JP2010145268A - Ｍｅｍｓセンサおよびｍｅｍｓセンサの製造方法 - Google Patents

Ｍｅｍｓセンサおよびｍｅｍｓセンサの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ＭＥＭＳセンサの錘部の厚さを均一化する。
【解決手段】支持部と、環状の錘部と、前記錘部の内周面に結合し前記錘部を貫通し上端部が前記錘部の上面から突出している連結部と、前記連結部の上端部に一端が結合し、前記支持部に他端が結合し、空隙を挟んで底面が前記錘部の上面と対向し、前記錘部の運動に伴って変形する可撓部と、前記錘部の運動に伴う前記可撓部の変形を検出する検出手段と、を備え、前記錘部の底面の内側に露出している前記連結部の底面の表層と前記錘部の前記底面の表層とは互いに異なる材料からなる、ＭＥＭＳセンサ。
【選択図】図１

Description

本発明はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）およびＭＥＭＳセンサの製造方法に関する。
従来、錘部に結合している可撓部の変形を電気信号に変換する、加速度センサ、振動ジャイロスコープなどのＭＥＭＳセンサが知られている（例えば特許文献１、２参照）。このようなＭＥＭＳセンサにおいては、特性のばらつきを抑えるために、錘部の厚さの寸法精度を高める必要がある。
特表平１０−５０６７１７号公報 特表２００２−５００９６１号公報
しかし、錘部となる層の表面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）によって後退させて錘部の厚さを調整するとき、目標厚さにＣＭＰの終点を制御することは容易でない。
本発明はこの問題を解決するために創作されたものであって、ＭＥＭＳセンサの錘部の厚さを均一化することを目的の１つとする。
（１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサは、支持部と、環状の錘部と、前記錘部の内周面に結合し前記錘部を貫通し上端部が前記錘部の上面から突出している連結部と、前記連結部の上端部に一端が結合し、前記支持部に他端が結合し、空隙を挟んで底面が前記錘部の上面と対向し、前記錘部の運動に伴って変形する可撓部と、前記錘部の運動に伴う前記可撓部の変形を検出する検出手段と、を備え、前記錘部の底面の内側に露出している前記連結部の底面の表層と前記錘部の前記底面の表層とは互いに異なる材料からなる。
本発明によると、錘部の底面の内側に露出している連結部の底面の表層と錘部の底面の表層とは互いに異なる材料からなるため、錘部の厚さをＣＭＰによって調整する際に連結部をＣＭＰの終点制御に用いることができる。したがって本発明によると錘部の厚さが均一なＭＥＭＳセンサを実現することができる。なお、本明細書では、錘部に対する可撓部の位置関係を上として「上」と「底」の用語を用いる。
（２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記支持部の底面が接着されるパッケージをさらに備え、前記支持部は、前記錘部を構成している厚層と、前記可撓部を構成している前記厚層より薄い薄層と、前記厚層の内面に結合し前記厚層を貫通し上端部が前記薄層に結合し前記連結部と同一の層構成を有する第二連結部を備え、前記第二連結部の底面は前記支持部の底面から突出していてもよい。
本発明によると、連結部と同時に形成可能な第二連結部の底面が支持部の底面から突出しているため、支持部とパッケージとを接着する際に第二連結部がスペーサとして機能する。したがって本発明によると支持部とパッケージとを結合する接着層の厚さが均一なＭＥＭＳセンサを実現することができる。
（３）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記連結部の底面は前記錘部の前記底面から突出していてもよい。
本発明によると、錘部がパッケージなどに固着するスティッキングを防止することができる。
（４）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記連結部の他端面と前記錘部の前記底面とは平坦に連続していてもよい。
本発明によると、錘部の底面の内側に連結部の底面が露出したことを検出したときに錘部のＣＭＰを停止することによって錘部の厚さを調整することができるため、錘部の厚さが均一なＭＥＭＳセンサを実現することができる。
（５）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記連結部は、２層以上に積層された互いに異なる複数材料からなってもよい。
本発明によると、応力制御、ボイド防止、スループット向上、密度等の観点から連結部の層構造を最適化することができる。
（６）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサにおいて、前記第二連結部は、２層以上に積層された互いに異なる複数材料からなってもよい。
本発明によると、応力制御、ボイド防止、スループット向上、密度等の観点から第二連結部の層構造を最適化することができる。
（７）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサの製造方法は、（１）において記載されたＭＥＭＳセンサの製造方法であって、前記錘部および前記支持部となる厚層と、前記厚層より薄く前記支持部および前記可撓部となる薄層と、前記厚層と前記薄層との間に位置する犠牲層とを含む積層構造体を形成し、前記薄層と前記犠牲層とを貫通する孔をエッチングによって形成し、前記孔から露出している前記厚層の領域に予め決められた深さの凹部をエッチングによって形成し、前記犠牲層のエッチングにおいて前記連結部として残存し前記厚層とは異なる連結材料を前記通孔と前記凹部とに堆積し、前記凹部の裏に相当する前記厚層の面を少なくとも前記連結材料が露出するまでＣＭＰによって後退させることによって前記錘部の厚さを調整し、前記犠牲層をエッチングすることによって前記錘部と前記可撓部との間の前記空隙を形成する、ことを含む。
本発明によると、錘部の厚さを調整するＣＭＰの終点制御と、錘部と可撓部との間の空隙を形成するエッチングの終点制御とに連結部を用いることができる。したがって本発明によるとＭＥＭＳセンサの錘部と可撓部のパターンを独立に設計することができる。
（８）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサの製造方法において、第一の前記連結材料からなるサイドウォールを前記通孔の内側に形成し、前記サイドウォールの内側を第二の前記連結材料によって埋める、ことを含んでも良い。
本発明によると、連結部におけるボイドの発生を防止することができる。
（９）上記目的を達成するためのＭＥＭＳセンサの製造方法は、積層構造体の厚層を含む錘部と、前記積層構造体の薄層を含み前記厚層を含まず、前記錘部に連結され、前記錘部の運動に伴って変形する可撓部と、前記錘部の運動に伴う前記可撓部の変形を検出する検出手段と、を備えるＭＥＭＳセンサの製造方法であって、前記厚層と、前記厚層より薄く前記可撓部となる薄層とを含む前記積層構造体を形成し、前記厚層に予め決められた深さの孔をエッチングによって形成し、前記厚層のポリシングストッパとなる材料を前記孔に堆積し、前記孔の裏に相当する前記厚層の面を少なくとも前記ポリシングストッパとなる材料が露出するまで後退させることによって前記厚層の厚さを調整する、ことを含む。
本発明によると錘部となる厚層の厚さをＣＭＰによって調整する際にあらかじめ厚層に形成した孔に堆積させた材料をＣＭＰの終点制御に用いることができる。したがって本発明によると錘部の厚さが均一なＭＥＭＳセンサを実現することができる。
尚、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。また、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
１．第一実施形態
（構成）
本発明のＭＥＭＳセンサの第一実施形態である加速度センサを図１Ａ、図１Ｂおよび図２に示す。図１Ａは加速度センサのセンサダイ１Ａを示す断面図であって図１Ｂに示すＡＡ線の断面図である。図１Ｂはセンサダイ１Ａの上面図である。図２は加速度センサ１を示す断面図である。図１Ａおよび図２において、センサダイ１Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ１Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。
加速度センサ１は互いに直交する３軸の加速度成分を検出するためのＭＥＭＳセンサである。加速度センサ１は、図２に示すパッケージ１Ｂと、パッケージ１Ｂに収容されたセンサダイ１Ａとを備える。
センサダイ１Ａは、図１Ａに示すように、厚層としての厚いシリコン層１１と、薄層としての薄いシリコン層１３と、第一絶縁層２０と、連結層３０と、第二絶縁層４０と、表面配線層５０とからなる積層構造体である。厚いシリコン層１１と薄いシリコン層１３はいずれも単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる。厚いシリコン層１１の厚さは２００μｍである。薄いシリコン層１３の厚さは１０μｍである。第一絶縁層２０および第二絶縁層４０はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる。第一絶縁層２０の厚さは０．５μｍである。第二絶縁層４０の厚さは０．５μｍである。連結層３０は厚いシリコン層１１と薄いシリコン層１３と第一絶縁層２０とを貫通している。連結層３０は連結材料としてのシリコン窒化膜（ＳｉｘＮｙ）からなる。表面配線層５０はアルミニウム（Ａｌ）からなる。表面配線層５０の厚さは０．３μｍである。
加速度センサ１のセンサダイ１Ａは、枠形の支持部Ｓと、支持部Ｓの内側に十文字形に配置された４つの梁Ｆと、４つの梁Ｆのそれぞれに結合している柱形の第一連結部３０１と、第一連結部３０１と結合している環形の錘部Ｍと、４つの梁Ｆのそれぞれに設けられた検出手段としてのピエゾ抵抗素子１３１とを備える。
支持部Ｓは図１Ｂに示すように矩形枠の形態を有する。支持部Ｓは厚いシリコン層１１、薄いシリコン層１３、第一絶縁層２０、連結層３０および第二絶縁層４０を含む。支持部Ｓは厚いシリコン層１１を含み、パッケージ１Ｂに固定されるため、実質的に剛体として振る舞う。支持部Ｓにおいて連結層３０からなる第二連結部３０２が厚いシリコン層１１と薄いシリコン層１３と第一絶縁層２０とを貫通している。第二連結部３０２は図１Ｂに示すように矩形枠の形態を有し、支持部Ｓを一周している。
４つの梁Ｆのそれぞれは片持ち梁の形態を有する。梁Ｆは薄いシリコン層１３と第一絶縁層２０と第二絶縁層４０とを含む。梁Ｆは厚いシリコン層１１を含まないため、可撓性を有する膜として振る舞う。４つの梁Ｆのそれぞれの一端は支持部Ｓの内側の４辺に結合している。支持部Ｓは剛体として振る舞うため、加速度センサ１に固定された座標系において梁Ｆの一端は固定端となる。４つの梁Ｆは支持部Ｓの内側の４辺から支持部Ｓの内側の空間の中央に向かって延びている。４つの梁Ｆのそれぞれの突端は第一連結部３０１に結合している。錘部Ｍは第一連結部３０１にのみ結合し、図２に示すようにパッケージ１Ｂの底面９０ａから浮いているため、第一連結部３０１に結合している梁Ｆの突端は加速度センサ１に固定された座標系において自由端として振る舞う。４つの梁Ｆは錘部Ｍの運動にともなってそれぞれ変形する。
錘部Ｍは、梁Ｆの厚さ方向から見て外周が矩形である板の形態を有する。錘部Ｍの中央部には第一連結部３０１が貫通している。すなわち錘部Ｍは環状である。錘部Ｍは厚いシリコン層１１からなる。錘部Ｍは厚いシリコン層１１を含むため実質的に剛体として振る舞う。錘部Ｍの上面と梁Ｆの底面との間には空隙Ｇが形成されている。空隙Ｇの高さ（錘部Ｍの上面と梁Ｆの底面との距離）は１μｍである。
第一連結部３０１は四角柱形である。第一連結部３０１は錘部Ｍの内周面に結合し錘部Ｍを貫通している。第一連結部３０１の上端部は錘部Ｍの上面から突出し、４つの梁Ｆの自由端に結合している。すなわち第一連結部３０１は錘部Ｍと梁Ｆとを連結している。第一連結部３０１の形状と寸法は、第一連結部３０１が錘部Ｍと梁Ｆとを連結する実質的な剛体として振る舞うように設定すればよい。本実施形態において梁Ｆの厚さ方向から見た第一連結部３０１の一辺の長さは３０μｍである。第一連結部３０１の底面は錘部Ｍの底面と平坦に連続している。第一連結部３０１の材質は錘部Ｍの材質と異なり、錘部Ｍに対するＣＭＰのストッパとなる材質である。本実施形態においては、錘部Ｍが単結晶シリコンからなるのに対し、第一連結部３０１はシリコン窒化膜である連結層３０からなる。すなわち単結晶シリコンからなる錘部Ｍの底面と窒化シリコンからなる第一連結部３０１の底面とが平坦に連続している。これはＣＭＰにより錘部Ｍの厚さを調整する工程において厚いシリコン層１１に埋没している第一連結部３０１の底面にＣＭＰの終点を定めた結果である。なお、第一連結部３０１が絶縁材料からなる場合、第二絶縁層４０は不要である。
ピエゾ抵抗素子１３１は錘部Ｍの運動に伴う梁Ｆの変形を検出するための検出手段である。ピエゾ抵抗素子１３１は薄いシリコン層１３に形成された高抵抗部１３１ａと低抵抗部１３１ｂとで構成されている。高抵抗部１３１ａにはボロン（Ｂ）イオンが２×１０１８／ｃｍ３の濃度で拡散している。低抵抗部１３１ｂには、ボロンイオンが２×１０２０／ｃｍ３の濃度で拡散している。高抵抗部１３１ａに比べて比抵抗が小さい低抵抗部１３１ｂは高抵抗部１３１ａと表面配線層５０との接続抵抗を低減する。ピエゾ抵抗素子１３１は第一絶縁層２０と第二絶縁層４０とに形成されたコンタクトホールを介して表面配線層５０に接続している。ピエゾ抵抗素子１３１は長手方向に直線的に並ぶ２つの梁Ｆに形成された４つを１組とする合計３組のホイーストンブリッジを構成するように結線される。互いに直交する３軸の加速度成分のそれぞれに対応する信号を各ホイーストンブリッジから得ることができる。
図２に示すパッケージ１Ｂは、無蓋箱型のベース９０とベース９０の内部空間を閉塞するカバー９４とを備える。ベース９０とカバー９４とは接着層９３を介して接合されている。ベース９０には複数の貫通電極９１が設けられている。ワイヤ９５は一端がセンサダイ１Ａの表面配線層５０に接合され他端がパッケージ１Ｂの貫通電極９１に接合される。センサダイ１Ａの支持部Ｓはベース９０の内側の底面９０ａに接着層９２によって接着されている。底面９０ａに形成する凹部の深さや接着層９２の厚さによってセンサダイ１Ａの錘部Ｍとベース９０の内側の底面９０ａとの間の空隙の高さが設定されている。なお、パッケージ１Ｂの内部にセンサダイ１Ａと接続されるＬＳＩダイを収容してもよい。
（製造方法）
以下、図３から図１７に基づいて加速度センサ１の製造方法の一例を説明する。図３から図１７の断面図は図１３Ｂを除いて全て図１Ｂに示すＡＡ線に対応する断面図である。図１３Ｂは図１３Ｃに示すＢＢ線に対応する断面図である。
はじめに図３に示すように、フォトレジストからなる保護膜Ｒ１を用いてＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハ１０の薄い方の薄いシリコン層１３に不純物を導入することにより高抵抗部１３１ａを形成する。不純物として、例えば２×１０１８／ｃｍ３の濃度でボロン（Ｂ）イオンを注入する。イオン注入後はアニールによる活性化が行われる。ＳＯＩウエハ１０は、厚いシリコン層１１、犠牲層１２および薄いシリコン層１３を含む。ＳＯＩウエハ１０の厚いシリコン層１１の厚さは錘部Ｍの厚さより厚ければ良く、例えば６２５μｍである。犠牲層１２は厚さ１μｍのシリコン酸化膜からなる。薄いシリコン層は厚さ１０μｍの単結晶シリコン膜からなる。
次に図４に示すように薄いシリコン層１３の表面に第一絶縁層２０を形成する。第一絶縁層２０として、例えば熱酸化またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により厚さ０．５μｍの二酸化シリコンの膜を形成する。
次に図５Ａおよび図５Ｂに示すように、第一絶縁層２０、薄いシリコン層１３および犠牲層１２を貫通する孔Ｈ１、Ｈ２をフォトレジストからなる保護膜Ｒ２を用いたエッチングによって形成する。孔Ｈ１のパターンは第一連結部３０１に対応する。孔Ｈ２のパターンは第二連結部３０２に対応する。第一絶縁層２０、薄いシリコン層１３および犠牲層１２は例えば反応性イオンエッチングによって異方的にエッチングする。
次に図６に示すように、孔Ｈ１、Ｈ２から露出している厚いシリコン層１１の領域に予め決められた錘部Ｍの厚さと等しい深さの凹部をエッチングによって形成する。その結果、孔Ｈ１、Ｈ２が深さ方向に伸びる。厚いシリコン層１１は例えば反応性イオンエッチングによって異方的にエッチングする。本実施形態において、凹部の深さは錘部Ｍの厚さと等しい２００μｍに設定される。
次に孔Ｈ１、Ｈ２から露出した厚いシリコン層１１と第一絶縁層２０の表面に、犠牲層１２のエッチングストッパとなる連結材料を堆積することにより、図７に示すように孔Ｈ１、Ｈ２を完全に埋める連結層３０を形成する。連結層３０には犠牲層１２に対するエッチング選択比を非常に小さくできる材料（すなわち犠牲層１２とともに連結層３０が実質的にエッチングされないエッチング方法を選択可能な材料）を用いる。連結層３０として、例えばＣＶＤによって厚さ１５μｍの窒化シリコンの膜を形成する。連結層３０として、窒化アルミニウム（ＡｌｘＮｙ）、窒化チタン（ＴｉｘＮｙ）などの窒化物の膜を形成してもよいし、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）などの酸化物の膜を形成してもよいし、タングステンシリサイド（ＷＳｉｘ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉｘ）、チタンシリサイド（ＴｉＳｉｘ）等のシリサイド化合物の膜を形成してもよいし、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）等の金属の膜を形成してもよい。犠牲層１２のエッチングストッパとなる連結材料から犠牲層１２を貫通する第一連結部３０１を形成することにより、梁Ｆの厚さ方向から見て梁Ｆに重なる領域に錘部Ｍを形成できるため、支持部Ｓの内側の空間に占める錘部Ｍの割合を高めることができる。すなわちセンサダイ１Ａを大型化することなく錘部Ｍの質量を増大することができる。
次に図８に示すようにエッチバックのための被膜Ｒ３を連結層３０の表面に形成する。被膜Ｒ３の材料には、連結層３０とのエッチング選択比をほぼ１にできる材料を選択する。例えば、フォトレジスト、ＳＯＧ（Spin On Glass）、ポリイミド等を塗布しベークすることにより表面が平坦な被膜Ｒ３を形成する。
次に図９に示すように第一絶縁層２０と連結層３０とを平坦化する。具体的には、被膜Ｒ３と連結層３０のエッチング選択比がほぼ１：１の条件において、第一絶縁層２０が露出するまで連結層３０の表層を被膜Ｒ３もろともにエッチバックして除去する。その結果、連結層３０は孔Ｈ１、Ｈ２の内部にのみ残存し、連結層３０の表面と第一絶縁層２０の表面とが平坦に連続する。
次に第一絶縁層２０と連結層３０の表面に第二絶縁層４０を形成する。第二絶縁層４０として、例えばＣＶＤにより二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の膜を形成する。第二絶縁層４０としてＰＳＧ（Phospho Silicate Grass）、ＢＰＳＧ（Boro- Phospho Silicate Grass）、窒化シリコン（ＳｉｘＮｙ）などの膜を形成してもよい。なお、連結層３０を絶縁膜から構成する場合、第二絶縁層４０は不要である。続いて図１０に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ４を用いて第一絶縁層２０および第二絶縁層４０にコンタクトホールＨ３を形成し、高抵抗部１３１ａを露出させる。コンタクトホールＨ３は、例えばＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチングによって第一絶縁層２０、４０を異方的にエッチングすることによって形成する。フッ酸（ＨＦ）または緩衝フッ酸（ＢＨＦ）を用いたウエットエッチングによってコンタクトホールＨ３を形成してもよい。
次に図１１に示すようにコンタクトホールＨ３から露出している高抵抗部１３１ａに不純物を導入することにより図１０に示すように低抵抗部１３１ｂを形成する。不純物として、例えば２×１０２０／ｃｍ３の濃度でボロンイオンを注入する。イオン注入後はアニールによる活性化が行われる。
次に図１２に示すように第二絶縁層４０の表面に表面配線層５０を形成し、フォトレジストからなる保護膜Ｒ５を用いて表面配線層５０をエッチングすることによって所定パターンの配線を構成する表面配線層５０を形成する。表面配線層５０として、例えばスパッタリングによって０．３μｍの厚さのアルミニウム（Ａｌ）の膜を形成する。配線層５０として銅やアルミシリコン（ＡｌＳｉ）の膜を形成してもよい。表面配線層５０のパターンは、例えば塩素（Ｃｌ２）ガスを用いた反応性イオンエッチングにより形成する。
次に図１３Ａ、図１３Ｂ、図１３Ｃに示すように、フォトレジストからなる保護膜Ｒ６を用いて薄いシリコン層１３、第一絶縁層２０および第二絶縁層４０をエッチングすることにより梁Ｆのパターンを形成する。梁Ｆのパターンは、例えばＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングにより第一絶縁層２０と第二絶縁層４０をエッチングし、続いてＣＦ４ガスおよびＯ２ガスを用いた反応性イオンエッチングにより薄いシリコン層１３をエッチングすることにより形成する。フッ酸や緩衝フッ酸を用いたウエットエッチングによって梁Ｆのパターンを形成してもよい。
次に上述の工程によって形成された積層構造体Ｗの表面配線層５０が形成されている面を図１４に示すように犠牲基板６０に接着する。接着層Ｂとして、例えばワックス、フォトレジスト、両面粘着シート等を用いる。
次に厚いシリコン層１１の表面を図１５に示すように第一連結部３０１と第二連結部３０２が露出するまで研削、研磨およびＣＭＰによって順次後退させることによって厚いシリコン層１１の厚さを調整する。このとき、厚いシリコン層１１とは異なる材質の第一連結部３０１と第二連結部３０２とをＣＭＰの終点制御に用いることができる。具体的には厚いシリコン層１１から異質の第一連結部３０１と第二連結部３０２の底面が露出したことを検出したときにＣＭＰを停止することによって厚いシリコン層１１の厚さを調整することができるため、第一連結部３０１と第二連結部３０２とが厚いシリコン層１１に埋め込まれている深さを基準にして正確に厚いシリコン層１１の厚さを調整することができる。本実施形態では、厚いシリコン層１１の厚さは、図６に示す工程において形成された凹部の深さである２００μｍに調整される。本工程において調整された厚いシリコン層１１の厚さが錘部Ｍの厚さになる。
次に図１６に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ７を用いて厚いシリコン層１１をエッチングすることによって厚いシリコン層１１に環状のスリットＨ４を形成することによって厚いシリコン層１１からなる錘部Ｍのパターンを形成する。具体的には例えば、パッシベーションとエッチングのステップを短い時間間隔で交互に繰り返すＤｅｅｐ−ＲＩＥ（いわゆるボッシュプロセス）によって錘部Ｍのパターンを形成する。
次に、環状のスリットＨ４から露出している犠牲層１２を等方性エッチングによって除去すると図１７に示すように錘部Ｍと梁Ｆとの間の空隙Ｇが形成される。このとき第一連結部３０１および第二連結部３０２がエッチングストッパとして機能する。すなわち錘部Ｍと梁Ｆとが重なっている領域において犠牲層１２が除去されることによって空隙Ｇが形成される一方で、錘部Ｍと梁Ｆとを連結する第一連結部３０１がエッチングストッパとして残存する。このため、錘部Ｍと梁Ｆとが空隙Ｇを間に挟んで重なる構造を実現できる。その後、ワークから接着層Ｂを除去し、ダイシング、パッケージング等の後工程を実施すると図１および図２に示す加速度センサ１が完成する。
以上説明した加速度センサ１の製造方法によると、錘部Ｍとなる厚いシリコン層１１の厚さをＣＭＰによって調整する際に厚いシリコン層１１と材質が異なる第一連結部３０１および第二連結部３０２を終点制御に用いることができるため、錘部Ｍの厚さを正確に調整することができる。このため、錘部Ｍの厚さを均一化することができる。したがって特性のばらつきが小さい加速度センサ１を製造することができる。また、犠牲層１２を貫通し梁Ｆと錘部Ｍとを連結する第一連結部３０１を予め形成しておき、その後に犠牲層１２を等方性エッチングによって除去することによって錘部Ｍと梁Ｆとの間の空隙Ｇを形成するため、錘部Ｍと梁Ｆのパターンを独立に設計することができる。したがって、梁Ｆの厚さ方向から見てはみ出す形状を有する錘部Ｍを形成することができる。すなわち、矩形枠形状の支持部Ｓの内側空間を最大限錘部Ｍに割り当てることによって、加速度センサ１を小型化し、加速度センサ１の製造コストを低減することができる。
２．第二実施形態
（構成）
図１８に示すように第一連結部３０１および第二連結部３０２はサイドウォール３１ａ、３１ｂとコア層３２とからなる二層構造としてもよい。図１８において、センサダイ２Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ２Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。サイドウォール３１ａは薄いシリコン層１３と厚いシリコン層１１とに外周面が結合している筒状の形態を有する。サイドウォール３１ｂは薄いシリコン層１３と厚いシリコン層１１に結合している矩形枠の形態を有し、支持部Ｓを一周している。サイドウォール３１ａの上端面は外周面から内周面に向かってなだらかに落ち込む角のない形態を有している。サイドウオール３１ｂの上端部は、矩形枠の外周側では外周側から内周側に向かって、矩形枠の内周側では内周側から外周側に向かって、なだらかに落ち込む角のない形態を有している。サイドウォール３１ａ、３１ｂは犠牲層１２のエッチングストッパとなる材料からなる。コア層３２はサイドウォール３１ａ、３１ｂを貫通し第一絶縁層２０と厚いシリコン層１１とに結合している。第一連結部３０１においてコア層３２の底面は錘部Ｍの底面の内側に露出しており、コア層３２の露出している底面と錘部Ｍの底面とは平坦に連続している。第二連結部３０２においてコア層３２の底面は支持部Ｓの底面の内側に露出しており、コア層３２の露出している底面と支持部Ｓの底面とは平坦に連続している。第一連結部３０１および第二連結部３０２の上面に露出しているコア層３２の上面と第一絶縁層２０の上面とは平坦に連続している。コア層３２の材料は応力、強度、剛性、製造コストといった要素を勘案して選択すればよく、犠牲層１２のエッチングストッパとして機能しない材料を選択できる。
（製造方法）
第一実施形態において説明した図６に対応する工程までを実施した後に、孔Ｈ１、Ｈ２から露出した厚いシリコン層１１と第一絶縁層２０の表面に、犠牲層１２のエッチングストッパとなる材料を堆積することにより、図１９に示すエッチングストッパ層３１を形成する。例えばＣＶＤによって多結晶シリコン膜をエッチングストッパ層３１として形成する。エッチングストッパ層３１の材料としては、単結晶シリコン、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）等の半導体、窒化シリコン、窒化アルミニウム、窒化チタンなどの窒化物、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、酸化シリコンなどの酸化物、タングステンシリサイド（ＷＳｉｘ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉｘ）、チタンシリサイド（ＴｉＳｉｘ）などのシリサイド化合物、タングステン（Ｗ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｕ）などの金属を用いても良い。エッチングストッパ層３１の厚さは図６に示す孔Ｈ１、Ｈ２を埋めない例えば０．５μｍの厚さとする。エッチングストッパ層３１の表面は孔Ｈ１、Ｈ２の縁の近傍がなだらかな曲面となる。
次に図２０に示すようにエッチングストッパ層３１の表面全体を、第一絶縁層２０と厚いシリコン層１１とが露出し、さらに厚いシリコン層１１に凹部が形成されるまで異方的にエッチングする。その結果、孔Ｈ１、Ｈ２の内側にのみエッチングストッパ層３１が筒形に残る。孔Ｈ１、Ｈ２の内側に筒状に残ったエッチングストッパ層３１はそれぞれサイドウォール３１ａ、サイドウォール３１ｂとなる。エッチングストッパ層３１は例えばＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチングにより異方的にエッチングされる。本工程において厚いシリコン層１１をエッチングする深さは０．３μｍとする。
次に図２１に示すようにサイドウォール３１ａ、３１ｂと第一絶縁層２０を覆うコア層３２を形成し、孔Ｈ１、Ｈ２を完全に埋める。このときサイドウォール３１ａ、３１ｂの上端が角のないなだらかな曲面であるため第一連結部３０１および第二連結部３０２においてコア層３２のボイドが生じにくい。したがって製造歩留まりが向上する。コア層３２として、例えばＣＶＤまたは減圧ＣＶＤによって厚さ１０μｍの窒化シリコン膜を形成する。
次に第一実施形態において説明した図８、図９に対応する工程を実施し、コア層３２の表層を図２２に示すように第一絶縁層２０が露出するまで除去する。その結果、孔Ｈ１、Ｈ２の内側にのみコア層３２が残存し、第一連結部３０１と第二連結部３０２とが形成される。
次に第一実施形態と同様にして低抵抗部１３１ｂ、表面配線層５０および梁Ｆを形成した後に、図２３に示すように犠牲基板６０に以上の工程によって形成された積層構造体Ｗを接着する。
次に図２４に示すように厚いシリコン層１１の表面を第一連結部３０１および第二連結部３０２のコア層３２が露出するまで研削、研磨およびＣＭＰによって順次後退させることによって厚いシリコン層１１の厚さを調整する。このとき、第一連結部３０１および第二連結部３０２の底面の表層を構成し厚いシリコン層１１とは異なる材質のコア層３２をＣＭＰの終点制御に用いることができるため、第一連結部３０１および第二連結部３０２のコア層３２が厚いシリコン層１１に埋め込まれている深さを基準にして正確に厚いシリコン層１１の厚さを調整することができる。本工程において調整された厚いシリコン層１１の厚さが錘部Ｍの厚さになる。
その後、第一実施形態と同様に犠牲層１２を除去する工程などを実施すると、図１８に示すセンサダイ２Ａが完成する。犠牲層１２を除去する工程ではサイドウォール３１ａ、３１ｂがエッチングストッパとして機能する。
３．第三実施形態
（構成）
本発明のＭＥＭＳセンサの第三実施形態である加速度センサ３を図２５に示す。図２５において、センサダイ３Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ３Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。センサダイ３Ａと第二実施形態において説明したセンサダイ２Ａとの相違点は、第一連結部３０１および第二連結部３０２においてコア層３２の底面が錘部Ｍの底面から突出している点である。本実施形態によると、第一連結部３０１のコア層３２の底面が錘部Ｍの底面から突出しているため、錘部Ｍとパッケージ３Ｂのベース９０の内側の底面９０ａとが接触して固着するスティッキングを防止できる。また第二連結部３０２のコア層３２の底面が支持部Ｓの底面において突出しているため、支持部Ｓとパッケージ３Ｂのベース９０とを結合している接着層９２の厚さを均一にできる。すなわち第二連結部３０２のコア層３２がスペーサとして機能するため、錘部Ｍの底面とパッケージ３Ｂのベース９０の内側の底面９０ａとの距離は、第二連結部３０２のコア層３２の底面が支持部Ｓの底面において突出している高さによって正確に設定することができる。例えば接着層９２の厚さを接着剤に混合するビーズで設定する場合には、ビーズの分布密度が安定しないため、接着層９２の厚さが不均一になるが、本実施形態ではスペーサとしてビーズを用いる必要がなく、接着層９２の厚さを均一にできる。
（製造方法）
第一連結部３０１および第二連結部３０２のコア層３２の底面を錘部Ｍの底面から突出させるには、第二実施形態において説明した図２４に対応する工程においてＣＭＰの終点をコア層３２の底面が露出してから所定時間経過後に設定すればよい。すると図２６に示すように第一連結部３０１および第二連結部３０２のコア層３２の底面を錘部Ｍの底面から所定の高さだけ突出させることができる。なお、このときサイドウォール３１ａ、３１ｂをＣＭＰの終点制御に用いても良い。この場合、サイドウォール３１ａ、３１ｂとなるエッチングストッパ層３１の材質には厚いシリコン層１１のＣＭＰに対してストッパとなる材質を採用する。
４．第四実施形態
図２７に示すように第一連結部３０１および第二連結部３０２をエッチングストッパ層３３とコア層３４とによって構成し、エッチングストッパ層３３を梁Ｆの表層として連続して形成してもよい。第一連結部３０１においてエッチングストッパ層３３は有底筒形に形成され、錘部Ｍを貫通している。錘部Ｍの底面と錘部Ｍの内側に露出しているエッチングストッパ層３３の底面とは平坦に連続している。梁Ｆにおいてエッチングストッパ層３３にはピエゾ抵抗素子１３１のコンタクトホールが形成されている。表面配線層５０はエッチングストッパ層３３の表面に形成されている。第一連結部３０１および第二連結部３０２の上面は梁Ｆのエッチングストッパ層３３の表面と平坦に連続している。
（製造方法）
第一実施形態において説明した図６に対応する工程までを実施した後に、孔Ｈ１、Ｈ２から露出した厚いシリコン層１１と第一絶縁層２０の表面に、犠牲層１２のエッチングストッパとなるとともに厚いシリコン層１１のＣＭＰのストッパともなる材料を堆積することにより、図２８に示すエッチングストッパ層３３を形成する。例えばＣＶＤによって厚さ０．２μｍの窒化シリコン膜をエッチングストッパ層３３として形成する。エッチングストッパ層３３として窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタンなどの膜を形成してもよい。ただしエッチングストッパ層３３は表面配線層５０の下地となるため、絶縁材料から形成する。
次に第一連結部３０１および第二連結部３０２のコア層３４を図２９に示すように形成することによって孔Ｈ１、Ｈ２を完全に埋める。例えばコア層３４として、ＣＶＤによって厚さ１０μｍの酸化シリコン膜を形成する。コア層３４にはエッチングストッパとしての機能もＣＭＰのストッパとしての機能も必要ないため、コア層３４の材質は剛性、強度、応力、密度、スループットなどを勘案して幅広く選択することができる。例えばコア層３４として多結晶シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン、タングステンシリサイド、モリブデンシリサイド、銅などの膜を形成してもよい。
次にコア層３４の表層を図３０に示すようにエッチングストッパ層３３が露出するまで例えばＣＭＰによって除去する。その結果、孔Ｈ１、Ｈ２の内側にのみコア層３４が残存し、第一連結部３０１と第二連結部３０２とが形成される。このときエッチングストッパ層３３はコア層３４に対するＣＭＰのストッパとして機能する。
次に第一実施形態と同様にして低抵抗部１３１ｂ、表面配線層５０および梁Ｆを形成する。
次に、図３１に示すように厚いシリコン層１１の表面をエッチングストッパ層３３が露出するまで研削、研磨およびＣＭＰによって順次後退させる。このとき第一連結部３０１および第二連結部３０２の底面の表層を構成しているエッチングストッパ層３３がＣＭＰのストッパとして機能する。すなわち、第一連結部３０１および第二連結部３０２の底面の表層を構成しているエッチングストッパ層３３が厚いシリコン層１１と異なる材質からなるため、エッチングストッパ層３３が厚いシリコン層１１に埋め込まれている深さを基準にして正確に厚いシリコン層１１の厚さを調整することができる。
さらにその後、第一実施形態と同様に犠牲層１２を除去する工程などを実施すると図２７に示すセンサダイ４Ａが完成する。犠牲層１２を除去する工程では、エッチングストッパ層３３がエッチングストッパとして機能する。
５．第五実施形態
（構成）
図３２に示すように第一連結部３０１および第二連結部３０２を三層構造にしても良い。図３２において、センサダイ５Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ５Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。センサダイ５Ａにおいて第一連結部３０１および第二連結部３０２はそれぞれエッチングストッパ層３５とポリシングストッパ層３６とコア層３７とで構成される。第一連結部３０１においてエッチングストッパ層３５は錘部Ｍを貫通する筒形に形成されており第一連結部３０１の外殻を構成している。エッチングストッパ層３５は梁Ｆの表層をも構成している。梁Ｆにおいてエッチングストッパ層３５にはピエゾ抵抗素子１３１と表面配線層５０とを接続するためのコンタクトホールが形成されている。エッチングストッパ層３５は厚さ０．２μｍのシリコン酸化膜からなる。エッチングストッパ層３５の材質としては犠牲層１２のエッチングストッパとして機能するものであればよく、窒化シリコン、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化チタン等を用いても良い。第一連結部３０１においてポリシングストッパ層３６は錘部Ｍを貫通する有底筒形に形成されておりエッチングストッパ層３５とコア層３７との間に形成されている。ポリシングストッパ層３６の錘部Ｍの内側に露出している底面は錘部Ｍの底面から突出している。したがって第三実施形態と同様に錘部Ｍとパッケージのスティクションを防止することができる。梁Ｆの表層においてポリシングストッパ層３６の外側の輪郭は梁Ｆの表層において表面配線層５０と同一のパターンに形成されている。ポリシングストッパ層３６には表面配線層５０とピエゾ抵抗素子１３１とを接続するためのコンタクトホールが形成されている。ポリシングストッパ層３６は厚さ０．５μｍの窒化チタン膜からなる。ポリシングストッパ層３６の材質としては錘部Ｍの材質と異なるものであればよく、窒化タンタル、酸化窒化チタン（ＴｉＯｘＮｙ）等を用いても良い。第一連結部３０１および第二連結部３０２においてコア層３７は最も内側の層であってポリシングストッパ層３６の内側の空間を完全に埋めている。コア層３７は銅からなる。コア層３７は梁Ｆの上面の内側においてのみ露出しているため、コア層３７の材質は応力制御、ボイド防止、スループット向上、密度等の観点で適宜選択すればよい。例えばコア層３７の材質として金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、錫（Ｓｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）などの金属やＡｕＳｎ、ＮｉＦｅ、ＰｔＰｄ等の合金を用いても良い。
（製造方法）
第一実施形態において説明した図６に対応する工程までを実施した後に、孔Ｈ１、Ｈ２から露出した厚いシリコン層１１と第一絶縁層２０の表面に、犠牲層１２のエッチングストッパとなる材料を堆積することにより、図３３に示すエッチングストッパ層３５を形成する。例えばＣＶＤによって酸化シリコン膜をエッチングストッパ層３５として形成する。
次にエッチングストッパ層３５の表面に錘部ＭのＣＭＰに対するストッパとなる材料を堆積することにより、図３４に示すポリシングストッパ層３６を形成する。例えばＣＶＤによって窒化チタン膜をポリシングストッパ層３６として形成する。次にポリシングストッパ層３６の表面に図３４に示すようにコア層３７を形成することによって孔Ｈ１、Ｈ２を完全に埋める。例えばコア層３７として電界めっき法によって厚さ１０μｍの銅膜を形成する。
次にコア層３７の表層を図３５に示すようにポリシングストッパ層３６が露出するまで例えばＣＭＰによって除去する。このときポリシングストッパ層３６がＣＭＰのストッパとして機能する。
次に第一実施形態と同様にして低抵抗部１３１ｂ、表面配線層５０および梁Ｆを形成する。
次に図３６に示すように厚いシリコン層１１の表面をポリシングストッパ層３６が露出してから一定時間経過するまで研削、研磨およびＣＭＰによって順次後退させる。このとき、ポリシングストッパ層３６をＣＭＰの終点制御に用いることができる。すなわち、第一連結部３０１および第二連結部３０２の底面の表層を構成しているポリシングストッパ層３６が厚いシリコン層１１と異なる材質からなるため、ポリシングストッパ層３６が厚いシリコン層１１に埋め込まれている深さを基準にして正確に厚いシリコン層１１の厚さを調整することができる。
その後、第一実施形態と同様に犠牲層１２を除去する工程などを実施すると図３２に示すセンサダイ５Ａが完成する。犠牲層１２を除去する工程では、エッチングストッパ層３５がエッチングストッパとして機能する。
６．第六実施形態
（構成）
図３７に示すように第一連結部３０１および第二連結部３０２を４層構造にしてもよい。図３７において、センサダイ６Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ６Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。センサダイ６Ａにおいて第一連結部３０１および第二連結部３０２はそれぞれエッチングストッパ層３８とサイドウォール３１ａ、３１ｂとシード層３９とコア層３７とで構成される。エッチングストッパ層３８は錘部Ｍを貫通する有底筒形に形成されており第一連結部３０１および第二連結部３０２の外殻を構成している。エッチングストッパ層３８の錘部Ｍの内側に露出している底面は錘部Ｍの底面から突出している。したがって第三実施形態と同様に錘部Ｍとパッケージのスティクションを防止することができる。また、エッチングストッパ層３８の支持部Ｓの底面に露出している底面は支持部Ｓの底面において突出している。したがって第三実施形態と同様に接着層９２の厚さを均一にすることができる。エッチングストッパ層３８は梁Ｆの表層にも連続して形成されている。梁Ｆにおいてエッチングストッパ層３８にはピエゾ抵抗素子１３１と表面配線層５０とを接続するためのコンタクトホールが形成されている。エッチングストッパ層３８は厚さ０．５μｍの窒化チタン膜からなる。エッチングストッパ層３５の材質としては犠牲層１２のエッチングストッパとなるとともに錘部Ｍに対するＣＭＰのストッパとなるものであればよく、窒化タンタル、酸化窒化チタンなどを用いても良い。サイドウォール３１ａ、３１ｂはエッチングストッパ層３５の内面に結合している筒形である。サイドウォール３１ａ、３１ｂの上端面は外周面から内周面に向かってなだらかに落ち込む角のない形態を有している。サイドウォール３１ａ、３１ｂは厚さ０．５μｍの多結晶シリコン膜からなる。サイドウォール３１ａ、３１ｂとしてアモルファスシリコン膜、アルミニウム膜などを用いても良い。第一連結部３０１においてシード層３９はサイドウォール３１ａの内周面とエッチングストッパ層３８とに結合している有底筒形に形成されている。シード層３９の外側の輪郭は梁Ｆにおいて表面配線層５０と同一のパターンに形成されている。梁Ｆにおいてシード層３９にはピエゾ抵抗素子１３１と表面配線層５０とを接続するためのコンタクトホールが形成されている。シード層３９は厚さ０．５μｍの窒化チタン膜からなる。シード層３９の材質としては錘部Ｍの材質と異なるものであればよく、窒化タンタル、酸化窒化チタン（ＴｉＯｘＮｙ）等を用いても良い。コア層３７の構成は第五実施形態と同様である。
（製造方法）
第一実施形態において説明した図６に対応する工程までを実施した後に、孔Ｈ１、Ｈ２から露出した厚いシリコン層１１と第一絶縁層２０の表面に、犠牲層１２のエッチングストッパとなる材料とサイドウォール３１ａ、３１ｂとなる材料とを順に堆積することにより、図３８に示すエッチングストッパ層３８とサイドウォール層３１ｃとを形成する。例えばＣＶＤによって酸化シリコン膜をエッチングストッパ層３８として形成する。続いてＣＶＤによって多結晶シリコン膜をサイドウォール層３１ｃとして形成する。サイドウォール層３１ｃとしてアモルファスシリコン膜、アルミニウム膜を形成しても良い。
次に図３９に示すようにサイドウォール層３１ｃの表面全体をエッチングストッパ層３８が露出するまで異方的にエッチングする。その結果、孔Ｈ１、Ｈ２の内側にのみサイドウォール層３１ｃが筒形に残る。孔Ｈ１、Ｈ２の内側に筒状に残ったサイドウォール層３１ｃはそれぞれサイドウォール３１ａ、サイドウォール３１ｂとなる。サイドウォール層３１ｃは例えばＣＦ４ガスを用いた反応性イオンエッチングにより異方的にエッチングされる。
次に図４０に示すようにサイドウォール３１ａ、３１ｂとエッチングストッパ層３８とを覆うシード層３９を形成する。例えばＣＶＤによって厚さ０．５μｍの窒化チタン膜をシード層３９として形成する。次にシード層３９の表面に図４０に示すようにコア層３７を形成することによって孔Ｈ１、Ｈ２を完全に埋める。例えばコア層３７として電界めっき法によって厚さ１０μｍの銅膜を形成する。
次にコア層３７の表層を図４１に示すようにシード層３９が露出するまで例えばＣＭＰによって除去する。このときシード層３９がＣＭＰのストッパとして機能する。
次に第一実施形態と同様にして低抵抗部１３１ｂ、表面配線層５０および梁Ｆを形成する。
次に図４２に示すように厚いシリコン層１１の表面をエッチングストッパ層３８が露出してから一定時間経過するまで研削、研磨およびＣＭＰによって順次後退させる。このとき、エッチングストッパ層３８がＣＭＰの終点制御に用いられる。すなわち、第一連結部３０１および第二連結部３０２の底面の表層を構成しているエッチングストッパ層３８が厚いシリコン層１１と異なる材質からなるため、エッチングストッパ層３８が厚いシリコン層１１に埋め込まれている深さを基準にして正確に厚いシリコン層１１の厚さを調整することができる。
その後、第一実施形態と同様に犠牲層１２を除去する工程などを実施すると図３７に示すセンサダイ６Ａが完成する。犠牲層１２を除去する工程では、エッチングストッパ層３８がエッチングストッパとして機能する。
７．第七実施形態
本発明は角速度センサ等、加速度センサ以外のＭＥＭＳセンサにも適用することができる。図４３Ａ、図４３Ｂおよび図４４は本発明の第七実施形態としてのＭＥＭＳセンサである振動ジャイロスコープのパッケージに収容されるセンサダイ７Ａを示している。図４３Ｂはセンサダイ７Ａの上面図である。図４３Ａは図４３Ｂに示すＡＡ線に対応する断面図である。図４４はセンサダイ７Ａの底面図である。図４３Ａにおいて、センサダイ７Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ７Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。
（構成）
本実施形態の振動ジャイロスコープは、図示しないパッケージに収容されたセンサダイ７Ａを備え、互いに直交する３軸の角速度成分を検出する。
センサダイ７Ａは厚層としての厚いシリコン層１１と、薄層としての薄いシリコン層１３と、絶縁層２０と、エッチングストッパ層７０と、コア層７１と、電極層８１、８３と圧電層８２とからなる積層構造体である。厚いシリコン層１１と薄いシリコン層１３はいずれも単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる。厚いシリコン層１１の厚さは２００μｍである。薄いシリコン層１３の厚さは１０μｍである。絶縁層２０はシリコン酸化膜からなる。絶縁層２０の厚さは０．５μｍである。エッチングストッパ層７０は厚いシリコン層１１と薄いシリコン層１３と絶縁層２０とを貫通している。エッチングストッパ層７０は連結材料としてのシリコン窒化膜（ＳｉｘＮｙ）からなる。エッチングストッパ層７０の厚さは０．５μｍである。コア層７１はシリコン酸化膜からなる。電極層８１、８３は白金（Ｐｔ）からなる。電極層８１、８３の厚さは０．１μｍである。圧電層８２はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。圧電層８２の厚さは３μｍである。
センサダイ７Ａは、支持部Ｓと、支持部Ｓの内側に張り渡された可撓部としてのメンブレンＦと、メンブレンＦの中央端に結合している柱形の第一連結部３０１と、第一連結部３０１と結合している環形の錘部Ｍと、メンブレンＦに設けられた検出手段としての検出用圧電素子８０ｂと、メンブレンＦに設けられた駆動手段としての駆動用圧電素子８０ａとを備える。錘部Ｍには複数の通孔Ｈ５が形成されている。４つの駆動用圧電素子８０ａに位相の異なる交流の励振電圧を印加することによって錘部Ｍが周回運動する。センサダイ７Ａが回転すると、錘部Ｍに作用するコリオリ力に応じた交流の電圧信号が４つの検出用圧電素子８０ｂから出力される。この電圧信号から励振成分を除去することによってセンサダイ７Ａの角速度成分が得られる。
（製造方法）
はじめに図４５に示すように、ＳＯＩウエハ１０の薄いシリコン層１３の表面に絶縁層２０を形成する。絶縁層２０として、例えば熱酸化またはＣＶＤにより厚さ０．５μｍの二酸化シリコンの膜を形成する。
次に図４６に示すように絶縁層２０、薄いシリコン層１３および犠牲層１２を貫通する孔Ｈ１、Ｈ２をフォトレジストからなる保護膜Ｒ８を用いたエッチングによって形成する。孔Ｈ１のパターンは第一連結部３０１に対応する。孔Ｈ２のパターンは第二連結部３０２に対応する。絶縁層２０、薄いシリコン層１３および犠牲層１２は例えば反応性イオンエッチングによって異方的にエッチングする。
次に第一実施形態において説明した図６に対応する工程を実施することにより、厚いシリコン層１１に凹部を形成することによって孔Ｈ１、Ｈ２を深さ方向に延ばす。
次に第三実施形態において説明した図２８、図２９、図３０に対応する工程を実施することにより図４７、図４８に示すように第一連結部３０１および第二連結部３０２を形成する。
次に図４９に示すように電極層８１、圧電層８２および電極層８３を絶縁層２０の表面にこの順で積層する。電極層８１として例えばスパッタ法により厚さ０．１μｍの白金の膜を形成する。圧電層８２として例えばスパッタ法により厚さ３μｍのＰＺＴの膜を形成する。電極層８３として例えばスパッタ法により厚さ０．１μｍの白金の膜を形成する。
次に図示しない２種類の保護膜を用いたエッチングにより電極層８１、８３と圧電層８２のパターンを図５０および図４３Ｂに示すように形成する。その結果、駆動用圧電素子８０ａおよび検出用圧電素子８０ｂが形成される。
次に、上述の工程を実施することによって得られた積層構造体Ｗの電極層８３が形成されている面を犠牲基板６０に接着する。
次に、第三実施形態において説明した図３１の工程と同様に、図５１に示すように厚いシリコン層１１の表面をエッチングストッパ層７０が露出するまで研削、研磨およびＣＭＰによって後退させる。このときエッチングストッパ層７０がＣＭＰのストッパとして機能する。
その後、第一実施形態において説明した図１６の工程と同様に、厚いシリコン層１１をエッチングすることによって錘部Ｍを形成する。このとき、図５２に示すように錘部Ｍに通孔Ｈ５を形成すると、犠牲層１２をエッチングによって除去する次工程のスループットが高まる。
さらに犠牲層１２を除去し、ワークから接着層Ｂを除去し、ダイシング等の後工程を実施すると、図４３、４４に示すセンサダイ７Ａが完成する。
８．第八実施形態
上述の各実施形態においてＣＭＰのポリシングストッパとなる第一連結部３０１および第二連結部３０２が内部に形成される孔Ｈ１、Ｈ２の形態は１枚のウエハ内の厚層において均一でなくとも良く、例えば図５３Ａおよび図５３Ｂに示すように孔Ｈ１、Ｈ２の形態を積極的に異ならせることによってＣＭＰの終点をより正確に制御できる場合もある。図５３ＡはＳＯＩウエハ１０の厚いシリコン層１１と犠牲層１２の界面を示す平面図である。図５３Ｂは図５３Ａに示すＢＢ線の断面図である。
図５３Ａおよび図５３Ｂに示すように第一連結部３０１を形成するための孔Ｈ１１、Ｈ１２の幅Ｗ１１、Ｗ１２および第二連結部を形成するための孔Ｈ２１、Ｈ２２の幅Ｗ２１、Ｗ２２をＳＯＩウエハ１０の中心に近いほど広く、ＳＯＩウエハ１０の外周に近いほど狭くしてもよ。すなわち相対的にＳＯＩウエハ１０の中心に近い孔Ｈ１２の幅Ｗ１２は相対的にＳＯＩウエハ１０の外周に近い孔Ｈ１１の幅Ｗ１１の幅より広くしてもよい。また相対的にＳＯＩウエハ１０の中心に近い孔Ｈ２２の幅Ｗ２２は相対的にＳＯＩウエハ１０の外周に近い孔Ｈ２１の幅Ｗ２１の幅より広くしてもよい。
このように孔Ｈ１、Ｈ２の平面パターンの幅や径などを１枚のウエハ内の厚層で異ならせることにより、各実施形態において孔Ｈ１、Ｈ２を深さ方向に延ばすとき、厚層と平行な面内においてエッチング速度差があったとしても、相対的に幅が広い孔Ｈ１２、Ｈ２２が深さ方向に伸びる速さと、相対的に幅が狭い孔Ｈ１１、Ｈ２１が深さ方向に伸びる速さとを一致させることができる。すなわち厚層としての厚いシリコン層１１と平行な面内におけるエッチング速度差に応じて孔Ｈ１、Ｈ２の幅や径などの形態を異ならせることにより第一連結部３０１および第二連結部３０２の連結材料を厚いシリコン層１１に埋め込む深さを１枚のウエハ上に形成される複数の積層構造体で均一にすることができる。その結果、厚いシリコン層１１に埋め込まれる連結材料の深さが１枚のウエハ上に形成される複数の積層構造体で均一になる。したがって、厚いシリコン層１１の表面をＣＭＰによって後退させて複数の錘部Ｍの厚さを同時に調整するとき、ＣＭＰの終点を正確に制御することができる。すなわち錘部Ｍの厚さをさらに正確に調整することができる。
９．第九実施形態
厚層のＣＭＰによって錘部の厚さを調整する第八実施形態の技術は、厚層と薄層を連結する連結部のないＭＥＭＳにも適用することができる。第八実施形態の技術を適用した製造方法によって製造される加速度センサのセンサダイ９Ａを図５４に示す。図５４において、センサダイ９Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ９Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。
（構成）
センサダイ９Ａは厚層としての厚いシリコン層１４と、薄層としての薄いシリコン層１６と絶縁層２０と配線層５０と表面絶縁層５１とからなる積層構造体であって、加速度センサの図示しないパッケージに収容される。厚いシリコン層１４はｎ型の単結晶シリコンからなる。厚いシリコン層１４の厚さは２００μｍである。薄いシリコン層１６はｎ型のエピタキシャル結晶シリコンからなる。薄いシリコン層１６の厚さは１０μｍである。絶縁層２０はシリコン酸化膜からなる。絶縁層２０の厚さは０．５μｍである。配線層５０はアルミニウムからなる。配線層５０の厚さは０．３μｍである。表面絶縁層５１は厚いシリコン層１４に対するＣＭＰのポリシングストッパとなる材料である窒化シリコンからなる。表面絶縁層５１の厚さは０．５μｍである。
加速度センサのセンサダイ９Ａは、枠の形態を有する支持部Ｓと、支持部Ｓの内側に張り渡された可撓部としてメンブレンＦと、メンブレンＦに設けられた検出手段としてのピエゾ抵抗素子１３１とを備える。
支持部Ｓは、外周が矩形であって内周が円形である矩形枠の形態を有する。支持部Ｓは厚いシリコン層１４、薄いシリコン層１６、絶縁層２０および表面絶縁層５１を含む。支持部Ｓは厚いシリコン層１４を含み、パッケージに固定されるため実質的に剛体として振る舞う。
メンブレンＦは円環形の膜の形態を有する。メンブレンＦの外周は支持部Ｓの内周に結合している。メンブレンＦの内周は連結部Ｃに結合している。メンブレンＦは薄いシリコン層１６と絶縁層２０と表面絶縁層５１を含む。メンブレンＦは厚いシリコン層１４を含まないため、可撓性を有する膜として振る舞う。
連結部ＣはメンブレンＦと同一の層構造を有し、メンブレンＦの中央部と錘部Ｍの中央に結合している。すなわち連結部ＣはメンブレンＦの中央部と錘部Ｍの中央部とを連結している。
錘部Ｍは連結部Ｃの下端面に結合している。錘部ＭはメンブレンＦの厚さ方向から見て円形である円板の形態を有する。錘部Ｍは厚いシリコン層１４からなるため、実質的に剛体として振る舞う。錘部ＭとメンブレンＦとの間には高さ１μｍの空隙Ｇが形成されている。錘部Ｍは可撓性を有するメンブレンＦの中央部に結合している連結部Ｃに結合して図示しないパッケージから浮いているため、センサダイ９Ａに加速度が生ずると錘部Ｍは支持部Ｓに対して相対的に運動する。したがってセンサダイ９Ａに加速度が生ずると錘部Ｍが支持部Ｓに対して相対的に運動し、連結部Ｃによって錘部Ｍに連結しているメンブレンＦが変形する。
ピエゾ抵抗素子１３１は錘部Ｍの運動に伴うメンブレンＦの変形を検出するための検出手段である。ピエゾ抵抗素子１３１は薄いシリコン層１６の表層において互いに直交する２軸の一方に沿って４個、その２軸の他方にそって８個が設けられている。ピエゾ抵抗素子１３１は直線的に並ぶ４つを１組とする合計３組のホイーストンブリッジを構成するように結線される。互いに直交する３軸の加速度成分のそれぞれに対応する信号を各ホイーストンブリッジから得ることができる。
（製造方法）
はじめに図５５に示すように厚いシリコン層１４の表面に犠牲層１５を形成する。例えば犠牲層１５として、厚さ１μｍのｐ型のシリコン膜をエピタキシャル成長させる。
次に図５６に示すように図示しない保護膜を用いたエッチングにより犠牲層１５をパターニングする。犠牲層１５のパターンはメンブレンＦのパターンに一致させる。
次に図５７に示すように厚いシリコン層１４と犠牲層１５の表面に薄いシリコン層１６を形成する。薄いシリコン層１６として、例えば厚さ１０μｍのｎ型のシリコン膜をエピタキシャル成長させる。なお、厚いシリコン層１４と薄いシリコン層１６とをｐ型とし、犠牲層１５をｎ型にしてもよい。
次に第一実施形態において説明した図３および図４に対応する工程を実施することによって、図５８に示すように薄いシリコン層１６に高抵抗部１３１ａを形成する。
次に第一実施形態において説明した図４、図１０、図１１、図１２に対応する工程を実施することにより絶縁層２０を形成し、絶縁層２０にコンタクトホールを形成し、薄いシリコン層１６に低抵抗部１３１ｂを形成し、配線層５０をパターニングすることによって図５９に示す積層構造体Ｗを得る。
次にフォトレジストからなる保護膜Ｒ９を用いて第一実施形態において説明した図５および図６に対応する工程を実施することにより、絶縁層２０および薄いシリコン層１６を貫通し、厚いシリコン層１４の所定の深さに達する孔Ｈ６を形成する。このとき厚いシリコン層１４に形成される凹部の深さは錘部Ｍの厚さを基準にして設定される。孔Ｈ６は１枚のウエハ上に形成される隣り合うセンサダイ９Ａを区画する格子のパターンを有する。そして、第八実施形態において説明したように、格子パターンを有する孔Ｈ６の幅はウエハの中央に近いほど広く、ウエハの周辺に近いほど狭く設定する。その結果、１枚のウエハ上において孔Ｈ６の深さは均一になる。
次に第一実施形態において説明した図７に対応する工程を実施することにより、図６１に示すように表面絶縁層５１を絶縁層２０および配線層５０の表面に形成することにより孔Ｈ６を埋める。表面絶縁層５１としては、例えばＣＶＤによって厚さ１５μｍの窒化シリコンの膜を形成する。表面絶縁層５１は、厚層としての厚いシリコン層１４に対するＣＭＰのポリシングストッパとして機能する材質であればよい。例えば表面絶縁層５１として、窒化アルミニウム（ＡｌｘＮｙ）、窒化チタン（ＴｉｘＮｙ）などの窒化物の膜を形成してもよいし、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌｘＯｙ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）などの酸化物の膜を形成してもよいし、タングステンシリサイド（ＷＳｉｘ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉｘ）、チタンシリサイド（ＴｉＳｉｘ）等のシリサイド化合物の膜を形成してもよい。
次にフォトレジストからなる図示しない保護膜を用いたエッチングによって表面絶縁層５１に図６２に示すようにコンタクトホールＨ７を形成する。表面絶縁層５１は例えばＣＨＦ３を用いた反応性イオンエッチングや、燐酸フッ酸あるいは緩衝フッ酸を用いたウエットエッチングによってエッチングする。
次に第一実施形態において説明した図１６に対応する工程を実施することにより、図６３に示すようにスリットＨ４を形成し、メンブレンＦの厚さ方向から見た錘部Ｍのパターンを形成する。
次に第一実施形態において説明した図１５の工程と同様に、厚いシリコン層１４の表面を研削、研磨およびＣＭＰによって順次後退させることによって図６４に示すように厚いシリコン層１４の厚さを調整する。このとき、厚いシリコン層１４とは異なる材質の表面絶縁層５１をＣＭＰの終点制御に用いることができる。具体的には厚いシリコン層１４から異質の表面絶縁層５１の底面が露出したことを検出したときにＣＭＰを停止することによって厚いシリコン層１４の厚さを調整することができるため、表面絶縁層５１が厚いシリコン層１４に埋め込まれている深さを基準にして正確に厚いシリコン層１４の厚さを調整することができる。本実施形態では、厚いシリコン層１４の厚さは、図６０に示す工程において厚いシリコン層１４に形成された凹部の深さに調整される。そして本工程において調整された厚いシリコン層１４の厚さが錘部Ｍの厚さになる。
次に環状のスリットＨ４から露出している犠牲層１５を等方性エッチングによって除去すると図６５に示すように錘部Ｍと梁Ｆとの間の空隙Ｇが形成される。
次に、表面絶縁層５１の孔Ｈ６内に形成された部分を図６６、図６７に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ１０を用いた異方性エッチングによって除去することによって積層構造体Ｗを分断し、図５３に示すセンサダイ９Ａを得る。このとき、ダイサーやレーザによって積層構造体Ｗをセンサダイ９Ａ毎に分断しても良い。
その後、ワークから接着層Ｂを除去し、パッケージング等の後工程を実施すると加速度センサが完成する。
１０．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。また例えば、上述した製造工程において、膜の組成、成膜方法、膜の輪郭形成方法、工程順序などは、膜材料の組み合わせや、膜厚や、要求される輪郭形状精度などに応じて適宜選択されるものであって、特に限定されない。
図１Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１Ｂは本発明の第一実施形態にかかる上面図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 図５Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図５Ｂは本発明の第一実施形態にかかる上面図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 図１３Ａおよび図１３Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１３Ｃは本発明の第一実施形態にかかる平面図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 本発明の第一実施形態にかかる断面図。 本発明の第二実施形態にかかる断面図。 本発明の第二実施形態にかかる断面図。 本発明の第二実施形態にかかる断面図。 本発明の第二実施形態にかかる断面図。 本発明の第二実施形態にかかる断面図。 本発明の第二実施形態にかかる断面図。 本発明の第二実施形態にかかる断面図。 本発明の第三実施形態にかかる断面図。 本発明の第三実施形態にかかる断面図。 本発明の第四実施形態にかかる断面図。 本発明の第四実施形態にかかる断面図。 本発明の第四実施形態にかかる断面図。 本発明の第四実施形態にかかる断面図。 本発明の第四実施形態にかかる断面図。 本発明の第五実施形態にかかる断面図。 本発明の第五実施形態にかかる断面図。 本発明の第五実施形態にかかる断面図。 本発明の第五実施形態にかかる断面図。 本発明の第五実施形態にかかる断面図。 本発明の第六実施形態にかかる断面図。 本発明の第六実施形態にかかる断面図。 本発明の第六実施形態にかかる断面図。 本発明の第六実施形態にかかる断面図。 本発明の第六実施形態にかかる断面図。 本発明の第六実施形態にかかる断面図。 図４３Ａは本発明の第七実施形態にかかる断面図。図４３Ｂは本発明の第七実施形態にかかる上面図。 本発明の第七実施形態にかかる底面図。 本発明の第七実施形態にかかる断面図。 本発明の第七実施形態にかかる断面図。 本発明の第七実施形態にかかる断面図。 本発明の第七実施形態にかかる断面図。 本発明の第七実施形態にかかる断面図。 本発明の第七実施形態にかかる断面図。 本発明の第七実施形態にかかる断面図。 本発明の第七実施形態にかかる断面図。 図５３Ａは本発明の第八実施形態にかかる平面図。図５３Ｂは本発明の第八実施形態にかかる断面図。 本発明の第九実施形態にかかる断面図。 本発明の第九実施形態にかかる断面図。 本発明の第九実施形態にかかる断面図。 本発明の第九実施形態にかかる断面図。 本発明の第九実施形態にかかる断面図。 本発明の第九実施形態にかかる断面図。 本発明の第九実施形態にかかる断面図。 本発明の第九実施形態にかかる断面図。 本発明の第九実施形態にかかる断面図。 本発明の第九実施形態にかかる断面図。 本発明の第九実施形態にかかる断面図。 本発明の第九実施形態にかかる断面図。 本発明の第九実施形態にかかる断面図。 本発明の第九実施形態にかかる断面図。
符号の説明
１：加速度センサ、１Ａ：センサダイ、１Ｂ：パッケージ、２Ａ：センサダイ、３：加速度センサ、３Ａ：センサダイ、３Ｂ：パッケージ、４Ａ：センサダイ、５Ａ：センサダイ、６Ａ：センサダイ、７Ａ：センサダイ、９Ａ：センサダイ、１０：ＳＯＩウエハ、１１：厚いシリコン層、１２：犠牲層、１３：薄いシリコン層、１４：厚いシリコン層、１５：犠牲層、１６：薄いシリコン層、２０：第一絶縁層、３０：連結層、３１：エッチングストッパ層、３１ａ：サイドウォール、３１ｂ：サイドウォール、３１ｃ：サイドウォール層、３２：コア層、３３：エッチングストッパ層、３４：コア層、３５：エッチングストッパ層、３６：ポリシングストッパ層、３７：コア層、３８：エッチングストッパ層、３９：シード層、４０：第二絶縁層、５０：配線層、５１：表面絶縁層、６０：犠牲基板、７０：エッチングストッパ層、７１：コア層、８０ａ：駆動用圧電素子、８０ｂ：検出用圧電素子、８１：電極層、８２：圧電層、８３：電極層、９０：ベース、９０ａ：底面、９１：貫通電極、９２：接着層、９３：接着層、９４：カバー、９５：ワイヤ、１３１：ピエゾ抵抗素子、１３１ａ：高抵抗部、１３１ｂ：低抵抗部、３０１：第一連結部、３０２：第二連結部、Ｂ：接着層、Ｃ：連結部、Ｆ：メンブレン、Ｆ：梁、Ｇ：空隙、Ｈ１：孔、Ｈ１１：孔、Ｈ１２：孔、Ｈ２：孔、Ｈ２１：孔、Ｈ２２：孔、Ｈ３：コンタクトホール、Ｈ４：スリット、Ｈ５：通孔、Ｈ６：孔、Ｈ７：コンタクトホール、Ｍ：錘部、Ｒ１：保護膜、Ｒ２：保護膜、Ｒ３：被膜、Ｒ４：保護膜、Ｒ５：保護膜、Ｒ６：保護膜、Ｒ７：保護膜、Ｒ８：保護膜、Ｒ９：保護膜、Ｒ１０：保護膜、Ｓ：支持部、Ｗ：積層構造体

Claims (8)

  1. 支持部と、
    環状の錘部と、
    前記錘部の内周面に結合し前記錘部を貫通し上端部が前記錘部の上面から突出している連結部と、
    前記連結部の上端部に一端が結合し、前記支持部に他端が結合し、空隙を挟んで底面が前記錘部の上面と対向し、前記錘部の運動に伴って変形する可撓部と、
    前記錘部の運動に伴う前記可撓部の変形を検出する検出手段と、
    を備え、
    前記錘部の底面の内側に露出している前記連結部の底面の表層と前記錘部の前記底面の表層とは互いに異なる材料からなる、
    ＭＥＭＳセンサ。
  2. 前記支持部の底面が接着されるパッケージをさらに備え、
    前記支持部は、前記錘部を構成している厚層と、前記可撓部を構成している前記厚層より薄い薄層と、前記厚層の内面に結合し前記厚層を貫通し上端部が前記薄層に結合し前記連結部と同一の層構成を有する第二連結部を備え、
    前記第二連結部の底面は前記支持部の底面から突出している、
    請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
  3. 前記連結部の底面は前記錘部の前記底面から突出している、
    請求項１または２に記載のＭＥＭＳセンサ。
  4. 前記連結部の他端面と前記錘部の前記底面とは平坦に連続している、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
  5. 前記連結部は、２層以上に積層された互いに異なる複数材料からなる、
    請求項１〜４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
  6. 前記第二連結部は、２層以上に積層された互いに異なる複数材料からなる、
    請求項１〜５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
  7. 請求項１に記載のＭＥＭＳセンサを製造する方法であって、
    前記錘部および前記支持部となる厚層と、前記厚層より薄く前記支持部および前記可撓部となる薄層と、前記厚層と前記薄層との間に位置する犠牲層とを含む積層構造体を形成し、
    前記薄層と前記犠牲層とを貫通する孔をエッチングによって形成し、
    前記孔から露出している前記厚層の領域に予め決められた深さの凹部をエッチングによって形成し、
    前記犠牲層のエッチングにおいて前記連結部として残存し前記厚層とは異なる連結材料を前記通孔と前記凹部とに堆積し、
    前記凹部の裏に相当する前記厚層の面を少なくとも前記連結材料が露出するまでＣＭＰによって後退させることによって前記錘部の厚さを調整し、
    前記犠牲層をエッチングすることによって前記錘部と前記可撓部との間の前記空隙を形成する、
    ことを含むＭＥＭＳセンサの製造方法。
  8. 第一の前記連結材料からなるサイドウォールを前記通孔の内側に形成し、
    前記サイドウォールの内側を第二の前記連結材料によって埋める、
    ことを含む請求項７に記載のＭＥＭＳセンサの製造方法。
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