JP4403607B2 - 半導体力学量センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、加速度や角速度等の力学量を検出する半導体力学量センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体加速度センサとして、差動容量式半導体加速度センサが使われている。図１７には、差動容量式半導体加速度センサの構成例を示す。図１８には図１７のＤ−Ｄ線での縦断面図を示す。図１８において、パッケージ用プレート１００の上には接着剤１０１により半導体基板１０２が固着され、半導体基板１０２の上には絶縁膜１０３を介して半導体薄膜１０４が配置されている。半導体基板１０２および絶縁膜１０３には貫通孔１０５，１０６が形成されている。半導体薄膜１０４はパターニングされ、図１７の可動電極用梁構造体１０７と第１の固定電極用片持ち梁構造体１０８と第２の固定電極用片持ち梁構造体１０９が区画形成されている。可動電極用梁構造体１０７はアンカー部１１０と梁部１１１と重り部１１２と櫛歯状の可動電極１１３を備えている。第１の固定電極用片持ち梁構造体１０８は、アンカー部１１４と固定電極１１５を備えている。同様に、第２の固定電極用片持ち梁構造体１０９は、アンカー部１１６と固定電極１１７を備えている。可動電極１１３と固定電極１１５，１１７は対向しており、図１７中Ｘ方向に加速度が加わると、重り部１１２が変位し、可動電極１１３と固定電極１１５，１１７との間の容量の差が変化し、この容量の差の変化を電圧変化として取り出すことで加速度を検出することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、センサの使用温度が変化すると、センサの各部の熱膨張係数の差、すなわち、パッケージ用プレート１００、接着剤１０１、半導体基板１０２、絶縁膜１０３、半導体薄膜１０４の間の熱膨張の差により、半導体基板１０２に反りが発生する。この反りにより図１９，２０で示すように、固定電極１１７（１１５）が変形してしまい、図２０のごとく可動電極１１３との間の間隔ｄが一定値を保つことができなくなる（ｄ１≠ｄ２）。その結果、温度特性が悪化するという問題がある。
【０００４】
そこで、この発明の目的は、使用環境が変化しても安定したセンサ出力を得ることができる半導体力学量センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、熱応力等により支持基板が反る場合にも、片持ち梁構造且つ櫛歯形状の固定電極における根元部の幅が狭められているので、支持基板の反りが片持ち梁構造且つ櫛歯形状の固定電極に伝わることが抑制される。これにより、固定電極と可動電極との位置ズレが防止され、センサ出力の変動を抑制することができる。このようにして、使用環境が変化しても安定したセンサ出力を得ることができるようになる。
【０００６】
請求項４に記載の発明によれば、容量方式を採用したときにおいて、固定電極用の片持ち梁構造体と支持基板との間には固定電極の配線の寄生容量が形成されるが、固定電極用の片持ち梁構造体と支持基板との相対的位置関係がズレた場合におけるズレによる寄生容量を低減することができる。その結果、オフセットの改善を図ることができる。
【０００７】
請求項５に記載のように、片持ち梁構造の固定電極における固定端側の根元部の幅を、固定電極の幅の１／２以下にすると、センサ出力の誤差を小さくできる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
本実施形態では、差動容量式の半導体加速度センサに具体化している。図１には半導体加速度センサ１の平面図を示すとともに、図２には図１におけるＡ−Ａ線での縦断面を示す。本センサは、梁構造の重り部１５に設けた可動電極１６（１６ａ〜１６ｃ），１７（１７ａ〜１７ｃ）と、片持ち梁構造の固定電極２０（２０ａ〜２０ｃ），２４（２４ａ〜２４ｃ）を有している。
【０００９】
図２に示すように、パッケージ用プレート２の上には接着剤３によりセンサチップ４が固着されている。本例ではセンサチップ４としてＳＯＩ基板を用いており、単結晶シリコン基板よりなる支持基板５の上に、シリコン酸化膜よりなる絶縁膜６を介してセンサエレメント用半導体基板としての半導体薄膜（単結晶シリコン層）７が配置された構造となっている。半導体薄膜７は、支持基板５の上に絶縁膜６を介して単結晶シリコン基板を配置した後に薄膜化したものである。支持基板５と絶縁膜６の積層体は四角板状をなし、中央部には四角形状の貫通孔８，９が形成されている。よって、支持基板５と絶縁膜６の積層体は四角枠状をなしている。
【００１０】
半導体薄膜（シリコン層）７は、所定の形状にパターニングされており、図１のごとく、可動電極用梁構造体１０と第１の固定電極用片持ち梁構造体１１と第２の固定電極用片持ち梁構造体１２が区画形成されている。可動電極用梁構造体１０はアンカー部１３ａ，１３ｂと梁部１４ａ，１４ｂと重り部１５と可動電極１６，１７と電気接続部１８からなる。可動電極１６は櫛歯形状をなし、３つの歯１６ａ，１６ｂ，１６ｃを有する。また、可動電極１７も櫛歯形状をなし、３つの歯１７ａ，１７ｂ，１７ｃを有する。アンカー部１３ａ，１３ｂは四角枠状の支持基板５（絶縁膜６）の上に固定されている。支持基板５および絶縁膜６の貫通孔８，９内において梁部１４ａ，１４ｂと重り部１５と可動電極１６，１７が位置し、アンカー部１３ａ，１３ｂから梁部１４ａ，１４ｂを介して重り部１５が連結支持されている。ここで、梁部１４ａ，１４ｂは、図１中、矢印Ｘ方向の成分を含む加速度を受けたときに重り部１５を当該方向へ変位させると共に、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるというバネ機能を備えたものである。
【００１１】
四角形状の重り部１５での両側面からは可動電極１６，１７がＸ方向に直交するＹ方向に延びている。可動電極１６，１７の各歯１６ａ〜１６ｃ，１７ａ〜１７ｃは、断面矩形の棒状に形成されている。また、支持基板５（絶縁膜６）の上においてアンカー部１３ｂから延びる電気接続部１８が位置し、電気接続部１８の上面にはワイヤボンディング用の電極パッド（アルミパッド）１９が形成されている。
【００１２】
第１の固定電極用片持ち梁構造体１１は、第１の固定電極２０を備えている。第１の固定電極２０は櫛歯形状をなし、３つの歯２０ａ，２０ｂ，２０ｃを有する。この固定電極２０の歯２０ａ〜２０ｃは断面矩形の棒状に形成されている。固定電極２０のアンカー部２１は四角枠状の支持基板５（絶縁膜６）の上に固定されている。支持基板５および絶縁膜６の貫通孔８，９内において固定電極２０が位置し、固定電極２０はアンカー部２１から延びる片持ち梁構造となっている。この櫛歯状の固定電極２０（２０ａ〜２０ｃ）は櫛歯状の可動電極１６（１６ａ〜１６ｃ）と一定の間隔をおいて対向配置されている。そして、固定電極２０に対する、加速度の印加による可動電極１６の変位（固定電極〜可動電極間の相対位置の変化）が、両電極間の容量変化として検出されるようになっている。
【００１３】
ここで、片持ち梁構造の固定電極２０における固定端側の根元部２２には貫通孔（スリット）２３ａ，２３ｂ（図２参照）が形成され、根元部２２の幅Ｗ１が櫛歯状の固定電極２０の幅Ｗ２よりも狭くなっている。詳しくは、Ｗ１値はＷ２値の１／２以下になっている。
【００１４】
同様に、第２の固定電極用片持ち梁構造体１２は、第２の固定電極２４を備えている。第２の固定電極２４は櫛歯形状をなし、３つの歯２４ａ，２４ｂ，２４ｃを有する。この固定電極２４の歯２４ａ〜２４ｃは断面矩形の棒状に形成されている。固定電極２４のアンカー部２５は四角枠状の支持基板５（絶縁膜６）の上に固定されている。支持基板５および絶縁膜６の貫通孔８，９内において固定電極２４が位置し、固定電極２４はアンカー部２５から延びる片持ち梁構造となっている。この櫛歯状の固定電極２４（２４ａ〜２４ｃ）は櫛歯状の可動電極１７（１７ａ〜１７ｃ）と一定の間隔をおいて対向配置されている。そして、固定電極２４に対する、加速度の印加による可動電極１７の変位（固定電極〜可動電極間の相対位置の変化）が、両電極間の容量変化として検出されるようになっている。
【００１５】
ここで、片持ち梁構造の固定電極２４における固定端側の根元部２６には貫通孔（スリット）２７ａ，２７ｂが形成され、根元部２６の幅Ｗ１が櫛歯状の固定電極２４の幅Ｗ２よりも狭くなっている。詳しくは、Ｗ１値はＷ２値の１／２以下になっている。
【００１６】
さらに、本例のセンサは、固定電極２０，２４の根元部２２，２６が細すぎると固定電極２０，２４までが外部から印加される力学量（加速度）により変位してしまうこととなるので、可動電極と比較して固定電極が動かないように次の条件を満たしている。
【００１７】
つまり、固定電極２０，２４が加速度により動いてしまうと、センサ出力には誤差として現れる。この誤差を１％以下に抑えたいという要望がある。この点に留意して、固定電極が可動電極に対して動かないということを考えると、固定電極の根元部２２，２６が可動電極の梁部（バネ部）１４ａ，１４ｂに比べてバネとしての機能が無視できる程度であればよい。具体的には、固定電極用片持ち梁構造体１１，１２の根元部２２，２６のバネ定数をＫｆとし、可動電極用梁構造体１０の梁部（バネ部）１４ａ，１４ｂのバネ定数をＫｍとした場合、
Ｋｆ≧Ｋｍ×１００
を満足させている。これにより、検出誤差を１％以下に抑えることができる。
【００１８】
また、支持基板５（絶縁膜６）の上においてアンカー部２１，２５から延びる電気接続部２８，２９が位置し、電気接続部２８，２９の上面にはワイヤボンディング用の電極パッド（アルミパッド）３０，３１が形成されている。
【００１９】
なお、アンカー部１３ａ，１３ｂ、重り部１５、可動および固定電極１６，１７，２０，２４には貫通孔３２が形成され、軽量化が図られている。
次に、半導体加速度センサの製造方法を、図３，４を用いて説明する。図３，４は図１のＡ−Ａ線での断面をとっている。
【００２０】
まず、図３（ａ）に示すように、ＳＯＩウエハ５０を用意する。このＳＯＩウエハ５０にあっては、ベースとなる単結晶シリコンウエハ５１上に、シリコン酸化膜５２を介して単結晶シリコン薄膜５３を設けた構造となっている。なお、単結晶シリコンウエハ５１は、表面の面方位が（１００）または（１１０）に設定されたもので、少なくとも２００μｍ程度の厚さ寸法を備えたものが使用される。また、単結晶シリコン薄膜５３も表面の面方位が（１００）または（１１０）のもので、厚さは１５μｍ程度である。さらに、シリコン酸化膜５２の膜厚は０．５〜３μｍである。なお、単結晶シリコン薄膜５３は、その抵抗率を下げ、且つ前記電極パッド１９，３０，３１との間でオーミックコンタクトをとるために、例えばリンを高濃度に拡散した状態としている。
【００２１】
そして、シリコン薄膜５３の上に電極パッド１９，３０，３１（図１参照）を形成する。詳しくは、単結晶シリコン薄膜５３上の全面にアルミニウムを例えば１μｍ程度の膜厚となるように蒸着した後に、そのアルミニウム膜をフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用してパターニングすることにより、電極パッド１９，３０，３１を形成する。なお、この電極パッド形成工程では、電極パッド１９，３０，３１のオーミックコンタクトを得るための周知の熱処理（シンタ）を必要に応じて行う。
【００２２】
次いで、図３（ｂ）に示すように、マスク形成工程を実行する。この工程では、単結晶シリコンウエハ５１の表面（鏡面加工面）の全面に、シリコン窒化膜を例えはプラズマＣＶＤ法によって０．５μｍ程度の膜厚となるように堆積した後に、そのシリコン窒化膜をフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用してパターニングすることにより、貫通孔８をエッチングによって形成する際のマスク５４を形成する。マスク材は、ＳｉＮの他にも、ＳｉＯ2 やレジスト等を用いてもよい。
【００２３】
このようにして、ウエハ５０の裏面に、可動部の下が空洞となる領域（８）が開口したマスク５４を配置する。更に、単結晶シリコン薄膜５３及び電極パッド１９，３０，３１上にドライエッチ耐性があるレジスト５５を所定パターン（可動・固定電極用構造体に対応した形状）で形成し、ウエハ５０の表面に可動・固定電極用構造体を形成するためのマスクパターンとする。マスク材は、レジストの他にも、ＳｉＯ2 やＳｉＮ等を用いてもよい。
【００２４】
この後、レジスト５５をマスクとしてドライエッチング装置により異方性ドライエッチングを実行することにより、図４（ａ）に示すように、単結晶シリコン薄膜５３に対しシリコン酸化膜５２に達するトレンチを形成する。このトレンチには、貫通孔２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂ，３２を含む。
【００２５】
さらに、単結晶シリコンウエハ５１を、前記マスク５４を使用し、且つ例えばＫＯＨ水溶液を利用して表面（シリコン酸化膜５２と反対側の面）側から、図４（ｂ）に示すように、選択エッチングする。そして、シリコン酸化膜５２が露出した時点でエッチングを停止する。これにより単結晶シリコンウエハ５１に貫通孔８が形成される。
【００２６】
次いで、シリコン酸化膜５２が露出する単結晶シリコンウエハ５１の表面側から、ドライエッチングを施すことによりシリコン酸化膜５２を除去する。これによりシリコン酸化膜５２に貫通孔９が形成される。
【００２７】
このようなエッチング工程の実行により、可動電極用梁構造体１０の重り部１５、梁部１４ａ，１４ｂ、可動電極１６（１６ａ〜１６ｃ），１７（１７ａ〜１７ｃ）が可動になるとともに、固定電極用片持ち梁構造体１１，１２の固定電極２０（２０ａ〜２０ｃ），２４（２４ａ〜２４ｃ）が可動になる。このようにして、可動電極用梁構造体１０および固定電極用片持ち梁構造体１１，１２が区画形成される。
【００２８】
そして、このようなエッチングを行った後に、マスク材を除去し、さらに、ＳＯＩウエハ５０をダイシングして所定のセンサチップ形状に切断する。これにより、センサチップ４が完成する。
【００２９】
その後、図２に示すように、センサチップ４をパッケージ用プレート２の上に接着剤３により固着する。このようして、センサの製造が完了する。
上記のように構成された半導体加速度センサにあっては、図１中の矢印Ｘ方向の成分を含む加速度が印加されると、重り部１５が当該矢印Ｘ方向へ変位するようになり、その加速度に応じた変位量は、重り部１５の質量と梁部１４ａ，１４ｂの復元力、並びに電圧印加状態において可動電極１６，１７と第１及び第２の固定電極２０，２４との間に作用する静電気力によって決定される。この場合、可動電極１６と第１の固定電極２０との間に第１の容量ＣＳ１（図５，６参照）が形成され、また、可動電極１７と第２の固定電極２４との間に第２の容量ＣＳ２（図５，６参照）が形成される。これら第１及び第２の容量ＣＳ１，ＣＳ２は、上記のように重り部１５に加速度が作用したときの可動電極１６，１７の変位に応じて差動的に変化するものである。従って、このような静電容量ＣＳ１，ＣＳ２の変化を、電極パッド１９，３０，３１を通じて電荷量の変化として取り出すことにより加速度を検出できることになる。
【００３０】
なお、上記第１及び第２の容量ＣＳ１，ＣＳ２は、本例の場合、加速度が印加されていない状態で互いに等しくなるように設定されている。つまり、図１において左右に配置された第１と第２の固定電極およびその間に配置された可動電極に関して、左右対称となっており、ＣＳ１＝ＣＳ２となっている。
【００３１】
さらに、図５，６に示すような寄生容量ＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ３が形成される。つまり、第１の固定電極用片持ち梁構造体１１のアンカー部（配線部）２１と支持基板５との間の寄生容量ＣＰ１と、第２の固定電極用片持ち梁構造体１２のアンカー部（配線部）２５と支持基板５との間の寄生容量ＣＰ２と、可動電極用梁構造体１０のアンカー部（配線部）１３ａ，１３ｂと支持基板５との間の寄生容量ＣＰ３が形成される。
【００３２】
図７には、上記のような静電容量の変化を検出するための容量変化検出回路の回路構成を示す。但し、この図７では、半導体加速度センサ１を等価回路で表現している。
【００３３】
第１の固定電極での電極パッド３０には、図８に示すような矩形波より成る第１搬送波信号（周波数；例えば１００ｋＨｚ、電圧レベルは例えば５Ｖ）が印加され、第２の固定電極での電極パッド３１には、上記第１搬送波信号と位相が１８０°異なる矩形波より成る第２搬送波信号（周波数；例えば１００ｋＨｚ、電圧レベルは例えば５Ｖ）が印加されるようになっている。なお、具体的には図示しないが、上記第１及び第２搬送波信号は、同一の発振回路からのクロック信号に同期して形成されるものである。
【００３４】
上記のような各搬送波信号が印加された状態では、可動電極での電極パッド１９の電位レベルは、第１及び第２の容量ＣＳ１，ＣＳ２に応じたレベルになるものであり、その電位レベルをスイッチドキャパシタ回路６０により検出するようにしている。
【００３５】
スイッチドキャパシタ回路６０は、オペアンプ６１、帰還コンデンサ６２及びスイッチ要素６３を図示のように組み合わせて接続されている。上記オペアンプ６１は、反転入力端子に電極パッド１９からの信号（可動電極の電位レベルを示す信号）が入力され、非反転入力端子に２．５ボルト（つまり、第１及び第２の容量ＣＳ１，ＣＳ２が等しい状態時に電極パッド１９に現れる電位レベルに相当）の電圧信号が与えられる構成となっている。また、上記スイッチ要素６３は、前記図示しない発振回路からのクロック信号に同期して生成されるトリガ信号によりオン／オフされるものであり、図８に示すように、第１搬送波信号の立ち下がりタイミング（第２搬送波信号の立ち上りタイミング）で一定時間（第１搬送波信号の１／２周期より短い時間）だけオンするように設定される。
【００３６】
図７に示した容量検出回路は、以下のように動作する。
即ち、第１及び第２の容量ＣＳ１，ＣＳ２が等しい場合、図８のタイミングチャート中のタイミングＴ１においては、第１の固定電極に０ボルト、第２の固定電極に５ボルト、可動電極に２．５ボルトの電圧がそれぞれ印加されることになる。このときには、スイッチ要素６３がオンされるため、スイッチドキャパシタ回路６０からの出力電圧Ｖｏは２．５ボルトになる。
【００３７】
上記タイミングＴ１から所定時間が経過したタイミングＴ２において、スイッチ要素６３がオフされたときには、各固定電極に対する印加電圧は変化しないので、出力電圧Ｖｏも２．５ボルトのままである。
【００３８】
ここで、出力電圧Ｖｏのレベルは、第１及び第２の容量ＣＳ１，ＣＳ２の差動的な変化量、つまり、重り部１５に作用する加速度の大きさに応じて変化することになるから、その出力電圧Ｖｏを利用して加速度の大きさを検出できる。
【００３９】
つまり、可動電極と固定電極間容量ＣＳ１，ＣＳ２および寄生容量ＣＰ１〜ＣＰ３に関して、加速度が加わった時のセンサの出力は、可動電極と固定電極の間隔が変化し、その間の容量変化（ＣＳ１−ＣＳ２）が生じることで、発生する。詳しくは、センサ出力電圧Ｖｏは、
Ｖｏ＝｛（ＣＳ１−ＣＳ２）＋（ＣＰ１−ＣＰ２）・ＣＰ３｝・Ｖ／Ｃｆ
となる。ただし、Ｖは第１と第２の固定電極の間の電圧差、Ｃｆはスイッチドキャパシタ回路の帰還容量である。
【００４０】
また、このセンサにおいて雰囲気温度が変化するとセンサチップ４の支持基板５に反りが発生し、固定電極の変形を招く。
具体的数値を挙げて説明すると、本センサの使用温度は、−４０℃〜１４０℃である。また、センサの熱膨張係数の値は、支持基板５及び薄膜７を構成するシリコンが２．５ｐｐｍ／℃、Ｅ＝１７３００Ｋｇｆ／ｍｍ2 であり、絶縁膜６を構成するシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）が２．５ｐｐｍ／℃、Ｅ＝６６００Ｋｇｆ／ｍｍ2 、接着剤３を構成するシリコーン系樹脂材が１００〜３００ｐｐｍ／℃、Ｅ＝２５０Ｋｇｆ／ｍｍ2 であり、パッケージ用プレート２を構成するセラミックス材料が７．７ｐｐｍ／℃、Ｅ＝３１６００Ｋｇｆ／ｍｍ2 である。温度変化量は熱膨張係数とヤング率Ｅの積に比例する。
【００４１】
そして、室温から低温に温度変化する場合、パッケージ用プレート２が縮むと、パッケージ用プレート２の変化量が接着剤３の変化量より大きく、接着剤３の変化量がシリコン材料およびシリコン酸化膜の変形量より大きいので、センサチップ４の支持基板５が撓む（図２０参照）。この支持基板５の撓みに伴い固定電極２０，２４が変形しようとする。なお、可動電極１６，１７は、梁部１４ａ，１４ｂにより変形が抑えられる。
【００４２】
ここで、従来のセンサ（図１７，１８）に比べ、本実施形態においては、四角枠状の支持基板５から突き出た固定電極の根元部２２，２６において貫通孔２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂが形成されており、これにより固定電極の根元部２２，２６を細くして熱膨張係数の差による支持基板５からの歪み（熱応力）が固定電極２０，２４に伝わりにくく、固定電極２０，２４が変形しにくい構造となっている。
【００４３】
また、第１の固定電極２０と支持基板５の間の寄生容量ＣＰ１と、第２の固定電極２４と支持基板５の間の寄生容量ＣＰ２との関係において、第１と第２の固定電極を上面から見た面積は、同じであり、裏面形状の位置がチップ左右対称ならば、ＣＰ１＝ＣＰ２となるが、加工バラツキにより、裏面形状の位置がチップ左右にズレた場合、ＣＰ１とＣＰ２は異なり、オフセットが発生する。
【００４４】
このオフセットについて詳しく説明する。加工バラツキにより、図３（ｂ）の表側のマスクパターン（５５）と裏面側のマスクパターン（５４）の位置がズレた場合を考える。図９（ａ）に示す従来の固定電極の構造の場合においては図９（ｂ）に示す正規の位置に貫通孔１０５，１０６および固定電極用片持ち梁構造体１０８，１０９が配置されている場合に比べ図９（ｃ）に示すように所定量δだけズレた場合にはズレによる対向面積ΔＳ１は電極幅ａ１とズレ量δの積（＝ａ１・δ）となる。これに対し、図１０（ａ）に示す本実施形態の固定電極の構造の場合においては図１０（ｂ）に示す正規の位置に貫通孔８，９および固定電極用片持ち梁構造体１１，１２が配置されている場合に比べ図１０（ｃ）に示すように所定量δだけズレた場合にはズレによる対向面積ΔＳ２は幅ａ２とズレ量δの積（＝ａ２・δ）となる。ここで、従来の構造での幅ａ１に比べ本実施形態の構造での幅ａ２は小さくなっており、ズレによる対向面積は小さくなる（ａ２・δ＜ａ１・δ）。この対向面積が小さくなれば、ズレによる容量（Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ）も小さくなる。その結果、２つの寄生容量の差（＝ＣＰ１−ＣＰ２）も小さくなる。
【００４５】
このように本例のセンサは、固定電極の根元部２２，２６の面積が小さくなったため、寄生容量の差（＝ＣＰ１−ＣＰ２）が小さくなる。よって、センサ出力Ｖｏ＝｛（ＣＳ１−ＣＳ２）＋（ＣＰ１−ＣＰ２）・ＣＰ３｝・Ｖ／Ｃｆであるから、裏面加工のバラツキが生じても、固定電極の配線の寄生容量（ＣＰ１−ＣＰ２）・ＣＰ３が小さく、故に、オフセットの改善が図られる。
【００４６】
このように、ズレによる対向面積が、裏面形状のズレた時の容量差（＝ＣＰ１−ＣＰ２）に比例するので、幅Ｗを狭くするための貫通孔２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂが有ると、裏面形状がズレた時の容量差（＝ＣＰ１−ＣＰ２）が小さくなり、オフセットが出にくい。
【００４７】
次に、貫通孔（スリット）２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂの寸法に関して説明する。
図１１にはスリット幅を変化させたときのセンサ出力の誤差の測定結果を示す。ここで、縦軸の誤差とは、加速度が加わっていない状態における室温でのセンサ出力Ｖ１と測定温度でのセンサ出力Ｖ２とのズレ量ΔＶ、つまり、
誤差ΔＶ＝｛（Ｖ２−Ｖ１）／Ｖ１｝×１００
である。
【００４８】
この図１１から、スリット幅が２００μｍより大きくなると、即ち、全スリット幅を固定電極幅の１／２以上とすると（図１のＷ１値をＷ２値の１／２以下にすると）、センサ出力の誤差（オフセット誤差）が小さくなることが分かる。また、図１１中の誤差を１％以下にしたい要求がある場合において、スリット幅を２６０μｍより大きくすると、即ち、図１のＷ１値をＷ２値の０．３５以下にすると、よいことが分かる。
【００４９】
図１２には所定温度におけるスリット幅を変化させたときのオフセット誤差の測定結果を示す。ここで、縦軸のオフセット誤差とは、加速度が加わっていないときのセンサ出力で室温からのズレを示している。
【００５０】
この図１２から、スリット幅が約２００μｍより大きくなると、即ち、全スリット幅を固定電極幅の約１／２以上とすると、オフセットズレが小さくなることが分かる。
【００５１】
このように、本実施の形態は下記の特徴を有する。
（イ）片持ち梁構造の固定電極２０，２４における固定端側の根元部２２，２６に貫通孔２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂを形成し、根元部２２，２６の幅Ｗ１を固定電極２０，２４の幅Ｗ２よりも狭くした。よって、熱応力等により支持基板５が反る場合にも、固定電極２０，２４の根元部２２，２６の幅が狭められているので、支持基板５の反りが片持ち梁構造の固定電極２０，２４に伝わることが抑制される。これにより、固定電極２０，２４と可動電極１６，１７との位置ズレが防止され、センサ出力の変動を抑制することができる。このようにして、使用環境が変化しても安定したセンサ出力を得ることができる。
（ロ）固定電極は、加速度の印加に伴う可動電極１６，１７の変位を差動的に検出する第１および第２の固定電極２０，２４からなる、いわゆる差動式のセンサとしたので、好ましい。
（ハ）可動電極１６，１７および固定電極２０，２４は、それぞれ櫛歯形状をなし、この櫛歯形状の固定電極２０，２４における根元部の幅Ｗ１を櫛歯形状の固定電極の幅Ｗ２より狭くしたので、好ましい。
（ニ）特に、可動電極用の梁構造体１０のバネ定数をＫｍとし、固定電極用の片持ち梁構造体１１，１２のバネ定数をＫｆとしたとき、
Ｋｆ≧Ｋｍ×１００
を満足させるようにしたので、加速度が加わった時にも固定電極が動かず好ましい。
（ホ）可動電極１６，１７と固定電極２０，２４との間の相対位置の変化を、両電極間の容量変化として検出するようにしたので、容量方式を採用したときにおいて、固定電極用の片持ち梁構造体１１，１２と支持基板５との間には固定電極の配線の寄生容量ＣＰ１，ＣＰ２が形成されるが、本センサにおいては、マスクの位置ズレがあっても、即ち、固定電極用の片持ち梁構造体１１，１２と支持基板５との相対的位置関係がズレた場合でも、そのズレによる寄生容量ＣＰ１，ＣＰ２を低減することができる。その結果、オフセットの改善を図ることができる。
（へ）固定電極の根元部２２，２６の幅Ｗ１を、固定電極２０，２４の幅Ｗ２の１／２以下にしたので、センサ出力の誤差を小さくすることができる。
【００５２】
以下、別例を説明していく。
図２に代わる構成として、図１３（ａ）に示すように、支持基板５に貫通孔８（図２参照）を設けることなく、絶縁膜６に設けた貫通孔９にて可動・固定電極を可動にする。製造の際には、図１３（ｂ）に示すように、ＳＯＩウエハを用意し、図１３（ｃ）に示すように、シリコン薄膜７に対しエッチングによりトレンチ（２３ａ等）を形成し、その後に、図１３（ａ）に示すように、所定領域の絶縁膜６を犠牲層エッチングして貫通孔９を形成する。
【００５３】
あるいは、図１，２に代わる構成として、図１４に示すように、ＳＯＩ基板を用いるのではなく絶縁基板７０の上にシリコン薄膜７１を直接接合し、絶縁基板７０に形成した凹部７２にて可動・固定電極を可動にする。製造の際には、図１５（ａ）に示すように、絶縁基板７０を用意し、所定領域に凹部７２を形成し、図１５（ｂ）に示すように、絶縁基板７０とシリコンウエハ７１を張り合わせる。その後、図１５（ｃ）に示すように、シリコンウエハ７１を研磨して薄膜化する。そして、図１４に示すように、シリコン薄膜７１に対しエッチングによりトレンチ（２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂ等）を形成する。
【００５４】
あるいは、図２に代わる構成として、図１６（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板を用いるのではなく絶縁基板８０の上にシリコン薄膜８１を直接接合し、シリコン薄膜８１に形成した凹部８２にて可動・固定電極を可動にする。製造の際には、図１６（ｂ）に示すように、シリコン基板８１を用意し、所定領域をエッチングして凹部８２を形成する。さらに、図１６（ｃ）に示すように、絶縁基板８０とシリコン基板８１を張り合わせ、その後、シリコン基板８１を研磨して薄膜化する。そして、図１６（ａ）に示すように、シリコン薄膜８１に対しエッチングによりトレンチ（２３ｂ等）を形成する。
【００５５】
また、他の別例として、図１，２では固定電極２０（２４）の根元部２２（２６）において両方の側面に貫通孔２３ａ，２３ｂ（２７ａ，２７ｂ）を設けたが、一方の側面のみ貫通孔を設けてもよい。ただ、望ましい固定電極の根元部の形状は、櫛歯の固定電極の中央部に細長い形状をしていることである。
【００５６】
また、半導体加速度センサの他にも、半導体角速度センサに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態における半導体加速度センサの平面図。
【図２】 図１におけるＡ−Ａ線での縦断面図。
【図３】 半導体加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図４】 半導体加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図５】 センサに形成される容量を説明するための平面図。
【図６】 図５のＢ−Ｂでの断面においてセンサに形成される容量を説明するための断面図。
【図７】 容量変化検出回路の回路構成図。
【図８】 各種の波形図。
【図９】 オフセットを説明するための説明図。
【図１０】 オフセットを説明するための説明図。
【図１１】 誤差の測定結果を示す図。
【図１２】 オフセットの測定結果を示す図。
【図１３】 別例の半導体加速度センサを説明するための図。
【図１４】 別例の半導体加速度センサを説明するための図。
【図１５】 別例の半導体加速度センサを説明するための図。
【図１６】 別例の半導体加速度センサを説明するための図。
【図１７】 従来の半導体加速度センサの平面図。
【図１８】 図１７におけるＤ−Ｄ線での縦断面図。
【図１９】 使用温度の変化による影響を説明するための図。
【図２０】 使用温度の変化による影響を説明するための図。
【符号の説明】
５…支持基板、７…半導体薄膜、１０…可動電極用梁構造体、１１…第１の固定電極用片持ち梁構造体、１２…第２の固定電極用片持ち梁構造体、１５…重り部、１６…可動電極、１７…可動電極、２０…固定電極、２２…根元部、２３ａ，２３ｂ…貫通孔、２４…固定電極、２６…根元部、２７ａ，２７ｂ…貫通孔、Ｗ１…幅、Ｗ２…幅。
【発明の属する技術分野】
この発明は、加速度や角速度等の力学量を検出する半導体力学量センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体加速度センサとして、差動容量式半導体加速度センサが使われている。図１７には、差動容量式半導体加速度センサの構成例を示す。図１８には図１７のＤ−Ｄ線での縦断面図を示す。図１８において、パッケージ用プレート１００の上には接着剤１０１により半導体基板１０２が固着され、半導体基板１０２の上には絶縁膜１０３を介して半導体薄膜１０４が配置されている。半導体基板１０２および絶縁膜１０３には貫通孔１０５，１０６が形成されている。半導体薄膜１０４はパターニングされ、図１７の可動電極用梁構造体１０７と第１の固定電極用片持ち梁構造体１０８と第２の固定電極用片持ち梁構造体１０９が区画形成されている。可動電極用梁構造体１０７はアンカー部１１０と梁部１１１と重り部１１２と櫛歯状の可動電極１１３を備えている。第１の固定電極用片持ち梁構造体１０８は、アンカー部１１４と固定電極１１５を備えている。同様に、第２の固定電極用片持ち梁構造体１０９は、アンカー部１１６と固定電極１１７を備えている。可動電極１１３と固定電極１１５，１１７は対向しており、図１７中Ｘ方向に加速度が加わると、重り部１１２が変位し、可動電極１１３と固定電極１１５，１１７との間の容量の差が変化し、この容量の差の変化を電圧変化として取り出すことで加速度を検出することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、センサの使用温度が変化すると、センサの各部の熱膨張係数の差、すなわち、パッケージ用プレート１００、接着剤１０１、半導体基板１０２、絶縁膜１０３、半導体薄膜１０４の間の熱膨張の差により、半導体基板１０２に反りが発生する。この反りにより図１９，２０で示すように、固定電極１１７（１１５）が変形してしまい、図２０のごとく可動電極１１３との間の間隔ｄが一定値を保つことができなくなる（ｄ１≠ｄ２）。その結果、温度特性が悪化するという問題がある。
【０００４】
そこで、この発明の目的は、使用環境が変化しても安定したセンサ出力を得ることができる半導体力学量センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、熱応力等により支持基板が反る場合にも、片持ち梁構造且つ櫛歯形状の固定電極における根元部の幅が狭められているので、支持基板の反りが片持ち梁構造且つ櫛歯形状の固定電極に伝わることが抑制される。これにより、固定電極と可動電極との位置ズレが防止され、センサ出力の変動を抑制することができる。このようにして、使用環境が変化しても安定したセンサ出力を得ることができるようになる。
【０００６】
請求項４に記載の発明によれば、容量方式を採用したときにおいて、固定電極用の片持ち梁構造体と支持基板との間には固定電極の配線の寄生容量が形成されるが、固定電極用の片持ち梁構造体と支持基板との相対的位置関係がズレた場合におけるズレによる寄生容量を低減することができる。その結果、オフセットの改善を図ることができる。
【０００７】
請求項５に記載のように、片持ち梁構造の固定電極における固定端側の根元部の幅を、固定電極の幅の１／２以下にすると、センサ出力の誤差を小さくできる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した実施の形態を図面に従って説明する。
本実施形態では、差動容量式の半導体加速度センサに具体化している。図１には半導体加速度センサ１の平面図を示すとともに、図２には図１におけるＡ−Ａ線での縦断面を示す。本センサは、梁構造の重り部１５に設けた可動電極１６（１６ａ〜１６ｃ），１７（１７ａ〜１７ｃ）と、片持ち梁構造の固定電極２０（２０ａ〜２０ｃ），２４（２４ａ〜２４ｃ）を有している。
【０００９】
図２に示すように、パッケージ用プレート２の上には接着剤３によりセンサチップ４が固着されている。本例ではセンサチップ４としてＳＯＩ基板を用いており、単結晶シリコン基板よりなる支持基板５の上に、シリコン酸化膜よりなる絶縁膜６を介してセンサエレメント用半導体基板としての半導体薄膜（単結晶シリコン層）７が配置された構造となっている。半導体薄膜７は、支持基板５の上に絶縁膜６を介して単結晶シリコン基板を配置した後に薄膜化したものである。支持基板５と絶縁膜６の積層体は四角板状をなし、中央部には四角形状の貫通孔８，９が形成されている。よって、支持基板５と絶縁膜６の積層体は四角枠状をなしている。
【００１０】
半導体薄膜（シリコン層）７は、所定の形状にパターニングされており、図１のごとく、可動電極用梁構造体１０と第１の固定電極用片持ち梁構造体１１と第２の固定電極用片持ち梁構造体１２が区画形成されている。可動電極用梁構造体１０はアンカー部１３ａ，１３ｂと梁部１４ａ，１４ｂと重り部１５と可動電極１６，１７と電気接続部１８からなる。可動電極１６は櫛歯形状をなし、３つの歯１６ａ，１６ｂ，１６ｃを有する。また、可動電極１７も櫛歯形状をなし、３つの歯１７ａ，１７ｂ，１７ｃを有する。アンカー部１３ａ，１３ｂは四角枠状の支持基板５（絶縁膜６）の上に固定されている。支持基板５および絶縁膜６の貫通孔８，９内において梁部１４ａ，１４ｂと重り部１５と可動電極１６，１７が位置し、アンカー部１３ａ，１３ｂから梁部１４ａ，１４ｂを介して重り部１５が連結支持されている。ここで、梁部１４ａ，１４ｂは、図１中、矢印Ｘ方向の成分を含む加速度を受けたときに重り部１５を当該方向へ変位させると共に、加速度の消失に応じて元の状態に復元させるというバネ機能を備えたものである。
【００１１】
四角形状の重り部１５での両側面からは可動電極１６，１７がＸ方向に直交するＹ方向に延びている。可動電極１６，１７の各歯１６ａ〜１６ｃ，１７ａ〜１７ｃは、断面矩形の棒状に形成されている。また、支持基板５（絶縁膜６）の上においてアンカー部１３ｂから延びる電気接続部１８が位置し、電気接続部１８の上面にはワイヤボンディング用の電極パッド（アルミパッド）１９が形成されている。
【００１２】
第１の固定電極用片持ち梁構造体１１は、第１の固定電極２０を備えている。第１の固定電極２０は櫛歯形状をなし、３つの歯２０ａ，２０ｂ，２０ｃを有する。この固定電極２０の歯２０ａ〜２０ｃは断面矩形の棒状に形成されている。固定電極２０のアンカー部２１は四角枠状の支持基板５（絶縁膜６）の上に固定されている。支持基板５および絶縁膜６の貫通孔８，９内において固定電極２０が位置し、固定電極２０はアンカー部２１から延びる片持ち梁構造となっている。この櫛歯状の固定電極２０（２０ａ〜２０ｃ）は櫛歯状の可動電極１６（１６ａ〜１６ｃ）と一定の間隔をおいて対向配置されている。そして、固定電極２０に対する、加速度の印加による可動電極１６の変位（固定電極〜可動電極間の相対位置の変化）が、両電極間の容量変化として検出されるようになっている。
【００１３】
ここで、片持ち梁構造の固定電極２０における固定端側の根元部２２には貫通孔（スリット）２３ａ，２３ｂ（図２参照）が形成され、根元部２２の幅Ｗ１が櫛歯状の固定電極２０の幅Ｗ２よりも狭くなっている。詳しくは、Ｗ１値はＷ２値の１／２以下になっている。
【００１４】
同様に、第２の固定電極用片持ち梁構造体１２は、第２の固定電極２４を備えている。第２の固定電極２４は櫛歯形状をなし、３つの歯２４ａ，２４ｂ，２４ｃを有する。この固定電極２４の歯２４ａ〜２４ｃは断面矩形の棒状に形成されている。固定電極２４のアンカー部２５は四角枠状の支持基板５（絶縁膜６）の上に固定されている。支持基板５および絶縁膜６の貫通孔８，９内において固定電極２４が位置し、固定電極２４はアンカー部２５から延びる片持ち梁構造となっている。この櫛歯状の固定電極２４（２４ａ〜２４ｃ）は櫛歯状の可動電極１７（１７ａ〜１７ｃ）と一定の間隔をおいて対向配置されている。そして、固定電極２４に対する、加速度の印加による可動電極１７の変位（固定電極〜可動電極間の相対位置の変化）が、両電極間の容量変化として検出されるようになっている。
【００１５】
ここで、片持ち梁構造の固定電極２４における固定端側の根元部２６には貫通孔（スリット）２７ａ，２７ｂが形成され、根元部２６の幅Ｗ１が櫛歯状の固定電極２４の幅Ｗ２よりも狭くなっている。詳しくは、Ｗ１値はＷ２値の１／２以下になっている。
【００１６】
さらに、本例のセンサは、固定電極２０，２４の根元部２２，２６が細すぎると固定電極２０，２４までが外部から印加される力学量（加速度）により変位してしまうこととなるので、可動電極と比較して固定電極が動かないように次の条件を満たしている。
【００１７】
つまり、固定電極２０，２４が加速度により動いてしまうと、センサ出力には誤差として現れる。この誤差を１％以下に抑えたいという要望がある。この点に留意して、固定電極が可動電極に対して動かないということを考えると、固定電極の根元部２２，２６が可動電極の梁部（バネ部）１４ａ，１４ｂに比べてバネとしての機能が無視できる程度であればよい。具体的には、固定電極用片持ち梁構造体１１，１２の根元部２２，２６のバネ定数をＫｆとし、可動電極用梁構造体１０の梁部（バネ部）１４ａ，１４ｂのバネ定数をＫｍとした場合、
Ｋｆ≧Ｋｍ×１００
を満足させている。これにより、検出誤差を１％以下に抑えることができる。
【００１８】
また、支持基板５（絶縁膜６）の上においてアンカー部２１，２５から延びる電気接続部２８，２９が位置し、電気接続部２８，２９の上面にはワイヤボンディング用の電極パッド（アルミパッド）３０，３１が形成されている。
【００１９】
なお、アンカー部１３ａ，１３ｂ、重り部１５、可動および固定電極１６，１７，２０，２４には貫通孔３２が形成され、軽量化が図られている。
次に、半導体加速度センサの製造方法を、図３，４を用いて説明する。図３，４は図１のＡ−Ａ線での断面をとっている。
【００２０】
まず、図３（ａ）に示すように、ＳＯＩウエハ５０を用意する。このＳＯＩウエハ５０にあっては、ベースとなる単結晶シリコンウエハ５１上に、シリコン酸化膜５２を介して単結晶シリコン薄膜５３を設けた構造となっている。なお、単結晶シリコンウエハ５１は、表面の面方位が（１００）または（１１０）に設定されたもので、少なくとも２００μｍ程度の厚さ寸法を備えたものが使用される。また、単結晶シリコン薄膜５３も表面の面方位が（１００）または（１１０）のもので、厚さは１５μｍ程度である。さらに、シリコン酸化膜５２の膜厚は０．５〜３μｍである。なお、単結晶シリコン薄膜５３は、その抵抗率を下げ、且つ前記電極パッド１９，３０，３１との間でオーミックコンタクトをとるために、例えばリンを高濃度に拡散した状態としている。
【００２１】
そして、シリコン薄膜５３の上に電極パッド１９，３０，３１（図１参照）を形成する。詳しくは、単結晶シリコン薄膜５３上の全面にアルミニウムを例えば１μｍ程度の膜厚となるように蒸着した後に、そのアルミニウム膜をフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用してパターニングすることにより、電極パッド１９，３０，３１を形成する。なお、この電極パッド形成工程では、電極パッド１９，３０，３１のオーミックコンタクトを得るための周知の熱処理（シンタ）を必要に応じて行う。
【００２２】
次いで、図３（ｂ）に示すように、マスク形成工程を実行する。この工程では、単結晶シリコンウエハ５１の表面（鏡面加工面）の全面に、シリコン窒化膜を例えはプラズマＣＶＤ法によって０．５μｍ程度の膜厚となるように堆積した後に、そのシリコン窒化膜をフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用してパターニングすることにより、貫通孔８をエッチングによって形成する際のマスク５４を形成する。マスク材は、ＳｉＮの他にも、ＳｉＯ2 やレジスト等を用いてもよい。
【００２３】
このようにして、ウエハ５０の裏面に、可動部の下が空洞となる領域（８）が開口したマスク５４を配置する。更に、単結晶シリコン薄膜５３及び電極パッド１９，３０，３１上にドライエッチ耐性があるレジスト５５を所定パターン（可動・固定電極用構造体に対応した形状）で形成し、ウエハ５０の表面に可動・固定電極用構造体を形成するためのマスクパターンとする。マスク材は、レジストの他にも、ＳｉＯ2 やＳｉＮ等を用いてもよい。
【００２４】
この後、レジスト５５をマスクとしてドライエッチング装置により異方性ドライエッチングを実行することにより、図４（ａ）に示すように、単結晶シリコン薄膜５３に対しシリコン酸化膜５２に達するトレンチを形成する。このトレンチには、貫通孔２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂ，３２を含む。
【００２５】
さらに、単結晶シリコンウエハ５１を、前記マスク５４を使用し、且つ例えばＫＯＨ水溶液を利用して表面（シリコン酸化膜５２と反対側の面）側から、図４（ｂ）に示すように、選択エッチングする。そして、シリコン酸化膜５２が露出した時点でエッチングを停止する。これにより単結晶シリコンウエハ５１に貫通孔８が形成される。
【００２６】
次いで、シリコン酸化膜５２が露出する単結晶シリコンウエハ５１の表面側から、ドライエッチングを施すことによりシリコン酸化膜５２を除去する。これによりシリコン酸化膜５２に貫通孔９が形成される。
【００２７】
このようなエッチング工程の実行により、可動電極用梁構造体１０の重り部１５、梁部１４ａ，１４ｂ、可動電極１６（１６ａ〜１６ｃ），１７（１７ａ〜１７ｃ）が可動になるとともに、固定電極用片持ち梁構造体１１，１２の固定電極２０（２０ａ〜２０ｃ），２４（２４ａ〜２４ｃ）が可動になる。このようにして、可動電極用梁構造体１０および固定電極用片持ち梁構造体１１，１２が区画形成される。
【００２８】
そして、このようなエッチングを行った後に、マスク材を除去し、さらに、ＳＯＩウエハ５０をダイシングして所定のセンサチップ形状に切断する。これにより、センサチップ４が完成する。
【００２９】
その後、図２に示すように、センサチップ４をパッケージ用プレート２の上に接着剤３により固着する。このようして、センサの製造が完了する。
上記のように構成された半導体加速度センサにあっては、図１中の矢印Ｘ方向の成分を含む加速度が印加されると、重り部１５が当該矢印Ｘ方向へ変位するようになり、その加速度に応じた変位量は、重り部１５の質量と梁部１４ａ，１４ｂの復元力、並びに電圧印加状態において可動電極１６，１７と第１及び第２の固定電極２０，２４との間に作用する静電気力によって決定される。この場合、可動電極１６と第１の固定電極２０との間に第１の容量ＣＳ１（図５，６参照）が形成され、また、可動電極１７と第２の固定電極２４との間に第２の容量ＣＳ２（図５，６参照）が形成される。これら第１及び第２の容量ＣＳ１，ＣＳ２は、上記のように重り部１５に加速度が作用したときの可動電極１６，１７の変位に応じて差動的に変化するものである。従って、このような静電容量ＣＳ１，ＣＳ２の変化を、電極パッド１９，３０，３１を通じて電荷量の変化として取り出すことにより加速度を検出できることになる。
【００３０】
なお、上記第１及び第２の容量ＣＳ１，ＣＳ２は、本例の場合、加速度が印加されていない状態で互いに等しくなるように設定されている。つまり、図１において左右に配置された第１と第２の固定電極およびその間に配置された可動電極に関して、左右対称となっており、ＣＳ１＝ＣＳ２となっている。
【００３１】
さらに、図５，６に示すような寄生容量ＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ３が形成される。つまり、第１の固定電極用片持ち梁構造体１１のアンカー部（配線部）２１と支持基板５との間の寄生容量ＣＰ１と、第２の固定電極用片持ち梁構造体１２のアンカー部（配線部）２５と支持基板５との間の寄生容量ＣＰ２と、可動電極用梁構造体１０のアンカー部（配線部）１３ａ，１３ｂと支持基板５との間の寄生容量ＣＰ３が形成される。
【００３２】
図７には、上記のような静電容量の変化を検出するための容量変化検出回路の回路構成を示す。但し、この図７では、半導体加速度センサ１を等価回路で表現している。
【００３３】
第１の固定電極での電極パッド３０には、図８に示すような矩形波より成る第１搬送波信号（周波数；例えば１００ｋＨｚ、電圧レベルは例えば５Ｖ）が印加され、第２の固定電極での電極パッド３１には、上記第１搬送波信号と位相が１８０°異なる矩形波より成る第２搬送波信号（周波数；例えば１００ｋＨｚ、電圧レベルは例えば５Ｖ）が印加されるようになっている。なお、具体的には図示しないが、上記第１及び第２搬送波信号は、同一の発振回路からのクロック信号に同期して形成されるものである。
【００３４】
上記のような各搬送波信号が印加された状態では、可動電極での電極パッド１９の電位レベルは、第１及び第２の容量ＣＳ１，ＣＳ２に応じたレベルになるものであり、その電位レベルをスイッチドキャパシタ回路６０により検出するようにしている。
【００３５】
スイッチドキャパシタ回路６０は、オペアンプ６１、帰還コンデンサ６２及びスイッチ要素６３を図示のように組み合わせて接続されている。上記オペアンプ６１は、反転入力端子に電極パッド１９からの信号（可動電極の電位レベルを示す信号）が入力され、非反転入力端子に２．５ボルト（つまり、第１及び第２の容量ＣＳ１，ＣＳ２が等しい状態時に電極パッド１９に現れる電位レベルに相当）の電圧信号が与えられる構成となっている。また、上記スイッチ要素６３は、前記図示しない発振回路からのクロック信号に同期して生成されるトリガ信号によりオン／オフされるものであり、図８に示すように、第１搬送波信号の立ち下がりタイミング（第２搬送波信号の立ち上りタイミング）で一定時間（第１搬送波信号の１／２周期より短い時間）だけオンするように設定される。
【００３６】
図７に示した容量検出回路は、以下のように動作する。
即ち、第１及び第２の容量ＣＳ１，ＣＳ２が等しい場合、図８のタイミングチャート中のタイミングＴ１においては、第１の固定電極に０ボルト、第２の固定電極に５ボルト、可動電極に２．５ボルトの電圧がそれぞれ印加されることになる。このときには、スイッチ要素６３がオンされるため、スイッチドキャパシタ回路６０からの出力電圧Ｖｏは２．５ボルトになる。
【００３７】
上記タイミングＴ１から所定時間が経過したタイミングＴ２において、スイッチ要素６３がオフされたときには、各固定電極に対する印加電圧は変化しないので、出力電圧Ｖｏも２．５ボルトのままである。
【００３８】
ここで、出力電圧Ｖｏのレベルは、第１及び第２の容量ＣＳ１，ＣＳ２の差動的な変化量、つまり、重り部１５に作用する加速度の大きさに応じて変化することになるから、その出力電圧Ｖｏを利用して加速度の大きさを検出できる。
【００３９】
つまり、可動電極と固定電極間容量ＣＳ１，ＣＳ２および寄生容量ＣＰ１〜ＣＰ３に関して、加速度が加わった時のセンサの出力は、可動電極と固定電極の間隔が変化し、その間の容量変化（ＣＳ１−ＣＳ２）が生じることで、発生する。詳しくは、センサ出力電圧Ｖｏは、
Ｖｏ＝｛（ＣＳ１−ＣＳ２）＋（ＣＰ１−ＣＰ２）・ＣＰ３｝・Ｖ／Ｃｆ
となる。ただし、Ｖは第１と第２の固定電極の間の電圧差、Ｃｆはスイッチドキャパシタ回路の帰還容量である。
【００４０】
また、このセンサにおいて雰囲気温度が変化するとセンサチップ４の支持基板５に反りが発生し、固定電極の変形を招く。
具体的数値を挙げて説明すると、本センサの使用温度は、−４０℃〜１４０℃である。また、センサの熱膨張係数の値は、支持基板５及び薄膜７を構成するシリコンが２．５ｐｐｍ／℃、Ｅ＝１７３００Ｋｇｆ／ｍｍ2 であり、絶縁膜６を構成するシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）が２．５ｐｐｍ／℃、Ｅ＝６６００Ｋｇｆ／ｍｍ2 、接着剤３を構成するシリコーン系樹脂材が１００〜３００ｐｐｍ／℃、Ｅ＝２５０Ｋｇｆ／ｍｍ2 であり、パッケージ用プレート２を構成するセラミックス材料が７．７ｐｐｍ／℃、Ｅ＝３１６００Ｋｇｆ／ｍｍ2 である。温度変化量は熱膨張係数とヤング率Ｅの積に比例する。
【００４１】
そして、室温から低温に温度変化する場合、パッケージ用プレート２が縮むと、パッケージ用プレート２の変化量が接着剤３の変化量より大きく、接着剤３の変化量がシリコン材料およびシリコン酸化膜の変形量より大きいので、センサチップ４の支持基板５が撓む（図２０参照）。この支持基板５の撓みに伴い固定電極２０，２４が変形しようとする。なお、可動電極１６，１７は、梁部１４ａ，１４ｂにより変形が抑えられる。
【００４２】
ここで、従来のセンサ（図１７，１８）に比べ、本実施形態においては、四角枠状の支持基板５から突き出た固定電極の根元部２２，２６において貫通孔２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂが形成されており、これにより固定電極の根元部２２，２６を細くして熱膨張係数の差による支持基板５からの歪み（熱応力）が固定電極２０，２４に伝わりにくく、固定電極２０，２４が変形しにくい構造となっている。
【００４３】
また、第１の固定電極２０と支持基板５の間の寄生容量ＣＰ１と、第２の固定電極２４と支持基板５の間の寄生容量ＣＰ２との関係において、第１と第２の固定電極を上面から見た面積は、同じであり、裏面形状の位置がチップ左右対称ならば、ＣＰ１＝ＣＰ２となるが、加工バラツキにより、裏面形状の位置がチップ左右にズレた場合、ＣＰ１とＣＰ２は異なり、オフセットが発生する。
【００４４】
このオフセットについて詳しく説明する。加工バラツキにより、図３（ｂ）の表側のマスクパターン（５５）と裏面側のマスクパターン（５４）の位置がズレた場合を考える。図９（ａ）に示す従来の固定電極の構造の場合においては図９（ｂ）に示す正規の位置に貫通孔１０５，１０６および固定電極用片持ち梁構造体１０８，１０９が配置されている場合に比べ図９（ｃ）に示すように所定量δだけズレた場合にはズレによる対向面積ΔＳ１は電極幅ａ１とズレ量δの積（＝ａ１・δ）となる。これに対し、図１０（ａ）に示す本実施形態の固定電極の構造の場合においては図１０（ｂ）に示す正規の位置に貫通孔８，９および固定電極用片持ち梁構造体１１，１２が配置されている場合に比べ図１０（ｃ）に示すように所定量δだけズレた場合にはズレによる対向面積ΔＳ２は幅ａ２とズレ量δの積（＝ａ２・δ）となる。ここで、従来の構造での幅ａ１に比べ本実施形態の構造での幅ａ２は小さくなっており、ズレによる対向面積は小さくなる（ａ２・δ＜ａ１・δ）。この対向面積が小さくなれば、ズレによる容量（Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ）も小さくなる。その結果、２つの寄生容量の差（＝ＣＰ１−ＣＰ２）も小さくなる。
【００４５】
このように本例のセンサは、固定電極の根元部２２，２６の面積が小さくなったため、寄生容量の差（＝ＣＰ１−ＣＰ２）が小さくなる。よって、センサ出力Ｖｏ＝｛（ＣＳ１−ＣＳ２）＋（ＣＰ１−ＣＰ２）・ＣＰ３｝・Ｖ／Ｃｆであるから、裏面加工のバラツキが生じても、固定電極の配線の寄生容量（ＣＰ１−ＣＰ２）・ＣＰ３が小さく、故に、オフセットの改善が図られる。
【００４６】
このように、ズレによる対向面積が、裏面形状のズレた時の容量差（＝ＣＰ１−ＣＰ２）に比例するので、幅Ｗを狭くするための貫通孔２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂが有ると、裏面形状がズレた時の容量差（＝ＣＰ１−ＣＰ２）が小さくなり、オフセットが出にくい。
【００４７】
次に、貫通孔（スリット）２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂの寸法に関して説明する。
図１１にはスリット幅を変化させたときのセンサ出力の誤差の測定結果を示す。ここで、縦軸の誤差とは、加速度が加わっていない状態における室温でのセンサ出力Ｖ１と測定温度でのセンサ出力Ｖ２とのズレ量ΔＶ、つまり、
誤差ΔＶ＝｛（Ｖ２−Ｖ１）／Ｖ１｝×１００
である。
【００４８】
この図１１から、スリット幅が２００μｍより大きくなると、即ち、全スリット幅を固定電極幅の１／２以上とすると（図１のＷ１値をＷ２値の１／２以下にすると）、センサ出力の誤差（オフセット誤差）が小さくなることが分かる。また、図１１中の誤差を１％以下にしたい要求がある場合において、スリット幅を２６０μｍより大きくすると、即ち、図１のＷ１値をＷ２値の０．３５以下にすると、よいことが分かる。
【００４９】
図１２には所定温度におけるスリット幅を変化させたときのオフセット誤差の測定結果を示す。ここで、縦軸のオフセット誤差とは、加速度が加わっていないときのセンサ出力で室温からのズレを示している。
【００５０】
この図１２から、スリット幅が約２００μｍより大きくなると、即ち、全スリット幅を固定電極幅の約１／２以上とすると、オフセットズレが小さくなることが分かる。
【００５１】
このように、本実施の形態は下記の特徴を有する。
（イ）片持ち梁構造の固定電極２０，２４における固定端側の根元部２２，２６に貫通孔２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂを形成し、根元部２２，２６の幅Ｗ１を固定電極２０，２４の幅Ｗ２よりも狭くした。よって、熱応力等により支持基板５が反る場合にも、固定電極２０，２４の根元部２２，２６の幅が狭められているので、支持基板５の反りが片持ち梁構造の固定電極２０，２４に伝わることが抑制される。これにより、固定電極２０，２４と可動電極１６，１７との位置ズレが防止され、センサ出力の変動を抑制することができる。このようにして、使用環境が変化しても安定したセンサ出力を得ることができる。
（ロ）固定電極は、加速度の印加に伴う可動電極１６，１７の変位を差動的に検出する第１および第２の固定電極２０，２４からなる、いわゆる差動式のセンサとしたので、好ましい。
（ハ）可動電極１６，１７および固定電極２０，２４は、それぞれ櫛歯形状をなし、この櫛歯形状の固定電極２０，２４における根元部の幅Ｗ１を櫛歯形状の固定電極の幅Ｗ２より狭くしたので、好ましい。
（ニ）特に、可動電極用の梁構造体１０のバネ定数をＫｍとし、固定電極用の片持ち梁構造体１１，１２のバネ定数をＫｆとしたとき、
Ｋｆ≧Ｋｍ×１００
を満足させるようにしたので、加速度が加わった時にも固定電極が動かず好ましい。
（ホ）可動電極１６，１７と固定電極２０，２４との間の相対位置の変化を、両電極間の容量変化として検出するようにしたので、容量方式を採用したときにおいて、固定電極用の片持ち梁構造体１１，１２と支持基板５との間には固定電極の配線の寄生容量ＣＰ１，ＣＰ２が形成されるが、本センサにおいては、マスクの位置ズレがあっても、即ち、固定電極用の片持ち梁構造体１１，１２と支持基板５との相対的位置関係がズレた場合でも、そのズレによる寄生容量ＣＰ１，ＣＰ２を低減することができる。その結果、オフセットの改善を図ることができる。
（へ）固定電極の根元部２２，２６の幅Ｗ１を、固定電極２０，２４の幅Ｗ２の１／２以下にしたので、センサ出力の誤差を小さくすることができる。
【００５２】
以下、別例を説明していく。
図２に代わる構成として、図１３（ａ）に示すように、支持基板５に貫通孔８（図２参照）を設けることなく、絶縁膜６に設けた貫通孔９にて可動・固定電極を可動にする。製造の際には、図１３（ｂ）に示すように、ＳＯＩウエハを用意し、図１３（ｃ）に示すように、シリコン薄膜７に対しエッチングによりトレンチ（２３ａ等）を形成し、その後に、図１３（ａ）に示すように、所定領域の絶縁膜６を犠牲層エッチングして貫通孔９を形成する。
【００５３】
あるいは、図１，２に代わる構成として、図１４に示すように、ＳＯＩ基板を用いるのではなく絶縁基板７０の上にシリコン薄膜７１を直接接合し、絶縁基板７０に形成した凹部７２にて可動・固定電極を可動にする。製造の際には、図１５（ａ）に示すように、絶縁基板７０を用意し、所定領域に凹部７２を形成し、図１５（ｂ）に示すように、絶縁基板７０とシリコンウエハ７１を張り合わせる。その後、図１５（ｃ）に示すように、シリコンウエハ７１を研磨して薄膜化する。そして、図１４に示すように、シリコン薄膜７１に対しエッチングによりトレンチ（２３ａ，２３ｂ，２７ａ，２７ｂ等）を形成する。
【００５４】
あるいは、図２に代わる構成として、図１６（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板を用いるのではなく絶縁基板８０の上にシリコン薄膜８１を直接接合し、シリコン薄膜８１に形成した凹部８２にて可動・固定電極を可動にする。製造の際には、図１６（ｂ）に示すように、シリコン基板８１を用意し、所定領域をエッチングして凹部８２を形成する。さらに、図１６（ｃ）に示すように、絶縁基板８０とシリコン基板８１を張り合わせ、その後、シリコン基板８１を研磨して薄膜化する。そして、図１６（ａ）に示すように、シリコン薄膜８１に対しエッチングによりトレンチ（２３ｂ等）を形成する。
【００５５】
また、他の別例として、図１，２では固定電極２０（２４）の根元部２２（２６）において両方の側面に貫通孔２３ａ，２３ｂ（２７ａ，２７ｂ）を設けたが、一方の側面のみ貫通孔を設けてもよい。ただ、望ましい固定電極の根元部の形状は、櫛歯の固定電極の中央部に細長い形状をしていることである。
【００５６】
また、半導体加速度センサの他にも、半導体角速度センサに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態における半導体加速度センサの平面図。
【図２】 図１におけるＡ−Ａ線での縦断面図。
【図３】 半導体加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図４】 半導体加速度センサの製造工程を説明するための断面図。
【図５】 センサに形成される容量を説明するための平面図。
【図６】 図５のＢ−Ｂでの断面においてセンサに形成される容量を説明するための断面図。
【図７】 容量変化検出回路の回路構成図。
【図８】 各種の波形図。
【図９】 オフセットを説明するための説明図。
【図１０】 オフセットを説明するための説明図。
【図１１】 誤差の測定結果を示す図。
【図１２】 オフセットの測定結果を示す図。
【図１３】 別例の半導体加速度センサを説明するための図。
【図１４】 別例の半導体加速度センサを説明するための図。
【図１５】 別例の半導体加速度センサを説明するための図。
【図１６】 別例の半導体加速度センサを説明するための図。
【図１７】 従来の半導体加速度センサの平面図。
【図１８】 図１７におけるＤ−Ｄ線での縦断面図。
【図１９】 使用温度の変化による影響を説明するための図。
【図２０】 使用温度の変化による影響を説明するための図。
【符号の説明】
５…支持基板、７…半導体薄膜、１０…可動電極用梁構造体、１１…第１の固定電極用片持ち梁構造体、１２…第２の固定電極用片持ち梁構造体、１５…重り部、１６…可動電極、１７…可動電極、２０…固定電極、２２…根元部、２３ａ，２３ｂ…貫通孔、２４…固定電極、２６…根元部、２７ａ，２７ｂ…貫通孔、Ｗ１…幅、Ｗ２…幅。
Claims (5)
- 支持基板の上にセンサエレメント用半導体基板が配置され、センサエレメント用半導体基板にて重り部と可動電極を有する梁構造体および固定電極を有する片持ち梁構造体が区画形成され、梁構造の前記重り部に設けた可動電極と片持ち梁構造の固定電極が対向配置され、固定電極に対する力学量の印加による可動電極の変位を検出するようにした半導体力学量センサにおいて、
前記可動電極および固定電極は、それぞれ櫛歯形状をなし、片持ち梁構造の、この櫛歯形状の固定電極における固定端側の根元部の幅を櫛歯形状の固定電極の幅よりも狭くしたことを特徴とする半導体力学量センサ。 - 前記固定電極は、力学量の印加に伴う可動電極の変位を差動的に検出する第１および第２の固定電極からなるものである請求項１に記載の半導体力学量センサ。
- 前記可動電極用の梁構造体のバネ定数をＫｍとし、前記固定電極用の片持ち梁構造体のバネ定数をＫｆとしたとき、
Ｋｆ≧Ｋｍ×１００
を満足させるようにした請求項１または２に記載の半導体力学量センサ。 - 前記可動電極と固定電極との間の相対位置の変化を、両電極間の容量変化として検出するようにした請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体力学量センサ。
- 前記固定電極における固定端側の根元部の幅を、固定電極の幅の１／２以下にした請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体力学量センサ。
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