JP5309652B2

JP5309652B2 - 加速度センサ

Info

Publication number: JP5309652B2
Application number: JP2008087517A
Authority: JP
Inventors: 正史平林
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: JP2009243916A

Description

本発明は、ピエゾ抵抗素子を検出素子としたタイプの加速度センサに関する。

近年、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて小型で単純な構造を有するセンサとして、ピエゾ抵抗を検出素子としたセンサ（いわゆるピエゾ抵抗型加速度センサ）が実用化されている（特許文献１）。特許文献１に開示された従来の加速度センサでは、加わった加速度に応じて重錘体部が変位し、この変位に応じて可撓部が撓む。可撓部に形成したピエゾ抵抗素子は、可撓部の撓み量（応力）に応じて抵抗値を変化させる。そしてピエゾ抵抗素子に電圧を印加し、抵抗変化に伴う電圧値を参照することで加速度を検出している。
特開２００３−９２４１３号公報

可撓部に生じる応力は、枠部および錘部の接続箇所に集中しており、当該接続箇所から離れるに従い急激に低下し、可撓部の中央では応力が零となっている。ピエゾ抵抗素子に生じる抵抗変化はピエゾ抵抗素子の長さ全体の平均応力変化によるため、センサの高感度化のためにはピエゾ抵抗素子の長さを短くして、当該接続箇所の応力集中部に選択的に配置するのが効率的である。また、ピエゾ抵抗素子と配線とを接続するコンタクトホールは、ピエゾ抵抗素子の両端部分にのみ配置されている。
上記の構成によれば、応力集中部にピエゾ抵抗素子を配置した場合、その物理的ストレスからコンタクト部分の配線に剥がれなどが生じ、電気的なコンタクト不良が起こる可能性がある。さらにピエゾ抵抗素子と配線とのコンタクトが１箇所であるため、いずれか１つのコンタクト箇所で不良が発生するとセンサ全体の不良に繋がる。

そこで上記に鑑み、本発明の目的は、配線とピエゾ抵抗素子間における電気的なコンタクト不良を低減した小型の加速度センサを提供することにある。

本発明に係る加速度センサは、開口を有するフレーム部と、前記フレーム部の開口内に配置された錘部と、前記フレーム部と前記錘部とを接続する少なくとも一対の梁部と、前記梁部に形成され、かつ前記梁部の一端が前記フレーム部と接続する領域と、前記梁部の他端が前記錘部と接続する領域のそれぞれに配置された不純物が拡散されてなる検出部と、
前記梁部に作用する応力が集中する応力集中部から離れるように、前記検出部の少なくとも一方の端部から前記フレーム部又は前記錘部に延伸して形成された、不純物が拡散されてなる複数の端子部と、少なくとも前記検出部と前記端子部とを覆う絶縁層と、前記検出部の少なくとも一方の端部及び前記検出部の一方の端部から延伸する複数の前記端子部の形成領域内の前記絶縁層を開孔して形成され、かつ、前記梁部に作用する応力が集中する応力集中部から離れた位置に配置された複数のコンタクトホールと、前記絶縁層上に形成され、複数の前記コンタクトホールを介して前記検出部の一端部及び前記検出部の一端部から延伸する複数の前記端子部と電気的に接続する配線と、を具備することを特徴とする。

本発明よれば、配線とピエゾ抵抗素子間における電気的なコンタクト不良を低減した小型の加速度センサを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る半導体３軸加速度センサに関して説明する。図１は本発明に係る加速度センサの全体斜視図である。
図１に示すように加速度センサ１は略直方体であり、半導体基板からなるセンサ本体２と、ガラスからなる支持基板３により構成されている。説明のため、図では加速度センサの面内に直交する２軸（Ｘ軸とＹ軸）を設定し、この２軸に垂直な方向をＺ軸と定めている。センサ本体２はＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板１１０からなり、シリコン膜１２０、シリコン酸化膜１３０、シリコン基板１４０が順に積層して構成されている。そして開口を有するフレーム（フレーム部１２１およびフレーム部１４１）内に重錘体（錘部１４２）が配置され、この重錘体を可撓性の梁（梁部１２３）によって支持して構成されている。支持基板３はセンサ本体２を支持する台座としての機能と、重錘体の下方（Ｚ軸負方向）への過剰な変位を規制するストッパ基板としての機能を併せもっている。なお、センサ本体２をパッケージ基板（図示しない）へ直接実装する場合には、支持基板３を必ずしも必要としない。

図２は加速度センサの分解斜視図である。シリコン膜１２０は、固定されたフレーム部１２１（フレーム上部）と、フレーム部１２１内に配置された錘接合部１２２と、フレーム部１２１と錘接合部１２２とを接続する２対（計４本）の梁部１２３を備えている。フレーム部１２１、錘接合部１２２、梁部１２３は開口１２４によって画定されている。フレーム部１２１はシリコン酸化膜１３０を介してフレーム部１４１（フレーム下部）と接合されている。また、錘接合部１２２はシリコン酸化膜１３０を介して鉛直視略クローバー状の錘部１４２と接合されている。錘部１４２はフレーム部１４１内に離間して配置されている。
支持基板３は例えば、ガラス基板からなりセンサ本体２と陽極接合により接合されている。

図３はセンサ本体の平面図及び断面図である。図３（Ａ）はセンサ本体の平面図であり、４本の梁部１２３上には３軸（ＸＹＺ）方向の加速度を検出するための検出部Ｒｘ〜Ｒｚが配設されている。検出部は、梁部１２３がフレーム部１２１および錘接合部１２２と接続する領域近傍に配置されている。図面ではＸ軸に沿った方向に配置した１対の梁部には、Ｘ方向およびＺ方向の加速度を検出するために検出部Ｒｘ１〜Ｒｘ４およびＲｚ１〜Ｒｚ４が配置される。一方、Ｙ軸に沿った方向に配置した１対の梁部にはＹ方向の加速度を検出するための検出部Ｒｙ１〜Ｒｙ４が配置されている。なお、Ｙ軸に沿った方向に配置した１対の梁部に検出部Ｒｚ１〜Ｒｚ４を配置してもよい。
図３（Ｂ）はセンサ本体をＸ−Ｘに沿った断面図であり、錘部１４２の下面はフレーム部１４１の下端よりも高くされており、ガラス基板３との間にギャップによりＺ負方向に一定量の変位可能なように設定されている。図３（Ｃ）はセンサ本体をＹ−Ｙに沿った断面図であり、梁部１２３は可撓性をもった自立薄膜である。

図４は検出部の詳細を説明する図面であり、平面図と断面図（Ａ−Ａ断面）を示している。検出部Ｒは、シリコン膜１２０にＢ（ボロン）やＰ（リン）などの不純物を拡散して形成したピエゾ抵抗素子であり、梁部１２３とフレーム部１２１の境界、および梁部１２３と錘接合部１２２の境界近傍に配置されている。検出部Ｒは、両端に複数の端子部Ｃを備えている。端子部Ｃは検出部Ｒと一体的なピエゾ抵抗素子として構成してもよいし、別途不純物を拡散した層として形成してもよく、検出部Ｒから延伸されて電気的に接続していればよい。
検出部Ｒは絶縁層１５０に覆われており、端子部Ｃの形成領域内及び／又は検出部Ｒの両端の絶縁層１５０は開孔したコンタクトホール１５１を有している。接続抵抗を下げるために端子部Ｃは高濃度不純物拡散層であってもよい（その場合、検出部Ｒに対して２桁〜３桁程度不純物濃度が高い層であればよい）。なお、図４では示していない梁部１２３に配設された分とあわせてＲｘ１〜Ｒｘ４、Ｒｙ１〜Ｒｙ４、Ｒｚ１〜Ｒｚ４の計１２個の検出部Ｒは検出方向ごとに接続されてブリッジ回路を形成している。なお、ブリッジ回路接続に関しては本出願人の特許出願である、特開２００７−３２２２９７号を参考にできる。フレーム部１２１上には、外部回路と接続するための電極パッド（図示しない）を有し、配線１５２が当該電極パッドと接続して、加速度に伴う電気信号を外部回路へ取り出している。

図５、図６は本願発明の第１、第２の実施形態を示す図である。以下、第１の実施形態から順に説明していく。
（第１の実施形態）
図５を参照して第１の実施形態について説明する。検出部Ｒが、梁部１２３がフレーム部１２１および錘接合部１２２と接続する領域にそれぞれ配置されている。検出部Ｒの両端に端子部Ｃを備えている。検出部Ｒと端子部Ｃは実質的に一体のピエゾ抵抗素子である。なお、端子部Ｃは検出部Ｒのどちらか一端のみにあってもよい。
図５（Ａ）に示すように端子部Ｃの幅Ｌ₁は、検出部Ｒの幅Ｌ₂よりも大きく設計され、端子部Ｃの形成領域の絶縁層１５０を開孔してコンタクトホール１５１を形成している。なお、端子部Ｃの形状は図示した矩形のものに限られず、円形、その他の形状であってもよく、その場合最も広い幅を有する部分の幅を「端子部Ｃの幅Ｌ₁」とみなす。設計的な要求から検出部Ｒの幅Ｌ₂は、梁部１２３の幅であるＬ₀の１／１０以下であることが好ましい。検出部Ｒの幅Ｌ₂がＬ₀の１／１０以上であると、梁部１２３の捻れを検出しやすくなり他軸感度が大きくなるため、センサ特性上好ましくない。

図５の（Ｂ）における（ａ）及び（ｂ）にコンタクトホール１５１と配線１５２の形態を例示した。
（ａ）コンタクトホール１５１の形態
検出部Ｒの両端と、端子部Ｃの形成領域内にコンタクトホール１５１が形成されている。これにより、検出部Ｒと配線１５２とのコンタクトの数が増え、信頼性が向上する。
（ｂ）配線１５２の形態
コンタクトホール１５１に配線１５２を配設し、検出部Ｒからの電気信号を取り出す。上述したように検出部Ｒと配線１５２のコンタクトの数を増やすことで、コンタクトホール１５１のいずれか１個に不良が発生しても、残りのコンタクトホール１５１において電気的なコンタクトが確保できているため、製品として正常に機能する。端子部Ｃはそれぞれ直列に接続され、検出部Ｒからの電気信号の検出に有利である。

次に図７を参照して、第１の実施形態に係る加速度センサの製造方法について述べる。図７は本発明に係る第１の実施形態の製造方法を示す図面である。
第１の実施形態に係る加速度センサの製造方法
（１）ＳＯＩ基板の準備（図７（Ａ）参照）
シリコン膜１２０、酸化シリコン膜１３０、シリコン基板１４０を積層してなるＳＯＩ基板１１０を用意する。上述したように、シリコン膜１２０はフレーム部１２１、錘接合部１２２、梁部１２３を構成する層である。酸化シリコン膜１３０は、シリコン膜１２０とシリコン基板１４０とを接合する層であり、かつエッチングストッパ層として機能する層である。シリコン基板１４０はフレーム部１４１、錘部１４２を構成する層である。ＳＯＩ基板１１０は、ＳＩＭＯＸないし、貼り合せ法等により作成される。ＳＯＩ基板１１０は、シリコン膜１２０、シリコン酸化膜１３０、シリコン基板１４０の厚みがそれぞれ、１０μｍ、２μｍ、６００μｍである。なお、外周が約１〜２ｍｍ正方の小型の加速度センサ１が直径１５０ｍｍ〜２００ｍｍのウエハに多面付けで複数個配置されている。１枚のウエハ処理で１０⁴個単位のセンサを一括製造できる。

（２）検出部及び端子部の形成（図７（Ｂ）参照）
ＳＯＩ基板１１０のシリコン膜１２０側に不純物拡散用のマスク（図示せず）を形成する。このマスク材としては、例えばシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）やシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）を用いることができる。シリコン窒化膜をシリコン膜１２０全面にＬＰ−ＣＶＤ（ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜した後、シリコン窒化膜上にレジストパターン（図示せず）を形成し、シリコン窒化膜に検出部Ｒ及び端子部Ｃに対応する開口をＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）により形成する。

レジストパターンを除去後、Ｂ（ボロン）などを含む拡散剤を塗布する。そして熱処理（約１０００℃）を施して、シリコン膜１２０内にドライブインさせ、検出部Ｒ及び端子部Ｃを形成する。不要な拡散剤は、フッ酸などを用いて除去する。なお、熱拡散法以外にイオン打ち込みによって検出部Ｒ及び端子部Ｃを形成してもよい。その後、シリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）は熱リン酸によって、エッチング除去する。なお、端子部Ｃは検出部Ｒとは別の工程で形成してもよく、その場合低抵抗層とすべく検出部Ｒよりも高濃度に不純物を拡散することが好ましい。

（３）絶縁層およびコンタクトホールの形成（図７（Ｃ）参照）
シリコン膜１２０上に絶縁層１５０を形成する。例えば、シリコン膜１２０の表面を熱酸化することで、絶縁層としてＳｉＯ₂の層を形成できる。絶縁層１５０上にレジストをマスクとしたＲＩＥによって所定位置にコンタクトホール１５１を形成する。開孔したコンタクトホール１５１に対してさらに不純物を注入し、高濃度不純物拡散層を形成することもできる。

（４）ギャップ形成（図７（Ｄ）参照）
フレーム部１４１の内枠に沿った開口を有するマスクを用いて、シリコン基板１４０をエッチングしてギャップ１６０を形成する。ギャップ１６０は、錘部１４２が下方（ガラス基板３側）へ変位するために必要な間隔であり、例えば、５〜１０μｍである。

（５）シリコン基板の加工（図７（Ｅ）参照）
次に、フレーム部１４１、錘部１４２に画定するためのマスクをシリコン基板１４０の下面に形成する。このマスクを用いてシリコン基板１４０をシリコン酸化膜１３０の下面が露出するまでエッチングを行なう。エッチングにはＤＲＩＥ（ＤｅｅｐＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）を用いるのが好適である。

ＤＲＩＥでは材料層を厚み方向に侵食しながら掘り進むエッチングステップと、彫った穴の側壁にポリマーの壁を形成するデポジションステップと、を交互に繰り返す。掘り進んだ穴の側壁は、順次ポリマーの壁が形成されて保護されるため、ほぼ厚み方向にのみ侵食を進ませることが可能である。エッチングガスとしてＳＦ₆等のイオン・ラジカル供給ガスを用い、デポジションガスとしてＣ₄Ｆ₈等を用いることができる。

（６）配線の作成（図７（Ｆ）参照）
配線１５２を形成する。配線１５２はＡｌ，Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｎｄなどの金属材料をスパッタ法などにより成膜し、それをパターニングすることで得られる。なお、配線１５２と端子部Ｃとの間でオーミックコンタクトを形成するために、熱処理（３８０℃〜４００℃）を施す。なお、配線１５２上に保護膜としてシリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）などの膜を設けてもよい。

（７）シリコン膜の加工（図７（Ｇ）参照）
シリコン膜１２０をシリコン酸化膜１３０の上面が露出するまでＲＩＥによりエッチングして開口１２４を形成して、フレーム部１２１、錘接合部１２２、梁部１２３を画定する。

（８）不要なシリコン酸化膜の除去（図７（Ｈ）参照）
エッチングストッパとして用いた部分の不要なシリコン酸化膜をＲＩＥあるいはウェットエッチングにより除去する。これにより、シリコン酸化膜１３０は、フレーム１２１とフレーム１４１、錘接合部１２２と錘部１４２の間に存在している。

（９）ガラス基板の接合（図７（Ｉ）参照）
センサ本体２とガラス基板３とを接合する。ガラス基板３は、Ｎａイオンなどの可動イオンを含む、いわゆるパイレックス（登録商標）ガラスであって、ＳＯＩ基板１１０との接合には陽極接合を用いる。なお、陽極接合時の静電引力により錘部１４２がガラス基板３の上面にスティッキングするのを防ぐために、ガラス基板３の上面にスパッタ法によりＣｒなどのスティッキング防止膜（図示せず）を形成しておいてもよい。これによりセンサ本体２とガラス基板３が接合され、加速度センサ１が構成される。

（１０）個片化
加速度センサ１をダイシングソー等でダイシングし、個々の加速度センサ１に個片化する。本明細書ではウエハに多面付け配置された「加速度センサ」と、個片化された「加速度センサ」とを特に区別せず加速度センサ１と呼んでいる。上記の製造工程は例示であり、順序は適宜変更可能である。

（第２の実施形態）
次に、図６を参照して第２の実施形態について説明する。検出部Ｒを配置する位置が異なる点を除けば、第１の実施形態と略同一である。重複する説明については省略する。
検出部Ｒが、梁部１２３がフレーム部１２１および錘接合部１２２と接続する領域の境界線を跨ぐように配置されている。そしてコンタクトホール１５１が、当該境界線から離れた位置に形成されている。

図６に梁部１２３に作用する応力分布の概略図を示した。境界線上をピークとして、境界線から離れるにしがって検出部Ｒに作用する応力は急激に減少する。上述したよう検出部Ｒに生じる抵抗変化はピエゾ抵抗素子の長さ全体の平均応力変化によるため、センサの高感度化のためには検出部Ｒの長さを短くして、当該境界線近傍の応力集中部に選択的に配置するのが効率的である。しかしながら、コンタクトホール１５１を当該境界線近傍に形成すると、配線１５２と端子部Ｃの接続部分に過度の物理的なストレスが加わる。配線１５２の剥がれなどを防ぐ点で、コンタクトホール１５１が境界線から離れていることが好ましい。したがって、端子部Ｃを境界から離れた位置に置くことにより、端子部Ｃに印加する物理的なストレスを軽減できる。したがって、長期安定性に優れたセンサを提供できる。また、上記のような構成とすることで、発熱体である端子部Ｃを堅固なフレーム部や錘部上に配置することで梁部１２３へ与える影響を小さくできる。

第２の実施形態に係る加速度センサの製造方法
検出部Ｒを、当該境界線を跨ぐように配置し、かつコンタクトホール１５１を当該境界線から離れた位置に形成する点を除き、第１の実施形態に係る加速度センサの製造方法と略同一であり、説明は省略する。

以上述べた本願の第１、第２の実施形態における、従来技術と比べた利点として以下の１）〜３）が挙げられる。
１）コンタクト箇所の増加
従来、検出部（ピエゾ抵抗素子）の両端にのみ設けていた電気的なコンタクト箇所を、検出部の両端から延伸して存在する複数の端子部にも設けることでコンタクト箇所を増加させている。これにより、一部のコンタクト箇所での接続不良によりセンサ全体の不良を招くことがない。

２）小型センサへの適用
加速度センサの小型化にあたって、錘部とフレーム部の寸法を縮小化する。そこで、検出感度を維持するために梁部の幅Ｌ₀を縮小化する試みをする。そのため検出部及びコンタクトホールも縮小化せざるを得ない。しかし、安定して加工できるコンタクトホールの寸法に限界があるため、従来の加速度センサでは歩留り良く、製造することが困難であることが判る。例えば、２μｍ以下の寸法精度を有するリソグラフィを安定して行なうことは難しく、コンタクトホールを２μｍ以下の寸法とする場合、加工不良により開孔しない可能性がある。
また、コンタクトホールの寸法が小さくなると、コンタクト部での接続抵抗が大きくなり、所望の特性が得られない。検出部の両端にコンタクトホールを複数設けることではなく、検出部から延伸する端子部を配置することでセンサ小型化した際の寸法の制約を受けにくく、リソグラフィと接続抵抗の双方の観点から好ましい態様である。

３）長期安定性の向上
端子部が梁部の応力集中部からずれて配置されるため、配線が端子部とコンタクトする位置に過度な物理的ストレスが加わりにくく、当該箇所での配線の剥がれが軽減できる。したがって、加速度センサを長期使用に供する場合、コンタクト部での不良を防ぐことができる。

以上、本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明に係る加速度センサの全体斜視図である。加速度センサの分解斜視図である。センサ本体の平面図および断面図である。検出部の詳細を説明する図面である。本発明に係る第１の実施形態を表す図面である。本発明に係る第２の実施形態を表す図面である。本発明に係る第１の実施形態の製造方法を表す図面である。

符号の説明

１：加速度センサ
２：センサ本体
３：支持基板
１１０：ＳＯＩ基板
１２０：シリコン膜
１２１：フレーム部
１２２：錘接合部
１２３：梁部
１２４：開口
１３０：シリコン酸化膜
１４０：シリコン基板
１４１：フレーム部
１４２：錘部
１５０：絶縁層
１５１：コンタクトホール
１５２：配線
１６０：ギャップ
Ｒ：検出部（ピエゾ抵抗素子）
Ｒｘ１〜Ｒｘ４：（Ｘ軸方向の加速度を検出するための）検出部
Ｒｙ２〜Ｒｙ４：（Ｙ軸方向の加速度を検出するための）検出部
Ｒｚ１〜Ｒｚ４：（Ｚ軸方向の加速度を検出するための）検出部
Ｃ：端子部

Claims

開口を有するフレーム部と、
前記フレーム部の開口内に配置された錘部と、
前記フレーム部と前記錘部とを接続する少なくとも一対の梁部と、
前記梁部に形成され、かつ前記梁部の一端が前記フレーム部と接続する領域と、前記梁部の他端が前記錘部と接続する領域のそれぞれに配置された不純物が拡散されてなる検出部と、
前記梁部に作用する応力が集中する応力集中部から離れるように、前記検出部の少なくとも一方の端部から前記フレーム部又は前記錘部に延伸して形成された、不純物が拡散されてなる複数の端子部と、
少なくとも前記検出部と前記端子部とを覆う絶縁層と、
前記検出部の少なくとも一方の端部及び前記検出部の一方の端部から延伸する複数の前記端子部の形成領域内の前記絶縁層を開孔して形成され、かつ、前記梁部に作用する応力が集中する応力集中部から離れた位置に配置された複数のコンタクトホールと、
前記絶縁層上に形成され、複数の前記コンタクトホールを介して前記検出部の一端部及び前記検出部の一端部から延伸する複数の前記端子部と電気的に接続する配線と、
を具備することを特徴とする加速度センサ。
前記検出部の両端に前記コンタクトホールが形成されていることを特徴とする請求項１記載の加速度センサ。
前記端子部の最も幅広い箇所の幅が、前記検出部の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１または２記載の加速度センサ。
前記検出部は、前記梁部の一端と前記フレーム部の境界、あるいは前記梁部の他端と前記錘部の境界を跨いで配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の加速度センサ。