JPH0618552A - 半導体加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】簡単な構造の単一の半導体加速度センサにより
複数方向から受ける加速度を検出できるようにする。 【構成】加速度センサを絶縁膜30により相互に絶縁した
下側半導体部分10と上側半導体部分20から構成し、上側
半導体部分20に下側半導体部分20に固定した支承部25と
それからダイアフラム部26や棒状の懸垂部27を介して振
り子状にかつ弾性的に懸垂された質量部21を設け、下側
半導体部分10の上面に質量部21と狭い間隙を介して対向
する複数個の電極膜14,15a,15b,16a,16bを不純物拡散に
よって作り込み、加速度をｚ方向やｘ方向あるいは紙面
に直角なｙ方向から受けたとき質量部21を変位させてそ
れと各電極膜との間の静電容量の変化から２方向ないし
３方向の加速度を検出できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は１対の半導体部分から構
成されるいわゆる静電容量形の加速度センサであって、
互いに直角な少なくとも２方向の成分からなる加速度の
検出に適する半導体加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置を利用するセンサは数mm角以
下の極小形に構成できるほか関連回路とともに共通の半
導体チップに作り込める利点があり、圧力や加速度の検
出用の量産センサに適している。ところで、かかる物理
量の検出にはセンサに可動部を作り込む必要があり、こ
のため従来からダイアフラム形やカンチレバー形構造が
主に採用されて来ているが、ここでは加速度の検出感度
を高めるために可動部の変位量を大きくとる上で有利な
カンチレバー形の半導体センサの代表例を図５を参照し
ながら簡単に説明する。

【０００３】図５の半導体板51が可動部側であり、それ
用の薄い単結晶シリコン等の基板にフォトエッチングを
施して溝51ａを切ることにより可撓性のカンチレバー部
52とそれにより支承された質量部53が形成される。もう
一方の半導体板54にもフォトエッチングを施して質量部
53に対応する個所に凹所54ａを形成する。図の例では半
導体板51の下面と半導体板54の上面にそれぞれ電極膜55
と56を付けてそれらを介して両板51と52を相互に接合
し、かつ電極膜55と56からセンサ用の端子をそれぞれ導
出する。質量部53の下面の電極膜55と凹所54ａの底面上
の電極膜56の間に狭い間隙Ｇをもつ静電容量が形成され
る。かかる構造の半導体加速度センサ50において、質量
部53に対して加速度がｚで示す方向に掛かるとカンチレ
バー部52が撓んで間隙Ｇが変化するので、これに伴う静
電容量の変化から加速度を電気的に検出することができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の半導体加速度セ
ンサ50はごく小形に構成できかつ関連回路とともに集積
回路チップに組み込みが可能であるが、加速度が図５の
ｚ方向から掛かった時に比べて斜め方向から掛かった時
の検出感度がかなり低下するので、例えばそれを自動車
に組み込んで衝突を検出する際に正面からの衝突に対す
る感度は高くても斜め方向ないし側方からの衝突に対し
ては検出感度が不足して人身保護を充分にできない問題
がある。

【０００５】この問題の解決には、感度が鋭敏な方向が
互いに直交する加速度センサを２個ないし３個組み合わ
せてそれらの検出信号を電気的に合成すればよいが、図
５のような構造では複数個の加速度センサを感度方向を
異ならせて同じチップに組み込むのは非常に困難なので
チップ数ないしはセンサ数が増えてしまい、それだけ実
装や相互間の配線に手間が掛かるほか、ノイズを拾いや
すくなるので誤検出のおそれが高くなって信頼性が著し
く低下する。かかる事情から、本発明の目的は単一の簡
単な構造の加速度センサにより２方向ないし３方向から
掛かる加速度を検出できるようにすることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では加速度センサ
を相互に絶縁した上下１対の半導体部分から構成し、上
側半導体部分には下側半導体部分に固定された支承部と
それから振り子状かつ弾性的に懸垂された質量部とを設
け、下側半導体部分にはその表面部に質量部と間隙を介
して対向する複数個の電極層を不純物拡散によって作り
込み、加速度を受けたとき質量部を変位させて各電極層
との間の静電容量の変化から懸垂方向とそれに直角方向
の加速度を検出することより上記目的を達成する。

【０００７】なお、下側半導体部分に質量部の下側の中
央に配設された電極層とその周囲の向き合う位置に対を
なすように配設された電極層を設け、質量部と中央電極
層の間の静電容量の変化から質量部に懸垂方向から掛か
る加速度を検出し、質量部と周囲の電極層対の間の静電
容量の差動的な変化から懸垂とは直角な方向に掛かる加
速度を検出するようにするのが、センサが受ける加速度
を互いに独立な方向の複数個の成分に分離して検出する
上で有利である。またこの実施態様において、下側半導
体部分の表面部に凹所を設けるとともに上側半導体部分
の質量部をこの凹所の表面に沿いかつそれと狭い間隙を
置いて対向する形状に形成して、凹所の底面には中央電
極層を，凹所の側面には周囲の電極層対をそれぞれ配設
するのが検出感度を高める上でとくに望ましい。なお、
上側半導体部分側の凹所の縦断面形状は例えば深い皿状
や矩形状に形成することでよい。

【０００８】このように中央の電極層と周囲の電極層対
を設ける場合、前者用の端子を下側半導体部分の裏面側
に設けてもよいが、加速度センサを集積回路に組み込む
には端子を表面側に設けるのが有利である。このために
は、下側半導体部分を一方の導電形の基板上に他方の導
電形のエピタキシャル層を成長させて両者間に他方の導
電形の埋込層を設けた構成とし、エピタキシャル層の表
面から中央の電極層と端子用接続層を他方の導電形で埋
込層に達するよう拡散して、中央の電極層用の端子を後
者の接続層の表面に設けるのがよい。

【０００９】本発明センサに加速度が掛かった際の上側
半導体部分の質量部の変位を大きくかつ円滑にするに
は、支承部を円筒状に形成するとともに、周縁がこの支
承部に固定された円形のダイアフラム部とその中央に固
定された棒状の懸垂部を介して質量部を支承部に懸垂す
る構造とするのが有利である。かかる態様において検出
感度を高めるために質量部の変位を極力増加させるに
は、懸垂部を細いめに形成するのがよいが強度上の問題
が若干あるので、ダイアフラム部を薄いめに形成しさら
にはそれに窓を設けて可撓性を増加させる方が有利であ
る。

【００１０】本発明の半導体加速度センサの製造面で
は、下側半導体部分を単結晶半導体により構成し、上側
半導体部分をその上に絶縁膜を介し成長させた多結晶半
導体により構成するのが有利である。この場合の製造方
法としては、下側半導体部分の上面を薄い酸化膜で覆い
かつ要所には上側半導体部分との絶縁用に絶縁膜を被着
する工程と，薄い酸化膜の上に多結晶半導体の質量部を
配設する工程と，全面に厚い酸化膜を堆積しかつ支承部
と懸垂部用に溝を切る工程と，この溝内を充填しかつ厚
い酸化膜を覆うように多結晶半導体を成長させる工程
と、多結晶半導体の厚い酸化膜の上側部にエッチング用
の窓を開口した上でこの窓を介する化学的なエッチング
により厚い酸化膜と薄い酸化膜を除去する工程を経由す
るのが有利である。酸化膜が酸化シリコンの場合、最後
の工程におけるエッチングはふっ酸を用いて容易に行な
うことができ、両半導体部分の相互間の絶縁膜にはこれ
によりエッチングされない窒化シリコン等を用いるのが
よい。

【００１１】

【作用】本発明は前項の構成にいうように上側半導体部
分の質量部を下側半導体部分に固定された支承部から振
り子状に，かつ弾性的に懸垂することにより、センサが
加速度を受けたとき質量部が懸垂方向にもそれと直角方
向にも変位し得るようにするとともに、これに対応して
下側半導体部分にこの質量部と狭い間隙を介して対向す
る複数個の電極層を設けることにより、加速度がどの方
向から掛かっても質量部のかかる変位に基づくそれと各
電極層の間の静電容量の変化から加速度の３方向ないし
は少なくとも２方向の成分を単一の半導体加速度センサ
により検出できるようにしたものである。

【００１２】

【実施例】以下、図を参照しながら本発明の具体実施例
を説明する。図１に本発明による半導体加速度センサの
一実施例とその動作を断面図と上面図で示し、図２にそ
の製造方法の例を断面図で示し、図３に異なる実施例を
断面図で示し、図４にその製造方法の例を断面図で示
す。なお、以下説明する実施例では下側半導体部分の中
央に１個の電極層とその周囲に電極層の対とを設け、下
側半導体部分に単結晶半導体を用い上側半導体部分を多
結晶半導体で構成するものとするが、本発明はかかる構
造に限らず種々の形態で実施することができる。

【００１３】図１(a) に断面で示された下側半導体部分
10は単結晶シリコンからなり、この例ではｐ形の半導体
基板11の表面に強いｐ形の埋込層12を所定のパターンで
拡散した上でｎ形のエピタキシャル層13を成長させてな
る。この下側半導体部分10の上面の中央部に電極層14を
強いｐ形で埋込層12まで達するように深く拡散するとと
もに、図１(b) に示すようその周囲の向き合う位置に電
極層15a, 15bの対15と電極層16a, 16bの対16を強いｐ形
で浅く拡散する。なお、埋込層12のパターンは中央部と
図の右下への延出部からなり、延出部の端部に達するよ
うに下側半導体部分10の表面からｐ形の接続層12ａが深
く拡散される。また、電極層15a, 15bや16a, 16bのパタ
ーンも扇状部と端子用の外側への延出部からなる。

【００１４】図１(a) の上側半導体部分20は多結晶シリ
コンからなり、上側半導体部分10の上面に絶縁膜30を介
して固定ないし搭載される。図示の例の上側半導体部分
20は円板状の質量部21を円筒状の支承部25の上端部から
薄いダイアフラム部26と細い棒状の懸垂部27を介して懸
垂した構造をもち、かつダイアフラム26には複数個の窓
24がその可撓性を増すため例えばスリット状のパターン
で放射状に明けられている。図１(b) にこの上側半導体
部分20の質量部21と支承部25を図示の都合から破線によ
り示す。図のように支承部25の外周の一部から端子用の
張り出し部28が絶縁膜30の上に設けられる。

【００１５】図１(b) に示すようにこの張り出し部28に
接続されたアルミ等の金属膜により上側半導体部分20用
に単一の端子40が設けられる。下側半導体部分10に対し
ては図１(a) に示す絶縁膜30の窓31の個所に設ける金属
膜により端子が導出される。図１(b) のように中央の電
極膜14用に前述の埋込層12に接続された接続層12ａの上
に端子41が設けられ、対15の電極層15a, 15b用にはそれ
らの延出部の上に端子42a, 42bがそれぞれ設けられ、同
様に対16の電極層16a, 16b用に端子43a, 43bがそれぞれ
設けられる。図１(a) と(b) のように構成された加速度
センサは後述のように半導体の製造プロセス技術を利用
して下側半導体部分10の上に上側半導体部分20を作り込
むことによって、２〜３mm角程度に小形化しあるいは関
連回路とともに集積回路装置のチップ内に組み込むこと
ができる。

【００１６】図１(c) と(d) に加速度を受けた時の状態
を要部断面で示す。図１(c) に示すようｚ方向の加速度
が質量部21に掛かるとダイアフラム部26の撓みや懸垂部
27の伸縮により質量部21と中央の電極層14との間隙が図
のδだけ変化して、両者間の静電容量の変化から加速度
が検出される。図１(d) に示すようｘ方向の加速度が掛
かると質量部21がダイアフラム部26と懸垂部27の撓みに
より図のθだけ傾き、質量部21と電極層15a, 15bとの間
の２個の静電容量の差動的な変化から加速度が検出され
る。同様に紙面と直角なｙ方向の加速度を受けた時、質
量部21と電極層16a, 16bとの間の静電容量の差動的変化
から加速度が検出される。

【００１７】次に図２を参照して図１の実施例の加速度
センサの製造方法の例を説明する。図２(a) の状態では
下側半導体部分10は前述のようにｐ形の基板11に強いｐ
形の埋込層12を拡散した後にｎ形のエピタキシャル層13
を成長させてなり、その表面からｐ形の中央の電極膜14
が埋込層12に達するよう, 周囲の電極膜15a, 15b等が例
えば２μｍの深さにそれぞれ10¹⁸原子／cm³ 以上の高不
純物濃度で拡散されている。さらにこの工程では下側半
導体部分10の表面に酸化膜17が 0.5〜１μｍの膜厚で被
着される。なお、この酸化膜17の膜厚により加速度検出
用の静電容量の電極間の間隙長が設定される。

【００１８】図２(b) の工程では、下側半導体部分10の
表面に窒化シリコン等の絶縁膜30をＣＶＤ法により例え
ば２μｍ程度の膜厚に成膜してフォトエッチングを施す
ことにより、図のように表面の中央部分を除いたほぼ全
体を覆いかつ要所に端子用の窓31を備えるパターンに形
成する。なお、この図２(b) の絶縁膜30の形成工程と図
２(a) の酸化膜17の被着工程は互いに入れ換えてもよ
い。次の図２(c) の工程では、多結晶シリコンをＣＶＤ
法により例えば10〜50μｍの膜厚に成長させかつフォト
エッチングを施すことにより酸化膜17の上に質量部21を
円板状パターンで配設する。この質量部21用の多結晶シ
リコンは例えばドープ用の不純物を含んだふん囲気内で
ＣＶＤ成長させて高導電率をもたせるのがよい。

【００１９】図２(d) の工程では、シランと酸素を含む
ふん囲気ガス中の熱ＣＶＤ法により酸化膜22を例えば 1
00〜数百μｍの膜厚で全面に成長させた後にふっ素系ガ
スを用いるリアクティブイオンエッチングを施すことに
より、図のように質量部21の中央部を露出させる細い円
形断面の溝22ａと絶縁膜30の一部を露出させる環状の溝
22ｂを異方性のエッチング条件で深く掘り込む。さらに
図２(e) の工程では、多結晶シリコン23を図のように溝
22ａと22ｂを充填しかつ酸化膜22の上面を覆うように質
量部21用と同様な要領で厚く成長させた後に、いわゆる
エッチバックを施して上面を図のように平坦化する。な
お、この多結晶シリコン23の酸化膜22の上側部分の膜厚
は例えば数〜30μｍとするのがよい。

【００２０】図２(f) の工程では化学エッチングにより
上側半導体部分20を形成する。まず同図(e) の酸化膜22
上の多結晶シリコン23に窓24を明けた上で、ふっ酸液の
吹き付け等の手段で窓24を介して酸化膜22とその下側の
酸化膜17をエッチングにより除去して図２(f) の状態と
する。この際に窒化シリコンの絶縁膜30はふっ酸液によ
ってはエッチングされないので、下側半導体部分10の上
側にはこの絶縁膜30を除いて多結晶シリコンのみが残
り、前述の円筒状の支承部25と，円板状のダイアフラム
部26と，懸垂部27と，それから懸垂された質量部21とか
らなる上側半導体部分20が形成される。なお、上述の窓
24を明ける際に支承部25の外側に相当する図２(e) の多
結晶シリコン23にも開口を設けて置いてその下側の酸化
膜30と17をエッチングにより除去する。この図２(f) の
工程後は、絶縁膜30の窓31の個所に端子用の金属膜を設
けて図１(a) の完成状態とする。

【００２１】図３に本発明の異なる実施例を図１(a) に
対応する断面図で示す。図の図１に対応する部分には同
じ符号が付されている。この実施例では下側半導体部分
10の上面の中央部に凹所19を掘り込み、これに応じて上
側半導体部分20の質量部21を凹所19の表面に沿いそれと
狭い間隙を介して対向する形状に形成する。凹所19は図
の例では深い皿状に掘り込まれ、その底面に中央の電極
層14が, 斜めの側面に周囲の電極層15a, 15b等がそれぞ
れ配設される。このため、電極層15a, 15b等は図１の実
施例の場合よりも深く拡散される。これらの点以外の部
分の構造は前の実施例と変わるところはない。

【００２２】この図３の実施例では、質量部21にｚ方向
の加速度を受けた時のそれと中央の電極層14の間の静電
容量の変化は図１の実施例と同等であるが、加速度がｘ
方向ないし紙面に直角なｙ方向に掛かった時の質量部21
と周囲の電極層15a, 15b等の間の静電容量の差動的な変
化が図１の場合より大きくなるので、横方向に掛かる加
速度に対する検出感度が高い利点がある。容易にわかる
ようにこの検出感度は凹所19の側面の傾斜が急なほど高
くなり、凹所19を矩形の縦断面形状に形成するのが感度
向上に有利になる。

【００２３】図４を参照しながらこの図３の構造の加速
度センサに適する製造方法の要点を説明する。図４(a)
は前の図２(a) に相当する状態を示し、下側半導体部分
10の上面が薄い酸化膜17で覆われているが、上述のよう
に周囲の電極層15a, 15b等が図２(a) の場合よりも深
く，例えば数〜10μｍ程度の深さに拡散されている点が
異なる。次の図４(b) では凹所19を掘り込むためこの実
施例では厚い酸化膜18をいわゆる L0COS法により成長さ
せる。このため、酸化膜18を成長させるべき範囲以外の
酸化膜17の上に窒化シリコン膜18ａで覆った状態で高温
下の熱酸化処理を施すことにより、厚い酸化膜18を下側
半導体部分10の表面に図示のように皿状に５μｍ程度以
上食い込ませて成長させる。この後は下側半導体部分10
の表面から窒化シリコン膜18ａはもちろん酸化膜17と18
をすべて除去する。

【００２４】図４(c) では、下側半導体部分10の表面に
酸化膜17ａを例えば 0.5〜１μｍの膜厚で付け直しかつ
図２(b) の要領で窒化シリコンの絶縁膜30を配設した上
で、図２(c) の要領で多結晶シリコンの質量部21を凹所
19を覆う酸化膜17ａの上側に配設する。これにより質量
部21が凹所19の皿状表面に沿った形状に形成される。以
後はこれに図２(d) 〜(f) の工程を施た上で、金属膜の
端子を配設して図３の完成状態とすることでよい。な
お、この図４の製造方法の例では凹所19を皿状に形成す
るために L0COS法による厚い酸化膜18を利用したが、凹
所19を前述の矩形縦断面形状にするには図４(b) の段階
でフォトエッチングによりこれを掘り込むようにすれば
よい。

【００２５】以上説明した図１や図３の実施例の半導体
加速度センサでは、質量部に掛かるｚとｘの２方向ない
しｙ方向を含めた３方向の加速度を単一のセンサで検出
することができ、かつこれらの方向の加速度成分を電気
的に相互に分離して検出することができる。また、質量
部と各電極膜の間の静電容量から得られる電気信号を適
宜に合成することにより、例えば自動車の衝突時の人身
保護に最も適するよう正面方向のほか横方向からの衝撃
力も加味した所望の角度感度特性をもつ加速度検出値を
作ることができる。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたとおり本発明によれば、加速
度センサを相互に絶縁した上下１対の半導体部分から構
成し、上側半導体部分に下側半導体部分に固定された支
承部とそれから振り子状かつ弾性的に懸垂された質量部
を設け、下側半導体部分にその表面部に質量部と間隙を
介して対向する複数個の電極層を不純物拡散により作り
込み、加速度を受けたとき質量部を変位させて各電極層
との間の静電容量の変化から懸垂方向とそれに直角方向
の加速度を検出することより、次の効果を上げることが
できる。

【００２７】(a) 質量部を支承部から振り子状かつ弾性
的に懸垂することにより、加速度を受けた時に質量部を
懸垂方向にもそれと直角な方向にも変位させて、それに
伴う静電容量の変化から２方向ないし３方向から掛かる
加速度を単一の加速度センサにより検出することがで
き、かつ質量部に対する懸垂の弾性値を適宜に選定する
ことにより検出感度を高めることができる。

【００２８】(b) 電極層を複数設けてそれぞれ質量部と
の間に静電容量を形成させるので、加速度を受けた時の
各静電容量の変化から加速度の各方向成分を独立に検出
することができ、かつこれらの静電容量の変化による検
出信号を電気的に適宜に合成ないし組み合わせることに
より用途や目的に最適な感度方向特性で加速度を検出す
ることができる。

【００２９】これらの効果のほか、本発明の加速度セン
サは半導体プロセス技術を利用して２〜３mm角の極小形
に構成でき、関連回路とともに集積回路チップへの組み
込みが容易で、かつ安価に提供できる特長があり、自動
車の衝突の検出等に適用して加速度を所望の方向感度特
性で検出できる効果を奏し得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体加速度センサの実施例を示
し、同図(a) はその縦断面図、同図(b) は下側半導体部
分の上面図、同図(c) と(d) は加速度がｚ方向とｘ方向
から掛かった時の状態をそれぞれ示す要部の断面図であ
る。

【図２】図１の実施例に対応する半導体加速度センサの
製造方法例を示し、同図(a) は酸化膜の被着工程、同図
(b) は絶縁膜の形成工程、同図(c) は多結晶シリコンの
質量部の配設工程、同図(d) は酸化膜の成長工程、同図
(e) は多結晶シリコンの成長工程、同図(f) はエッチン
グ工程での状態をそれぞれ示す下側半導体部分と上側半
導体部分の断面図である。

【図３】本発明による半導体加速度センサの異なる実施
例を示す縦断面図である。

【図４】図３の実施例に対応する半導体加速度センサの
製造方法を要点について示し、同図(a) は酸化膜の被着
工程、同図(a) は凹所の掘り込み用の厚い酸化膜の成長
工程、同図(c) は絶縁膜の形成工程および多結晶シリコ
ンの質量部の配設工程の状態をそれぞれ示す下側半導体
部分の断面図である。

【図５】従来の半導体加速度センサの構造の概要をカン
チレバー形センサについて示す斜視図である。

【符号の説明】

10 下側半導体部分 14 中央の電極層 15ａ 周囲の対をなす電極層 15ｂ 周囲の対をなす電極層 16ａ 周囲の対をなす電極層 16ｂ 周囲の対をなす電極層 19 凹所 20 上側半導体部分 21 質量部 24 ダイアフラム部の窓 25 支承部 26 ダイアフラム部 27 懸垂部 30 絶縁膜 ｘ 加速度がかかる方向 ｚ 加速度が掛かる方向

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相互に絶縁された上下１対の半導体部分か
   らなり両者間に形成される静電容量の変化から加速度を
   検出するセンサであって、上側半導体部分が下側半導体
   部分に固定された支承部とそれから振り子状かつ弾性的
   に懸垂された質量部を備え、下側半導体部分の表面部に
   質量部と間隙を介して対向する複数の電極層が拡散さ
   れ、加速度を受けた時に質量部を変位させて電極層との
   間の静電容量の変化から質量部の懸垂方向とそれに直角
   方向の加速度を検出し得るようにしたことを特徴とする
   半導体加速度センサ。
2. 【請求項２】請求項１に記載のセンサにおいて、下側半
   導体部分が質量部の下側の中央に配設された電極層とそ
   の周囲の向き合う位置に対をなすように配設された電極
   層を備え、質量部と中央の電極層の間の静電容量変化に
   より質量部の懸垂方向に掛かる加速度を，質量部と周囲
   の電極層対の間の静電容量変化により懸垂と直角方向に
   掛かる加速度をそれぞれ検出するようにしたことを特徴
   とする半導体加速度センサ。
3. 【請求項３】請求項２に記載のセンサにおいて、下側半
   導体部分の表面部に凹所が設けられ、上側半導体部分の
   質量部が凹所の表面と間隙を置いて対向する形状に形成
   され、中央の電極層が凹所の底面に，周囲の電極層対が
   凹所の側面にそれぞれ配設されたことを特徴とする半導
   体加速度センサ。
4. 【請求項４】請求項１に記載のセンサにおいて、下側半
   導体部分が単結晶の半導体から，上側半導体部分がその
   上に絶縁膜を介し成長された多結晶の半導体からそれぞ
   れ構成されることを特徴とする半導体加速度センサ。