(57)【要約】【課題】実装のために要するコストの低減を実現すること、２軸方向の力学量を検出可能な構成とする場合でも全体の小型化を実現すること、良好な出力特性を得ること。【解決手段】不純物拡散ポリシリコン製の梁構造体４は、支持基板２に形成された開口部３に臨むように支持され、その支持基板２の主表面と直交するｚ軸方向への加速度の作用に応じて変位する。梁構造体４には、その変位方向と平行する面が電極面とされた可動電極６ｄが一体に形成される。支持基板２には、梁構造体４の変位に応じて可動電極６ｄとの対向面積が変化するように配置された不純物拡散ポリシリコン製の第１の固定電極７ａが支持される。この第１の固定電極７ａの上方には、梁構造体４の変位に応じて可動電極６ｄとの対向面積が変化するように配置された不純物拡散ポリシリコン製の第２の固定電極９ａが第１の固定電極７ａと補助絶縁分離膜８を介した状態で支持される。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主表面に開口部が形成された支持基板と、
この支持基板上に前記開口部に臨んだ状態で支持され、当該支持基板の主表面と直交する方向への力学量の作用に応じて当該力学量の作用方向へ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、当該梁構造体の変位方向と平行する面が電極面とされた半導体材料製の可動電極と、
前記支持基板上に支持され、前記梁構造体の変位に応じて前記可動電極との対向面積が変化するように配置された半導体材料製の第１の固定電極と、
この第１の固定電極の上方に当該第１の固定電極と電気的に絶縁された状態で支持され、前記梁構造体の変位に応じて前記可動電極との対向面積が変化するように配置された半導体材料製の第２の固定電極と、
を備え、
前記梁構造体に作用する力学量の大きさ及びその作用方向を、当該梁構造体の変位に伴う可動電極及び第１の固定電極間の対向面積変化に応じた静電容量の変化量と、梁構造体の変位に伴う可動電極及び第２の固定電極間の対向面積変化に応じた静電容量の変化量との差に基づいて検出することを特徴する半導体力学量センサ。
【請求項２】
前記梁構造体は、前記支持基板に対して両持ち状に支持さ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。
【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、その梁構造体と一体に設けられた可動電極と支持基板に支持された固定電極との間の静電容量の変化として取り出すようにした半導体力学量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車においては、車両安定性制御システムのような運動制御装置などを制御するために加速度センサが搭載される。このような用途に使用される加速度センサは、高い信頼性と共に小型化が要求されるため、従来では、半導体製造技術を利用したマイクロマシニング加工により製造することが行われている。このように製造される半導体加速度センサの例としては、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櫛歯形状の可動電極と、上記支持基板上に絶縁分離膜を介して支持された櫛歯形状のシリコン材料製固定電極とを備えた静電容量式のものが提供されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−７１７０７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載された半導体加速度センサは、平板状に形成された支持基板の主表面と平行で尚且つ可動電極及び固定電極の突出方向と直交した方向の成分を含む加速度が作用したときに、可動電極及び固定電極間の距離が変化する構成となっており、その距離変化に応じた可動電極及び固定電極間の静電容量の変化量をセンサ出力として取り出す形態になっている。
【０００５】
この種の半導体加速度センサが実装される電子基板が自動車に対して水平状態で搭載されていた場合を想定すると、水平方向（路面に対して平行な方向）の加速度を検出する用途に適用する場合には、半導体加速度センサを電子基板と平行に実装すれば良い。しかし、このような搭載状態の電子基板上に、路面に対し垂直な方向の加速度を検出できるように半導体加速度センサを実装する場合には、これを立てた状態とする必要が出てくるため、そのような実装のためのハンドリング治具を別途に用意しなければならず、これが製造コストの高騰原因になるという問題点があった。また、半導体加速度センサを２個設けて互いに直交する２軸方向の加速度を検出可能な構成とする場合には、全体として平板形状をなす２個の半導体加速度センサを互いに直交させた状態でパッケージに組み付ける必要が出てくる。このため、スペース効率が悪化してパッケージ体積の大型化を招くものであり、その結果、全体の小型化というニーズに対応不可能になるという問題点があった。
【０００６】
しかも、特許文献１に記載された半導体加速度センサにあっては、可動電極及び固定電極間の距離の変化に伴う静電容量の変化量をセンサ出力として取り出す形態となっているため、可動電極の挙動に対し、当該可動電極及び固定電極間の距離が小さくなるのに応じてその距離の２乗に比例して大きくなるクーロン力の影響が及ぶことが避けられない。このため、作用した加速度とセンサ出力（静電容量の変化量）との関係が非直線な変化特性を示すことになり、センサ出力の使用レンジが限定されるという問題点もあった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、実装のために要するコストの低減を実現できると共に、２軸方向の力学量を検出可能な構成とする場合でも全体の小型化を実現でき、さらには、良好な出力特性を得ることが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る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の手段によれば、支持基板の主表面と直交する方向の力学量が作用したときには、梁構造体がその力学量の作用方向へ変位し、これに応じて可動電極も変位する。このとき、可動電極は、その電極面と平行する方向へ移動されることになるため、当該可動電極と第１及び第２の固定電極との各対向面積の少なくとも一方が変化するようになる。この場合、可動電極及び第１の固定電極間の静電容量の変化量と、可動電極及び第２の固定電極間静電容量の変化量は、梁構造体に作用する力学量の大きさ及びその作用方向に応じて異なるようになるから、それら静電容量の変化量の差に基づいて、当該力学量の大きさ及び作用方向を検出できることになる。
【０００９】
このような半導体力学量センサを例えば自動車に搭載する場合、水平状態で配置されている電子基板上に平行に実装することにより、路面に対し垂直な方向に作用する力学量を検出可能となる。従って、そのような用途に利用する場合において、従来のように半導体加速度センサを立てた状態で実装するためのハンドリング治具を別途に用意する必要がなくなるから、実装のために要するコストの低減を実現できる。
【００１０】
また、請求項１記載の手段による半導体力学量センサと、支持基板の主表面と平行する方向の力学量を検出できるセンサ（特許文献１のようなセンサ）とを２段重ね状に配置する構成とすれば互いに直交する２軸方向の力学量を検出可能になるから、このような構成とする場合に、従来構成のように２個の半導体加速度センサを互いに直交させた状態でパッケージに組み付ける必要がなくなり、結果的にスペース効率が向上して全体の小型化を実現できるようになる。
【００１１】
しかも、力学量が作用した状態でも可動電極と第１及び第２の固定電極との間の距離がほぼ一定に保たれるから、それら電極間に作用するクーロン力がセンサ出力特性に悪影響を及ぼす事態を排除できるようになる。この結果、作用した力学量とセンサ出力との関係が直線的なものになり、良好な出力特性を得ることができる。
【００１２】
請求項２に記載した手段によれば、梁構造体が両持ち状に支持されているから、力学量が作用した状態における可動電極の挙動が安定するようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説明する。この実施例において、図１には半導体加速度センサ１（半導体力学量センサに相当）の要部の平面形状が概略的に示され、図２及び図３にはそれぞれ図１中のＡ−Ａ′線及びＢ−Ｂ′線に沿った断面形状が模式的に示されている。尚、図１ないし図３での各部の寸法比率は実際とは異なった状態で示されている。また、以下の説明では、図１、図２、図３における左右方向をｘ軸方向、図１における上下方向及び図２、図３における紙面と直行した方向をｙ軸方向、図１における紙面と直行した方向及び図２、図３における上下方向をｚ軸方向とする。
【００１４】
図１ないし図３において、矩形状に形成された支持基板２は、例えばシリコン基板よりなるもので、その主表面にｚ軸方向に貫通した状態の開口部３が形成されている。支持基板２上には、梁構造体４が開口部３に臨むようにして両持ち状に支持されている。この梁構造体４は、不純物が拡散されたｐ型或いはｎ型のポリシリコン膜よりなる。また、支持基板２は、その主表面に絶縁分離膜５を備えた構成となっており、梁構造体４は、その両端が絶縁分離膜５を介して支持された形態となっている。
【００１５】
梁構造体４は、両側に形成された膜厚が相対的に小さい状態のばね部６ａ及び６ｂと、中央部に形成された膜厚が相対的に大きい状態の質量部（マス部）６ｃとからなる梁部６を備えており、加速度が検出対象方向であるｚ軸方向へ作用したときに質量部６ｃを中心に当該加速度の作用方向へ変位する構成となっている。この質量部６ｃの両面側からは、互いに所定間隔を存した状態の例えば２本ずつの可動電極６ｄが、梁部６と直交し且つ支持基板２の主表面と平行する方向（ｙ軸方向）へ一体に突出形成されている。また、梁部６の一方の端部側には、膜厚が相対的に大きい状態の端子形成部６ｅが一体に形成されている。この場合、可動電極６ｄは、断面矩形の棒状に形成されており、梁構造体４の変位方向（ｚ軸方向）と平行する面が電極面として機能する構成となっている。
【００１６】
支持基板２における絶縁分離膜５上には、開口部３内へ突出した形態の例えば３本ずつの第１の固定電極７ａを片持ち状に支持した第１の固定電極膜７が形成されている（特には、図３参照）。上記第１の固定電極７ａは、不純物が拡散されたｐ型或いはｎ型のポリシリコン膜により断面矩形の棒状に形成されたもので、それぞれ可動電極６ｄの側面（電極面）と所定間隔を存して平行した状態で配置されている。従って、可動電極６ｄと第１の固定電極７ａとの各間には、それぞれコンデンサＣ１（図３に１個分のみ示す）が形成されることになる。
【００１７】
第１の固定電極膜７上には、例えば堆積法により形成された補助絶縁分離膜８により絶縁された状態の第２の固定電極膜９が設けられている。この第２の固定電極膜９には、開口部３内へ突出し且つそれぞれ前記第１の固定電極７ａと同一配置とされた３本ずつの第２の固定電極９ａが片持ち状に設けられている。上記第２の固定電極９ａは、不純物が拡散されたｐ型或いはｎ型のポリシリコン膜により断面矩形の棒状に形成されたもので、それぞれ可動電極６ｄの側面（電極面）と所定間隔を存して平行した状態で配置されている。従って、可動電極６ｄと第２の固定電極９ａとの各間には、それぞれコンデンサＣ２（図３に１個分のみ示す）が形成されることになる。
【００１８】
尚、第２の固定電極膜９及び補助絶縁分離膜８には、これを貫通して第１の固定電極膜７に達するコンタクトホール１０が形成されている。そして、第１の固定電極膜７には、コンタクトホール１０と対応した部分にオーミックコンタクトを取るために不純物が高濃度にドープされるものであり、このドープ部分から第１の固定電極７ａ用のボンディングワイヤ１１を引き出す構成となっている。また、第２の固定電極膜９の所定部分にも、オーミックコンタクトを取るために不純物が高濃度にドープされるものであり、このドープ部分から第２の固定電極９ａ用のボンディングワイヤ１２を引き出す構成となっている。さらに、可動電極６ｄのための端子形成部６ｅにも、また、オーミックコンタクトを取るために不純物が高濃度にドープされるものであり、このドープ部分から可動電極６ｄ用のボンディングワイヤ１３を引き出す構成となっている。
【００１９】
図４及び図５には、上記のような半導体加速度センサ１の製造プロセスの一例が示されており、以下これについて説明する。尚、図４及び図５は、製造プロセスを図３に示した断面を用いて摸式的に表した概略断面図であって、各部の寸法比率が実際と大きく異なるものであり、また、簡略化のために可動電極数及び固定電極数を減らした状態としている。
【００２０】
▲１▼  図４（ａ）に示すように、支持基板２上に、熱酸化或いはＣＶＤ法などにより絶縁分離膜５となるシリコン酸化膜１０１を成膜する。尚、このシリコン酸化膜１０１は、犠牲層及びエッチングストッパとしても機能する。
【００２１】
▲２▼  図４（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜１０１上に、梁構造体４の一部（ばね部６ａ、６ｂ、質量部６ｃの下半部、可動電極６ｄの下半部、端子形成部６ｅの下半部）及び第１の固定電極膜７のためのポリシリコン薄膜１０２をＣＶＤ法などにより成膜し、その後に拡散法などを利用して不純物濃度を高める。
【００２２】
▲３▼  図４（ｃ）に示すように、ポリシリコン薄膜１０２をフォトリソグラフィ技術などの利用によりパターニングすることによって開口部１０２ａ群を形成し、最終的に梁構造体４の一部（ばね部６ａ、６ｂ、質量部６ｃの下半部、可動電極６ｄの下半部、端子形成部６ｅの下半部）及び第１の固定電極膜７となる領域を形成する。
【００２３】
▲４▼  図４（ｄ）に示すように、開口部１０２ａ群を含むポリシリコン薄膜１０２上に補助絶縁分離膜８となるシリコン酸化膜１０３をＣＶＤ法などにより成膜すると共に、そのシリコン酸化膜１０３に対し、最終的に質量部６ｃ及び可動電極６ｄが形成される部分にポリシリコン薄膜１０２に達する開口部１０３ａを形成する。尚、このシリコン酸化膜１０３は、犠牲層としても機能する。また、シリコン酸化膜１０３の成膜後に、必要に応じて、当該シリコン酸化膜１０３の表面に平坦化処理を施しても良い。
【００２４】
▲５▼  図４（ｅ）に示すように、開口部１０３ａを含むシリコン酸化膜１０３上に、梁構造体４の一部（質量部６ｃの上半部、可動電極６ｄの上半部、端子形成部６ｅの上半部）及び第２の固定電極膜９のためのポリシリコン薄膜１０４をＣＶＤ法などにより成膜し、その後に拡散法などを利用して不純物濃度を高める。尚、必要に応じて、ポリシリコン薄膜１０４の表面に平坦化処理を施すこともできる。
【００２５】
▲６▼  図５（ｆ）に示すように、ポリシリコン薄膜１０４をフォトリソグラフィ技術などの利用によりパターニングすることによって開口部１０４ａ群を形成し、最終的に梁構造体４の一部（質量部６ｃの上半部、可動電極６ｄの上半部、端子形成部６ｅの上半部）及び第２の固定電極膜９となる領域を形成すると共に、コンタクトホール１０となる開口部１０４ａを形成する。
【００２６】
▲７▼  図５（ｇ）に示すように、支持基板２を、ＫＯＨ液などを使用して異方性エッチングすることにより、開口部３を形成する。尚、このエッチング時には、シリコン酸化膜１０１がエッチングストッパとして機能する。
【００２７】
▲８▼  図５（ｉ）に示すように、犠牲層となるシリコン酸化膜１０１及び１０３を、フッ酸系エッチング液などを使用して等方性エッチングすることにより、梁構造体４をリリースする。
【００２８】
上記した本実施例による半導体加速度センサ１においては、可動電極６ｄと第１の固定電極７ａとの各間にそれぞれ形成されたコンデンサＣ１が並列接続された形態となり、可動電極６ｄと第２の固定電極９ａとの各間にそれぞれ形成されたコンデンサＣ２も並列接続された形態となる。このようなコンデンサＣ１及びＣ２の合成静電容量を検出する回路は種々提供されているが、一般的には、その静電容量検出時に各コンデンサＣ１及びＣ２に対して所定周波数の交流電圧信号が印加された状態とされる。このような電圧印加状態では、可動電極６ｄと第１の固定電極７ａ及び第２の固定電極９ａとの間にクーロン力が作用するため、可動電極６ｄは図３に示すような位置に保持される。
【００２９】
このような状態から、ｚ軸方向の加速度が作用したときには、梁構造体４がその加速度の作用方向へ変位し、これに応じて可動電極６ｄも変位する。このとき、可動電極６ｄは、その電極面と平行する方向へ移動されることになるため、当該可動電極６ｄと第１の固定電極７ａ及び第２の固定電極９ａとの各対向面積の一方が変化するようになり、これに応じて上記コンデンサＣ１及びＣ２の各合成静電容量も変化する。
【００３０】
この場合、図３中に矢印ｚで示す方向の加速度が作用したときには、可動電極６ｄ及び第１の固定電極７ａ間の対向面積に変化がないため第１のコンデンサＣ１の合成静電容量は変化しないが、可動電極６ｄ及び第２の固定電極９ａ間の対向面積が減少するため第２のコンデンサＣ２の合成静電容量が当該対向面積に比例して減るようになる。また、矢印ｚと反対方向の加速度が作用したときには、可動電極６ｄ及び第２の固定電極９ａ間の対向面積に変化がないため第２のコンデンサＣ２の合成静電容量は変化しないが、可動電極６ｄ及び第１の固定電極７ａ間の対向面積が減少するため第１のコンデンサＣ１の合成静電容量が当該対向面積に比例して減るようになる。つまり、コンデンサＣ１及びＣ２の各合成静電容量の変化量は、梁構造体４に作用する加速度の大きさ及びその作用方向に応じて異なるようになるから、それら静電容量の変化量の差に基づいて、当該加速度の大きさ及び作用方向を検出できることになる。
【００３１】
このような半導体加速度センサ１を例えば自動車に搭載する場合、水平状態で配置されている電子基板上に平行に実装することにより、路面に対し垂直な方向に作用する力学量を検出可能となる。従って、そのような用途に利用する場合において、従来のように半導体加速度センサを立てた状態で実装するためのハンドリング治具を別途に用意する必要がなくなるから、実装のために要するコストの低減を実現できる。
【００３２】
また、本実施例による半導体加速度センサ１を、支持基板の主表面と平行する方向の力学量を検出できるセンサ（特許文献１のようなセンサ）と２段重ね状に配置する構成とすれば互いに直交する２軸方向の力学量を検出可能になるから、このような構成とする場合に、従来構成のように２個の半導体加速度センサを互いに直交させた状態でパッケージに組み付ける必要がなくなり、結果的にスペース効率が向上して全体の小型化を実現できるようになる。
【００３３】
しかも、加速度が作用した状態でも可動電極６ｄと第１の固定電極７ａ及び第２の固定電極９ａとの間の距離がほぼ一定に保たれるから、それら電極間に作用するクーロン力がセンサ出力特性に悪影響を及ぼす事態を排除できるようになる。この結果、作用した加速度とセンサ出力（コンデンサＣ１及びＣ２の合成静電容量の変化量）との関係が直線的なものになり、良好な出力特性を得ることができる。
【００３４】
また、本実施例によれば、梁構造体４が支持基板２に対して両持ち状に支持されているから、加速度が作用したときの可動電極６ｄの挙動が安定するようになり、センサ特性の向上に寄与できる。さらに、梁構造体４のばね部６ａ、６ｂの形状（例えばｚ軸方向の寸法）を調整することによって、その耐破壊強度の範囲内でばね定数を変更できるから、種々の検出感度を持つ半導体加速度センサを容易に作成することができる。
【００３５】
（他の実施の形態）
その他、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、以下に述べるような変形或いは拡張が可能である。
可動電極６ｄと第１の固定電極７ａ及び第２の固定電極９ａとの組合せを１組だけ設ける構成としたが、複数組をｚ軸方向に重ね合わせた状態で設ける構成としても良い。
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或いは衝撃センサなどの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】本発明の一実施例を示す要部の概略的な平面図
【図２】図１中のＡ−Ａ′線に沿った模式的断面図
【図３】図１中のＢ−Ｂ′線に沿った模式的断面図
【図４】製造プロセスを示す模式的断面図その１
【図５】製造プロセスを示す模式的断面図その２
【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は開口部、４は梁構造体、５は絶縁分離膜、６は梁部、６ａ、６ｂはばね部、６ｃは質量部、６ｄは可動電極、７は第１の固定電極膜、７ａは第１の固定電極、８は補助絶縁分離膜、９は第２の固定電極膜、９ａは第２の固定電極を示す。
【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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