JPH10335674A - 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
法を提供する。 【解決手段】 第１の半導体基板１と第２の半導体基板
２とをはりあわせた後、第１の半導体基板１に重り部４
と支持部３とを形成し、第２の半導体基板２に薄肉の梁
部５を形成することにより重り部４を梁部３によって揺
動自在に支持してなり、梁部３にピエゾ抵抗Ｒを備えた
加速度センサにおいて、重り部４と支持部３との間に形
成される離間部６を梁部５に対して設けた略垂直な溝に
よりなすようにした。

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】半導体基板を加工して形成される従来の
加速度センサの断面図を図７に示す。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７に示すように、加速度セ
ンサは面方位（１００）の特性を有する半導体基板を加
工することにより形成されており、四角形枠状の支持部
３と、支持部３の上面に十字型に形成された薄肉の梁部
５によって揺動自在に支持される断面逆台形状の重り部
４とを備えている。重り部４と梁部５とは僅かな隙間
（以下、離間部６と記述）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５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（図示せず）より電圧が印加されて
いる。そして、加速度センサ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４が揺動し
て梁部５がたわむことになる。その結果、梁部５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を形成
する方法を図８に基づいて説明する。

【０００６】まず、面方位（１００）の特性を有する第
１の半導体基板１の表面に熱酸化によって膜厚が約１μ
ｍ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１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１の表面を１０μｍ程度エッチング
する。（図８（ａ）参照） 次に、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２を接合する。（図８
（ｂ）参照） 次に、第１の半導体基板１に接合した面方位（１００）
の特性を有する第２の半導体基板２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） そして、鏡面仕上げされた第２の半導体基板２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。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２の表面に形成す
る。（図８（ｄ）参照） そして、重り部４を形成するために、第１の半導体基板
１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１の裏面をエッチングして離間部
６を形成する。（図８（ｅ）参照）

【０００７】

【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４の体積を大きくする必要がある。重り部４
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、面方位（１００）の特
性を有する基板をエッチング加工した際、エッチングに
より露出する面がエッチング面に対してある傾斜角（５
４．７°）をもつようにエッチングが進行するため、基
板の厚さに比例して、チップ面上に形成される開口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４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。

【０００８】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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
第１の半導体基板と第２の半導体基板とをはりあわせた
後、前記第１の半導体基板に重り部と支持部とを形成
し、前記第２の半導体基板に薄肉の梁部を形成すること
により前記重り部を前記梁部によって揺動自在に支持し
てなり、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形成される離
間部を前記梁部に対して設けた略垂直な溝によりなすよ
うにしたことを特徴とするものである。

【００１０】請求項２記載の発明は、請求項１記載の加
速度センサにおいて、前記重り部と前記梁部との間に切
り込み溝を設けるようにしたことを特徴とするものであ
る。

【００１１】請求項３記載の発明は、第１の半導体基板
と第２の半導体基板とをはりあわせた後、前記第１の半
導体基板に重り部と支持部とを形成し、前記第２の半導
体基板に薄肉の梁部を形成することにより前記重り部を
前記梁部によって揺動自在に支持してなり、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、
前記第１の半導体基板と前記第２の半導体基板とをはり
あわせる工程と、第２の半導体基板を薄肉状に加工し前
記梁部を形成する工程と、前記重り部と前記支持部との
間に前記梁部に対して略垂直となる溝を機械的研削を用
いて設けることにより前記第１の半導体基板に離間部を
形成する工程と、前記梁部にピエゾ抵抗を配置する工程
とを有するようにしたことを特徴とするものである。

【００１２】請求項４記載の発明は、請求項３記載の加
速度センサの製造方法において、前記第１の半導体基板
と前記第２の半導体基板とをはりあわせる前に、前記第
１の半導体基板上の中央部近傍に切り込み溝を設ける工
程を有するようにしたことを特徴とするものである。

【００１３】請求項５記載の発明は、請求項３記載の加
速度センサの製造方法において、前記第１の半導体基板
と前記第２の半導体基板とをはりあわせる前に、前記第
１の半導体基板上の中央部を外周する位置に高濃度不純
物を拡散した犠牲層を形成する工程と、前記離間部を前
記第１の半導体基板に形成した後に、前記犠牲層を除去
する工程とを有するようにしたことを特徴とするもので
ある。

【００１４】請求項６記載の発明は、請求項３乃至請求
項５記載の加速度センサの製造方法において、前記機械
的研削に代えて、前記第１の半導体基板に面方位（１１
０）の特性を有するシリコン基板を用い、異方性エッチ
ングにより前記溝を設けるようにしたことを特徴とする
ものである。

【００１５】請求項７記載の発明は、請求項６記載の加
速度センサの製造方法において、前記第１の半導体基板
と前記第２の半導体基板とをはりあわせる際に、前記第
１の半導体基板と前記第２の半導体基板との接合面に酸
化膜を形成する工程を有するようにしたことを特徴とす
るものである。

【００１６】

【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
に係る加速度センサの側面断面図である。加速度センサ
は、第１の半導体基板１と第２の半導体基板２とをはり
あわせた後、第１の半導体基板１に支持部３と重り部４
とを形成し、第２の半導体基板２に薄肉の梁部５を形成
してなる。

【００１７】重り部４は支持部３によって薄肉の梁部５
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５上にはピエゾ抵抗Ｒが配設され重り部４が可動する
ことにより発生する梁部５の歪みを電気的に検出する。

【００１８】重り部４と支持部３との間に設けられる離
間部６は、梁部５に対して略垂直となるように形成され
ている。

【００１９】図１及び図７を比較して明らかなように、
支持部３と重り部４との成す角度を小さくすることによ
り、チップの大きさが同じである場合、図１に示す本実
施形態の加速度センサの方が、重り部４の体積を大きく
することが可能となる。

【００２０】次に、本発明の加速度センサの製造方法を
説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る加速度セ
ンサの製造方法を示す図である。

【００２１】まず、第１の半導体基板１の表面にもう一
枚の第２の半導体基板２を接合する。（図２（ａ）参
照） 接合された第２の半導体基板２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２（ｂ）参照） それから、鏡面仕上げされた第２の半導体基板２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２の表面に形成する。（図２（ｃ）参照） そして、離間部６を形成するために、第１の半導体基板
１に対し、ダイシングや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サンドブラストを
用いて梁部５に対して略垂直となるように離間部６を形
成する。（図２（ｄ）参照） なお、所望の離間部６を形成するために、第１の半導体
基板１に面方位（１１０）の特性を有するシリコン基板
を用い、水酸化カリウム等のエッチング溶液を用いて第
１の半導体基板１の裏面から異方性エッチングを行い離
間部６を形成するようにしてもよい。この場合、エッチ
ングが梁部５に対して略垂直となるように進行するの
で、第１の半導体基板１に面方位（１００）の特性を有
するシリコン基板に対して異方性エッチングを行った場
合に比べて、開口７の面積を小さくすることが可能とな
る。

【００２２】本実施形態によれば、離間部６を梁部５に
対して略垂直とすることにより、支持部３と重り部４と
の成す角度を小さくすることができるので、第２の半導
体基板２面上の離間部６により形成される開口７の面積
を大きくすることなく重り部４の体積を大きくすること
が可能となるため、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。

【００２３】図３は、本発明の他の実施形態に係る加速
度センサの側面断面図である。本実施形態では、図１に
示した加速度センサの重り部４と梁部５との間に切り込
み溝８が設けられている。

【００２４】本実施形態によれば、同じチップサイズを
有する加速度センサを考えた場合、梁部５の長さを図１
に示す加速度センサよりも長くすることができるので、
重り部４の動きに対して梁部５の歪みが顕著になり、さ
らにセンサの感度を高めることが可能となる。

【００２５】次に、本実施形態における加速度センサの
製造方法について説明する。図４は本実施形態に係る加
速度センサの製造方法を示す図である。図４における加
速度センサの製造方法では、図２に示した製造方法の図
２（ａ）の工程において、第１の半導体基板１と第２の
半導体基板２とをはりあわせる前に、第１の半導体基板
１の接合面中央付近にエッチングにより所定の深さ及び
大きさを有する切り込み溝８を形成しておく。（図４
（ａ）参照） 以下、図２（ｂ）から（ｄ）と同じ工程により加速度セ
ンサを製造する。（図４（ｂ）から（ｄ）参照） 本実施形態によれば、同じチップサイズを有する加速度
センサを考えた場合、梁部５の長さを図１に示す加速度
センサよりも長く加工することができるので、重り部４
の動きに対して梁部の歪みが顕著になり、さらにセンサ
の感度を高めることが可能となる。

【００２６】また、図５は本実施形態に係る加速度セン
サの他の製造方法を示す図である。まず、犠牲層９を形
成するための拡散工程において、第１の半導体基板１上
に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。この犠牲層９はアンチモン、リン等
による高濃度不純物としてもよい。（図５（ａ）参照） 次に、図４（ｂ）から（ｄ）までの工程により、ピエゾ
抵抗Ｒの配置及び離間部６の形成を行う。（図５（ｂ）
から（ｄ）参照） 最後に、犠牲層９をエッチング除去する。ここでのエッ
チングには、フッ酸：硝酸：酢酸＝１：３：８の比率を
有する溶液を使用する。この場合、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１／１
５０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犠
牲層９を選択的にエッチング除去できる。（図５（ｅ）
参照） 本実施形態によれば、前記実施形態と同様に、同じチッ
プサイズを有する加速度センサを考えた場合、梁部５の
長さを図１に示す加速度センサよりも長く加工すること
ができる。

【００２７】なお、図６に示すように、上記の加速度セ
ンサの製造方法において、第１の半導体基板１と第２の
半導体基板２との間に酸化膜１０を設けるようにしても
よい。これにより第１の半導体基板１をエッチングする
ことにより離間部６を形成する際、酸化膜１０により第
２の半導体基板２がエッチングされるのを防止すること
ができるので、梁部５の厚さを一定にすることが可能と
なる。

【００２８】

【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、第１の半導体基板と第２の半導体基板とをはり
あわせた後、第１の半導体基板に重り部と支持部とを形
成し、第２の半導体基板に薄肉の梁部を形成することに
より重り部を梁部によって揺動自在に支持してなり、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
と支持部との間に形成される離間部を梁部に対して設け
た略垂直な溝によりなすようにしたので、支持部と重り
部との成す角度を小さくすることができ、第２の半導体
基板面上の離間部により形成される開口の面積を大きく
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
るので、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。

【００２９】請求項２記載の発明にあっては、請求項１
記載の発明において、重り部と梁部との間に切り込み溝
を設けるようにしたので、チップサイズを大きくするこ
となく梁部の長さを長くすることができるので、重り部
の動きに対して梁部の歪みが顕著になり、さらにセンサ
の感度を高めることが可能となる。

【００３０】請求項３記載の発明にあっては、第１の半
導体基板と第２の半導体基板とをはりあわせた後、第１
の半導体基板に重り部と支持部とを形成し、第２の半導
体基板に薄肉の梁部を形成することにより重り部を梁部
によって揺動自在に支持してなり、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、第１の半導体
基板と第２の半導体基板とをはりあわせる工程と、第２
の半導体基板を薄肉状に加工し梁部を形成する工程と、
重り部と支持部との間に梁部に対して略垂直となる溝を
機械的研削を用いて設けることにより第１の半導体基板
に離間部を形成する工程と、梁部にピエゾ抵抗を配置す
る工程とを有するようにしたので、支持部と重り部との
成す角度を小さくすることができ、第２の半導体基板面
上の離間部により形成される開口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の
で、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加速度センサの製
造方法を提供することができた。

【００３１】請求項４記載の発明にあっては、請求項３
記載の発明において、第１の半導体基板と第２の半導体
基板とをはりあわせる前に、第１の半導体基板上の中央
部近傍に切り込み溝を設ける工程を有するようにしたの
で、重り部の動きに対して梁部の歪みが顕著になってセ
ンサの感度が増すように、梁部の長さを長くすることが
可能となる。

【００３２】請求項５記載の発明にあっては、請求項３
記載の発明において、第１の半導体基板と第２の半導体
基板とをはりあわせる前に、第１の半導体基板上の中央
部を外周する位置に高濃度不純物を拡散した犠牲層を形
成する工程と、離間部を第１の半導体基板に形成した後
に、犠牲層を除去する工程とを有するようにしたので、
重り部の動きに対して梁部の歪みが顕著になってセンサ
の感度が増すように、梁部の長さを長くすることが可能
となる。

【００３３】請求項６記載の発明にあっては、請求項３
乃至請求項５記載の発明において、機械的研削に代え
て、第１の半導体基板に面方位（１１０）の特性を有す
るシリコン基板を用い、異方性エッチングにより溝を設
けるようにしたので、エッチングが梁部に対して略垂直
となるように進行するので、第１の半導体基板に面方位
（１００）の特性を有するシリコン基板に対して異方性
エッチングを行った場合に比べて、開口の面積を小さく
することが可能となる。

【００３４】請求項７記載の発明にあっては、請求項６
記載の発明において、第１の半導体基板と第２の半導体
基板とをはりあわせる際に、第１の半導体基板と第２の
半導体基板との接合面に酸化膜を形成する工程を有する
ようにしたので、第１の半導体基板をエッチングするこ
とにより離間部を形成する際、酸化膜により第２の半導
体基板がエッチングされるのを防止することができるの
で、梁部の厚さを一定に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加速度センサの側面
断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施形態に係る加
速度センサの製造方法を示す図である。

【図３】本発明の他の実施形態に係る加速度センサの側
面断面図である。

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

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

【図６】本発明の他の実施形態に係る加速度センサの側
面断面図である。

【図７】従来の加速度センサの側面断面図である。

【図８】従来の加速度センサの製造方法を示す図であ
る。

【符号の説明】

Ｒ ピエゾ抵抗 １ 第１の半導体基板 ２ 第２の半導体基板 ３ 支持部 ４ 重り部 ５ 梁部 ６ 離間部 ７ 開口 ８ 切り込み溝 ９ 犠牲層 １０ 酸化膜

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の半導体基板と第２の半導体基板と
   をはりあわせた後、前記第１の半導体基板に重り部と支
   持部とを形成し、前記第２の半導体基板に薄肉の梁部を
   形成することにより前記重り部を前記梁部によって揺動
   自在に支持してなり、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
   形成される離間部を前記梁部に対して設けた略垂直な溝
   によりなすようにしたことを特徴とする加速度センサ。
2. 【請求項２】 前記重り部と前記梁部との間に切り込み
   溝を設けるようにしたことを特徴とする請求項１記載の
   加速度センサ。
3. 【請求項３】 第１の半導体基板と第２の半導体基板と
   をはりあわせた後、前記第１の半導体基板に重り部と支
   持部とを形成し、前記第２の半導体基板に薄肉の梁部を
   形成することにより前記重り部を前記梁部によって揺動
   自在に支持してなり、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、前記第１の半導体基板
   と前記第２の半導体基板とをはりあわせる工程と、第２
   の半導体基板を薄肉状に加工し前記梁部を形成する工程
   と、前記重り部と前記支持部との間に前記梁部に対して
   略垂直となる溝を機械的研削を用いて設けることにより
   前記第１の半導体基板に離間部を形成する工程と、前記
   梁部にピエゾ抵抗を配置する工程とを有するようにした
   ことを特徴とする加速度センサの製造方法。
4. 【請求項４】 前記第１の半導体基板と前記第２の半導
   体基板とをはりあわせる前に、前記第１の半導体基板上
   の中央部近傍に切り込み溝を設ける工程を有するように
   したことを特徴とする請求項３記載の加速度センサの製
   造方法。
5. 【請求項５】 前記第１の半導体基板と前記第２の半導
   体基板とをはりあわせる前に、前記第１の半導体基板上
   の中央部を外周する位置に高濃度不純物を拡散した犠牲
   層を形成する工程と、前記離間部を前記第１の半導体基
   板に形成した後に、前記犠牲層を除去する工程とを有す
   るようにしたことを特徴とする請求項３記載の加速度セ
   ンサの製造方法。
6. 【請求項６】 前記機械的研削に代えて、前記第１の半
   導体基板に面方位（１１０）の特性を有するシリコン基
   板を用い、異方性エッチングにより前記溝を設けるよう
   にしたことを特徴とする請求項３乃至請求項５記載の加
   速度センサの製造方法。
7. 【請求項７】 前記第１の半導体基板と前記第２の半導
   体基板とをはりあわせる際に、前記第１の半導体基板と
   前記第２の半導体基板との接合面に酸化膜を形成する工
   程を有するようにしたことを特徴とする請求項６記載の
   加速度センサの製造方法。