JP2019198936A - MEMS element - Google Patents
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Description
この発明はMEMS素子に関し、特にマイクロフォン、各種センサ等として用いられるMEMS素子に関する。 The present invention relates to a MEMS element, and more particularly to a MEMS element used as a microphone, various sensors, and the like.
半導体プロセスを用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子として、半導体基板上に可動電極、犠牲層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)構造が形成された容量型のMEMS素子が知られている。 As a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) element using a semiconductor process, a movable electrode, a sacrificial layer, and a fixed electrode are formed on a semiconductor substrate, and then a part of the sacrificial layer is removed, so that A capacitive MEMS element in which an air gap (hollow) structure is formed between the movable electrode and the movable electrode is known.
例えば、容量型のMEMS素子では、複数の貫通孔を備えた固定電極と、音圧等を受けて振動する可動電極とを対向して配置し、振動によ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。この種のMEMS素子は、例えば特許文献1に記載されている。
For example, in a capacitive MEMS element, a fixed electrode having a plurality of through-holes and a movable electrode that vibrates in response to sound pressure or the like are arranged opposite to each other, and displacement of the movable electrode due to vibration changes in capacitance between the electrodes. Is detected. This type of MEMS element is described in
従来のMEMS素子の動作を図5に模式的に示す。ハンドル基板21上に絶縁膜22を介して導電性の可動電極を含む可動電極膜23(振動膜に相当)と導電性の固定電極を含む固定電極膜24がスペーサー25を介して配置され、音圧等を受けて可動電極膜23が振動すると、固定電極膜24との間の距離が変化し、固定電極膜24の固定電極と可動電極膜23の可動電極との間で形成されているキャパシタの容量値が変化する。この容量値を図示しない電極から取り出すことで、可動電極膜23が受ける音圧等に応じた出力信号を得ることが可能となる。
The operation of the conventional MEMS device is schematically shown in FIG. A movable electrode film 23 (corresponding to a vibration film) including a conductive movable electrode and a fixed
ところで、この種のMEMS素子では図5に示すように、可動電極膜23はその周囲をスペーサー25と絶縁膜22によって挟持、固定されており、大きな音圧等を受けた場合であっても、その変位量に限界があった。そのため一般的なMEMS素子では、可変電極膜23の変位から生じる容量値の変化は数パーセント以下程度で、センサー感度は非常に低く、高感度化が望まれていた。本発明はこのような実状に鑑み、感度の高いMEMS素子を提供することを目的とする。
By the way, in this type of MEMS element, as shown in FIG. 5, the
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ハンドル基板と、該ハンドル基板上に固定された振動膜を備えたMEMS素子において、前記振動膜の一部がトランジスタ形成領域となり、該トランジスタ形成領域は、前記振動膜の一部を取り囲むように配置したスリットにより区画され、前記ハンドル基板上に固定された前記振動膜の振動より大きく振動可能な振動領域を含み、該振動領域上に少なくともトランジスタの一部を配置し、前記振動領域の振動に伴い変動する前記トランジスタの出力電流を検知信号として出力することを特徴とする。
In order to achieve the above object, an invention according to
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、前記トランジスタは、相互に離間する第1の領域と第2の領域との間に流れる電流が前記第1の領域と前記第2の領域間に配置した第3の領域に印加する電圧により制御される構造であり、前記第1の領域あるいは前記第2の領域の少なくともいずれか一方を、前記振動領域に配置し、前記第1の領域と前記第2の領域間の電圧および前記第3の領域への印加電圧を所定の値としたとき、前記振動領域の振動に伴い変動する前記第1の領域と前記第2の領域との間に流れる電流を前記検知信号として出力することを特徴とする。
The invention according to
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、少なくとも前記振動膜の一部を半導体からなる膜とし、該半導体からなる膜に前記トランジスタが形成されていることを特徴とする。
The invention according to
本願請求項4に係る発明は、請求項1乃至3いずれか記載のMEMS素子において、導電性の前記振動膜上にスペーサーを介して導電性の対向電極膜を対向配置し、該対向電極膜と前記振動膜間に所定の電位を印加可能としたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the MEMS element according to any one of the first to third aspects, a conductive counter electrode film is disposed on the conductive vibration film via a spacer so as to face the counter electrode film. A predetermined potential can be applied between the vibrating membranes.
本発明のMEMS素子は、ハンドル基板に固定された振動膜より大きく振動可能な振動領域を備え、この振動領域にトランジスタを配置する構成としている。そのため、トランジスタを構成する膜が振動領域の振動とともに歪み、ピエゾ効果によりトランジスタの出力電流が変動する。このトランジスタの非飽和領域の出力電流を検知信号として出力する構成とすることで、振動の大きさの変化に対して検知信号の変化が大きくなり、感度の高いMEMS素子を得ることが可能となる。 The MEMS element of the present invention includes a vibration region that can vibrate larger than the vibration film fixed to the handle substrate, and a transistor is arranged in this vibration region. Therefore, the film constituting the transistor is distorted with the vibration in the vibration region, and the output current of the transistor varies due to the piezoelectric effect. By adopting a configuration in which the output current in the non-saturated region of this transistor is output as a detection signal, the change in the detection signal increases with respect to the change in the magnitude of vibration, and a highly sensitive MEMS element can be obtained. .
本発明のMEMS素子の振動膜は、トランジスタを構成する半導体からなる膜で構成し、トランジスタを構成する膜自体が振動する構成とすることで、感度の高いMEMS素子を得ることが可能となる。 The vibration film of the MEMS element of the present invention is composed of a film made of a semiconductor constituting a transistor, and the film itself constituting the transistor vibrates, whereby a highly sensitive MEMS element can be obtained.
また本発明のMEMS素子は、振動膜上に複数のトランジスタ形成領域を配置することができ、それぞれのトランジスタの出力電流を合算して検知信号とすることも可能となる。 In the MEMS element of the present invention, a plurality of transistor formation regions can be disposed on the vibration film, and the output currents of the respective transistors can be added together to form a detection signal.
さらに本発明において、振動膜に対向するように対向電極膜を配置し、振動膜と対向電極膜間に所定の電圧を印加した状態で振動可能とすることで、振動膜に歪が生じていない状態あるいは振動膜が大きく振動可能な状態でMEMS素子を動作させ、感度の高いMEMS素子を得ることが可能となる。 Furthermore, in the present invention, the counter electrode film is disposed so as to face the vibration film, and the vibration film can be vibrated with a predetermined voltage applied between the vibration film and the counter electrode film, so that the vibration film is not distorted. It is possible to operate the MEMS element in a state where the vibration film can vibrate greatly or to obtain a highly sensitive MEMS element.
本発明のMEMS素子は、ハンドル基板上に固定された振動膜の一部にスリットを形成し、自由端を備える振動領域を備えている。この自由端を備えることで、ハンドル基板に固定された振動膜に比べて振動領域は大きく振動する。本発明は、この振動領域にトランジスタを備える構成とし、トランジスタを構成する膜の振動に伴うピエゾ効果による出力信号の変動から検知結果を得る構成となっている。以下、本発明を実施例について詳細に説明する。 The MEMS element of the present invention includes a vibration region in which a slit is formed in a part of a vibration film fixed on a handle substrate and includes a free end. By providing this free end, the vibration region vibrates greatly as compared with the vibration film fixed to the handle substrate. The present invention has a configuration in which a transistor is provided in this vibration region, and a detection result is obtained from fluctuations in an output signal due to a piezo effect caused by vibration of a film forming the transistor. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
本発明の実施例について、MEMS素子としてマイクロフォンを例にとり説明する。本発明のマイクロフォンは、結晶方位(100)面の厚さ420μmのシリコンからなるハンドル基板1上に、厚さ1μm程度の熱酸化膜2を介して、厚さ2μm程度の単結晶シリコン膜からなる振動膜3が積層形成されている。シリコン基板上に絶縁膜を介して単結晶の半導体層が形成されているSOI基板を用いることもでき、単結晶シリコン膜を振動膜3としても良い。ハンドル基板1には、一部が除去されバックチャンバー4が形成されている。振動膜3の一部は、トランジスタを形成するためP型領域6となっている。
An embodiment of the present invention will be described by taking a microphone as an example of a MEMS element. The microphone of the present invention comprises a single crystal silicon film having a thickness of about 2 μm on a
また振動膜3には、スリット5が形成されている。スリット5は、例えば図2に示す配置とする。なお図2は、図1に示す振動膜3の一部となる振動膜3aにスリット5を形成した例を示している。図1に示すように振動膜3は、熱酸化膜2を介してハンドル基板1に固定されている。これに対して図2に示すようにスリット5を形成すると、スリット5によって囲まれた領域(区画された領域)は、自由端を有する可動片となり、ハンドル基板1に固定された領域より大きく振動することが可能な振動領域3bを形成することになる。
A
図3は、スリット5によって囲まれたトランジスタ形成領域の一部を拡大した断面図である。図2に示すように2つのスリット5によって囲まれた2つの振動領域3bと、2つの振動領域3bの間の振動膜3とからなるトランジスタ形成領域に、2つのトランジスタが形成されている。図3の示す例は、MOS型トランジスタを2個形成した場合を示している。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a part of the transistor formation region surrounded by the
図3に示すMOS型トランジスタは、通常の製造方法により形成可能である。具体的には、ハンドル基板1となるシリコン基板上に振動膜3となる単結晶シリコン膜を形成し、この単結晶シリコン膜の一部にイオン注入してP型領域6を形成し、P型領域6上にゲート酸化膜7とゲート電極8を形成する。このゲート電極8の両端に不純物イオンを注入等してN型のソース領域9およびドレイン領域10を形成すれば良い。なお、図3ではソース領域9、ドレイン領域10に接続する電極や、ゲート電極8等の引出電極については記載を省略している。
The MOS transistor shown in FIG. 3 can be formed by a normal manufacturing method. Specifically, a single crystal silicon film to be the
通常のMEMS素子の製造方法に従えば、上記説明したMOS型トランジスタを形成した後、ハンドル基板1の裏面側の一部を除去してバックチャンバー4を形成することで図1に示すMEMS素子が形成できる。
According to the normal manufacturing method of the MEMS element, after forming the MOS type transistor described above, a part of the back surface side of the
このような構造のMEMS素子では、振動膜3に音圧等が印加した場合、振動膜3が変形する。その際本実施例のMEMS素子では、スリット5により区画された振動領域3bは、自由端を有しておりハンドル基板1に固定されている振動膜3の振動より大きく振動することが可能となる。そのため大きな音圧等が印加された場合、振動領域3bは大きく振動する。
In the MEMS element having such a structure, when sound pressure or the like is applied to the
振動領域3bにはMOS型トランジスタが形成されており、図3に示す例では、ソース領域9側が大きく振動することになる。つまり、MOS型トランジスタが動作状態となるようにソース−ドレイン間、ゲート電極にそれぞれ所望の電圧を印加し、ソース−ドレイン間に所定の電流が流れている状態で、振動領域3bが大きく振動すると、ソース領域9、ソース領域9とドレイン領域10の間のチャネル領域、さらにドレイン領域が圧縮されあるいは伸張され、ピエゾ効果によりソース−ドレイン間に流れる電流が変化する。この電流値を検出信号とすることで、振動領域が受ける音圧等の変化を検出することが可能となる。
A MOS transistor is formed in the
図3に示す例では、2つの振動領域3bが対称となるように配置され、さらにその2つの振動領域3bの中心に対称となるように2つのMOS型トランジスタが配置されている。その結果、電流値の変化は2倍となり出力される構成となっている。
In the example shown in FIG. 3, the two
次に第2の実施例について説明する。上述の第1の実施例のMEMS素子は、振動領域は音圧等が印加された場合、その大きさに応じて振動することになる。これに対し、導電性の対向電極膜を配置し、その振動を制御することも可能である。 Next, a second embodiment will be described. The MEMS element according to the first embodiment described above vibrates in accordance with the magnitude of the vibration region when sound pressure or the like is applied. On the other hand, it is also possible to arrange a conductive counter electrode film and control its vibration.
図4は、本発明の第2の実施例のMEMS素子の説明図である。上記第1の実施例で説明したMEMS素子にスペーサー11を介して対向電極膜12を配置している。この対向電極膜12は、容量型のトランスデューサーの固定電極膜に相当し、音圧等により変動しないように貫通孔13が形成されている。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the MEMS element according to the second embodiment of the present invention. A
振動膜3と対向電極膜12は、それぞれ導電性を有する材料で構成し、導電性の振動膜3(P型領域6)と導電性の対向電極膜12に所定の電圧を印加する構成とする。この電圧の印加により、振動膜3、特に振動領域3bの変位を制御することができる。例えば、振動のない状態では振動領域3bは歪まない状態であるが、振動が加わり、振動領域3bが対向電極膜12に近づくと静電引力が加わり端部の変位が増すようにすることで、トランジスタのソース−ドレイン間電流の変化が増大するように構成することができる。
The
以上本発明のMEMS素子について説明したが、本発明は上記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、上記実施例では、振動膜3上に2つのMOS型トランジスタを形成した例を説明したが、複数のトランジスタから得られる出力信号が加算されるように配置する等すればトランジスタの数は適宜選択可能である。またMOS型トランジスタに限らず、バイポーラ型トランジスタ等適宜選択することができる。さらにまた振動膜3を半導体膜のみで形成する場合に限定されるものでもなく、絶縁膜と半導体膜の積層構造等適宜選択することが可能である。
Although the MEMS element of the present invention has been described above, it is needless to say that the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the above embodiment, an example in which two MOS transistors are formed on the
1:ハンドル基板、2:熱酸化膜、3:振動膜、3b:振動領域、4:バックチャンバー、5:スリット、6:P型領域、7:ゲート酸化膜、8:ゲート電極、9:ソース領域、10:ドレイン領域、11:スペーサー、12:対向電極膜、13:貫通孔、21:ハンドル基板、22:絶縁膜、23:可動電極膜、24:固定電極膜、25:スペーサー 1: Handle substrate, 2: Thermal oxide film, 3: Vibration film, 3b: Vibration area, 4: Back chamber, 5: Slit, 6: P-type area, 7: Gate oxide film, 8: Gate electrode, 9: Source Region: 10: drain region, 11: spacer, 12: counter electrode film, 13: through-hole, 21: handle substrate, 22: insulating film, 23: movable electrode film, 24: fixed electrode film, 25: spacer
Claims (4)
前記振動膜の一部がトランジスタ形成領域となり、
該トランジスタ形成領域は、前記振動膜の一部を取り囲むように配置したスリットにより区画され、前記ハンドル基板上に固定された前記振動膜の振動より大きく振動可能な振動領域を含み、
該振動領域上に少なくともトランジスタの一部を配置し、
前記振動領域の振動に伴い変動する前記トランジスタの出力電流を検知信号として出力することを特徴とするMEMS素子。 In a MEMS device including a handle substrate having a back chamber and a vibration film fixed on the handle substrate,
A part of the vibration film becomes a transistor formation region,
The transistor formation region is partitioned by a slit disposed so as to surround a part of the vibration film, and includes a vibration region that can vibrate larger than vibration of the vibration film fixed on the handle substrate,
Arranging at least a part of the transistor on the vibration region;
An MEMS element that outputs an output current of the transistor, which fluctuates with vibration in the vibration region, as a detection signal.
前記トランジスタは、相互に離間する第1の領域と第2の領域との間に流れる電流が前記第1の領域と前記第2の領域間に配置した第3の領域に印加する電圧により制御される構造であり、
前記第1の領域あるいは前記第2の領域の少なくともいずれか一方を、前記振動領域に配置し、
前記第1の領域と前記第2の領域間の電圧および前記第3の領域への印加電圧を所定の値としたとき、前記振動領域の振動に伴い変動する前記第1の領域と前記第2の領域との間に流れる電流を前記検知信号として出力することを特徴とするMEMS素子。 The MEMS device according to claim 1, wherein
In the transistor, a current flowing between a first region and a second region which are separated from each other is controlled by a voltage applied to a third region disposed between the first region and the second region. Structure
Arranging at least one of the first region and the second region in the vibration region;
When the voltage between the first region and the second region and the voltage applied to the third region are set to predetermined values, the first region and the second region that vary with vibration of the vibration region A MEMS element that outputs a current flowing between the region and the region as the detection signal.
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