JP2006237399A - 半導体センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ダイアフラムの受けた振動を電気信号に変換する変換部をより容易且つ強靱に固定することのできる半導体センサを提供する。
【解決手段】外部から伝搬された音波を直接受圧して振動可能に配設されるダイアフラム１１と、そのダイアフラム１１の振動を電気信号に変換する平行平板型コンデンサを構成する可動電極１３および固定電極１４とを、半導体基板１０上の異なる部位に形成する。そしてダイアフラム１１と可動電極１３とを、半導体基板１０の上面から離間した状態で配設された振動伝達部材１５によって連結する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、外部から伝搬される圧力変動を受圧し、それを電気信号に変換して出力する半導体センサに関する。

近年のＭＥＭＳ（微細電気機械システム：Micro Electro Mechanical System ）関連技術の進展により、微細な機械要素（可動要素）を備えた半導体部品が数多く開発されている。そうしたＭＥＭＳ構造を備える半導体部品として、半導体基板上に形成された可動なダイアフラムを備え、外部から伝搬される圧力変動の受圧に伴うダイアフラムの振動を電気信号に変換して出力する半導体センサが知られている。そして従来、そうした半導体センサとして、例えば特許文献１，２にみられるような半導体音響センサ（マイクロフォン）が実用されている。

図８に、従来の一般的な半導体音響センサ５の断面構造を示す。同図（ａ）は、半導体音響センサ５の側部断面構造を示している。また同図（ｂ）は、同半導体音響センサ５の平面構造を示している。

図８（ａ）に示すように、半導体音響センサ５は、固定電極５１および可動ダイアフラム電極５２の２枚の平板電極を備えて構成されている。可動ダイアフラム電極５２は、半導体基板５０の表面に形成されており、その後背には、半導体基板５０を貫通する音孔５７が形成されている。これにより、可動ダイアフラム電極５２は、その平板中央部が周囲から遊離された状態とされている。また固定電極５１は、半導体基板５０の表面から上方に突出形成された支持部５１Ａによって、可動ダイアフラム電極５２の表面から上方に離間した位置に支持されている。これにより、固定電極５１および可動ダイアフラム電極５２は、一定の間隔をおいて対向して配置され、それらによってコンデンサが形成される。

これら固定電極５１および可動ダイアフラム電極５２には、図８（ｂ）に示すように、半導体基板５０上に形成された配線５３，５５がそれぞれ接続されている。配線５３，５５は、同じく半導体基板５０上に形成された電極パッド５４，５６にそれぞれ接続されている。そして固定電極５１および可動ダイアフラム電極５２は、これら電極パッド５４，５６を介して外部との電気接続がなされるようになっている。

以上のように構成された半導体音響センサ５では、音孔５７を介して音波の伝搬により、可動ダイアフラム電極５２が振動すると、固定電極５１と可動ダイアフラム電極５２との間の距離が変化して、それらにより構成されるコンデンサの静電容量が変化する。半導体音響センサ５は、そうした静電容量の変化に応じた両電極パッド５４，５６間の電圧変化を検出信号として出力する静電容量感知型のセンサとなっている。
特表２００４−５０６３９４号公報 特表２００３−５０８９９７号公報

こうした半導体音響センサ５の音響感度を良好に確保するには、可動ダイアフラム電極５２の振動に伴って振動されることの無いように、固定電極５１をリジッドに固定する必要がある。ところが、可動ダイアフラム電極５２は、振動可能なようにその平板中央部を周囲から離間させた状態で設置する必要があり、それに対向して配設される固定電極５１も半導体基板５０から遊離した状態でしか設置できない構造となっている。そのため、上
記のような従来の半導体音響センサ５では、固定電極５１の固定を十分な強度で行うことが困難な構造となっている。

ちなみに特許文献１に記載の半導体音響センサでは、窒化シリコン（ＳｉＮ）の層によって固定電極５１を補強する構造としている。しかしながら、そうした構造を採用しても、半導体基板５０から離間した状態で設置される以上は、固定電極５１の固定強度の向上には自ずと限界があった。

本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであって、その解決しようとする課題は、ダイアフラムの振動を電気信号に変換する変換部をより容易且つより確実に固定することのできる半導体センサを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、外部から伝搬される圧力変動を受圧して振動可能に配設されるダイアフラムと、そのダイアフラムの振動を電気信号に変換する変換部とが半導体基板の表面に形成された半導体センサにおいて、前記ダイアフラムと前記変換部とを、前記半導体基板の表面のそれぞれ異なる部位に形成するとともに、前記半導体基板から離間して形成され、かつ前記ダイアフラムと前記変換部とを連結してそれらの一方から他方へと振動を伝達する振動伝達部材を備えたことをその要旨とする。

上記構成では、ダイアフラムの振動を、振動伝達部材を介して、半導体基板表面上のダイアフラムとは異なる位置に形成された変換部に伝達させ、その変換部で電気信号に変換するようにしている。そのため、半導体基板上でのダイアフラムの設置態様に拘束されることなく、変換部を設置することが可能となり、その設置の自由度が増すことから、変換部をより容易且つ強靱に固定することが可能となる。

請求項２に記載の発明は、半導体センサであって、半導体基板と、その半導体基板の表面に、外部から伝搬される圧力変動を受圧して振動可能に配設されたダイアフラムと、同半導体基板の表面の前記ダイアフラムとは異なる部位に振動可能に配設された可動電極と、前記半導体基板に固定され、かつ前記可動電極と対向して配設された固定電極と、前記半導体基板から離間して形成されるとともに、前記ダイアフラムと前記可動電極とを連結してそれらの一方から他方へと振動を伝達する振動伝達部材と、を備えることをその要旨とする。

上記構成では、固定電極および可動電極からなる対向電極がコンデンサを形成し、そのコンデンサが、振動を電気信号に変換する変換部として機能する。ここで上記構成では、外部から伝搬される圧力変動を受圧するダイアフラムが、そうした変換部の可動電極とは別途に形成されており、振動伝達部材を介してダイアフラムの振動を可動電極に伝達することで、電気信号を発生させるようになっている。そのため、半導体基板上でのダイアフラムの設置態様に拘束されることなく、固定電極を設置可能となり、その設置の自由度が増すことから、固定電極をより容易且つ強靱に固定することが可能となる。

こうして固定電極を、半導体基板表面上のダイアフラムとは異なる位置に設置するようにすれば、請求項３に記載のように、その一方の面の全体が半導体基板に当接するように固定電極を形成することが可能となり、それにより、固定電極をより確実に固定することができるようになる。

また請求項４に記載のように、ダイアフラムおよび可動電極を平板状に形成し、かつ振動伝達部材を、ダイアフラムの平板中央部および可動電極の平板中央部にそれぞれ連結するように構成すれば、ダイアフラムから可動電極への振動の伝達性を高めて、半導体セン
サの感度をより良好に確保することができる。

ちなみに上記請求項１〜４に記載の半導体センサは、請求項５に記載のように、外部から伝搬された音波を電気信号に変換して出力する半導体音響センサとして具現することが可能である。

本発明の半導体センサによれば、ダイアフラムの振動を電気信号に変換する変換部をより容易且つより確実に固定することができる。そしてその結果、半導体センサの感度を効果的に高めることができるようにもなる。

以下、本発明の半導体センサを、音波を検出する半導体音響センサとして具体化した一実施形態を、図１〜図４を参照して詳細に説明する。なお以下の説明では、半導体音響センサを構成する半導体基板について、そのダイアフラム等の形成される側の表面を「上面」と記載し、その反対側の表面を「下面」と記載する。

まず図１に基づいて、本実施形態の半導体音響センサ１の構造を説明する。図１（ａ）は、半導体音響センサ１の側部断面構造を、図１（ｂ）はその平面構造をそれぞれ示している。

図１（ａ）に示すように半導体音響センサ１の半導体基板１０には、その上面から下面までを貫通する音孔１２が形成されており、その上面側を塞ぐように円板状のダイアフラム１１が設置されている。このダイアフラム１１には、音孔１２を介して、外部から伝搬された音波、すなわち空気の圧力変動が直接受圧されるようになっている。この半導体音響センサ１では、ダイアフラム１１は、ポリシリコンにより形成されている。

また半導体基板１０の上面には、ダイアフラム１１に隣接して、凹部１０Ａが形成されており、その上面側を塞ぐように円板状の可動電極１３が形成されている。この半導体音響センサ１では、可動電極１３はポリシリコンによって形成されており、その表面には、多数の孔１３Ａが設けられている。更に半導体基板１０の上記凹部１０Ａの底面部分には、円板状の固定電極１４が形成されている。この半導体音響センサ１では、固定電極１４は、半導体基板１０表面にリンやボロン等をドーピングすることで導電性を持たせた導電層によって形成されている。これら可動電極１３および固定電極１４は、同図に示すように一定の間隔をおいて対向配置されており、それらによって、振動を電気信号に変換する変換部となる平行平板型コンデンサが形成される。

さてこうした半導体音響センサ１のダイアフラム１１および可動電極１３は、半導体基板１０から離間して形成された、線状の振動伝達部材１５を介して連結されている。振動伝達部材１５は、ダイアフラム１１の平板中央部および可動電極１３の平板中央部にそれぞれ連結されている。この半導体音響センサ１では、振動伝達部材１５は、金により形成されている。

なお図１（ｂ）に示すように、可動電極１３および固定電極１４は、半導体基板１０の上面に形成された配線１６，１８にそれぞれ接続されている。また各配線１６，１８は、同じく半導体基板１０の上面に形成された電極パッド１７，１９にそれぞれ接続されている。この半導体音響センサ１では、これら配線１６，１８および電極パッド１７，１９は、金により形成されている。

さて以上のように構成された半導体音響センサ１では、図２に示すように、音孔１２を
通じて外部から伝搬された音波がダイアフラム１１に伝達され、それによりダイアフラム１１が振動すると、その振動は、振動伝達部材１５を通じて可動電極１３に伝達されるようになる。これにより、可動電極１３が振動することで、可動電極１３と固定電極１４との距離が変化し、それらによって形成されるコンデンサの静電容量が変化する。半導体音響センサ１は、その静電容量の変化を電気信号に変換して、上記電極パッド１７，１９を通じて外部に出力する。そのため、この半導体音響センサ１では、音波を直接受圧するダイアフラム１１と平行平板型コンデンサの一方の電極を構成する可動電極１３とを別体とし、かつそれらを半導体基板１０上面の異なる部位に形成する構成としながらも、音響の検出が可能となっている。

続いて、こうした半導体音響センサ１の製造手順について、図３および図４を併せ参照して説明する。

まず半導体基板１０に上記凹部１０Ａを形成する。凹部１０Ａの形成は、リソグラフィーによって、固定電極１４の形成位置を除いた半導体基板１０の上面に、図３（ａ）に示すようにレジスト膜２０を形成した後、半導体基板１０をその上面側からエッチングすることで行われる。

次にその形成された凹部１０Ａの底面部分に、固定電極１４を形成する。固定電極１４の形成は、再びリソグラフィーによって、図３（ｂ）に示すように、形成された凹部１０Ａの底面部分を除いた半導体基板１０の上面にレジスト膜２１を形成し、その上面側からリンやボロン等のドーピングを行って凹部１０Ａ底面部分の半導体基板１０表面を導電層とすることで形成される。

固定電極１４の形成後、凹部１０Ａの深さと同等の厚さの酸化膜を半導体基板１０の上面全体に形成した後、その形成された酸化膜を、リソグラフィーおよびエッチングを通じて、凹部１０Ａ内にのみ残存させる。これにより、図３（ｃ）に示すように、上記凹部１０Ａに、犠牲層となる酸化膜２２が充填される。

続いて上記凹部１０Ａへの酸化膜２２の充填によって平坦とされた半導体基板１０の上面に、図３（ｄ）に示すように、窒化膜２３およびポリシリコン層２４を順に成膜する。そして図３（ｅ）に示すように、それら成膜の上面にリソグラフィーによって、ダイアフラム１１および可動電極１３の形成部分の上面にレジスト膜２５を形成した後、ポリシリコン層２４のエッチングを行う。これにより、図４（ａ）に示すようにダイアフラム１１および可動電極１３が形成される。このとき、可動電極１３には、後の工程で凹部１０Ａに充填された酸化膜２２を除去するための多数の微細な孔１３Ａを形成しておく。

その後、図４（ｂ）に示すように、ダイアフラム１１および可動電極１３の形成された半導体基板１０の上面に、窒化膜２６を成膜する。そして可動電極１３上面の上記孔１３Ａの形成部分と、ダイアフラム１１および可動電極１３上面の上記振動伝達部材１５（図１参照）との連結部分と、半導体基板１０上面の上記配線１６，１８および電極パッド１７，１９の形成部分とには、リソグラフィーおよびエッチングによって成膜された窒化膜２６に穴を開口させる。

次にダイアフラム１１および可動電極１３の形成された半導体基板１０の上面に、図４（ｃ）に示すように犠牲層となる酸化膜２７を形成する。この酸化膜２７には、リソグラフィーおよびエッチングによって、上記配線１６，１８および電極パッド１７，１９の形成部分に穴を、また振動伝達部材１５の形成部分に同振動伝達部材１５と同形状の溝２９を形成する。そしてめっき処理により、図４（ｄ）に示すように、酸化膜２７に形成された穴および溝２９に金を成膜して、振動伝達部材１５、配線１６，１８および電極パッド１７，１９を形成する。

その後、エッチングによって犠牲層である酸化膜２２，２７を除去し、また下面側からの半導体基板１０のエッチングによってダイアフラム１１の後背部分に上記音孔１２を形成する。以上により、図４（ｅ）に示すように半導体音響センサ１が製造される。

以上説明した本実施形態の半導体音響センサ１によれば、次の効果を奏することができる。

（１）本実施形態の半導体音響センサ１では、外部から伝搬された音波を直接受けて振動するダイアフラム１１と、振動を電気信号に変換する平行平板型コンデンサを構成する可動電極１３および固定電極１４とが、半導体基板１０表面の異なる部位にそれぞれ形成されている。そのため、固定電極１４を半導体基板１０表面に直接形成することが、いわば一方の面の全体が半導体基板１０に当接するように固定電極１４を形成することが可能になり、その固定強度を十分に確保することができる。そしてその結果、固定電極１４の振動による、望ましくない電圧信号レベルの変化を効果的に抑制し、半導体音響センサ１の感度を向上することができるようにもなる。

（２）振動を電気信号に変換する変換部（可動電極１３および固定電極１４）を、直接外部に曝す必要がないため、外部からの音圧や風圧、砂塵等に起因した変換部の劣化を抑制して、半導体音響センサ１の信頼性を向上することができるようにもなる。

（３）固定電極１４が半導体基板１０によって直接支持され、補強を行わずとも、十分な固定強度を確保できるため、半導体音響センサ１の小型化、特にその厚さの低減を図ることができる。

（４）ダイアフラム１１および可動電極１３にあって、その振動の振幅が最大となる平板中央部に振動伝達部材１５がそれぞれ連結されているため、ダイアフラム１１から可動電極１３への振動の伝達性を高めて、半導体音響センサ１の感度をより良好に確保することができる。

なお上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。

・ダイアフラム１１、可動電極１３および固定電極１４の形成態様は、上記実施形態に例示したものに限らず、適宜変更しても良い。

例えば図５（ａ）に示すように、半導体基板１０の上面から上方に突出形成された支持部１１Ａを設けることで、ダイアフラム１１を半導体基板１０の上面から上方に離間したさせた状態で配設するようにしても良い。この場合、その側周全体に亘るように形成された支持部１１Ａによってダイアフラム１１を支持する構成としたり、あるいは図５（ｃ）のように、単数あるいは複数の支持脚１１Ｂによってダイアフラム１１を支持する構成としたりすることができる。なお図６（ａ）および（ｂ）に示すようなヒンジ構造を介してダイアフラム１１を支持脚１１Ｃに支持させるようにすることも可能である。

また可動電極１３についても同様に、図７（ａ）に示すように、支持部１３Ｂを設けて、半導体基板１０の上面か上方に離間させた状態で配設するようにしても良い。またそうした場合には、図７（ｂ）のように、半導体基板１０の上面に凹部１０Ａを形成することなく、半導体基板１０の上面に固定電極１４を直接形成することも可能である。また可動電極１３についても、ダイアフラム１１と同様に、支持脚によって支持するようにしたり、あるいはその支持脚にヒンジ構造を介して連結させたりすることも可能である。

また固定電極１４は、上記実施形態のようにリンやボロン等のドーピングによって半導体基板１０の表面層に導電性を持たせる以外にも、図７（ｃ）に示すように半導体基板１
０の表面上に、金や銅、ポリシリコン等の導電体からなる導電層を成膜して形成することも可能である。

更にダイアフラム１１、可動電極１３および固定電極１４は、例えば四角板など、円板以外の形状に形成することも可能である。

・振動伝達部材１５の形状は、上記実施形態に例示したものに限らず、適宜その形状を変更するようにしても良い。例えば上記実施形態と同様の製造手順で、振動伝達部材を平板状に形成することもできる。なお他の部材との干渉等のため、振動伝達部材１５をダイアフラム１１および可動電極１３の平板中央部に連結することが困難な場合には、それらの平板中央部以外の部分に振動伝達部材１５を連結するようにしても良い。

・本発明は、外部から伝搬される圧力変動を受圧して電気信号に変換して出力する半導体センサであれば、半導体音響センサ以外の半導体センサに適用することもできる。例えば静電容量感知型の圧力センサや加速度センサ等は、上記実施形態と同様、あるいはそれに準じた態様で形成することができる。また振動から電気信号への変換部として、平行平板型コンデンサ以外の構造を採用する半導体センサにも、本発明を適用することができる。要は、外部から伝搬される圧力変動を直接受圧するダイアフラムと、その受圧に伴うダイアフラムの振動を電気信号に変換する変換部と、を半導体基板表面の異なる部位に形成し、且つ半導体基板から離間して形成された振動伝達部材によってそれらを連結する構成とすれば、変換部の固定をより容易且つより確実とすることが可能となる。

本発明に係る半導体センサの一実施形態について（ａ）その側部断面構造を示す断面図および（ｂ）その平面構造を示す平面図とを併せ示す図。 同実施形態の半導体センサの動作態様を示す断面図。 （ａ）〜（ｅ）同実施形態の半導体センサの製造に係る各工程における同半導体センサの側部断面構造をそれぞれ示す断面図。 （ａ）〜（ｅ）同じく同実施形態の半導体センサの製造に係る各工程における同半導体センサの側部断面構造をそれぞれ示す断面図。 同実施形態の半導体センサの変形例について（ａ）そのダイアフラム近傍の拡大断面構造を示す断面図、（ｂ）同ダイアフラム近傍の部分平面構造を示す平面図、および（ｃ）その更なる変形例におけるダイアフラム近傍の部分平面構造を示す平面図を併せ示す図。 同実施形態の半導体センサの別の変形例について（ａ）そのダイアフラムと支持部との連結部分の拡大断面構造を示す断面図と（ｂ）同連結部分の拡大平面構造を示す平面図とを併せ示す図。 （ａ）〜（ｃ）同実施形態の更なる変形例の変換部近傍の拡大断面構造をそれぞれ示す断面図。 従来の半導体センサについて（ａ）その側部断面構造を示す断面図と（ｂ）その平面構造を示す平面図とを併せ示す図。

符号の説明

１…半導体音響センサ（半導体センサ）、１０…半導体基板、１１…ダイアフラム、１２…音孔、１３…可動電極、１４…固定電極、１５…振動伝達部材、１６，１８…配線、１７，１９…電極パッド、２０，２１，２５…レジスト膜、２２，２７…酸化膜（犠牲層）、２３，２６…窒化膜、２４…ポリシリコン層、２９…溝。

Claims (5)

1. 外部から伝搬される圧力変動を受圧して振動可能に配設されるダイアフラムと、そのダイアフラムの振動を電気信号に変換する変換部とが半導体基板の表面に形成された半導体センサにおいて、
   前記ダイアフラムと前記変換部とを、前記半導体基板の表面のそれぞれ異なる部位に形成するとともに、
   前記半導体基板から離間して形成され、かつ前記ダイアフラムと前記変換部とを連結してそれらの一方から他方へと振動を伝達する振動伝達部材を備えた
   ことを特徴とする半導体センサ。
2. 半導体基板と、
   その半導体基板の表面に、外部から伝搬される圧力変動を受圧して振動可能に配設されたダイアフラムと、
   同半導体基板の表面の前記ダイアフラムとは異なる部位に、振動可能に配設された可動電極と、
   前記半導体基板に固定され、かつ前記可動電極と対向して配設された固定電極と、
   前記半導体基板から離間して形成されるとともに、前記ダイアフラムと前記可動電極とを連結してそれらの一方から他方へと振動を伝達する振動伝達部材と、
   を備えること特徴とする半導体センサ。
3. 前記固定電極は、その一方の面の全体が前記半導体基板に当接して形成されてなる請求項２に記載の半導体センサ。
4. 前記ダイアフラムおよび可動電極は、平板状に形成されてなり、前記振動伝達部材は、前記ダイアフラムの平板中央部および前記可動電極の平板中央部にそれぞれ連結されてなる請求項２または３に記載の半導体センサ。
5. 当該半導体センサは、音波を電気信号に変換して出力する半導体音響センサとして構成されてなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体センサ。

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