JP2010286471A - Ｍｅｍｓセンサー、電子機器 - Google Patents

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Abstract

【課題】基板と垂直なＺ方向に変位する可動錘部の質量を増大させることができ、ＣＭＯＳプロセスを用いて自在かつ容易に製造可能なＭＥＭＳセンサーを提供すること。
【解決手段】連結部１３０Ａを介して支持部１１０に連結されてＺ方向に移動する可動錘部１２０Ａを有するＭＥＭＳセンサー１００Ａは、可動錘部が、複数の導電層と、複数の導電層間に配置された複数の層間絶縁層と、複数の層間絶縁層の各層に貫通形成された埋め込み溝パターンに充填され、層間絶縁膜よりも比重が大きいプラグと、を含む積層構造体を有し、各層に形成されたプラグは、層間絶縁層と平行な二次元平面の少なくとも一軸方向に沿って壁状に形成された壁部を含む。可動電極部１４０Ａは積層構造体にて形成され、これと対向する固定電極部１５０Ａとの間の対向面積が可動錘部のＺ方向変位に応じて変化する。
【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）、電子機器等に関する。
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）。
特許文献１では、可動電極部は基板に対して垂直な方向であるＺ方向に変位して、固定電極部との電極間距離の変化に起因した容量変化に基づいて加速度等の物理量を検出している（段落００４４参照）。
これに対して、Ｚ方向に変位する可動電極部との対向面積が変化する第１，第２の固定電極部を設けるものも知られている（特許文献２）。
特開２００６−２６３９０２号公報 特開２００４−２８６５３５号公報
この種のＭＥＭＳセンサーでは、可動電極部が設けられる可動錘部の質量が大きいほど感度がよいという特性がある。可動錘部の質量を大きくするために、特許文献１ではＬＳＩの多層配線層と同時に形成される多層配線からなる一体構造によって可動錘部を形成している（段落００８９、図２５）。
可動錘部は配線層のみから形成されるが、層間絶縁層は全て除去されてしまうので、一旦形成した層間絶縁層を錘として利用することができない。この点は特許文献２でも全く同様であり、シリコン基板上に、シリコン酸化膜とパターン化されるポリシリコン層とを交互に各２層で計４層を形成した後、２層のシリコン酸化膜を全てエッチングで除去して、可動錘部を形成している（段落００２７）。
本発明の幾つかの態様では、基板に対して垂直な方向に移動可能な可動錘部の質量を効率的に増大させることができるＭＥＭＳセンサー（例えば静電容量型加速度センサー）を提供でき、また例えば、加速度等の物理量を高精度で検出可能なＭＥＭＳセンサーを提供でき、また例えば、多層配線を使用するＣＭＯＳプロセスを用いて、自在かつ容易に製造することが可能なＭＥＭＳセンサーを提供することができる。
本発明の一態様は、
可動電極部を含む可動錘部と、
前記可動錘部の周囲に第１空隙部を介して配置された支持部と、
前記可動電極部の可動電極面と前記第１空隙部を介して対向する対向電極面を有する固定電極部と、
前記可動錘部を前記支持部に対して連結支持し、かつ、前記対向電極面と前記可動電極面との対向面積を可変とする弾性変形可能な連結部と、
を有し、
前記可動錘部は、
複数の導電層と、
前記複数の導電層間に配置された複数の層間絶縁層と、
前記複数の層間絶縁層の各層に貫通形成された埋め込み溝パターンに充填され、前記層間絶縁膜よりも比重が大きいプラグと、
を含む積層構造体を有し、
前記各層に形成されたプラグは、前記複数の層間絶縁層と平行な二次元平面の少なくとも一軸方向に沿って壁状に形成された壁部を含み、
前記可動錘部は前記積層構造体にて前記各層が積層されるＺ方向に移動するＭＥＭＳセンサーに関する。また、ある実施形態では、支持部と、可動錘部と、前記支持部と前記可動錘部とを連結し、且つ、弾性変形可能な連結部と、前記支持部から突出した第１固定電極部と、前記可動錘部から突出し、且つ、前記第１固定電極部に対向して配置された第１可動電極部と、を有し、前記可動錘部は、導電層と絶縁層とを第１方向に積層して形成され、前記絶縁層は、前記絶縁層よりも比重が大きいプラグが埋め込まれ、前記導電層は、前記第１可動電極部に接続され、前記第１固定電極部および前記第１可動電極部の一方は、前記第１方向に第１電極部と第２電極部とを有することを特徴とする。また、支持部と、可動錘部と、前記支持部と前記可動錘部とを連結し、且つ、弾性変形可能な連結部と、前記支持部から突出した第１固定電極部と、前記可動錘部から突出し、且つ、前記第１固定電極部に対向して配置された第１可動電極部と、を有し、前記可動錘部は、導電層と絶縁層とを第１方向に積層して形成され、前記絶縁層は、前記絶縁層よりも比重が大きいプラグが埋め込まれ、前記導電層は、前記第１可動電極部に接続され、前記第１固定電極部および前記第１可動電極部は、互いに電極が対向する対向領域と、互いに電極が対向しない非対向領域と、を有することを特徴とする。
本発明の一態様によれば、支持部に対して連結部を介して連結支持された可動錘部が可動電極部を含み、可動電極部の可動電極面と固定電極部の対向電極面との対向面積が変化することに基づいて、対向面積に依存した静電容量の大きさの関係から、対向電極面に垂直なＺ方向の物理量の大きさと向きが検出できる。この際、質量が大きいほど感度を大きくできる可動錘部を、複数の導電層と、複数の層間絶縁層と、層間絶縁層に形成されたプラグとを有する積層構造体として形成できる。特に、前記プラグは、層間絶縁層よりも比重が重い部材を用いるので、可動錘部の質量増大に大きく寄与する。
可動錘部を構成する積層構造体は、一般的なＣＭＯＳプロセス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容易である。また、導電層の多層化が比較的容易であるため、設計自由度が高く、例えば、加速度センサーの高感度化の要求に対しては層数を増やし、可動錘部の質量を大きくすることで対応が可能である。また、可動電極部は積層構造体中にてＺ方向に積層される複数の導電層とそれらを接続する各層のプラグの一部または全部を用いて形成することができるので、特別な工程を要しない。
本発明の一態様では、前記固定電極部もまた、前記積層構造体の少なくとも一部と同一断面構造を含むことができる。また、前記第１固定電極部および前記第１可動電極部は、前記導電層と前記絶縁層とを用いて形成されたことを特徴とする。また、前記絶縁層は、前記第１方向に前記プラグが埋め込まれ、前記プラグは導電性部材であることを特徴とする。つまり、固定電極部もまた、積層構造体中にてＺ方向に積層される複数の導電層とそれらを接続する各層のプラグの一部または全部を用いて形成することができるので、特別な工程を要しない。
本発明の一態様では、前記固定電極部及び前記可動電極部の一方は、前記Ｚ方向にて電気的に絶縁された第１，第２の電極部を含むことができる。これにより、第１，第２電極部の一方の対向面積が変化や、または第１，第２電極部の双方の対向面積の増加・減少の関係から、可動錘部の変位の方向も検出できる。
本発明の一態様では、前記複数の層間絶縁層の一つにより前記第１，第２の電極部を前記Ｚ方向にて電気的に絶縁させ、このために、前記一つの層間絶縁層には前記第１，第２電極部の間にプラグを形成しなければ良い。これにより、第１，第２の電極部をＺ方向にて容易に分離できる。
また、ある実施形態では、前記可動錘部は、前記第１方向を法線とした第１面を有し、前記プラグは、前記第１面に平行な第２方向と、前記第１面に平行で且つ該第２方向に直交する第３方向と、の両方に対し、線対称に形成されたことを特徴とする。このような構成とすることで、外部から力を受けたときに可動錘部の可動バランスを保つことができ、検出感度を更に向上させることができる。
本発明の一態様では、記可動錘部が前記Ｚ方向に変位した時、前記第１，第２の電極部の一方の前記対向面積が増加し、前記第１，第２の電極部の他方の前記対向面積が減少するように構成できる。このためには、可動錘部の静止時に、第１，第２の電極部の電極面の一部のみが対向面積に寄与するようにすれば良い。より具体的には、例えば第１の電極部の上端が対向電極部（固定電極部及び可動電極部の他方）の上端より上方に突出しており、第２の電極部の下端が対向電極部の下端より下方に突出していれば良い。
本発明の一態様では、
前記固定電極部及び前記可動電極部の一方は、
前記固定電極部及び前記可動電極部の他方の一面と対向して、かつ、前記Ｚ方向にて電気的に絶縁された第１，第２の電極部と、
前記固定電極部及び前記可動電極部の他方の他面と対向して、かつ、前記Ｚ方向にて電気的に絶縁された第３，第４の電極部と、
を含み、
前記第１，第３電極部は前記複数の導電層及び前記各層のプラグの一部を用いて形成され、
前記第２，第４電極部は前記複数の導電層及び前記各層のプラグの他の一部を用いて形成され、
前記第１，第４電極部同士が電気的に接続され、前記第２，第３電極部同士が電気的に接続されてもよい。
このようにすると、複数の導電層、複数の層間絶縁層の厚さが異なっていても、可動錘部の静止時に、互いに接続される第１，第４電極部のトータル対向面積と、互いに接続される第２，第３電極部のトータル対向面積とを等しくすることができる。
本発明の一態様では、前記積層構造体が形成される基板と、前記基板に形成される集積回路部と、をさらに有し、前記積層構造体の前記複数の導電層、前記複数の層間絶縁層及び前記各層のプラグを、前記集積回路部の製造プロセスを用いて製造することができる。また、前記支持部に隣接して集積回路部が形成され、前記集積回路部は、前記導電層と前記絶縁層とを用いて形成されたことを特徴とする。
上述した通り、可動錘部の積層構造体はＣＭＯＳプロセス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。
本発明の一態様では、前記複数の導電層は、前記集積回路部に形成されるトランジスターのゲート電極と同層を含むことができる。こうすると、可動錘部の質量を効果的に増大できる。なお、可動電極部のうちの第２の可動電極部がゲート電極材料（例えばポリシリコン層）による導電層を含み、第１の可動電極部がゲート電極材料とは厚さの異なる金属配線層からなる導電層のみから形成されると、可動錘部の静止時に、第１，第２の電極部の各対向面積が等しくならないことがある。この場合には、上述の通り、第３，第４の電極部をさらに設けて不具合を解消することができる。なお、前記複数の導電層が、前記集積回路部に形成されるトランジスターのゲート電極より上層の金属配線層にて形成されると、金属配線層の厚さを等しくできるので、可動錘部の静止時に、第１，第２の電極部の各対向面積を等しくできる。ただし、ゲート電極層を電極部として用いないので、金属配線層が４層以上等の多層である場合に適用できる。
本発明の一態様では、前記連結部は、前記基板と平行な二次元平面に直交する前記Ｚ方向に加え、前記二次元平面上での直交二軸Ｘ，Ｙの少なくとも一方向にも前記可動錘部を移動可能に支持し、前記可動錘部の前記積層構造体は、前記少なくとも一方向に突出する突出可動電極部を含み、前記支持部は、前記突出可動電極部と対向する突出固定電極部を有することができる。こうすると、Ｚ方向に加え、Ｘ，Ｙ方向の一方または双方の物理量を検出することができる。
本発明の一態様では、前記基板に固定された固定部と、前記固定部に対して第１の連結部を介して可動の第１可動錘部と、前記第１可動錘部に対して第２の連結部を介して可動の第２可動錘部と、を含むことができる。また、前記支持部から突出した第２固定電極部と、前記可動錘部から突出し、且つ、前記第２固定電極部に対向して配置された第２可動電極部と、を１対とした電極対を有し、前記可動錘部は、前記第１方向を法線とする第１面および第２面と、前記第１面および前記第２面に連結する第１〜第４の側面と、を有した直方体状であり、前記電極対は、前記第１の側面に少なくとも２つ形成されるか、または、前記第１の側面と、前記第１の側面に対向する前記第２の側面と、の両方に少なくとも１つずつ形成され、２つの前記容量形成部の静電容量の差により、前記第１の側面および前記第２の側面と平行な方向の力を検出することを特徴とする。また、前記電極対は、前記第１の側面に直交する前記第３の側面に少なくとも２つ形成されるか、または、前記第３の側面と、該第３の側面に対向する第４の側面と、の両方に少なくとも１つずつ形成され、２つの前記容量形成部の静電容量の差により、前記第３の側面および前記第４の側面と平行な方向の力を検出することを特徴とする。この場合、前記第１可動錘部及び前記第２可動錘部のいずれか一方を前記可動錘部とし、前記第１の連結部及び前記第２の連結部のいずれか一方を前記連結部とし、前記固定部及び前記第１可動錘部のいずれか一方を前記支持部とし、前記第１の連結部及び前記第２の連結部のいずれか一方は、前記基板と平行な二次元平面に直交する前記Ｚ方向に変形するものとすれば、Ｚ方向の物理量が検出できる。加えて、前記第１の連結部及び前記第２の連結部のいずれか他方は、前記二次元平面上での直交二軸Ｘ，Ｙの少なくとも一方向に変形するものとする。そして、前記第１可動錘部及び前記第２可動錘部のいずれか他方は、前記二次元平面上での直交二軸Ｘ，Ｙの少なくとも一方向に突出する突出可動電極部を含み、前記固定部及び前記第１可動錘部のいずれか他方は、前記突出可動電極部と対向する突出固定電極部を有すれば、Ｚ方向に加え、Ｘ，Ｙ方向の一方または双方の物理量を検出することができる。
つまり、第２可動錘部が第１可動錘部（支持部）に対してＺ方向に変位する可動錘部となる場合には、第２の連結部がＺ方向に弾性変形する連結部として機能する。このとき、第１の可動錘部は固定部に対して第１の連結部によりＸ，Ｙ方向の一方または双方に変位し、Ｘ，Ｙ方向の一方または双方の物理量を検出に寄与する。これとは逆に、第１可動錘部が固定部（支持部）に対してＺ方向に変位する可動錘部となる場合には、第１の連結部がＺ方向に弾性変形する連結部として機能する。このとき、第２の可動錘部は第１可動錘部に対して第２の連結部によりＸ，Ｙ方向の一方または双方に変位し、Ｘ，Ｙ方向の一方または双方の物理量を検出に寄与する。
また、ある実施形態では、前記ＭＥＭＳセンサーを搭載した電子機器としても良い。本願発明のＭＥＭＳセンサーを電子機器に搭載すれば、特にＺ方向の検出感度が優れた電子機器を提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る加速度センサーモジュールの概略図である。 図１と基本構造が同じで形状が異なるセンサーモジュールの平面図である。 図２のＩ−Ｉ断面図である。 可動錘部に設けられるプラグの横断面図である。 加速度センサーモジュールのブロック図である。 図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、Ｃ／Ｖ変換回路（チャージアンプ）の構成とその動作を説明するための図である。 図７（Ａ）〜図７（Ｄ）は、本発明の第１実施形態に係る加速度センサーモジュールの製造プロセスの概略を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る加速度センサーモジュールの概略図である。 本発明の第３実施形態に係る加速度センサーモジュールの概略図である。 図９に示す固定・可動電極部の断面構造を示す図である。 本発明の第３実施形態に適用されるＣ／Ｖ変換回路の回路図である。 三軸ＸＹＺ方向の加速度センサーに本発明を適用した第４実施形態を示す図である。 三軸ＸＹＺ方向の加速度センサーに本発明を適用した第５実施形態を示す図である。 三軸ＸＹＺ方向の加速度センサーに本発明を適用した第６実施形態を示す図である。
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。
１．第１実施形態
この第１実施形態は、基板の垂直方向であるＺ方向の加速度センサーモジュールに適用したものであり、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ものである。
１．１．ＭＥＭＳセンサー
図１は、本発明のＭＥＭＳセンサーを適用した第１実施形態に係るＭＥＭＳ部１００Ａが搭載された加速度センサーモジュール１０Ａの概略図である。第１実施形態に係るＭＥＭＳセンサー１００Ａは、例えば、可動電極部（第１可動電極部）１４０Ａを含む可動錘部１２０Ａと、可動錘部１２０Ａの周囲に第１空隙部１１１を介して配置された支持部（固定枠部ともいう）１１０と、可動電極部１４０Ａの可動電極面と第１空隙部１１１を介して対向する対向電極面を有する固定電極部（第１固定電極部）１５０Ａと、可動錘部１２０Ａを支持部１１０に対して連結支持し、かつ、対向電極面と可動電極面との対向間面積を可変とする弾性変形可能な連結部１３０Ａと、を有する。本実施形態では、可動錘部１２０Ａの移動方向は、図１の二次元座標のＸＹ平面に直交するＺ方向である。
１．２．可動錘部
図２は、本発明のＭＥＭＳセンサーを適用した第１実施形態に係るＭＥＭＳ部１００Ａが搭載された加速度センサーモジュール１０Ａの概略平面図であり、可動錘部１２０Ａ、可動電極部１４０Ａ及び固定電極部１５０Ａ等の形状が図１とは異なるが、基本構造は図１と同じである。図３は、図２のＩ−Ｉ断面図である。この加速度センサーモジュール１０Ａには、ＭＥＭＳ部１００Ａと共に集積回路部（ＣＭＯＳ回路部）２０Ａが搭載され、ＭＥＭＳ部１００Ａは集積回路部（ＣＭＯＳ集積回路部ともいう）２０Ａの製造プロセス工程を兼用して形成することができる。
ＭＥＭＳ部１００Ａは、固定枠部（広義には支持部）１１０の内側の第１空隙部１１１内で、連結部１３０ＡによりＺ方向に移動可能に支持された可動錘部１２０Ａを有する。この可動錘部１２０Ａは所定の質量を有し、例えば可動錘部１２０Ａが止まっている状態から可動錘部１２０ＡにＺ方向に加速度が作用すると、可動錘部１２０Ａには加速度と反対方向の力が作用して可動錘部１２０Ａが移動する。
ここで、可動錘部１２０Ａの構造を説明する前に、集積回路部２０Ａについて、図７（Ａ）を参照して説明する。図７（Ａ）は、ＣＭＯＳ集積回路部２０Ａの製造が完了し、ＭＥＭＳ部１００Ａの製造途中のプロセスを示している。図７（Ａ）において、基板例えばＰ型半導体基板１０１には、不純物層例えばＮ型ウェル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４１を介してゲート電極Ｇ（導電層１２１Ａとも称する）が形成される。なお、素子分離のためのフィールド領域（ＭＥＭＳ部１００Ａを含む）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、トランジスターＴがシリコン基板１０１上に形成され、このトランジスターＴに配線することで、ＣＭＯＳ集積回路部２０Ａが完成される。なお、図７（Ａ）では、層間絶縁層１２２Ａ〜１２２Ｃ間に形成された導電層１２１Ｂ〜１２１Ｄ及びプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃにより、トランジスターＴのソースＳ、ドレインＤ及びゲートＧに配線している。なお、最上層には保護層１２２Ｄが形成されている。また、ＭＥＭＳ部１００Ａのゲート酸化膜４１と熱酸化膜４２とを総称して絶縁膜１２４とも称する。
可動錘部１２０Ａは、図３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の各層に貫通して形成された溝パターンに充填されたプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃとを含んで構成できる。可動錘部１２０Ａの質量を増加させる目的で、可動電極部１４０Ａは、導電層１２１Ａの下層に絶縁層１２４Ａが存在していても良いし、最上層に保護層１２２Ｄを有しても良い。
複数の層間絶縁層１２２Ａ〜１２２Ｃの各層に貫通形成された溝パターンは、例えば格子状パターンであり、プラグ１２３Ｂ〜１２３Ｃは格子状に形成されている。また、プラグ１２３Ａ〜１２３Ｃの材質としては、層間絶縁膜１２２Ａ〜１２２Ｃよりも比重が大きいことが必要条件であり、プラグ１２３Ｂ〜１２３Ｃを導通のために兼用するのであれば、導電材料が用いられる。
本実施形態では、基板１０１上の最下層の導電層１２１Ａは、図７の集積回路部２０Ａのシリコン基板１０１上の絶縁膜１２４上に形成された例えばポリシリコン層であり、他の三層の導電層１２１Ｂ〜１２１Ｄがメタル層であり、例えばＡｌ層である。また、プラグ１２３Ａ〜１２３Ｃは金属であり、例えばタングステンにて形成される。
ここで、可動錘部１２０Ａの各層に形成されたプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃは、層間絶縁層１２２Ａ〜１２２Ｃの図中Ｚ方向に連続的に形成されている。図４は、可動錘部１２０Ａの横断面を示している。二次元平面の直交二軸をＸ方向とＹ方向としたときに、本実施形態では、各層に形成されたプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃが、Ｘ方向に沿って壁状に延びるプラグ１２３−Ｘと、Ｙ方向に沿って壁状に延びるプラグ１２３−Ｙと、を含んで、格子状に形成されている。
このように、本実施形態の可動錘部１２０Ａの構造は、一般のＩＣ断面と同様に、複数の導電層の１２１Ａ〜１２１Ｄと、層間絶縁層１２２Ａ〜１２２Ｃと、プラグ１２３Ａ〜１２３Ｃとを含んでいるので、集積回路部２０Ａの製造工程を兼用して形成することができる。しかも、集積回路部２０Ａの製造工程を兼用して形成された部材を利用して、可動錘部１２０Ａの重量増加に寄与させている。
特に、ＩＣ製造工程を兼用して形成される可動錘部１２０Ａは、各層に形成されたプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃが可動錘部１２０Ａの質量を高めるように工夫されている。上述した通り、各層に形成されたプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃが、２種のプラグ１２３−Ｘとプラグ１２３−Ｙとを含んでいるので、各プラグ１２３−Ｘ，プラグ１２３−Ｙの壁状部分によって重量を大きくすることができる。
本実施形態では、可動錘部１２０Ａの重量をさらに増加さるために、最上層の導電層１２１Ｄを覆う保護層１２２Ｄを形成している。
可動錘部１２０Ａを基板１０１と垂直なＺ方向に移動可能にするために、可動錘部１２０Ａは、その側方の空隙部１１１だけでなく、下側にも空間が形成される必要がある。そのため、可動錘部１２０Ａの最下層である導電層１２１Ａまたは絶縁層１２４の下方は、シリコン基板１０１がエッチング除去され、第２空隙部１１２が形成されている（図３参照）。
なお、可動錘部１２０Ａは、プラグ１２３Ａ〜１２３Ｃが形成されていない領域にて上下に貫通する一つまたは複数の貫通孔１２６を有することができる（図１及び図２参照）。この貫通孔１２６は、空隙部１１２をエッチングプロセスにて形成するためのガス通路として形成されている。可動錘部１２０Ａは、貫通孔１２６を形成する分だけ重量が軽くなるので、エッチングプロセスを実行できる範囲で貫通孔１２６の孔径や数が決定される。
１．３．連結部
上述の通り、側方には第１空隙部１１１が、下方には第２空隙部１１２が形成される領域にて可動錘部１２０Ａを移動可能に支持するために、連結部１３０Ａが設けられている。この連結部１３０Ａは、固定枠部１１０と可動錘部１２０Ａとの間に介在して配置される。
連結部１３０Ａは、図３の錘可動方向（Ｚ方向）に可動錘部１２０Ａが移動することを許容するように弾性変形可能である。連結部１３０Ａも、可動錘部１２０Ａ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。本実施形態では、連結部１３０Ａは、絶縁層１２２Ａ〜１２２Ｄの他には例えば最上層の導電層１２１Ｄを有する断面構造（つまり、導電層１２１Ａ〜１２１Ｃとプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃは存在しない）として、ばね性を確保している。
１．４．可動電極部と固定電極部
本実施形態は静電容量型加速度センサーであり、図１〜図３に示すように、加速度の作用によって対向電極間の面積が変化する可動電極部１４０Ａ及び固定電極部１５０Ａ（１５０Ａ１，１５０Ａ２）を有する。可動電極部１４０Ａは可動錘部１２０Ａと一体化され、例えば可動錘部１２０Ａより突出して形成されている。固定電極部１５０Ａは固定枠部１１０を支持する基板１１０に一体化されている。
固定電極部１５０Ａも、可動錘部１２０Ａ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。
固定電極部１５０Ａは、本実施形態では図１及び図３に示すように、Ｚ方向に２つ設け、これらを第１電極部１５０Ａ１と第２電極部１５０Ａ２と称する。図３に示すように、第１電極部１５０Ａ１と第２電極部１５０Ａ２とは層間絶縁層１２２Ｂにより絶縁されている。本実施形態では、層間絶縁層１２２Ｂにプラグ１２３Ｂを形成しないことで、第１電極部１５０Ａ１と第２電極部１５０Ａ２とが層間絶縁層１２２Ｂにより絶縁されている。また、別の見方をすれば、可動電極部１４０Ａと固定電極部１５０Ａとは、プラグが互いに対向する対向領域と、プラグが互いに対向しない非対向領域とを有しているとも言える。
なお、第１実施形態では、一つの可動電極部１４０Ａに対して第１および第２電極部１５０Ａ１，１５０Ａ２を設け、可動電極部１４０Ａを含む可動錘部１２０Ａは基準電位（例えば接地電位）とすることができる。これとは逆に、一つの固定電極部に対して、可動電極部に第１および第２電極部を設けても良い。この場合には、可動錘部１２０Ａは、第１電極部の通電経路と、第２電極部の通電経路とに絶縁分離する必要がある。
１．５．加速度センサーの検出原理
図５は、本実施形態の加速度センサーモジュール１０Ａのブロック図である。ＭＥＭＳ部１００Ａは、可動電極部１４０Ａと固定電極部１５０Ａによって可変コンデンサーＣが構成される。コンデンサーＣの一極（例えば、可動電極部）の電位は、基準電位（例えば接地電位）である。
集積回路部２０Ａ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。
可動錘部１２０Ａが止まっている状態から可動錘部１２０Ａに加速度が作用すると、可動錘部１２０Ａには加速度と反対方向の力が作用して、可動・固定電極ペアの各対向電極面積が変化する。例えば図３の上方向に可動錘部１２０Ａが移動したとすると、可動電極部１４０Ａと第１電極部１５０Ａ１との対向電極面積は変化しないが、可動電極部１４０Ａと第２電極部１５０Ａ２との対向電極面積は小さくなる。対向電極面積と静電容量とは比例の関係にあるので、可動電極部１４０Ａと第２電極部１５０Ａ２とで形成されるコンデンサーＣ２の静電容量値は小さくなる。逆に、図３の下方向に可動錘部１２０Ａが移動すれば、可動電極部１４０Ａと第２電極部１５０Ａ２との対向電極面積は変化しないが、可動電極部１４０Ａと第１電極部１５０Ａ１との対向電極面積は小さくなる。これにより、コンデンサーＣ１の静電容量が小さくなる。このように、一つの可動電極部１４０Ａに対して、２つの固定電極部１５０Ａ１，１５０Ａ２を設けると、どちらの固定電極部の静電容量が変化したかで、加速度の向きも検出可能となる。もちろん、Ｚ方向の上または下の一方向のみ検出する仕様によっては、一つの可動電極部に対して一つの固定電極部を設けることで物理量が検出できる。
上述のようにしてコンデンサーＣ１，Ｃ２の容量値が変化すると、Ｑ＝ＣＶに従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ー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ー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。
図１に示すように、容量Ｃ１及び容量Ｃ２にそれぞれＣ／Ｖ変換回路２４Ａ，２４Ｂを接続し、各Ｃ／Ｖ変換回路２４Ａ，２４Ｂの後段に差動信号生成部２５を設けることができる。この差動信号生成部２５は、容量Ｃ１及びＣ２に対応する電圧をそれぞれＶＡ，ＶＢとしたとき、ＶＡ−ＶＢ、ＶＢ−ＶＡの各演算から差動信号を生成している。このようにして得られた差動信号ＶＡ−ＶＢ、ＶＢ−ＶＡは、可動電極部１４０Ａが変位すると双方が変化するようになる。図１では、この差動信号をさらに差動増幅することで、加速度の大きさと向きに対応する電圧を生成している。
ここで、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）を用いて、Ｃ／Ｖ変換回路２４（２４Ａ，２４Ｂも含む）の構成と動作について説明する。図６（Ａ）は、スイッチトキャパシターを用いたチャージアンプの基本構成を示す図であり、図６（Ｂ）は、図６（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６（Ａ）に示すように、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Ｃと共に入力部のスイッチトキャパシターを構成する）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６（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Ｃの両端には、所定の電圧Ｖｄが印加されて、可変容量Ｃ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Ｃの両端は共に接地電位となるため、可変容量Ｃ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・Ｃ＝Ｖｃ・Ｃｃが成立し、よって、オペアンプ（ＯＰＡ）１の出力電圧Ｖｃは、（Ｃ／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Ｃ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。
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１においては、説明の便宜上、１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、図２のように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。
１．６．製造方法
図１に示す加速度センサーモジュール１０Ａの製造方法の概略について、図７（Ａ）〜図７（Ｄ）を参照して説明する。
１．６．１．導電層、プラグ、絶縁層の形成工程
図７（Ａ）は、ＣＭＯＳ集積回路部２０Ａが完成し、加速度センサー１００Ａの未完成状態を示している。図７（Ａ）に示すＣＭＯＳ集積回路部２０Ａは公知のプロセスにより製造される。
図７（Ａ）において、先ず、基板例えばＰ型シリコン半導体基板１０１を表面酸化した後、フォトリソグラフィ工程によりパターニングされた窒化膜等をマスクとして、フィールド領域を熱酸化してＬＯＣＯＳ４２が形成される。次に、基板１０１とは異極性の例えばＮ型ウェル（不純物層）４０が形成される。次に、基板１０１の全面を熱酸化してゲート酸化膜となる絶縁層（例えばＳｉＯ2膜）４１が形成される。さらに、絶縁層４１上に第１導電層の材料例えばポリシリコンがデポジションされ、フォトリソグラフィ工程によりパターニングされたレジスト膜を用いてエッチングされて、第１の導電層１２１Ａが形成される。この第１の導電層１２１Ａはゲート電極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１００〜５０００Ａ（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の導電層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。
次に、ウェル４０内には不純物打ち込みによりソースＳ、ドレインＤが形成され、それらの間にチャネルＣが形成される。こうして、集積回路部２０ＡにはＮ型及びＰ型トランジスターＴが形成される。次に、このトランジスターＴに配線すると共に、その配線層を用いてＭＥＭＳ部１００Ａにも配線層が形成される。
まず、酸化膜が全面にデポジションされた後に、フォトリソグラフィ工程によりパターニングされたレジスト膜を用いて形成されるコンタクトホールを有する層間絶縁層１２２Ａが形成される。この層間絶縁層１２２Ａのコンタクトホールに第１層プラグ１２３Ａが形成され、さらに、層間絶縁層１２２Ａ上に、プラグ１２３Ａと接続される第２の層導電層（本実施形態では第１金属層）１２１Ｂが形成される。
本実施形態では、例えばＮＳＧ、ＢＰＳＧ，ＳＯＧ、ＴＥＯＳ等の材料をＣＶＤにより１００００〜２００００Ａ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。この第１のプラグ１２３Ａは、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程を行い平坦化しても良い。なお、このプラグ１２３Ａは、例えば、バリアメッキ、高融点金属例えばタングステン及びキャップメタルを順次スパッタして形成しても良い。これにより、トランジスターＴのゲートＧ、ソースＳ及びドレインＤへの接続が可能となる。
第２の導電層１２１Ｂは、バリア層としてＴｉ、ＴｉＮ、ＴｉＷ、ＴａＮ、ＷＮ、ＶＮ、ＺｒＮ、ＮｂＮ等を、メタル層としてＡｌ、Ｃｕ、Ａｌ合金、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｐｔ等を、反射防止層として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。バリア層はスパッタにより１００〜１０００Ａの膜厚で、メタル層はスパッタ、真空蒸着またはＣＶＤで５０００〜１００００Ａの膜厚で、反射防止層はスパッタまたはＣＶＤにより１００〜１０００Ａの膜厚で形成できる。
次に、第２の層間絶縁層１２２Ｂ、第２のプラグ１２３Ｂ及び第３の導電層１２１Ｃを形成する。第１の層間絶縁層１２２Ａと同様にして第２の層間絶縁層１２２Ｂを形成した後、第２の層間絶縁層１２２Ｂ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２のプラグ１２３Ｂが埋め込み形成される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、第１のプラグ１２３Ａと同じ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２の層間絶縁層１２２Ｂ上の導電層材料を除去することで、第２のプラグ１２３Ｂが完成する。また、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程を行い平坦化を行なっても良い。その後、第３の導電層１２１Ｃが形成される。この第３の導電層１２１Ｃは集積回路部２０Ａの第２金属配線層の形成工程と同時に実施される。第３の導電層１２１Ｃの形成パターンは、可動錘部１２０Ａに対応する領域では、第２の導電層１２１Ｂの形成パターンと実質的に同じである。
次に、第３の層間絶縁層１２２Ｃ、第３のプラグ１２３Ｃ、第４の導電層１２１Ｄ及び保護層１２２Ｄを形成する。第１，第２の層間絶縁層１２２Ａ，１２２Ｂと同様にして第３の層間絶縁層１２２Ｃを形成した後、第３の層間絶縁層１２２Ｃ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３のプラグ１２３Ｃが埋め込み形成される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、第１，第２のプラグ１２３Ａ，１２３Ｂと同じ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３の層間絶縁層１２２Ｃ上の導電層材料を除去することで、第３のプラグ１２３Ｃが完成する。また、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程を行い平坦化しても良い。この第３のプラグ１２３Ｃの平面パターンは、第２のプラグ１２３Ｂの平面パターンと実質的に同じである。
第４の導電層１２１Ｄは集積回路部２０Ａの第３金属配線層の形成工程と同時に実施される。第４の導電層１２１Ｄの形成パターンは、可動錘部１２０Ａに対応する領域では、第２，第３の導電層１２１Ｂ，１２１Ｃの形成パターンと実質的に同じである。本実施形態では第４の導電層１２１Ｄは、図３に示すように、連結部１３０Ａに対応する領域から固定枠部１１０に対応する領域上に引き出されて、集積回路部２０Ａ側に配線接続するための配線パターンとして利用することができる。これにより、可動電極部１４０Ａは、可動錘部１２０Ａ及び連結部１３０Ａの導電層を介して集積回路部２０Ａと接続されることになる。このように、ＭＥＭＳモノリシックの構成とすればワイヤボンディングで接続する必要はなく、配線層の引き回しで最短で接続できるので、配線距離を短くでき、配線容量を小さくしてセンシング精度（ノイズ耐性）を向上できる。保護層１２２Ｄは、例えばＰＳｉＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ2等がＣＶＤで５０００〜２００００Ａの膜厚で膜付けされることで形成される。
こうして、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及び保護層１２２Ｄの一部または全部を用いて、ＭＥＭＳ部１００Ａを形成することができる。ここで、最下層の導電層（例えばポリシリコン層等）１２１Ａの下層の絶縁層１２４とは、ゲート酸化膜４１と熱酸化膜４２に対応するものである。
また、図７（Ａ）の段階で、第１〜第４導電層１２１Ａ〜１２１Ｄとその間を接続する各層のプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃにより、可動電極部１４０Ａが形成される。また、第３，４導電層１２１Ｃ，１２１Ｄとプラグ１２３Ｃにより第２の固定電極部１５０Ａ２が第１，第２導電層１２１Ａ，１２１Ｂとプラグ１２３Ａにより第２の固定電極部１５０Ａ２が形成される。第１，第２の固定電極部１５０Ａ１，１５０Ａ２を電気的に絶縁する層間絶縁層１２２Ｂにはプラグ１２３Ｂが形成されていない。
１．６．２．異方性エッチング工程
図７（Ｂ）は、第１空隙部１１１及び貫通孔１２６の形成工程を示している。図７（Ｂ）の工程では、保護層１２２Ｄの表面からシリコン基板１０１の表面まで到達する孔（第１空隙部１１１及び貫通孔１２６）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１２２Ｄ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１２０Ａ及び連結部１３０Ａに分離することができる。
この異方性エッチングは、好適には通常のＣＭＯＳの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ＣＦ4，ＣＨＦ3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。
１．６．３．等方性エッチング工程
図７（Ｃ）は第２空隙部１１２を形成するシリコン等方性エッチング工程を示し、図７（Ｄ）は図７（Ｃ）のエッチング工程を経て完成された加速度センサー１００Ａを示している。図７（Ｃ）のエッチング工程は、図７（Ｂ）に示すエッチング工程にて形成された空隙部１１１及び貫通孔１２６を開口部として利用して、可動錘部１２０Ａ、連結部１３０Ａ、可動電極部１４０及び固定電極部１５０Ａ（１５０Ａ１，１５０Ａ２）の下方にあるシリコン基板１０１をエッチングして、第２空隙部１１２を形成するものである。このシリコンエッチング方法として、エッチングチャンバー内に配置されたウエハーにエッチングガスＸｅＦ2を導入するものがある。このエッチングガスはプラズマ励起する必要がなく、ガスエッチングが可能である。例えば、特開２００２−１１３７００の通り、ＸｅＦ2は圧力５ｋＰａのエッチング処理が可能である。また、ＸｅＦ2は蒸気圧が４Ｔｏｒｒ程度で、蒸気圧以下にてエッチング可能であり、エッチングレートとしても３〜４μｍ／ｍｉｎが期待できる。この他、ＩＣＰエッチングを用いることもできる。例えばＳＦ6とＯ2との混合ガスを用い、チャンバー内圧力を１〜１００Ｐａとし、ＲＦパワー１００Ｗ程度を供給すると、２〜３μｍのエッチングは数分で完了する。
２．第２実施形態
図８は、本発明の第２実施形態を示す断面図であり、第１実施形態の図３とは異なる電面構造を示している。図３では、第１電極部１５０Ａ１は、導電層１２１Ｃ，１２１Ｄとその間を接続するプラグ１２３Ｃで構成され、第２電極部１５０Ａ２は、導電層１２１Ａ，１２１Ｂとその間を接続するプラグ１２３Ａで構成されている。導電層１２１Ａは他の導電層１２１Ｂ〜１２１Ｄとは材質が異なるポリシリコン層であって厚さが異なるから、導電層１２１Ａを第２電極部１５０Ａ２側に含ませると、第１，第２電極部１５０Ａ１，１５０Ａ２は、たとえ導電層の数をそれぞれ等しくしても、Ｚ方向での長さの相違が生じやすい。
第２実施形態では、ポリシリコン層である第１導電層１２１Ａは固定電極部１５０Ｂ１，１５０Ｂ２として機能しない。つまり、図８では、第１電極部１５０Ｂ１は、導電層１２１Ｄ，１２１Ｅとその間を接続するプラグ１２３Ｄで構成され、第２電極部１５０Ｂ２は、導電層１２１Ｂ，１２１Ｃとその間を接続するプラグ１２３Ｂで構成されている。こうすると、第５導電層１２１Ｅ、第４プラグ１２３Ｄ及び層間絶縁層１２２Ｅは追加されるが、第１，第２電極部１５０Ｂ１，１５０Ｂ２のＺ方向長さを等しくし易くなる。なお、第２実施形態においても、一つの固定電極部に対して第１，第２可動電極部を設けるようにしても良い。
３．第３実施形態
図９は、本発明の第３実施形態を示している。図９において、図１と同一機能を有する部材には同一符号を付している。このモジュール１０Ｃの可動錘部１２０Ｃ、連結部１３０Ｃ、可動電極部１４０Ｃ、固定電極部１５０Ｃは、図１とは異なる断面構造を有する。断面構造が異なる結果として、可動電極部１４０Ｃの上端は第１電極部１５０Ｃの上端よりも下方にあり、可動電極部１４０Ｃの下端は第２電極部１５０Ｃ２の下端よりも上方にある。
このような、可動電極部１４０Ｃ、第１電極部１５０Ｃ１、第２電極部１５０Ｃ２は、図１０に示すように各層の絶縁層２００上に形成される導電層２０１及びまたは絶縁層２００内に形成されるプラグ２０２を選択的に設けることで実現できる。ただし、可動錘部には、全ての層に導電層及びプラグを形成して、その質量を増大させることが好ましい。このように、可動錘部、可動電極部、固定電極部は、必ずしも同一断面構造でなくてもよく、可動錘部を形成する積層構造体の構造の一部または全部を使用してさえいれば良い。
図９では、図１とは異なり、可動電極部１４０Ｃが変位すると、容量Ｃ１，Ｃ２は相補的に変化する。つまり、図９のＺ方向の上向きに可動電極部１４０Ｃが移動したとすると、可動電極部１４０Ｃと第１電極部１５０Ｃ１との対向電極面積は小さくなる一方で、可動電極部１４０Ｃと第２電極部１５０Ｃ２との対向電極面積は大きくなる。よって、容量Ｃ１が小さくなる反面、容量Ｃ２は大きくなる。逆に、図９のＺ方向で下向きに可動電極部１４０Ｃが移動すれば、可動電極部１４０Ｃと第１電極部１５０Ｃ１との対向電極面積は大きくなる一方で、可動電極部１４０Ｃと第２電極部１５０Ｃ２との対向電極面積は小さくなる。よって、容量Ｃ１が大きくなる反面、容量Ｃ２は小さくなる。
この場合には、図１の差動信号生成部２５は不要であり、図９のＣ／Ｖ変換回路２４Ｃは、図１１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１１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。
４．第４実施形態
次に、図１２を参照して、本発明の第４実施形態について説明する。なお、以下の説明では、第４実施形態が第３実施形態と異なる点についてのみ説明する。第４実施形態に係る加速度センサーモジュール１０Ｄは、３軸ＸＹＺ方向の加速度センサーモジュールに適用したものであり、第１実施形態と同様にウエハプロセスでセンサーチップとＩＣチップを一体形成できる。この第４実施形態では、加速度センサー１００Ｄが可動錘部１２０Ｄを有する。
この可動錘部１２０Ｄは、基板と平行な二次元平面に直交するＺ方向に加え、二次元平面上での直交二軸Ｘ，Ｙの少なくとも一方向にも弾性変形可能に連結部１３０Ｄにより支持されている。本実施形態では、連結部１３０Ｄは、可動錘部１２０Ｄの平面上での第１，第２の対角線方向ａ，ｂに沿って４本のＺ方向弾性変形部１３０ＤＺを有する。このＺ方向弾性変形部１３０ＤＺは、Ｚ方向にのみ弾性変形する。対角線方向ａに沿った２つのＺ方向弾性変形部１３０ＤＺの途中には、中空部１３０Ｆを有するリング状のａ方向弾性変形部１３０Ｄａが設けられている。対角線方向ｂに沿った２つのＺ方向弾性変形部１３０ＤＺの途中には、同じく中空部１３０Ｇを有するリング状のｂ方向弾性変形部１３０Ｄｂ設けられている。これらａ，ｂ方向弾性変形部１３０Ｄａ，１３０Ｄｂは、中空部１３０Ｆの輪郭形状が変化することで、ａ方向，ｂ方向に変形して、可動錘部１２０ＤをＸ，Ｙ方向に移動させることができる。
この可動錘部１２０Ｄは、Ｙ方向に突出する第２可動電極部１４０ＤＸと、Ｘ方向に突出する第２可動電極部１４０ＤＹとを有する。また、支持部１１０（図１２では省略）には、第２可動電極部１４０ＤＸ，１４０ＤＹと対向する第２固定電極部１５０ＤＸ，１５０ＤＹを有する。また、この可動錘部１２０Ｄには、第３実施形態と同様にして形成される可動電極部１４０Ｃが、第３実施形態の第１，第２電極部１５０Ｃ１，１５０Ｃ２と対向して配置されている。
可動錘部１２０ＤがＸ方向に移動すると、第２固定電極１５０ＤＸと第２可動電極１４０ＤＸとの対向間距離が変化して容量が変化する。また、可動錘部１２０ＤがＹ方向に移動すると、一方の第２固定電極１５０ＤＹと第２可動電極１４０ＤＹとの対向間距離が増大し、これに対向して配置された他方の第２固定電極１５０ＤＹと第２可動電極１４０ＤＹとの対向間距離が減少し、両者の容量に差が生じる。静電容量は電極間距離と反比例するので、電極間距離の変化に応じて静電容量が変化するので、Ｚ方向に感度を有する可動電極部１４０Ｃと固定電極部１５０Ｃ１，１５０Ｃ２と同様にして、Ｘ，Ｙ方向の加速度を検出できる。
なお、図１２では、固定電極部（第１固定電極部）１５０ＤＺ、第２固定電極部１５０ＤＸ，１５０ＤＹが共に同電位（接地電位）であるので、可動錘部１２０ＤはＸ，Ｙ，Ｚに対応する３つの電位を、それぞれのＣ／Ｖ変換器２４に出力できるようになっている。これとは逆に、可動錘部１２０Ｄは固定電位とし、固定電極部に形成された第１および第２電極部１５０Ｃ１，１５０Ｃ２と、第２固定電極部１５０ＤＸ，１５０ＤＹのそれぞれからＸ，Ｙ，Ｚに対応する３つの電位を検出しても良い。なお、第２固定電極部１４０ＤＸおよび第２可動電極部１５０ＤＸは、図示では一対しか形成されていないが、対向する辺にもう一対の電極対を形成しても良い。また、可動錘部は、Ｚ方向を法線とする第１面および第２面と、第１面および第２面に連結する第１〜第４の側面と、を有した直方体状であり、図１２において、第２固定電極と第２可動電極とを１対とした電極対は、第１の側面と、第１の側面に対向する前記第２の側面と、の両方に少なくとも１つずつ形成されているが、第１の側面に電極対を２つ並べて形成しても良い。
なお、この第４実施形態において、Ｚ方向検出を第１〜第３実施形態のいずれかを用いて実施することができる。
５．第５実施形態
図１３は、図１２とは連結部が異なる加速度センサー１００Ｅを示している。この加速度センサー１００Ｅの可動錘部１２０Ｅを支持する連結部は、Ｘ，Ｙに沿って４本のＺ方向弾性変形部１３０ＥＺを有する。Ｘ方向に沿った２つのＺ方向弾性変形部１３０ＥＺの途中には、中空部１３０Ｆを有するリング状のＸ方向弾性変形部１３０ＥＸが設けられている。Ｙ方向に沿った２つのＺ方向弾性変形部１３０ＥＺの途中には、同じく中空部１３０Ｇを有するリング状のＹ方向弾性変形部１３０ＥＹが設けられている。この場合も、図１２と同様にしてＸ，Ｙ，Ｘ方向の加速度を検出できる。
６．第６実施形態
図１４は、可動錘部１２０Ｆを有する加速度センサー１００Ｆを示している。この可動錘部１２０Ｆは、外側の第１可動錘部１２０Ｆ１と内側の第２可動錘部１２０Ｆ２に分割されている。第１可動錘部１２０Ｆ１は、支持部１１０（図１４では省略）に対して第１連結部１３０Ｆ１を介して例えばＸ，Ｙ方向に移動可能である。第２可動錘部１２０Ｆ２は、第１可動錘部１２０Ｆ１に対して第２連付部１３０Ｆ２を介して例えばＺ方向に移動可能である。これとは逆に、外側の第１可動錘部１２０Ｆ１をＺ方向に移動可能とし、内側の第２可動錘部１２０Ｆ２をＸ，Ｙ方向に移動可能としても良い。
第１連結部１３０Ｆ１は、Ｘ，Ｙ方向に沿って各２本ずつ計４本の剛体１３０Ｆを有する。Ｘ方向弾性変形部１３０ＦＸは、Ｘ方向に沿った２つの剛体１３０Ｆの途中に中空部１３０Ｇを有する。Ｙ方向弾性変形部１３０ＦＹは、Ｙ方向に沿った２つの剛体１３０Ｆの途中に中空部１３０Ｇを有する。第２連結部１３０Ｆ２は、Ｚ方向にのみ弾性変形可能な例えば２つのＺ方向弾性変形部１３０ＦＺにて形成される。
第１可動錘部１２０Ｆ１には、Ｙ方向に突出する第１突出可動電極部１４０ＦＸと、Ｘ方向に突出する第２突出可動電極部１４０ＦＹとを有する。また、支持部１１０（図１４では省略）には、第１，第２突出可動電極部１４０ＦＸ，１４０ＦＹと対向する第１，第２突出固定電極部１５０ＦＸ，１５０ＦＹを有する。第２可動錘部１２０Ｆ２に設けた第１，第２可動電極部１４０Ｆ１，１４０Ｆ２を、第１可動錘部１２０Ｆ１に設けられた固定電極部１５０と対向して配置されている。これとは逆に、第１可動錘部１２０Ｆ２に設けた第１，第２電極部を、第２可動錘部１２０Ｆ１に設けられた可動電極部と対向して配置してもよい。この場合も、図１２及び図１３と同様にしてＸ，Ｙ，Ｘ方向の加速度を検出できる。
なお、図１２〜図１４において、Ｘ方向及びＹ方向の固定電極部と可動電極部のペアを複数も受けることもできる。
７．変形例
なお、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る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、上記実施例に限らず、本願発明のＭＥＭＳセンサーは、デジタルカメラ、カーナビゲーションシステム、携帯電話、モバイルＰＣ、およびゲームコントローラー等の電子機器にも適用可能である。本願発明のＭＥＭＳセンサーを用いれば、特にＺ方向の検出感度が優れた電子機器を得ることができる。
１０Ａ 加速度センサーモジュール、２０Ａ 集積回路部、
２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ ＣＶ変換回路
２６ アナログ−デジタル変換回路、２８ ＣＰＵ、３０ インターフェース回路、
４０ ウェル（不純物層）、４１ ゲート酸化膜、４２ 熱酸化膜、
１００Ａ〜１００Ｅ 加速度センサー（ＭＥＭＳセンサー）、１０１ 基板、
１１０ 固定枠部（支持部）、１１１ 第１空隙部、１１２ 第２空隙部、
１２０Ａ〜１２０Ｅ 可動錘部、
１２１Ａ〜１２１Ｅ 導電層、１２２Ａ〜１２２Ｃ，１２２Ｅ 層間絶縁層、
１２２Ｄ 保護層、１２３Ａ〜１２３Ｃ プラグ、
１２３−Ｘ Ｘ方向に沿って壁状に形成されたプラグ、
１２３−Ｙ Ｙ方向に沿って壁状に形成されたプラグ、１２６ 貫通孔、
１３０Ａ〜１３０Ｆ２ 連結部（バネ部）、
１３０Ｄ１ 第１連結部、１３０Ｄ２ 第２連結部、
１４０Ａ〜１４０Ｆ 可動電極部、
１４０ＤＸ〜１４０ＦＸ，１４０ＤＹ〜１４０ＦＹ 第２可動電極部、
１５０Ａ〜１５０ＤＺ 固定電極部、
１５０ＤＸ〜１５０ＦＸ，１５０ＤＹ〜１５０ＦＹ 第２固定電極部、
２００ 絶縁層、２０１ 導電層、２０２ プラグ。

Claims (10)

  1. 支持部と、
    可動錘部と、
    前記支持部と前記可動錘部とを連結し、且つ、弾性変形可能な連結部と、
    前記支持部から突出した第１固定電極部と、
    前記可動錘部から突出し、且つ、前記第１固定電極部に対向して配置された第１可動電極部と、を有し、
    前記可動錘部は、導電層と絶縁層とを第１方向に積層して形成され、
    前記絶縁層は、前記絶縁層よりも比重が大きいプラグが埋め込まれ、
    前記導電層は、前記第１可動電極部に接続され、
    前記第１固定電極部および前記第１可動電極部の一方は、前記第１方向に第１電極部と第２電極部とを有することを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
  2. 請求項１に記載のＭＥＭＳセンサーにおいて、
    前記第１電極部と前記第２電極部とは、互いに電気的に分離されたことを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
  3. 支持部と、
    可動錘部と、
    前記支持部と前記可動錘部とを連結し、且つ、弾性変形可能な連結部と、
    前記支持部から突出した第１固定電極部と、
    前記可動錘部から突出し、且つ、前記第１固定電極部に対向して配置された第１可動電極部と、を有し、
    前記可動錘部は、導電層と絶縁層とを第１方向に積層して形成され、
    前記絶縁層は、前記絶縁層よりも比重が大きいプラグが埋め込まれ、
    前記導電層は、前記第１可動電極部に接続され、
    前記第１固定電極部および前記第１可動電極部は、互いに電極が対向する対向領域と、互いに電極が対向しない非対向領域と、を有することを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
  4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサーにおいて、
    前記第１固定電極部および前記第１可動電極部は、前記導電層と前記絶縁層とを用いて形成されたことを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
  5. 請求項４に記載のＭＥＭＳセンサーにおいて、
    前記絶縁層は、前記第１方向に前記プラグが埋め込まれ、
    前記プラグは導電性部材であることを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
  6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサーにおいて、
    前記可動錘部は、前記第１方向を法線とした第１面を有し、
    前記プラグは、前記第１面に平行な第２方向と、前記第１面に平行で且つ該第２方向に直交する第３方向と、の両方に対し、線対称に形成されたことを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
  7. 請求項１ないし６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサーにおいて、
    前記支持部に隣接して集積回路部が形成され、
    前記集積回路部は、前記導電層と前記絶縁層とを用いて形成されたことを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
  8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサーにおいて、
    前記支持部から突出した第２固定電極部と、
    前記可動錘部から突出し、且つ、前記第２固定電極部に対向して配置された第２可動電極部と、を１対とした電極対を有し、
    前記可動錘部は、前記第１方向を法線とする第１面および第２面と、前記第１面および前記第２面に連結する第１〜第４の側面と、を有した直方体状であり、
    前記電極対は、前記第１の側面に少なくとも２つ形成されるか、または、前記第１の側面と、前記第１の側面に対向する前記第２の側面と、の両方に少なくとも１つずつ形成され、
    ２つの前記容量形成部の静電容量の差により、前記第１の側面および前記第２の側面と平行な方向の力を検出することを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
  9. 請求項８に記載のＭＥＭＳセンサーにおいて、
    前記電極対は、前記第１の側面に直交する前記第３の側面に少なくとも２つ形成されるか、または、前記第３の側面と、該第３の側面に対向する第４の側面と、の両方に少なくとも１つずつ形成され、
    ２つの前記容量形成部の静電容量の差により、前記第３の側面および前記第４の側面と平行な方向の力を検出することを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
  10. 請求項１ないし９のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサーを搭載した電子機器。
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