JP6209041B2

JP6209041B2 - Ｍｅｍｓ素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP6209041B2
Application number: JP2013204632A
Authority: JP
Inventors: 孝英臼井
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: JP2015066649A

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、半導体基板上に固定電極、犠牲層（絶縁膜）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（ダイヤフラム膜）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。

このような構造のＭＥＭＳ素子は、一般的に次のように形成される。まず。表面の結晶方位が（１００）面のシリコン基板１１を用意し、表面および裏面に厚さ０．５μｍの熱酸化膜１２を形成する。さらに表面側の熱酸化膜１２上にＣＶＤ（Chemical Vaper Deposition）法により厚さ０．５μｍのポリシリコン膜を形成し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングを行い、可動電極となるダイアフラム膜１３を形成する（図３ａ）。

その後、表面全面に、厚さ２μｍのＵＳＧ（Undoped Silicate Glass）膜１４を積層する。このＵＳＧ膜は、犠牲層を構成する膜となる。さらにＵＳＧ膜１４上に、固定電極となる厚さ１．０μｍのポリシリコン膜１５を形成した後、表面全面に厚さ０．２μｍのシリコン窒化膜１６を堆積形成する（図３ｂ）。

次に、先に形成したＵＳＧ膜１４を後工程で除去するため、シリコン窒化膜１６およびポリシリコン膜１５の一部をエッチング除去して複数の貫通孔１７を形成し、ＵＳＧ膜１４の表面の一部を露出させる（図３ｃ）。

可動電極となるダイアフラム膜１３、固定電極となるポリシリコン膜１５のそれぞれに接触する配線部１８を形成する（図３ｄ）。その後、シリコン基板１１の裏面側の熱酸化膜１２の一部をエッチング除去し、シリコン基板１１を露出させる。そして熱酸化膜１２をエッチングマスクとして使用して、シリコン基板１１をエッチングし、図３（ｅ）に示すようにバックチャンバー１９を形成する。

その後、可動電極と固定電電極の間を中空構造とするため、ＵＳＧ膜１４を貫通孔１７からエッチングする。ここで使用するエッチング液は、配線部１８を構成する配線材料とのエッチング選択比が高く、等方性エッチングを行うことができるフッ酸系の混酸水溶液を用いる。具体的にはフッ酸、フッ化アンモニウム、酢酸の混合液を用いる。

その結果、図３（ｆ）に示すように、可動電極となるダイアフラム膜１３と固定電極となるポリシリコン膜１５の間に、エアーギャップ２１が形成され、ＵＳＧ膜１４の一部がスペーサー２０として残ることになる。このように形成されたスペーサー２０の端部は、断面が傾斜した構造となる。なお、異方性のドライエッチング法によりＵＳＧ膜１４をエッチングする場合には、スペーサー２０として残るＵＳＧ膜１４の端部は、断面が垂直な構造となる。スペーサー２０をウエットエッチング法により形成する例は、例えば特許文献１に記載されている。

特開２０１２−４０６１９号公報

従来提案されているＭＥＭＳ素子では、固定電極を構成するポリシリコン膜１５あるいは可動電極を構成するダイアフラム膜１３に圧力が加わると、図４に示すように、スペーサー２０のそれぞれの接触部に応力集中部２２が発生し、この部分で、可動電極を構成するポリシリコン膜１５あるいは可動電極を構成するダイアフラム膜１３に破壊が生じやすくなってしまうという問題点があった。この応力集中は、スペーサー２０の断面形状が図４に示すように傾斜する場合であっても、ほぼ垂直な場合であっても同様に発生する。

さらにこのような応力集中が発生すると、固定電極を構成するポリシリコン膜１５や可動電極を構成するダイアフラム膜１３との接触部の応力を緩和しようとして、ポリシリコン膜１５やダイアフラム膜１３が変形、変位し、ＭＥＭＳ素子の感度が低下したり、変動したりするという問題も発生してしまう。

本発明は、上記問題点を解消し、ＭＥＭＳ素子の破壊を防止するとともに、感度の低下や変動を抑制することができるＭＥＭＳ素子およびその製造方法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たＭＥＭＳ素子において、前記可動電極に接触する前記スペーサーの端部は、前記バックチャンバーの開口上にあり、前記スペーサーを構成する絶縁膜は、少なくとも３層以上の多層膜によって構成されており、前記多層膜を構成する絶縁膜であって前記固定電極に接触する第１の絶縁膜は、該第１の絶縁膜に接触する前記多層膜を構成する絶縁膜より前記固定電極の中心方向に突出し、前記第１の絶縁膜に接触する前記絶縁膜は前記固定電極の中心方向と反対方向に後退した積層構造となっており、前記多層膜を構成する絶縁膜であって前記可動電極に接触する第２の絶縁膜は、該第２の絶縁膜に接触する前記多層膜を構成する絶縁膜より前記可動電極の中心方向に突出し、前記第２の絶縁膜に接触する絶縁膜は前記可動電極の中心方向と反対方向に後退した積層構造となっ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の絶縁膜に接触する絶縁膜と前記第２の絶縁膜に接触する絶縁膜との間に、前記多層膜を構成する第３の絶縁膜を備え、該第３の絶縁膜は、該第３の絶縁膜に前記固定電極側あるいは前記可動電極側で接触する前記多層膜を構成する絶縁膜より前記固定電極あるいは前記可動電極の中心方向に突出し、前記第３の絶縁膜に前記固定電極側あるいは前記可動電極側で接触する絶縁膜が前記固定電極あるいは前記可動電極の中心方向と反対方向に後退した積層構造となっていることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、基板上に、スペーサーを構成する多層膜を挟んで固定電極と可動電極を形成し、前記スペーサーの一部をエッチング除去することによりエアーギャップを形成するＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記基板上に、可動電極あるいは固定電極を構成する膜となる第１の膜を形成する工程と、前記第１の膜上に、前記スペーサーを構成する少なくとも３層構造からなら絶縁膜を、エアーギャップ形成時のエッチングレートが、前記固定電極あるいは前記可動電極に接触する絶縁膜のエッチングレートが該絶縁膜に接触する絶縁膜のエッチングレートより遅くなる膜となるように積層形成する工程と、前記多層膜上に、固定電極あるいは可動電極を構成する膜となる第２の膜を形成する工程と、前記固定電極を構成する前記第１の膜あるいは前記第２の膜に貫通孔を形成する工程と、前記基板の一部を除去し、バックチャンバーを形成する工程と、前記貫通孔から前記絶縁膜の一部を前記エッチングレートとなるエッチングを行い除去し、前記多層膜を構成する絶縁膜であって前記固定電極に接触する第１の絶縁膜は、該第１の絶縁膜に接触する前記多層膜を構成する絶縁膜より前記固定電極の中心方向に突出し、前記第１の絶縁膜に接触する前記絶縁膜は前記固定電極の中心方向と反対方向に後退した積層構造となり、前記多層膜を構成する絶縁膜であって前記可動電極に接触する第２の絶縁膜は、該第２の絶縁膜に接触する前記多層膜を構成する絶縁膜より前記可動電極の中心方向かつ前記バックチャンバーの開口上に突出し、前記第２の絶縁膜に接触する絶縁膜は前記可動電極の中心方向と反対方向に後退した積層構造となっているスペーサーを形成し、前記固定電極と前記可動電極との間にエアーギャップを形成する工程と、を含むことを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項３記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記第１の膜上に、前記絶縁膜を積層形成する工程は、前記第１の絶縁膜に接触する絶縁膜と前記第２の絶縁膜に接触する絶縁膜との間に、第３の絶縁膜を含む絶縁膜を、少なくとも前記第３の絶縁膜のエアーギャップ形成時のエッチングレートが、該第３の絶縁膜に接触する絶縁膜のエッチングレートより遅くなる膜となるように積層形成する工程と、前記貫通孔から前記絶縁膜の一部を前記エッチングレートとなるエッチングを行い除去し、前記第３の絶縁膜は、前記第３の絶縁膜に前記固定電極側あるいは前記可動電極側で接触する前記多層膜を構成する絶縁膜より前記固定電極あるいは前記可動電極の中心方向に突出し、前記第３の絶縁膜に前記固定電極側あるいは前記可動電極側で接触する絶縁膜が前記固定電極あるいは前記可動電極の中心方向と反対方向に後退した積層構造となっているスペーサーを形成し、前記固定電極と前記可動電極との間にエアーギャップを形成する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、固定電極や可動電極に圧力が加わった場合に発生する応力集中が、固定電極や可動電極とスペーサーとの接続点のみに集中するのではなく、スペーサーの内部構造に分散させる構造となっているため、固定電極や可動電極が破壊に至るのを防止ことができる。また、特に固定電極や可動電極との接触部に過度の応力集中することがないので、固定電極や可動電極が変形、変位することもなく、感度の低下や変動を抑制することができるという利点がある。

また本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法は、通常の半導体装置の製造工程で、一般的に用いられている工程のみで構成されているため、非常に安定的に、また安価にＭＥＭＳ素子を形成することができるという利点がある。

本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。本発明のＭＥＭＳ素子の説明図である。従来のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。従来のＭＥＭＳ素子の応力集中を説明する図である。

本発明に係るＭＥＭＳ素子は、スペーサーを構成する絶縁膜を多層膜とし、固定電極あるいは可動電極と接触して配置されている絶縁膜と、この絶縁膜に接触して配置されている絶縁膜が、所定の構造となる構成としている。即ち、固定電極あるいは可動電極と接触して配置されている絶縁膜に比べて、この絶縁膜に接触して配置されている絶縁膜は、エアーギャップの中心方向（固定電極の中心方向あるいは可動電極の中心方向）と反対側に後退するように構成している。

このように構成すると、例えば、絶縁膜が３層構造の場合には、スペーサーの端部の断面形状が「くの字」形状となり、５層以上の多層構造の場合には、「くの字」形状のほかジグザグ形状となり、固定電極あるいは可動電極と絶縁膜端部の接触部に発生していた応力集中が、固定電極あるいは可動電極から離れた位置にある絶縁膜と絶縁膜の間にも分散するようになる。その結果、固定電極や可動電極の破損、あるいは固定電極や可動電極が変形、変位することがなくなり、ＭＥＭＳ素子の感度の低下や変動を防止することが可能となる。以下、本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法に従い、本発明の実施例について説明する。

本発明の第１の実施例について説明する。従来例同様、表面の結晶方位が（１００）面のシリコン基板１１上に、厚さ０．５μｍ程度の熱酸化膜１２を形成し、熱酸化膜１２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、可動電極となるダイアフラム膜１３を形成する（図１ａ）。

次に本発明では、ダイアフラム膜３上に形成する絶縁膜を少なくとも３層以上の多層構造とする。本実施例では、４層構造とする場合について説明する。まず、ダイアフラム膜１３上に、厚さ０．８μｍ程度の第１のＵＳＧ膜１４ａを、常圧ＣＶＤ法により基板温度４００℃で積層形成する。その後、緻密化のため、不活性ガス（例えば窒素ガス）雰囲気で、８００℃、３０分間の加熱処理を行う。引き続き、第１のＵＳＧ膜１４ａ上に、厚さ０．８μｍ程度の第２のＵＳＧ膜１４ｂを、第１のＵＳＧ膜１４ａと同一条件で積層形成する。その後、緻密化のため、不活性ガス雰囲気で、８００℃、３０分間の加熱処理を行う。そしてさらに引き続き、第２のＵＳＧ膜１４ｂ上に、厚さ０．８μｍ程度の第３のＵＳＧ膜１４ｃを、第１のＵＳＧ膜１４ａ、第２のＵＳＧ膜１４ｂと同一条件で積層形成する。その後、緻密化のため、不活性ガス雰囲気で、９００℃、３０分間の加熱処理を行う。次に、第３のＵＳＧ膜１４ｃ上に、厚さ０．２μｍ程度の第４のＵＳＧ膜１４ｄを、減圧ＣＶＤ法により基板温度７００℃〜８００℃で積層形成する。この第４のＵＳＧ膜１４ｄは、緻密化のための加熱処理は行わない（図１ｂ）。

このように形成した第１〜第３のＵＳＧ膜１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、下層の膜、即ち可動電極となるダイアフラム膜１３側に形成された膜ほど、緻密化の加熱処理時間が長くなり、下層の膜ほどエッチングレートが遅くなるように構成されている。また、第３のＵＳＧ膜１４ｃと第４のＵＳＧ膜１４ｄとを比較すると、製法を変更することで、上層の膜、即ち固定電極側に形成される第４のＵＳＧ膜１４ｄが、その下層の第３のＵＳＧ膜１４ｃよりエッチングレートが遅くなるように構成されている。これら第１乃至第４のＵＳＧ膜は、犠牲層に相当する。

その後、第４のＵＳＧ膜１４ｄ上に、固定電極となる厚さ０．１μｍのポリシリコン膜１５を形成し、全面に厚さ０．２μｍのシリコン窒化膜１６を積層形成する（図１ｂ）。

次に、先に形成した犠牲層を後工程で除去するため、複数の貫通孔１７を形成し、第４のＵＳＧ膜１４ｄの表面の一部を露出させる。また、固定電極あるいは可動電極にそれぞれ接触する配線膜の形成予定領域のシリコン窒化膜１６の一部もエッチング除去する（図１ｃ）。この貫通孔１７は、例えばＭＥＭＳマイクロフォンとして使用した場合、音を可動電極となるダイアフラム膜１３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、配置を設定する必要がある。

次に、ダイアフラム膜１３の一部を露出させ、露出したダイアフラム膜１３に接続する配線膜１８および固定電極となるポリシリコン膜１５に接触する配線膜１８を、それぞれ形成する（図１ｄ）。この配線膜１８は、アルミニウム等の導体膜から構成されている。

その後、シリコン基板１１の裏面側から熱酸化膜１２が露出するまでシリコン基板１１を除去し、バックチャンバー１９を形成する（図１ｅ）。

その後、可動電極と固定電極の間を中空構造とするため、犠牲層をエッチング除去する。このエッチング工程は、配線部１８を構成する配線材料とのエッチング選択性が高く、等方性エッチングが可能なエッチング方法とするのが好ましい。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。

本発明では、先に説明したように、犠牲層を構成するＵＳＧ膜は、緻密化のための加熱処理時間を変え、また製造方法を変えて形成している。その結果、上記エッチング液に対するエッチングレートが、犠牲層を構成するＵＳＧ膜それぞれで異なり、図１（ｆ）に示すように断面形状が、「くの字」形状のエアーギャップ２１を形成することができる。

このような構造のエアギャップ２１は、固定電極を構成するポリシリコン膜１５あるいは可動電極を構成するダイアフラム膜１３に圧力が加わると、スペーサー２０を構成する第１〜第４のＵＳＧ膜１４a〜１４ｄのそれぞれの接触部に応力集中部が発生する。その結果、従来構造では、可動電極を構成するポリシリコン膜１５あるいは可動電極を構成するダイアフラム膜１３のみに加わっていた応力が分散し、固定電極や可動電極の破壊を防止することができることになる。

以上、本発明の実施例について説明したが、犠牲層を構成するＵＳＧ膜は４層構造に限定されるものではなく、少なくとも３層構造とすればよい。例えば、図２（ａ）には、３層構造の例を示す。図２(ａ)では、前述の実施例で説明したＵＳＧ膜１４ｃの形成工程を省略した例を示している。また、エアーギャップを形成した際の断面形状も、「くの字」形状の他、種々変更可能であり、例えば図２（ｂ）に示すように、犠牲層の中間層に、エッチングレートの遅い膜（ＵＳＧ膜１４ｅ）を挿入することで、ジグザグにすることも可能である。ＵＳＧ膜１４ｅの形成方法は、例えば減圧ＣＶＤ法とすることができる。

本発明ではいずれも、少なくとも固定電極あるいは可動電極に接触する絶縁膜が、この絶縁膜に接触する絶縁膜より、エアーギャップの中心方向に突出した構造とし、固定電極あるいは可動電極からこれらに接触する絶縁膜に伝わる応力を、さらにこれらの絶縁膜に接触する別の絶縁膜の後退部分に分散させることができる構造で有ればよい。また、エッチング方法は、ウエットエッチングの他、ドライエッチングとすることも可能である。エッチングに対するエッチングレートを変更させる方法は、加熱条件の変更の他、例えば同じ減圧ＣＶＤ法であっても、形成条件を変更することで調整可能である。

１１：シリコン基板、１２：熱酸化膜、１３：ダイアフラム膜、１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ：ＵＳＧ膜、１５：ポリシリコン膜、１６：シリコン窒化膜、１７：貫通孔、１８：配線部、１９：バックチャンバー、２０：スペーサー、２１：エアーギャップ、２２：応力集中部

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たＭＥＭＳ素子において、
前記可動電極に接触する前記スペーサーの端部は、前記バックチャンバーの開口上にあり、
前記スペーサーを構成する絶縁膜は、少なくとも３層以上の多層膜によって構成されており、前記多層膜を構成する絶縁膜であって前記固定電極に接触する第１の絶縁膜は、該第１の絶縁膜に接触する前記多層膜を構成する絶縁膜より前記固定電極の中心方向に突出し、前記第１の絶縁膜に接触する前記絶縁膜は前記固定電極の中心方向と反対方向に後退した積層構造となっており、前記多層膜を構成する絶縁膜であって前記可動電極に接触する第２の絶縁膜は、該第２の絶縁膜に接触する前記多層膜を構成する絶縁膜より前記可動電極の中心方向に突出し、前記第２の絶縁膜に接触する絶縁膜は前記可動電極の中心方向と反対方向に後退した積層構造となっ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の絶縁膜に接触する絶縁膜と前記第２の絶縁膜に接触する絶縁膜との間に、前記多層膜を構成する第３の絶縁膜を備え、
該第３の絶縁膜は、該第３の絶縁膜に前記固定電極側あるいは前記可動電極側で接触する前記多層膜を構成する絶縁膜より前記固定電極あるいは前記可動電極の中心方向に突出し、前記第３の絶縁膜に前記固定電極側あるいは前記可動電極側で接触する絶縁膜が前記固定電極あるいは前記可動電極の中心方向と反対方向に後退した積層構造となっていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
基板上に、スペーサーを構成する多層膜を挟んで固定電極と可動電極を形成し、前記スペーサーの一部をエッチング除去することによりエアーギャップを形成するＭＥＭＳ素子の製造方法において、
前記基板上に、可動電極あるいは固定電極を構成する膜となる第１の膜を形成する工程と、
前記第１の膜上に、前記スペーサーを構成する少なくとも３層構造からなら絶縁膜を、エアーギャップ形成時のエッチングレートが、前記固定電極あるいは前記可動電極に接触する絶縁膜のエッチングレートが該絶縁膜に接触する絶縁膜のエッチングレートより遅くなる膜となるように積層形成する工程と、
前記多層膜上に、固定電極あるいは可動電極を構成する膜となる第２の膜を形成する工程と、
前記固定電極を構成する前記第１の膜あるいは前記第２の膜に貫通孔を形成する工程と、
前記基板の一部を除去し、バックチャンバーを形成する工程と、
前記貫通孔から前記絶縁膜の一部を前記エッチングレートとなるエッチングを行い除去し、前記多層膜を構成する絶縁膜であって前記固定電極に接触する第１の絶縁膜は、該第１の絶縁膜に接触する前記多層膜を構成する絶縁膜より前記固定電極の中心方向に突出し、前記第１の絶縁膜に接触する前記絶縁膜は前記固定電極の中心方向と反対方向に後退した積層構造となり、前記多層膜を構成する絶縁膜であって前記可動電極に接触する第２の絶縁膜は、該第２の絶縁膜に接触する前記多層膜を構成する絶縁膜より前記可動電極の中心方向かつ前記バックチャンバーの開口上に突出し、前記第２の絶縁膜に接触する絶縁膜は前記可動電極の中心方向と反対方向に後退した積層構造となっているスペーサーを形成し、前記固定電極と前記可動電極との間にエアーギャップを形成する工程と、を含むことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
請求項３記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、
前記第１の膜上に、前記絶縁膜を積層形成する工程は、前記第１の絶縁膜に接触する絶縁膜と前記第２の絶縁膜に接触する絶縁膜との間に、第３の絶縁膜を含む絶縁膜を、少なくとも前記第３の絶縁膜のエアーギャップ形成時のエッチングレートが、該第３の絶縁膜に接触する絶縁膜のエッチングレートより遅くなる膜となるように積層形成する工程と、
前記貫通孔から前記絶縁膜の一部を前記エッチングレートとなるエッチングを行い除去し、前記第３の絶縁膜は、前記第３の絶縁膜に前記固定電極側あるいは前記可動電極側で接触する前記多層膜を構成する絶縁膜より前記固定電極あるいは前記可動電極の中心方向に突出し、前記第３の絶縁膜に前記固定電極側あるいは前記可動電極側で接触する絶縁膜が前記固定電極あるいは前記可動電極の中心方向と反対方向に後退した積層構造となっているスペーサーを形成し、前記固定電極と前記可動電極との間にエアーギャップを形成する工程と、を含むことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。