JPH0267966A

JPH0267966A - 半導体センサ

Info

Publication number: JPH0267966A
Application number: JP21986288A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Takebe; 克彦武部; Mizuho Doi; 瑞穂土肥; Hiroyasu Takehara; 竹原　宏泰
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1988-09-02
Filing date: 1988-09-02
Publication date: 1990-03-07
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPH077013B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は加速度、触圧、気圧、機械的振動等を検出する
ための半導体センサに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、このような分野の技術としては、例えば特開昭６
２−１２１３６７号公報に示されるものが知られている
。この従来のセンサでは、シリコンなどの半導体基板に
酸化シリコン（Ｓ　ｉＯ２）、窒化シリコン（Ｓ　ｉａ
　Ｎ、　）などで片持梁を形成し、この基端部にピエゾ
抵抗素子などのストレス検知素子を設けることで、加速
度を電気的に検出している。このストレス検知のための
ピエゾ抵抗素子の材料としては、各種のものがあるが、
例えばＳｉからなるものでは１００ＸＩＯａｔ／ｄｙｎ
ｅ程度の感度が得られる。

一方、半導体センサにトランジスタを組み込み、圧電効
果による電荷を上記トランジスタのゲートに印加してそ
の特性変化から加速度を検出するものとして、例えば特
開昭６３−１８２７２号公報のものが知られている。こ
のセンサでは、ＭＯＳＦＥＴのゲート酸化膜上に圧電体
と慣性質量体が配設され、リード線を介することなくゲ
ートに電荷が送られるようになっている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来技術のうち、前者のピエゾ抵抗
素子を用いて検出するタイプのものでは、加速度等の検
出感度が十分でないという欠点があった。一方、後者の
ものではＦＥＴの上に圧電体と慣性質量体を設けなけれ
ばならないので、センサが大型化し、またコスト高にな
っていた。

そこで本発明は、簡単な構造によって高感度に加速度、
触圧、気圧、機械的振動等を検出できる半導体センサを
提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る半導体センサは、支持体と、この支持体に
固設されて物理的な外力（加速度、圧力等）により変形
する可変形部材と、この可変形部材の変形が生じる部分
に形成された化合物半導体の電界効果トランジスタ（Ｆ
ＥＴ）とを備え、電界効果トランジスタの閾値の変化に
より上記の物理的な外力を検知するようにしたことを特
徴とする。

ここで、電界効果トランジスタのゲート電極が、可変形
部材の変形が生じたときにも化合物半導体のチャネル層
から剥離しない程度に当該チャネル層に密告しているよ
うにし、また可変形部材の変形が生じたときに化合物半
導体のチャネル層にストレスを生じさせる程度の高ヤン
グ率の材料でゲート電極が形成されているようにするこ
とが、感度を向上させる上でより望ましい。

〔作用〕

本発明の構成によれば、化合物半導体のＦＥＴに変形が
加わると、ゲート電極とチャネル層の界面にストレスが
生じて分極が現われ、ＦＥＴの閾値が変化する。従って
、この閾値の変化を知ることにより、加速度、圧力等を
検出することができる。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図は実施例の基本構成の斜視図で、同図（ａ）は加
速度を検出するタイプ（カンチレノ（−タイプ）を示し
、同図（ｂ）は圧力を検出するタイプ（ダイヤフラムタ
イプ）を示している。同図（ａ）のセンサでは、例えば
シリコン（Ｓ　ｉ）からなる半導体基板１上に、例えば
ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）からなる結晶成長層２がエピ
タキシャル成長されている。そして、半導体基板１の一
部（図中の記号Ａの部分）がエツチングで除去され、図
中の左側部分が可変形部材としての片持梁３をなしてい
る。片持梁３の基端部の結晶成長層２にはショットキゲ
ート電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）がイオン注
入法などで形成され、これがストレス検知ＦＥＴ４をな
している。そして、片持梁３の支持体側（図中の右側）
部分の結晶成長層２上には、検出信号に対して増幅等の
処理をするための信号処理回路５が形成されている。

この第１図（ａ）の装置において、図中の矢印Ｇの方向
に加速度が加わると、片持梁３側の半導体基板１は錘り
ＩＧとして作用し、矢印Ａで示す部分の結晶成長層（可
変形部材）２が屈曲することになる。すると、この屈曲
によるストレスがストレス検知ＦＥＴ４の閾値（ｖｔｈ
）を変化させ、従って上記の加速度が検出されることに
なる。なお、ストレス検知ＦＥＴ４の閾値変化によって
ストレスを検知するためには、例えば抵抗と組み合せる
ことによってインバータを形成する必要があり、また検
出信号を増幅したりすることも必要になるが、これらの
回路要素は信号処理回路５の中に構成されている。

第１図（ｂ）のセンサでは、同図（ａ）と同様に半導体
基板１上に結晶成長層２が形成されているが、半導体基
板１のエツチングにより除去される部分Ａが同図（ａ）
と異なっている。すなわち、この実施例では装置の中央
部分（第１の部分に１）で半導体基板１がエツチング等
により除去されて結晶成長層２よる可変形部材が構成さ
れ、それを取り囲む第２の部分に２で半導体基板１が残
存されて結晶成長層（可変形部材）２の支持体をなして
いる。なお、ストレス検知ＦＥＴ４については加圧によ
ってストレスが生じる部分（可変形部材となる部分）の
結晶成長層２に、ＭＥＳＦＥＴとして形成されている。

また、半導体基板１が残存された部分（支持体部分）の
結晶成長層２には、信号処理回路５が別途に形成されて
いる。

この第１図（ｂ）の装置において、例えば矢印Ｇの方向
に圧力が加わると、Ｋ１で示すダイヤフラムは上方に湾
曲し、ストレスを生じさせる。すると、圧電効果による
ゲート直下の分極によってストレス検知ＦＥＴ４の閾値
が変化するので、例えば第１図（ａ）と同様に抵抗との
インバータ回路を組むことによって、上記の圧力を定量
的に検出することができる。

次に、第２図ないし第５図を参照することにより、本発
明により構成した加速度センサの構成と検出原理を具体
的に説明する。

第２図に示す通り、半導体基板１の上面には結晶成長層
２がエピタキシャル成長法により形成され、この半導体
基板１および結晶成長層２が略Ω字状に除去されて中央
部分が片持梁３をなしている。そして、可変形部材とし
ての片持梁３の先端部には半導体基板１が残存されて錘
りＩＧをなし、片持梁３の基端部にはＭＥＳＦＥＴから
なるストレス検知ＦＥＴ４が形成されている。このスト
レス検知ＦＥＴ４の具体的構成は第３図のようになって
おり、ストレスの変化は第４図のようになっているが、
詳細な説明は後述する。さらに、結晶成長層２の片持梁
３以外の部分には半導体抵抗Ｒが形成され、上記ストレ
ス検知ＦＥＴ４と共にインバータ回路を構成するように
配線されている。

このインバータ回路の具体的構成および動作は第５図の
ようになっているが、その説明は後述する。

上記の具体例において、図中の矢印Ｇの方向に加速度が
加えられると、錘りＩＧによって片持梁３の基端部に屈
曲が生じ、従ってストレスが現われる。すると、化合物
半導体にイオン注入等を行なうことで形成されているス
トレス検知ＦＥＴ４は、ゲート電極とチャネル層の界面
でいわゆる圧電効果による分極によって閾値が変化する
。これに対し、抵抗Ｒにはストレスが加わらないので、
抵抗率は変化しない。そこで、このストレス検知ＦＥＴ
４および抵抗Ｒからなるインバータ回路にバッド６から
電圧Ｖ　、■　およびアースレベルを印加すると電圧Ｖ
　が出力される。この出力型圧Ｖ　は信号処理回路５に
入力され、ここで所定の信号処理が施される。

実施例に用いられるストレス検知ＦＥＴ４の構成は、第
３図のようになっている。同図（ａ）はストレス検知Ｆ
ＥＴ４をなすＭＥＳＦＥＴの平面図であり、同図（ｂ）
はのＡ１−Ａ２線断面図である。図示の通り、半絶縁性
のＧａＡｓからなる結晶成長層２にはｎ型ＧａＡｓ層２
１がイオン注入等で形成され、その両側にはオーミック
金属として例えばＡ　ｕ　／　Ａ　ｕ　Ｇ　ｅからなる
ソース電極４Ｓおよびドレイン電極４Ｄが、例えばリフ
トオフ法により形成されている。ソース電極４Ｓとドレ
イン電極４Ｄの間に形成されたゲート電極４Ｇは下側の
チタン（Ｔｉ）層４１と上側のタングステン（Ｗ）層４
２からなり、そのゲート長はＬ１ゲート電極高さはＨｇ
となっている。

このようなＭＥＳＦＥＴにおいて、第３図中の矢印ＳＴ
の方向に応力が加わると、ゲート電極４Ｇとｎ型ＧａＡ
ｓ層２１のチャネル層との界面でせん断応力が働き、圧
電効果によってチャネル層に分極が生じる。この分極に
よる閾値の変化は、第４図に示すようにチャネル層の表
面でのストレスに依存する。

ここで、上記の構造のＭＥＳＦＥＴをストレス検知ＦＥ
Ｔ４として効果的に作用させるためには、下記のような
特徴を有していることが望ましい。

第１は、ゲート長し　が小さくなる程、感度が高ｇくなることである。すなわち、第４図に示すように、ゲ
ート長しｇが１．８μｍ程度のものに比べて、ゲート長
しｇが０．８μｍ程度のものでは２倍以上の感度が得ら
れる。第２は、ゲート電極４Ｇとｎ型ＧａＡｓ層２１の
チャネル層の密着性が高い程、ストレス検知ＦＥＴ４と
して用いるのに適していることである。この密着性の向
上のだめには、前述のようにゲート電極４Ｇの下側層４
１として５００八程度の厚さのＴｉを用いればよい。第
３は、ゲート電極４Ｇは高ヤング率である程、チャネル
層の表面に大きな分極を生じさせうるということである
。このように高ヤング率にするためには、前述のように
ゲート電極４Ｇの上側層４２に３０００Ａ程度の厚さの
Ｗ（４，ｌｘｌ　０１２ｄ　ｙ　ｎ　／ｃｄ）を用いれ
ばよい。なお、ＴｉＷ、ＴｉＷシリサイド、Ｗシリサイ
ドを用いることも可能である。またゲート電ｉ４Ｇの高
さＨを大きくすることによって、チャネル層に加えられ
るせん断応力を大きくしてもよい。

このようにして得られた閾値の変化は、例えば第５図（
ａ）ようなインバータ回路で検出できる。

すなわち、ストレス検知ＦＥＴ４としてのＭＥＳＦＥＴ
のゲートに電圧Ｖ＋を印加する。すると、出力電圧Ｖ　
は電圧Ｖ］に依存して第５図（ｂ）のように変化する。

ここで、ＭＥＳＦＥＴの閾値が変化すると出力電圧Ｖ　
の立ち下り点は第５図（ｂ）の矢印のようにシフトする
。そこで、ゲートへの入力電圧をＶ　ｒ　−Ｖ　ｐに設
定すると、出力電圧Ｖ　の変化からＭＥＳＦＥＴに加わ
るストレスを検知することができる。

なお、実施例のようにダイヤフラム、カンチレバー等を
化合物半導体で構成すれば、この化合物半導体のストレ
スが生じる部分にストレス検知ＦＥＴ４を直接に形成す
ることができる。ここで、化合物半導体に形成した回路
は高温環境下でも十分に動作し、信号処理も高速に行な
えるので、耐環境性に優れた高精度な半導体センサを提
供することができる。そして、その出力信号を処理する
ための信号処理回路５を同一の化合物半導体による結晶
成長層２に形成できるので、半導体センサの構成を極め
てコンパクトにすることができる。

更に、上記実施例の半導体センサは極めて簡単な製造工
程によって、精度よく製作することが可能である。以下
、この事情を第６図により具体的に説明する。

まず、Ｓｉからなる半導体基板１を用意し、この上面に
エピタキシャル成長法によってＧａＡｓの結晶成長層２
を形成する。そして、ストレス検知ＦＥＴ４および信号
処理回路５を結晶成長層２中にイオン注入法、リフトオ
フ法等を用いて形成する（第６図（ａ）図示）。しかる
後、全面にフォトレジスト膜１０を塗布して半導体基板
１の除去すべき部分を窓あけする（第６図（ｂ）図示）
。

この窓あけは、例えば公知のフォトリソグラフィ技術を
用いればよい。

次に、エツチングによってフォトレジスト膜１０の開口
から半導体基板１を除去していく。ここで、ウェットエ
ツチング法を用いるときにはエッチャントにはＨＦ系の
酸を使用し、ドライエツチング法を用いるときにはエッ
チャントにはＣＦ４プラズマを使用する。このようなエ
ッチャントを用いれば、Ｓｉは容易に除去されるのに対
してＧａＡｓはほとんどエツチングされず、従って第６
図（ｃ）のように矢印Ａの部分の半導体基板１のみを選
択的に除去できる。最後に、フォトレジスト膜１０をア
セントなどで除去すると、第６図（ｄ）のようなカンチ
レバー構造を実現できる。

本発明は上記実施例に限定されず、種々の変形が可能で
ある。

例えば、ストレス検知ＦＥＴ４としてのＦＥＴは第７図
のようなものであってもよい。同図（ａ）では、半絶縁
性ＧａＡｓからなる結晶成長層２の上にメサ状にｎ型Ｇ
ａＡｓ層２１が形成され、この上にゲート電極４Ｇ、ソ
ース電極４ｓおよびドレイン電極４Ｄが形成されてＭＥ
ＳＦＥＴが構成されている。同図（ｂ）では、半絶縁性
ＧａＡｓからなる結晶成長層２にｎ＋型ＧａＡｓからな
るオーミックコンタクト層２２．２３形成され、その上
にソース電極４Ｓおよびドレイン電極４Ｄが形成されて
いる。そして、ソース電極４Ｓとドレイン電極４Ｄの間
にはｉ型ＧａＡｆＩＡｓ層が形成され、その上にゲート
電極４Ｇが形成され、これによりいわゆるＭＩＳＦＥＴ
が構成されている。

また、センサのタイプとしてはダイヤフラム、カンチレ
バーに限らず、圧力、加速度などによってストレスを生
じさせ、このストレスを検出するタイプのものであれば
、２点支持あるいは４点支持などいかなるものでもよい
。また、支持体や可変形部材は半導体に限らず、アルミ
ナなどでもよく、ストレス検知ＦＥＴ４を形成する材料
はＧａＡｓに限らずガリウムリン（ＧａＰ）、インジウ
ムリン（ＩｎＰ）、ガリウムアルミニウムヒ素（ＧａＡ
ＩＡｓ）などでもよい。

更に、信号処理回路は結晶成長層上に一体的に形成され
ていなくてもよく、別のチップに設けることもできる。

また、閾値の変化を検出するための回路は、実施例のよ
うなインバータ回路に限られるものではない。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り本発明では、化合物半導体の
ＦＥＴに変形が加わると、ゲート電極とチャネル層の界
面にストレスが生じて分極が現われ、ＦＥＴの閾値が変
化する。従って、この閾値の変化を知ることにより、加
速度、圧力等を検出することができる。この半導体セン
サは構造が極めて簡単であって、高感度に物理的な外力
を検知することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の基本構成を示す斜視図、第
２図は、本発明により構成した加速度センサの具体例の
斜視図、Ｍ３図は、本発明の実施例に用いられるＭＥＳ
ＦＥＴの構造を示す図、第４図は、ＭＥＳＦＥＴに加わ
るストレスによる閾値の変化を示す特性図、第５図は、
閾値変化を検出する回路と作用の説明図、第６図は、実
施例に係る半導体センサの製造工程を示す断面図、第７
図は、本発明に適用可能な他のＦＥＴの構造を示す断面
図である。１・・・支持体となる半導体基板、ＩＧ・・・錘り、２
・・・可変形部材となる結晶成長層、４・・・ストレス
検知ＦＥＴ、４Ｇ・・・ゲート電極、４Ｓ・・・ソース
電極、４Ｄ・・・ドレイン電極、５・・・信号処理回路
、１０・・・フォトレジスト膜。特許出願人　　本田技研工業株式会社代理人弁理士　　　長谷用　　芳　　樹ス快１問例科視
回第１図ＳＴ ×プ暫ｆＪめＴＥＴの不敵遣第図六デス）しス（ｌｏ’ｄｙｎ／ｃｍ２）ス）しスｙｚｉ　”ｌ　Ｚ　１Ｎｃｐ、’１４３第図Ｖ。噴ヱ回Ｊろめ一伊〕大死伊Ｊの製追工種第図

Claims

【特許請求の範囲】

１．支持体と、この支持体に固設されて物理的な外力に
より変形する可変形部材と、この可変形部材の変形が生
じる部分に形成された化合物半導体の電界効果トランジ
スタとを備え、前記電界効果トランジスタの閾値の変化
により前記外力を検知することを特徴とする半導体セン
サ。
２．前記電界効果トランジスタのゲート電極が、前記可
変形部材の変形が生じたときにも化合物半導体のチャネ
ル層から剥離しない程度に当該チャネル層に密着してい
ることを特徴とする請求項１記載の半導体センサ。
３．前記電界効果トランジスタのゲート電極が、前記可
変形部材の変形が生じたときに化合物半導体のチャネル
層にストレスを生じさせる程度の高ヤング率の材料で形
成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体セ
ンサ。
４．前記可変形部材は前記支持体に固着して設けられた
半導体結晶成長層からなり、この半導体結晶成長層には
前記半導体抵抗の抵抗率変化にもとづく検出信号を増幅
する信号処理回路が形成されている請求項１記載の半導
体センサ。