JPS6376483A - 半導体加速度センサの製造方法 - Google Patents

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】 〔概　　　要〕 本発明は、たわみ部とおもり部を備えるピエゾ抵抗型の
半導体加速度センサの製造方法において、たわみ部の厚
さを精度良く形成できるようにするために、まず第１の
発明では、Ｓｉ基板上のたわみ部となる領域にホウ素拡
散によって所定深さのｐ＋層を形成した後に、このｐ＋
層をエツチング停止層としてエツチングを施すようにし
たものであり、また第２の発明では、Ｓｉ層の片面にホ
ウ素拡散によってｐ＋層を形成し、その上に所定厚さの
ｎ型Ｓｉ層を形成したＳｉウェハを用い、上記ｐ＋層を
エツチング停止層とする異方性エツチングと上記ｎ型Ｓ
ｉ層をエツチング停止層とする選択性等方エツチングと
を順次施すようにしたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、ピエゾ抵抗効果を利用した半導体加速度セン
サの製造方法に関する。この種の加速度センサは、例え
ば産業機械やロボット等の振動検出あるいは自動車の加
速度検出等、各種の分野に利用されている。

上記半導体加速度センサは、マイクロマシーニング技術
を用いてＳｉ基板を加工することによって形成され、そ
の特徴として、加速度によって容易にたわむような極め
て薄い梁構造のたわみ部を有している。このことにより
、従来からある一般的な加速度センサに比べ著しく小型
化が可能であるが、出力が小さいため、高精度且つ高感
度にするには、上記たわみ部の厚さを再現性良く高精度
に形成できる方法が必要となる。

〔従来の技術〕

従来の製造方法によって形成された半導体加速度センサ
の振動部の断面図を第６図に示す。上記振動部は、主と
して、ピエゾ抵抗１を有する薄片化したたわみ部２と、
このたわみ部２を介して空中に支持されたおもり部３と
から構成されている。

なお、たわみ部２の他端は、周囲の支持部４に固定され
ている。このような加速度センサでは、矢印六方向への
加速度αが発生すると、これに応じて質量ｍのおもり部
３に生じる力Ｆ　（＝ｍα）によってたわみ部２がたわ
み、この時にピエゾ抵抗１に生じる抵抗変化分によって
、上記加速度を検知できるようになっている。

上記振動部の従来の製造方法は、まずＳｉ基板５上の所
定領域にリン拡散等により上記ピエゾ抵抗１を形成し、
更にこのピエゾ抵抗１にＡ２配線パターン６を設け、次
にＳｉＯ２膜７をマスクとして、上記Ｓｉ基Ｆｉ５の所
定領域にアルカリ性エツチング液によりエツチングを施
すことにより、たわみ部２、おもり部３および支持部４
を形成するものである。その際、たわみ部２の厚さは、
上記エツチングの時間によって制御していた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

エツチング速度はエツチング条件のわずかな変化で変動
するため、同一時間のエツチングであっても同じ厚さの
たわみ部２が得られるとは限らず、よってエツチング時
間でたわみ部２の厚さを精度よく制御するのは不可能で
あった。

本発明は、上記問題点に鑑み、たわみ部の厚さを極めて
精度良く形成することのできる、半導体加速度センサの
製造方法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本出願の第１の発明においては、まずＳｉ基板上のたわ
み部となる領域にホウ素拡散によって所定深さのｐ＋層
を形成する。その後、上記ｐ＋層をエツチング停止層と
して加熱アルカリ溶液で上記Ｓｉ基板の所定領域にエツ
チングを施すことにより、センサの振動部であるたわみ
部およびおもり部を形成する。

本出願の第２の発明においては、まずｐ型（もしくはｎ
型）Ｓｉ層の片面にホウ素拡散によってｐ＋層を形成し
、更にこのｐ＋層上にエピタキシャル成長によって所定
厚さのｎ型Ｓｉ層を形成する。その後、上記それぞれの
Ｓｉ層の所定領域に上記ｐ＋層をエツチング停止層とし
て異方性エツチングを施し、更に上記ｎ型Ｓｉ層をエツ
チング停止層として選択性等方エツチングを施すことに
より、たわみ部とおもり部を形成する。

〔作　　　用〕

上記第１の発明において、ホウ素拡散によって形成され
たｐ＋層は、抵抗率の低いｐ型Ｓｉとなっている。この
ような抵抗率の低いｐ型Ｓｉである上記ｐ”層は、加熱
アルカリ溶液によるエツチングに対しては、周囲のＳｉ
層に比べ掻めてエツチング速度が小さいため、エツチン
グ停止層として作用する。よってＳｉ基板を加熱アルカ
リ溶液でエツチングしていけば、このエツチングは上記
ｐ＋層の表面に至って停止する。従って、ホウ素拡散を
制御゛して所望の深さのｐ＋層を形成しておけば、その
深さに応じた厚さを持つたわみ部が精度良く形成される
。

上記第２の発明において、ホウ素拡散によって形成され
たｐ＋層は、異方性エツチングに対しては、上記と同様
に極めてエツチング速度が小さいため、エツチング停止
層として作用する。一方、選択性等方エツチングに対し
ては、上記ｐ”ｒｆａは逆にエツチング速度が著しく増
すため、低濃度層であるｎ型Ｓｉ層がエツチング停止層
として作用する。このｎ型Ｓｉ層の厚さはエピタキシャ
ル成長によって高精度に制御できるので、上記エツチン
グを上述したようにして順次施せば、上記ｎ型Ｓｉ層の
厚さに応じた極めて精度の良い厚さを持つたわみ部が得
られる。

〔実　　施　　例〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説
明する。

第１図（ａ）〜ＴＣ）は本発明の第１の実施例による製
造方法を示す工程図、第２図は本実施例によって製造さ
れた半導体加速度センサの平面図であり、第１図（Ｃ）
は第２図のＢ−Ｂ断面図となっている。

これらの図に基づき、本実施例による製造方法を以下に
説明する。

まず第１図（ａ）において、Ｓｉ基板１１上の所定領域
（後述するたわみ部１６となる領域）に、所定の深さま
でホウ素を拡散させ、９１層１２を形成する。その拡散
深さは例えば６〜８μｍ程度であり、後述するたわみ部
１６の厚゛さを決定するための主要な要因となる。次に
、上記２０層１２上に、上記ホウ素拡散深さよりも浅い
深さまで、上記ホウ素拡散による不純物濃度よりも高い
濃度でリンを拡散させて、ピエゾ抵抗１３を形成する。

例えば、ホウ素拡散、リン拡散によるそれぞれの不純物
濃度を、１０　　個／ｄ、１０　　個／　ｃ＋ｄとする
。

そして更に、ピエゾ抵抗１３に対して５ｔｏ２１１の窓
を介してアルミ配線パターン１４を設ける。

その後、第１図（ｂ）に示すように、後述するたわみ部
１６、おもり部１７および支持部１８の領域に対応した
パターン（第２図中に点線で示したパターン）を有する
ＳｉＯ２膜１５全１５ｉ基板１１の両面に形成する。そ
して、Ｓｉ基板′１１の裏面から、ＳｉＯ２膜１５全１
５クとして、上記パターンを加熱アルカリ溶液でエツチ
ングする。上記加熱アルカリ溶液としては、例えばエチ
レンジアミン、水およびピロカテコールの混合液を１１
０℃に加熱したもの等を用いる。このような加熱アルカ
リ溶液は異方性があり、Ｓｉ結晶のく１１１〉方向（第
１図（ｅ）の矢印Ｃ方向）にはエツチング速度が遅く、
＜１００＞方向（同図＋ｄ）の矢印り方向）には工・ノ
チング速度が速い。更に、上記ｐ＋層１２には、ホウ素
拡散により抵抗率の低い（０，０１Ω・Ω以下）ｐ型Ｓ
ｔとなっているので、周囲の３ｉ層と比べて極めてエツ
チング速度が小さくなり、よってエツチングの際のエツ
チング停止層として作用する。

すると上記エツチングは、第１図（Ｃ）に示すように、
Ｓｉ基板１１の裏面から（１１１）面に沿ってテーパ状
に進行し、ｐ＋層１２に至って停、止する。このような
エツチングを施すことにより、第１図（ｅ）および第２
図に示されるように、半導体加速度センサのたわみ部１
６、おもり部１７および支持部１８が形成される。この
時、たわみ部１６の厚さは、エツチング時間とは無関係
に、Ｐ＋層１２のホウ素拡散深さによって決定される。

従って、ホウ素拡°散深さを連立設定することにより、
たわみ部１６の厚さを精度良く自由に制御することがで
きる。

次に、第３図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の第２の実施例に
よる製造方法を示す工程図、第４図は本実施例によって
製造された半導体加速度センサの斜視図であり、第３図
（ｅ）は第４図のＥ−Ｅ断面図となっている。これらの
図に基づき、本実施例による製造方法を以下に説明する
。

まず第３図（ａ）において、ｎ型（もしくはｐ型）Ｓｉ
層２１の片面にホウ素拡散によってｐ＋層２２を形成し
、更にその上に所定厚さのｎ型３１層２３をエピタキシ
ャル成長させる。このようにして形成されたＳｔウェハ
を用いて、以下の拡散およびエツチングを行う。なお、
上記Ｓｉウェハは、（１００）面を有し、例えば全板厚
を２００μｍ、ｐ＋層２２の厚さを２．５　ａｍ、ｎ型
３１層２３の厚さを１０μｍとしている。

上記Ｓｉウェハのｎ型Ｓｉ層２３上の所定領域内（後述
するたわみ部２６となる領域内）に、ホウ素拡散によっ
てｐ型拡散抵抗２４を形成し、これをピエゾ抵抗として
用いる。この時の不純物濃度は、例えばｎ型３１層２３
が１０５１固／ｄであるのに対し、ｐ型拡散抵抗２４を
１０２″個／ｄ程度まで高めることができる。なお、こ
のｐ型拡散抵抗（ピエゾ抵抗）２４は、上記ｎ型Ｓｉ層
２３の（１００）面内の＜１１０：＞方向（矢印Ｆ方向
）に形成しておく。このようにすることにより、ピエゾ
抵抗係数を最大にすることができ、よって、後述するた
わみ部２６のたわみを高感度で検知できるようになる。

その後、後述するたわみ部２６、おもり部２７および支
持部２８の領域に対応したパターン（第２図中に点線で
示したパターンと同様なパターン）を有するＳｉＯ２膜
２５全２５述したＳｉウェハの両面に形成する。そして
、５ｉＯｚ膜２５をマスクとして、上記パターンに異方
性エツチングを施す。そのためのエツチング液としては
、例えばエチレンジアミン３４０　ｍ　ｌ　、ピロカテ
コール６０ｇおよび水１６０ｍ　ｌの混合液を１１０℃
に加温したもの等を用いる。このようなエツチング液は
、前述したような異方性を有しているとともに、ホウ素
を高濃度にドープした上記ｐ＋層２２に対しては、低濃
度ドープの５ｉＦｉｉ２１，２３に対するよりも極めて
遅い（１／１００以下）エツチング速度を与える。よっ
て、ｐ＋層２２は上記異方性エツチングにおいて、エツ
チング停止層として作用する。

するとこのエツチングは、第３図（ｂ）に示すように、
Ｓｉ層２１および２３の表面からそれぞれの（１１１）
面に沿ってテーバ状に進行し、ｐ＋層２２で停止する。

次に、上記異方性エツチングの後、更にその上から選択
性等方エツチングを施す。エツチング液としては、例え
ばフッ酸：硝酸：酢酸＝１　：　３　：８とした混合液
を用いる。このようなエツチング液に対しては、高濃度
の異方性エツチングの場合とは逆に、高濃度のｐ＋層２
２が低濃度のＳｉ層２１．２３よりも著しく速い（１０
０倍以上の）速度でエツチングされる。よって、ここで
はＳｉ層２１．　２３　（特にはｎ型３４層２３）がｘ
−７チング停止層として作用する。このエツチングによ
り、第３図（Ｃ）に示すように、ｐ＋層２２のうち上記
異方性エツチングでエツチング停止層として作用した部
分だけが除去される。

以上のエツチングにより、第３図ｆｃｌおよび第４図に
示されるように、半導体加速度センサのたわみ部２６、
おもり部２７および支持部２８が形成される。なお、第
４図において、２９はＡ６配線パターン、３０は抵抗変
化分を取り出すためのボンディング用パッドであり、こ
れらは第３図では省略したが、ＳｉＯ２膜２５全２５す
る前に、Ｓｉウェハ上に形成されるものである。このよ
うにして得られた半導体加速度センサにおいて、たわみ
部２６の厚ざは、エツチング時間とは無関係に、ｎ型り
ｔ層２３の厚さによって決定される。

このｎ型３４層２３の厚さは、上述したようにエビダキ
シャル成長によって高精度に制御できるので、これに応
じてたわみ部２６の厚さも極めて精度良く制御できるよ
うになる。

なお、上記各実施例では、おもり部に対してたわみ部を
１箇所だけ形成するようにしたが、第５図に示すように
、４箇所にたわみ部３１，３２゜３３．３４を形成し、
これらで均等におもり部３５を支えるようにしてもよい
。このように振動部を両持梁形状とすることにより、表
面内部応力によるたわみの発生を抑制することができる
。

また第５図では、一般にｐ型拡散抵抗のピエゾ抵抗係数
は、その抵抗パターンが応力に対して長手方向に配置さ
れている場合と横方向に配置されている場合とで符号が
逆になるということを利用し、各たわみ部３１，３２，
３３．３４に形成されたｐ型拡散抵抗（ピエゾ抵抗”）
３６．３７．３８．３９がブリッジ構成となるように配
線している。このような構成により、得られる出力が大
きくなるという利点が生ずる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、エツチングによるたわみ部薄片化の際
のエツチング深さの制御が、エツチング停止層の存在に
よって容易に実現できるので、上記たわみ部の高精度な
厚さ制御が可能になる。しかも第２の発明によれば、ピ
エゾ抵抗としてｐ型拡散抵抗を利用できることから、一
段と高精度かつ高感度の半導体加速度センサが得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａｌ〜（Ｃ）は、本発明の第１の実施例による
製造方法を示す工程図、 第２図は、上記第１の実施例によって製造された半導体
加速度センサを示す平面図、 第３図（ａ）〜（Ｃ）は本発明の第２の実施例による製
造方法を示す工程図、 第４図は、上記第２の実施例によって製造された半導体
加速度センサを示す斜視図、 第５図は、本発明によって製造される半導体加速度セン
サの他の構成例を示す斜視図、第６図は、従来の製造方
法によって形成された半導体加速度センサの振動部を示
す断面図である。 １１・・・Ｓ　、ｉ基板、 １２・・・ｐ＋層、 １３・・・ピエゾ抵抗、 １５・・・ＳｉＯ２膜、 １６・・・たわみ部、 １７・・・おもり部、 ２１・・・ｎ型（もしくはｐ型）Ｓｉ層、２２・・・ｐ
＋層、 ２３・・・ｎ型Ｓｉ層、 ２４・・・ｐ型拡散抵抗（ピエゾ抵抗）、２５・・・Ｓ
　ｉ　Ｏ２Ｉｔ！、 ２６・・・たわみ部、 ２７・・・おもり部、 ３１．３２．３３．３４・・・たわみ部、３５・・・お
もり部、 ３６．３７，３８．３９ ・・・ｐ型拡散抵抗（ピエゾ抵抗）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）　ピエゾ抵抗（１３）を有するたわみ部（１６）と
   、該たわみ部を介して空中に支持されたおもり部（１７
   ）とを、Ｓｉ基板を加工することにより形成してなる半
   導体加速度センサの製造方法において、 Ｓｉ基板（１１）上の前記たわみ部となる領域にホウ素
   拡散によって所定深さのｐ＾＋層（１２）を形成した後
   、該ｐ＾＋層をエッチング停止層として加熱アルカリ溶
   液で前記Ｓｉ基板の所定領域にエソチングを施すことに
   より前記たわみ部と前記おもり部を形成することを特徴
   とする半導体加速度センサの製造方法。 ２）　前記ピエゾ抵抗は、前記ｐ＾＋層上にリン拡散に
   よって形成されることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の半導体加速度センサの製造方法。 ３）　前記リン拡散は、前記ホウ素拡散よりも不純物濃
   度を高くし、かつ拡散深さを浅くすることを特徴とする
   特許請求の範囲第２項記載の半導体加速度センサの製造
   方法。 ４）　前記エッチングは、前記たわみ部および前記おも
   り部の領域に対応したパターンを有するＳｉＯ＿２膜（
   １５）を前記Ｓｉ基板上に形成し、該ＳｉＯ＿２膜をマ
   スクとして用いることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項乃至第３項のいずれか１つに記載の半導体加速度セン
   サの製造方法。 ５）　前記加熱アルカリ溶液は、所定温度に加熱された
   、エチレンジアミン、水およびピロカテコールの混合液
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４
   項のいずれか１つに記載の半導体加速度センサの製造方
   法。 ６）　ピエゾ抵抗を有するたわみ部（２６）と、該たわ
   み部を介して空中に支持されたおもり部（２７）とを、
   Ｓｉ基板を加工することにより形成してなる半導体加速
   度センサの製造方法において、 ｐ型もしくはｎ型Ｓｉ層（２１）の片面にホウ素拡散に
   よってｐ＾＋層（２２）を形成し、該ｐ＾＋層上にエピ
   タキシャル成長によって所定厚さのｎ型Ｓｉ層（２３）
   を形成した後、前記それぞれのＳｉ層（２１，２３）の
   所定領域に前記ｐ＾＋層をエッチング停止層として異方
   性エッチングを施し、更に前記ｎ型Ｓｉ層（２３）をエ
   ッチング停止層として選択性等方エッチングを施すこと
   により前記たわみ部と前記おもり部を形成することを特
   徴とする半導体加速度センサの製造方法。 ７）　前記ｎ型Ｓｉ層上の前記たわみ部となる領域内に
   ホウ素拡散によってｐ型拡散抵抗（２４）を形成し、該
   ｐ型拡散抵抗を前記ピエゾ抵抗とすることを特徴とする
   特許請求の範囲第６項記載の半導体加速度センサの製造
   方法。 ８）　前記ピエゾ抵抗は、前記ｎ型Ｓｉ層の（１００）
   面内の〈１１０〉方向に形成されることを特徴とする特
   許請求の範囲第７項記載の半導体加速度センサの製造方
   法。 ９）　前記エッチングは、前記たわみ部および前記おも
   り部の領域に対応したパターンを有するＳｉＯ＿２膜（
   ２５）を前記それぞれのＳｉ層（２１，２３）上に形成
   し、咳ＳｉＯ＿２膜をマスクとして用いることを特徴と
   する特許請求の範囲第６項乃至第８項のいずれか１つに
   記載の半導体加速度センサの製造方法。 １０）　前記異方性エッチングのためのエッチング液は
   、所定温度に加熱された、エチレンジアミン、水および
   ピロカテコールの混合液であることを特徴とする特許請
   求の範囲第６項乃至第９項のいずれか１つに記載の半導
   体加速度センサの製造方法。 １１）　前記選択性等方エッチングのためのエッチング
   液は、フッ酸、背負う硝酸および酢酸を所定の比率で混
   合した混合液であることを特徴とする特許請求の範囲第
   ６項乃至第１０項のいずれか１つに記載の半導体加速度
   センサの製造方法。 １２）　前記比率は、フッ酸：硝酸：酸酸＝１：３：８
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１１項記載の
   半導体加速度センサの製造方法。 １３）　前記たわみ部を４箇所に形成し（３１，３２，
   ３３，３４）、該たわみ部により前記おもり部（３５）
   を４点で均等に支持するようにしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第６項乃至第１２項のいずれか１つに記載
   の半導体加速度センサの製造方法。 １４）　前記ピエゾ抵抗を前記４箇所のたわみ部のそれ
   ぞれに形成し（３６，３７，３８，３９）、かつブリッ
   ジ構成としたことを特徴とする特許請求の範囲第１３項
   記載の半導体加速度センサの製造方法。