(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子（１０）であって、
表面（３５）を有する基板（１２）と、
前記基板（１２）を覆う可動プレート（１６）であって、開口（１８）を有し、前記基板の表面に実質的に平行な面内で任意の方向に可動し、外部加速度が印可された結果として前記可動プレート（１６）が移動した場合に電気信号を提供するよう使用するために、前記基板（１２）に接続された第３フィンガ（１３）と第１フィンガ（１４）の間に離間されて設けられ、かつ前記第３フィンガ（１３）と第１フィンガ（１４）とに容量的に結合された第２フィンガ（１７）を有する可動プレート（１６）と、
前記基板（１２）と接触し、前記可動プレート（１６）内の開口（１８）の少なくとも一部分に入る円形の移動停止部（１９）であって、付着を最小にするため前記可動プレート（１６）と単一の点で接触することにより前記可動プレート（１６）の移動を制限し、かつ前記第２フィンガ（１７）が前記第３フィンガ（１３）および前記第１フィンガ（１４）と接触するのを防止する移動停止部（１９）と
から成ることを特徴とする半導体素子（１０）。
【請求項２】
請求項１記載の半導体素子（１０）であって、
前記可動プレート（１６）は、前記基板（１２）の表面（３５）に実質的に平行な面を規定することを特徴とする半導体素子。
【請求項３】
請求項１記載の半導体素子（１０）であって、
前記移動停止部（１９）は、前記基板（１２）の表面（３５）と接触する第１部分（３０）と、前記第１部分（３０）の上に位置する第２部分（３６）とから成り、前記可動プレート（１６）は、前記移動停止部（１９）の第２部分（３６）と同じ物質で作られ、かつ前記移動停止部（１９）と実質的に同じ厚さを有することを特徴とする半導体素子。
【請求項４】
センサ（１１）であって、
基板（１２）と、
前記基板（１２）の上に位置しかつ前記基板の上面に平行な面内で任意の方向に移動する可動プレート（１６）であって、開口（１８）を有する可動プレート（１６）と、
前記基板（１２）に接続された第１フィンガ（１４）と、
前記可動プレート（１６）に接続された第２フィンガ（１７）であって、外部加速度が前記可動プレート（１６）に印可されていない場合に前記第１フィンガ（１４）から第１距離（２１）だけ離間された第２フィンガ（１７）と、
前記基板に接続され、外部加速度が前記可動プレート（１６）に印可されていない場合に前記第２フィンガから第２距離（２１）だけ離間された第３フィンガ（１３）であって、前記第１および第２距離（２１）は前記可動プレートの移動に応じて変化するところの第３フィンガ（１３）と、
前記基板（１２）の上に位置し、前記可動プレート（１６）内の開口（１８）の少なくとも一部分に入る円形の移動停止部（１９）であって、該円形の移動停止部（１９）および前記可動プレート（１６）は第３距離（２０）だけ離れており、第３距離（２０）は、前記第２フィンガ（１７）を第１フィンガ（１４）および第３フィンガ（１３）と接触させないように第１距離（２１）および第２距離（２１）よりも小さく設定され、前記円形の移動停止部（１９）が前記可動プレート（１６）と接触した時、前記可動プレート（１６）と前記円形の移動停止部とが付着する可能性を最小にするため単一の点での接触を生じさせる移動停止部（１９）と
を具備することを特徴とするセンサ（１１）。
【請求項５】
請求項４記載のセンサ（１１）であって、
前記可動プレート（１６）は複数の孔（１８）を有し、前記センサ（１１）は複数の移動停止部（１９）を有し、前記複数の開口（１８）の各々に、前記複数の移動停止部（１９）が１つずつ配されることを特徴とするセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、半導体素子に関し、更に特定すれば、可動構造を有するセンサ・デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術および解決しようとする課題】
従来の加速度センサは、典型的に、外部加速度の印加に応答して移動する質量を含む。次いで、この動きを電気的応答に変換することにより、加速度の大きさを判定可能とする。かかる構造に伴う問題の１つとして、過度の加速度が印加された場合に、可動質量が損傷を受ける可能性があることがあげられる。
【０００３】
可動質量の外周に沿ってバンパを配することが、可動質量が余りに遠くに移動しようとする場合に発生し得る損傷を防止する１つの方法である。しかしながら、バンパは、センサ内の表面領域を大量に占め、しかも２本の直交する軸の一方に沿った動きを停止できるに過ぎないので、これは理想的なものではない。
【０００４】
したがって、センサのサイズ増大を招くことなく、加速度計の可動質量に対する損傷を防止可能なセンサ構造を提供することができれば有利であろう。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明にしたがって形成された半導体素子１０の一部の拡大平面図である。更に特定すれば、図１は、半導体素子１０のセンサ即ち検出エレメント１１の部分を示す。尚、半導体素子１０は、集積回路，マイクロプロセッサ，マイクロコントローラ等が可能であることは理解されよう。加えて、半導体素子１０は、加速度計，化学センサ，微小アクチュエータ，または微小バルブのような、単体の検出素子とすることができる。
【０００６】
図１に示す例では、検出エレメント１１は、外部加速度の大きさおよび方向を測定可能な加速度計である。しかしながら、本発明は、移動エレメントを有するあらゆる検出素子と共に使用可能であり、先に列挙した用途に限定される訳ではないことも理解されよう。
【０００７】
検出エレメント１１は、可動プレート即ちプレート１６を含み、そのプレート１６は当技術分野では既知の従来からの手段（図示せず）を用いて、基板１２上に懸垂されている。プレート１６は、基板１２の表面に実質的に平行な面を規定し、プレート１６は、外部加速度が半導体素子１０に印加された場合に、この面内で移動する。もちろん、この面内におけるプレート１６の実際の移動は、半導体素子１０に印加される力の大きさおよび方向に依存するので、プレート１６の移動は、基板１２の表面に対して正確に平行ではない場合もある。
【０００８】
検出エレメント１１は、プレート１６に取り付けられたフィンガ１７，および基板１２に取り付けられたまたは支持されたフィンガ１３，１４も含む。検出エレメント１１は、プレート１６に外部加速度が印加されない場合（即ち、プレート１６がその中立位置に静止している場合）、図１に矢印２１で示す所定距離だけ、フィンガ１７がフィンガ１３，１４から離間されるように形成されている。フィンガ１７はフィンガ１３，１４に容量的に結合されており、外部加速度の印加の結果としてプレート１６が移動した場合に、電気信号を供給するために用いられる。
【０００９】
例えば、矢印２６で示す方向に、半導体素子１０に外部加速度が印加された場合、プレート１６は、フィンガ１３，１４に対して、矢印２５で示す方向に移動する。一方、これによってフィンガ１７がフィンガ１３に向かい、フィンガ１４から遠ざかるように移動する。印加された外部加速度が過度に大きい場合、フィンガ１７がフィンガ１７とフィンガ１３との間の全距離を横断し（矢印２１）、フィンガ１３と衝突する可能性がある。これは、構造的な損傷の原因と成り、検出エレメント１１、したがって半導体素子１０を完全に動作不能にしてしまう可能性がある。永久的な損傷は発生しないにしても、フィンガ１７とフィンガ１３との間の接触によって粒子が発生する可能性があり、これが検出エレメント１１の感度および特性を変化させることになる。
【００１０】
フィンガ１７がフィンガ１３または１４と接触するのを防止するために、移動停止部１９を形成し、プレート１６内の開口１８に、この移動停止部１９を少なくとも部分的に通過させる。図１に示す好適実施例では、プレート１６内の開口１８および移動停止部１９の縁も共に円形である。移動停止部１９の縁は、矢印２０で示すように、開口１８の縁から離間され、最大の移動停止距離を与える。例えば、移動停止部１９は、約１００ミクロン未満の距離だけ、プレート１６内の開口１８の縁から離間することができる。加えて、この接触は、一時的な電気的短絡を生ずる可能性があり、これらエレメントの容量性結合を妨害することになる。
【００１１】
移動停止部１９とプレート１６との間の実際の距離は、様々に変動し得るが、フィンガ１７とフィンガ１３，１４との間の距離（矢印２１）未満であることを意図している。これによって、大きな外部加速度が印加された場合にも、フィンガ１７がフィンガ１３または１４のいずれにも接触するのを防止する。何故なら、プレート１６は最初に移動停止部１９に接触し、これによってプレート１６のそれ以上の移動を全て防止するからである。移動停止部１９およびプレート１６内の開口１８を円形に形成することには、いくつかの利点がある。第１に、プレート１６がどの方向に移動しても、プレート１６には、移動停止部１９に接触する前に、同じ最大移動距離が存在する。第２に、プレート１６が移動停止部１９に接触した場合、単一の点においてのみ接触する。これによって、静電気または原子間力によってプレート１６が移動停止部１９に付着する(stick) する可能性を最小に抑え、接触時に粒子が発生する可能性を低下させる。最後に、円形形状によって、移動停止部１９は全方向に動作することが可能となる。言い換えると、移動停止部１９は、プレート１６がどの方向に移動しても、プレート１６の移動を停止させることができる。
【００１２】
次に、図２に移ると、検出エレメント１１を形成する方法が示されている。図２は、図１に示す切断線２−２に沿った、検出エレメント１１の拡大断面図である。まず最初に、ポリシリコンのような物質の層（図示せず）を、基板１２の表面３５全体に形成する。次に、この物質にパターニングを行い、ベース３０を設ける。ベース３０は、移動停止部１９の下側部分として機能する。次に、ベース３０および基板１２の表面３５上全体に、犠牲層３２を形成する。犠牲層３２は、ドープ二酸化シリコンまたはフォスフォシリケート・シリコン・ガラス（ＰＳＧ）の層とすることができ、従来の技法を用いて堆積する。次に、犠牲層３２に開口を形成し、図２に示すように、ベース３０の一部を露出させる。
【００１３】
次に、図２に示すように、単結晶シリコン，ポリシリコン，アモルファス・シリコン，金属，金属シリケート等のような物質の層を形成し、これにパターニングを行う。この物質は、フィンガ１７，可動プレート１６，および移動停止部１９の上側部分３６を形成するために用いられる。移動停止層１９およびプレート１６が同じ物質で形成されるので、これらの厚さは実質的に等しく、堆積プロセスにおける通常のばらつきが防止される。したがって、移動停止部１９は、他に追加のプロセス工程を必要とせず、しかも検出エレメント１１のサイズを増大させることなく形成することが可能である。何故なら、移動停止層１９は、プレート１６の表面領域内に形成されるからである。パターニングによって移動停止部１９を形成した後、ウエット・エッチング・プロセスを用いて、犠牲層３２を除去し、プレート１６が自由に動くようにする。
【００１４】
次に図３を参照すると、本発明にしたがって移動停止部５１ないし５６を形成するための別の構造が示されている。検出エレメントの可動プレートおよび移動停止部をパターニングするために用いられるフォトリソグラフィ・プロセスによっては、製造プロセスの制限のために、移動停止部には別の形状が望ましい場合がある。例えば、フォトリソグラフ・プロセスには、直線状の縁と比較して、小さな円形画像を繰り返し形成するのが困難な最小解像度を有するものもある。その場合、図３に示す代わりの構造には、製造が容易であり、したがって望ましいものもあり得る。
【００１５】
図３は、移動停止部５１ないし５６を有する可動プレート５０の拡大平面図である。更に特定すれば、移動停止部５１は正方形形状に構成され、移動停止部５２は八角形として構成されている。移動停止部５３ないし５６を規定するパターンは、複数のセグメントから成り、そのいくつかは長さが等しく、種々の交差状パターンに配置されている。移動停止部５１ないし５６の各々は、本発明による半導体素子を形成するために用いられるフォトリソグラフ・プロセスおよびエッチング・プロセスの臨界寸法（ＣＤ：critical dimension）の制限によっては、最も望ましいものとなり得る。尚、検出エレメントは、可動プレートを横切って配置された複数の移動停止部を有し、回転運動による損傷を防止するように形成可能であることは理解されよう。
【００１６】
以上の説明から、本発明は、過度に大きな外部加速度がセンサに加えられた場合に、損傷を防止するセンサ構造，およびその製造方法を提供することが認められよう。本発明による移動停止部の使用によって、当技術分野において既知のその他の構造よりも信頼性が高く、方向に左右されず、しかも安価に製造可能なセンサが得られる。
【００１７】
図示の簡略化および明確化のために、図に示す素子は、必ずしも同じ拡縮率で描かれている訳ではないことは認められよう。例えば、素子の内あるものは、明確化のために、その寸法が他の素子に対して誇張されている場合もある。更に、適切であると考えられる場合は、図面間で参照番号を繰り返し、対応する素子または類似の素子を示すこととする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にしたがって形成したセンサを有する半導体素子の一部の拡大平面図。
【図２】前述の半導体素子の拡大断面図。
【図３】本発明にしたがって移動停止部を形成する、別の実施例を示すセンサの拡大平面図。
【符号の説明】
１０    半導体素子
１１    検出エレメント
１２    基板
１３，１４，１７    フィンガ
１６，５０    可動プレート
１８    開口
１９，５１，５２，５３，５４，５５，５６    移動停止部
３０    ベース
３２    犠牲層
【図１】
0004262327.tif 000002
【図２】
0004262327.tif 000003
【図３】
0004262327.tif 000004