JP2012040619A - 容量型ｍｅｍｓセンサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】突起を形成するための追加の工程を必要としない容量型ＭＥＭＳセンサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】可動部を構成するダイアフラム膜１３上に、犠牲層１４と固定電極１５を積層形成する。固定電極には貫通孔１７を形成し、この貫通孔から等方性のエッチングを行う。その結果、貫通孔から最も遠い位置のダイアフラム膜上に、犠牲層の一部を残すことができる。この犠牲層の一部を突起２１として利用し、可動部と固定電極とが貼り付くことを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、中空構造を犠牲層の除去によって形成する容量型ＭＥＭＳセンサであって、可動部と固定電極とが貼り付くことを防止する突起を備えた容量型ＭＥＭＳセンサおよびその製造方法に関する。

半導体装置の製造プロセスを用いて形成するＭＥＭＳセンサが、近年、広く用いられるようになってきている。一般的な容量型ＭＥＭＳセンサの構造は、一方の電極を可動構造（可動部、あるいは可動電極という）とし、それに対向するように固定電極が形成されている。可動部と固定電極との間は、中空構造になっており、圧力などの力学量の作用により可動部が変位し、その変位量を容量値の変位としてとらえ、電気的信号に変換して出力する構成となっている。

このような構造の容量型ＭＥＭＳセンサの中空構造を形成する場合、可動部と固定電極との間に犠牲層と呼ばれる膜を形成し、この犠牲層をエッチング除去して形成するのが一般的である。

中空構造を形成する際のエッチングは、フッ酸系の溶液を用いたウエットエッチング法や、フッ酸系のガスを用いたドライエッチング法が採用される。一般的には、ウエットエッチング法がドライエッチング法に比べて安価であるため、ウエットエッチング法を採用するのが好ましい。

ウエットエッチング法では、犠牲層のエッチングが終了した後、フッ酸系溶液を除去するため、純水、アルコール等の置換液に浸漬し、乾燥させる必要がある。ところが、このとき使用される置換液の表面張力によって、可動部と固定電極とが貼り付いてしまうという問題があった。

このような問題を解消するため、特許文献１では、可能部に突起を形成する方法が提案されている。図２は、従来方法による容量型ＭＥＭＳセンサの製造方法の説明図である。まず、シリコン基板１上に固定電極２を形成し、中空部を形成する部分に犠牲層３を積層形成する（図２ａ）。

その後、可動部の突起を形成する部分の犠牲層３に凹部４を形成する。この凹部４は、通常のフォトリソグラフ法により形成される。すなわち、凹部４の形成予定領域を開口するようにフォトレジスト膜をパターニングし、フォトレジスト膜の開口内に露出する犠牲層３の一部をエッチングして、凹部４を形成し、その後、フォトレジスト膜を除去することによって形成される（図２ｂ）。

その後、凹部４が形成された犠牲層３上に可動電極となる膜５を積層し、所望の形状にパターニングする。ここで、図２（ｃ）に示すように、先に形成した凹部４内にも可動電極となる膜５が充填される。その後、犠牲層３を除去することによって、中空部６と突起７を有する可動部５を形成することができる（図２ｄ）。

このように突起７が形成されると、犠牲層３をウエットエッチング法により除去する場合でも、置換液の表面張力によって固定電極に貼り付くのは、突起７の先端のみとなり、容易に分離し、可動部と固定電極が貼り付くという問題を解消することができる。

また、その他の方法として、固定電極を形成する前に、シリコン基板上に小さなＬＯＣＯＳ酸化膜を形成し、この凸部上の固定電極を形成することで、固定電極に突起を形成する方法も知られている。

特開平９−１８０２１号公報

以上説明したように、可動部と固定電極が貼り付いてしまうという問題を解消するため、従来提案されていた突起を形成する方法は、通常の容量型ＭＥＭＳセンサの製造工程に、凹部を形成するための工程やＬＯＣＯＳ酸化膜を形成するための工程を追加しなければならず、製造工程が増加するという問題があった。

本発明は、上記問題点を解消し、通常の容量型ＭＥＭＳセンサの製造工程のみで突起を形成することができる容量型ＭＥＭＳセンサおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本願第１の発明は、可動部と固定電極との間が、犠牲層を除去して形成された中空構造となっており、前記可動部の変位を前記可動部を含む可動電極と前記固定電極との間の容量の変化として出力する容量型ＭＥＭＳセンサにおいて、前記固定電極には複数の貫通孔が形成されており、前記貫通孔と別の貫通孔との間の位置に対向する前記可動部上に、前記中空構造を形成する際に除去される犠牲層の一部を残して突起が形成されていることを特徴とする。

本願第２の発明の容量型ＭＥＭＳセンサの製造方法は、シリコン基板上に、可動部を構成する膜あるいは固定電極を構成する膜となる第１の膜を形成する工程と、前記第１の膜上に、犠牲層を積層形成する工程と、前記犠牲層上に、固定電極を構成する膜あるいは可動部を構成する膜となる第２の膜を形成する工程と、前記固定電極を構成する膜となる前記第２の膜あるいは前記第１の膜に、突起形成予定領域に配置される１つの貫通孔と別の貫通孔との間隔が、突起を形成しない領域に配置される１つの貫通孔と別の貫通孔との間隔より広い間隔となるように配置した複数の貫通孔を備えた固定電極を構成する膜を形成する工程と、前記シリコン基板の一部を除去し、バックチャンバーを形成する工程と、前記貫通孔から前記犠牲層をエッチング除去するとともに、間隔が広く配置された前記貫通孔と別の貫通孔との間に位置する前記可動部を構成する膜となる前記第１の膜あるいは前記第２の膜上に、前記犠牲層の一部を残し、中空構造と突起を形成する工程とを備えたことを特徴とする。

本発明の容量型ＭＥＭＳセンサの製造方法によれば、突起を形成するための追加の工程なしで、突起を形成することができ、製造コストを抑えた容量型ＭＥＭＳセンサを提供することができる。

また、突起の大きさや高さは、貫通孔の配置、犠牲層のエッチングを制御することのみで制御性良く形成することができるという利点がある。

本発明の容量型ＭＥＭＳセンサは、突起の先端が、先鋭に形成することができるため、突起自体が固定電極に貼り付いてしまうということもない。また、従来の突起やＬＯＣＯＳ酸化膜と比べて、非常に小さい突起を形成することができるため、突起がセンサ感度に影響を与えることもない。

本発明の容量型ＭＥＭＳセンサの製造工程を説明する図である。 従来の容量型ＭＥＭＳセンサの製造工程を説明する図である。

本発明の容量型ＭＥＭＳセンサの製造方法によれば、従来の容量型ＭＥＭＳセンサの製造工程に追加の製造工程を加えなくても、突起を有する可動部を備えた容量型ＭＥＭＳセンサを形成することが可能となる。以下、本発明の実施例について、製造工程に従い詳細に説明する。

まず、表面の結晶方位が（１００）のシリコン基板１１を用意し、表面および裏面に第１の絶縁膜として、厚さ０．３μｍの熱酸化膜１２を形成する。さらに表面側の熱酸化膜１２上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．１μｍのポリシリコン膜を形成し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングを行い、可動部となるダイアフラム膜１３を形成する（図１ａ）。

その後、表面全面に第２の絶縁膜として、厚さ２μｍのＵＳＧ（Undoped Silicate Glass）膜１４を積層形成する。このＵＳＧ膜は、犠牲層に相当する。さらにＵＳＧ膜１４上に、固定電極となる厚さ１．０μｍのポリシリコン膜１５を形成した後、表面全面に厚さ０．２μｍのシリコン窒素膜１６を積層形成する（図１ｂ）。

次に、先に形成した犠牲層に相当するＵＳＧ膜１４を後工程で除去するため、複数の貫通孔１７を形成し、ＵＳＧ膜１４の表面の一部を露出させる（図１ｃ）。また本発明では、突起を形成するため、この貫通孔１７を後述する所望の位置に配置する。なお、貫通孔１７は、例えば本容量型ＭＥＭＳセンサをマイクロフォンとして使用した場合、音を可動部のダイアフラム膜１３に伝えるための音孔の機能も果たすことになり、所望の特性となるように、径の大きさ、数、配置を設定する必要がある。

可動部のダイアフラム膜１３、固定電極となるポリシリコン膜１５のそれぞれ接続する配線部１８を形成する（図１ｄ）。その後、シリコン基板１１の裏面側の熱酸化膜１２の一部を、エッチング除去し、シリコン基板１１を露出させる。そして、熱酸化膜１２をエッチングマスクとして使用して、ＴＭＡＨ（Tetramethyl ammonium hydroxide）等の反応律速のエッチング液を用いて、シリコン基板１１をエッチングする。このときシリコン基板１１の表面は、エッチング保護膜１９で保護しておく。シリコン基板１１は、所定の面方位を有する基板を使用しているため、（１１１）面が表れるエッチングが行われ、図１（ｅ）示すようなバックチャンバー２０を形成することができる。

その後、保護膜１９を除去し、可動部と固定電極の間を中空構造とするため、ＵＳＧ膜１４を貫通孔１７からエッチングする。ここで使用するエッチング液は、配線部１８を構成する配線材料とのエッチング選択性が高く、等方性エッチングを行うことができるフッ酸系の混酸水溶液を用いる。具体的には、フッ化アンモニウムと酢酸の混合液を用いる。

このエッチング液は、上記構造の場合、２μｍの厚さのＵＳＧ膜１４を、表面に近い貫通孔１７近傍では、横方向へ４．２μｍ／ｈのエッチングレートであるのに対し、ダイアフラム膜１３近傍では、横方向へ３．７μｍ／ｈのエッチングレートとなる。そこで、突起を形成したい部分は、少なくとも３つの貫通孔１７の相互の間隔を、ＵＳＧ膜１４をすべて除去したい部分のすべての貫通孔１７の相互の間隔より大きく設定する。

そうすると、それぞれの貫通孔から、等方的に進行するエッチング時間を制御することで、貫通孔から最も遠い部分にエッチングされない部分を残すことができる。このエッチングされずに残った犠牲層に一部を突起としている。このように形成される突起の形状は、等方性のエッチングによるため、先端が先鋭な構造とすることができる。

具体的には、突起を形成した部分では、貫通孔の中心と別の貫通孔の中心の間隔を３．６μｍとし、突起を形成しない部分では、その間隔を３．１μｍとする。その結果、上記エッチングレートのエッチング液を用いて、１時間のエッチングを行った場合、ダイアフラム膜１３上に、底辺の一辺が０．６μｍで、高さ０．６μｍの、先端が尖った突起２１を形成することができた（図１ｆ）。

このように、本発明では、従来の犠牲層の除去工程と同時に突起２１を形成することができ、突起２１を形成するための特別な工程を必要としない。本発明では、突起を形成するために、貫通孔１７の配置を変更するだけでよい。

突起の大きさや高さも、犠牲層の厚さ、貫通孔の配置、エッチングレート、エッチング時間等を適宜設定することで、調整することができる。

以上説明したように、本発明によれば、簡便に突起を形成することができる。本発明により形成した容量型ＭＥＭＳセンサは、犠牲層をエッチング除去する際、ウエットエッチング法によっても、先鋭な突起が形成されているため、可動部と固定電極が貼り付いてしまうということはない。

なお、上記実施例では、シリコン基板１１上にダイアフラム膜１３を形成する場合について説明したが、シリコン基板１１上に固定電極を形成することも可能である。その場合、バックチャンバー２０を形成した後、バックチャンバー２０側から犠牲層となるＵＳＧ膜１４をエッチング除去すればよい。このような製造工程によっても、突起２１はダイアフラム膜１３上に形成することができる。

１１：シリコン基板、１２：熱酸化膜、１３：ダイアフラム膜、１４：ＵＳＧ膜、１５：ポリシリコン膜、１６：シリコン窒素膜、１７：貫通孔、１８：配線部、１９：エッチング保護膜、２０：バックチャンバー、２１：突起

Claims (2)

1. 可動部と固定電極との間が、犠牲層を除去して形成された中空構造となっており、前記可動部の変位を前記可動部を含む可動電極と前記固定電極との間の容量の変化として出力する容量型ＭＥＭＳセンサにおいて、
   前記固定電極には複数の貫通孔が形成されており、
   前記貫通孔と別の貫通孔との間の位置に対向する前記可動部上に、前記中空構造を形成する際に除去される犠牲層の一部を残して突起が形成されていることを特徴とする容量型ＭＥＭＳセンサ。
2. シリコン基板上に、可動部を構成する膜あるいは固定電極を構成する膜となる第１の膜を形成する工程と、
   前記第１の膜上に、犠牲層を積層形成する工程と、
   前記犠牲層上に、固定電極を構成する膜あるいは可動部を構成する膜となる第２の膜を形成する工程と、
   前記固定電極を構成する膜となる前記第２の膜あるいは前記第１の膜に、突起形成予定領域に配置される１つの貫通孔と別の貫通孔との間隔が、突起を形成しない領域に配置される１つの貫通孔と別の貫通孔との間隔より広い間隔となるように配置した複数の貫通孔を備えた固定電極を構成する膜を形成する工程と、
   前記シリコン基板の一部を除去し、バックチャンバーを形成する工程と、
   前記貫通孔から前記犠牲層をエッチング除去するとともに、間隔が広く配置された前記貫通孔と別の貫通孔との間に位置する前記可動部を構成する膜となる前記第１の膜あるいは前記第２の膜上に、前記犠牲層の一部を残し、中空構造と突起を形成する工程とを備えたことを特徴とする容量型ＭＥＭＳセンサの製造方法。

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