JPH11230986A

JPH11230986A - 半導体力学量センサ

Info

Publication number: JPH11230986A
Application number: JP10036326A
Authority: JP
Inventors: Seiichiro Ishio; 誠一郎石王; Mineichi Sakai; 峰一酒井; Kenichi Ao; 青　　建一
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】動作中においても可動電極や錘部が基板に付
着しない半導体力学量検出センサを提供する。【解決手段】可動電極７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ、梁部
４、５及び質量部６の下部の全てにおいて、基板１に部
分的に突出したストッパー部５０を設ける。このよう
に、可動電極７ａ等、梁部４、５及び質量部６の下部の
全てにおいて、基板１に部分的に突出したストッパー部
５０を設ければ、可動電極７ａ等と基板１との付着を防
止することができる。さらに、可動電極７ａ等、梁部
４、５及び質量部６の下部において、基板１に下部電極
２６を形成し、アンカー部３ａ、３ｂを介して下部電極
２６と梁構造体２Ａとを等電位にすれば、可動電極７ａ
等と基板１との間に電位差が発生せず、静電気力による
可動電極７ａ等と基板１との付着を防止することができ
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、梁構造の可動部を
有し、例えば加速度、ヨーレート、振動等の力学量を検
出する半導体力学量センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、特開平９−２１１０２２号公報に
示されるように、可動電極と固定電極との容量変化によ
って加速度等の検出を行う差動容量型の加速度センサが
ある。これは、アンカー部に支持された梁部、錘部及び
可動電極を可動部と、可動電極に対向するように配置さ
れた固定電極とを有しており、可動部の変位に基づく可
動電極と固定電極との間における容量変化で加速度を検
出するものである。

【０００３】上記公報に示されるように、加速度センサ
を製造する際における犠牲層エッチング工程において、
梁部がその下部に位置する基板に付着することを防止す
るために、梁部の下部において基板に突起部を設けて梁
部と基板との接触面積が小さくなるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、加速度
センサの動作中に生じる可動電極及び錘部と基板との間
の電位差によって静電気力が発生し、可動電極や錘部が
基板に付着してしまうという場合があるため、梁部の下
部において基板に凹凸を設けるだけでは十分でない。

【０００５】本発明は上記問題に鑑みてなされ、動作中
においても可動電極や錘部が基板に付着しない半導体力
学量検出センサを提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、以下の技術的手段を採用する。請求項１乃至
３に記載の発明においては、可動電極（７ａ、７ｂ、８
ａ、８ｂ）、梁部（４、５）及び質量部（６）の下部の
全てにおいて、基板（１）に部分的に突出したストッパ
ー部（５０）が設けられていることを特徴としている。

【０００７】このように、可動電極、梁部及び質量部の
下部の全てにおいて、基板に部分的に突出したストッパ
ー部が設けることにより、可動電極と基板との付着をス
トッパーによって防止することができる。請求項２に記
載の発明においては、可動電極、梁部及び質量部の下部
において、基板には電極パターンが構成されており、こ
の電極パターン（２６）は第１のアンカー部（３ａ、３
ｂ）を介して可動電極、梁部及び質量部と電気的に接続
されて等電位となっていることを特徴としている。

【０００８】可動電極、梁部及び質量部と基板との間に
電位差が生じた場合には静電気力が発生するため、この
静電気力によって可動部が基板に付着する場合がある。
このため、可動電極、梁部及び質量部の下部の全てに電
極パターンを設け、これらと等電位にすることにより可
動部が基板に付着することを防止することができる。そ
して、アンカー部を介してこれらと等電位とすることに
より、電極パターンを直接可動部と等電位にすることが
できるため、別々に同じ電位に合わせる場合と違い確実
に等電位とすることができる。このため、より確実に可
動部が基板に付着することが防止できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
において説明する。図１に、本発明の一実施形態にかか
る半導体加速度センサの斜視図を示す。また、図２に図
１に示す半導体加速度センサの平面図を示し、図３、図
４に、図２におけるＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図を示
す。

【００１０】図１〜図３において、基板１の上面には、
単結晶シリコン（単結晶半導体材料）を溝によって分離
して形成された梁構造体（可動部）２Ａと固定部２Ｂと
が配置されている。図２、図３に示されるように、梁構
造体２Ａは、基板１側から突出する２つのアンカー部３
ａ、３ｂにより架設されており、基板１の上面において
固定部２Ｂから所定間隔を隔てた位置に配置されてい
る。アンカー部３ａ、３ｂはポリシリコン薄膜よりな
る。

【００１１】アンカー部３ａ、３ｂは、それぞれ梁部
４、梁部５を支持している。梁部４、５は、略長方形状
（多角形状）に折り曲げられた折り曲げ型の梁で構成さ
れている。換言すれば、梁部４、５は、その長手方向が
図２の左右方向となる略長方形で構成されており、内周
を開口させることによって２本の梁を構成し、２つの梁
の変位によって梁構造体２Ａを可動とするようになって
いる。

【００１２】また、梁部４、５の内周の開口部分には、
図２に示す梁部４、５の紙面上下方向への移動を規制す
るストッパー部１００、１０１が形成されている。具体
的には、図３に示すように、このストッパー部１００、
１０１は、梁構造体２Ａとは分離して構成されていると
共にアンカー部１００ａ、１０１ａにて基板４９側に固
定され、固定部２Ｂの一部を成している。そして、この
ストッパー部１００、１０１は、アンカー部３ａ、３ｂ
を介して梁構造体２Ａと電気的に接続されており、梁構
造体２Ａと等電位になっている。また、ストッパー部１
００、１０１は、梁部との接触面積を小さくするために
部分的に突出した形状（突出部分１００ｂ、１０１ｂ）
で構成されており、この突出部分１００ｂ、１０１ｂが
実質的なストッパーとしての役割を果たすようになって
いる。そして、この突出部分１００ｂ、１０１ｂは梁部
４、５の端から所定の間隔（例えば２μｍ）をもって形
成されており、この間隔以上に梁構造体２Ａが移動でき
ないようにしている。

【００１３】梁部４と梁部５との間には、長方形状を成
す錘部（質量部）６が架設されている。なお、図示しな
いが、エッチング液の進入を行い易くするために、この
錘部６の上下に貫通する透孔を形成してもよい。さら
に、錘部６における一方の側面（図２においては左側
面）から２つの可動電極７ａ、７ｂが突出している。こ
の可動電極７ａ、７ｂは棒状を成し、等間隔をおいて平
行に、例えば２００〜４００μｍの長さを有して延びて
いる。また、錘部６における他方の側面（図１において
は右側面）からは２つの可動電極８ａ、８ｂが突出して
いる。この可動電極８ａ、８ｂは棒状を成し、等間隔に
平行に、例えば２００〜４００μｍの長さを有して延び
ている。ここで、梁部４、５室梁部６、可動電極７ａ、
７ｂ、８ａ、８ｂは後述する犠牲層酸化膜の一部若しく
は全部をエッチング除去することにより、可動となって
いる。そして、これらが可動部を構成している。

【００１４】また、基板１の上面には、２つの第１の固
定電極９ａ、９ｂ及び第２の固定電極１１ａ、１１ｂが
固定されている。第１の固定電極９ａ、９ｂは基板１側
から突出するアンカー部１０ａ、１０ｂにより支持され
ており、梁構造体２の各可動電極７ａ、７ｂの一方向の
側面に対向して配置されている。また、第２の固定電極
１１ａ、１１ｂは基板１側から突出するアンカー部１２
ａ、１２ｂにより支持されており、梁構造体２の各可動
電極７ａ、７ｂの他方の側面に対向して配置されてい
る。これら第１、第２の固定電極９ａ、９ｂ、１１ａ、
１１ｂは、可動電極７ａ、７ｂと略等間隔で配置されて
おり、梁部４、５とストッパー部１００、１０１との間
隔よりも大きい間隔（例えば２．５〜３．０μｍ）とな
っている。

【００１５】同様に、基板１の上面には、第１の固定電
極１３ａ、１３ｂ及び第２の固定電極１５ａ、１５ｂが
固定されている。第１の固定電極１３ａ、１３ｂはアン
カー部１４ａ、１４ｂにより支持され、かつ、梁構造体
２の各可動電極８ａ、８ｂの一方の側面に対向して配置
されている。また、第２の固定電極１５ａ、１５ｂは、
アンカー部１６ａ、１６ｂにより支持され、かつ、梁構
造体２の各可動電極８ａ、８ｂの他方の側面に対向して
配置されている。なお、本実施形態では、可動電極及び
第１、第２の固定電極を左右両側面に２つづつ設けたも
のを示しているが、実際には３０〜１００個の可動電極
等を設けるようにしている。これは、可動電極等の数を
増加させることにより容量を増加させ、より好適に容量
検出が行えるようにするためである。

【００１６】なお、図示しないが、基板の上面には、電
極取出部が形成されており、この電極取出部から可動電
極及び第１、第２の固定電極による容量変化に基づく電
位が取り出せるようになっている。この電極取出部は基
板１から突出するアンカー部により支持されている。基
板１は、図３、図４に示すように、シリコン基板４９の
上に、貼り合わせ用薄膜（ポリシリコン薄膜）４８とシ
リコン酸化膜４７とシリコン窒化膜４６と導電性薄膜
（リン等の不純物をドーピングしたポリシリコン薄膜）
４５とシリコン窒化膜４３とを積層した構成となってお
り、導電性薄膜４５がシリコン窒化膜４３、４６の内部
に埋め込まれた構造となっている。

【００１７】導電性薄膜４５は、図３に示すように、ア
ンカー部３ａ、３ｂ、１００ａ、１０１ａを構成し、ま
た図４に示すように、アンカー部１０ａ、１０ｂ、１２
ａを構成している。なお、図３、図４に図示されていな
いアンカー部１２ｂ、１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６ｂ
についても導電性薄膜４５により構成されている。ま
た、導電性薄膜４５は、第１の固定電極９ａ、９ｂと電
極取出部との間、第１の固定電極１３ａ、１３ｂと電極
取出部との間、第２の固定電極１１ａ、１１ｄと電極取
出部との間、及び第２の固定電極１５ａ、１５ｂと電極
取出部との間をそれぞれ電気的に接続する配線を形成す
ると共に、下部電極（静電気力相殺用固定電極）２６を
形成している。図５に下部電極２６のパターンを斜線で
示す。この図に示されるように、下部電極２６は基板１
の上面部における梁構造体２Ａと対向する領域に形成さ
れている。

【００１８】また、図３、図４に示すように、アンカー
部３ａの上方にはアルミ薄膜よりなる電極（ボンディン
グパッド）５１が設けられている。そして、本実施形態
では、さらに梁構造体２Ａを構成する梁部４、５、錘部
６、可動電極７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂの下部において、
シリコン窒化膜４３を部分的に突出させたストッパー５
０が形成されている。図６に、ストッパー５０の形成位
置を三角形で示す。この図に示されるように、梁部４、
５、錘部６、可動電極７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂの下部の
全ての部分に形成されている。

【００１９】上記構成において、梁構造体２Ａの可動電
極７ａ、７ｂと第１の固定電極９ａ、９ｂとの間に第１
のコンデンサが、また梁構造体２Ａの可動電極７ａ、７
ｂと第２の固定電極１１ａ、１１ｂとの間に第２のコン
デンサが形成される。同様に、梁構造体２Ａの可動電極
８ａ、８ｂと第１の固定電極１３ａ、１３ｂとの間に第
１のコンデンサが、また梁構造体２Ａの可動電極８ａ、
８ｂと第２の固定電極１５ａ、１５ｂとの間に第２のコ
ンデンサが形成される。

【００２０】そして、第１、第２のコンデンサの容量に
基づいて梁構造体２Ａに作用する加速度を検出できるよ
うになっている。より詳しくは、可動電極と固定電極と
により２つの差動静電容量を形成し、２つの容量が等し
くなるようにサーボ動作を行う。このような構成、作動
となる本実施形態に示す加速素センサにおいて、上述し
たように、ストッパー５０が梁部４、５、錘部６、可動
電極７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂの下部全てに形成されてい
るため、梁構造体２Ａが自重によって下方に移動した時
にも面積が小さなストッパー５０にしか触れなくなり、
犠牲層エッチング後の乾燥工程の際等において、梁構造
体２Ａのいずれの部分も下方の基板４９側に付着しない
ようにすることができる。

【００２１】さらに、梁構造体２Ａと下部電極２６とを
等電位にすることにより梁構造体２Ａと基板１との間に
生じる静電気力を相殺する。つまり、下部電極２６はア
ンカー部３ａ、３ｂを通じて梁部４、５及び錘部６と結
合されているため、電気的に等電位であり、梁部４、５
及び静電気力により基板１に付着することを防止するこ
とができる。すなわち、梁構造体２Ａはシリコン基板４
９に対して絶縁されているため、梁構造体２Ａとシリコ
ン基板４９間のわずかな電位差によっても梁構造体２Ａ
が基板４９側に付着しようとするが、それを防止するこ
とができる。

【００２２】また、折り曲げ型の梁部４、５の内部に、
部分的に突出した突出部分１００ｂ、１０１ｂを備えた
ストッパー部１００、１０１を設けると共に、突出部分
１００ｂ、１０１ｂと梁部４、５との間隔よりも可動電
極と第１、第２の固定電極との間隔の方を大きくしてい
るため、図２の紙面上下方向に梁構造体２Ａが移動して
も、可動電極と第１、第２の固定電極とが接触しないよ
うにすることができる。このため、可動電極と第１、第
２の固定電極との付着を防止することができる。そし
て、ストッパー部１００、１０１を梁構造体２Ａとは分
離しているため、梁部４、５が共振してもストッパー部
１００、１０１が変位せず、可動電極と第１、第２の固
定電極との間隔以上に梁構造体が移動することがない。
このため、共振時においても固定電極と可動電極とが付
着しないようにできる。

【００２３】また、ストッパー部１００、１０１をアン
カー部１００ａ、１０１ａを介して梁構造体２ａと等電
位としているため、梁構造体２ａとストッパー部１０
０、１０１との間に静電気力が発生しないようにでき
る。このため、静電気力による梁構造体２Ａとストッパ
ー部１００、１０１との付着も防止できる。このよう
に、ストッパー部１００、１０１を梁構造体２Ａとは分
離して構成すると共に、突出部分１００ｂ、１０１ｂと
梁部４、５との間隔を可動電極と第１、第２の固定電極
との間隔よりも狭くし、さらにアンカー部１００ａ、１
０１ａを介してストッパー部１００、１０１と梁構造体
２Ａとを等電位にすることで、梁構造体２Ａと固定部２
Ｂとが付着することを防止することができる。なお、ス
トッパー部１００、１０１を梁部４、５と分離して（別
体で）設けているため、梁部４、５を形成するときの自
由度を備えているという効果もある。

【００２４】次に、図１〜図６に示した加速度センサの
製造工程を図７〜図１３を用いて説明する。なお、図７
〜図１３は、図２におけるＢ−Ｂ断面での製造工程を示
す概略断面図である。〔図７に示す工程〕まず、第１の半導体基板としての単
結晶シリコン基板４０を用意する。そして、このシリコ
ン基板４０にｎ型不純物をイオンを注入し、シリコン基
板４０の表層部にコンタクト用のｎ⁺型層４０ａを形成
する。その後、ｎ⁺型層４０ａ上に犠牲層用薄膜として
のシリコン酸化膜４１を熱酸化、ＣＶＤ法等により成膜
する。

【００２５】〔図８に示す工程〕フォトリソグラフィに
より、レジスト膜８０をマスクとしてシリコン酸化膜４
１を一部エッチングし、凹部４２を形成する。これは、
犠牲層エッチング工程において梁構造体２Ａがリリース
された後に表面張力等で基板に付着するのを防止すべ
く、付着面積を減らすために形成する。

【００２６】〔図９に示す工程〕さらに、犠牲層エッチ
ング時のエッチングストッパとなるシリコン窒化膜４３
をデポジションする。その後、シリコン酸化膜４１とシ
リコン窒化膜との積層体に対してフォトリソグラフィを
経てドライエッチング等によりアンカー部形成領域に開
口部４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄを形成する。この
開口部４４ａ〜４４ｄは、梁構造体２Ａと基板（下部電
極）とを接続するため、及び固定電極（及び電極取出
部）と配線パターンとを接続するためのものである。

【００２７】そして、開口部４４ａ〜４４ｄを含むシリ
コン窒化膜４３上に導電性薄膜となるポリシリコン薄膜
４５をデポジションし、その後、ポリシリコン薄膜４５
にリン拡散等により不純物を導入し、フォトリソグラフ
ィを経てシリコン窒化膜４３上の所定領域に配線パター
ン４５ａと下部電極４５ｂ及びアンカー部４５ｃを形成
する。そして、ポリシリコン薄膜４５を含むシリコン窒
化膜４３上にシリコン窒化膜４６をデポジションし、さ
らにシリコン酸化膜４７をＣＶＤ法等により成膜する。

【００２８】〔図１０に示す工程〕さらに、シリコン酸
化膜４７の上に貼り合わせ用薄膜としてのポリシリコン
薄膜４８を成膜する。その後、このポリシリコン薄膜４
８に対して表面研磨を施し、貼り合わせ用の面として平
坦化する。〔図１１に示す工程〕シリコン基板４０とは別の単結晶
シリコン基板（支持板）４９を用意し、ポリシリコン薄
膜４８の表面に貼り合わせる。

【００２９】〔図１２に示す工程〕シリコン基板４０と
シリコン基板４９の表裏を逆にして、シリコン基板４０
側を表面研磨し、シリコン基板４０を所望の厚さ（例え
ば２〜２０μｍ）まで薄膜化する。その後、シリコン基
板４０にｎ型不純物をイオン注入し、シリコン基板４０
の表層部にコンタクト用のｎ⁺型層４０ｂを形成する。

【００３０】〔図１３に示す工程〕シリコン基板４０の
所定領域に電極（パッド）５１を形成したのち、フォト
リソグラフィを経てシリコン基板４０をエッチングし、
梁部４、錘部６、可動電極７ａ及び第１、第２の固定電
極９ａ、９ｂ、１１ａを分離する一定幅のトレンチを形
成する。なお、ここでシリコン基板４０に対し、リン拡
散等により不純物を導入し、後に静電容量を検出するた
めの電極となるようにする。

【００３１】続いて、ＨＦ系のエッチング液を用いて犠
牲層エッチングを行い、犠牲酸化膜を除去する。これに
より、梁構造体２Ａを構成する梁部４（５）、錘部６、
可動電極７ａ（７ｂ、８ａ、８ｂ）等がリリースされ、
可動となる。この際、エッチング後の乾燥の過程で可動
部が基板に付着するのを防止するために、パラジクロロ
ベンゼン等の昇華材を用いる。

【００３２】そして、凹部４３が形成されていた部分
は、シリコン窒化膜４３が部分的に突出したストッパー
５０となる。このようにして、埋め込みＳＯＩ基板を用
い、配線パターン及び下部電極を絶縁体分離により形成
した加速度センサを形成することができる。なお、図１
４は上記のように製造した図１３に示す加速度センサの
斜視断面図である。

【００３３】上述した実施形態においては、犠牲層用薄
膜４１としてシリコン酸化膜を用い、導電性薄膜４５と
してポリシリコン薄膜を用いているため、犠牲層エッチ
ング工程において、ＨＦ系エッチング液を用いた場合、
シリコン酸化膜はＨＦに溶けるがポリシリコン薄膜は溶
けないので、ＨＦ系エッチング液の濃度や温度を正確に
管理したり、エッチングの終了を正確なる時間管理にて
行う必要がなく、製造が容易となる。

【００３４】そして、この犠牲層エッチング工程におい
て、図８に示す凹部４２により図４に示すストッパー５
０が形成されているので、梁構造体２Ａがリリースされ
た後におけるエッチング液の置換工程において梁構造体
２Ａと基板１との間に純水等のリンス液（置換液）の液
滴が残るが、この液滴の付着面積を減らして液滴による
表面張力を小さくしてリンス液の蒸発の際に可動部が基
板に固着するのが防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかる加速度センサの斜
視図である。

【図２】図１における加速度センサの上面図である。

【図３】図２におけるＡ−Ａ断面図である。

【図４】図２におけるＢ−Ｂ断面図である。

【図５】下部電極２６を説明するための図である。

【図６】ストッパー５０の形成位置を説明するための図
である。

【図７】図１に示す加速度センサの製造工程を説明する
ための図である。

【図８】図７に続く加速度センサの製造工程を説明する
ための図である。

【図９】図８に続く加速度センサの製造工程を説明する
ための図である。

【図１０】図９に続く加速度センサの製造工程を説明す
るための図である。

【図１１】図１０に続く加速度センサの製造工程を説明
するための図である。

【図１２】図１１に続く加速度センサの製造工程を説明
するための図である。

【図１３】図１２に続く加速度センサの製造工程を説明
するための図である。

【図１４】図１３に示す加速度センサの斜視断面図であ
る。

【符号の説明】

１…基板、２Ａ…梁構造体、２Ｂ…固定部、３ａ、３ｂ
…アンカー部、４、５…梁部、６…錘部、７ａ、７ｂ、
８ａ、８ｂ…可動電極、９ａ、９ｂ…第１の固定電極、
１１ａ、１１ｂ…第２の固定電極、２６…下部電極、５
０…ストッパー部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板（１）上に、可動部（２Ａ）と固定
部（２Ｂ）とを備えてなり、前記可動部は、可動電極（７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂ）を
有する質量部（６）が、前記基板上に形成された第１の
アンカー部（３ａ、３ｂ）により梁部（４、５）を介し
て支持され、力学量により変位するように構成されてお
り、前記固定部は、前記可動電極と対向する形状を成し前記
基板上に固定された固定電極（９ａ、９ｂ、１１ａ、１
１ｂ、１３ａ、１３ｂ、１５ａ、１５ｂ）を有してお
り、前記可動電極、前記梁部及び前記質量部の下部の全てに
おいて、前記基板に部分的に突出したストッパー部（５
０）が設けられていることを特徴とする半導体力学量セ
ンサ。
【請求項２】前記可動電極、前記梁部及び前記質量部
の下部において前記基板には電極パターンが構成されて
おり、この電極パターン（２６）は前記第１のアンカー
部を介して前記可動電極、前記梁部及び前記質量部と電
気的に接続されて等電位となっていることを特徴とする
請求項１に記載の半導体力学量センサ。
【請求項３】前記ストッパー部は、前記電極パターン
を部分的に突出させたものであることを特徴とする請求
項２に記載の半導体力学量センサ。