JP2010175482A - Ｍｅｍｓセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】ＳＯＩ基板を用いずに製造することができ、かつ、分離層を必要としない、ＭＥＭＳセンサを提供する。
【解決手段】シリコン基板２に凹部４が形成されており、その凹部４内に固定電極５および可動電極６が配置されている。固定電極５および可動電極６は、シリコン基板２の材料であるシリコン材料ではなく、タングステンからなり、シリコン基板２のパターニングにより形成されるものではない。そのため、シリコン基板２が高導電性を有している必要がない。したがって、高導電性のシリコン層を備えるＳＯＩ基板を用いなくても、低導電性のシリコン基板２を用いて、加速度センサ１を製造することができる。シリコン基板２が高導電性を有していないので、固定電極５および可動電極６が形成される領域をその周囲から絶縁分離する必要がない。そのため、その絶縁分離のための分離層を必要としない。
【選択図】図２
【解決手段】シリコン基板２に凹部４が形成されており、その凹部４内に固定電極５および可動電極６が配置されている。固定電極５および可動電極６は、シリコン基板２の材料であるシリコン材料ではなく、タングステンからなり、シリコン基板２のパターニングにより形成されるものではない。そのため、シリコン基板２が高導電性を有している必要がない。したがって、高導電性のシリコン層を備えるＳＯＩ基板を用いなくても、低導電性のシリコン基板２を用いて、加速度センサ１を製造することができる。シリコン基板２が高導電性を有していないので、固定電極５および可動電極６が形成される領域をその周囲から絶縁分離する必要がない。そのため、その絶縁分離のための分離層を必要としない。
【選択図】図２
Description
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により製造されるセンサに関する。
最近、ＭＥＭＳセンサの注目度が急激に高まっている。ＭＥＭＳセンサの代表的なものとして、たとえば、物体の加速度を検出するための加速度センサが知られている。
従来の加速度センサは、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製造される。ＳＯＩ基板は、たとえば、シリコン基板上に、ＳｉＯ２（酸化シリコン）からなるＢＯＸ（Buried Oxide）層およびシリコン層がこの順に積層された構造を有している。シリコン層には、Ｐ型またはＮ型の不純物が高濃度にドーピングされており、シリコン層は、高導電性（低抵抗）を有している。
従来の加速度センサは、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製造される。ＳＯＩ基板は、たとえば、シリコン基板上に、ＳｉＯ２（酸化シリコン）からなるＢＯＸ（Buried Oxide）層およびシリコン層がこの順に積層された構造を有している。シリコン層には、Ｐ型またはＮ型の不純物が高濃度にドーピングされており、シリコン層は、高導電性（低抵抗）を有している。
加速度センサは、固定電極および可動電極を備えている。固定電極および可動電極は、ＳＯＩ基板のシリコン層のパターニングにより、それぞれシリコン層の厚さ方向およびその直交方向に延びる板状に形成され、互いに微小な間隔を空けて平行に設けられている。固定電極は、ＢＯＸ層を介して、シリコン基板に支持されている。可動電極は、その下方からＢＯＸ層が除去されることにより、シリコン基板から浮いた状態になっている。
固定電極および可動電極は、たとえば、それらの対向方向（この項において、単に「対向方向」という。）の加速度を検出するためのコンデンサを構成する。加速度センサ（加速度センサが搭載される物体）に対向方向の加速度が生じると、可動電極が対向方向に変位し、固定電極と可動電極との間隔が変化する。固定電極と可動電極との間隔の変化に伴って、固定電極および可動電極からなるコンデンサの静電容量が変化するので、その静電容量の変化量に基づいて、加速度センサに生じた対向方向の加速度の大きさを検出することができる。
しかしながら、ＳＯＩ基板が比較的高価であるため、従来の加速度センサは、コストが高くつく。
また、シリコン層が高導電性を有しているので、従来の加速度センサは、固定電極および可動電極が形成される領域を周囲から電気的に分離するための分離層を必要とする。分離層は、たとえば、固定電極および可動電極が形成される領域の周囲を取り囲む環状のトレンチに絶縁材料を埋設した構造を有している。この分離層が不要であれば、加速度センサのサイズを分離層の占有分だけ縮小することができる。しかも、分離層を形成するための工程が省略されるので、加速度センサの製造に用いられるフォトマスクの数（レイヤ数）を減らすことができる。
また、シリコン層が高導電性を有しているので、従来の加速度センサは、固定電極および可動電極が形成される領域を周囲から電気的に分離するための分離層を必要とする。分離層は、たとえば、固定電極および可動電極が形成される領域の周囲を取り囲む環状のトレンチに絶縁材料を埋設した構造を有している。この分離層が不要であれば、加速度センサのサイズを分離層の占有分だけ縮小することができる。しかも、分離層を形成するための工程が省略されるので、加速度センサの製造に用いられるフォトマスクの数（レイヤ数）を減らすことができる。
本発明の目的は、ＳＯＩ基板を用いずに製造することができ、かつ、分離層を必要としない、ＭＥＭＳセンサを提供することである。
前記の目的を達成するための請求項１記載のＭＥＭＳセンサは、シリコン材料からなり、その表面から掘り下がった凹部を有する基板と、金属材料からなり、前記凹部内に配置され、前記基板に対して固定された固定電極と、金属材料からなり、前記凹部内に前記固定電極に対向して配置され、前記固定電極に対して変位可能に設けられた可動電極とを備えている。
このＭＥＭＳセンサでは、基板に凹部が形成されており、その凹部内に固定電極および可動電極が配置されている。固定電極および可動電極は、基板の材料であるシリコン材料ではなく、金属材料からなり、基板をパターニングすることにより形成されるものではない。そのため、基板が高導電性を有している必要がない。したがって、高導電性のシリコン層を備えるＳＯＩ基板を用いなくても、不純物がドーピングされていない低導電性（高抵抗）のシリコン基板を用いて、ＭＥＭＳセンサを製造することができる。
また、基板が高導電性を有していないので、固定電極および可動電極が形成される領域をその周囲から絶縁分離する必要がない。そのため、その絶縁分離のための分離層を必要としない。その結果、ＭＥＭＳセンサのサイズを分離層の占有分だけ縮小することができる。また、分離層を形成するための工程を省略することができ、ＭＥＭＳセンサの製造工程を簡素化することができる。さらに、分離層を形成するためのフォトマスクが不要であるので、ＭＥＭＳセンサの製造に用いられるフォトマスクの数を減らすことができる。
請求項２に記載のように、固定電極および可動電極は、凹部の深さ方向およびその直交方向に延びる板状に形成され、基板の表面と平行な方向に互いに対向していてもよい。この場合、基板に固定電極形成用溝および可動電極形成用溝をその表面から掘り下げて形成し、各溝に金属材料を堆積させた後、それらの溝間から基板を除去することにより、金属材料からなる固定電極および可動電極を容易に形成することができる。
請求項３に記載のように、固定電極における可動電極との対向面および可動電極における固定電極との対向面が絶縁膜で被覆されていることが好ましい。これにより、固定電極と可動電極との接触による短絡を防止することができる。
さらに、請求項４に記載のように、絶縁膜の表面に、波状の凹凸が形成されていることがより好ましい。これにより、可動電極が変位（振動）したときに、絶縁膜の表面の凹凸が可動電極の揺れ止めとして機能し、可動電極が固定電極に貼り付くことを防止できる。基板に固定電極形成用溝および可動電極形成用溝を形成し、これらの溝に絶縁膜を介して金属材料を堆積させることにより、表面に絶縁膜を有する固定電極および可動電極が形成される場合、ボッシュプロセスにより溝を形成することによって、溝の側面にスキャロップが形成されるので、絶縁膜の表面に凹凸が必然的に形成される。
さらに、請求項４に記載のように、絶縁膜の表面に、波状の凹凸が形成されていることがより好ましい。これにより、可動電極が変位（振動）したときに、絶縁膜の表面の凹凸が可動電極の揺れ止めとして機能し、可動電極が固定電極に貼り付くことを防止できる。基板に固定電極形成用溝および可動電極形成用溝を形成し、これらの溝に絶縁膜を介して金属材料を堆積させることにより、表面に絶縁膜を有する固定電極および可動電極が形成される場合、ボッシュプロセスにより溝を形成することによって、溝の側面にスキャロップが形成されるので、絶縁膜の表面に凹凸が必然的に形成される。
請求項５に記載のように、可動電極は、固定電極との対向方向に変位し、当該対向方向の加速度を検出するための第１可動電極を含んでいてもよい。固定電極と第１可動電極とにより、それらの対向方向の加速度を検出するためのコンデンサが構成され、このコンデンサの静電容量の変化量に基づいて、その対向方向の加速度の大きさを検出することができる。
また、請求項６に記載のように、可動電極は、凹部の深さ方向に変位し、当該深さ方向の加速度を検出するための第２可動電極を含んでいてもよい。固定電極と第２可動電極とにより、凹部の深さ方向の加速度を検出するためのコンデンサが構成され、このコンデンサの静電容量の変化量に基づいて、その深さ方向の加速度の大きさを検出することができる。
さらに、請求項７に記載のように、第２可動電極における凹部の底面と対向する面と反対側の面には、金属材料が付着しており、この金属材料の付着により、第２可動電極が固定電極に対して凹部の深さ方向に位置がずれていてもよい。第２可動電極が固定電極に対して位置ずれしている状態から第２可動電極が変位したときに、固定電極および第２可動電極により構成されるコンデンサの静電容量が増加したか減少したかによって、加速度の向きを検出することができる。
また、請求項８に記載のように、可動電極が固定電極との対向方向に変位し、凹部に入射した音波を検出するためのものであってもよい。固定電極と可動電極とにより、音波を検出するためのコンデンサが構成され、このコンデンサの静電容量の変化量に基づいて、音波の強弱および周波数を検出することができる。
この場合、請求項９に記載のように、凹部よりも基板の基層側に、凹部と連通する音波反射用空間が形成されていることが好ましい。音波反射用空間が形成されていることにより、凹部を介して音波反射用空間に入射した音波をその内面で反射させて、その反射波を可動電極に入射させることができる。したがって、音波をより良好に検出することができる。
この場合、請求項９に記載のように、凹部よりも基板の基層側に、凹部と連通する音波反射用空間が形成されていることが好ましい。音波反射用空間が形成されていることにより、凹部を介して音波反射用空間に入射した音波をその内面で反射させて、その反射波を可動電極に入射させることができる。したがって、音波をより良好に検出することができる。
また、請求項１０に記載のように、固定電極および可動電極の材料がタングステンであることが好ましい。この場合、基板に固定電極形成用溝および可動電極形成用溝を形成した後、めっき法およびＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法のどちらの方法であっても、各溝にタングステンを堆積させることができる。
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る加速度センサの平面図であり、電極構造が図解的に示されている。図２は、図１に示す加速度センサを切断線II−IIで切断したときの模式的な断面図である。
加速度センサ１は、ＭＥＭＳ技術により製造されるセンサ（ＭＥＭＳセンサ）である。
図１は、本発明の第１実施形態に係る加速度センサの平面図であり、電極構造が図解的に示されている。図２は、図１に示す加速度センサを切断線II−IIで切断したときの模式的な断面図である。
加速度センサ１は、ＭＥＭＳ技術により製造されるセンサ（ＭＥＭＳセンサ）である。
図２に示すように、加速度センサ１は、平面視四角形状のシリコン基板２を備えている。シリコン基板２は、不純物がドーピングされていない高抵抗（低導電性）基板である。
シリコン基板２の表層部には、ＳｉＯ２からなる絶縁層３が形成されている。
シリコン基板２には、平面視四角形状の凹部４が形成されている。凹部４は、絶縁層３の表面から掘り下がっている。
シリコン基板２の表層部には、ＳｉＯ２からなる絶縁層３が形成されている。
シリコン基板２には、平面視四角形状の凹部４が形成されている。凹部４は、絶縁層３の表面から掘り下がっている。
凹部４内には、固定電極５および可動電極６が設けられている。固定電極５および可動電極６は、Ｗ（タングステン）からなり、それぞれ凹部４の深さ方向およびその直交方向に延びる板状に形成されている。固定電極５と可動電極６とは、シリコン基板２の表面と平行なＸ軸方向に微小な間隔を空けて対向している。そして、固定電極５および可動電極６は、それぞれ複数設けられ、Ｘ軸方向に交互に配置されている。
Ｘ軸方向の一方側（図１，２における右側）からそれぞれ複数の固定電極５Ｘおよび可動電極６Ｘは、Ｘ軸方向の加速度を検出するためのコンデンサを構成している。
図１に示すように、Ｘ軸方向の加速度を検出するための各固定電極５Ｘは、シリコン基板２から浮いた状態であるが、シリコン基板２に対して固定的に設けられている。各固定電極５Ｘの一端部は、固定電極５Ｘと同じ金属材料からなる連結部７により連結されている。これにより、固定電極５Ｘおよび連結部７は、各固定電極５Ｘを櫛歯とする櫛状構造をなしている。連結部７には、シリコン基板２に埋設された引出部８が接続されている。引出部８は、連結部７と一体的に形成されている。そして、引出部８は、絶縁層３上に設けられるパッド９にその下方から接続されている。
図１に示すように、Ｘ軸方向の加速度を検出するための各固定電極５Ｘは、シリコン基板２から浮いた状態であるが、シリコン基板２に対して固定的に設けられている。各固定電極５Ｘの一端部は、固定電極５Ｘと同じ金属材料からなる連結部７により連結されている。これにより、固定電極５Ｘおよび連結部７は、各固定電極５Ｘを櫛歯とする櫛状構造をなしている。連結部７には、シリコン基板２に埋設された引出部８が接続されている。引出部８は、連結部７と一体的に形成されている。そして、引出部８は、絶縁層３上に設けられるパッド９にその下方から接続されている。
Ｘ軸方向の加速度を検出するための各可動電極６Ｘは、シリコン基板２から浮いた状態で、Ｘ軸方向に振動可能に設けられている。各可動電極６Ｘの一端部は、可動電極６Ｘと同じ金属材料からなる連結部１０により連結されている。連結部１０は、可動電極６Ｘに対して連結部７と反対側に設けられている。これにより、可動電極６Ｘおよび連結部１０は、各可動電極６Ｘを櫛歯とし、固定電極５Ｘおよび連結部７がなす櫛状構造と互いの櫛歯が接触せずに噛み合うような櫛状構造をなしている。連結部１０には、シリコン基板２に埋設された引出部１１が接続されている。引出部１１は、連結部１０と一体的に形成されている。そして、引出部１１は、絶縁層３上に設けられるパッド１２にその下方から接続されている。
残りの固定電極５Ｚおよび可動電極６Ｚは、シリコン基板２の表面に垂直なＺ軸方向の加速度を検出するためのコンデンサを構成している。
Ｚ軸方向の加速度を検出するための各固定電極５Ｚは、シリコン基板２（凹部４の底面）から浮いた状態であるが、シリコン基板２に対して固定的に設けられている。各固定電極５Ｚの一端部は、固定電極５Ｚと同じ金属材料からなる連結部１３により連結されている。これにより、固定電極５Ｚおよび連結部１３は、各固定電極５Ｚを櫛歯とする櫛状構造をなしている。連結部１３には、シリコン基板２に埋設された引出部１４が接続されている。引出部１４は、連結部１３と一体的に形成されている。そして、引出部１４は、絶縁層３上に設けられるパッド１５にその下方から接続されている。
Ｚ軸方向の加速度を検出するための各固定電極５Ｚは、シリコン基板２（凹部４の底面）から浮いた状態であるが、シリコン基板２に対して固定的に設けられている。各固定電極５Ｚの一端部は、固定電極５Ｚと同じ金属材料からなる連結部１３により連結されている。これにより、固定電極５Ｚおよび連結部１３は、各固定電極５Ｚを櫛歯とする櫛状構造をなしている。連結部１３には、シリコン基板２に埋設された引出部１４が接続されている。引出部１４は、連結部１３と一体的に形成されている。そして、引出部１４は、絶縁層３上に設けられるパッド１５にその下方から接続されている。
Ｚ軸方向の加速度を検出するための各可動電極６Ｚは、シリコン基板２から浮いた状態で、Ｚ軸方向に振動可能に設けられている。各可動電極６Ｚの一端部は、可動電極６Ｚと同じ金属材料からなる連結部１０により連結されている。連結部１６は、可動電極６Ｚに対して連結部１３と反対側に設けられている。これにより、可動電極６Ｚおよび連結部１６は、各可動電極６Ｚを櫛歯とし、固定電極５および連結部１３がなす櫛状構造と互いの櫛歯が接触せずに噛み合うような櫛状構造をなしている。連結部１６には、シリコン基板２に埋設された引出部１７が接続されている。引出部１７は、連結部１６と一体的に形成されている。そして、引出部１７は、絶縁層３上に設けられるパッド１８にその下方から接続されている。
各パッド９，１２，１５，１８は、金属材料（たとえば、Ａｌ（アルミニウム））からなり、平面視四角形状をなしている。
図２に示すように、各可動電極６Ｚ上には、パッド９，１２，１５，１８と同じ金属材料１９が付着している。金属材料１９と可動電極６Ｚとの張力差により、図２には現れていないが、可動電極６Ｚは、シリコン基板２側に凸となるように反り変形し、固定電極５Ｚに対してＺ軸方向の上側（シリコン基板２から離れる方向）に位置が若干ずれている。
図２に示すように、各可動電極６Ｚ上には、パッド９，１２，１５，１８と同じ金属材料１９が付着している。金属材料１９と可動電極６Ｚとの張力差により、図２には現れていないが、可動電極６Ｚは、シリコン基板２側に凸となるように反り変形し、固定電極５Ｚに対してＺ軸方向の上側（シリコン基板２から離れる方向）に位置が若干ずれている。
各固定電極５、各可動電極６、各連結部７，１０，１３，１６および各引出部８，１１，１４，１７の側面および下面は、バリア膜２０により被覆されている。バリア膜２０は、たとえば、Ｔｉ（チタン）／ＴｉＮ（窒化チタン）の積層膜またはＴｉ／Ｗの積層膜である。さらに、バリア膜２０の外側は、絶縁膜２１により被覆されている。絶縁膜２１は、たとえば、ＳｉＯ２からなる。
シリコン基板２上には、表面保護膜２２が積層されている。表面保護膜２２は、たとえば、ＳｉＮ（窒化シリコン）からなる。表面保護膜２２には、各パッド９，１２，１５，１８を個別に露出させるための開口２３が形成されており、各開口２３を介して、各パッド９，１２，１５，１８に外部配線（図示せず）を接続することができるようになっている。
加速度センサ１（加速度センサ１が搭載される物体）にＸ軸方向の加速度が生じ、各可動電極６ＸがＸ軸方向に変位すると、固定電極５Ｘと可動電極６Ｘとの間隔が変化し、固定電極５Ｘおよび可動電極６Ｘにより構成されるコンデンサの静電容量が変化する。この静電容量の変化により、パッド９，１２にそれぞれ接続された外部配線に、静電容量の変化量に応じた電流が流れる。したがって、その電流値に基づいて、加速度センサ１に生じたＸ軸方向の加速度の大きさを検出することができる。
また、加速度センサ１にＺ軸方向の加速度が生じ、可動電極６ＺがＺ軸方向に変位すると、固定電極５Ｚと可動電極６Ｚとの対向面積が変化し、固定電極５Ｚおよび可動電極６Ｚにより構成されるコンデンサの静電容量が変化する。加速度が生じる前の状態で、可動電極６Ｚの位置が固定電極５Ｚに対してＺ軸方向の上側に若干ずれているので、可動電極６ＺがＺ軸方向の下側に変位すると、固定電極５Ｚと可動電極６Ｚとの対向面積が増すので、コンデンサの静電容量が増す。逆に、可動電極６ＺがＺ軸方向の上側に変位すると、固定電極５Ｚと可動電極６Ｚとの対向面積が減るので、コンデンサの静電容量が減る。そして、静電容量の変化により、パッド１５，１８にそれぞれ接続された外部配線に、静電容量の変化量に応じた電流が流れる。したがって、その電流の向きおよび値に基づいて、加速度センサ１に生じたＺ軸方向の加速度の向きおよび大きさを検出することができる。
なお、Ｘ軸方向およびＺ軸方向と直交するＹ軸方向に対向する固定電極および可動電極が追加して設けられ、それらの固定電極および可動電極からなるコンデンサの静電容量の変化に基づいて、加速度センサ１に生じたＹ軸方向の加速度の向きおよび大きさが検出可能とされてもよい。
図３Ａ〜３Ｑは、図２に示す加速度センサの製造工程を順に示す模式的な断面図である。
図３Ａ〜３Ｑは、図２に示す加速度センサの製造工程を順に示す模式的な断面図である。
加速度センサ１の製造工程では、まず、図３Ａに示すように、熱酸化法により、シリコン基板２の表面全域が酸化され、シリコン基板２の表層部として、シリコン酸化層３１が形成される。
次に、図３Ｂに示すように、フォトリソグラフィにより、シリコン酸化層３１上に、レジストパターン３２が形成される。
次に、図３Ｂに示すように、フォトリソグラフィにより、シリコン酸化層３１上に、レジストパターン３２が形成される。
そして、図３Ｃに示すように、レジストパターン３２をマスクとするエッチングにより、シリコン酸化層３１が選択的に除去される。その結果、シリコン酸化層３１は、絶縁層３となる。
つづいて、図３Ｄに示すように、レジストパターン３２をマスクとするディープＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）により、具体的にはボッシュプロセスにより、シリコン基板２にトレンチ３３が形成される。ボッシュプロセスでは、ＳＦ６（六フッ化硫黄）を使用してシリコン基板２をエッチングする工程と、Ｃ４Ｆ８（パーフルオロシクロブタン）を使用してエッチング面に保護膜を形成する工程とが交互に繰り返される。これにより、高いアスペクト比でシリコン基板２をエッチングすることができるが、エッチング面（トレンチ３３の側面）にスキャロップと呼ばれる波状の凹凸が形成される。
つづいて、図３Ｄに示すように、レジストパターン３２をマスクとするディープＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）により、具体的にはボッシュプロセスにより、シリコン基板２にトレンチ３３が形成される。ボッシュプロセスでは、ＳＦ６（六フッ化硫黄）を使用してシリコン基板２をエッチングする工程と、Ｃ４Ｆ８（パーフルオロシクロブタン）を使用してエッチング面に保護膜を形成する工程とが交互に繰り返される。これにより、高いアスペクト比でシリコン基板２をエッチングすることができるが、エッチング面（トレンチ３３の側面）にスキャロップと呼ばれる波状の凹凸が形成される。
その後、図３Ｅに示すように、アッシングにより、レジストパターン３２が除去される。
次いで、図３Ｆに示すように、熱酸化法またはＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法により、トレンチ３３の内面を含むシリコン基板２の表面全域に、絶縁膜２１が形成される。
次いで、図３Ｆに示すように、熱酸化法またはＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法により、トレンチ３３の内面を含むシリコン基板２の表面全域に、絶縁膜２１が形成される。
その後、図３Ｇに示すように、スパッタ法により、絶縁膜２１上に、バリア膜２０が形成される。
バリア膜２０の形成後、図３Ｈに示すように、めっき法またはＣＶＤ法により、そのバリア膜２０上に、固定電極５および可動電極６の材料であるＷの堆積層３４が形成される。この堆積層３４は、トレンチ３３内を完全に埋め尽くすような厚さに形成される。
バリア膜２０の形成後、図３Ｈに示すように、めっき法またはＣＶＤ法により、そのバリア膜２０上に、固定電極５および可動電極６の材料であるＷの堆積層３４が形成される。この堆積層３４は、トレンチ３３内を完全に埋め尽くすような厚さに形成される。
そして、図３Ｉに示すように、エッチバックにより、堆積層３４のトレンチ３３外の部分が除去される。その結果、トレンチ３３内にＷ（堆積層３４）が埋設された状態となり、そのＷからなる固定電極５、可動電極６、連結部７，１０，１３，１６および引出部８，１１，１４，１７が得られる。また、エッチバックにより、バリア膜２０のトレンチ３３外の部分も堆積層３４とともに除去される。したがって、固定電極５、可動電極６、連結部７，１０，１３，１６および引出部８，１１，１４，１７の各上面は、トレンチ３３外で露出した絶縁膜２１の表面とほぼ面一をなす。
その後、図３Ｊに示すように、スパッタ法により、シリコン基板２上の全域に、パッド９，１２，１５，１８の材料からなる金属膜３５が形成される。
そして、図３Ｋに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、金属膜３５がパターニングされて、パッド９，１２，１５，１８が形成されるとともに、各可動電極６Ｚ上に金属材料１９（金属膜３５）が残される。
そして、図３Ｋに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、金属膜３５がパターニングされて、パッド９，１２，１５，１８が形成されるとともに、各可動電極６Ｚ上に金属材料１９（金属膜３５）が残される。
その後、図３Ｌに示すように、ＰＥＣＶＤ法により、シリコン基板２上の全域に、表面保護膜２２が形成される。
次いで、図３Ｍに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、表面保護膜２２に、各パッド９，１２，１５，１８を露出させるための開口２３が形成される。
開口２３の形成後、図３Ｎに示すように、フォトリソグラフィにより、表面保護膜２２上に、レジストパターン３６が形成される。レジストパターン３６は、固定電極５と可動電極６との各間に対向する開口３７を有している。
次いで、図３Ｍに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、表面保護膜２２に、各パッド９，１２，１５，１８を露出させるための開口２３が形成される。
開口２３の形成後、図３Ｎに示すように、フォトリソグラフィにより、表面保護膜２２上に、レジストパターン３６が形成される。レジストパターン３６は、固定電極５と可動電極６との各間に対向する開口３７を有している。
レジストパターン３６の形成後、図３Ｏに示すように、エッチングにより、表面保護膜２２における開口３７を介して露出する部分が除去される。この表面保護膜２２の選択的な除去により、絶縁層３が開口３７を介して部分的に露出する。つづいて、エッチングにより、その絶縁層３における開口３７を介して露出する部分が除去される。その結果、シリコン基板２の表面が開口３７を介して部分的に露出する。
その後、図３Ｐに示すように、異方性のディープＲＩＥにより、シリコン基板２における開口３７を介して露出する部分が厚さ方向に掘り下げられる。これにより、固定電極５および可動電極６の各間からシリコン基板２が除去され、固定電極５および可動電極６の各間に、トレンチ３８が形成される。トレンチ３８は、その底部が固定電極５および可動電極６よりも下方に位置するような深さに形成される。
つづいて、図３Ｑに示すように、等方性のディープＲＩＥにより、トレンチ３８を介して、シリコン基板２における固定電極５および可動電極６の下方の部分が除去される。これにより、シリコン基板２に凹部４が形成され、固定電極５および可動電極６がシリコン基板２から浮いた状態となる。そして、凹部４の形成後、アッシングにより、レジストパターン３６が除去されて、図２に示す加速度センサ１が得られる。
以上のように、加速度センサ１では、シリコン基板２に凹部４が形成されており、その凹部４内に固定電極５および可動電極６が配置されている。固定電極５および可動電極６は、シリコン基板２の材料であるシリコン材料ではなく、タングステンからなり、シリコン基板２をパターニングすることにより形成されるものではない。そのため、シリコン基板２が高導電性を有している必要がない。したがって、高導電性のシリコン層を備えるＳＯＩ基板を用いなくても、不純物がドーピングされていない低導電性（高抵抗）のシリコン基板２を用いて、加速度センサ１を製造することができる。
また、シリコン基板２が高導電性を有していないので、固定電極５および可動電極６が形成される領域をその周囲から絶縁分離する必要がない。そのため、その絶縁分離のための分離層を必要としない。その結果、加速度センサ１のサイズを分離層の占有分だけ縮小することができる。また、分離層を形成するための工程を省略することができ、加速度センサ１の製造工程を簡素化することができる。さらに、分離層を形成するためのフォトマスクが不要であるので、加速度センサ１の製造に用いられるフォトマスクの数を減らすことができる。
また、固定電極５および可動電極６の側面が絶縁膜２１で被覆されているので、固定電極５と可動電極６との接触による短絡を防止することができる。
さらに、加速度センサ１の製造工程では、ボッシュプロセスにより、シリコン基板２にトレンチ３３が形成され、このトレンチ３３内に絶縁膜２１を介して固定電極５および可動電極６が埋設される。ボッシュプロセスでは、トレンチ３３の側面に、スキャロップと呼ばれる波状の凹凸が形成される。そのため、図４に示すように、固定電極５および可動電極６を被覆する絶縁膜２１の側面には、スキャロップに対応した波状の凹凸が必然的に形成される。絶縁膜２１の側面の凹凸は、可動電極６が変位（振動）したときに、可動電極６の揺れ止めとして機能する。その結果、可動電極６が固定電極５に貼り付くことを防止できる。
さらに、加速度センサ１の製造工程では、ボッシュプロセスにより、シリコン基板２にトレンチ３３が形成され、このトレンチ３３内に絶縁膜２１を介して固定電極５および可動電極６が埋設される。ボッシュプロセスでは、トレンチ３３の側面に、スキャロップと呼ばれる波状の凹凸が形成される。そのため、図４に示すように、固定電極５および可動電極６を被覆する絶縁膜２１の側面には、スキャロップに対応した波状の凹凸が必然的に形成される。絶縁膜２１の側面の凹凸は、可動電極６が変位（振動）したときに、可動電極６の揺れ止めとして機能する。その結果、可動電極６が固定電極５に貼り付くことを防止できる。
図５は、本発明の第２実施形態に係るシリコンマイクの模式的な断面図である。
シリコンマイク５１は、ＭＥＭＳ技術により製造されるセンサ（ＭＥＭＳセンサ）である。
シリコンマイク５１は、平面視四角形状のシリコン基板５２を備えている。シリコン基板５２は、不純物がドーピングされていない高抵抗（低導電性）基板である。
シリコンマイク５１は、ＭＥＭＳ技術により製造されるセンサ（ＭＥＭＳセンサ）である。
シリコンマイク５１は、平面視四角形状のシリコン基板５２を備えている。シリコン基板５２は、不純物がドーピングされていない高抵抗（低導電性）基板である。
シリコン基板５２の表層部には、ＳｉＯ２からなる絶縁層５３が形成されている。
シリコン基板５２には、平面視四角形状の凹部５４が形成されている。凹部５４は、絶縁層５３の表面から掘り下がっている。
凹部５４内には、固定電極５５（バックプレート）および可動電極５６（ダイヤフラム）が設けられている。固定電極５５および可動電極５６は、Ｗ（タングステン）からなり、それぞれ凹部５４の深さ方向およびその直交方向に延びる板状に形成されている。固定電極５５と可動電極５６とは、シリコン基板５２の表面と平行なＸ軸方向に微小な間隔を空けて対向している。
シリコン基板５２には、平面視四角形状の凹部５４が形成されている。凹部５４は、絶縁層５３の表面から掘り下がっている。
凹部５４内には、固定電極５５（バックプレート）および可動電極５６（ダイヤフラム）が設けられている。固定電極５５および可動電極５６は、Ｗ（タングステン）からなり、それぞれ凹部５４の深さ方向およびその直交方向に延びる板状に形成されている。固定電極５５と可動電極５６とは、シリコン基板５２の表面と平行なＸ軸方向に微小な間隔を空けて対向している。
また、シリコン基板５２には、２つのトレンチ５７が形成されている。各トレンチ５７には、固定電極５５および可動電極５６と同じ金属材料からなる引出部５８が埋設されている。引出部５８は、それぞれ固定電極５５および可動電極５６と一体的に形成され、絶縁層５３上に設けられるパッド５９にその下方から接続されている。各パッド５９は、金属材料（たとえば、Ａｌ）からなり、平面視四角形状をなしている。なお、図５では、１つの引出部５８およびこれと接続されたパッド５９のみが示されている。
固定電極５５、可動電極５６および各引出部５８の側面および下面は、バリア膜６０により被覆されている。バリア膜６０は、たとえば、Ｔｉ（チタン）／ＴｉＮ（窒化チタン）の積層膜またはＴｉ／Ｗの積層膜である。さらに、バリア膜６０の外側は、絶縁膜６１により被覆されている。絶縁膜６１は、たとえば、ＳｉＯ２からなる。
また、シリコン基板５２には、凹部５４の下方（シリコン基板５２の基層側）に、凹部５４と連通する断面楕円形状の音波反射用空間６２が形成されている。
また、シリコン基板５２には、凹部５４の下方（シリコン基板５２の基層側）に、凹部５４と連通する断面楕円形状の音波反射用空間６２が形成されている。
シリコン基板５２上には、表面保護膜６３が積層されている。表面保護膜６３は、たとえば、ＳｉＮ（窒化シリコン）からなる。表面保護膜６３には、各パッド５９を個別に露出させるための開口６４が形成されており、各開口６４を介して、各パッド５９に外部配線（図示せず）を接続することができるようになっている。
シリコンマイク５１では、凹部５４を介して、音波反射用空間６２に音波が入射する。音波反射用空間６２に入射した音波は、音波反射用空間６２の内面で反射し、可動電極５６に入射する。これにより、可動電極５６が固定電極５５との対向方向に振動し、固定電極５５と可動電極５６との間隔が変化することにより、固定電極５５および可動電極５６により構成されるコンデンサの静電容量が変化する。この静電容量の変化により、パッド５９にそれぞれ接続された外部配線に、静電容量の変化量に応じた電流が流れる。したがって、その電流値に基づいて、音波の強弱および周波数を検出することができる。
シリコンマイク５１では、凹部５４を介して、音波反射用空間６２に音波が入射する。音波反射用空間６２に入射した音波は、音波反射用空間６２の内面で反射し、可動電極５６に入射する。これにより、可動電極５６が固定電極５５との対向方向に振動し、固定電極５５と可動電極５６との間隔が変化することにより、固定電極５５および可動電極５６により構成されるコンデンサの静電容量が変化する。この静電容量の変化により、パッド５９にそれぞれ接続された外部配線に、静電容量の変化量に応じた電流が流れる。したがって、その電流値に基づいて、音波の強弱および周波数を検出することができる。
図６Ａ〜６Ｑは、図５に示す加速度センサの製造工程を順に示す模式的な断面図である。
シリコンマイク５１の製造工程では、まず、図６Ａに示すように、熱酸化法により、シリコン基板５２の表面全域が酸化され、シリコン基板５２の表層部として、シリコン酸化層７１が形成される。
シリコンマイク５１の製造工程では、まず、図６Ａに示すように、熱酸化法により、シリコン基板５２の表面全域が酸化され、シリコン基板５２の表層部として、シリコン酸化層７１が形成される。
次に、図６Ｂに示すように、フォトリソグラフィにより、シリコン酸化層３１上に、レジストパターン７２が形成される。
そして、図６Ｃに示すように、レジストパターン７２をマスクとするエッチングにより、シリコン酸化層７１が選択的に除去される。その結果、シリコン酸化層７１は、絶縁層５３となる。
そして、図６Ｃに示すように、レジストパターン７２をマスクとするエッチングにより、シリコン酸化層７１が選択的に除去される。その結果、シリコン酸化層７１は、絶縁層５３となる。
つづいて、図６Ｄに示すように、レジストパターン７２をマスクとするディープＲＩＥにより、具体的にはボッシュプロセスにより、シリコン基板５２にトレンチ５７，７３が形成される。ボッシュプロセスでは、ＳＦ６を使用してシリコン基板５２をエッチングする工程と、Ｃ４Ｆ８を使用してエッチング面に保護膜を形成する工程とが交互に繰り返される。これにより、高いアスペクト比でシリコン基板５２をエッチングすることができるが、エッチング面（トレンチ５７，７３の側面）にスキャロップと呼ばれる波状の凹凸が形成される。
その後、図６Ｅに示すように、アッシングにより、レジストパターン７２が除去される。
次いで、図６Ｆに示すように、熱酸化法またはＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法により、トレンチ５７，７３の内面を含むシリコン基板５２の表面全域に、絶縁膜６１が形成される。
次いで、図６Ｆに示すように、熱酸化法またはＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法により、トレンチ５７，７３の内面を含むシリコン基板５２の表面全域に、絶縁膜６１が形成される。
その後、図６Ｇに示すように、スパッタ法により、絶縁膜６１上に、バリア膜６０が形成される。
バリア膜６０の形成後、図６Ｈに示すように、めっき法またはＣＶＤ法により、そのバリア膜６０上に、固定電極５および可動電極６の材料であるＷの堆積層７４が形成される。この堆積層７４は、トレンチ５７，７３内を完全に埋め尽くすような厚さに形成される。
バリア膜６０の形成後、図６Ｈに示すように、めっき法またはＣＶＤ法により、そのバリア膜６０上に、固定電極５および可動電極６の材料であるＷの堆積層７４が形成される。この堆積層７４は、トレンチ５７，７３内を完全に埋め尽くすような厚さに形成される。
そして、図６Ｉに示すように、エッチバックにより、堆積層７４のトレンチ５７，７３外の部分が除去される。その結果、トレンチ７３内にＷ（堆積層７４）が埋設された状態となり、そのＷからなる固定電極５５、可動電極５６および引出部５８が得られる。固定電極５５、可動電極５６および引出部５８の各上面は、トレンチ５７，７３外で露出したバリア膜６０の表面とほぼ面一をなす。
その後、図６Ｊに示すように、スパッタ法により、シリコン基板５２上の全域に、パッド５９の材料からなる金属膜７５が形成される。
そして、図６Ｋに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、金属膜７５がパターニングされて、パッド５９が形成される。このとき、バリア膜６０および絶縁膜６１のトレンチ５７，７３外の部分も除去される。
そして、図６Ｋに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、金属膜７５がパターニングされて、パッド５９が形成される。このとき、バリア膜６０および絶縁膜６１のトレンチ５７，７３外の部分も除去される。
その後、図６Ｌに示すように、ＰＥＣＶＤ法により、シリコン基板５２上の全域に、表面保護膜６３が形成される。
次いで、図６Ｍに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、表面保護膜６３に、各パッド５９を露出させるための開口６４が形成される。
開口６４の形成後、図６Ｎに示すように、フォトリソグラフィにより、表面保護膜６３上に、レジストパターン７６が形成される。レジストパターン７６は、固定電極５５と可動電極５６との間およびその反対側の所定幅の領域にそれぞれ対向する開口７７を有している。すなわち、開口７７は、可動電極５６のＸ軸方向の両側の領域にそれぞれ対向している。
次いで、図６Ｍに示すように、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、表面保護膜６３に、各パッド５９を露出させるための開口６４が形成される。
開口６４の形成後、図６Ｎに示すように、フォトリソグラフィにより、表面保護膜６３上に、レジストパターン７６が形成される。レジストパターン７６は、固定電極５５と可動電極５６との間およびその反対側の所定幅の領域にそれぞれ対向する開口７７を有している。すなわち、開口７７は、可動電極５６のＸ軸方向の両側の領域にそれぞれ対向している。
レジストパターン７６の形成後、図６Ｏに示すように、エッチングにより、表面保護膜６３における開口７７を介して露出する部分が除去される。この表面保護膜６３の選択的な除去により、絶縁層５３が開口７７を介して部分的に露出する。つづいて、エッチングにより、その絶縁層５３における開口７７を介して露出する部分が除去される。その結果、シリコン基板５２の表面が開口７７を介して部分的に露出する。
その後、図６Ｐに示すように、異方性のディープＲＩＥにより、シリコン基板５２における開口７７を介して露出する部分が厚さ方向に掘り下げられる。これにより、固定電極５５および可動電極５６の各間からシリコン基板５２が除去され、固定電極５５および可動電極５６の各間に、トレンチ７８が形成される。トレンチ７８は、その底部が固定電極５５および可動電極５６よりも下方に位置するような深さに形成される。
つづいて、図６Ｑに示すように、等方性のディープＲＩＥにより、トレンチ７８を介して、シリコン基板５２における固定電極５５および可動電極５６の下方の部分が除去される。これにより、固定電極５５および可動電極５６が配置される凹部５４が形成されるとともに、その凹部５４と連通する音波反射用空間６２が形成される。そして、凹部５４および音波反射用空間６２の形成後、アッシングにより、レジストパターン７６が除去されて、図５に示すシリコンマイク５１が得られる。
以上のように、シリコンマイク５１では、シリコン基板５２に凹部５４が形成されており、その凹部５４内に固定電極５５および可動電極５６が配置されている。固定電極５５および可動電極５６は、シリコン基板５２の材料であるシリコン材料ではなく、タングステンからなり、シリコン基板５２をパターニングすることにより形成されるものではない。そのため、シリコン基板５２が高導電性を有している必要がない。したがって、高導電性のシリコン層を備えるＳＯＩ基板を用いなくても、不純物がドーピングされていない低導電性（高抵抗）のシリコン基板５２を用いて、シリコンマイク５１を製造することができる。
また、シリコン基板５２が高導電性を有していないので、固定電極５５および可動電極５６が形成される領域をその周囲から絶縁分離する必要がない。そのため、その絶縁分離のための分離層を必要としない。その結果、シリコンマイク５１のサイズを分離層の占有分だけ縮小することができる。また、分離層を形成するための工程を省略することができ、シリコンマイク５１の製造工程を簡素化することができる。さらに、分離層を形成するためのフォトマスクが不要であるので、シリコンマイク５１の製造に用いられるフォトマスクの数を減らすことができる。
また、固定電極５５および可動電極５６の側面が絶縁膜６１で被覆されているので、固定電極５５と可動電極５６との接触による短絡を防止することができる。
さらに、シリコンマイク５１の製造工程では、ボッシュプロセスにより、シリコン基板５２にトレンチ７３が形成され、このトレンチ７３内に絶縁膜６１を介して固定電極５５および可動電極５６が埋設される。ボッシュプロセスでは、トレンチ７３の側面に、スキャロップと呼ばれる波状の凹凸が形成される。そのため、図４に示すように、固定電極５５および可動電極５６を被覆する絶縁膜６１の側面には、スキャロップに対応した波状の凹凸が必然的に形成される。絶縁膜６１の側面の凹凸は、可動電極５６が変位（振動）したときに、可動電極５６の揺れ止めとして機能する。その結果、可動電極５６が固定電極５５に貼り付くことを防止できる。
さらに、シリコンマイク５１の製造工程では、ボッシュプロセスにより、シリコン基板５２にトレンチ７３が形成され、このトレンチ７３内に絶縁膜６１を介して固定電極５５および可動電極５６が埋設される。ボッシュプロセスでは、トレンチ７３の側面に、スキャロップと呼ばれる波状の凹凸が形成される。そのため、図４に示すように、固定電極５５および可動電極５６を被覆する絶縁膜６１の側面には、スキャロップに対応した波状の凹凸が必然的に形成される。絶縁膜６１の側面の凹凸は、可動電極５６が変位（振動）したときに、可動電極５６の揺れ止めとして機能する。その結果、可動電極５６が固定電極５５に貼り付くことを防止できる。
また、シリコンマイク５１では、凹部５４の下方に、凹部５４と連通する音波反射用空間６２が形成されているので、凹部５４を介して音波反射用空間６２に入射した音波をその内面で反射させて、その反射波を可動電極５６に良好に入射させることができる。したがって、音波を良好に検出することができる。
なお、固定電極５，５５および可動電極６，５６の材料は、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）などのめっき金属や、ＴｉＮ（窒化チタン）などのＣＶＤ金属など、Ｗ以外の金属材料であってもよい。
なお、固定電極５，５５および可動電極６，５６の材料は、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）などのめっき金属や、ＴｉＮ（窒化チタン）などのＣＶＤ金属など、Ｗ以外の金属材料であってもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
１ 加速度センサ（ＭＥＭＳセンサ）
２ シリコン基板（基板）
４ 凹部
５ 固定電極
５Ｘ 固定電極
５Ｚ 固定電極
６ 可動電極
６Ｘ 可動電極（第１可動電極）
６Ｚ 可動電極（第２可動電極）
１９ 金属材料
２１ 絶縁膜
５１ シリコンマイク（ＭＥＭＳセンサ）
５２ シリコン基板（基板）
５４ 凹部
５５ 固定電極
５６ 可動電極
６１ 絶縁膜
６２ 音波反射用空間
２ シリコン基板（基板）
４ 凹部
５ 固定電極
５Ｘ 固定電極
５Ｚ 固定電極
６ 可動電極
６Ｘ 可動電極（第１可動電極）
６Ｚ 可動電極（第２可動電極）
１９ 金属材料
２１ 絶縁膜
５１ シリコンマイク（ＭＥＭＳセンサ）
５２ シリコン基板（基板）
５４ 凹部
５５ 固定電極
５６ 可動電極
６１ 絶縁膜
６２ 音波反射用空間
Claims (10)
- シリコン材料からなり、その表面から掘り下がった凹部を有する基板と、
金属材料からなり、前記凹部内に配置され、前記基板に対して固定された固定電極と、
金属材料からなり、前記凹部内に前記固定電極に対向して配置され、前記固定電極に対して変位可能に設けられた可動電極とを含む、ＭＥＭＳセンサ。 - 前記固定電極および前記可動電極は、前記凹部の深さ方向およびその直交方向に延びる板状に形成され、前記基板の表面と平行な方向に互いに対向している、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。
- 前記固定電極における前記可動電極との対向面および前記可動電極における前記固定電極との対向面が、絶縁膜で被覆されている、請求項１または２に記載のＭＥＭＳセンサ。
- 前記絶縁膜の表面には、波状の凹凸が形成されている、請求項３に記載のＭＥＭＳセンサ。
- 前記可動電極は、前記固定電極との対向方向に変位し、当該対向方向の加速度を検出するための第１可動電極を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
- 前記可動電極は、前記凹部の深さ方向に変位し、当該深さ方向の加速度を検出するための第２可動電極を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
- 前記第２可動電極における前記凹部の底面と対向する面と反対側の面には、金属材料が付着しており、
前記第２可動電極は、前記固定電極に対して前記深さ方向に位置がずれている、請求項６に記載のＭＥＭＳセンサ。 - 前記可動電極は、前記固定電極との対向方向に変位し、前記凹部に入射した音波を検出するためのものである、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
- 前記凹部よりも前記基板の基層側に、前記凹部と連通する音波反射用空間が形成されている、請求項８に記載のＭＥＭＳセンサ。
- 前記固定電極および前記可動電極の材料が、タングステンである、請求項１〜９のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサ。
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