JP2015188947A

JP2015188947A - Ｍｅｍｓ素子

Info

Publication number: JP2015188947A
Application number: JP2014066083A
Authority: JP
Inventors: 孝英臼井; Takahide Usui; 宏和藤井; Hirokazu Fujii; 隆雄福留; Takao Fukutome; 雅彦千葉; Masahiko Chiba
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-11-02

Abstract

【課題】ＭＥＭＳ素子の感度を向上させながら、膜の破損を防止するＭＥＭＳ素子の構造を提供する。【解決手段】バックチャンバー１７を備えた基板１と、この基板上に、スペーサー１８を挟んで固定電極１３と可動電極６とを配置することでエアーギャップが形成されたＭＥＭＳ素子であって、可動電極の一部に、可動電極に過大な圧力が印加されたとき、その圧力をその裏面側に通過させるベント構造７、８を備えるとともに、通常動作時にはそのベント構造を覆う可動蓋部３、１１を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、ＭＥＭＳ素子に関し、特にマイクロフォン、各種センサ、スイッチ等として用いられる容量型のＭＥＭＳ素子に関する。

従来、半導体プロセスを用いたＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)素子は、半導体基板上に固定電極、犠牲層（絶縁膜）および可動電極を形成した後、犠牲層の一部を除去することで、スペーサーを介して固定された固定電極と可動電極との間にエアーギャップ（中空）構造が形成されている。

例えば、容量型のＭＥＭＳ素子であるコンデンサマイクロフォンでは、音圧を通過させる複数の貫通孔を備えた固定電極と、音圧を受けて振動する可動電極とを対向して配置し、音圧を受けて振動する可動電極の変位を電極間の容量変化として検出する構成となっている。

一般的に、コンデンサマイクロフォンの感度を上げるためには、音圧により可動電極の変位を大きくする必要がある。そのため、可動電極は、引っ張り応力が残留する膜を用いるのが一般的である。一方、この残留応力が大き過ぎると可動電極の破損の原因となってしまう。

そこで、膜自体の残留応力を制御する方法や、構造上の工夫により残留応力の影響を緩和する方法が提案されている。具体的には、前者の場合、例えば膜をLPCVD（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法によって堆積させ、堆積後のアニール条件等を制御する等の膜の形成方法に工夫を施して残留応力を調整する方法が、後者の場合、膜にスリットを形成する方法（特許文献１）により残留応力を調整する方法が提案されている。

ところで、このような感度の向上と同時に破損防止を図った場合でも、風圧などの強い圧力に対しては対処することができない。特に、感度向上を図った可動電極では、過大な圧力に対して脆弱性が増してしまうという問題が発生していた。そこで、図５に示すように、可動電極２０の一部に過大な圧力を通過させるベント構造２１を備えることが一般的であった。図５に示すベント構造２１は、可動電極２０の一部を円形に除去した形状となっており、このベント構造を通して、可動電極２０の一方の側から印加される過大な圧力をその裏面側に逃がす構造となっている。

特開２００７−２１００８３号公報

ところで、このようなベント構造を備える構造では、音響抵抗が低くなり、低周波音圧の回析現象により低周波感度が低下してしまうという問題が発生していた。本発明はこのような問題点を解消するため、ＭＥＭＳ素子の感度を向上させながら、膜の破損を防止するＭＥＭＳ素子の構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを配置することでエアーギャップが形成されたＭＥＭＳ素子において、前記可動電極の一部に、該可動電極に過大な圧力が印加されたとき、その圧力を裏面側に通過させるベント構造を備えるとともに、該ベント構造を覆う可動蓋部を備えていることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記可動蓋部は、前記可動電極の一方の側に変形可能な第１の可動蓋部と、前記一方の側の裏面側に変形可能な第２の可動蓋部からなることを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、ベント構造を覆う可動蓋部を備えることにより、風圧などの過大な圧力がかかったときには、可動蓋部が変形し、その圧力を通過させることにより、可動電極の破壊を防止することが可能となる。また通常の動作時は、可動蓋部によりベント構造を閉じた状態に保ち、高い音響抵抗が得られる状態を保持するように構成することができ、感度の低下を招かないという利点がある。特に、低周波音圧の回析現象により低周波感度が低下してしまうという問題を効果的に防止することができるという利点がある。

本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。本発明のベント構造の説明図である。従来のＭＥＭＳ素子のベント構造の説明図である。

本発明に係るＭＥＭＳ素子は、固定電極にベント構造を備え、さらにそのベント構造を覆う可動蓋部が形成されている。以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の第１の実施例について、製造工程に従い説明する。まず、結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１上に、厚さ１μｍ程度の熱酸化膜２（ＳｉＯ₂）を形成し、さらに熱酸化膜２上にＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．２μｍの第１の窒化膜３を積層形成する。この第１の窒化膜３は、後述する第１の可動蓋部の一部を構成するため、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングする。その後、第１の窒化膜３上にＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．５μｍの第１の酸化膜４（ＳｉＯ₂）を積層形成し、一例としてリング状に第１の酸化膜４を除去して第１の凹部５を形成し、この第１の凹部１内に第１の窒化膜３を露出させる（図１ａ）。

第１の酸化膜４上および第１の凹部５内に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．４μｍの導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、可動電極となるダイアフラム膜６を形成する。ここでダイアフラム膜６は、第１の凹部５内に充填され、第１の凹部５の形状に沿ったリング状の突起が形成される。さらにその突起の内側に第１のベントホール７と、第２のベントホール８が形成される（図１ｂ）。次に全面に第２の酸化膜９（ＳｉＯ₂）を積層形成する。ここで、先に形成した第１のベントホール７および第２のベントホール８は、第２の酸化膜９で充填される（図１ｃ）。

次に、第２のベントホール８を取り囲むように、第２の酸化膜９を除去してリング状の第２の凹部１０を形成する（図２ａ）。その後ＬＰＣＶＤ法により厚さ０．２μｍの第２の窒化膜１１を積層形成する（図２ｂ）。ここで、先に形成した第２の凹部１０は、第２の窒化膜１１で充填される。その後、第２の窒化膜１１は、第２の可動蓋部を形成するため、通常のフォトリソグラフ法により、パターニングする（図２ｃ）。

以下、通常のＭＥＭＳ素子の製造工程に従い、厚さ２．０〜４．０μｍ程度のＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)膜からなる犠牲層１２を積層形成し、さらに犠牲層１２上に、厚さ０．１〜１．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、固定電極膜１３を積層形成する。その後、犠牲層１２、第２の窒化膜１１、第２の酸化膜９の一部をエッチング除去し、先に形成したダイアフラム膜６の一部を露出させる。このとき、スクライブラインも開口する。露出したダイアフラム膜６および固定電極１３にそれぞれ接続するアルミニウム等の導体膜からなる配線膜１４を形成する（図３ａ）。

全面に第３の窒化膜１５を堆積させた後、通常のフォトリソグラフ法にて音圧をダイアフラム膜６に伝えるための貫通孔１６を形成し、貫通孔１６内に犠牲層１２を露出させる。その後、シリコン基板１の裏面側から熱酸化膜２が露出するまでシリコン基板１を除去し、バックチャンバー１７を形成する（図３ｂ）。

その後、第３の酸化膜１５および固定電極膜１３に形成された貫通孔１６を通して犠牲層１２の一部を除去して形成されたスペーサー１８に固定電極極１３とダイアフラム膜６が固定され、エアーギャップ構造が形成される。このエッチングにより、熱酸化膜２の一部も除去され、ダイアフラム膜６が露出する。一方本発明では、第１の窒化膜３および第２の窒化膜１１はエッチングされずに残ることになる。

その結果、ダイアフラム膜６に形成されたリング状の突起に当接する第１の窒化膜からなる第１の可動蓋部と、第２の窒化膜１１に形成されたリング状の突起に当接するダイアフラム膜６からなる第２の可動蓋部とが形成されることになる。

このような形状のＭＥＭＳ素子では、通常の動作時には、ダイアフラム膜６と第１の窒化膜３あるいは第２の窒化膜１１とが当接した状態となり、第１の可動蓋部が覆う第１のベントホール７と第２の可動蓋部が覆う第２のベントホール８は、開口されていない状態となり、感度低下を防止することができる。

次に過大な圧力が印加された場合について説明する。まず、固定電極側から過大な圧力が印加された場合には、その圧力は第１のベントホールを通過し、第１の窒化膜３を押し下げる。その結果、ダイアフラム膜６と第１の窒化膜３との間に形成される隙間からその圧力がバックチャンバー１７側に逃げ、ダイアフラム膜６の破損を防ぐことができる。また、バックチャンバー１７側から過大な圧力が印加された場合には、その圧力は第２のベントホール８を通過し、第２の窒化膜１１を押し上げる。その結果、ダイアフラム膜６と第２の窒化膜３との間に形成される隙間からその圧力が固定電極１３側に逃げ、ダイアフラム膜６の破損を防ぐことができる。

このように、過大な圧力が印加されたときのみ、ベントホールを開口する構成とすることで、感度低下を招かず、ＭＥＭＳ素子の破損を防止することが可能となる。

本発明の可動蓋部は、ベントホールの形状や配置に応じて種々変更することが可能となる。一例として、図４にはバックチャンバー側からみたダイアフラム膜６を模式的に示している。図４には６個のベントホールが形成されており、３個のベントホール（第１のベントホール７に相当）にはその周辺に突起１９が形成されている。この突起１９に当接するように円形あるいは方形等にパターニングされた第１の窒化膜が形成されることで、第１の可動蓋部が形成されることになる。また、３個のベントホール（第２のベントホール８に相当）には、ダイアフラム膜６の裏面側に、第２のベントホール８の覆うように突起を備えた第２の窒化膜が形成されることで、第２の可動蓋部が形成されることになる。

なお、第１の窒化膜および第２の窒化膜は、過大な圧力を受けて隙間を形成するように変形する必要があるので、ベントホールに当接する部分に比べて、可動部を細いパターンとして変形しやすくしたり、種々変更することが可能である。

１：シリコン基板、２：熱酸化膜、３：第１の窒化膜、４：第１の酸化膜、５：第１の凹部、６：ダイアフラム膜、７：第１のベントホール、８：第２のベントホール、９：第２の酸化膜、１０：第２の凹部、１２：犠牲層、１３：固定電極膜、１４：配線膜、１５：第３の窒化膜、１６：貫通孔、１７：バックチャンバー、１８：スペーサー、１９：突起

Claims

バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを配置することでエアーギャップが形成されたＭＥＭＳ素子において、
前記可動電極の一部に、該可動電極に過大な圧力が印加されたとき、その圧力を裏面側に通過させるベント構造を備えるとともに、該ベント構造を覆う可動蓋部を備えていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、
前記可動蓋部は、前記可動電極の一方の側に変形可能な第１の可動蓋部と、前記一方の側の裏面側に変形可能な第２の可動蓋部からなることを特徴とするＭＥＭＳ素子。