JP2010237196A - Ｍｅｍｓセンサー、ｍｅｍｓセンサーの製造方法、および電子機器 - Google Patents

Ｍｅｍｓセンサー、ｍｅｍｓセンサーの製造方法、および電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】可動錘部の質量を効率的に増大させることができ、また、物理量を高精度で検出可能であり、また、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（例えば静電容量型加速度センサー）を提供する。
【解決手段】弾性変形部１３０を介して固定枠部１１０に連結され、周囲に空洞部１１１，１１２が形成された可動錘部１２０を有するＭＥＭＳセンサー１００Ａにおいて、可動錘部１２０は、複数の導電層１２１Ａ〜１２１Ｄと、複数の導電層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、層間絶縁膜よりも比重が大きいプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃと、を含む積層構造体を有し、各層に形成されたプラグは、一または複数の長手方向に沿って壁状に形成された壁部を含む。
【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）、ＭＥＭＳセンサーの製造方法、および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）。
特開２００６−２６３９０２号公報
この種のＭＥＭＳセンサーでは、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）。
この可動錘部は垂直振動するものである。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。さらに、可動錘部に設けられた多層導電層同士はショートされているので、可動錘部の全体が同電位となり、例えばシリコン基板との寄生容量が問題視される。
特許文献１の図３９には、多層配線構造の周囲を絶縁膜で覆った構造が開示されている（段落０１１４参照）。しかし、特許文献１の図３９では、可動錘部の下方の導電層はエッチングにより除去されているので、可動錘部中の多層配線としては二層しか利用できない。
本発明の幾つかの態様では、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）及びその製造方法を提供でき、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、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センサーにおいて、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所定の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、一または複数の長手方向に沿って壁状に形成された壁部を含むことに関する。また、ある実施形態では、弾性変形部を介して固定枠部に連結された可動錘部、を有するＭＥＭＳセンサーであって、前記可動錘部は、導電層と絶縁層とを有する積層構造体であり、前記絶縁層には、前記絶縁層よりも比重が大きいプラグが埋め込まれていることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、質量が大きいほど感度ノイズを低減できる可動錘部を、複数の導電層と、複数の層間絶縁層と、各層のプラグとが密に詰まった積層構造体として形成できる。特に、比重が大きい各層のプラグは、接続機能だけでは円柱または角柱形状に形成されるところが、一または複数の長手方向に沿って壁状に形成された壁部を含むように形成されることで、単位体積当たりの可動錘部の質量の増大に寄与させることができる。しかも、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が容易である。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、加速度センサーの低ノイズ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、ある実施形態では、前記導電層は、複数形成され、前記絶縁層は、複数の前記導電層の間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、容易に配線を形成することができる。また、前記プラグは、導電材料であり、且つ、前記絶縁層を貫通して形成され、前記プラグにより前記導電層同士を接続することを特徴とする。このような構成とすることで容易に導通をとることができる。
本発明の一態様では、前記固定枠部に固定された少なくとも一つの固定電極部と、前記可動錘部と一体で少なくとも一軸方向に移動して、前記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さらに含み、前記複数の可動電極部を前記積層構造体にて形成することができる。また、前記固定枠部から伸長した腕状の固定電極部と、前記可動錘部から伸長し、間隙を介して前記固定電極部に対向して配置された腕状の可動電極部と、をさらに有し、前記固定電極部および前記可動電極部は、第１方向に配列されていることを特徴とする。各層のプラグと配線層を用いて壁状に電極形成しているため、たとえば配線層のみで電極形成した場合に比べで対向電極容量の絶対値を大きくとることが可能である。
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、例えば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。可動電極部を可動錘部の積層構造体にて形成すると、電極として機能させることができることに加えて、可動錘部の質量の増大に寄与できる。なお、単に物理量の大きさだけを検出するのであれば、距離可変な対向電極のみを用いても良い。
本発明の一態様では、前記複数の可動電極部は、前記可動錘部の前記複数の導電層と前記各層のプラグの全部または一部を用いた配線により同電位に設定することができる。あるいは、前記複数の可動電極部は、前記可動錘部の前記複数の導電層と前記各層のプラグの全部または一部を用いて電気的に絶縁された複数の配線により異電位に設定することもできる。上述の物理量検出原理からすると、少なくとも２種の固定電極電位と１種の可動電極電位の組み合わせか、少なくとも２種の可動電極電位と１種の固定電極電位が要求されるので、可動電極電位を同電位または異電位に設定することが必要である。
また、ある実施形態では、前記可動錘部は、前記第１方向と、前記第１方向に平面視で直交する第２方向と、を含む面を有し、前記可動錘部には、前記可動錘部の前記第２方向の幅を二等分する中心線に対し、線対称に前記プラグが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、可動錘部の可動バランスを保つことができ、検出感度をより高めることができる。また、前記可動錘部は、最上層から最下層までを貫通する貫通孔を有し、前記プラグは、前記貫通孔に近接して形成されたこと特徴とする。このような構成とすることで、可動錘部の下層をエッチングで除去するための貫通孔を設けても、貫通孔により軽くなった可動錘部の質量を補完することができ、検出感度をより高めることができる。
本発明の一態様では、前記複数の導電層の各々は、互いに電気的に絶縁された複数の第１導電層と複数の第２導電層とを含み、前記各層に形成されたプラグは、前記複数の第１導電層同士を接続する第１プラグと、前記複数の第２導電層同士を接続する第２プラグとを含み、前記複数の第１導電層及び前記第１プラグは、前記可動電極部に電気的に接続され、前記複数の第２導電層及び前記第２プラグは、電気的にフローティング状態に設定することができる。また、前記プラグは、前記可動電極部と電気的に接続された第１プラグ部と、前記可動電極部と電気的に絶縁された第２プラグ部と、をさらに有することを特徴とする。
こうすると、可動錘部の全体が同電位となって、例えばシリコン基板との寄生容量が問題となる事態を解消できる。つまり、複数の第２導電層及び前記第２プラグは、電気的にフローティング状態に設定することができるので、外部に電気的な影響を与えずに可動錘部の質量増加に主体的に寄与させることができる。
前記弾性変形部に設けられる導電層の層数は、前記可動錘部に設けられる前記複数の導電層の層数よりも少ないことが好ましい。特に、前記弾性変形部に設けられる導電層の層数は一層のみであり、前記弾性変形部にはプラグが形成しないものとすることができる。
こうすると、剛性の高い導電層やプラグの数が少なくなるので、弾性力の設計がし易くなる。また、熱膨張係数が異なる複数種を用いると温度変化で変形してしまうが、一層の導電層のみであれば温度による変形の影響は無視できる。このように、弾性変形部が弾性変形し易くなり、しかも、弾性変形部の導電層を配線として利用することを担保できる。なお、複数の弾性変形部により可動錘部を支持するときには、複数の弾性変形部の間でばね定数の均一性が求められる。
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は、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。
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、前記可動錘部は最下層の導電層を覆う絶縁層をさらに有し、前記空洞部の一部を前記絶縁層の下方に連通させることができる。
こうすると、可動錘部は絶縁層の分だけ質量を大きくできる他、最下層の導電層が露出されることなく保護できる。
ここで、前記最下層の導電層は、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の材料にて形成され、前記絶縁層は前記集積回路のフィールド酸化膜を含むことができる。
このように、ＣＭＯＳプロセスの最下層である導電層及び絶縁層を可動錘部に含ませることで、可動錘部の質量はさらに大きくなる。
なお、前記可動錘部は、最上層の導電層を覆う保護層をさらに有することができる。こうすると、可動錘部は保護層の分だけ質量を大きくできる他、最上層の導電層が露出されることなく保護できる。
また、ある実施形態では、前記ＭＥＭＳセンサーを電子機器に搭載しても良い。本願発明のＭＥＭＳセンサーを電子機器に搭載すれば、検出感度が向上した電子機器を提供できる。
本発明の他の態様は、本発明の一態様に係るＭＥＭＳセンサーの製造方法であって、基板上に、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所定の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形成し、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、弾性変形部と、前記弾性変形部を介して固定枠部に連結された可動錘部と、を形成し、前記開口部を介して、等方性エッチング用のエッチャントを前記基板に到達させて前記基板を等方性エッチングして、前記積層構造体の下方に第２空洞部を形成することに関する。また、弾性変形部を介して固定枠部に連結された可動錘部、を有するＭＥＭＳセンサーの製造方法であって、基板上に導電層と絶縁層とを積層して積層構造体を形成する工程と、前記絶縁層に溝を形成し、前記溝に前記絶縁層よりも比重が大きいプラグを充填する工程と、異方性エッチングにより前記積層構造体の最上層から前記基板の表面まで貫通する貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔を介して前記基板を等方性エッチングして、前記基板と前記積層構造体との間に空隙を形成する工程と、を有することを特徴とする。
本発明の他の態様によれば、異方性エッチングと等方性エッチ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センサーを好適に製造することができる。
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透視平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ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５（Ａ）〜図５（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。 第１層の導電層を示す平面図である。 第１層のプラグ層を示す平面図である。 第１，第２層の導電層とその間をつなぐ第１層プラグ層の断面図である。 図９（Ａ）〜図９（Ｅ）は、プラグの埋め込み溝パターンの端部形状を説明する図である。 第２層の導電層を示す平面図である。 第２層のプラグ層を示す平面図である。 第３層の導電層を示す平面図である。 第３層のプラグ層を示す平面図である。 第４層の導電層を示す平面図である。 保護層を示す平面図である。 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透視平面図である。 図１６のＡ−Ａ断面図である。 図１６のＢ−Ｂ断面図である。 第１層の導電層を示す平面図である。 第１層のプラグ層を示す平面図である。 第２層の導電層を示す平面図である。 第２層のプラグ層を示す平面図である。 第３層の導電層を示す平面図である。 第３層のプラグ層を示す平面図である。 第４層の導電層を示す平面図である。 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透視平面図である。 第１層の導電層を示す平面図である。 第１層のプラグ層を示す平面図である。 第２層の導電層を示す平面図である。 第２層のプラグ層を示す平面図である。 第３層の導電層を示す平面図である。 第３層のプラグ層を示す平面図である。 第４層の導電層を示す平面図である。 本発明の第４実施形態に係る加速度センサーモジュールの透視平面図である。 本発明の第５実施形態に係る加速度センサーモジュールの透視平面図である。 図３５のＡ−Ａ断面図である。 第１層の導電層を示す平面図である。 第１層のプラグ層を示す平面図である。 第２層の導電層を示す平面図である。 第２層のプラグ層を示す平面図である。 第３層の導電層を示す平面図である。 第３層のプラグ層を示す平面図である。 第４層の導電層を示す平面図である。 本発明の第６実施形態に係る加速度センサーモジュールの透視平面図である。 図４４のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第７実施形態に係る加速度センサーモジュールの透視平面図である。 第１層の導電層を示す平面図である。 第１層のプラグ層を示す平面図である。 第２層の導電層を示す平面図である。 第２層のプラグ層を示す平面図である。 第３層の導電層を示す平面図である。 第３層のプラグ層を示す平面図である。 第４層の導電層を示す平面図である。 図５４（Ａ）〜図５４（Ｃ）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。
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、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．可動錘部
図１は、本発明のＭＥＭＳセンサーを適用した第１実施形態に係る加速度センサー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。この加速度センサーモジュール１０Ａには、加速度センサー１００Ａと共に集積回路部２０Ａが搭載され、加速度センサー１００Ａは集積回路部２０Ａの製造プロセス工程を兼用して形成される。
加速度センサー１００Ａは、固定枠部１１０の内側の空洞部１１１内で移動可能な可動錘部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。
この可動錘部１２０Ａは、図１のＡ−Ａ断面である図２及び図１のＢ−Ｂ断面図である図３に示すように、例えば、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たプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃとを含んで構成できる。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例えば格子状パターンであり、プラグ１２３Ａ〜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１２３Ａ〜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、最下層の導電層１２１Ａは、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がメタル層である。
ここで、各層に形成されたプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃは、各層の積層方向と直交する一または複数の長手方向に沿って壁状に形成された壁部を含んでいる。図１に示すように、二次元平面の直交二軸をＸ方向とＹ方向とする。本実施形態では、各層に形成されたプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃが、長手方向であるＸ方向に沿って壁状に延びるプラグ１２３−Ｘと、長手方向であるＹ方向に沿って壁状に延びるプラグ１２３−Ｙと、を含んでいる。
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全て利用して、可動錘部１２０Ａの重量増加に寄与させている。
また、プラグ１２３Ａ〜１２３Ｃは、可動錘部１２０ＡのＹ方向の幅を二等分する中心線に対し線対称に形成されている。言い換えれば、可動錘部１２０Ａは、第１方向（例えば可動方向、またはＸ方向）と、第１方向に平面視で直交する第２方向（例えばＹ方向）と、を含む面を有し、プラグ１２３Ａ〜１２３Ｃは、可動錘部１２０Ａの第２方向の幅を二等分する中心線に対し、線対称に形成される。なお、ここで言う平面視とは、例えばＺ方向から見た二次元座標ＸＹ平面を指す。このような構成とすることで、可動錘部１２０Ａが例えばＸ方向に可動したときにバランスを保って可動することができる。
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。一般のＩＣでは、プラグは上下の配線層同士を接続することが唯一の目的であるから、プラグ形状は円柱または角柱となる。一方、本実施形態ではプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃを可動錘部１２０Ａの質量増大の目的で用いているので、形状が異なっているのが明らかである。
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、最下層の導電層１２１Ａの下面には絶縁層１２４が形成されている。加えて、最上層の導電層１２１Ｄを覆う保護層１２５を形成している。
可動錘部１２０Ａを移動可能にするために、可動錘部１２０Ａは、その側方の空洞部１１１だけでなく、上側及び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、空洞部１１２が形成されている。
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。この貫通孔１２６は、空洞部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。また、貫通孔１２６に近接してプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃを形成することにより、貫通孔１２６で局所的に軽くなった可動錘部１２０Ａの質量を補完でき、可動錘部１２０Ａの可動バランスを向上することができる。好ましくは、貫通孔１２６の周囲にプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃを形成すれば、可動錘部１２０Ａの質量をさらに補完することができる。
１．２．弾性変形部
上述の通り、側方には空洞部１１１が、下方には空洞部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、弾性変形部１３０Ａが設けられている。この弾性変形部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。
弾性変形部１３０Ａは、図１の錘可動方向（Ｘ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。弾性変形部１３０Ａは、図１に示すように、平面視にてほぼ一定の線幅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、空洞部１１１と区画される空洞部（第１空洞部）１１３が形成されることで弾性変形性が担保されている。
弾性変形部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。つまり、弾性変形部１３０Ａは、複数の導電層の１２１Ａ〜１２１Ｄと、層間絶縁層１２２Ａ〜１２２Ｃと、プラグ１２３Ａ〜１２３Ｃと、絶縁層１２４と、保護層１２５とを含んで構成される。
１．３．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、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１２０Ａ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。つまり、図３に示すように、可動電極部１４０及び固定電極部１５０は、複数の導電層の１２１Ａ〜１２１Ｄと、層間絶縁層１２２Ａ〜１２２Ｃと、プラグ１２３Ａ〜１２３Ｃと、絶縁層１２４と、保護層１２５とを含んで構成される。ただし、電極部として機能するのは、複数の導電層１２１Ａ〜１２１Ｄである。
１．４．加速度センサーの検出原理
図４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。加速度センサー１００Ａは、２対の可動・固定電極ペアを有し、第１可動電極部１４０Ａ、第２可動電極部１４０Ｂ、第１固定電極部１５０Ａ及び第２固定電極部１５０Ｂを有する。第１可動電極部１４０Ａと第１固定電極部１５０ＡによってコンデンサーＣ１が構成される。第２可動電極部１４０Ｂと第２固定電極部１５０Ｂ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の各々におけるいずれか一極（例えば、固定電極部）の電位は、基準電位（例えば接地電位）に固定される。なお、図１の構成を使用するときは、可動電極部の電位が基準電位（例えば、接地電位）に固定される。
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・固定電極ペアの各ギャップが変化する。図４の矢印方向に可動錘部１２０Ａ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１４０Ａと固定電極部１５０Ａ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１４０Ｂと固定電極部１５０Ｂとで形成されるコンデンサーＣ２の静電容量値は大きくなる。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。
ここで、図５４（Ａ）〜図５４（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５４（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５４（Ｂ）は、図５４（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５４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Ｃ１（またはＣ２）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５４（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４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５４（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５４（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４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。
１．５．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５（Ａ）〜図５（Ｄ）を参照して説明する。図５（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５（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。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４１を介してゲート電極Ｇが形成される。素子分離のためのフィールド領域と加速度センサー１００Ａ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５（Ａ）の層間絶縁層１２２Ａ〜１２２Ｃ間に形成された導電層１２１Ａ〜１２１Ｃ及びプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃ（トランジスターＴ上では省略）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に配線することができる。
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１２５を用いて、加速度センサー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。
図５（Ｂ）は、空洞部１１１、空洞部１１３及び貫通孔１２６（いずれも第１空洞部である）の形成工程を示している。図５（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１２０Ａ及び弾性変形部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。
図５（Ｃ）は空洞部（第２空洞部）１１２を形成するシリコン等方性エッチング工程を示し、図５（Ｄ）は図５（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５（Ｃ）のエッチング工程は、図５（Ｂ）に示すエッチング工程にて形成された空洞部１１１、空洞部１１３及び貫通孔１２６を開口部として利用して、可動錘部１２０Ａ、弾性変形部１３０Ａ及び可動電極部１４０の下方にあるシリコン基板１０１をエッチングするものである。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。
次に、図６〜図１５を参照して、ＣＭＯＳ集積回路部２０Ａの製造プロセスを利用して加速度センサー１００Ａ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説明する。図６は、第１の導電層１２１Ａの形成工程を示している。この第１の導電層１２１Ａは図５（Ａ）のゲート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１００〜５０００Ａ（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の導電層１２１Ａは、図１に示す空洞部１１１、空洞部１１３及び貫通孔１２６に相当する領域以外にパターン形成されている。この第１の導電層１２１Ａは、可動錘部１２０Ａ、弾性変形部１３０Ａ、可動電極部１４０及び固定電極部１５０の平面輪郭形状に一致するパターンとなっている。
図７は、第１のプラグ１２３Ａの形成工程を示している。この第１のプラグ１２３Ａの形成工程は、集積回路部２０Ａ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、図６の工程後に、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、図７に示す第１のプラグ１２３Ａが完成する。この第１のプラグ１２３Ａは、可動錘部１２０Ａ、弾性変形部１３０Ａ、可動電極部１４０及び固定電極部１５０の平面輪郭形状よりも狭い領域に形成される。また、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程を行い平坦化を行なっても良い。
図６と図７の導電パターンを、例えば可動錘部１２０Ａの領域で対比すると、図６では一重の格子パターンであるのに対して、図７は二重格子パターンとなっている。このことを図８の断面図で説明すると、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８では第１のプラグ１２３Ａ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膜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５０００〜１００００Ａの膜厚で形成できる。バリア層１２３Ａ２もスパッタまたＣＶＤで１００〜１０００Ａの膜厚で形成できる。
また、第１のプラグ１２３Ａを埋め込む際に、特に端部での埋め込み性を良好とすることについて、図９（Ａ）〜図９（Ｄ）を参照して説明する。図９（Ａ）に示す例えば固定電極部１５０を埋め込む埋め込み溝パターンの例を、図９（Ｂ）〜図９（Ｅ）に示す。図９（Ｂ）（Ｄ）では、第１の導電層１２１Ａ上に形成される一つまたは二つの埋め込み溝パターン１５１は、端部が一つの円弧１５１Ａで形成されている。一方、図９（Ｃ）（Ｅ）では、第１の導電層１２１Ａ上に形成される一つまたは二つの埋め込み溝パターン１５１は、端部が複数の円弧１５１Ｂで形成されている。埋め込み溝パターン１５１の端部を、角部とせずに円弧とすることで、タングステンＷ等の埋め込みが容易となる。なお、プラグ材料やプラグの埋め込みパターン形状については、第２，第３のプラグ１２３Ｂ，１２３Ｃも、第１のプラグ１２３Ａと同様にすることができる。
図１０は、第２の導電層１２１Ｂの形成工程を示している。この第２の導電層１２１Ｂは集積回路部２０Ａ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の形成パターンは、図６に示す第１の導電層１２１Ａの形成パターンと実質的に同じである。第２の導電層１２１Ｂは、図８に示すように、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１００〜１０００Ａの膜厚で、メタル層１２１Ｂ２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１２１Ｂ３はスパッタまたはＣＶＤにより１００〜１０００Ａの膜厚で形成できる。
図１１は、第２のプラグ１２３Ｂの形成工程を示している。この第２のプラグ１２３Ｂの形成工程は、集積回路部２０Ａでの第２の導電層１２１Ｂに対するコンタクト工程と同時に実施される。図１０の工程後に、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、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、図１１に示す第２のプラグ１２３Ｂが完成する。この第２のプラグ１２２Ｂの平面パターンは、図７に示す第１のプラグ１２２Ａの平面パターンと実質的に同じである。また、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程を行い平坦化を行なっても良い。
図１２は、第３の導電層１２１Ｃの形成工程を示している。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、弾性変形部１３０Ａ、可動電極部１４０に対応する領域では、図６及び図１０に示す第１，第２の導電層１２１Ａ，１２１Ｂ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３の導電層１２１Ｃは、図１２に示すように、固定電極部１５０に対応する領域より固定枠部１１０に対応する領域に引き出されて、集積回路部２０Ａ側に配線接続するための配線パター１５２を有している。
図１３は、第３のプラグ１２３Ｃの形成工程を示している。この第３のプラグ１２３Ｃの形成工程は、集積回路部２０Ａでの第３の導電層１２１Ｃに対するコンタクト工程と同時に実施される。図１２の工程後に、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、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、図１３に示す第３のプラグ１２３Ｃが完成する。この第３のプラグ１２３Ｃの平面パターンは、図７及び図１１に示す第１，第２のプラグ１２３Ａ，１２３Ｂの平面パターンと実質的に同じである。また、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）工程を行い平坦化を行なっても良い。
図１４は、第４の導電層１２１Ｄの形成工程を示している。この第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、可動電極部１４０、固定電極部１５０に対応する領域では、図６及び図１０に示す第１，第２の導電層１２１Ａ，１２１Ｂ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１４に示すように、弾性変形部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リング状の配線パター１３１を有している。これにより、可動電極部１４０は、可動錘部１２０Ａ及び弾性変形部１３０Ａの導電層１２１Ａ〜１２１Ｄとプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃを介して配線パターン１３１と接続されて、集積回路部２０Ａと接続されることになる。
図１５は、保護層１２５の形成工程を示している。ＰＳｉＮ、ＳｉＮ、ＳｉＯ2等がＣＶＤで５０００〜２００００Ａ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。その後に、図５（Ｂ）にて説明したエッチング工程を実施することで保護層１２５がパターンエッチングされ、かつ、同時に空洞部１１１、空洞部１１３及び貫通孔１２６が形成される。
２．第２実施形態
次に、図１６〜図１８を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。なお、以下の説明では、第２実施形態が第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。第２実施形態に係る加速度センサーモジュール１０Ｂは、第１実施形態の可動錘部１２０Ａを有する加速度センサー１００Ａとは異なり、本実施形態の加速度センサー１００Ｂが可動錘部１２０Ｂを有する。
加速度センサー１００Ｂは、可動錘部１２０Ｂに配置されて可動電極部１４０と接続されるリング状の第１プラグ１２３−Ｘ，１２３−Ｙを有する点では第１実施形態と同じであるが、格子状パターンの第２プラグ２００が電気的にフローティングである点が、第１実施形態と異なっている。格子状パターンの第２プラグ２００は、各層に形成されたプラグ２００Ａ〜２００Ｃ（図１７及び図１８参照）が、長手方向であるＸ方向に沿って壁状に延びるプラグ２００−Ｘ（図１６参照）と、長手方向であるＹ方向に沿って壁状に延びるプラグ２００−Ｙ（図１６参照）と、を含んでいる。また、この第２プラグ２００（２００Ａ〜２００Ｃ）によって互いに接続された各層の導電層２１０Ａ〜２１０Ｄ（図１７及び図１８参照）もまた、電気的にフローティングである点が第１実施形態と異なる。
第１実施形態では可動錘部１２０Ａの配線層（導電層１２１Ａ〜１２１Ｄ及びプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃ）が全て同電位である。一方、第２実施形態では可動錘部１２０Ｂ内の配線層の電位を分離している。つまり、第１プラグ１２３Ａ〜１２３Ｃとそれにより接続された導電層１２１Ａ〜１２１Ｄは、可動電極部１４０の配線として用いられている。一方、第２プラグ２００（２００Ａ〜２００Ｃ）と、それらによって互いに接続された各層の導電層２１０Ａ〜２１０Ｄは電気的に絶縁されてフローティング状態となり、錘としてのみ機能する。こうすることで、可動錘部１２０Ｂは、錘質量を保ちつつ、シリコン基板１０１等との間に形成される寄生容量を低減することができる。
図１９〜図２５は、第１実施形態の図６、図７、図１０〜１４に対応する各層のプラグまたは導電層を示している。各層の導電層を示す図１９（第１層：最下層ポリシリコン）、図２１（第２層：第１金属配線層）、図２３（第３層：第２金属配線層）及び図２５（第４層：第３金属配線層）では、可動錘部１２０Ｂは、可動電極部１４０と接続される第１導電層１２１Ａ〜１２１Ｄとは別に、電気的に孤立した第２導電層２１０Ａ〜２１０Ｄが形成されている。
各層のプラグを示す図２０（第１−第２層間）、図２２（第２−第３層間）及び図２４（第３−第４層間）では、可動錘部１２０Ｂは、可動電極部１４０と接続される第１プラグ１２３Ａ〜１２３Ｃとは別に、電気的に孤立した第２プラグ２００Ａ〜２００Ｃが形成されている。
３．第３実施形態
次に、本発明を２軸の静電容量型加速度センサーに適用した実施形態について、図２６〜図３３を参照して説明する。なお、以下の説明では、第３実施形態が第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。図２６に示すように、加速度センサーモジュール１０Ｃの加速度センサー１００Ｃには、２軸方向の加速度を検出するために、四角形の輪郭を有する可動錘部１２０Ｃの四辺より突出する計４つの可動電極部１４０と、その４つの可動電極部１４０と対をなす計４つの固定電極部１５０が設けられている。
この加速度センサー１００Ｃに接続される集積回路部２０Ｂには、Ｘ軸検出のための２つの可動電極部１４０ＡとＹ軸検出のための２つの可動電極部１４０Ｂに接続されたに共通の錘電位が入力され、さらに、Ｘ軸検出のための２つの固定電極部１５０ＡとＹ軸検出のための２つの固定電極部１５０Ｂからそれぞれ独立して４つの固定電極電位１〜４が入力される。集積回路部２０Ｂは、図４に示す検出回路を、Ｘ軸とＹ軸とに対応させて２組有することで、Ｘ，Ｙ軸毎にそれぞれ独立して加速度を検出できる。
可動錘部１２０Ｃの四辺にそれぞれ可動電極部１４０Ａ，１４０Ｂを突出形成したため、弾性変形部１３０Ｂは、四角形の輪郭を有する可動錘部１２０Ｃの角部より対角線の延長線上に沿って延びている。このような弾性変形部１３０Ｂとすると、図１に示す空洞部１１３は不要である。
図２７〜図３３は、第１実施形態の図６、図７、図１０〜１４に対応する各層のプラグまたは導電層を示している。各層の導電層を示す図２７（第１層：最下層ポリシリコン）、図２９（第２層：第１金属配線層）、図３１（第３層：第２金属配線層）及び図３３（第４層：第３金属配線層）では、可動錘部１２０Ｃは、可動電極部１４０Ａ及び可動電極部１４０Ｂと接続される格子パターン状の導電層３１０Ａ〜３１０Ｄが形成されている。また、各層のプラグを示す図２８（第１−第２層間）、図３０（第２−第３層間）及び図３２（第３−第４層間）では、可動錘部１２０Ｂは、可動電極部１４０Ａ，１４０Ｂに接続された格子状パターンのプラグ３００Ａ〜３００Ｃを有している。
ここで、可動錘部１２０Ｃ、可動電極部１４０Ａ，１４０Ｂ及び固定電極部１５０Ａ，１５０Ｂでは、複数の導電層とそれらを接続するプラグが存在する点で、第１実施形態と同じである。ただし、Ｘ軸検出のための２つの固定電極部１５０ＡとＹ軸検出のための２つの固定電極部１５０Ｂからそれぞれ独立して４つの固定電極電位１〜４を集積回路部２０Ｂに入力させるために、集積回路部２０Ｂ側への引き出し配線を、それぞれ異なる層に形成している。Ｘ軸検出のための２つの固定電極部１５０Ａからの引き出し配線１５２Ａは、図３３に示すように導電層３１０Ｄと同層に形成される。Ｙ軸検出のための２つの固定電極部１５０Ｂからの引き出し配線１５２Ｂは、図３１に示すように導電層３１０Ｃと同層に形成される。
さらに、弾性変形部１３０Ｂでは、図２９に示す導電層３１０Ｂと同層にのみ配線のための導電層が存在するが、他の層には導電層もプラグも配置されていない。この理由は、第３実施形態のように空洞部１１３を有しない形状の弾性変形部１３０Ｂは、導電層及びプラグを少なくすることで弾性変形力を高めているからである。弾性変形部１３０Ｂは、配線のために少なくとも一層には導電層が必要であるが、要は可動錘部１２０Ｃに形成された導電層３１０Ａ〜３１０Ｄよりも少ない層に導電層を有することで、弾性変形部１３０Ｂでの弾性変形力を高めることができる。
４．第４実施形態
図３４は、本発明の第４実施形態を示している。この第４実施形態は、第３実施形態に第２実施形態の技術（可動錘部での孤立パターン）を適用したものである。なお、以下の説明では、第４実施形態が第１，第３実施形態と異なる点についてのみ説明する。
図３４に示すように、加速度センサーモジュール１０Ｄの加速度センサー１００Ｄは、可動錘部１２０Ｄに配置されて可動電極部１４０Ａ，１４０Ｂと接続されるリング状の第１プラグ１２３−Ｘ，１２３−Ｙを有する点では第１実施形態及び第３実施形態と同じであるが、格子状パターンの第２プラグ４００が電気的にフローティングである点が、第１，第３実施形態と異なっている。格子状パターンの第２プラグ４００は、各層に形成されたプラグが、長手方向であるＸ方向に沿って壁状に延びるプラグ４００−Ｘと、長手方向であるＹ方向に沿って壁状に延びるプラグ４００−Ｙと、を含んでいる。また、この第２プラグ４００によって互いに接続された各層の導電層（図示せず）もまた、電気的にフローティングである点が第１，第３実施形態と異なる。
第１，第３実施形態では可動錘部１２０Ａの配線層（導電層１２１Ａ〜１２１Ｄ及びプラグ１２３Ａ〜１２３Ｃ）が全て同電位である。一方、第４実施形態では可動錘部１２０Ｄ内の配線層の電位を分離している。特に、第２プラグ４００と、それらによって互いに接続された各層の導電層（図示せず）とは、可動錘部１２０Ｄの他の第１導電層（図示せず）及び第１プラグ１２３−Ｘ，１２３−Ｙとは電気的に絶縁されてフローティング状態となり、錘としてのみ機能する。こうすることで、可動錘部１２０Ｄは、錘質量を保ちつつ、シリコン基板１０１等との間に形成される寄生容量を低減することができる。
５．第５実施形態
図３５は、本発明の第５実施形態を示している。この第５実施形態は、第１実施形態に第３実施形態の技術（弾性変形部での配線層及びプラグの減少）を適用したものである。なお、以下の説明では、第５実施形態が第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
図３５に示す加速度センサーモジュール１０Ｅは、加速度センサー１００Ｅが弾性変形部１３０Ｃを有する点で第１実施形態と異なるが、図３５は図１と実質的に相違はない。図３５のＡ−Ａ断面図である図３６は、図１のＡ−Ａ断面図である図２と異なっている。図２に示す弾性変形部１３０Ａは、４層の導電層と、その間を接続する３つのプラグを有する縦断面となっている。一方、図３６に示す弾性変形部１３０Ｃでは、可動錘部１２０Ａの導電層５２０Ｂと同層にのみ導電層５２０を有し、他の層には導電層もプラグも存在しない。
このように、空洞部１１３が形成される弾性変形部１３０Ｃであっても、可動錘部１２０Ａに形成された複数の導電層５１０Ａ〜５１０Ｄよりも少ない層に導電層を有することで、弾性変形部１３０Ｃでの弾性変形力を高めることができる。
図３７〜図４３は、第１実施形態の図６、図７、図１０〜１４に対応する各層のプラグまたは導電層を示している。各層の導電層を示す図３７（第１層：最下層ポリシリコン）、図３９（第２層：第１金属配線層）、図４１（第３層：第２金属配線層）及び図４３（第４層：第３金属配線層）では、可動錘部１２０Ａは、可動電極部１４０Ａ及び可動電極部１４０Ｂと接続される格子パターン状の導電層５１０Ａ〜５１０Ｄが形成されている。また、各層のプラグを示す図３８（第１−第２層間）、図４０（第２−第３層間）及び図４２（第３−第４層間）では、可動錘部１２０Ａは、可動電極部１４０に接続された格子状パターンのプラグ５００Ａ〜５００Ｃを有している。そして、弾性変形部１３０Ｃが、可動錘部１２０Ａの導電層５２０Ｂと同層にのみ導電層５２０を有することは、図３９から明らかである。
６．第６実施形態
図４４は、本発明の第６実施形態を示している。この第６実施形態は、第２実施形態（可動錘部での孤立パターン）に第３実施形態の技術（弾性変形部での配線層及びプラグの減少）を適用したものである。なお、以下の説明では、第６実施形態が第２実施形態と異なる点についてのみ説明する。
図４４に示す加速度センサーモジュール１０Ｆは、加速度センサー１００Ｆが弾性変形部１３０Ｃを有する点で第２実施形態と異なるが、図４４は図１６と実質的に相違はない。図４４のＡ−Ａ断面図である図４５は、図１６のＡ−Ａ断面図である図１７と異なっている。図１７に示す弾性変形部１３０Ａは、４層の導電層と、その間を接続する３つのプラグを有する縦断面となっている。一方、図４５に示す弾性変形部１３０Ｃでは、可動錘部１２０Ｂの導電層２１０Ｂと同層にのみ導電層６２０を有し、他の層には導電層もプラグも存在しない。
このように、この第６実施形態では第５実施形態と同様に、空洞部１１３が形成される弾性変形部１３０Ｃであっても、可動錘部１２０Ｂに形成された複数の導電層２１０Ａ〜２１０Ｄよりも少ない層に導電層を有することで、弾性変形部１３０Ｃでの弾性変形力を高めることができる。
７．第７実施形態
図４６は、本発明の第７実施形態を示している。この第７実施形態は、複数の可動電極部を同一電位に設定する第１〜第６実施形態とは異なり、複数の固定電極部を同一電位に設定し、複数の可動電極部で異なる電位に設定するものである。このために、弾性変形部にて複数電位配線を設けている。
図４６に示す加速度センサーモジュール１０Ｇは、加速度センサー１００Ｇとそれに接続された集積回路部２０Ｃとを有する。集積回路部２０Ｃには、１つの固定電極電位と２つの可動電極電位とが入力される。
加速度センサー１００Ｇは、例えば４つの弾性変形部１３０Ｄ，１３０Ｅを介して固定枠部１１０に連結され、周囲に空洞部１１１が形成された可動錘部１２０Ｅを有する。固定枠部１１０からは、空洞部１１１側に突出する２つの固定電極部１５０Ｃが形成されている。可動錘部１２０Ｅには、２つの固定電極部１５０Ｃの各両側に対向するように空洞部１１１に向けて突出する各２つの可動電極部１４０Ｃ，１４０Ｄが設けられている。一つの固定電極部１５０Ｃと２つの可動電極部１４０Ｃとで、櫛歯電極部を構成している。
錘可動方向に対して固定電極部１５０Ｃの一方に位置する２つの可動電極部１４０Ｃは、可動錘部１２０Ｅ、２つの弾性変形部１３０Ｃ，１３０Ｃ及び固定枠部１１０に配置された環状配線７００Ａにより同電位に設定され、集積回路部２０Ｃに入力される。錘可動方向に対して固定電極部１５０Ｃの他方に位置する２つの可動電極部１４０Ｄは、可動錘部１２０Ｅ、２つの弾性変形部１３０Ｄ，１３０Ｄ及び固定枠部１１０に配置された環状配線７００Ｂにより同電位に設定され、集積回路部２０Ｃに入力される。２つの固定電極部１５０，１５０Ｃは、固定枠部１１０に配置された環状配線７００Ｃにより同電位に設定され、集積回路部２０Ｃに入力される。この集積回路部２０Ｃは、図４に示す回路と同様に構成することができる。
図４７は、第１層導電層（ポリシリコン層）を示している。可動錘部１２０Ｅに設けられる第１導電層として、可動錘部１２０Ｅの質量増大のためだけの孤立した導電層７０２Ａと、２つの可動電極部１４０Ｃ同士を配線する導電層７０２Ｂと、２つの可動電極部１４０Ｄ同士を配線する導電層７０２Ｃとが、下地酸化膜７０１上に形成される。２つの固定電極部１５０Ｃ，１５０Ｃにも、導電層７０２Ｄが下地酸化膜上に形成される。
図４８は、第１層導電層にコンタクトする第１層のプラグ層を示している。第１層導電層７０２Ａ，７０２Ｂ，７０２Ｃ，７０２Ｄにそれぞれコンタクトする第１層プラグ７０４Ａ，７０４Ｂ，７０４Ｃ，７０４Ｄが設けられている。可動錘部１２０Ｅに形成された第１層プラグ７０４Ａ，７０４Ｂ，７０４Ｃは、二次元平面の直交二軸の長手方向に沿って壁状に形成された壁部を有することで、可動錘部１２０Ｅの質量増加に寄与している。
図４９は、第２層導電層（第１層金属層）を示している。第１層プラグ７０４Ａ，７０４Ｂ，７０４Ｃ，７０４Ｄにそれぞれ接続される第２層導電層７０６Ａ，７０６Ｂ，７０６Ｃ，７０６Ｄが設けられている。この第２層導電層として、２つの可動電極部１４０Ｄ，１４０Ｄを同電位として集積回路部２０Ｃに入力させる配線層７００Ｂが、２つの弾性変形部１３０Ｅ，１３０Ｅと固定枠部１１０に形成されている。構造上のバランスを取るために、他の２つの弾性変形部１３０Ｄ，１３０Ｄに、孤立したパターンの第２導電層７０６Ｅ，７０６Ｅを設けている。
図５０は、第２層導電層にコンタクトする第２層のプラグ層を示している。第２層導電層７０６Ａ，７０６Ｂ，７０６Ｃ，７０６Ｄにそれぞれコンタクトする第２層プラグ７０８Ａ，７０８Ｂ，７０８Ｃ，７０８Ｄが設けられている。可動錘部１２０Ｅに形成された第２層プラグ７０８Ａ，７０８Ｂ，７０８Ｃは、二次元平面の直交二軸の長手方向に沿って壁状に形成された壁部を有することで、可動錘部１２０Ｅの質量増加に寄与している。
図５１は、第３層導電層（第２層金属層）を示している。第２層プラグ７０８Ａ，７０８Ｂ，７０８Ｃ，７０８Ｄにそれぞれ接続される第３層導電層７１０Ａ，７１０Ｂ，７１０Ｃ，７１０Ｄが設けられている。この第３層導電層として、２つの固定電極部１５０Ｃを同電位として集積回路部２０Ｃに入力させる配線層７００Ｃが、固定枠部１１０に形成されている。
図５２は、第３層導電層にコンタクトする第３層のプラグ層を示している。第３層導電層７１０Ａ，７１０Ｂ，７１０Ｃ，７１０Ｄにそれぞれ接続される第３層プラグ７１２Ａ，７１２Ｂ，７１２Ｃ，７１２Ｄが設けられている。可動錘部１２０Ｅに形成された第３層プラグ７１２Ａ，７１２Ｂ，７１２Ｃは、二次元平面の直交二軸の長手方向に沿って壁状に形成された壁部を有することで、可動錘部１２０Ｅの質量増加に寄与している。
図５３は、第４層導電層（第３層金属層）を示している。第３層プラグ７１２Ａ，７１２Ｂ，７１２Ｃ，７１２Ｄにそれぞれ接続される第４層導電層７１４Ａ，７１４Ｂ，７１４Ｃ，７１４Ｄが設けられている。この第４層導電層として、２つの可動電極部１４０Ｃ，１４０Ｃを同電位として集積回路部２０Ｃに入力させる配線層７００Ａが、２つの弾性変形部１３０Ｄ，１３０Ｄと固定枠部１１０に形成されている。構造上のバランスを取るために、他の２つの弾性変形部１３０Ｅ，１３０Ｅに、孤立したパターンの第４導電層７１４Ｅ，７１４Ｅを設けている。
図４６に示す加速度センサーモジュール１０Ｇは、一例として、基板サイズが３ｍｍ×３ｍｍ、空洞部１１１の輪郭が１ｍｍ×１ｍｍ、弾性変形部１３０Ｄ，１３０Ｅの長さが０．２ｍｍ、電極間距離が０．００２ｍｍの櫛歯電極は電極ペアの総数が１００本程度で全容量が約１〜２ｐＦ、可動錘部１２０Ｅの質量はマイクログラムのオーダーで例えば３〜４×１０-6ｇ程度に形成できる。
８．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、例えば図１と図４６との対比から明らかなように、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が、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、本発明の一態様に係るＭＥＭＳセンサーでは、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（例えば図４６に示す櫛歯電極の例）。
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、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、優れた検出感度を有する電子機器を提供することができる。
１０Ａ〜１０Ｇ 加速度センサーモジュール、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ 集積回路部、２２Ａ，２２Ｂ ＣＶ変換回路、２４ 差動アンプ、
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、４１ ゲート酸化膜、４２ 熱酸化膜、
１００Ａ〜１００Ｇ 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）、１２０Ａ〜１２０Ｅ 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、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、
１２３−Ｘ，１２３−Ｙ リング状の第１プラグ、１２４ 絶縁層、１２５ 保護層、
１２６ 貫通孔（第１空洞部）、１３０Ａ，１３０Ｂ 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、
１５１ 埋め込み溝パターン、１５１Ａ，１５１Ｂ 円弧状端部、
１５２，１５２Ａ，１５２Ｂ 配線パターン、
２００、２００Ａ〜２００Ｃ 孤立した第２プラグ、
２００−Ｘ，４００−Ｘ Ｘ方向に沿って壁状に形成されたプラグ、
２００−Ｙ，４００Ｙ Ｙ方向に沿って壁状に形成されたプラグ、
２１０Ａ〜２１０Ｄ 孤立した第２導電層、
３００Ａ〜３００Ｃ 弾性変形部と接続されないプラグ、３１０Ａ〜３１０Ｄ 導電層、４００ 孤立した第２プラグ、５００Ａ〜５００Ｃ プラグ、
５１０Ａ〜５１０Ｄ 導電層、５２０、６２０ 弾性変形部の導電層、
７００Ａ〜７００Ｃ 配線層、７０２Ａ〜７０２Ｄ、７０６Ａ〜７０６Ｅ、
７１０Ａ〜７１０Ｄ、７１４Ａ〜７１４Ｅ 導電層、７０４Ａ〜７０４Ｄ、
７０８Ａ〜７０８Ｄ、７１２Ａ〜７１２Ｄ プラグ層

Claims (10)

  1. 弾性変形部を介して固定枠部に連結された可動錘部、を有するＭＥＭＳセンサーであって、
    前記可動錘部は、導電層と絶縁層とを有する積層構造体であり、
    前記絶縁層には、前記絶縁層よりも比重が大きいプラグが埋め込まれてい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、
    前記固定枠部から伸長した腕状の固定電極部と、
    前記可動錘部から伸長し、間隙を介して前記固定電極部に対向して配置された腕状の可動電極部と、をさらに有し、
    前記固定電極部および前記可動電極部は、第１方向に配列されていることを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
  3. 請求項２に記載のＭＥＭＳセンサーにおいて、
    前記可動錘部は、前記第１方向と、前記第１方向に平面視で直交する第２方向と、を含む面を有し、
    前記可動錘部には、前記可動錘部の前記第２方向の幅を二等分する中心線に対し、線対称に前記プラグが形成されたことを特徴とする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、
    前記導電層は、複数形成され、
    前記絶縁層は、複数の前記導電層の間に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、
    前記プラグは、導電材料であり、且つ、前記絶縁層を貫通して形成され、
    前記プラグにより前記導電層同士を接続す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、最上層から最下層までを貫通する貫通孔を有し、
    前記プラグは、前記貫通孔に近接して形成されたこと特徴とする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、
    前記プラグは、前記可動電極部と電気的に接続された第１プラグ部と、前記可動電極部と電気的に絶縁された第２プラグ部と、をさらに有することを特徴とする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、
    前記固定枠部に隣接して集積回路部が形成され、且つ、前記集積回路部は前記積層構造体を用いて形成されたことを特徴とするＭＥＭＳセンサー。
  9. 請求項１ないし８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。
  10. 弾性変形部を介して固定枠部に連結された可動錘部、を有するＭＥＭＳセンサーの製造方法であって、
    基板上に導電層と絶縁層とを積層して積層構造体を形成する工程と、
    前記絶縁層に溝を形成し、前記溝に前記絶縁層よりも比重が大きいプラグを充填する工程と、
    異方性エッチングにより前記積層構造体の最上層から前記基板の表面まで貫通する貫通孔を形成する工程と、
    前記貫通孔を介して前記基板を等方性エッチングして、前記基板と前記積層構造体との間に空隙を形成する工程と、を有することを特徴とするＭＥＭＳセンサーの製造方法。
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