JP5721452B2 - 静電容量型memsセンサ - Google Patents
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Description
特許文献1は、MEMS技術を用いて作製されるマイクロフォンを開示している。このマイクロフォンは、固定電極を構成する後プレートと、可動電極を構成するダイヤフラムと、ダイヤフラムを後プレートに保持する手段とを含む。後プレートは多数の孔を有している。同文献の図8には、シリコンウエハをエッチングして、シリコンウエハと一体化した後プレートを形成した構造が示されている。後プレートに対してシリコンウエハの裏面側にはキャビティが形成され、後プレートに対してシリコンウエハの表面側には隙間が形成される。シリコンウエハの表面には、前記隙間を介して後プレートに対向するように、窒化シリコンからなるダイヤフラムが配置されている。ダイヤフラムの表面には金属層が形成されている。音波が入力されると、ダイヤフラムが振動し、それに応じてダイヤフラムの表面の金属層と後プレートとの間の静電容量が変動する。これにより、音波を電気信号に変換できる。
この構成によれば、半導体基板の凹所内に配置された第2電極部としての膜は、その下縁が凹所の底面から浮いた状態で、絶縁膜によって半導体基板に結合されているので、自在に振動したり膨張収縮したりできる。そのため、この発明の静電容量型MEMSセンサでは、前記膜が可動電極となり、第1電極部としての側壁が固定電極となっていて、膜が振動や膨張収縮することに応じて、膜と側壁との間の静電容量が変動する。これにより、たとえば、音波によって膜が振動した場合には、その音波を電気信号に変換でき、温度や湿度の変化によって膜が膨張収縮した場合には、温度や湿度の変化を電気信号に変換できる。
また、膜は、側壁に結合された一端縁を基端部として良好に振動したり膨張収縮したりできる。
静電容量型MEMSセンサは、少なくとも前記第1空間を覆うように前記半導体基板上に配置された蓋部材をさらに含むことが好ましい(請求項3)。この構成によれば、第1空間が蓋部材によって凹所外から遮断されるので、第1空間内における第1電極部と第2電極部(膜)との間に凹所外からの異物が侵入して静電容量型MEMSセンサの感度が低下することを防止できる。
この構成によれば、第1空間が蓋部材によって凹所外から遮断されるので、第1空間内における第1電極部と第2電極部(膜)との間に凹所外からの異物が侵入して静電容量型MEMSセンサの感度が低下することを防止できる。また、第2空間は、開口部によって凹所外の空間に連通することによって反響室となる。そのため、音波が開口部から第2空間に入って第2空間で反響し、これに応じて第2電極部が振動することで、この音波を電気信号に変換できる。そして、結合剤で蓋部材を半導体基板に結合すると開口部が同時に形成されることから、開口部を別途形成する工程を省略することができるので、それに応じて、静電容量型MEMSセンサの製造コストを削減できる。
この構成によれば、第1空間が蓋部材によって凹所外から遮断されるので、第1空間内における第1電極部と第2電極部(膜)との間に凹所外からの異物が侵入して静電容量型MEMSセンサの感度が低下することを防止できる。また、第2空間は、蓋部材に形成された開口によって凹所外の空間に連通することによって反響室となる。そのため、音波が開口から第2空間に入って第2空間で反響し、これに応じて第2電極部が振動することで、この音波を電気信号に変換できる。
前記膜は、前記第1電極部に対向する表面に凹凸を有していることが好ましい(請求項7)。この構成によれば、膜の当該表面の面積が増えることによって膜(第2電極部)と第1電極部との対向面積が増えるとともに、膜の当該表面の凸部によって膜と第1電極部との対向間隔が狭くなるので、膜と第1電極との間の静電容量を大きくすることができる。これにより、静電容量型MEMSセンサの感度を向上することができる。また、膜の凸部が、膜の揺れ止めとして機能し、第1電極部に接触することによって膜の振動を減衰させることができる。
前記静電容量型MEMSセンサは、前記膜を振動板とした静電容量型マイクロフォンであってもよい(請求項11)。この構成によれば、高感度でありながら小型であり、かつ、製造コストも削減できる静電容量型マイクロフォンを提供できる。
具体的には、本発明の静電容量型MEMSセンサとして、静電容量型マイクロフォンを例示して、当該マイクロフォンについて説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係るマイクロフォンの模式的な斜視図である。図2は、マイクロフォンの模式的な平面図である。
半導体基板2は、たとえば、5mΩ〜25mΩの低抵抗のSi(シリコン)からなり、所定の厚さを有している。半導体基板2の「厚さ方向」とは、半導体基板2の主面である表面2Aに直交する方向(表面2Aの法線方向)である。
蓋部材3は、たとえばSiからなり、半導体基板2上に配置され、マイクロフォン領域4および集積回路領域5の全域における半導体基板2の表面2Aを覆っている。蓋部材3の外側周縁部は、全周に亘って、集積回路領域5の外の端子領域6にはみ出ている。蓋部材3の外側周縁部において、端子領域6における半導体基板2の表面2Aに対向する面には、結合剤7(ドットを付した部分)が貼り付けられている。
<マイクロフォン領域における構成>
マイクロフォン領域4には、半導体基板2の厚さ方向において半導体基板2の表面2Aから半導体基板2の厚さ途中まで掘り込まれた凹所9が形成されている。凹所9全体は、たとえば略長方形の平断面を有する直方体形状である。凹所9の深さは、たとえば500μmである。凹所9は、蓋部材3と半導体基板2の表面2Aとの間の空間に連通している。この空間をマイクロフォン1の外部に連通させている開口部8は、凹所9を、マイクロフォン1の外部(つまり、凹所9外の空間)に連通させている。
図3は、図2の切断面線III−IIIにおける模式的な断面図である。
膜20は、半導体基板2の材料(ここでは、Si)からなる薄膜であり、可撓性を有する。膜20の厚さは、たとえば1μmである。膜20は、凹所9の深さ方向に沿う姿勢で凹所9内に配置されている。平面視において、膜20の厚さ方向は、半導体基板2の表面2Aに平行な方向、詳しくは、凹所9の長手方向に一致している(図2参照)。膜20において、その厚さ方向と直交する方向に沿って延びる1対の面(図3における左右の面)を主面20Aとし、図3における上面を天面20Bとし、図3における下面を底面20Cとする。天面20Bは、半導体基板2の表面2Aと面一になっている。底面20Cは、膜20の下縁であり、凹所9の底面(前述した底壁11)から天面20B側へ離隔している。
前述した蓋部材3は、第1空間9Aおよび第2空間9Bを半導体基板2の表面2A側から覆っている。また、前述した開口部8は、第1空間9Aよりも第2空間9Bに近い側に形成されていて、第2空間9Bをマイクロフォン1の外部に連通させている。
図1に示す絶縁膜21は、たとえばSiO2(酸化シリコン)からなる。絶縁膜21は、膜20の長手方向両側に1つずつ設けられている。図1の姿勢を基準として、右側の絶縁膜21は、この絶縁膜21側の側壁13と膜20との間に介在されていて、膜20の右側の一側縁を当該側壁13に結合している。図1の姿勢を基準として、左側の絶縁膜21は、この絶縁膜21側における膜20の端縁(左端縁)から右側へ離れた位置に設けられている。このように、1対の側壁13間に架設された膜20において1対の絶縁膜21に挟まれた部分は、1対の絶縁膜21によって、1対の側壁13(半導体基板2)に結合されているとともに、1対の側壁13から分離絶縁されている。
パッシベーション層25は、たとえばSiO2からなる。パッシベーション層25は、第1配線層22、第2配線層23および絶縁層24上に積層されている。
なお、絶縁層24およびパッシベーション層25は、説明の便宜上、図1および図2では図示されていない。
<集積回路領域における構成>
集積回路領域5には、集積回路素子40が形成されている。つまり、半導体基板2には、マイクロフォン素子30だけでなく、集積回路素子40が形成されているので、マイクロフォン素子30と集積回路素子40とを1チップで構成すること(1チップ化)が可能である。
素子分離部45は、半導体基板2にその表面2Aから比較的浅く掘り下がったトレンチ(シャロートレンチ46)を形成し、そのシャロートレンチ46の内面に熱酸化法により熱酸化膜47を形成した後、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長)法により絶縁体48(たとえば、SiO2)をシャロートレンチ46内に堆積させることにより形成されている。
ゲート絶縁膜53上には、ゲート電極54が設けられている。ゲート電極54は、n型のPoly−Si(多結晶シリコン)からなる。
ゲート絶縁膜53およびゲート電極54の周囲には、サイドウォール55が形成されている。サイドウォール55は、SiN(窒化シリコン)からなる。
pMOS領域44には、n型ウェル59が形成されている。n型ウェル59の深さは、シャロートレンチ46の深さよりも大きい。n型ウェル59の表層部には、チャネル領域60を挟んで、p型のソース領域61およびp型のドレイン領域62が形成されている。ソース領域61およびドレイン領域62のチャネル領域60側の端部は、その深さおよび不純物濃度が小さくされている。すなわち、pチャネルMOSFET42では、LDD構造が適用されている。
ゲート絶縁膜63上には、ゲート電極64が形成されている。ゲート電極64は、p型のPoly−Siからなる。
ゲート絶縁膜63およびゲート電極64の周囲には、サイドウォール65が形成されている。サイドウォール65は、窒化シリコンからなる。
そして、半導体基板2の表面2A上には、第3配線層69が形成されている。第3配線層69は、前述した第1配線層22および第2配線層23と同じ材料からなり、これらの層と同一層に形成されている。第3配線層69は、隣り合うnチャネルMOSFET41およびpチャネルMOSFET42のドレイン領域52,62に跨って形成されていて、ドレイン領域52,62を電気的に接続している。
半導体基板2の表面2A上には、前述したパッシベーション層25が積層されている。パッシベーション層25は、集積回路領域5における半導体基板2の表面2Aだけでなく、ゲート電極54,64の周りのサイドウォール55,65、シリサイド58,68および第3配線層69も覆っている。
<端子領域における構成>
図1を参照して、端子領域6には、前述した接続端子70が配置されている。図1では、間隔を隔てて一列に並んだ4つの接続端子70からなる組が、マイクロフォン領域4および集積回路領域5を挟んで2組設けられている。
<マイクロフォンの製造方法>
図4〜図17は、マイクロフォンの製造工程を示す図である。
まず、図4に示すように、公知の方法により、半導体基板2を作製する。半導体基板2全体は、所定の厚さを有するSiの円板である(図16参照)。マイクロフォン1は、多数がまとまった状態で、1枚の半導体基板(シリコンウエハ)2上で一括して形成される。図4(a)は、1枚の半導体基板2において、1つのマイクロフォン1が作製される領域を抜き出した平面図である。当該領域をマイクロフォン形成領域35ということにする。マイクロフォン形成領域35は、半導体基板2において多数設けられ、所定の配置パターンで離散配置されている(図16参照)。各マイクロフォン形成領域35から1つのマイクロフォン1が形成される。
次いで、CVD法により、マイクロフォン領域4および集積回路領域5における半導体基板2の表面2Aに、SiO2からなる膜(SiO2膜)を形成する。そして、レジストパターン(図示せず)をマスクとするエッチングにより、集積回路領域5におけるSiO2膜を選択的に除去する。その結果、図7(b)に示すように、マイクロフォン領域4における半導体基板2の表面2Aの全領域に形成されたSiO2膜は、前述した絶縁層24となり、集積回路領域5において残ったSiO2膜は、前述したゲート絶縁膜53,63となる。
次いで、図11(b)に示すように、CVD法により、半導体基板2の表面2Aの全領域に、パッシベーション層25が形成される。そして、レジストパターン(図示せず)をマスクとするエッチングにより、パッシベーション層25に、前述した各接続端子70をそれぞれパッドとして露出させる開口71が形成される(図11(a)参照)。パッシベーション層25が形成されることにより、集積回路領域5では、集積回路素子40が完成する。
半導体基板2において第1トレンチ77Aと第2トレンチ77Bとに挟まれた部分は、前述した膜20(図1〜図3参照)と同じ薄さの膜状部分78となっている。膜状部分78は、第1トレンチ77Aと第2トレンチ77Bとを完全に仕切った状態で、膜状部分78以外の半導体基板2と一体化されている。
次いで、レジストパターン(図示せず)をマスクとするエッチング(RIE)により、図14(b)に示すように、第1トレンチ77Aおよび第2トレンチ77Bのそれぞれの底面におけるSiO2膜79だけを選択的に除去する。第1トレンチ77Aおよび第2トレンチ77Bのそれぞれの内側面(底面以外の面)に残ったSiO2膜79は、前述した絶縁部材26となる(図3参照)。第1トレンチ77Aおよび第2トレンチ77Bのそれぞれの底面からは、半導体基板2が露出されている。
たとえば、プラズマエッチング等のドライエッチングを適用する場合にはエッチンガスが第1トレンチ77Aおよび第2トレンチ77Bに導入される。また、ウェットエッチングを適用する場合にはエッチング液が第1トレンチ77Aおよび第2トレンチ77Bに導入される。
次いで、前述した蓋部材3を形成する工程が実施される。この工程に関して、蓋部材3の元となるシリコン基板が準備される。このシリコン基板を、蓋側ウエハ82という。これに対して、前述した半導体基板2を、本体側ウエハ2ということがある。
このような蓋側ウエハ82を、蓋部材形成領域83が形成された円形面82Aが本体側ウエハ2の表面2Aに対向するように、本体側ウエハ2に取り付ける。すると、蓋側ウエハ82の各蓋部材形成領域83が、本体側ウエハ2におけるいずれかのマイクロフォン形成領域35と対向する。そして、各蓋部材形成領域83の周りの結合剤7が、対応するマイクロフォン形成領域35の集積回路領域5(図1参照)を取り囲んだ状態で、本体側ウエハ2の表面2Aに接触する。この状態で熱処理を加えると、結合剤7が本体側ウエハ2の表面2Aに接着され、これにより、蓋側ウエハ82と本体側ウエハ2とが接合される。
そして、蓋側ウエハ82および本体側ウエハ2から、マイクロフォン1を1つずつ切り出すために、第1ダイシングブレード84が通ることになる第1ダイシングライン85と、第2ダイシングブレード86が通ることになる第2ダイシングライン87とが設定される。第1ダイシングライン85および第2ダイシングライン87は、平面視において、隣り合うマイクロフォン形成領域35の境界を直線状に延びた仮想的な線である。
第2ダイシングライン87は、第1ダイシングライン85よりも細い。第2ダイシングライン87は、隣り合うマイクロフォン形成領域35の境界線上を延びている。第2ダイシングライン87は、第1ダイシングライン85の内側で延びる第2ダイシングライン87Aと、第2ダイシングライン87Aに直交する第2ダイシングライン87Bとを含んでいる。
接合された状態における蓋側ウエハ82および本体側ウエハ2を固定し、各第1ダイシングライン85に沿って、第1ダイシングブレード84を移動させる。第1ダイシングブレード84は、その円板形状の中心軸線まわりに回転しながら、第1ダイシングライン85上を移動する。その際、第1ダイシングブレード84は、蓋側ウエハ82から入れられる。第1ダイシングブレード84が通過すると、蓋側ウエハ82において第1ダイシングライン85と重なる部分が削除される。これにより、本体側ウエハ2の各マイクロフォン形成領域35の接続端子70が、蓋側ウエハ82側から露出される。
検査終了後、各第2ダイシングライン87(第2ダイシングライン87A,B)に沿って、第2ダイシングブレード86を移動させる。第2ダイシングブレード86は、その円板形状の中心軸線まわりに回転しながら、第2ダイシングライン87上を移動する。その際、第2ダイシングブレード86は、蓋側ウエハ82から入れられ、蓋側ウエハ82および本体側ウエハ2の両方を厚さ方向において貫通する。第2ダイシングブレード86が通過すると、蓋側ウエハ82および本体側ウエハ2から、図1〜図3に示すマイクロフォン1が1つずつ切り出される。
絶縁膜21が、膜20の少なくとも一側縁を凹所9の第1電極部X以外の側壁13に結合しているので、膜20は、側壁13に結合された一端縁を基端部として良好に振動できる。
<変形例>
以下には、前述した実施形態の変形例について説明する。
図18に示すように、膜20は、平面視において、側壁12と、これに直交して延びる側壁13との両方に対向するように、これらの側壁12,13に沿ってL字状に折れ曲がっていてもよい。この場合、これらの側壁12,13で構成された第1電極部Xと、L字状の膜20で構成された第2電極部Yとによって、第1電極部Xと第2電極部Yとの対向面積を大きくすることができる。これにより、第1電極部Xと第2電極部Yとの間の静電容量を大きくすることができるので、マイクロフォン1の感度を向上することができる。
膜20は、前述した実施形態では1枚だけ設けられているが(図2参照)、複数設けられていてもよい。図19では、2枚の膜20が間隔を隔てて平行になるように設けられており、図20では、3枚の膜20が間隔を隔てて平行になるように設けられている。各膜20には、第1配線層22が設けられている。
図21に示すように、膜20において、第1電極部Xに対向する主面20Aには、凹凸88が形成されている。図21の凹凸88は、凹所9の深さ方向に沿って延びる凹部88Aおよび凸部88Bで構成されている。凹凸88は、前述したトレンチ77を形成するためのエッチングの際に(図12(a)参照)、凹凸88に対応した凹凸形状を有するレジストパターン(図示せず)をマスクとして半導体基板2をエッチングすることによって形成される。
図22に示すように、凹凸88と同様の凹凸89が、第1電極部Xの表面(膜20に対向する面)に形成されていてもよい。凹凸89は、凹部89Aおよび凸部89Bで構成されている。凹凸89は、前述したトレンチ77を形成するためのエッチングの際に(図12(a)参照)、凹凸89に対応した凹凸形状を有するレジストパターン(図示せず)をマスクとして半導体基板2をエッチングすることによって形成される。
前述した実施形態では、絶縁膜21は、膜20の長手方向両側に1つずつ設けられているが(図2参照)、図24に示すように、膜20において、両側の絶縁膜21の間に、別の絶縁膜21が追加で設けられていてもよい。追加で設けられる絶縁膜21は、1つでもよいし、複数でもよい。膜20の天面20Bにおいて隣り合う絶縁膜21の間の領域には、第1配線層22が設けられている。
前述した実施形態では、膜20は、平面視における凹所9の短手方向において対向する1対の側壁13間に架設されていて、これにより、側壁13(半導体基板2)によって両持ちで支持されている(図1および図2参照)。
しかし、図25に示す膜20は、絶縁膜21によって一方の側壁13だけに結合されているものの、1対の側壁13間に架設されておらず、側壁13(半導体基板2)によって片持ちで支持されている。前述したトレンチ77を形成するためのエッチングの際に(図12(a)参照)、第1トレンチ77Aと第2トレンチ77Bとがどちらかの側壁13側でつながるように半導体基板2をエッチングすることによって、膜20を、片持ちで支持されるように構成できる。
図26は、第9の変形例に係るマイクロフォンの模式的な斜視図である。
前述した実施形態では、結合剤7を略C字形状にすることで、結合剤7が設けられていない箇所における蓋部材3の外側周縁部と半導体基板2の表面2Aとの間に隙間(開口部8)を形成して、この開口部8から外部の音波を凹所9内に取り込んでいる(図1参照)。
たとえば、前述した実施形態では、本発明の静電容量型MEMSセンサの一例として、静電容量型マイクロフォンを挙げたが、本発明は、温度センサや湿度センサにも適用可能である。前述した膜20は、温度や湿度の変化によって膨張収縮することができるので、膜20が膨張収縮することに応じて膜20(第2電極部Y)と側壁12(第1電極部X)との間の静電容量が変動することによって、温度や湿度の変化を電気信号に変換できる。そして、静電容量型MEMSセンサを温度センサや湿度センサとした場合にも、マイクロフォン1の場合と同様の効果を奏することができる。
2 半導体基板
3 蓋部材
7 結合剤
8 開口部
9 凹所
9A 第1空間
9B 第2空間
12 側壁
13 側壁
20 膜
20A 主面
20C 底面
21 絶縁膜
21A 突起
40 集積回路素子
88 凹凸
88A 凹部
88B 凸部
89 凹凸
89A 凹部
89B 凸部
90 開口
X 第1電極部
Y 第2電極部
Claims (11)
- 互いに対向する第1電極部および第2電極部を有する静電容量型MEMSセンサであって、
前記第1電極部としての側壁を有する凹所が厚さ方向に掘り込まれた半導体基板と、
前記凹所の深さ方向に沿う姿勢で前記第1電極部に対向するように前記凹所内に配置され、前記凹所の底面から離隔した下縁を有し、前記半導体基板の材料からなる、前記第2電極部としての膜と、
前記膜を前記半導体基板に結合する絶縁膜とを含み、
前記絶縁膜が、前記膜の少なくとも一側縁を前記凹所の前記第1電極部以外の側壁に結合していて、
前記第1電極部、前記第2電極部および前記絶縁膜は、前記半導体基板に形成された絶縁部材によって覆われている、静電容量型MEMSセンサ。 - 前記膜が、前記第1電極部側の第1空間と、前記第1電極部側とは反対側の第2空間とに前記凹所内の空間を区画している、請求項1に記載の静電容量型MEMSセンサ。
- 少なくとも前記第1空間を覆うように前記半導体基板上に配置された蓋部材をさらに含む、請求項2に記載の静電容量型MEMSセンサ。
- 前記第1空間および第2空間を覆うように前記半導体基板上に配置された蓋部材と、
前記第2空間を前記凹所外の空間に連通させる開口部を有する状態で、前記蓋部材を前記半導体基板に結合する結合剤とをさらに含む、請求項2に記載の静電容量型MEMSセンサ。 - 前記第1空間および第2空間を覆うように前記半導体基板上に配置され、前記第2空間を前記凹所外の空間に連通させる開口が形成された蓋部材をさらに含む、請求項2に記載の静電容量型MEMSセンサ。
- 前記膜の前記第1電極部に対向する表面から前記第1電極部に向かって突出した突起をさらに含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の静電容量型MEMSセンサ。
- 前記膜が、前記第1電極部に対向する表面に凹凸を有している、請求項1〜6のいずれか一項に記載の静電容量型MEMSセンサ。
- 前記第1電極部が表面に凹凸を有している、請求項1〜7のいずれか一項に記載の静電容量型MEMSセンサ。
- 前記膜が、前記第1電極部に対向する表面に凹凸を有していて、
前記膜の表面の凸部が、前記第1電極部の表面の凹部に嵌まり込み、前記第1電極部の表面の凸部が、前記膜の表面の凹部に嵌まり込んでいる、請求項8に記載の静電容量型MEMSセンサ。 - 前記半導体基板に集積回路素子が形成されている、請求項1〜9のいずれか一項に記載の静電容量型MEMSセンサ。
- 前記静電容量型MEMSセンサが、前記膜を振動板とした静電容量型マイクロフォンである、請求項1〜10のいずれか一項に記載の静電容量型MEMSセンサ。
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