(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられたＭＥＭＳセンサとを含み、
前記ＭＥＭＳセンサは、
所定のＸ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第１櫛歯部を有する第１電極と、
前記Ｘ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第２櫛歯部を有し、各前記第２櫛歯部が各前記第１櫛歯部に対して前記Ｘ方向に対向するように配置された第２電極と、
前記Ｘ方向と直交するＹ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第３櫛歯部を有する第３電極と、
前記Ｙ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第４櫛歯部を有し、各前記第４櫛歯部が各前記第３櫛歯部に対して前記Ｙ方向に対向するように配置された第４電極と、
前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極および前記第４電極に対して前記Ｘ方向および前記Ｙ方向と直交するＺ方向に対向配置された第５電極とを備えており、
前記第１電極および前記第２電極は、Ｘ方向加速度を検出するためのＸ方向ペアを構成し、
前記第３電極および前記第４電極は、Ｙ方向加速度を検出するためのＹ方向ペアを構成し、
前記ＭＥＭＳセンサは、前記Ｘ方向ペアおよびＹ方向ペアをそれぞれ複数備えており、
前記Ｘ方向ペアおよび前記Ｙ方向ペアは、前記Ｘ方向ペア同士が前記Ｘ方向に並び、前記Ｙ方向ペア同士が前記Ｘ方向に並び、前記Ｘ方向ペアと前記Ｙ方向ペアとが前記Ｙ方向に並ぶように配置されている、半導体装置。
【請求項２】
前記第１電極と前記第２電極とからなるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサに作用したＸ方向加速度を検出するためのＸ方向加速度検出回路を含む、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記第３電極と前記第４電極とからなるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサに作用したＹ方向加速度を検出するためのＹ方向加速度検出回路を含む、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極および前記第４電極のうちの少なくとも１つと前記第５電極とからなるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサに入力されたＺ方向加速度を検出するためのＺ方向加速度検出回路を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられたＭＥＭＳセンサとを含み、
前記ＭＥＭＳセンサは、
所定のＸ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第１櫛歯部を有する第１電極と、
前記Ｘ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第２櫛歯部を有し、各前記第２櫛歯部が各前記第１櫛歯部に対して前記Ｘ方向に対向するように配置された第２電極と、
前記Ｘ方向と直交するＹ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第３櫛歯部を有する第３電極と、
前記Ｙ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第４櫛歯部を有し、各前記第４櫛歯部が各前記第３櫛歯部に対して前記Ｙ方向に対向するように配置された第４電極と、
前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極および前記第４電極に対して前記Ｘ方向および前記Ｙ方向と直交するＺ方向に対向配置された第５電極とを備えており、
前記第１電極および前記第２電極は、Ｘ方向加速度を検出するためのＸ方向ペアを構成し、
前記第３電極および前記第４電極は、Ｙ方向加速度を検出するためのＹ方向ペアを構成し、
前記ＭＥＭＳセンサは、前記Ｘ方向ペアおよびＹ方向ペアをそれぞれ複数備えており、
前記Ｘ方向ペアおよび前記Ｙ方向ペアは、前記Ｘ方向ペア同士が前記Ｘ方向に並ばず、前記Ｙ方向ペア同士が前記Ｘ方向に並ばずに、前記Ｘ方向ペアと前記Ｙ方向ペアとが前記Ｙ方向に並ぶように配置されている、半導体装置。
【請求項６】
前記第１電極と前記第２電極とからなるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサに作用したＸ方向加速度を検出するためのＸ方向加速度検出回路を含む、請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記第３電極と前記第４電極とからなるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサに作用したＹ方向加速度を検出するためのＹ方向加速度検出回路を含む、請求項５または６に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極および前記第４電極のうちの少なくとも１つと前記第５電極とからなるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサに入力されたＺ方向加速度を検出するためのＺ方向加速度検出回路を含む、請求項５〜７のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサを備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、ＭＥＭＳセンサの携帯電話機への搭載が開始されたことから、そのＭＥＭＳセンサの注目度が急激に高まっている。ＭＥＭＳセンサの代表的なものとして、たとえば、物体の加速度を検出するための加速度センサが知られている。
図６は、加速度センサの構成を示す模式的な断面図である。
図６に示す加速度センサは、センサ本体１０１と、センサ本体１０１に保持された錘１０２と、センサ本体１０１を支持する環状の台座１０３とを備えている。
【０００３】
センサ本体１０１は、メンブレン１０４と、メンブレン１０４の一方面（下面）の周縁部に接続された環状の支持部１０５と、メンブレン１０４の一方面の中央部に接続された錘固定部１０６とを一体的に備えている。メンブレン１０４の他方面（上面）には、複数のピエゾ抵抗素子（図示せず）が分散して形成されている。支持部１０５と錘固定部１０６とは、メンブレン１０４に近づくほど狭まる断面等脚台形状の環状溝１０７により、互いに分離されている。
【０００４】
錘１０２は、たとえば、円板状に形成されている。この錘１０２は、錘固定部１０６の下方に配置されて、その上面の中央部が錘固定部１０６に固定されている。
台座１０３は、センサ本体１０１の支持部１０５の下面とほぼ同じ内径および外径を有する環状に形成されている。この台座１０３上に支持部１０５が載置されることにより、センサ本体１０１が台座１０３に支持されている。そして、錘１０２は、センサ本体１０１と台座１０３が設置される面との間において、台座１０３および支持部１０５と非接触状態に設けられている。
【０００５】
錘１０２が加速度に応じて振れると、メンブレン１０４が振動して、メンブレン１０４に歪みが生じ、メンブレン１０４上に設けられたピエゾ抵抗素子に応力が作用する。ピエゾ抵抗素子は、これに作用する応力に比例して抵抗率が変化する。そのため、各ピエゾ抵抗素子の抵抗率変化量を信号として取り出せば、その信号に基づいて、錘１０２に作用した加速度を求めることができる。
【特許文献１】特開２００５−３５１７１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
メンブレン１０４と直交するＺ方向の加速度に対しては、メンブレン１０４が大きく振動する。これに伴って、各ピエゾ抵抗素子の抵抗率が大きく変化するため、そのＺ方向の加速度を良好に検出することができる。しかしながら、メンブレン１０４に沿うＸ方向およびＹ方向の加速度に対しては、メンブレン１０４の振動が小さく、各ピエゾ抵抗素子の抵抗率の変化量が小さいため、Ｘ方向およびＹ方向の加速度を精度よく検出することが困難である。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向の加速度を精度よく検出することができる、半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられたＭＥＭＳセンサとを含み、前記ＭＥＭＳセンサは、所定のＸ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第１櫛歯部を有する第１電極と、前記Ｘ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第２櫛歯部を有し、各前記第２櫛歯部が各前記第１櫛歯部に対して前記Ｘ方向に対向するように配置された第２電極と、前記Ｘ方向と直交するＹ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第３櫛歯部を有する第３電極と、前記Ｙ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第４櫛歯部を有し、各前記第４櫛歯部が各前記第３櫛歯部に対して前記Ｙ方向に対向するように配置された第４電極と、前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極および前記第４電極に対して前記Ｘ方向および前記Ｙ方向と直交するＺ方向に対向配置された第５電極とを備えており、前記第１電極および前記第２電極は、Ｘ方向加速度を検出するためのＸ方向ペアを構成し、前記第３電極および前記第４電極は、Ｙ方向加速度を検出するためのＹ方向ペアを構成し、前記ＭＥＭＳセンサは、前記Ｘ方向ペアおよびＹ方向ペアをそれぞれ複数備えており、前記Ｘ方向ペアおよび前記Ｙ方向ペアは、前記Ｘ方向ペア同士が前記Ｘ方向に並び、前記Ｙ方向ペア同士が前記Ｘ方向に並び、前記Ｘ方向ペアと前記Ｙ方向ペアとが前記Ｙ方向に並ぶように配置されている、半導体装置である。
【０００９】
この構成によれば、半導体基板上に、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極および第５電極を備えるＭＥＭＳセンサが設けられている。第１電極および第２電極は、それぞれＸ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第１櫛歯部および第２櫛歯部を有し、各第１櫛歯部と各第２櫛歯部とがＸ方向に対向するように配置されている。これにより、各第１櫛歯部と各第１櫛歯部に対してＸ方向に対向する第２櫛歯部とは、それらの間の間隔により静電容量が変化するコンデンサ（以下、この項において「Ｘ方向コンデンサ」という。）を形成する。半導体装置にＸ方向の加速度が生じると、各第１櫛歯部（第１電極）および／または各第２櫛歯部（第２電極）がＸ方向に振動し、各第１櫛歯部と各第１櫛歯部に対してＸ方向に対向する第２櫛歯部との間の間隔が変化する。その結果、各Ｘ方向コンデンサの静電容量が変化する。各第１櫛歯部と各第２櫛歯部とがＸ方向に対向しているので、半導体装置に生じたＸ方向の加速度が小さくても、第１櫛歯部と第２櫛歯部との間の間隔は大きく変化し、各Ｘ方向コンデンサの静電容量が大きく変化する。また、たとえ各Ｘ方向コンデンサの静電容量の変化量が小さくても、各Ｘ方向コンデンサの静電容量の変化量の和は大きくなる。したがって、各Ｘ方向コンデンサの静電容量の変化量またはそれらの和に基づいて、Ｘ方向の加速度の大きさを精度よく検出することができる。
【００１０】
第３電極および第４電極は、それぞれＹ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第３櫛歯部および第４櫛歯部を有し、各第３櫛歯部と各第４櫛歯部とがＹ方向に対向するように配置されている。これにより、各第３櫛歯部と各第３櫛歯部に対してＹ方向に対向する第４櫛歯部とは、それらの間の間隔により静電容量が変化するコンデンサ（以下、この項において「Ｙ方向コンデンサ」という。）を形成する。半導体装置にＹ方向の加速度が生じると、各第３櫛歯部（第３電極）および／または各第４櫛歯部（第４電極）がＸ方向に振動し、各第３櫛歯部と各第３櫛歯部に対してＹ方向に対向する第４櫛歯部との間の間隔が変化する。その結果、各Ｙ方向コンデンサの静電容量が変化する。各第３櫛歯部と各第４櫛歯部とがＹ方向に対向しているので、半導体装置に生じたＹ方向の加速度が小さくても、第３櫛歯部と第４櫛歯部との間の間隔は大きく変化し、各Ｙ方向コンデンサの静電容量が大きく変化する。また、たとえ各Ｙ方向コンデンサの静電容量の変化量が小さくても、各Ｙ方向コンデンサの静電容量の変化量の和は大きくなる。したがって、各Ｙ方向コンデンサの静電容量の変化量またはそれらの和に基づいて、Ｙ方向の加速度の大きさを精度よく検出することができる。
【００１１】
第５電極は、第１電極、第２電極、第３電極および第４電極に対してＺ方向に対向配置されている。第１電極、第２電極、第３電極および第４電極の中で振動可能に設けられたもの（以下、この項において「振動可能電極」という。）と第５電極とは、電極間の間隔により静電容量が変化するコンデンサ（以下、この項において「Ｚ方向コンデンサ」という。）をそれぞれ形成する。半導体装置にＺ方向の加速度が生じると、各振動可能電極がＹ方向に振動し、各振動可能電極と第５電極との間の間隔が変化する。その結果、各Ｚ方向コンデンサの静電容量が変化する。各振動可能電極が第５電極に対してＺ方向に対向しているので、半導体装置に生じたＺ方向の加速度が小さくても、各振動可能電極と第５電極との間の間隔は大きく変化し、各Ｚ方向コンデンサの静電容量が大きく変化する。また、たとえ各Ｚ方向コンデンサの静電容量の変化量が小さくても、各Ｚ方向コンデンサの静電容量の変化量の和は大きくなる。したがって、各Ｚ方向コンデンサの静電容量の変化量またはそれらの和に基づいて、Ｚ方向の加速度の大きさを精度よく検出することができる。
【００１２】
また、振動可能電極は、半導体装置にＺ方向の加速度が生じたときに限らず、外部から圧力（たとえば、音圧）が入力されたときにも振動するので、Ｚ方向コンデンサの静電容量の変化量の和に基づいて、振動可能電極に入力される圧力の大きさを検出することもできる。そのため、ＭＥＭＳセンサは、３軸加速度センサとして用いることができながら、圧力センサとしても用いることができる。
【００１３】
請求項２に記載のように、前記半導体装置は、前記第１電極と前記第２電極とからなるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサに作用したＸ方向加速度を検出するためのＸ方向加速度検出回路を備えていてもよい。
半導体装置にＸ方向加速度検出回路が備えられていれば、Ｘ方向加速度検出回路が作り込まれた半導体チップを半導体装置と別に設ける必要がないので、半導体装置が搭載される機器の構成の簡素化を図ることができる。
【００１４】
また、請求項３に記載のように、前記半導体装置は、前記第３電極と前記第４電極とからなるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサに作用したＹ方向加速度を検出するためのＹ方向加速度検出回路を備えていてもよい。
半導体装置にＹ方向加速度検出回路が備えられていれば、Ｙ方向加速度検出回路が作り込まれた半導体チップを半導体装置と別に設ける必要がないので、半導体装置が搭載される機器の構成の簡素化を図ることができる。
【００１５】
さらに、請求項４に記載のように、前記半導体装置は、前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極および前記第４電極のうちの少なくとも１つと前記第５電極とからなるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサに入力されたＺ方向加速度を検出するためのＺ方向加速度検出回路を備えていてもよい。
半導体装置にＺ方向加速度検出回路が備えられていれば、Ｚ方向加速度検出回路が作り込まれた半導体チップを半導体装置と別に設ける必要がないので、半導体装置が搭載される機器の構成の簡素化を図ることができる。
【００１６】
請求項５記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられたＭＥＭＳセンサとを含み、前記ＭＥＭＳセンサは、所定のＸ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第１櫛歯部を有する第１電極と、前記Ｘ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第２櫛歯部を有し、各前記第２櫛歯部が各前記第１櫛歯部に対して前記Ｘ方向に対向するように配置された第２電極と、前記Ｘ方向と直交するＹ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第３櫛歯部を有する第３電極と、前記Ｙ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の第４櫛歯部を有し、各前記第４櫛歯部が各前記第３櫛歯部に対して前記Ｙ方向に対向するように配置された第４電極と、前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極および前記第４電極に対して前記Ｘ方向および前記Ｙ方向と直交するＺ方向に対向配置された第５電極とを備えており、前記第１電極および前記第２電極は、Ｘ方向加速度を検出するためのＸ方向ペアを構成し、前記第３電極および前記第４電極は、Ｙ方向加速度を検出するためのＹ方向ペアを構成し、前記ＭＥＭＳセンサは、前記Ｘ方向ペアおよびＹ方向ペアをそれぞれ複数備えており、前記Ｘ方向ペアおよび前記Ｙ方向ペアは、前記Ｘ方向ペア同士が前記Ｘ方向に並ばず、前記Ｙ方向ペア同士が前記Ｘ方向に並ばずに、前記Ｘ方向ペアと前記Ｙ方向ペアとが前記Ｙ方向に並ぶように配置されている、半導体装置である。
この構成においても、請求項１記載の発明と同様な効果を奏する。
【００１７】
請求項６に記載のように、前記半導体装置は、前記第１電極と前記第２電極とからなるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサに作用したＸ方向加速度を検出するためのＸ方向加速度検出回路を備えていてもよい。
半導体装置にＸ方向加速度検出回路が備えられていれば、Ｘ方向加速度検出回路が作り込まれた半導体チップを半導体装置と別に設ける必要がないので、半導体装置が搭載される機器の構成の簡素化を図ることができる。
また、請求項７に記載のように、前記半導体装置は、前記第３電極と前記第４電極とからなるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサに作用したＹ方向加速度を検出するためのＹ方向加速度検出回路を備えていてもよい。
半導体装置にＹ方向加速度検出回路が備えられていれば、Ｙ方向加速度検出回路が作り込まれた半導体チップを半導体装置と別に設ける必要がないので、半導体装置が搭載される機器の構成の簡素化を図ることができる。
さらに、請求項８に記載のように、前記半導体装置は、前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極および前記第４電極のうちの少なくとも１つと前記第５電極とからなるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサに入力されたＺ方向加速度を検出するためのＺ方向加速度検出回路を備えていてもよい。
半導体装置にＺ方向加速度検出回路が備えられていれば、Ｚ方向加速度検出回路が作り込まれた半導体チップを半導体装置と別に設ける必要がないので、半導体装置が搭載される機器の構成の簡素化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
半導体装置１は、半導体基板（たとえば、シリコン基板）２を備えている。半導体基板２上には、センサ部３およびパッド部４を有するＭＥＭＳセンサ５が設けられている。
センサ部３は、半導体基板２の表面に接触して設けられた４つの下薄膜６と、各下薄膜６に対して所定の間隔を空けて対向する４つの振動体ペア７とを備えている。
【００１９】
４つの下薄膜６は、たとえば、それぞれ平面視扇形状に形成され、各下薄膜６の円弧状の周縁が同一円周上に位置するように配置されている。
各下薄膜６は、下電極８を第１下絶縁膜９および第２下絶縁膜１０により被覆した構造を有している。具体的には、第１下絶縁膜９は、ＳｉＮ（窒化シリコン）からなり、半導体基板２の表面上に形成されている。そして、第１下絶縁膜９上に、Ａｌ（アルミニウム）からなる薄膜状の下電極８が形成されている。第２下絶縁膜１０は、ＳｉＮからなり、下電極８および第１下絶縁膜９上に形成されている。これにより、下電極８の下面が第１下絶縁膜９に覆われ、下電極８の上面および側面が第２下絶縁膜１０に覆われている。
【００２０】
各振動体ペア７は、２つの振動体７Ａ，７Ｂを備えている。各振動体７Ａ，７Ｂは、上電極１１を第１上絶縁膜１２および第２上絶縁膜１３により被覆した構造を有している。具体的には、第１上絶縁膜１２は、ＳｉＮからなり、下薄膜６の上方に、下薄膜６に対して間隔を隔てて形成されている。そして、第１上絶縁膜１２上に、Ａｌからなる上電極１１が形成されている。第２上絶縁膜１３は、ＳｉＮからなり、上電極１１および第１上絶縁膜１２上に形成されている。これにより、上電極１１の下面が第１上絶縁膜１２に覆われ、上電極１１の上面および側面が第２上絶縁膜１３に覆われている。
【００２１】
パッド部４は、第１絶縁層１６、第１配線１７、第２絶縁層１８、第３絶縁層１９、第２配線２０、第４絶縁層２１およびパッド２２を備えている。
第１絶縁層１６は、ＳｉＮからなる。第１絶縁層１６は、センサ部３（４つの下薄膜６）の周囲において、半導体基板２の表面上に形成されている。また、第１絶縁層１６は、各下薄膜６の第１下絶縁膜９に接続された接続部（図示せず）を有し、各下薄膜６の第１下絶縁膜９と一体をなしている。
【００２２】
第１配線１７は、Ａｌからなる。第１配線１７は、各下薄膜６の下電極８に対応づけて、４本設けられている。各第１配線１７は、第１絶縁層１６上に形成され、第１絶縁層１６の各接続部上を延びて、その対応する下電極８に接続されている。
第２絶縁層１８は、ＳｉＮからなる。第２絶縁層１８は、第１絶縁層１６上に形成され、第１配線１７の上面および側面を覆っている。また、第２絶縁層１８は、第１絶縁層１６の各接続部とともに各第１配線１７を覆う部分において、各下薄膜６の第２下絶縁膜１０に接続されることにより、各下薄膜６の第２下絶縁膜１０と一体をなしている。
【００２３】
第３絶縁層１９は、ＳｉＮからなる。第３絶縁層１９は、第２絶縁層１８上に形成されている。また、第３絶縁層１９は、各振動体７Ａ，７Ｂの第１上絶縁膜１２に接続された接続部２５を有し、各振動体７Ａ，７Ｂの第１上絶縁膜１２と一体をなしている。
第２配線２０は、Ａｌからなる。第２配線２０は、第３絶縁層１９上に形成され、第３絶縁層１９の各接続部２５上を延びて、たとえば、各振動体７Ａに備えられる第２Ｘ方向電極２８または第２Ｙ方向電極３０（いずれも後述）と電気的に接続されている。
【００２４】
第４絶縁層２１は、ＳｉＮからなる。第４絶縁層２１は、第３絶縁層１９上に形成され、第２配線２０の上面および側面を覆っている。また、第４絶縁層２１において、第３絶縁層１６の各接続部２５とともに第２配線２０を覆う部分２６は、各振動体７Ａ，７Ｂの第２上絶縁膜１３に連続している。これにより、第４絶縁層２１は、第２上絶縁膜１３と一体をなしている。
【００２５】
そして、各振動体７Ａ，７Ｂは、第３絶縁層１９の接続部２５、および第４絶縁層２１における第２配線２０を覆う部分２６により、下薄膜６との間に空洞を有する状態で、振動可能に片持ち支持されている。したがって、各振動体７Ａ，７Ｂは、微小な加速度または圧力により振動する。
パッド２２は、Ａｌからなり、４つ設けられている。第２絶縁層１８および第３絶縁層１９には、各第１配線１７を部分的に露出させるための４つの開口２３（図１においては、１つの開口２３のみが図示されている。）がそれらを層厚方向に連続して貫通して形成されている。各パッド２２は、各開口２３内において第１配線１７を被覆し、その周縁部が第３絶縁層１９上に乗り上げた状態に形成されている。また、第４絶縁層２１には、各パッド２２を露出させるための４つの開口２４が形成されている。各パッド２２の周縁部は、第４絶縁層２１における開口２４の周囲の部分により覆われている。各パッド２２には、各第１配線１７に流れる電流を取り出すための配線が接続される。
【００２６】
図２は、図１に示す上電極の図解的な平面図である。
４つの振動体ペア７は、下薄膜６（図１参照）の表面と平行な所定のＸ方向を行方向、下薄膜６の表面と平行かつＸ方向と直交するＹ方向を列方向として、２行×２列の行列状に配置されている。これにより、Ｘ方向に並ぶ２つの振動体ペア７の組が２組存在する。そのうちの１つの組をなす２つの振動体ペア７は、Ｘ方向の加速度を検出するためのＸ方向ペアである。このＸ方向ペア７の一方の振動体７Ａ（図１参照）には、上電極１１として、第１Ｘ方向電極２７が備えられている。また、Ｘ方向ペア７の他方の振動体７Ｂ（図１参照）には、上電極１１として、第２Ｘ方向電極２８が備えられている。
【００２７】
第１Ｘ方向電極２７は、Ｘ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の櫛歯部２７１と、各櫛歯部２７１の一端を連結する連結部２７２とを一体的に備えている。
第２Ｘ方向電極２８は、Ｘ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の櫛歯部２８１と、各櫛歯部２８１の一端を連結する連結部２８２とを一体的に備えている。連結部２８２には、第２配線２０（図１参照）が接続されている。そして、第２Ｘ方向電極２８は、各櫛歯部２８１が第１Ｘ方向電極２７の各櫛歯部２７１に対してＸ方向に対向するように、つまり各櫛歯部２８１が各櫛歯部２７１と噛み合うように配置されている。
【００２８】
これにより、各櫛歯部２７１と各櫛歯部２７１に対してＸ方向に対向する櫛歯部２８１とは、電極間の間隔により静電容量が変化するコンデンサ（以下、この項において「Ｘ方向コンデンサ」という。）を形成する。そして、これらのＸ方向コンデンサは、並列接続関係を有するので、第１Ｘ方向電極２７と第２Ｘ方向電極２８とにより形成される１つのコンデンサ（以下、この項において「Ｘ方向合成コンデンサ」）ＣＸと等価である。半導体装置１にＸ方向の加速度が生じると、各櫛歯部２７１および各櫛歯部２８１がＸ方向に振動し、各櫛歯部２７１と各櫛歯部２７１に対してＸ方向に対向する櫛歯部２８１との間の間隔が変化する。その結果、各Ｘ方向コンデンサの静電容量が変化する。各櫛歯部２７１と各櫛歯部２８１とがＸ方向に対向しているので、半導体装置１に生じたＸ方向の加速度が小さくても、櫛歯部２７１と櫛歯部２８１との間の間隔は大きく変化し、各Ｘ方向コンデンサの静電容量が大きく変化する。また、たとえ各Ｘ方向コンデンサの静電容量の変化量が小さくても、Ｘ方向合成コンデンサＣＸの静電容量の変化量（各Ｘ方向コンデンサの静電容量の変化量の和）は大きくなる。したがって、Ｘ方向合成コンデンサＣＸの静電容量の変化量に基づいて、Ｘ方向の加速度の大きさを精度よく検出することができる。
【００２９】
Ｘ方向ペア７の組と別の組をなす２つの振動体ペア７は、Ｙ方向の加速度を検出するためのＹ方向ペアである。このＹ方向ペア７の一方の振動体７Ａ（図１参照）には、上電極１１として、第１Ｙ方向電極２９が備えられている。また、Ｙ方向ペア７の他方の振動体７Ｂ（図１参照）には、上電極１１として、第２Ｙ方向電極３０が備えられている。
第１Ｙ方向電極２９は、Ｙ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の櫛歯部２９１と、各櫛歯部２９１の一端を連結する連結部２９２とを一体的に備えている。
【００３０】
第２Ｙ方向電極３０は、Ｘ方向に間隔を空けて並べて設けられた複数の櫛歯部３０１と、各櫛歯部３０１の一端を連結する連結部３０２とを一体的に備えている。連結部３０２には、第２配線２０（図１参照）が接続されている。そして、第２Ｙ方向電極３０は、各櫛歯部３０１が第１Ｙ方向電極２９の各櫛歯部２９１に対してＹ方向に対向するように、つまり各櫛歯部３０１が各櫛歯部２９１と噛み合うように配置されている。
【００３１】
これにより、各櫛歯部２９１と各櫛歯部２９１に対してＹ方向に対向する櫛歯部３０１とは、電極間の間隔により静電容量が変化するコンデンサ（以下、この項において「Ｙ方向コンデンサ」という。）を形成する。そして、これらのＹ方向コンデンサは、並列接続関係を有するので、第１Ｙ方向電極２９と第２Ｙ方向電極３０とにより形成される１つのコンデンサ（以下、この項において「Ｙ方向合成コンデンサ」）ＣＹと等価である。半導体装置１にＹ方向の加速度が生じると、各櫛歯部２９１および各櫛歯部３０１がＹ方向に振動し、各櫛歯部２９１と各櫛歯部２９１に対してＹ方向に対向する櫛歯部３０１との間の間隔が変化する。その結果、各Ｙ方向コンデンサの静電容量が変化する。各櫛歯部２９１と各櫛歯部３０１とがＹ方向に対向しているので、半導体装置１に生じたＹ方向の加速度が小さくても、櫛歯部２９１と櫛歯部３０１との間の間隔は大きく変化し、各Ｙ方向コンデンサの静電容量が大きく変化する。また、たとえ各Ｙ方向コンデンサの静電容量の変化量が小さくても、Ｙ方向合成コンデンサＣＹの静電容量の変化量（各Ｙ方向コンデンサの静電容量の変化量の和）は大きくなる。したがって、Ｙ方向合成コンデンサＣＹの静電容量の変化量に基づいて、Ｙ方向の加速度の大きさを精度よく検出することができる。
【００３２】
各第２Ｘ方向電極２８および各第２Ｙ方向電極３０には、第２配線２０（図１参照）を介して、所定の電圧（たとえば、１１Ｖ）が印加されている。これらの各第２Ｘ方向電極２８および各第２Ｙ方向電極３０とそれに対向する下電極８とは、電極間の間隔により静電容量が変化するコンデンサ（以下、この項において「Ｚ方向コンデンサ」という。）ＣＺをそれぞれ形成する。半導体装置にＺ方向の加速度が生じると、各第２Ｘ方向電極２８および各第２Ｙ方向電極３０がＺ方向に振動し、各第２Ｘ方向電極２８および各第２Ｙ方向電極３０とそれに対向する下電極８との間の間隔が変化する。その結果、各Ｚ方向コンデンサＣＺの静電容量が変化する。各第２Ｘ方向電極２８および各第２Ｙ方向電極３０が下電極８に対してＺ方向に対向しているので、半導体装置１に生じたＺ方向の加速度が小さくても、各第２Ｘ方向電極２８および各第２Ｙ方向電極３０と下電極８との間の間隔は大きく変化し、各Ｚ方向コンデンサの静電容量が大きく変化する。また、たとえ各Ｚ方向コンデンサＣＺの静電容量の変化量が小さくても、各Ｚ方向コンデンサＣＺの静電容量の変化量の和は大きくなる。したがって、各Ｚ方向コンデンサＣＺの静電容量の変化量またはそれらの和に基づいて、Ｚ方向の加速度の大きさを精度よく検出することができる。
【００３３】
また、各第２Ｘ方向電極２８および各第２Ｙ方向電極３０は、半導体装置１にＺ方向の加速度が生じたときに限らず、外部から圧力（たとえば、音圧）が入力されたときにも振動するので、Ｚ方向コンデンサＣＺの静電容量の変化量の和に基づいて、各第２Ｘ方向電極２８および各第２Ｙ方向電極３０に入力される圧力の大きさを検出することもできる。そのため、ＭＥＭＳセンサ５は、３軸加速度センサとして用いることができながら、圧力センサとしても用いることができる。
【００３４】
図３は、加速度および圧力の検出のための回路構成を示す図である。
半導体装置１は、Ｘ方向の加速度を検出するためのＸ方向加速度検出回路３１と、Ｙ方向の加速度を検出するためのＹ方向加速度検出回路３２と、Ｚ方向の加速度および外部から入力される圧力を検出するためのＺ方向加速度／圧力検出回路３３と、Ｘ方向加速度検出回路３１、Ｙ方向加速度検出回路３２およびＺ方向加速度／圧力検出回路３３からの信号をそれぞれ処理し、Ｘ方向の加速度、Ｙ方向の加速度、Ｚ方向の加速度および圧力値を表す信号を出力するデータ処理回路３４とを備えている。
【００３５】
Ｘ方向加速度検出回路３１、Ｙ方向加速度検出回路３２、Ｚ方向加速度／圧力検出回路３３およびデータ処理回路３４は、半導体基板２に作り込まれた素子や半導体基板２上に形成された配線などで構成され、ＭＥＭＳセンサ５とともに１チップ化されている。
Ｘ方向加速度検出回路３１は、Ｃ／Ｖ変換回路３５と、ゲインアンプ３６とを備えている。Ｃ／Ｖ変換回路３５の入力端には、Ｘ方向合成コンデンサＣＸを構成する第１Ｘ方向電極２７が接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路３５の出力端は、ゲインアンプ３６の入力端に接続されている。ゲインアンプ３６の出力端は、データ処理回路３４に接続されている。
【００３６】
Ｙ方向加速度検出回路３２は、Ｃ／Ｖ変換回路３７と、ゲインアンプ３８とを備えている。Ｃ／Ｖ変換回路３７の入力端には、Ｙ方向合成コンデンサＣＹを構成する第１Ｙ方向電極２９が接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路３７の出力端は、ゲインアンプ３８の入力端に接続されている。ゲインアンプ３８の出力端は、データ処理回路３４に接続されている。
【００３７】
Ｚ方向加速度／圧力検出回路３３は、Ｃ／Ｖ変換回路３９と、ゲインアンプ４０とを備えている。Ｃ／Ｖ変換回路３９の入力端には、４つのＺ方向コンデンサＣＺを構成する下電極８が接続されている。Ｃ／Ｖ変換回路３９の出力端は、ゲインアンプ４０の入力端に接続されている。ゲインアンプ４０の出力端は、データ処理回路３４に接続されている。
半導体装置１にＸ方向の加速度が生じ、Ｘ方向の加速度による振動が第１Ｘ方向電極２７および第２Ｘ方向電極２８に生じると、Ｘ方向合成コンデンサＣＸの静電容量が変化する。Ｘ方向合成コンデンサＣＸの静電容量の変化に伴い、その静電容量変化量に応じた電流がＣ／Ｖ変換回路３５に入力される。Ｃ／Ｖ変換回路３５では、入力電流に応じた電圧信号が生成される。Ｃ／Ｖ変換回路３５で生成された電圧信号は、ゲインアンプ３６に入力される。ゲインアンプ３６では、Ｃ／Ｖ変換回路３５で生成された電圧信号に適当なゲインを乗じることにより増幅信号が生成される。こうして生成される増幅信号は、Ｘ方向の加速度により生じたＸ方向合成コンデンサＣＸの静電容量変化量に対応する。したがって、データ処理回路３４では、ゲインアンプ３６から入力される増幅信号に基づいて、Ｘ方向の加速度を求めることができる。
【００３８】
半導体装置１にＹ方向の加速度が生じ、Ｙ方向の加速度による振動が第１Ｙ方向電極２９および第２Ｙ方向電極３０に生じると、Ｙ方向合成コンデンサＣＹの静電容量が変化する。Ｙ方向合成コンデンサＣＹの静電容量の変化に伴い、その静電容量変化量に応じた電流がＣ／Ｖ変換回路３７に入力される。Ｃ／Ｖ変換回路３７では、入力電流に応じた電圧信号が生成される。Ｃ／Ｖ変換回路３７で生成された電圧信号は、ゲインアンプ３８に入力される。ゲインアンプ３８では、Ｃ／Ｖ変換回路３７で生成された電圧信号に適当なゲインを乗じることにより増幅信号が生成される。こうして生成される増幅信号は、Ｙ方向の加速度により生じたＹ方向合成コンデンサＣＹの静電容量変化量に対応する。したがって、データ処理回路３４では、ゲインアンプ３８から入力される増幅信号に基づいて、Ｘ方向の加速度を求めることができる。
【００３９】
半導体装置１にＺ方向の加速度が生じ、または、外部から圧力が入力され、各第２Ｘ方向電極２８および各第２Ｙ方向電極３０が振動すると、４つのＺ方向コンデンサＣＺの静電容量がそれぞれ変化する。これに伴い、各Ｚ方向コンデンサＣＺから静電容量変化量に応じた電流が合流してＣ／Ｖ変換回路３９に入力される。Ｃ／Ｖ変換回路３９では、入力電流に応じた電圧信号が生成される。Ｃ／Ｖ変換回路３９で生成された電圧信号は、ゲインアンプ４０に入力される。ゲインアンプ４０では、Ｃ／Ｖ変換回路３９で生成された電圧信号に適当なゲインを乗じることにより増幅信号が生成される。こうして生成される増幅信号は、Ｚ方向の加速度により各Ｚ方向コンデンサＣＺに生じた静電容量変化量の和に対応する。したがって、データ処理回路３４では、ゲインアンプ４０から入力される増幅信号に基づいて、Ｚ方向の加速度または外部から入力された圧力を求めることができる。
【００４０】
半導体装置１にＸ方向加速度検出回路３１、Ｙ方向加速度検出回路３２、Ｚ方向加速度／圧力検出回路３３およびデータ処理回路３４が備えられており、それらの回路が作り込まれた半導体チップを半導体装置１と別に設ける必要がないので、半導体装置１が搭載される機器の構成の簡素化を図ることができる。
図４Ａ〜４Ｆは、図１に示す半導体装置（ＭＥＭＳセンサ）の製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【００４１】
まず、図４Ａに示すように、Ｐ−ＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition：プラズマ化学気相成長）法により、半導体基板２の表面上に、第１ＳｉＮ層５１が形成される。その後、スパッタ法により、第１ＳｉＮ層５１上に、Ａｌ膜が形成される。そして、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、そのＡｌ膜がパターニングされる。これにより、第１ＳｉＮ層５１上に、下電極８および第１配線１７が形成される。
【００４２】
次に、Ｐ−ＣＶＤ法により、下電極８および第１配線１７上を含む第１ＳｉＮ層５１上の全域に、第２ＳｉＮ層が形成される。そして、図４Ｂに示すように、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、第１ＳｉＮ層５１および第２ＳｉＮ層がパターニングされる。これにより、第１ＳｉＮ層５１は、第１下絶縁膜９および第１絶縁層１６となり、第２ＳｉＮ層は、４つの第２下絶縁膜１０および第２絶縁層１８となる。こうして、第１下絶縁膜９および第２下絶縁膜１０によって下電極８を挟み込んだ構造をそれぞれ有する４つの下薄膜６が得られる。ただし、この時点では、第２絶縁層１８に、第１配線１７の一部を露出させるための開口は形成されていない。
【００４３】
次いで、Ｐ−ＣＶＤ法により、半導体基板２上の全域（第２下絶縁膜１０および第２絶縁層１８上を含む。）に、ＳｉＯ２（酸化シリコン）が堆積され、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、第２絶縁層１８上からＳｉＯ２が除去される。これにより、図４Ｃに示すように、第２下絶縁膜１０上および第２下絶縁膜１０と第２絶縁層１８との間から露出する半導体基板２上に、ＳｉＯ２からなる第１犠牲層５２が形成される。
【００４４】
第１犠牲層５２の形成後、Ｐ−ＣＶＤ法により、半導体基板２上の全域に、ＳｉＮが堆積され、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、そのＳｉＮの堆積層がパターニングされる。これにより、図４Ｄに示すように、第３ＳｉＮ層５３が形成される。ＳｉＮの堆積層のエッチングの際に、第２絶縁層１８の一部がエッチングされることにより、第２絶縁層１８および第３ＳｉＮ層５３には、それらを層厚方向に連続して貫通する開口２３が形成される。
【００４５】
次いで、スパッタ法により、半導体基板２上の全域に、Ａｌ膜が形成される。そして、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、そのＡｌ膜がパターニングされる。これにより、図４Ｅに示すように、第３ＳｉＮ層５３上に、上電極１１、第２配線２０およびパッド２２が形成される。
その後、Ｐ−ＣＶＤ法により、半導体基板２上の全域に、第４ＳｉＮ層が形成される。そして、図４Ｆに示すように、公知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術により、第４ＳｉＮ層に、開口２４ならびに上電極１１に沿った溝５４が形成される。これにより、第４ＳｉＮ層は、４つの第２上絶縁膜１３および第４絶縁層２１となる。そして、溝５４を介して、第３ＳｉＮ層５３がエッチングされることにより、図１に示すように、第３ＳｉＮ層５３に、溝５４に連続する溝が形成される。これにより、第３ＳｉＮ層５３は、４つの第１上絶縁膜１２および第３絶縁層１９となり、第１上絶縁膜１２および第２上絶縁膜１３によって上電極１１を挟み込んだ構造を有する振動体７Ａ，７Ｂが得られる。
【００４６】
さらに、振動体７Ａ，７Ｂ間からエッチング液（たとえば、ふっ酸）が供給されることにより、第１犠牲層５２がエッチングされる。これにより、下薄膜６と振動体７Ａ，７Ｂとの間に空洞が形成され、振動体７Ａ，７Ｂが下薄膜６との対向方向に振動可能な状態となり、半導体装置１が得られる。
図５は、上電極の他の構成を示す図解的な平面図である。
【００４７】
図２に示す構成では、２つのＸ方向ペア７がＸ方向に並んでいる。また、２つのＹ方向ペア７がＸ方向に並んでいる。そして、Ｘ方向ペア７とＹ方向ペア７とがＹ方向に並んでいる。
これに対し、図５に示す構成では、２つのＸ方向ペア７がＸ方向に並ばず、２つのＹ方向ペア７がＸ方向に並ばずに、Ｘ方向ペア７とＹ方向ペア７とがＹ方向に並ぶように、それぞれ２つのＸ方向ペア７およびＹ方向ペア７が配置されている。すなわち、１つのＸ方向ペア７に着目したときに、そのＸ方向ペア７に対してＸ方向およびＹ方向の両側に、それぞれ１つのＹ方向ペア７が配置されている。また、１つのＹ方向ペア７に着目したときに、そのＹ方向ペア７に対してＸ方向およびＹ方向の両側に、それぞれ１つのＸ方向ペア７が配置されている。
【００４８】
この図５に示す構成によっても、図２に示す構成と同様な効果を奏することができる。
本発明の実施形態の説明は以上のとおりであるが、本発明は、他の形態で実施することもできる。たとえば、各振動体７Ａ，７Ｂが振動可能に支持されているとしたが、所定の電圧が印加される第２Ｘ方向電極２８または第２Ｙ方向電極３０を備える振動体７Ｂのみが振動可能に支持され、振動体７Ａが固定されていてもよい。
【００４９】
また、第１Ｘ方向電極２７を備える振動体７Ａおよび第２Ｘ方向電極２８を備える振動体７Ｂからなる振動体ペア７と、第１Ｙ方向電極２９を備える振動体７Ａおよび第２Ｙ方向電極３０を備える振動体７Ｂとからなる振動体ペア７とがそれぞれ１つずつ備えられていれば、振動体ペア７の数は、２つであっても、３つ以上であってもよく、とくに限定されない。
【００５０】
前述の実施形態のように、下電極８は、振動体ペア７と同数設けられて、各振動体ペア７に対向配置されていてもよいが、たとえば、すべての振動体ペア７に対して、１つの下電極８が一括して対向するように設けられていてもよい。また、所定数の振動体ペア７ごとに、１つの下電極８が、それらの振動体ペアに対して一括して対向するように設けられていてもよい。
【００５１】
また、前述の実施形態では、４つのＺ方向コンデンサＣＺの静電容量の変化量の和に基づいて、半導体装置１に生じるＺ方向の加速度または外部から入力される圧力を検出する構成を取り上げたが、少なくとも１つのＺ方向コンデンサＣＺが選択されて、その選択されたＺ方向コンデンサＣＺの静電容量の変化量またはそれらの和に基づいて、Ｚ方向の加速度または圧力が検出されてもよい。
【００５２】
第１下絶縁膜９、第２下絶縁膜１０、第１上絶縁膜１２、第２上絶縁膜１３、第１絶縁層１６、第２絶縁層１８、第３絶縁層１９および第４絶縁層２１がＳｉＮからなるとしたが、それらの材料としては、絶縁性を有してればよく、ＳｉＯ２やＳｉＯ２よりも誘電率の低いＬｏｗ−ｋ膜材料を採用することもできる。
第１犠牲層５２がＳｉＯ２からなるとしたが、第１犠牲層５２の材料は、ＳｉＯ２に限らず、第１下絶縁膜９、第２下絶縁膜１０、第１上絶縁膜１２、第２上絶縁膜１３、第１絶縁層１６、第２絶縁層１８、第３絶縁層１９および第４絶縁層２１の材料とエッチング選択比を有するものであればよい。たとえば、第１下絶縁膜９、第２下絶縁膜１０、第１上絶縁膜１２、第２上絶縁膜１３、第１絶縁層１６、第２絶縁層１８、第３絶縁層１９および第４絶縁層２１がＳｉＯ２からなる場合、第１犠牲層５２の材料としてＳｉＮが採用されてもよい。
【００５３】
下電極８および上電極１１の材料としては、Ａｌに限らず、Ａｕなどの他の金属が用いられてもよい。
４つの下薄膜６は、半導体基板２の表面に対して間隔を空けた状態で、振動可能に設けられていてもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示す上電極の構成およびＭＥＭＳセンサが有するコンデンサについて説明するための図解的な平面図である。
【図３】図３は、ＭＥＭＳセンサを用いた加速度および圧力の検出のための回路構成を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図１に示す半導体装置（ＭＥＭＳセンサ）の製造方法を説明するための模式的な断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ｂの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、図４Ｃの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、図４Ｄの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図４Ｆ】図４Ｆは、図４Ｅの次の工程を示す模式的な断面図である。
【図５】図５は、上電極の他の構成（図２に示す構成とは別の構成）を示す図解的な平面図である。
【図６】図６は、従来の加速度センサの構成を示す模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１      半導体装置
２      半導体基板
５      ＭＥＭＳセンサ
７      振動体ペア（Ｘ方向ペア、Ｙ方向ペア）
８      下電極（第５電極）
１１    上電極
２７    第１Ｘ方向電極（第１電極）
２８    第２Ｘ方向電極（第２電極）
２９    第１Ｙ方向電極（第３電極）
３０    第２Ｙ方向電極（第４電極）
３１    Ｘ方向加速度検出回路
３２    Ｙ方向加速度検出回路
３３    Ｚ方向加速度／圧力検出回路（Ｚ方向加速度検出回路）
２７１  櫛歯部（第１櫛歯部）
２８１  櫛歯部（第２櫛歯部）
２９１  櫛歯部（第３櫛歯部）
３０１  櫛歯部（第４櫛歯部）
ＣＸ    Ｘ方向合成コンデンサ
ＣＹ    Ｙ方向合成コンデンサ
ＣＺ    Ｚ方向コンデンサ
【図１】
0005081775.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５】
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【図６】
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