JPH11201984A - 半導体力学量センサ及びその製造方法 - Google Patents

半導体力学量センサ及びその製造方法

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JPH11201984A
JPH11201984A JP500898A JP500898A JPH11201984A JP H11201984 A JPH11201984 A JP H11201984A JP 500898 A JP500898 A JP 500898A JP 500898 A JP500898 A JP 500898A JP H11201984 A JPH11201984 A JP H11201984A
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thin film
sacrificial layer
signal extraction
fixed electrode
forming
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JP500898A
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Mineichi Sakai
峰一 酒井
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Denso Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 信号取出のための配線膜部分での寄生容量を
大幅に低減できて検出信頼性の向上を実現すること、並
びにこのような効果を奏する半導体力学量センサを確実
且つ容易に製造できるようにすること。 【解決手段】 第1の信号取出部14は、第1の固定電
極10の基端部に対してエアブリッジ構造の配線膜15
により接続される。第2の信号取出部16は、第2の固
定電極12の基端部に対して同じくエアブリッジ構造の
配線膜15により接続される。各配線膜15は、N型ポ
リシリコンのみより成るもので、犠牲層エッチング手段
を用いて製造されることにより、その途中部分が空中に
完全に浮いた状態とされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、力学量の作用に応
じた梁構造体の変位をセンサ出力として取り出すように
した容量式の半導体力学量センサ及びその製造方法に関
する。
【0002】
【発明が解決しようとする課題】例えば特開平7−33
3078号公報には、シリコン基板より成る支持基板上
に絶縁分離膜及びアンカー部を介して支持されたシリコ
ン材料製の梁構造体と、この梁構造体と一体に設けられ
た可動電極と、上記支持基板上に絶縁分離膜を介して支
持されたシリコン材料製の固定電極とを備えた容量式の
半導体加速度センサが記載されている。
【0003】しかしながら、このものでは、固定電極か
ら信号を取り出すための配線パターンが、誘電体より成
る表面分離膜上に形成された構成となっているため、そ
の配線パターンについての寄生容量が比較的大きくなる
という事情がある。つまり、上記公報の例において、表
面分離膜が最も一般的なシリコン酸化膜(Si O2 )に
より形成されていると考えた場合、寄生容量の比誘電率
が3.8程度になるため、その寄生容量を無視すること
ができず、これが加速度検出精度の低下に繋がるという
問題点があった。
【0004】このような寄生容量の低減を図るために、
従来では、例えば特開平5−304303号公報に見ら
れるように、エアブリッジ配線構造を採用するという手
段も考えられている。しかしなながら、このものでは、
エアブリッジ構造を採用した配線部(アルミニウム或い
はポリシリコン)が絶縁物(シリコン酸化膜)により覆
われた構造となっているため、その配線部での寄生容量
の比誘電率が3.8程度存在することになり、その寄生
容量を前述同様に無視できなくなるという問題点があ
る。
【0005】本発明は上記のような事情に鑑みてなされ
たものであり、第1の目的は、信号取出のための配線膜
部分での寄生容量を大幅に低減できて検出信頼性の向上
を実現できるようになる半導体力学量センサを提供する
ことにあり、第2の目的は、斯様な効果を奏する半導体
力学量センサを確実且つ容易に製造できる半導体力学量
センサの製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記第1の目的を達成す
るために、請求項1に記載した手段を採用できる。この
手段によれば、固定電極と信号取出部との間を、多結晶
半導体材料のみより成るエアブリッジ構造の配線膜によ
り接続する構成となっているから、その配線膜での寄生
容量の比誘電率は1になる。この結果、配線膜部分での
寄生容量を、従来に比べて大幅に低減できることにな
り、力学量の検出信頼性を向上させ得るようになる。
【0007】前記第2の目的を達成するために、請求項
3に記載した製造方法を採用できる。この製造方法によ
れば、補助犠牲層形成工程で形成した所定膜厚の補助犠
牲層用薄膜に対して、コンタクトホール形成工程におい
て、最終的に固定電極及び信号取出部となる各部分まで
達するコンタクトホールを形成した後に、配線膜形成工
程において、補助犠牲層用薄膜上に上記コンタクトホー
ルを埋めた状態の多結晶半導体薄膜を所定形状となるよ
うに形成し、さらに、補助犠牲層エッチング工程におい
て、上記補助犠牲層用薄膜をエッチングすることによ
り、前記固定電極及び信号取出部間を接続した状態のエ
アブリッジ構造の配線膜を形成することになる。
【0008】このように形成された配線膜は、多結晶半
導体材料のみより成るエアブリッジ構造となるから、そ
の配線膜部分での寄生容量を大幅に低減できることにな
り、しかも、斯様な配線膜の形成のために、補助犠牲層
形成工程、コンタクトホール形成工程、配線膜形成工程
及び補助犠牲用エッチング工程を順次行うだけで良いか
ら、半導体力学量センサの製造を確実且つ容易に行い得
るようになる。
【0009】この場合、請求項4記載の製造方法のよう
に、前記梁構造体、固定電極及び信号取出部をそれぞれ
支持するためのアンカー部を前記犠牲層用薄膜を利用し
て形成するなどの構成とすれば、それらアンカー部を形
成するための工程を簡略化できるようになって、前記半
導体力学量センサを一段と容易に製造できるようにな
る。
【0010】また、請求項7記載の製造方法のように、
前記補助犠牲層用薄膜及び犠牲層用薄膜のエッチングを
同一のエッチング工程で行うなどの構成とすれば、必要
となる工程数が減ることになるから、さらに容易に製造
できるようになる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明を半導体加速度セン
サに適用した一実施例について図面を参照しながら説明
する。図1及び図2には、半導体力学量センサとしての
半導体加速度センサ1の要部の外観及び全体の平面構造
が示されている(但し、図2中のハッチングは断面を示
すものではなく、各構造要素の区別を容易にするための
ものである)。
【0012】これら図1及び図2において、単結晶シリ
コンより成る矩形状の支持基板2の上面には、例えばN
型単結晶シリコン(半導体材料)より成る梁構造体3が
配置されている。この梁構造体3は、支持基板2に対し
合計4個のアンカー部4a〜4dにより支持され、以て
支持基板2との間に所定ギャップを存するように設けら
れている。この場合、上記アンカー部4a〜4dは、例
えばシリコン酸化膜より成るもので、これにより梁構造
体3は、支持基板2と電気的に絶縁された状態とされて
いる。
【0013】梁構造体3にあっては、互いに平行した2
本の梁部5及び6をアンカー部4a・4b間及びアンカ
ー部4c・4d間に架設した形態となっており、それら
梁部5及び6の各中央部間には、矩形状をなすマス部7
が当該梁部5及び6と直交する形態で一体的に設けられ
ている。また、マス部7の両側面からは、例えば2個ず
つの可動電極8a及び8bが梁部5及び6と平行した方
向へ一体に突出形成されている。尚、これら可動電極8
a及び8bは、断面矩形の棒状に形成されている。
【0014】支持基板2上には、一端側がアンカー部9
a及び10aにより支持された状態の2個ずつの第1の
固定電極9及び10が、それぞれ可動電極8a及び8b
の一方の側面と所定間隔を存して平行した状態で配置さ
れていると共に、同じく一端側がアンカー部11a及び
12aにより支持された状態の2個ずつの第2の固定電
極11及び12が、それぞれ可動電極8a及び8bの他
方の側面と所定間隔を存して平行した状態で配置されて
いる。尚、これらの第1の固定電極9、10及び第2の
固定電極11、12は、N型単結晶シリコンにより断面
矩形の棒状に形成されている。また、上記アンカー部9
a〜12aは、例えばシリコン酸化膜より成るもので、
これにより各固定電極9〜12は、支持基板2と電気的
に絶縁された状態とされている。
【0015】支持基板2上に複数のアンカー部13aに
より支持された状態で設けられた共通信号取出部13
は、N型単結晶シリコンより成るもので、一端が梁構造
体3に対しアンカー部4b部分で一体に連結されてい
る。また、この共通信号取出部13は、その他端側に形
成された矩形状端子部13bが支持基板2の縁部に位置
されており、この端子部13b上にボンディングパッド
13cが形成されている。支持基板2上に複数のアンカ
ー部14aにより支持された状態で設けられた第1の信
号取出部14は、N型単結晶シリコンより成るもので、
前記第1の固定電極9、10の各基端部に対してエアブ
リッジ構造の配線膜15により接続されるコ字形状の配
線パターン部14bと、支持基板2の縁部に位置された
矩形状の端子部14cとを備え、それら配線パターン部
14b及び端子部14c間をエアブリッジ構造の配線膜
15により電気的に接続した構造となっている。この場
合、上記端子部14c上にボンディングパッド14dが
形成されている。
【0016】支持基板2上に複数のアンカー部16aに
より支持された状態で設けられた第2の信号取出部16
は、N型単結晶シリコンより成るもので、前記第2の固
定電極11の基端部に対してエアブリッジ構造の配線膜
15により接続される直線形状の配線パターン部16b
と、前記第2の固定電極12の基端部に対してエアブリ
ッジ構造の配線膜15により接続されるL字形状の配線
パターン部16cと、この配線パターン部16cと接続
された状態にて支持基板2の縁部に位置された矩形状の
端子部16dとを備え、上記配線パターン部16b及び
16c間をエアブリッジ構造の配線膜15により電気的
に接続した構造となっている。この場合、上記端子部1
6d上にボンディングパッド16eが形成されている。
【0017】この場合、第1の信号取出部14におい
て、配線パターン部14b及び第1の固定電極9間を接
続する配線膜15は、第2の信号取出部16の配線パタ
ーン部16bを跨いだ状態とされ、配線パターン部14
b及び端子部14c間を接続する配線膜15は、第2の
信号取出部16の配線パターン部16cを跨いだ状態と
される。また、第2の信号取出部16において、配線パ
ターン部16c及び第2の固定電極12間を接続する配
線膜15、並びに配線パターン部16b及び16c間を
接続する配線膜15は、それぞれ第1の信号取出部14
の配線パターン部14bを跨いだ状態とされる。
【0018】尚、上記アンカー部13a、14a及び1
6aは、例えばシリコン酸化膜より成るもので、これに
より共通信号取出部13、第1の信号取出部14及び第
2の信号取出部16は、支持基板2と電気的に絶縁され
た状態とされている。
【0019】上記各配線膜15は、例えばN型の不純物
が導入されたポリシリコン(多結晶半導体材料)のみよ
り成るもので、図1に示すように、その途中部分が空中
に完全に浮いた状態とされている。
【0020】上記のように構成された半導体加速度セン
サ1においては、梁構造体3の可動電極8a及び8bと
第1の固定電極9及び10との間に第1のコンデンサが
形成される。また、上記可動電極8a及び8bと第2の
固定電極11及び12との間に第2のコンデンサが形成
される。これら第1及び第2のコンデンサの各静電容量
は、梁構造体3に加速度が作用したときの可動電極8a
及び8bの変位に応じて差動的に変化するものであり、
斯様な静電容量の変化をボンディングパッド部13c、
14d及び16eを通じて取り出すことによって加速度
を検出できることになる。
【0021】図3には上記のような半導体加速度センサ
1の製造工程例が示されており、以下これについて説明
する。尚、図3は半導体加速度センサ1の断面構造の要
部を摸式的に示したものである。
【0022】まず、図3(a)に示すようなSOI基板
17を用意する。このSOI基板17のベースとなる単
結晶シリコン基板17aが前記支持基板2となるもので
あり、また、絶縁分離膜として設けられたシリコン酸化
膜17bが本発明でいう犠牲層用薄膜として機能するも
のである。さらに、シリコン酸化膜17b上に形成され
たN型のSOIシリコン17c(本発明でいう半導体薄
膜に相当)が、前記梁構造体3や第1の固定電極9、1
0及び第2の固定電極11、12などの材料となるもの
である。尚、SOIシリコン17cの膜厚は例えば5〜
20μm程度に設定される。また、単結晶シリコン基板
17aの伝導型は、P型及びN型のどちらでも良い。
【0023】次に、図3(b)に示すようなパターン構
造形成工程を実行する。この工程では、SOIシリコン
17cにおける梁構造体3などのための絶縁分離領域
に、例えばドライエッチングを施すことによってシリコ
ン酸化膜17bまで達するトレンチ18を形成し、以て
梁構造体3、第1の固定電極9、10及び第2の固定電
極11、12、共通信号取出部13、第1の信号取出部
14、第2の信号取出部16(いずれも図2参照)のた
めのパターン構造19を形成する。尚、上記トレンチ1
8の幅は、0.5〜6μm程度に設定される。
【0024】次に、図3(c)に示す補助犠牲層形成工
程を実行する。この工程では、SOIシリコン17c上
に所定膜厚(数μm程度)のシリコン酸化膜20を補助
犠牲層薄膜として形成するものであり、これに応じてト
レンチ18を埋め戻した状態とする。
【0025】次に、図3(d)に示すコンタクトホール
形成工程を実行する。この工程では、前記シリコン酸化
膜20に対しエッチング処理を施すことにより、前記パ
ターン構造19における前記複数の配線膜15の基部形
成部分(第1及び第2の固定電極9、10及び11、1
2、共通信号取出部13、第1の信号取出部14、第2
の信号取出部16に相当する各部分)まで達するコンタ
クトホール21を形成する。
【0026】次に、図3(e)に示す配線膜形成工程を
実行する。この工程では、シリコン酸化膜20上に、例
えば、ポリシリコン材料を前記コンタクトホール21を
埋めた状態で所定の膜厚(数μm程度)まで堆積した後
に、当該堆積膜をパターニングすることによって、前記
配線膜15に対応した形状のポリシリコン薄膜22(本
発明でいう多結晶半導体薄膜に相当)を形成する。尚、
このポリシリコン薄膜22に対するN型不純物の導入
は、例えば上記ポリシリコン堆積膜の形成時において同
時に行うことができる。
【0027】次に、図3(f)に示すエッチング工程
(本発明でいう補助犠牲層エッチング工程及び犠牲層エ
ッチング工程を兼用)を実行する。この工程では、例え
ばフッ酸系のエッチング液を使用したエッチングによ
り、前記シリコン酸化膜20の全部を除去して前記エア
ブリッジ構造の配線膜15を形成すると共に、前記シリ
コン酸化膜17aを前記アンカー部4a〜4b、9a〜
12a、13a、14a、16aを残して除去すること
によって、それらアンカー部4a〜4b、9a〜12
a、13a、14a、16aにより支持された状態の前
記梁構造体3、第1の固定電極9及び10、第2の固定
電極11及び12、共通信号取出部13、第1の信号取
出部14、第2の信号取出部16を形成する。これによ
り、図1及び図2に示した半導体加速度センサ1の基本
構造が完成する。
【0028】上記のように製造される半導体加速度セン
サ1にあっては、第1の固定電極9、10と第1の信号
取出部14との間並びに第2の固定電極11、12と第
2の信号取出部16との間を、エアブリッジ構造の配線
膜15によりそれぞれ接続する構成となっているから、
各配線膜15での寄生容量を抑制できるものである。し
かも、上記配線膜15は、ポリシリコンのみより成るも
のであるから寄生容量の比誘電率は1になり、従って、
当該配線膜15部分での寄生容量を従来構成に比べて大
幅に低減できることになり、結果的に力学量の検出信頼
性を向上させ得るようになる。
【0029】また、上記のようなエアブリッジ構造の配
線膜15を形成するために、補助犠牲層形成工程、コン
タクトホール形成工程、配線膜形成工程及び補助犠牲用
エッチング工程を順次行うだけで良いから、半導体力学
量センサ1の製造を確実且つ容易に行い得るようにな
る。
【0030】この場合、梁構造体3、第1の固定電極9
及び10、第2の固定電極11及び12、共通信号取出
部13、第1の信号取出部14、第2の信号取出部16
をそれぞれ支持するためのアンカー部4a〜4b、9a
〜12a、13a、14a、16aを、SOI基板17
のシリコン酸化膜17bを利用して形成する構成となっ
ているから、それらアンカー部4a〜4b、9a〜12
a、13a、14a、16aを形成するための工程を簡
略化できるようになって、半導体力学量センサ1を一段
と容易に製造できるようになる。
【0031】しかも、補助犠牲層用薄膜及び犠牲層用薄
膜を同一の材料(シリコン酸化膜17b及び20)によ
り形成すると共に、それらのエッチングを同一のエッチ
ング工程で行う構成としたから、必要となる工程数が減
ることになって、さらに容易に製造できるようになる。
【0032】尚、本発明は上記した実施例に限定される
ものではなく、次のような変形または拡張が可能であ
る。支持基板2の材料としては、SOI基板17のベー
スである単結晶シリコン基板17aに限らず、他の半導
体基板或いは絶縁性を有するセラミック基板やガラス基
板などを用いることができる。この場合、支持基板の材
料そのものが絶縁性を有するものであれば、SOI構造
を採用する必要がなくなる。
【0033】アンカー部4a〜4b、9a〜12a、1
3a、14a、16aを、SOI基板17のシリコン酸
化膜17aにより形成する構成としたが、別途に成膜し
た材料によりアンカー部を形成する構成としても良く、
例えば、ポリシリコン薄膜により形成する場合には、ア
ンカー部を利用した内部配線パターン構造を採用するこ
とができるようになる。また、SOI基板17のシリコ
ン酸化膜17bを犠牲層用薄膜としても兼用する構成と
したが、別途に犠牲層用薄膜を成膜する構成も可能であ
る。半導体加速度センサに限らず、ヨーレートセンサや
角速度センサなどような他の半導体力学量センサにも応
用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例で適用した半導体加速度セン
サの要部の斜視図
【図2】半導体加速度センサの平面図
【図3】半導体加速度センサの製造工程を示す摸式的断
面図
【符号の説明】
1は半導体加速度センサ(半導体力学量センサ)、2は
支持基板、3は梁構造体、4a〜4dはアンカー部、
5、6は梁部、7はマス部、8a、8bは可動電極、
9、10は第1の固定電極、11、12は第2の固定電
極、9a〜12aはアンカー部、13は共通信号取出
部、13aはアンカー部、14は第1の信号取出部、1
4aはアンカー部、15は配線膜、16は第2の信号取
出部、16aはアンカー部、17はSOI基板、17a
は単結晶シリコン基板、17bはシリコン酸化膜(犠牲
層用薄膜)、17cはSOIシリコン(半導体薄膜)、
18はトレンチ、19はパターン構造、20はシリコン
酸化膜(補助犠牲層用薄膜)、21はコンタクトホー
ル、22はポリシリコン薄膜(多結晶半導体薄膜)を示
す。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 支持基板と、 この支持基板上に当該支持基板と電気的に絶縁された状
    態で支持され、力学量の作用に応じて変位する半導体材
    料製の梁構造体と、 この梁構造体と一体に設けられた可動電極と、 前記支持基板上に当該支持基板と電気的に絶縁された状
    態で支持された半導体材料製の固定電極とを備え、 前記梁構造体の変位に伴う前記可動電極及び固定電極間
    の静電容量の変化に基づいて当該梁構造体に作用する力
    学量を検出するように構成された半導体力学量センサに
    おいて、 前記支持基板上に当該支持基板と電気的に絶縁された状
    態で設けられた信号取出部を有し、この信号取出部と前
    記固定電極との間を、多結晶半導体材料のみより成るエ
    アブリッジ構造の配線膜により接続したことを特徴とす
    る半導体力学量センサ。
  2. 【請求項2】 複数個の可動電極と、 各可動電極に両側から近接対向するように設けられた複
    数個ずつの第1の固定電極及び第2の固定電極と、 前記支持基板上に当該支持基板と電気的に絶縁された状
    態で設けられた第1の信号取出部及び第2の信号取出部
    とを備え、 前記配線膜は、前記第1の固定電極と第1の信号取出部
    との間、並びに前記第2の固定電極と第2の信号取出部
    との間をそれぞれ接続するように設けられることを特徴
    とする請求項1記載の半導体力学量センサ。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の半導体力学量センサを製
    造するための方法において、 支持基板上に犠牲層用薄膜を介して設けられた半導体薄
    膜にトレンチを形成することにより、可動電極を一体に
    有した梁構造体、固定電極及び信号取出部のためのパタ
    ーン構造を形成するパターン構造形成工程と、 前記半導体薄膜上に所定膜厚の補助犠牲層用薄膜を形成
    する補助犠牲層形成工程と、 前記補助犠牲層用薄膜に対し、前記パターン構造におけ
    る固定電極及び信号取出部に相当する各部分まで達する
    コンタクトホールを形成するコンタクトホール形成工程
    と、 前記補助犠牲層用薄膜上に前記コンタクトホールを埋め
    た状態の多結晶半導体薄膜を所定形状となるように形成
    する配線膜形成工程と、 前記補助犠牲層用薄膜をエッチングすることにより、前
    記固定電極及び信号取出部間を接続した状態のエアブリ
    ッジ構造の配線膜を形成する補助犠牲層エッチング工程
    と、 前記犠牲層用薄膜をエッチングすることにより、前記支
    持基板上に当該支持基板と電気的に絶縁された状態で支
    持された前記梁構造体、固定電極及び信号取出部を形成
    する犠牲層エッチング工程とを実行することを特徴とす
    る半導体力学量センサの製造方法。
  4. 【請求項4】 前記支持基板上に前記梁構造体、固定電
    極、信号取出部をそれぞれ支持するためのアンカー部を
    前記犠牲層用薄膜を利用して形成するように構成され、 前記犠牲層エッチング工程では、前記犠牲層用薄膜を前
    記アンカー部対応領域を残して除去することを特徴とす
    る請求項3記載の半導体力学量センサの製造方法。
  5. 【請求項5】 前記パターン構造形成工程では、前記半
    導体薄膜にトレンチを形成することにより、複数の可動
    電極を一体に有した梁構造体、各可動電極に両側から近
    接対向するように設けられた複数個ずつの第1の固定電
    極及び第2の固定電極、並びに各固定電極からそれぞれ
    信号を取り出すための第1の信号取出部及び第2の信号
    取出部を含むパターン構造を形成し、 前記コンタクトホール形成工程では、前記パターン構造
    における第1及び第2の信号取出部並びに第1及び第2
    の固定電極に相当する各部分まで達するコンタクトホー
    ルを形成し、 前記配線膜形成工程では、前記補助犠牲層用薄膜上に前
    記コンタクトホールを埋めた状態の多結晶半導体薄膜
    を、第1の固定電極と第1の信号取出部との間及び第2
    の固定電極と第2の信号取出部との間をそれぞれ繋いだ
    形状となるように形成し、 前記補助犠牲層エッチング工程では、前記補助犠牲層用
    薄膜をエッチングすることにより、第1の固定電極と第
    1の信号取出部との間及び第2の固定電極と第2の信号
    取出部との間をそれぞれ接続した状態のエアブリッジ構
    造の配線膜を形成し、 前記犠牲層エッチング工程では、前記犠牲層用薄膜をエ
    ッチングすることにより、前記支持基板上に当該支持基
    板と電気的に絶縁された状態で支持された前記梁構造
    体、第1及び第2の固定電極、第1及び第2の信号取出
    部を形成することを特徴とする請求項3記載の半導体力
    学量センサの製造方法。
  6. 【請求項6】 前記支持基板上に前記梁構造体、第1及
    び第2の固定電極、第1及び第2の信号取出部をそれぞ
    れ支持するためのアンカー部を前記犠牲層用薄膜を利用
    して形成するように構成され、 前記犠牲層エッチング工程では、前記犠牲層用薄膜を前
    記アンカー部対応領域を残して除去することを特徴とす
    る請求項5記載の半導体力学量センサの製造方法。
  7. 【請求項7】 前記犠牲層用薄膜及び補助犠牲層用薄膜
    は同一材料により形成され、前記補助犠牲層用薄膜及び
    犠牲層用薄膜のエッチングを同一のエッチング工程で行
    うことを特徴とする請求項3ないし6のいずれかに記載
    の半導体力学量センサの製造方法。
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