JP2010230441A - Ｍｅｍｓセンサー及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 静電容量を含むＭＥＭＳセンサーにおいて、可動電極部の面積、可動電極部のダンピング係数、可動錘部の質量、バネ特性の設計に関して、ＭＥＭＳセンサーの設計の自由度を向上させること。
【解決手段】 基板上に形成される多層の積層構造体を加工して製造されるＭＥＭＳセンサーにおいて、可動錘部１２０は、積層構造体からなる第１可動錘部１２０Ａの下方に位置し、基板の材料にて形成される第２可動錘部１２０Ｂを含み、可動電極部１４０は、積層構造体からなる第１可動電極部１４０Ａの下方に位置し、基板の材料にて形成される第２可動電極部１４０Ｂを含み、弾性変形部１３０は、積層構造体からなる第１弾性変形部１３０Ａの下方に位置し、基板の材料にて形成される第２弾性変形部１３０Ｂを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳセンサー（Micro Electro Mechanical Sensor:マイクロエレクトロメカニカルセンサー）及びその製造方法等に関する。

この種のＭＥＭＳセンサーは、例えばＣＭＯＳ集積回路一体型シリコンＭＥＭＳ加速度センサーとして、小型・低コスト化が急激に進んでいる。ＭＥＭＳセンサーの応用アプリケーションと市場は拡大している。主流となっているデバイス形態は、物理量を電気信号に変換・出力処理するＩＣチップを、ウエハプロセス以降の実装プロセスで１パッケージ化しているものがほとんどである。究極の小型化・低コスト化には、ウエハプロセスでセンサーチップとＩＣチップを一体形成する技術が必要とされている（特許文献１参照）。

また、可動電極部と固定電極部によって構成されるコンデンサーの容量値の変化によって、加速度や圧力等の物理量を検出する容量型のＭＥＭＳセンサー（容量型ＭＥＭＳ物理量センサー）においては、可動電極部は、可動錘部に一体化されており、可動錘部の変位に伴って可動電極部も変位し、可動電極部と固定電極部との間のギャップあるいは対向面積が変化し、これに伴って電荷の移動が生じる。この電荷の移動を、例えば、チャージアンプを含むＣ／Ｖ変換回路によって電気信号（電圧信号）に変換することによって、物理量が検出される。可動錘部に可動電極部が一体化された一般的なＭＥＭＳセンサーでは、可動電極部と可動錘部の高さは同一である（特許文献２の図４、図５参照）

特開２００６−２６３９０２号公報 特開２００５−１４０９７２号公報

容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの検出感度の向上のためには、可動錘部の質量（Ｍ）を増大させることが有効である。半導体装置のプロセス技術を使用して容量型ＭＥＭＳ加速度センサーを形成する場合、可動錘部、可動電極部および固定電極部を含む構造体は、複数層の膜（絶縁膜や導電性材料膜等）を積層して構成される積層構造体からなる。よって、可動錘部の質量（Ｍ）を増大させようとすると、必然的に積層構造体の高さ（ｈ）が増大し、したがって、可動電極部の高さ（ｈ）も同様に増大する。

一方、可動電極部の高さ（ｈ）が増すと、可動電極部の面積が増え、これに伴って、ダンピング係数（Ｄ）が増大する。ダンピングの主な要因としてスクイーズ・フィルム・ダンピング（squeeze film damping）があり（以降、単にダンピングと呼ぶ）、このダンピングとは、可動電極部が振動する際に、可動電極部と固定電極部とに挟まれた空間にある気体が、例えば上下に動き、その際に、気体の粘性によって生じる、可動電極の動きを止めようとする働きのことである。具体的には、ダンピング係数（Ｄ）は、可動電極部の高さ（ｈ）の３乗で大きくなる。

このダンピング係数（Ｄ）は、構造体の機械的な固有の特性である（共振の）Ｑ値に関係し、また、ＭＥＭＳセンサーのＳ／Ｎの低下の原因となるブラウンノイズに関係する。つまり、各電極部間の気体のブラウン運動によって可動構造体に力が働き、これが例えば加速度等価ブラウンノイズとなる。

上述のとおり、ダンピング係数（Ｄ）は、可動電極部の高さ（ｈ）の３乗で大きくなるため、可動錘部の質量（Ｍ）を増大させるために積層構造体の高さ（ｈ）を増やすと、同時に、可動電極部の高さ（ｈ）も増え、この結果として、例えば、Ｑ値が極端に低下して所望の共振特性が得られなくなり、また、ブラウンノイズの増大によるＳ／Ｎの低下を招くというという問題が生じる。

つまり、ＭＥＭＳセンサーでは、例えば、積層構造体の高さ（ｈ）を高くして、可動錘部の質量（Ｍ）を増大させることによって得られる正の効果と、可動電極部におけるダンピング係数（Ｄ）が大きくなってＱ値が低下し、かつブラウンノイズが増えるという負の効果とは、同時に生じる。つまり、ＭＥＭＳセンサーの設計の自由度が少なく、可動構造体（可動錘部および可動電極部を含む）の平面的なサイズ、共振周波数、Ｑ値の各々を所望の設計値に固定したとすると、あとは、調整可能ないくつかの寸法パラメータ（具体的には、例えば、可動電極部の高さ、可動電極部の横幅、可動電極部と固定電極部との間の距離（ギャップ）等）を妥協的に調整することしか、構造体設計上の対応策がないのが実情である。

また、ＭＥＭＳセンサーでは、弾性変形部（バネ部）のバネ特性を適正な範囲に調整することも必要となる。バネ特性は、機械的なバネ特性の他、コンデンサーのクーロン力による電気的なバネ特性も考慮して設計する必要がある。

本発明のいくつかの態様によれば、可動電極部の面積、可動電極部のダンピング係数、可動錘部の質量、バネ特性の設計に関して、ＭＥＭＳセンサーの設計の自由度を向上させることができる。

（１）本発明のＭＥＭＳセンサーの一態様は、基板上に形成される多層の積層構造体を加工して製造されるＭＥＭＳセンサーであって、前記基板に形成された固定枠部と、弾性変形部を介して前記固定枠部に連結され、周囲に空洞部が形成された可動錘部と、前記固定枠部より前記空洞部に向けて突出形成された固定電極部と、前記可動錘部と一体的に移動し、前記固定電極部と対向する可動電極部と、を有し、前記可動錘部は、前記多層の積層構造体により形成される第１可動錘部と、前記第１可動錘部の下方に位置し、前記基板の材料にて形成される第２可動錘部と、を含み、前記可動電極部は、前記多層の積層構造体により形成される第１可動電極部と、前記第１可動電極部の下方に位置し、前記基板の材料にて形成される第２可動電極部と、を含み、前記弾性変形部は、前記多層の積層構造体により形成される第１弾性変形部と、前記第１弾性変形部の下方に位置し、前記基板の材料にて形成される第２弾性変形部と、を含む。

本態様では、可動錘部が、積層構造体からなる第１可動錘部と基板材料からなる第２可動錘部とにより構成され、可動電極部が、積層構造体からなる第１可動電極部と基板材料からなる第２可動電極部とにより構成され、かつ、弾性変形部（バネ部）が、積層構造体からなる第１弾性変形部と基板材料からなる第２弾性変形部とにより構成される。第２可動錘部、第２可動電極部および第２弾性変形部の各々は、例えば、積層構造体を形成するためのベース（土台）となるシリコン等の基板を加工して構成される。ＭＥＭＳセンサーの各部において基板材料からなる部材が追加されることによって、本態様においては、容量電極部（導電体）の高さとは切り離して、可動錘部の全体の高さを調整して質量（重み）を効率的に増大させることができ、また、可動電極部の全体の高さを調整することによってダンピング係数を調整することができ、また、弾性変形部の特性の調整（例えば、機械的なバネ定数の調整や、バネの不要な方向への変位の抑制等）を実現することも可能となり、設計の自由度が向上する。

可動錘部においては、基板材料からなる第２可動錘部を設けることによって、可動錘部の全体の高さを高くすることができ、可動錘部の質量を効果的に増大させることができる。

また、コンデンサーの全容量（Ｃ０）は、加わった加速度を静電容量の変化に変換する際の効率（加速度／容量の変換係数）に関係する。したがって、容量電極部（可動電極部および固定電極部）においては、コンデンサーの全容量を考慮して最適な電極（導電体部分）の高さを決定しつつ、一方、第２可動電極部（基板材料からなる部分）の高さ（厚み）を調整して可動電極部の全体の高さを高くして、可動電極部のダンピング係数を適正な値に調整するというような設計が可能となる。例えば、ダンピング係数が小さすぎると、可動電極部に生じた振動が長い時間にわたって継続し、例えば、ＭＥＭＳセンサーの落下等によって共振周波数付近の振動が生じたときに、可動電極部の破壊が生じやすくなる場合もある。その一方、可動電極部のダンピング係数が大きすぎると、共振振動体のＱ値が極端に低下して所望の値を実現できないという問題が生じ、あるいは、ＭＥＭＳセンサーの感度に関して、ブラウンノイズが増大してＳ／Ｎが低下するという問題も生じる。よって、可動電極部のダンピング係数は適正な範囲に設定する必要がある。本態様では、容量電極部（可動電極部）のダンピング係数を適正な範囲に調整することを容易化する効果も得ることができる。

また、弾性変形部（バネ部）においては、基板材料からなる第２弾性変形部が設けられることによってねじれ等の不要な変形が抑制される。また、機械的バネ定数が増大することによって、電気的バネ定数（クーロン力に起因するバネ定数）は相対的に小さくなって無視できるようになるため、弾性変形部（バネ部）の設計が容易化されるという効果を得ることもできる。

よって、従来、電極の横幅を極端に長くせざるを得ないというような不都合な事態が生じるような場合でも、基板材料からなる第２可動錘部、第２可動電極部、第２弾性変形部の少なくとも一つの高さを現実的な範囲で調整することによって、所望のサイズで所望の感度をもつＭＥＭＳセンサーを設計できるようになる。よって、設計の自由度が向上する。したがって、小型で高性能であり、かつＩＣプロセスを用いて製造可能なＭＥＭＳセンサーを効率的に設計することが可能となる。

（２）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様では、前記第２可動錘部、前記第２可動電極部および前記第２弾性変形部の各々の高さは同じである。

本態様では、各部毎に、基板材料からなる部分の高さ調整をする必要がなく、基板の加工が容易であるという利点がある。

（３）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様では、前記第２可動錘部、前記第２可動電極部および前記第２弾性変形部の各々の高さが異なる。

本態様では、各部毎に、基板材料からなる部分の高さを異ならせることによって、各部を最適に設計することができるという効果がある。

（４）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様では、前記第２可動錘部、前記第２可動電極部および前記第２弾性変形部のいずれか二つの高さが第１の高さであり、残りの一つの高さが、前記第１の高さとは異なる第２の高さである。

本態様では、３つの部分のうちの２つの部分における基板材料からなる部分の高さが同じ（第１の高さ）であり、残りの一つの部分における基板材料からなる部分の高さは第１の高さとは異なる第２の高さに設定される。上記（３）の態様に比べて、基板の高さ調整のための加工が少なくてすむという利点がある。

（５）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様では、前記可動電極部を形成する前記積層構造体は、層が異なる複数の導電層と、少なくとも一層の層間絶縁層と、前記少なくとも一層の層間絶縁層における、一層以上の層間絶縁層の各々に貫通形成された所定の埋め込み溝パターンに充填されるプラグと、を含む。

これにより、導電材料および絶縁材料を含む多層の、密構造をもつ積層構造体が形成される。よって、可動錘部の質量（Ｍ）を効果的に増大させることができる。また、積層構造体中に電極部を確保することもできる。さらに、この積層構造体は、半導体装置の製造プロセス（例えば、ＣＭＯＳプロセスやバイポーラＣＭＯＳ混在ＩＣプロセス等）にて形成できるので、同一基板上にてＭＥＭＳセンサーを集積回路部と共存させることが容易である。

（６）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様では、前記各層に形成されたプラグは、前記可動電極部が突出形成される長手方向に沿って壁状に形成された壁部を含むことができる。

電気的導通をとるための一般的なプラグは、例えば円形のスルーホールに埋め込まれるが、本態様では、可動電極部の突出方向（長手方向）に沿って延在するスルーホールパターンにプラグ材料が埋め込まれ、これによって、壁状のプラグ（壁部）が形成される。したがって、所望の対向面積をもつコンデンサーの可動電極部を、積層されたプラグで実現することができる。

また、プラグ材料（導電性の材料であり、一般にはタングステン等の金属である）は、絶縁層の材料に比べて比重が重い。したがって、可動錘部において、壁状のプラグ構造を形成することによって、プラグ材料の総量を増やすことができ、したがって、可動錘部の質量（Ｍ）を、容易に増大させることができる。また、壁状のプラグ構造を形成することによって、プラグの壁部を、所定の対向面積をもつコンデンサーの電極面として機能させることもできる。なお、電気的に孤立した壁状の電極部（質量を調整する働きのみをもつ）を、上記の長手方向とは異なる方向（例えば、長手方向と垂直の方向にも延在させることによって、可動錘部の質量をさらに効率的に増加させることができ、質量の調整も容易となる。

（７）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様では、前記可動電極部に形成される前記壁部は、電気的に独立している第１の壁部と第２の壁部とを有する。

この構造を使用すると、電気的に独立している２つのコンデンサー（Ｃ１，Ｃ２）を無理なく、かつ省スペースで構成することができる。例えば、一つの可動電極部の一方の側面側に設けられる第１の壁部を第１の固定電極部と対向させ、上記の一つの可動電極部の他方の側面側に設けられる第２の壁部を、第２の固定電極部と対向させることによって、上記の２つのコンデンサー（Ｃ１，Ｃ２）をコンパクトに形成することができる。

（８）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様では、前記基板の裏面には、凹所が形成されている。

本態様では、積層構造体を形成する前に、基板の裏面に凹所を形成しておく。その凹所の深さを調整すると、可動錘部に残存される第２可動錘部の厚さを調整でき、結果として可動錘部の質量を調整できる。また、凹所を形成しておくことで、基板には段差ができので、可動錘部の下方に空間を確保でき、可動錘部が設置面に接触することを防止することもできる。

（９）本発明のＭＥＭＳセンサーの他の態様では、前記基板上に形成される前記積層構造体と隣接して、前記基板に形成される集積回路部をさらに有し、前記積層構造体の前記複数の導電層、前記少なくとも１層の層間絶縁層及び前記１層以上の層間絶縁層の各々に貫通形成される各層のプラグは、前記集積回路部の製造プロセスを用いて製造される。

上述した通り、可動錘部の積層構造体はＣＭＯＳプロセス等に適合しているので、ＭＥＭＳセンサーを集積回路部と共に同一基板上に搭載できる。こうすると、それぞれを別プロセスで製造し組み立てた場合に比べ製造コストの削減ができる。さらには、ＣＭＯＳ集積回路部とＭＥＭＳ構造体をモノリシックに構成することで、配線距離を短くすることが可能になる。このため、配線の引き回しに起因する損失成分の低減や外来ノイズ耐性向上が期待できる。

（１０）本発明のＭＥＭＳセンサーの製造方法の一態様は、基板上に、多層の積層構造体を形成する工程と、前記積層構造体を異方性エッチングによってパターニングして、前記基板の表面が露出する開口部となる第１空洞部を形成し、前記第１空洞部によって、固定枠部と、弾性変形部と、前記弾性変形部を介して前記固定枠部に連結された可動錘部と、前記可動錘部より前記第１空洞部に向けて突出する可動電極部と、前記固定枠部より前記第１空洞部に向けて突出して前記可動電極部と対向する固定電極部を区画形成する工程と、前記基板を選択的に加工して、前記第１空洞部に連通する第２空洞部を形成する工程と、を含む。

本態様の製造方法によれば、積層構造体の異方性エッチング（積層構造体のパターニング）と、基板の異方性エッチング（基板のパターニング）とを組み合わせることで、弾性変形部を介して固定枠部に連結され、周囲に空洞部が形成された可動錘部を有するＭＥＭＳセンサーを、半導体製造技術を用いて効率的に製造することができる。積層構造体の異方性エッチングの方法としては、例えば、ＣＦ_４，ＣＨＦ_３等の混合ガスを用いてドライエッチングを行う方法がある。また、基板の異方性エッチング（基板のパターニング）を行う方法としては、例えば、側壁保護膜を形成しながらエッチングを行う方法を用いることができる。以上の加工例は一例であり、この方法に限定されるものではない。例えば、基板の加工には、アルカリエッチング等のウエットエッチングを用いることもでき、機械的な掘削を用いることもでき、あるいは、基板の貼り合わせ技術を利用した凹部の形成技術等を利用することもできる。

（１１）本発明のＭＥＭＳセンサーの製造方法の他の態様では、前記基板を選択的に加工して第２空洞部を形成するに際して、前記第１空洞部を介して異方性エッチング用のエッチャントを導入して前記基板に貫通孔を形成し、前記貫通孔を前記第２空洞部とする。

本態様では、積層構造体を形成した後、積層構造体を選択的にパターニングして第１空洞部を形成し、この第１空洞部から異方性エッチング用のエッチャントを導入して基板を異方性エッチングして第１空洞部に連通する貫通孔を形成し、この貫通孔を第２空洞部とすることができる。

（１２）本発明のＭＥＭＳセンサーの製造方法の他の態様では、前記基板を選択的に加工して第２空洞部を形成する工程は、前記基板の裏面側から異方性エッチングを行う工程を含む。

本態様では、例えば、基板の裏面から選択的なエッチング（例えば、ＫＯＨ等を用いたアルカリエッチングによるウエットの異方性エッチングや、異方性エッチングガスによるドライの異方性エッチング、双方の併用も可能）を施して基板の一部を除去し、基板に第２空洞部を形成する方法を採用することができる。

（１３）本発明のＭＥＭＳセンサーの製造方法の他の態様では、前記基板の裏面に、凹所を形成する工程をさらに有し、前記第２空洞部が前記凹所と連通される。

こうすると、基板の厚さが厚くても、凹所の深さによって、例えば、第２可動錘部の高さを調整して所望の質量とすることが容易となり、他の部分における基板の高さ（厚み）の調整も容易となる。

（１４）本発明のＭＥＭＳセンサーの製造方法の他の態様では、前記可動錘部は、前記多層の積層構造体により形成される第１可動錘部と、前記第１可動錘部の下方に位置し、前記基板の材料にて形成される第２可動錘部と、を含み、前記可動電極部は、前記多層の積層構造体により形成される第１可動電極部と、前記第１可動電極部の下方に位置し、前記基板の材料にて形成される第２可動電極部と、を含み、前記弾性変形部は、前記多層の積層構造体により形成される第１弾性変形部と、前記第１弾性変形部の下方に位置し、前記基板の材料にて形成される第２弾性変形部と、を含み、前記基板の裏面側から選択的なエッチングを行って、前記第２可動錘部、前記第２可動電極部および前記第２弾性変形部の少なくとも一つの高さを調整する工程を、さらに含む。

本態様では、各部の基板材料からなる部分の高さ調整をおこなうためのエッチング工程（例えば、アルカリエッチングを用いたウエットによる基板裏面からの異方性エッチングや、基板裏面からの異方性エッチングガスを用いたドライエッチング）をさらに含む。本態様でも、半導体製造方法で使用される方法を採用することができ、また、基板の裏面エッチングは、基板の表面側に形成されたＣＭＯＳ回路等には影響しないため、ＣＭＯＳ回路等を含むＭＥＭＳセンサーモジュールを、共通のプロセスで製造することができる。

本発明のＭＥＭＳセンサーの一例（シリコン基板の一部からなる第２可動錘部、第２可動電極部および第２弾性変形部を有する容量型ＭＥＭＳ加速度センサー）の平面形状および断面構造を示す図である。 図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、第２可動錘部、第２可動電極部および第２弾性変形部の高さの調整例（高さが異なる例）を示す図 本実施形態の加速度センサーモジュールのブロック図 図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、Ｃ／Ｖ変換回路の構成と動作について説明するための図 本発明のＭＥＭＳセンサーを適用した実施形態に係る加速度センサーが搭載された加速度センサーモジュールの概略図 容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの平面形状を示す図 図６に示される容量型ＭＥＭＳ加速度センサーのＡ−Ａ線に沿う断面図 図６に示される容量型ＭＥＭＳ加速度センサーのＢ−Ｂ線に沿う断面図 集積回路部の断面構造を示す図 図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、加速度センサーモジュールの製造方法の第１製造工程を示す図 図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、加速度センサーモジュールの製造方法の第２製造工程を示す図 図１２は、加速度センサーモジュールの製造方法の第３製造工程を示す図 導電層とプラグの断面図 図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）は、第２弾性変形部の効果の一例を説明するための図 図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）は、可動電極部において、２つの壁状電極部の各々に、独立した電位を与えるための構造例を示す図 ダンピング係数やブラウンノイズ等に関係する可動電極部と固定電極部の寸法を説明するための図 図１７（Ａ）〜図１７（Ｄ）は、ＭＥＭＳセンサーの製造方法の他の例を示す図

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

(第１の実施形態)
本実施形態では、静電容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの一例の構造等について説明する。

（ＭＥＭＳ加速度センサーの平面形状と断面構造、ならびに特徴点の一例）
図１は、本発明のＭＥＭＳセンサーの一例（シリコン基板の一部からなる第２可動錘部、第２可動電極部および第２弾性変形部を有する容量型ＭＥＭＳ加速度センサー）の平面形状および断面構造を示す図である。

図１の上側の示されるように、容量型ＭＥＭＳ加速度センサーは、半導体製造プロセスを用いて形成される積層構造体（複数層の絶縁層と、所定方向に延在する壁部をもつプラグＰＬＧとを有する）を含む可動錘部１２０と、弾性変形部（バネ部）１３０と、シリコン基板からなる固定枠部１１０と、導電性材料からなる所定面積の壁部をもつ可動電極部１４０と、導電性材料からなる所定面積の壁部をもつ固定電極部１５０と、を有する。可動電極部１４０と固定電極部１５０は対向して配置され、各電極部によってコンデンサー（平行平板型の静電容量）が構成される。可動電極部１４０は、可動錘部１２０と一体的に構成されており、可動電極部１２０が加速度による力を受けて振動すると、同様に振動する。これによって、コンデンサーのギャップ（ｄ）が変化し、コンデンサーの容量値が変化し、これに伴って電荷の移動が生じる。この電荷の移動による微小な電流をチャージアンプによって増幅することによって、可動錘部１２０に加わった加速度の値を検出することができる。

図１の下側には、図１の上側に示される容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの、各領域に対応した断面構造が示されている。この断面構造において、説明の便宜上、積層構造体により構成される部分には「第１」という序数を付加し、基板で構成される部分には、「第２」という序数を付加する（他の図面に関しても同様である）。

図中、Ｚ１は可動錘部領域であり、Ｚ２ａは可動容量電極部領域であり、Ｚ２ｂは固定容量電極部領域であり、Ｚ３は弾性変形部領域であり、Ｚ４は固定枠部領域である。シリコン基板ＢＳ上に積層構造体が形成されている。積層構造体（図１の下側において、太線で囲んで示されている）は、層が異なる複数の絶縁層ＩＮＳ１〜ＩＮＳ４と、第１層目メタルＭ１と、第２層目メタルＭ２と、第３層目メタルＭ３と、１層目ポリシリコンＰｏｌｙ１と、を含む。積層構造体を、例えば異方性エッチングによってパターニングして第１空洞部ＥＴ１を形成することによって、弾性変形部１３０を介して固定枠部１１０に連結され、第１空洞部ＥＴ１が形成された可動錘部１２０と、固定枠部１１０より第１空洞部ＥＴ１に向けて突出形成された固定電極部１５０および可動錘部１２０と一体的に移動し、固定電極部１５０と対向する可動電極部１４０と、が形成される。

可動錘部領域Ｚ１においては、積層構造体の下側には、同じ高さ（ｈ２）のシリコン基板の一部からなる部材が存在する。すなわち、第２可動錘部１２０Ｂ（質量調整部）と、第２可動電極部１４０Ｂ（ダンピング係数調整部）と、第２固定電極部１５０Ｂと、第２弾性変形部（バネ特性調整部）１３０Ｂと、が存在する。また、図１の場合、シリコン基板ＢＳの裏面には、エッチングによって凹所１０２が形成されている。この凹所１０２によって、例えば、シリコン基板ＢＳの厚みを予め調整することができる。また、壁部をもつプラグＰＬＧと多層の絶縁層が密に積層されて構成される積層構造体によって、第１可動錘部１２０Ａが構成される。

また、可動電極部１４０においては、第１可動電極部１４０Ａにおいて、壁状の導電構造が形成されることによって、所定の対向面積をもつ可動電極（導電材料からなる導電性の壁部あるいは壁状のプラグ）が形成される。固定電極部１５０においても、第１固定電極部１４０Ｂにおいて、壁状の導電構造が形成することによって、所定の対向面積をもつ固定電極（導電体）が形成される。これによって、所定の対向面積をもつ（つまり、所望の容量値をもつ）コンデンサーが形成される。コンデンサーの容量は、積層構造体の高さｈ１と、コンデンサーの横幅とによって決まる。通常、電気的導通をとるための一般的なプラグは、例えば円形のスルーホールに埋め込まれるが、本実施形態では、長手方向に沿って延在するスルーホールパターンにプラグ材料が埋め込まれ、これによって、壁状のプラグが形成される。

一方、第２可動電極部１４０Ｂ（ダンピング係数調整部：高さｈ２）が設けられることから、可動電極部１４０の全体の高さ（ｈ１+ｈ２）を調整することができ、よって、可動電極部のダンピング係数を適切な範囲に調整することが容易化される。

また、弾性変形部（バネ部）１３０においては、第２弾性変形部（バネ部）１３０Ｂによって、ねじれのような不要な動きを規制することができ、また、機械的バネ定数を、電気的バネ定数に比べて十分に大きくして所望のバネ特性を実現することができる。

また、本実施形態では、積層構造体は、層が異なる複数の導電層と、少なくとも一層の層間絶縁層（ＩＮＳ２〜ＩＮＳ４）と、少なくとも一層の層間絶縁層（ＩＮＳ２〜ＩＮＳ３）における、一層以上の層間絶縁層の各々に貫通形成された所定の埋め込み溝パターンに充填されるプラグ（ＰＬＧ）と、を含む。これにより、導電材料および絶縁材料を含む多層の、密構造をもつ積層構造体が形成される。よって、可動錘部１２０の質量（Ｍ）を効果的に増大させることができる。また、上述のとおり、積層構造体中に、所定の対向面積をもつ、コンデンサーの電極部を確保することもできる。さらに、この積層構造体は、半導体装置の製造プロセス（例えば、ＣＭＯＳプロセスやバイポーラＣＭＯＳ混在ＩＣプロセス等）にて形成できるので、同一基板上にてＭＥＭＳセンサーを集積回路部と共存させることが容易である。

また、上述のとおり、基板ＢＳの裏面には、予め凹所１０２を設けて、基板の厚みを調整することができる。この場合、凹所の深さを調整することによって、基板部分の厚みを予め調整することができる。また、凹所１０２を形成しておくことで、基板には段差ができるので、可動錘部の下方に空間を確保でき、可動錘部が設置面に接触することを防止することもできる。

なお、図１の上側に示されるように、可動錘部領域Ｚ１における積層構造体において、
長手方向に直交する方向（縦方向）にもプラグを延在させて、プラグを十字状に配置することによって、可動錘部１２０の質量（Ｍ）を、さらに、効果的に増大させることができる。壁状のプラグ材料（導電性の材料であり、一般にはタングステン等の金属である）は、絶縁層ＩＮＳ１〜ＩＮＳ４の材料に比べて比重が重いため、壁状のプラグ構造を形成することによって、プラグ材料の総量を増やすことができ、したがって、可動錘部１２０の質量（Ｍ）を、容易に増大させることができる（但し、これに限定されるものではない。可動錘部における積層構造体は、多層の絶縁層のみで構成することも可能である）。

（第２可動錘部、第２可動電極部および第２弾性変形部の高さの調整例）
図１では、第２可動錘部１２０Ｂ、第２可動電極部１４０Ｂおよび第２弾性変形部１３０Ｂの高さは、どれもｈ２で同じである。この例では、各部毎に、基板材料からなる部分の高さ調整をする必要がなく、基板の加工が容易であるという利点がある。

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、第２可動錘部、第２可動電極部および第２弾性変形部の高さの調整例（高さが異なる例）を示す図である。

図２（Ａ）では、第２可動錘部１２０Ｂの高さはｈ２であり、第２可動電極部１４０Ｂの高さはｈ４であり、第２弾性変形部１３０Ｂの高さはｈ３であり、各部の高さは異なる。この例では、各部毎に、基板材料からなる部分の高さを異ならせることによって、各部を最適に設計することができるという効果が得られる。

図２（Ｂ），図２（Ｃ）の例では、第２可動錘部１２０Ｂ、第２可動電極部１４０Ｂおよび第２弾性変形部１３０Ｂのいずれか二つの高さが第１の高さであり、残りの一つの高さが、前記第１の高さとは異なる第２の高さである。図２（Ｂ）の場合、第２可動錘部１２０Ｂおよび第２可動電極部１４０Ｂの高さがｈ２（第１の高さ）であり、第２弾性変形部１３０Ｂの高さがｈ３（第２の高さ）である。図２（Ｃ）の場合、第２可動錘部１２０Ｂおよび第２弾性変形部１３０Ｂの高さがｈ２（第１の高さ）であり、第２可動電極部１４０Ｂの高さがｈ４（第２の高さ）である。これらの例では、図２（Ａ）の例に比べて、基板の高さ調整のための加工が少なくてすむという利点がある。

（加速度センサーモジュールとＣ／Ｖ変換回路の構成例）
図３は、本実施形態の加速度センサーモジュール１０のブロック図である。加速度センサー１００は、少なくとも２対の可動・固定電極ペアを有する。図３では、可動電極部１４０Ｑ１、可動電極部１４０Ｑ２、固定電極部１５０Ｑ１及び固定電極部１５０Ｑ２を有する。可動電極部１４０Ｑ１と第１固定電極部１５０Ｑ１によってコンデンサーＣ１が構成される。可動電極部１４０Ｑ２と固定電極部１５０Ｑ２によってコンデンサーＣ２が構成される。コンデンサーＣ１，Ｃ２の各々における一極（例えば、固定電極部）の電位は、基準電位（例えば接地電位）に固定されている。なお、可動電極部の電位を接地電位に固定してもよい。

例えばＣＭＯＳプロセスによって形成される集積回路部２０は、例えば、Ｃ／Ｖ変換回路２４と、アナログ校正およびＡ／Ｄ変換回路ユニット２６と、中央演算ユニット（ＣＰＵ）２８及びインターフェース（Ｉ／Ｆ）回路３０と、を含んでいる。但し、この構成は一例であり、この構成に限定されるものではない。例えば、ＣＰＵ２８は制御ロジックに置き換えることができ、また、Ａ／Ｄ変換回路は、Ｃ／Ｖ変換回路２４の出力段に設けることも可能である。なお、アナログ-デジタル変換回路、中央演算ユニット、は場合によっては集積回路部２０とは異なる集積回路を用いても良い。

可動錘部１２０が止まっている状態から可動錘部１２０に加速度が作用すると、可動錘部１２０には加速度による力が作用して、可動・固定電極ペアの各ギャップが変化する。図３の矢印方向に可動錘部１２０が移動したとすると、第１可動電極部１４０Ａと第１固定電極部１５０Ａとの間のギャップが大きくなり、第２可動電極部１４０Ｂと固定電極部１５０Ｂとの間のギャップが小さくなる。ギャップと静電容量とは反比例の関係にあるので、可動電極部１４０Ｑ１と固定電極部１５０Ｑ１とで形成されるコンデンサーＣ１の静電容量値Ｃ１は小さくなり、可動電極部１４０Ｑ２と固定電極部１５０Ｑ２とで形成されるコンデンサーＣ２の静電容量値Ｃ２は大きくなる。

コンデンサーＣ１，Ｃ２の容量値の変化に伴って電荷の移動が生じる。Ｃ／Ｖ変換回路２４は、例えばスイッチトキャパシタを用いたチャージアンプを有しており、チャージアンプは、サンプリング動作および積分（増幅）動作によって、電荷の移動によって生じる微小な電流信号を電圧信号に変換する。Ｃ／Ｖ変換回路２４から出力される電圧信号（すなわち、物理量サンサによって検出された物理量信号）は、アナログ校正およびＡ／Ｄ変換回路ユニット２６によって、キャリブレーション処理（例えば位相や信号振幅の調整等，さらにローパスフィルタ処理が行われてもよい）を受けた後、アナログ信号からデジタル信号に変換される。

ここで、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）を用いて、Ｃ／Ｖ変換回路２４の構成と動作について説明する。図４（Ａ）は、スイッチトキャパシタを用いたチャージアンプの基本構成を示す図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示されるチャージアンプの各部の電圧波形を示す図である。

図４（Ａ）に示すように、基本的なＣ／Ｖ変換回路は、第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２（可変容量Ｃ１（またはＣ２）と共に入力部のスイッチトキャパシタを構成する）と、オペアンプ（ＯＰＡ）１と、帰還容量（積分容量）Ｃｃと、帰還容量Ｃｃをリセットするための第３スイッチＳＷ３と、オペアンプ（ＯＰＡ）１の出力電圧Ｖｃをサンプリングするための第４スイッチＳＷ４と、ホールディング容量Ｃｈと、を有する。

図４（Ｂ）に示すように、第１スイッチＳＷ１および第３スイッチＳＷ３は同相の第１クロックでオン／オフが制御され、第２スイッチＳＷ２は、第１クロックとは逆相の第２クロックでオン／オフが制御される。第４スイッチＳＷ４は、第２スイッチＳＷ２がオンしている期間の最後において短くオンする。第１スイッチＳＷ１がオンすると、可変容量Ｃ１（Ｃ２）の両端には、所定の電圧Ｖｄが印加されて、可変容量Ｃ１（Ｃ２）に電荷が蓄積される。このとき、帰還容量Ｃｃは、第３スイッチがオン状態であることから、リセット状態（両端がショートされた状態）である。次に、第１スイッチＳＷ１および第３スイッチＳＷ３がオフし、第２スイッチＳＷ２がオンすると、可変容量Ｃ１（Ｃ２）の両端は共に接地電位となるため、可変容量Ｃ１（Ｃ２）に蓄積されていた電荷が、オペアンプ（ＯＰＡ）１に向けて移動する。このとき、電荷量が保存されるため、Ｖｄ・Ｃ１（Ｃ２）＝Ｖｃ・Ｃｃが成立し、よって、オペアンプ（ＯＰＡ）１の出力電圧Ｖｃは、（Ｃ１／Ｃｃ）・Ｖｄとなる。すなわち、チャージアンプのゲインは、可変容量Ｃ１（あるいはＣ２)の容量値と帰還容量Ｃｃの容量値との比によって決定される。次に、第４スイッチ（サンプリングスイッチ）ＳＷ４がオンすると、オペアンプ（ＯＰＡ）１の出力電圧Ｖｃが、ホールディング容量Ｃｈによって保持される。保持された電圧がＶｏであり、このＶｏがチャージアンプの出力電圧となる。

図３に示されるとおり、実際のＣ／Ｖ変換回路２４は、２つのコンデンサーＣ１，Ｃ２の各々からの差動信号を受ける。この場合には、Ｃ／Ｖ変換回路２４として、例えば、図３（Ｃ）に示されるような、差動構成のチャージアンプを使用することができる。図３（Ｃ）に示されるチャージアンプでは、入力段において、可変容量Ｃ１からの信号を増幅するための第１のスイッチトキャパシタアンプ（ＳＷ１ａ，ＳＷ２ａ，ＯＰＡ１ａ，Ｃｃａ，ＳＷ３ａ）と、可変容量Ｃ２からの信号を増幅するための第２のスイッチトキャパシタアンプ（ＳＷ１ｂ，ＳＷ２ｂ，ＯＰＡ１ｂ，Ｃｃｂ，ＳＷ３ｂ）と、が設けられる。そして、オペアンプ（ＯＰＡ）１ａおよび１ｂの各出力信号（差動信号）は、出力段に設けられた差動アンプ（ＯＰＡ２，抵抗Ｒ１〜Ｒ４）に入力される。この結果、増幅された出力信号Ｖｏが、オペアンプ（ＯＰＡ）２から出力される。差動アンプを用いることによりベースノイズを除去できるという効果が得られる。

なお、以上説明したＣ／Ｖ変換回路の構成例は一例であり、この構成に限定されるものではない。また、図３においては、説明の便宜上、２対の可動・固定電極ペアのみ図示しているが、この形態に限ったものではなく、必要とされる容量値に応じて電極ペアの数は増やすことができる。実際には、例えば、数十から数百の電極ペアが設けられる。また、上記の例では、コンデンサーＣ１，Ｃ２において、電極間のギャップが変化して各コンデンサーの容量が変化しているが、これに限定されるものではなく、一つの基準電極に対する２つの可動電極の各々の対向面積が変化し、２つのコンデンサーＣ１，Ｃ２の容量が変化する構成も採用することができる（この構成は、例えば、Ｚ軸方向（基板に垂直な方向）に作用する加速度を検出する場合に有効である）。

また、図３の構成を採用する場合、可動電極部１４０Ｑ１，１４０Ｑ２の各々から、電気的に独立した信号を取り出す必要がある（つまり、２つの可動電極部１４０Ｑ１，１４０Ｑ２の各々の電位が独立している必要がある）。この構成は、例えば、図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）にせ示される構造を採用することによって実現可能である。

図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）は、可動電極部において、２つの壁状電極部の各々に、独立した電位を与えるための構造例を示す図である。図１５（Ａ）は、可動電極部１４０における壁状の電極構造（壁部の電極構造）を示している、図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）に示される壁状の電極構造を、図１５（Ａ）の視点に直交する視点からみた場合の構造を示している。図１５（Ｂ）に示すように、可動電極部１４０には、２つの壁状電極部ＤＡ，ＤＢが構成されており、各々、電気的に独立している（つまり、相互に接続されていない）。したがって、例えば、図１５（Ｃ）のように可動電極部１４０と固定電極部１５０を配置すれば、電気的に独立している２つのコンデンサーＣ１，Ｃ２を無理なく、かつ省スペースで構成することができる。なお、ＶＡおよびＶＢは、２つのコンデンサーＣ１，Ｃ２の各々の電位を示している。

（第２の実施形態）
本実施形態では、容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの構造について具体的に説明する。本実施形態では、ウエハプロセスでセンサーチップとＩＣチップを一体形成する。図５は、本発明のＭＥＭＳセンサーを適用した実施形態に係る加速度センサー１００が搭載された加速度センサーモジュール１０の概略図である。図６は、容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの平面形状を示す図、図７は、図６に示される容量型ＭＥＭＳ加速度センサーのＡ−Ａ線に沿う断面図、図８は、図６に示される容量型ＭＥＭＳ加速度センサーのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。この加速度センサーモジュール１０には、図５に示すように、基板例えばシリコン基板１０１上に加速度センサー１００と共に集積回路部２０が搭載され、加速度センサー１００は集積回路部２０の製造プロセス工程を兼用して形成される。

シリコン基板１０１の裏面は、例えば図６の破線で示す領域に亘って、かつ、図６のＡ−Ａ断面である図７に示すように深さＤに亘って凹所１０２が形成されている。加速度センサー１００は、シリコン基板１０１の凹所１０２と対向する領域に配置される。

図５に示すように、加速度センサー１００は、シリコン基板１０１に形成された固定枠部１１０と、弾性変形部（バネ部）１３０を介して固定枠部１１０に連結され、周囲に空洞部１１１（第１空洞部）が形成された可動錘部１２０と、固定枠部１１０より空洞部１１１に向けて突出形成された固定電極部１５０と、可動錘部１２０と一体的に移動し、固定電極部１５０と対向する可動電極部１４０と、を有する。図５では、２つのコンデンサーＣ１，Ｃ２が形成されている。加速度が可動錘部１２０に作用すると、一方のコンデンサーの電極間のギャップは縮小されてコンデンサーの容量値が増大し、他方のコンデンサーの電極間のギャップは拡大されてコンデンサーの容量値が減少する。

また、図５では、固定電極部１５０は、基準電位（例えば接地電位）に接続される。また、可動電極部１４０の電圧ＶＱ１およびＶＱ２は、引き出し配線Ｌ１，Ｌ２を経由して、集積回路部２０に伝達される。集積回路部２０には、チャージアンプを含むＣ／Ｖ変換回路が設けられている。なお、可動電極部１４０を基準電位に接続し、固定電極部１５０の電圧を、集積回路部２０に伝達するようにすることもできる。なお、加速度が加わることによって、対向する電極の対向面積が変化するコンデンサーを用いることもできる。

図６に示すように、可動電極部１４０と固定電極部１５０の幅は共にＷであり、その幅Ｗは例えば３μｍ程度であり、長さＬは１００μｍ程度であり、静止時の電極間ギャップＧは１μｍ程度である。また、図５においては、弾性変形部１３０の幅もＷに設定されている。）

固定枠部１１０の内側の空洞部１１１内で移動可能な可動錘部１２０は所定の質量を有し、例えば可動錘部１２０が止まっている状態から可動錘部１２０に加速度が作用すると、可動錘部１２０には加速度による力が作用して可動錘部１２０が移動する。

この可動錘部１２０は、図７に示すように、基板１０１の材料つまりシリコンにて形成される第２可動錘部１２０Ｂと、この第２可動錘部１２０Ｂ上に、集積回路部２０の製造プロセスを兼用して形成される積層構造体である第１可動錘部１２０Ａとを有する。なお、この積層構造体は、可動電極部１４０に形成されるだけでなく、固定電極部１５０、固定枠部１１０及び弾性変形部１３０にも同様に、集積回路部２０の製造プロセスを兼用して形成されている。

この可動錘部１２０から空洞部１１１に向けて幅Ｗ（図６参照）で突出する例えば２つの可動電極部１４０や固定電極部１５０においても同様に、図７に示すように、基板材料で形成される部分（図１や図２に示される第２可動電極部１４０Ｂおよび第２固定電極部１５０Ｂ）が形成されている。図７において、参照符号１１１は、積層構造体を異方性エッチングして形成される第１空洞部であり（また、図６の参照符号１１３も第１空洞部である）、また、参照符号１１２は、基板１０１を異方性エッチング等によって選択的に加工して形成される第２空洞部であり、参照符号１０２は、基板１０１の裏面に予め形成された凹所である。凹所１０２の深さはＤである。第１空洞部１１１と第２空洞部１１２は連通し、また第２空洞部１１２は凹所１０２に連通する。２空洞部１１２に連通する。

図６において、側方には空洞部１１１，１１２が、下方には凹所１０２が確保される領域にて可動錘部１２０を移動可能に支持するために、弾性変形部１３０が設けられている。この弾性変形部１３０は、固定枠部１１０と可動錘部１２０との間に介在して配置される。弾性変形部（バネ部）１３０は、図５の錘可動方向に可動錘部１２０が移動することを許容するように弾性変形可能である。弾性変形部１３０は、図５や図６に示すように、平面視にてほぼ一定の線幅（例えばＷ）となるようにループ状に形成されて固定枠部１１０と連結されている。この弾性変形部１３０は、第１空洞部１１１および１１３が周囲に形成されていることから、空中における弾性変形性が担保される。

弾性変形部１３０は、図６のＢ−Ｂ断面である図８に示すように、可動錘部１２０と同様にして、集積回路部２０の形成プロセスを兼用して形成される積層構造体にて形成される部分（第１弾性変形部１３０Ａ）と、基板材料で形成される部分（第２弾性変形部１３０Ｂ）と、により構成される。図８から明らかなように、第１空洞部１１１および１１３は、第２空洞部１１２および凹所１０２に連通している。

第１弾性変形部１３０Ａは、図８に示すように、最上層の導電層１２１Ｄ以外は、全て絶縁層となっている。但し、この構成は一例である。弾性変形部１３０において、層の異なる導電層同士をプラグで接続する構造を採用することもできる。バネ定数（Ｋ）を所望の設計値に調整するためには、導電層やプラグの配置、数を変えることが有効である。また、可動電極部１４０の電圧を集積回路部２０に伝達するための引き出し配線（図５のＬ１，Ｌ２）を、弾性変形部１３０において配設する必要がある。図８の例では、導電層１２１Ｄが、配線Ｌ１（Ｌ２）に相当する。但し、配線Ｌ１（Ｌ２）は、最上層の導電層である必要はなく、他の層の導電層を配線として使用することもできる。

図１４は、シリコン材料で構成される第２弾性変形部１３０Ｂの効果を説明するための図である。弾性変形部１３０において、基板材料からなる第２弾性変形部１３０Ｂを設けることによって、例えば、弾性変形部（バネ部）の縦方向（基板に垂直な方向）の動きが規制される。図１４（Ａ）は、第２弾性変形部１３０Ｂが設けられない場合の弾性変形の一例を示している。図１４（Ａ）において、矢印の方向に、加速度による力が加わると、可動錘部１２０に、縦方向（水平面に垂直な方向）の変形が生じる場合があり、これによって、ねじれ等の不要な動きが生じる場合がある。

図１４（Ｂ）は、第２弾性変形部１３０Ｂが設けられる場合の弾性変形の一例を示している。剛性の強いシリコン基板部材（第２弾性変形部１３０Ｂ）が裏面に形成されていることから、積層構造体からなる第１弾性変形部１３０Ａの、不要な方向（例えば縦方向）の動きが規制される。よって、ねじれ等の不要な動きが生じる可能性が低減されるという効果が得られる。弾性変形部（バネ部）１３０における不要な変形が抑制されることによって、ＭＥＭＳセンサーの検出感度がさらに向上する。

（集積回路部の構成）
上述のとおり、本実施形態は静電容量型加速度センサーであり、加速度の作用によって対向電極間ギャップが変化する可動電極部１４０及び固定電極部１５０を有する。可動電極部１４０は可動錘部１２０と一体化され、固定電極部１５０は固定枠部１１０に一体化されている。可動電極部１４０及び固定電極部１５０も、可動錘部１２０と同様にして、集積回路部２０Ａの形成プロセスを兼用して形成される。

図９は、集積回路部２０の断面構造を示す図である。図８に示すＣＭＯＳ集積回路部２０は公知のプロセスにより製造される。基板例えばシリコン基板１０１に、シリコン基板１０１とは異極性のウェル４０が形成され、ウェル４０内にはソースＳ、ドレインＤ及びチャネルＣが形成される。チャネルＣ上にはゲート酸化膜（図示省略）を介してゲート電極Ｇが形成される。なお、ゲートＧと同層を導電層１２１Ａとする。素子分離のためのフィールド領域と加速度センサー１００の領域には、フィールド酸化膜として熱酸化膜４２が形成されている。このようにして、トランジスタＴがシリコン基板１０１上に形成され、このトランジスタＴに配線することで、ＣＭＯＳ集積回路部２０が完成される。

このために、本実施形態では、ゲートＧと同層も含めた全４層の導電層１２１Ａ〜１２１Ｄと、層間絶縁層１２２Ａ〜１２２Ｃと、プラグ１２３Ａ〜１２３Ｃにより、トランジスタＴのソースＳ、ドレインＤ及びゲートＧに配線することができる（ゲートＧの配線は図示省略）。

（積層構造体の構造例）
図９に示されるように、ＣＭＯＳ集積回路部２０Ａの形成に必要な複数の導電層１２１Ａ〜１２１Ｄと、複数の層間絶縁層１２２Ａ〜１２２Ｃと、複数のプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃと、絶縁層１２４（熱酸化膜４２を含む）及び保護層１２５を用いて、加速度センサー１００の積層構造体を形成することができる。

まず、可動錘部１２０の積層構造体（第１可動錘部１２０Ａ）は、図６のＡ−Ａ断面図である図７に示すように、基本的には多層の絶縁層のみ（つまり、シリコン基板の表面に設けられた絶縁層（表面保護層）１２４と、層間絶縁層１２２Ａ〜１２２Ｃと、保護層１２５）のみで構成することができる。ただし、可動電極部１４０は、集積回路部２０に電気的に接続される必要があることから、導電材料層を用いた配線（立体的な断面をもつ配線でもよい）を、可動錘部１２０及び弾性変形部１３０を経由して固定枠部１１０側に至る経路に配設する必要がある。したがって、現実には、可動錘部１２０の少なくとも一部には導電層を配置する必要がある。また、可動錘部１２０の質量を増加させるために、電気的にフローティングとなる導電層及びプラグ（つまり、他の配線から独立した、可動錘部１２０の質量Ｍを重くするためだけに用いられる導電材料層）を配置（上述のとおり、例えば、十字状に配置）することもできる。

一方、可動電極部１４０及び固定電極部１５０には主体的に導電層及びプラグを配置して、電極としての機能を担保する必要がある。このため、可動電極部１４０及び固定電極部１５０には、図７及び図８に示すように、複数の導電層１２１Ａ〜１２１Ｄと、複数の導電層１２１Ａ〜１２１Ｄ間に配置された複数の層間絶縁層１２２Ａ〜１２２Ｃと、複数の層間絶縁層１２２Ａ〜１２２Ｃの各層に貫通形成された所定の埋め込み溝パターンに充填されプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃとが配置されている。

（第３の実施形態）
本実施形態では、容量型ＭＥＭＳ加速度センサーの製造方法の一例について説明する。以下、図５に示す加速度センサーモジュール１０の製造方法の概略について、図１０（Ａ），図１０（Ｂ）〜図１２を参照して説明する。図１０（Ｂ）に示されるように、まず、シリコン基板１０１単体の状態で、凹所１０２を、シリコン基板１０１の裏面に形成し、次に、シリコン基板１０１に積層構造体２００を形成する。

なお、シリコン基板１０１の裏面に形成される凹所１０２は必ずしも必要ではない。シリコン基板１０１の厚さが当初から適切な厚みであれば、凹所１０２は不要である。ただし、シリコン基板１０１の厚さを加速度センサーの設計値に応じて調整することは現実には困難である場合が多いため、凹所１０２を設けるのが好ましい。また、凹所１０２が存在すると、図７に示すように、凹所１０２の深さＤの分だけ段差のある脚部を形成することができる。よって、可動錘部１２０が設置面に接触することがない点で好ましい。

集積回路部２０の製造プロセスを利用して加速度センサー１００を製造するプロセス部分のうち、導電層１２１Ａ〜１２１Ｃとプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃの形成プロセスについて簡単に説明する。第１の導電層１２１Ａは図８に示すゲートＧの形成工程と同時に実施される。本実施形態では、ポリシリコン層（Poly-Si）をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により１００〜５０００Å（オングストローム、以下同様とする）の膜厚で形成し、フォトリソグラフィ工程によりパターンエッチングして、第１の導電層１２１Ａを形成している。第１導電層１２１Ａは、ポリシリコンの他、シリサイド、高融点金属などにて形成できる。

第１のプラグ１２３Ａの形成工程は、集積回路部２０でのゲートコンタクト工程と同時に実施される。本実施形態では、例えばＮＳＧ、ＢＰＳＧ，ＳＯＧ、ＴＥＯＳ等の材料をＣＶＤにより１００００〜２００００Åの膜厚で形成することで、第１の層間絶縁層１２２Ａを形成している。その後、第１の層間絶縁層１２２Ａを、フォトリソグラフィ工程を用いてパターンエッチングして、第１のプラグ１２３Ａが埋め込み形成される所定の埋め込み溝パターンを形成する。そして、この埋め込み溝パターンに、Ｗ、ＴｉＷ、ＴｉＮ等の材料をスパッタまたはＣＶＤ等により埋め込む。その後、エッチングバック等により第１の層間絶縁層１２２Ａ上の導電層材料を除去することで、第１のプラグ１２３Ａが完成する。

図１３は、導電層とプラグの断面構造を示す図である。図１３に示すように、第１のプラグ１２３Ａは、幅Ｌ１（例えばＬ１＝２μｍ）の第１の導電層１２１Ａに対して、幅Ｌ２（例えばＬ２＝０．５μｍ）の２つの第１のプラグ１２３Ａが、間隔Ｌ３（例えばＬ３＝０．５μｍ）を隔てて配置されている。

図１３では第１のプラグ１２３Ａの材質の一例も示されており、コンタクトプラグ１２３Ａ１として例えば材料Ｗ、Ｃｕ、Ａｌなどを、コンタクトプラグ１２３Ａ１の周囲を覆うバリア層１２３Ａ２として例えば材料ＴｉまたはＴｉＮを用いることができる。コンタクトプラグ１２３Ａ１は、スパッタまたＣＶＤで５０００〜１００００Åの膜厚で形成できる。バリア層１２３Ａ２もスパッタまたＣＶＤで１００〜１０００Åで形成できる。

第２の導電層１２１Ｂは集積回路部２０の第１金属配線層の形成工程と同時に実施される。第２の導電層１２１Ｂは、バリア層１２１Ｂ１としてＴｉ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、ＴａＮ、ＷＮ、ＶＮ、ＺｒＮ、ＮｂＮ等を、メタル層１２１Ｂ２としてＡｌ、Ｃｕ、Ａｌ合金、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｐｔ等を、反射防止層１２１Ｂ３としてＴｉＮ、Ｔｉ、非晶質Ｓｉ等を用いた複数層構造とすることができる。なお、第３，４の導電層１２１Ｃ，１２１Ｄの形成材料についても、第２の導電層１２１Ｂと同様にすることができる。バリア層１２２Ｂ１はスパッタにより１００〜１０００Åの膜厚で、メタル層１２１Ｂ２はスパッタ、真空蒸着またはＣＶＤで５０００〜１００００Åの膜厚で、反射防止層１２１Ｂ３はスパッタまたはＣＶＤにより１００〜１０００Åの膜厚で形成できる。

また、ＰＳｉＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２等がＣＶＤで５０００〜２００００Åの膜厚で膜付けされることで、保護層１２５が全面に形成される。

次に、図１１（Ａ），図１１（Ｂ）の工程では、保護層１２５の表面からシリコン基板１０１の表面まで貫通する孔が形成される。こうして、第１空洞部１１１および１１３が形成される。このために、層間絶縁層１２２Ａ〜１２２Ｃ、絶縁層１２４及び保護層１２５がエッチングされる。このエッチング工程は、開口径Ｄ（例えば１μｍ）に対するエッチング深さ（例えば４〜６μｍ）の比（Ｈ／Ｄ）が高アスペクト比となる絶縁膜異方性エッチングとなる。このエッチングにより、固定枠部１１０、可動錘部１２０及び弾性変形部１３０に分離することができる。この異方性エッチングには、好適には通常のＣＭＯＳ配線層間の層間絶縁膜をエッチングする条件を用いて行われる。例えばＣＦ_４，ＣＨＦ_３等の混合ガスを用いてドライエッチングを行うことで加工は可能である。

図１２は、シリコン基板の異方性エッチング工程を説明するための図である。図１２においては、図１１（Ａ），図１１（Ｂ）の工程において設けられた第１空洞部１１１および１１３を介してエッチャントをシリコン基板の表面に到達させ、シリコン基板の異方性エッチングを行う。エッチングの深さがシリコン基板１０１の裏面に到達すると、シリコン基板に貫通孔、すなわち第２空洞部１１２が形成される。

上述したシリコン基板１０１の異方性エッチング方法としては、例えば、側壁保護膜を形成しながらエッチングを行う方法を用いることができる。一例として、特表２００３−５０５８６９のＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）を用いたエッチング方法を採用することができる。この方法では、パッシブ化ステップ（側壁保護膜形成）とエッチングステップとが繰り返し実施され、エッチングにより形成された孔の側壁に保護膜を形成し、保護膜により等方性エッチングを防止しながら深さ方向にのみ異方性エッチングするものである。パッシブ化ステップでのエッチング条件としては、５μ〜２０μbarのプロセス圧と、３００〜１０００Ｗの平均入力結合プラズマ電力下にて、エッチングガスとしてＣ_４Ｆ_８またはＣ_３Ｆ_６等を用いると良い。エッチングステップでのエッチング条件としては、３０μ〜５０μbarのプロセス圧と、１０００〜５０００Ｗの平均入力結合プラズマ電力下にて、エッチングガスとしてＳＦ_６またはＣｌＦ_３等を用いると良い。この他、側壁保護膜の形成を行うＲＩＥ（Reactive Ion Etching）を用いることもできる。この結果、図１２に示されるような平面構造および断面構造が得られる。

（製造方法の変形例）
図１７（Ａ）〜図１７（Ｄ）は、ＭＥＭＳセンサーの製造方法の他の例を示す図である。図１７（Ａ）では、積層構造体ＺＱが形成されているシリコン基板１０１の裏面の結晶面が（１１０）面となっている。

図１７（Ｂ）では、異方性ドライエッチングによって、積層構造体ＺＱに第１空洞部１１１（１１３）が形成される。図１７（Ｃ）では、シリコン基板１０１の裏面からの異方性エッチングによって、第２空洞部１１２が形成される。シリコン基板１０１の異方性エッチングには、例えば、ＫＯＨを用いたアルカリエッチング（ウエットエッチング）を採用することができ、また、ドライエッチングを用いることもでき、また、双方を併用することもできる。但し、ウエットエッチング時の水分によって、櫛歯電極部の両電極（コンデンサーの両電極）がくっついてしまうスティッキングが生じる場合があるため、実際には、少なくとも最終段階の基板の加工においては、ドライエッチングを使用するのが好ましい。

図１７（Ｄ）では、シリコン基板１０１の裏面からの異方性ドライエッチングによって、凹所１０２が形成される。

（実施形態の効果）
以上説明したいくつかの実施形態によれば、設計の自由度が向上し、物理量の検出感度も向上する。以下、具体的に説明する。ＭＥＭＳセンサーの感度Ｓは、電極コンデンサーの全容量をＣ０、弾性変形部１３０のばね定数をＫ、電極間ギャップをｄ０とすると、Ｓ＝Ｃ０／ｄ０・（Ｍ／Ｋ）［Ｆ／（ｍ／ｓｅｃ^２）］となる。つまり、可動錘部１２０の質量が大きければ感度は向上する。

また、図１６に示すように、相対向する可動電極部３００と固定電極部３１０は、高さをｈ、横方向の長さをｒ、電極間ギャップをｄ０とする。このとき、可動電極部が動くことによって、容量のギャップ（可動電極部と固定電極部との間の距離）が変化するとき、電極間の気体が上下に動き、その際に、気体（空気）の粘性によって可動電極部の移動に関してダンピング（可動電極部の振動を止めようとする働き）が生じる。ダンピングの大きさを示すダンピング係数（Ｄ）は、電極ペア数をｎ、気体の粘性係数をμとすると、Ｄ＝ｎ・μ・ｒ（ｈ／ｄ０）^３［Ｎ・ｓｅｃ／ｍ］となる。つまり、ダンピング係数Ｄは、電極部の高さ（ｈ）の３乗に比例して増大する。気体のブラウン運動によって可動電極部に力が働き、それが加速度透過ブラウンノイズとなる。このブラウンノイズ（ＢＮＥＡ）は、ＢＮＥＡ＝（√（４ｋ_ＢＴＤ））／Ｍ［（ｍ／ｓｅｃ^２）／√Ｈｚ］となり、この式の分子は可動電極部の高さ（ｈ）の三乗に比例するダンピング係数（Ｄ）の平方根に比例するので、質量Ｍが増大しても結果的にブラウンノイズが増大してしまう。

これを解決した本実施形態では、可動錘部１２０の質量Ｍと可動電極部１４０の高さｈとを独立に制御できるようにした。これにより、設計の自由度が広がり、低ノイズの加速度センサーを実現することができる。

また、容量型ＭＥＭＳセンサーは、粘性減衰のある自由振動の運動方程式（例えば、下記（１）式参照）で表現される構造体であるため、構造体のＱ値および共振周波数（固有振動数）は、好ましい値に設計される必要がある。粘性減衰のある自由振動を行う構造体の共振周波数（固有振動数）ωは、可動錘部の質量Ｍと、可動錘部を支持するバネ（弾性変形部）のバネ定数Ｋから一義的に決まり（例えば、下記（２）式参照）、また、共振の鋭さを表すＱ値は、さらにダンピング定数Ｄを加えた計算式から決まる(例えば、下記（３）式参照)。なお、（３）式において、ξは臨界減衰係数である。

（３）式から明らかなように、可動錘部の質量Ｍを大きくすればＱ値が大きくなり、また、ダンピング係数Ｄが増大すれば、Ｑ値が小さくなる。質量Ｍを大きくするために、積層構造体の高さ（つまり、可動電極部の高さ）を単調に増大させると、可動電極部の高さの３乗でダンピング係数Ｄが増大するため、Ｑ値を所望の値に保つことが困難となる。上述の本発明の実施形態によれば、可動錘部の質量Ｍと、可動電極部におけるダンピング係数Ｄとを切り離して、独立に制御することが可能である。よって、Ｑ値を適正な値に保ちつつ、可動電極部のダンピング係数Ｄも適正値に設定することが容易に行える。

また、基板材料からなる第２弾性変形部を形成することによって、積層構造体からなる第１弾性変形部の、不要な方向（例えば縦方向）の動きが規制され、よって、ねじれ等の不要な動きが生じる可能性が低減される。弾性変形部（バネ部）における不要な変形が抑制されることによって、ＭＥＭＳセンサーの検出感度がさらに向上する。

ここで、一例として、可動錘部（四角形状）の寸法を８００μｍ×５００μｍとし、電極間ギャップｄを２μｍとし、電極部（導電体）の高さｈを５μｍとし、設計値として、共振周波数を３ｋＨｚおよびＱ値＝１を実現するために、本発明の構造を使用しないで、電極部の横幅(横方向の長さ)Ｌａだけで調整しようとすると、Ｌａの値は、８００μｍ程度と非常に長くなってしまう。また、同時に、電気的バネ特性＜＜機械的バネ特性という関係を満たすことができず、したがって、加速度センサーとして現実に使用することがむずかしくなる。

振動部における所望の共振特性を確保するためには、弾性変形部（バネ部）におけるバネ定数の値を適正な範囲に収める必要があるが、実効的なバネ定数は、弾性変形部（バネ部）の機械的なバネ定数だけで定まるのではなく、容量電極部における固定電極と可動電極との間に作用する静電気力（クーロン力）に起因する電気的なバネ定数も考慮して総合的に決定される。すなわち、実効的なバネ定数は、（機械的バネ定数−電気的バネ定数）によって決定される。電気的なバネ定数は距離（変位量）に対して非線形な値を取る。よって、電気的バネ定数が、機械的バネ定数に比べて十分に小さくなるように設計しないと、Ｆ＝ｋＸ（Ｆは力、ｋはバネ定数、Ｘは変位量）で表わされる線形のバネ特性の式が成立しなくなり、この点が、設計上の制約になる。

これに対して、本発明の構造（シリコン基板材料を積極的に利用して、各部の特性を最適化する構造）を採用すると、電極部の横幅(横方向の長さ)Ｌａの値を、例えば、１３０μｍ程度に抑えることができ、実現可能な長さ（一般的な設計で使用できる適切な範囲内）に収まる。また、同時に、第２弾性変形部１３０Ｂの剛性によって、電気的バネ特性＜＜機械的バネ特性の関係を満たすことができ、電気的バネ特性の影響は無視することが可能である。

上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるものである。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。

例えば、本発明に係るＭＥＭＳセンサーは、必ずしも静電容量型加速度センサーに適用されるものに限らず、ピエゾ抵抗型の加速度センサーにも適用することが可能である。また、可動錘部の移動により静電容量の変化を検出する物理センサーであれば適用が可能である。たとえばジャイロセンサー、圧力センサー等に適用が可能である。

また、本発明の一態様に係るＭＥＭＳセンサーでは、距離が可変である対向電極とすることで、少なくとも物理量の大きさを検出できる。ただし、物理量が作用する方向は検出できない。そこで、少なくとも一つの固定電極部と、可動錘部と一体で少なくとも一軸方向に移動して、少なくとも一つの固定電極部との間の距離が増減する複数の可動電極部とを有すれば良い。

物理量検出原理は、少なくとも一つの固定電極部に対して、可動錘部と共に複数の可動電極部が移動した時、２つの電極間距離の一方が増大し他方が減少することで、電極間距離に依存した静電容量の大きさと増減の関係から、物理量の大きさと向きが検出できるからである。また、物理量の検出軸は上述した一軸や二軸に限らず、三軸以上の多軸とすることができる。また、コンデンサーの電極間の対向面積の変化によって、物理量を検出する方法を採用することもできる。

１０ 加速度センサーモジュール、２０ 集積回路部、２４ Ｃ／Ｖ変換回路、
２６ アナログ校正およびＡ／Ｄ変換回路、２８ ＣＰＵ、
３０ インターフェース回路、４０ ウェル、４２ 熱酸化膜、
１００ 加速度センサー（ＭＥＭＳセンサー）、１１０ 固定枠部、
１１１ 空洞部（第１空洞部、開口部）、１１２ 空洞部（第２空洞部）、
１１３ 空洞部（第１空洞部、開口部）、１２０ 可動錘部、
１２１Ａ〜１２１Ｄ 導電層、１２１Ｂ１ バリア層、１２１Ｂ２ メタル層、
１２１Ｂ３ 反射防止層、１２２Ａ〜１２２Ｃ 層間絶縁層、
１２３Ａ〜１２３Ｃ プラグ、１２３Ａ１ コンタクトプラグ、
１２３Ａ２ バリア層、１２５ 保護層、１３０ 弾性変形部（バネ部）、
１３１ 配線パターン、１４０ 可動電極部、１５０ 固定電極部、
１５２ 配線パターン、２００ 積層構造体

Claims (14)

1. 基板上に形成される多層の積層構造体を加工して製造されるＭＥＭＳセンサーであって、
   前記基板に形成された固定枠部と、
   弾性変形部を介して前記固定枠部に連結され、周囲に空洞部が形成された可動錘部と、
   前記固定枠部より前記空洞部に向けて突出形成された固定電極部と、
   前記可動錘部と一体的に移動し、前記固定電極部と対向する可動電極部と、
   を有し、
   前記可動錘部は、
   前記多層の積層構造体により形成される第１可動錘部と、前記第１可動錘部の下方に位置し、前記基板の材料にて形成される第２可動錘部と、を含み、
   前記可動電極部は、
   前記多層の積層構造体により形成される第１可動電極部と、前記第１可動電極部の下方に位置し、前記基板の材料にて形成される第２可動電極部と、を含み、
   前記弾性変形部は、
   前記多層の積層構造体により形成される第１弾性変形部と、前記第１弾性変形部の下方に位置し、前記基板の材料にて形成される第２弾性変形部と、を含む、
   ことを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
2. 請求項１記載のＭＥＭＳセンサーであって、
   前記第２可動錘部、前記第２可動電極部および前記第２弾性変形部の各々の高さは同じであることを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
3. 請求項１記載のＭＥＭＳセンサーであって、
   前記第２可動錘部、前記第２可動電極部および前記第２弾性変形部の各々の高さが異なることを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
4. 請求項１記載のＭＥＭＳセンサーであって、
   前記第２可動錘部、前記第２可動電極部および前記第２弾性変形部のいずれか二つの高さが第１の高さであり、残りの一つの高さが、前記第１の高さとは異なる第２の高さであることを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサーであって、
   前記可動電極部を形成する前記積層構造体は、
   層が異なる複数の導電層と、
   少なくとも一層の層間絶縁層と、
   前記少なくとも一層の層間絶縁層における、一層以上の層間絶縁層の各々に貫通形成された所定の埋め込み溝パターンに充填されるプラグと、
   を含むことを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
6. 請求項５記載のＭＥＭＳセンサーであって、
   前記プラグは、前記可動電極部が突出形成される長手方向に沿って壁状に形成された壁部を含むことを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
7. 請求項６記載のＭＥＭＳセンサーであって、
   前記可動電極部に形成される前記壁部は、電気的に独立している第１の壁部と第２の壁部とを有することを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
8. 請求項１乃至６のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサーであって、
   前記基板の裏面には、凹所が形成されていることを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
9. 請求項５乃至７のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサーであって、
   前記基板上に形成される前記積層構造体と隣接して、前記基板に形成される集積回路部をさらに有し、
   前記積層構造体の前記複数の導電層、前記少なくとも１層の層間絶縁層及び前記１層以上の層間絶縁層の各々に貫通形成される各層のプラグは、前記集積回路部の製造プロセスを用いて製造されることを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
10. 基板上に、多層の積層構造体を形成する工程と、
    前記積層構造体を異方性エッチングによってパターニングして、前記基板の表面が露出する開口部となる第１空洞部を形成し、前記第１空洞部によって、固定枠部と、弾性変形部と、前記弾性変形部を介して前記固定枠部に連結された可動錘部と、前記可動錘部より前記第１空洞部に向けて突出する可動電極部と、前記固定枠部より前記第１空洞部に向けて突出して前記可動電極部と対向する固定電極部を区画形成する工程と、
    前記基板を選択的に加工して、前記第１空洞部に連通する第２空洞部を形成する工程と、を含むことを特徴とするＭＥＭＳセンサーの製造方法。
11. 請求項１０記載のＭＥＭＳセンサーの製造方法であって、
    前記基板を選択的に加工して第２空洞部を形成するに際して、前記第１空洞部を介して異方性エッチング用のエッチャントを導入して前記基板に貫通孔を形成し、前記貫通孔を前記第２空洞部とすることを特徴とするＭＥＭＳセンサーの製造方法。
12. 請求項１０記載のＭＥＭＳセンサーの製造方法であって、
    前記基板を選択的に加工して第２空洞部を形成する工程は、前記基板の裏面側から異方性エッチングを行う工程を含むことを特徴とするＭＥＭＳセンサーの製造方法。
13. 請求項１０〜請求項１２のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサーの製造方法であって、
    前記基板の裏面に、凹所を形成する工程をさらに有し、前記第２空洞部が前記凹所と連通されることを特徴とするＭＥＭＳセンサーの製造方法。
14. 請求項１０〜請求項１３のいずれかに記載のＭＥＭＳセンサーの製造方法であって、
    前記可動錘部は、前記多層の積層構造体により形成される第１可動錘部と、前記第１可動錘部の下方に位置し、前記基板の材料にて形成される第２可動錘部と、を含み、前記可動電極部は、前記多層の積層構造体により形成される第１可動電極部と、前記第１可動電極部の下方に位置し、前記基板の材料にて形成される第２可動電極部と、を含み、前記弾性変形部は、前記多層の積層構造体により形成される第１弾性変形部と、前記第１弾性変形部の下方に位置し、前記基板の材料にて形成される第２弾性変形部と、を含み、
    前記基板の裏面側から選択的なエッチングを行って、前記第２可動錘部、前記第２可動電極部および前記第２弾性変形部の少なくとも一つの高さを調整する工程を、さらに含むことを特徴とするＭＥＭＳセンサーの製造方法。

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