JP2018202556A - Ｍｅｍｓデバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、ＭＥＭＳデバイスの作製工程を増やすことなく、通常用いられるＭＥＭＳデバイス作製工程及びプロセス材料を利用して、キャビティ内圧力を所望の値に設定することが容易なＭＥＭＳデバイスを提供することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するために、代表的な本発明のＭＥＭＳデバイスは、キャビティを有するＭＥＭＳデバイスにおいて、キャビティの近傍に水素を含む絶縁膜と、絶縁膜を覆う水素バリア膜とを有することを特徴とする。【選択図】図１
Description
本発明は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイス、特に、キャビティ内の圧力を調整する必要があるＭＥＭＳデバイスの構造に関するものである。
ＭＥＭＳデバイスは、微小可動部の保護のため、気密封止されたキャビティが形成され、そのキャビティ内に微小可動部が配置されていることが多い。埃や水分の浸入を防止するだけでなく、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチ等では、接点の劣化防止のためにキャビティ内に不活性ガスを充満させる必要があり、加速度センサや角速度センサ等の慣性センサでは、性能を保証するためにキャビティ内を大気圧より低い圧力に調整する必要がある。
例えば、資源探査分野では減衰の大きい地中を伝搬して戻ってくる微弱な弾性振動を検知するため、高感度な加速度センサが必要である。ＭＥＭＳ加速度センサは、微小領域のキャビティ内の振動体の容量変化を検知するため、キャビティ内の空気等の流体によるダンピング影響を受ける。高感度な加速度センサではこの影響を低減させるため、キャビティ内を真空の状態で封止する必要がある。一方、圧力が低すぎると振動体の不要な揺れが止まりにくく、センサ安定化に時間がかかりすぎてしまう。そのため、それぞれのセンサによって最適なキャビティ内圧力が設定される。
キャビティ内の圧力を所望の値に調整する技術として、特許文献１が開示されている。特許文献１に記載されたセンサでは、ＭＥＭＳデバイスの層を構成するウエハを接合した後にキャビティに通気孔を形成し、所望の真空雰囲気中で塞ぐことによってキャビティ内の圧力を所望の値にするものが記載されている。
しかしながら、特許文献１では、ＭＥＭＳデバイスの層を構成するウエハを接合した後に通気孔を用いてキャビティ内圧を調整し、その後に通気孔を塞ぐ工程が加わるため、デバイスの作製工程が増加し、製造コストが増加する可能性がある。また、通気孔は異種材料の密着で気密封止するため、長期間経過後にはリークする可能性があり、長期安定性に課題があった。
本願発明者らは、ＭＥＭＳデバイスの作製工程を増やすことなく、キャビティ内の圧力調整を試行している中で、実験により、ＴＥＯＳ膜等の水素を含む絶縁膜から水素がキャビティ内に流入することを新たに発見した。
そこで、本発明は、ＭＥＭＳデバイスの作製工程を増やすことなく、通常用いられるＭＥＭＳデバイス作製工程及びプロセス材料を利用して、キャビティ内圧力を所望の値に設定することが容易なＭＥＭＳデバイスを提供することを目的とする。
上記課題を解決するための手段のうち代表的なものを例示すれば、キャビティを有するＭＥＭＳデバイスにおいて、キャビティの近傍に水素を含む絶縁膜と、絶縁膜を覆う水素バリア膜と、を有することを特徴とするＭＥＭＳデバイスが挙げられる。
本発明によれば、ＭＥＭＳデバイスにおいて、キャビティの近傍に形成された水素を含む絶縁膜により、キャビティ内の圧力を調節することが可能になり、長期安定性が高く、製造コストを低減可能なＭＥＭＳデバイスの提供が可能になる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
以下では、ＭＥＭＳデバイスの一例として、加速度センサをもとに説明を行うが、角速度センサや赤外線センサ等、キャビティを有するＭＥＭＳデバイスであれば、圧力調整が可能なため、加速度センサに限定されるわけではない。
実施例１では、キャップ層の外面に水素を含む絶縁膜とそれを覆う水素バリア膜を形成し、絶縁膜から発生する水素がキャビティ内へ拡散することにより、キャビティ内の圧力を所望の値まで調整可能なＭＥＭＳデバイスについて記載する。
図１から図３は、本実施例１における加速度センサの構造を示す図である。図１は本センサの断面図、図２は本センサのＭＥＭＳ層の平面図、図３は本センサの上面図である。
図１は、図２のＡ−Ａ’部分の断面図である。加速度センサはシリコンウエハから作製したキャップ層１０１、ＭＥＭＳ層１０２、ベース層１０３から構成されている。便宜上、ＭＥＭＳ層１０２の上の層をキャップ層１０１、下の層をベース層１０３と呼ぶ。
ＭＥＭＳ層１０２には、加速度や傾きにより可動する可動部１０が形成されており、可動部の周囲にはキャビティ１１が形成される。また、固定電極１５及びフレーム１６も形成されている。各層はそれぞれシリコン同士直接または絶縁層１２を介して接合されており、キャビティ１１は、ＭＥＭＳ層１０２のフレーム１６とキャップ層１０１及びベース層１０３によって気密封止されている。一般に、接合は高真空中で行うため、接合直後のキャビティ１１内は高真空になる。
水素を含む絶縁膜１３は、シリコン基板１１１を介して、キャビティ１１の近傍に形成されており、ＭＥＭＳデバイスの外周よりも内側のエリアに配置されている。水素バリア膜１４は、水素を含む絶縁膜１３を備えるキャップ層上面全体を覆うように形成されている。また、シリコン基板１２１からなるベース層１０３の下面にも全面を覆う水素バリア膜１４が形成されている。なお、図面では、絶縁膜１３をキャビティの上部に配置する例を示しているが、絶縁膜の位置は、キャビティの近傍にあればよく、キャビティの下部でも構わない。水素透過率により絶縁膜の位置の変動は可能である。
水素を含む絶縁膜１３の中には水素分子または水素原子が含まれている。キャップ層１０１の上部にある絶縁膜１３内に存在する水素分子または水素原子は、シリコン中の拡散係数が大きいため、シリコン基板１１１を拡散してキャビティ１１内に侵入することができる。一方、絶縁膜１３は、水素が拡散しにくい水素バリア膜１４で覆われているため、水素分子または水素原子は大気中に放出されない。
このとき、キャビティ１１の内容積が既知であれば、キャビティ１１内に侵入する水素量、すなわち水素を含む絶縁膜１３の体積を調節することによって、キャビティ１１内の圧力を接合直後の高真空より低い所望の圧力に調節することができる。
図２は、ＭＥＭＳ層１０２の平面図を表す。可動部１０と固定電極１５が形成されており、可動部１０はｙ軸方向に変位するバネ２２で支えられている。可動部１０は、可動電極を備えており、y軸方向に変位したときに固定電極１５との間の容量変化量が検出できる構造であるため、本加速度センサはy軸加速度センサであることを表している。なお、ここで示した加速度センサのＭＥＭＳ層１０２の構造は一例であり、本発明は、図に示した構造に限らないのは言うまでもない。
図３は本加速度センサのキャップ層の上面図である。外周より内側に水素を含む絶縁膜１３が形成されている。また、それを覆うように全面に水素バリア膜１４が形成されているが図３では省略している。電極取り出し部分の水素バリア膜１４は除去し、アルミ材料等のメタル材２３が形成されている。
本実施例１は、このキャップ層の上面に形成した水素を含む絶縁膜から発生させた水素を、キャップ層のシリコンを通してキャビティ内部へ拡散させることによって、キャビティ内部の圧力を上昇させることを特徴としている。
水素は、シリコン内の拡散係数が大きいガスの一つであることが一般に知られている（たとえば、Ｈｅｌｍｕｔ Ｍｅｈｒｅ ”Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｉｎ Ｓｏｌｉｄ” Ｓｐｒｉｎｇｅｒ（２００９．２．１５）Ｐ．４１４等）。一般に、シリコン内の拡散距離ｘ、時間ｔにおける不純物濃度Ｎ（ｘ，ｔ）は、以下の拡散方程式から得られる。Ｎｏはｘ＝０、ｔ＝０のときの濃度を表し、Ｄは拡散係数を示す。
式（１）と上記文献に記載の拡散係数Ｄを用いると、４００℃ではシリコン中１００μｍを６０秒間に拡散する水素の濃度は２．３Ｅ１４ ｃｍ−３であることがわかる。一方、１Ｅ１４ｃｍ−３の水素が体積３０ｍｍ３のキャビティに入ると、気体の状態方程式より、室温ではキャビティ内の圧力は１４Ｐａになる。これらより、キャビティの外側に水素が多くあれば、その水素はシリコンを通してキャビティ内に拡散するため、キャビティ内の圧力が上昇することがわかる。その逆に、キャビティ内の体積および気体の状態方程式を用いると、所望の圧力に必要な水素の体積がわかり、必要な水素の体積から、水素を含む絶縁膜の適切な体積を計算することが可能である。
また、水素を含む絶縁膜１３の外側を水素バリア膜１４で覆えば、水素バリア膜１４で覆った方向には水素が拡散しないため、外部へ放出される水素は限りなく少なくなる。
次に、絶縁膜１３および水素バリア膜１４の膜質について説明する。絶縁膜１３は、膜内に水素分子または水素原子を含んでいればよい。また、水素バリア膜１４は、水素の拡散を防止する膜であればよく、例えば、従来から水素拡散防止膜として半導体デバイスに使用されてきた窒化シリコン膜を利用することが考えられる。
半導体やＭＥＭＳデバイスの作製工程において、酸化シリコン膜の形成の原料にシラン（ＳｉＨ４）やＴＥＯＳ（ＴｅｔｒａＥｔｈＯｘｙＳｉｌａｎｅ：（Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４））を用いることがある。これらは、水素原子含有ガスであるため、作成した酸化シリコン膜にも水素が多く含まれている。水素を含む絶縁膜１３として、例えば、原料にＴＥＯＳを用いてＣＤＶ成膜した酸化シリコン膜（本実施例ではＴＥＯＳ膜と記載）を利用することが考えられる。
本願発明者らは、ＴＥＯＳ膜から水素を発生させてキャビティ内に拡散する現象の検証を行なった。その結果を図４および図５にて説明する。
図４（ａ）は、キャップ層１０１上面にＴＥＯＳ膜及び窒化シリコン膜がない加速度センサの時間経過におけるキャビティ１１内の圧力を計測した図である。また、図４（ｂ）は、キャップ層１０１上面にＴＥＯＳ膜及びそれを覆うように窒化シリコン膜を形成した加速度センサの時間経過におけるキャビティ１１内の圧力を計測したものである。
キャビティ１１内の圧力は、キャビティ１１内部に形成した可動部１０の振動特性で確認した。どちらも開始時の圧力は２０Ｐａで、１２５℃と室温での経時変化を評価した。
水素を含む絶縁膜１３および水素バリア膜１４がない図４（ａ）では、５５００時間経過後でも初期の圧力とほぼ変化が見られなかったのに対し、水素を含む絶縁膜１３および水素バリア膜１４のある図４（ｂ）では、１２５℃では８００時間程で７０Ｐａまで圧力が上昇し、その後の圧力は安定する現象が見られ、室温でも徐々に上昇していく現象が見られた。
次に、キャビティ１１内のガス分析を行なった。検出したガス種の体積比を図５に示す。図５（ａ）は、水素を含む絶縁膜１３（ＴＥＯＳ膜）及び水素バリア膜１４（窒化シリコン膜）がなく、キャビティ内圧が５ＰａのＭＥＭＳデバイス、図５（ｂ）は、デバイス表面のキャップ層１０１に水素を含む絶縁膜１３（ＴＥＯＳ膜）およびその外側に水素バリア膜１４（窒化シリコン膜）を形成し、室温での経時変化でキャビティ内圧が３３Ｐａに増加したＭＥＭＳデバイスをそれぞれ２個ずつ評価した結果である。図５（ａ）は、窒素比率が多いのに対し、図５（ｂ）は、水素の比率が多かった。図５（ｂ）のように、２つのデバイスともに、水素の体積比が５０パーセントを超えている。これらより、キャビティ内の圧力増加の要因が水素の増加によるものであることがわかった。さらに、別途ＴＥＯＳ膜の昇温脱離ガス分析（ＴＤＳ）も行なったところ、温度上昇に伴い水素が多く発生する結果が得られている。
これらの結果より、キャビティの上部に水素を多く含む絶縁膜とそれを覆うように水素バリア膜を形成することで、キャビティ内の圧力を増加できることがわかった。
絶縁膜は通常、配線等による凹凸を無くすために用いられる。特許文献１でも、ＭＥＭＳデバイスの保護を目的として絶縁膜とパッシベーション膜を一面に設置した技術が開示されている。平坦性を高くするという目的上および絶縁膜の製造プロセス上、絶縁膜はＭＥＭＳデバイスの全面に設置されている。しかしながら、全面に設置することで、絶縁膜の体積が大きくなってしまい、水素を含む絶縁膜の場合には、水素の流入により、キャビティ内の圧力が変わり、所望の圧力を得ることが難しいことを発見した。
このように、ＴＥＯＳ膜をデバイス上面の全面に形成した場合、キャビティ圧力の増加量が多すぎることが考えられる。これを解決するには、パターニングして水素を多く含む絶縁膜の量を減らせば発生する水素量も減少し、キャビティ内の圧力増加も抑えられる。
半導体デバイスでは作製工程の最後に、デバイス表面にＴＥＯＳ膜や窒化シリコン膜等の保護膜を形成することが多い。ところが、これらの膜はデバイスを保護することが目的であり、かつ、半導体デバイス作成プロセス上保護膜のパターニングは不要で余計なフローが追加されるため、デバイスの全面に形成するのが通常である。一方、ＭＥＭＳデバイスではＴＥＯＳ膜を全面に形成するとＴＥＯＳ膜から発生する水素量が多く、キャビティ内圧が大きくなりすぎる。
本願発明者らによる検証では、体積３．４３Ｅ−２ｍｍ３のＴＥＯＳ膜（面積が７ｍｍ×７ｍｍ、膜厚０．７μｍ）を形成したときに内容積１８．１５ｍｍ３のキャビティ内圧が５０Ｐａ増加した。例えば、キャビティ内圧を５Ｐａ程度に制御するためには、今回のＴＥＯＳ膜では体積を１０分の１程度にしなければならない。ＴＥＯＳ膜をデバイス全面に形成し、かつ、ＴＥＯＳ膜の体積を１０分の１にする場合は、ＴＥＯＳ膜の厚さを数十ｎｍにする必要があるが、このように薄い膜を再現性良く、膜厚ばらつき無しで形成することは難しい。このため、絶縁膜は全面に形成するのではなく、パターンを形成してＴＥＯＳ膜の量を減らしたほうが良い。ＴＥＯＳ膜等の水素を含む絶縁膜の必要な体積は、キャビティ内の圧力増加を計算することにより調整することが可能である。絶縁膜をＭＥＭＳデバイスの外周よりも内側に配置することで、水素を含む絶縁膜の量を適切に調節することが可能になり、キャビティ内の圧力を所望の値に調節することが容易になる。
また、ＴＥＯＳ膜等の水素を含む絶縁膜１３の外側には水素バリア膜１４を形成する必要がある。バリア膜がないとキャビティ内に侵入した水素は時間経過に伴いキャビティの外へ拡散し、キャビティ内圧が変化してしまう。一方、バリア膜を形成しにくいデバイスの側面等は、式（１）よりシリコン厚、すなわち拡散距離ｘを長くするのが好ましい。拡散距離ｘを長くするために、フレーム１６のｘ方向の長さをデバイスのサイズの範囲内でなるべく長くすることが考えられる。こうすることで、デバイスの保障期間内ではキャビティ内の水素がほとんど抜けないようにすることが可能である。
次に、本発明を適用した加速度センサの製造方法の一例を図６から図９を用いて説明する。シリコンから成るＭＥＭＳ層１０２とベース層１０３が絶縁層１２で電気的に分離されているＳＯＩ基板１０４を用い、ＭＥＭＳ層１０２の表面にフォトレジストを塗布し、センサの可動部構造をフォトグラフィ技術によって転写し、レジストマスク１７を形成する（図６（a））。次に、シリコン単結晶の深堀エッチング技術によって可動部構造を形成した後、フォトレジストを除去する（図６（b））。次に、可動部下部の酸化シリコンをエッチングで除去し、可動部１０を形成し、固定電極１５に対して可動による容量変化が検出できるようにする（（図６（c））。
一方で、別のシリコン基板を用いてキャップ層を形成する。シリコン基板の表面にフォトレジストを塗布し、キャビティ構造をフォトグラフィ技術によって転写し、レジストマスク３７を形成する（図７（a））。その後、エッチングによりキャビティ構造を形成後、フォトレジストを除去する（図７（ｂ））。次に、ＭＥＭＳ層１０２からの電極取り出し用の貫通電極を形成するため、同様にレジストマスク３７を形成し、貫通電極用の孔１８をエッチングする（図７（ｃ））。レジストマスク３７除去後、熱酸化により孔側面を含むシリコンウエハ表面に酸化シリコンの絶縁層１９を形成する（図７（ｄ））。次に、導電性の材料、たとえばポリシリコン２４を孔１８に埋め込み、孔１８以外に堆積したものは取り除き（図７（ｅ））、ウエハの上面、すなわち、接合する面２５を平坦化する（図７（ｆ））。
さらに、図６及び図７で作製したそれぞれのウエハを接合して気密封止することによって、可動部１０の周囲にキャビティ１１が形成される（図８（ａ））。キャビティ１１はキャップ層１０１、ベース層１０３、及び、ＭＥＭＳ層１０２のフレーム１６で封止されている。その後、キャップ層１０１の上面を研磨して貫通電極２６を露出する（図８（ｂ）。）
最後に、キャビティ１１内の圧力調整のために、水素を含む絶縁膜１３であるＴＥＯＳ膜パターンと水素バリア膜１４である窒化シリコン膜を形成する。キャップ層１０１上面にＴＥＯＳ膜等の水素を含む絶縁膜１３を形成し、水素発生量に応じたサイズのレジストマスク４７を形成する（図９（ａ））。エッチングで水素を含む絶縁膜１３をパターニングし（図９（ｂ））、その上に、絶縁膜１３を覆うように全面に窒化シリコン膜等の水素バリア膜１４を形成する。次に、電極取り出し口の水素バリア膜１４を除去して電極取り出し用のアルミパッド２９を形成する。また、ベース層１０３の外側にも水素が抜けないように窒化シリコン膜等の水素バリア膜１４を形成する（図９（ｃ））。最後に加熱を行い、ＴＥＯＳ膜内の水素をキャビティ内に侵入させ、キャビティ内を所望の圧力にする。水素がシリコン内を拡散する距離を短くするために、シリコン基板１１１は薄い方が好ましい。例えば、キャビティ上部のシリコン基板１１１の厚みを１００μｍ程度にする。シリコン基板１１１を薄くすることで、キャビティ内の圧力が所望の値になるまでの時間を短縮でき、さらに、絶縁膜１３中の水素をキャビティ１１内に侵入されるための加熱温度を低くすることができる。
最後に、キャビティ１１内の圧力調整のために、水素を含む絶縁膜１３であるＴＥＯＳ膜パターンと水素バリア膜１４である窒化シリコン膜を形成する。キャップ層１０１上面にＴＥＯＳ膜等の水素を含む絶縁膜１３を形成し、水素発生量に応じたサイズのレジストマスク４７を形成する（図９（ａ））。エッチングで水素を含む絶縁膜１３をパターニングし（図９（ｂ））、その上に、絶縁膜１３を覆うように全面に窒化シリコン膜等の水素バリア膜１４を形成する。次に、電極取り出し口の水素バリア膜１４を除去して電極取り出し用のアルミパッド２９を形成する。また、ベース層１０３の外側にも水素が抜けないように窒化シリコン膜等の水素バリア膜１４を形成する（図９（ｃ））。最後に加熱を行い、ＴＥＯＳ膜内の水素をキャビティ内に侵入させ、キャビティ内を所望の圧力にする。水素がシリコン内を拡散する距離を短くするために、シリコン基板１１１は薄い方が好ましい。例えば、キャビティ上部のシリコン基板１１１の厚みを１００μｍ程度にする。シリコン基板１１１を薄くすることで、キャビティ内の圧力が所望の値になるまでの時間を短縮でき、さらに、絶縁膜１３中の水素をキャビティ１１内に侵入されるための加熱温度を低くすることができる。
なお、本実施例１ではＳＯＩ基板の上側のシリコン部をＭＥＭＳ層１０２，下側のシリコン部をベース層１０３としたが、ＳＯＩ基板ではなく、ＭＥＭＳ層基板とベース層基板を接合してもよい。
また、酸化シリコン膜の原料や成膜条件によって膜内に存在する水素量は異なる。この場合は成膜する酸化シリコン膜内の水素濃度によって、パターンサイズを調節すればよい。
以上のように、本実施例に係るＭＥＭＳデバイスは、キャビティ１１を有するＭＥＭＳデバイスにおいて、キャビティ１１の近傍に水素を含む絶縁膜１３と、絶縁膜１３を覆う水素バリア膜１４を有することを特徴としている。
係る構成により、最終工程で形成する絶縁膜１３の体積の最適化でキャビティ１１内の圧力を所望の適切な値にすることができる。キャビティ近傍に設置する絶縁膜１３の調整によりキャビティ１１内の圧力調整が可能なため、長期安定性が高く、製造コストを低減可能なＭＥＭＳデバイスの提供が可能になる。
また、本実施例に係るＭＥＭＳデバイスは、キャビティ１１の下部にシリコン基板１２１と、シリコン基１２１板の下面を覆う第二の水素バリア膜１４を有することを特徴としている。
係る構成により、キャビティ１１内に充満する水素がキャビティ１１の下部に設置されるシリコン基板１２１側から大気中に拡散することを防ぐことができるため、長期間キャビティ１１内の圧力を所望の圧力に維持することが容易になる。
実施例２では、キャビティ上部のキャップ層に分離層を形成し、その分離層上に水素を含む絶縁膜を形成することによって、分離層を通してキャビティ内への水素侵入をはやくできるＭＥＭＳデバイスについて記載する。
図１０から図１２は、本実施例２におけるＭＥＭＳデバイスである加速度センサの構造を示す図である。図１０は本センサの断面図、図１１はＭＥＭＳ層の平面図、図１２は本センサの上面図である。
図１０は、図１１のＡ−Ａ’の断面である。加速度や傾きにより可動する可動部９０とそれを支える固定部９１とフレーム９３を形成するＭＥＭＳ層１１０２と、可動部９０を気密封止するキャップ層１１０１及びベース層１１０３からなる。各層は絶縁層９４を介して直接接合されている。便宜上、ＭＥＭＳ層１１０２の上の層をキャップ層１１０１、下の層をベース層１１０３と呼ぶ。ＭＥＭＳ層１１０２に形成した可動部９０は、固定部９１を軸としてシーソーのようにｚ方向に動く構造になっている。図１０では、固定部９０の左側が密になっているため、−ｚ方向の重力がかかると左側が−ｚ方向に傾く。また、キャップ層１１０１には可動部９０の真上に、可動部９０と対を成して容量が検出できる電極９５及び電極９６が形成されている。このため、本実施例２の加速度センサは、加速度や傾きにより可動部９０がｚ軸方向に可動し、キャップ層１１０１に形成した電極９５および電極９６との容量変化量が検出できるｚ軸加速度センサを表している。
キャップ層１１０１の電極は、電極となる部分９５及び９６を分離層３３によってキャップ層１１０１の他の外部エリア９７と分離することによって形成している。電極はキャップ層を貫通しているため貫通電極とも言われる。
分離層３３は、単結晶シリコンに比べて結晶性が劣る構造であれば良い。例えば、酸化シリコン等の絶縁膜のみから成る構造、または、絶縁膜とその間にポリシリコン等の埋込み材料を埋め込んだ構造である。絶縁膜や埋込み材料は、キャップ層１１０１の単結晶シリコンに比べて結晶性が劣るため、水素は分離層３３を通って、キャビティ１１内へ侵入しやすい。この性質を利用して、水素を含む絶縁膜１３を分離層３３の上に形成することにより、キャビティ１１内への水素侵入速度を早くでき，圧力調節の時間の短縮や加熱温度の低温化が可能になる。水素バリア膜は、絶縁膜１３を覆うようにキャップ層１１０１の上面に形成され、さらに、ベース層１１０３の下面にも形成される。
図１１は、ＭＥＭＳ層１１０２の平面図である。可動部９０とそれを支える固定部９１が形成されており、可動部９０はバネ９９で固定部９１に接続している。また、これらはフレーム９３で囲われているため、キャップ層１１０１とベース層１１０３との接合により、キャビティ１１は気密封止される。
図１２は、本センサのキャップ層１１０１の上面図である。電極９５及び９６を外部エリア９７と分離する分離層３３の上部に水素を含む絶縁膜１３を形成している。絶縁膜１３およびキャップ層１１０１を覆うようにデバイス全面に水素バリア膜１４が形成されているが、図では省略している。取り出し電極となるアルミパッドも省略している。
以上のように、本実施例に係るＭＥＭＳデバイスは、実施例１に記載のＭＥＭＳデバイスに加えて、水素を含む絶縁膜１３とキャビティ１１との間に、単結晶シリコンよりも結晶性が低い材料からなる分離層３３が形成されており、分離層３３は、キャップ層１１０１を貫通して形成されていることを特徴とする。また、分離層３３は、酸化シリコンからなる絶縁膜のみからなる材料、または、前記酸化シリコンからなる絶縁膜とポリシリコンの埋め込み材料から構成されていることを特徴とする。
係る構成により、シリコンだけでなく、分離層３３から水素を侵入させることにより、キャビティ１１内の圧力調整が早くできるようになり、キャップ層１１０１のシリコンの厚みが厚い場合でも短時間で圧力調整ができる。また、分離層３３の埋込材料の結晶性を変えることで水素の侵入速度を変えることも可能である。
実施例３では、同一基板に異なるＭＥＭＳデバイスを複数作製した場合に、それぞれのキャビティ上部のキャップ層の上面に異なるサイズの水素を含む絶縁膜を形成することによって、異なるキャビティ圧力に調節できるＭＥＭＳデバイスについて記載する。水素発生量は水素を含む絶縁膜のパターンサイズで個別に調整できるため、同一基板上に作製した多種のセンサ毎に最適なパターンを形成することにより、各センサのキャビティ内の調圧ができることが特徴である。
図１３から図１５は、本実施例３におけるＭＥＭＳデバイスの加速度センサと角速度センサからなる複合型慣性センサの構造を示す図である。図１３は、本センサの断面図、図１４は本センサのＭＥＭＳ層の平面図、図１５は、本センサの上面図である。それぞれの図面において、左側には加速度センサ２０１、右側には角速度センサ２０２が形成されている。角速度センサと加速度センサのキャビティはフレーム１６で分離されて、それぞれ異なった圧力により気密封止されている。
図１３は図１４のＡ−Ａ’の断面である。加速度センサ２０１及び角速度センサ２０２の可動部１０と固定電極１５とフレーム１６を形成するＭＥＭＳ層１０２と、キャビティ１３０１およびキャビティ１３０２を気密封止するキャップ層１０１及びベース層１０３からなる。本実施例では図の上側の層をキャップ層、下側の層をベース層とするが、逆でもよい。各センサのキャビティの上のキャップ層には水素を含む絶縁膜１３１１および絶縁膜１３１２と、それらの絶縁膜を覆うように複合型慣性センサの上面全てに水素バリア膜１４が形成されている。本実施例３では、加速度センサ２０１のキャビティ１３０１内圧を角速度センサ２０２のキャビティ１３０２内圧より低くするため、絶縁膜のパターンサイズを大きく形成している。水素バリア膜１４は複合型慣性センサの下面にも形成されている。
図１４はＭＥＭＳ層１０２の平面図である。加速度センサ２０１は、加速度や傾きにより可動部がy軸方向に変位した時の容量変化量を検出するy軸加速度センサで、角速度センサ２０２はｚ軸に対する角速度を検出する角速度センサである。図１４に示した構造は一例であり、加速度センサおよび角速度センサともにこの構造に限られないことは言うまでもない。
図１５は、本実施例３のキャップ層１０１の上面図である。上面の一部に水素を含む絶縁膜１３を形成している。また、それを覆うように水素バリア膜１４をキャップ層１０１の全面に形成してあるが、図では省略している。電極となる部分の水素バリア膜１４は除去し、アルミパッド２９が形成されている。
一般に、加速度センサ２０１と角速度センサ２０２の適切なキャビティ内圧力は異なる。同一基板上に作製したキャビティは同時に接合されるため、複数のキャビティ内の圧力は等しくなってしまう。これを異なる圧力で調節するために、本実施例３ではキャビティ上部に形成する水素を含む絶縁膜の量、すなわちパターンサイズを変えている。
図１３及び図１５では、適切なキャビティ内圧が低い加速度センサ２０１には大きなパターンの水素を含む絶縁膜１３１１を、適切なキャビティ内圧が高い角速度センサ２０２には小さなパターンの水素を含む絶縁膜１３１２を形成している。この結果、水素を含む絶縁膜の量が異なればキャビティ内に侵入する水素量も変わるため、加速度センサ２０１と角速度センサ２０２のキャビティ内の圧力を異なる値に調節できる。通常、２つのキャビティの内圧を異なる値にする場合、異なる圧力雰囲気下で２度気密封止する工程が発生するところ、本実施例に係る複合型慣性センサの場合、１度の気密封止で２つのキャビティ内圧を異なる値にすることが可能になり、製造コストの低減を実現することが可能になる。
また、本実施例３では、加速度センサと角速度センサの合計２つのセンサからなる複合型慣性センサの例を記載しているが、実施例２に示した貫通電極を利用するとｘ、ｙ、ｚ軸それぞれの加速度センサとｚ、ｙ、ｚ軸それぞれの角速度センサを同一基板に形成することも可能である。
以上のように、本実施例に係る複合型のＭＥＭＳデバイスは、複数のキャビティを有し、
第一のキャビティ１３０１の上部に、水素を含む第一の絶縁膜１３１１と、第二のキャビティ１３０２の上部に、水素を含む第二の絶縁膜１３１２と、第一の絶縁膜１３１１および第二の絶縁膜１３１２を覆う水素バリア膜１４と、を有し、第一の絶縁膜１３１１と第二の絶縁膜１３１２は、それぞれ体積が異なっていることを特徴とする。
第一のキャビティ１３０１の上部に、水素を含む第一の絶縁膜１３１１と、第二のキャビティ１３０２の上部に、水素を含む第二の絶縁膜１３１２と、第一の絶縁膜１３１１および第二の絶縁膜１３１２を覆う水素バリア膜１４と、を有し、第一の絶縁膜１３１１と第二の絶縁膜１３１２は、それぞれ体積が異なっていることを特徴とする。
係る構成により、キャビティ内に侵入させる水素の量を変えることができ、同一基板でセンサ毎に異なるキャビティ圧力を低コストで実現しうる。
１０ 可動部
１１ キャビティ
１２ 絶縁層
１３ 水素を含む絶縁膜
１４ 水素バリア膜
１５ 固定電極
１６ フレーム
１７、４７ レジストマスク
１８ 孔
１９ 絶縁層
２１ 固定部
２２ バネ
２３ メタル材
２４ ポリシリコン
２５ 接合面
２６ 貫通電極
２９ アルミパッド
３３ 分離層
９５ 電極
９６ 電極
９７ 外部エリア
１０１ キャップ層
１０２ ＭＥＭＳ層
１０３ ベース層
１０４ ＳＯＩ基板
１１１ シリコン基板
１２１ シリコン基板
２０１ 加速度センサ
２０２ 角速度センサ
１３０１ キャビティ
１３０２ キャビティ
１３１１、１３１２ 水素を含む絶縁膜
１１ キャビティ
１２ 絶縁層
１３ 水素を含む絶縁膜
１４ 水素バリア膜
１５ 固定電極
１６ フレーム
１７、４７ レジストマスク
１８ 孔
１９ 絶縁層
２１ 固定部
２２ バネ
２３ メタル材
２４ ポリシリコン
２５ 接合面
２６ 貫通電極
２９ アルミパッド
３３ 分離層
９５ 電極
９６ 電極
９７ 外部エリア
１０１ キャップ層
１０２ ＭＥＭＳ層
１０３ ベース層
１０４ ＳＯＩ基板
１１１ シリコン基板
１２１ シリコン基板
２０１ 加速度センサ
２０２ 角速度センサ
１３０１ キャビティ
１３０２ キャビティ
１３１１、１３１２ 水素を含む絶縁膜
Claims (15)
- キャビティを有するＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記キャビティの近傍に水素を含む絶縁膜と、
前記絶縁膜を覆う水素バリア膜と、を有することを特徴とするＭＥＭＳデバイス。 - 前記絶縁膜は、第一のシリコン基板を介して、前記キャビティの上部に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
- 前記絶縁膜は、前記絶縁膜の膜厚方向と垂直な平面において、前記ＭＥＭＳデバイスの外周よりも内側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
- 前記絶縁膜は、ＴＥＯＳまたはシランを原料とした酸化シリコン膜であることを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
- 前記水素バリア膜は、窒化シリコン膜であることを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
- 前記キャビティの下部にシリコン基板と、
前記シリコン基板の下面を覆う第二の水素バリア膜と、を有することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。 - 前記キャビティ内に水素分子が含まれており、
前記水素分子の前記キャビティ内の体積比は、５０パーセントを超えていることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。 - 前記キャビティの上部に第一のシリコン基板を有し、
前記水素バリア膜は、前記第一のシリコン基板も覆っていることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。 - 前記絶縁膜は、前記絶縁膜の膜厚方向と垂直な平面において、前記キャビティの外周よりも内側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
- 前記キャビティの内部に可動部に接続された可動電極と、
前記キャビティの内部に固定電極と、
前記キャビティの上部に第一のシリコン基板と、
前記キャビティの下部に第二のシリコン基板と、を有し、
前記可動電極と前記固定電極との間の容量変化量を検出することで、前記ＭＥＭＳデバイスに印加する加速度を計測することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。 - 前記ＭＥＭＳデバイスは、加速度センサまたは角速度センサであることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
- 前記絶縁膜と前記キャビティとの間に、単結晶シリコンよりも結晶性が低い材料からなる分離層が形成されており、
前記分離層は、前記第一のシリコン基板を貫通して形成されていることを特徴とする請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。 - 前記分離層は、酸化シリコンからなる絶縁膜のみからなる材料、または、前記酸化シリコンからなる絶縁膜とポリシリコンの埋め込み材料から構成されていることを特徴とする請求項１２に記載のＭＥＭＳデバイス。
- 複数のキャビティを有する複合型のＭＥＭＳデバイスにおいて、
第一のキャビティの上部に、水素を含む第一の絶縁膜と、
第二のキャビティの上部に、水素を含む第二の絶縁膜と、
前記第一の絶縁膜および前記第二の絶縁膜を覆う水素バリア膜と、を有し、
前記第一の絶縁膜と前記第二の絶縁膜は、それぞれ体積が異なっていることを特徴とする複合型のＭＥＭＳデバイス。 - 前記第一のキャビティの内圧は、前記第二のキャビティの内圧よりも大きく、
前記第一の絶縁膜の体積は、キャビティ体積比に換算した場合に、前記第二の絶縁膜の体積よりも大きいことを特徴とする請求項１４に記載のＭＥＭＳデバイス。
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