(57)【要約】【課題】ピエゾ抵抗素子などの電気機械変換器を用いたセンサーにおいて、ピエゾ抵抗素子の感度が低いという課題があった。【解決手段】  固定部と可動部と梁部とを含んだ可動子片において、この可動子片の梁部１０の一表面に凹部１２を設け、この凹部１２内と梁部１０の表面側にピエゾ抵抗素子１４を形成する。このピエゾ抵抗素子１４は、凹部１２内の内壁と梁部１０の表面側上部の一部に渡り一様に形成する。このピエゾ抵抗素子１４と、拡散配線２４と、第１のシリコン窒化膜２６と、第２のシリコン窒化膜３０と、金属配線２８とで電気機械変換器を用いたセンサーを構成することができる。ピエゾ抵抗素子１４は、梁部１０の一部を選択的にエッチングして凹部を形成し、その凹部内に応力が大きくかかる領域を形成し、この凹部内と梁部の表面側にかけて一様に連続して形成されている。【選択図】図１（Ｂ）
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端を固定部に支持され他端が自由端となる機械的に可動な可動子片に機械的変動を電気的変動に変換する素子を有する片持ち梁形状の電気機械変換器において、前記可動子片に凹部を設け、前記素子を少なくとも前記凹部の内壁と前記凹部の底部とに設けることを特徴とする電気機械変換器。
【請求項２】
前記素子は、前記可動子片の一面から前記凹部の内部に渡り連続して設けることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換器。
【請求項３】
前記素子は、前記凹部の内部の角部に沿って連続した形状であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の電気機械変換器。
【請求項４】
前記素子は、Ｐ型不純物を含むシリコン層であることを特徴とする請求項１または３のいずれか１つに記載の電気機械変換器。
【請求項５】
基板上に一端を固定し他端を自由端とする可動子片を設ける工程と、前記可動子片に凹部を設ける工程と、前記可動子片に低濃度不純物層を選択的に設ける工程と、前記可動子片に高濃度不純物領域を選択的に設ける工程と、前記可動子片の全面に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の一部を開口する工程と、前記可動子片の一部に電極を設ける工程と、からなることを特徴とする電気機械変換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械振動を電気信号に変換するまたは電気信号を機械振動に変換する構造体において、その構造体の変換効率向上を可能とする構造とその製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、多種多様なセンサーが開発され、サイズも小さくなっている。このセンサーは環境変化に対して材料自身がもっている物理的な変化を電気的に捉えることで成り立っている。この物理的変化は多々存在するが、その中でも機械振動を電気信号に変換するセンサーは、物理センサーという位置付けで広く知られている。
【０００３】
このようなセンサーを応用した様々な製品が開発され市場に出ている。それらの製品はいかに小さく、軽く、安く製造できるかが課題となっている。従って製品の一部になる部品も当然縮小化が要求される。しかし、サイズが小さくなっても性能を落すことは許されない。
【０００４】
そのためセンサーの感度向上や、異なる方式を用いたセンサーの開発が行われている。加速度センサーの例で見てみる。近年の加速度センサーは半導体化されている。代表的な方式としては、容量式と圧電式とピエゾ抵抗式とがある。
【０００５】
容量式とは、固定して動かない電極と加速度が加わると変形して可動する電極との間の容量変化を検出する方式である。容量変化をおこすための構造は電極間のギャップ変化を用いている。利点としては温度変化に対しての補正が容易であり、感度が高いことである。欠点は１対の電極間の容量変化は小さいので、これらを並列接続する結線を行い、変化量を大きくしなければならないことである。またノイズが入りやすいので検出回路をセンサーのそばに置くなど、浮遊容量の影響を受けないような工夫が必要になることである。
【０００６】
圧電式は、加速度等で圧電体に加わった歪によって発生する電荷を検出する方式である。利点としては小型で軽量ということがある。欠点は出力インピーダンスが高い、静的加速度が検出できないなどがある。
【０００７】
ピエゾ抵抗式とは、物体にかかる応力によって物体の抵抗値が変化し、その抵抗値変化を周辺回路でブリッジを形成して電圧変化として検出する方式である。この方式の利点は小型化が容易であること、検出回路が簡単になることである。欠点としては、ピエゾ抵抗素子が半導体であるので、温度に対しての変化が大きく補正が必要になることである。
【０００８】
このような各種の方式の中でもピエゾ抵抗式は、小型、簡便、大量生産が可能であることがあり、広く使われている。このピエゾ抵抗式で重要になるのは、ピエゾ抵抗自体の感度である。この感度を上げるために様々な工夫がなされている。（例えば、非特許文献１参照）
【０００９】
非特許文献１に記載されている加速度センサーの構造は、梁上のピエゾ抵抗素子を配置している領域と、配置していない領域に区別し、ピエゾ抵抗素子が配置している梁の厚みよりも、配置していない梁の厚みを薄くしている。この構造にすることによりこれまでの平坦な梁上に形成したピエゾ抵抗素子に比べて同じ加速度が加わった場合に感度が高くなると述べている。
【００１０】
センサーは小型化によるコストダウンは必須になっている。ただし、加速度センサーに
おいて小型化は錘の重さを軽くしてしまうことになり、錘が軽くなるということは感度が低くなることになる。
そのために錘が軽くなった分、何らかの方法でピエゾ抵抗素子の感度を上げなければならない。
【００１１】
【非特許文献１】小幡勤、「ピエゾ抵抗型半導体式加速度センサにおける感度と強度の形状依存性」、電学論Ｅ、平成１５年７月１日発行、第１２３巻、第７号、ｐ．２４３−２４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
非特許文献１に示した従来技術のピエゾ抵抗素子の構造では、Ｒｉｂ型という構造にすることで感度が上がることを述べている。Ｒｉｂ型はピエゾ抵抗素子形成領域の膜厚に対して、他の領域の膜厚を薄くしている。また非特許文献１の構造は梁形状ではなく、膜（メンブレン）構造を用いている。これは梁構造にすると構造的に強度がもたないからでる。しかし、メンブレン構造の場合、すべてのピエゾ抵抗素子が１枚の膜でつながっているため力が分散して伝わりにくいという問題がある。
【００１３】
強度を優先するために感度が下がり、その下がる感度を改善するためにこのようなピエゾ抵抗素子の形状を用いていると思われる。小型化のためには錘を軽くしなければならないので、メンブレン構造は不利になる。
【００１４】
［発明の目的］
本発明の目的は、上記のような従来の技術の問題を解決して、梁構造のピエゾ抵抗素子を用いた加速度センサーを含め、小型化が容易になる電気機械変換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の電気機械変換器においては、下記に示す構造を採用する。
【００１６】
一端を固定部に支持され他端が自由端となる機械的に可動な可動子片に機械的変動を電気的変動に変換する素子を有する片持ち梁形状の電気機械変換器において、可動子片に凹部を設け、素子を少なくとも凹部の内壁と凹部の底部とに設けることを特徴とする。
【００１７】
素子は、可動子片の一面から凹部の内部に渡り連続して設けることを特徴とする。
【００１８】
素子は、凹部の内部の角部に沿って連続した形状であることを特徴とする。
【００１９】
素子は、Ｐ型不純物を含むシリコン層であることを特徴とする。
【００２０】
本発明の電気機械変換器の製造方法は、基板上に一端を固定し他端を自由端とする可動子片を設ける工程と、可動子片に凹部を設ける工程と、可動子片に低濃度不純物層を選択的に設ける工程と、可動子片に高濃度不純物領域を選択的に設ける工程と、可動子片の全面に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜の一部を開口する工程と、可動子片の一部に電極を設ける工程と、からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の電気機械変換器は、一端を固定部に支持され他端が自由端となる機械的に可動な可動子片に凹部を設け、可動子片の一面と凹部の内部とに機械的変動を電気的変動に変
換する素子を連続した形状で設けている。特に、凹部の内部の角部に沿って設けている。
本発明の電気機械変換器の特徴は、まさに素子が可動子片の一面と凹部の内部との間で連続して形成している点である。このような構成により、素子には可動子片の可動により、より多くの機械的な力が加わることになり、検出感度が向上し効率よく機械的変動を電気的変動に変換することができるという従来にはない優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、電気機械変換器のサイズを小型化する目的に対して、可動子片に凹部を設けて、この可動子片と凹部の内部とに機械的変動を電気的変動に変換する素子を形成するものである。
以下に示す本発明の実施形態については、可動子片には固定部と可動部と、この固定部と可動部との間を繋ぐ梁部を有する形状とし、この梁部に凹部を設ける形状として説明する。また、機械的変動を電気的変動に変換する素子はピエゾ抵抗素子として説明する。以下、図面を用いて本発明の電気機械変換器を説明する。
【００２３】
［構造の説明：図１］
はじめに、本発明における電気機械変換器の構造を図１の構造図および図２から図４を用いて説明する。
【００２４】
図１（Ａ）は、本発明における構造図の平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ‘断面図である。図２は、図１の構造に応力が加わったときの梁部の状態を表す図である。図３は、図１の構造に力がかかった時に、凹部に発生する応力を表す特性図である。図４は、図１の構造に力が加わったときに凹部に配置されているピエゾ抵抗素子の抵抗値変化を表す特性図である。
【００２５】
図１では、可動子片に設けた梁部１０に凹部１２を形成した場合を示している。説明しやすいように梁部１０のみを示している。
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明における電気機械変換器の特徴的な構造は、凹部１０にピエゾ抵抗素子１４を形成した点である。
詳しく説明する。梁部１０上の表面側に形成した凹部１２内の内壁と底部と梁部１０の表面の一部とに形成したピエゾ抵抗素子１４と、拡散配線２４と、第１のシリコン窒化膜２６と、第２のシリコン窒化膜３０と、金属配線２８とを有している。ただし、図１（Ａ）は、平面から見た時にピエゾ抵抗素子１４の形状が見やすいように、本来形成してある第１のシリコン窒化膜２６と第２のシリコン窒化膜３０とを省略している。
ピエゾ抵抗素子１４は、梁部１０の表面の一部から凹部１２内に渡り連続して設けている。さらに詳しくは、凹部１２の内部の角部に沿って連続した形状となっている。
【００２６】
このピエゾ抵抗素子１４は、力による歪みで抵抗値変化がおこることでセンサーとして働いている。従って、ピエゾ抵抗素子１４には力が効率良く伝わる構造が必要になる。そのために、ピエゾ抵抗素子１４は梁部１０の表面側に形成した凹部１２内の側壁と梁部１０の表面側上部の一部に一様に連続して形成している。
このような構成とすることによって、ピエゾ抵抗素子１４の形状は凹部１２内に留まる必要が無いために自由に形状を変更することができる。さらに拡散配線２４を介した金属配線２８との接続位置も凹部１２の内部に限定する必要が無いために、ピエゾ抵抗素子１４の形状をその感度などの特性に対応して自由に設計できるという利点がある。
【００２７】
凹部１２を梁部１０内に形成することの目的は、梁部１０の一部分に薄い膜厚の領域を形成することで大きな応力を発生しやすくすることである。
【００２８】
図２（Ａ）、（Ｂ）は梁部１０に凹部１２を設けた場合に、その力の方向で梁部１０が
どのように動くかを模式的に示したものである。
図２（Ａ）は固定端１５を固定にして、梁部１０に上方向に力を印加した場合の動きを示している。図２（Ｂ）は固定端１５を固定にして、梁部１０に下方向に力を印加した場合の動きを示している。図２（Ａ）、（Ｂ）共に動きがわかりやすいようにピエゾ抵抗素子１４と梁部１０と凹部１２のみ図示している。
この図からわかるように、梁部１０上に凹部１２を形成した場合、一番応力が強くかかるのは、凹部の角部１６である。
【００２９】
図３は凹部１２に発生する応力を表す特性図であるが、一例として、梁部１０内に凹部１２を設けてその凹部の底部の厚みを変化させたときに発生する応力を表している。
縦軸は梁部における最大応力を示し、横軸は凹部１２の底部の膜厚を示している。白抜きの三角は、梁上面より下に向かって力が加わった時の特性を示しており、塗りつぶしの菱形は、梁下面より上に向かって力が加わった時の特性を示している。
この特性図では、梁部１０の厚みは５μｍとして、凹部の底部の厚みを変えたとき、その厚みが薄いほど発生する応力が強いことを示している。
すなわち、凹部１２の底部の厚み１μｍでは、梁部１０全体に一例として１ＭＰａの力を加えた時に、凹部の角部１６に発生する応力が約２５００Ｍｐａであるが、凹部１２を設けない場合（凹部１２の底部の膜厚が梁部１０と等しい場合。図３においては凹部無しと表記する。）は、凹部１２の底部の厚み１μｍの場合と比べて、かかる応力は１／１００以下である。
【００３０】
図４は図３で示した応力が梁部１０にかかることでピエゾ抵抗素子１４がどれだけの抵抗変化を示すかを表している。
縦軸はピエゾ抵抗素子１４の抵抗値変化率を示し、横軸は凹部１２の底部の膜厚を示している。白抜き記号は梁上面から下に向かって力が加わった時の特性を示しており、塗りつぶしの記号は梁下面から上に向かって力が加わった時の特性を示している。そして、菱形の記号はピエゾ抵抗素子１４の厚みが１．０μｍの場合、四角の記号は０．５μｍの場合、丸の記号は０．２μｍの場合を示している。
この特性図から、凹部１２の底部の厚みが薄くなるほどピエゾ抵抗素子１４にかかる応力も大きくなるので抵抗値変化も大きくなっていることがわかる。
この図４の特性では、ピエゾ抵抗素子１４の厚みもパラメータになっている。図からピエゾ抵抗素子の厚みが０．２μｍの場合（丸記号）と、ピエゾ抵抗素子の厚みが１．０μｍの場合（菱形記号）の特性を比較すると、ピエゾ抵抗素子の厚みが０．２μｍの場合の方が、凹部の厚みが薄くなるに従って抵抗値変化率が大きくなっている。このことから、ピエゾ抵抗素子１４の厚みも薄いほど抵抗値変化が大きくなっているということがわかる。
【００３１】
仮に梁部１０の上面から下方向に力が加わったときには、梁部１０の上面では引張り応力が主に働き、梁部１０の下面では圧縮応力が主に働くことになる。この応力が働いている場所にピエゾ抵抗素子１４を形成しておくと、その応力がピエゾ抵抗素子１４にも加わることになる。つまり梁部１０の上面側に近い位置にピエゾ抵抗素子１４を配置すると、引張り応力が加わることになり、下面側に近い位置にピエゾ抵抗素子１４を配置すると、圧縮応力が加わることになる。そして引張り応力がピエゾ抵抗素子１４にかかると抵抗値は増加し、圧縮応力がかかると抵抗値は低下する。
このことから、もし梁部１０の厚みと同じ厚みのピエゾ抵抗素子１４を形成すると、ピエゾ抵抗素子１４の上面と下面とで逆方向の抵抗値変化がおこるので、ピエゾ抵抗素子１４全体の抵抗値で考えると、高くなるのと低くなるのとで相殺されて変化量は小さくなってしまう。
従って、本発明は、凹部１２の内部に、凹部１２の底部の厚さより膜厚の薄いピエゾ抵抗素子１４を設けている。
【００３２】
本発明の最大の特徴は、梁部１０の一面に凹部１２を形成し、この凹部１２内の底面と側面と梁部１０の一面とに、一様に連続して形成するピエゾ抵抗素子１４を設けたことである。このピエゾ抵抗素子１４は、凹部１２内の角部に沿って連続して設けている。梁部１０が受ける応力が最も集中するのは、凹部１２内の角部１６であるから、この部分に沿ってピエゾ抵抗素子１４を設けているために、機械的な変動を電気的変動に変換する感度が向上するのである。
【００３３】
［製造方法の説明：図５〜図１０］
次に、図１に示す本発明の電気機械変換器の製造方法について図１（Ｂ）、図５から図１０を用いて説明する。  図５に示すように支持基板２０の上部に埋め込み酸化膜１８を１．０μｍの厚みで形成し、その上部に梁部１０になる活性層を５μｍの厚みで形成する。
【００３４】
次に、図６に示すように梁部１０にレジスト２２を形成した後にドライエッチングにより梁部１０の一部を所望の形状に加工し、凹部１２を形成する。その後レジスト２２は除去する。
【００３５】
次に、図７に示すように、ピエゾ抵抗素子１４を形成したい形状にレジスト２２をパターニングし、ボロン（Ｂ＋）を２５ＫｅＶで１．０Ｅ１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）の条件でイオン注入する。
凹部１２を設けた状態でのイオン注入となるので、凹部１２の底部と内壁と梁部１０の表面の一部に不純物が注入される。このことによりＰ型の導電性を有するピエゾ抵抗素子１４領域が、凹部１２の底部と内壁と梁部１０の表面の一部に連続して形成することができる。Ｐ型導電型の抵抗を使用する理由は歪み感度が大きい利点があるからである。その後、レジスト２２は除去する。
【００３６】
次に、図８に示すように、ピエゾ抵抗素子１４と金属配線２８とを接続する拡散配線２４を形成するために、選択的にレジスト２２をパターニングする。その後ボロン（Ｂ＋）を３０ＫｅＶで１．０Ｅ１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ２）の条件でイオン注入する。このことにより、Ｐ型の拡散配線２４が形成される。イオン注入の後でレジスト２２を除去する。
レジスト２２を除去した後で、イオン注入したボロンを拡散させる目的で窒素雰囲気中１０００℃、３０分のアニールを行う。
【００３７】
次に、図９に示すように、ピエゾ抵抗素子１４と拡散配線２４とを形成した梁部１０の全面に第１のシリコン窒化膜２６を形成する。成膜条件は、温度が７８０℃、原料ガス組成比をＳｉＨ２Ｃｌ２／ＮＨ３＝０．１とし、成膜時間１６０分の条件で厚みを０．５μｍにて全面に堆積させる。
【００３８】
次に、図１０に示すように拡散配線２４と金属配線２８とのコンタクトを取るために、コンタクトホール２７を形成する。この加工においては、第１のシリコン窒化膜２６を所望の形状に開口加工する。続いて金属配線２８としてアルミニウムをスパッタリングにより１．０μｍの厚みで形成し、レジストを選択的に残して配線パターンとし、ドライエッチングにより金属配線２８を形成する。
【００３９】
次に第２のシリコン窒化膜３０をプラズマＣＶＤ法により形成する。成膜条件は、温度が３００℃、モノシランガスとアンモニアガスとの混合ガスを用いて厚みを０．１μｍで全面に堆積する。
金属配線２８と外部回路との接続は、図示はしていないが、この第２のシリコン窒化膜３０を選択的に除去し、下地の金属配線２８を露出し、そこから外部回路に接続し出力を
得る。
【００４０】
以上の説明において、本発明の電気機械変換器では、ピエゾ抵抗素子１４を梁部１０の一部と梁部１０に設けた凹部１２を選択的にドライエッチング法で加工して形成した例を説明したが、本発明の実施の形態はこれに限定されるものではない。
【００４１】
シリコンの加工方法には、ドライエッチングの他にウェットエッチング法がある。ウェットエッチング法は、被エッチング物に対して等方的にエッチングが進行する。
そこで、このエッチングの等方性を利用して、凹部１２の形状を変えることができる。例えば、図１１に示すように凹部１２の開口上部から底部に向かってなだらかな傾斜を有する構造としてもよい。
ウェットエッチング法のエッチング条件、例えばエッチング時間を変えることによって、凹部１２の傾斜を変えることができる。先の説明において明らかなように、凹部１２内の角部に応力が集中することから、この角部の形状や角度を変えることによってピエゾ抵抗素子１４の感度を調整することができる。
【００４２】
また、本発明の電気機械変換器は、図１（Ａ）に示すように平面からみて単純なコの字型形状で説明したが、その限りではない。ピエゾ抵抗素子１４の平面形状において、一番応力がかかる凹部の角部のピエゾ抵抗素子の幅を凹部の中央部に対して狭くするなど変えてもよい。凹部の中央部分の幅よりも凹部の角部の幅を狭くすることで、流れる電流が制限されることより、さらに感度が向上することが期待できる。
【００４３】
本発明の電気機械変換器の製造方法における特徴は、梁部の一部を選択的にエッチングして凹部を形成し、その凹部内に応力が大きくかかる領域を形成し、この凹部内の応力が大きくかかる部分にピエゾ抵抗素子を設けると共に、この凹部内と梁部の表面側にかけて一様に連続した形状とした点である。
このような構成とすることによって、ピエゾ抵抗素子の感度が向上すると共に、ピエゾ抵抗素子と外部回路との接続部分を凹部外に設けることもできるので、金属配線との接続を容易にすることができる。
【００４４】
以上の説明で明らかなように、本発明による電気機械変換器は、梁部１０と、梁部上の表面側に形成した凹部１２と、この凹部１２内と梁部１０の表面側とに形成したピエゾ抵抗素子１４と、拡散配線２４と、第１のシリコン窒化膜２６と、第２のシリコン窒化膜３０と、金属配線２８とを有している。
この凹部１２内にピエゾ抵抗素子１４を設ける構造であって、さらに詳しくは、このピエゾ抵抗素子１４は、凹部１２内の角部に沿って連続して設けている。
このような構造にすることにより、小さな力でも大きな応力が発生するようになる。そしてこの応力がピエゾ抵抗素子１４に作用することで感度が向上し、従来にない特別な効果が発生する。
【００４５】
本発明の実施形態については、可動子片には固定部と可動部と、この固定部と可動部との間を繋ぐ梁部を有する形状とし、この梁部に凹部を設ける形状を例にして説明した。もちろん、本発明はこれに限定されるものではなく、可動子片に凹部を有し、この凹部内と可動子片に渡り機械的変動を電気的変動に変換する素子を設ける構造であればよい。可動子片が可動し、応力が発生した場合において、その応力をより感度よく検出するために凹部内の角部に沿って機械的変動を電気的変動に変換する素子を設けるのであるという主旨を逸脱しない範囲において、変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の電気機械変換器は様々なセンサーに利用可能である。例えば圧力センサー、加
速度センサー等である。今後小型化が進むセンサーに対して有用性が非常に高い。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１（Ａ）】本発明の電気機械変換器の平面図である。
【図１（Ｂ）】本発明の電気機械変換器の断面図である。
【図２（Ａ）】本発明の梁部に下から上向きにかかる力と歪みの関係を表す図である。
【図２（Ｂ）】本発明の梁部に上から下向きにかかる力と歪みの関係を表す図である。
【図３】本発明の梁部の厚みによる応力の関係を表す特性図である。
【図４】本発明の梁部の厚みとピエゾ抵抗素子の抵抗値変化を表す特性図である。
【図５】本発明の製造工程を示す断面図である。
【図６】本発明の製造工程を示す断面図である。
【図７】本発明の製造工程を示す断面図である。
【図８】本発明の製造工程を示す断面図である。
【図９】本発明の製造工程を示す断面図である。
【図１０】本発明の製造工程を示す断面図である。
【図１１】本発明のピエゾ抵抗素子における他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０  梁部
１２  凹部
１４  ピエゾ抵抗素子
１５  固定端
１６  凹部の角部
１８  埋め込み酸化膜
２０  支持基板
２２  レジスト
２４  拡散配線
２６  第１のシリコン窒化膜
２７  コンタクトホール
２８  金属配線
３０  第２のシリコン窒化膜
【図１（Ａ）】
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【図１（Ｂ）】
2005181232.tif 000004
【図２（Ａ）】
2005181232.tif 000005
【図２（Ｂ）】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005181232.tif 000010
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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