單軸加速度傳感器的製作方法

2023-09-16 05:42:35

專利名稱：單軸加速度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種單軸加速度傳感器。
背景技術：
諸如加速度傳感器、振動陀螺儀和振動傳感器這樣的微機電系統(MEMS)傳感器 是常規已知的，這些MEMS傳感器將聯接到質量體的柔性梁的位移轉換為電信號。矽處理技 術(silicon processing technology)已經被充分地開發出且伴有集成電路的進步，且適 用於製造MEMS。矽中的載荷子(電子、空穴)受到應力施加(stress application)的影 響。電子運動性隨著沿遷移方向的拉應力的增加而增加，且隨著沿遷移方向的壓應力的增 加而減小。空穴運動性隨沿遷移方向的壓應力的增加而增加，且隨沿遷移方向的拉應力的 增加而減小。在半導體層以凸面形狀變形時，半導體層的表面受到拉應力，且在半導體層以 凹面形狀變形時半導體層的表面受到壓應力。在半導體中的載荷子可運動性的變化可以通 過在受到較強應力的矽區域中採用諸如電阻器或MOS轉變器這樣的半導體裝置來檢測。例 如，通過檢測由應力引起的電阻值(壓電電阻器)的變化來檢測加速度。質量體聯接到柔 性梁的一端，該柔性梁在另一端被支撐件等支撐。因為質量體具有慣性，所以在支撐件運動 時，柔性梁變形並接收到應力。因為柔性梁的橫截面面積被製造得較小，所以每單位橫截面 面積的應力變得較大且變形量變得較大。通常，壓電電阻器形成在柔性梁上，以便檢測加速度。考慮到製造過程的便利性， 需要的是壓電電阻器和配線形成在柔性梁的前表面上。為了改善檢測精度，通常通過四個 壓電電阻器形成橋接電路。例如，四個壓電電阻器形成在沿寬度方向的在柔性梁相對端附 近的兩個邊緣處。在施加某種應力時電阻值增加的電阻器和電阻值降低的電阻器被串序地 連接。兩個串序連接結構在供電配線之間沿反並聯的方向連接。檢測相應串序連接結構中 互連點之間的電壓差。存在用於檢測一維方向加速度的加速度傳感器和用於檢測沿二維或三維方向的 加速度的加速度傳感器。需要的是僅沿預定方向檢測加速度而不響應其他方向加速度的一 維加速度傳感器。JP-A-8-160066提出了一種懸臂式加速度傳感器，包括固定部分、通過加速度可動 的配重件、連接到固定部分和配重件的柔性梁和設置在柔性梁中的電阻器元件，通過處理 矽基板形成，其中，沿垂直於矽基板厚度方向的寬度方向，柔性梁比配重件窄，且沿矽基板 的厚度方向柔性梁具有與配重件相同的厚度。配重件的重心排布在柔性梁中心線的延長線 上。柔性梁可在基板表面的平面內方向沿寬度方向變形，且因沿柔性梁的縱向方向的加速 度造成的變形受到抑制。兩對電阻器元件形成在臨近固定部分並臨近配重件的兩邊緣區域 處的柔性梁表面區域中。因為柔性梁沿寬度方向彎曲和變形，所以在一個邊緣處兩個電阻 器元件和在另一邊緣處的兩個電阻器元件被拉伸。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種具有新穎結構的單軸加速度傳感器。根據本發明的一個方面，提供一種一維加速度傳感器，包括用具有恆定厚度的半導體基板製成的結構，包括用半導體基板製成的支撐件，通過第一穿通溝道構圖，除了設置在第一穿通溝道 外側且設置有連結墊的部分以外，該第一穿通溝道延伸穿過半導體基板；柔性梁，通過與第一穿通溝道的兩相對端連續的一對第二穿通溝道構圖，第二穿 通溝道沿一個方向在支撐件內延伸並穿過半導體基板，柔性梁具有比半導體基板的厚度小 得多的寬度，柔性梁從支撐件沿一個方向延伸，且具有設置在柔性梁近側的兩個邊緣處以 及設置在柔性梁遠側的兩個邊緣處的四個壓電電阻器；和配重件，與柔性梁的遠端連續，配重件通過第一穿通溝道和第二穿通溝道構圖，配 重件具有在支撐件內的一對對稱的第一部分和與一對第一部分聯接的第二部分，一對對稱 的第一部分將柔性梁夾在它們之間，且配重件具有在柔性梁縱向中心線上並在比柔性梁的 遠端更靠近近側一位置處的重心；和其中，該一維加速度傳感器還包括配線，該配線在半導體基板上方且用同一配線 層形成，配線將四個壓電電阻器中的、在同一邊緣處的兩個壓電電阻器每一個串序連接，用 四個壓電電阻器形成橋接電路，且配線將壓電電阻器的相互連接點引導到連結墊。


圖IA和IB是根據第一實施例的單軸加速度傳感器的平面圖和橫截面視圖；圖IC 和ID是顯示了柔性梁的結構和工作方式的示意性平面圖；圖IE是顯示了模擬結果的視圖， 且圖IF和IG是壓電電阻器和配線的平面圖和等效電路圖。圖2A、2B和2C是顯示了第一實施例的修改例的平面圖。圖3A和3B是顯示了由本發明的發明人作出的分析和研究的平面圖。圖4A到4E是顯示了根據本發明第一實施例的加速度傳感器的製造過程的橫截面圖。圖5A和5B是根據第二實施例的加速度傳感器的橫截面視圖和平面圖。圖6A、6B和6C是顯示了第二實施例的修改例的平面圖。
具體實施例方式現在假設例如通過使用矽基板來製造單軸加速度傳感器。在矽基板平面內限定χ 軸和y軸，且沿厚度方向限定ζ軸。構造y方向單軸加速度傳感器，其方式是具有比沿ζ方向 厚度小得多的沿y方向寬度的柔性梁沿χ方向延伸，並聯接支撐件和配重件(質量部分)。 支撐件聯接到諸如殼體這樣的固定部分。柔性梁和配重件的厚度相等，且配重件的重心與 沿χ方向延伸的柔性梁的延長線對準。對χ方向加速度的反應由此基本上受到抑制，且能 降低噪聲。通過使柔性梁難以沿ζ方向彎曲而對ζ方向加速度的反應進行抑制。因此，需 要的是在梁橫截面區域中使得y方向的尺寸顯著地小於ζ方向的尺寸(基板厚度)。柔性 梁在xy平面內的形狀被選擇為能確保y方向的柔性，並允許在兩邊緣處的相對端處製造壓 電電阻器。橋接電路通過串序連接電阻器並通過反並聯(antiparallel)地連接兩個串序 連接結構來形成，所述電阻器在應力導致電阻值改變的情況下具有相反的極性。
在配重件聯接到柔性梁遠端且通過加速度產生的力作用在柔性梁遠端上的結構 中，當配重件被沿柔性梁的寬度方向驅動時，柔性梁以弓形形狀變形。位於在弓形形狀內側 上的兩個電阻器接收壓應力且以一種極性改變電阻值(增加或減小)，且位於在弓形形狀 外側上的兩個電阻器接收拉應力且以相反極性改變電阻值(減小或增加)。如果四個壓電 電阻器用P型矽製造，則接收壓應力的電阻器減小其電阻值，而接收拉應力的電阻器增加 其電阻值。現在考慮用於連接四個壓電電阻器和將配線引導到連接墊的配線布置結構。假 設每條配線不是形成為騎跨在壓電電阻器上。如圖3A所示，四個電阻器Rl到R4形成在柔性梁FB兩邊緣處的近端和遠端處。假 設配線Wl形成為用於將表現出以相反極性改變電阻值的電阻器Rl和R2串序連接，且用於 將串序連接結構的相對端子和電阻器的相互連接點連接到連結墊BP。電阻器Rl和R2和將 電阻器Rl和R2連接的配線Wl與柔性梁FB的整個寬度成橫向。當配線W2要被形成為將 在柔性梁兩邊緣處的遠端處的、表現出沿相反極性改變電阻值的電阻器R3和R4串序連接， 並用於將串序連接結構的相互連接點和端部端子引出到連結墊BP時，配線W2應與配線Wl 相交叉。即，需要交叉的配線。需要至少兩個配線層來形成交叉配線。如果配線空間形成 在柔性梁的邊緣和壓電電阻器之間，則可以通過使用一個配線層來形成橋接電路。但是，當 壓電電阻器從柔性梁的邊緣移位離開時，最重要測量精確性會降低。替換地，當電阻器Rl 和R4以及電阻器R2和R3串序連接時，也需要交叉配線。本發明的發明人已經研究了柔性梁在接收到加速度時以字母S形狀變形的情況。 當柔性梁以字母S的形狀變形時，在柔性梁的遠端半部和近端半部之間變形(凸起方向) 相反。當變形量被表示為是距柔性梁一個端部的縱向距離的函數時，二次微分或導數將具 有相反的符號(正號和負號)。在這種情況下，形成在梁的兩邊緣上同一縱向位置處的電阻 器的電阻值將以相反的極性變化，類似於弓形變形。但是，形成在梁的遠端和近端處同一邊 緣處的兩電阻器的電阻值也將以相反的極性變化。在形成在柔性梁的四個角部處的電阻器 中，在對角位置處的兩電阻器將以相同的極性變化電阻值，且沿邊緣或按照寬度的相鄰電 阻器將以相反的極性改變電阻值。當沿邊緣的相鄰電阻器串序連接時，配線可被構造為沿 梁的縱向方向，消除了交叉配線。還有在字母S形的變形中，即使柔性梁遠端的運動距離相 同，柔性梁遠端處的角度變化也會變小。如圖3B所示，當形成在柔性梁FB各同一邊緣處的壓電電阻器Rl和R3以及壓電電 阻器R2和R4將呈現以相反極性改變的電阻時，在同一邊緣處的相應兩壓電電阻器串序連 接。這些配線可以基本沿同一邊緣設置。因此配線不必沿寬度方向橫向於柔性梁。交叉配 線不是必須的，甚至在配重件W附近的遠端處的壓電電阻器R3和R4相互連接，且相互連接 點被引出到連結墊BP時也是如此。可以採用單層配線。還可以使得柔性梁FB末端處的角 度變化很小。配重件M的角度變化因此較小。甚至在配重件因衝擊力而撞在支撐件上時， 諸如在配重件角部處的缺陷和裂紋這樣的損壞也很少能發生。第一實施例圖IA是根據第一實施例的單軸加速度傳感器的示意性俯視圖。圖IB是圖IA中 沿線IB-IB截取的橫截面視圖。y方向加速度傳感器形成在矩形矽基板1上。矽基板1具 有沿ζ方向的預定厚度。矩形的橫向方向由χ方向代表，且其垂直方向由y方向代表。沿 將矽基板1的相對垂直(y方向)側邊的中心相互連接的中心線，形成一對穿通溝道40，該一對穿通溝道沿χ方向筆直向前延伸，以在穿通溝道40之間構圖出沿χ方向延伸的柔性梁 FB。柔性梁FB具有沿y方向的基本恆定的寬度。穿通溝道50沿矽基板的左側形成，從穿 通溝道40的兩個左側端開始沿向上、向下方向形成相同的長度。穿通溝道50隨後按符合 矽基板左側角部的方式以直角彎曲並沿向右方向延伸相同的長度，且隨後進一步按符合矽 基板右側角部的方式以直角彎曲並沿垂直方向延伸相同的長度，以最終在矽基板1的右側 區域中結合。圖IB顯示了氧化矽膜11和氮化矽膜12形成在矽基板1的表面上的狀態。穿通 溝道40和50穿過氮化矽膜12、氧化矽膜11和矽基板1形成。形成在一對穿通溝道40之 間的柔性梁FB具有比厚度小得多的寬度，且優選地沿寬度方向可變形。矽基板1在穿通溝 道50以外的區域構成支撐件S，該支撐件要被連接到諸如殼體H這樣的固定部分。穿通溝 道40和50之間的區域構成配重件(質量體)M。配重件M通過穿通溝道50與支撐件S分 開，且通過穿通溝道40與柔性梁FB分開。如圖IA所示，配重件M僅經由柔性梁FB在物理 上被支撐件S支撐。在配重件M沿y方向運動時，穿通溝道40和50的寬度改變。如圖IA 所示，柔性梁FB的左端與支撐件S連續，且其右端與配重件M連續。通過沿y方向穿過柔性梁的右端的直線將配重件M分成在左側的第一部件Ml和 在右側的第二部件M2，構成第一部件Ml的一對相對的第一部分Mla和Mlb夾著柔性梁FB， 而在右側上的第二部件M2構成將柔性梁FB的遠端與第一部分Mla和Mlb聯接的聯接部 分。一對第一部分Mla和Mlb具有相對於柔性梁FB的縱向中心線鏡像對稱或線對稱的形 狀。第二部件M2也具有相對於柔性梁FB的縱向中心線鏡像對稱或線對稱的形狀。以該形 狀，柔性梁(更嚴格地說是形成在柔性梁上的加速度傳感器)將基本不會對沿χ方向的加 速度作出響應。第一部件Ml的重心位於在柔性梁FB的χ方向長度中心附近處的y方向寬度的中 心線上(朝向右側移過穿通溝道50寬度的一半)。第二部件M2延伸到離開柔性梁FB的遠 端的區域。配重件M = M1+M2的重心從第一部件Ml的重心向右側(朝向柔性梁的遠端) 偏移。但是，配重件M的平面形狀如此被選擇以使得通過使得第二部件M2的χ方向寬度小 於第一部件Ml的χ方向寬度而使得配重件M的重心設置在柔性梁FB的遠端或右端的左側 上(在柔性梁FB的中心線上)。配重件M的重心設置在柔性梁FB的縱向中心線上(在縱 向中心和右端(遠端)之間)。配重件對柔性梁的作用的位置(place of action)在柔性 梁的遠端或右端，且配重件M的重心在柔性梁的遠端或右端的左側(-χ側)上。由此，沿y 方向的加速度對柔性梁FB的遠端施加y方向的力和在xy平面內的轉矩(沿抵消由y方向 的力引起的變形的方向)。這會使得柔性梁的遠端沿y方向運動，同時使柔性梁的縱向形狀 以S形狀變形。矽基板1的示例性尺寸例如是Imm(χ方向)Xlmm(y方向)Χ625μπι(ζ方向，厚 度)。厚度在矽基板的整個區域上不會改變。例如，配重件M的外部尺寸是800 μ m(x方 向)X800 μ m(y方向)。穿通溝道40和50具有約15 μ m的寬度，且延伸穿過矽基板(包括 氧化矽膜和氮化矽膜)。柔性梁FB具有的尺寸是30 μ m或更窄的寬度(y方向)Χ700μπι 長度(χ方向)，並沿χ方向延伸。在這種情況下，配重件M的第一部分Mla和Mlb每一個 的尺寸大約是700μπι(Χ方向)Χ400μπι(Υ方向)，且，配重件M的第二部分Μ2的尺寸是 約100μπι(Χ方向)Χ800μπι(Υ方向)。柔性梁FB的橫截面尺寸是30 μ m寬或更窄(y方向)Χ625μπι厚(ζ方向，高度)，且寬度/厚度的比例為1/20或更小。半導體基板的厚度 是約600 μ m到800 μ m。可以使得厚度薄至約100 μ m。甚至在半導體基板變薄時，柔性梁 的寬度/厚度的比例也優選被設置為1/10或更小。寬度顯著小於厚度。配重件M的重心 以0次近似(0th approximation)設置在800 μ m見方的中心，即在柔性梁FB的縱向中心 線上的一位置處且距離右端為約300 μ m。氧化矽膜11可以是1 μ m厚，且氮化矽膜12可以 是0. 5 μ m厚。這些值是示例性的且沒有限制性的含義。 圖IC和ID是柔性梁FB的平面圖和顯示了加速度傳感器功能的示意性平面圖。電 阻器Rl、R2、R3和R4形成在支撐件S側的端部處的兩邊緣部分中和形成在配重件M側的 端部處的兩邊緣部分中。電阻器Rl到R4適當地合起來稱為電阻器R。壓電電阻器R優選 地設置在應力集中的端部和邊緣部分附近。配重件M的重心G在柔性梁FB右端的左側上。 在配重件M運動時，例如沿+y方向(粗箭頭方向)，聯接到配重件M的柔性梁FB的右端受 到向上的力和順時針轉矩。如果僅受到向上的力，則柔性梁FB以弓形向上變形。因為柔性 梁還受到順時針轉矩，所以柔性梁的右端向上運動且還向右下彎曲。
如圖ID所示，在施加+y方向力時，柔性梁FB的左部形成向下凸的曲率，且通過順 時針轉矩，柔性梁FB的右部形成向上凸的曲率。整體上，形成字母S形的變形。因此，可以 推知電阻器Rl和R4受到壓應力且電阻器R2和R3受到拉應力。這種推論得到模擬的驗證。圖IE顯示了在施加IG加速度時的Mises應力的輪廓線的模擬結構。柔性梁具有 字母S形的變形。較高密度的黑點表示較大的Mises應力。可以觀察到，應力朝向與柔性 梁的一些部分聯接的支撐件S和配重件增加，即朝向柔性梁的相對端部增加。應力還沿寬 度方向朝向兩邊緣增加。圖IF是電阻器R1、R2、R3和R4以及用於電阻器的配線的俯視圖。例如，矽基板為 η型的，且電阻器Rl到R4用ρ型區域製造，該區域例如擴散有硼(B)。電阻器Rl到R4的 沿縱向方向的外端線與柔性梁FB的沿縱向方向的相對端線平齊。各個電阻器沿柔性梁的 兩邊緣設置。電阻器的相對端與摻入高濃度B的低電阻接觸區域C毗鄰。電阻器R3和R4 的遠端連接到共同的接觸區域Ce。形成在與配線的層相同一層中的連結墊BP設置在支撐 件S的周邊或邊緣區域處。電阻器R的寬度是1. 5 μ m到2. 0 μ m,且其長度約為10 μ m或更 長，該長度小於柔性梁FB長度的一半。如果長度小於10 μ m，則難以獲得實際上充分的一致 性。因為相反方向的應力施加到柔性梁的支撐件側和配重件側，所以電阻器的長度需要比 柔性梁的長度的一半短，且更優選地該長度是柔性梁長度的三分之一或比三分之一短。需 要的是配重件M的重心定位在一中間區域中，該中間區域位於形成在支撐件S側和配重件 W側的柔性梁上的電阻器之間。因為具有1.5μπι到2.0μπι寬度的兩個電阻器形成為沿橫向方向間隔開，所以柔 性梁FB的寬度優選為5 μ m或更寬。柔性梁的橫截面二階矩與柔性梁FB寬度的立方(三 次方)成比例。當柔性梁FB的寬度超過30 μ m時，需要非常重的重量來獲得必要的靈敏 度。例如，當柔性梁寬度為30 μ m時，將需要30mm見方的裝置尺寸來實現類似於具有寬度 為10 μ m的柔性梁的Imm見方的裝置尺寸的靈敏度。柔性梁寬度由此優選是5 μ m或更寬 和20 μ m或更窄。三條配線形成在柔性梁FB上筆直向前的配線W3，用於串序連接電阻器Rl和R3 並將其相互連接點引導到支撐件S;筆直向前的配線W5，用於串序連接電阻器R2和R4並將
8其相互連接點引導到支撐件S;和筆直向前的配線W4，用於將兩個電阻器R3和R4的共同的 接觸區域(相互連接點)引導到支撐件S。用於引導電阻器Rl和R2的近側端子的配線W6 和W7額外地形成在支撐件S上。配線W3到W7以最少的彎折部分連接到支撐件S上的連 結墊BP。因為沒有使用交叉配線，所以可以通過用一個層製造的配線來形成用於橋接電路 的配線。使用具有簡單形狀的一個配線構圖掩模就足夠了。圖IG是橋接電路的等效電路圖。電阻器Rl和R3以及電阻器R2和R4構成兩個 串序連接結構。電壓計V連接在兩個串序連接結構的相互連接點之間(經由連結墊)。電 阻器R3和R4共同連接並連接到DC電源Vdc的正端子(經由連結墊)，且在另一端上的電 阻器Rl和R2連接到DC電源的負端子(例如地)(經由連結墊)。如圖IC所示，當配重件M受到沿+y方向的加速度時(相對於支撐件S的沿y方 向加速度的反作用)，柔性梁FB以字母S形變形，電阻器Rl和R4受到壓應力並降低電阻 值，而電阻器R2和R3受到拉應力並增加電阻值。跨過橋接電路電壓計V的端子的電壓增 加，以使得能檢測到應力。如果加速度具有相反的方向，則所檢測電壓的極性顛倒。儘管已經描述了矽基板的矩形平面形狀，但是平面形狀並不限於矩形。圖2A顯示了矽基板的修改例，具有等腰三角形平面形狀。除了底側的中心區域 外，穿通溝道50沿等腰三角形基板1的外側形成，且支撐件S被構圖在穿通溝道50的外側。 與穿通溝道50的端部連續的、沿χ方向的一對穿通溝道40形成為將柔性梁FB構圖在穿通 溝道40之間。配重件M被構圖在支撐件S和柔性梁FB之間。柔性梁FB從三角形的底邊 中心朝向頂點延伸，且與配重件M連續。類似於第一實施例，半導體晶片區域能被有效地使 用。當配重件被經過柔性梁右端的y方向直線分開成在左側的第一部件和在右側的第二部 件時，構成第一部件的一對第一部分Mla和Mlb具有相對於柔性梁FB的中心線成線對稱或 鏡像對稱的形狀，且第二部件M2也具有相對於柔性梁FB的中心線成線對稱或鏡像對稱的 形狀，類似於第一實施例。該修改例具有的特點是，配重件M的y方向的寬度朝向近端側線 性地增加，且重心G易於設置在三角形的底側上。在上述結構中，配重件的每個角部形成直角或銳角。圖2B和2C顯示了配重件的角部被倒圓以便緩解撞擊時的衝擊的結構。該修改例 可在必要時使用。可以僅一些角部被倒圓且其餘角部可以不是倒圓的。圖4A到4E是解釋加速度傳感器的製造方法的截面圖。如圖4A所示，光致抗蝕劑圖案PRl形成在η型單晶矽基板1上，且ρ型摻雜離子 以高濃度注入到矽基板1的表面層上，以形成用作接觸區域C的低電阻部分60。例如，作為 P型摻雜物的硼(B)離子以2X102°/cm3的濃度注入。在光致抗蝕劑圖案PRl去除之後，執 行退火(annealing)，以激活注入的ρ型摻雜物B。如圖4Β所示，新的光致抗蝕劑圖案PR2形成在矽基板1上，且摻雜物注入到矽基 板1的暴露在光致抗蝕劑圖案PR2開口中的表面層中，以形成壓電電阻器元件Rl到R4。例 如，B離子以2Χ 1018/cm3的濃度注入，光致抗蝕劑圖案PR2隨後被去除，且執行退火來激活 P型摻雜物B。如圖4C所示，絕緣層11形成在矽基板1的表面上。光致抗蝕劑圖案PR3形成在 絕緣層11上，且絕緣層11被蝕刻以形成接觸孔HI。作為絕緣膜11，例如，具有Iym厚度 的SiO2膜或SixNy膜通過等離子增強化學氣相沉積(PE-CVD)形成。SiOx膜也可以通過低壓(LP)CVD形成。例如，接觸孔Hl通過使用CHF3W反應離子蝕刻形成。光致抗蝕劑圖案 PR3隨後被去除。如圖4D所示，配線層形成在絕緣層11，且通過使用光致抗蝕劑圖案PR4，配線層被 蝕刻為構圖出配線13和連結墊13。例如，0.6μπι厚的Al層用作配線層。具有300埃厚度 的Ti膜可在Al膜形成之前形成為粘結層。TiNx膜可以在Al膜形成之前形成為屏障金屬 層(barrier metal layer)。諸如AlSi和AlSiCu這樣的Al合金也可用於替代Al。在蝕 刻配線層的過程中，例如，採用使用Cl2氣體的反應離子蝕刻。在配線層被蝕刻且配線13和 連結墊13形成之後，光致抗蝕劑圖案PR4被去除。鈍化層12形成為覆蓋絕緣膜11、配線13和連結墊13。通過使用光致抗蝕劑圖案， 鈍化層12被蝕刻以形成將連結墊13 (圖IF中的BP)露出的開口。光致抗蝕劑圖案隨後被 去除。在蝕刻鈍化層12時，採用使用CHF3的反應離子蝕刻。如圖4E所示，具有用於形成穿通溝道的開口的光致抗蝕劑圖案PR5形成在鈍化層 12上。使用光致抗蝕劑圖案PR5，蝕刻鈍化層12、絕緣層11和矽基板1以形成穿通溝道(圖 1中的40、50)，且構圖出支撐件S、柔性梁FB和配重件M。更具體地，例如，執行使用CHF3的 反應離子蝕刻來蝕刻鈍化層12和絕緣層11。接下來，通過深度RIE並通過使用作為掩模的 絕緣層11、鈍化層12和光致抗蝕劑圖案PR5來蝕刻矽基板1。對於深度RIE，使用Bosch方 法，其在短時間內交替地重複通過C4F8進行的保護過程和通過SF6等離子進行的蝕刻過程。 在蝕刻完成之後，光致抗蝕劑圖案PR5被去除。通過這些過程，可以製造如圖IA到IF所示 的加速度傳感器。第二實施例圖5A和5B是顯示了第二實施例的加速度傳感器2的平面圖和橫截面圖。加速度 傳感器2具有兩個柔性梁FB 1和FB2，它們沿縱向方向平行並聯接配重件M和支撐件S。每 個柔性梁具有四個壓電電阻器(Rl到R4，R5到R8)，用於構成橋接電路。每個柔性梁FB的 結構類似於第一實施例的。半導體基板的層疊結構與第一實施例是相同的。操作在配重件M沿y軸方向加速時，因為配重件M經由多個平行的柔性梁聯接到支撐 件S，所述柔性梁限制配重件的旋轉運動，所以配重件M沿y軸方向平移。柔性梁FB 1和 FB2由此基本以字母S形狀變形。類似於第一實施例，因此可以通過將在同一邊緣附近的壓 電電阻元件串序連接來構成橋接電路。僅使用一層配線層。因為可以將兩個柔性梁的應力 平均以得出加速度，所以可以改善S/N比例。製造方法壓電電阻器元件Rl到R4和R5到R8以及用作接觸區域的低電阻部分60形成基 於柔性梁FBl和FB2的位置和尺寸設計的位置處。光致抗蝕劑圖案PR5的開口被設計為用 於構圖出第二實施例的柔性梁FBl和FB2、配重件M和支撐件S，以蝕刻矽基板1、絕緣層11 和鈍化層12。修改例圖6A、6B和6C是顯示了第二實施例修改例的平面圖。在圖6A到6C中僅繪製了 支撐件S、柔性梁FBl和FB2和配重件M(每條邊界通過虛線表示)。在圖6A所示的修改例 中，配重件M的左側朝向支撐件S突出。類似於第一實施例，由此可以增加配重件M的質量
10並在有限的空間中延長出柔性梁FBl和F2。在圖6B所示的修改例中，兩個柔性梁FBl和FB2設置在比配重件M的上側和下側 更靠內的位置處。可以認為這種結構是通過形成兩套第一實施例中的柔性梁FB和配重件 M並將兩個配重件相結合而形成的。溝道的數目增加超過圖6A中配重件的數目，且配重件 側表面的面積增加，以使得能增強空氣緩衝效果。例如，特定頻率的振動能被快速地衰減。在圖6C所示的實施例中，柔性梁FBl和FB2的寬度隨沿縱向方向的位置而改變。 在柔性梁FBl和FB2的端部處的寬度W5比在中心部分處的寬度W6小。因為力沿y軸方向 施加到配重件M，因此易於在柔性梁FBl和FB2的端部中形成變形。本發明的公開範圍並不限於上述實施例。例如，實施例中所描述的材料、尺寸、形 狀、膜形成方法和圖案轉印(pattern transfer)方法僅是示例性的。上述加速度傳感器可 以通過以下製造方法製造。首先，絕緣層11形成在矽基板1的表面上，與接觸區域對應的 開口穿過絕緣層11形成。光致抗蝕劑圖案形成在絕緣層11的表面上，該光致抗蝕劑圖案 具有與要被形成低電阻部分60和壓電電阻器Rx元件的區域對應的開口。例如，B離子以允 許穿過絕緣層的加速度能量注入。例如，B離子以6X102°/cm3的濃度注入到接觸區域。壓 電電阻元件區域也可以被穿過絕緣層注入，且可具有2X 1018/cm3的濃度，因為一些離子會 被絕緣層擋住。電阻器元件Rx和低電阻區域60僅通過執行一個雜質注入過程形成。例如 形成配線部分13等的其他過程類可以似於上述實施例中的那些。儘管一個或兩個柔性梁用在第一實施例和第二實施例中，但是可以使用三個或更 多的柔性梁。儘管設置在配重件一側上的多個懸臂式柔性梁用於第二實施例中，但是可以 使用沿縱向方向平行且設置在配重件兩相對側上且被支撐在支撐件的兩相對側上的多個 柔性梁。例如，相對於配重件M在矩形支撐件S內，兩個柔性梁的每一個的一端連接到支撐 件S的、垂直於χ軸方向的兩個內周表面每一個，且兩個柔性梁每一個的另一端連接到配重 件M的沿χ軸方向的兩相對端每一個。本領域技術人員應理解，可以作出各種改變、替換、改進和組合等。本申請基於2009年7月10日遞交的在先日本專利申請No. 2009-163621並要求 其優先權，該申請的全部內容通過引用合併於此。
權利要求
一種一維加速度傳感器，包括用具有恆定厚度的半導體基板製成的結構，包括用半導體基板製成的支撐件，通過第一穿通溝道構圖，除了設置在所述第一穿通溝道外側且設置有連結墊的部分以外，該第一穿通溝道延伸穿過所述半導體基板；柔性梁，通過與所述第一穿通溝道的兩相對端連續的一對第二穿通溝道構圖，所述第二穿通溝道沿一個方向在所述支撐件內延伸並穿過所述半導體基板，所述柔性梁具有比所述半導體基板的厚度小得多的寬度，所述柔性梁從所述支撐件的所述部分沿所述一個方向延伸到遠端，且具有設置在所述柔性梁近側的兩個邊緣處以及設置在所述柔性梁遠側的兩個邊緣處的四個壓電電阻器；和配重件，與所述柔性梁的遠端連續，所述配重件通過所述第一穿通溝道和所述第二穿通溝道構圖，所述配重件具有在所述支撐件內的一對對稱的第一部分和與所述一對第一部分及所述柔性梁的遠端聯接的第二部分，所述一對對稱的第一部分將所述柔性梁夾在它們之間，且所述配重件具有在柔性梁縱向中心線上的一位置處的重心，所述重心從所述柔性梁的所述遠端朝向所述近側移動；和配線，形成在所述半導體基板上方且用同一配線層製成，所述配線將四個壓電電阻器中的、在同一邊緣處的兩個壓電電阻器每一個串序連接，且所述配線將串序連接結構中的相互連接點引導到所述連結墊、將遠側上的兩個壓電電阻器的遠端共同地引導到所述連結墊、和將近側上的兩個壓電電阻器的近端引到所述連結墊。
2.如權利要求1所述的單維加速傳感器，其中，所述柔性梁的寬度是所述半導體基板 厚度的1/20或更窄。
3.如權利要求2所述的單維加速傳感器，其中，所述柔性梁的寬度是從5μ m到30 μ m。
4.如權利要求3所述的單維加速傳感器，其中，所述柔性梁的寬度是從5μ m到20 μ m。
5.如權利要求1所述的單維加速傳感器，其中，所述半導體基板用η型矽製造，且所述 壓電電阻器用摻雜有硼的P型區域製造。
6.如權利要求5所述的單維加速傳感器，其中，所述壓電電阻器具有的寬度是從 1. 5 μ m到2. 0 μ m,且具有的長度是10 μ m或更長且比柔性梁的長度的一半短。
7.如權利要求6所述的單維加速傳感器，其中，所述壓電電阻器的長度是所述柔性梁 的長度的1/3或更短。
8.如權利要求7所述的單維加速傳感器，還包括ρ型的低電阻的接觸區域，該區域與所 述壓電電阻器每一個的兩相對端連續，且所述配線連接到所述接觸區域。
9.如權利要求1所述的單維加速傳感器，其中，所述半導體基板具有矩形平面形狀，且 所述柔性梁沿連接相對邊中心點的中心線設置。
10.如權利要求1所述的單維加速傳感器，其中，所述半導體基板具有等邊三角形平面 形狀，且所述柔性梁沿連接該等邊三角形的頂點和底邊中點的直線設置。
11.一種單維加速度傳感器，包括半導體基板，具有恆定的厚度；一對第二穿通溝道，穿過半導體基板的整個厚度形成在所述半導體基板中，且沿一個 方向平行地延伸以在它們之間限定出柔性梁，該柔性梁具有比所述半導體基板的厚度小得 多的寬度；四個壓電電阻器，形成在所述柔性梁的兩端區域上的兩邊緣處；第一穿通溝道，穿過半導體基板的整個厚度形成在所述半導體基板中且在一側與所述 第二穿通溝道的端部連續，以限定出與所述柔性梁的一端連續的配重件，該配重件具有一 對對稱的第一部分和與所述一對第一部分及柔性梁的所述一端聯接的第二部分，所述一對 對稱的第一部分將所述柔性梁夾在它們之間，且所述配重件具有在柔性梁的縱向中心線上 的一位置處的重心，該重心從所述柔性梁的所述一端朝向一相對端移動；和配線，形成在所述柔性梁上方，且用同一配線層形成，所述配線串序連接四個壓電電阻 器中的同一邊緣處的兩個壓電電阻器每一個，並大致沿柔性梁的縱向方向引導串序連接結 構的相互連接點並共同地引導配重件側上的兩個壓電電阻器的端部。
12.—種單維減速度傳感器，包括支撐件，用具有預定厚度的半導體基板製造，通過第一穿通溝道構圖，除了沿設置在所 述溝道外側且設置有連結墊的所述基板一側的多個部分以外，該第一穿通溝道延伸穿過所 述半導體基板；多個柔性梁，通過多個成對的第二穿通溝道構圖，所述多個成對的第二穿通溝道在所 述多個部分處與所述第一穿通溝道的兩相對端連續，所述第二穿通溝道沿一個方向在所述 支撐件內延伸且穿過所述半導體基板，每個所述柔性梁具有比所述半導體基板的厚度小得 多的寬度，且沿所述一個方向從所述支撐件的所述部分延伸並具有設置在所述柔性梁近側 上的兩邊緣處以及所述柔性梁遠側上的兩邊緣處的四個一組的壓電電阻器；和配重件，與所述多個柔性梁的遠端連續，所述配重件通過所述第一穿通溝道和所述第 二穿通溝道構圖，其中，該單維加速度傳感器還包括在所述半導體基板上方且通過同一配線層形成的配 線，所述配線將四個壓電電阻器中的同一邊緣處的兩個壓電電阻器每一個串序連接，將遠 側上的兩個壓電電阻器的遠端共同地連接，並將串序連接結構的相互連接點、共同連接結 構、和近側上的兩個壓電電阻器的近端部分引導到所述連結墊。
13.如權利要求12所述的單維加速度傳感器，其中，所述配重件具有第一部分和聯接 所述第一部分的第二部分，該第一部分在所述支撐件內將所述柔性梁每一個包含在所述第 一部分之間。
全文摘要
一種單軸加速度傳感器，包括具有恆定厚度的半導體基板；穿過基板的平行的第二穿通溝道，該第二穿通溝道之間限定出柔性梁，第二穿通溝道具有比厚度小得多的寬度；四個壓電電阻器，形成在柔性梁的四個腳部區域處；穿過基板的第一穿通溝道，與第二穿通溝道的端部連續，以限定出與柔性梁的一端連續的配重件，該配重件包括將柔性梁夾在其間的一對對稱的第一部分和聯接到第二部分和柔性梁的一端的第二部分，且配重件具有的中心在柔性梁縱向中心線上的一中間位置處；一層配線，形成在柔性梁上方，將在同一邊緣處的壓電電阻器連接，並將相互連接點沿柔性梁的縱向方向引導。
文檔編號G01P15/09GK101949952SQ20101022759
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月12日 優先權日2009年7月10日
發明者服部敦夫, 松岡潤彌 申請人:山葉株式會社