(57)【要約】【課題】より効率的に製造することのできる半導体加速度センサを提供する。【解決手段】中間絶縁層２２を挟んで支持層２３及び活性層２３が積層されてなるフレーム部２と、一端がフレーム部２に接続された梁部３と、梁部３の他端に接続されフレーム部２に揺動自在に支持された錘部１と、梁部３に形成され、錘部１に加わる加速度に応じた電気信号を出力するピエゾ抵抗４と、支持層２３及び活性層２１のそれぞれに接合され、フレーム部２の積層方向に沿った、錘部１の過剰な揺動を制限する上部ストッパ５１、下部ストッパ５２とを備えた半導体加速度センサであって、中間絶縁層２２は、１０００Å以下に形成されると共に、その中間絶縁層２２に正の電位、上部及び下部ストッパ５１，５２に負の電位が印加されて中間絶縁層２２が絶縁破壊し、支持層２３及び上部ストッパ５２、並びに活性層２１及び上部ストッパ５１がそれぞれ導通して陽極接合された。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間絶縁層を挟んで第１のシリコン層と第２のシリコン層が積層されてなるフレーム部と、
一端が上記フレーム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フレーム部に揺動自在に支持された錘部と、
上記可撓部に形成され、上記錘部に加わる加速度に応じた電気信号を出力するセンサ部と、
上記第１及び第２のシリコン層の表面にそれぞれ接合され、上記フレーム部の積層方向に沿った、上記錘部の所定の大きさ以上の揺動を制限する第１及び第２のストッパとを備えた半導体加速度センサであって、
上記中間絶縁層は、所定の厚み以下に形成されると共に、
その所定の厚み以下の中間絶縁層に正電位、上記第１及び第２のストッパに負電位が印加されて当該中間絶縁層が絶縁破壊され、上記第１のシリコン層及び上記第１のストッパ、並びに上記第２のシリコン層及び上記第２のストッパがそれぞれ導通して陽極接合されてなることを特徴とする半導体加速度センサ。
【請求項２】
上記第１のシリコン層及び上記第１のストッパ間と、上記第２のシリコン層及び上記第２のストッパ間との、少なくともいずれか一方には、導電膜が介在してな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】
中間絶縁層を挟んで第１及び第２のシリコン層が積層された半導体基板から形成された半導体加速度センサチップ、並びに、この半導体加速度センサチップの厚み方向の両端面に陽極接合された、ガラス材料よりなる第１及び第２のストッパ部材を具備してなる半導体加速度センサであって、
上記半導体加速度センサチップは、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、上記錘部の受ける加速度に応じた電気信号を出力するセンサ部とを備え、
上記第１及び第２のストッパ部材は、上記半導体加速度センサチップの上記フレーム部の厚み方向の両端面に陽極接合され、上記フレーム部の厚み方向に沿った、上記錘部の所定の大きさ以上の変位を制限するよう形成された半導体加速度センサを製造する方法において、
上記第１及び第２のシリコン層に挟まれた上記中間絶縁層が、所定の厚み以下に形成された半導体基板に対して、エッチングを施すことにより、上記錘部と、上記可撓部と、厚み方向に沿って上記第１のシリコン層及び上記所定の厚み以下の中間絶縁層及び第２のシリコン層を有してなるフレーム部とを形成すると共に、上記形成した可撓部に不純物拡散を施して上記センサ部を形成する工程と、
上記形成したフレーム部の上記第１及び第２のシリコン層の表面に、上記第１及び第２のストッパ部材を配置すると共に、上記所定の厚み以下の中間絶縁層に正電位、上記第１及び第２のストッパ部材に負電位を印加して、当該中間絶縁層を絶縁破壊させ、上記第１のシリコン層と上記第１のストッパ部材、並びに上記第２のシリコン層と上記第２のストッパ部材をそれぞれ導通させて陽極接合する工程とを有することを特徴とする半導体加速度センサの製造方法。
【請求項４】
上記第１のシリコン層は、不純物が添加されて、高い不純物濃度を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体加速度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加速度を検出する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、形状や検出方法の違いにより種々のものが存在するが、例えば、形状に関しては、加わっ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、錘部の変位量に応じて撓む梁部の、機械的な歪み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。図４に示すものは、片持ち梁構造で、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の側断面図である。
【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がこの順に積層された半導体基板を用い、その半導体基板がエッチングされることにより形成されたものであって、加わ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と、この梁部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に形成され、梁部３の撓み量を検出するピエゾ抵抗４と、このピエゾ抵抗４の検出結果を取り出す電極パッド９と、ピエゾ抵抗４及び電極パッド９を電気的に接続する電極配線８とを備えたセンサチップ、並びに、フレーム部２の厚み方向の両端面に陽極接合され、錘部１の所定の大きさ以上の変位を制限するガラス材料よりなるストッパ部材５１，５２を備えて構成されている。そしてこの半導体加速度センサに加速度が加わったときには、錘部１がその加速度の大きさに応じて変位し、梁部３はその錘部１を支持するため、錘部１の変位に応じた量だけ撓む。そして、ピエゾ抵抗４の抵抗値が梁部３の撓み量に応じて変化するので、その抵抗値の変化を電気信号として電極パッド９から取り出すことで、加速度を求めている。
【０００４】
しかしながらこのような半導体加速度センサは、フレーム部２が、活性層２１、中間絶縁層２２、支持層２３がこの順に積層されたもので形成されているため、活性層２１と支持層２３とが、中間絶縁層２２により電気的に切断された状態となっている。そのため、活性層２１と支持層２３にそれぞれストッパ部材５１，５２を陽極接合する際には、活性層２１及びストッパ部材５１を陽極接合する工程と、支持層２３及びストッパ部材５２を陽極接合する工程とが別々に必要となり、例えば、まず支持層２３及びストッパ部材５２を陽極接合し、その後で活性層２１及びストッパ部材５１を陽極接合する、といったように、２回の工程に分けて接合を行なう必要がある。
【０００５】
このように２回必要となる陽極接合の工程を簡略化するため、図５に示すように、活性層２１と支持層２３とを半導体基板の周辺部分Ａで電気的に導通させることで、２つのストッパ部材５１，５２とフレーム部２とを１回の接合工程で行なえるようにしたものもある（例えば、特許文献１参照）。このものは、半導体基板に複数形成された半導体加速度センサチップを切り分ける前に、その複数の半導体加速度センサチップにまとめて、ストッパ部材５１，５２を１回の工程で陽極接合しようとするものであり、まとめて陽極接合したあと、ダイシング等により各半導体加速度センサチップごとに切り分けて、半導体加速度センサとなる。このようにして陽極接合するためには、まず、複数の半導体加速度センサチップが形成された半導体基板の周辺部分Ａの活性層２１を、ウエットエッチングして除去し、中間絶縁層２２を露出させる。続いてその周辺部分Ａにドライエッチングを施して、露出させた中間絶縁層２２を除去し、支持層２３を露出させる。そして、その露出させた支持層２３の表面と、エッチングしていない部分の活性層２１の表面とに亘って金属薄膜７２を形成し、活性層２１及び支持層２３を導通させる。そして、活性層２１及び支持層２３が導通した半導体基板の両端面に、ストッパ部材を配置すると共に、金属薄膜７２及びストッパ部材５１，５２にそれぞれ印加電極Ｖ１，Ｖ２から正負の電圧を印加させ、活性層２１及びストッパ部材５１並びに支持層２３及びストッパ部材５２を陽極接合させる、という手順となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１８５７３７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このものでは、上記のように、ウエットエッチング工程と、ドライエッチング工程と、金属薄膜７２の形成工程とが新たに必要となると共に、それらの工程が追加されることにより工程全体が複雑になりやすいという問題があった。
【０００８】
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、効率的に製造する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。
【０００９】
【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、中間絶縁層を挟んで第１のシリコン層と第２のシリコン層が積層されてなるフレーム部と、一端が上記フレーム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フレーム部に揺動自在に支持された錘部と、上記可撓部に形成され、上記錘部に加わる加速度に応じた電気信号を出力するセンサ部と、上記第１及び第２のシリコン層の表面にそれぞれ接合され、上記フレーム部の積層方向に沿った、上記錘部の所定の大きさ以上の揺動を制限する第１及び第２のストッパとを備えた半導体加速度センサであって、上記中間絶縁層は、所定の厚み以下に形成されると共に、その所定の厚み以下の中間絶縁層に正電位、上記第１及び第２のストッパに負電位が印加されて当該中間絶縁層が絶縁破壊され、上記第１のシリコン層及び上記第１のストッパ、並びに上記第２のシリコン層及び上記第２のストッパがそれぞれ導通して陽極接合されてなることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明では、請求項１の発明において、上記第１のシリコン層及び上記第１のストッパ間と、上記第２のシリコン層及び上記第２のストッパ間との、少なくともいずれか一方には、導電膜が介在してなることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る半導体加速度センサの製造方法は、中間絶縁層を挟んで第１及び第２のシリコン層が積層された半導体基板から形成された半導体加速度センサチップ、並びに、この半導体加速度センサチップの厚み方向の両端面に陽極接合された、ガラス材料よりなる第１及び第２のストッパ部材を具備してなる半導体加速度センサであって、上記半導体加速度センサチップは、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、上記錘部の受ける加速度に応じた電気信号を出力するセンサ部とを備え、上記第１及び第２のストッパ部材は、上記半導体加速度センサチップの上記フレーム部の厚み方向の両端面に陽極接合され、上記フレーム部の厚み方向に沿った、上記錘部の所定の大きさ以上の変位を制限するよう形成された半導体加速度センサを製造する方法において、上記第１及び第２のシリコン層に挟まれた上記中間絶縁層が、所定の厚み以下に形成された半導体基板に対して、エッチングを施すことにより、上記錘部と、上記可撓部と、厚み方向に沿って上記第１のシリコン層及び上記所定の厚み以下の中間絶縁層及び第２のシリコン層を有してなるフレーム部とを形成すると共に、上記形成した可撓部に不純物拡散を施して上記センサ部を形成する工程と、上記形成したフレーム部の上記第１及び第２のシリコン層の表面に、上記第１及び第２のストッパ部材を配置すると共に、上記所定の厚み以下の中間絶縁層に正電位、上記第１及び第２のストッパ部材に負電位を印加して、当該中間絶縁層を絶縁破壊させ、上記第１のシリコン層と上記第１のストッパ部材、並びに上記第２のシリコン層と上記第２のストッパ部材をそれぞれ導通させて陽極接合する工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明では、請求項３の発明において、上記第１のシリコン層は、不純物が添加されて、高い不純物濃度を有することを特徴とする。
【００１３】
【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の概略を示す側断面図であり、１は錘部、２はフレーム部、２１は活性層、２２は中間絶縁層、２３は支持層、３は梁部、４はピエゾ抵抗、８は電極配線、９は電極パッド、５１，５２はストッパ部材をそれぞれ示している。
【００１４】
この半導体加速度センサは、半導体基板から形成された加速度センサチップと、ガラス材料よりなるストッパ部材５１，５２とが陽極接合されて形成されており、加速度センサチップは、錘部１とフレーム部２と梁部３とピエゾ抵抗４と電極配線８と電極パッド９とを備えて構成されており、錘部１及びフレーム部２は共に、その厚み方向に、第２のシリコン層としての活性層２１、中間絶縁層２２、第１のシリコン層としての支持層２３を有しており、また梁部３は支持層２３及び中間絶縁層２２がエッチングされて活性層２１だけからなっている。このような加速度センサチップを形成する半導体基板には、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０．１μｍ以下、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。
【００１５】
梁部３は、薄肉であって、その厚み方向に撓みが可能であると共に、その長手方向を軸にして捻転も可能である。この梁部３は、その長手方向の一端部が錘部１に連結されると共に、他端部はフレーム部２に連結されており、フレーム部２に錘部１を揺動自在に支持させている。
【００１６】
ピエゾ抵抗４は、半導体不純物拡散技術により梁部３に形成されており、梁部３の撓み量に応じてその抵抗値が変化し、撓み量が大きくなるほど抵抗値も大きくなる。この変化する抵抗値に対応した電圧が、電極配線８と電極パッド９とを介して外部に出力される。
【００１７】
錘部１は、梁部３よりも厚肉に形成されており、厚み方向の断面が略四角状を有する。この錘部１は、半導体加速度センサに印加された加速度に応じて変位する。
【００１８】
フレーム部２は、軸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して用いられる。このフレーム部２を構成する中間絶縁層２２は、例えば１０００Åの膜厚のときには、１００Ｖ以上の電位差の電圧が加われば絶縁破壊される。この絶縁破壊により、フレーム部２の支持層２３及び活性層２１が導通可能となる。
【００１９】
ストッパ部材５１，５２は、ガラス材料が平板状に形成されたものよりなり、フレーム部２の厚み方向の両端面である支持層２３及び活性層２１の表面にそれぞれ陽極接合されている。錘部１がフレーム部２の厚み方向に、所定の大きさ以上変位したときには、その錘部１は、フレーム部２の厚み方向の両端面に接合されたストッパ部材５１，５２に当接して、それ以上変位できないようになるので、梁部３が過剰に撓んで破壊されるのを防止することが可能となる。
【００２０】
上記の半導体加速度センサを製造する工程を以下に説明する。まず、支持層２３と活性層２１を融液成長法などにより成長させる。そして、支持層２３に熱酸化処理を施すことで、その表面に絶縁膜を形成するが、この絶縁膜の厚みは１０００Å以下にする。そして、その１０００Å以下の膜厚の絶縁膜が支持層２３と活性層２１の間に挟まれるように、熱処理を行なって張り合わせる。このようにして、１０００Å以下の膜厚の中間絶縁層２２を挟んで支持層２３及び活性層２１が積層された半導体基板を用意する。
【００２１】
続いて、この半導体基板に対し、その支持層２３側から、フレーム部２及び錘部１を形成しようとする部分を除いた部分を、中間絶縁層２２に達するまでドライエッチングする。
【００２２】
続いて、この半導体基板の活性層２１側から、フレーム部２及び錘部１及び梁部３を形成しようとする部分を除いた部分を、中間絶縁層２２に達するまでウェットエッチングする。
【００２３】
続いて、フレーム部２及び錘部１以外の部分にある中間絶縁層２２を、支持層２３側からフッ酸を含んだ液によりエッチング除去する。これにより、フレーム部２及び錘部１及び梁部３間、並びに梁部３下の中間絶縁層２２が除去され、フレーム部２及び錘部１は、梁部３を介して連結された状態となる。
【００２４】
なお、梁部３の表面には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜よりなる絶縁膜が形成されており、加速度センサチップの表面を保護している。
【００２５】
続いて、梁部３の所定の位置に、半導体不純物拡散技術によりピエゾ抵抗４を形成する。このようにして、半導体基板から、フレーム部２と錘部１と梁部３とピエゾ抵抗４とを備える加速度センサチップを形成する。
【００２６】
続いて、この加速度センサチップのフレーム部２を構成している支持層２３及び活性層２１の表面に、ストッパ部材５１，５２を配置すると共に、−５０Ｖ以下の負電位を印加する印加電極（図示せず）をストッパ部材５１，５２に、＋５０Ｖ以上の正電位を印加する印加電極（図示せず）を中間絶縁層２２にそれぞれ接触させる。これにより、中間絶縁層２２には、およそ１００Ｖの電位差の電圧が加わることになり絶縁破壊する。そして、この絶縁破壊した中間絶縁層２２を通して、支持層２３及び活性層２１に電流が流れるので、活性層２１及びストッパ部材５１と、支持層２３及びストッパ部材５２とがそれぞれ導通し、陽極接合される。このようにして、半導体加速度センサが製造される。
【００２７】
なお、上記の製造工程において、ストッパ部材５１，５２に印加する電位を−５０Ｖ、中間絶縁層２２に印加する電位を＋５０Ｖとしたが、要は中間絶縁層２２に１００Ｖ以上の電位差の電圧が加われば絶縁破壊されるので、これに限定されることなく、ストッパ部材５１，５２及び中間絶縁層２２にそれぞれ印加する電位は適宜設定すればよい。
【００２８】
また、中間絶縁層２２を挟んで支持層２３及び活性層２１が積層された半導体基板を形成するときに、支持層２３と活性層２１を貼り合わせることにより形成したが、これに限定されることなく、例えば、成長させた支持層２３に熱酸化処理を施して中間絶縁層２２を形成すると共に、その中間絶縁層２２の表面に活性層２１を成長させて形成するようにしてもよい。
【００２９】
また、支持層２３側から中間絶縁層２２をエッチング除去するときに、フッ酸を含んだ液によりエッチング除去したが、これはドライエッチングで行なうようにしてもよい。
【００３０】
また、本実施の形態における別の形態として、支持層２３に不純物を添加することで、その支持層２３を高不純物濃度層とし、その抵抗値を低くするようにしてもよい。これは例えば、支持層２３の不純物濃度が１０ｅ１５ｃｍ−３で、その抵抗値が数Ω／ｃｍであるときには、不純物を添加して、その支持層２３の不純物濃度を１０ｅ２０ｃｍ−３程度にし、抵抗値を１０ｅ−３Ω／ｃｍ程度に低下させるようにすればよい。このように支持層２３を低抵抗化することで、絶縁破壊された中間絶縁層２２から支持層２３に流れる電流が、支持層２３の全体でさらに均一化されるので、支持層２３及びストッパ部材５２がより均一に陽極接合され、支持層２３及びストッパ部材５２の接合面に発生する応力を低減することが可能となる。この高不純物濃度の支持層２３を形成する際には、例えば、支持層２３を成長させる際に用いる融液中に、予め不純物を添加し、成長後に上記のような不純物濃度になるように調整した後で、その不純物を含んだ融液から支持層２３を成長させるようにすればよい。
【００３１】
また、さらに別の形態として、図２の概略側断面図に示すように、支持層２３の表面のうち、ストッパ部材５２に接合される部分の表面に金属薄膜７１を形成するようにしてもよい。このようにすることで、支持層２３の金属薄膜７１が形成された部分は、その抵抗値が低くなると共に電流分布が均一化されるので、支持層２３及びストッパ部材５２が陽極接合されるときに、より均一に接合されることとなり、支持層２３及びストッパ部材５２の接合面に発生する応力をさらに低減することが可能となる。
【００３２】
また、さらに異なる実施の形態として、図３の概略側面図に示すように、フレーム部２の活性層２１の一部をエッチングして中間絶縁層２２を露出させ、この露出した部分及び活性層２１の表面に金属薄膜７２を形成すると共に、この金属薄膜７２に電圧を印加して中間絶縁層２２を絶縁破壊させて、支持層２３及びストッパ部材５２、並びに活性層２１及びストッパ部材５１をそれぞれ導通させて、陽極接合するようにしてもよい。このとき金属薄膜７２を介して中間絶縁層２２に印加する電圧は、中間絶縁層２２の膜厚が１０００Å以下のときに、中間絶縁層２２にかかる電位差が、１００Ｖ以上となるようにすればよい。このように、中間絶縁層２２及び活性層２１の表面に金属薄膜７２を形成して電気的に接続すると共に、その金属薄膜７２に電圧を印加するようにすれば、中間絶縁層２２への電圧が印加が容易となり、中間絶縁層２２の絶縁破壊を容易に行なうことが可能となると共に、活性層２１及びストッパ部材５１の接合面に流れる電流が均一となり、その接合面に生じる応力を低減することが可能となる。また、活性層２１をエッチングする工程は増えるものの、中間絶縁層２２をエッチングする工程は省略できるので手間は大きくは増加しない。なお、金属薄膜７２は、中間絶縁層２２及び活性層２１の両方の表面に形成する必要は必ずしもなく、活性層２１の表面にだけ形成するようにしてもよく、中間絶縁層２２の表面にだけ形成するようにしてもよい。
【００３３】
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。
【００３４】
【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、中間絶縁層が絶縁破壊されて、第１のシリコン層及び第１のストッパ、並びに第２のシリコン層及び第２のストッパがそれぞれ導通して陽極接合されるので、より効率的に製造することが可能になる、という効果を奏する。
【００３５】
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に記載の発明による効果に加えて、第１のシリコン層及び第１のストッパ、第２のシリコン層及び第２のストッパに流れる電流が、それらの接合面で均一となるので、より効率的に製造することが可能になる、という効果を奏する。
【００３６】
本発明の請求項３に記載の半導体加速度センサの製造方法によれば、中間絶縁層が絶縁破壊されて、第１のシリコン層及び第１のストッパ、並びに第２のシリコン層及び第２のストッパがそれぞれ導通して陽極接合されるので、より効率的に製造することが可能になる、という効果を奏する。
【００３７】
本発明の請求項４に記載の半導体加速度センサの製造方法によれば、請求項３に記載の発明による効果に加えて、第１のシリコン層の不純物濃度が高く低抵抗となるので、印加した電流が第１のシリコン層内に流れやすくなり、より効率的に製造することが可能になる、という効果を奏する。
【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の概略を示す側断面図である。
【図２】上記半導体加速度センサにおいて、さらに別の実施の形態を示す概略側断面図である。
【図３】上記半導体加速度センサにおいて、さらに異なる実施の形態を示す概略側面図である。
【図４】従来の半導体加速度センサの概略を示す側断面図である。
【図５】別の従来の半導体加速度センサの概略を示す側断面図である。
【符号の説明】
１            錘部
２            フレーム部
３            梁部
２１          活性層
２２          中間絶縁層
２３          支持層
５１          上部ストッパ
５２          下部ストッパ
７１，７２    金属薄膜
４            ピエゾ抵抗
９            電極パッド
【図１】
2004354073.tif 000003
【図２】
2004354073.tif 000004
【図３】
2004354073.tif 000005
【図４】
2004354073.tif 000006
【図５】
2004354073.tif 000007