CN102066239A - 微电子机械系统器件 - Google Patents

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CN102066239A CN2009801229693A CN200980122969A CN102066239A CN 102066239 A CN102066239 A CN 102066239A CN 2009801229693 A CN2009801229693 A CN 2009801229693A CN 200980122969 A CN200980122969 A CN 200980122969A CN 102066239 A CN102066239 A CN 102066239A
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山冈徹
三由裕一
竹内祐介
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
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Abstract

本发明公开了一种微电子机械系统器件。该微电子机械系统器件包括硅基板(1)、振动膜(6)及固定膜(13)。该振动膜(6)隔着束缚部(12)设置在硅基板(1)上并具有下电极(7)。该固定膜(13)隔着支撑部(18)设置在硅基板(1)上，覆盖振动膜(6)并具有上电极(14)。振动膜(6)和固定膜(13)之间，具有由形成在彼此相向的区域的间隙形成的气隙层(17)。束缚部(12)将硅基板(1)和振动膜(6)部分地连接起来，振动膜(6)具有下电极(7)和具有压应力的绝缘膜(8)叠层形成的多层结构。绝缘膜(8)设置在比下电极(7)的周缘更靠向内侧。

Description

微电子机械系统器件
技术领域
本发明涉及一种具有由多层膜结构构成的振动膜的微电子机械系统器件。
背景技术
应用了半导体技术的MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微电子机械系统)器件被视为一种有望实现现有电子元件小型化和高功能化的产品。通过采用半导体技术，能够使决定传感器、换能器的器件特性的振动膜构成为：由多层薄膜形成的多层结构。专利文献1公开了下述技术，即：将构成传感器的多层结构振动膜的多层薄膜中具有最大断裂强度的薄膜用于振动膜的表面侧最外层及背面侧最外层中的至少之一，由此不增加振动膜的厚度，就可以提高振动膜的断裂强度。专利文献2公开了一种对决定换能器的多层结构振动膜特性的张力进行调整的方法。
专利文献1：日本公开特许公报特开2001-194201号公报
专利文献2：日本公开特许公表特表2002-518913号公报
—发明所要解决的技术问题—
近年来，MEMS传感器或者MEMS换能器主要用于移动设备之中，要求缩小其芯片尺寸的呼声日益高涨。为此，就需要缩小对特性产生影响的振动膜的面积，即缩小可动电极的面积。
在可听音域范围内声换能器(acoustic transducer)的灵敏度S的公式近似地由下记(式1)表示。
S＝α×Ca×Va×(1/S0)…(式1)
在(式1)中，α表示比例系数，Ca表示包括可动电极的气隙电容(与(可动电极面积Sdia/气隙长度d0)成正比)，Va表示气隙间电压，S0表示振动膜刚度(动作难度)。
由(式1)可知：若在气隙间电压Va、振动膜刚度S0一定的情况下缩小可动电极面积Sdia，则气隙电容Ca会下降，灵敏度S便会降低。增大气隙间电压Va或者降低振动膜刚度S0作为不让灵敏度S下降就可缩小可动电极面积Sdia的方法是很有效的。
在此，为了降低振动膜刚度S0，需要构成为：实现振动膜的低应力化，并缩小使振动膜在结构上与硅基板相连接的束缚部的面积(以下，称作部分束缚结构)。
在要用于移动设备中将芯片尺寸缩小到大约1mm2的情况下，需要使振动膜的应力下降到数MPa，并且要让束缚部的与周长同一方向上的长度与振动膜的周长之比(束缚率)为大约10％。不过，若让具有多层结构的振动膜实现低应力化，振动膜就会由于构成多层结构的薄膜的层间应力差而产生变形，所以无法控制气隙电容Ca(气隙长度d0)及振动膜刚度S0，其结果是存在无法获得所期望的灵敏度特性的问题。
发明内容
—用以解决技术问题的技术方案—
为了解决上述问题，本发明所涉及的第一MEMS器件是这样的。该第一MEMS器件包括半导体基板、振动膜及固定膜。该振动膜隔着束缚部设置在半导体基板上并具有第一电极。该固定膜隔着支撑部设置在半导体基板上，覆盖振动膜并具有第二电极。振动膜和固定膜之间，具有由形成在彼此相向的区域的间隙形成的气隙层。束缚部将半导体基板和振动膜部分地连接起来。振动膜具有：第一电极和具有压应力的第一绝缘膜叠层形成的多层结构。第一绝缘膜设置在比第一电极的周缘更靠向内侧。
根据本发明的第一MEMS器件，因为振动膜具有第一电极和具有压应力的第一绝缘膜叠层形成的多层结构，第一绝缘膜设置在比第一电极的周缘更靠向内侧，所以在拉应力作用于将振动膜和半导体基板部分地连接起来的束缚部的情况下，能够抑制起因于振动膜的层间应力差的膜变形。
在本发明的第一MEMS器件中，也可以是这样的，即：振动膜包括具有拉应力的第二绝缘膜及具有拉应力的第三绝缘膜，第二绝缘膜形成在第一绝缘膜之上，第三绝缘膜形成在第一绝缘膜之下。
在这种情况下，第二绝缘膜及第三绝缘膜中的至少之一可以形成在除了束缚部的周边部以外的区域。
在本发明的第一MEMS器件中，也可以是这样的，即：在第一绝缘膜形成有彼此交叉的多个槽部，第一绝缘膜由槽部分隔成多个部分。
在本发明的第一MEMS器件具有第二绝缘膜及第三绝缘膜的情况下，第二绝缘膜及第三绝缘膜可以是氮化硅膜。
在本发明的第一MEMS器件中，第一绝缘膜可以是氧化硅膜。
本发明所涉及的第二MEMS器件是这样的。该第二MEMS器件包括半导体基板、振动膜及固定膜。该振动膜隔着束缚部设置在半导体基板上并具有第一电极。该固定膜隔着支撑部设置在半导体基板上，覆盖振动膜并具有第二电极。振动膜和固定膜之间，具有由形成在彼此相向的区域的间隙形成的气隙层。束缚部将半导体基板和振动膜部分地连接起来。振动膜具有：第一电极、具有压应力的第一绝缘膜及具有压应力的第二绝缘膜叠层形成的多层结构。第一绝缘膜形成在第一电极之上，第二绝缘膜形成在第一电极之下。
根据本发明的第二MEMS器件，束缚部将半导体基板和振动膜部分地连接起来，振动膜具有第一电极、具有压应力的第一绝缘膜及具有压应力的第二绝缘膜叠层形成的多层结构，第一绝缘膜形成在第一电极之上，第二绝缘膜形成在第一电极之下。由此，在拉应力作用于将振动膜和半导体基板部分地连接起来的束缚部的情况下，能够抑制起因于振动膜的层间应力差的膜变形。
在本发明的第二MEMS器件中，也可以是这样的，即：振动膜包括具有拉应力的第三绝缘膜及具有拉应力的第四绝缘膜，第三绝缘膜形成在第一绝缘膜之上，第四绝缘膜形成在第二绝缘膜之下。
在这种情况下，第三绝缘膜及第四绝缘膜中的至少之一可以形成在除了束缚部的周边部以外的区域。
在本发明的第二MEMS器件中，也可以是这样的，即：在第一绝缘膜形成有彼此交叉的多个槽部，第一绝缘膜由槽部分隔成多个部分。
还有，在本发明的第二MEMS器件中，也可以是这样的，即：在第二绝缘膜形成有彼此交叉的多个槽部，第二绝缘膜由槽部分隔成多个部分。
在本发明的第二MEMS器件具有第三绝缘膜及第四绝缘膜的情况下，第三绝缘膜及第四绝缘膜可以是氮化硅膜。
在本发明的第二MEMS器件中，第一绝缘膜及第二绝缘膜可以是氧化硅膜。
此外，当然在不产生矛盾的情况下能够将以上特征适当地结合起来。还有，在能够期待由各个特征获得多个效果时，也并非一定要发挥出全部效果。
—发明的效果—
根据本发明所涉及的MEMS器件，抑制起因于由多层结构构成的振动膜之薄膜间应力差的振动膜变形，由此即便在缩小了振动膜中的可动电极时，也能够获得所期望的灵敏度特性。其结果是，能够在维持灵敏度特性的情况下实现MEMS器件的小型化。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的MEMS器件即声换能器的剖视图。
图2是表示本发明的第一实施方式所涉及的MEMS器件即声换能器的振动膜的俯视图。
图3是图2的III-III线剖视图。
图4是表示本发明的第二实施方式所涉及的MEMS器件即声换能器的剖视图。
图5是表示本发明的第二实施方式所涉及的MEMS器件即声换能器的振动膜的俯视图。
图6是图5的VI-VI线剖视图。
图7(a)及图7(b)是按照工序顺序表示本发明的第二实施方式所涉及的MEMS器件的制造方法的剖视图。
图8(a)及图8(b)是按照工序顺序表示本发明的第二实施方式所涉及的MEMS器件的制造方法的剖视图。
图9(a)及图9(b)是按照工序顺序表示本发明的第二实施方式所涉及的MEMS器件的制造方法的剖视图。
图10(a)及图10(b)是按照工序顺序表示本发明的第二实施方式所涉及的MEMS器件的制造方法的剖视图。
图11(a)及图11(b)是按照工序顺序表示本发明的第二实施方式所涉及的MEMS器件的制造方法的剖视图。
图12(a)及图12(b)是按照工序顺序表示本发明的第二实施方式所涉及的MEMS器件的制造方法的剖视图。
图13是表示本发明的第二实施方式所涉及的MEMS器件的制造方法中的一道工序的剖视图。
图14是表示本发明的第二实施方式的一变形例所涉及的声换能器的剖视图。
图15是表示本发明的第二实施方式的一变形例所涉及的声换能器的振动膜的俯视图。
图16是图15的XVI-XVI线剖视图。
图17是表示本发明的第三实施方式所涉及的MEMS器件即声换能器的剖视图。
图18是表示本发明的第三实施方式所涉及的MEMS器件即声换能器的振动膜的俯视图。
图19是图18的XIX-XIX线剖视图。
图20是表示本发明的第四实施方式所涉及的MEMS器件即声换能器的剖视图。
图21是表示本发明的第四实施方式所涉及的MEMS器件即声换能器的振动膜的俯视图。
图22是图21的XXII-XXII线剖视图。
具体实施方式
(第一实施方式)
参照图1至图3，对本发明的第一实施方式所涉及的声换能器进行说明。以下所示的各幅图、各种形状、材料以及数值等都仅为所列举出的优选示例而已，本发明并不局限于所示内容。还有，只要是在不脱离发明精神的范围内，本发明便不受记载内容的限制，能够加以适当改变。进而，在不产生矛盾的范围内，也能将本实施方式与其它实施方式相结合。此外，在此以声换能器作为MEMS器件的示例加以说明，不过本发明能适用于所有的MEMS器件。MEMS器件指的是利用半导体工艺形成的将机械信号等转换为电信号等的转换元件，详情见下文。能够列举出的MEMS器件的示例有：声换能器(MEMS麦克风)、压力传感器、加速度传感器及角速度传感器等。以上内容是本发明的各个实施方式的共通点。
首先，对本发明的第一实施方式所涉及的声换能器的结构进行说明。图1是本发明的第一实施方式所涉及的声换能器的剖视图。
如图1所示，在硅基板1上形成有第一氧化硅膜2及第二氧化硅膜3。除去硅基板1中除了其周边部4以外的部分，由此形成了基板去除区域5。也就是说，基板去除区域5是为了能够让下述振动膜6受到来自外部的压力后进行振动，通过选择性(留下周边部)地去除硅基板1而形成的区域。
在硅基板1上形成有振动膜6，该振动膜6覆盖基板去除区域5。振动膜6有时是由构成下电极(振动电极)的导电膜形成的，有时则是由包含绝缘膜在内的多层膜形成的。特别是在振动膜6包含保持永久电荷的驻极体膜的情况下，能够构成驻极体电容器，因而无需从外部供给电压。
在本实施方式中，振动膜6由下电极7、绝缘膜8以及绝缘膜9及10构成。该下电极7是多晶硅等导电膜。该绝缘膜8形成在下电极7上，由氧化硅等形成。该绝缘膜9及10由氮化硅等形成。该绝缘膜9覆盖绝缘膜8的下表面，该绝缘膜10覆盖绝缘膜8的上表面及侧面。绝缘膜8设置在基板去除区域5的内侧。
在振动膜6和硅基板1之间设置有气隙层11，在振动膜6和硅基板1之间未设置气隙层11的区域，设置有用来支撑振动膜6的由第一氧化硅膜2及第二氧化硅膜3形成的束缚部12。振动膜6在结构上经由该束缚部12与硅基板1相连接。
在振动膜6的上方设置有固定膜13。固定膜13有时是由一个构成上电极(固定电极)的导电膜形成的，有时则是由包含绝缘膜在内的多层膜形成的。特别是在固定膜13包含保持永久电荷的由氧化硅等形成的驻极体膜的情况下，能够构成驻极体电容器，因而无需从外部供给电压。在本实施方式中，固定膜13由上电极14以及由氮化硅等形成的绝缘膜15及16构成。该上电极14是多晶硅等导电膜。该绝缘膜15覆盖上电极14的下表面，该绝缘膜16覆盖上电极14的上表面及侧面。
在振动膜6和固定膜13之间形成有气隙层17，在第二氧化硅膜3和固定膜13之间未设置气隙层17的区域，形成有用来支撑固定膜13的由氧化硅形成的支撑部18。
此外，通过除去构成支撑部18的氧化硅膜的一部分，使气隙层17至少形成在基板去除区域5的整个上侧。
在气隙层17上的固定膜13中，形成有通到气隙层17的多个声孔19。在此，声孔19起到使让振动膜6振动的空气通过的通孔的作用。
在支撑部18设置有第一开口部22和第二开口部23，使下电极7的垫部20和上电极14的垫部21露出，该垫部20和垫部21通过引线接合等与外部电路连接，不过这并未在图中示出。
其次，对本发明的第一实施方式所涉及的声换能器的振动膜的结构进行详细的说明。图2表示的是本发明的第一实施方式所涉及的声换能器的振动膜的平面结构，图3表示的是本发明的第一实施方式所涉及的声换能器的振动膜的剖面结构。在此，图3表示的是图2的III-III线处的剖面形状。
由图2可以看出，振动膜6的平面形状为近似正六边形，束缚部12的平面形状为近似圆形。不过，振动膜的平面形状不仅限于近似正六边形，即便是近似四边形、近似六边形等多边形形状及近似圆形形状也无妨。束缚部12的平面形状不仅限于近似圆形，即便是近似四边形或者近似六边形等多边形形状也无妨。用符号24表示相邻束缚部12中心间的距离(设为L1)，用符号25表示束缚部12的直径(设为L2)。
由图3可以看出：振动膜6由下电极7、形成在其上的具有-500MPa～-100MPa的压应力的由氧化硅等形成的绝缘膜8以及具有1000MPa～2000MPa的拉应力的由氮化硅等形成的绝缘膜9及10构成，该下电极7是几乎无应力的多晶硅等导电膜，该绝缘膜9覆盖绝缘膜8的下表面，该绝缘膜10覆盖绝缘膜8的上表面及侧面。在此，绝缘膜8设置在基板去除区域5的内侧。此外，具有压应力的绝缘膜8没有必要整个都设置在基板去除区域5的内侧。例如，绝缘膜8只要设置在下电极7的内侧、或者设置在比束缚部12更靠向内侧即可。
能够利用例如使用了四乙氧基硅烷的化学气相沉积(chemical vapor deposition：CVD)法形成具有-500MPa～-100MPa的压应力的氧化硅膜。还有，即便是利用硅烷类气体由CVD法形成的氧化硅膜，只要其是具有压应力的绝缘膜，就能够获得相同的效果。
能够利用例如使用了硅烷类气体和氨气的CVD法形成具有1000MPa～2000MPa的拉应力的氮化硅膜。
由图2及图3可以看出，用箭头示出了加在下电极7、绝缘膜8、绝缘膜9及绝缘膜10上的应力的方向。如上所述，振动膜6由具有压应力的绝缘膜8、几乎无应力的下电极7以及具有拉应力的绝缘膜9及10构成。具有压应力的绝缘膜8设置在基板去除区域5的内侧。另一方面，具有拉应力的绝缘膜9及10形成在下电极7上的几乎整个面上。为此，如图2及图3所示，来自束缚部12的拉应力便施加在气隙层11上的振动膜6上。这是因为为了使具有拉应力的绝缘膜9及10所产生的影响大于具有压应力的绝缘膜8的影响，而布置成为：使具有压应力的绝缘膜的端部位于具有拉应力的绝缘膜的端部(即，振动膜的端部)内侧的缘故。
接着，参照图1对本实施方式所涉及的声换能器的工作情况进行说明。在本实施方式所涉及的声换能器中，若振动膜6通过多个声孔19受到来自上方(外部)的声压，振动膜6就会根据该声压机械地上下振动。在此，因为形成了分别用下电极7及上电极14作为电极的平行板式电容器结构，所以振动膜6一振动，下电极7和上电极14的电极间距离就会发生变化，电容器的电容(Ca)便产生变化。另一方面，在存储于该电容器中的电荷量(Qa)一定的情况下，若电容(Ca)变化(下面，用ΔCa表示电容Ca的变化量)，则根据(式2)的关系，下电极7和上电极14之间的电压(Va)就会发生变化(下面，用ΔVa表示电压Va的变化量)(式3)。
Qa＝Ca×Va     …(式2)
ΔVa＝Qa/ΔCa  …(式3)
也就是说，空气振动经由机械振动转换为电压变化ΔVa。这就是本实施方式所涉及的声换能器的工作原理。
下面，对表示声换能器特性的灵敏度进行说明。如上文所述，在可听音域范围内声换能器的灵敏度S的公式近似地由(式1)表示。
S＝α×Ca×Va×(1/S0)…(式1)
在(式1)中，α表示比例系数，Ca表示可动部的气隙电容，Va表示气隙间电压，S0表示振动膜刚度(动作难度)。
Ca＝ε0×ε×(Sdia/d0)…(式4)
在(式4)中，ε0表示真空中的介电常数，ε表示下电极7和上电极14的电极间平均相对介电常数，Sdia表示可动电极面积，d0表示电极间距离。
由(式1)和(式4)也可以看出，为了不让灵敏度S下降便可缩小可动电极面积Sdia，就需要使振动膜刚度S0下降。还有，为了降低振动膜刚度S0，需要构成为：实现振动膜的低应力化，并缩小使振动膜在结构上与硅基板1相连接的束缚部12的面积(部分束缚结构)。还有，当决定了振动膜6的构成材料时，振动膜刚度S0便可由下记(式5)表示。
S0＝(σ×A)/(6×L1)＝(σ×6×L2×T)/(6×L1)
＝σ×T ×(L2/L1)…(式5)
在(式5)中，σ是振动膜6的应力(作用在振动膜6每单位面积上的力)，A是位于束缚部12上的振动膜6的截面面积，L1是相邻束缚部12中心间的距离，L2是束缚部12的直径，T是振动膜6的膜厚。
在此，对本实施方式所涉及的声换能器的振动膜刚度S0进行详细的说明。
如图3所示，采用气隙层11上的振动膜6与硅基板1分离、即未与硅基板1接触的结构。如图2所示，来自束缚部12的拉应力施加在气隙层11上的振动膜6上。为此，振动膜6与硅基板1并没有接触。其结果是，由于与硅基板1之间的热膨胀系数差而产生的剩余应力不会作用在振动膜6上。也就是说，利用来自束缚部12的拉应力，能够防止振动膜6与硅基板1接触。
另一方面，若具有拉应力的绝缘膜9、10产生的影响过大，则在非束缚部(振动膜6和硅基板1未受到束缚的部分)，便会出现振动膜6向上弯曲的现象。于是，为了抑制振动膜6向上弯曲，而将具有压应力的绝缘膜8设置在基板去除区域5的内侧。这样一来，就能够利用具有压应力的绝缘膜8产生的影响抑制具有拉应力的绝缘膜9、10的影响。其结果是，获得能够抑制振动膜6在非束缚部向上弯曲的效果。
如上所述，通过布置成：使具有拉应力的绝缘膜和具有压应力的绝缘膜层叠，并让具有压应力的绝缘膜位于具有拉应力的绝缘膜的内侧，便能够抑制起因于振动膜内的层间应力差的膜变形，所以能够获得所期望的振动刚度。
因此，参照(式5)，在例如将束缚部12的直径25的长度L2设定为相邻束缚部12中心间距离L1的50％的情况下，与未形成彼此留出间隔的多个束缚部12，振动膜6的一周都被硅基板1束缚住的情况相比，能够将振动膜6每单位长度的张力S0降低到大约50％。这是因为能够抑制振动膜6变形的缘故。其结果是，根据(式1)及(式4)，不使声换能器的灵敏度S下降就能够将可动电极面积Sdia缩小到50％，因而能够减小芯片的尺寸。
如上所述，本发明的第一实施方式所涉及的声换能器的显著特征在于：振动膜具有电极和具有压应力的绝缘膜叠层而成的多层结构，并且具有压应力的绝缘膜布置在电极的内侧。根据这样的结构，即便是在拉应力作用于振动膜和部分连接硅基板的束缚部的情况下，也能够抑制振动膜在非束缚部因拉应力影响过大而向上弯曲。其结果是，能够进一步抑制起因于振动膜层间应力差的膜变形。
还有，优选的是：振动膜还包括具有拉应力的绝缘膜，并且具有拉应力的绝缘膜形成到振动膜的端部。在该结构下，拉应力就很容易作用在束缚部。为此，将具有压应力的绝缘膜布置在电极内侧而获得的效果就会进一步提高。
此外，在本实施方式中，对如图1至图3所示按照下电极7、具有拉应力的绝缘膜9、具有压应力的绝缘膜8及具有拉应力的绝缘膜10的顺序叠层而成的振动膜6进行了说明。也就是说，对在具有压应力的绝缘膜8的正下方设置有具有拉应力的绝缘膜9的振动膜6进行了说明。不过，也可以构成为：不将具有拉应力的绝缘膜9布置在具有压应力的绝缘膜8的正下方，而将具有拉应力的绝缘膜9形成在下电极7的下表面。在该结构下，具有拉应力的绝缘膜9和具有拉应力的绝缘膜10就以下电极7的面内方向为轴成为上下对称的结构。为此，能够进一步抑制起因于振动膜6的层间应力差的膜变形。
(第二实施方式)
下面，参照图4至图6，对本发明的第二实施方式所涉及的声换能器进行说明。以下所示的各幅图、各种形状、材料以及数值等都仅为所列举出的优选示例而已，本发明并不局限于所示内容。只要是在不脱离发明精神的范围内，本发明便不受记载内容的限制，能够加以适当改变。进而，在不产生矛盾的范围内，也能将本实施方式与其它实施方式相结合。此外，在此以声换能器作为MEMS器件的示例加以说明，不过本发明能适用于所有的MEMS器件。
首先，对本发明的第二实施方式所涉及的声换能器进行说明。图4是本发明的第二实施方式所涉及的声换能器的剖视图。图5表示的是本发明的第二实施方式所涉及的声换能器的振动膜的平面结构，图6表示的是本发明的第二实施方式所涉及的声换能器的振动膜的剖面结构。此外，图6表示的是图5的VI-VI线处的剖面形状。在此，第二实施方式除了振动膜6的结构与第一实施方式不同以外，其它构成都与第一实施方式相同。因此，详细地说明图5及图6。此外，因为对声换能器的工作情况及表示声换能器特性的灵敏度所要做的说明与第一实施方式相同，所以省略对此所做的说明。
由图5可以看出，振动膜6的平面形状为近似正六边形，束缚部12的平面形状为近似圆形。不过，振动膜6的平面形状不仅限于近似正六边形，即便是近似四边形、近似六边形等多边形形状及近似圆形形状也无妨。束缚部的平面形状不仅限于近似圆形，即便是近似四边形或者近似六边形等多边形形状也无妨。用符号24表示相邻束缚部12中心间的距离(设为L1)，用符号25表示束缚部12的直径(设为L2)。
由图6可以看出：振动膜6由为几乎无应力的多晶硅等导电膜的下电极7、形成在其下的具有-500MPa～-100MPa的压应力的由氧化硅等形成的绝缘膜8a、分别覆盖绝缘膜8a的下表面及侧面的具有1000MPa～2000MPa的拉应力的由氮化硅等形成的绝缘膜9a、形成在下电极7上的具有-500MPa～-100MPa的压应力的由氧化硅等形成的绝缘膜8b、以及分别覆盖绝缘膜8b的上表面及侧面的具有1000MPa～2000MPa的拉应力的由氮化硅等形成的绝缘膜10a构成。
能够利用例如使用了四乙氧基硅烷的CVD法形成具有-500MPa～-100MPa的压应力的氧化硅膜。还有，即便是利用硅烷类气体由CVD法形成的氧化硅膜，只要其是具有压应力的绝缘膜，就能够获得相同的效果。
能够利用例如使用了硅烷类气体和氨气的CVD法形成具有1000MPa～2000MPa的拉应力的氮化硅膜。
由图5及图6可以看出，用箭头示出了加在下电极7、绝缘膜8a、绝缘膜8b、绝缘膜9a及绝缘膜10a上的应力的方向。振动膜6由具有压应力的绝缘膜8a及8b、几乎无应力的下电极7以及具有拉应力的绝缘膜9a及10a构成。具有压应力的绝缘膜8a及8b设置在基板去除区域5的内侧。另一方面，具有拉应力的绝缘膜9a及10a形成在下电极7上的几乎整个面上。为此，如图5及图6所示，来自束缚部12的拉应力便施加在气隙层11上的振动膜6上。
进而，优选：在几乎无应力的下电极7的上侧设置绝缘膜8b和绝缘膜10a，在该下电极7的下侧设置绝缘膜8a和绝缘膜9a。再者，优选：绝缘膜8a的膜厚与绝缘膜8b的膜厚相等，绝缘膜9a的膜厚与绝缘膜10a的膜厚相等。这是因为优选使振动膜6在剖面方向上的应力分布夹着下电极7对称。
在此，与第一实施方式同样地对本实施方式的声换能器的振动膜刚度S0进行详细的说明。
如图6所示，采用气隙层11上的振动膜6与硅基板1分离、即未与硅基板1接触的结构。如图5所示，来自束缚部12的拉应力施加在气隙层11上的振动膜6上。为此，振动膜6与硅基板1并没有接触。其结果是，由于与硅基板1之间的热膨胀系数差而产生的剩余应力不会作用在振动膜6上。也就是说，利用起因于具有拉应力的绝缘膜9a及10a的来自束缚部12的拉应力，能够防止振动膜6与硅基板1接触。
在本实施方式中，在几乎无应力的下电极7的下表面设置绝缘膜8a，在该下电极7的上表面设置绝缘膜8b。根据该结构，振动膜6在剖面方向上的应力分布夹着下电极7对称，其结果是，能够抑制起因于振动膜6内的层间应力差的膜变形。
进而，在本实施方式中，优选：在几乎无应力的下电极7的下表面设置绝缘膜8a和绝缘膜9a，在该下电极7的上表面设置绝缘膜8b和绝缘膜10a。还有，优选：绝缘膜8a的膜厚与绝缘膜8b的膜厚相等，绝缘膜9a的膜厚与绝缘膜10a的膜厚相等。根据该结构，振动膜6在剖面方向上的应力分布夹着下电极7对称，其结果是，能够进一步抑制起因于振动膜6内的层间应力差的膜变形。
在此，若具有拉应力的绝缘膜产生的影响过大，则在非束缚部(振动膜6和硅基板1未受到束缚的部分)，便会出现振动膜6向上弯曲的现象。于是，为了抑制振动膜6向上弯曲，而形成了具有压应力的绝缘膜8a及8b。这样一来，就能够利用具有压应力的绝缘膜8a及8b产生的影响抑制具有拉应力的绝缘膜9a及10a的影响。其结果是，能够抑制振动膜6在非束缚部向上弯曲。
因此，参照已在第一实施方式中说明过的(式5)，在例如将束缚部12的直径25的长度L2设定为相邻束缚部12中心间的距离L1的50％的情况下，与未形成彼此留出间隔的多个束缚部12，振动膜6的一周都被硅基板1束缚住的情况相比，能够将振动膜6每单位长度的张力S0降低到大约50％。这是因为能够抑制振动膜6变形的缘故。其结果是，根据已在第一实施方式中说明过的(式1)及(式4)，不使声换能器的灵敏度S下降就能够将可动电极面积Sdia缩小到50％，因而能够减小芯片的尺寸。
如上所述，本发明的第二实施方式所涉及的声换能器的显著特征在于：振动膜成为将电极、具有压应力的第一绝缘膜和具有压应力的第二绝缘膜叠层起来的多层结构。也就是说，与第一实施方式的不同之处在于：在振动膜内增加了一层具有压应力的绝缘膜。根据该结构，即便是在拉应力作用于将振动膜和硅基板部分连接起来的束缚部的情况下，也能够进一步抑制振动膜在非束缚部因拉应力影响过大而向上弯曲。其结果是，能够进一步抑制起因于振动膜的层间应力差的膜变形。
还有，优选：具有压应力的第一绝缘膜形成在电极之上，具有压应力的第二绝缘膜形成在电极之下。通过这样布置，很容易使振动膜在剖面方向上的应力分布夹着电极对称。为此，更容易获得上述效果。
还有，优选：振动膜有两层具有拉应力的绝缘膜，具有拉应力的第一绝缘膜形成在具有压应力的第一绝缘膜之上，具有拉应力的第二绝缘膜形成在具有压应力的第二绝缘膜之下。根据该结构，拉应力更容易作用在束缚部。为此，将具有压应力的绝缘膜布置在电极内侧而获得的效果就会进一步提高。还有，很容易使振动膜在剖面方向上的应力分布夹着电极对称。
(第二实施方式的制造方法)
下面，对第二实施方式所涉及的声换能器即MEMS麦克风的制造方法的一个示例进行说明。此外，对与图4所示的构成部件相同的构成部件标注同一符号，不过并未被本构成部件所限定。本实施方式中所记载的部件终归仅为一个示例而已。
首先，如图7(a)所示，利用热氧化法或者CVD法，在晶片状硅基板1上形成第一氧化硅膜2。接着，利用光刻法及蚀刻法，将开口部有选择地形成在第一氧化硅膜2中与由后面的工序所形成的基板去除区域5相对应的区域。
接着，如图7(b)所示，在硅基板1上，形成由掺杂了例如磷等杂质的多晶硅形成的第一牺牲层27，覆盖住第一氧化硅膜2的开口部。
然后，如图8(a)所示，利用CVD法，在第一牺牲层27及第一氧化硅膜2上形成第二氧化硅膜3。在此，第一氧化硅膜2及第二氧化硅膜3的一部分成为由后面工序所形成的束缚部12。接着，在第二氧化硅膜3中形成铰接槽(hinge groove)。最终该铰接槽作为振动膜的铰接部残留下来。在此，当在平面图中看振动膜时，多个铰接部形成在该振动膜的外缘部，当在剖面图中看振动膜时，则成为连续凹凸起伏的形状。利用铰接部来调整例如构成振动膜的膜的应力，从而能够提高该振动膜的振动特性。
随后，如图8(b)所示，利用CVD法在第二氧化硅膜3上形成氮化硅膜9a。接着，在氮化硅膜9a上形成氧化硅膜(TEOS(＝Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate，正硅酸乙酯)膜)8a。然后，对氧化硅膜8a进行图案化，使相当于基板去除区域5的部分残留下来。
然后，如图9(a)所示，利用CVD法在氧化硅膜8a和氮化硅膜9a上，形成成为下电极的掺杂了例如磷等杂质的第一多晶硅膜7A。接着，利用CVD法，在第一多晶硅膜7A上形成氧化硅膜8b。然后，对氧化硅膜8b进行图案化，使与氧化硅膜8a相对应的部分残留下来。
接着，如图9(b)所示，对第一多晶硅膜7A及氮化硅膜9a进行图案化，使构成振动膜的部分残留下来，从而由第一多晶硅膜7A形成下电极7。
然后，如图10(a)所示，利用CVD法，在第二氧化硅膜3、下电极7及氧化硅膜8b上形成氮化硅膜10a。之后，对已形成的氮化硅膜10a进行图案化，使作为振动膜的一部分残存的部分和其它必要的部分残留下来。由此，形成了在下电极7的上表面及下表面都设置有氧化硅膜8a、8b和氮化硅膜9a、10a的振动膜6。
接着，如图10(b)所示，在硅基板1上的整个面上，形成由氧化硅形成的第二牺牲层18A，进而，在已形成的第二牺牲层18A中的与由后面的工序所形成的用来防止附着的阻挡(stopper)部及垫部20、21相对应的部分形成槽部。阻挡部是为了防止后面工序所形成的振动膜和固定膜附着(sticking)而朝振动膜一侧突出地形成在固定膜中的凸部。
然后，如图11(a)所示，使第二牺牲层18A中与由后面的工序所形成的垫部20、21相对应的部分开口。
接着，如图11(b)所示，利用CVD法，在硅基板1上的整个面上，依次形成氮化硅膜15及掺杂了例如磷等杂质的第二多晶硅膜14A。之后，在已形成的氮化硅膜15及第二多晶硅膜14A中与由后面的工序所形成的声孔19相对应的部分形成多个开口部。
然后，如图12(a)所示，利用CVD法，在硅基板1上的整个面上形成氮化硅膜16。之后，在已形成的氮化硅膜16中与由后面的工序所形成的声孔19相对应的部分形成开口部。由此，形成了在由多晶硅形成的上电极14的上表面及下表面都设置有绝缘膜(氮化硅膜)15、16的固定膜13。
随后，如图12(b)所示，在硅基板1上的整个面上，形成由氧化硅形成的第一保护膜29，在硅基板1的背面的整个面上，形成由氧化硅形成的第二保护膜30。接着，有选择地蚀刻第二保护膜中的基板去除区域5，形成开口图案。之后，以各个保护膜29、30为掩模，从背面进行贯穿硅基板1的蚀刻，由此在硅基板1中形成基板去除区域5。此时，还除去了已形成在基板去除区域5的正上方的第一牺牲层27。
接着，如图13所示，对形成有基板去除区域5的硅基板1进行湿蚀刻。即，除去第一保护膜29及第二保护膜30，并从已形成在固定膜13中的多个声孔19进行蚀刻，除去第二牺牲层18A。进而，除去第一氧化硅膜2、第二氧化硅膜3中振动膜6的下侧部分，使多个束缚部12残留下来。然后，为了防止振动膜6和固定膜13之间的粘着即所谓的附着，进行在干燥时没有受到液体表面张力影响的超临界干燥。
经由以上步骤，就能够形成第二实施方式所涉及的MEMS麦克风。也就是说，形成了由氮化硅膜9a、氧化硅膜8a、由多晶硅形成的下电极7、氧化硅膜8b及氮化硅膜10a构成的振动膜6。还形成了由氮化硅膜15、由多晶硅形成的上电极14及氮化硅膜16构成的固定膜13。
在固定膜13和振动膜6之间，形成了通过除去第二牺牲层18A而形成的气隙层17。第二牺牲层18A的残存部分成为支撑固定膜13的支撑部18。
(第二实施方式的一变形例)
下面，参照图14至图16对本发明的第二实施方式的一变形例所涉及的声换能器进行说明。
图14是本发明的第二实施方式的一变形例所涉及的声换能器的剖视图。图15表示的是本发明的第二实施方式的一变形例所涉及的声换能器的振动膜的平面结构，图16表示的是本发明的第二实施方式的一变形例所涉及的声换能器的振动膜的剖面结构。此外，图16表示的是图15的XVI-XVI线处的剖面形状。
在此，第二实施方式的一变形例除了在结构上将振动膜和硅基板连接起来的束缚部的构造与第二实施方式不同以外，其它构成都与第二实施方式相同。也就是说，在本变形例中，并不是部分地束缚住振动膜的周缘部分和硅基板，而是几乎整面地束缚住该振动膜的周缘部分和硅基板。当采用这一结构时，因为非束缚部的面积很小，所以很难出现振动膜向上弯曲的现象。不过，仍需要通过抑制振动膜的变形，来降低灵敏度特性的变动。在这种情况下，使振动膜6构成为：在几乎无应力的下电极7的上侧设置绝缘膜8b和绝缘膜10a，在该下电极7的下侧设置绝缘膜8a和绝缘膜9a，由此很容易使振动膜6在剖面方向上的应力分布对称。其结果是，很容易抑制起因于振动膜6内的层间应力差的膜变形。还有，使绝缘膜8a的膜厚和绝缘膜8b的膜厚相等，进而使绝缘膜9a的膜厚和绝缘膜10a的膜厚相等，从而若使振动膜6在剖面方向上的应力分布夹着下电极7对称，就能够进一步抑制起因于振动膜6内的层间应力差的膜变形。这样一来，使由叠层结构形成的振动膜6内的应力分布对称的结果是能够抑制起因于振动膜6内的层间应力差的膜变形。因此，能够抑制上下电极间的距离d0即气隙电容Ca产生变动，从而能够获得所期望的灵敏度特性。
(第三实施方式)
下面，参照图17至图19，对本发明的第三实施方式所涉及的声换能器进行说明。以下所示的各幅图、各种形状、材料以及数值等都仅为所列举出的优选示例而已，并不局限于所示内容。只要是在不脱离发明精神的范围内，本发明便不受记载内容的限制，能够加以适当改变。进而，在不产生矛盾的范围内，也能将本实施方式与其它实施方式相结合。此外，在此以声换能器作为MEMS器件的示例加以说明，不过本发明能适用于所有的MEMS器件。
图17是本发明的第三实施方式所涉及的声换能器的剖视图。图18表示的是本发明的第三实施方式所涉及的声换能器的振动膜的平面结构，图19表示的是本发明的第三实施方式所涉及的声换能器的振动膜的剖面结构。此外，图19表示的是图18的XIX-XIX线处的剖面形状。在此，第三实施方式除了形成在振动膜中的具有拉应力的氮化硅膜等绝缘膜10a的平面形状与第一实施方式及第二实施方式不同以外，其它结构与第一实施方式及第二实施方式都相同。因此，参照图18及图19，对与第一实施方式和第二实施方式不同的部分进行详细的说明。此外，因为对声换能器的工作情况及表示声换能器特性的灵敏度所要做的说明与第一实施方式相同，所以省略对此所做的说明。还有，图17至图19表示的是对图4至图6所示的振动膜的结构加以改变的变形例，不过也可以对图1至图3所示的振动膜的结构加以改变。
由图18及图19可以看出，与第一实施方式及第二实施方式相同，在第三实施方式中，具有经由束缚部12部分地与硅基板1连接的振动膜6。进而，在形成于构成振动膜6的下电极7上的具有拉应力的氮化硅膜等绝缘膜10a中，设置有选择性地除去束缚部12及其附近部分而形成的区域26。换言之，形成在下电极7上的具有拉应力的绝缘膜10a形成在束缚部12的周边部以外的部分。
与第一实施方式及第二实施方式所涉及的声换能器相比，能够期待第三实施方式所涉及的声换能器凭借上述结构获得以下效果。即，由于束缚部12部分地与振动膜6连接，所以具有容易引起应力集中的结构。因而，像第三实施方式那样，通过设置选择性地除去束缚部12及其附近部分而形成的区域26，便能够缓解束缚部12的应力集中。其结果是，振动膜6的耐破坏性增强，从而能够提高加工成品率。
此外，通过在形成于下电极7下侧的具有拉应力的绝缘膜9a中设置选择性地除去束缚部12及其附近部分而形成的区域，也能够获得相同的效果，但这并未在图17至图19中图示出来。还有，通过在形成于下电极7的上表面及下表面的具有拉应力的绝缘膜10a、9a中都设置选择性地除去束缚部12及其附近部分而形成的区域，便能够进一步获得增强振动膜6的耐破坏性的效果。
(第四实施方式)
下面，参照图20至图22，对本发明的第四实施方式所涉及的声换能器进行说明。以下所示的各幅图、各种形状、材料以及数值等都仅为所列举出的优选示例而已，并不局限于所示内容。只要是在不脱离发明精神的范围内，本发明便不受记载内容的限制，能够加以适当改变。进而，在不产生矛盾的范围内，也能将本实施方式与其它实施方式相结合。此外，在此以声换能器作为MEMS器件的示例加以说明，不过本发明能适用于所有的MEMS器件。
图20是本发明的第四实施方式所涉及的声换能器的剖视图。图21表示的是本发明的第四实施方式所涉及的声换能器的振动膜的平面结构，图22表示的是本发明的第四实施方式所涉及的声换能器的振动膜的剖面结构。此外，图22表示的是图21的XXII-XXII线处的剖面形状。在此，第四实施方式除了形成在振动膜6中的具有压应力的氧化硅膜等绝缘膜8c的形状与第一实施方式及第二实施方式不同以外，其它结构与第一实施方式及第二实施方式都相同。因此，参照图22及图21，对与第一实施方式和第二实施方式不同的部分进行详细的说明。此外，因为对声换能器的工作情况及表示声换能器特性的灵敏度所要做的说明与第一实施方式相同，所以省略对此所做的说明。还有，图20至图22表示的是对图1至图3所示的振动膜的结构加以改变的变形例，不过也可以对图4至图6所示的振动膜的结构加以改变。
由图21及图22可以看出，与第一实施方式及第二实施方式相同，在本实施方式中，具有经由束缚部12部分地与硅基板1连接的振动膜6。在形成于下电极7上的、构成振动膜6的具有压应力的由氧化硅等形成的绝缘膜8c中，形成有彼此近似成直线交叉的多个槽部。具有压应力的绝缘膜8c构成为：由上述多个槽部分隔成多个部分。换言之，具有压应力的绝缘膜8c具有由多个槽部图案化为岛状的平面形状。
与第一实施方式及第二实施方式所涉及的声换能器相比，能够期待第四实施方式所涉及的声换能器凭借上述结构获得以下效果。即，具有压应力的绝缘膜8c设置在下电极7的内侧，并被布置为：集中在振动膜6的中心部。为此，具有容易在振动膜6的中心部部分地引起应力集中的结构。因此，当朝向振动膜6中心部的压应力很强时，振动膜6的中心部就有可能向上方弯曲。于是，像第四实施方式那样构成为：具有压应力的绝缘膜8c由多个槽部分隔成多个部分，就能够抑制应力集中在振动膜6的中心部。由此，能够抑制振动膜6的中心部向上方弯曲。为此，能够进一步抑制起因于振动膜6的层间应力差的膜变形。
此外，当在下电极7的下侧形成了具有压应力的绝缘膜时，也可以构成为：形成在该下电极7下侧的具有压应力的绝缘膜由多个槽部分隔成多个部分，但这并未在图20至图22中图示出来。这样做也能够获得相同的效果。还可以构成为：形成在下电极7的上表面及下表面的两层具有压应力的绝缘膜都由多个槽部分隔成多个部分。
在此，对所有实施方式中所说明的MEMS器件进行说明。将利用CMOS(complementary metal-oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)所用的制造工艺技术等把同时制造多个芯片的基板(晶片)分割成芯片，来制造电容式电容传声器或者压力传感器等器件的技术称作MEMS技术，将利用这种MEMS技术制造出来的器件称作MEMS器件。
—产业实用性—
本发明所涉及的声换能器等MEMS器件通过控制多层结构的低应力振动膜的应力分布来抑制振动膜变形，从而能够获得所期望的特性，还能够缩小振动膜即可动电极的面积，对具有多层膜结构的振动膜的MEMS器件等很有用。
—符号说明—
1-硅基板；2-第一氧化硅膜；3-第二氧化硅膜；4-硅基板的周边部；5-基板去除区域；6-振动膜；7-下电极；7A-第一多晶硅膜；8-具有压应力的绝缘膜；8a-具有压应力的绝缘膜(氧化硅膜)；8b-具有压应力的绝缘膜(氧化硅膜)；8c-具有压应力的绝缘膜；9-具有拉应力的绝缘膜；9a-具有拉应力的绝缘膜(氮化硅膜)；10-具有拉应力的绝缘膜；10a-具有拉应力的绝缘膜(氮化硅膜)；11-气隙层；12-束缚部；13-固定膜；14-上电极；14A-第二多晶硅膜；15-绝缘膜(氮化硅膜)；16-绝缘膜(氮化硅膜)；17-气隙层；18-支撑部；18A-第二牺牲层；19-声孔(acoustic hole)；20-下电极的垫部；21-上电极的垫部；22-第一开口部；23-第二开口部；24-相邻束缚部间的距离；25-束缚部的直径；26-束缚部及其附近的绝缘膜去除区域；27-第一牺牲层；29-第一保护膜；30-第二保护膜。

Claims (13)

1.一种微电子机械系统器件，包括半导体基板、振动膜以及固定膜，该振动膜隔着束缚部设置在所述半导体基板上并具有第一电极，该固定膜隔着支撑部设置在所述半导体基板上，覆盖所述振动膜并具有第二电极，所述振动膜和所述固定膜之间具有由形成在彼此相向的区域的间隙形成的气隙层，其特征在于：
所述束缚部将所述半导体基板和所述振动膜部分地连接起来，
所述振动膜具有：所述第一电极和具有压应力的第一绝缘膜叠层形成的多层结构，
所述第一绝缘膜设置在比所述第一电极的周缘更靠向内侧。
2.根据权利要求1所述的微电子机械系统器件，其特征在于：
所述振动膜包括具有拉应力的第二绝缘膜及具有拉应力的第三绝缘膜，
所述第二绝缘膜形成在所述第一绝缘膜之上，
所述第三绝缘膜形成在所述第一绝缘膜之下。
3.根据权利要求2所述的微电子机械系统器件，其特征在于：
所述第二绝缘膜及所述第三绝缘膜中的至少之一形成在除所述束缚部的周边部以外的区域。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的微电子机械系统器件，其特征在于：
在所述第一绝缘膜形成有彼此交叉的多个槽部，
所述第一绝缘膜由所述槽部分隔成多个部分。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的微电子机械系统器件，其特征在于：
所述第二绝缘膜及所述第三绝缘膜是氮化硅膜。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的微电子机械系统器件，其特征在于：
所述第一绝缘膜是氧化硅膜。
7.一种微电子机械系统器件，包括半导体基板、振动膜以及固定膜，该振动膜隔着束缚部设置在所述半导体基板上并具有第一电极，该固定膜隔着支撑部设置在所述半导体基板上，覆盖所述振动膜并具有第二电极，所述振动膜和所述固定膜之间具有由形成在彼此相向的区域的间隙形成的气隙层，其特征在于：
所述束缚部将所述半导体基板和所述振动膜部分地连接起来，
所述振动膜具有：所述第一电极、具有压应力的第一绝缘膜及具有压应力的第二绝缘膜叠层形成的多层结构，
所述第一绝缘膜形成在所述第一电极之上，
所述第二绝缘膜形成在所述第一电极之下。
8.根据权利要求7所述的微电子机械系统器件，其特征在于：
所述振动膜包括具有拉应力的第三绝缘膜及具有拉应力的第四绝缘膜，
所述第三绝缘膜形成在所述第一绝缘膜之上，
所述第四绝缘膜形成在所述第二绝缘膜之下。
9.根据权利要求8所述的微电子机械系统器件，其特征在于：
所述第三绝缘膜及所述第四绝缘膜中的至少之一形成在除所述束缚部的周边部以外的区域。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的微电子机械系统器件，其特征在于：
在所述第一绝缘膜形成有彼此交叉的多个槽部，
所述第一绝缘膜由所述槽部分隔成多个部分。
11.根据权利要求7至9中任一项所述的微电子机械系统器件，其特征在于：
在所述第二绝缘膜形成有彼此交叉的多个槽部，
所述第二绝缘膜由所述槽部分隔成多个部分。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的微电子机械系统器件，其特征在于：
所述第三绝缘膜及所述第四绝缘膜是氮化硅膜。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的微电子机械系统器件，其特征在于：
所述第一绝缘膜及所述第二绝缘膜是氧化硅膜。
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