日立、ＭＥＭＳと周辺回路を積層させた小型・低消費電力の圧力センサＬＳＩ試作に成功
ＣＭＯＳ回路の配線層にＭＥＭＳを積層した小型・低消費電力の圧力センサＬＳＩの試作に成功
ＬＳＩ面積を従来比で約１０分の１、消費電流を半分以下に低減
株式会社日立製作所 中央研究所（所長：福永 泰／以下、日立）は、このたび、高性能な微細ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：相補型金属酸化膜半導体）の製造プロセスを用いて、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ：電気的機械的に動作する微細素子）と周辺回路とを積層させた、面積約１ｍｍ２の圧力センサＬＳＩを試作し、消費電流０．６ｍＡでの基本動作の確認に成功しました。これは、ＣＭＯＳ回路の配線に使う材料を用いて、ＭＥＭＳを作製する技術を開発することにより、配線層へＭＥＭＳを積層することが可能になったものです。これにより、従来の、ＭＥＭＳと周辺回路を平面上に配置した圧力センサＬＳＩに比べ、面積約１０分の１、消費電流半分以下と、小型化、低消費電力化を実現しています。この技術を用いて、さまざまなＭＥＭＳセンサを高性能ＬＳＩと一体化させ、小型、低消費電力、高精度な１チップセンサを実現することができます。
なお、本研究の一部は、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）の助成事業「高集積・複合ＭＥＭＳ製造技術開発事業」の研究開発項目「微細ＭＥＭＳとＣＭＯＳ回路混載のためのＭＥＭＳ／半導体モノリシック集積化基盤技術」によって行われました。
ＭＥＭＳセンサは、半導体の微細加工技術を用いて機械的に動作可能な素子を作製し、これをセンサに利用するもので、小型センサとして、近年、圧力や加速度、角速度などのセンサに利用されはじめています。今後、携帯電話などの小型情報機器や自動車などの分野でＭＥＭＳセンサの利用拡大や、センサを搭載した小型端末をネットワークで結ぶセンサネットの本格普及に向け、ＭＥＭＳセンサの更なる小型化、低消費電力化が求められています。これに対応するため、ＭＥＭＳセンサとその周辺回路を１チップに集積させたＭＥＭＳセンサＬＳＩの開発が進められています。しかし、ＭＥＭＳは中空構造など機械的に動く構造を作製するために、従来は厚さが数マイクロメートルから数十マイクロメートルの加工や、１０００度程度の高温熱処理などが必要とされ、それよりも低温で製造される高性能な微細ＣＭＯＳ回路との集積化は困難でした。このため、これまでのＭＥＭＳセンサＬＳＩは、ＭＥＭＳの製造プロセスにあわせて加工寸法の大きなトランジスタで周辺回路を形成し、それらがＭＥＭＳと平面上に配置されていました。しかし、より小型化、低消費電力化を進めるためには、ＭＥＭＳセンサと高性能な微細ＣＭＯＳ回路との集積化が必要と考えられていました。
このような背景のもと、日立では、ＣＭＯＳ製造プロセスを用いたＭＥＭＳ製造技術の開発に取り組み、ＣＭＯＳ回路の配線層にＭＥＭＳを積層させた、１チップＭＥＭＳ圧力センサＬＳＩの試作に成功しました。
試作したＭＥＭＳ圧力センサＬＳＩの特徴は以下の通りです。
１．ＬＳＩの配線形成プロセスを利用してＭＥＭＳセンサを作製
ＣＭＯＳ回路の配線層中に、タングステン、珪化タングステンを用い、高さ３００ナノメートル、幅５０マイクロメートルの気密封止された空洞を４００度以下の一般的な配線形成プロセスで作製する技術を開発しました。この空洞の圧力による変形を静電容量の変化として検出することにより、圧力センサとして機能します。
２．ＣＭＯＳ回路上にＭＥＭＳセンサを積層
静電容量の変化を電圧に変換して出力するＣＭＯＳ回路の上部にＭＥＭＳセンサを積層することで、チップ面積の大幅な小型化を実現しました。また、センサとＣＭＯＳ回路が近接することで、容量や抵抗など、センサの性能に影響を及ぼす要因の低減も可能となりました。
今回試作したＭＥＭＳ圧力センサＬＳＩは、面積約１ｍｍ２、動作時の消費電流が０．６ｍＡ、０．５から１０気圧の圧力が、ばらつき０．５％以下で測定可能であり、従来の、ＭＥＭＳと周辺回路を平面上に配置した圧力センサＬＳＩに比べ、面積が約１０分の１、消費電流が半分以下となっています。さらに、半導体で標準的に用いられている信頼性試験を行なったところ、１０年使用相当での経時劣化は２％以下であり、実用に十分な性能と信頼性を有することを確認しました。
今回開発したＭＥＭＳ圧力センサチップは、ガスや空気などの気体、および水や油などの液体の圧力測定など各種圧力計のほか、感圧スイッチや接触センサなどへの応用も考えられます。また、今回のＭＥＭＳセンサ作製技術は、圧力センサ以外のセンサにも利用可能であり、様々なＭＥＭＳセンサを高性能ＬＳＩと一体化させ、小型、低消費電力、高精度な１チップセンサを実現することができます。
なお、本成果は、１月２１日から神戸で開催されるＭＥＭＳに関する国際会議「ＭＥＭＳ ２００７」で発表します。
以上