(57)【要約】【課題】ＭＥＭＳ技術をベースとして加速度センサを製造する場合、複雑構成の加速度センサを得ることができるものの、ＭＥＭＳ特有の製造プロセスを経る必要があり、通常の半導体製造プロセスとの親和性は低い。【解決手段】半導体装置１００は、凹状のガス流路２２が設けられた積層体１０と、積層体１０に対して設けられると共に、ガス流路２２の底面にて露出するヒータ４０と、積層体１０に対して設けられると共に、ガス流路２２の底面にて露出し、かつガス流路２２の延在方向においてヒータ４０を挟み込むように配置された複数の熱センサ３０、５０と、を有する。通常の半導体製造プロセスに対して親和性が高い加速度センサを提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹状のガス流路が設けられた積層体と、
前記積層体に対して設けられると共に、前記ガス流路の底面にて露出する発熱部と、
前記積層体に対して設けられると共に、前記ガス流路の前記底面にて露出し、かつ前記ガス流路の延在方向において前記発熱部を挟み込むように配置された複数の感温部と、
を備える、半導体装置。
【請求項２】
前記積層体は、
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、絶縁層と配線層とを含む配線構造層と、
前記配線構造層上に設けられ、前記ガス流路が設けられた最上層配線構造と、
を備え、
前記発熱部は、前記配線構造層に含まれる前記絶縁層を介して、前記半導体基板に対して熱分離されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記凹状のガス流路の周囲には、配線構造の凸形状で形成された壁配線を持つことを特徴とした請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記発熱部及び前記感温部は、前記ガス流路の前記底面においてパターニングされた導電線を含み、
前記ガス流路を上面視すると、前記ガス流路には、前記導電線のパターニングによって形成された複数のパターニング領域が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記発熱部及び前記感温部は、アルミニウム、銅、タングステン、金、白金、バナジウム、チタン、鉄、ニッケルもしくはこれらの合金や酸化物もしくは窒化物で形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記発熱部及び前記感温部は、前記ガス流路の前記底面においてパターニングされた導電線を含み、
前記ガス流路を上面視すると、前記ガス流路には、前記導電線のパターニングによって形成された少なくとも1つの発熱部と少なくとも2つの感温部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記発熱部及び前記感温部は、前記ガス流路の前記底面においてパターニングされた導電線を含み、
前記ガス流路を上面視すると、前記ガス流路には、前記導電線のパターニングによって形成された少なくとも1つの発熱部と少なくとも2つの感温部を有し、前記感温部は前記発熱部に対して対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記発熱部及び前記感温部は、前記ガス流路の前記底面においてパターニングされた導電線を含み、
前記ガス流路を上面視すると、前記ガス流路には、前記導電線のパターニングによって形成された少なくとも1つの発熱部と少なくとも4つの感温部を有し、前記感温部は前記発熱部に対して4回回転対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記感温部もしくは前記発熱部もしくは両者の表面は凸凹の形状となっていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記感温部もしくは前記発熱部と絶縁層との接触面積は、前記感温部もしくは前記発熱部の絶縁層に接しない部分の表面積よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記発熱部を駆動する駆動部と前記発熱部との間の距離は、前記発熱部と前記感熱部の間の距離より大きいことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記感温部に接続される検出回路と前記感温部の間の距離は、前記発熱部と前記感熱部の間の距離より大きいことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記発熱部を構成する配線層と半導体基板との中間の配線層にグラウンドもしくは一定電位に固定された配線領域を有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記配線領域は前記発熱部を駆動する駆動部を含む回路ブロックでグラウンドもしくは一定電位に固定されていることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
【請求項１５】
前記発熱部は、当該発熱部の発熱量が周期的に変化する態様にて駆動されることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１６】
前記発熱部は、導電線によって構成され、
当該導電線は、時分割して異なる方向に通電されることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１７】
前記発熱部を駆動する駆動部を更に備え、
前記駆動部は、スイッチング信号に基づいて、前記発熱部に対する電流の供給状態を制御することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１８】
複数の前記感温部は、複数のＰＮ接合部に対して個別接続されていることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１９】
前記複数の感温間の距離は、前記複数のＰＮ接合部間の距離よりも小さいことを特徴とする請求項１８に記載の半導体装置。
【請求項２０】
複数の前記感温部は、前記感温部の温度変化を検出する複数の検出回路に個別接続されることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項２１】
複数の前記感温部のうち、２つの感温部での温度に対応する前記検出回路の出力電圧を比較する比較回路を有することを特徴とする請求項２０に記載の半導体装置。
【請求項２２】
前記比較回路は、半導体装置に加速がかかっていない時の前記検出回路の出力電圧を基準とし、その基準電圧よりも加速がかかっている時の検出回路の出力電圧が高いか低いかで、加速度を検知することを特徴とする特徴とする請求項２１に記載の半導体装置。
【請求項２３】
前記発熱部の発熱量が周期的に変化する態様にて駆動される請求項２０乃至２２のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記感温部での温度に対応する前記検出回路の出力電圧の発熱の周期的変化に対する位相差を検出して加速度を検知することを特徴とする特徴とする半導体装置。
【請求項２４】
前記発熱部の発熱量が周期的に変化する態様にて駆動される請求項２０乃至２２のいずれか一項に記載の半導体装置において、前記感温部での温度に対応する前記検出回路の周期的に変化する出力電圧を発熱の周期と同じ周期の信号でミキシングした信号の中の低周波の成分の位相差を検出することを特徴とする特徴とする半導体装置。
【請求項２５】
前記積層体上に設けられ、前記ガス流路を上方から覆うカバー部材を更に備えることを特徴とする請求項１乃至２４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項２６】
前記最上層配線構造は、前記配線構造層に含まれる前記絶縁層及び前記配線層の少なくとも一方と同材料から成る層を含むことを特徴とする請求項１乃至２５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項２７】
前記積層体上に設けられ、前記ガス流路を上方から覆う前記カバー部材は前記配線構造により形成された凸部が延長したものであることを特徴とする請求項２５に記載の半導体装置。
【請求項２８】
積層体に対して発熱部を形成し、
前記積層体に対して、前記発熱部を挟み込む態様にて、複数の感温部を形成し、
前記発熱部及び複数の前記感温部の配置方向に沿って延在し、前記発熱部及び複数の前記感温部を底面において露出させる凹状のガス流路を設ける、
半導体装置の製造方法。
【請求項２９】
前記発熱部及び前記感温部は、前記ガス流路の前記底面においてパターニングされた導電線を含み、
前記ガス流路を上面視すると、前記ガス流路には、前記導電線のパターニングによって形成された複数のパターニング領域が設けられることを特徴とする請求項２８に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、例えば、ガス式加速度センサに適用される。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯情報機器の高性能化に伴って、これらの機器に各種センサが搭載されるようになっている。加速度センサは、ゲーム機のコントローラ、携帯電話等の移動体通信端末等にとって必須のデバイスとなっている。
【０００３】
加速度センサは、光学式、静電容量式、ピエゾ抵抗式、ガス温度分布方式等が知られている。光学式の加速度センサは、光ファイバを構成要素とするため、小型化／集積化には限界がある。他の３方式は、ＭＥＭＳ技術をベースとして製造される。なお、小型な電子機器に対して加速度センサを組み込む場合、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術をベースとして製造された加速度センサを用いることが一般的である。
【０００４】
特許文献１には、次の熱型加速度センサが開示されている。半導体基板上に熱分離された３本の梁を設け、中央の梁にヒータを設ける。左側の梁と中央の梁上に熱電対を設ける。同様に、右側の梁と中央の梁にも熱電対を設ける。各熱電対の起電力は、増幅器で増幅され、演算処理される。各熱電対の出力の差分を求めることで、加速度出力信号が生成される。
【０００５】
特許文献２にも、ガス式角速度検出器が開示されている。絶縁板に穴を設け、絶縁板の一面側にて絶縁板の穴を跨ぐように加熱ワイヤを設け、絶縁板の他面側にて絶縁板の穴を跨ぐようにヒートセンサを設ける構成が特許文献２に開示されている。
【０００６】
特許文献３には、発熱体を交流駆動によって加熱することで、一組のヒータの出力波形の位相差を検知し、これに基づいて角速度を算出することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−６５８５０号公報
【特許文献２】特開平６−２７１２４号公報
【特許文献３】特開平６−１７４７３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＭＥＭＳ技術をベースとして加速度センサを製造する場合、複雑構成の加速度センサを得ることができるものの、ＭＥＭＳ特有の製造プロセスを経る必要があり、通常の半導体製造プロセスとの親和性は低いという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体装置は、凹状のガス流路が設けられた積層体と、前記積層体に対して設けられると共に、前記ガス流路の底面にて露出する発熱部と、前記積層体に対して設けられると共に、前記ガス流路の前記底面にて露出し、かつ前記ガス流路の延在方向において前記発熱部を挟み込むように配置された複数の感温部と、を備える。
【００１０】
ガス流路、発熱部及び複数の感温部を積層体に設け、ガス流路の底面にて発熱部及び複数の感温部を露出させる。これによって、通常の半導体プロセスに対して親和性が高い加速度センサを提供することが可能になる。
【００１１】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、積層体に対して発熱部を形成し、前記積層体に対して、前記発熱部を挟み込む態様にて、複数の感温部を形成し、前記発熱部及び複数の前記感温部の配置方向に沿って延在し、前記発熱部及び複数の前記感温部を底面において露出させる凹状のガス流路を設ける。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、通常の半導体製造プロセスに対して親和性が高い加速度センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の概略的な上面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の概略的な断面模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる半導体装置の概略的な断面模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかるヒータの概略的な上面図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかるヒータの駆動回路を示す回路図である。
【図６】本発明の実施の形態１にかかる熱検出回路を示す回路図である。
【図７】本発明の実施の形態１にかかる加速度の検出原理の説明図である。
【図８】本発明の実施の形態１にかかる加速度の検出原理の説明図である。
【図９】本発明の実施の形態１にかかる加速度の検出構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の概略的な断面模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態２にかかる半導体装置の概略的な上面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２にかかる熱検出回路を示す回路図である。
【図１３】本発明の実施の形態３にかかる熱検出回路を示す回路図である。
【図１４】本発明の実施の形態３にかかる熱検出回路の動作原理を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態４にかかるヒータの駆動回路を示す回路図である。
【図１６】本発明の実施の形態４にかかるヒータの駆動回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図１７】本発明の実施の形態５にかかる半導体装置の概略的な断面模式図である。
【図１８】本発明の実施の形態６にかかる半導体装置の概略的な断面模式図である。
【図１９】本発明の実施の形態７にかかる半導体装置の概略的な断面模式図である。
【図２０】本発明の実施の形態８にかかる半導体装置の概略的な断面模式図である。
【図２１】本発明の実施の形態９にかかるヒータを示す概略図である。
【図２２】本発明の実施の形態１０にかかる半導体装置の概略的な模式図である。
【図２３】本発明の実施の形態１１にかかる加速度の検出構成を示すブロック図である。
【図２４】本発明の実施の形態１２にかかる半導体装置の概略的な断面模式図である。
【図２５】本発明の実施の形態１２にかかる半導体装置の概略的な断面模式図である。
【図２６】本発明の実施の形態１３にかかる半導体装置の概略的な上面模式図である。
【図２７】参考例による加速度センサの概略的な模式図である。
【図２８】本発明の実施の形態１４にかかる半導体装置の概略的な模式図である。
【図２９】本発明の実施の形態１４にかかる半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。
【図３０】本発明の実施の形態１５にかかる半導体装置の概略的な模式図である。
【図３１】本発明の実施の形態１６にかかる半導体装置の概略的な模式図である。
【図３２】本発明の実施の形態１６にかかる半導体装置の製造方法を示す断面模式図である。
【図３３】本発明の実施の形態１７にかかる半導体装置の概略的な模式図である。
【図３４】本発明の実施の形態１８にかかる半導体装置の概略的な模式図である。
【図３５】本発明の実施の形態１９にかかる半導体装置の概略的な模式図である。
【図３６】本発明の実施の形態２０にかかる半導体装置の概略的な模式図である。
【図３７】本発明の実施の形態２１にかかる半導体装置の概略的な上面模式図である。
【図３８】本発明の実施の形態２２にかかるヒータまたは熱センサの概略的な上面模式図である。
【図３９】本発明の実施の形態２３にかかるヒータ及び熱センサの概略的な上面模式図である。
【図４０】本発明の実施の形態２４にかかるヒータまたは熱センサの概略的な斜視図である。
【図４１】参考例による半導体装置の概略的な上面模式図である。
【図４２】本発明の実施の形態２５にかかる半導体装置の概略的な上面模式図である。
【図４３】本発明の実施の形態２５にかかる半導体装置の概略的な断面模式図である。
【図４４】本発明の実施の形態２６にかかる半導体装置の概略的な上面模式図である。
【図４５】本発明の実施の形態２７にかかる半導体装置の概略的な上面模式図である。
【図４６】本発明の実施の形態２８にかかる抵抗読み出し回路を示す回路図である。
【図４７】本発明の実施の形態２９にかかる抵抗読み出し回路を示す回路図である。
【図４８】本発明の実施の形態２９にかかる抵抗読み出し回路の概略的な断面模式図である。
【図４９】本発明の実施の形態３０にかかる抵抗読み出し回路を示す回路図である。
【図５０】本発明の実施の形態３１にかかる半導体装置の概略的な模式図である。
【図５１】本発明の実施の形態３２にかかる半導体装置の概略的な模式図である。
【図５２】本発明の実施の形態３３にかかる熱検出回路を示す回路図である。
【図５３】本発明の実施の形態３３にかかる熱検出回路の検出原理の説明図である。
【図５４】本発明の実施の形態３４にかかる半導体装置の測定構成を示すブロック図である。
【図５５】本発明の実施の形態３４にかかる読み出し回路を示す回路図である。
【図５６】本発明の実施の形態３４にかかる半導体装置の測定結果を示すグラフである。
【図５７】本発明の実施の形態３５にかかる熱検出回路を示す回路図である。
【図５８】本発明の実施の形態３６にかかる熱検出回路を示す回路図である。
【図５９】本発明の実施の形態３７にかかる比較器を示す回路図である。
【図６０】本発明の実施の形態３７にかかる比較器を示す回路図である。
【図６１】本発明の実施の形態３７にかかる比較器を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。以降説明する各実施形態は、個々に独立したものではなく、適宜、組み合わせることが可能であり、かつ、その組み合わせの効果も主張可能なものとする。同一の要素には同一の符号を付し、重複説明は省略する。図面は、発明説明を目的として作成されたものであり、これを理由として本願発明を限定解釈することは許されない。
【００１５】
実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、半導体装置の概略的な上面図である。図２及び図３は、半導体装置の概略的な断面模式図である。図４は、ヒータの概略的な上面図である。図５は、ヒータの駆動回路を示す回路図である。図６は、熱検出回路を示す回路図である。図７及び図８は、加速度の検出原理の説明図である。図９は、加速度の検出構成を示すブロック図である。
【００１６】
後述の説明から明らかになるが、本実施形態では、ガス流路、発熱部及び複数の感温部を積層体に設け、ガス流路の底面にて発熱部及び複数の感温部を露出させる。ガス流路は、通常の半導体プロセス技術（層堆積、フォトリソグラフィー、エッチング、リフトオフ、基板の貼り合せ、スピンコート、メッキ等）を活用して積層体に対して設けることができる。発熱部及び感温部も、同様、通常の半導体プロセス技術を活用して、積層体に対して設けることができる。これによって、ＭＥＭＳ特有のプロセスを経る必要なく、通常の半導体プロセスを活用して加速度センサを製造することができる。また、半導体回路チップに対して加速度センサを集積化することも可能になる。
【００１７】
半導体回路チップに対する加速度センサの集積化により得られるメリットは、様々なものが考えられる。例えば、半導体回路チップに対する加速度センサの集積化によって、その全体コストを低下させることが可能になると共に、従来必要であった加速度センサのアセンブリ手間を省くことが可能になる。なお、ガス流路、発熱部、感温部の具体的構成、個数等は任意であり、後述の開示に限定されるべきものではない。積層体の具体的な構成についても同様である。発熱部に対する感温部の間隔等も適宜変更可能である。
【００１８】
以下、具体的に説明する。図１に示すように、半導体装置１００は、積層体１０、配線層（最上層配線構造）２０、少なくとも２つの熱センサ（感温部）３０及び熱センサ（感温部）５０、及びヒータ（発熱部）４０を有する。図２に示すように、積層体１０は、半導体基板ＳＵＢ、及び配線構造層Ｌ１〜Ｌ３を含む。なお、配線層２０は、積層体１０の構成層であり、積層体１０に含まれる。図３に示すように、配線構造層Ｌ３の上面Ｓ１０は、保護層２１によって被覆されている。保護層２１は、壁配線２０ａ、２０ｂ間の上面Ｓ１０には形成されていない。積層体１０に保護層２１が含まれると把握しても良い。図３に示すように、半導体基板ＳＵＢには、ＭＯＳトランジスタＭ１００が形成されている。なお、図２は、図１に示すＸ２−Ｘ２に沿う概略的断面模式図であり、図３は、図１に示すＸ３−Ｘ３に沿う部分を含む概略的な断面模式図である。
【００１９】
図１乃至図３に示した半導体装置１００は、任意の大きさの半導体ＩＣ(Integrated Circuit)チップに設けられており、かつ、不活性ガス（窒素ガス等）が充填されたパッケージ内に気密封止状態で収納されている。パッケージング構成、気密封止方法等は、既存の様々な技術を活用して実現することができる。
【００２０】
積層体１０は、通常の半導体プロセスによって半導体基板上に複数の層が積層されたものである。積層体１０は、半導体基板ＳＵＢ上に、配線構造層Ｌ１〜Ｌ３、配線層２０、及び保護層２１を順に形成することによって形成される。配線構造層Ｌ１は、絶縁層に対して配線層を設けたものであり、その余の配線構造層Ｌ２、Ｌ３についても同様である。なお、図１乃至図３に示す構成は、通常の半導体プロセス（層堆積、フォトリソグラフィー、エッチング、リフトオフ、アニール、スピンコート等）の活用により製造されるものであるが、当業者には自明のため、詳細説明は省略する。
【００２１】
配線層２０は、フォトリソグラフィー等によってパターニングされた導電層である。配線層２０は、凸状の壁配線２０ａ、および壁配線２０ｂを有する。壁配線２０ａと壁配線２０ｂ間には、ガス流路２２が形成されている。壁配線２０ａは、ｙ軸に沿って延在する長尺な線状配線である。壁配線２０ｂも同様である。ガス流路２２も、ｙ軸に沿って延在する。壁配線、及びガス流路は、積層体１０の積層方向（ｚ軸方向）に対して直交する軸線に沿って延在する。壁配線は、ヒータやセンサと同じ配線層、若しくはこれらよりも上層の配線層であり、ヒータやセンサを囲うように配置される。これにより、壁配線が配線層構造の上部に形成する凸状の段差が壁となり、その内側にガス流路が形成される。この壁配線は、その表面に酸化膜・ポリイミドなどの絶縁物の皮膜が形成されていてもよく、皮膜がなくとも良い。この場合、特許文献１との比較において、積層体１０に対して貫通穴を設ける必要なく、ガス流路を追加の工程なしに設けることができる。また、壁配線を長尺形状とすることによって、同一の半導体基板ＳＵＢ上に設けられる他の素子の配線空間を十分に確保することができる。換言すれば、同一基板上に設けられる他の素子の配線空間の空きの空間を活用して、一組の壁配線を形成することができるため、チップサイズの大型化は抑制される。
【００２２】
熱センサ３０、ヒータ４０、および熱センサ５０は、露出した態様で、ガス流路２２の底面に設けられる。熱センサ３０、ヒータ４０、および熱センサ５０は、配線構造層Ｌ３上においてパターニング形成された導電層（好適には、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン(W)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、金(Au)、白金(Pt)、バナジウム(V)等の金属配線、若しくはそれらの合金、それらの酸化物、窒化物）である。ヒータ４０は、熱センサ３０、５０によって挟まれる。ヒータ４０から見て、熱センサ３０、５０は略等しい位置に配置されている。熱センサ３０、５０は、ガス流路２２に存在するガスを介して、ヒータ４０に対して熱接続されている。ヒータ４０に対する各熱センサ３０、５０の間隔を完全に等しいものとする必要はなく、加速度センサのコントローラ側の処理によって、適宜、オフセット調整がされ得るものである。
【００２３】
ここで、望ましくは、熱センサ３０、ヒータ４０、および熱センサ５０の表面は極力多くの部分がガスに接することが望ましい。図2をみると、熱センサ３０、ヒータ４０、および熱センサ５０は底面のみが、絶縁物である配線層構造に接しているのみで、側面および上面はガスに接している。この表面積をさらに大きくするために、熱センサ３０、ヒータ４０、および熱センサ５０の表面をエッチングもしくはCVD、もしくはメッキにより凸凹の形状とすると良い。
【００２４】
熱センサ３０は、上面視矩形状の配線部分（以下、これを単にランドと呼ぶ場合がある）３１、上面視矩形状のランド３２、およびパターン配線部３３を有し、パターニング領域Ｒ３０に配置される。パターン配線部３３は、凸状の配線がｙ軸に沿って波状に引き回された部分である。パターン配線部は、必ずしも波状でなくとも良い。パターン配線部３３を構成する配線の一端は、島状のランド３１に対して接続され、その他端は、島状のランド３２に対して接続される。パターニング領域Ｒ３０は、一組の壁配線間に設けられる。
【００２５】
熱センサ３０と同様に、ヒータ４０は、ランド４１、ランド４２、およびパターン配線部４３を有し、パターニング領域Ｒ４０に配置される。熱センサ３０と同様に、熱センサ５０は、ランド５１、ランド５２、およびパターン配線部５３を有し、パターニング領域Ｒ５０に配置される。パターン配線部４３、５３の構成は、パターン配線部３３と同様である。パターニング領域Ｒ３０〜Ｒ５０は、略等しい面積を有するが、これに限られるべきものではない。ランド３１、３２、４１、４２、５１、５２は、直線状に配置されているが、ランドの配置態様は任意であり、本開示に限定されるべきものではない。パターニング領域Ｒ３０、Ｒ４０、Ｒ５０は、縦幅及び横幅１０μＭ〜３０μＭ程度の大きさの矩形領域である。より高精度な加速度検知を実現するべく、各パターニング領域は、このように微小領域に形成される。
【００２６】
図２に模式的に示すように、配線構造層Ｌ３上に設けられた各ランドは、配線構造層Ｌ３に設けられたトレンチ配線を介して、配線構造層Ｌ２上に設けられた配線層に対して接続される。一例をあげると、ランド３１は、トレンチ配線Ｔ３１を介して、配線層ＭＬ３１に接続される。なお、トレンチ配線は、絶縁層に対して貫通穴を形成し、この貫通穴に対して導電性材料を充填することによって形成される。
【００２７】
図３に模式的に示すように、半導体基板ＳＵＢに形成されたトランジスタＭ１００は、ソース領域（Ｓ）、ゲート構造（Ｇ）、ドレイン領域（Ｄ）を有する。ソース領域は、トレンチ配線Ｔｓを介して、ソース配線層Ｍｓに接続される。ゲート電極は、トレンチ配線Ｔｇを介して、ゲート配線層Ｍｇに接続される。ドレイン領域は、トレンチ配線Ｔｄを介して、ドレイン配線層Ｍｄに接続される。ソース配線Ｍｓは、不図示の配線接続を介して、他の回路素子に接続される。ゲート配線Ｍｇ、ドレイン配線Ｍｄ、についても同様である。配線構造層Ｌ３上には、制御信号入力パッドＰ１、基準電位供給パッドＰ２、及び信号出力パッドＰ３が設けられる。例えば、トランジスタＭ１００が回路素子として含む機能回路は、制御信号入力パッドＰ１から入力した制御信号に応じて動作する。なお、パッドｐ１〜ｐ３の配置位置は、通常、チップの周縁部分に配置されるが、ここでは説明の便宜上簡略的な表示している。
【００２８】
図１乃至図３を参酌すれば明らかなように、熱センサ３０、ヒータ４０、及び熱センサ５０を構成する配線パターンは、他の配線構造（例えば、図３に示すパッドＰ１〜Ｐ３）と同層、若しくは、壁配線よりも下層に形成される。これによって、既存の製造プロセスを大幅に変更することなく、熱センサ３０、ヒータ４０、及び熱センサ５０を積層体１０に対して組み込むことが可能になる。配線空間の空き空間を活用して上述の配線パターンを形成すれば、既存のチップサイズの拡大を伴うことなく既存のＩＣチップに対して加速度センサを組み込むことができる。
【００２９】
図４に、ヒータ４０の上面視構成を示す。図４に示すように、パターン配線部４３に存在する配線の幅は、ヒーターとヒーター駆動回路を結ぶ配線部分の幅よりも狭い。この幅狭配線は、上下に引き回されながら、ｙ軸に沿って波状に延在する。幅狭配線は、通電に応じて発熱する発熱部材であり、上述のように幅狭配線が高密度に敷設されることによって、ガス流路２２の底部に微小な熱源が設けられることになる。電源電圧をＶ、ヒータの抵抗値をＲとすると、ヒータの消費電力Ｐは、Ｐ＝Ｖ２／Ｒであるため、ヒータの抵抗値をある程度確保することがヒータの消費電力の低下につながる。従って、幅狭配線によってヒータの抵抗値を大きくすることで、ヒータの消費電力を低減することが可能になる。なお、ヒータのパターニング構造を単層にて構成する必要はなく、多層（例えば、４層）の配線層を活用してヒータを構成しても良い。これによって、より微小領域にヒータを設けることができ、加速度センサの精度向上を期待できる。
【００３０】
本実施形態では、パターン配線部４３自体は、配線構造層Ｌ１〜Ｌ３に存在する絶縁層を介して、半導体基板ＳＵＢから熱分離されている。ヒータ４０のパターン配線部４３で生じる熱が半導体基板ＳＵＢに対して伝達してしまうと、半導体基板ＳＵＢに設けられる素子の動作に影響を与えてしまうおそれがある。本実施形態では、上述のように、パターン配線部４３は、配線構造部Ｌ１〜Ｌ３に存在する絶縁層を介して半導体基板ＳＵＢ上に形成されているため、半導体基板ＳＵＢから見て、パターン配線部４３が熱分離された状態となる。パターン配線部４３から半導体基板ＳＵＢへの熱伝達を抑制することによって、半導体装置１００の動作の信頼性を効果的に高めることができる。グランド配線層を活用して、パターン配線部４３から半導体基板ＳＵＢ側への接続配線を介した熱伝達を妨げても良い。
【００３１】
熱センサ３０、５０は、図４に示したヒータ４０と略同様の構成を有する。ただし、熱センサ３０、５０は、熱を生じさせる必要はないが、周囲の温度変化による抵抗値の変化を検出可能とするために、ヒータ４０と同様に幅狭な配線を引き回す構成とする。
【００３２】
図５を参照してヒータの駆動回路の構成例について説明する。なお、本駆動回路は、図２に示す半導体基板ＳＵＢ上に設けられるものとする。図５に示すように、ヒータ駆動回路は、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤ間に直列接続されたＭＯＳトランジスタＭ１及び抵抗Ｒ１を有する。ＭＯＳトランジスタのオン／オフは、コントローラ６０によって制御される。図１乃至図３に示したヒータ４０は、図５の抵抗Ｒ１に相当する。例えば、コントローラ６０は、駆動パルスをＭＯＳトランジスタＭ１のゲート端子に供給する。ＭＯＳトランジスタＭ１は、駆動パルスに応じてオンする。ＭＯＳトランジスタＭ１がオンしている期間、抵抗Ｒ１には電流が流れ、ヒータ４０は発熱する。
【００３３】
図６を参照して、熱検出回路の構成例について説明する。なお、本熱検出回路は、図２に示す半導体基板ＳＵＢ上に設けられるものとする。熱検出回路は、熱センサの構成配線の抵抗の温度変化を検出する。シリコン基板上に形成されるメタル配線（銅、アルミニウム等）は、温度１℃について、シート抵抗が１〜２％上昇する。熱検出回路は、この抵抗変化をセンスして、温度を検出する。また、より熱に対する温度変化の大きい酸化バナジウムを使用することも出来る。
【００３４】
図６に示すように、熱検出回路は、電流源ＣＳ１、抵抗Ｒ２、増幅器ＡＭＰ、演算処理部６１を有する。電流源ＣＳ１、および抵抗Ｒ２は、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤ間に直列接続される。増幅器ＡＭＰの正入力には、電流源ＣＳ１と抵抗Ｒ２間の接点が接続される。増幅器ＡＭＰの負端子には、参照電圧ＶＲＥＦが接続される。増幅器ＡＭＰの出力は、演算処理部６１に供給される。図１乃至図３に示した熱センサ３０は、図６に示した抵抗Ｒ２に相当する。抵抗Ｒ２の温度は、ガスを介して伝達するヒータ４０の温度に応じて変化する。増幅器ＡＭＰの正端子に入力する電圧は、抵抗Ｒ２の抵抗値の変化に応じて変動する。増幅器ＡＭＰは、参照電圧ＶＲＥＦと入力電圧の差分値を増幅して出力する。なお、図６に示した熱検出回路は、熱センサ５０に対しても適用されるものとする。演算処理部６１は、各熱センサ３０、５０に接続された回路から出力される値を演算処理し、加速度を算出する。
【００３５】
図７及び図８を参照して加速度の算出原理／方法について説明する。なお、上述のように、ヒータ４０から見て、各熱センサ３０、５０は略等しい距離をあけて配置されている。従って、半導体装置１００が移動してしないとき、各熱センサ３０、５０は、略同じ熱量を感知する。なお、ヒータに対する熱センサの配置間隔のバラツキの影響を低減するため、熱センサ３０、５０間に生じるオフセットを調整することが望ましい。これによって、より精度良く加速度を検出することが可能になる。
【００３６】
図７に示すように、各熱センサ３０、５０の温度差に基づいて加速度を算出しても良い。図７に模式的に示すように、半導体装置１００が移動すると、半導体装置１００から見て、実線で示された熱分布は、点線で示された熱分布へと推移する。熱センサ３０の温度は増加し、熱センサ５０の温度は減少する。静止時の時刻ｔ１と移動時の時刻ｔ２間では、熱センサ３０に温度差が生じる。静止時の時刻ｔ１と移動後の時刻ｔ２間では、熱センサ５０に温度差が生じる。各熱センサ３０、５０が感じる温度差から加速度が算出される。なお、加速度の算出式は、実験的に求められるものであり、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
ここで、静止時の各熱センサ３０、５０よりの出力電圧は、センサの位置や、素子ばらつき等で必ずしも一致しない。この場合、加速がかかっていない時の各熱センサの出力を保存しておき、加速がかかっている状態ではこの保存した値との差によって加速を検知する。
【００３８】
ヒータから熱センサへの熱の伝達経路は、ガスによる経路以外にも層間絶縁膜やシリコン基板を経由するものがある。しかし、ガス以外の経路による熱伝導は本チップに加速がかかっている状態と加速がかかっていない状態で変わらないので、加速がかかっていない時の各熱センサの出力を基準に加速を検知することでこれらの影響を排除できる。
【００３９】
図８に示すように、ヒータ４０をパルス駆動させて、各熱センサ３０、５０の温度変化波形の位相差に基づいて加速度を算出しても良い。図８に模式的に示すように、ヒータ４０をパルス駆動すると、ヒータ４０を中心として周囲に波状の熱分布が形成される。熱波形の頂部は、オン状態のヒータ４０に対応し、熱波形の底部は、オフ状態のヒータ４０に対応する。熱センサ３０の温度は、時間的に変化する熱波形に応じて変化する。熱センサ５０の温度についても同様である。
【００４０】
図８に模式的に示すように、半導体装置１００が移動すると、半導体装置１００から見て、実線で示された熱分布は、点線で示された熱分布へと推移する。これに応じて、熱センサ３０の温度変化は、実線に示された熱分布に対応する位相から、点線で示された熱分布に対応する位相へと変化する。図８に模式的に示す熱分布の位相差は、熱センサ３０の温度変化の位相変化として検知される。各熱センサ３０、５０の温度変化の位相差に基づいて、加速度が算出される。なお、加速度の算出式は、実験的に求められるものであり、その詳細な説明は省略する。
【００４１】
図９を参酌して、図８に示した方式にて加速度を算出する場合の回路構成例について説明する。図９に示すように、基準クロック７１は、ヒータ４０に対して供給され、位相検出器７２、７３に個別供給される。ヒータ４０は、供給される基準クロック７１に応じてパルス駆動される。熱センサ３０の温度変化の位相は、基準クロックとの比較に基づいて、位相検出器７３により検出される。熱センサ５０の温度変化の位相は、基準クロックとの比較に基づいて、位相検出器７２により検出される。なお、位相検出器７２、７３には、図６に示した増幅器ＡＭＰの出力が供給されるものとする。位相比較部７４は、位相検出器７２から供給される波形と位相検出器７３から供給される波形間の位相差を検出する。
【００４２】
図９に示すように、半導体装置１００が移動すると、半導体装置１００から見て、ガスは逆方向に流れる。従って、ヒータ４０からみて移動方向にある熱センサ３０に対してヒータ４０からの熱が伝達する時間は、逆側に対する熱センサ５０に対してヒータ４０から熱が伝達するまでの時間よりも長くなる。図９に示す場合には、この時間差を熱センサの温度変化の位相差として検出し、これに基づいて加速度を算出する。熱センサ３０に対する伝達時間（位相検出器７３から出力されるパルスの立ち上がりタイミング等から検知する）と熱センサ５０に対する伝達時間（位相検出器７２から出力されるパルスの立ち上がりタイミング等から検知する）との差分に基づいて加速度を算出することによって、絶対的な温度の検出精度バラツキ等の影響を低減した態様で加速度を算出することができる。図８及び図９に示す方式では、温度の交流的な時間変化検出するため、温度の絶対値は加速度の算出精度に影響を与えない。従って、温度の絶対値を検出する方式に比べて、より精度高く加速度を算出することが可能になる。
【００４３】
なお、半導体装置１００の具体的な製造手順は任意であり、当業者であれば、適宜、変更等を為すことができる。図１乃至図３に開示した構成は、あくまで例示的なものである。図１乃至図３は、ＩＣチップの部分的な構成を簡略表示したものであり、様々な機能回路／素子が集積されたＩＣチップの全体を表示するものではない。
【００４４】
冒頭で説明したように、本実施形態では、ガス流路２２、ヒータ４０及び熱センサ３０、５０を積層体１０に設け、ガス流路２２の底面にてヒータ４０及び熱センサ３０、５０を露出させる。ガス流路２２は、通常の半導体プロセス技術（層堆積、フォトリソグラフィー、エッチング、リフトオフ、基板の貼り合せ、スピンコート、メッキ等）を活用して積層体１０に対して設けることができる。ヒータ４０及び熱センサ３０、５０も、同様、通常の半導体プロセス技術を活用して、積層体１０に対して設けることができる。これによって、ＭＥＭＳ特有プロセスを経ることなく、通常の半導体プロセスを活用して加速度センサを製造することができる。また、半導体回路チップに対して加速度センサを集積化することも可能になる。
【００４５】
半導体回路チップに対する加速度センサの集積化により得られるメリットは、様々なものが考えられる。例えば、半導体回路チップに対する加速度センサの集積化によって、その全体コストを低下させることが可能になると共に、従来必要であった加速度センサのアセンブリの手間を省くことが可能になる。なお、ガス流路、ヒータ、熱センサの具体的構成、個数等は任意である。積層体の具体的な構成についても同様である。
【００４６】
実施の形態２
図１０乃至図１２を参照して、実施の形態２について説明する。本実施形態では、実施の形態１とは異なり、熱センサに接続されたＰＮ接合の順方向電圧の変化を検出することによって、熱センサの温度変化、すなわち、熱センサ上に存するガスの温度変化を検出する。抵抗に代えて、ＰＮ接合を活用することによって、より精度良く温度変化を検出することが可能になる。なお、ＰＮ接合から成るダイオードの順方向電圧は、温度１℃あたり２ｍＶ程度変化する。従って、１０℃程度の温度変化が生じると、２０ｍＶ程度の信号を得ることができる。
【００４７】
図１０は、半導体装置の概略的な断面模式図である。図１１は、半導体装置の概略的な上面図である。図１２は、熱検出回路を示す回路図である。
【００４８】
図１０に示すように、半導体基板ＳＵＢ（ｐ型基板）には、Ｎウェル領域１１、１３が不純物の熱拡散により形成される。Ｎウェル領域１１内には、不純物の熱拡散によりＰウェル領域１２が形成される。Ｎウェル領域１３内には、Ｐウェル領域１４が形成される。熱センサ３０のランド３１は、配線構造層に設けられたトレンチ配線Ｔ３１、Ｔ３１＿２、Ｔ３１＿１、配線ＭＬ３１、ＭＬ３１＿２を介して、Ｐウェル領域１２に接続される。熱センサ５０のランド５１は、配線構造層に設けられたトレンチ配線Ｔ５１、Ｔ５１＿２、Ｔ５１＿１、配線ＭＬ５１、ＭＬ５１＿２を介して、Ｐウェル領域１４に接続される。
【００４９】
図１１に示すように、Ｐウェル領域１２は、ランド３１の直下に形成される。Ｐウェル領域１２の形成範囲は、ランド３１の形成範囲よりも広い。Ｐウェル領域１４は、ランド５１の直下に形成される。Ｐウェル領域１４の形成範囲は、ランド５１の形成範囲よりも広い。なお、Ｐウェル領域とランド間の相対的な位置関係は任意であり、この例に限られるべきものではない。
【００５０】
図１２に示す熱検出回路は、図６と比較すると、抵抗Ｒ２がダイオードＤ１に置き換えられている。このようにダイオードＤ１のカソード電圧の変動に基づいて温度変化を検出することで、より高精度に熱センサの温度を検出することが可能になる。なお、図１２において、図１１に示す各熱センサ３０、５０の配線部分は、ダイオードＤ１のカソード端子と電流源ＣＳ１間にある接点Ｎ１と電流源ＣＳ１間に設けられるものとする。
【００５１】
本実施形態においても、パターン配線部４３は、配線構造層Ｌ１〜Ｌ３に存在する絶縁層を介して、半導体基板ＳＵＢから熱分離されている。ヒータ４０のパターン配線部４３で生じる熱が半導体基板ＳＵＢに対して伝達してしまうと、半導体基板ＳＵＢに設けられるダイオードの動作に影響を与えてしまうおそれがある。本実施形態では、上述のように、パターン配線部４３は、配線構造部Ｌ１〜Ｌ３に存在する絶縁層を介して半導体基板ＳＵＢ上に形成されているため、半導体基板ＳＵＢから見て、パターン配線部４３が熱分離された状態となる。パターン配線部４３から半導体基板ＳＵＢへの熱伝達を抑制することによって、半導体装置１００の動作の信頼性を効果的に高めることができる。
【００５２】
実施の形態３
図１３及び図１４を参照して、実施の形態３について説明する。本実施形態では、熱検出回路は、参照電圧生成回路を含む。このような場合であっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
図１３は、熱検出回路を示す回路図である。図１４は、熱検出回路の動作原理を示す図である。
【００５４】
図１３に示すように、電流源ＣＳ３と抵抗Ｒ３間の接点が増幅器（比較器）ＡＭＰの負端子に接続される。抵抗Ｒ３の熱容量は、抵抗Ｒ２と比較して大幅に大きい。抵抗Ｒ３は、抵抗Ｒ２に対して近接配置され、同タイミングに略同じ温度となる。図１４の実線は、ヒータ４０の間欠的駆動に応じた抵抗Ｒ２の温度変化を示す。図１４の破線は、ヒータ４０の間欠的駆動に応じて抵抗Ｒ３の温度変化を示す。図１４から明らかなように、熱容量が大きな抵抗Ｒ３は、ガスを介して伝わる熱の影響をあまり受けない。増幅器ＡＭＰの負端子に入力する電圧は、略一定なものとなる。抵抗Ｒ２、Ｒ３の抵抗値の大小は、温度変化に追従して入れ替わるため、増幅器ＡＭＰは、温度変動の位相を検出することができる。これによって、比較的単純な構成で熱検出回路を形成することができる。抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の相違点は、主として、ガス流路２２内での露出面積であり、製造プロセス的に考慮しても大きな負担とはならない。
【００５５】
実施の形態４
図１５及び図１６を参照して、実施の形態４について説明する。本実施形態では、抵抗Ｒ１、つまり、ヒータ４０は、時分割して順方向及び逆方向に通電される。上述の実施形態において説明したように、ヒータ４０は、通電発熱する幅狭配線を有するため、通電方向を固定した場合には、エレクトロマイグレーションによって幅狭配線が劣化してしまうおそれがある。本実施形態では、この点に考慮し、ヒータ４０の通電方向を適当な間隔で逆方向として、ヒータ４０の構成配線の劣化を抑制する。これによって、ヒータ４０の寿命を延ばし、より信頼性高い加速度センサを提供することが可能になる。
【００５６】
図１５は、ヒータの駆動回路を示す回路図である。図１６は、ヒータの駆動回路の動作を示すタイミングチャートである。
【００５７】
図１５に示すように、ヒータ４０の駆動回路は、ＭＯＳトランジスタＭ２〜Ｍ５、抵抗Ｒ１、コントローラ６５を有する。ＭＯＳトランジスタＭ２、Ｍ４は、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤ間に直列接続される。ＭＯＳトランジスタＭ３、Ｍ５は、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤ間に直列接続される。抵抗Ｒ１は、ＭＯＳトランジスタＭ２とＭＯＳトランジスタＭ４間の接点とＭＯＳトランジスタＭ３とＭＯＳトランジスタＭ５間の接点との間に設けられる。各ＭＯＳトランジスタのオン/オフは、コントローラ６５によって図１６に示すように制御される。
【００５８】
図１６に示すように、時刻ｔ１と時刻ｔ２の期間、トランジスタＭ３、Ｍ４がオンし、トランジスタＭ２、Ｍ５がオフする。図１５を正面視して、抵抗Ｒ１には、左から右方向へ（順方向へ）電流が流れる。時刻ｔ２と時刻ｔ３の期間、トランジスタＭ２〜Ｍ５がオンし、抵抗Ｒ１には電流が流れない。時刻ｔ３と時刻ｔ４の期間、トランジスタＭ３、Ｍ４がオフし、トランジスタＭ２、Ｍ５がオンする。図１５を正面視して、抵抗Ｒ１には、右から左方向へ（逆方向へ）電流が流れる。時刻ｔ４と時刻ｔ５の期間、トランジスタＭ２〜Ｍ５がオンし、抵抗Ｒ１には電流が流れない。このようなサイクルを繰り返すことによって、抵抗Ｒ１、すなわちヒータ４０には時分割して順方向／逆方向に電流が流れ、ヒータ４０の経年劣化を抑制することができる。
【００５９】
実施の形態５
図１７を参照して、実施の形態５について説明する。本実施形態では、上述の実施形態の構成に加えて、図１７に示すように、保護層２１上にカバー板（カバー部材）８０を配置し、ガス流路２２を上方から被覆する。これによって、ガス流路２２の上方が閉じた状態となり、ヒータ４０からガス流路２２内のガスに伝達した熱が上方へ拡散してしまうことを効果的に抑制することができる。好適には、熱導電性が半導体よりも低いガラス板、セラミック板をカバー板８０として採用すると良い。ガス流路２２を覆うカバー部材は、カバー板８０のような平板状部材に限られるべきものではない。
【００６０】
実施の形態６
図１８を参照して、実施の形態６について説明する。本実施形態では、上述の実施形態の構成に加えて、図１８に示すように、壁配線２０ａと壁配線２０ｂ間に存在する保護層２１によってガス流路２２を形成する。壁配線間へ保護層が侵入できないと、壁配線間には図１８に示すように、ガス流路として機能する空洞が形成される。図１８に示すように、ガス流路２２の幅は、半導体基板ＳＵＢから離間する方向に沿って幅狭くなる（Ｗ１＞Ｗ２）。これによって、ガス流路２２の上方を絞った状態とすることができ、ヒータ４０により加熱されたガスが上方へ逃げることを抑制することができる。ガス流路２２内にヒータ４０により加熱されたガスを閉じ込めることによって、熱センサ３０、５０によるガス温度の検出精度を高めることができる。
【００６１】
実施の形態７
図１９を参照して、実施の形態７について説明する。本実施形態では、上述の実施形態とは異なり、配線層２０のパターニングによりガス流路２２を形成するのではなく、長尺な開口が設けられた板状部材を基板上（配線構造層上）に配置することによってガス流路２２を形成する。このような場合であって、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
図１９に示すように、基板（半導体基板ＳＵＢ、配線構造層Ｌ１〜Ｌ３）上には、板状部材（最上層配線構造）２５が配置される。板状部材２５は、例えば、ガラス板、セラミック板等である。板状部材２５には、開口が設けられており、これがガス流路２２として機能する。なお、図１９では、説明の便宜上、ヒータ、熱センサ等の図示は省略されている。基板上に板状部材を積層する具体的な方法は任意である。例えば、基板に対して板状部材を貼り合わせることによって、基板上に板状部材を積層すると良い。基板に対する板状部材の固定方法は任意である。例えば、板状部材は、接着剤を介して、基板上に固定される。この場合、接着剤は、ガス流路２２には侵入しない範囲で塗布される。
【００６３】
実施の形態８
図２０を参照して、実施の形態８について説明する。本実施形態では、図１９に対して図１７に開示のカバー板８０を適用する。このような場合であっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００６４】
実施の形態９
図２１を参照して、実施の形態９について説明する。本実施形態では、図４とは異なる態様にて配線を施してヒータを構成する。このような場合であっても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。図２１に示すように、ヒータは、渦巻き状に巻かれた配線から構成される。配線の一端は、トレンチを介して、配線構造層内の配線に接続される。配線の他端についても同様である。図２１に示すヒータは、一辺が９．６μＭ程度の大きさの矩形領域に設けられる。熱センサの配線引き回し態様についても、図２１と同様としても良い。
【００６５】
実施の形態１０
図２２を参照して、実施の形態１０について説明する。本実施形態では、熱検出回路及びヒータ駆動回路は、ヒータ４０の発熱による特性変動を回避するために、熱センサ３０、ヒータ４０、熱センサ５０から離れた位置に設ける。より好適には、図２２に模式的に示した配置間隔から読み取れるように、ヒータ４０と熱センサ３０との間隔（例えば、間隔Ｗ９０）よりも、ヒータ４０とヒータ駆動回路間の間隔（例えば、間隔Ｗ９１）のほうが広い。同様に、ヒータ４０と熱センサ３０との間隔よりも、熱センサ３０と熱検出回路間の間隔（例えば、間隔Ｗ９２）のほうが広い。これによって、好適に、ヒータ４０で生じる熱影響によって、各回路特性が変動してしまうことを抑制することが可能になる。なお、その余の点は、上述の実施形態と同様であり、重複説明は省略する。本実施形態においても上述の実施形態で説明したものと同様の効果を得ることができる。
【００６６】
実施の形態１１
図２３を参照して、実施の形態１１について説明する。本実施形態では、図２３に示す検出構成を採用する。図２３に示すように、熱センサ５０の出力とヒータ４０のクロック信号をミキシングし、ミキサー１７２の出力信号からローパスフィルタ１７４を介して低周波成分を選択通過させる。また、熱センサ３０の出力とヒータ４０のクロック信号をミキシングし、ミキサー１７３の出力信号からローパスフィルタ１７５を介して低周波成分を選択通過させる。電圧比較部１７６は、ローパスフィルタ１７４、１７５からの各入力電圧値を比較する。
【００６７】
熱センサ３０、５０の出力信号は、半導体装置１００に加速がかかっていない状態では、ヒータ４０のクロック信号にほぼ一致するが、半導体装置１００に加速がかかっている状態では、ガスによる熱伝導分だけクロック信号が変調される。熱センサ３０、５０から出力される変調信号を、クロック信号とミキシングすると、クロック信号の２倍の周波成分を持つ信号とＤＣ近辺の低周波信号とが合成された信号となる。ローパスフィルタによって低域通過させるとＤＣ近辺の信号を抽出することができる。ローパスフィルタの出力電圧値は、ガスによる熱伝導による変調分だけ変化する。この原理に基づいて、電圧比較部１７６は、各ローパスフィルタ１７４、１７５の出力電圧値を比較する。電圧比較部１７６による比較結果に基づいて加速度を検知することが可能になる。なお、その余の点は、上述の実施形態と同様であり、重複説明は省略する。本実施形態においても上述の実施形態で説明したものと同様の効果を得ることができる。
【００６８】
実施の形態１２
図２４及び図２５を参照して、実施の形態１２について説明する。本実施形態では、図２４に示すように、Ｎ領域１３とＰ領域１４間の接合位置を熱センサ３０から離れた位置とする。同様に、Ｎ領域１１とＰ領域１２間の接合位置を熱センサ５０から離れた位置とする。このようにダイオード間の距離を確保することによって、半導体基板ＳＵＢを介したダイオード間の熱伝導の影響を低減することができる。なお、Ｗ２００＜Ｗ２０１＜Ｗ２０２＜Ｗ２０４の関係が成立している。
【００６９】
図２５に示すように、ヒータ４０と半導体基板ＳＵＢ間、端的にはヒータ４０の直下に放熱用の配線ＭＬ２００を配置すると良い。これによって、ヒータ４０から半導体基板ＳＵＢを介してダイオードに伝わる熱伝導の経路を遮断することができ、ガス経由で伝わる熱による熱センサの感度を高めることができる。好適には、配線ＭＬ２００は、グランド若しくは一定電位に固定することが望ましい。配線ＭＬ２００の電位固定用の引き出し配線は、熱伝導の経路となるため、ヒータ駆動用配線に近付けて配置することが望ましく、この引き出し配線をグランド又は一定電位に接続する接続点はヒータ駆動回路近辺に配置することが望ましい。その余の点は、上述の実施形態と同様であり、重複説明は省略する。本実施形態においても上述の実施形態で説明したものと同様の効果を得ることができる。
【００７０】
実施の形態１３
図２６を参照して、実施の形態１３について説明する。本実施形態では、図２６に示すように、ヒータ４０の周囲に４つの熱センサ３０（５０）を配置する。４つの熱センサ３０は、ヒータ４０を中心として、ある熱センサを９０度ずつ回転させた位置に配置されている。
【００７１】
換言すると、次のように説明できる。熱センサ３０ａと熱センサ３０ｃは、ヒータ４０を中心に挟んで対称配置されている。熱センサ３０ｂと熱センサ３０ｄは、ヒータ４０を中心に挟んで対称配置されている。熱センサ３０ａと熱センサ３０ｃの組の配置方向は、熱センサ３０ｂと熱センサ３０ｄの配置方向に対して略直交する。
【００７２】
この構成を採用することによって、熱センサ３０ａと熱センサ３０ｃの組の出力の比較によってｘ軸方向の加速度を検出し、熱センサ３０ｂと熱センサ３０ｄの組の出力の比較によってｙ軸方向の加速度を検出することが可能となる。これにより、よりコンパクトな構成にて複数方向の変位を検出することが可能となる。なお、その余の点は、上述の実施形態と同様であり、重複説明は省略する。本実施形態においても上述の実施形態で説明したものと同様の効果を得ることができる。
【００７３】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。最上層配線構造の具体的な材質は任意であり、絶縁層により構成しても良い。ヒータ、熱センサ等の構成配線をポリシリコン等により構成しても良い。ガス流路の延在態様は、任意であり、直線状に限られない。
【００７４】
実施の形態１４
ここで、本発明と従来技術との相違を明確にするために、本発明適用前の参考例について説明する。図２７（ａ）及び（ｂ）は、特許文献１に記載された熱型加速度センサを封止形成した参考例の上面断面図及び側面断面図である。
【００７５】
参考例の加速度センサ９００では、シリコン基板９０１の内部に、ガスを封入するチャンバー（空洞部）９０２が掘りこまれて形成されている。チャンバー９０２の上面視中央かつ側面視中央には、ヒータ９０３が配置されている。ヒータ９０３は、加速度センサ９００の一方の側面から対向する他方の側面まで延在配置されている。ヒータ９０３の両側には、熱センサ９０４、９０５が配置されている。熱センサ９０４，９０５は、ヒータ９０３と平行に加速度センサ９００の一方の側面から対向する他方の側面まで延在配置されている。すなわち、参考例の加速度センサ９００では、シリコン基板９０１を削り取って形成しているため、内部のチャンバー９０２は、シリコン基板９０１の外形と同様、上面断面及び側面断面が長方形状である。また、ヒータ９０３、熱センサ９０４、９０５は、チャンバー９０２の中空に浮いた状態で形成されている。
【００７６】
参考例の加速度センサ９００では、ヒータ９０３によりチャンバー９０２内のガスが加熱され、ガスの温度を熱センサ９０４、９０５が検出する。参考例の加速度センサ９００が移動するとチャンバー９０２内のガスは、加速度センサ９００の動きに追従できないため、加速度センサ９００の移動方向とは逆に流れる。そうすると、ガスの温度分布が、ヒータ９０３の両側の熱センサ９０４の位置と熱センサ９０５の位置とで非対称となる。そこで、参考例の加速度センサ９００では、熱センサ９０３、９０４の出力を比較することで、加速度センサ９００に印加される加速度を検出している。
【００７７】
次に、図２８を用いて、本実施形態に係る半導体装置１００について説明する。図２８（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置１００の上面断面図及び側面断面図である。
【００７８】
図１では、半導体装置１００の一部を記載していたため、Ｙ方向に延びる壁配線２０ａ、２０ｂのみが記載されていたが、図２８では、ガスを封入する空洞部を形成するための壁配線の全体が記載されている。
【００７９】
図２８に示すように、半導体装置１００は、積層体１０、最上層配線構造２０（壁配線２０ａ、２０ｂ）、熱センサ３０、熱センサ５０、及びヒータ４０を有する。なお、壁配線は連続した配線として形成されるため、以下では、壁配線全体を２０ａもしくは２０ｂと称する。
【００８０】
積層体１０は、シリコン基板である半導体基板ＳＵＢ、及び配線構造層Ｌを含む。配線構造層Ｌは、図２等と同様に、配線構造層Ｌ１〜Ｌ３を含み、各配線構造層は層間絶縁膜及び配線層を含んでいる。また、最上層配線構造２０は、最上層に形成されたメタル配線（配線層）であり、壁配線２０ａを構成している。
【００８１】
この例では、壁配線２０ａ、ヒータ４０及び熱センサ３０、５０は、同じ最上層に形成されている。積層体１０の最上層に、ヒータ４０を配置し、そのＹ方向両側に熱センサ３０、５０を配置する。なお、ヒータ４０、熱センサ３０及び５０の各配線あるいは全ての配線をヒータ・熱センサ配線１１０とも称する。
【００８２】
上面視で、ヒータ・熱センサ配線１１０の周囲を略長方形状に囲うように、ガス流を制限する壁配線２０ａ（２０ｂ）が配置される。配線構造層Ｌの上面Ｓ１０及び壁配線２０ａは、保護層（カバー膜）２１によって被覆されている。保護層２１は、壁配線２０ａの内側の上面Ｓ１０には形成されていない。すなわち、ヒータ・熱センサ配線１１０は、保護層２１に覆われていない状態であり、配線の表面がガスに露出している。
【００８３】
また、図１７と同様に、突出した保護層２１上にカバー板８０が配置される。カバー板８０は、ガラス基板やシリコン基板等である。壁配線２０ａの上面全体に、保護層２１を介してカバー板８０が張り付けられている。
【００８４】
壁配線２０ａがカバー板８０と接触すると、壁配線２０ａで囲まれた領域は閉鎖された空洞部２４となる。すなわち、空洞部２４は、上面側をカバー板８０に覆われ、底面側を最上層に接する配線構造層Ｌ（Ｌ３）の層間絶縁膜に覆われ、側面側を壁配線２０ａに覆われて封止形成されている。空洞部２４の空間のうち、ヒータ・熱センサ配線１１０近傍の領域をガス流路２２、ガス流路２２のＹ方向（ガスの流れる方向）両側の領域をキャビティ２３（２３ａ、２３ｂ）と称する。この空洞部２４に、大気、窒素、もしくはアルゴンなどのガスが封入されている。
【００８５】
図２８のような構造の半導体装置１００において、図７や図８で示したように、ヒータ４０で空洞部２４内のガスを加熱し、ガスの温度分布を熱センサ３０、５０で測定し、熱センサ３０，５０の温度差により、加速度を検知することができる。
【００８６】
次に、図２９を用いて、図２８で示した半導体装置１００の製造方法について説明する。まず、Ｓ１０１において、半導体基板ＳＵＢを用意し、半導体基板ＳＵＢ上に、不図示の熱検出回路等を構成するＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）を形成する。
【００８７】
次いで、Ｓ１０２において、Ｓ１０１で形成した半導体基板ＳＵＢ上に配線構造層Ｌ及び最上層配線構造２０を形成する。すなわち、半導体基板ＳＵＢ上に配線層及び層間絶縁膜を含む配線構造層Ｌを積層形成し、配線構造層Ｌ上に最上層配線として、壁配線２０ａ、ヒータ・熱センサ配線１１０を形成する。層間絶縁膜にはシリコン酸化物もしくはシリコン酸化物に炭素を混入させたものを使用する。
【００８８】
次いで、Ｓ１０３において、Ｓ１０２で形成した積層体１０の上面全体に保護層２１を堆積させる。すなわち、配線構造層Ｌ、壁配線２０ａ及びヒータ・熱センサ配線１１０の上面全体を覆うように保護層２１を形成する。ここで保護層２１の材料はポリイミドとする。
【００８９】
次いで、Ｓ１０４において、Ｓ１０３で形成した積層体１０の上面に対し露光を行うことにより、ヒータ・熱センサ配線１１０周辺の保護層２１を除去する。すなわち、壁配線２０ａの内側における配線構造層Ｌ及びヒータ・熱センサ配線１１０の上面を露光し保護層２１を除去することで、配線構造層Ｌの層間絶縁膜及びヒータ・熱センサ配線１１０を露出させる。
【００９０】
次いで、Ｓ１０５において、Ｓ１０４で形成した積層体１０の上部に、張り合わせによりカバー板８０を接合する。すなわち、保護層２１のうち、壁配線２０ａによって、他の部分よりも突出している部分に、カバー板８０を接触させ接合する。以上の工程により、図２８の半導体装置１００が形成される。
【００９１】
このように、本実施形態の半導体装置では、積層体最上層の壁配線によりガスを封入する空洞部を形成し、空洞部内にヒータと複数の熱センサを配置する。積層体上部の空気をヒータで加熱し、熱センサで温度を検知することにより、半導体装置に加えられた加速度を検出することができる。
【００９２】
上記のように、図２７のような参考例の加速度センサでは、シリコン基板を削り取ってチャンバーを形成し、チャンバーの中空にヒータ及び熱センサを配置する必要があるため、加速度センサの製造が非常に困難であった。本発明では、加速度センサを図２８のような半導体装置の構成とすることにより、加速度センサを図２９のように一般的な半導体プロセスで製造することができるため、製造効率の向上や高集積化を図ることができる。
【００９３】
実施の形態１５
図３０を用いて、本実施形態に係る半導体装置１００について説明する。図３０（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置１００の上面断面図及び側面断面図である。
【００９４】
図３０の半導体装置１００では、図２８の半導体装置１００と比べて、ヒータ・熱センサ配線１１０上にカバー膜１１１が形成されている。その他の構成は、図２８と同様である。
【００９５】
すなわち、ヒータ・熱センサ配線１１０表面の露出部分を、ヒータ・熱センサ用のカバー膜１１１で囲う。ヒータ・熱センサ配線１１０のガスに触れる上面及び側面の全体を覆うようにカバー膜１１１を形成する。カバー膜１１１の材料には、ポリイミドなどの有機物や、ＳｉＯ２などの酸化膜、ＳｉＮ、ＴｉＮ、ＴａＮなどの窒化膜を使用する。
【００９６】
上記のように、ヒータ・熱センサ配線１１０上にカバー膜を形成することにより、ヒータ・熱センサ配線１１０が直接ガスに触れることがない。したがって、ガスに触れることによるヒータ・熱センサ配線１１０のメタル材料の腐食、断線を防ぐことができる。
【００９７】
また、カバー膜１１１は、壁配線２０ａ等の他の部分の保護層（保護膜）よりも薄く形成することが好ましい。カバー膜１１１を薄膜とすることで、熱伝導がよくなるため、ヒータの発熱効率や熱センサの検出感度を向上することができる。
【００９８】
実施の形態１６
図３１を用いて、本実施形態に係る半導体装置１００について説明する。図３１（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置１００の上面断面図及び側面断面図である。図３１の半導体装置１００と図２８の半導体装置とを比べると、ヒータ・熱センサ配線１１０が形成される配線層の階層が異なっており、その他の構成は同様である。図２８の半導体装置１００では、ヒータ・熱センサ配線１１０は壁配線２０ａと同じ最上層に形成されており、図３１に示す本実施形態の半導体装置１００では、ヒータ・熱センサ配線１１０は、壁配線２０ａよりも下層の配線層に形成される。
【００９９】
例えば、配線構造層Ｌは、配線構造層Ｌ１〜Ｌ３を含んでおり、最上層の１つ下層である配線構造層Ｌ３（中間層）の配線層に、ヒータ・熱センサ配線１１０が形成される。壁配線２０ａの内側では、配線構造層Ｌ２の上面まで、積層体の表面が掘り下げられている。
【０１００】
空洞部２４は、上面側をカバー板８０に覆われ、底面側を中間層の配線構造層Ｌ（Ｌ２）の層間絶縁膜に覆われ、側面側を壁配線２０ａ及び最上層に接する配線構造層Ｌ（Ｌ３）の層間絶縁膜に覆われて封止形成されている。すなわち、図３１の空洞部２４は、図２８の空洞部２４に比べて、配線構造層Ｌ３の厚さ分だけ深く形成されている。
【０１０１】
次に、図３２を用いて、図３１で示した半導体装置１００の製造方法について説明する。なお、図３２では、図２９と比べて、ヒータ・熱センサ配線１１０の形成位置と、ヒータ・熱センサ配線１１０を露出するためのエッチング工程とが異なっており、その他については同様である。
【０１０２】
まず、Ｓ２０１において、半導体基板ＳＵＢを用意し、半導体基板ＳＵＢ上に、不図示の熱検出回路等を構成するＭＩＳＦＥＴを形成する。
【０１０３】
次いで、Ｓ２０２において、Ｓ２０１で形成した半導体基板ＳＵＢ上に配線構造層Ｌ及び最上層配線構造２０を形成する。すなわち、半導体基板ＳＵＢ上に配線層及び層間絶縁膜を含む配線構造層Ｌを積層形成し、配線構造層Ｌ３の配線層に中間層配線としてヒータ・熱センサ配線１１０を形成する。ヒータ・熱センサ配線１１０上には層間絶縁膜が形成され、その層間絶縁膜上に、最上層配線として壁配線２０ａを形成する。
【０１０４】
次いで、Ｓ２０３において、Ｓ２０２で形成した積層体１０の上面全体に保護層２１を堆積させる。すなわち、配線構造層Ｌ及び壁配線２０ａ上面全体を覆うように保護層２１を形成する。
【０１０５】
次いで、Ｓ２０４において、Ｓ２０３で形成した積層体１０の上面に対し露光により、ヒータ・熱センサ配線１１０の上部周辺の保護層２１を除去する。すなわち、壁配線２０ａの内側における配線構造層Ｌの上面を露光し保護層２１を除去することで、配線構造層Ｌの層間絶縁膜を露出させる。
【０１０６】
次いで、Ｓ２０５において、Ｓ２０４で形成した積層体１０の上面に対し、保護層２１をマスクとして、配線構造層Ｌの層間絶縁膜をドライエッチングにより除去する。すなわち、壁配線２０ａの内側について、配線構造層Ｌ３の層間絶縁膜をエッチングし、配線構造層Ｌ３の配線層であるヒータ・熱センサ配線１１０と、配線構造層Ｌ２の層間絶縁膜とを露出させる。
【０１０７】
次いで、Ｓ２０６において、Ｓ２０５で形成した積層体１０の上部に、張り合わせによりカバー板８０を接合する。以上の工程により、図３１の半導体装置１００が形成される。
【０１０８】
このように、本実施形態の半導体装置では、積層体最上層の壁配線及び下層の層間絶縁膜による段差でガスを封入する空洞部を形成した。この空洞部内にヒータと複数の熱センサを配置し、積層体上部の空気をヒータで加熱して熱センサで温度を検知することにより、図２８と同様に、半導体装置の移動速度を検出することができる。また、図２９と同様に、一般的な半導体プロセスにより加速度センサを製造することができる。
【０１０９】
さらに、ヒータ・熱センサ配線１１０を、掘り下げた配線構造層Ｌに形成することにより、空洞部２４をより広くすることができる。本実施形態では、壁配線２０ａの厚みや上面視の面積が図２８と同様であっても、空洞部２４の容積を図２８よりも大きくすることができる。空洞部が狭いとガスが流れ難くなるため、空洞部を広くすることによって、ガスが流れやすくなり、加速度センサの感度を向上することができる。
【０１１０】
実施の形態１７
図３３を用いて、本実施形態に係る半導体装置１００について説明する。図３３（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置１００の上面断面図及び側面断面図である。
【０１１１】
図３３の半導体装置１００では、図３１の半導体装置１００と比べて、壁配線２０ａの配置パターン及び壁配線２０ａにより区画されて形成される空洞部２４の形状が異なっている。その他の構成については、図３１と同様である。図３３の半導体装置１００では、図３１の半導体装置１００と同様に、ヒータ・熱センサ配線１１０は、最上層よりも下層の配線層に形成されている。これにより、ヒータ・熱センサ配線１１０の上部にガスを流すための空間を広く設けることが出来る。
【０１１２】
本実施形態における、壁配線２０ａの配置パターンにより形成される空洞部２４の形状について説明する。図３１の半導体装置１００では、空洞部２４の上面断面がＹ方向を長辺方向とする略長方形状であり、キャビティ２３ａからガス流路２２を介してキャビティ２３ｂまでの上面断面の幅が同じである。
【０１１３】
これに対し、図３３に示す本実施形態の半導体装置１００では、空洞部２４は、熱センサ３０，５０の近傍と他の部分とで、上面断面のＸ方向（ガスの流れと垂直方向）の幅が大きく異なる。すなわち、熱センサ３０，５０が配置されているガス流路２２では幅が狭く、ガス流路２２の両側に幅の広いキャビティ２３ａ、２３ｂが形成されている。
【０１１４】
図３３では、キャビティ２３ａ、２３ｂは、上面断面がＸ方向を長辺方向とする略長方形状であり、長辺の長さが、ガス流路２２の幅よりも長い。なお、キャビティ２３ａ、２３ｂは、ガス流路２２よりも幅が広ければよいため、長方形に限らず、略正方形でもよいし、その他の多角形状等であってもよい。また、少なくとも、熱センサ３０、５０の近傍において、ガス流路２２の幅が狭くなればよい。例えば、ヒータ４０の近傍が、熱センサ３０、５０の近傍よりも、幅が広くなっていてもよい。
【０１１５】
半導体装置１００が移動すると、空洞部２４内のガスは半導体装置１００の動きに追従できないため、半導体装置１００の動きと逆の方向にガスの流れが発生する。キャビティ２３ａのガスがキャビティ２３ｂへ移動するには、熱センサ３０，５０近傍のガス流路２２を通る必要がある。広い空間であるキャビティ２３ａのガスが、狭い空間（隘路）のガス流路２２を通過しようとすると、体積の大きいガスが狭い隘路に急激に入り込むためガスの圧力が高まる。
【０１１６】
したがって、ガス流路２２を通るときのガスの流速は、キャビティ２３ａ、２３ｂの部分よりも速くなる。ガス流路２２においてガスの流速が速くなると、ガスの流れによって熱も速く伝わり、かつ、伝わる熱量も大きくなる。よって、狭い隘路が無い場合に比べると、センサの温度変化がより速く、かつ、より大きくなるため、加速度センサの感度を高めることが出来る。
【０１１７】
上記のように、図２７の参考例や図３１等のような加速度センサでは、熱センサの部分と他の部分とでガスを密閉する空洞部の形状に変化はなく、ガスの流速にも変化はなかった。したがって、ガスの流速を制御することはできず、加速度センサの感度を向上させるためには、空洞部やヒータ・熱センサ配線を大きくする必要があった。
【０１１８】
本実施形態では、積層体上部のガスの流れを検出する加速度センサにおいて、ガスの流れる領域を局所的に狭くすることで、その部分のガスの流速を他の部分よりも速くする。この流速の速い部分に熱センサを配置することで、ガスの温度の検出感度を高めることができる。
【０１１９】
実施の形態１８
図３４を用いて、本実施形態に係る半導体装置１００について説明する。図３４（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置１００の上面断面図及び側面断面図である。
【０１２０】
図３４の半導体装置１００では、図３３の半導体装置１００と比べて、壁配線２０ａの配置パターン及び壁配線２０ａにより区画されて形成される空洞部２４のうちのキャビティの形状が異なっている。その他の構成については、図３３と同様である。
【０１２１】
図３３の半導体装置１００では、キャビティ２３ａ、２３ｂがＸ方向を長辺方向とする略長方形状である。ガス流路２２の辺（壁配線）に対し、キャビティ２３ａ、２３ｂの辺（壁配線）が直角に接している。
【０１２２】
これに対し、図３４の本実施形態の半導体装置１００では、ガス流路２２の辺（壁配線）に対し、キャビティ２３ａ、２３ｂの辺（壁配線）が、直角よりも緩やかな角度で接している。すなわち、壁配線２０ａにより形成される空洞部２４の幅が、熱センサ３０，５０を配置するガス流路２２近傍が最も狭く、熱センサ３０，５０から離れるに従って徐々に広くなっている。また、空洞部２４の幅が、熱センサ３０，５０から最も遠い部分が最も広く、熱センサ３０，５０に近づくに従って徐々に狭くなっているとも言える。少なくとも、ガス流路２２に接するキャビティ２３ａ、２３ｂの辺が、Ｘ方向（ガスの流れる方向）に対し、斜めであればよく、キャビティ２３ａ、２３ｂの形状は、どのような形状であってもよい。
【０１２３】
このように、本実施形態では、キャビティの形状を熱センサに近づくに従って徐々に変化するようにした。これにより、図３３のようにキャビティの角がガス流路に対し直角な形状の場合よりも空気抵抗が小さくなり、ガスの流れがスムーズとなるため、加速度センサの感度をより向上することができる。例えば、空洞部２４に封入される物質が、壁配線による抵抗を受けやすい物の場合、キャビティの辺をガス流路に対し斜めにし、空気抵抗を減らすことで、流れを大幅に速くすることができる。
【０１２４】
実施の形態１９
図３３や図３４では、空洞部２４の上面断面の形状が熱センサ近傍で変化する例について説明した。本実施形態では、空洞部２４の側面断面の形状が熱センサ近傍で変化する例について説明する。
【０１２５】
図３５（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置１００の上面断面図及び側面断面図である。
【０１２６】
図３５の半導体装置１００では、図２８や図３１の半導体装置１００と比べて、ヒータもしくは熱センサが形成される配線層の位置（階層）が異なっている。その他の構成については、図２８や図３１と同様である。
【０１２７】
図２８や図３１の半導体装置１００では、ヒータ４０と熱センサ３０、５０とは、同じ配線層に形成されている。これに対し、図３５の本実施形態の半導体装置１００では、ヒータ４０と熱センサ３０、５０とは、別の配線層に形成される。
【０１２８】
図３５に示すように、熱センサ３０、５０は壁配線２０ａと同じ最上層に形成され、ヒータ４０は、壁配線２０ａよりも下の配線構造層Ｌに形成される。例えば、配線構造層Ｌは、配線構造層Ｌ１〜Ｌ３を含んでおり、最上層の１つ下層である配線構造層Ｌ３（中間層）の配線層に、ヒータ４０が形成される。熱センサ３０と熱センサ５０に挟まれたヒータ４０近傍では、配線構造層Ｌ２の層間絶縁膜上面まで、積層体の表面が掘り下げられている。すなわち、ヒータ４０近傍では、空洞部２４のＺ方向の深さが深く、熱センサ３０、５０近傍では、空洞部２４のＺ方向の深さが浅くなっている。
【０１２９】
このように、本実施形態では、熱センサ３０，５０を最上層に形成し、ヒータ４０を最上層より掘り下げた下層の配線層に形成するようにした。これにより、空洞部の空間が、ヒータ４０近傍で広くなり、熱センサ３０，５０近傍で狭くなる。したがって、図３３や図３４と同様に、熱センサ近傍におけるガスの流速を速くすることができ、加速度センサの感度を向上することができる。
【０１３０】
実施の形態２０
本実施形態では、空洞部２４の側面断面の形状が熱センサ近傍で変化する他の例について説明する。図３６（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置１００の上面断面図及び側面断面図である。
【０１３１】
図３６の半導体装置１００では、図２８の半導体装置１００と比べて、キャビティが接する層が異なっている。また、図３６の半導体装置１００では、図３１の半導体装置１００と比べて、ヒータ・熱センサ配線が形成される層の位置が異なっている。その他の構成については、図２８や図３１と同様である。
【０１３２】
図２８や図３１の半導体装置１００では、ヒータ・熱センサ配線１１０が配置される配線層と、キャビティ２３ａ、２３ｂが接する層とが同じ階層である。これに対し、図３６の本実施形態の半導体装置１００では、ヒータ・熱センサ配線１１０が配置される配線層と、キャビティ２３ａ、２３ｂが接する層とが、別の階層である。
【０１３３】
図３６に示すように、ヒータ・熱センサ配線１１０は壁配線２０ａと同じ最上層に形成されている。キャビティ２３ａ、２３ｂは壁配線２０ａよりも下層の配線構造層Ｌに接している。例えば、配線構造層Ｌは、配線構造層Ｌ１〜Ｌ３を含んでおり、壁配線２０ａと熱センサ３０、５０とに挟まれたキャビティ２３ａ、２３ｂでは、配線構造層Ｌ２の層間絶縁膜上面まで、積層体の表面が掘り下げられている。すなわち、キャビティ２３ａ、２３ｂ近傍では、空洞部２４のＺ方向の深さが深く、熱センサ３０、５０近傍では、空洞部２４のＺ方向の深さが浅くなっている。
【０１３４】
このように、本実施形態では、ヒータ・熱センサ配線１１０を最上層に形成し、キャビティ２３ａ、２３ｂに接する配線構造層を下層まで掘り下げるようにした。これにより、空洞部の空間が、キャビティ２３ａ、２３ｂ近傍で広く、熱センサ３０，５０近傍で狭くなる。したがって、図３５と同様に、熱センサ近傍におけるガスの流速を速くすることができ、加速度センサの感度を向上することができる。
【０１３５】
実施の形態２１
本実施形態では、空洞部２４の上面断面の形状が熱センサ近傍で変化する他の例について説明する。図３７は、本実施形態に係る半導体装置１００の上面断面図である。なお、半導体装置１００の側面断面図については、図３３（ｂ）等と同様である。
【０１３６】
図３３の半導体装置１００では、Ｘ方向に延びるガス流路を形成し、その両端にキャビティを形成している。これに対し、図３７の本実施形態の半導体装置１００では、図３３の構成に加えて、Ｙ方向に延びるガス流路を形成し、その両端にキャビティを形成する。
【０１３７】
図３７に示すように、ヒータ４０を中心に配置し、そのＸ方向及びＹ方向に隣接して４つの熱センサ３０（５０）を配置する。Ｙ方向では、熱センサ３０ａ（５０）、ヒータ４０、熱センサ３０ｂ（５０）の順に並ぶように配置し、Ｘ方向では、熱センサ３０ｃ（５０）、ヒータ４０、熱センサ３０ｄ（５０）の順に並ぶように配置する。
【０１３８】
熱センサ３０ａ、３０ｂの配置される位置に、Ｙ方向に延びるガス流路２２ａ、２２ｂが形成される。ガス流路２２ａとガス流路２２ｂとからガス流路２２ｙが構成され、ガス流路２２ｙの両端にキャビティ２３ａ、２３ｂが形成される。
【０１３９】
また、熱センサ３０ｃ、３０ｄの配置される位置に、Ｘ方向に延びるガス流路２２ｃ、２２ｄが形成される。ガス流路２２ｃとガス流路２２ｄとからガス流路２２ｘが構成され、ガス流路２２ｘの両端にキャビティ２３ｃ、２３ｄが形成される。
【０１４０】
ガス流路２２ｙとガス流路２２ｘは、十字型に直交交差し、ガス流路が交差する位置にヒータ４０が配置されるとも言える。ヒータ４０から一定距離の各ガス流路内に４つの熱センサ３０が配置されている。なお、キャビティの形状は、図３３や図３４と同様にその他の形状であってもよい。
【０１４１】
このように、本実施形態では、Ｘ方向にヒータを挟むように熱センサを配置するとともに、Ｙ方向にヒータを挟むように熱センサを配置することにより、図２６と同様に、４つ熱センサでＸ方向及びＹ方向の２軸の加速度を検出することができる。
【０１４２】
また、本実施形態では、空洞部の幅を、４つの熱センサの配置されるＸ方向及びＹ方向のガス流路部分では狭く、その外側の４つのキャビティでは広くしている。これにより、図３３等と同様に、ガス流路部分のガスの流速を速くすることができ、加速度センサとしての感度を高めることが出来る。
【０１４３】
実施の形態２２
図３８を用いて、本実施形態に係るヒータ・熱センサ配線１１０の配線パターンについて説明する。図３８は、ヒータ４０もしくは熱センサ３０，５０の上面視の配線パターンである。
【０１４４】
上述のように半導体装置１００では、ヒータ４０及び熱センサ３０，５０はメタルの配線で構成され、配線の寄生抵抗を利用することによりヒータ及び熱センサとして動作する。このため、ヒータ４０及び熱センサ３０，５０を効果的に動作させるためには、メタル配線の抵抗値を大きくする必要がある。
【０１４５】
そこで、配線の抵抗値を大きくするため、図３８に示すように、本実施形態では、ヒータ・熱センサ配線１１０を細長く配置する。図３８は、ミアンダ形状の配線の３つの配線パターン例を示している。
【０１４６】
図３８に示すように、ヒータ・熱センサ配線１１０をミアンダ形状に配置することで、細長い配線を狭い面積に効率よく配置することができる。ミアンダ形状の配線とは、ジグザグ状の配線パターンの配線であり、一方向と反対の他方向とに交互に折り返しながら敷設された配線である。
【０１４７】
図３８（ａ）、（ｂ）は、Ｙ軸正方向及びＹ軸負方向（ガスの流れる方向）に向かって左右非対称の配線パターンであり、図３８（ｃ）は、Ｙ軸正方向及びＹ軸負方向に向かって左右対称の配線パターンである。
【０１４８】
図３８（ａ）の配線パターン１２０では、ヒータ・熱センサ配線１１０は、ミアンダ形状のミアンダ配線部１１０ａと直線状の戻り配線部１１０ｂとを有している。配線パターン１２０では、Ｙ軸方向正側に、ミアンダ配線部１１０ａが配置され、Ｙ軸方向負側に、戻り配線部１１０ｂが配置されている。
【０１４９】
ミアンダ配線部１１０ａは、一端が太幅配線１１３ａを介してトレンチ配線（ビア）１１２ａに接続され、他端が戻り配線部１１０ｂに接続される。ミアンダ配線部１１０ａは、ガスの流れる方向（Ｙ方向）に沿って延在配置する配線を交互に折り返しながら形成される。
【０１５０】
戻り配線部１１０ｂは、一端がミアンダ配線部１１０ａに接続され、他端が太幅配線１１３ｂを介してトレンチ配線１１２ｂに接続される。戻り配線部１１０ｂは、ガスの流れる方向と直交する方向（Ｘ方向）に向かって、ミアンダ配線部１１０ａの他端から、トレンチ配線１１２ａ近傍のトレンチ配線１１２ｂまで直線状に延在配置される。
【０１５１】
例えば、配線パターン１２０を実際に形成する場合の一例として、配線材料を銅とし、配線幅０．２μｍ、配線間隔０．２μｍ、膜厚０．３μｍ、配線長１ｍ、抵抗値は７００Ωとする。このとき、配線パターン１２０全体のＸ方向の長さを５０μｍ、Ｙ方向の長さを１５μｍとして形成する。
【０１５２】
図３８（ｂ）の配線パターン１２１では、配線パターン１２０と同様のミアンダ配線部１１０ａと戻り配線部１１０ｂとを有している。配線パターン１２１では、ミアンダ配線部１１０ａ及び戻り配線部１１０ｂの配置位置が、配線パターン１２０と反対になっている。すなわち、Ｙ軸方向負側に、ミアンダ配線部１１０ａが配置され、Ｙ軸方向正側に、戻り配線部１１０ｂが配置されている。
【０１５３】
図３８（ｃ）の配線パターン１２２では、ヒータ・熱センサ配線１１０は、２つのミアンダ配線部１１０ａ、１１０ｃを有している。２つのミアンダ配線部１１０ａ、１１０ｃがＹ方向に並んで配置される。
【０１５４】
一方のミアンダ配線部１１０ａは、一端が太幅配線１１３ａを介してトレンチ配線１１２ａに接続され、他端がミアンダ配線部１１０ｃに接続される。同様に他方のミアンダ配線部１１０ｃは、一端が太幅配線１１３ｂを介してトレンチ配線１１２ｂに接続され、他端がミアンダ配線部１１０ａに接続される。
【０１５５】
このように、ヒータ４０、熱センサ３０，５０を構成するヒータ・熱センサ配線１１０をミアンダ形状に配置することにより、効率よく配線を敷設することができる。そして、配線が延在配置される方向（長辺方向）をガスの流れる方向と平行になるようにすることで、配線によるガスの流れの乱れが低減するため、ガスの流れを乱すことが無くなり、加速度センサの感度を向上することができる。
【０１５６】
また、ヒータ・熱センサ配線と他の回路の間をつなぐ接続配線は、ヒータ・熱センサ配線よりも下層のメタル配線とし、ヒータ・熱センサ配線と下層の配線とはトレンチ配線を介して接続する。ヒータ・熱センサ配線以外の配線は、下層配線としガスに露出しないようにすることで、ガスの流れに対する影響を抑え、加速度センサの感度向上を図ることができる。
【０１５７】
さらに、ヒータ・熱センサ配線は、トレンチ配線との接続部分の幅を、他の部分の幅よりも太くする。これにより、トレンチ配線部分のＥＭ（Electro Migration）耐性を保つことができる。
【０１５８】
実施の形態２３
図３９を用いて、本実施形態に係るヒータ・熱センサ配線１１０の配線パターンの組み合わせについて説明する。図３９は、ヒータ４０及び熱センサ３０，５０の上面視の配線パターンであり、図３８で示した配線パターン１２０〜１２２を半導体装置１００に適用する場合の配線パターンの組み合わせの例を示している。
【０１５９】
図３９（ａ）は、ヒータ４０を、配線パターン１２２による配線とし、熱センサ３０を、配線パターン１２０による配線とし、熱センサ５０を、配線パターン１２１による配線とした例である。図３９（ｂ）は、ヒータ４０を、配線パターン１２２による配線とし、熱センサ３０を、配線パターン１２１による配線とし、熱センサ５０を、配線パターン１２０による配線とした例である。
【０１６０】
ヒータ４０は、熱センサ３０、５０に向かって、ほぼ等しく熱を伝える必要があるため、ガスの流れる方向に向かって左右対象な配線パターン１２２を採用することが好ましい。
【０１６１】
熱センサ３０、５０は、ヒータ４０から発生される熱を、同程度の感度で検出する必要があるため、ヒータ４０から見て対象となる配線パターンが好ましい。すなわち、図３９（ａ）では、熱センサ３０，５０は、ヒータ４０に近い側にミアンダ配線部１１０ａが配置され、ヒータ４０から遠い側に戻り配線部１１０ｂが配置されており、ヒータ４０から見て対象になっている。
【０１６２】
図３９（ｂ）では、熱センサ３０，５０は、ヒータ４０に近い側に戻り配線部１１０ｂが配置され、ヒータ４０から遠い側にミアンダ配線部１１０ａが配置されており、ヒータ４０から見て対象になっている。なお、左右対称の配線パターン１２２を、ヒータ４０、熱センサ３０，５０に採用しても同様の効果が得られる。
【０１６３】
特に、図３９（ａ）のように、熱センサ３０，５０のミアンダ配線部１１０ａを、ヒータ４０に近くに配置することで、ヒータ４０の熱をより近くで検出できるため、熱センサの感度を向上することができる。
【０１６４】
実施の形態２４
図４０を用いて、本実施形態に係るヒータ・熱センサ配線１１０の配線パターンの他の例について説明する。図４０は、ヒータ・熱センサ配線１１０の配線パターンの斜視図であり、図３８で示したミアンダ形状の配線パターンの折れ曲がり部分を示している。
【０１６５】
図４０（ａ）は、単一の配線層のみでヒータ・熱センサ配線１１０の折れ曲がり部分を形成する例である。この場合、折れ曲がり部分はガスの流れに対して垂直に配置されることになり、ガスの流れを妨げる可能性がある。
【０１６６】
図４０（ｂ）は、折れ曲がり部分に下層配線を使用する例である。この場合、折れ曲がり部分でトレンチ配線Ｔ１１０を介し、下層配線ＭＬ１１０に接続する。下層配線ＭＬ１１０により、ヒータ・熱センサ配線１１０が折り返すように、トレンチ配線Ｔ１１０間を接続する。これにより、ガスの流れを妨げる部分に壁配線が形成されないため、ガスの流速を速くすることができる。
【０１６７】
ただし、トレンチ配線部分はＥＭ耐性が劣り断線の可能性があるため、図４０（ａ）のように単一の配線層で折れ曲がり部を形成することが好ましい。すなわち、ヒータ・熱センサ配線１１０は、図３８のように細長く敷設することから、ＥＭ耐性を保つために、極力トレンチ配線（ビア）を設けないことが望ましい。なお、図４０（ｂ）のようにトレンチ配線を使用する場合には、断線を防ぐために、ヒータに流しうる最大の電流を図４０（ａ）よりも小さくすることが好ましい。
【０１６８】
実施の形態２５
本実施形態では、半導体装置１００にダミーメタルを配置する場合における、ダミーメタルの配線パターン（ダミーパターン）について説明する。
【０１６９】
Ｃｕ配線プロセスでは微細配線を形成するために、ダミーメタルをチップ全面に配置する必要がある。通常、一定領域に配線がレイアウトされない場合、ダミーメタルが所定のパターンで配置される。
【０１７０】
図４１は、図２８や図３１で示した半導体装置１００に、単純にダミーメタルを配置した参考例である。この参考例では、キャビティ２３ａ、２３ｂに配線が形成されないため、キャビティ２３ａ、２３ｂに複数のダミーメタルが配置される。図４１のように、通常は粒状（略正方形状）のダミーパターンが使用され、キャビティ２３ａ、２３ｂを埋めるように粒状のダミーメタル１３０ａ、１３０ｂが配置される。
【０１７１】
しかしながら、図４１のように粒状のダミーパターンを使用すると、ダミーメタルによりガスの流れが妨げられてガスの流れが乱れるため、加速度センサの感度が低下してしまう。
【０１７２】
そこで、本実施形態では、図４２に示すようなダミーパターンとした。図４２は、図２８や図３１と同様の半導体装置１００の上面断面図である。
【０１７３】
図４２に示すように本実施形態の半導体装置１００では、長方形状に長く延びるダミーパターンによりダミーメタルを形成する。半導体装置１００で配線の無いキャビティ２３ａ、２３ｂに、長方形のダミーメタル１３１ａ、１３１ｂを、ガスの流れるＹ方向に沿って延びるように配置する。ダミーメタル１３１ａ、１３１ｂは、長辺がＹ方向に延びる長方形である。キャビティ２３ａ、２３ｂには、複数のダミーメタル１３１ａ、１３１ｂが所定間隔で平行に配置されている。なお、個々のダミー配線をダミーメタルと呼ぶ場合もあるし、複数のダミー配線をダミーメタルと呼ぶ場合もある。
【０１７４】
図４３は、図４２に示した半導体装置１００の側面断面図であり、ダミーメタル１３１とヒータ・熱センサ配線１１０の深さ方向（Ｚ方向）の位置関係の例を示している。
【０１７５】
図４３（ａ）は、ヒータ・熱センサ配線１１０を最上層よりも下層の配線層に形成し、ダミーメタルを形成しない例である。すなわち、図３１の半導体装置１００と同様の構成である。例えば、ヒータ・熱センサ配線１１０をＡｌ配線とする場合には、ダミーメタルが必要ないため、図４３（ａ）のような構成となる。
【０１７６】
図４３（ｂ）は、ヒータ・熱センサ配線１１０を最上層配線に形成し、ダミーメタル１３１も同じ最上層配線に配置した例である。すなわち、図２８の半導体装置１００の構成において、キャビティ２３ａ、２３ｂに、ダミーメタル１３１ａ、１３１ｂを最上層に形成した例である。なお、この場合、配線構造層Ｌの中の配線層にもダミーメタルを配置する場合があるが、図では省略している。
【０１７７】
図４３（ｃ）は、ヒータ・熱センサ配線１１０を最上層よりも下層の配線層に形成し、同じ下層の配線層にのみダミーメタル１３１を形成した例である。すなわち、図３１の半導体装置１００の構成において、キャビティ２３ａ、２３ｂに、ヒータ・熱センサ配線１１０と同じ配線層でダミーメタル１３１ａ、１３１ｂを形成した例である。最上層配線にダミーメタルが必要ないプロセスの場合にはこのような配置となる。
【０１７８】
図４３（ｄ）は、ヒータ・熱センサ配線１１０を最上層よりも下層の配線に形成し、最上層配線層及び下層配線層にダミーメタル１３１を配置する場合の例である。すなわち、図３１の半導体装置１００の構成において、キャビティ２３ａ、２３ｂに、ヒータ・熱センサ配線１１０と同じ下層配線層（配線構造層Ｌ３の配線層）でダミーメタル１３１ａ、１３１ｂを形成し、さらに最上層配線でもダミーメタル１３１ａ、１３１ｂを形成する。最上層のダミーメタル１３１ａ、１３１ｂと下層のダミーメタル１３１ａ、１３１ｂとの間には、配線構造層Ｌ３の層間絶縁膜１３２ａ、１３２ｂが形成されている。各配線層のダミーメタルは同じ形状であり、ダミーメタル同士は層間絶縁膜を介して上下（Ｚ方向）に重なる位置に配置される。なお、この場合、ヒータ・熱センサ配線１１０の直上にはダミーメタルは配置しなくてもよい。
【０１７９】
このように、本実施形態では、長方形の細長いダミーメタルを使用し、ダミーメタルの長辺方向がガスの流れる向きと平行になるように配置した。これにより、ダミーパターンによるガスの流れの乱れが低減されるので、ガスの流速を上げることができ、加速度センサの感度を向上することができる。
【０１８０】
実施の形態２６
本実施形態では、半導体装置１００にダミーメタルを配置する場合の他の例について説明する。図４４は、本実施形態に係る半導体装置１００の上面断面図であり、図３３の半導体装置１００に対し、図２５と同様のダミーメタルを適用した例である。
【０１８１】
図４４に示すように、キャビティ２３ａ、２３ｂ及びガス流路２２を含む空洞部２４のうちで、ヒータ・熱センサ配線１１０が形成されない空き領域に、長方形の細長いダミーメタルを配置する。図４４では、Ｘ方向及びＹ方向に向かってダミーメタルを配置している。
【０１８２】
キャビティ２３ａには、ダミーメタル１３１ａが、ガスの流れるＹ方向に複数平行に配置される。ダミーメタル１３１ａは、キャビティ２３ａのＹ方向端部（長方形の長辺側）からガス流路２２の熱センサ３０近傍まで延在配置されている。空洞部２４の幅が、ガス流路２２では狭く、キャビティ２３ａでは広くなっているため、ダミーメタル１３１ａの本数はガス流路２２から離れるに従って増えている。このように、ダミーメタル１３１ａを配置することにより、キャビティ２３ａ内のガスが、キャビティ２３ａのＹ方向端部からガス流路２２側へ流れやすくなる。
【０１８３】
さらに、キャビティ２３ａの熱センサ３０側の角部に、ダミーメタル１３１ｃ、１３１ｄが、Ｘ方向に複数平行に配置される。ダミーメタル１３１ｃ、１３１ｄは、キャビティ２３ａのＸ方向端部（長方形の短辺側）から、キャビティ２３ａの中央部へ向かって、ダミーメタル１３１ａ近傍まで延在配置されている。このように、ダミーメタル１３１ｃ、１３１ｄを配置することにより、キャビティ２３ａ内のガスが、キャビティ２３ａのＸ方向端部からガス流路２２側へ流れやすくなる。
【０１８４】
なお、キャビティ２３ａの他の角部等、空いている領域にさらにダミーメタルを配置してもよい。
【０１８５】
キャビティ２３ａと同様に、キャビティ２３ｂには、Ｙ方向にダミーメタル１３１ｂが配置され、Ｘ方向にダミーメタル１３１ｅ、１３１ｆが配置される。これらのダミーメタルにより、キャビティ２３ｂ内のガスが、キャビティ２３ｂのＹ方向端部及びＸ方向端部から、ガス流路２２側へ流れやすくなる。
【０１８６】
実施の形態２７
本実施形態では、半導体装置１００にダミーメタルを配置する場合の他の例について説明する。図４５は、本実施形態に係る半導体装置１００の上面断面図であり、図３４の半導体装置１００に対し、図２５と同様のダミーメタルを適用した例である。
【０１８７】
図４５に示すように、ヒータ・熱センサ配線１１０が形成されないキャビティ２３ａ、２３ｂの空き領域に、長方形の細長いダミーメタルを配置する。図４５では、Ｘ軸及びＹ軸に対し斜め方向に向かってダミーメタルを配置している。
【０１８８】
図４５では、キャビティ２３ａ、２３ｂが、熱センサ３０，５０を配置する部分が最も狭く、熱センサ３０，５０から離れるに従って徐々に広くなっている。ダミーメタル１３１ａ、１３１ｂは、キャビティ２３ａ、２３ｂの形状に合わせて、ダミーメタルの間隔が、熱センサ３０，５０近傍では狭く、熱センサ３０，５０から離れるに従って広くなるように配置されている。すなわち、キャビティの内側の幅に合わせてダミーメタルのビッチを変化させている。
【０１８９】
このように、ダミーメタル１３１ａ、１３１ｂを、熱センサ３０，５０へ向かって斜め方向に配置することにより、キャビティ２３ａ、２３ｂ内のガスが、キャビティ２３ａ、２３ｂのＹ方向端部からガス流路２２側へより流れやすくなる。
【０１９０】
実施の形態２８
本実施形態では、半導体装置１００の熱検出回路に含まれる抵抗読み出し回路の構成について説明する。抵抗読み出し回路とは、熱センサの抵抗値を読み出すための回路である。例えば、図６で示した熱検出回路のうち、抵抗Ｒ２の抵抗値を読み出すための電流源ＣＳ１及び増幅器ＡＭＰが抵抗読み出し回路である。
【０１９１】
図４６は、本実施形態に係る抵抗読み出し回路の構成を示している。図４６に示すように、この抵抗読み出し回路４１０は、センサ抵抗ＲＳの抵抗値を読み出すための負荷抵抗ＲＬ及び比較器ＣＭＰを有している。図４６と図６の対応関係を説明すると、図４６の負荷抵抗ＲＬ、センサ抵抗ＲＳ、比較器ＣＭＰは、図６の電流源ＣＳ１、抵抗Ｒ２、増幅器ＡＭＰに相当する。
【０１９２】
負荷抵抗ＲＬ及びセンサ抵抗ＲＳは、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤ間に直列に接続されており、負荷抵抗ＲＬ及びセンサ抵抗ＲＳの接点Ｎ１が、比較器ＣＭＰの正端子（ＣＩＮ）に入力される。センサ抵抗ＲＳは、熱センサ３０もしくは熱センサ５０の配線による抵抗である。負荷抵抗ＲＬは、センサ抵抗ＲＳにバイアス電圧を印加するための抵抗である。比較器ＣＭＰは、接点Ｎ１から読み出す電圧ＶＮ１と参照電圧ＶＲＥＦとを比較し、その差分値を増幅して読み出し電圧ＣＯＵＴを出力する。
【０１９３】
図４６では、センサ抵抗ＲＳを温度係数の大きい抵抗とし、負荷抵抗ＲＬを温度係数の小さい抵抗とする。温度係数の大きいセンサ抵抗ＲＳは、熱センサ３０，５０として、ガスに触れる部分に配置される。温度係数の小さい負荷抵抗ＲＬは、ガスに触れない部分ならばどこに配置しても良い。シリコンチップ上で一般的に用いられる抵抗体の中で、ＣｕやＡｌなどの金属配線は比較的温度係数が大きいので、温度係数の大きいセンサ抵抗ＲＳとして使用し、温度係数が金属の１／１０程度であるポリシリコンを温度係数の小さい負荷抵抗ＲＬとして使用する。
【０１９４】
図４６で、センサ抵抗ＲＳと負荷抵抗ＲＬは、直列に接続されているため、ガスに触れているセンサ抵抗ＲＳから負荷抵抗ＲＬに熱が伝わる。
【０１９５】
ここで、温度変化による図４６の接点Ｎ１での電圧ＶＮ１を以下に計算する。まず、センサ抵抗ＲＳと負荷抵抗ＲＬの抵抗値は、それぞれ以下の数１、数２で与えられるものとする
【数１】
2012189571.tif 000003
【数２】
2012189571.tif 000004
数１、数２において、ＲＳ０とＲＬ０は、センサ抵抗ＲＳと負荷抵抗ＲＬの基準となる温度での抵抗値であり、ＫＳとＫＬは、センサ抵抗ＲＳと負荷抵抗ＲＬの温度係数である。ΔＴは基準となる温度からの差分の温度である。
【０１９６】
数１、数２を用いて、基準となる温度からΔＴだけの温度変化があったとき、図４６の接点Ｎ１の電圧ＶＮ１を求めると以下の数３のようになる。
【数３】
2012189571.tif 000005
数３より、もしも、ＫＳ＝ＫＬならば電圧ＶＮ１は温度によらず一定となる。つまり、ＫＳ＝ＫＬの場合、この抵抗読み出し回路は出力が一定となるため、温度を検知することができない。本実施形態では、ＫＳ＞＞ＫＬとしたため、センサ抵抗ＲＳにより熱に応じて電圧ＶＮ１を出力でき、負荷抵抗ＲＬによる感度の低下を防ぐことができる。
【０１９７】
このように、本実施形態では、温度係数の大きい抵抗素子と温度係数の小さい抵抗素子を直列に接続し、温度係数の大きい抵抗素子でガスの温度を検出するようにした。温度係数の大きい抵抗素子から、温度係数の小さい抵抗素子に熱が伝わるが、温度係数の小さい抵抗素子は抵抗値変化が小さいため、ガスの温度検出に与える影響を抑えることができ、確実に温度を検出することができる。
【０１９８】
実施の形態２９
本実施形態では、半導体装置１００の抵抗読み出し回路の他の構成例について説明する。図４７は、本実施形態に係る抵抗読み出し回路の構成を示している。図４７の抵抗読み出し回路４１０では、図４６の読み出し回路に対し、抵抗ＲＩ１が追加されており、その他の構成は、図４６と同様である。
【０１９９】
図４７では、センサ抵抗ＲＳ及び負荷抵抗ＲＬの接点Ｎ１（電圧出力端子）と、比較器ＣＭＰの正端子（ＣＩＮ）との間に、抵抗ＲＩ１を接続する。抵抗ＲＩ１は、センサ抵抗ＲＳよりも熱伝導率の低い抵抗である。例えば、熱伝導率の低い抵抗体として、ポリシリコンやＴｉＮ、ＴａＮを使用する。
【０２００】
ここで、本実施形態の動作原理の理解を助けるため、比較器ＣＭＰをＭＩＳＦＥＴで構成する場合の半導体チップ断面を図４８に示す。図４８のように比較器ＣＭＰを構成するＭＩＳＦＥＴは、半導体基板ＳＵＢの上面内部にソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄが形成され、ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄに挟まれた領域の半導体基板ＳＵＢ上にゲート端子（ゲート構造）Ｇが形成される。ここで、比較器ＣＭＰの正端子ＣＩＮは、ゲート端子Ｇとなる。
【０２０１】
ゲート端子Ｇは直接はシリコン基板に接しないが、ゲート端子Ｇとシリコン基板の間の絶縁膜は配線の層間絶縁膜の１／１００以下の厚さであるため、熱を伝えやすい。さらに、シリコンは熱伝導率が高いため、シリコン基板は熱を逃がしやすい。したがって、図４６のようにセンサ抵抗ＲＳと比較器ＣＭＰの正端子ＣＩＮを直接接続すると、センサ抵抗ＲＳの熱が、図４８の熱経路の方向へ向かって、比較器ＣＭＰの正端子ＣＩから半導体基板ＳＵＢへ逃げてしまう。このため、熱センサ３０，５０により温度を精度よく検出することができない。
【０２０２】
そこで、本実施形態では、接点Ｎ１と比較器ＣＭＰ（ＭＩＳＦＥＴ）の入力端子の間を、図４７のように熱伝導率の低い抵抗ＲＩ１を挟むようにした。これにより、センサ抵抗ＲＳの熱が比較器ＣＭＰ側へ逃げることを防ぐことができるため、熱センサの感度を向上させることができる。
【０２０３】
実施の形態３０
本実施形態では、半導体装置１００の抵抗読み出し回路の他の構成例について説明する。図４９は、本実施形態に係る抵抗読み出し回路の構成を示している。図４９の抵抗読み出し回路４１０では、図４７の抵抗読み出し回路に対し、抵抗ＲＩ２が追加されており、その他の構成は、図４７と同様である。
【０２０４】
図４９では、センサ抵抗ＲＳ及び負荷抵抗ＲＬの接点Ｎ１（電圧出力端子）と、比較器ＣＭＰの正端子（ＣＩＮ）との間に、熱伝導率の低い抵抗ＲＩ１を接続する。
【０２０５】
本実施形態では、さらに、センサ抵抗ＲＳと接地電位ＧＮＤとの間に、抵抗ＲＩ２を接続する。抵抗ＲＩ２は、抵抗ＲＩ１と同様に、センサ抵抗ＲＳよりも熱伝導率の低い抵抗である。例えば、熱伝導率の低い抵抗体として、ポリシリコンやＴｉＮ、ＴａＮを使用する。
【０２０６】
接地電位ＧＮＤに接続される配線は、通常、ウェルコンタクト（Well Contacts）を介してシリコン基板に接続されている。したがって、図４７のように、センサ抵抗ＲＳと接地電位ＧＮＤとを直接接続すると、センサ抵抗ＲＳの熱が接地電池ＧＮＤへ逃げてしまう。このため、熱センサ３０，５０により温度を精度よく検出することができない。
【０２０７】
そこで、本実施形態では、センサ抵抗ＲＳと接地電位ＧＮＤとの間に熱伝導率の低い抵抗ＲＩ２を接続するようにした。これにより、センサ抵抗ＲＳから接地電位ＧＮＤへの経路の熱伝導率が低くなり、センサ抵抗ＲＳの熱が接地電位ＧＮＤ側へ逃げることを防ぐことができるため、熱センサの感度を向上させることができる。
【０２０８】
実施の形態３１
本実施形態では、半導体装置１００における、ヒータ・熱センサ配線から抵抗読み出し回路(比較器)までの配線例について説明する。
【０２０９】
図５０（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置１００の上面断面図及び側面断面図である。図５０は、図３１の半導体装置１００に、ヒータ・熱センサ配線から比較器ＣＭＰまでの配線が追加されており、その他の構成は、図３１と同様である。
【０２１０】
図５０は、図３１と同様に、ヒータ・熱センサ配線１１０を最上層より下層に形成した例である。なお、図２８のように、ヒータ・熱センサ配線１１０を最上層に形成していてもよい。
【０２１１】
図５０では、配線構造層Ｌは、図２と同様に、複数の層の配線構造層を含み、各配線構造層は、配線層及び層間絶縁膜を含んでいる。ここでは、配線構造層Ｌは、配線構造層Ｌ１〜Ｌ４を含んでいるものとして説明する。
【０２１２】
半導体装置１００では、最上層に最上層配線構造２０が形成され、その下層の配線構造層Ｌ４の配線層にヒータ・熱センサ配線１１０が形成されている。ヒータ・熱センサ配線１１０より下層の配線構造層Ｌ３の配線層に、配線ＭＬ２１０（ＭＬ２１０ａ、ＭＬ２１０ｂ）が形成されている。配線ＭＬ２１０より下層の配線構造層Ｌ２の配線層に、配線ＭＬ２００、配線ＭＬ２２０（ＭＬ２２０ａ、ＭＬ２２０ｂ）が形成されている。配線ＭＬ２００、配線ＭＬ２２０より下層の配線構造層Ｌ１及び半導体基板ＳＵＢに、抵抗読み出し回路である比較器ＣＭＰを構成するトランジスタＭ２３０（Ｍ２３０ａ，Ｍ２３０ｂ）が形成されている。
【０２１３】
なお、ヒータ４０の下方の配線ＭＬ２００は、図２５と同様に、ヒータ４０からシリコン基板への熱伝導を遮断するための配線である。
【０２１４】
熱センサ３０、５０は、図３８に示したような配線構造となっており、熱センサ３０、５０の配線端部が、トレンチ配線（ビア）Ｔ２１０ａ、Ｔ２１０ｂを介して下層の配線ＭＬ２１０ａ、ＭＬ２１０ｂの一端に接続されている。ＭＬ２１０ａ、ＭＬ２１０ｂの他端は、トレンチ配線Ｔ２２０ａ、Ｔ２２０ｂを介して、さらに下層の配線ＭＬ２２０ａ、ＭＬ２２０ｂの一端に接続されている。ＭＬ２２０ａ、ＭＬ２２０ｂの他端は、トレンチ配線（コンタクト）Ｔ２３０ａ、Ｔ２３０ｂを介してトランジスタＭ２３０ａ、ＭＬ２３０ｂのゲート端子Ｇに接続されている。
【０２１５】
抵抗読み出し回路（Ｍ２３０ａ，Ｍ２３０ｂ）は、ヒータ４０による熱の影響を避けるため、ヒータ４０から離れた位置に配置される。そのため、配線ＭＬ２１０ａ、ＭＬ２１０ｂは、側面視でヒータ４０から離れる方向に向かって形成されるとともに、上面視でヒータ４０と反対側に折れ曲がって形成され、熱センサ３０，５０と読み出し回路とを接続している。
【０２１６】
このように、熱センサと抵抗読み出し回路とを、熱センサよりも下層の配線を介して接続することにより、配線が空洞部に露出しないため、加速度センサの感度に影響を与えることなく、自由に配線を敷設することができる。
【０２１７】
実施の形態３２
本実施形態では、半導体装置１００における、ヒータ・熱センサ配線から抵抗読み出し回路(比較器)までの他の配線例について説明する。
【０２１８】
図５１（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る半導体装置１００の上面断面図及び側面断面図である。図５１では、図５０の構成に対し、さらに、抵抗Ｒ２３１を追加した例である。抵抗Ｒ２３１は、図４７の抵抗ＲＩ１に相当し、熱センサと比較器ＣＭＰとの間に接続される、熱伝導率の低い抵抗である。抵抗Ｒ２３１には、熱伝導率の小さい抵抗としてポリシリコンを用いるため、上層の配線層からトレンチ配線（コンタクト）を経由して下層のポリシリコン層まで下がって接続され、さらに、下層のポリシリコン層から上層の配線層に引き上げて接続される。
【０２１９】
半導体装置１００では、最上層に最上層配線構造２０が形成され、その下層の配線構造層Ｌ４の配線層にヒータ・熱センサ配線１１０が形成されている。ヒータ・熱センサ配線１１０より下層の配線構造層Ｌ３の配線層に、配線ＭＬ２１０（ＭＬ２１０ａ、ＭＬ２１０ｂ）、ＭＬ２１１（ＭＬ２１１ａ、ＭＬ２１１ｂ）が形成されている。配線ＭＬ２１０より下層の配線構造層Ｌ２の配線層に、配線ＭＬ２００、配線ＭＬ２２０（ＭＬ２２０ａ、ＭＬ２２０ｂ）、配線ＭＬ２２１（ＭＬ２２１ａ、ＭＬ２２１ｂ）、配線ＭＬ２２２（ＭＬ２２２ａ、ＭＬ２２２ｂ）が形成されている。配線ＭＬ２００、配線ＭＬ２２０より下層の配線構造層Ｌ１及び半導体基板ＳＵＢに、抵抗読み出し回路である比較器ＣＭＰを構成するトランジスタＭ２３０（Ｍ２３０ａ，Ｍ２３０ｂ）が形成されている。
【０２２０】
熱センサ３０、５０は、その配線端部が、トレンチ配線Ｔ２１０ａ、Ｔ２１０ｂを介して下層の配線ＭＬ２１０ａ、ＭＬ２１０ｂの一端に接続されている。ＭＬ２１０ａの他端は、トレンチ配線Ｔ２２１ａ、下層の配線ＭＬ２２１ａ、トレンチ配線Ｔ２３１ａを介して、最下層の抵抗Ｒ２３１ａの一端に接続されている。抵抗Ｒ２３１ａの他端は、トレンチ配線Ｔ２３２ａ、上層の配線ＭＬ２２２ａ、トレンチ配線Ｔ２３２ａを介して上層の配線ＭＬ２１１ａの一端に接続されている。同様に、ＭＬ２１０ｂの他端は、トレンチ配線Ｔ２２１ｂ、下層の配線ＭＬ２２１ｂ、トレンチ配線Ｔ２３１ｂを介して、最下層の抵抗Ｒ２３１ｂの一端に接続されている。抵抗Ｒ２３１ｂの他端は、トレンチ配線Ｔ２３２ｂ、上層の配線ＭＬ２２２ｂ、トレンチ配線Ｔ２３２ｂを介して上層の配線ＭＬ２１１ｂの一端に接続されている。ＭＬ２１１ａ、ＭＬ２１１ｂの他端は、トレンチ配線Ｔ２２０ａ、Ｔ２２０ｂを介して、下層の配線ＭＬ２２０ａ、ＭＬ２２０ｂの一端に接続されている。配線ＭＬ２２０ａ、ＭＬ２２０ｂの他端は、トレンチ配線Ｔ２３０ａ、Ｔ２３０ｂを介してトランジスタＭ２３０ａ、Ｍ２３０ｂのゲート端子Ｇに接続されている。
【０２２１】
このように、熱センサ３０，５０と抵抗読み出し回路との間に、ポリシリコンによる熱伝導率の低い抵抗を接続することにより、熱センサ３０，５０の熱が逃げることを防ぎ、熱センサの感度を向上することができる。
【０２２２】
実施の形態３３
本実施形態では、半導体装置１００の熱検出回路の構成について説明する。半導体装置１００では、例えば、図６等で示したような熱検出回路を用いることで、熱センサによる温度を検出することができる。
【０２２３】
しかし、熱センサの出力電圧には、半導体装置の素子のばらつきや周囲の環境等によりオフセットが生じる。特に、周囲の温度変化などの環境の変化により、出力電圧に生じるオフセットが時間と共に大きく変化するため、加速度を安定的に検出することが困難である。
【０２２４】
そこで、本実施形態では、熱センサのオフセットを動的に補正可能とするため、図５２に示すような回路構成とする。
【０２２５】
図５２は、本実施形態に係るヒータ駆動回路及び熱検出回路の回路構成例を示している。ヒータ駆動回路３００は、図５のヒータ駆動回路に相当し、熱検出回路４００は、図６の熱検出回路に相当する。
【０２２６】
ヒータ駆動回路３００は、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤ間に直列接続された抵抗Ｒ１及びスイッチ回路ＳＷ１を有する。スイッチ回路ＳＷ１のオン／オフは、コントローラ６０によって制御される。抵抗Ｒ１はヒータ４０に相当し、スイッチ回路ＳＷ１は図５のトランジスタＭ１に相当する。スイッチ回路ＳＷ１がオンのとき、抵抗Ｒ１に電流が流れてヒータ４０が発熱し、スイッチ回路ＳＷ１がオフのときヒータ４０は発熱しない。
【０２２７】
熱検出回路４００は、熱センサ３０もしくは５０に相当する抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ２の抵抗値を読み出す抵抗読み出し回路４１０、抵抗読み出し回路４１０の出力に対しオフセット補正を行うオフセット補正回路４２０を備えている。
【０２２８】
抵抗読み出し回路４１０は、電流源ＣＳ１、抵抗Ｒ２、比較器ＣＭＰ１を備えている。オフセット補正回路４２０は、スイッチ回路ＳＷ２、記憶素子ＭＥＭ１、比較器ＣＭＰ２を備えている。
【０２２９】
電流源ＣＳ１及び抵抗Ｒ２は、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤ間に直列に接続されており、電流源ＣＳ１及び抵抗Ｒ２の接点Ｎ１が、比較器ＣＭＰ１の正端子（ＣＩＮ）に入力される。比較器ＣＭＰ１は、接点Ｎ１から読み出す電圧ＶＮ１と参照電圧ＶＲＥＦとを比較し、その差分値を増幅して読み出し電圧ＣＯＵＴを出力する。
【０２３０】
スイッチ回路ＳＷ２は、比較器ＣＭＰ１の出力端子と、比較器ＣＭＰ２の正端子もしくは記憶素子ＭＥＭ１とを接続する。スイッチ回路ＳＷ２のオン／オフは、コントローラ６０によって制御される。スイッチ回路ＳＷ２がオンのとき、比較器ＣＭＰ１の出力端子と、比較器ＣＭＰ２の正端子とが接続され、スイッチ回路ＳＷ２がオフのとき、比較器ＣＭＰ１の出力端子と記憶素子ＭＥＭ１とが接続される。
【０２３１】
記憶素子ＭＥＭ１は、比較器ＣＭＰ１と接続された場合に、比較器ＣＭＰ１の出力電圧（読み出し電圧）ＣＯＵＴをオフセット電圧ＶＯＦＦＳＥＴとして記憶する。比較器ＣＭＰ２は、比較器ＣＭＰ１と接続された場合に、比較器ＣＭＰ１の出力電圧ＣＯＵＴと、記憶素子ＭＥＭ１が記憶しているオフセット電圧ＶＯＦＦＳＥＴとを比較し、その差分値を出力電圧ＶＯＵＴとして出力する。
【０２３２】
コントローラ６０によって、ヒータ駆動回路３００のスイッチ回路ＳＷ１のオン／オフと、熱検出回路４００のスイッチ回路ＳＷ２のオン／オフとが同期して切り替えられる。すなわち、ヒータ４０のオン／オフのタイミングと、熱センサによる熱検出の出力もしくはオフセット記憶のタイミングを同期させる。
【０２３３】
スイッチ回路ＳＷ１及びＳＷ２をオフすることにより、ヒータがオフの時、抵抗（センサ抵抗）Ｒ２による出力電圧ＣＯＵＴが、オフセット値ＶＯＦＦＳＥＴとして記憶素子ＭＥＭ１に記憶される。スイッチ回路ＳＷ１及びＳＷ２をオンすることにより、ヒータがオンの時、抵抗Ｒ２による電圧ＣＯＵＴからオフセット値ＶＯＦＦＳＥＴを差し引いた電圧を、出力電圧ＶＯＵＴとして出力する。
【０２３４】
図５３は、ヒータ４０がオンの時とオフの時のヒータ４０、熱センサ３０、熱センサ５０近傍の温度分布を示している。
【０２３５】
ヒータ４０がオンの場合、図５３（ａ）に示すように、半導体装置１００の静止時と移動時とで温度分布が異なる。すなわち、半導体装置１００が静止していると、温度分布は、ヒータ４０を中心として熱センサ３０側と熱センサ５０側とで左右対称である。一方、半導体装置１００が移動すると、ガスの流れが発生するため、温度分布は、ヒータ４０を中心として熱センサ３０側と熱センサ５０側とで左右非対称となる。このため、熱センサ３０と熱センサ５０付近の温度差によって、加速度が検出できる。
【０２３６】
これに対して、ヒータ４０がオフの場合、図５３（ｂ）に示すように、半導体装置１００の静止時と移動時とで温度分布は同じである。すなわち、ヒータ４０が発熱せずガスの温度が一定のため、半導体装置１００が静止していても動作していても、温度分布は変化しない。このため、熱センサ３０と熱センサ５０付近の温度差が発生しないため、加速度は検出されない。したがって、ヒータがオフのときの熱センサの温度差は、加速度を含まないオフセット値となる。つまり、オフセット値は、ヒータ４０による発熱の影響を受けない状態の熱センサの出力である。
【０２３７】
本実施形態では、ヒータ４０をオフにした時に、このオフセット値を、図５２の記憶素子ＭＥＭ１に記憶させ、ヒータ４０をオンにした時に、比較器ＣＭＰ２でオフセット値を差し引くことにより、オフセット補正を行う。これにより、精度よく安定して加速度を検出することができる。
【０２３８】
また、ヒータを間欠的に動作させ、熱センサのオフセットの記憶と、熱センサの検出値のオフセット補正とを繰り返すことで、特性変動をリアルタイムに補正することができる。
【０２３９】
実施の形態３４
本実施形態では、図５２で示した熱検出回路を用いた半導体装置１００の実際の測定結果について説明する。
【０２４０】
図５４は、加速度センサである半導体装置１００による加速度の検出動作を測定するための測定システムの構成を示している。ここでは、本発明の半導体装置１００の出力を、他の加速度センサの出力と比較することで、検出動作を確認する。このため、比較対象としてリファレンスとなる加速度センサ５０１の出力も同時に測定する。加速度センサ５０１は、検出する加速度に応じた信号を出力する一般的な加速度センサである。
【０２４１】
図５４に示すように、本発明の半導体装置１００と加速度センサ５０１を同じ評価ボード５０２上に実装し、この評価ボード５０２に水平方向の振動を加える。
【０２４２】
評価ボード５０２上では、熱センサの抵抗値を読み出す抵抗読み出し回路４１０が半導体装置１００に接続される。上述のように、抵抗読み出し回路４１０は、半導体装置１００の内部に形成することもできるし、図５４のように半導体装置１００の外部に設けることもできる。
【０２４３】
図５５は、図５４の読み出し回路４１０の回路構成を示している。センサ抵抗Ｒｓ１及びＲｓ２は、半導体装置１００の熱センサ３０，５０に相当する抵抗である。センサ抵抗Ｒｓ１及びＲｓ２の両端の計４端子を、読み出し回路４１０に接続する。
【０２４４】
読み出し回路４１０は、抵抗Ｒｒ１〜Ｒｒ４、オペアンプ４１１、帰還抵抗Ｒｆを備えている。抵抗Ｒｒ１〜Ｒｒ４は、抵抗Ｒｒ４、Ｒｒ３、Ｒｒ２、Ｒｒ１の順に、電源電位ＶＤＤと接地電位ＧＮＤ間に直列接続されている。
【０２４５】
抵抗Ｒｒ４と抵抗Ｒｒ３の間の接点が、抵抗Ｒｓ１の一端に接続され、この接点電圧Ｖ１が抵抗Ｒｓ１に与えられる。抵抗Ｒｒ２と抵抗Ｒｒ１の間の接点が、抵抗Ｒｓ２の一端に接続され、この接点電圧Ｖ２が抵抗Ｒｓ２に与えられる。
【０２４６】
抵抗Ｒｒ３と抵抗Ｒｒ２の間の接点（電圧Ｖｍ）が、オペアンプ４１１の正端子に接続され、この接点電圧Ｖｍがオペアンプ４１１に与えられる。抵抗Ｒｓ１の他端と抵抗Ｒｓ２の他端とが共通接続され、この接点がオペアンプ４１１の負端子に接続され、この接点電圧Ｖｓがオペアンプ４１１に与えられる。さらに、オペアンプ４１１の出力端子が、帰還抵抗Ｒｆを介して負端子にフィードバック接続される。
【０２４７】
読み出し回路４１０は、抵抗Ｒｓ１と抵抗Ｒｓ２の抵抗値の変化によって発生した電圧Ｖｓを、オペアンプ４１１が増幅し、検出電圧（読み出し電圧）Ｖｓｅｎｓとして出力する。ここでは、各抵抗の抵抗値を、抵抗Ｒｒ１＝Ｒｒ４＝１ｋΩ、Ｒｒ２＝Ｒｒ３＝１００Ω、Ｒｆ＝１０ｋΩとし、ＶＤＤ＝５Ｖを供給して読み出し回路４１０を動作させ、測定を行った。
【０２４８】
さらに、図５４に示すように、半導体装置１００のヒータ４０にはパルスジェネレータ５０７を接続する。パルスジェネレータ５０７には、Ａｇｉｌｅｎｔ社の３３２５０Ａを用いた。パルスジェネレータ５０７から出力されるパルス信号により、間欠的にヒータ４０のオンオフを繰り返す。ヒータ４０のオンオフの周波数は４Ｈｚとした。また、パルスジェネレータ５０７の発生するパルス信号は、パルス測定用のデジタルマルチメータ５０３で測定する。
【０２４９】
そして、半導体装置１００に接続される読み出し回路４１０の出力電圧をＴＥＧ（Test Element Group）測定用のデジタルマルチメータ５０４で測定し、同時に加速度センサ５０１の出力電圧をリファレンス測定用のデジタルマルチメータ５０５で測定する。デジタルマルチメータ５０３〜５０５には、Ａｇｉｌｅｎｔ社の３４４１０Ａを用いた。デジタルマルチメータ５０３〜５０５の測定結果は、ＧＰＩＢ（General Purpose Interface Bus）を介して、制御用パソコン５０６に出力する。
【０２５０】
制御用パソコン５０６は、デジタルマルチメータ５０３で測定されたヒータのオンオフのパルスと、デジタルマルチメータ５０４で測定された読み出し回路４１０の電圧により、検出された加速度を求める。ヒータがオフの期間に、読み出し回路４１０の出力電圧の測定値の平均値を計算して、求めた平均値をオフセット値として記憶する。ヒータがオンの期間に、読み出し回路４１０の出力電圧の測定値から、記憶してあるオフセット値を差し引いてオフセット補正し、オフセット補正後の電圧を検出した加速度とする。
【０２５１】
すなわち、この測定例では、制御用パソコン５０６がオフセット補正を行っており、図５２で示したオフセット補正回路４２０は、制御用パソコン５０６に相当する。
【０２５２】
なお、加速度センサ５０１の出力信号は、デジタルマルチメータ５０５で測定され、制御用パソコン５０６が、この測定結果を演算処理し、検出された加速度を求める。
【０２５３】
図５６は、図５４の測定システムの測定結果を示している。図５６では、横軸は時間となっており、時間的に変化する加速度に対する半導体装置１００及び加速度センサ５０１の応答を示している。横軸に対し、図面左側の縦軸は読み出し回路４１０が出力する出力電圧の目盛りであり、図面右側の縦軸は加速度センサ５０１が検出する加速度の目盛りである。
【０２５４】
点線の折れ線（ａ）は、リファレンスとなる加速度センサ５０１により検出された加速度であり、これが評価ボード５０２に加えられた加速度である。一点鎖線の折れ線（ｂ）は、読み出し回路４１０から出力されたオフセット補正前の本発明の出力電圧である。図５５のＶＳＥＮＳ（図５２のＣＯＵＴ）に相当する。実線の折れ線（ｃ）は、折れ線（ｂ）の出力電圧に対しオフセット補正したオフセット補正後の本発明の出力電圧である。図５２のＶＯＵＴに相当する。
【０２５５】
リファレンスである折れ線（ａ）と、本発明の折れ線（ｂ）とを比較すると、折れ線（ｂ）に示されるように、オフセット補正前は、オフセット量の時間変化によって出力電圧のドリフトが起こり、加速度センサ５０１の検出する加速度との差が大きい。これに対し、本発明の折れ線（ｃ）に示されるように、オフセット補正後は、オフセット補正によってドリフトが解消し、加速度センサ５０１の検出する加速度に近い出力波形が得られていることが分かる。したがって、図５２のようなオフセット補正回路によりリアルタイムに補正を行うことで、図５６に示すように、通常の加速度センサと同様に、加速度検出動作を行うことができた。
【０２５６】
実施の形態３５
本実施形態では、半導体装置１００のオフセット補正回路をアナログ回路により構成した例について説明する。
【０２５７】
図５７は、本実施形態に係る半導体装置１００における熱検出回路の回路構成例を示している。図５７は、図５２で示した記憶素子ＭＥＭ１の具体的な回路構成を示しており、その他の構成は図５２と同様である。
【０２５８】
図５７では記憶素子ＭＥＭ１として、容量Ｃｒｅｆ及び入力抵抗Ｒｒｅｆを用いる。入力抵抗Ｒｒｅｆの一端が、スイッチ回路ＳＷ２を介して比較器ＣＭＰ１の出力端子に接続され、入力抵抗Ｒｒｅｆの他端が、容量Ｃｒｅｆの一端及び比較器ＣＭＰ２の負端子に接続される。容量Ｃｒｅｆの他端が接地電位ＧＮＤに接続される。
【０２５９】
容量Ｃｒｅｆと入力抵抗Ｒｒｅｆは、ローバスフィルタを構成する。したがって、出力電圧ＣＯＵＴのオフセット値のうち、高周波成分を除去し低周波成分のみを取り出して、容量Ｃｒｅｆに記憶する。
【０２６０】
このように、本実施形態では、図５２と同様の構成により、リアルタイムなオフセット補正が可能である。さらに、記憶素子ＭＥＭ１を、容量Ｃｒｅｆと入力抵抗Ｒｒｅｆで構成することにより、簡易に回路を構成できるとともに、ローパスフィルタとして出力電圧ＣＯＵＴに含まれる高周波ノイズの影響を防ぐことができる。
【０２６１】
実施の形態３６
本実施形態では、半導体装置１００のオフセット補正回路をデジタル回路により構成した例について説明する。
【０２６２】
図５８は、本実施形態に係る半導体装置１００における熱検出回路の回路構成例を示している。図５８は、図５２で示したオフセット補正回路４２０をデジタル回路で構成しており、その他の構成は図５２と同様である。
【０２６３】
図５８では、オフセット補正回路４２０は、ＡＤ変換器ＡＤＣ１、記憶素子ＭＥＭ１、デジタルフィルタＤＦ１、減算器ＳＵ１を有している。
【０２６４】
ＡＤ変換器ＡＤＣ１は、比較器ＣＭＰ１の出力信号をデジタル信号に変換し、減算器ＳＵ１もしくは記憶素子ＭＥＭ１へ出力する。
【０２６５】
ヒータがオフの時、このデジタル信号を記憶素子ＭＥＭに記憶させる。デジタルフィルタＤＦ１は、記憶素子ＭＥＭが記憶したデジタル信号のうち、高周波成分を除去し低周波成分だけをオフセット値として減算器ＳＵ１へ出力する。ヒータがオンの時、減算器ＳＵ１は、ＡＤ変換器ＡＤＣ１の出力するデジタル信号から、記憶素子ＭＥＭ１で記憶したオフセット値を減算し、減算結果をデジタル信号の出力ＤＯＵＴとして出力する。
【０２６６】
このように、本実施形態では、図５２と同様の構成により、リアルタイムなオフセット補正が可能である。さらに、オフセット補正回路をデジタル回路により構成することで、デジタル信号処理により実現できるため、マイクロコンピュータ等を用いて構成することができる。マイクロコンピュータ等ではソフトウェアによる演算処理を行うため、アナログ回路を形成することなく、実現が可能である。
【０２６７】
実施の形態３７
本実施形態では、半導体装置１００の抵抗読み出し回路で用いられる比較器の構成例について説明する。図４６，４７，４９，５２，５５等で示したように半導体装置１００の抵抗読み出し回路４１０は比較器ＣＭＰ（もしくはＣＭＰ１）を有している。この比較器ＣＭＰには、例えば通常のオペアンプを使用することができる。
【０２６８】
本実施形態では、比較器ＣＭＰとして、オペアンプの代わりにチョッパ式アンプを使用する。図５９は、本実施形態の比較器ＣＭＰの構成を示している。図５９に示すように、比較器ＣＭＰは、チョッパ式アンプにより構成されており、２つの切り替えスイッチ６０１，６０３、差動アンプ６０２、低域通過フィルタ６０４を有している。切り替えスイッチ６０１、差動アンプ６０２、切り替えスイッチ６０３、低域通過フィルタ６０４の順に直列に接続されている。切り替えスイッチ６０１，６０３は、２入力２出力のスイッチ回路である。切り替えスイッチ６０１と切り替えスイッチ６０３は同一のクロック信号（切替信号）で同時に切り替えが行われる。
【０２６９】
切り替えスイッチ６０１は、参照電圧ＶＲＥＦとＣＩＮ（比較器ＣＭＰの入力）のそれぞれを、差動アンプの負入力ＡＩＮＢと正入力ＡＩＮＴとのいずれかに接続する。差動アンプ６０２は、切り替えスイッチ６０１から負入力ＡＩＮＢ、正入力ＡＩＮＴに入力される信号を差動増幅し、増幅された信号を負出力ＡＯＵＢ、正出力ＡＯＵＴに出力する。切り替えスイッチ６０３は、差動アンプ６０２の負出力ＡＯＵＢと正出力ＡＯＵＴのそれぞれを、低域通過フィルタ６０４の負入力ＦＩＮＢと正入力ＦＩＮＴとのいずれかに接続する。低域通過フィルタ６０４は、切り替えスイッチ６０３から負入力ＦＩＮＢ、正入力ＦＩＮＴに入力される信号から高周波成分を除去し、低周波成分の信号をＣＯＵＴ（比較器ＣＭＰの出力）に出力する。
【０２７０】
図６０は、図５９で示したチョッパ式アンプで構成された比較器ＣＭＰの動作を示している。チョッパ式アンプは切り替えスイッチ６０１，６０３の状態により、正相と逆相の２つの状態を有している。切り替えスイッチ６０１，６０３に供給されるクロック信号により、正相と逆相とを交互に繰り返す。
【０２７１】
図６０（ａ）は正相の場合の信号の流れを示している。正相の場合、切り替えスイッチ６０１は、ＶＲＥＦとＡＩＮＢとを接続し、ＣＩＮとＡＩＮＴとを接続する。そして、切り替えスイッチ６０３は、ＡＯＵＢとＦＩＮＢとを接続し、ＡＯＵＴとＦＩＮＴとを接続する。したがって、正相の場合、ＣＩＮから入力された信号は、実線矢印６１０に示すように、ＣＩＮ−ＡＩＮＴ−ＡＯＵＴ−ＦＩＮＴ−ＣＯＵＴと伝わる。
【０２７２】
また、図６０（ｂ）は逆相の場合の信号の流れを示している。逆相の場合、切り替えスイッチ６０１は、ＶＲＥＦとＡＩＮＴとを接続し、ＣＩＮとＡＩＮＢとを接続する。そして、切り替えスイッチ６０３は、ＡＯＵＢとＦＩＮＴとを接続し、ＡＯＵＴとＦＩＮＢとを接続する。したがって、逆相の場合、ＣＩＮから入力された信号は、点線矢印６１１に示すように、ＣＩＮ−ＡＩＮＢ−ＡＯＵＢ−ＦＩＮＴ−ＣＯＵＴと伝わる。つまり、正相と逆相ではＣＩＮから入力された信号が、差動アンプ６０２の正入力ＡＩＮＴと負入力ＡＩＮＢとのいずれを通るのかが異なる。
【０２７３】
ここで、差動アンプ６０２が素子ばらつきなどの影響で入力にオフセット電圧ΔＶを持ち、差動アンプ６０２のゲインをＧＡＭＰとする。そうすると、ＣＩＮに信号が全く入力されていない、つまり、ＣＩＮ＝ＶＲＥＦとしたとき、チョッパ式アンプが正相の期間では、差動アンプ６０２の出力にはΔＶ×ＧＡＭＰの電圧が出力され、チョッパ式アンプが逆相の期間では、差動アンプ６０２の出力には−ΔＶ×ＧＡＭＰの電圧がオフセットとして出力される。
【０２７４】
図６１、図５９、６０のＦＩＮＴとＣＯＵＴでの信号波形を模式的に表したものである。チョッパ式アンプが正相と逆相を繰り返すことに応じて、ＦＩＮＴでの信号は、ΔＶ×ＧＡＭＰと−ΔＶ×ＧＡＭＰを交互に繰り返す。このＦＩＮＴの信号が、低域通過フィルタ６０４を通ると、繰り返されている信号は平均化されて、ΔＶ×ＧＡＭＰと−ΔＶ×ＧＡＭＰの平均値、つまり０ＶがＣＯＵＴに出力される。
【０２７５】
このように、比較器ＣＭＰをチョッパ式アンプにより構成することにより、差動アンプのオフセットの影響が出力に現れないので、差動アンプのオフセット電圧よりも小さい微小な信号を正確に増幅することができる。したがって、半導体装置１００の抵抗読み出し回路にこの比較器ＣＭＰを用いることで、熱センサの温度を正確に検出することができる。
【符号の説明】
【０２７６】
１００    半導体装置
１０    積層体
２０    配線層
２０ａ    壁配線
２０ｂ    壁配線
２１    保護層
２２    ガス流路
２５    板状部材
３０    熱センサ
３１    ランド
３２    ランド
３３    パターン配線部
４０    ヒータ
４１    ランド
４２    ランド
４３    パターン配線部
５０    熱センサ
５１    ランド
５２    ランド
５３    パターン配線部
６０    コントローラ
６１    演算処理部
ＳＵＢ    半導体基板
Ｌ１-Ｌ３    配線構造層
Ｒ３０-Ｒ５０    パターニング領域
２３    キャビティ
２４    空洞部
１１０    ヒータ・熱センサ配線
１１０ａ    ミアンダ配線部
１１０ｂ    戻り配線部
１１１    カバー膜
１２０−１２２    配線パターン
１３０−１３１    ダミーメタル
３００  ヒータ駆動回路
４００  熱検出回路
４１０  抵抗読み出し回路
４２０  オフセット補正回路
【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】
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【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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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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