JPS61234064A

JPS61234064A - 半導体振動検出装置

Info

Publication number: JPS61234064A
Application number: JP60074447A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Hoshino; 重夫星野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1985-04-10
Filing date: 1985-04-10
Publication date: 1986-10-18
Also published as: US4672849A; DE3611969C2; JPH0523068B2; DE3611969A1

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】〔発明の技術分野〕この発明は、半導体基板上に形成された超小型の撮動検
出装置に関し、特に広範囲のレベルの機械的振動を高感
度で検出し得る半導体振動検出装置に関する。

〔発明の技術的背景および問題点〕

機械的振動を検出する方法には種々の方法があるが、近
年開発されつつある半導体を利用した振動検出装置は、
極めて小型でかつ高感度であるとともに、他の集積回路
とともにプリント回路基板上に構成することができる等
の種々の、利点がある。

このような半導体振動検出装置は、半導体基板上にエツ
チング等の薄膜技術を用いて片持梁を形成し、この片持
梁が外部からの機械的振動によって振動した場合におけ
る片持梁と半導体基板との間で形成されるコンデンサの
容量変化を電気的に取り出して振動を検出するものであ
るが、この場合、特に片持梁の長さに応じて決定される
共振周波数の振動を高感度に検出することができるもの
である。このような半導体振動検出装置としては、例え
ば特開昭５９−３８６２１号または特開昭６０−５５６
５５号等に開示されたものがある。

更に詳しく説明すると、半導体振動検出装置は、例えば
Ｎ型半導体シリコン基板に形成されたＰ＋半導体拡散層
上に酸化膜を形成し、この酸化膜の上方に所定間隔あけ
て並行に対向して半導体材料、例えばボロンをドープ処
理されたポリシリコン層からなる片持梁を配設し、この
片持梁の一端を酸化膜に固定して構成されている。この
ように構成することにより片持梁の可動部分とＰ＋半導
体拡散層との間に可変コンデンサが形成される。そして
、この半導体振動検出装置に外部から機械的撮動が加え
られると、この振動により片持梁が振動するため、この
片持梁とＰ＋半導体拡散層との間の距離が変化して両者
の間に形成される可変コンデンサの容量が変化する。こ
の容量の変化を電気的に検出することにより振動を検出
することができるものであり、この場合の片持梁の長さ
によって決定される共振周波数の振動が印加された場合
、片持梁は最も大きく撮動して大きな容量変化が検出さ
れ、これにより共振周波数に等しい振動成分を高感度で
検出できるのである。

また、このような片持梁を有する半導体振動検出装置の
感度を向上し、小さなレベルの振動までも検出するには
片持梁により形成される可変コンデンサの容量を同一の
振動に対して大きくすればよく、このためには半導体振
動検出装置を真空中に置いて共振のＱを上げることが有
効である。

ところで、特に外部からの振動によって片持梁が共振す
る場合、その振動レベルが大きいと、半導体基板の酸化
膜に並行に配設された片持梁の自由端部がその振動によ
り大きく振れ、該自由端部が酸化膜に当ってしまい、振
動を検出できないことがある。このため、大きなレベル
の振動を含んだ広範囲の撮動を検出することができない
という問題がある。この場合、片持梁と酸化膜との間の
距離を大きくすれば、片持梁が大きく振動しても片持梁
の自由端部は酸化膜に当ることはなくなる反面、当該距
離を大きくしすぎると、小さな振動を検出しにくくなる
。

〔発明の目的〕

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的と
するところは、特定周波数の振動検出を広範囲に且つ高
感度で行なえるようにした半導体振動検出装置を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、半導体基板に対し一端が固定
され所定良さをもって形成される可動片を有し、この可
動片が当該所定長さに応じた特定周波数の振動に対し共
振することで当該特定周波数の振動を検出する装置にお
いて、この発明は、各層が形成時に生じる真性応力およ
び接合される隣接層との間の熱膨張係数の相違に基づい
て決定された材質および厚さを有する複数の層からなる
多層構造で前記可動片を構成し、当該複数の層により形
成されたときには可動片の他端が半導体基板に対して隔
離する方向に反って形成されることを要旨とする。

〔発明の実施例〕

以下、図面を用いてこの発明の詳細な説明する。

第１図はこの発明の一実施例に係わる半導体振動検出装
置の断面図である。この半導体振動検出装置はＮ型半導
体シリコン基板１上に構成されている。このシリコン基
板１には複数のＰ＋半導体拡散層３．５．７．９が形成
され、この各Ｐ＋半導体拡散層上に酸化膜１１が形成さ
れている。Ｐ“半導体拡散層３の上方には酸化膜１１に
対向して片持梁１３が設けられている。この片持梁１３
の一端は基端部としてＰ＋半導体拡散層５の上の酸化膜
１１に固定され、他端は自由端部として酸化膜１１から
離隔し反って形成されている。該片持梁１３の基端部寄
りの片持梁１３と酸化ｇ！１１との間は距離ａをもって
離隔し、また自由端部の先端における片持梁１３と酸化
膜１１との間は距離ｄをもって離隔している。

片持梁１３は、シリコン基板１の酸化膜１１に対向する
側にナイトライド膜１５が形成され、このナイトライド
膜１５の上側にボロンをドープ処理されたボロンドープ
ポリシリコン層１７が設けられ、このボロンドープポリ
シリコン層１７の上側、すなわち一番上側には片持梁１
３の反り量を制御するための反りコントロール用ナイト
ライド膜１９が形成される構造の３層膜で構成されてい
る。

なお、第１図において、２１はゲート電極、２３はゲー
ト酸化膜、２５はＰＳＧの保護膜、２７はアルミニウム
配線であり、ゲート電極２１とゲート酸化膜２３とはＰ
＋半導体拡散層７，９とともにＭＯＳトランジスタ３３
を構成している。

以上のように構成された半導体振動検出装置は、片持梁
１３の自由端部のボロンドープポリシリコン層１７と対
向するＰ＋半導体拡散層３との間で可変コンデンサを構
成し、片持梁１３の酸化膜１１に固定された基端部のボ
ロンドープポリシリコン層１７と対向するＰ１半導体拡
散層５との間で固定コンデンサを構成している。また、
半導体振動検出装置は、外部から機械的振動が加えられ
ると、片持梁１３の自由端部がシリコン基板１の面に対
して略直角な方向に振動する。そして、この振動によっ
て片持梁１３の自由端部が振動して片持梁１３とシリコ
ン基板１との間の距離が変化すると、この距離の変化に
応じて可変コンデンサの容置が変化する。また、片持梁
１３はその長さによって決定される共振周波数の振動が
印加された時、最も大きく振動し、これにより共振周波
数の振動を高感度で検出することができる。

第２図は、第１図の半導体振動検出装置の等価回路およ
び関連する検出回路を含む回路図である。

同図において、前記第１図で示した可変コンデンサ２９
および固定コンデンサ３１は互いに直列に接続され、可
変コンデンサ２９の一端はアースに接続されるとともに
、固定コンデンサ３１の一端には電源電圧■ｄが供給さ
れている。両コンデンサの接続点は前記ＭＯＳトランジ
スタ３３のゲート電極２１に接続されている。また、Ｍ
ＯＳトランジスタ３３のソースはアースに接続され、ド
レインは出力端子３５を介して定電流源３７および演算
増幅回路３９に接続されている。なお、この定電流源３
７および演算増幅回路３９は第１図には示されていない
が、同じシリコン基板１に一体的に集積化して形成され
得るものである。

以上のように構成されたものにおいて、直列に接続され
たコンデンサ２９．３１の接続点、すなわちＭＯＳトラ
ンジスタ３３のゲート電極２１には電源電圧Ｖｄを分圧
した電圧が供給されている。

そして、本半導体振動検出装置に外部から機械的振動が
加えられて片持梁１３が振動すると、該片持梁１３の自
由端部で構成されている可変コンデンサ２９の容量が変
化するため、ＭＯＳトランジスタ３３のゲート電極２１
に供給される分圧電圧は可変コンデンサ２９の容量変化
に対応して変動する。この変動する電圧はＭＯＳトラン
ジスタ３３によって増幅されて出力端子３５から出力さ
れ、演算増幅器３９に供給されている。従ってこのＭＯ
Ｓトランジスタ３３の出力電圧の変化は片持梁１３に外
部から加えられる振動に一致したものである。そして、
片持梁１３に加えられる振動の周波数が片持梁１３の共
振周波数に等しい場合、片持梁１３は大きく振動し、可
変コンデンサ２９の容量は大きく変化するため、ＭＯＳ
トランジスタ３３の出力電圧は最も大きく変化し、大き
な出力電圧が得られるのである。そして、この場合、片
持梁１３に加えられる振動が比較的大きく、これによっ
て片持梁１３の自由端部が大きく振動したとしても、片
持梁１３の自由端部は図示のようにシリコン基板１から
離隔する方向に反っているので、片持梁１３の自由端部
の先端がシリコン基板１の酸化膜１１に当ることがない
ようになっている。

ところで、この片持梁１３の反りは、反りコントロール
用ナイトライド膜１９の厚さを可変することにより任意
に可変することができる。第３図はこの反りコントロー
ル用ナイトライド膜１９の厚さＴＳＮをパラメータにし
た場合の片持梁１３の長さしに対する反り史の関係を示
すグラフであって、該グラフはナイトライド膜１５の厚
さを４９０Ａ、ボロンドープポリシリコン層１７の厚さ
を１．０μｍとし、反りコントロール用ナイトライド膜
１９の厚さＴＳＮを５４０Ａ、６３０Ａ。

７７０Ａに変化した場合の片持梁１３の長さくμｌ）と
反り（μｍ）の関係を示している。同図に示すように、
反りコントロール用ナイトライド膜１９の厚さが大きく
なる程、反りは大きくなっている。

すなわち、片持梁１３は、減圧化学蒸着法（ＣＶＤ）で
形成すると、片持梁１３を構成する金膜には真性応力が
残り、ナイトライドｌ！１５．１９はボロンドープポリ
シリコン層１７に対して引っ張り応力となる。また、ナ
イトライド膜１５．１９とボロンドープポリシリコン１
１１７との熱膨張係数の違いにより形成温度から室温に
戻す時に、ナイトライドＩｆ１１５とボロンドープポリ
シリコン１ｌｉ１７との間および反りコントロール用ナ
イトライド膜１９とボロンドープポリシリコンｌ！１７
との間に応力が発生する。従って、反りコントロール用
ナイトライド！１１９をナイトライド１１１５よりも厚
く形成すると、片持梁１３は図において上向きの、すな
わちシリコン基板１から離隔する方向の引張り応力が形
成され、片持梁１３は第１図に示すように上方に反るの
である。

なお、片持梁１３の反りは、余り大きくする左検出感度
が悪くなり、逆に小さくしすぎると、片持梁１３の先端
がシリコン基板１に当る恐れがあるので、片持梁１３の
反りは必要最小限に設定することが必要である。−例と
して片持梁１３の基端部寄りの距＃１ａを１μｌ１片持
梁１３の長さを４５０μｍ１その共振周波数を約７ｋ　
Ｈ７とし、頁空中での共振のＱが１００になるように使
用して、約４０Ｇの振動レベルまで検出できるようにす
るには、片持梁１３の自由端部の先端の距［ｄが約３０
μＩになるように片持梁１３の反りを制御することが必
要である。

第４図は上述した一例の半導体振動検出装置に加えられ
る撮動の周波数と前記出力端子３５からの出力電圧との
関係を示したグラフである。本グラフは真空度５０ｐａ
で５Ｇ、　１ｋ　ｆ−１ｚ　〜２０ｋ　Ｈ２の振動を加
えた場合のものであり、なおこの時の回路の電源電圧Ｖ
ｄは１２ボルトである。図かられかるように、振動の周
波数が７ｋ　Ｈ７の場合に最大の出力電圧が得られてい
る。また、１Ｇ当り約６ｇ＋Ｖの出力電圧が出力端子３
５から発生し、１Ｇ以下から４０Ｇまでの広い範囲の振
動を検出することができるようになっている。

また、片持梁１３の反り量は、ナイトライド膜１５、ボ
ロンドープポリシリコン１Ｉ１１７および反りコントロ
ール用ナイトライド膜１９の組合わせで決定されるが、
実際に形成する場合には、まず、ナイトライド膜１５お
よびボロンドープポリシリコン層１７を形成した後に、
その膜厚を正確に測定し、この測定結果から所定の反り
を得るための反りコントロール用ナイトライド膜１９の
膜厚を算出してから反りコントロール用ナイトライド膜
１９を形成している。

更に、半導体振動検出装置の性能を揃えるためには、片
持梁１３の反り凸を所定値の±５μｍ程度に制御する必
要がある（片持梁１３の長さが４５０μ■の場合）。こ
のためには、反りコントロール用ナイトライド膜１９の
厚さを２〜３％以下のバラツキで形成する必要がある。

このように反りコントロール用ナイトライド膜１９を形
成する方法としては反りコントロール用ナイトライド膜
１９を形成する工程において１回当りに成長するウェー
ハの枚数を低減したり、成長条件を厳しくしてバラツキ
の少ない膜を形成する方法があるが、反すコントＯ−ル
用ナイトライド膜１９の厚さを５０人程度厚く形成して
、膜厚を正確に測定した後、エツチング速度を正確に制
御しながら加熱したリン酸中で所定の厚さまでエツチン
グする方法の方が誤差が少なく、反りコントロール用ナ
イトライド膜１９の厚さを正確に所定の厚さに形成する
ことができる。仁の方法を使用すれば、反りコントロー
ル用ナイトライドｗ１１９はウェーハ内の膜厚分布を小
さくすることによりロット間、ロット内ではバラツキが
あっても減圧化学蒸着法により反りコントロール用ナイ
トライド膜１９を低価格で形成することができる。

また、片持梁１３の形成方法の違いによりナイトライド
膜１５および１９がボロンドーブボリシリコン層１７に
対して圧縮圧力となる場合にはナイトライド８１１５に
対して反りコントロール用ナイトライドｌｌ１１９の厚
さを薄く形成することが必要である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、可動片の自由
端部を半導体基板から離隔する方向に反らせるように可
動片を複数の層で各層の材質および厚さを適切に選択し
て構成しているので比較的大きな振動が加わっても可動
片の自由端部は半導体基板に当ることがなく、特に特定
周波数の振動を広範囲のレベルにわたって且つ高感度で
検出す、　　　　　ることができる。また、可動片の反
りは可動片を構成する各層の材質および厚さを選択する
ことにより任意の大きさに形成され得るので、任意の振
動レベルに対しても適切な反りを有した可動片を同じ特
性で形成することができ、大量処理が可能となり、経済
的な半導体振動検出装置が提供され得る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係わる半導体検出装置の
断面図、第２図は第１図の半導体振動検出装置の等価回
路図、第３図は第１図の半導体検出装置における片持梁
の長さと反りの関係の一例を示す特性図、第４図は第１
図の半導体振動検出装置に加えられる撮動の周波数と出
力電圧との関係の一例を示す特性図である。１・・・Ｎ型シリコン基板３．５・・・Ｐ＋半導体拡散層１１・・・酸化膜１３・・・片持梁１５・・・ナイトライド膜１７・・・ボロンドープポリシリコン層１９・・・反り
コントロール用ナイトライド膜２９・・・可変コンデン
サ３１・・・固定コンデンサ３３・・・ＭＯＳ　ｌ−ランジスタ特許出願人　　　　　日産自動車株式会社第１図第２ｒＭ第ａＩ！Ｉ梁の長さ　Ｌ（ＡＡｍ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板に対し一端が固定され所定長さをもつ
て形成される可動片を有し、この可動片が当該所定長さ
に応じた特定周波数の振動に対し共振することで当該特
定周波数の振動を検出する装置において、前記可動片は
、各層が形成時に生じる真性応力および接合される隣設
層との間の熱膨張係数に基づいて決定された材質および
厚さを有する複数の層からなる多層構造であり、当該複
数の層により形成されたときには他端において半導体基
板に対して離隔する方向に返つた形状であることを特徴
とする半導体振動検出装置。
（２）前記可動片は、他端が前記特定周波数の検出しよ
うとする最大レベルが加わった共振時でも前記半導体基
板に当らない程度の距離を有するように返つて構成され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半
導体振動検出装置。