JP3530201B2 - 半導体歪みセンサの製造方法 - Google Patents
半導体歪みセンサの製造方法Info
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Description
出するための半導体歪みセンサに関するものである。 【0002】 【従来の技術】自動車用の加速度センサとしてピエゾ抵
抗素子による半導体加速度センサが使用されている(例
えば、特開平2−231571号公報)。即ち、台座上
にシリコンチップが接合され、このシリコンチップの一
部に梁構造の可動部が形成され、厚さが40μm程度の
可動部にピエゾ抵抗層が形成されているものである。 【0003】この加速度センサは薄肉の梁を形成するた
めにシリコン基板の裏面からKOHによるエッチングに
より所望のビーム厚までエッチングを行う。その後に、
表面側から梁部をマスクして沸硝酸系の液(HF:HN
O3 :CH3 COOH=1:2〜8:0〜8)によるウ
ェットエッチングを行い貫通孔を形成して梁構造を形成
するようにしていた。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】ところが、ABS用加
速度センサとして使用すべく小さな加速度(0〜1.5
G)を感知するために一般的な半導体加速度センサを高
感度化しようとすると、シリコンチップの薄肉部(可動
部)の厚さを略15μm以下に薄くする必要がある。こ
のとき、薄肉部の厚さが30〜50μmと厚い場合には
上述したように沸硝酸液によるウェットエッチングを行
い貫通孔を形成して梁構造を形成しても厚みが充分ある
ので強度的に問題はないが、ビームの厚さが3〜5μm
と薄い場合には、沸硝酸液によるウェットエッチングを
行い貫通孔を形成して梁構造とすると、梁の強度が十分
に得られないという問題が発生する。 【0005】この発明の目的は、薄い梁を形成する際に
も十分な強度を得ることができる半導体歪みセンサの製
造方法を提供することにある。 【0006】 【課題を解決するための手段】そこで、本発明者は、ウ
ェットエッチングを行い貫通孔を形成して梁構造とした
場合には、図18に示すように、梁の側面にうねりがあ
ることを見出し、このうねりにより破壊強度が低下して
いることが分かった。 【0007】そこで、この発明は、単結晶シリコン基板
の主表面上における所定領域に、歪み検出用のピエゾ抵
抗層を形成する第1工程と、前記単結晶シリコン基板の
裏面側から当該単結晶シリコン基板の所定領域を異方性
エッチングにより除去して、前記ピエゾ抵抗層を有する
薄肉部を形成する第2工程と、前記単結晶シリコン基板
の主表面側からハロゲン系ガスによるドライエッチング
により前記薄肉部の一部を除去して梁を形成する第3工
程とを備えた半導体歪みセンサの製造方法をその要旨と
するものである。 【0008】ここで、第3工程でのハロゲン系ガスには
CF4 を用い、前記梁の厚さを10μm以下に、かつ梁
の側面のうねり量を5μm以下とするのが好ましい。 【0009】 【作用】第1工程により、単結晶シリコン基板の主表面
上における所定領域に、歪み検出用のピエゾ抵抗層が形
成される。そして、第2工程により単結晶シリコン基板
の裏面側から当該単結晶シリコン基板の所定領域が異方
性エッチングにより除去されて、ピエゾ抵抗層を有する
薄肉部が形成される。さらに、第3工程により、単結晶
シリコン基板の主表面側からハロゲン系ガスであるCF
4 によるドライエッチングにより薄肉部の一部が除去さ
れて、厚さ10μm以下、側面のうねり量5μm以下の
梁が形成される。 【0010】このように、ハロゲン系ガスによるドライ
エッチングにより貫通孔を形成して梁構造とすることに
より、図17に示すように、梁の側面を平坦なる状態と
することが可能となり、破壊強度が増す。即ち、図18
に示すようなウェットエッチングの際に生じる梁の側面
のうねりによる強度低下が回避される。 【0011】 【実施例】以下、この発明を具体化した一実施例を図面
に従って説明する。図1には半導体加速度センサの全体
構成図を示し、図2には図1のA−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。 【0012】ステム1と、その上面に接合されたシェル
(蓋材)2により、後記シリコンチップ6を収納するパ
ッケージ材が構成されている。ステム1はコバール等の
金属よりなり、シェル2は鉄等の金属よりなる。ステム
1はその中央部に凸部3が形成され、同凸部3には4本
のリード端子4が貫通状態でガラス溶着にて固定されて
いる。又、ステム1の外周部にはセンサ取り付け用穴5
が形成されている。 【0013】図3にはパッケージ内に配置されるシリコ
ンチップ6部分の斜視図を示し、図4にはシリコンチッ
プ6の平面を示し、図5には図4のB−B断面を示す。
ステム1の凸部3上には、パイレックスガラスよりなる
四角板状の台座7が接合され、台座7の上には四角板状
の単結晶のシリコンチップ6が配置されている。図4に
示すように、シリコンチップ6はその裏面が台座7と接
合する四角枠状の第1支持部8を有し、同第1支持部8
はシリコンチップ6の4辺を用いて形成されている。シ
リコンチップ6における第1支持部8の内方には上下に
貫通する4つの溝12a,12b,12c,12dが形
成され、4つの薄肉の可動部14,15,16,17に
て厚肉の四角形状の重り部10が連結された構造となっ
ている。さらに、シリコンチップ6の第1支持部8の内
方において、上下に貫通する溝11が溝12a,12
b,12c,12dを囲むように形成されている。そし
て、同溝11にて厚肉のコ字状の第2支持部9と厚肉の
連結部13とが区画されている。 【0014】つまり、台座7と接合する厚肉の第1支持
部8に対し第2支持部9が延設され、第2支持部9から
薄肉の可動部14〜17が延設された構造となってい
る。又、溝11により第1支持部8と第2支持部9とは
連結部13にて連結された構造となっている。さらに、
第2支持部9と重り部10とは前述したように可動部1
4,15,16,17にて連結されている。この可動部
14,15,16,17の厚さは5μm程度となってお
り、2つずつのピエゾ抵抗層18a,18b,19a,
19b,20a,20b,21a,21bが形成されて
いる。又、図5に示すように台座7の上面中央部には凹
部22が形成され、加速度が加わり重り部10が変位し
たときに接触しないようになっている。 【0015】又、図6にはシリコンチップ6の表面での
アルミによる配線パターンを示す。本実施例では、アー
ス用の配線41と、電源電圧印加用の配線42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43,
44とが形成されている。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45と、電源電圧印加用の配線46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47,48と
が形成されている。電源電圧印加用の配線42の途中に
はシリコンチップ6の不純物拡散層49が介在され、そ
の不純物拡散層49の上をシリコン酸化膜を介してアー
ス用の配線41が交差状態で配置されている。同様に、
電源電圧印加用の配線46は不純物拡散層50を介して
電源電圧印加用の配線42と接続され、アース用の配線
45は不純物拡散層51を介してアース用の配線41と
接続され、さらに、出力用の配線47は不純物拡散層5
2を介して出力用の配線43と接続されている。又、出
力用の配線48と44とは抵抗調整のための不純物拡散
層53を介して接続されている。本実施例では、配線4
1〜44を用いた結線がなされる。 【0016】そして、図7に示すように各ピエゾ抵抗層
18a,18b,19a,19b,20a,20b,2
1a,21bにてホイートストーンブリッジ回路が形成
されるように電気接続されている。ここで、端子35は
アース用端子であり、端子36は電源電圧印加用端子で
あり、端子37及び38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。この4つの端子35,3
6,37,38は、図1,2に示すように、ワイヤ23
にてリード端子4と接続されている。 【0017】又、図1,2に示すように、シェル2内に
おけるシリコンチップ6の配置位置より上方において2
枚の隔壁板24が上方ほど接近するように配設され、両
者の先端部がダンピング液用連通孔25となっている。
そして、隔壁板24の下側にはシリコーンオイル等のダ
ンピング液26が充填されている。又、隔壁板24には
それぞれ気体用連通孔27が形成されている。 【0018】次に、センサの製造方法を説明する。図8
〜図14にはセンサの製造工程を示す。まず、図8に示
すように、N- 型の単結晶シリコンウェハ28を用意
し、その主表面の全面に厚さ4500Åのシリコン酸化
膜29を形成する。そして、シリコン酸化膜29の所定
領域をエッチングにより除去し、シリコンウェハ28の
所定領域にP+ 拡散層30を形成する。さらに、図9に
示すように、シリコンウェハ28の全面にCVDにより
厚さ4000Åのシリコン酸化膜31を形成する。そし
て、所定領域Z1のシリコン酸化膜29,31をエッチ
ング除去する。 【0019】次に、図10に示すように、シリコンウェ
ハ28の上面の露出部に厚さ1000Åのシリコン酸化
膜32を形成する。さらに、シリコン酸化膜32上に所
定のパターンのマスクを配置し、その後、イオン注入に
よりシリコンウェハ28にピエゾ抵抗層としてのP+ 拡
散層33を形成する。このP+ 拡散層33はP+ 拡散層
30とつながっている。 【0020】引き続き、図11に示すように、シリコン
酸化膜32でのコンタクト部分を除去した後、アルミ3
4による配線を行う。さらに、図12に示すように、シ
リコンウェハ28の裏面にシリコン窒化膜(Si3 N4
膜)60による所定のパターニングを行う。この状態
で、KOH液による異方性エッチングを行い、ピエゾ抵
抗層としてのP+ 拡散層33を有する薄肉部61を形成
する。このときの薄肉部61の厚みは、所定の感度が得
られる5μm程度とする。 【0021】次に、図13に示すように、薄肉部61に
対しシリコンウェハ28の主表面側からハロゲン系ガス
としてのCF4 ガスを用いたドライエッチングを行い梁
(図4での可動部14,15,16,17)を形成す
る。即ち、シリコンウェハ28の表面をエッチングして
上下に貫通する図4の溝11,12a,12b,12
c,12dを形成する。 【0022】そして、図14に示すように、パイレック
スガラスよりなる台座7の上にシリコンウェハ28を陽
極接合する。その後、シリコンウェハ28及び台座7を
ダイシングカットして図3に示すような所定の大きさに
裁断する。 【0023】次に、ステム1の凸部3上に台座7を接着
した後、ステム1上にシェル2を接合しダンピング液2
6を充填する。このようにして製造された半導体加速度
センサにおいては、図4に示すように、台座7と接合さ
れたシリコンチップ6の第1支持部8に対し第2支持部
9と重り部10と可動部14〜17とは溝11による連
結部13で連結されている。そして、第1支持部8での
台座7との接合歪みのピエゾ抵抗層への伝播通路R1 ,
R2 ,R3 ,R4 が形成され、溝11が無い場合に比べ
通路長さが長くなっている。よって、第1支持部8(接
合部)で発生する接合歪み(応力)は、連結部13から
第2支持部9へと伝わるが、可動部14〜17へは伝わ
りにくくなる。 【0024】又、シリコンウェハ28の裏面側からシリ
コンウェハ28の所定領域を異方性エッチングにより除
去して薄肉部61を形成した後において、シリコンウェ
ハ28の主表面側からCF4 ガスを用いたドライエッチ
ングにより薄肉部61の一部を除去して梁(図4の可動
部14,15,16,17)を形成した。そこで、CF
4 ガスを用いたドライエッチングによる梁の形成の効果
確認のために各種の実験を行った。その結果を、図1
5,16に示す。 【0025】図15は、ウェットエッチングとトライエ
ッチングによる梁の破壊強度のヒストグラムである。同
図に示すように、ウェットエッチングによる従来方法で
は破壊荷重のバラツキが10〜40gである。これに対
し、ドライエッチングによる本実施例では破壊荷重のバ
ラツキが18〜44gである。このように、最小破壊荷
重値は、ドライエッチングを採用することにより10g
から18gにすることができた。 【0026】この破壊荷重の向上についての原因につい
て考察してみると、梁の側面の形状に起因しているもの
と推定される。つまり、ウェットエッチングによる従来
方法では、図18に示すように、梁の側面はうねりが発
生しており、そのうねり量は15〜30μmであった。
これに対し、ドライエッチングによる本実施例では図1
7に示すように、梁の側面のうねり量は5μm以下であ
った。尚、図17,18は、SEMによる観察を行った
ものである。 【0027】又、図16には梁の側面のうねりと梁の破
壊強度(破壊荷重最小値)の関係を示す。同図から、う
ねりが15μm未満にすれば破壊強度を向上させること
ができ、そのうねりを少なくするためにドライエッチン
グが使われる。 【0028】尚、現在、ドライエッチングによるシリコ
ンのエッチングではシリコンの深さが10μmまでエッ
チング可能であるため、梁の厚さは10μmまで使用可
能である。 【0029】又、この半導体加速度センサを自動車のA
BSシステムに組み込んだ状態では、図7のブリッジ回
路での出力端子37,38間の電圧がABSシステム用
コントローラに取り込まれる。そして、ABSシステム
用コントローラはその電圧により車両に加わる加速度を
検知し、車両減速度を算出して路面のμ状態を判別し、
それに適した疑似車速を作成して車両速度に近似させ車
輪のスリップ率の最適化を図る。 【0030】このように本実施例の半導体加速度センサ
では、シリコンウェハ28(単結晶シリコン基板)の主
表面上における所定領域に、歪み検出用のP+ 拡散層
(ピエゾ抵抗層)33を形成し(第1工程)、シリコン
ウェハ28の裏面側からシリコンウェハ28の所定領域
を異方性エッチングにより除去して、P+ 拡散層33を
有する薄肉部61を形成し(第2工程)、シリコンウェ
ハ28の主表面側からCF4 (ハロゲン系ガス)による
ドライエッチングにより薄肉部61の一部を除去して梁
を形成した(第3工程)。その結果、CF4 によるドラ
イエッチングにより貫通孔を形成して梁構造とすること
により、図17に示すように、梁の側面を平坦なる状態
とすることが可能となり、破壊強度が増す。即ち、図1
8に示すようなウェットエッチングの際に生じる梁の側
面のうねりによる強度低下が回避される。 【0031】 【0032】尚、他の製造方法としては、第1導電型の
単結晶シリコン基板の主表面上に第2導電型のエピタキ
シャル層(厚さ3〜5μm)を形成して、電気化学エッ
チングにより単結晶シリコン基板の所定領域を除去しエ
ピタキシャル層を残してエピタキシャル層による薄肉部
を形成し、その後、単結晶シリコン基板の主表面側から
CF4(ハロゲン系ガス)によるドライエッチングによ
り薄肉部の一部を除去して梁を形成してもよい。 【0033】 【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
薄い梁を形成する際にも十分な強度を得ることができる
優れた効果を発揮する。
視図である。 【図4】シリコンチップの平面面である。 【図5】図4のB−B断面図である。 【図6】配線パータンを示すシリコンチップの平面図で
ある。 【図7】抵抗層の接続を示す電気接続図である。 【図8】センサの製造工程を示す断面図である。 【図9】センサの製造工程を示す断面図である。 【図10】センサの製造工程を示す断面図である。 【図11】センサの製造工程を示す断面図である。 【図12】センサの製造工程を示す断面図である。 【図13】センサの製造工程を示す断面図である。 【図14】センサの製造工程を示す断面図である。 【図15】ウェットエッチングとドライエッチングによ
る梁の破壊強度のヒストグラムである。 【図16】うねりと破壊荷重最小値との関係を示す図で
ある。 【図17】本実施例の梁の斜視図である。 【図18】従来方法による梁の斜視図である。 【符号の説明】 28 単結晶シリコン基板としてのシリコンウェハ 33 ピエゾ抵抗層としてのP+ 拡散層 61 薄肉部
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 単結晶シリコン基板の主表面上における
所定領域に、歪み検出用のピエゾ抵抗層を形成する第1
工程と、 前記単結晶シリコン基板の裏面側から当該単結晶シリコ
ン基板の所定領域を異方性エッチングにより除去して、
前記ピエゾ抵抗層を有する薄肉部を形成する第2工程
と、 前記単結晶シリコン基板の主表面側からハロゲン系ガス
によるドライエッチングにより前記薄肉部の一部を除去
して梁を形成する第3工程とを備え、 前記ハロゲン系ガスにはCF 4 を用い、 前記梁の厚さを10μm以下に、かつ梁の側面のうねり
量を5μm以下とする ことを特徴とする半導体歪みセン
サの製造方法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25167792A JP3530201B2 (ja) | 1992-09-21 | 1992-09-21 | 半導体歪みセンサの製造方法 |
US08/120,380 US5549785A (en) | 1992-09-14 | 1993-09-14 | Method of producing a semiconductor dynamic sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25167792A JP3530201B2 (ja) | 1992-09-21 | 1992-09-21 | 半導体歪みセンサの製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06104452A JPH06104452A (ja) | 1994-04-15 |
JP3530201B2 true JP3530201B2 (ja) | 2004-05-24 |
Family
ID=17226375
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP25167792A Expired - Lifetime JP3530201B2 (ja) | 1992-09-14 | 1992-09-21 | 半導体歪みセンサの製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3530201B2 (ja) |
-
1992
- 1992-09-21 JP JP25167792A patent/JP3530201B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH06104452A (ja) | 1994-04-15 |
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