ＭＥＭＳ、振動ジャイロスコープおよびＭＥＭＳの製造方法
【課題】圧電素子をＭＥＭＳに配置できる領域を拡大する。
【解決手段】複数のコンタクトホールが形成された絶縁層と前記絶縁層に接する半導体層とを含み可撓性を有する可撓部と、前記半導体層に形成された複数の不純物拡散領域からなり互いに分離している複数の導線と、前記絶縁層の表面に積層され前記コンタクトホールを通じて前記導線に接している下部電極層と前記下部電極層の表面に積層された圧電層と前記圧電層の表面に積層された上部電極層とを含み前記可撓部上に位置する圧電素子と、前記可撓部に形成された前記コンタクトホールを通じて前記上部電極層と前記導線とを接続する導電層からなる接続手段と、を備えるＭＥＭＳ。
【解決手段】複数のコンタクトホールが形成された絶縁層と前記絶縁層に接する半導体層とを含み可撓性を有する可撓部と、前記半導体層に形成された複数の不純物拡散領域からなり互いに分離している複数の導線と、前記絶縁層の表面に積層され前記コンタクトホールを通じて前記導線に接している下部電極層と前記下部電極層の表面に積層された圧電層と前記圧電層の表面に積層された上部電極層とを含み前記可撓部上に位置する圧電素子と、前記可撓部に形成された前記コンタクトホールを通じて前記上部電極層と前記導線とを接続する導電層からなる接続手段と、を備えるＭＥＭＳ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、振動ジャイロスコープおよびＭＥＭＳの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子を備えた加速度センサ、圧電アクチュエータ等のＭＥＭＳが知られている（例えば特許文献１、２参照）。特許文献１、２には、シリコン基板または圧電層の一部に不純物イオンを拡散させて配線要素を形成する方法が形成されている。
【特許文献１】特開平９−２１１０２０号公報
【特許文献２】特開２００６−２１７７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１に記載された方法によると、圧電素子の電極を構成している共通信号線とシリコン基板とが接しているため、シリコン基板の表層に不純物イオンを拡散させても、圧電素子の真下において互いに分離した複数の導線を構成することができない。また、特許文献２に記載された方法によると、圧電素子の電極から引き出される互いに分離した導線を圧電素子に接している弾性膜に形成することができない。
したがって、特許文献１、２に記載された方法によると、圧電素子から引き出される全ての導線のパターンと圧電素子のパターンとを重ねることができない。すなわち、特許文献１、２に記載された方法によると、圧電素子から引き出される導線を避けて圧電素子を配置しなければならないため、圧電素子を配置できる領域が縮小することになる。
【０００４】
本発明は圧電素子をＭＥＭＳに配置できる領域を拡大することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳは、複数のコンタクトホールが形成された絶縁層と前記絶縁層に接する半導体層とを含み可撓性を有する可撓部と、前記半導体層に形成された複数の不純物拡散領域からなり互いに分離している複数の導線と、前記絶縁層の表面に積層され前記コンタクトホールを通じて前記導線に接している下部電極層と前記下部電極層の表面に積層された圧電層と前記圧電層の表面に積層された上部電極層とを含み前記可撓部上に位置する圧電素子と、前記可撓部に形成された前記コンタクトホールを通じて前記上部電極層と前記導線とを接続する導電層からなる接続手段と、を備える。
【０００６】
本発明によると、絶縁層を介して半導体層と圧電層とが隔てられているため、半導体層の不純物拡散領域からなる複数の導線を圧電素子の真下に配置することができる。したがって本発明によると、圧電素子を配置できる領域が拡大され、アクチュエータの駆動力が向上し、センサ感度が向上する。なお、本明細書では、可撓部に対する圧電素子の配置位置を上として「上」と「下」の用語を用いる。
【０００７】
（２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、前記圧電層のパターンは前記下部電極層のパターンより広く前記下部電極層の周囲において前記絶縁層に接していてもよい。
本発明によると、圧電素子の上部電極と下部電極との間のショートおよびリークを防止できる。
【０００８】
（３）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、前記圧電層は、前記下部電極層及び前記絶縁層に対する界面を構成する下面が前記上部電極層に対する界面を構成する上面より広く、前記下面と前記上面の間にある側面が傾斜面であって、前記接続手段は前記圧電層の前記側面に積層されていてもよい。
本発明によると、圧電層自体を層間絶縁膜として用いるため、構造を簡素化し製造コストを低減できる。なお、圧電層が傾斜面であるとき、圧電層の上面と側面がなす狭い方の角は鈍角であり圧電層の下面と側面がなす狭い方の角は鋭角である。
【０００９】
（４）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、前記上部電極層のパターンは前記下部電極層のパターンより狭く、前記下部電極層又は前記圧電層は前記上部電極層の周囲から露出していてもよい。
本発明によると、圧電素子の上部電極と下部電極との間のショートを防止できる。
【００１０】
（５）上記目的を達成するためのＭＥＭＳを、錘部と、支持部と、をさらに備える振動ジャイロスコープとして構成し、前記可撓部は、自由端が前記錘部に結合し固定端が前記支持部に結合している梁を構成し、前記圧電素子は、前記可撓部を歪ませることによって前記錘部を駆動する駆動用圧電素子と、前記錘部の運動に伴う前記可撓部の歪みを検出する検出用圧電素子とを構成してもよい。
本発明によると、可撓部の剛性を低くして感度を高めるために可撓部をパターンの狭い梁として構成するとともに、パターンが狭い可撓部に対して圧電素子を最大限配置できるため、感度が高い振動ジャイロスコープを実現することができる。
【００１１】
（６）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法は、半導体層の表面に積層された絶縁層に複数のコンタクトホールを形成し、前記絶縁層と前記半導体層とを含み可撓性を有する可撓部を形成し、複数の前記コンタクトホールから露出する複数の不純物拡散領域からなる複数の導線を前記半導体層に形成し、前記絶縁層の表面に積層され前記コンタクトホールを通じて前記導線に接する下部電極層と前記下部電極層の表面に積層された圧電層と前記圧電層の表面に積層された上部電極層とを含み前記可撓部上に位置する圧電素子を形成し、前記コンタクトホールを通じて前記上部電極層と前記導線とを接続する導線層を形成する、ことを含む。
本発明によると、絶縁層を介して半導体層と圧電層とを隔てるため、半導体層の不純物拡散領域からなる複数の導線を圧電素子の真下に配置することができる。したがって本発明によると、圧電素子を配置できる領域が拡大される。
【００１２】
尚、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。また、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
１．第一実施形態
（構成）
本発明のＭＥＭＳセンサの第一実施形態である振動ジャイロスコープを図１および図２に示す。図１Ａ、図１Ｂは振動ジャイロスコープ１のセンサダイ１Ａを示す断面図であってそれぞれ図１Ｃに示すＡＡ線、ＢＢ線の断面図である。図１Ｃはセンサダイ１Ａの上面図である。図２は振動ジャイロスコープ１を示す断面図である。図１Ａ、図１Ｂおよび図２において、センサダイ１Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ１Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。
【００１４】
振動ジャイロスコープ１は互いに直交する３軸の角速度成分を検出するためのＭＥＭＳセンサである。振動ジャイロスコープ１は、図２に示すパッケージ１Ｂと、パッケージ１Ｂに収容されたセンサダイ１Ａとを備える。
【００１５】
センサダイ１Ａは、図１Ａに示すように、ベース層１１と、ベース層１１に接するエッチングストッパ層１２と、エッチングストッパ層１２に接する半導体層１３と、半導体層１３に接する第一絶縁層２０と、第一絶縁層２０に接する電極層３１と、電極層３１に接する圧電層３２と、圧電層３２に接する電極層３３と、電極層３１、３３、圧電層３２および第一絶縁層２０に接する第二絶縁層４０と、第二絶縁層４０に接する表面導線層５０とからなる積層構造体である。ベース層１１と半導体層１３はいずれも単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる。ベース層１１はガラス等のバルク材料で構成しても良い。ベース層１１の厚さは６２５μｍである。半導体層１３の厚さは１０μｍである。エッチングストッパ層１２および第一絶縁層２０はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる。エッチングストッパ層１２の厚さは１μｍである。第一絶縁層２０の厚さは０．５μｍである。電極層３１、３３は、白金（Ｐｔ）からなる。電極層３１、３３はイリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、金（Ａｕ）等の導電性材料から構成しても良い。電極層３１、３３の厚さは０．１μｍである。圧電層３２はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。圧電層３２の厚さは３μｍである。第二絶縁層４０は感光性ポリイミドからなる。第二絶縁層４０はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜（ＳｉｘＮｙ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の無機絶縁材料から構成してもよい。第二絶縁層４０の厚さは５μｍである。表面導線層５０はアルミニウム（Ａｌ）からなる。表面導線層５０は、アルミシリコン（ＡｌＳｉ）、ＡｌＳｉＣｕ等の導電性材料から構成しても良い。表面導線層５０の厚さは０．５μｍである。
【００１６】
振動ジャイロスコープ１のセンサダイ１Ａは、枠形の支持部Ｓと、支持部Ｓの内側に十文字形に配置された４つの梁Ｆと、４つの梁Ｆのそれぞれの自由端に結合している錘部Ｍと、４つの梁Ｆの上にそれぞれに設けられ４つの梁Ｆを撓ませることによって錘部Ｍを振動させる駆動用圧電素子３０ａと、４つの梁Ｆの上にそれぞれに設けられ４つの梁Ｆの歪みを検出する検出用圧電素子３０ｂとを備える。
【００１７】
支持部Ｓは図１Ｃに示すように矩形枠の形態を有する。支持部Ｓはベース層１１、エッチングストッパ層１２、半導体層１３および第一絶縁層２０を含む。支持部Ｓはバルク材料からなる厚いベース層１１を含み、ベース層１１を介してパッケージ１Ｂに固定されるため、振動ジャイロスコープ１に固定された座標系において不動の実質的な剛体として振る舞う。支持部Ｓの底面はパッケージ１Ｂの底面に接着層９２を介して接合される。
【００１８】
可撓部としての４つの梁Ｆのそれぞれは片持ち梁の形態を有する。梁Ｆは半導体層１３と第一絶縁層２０とを含む。梁Ｆはバルク材料からなる厚いベース層１１を含まないため、可撓性を有する膜として振る舞う。４つの梁Ｆのそれぞれの一端は支持部Ｓの内側の４辺に結合している。支持部Ｓは不動の剛体として振る舞うため、振動ジャイロスコープ１に固定された座標系において梁Ｆの一端は固定端となる。４つの梁Ｆは支持部Ｓの内側の４辺から支持部Ｓの内側の空間の中央に向かって突出している。４つの梁Ｆのそれぞれの突端は錘部Ｍに結合している。錘部Ｍは梁Ｆにのみ結合し、図２に示すようにパッケージ１Ｂの底面９０ａから浮いているため、梁Ｆの突端は振動ジャイロスコープ１に固定された座標系において自由端として振る舞う。４つの梁Ｆは錘部Ｍの運動にともなってそれぞれ変形する。
【００１９】
錘部Ｍの底面は、１つの矩形とその４つの角に結合した４つの矩形とが組み合わさったパターン（梁Ｆの厚さ方向から見た形状）を有する。錘部Ｍはベース層１１、エッチングストッパ層１２、半導体層１３および第一絶縁層２０を含む。錘部Ｍはバルク材料からなる厚いベース層１１を含むため実質的に剛体として振る舞う。錘部Ｍは梁Ｆにのみ結合し、図２に示すようにパッケージ１Ｂの底面９０ａから浮いているため、振動ジャイロスコープ１に固定された座標系において運動する。
【００２０】
駆動用圧電素子３０ａおよび検出用圧電素子３０ｂはいずれも電極層３１、３３と圧電層３２とからなる。駆動用圧電素子３０ａおよび検出用圧電素子３０ｂの下部電極を構成する電極層３１は第一絶縁層２０に形成されたコンタクトホール２０ｈを介して内部導線１３１に接続している。駆動用圧電素子３０ａおよび検出用圧電素子３０ｂの上部電極を構成する電極層３３は第二絶縁層４０に形成されたコンタクトホール４０ｈを介して表面導線層５０に接続している。駆動用圧電素子３０ａおよび検出用圧電素子３０ｂは梁Ｆの幅（自由端と固定端とを結ぶ辺に垂直な長さ）のほぼ全体に対して割り付けられている。
【００２１】
駆動用圧電素子３０ａは梁Ｆと支持部Ｓとの境界をまたいで形成されている。駆動用圧電素子３０ａは錘部Ｍを振動させるための駆動手段である。駆動用圧電素子３０ａには錘部Ｍを振動（周回運動）させる正弦波信号が印加される。
【００２２】
検出用圧電素子３０ｂは梁Ｆと錘部Ｍとの境界をまたいで形成されている。検出用圧電素子３０ｂは錘部Ｍの運動に伴う梁Ｆの変形を検出するための検出手段である。実質的に剛体として振る舞う錘部Ｍと可撓性を有する梁Ｆとの境界には、梁Ｆの変形に伴う応力と歪みが集中する。このため、検出用圧電素子３０ｂを錘部Ｍと梁Ｆとの境界をまたいで設けることにより、効率よく梁Ｆの変形にともなう歪みを検出することができる。検出用圧電素子３０ｂからは同期検波などによって３軸の角速度成分に対応する信号を得ることができる。
【００２３】
なお、駆動用圧電素子３０ａを錘部Ｍと４つの梁Ｆとのそれぞれの境界をまたいで設けてもよい。また検出用圧電素子３０ｂを支持部Ｓと４つの梁Ｆとのそれぞれの境界をまたいで設けてもよい。いずれにしても、梁Ｆとそれに結合している実質的な剛体との境界（振動端）近傍に駆動用圧電素子３０ａと検出用圧電素子３０ｂとを設けることが望ましい。
【００２４】
半導体層１３には互いに分離している（絶縁されている）複数の内部導線１３１が形成されている。内部導線１３１は半導体層１３に形成された不純物拡散領域からなる。互いに分離している複数の不純物拡散領域において半導体層１３は導体としての性質を持つ。不純物拡散領域の外部において半導体層１３は絶縁体としての性質を持つ。第一絶縁層２０を介して半導体層１３と電極層３１とが隔てられている（絶縁されている）ため、互いに分離し絶縁された複数の内部導線１３１を半導体層１３に形成することができる。内部導線１３１の一部は圧電素子３０ａ、３０ｂの上部電極としての電極層３１の導線として用いられる。内部導線１３１の残部は圧電素子３０ａ、３０ｂの上部電極としての電極層３３の導線として用いられる。内部導線１３１を半導体層１３に形成することにより、圧電素子３０ａ、３０ｂの真下に配線することが可能になる。すなわち内部導線１３１を半導体層１３に形成することにより、梁Ｆの幅方向においては、駆動用圧電素子３０ａおよび検出用圧電素子３０ｂ以外の要素を梁Ｆの表面に割り付ける必要がなくなる。したがって、フォトリソグラフィのアライメント精度を見込んだマージンを０とするならば、梁Ｆの幅全体に対して駆動用圧電素子３０ａおよび検出用圧電素子３０ｂを割り付けることも可能である。
【００２５】
内部導線１３１が形成されている半導体層１３と圧電素子３０ａ、３０ｂとの間には第一絶縁層２０が形成されているため、第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈを介して圧電素子３０ａ、３０ｂの電極を互いに絶縁された別系統の内部導線１３１に接続することが可能である。
【００２６】
第一絶縁層２０の複数のコンタクトホール２０ｈの一部は圧電素子３０ａ、３０ｂの下部電極としての電極層３１の真下に形成されている。電極層３１の真下に形成された第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈを介して電極層３１は内部導線１３１に直接接続されている。
【００２７】
第一絶縁層２０の複数のコンタクトホール２０ｈの他の一部は圧電素子３０ａ、３０ｂの近傍にあって圧電素子３０ａ、３０ｂよりも梁Ｆの固定端側に位置する。圧電素子３０ａ、３０ｂの近傍にあるコンタクトホール２０ｈから端部が露出している内部導線１３１は接続手段としての表面導線５０ｂを介して圧電素子３０ａ、３０ｂの上部電極としての電極層３３と接続されている。
【００２８】
表面導線層５０からなる表面導線５０ｂと圧電素子３０ａ、３０ｂの間には第二絶縁層４０が差し挟まれている。すなわち第二絶縁層４０は圧電素子３０ａ、３０ｂの電極層３１と表面導線５０ｂとを絶縁する層間絶縁膜として用いられている。表面導線５０ｂの一端は第二絶縁層４０に形成されたコンタクトホール４０ｈを介して電極層３３に直接接続されている。表面導線５０ｂの他端は第二絶縁層４０のコンタクトホール４０ｈおよび第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈを介して内部導線１３１に直接接続されている。
【００２９】
センサダイ１Ａの外周近傍において表面導線層５０は複数のボンディングパッド５０ａを形成している。それぞれのボンディングパッド５０ａは互いに絶縁された別系統の内部導線１３１に第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈを介して直接接続されている。すなわち、複数の圧電素子３０ａ、３０ｂの各電極は、表面導線５０ｂおよび内部導線１３１を介してそれぞれ異なるボンディングパッド５０ａに接続されている。そして上述したように、圧電素子３０ａ、３０ｂの各電極とボンディングパッド５０ａとを接続する内部導線１３１を圧電素子３０ａ、３０ｂの真下に配置することができるため、圧電素子３０ａ、３０ｂを梁Ｆに対して最大限大きく設計することができるのである。また圧電素子３０ａ、３０ｂの導線を圧電素子３０ａ、３０ｂの直下にある梁Ｆの内部に配置することにより、圧電素子３０ａ、３０ｂの上に表面導線５０ｂを配置するために第二絶縁層４０を広い領域に形成する必要がなくなる。すなわち、第二絶縁層４０を形成する領域を最小限にすることによって、第二絶縁層４０の熱応力による梁Ｆの反りを抑制できる。
【００３０】
図２に示すパッケージ１Ｂは、無蓋箱型のパッケージベース９０とパッケージベース９０の内部空間を閉塞するカバー９４とを備える。パッケージベース９０とカバー９４とは接着層９３を介して接合されている。パッケージベース９０には複数の貫通電極９１が設けられている。ワイヤ９５は一端がセンサダイ１Ａのボンディングパッド５０ａに接合され他端がパッケージ１Ｂの貫通電極９１に接合される。センサダイ１Ａの支持部Ｓの底面はパッケージベース９０の内側の底面９０ａに接着層９２によって接着されている。底面９０ａに形成する凹部の深さや接着層９２の厚さによってセンサダイ１Ａの錘部Ｍとパッケージベース９０の内側の底面９０ａとの間の空隙の高さが設定されている。なお、パッケージ１Ｂの内部にセンサダイ１Ａと接続されるＬＳＩダイを収容してもよい。
【００３１】
（製造方法）
以下、図３から図１１に基づいて振動ジャイロスコープ１の製造方法の一例を説明する。図３から図１１の断面図は図６Ｃ、図７、図１０Ｂおよび図１１Ｂを除いて全て図１Ｃに示すＡＡ線に対応する断面図である。図６Ｃ、図７、図１０Ｂおよび図１１Ｂは図１Ｃに示すＢＢ線に対応する断面図である。
【００３２】
はじめに図３に示すように、ベース層１１、エッチングストッパ層１２および半導体層１３となるＳＯＩウエハ１０を用意する。ＳＯＩウエハ１０のベース層１１は厚さ６２５μｍの単結晶シリコンからなる。ＳＯＩウエハ１０のエッチングストッパ層１２は厚さ１μｍの二酸化シリコンからなる。ＳＯＩウエハ１０の半導体層１３は厚さ１０μｍの単結晶シリコンからなる。なお、ベース層１１となる単結晶シリコンウエハの表面に、熱酸化、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等によって酸化シリコンからなるエッチングストッパ層１２を形成し、エッチングストッパ層１２の表面にＣＶＤ等によって多結晶シリコンからなる半導体層１３を形成してもよい。次に半導体層１３の表面に第一絶縁層２０を形成する。第一絶縁層２０として、例えば熱酸化またはＣＶＤにより厚さ０．５μｍの二酸化シリコンの膜を形成する。そして、フォトレジストからなる保護膜Ｒ１を用いてＳＯＩウエハ１０の半導体層１３に不純物を導入することにより内部導線１３１を形成する。不純物として、例えば２×１０２０／ｃｍ３の濃度でボロン（Ｂ）イオンを２５ｋｅＶの加速電圧によって第一絶縁層２０を貫通させて半導体層１３の表層に注入する。内部導線１３１は例えば半導体層１３と第一絶縁層２０との界面から１μｍの深さの範囲に形成する。イオン注入後はアニールによる活性化が行われる。なお、半導体層１３への不純物導入後に第一絶縁層２０を形成しても良い。図３Ｂは内部導線１３１のパターンを示す平面図である。
【００３３】
次に図４に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ２を用いて第一絶縁層２０に複数のコンタクトホール２０ｈを形成し、内部導線１３１の端部を第一絶縁層２０から露出させる。コンタクトホール２０ｈは、例えばＣＦ４＋Ｈ２またはＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングによって第一絶縁層２０を異方的にエッチングすることによって形成する。フッ酸（ＨＦ）または緩衝フッ酸（ＢＨＦ）を用いたウエットエッチングによってコンタクトホール２０ｈを形成してもよい。
【００３４】
次に図５に示すように、第一絶縁層２０の表面全体に下部電極層としての電極層３１を積層し、電極層３１の表面全体に圧電層３２を積層し、圧電層３２の表面全体に上部電極層としての電極層３３を積層する。このとき電極層３１と内部導線１３１とが接続される。電極層３１、３３としては、スパッタリング等によって白金からなる膜を形成する。白金酸化シリコンの密着層として厚さ３０ｎｍのチタン（Ｔｉ）を成膜してもよい。また電極層３１の材料には酸化イリジウム（ＩｒＯ２）を用いても良い。電極層３３の材料にはイリジウム、酸化イリジウム、金（Ａｕ）などを用いても良い。圧電層３２としては、ゾルゲル法、水熱合成法等によってＰＺＴからなる膜を形成する。白金とＰＺＴの密着層として厚さ３０ｎｍのチタンを成膜しても良い。
【００３５】
次に図６に示すように、電極層３１、３３と圧電層３２とをフォトレジストからなる保護膜Ｒ３を用いてエッチングすることにより、電極層３１、３３と圧電層３２とからなる圧電素子３０ａ、３０ｂを形成する。このとき、すべての圧電素子３０ａ、３０ｂは内部導線１３１の真上に形成される。またこのとき上部電極となる電極層３３と内部導線１３１とを接続するためのコンタクトホール２０ｈを露出させる。具体的には、白金からなる電極層３１、３３はアルゴン（Ａｒ）イオンを用いたイオンミリングによってパターニングする。ＰＺＴからなる圧電層３２は塩素（Ｃｌ２）をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングによってパターニングする。電極層３３と内部導線１３１とを接続するためのコンタクトホール２０ｈを埋めていた電極層３１をイオンミリングによって完全に除去するとき、半導体層１３の表層を僅かにオーバーエッチングする必要がある。オーバーエッチングされる半導体層１３の深さｈｅは内部導線１３１の深さｈ１３１（１μｍ）より十分浅い例えば１００ｎｍとする。
【００３６】
次に図７に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ４を用いて第一絶縁層２０と半導体層１３とを所定形状にパターニングする。その結果、４つの梁Ｆのパターンが形成される。第一絶縁層２０はＣＨＦ３ガスまたはＣＦ４＋Ｈ２ガスを用いた反応性イオンエッチングによってパターニングする。半導体層１３はＣＦ４＋Ｏ２ガスを用いた反応性イオンエッチングによってパターニングする。フッ酸や緩衝フッ酸を用いたウエットエッチングによって梁Ｆのパターンを形成してもよい。
【００３７】
次に図８に示すように圧電素子３０ａ、３０ｂおよび第一絶縁層２０の表面にコンタクトホール４０ｈを有する所定パターンの第二絶縁層４０を形成する。例えば厚さ５μｍの感光性ポリイミドを圧電素子３０ａ、３０ｂおよび第一絶縁層２０の表面全体に塗布し、露光・現像によって所定形状にパターニングすることによってコンタクトホール４０ｈを有する第二絶縁層４０を形成する。第二絶縁層４０のパターンは複数の層間絶縁膜となる複数の領域に分断される。第二絶縁層４０の互いに分離しているそれぞれの領域は上部電極としての電極層３３と圧電素子３０ａ、３０ｂの外側に位置するコンタクトホール２０ｈとをそれぞれ露出させる２つのコンタクトホール４０ｈを有する。
【００３８】
次に図９に示すように第二絶縁層４０の表面に表面導線層５０を積層し表面導線層５０をエッチングすることによって、上部電極としての圧電層３２と内部導線１３１とを接続する表面導線５０ｂとボンディングパッド５０ａとを形成する。表面導線層５０として、例えばスパッタリングによって０．５μｍの厚さのアルミニウム（Ａｌ）の膜を形成する。表面導線層５０としてアルミシリコン（ＡｌＳｉ）の膜を形成してもよい。表面導線層５０のパターンは、例えば塩素（Ｃｌ２）ガスを用いた反応性イオンエッチングにより形成する。アルミニウムの密着層として厚さ３０ｎｍのチタン膜を形成しても良い。表面導線層５０は、例えばＣｌ２ガスを用いた反応性イオンエッチングの代わりに、イオンミリング法、燐酸、硝酸、酢酸の混合液を用いたウエットエッチングによってパターニングしてもよい。
【００３９】
次に上述の工程によって形成された積層構造体Ｗの圧電素子３０ａ、３０ｂが形成されている面を図１０に示すように犠牲基板９９に接着する。接着層９８として、例えばワックス、フォトレジスト、両面粘着シート等を用いる。
【００４０】
次にフォトレジストからなる保護膜Ｒ５を用いてベース層１１をエッチングすることによってベース層１１を所定形状にパターニングする。具体的には例えば、ＳＦ６プラズマガスを用いたパッシベーションとＣ４Ｆ８プラズマガスを用いたエッチングのステップを短い時間間隔で交互に繰り返すＤｅｅｐ−ＲＩＥ（いわゆるボッシュプロセス）によってベース層１１を異方的にエッチングする。なお、ベース層１１のパターニングを最初に実施しても良いし、半導体層１３の表面側を処理する工程の間に実施しても良い。
【００４１】
次に、図１１に示すようにエッチングストッパ層１２の露出部分をエッチングにより除去する。その結果、梁Ｆと錘部Ｍとがリリースされる。具体的には緩衝フッ酸を用いたウエットエッチングによってエッチングストッパ層１２の露出部分を除去する。その後、ダイシング、パッケージングなどの後工程を実施することによって、図２に示す振動ジャイロスコープ１が完成する。
【００４２】
以上説明した振動ジャイロスコープ１の製造方法によると、圧電素子３０ａ、３０ｂの真下に内部導線１３１を配置することができるため、圧電素子３０ａ、３０ｂを梁Ｆに対して最大限広く配置することができる。
【００４３】
２．第二実施形態
（構成）
図１２は本発明の第二実施形態による振動ジャイロスコープのセンサダイ２Ａを示す断面図である。センサダイ２Ａは圧電素子３０ａ、３０ｂおよび表面導線５０ｂの構成が第一実施形態のセンサダイ１Ａと異なり、その他の点については第一実施形態と実質的に同一である。図１２Ａは図１Ｃに示すＡＡ線に対応する断面図である。図１２Ｂは図１Ｃに示すＢＢ線に対応する断面図である。図１２Ａ、図１２Ｂにおいて、センサダイ２Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ２Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。
【００４４】
図１２に示すように下部電極としての電極層３１のパターンよりも圧電層３２のパターンを広く設計し、電極層３１の周囲において圧電層３２が第一絶縁層２０に接するように構成しても良い。圧電層３２によって電極層３１を完全に覆うことによって、電極層３１と電極層３３とが直接ショートまたはリークすることを確実に防止できる。
【００４５】
（製造方法）
図１３、図１４はセンサダイ２Ａの製造方法を示す断面図であって、図１Ｃに示すＡＡ線断面に対応している。圧電素子３０ａ、３０ｂを形成するとき、電極層３１のパターンと電極層３３のパターンとを別々に形成するため、図１３、図１４に示すように２種類の保護膜Ｒ３１、Ｒ３２を用いる。
【００４６】
すなわち、電極層３１を第一絶縁層２０の表面全体に形成した後に、図１３に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ３１を用いたエッチングにより電極層３１を所定形状にパターニングする。このとき、第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈの内部に電極層３１が残存するように保護膜Ｒ３１を形成しても良い。
【００４７】
次に第一絶縁層２０と電極層３１の表面全体に圧電層３２と電極層３３を順に積層し、フォトレジストからなる保護膜Ｒ３２を用いたエッチングにより圧電層３２と電極層３３とを所定形状にパターニングする。このとき、圧電層３２が電極層３１を完全に覆うように圧電層３２のパターンを電極層３１のパターンよりも広く形成する。そして電極層３３のパターンを圧電層３２のパターンと一致させる。なお、電極層３３のパターンを電極層３１のパターンと一致させても良い。またこのときも、第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈの内部に電極層３１が残存するように保護膜Ｒ３２を形成しても良い。
その後、第一実施形態と同様に表面導線５０ｂ等を形成するとセンサダイ２Ａが完成する。
【００４８】
３．第三実施形態
図１５は本発明の第三実施形態による振動ジャイロスコープのセンサダイ３Ａを示す断面図である。センサダイ３Ａは圧電素子３０ａ、３０ｂおよび表面導線５０ｂの構成が第一実施形態のセンサダイ１Ａと異なり、その他の点については第一実施形態と実質的に同一である。図１５Ａは図１Ｃに示すＡＡ線に対応する断面図である。図１５Ｂは図１Ｃに示すＢＢ線に対応する断面図である。図１５Ａ、図１５Ｂにおいて、センサダイ３Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ３Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。
【００４９】
図１５に示すように下部電極としての電極層３１のパターンよりも上部電極としての電極層３３のパターンを狭く設計し、電極層３１または圧電層３２が電極層３３の周囲から露出するように構成しても良い。電極層３１のパターンよりも上部電極としての電極層３３のパターンを狭く設計すれば、電極層３１と電極層３３の間のショートを防止できる。さらに圧電層３２のパターンの内側に電極層３３のパターンを配置することが好ましい。この場合、パターニング工程を簡素化するため、電極層３１と圧電層３２のパターンを一致させることがさらに好ましい。
【００５０】
（製造方法）
図１６、図１７はセンサダイ３Ａの製造方法を示す断面図であって、図１Ｃに示すＢＢ線断面に対応している。圧電素子３０ａ、３０ｂを形成するとき、電極層３１のパターンと電極層３３のパターンとを別々に形成するため、図１６、図１７に示すように２種類の保護膜Ｒ３３、Ｒ３４を用いる。
【００５１】
すなわち、第一実施形態と同様に電極層３１、３３、圧電層３２を第一絶縁層２０の表面全体に形成した後に、図１６に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ３３を用いたエッチングにより電極層３３および圧電層３２を所定形状にパターニングする。このとき、圧電層３２のエッチングでは保護膜Ｒ３３に覆われていない領域においても圧電層３２が残存するようにエッチングの終点を設定しても良い。
【００５２】
次に図１７に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ３４を用いたエッチングにより電極層３１を所定形状にパターニングする。このとき、電極層３１が電極層３３の周囲にはみ出すように電極層３１のパターンを電極層３３のパターンよりも広く形成する。
なお、圧電層３２と電極層３１のパターンを一致させる場合には、保護膜Ｒ３３を用い
たパターニングでは電極層３３のみをエッチングし、保護膜Ｒ３４を用いたエッチングによって圧電層３２と電極層３１とをパターニングすればよい。
その後、第一実施形態と同様に表面導線５０ｂ等を形成するとセンサダイ３Ａが完成する。
【００５３】
４．第四実施形態
図１８は本発明の第三実施形態による振動ジャイロスコープのセンサダイ４Ａを示す断面図である。センサダイ４Ａは圧電素子３０ａ、３０ｂおよび表面導線５０ｂの構成が第一実施形態のセンサダイ１Ａと異なり、その他の点については第一実施形態と実質的に同一である。図１８Ａは図１Ｃに示すＡＡ線に対応する断面図である。図１８Ｂは図１Ｃに示すＢＢ線に対応する断面図である。図１８Ａおよび図１８Ｂにおいて、センサダイ４Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ４Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。
【００５４】
図１８Ａに示すように下部電極としての電極層３１のパターンよりも圧電層３２のパターンを広く設計し、圧電層３２の電極層３１との界面を構成する下面が電極層３３との界面を構成する上面よりも広くなるように圧電層３２の側面（上面と下面の間の端面）を傾斜面とし、電極層３１の周囲において圧電層３２が第一絶縁層２０に接するように構成しても良い。これにより、圧電層３２自体が表面導線５０ｂと下部電極としての電極層３１との層間絶縁膜として機能するため、第二絶縁層４０が無用になる。そして下部電極としての電極層３１を完全に覆う圧電層３２によって下部電極としての電極層３１と表面導線５０ｂの間のショートおよびリークを確実に防止できる。また、圧電層３２によって下部電極としての電極層３１を完全に覆うことによって、電極層３１と電極層３３とが直接ショートまたはリークすることを確実に防止できる。
【００５５】
なお、電極層３３および圧電層３２の側面を傾斜した凸曲面または傾斜した凹曲面またはその断面をＳ字に形成しても良い。また電極層３３を圧電層３２の側面上に引き延ばし、電極層３３と内部導線１３１とを直接接続したり、第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈ内の電極層３１と電極層３３とを直接接続することもできる。この場合、電極層３３自体が接続手段として機能する。またこの場合、ボンディングパッド５０ａを電極層３３によって構成することにより表面導電層５０を省略することができる。
【００５６】
（製造方法）
図１９から図２２はセンサダイ４Ａの製造方法を示す断面図であって、図１Ｃに示すＡＡ線断面に対応している。圧電素子３０ａ、３０ｂを形成するとき、電極層３１のパターンと電極層３３のパターンとを別々に形成するため、図１９、図２０に示すように２種類の保護膜Ｒ３５、Ｒ３６を用いる。
【００５７】
すなわち、第二実施形態と同様に電極層３１を第一絶縁層２０の表面全体に形成した後に、図１９に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ３５を用いたエッチングにより電極層３１を所定形状にパターニングする。このとき、第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈの内部に電極層３１が残存するように保護膜Ｒ３５を形成しても良い。
【００５８】
次に第一絶縁層２０と電極層３１の表面全体に圧電層３２と電極層３３を順に積層し、側面が傾斜面である保護膜Ｒ３６を電極層３３の表面に形成する。具体的には、ポジ型のフォトレジストを電極層３３の表面全体に塗布し、マスクを用いてフォトレジストを露光し現像する。その後、フォトレジストをホットプレートにて１３０℃で３分間ベークすると、側面が傾斜した保護膜Ｒ３６が形成される。このように側面が傾斜した保護膜Ｒ３６は、多階調マスク（ハーフトーンマスクまたはグレートーンマスク）を用いて形成することもできる。
【００５９】
次に側面が傾斜した保護膜Ｒ３６もろともに電極層３３および圧電層３２を異方的にエッチングする。具体的には例えば、アルゴンイオンを用いたミリング法によって電極層３３および圧電層３２を保護膜Ｒ３６もろともにエッチングする。このとき保護膜Ｒ３６に対する電極層３３および圧電層３２の選択比を１：１に設定すると、保護膜Ｒ３６の側面をそのまま電極層３３および圧電層３２の側面に転写することができる。保護膜Ｒ３６に対する電極層３３および圧電層３２の選択比が１：１でなければ、保護膜Ｒ３６の側面の傾斜角と異なる傾斜角を持つ電極層３３および圧電層３２の側面が形成される。
【００６０】
このように電極層３３および圧電層３２の側面を傾斜面に形成することによって、電極層３３および圧電層３２を下地として表面導線層５０を図２２に示すように形成する際に表面導線層５０の段差被覆性が向上する。第二実施形態における第二絶縁層４０は表面導電層５０の下地表面の段差を緩和する機能を発揮するが、本実施形態のように電極層３３および圧電層３２の側面が傾斜している場合には、表面導線層５０の段差被覆性を向上させるために第二絶縁層４０を形成する必要がない。
【００６１】
５．他の実施形態
本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上部電極としての電極層３３とボンディングパッド５０ａとを２本以上の内部配線１３１と２本以上の表面導線５０ｂとを介して接続しても良い。圧電素子３０ａ、３０ｂを配置する必要のない領域（例えば梁Ｆの中央部）において２本の内部配線１３１を接続する表面導線５０ｂを形成すると、内部配線１３１の経路長を短くでき、その結果、配線抵抗が低減される。また本発明は振動ジャイロスコープの他、加速度センサ、角速度および加速度を検出するモーションセンサ、マイクロフォン等の他のＭＥＭＳセンサに適用することもできる。また圧電素子を駆動手段として用いるＭＥＭＳアクチュエータに本発明を適用することもできる。また可撓部としてダイヤフラムを用いたＭＥＭＳに本発明を適用することもできる。
【００６２】
また例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。また例えば、上述した製造工程において、膜の組成、成膜方法、膜の輪郭形成方法、工程順序などは、膜材料の組み合わせや、膜厚や、要求される輪郭形状精度などに応じて適宜選択されるものであって、特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１Ｃは本発明の第一実施形態にかかる上面図。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図３】図３Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図３Ｂは本発明の第一実施形態にかかる平面図。
【図４】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図５】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図６】図６Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図６Ｂは図６Ａの部分拡大図。図６Ｃは本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図７】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図８】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図９】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１０】図１０Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１０Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１１】図１１Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１１Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１２】図１２Ａは本発明の第二実施形態にかかる断面図。図１２Ｂは本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１３】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１４】図１４Ａは本発明の第二実施形態にかかる断面図。図１４Ｂは図１４Ａの部分拡大図。
【図１５】図１５Ａは本発明の第三実施形態にかかる断面図。図１５Ｂは本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図１６】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図１７】図１７Ａは本発明の第三実施形態にかかる断面図。図１７Ｂは図１７Ａの部分拡大図。
【図１８】図１８Ａは本発明の第四実施形態にかかる断面図。図１８Ｂは本発明の第四実施形態にかかる断面図。
【図１９】本発明の第四実施形態にかかる断面図。
【図２０】本発明の第四実施形態にかかる断面図。
【図２１】本発明の第四実施形態にかかる断面図。
【図２２】図２２Ａは本発明の第四実施形態にかかる断面図。図２２Ｂは図２２Ａの部分拡大図。
【符号の説明】
【００６４】
１：振動ジャイロスコープ、１Ａ：センサダイ、１Ｂ：パッケージ、２Ａ：センサダイ、３Ａ：センサダイ、４Ａ：センサダイ、１０：ＳＯＩウエハ、１１：ベース層、１２：エッチングストッパ層、１３：半導体層、２０：第一絶縁層、２０ｈ：コンタクトホール、３０ａ：駆動用圧電素子、３０ｂ：検出用圧電素子、３１：電極層、３２：圧電層、３３：電極層、４０：第二絶縁層、４０ｈ：コンタクトホール、５０：表面導線層、５０ａ：ボンディングパッド、５０ｂ：表面導線、９０：パッケージベース、９０ａ：底面、９１：貫通電極、９２：接着層、９３：接着層、９４：カバー、９５：ワイヤ、９８：接着層、９９：犠牲基板、１３１：内部導線、Ｆ：梁、Ｍ：錘部、Ｒ１：保護膜、Ｒ２：保護膜、Ｒ３：保護膜、Ｒ３１：保護膜、Ｒ３２：保護膜、Ｒ３３：保護膜、Ｒ３４：保護膜、Ｒ３５：保護膜、Ｒ３６：保護膜、Ｒ４：保護膜、Ｒ５：保護膜、Ｓ：支持部、Ｗ：積層構造体
【技術分野】
【０００１】
本発明はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、振動ジャイロスコープおよびＭＥＭＳの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子を備えた加速度センサ、圧電アクチュエータ等のＭＥＭＳが知られている（例えば特許文献１、２参照）。特許文献１、２には、シリコン基板または圧電層の一部に不純物イオンを拡散させて配線要素を形成する方法が形成されている。
【特許文献１】特開平９−２１１０２０号公報
【特許文献２】特開２００６−２１７７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１に記載された方法によると、圧電素子の電極を構成している共通信号線とシリコン基板とが接しているため、シリコン基板の表層に不純物イオンを拡散させても、圧電素子の真下において互いに分離した複数の導線を構成することができない。また、特許文献２に記載された方法によると、圧電素子の電極から引き出される互いに分離した導線を圧電素子に接している弾性膜に形成することができない。
したがって、特許文献１、２に記載された方法によると、圧電素子から引き出される全ての導線のパターンと圧電素子のパターンとを重ねることができない。すなわち、特許文献１、２に記載された方法によると、圧電素子から引き出される導線を避けて圧電素子を配置しなければならないため、圧電素子を配置できる領域が縮小することになる。
【０００４】
本発明は圧電素子をＭＥＭＳに配置できる領域を拡大することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）上記目的を達成するためのＭＥＭＳは、複数のコンタクトホールが形成された絶縁層と前記絶縁層に接する半導体層とを含み可撓性を有する可撓部と、前記半導体層に形成された複数の不純物拡散領域からなり互いに分離している複数の導線と、前記絶縁層の表面に積層され前記コンタクトホールを通じて前記導線に接している下部電極層と前記下部電極層の表面に積層された圧電層と前記圧電層の表面に積層された上部電極層とを含み前記可撓部上に位置する圧電素子と、前記可撓部に形成された前記コンタクトホールを通じて前記上部電極層と前記導線とを接続する導電層からなる接続手段と、を備える。
【０００６】
本発明によると、絶縁層を介して半導体層と圧電層とが隔てられているため、半導体層の不純物拡散領域からなる複数の導線を圧電素子の真下に配置することができる。したがって本発明によると、圧電素子を配置できる領域が拡大され、アクチュエータの駆動力が向上し、センサ感度が向上する。なお、本明細書では、可撓部に対する圧電素子の配置位置を上として「上」と「下」の用語を用いる。
【０００７】
（２）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、前記圧電層のパターンは前記下部電極層のパターンより広く前記下部電極層の周囲において前記絶縁層に接していてもよい。
本発明によると、圧電素子の上部電極と下部電極との間のショートおよびリークを防止できる。
【０００８】
（３）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、前記圧電層は、前記下部電極層及び前記絶縁層に対する界面を構成する下面が前記上部電極層に対する界面を構成する上面より広く、前記下面と前記上面の間にある側面が傾斜面であって、前記接続手段は前記圧電層の前記側面に積層されていてもよい。
本発明によると、圧電層自体を層間絶縁膜として用いるため、構造を簡素化し製造コストを低減できる。なお、圧電層が傾斜面であるとき、圧電層の上面と側面がなす狭い方の角は鈍角であり圧電層の下面と側面がなす狭い方の角は鋭角である。
【０００９】
（４）上記目的を達成するためのＭＥＭＳにおいて、前記上部電極層のパターンは前記下部電極層のパターンより狭く、前記下部電極層又は前記圧電層は前記上部電極層の周囲から露出していてもよい。
本発明によると、圧電素子の上部電極と下部電極との間のショートを防止できる。
【００１０】
（５）上記目的を達成するためのＭＥＭＳを、錘部と、支持部と、をさらに備える振動ジャイロスコープとして構成し、前記可撓部は、自由端が前記錘部に結合し固定端が前記支持部に結合している梁を構成し、前記圧電素子は、前記可撓部を歪ませることによって前記錘部を駆動する駆動用圧電素子と、前記錘部の運動に伴う前記可撓部の歪みを検出する検出用圧電素子とを構成してもよい。
本発明によると、可撓部の剛性を低くして感度を高めるために可撓部をパターンの狭い梁として構成するとともに、パターンが狭い可撓部に対して圧電素子を最大限配置できるため、感度が高い振動ジャイロスコープを実現することができる。
【００１１】
（６）上記目的を達成するためのＭＥＭＳの製造方法は、半導体層の表面に積層された絶縁層に複数のコンタクトホールを形成し、前記絶縁層と前記半導体層とを含み可撓性を有する可撓部を形成し、複数の前記コンタクトホールから露出する複数の不純物拡散領域からなる複数の導線を前記半導体層に形成し、前記絶縁層の表面に積層され前記コンタクトホールを通じて前記導線に接する下部電極層と前記下部電極層の表面に積層された圧電層と前記圧電層の表面に積層された上部電極層とを含み前記可撓部上に位置する圧電素子を形成し、前記コンタクトホールを通じて前記上部電極層と前記導線とを接続する導線層を形成する、ことを含む。
本発明によると、絶縁層を介して半導体層と圧電層とを隔てるため、半導体層の不純物拡散領域からなる複数の導線を圧電素子の真下に配置することができる。したがって本発明によると、圧電素子を配置できる領域が拡大される。
【００１２】
尚、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。また、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。
１．第一実施形態
（構成）
本発明のＭＥＭＳセンサの第一実施形態である振動ジャイロスコープを図１および図２に示す。図１Ａ、図１Ｂは振動ジャイロスコープ１のセンサダイ１Ａを示す断面図であってそれぞれ図１Ｃに示すＡＡ線、ＢＢ線の断面図である。図１Ｃはセンサダイ１Ａの上面図である。図２は振動ジャイロスコープ１を示す断面図である。図１Ａ、図１Ｂおよび図２において、センサダイ１Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ１Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。
【００１４】
振動ジャイロスコープ１は互いに直交する３軸の角速度成分を検出するためのＭＥＭＳセンサである。振動ジャイロスコープ１は、図２に示すパッケージ１Ｂと、パッケージ１Ｂに収容されたセンサダイ１Ａとを備える。
【００１５】
センサダイ１Ａは、図１Ａに示すように、ベース層１１と、ベース層１１に接するエッチングストッパ層１２と、エッチングストッパ層１２に接する半導体層１３と、半導体層１３に接する第一絶縁層２０と、第一絶縁層２０に接する電極層３１と、電極層３１に接する圧電層３２と、圧電層３２に接する電極層３３と、電極層３１、３３、圧電層３２および第一絶縁層２０に接する第二絶縁層４０と、第二絶縁層４０に接する表面導線層５０とからなる積層構造体である。ベース層１１と半導体層１３はいずれも単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる。ベース層１１はガラス等のバルク材料で構成しても良い。ベース層１１の厚さは６２５μｍである。半導体層１３の厚さは１０μｍである。エッチングストッパ層１２および第一絶縁層２０はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる。エッチングストッパ層１２の厚さは１μｍである。第一絶縁層２０の厚さは０．５μｍである。電極層３１、３３は、白金（Ｐｔ）からなる。電極層３１、３３はイリジウム（Ｉｒ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、金（Ａｕ）等の導電性材料から構成しても良い。電極層３１、３３の厚さは０．１μｍである。圧電層３２はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。圧電層３２の厚さは３μｍである。第二絶縁層４０は感光性ポリイミドからなる。第二絶縁層４０はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜（ＳｉｘＮｙ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の無機絶縁材料から構成してもよい。第二絶縁層４０の厚さは５μｍである。表面導線層５０はアルミニウム（Ａｌ）からなる。表面導線層５０は、アルミシリコン（ＡｌＳｉ）、ＡｌＳｉＣｕ等の導電性材料から構成しても良い。表面導線層５０の厚さは０．５μｍである。
【００１６】
振動ジャイロスコープ１のセンサダイ１Ａは、枠形の支持部Ｓと、支持部Ｓの内側に十文字形に配置された４つの梁Ｆと、４つの梁Ｆのそれぞれの自由端に結合している錘部Ｍと、４つの梁Ｆの上にそれぞれに設けられ４つの梁Ｆを撓ませることによって錘部Ｍを振動させる駆動用圧電素子３０ａと、４つの梁Ｆの上にそれぞれに設けられ４つの梁Ｆの歪みを検出する検出用圧電素子３０ｂとを備える。
【００１７】
支持部Ｓは図１Ｃに示すように矩形枠の形態を有する。支持部Ｓはベース層１１、エッチングストッパ層１２、半導体層１３および第一絶縁層２０を含む。支持部Ｓはバルク材料からなる厚いベース層１１を含み、ベース層１１を介してパッケージ１Ｂに固定されるため、振動ジャイロスコープ１に固定された座標系において不動の実質的な剛体として振る舞う。支持部Ｓの底面はパッケージ１Ｂの底面に接着層９２を介して接合される。
【００１８】
可撓部としての４つの梁Ｆのそれぞれは片持ち梁の形態を有する。梁Ｆは半導体層１３と第一絶縁層２０とを含む。梁Ｆはバルク材料からなる厚いベース層１１を含まないため、可撓性を有する膜として振る舞う。４つの梁Ｆのそれぞれの一端は支持部Ｓの内側の４辺に結合している。支持部Ｓは不動の剛体として振る舞うため、振動ジャイロスコープ１に固定された座標系において梁Ｆの一端は固定端となる。４つの梁Ｆは支持部Ｓの内側の４辺から支持部Ｓの内側の空間の中央に向かって突出している。４つの梁Ｆのそれぞれの突端は錘部Ｍに結合している。錘部Ｍは梁Ｆにのみ結合し、図２に示すようにパッケージ１Ｂの底面９０ａから浮いているため、梁Ｆの突端は振動ジャイロスコープ１に固定された座標系において自由端として振る舞う。４つの梁Ｆは錘部Ｍの運動にともなってそれぞれ変形する。
【００１９】
錘部Ｍの底面は、１つの矩形とその４つの角に結合した４つの矩形とが組み合わさったパターン（梁Ｆの厚さ方向から見た形状）を有する。錘部Ｍはベース層１１、エッチングストッパ層１２、半導体層１３および第一絶縁層２０を含む。錘部Ｍはバルク材料からなる厚いベース層１１を含むため実質的に剛体として振る舞う。錘部Ｍは梁Ｆにのみ結合し、図２に示すようにパッケージ１Ｂの底面９０ａから浮いているため、振動ジャイロスコープ１に固定された座標系において運動する。
【００２０】
駆動用圧電素子３０ａおよび検出用圧電素子３０ｂはいずれも電極層３１、３３と圧電層３２とからなる。駆動用圧電素子３０ａおよび検出用圧電素子３０ｂの下部電極を構成する電極層３１は第一絶縁層２０に形成されたコンタクトホール２０ｈを介して内部導線１３１に接続している。駆動用圧電素子３０ａおよび検出用圧電素子３０ｂの上部電極を構成する電極層３３は第二絶縁層４０に形成されたコンタクトホール４０ｈを介して表面導線層５０に接続している。駆動用圧電素子３０ａおよび検出用圧電素子３０ｂは梁Ｆの幅（自由端と固定端とを結ぶ辺に垂直な長さ）のほぼ全体に対して割り付けられている。
【００２１】
駆動用圧電素子３０ａは梁Ｆと支持部Ｓとの境界をまたいで形成されている。駆動用圧電素子３０ａは錘部Ｍを振動させるための駆動手段である。駆動用圧電素子３０ａには錘部Ｍを振動（周回運動）させる正弦波信号が印加される。
【００２２】
検出用圧電素子３０ｂは梁Ｆと錘部Ｍとの境界をまたいで形成されている。検出用圧電素子３０ｂは錘部Ｍの運動に伴う梁Ｆの変形を検出するための検出手段である。実質的に剛体として振る舞う錘部Ｍと可撓性を有する梁Ｆとの境界には、梁Ｆの変形に伴う応力と歪みが集中する。このため、検出用圧電素子３０ｂを錘部Ｍと梁Ｆとの境界をまたいで設けることにより、効率よく梁Ｆの変形にともなう歪みを検出することができる。検出用圧電素子３０ｂからは同期検波などによって３軸の角速度成分に対応する信号を得ることができる。
【００２３】
なお、駆動用圧電素子３０ａを錘部Ｍと４つの梁Ｆとのそれぞれの境界をまたいで設けてもよい。また検出用圧電素子３０ｂを支持部Ｓと４つの梁Ｆとのそれぞれの境界をまたいで設けてもよい。いずれにしても、梁Ｆとそれに結合している実質的な剛体との境界（振動端）近傍に駆動用圧電素子３０ａと検出用圧電素子３０ｂとを設けることが望ましい。
【００２４】
半導体層１３には互いに分離している（絶縁されている）複数の内部導線１３１が形成されている。内部導線１３１は半導体層１３に形成された不純物拡散領域からなる。互いに分離している複数の不純物拡散領域において半導体層１３は導体としての性質を持つ。不純物拡散領域の外部において半導体層１３は絶縁体としての性質を持つ。第一絶縁層２０を介して半導体層１３と電極層３１とが隔てられている（絶縁されている）ため、互いに分離し絶縁された複数の内部導線１３１を半導体層１３に形成することができる。内部導線１３１の一部は圧電素子３０ａ、３０ｂの上部電極としての電極層３１の導線として用いられる。内部導線１３１の残部は圧電素子３０ａ、３０ｂの上部電極としての電極層３３の導線として用いられる。内部導線１３１を半導体層１３に形成することにより、圧電素子３０ａ、３０ｂの真下に配線することが可能になる。すなわち内部導線１３１を半導体層１３に形成することにより、梁Ｆの幅方向においては、駆動用圧電素子３０ａおよび検出用圧電素子３０ｂ以外の要素を梁Ｆの表面に割り付ける必要がなくなる。したがって、フォトリソグラフィのアライメント精度を見込んだマージンを０とするならば、梁Ｆの幅全体に対して駆動用圧電素子３０ａおよび検出用圧電素子３０ｂを割り付けることも可能である。
【００２５】
内部導線１３１が形成されている半導体層１３と圧電素子３０ａ、３０ｂとの間には第一絶縁層２０が形成されているため、第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈを介して圧電素子３０ａ、３０ｂの電極を互いに絶縁された別系統の内部導線１３１に接続することが可能である。
【００２６】
第一絶縁層２０の複数のコンタクトホール２０ｈの一部は圧電素子３０ａ、３０ｂの下部電極としての電極層３１の真下に形成されている。電極層３１の真下に形成された第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈを介して電極層３１は内部導線１３１に直接接続されている。
【００２７】
第一絶縁層２０の複数のコンタクトホール２０ｈの他の一部は圧電素子３０ａ、３０ｂの近傍にあって圧電素子３０ａ、３０ｂよりも梁Ｆの固定端側に位置する。圧電素子３０ａ、３０ｂの近傍にあるコンタクトホール２０ｈから端部が露出している内部導線１３１は接続手段としての表面導線５０ｂを介して圧電素子３０ａ、３０ｂの上部電極としての電極層３３と接続されている。
【００２８】
表面導線層５０からなる表面導線５０ｂと圧電素子３０ａ、３０ｂの間には第二絶縁層４０が差し挟まれている。すなわち第二絶縁層４０は圧電素子３０ａ、３０ｂの電極層３１と表面導線５０ｂとを絶縁する層間絶縁膜として用いられている。表面導線５０ｂの一端は第二絶縁層４０に形成されたコンタクトホール４０ｈを介して電極層３３に直接接続されている。表面導線５０ｂの他端は第二絶縁層４０のコンタクトホール４０ｈおよび第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈを介して内部導線１３１に直接接続されている。
【００２９】
センサダイ１Ａの外周近傍において表面導線層５０は複数のボンディングパッド５０ａを形成している。それぞれのボンディングパッド５０ａは互いに絶縁された別系統の内部導線１３１に第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈを介して直接接続されている。すなわち、複数の圧電素子３０ａ、３０ｂの各電極は、表面導線５０ｂおよび内部導線１３１を介してそれぞれ異なるボンディングパッド５０ａに接続されている。そして上述したように、圧電素子３０ａ、３０ｂの各電極とボンディングパッド５０ａとを接続する内部導線１３１を圧電素子３０ａ、３０ｂの真下に配置することができるため、圧電素子３０ａ、３０ｂを梁Ｆに対して最大限大きく設計することができるのである。また圧電素子３０ａ、３０ｂの導線を圧電素子３０ａ、３０ｂの直下にある梁Ｆの内部に配置することにより、圧電素子３０ａ、３０ｂの上に表面導線５０ｂを配置するために第二絶縁層４０を広い領域に形成する必要がなくなる。すなわち、第二絶縁層４０を形成する領域を最小限にすることによって、第二絶縁層４０の熱応力による梁Ｆの反りを抑制できる。
【００３０】
図２に示すパッケージ１Ｂは、無蓋箱型のパッケージベース９０とパッケージベース９０の内部空間を閉塞するカバー９４とを備える。パッケージベース９０とカバー９４とは接着層９３を介して接合されている。パッケージベース９０には複数の貫通電極９１が設けられている。ワイヤ９５は一端がセンサダイ１Ａのボンディングパッド５０ａに接合され他端がパッケージ１Ｂの貫通電極９１に接合される。センサダイ１Ａの支持部Ｓの底面はパッケージベース９０の内側の底面９０ａに接着層９２によって接着されている。底面９０ａに形成する凹部の深さや接着層９２の厚さによってセンサダイ１Ａの錘部Ｍとパッケージベース９０の内側の底面９０ａとの間の空隙の高さが設定されている。なお、パッケージ１Ｂの内部にセンサダイ１Ａと接続されるＬＳＩダイを収容してもよい。
【００３１】
（製造方法）
以下、図３から図１１に基づいて振動ジャイロスコープ１の製造方法の一例を説明する。図３から図１１の断面図は図６Ｃ、図７、図１０Ｂおよび図１１Ｂを除いて全て図１Ｃに示すＡＡ線に対応する断面図である。図６Ｃ、図７、図１０Ｂおよび図１１Ｂは図１Ｃに示すＢＢ線に対応する断面図である。
【００３２】
はじめに図３に示すように、ベース層１１、エッチングストッパ層１２および半導体層１３となるＳＯＩウエハ１０を用意する。ＳＯＩウエハ１０のベース層１１は厚さ６２５μｍの単結晶シリコンからなる。ＳＯＩウエハ１０のエッチングストッパ層１２は厚さ１μｍの二酸化シリコンからなる。ＳＯＩウエハ１０の半導体層１３は厚さ１０μｍの単結晶シリコンからなる。なお、ベース層１１となる単結晶シリコンウエハの表面に、熱酸化、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等によって酸化シリコンからなるエッチングストッパ層１２を形成し、エッチングストッパ層１２の表面にＣＶＤ等によって多結晶シリコンからなる半導体層１３を形成してもよい。次に半導体層１３の表面に第一絶縁層２０を形成する。第一絶縁層２０として、例えば熱酸化またはＣＶＤにより厚さ０．５μｍの二酸化シリコンの膜を形成する。そして、フォトレジストからなる保護膜Ｒ１を用いてＳＯＩウエハ１０の半導体層１３に不純物を導入することにより内部導線１３１を形成する。不純物として、例えば２×１０２０／ｃｍ３の濃度でボロン（Ｂ）イオンを２５ｋｅＶの加速電圧によって第一絶縁層２０を貫通させて半導体層１３の表層に注入する。内部導線１３１は例えば半導体層１３と第一絶縁層２０との界面から１μｍの深さの範囲に形成する。イオン注入後はアニールによる活性化が行われる。なお、半導体層１３への不純物導入後に第一絶縁層２０を形成しても良い。図３Ｂは内部導線１３１のパターンを示す平面図である。
【００３３】
次に図４に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ２を用いて第一絶縁層２０に複数のコンタクトホール２０ｈを形成し、内部導線１３１の端部を第一絶縁層２０から露出させる。コンタクトホール２０ｈは、例えばＣＦ４＋Ｈ２またはＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングによって第一絶縁層２０を異方的にエッチングすることによって形成する。フッ酸（ＨＦ）または緩衝フッ酸（ＢＨＦ）を用いたウエットエッチングによってコンタクトホール２０ｈを形成してもよい。
【００３４】
次に図５に示すように、第一絶縁層２０の表面全体に下部電極層としての電極層３１を積層し、電極層３１の表面全体に圧電層３２を積層し、圧電層３２の表面全体に上部電極層としての電極層３３を積層する。このとき電極層３１と内部導線１３１とが接続される。電極層３１、３３としては、スパッタリング等によって白金からなる膜を形成する。白金酸化シリコンの密着層として厚さ３０ｎｍのチタン（Ｔｉ）を成膜してもよい。また電極層３１の材料には酸化イリジウム（ＩｒＯ２）を用いても良い。電極層３３の材料にはイリジウム、酸化イリジウム、金（Ａｕ）などを用いても良い。圧電層３２としては、ゾルゲル法、水熱合成法等によってＰＺＴからなる膜を形成する。白金とＰＺＴの密着層として厚さ３０ｎｍのチタンを成膜しても良い。
【００３５】
次に図６に示すように、電極層３１、３３と圧電層３２とをフォトレジストからなる保護膜Ｒ３を用いてエッチングすることにより、電極層３１、３３と圧電層３２とからなる圧電素子３０ａ、３０ｂを形成する。このとき、すべての圧電素子３０ａ、３０ｂは内部導線１３１の真上に形成される。またこのとき上部電極となる電極層３３と内部導線１３１とを接続するためのコンタクトホール２０ｈを露出させる。具体的には、白金からなる電極層３１、３３はアルゴン（Ａｒ）イオンを用いたイオンミリングによってパターニングする。ＰＺＴからなる圧電層３２は塩素（Ｃｌ２）をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングによってパターニングする。電極層３３と内部導線１３１とを接続するためのコンタクトホール２０ｈを埋めていた電極層３１をイオンミリングによって完全に除去するとき、半導体層１３の表層を僅かにオーバーエッチングする必要がある。オーバーエッチングされる半導体層１３の深さｈｅは内部導線１３１の深さｈ１３１（１μｍ）より十分浅い例えば１００ｎｍとする。
【００３６】
次に図７に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ４を用いて第一絶縁層２０と半導体層１３とを所定形状にパターニングする。その結果、４つの梁Ｆのパターンが形成される。第一絶縁層２０はＣＨＦ３ガスまたはＣＦ４＋Ｈ２ガスを用いた反応性イオンエッチングによってパターニングする。半導体層１３はＣＦ４＋Ｏ２ガスを用いた反応性イオンエッチングによってパターニングする。フッ酸や緩衝フッ酸を用いたウエットエッチングによって梁Ｆのパターンを形成してもよい。
【００３７】
次に図８に示すように圧電素子３０ａ、３０ｂおよび第一絶縁層２０の表面にコンタクトホール４０ｈを有する所定パターンの第二絶縁層４０を形成する。例えば厚さ５μｍの感光性ポリイミドを圧電素子３０ａ、３０ｂおよび第一絶縁層２０の表面全体に塗布し、露光・現像によって所定形状にパターニングすることによってコンタクトホール４０ｈを有する第二絶縁層４０を形成する。第二絶縁層４０のパターンは複数の層間絶縁膜となる複数の領域に分断される。第二絶縁層４０の互いに分離しているそれぞれの領域は上部電極としての電極層３３と圧電素子３０ａ、３０ｂの外側に位置するコンタクトホール２０ｈとをそれぞれ露出させる２つのコンタクトホール４０ｈを有する。
【００３８】
次に図９に示すように第二絶縁層４０の表面に表面導線層５０を積層し表面導線層５０をエッチングすることによって、上部電極としての圧電層３２と内部導線１３１とを接続する表面導線５０ｂとボンディングパッド５０ａとを形成する。表面導線層５０として、例えばスパッタリングによって０．５μｍの厚さのアルミニウム（Ａｌ）の膜を形成する。表面導線層５０としてアルミシリコン（ＡｌＳｉ）の膜を形成してもよい。表面導線層５０のパターンは、例えば塩素（Ｃｌ２）ガスを用いた反応性イオンエッチングにより形成する。アルミニウムの密着層として厚さ３０ｎｍのチタン膜を形成しても良い。表面導線層５０は、例えばＣｌ２ガスを用いた反応性イオンエッチングの代わりに、イオンミリング法、燐酸、硝酸、酢酸の混合液を用いたウエットエッチングによってパターニングしてもよい。
【００３９】
次に上述の工程によって形成された積層構造体Ｗの圧電素子３０ａ、３０ｂが形成されている面を図１０に示すように犠牲基板９９に接着する。接着層９８として、例えばワックス、フォトレジスト、両面粘着シート等を用いる。
【００４０】
次にフォトレジストからなる保護膜Ｒ５を用いてベース層１１をエッチングすることによってベース層１１を所定形状にパターニングする。具体的には例えば、ＳＦ６プラズマガスを用いたパッシベーションとＣ４Ｆ８プラズマガスを用いたエッチングのステップを短い時間間隔で交互に繰り返すＤｅｅｐ−ＲＩＥ（いわゆるボッシュプロセス）によってベース層１１を異方的にエッチングする。なお、ベース層１１のパターニングを最初に実施しても良いし、半導体層１３の表面側を処理する工程の間に実施しても良い。
【００４１】
次に、図１１に示すようにエッチングストッパ層１２の露出部分をエッチングにより除去する。その結果、梁Ｆと錘部Ｍとがリリースされる。具体的には緩衝フッ酸を用いたウエットエッチングによってエッチングストッパ層１２の露出部分を除去する。その後、ダイシング、パッケージングなどの後工程を実施することによって、図２に示す振動ジャイロスコープ１が完成する。
【００４２】
以上説明した振動ジャイロスコープ１の製造方法によると、圧電素子３０ａ、３０ｂの真下に内部導線１３１を配置することができるため、圧電素子３０ａ、３０ｂを梁Ｆに対して最大限広く配置することができる。
【００４３】
２．第二実施形態
（構成）
図１２は本発明の第二実施形態による振動ジャイロスコープのセンサダイ２Ａを示す断面図である。センサダイ２Ａは圧電素子３０ａ、３０ｂおよび表面導線５０ｂの構成が第一実施形態のセンサダイ１Ａと異なり、その他の点については第一実施形態と実質的に同一である。図１２Ａは図１Ｃに示すＡＡ線に対応する断面図である。図１２Ｂは図１Ｃに示すＢＢ線に対応する断面図である。図１２Ａ、図１２Ｂにおいて、センサダイ２Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ２Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。
【００４４】
図１２に示すように下部電極としての電極層３１のパターンよりも圧電層３２のパターンを広く設計し、電極層３１の周囲において圧電層３２が第一絶縁層２０に接するように構成しても良い。圧電層３２によって電極層３１を完全に覆うことによって、電極層３１と電極層３３とが直接ショートまたはリークすることを確実に防止できる。
【００４５】
（製造方法）
図１３、図１４はセンサダイ２Ａの製造方法を示す断面図であって、図１Ｃに示すＡＡ線断面に対応している。圧電素子３０ａ、３０ｂを形成するとき、電極層３１のパターンと電極層３３のパターンとを別々に形成するため、図１３、図１４に示すように２種類の保護膜Ｒ３１、Ｒ３２を用いる。
【００４６】
すなわち、電極層３１を第一絶縁層２０の表面全体に形成した後に、図１３に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ３１を用いたエッチングにより電極層３１を所定形状にパターニングする。このとき、第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈの内部に電極層３１が残存するように保護膜Ｒ３１を形成しても良い。
【００４７】
次に第一絶縁層２０と電極層３１の表面全体に圧電層３２と電極層３３を順に積層し、フォトレジストからなる保護膜Ｒ３２を用いたエッチングにより圧電層３２と電極層３３とを所定形状にパターニングする。このとき、圧電層３２が電極層３１を完全に覆うように圧電層３２のパターンを電極層３１のパターンよりも広く形成する。そして電極層３３のパターンを圧電層３２のパターンと一致させる。なお、電極層３３のパターンを電極層３１のパターンと一致させても良い。またこのときも、第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈの内部に電極層３１が残存するように保護膜Ｒ３２を形成しても良い。
その後、第一実施形態と同様に表面導線５０ｂ等を形成するとセンサダイ２Ａが完成する。
【００４８】
３．第三実施形態
図１５は本発明の第三実施形態による振動ジャイロスコープのセンサダイ３Ａを示す断面図である。センサダイ３Ａは圧電素子３０ａ、３０ｂおよび表面導線５０ｂの構成が第一実施形態のセンサダイ１Ａと異なり、その他の点については第一実施形態と実質的に同一である。図１５Ａは図１Ｃに示すＡＡ線に対応する断面図である。図１５Ｂは図１Ｃに示すＢＢ線に対応する断面図である。図１５Ａ、図１５Ｂにおいて、センサダイ３Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ３Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。
【００４９】
図１５に示すように下部電極としての電極層３１のパターンよりも上部電極としての電極層３３のパターンを狭く設計し、電極層３１または圧電層３２が電極層３３の周囲から露出するように構成しても良い。電極層３１のパターンよりも上部電極としての電極層３３のパターンを狭く設計すれば、電極層３１と電極層３３の間のショートを防止できる。さらに圧電層３２のパターンの内側に電極層３３のパターンを配置することが好ましい。この場合、パターニング工程を簡素化するため、電極層３１と圧電層３２のパターンを一致させることがさらに好ましい。
【００５０】
（製造方法）
図１６、図１７はセンサダイ３Ａの製造方法を示す断面図であって、図１Ｃに示すＢＢ線断面に対応している。圧電素子３０ａ、３０ｂを形成するとき、電極層３１のパターンと電極層３３のパターンとを別々に形成するため、図１６、図１７に示すように２種類の保護膜Ｒ３３、Ｒ３４を用いる。
【００５１】
すなわち、第一実施形態と同様に電極層３１、３３、圧電層３２を第一絶縁層２０の表面全体に形成した後に、図１６に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ３３を用いたエッチングにより電極層３３および圧電層３２を所定形状にパターニングする。このとき、圧電層３２のエッチングでは保護膜Ｒ３３に覆われていない領域においても圧電層３２が残存するようにエッチングの終点を設定しても良い。
【００５２】
次に図１７に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ３４を用いたエッチングにより電極層３１を所定形状にパターニングする。このとき、電極層３１が電極層３３の周囲にはみ出すように電極層３１のパターンを電極層３３のパターンよりも広く形成する。
なお、圧電層３２と電極層３１のパターンを一致させる場合には、保護膜Ｒ３３を用い
たパターニングでは電極層３３のみをエッチングし、保護膜Ｒ３４を用いたエッチングによって圧電層３２と電極層３１とをパターニングすればよい。
その後、第一実施形態と同様に表面導線５０ｂ等を形成するとセンサダイ３Ａが完成する。
【００５３】
４．第四実施形態
図１８は本発明の第三実施形態による振動ジャイロスコープのセンサダイ４Ａを示す断面図である。センサダイ４Ａは圧電素子３０ａ、３０ｂおよび表面導線５０ｂの構成が第一実施形態のセンサダイ１Ａと異なり、その他の点については第一実施形態と実質的に同一である。図１８Ａは図１Ｃに示すＡＡ線に対応する断面図である。図１８Ｂは図１Ｃに示すＢＢ線に対応する断面図である。図１８Ａおよび図１８Ｂにおいて、センサダイ４Ａを構成する層の界面は破線で示し、センサダイ４Ａを構成する機械的構成要素の境界は実線で示している。
【００５４】
図１８Ａに示すように下部電極としての電極層３１のパターンよりも圧電層３２のパターンを広く設計し、圧電層３２の電極層３１との界面を構成する下面が電極層３３との界面を構成する上面よりも広くなるように圧電層３２の側面（上面と下面の間の端面）を傾斜面とし、電極層３１の周囲において圧電層３２が第一絶縁層２０に接するように構成しても良い。これにより、圧電層３２自体が表面導線５０ｂと下部電極としての電極層３１との層間絶縁膜として機能するため、第二絶縁層４０が無用になる。そして下部電極としての電極層３１を完全に覆う圧電層３２によって下部電極としての電極層３１と表面導線５０ｂの間のショートおよびリークを確実に防止できる。また、圧電層３２によって下部電極としての電極層３１を完全に覆うことによって、電極層３１と電極層３３とが直接ショートまたはリークすることを確実に防止できる。
【００５５】
なお、電極層３３および圧電層３２の側面を傾斜した凸曲面または傾斜した凹曲面またはその断面をＳ字に形成しても良い。また電極層３３を圧電層３２の側面上に引き延ばし、電極層３３と内部導線１３１とを直接接続したり、第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈ内の電極層３１と電極層３３とを直接接続することもできる。この場合、電極層３３自体が接続手段として機能する。またこの場合、ボンディングパッド５０ａを電極層３３によって構成することにより表面導電層５０を省略することができる。
【００５６】
（製造方法）
図１９から図２２はセンサダイ４Ａの製造方法を示す断面図であって、図１Ｃに示すＡＡ線断面に対応している。圧電素子３０ａ、３０ｂを形成するとき、電極層３１のパターンと電極層３３のパターンとを別々に形成するため、図１９、図２０に示すように２種類の保護膜Ｒ３５、Ｒ３６を用いる。
【００５７】
すなわち、第二実施形態と同様に電極層３１を第一絶縁層２０の表面全体に形成した後に、図１９に示すようにフォトレジストからなる保護膜Ｒ３５を用いたエッチングにより電極層３１を所定形状にパターニングする。このとき、第一絶縁層２０のコンタクトホール２０ｈの内部に電極層３１が残存するように保護膜Ｒ３５を形成しても良い。
【００５８】
次に第一絶縁層２０と電極層３１の表面全体に圧電層３２と電極層３３を順に積層し、側面が傾斜面である保護膜Ｒ３６を電極層３３の表面に形成する。具体的には、ポジ型のフォトレジストを電極層３３の表面全体に塗布し、マスクを用いてフォトレジストを露光し現像する。その後、フォトレジストをホットプレートにて１３０℃で３分間ベークすると、側面が傾斜した保護膜Ｒ３６が形成される。このように側面が傾斜した保護膜Ｒ３６は、多階調マスク（ハーフトーンマスクまたはグレートーンマスク）を用いて形成することもできる。
【００５９】
次に側面が傾斜した保護膜Ｒ３６もろともに電極層３３および圧電層３２を異方的にエッチングする。具体的には例えば、アルゴンイオンを用いたミリング法によって電極層３３および圧電層３２を保護膜Ｒ３６もろともにエッチングする。このとき保護膜Ｒ３６に対する電極層３３および圧電層３２の選択比を１：１に設定すると、保護膜Ｒ３６の側面をそのまま電極層３３および圧電層３２の側面に転写することができる。保護膜Ｒ３６に対する電極層３３および圧電層３２の選択比が１：１でなければ、保護膜Ｒ３６の側面の傾斜角と異なる傾斜角を持つ電極層３３および圧電層３２の側面が形成される。
【００６０】
このように電極層３３および圧電層３２の側面を傾斜面に形成することによって、電極層３３および圧電層３２を下地として表面導線層５０を図２２に示すように形成する際に表面導線層５０の段差被覆性が向上する。第二実施形態における第二絶縁層４０は表面導電層５０の下地表面の段差を緩和する機能を発揮するが、本実施形態のように電極層３３および圧電層３２の側面が傾斜している場合には、表面導線層５０の段差被覆性を向上させるために第二絶縁層４０を形成する必要がない。
【００６１】
５．他の実施形態
本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上部電極としての電極層３３とボンディングパッド５０ａとを２本以上の内部配線１３１と２本以上の表面導線５０ｂとを介して接続しても良い。圧電素子３０ａ、３０ｂを配置する必要のない領域（例えば梁Ｆの中央部）において２本の内部配線１３１を接続する表面導線５０ｂを形成すると、内部配線１３１の経路長を短くでき、その結果、配線抵抗が低減される。また本発明は振動ジャイロスコープの他、加速度センサ、角速度および加速度を検出するモーションセンサ、マイクロフォン等の他のＭＥＭＳセンサに適用することもできる。また圧電素子を駆動手段として用いるＭＥＭＳアクチュエータに本発明を適用することもできる。また可撓部としてダイヤフラムを用いたＭＥＭＳに本発明を適用することもできる。
【００６２】
また例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。また例えば、上述した製造工程において、膜の組成、成膜方法、膜の輪郭形成方法、工程順序などは、膜材料の組み合わせや、膜厚や、要求される輪郭形状精度などに応じて適宜選択されるものであって、特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１Ｃは本発明の第一実施形態にかかる上面図。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図３】図３Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図３Ｂは本発明の第一実施形態にかかる平面図。
【図４】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図５】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図６】図６Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図６Ｂは図６Ａの部分拡大図。図６Ｃは本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図７】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図８】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図９】本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１０】図１０Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１０Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１１】図１１Ａは本発明の第一実施形態にかかる断面図。図１１Ｂは本発明の第一実施形態にかかる断面図。
【図１２】図１２Ａは本発明の第二実施形態にかかる断面図。図１２Ｂは本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１３】本発明の第二実施形態にかかる断面図。
【図１４】図１４Ａは本発明の第二実施形態にかかる断面図。図１４Ｂは図１４Ａの部分拡大図。
【図１５】図１５Ａは本発明の第三実施形態にかかる断面図。図１５Ｂは本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図１６】本発明の第三実施形態にかかる断面図。
【図１７】図１７Ａは本発明の第三実施形態にかかる断面図。図１７Ｂは図１７Ａの部分拡大図。
【図１８】図１８Ａは本発明の第四実施形態にかかる断面図。図１８Ｂは本発明の第四実施形態にかかる断面図。
【図１９】本発明の第四実施形態にかかる断面図。
【図２０】本発明の第四実施形態にかかる断面図。
【図２１】本発明の第四実施形態にかかる断面図。
【図２２】図２２Ａは本発明の第四実施形態にかかる断面図。図２２Ｂは図２２Ａの部分拡大図。
【符号の説明】
【００６４】
１：振動ジャイロスコープ、１Ａ：センサダイ、１Ｂ：パッケージ、２Ａ：センサダイ、３Ａ：センサダイ、４Ａ：センサダイ、１０：ＳＯＩウエハ、１１：ベース層、１２：エッチングストッパ層、１３：半導体層、２０：第一絶縁層、２０ｈ：コンタクトホール、３０ａ：駆動用圧電素子、３０ｂ：検出用圧電素子、３１：電極層、３２：圧電層、３３：電極層、４０：第二絶縁層、４０ｈ：コンタクトホール、５０：表面導線層、５０ａ：ボンディングパッド、５０ｂ：表面導線、９０：パッケージベース、９０ａ：底面、９１：貫通電極、９２：接着層、９３：接着層、９４：カバー、９５：ワイヤ、９８：接着層、９９：犠牲基板、１３１：内部導線、Ｆ：梁、Ｍ：錘部、Ｒ１：保護膜、Ｒ２：保護膜、Ｒ３：保護膜、Ｒ３１：保護膜、Ｒ３２：保護膜、Ｒ３３：保護膜、Ｒ３４：保護膜、Ｒ３５：保護膜、Ｒ３６：保護膜、Ｒ４：保護膜、Ｒ５：保護膜、Ｓ：支持部、Ｗ：積層構造体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のコンタクトホールが形成された絶縁層と前記絶縁層に接する半導体層とを含み可撓性を有する可撓部と、
前記半導体層に形成された複数の不純物拡散領域からなり互いに分離している複数の導線と、
前記絶縁層の表面に積層され前記コンタクトホールを通じて前記導線に接している下部電極層と前記下部電極層の表面に積層された圧電層と前記圧電層の表面に積層された上部電極層とを含み前記可撓部上に位置する圧電素子と、
前記可撓部に形成された前記コンタクトホールを通じて前記上部電極層と前記導線とを接続する導電層からなる接続手段と、
を備えるＭＥＭＳ。
【請求項２】
前記圧電層のパターンは前記下部電極層のパターンより広く前記下部電極層の周囲において前記絶縁層に接している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ。
【請求項３】
前記圧電層は、前記下部電極層及び前記絶縁層に対する界面を構成する下面が前記上部電極層に対する界面を構成する上面より広く、前記下面と前記上面の間にある側面が傾斜面であって、
前記接続手段は前記圧電層の前記側面に積層されている、
請求項２に記載のＭＥＭＳ。
【請求項４】
前記上部電極層のパターンは前記下部電極層のパターンより狭く、
前記下部電極層又は前記圧電層は前記上部電極層の周囲から露出している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ。
【請求項５】
錘部と、
支持部と、
をさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳである振動ジャイロスコープであって、
前記可撓部は、自由端が前記錘部に結合し固定端が前記支持部に結合している梁を構成し、
前記圧電素子は、前記可撓部を歪ませることによって前記錘部を駆動する駆動用圧電素子と、前記錘部の運動に伴う前記可撓部の歪みを検出する検出用圧電素子とを構成する、
振動ジャイロスコープ。
【請求項６】
半導体層の表面に積層された絶縁層に複数のコンタクトホールを形成し、
前記絶縁層と前記半導体層とを含み可撓性を有する可撓部を形成し、
複数の前記コンタクトホールから露出する複数の不純物拡散領域からなる複数の導線を前記半導体層に形成し、
前記絶縁層の表面に積層され前記コンタクトホールを通じて前記導線に接する下部電極層と前記下部電極層の表面に積層された圧電層と前記圧電層の表面に積層された上部電極層とを含み前記可撓部上に位置する圧電素子を形成し、
前記コンタクトホールを通じて前記上部電極層と前記導線とを接続する導線層を形成する、
ことを含むＭＥＭＳの製造方法。
【請求項１】
複数のコンタクトホールが形成された絶縁層と前記絶縁層に接する半導体層とを含み可撓性を有する可撓部と、
前記半導体層に形成された複数の不純物拡散領域からなり互いに分離している複数の導線と、
前記絶縁層の表面に積層され前記コンタクトホールを通じて前記導線に接している下部電極層と前記下部電極層の表面に積層された圧電層と前記圧電層の表面に積層された上部電極層とを含み前記可撓部上に位置する圧電素子と、
前記可撓部に形成された前記コンタクトホールを通じて前記上部電極層と前記導線とを接続する導電層からなる接続手段と、
を備えるＭＥＭＳ。
【請求項２】
前記圧電層のパターンは前記下部電極層のパターンより広く前記下部電極層の周囲において前記絶縁層に接している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ。
【請求項３】
前記圧電層は、前記下部電極層及び前記絶縁層に対する界面を構成する下面が前記上部電極層に対する界面を構成する上面より広く、前記下面と前記上面の間にある側面が傾斜面であって、
前記接続手段は前記圧電層の前記側面に積層されている、
請求項２に記載のＭＥＭＳ。
【請求項４】
前記上部電極層のパターンは前記下部電極層のパターンより狭く、
前記下部電極層又は前記圧電層は前記上部電極層の周囲から露出している、
請求項１に記載のＭＥＭＳ。
【請求項５】
錘部と、
支持部と、
をさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳである振動ジャイロスコープであって、
前記可撓部は、自由端が前記錘部に結合し固定端が前記支持部に結合している梁を構成し、
前記圧電素子は、前記可撓部を歪ませることによって前記錘部を駆動する駆動用圧電素子と、前記錘部の運動に伴う前記可撓部の歪みを検出する検出用圧電素子とを構成する、
振動ジャイロスコープ。
【請求項６】
半導体層の表面に積層された絶縁層に複数のコンタクトホールを形成し、
前記絶縁層と前記半導体層とを含み可撓性を有する可撓部を形成し、
複数の前記コンタクトホールから露出する複数の不純物拡散領域からなる複数の導線を前記半導体層に形成し、
前記絶縁層の表面に積層され前記コンタクトホールを通じて前記導線に接する下部電極層と前記下部電極層の表面に積層された圧電層と前記圧電層の表面に積層された上部電極層とを含み前記可撓部上に位置する圧電素子を形成し、
前記コンタクトホールを通じて前記上部電極層と前記導線とを接続する導線層を形成する、
ことを含むＭＥＭＳの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１０−１４７２８５（Ｐ２０１０−１４７２８５Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２３６５０（Ｐ２００８−３２３６５０）
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]