JP2016022544A - Ｍｅｍｓ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便にバックチャンバーの容積を大きくすることができるＭＥＭＳ素子を提供する。【解決手段】可動電極３を支持するため、可動電極の端部をシリコン基板１とスペーサー５とで挟持する代わりに、絶縁部材とスペーサー５とで挟持し、さらに絶縁部材を基板１とスペーサー５とで挟持する構造とすることで、従来より基板を後退させ、バックチャンバーの容積を大きくする構成としている。【選択図】図８

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、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、可動電極のバネを柔らかくする方法や、バックチャンバーの容積を大きくする方法が採られている。

図１１は、バックチャンバーの容積を大きくした従来のＭＥＭＳ素子の説明図である。図１１に示すようにシリコン基板１上に熱酸化膜２を介して可動電極３が形成されている。可動電極３上には、スペーサー４を介して固定電極５と窒化膜６が形成され、固定電極５には貫通孔７が形成されている。

図１１に示すＭＥＭＳ素子では、シリコン基板１を階段状に除去することによりバックチャンバーの容積を大きくしている（特許文献１）。また段数を多くすることで、さらにバックチャンバーの容積を大きくすることも可能となる。

ところで、このような階段状のバックチャンバーを形成する際には、エッチングマスクの形成とエッチング工程を複数回繰り返す必要がある。具体的な製造工程を図１２に示す。まず、シリコン基板１の表面側に、熱酸化膜２、可動電極３、固定電極５等を形成した後、シリコン基板１の裏面側にシリコン基板１をエッチングする際使用する第１のマスク膜９ａと第２のマスク膜９ｂを積層形成する。この第１のマスク膜９ａと第２のマスク膜９ｂは、選択除去ができる膜の組合せとなっている。具体的には、第１のマスク膜９ａを金属膜とし、第２のマスク膜９ｂをフォトレジストとする。次に、第２のマスク膜９ｂをエッチングマスクとして使用して、露出するシリコン基板１表面をＲＩＥ法により異方性のエッチングを行う。その結果、図１２（ａ）に示すように第１の凹部１０ａが形成される。

第２のマスク膜９ｂを選択的に除去し、第１のマスク膜９ａを露出させる。第１のマスク膜９ａは、第２のマスク膜９ａより後退した位置に開口するようにパターニングされており、エッチングされずに残ったシリコン基板１の裏面側の一部が露出することになる（図１２ｂ）。

その後、第１のマスク膜９ａをエッチングマスクとして使用し、露出するシリコン基板１表面をＲＩＥ法により異方性のエッチングを行い、熱酸化膜２を露出させる。その結果、図１２（ｃ）に示すように第１の凹部１０ａと第２の凹部１０ｂが形成され、階段状のバックチャンバーとなる。ここで、さらに段数の多いバックチャンバーを形成する場合は、エッチングマスクの形成とエッチングを繰り返すことになる。

その後、貫通孔７からスペーサー膜４ａの一部を除去することにより図１１に示すＭＥＭＳ素子を形成することができる。

特開２００８―１７３９５号公報

ところで、従来提案されている方法は、バックチャンバーを形成する際、開口径の異なるエッチングが同時に進行するため、エッチング深さの制御が難しくなるという問題があった。また、２回目のエッチングにおいて、１回目のエッチングの際に第１の凹部１０ａの側壁に堆積したポリマーが除去されずに残ってしまうという問題があった。本発明はこのような問題を解消するため、簡便にバックチャンバーの容積を大きくすることができるＭＥＭＳ素子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、前記可動電極は、絶縁部材と前記スペーサーとの間に挟持され、該絶縁部材は、一端を前記基板と前記スペーサーとで挟持され、他端を前記基板の端部から前記バックチャンバー内に突出し、前記可動電極を前記絶縁部材の前記他端と前記スペーサーとで挟持し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、前記絶縁部材は、円形あるいは多角形のリング形状の絶縁部材、あるいは前記リング形状の内部に円柱または角柱状の前記基板の一部が残る絶縁部材からなることを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極を絶縁部材によって挟持する構成とすることで、基板を従来より広く除去することが可能となり、一般的なバックチャンバーよりその容積が大きくなり、ＭＥＭＳ素子の感度向上を図ることができる。

また本発明のＭＥＭＳ素子は、複数の分割された基板の一部が残る構造として可動電極を挟持する構成とすることも可能で、挟持部における絶縁部材と可動電極との間の応力緩和を図ることが可能となる。

さらに本発明のＭＥＭＳ素子は、絶縁部材を形成する工程が通常のＭＥＭＳ素子の製造工程に溝部を形成する工程と、溝部を平坦化する工程のみを追加すればよく、非常に制御性がよく、また基板表面を加工するだけで良いため、非常に簡便で、制御性の良い方法となる。

本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子を説明する図である。 本発明の別のＭＥＭＳ素子を説明する図である。 本発明の別のＭＥＭＳ素子の絶縁部材の構成を説明する図である。 従来のこの種のＭＥＭＳ素子の説明図である。 従来のこの種のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。

本発明に係るＭＥＭＳ素子は、可動電極を支持するため、可動電極の端部を基板とスペーサーとで挟持する代わりに、絶縁部材とスペーサーとで挟持し、さらに絶縁部材を基板とスペーサーとで挟持する構造とすることで、従来より基板を後退させ、バックチャンバーの容積を大きくする構成としている。以下、実施例について詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について、可動電極を挟持する絶縁部材を円形あるいは多角形のリング状に形成する場合を例にとり、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、通常のフォトリソグラフ法により熱酸化膜２の一部をエッチング除去し、露出するシリコン基板１表面をエッチング除去し、リング状の溝部１１を形成する（図１）。この溝部１１は、その内部に所望の材料を充填することで、後述する可動電極を挟持する絶縁部材を形成する。そのためその形状をリング状とした場合には、リングの内側の端部に可動電極が積層形成され、リングの外側の端部は、バックチャンバーが形成された後、シリコン基板が残り、シリコン基板中に入り込んだ形状とする必要がある。従って、このような条件を満たせば、円形に限らず、多角形とすることが可能である。

次に、溝部１１表面に露出するシリコン基板１を熱酸化し、表面を熱酸化膜２で被覆する（図２）。この熱酸化膜２は、後述するバックチャンバー形成の際、エッチングストッパーとなる。

全面にＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．２μｍの窒化膜１２と、ポリシリコン膜１３を積層形成し、平坦化する（図３）。窒化膜１２は、後述するスペーサー４形成の際のエッチングストッパーとするため形成され、ポリシリコン膜１３は、比較的深い溝部１１内に充填し、平坦化するために選択された。なお、ポリシリコン膜１３は、ノンドープシリコンを用いれば絶縁性材料となるが、ドープドポリシリコンであっても後述するように表面を絶縁化し、可動電極と分離する構造とすることができれば、何ら問題はない。

その後、エッチバックすることにより少なくともシリコン基板１表面のポリシリコン膜１３をエッチング除去し、溝部１１内にポリシリコン膜１３を充填する。ここで、溝部以外の表面に窒化膜１２が残る場合には、溝部で囲まれた領域であって可動電極形成予定領域の窒化膜１２は除去し、熱酸化膜２を露出させておく。その後、絶縁のためポリシリコン膜１３表面を熱酸化し、溝部１１内に充填されたポリシリコン膜１３の表面を熱酸化膜１４で被覆する（図４）。ここで熱酸化膜１４を形成するのは、溝部１１に充填される材料の表面を絶縁性にするためである。従って、ポリシリコン膜１３が絶縁性ポリシリコンの場合や、別の絶縁性材料を使用する場合は、熱酸化膜１４を形成する必要はない。

全面に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．２〜１．０μｍ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３を形成する（図５）。

さらに全面に、厚さ２．０〜４．０μｍ程度のＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)膜からなる犠牲層４ａを積層形成し、さらに犠牲層４ａ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５を形成し、固定電極５上に窒化膜６を積層形成する。その後、窒化膜６および固定電極５の一部をエッチング除去して貫通孔７を形成し、犠牲層４ａの一部を露出させる（図６）。

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８を形成する（図７）。熱酸化膜２はエッチングストッパーとなる。ここで、除去されるシリコン基板１は、可動電極５の大きさを越えて除去することが可能となる。つまり従来はシリコン基板１は可動電極５を支持する必要があったために、可動電極５の端部に位置するシリコン基板１は残さなければならなかった。これに対し本発明では、溝部１１内に充填されたポリシリコン膜１３等によって可動電極５の端部が支持されているので、溝部１１の底部を露出するように大きく除去することが可能となった。

その後、貫通孔７を通して犠牲層４ａの一部を除去してスペーサー４を形成することで、可動電極３と固定電極５が対向する構造となる。この犠牲層４ａの除去と同時にバックチャンバー８内の露出する熱酸化膜２の一部も除去され、ＭＥＭＳ素子が完成する（図８）。

図８に示すように本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極５は、溝部１１内に充填されている熱酸化膜１４、ポリシリコン膜１３および窒化膜１２（これらを絶縁部材という）とスペーサー４によって挟持され、支持されている。また絶縁部材は、バックチャンバーの側壁を形成するシリコン基板１とスペーサー４によって挟持され、支持されているので、機械的強度は十分に保つことができる。

以上説明したように本発明によれば、バックチャンバー内に突出した絶縁部材により可動電極を挟持、支持する構造とすることで、従来より大きくシリコン基板を除去することができ、バックチャンバーの容積を大きくすることができ、ＭＥＭＳ素子の感度向上を図ることが可能となる。

次に第２の実施例について説明する。上記第１の実施例では、絶縁部材を形成する際に円形あるいは多角形のリング状の溝部を形成し、ポリシリコン膜等を充填して形成する構造について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば図９に示すように、溝部１１を多重構造とし、その間にシリコン基板１の一部を残す形状とすることも可能である。ここで、シリコン基板１は、隣接する溝部１１の寸法が小さくなると、第１の実施例と同一の製造工程とした場合でも、バックチャンバー８を形成する際のエッチングの際に溝部１１間のシリコン基板１のエッチングレートが遅くなり、エッチングされずに残るものである。従って、後述するハニカム構造の溝部のように、十分な強度を保つことができれば、シリコン基板１が残らない形状であっても何ら問題ない。

溝部を多重構造とする例は、例えば図１０（ａ）に示すように、円形のリング状の溝部１１を重ねて配置する方法や、図１０（ｂ）に示すようにハニカム状に溝部１１を形成する（六角形の基板が複数残る）方法により形成することができる。さらに図１０（ｂ）のように六角形の集合体の代わりに、複数の円形の基板が残る構造や、複数のその他の多角形の基板が残る構造としたり、規則的に集合する代わりに不規則な集合とすることも可能である。

いずれの形状とする場合であっても、可動電極を挟持することができ、可動電極の変位を妨げない形状とする必要があることは言うまでもない。なお、図１０に示す溝部の形状は模式的に示したもので、図９に示すＭＥＭＳ素子の断面形状と寸法は一致していない。

１：シリコン基板、２：熱酸化膜、３：可動電極、４ａ：犠牲層、４：スペーサー、５：固定電極、６：窒化膜、７：貫通孔、８：バックチャンバー、９：第１のマスク膜、１０：第２のマスク膜、１１：溝部、１２：窒化膜、１３：ポリシリコン膜、１４：熱酸化膜

Claims (2)

1. 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、
   前記可動電極は、絶縁部材と前記スペーサーとの間に挟持され、
   該絶縁部材は、一端を前記基板と前記スペーサーとで挟持され、他端を前記基板の端部から前記バックチャンバー内に突出し、前記可動電極を前記絶縁部材の前記他端と前記スペーサーとで挟持していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
2. 請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記絶縁部材は、円形あるいは多角形のリング形状の絶縁部材、あるいは前記リング形状の内部に円柱または角柱状の前記基板の一部が残る絶縁部材からなることを特徴とするＭＥＭＳ素子。

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