JP2017069594A - Ｍｅｍｓ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＥＭＳ素子の感度を向上させながら、エアーギャップ側に変位する可動電極の破損を防止するＭＥＭＳ素子の構造を提供する。【解決手段】スペーサー１１を挟んで固定電極５を含むバックプレートと可動電極３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素子であって、バックプレートあるいは可動電極３に対向する固定電極５側に突出する環状あるいは柱状のストッパー構造１２を備えている。【選択図】図７

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)素子では、半導体基板上に可動電極、犠牲層（絶縁膜）および固定電極を形成した後、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。

しかし、このような感度の向上と同時に残留応力の低減を図った場合でも、風圧などの大きな負荷が加わると破損を回避することが難しかった。そこで本願出願人は、可動電極がバックチャンバー側に変位する場合のストッパー構造を提案している（特許文献２）。

特開２００７−２１００８３号公報 特開２０１５−７４０３４号公報

本願出願人が先に提案したストッパー構造は、可動電極がバックチャンバー側に変位する場合には可動電極の破損防止に効果があったが、可動電極がエアーギャップ側に変位する場合には効果がなく、可動電極の破損を完全に防ぐことはできなかった。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、エアーギャップ側に変位する膜の破損を防止する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上に、スペーサーを挟んで固定電極を含むバックプレート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、前記バックプレートあるいは前記可動電極の少なくともいずれか一方に、エアーギャップ側に突出する環状構造あるいは柱状構造のストッパー構造を備え、該ストッパー構造は、前記可動電極が風圧を受けて前記バックプレート側に変位するとき破損に至る前に対向する前記可動電極あるいは前記バックプレートに接触し、かつ前記ＭＥＭＳ素子の通常動作時には前記可動電極あるいは前記バックプレートに接触しない位置まで突出し、前記エアーギャップの内周に沿って複数配置され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、前記可動電極は、前記エアーギャップの内周に沿ってスリットが形成されており、前記ストッパー構造は、前記スリットより内側の前記エアーギャップの内周に沿って複数配置されてい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記載のＭＥＭＳ素子において、前記固定電極は、前記エアーギャップに連通する貫通孔を複数備えるとともに前記ストッパー構造を備え、前記環状構造あるいは柱状構造のストッパー構造は、前記貫通孔を塞がない位置に配置されていることを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記固定電極は、前記エアーギャップに連通する貫通孔を複数備えるとともに前記ストッパー構造を備え、前記環状構造のストッパー構造は、１つあるいは複数の前記貫通孔を取り囲む円形あるいは多角形の環状構造であることを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極が風圧等を受けてエアーギャップ側に変位した場合、エアーギャップ内に形成されているストッパー構造が対向するバックプレートあるいは可動電極に接触し、それ以上変位することを防止し、可動電極の破損を防止できる。

また本発明のストッパー構造は、比較的小さい形状とすることができるため、バックプレートに形成する場合に、貫通孔を避けて形成でき貫通孔の数や大きさに制約を与えることがない。その結果、エアーギャップ内の空気は貫通孔を通じて出入りすることになり、ＭＥＭＳ素子の重要な特性である熱雑音特性や高周波特性の劣化を招かないという大きな利点を奏することが可能となる。

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ＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。

本発明のＭＥＭＳ素子は、そのバックプレートあるいは可動電極の所定の位置に、エアーギャップ側に突出し可動電極の異常な変位を停止させるストッパー構造を備える構造となっている。以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。

本発明の実施例について、ＭＥＭＳ素子であるコンデンサマイクロフォンを例にとり、製造工程に従い説明する。本実施例は、固定電極を含むバックプレート側にストッパー構造を備える場合について説明する。まず、表面の結晶方位が（１００）面のシリコン基板１上に、厚さ０．５μｍ程度の熱酸化膜２を形成する。さらに表面側の熱酸化膜２上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．５μｍ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、可動部となる可動電極３を形成する（図１）。図１では、可動電極３の応力緩和のため、スリットが形成されている。

可動電極３上に、厚さ３μｍ程度のＵＳＧ（Undoped Silicate Glass）膜からなる犠牲層４を積層形成する。この犠牲層４は、一部を除去することによりスペーサーを構成する膜となる。犠牲層４上に、厚さ０．１μｍのポリシリコン膜を形成し、所定のパターニングを行い、固定電極５を形成する（図２）。

その後、ストッパー構造形成予定領域の固定電極５および犠牲層４の一部を除去して凹部６を形成する（図３）。図４は凹部６の配置の一例で、８個の凹部６を固定電極５の内周に沿って配置している場合を示している。この凹部６は、後述するエアーギャップの内周に沿う位置に複数個形成され、凹部６は環状の形状となっている。なお凹部６によりストッパー構造が形成されるため、各凹部６は、独立した形状とし、少なくとも２個以上配置する構造とするのが好ましい。凹部６は環状とする代わりに柱状としてもよい。また凹部６は円形に限らず多角形とすることもでき、変形を抑制するストッパーとして機能を発揮でき、ストッパー構造として強度が保てる形状であれば適宜変更することが可能である。さらに、必ずしも固定電極５と重なるように形成する必要はなく、後述する窒化膜７と固定電極５からなるバックプレートに配置すればよい。

その後、全面に厚さ１．０〜４．０μｍ程度の窒化膜７を積層形成する。ここで、先に形成した凹部６内は窒化膜７で充填される（図５）。

窒化膜７と固定電極５の一部を除去し、貫通孔８を形成して犠牲層４表面を露出させる。この貫通孔８は、音を可動電極３に伝えるための音孔の機能を果たすことになり、所望の特性となるように、径の大きさ、数、配置を設定する。ここで、先に形成した環状の凹部６の内部にも貫通孔８を形成する（図６）。これは、後述する犠牲層４の除去工程で、凹部６に充填された窒化膜７の間に犠牲層４が残らないようにするためである。凹部６の内側に形成する貫通孔８の数は１個に限るものではない。環状の凹部６の内部に犠牲層４を残し、窒化膜７と一体として円柱形状のストッパー構造を形成する場合は、凹部６の内部に貫通孔８を形成する必要はない。

その後、通常のＭＥＭＳ素子の製造工程に従い、可動電極３の一部を露出するように窒化膜７および犠牲層４の一部をエッチング除去し、露出した可動電極３に接続する配線部９ａを形成し、固定電極５の一部を露出するように窒化膜７の一部をエッチング除去し、露出する固定電極５に接続する配線部９ｂを形成する。この配線部９ａ、９ｂは、アルミニウム等の導体膜から構成されている。その後、バックチャンバー１０を形成するため、裏面側からシリコン基板１をＲＩＥエッチング法によりエッチングする。また可動電極３と固定電極５の間を中空構造とするため、貫通孔８を通してエッチング液を供給して犠牲層４の一部をエッチング除去し、スペーサー１１を形成する。この犠牲層のエッチング工程は、一例として、フッ酸、フッ化アンモニウムと酢酸の混合液を用いることで、窒化膜7を残し、犠牲層４のみを選択的に除去することできる。その結果、図７に示すように固定電極５と窒化膜７とからなりバックプレート側に、凹部６内に充填された窒化膜７が残り、エアーギャップ側に突出する環状のストッパー構造１２が形成される。

このように形成されたＭＥＭＳ素子であるコンデンサマイクロフォンは、貫通孔８を通過した音圧により可動電極３が振動し、固定電極５と可動電極３間の変位を電極間の容量変化として検出する。ここでストッパー構造１２は、通常動作時には可動電極３に接触することはなく、可動電極３が風圧等を受けて固定電極５側に通常動作の変位の範囲を越えて大きく変位する際には可動電極３に接触し、それ以上の変形を抑えて可動電極３が破損に至ることがない形状となっている。

例えば、凹部６の深さを調整することで、可動電極３とストッパー部１２との間の寸法を調整することができる。また、ストッパー構造１２は、スペーサー１１の内周に沿って、換言すればエアーギャップの内周に沿って、複数個配置することで、全周にわたるような構造にしなくても可動電極３の変位を効果的に抑制することが可能となる。また図７に示すように、可動電極３にスリットが形成されているような場合、可動電極３の変位は、スリットの内側で大きくなるため、スリットの内側に配置するのが好ましい。

環状に形成した凹部６の中央に貫通孔８を設けない場合は、スペーサー１１を形成する際のエッチング工程で、窒化膜で構成されたストッパー構造１２の内部に犠牲層４の一部が完全にエッチングされずに残り、柱状のストッパー構造となる場合もある。また凹部６の形状を環状とする代わりに柱状に除去する形状とした場合も柱状のストッパー部１２が形成されることになる。このような柱状のストッパー構造とした場合も、可動電極３の破損を効果的に防ぐことが可能である。

このように環状あるいは柱状のいずれの形状であっても、ストッパー構造１２は、比較的小さい形状となり、またその数も比較的少なく形成することができるため、固定電極に形成されている貫通孔８の形成位置を避けて形成することができる。つまり貫通孔８の大きさ、数、その配置等は所望のＭＥＭＳ素子の特性が得られるように自由に設定した上で、ストッパー構造を備えることが可能となる。これは、ストッパー構造１２を備えることで貫通孔８の形成に制限が加わった場合、エアーギャップ内の空気が可動電極３あるいは固定電極５に衝突して発生する不要なノイズ等の発生を招きかねないのに対し、このようなノイズ等の発生を低減した上で、破損の防止ができることになり好ましい。

なおストッパー構造１２は、固定電極５を含むバックプレート側に形成する代わりに可動電極３に形成してもよい。その場合、上記製造工程に従えば、可動電極３を形成した後、犠牲層４をストッパー構造の長さ分だけ形成し、例えばスリットの内側に位置するように円柱状に犠牲層４を除去して可動電極３に達する凹部６を形成し、凹部６内に選択的に絶縁材を充填させた後、追加の犠牲層４を形成し、固定電極５を形成する。

その後、先に説明した工程に従い、犠牲層４をエッチングし、スペーサー１１を形成することで可動電極３上にストッパー構造１２を形成することができる。この方法は、先に説明した製造方法と比較して、凹部６内への絶縁材の選択的な充填や、犠牲層４の形成を２回に分ける必要があり製造工程が増加することになる。しかし、例えばストッパー構造１２を可動電極３と固定電極５に分けて形成することができ、可動電極３および固定電極５に加わる負担を低減できる点で利点がある。

さらにまた本発明のストッパー構造は、可動電極がエアーギャップ側に変位する場合に破損を効果的に防止することができるので、本願出願人が先に提案した可動電極がバックチャンバー側に変位する場合に破損を効果的に防止できるストッパー構造と組み合わせることで、どのような変位であっても電極の破損を防止できるＭＥＭＳ素子を提供できる。

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：凹部、７：窒化膜、８：貫通孔、９：配線部、１０：バックチャンバー、１１：スペーサー、１２：ストッパー構造

Claims (4)

1. バックチャンバーを備えた基板上に、スペーサーを挟んで固定電極を含むバックプレート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、
   前記バックプレートあるいは前記可動電極の少なくともいずれか一方に、エアーギャップ側に突出する環状構造あるいは柱状構造のストッパー構造を備え、
   該ストッパー構造は、前記可動電極が風圧を受けて前記バックプレート側に変位するとき破損に至る前に対向する前記可動電極あるいは前記バックプレートに接触し、かつ前記ＭＥＭＳ素子の通常動作時には前記可動電極あるいは前記バックプレートに接触しない位置まで突出し、前記エアーギャップの内周に沿って複数配置され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、
   前記可動電極は、前記エアーギャップの内周に沿ってスリットが形成されており、
   前記ストッパー構造は、前記スリットより内側の前記エアーギャップの内周に沿って複数配置されていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
3. 請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、
   前記固定電極は、前記エアーギャップに連通する貫通孔を複数備えるとともに前記ストッパー構造を備え、
   前記環状構造あるいは柱状構造のストッパー構造は、前記貫通孔を塞がない位置に配置されていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
4. 請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、
   前記固定電極は、前記エアーギャップに連通する貫通孔を複数備えるとともに前記ストッパー構造を備え、
   前記環状構造のストッパー構造は、１つあるいは複数の前記貫通孔を取り囲む円形あるいは多角形の環状構造であることを特徴とするＭＥＭＳ素子。

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