JP2009267617A - トランスデューサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】工程数を増加させることなく、ＬＳＩ前工程で行うことのできるトランスデューサの製造方法を提供すること。
【解決手段】絶縁膜１０１に熱酸化膜を形成する（図２（Ａ））。次に、スパッタリングによって密着層のチタンを堆積する。その後、タングステンを堆積する。ついで、タングステンのパターニング及びドライエッチングによって第１の電極１０２及びダミー電極１０３を同時に形成する（図２（Ｂ））。続いて、圧電体薄膜１０４である窒化アルミニウム薄膜を堆積する（図２（Ｃ））。その後、アルミニウムを堆積する（図２（Ｃ））。続いて、アルミニウムのパターニング及びドライエッチングによって不要部分を除去して、第２の電極１０５を形成する（図２（Ｄ））。続いて圧電体薄膜１０４のパターニング及びエッチングを行い、クロストーク防止用のトレンチ１０６及び第１の電極１０２とのコンタクトホール１０７を同時に形成する（図２（Ｅ））。
【選択図】図２

Description

本発明は、トランスデューサの製造方法に関し、より詳細には、圧電体を用いたマイクロフォン、マイクロスピーカ、および超音波センサ等の音響トランスデューサの製造方法に関する。

携帯電話の小型化・薄型化が進行し、携帯電話に用いられる部品には、特に小型かつ低背面であることが必要とされている。このような理由から圧電式のスピーカが注目されつつある。理由は、薄型化が可能である他、消費電流が小さいというメリットを有するためである。

また近年では、素子を平面状に２次元配置したアレイ型トランスデューサの検討がなされている。これらのアレイ型トランスデューサでは、素子間のクロストークを防止するために、素子分離がなされている。例えば、ダイシングにて素子分離、トレンチ形成を行う方法（特許文献１参照）や、隣間セル隔絶部によってアレイ化したセルを分離する方法（特許文献２参照）がある。

特開第２００２−１８６６１７号公報 特開第２００７−２２９３２８号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、ダイシングを行う際に必要切断マージンを確保するために１マスクステップ追加で導電層を厚く形成しなければいけない。さらに、この方法は、ＬＳＩ前工程では行えないので大量生産には向かない上、制御も困難である。

また、特許文献２の方法では、素子を分離するためのトレンチ形成とコンタクト形成とを同時に行えないため１マスクステップ必要となり、工程数がアップしてしまう。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、工程数を増加させることなく、ＬＳＩ前工程で行うことのできるトランスデューサの製造方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板の上に絶縁膜を形成する第１の工程と、前記絶縁膜の上に第１の電極およびダミー電極を同時に形成する第２の工程と、前記第１の電極および前記ダミー電極の上に、圧電体を形成する第３の工程と、前記圧電体の上に、第２の電極を形成する第４の工程と、前記ダミー電極の上および前記第１の電極の予め定めた領域の上に形成されている圧電体を同時に除去する第５の工程とを含むことを特徴とするトランスデューサの製造方法である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のトランスデューサの製造方法であって、前記第２の工程において、前記ダミー電極は前記第１の電極から離間した領域に形成されることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のトランスデューサの製造方法であって、前記圧電体は、窒化アルミニウムであることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載のトランスデューサの製造方法であって、前記第５の工程の後に、前記ダミー電極を除去する第６の工程をさらに含むことを特徴とする。

本発明によれば、第１の電極およびダミー電極を同時に形成し、かつコンタクトホール及びクロストーク低減用トレンチを同時に形成することにより、工程数を増加させることなく、ＬＳＩ前工程で行うことのできるトランスデューサの製造方法を提供することができる。特に、圧電素子を２次元的に配置して構成されたアレイ型トランスデューサの製造に有効である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係るトランスデューサを示している。図１（Ａ）は上面図であり、図１（Ｂ）はＩＢ−ＩＢ線に沿った断面図である。図１には２つのトランスデューサが示されており、それぞれのトランスデューサ１００は、絶縁膜１０１と、絶縁膜１０１の上の第１の電極１０２及びダミー電極１０３と、第１の電極１０２の上の圧電体薄膜１０４と、圧電体薄膜１０４の上の第２の電極１０５とを備える。ダミー電極１０３の上の領域１０６及び第１の電極１０２の予め定めた一部分の上の領域１０７には圧電体薄膜１０４が存在せず、それぞれクロストーク低減用トレンチ及びコンタクトホールを構成する。第２の電極１０５は、電極取り出し口１０８を有する。絶縁膜１０１、第１の電極１０２、圧電体薄膜１０４、および第２の電極１０５によってダイヤフラムを形成している。

絶縁膜１０１としては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等が好適である。また、第１の電極１０２及び第２の電極１０５の材質としては、白金、タングステン、アルミニウム、モリブデン、チタン、チタンタングステン等が好ましく、第１の電極１０２と第２の電極１０５に異なる材質を選択することも可能である。

ダミー電極１０３は、第１の電極１０２と同時に形成されるものであり、同一の材料を用いることが好ましい。またダミー電極１０３は、第１の電極１０２の外部に設けられていればよく、特に、閉曲面で第１の電極１０２を囲まなければならないという制約はない。従って、一部が開放された形状でも可能である。

圧電体薄膜１０４としては、窒化アルミニウムの他に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化ジルコニウム（ＺｎＯ）等が好ましい。

このようなトランスデューサ１００は、電極取り出し口１０８とコンタクトホール１０７を通して第１の電極１０２に電圧を印加することで圧電体薄膜１０４が伸び縮みし、バイモルフ効果によってダイヤフラムが振動して外部に音圧を発生する。

次に、図２を参照して、本実施形態に係るトランスデューサの製造方法について説明する。基板１１０としては、両サイド研磨のシリコンウエハ（結晶方位：００１、ｐ型）等を用いる。

まず、基板１１０を熱酸化し、絶縁膜１０１である熱酸化膜を１．０ｕｍ形成する（図２（Ａ））。

絶縁膜１０１を形成後、スパッタリングによって密着層であるチタンを０．０５ｕｍ堆積する。その後、タングステンを０．２ｕｍ堆積する。ついで、フォトリソグラフィによってパターニングし、ドライエッチングによって不要部分を除去して、第１の電極１０２及びダミー電極１０３を同時に形成する（図２（Ｂ））。ダミー電極１０３は、第１の電極１０２から離間した領域に形成される。ダミー電極１０３の役割は、コンタクトホール形成部とトレンチ形成部の窒化アルミニウムの膜質を揃え、エッチング工程を容易にすることである。一般に、下地層の結晶性によって、その上に堆積される窒化アルミニウムの結晶性も影響を受ける。結晶性が異なると、膜のエッチングレートも同様に異なり、トレンチ１０６及びコンタクトホール１０７を同時形成する際にエッチングプロセスの条件出しが難しくなってしまう。

続いて、圧電体薄膜１０４である窒化アルミニウム薄膜をスパッタリングによって１．０ｕｍ堆積する（図２（Ｃ））。

その後、アルミニウムをスパッタリングによって０．２ｕｍ堆積する（図２（Ｃ））。続いて、フォトリソグラフィによってアルミニウムをパターニングし、ドライエッチングによって不要部分を除去して、第２の電極１０５を形成する（図２（Ｄ））。

続いて圧電体薄膜１０４のパターニング及びエッチングを行い、クロストーク防止用のトレンチ１０６及び第１の電極１０２とのコンタクトホール１０７を同時に形成する（図２（Ｅ））。

最後に、基板１１０の裏面のパターニングを行い、裏面からエッチングしてキャビティ１１１を形成する。エッチングは、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いることが好適である。例えばボッシュプロセスのように、エッチングと堆積が同時に行われつつ進行するような異方性エッチングが最適である。シリコンを除去することによって、絶縁膜１０１、第１の電極１０２、圧電体薄膜１０４、第２の電極１０５からなる積層ダイヤフラム１２０が形成される（図２（Ｆ））。

加えて、トレンチ１０６及びコンタクトホール１０７の形成後に工程を更に追加して、図３のようにダミー電極１０３を除去することも可能である。

なお、基板１１０はシリコンが特に好ましいが、セラミック基板、化合物半導体基板も選択可能である。

また、絶縁膜１０１は、基板１１０の熱酸化の他に、プラズマＣＶＤやＬＰＣＶＤによるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等によって形成してもよい。

また、ダミー電極１０３の上の除去される圧電体薄膜は、コンタクトマスクによって自由に変化させることが可能である。除去される圧電体薄膜の幅は、エッチングレートを合わせるためにコンタクトホールの幅と同等のサイズであれば、オーバーエッチングを余分にしなくてもよいという観点からさらに好適である。

（実施例）
図４は、本実施例に係るトランスデューサを示している。図１で説明した構造を有するトランスデューサ（圧電素子）が、２×２の４個のアレイ状に配置されている。図５には、トランスデューサの寸法を示している。図５（Ａ）は上面図であり、図５（Ｂ）はＩＢ−ＩＢ線に沿った断面図である。１個のトランスデューサは、直径１．０ｍｍの円形のダイヤフラム領域を有する（図５（Ｂ）に点線で図示）。第２の電極１０５は直径０．９ｍｍの円形、第１の電極１０２は直径１．１ｍｍの円形である。また、素子間の窒化アルミニウムを分離するトレンチ１０７は幅０．１ｍｍであり、これは第１の電極１０２とのコンタクトの幅と一致する。また、外周のダミー電極１０３はリング形状を有し、隣り合うダミー電極１０３との最近接距離は０．１ｍｍである。

このような構成を有するアレイ型ダイヤフラムにおいて、トレンチ挿入によるクロストーク抑制効果を、シミュレーションによって確認した。シミュレーションは以下の条件で実施した。

（１）図４において、トランスデューサＡ、Ｂ、Ｃを、２Ｖｐｐ（Ｐｅａｋ ｔｏ Ｐｅａｋ）の交流電圧で駆動する。クロストークは、Ａ、Ｂ、Ｃのトランスデューサを同時駆動したときのＤの圧電素子の振動振幅と、Ａ、Ｂ、Ｃの振幅との比によって、パーセンテージで評価した。比較する周波数においては、単体のトランスデューサが有する１次の共振におけるピーク高さによって評価した。

（２）比較例としては、トレンチを形成しない、同じ配置、サイズのトランスデューサを、シミュレーション条件（１）と同じ方法にて評価を行った。

シミュレーションの結果を図６に示す。トレンチを形成しない場合のクロストークは３．０％であった。一方トレンチを形成した場合は０．２８％と、クロストークが約１／１０に低減するという効果が得られた。このように、トレンチ形成はアレイ型トランスデューサのクロストーク低減に大きな効果があることがシミュレーションで確認された。

本実施形態に係るトランスデューサを示しており、図１（Ａ）は上面図であり、図１（Ｂ）はＩＢ−ＩＢ線に沿った断面図である。 本実施形態に係るトランスデューサの製造方法について説明するための図である。 本実施形態に係るトランスデューサにおいてダミー電極を除去したものを示しており、図３（Ａ）は上面図であり、図３（Ｂ）はＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿った断面図である。 実施例に係るトランスデューサを示す図である。 図４のトランスデューサの寸法を示す図である。 クロストークのシミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

１００ トランスデューサ
１０１ 絶縁膜
１０２ 第１の電極
１０３ ダミー電極
１０４ 圧電体薄膜
１０５ 第２の電極
１０６ クロストーク低減用トレンチ
１０７ コンタクトホール
１０８ 電極取り出し口
１１０ 基板
１２０ 積層ダイヤフラム

Claims (4)

1. 半導体基板の上に絶縁膜を形成する第１の工程と、
   前記絶縁膜の上に第１の電極およびダミー電極を同時に形成する第２の工程と、
   前記第１の電極および前記ダミー電極の上に、圧電体を形成する第３の工程と、
   前記圧電体の上に、第２の電極を形成する第４の工程と、
   前記ダミー電極の上および前記第１の電極の予め定めた領域の上に形成されている圧電体を同時に除去する第５の工程と
   を含むことを特徴とするトランスデューサの製造方法。
2. 前記第２の工程において、前記ダミー電極は前記第１の電極から離間した領域に形成されることを特徴とする請求項１に記載のトランスデューサの製造方法。
3. 前記圧電体は、窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１または２に記載のトランスデューサの製造方法。
4. 前記第５の工程の後に、前記ダミー電極を除去する第６の工程をさらに含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のトランスデューサの製造方法。

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