JPH06102108A - 薄形半導体力学センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】出力電圧のばらつきやノイズ電圧が小さい高感
度の半導体力学センサを提供する。 【構成】第１発明では、薄肉起歪部５の厚さを１５μｍ
以下と薄肉化するとともに、薄肉起歪部５すなわちエピ
タキシャル層４２の不純物濃度Ｎｅを、２Ｋε（Ｖｃ＋
Ｖｏ）／ｑ（ｗ−ｄ）² 以上としている。この結果、こ
のセンサの定格電圧Ｖｃｃではピエゾ抵抗領域４３とエ
ピタキシャル層４２との間の接合空乏層ＤＬは薄肉起歪
部５の裏面に達することができず、その結果、リーク電
流は非常に小さくなる。第２発明では、薄肉起歪部５の
裏面部に高濃度の第２導電型の空乏層ストッパ領域が配
設される。この結果、ピエゾ抵抗領域４３と薄肉起歪部
５との間の接合空乏層は薄肉起歪部５の裏面の高濃度の
第２導電型の空乏層ストッパ領域に遮蔽されて、薄肉起
歪部の裏面に到達することができず、リーク電流は非常
に小さくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体加速度センサ又
は半導体圧力センサなど、力学量を歪み量を通じて電気
量に変換するセンサ（以下、半導体力学センサと総称す
る）に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体力学センサは、少なくとも
一端が第２導電型の半導体基板に支持される第１導電型
の起歪部と、前記起歪部の一面側に形成され応力変化に
応じて抵抗値が変化する第２導電型のピエゾ抵抗領域と
を備え、ピエゾ抵抗領域に通電してその抵抗値変化によ
り起歪部に作用する力を検出している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記した半導体力学セ
ンサ、例えば半導体加速度センサの高感度化を図るに
は、従来、一般に３０から４０μｍに形成される起歪部
の厚さを１０μｍといった薄肉にするのが最も効果的で
ある。しかしながら本発明者の実験によれば、このよう
に起歪部の薄肉化すると、ブリッジの出力電圧の変動や
ノイズ電圧の大幅な増大が生じて、実用できないことが
わかった。

【０００４】その解析及び実験結果によれば、この原因
は接合空乏層の先端が薄肉の起歪部の裏面に達するため
であることがわかった。すなわち、起歪部の裏面には、
面状空乏層または第２導電型チャンネル（以下、裏面チ
ャンネルという）が形成されており、また汚染により多
量の再結合中心や準位、トラップなどが形成されてい
る。更に、電気化学エッチング方法により起歪部の裏面
と同一直線上にピエゾ抵抗領域と同一導電型の半導体基
板の端部が位置している。

【０００５】この結果、接合空乏層が起歪部の裏面に達
すると、ピエゾ抵抗領域と起歪部との間の逆バイアス電
流（以下、リーク電流という）が増大し、また、裏面チ
ャンネル及び上記接合空乏層を通じてピエゾ抵抗領域と
基板との間にリーク電流が流れ、更には基板とピエゾ抵
抗領域との間で上記裏面チャンネルを介することなく直
接のパンチスルーによるリーク電流が流れる。

【０００６】従来のように、起歪部５〜８の厚さが厚い
場合には、通常の使用電圧範囲で空乏層が起歪部の裏面
に到達することはありえず、設計上において、ピエゾ抵
抗領域と起歪部との間の接合空乏層の大きさを考慮する
必要はなかった。なお、第１導電型の基板上に第２導電
型の起歪部を形成する場合、基板と起歪部との間は積極
的に短絡することは無いが、両者間のＰＮ接合はこのＰ
Ｎ接合の端面部などにおける寄生抵抗などにより短絡さ
れていると考えることができる。

【０００７】したがって、上記リーク電流はピエゾ抵抗
領域から基板を通じて起歪部に流れる。なお、起歪部
は、ピエゾ抵抗領域の一端に接続されるのが通常であ
り、接続されない場合でもピエゾ抵抗領域の一端に対し
０バイアス障壁電位となるので、結局、起歪部に流れ込
んだ上記リーク電流は、ピエゾ抵抗領域を流れる信号電
流に加算されて出力されることとなる。

【０００８】このリーク電流は、熱雑音（Ｒの平方根に
比例する）、ゆらぎ雑音、１／ｆノイズやポップコーン
ノイズを多量に含み、また電流経路が不安定であるので
変動が大きく、温度変化による変動率も大きく、センサ
出力電圧のレベル変動及びＳ／Ｎ比低下を招く。なお、
このようなリーク電流を低減するには、ピエゾ抵抗領域
両端に、すなわちピエゾ抵抗領域の一端と薄肉起歪部と
の間に印加する電圧を縮小しても可能であるが、このよ
うな定格電圧の変更は、周辺回路の電源電圧との不一致
を招くので、電源装置の新設、回路変更などが要求さ
れ、後段の信号処理回路との整合性が悪化するという問
題を生じる。

【０００９】本発明は起歪部を薄肉化した場合に生じる
上記問題点に鑑みなされたものであり、周辺回路との整
合性を良好に保ち、出力電圧の変動やＳ／Ｎ比の低下を
抑止するとともに、起歪部の薄肉化によるセンサ感度の
向上を実現した薄形半導体力学センサを提供することを
その目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１発明の薄形半導体力
学センサは、少なくとも一端が半導体基板に支持され厚
さが１５μｍ以下の第１導電型単結晶半導体からなる薄
肉起歪部と、前記薄肉起歪部の表面部に形成され前記薄
肉起歪部の１桁以上高濃度の不純物濃度の第２導電型半
導体からなるピエゾ抵抗領域部とを備え、前記ピエゾ抵
抗領域部の一入力端及び前記薄肉起歪部と前記ピエゾ抵
抗領域部の他入力端との間に所定の定格電圧を印加して
前記ピエゾ抵抗領域部の抵抗値変化を検出する半導体力
学センサにおいて、前記薄肉起歪部は、Ｋを前記薄肉起
歪部及び前記ピエゾ抵抗領域部の比誘電率、εを真空誘
電率、Ｖｃを前記定格電圧、Ｖｏを０バイアス時の前記
薄肉起歪部と前記ピエゾ抵抗領域との間の障壁電圧、ｑ
を電子の電荷量、Ｗを薄肉起歪部の肉厚ｄを前記ピエゾ
抵抗領域の深さとした場合に、２Ｋε（Ｖｃ＋Ｖｏ）／
ｑ（ｗ−ｄ）² より高濃度の不純物濃度を有することを
特徴としている。

【００１１】第２発明の薄形半導体力学センサは、少な
くとも一端が半導体基板に支持され第１導電型単結晶半
導体からなる薄肉起歪部と、前記薄肉起歪部の表面部に
形成され第２導電型半導体からなるピエゾ抵抗領域部と
を備え、前記ピエゾ抵抗領域部の一入力端及び前記薄肉
起歪部と前記ピエゾ抵抗領域部の他入力端との間に所定
の定格電圧を印加して前記ピエゾ抵抗領域の抵抗値変化
を検出する半導体力学センサにおいて、前記薄肉起歪部
の裏面部に高濃度の第２導電型の空乏層ストッパ領域が
配設されることを特徴としている。

【００１２】なお、ピエゾ抵抗領域部は、一個又は互い
に接続された複数のピエゾ抵抗領域からなる。ピエゾ抵
抗領域部の一入力端及び薄肉起歪部とピエゾ抵抗領域部
の他入力端との間への所定の定格電圧の印加は、ピエゾ
抵抗領域の両入力端に定格電圧を印加し、ピエゾ抵抗領
域の一入力端と薄肉起歪部とのＰＮ接合の０バイアス障
壁電位を介して薄肉起歪部の電位を固定する場合を含
む。

【００１３】

【作用及び発明の効果】第１発明では、薄肉起歪部の厚
さを１０μｍ以下と薄肉化するとともに、薄肉起歪部の
不純物濃度Ｎを、２Ｋε（Ｖｃ＋Ｖｏ）／ｑ（ｗ−ｄ）
² 以上としている。この結果、このセンサの定格電圧Ｖ
ｃではピエゾ抵抗領域と薄肉起歪部との間の接合空乏層
は薄肉起歪部の裏面に達することができず、その結果、
上記詳述したリーク電流は非常に小さくなり、そのため
に、例えば電源装置などの周辺回路との整合性を良好に
保ちつつ、リーク電流の大きさに依存する出力電圧の変
動やＳ／Ｎ比の低下を抑止した状態で、起歪部の薄肉化
によるセンサ感度の向上を実現することができる。

【００１４】第２発明では、薄肉起歪部の裏面部に高濃
度の第２導電型の空乏層ストッパ領域が配設される。こ
の結果、ピエゾ抵抗領域と薄肉起歪部との間の接合空乏
層は薄肉起歪部の裏面の高濃度の第２導電型の空乏層ス
トッパ領域に遮蔽されて、薄肉起歪部の裏面に到達する
ことができず、その結果、上記詳述したリーク電流は非
常に小さくなる。したがって、リーク電流の大きさに依
存する出力電圧の変動やＳ／Ｎ比の低下を抑止した状態
で、起歪部の薄肉化によるセンサ感度の向上を実現する
ことができる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明を適用した半導体加速度セン
サの一実施例を図面に従って説明する。図１にこの半導
体加速度センサの斜視図を示し、図２に半導体加速度セ
ンサの平面図を示し、図３に図２のＡーＡ断面を示す。
本センサは自動車のＡＢＳシステムに用いられるもので
ある。

【００１６】パイレックスガラスよりなる四角板状の台
座１の上には四角板状のシリコンチップ２が接合されて
いる。シリコンチップ２はその裏主面が台座１と接合す
る四角枠状の第１支持部３を有し、第１支持部３はシリ
コンチップ２の４辺を用いて形成されている。シリコン
チップ２における第１支持部３の内側には上部分離溝４
ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び下部分離溝１０が凹設されて
おり、上部分離溝４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ及び下部分離
溝１０は連通して、チップ２を貫通する貫通溝となって
いる。四角枠状の第１支持部３内に形成されたＣ形の上
部分離溝４ｄ及び上部分離溝４ｄ下部の下部分離溝１０
により厚肉コ字状の第２支持部１１及び厚肉の連結部１
２が区画、形成され、第２支持部１１は連結部１２によ
り第１支持部３に連結されている。更に、第２支持部１
１の内側面から薄肉の薄肉起歪部５，６，７，８が延設
されており、薄肉起歪部５，６，７，８の先端には厚肉
四角形状の重り部９が連結されている。

【００１７】つまり、台座１と接合する厚肉の第１支持
部３に連結部１２を介して第２支持部１１が連結され、
第２支持部１１から薄肉起歪部５〜８を介して重り部９
が両端支持されている。下部分離溝１０は、上部分離溝
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと薄肉起歪部５〜８の下方に形
成され、上部分離溝４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと下部分離
溝１０とは連通して、チップ２を貫通する貫通溝を構成
している。

【００１８】薄肉起歪部５〜８の表面部には各２個のピ
エゾ抵抗領域１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５
ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂが形成されている。更に図
３に示すように、台座１の上面中央部には凹部１７が形
成され、加速度が加わり重り部９が変位したときに接触
しないようになっている。シリコンチップ２の表面のア
ルミ配線パタ−ンを図２に示す。

【００１９】アース用の配線１８と、電源電圧Ｖｃｃ印
加用の配線１９と、加速度に応じた電位差を取り出すた
めの出力用の配線２０、２１とが布設されている。又、
これら配線に対しもう１組の４つの配線が用意されてい
る。つまり、アース用の配線２２と、電源電圧印加用の
配線２３と、加速度に応じた電位差を取り出すための出
力用の配線２４，２５とが形成されている。電源電圧印
加用の配線１９の途中にはシリコンチップ２の不純物拡
散層２６が介在され、その不純物拡散層２６の上をシリ
コン酸化膜を介してアース用の配線１８が交差してい
る。同様に、電源電圧印加用の配線２３は不純物拡散層
２７を介して電源電圧印加用の配線１９と接続され、ア
ース用の配線２２は不純物拡散層２８を介してアース用
の配線１８と接続され、さらに、出力用の配線２４は不
純物拡散層２９を介して出力用の配線２０と接続されて
いる。又、出力用の配線２１と２５とは抵抗調整のため
の不純物拡散層３０を介して接続されている。なお本実
施例では、配線１８〜２１を用いた結線がなされてい
る。

【００２０】各ピエゾ抵抗領域１３ａ，１３ｂ，１４
ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂは図４に
示すようにホイートストーンブリッジ回路を構成してお
り、端子３１はアース用端子であり、端子３２は電源電
圧印加用端子であり、端子３３及び３４は加速度に応じ
た電位差を取り出すための出力端子である。次に、この
センサの製造方法を図５〜図９に基づいて説明する。た
だし、図５〜図９は図２のＡ−Ａ断面を示す。

【００２１】まず図５に示すように、面方位が（１０
０）のｐ型基板（本発明でいう第２導電型の半導体部）
４１上にｎ型のエピタキシャル層（本発明でいう第１導
電型の半導体部）４２をもつウエハ（本発明でいう半導
体部材）４０を用意し、ピエゾ抵抗領域１３ａ，１３
ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ
としてｐ⁺ 拡散層４３を形成し、更に電気化学エッチン
グ時の電極コンタクトとして上部分離溝４ａ，４ｂ，４
ｃ，４ｄをエッチングする予定領域の表面部にｎ⁺拡散
層４４を形成し、更にエピタキシャル層４２をアースす
るためのアース用のｎ⁺ 拡散層（図示せず）をエピタキ
シャル層４２の上記エッチングされない領域の表面部に
形成される。

【００２２】その後、エピタキシャル層４２上に形成し
たシリコン酸化膜（図示せず）を選択開口し、その上に
アルミ配線１８〜２５（図２参照、図５〜図８では図示
省略）を形成する。また、アルミ配線１８〜２５をｐ⁺
拡散層４３の所定位置にコンタクトさせ、その後、シリ
コン酸化膜などからなるパッシベーション絶縁膜（図示
せず）を堆積し、このパッシベーション絶縁膜を選択開
口してワイヤボンディング用のコンタクトホールを形成
し、続いて、このパッシベーション絶縁膜を開口してｎ
⁺ 拡散層４４にコンタクトする通電用アルミコンタクト
部（図示せず）を設ける。

【００２３】次に、ウエハ４０の裏面、すなわち下部分
離溝１０のエッチング予定領域を除く基板４１の表面
（本発明でいう裏主面）にプラズマ窒化膜（ＰーＳｉ
Ｎ）４５を形成するとともに図示しないレジスト膜（図
示せず）を用いてプラズマ窒化膜４５をホトパターニン
グする。次に、ウエハ４０の表主面、すなわち上部分離
溝４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄのエッチング予定領域となる
エピタキシャル層４２の表面にレジスト膜（本発明でい
うレジスト膜）４９をスピンニング塗布し、ホトパター
ニングする。なお、この上部分離溝４ａ，４ｂ，４ｃ，
４ｄのエッチング予定領域上の上記シリコン酸化膜やパ
ッシベーション絶縁膜は予め除去されており、更にレジ
スト膜４９のホトパターニングにより露出したエピタキ
シャル層４２の表面には上記した通電用アルミコンタク
ト部が露出している。なお、レジスト膜４９はＰＩＱ
（ポリイミド）膜とされる。

【００２４】次に図６に示すように、ウエハ４０の電気
化学エッチングを行って下部分離溝１０を形成する。以
下、この電気化学エッチングについて詳しく説明する。
まず、支持基板４６の裏面に熱板（２００℃、図示せ
ず）を接合し、この支持基板４６上に樹脂ワックスＷを
載せて軟化させ、更にその上に白金リボン（図示せず）
を挟んでウエハ４０の表主面を載せて接着させ、その
後、支持基板４６及びウエハ４０を熱板から下ろして樹
脂ワックスＷを硬化させる。白金リボンの先端部は波状
に形成され、上記樹脂ワックスＷの硬化状態において白
金リボンの先端部は上記アルミコンタクト部に自己の弾
性により押圧され、上記アルミコンタクト部に良好な電
気的接触が取られる。なお、樹脂ワックスＷはウエハ４
０の側面を被覆している。

【００２５】この状態でウエハ４０及び支持基板４６は
エッチング槽（図示せず）内に垂下され、エッチング液
（例えば、３３wt％ＫＯＨ溶液，８２℃）に浸漬され
る。ウエハ４０の裏主面に対向して白金電極板（図示せ
ず）が垂下されており、ウエハ４０側を正として白金リ
ボンと白金電極板との間に所定の電圧（ここでは２Ｖ）
を印加し、電気化学エッチングを行う。このようにする
と、白金リボンからアルミコンタクト部、ｎ⁺ 拡散層４
４、エピタキシャル層４２を通じてＰ型基板４１に両者
間の接合を逆バイアスする電界が形成されるとともに、
基板４１の電気化学エッチング（異方性エッチング）が
行われ、基板４１に下部分離溝１０が形成される。エッ
チングが基板４１とエピタキシャル層４２との接合部近
傍に達すると陽極酸化膜（図示せず）が形成され、エッ
チング速度が格段に減速するので、この接合部近傍でエ
ッチングを停止する。

【００２６】次に図７に示すように、フッ酸により窒化
膜４５を除去した後、支持基板４６を熱板に載せて樹脂
ワックスＷを軟化させ、ウエハ４０を支持基板４６から
分離し、分離したウエハ４０を有機溶剤（例えば、トリ
クロロエタン）中に浸漬し、樹脂ワックスＷを溶解、洗
浄してウェハ４０を取り出し、その後、ウエハ４０の裏
主面にレジスト５０を全面塗布する。

【００２７】なお、このレジスト５０はホトパターニン
グのためではないので、レジスト液を流下させるだけで
よく、ホトパターニングのためのレジスト塗布（例えば
第２レジスト膜４９）の場合のように、スピンニング装
置のスピンニングテーブルにウエハ４０を真空チャック
する必要はない。次に図８に示すように、第２レジスト
膜４９の開口からエピタキシャル層４２をドライエッチ
ングして上部分離溝４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを形成す
る。

【００２８】次に図９に示すように、レジスト膜４９を
酸素アッシングにより除去し、レジスト５０を除去して
上部分離溝４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを完成し、この上部
分離溝４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄと下部分離溝１０とを連
通させて、貫通溝を形成する。続いてウエハ４０を台座
１の上に接合し、最後にダイシングしてチップ化する。

【００２９】以下、本実施例の要部であるリーク電流低
減が可能な高感度センサの設計について、図１０を参照
して以下、順番に説明する。 （薄肉起歪部５〜８の厚さの決定）本実施例では、セン
サのブリッジ感度を０．７ｍＶ／Ｇとする。この目標ブ
リッジ感度から図１１に示すブリッジ感度と薄肉起歪部
５〜８の肉厚との関係に基づき、薄肉起歪部５〜８の肉
厚Ｔを決定する。ここではＴは５．３μｍとすればよい
ことがわかる。 （ブリッジ入力電圧の決定）この実施例では、ピエゾ抵
抗領域１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５
ｂ，１６ａ，１６ｂを図４のように接続してなるブリッ
ジの高位入力端と低位入力端との間に印加するブリッジ
入力電圧Ｖｃｃを１２Ｖとし、またブリッジの低位入力
端は接地する。

【００３０】これは、後段の信号処理回路装置と電源電
圧を共通として電源装置の簡単化、配線の簡単化、互換
性を実現するためである。この状態において、薄肉起歪
部５〜８はピエゾ抵抗領域即ちＰ⁺ 領域４３と接合ダイ
オードを構成するので、薄肉起歪部５〜８の電位は両者
間の障壁電位だけ高い値（約０．７Ｖ）となるが、この
明細書では薄肉起歪部５〜８の電位は近似的にＰ⁺ 領域
４３の最高電位と等しいものとみなす。

【００３１】なお、基板４１と薄肉起歪部５〜８とはチ
ップ端面で抵抗接続状態となっており、基板４１はエピ
タキシャル層４２（薄肉起歪部５〜８）と等電位とみな
すことができる。その他、エピタキシャル層４２の表面
にｎ⁺ 領域を形成し、このｎ⁺ 領域をアルミ配線１９、
２３に接続してもよい。このｎ⁺ 領域はｎ⁺ 領域４４と
同じプロセスで形成できる。このようにすれば、エピタ
キシャル層４２の電位変動を抑止して、この電位変動に
よる出力信号電圧の変動を抑止できる。もちろん、上記
ｎ ⁺ 領域に電源電圧すなわちアルミ配線１９、２３とは
異なる直流電位を与えることは可能であるが、この場合
にはエピタキシャル層４２の電位固定用の入力端子及び
電源を新たに必要とし、装置構成の複雑化を招くだけ
で、得策ではない。すなわち、ブリッジの高位入力端３
２とエピタキシャル層４２とを同電位（又は上記近似的
同電位を含む）に固定することが最も簡単である。 （基板４１の不純物濃度の決定）上記した電気化学エッ
チングによれば、後述する図１２、図１３の実験特性図
からエッチングはエピタキシャル層４２と基板４１との
接合空乏層の基板４１側の先端で停止すると考えてよい
ので、この実施例では、基板４１の不純物濃度を３×１
０¹⁷原子／ｃｍ³ に設定する。

【００３２】すなわち、センサとして使用する際に、Ｐ
⁺ 領域４３とエピタキシャル層４２（薄肉起歪部５〜
８）との間の接合空乏層が薄肉起歪部５〜８の裏面に到
達すると、上述のリーク電流が増大するために、エピタ
キシャル層４２の厚さはできるだけ厚くする必要があ
り、一方、薄肉起歪部５〜８の厚さは従来より格段に薄
くする必要がある。

【００３３】したがって、電気化学エッチングの停止位
置をできるだけエピタキシャル層４２と基板４１との接
合に接近させるため、この接合空乏層の基板４１側に伸
びる部分を狭小化する必要があり、そのために基板４１
の不純物濃度をできるだけ高濃度化する必要がある。一
方、実験によれば基板４１の不純物濃度が２×１０¹⁸原
子／ｃｍ³ とすると、エッチング速度が低下し、基板４
１のエッチングが困難となることが知られている。ま
た、印加電圧が０．６Ｖ以下の場合はエッチング速度が
上昇し、エッチング停止が困難となる。

【００３４】したがって、基板４１の不純物濃度を、１
×１０¹⁶原子／ｃｍ³ 以上、２×１０¹⁸原子／ｃｍ³ 以
下、更に好ましくは、１〜８×１０¹⁷原子／ｃｍ³ とす
れば、高感度化とリーク電流抑圧との相乗効果を奏する
ことができる。 （エピタキシャル層４２の厚さの決定）エピタキシャル
層４２の厚さｗｅは、薄肉起歪部５〜８の厚さをＴ＝
５．３μｍ、基板４１のエッチング残り部分（残留Ｐ型
領域）の厚さをｗｂとすれば、Ｔ−ｗｂとなる。ｗｂは
以下のようにして決定する。

【００３５】基板４１の不純物濃度をＮｂ（３×１０¹⁷
原子／ｃｍ³ ）、エピタキシャル層４２の不純物濃度Ｎ
ｅから、基板４１とエピタキシャル層４２との間の接合
空乏層の基板４１側に伸びる部分の幅ｗｂは、 ｗｂ² ＝２Ｋε（Ｖｃ＋Ｖｏ）／（ｑＮｂ（１＋Ｎｂ／
Ｎｅ）） により決定する。なお、Ｋはシリコンの比誘電率、εを
真空誘電率、Ｖｃは電気化学エッチングにおける印加電
圧であり、Ｖｏは０バイアス時のエピタキシャル層４２
と基板４１との間の障壁電圧、ｑを電子の電荷量とし、
Ｎｂには仮定値を用いる。 （Ｐ⁺ 領域４３の不純物濃度及び深さの決定）ピエゾ抵
抗領域Ｐ^- １３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，
１５ｂ，１６ａ，１６ｂを構成するＰ⁺ 領域４３の深さ
ｄは予め決定でき、ここでは１．０μｍとする。Ｐ⁺ 領
域４３の不純物濃度は、ｎ型エピタキシャル層４２より
１桁以上、高濃度に形成される。これはＰ⁺ 領域４３と
ｎ型エピタキシャル層４２との間の接合空乏層がＰ⁺ 領
域４３内に伸びるのを抑止して、エピタキシャル層４２
の電位変動によりＰ⁺ 領域４３の抵抗値が変化するのを
低減するためなどの理由である。また、Ｐ⁺ 領域４３の
不純物濃度が高すぎると、その抵抗値が小さくなり、ア
ルミ配線などの電気抵抗が無視できず、電流増大による
温度上昇も無視できなくなる弊害があり、一方、Ｐ⁺ 領
域４３の不純物濃度が低すぎると、各ピエゾ抵抗の抵抗
雑音が増加し、リーク電流に対する信号電流の割合が増
加してＳ／Ｎ比が増加するという弊害が生じる。これら
のことから、ここでは、Ｐ⁺ 領域４３の不純物濃度は、
１×１０²⁰原子／ｃｍ³ とする。

【００３６】したがってここでは、Ｐ⁺ 領域４３とエピ
タキシャル層４２との間の接合空乏層は全てエピタキシ
ャル層４２側に伸びると仮定する。 （エピタキシャル層４２の不純物濃度の決定）Ｐ⁺ 領域
４３の直下のエピタキシャル層４２の有効厚さｗは、エ
ピタキシャル層４２の厚さｗｅからＰ⁺ 領域４３の深さ
ｄを引いたものである。

【００３７】Ｐ⁺ 領域４３とエピタキシャル層４２との
間の接合空乏層ＤＬが薄肉起歪部５〜８の裏面に達する
と、上述したようにリーク電流及びノイズ電圧の大幅な
増大が生じるので、これを防止するために、接合空乏層
ＤＬの幅ｗｄｌは、ｗ＝ｗｅ−ｄ＝Ｔ−ｗｂ−ｄより小
さい必要がある。接合空乏層ＤＬの幅ｗｄｌは、以下の
式で計算できる。

【００３８】 ｗｄｌ² ＝２Ｋε（Ｖｃｃ＋Ｖｏ）／（ｑＮｅ（１＋Ｎｅ／Ｎｐ）） ＝２Ｋε（Ｖｃｃ＋Ｖｏ）／（ｑＮｅ） したがって、Ｎｅ＝２Ｋε（Ｖｃｃ＋Ｖｏ）／（ｑ×ｗ
ｄｌ² ） なお、ＮｐはＰ⁺ 領域４３の不純物濃度、ＮｅはＮ型エ
ピタキシャル層４２の不純物濃度である。ｗｄｌは安全
をみてビーム厚の有効厚さｗより１μｍ小さい値とす
る。

【００３９】なお、上記計算において、（エピタキシャ
ル層４２の厚さの決定）の段階で仮定したＮｅがここで
求めたＮｅと大幅に変わる場合には、再度Ｎｅの仮定値
を修正して計算をやりなおせばよい。以下、このように
して計算した諸元の一例を以下に記載する。印加電圧Ｖ
ｃｃは１２Ｖ、基板４１の不純物濃度は約３×１０¹⁷原
子／ｃｍ³、エピタキシャル層４２の不純物濃度は約７
×１０¹⁵原子／ｃｍ³ 、Ｐ⁺ 領域４３の不純物濃度は約
１×１０²⁰原子／ｃｍ³ 、薄肉起歪部５〜８の厚さＴは
約５．３μｍ、Ｐ⁺ 領域４３の深さは約１．０μｍ、接
合空乏層Ｗｄｌは約１．５μｍ。

【００４０】次に、上記したリーク電流増大を確認する
実験結果について、図１４、図１５に示し、その理由を
図１６の模式断面図及び図１７の簡略化等価回路図に基
づいて説明する。ただし、計測は図１６の試料で行っ
た。この装置で、基板４１の不純物濃度は約３×１０¹⁷
原子／ｃｍ³ 、エピタキシャル層４２の不純物濃度は約
７×１０¹⁵原子／ｃｍ³ 、Ｐ⁺ 領域４３の不純物濃度は
約１×１０²⁰原子／ｃｍ ³ 、薄肉起歪部５の厚さＴはエ
ピタキシャル層４２の厚さにほぼ等しく約２．５μｍ、
Ｐ⁺ 領域４３の深さは約１．０μｍ。エピタキシャル層
４２の表面に接地用のｎ⁺ 領域を設けた。

【００４１】これとＰ⁺ 領域４３との間に可変のＶｃｃ
を印加し、リーク電流を調べた。その結果を示す図１４
から、接合空乏層の先端が裏面に接近するＶｃｃが１１
Ｖを超える点ａから顕著にリーク電流ａが増加し始め、
３０ＶでＰＮ接合の降伏が生じている。ちなみに、上記
諸元におけるＶｃｃ＝１１ＶにおけるＰ⁺ 領域４３とエ
ピタキシャル層４２との間の接合空乏層のエピタキシャ
ル層４２側の幅（計算値）は約１．５μｍである。

【００４２】次に、３個のサンプルＡ、Ｂ、Ｃを用いて
リーク電流とブリッジ出力電圧のばらつきとの関係を調
べた。その結果を、図１５に示す。ただし、サンプル
Ａ、Ｂ、Ｃの詳細は以下の通りである。諸元は上記と同
一。ただし、薄肉起歪部の厚さは、Ａが３．５μｍ、Ｂ
が３．０μｍ、Ｃが２．５μｍである。図１５から、リ
ーク電流が急増し始めると、ブリッジの出力電圧のばら
つきが急増することがわかる。

【００４３】接合空乏層が薄肉起歪部５の裏面に到達す
ると、Ｎ⁺ 領域４４、エピタキシャル層４２、基板４
１、裏面チャンネル、接合空乏層、Ｐ⁺ 領域４３の順に
電流が流れたりなどして、リーク電流の増大、ブリッジ
出力電圧がばらつくことがわかった。また当然、ノイズ
電圧も増大する。 （実験例１）図６の電気化学エッチングにおいて、エピ
タキシャル層４２の厚さｔは６μｍとし、印加電圧Ｖｃ
を変えた場合の薄肉起歪部５〜８の厚さの変化を図１１
に示す。また、基板４１側の空乏層幅ｗｐとエピタキシ
ャル層４２の厚さｔとの和を特性線として図示する。

【００４４】図１１から薄肉起歪部５〜８の厚さはｗｐ
＋ｔに一致することがわかる。 （実験例２）図６の電気化学エッチングにおいて、エピ
タキシャル層４２の厚さｔは６μｍとし、印加電圧Ｖｃ
を２Ｖ、エピタキシャル層４２の不純物濃度を７×１０
¹⁵原子／ｃｍ³ とし、基板４１の不純物濃度を変えた場
合の薄肉起歪部５〜８の厚さの変化を図１２に示す。ま
た、基板４１側の空乏層幅ｗｐとエピタキシャル層４２
の厚さｔとの和を特性線として図示する。

【００４５】図１２から薄肉起歪部５〜８の厚さはｗｐ
＋ｔに一致することがわかる。以上の実験結果から、薄
肉起歪部５〜８の肉厚Ｔを設計肉厚にするには、Ｔ＝ｔ
＋ｗｐとすればよいことがわかる。 （実施例２）他の実施例を図１７に基づいて説明する。

【００４６】この実施例は、ｎ型エピタキシャル層４２
とｐ型基板４１との間に薄いｎ⁺ エピタキシャル層（空
乏層ストッパ領域）７０を形成したものである。このよ
うにすれば、Ｐ⁺ 領域４３とエピタキシャル層４２との
間の接合空乏層はこのｎ⁺ エピタキシャル層７０に遮断
されて薄肉起歪部５の裏面７２に到達できず、その結果
としてリーク電流の増大やノイズ電圧の増大を抑止する
ことができる。

【００４７】この、ｎ⁺ エピタキシャル層７０は、エピ
タキシャル層４２の初期段階で不純物ドープ量を多くす
れば形成することができる。また、Ｐ⁺ 基板４１の表面
にＰ ⁺ 基板４１の不純物より拡散速度が早いｎ型不純物
をドープしておき、エピタキシャル層４２のエピ工程に
おけるオートドープにより形成してもよい。なお、ｎ⁺
エピタキシャル層（空乏層ストッパ領域）７０の不純物
濃度は、５×１０¹⁶原子／ｃｍ³ 以上、好ましくは１×
１０¹⁷〜１×１０²⁰原子／ｃｍ³ とされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の半導体加速度センサの斜視図である。

【図２】半導体加速度センサの平面図である。

【図３】図２のＡーＡ断面図である。

【図４】このセンサのブリッジ回路図である。

【図５】図１のセンサの製造工程を示す断面図である。

【図６】図１のセンサの製造工程を示す断面図である。

【図７】図１のセンサの製造工程を示す断面図である。

【図８】図１のセンサの製造工程を示す断面図である。

【図９】図１のセンサの製造工程を示す断面図である。

【図１０】センサの模式断面図である。

【図１１】図１のセンサの薄肉起歪部（ビ−ム）厚とブ
リッジ感度との関係を示す特性図である。

【図１２】電気化学エッチングにおける印加電圧と薄肉
起歪部の厚さとの関係を示す特性図である。

【図１３】電気化学エッチング方法における基板の不純
物濃度と薄肉起歪部の厚さとの関係を示す特性図であ
る。

【図１４】印加電圧とリーク電流との関係を示す特性図
である。

【図１５】リーク電流とブリッジ出力電圧との関係を示
す特性図である。

【図１６】リーク電流の経路を示す模式断面図である。

【図１７】実施例２を示す断面図である。

【符号の説明】

４１ 半導体基板 ５〜８ 薄肉起歪部 １３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１
６ａ，１６ｂ ピエゾ抵抗領域（ピエゾ抵抗領域部） ４３ Ｐ⁺ 領域（ピエゾ抵抗領域部） ７０ ｎ⁺ 層（空乏層ストッパ領域）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも一端が半導体基板に支持され厚
   さが１５μｍ以下の第１導電型単結晶半導体からなる薄
   肉起歪部と、前記薄肉起歪部の表面部に形成され前記薄
   肉起歪部の１桁以上高濃度の不純物濃度の第２導電型半
   導体からなるピエゾ抵抗領域部とを備え、前記ピエゾ抵
   抗領域部の一入力端及び前記薄肉起歪部と前記ピエゾ抵
   抗領域部の他入力端との間に所定の定格電圧を印加して
   前記ピエゾ抵抗領域部の抵抗値変化を検出する半導体力
   学センサにおいて、 前記薄肉起歪部は、Ｋを前記薄肉起歪部及び前記ピエゾ
   抵抗領域部の比誘電率、εを真空誘電率、Ｖｃを前記定
   格電圧、Ｖｏを０バイアス時の前記薄肉起歪部と前記ピ
   エゾ抵抗領域との間の障壁電圧、ｑを電子の電荷量、Ｗ
   を薄肉起歪部の肉厚ｄを前記ピエゾ抵抗領域の深さとし
   た場合に、２Ｋε（Ｖｃ＋Ｖｏ）／ｑ（ｗ−ｄ）² より
   高濃度の不純物濃度を有することを特徴とする薄形半導
   体力学センサ。
2. 【請求項２】少なくとも一端が半導体基板に支持され第
   １導電型単結晶半導体からなる薄肉起歪部と、前記薄肉
   起歪部の表面部に形成され第２導電型半導体からなるピ
   エゾ抵抗領域部とを備え、前記ピエゾ抵抗領域部の一入
   力端及び前記薄肉起歪部と前記ピエゾ抵抗領域部の他入
   力端との間に所定の定格電圧を印加して前記ピエゾ抵抗
   領域の抵抗値変化を検出する半導体力学センサにおい
   て、 前記薄肉起歪部の裏面部に高濃度の第２導電型の空乏層
   ストッパ領域が配設されることを特徴とする半導体力学
   センサ。