(57)【要約】【課題】感度調節を容易に行なうことのできる半導体加速度センサを提供する。【解決手段】加速度を受けて変位する錘部１と、一端がこの錘部１に接続された梁部３，３‥と、この梁部３，３‥の他端に接続され、当該梁部３，３‥を介して上記錘部１を揺動自在に支持するフレーム部２と、上記梁部３，３‥に形成され、上記錘部１の変位により上記梁部３，３‥に生じる撓み量を検出するピエゾ抵抗Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚと、このピエゾ抵抗Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚからの電気信号を取り出す電極パッド９Ｘ，９Ｙ，９Ｚとを備えた半導体加速度センサにおいて、上記梁部３，３‥の表面に形成されるシリコン窒化膜６であって、設定しようとする感度に応じて、その膜厚が調整されるシリコン窒化膜６を備えてなる。【選択図】        図１
2004354074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度を受けて変位する錘部と、
一端がこの錘部に接続された可撓部と、
この可撓部の他端に接続され、当該可撓部を介して上記錘部を揺動自在に支持するフレーム部と、
上記可撓部に形成され、上記錘部の変位により上記可撓部に生じる撓み量を検出するセンサ部とを備えた半導体加速度センサにおいて、
上記可撓部の表面に形成される絶縁膜であって、
設定しようとする感度に応じて、その膜厚が調整される絶縁膜を備えて成ることを特徴とする半導体加速度センサ。
【請求項２】
上記絶縁膜は、熱酸化により形成されたシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体加速度センサ。
【請求項３】
上記絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体加速度センサ。
【請求項４】
上記絶縁膜は、減圧ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体加速度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車、航空機、家電製品等に搭載され、それらに加わる加速度を検出するものに、半導体基板から形成された半導体加速度センサがある。この半導体加速度センサには、その形状や検出方法の違いにより種々のものが存在する。例えば、形状に関しては、印加された加速度に応じて揺動する錘部を支持するフレーム部が、１つの梁部だけを介して支持する片持ち梁構造と、複数の梁部を介して支持する両持ち梁構造とがある。また、検出方法に関しても、錘部の揺動量に応じた梁部の撓み量を電気抵抗の変化として検出するものや、錘部の揺動量に応じ変化する静電容量の変化量を検出するものなどがある。例えば、両持ち梁構造で、その梁部３の機械的な歪みを電気抵抗の変化として検出する半導体加速度センサには、図９の斜断面図に示すようなものがある（例えば、特許文献１参照）。図１０はこの半導体加速度センサの平面図である。
【０００３】
この半導体加速度センサは、活性層２１、中間絶縁層２２、支持層２３が積層された半導体基板がエッチングされて形成されており、印加される加速度に応じて変位する錘部１と、この錘部１に接続され、錘部１の変位量に応じて撓む梁部３，３‥と、この梁部３，３‥を介して錘部１を揺動自在に支持するフレーム部２と、梁部３，３‥に形成され、この梁部３，３‥の撓み量に応じて、抵抗値が変化するピエゾ抵抗Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚと、このピエゾ抵抗Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚからの電気信号を取り出す電極パッド９Ｘ，９Ｙ，９Ｚとを備える。なお、錘部１は、梁部３，３‥に直接接続された中央錘部１１と、この中央錘部１１を介して梁部３，３‥に接続された側錘部１２よりなり、また、ピエゾ抵抗Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚは、それぞれ半導体加速度センサのＸ軸方向に加わる加速度を検出するＲｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｘ４と、Ｙ軸方向に加わる加速度を検出するＲｙ１，Ｒｙ２，Ｒｙ３，Ｒｙ４と、Ｚ軸方向に加わる加速度を検出するＲｚ１，Ｒｚ２，Ｒｚ３，Ｒｚ４とからなっている。
【０００４】
また、図１１の等価回路に示すように、これらのピエゾ抵抗Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚは、各軸ごとにブリッジ回路が形成されており、このブリッジ回路からの出力を取り出すことで、各軸方向に加わった加速度を精度よく検出することが可能になっている。例えばＸ軸方向のピエゾ抵抗Ｒｘに関する等価回路を示す図１０（ａ）においては、Ｘ軸方向に加わった加速度は、Ｘ１とＸ２の電位差、すなわち出力信号Ｘｏｕｔ＝Ｘ１−Ｘ２の値から求めることができる。また、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）は、それぞれＹ軸、Ｚ軸方向の加速度を検出するブリッジ回路の等価回路を示しており、各軸とも出力信号Ｙｏｕｔ＝Ｙ１−Ｙ２、Ｚｏｕｔ＝Ｚ１−Ｚ２の値から、それぞれの軸方向に加わった加速度を求めることができる。
【０００５】
一般に、このような半導体加速度センサにおいては、加速度の検出精度の基準の一つに感度がある。この感度は、例えばＸ軸方向の感度に関しては、図１２（ａ）に示す状態の半導体加速度センサを、図１２（ｂ）に示すようにＹ軸を中心にして９０度回転させた状態における出力信号Ｘｏｕｔの値と、図１２（ｃ）に示すように同Ｙ軸を中心にして２７０度回転させた状態における出力信号Ｘｏｕｔの値との差分値で求める。なお、図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）は、図１２（ａ）の平面図に示す半導体加速度センサを、Ｘ軸方向から見た断面図である。この求めた差分値が小さいほど、感度が高いということになり、加速度を精度よく検出することができるのであって、小さな加速度が加わったときでも敏感に検出することが可能となる。これは、感度が高い場合には、錘部１の変位に対して梁部３，３‥が大きく撓むことができるため、ピエゾ抵抗の抵抗値の変化を大きくすることができ、検出精度が上がるためである。しかし、その反面、梁部３，３‥が撓みやすいため、大きな加速度が加わったときには、錘部１が過剰に大きく変位してしまい、この錘部１を支持する梁部３を破損させてしまうことがある。逆に、感度が低い場合には、錘部１の変位に対する梁部３，３‥の撓み量が小さくなり、ピエゾ抵抗Ｒｘの抵抗値の変化も小さくなるため、検出精度が低くなってしまうが、錘部１の受けた加速度に対する梁部３，３‥の撓み量が小さくなるので、大きな加速度が加わった場合にも、梁部３，３‥を破損させずに加速度の検出を行なうことが可能となる。
【０００６】
上記のことから、検出したい加速度の大きさに応じて感度を調整することが必要となるが、この感度は、主に加速度センサの寸法、梁部の寸法、錘の寸法等に依存するため、感度を調整する際には、これらの寸法を設計変更することで行なっていた。例えば、感度を高くして小さな加速度を精度よく検出したい場合には、梁部の厚みを薄くして撓みやすくしたり、錘部を大きく形成して重量を増やしたりして調整し、逆に感度を低くして大きな加速度を検出したい場合には、梁部の厚みを厚くして撓みにくくしたり、錘部を小さく形成して軽量にしたりして調整していた。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−１３５８０４
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようにして感度の調節を行なう場合には、半導体基板をエッチングする段階での設計変更を行なうことが必要となり、そのためには半導体プロセスのフォトリソグラフィの工程の際に用いるマスクを設計変更する必要がある。しかしこのマスクは非常に高価であり、また新たなマスクを作成する手間もかかるため、このような設計変更は容易ではなかった。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、感度調節を容易に行なうことのできる半導体加速度センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る半導体加速度センサは、加速度を受けて変位する錘部と、一端がこの錘部に接続された可撓部と、この可撓部の他端に接続され、当該可撓部を介して上記錘部を揺動自在に支持するフレーム部と、上記可撓部に形成され、上記錘部の変位により上記可撓部に生じる撓み量を検出するセンサ部とを備えた半導体加速度センサにおいて、上記可撓部の表面に形成される絶縁膜であって、設定しようとする感度に応じて、その膜厚が調整される絶縁膜を備えて成ることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明では、請求項１の発明において、上記絶縁膜は、熱酸化により形成されたシリコン酸化膜であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明では、請求項１の発明において、上記絶縁膜は、プラズマＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明では、請求項１の発明において、上記絶縁膜は、減圧ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜であることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の半導体加速度センサの一実施の形態を示す側断面図であり、１は錘部、２はフレーム部、３は梁部、６はシリコン窒化膜、Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚはピエゾ抵抗、９は電極パッド、２１は活性層、２２は中間絶縁層、２３は支持層をそれぞれ示している。また図２は、この半導体加速度センサの斜断面を示しており、図１はこの図中Ａ−Ａ’の断面図である。
【００１５】
この半導体加速度センサは、活性層２１及び中間絶縁層２２及び支持層２３が積層された半導体基板がエッチングされて形成されているが、この半導体基板には、例えば活性層２１の厚みが数μｍ〜１０μｍ程度、中間絶縁層２２の厚みが０．３〜１μｍ程度、支持層２３の厚みが３００〜６００μｍ程度に積層されたものを用いればよい。
【００１６】
錘部１は、４つの梁部３，３‥に接続した中央錘部１１と、この中央錘部１１に連結した４つの側錘部１２よりなり、外観状は略十字の形状をなしている。この側錘部１２は、梁部３，３‥により中央錘部１１を中心にして、３次元方向に自在に揺動できる。
【００１７】
ピエゾ抵抗Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚは、半導体不純物拡散技術により梁部３，３‥に形成されており、ピエゾ抵抗Ｒｘは半導体加速度センサのＸ軸方向、ピエゾ抵抗Ｒｙは同Ｙ軸方向、ピエゾ抵抗Ｒｚは同Ｚ軸方向にそれぞれ加わる加速度を検出する。これら各ピエゾ抵抗Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚは、それぞれ４つづつ梁部３，３‥上に形成されている。これらピエゾ抵抗Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚのそれぞれの配置箇所は、４つのピエゾ抵抗Ｒｚについては、４つの梁部３，３‥のそれぞれに各１つ、４つづつのピエゾ抵抗Ｒｘ，Ｒｙについては、４つの梁部３，３‥のうち中央錘部１１を挟んで対向する２つの梁部３，３のそれぞれに２つづつ形成されている。また、４つのピエゾ抵抗Ｒｘ間は、ホイーストンブリッジ回路を構成するように、アルミ配線又は不純物拡散配線等により電気的に接続されている。また、４つづつのピエゾ抵抗Ｒｙ，Ｒｚについても、同様にしてそれぞれホイーストンブリッジ回路が構成されている。これらホイーストンブリッジ回路が構成された、４つづつのピエゾ抵抗Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚからの電気信号は、電極パッド９Ｘ，９Ｙ，９Ｚからそれぞれ取り出される。
【００１８】
フレーム部２は、厚み方向の両端面が開口した断面略ロ字の筒形状を有してなり、その中空部分に配置された錘部１を、その錘部１の外周縁を離間して外囲すると共に、梁部３，３‥を介して揺動自在に支持している。このフレーム部２は、自動車や航空機等の移動体に固定される。
【００１９】
梁部３，３‥は、錘部１よりも薄肉に形成してあり、その厚み方向に撓み可能であると共に、その長手方向を軸にして捻転することも可能である。この梁部３，３‥は、その長手方向の一端が錘部１に連結されると共に、他端はフレーム部２に連結され、フレーム部２に錘部１を揺動自在に支持させている。
【００２０】
シリコン窒化膜６は、梁部３，３‥の表面上に形成されており、数千Å程度の厚みに形成されているが、梁部３に注目した図３に示すように、このシリコン窒化膜６と梁部３，３‥の表面との間には、活性層２１上に形成される素子を電気的に分離するためのフィールド酸化膜７が形成されている。すなわち、シリコン窒化膜６は、このフィールド酸化膜７の表面に形成されている。このように梁部３，３‥の表面上にシリコン窒化膜６が形成されると、そのシリコン窒化膜６の内部には、図３に示すように、矢印の方向に膜応力Ｆ２が生じる。これにより、図４に示すように、錘部１は、力Ｆ２’の方向に向かって引っ張り上げられる。これは、シリコン窒化膜６内に生じている膜応力Ｆ２が、梁部３，３‥の撓みを少しでも小さくしようと作用しているためであり、この膜厚を調整することで、錘部１が変位した場合に撓む梁部３，３‥の撓み量を変更することができ、例えば、このシリコン窒化膜６の膜厚を厚くするほど、その膜応力Ｆ２は大きくなり、図４における錘部１はより上方へ引っ張り上げられる。逆に、その膜厚を薄くするほど膜応力Ｆ２は小さくなり、錘部１の引っ張り上げ量は小さくなる。図５に示すように、シリコン窒化膜６の膜厚が、０〜４０００Å迄は、シリコン窒化膜６の膜厚と感度とは、略比例する関係となっており、半導体加速度センサの感度を所望の値に設定したい場合には、梁部３，３‥の表面上に形成するシリコン窒化膜６の膜厚を適宜調整すればよく、例えば、地震等により家電製品にかかる加速度を精度よく検出したい場合には、シリコン窒化膜６の膜厚を薄くするようにすればよく、また、飛行機等の大きな加速度のかかりやすい移動体の加速度を検出したい場合には、シリコン窒化膜６の膜厚を厚くするように調整すればよい。このシリコン窒化膜６は、プラズマＣＶＤ法により形成され、その膜厚は３０００〜６０００Å程度となるが、これに限定されることなく、設定したい感度に合わせて適宜その膜厚を調節すればよい。このように梁部３の表面上にシリコン窒化膜６を形成すれば、その膜厚を調整することで感度を変更することができる。またこのシリコン窒化膜６は、窒化膜であるので、半導体加速度センサ表面を保護する保護膜としても機能する。
【００２１】
なお、梁部３，３‥の表面に形成した上記のフィールド酸化膜７は、例えば１１００度程度で５５分間ウエット酸化を行うことで形成することができる。
【００２２】
また、フレーム部２の厚み方向の両端面に、ガラス材料よりなるストッパ部材を設けるようにしてもよい。このストッパ部材を設けることにより、大きな加速度を受けて、錘部１が所定の大きさ以上変位し、梁部３がその揺動量に耐えられず破損してしまう場合に、錘部１の変位量を制限することができるので、梁部３の破損を防止することが可能となる。
【００２３】
上記のように、この半導体加速度センサによれば、シリコン窒化膜６の膜厚を調整することで、感度を変更することが可能となり、例えば、加速度を高精度に検出する必要のある場合には、その膜厚を薄くし、逆に高精度な検出は必要なく、大きな加速度も検出したい場合には、膜厚を厚く形成すればよい。
【００２４】
また、本実施形態における別の実施形態として、図１に示したシリコン窒化膜６を減圧ＣＶＤ法により形成するようにしてもよい。この減圧ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜６は、図３に示したプラズマＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜６と同じように、その膜内部に引っ張り応力が発生する。これにより、図４に示すように、梁部３に錘部１を上方に引き上げる引っ張り応力が生じる。図６に、この減圧ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜６の膜厚と感度との関係を示している。この図６に示すように、シリコン窒化膜６の膜厚を薄くすると感度が向上し、逆に膜厚を厚くすると感度が低下するので、設定したい感度に応じてシリコン窒化膜６の膜厚を調整すればよい。このシリコン窒化膜６を減圧ＣＶＤ法により形成した場合には、通常その膜厚は、５００〜２０００Å程度となるが、これに限定されることなく、設定したい感度に合わせて適宜その膜厚を調整すればよい。シリコン窒化膜６が減圧ＣＶＤ法により形成された場合と、プラズマＣＶＤ法により形成された場合では、そのそれぞれのシリコン窒化膜６内に含まれる水素分子の量が異なる。この水素分子の含有量の違いにより、減圧ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜６の方が、プラズマＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜６の膜応力よりも小さくなる。そのため、この減圧ＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜６では、プラズマＣＶＤ法により形成されたシリコン窒化膜６よりも膜応力の調整を細かく行なうことができ、感度の調節もより細かく行なうことが可能となり好ましい。シリコン窒化膜６中に含有される水素分子は、例えば、減圧ＣＶＤ法による場合は数％であるのに対し、プラズマＣＶＤ法による場合は十数％となる。
【００２５】
また、本実施形態におけるさらに別の実施形態として、図７に示すように、梁部３の表面に形成する絶縁膜を熱酸化により形成されるシリコン酸化膜５としてもよい。そして、そのシリコン酸化膜５の厚みを調整して、感度を変更するようにしてもよい。シリコン酸化膜５は、熱酸化により形成するので、梁部３，３‥の表面に形成されるフィールド酸化膜７と同じ工程で形成することが可能となり、このフィールド酸化膜の機能も果たすシリコン酸化膜５が、梁部３，３‥の表面に一体に形成され、図７中の矢印の方向に向かって膜応力Ｆ１が発生する。これにより、図８に示すように、錘部１は、梁部３，３‥の膜応力Ｆ１により、力Ｆ１’の方向に引っ張り上げられる。このように、梁部３，３‥の表面に形成する絶縁膜を、熱酸化によるシリコン酸化膜５で形成すれば、フィールド酸化膜７の形成工程と同じ熱酸化を行なうことで済むので、より容易に形成することが可能となる。このシリコン酸化膜５は、例えば、９００〜１１００度程度で数十分間ウエット酸化を行なうことにより形成された場合には、数千Å程度の膜厚を有する。
【００２６】
以上、本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限らず、種々の形態で実施することができる。
【００２７】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１に記載の半導体加速度センサによれば、撓み部表面に形成した絶縁膜により、撓み部の撓み量を制御することができるので、加速度センサの感度の調節を容易に行なうことができる、という効果を奏する。
【００２８】
本発明の請求項２に記載の半導体加速度センサによれば、請求項１の発明による効果に加えて、より容易に絶縁膜を形成することが可能となる、という効果を奏する。
【００２９】
本発明の請求項３に記載の半導体加速度センサによれば、請求項１の発明による効果に加えて、形成されたシリコン窒化膜により、半導体加速度センサの表面が保護される、という効果を奏する。
【００３０】
本発明の請求項４に記載の半導体加速度センサによれば、請求項１の発明による効果に加えて、形成されたシリコン窒化膜により、半導体加速度センサの表面が保護されると共に、より精度よく感度調節を行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体加速度センサにおける一実施の形態を示す図である。
【図２】上記半導体加速度センサの斜断面図である。
【図３】上記半導体加速度センサの梁部に注目し、そこに発生する力を示したイメージ図である。
【図４】上記半導体加速度センサに発生する力を示したイメージ図である。
【図５】上記半導体加速度センサにおいて絶縁膜の膜厚と感度との関係を示したグラフ図である。
【図６】上記半導体加速度センサの別の実施形態において絶縁膜の膜厚と感度の関係を示したグラフ図である。
【図７】上記半導体加速度センサのさらに別の実施形態において、梁部に注目し、そこに発生する力を示したイメージ図である。
【図８】上記半導体加速度センサに発生する力を示したイメージ図である。
【図９】従来の半導体加速度センサの斜断面図である。
【図１０】上記従来の半導体加速度センサの正面図である。
【図１１】上記従来の半導体加速度センサにおける、ピエゾ抵抗の等価回路図である。
【図１２】上記従来の半導体加速度センサにおいて、半導体加速度センサの平面図と、その半導体加速度センサをＸ軸周りに９０度又は２７０度回転させたときの断面図である。
【符号の説明】
１            錘部
２            フレーム部
３            梁部
５            シリコン酸化膜
６            シリコン窒化膜
Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚ  ピエゾ抵抗
９Ｘ，９Ｙ，９Ｚ  電極パッド
【図１】
2004354074.tif 000003
【図２】
2004354074.tif 000004
【図３】
2004354074.tif 000005
【図４】
2004354074.tif 000006
【図５】
2004354074.tif 000007
【図６】
2004354074.tif 000008
【図７】
2004354074.tif 000009
【図８】
2004354074.tif 000010
【図９】
2004354074.tif 000011
【図１０】
2004354074.tif 000012
【図１１】
2004354074.tif 000013
【図１２】
2004354074.tif 000014