JP2002228678A

JP2002228678A - 半導体力学量センサとその製造方法

Info

Publication number: JP2002228678A
Application number: JP2001027019A
Authority: JP
Inventors: Toshimasa Yamamoto; 山本　　敏雅; Kazuhiko Kano; 加納　　一彦; Yukihiro Takeuchi; 竹内　　幸裕
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2002-08-14

Abstract

(57)【要約】【課題】１枚の基板に可動・固定電極を分離した状態で
作り込んだうえにダンピングの影響を受けにくい高性能
な半導体力学量センサを提供する。【解決手段】シリコン基板１には横方向に延びる空洞２
が形成されるとともに縦方向に延びる溝４ａ，４ｂが形
成され、空洞２と溝４ａ，４ｂによりベースプレート部
４と四角枠部５と梁構造体６と固定電極１６ｂ，２２ｂ
が区画されている。固定電極１６ｂ，２２ｂは梁構造体
６の可動電極に対向して配置されている。可動電極と四
角枠部５との間および固定電極１６ｂ，２２ｂと四角枠
部５との間には電気的絶縁材料１９ｂ，２５ｂが埋め込
まれた溝１８ｂ，２４ｂが形成されている。空洞２の厚
さｔ１は梁構造体の厚さｔ２以上となっている（ｔ１≧
ｔ２）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、可動電極を有す
る梁構造体を具備し、例えば、加速度やヨーレートや振
動等の力学量を検出する半導体力学量センサに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、加速度やヨーレートや振動等を検
出する半導体力学量センサが、特開平９−２１１０２２
号公報に開示されている。このセンサはマイクロマシニ
ング技術を用いて半導体基板を加工して可動電極を有す
る梁構造体、および可動電極に対向する固定電極を半導
体基板に作り込んだものである。

【０００３】ところが、このような半導体力学量センサ
においては、センサの構造上、可動電極および各固定電
極の電気的分離を行う必要があるとともに、分離した電
極からの配線の取り回しを行う必要があり、センサの構
造が複雑になってしまう。また、基板の貼り合わせ工程
が存在するため、コストダウンが図りにくいという問題
点がある。

【０００４】これに対し、特開２０００−２８６４３０
公報においては、１枚の基板に、可動電極を有する梁構
造体、および可動電極に対向配置された固定電極を電気
的に分離した状態で作り込んだ半導体力学量センサが提
案されている。

【０００５】しかしながら、このような半導体力学量セ
ンサにおいては、ダンピングにより特性が十分に得られ
ないことがあるということが分かった。つまり、梁構造
体の運動が円滑に行われないことがある。これは、特に
励振型ヨーレートセンサ（上記特開２０００−２８６４
３０公報での第６の実施形態）のように、ベースプレー
ト部から所定の間隔を隔てて形成された１次振動子を振
動（励振）させつつ１次振動子内に形成した２次振動子
のヨーレートが加わったときの変位を測定するセンサに
おいて顕著となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上述した
技術的背景に鑑みてなされたもので、１枚の基板に可動
・固定電極を分離した状態で作り込んだうえにダンピン
グの影響を受けにくい高性能な半導体力学量センサを提
供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記ダン
ピングはセンサの構造上、梁構造体（可動電極）の下の
クリアランスが狭いことに起因することに着目し、以下
のようにした。

【０００８】請求項１に記載のごとく、単層の半導体基
板に形成した横方向に延びる空洞により区画され、当該
空洞の下に位置するベースプレート部と、空洞および半
導体基板に形成した縦方向に延びる溝により区画され、
空洞および溝の横に位置する枠部と、空洞および溝によ
り区画され、空洞の上に位置し、枠部から延び、かつ、
力学量により変位する可動電極を有する梁構造体と、空
洞および溝により区画され、空洞の上に位置し、枠部か
ら延び、かつ、梁構造体の可動電極に対向して配置され
た固定電極と、可動電極と枠部との間および固定電極と
枠部との間に形成され、電気的絶縁材料が埋め込まれた
溝と、を備えた半導体力学量センサであって、空洞の厚
さを梁構造体の厚さ以上にした。よって、単層の半導体
基板に形成した空洞と溝によりベースプレート部と枠部
と梁構造体と固定電極が区画され、可動電極と枠部との
間および固定電極と枠部との間に形成された溝に埋め込
まれた電気的絶縁材料により電極が分離されたうえ、空
洞の厚さ（梁構造体の下のクリアランス）を大きくとる
ことができるようになるため、ダンピングの影響を受け
にくく、高性能な半導体力学量センサとなる。

【０００９】また、請求項２に記載のごとく、ベースプ
レート部と、枠部と、力学量により変位する可動電極を
有する梁構造体と、梁構造体の可動電極に対向して配置
された固定電極とを備えた半導体力学量センサの製造方
法であって、単層の半導体基板の上面から異方性エッチ
ングを行い、可動および固定電極を枠部から電気的に絶
縁するための縦方向に延びる第１の溝を形成するととも
に、当該溝を絶縁材料で埋め込む工程と、半導体基板の
上面から異方性エッチングを行い、枠部と梁構造体と固
定電極を区画形成するための縦方向に延びる第２の溝を
形成するとともに、当該溝の底面を除く溝の側壁に保護
膜を形成する工程と、第２の溝の底面からさらに深く異
方性エッチングを行い、第３の溝を形成する工程と、第
３の溝から半導体基板に対し等方性エッチングを行い、
横方向に延びる空洞を形成し、空洞の下に位置するベー
スプレート部と、空洞および第２の溝の横に位置する枠
部と、梁構造体と、固定電極とを区画形成する工程とを
備えたものとした。よって、単層の半導体基板に形成し
た空洞と溝によりベースプレート部と枠部と梁構造体と
固定電極が区画され、可動電極と枠部との間および固定
電極と枠部との間に形成された溝に埋め込まれた電気的
絶縁材料により電極が分離されたうえ、第２の溝の底面
からさらに深く異方性エッチングを行って第３の溝を形
成した後、第３の溝から半導体基板に対し等方性エッチ
ングを行って空洞を形成することにより、空洞の厚さ
（梁構造体の下のクリアランス）を大きくとることがで
きるようになるため、ダンピングの影響を受けにくく、
高性能な半導体力学量センサを得ることができる。

【００１０】さらに、請求項３に記載のごとく、ベース
プレート部と、枠部と、力学量により変位する可動電極
を有する梁構造体と、梁構造体の可動電極に対向して配
置された固定電極とを備えた半導体力学量センサの製造
方法であって、単層の半導体基板の上面から異方性エッ
チングを行い、可動および固定電極を枠部から電気的に
絶縁するための縦方向に延びる第１の溝、および固定電
極と梁構造体の少なくとも一方をベースプレート部から
支持するための第１の溝よりも深い縦方向に延びる第２
の溝を形成するとともに、これら溝を絶縁材料で埋め込
む工程と、半導体基板の上面から異方性エッチングを行
い、枠部と梁構造体と固定電極を区画形成するための縦
方向に延びる第３の溝を形成するとともに、当該溝の底
面を除く溝の側壁に保護膜を形成する工程と、第３の溝
の底面からさらに深く異方性エッチングを行い、第４の
溝を形成する工程と、第４の溝から半導体基板に対し第
２の溝内の絶縁材料の下端が露出しない等方性エッチン
グを行い、横方向に延びる空洞を形成し、空洞の下に位
置するベースプレート部と、空洞および第３の溝の横に
位置する枠部と、梁構造体と、固定電極とを区画形成す
る工程とを備えたものとした。よって、単層の半導体基
板に形成した空洞と溝によりベースプレート部と枠部と
梁構造体と固定電極が区画され、可動電極と枠部との間
および固定電極と枠部との間に形成された溝に埋め込ま
れた電気的絶縁材料により電極が分離されるとともに、
第２の溝に埋め込まれた絶縁材料により固定電極と梁構
造体の少なくとも一方がベースプレート部から支持され
る。そのうえ、第３の溝の底面からさらに深く異方性エ
ッチングを行って第４の溝を形成した後、第４の溝から
半導体基板に対し第２の溝内の絶縁材料の下端が露出し
ない等方性エッチングを行って横方向に延びる空洞を形
成することにより、空洞の厚さ（梁構造体の下のクリア
ランス）を大きくとることができるようになるため、ダ
ンピングの影響を受けにくく、高性能な半導体力学量セ
ンサを得ることができる。

【００１１】ここで、請求項４に記載のように、溝を埋
め込む材料として、絶縁材料または、絶縁材料で被われ
た材料を用いるとよい。絶縁分離するための溝に埋め込
む材料として、シリコン酸化膜で被われた材料（例え
ば、ポリシリコン）を形成することにより、酸化膜単体
で埋め込む場合に比べ、低応力のポリシリコンの存在に
て溝に発生する応力を小さくすることができる。

【００１２】また、請求項５に記載のように、保護膜と
して酸化膜を用いることができ、特に、請求項６に記載
のように、酸化膜として熱酸化膜を用いることができ
る。また、請求項７に記載のように、酸化膜として、酸
素プラズマ処理により形成したものを用いることができ
る。この場合には、熱酸化に比べ、簡単に側壁保護膜を
形成することができ、また熱工程が加わらないため、ア
ルミ成膜による配線工程後にもこの製造方法を使用する
ことができる。

【００１３】また、請求項８に記載のように、保護膜と
して、溝形成のためのエッチングの際に生じる膜を用い
てもよい。

【００１４】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、この
発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明
する。

【００１５】図１，２には、本実施形態における加速度
センサを示す。図１は、加速度センサの平面図であり、
図２は、加速度センサの斜視図である。また、図３には
図１のＡ−Ａ線での断面を、図４には図１のＢ−Ｂ線で
の断面を示す。

【００１６】図５は加速度センサの配線を取り除いた状
態での斜視図を示している。つまり、図２は、本センサ
の配線を含む斜視図であり、これに対し、図５では配線
を除いたものとなっている。

【００１７】図３において、単層の半導体基板としての
シリコン基板１の内部には空洞２が形成されており、こ
の空洞２は所定の厚さｔ１を有し、かつ、横方向（水平
方向）に延びている。基板１における空洞２の下の部位
がベースプレート部３となっている。つまり、空洞２に
よりベースプレート部３が区画され、空洞２の下にベー
スプレート部３が位置している。また、基板１における
空洞２の上の部位において、図１，３に示すように、溝
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄが形成され、この溝４ａ〜４ｄ
は縦方向に延び、かつ、空洞２に達している。この空洞
２および溝４ａ〜４ｄにより、図５に示すように、四角
枠部５および梁構造体６が区画形成されている。四角枠
部５は、空洞２および溝４ａ，４ｂの横に位置し、ベー
スプレート部３の上に立設されている。この四角枠部５
は基板１の側壁にて構成されている。また、梁構造体６
は、空洞２の上に位置し、四角枠部５から延びている。
このとき、梁構造体６はベースプレート部３の上面から
所定の間隔ｔ１をおいて配置されている。さらに、空洞
２および溝４ａ，４ｂにより、固定電極１６ａ〜１６
ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄ
が区画され、これら固定電極は空洞２の上に位置し、四
角枠部５から延びている（詳細は後述する）。

【００１８】図５において、梁構造体６は、アンカー部
７，８と、梁部９，１０と、質量部１１と、可動電極１
２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１３ａ，１３ｂ，１３
ｃ，１３ｄを備えている。四角枠部５における対向する
内壁面においてアンカー部７，８が突設され、アンカー
部７，８には梁部９，１０を介して質量部１１が連結支
持されている。つまり、質量部１１は、四角枠部５の内
方においてアンカー部７，８により架設され、かつ、ベ
ースプレート部３の上面において所定間隔ｔ１を隔てた
位置に配置されている。

【００１９】アンカー部７，８と梁部９，１０との間に
は絶縁溝１４ａ，１４ｂが形成され、その内部には酸化
膜等の電気的絶縁材料１５ａ，１５ｂが配置され、この
絶縁材料１５ａ，１５ｂにて電気的に絶縁されている。

【００２０】質量部１１における一方の側面からは４つ
の可動電極１２ａ〜１２ｄが突出している。また、質量
部１１における他方の側面からは４つの可動電極１３ａ
〜１３ｄが突出している。可動電極１２ａ〜１２ｄ，１
３ａ〜１３ｄは、等間隔で平行に延びる櫛歯状の形状に
なっている。このように、梁構造体６は、力学量である
加速度により変位する可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ
〜１３ｄを有する。

【００２１】図５において、四角枠部５の内壁面におけ
る可動電極１２ａ〜１２ｄと対向する面には、第１の固
定電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄおよび第２の固
定電極１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄが固定されてい
る。第１の固定電極１６ａ〜１６ｄはベースプレート部
３の上面に所定間隔ｔ１を隔てた位置に配置され、可動
電極１２ａ〜１２ｄの一方の側面と対向している。同様
に、第２の固定電極１７ａ〜１７ｄはベースプレート部
３の上面に所定間隔ｔ１を隔てた位置に配置され、可動
電極１２ａ〜１２ｄの他方の側面と対向している。ここ
で、第１の固定電極１６ａ〜１６ｄと四角枠部５との間
には絶縁溝１８ａ〜１８ｄ（図３参照）が形成され、そ
の内部には酸化膜等の電気的絶縁材料１９ａ〜１９ｄ
（図３参照）が配置され、この絶縁材料１９ａ〜１９ｄ
にて電気的に絶縁されている。同様に、第２の固定電極
１７ａ〜１７ｄと四角枠部５との間には絶縁溝２０ａ〜
２０ｄ（図４参照）が形成され、その内部には酸化膜等
の電気的絶縁材料２１ａ〜２１ｄ（図４参照）が配置さ
れ、この絶縁材料２１ａ〜２１ｄにて電気的に絶縁され
ている。

【００２２】同様に、図５において、四角枠部５の内壁
面における可動電極１３ａ〜１３ｄと対向する面には、
第１の固定電極２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄおよび
第２の固定電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄが固定
されている。第１の固定電極２２ａ〜２２ｄはベースプ
レート部３の上面に所定間隔ｔ１を隔てた位置に配置さ
れ、可動電極１３ａ〜１３ｄの一方の側面と対向してい
る。同様に、第２の固定電極２３ａ〜２３ｄはベースプ
レート部３の上面に所定間隔ｔ１を隔てた位置に配置さ
れ、可動電極１３ａ〜１３ｄの他方の側面と対向してい
る。ここで、第１の固定電極２２ａ〜２２ｄと四角枠部
５との間には絶縁溝２４ａ〜２４ｄ（図３参照）が形成
され、その内部には酸化膜等の電気的絶縁材料２５ａ〜
２５ｄ（図３参照）が配置され、この絶縁材料２５ａ〜
２５ｄにて電気的に絶縁されている。同様に、第２の固
定電極２３ａ〜２３ｄと四角枠部５との間には絶縁溝２
６ａ〜２６ｄ（図４参照）が形成され、その内部には酸
化膜等の電気的絶縁材料２７ａ〜２７ｄ（図４参照）が
配置され、この絶縁材料２７ａ〜２７ｄにて電気的に絶
縁されている。

【００２３】このように本実施形態においては、トレン
チ溝を酸化膜等で埋め込んだ絶縁材料１５ａ，１５ｂ，
１９ａ〜１９ｄ，２１ａ〜２１ｄ，２５ａ〜２５ｄ，２
７ａ〜２７ｄを介して可動および固定電極が四角枠部５
に支持されるとともに、ベースプレート部３側から電気
的に絶縁されている。また、図３，４に示すように、空
洞２の厚さｔ１は梁構造体の厚さｔ２以上となっている
（ｔ１≧ｔ２）。具体的には空洞２の厚さｔ１は数μｍ
〜１０μｍ程度である。

【００２４】図２に示すように、第１の固定電極１６ａ
〜１６ｄは配線２８により外部に電位が取り出され、ま
た、第２の固定電極１７ａ〜１７ｄは配線２９により外
部に電位が取り出されている。同様に、第１の固定電極
２２ａ〜２２ｄは配線３０により外部に電位が取り出さ
れ、また、第２の固定電極２３ａ〜２３ｄは配線３１に
より外部に電位が取り出されている。より詳しくは、図
３に示すように、第１の固定電極１６ａ〜１６ｄ，２２
ａ〜２２ｄからは、酸化膜３２，３３上に形成されてい
る配線２８，３０によりコンタクト部３４，３５を通し
て四角枠部５と電気的に絶縁を保った状態で外部に電位
が取り出されている。また、図４に示すように、第２の
固定電極１７ａ〜１７ｄ，２３ａ〜２３ｄからは、酸化
膜３２，３３上に形成されている配線２９，３１により
コンタクト部３６，３７を通して四角枠部５と電気的に
絶縁を保った状態で外部に電位が取り出されている。

【００２５】また、図２に示すように、可動電極１２ａ
〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄの電位は質量部１１と梁部
９，１０を通し、配線３８，３９により（詳しくは、梁
部９，１０に設けられているコンタクト部を通じて）外
部に電位が取り出されている。

【００２６】一方、基板１に形成された溝の側壁には保
護膜が形成されている。図３，４では、質量部１１、固
定電極１６ｂ，１７ａ，２２ｂ，２３ａの側壁に、それ
ぞれ保護膜が形成されている状態を示す。つまり、図
３，４に示すように、質量部１１の側壁には保護膜４０
が、固定電極１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ
〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄの側壁には保護膜４１，４２
がそれぞれ形成されている。さらに、基板１の上面には
（図３，４では、四角枠部５、質量部１１、固定電極１
６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３
ａ〜２３ｄの上部には）、酸化膜３２，３３が形成され
ている。

【００２７】このように本実施形態の半導体加速度セン
サは、図３，５に示すように、ベースプレート部３が空
洞２により区画され、四角枠部５が空洞２および溝４
ａ，４ｂにより区画され、可動電極１２ａ〜１２ｄ，１
３ａ〜１３ｄを有する梁構造体６が空洞２および溝４ａ
〜４ｄにより区画され、固定電極１６ａ〜１６ｄ，１７
ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄが空洞２
および溝４ａ、４ｂにより区画されている。また、溝１
４ａ，１４ｂ，１８ａ〜１８ｄ，２０ａ〜２０ｄ，２４
ａ〜２４ｄ，２６ａ〜２６ｄが、可動電極１２ａ〜１２
ｄ，１３ａ〜１３ｄと四角枠部５との間および固定電極
１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２
３ａ〜２３ｄと四角枠部５との間に形成され、電気的絶
縁材料１５ａ，１５ｂ，１９ａ〜１９ｄ，２１ａ〜２１
ｄ，２５ａ〜２５ｄ，２７ａ〜２７ｄが埋め込まれてい
る。

【００２８】よって、シリコン基板１に形成した空洞２
と溝４ａ〜４ｄによりベースプレート部３と四角枠部５
と梁構造体６と固定電極１６ａ〜１６ｄ，１７ａ〜１７
ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄとが区画されると
ともに、可動電極１２ａ〜１２ｄ，１３ａ〜１３ｄと四
角枠部５との間および固定電極１６ａ〜１６ｄ，１７ａ
〜１７ｄ，２２ａ〜２２ｄ，２３ａ〜２３ｄと四角枠部
５との間に形成された溝１４ａ，１４ｂ，１８ａ〜１８
ｄ，２０ａ〜２０ｄ，２４ａ〜２４ｄ，２６ａ〜２６ｄ
に埋め込まれた電気的絶縁材料１５ａ，１５ｂ，１９ａ
〜１９ｄ，２１ａ〜２１ｄ，２５ａ〜２５ｄ，２７ａ〜
２７ｄにより電極が電気的に分離されている。

【００２９】このように、１枚のシリコン基板に、可動
電極を有する梁構造体、および可動電極に対向配置され
た固定電極を作り込んだ半導体力学量センサにおいて、
単層の半導体基板、即ち、単結晶シリコン基板１を用い
ているためセンサの断面構造を簡単化することができ
る。

【００３０】次に、このように構成した加速度センサの
動作について、図５を用いて説明する。可動電極１２ａ
〜１２ｄと第１の固定電極１６ａ〜１６ｄとの間には第
１のコンデンサが、また、可動電極１２ａ〜１２ｄと第
２の固定電極１７ａ〜１７ｄとの間には第２のコンデン
サが形成されている。同様に、可動電極１３ａ〜１３ｄ
と第１の固定電極２２ａ〜２２ｄとの間に第１のコンデ
ンサが、また、可動電極１３ａ〜１３ｄと第２の固定電
極２３ａ〜２３ｄとの間に第２のコンデンサが形成され
ている。

【００３１】ここで、可動電極１２ａ〜１２ｄ（１３ａ
〜１３ｄ）は、両側の固定電極１６ａ〜１６ｄ（２２ａ
〜２２ｄ）と１７ａ〜１７ｄ（２３ａ〜２３ｄ）の中心
に位置し、可動電極と固定電極間の静電容量Ｃ１，Ｃ２
は等しい。また、可動電極１２ａ〜１２ｄ（１３ａ〜１
３ｄ）と固定電極１６ａ〜１６ｄ（２２ａ〜２２ｄ）間
には電圧Ｖ１が、可動電極１２ａ〜１２ｄ（１３ａ〜１
３ｄ）と固定電極１７ａ〜１７ｄ（２３ａ〜２３ｄ）間
には電圧Ｖ２が印加されている。

【００３２】加速度が生じていないときには、Ｖ１＝Ｖ
２であり、可動電極１２ａ〜１２ｄ（１３ａ〜１３ｄ）
は、固定電極１６ａ〜１６ｄ（２２ａ〜２２ｄ）と１７
ａ〜１７ｄ（２３ａ〜２３ｄ）から等しい静電気力で引
かれている。

【００３３】そして、加速度が基板１の表面に平行な方
向に作用し、可動電極１２ａ〜１２ｄ（１３ａ〜１３
ｄ）が変位すると、可動電極と固定電極との間の距離が
変わり静電容量Ｃ１，Ｃ２が等しくなくなる。

【００３４】このとき、例えば可動電極１２ａ〜１２ｄ
（１３ａ〜１３ｄ）が固定電極１６ａ〜１６ｄ（２２ａ
〜２２ｄ）側に変位したとすると、静電容量Ｃ１とＣ２
が等しくなるように外部から電圧Ｖ１，Ｖ２を制御す
る。この場合、電圧Ｖ１を下げ、電圧Ｖ２を上げる。こ
れにより静電気力で固定電極１７ａ〜１７ｄ（２３ａ〜
２３ｄ）側に可動電極１２ａ〜１２ｄ（１３ａ〜１３
ｄ）は引かれる。

【００３５】可動電極１２ａ〜１２ｄ（１３ａ〜１３
ｄ）が中心位置に戻り静電容量Ｃ１，Ｃ２が等しくなれ
ば、加速度と静電気力が等しく釣り合っており、このと
きの電圧Ｖ１，Ｖ２から加速度の大きさを求めることが
できる。

【００３６】このように、第１のコンデンサと第２のコ
ンデンサにおいて、加速度の作用による変位に対して、
可動電極が変位しないように第１と第２のコンデンサを
形成している固定電極の電圧を制御し、その電圧の変化
で加速度を検出することができる。

【００３７】このようなセンシング動作において、空洞
２の厚さｔ１が梁構造体の厚さｔ２以上となっており、
空洞２の厚さｔ１、即ち梁構造体の下のクリアランスを
大きくとることができ、ダンピングの影響を受けにく
く、高性能なセンサとなる。つまり、梁構造体６（特に
質量部１１と可動電極１２ａ〜１２ａ，１３ａ〜１３）
のスライド運動が円滑に行われ、高精度に加速度の測定
を行うことができる。

【００３８】次に、加速度センサの製造方法を、図１の
Ｂ−Ｂ断面での図６〜１１に示す工程図に従って説明す
る。なお、製造工程の説明において、各固定電極および
梁構造体の絶縁構造（支持構造）は同じであるので、図
１のＢ−Ｂ断面を説明することによりその他の部位の説
明は省略する。

【００３９】まず、図６に示すように、単層の半導体基
板としての単結晶シリコン基板１を用意し、シリコン基
板１の上面から異方性エッチングを行い、可動および固
定電極を四角枠部から電気的に絶縁するための縦方向に
延びる第１の溝２０ａ，２６ａをパターン形成する。そ
して、シリコン基板１の上にシリコン酸化膜を成膜し、
溝２０ａ，２６ａを絶縁材料（酸化膜）２１ａ，２７ａ
で埋め込み、かつ基板表面を酸化膜３２で覆う。

【００４０】さらに、図７に示すように、配線材料５０
を成膜しパターニングを行い、続いて、酸化膜３３を成
膜して配線パターン５０を覆う。引き続き、図８に示す
ように、酸化膜３２，３３の一部を除去してコンタクト
ホール３６，３７を形成し、さらに、配線材料２９，３
１を成膜しパターニングを行う。

【００４１】そして、図９に示すように、基板１に構造
体形成のためのマスクフォトを行い、マスク５１にて酸
化膜３２，３３のエッチングを行う。続いて、マスク５
１を用いてシリコン基板１の上面から異方性エッチング
（トレンチエッチング）を行い、四角枠部と梁構造体と
固定電極を形成するための縦方向に延びる溝（第２の
溝）４ａ，４ｂを形成する。図９では、質量部（１１）
および固定電極（１７ａ，２３ａ）となる領域を形成す
る。また、異方性エッチング時あるいはエッチング後に
異方性エッチングを行った溝４ａ，４ｂの内壁面（側面
および底面）に、等方性エッチングに先立つ側壁の保護
のために保護膜４０，４２を形成し、さらに、溝底面に
付いた保護膜を除去する。このように、溝４ａ，４ｂの
底面を除く溝４ａ，４ｂの側壁に保護膜４０，４２を形
成する。

【００４２】ここで、保護膜４０，４２は、製造プロセ
スに適合したものを選択しなければならない。具体的に
は、トレンチエッチング時にポリマー等を形成したり、
熱酸化膜を形成したり、ＣＶＤ等で酸化膜を成膜した
り、Ｏ₂プラズマ等で薄い酸化膜を形成したり、薬液等
で酸化膜を形成すればよい。また、採用する保護膜の形
成方法により配線材料を適宜選択するとともにマスクに
関して工夫する。つまり、熱工程が加わらない場合は、
配線材料２９，３１はアルミ等の金属配線またはポリシ
リコン等の材料が考えられ、構造体形成のマスクについ
ては、フォトレジスト等を残しておいても問題はない。
これに対し、熱工程が加わる場合は、配線材料２９，３
１は高融点金属であるタングステンやその化合物等、あ
るいはポリシリコン等の材料が考えられ、構造体形成の
マスクについては、フォトレジスト等を剥離し、酸化膜
のマスクにより構造体形成を行う。

【００４３】このように、保護膜として酸化膜を用いる
ことができ、特に、酸化膜として熱酸化膜を用いること
ができる。また、酸化膜として、酸素プラズマ処理によ
り形成したものとすると、熱酸化に比べ、簡単に側壁保
護膜を形成することができ、また熱酸化が加わらないた
め、アルミ成膜による配線工程後にもこの製造方法を使
用することができる。また、保護膜として、溝形成のた
めにエッチングの際に生じる膜（エッチング時に生じる
側壁保護膜）を用いてもよい。

【００４４】製造工程の説明に戻り、さらに、図１０に
示すように、マスク５１を用いてシリコン基板１の上面
から異方性エッチング（トレンチエッチング）を行い、
第２の溝４ａ，４ｂの底面からさらに深い第３の溝５２
を形成する。

【００４５】次に、第３の溝５２からシリコン基板１に
対し等方性エッチングを行い、図１１に示すように、横
方向に延びる空洞２を形成する。これにより、空洞２の
下に位置するベースプレート部３と、空洞２および溝４
ａ，４ｂの横に位置する四角枠部５と、加速度により変
位する可動電極を有する梁構造体６と、梁構造体６の可
動電極に対向して配置された固定電極１７ａ，２３ａと
が区画形成される。図１１では質量部１１、固定電極１
７ａ，２３ａの下のシリコンのみがエッチング除去され
て、特に質量部１１とベースプレート部３が完全に分離
し、下部に厚さｔ１の空洞２が形成される。ここで、図
１０で示した、深い第３の溝５２を形成した後にシリコ
ン基板１に対して等方性エッチングを施していることか
ら、これを行わない場合に比べ、空洞２の厚さｔ１（梁
構造体の下のクリアランス）を大きくすることができ
る。このように空洞２の厚さｔ１を大きくとることがで
きるようになるため、ダンピングの影響を受けにくく
（ダンピングの影響を小さくすることができ）、高性能
な半導体力学量センサを得ることができる。

【００４６】なお、この等方性エッチングでは、前述し
た側壁保護膜４０，４２はエッチングされないような組
み合わせを選ぶ必要がある。また、この等方性エッチン
グの際、ＳＦ₆や、ＣＦ₄等のガス材料を用いたプラズ
マエッチング工程を用いることにより、ウエット工程に
比較してエッチングの後の構造体形成歩留まりの向上を
図ることができる。

【００４７】最後に、エッチングマスク５１を除去する
と、図４に示す加速度センサを形成することができる。
このような工程を経ることにより、基板の貼り合わせ工
程または貼合ウエハを用いることなく、可動構造体を単
結晶シリコンで形成することができ、安価で信頼性の高
いセンサを形成することができる。詳しくは、１枚のシ
リコン基板に、可動電極を有する梁構造体、および可動
電極に対向配置された固定電極を作り込んだ加速度セン
サにおいて、製造時のスタートウエハとして単層の半導
体基板（単結晶シリコン基板）を用いることができ、し
かも、基板の貼り合わせ工程を用いず、センサの製造コ
ストを大幅に下げることが可能となる。

【００４８】なお、溝を埋め込む材料は絶縁材料とした
が、これに代わり絶縁材料で被われた材料を用いてもよ
い。絶縁分離するための溝に埋め込む材料として、シリ
コン酸化膜で被われた材料（例えば、ポリシリコン）を
形成することにより、酸化膜単体で埋め込む場合に比
べ、低応力のポリシリコンの存在にて溝に発生する応力
を小さくすることができる。（第２の実施の形態）次に、第２の実施の形態を、第１
の実施の形態との相違点を中心に説明する。

【００４９】図１２には、本実施形態の加速度センサの
断面図を示す。図１２は、図１のＭ−Ｍ線での縦断面図
であり、固定電極に対し図１３に示すＭ−Ｍ線での断面
図を示すものである。

【００５０】本実施形態は、第１の実施の形態に比べ、
固定電極（および梁構造体）を支持および絶縁するため
の構造が異なっている。ベースプレート部３上に電気的
絶縁材料（酸化膜）よりなる柱７１，７２が立設され、
この柱７１，７２により固定電極７０と梁構造体の少な
くとも一方を支持するとともに電気的に絶縁している。
詳しくは、固定電極７０は、空洞２および溝４ａ，４ｂ
により区画され、空洞２の上に位置し、四角枠部５から
延び、かつ、梁構造体６の可動電極に対向して配置され
ているが、さらに、固定電極７０を貫通する溝８０ａ，
８０ｂに、電気的絶縁材料（酸化膜）よりなる柱７１，
７２が埋め込まれ、柱７１，７２がベースプレート部３
に向かって延びている。

【００５１】この構造に関し、より詳しくは、図１４に
示すように、可動電極７５と固定電極７６，７７はその
下側がベースプレート部３と所定の間隔ｔ１を隔てて配
置されているが、センサの動作上、可動電極７５と固定
電極７６，７７の間に電位差が発生する。その際、その
電位差により可動電極７５と固定電極７６，７７の間に
静電引力が働き、可動電極７５と固定電極７６，７７が
引き合い近接する。これに対し、図１５に示すような絶
縁材料の柱７８により固定電極７６，７７を支持する構
成を採ることにより、少なくとも固定電極７６，７７は
ベースプレート部３に固定されているため静電引力によ
り動くことがなく、安定したセンサ出力を得ることがで
きる。特に、支持対象の部材（固定電極７０と梁構造体
の少なくとも一方）の幅が狭い場合に電気的絶縁材料よ
りなる柱７１，７２にて支持することは有用である。

【００５２】本構成においても、図１２に示すように、
空洞２の厚さｔ１は梁構造体６の厚さｔ２以上となって
いる（ｔ１≧ｔ２）。次に、この加速度センサの製造方
法を、図１６〜図２１に示す工程図に従って説明する。

【００５３】まず、図１６に示すように、単層の半導体
基板としての単結晶シリコン基板１を用意し、このシリ
コン基板１の上面から異方性エッチングを行い、浅い溝
２０ｄ，２６ｄと深い溝８０ａ，８０ｂをパターン形成
する。つまり、可動および固定電極を四角枠部から電気
的に絶縁するための縦方向に延びる第１の溝２０ｄ，２
６ｄ、および固定電極と梁構造体の少なくとも一方をベ
ースプレート部から支持するための第１の溝２０ｄ，２
６ｄよりも深い縦方向に延びる第２の溝８０ａ，８０ｂ
を形成する。そして、シリコン基板１の上にシリコン酸
化膜を成膜し、これら溝２０ｄ，２６ｄ，８０ａ，８０
ｂを絶縁材料（酸化膜）２１ｄ，２７ｄ，７１，７２で
埋め込む。これにより、絶縁材料の柱７１，７２が形成
される。さらに、基板表面を酸化膜３２で覆う。

【００５４】そして、図１７に示すように、配線材料５
０を成膜し、パターニングを行う。続いて、酸化膜３３
を成膜して配線パターン５０を覆う。さらに、図１８に
示すように、酸化膜３２，３３の一部を除去してコンタ
クトホール３６，３７を形成し、配線材料２９，３１を
成膜しパターニングを行う。

【００５５】その後、図１９に示すように、基板１に構
造体形成のためのマスクフォトを行い、マスク５１にて
まず酸化膜３２，３３のエッチングを行い、続いて、シ
リコン基板１の上面から異方性エッチング（トレンチエ
ッチング）を行い、四角枠部と梁構造体と固定電極を区
画形成するための縦方向に延びる第３の溝４ａ，４ｂを
形成する。また、異方性エッチング時あるいはエッチン
グ後に異方性エッチングを行った溝４ａ，４ｂの内壁面
に保護膜４０，４２を形成するとともに溝底面に付いた
保護膜を除去する。このように、溝４ａ，４ｂの底面を
除く溝４ａ，４ｂの側壁に保護膜４０，４２を形成す
る。なお、この側壁保護膜４０，４２は、製造プロセス
に適合したものを選択しなければならないが、トレンチ
エッチング時にポリマー等を形成、熱酸化膜を形成、Ｃ
ＶＤ等で酸化膜を成膜、Ｏ₂プラズマ等で薄い酸化膜を
形成、薬液等で酸化膜を形成等、どのような方法をとっ
てもよい。その場合の配線材料は、熱工程が加わらない
場合は、配線材料２９，３１はアルミ等の金属配線また
はポリシリコン等の材料が考えられる。また、熱工程が
加わる場合は、配線材料２９，３１は高融点金属である
タングステンやその化合物等あるいはポリシリコン等の
材料が考えられる。

【００５６】さらに、マスク５１を用いてシリコン基板
１の上面から異方性エッチング（トレンチエッチング）
を行い、図２０に示すように、第３の溝４ａ，４ｂの底
面からさらに深い第４の溝８１を形成する。

【００５７】引き続き、図２１に示すように、深い第４
の溝８１からシリコン基板１に対し第２の溝８０ａ，８
０ｂ内の絶縁材料７１，７２の下端が露出しない等方性
エッチングを行い、横方向に延びる空洞２を形成する。
これにより、空洞２の下に位置するベースプレート部３
と、空洞２および溝４ａ，４ｂの横に位置する四角枠部
５と、加速度により変位する可動電極を有する梁構造体
６と、梁構造体６の可動電極に対向して配置された固定
電極７０とが区画形成される。なお、この等方性エッチ
ングでは、前述した側壁保護膜４０，４２はエッチング
されないような組み合わせを選ぶ必要がある。この等方
性エッチングの際、ＳＦ₆や、ＣＦ₄等のガス材料を用
いたプラズマエッチング工程を用いることにより、従来
のウエット工程に比較してエッチングの後の構造体形成
歩留まりの向上を図ることができる。

【００５８】ここで、図２０で示した、深い第４の溝８
１を形成した後にシリコン基板１に対して等方性エッチ
ングを施していることから、これを行わない場合に比
べ、空洞２の厚さｔ１（梁構造体の下のクリアランス）
を大きくすることができる。このように空洞２の厚さｔ
１を大きくとることができるようになるため、ダンピン
グの影響を受けにくく（ダンピングの影響を小さくする
ことができ）、高性能な半導体力学量センサを得ること
ができる。

【００５９】最後に、エッチングマスク５１を除去する
と、図１２に示すように、加速度センサを形成すること
ができる。なお、これまで述べてきた本実施形態の説明
では、主に、ベースプレート部３上に立設した柱７１，
７２にて固定電極７０を支持するとともに電気的に絶縁
する場合について述べてきたが、梁構造体のアンカー部
７，８（図１参照）についても同様の構成としてもよい
ことは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態における半導体加速度センサを示
す平面図。

【図２】半導体加速度センサの斜視図。

【図３】図１のＡ−Ａ線での縦断面図。

【図４】図１のＢ−Ｂ線での縦断面図。

【図５】半導体加速度センサの斜視図。

【図６】製造工程を説明するための断面図。

【図７】製造工程を説明するための断面図。

【図８】製造工程を説明するための断面図。

【図９】製造工程を説明するための断面図。

【図１０】製造工程を説明するための断面図。

【図１１】製造工程を説明するための断面図。

【図１２】第２の実施形態における半導体加速度セン
サの断面図。

【図１３】半導体加速度センサの固定電極における斜
視図。

【図１４】固定電極の支持構造を説明するための断面
図。

【図１５】固定電極の支持構造を説明するための断面
図。

【図１６】製造工程を説明するための断面図。

【図１７】製造工程を説明するための断面図。

【図１８】製造工程を説明するための断面図。

【図１９】製造工程を説明するための断面図。

【図２０】製造工程を説明するための断面図。

【図２１】製造工程を説明するための断面図。

【符号の説明】

１…シリコン基板、２…空洞、３…ベースプレート部、
４ａ〜４ｄ…溝、５…四角枠部、６…梁構造体、１２ａ
〜１２ｄ…可動電極、１３ａ〜１３ｄ…可動電極、１４
ａ〜１４ｂ…溝、１５ａ〜１５ｂ…絶縁材料、１６ａ〜
１６ｄ…固定電極、１７ａ〜１７ｄ…固定電極、１８ａ
〜１８ｄ…溝、１９ａ〜１９ｄ…絶縁材料、２０ａ〜２
０ｄ…溝、２１ａ〜２１ｄ…絶縁材料、２２ａ〜２２ｄ
…固定電極、２３ａ〜２３ｄ…固定電極、２４ａ〜２４
ｄ…溝、２５ａ〜２５ｄ…絶縁材料、２６ａ〜２６ｄ…
溝、２７ａ〜２７ｄ…絶縁材料、４０，４１，４２…保
護膜、５２…溝、７１，７２…柱、８０ａ，８０ｂ…
柱、８１…溝。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者竹内幸裕愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 4M112 AA02 BA07 CA24 CA25 CA26 CA31 CA34 DA03 DA04 FA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単層の半導体基板に形成した横方向に延
びる空洞により区画され、当該空洞の下に位置するベー
スプレート部と、前記空洞および半導体基板に形成した縦方向に延びる溝
により区画され、空洞および溝の横に位置する枠部と、前記空洞および溝により区画され、空洞の上に位置し、
前記枠部から延び、かつ、力学量により変位する可動電
極を有する梁構造体と、前記空洞および溝により区画され、空洞の上に位置し、
前記枠部から延び、かつ、前記梁構造体の可動電極に対
向して配置された固定電極と、前記可動電極と前記枠部との間および前記固定電極と前
記枠部との間に形成され、電気的絶縁材料が埋め込まれ
た溝と、を備えた半導体力学量センサであって、前記空洞の厚さを前記梁構造体の厚さ以上にしたことを
特徴とする半導体力学量センサ。
【請求項２】ベースプレート部と、枠部と、力学量に
より変位する可動電極を有する梁構造体と、梁構造体の
可動電極に対向して配置された固定電極とを備えた半導
体力学量センサの製造方法であって、単層の半導体基板の上面から異方性エッチングを行い、
可動および固定電極を枠部から電気的に絶縁するための
縦方向に延びる第１の溝を形成するとともに、当該溝を
絶縁材料で埋め込む工程と、前記半導体基板の上面から異方性エッチングを行い、枠
部と梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に
延びる第２の溝を形成するとともに、当該溝の底面を除
く溝の側壁に保護膜を形成する工程と、前記第２の溝の底面からさらに深く異方性エッチングを
行い、第３の溝を形成する工程と、前記第３の溝から前記半導体基板に対し等方性エッチン
グを行い、横方向に延びる空洞を形成し、空洞の下に位
置するベースプレート部と、空洞および第２の溝の横に
位置する枠部と、梁構造体と、固定電極とを区画形成す
る工程と、を備えたことを特徴とする半導体力学量セン
サの製造方法。
【請求項３】ベースプレート部と、枠部と、力学量に
より変位する可動電極を有する梁構造体と、梁構造体の
可動電極に対向して配置された固定電極とを備えた半導
体力学量センサの製造方法であって、単層の半導体基板の上面から異方性エッチングを行い、
可動および固定電極を枠部から電気的に絶縁するための
縦方向に延びる第１の溝、および固定電極と梁構造体の
少なくとも一方をベースプレート部から支持するための
第１の溝よりも深い縦方向に延びる第２の溝を形成する
とともに、これら溝を絶縁材料で埋め込む工程と、前記半導体基板の上面から異方性エッチングを行い、枠
部と梁構造体と固定電極を区画形成するための縦方向に
延びる第３の溝を形成するとともに、当該溝の底面を除
く溝の側壁に保護膜を形成する工程と、前記第３の溝の底面からさらに深く異方性エッチングを
行い、第４の溝を形成する工程と、前記第４の溝から前記半導体基板に対し前記第２の溝内
の絶縁材料の下端が露出しない等方性エッチングを行
い、横方向に延びる空洞を形成し、空洞の下に位置する
ベースプレート部と、空洞および第３の溝の横に位置す
る枠部と、梁構造体と、固定電極とを区画形成する工程
と、を備えたことを特徴とする半導体力学量センサの製
造方法。
【請求項４】前記溝を埋め込む材料は、絶縁材料また
は、絶縁材料で被われた材料であることを特徴とする請
求項２または３に記載の半導体力学量センサの製造方
法。
【請求項５】前記保護膜は、酸化膜であることを特徴
とする請求項２または３に記載の半導体力学量センサの
製造方法。
【請求項６】前記酸化膜は、熱酸化膜であることを特
徴とする請求項５に記載の半導体力学量センサの製造方
法。
【請求項７】前記酸化膜は、酸素プラズマ処理により
形成したものであることを特徴とする請求項５に記載の
半導体力学量センサの製造方法。
【請求項８】前記保護膜は、溝形成のためのエッチン
グの際に生じる膜であることを特徴とする請求項２また
は３に記載の半導体力学量センサの製造方法。