JPH10232245A - 加速度センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加速度センサのチップ面積を大きくすること
なくセンサの感度を高めた加速度センサ及びその製造方
法をを提供する。 【解決手段】 重り部３と、薄肉の梁部２と、梁部２に
より重り部３を揺動自在に支持する支持部１とを半導体
基板４を加工して一体に形成して成り、梁部２にピエゾ
抵抗Ｒを備えた加速度センサにおいて、重り部３と支持
部１との間に第１の離間部５１と第１の離間部５１より
も梁部２に近い第２の離間部５２を設け、第１の離間部
５１における重り部３と支持部１の成す角度が、第２の
離間部５２における重り部３と支持部１との成す角度よ
りも小さくなるようにした。また、第１の離間部５１を
機械的な研削等により形成し、次に第２の離間部５２を
エッチングにより形成するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板を加工
して形成される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】従来より、半導体基板４を加工して形成
される加速度センサとしては、図６及び図７に示すよう
なものがある。この加速度センサは、印加された加速度
を電気的出力として得ることのできる加速度センサであ
る。図６及び図７に示すように、センサ部Ａは半導体基
板４を加工することにより形成されており、四角形枠状
の支持部１と、支持部１の上面に十字型に形成された薄
肉の梁部２によって揺動自在に支持される断面逆台形状
の重り部３とを備えている。重り部３と梁部２とは僅か
な隙間を有して隣接している。

【０００３】ところで、十字形に形成された梁部２の中
央部近傍及び４つの基端部には、それぞれ複数のピエゾ
抵抗Ｒが拡散により配設してある。これらのピエゾ抵抗
Ｒは、加速度を電気的な出力として検出するためのもの
である。ピエゾ抵抗Ｒはそれぞれブリッジ接続してあ
り、各ピエゾ抵抗Ｒのブリッジには外部電源より電圧が
印加されている。そして、センサ部Ａに加速度が全く印
加されていない状態においてブリッジが平衡するように
してある。

【０００４】加速度Ｇが印加されると重り部３が揺動し
て梁部２がたわむことになる。その結果、梁部２には加
速度Ｇに応じた応力による歪みが生じ、この歪みに応じ
てピエゾ抵抗Ｒの抵抗値が変化するので、ピエゾ抵抗Ｒ
により構成されたブリッジの平衡がくずれ、上記ブリッ
ジからは加速度Ｇに応じた電圧出力が得られるのであ
る。

【０００５】次に、上記従来構成の加速度センサのセン
サ部Ａを加工する方法を図８に基づいて説明する。ま
ず、第１の半導体基板６１の表面に熱酸化によって膜厚
が約１μｍ程度の酸化シリコン膜を形成し、この酸化シ
リコン膜にエッチングを施して第１の半導体基板６１の
表面に所定のパターンを形成し、その後、水酸化カリウ
ム等によって第１の半導体基板１０の表面を１０μｍ程
度エッチングする。（図８（ａ）参照） そして、残った酸化シリコンの薄膜を除去した後、その
表面にもう一枚の第２の半導体基板６２を接合する。
（図８（ｂ）参照） 接合された第２の半導体基板６２を所定の厚みまで削
り、表面を研磨して鏡面に仕上げる。（図８（ｃ）参
照） それから、鏡面仕上げされた第２の半導体基板６２の表
面に熱酸化により膜厚が約１μｍ程度の酸化シリコンか
ら成る絶縁膜を形成し、この酸化シリコンの絶縁膜表面
にエッチングを行い、ピエゾ抵抗Ｒを内部に形成するた
めの短冊型のパターンを形成する。なお、絶縁膜は酸化
シリコン以外にも窒化シリコンによって形成してもよ
い。その後、そのパターン部分に不純物を拡散するとと
もに熱酸化し、ドライブインしてピエゾ抵抗Ｒを第２の
半導体基板６２の表面に形成する。（図８（ｄ）参照） さらに、第２の半導体基板６２の表面に形成した複数の
ピエゾ抵抗Ｒを配線するために、第２の半導体基板６２
の表面に蒸着若しくはスパッタリングによって形成した
Ａｕ若しくはＡｌの薄膜をイオンミリングによってエッ
チングを行って所定のメタル配線４６をパターニングす
る。（図８（ｅ）参照） そして、重り部３を形成するために、第１の半導体基板
６１の下面に形成した酸化シリコン膜をエッチングして
パターニングを行い、水酸化カリウムのエッチング溶液
により第１の半導体基板６１の裏面をエッチングして、
重り部３を形成する。さらに、反応性イオンエッチング
加工により梁部２を形成する。（図８（ｆ）参照）

【０００６】

【発明の解決しようとする課題】上述のような構成及び
製造方法の加速度センサでは、センサの感度を高めるた
めに重り部３の体積を大きくする必要がある。重り部３
の体積を大きくするためには、チップの面積を大きくす
る方法とチップの厚みを厚くする方法がある。しかし、
後者の方法を選択したとしても、図８（ｆ）に示すよう
に重り部３を形成するために支持部１と重り部３とによ
りチップ面上に形成される開口部７の面積が大きくなっ
てしまい、結果的にチップ面積が大きくなる。つまり、
従来の構成および製造方法では、重り部３を大きくする
ためにはチップの面積を大きくしなければならないとい
う問題があった。

【０００７】本発明は、上記の点に鑑みて成されたもの
であり、その目的とするところは、加速度センサのチッ
プ面積を大きくすることなくセンサの感度を高めた加速
度センサ及びその製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
重り部と、薄肉の梁部と、該梁部によって重り部を揺動
自在に支持する支持部とを半導体基板を加工して一体に
形成して成り、前記梁部にピエゾ抵抗を備えた加速度セ
ンサにおいて、前記重り部と前記支持部との間に第１の
離間部と該第１の離間部よりも前記梁部に近い第２の離
間部を設け、前記第１の離間部における前記重り部と前
記支持部の成す角度が、第２の離間部における前記重り
部と前記支持部との成す角度よりも小さくなるようにし
たことを特徴とする。

【０００９】請求項２記載の発明は、重り部と、薄肉の
梁部と、該梁部によって重り部を揺動自在に支持する支
持部とを半導体基板を加工して一体に形成して成り、前
記梁部にピエゾ抵抗を備えた加速度センサの製造方法に
おいて、前記重り部と前記支持部との間に第１の離間部
と該第１の離間部よりも前記梁部に近い第２の離間部を
設ける際、前記第１の離間部を機械的な研削により形成
し、次に前記第２の離間部をエッチングにより形成する
ようにしたことを特徴とするものである。

【００１０】請求項３記載の発明は、請求項２記載の加
速度センサの製造方法において、機械的な研削に代えて
高速に粒子を衝突させることにより前記第１の離間部を
形成するようにしたことを特徴とするものである。

【００１１】請求項４記載の発明は、請求項２記載の加
速度センサの製造方法において、機械的な研削に代えて
化学的な反応を用いることにより前記第１の離間部を形
成するようにしたことを特徴とするものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面に基づき説明する。図１は、本発明の一実施形態
に係る半導体加速度センサの側面断面図である。Ａはセ
ンサ部であり、支持部１、梁部２、重り部３を半導体基
板４に一体に形成して成る。重り部３は支持部１によっ
て薄肉の梁部２を介して揺動自在に可動するように支持
されている。梁部２上にはピエゾ抵抗Ｒが配設され重り
部３が可動することにより発生する梁部２の歪みを電気
的に検出する。

【００１３】重り部３と支持部１の間には断面形状の違
いにより、梁部２に遠いほうから第１の離間部５１及び
第２の離間部５２が設けられている。第１の離間部５１
は第２の離間部５２よりも重り部３と支持部１との成す
角度が小さくなっている。

【００１４】図２（ａ）は、本発明の一実施形態に係る
半導体加速度センサの側面断面図であり、図２（ｂ）
は、第２の離間部５２のみを有する半導体加速度センサ
の側面断面図である。図２から明らかなように、図２
（ａ）と比較して図２（ｂ）の支持部１と重り部３とに
よりチップ面上に形成される開口部７の面積が大きくな
ってしまい、結果的にチップ面積が大きくなる。また、
第１の離間部５１に比べ第２の離間部５２の支持部１と
重り部３との成す角度が小さいため、図２（ａ）に示す
本実施形態の半導体加速度センサの方が、重り部３の体
積を大きくなり、センサの感度を高めることが可能とな
る。

【００１５】本実施形態によれば、第１の離間部５１は
第２の離間部５２よりも重り部３と支持部１との成す角
度が小さくなっているので、半導体基板４面上の重り部
３と支持部１とにより形成される開口部７の面積を大き
くすることなく重り部３の体積を大きくすることが可能
となり、加速度センサのチップ面積を大きくすることな
くセンサの感度を高めることが可能となる。

【００１６】なお、本実施形態では離間部の断面積の形
状を２種類に限定しているが、図１に示した第２の離間
部５２の重り部３と支持部１との成す角度よりも小さい
ものであれば、複数の離間部を設けるようにしてもよ
い。

【００１７】図３は、本発明の一実施形態に係る半導体
加速度センサの製造方法を示す図である。半導体基板４
はｎ型の面方位が（１００）のものを使用する。半導体
基板４の不純物濃度は１．０Ｅ＋１７ｃｍ−３以下のも
のが望ましい。また、厚みは従来基板よりも厚めのもの
がよい。

【００１８】まず、埋め込み層４１形成のための拡散工
程において、イオン注入またはデボジット拡散を行う。
ここではボロン等の不純物を高濃度でドープする。拡散
深さは用途に応じて設定する。この埋め込み層４１はア
ンチモン、リン等によりＮ型の高濃度不純物としてもよ
い。埋め込み層４１は本発明ではエッチングストップ層
と犠牲層両方の機能を有する。（図３（ａ）参照） 次に、エピタキシャル成長によってエピタキシャル層４
２を形成する。エピタキシャル層４２は加速度センサの
梁部２を成す。エピタキシャル成長によりエピタキシャ
ル層４２を形成するため、厚みの制御が簡単で精度良く
形成することが可能となる。（図３（ｂ）参照） そして、ボロン等の不純物を拡散またはイオン注入によ
りエピタキシャル層４２上に埋め込むことによりピエゾ
抵抗Ｒを形成する。（図３（ｃ）参照） ピエゾ抵抗Ｒの抵抗値の変化を出力するための拡散配線
４３をボロン等の不純物を拡散またはイオン注入により
エピタキシャル層４２上に埋め込む。この場合の不純物
濃度はピエゾ形成工程（図３（ｃ）参照）より高いもの
である。（図３（ｄ）参照） さらに、エピタキシャル層４２、ピエゾ抵抗Ｒ及び拡散
配線４３を保護するための保護マスク４４と重り部３を
形成するための形成用マスク４５とをチップ表面上に形
成する。どちらもシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜
が望ましい。続いて、機械的な研削により半導体基板４
のほぼ中央まで研削し第１の離間部５１を形成する。機
械的な研削としてここではダイシングソーを用いてい
る。第１の離間部５１の幅は次工程の第２の離間部５２
を形成するのに必要な幅を確保するようにする。（図３
（ｅ）参照） 次に、水酸化カリウム水溶液等のアルカリ系溶液により
異方性エッチングにより第２の離間部５２を形成する。
エッチングはエッチングストップ層として機能する埋め
込み層４１まで行われる。第１の離間部５１は第２の離
間部５２を形成するためのエッチングマスクとエッチン
グ液の導入口の役割を果たす。エッチング液は水酸化カ
リウム水溶液の他、エチレンジアミンピロカテコール、
ヒドラジン等を用いてもよい。（図３（ｆ）参照） そして、スパッタリング装置によりメタル配線４６を形
成する。アルミニウムを用いた場合はシンタリング等の
熱処理を行うのが望ましい。メタル配線４６に金、クロ
ム等を用いるようにしてもよい。（図３（ｇ）参照） 最後に、エッチングストップ層とした埋め込み層４１を
犠牲層としてエッチング除去する。ここでのエッチング
は、フッ酸：硝酸：酢酸＝１：３：８系溶液を使用す
る。この場合、１．０Ｅ＋１７ｃｍ−３以下の低濃度不
純物拡散層は高濃度不純物拡散層に対してエッチング速
度が１／１５０に減少するため、選択的に低濃度不純物
拡散層のみを残すことができる。すなわち、高濃度に拡
散された埋め込み層４１を選択的にエッチング除去で
き、重り部３と支持部１は分離される。なお、第２の離
間部５２またはエピタキシャル層４２において埋め込み
層４１に達する開口部７から犠牲層に対してエッチング
液を導入する。（図３（ｈ）参照） 本実施形態によれば、重り部３と、薄肉の梁部２と、梁
部２によって重り部３を揺動自在に支持する支持部１と
を半導体基板４を加工して一体に形成して成り、梁部２
にピエゾ抵抗Ｒを備えた加速度センサの製造方法におい
て、半導体基板４面上の重り部３と支持部１により形成
される開口部７の面積を大きくすることなく重り部３の
体積を大きくすることが可能となり、加速度センサのチ
ップ面積を大きくすることなくセンサの感度を高めるこ
とが可能となる。

【００１９】図４は、本発明の他の実施形態に係る半導
体加速度センサの製造方法を示す図である。本実施形態
における図４（ａ）から（ｄ）までの製造方法は、図３
の（ａ）から（ｄ）までの製造方法と同一であるので説
明を省略する。

【００２０】本実施形態では、高速に粒子を衝突させる
ことにより第１の離間部５１を形成する。高速に粒子を
衝突させる手法としてここではサンドブラスト方法を用
いている。サンドブラスト方法は細かな粒子の砂を高圧
で試料に吹き付けることにより試料を削り取るというも
のである。（図４（ｅ）参照） 図４の（ｆ）から（ｈ）までの製造方法は、図３の
（ｆ）から（ｈ）までの製造方法と同一であるので説明
を省略する。

【００２１】本実施形態によれば、図３に示した製造方
法における機械的な研削に代えて高速に粒子を衝突させ
ることにより第１の離間部５１を形成するようにしたの
で、図３に示した手法では第１の離間部５１を設ける際
に切り込みによる溝を支持部１にも形成してしまうのに
対して、支持部１に溝を設けることなく第１の離間部５
１を形成することができると共に、半導体基板４面上の
重り部３と支持部１により形成される開口部７の面積を
大きくすることなく重り部３の体積を大きくすることが
可能となる。

【００２２】図５は、本発明の他の実施形態に係る半導
体加速度センサの製造方法を示す図である。本実施形態
における図５（ａ）から（ｄ）までの製造方法は、図３
の（ａ）から（ｄ）までの製造方法と同一であるので説
明を省略する。

【００２３】本実施形態では、化学的な反応を用いるこ
とにより第１の離間部５１を形成する。化学的な反応を
用いる手法としてここでは反応性イオンエッチングを用
いている。反応性イオンエッチングでは図４に示した実
施形態と同様に支持部１に溝を設けることなく第１の離
間部５１を形成することができる上、図４に示した実施
形態よりも重り部３の体積を大きくすることが可能とな
る。（図５（ｅ）参照） 図５の（ｆ）から（ｈ）までの製造方法は、図３の
（ｆ）から（ｈ）までの製造方法と同一であるので説明
を省略する。

【００２４】本実施形態によれば、図３に示した製造方
法における機械的な研削に代えて化学的な反応を用いる
ことにより第１の離間部５１を形成するようにしたの
で、図３に示した手法では支持部１に溝を形成してしま
うのに対して、支持部１に溝を設けることなく第１の離
間部５１を形成することができると共に、半導体基板４
面上の重り部３と支持部１により形成される開口部７の
面積を大きくすることなく図４に示した実施形態よりも
さらに重り部３の体積を大きくすることが可能となる。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明にあ
っては、重り部と、薄肉の梁部と、梁部によって重り部
を揺動自在に支持する支持部とを半導体基板を加工して
一体に形成して成り、梁部にピエゾ抵抗を備えた加速度
センサにおいて、重り部と支持部との間に第１の離間部
と第１の離間部よりも梁部に近い第２の離間部を設け、
第１の離間部における重り部と支持部との成す角度が、
第２の離間部における重り部と支持部との成す角度より
も小さくなるようにしたので、半導体基板面上の重り部
と支持部とにより形成される開口部の面積を大きくする
ことなく重り部の体積を大きくすることが可能となり、
加速度センサのチップ面積を大きくすることなくセンサ
の感度を高めた加速度センサを提供することができた。

【００２６】請求項２記載の発明にあっては、重り部
と、薄肉の梁部と、梁部によって重り部を揺動自在に支
持する支持部とを半導体基板を加工して一体に形成して
成り、梁部にピエゾ抵抗を備えた加速度センサの製造方
法において、重り部と支持部との間に第１の離間部と第
１の離間部よりも梁部に近い第２の離間部を設ける際、
第１の離間部を機械的な研削により形成し、次に第２の
離間部をエッチングにより形成するようにしたので、半
導体基板面上の重り部と支持部とにより形成される開口
部の面積を大きくすることなく重り部の体積を大きくす
ることが可能となり、加速度センサのチップ面積を大き
くすることなくセンサの感度を高めた加速度センサの製
造方法を提供することができた。

【００２７】請求項３記載の発明にあっては、請求項２
記載の発明において、機械的な研削に代えて高速に粒子
を衝突させることにより第１の離間部を形成するように
したので、支持部に研削により溝を設けることなく第１
の離間部を形成することができると共に、半導体基板面
上の重り部と支持部とにより形成される開口部の面積を
大きくすることなく重り部の体積を大きくすることが可
能となる。

【００２８】請求項４記載の発明にあっては、請求項２
記載の発明において、機械的な研削に代えて化学的な反
応を用いることにより第１の離間部を形成するようにし
たので、支持部に研削により溝を設けることなく第１の
離間部を形成することができると共に、半導体基板面上
の重り部と支持部とにより形成される開口部の面積を大
きくすることなく重り部の体積を大きくすることが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る半導体加速度センサ
の側面断面図である。

【図２】本発明の一実施形態に係る半導体加速度センサ
の側面断面図（ａ）と同じ開口率を持つ半導体加速度セ
ンサの側面断面図（ｂ）である。

【図３】（ａ）〜（ｈ）は本発明の一実施形態に係る半
導体加速度センサの製造方法を示す図である。

【図４】（ａ）〜（ｈ）は本発明の他の実施形態に係る
半導体加速度センサの製造方法を示す図である。

【図５】（ａ）〜（ｈ）は本発明の他の実施形態に係る
半導体加速度センサの製造方法を示す図である。

【図６】従来の半導体加速度センサの全体斜視図であ
る。

【図７】従来例の加速度センサの側面断面図である。

【図８】従来例の加速度センサの製造方法を示す図であ
る。

【符号の説明】

Ａ センサ部 Ｒ ピエゾ抵抗 １ 支持部 ２ 梁部 ３ 重り部 ４ 半導体基板 ７ 開口部 ４１ 埋め込み層 ４２ エピタキシャル層 ４３ 拡散配線 ４４ 保護マスク ４５ 形成用マスク ４６ メタル配線 ５１ 第１の離間部 ５２ 第２の離間部 ６１ 第１の半導体基板 ６２ 第２の半導体基板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重り部と、薄肉の梁部と、該梁部によっ
   て重り部を揺動自在に支持する支持部とを半導体基板を
   加工して一体に形成して成り、前記梁部にピエゾ抵抗を
   備えた加速度センサにおいて、前記重り部と前記支持部
   との間に第１の離間部と該第１の離間部よりも前記梁部
   に近い第２の離間部を設け、前記第１の離間部における
   前記重り部と前記支持部の成す角度が、第２の離間部に
   おける前記重り部と前記支持部との成す角度よりも小さ
   くなるようにしたことを特徴とする加速度センサ。
2. 【請求項２】 重り部と、薄肉の梁部と、該梁部によっ
   て重り部を揺動自在に支持する支持部とを半導体基板を
   加工して一体に形成して成り、前記梁部にピエゾ抵抗を
   備えた加速度センサの製造方法において、前記重り部と
   前記支持部との間に第１の離間部と該第１の離間部より
   も前記梁部に近い第２の離間部を設ける際、前記第１の
   離間部を機械的な研削により形成し、次に前記第２の離
   間部をエッチングにより形成するようにしたことを特徴
   とする加速度センサの製造方法。
3. 【請求項３】 機械的な研削に代えて高速に粒子を衝突
   させることにより前記第１の離間部を形成するようにし
   たことを特徴とする請求項２記載の加速度センサの製造
   方法。
4. 【請求項４】 機械的な研削に代えて化学的な反応を用
   いることにより前記第１の離間部を形成するようにした
   ことを特徴とする請求項２記載の加速度センサの製造方
   法。