JP2017028384A

JP2017028384A - Ｍｅｍｓ素子

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Publication number: JP2017028384A
Application number: JP2015142701A
Authority: JP
Inventors: 隆雄福留; Takao Fukutome; 新一荒木; Shinichi Araki
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2035-07-17
Also published as: JP6515408B2

Abstract

【課題】径時変化や製造、実装工程で加熱処理を行っても特性変化が生じることなく感度の向上を図ることができるＭＥＭＳ素子を提供する。【解決手段】固定電極あるいは可動電極３のいずれか一方の電極を第１の電極１３と第２の電極によって誘電体膜１１を挟んだ積層構造としている。また、エアーギャップ側に配置された第１の電極には、複数の開口部１４が形成され、誘電体膜の一部を露出する。電圧印加手段から第１の電極と第２の電極に、誘電体膜が分極する程度の所望の電圧を印加する。【選択図】図２

Description

この発明は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ＭＥＭＳ素子に関する。

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を含むバックプレート、犠牲層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。

図６は、一般的なコンデンサマイクロフォンの製造方法の説明図である。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を形成し、熱酸化膜２上にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．２〜２．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に導電性ポリシリコン膜を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６ａ）。可動電極３には、破損防止のためスリットを形成する場合もある。

次に、可動電極３上に厚さ２．０〜５．０μｍ程度のＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)膜からなる犠牲層４を積層形成し、さらに、犠牲層４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。導電性ポリシリコン膜を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を形成する。固定電極５上には、さらに減圧ＣＶＤ法により窒化膜を積層形成し、固定電極５と一体となったバックプレート６を形成する。固定電極５とバックプレート６には貫通孔７を形成し、犠牲層４を露出させる（図６ｂ）。

その後、シリコン基板１を裏面側からＲＩＥ装置を用いてエッチングすることでバックチャンバー８を形成する。最後に貫通孔７から犠牲層の一部をエッチングし、スペーサー９を介して固定電極５と可動電極３が対向するエアーギャップ１０が形成される（図６ｃ）。固定電極５と可動電極３には、それぞれ図示しない引出電極が接続しており、外部から所定の電圧を印加することで、可動電極３の変位を固定電極５、可動電極３間の容量変化として検出することができる構造となっている。

図６に示すような従来のＭＥＭＳ素子では、固定電極５と可動電極３との間に空気を挟んだ構造となるため、電極面積を大きくしたり、電極間の間隔を狭めるなどの方法によって感度を向上させようとしても物理上の限界があった。

一方、固定電極あるいは可動電極としてエレクトレット膜を使用したＭＥＭＳ構造のエレクトレットコンデンサマイクロフォンも提案されている。例えば、特許文献２には、エレクトロットコンデンサマイクロフォンが開示されており、振動電極（可動電極に相当）上にシリコン窒化膜で覆われたエレクトレット化されたシリコン酸化膜が形成された例が開示されている。

一般的にエレクトレット膜は、径時変化や、製造過程、実装過程で行われる熱処理によってエレクトレット膜から電荷が抜けてしまうという問題があることが知られている。特許文献２に開示されているエレクトレットコンデンサマイクロフォンでも、エレクトレット膜から電荷が抜けてしまうことを抑制する技術が開示されている。

特開２０１１−２５０１６９号公報特許第４２６４１０３号公報

従来の一般的なＭＥＭＳ素子では、固定電極５と可動電極３との間に空気を挟んだ構造となっているため、電極面積を大きくしたり、電極間の間隔を狭めるなどの方法によって感度を向上させようとしても物理上の限界があった。また従来のエレクトレットコンデンサマイクロフォンは、径時変化や加熱処理によりエレクトレット膜から電荷が抜けてしまうことが避けられなかった。本発明は、径時変化や製造、実装工程で加熱処理を行っても特性変化が生じることなく感度の向上を図ることができる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に、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ているＭＥＭＳ素子において、前記固定電極あるいは前記可動電極の少なくともいずれか一方は、誘電体膜を挟み第１の電極と第２の電極が、前記第１の電極を前記エアーギャップ側に配置するように積層し、かつ該第１の電極の一部が除去され前記誘電体膜の一部を露出する構造とし、前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記誘電体膜が分極する電圧を印加し、前記固定電極あるいは前記可動電極と、対向する前記可動電極あるいは前記固定電極を構成する前記第２の電極との間に、前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される電圧より大きな電圧を印加することができる電圧印加手段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、前記第１の電極および前記第２の電極は、前記誘電体膜に蓄積した電荷を放電する放電電極の機能を有することを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、前記誘電体膜は、常誘電体膜または強誘電体膜であることを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、第１の電極と第２の電極との間に所定の電圧を印加することにより誘電体膜が分極して電荷を蓄積した構造とすることができる。この分極により生じた電荷は、第１の電極の一部が除去され、露出する誘電体膜表面にも蓄積する。その結果、可動電極と固定電極間の容量変化が、空気だけの場合と比較して大きくなり、感度の向上を図ることが可能となる。特に、誘電体を強誘電体物質とすることで、その効果は大きくなる。

本発明では、第１の電極と第２の電極との間に所望の電圧を印加することで誘電体膜に分極を生じさせるため、ＭＥＭＳ素子の製造工程や実装工程で加熱処理が行われたとしても何ら問題ない。すなわち、従来のエレクトレット膜の課題であった蓄積した電荷の径時的な消失等に配慮する必要のない電極構造となっている。

さらに本発明では、第１の電極と第２の電極との間の誘電体膜に蓄積した電荷を、第１の電極あるいは第２の電極から除去（放電）することも可能となる。これにより、誘電体膜の分極を消失させることができるので、残留電荷の影響による特性変動をリセットすることができるという利点がある。

本発明の第１の実施例のコンデンサマイクロフォンの製造方法の説明図である。本発明の第１の実施例のコンデンサマイクロフォンの製造方法の説明図である。本発明の第１の実施例のコンデンサマイクロフォンの製造方法の説明図である。本発明の第１の実施例のコンデンサマイクロフォンの説明図である。本発明の第２の実施例の説明図である。一般的なコンデンサマイクロフォンの製造方法の説明図である。

本発明のＭＥＭＳ素子は、固定電極あるいは可動電極の少なくともいずれか一方の電極に電荷が蓄積した誘電体膜を備える構造とするため、第１の電極と第２の電極によって誘電体膜を挟んだ積層構造としている。また、エアーギャップ側に配置された第１の電極は、複数の開口部が形成され、誘電体膜の一部を露出する構造としている。また電圧印加手段から第１の電極と第２の電極には、誘電体膜が分極する程度の所望の電圧Ｖbias(誘電体)が印加される。可動電極を上記のような積層構造とする場合、対向する固定電極とエアーギャップに接していない固定電極を構成する第２の電極との間に、通常のＭＥＭＳ素子として機能する所定の電圧Ｖbias（Mic）が印加される。その結果、可動電極と第２の電極との間には、従来の空気に加え、電荷が蓄積した誘電体膜が介在することになり、可動電極の変位を高感度で検出することが可能となる。また、可動電極の代わりに固定電極を上記のような積層構造とする場合、対向する固定電極とエアーギャップに接していない第２の電極との間に、従来の空気に加え、電荷が蓄積した誘電体膜が介在することになり、可動電極の変位を高感度に検出することが可能となる。また電圧印加手段は、誘電分極した誘電体膜に蓄積された電荷の放電経路として使用することも可能である。以下、本発明を実施例について詳細に説明する。

本発明の実施例について、ＭＥＭＳ素子としてコンデンサマイクロフォンを例にとり、可動電極を積層構造とする場合について説明する。従来例同様、本発明のコンデンサマイクロフォンは、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を形成し、熱酸化膜２上に、ＣＶＤ法により厚さ０．２〜２．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に導電性ポリシリコン膜を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。可動電極３には、破損防止のためスリットが形成される場合もある。さらに本発明では、可動電極３上に誘電体膜１１を形成する（図１）。この誘電体膜１１は、例えば、チタン酸バリウムストロンチウム（（Ｂａ_xＳｒ_1-x）ＴｉＯ₃）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化珪素（ＳｉＯ₂）、酸化タンタル（ＴａＯ₅）等を用いることができる。特にチタン酸バリウムストロンチウム等の強誘電体は、誘電率が大きく好ましい。誘電体膜１１は、例えばスパッタリング法により成膜した後、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングして形成することができる。

次に全面にＣＶＤ法により酸化膜を形成し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングして、誘電体膜１１を露出し、可動電極３を被覆する酸化膜１２を形成する。その後、誘電膜１１および酸化膜１２上にＣＶＤ法により厚さ０．２〜２．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングを行うことで、一部を例えば円形に除去して開口部１４が形成され、この開口部１４の底部に誘電体膜１１が露出する第１の電極１３を形成する。この第１の電極１３は、先に形成した可動電極３との間に誘電体膜１１と酸化膜１２を挟み込んだ構造となり、第１の電極１３と可動電極３との間に所定の電圧を印加することで誘電体膜１１を分極させることができる。可動電極３は第２の電極に相当する（図２）。

以下、従来の製造工程同様に、第１の電極１３および酸化膜１２上に厚さ２．０〜５．０μｍ程度のＵＳＧ膜からなる犠牲層４を積層形成し、さらに、犠牲層４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。導電性ポリシリコン膜を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を形成する。固定電極５上には、さらに減圧ＣＶＤ法により窒化膜を積層形成し、固定電極５と一体となったバックプレート６を形成する。固定電極５とバックプレート６には貫通孔７を形成し、犠牲層４を露出させる（図３）。

その後、シリコン基板１を裏面側からＲＩＥ装置を用いてエッチングすることでバックチャンバー８を形成する。最後に貫通孔７から犠牲層の一部をエッチングし、スペーサー９を介して固定電極５と可動電極３が対向するコンデンサマイクロフォンを形成する（図４）。なお、可動電極３、固定電極５および第１の電極１３を外部に引き出すための電極は図示を省略している。

このように形成したコンデンサマイクロフォンでは、例えば、第１の電極１３と可動電極３（第２の電極に相当）に電圧印加部１５からそれぞれ誘電体膜が分極させる電圧Ｖｂｉａｓ(誘電体)およびマイクロフォンとして機能させるための電圧Ｖｂｉａｓ(Ｍｉｃ)を印加する。その結果、誘電体膜１１は分極する。誘電体膜１１内に蓄積した電荷は、第１の電極１３に形成されている開口部１４内にも存在し、スペーサー９によって形成される中空部（空気層）のみの場合と比較して、可動電極３と固定電極５との間の誘電率が大きくなり、感度が増すことになる。

なお、誘電体膜１１と第１の電極１３は、その厚さを調整することで、可動電極としての機能を損なわずに形成することが可能である。また開口部１４の数、大きさ、形状、配置等は、所望の特性のコンデンサマイクロフォンを形成できるように適宜設定すればよい。同様に、第１の電極１３と可動電極３との間に印加する電圧を調整したり、誘電体膜の材料を適宜選択することで、誘電体膜の誘電率を変え、所望の特性のコンデンサマイクロフォンを形成することができる。

次に第２の実施例について説明する。誘電体膜１１は可動電極を構成する代わりに固定電極を構成することも可能である。図５は、コンデンサマイクロフォンの可動電極および固定電極部の部分拡大図である。図１を用いて説明した第１の実施例同様、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を形成し、熱酸化膜２上に、ＣＶＤ法により厚さ０．２〜２．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に導電性ポリシリコン膜を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。

次に、図３を用いて説明した第１の実施例同様、可動電極３上に厚さ２．０〜５．０μｍ程度のＵＳＧ膜からなる犠牲層４を積層形成し、さらに、犠牲層４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。導電性ポリシリコン膜を通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、第１の電極１３を形成する。ここで、第１の電極１３には、後述する誘電体膜の一部を露出するための開口部１４を形成しておく。第１の電極１３上には、実施例１で説明した誘電体膜１１を積層形成する。誘電体膜１１の一部は、先に形成した開口部１４に入り込んだ形状となる。その後、誘電体膜１１上にＣＶＤ法により厚さ０．２〜２．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成し、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を形成する（図５ａ）。

次に、固定電極５に形成される貫通孔の形成予定領域の固定電極５、誘電体膜１１および第１の電極１３の一部を、例えば円形に除去する。その後、減圧ＣＶＤ法により窒化膜１６を積層形成する。このように形成すると、誘電体膜１１の端部は、窒化膜１６で被覆されることになる。その結果、後述する犠牲層４のエッチングの際に用いられる薬液に対して、耐エッチング性の弱い材料を誘電体膜として選択した場合でも窒化膜１６により保護することができる。その後、貫通孔形成予定領域の窒化膜１６の一部を除去し、犠牲層４を露出させ、貫通孔７を形成する（図５ｂ）。

なお、この貫通孔形成予定領域に残る窒化膜１６の小さな突起は、ステッキング防止のための突起として形成することも可能である。その場合は、貫通孔形成予定領域の固定電極５、誘電体膜１１および第１の電極１３の一部を除去する際、露出する犠牲層４をわずかにエッチング除去しておき、窒化膜１６で被覆する。その後、窒化膜１６の一部を除去し、犠牲層４を露出させ、貫通孔７を形成すると、犠牲層４をわずかにエッチング除去した分だけ窒化膜１６が対向する可動電極３側に突出する形状を形成することができる。

以下、従来の製造工程同様に、シリコン基板１を裏面側からＲＩＥ装置を用いてエッチングすることでバックチャンバー８が形成される。最後に貫通孔７から犠牲層の一部をエッチングし、スペーサー９を介して固定電極５と可動電極３が対向するコンデンサマイクロフォンを形成する（図５ｃ）。なお、前述の通り、図５はコンデンサマイクロフォンの可動電極および固定電極部の部分拡大図を示しており、本実施例は、図示していないコンデンサマイクロフォンの構成を含んでいる。

このように形成したコンデンサマイクロフォンでは、例えば、第１の電極１３と可動電極３との間に電圧印加部１５からそれぞれ誘電体膜が分極させる電圧Ｖｂｉａｓ(誘電体)およびマイクロフォンとして機能させるための電圧Ｖｂｉａｓ(Ｍｉｃ)を印加する。その結果、誘電体膜１１は分極する。誘電体膜１１内に蓄積した電荷は、第１の電極１３に形成されている開口部１４内にも存在し、スペーサー９によって形成される中空部（空気層）のみの場合と比較して、可動電極３と固定電極５との間の誘電率が大きくなり、感度が増すことになる。

なお、開口部１４の数、大きさ、形状、配置等は、所望の特性のコンデンサマイクロフォンを形成できるように適宜設定すればよい。同様に、第１の電極１３と固定電極５との間に印加する電圧を調整したり、誘電体膜の材料を適宜選択することができ、誘電体膜の誘電率を変え、所望の特性のコンデンサマイクロフォンを形成することができる。

以上本発明の実施例について説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、可動電極３と固定電極５のいずれも誘電体膜を形成した形状とすることできる。

１：シリコン基板、２：熱酸化膜、３：可動電極、４：犠牲層、５：固定電極、６：バックプレート、７：貫通孔、８：バックチャンバー、９：スペーサー、１０：エアーギャップ、１１：誘電体膜、１２：酸化膜、１３：第１の電極、１４：開口部、１５：電圧印加部、１６：窒化膜

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ているＭＥＭＳ素子において、
前記固定電極あるいは前記可動電極の少なくともいずれか一方は、誘電体膜を挟み第１の電極と第２の電極が、前記第１の電極を前記エアーギャップ側に配置するように積層し、かつ該第１の電極の一部が除去され前記誘電体膜の一部を露出する構造とし、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記誘電体膜が分極する電圧を印加し、前記固定電極あるいは前記可動電極と、対向する前記可動電極あるいは前記固定電極を構成する前記第２の電極との間に、前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される電圧より大きな電圧を印加することができる電圧印加手段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、
前記第１の電極および前記第２の電極は、前記誘電体膜に蓄積した電荷を放電する放電電極の機能を有することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
請求項１または２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、
前記誘電体膜は、常誘電体膜または強誘電体膜であることを特徴とするＭＥＭＳ素子。