(57)【要約】【課題】ＭＥＭＳによる慣性センサを小型化したときにも、構造体の強度（信頼性）と慣性センサの感度を両立することが可能で、かつ、広い加速度領域で一定レベルの感度が得られるＭＥＭＳによる慣性センサを提供する。また、標準的なＬＳＩ製造技術であるＣＭＯＳの製造工程で、慣性センサを封止・実装することにより、小型化、かつ、半導体集積回路装置またはＭＥＭＳによる異種のセンサをモノリシックに混載可能な慣性センサとその製造方法を提供する。【解決手段】慣性センサの錘を複数の分割錘１０７から構成し、この分割錘１０７同士を弾性変形可能な梁１０８で接続する。各分割錘１０７の可動範囲、質量、各梁１０８の剛性等を調整する、または、加速度に対する感度領域の異なる複数の変形モードを併用することにより、加速度の検出感度を向上させるとともに加速度応答範囲を広げる。【選択図】図１
2008008820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基板上に形成された空洞部と、
（ｂ）前記空洞部の中に弾性変形可能な弾性体を介して懸架された錘と、
（ｃ）前記空洞部に設けられた固定電極とを備え、
前記錘と前記固定電極との間の静電容量の変化に基づいて、加速度による前記錘の位置変化を検出する慣性センサであって、
前記錘は複数の分割錘に分割され、分割された前記複数の分割錘のそれぞれは弾性変形可能な弾性体で互いに接続されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項２】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記複数の分割錘の中には、分割された他の前記複数の分割錘にだけ弾性体を介して接続されているものがあることを特徴とする慣性センサ。
【請求項３】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記空洞部を封止する蓋と、
前記蓋を支持し、前記空洞部の内部に設けられた支持部とを備え、
前記支持部は前記複数の分割錘の間に形成されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項４】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記複数の分割錘の質量は同じであり、前記複数の分割錘を接続する複数の弾性体の剛性も同じであることを特徴とする慣性センサ。
【請求項５】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記複数の分割錘の質量がそれぞれ異なり、前記複数の分割錘を接続する複数の弾性体の剛性も異なることを特徴とする慣性センサ。
【請求項６】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記複数の分割錘は可動範囲が制限されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項７】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記複数の分割錘と前記複数の分割錘を接続する複数の弾性体よりなる可動構造体は、加速度に対する感度領域の異なる複数の変形モードを有することを特徴とする慣性センサ。
【請求項８】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記複数の分割錘は前記基板上に２次元的に配置されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項９】
請求項１記載の慣性センサであって、
前記複数の分割錘は前記基板上に１次元的に配置されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１０】
（ａ）半導体基板上に固定電極を形成する工程と、
（ｂ）前記固定電極上に第１層間絶縁膜を形成する工程と、
（ｃ）前記第１層間絶縁膜上に第１薄膜を形成する工程と、
（ｄ）前記第１薄膜をパターニングして、可動電極を兼ねる複数の分割錘および前記複数の分割錘を接続する複数の弾性体を形成する工程と、
（ｅ）パターニングした前記第１薄膜上に第２層間絶縁膜を形成する工程と、
（ｆ）前記第２層間絶縁膜上に第２薄膜を形成する工程と、
（ｇ）前記第２薄膜をパターニングして、前記第２薄膜に第１エッチング孔を形成する工程と、
（ｈ）前記第１エッチング孔から前記第１層間絶縁膜の一部および前記第２層間絶縁膜の一部をエッチングすることにより空洞部を形成し、形成した前記空洞部内に前記複数の分割錘が前記複数の弾性体を介して懸架されるようにする工程とを備えることを特徴とする慣性センサの製造方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の慣性センサの製造方法であって、
前記（ｈ）工程後、前記第１エッチング孔を封止する工程を備えることを特徴とする慣性センサの製造方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の慣性センサの製造方法であって、
前記第１エッチング孔を封止する工程は、前記第１エッチング孔を形成した前記第２薄膜上に膜を堆積する工程により前記第１エッチング孔を封止することを特徴とする慣性センサの製造方法。
【請求項１３】
請求項１０記載の慣性センサの製造方法であって、
前記（ｇ）工程は、前記複数の分割錘および前記複数の弾性体の形成領域上に存在する前記第２薄膜上に前記第１エッチング孔を形成することを特徴とする慣性センサの製造方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の慣性センサの製造方法であって、
前記（ｈ）工程は、前記複数の分割錘および前記複数の弾性体の形成領域に前記空洞部を形成し、前記第１エッチング孔が形成されていない領域下では前記第１層間絶縁膜および前記第２層間絶縁膜を残すことにより前記空洞部を支える支持部を形成することを特徴とする慣性センサの製造方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の慣性センサの製造方法であって、
前記支持部は、前記複数の分割錘の間の領域に形成することを特徴とする慣性センサの製造方法。
【請求項１６】
請求項１０記載の慣性センサの製造方法であって、
前記（ｄ）工程は、前記複数の分割錘を形成するとともに前記複数の分割錘に第２エッチング孔を形成することを特徴とする慣性センサの製造方法。
【請求項１７】
請求項１０記載の慣性センサの製造方法であって、
前記半導体基板と前記固定電極との間に、ＭＩＳＦＥＴおよび配線層を形成する工程を備えることを特徴とする慣性センサの製造方法。
【請求項１８】
（ａ）半導体基板上に固定電極を形成する工程と、
（ｂ）前記固定電極上に第１層間絶縁膜を形成する工程と、
（ｃ）前記第１層間絶縁膜上に第１薄膜を形成する工程と、
（ｄ）前記第１薄膜をパターニングして、可動電極を兼ねる錘および前記錘に接続する複数の弾性体を形成する工程と、
（ｅ）パターニングした前記第１薄膜上に第２層間絶縁膜を形成する工程と、
（ｆ）前記第２層間絶縁膜上に第２薄膜を形成する工程と、
（ｇ）前記第２薄膜をパターニングして、前記錘および前記複数の弾性体の形成領域上にある前記第２薄膜にエッチング孔を形成し、前記錘および前記複数の弾性体の形成領域以外の領域上にある前記第２薄膜に前記エッチング孔を形成しない工程と、
（ｈ）前記エッチング孔から前記第１層間絶縁膜の一部および前記第２層間絶縁膜の一部をエッチングすることにより空洞部を形成し、形成した前記空洞部内に前記錘が前記複数の弾性体を介して懸架されるようにし、かつ、前記エッチング孔が形成されていない前記第２薄膜の領域下において、前記第１層間絶縁膜の一部および前記第２層間絶縁膜の一部を残すことにより、前記空洞部を支持する支持部を形成する工程とを備えることを特徴とする慣性センサの製造方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の慣性センサの製造方法であって、
前記（ｄ）工程は、可動電極を兼ねる複数の分割錘および前記複数の分割錘を接続する複数の弾性体を形成することを特徴とする慣性センサの製造方法。
【請求項２０】
請求項１９記載の慣性センサの製造方法であって、
前記（ｈ）工程は、前記複数の分割錘の間に前記支持部を形成することを特徴とする慣性センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロエレクトロメカニカルシステムズ（ＭＥＭＳ；Micro Electro Mechanical Systems）による慣性センサおよびその製造技術に関し、特に、半導体集積回路装置と慣性センサの集積化デバイスおよびその製造技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路装置を形成するための微細加工技術を用いて、圧力、加速度等の機械的センサや微小スイッチ、振動子等の微細な機械部品、機械システムを形成するマイクロエレクトロメカニカルシステムズ（ＭＥＭＳ）技術が開発されている。ＭＥＭＳはシリコン基板自体を加工して微小機械を形成するバルクＭＥＭＳと、シリコン基板表面に薄膜を堆積し、堆積した薄膜をパターニングすることを繰り返すことで微小機械を形成する表面ＭＥＭＳに大別される。
【０００３】
バルクＭＥＭＳによる加速度センサとして、例えば、シリコン基板やＳＯＩ基板のハン
ドリング層等で形成した錘を、活性層で形成した梁で支え、加速度による梁の変形をピエ
ゾ効果により検出する素子が開発されている（例えば、特許文献１あるいは特許文献２参照）。
【０００４】
表面ＭＥＭＳによる加速度センサとして、例えば、厚さ２μｍから４μｍ程度のポリシリコン膜で錘と梁を形成し、加速度による錘の移動を、錘と外枠の両方に形成した電極間の容量変化により検出する加速度センサが開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
これらのＭＥＭＳセンサにおいては、外力等による構造体の機械的変形が、ピエゾ抵抗変化や容量変化として電気的信号に変換され、さらに、通常、この出力は、半導体集積回路装置（ＬＳＩ；Large Scale Integration）によって信号処理される。このようにＭＥＭＳはＬＳＩと組み合わせて利用され、かつ、ＭＥＭＳ自体は半導体製造技術を用いて製造されるため、両者を同一基板上でモノリシックに集積する技術が開発されている。
【０００６】
例えば、ポリシリコン膜からなる錘を用いた加速度センサや振動ジャイロが容量電圧変換回路やオペアンプ等のアナログ回路と集積されている。センサ機構部（シリコン基板上に一部の空隙を介して配置される）とアナログ回路部は基板平面の異なる（隣接する）領域に配置される。センサ機構部はその全体をカバーにより覆われた空洞中に封止される。例えば、特許文献３あるいは特許文献４には空洞部中に支柱を配置する方法についての記述がある。
【特許文献１】特開２００５−６９９４６号公報
【特許文献２】米国特許６７０５１６７Ｂ２号
【特許文献３】米国特許５７６０４５５号
【特許文献４】米国特許６２６２９４６Ｂ１号
【非特許文献１】Technical digest of IEEE electron devices meeting (2003) pp.39.1.1-39.1.4
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする問題点は、第１に従来技術によるＭＥＭＳによる慣性センサを小型化したとき、構造体の強度（信頼性）と慣性センサの感度の両立が困難になるという点にある。すなわち、通常ＭＥＭＳによる慣性センサでは、錘を支える梁（バネ）の強度を弱くする（梁のバネ定数を小さくする）ことにより感度が向上する。しかし、この場合、慣性センサ自体を小型化または薄膜化すると、梁の強度が著しく低下してしまう。つまり、慣性センサの感度を向上させるために錘を支える梁の強度を弱くする必要があるため、慣性センサの強度と感度を同時に確保することが困難となっている。
【０００８】
また、慣性（加速度）センサでは、小さな加速度から大きな加速度までの広い加速度範囲を高精度に計測する（ダイナミックレンジを確保する）必要があるが、従来技術ではダイナミックレンジを確保することが困難である。すなわち、小さな加速度に対し高感度化するためにバネ定数を小さくすると、大きな力が加わったとき錘が著しく変位して、錘の可動範囲を超えたり、または、バネの飽和特性により実質的な感度が得られない。一方、大きな力を計測するためにバネ定数を大きくすると、小さな力に対して感度が得られない。このため、想定される加速度範囲に応じて別々の加速度センサが必要となるという問題点がある。
【０００９】
第２に、バルクＭＥＭＳまたは表面ＭＥＭＳによるによる慣性（加速度）センサでは、いずれにせよ、通常のＬＳＩ製造技術とは異なるウェハの張り合せ等の特殊な封止・実装方法が必要となるという課題がある。また、ＬＳＩまたは異種のセンサをモノリシックに混載するのが困難という点にある。
【００１０】
本発明の目的は、第１に、ＭＥＭＳによる慣性センサを小型化したときにも、構造体の強度（信頼性）と慣性センサの感度を両立することが可能で、かつ、広い加速度領域で一定レベルの感度が得られる（ダイナミックレンジの広い）ＭＥＭＳによる慣性（加速度）センサを提供することにある。
【００１１】
第２に、標準的なＬＳＩ製造技術であるＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）の製造工程で、慣性センサを封止・実装することにより、小型化、かつ、半導体集積回路装置またはＭＥＭＳによる異種のセンサをモノリシックに混載可能な慣性（加速度）センサとその製造方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１４】
本発明による慣性センサは、（ａ）基板上に形成された空洞部と、（ｂ）前記空洞部の中に弾性変形可能な弾性体を介して懸架された錘と、（ｃ）前記空洞部に設けられた固定電極とを備え、前記錘と前記固定電極との間の静電容量の変化に基づいて、加速度による前記錘の位置変化を検出する慣性センサであって、前記錘は複数の分割錘に分割され、分割された前記複数の分割錘のそれぞれは弾性変形可能な弾性体で互いに接続されていることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明による慣性センサの製造方法は、（ａ）半導体基板上に固定電極を形成する工程と、（ｂ）前記固定電極上に第１層間絶縁膜を形成する工程と、（ｃ）前記第１層間絶縁膜上に第１薄膜を形成する工程と、（ｄ）前記第１薄膜をパターニングして、可動電極を兼ねる複数の分割錘および前記複数の分割錘を接続する複数の弾性体を形成する工程と、（ｅ）パターニングした前記第１薄膜上に第２層間絶縁膜を形成する工程と、（ｆ）前記第２層間絶縁膜上に第２薄膜を形成する工程と、（ｇ）前記第２薄膜をパターニングして、前記第２薄膜に第１エッチング孔を形成する工程と、（ｈ）前記第１エッチング孔から前記第１層間絶縁膜の一部および前記第２層間絶縁膜の一部をエッチングすることにより空洞部を形成し、形成した前記空洞部内に前記複数の分割錘が前記複数の弾性体を介して懸架されるようにする工程とを備えることを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、本発明による慣性センサの製造方法は、（ａ）半導体基板上に固定電極を形成する工程と、（ｂ）前記固定電極上に第１層間絶縁膜を形成する工程と、（ｃ）前記第１層間絶縁膜上に第１薄膜を形成する工程と、（ｄ）前記第１薄膜をパターニングして、可動電極を兼ねる錘および前記錘に接続する複数の弾性体を形成する工程と、（ｅ）パターニングした前記第１薄膜上に第２層間絶縁膜を形成する工程と、（ｆ）前記第２層間絶縁膜上に第２薄膜を形成する工程と、（ｇ）前記第２薄膜をパターニングして、前記錘および前記複数の弾性体の形成領域上にある前記第２薄膜にエッチング孔を形成し、前記錘および前記複数の弾性体の形成領域以外の領域上にある前記第２薄膜に前記エッチング孔を形成しない工程と、（ｈ）前記エッチング孔から前記第１層間絶縁膜の一部および前記第２層間絶縁膜の一部をエッチングすることにより空洞部を形成し、形成した前記空洞部内に前記錘が前記複数の弾性体を介して懸架されるようにし、かつ、前記エッチング孔が形成されていない前記第２薄膜の領域下において、前記第１層間絶縁膜の一部および前記第２層間絶縁膜の一部を残すことにより、前記空洞部を支持する支持部を形成する工程とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１８】
本発明による慣性センサによれば、慣性センサを小型化したときにも、構造体の強度（信頼性）とセンサの感度を両立することが可能となる。また、小さな力に対する感度と、大きな力までの非飽和特性の両立が可能となり、広い加速度領域で一定レベルの感度が得られる。また、標準的なＣＭＯＳプロセスで、比較的大面積の可動構造体を、大面積の空洞中に封止実装できる。これにより、ＬＳＩまたは異種のセンサをモノリシックに混載可能となる。特に、慣性センサの機構部をＬＳＩの配線と同時に形成できるので、ＬＳＩとの集積化が容易となる。さらに、慣性センサの機構部はＬＳＩ回路領域の上部に重ねて形成できるので、チップの小型化が可能となる。また、ＭＥＭＳによる慣性センサを、プラスティックパッケージ等の通常のＬＳＩと全く同様の実装技術により実装できる。これにより、慣性センサの小型化、高機能化あるいは低コスト化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００２０】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００２１】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００２２】
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００２３】
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【００２４】
（実施の形態１）
本実施の形態１における慣性センサについて図面を参照しながら説明する。図１は、本実施の形態１における慣性センサの機構部（主要部）を示す平面図である。図１に示すように、周囲には薄膜より形成される枠１０６が形成されている。この枠１０６は慣性センサが形成されている半導体基板に固定されている。枠１０６の内部には空洞部１０５が形成されており、この空洞部１０５の内部に複数の梁（弾性体）１０８を介して複数の分割錘１０７が配置されている。つまり、空洞部１０５の内部には２次元状（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に複数の分割錘１０７が配置され、それぞれの分割錘１０７は互いに弾性変形可能な梁１０８で接続されている。このように構成された複数の分割錘１０７は、Ｚ軸方向に変位するようになっている。すなわち、Ｚ軸方向に加速度が印加されると、それぞれの分割錘１０７はＺ軸方向に変位するように構成されている。本発明の特徴の１つは、空洞部１０５の内部に複数の梁１０８を介して複数の分割錘１０７を配置したことにある。これにより、慣性センサを小型化したときにも、構造体の強度（信頼性）と慣性センサの感度を両立することが可能で、かつ、広い加速度領域で一定レベルの感度を得ることができる。なお、空洞部１０５の内部に２次元状（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）に複数の分割錘１０７を配置するように構成したが、空洞部１０５の内部に１次元状に複数の分割錘１０７を配置するように構成してもよい。
【００２５】
図２は、図１のＡ−Ａ´線で切断した断面を模式的に示す断面図である。なお、図１では、Ｘ軸方向に５つの分割錘１０７が配置されているが、図２では、省略してＸ軸方向に２つの分割錘１０７が形成されているとしている。図２において、例えば、シリコン単結晶よりなる半導体基板１００には、複数のＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）Ｑが形成されている。この複数のＭＩＳＦＥＴＱは、例えば、慣性センサから出力された信号を処理する半導体集積回路装置として機能するものである。さらに、ＭＩＳＦＥＴＱ上には、半導体集積回路を構成する配線が多層にわたって形成されている。例えば、図２では、配線が４層にわたって形成されており、多層に形成された配線はプラグを介して電気的に接続されている。このように半導体基板１００上には、ＭＩＳＦＥＴＱおよび多層配線を含む半導体集積回路装置が形成されている。本実施の形態１では、半導体基板１００に形成された半導体集積回路装置上に慣性センサが形成されている。つまり、本実施の形態１では、半導体集積回路と慣性センサがモノリシックに形成されている。
【００２６】
次に、慣性センサの構成について説明する。第４層目に形成されている配線１０１と同層に、慣性センサの機構部を構成する固定電極１０２が形成されている。この固定電極１０２は、配線１０１を形成する工程で同時に形成される。そして、配線１０１および固定電極１０２を形成した第４配線層上には、層間絶縁膜（第１層間絶縁膜）１０３が形成されており、層間絶縁膜１０３上に層間絶縁膜（第２層間絶縁膜）１０４が形成されている。層間絶縁膜１０３および層間絶縁膜１０４には空洞部１０５が設けられている。空洞部１０５には層間絶縁膜１０４に固定されている枠１０６が形成されており、枠１０６の内側には梁（図２では図示せず。図１参照）を介して分割錘１０７が懸架されている。例えば、図２に示すように、空洞部１０５の両端に枠１０６が形成されており、空洞部１０５の両端部からそれぞれ分割錘１０７が空洞部１０５中に懸架されている。空洞部１０５中に懸架された２つの分割錘１０７は互いに梁１０８によって接続されている。さらに、２つの分割錘１０７の間には、支持部１０９が形成されている。この支持部１０９は梁１０８に接触しないように形成されており、梁１０８の弾性変形を邪魔しないようになっている。また、分割錘１０７には分割錘１０７を貫通するエッチング孔（第２エッチング孔）１０７ａが形成されている。このエッチング孔１０７ａは、後述するようにエッチングによって空洞部１０５を形成する際、分割錘１０７の下部も充分にエッチングすることができるように設けられているものである。
【００２７】
空洞部１０５を形成した層間絶縁膜１０４上には薄膜より形成されている第２薄膜１１０が配置されている。この第２薄膜１１０は、空洞部１０５を封止するために設けられているものである。また、第２薄膜１１０は固定電極として機能を有する場合もある。第２薄膜１１０には、エッチング孔（第１エッチング孔）１１１が設けられている。このエッチング孔１１１は、層間絶縁膜１０４に第２薄膜１１０を形成した後、層間絶縁膜１０３および層間絶縁膜１０４にエッチングで空洞部１０５を形成するためのものである。第２薄膜１１０に形成されたエッチング孔１１１は、例えば酸化シリコン膜１１２によって封止される。
【００２８】
次に、図３は、空洞部１０５上に設けられた第２薄膜１１０を支持する支持部１０９の形成パターンを示す平面図である。図３に示すように枠１０６の内部には空洞部１０５が形成され、この空洞部１０５には、梁１０８を介して複数の分割錘１０７が懸架されている。複数の分割錘１０７の間には、支持部１０９が形成されている。この支持部１０９は、空洞部１０５の中で梁１０８および分割錘１０７が形成されていない領域に複数形成されていることがわかる。図３では、スリット状に複数の支持部１０９が形成されている。本発明の特徴の１つは、空洞部１０５に複数の支持部１０９を設けたことにある。このように空洞部１０５に梁１０８を介して分割錘１０７を懸架する一方で、支持部１０９を空洞部１０５に複数設けることで、空洞部１０５を封止する蓋の強度を補強できる。特に、多くの分割錘１０７を懸架できるように空洞部１０５の大きさを大きくする場合、支持部１０９を設けることで、蓋の強度を充分に補強できる。したがって、慣性センサの信頼性向上を図ることができる。
【００２９】
この支持部１０９は、例えば、空洞部１０５を形成するエッチングの際、エッチングされる層間絶縁膜の一部を残すことにより形成することができる。このような支持部１０９を形成するため、第２薄膜１１０に形成するエッチング孔１１１の形成パターンを図４に示す。図３および図４に示すように、第２薄膜１１０に形成するエッチング孔１１１は第２薄膜１１０に均一に形成するのではなく、不均一に形成されている。具体的には、梁１０８および分割錘１０７を形成する領域上にある第２薄膜１１０の領域にエッチング孔１１１を形成し、梁１０８および分割錘１０７を形成しない領域上にある第２薄膜１１０の領域にエッチング孔１１１を形成していない。このようにエッチング孔１１１を配置することにより、エッチングの際、エッチング孔１１１の下部に存在している層間絶縁膜が充分にエッチングされる一方、エッチング孔１１１が存在していない領域の下部に存在している層間絶縁膜は残存する。このことから、梁１０８および分割錘１０７が形成されている領域には、空洞部１０５が充分に形成されることにより分割錘１０７が懸架され、梁１０８および分割錘１０７が形成されていない領域では、空洞部１０５の形成が抑制されて、支持部１０９を形成することができる。
【００３０】
本実施の形態１における慣性センサにおいて、梁１０８および分割錘１０７よりなる可動構造体は、空洞部１０５内に形成され、かつ弾性変形可能なＬＳＩ材料または金属配線により空洞部１０５を囲む層間絶縁膜に枠１０６として固定される。可動構造体は、その機械的特性が可動構造体自体の寸法により決定され、空洞部１０５の形状には依存しないように設計されている。具体的には、（１）空洞部１０５の周囲に存在する層間絶縁膜に固定されかつ実質的に弾性変形しないとみなすことのできるだけの大きさを有する部分（枠１０６）、（２）可動部（分割錘１０７）、（３）上記（１）と（２）を接続する弾性変形可能な弾性変形部（梁１０８）を設けることにより、空洞部１０５の寸法精度は慣性センサの機械的特性に殆ど影響しない。この可動構造体の寸法精度は通常のＬＳＩの配線パターンの形成精度で規定される。この精度は、一般的に従来のバルクＭＥＭＳ等の加工精度より格段に高いため、高精度の機械特性が保証される。
【００３１】
可動構造体は配線層を用いて形成されるので、錘としての機械的機能に加え、それ自体が電極および配線等の電気的機能を兼ねる。つまり、本実施の形態１における慣性センサでは、後述するように層間絶縁膜に固定された電気的に独立した固定電極と分割錘との間でセンシングを行なうようになっている。可動構造体とこれを囲む周囲との機械的接続（梁）と電気的接続（配線、検出用容量等）は、それぞれ半導体集積回路装置を構成する別層で行なってもよい。
【００３２】
次に、本発明の特徴的構成についてさらに詳しく説明する。本発明の特徴の１つは、錘を複数の分割錘に分割し、各分割された分割錘同士を弾性変形可能な梁で接続することにある。各分割された分割錘同士を弾性変形可能な梁で接続することの効果は主に次の２点である。第１に異なるバネ定数と質量を有する慣性センサの並列化効果により、小さな加速度に対する感度と、大きな加速度までの非飽和特性の両立が可能となる。第２に、錘自体の傾き（角度効果）により感度が増幅される。または、加速度に対する感度領域の異なる複数の変形モードを併用することが可能となる。以下、各々について説明する。
【００３３】
図５（ａ）に示すように、２Ｎ個の分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）が互いに梁（バネ）１０８（１）〜１０８（２Ｎ＋１）で直列に接続され、両端を基板（枠１０６）に固定された系を考える。各分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）に方向と絶対値の等しい加速度が加わったときの各分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）の変位を考える。紙面の上方向に加速度ａが働いたとすると、各分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）は、基板に対して相対的に、図５（ｂ）に示すような変位をする。すなわち、分割錘１０７（１）の変位が相対的に少なく、分割錘１０７（２）から分割錘１０７（Ｎ）へ移動するにしたがって相対的に変位が大きくなる。そして、分割錘１０７（Ｎ）から分割錘１０７（２Ｎ）へ移動するにしたがって相対的に変位が少なくなる。つまり、固定されている枠１０６に近い分割錘ほど変位が小さく、枠１０６から離れている分割錘ほど変位が大きくなる。この変位は、分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）の下部（または上部あるいはその両方であってもよい）に配置した固定電極１０２と分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）との間の静電容量変化として検知される。通常、すべての分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）は電気的に接続された１個の電極として機能するが、ここでは便宜上、各分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）と固定電極１０２との間の静電容量の並列接続とみなす。検出される静電容量は、並列接続された各静電容量の合計となる。
【００３４】
系を中心対称と仮定してその半分だけを考え、まず、梁１０８（１）〜１０８（Ｎ）の伸縮モードによる弾性変形を考える（図５（ｃ）参照）。１番外側の（１番目の梁１０８（１）により枠１０６に固定された）分割錘１０７（１）の変位Ｘ1は、１番外側の梁１０８（１）の変形量δ1に等しい。δ1は分割錘１０７（１）〜１０７（Ｎ）の全質量(ｍ１＋ｍ２＋・・・＋ｍＮ)と梁１０８（１）〜１０８（Ｎ）のバネ定数（剛性）ｋ１を用いて、δ1＝(ｍ１＋ｍ２＋・・・＋ｍＮ)／ｋ１・ａで示される。このとき、ｊ番目の分割錘１０７（ｊ）の変位Ｘｊは、一番外側からｊ番目までの各梁の変位δ１、δ２・・・δｊの合計δ１＋δ２＋・・・＋δｊに等しい。ｊ番目の分割錘１０７（ｊ）と固定電極１０２との間の静電容量Ｃｊにおいて、ｊ番目の分割錘１０７（ｊ）の変位Ｘｊによる変化ΔＣｊは、簡単のためＸｊが、変位がない場合の分割錘１０７（ｊ）と固定電極１０２との間のギャップｄより十分に小さいと仮定すると、ΔＣｊ＝εＳｊ・Ｘｊ／ｄ２となり、ほぼＸｊに比例する。但し、Ｓｊは、ｊ番目の分割錘１０７（ｊ）と固定電極１０２との間の容量の面積である。
【００３５】
簡単のため、すべての梁１０８（１）〜１０８（Ｎ）のバネ定数と分割錘１０７（１）〜１０７（Ｎ）の質量が等しいと仮定すると、簡単な計算により、Ｘｊ＝（ｍ／ｋ）・（Ｎ−ｊ＋１）・ｊ・ａとなる。従って、例えば、ｊ番目の分割錘１０７（ｊ）について考えると、実効的に質量が（Ｎ−ｊ＋1）倍、バネ定数が１／ｊ倍となっていると解釈できる。すなわち、図５（ｃ）の系は、図５（ｄ）に示すような異なるバネ定数で枠１０６と固定された異なる質量を有する錘を配列した構成と等価である。
【００３６】
次に、ここで各分割錘１０７（１）〜１０７（Ｎ）の変位量には、分割錘１０７（１）〜１０７（Ｎ）の可動範囲の制限からくる上限が存在するとする。例えば、分割錘が６個並列に並んだ場合、系を中心対称として半分の分割錘１０７（１）〜１０７（３）を考える。各分割錘１０７（１）〜１０７（３）の変位Ｘｊ、容量変化ΔＣｊ、容量変化の合計ΔＣと印加された加速度の関係を図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。
【００３７】
図６（ａ）において、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３は各々一番外側、２番目、中心の分割錘の変位を示している。Ｘ３は小さな加速度領域で高い感度（変位量／加速度）を有するが比較的小さな加速度で変位の上限に達する。一方、Ｘ１は全加速度領域で感度は小さいが、大きな加速度領域まで検出可能である。すなわち、中心に配置されている分割錘１０７（３）の変位Ｘ３は、小さな加速度によっても大きく変化する。このため、小さな加速度の検出感度を向上させることができる。しかし、比較的小さな加速度で飽和してしまうため、中心に配置されている分割錘１０７（３）だけでは、測定できる加速度の範囲を広げることが困難となる。一方、一番外側に配置されている分割錘１０７（１）によれば、分割錘１０７（３）に比べて、印加された加速度に対して変位する量が少ない。このため、加速度の検出感度は小さくなる。しかし、印加された加速度に対して変位する量が少ないため、比較的大きな加速度を印加しても変位が飽和することはない。つまり、一番外側に配置されている分割錘１０７（１）によれば、測定できる加速度の範囲を広げることができる。
【００３８】
図６（ｂ）は、各分割錘１０７（１）〜１０７（３）と固定電極との間の容量変化ΔＣ１〜ΔＣ３を示したものである。図６（ｂ）に示す容量変化ΔＣ１〜ΔＣ３は、図６（ａ）に示す各分割錘１０７（１）〜１０７（３）の変位Ｘ１〜Ｘ３に対応していることがわかる。つまり、加速度が印加された場合、中心に配置された分割錘１０７（３）の容量変化ΔＣ３は大きいが、比較的小さな加速度で容量変化ΔＣ３は飽和してしまう。一方、加速度が印加された場合、一番外側に配置された分割錘１０７（１）の容量変化ΔＣ１は小さいが、比較的大きな加速度まで、容量変化ΔＣ１は飽和しないことがわかる。
【００３９】
したがって、各分割錘１０７（１）〜１０７（３）の容量変化の合計を検知することにより、低加速度領域における感度と、高加速度領域までの非飽和特性の両方を併せ持つことができることがわかる。比較のために、すべての分割錘１０７（１）〜分割錘１０７（３）の合計質量に等しい質量を持つ１個の錘が、様々なバネ定数をもつバネで固定された場合の特性を図６（ｃ）中の点線Ａ、Ｂ、Ｃで示す。一方、各分割錘１０７（１）〜１０７（３）の容量変化の合計を検知した場合を図６（ｃ）の実線で示す。図６（ｃ）の実線で示す場合は、図６（ｃ）の点線Ａに示す場合とほぼ同等の加速度検出感度を有するとともに、点線Ａに示す場合に比べて容量変化の飽和がしにくくなっていることがわかる。すなわち、図６（ｃ）の点線Ａの場合に比べて、検出できる加速度の範囲を大幅に向上できることがわかる。図６（ｃ）の点線Ｂの場合に比べても、本実施の形態１における慣性センサの構成（図６（ｃ）の実線）のほうが、小さな加速度に対する感度がよく、かつ、大きな加速度までの非飽和特性が良好であることがわかる。さらに、図６（ｃ）の実線の場合と図６（ｃ）の点線Ｃの場合と比べると、図６（ｃ）の実線と図６（ｃ）の点線Ｃの場合で、ほぼ同等の非飽和特性を有しているが、図６（ｃ）の実線の場合、すなわち、本実施の形態１における慣性センサの構成のほうが加速度の検出感度が良好であることがわかる。このように、本実施の形態１によれば、分割錘を梁で互いに接続する構成をとることにより、低加速度領域における感度と、高加速度領域までの非飽和特性の両方を併せ持つことができることがわかる。
【００４０】
本実施の形態１では、図５（ａ）に示すように、固定された枠１０６に複数の梁１０８（１）〜１０８（２Ｎ＋１）によって複数の分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）を懸架するように構成した点に特徴がある。このように図５（ａ）に示した構成は、系を中心対称であると考え、すべての梁１０８（１）〜１０８（２Ｎ＋１）のバネ定数が等しく、すべての分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）の質量が等しいとすると、図５（ｄ）に示す構成と等価になる。つまり、外側からｊ番目の分割錘１０７（ｊ）は、質量が（Ｎ−ｊ＋1）ｍで分割錘１０７（ｊ）を枠１０６に接続する梁１０８（ｊ）のバネ定数がｋ／ｊとなる系と等価になる。このため、内側ほど質量およびバネ定数が小さくなる分割錘１０７（ｊ）が配置されていることになる。特に、分割錘が２Ｎ個あるとすると、中心に位置する分割錘１０７（Ｎ）は、質量がｍでこの分割錘１０７（Ｎ）に接続する梁１０８（Ｎ）のバネ定数がｋ／Ｎとなり最小となる。バネ定数が小さいほど加速度が印加された場合の変位量が大きくなるので、中心に配置されている分割錘１０７（Ｎ）が最も加速度に対して感度良く変位することになる。すなわち、図５（ａ）に示すように分割錘１０７（Ｎ）は隣接する分割錘１０７（Ｎ−１）とバネ定数がｋである梁１０８（Ｎ）で接続されているが、図５（ｄ）に示すように、質量がｍでこの分割錘１０７（Ｎ）に接続する梁のバネ定数がｋ／Ｎである構成と等価になるので、バネ定数がｋである梁１０８（Ｎ）で接続されているにもかかわらず、あたかもバネ定数がｋ／Ｎで枠１０６に接続されているようになる。このため、梁１０８（Ｎ）の強度を維持することができるとともに、低加速度領域における感度を向上させることができる。つまり、梁１０８（Ｎ）のバネ定数はｋのままで構成できるので、梁１０８（Ｎ）のバネ定数をｋ／Ｎにする場合に比べて強度を確保することができる。一方で、分割錘１０７（Ｎ）は、バネ定数がｋである梁１０８（Ｎ）および梁１０８（Ｎ＋１）で接続されているにもかかわらず、あたかもバネ定数がｋ／Ｎで枠１０６に接続されているようになるので、低加速度領域における感度を向上させることができる。
【００４１】
また、図５（ａ）に示す一番外側に配置されている分割錘１０７（１）は、図５（ｄ）に示すように、質量Ｎｍの錘が枠１０６にバネ定数ｋがである梁を介して接続されている構成と等価になっている。このように質量がＮｍとなるので、印加された加速度に対して変位しにくくなり、高加速度領域までの非飽和特性が良好となる。このことから、本実施の形態１に示すように、複数の分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）の変位をすべて加速度の検出に用いることにより、慣性センサの強度を確保しながら、低加速度領域における感度と、高加速度領域までの非飽和特性の両方を併せ持つことができることがわかる。つまり、低加速度領域では、中心部に配置されている分割錘の変位を主に加速度の検出に用いる一方、高加速度領域では、外側に配置されている分割錘の変位を主に加速度の検出に用いることにより、低加速度領域における感度と、高加速度領域までの非飽和特性の両方を併せ持つことができる。
【００４２】
本実施の形態１における慣性センサの構成（図５（ａ））は、図５（ｄ）と等価であるが、図５（ａ）の構成をとることにより、図５（ｄ）の構成をとる場合よりも有利な点がある。つまり、図５（ｄ）に示す構成では、中心に位置する分割錘１０７（Ｎ）を枠１０６に接続することになる。この接続に用いる梁１０８（Ｎ）のバネ定数はｋ／Ｎにする必要がある。しかし、バネ定数を小さくすると、梁（バネ）の加工上の制約、または耐久性等により問題が生じる。これに対し、本実施の形態１における慣性センサの構成（図５（ａ））では、中心に位置する分割錘１０７（Ｎ）自体は隣接する分割錘１０７（Ｎ−１）と分割錘（Ｎ＋１）にバネ定数ｋの梁１０８（Ｎ）と梁１０８（Ｎ＋１）で接続されることになる。つまり、バネ定数がｋであり、バネ定数をｋ／Ｎにする必要がないので、梁の強度を保持することができる。その一方、分割錘１０７（Ｎ）は、バネ定数がｋである梁１０８（Ｎ）および梁１０８（Ｎ＋１）で接続されているにもかかわらず、あたかもバネ定数がｋ／Ｎで枠１０６に接続されているようになるので、低加速度領域における感度を向上させることができる。このように、図５（ａ）に示す構成では、図５（ｄ）に示す構成と同様に低加速度領域における感度を向上させることができるが、さらに図５（ａ）に示す構成では、図５（ｄ）に示す構成に比べて梁の機械的強度を向上させることができる効果が得られる。また、図５（ａ）に示す構成によれば、分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）の質量および梁１０８（１）〜１０８（２Ｎ＋１）のバネ定数を等しくすることができるので、質量の異なる分割錘およびバネ定数の異なる梁を形成する図５（ｄ）の構成に比べて小型化することが容易である利点もある。
【００４３】
本実施の形態１では、図５（ａ）において、分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）の質量および梁１０８（１）〜１０８（２Ｎ＋１）のバネ定数を同じになるように構成したが、分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）の質量および梁１０８（１）〜１０８（２Ｎ＋１）のバネ定数をそれぞれ異なるように構成しても、同様の効果を得ることができる。特に、バネ定数、分割錘の質量、各分割錘の作る容量の面積に分布を作ることにより、図６（ａ）〜（ｃ）に示す特性曲線の形状を様々に調整することができる。例えば、周り（外側）と比べて中心部のバネ定数を軟らかく（小さく）することにより、低加速度領域をより高感度化することができる。
【００４４】
また、図５（ａ）において、分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）の個数は多いほうが望ましい。分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）の個数が多いほうが、Ｎが大きくなり、中心に位置する分割錘１０７（Ｎ）に接続する梁のみかけ上のバネ定数ｋ／Ｎが小さくなるので、低加速度領域における検出感度の向上を図ることができるからである。また、分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）の中には、枠１０６に固定されず、分割錘にだけ梁によって接続されているものがあることが望ましい。例えば、このような分割錘は、図５（ａ）の分割錘１０７（２）〜１０７（２Ｎ−１）が該当する。枠１０６に固定されず、分割錘にだけ梁によって接続されているものは、加速度に対する変位が大きくなるので、加速度の検出感度を向上することができる。
【００４５】
また、本実施の形態１では、分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）の可動範囲に制限があるとしているが、これは、梁１０８（１）〜１０８（２Ｎ＋１）の弾性変形に限界があるからである。つまり、梁１０８（１）〜１０８（２Ｎ＋１）に弾性変形可能な限界以上に力が加わると、梁１０８（１）〜１０８（２Ｎ＋１）が延びきったままになること等を防止して慣性センサの信頼性を向上させるためである。ただし、梁１０８（１）〜１０８（２Ｎ＋１）の弾性変形可能な限界を超えないとしても問題ない場合は、分割錘１０７（１）〜１０７（２Ｎ）の可動範囲に制限を設けなくてもよい。一般に梁（バネ）に加える力と変位の関係は小変位領域では線形だが、変形量が大きくなるとバネ定数が増大して変位しにくくなる（変位量が飽和する）。これは、変位によるヤング率の変化によるものである。分割錘の可動範囲の制約が無い場合にも、この特性によりほぼ同様の効果を得ることができる。但し、この場合には各分割錘に接続される梁のバネ定数を意図的に変える（分布を導入する）ことが望ましい。これにより、変位量の飽和が始まる加速度を変えることができるためである。
【００４６】
次に、本実施の形態１によれば、分割錘自体の傾き（角度効果）により感度が増幅されることについて説明する。つまり、本実施の形態１によれば、加速度に対する感度領域の異なる複数の変形モードを併用することが可能となる点について説明する。
【００４７】
図７（ａ）に示すように、互いに梁１０８で直列接続された分割錘１０７が両端で枠１０６に固定された系を考える（系は中心対称とし、図ではその半分を示している）。図７では図５とは異なり各分割錘１０７は有限の長さを持つものと考える。このように各分割錘１０７が有限の長さを持つとすると、梁１０８の伸縮による変形（伸縮モード）の他に梁の曲げ（もしくはねじれ）モードによる変形が生じる。このため、各分割錘１０７は図７（ｂ）のように傾き、実質的な変位量が大きくなる。すなわち、伸縮モードによる変形と曲げ（もしくはねじれ）モードによる変形が重なり合うことにより変位量が大きくなり感度が向上する。このような、曲げ（もしくはねじれ）モードを積極的に用いることもできる。曲げ（もしくはねじれ）モードと伸縮モードによる平均変位の対加速度感度の差により、低加速度領域と高加速度領域の両方に対する感度を両立することができる。すなわち、曲げ（もしくはねじれ）モードによる変位と伸縮モードによる変位とは、印加される加速度によって差があることを利用して、低加速度領域と高加速度領域の両方に対する感度を向上することができる。つまり、複数の分割錘１０７と複数の分割錘１０７を接続する複数の梁１０８よりなる可動構造体は、加速度に対する感度領域の異なる複数の変形モードを有している。このように本実施の形態１によれば、加速度に対する感度領域の異なる複数の変形モードを併用することが可能となる。
【００４８】
本実施の形態１における慣性センサは上記のように構成されており、以下にその動作について説明する。図８は、本実施の形態１における慣性センサのセンサ機構部の断面を示す断面模式図（図１のＡ−Ａ´線で切断した断面に相当）である。図８（ａ）に示すように、空洞部１０５内で、複数の分割錘１０７がこの分割錘１０７と同一層で形成されている梁１０８を介して接続され、その両端は梁１０８を介して層間絶縁膜に固定されている。空洞部１０５には、固定電極（下部電極）１０２および上部電極１１３が形成されており、固定電極（下部電極）１０２と分割錘１０７、分割錘１０７と上部電極１１３との間で容量素子Ｃａ、Ｃｂが形成されている。なお、固定電極（下部電極）１０２と上部電極１１３の両方が形成されている例を示しているが、固定電極（下部電極）１０２あるいは上部電極１１３のどちらか一方だけが形成されていてもよい。
【００４９】
慣性センサを形成した基板に垂直な方向（Ｚ軸方向）に加速度が印加されると、図８（ｂ）に示すように、梁１０８が弾性変形して分割錘１０７の位置が空洞部１０５内でＺ軸方向に変位する。この変位量は、分割錘１０７と固定電極（下部電極）１０２あるいは分割錘１０７と上部電極１１３との間の容量変化として検出される。ここで、印加された加速度が小さいときは、空洞部１０５の中心付近に配置されている分割錘１０７が主に変位して、複数の分割錘１０７と固定電極（下部電極）１０２あるいは複数の分割錘１０７と上部電極１１３との容量変化として検出される。そして、印加される加速度が大きくなると、空洞部１０５の中心付近に配置されている分割錘１０７は固定電極（下部電極）１０２に接触してそれ以上変位しなくなる。このとき、分割錘１０７の表面には絶縁膜が形成されており、分割錘１０７と固定電極（下部電極）１０２が接触しても導通しないようになっている。したがって、空洞部１０５の中心付近に配置されている分割錘１０７による変位は飽和して容量変化しなくなる。一方、空洞部１０５の周辺に配置されている分割錘１０７は変位するので、加速度が大きくなると、空洞部１０５の周辺に配置されている分割錘１０７の変位によって、複数の分割錘１０７と固定電極（下部電極）１０２あるいは複数の分割錘１０７と上部電極１１３との間で容量変化が生じる。このようにして、本実施の形態１における慣性センサによれば、低加速度領域から高加速度領域にわたって容量変化が生じることがわかる。
【００５０】
この分割錘１０７の変位に応じて生じる容量変化は信号検出回路によって処理される。図９は信号検出回路の回路ブロック図を示している。図９に示すように、上述した慣性センサ１２０によって加速度は分割錘１０７の変位として検出され、この分割錘１０７の変位は容量素子Ｃａ、Ｃｂの容量変化として検出される。分割錘１０７、固定電極（下部電極）１０２および上部電極１１３は、同一基板上に形成されている信号処理用の集積回路に接続されている。まず、図９に示すように、慣性センサ１２０で検出された容量変化は、容量電圧変換回路（ＣＶ変換回路）１２１で電圧信号に変換される。そして、変換された電圧信号は、オペアンプ１２２によって増幅された後、ＡＤ変換回路１２３によってアナログ信号からデジタル信号に変換される。続いて、デジタル信号はマイクロプロセッサ１２４によって、不揮発性メモリ１２５に記憶されているデータに基づき、温度、アンプ特性等各種の補正を施される。そして、補正を施されたデジタル信号は出力用インターフェース回路１２６を介して外部に加速度信号として出力される。このようにして、本実施の形態１における慣性センサにより加速度を検出することができる。
【００５１】
次に、本実施の形態１における慣性センサの製造方法について説明する。まず、概略的な製造方法について説明する。所定の半導体基板上に層間絶縁膜（犠牲層を兼ねる）を形成し、この層間絶縁膜の内部に第１薄膜を用いて形成した構造体を埋め込む。このとき、構造体は互いに梁により接続された複数の分割錘を含むように構成する。次に、層間絶縁膜上に第２薄膜を形成し、構造体の存在領域上の第２薄膜の所定位置に開口部を形成する。その後、開口部を介して層間絶縁膜の一部を選択的にエッチング除去して、層間絶縁膜に空洞部を形成する。このとき、空洞部に第１薄膜を用いて形成した構造体が配置されるようにする。すなわち、空洞部に複数の分割錘が梁を介して懸架されるようにする。次に、所定の封止材料を堆積することにより、開口部を封止する。空洞部は開口部の存在領域の下部に形成されるので、開口部の配置を適宜設定することにより空洞部の形状を設定できる。そこで、開口部存在領域の一部に開口部の非存在領域を設けるなどとすることにより空洞部中の一部に層間絶縁膜を残して支持部（柱）とする。具体的には、層間絶縁膜中で、第１薄膜による分割錘と分割錘もしくは梁、又は梁と梁に挟まれた領域に層間絶縁膜を残すようにする。これにより、分割錘および梁を形成していない領域に支持部を形成することができる。
【００５２】
層間絶縁膜の材料としては、例えばＬＳＩの多層配線プロセスを用いて酸化シリコン膜等を用いることができる。そして、この層間絶縁膜内にタングステン膜（Ｗ）、タングステンシリサイド膜（ＷＳｉ）、ポリシリコン膜等の金属または半導体材料よりなる第１薄膜に構造体たる梁および分割錘等を形成する。そして、構造体の上部に所定の開口部を有する金属薄膜（第２薄膜）を形成した後、この開口部を介して構造体周辺の層間絶縁膜を選択的にエッチング除去する。これにより、構造体の周囲に空洞部を形成する。しかる後に、第２薄膜に形成している開口部を封止する。
【００５３】
空洞部を形成する際のエッチングにはＨＦ水溶液によるウエットエッチング、ベーパーＨＦによる気相エッチング等を用いることができる。また、開口部の封止には、好ましくはコンフォーマルな堆積特性を有する薄膜（例えば熱ＣＶＤ法による酸化シリコン膜）を用いることができる。これらの材料は、ＬＳＩを製造する製造工程において広く使用されている。したがって、本発明は、標準的なＬＳＩの製造工程、特にＬＳＩの製造工程の一部である標準的な配線工程を用いて、慣性センサの構造体および構造体を設置するための大面積（大体積）の空洞部を形成することができる。
【００５４】
また、層間絶縁膜の代わりにポリシリコン等の金属（半導体）膜、第１薄膜に酸化シリコン膜などの絶縁膜で覆われた導体膜を用い、空洞部を形成する犠牲層（層間絶縁膜）のエッチングにＸｅＦ２による気相エッチング等を用いてもよい。また、梁や分割錘などの構造体は、配線層やポリシリコン膜、ＳｉＧｅ層、またはＳＯＩ基板の活性層のいずれか、または、これらの任意の組み合わせにより形成してもよい。なお、封止膜を堆積することにより、開口部を封止する際、比較的大きな寸法を有する開口パターンを設けることにより、封止膜を空洞部の内部に堆積し、これをもって蓋を支える支持部（柱）とすることもできる。
【００５５】
これら慣性センサ（ＭＥＭＳ）は、ＬＳＩ（半導体集積回路装置）と集積化することが可能である。集積化する方法としては、シリコン基板上にＬＳＩのトランジスタを作製した後、トランジスタ上部に多層配線を形成するのと同時に、同一基板上の層間絶縁膜内に慣性センサの構造体を形成し、その後、空洞部を形成して封止することで実現できる。また、シリコン基板上に慣性センサの構造体を形成した後、同一基板上にＬＳＩを作製し、その後、空洞部を形成して封止することでも実現できる。
【００５６】
このように本実施の形態１における慣性センサの製造方法によれば、標準的なＣＭＯＳプロセスで、比較的大面積の可動構造体を、大面積の空洞中に封止実装できる。これにより、ＬＳＩまたは異種のセンサをモノリシックに混載可能となる。特に、慣性センサの機構部をＬＳＩの配線と同時に形成できるので、ＬＳＩとの集積化が容易となる。さらに、慣性センサの機構部はＬＳＩ回路領域の上部に重ねて形成できるので、チップの小型化が可能となる。また、ＭＥＭＳによる慣性センサを、プラスティックパッケージ等の通常のＬＳＩと全く同様の実装技術により実装できる。これにより、慣性センサの小型化、高機能化あるいは低コスト化が可能となる。
【００５７】
次に、本実施の形態１における慣性センサの製造方法について図面を参照しながら詳細に説明する。図１０（ａ）に示すように、通常のＣＭＯＳプロセス（ＬＳＩ形成プロセス）に従い、シリコン単結晶よりなる半導体基板（シリコン基板）１００上に慣性センサの信号処理用のＭＩＳＦＥＴ（トランジスタ）Ｑを形成する。そして、ＭＩＳＦＥＴＱを接続するプラグおよび多層配線を通常の配線工程の技術を用いて形成する。そして、多層配線のうち第４層の配線１０１をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して形成する。この配線１０１と同層で、慣性センサの固定電極１０２を形成する。
【００５８】
続いて、配線１０１および固定電極１０２上に、例えばプラズマＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜よりなる層間絶縁膜（第１層間絶縁膜）１０３を形成する。その後、層間絶縁膜１０３の表面を化学的機械的研磨法（ＣＭＰ；Chemical Mechanical Polishing）を用いて平坦化を行なった後、第１センサビア１３０を形成する。第１センサビア１３０は第４配線層の所定配線と、後述するセンサ第１層とを接続する。
【００５９】
次に、図１０（ｂ）に示すように、センサ第１層（第１薄膜）として膜厚１μｍのタングステンシリサイド（ＷＳｉ）膜をスパッタリング法により形成する。その後、所定のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術により、図１に示すようにパターニングする。これにより、慣性センサの枠１０６、可動電極を兼ねる複数の分割錘１０７および複数の分割錘１０７を接続する複数の梁（弾性体）１０８およびセンサ用配線パターンを形成する。なお、図１には明示していないが、センサ第１層の分割錘１０７には、適宜エッチング孔（第２エッチング孔）１０７ａを設ける。このエッチング孔１０７ａは層間絶縁膜（犠牲層）１０３をエッチングする際、例えば分割錘１０７下の層間絶縁膜１０３を除去するためのものである。
【００６０】
続いて、図１０（ｃ）に示すように、センサ第１層を含む層間絶縁膜１０３上に、プラズマＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜よりなる層間絶縁膜（第２層間絶縁膜）１０４を堆積する。そして、層間絶縁膜１０４の表面をＣＭＰ法で平坦化する。ここで、必要に応じて第２センサビア（図示せず）を形成する。第２センサビアはセンサ第１層のセンサ用配線パターンと、後述するセンサ第２層とを接続する。
【００６１】
次に、図１１（ａ）に示すように、センサ第２層（第２薄膜１１０）として膜厚１μｍのタングステンシリサイド膜をスパッタリング法により形成する。しかる後に、所定のリソグラフィ技術およびドライエッチング技術により、図４に示すようにパターニングしてエッチング孔（第１エッチング孔）１１１を形成する。エッチング孔１１１の直径およびスリットの幅はほぼ３００ｎｍとしている。次に、図１１（ｂ）に示すように、センサ第２層（第２薄膜１１０）に形成したエッチング孔１１１と（応力緩和用）スリット開口パターン（図示せず）および分割錘１０７に形成したエッチング孔１０７ａを介して、層間絶縁膜（犠牲層）１０３，１０４をエッチング除去する。これにより、エッチング孔１１１の存在領域の下部に空洞部１０５を形成する。エッチング孔１１１を配置しない領域の下は層間絶縁膜（犠牲層）１０３、１０４がエッチングで除去されないため、図３に示すように、空洞部１０５中でセンサ第２層を支える層間絶縁膜（犠牲層）１０３，１０４よりなる支持部（柱）１０９が形成される。センサ第２層のエッチング孔１１１を配置しない領域は、センサ第１層の分割錘１０７０および梁１０８の形成領域を避けるように配置した。このため、支持部（柱）１０９が可動構造体の動きを妨げることは無い。
【００６２】
ここで、本発明の特徴の１つは、複数の分割錘１０７および複数の梁１０８の形成領域に空洞部１０５を形成し、エッチング孔１１１が形成されていない領域下では層間絶縁膜１０３、１０４を残すことにより空洞部１０５を支える支持部１０９を形成することにある。つまり、第２薄膜１１０に形成するエッチング孔１１１を図４に示すように、不均一に形成する。具体的には、下部に分割錘１０７あるいは梁１０８が存在する第２薄膜にエッチング孔１１１を形成し、下部に分割錘１０７あるいは梁１０８が存在しない領域にはエッチング孔１１１を形成しない。このようにエッチング孔１１１を形成することにより、第２薄膜１１０の下部に存在する層間絶縁膜１０３、１０４をエッチング孔１１１からエッチングする際、分割錘１０７あるいは梁１０８が存在する領域の層間絶縁膜１０３、１０４はエッチングされ、空洞部１０５が形成される。このため、空洞部１０５において、分割錘１０７は梁１０８によって懸架される。一方、エッチング孔１１１を形成しない領域では、層間絶縁膜１０３、１０４の一部がエッチングされず、層間絶縁膜１０３、１０４からなる支持部１０９が空洞部１０５内に形成される。具体的に、エッチング孔１１１を形成しない領域は、分割錘１０７あるいは梁１０８が形成されていない領域であり、例えば、図３に示すように、分割錘１０７と分割錘１０７の間の領域、分割錘１０７と梁１０８の間の領域、梁１０８と梁１０８との間の領域などに形成される。このように、分割錘１０７０および梁１０８の形成領域を避けるように支持部１０９を配置したので、支持部（柱）１０９が可動構造体の動きを妨げることは無い。その一方で、空洞部１０５上に形成されている第２薄膜１１０よりなる蓋を支持部１０９で支持することができるので、空洞部１０５の強度を確保することができる。さらに、支持部１０９は空洞部１０５を形成する際、一部の層間絶縁膜１０３、１０４を残すことにより形成されている。すなわち、支持部１０９は空洞部１０５の形成と同時に形成することができるので、工程の簡略化を図ることができる。また、空洞部１０５および支持部１０９は通常のＣＭＯＳプロセスで使用されるエッチング技術を用いて形成されるため、ＬＳＩを形成する製造工程で慣性センサを形成することができる。
【００６３】
また、本発明の１つの特徴は、分割錘１０７にエッチング孔１０７ａを形成していることにある。これにより、空洞部１０５を形成するエッチングの際、分割錘１０７の下部に存在する層間絶縁膜１０３を充分に除去することができる。つまり、空洞部１０５は、分割錘１０７の上部にあるエッチング孔１１１から層間絶縁膜１０３、１０４をエッチングすることにより形成される。このため、分割錘１０７にエッチング孔１０７ａが形成されていないと、分割錘１０７の下部にある層間絶縁膜１０３のエッチングは困難となる。そこで、本実施の形態１では、分割錘１０７に複数のエッチング孔１０７ａを形成している。これにより、分割錘１０７に形成されているエッチング孔１０７ａの内部をエッチング液が通過することができるので、分割錘１０７の下部にある層間絶縁膜１０３を充分に除去することができるのである。
【００６４】
次に、例えば、熱ＣＶＤ法によりセンサ第２層（第２薄膜１１０）上に酸化シリコン膜１１２を堆積する。これにより、エッチング孔１１１とスリット開口パターン（図示せず）の封止を行なう。さらに、酸化シリコン膜１１２上に窒化シリコン膜によるパッシベーション膜を堆積する（図示せず）。スリット開口パターンの幅は、第４層配線層とセンサ第１層との間のギャップおよびセンサ第１層とセンサ第２層との間のギャップより小さいので、熱ＣＶＤ法による酸化シリコン膜１１２は、センサ第１層の表面および第２層のエッチング孔１１１およびスリットの側壁を含む表面にほぼ均一に堆積する。そして、エッチング孔１１１およびスリットが塞がった後は、センサ第２層の表面のみに堆積する。さらに、図１１（ｃ）に示すように、必要に応じて、第４層の配線１０１で形成した配線パッド上にパッド用開口部１３１を形成する。このようにして本実施の形態１における慣性センサを製造することができる。
【００６５】
このように本実施の形態１における慣性センサの製造方法によれば、標準的なＣＭＯＳプロセスで、比較的大面積の可動構造体を、大面積の空洞中に封止実装できる。これにより、ＬＳＩまたは異種のセンサをモノリシックに混載可能となる。特に、慣性センサの機構部をＬＳＩの配線と同時に形成できるので、ＬＳＩとの集積化が容易となる。さらに、慣性センサの機構部はＬＳＩ回路領域の上部に重ねて形成できるので、チップの小型化が可能となる。また、ＭＥＭＳによる慣性センサを、プラスティックパッケージ等の通常のＬＳＩと全く同様の実装技術により実装できる。これにより、慣性センサの小型化、高機能化あるいは低コスト化が可能となる。
【００６６】
上述した説明では、センサ第１層上の層間絶縁膜１０４の平坦化をＣＭＰ法で行なったが、例えば、プラズマＣＶＤ法により酸化シリコン膜をコンフォーマルに堆積し、全面をエッチングすることにより分割錘１０７および梁１０８の周囲にいわゆるサイドウォールを形成し、さらに酸化シリコン膜を堆積することにより分割錘１０７および梁１０８の輪郭部における段差を緩和してもよい。
【００６７】
また、センサ第１層の主要部における最大スリット幅（パターン幅）を、センサ第１層とセンサ第２層との間の層間絶縁膜１０４の膜厚に比べて十分に小さくする（少なくとも同程度以下とする）ことにより、層間絶縁膜１０４の表面の凹凸を抑制してもよい。
【００６８】
センサ第１層あるいはセンサ第２層の材料としては他の材料、例えばタングステン（Ｗ）膜を用いてもよい。タングステン膜あるいはタングステンシリサイド膜の利点は、フッ酸によるエッチングにより空洞部１０５を形成する際、層間絶縁膜１０３、１０４とのエッチング選択比を十分に確保できる点にある。これらの膜の膜厚は上述した説明で示す値に限定しない。また、空洞部１０５を形成する際、層間絶縁膜１０３、１０４のエッチングがおこなわれるが、このエッチングにベーパーＨＦを用いる場合には、センサ第１層あるいはセンサ第２層の材料としてアルミニウム膜を用いてもよい。
【００６９】
空洞部１０５を形成するためのエッチング孔１１１と応力緩和用スリット開口パターンは、通常のi線露光により形成したが、いわゆる公知のホール縮小プロセスを適用してもよい。また、タングステンシリサイド膜はレジストパターンをマスクとした通常のドライエッチングにより加工するが、必要に応じていわゆる酸化シリコン膜によるハードマスクプロセスを用いてもよい。
【００７０】
層間絶縁膜（犠牲層）１０３、１０４のエッチングは、エッチング後に行なわれる乾燥工程において、空洞部１０５内に残存する液体の毛管力による封止膜の張り付きあるいは破壊を防止するため、ベイパーフッ酸による気相エッチングを用いている。ただし、空洞部１０５のギャップ量によっては通常の液相によるフッ酸を用いてもよい。
【００７１】
タングステンシリサイド膜のエッチング速度は非常に小さいため、分割錘１０７および梁１０８のパターンは空洞部１０５内に残る。また、空洞部１０５の下部領域にはＴｉＮ膜を有する第４層配線が一面に形成されており、ＴｉＮ膜のエッチング速度も非常に小さいため、空洞部１０５の下面が規定される。センサ第１層の分割錘１０７および梁１０８の上下にある層間絶縁膜１０３、１０４はほぼ同時に除去されるため、分割錘１０７は空洞部１０５の側面に固定された梁１０８により空洞部１０５中に懸架された状態となる。梁１０８は弾性変形するため、分割錘１０７および梁１０８の残留応力を吸収して変形するため、分割錘１０７および梁１０８の応力は極めて低く、分割錘１０７および梁１０８を構成する膜が上下に変形するようなことはない。
【００７２】
センサ第２層で形成するエッチング孔１１１のパターンは、図４に示したものに限らず、様々な形状とすることができる。例えば、図１２のような形としてもよい。図１２では各分割錘の上部に微細なエッチング孔１３２を配置するとともに、各分割錘を接続する梁の上部に複数の細長いスリット１３３を設けている。各分割錘の中心を結ぶ対角線（±４５度方向）の交点部上には、エッチング孔１３２およびスリット１３３がともに存在しないので、この領域の層間絶縁膜（犠牲膜）はエッチング除去されず、図１３に示すように、分割錘１０７および梁１０８がともに存在しない領域に空洞蓋の支持部（支柱）１３４が形成される。センサ第２層（空洞蓋）は支持部（支柱）１３４で固定されるが、センサ第２層の残存応力は、スリット１３３により作られる梁の変形により吸収されるため、センサ第２層の膜内部応力による凹凸形状の発生や破壊が抑制される。スリット１３３の幅はエッチング孔１３２とほぼ同程度なので、エッチング孔１３２の封止と同時にスリット１３３は自動的に封止される。
【００７３】
なお、分割錘を支える梁の形状は空洞部の付根部分においては十分に太く、分割錘に加速度が加えられても弾性変形しにくいように設計されている。一方、梁の中央部は付根部分にくらべて幅が狭く、所定の加速度が加わることにより所望の弾性変形を生じるように設計されている。従って、機械特性はセンサ第１層の平面パターン形状と膜厚のみで決まり、空洞部の寸法形状には依存しない。即ち、空洞部の寸法形状はいわゆる犠牲層のエッチング精度で決まり、その精度は低いが、本実施の形態１における慣性センサの機械特性に影響することはない。梁の平面的形状は図１の形に限定しない。例えば、図１４に示すような梁１３５の形状にすることもできる。この場合、空洞部１０５を支持する支持部（支柱）１３６は、例えば、図１５に示したように配置することができる。すなわち、支持部１３６を梁１３５と分割錘１０７との間に配置することができる。支持部（支柱）１３６の配置はセンサ第２層に設けるエッチング孔の配置により設定できる。
【００７４】
また、図１１（ｃ）に示すように、空洞部１０５の下部全面に設けた最上層（第４）配線層パターンは、慣性センサと最上層配線層下に形成されているＬＳＩとの間の電気的シールドとして機能する。慣性センサの配置領域下にＬＳＩ（回路）を配置しない場合には、電気的シールドの機能は必ずしも必要ではない。空洞部１０５を形成する際のエッチングにおいて、エッチングストッパは、例えば半導体基板（シリコン基板）１００そのものを用いてもよい。センサ第２層についても、接地接続することによりセンサを外界から電気的磁気的保護するためのシールドとして機能する。
【００７５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２による１軸加速度（もしくは振動）センサ（慣性センサ）について、図面を参照しながら説明する。図１６は、本実施の形態２における１軸加速度（もしくは振動）センサの、可動構造体（センサ第１層）の平面的配置を示す模式図である。図１７は、本実施の形態２における１軸加速度センサの動作を説明するための断面模式図である。本実施の形態２における１軸加速度センサも、前記実施の形態１と同様の製造工程により作製している。
【００７６】
センサ第１層に形成されている分割錘２０２は、図１６に示すように、４つの台形状の形状をしている。この分割錘２０２は空洞部２０１の内部に形成され、分割錘２０２が互いに梁２０３で接続されている。各分割錘２０２は空洞部２０１の枠２００に、やはりセンサ第１層により形成される梁２０４を介して固定されている。したがって、各分割錘２０２は、梁２０３および梁２０４によって空洞部２０１内に懸架されている。空洞部２０１の中心部には、支持部２０５が設けられている。なお、空洞部２０１の下部には固定された下部電極２０６が形成され、空洞部２０１の上部には固定された上部電極２０７が配置されている。本実施の形態２における１軸加速度センサでは、上部電極２０７と下部電極２０６を形成している例を示しているが、どちらか一方が設けられていればよい。下部電極２０６と分割錘２０２で容量素子Ｃａが形成され、上部電極２０７と分割錘２０２で容量素子Ｃｂが形成されている。
【００７７】
次に、本実施の形態２における１軸加速度センサの動作について説明する。図１７（ａ）は加速度が印加されない場合の１軸加速度センサの断面図である。図１７では簡単のため空洞部２０１およびセンサ第１層のみを示している。センサ第１層には、分割錘２０２および梁２０４が形成されており、分割錘２０２は梁２０４によって空洞部２０１内に懸架されている。
【００７８】
紙面の上方向に加速度が印加されると、図１７（ｂ）に示すように、各分割錘２０２が傾く。これは、主に梁２０４のねじれによるものである。つまり、加速度が小さいうちは、梁２０４のねじれ（ねじれモード）によって各分割錘２０２が変位する。この変位によるセンサ第１層（分割錘２０２）と下部電極２０６と間の容量変化を容量素子Ｃａで、センサ第１層（分割錘２０２）と上部電極２０７との間の容量変化を容量素子Ｃｂで検知して加速度信号とする。比較的小さな加速度により分割錘２０２および梁２０４に微小なねじれが生じ、これによる微小な分割錘２０２の角度変化が大きな容量変化を実現する。
【００７９】
さらに加速度が増大すると、図１７（ｃ）に示すように、各分割錘２０２の中心側の１辺が空洞部２０１の底に接触するとともに、空洞部２０１を囲む枠２００と分割錘２０２を結ぶ梁２０４の曲げ変形（曲げモード）により分割錘２０２全体が下方へ変位する。曲げ変形のばね剛性は強いので、分割錘２０２全体を下方へ変位させるためには大きな加速度が必要となる。すなわち、曲げ変形による分割錘２０２の変位は大きな加速度領域で顕在化する。つまり、小さな加速度領域では、ねじれモードによる変位が主となり、ねじれモードによる変位が飽和する程度の大きな加速度領域では、曲げモードによる変位は主になる。
【００８０】
なお、図面には示されていないが、可動電極として機能する分割錘２０２の表面は絶縁膜により覆われており、分割錘２０２が下部電極２０６（又は上部電極２０７）と接触しても電極間が短絡することはないようになっている。
【００８１】
図１８に本実施の形態２における１軸加速度センサの加速度−容量変化特性を示す。図１８において、横軸が印加される加速度の大きさを示しており、縦軸が分割錘２０２と下部電極２０６（または分割錘２０２と上部電極２０７）の容量変化を示している。図１８に示すように、加速度が小さい範囲では容量変化が大きく高感度になっているとともに、加速度の広い範囲にわたって容量変化が生じていることがわかる。これは、次のように解釈することができる。すなわち、加速度が小さい範囲では分割錘２０２および梁２０４のねじれにより分割錘２０２が変位して容量変化が生じる。分割錘２０２および梁２０４のねじれによる変位は加速度に対して敏感であり、大きな容量変化が生じる。そして、加速度の大きさが大きくなるとねじれモードによる変位は飽和するが、続いて、剛性の強い曲げ変形が加速度によって生じる。この曲げ変形のばね剛性は強いので、分割錘２０２全体を下方へ変位させるためには大きな加速度が必要となる。したがって、加速度の広い範囲にわたって変位することができる。このように各分割錘２０２の１辺が空洞部２０１の底に接触するまでの低加速度領域で高感度であり、その後広い加速度領域にわたり一定レベル以上の感度が実現されていることがわかる。
【００８２】
矩形形状の分割錘２０２同士を結ぶ梁２０３の剛性を、周囲（枠２００）と固定する梁２０４の剛性より弱く設定してもよい。また、分割錘２０２の構成は図１６に示したものに限定せず、例えば、図１９に示すように様々な変形が可能である。図１９に示すように、固定された枠２００に梁２１０を介して分割錘２１１が接続され、各分割錘２１１は梁２１０で接続されている。このとき、分割錘２１１の形状はコの字形状をしている。このように構成した１軸加速度センサにおいても本実施の形態２における１軸加速度センサと同様の効果を得ることができる。
【００８３】
本実施の形態２における１軸加速度（もしくは振動）センサを圧力センおよび信号処理用ＬＳＩとモノリシックに集積化して、集積化センサチップを作製した。作製した集積化センサチップのセンサ機構部の断面模式図を図２０に示す。図２０において、圧力センサ２１２はセンサ第１層を下部電極、センサ第２層を上部電極とし、両者の間に空洞を形成して、外部圧力による上部電極を含むセンサ第２層の凹凸変形を容量検知することにより圧力計測する。この圧力センサ２１２と同一の半導体基板上には１軸加速度センサ２１３が設けられている。このように構成することにより、圧力センサ２１２で周囲の圧力を検出することができるとともに、１軸加速度センサ２１３で印加された加速度を検出することができる。
【００８４】
この圧力センサ２１２と１軸加速度センサ２１３とを集積化して集積化センサチップをタイヤ空気圧モニタリングシステムに適用することができる。このタイヤ空気圧モニタリングシステムによれば、本実施の形態２における１軸加速度（もしくは振動）センサ２１３でタイヤの回転により集積化センサチップに働く遠心力を検知する。集積化センサチップは遠心力が一定のしきい値以上の場合、車体は走行状態にあると認識し、それ以外の場合は（実質的に）停止状態と認識する。走行／停止状態により圧力センサ２１２の動作を制御する。具体的には、車両が走行状態にある場合、圧力センサ２１２による圧力および温度計測結果の送信頻度を上げ、それ以外の停止状態にある場合、送信頻度を最小限度に抑える。これにより、集積化センサチップの平均消費電力を抑えることができる。車両側で検出される送信頻度から判定される走行／停止状態が、車体側の別手段（例えば車輪速センサ）により判断される状態と矛盾した場合、集積化センサチップの故障の恐れがあるので、運転者に警告を発する。このようにして、本実施の形態２における１軸加速度センサ２１３をタイヤ空気圧モニタリングシステムに適用することができる。
【００８５】
（実施の形態３）
本発明は、半導体基板の主面に平行な方向の加速度を検知するセンサにも適用可能である。本実施の形態３では、Ｘ軸方向の加速度を検出する加速度センサ（慣性センサ）に適用する例について図２１および図２２を参照しながら説明する。
【００８６】
図２１は、本実施の形態３による１軸加速度センサにおいて、可動構造体の平面的配置を示す模式図である。図２１は、本実施の形態３による１軸加速度センサの動作を説明するための模式図である。センサ第１層により形成される錘は、図２１に示すように、Ｘ軸方向に並んで配置された５つの分割錘３０１〜３０５から構成されている。この分割錘３０１〜３０５は互いに梁で接続され、その両端の分割錘３０１および分割錘３０５は空洞部３０６の周囲を囲む枠３００に、やはり分割錘と同一層により形成される梁を介して固定されている。分割錘３０１と分割錘３０５は十分な剛性をもった梁３０７で接続されている。分割錘３０１と分割錘３０２とは梁３０８によって接続されており、分割錘３０４と分割錘３０５も梁３０８によって接続されている。さらに、分割錘３０２と分割錘３０３、分割錘３０３と分割錘３０４とは梁３０９によって接続されている。なお、分割錘３０１〜３０５のそれぞれの内部には固定電極３１０が配置されている。また、分割錘３０１〜３０５のそれぞれには、突起部３１１が形成されている。
【００８７】
次に、図２２を参照しながら、本実施の形態３における１軸加速度センサの動作について説明する。図２２（ａ）に模式的に示す各分割錘３０１〜３０５は、Ｘ軸方向に加速度が印加されるとＸ軸方向に変位し、この変位は、半導体基板に固定された固定電極３１０（図２２では図示せず。図２１参照）と各分割錘３０１〜３０５の間の容量変化として検知される。固定電極３１０は各分割錘３０１〜３０５の内部に配置される。
【００８８】
ここで、分割錘３０１と分割錘３０２（または分割錘３０４と分割錘３０５）を接続する梁３０８の剛性は、分割錘３０２と分割錘３０３（または分割錘３０３と分割錘３０４）を接続する梁３０９の剛性より強く設定されている。枠３００と分割錘３０１または枠３００と分割錘３０５を接続する梁３０７の剛性は、分割錘３０１と分割錘３０２（または分割錘３０４と分割錘３０５）を接続する梁３０８の剛性より強く設定されている。つまり、内側ほど剛性の弱い梁で接続されていることになる。
【００８９】
まず、比較的小さな加速度が印加されると、一番剛性の弱い梁３０９で接続されている分割錘３０３がＸ軸方向に変位する。続いて、加速度が増大すると分割錘３０３の変位が増大し、図２２（ｂ）に示すように、分割錘３０３は分割錘３０４と接触し、分割錘３０２、分割錘３０３および分割錘３０４は一体として機能する。さらに、加速度が増大すると、図２２（ｃ）に示すように、分割錘３０４は分割錘３０５と接触し、全ての分割錘３０１〜３０５は一体として機能する。これにより、広い加速度領域に対して高い感度を得ることができる。分割錘３０１〜３０５同士は各分割錘３０１〜３０５（梁の付け根部分）に設けられた平面的な突起部（ストッパ）３１１で接触する。
【００９０】
このように、比較的小さな加速度では分割錘３０３による変位によって加速度を検出し、加速度が大きくなり分割錘３０３の変位が飽和すると、分割錘３０２〜３０４が一体となって変位する。これにより、大きな加速度も検出することができる。さらに、加速度が大きくなると、分割錘３０１〜３０５が一体として変位する。このように、加速度領域に対応して変位する錘の質量が異なるように構成することができるので、広い加速度領域に対して高い感度を得ることができる。すなわち、加速度の検出感度と広いダイナミックレンジを確保することができる。
【００９１】
図２３に示すように、１軸加速度センサを同一基板内で９０度回転して配置して同時に形成することにより、２軸加速度センサを構成できる。すなわち、加速度センサ３２０と加速度センサ３２１を同一基板に形成することにより、２軸加速度センサを形成することができる。このとき、加速度センサ３２０がＸ軸方向の加速度を検出し、加速度センサ３２１がＹ軸方向の加速度を検出するようになっている。
【００９２】
また、図２４に示すような入れ子状の配置または前記実施の形態１の図１と同様の配置により、２軸加速度を構成してもよい。例えば、図２４に示す構成では、枠３２２の内部に形成された空洞部に枠状の分割錘３２４が梁３２３を介してＸ軸方向およびＹ軸方向に変位できるように接続されている。そして、枠状の分割錘３２４の内部には、梁３２５を介して、枠状の分割錘３２６が形成されており、この分割錘３２６の内部に正方形状の分割錘３２８が梁３２７を介して接続されている。それぞれの分割錘３２４、３２６、３２８はＸ軸方向およびＹ軸方向に変位できるようになっている。この場合、Ｘ軸方向とＹ軸方向の両方向で分割錘を共有できるため面積の利用効率が向上するという利点がある。但し、この場合、内側の分割錘が特定方向に変位することにより外側の分割錘に接触すると、特定方向と垂直な方向に対しても固定されてしまうため、大きな加速度が印加された場合にも接触が生じないようにすることが好ましい。さらに、これらの１軸加速度センサまたは２軸加速度センサにおいて、上下電極との容量変化を同時に検知することにより２軸加速度センサまたは３軸加速度センサを構成することもできる。
【００９３】
また、１軸加速度センサを図２５（ａ）に示すような構成としてもよい。図２５（ａ）の構成では、２個の分割錘３３２と分割錘３３６が梁３３８を介して接続されるとともに梁３３１あるいは梁３３５を介して枠（または基板）３３０、３３４に固定されている。分割錘３３２および分割錘３３６は枠形状をしており、内部に固定電極３３３あるいは固定電極３３７が形成されている。
【００９４】
このように構成された１軸加速度センサの動作について説明する。小さな加速度領域では図２５（ｂ）に示すように、曲げモードの変形が生じる。そして、さらに加速度が増加すると、曲げモードの変形は飽和して、梁３３１、３３５の伸縮により図２５（ｃ）の変形が生じる。どちらの変形も、基板に固定して設けられた固定電極３３３、３３７と分割錘３３２、３３６の間の容量変化により検知される。この構成を有する１軸加速度センサにおいても、加速度に対する感度領域の異なる複数の変形モードを利用することで、低加速度領域における高い感度と、大加速度領域までの広い検出範囲の両立が可能である。
【００９５】
本発明のうち、慣性センサの錘と梁の構成に関する部分に関しては、作製プロセスは特に限定しない。ここでは本実施の形態３による加速度センサも、前記実施の形態１と同様の製造工程により作製することができるが、例えば、分割錘および梁よりなる可動構造体は、ポリシリコン膜やＳＯＩ基板の活性層等を用いて作製する等、各種のマイクロ構造体作製法を適用することができる。
【００９６】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明による慣性センサの利用分野は、自動車、携帯用機器、アミューズメント機器、無線機器、情報家電、コンピューター等、極めて多岐にわたる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の実施の形態１による慣性センサにおいて、可動構造体の平面配置を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ´線で切断した断面を示す断面図である。
【図３】実施の形態１による慣性センサにおいて、空洞部内に配置される支持部の平面配置を示す平面図である。
【図４】実施の形態１による慣性センサにおいて、空洞部を覆う蓋に設けられているエッチング孔の配置パターンを示す平面図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の原理を説明する模式図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の特性を示す特性図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は本発明の変形モードを説明する模式図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は実施の形態１による慣性センサの動作を説明する断面模式図である。
【図９】実施の形態１による慣性センサの信号検出回路の構成を示すブロック図である。
【図１０】（ａ）は実施の形態による慣性センサの製造工程を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）に続く慣性センサの製造工程を示す断面図であり、（ｃ）は（ｂ）に続く慣性センサの製造工程を示す断面図である。
【図１１】（ａ）は図１０（ｃ）に続く慣性センサの製造工程を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）に続く慣性センサの製造工程を示す断面図であり、（ｃ）は（ｂ）に続く慣性センサの製造工程を示す断面図である。
【図１２】実施の形態１による慣性センサにおいて、空洞部を覆う蓋に設けられているエッチング孔の配置パターンの変形例を示す平面図である。
【図１３】実施の形態１による慣性センサにおいて、空洞部内に配置される支持部の平面配置の変形例を示す平面図である。
【図１４】実施の形態１による慣性センサにおいて、可動構造体の平面配置の変形例を示す平面図である。
【図１５】実施の形態１による慣性センサにおいて、空洞部内に配置される支持部の平面配置の変形例を示す平面図である。
【図１６】実施の形態２による慣性センサにおいて、可動構造体の平面配置を示す平面図である。
【図１７】（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態２による慣性センサの動作を説明する断面模式図である。
【図１８】実施の形態２による慣性センサにおいて、加速度と容量変化との関係を示すグラフである。
【図１９】実施の形態２による慣性センサにおいて、可動構造体の平面配置の変形例を示す平面図である。
【図２０】実施の形態２による慣性センサと圧力センサとを同一基板上に形成した様子を示す断面図である。
【図２１】実施の形態３による慣性センサにおいて、可動構造体の平面配置を示す平面図である。
【図２２】実施の形態３による慣性センサの動作を説明する模式図である。
【図２３】実施の形態３による慣性センサにおいて、可動構造体の平面配置の変形例を示す平面図である。
【図２４】実施の形態３による慣性センサにおいて、可動構造体の平面配置の変形例を示す平面図である。
【図２５】（ａ）は実施の形態３による慣性センサにおいて、可動構造体の平面配置の変形例を示す平面図であり、（ｂ）、（ｃ）はその動作を説明する平面図である。
【符号の説明】
【００９９】
１００  半導体基板
１０１  配線
１０２  固定電極
１０３  層間絶縁膜
１０４  層間絶縁膜
１０５  空洞部
１０６  枠
１０７  分割錘
１０７ａ  エッチング孔
１０８  梁
１０９  支持部
１１０  第２薄膜
１１１  エッチング孔
１１２  酸化シリコン膜
１１３  上部電極
１２０  慣性センサ
１２１  ＣＶ変換回路
１２２  オペアンプ
１２３  ＡＤ変換回路
１２４  マイクロプロセッサ
１２５  不揮発性メモリ
１２６  出力用インターフェース回路
１３０  第１センサビア
１３１  パッド用開口部
１３２  エッチング孔
１３３  スリット
１３４  支持部
１３５  梁
１３６  支持部
２００  枠
２０１  空洞部
２０２  分割錘
２０３  梁
２０４  梁
２０５  支持部
２０６  下部電極
２０７  上部電極
２１０  梁
２１１  分割錘
２１２  圧力センサ
２１３  １軸加速度センサ
３００  枠
３０１  分割錘
３０２  分割錘
３０３  分割錘
３０４  分割錘
３０５  分割錘
３０６  空洞部
３０７  梁
３０８  梁
３０９  梁
３１０  固定電極
３１１  突起部
３２０  加速度センサ
３２１  加速度センサ
３２２  枠
３２３  梁
３２４  分割錘
３２５  梁
３２６  分割錘
３２７  梁
３２８  分割錘
３３０  枠
３３１  梁
３３２  分割錘
３３３  固定電極
３３４  枠
３３５  梁
３３６  分割錘
３３７  固定電極
３３８  梁
Ｑ  ＭＩＳＦＥＴ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008008820.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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