｄ１は
増加し、従ってＣ１の容量は増加し、Ｃ２の容量は減少
し、容量の変動は同じチップ内に集積された周知の信号
処理回路によって検出され、応用に応じたさらなる処理
のために電圧に変換される。
【００２１】
【発明の効果】本発明に係る加速度センサと組み立て方
法の利点は、以下の通りである。単結晶シリコンによる
可動質量の形成は、デポジットされた、即ち多結晶シリ
コンフィルムの場合にはセンサが典型的に受け易い引っ
張り応力および圧縮応力を除去し、単結晶シリコンウエ
ハー内に形成された可変質量は、デポジットされたフィ
ルムと比較して厚く、従って、センサはより大きい容量
を有し、より感度がよく、信号処理の問題は少ない。
【００２２】上記の構造は、高い曲げ硬さを有し、削り
代層を除去することによって形成される構造と異なり、
溝の形成に引き続く乾燥ステップにおいて基板を破損す
るおそれはすくない。センサの組み立ては、プレナーマ
イクロエレクトロニクス技術と同様であり、信頼性およ
び再現性について同様の利点の開発を提供し、加速度セ
ンサと信号処理および制御回路は１つのチップ上にモノ
リシック的に集積され、現在使用されているアナログ／
ディジタル組み立てプロセスと比較して、その方法は
（空隙を定義し、溝を形成するための）２つの付加的な
マスクを必要とするだけである。
【００２３】明らかに、しかしながら、本発明の範囲を
逸脱することなく、記述され、描かれたセンサおよび組
み立て方法を変更し得る。特に、同じチップ上に集積さ
れる電子回路は、バイポーラおよびＭＯＳのいずれであ
ってもよく、各領域の導電性は図示したもの以外であっ
てもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る組立方法の第１ステップにおける
半導体ウエハーの断面図である。
【図２】本発明に係る組立方法の第２ステップにおける
半導体ウエハーの断面図である。
【図３】本発明に係る組立方法の第３ステップにおける
半導体ウエハーの断面図である。
【図４】本発明に係る組立方法の第４ステップにおける
半導体ウエハーの断面図である。
【図５】本発明に係る組立方法の第５ステップにおける
半導体ウエハーの断面図である。
【図６】本発明に係るセンサを組み込んだウエハーの斜
視図である。
【図７】本発明に係るセンサの拡大部分上面図である。
【図８】図７の拡大詳細図である。
【符号の説明】
１…第１のウエハー ２…絶縁材料層 ３…空隙 ４…第２のウエハー ４’…外壁 １５…ウエル ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ…溝 ２３…可動構造 ２４…可動質量 ２５…横断アーム ２８ａ、２８ｂ…可動電極 ２９ａ、２９ｂ…固定電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ベネデット ビグナ イタリア国，85100 ポテンザ，ビア ア ンジオ 20 (72)発明者 フラビオ ビーラ イタリア国，20159 ミラノ，ビア ピ. ランベルテンギ 23

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 対応する固定電極（２９ａ、２９ｂ）と
    対向する可動電極（２８ａ、２８ｂ）を有する半導体可
    動質量（５０）を有する集積型容量加速度センサであっ
    て、 前記半導体可動質量（５０）が、前記可動質量並びに前
    記可動及び固定端子を形成する単結晶センサ領域（１
    ５）を具備することを特徴とする集積型容量加速度セン
    サ。
  2. 【請求項２】 前記半導体可動質量が、単結晶シリコン
    の第１のウエハー（１）、前記第１のウエハーを覆う絶
    縁材料層（２）及び前記絶縁材料層（２）を覆う単結晶
    シリコンの第２のウエハー（４）から構成され、前記絶
    縁材料層（２）が前記第１及び第２のウエハー（１、
    ４）並びに前記絶縁材料層（２）によって定義される空
    隙（３）で切り離されている、専用ＳＯＩ基板を具備し
    ている請求項１に記載の集積型容量加速度センサ。
  3. 【請求項３】 前記第２のウエハーが第１の導電性を有
    し、前記センサ領域（１５）が、第２の導電性を有し、
    前記第２のウエハーの上面（６）と前記空隙（３）との
    間で前記第２のウエハー中に伸び、前記第２のウエハー
    の外壁（４’）によって垂直に境界が設定されたウエル
    （１５）を具備する請求項２に記載の集積型容量加速度
    センサ。
  4. 【請求項４】 複数の絶縁並びに開放溝（２０ａ、２０
    ｂ、２０ｃ、２０ｄ）が前記ウエルを通って前記上面
    （６）から前記空隙（３）に伸びる請求項３に記載の集
    積型容量加速度センサ。
  5. 【請求項５】 前記絶縁溝（２０ａ、２０ｂ）が、前記
    第２のウエハー（４）の前記外壁（４’）中に形成され
    る端を有する請求項４に記載の集積型容量加速度セン
    サ。
  6. 【請求項６】 前記可動質量（２４）が、垂直に前記絶
    縁並びに開放溝（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）に
    よって隔てられており、端側面（２７）でモノリシック
    的に接続された弾性のあるアーム（２５）によって前記
    ウエル（１５）に固定されている請求項４又は５に記載
    の集積型容量加速度センサ。
  7. 【請求項７】 固定及び可動電極（２８ａ、２８ｂ、２
    ９ａ、２９ｂ）が櫛型に配置された半導体材料壁を具備
    し、無負荷時、各可動電極（２８ａ、２８ｂ）が前記可
    動電極（２８ａ、２８ｂ）に対向する２つの固定電極
    （２９ａ、２９ｂ）から２つの異なる距離（ｄ１、ｄ
    ２）に位置する請求項１から６のいずれか１項に記載の
    集積型容量加速度センサ。
  8. 【請求項８】 前記可動質量（２４）が梁形状であり、
    前記可動電極を形成し、前記固定電極を形成する複数の
    固定半導体材料の壁と櫛型に配置される第１（２８ａ）
    及び第２（２８ｂ）の複数の可動半導体材料の壁をそれ
    ぞれ含む第１及び第２の側面を有し、前記第１の複数の
    壁中の一方の可動壁（２８ａ）が第１の方向（Ａ）で前
    記一方の可動壁（２８ａ）に対向する固定壁（２９ａ）
    から第１の距離（ｄ１）を、第１の方向と逆向きの第２
    の方向で前記一方の可動壁（２８ａ）に対向する固定壁
    （２９ａ）から第２の距離（ｄ２）を有しており、前記
    第２の複数の壁中の他の一方の可動壁（２８ｂ）が第１
    の方向（Ａ）で前記他の一方の可動壁（２８ｂ）に対向
    する固定壁（２９ｂ）から第２の距離（ｄ２）を、第１
    の方向と逆向きの第２の方向で前記他の一方の可動壁
    （２８ｂ）に対向する固定壁（２９ｂ）から第１の距離
    （ｄ１）を有している請求項１から６のいずれか１項に
    記載の集積型容量加速度センサ。
  9. 【請求項９】 前記複数の固定壁の一方（２９ａ）が第
    １の電圧（Ｖ- ）でバイアスされ、前記第１及び第２の
    可動電極（２８ａ、２８ｂ）が第１の電圧より高い第２
    の電圧（Ｖ）でバイアスされ、前記複数の固定壁の他の
    一方（２９ｂ）が第２の電圧より高い第３の電圧
    （Ｖ+ ）でバイアスされる請求項８に記載の集積型容量
    加速度センサ。
  10. 【請求項１０】 前記半導体材料がシリコンである請求
    項１から９のいずれか１項に記載の集積型容量加速度セ
    ンサ。
  11. 【請求項１１】 対応する固定端子（２９ａ、２９ｂ）
    にそれぞれ対向する可動端子（２８ａ、２８ｂ）を有す
    る可動質量（２４）を定義する半導体材料体を形成する
    段階を有する集積型容量加速度センサの組み立て方法で
    あって、単結晶センサ領域（１５）を形成するステップ
    と、前記可動質量、前記可動電極および前記固定電極を
    定義するために前記センサ領域中に溝（２０）を形成す
    るステップと、を特徴とする集積型容量加速度センサの
    組み立て方法。
  12. 【請求項１２】 前記センサ領域を形成するステップ
    が、 単結晶半導体材料の第１のウエハー上に絶縁材料層
    （２）を形成するステップと、 前記第１のウエハーおよび前記絶縁材料層（２）と共に
    空隙を定義するように前記絶縁材料層（２）上に単結晶
    半導体材料の第２のウエハーをボンディングするステッ
    プとを含む請求項１１に記載の集積型容量加速度センサ
    の組み立て方法。
  13. 【請求項１３】 前記第２のウエハーが第１の導電性を
    有し、前記センサ領域を形成するステップが、 前記第２のウエハー中に第２の導電性のウエルを形成す
    るステップと、 前記ウエルを前記第２のウエハーの上面から前記空隙ま
    で伸長するステップと、 前記第２のウエハーの外壁で垂直に分離されるステップ
    と、からなる請求項１２に記載の集積型容量加速度セン
    サの組み立て方法。
  14. 【請求項１４】 前記ウエルを形成するステップが、前
    記第２のウエハー（４）の表面から前記空隙に伸長する
    複数の絶縁及び開放溝（２０）を形成するために前記ウ
    エルの部分を選択的に除去するステップによって引き続
    かれる請求項１３に記載の集積型容量加速度センサの組
    み立て方法。
  15. 【請求項１５】 前記溝（２０ａ、２０ｂ）が前記第２
    のウエハー（４）の前記外壁（４’）中に形成された端
    面を有し、前記可動質量が端側面（２７）においてモノ
    リシック的に接続された弾性アーム（２５）によって前
    記ウエル（１５）に固定される請求項１４に記載の集積
    型容量加速度センサの組み立て方法。
  16. 【請求項１６】 前記半導体材料がシリコンである請求
    項１１から１５のいずれか１項に記載の集積型容量加速
    度センサの組み立て方法。
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