JP2006153482A - 半導体力学量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 第１シリコン基板上に支持された第２シリコン基板にトレンチを形成することにより、可動電極、固定電極、および梁部を形成してなる容量式半導体加速度センサにおいて、感度が、梁部の厚さや可動電極の厚さの加工ばらつきの影響を受けにくくする。
【解決手段】 第１シリコン基板１１上に支持された半導体層としての第２シリコン基板１２を有する半導体基板１０を備え、第２シリコン基板１２にトレンチ１４を形成することにより変位方向Ｘに変位可能な錘部２１および可動電極２４、可動電極２４と対向配置された固定電極３１、４１、および錘部２１を変位させるための梁部２２が形成されており、加速度印加時に可動電極２４と固定電極３１、４１との間の容量変化に基づいて印加加速度を検出するようにした半導体加速度センサ１００において、梁部２２の厚さが可動電極２４の厚さよりも大きくなっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、支持層上に支持された半導体層にトレンチを形成することにより、可動電極と固定電極とを形成し、力学量の印加時におけるこれら両電極間の容量変化に基づいて印加力学量を検出するようにした容量式の半導体力学量センサに関する。

従来より、この種の半導体力学量センサとしては、支持層上に半導体層を支持してなる基板を備え、該半導体層にトレンチを形成することにより、所定方向に変位可能な錘部、該錘部に連結され該錘部と一体に変位する可動電極、該可動電極と対向して配置された固定電極、および該錘部を変位させるためにバネ変形可能な梁状の梁部が形成されてなるものが提案されている。

図９は、この種の半導体力学量センサＪ１００の一般的な概略平面構成を示す図であり、図１０は、同センサＪ１００を図９中のＣ−Ｃ一点鎖線に沿った断面にて示す概略断面図である。

このような半導体力学量センサＪ１００は、半導体基板１０に周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成される。

ここでは、半導体力学量センサＪ１００を構成する半導体基板１０は、図９に示されるように、第１の半導体層であり支持層としての第１シリコン基板１１と半導体層としての第２シリコン基板１２との間に、絶縁層としての酸化膜１３を有する矩形状のＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１０である。

そして、この半導体力学量センサＪ１００は、半導体基板１０の第２シリコン基板１２にトレンチエッチングを施しトレンチ１４を形成することにより、梁部２２およびこれに一体形成された錘部２１および可動電極２４からなる可動部と、可動電極２４に対向した固定電極３１、４１とが形成されたものである。

梁部２１は、力学量の印加に応じて図９中の矢印Ｘ方向に変位するバネ機能を有するもので、この変位方向Ｘと直交する方向に延びる梁形状を有する。そして、錘部２１は、この梁部２２に支持されてこの梁部２２をバネとしたバネ−マス系の質量部を構成しており、同じく変位方向Ｘに変位可能となっている。

可動電極２４は、錘部２１に一体に形成されるとともに、梁部２２の変位方向Ｘと直交する方向に錘部２１の両側から突出する櫛歯形状をなしている。そして、この櫛歯状の可動電極２４は、梁部２２とともに変位方向Ｘに変位可能となっている。

また、固定電極３１、４１は、第１シリコン基板１１に固定支持され、可動電極２４における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列されたものであり、固定電極３１、４１の側面と可動電極２４の側面とが対向して配置されている。

ここで、図９中の半導体加速度センサＪ１００において、左側の可動電極２４と固定電極３１との間隔に形成される容量をＣＳ１とし、右側の可動電極２４と固定電極４１との間隔に形成される容量をＣＳ２とする。

そして、この半導体力学量センサＪ１００においては、力学量の印加に伴い、左右の可動電極２４と固定電極３１、４１との距離が変化し、その変化に伴う両電極２４、３１、４１間の容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。

この変化した容量の差（ＣＳ１−ＣＳ２）に基づく信号が半導体力学量センサＪ１００から出力信号として出力され、この信号は、たとえば、図示しない回路部にて処理され、最終的に出力される。こうして力学量が検出されるようになっている。

このような半導体力学量センサＪ１００は、半導体層である第２シリコン基板１２の表面からトレンチエッチングを行い、上記錘部２１および可動電極２４といった可動部や固定電極３１、４１、梁部２２を区画形成し、その後、錘部２１および可動電極２４、梁部２２の下の絶縁層１３を犠牲層エッチングなどによって除去することで、これらの部分をリリースすることで製造される。

このように、半導体力学量センサＪ１００の製造においては、梁部２２および可動および固定電極２４、３１、４１の間隔は、トレンチエッチングによって同時に形成されるものである。

ここにおいて、従来では、梁部２２の幅すなわち梁幅と可動および固定電極２４と３１、４１との間隔すなわち電極間隔のトレンチエッチングによる加工ばらつきに対する改善については、各種提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２０００−２４９６５号公報

しかしながら、上述したように、従来においては、梁幅と電極間隔のトレンチエッチングによる加工ばらつきに対する改善については各種提案されているものの、梁部２２の厚さや可動電極２４の厚さの加工ばらつきに対する改善は、皆無に等しかった。

この種の半導体力学量センサＪ１００においては、梁部２２と錘部２１、可動電極２４のバネ−マス系を用いた変位によって力学量を検出するものであり、これら梁部２２の厚さや可動電極２４の厚さの加工ばらつきが、センサ感度に与える影響は無視することはできない。

つまり、このような加工ばらつきにより、センサの感度ばらつきが大きくなり、センサの歩留まりや精度に悪影響を与える可能性がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、支持層上に支持された半導体層にトレンチを形成することにより、可動電極、固定電極、および可動電極を変位させるための梁部を形成してなる容量式の半導体力学量センサにおいて、感度が、梁部の厚さや可動電極の厚さの加工ばらつきの影響を受けにくくすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、支持層（１１）および支持層（１１）上に支持された半導体層（１２）を有する基板（１０）を備え、半導体層（１２）にトレンチ（１４）を形成することにより、所定方向に変位可能な錘部（２１）、錘部（２１）に連結され錘部（２１）と一体に変位する可動電極（２４）、可動電極（２４）と対向して配置された固定電極（３１、４１）、および錘部（２１）を変位させるためにバネ変形可能な梁状の梁部（２２）が形成されており、力学量が印加されたときに可動電極（２４）と固定電極（３１、４１）との距離が変化し、この変化に伴う両電極（２４、３１、４１）間の容量変化に基づいて印加力学量を検出するようにした容量式の半導体力学量センサにおいて、梁部（２２）の厚さｈ２が可動電極（２４）の厚さｈ１よりも大きくなっていることを特徴としている。

本発明のように、梁部（２２）の厚さｈ２を可動電極（２４）の厚さｈ１よりも大きくする、すなわちｈ１＜ｈ２の関係を満足すれば、梁部（２２）の厚さや可動電極（２４）の厚さの加工ばらつきがあったとしても、感度ばらつきを極力小さいものにできる（図５参照）。

つまり、本発明によれば、支持層（１１）上に支持された半導体層（１２）にトレンチ（１４）を形成することにより、可動電極（２４）、固定電極（３１、４１）、および可動電極（２４）を変位させるための梁部（２２）を形成してなる容量式の半導体力学量センサにおいて、感度が、梁部（２２）の厚さや可動電極（２４）の厚さの加工ばらつきの影響を受けにくくすることができる。

ここで、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の半導体力学量センサにおいて、梁部（２２）の幅を梁幅ｂ、可動電極（２４）と固定電極（３１、４１）との間隔を電極間隔ｄ、可動電極（２４）の幅を電極幅Ｗ、としたとき、前記電極間隔ｄに対する前記梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０〜１．７５であり、前記梁幅ｂに対する前記電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが１．０〜３．０であるとき、梁部（２２）の厚さｈ２に対する可動電極（２４）の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２は、０．２〜０．８であることを特徴としている。

本発明のように、それぞれの比ｂ／ｄ、比Ｗ／ｂ、比ｈ１／ｈ２を上記範囲に設定することにより、上記請求項１の発明の効果を適切に実現することができる。

より、具体的には、請求項３に記載の発明のように、請求項２に記載の半導体力学量センサにおいては、前記電極間隔ｄに対する前記梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０〜１．７５であり、前記梁幅ｂに対する前記電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが１．０であるとき、梁部（２２）の厚さｈ２に対する可動電極（２４）の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２は、０．４〜０．８であるものにできる。

また、同じく具体的には、請求項４に記載の発明のように、請求項２に記載の半導体力学量センサにおいては、前記電極間隔ｄに対する前記梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０〜１．７５であり、前記梁幅ｂに対する前記電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが１．７５であるとき、梁部（２２）の厚さｈ２に対する可動電極（２４）の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２は、０．３〜０．７であるものにできる。

また、同じく具体的には、請求項５に記載の発明のように、請求項２に記載の半導体力学量センサにおいては、前記電極間隔ｄに対する前記梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０〜１．７５であり、前記梁幅ｂに対する前記電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが３．０であるとき、梁部（２２）の厚さｈ２に対する可動電極（２４）の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２は、０．２〜０．６であるものにできる。

また、請求項６に記載の発明のように、請求項１〜請求項５に記載の半導体力学量センサにおいては、可動電極（２４）は、櫛歯状に複数本配列されたものであり、固定電極（３１、４１）は、可動電極（２４）における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に配列された複数本のものにできる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

本実施形態は、容量式の半導体力学量センサとして、差動容量式の半導体加速度センサについて本発明を適用したものである。この加速度センサは、たとえば、エアバッグ、ＡＢＳ、ＶＳＣ等の作動制御を行うための自動車用加速度センサやジャイロセンサなどに適用することができる。

図１は本実施形態に係る半導体加速度センサ１００の概略平面図、図２は図１中のＡ−Ａ一点鎖線に沿った半導体加速度センサ１００の概略断面図、図３は図１中のＢ−Ｂ一点鎖線に沿った半導体加速度センサ１００の概略断面図である。

この半導体加速度センサ１００は、基板としての半導体基板１０に周知のマイクロマシン加工を施すことにより形成される。

この半導体加速度センサ１００は、大きくは、支持層１１上に半導体層１２を支持してなる半導体基板１０を備え、該半導体層１２にトレンチ１４を形成することにより、所定方向に変位可能な錘部２１、該錘部２１に連結され該錘部２１と一体に変位する可動電極２４、該可動電極２４と対向して配置された固定電極３１、４１、および該錘部２１を変位させるためにバネ変形可能な梁状の梁部２２が形成されてなるものである。

本例では、半導体加速度センサ１００を構成する半導体基板１０は、図２および図３に示されるように、支持層としての第１シリコン基板１１と半導体層としての第２シリコン基板１２との間に、絶縁層としての酸化膜１３を有する矩形状のＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）基板１０である。

第２シリコン基板１２には、その厚さ方向に貫通するトレンチ（溝）１４を形成することにより、このトレンチ１４によって区画されたパターン、すなわち可動部２０および固定部３０、４０よりなる櫛歯形状を有する梁構造体が形成されている。

また、第２シリコン基板１２の下の酸化膜１３のうち上記梁構造体２０〜４０の形成領域に対応した部位、すなわち図１中の破線の矩形１５に示される部位は、矩形状に除去されて開口部１５を形成している。

このような半導体加速度センサ１００は、たとえば、次のようにして製造される。

ＳＯＩ基板１０の第２シリコン基板１２にフォトリソグラフ技術を用いて上記梁構造体に対応した形状のマスクを形成する。

その後、ＣＦ₄やＳＦ₆等のガスを用いてドライエッチング等にてトレンチエッチングを行いトレンチ１４を形成する。それによって、上記した梁構造体２０〜４０のパターンを一括して形成する。

続いて、フッ酸等を用いた犠牲層エッチング等により酸化膜１３の除去を行い、開口部１５を形成する。このようにして、可動部２０がリリースされた半導体加速度センサ１００を製造することができる。

このような半導体加速度センサ１００において、開口部１５上を横断するように配置された可動部２０は、細長四角形状の錘部２１の両端が、梁部２２を介してアンカー部２３ａおよび２３ｂに一体に連結された構成となっている。

これらアンカー部２３ａおよび２３ｂは、図３に示されるように、酸化膜１３における開口部１５の開口縁部に固定され、支持層としての第１シリコン基板１１上に支持されている。これによって、錘部２１および梁部２２は、第１シリコン基板１１から離間して開口部１５に臨んだ状態となっている。

また、梁部２２は、図１に示されるように、平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状をなしており、２本の梁の長手方向と直交する方向に変位するバネ機能を有するものである。

具体的には、梁部２２は、図１中の矢印Ｘ方向の成分を含む加速度を受けたときに錘部２１を矢印Ｘ方向へ変位させるとともに、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるようになっている。

よって、可動部２０は、加速度の印加に応じて、基板面水平方向にて開口部１５上にて梁部２２の変位方向すなわち上記矢印Ｘ方向へ変位可能となっている。以下、矢印Ｘ方向を梁部２２の変位方向Ｘと言うこととする。

また、図１に示されるように、可動部２０においては、錘部２１に連結され錘部２１と一体に変位する可動電極２４が備えられている。本例では、可動電極２４は櫛歯形状をなしているが、梁部２２の変位方向Ｘと直交した方向にて、錘部２１の両側面から互いに反対方向へ延びる梁形状をなす複数本のものである。

言い換えれば、可動電極２４は、梁部２２の変位方向Ｘを配列方向とし、この変位方向Ｘに沿って櫛歯状に複数本配列されたものである。図１では、可動電極２４は、錘部２１の左側および右側に各々４個ずつ突出して形成されている。そして、各可動電極２４は断面矩形の梁状に形成されて、第１シリコン基板１１から離間して開口部１５に臨んだ状態となっている。

このように、各可動電極２４は、梁部２２および錘部２１と一体的に形成されることにより、梁部２２および錘部２１とともに、基板面水平方向にて梁部２２の変位方向Ｘに変位可能となっている。

また、図１〜図３に示されるように、固定部３０、４０は、酸化膜１３における開口部１５の開口縁部における対向辺部のうち、アンカー部２３ａ、２３ｂが支持されていないもう１組の対向辺部にて、酸化膜１３に固定されている。そして、固定部３０、４０は、酸化膜１３を介して第１シリコン基板１１上に支持されている。

図１において、錘部２１の左側に位置する固定部３０は、左側固定電極３１および左側固定電極用配線部３２とから構成されている。一方、図１において、錘部２１の右側に位置する固定部４０は、右側固定電極４０および右側固定電極用配線部４２とから構成されている。

本例では、図１に示されるように、それぞれの固定電極３１、４１は開口部１５上に位置しており、可動電極２４における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列されたものとなっている。

ここで、図１においては、錘部２１の左側については、個々の可動電極２４に対して上記変位方向Ｘに沿って上側に左側固定電極３１が設けられており、一方、錘部２１の右側については、個々の可動電極２４に対して上記変位方向Ｘに沿って下側に右側固定電極４１が設けられている。

このように、基板面水平方向において個々の可動電極２４に対して、それぞれ固定電極３１、４１が対向して配置されており、各対向間隔において、可動電極２４の側面（つまり検出面）と固定電極３１、４１の側面（つまり検出面）との間に容量を検出するための検出間隔が形成されている。

また、左側固定電極３１と右側固定電極４１とは、それぞれ互いに電気的に独立している。そして、各固定電極３１、４１は、可動電極２４に対して略平行に延びる断面矩形の梁状に形成されている。

ここで、左側固定電極３１および右側固定電極４１は、それぞれ、酸化膜１３を介して第１シリコン基板１１に固定されている各固定電極用配線部３２、４２に片持ち状に支持された状態となっている。そして、各固定電極３１、４１は、酸化膜１３から離間した状態となっている。

このように、本例においては、左側固定電極３１および右側固定電極４１については、それぞれの複数本の電極が、電気的に共通した各配線部３２、４２にまとめられた形となっている。

また、左側固定電極用配線部３２および右側固定電極用配線部４２上の所定位置には、それぞれ、左側固定電極用パッド３０ａおよび右側固定電極用パッド４０ａが形成されている。

また、一方のアンカー部２３ｂと一体に連結された状態で、可動電極用配線部２５が形成されており、この配線部２５上の所定位置には、可動電極パッド２５ａが形成されている。上記の各電極用パッド２５ａ、３０ａ、４０ａは、たとえばアルミニウムをスパッタや蒸着することなどにより形成されている。

このような構成を有する本実施形態の半導体加速度センサ１００においては、さらに、図２および図３に示されるように、半導体層である第２シリコン基板１２の厚さ方向に沿った厚さとして、梁部２２の厚さｈ２が、可動電極２４の厚さｈ１よりも大きくなっている。

なお、本実施形態では、可動電極２４と錘部２１とで厚さを同等としているため、梁部２２の厚さｈ２は、錘部２１の厚さよりも厚くなっているが、可動電極２４と錘部２１とで厚さが違っていてもよい。

それにより、梁部２２が錘部２１と同等の厚さであるか、もしくは錘部２１よりも薄いものであってもよい。つまり、本実施形態においては、梁部２２は、可動部のうちでも特に固定電極３１、４１と対向し検出間隔を構成する部位である可動電極２４よりも、厚ければよいのである。

ここで、図１に示されるように、梁部２２の幅を梁幅ｂ、可動電極２４と固定電極３１、４１との間隔すなわち検出間隔を電極間隔ｄ、可動電極２４の幅を電極幅Ｗ、というように各寸法を定義する。

このとき、本実施形態では、たとえば、電極間隔ｄに対する梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０〜１．７５であり、梁幅ｂに対する電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが１．０〜３．０であるとき、梁部２２の厚さｈ２に対する可動電極２４の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２は、０．２〜０．８であるものにできる。

ここで、このように、梁部２２の厚さｈ２が可動電極２４の厚さｈ１よりも大きい構成を実現することは、ＳＯＩ基板１０を作製するときに、あらかじめ犠牲層である酸化膜１３の厚さを変えておくことにより容易に実現できる。つまり、本実施形態では、梁部２２の下の酸化膜１３よりも可動電極２４の下の酸化膜１３を厚くしておけば、本構成を形成することができる。

かかる構成を有する半導体加速度センサ１００は、たとえば、この半導体加速度センサ１００からの出力信号を処理するための検出回路（後述の図４参照）や、検査用の回路などが形成された回路部を有する。

このような回路部は、たとえば図示しない、シリコン基板等の半導体基板に半導体プロセスを用いてＭＯＳトランジスタ素子などを形成し回路を構成してなる回路チップに、設けられており、この回路チップと半導体加速度センサ１００とは、ボンディングワイヤやバンプなどにより電気的に接続される。

次に、本実施形態の容量式の半導体加速度センサ１００の検出動作について説明する。本実施形態では、加速度の印加に伴う可動電極２４と固定電極３１、４１との間の静電容量変化に基づいて加速度を検出するようになっている。

上述したように、本半導体加速度センサ１００においては、個々の可動電極２４の側面（つまり検出面）に対してそれぞれ固定電極３１、４１の側面（つまり検出面）が対向して設けられており、これら両電極の側面の各対向間隔において、容量を検出するための検出間隔が形成されている。

ここで、左側固定電極３１と可動電極２４との間隔に、検出容量として第１の容量ＣＳ１が形成されており、一方、右側固定電極４１と可動電極２４との間隔に、検出容量として第２の容量ＣＳ２が形成されているとする。

そして、センサ１００において、基板面水平方向において上記図１中の変位方向Ｘへ加速度が印加されると、梁部２２のバネ機能により、アンカー部を除く可動部２０全体が一体的に上記変位方向Ｘへ変位し、当該変位方向Ｘへの可動電極２４の変位に応じて上記各容量ＣＳ１、ＣＳ２が変化する。

たとえば、上記図１において、可動部２０が、変位方向Ｘに沿って下方へ変位したときを考える。このとき、左側固定電極３１と可動電極２４との間隔は広がり、一方、右側固定電極４１と可動電極２４との間隔は狭まる。

よって、可動電極２４と固定電極３１、４１による差動容量（ＣＳ１−ＣＳ２）の変化に基づいて、矢印Ｘ方向の加速度を検出することができる。具体的には、この容量の差（ＣＳ１−ＣＳ２）に基づく信号が半導体加速度センサ１００から出力信号として出力され、この信号は上記回路部にて処理され、最終的に出力される。

図４は、本実施形態の容量式の半導体加速度センサ１００における加速度を検出するための検出回路２００の一例を示す回路図である。

この検出回路２００において、ΔＣ検出回路は、入力された容量差（ＣＳ１−ＣＳ２）を電圧に変換するものとなっている。

そして、上記変位方向Ｘの印加加速度は、下記の数式１に示す様に、電圧値Ｖ０として出力される。

（数１）
Ｖ０＝（ＣＳ１−ＣＳ２）・Ｖ／（ＣＳ１＋ＣＳ２）
このようにして、加速度の検出がなされる。

ところで、本実施形態によれば、支持層としての第１シリコン基板１１および第１シリコン基板１１上に支持された半導体層としての第２シリコン基板１２を有する半導体基板１０を備え、第２シリコン基板１２にトレンチ１４を形成することにより、所定方向すなわち変位方向Ｘに変位可能な錘部２１、錘部２１に連結され錘部２１と一体に変位する可動電極２４、可動電極２４と対向して配置された固定電極３１、４１、および錘部２１を変位させるためにバネ変形可能な梁状の梁部２２が形成されており、力学量としての加速度が印加されたときに可動電極２４と固定電極３１、４１との距離が変化し、この変化に伴う両電極２４、３１、４１間の容量変化に基づいて印加加速度を検出するようにした容量式の半導体加速度センサにおいて、梁部２２の厚さｈ２が可動電極２４の厚さｈ１よりも大きくなっていることを特徴とする半導体加速度センサ１００が提供される。

このように、本実施形態において、梁部２２の厚さｈ２を可動電極２４の厚さｈ１よりも大きくした構成を採用することの根拠について述べる。

このような容量式の半導体力学量センサにおいては、感度は、容量変化ΔＣに比例する。この容量変化は、次の数式２にて表される。

（数２）
感度Ｓ∝（Ｃ０・ｍ）／ｋ
ここで、上記数式２中、Ｃｏ：加速度＝０の時の電極間容量値、ｍ：可動部質量（つまり錘部２１と可動電極２４の総質量）、ｋ：梁部２２のバネ定数、ｄ：上記した電極間隔である。

そして、半導体加速度センサ１００において、加工ばらつきとしては、線幅ばらつきであるシリコン残し幅ばらつきΔｄ、可動電極２４の厚さのばらつきである電極厚ばらつきΔｈ１、梁部２２の厚さのばらつきである梁厚ばらつきΔｈ２が挙げられる。

上記数式２より、これらシリコン残し幅ばらつきΔｄ、電極厚ばらつきΔｈ１、梁厚ばらつきΔｈ２による感度ばらつきΔＳは、次の数式３で表される。

ここで、上記数式３中、ｈ１：上記可動電極２４の厚さ、ｈ２：上記梁部２２の厚さ、Ｗ：上記可動電極２４の幅（電極幅）、ｂ：上記梁部２２の幅（梁幅）、ｄ：上記電極間隔である。

すなわち、梁部２２の厚さｈ２に対する可動電極２４の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２が小さくなると、感度ばらつきΔＳは、ある値で極小値を持つ。加工ばらつきによる感度変化を解析した結果を図５に示す。

図５は、梁部２２の厚さや可動電極２４の厚さの加工ばらつきとしての上記比ｈ１／ｈ２と上記感度ばらつきΔＳ（単位：％）との関係を示す図である。なお、図５では上記比ｈ１／ｈ２は、「電極厚ｈ１／梁厚ｈ２」と図示している。

この図５では、上記梁幅ｄ＝上記電極幅Ｗの場合すなわち梁幅ｂに対する電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが１．０の場合において、梁部２２や可動電極２４の一般的に発生しうる加工ばらつきとして厚さのばらつきが２０％、幅のばらつきが４０％ある場合の感度ばらつきΔＳを示している。

そして、図５では、電極間隔ｄに対する梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０（曲線Ａ）、１．１４（曲線Ｂ）、１．３３（曲線Ｃ）、１．４（曲線Ｄ）、１．６（曲線Ｅ）、１．７５（曲線Ｆ）の各場合について、上記比ｈ１／ｈ２と上記感度ばらつきΔＳとの関係を示している。なお、図５では、上記比ｂ／ｄは「梁幅／電極間隔」と図示している。

図５に示されるように、上記比ｂ／ｄが１．０〜１．７５の各場合について、、梁部２２の厚さｈ２に対する可動電極２４の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２が１未満、すなわち、梁部２２の厚さｈ２が可動電極２４の厚さｈ１よりも大きくなっていれば、感度ばらつきΔＳは極小値を持つ、すなわち、感度ばらつきを極力小さいものにできる。

ここで、図５に示される結果では、この関係を示す２次関数の変極点については、線幅の加工ばらつきΔｄの影響は小さい。

さらに、本発明者の解析によれば、図５における２次関数の変極点すなわち感度ばらつきΔＳが最小となる値は、電極間隔ｄに対する梁幅ｂの比ｂ／ｄだけでなく、梁幅ｂに対する電極幅Ｗの比Ｗ／ｂによっても異なることがわかった。

図６は、梁幅ｂに対する電極幅Ｗの比Ｗ／ｂと上記感度ばらつきΔＳが最小値となる比ｈ１／ｈ２との関係を示す図である。なお、図６では、上記比ｂ／ｄは「梁幅／電極間隔」と図示しており、感度ばらつきΔＳが最小値となる比ｈ１／ｈ２は、「感度ばらつき最小の電極厚ｈ１／梁厚ｈ２」と図示している。

この図６では、梁幅ｂに対する電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが１．０、１．７５、３．０の場合において、梁部２２や可動電極２４の一般的に発生しうる加工ばらつきとして厚さのばらつきが２０％、幅のばらつきが４０％ある場合の感度ばらつきΔＳを示している。

つまり、図６は、梁幅ｂに対する電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが１．０、１．７５、３．０の場合に上記図５に示されるような関係を求め、この関係における各２次関数の変極点をもとにプロットすることによって求めた結果を示すものである。

図６に示されるように、電極間隔ｄに対する梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０〜１．７５であり、梁幅ｂに対する電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが１．０であるとき、梁部２２の厚さｈ２に対する可動電極２４の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２は、おおよそ０．４〜０．８であれば、上記感度ばらつきΔＳが最小値となる。

また、電極間隔ｄに対する梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０〜１．７５であり、梁幅ｂに対する電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが１．７５であるとき、梁部２２の厚さｈ２に対する可動電極２４の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２は、おおよそ０．３〜０．７であれば、上記感度ばらつきΔＳが最小値となる。

また、電極間隔ｄに対する梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０〜１．７５であり、梁幅ｂに対する電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが３．０であるとき、梁部２２の厚さｈ２に対する可動電極２４の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２は、おおよそ０．２〜０．６であれば、上記感度ばらつきΔＳが最小値となる。

つまり、この図６から、電極間隔ｄに対する梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０〜１．７５であり、梁幅ｂに対する電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが１．０〜３．０であるとき、梁部２２の厚さｈ２に対する可動電極２４の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２がおおよそ０．２〜０．８であれば、上記感度ばらつきΔＳが最小値となる。

以上が、本実施形態において、梁部２２の厚さｈ２を可動電極２４の厚さｈ１よりも大きくした構成を採用することの根拠である。

そして、本実施形態によれば、梁部２２の厚さｈ２を可動電極２４の厚さｈ１よりも大きくする、すなわちｈ１＜ｈ２の関係を満足すれば、上記図５に示されるように、梁部２２の厚さや可動電極２４の厚さの加工ばらつきがあったとしても、感度ばらつきを極力小さいものにできる。

つまり、本実施形態によれば、支持層１１上に支持された半導体層１２にトレンチ１４を形成することにより、可動電極２４、固定電極３１、４１、および可動電極２４を変位させるための梁部２２を形成してなる容量式の半導体力学量センサ１００において、センサの感度が、梁部２２の厚さや可動電極２４の厚さの加工ばらつきの影響を受けにくくすることができる。

そして、上記図５および図６にて示したように、電極間隔ｄに対する梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０〜１．７５であり、梁幅ｂに対する電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが１．０〜３．０であるとき、梁部２２の厚さｈ２に対する可動電極２４の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２を０．２〜０．８とすれば、上記感度ばらつきΔＳが最小値となり、本実施形態の上記効果を適切に実現することができる。

また、本実施形態では、上述したように、可動電極２４は、櫛歯状に複数本配列されたものであり、固定電極３１、４１は、可動電極２４における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に配列された複数本のものであることも特徴点のひとつである。

［変形例］
上記図２、図３に示される例では、半導体加速度センサ１００は、犠牲層である酸化膜１３の厚さを変えることにより、可動電極２４の下部をより大きくエッチングすることによって、可動電極２４を梁部２２よりも薄いものとした。

ここで、本実施形態において、梁部２２の厚さｈ２を可動電極２４の厚さｈ１よりも大きいものにすることは、これら図２、図３に示される例に限定されるものではなく、図７や図８に示されるようなものであってもよい。

図７は、本実施形態の第１の変形例としての半導体加速度センサの概略断面図であり、図８は、本実施形態の第２の変形例としての半導体加速度センサの概略断面図である。これら図７、図８は、上記図３に示される断面に対応した断面にて、半導体加速度センサを示している。

図７に示される第１の変形例は、可動電極２４の下部ではなく上部すなわち表面をより大きくエッチングすることによって、可動電極２４が梁部２２よりも薄くなった構成を実現したものである。

この場合、可動電極２４と梁部２２とで、犠牲層である酸化膜１３の厚さを変えることは不要である。具体的には、たとえば、フォトリソグラフ法などにより可動電極２４の表面が開口したマスクを形成し、この状態で可動電極２４の表面を選択的にドライエッチングなどによりエッチングすればよい。

また、図８に示される第２の変形例は、可動電極２４の下部と上部の両方すなわち裏面と表面の両方をより大きくエッチングすることによって、可動電極２４が梁部２２よりも薄くなった構成を実現したものである。

この場合、上記図２、図３に示される例と上記図７に示される例との両方のエッチング方法を行うことにより、この第２の変形例の構成を容易に実現できることは、言うまでもない。

そして、これら図７、図８に示される第１および第２の変形例においても、上述した本実施形態の効果を実現できる。すなわち、これら変形例に示される半導体加速度センサによっても、センサの感度が、梁部２２の厚さや可動電極２４の厚さの加工ばらつきの影響を受けにくくすることができる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態の半導体加速度センサでは、可動電極２４は櫛歯状に複数本配列されたものであり、固定電極３１、４１は、可動電極２４における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に複数本配列されたものであるが、これら電極の構成は、これに限定されるものではない。

また、梁部としては、上記実施形態に示されるような平行な２本の梁がその両端で連結された矩形枠状をなすものに限定されるものではない。梁部としては、錘部を所定方向に変位可能なバネ機能を有するものであるならば、たとえば、折り返し形状のものなどであってもよい。

また、錘部およびこの錘部に一体に連結される可動電極についても、上記実施形態に示される構成に限定されるものではない。さらには、加速度センサとしては、上記した差動容量式に限定されるものではない。

また、本発明は、上記した加速度センサ装置以外にも、力学量として角速度を検出する角速度センサ等の力学量センサ装置に対しても適用可能である。

要するに、本発明は、支持層および該支持層上に支持された半導体層を有する基板を備え、該半導体層にトレンチを形成することにより、所定方向に変位可能な錘部、該錘部に連結され該錘部と一体に変位する可動電極、該可動電極と対向して配置された固定電極、および該錘部を変位させるためにバネ変形可能な梁状の梁部が形成されており、力学量が印加されたときに可動電極と固定電極との距離が変化し、この変化に伴う両電極間の容量変化に基づいて印加力学量を検出するようにした容量式の半導体力学量センサにおいて、梁部の厚さｈ２を可動電極の厚さｈ１よりも大きくしたことを要部とするものであり、その他の部分については、適宜設計変更が可能である。

本発明の実施形態に係る半導体力学量センサとしての半導体加速度センサの概略平面図である。 図１中のＡ−Ａ概略断面図である。 図１中のＢ−Ｂ概略断面図である。 上記実施形態の半導体加速度センサにおける検出回路の一例を示す回路図である。 梁部の厚さｈ２に対する可動電極の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２と感度ばらつきΔＳとの関係を示す図である。 梁幅ｂに対する電極幅Ｗの比Ｗ／ｂと感度ばらつきΔＳが最小値となる比ｈ１／ｈ２との関係を示す図である。 上記実施形態の第１の変形例としての半導体加速度センサの概略断面図である。 上記実施形態の第２の変形例としての半導体加速度センサの概略断面図である。 従来の半導体力学量センサの一般的な概略平面構成を示す図である。 図９中のＣ−Ｃ概略断面図である。

符号の説明

１０…基板としての半導体基板、
１１…支持層としての第１シリコン基板、
１２…半導体層としての第２シリコン基板、
１４…トレンチ、
２１…錘部、２２…梁部、
２４…可動電極、３１、４１…固定電極、
ｂ…梁部の幅としての梁幅、
ｄ…可動電極と固定電極との間隔としての電極間隔、
ｈ１…可動電極の厚さ、ｈ２…梁部の厚さ、
Ｗ…可動電極の幅としての電極幅、
ｈ１／ｈ２…梁部の厚さｈ２に対する可動電極の厚さｈ１の比、
ｂ／ｄ…電極間隔ｄに対する梁幅ｂの比、
Ｗ／ｂ…梁幅ｂに対する電極幅Ｗの比。

Claims (6)

1. 支持層（１１）および前記支持層（１１）上に支持された半導体層（１２）を有する基板（１０）を備え、
   前記半導体層（１２）にトレンチ（１４）を形成することにより、所定方向に変位可能な錘部（２１）、前記錘部（２１）に連結され前記錘部（２１）と一体に変位する可動電極（２４）、前記可動電極（２４）と対向して配置された固定電極（３１、４１）、および前記錘部（２１）を変位させるためにバネ変形可能な梁状の梁部（２２）が形成されており、
   力学量が印加されたときに前記可動電極（２４）と前記固定電極（３１、４１）との距離が変化し、この変化に伴う前記両電極（２４、３１、４１）間の容量変化に基づいて印加力学量を検出するようにした容量式の半導体力学量センサにおいて、
   前記梁部（２２）の厚さｈ２が前記可動電極（２４）の厚さｈ１よりも大きくなっていることを特徴とする半導体力学量センサ。
2. 前記梁部（２２）の幅を梁幅ｂ、前記可動電極（２４）と前記固定電極（３１、４１）との間隔を電極間隔ｄ、前記可動電極（２４）の幅を電極幅Ｗ、としたとき、
   前記電極間隔ｄに対する前記梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０〜１．７５であり、
   前記梁幅ｂに対する前記電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが１．０〜３．０であるとき、
   前記梁部（２２）の厚さｈ２に対する前記可動電極（２４）の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２は、０．２〜０．８であることを特徴とする請求項１に記載の半導体力学量センサ。
3. 前記電極間隔ｄに対する前記梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０〜１．７５であり、
   前記梁幅ｂに対する前記電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが１．０であるとき、
   前記梁部（２２）の厚さｈ２に対する前記可動電極（２４）の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２は、０．４〜０．８であることを特徴とする請求項２に記載の半導体力学量センサ。
4. 前記電極間隔ｄに対する前記梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０〜１．７５であり、
   前記梁幅ｂに対する前記電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが１．７５であるとき、
   前記梁部（２２）の厚さｈ２に対する前記可動電極（２４）の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２は、０．３〜０．７であることを特徴とする請求項２に記載の半導体力学量センサ。
5. 前記電極間隔ｄに対する前記梁幅ｂの比ｂ／ｄが１．０〜１．７５であり、
   前記梁幅ｂに対する前記電極幅Ｗの比Ｗ／ｂが３．０であるとき、
   前記梁部（２２）の厚さｈ２に対する前記可動電極（２４）の厚さｈ１の比ｈ１／ｈ２は、０．２〜０．６であることを特徴とする請求項２に記載の半導体力学量センサ。
6. 前記可動電極（２４）は、櫛歯状に複数本配列されたものであり、
   前記固定電極（３１、４１）は、前記可動電極（２４）における櫛歯の隙間にかみ合うように櫛歯状に配列された複数本のものであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体力学量センサ。

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