JP6345926B2

JP6345926B2 - Ｍｅｍｓ素子およびその製造方法

Info

Publication number: JP6345926B2
Application number: JP2013209904A
Authority: JP
Inventors: 浩希岡田
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2018-06-20
Anticipated expiration: 2033-10-07
Also published as: JP2015074034A

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素子およびその製造方法に関する。

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。

特開２００７−２１００８３号公報

ところで、このような感度の向上と同時に破損防止を図った場合でも、風圧などの強い負荷に対しては対処することができない。特に、感度向上を図った可動電極では、強い負荷に対して脆弱性が増してしまうという新たな問題が発生していた。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、膜の破損を防止するＭＥＭＳ素子の構造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と可動電極とを対向配置したＭＥＭＳ素子において、前記可動電極が露出する前記バックチャンバー内に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チャンバー側に変位したとき破損に至る前に前記可動電極に接触し、かつ前記ＭＥＭＳ素子の通常動作時には前記可動電極に接触しない位置された、前記バックチャンバーの端部から中心方向に向かって延出した梁状の連結部によって固定されたリング状の構造であることを特徴とする。

本願請求項２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と可動電極とを対向配置したＭＥＭＳ素子において、前記可動電極が露出する前記バックチャンバー内に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チャンバー側に変位したとき破損に至る前に前記可動電極に接触し、かつ前記ＭＥＭＳ素子の通常動作時には前記可動電極に接触しない位置に配置された、前記バックチャンバーの端部から中心方向に向かって延出した突起状の構造であることを特徴とする。

本願請求項３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と可動電極とを対向配置したＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記基板上に、第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜上に、可動電極を形成する工程と、前記可動電極上に、前記スペーサーを構成する第２の絶縁膜を形成する工程と、前記第２の絶縁膜上に、固定電極を形成する工程と、前記固定電極に貫通孔を形成する工程と、前記基板の一部を除去し、バックチャンバー部およびストッパー部を形成する工程と、前記貫通孔から前記第２の絶縁膜の一部をエッチング除去し、前記第２の絶縁膜からなるスペーサーを形成するとともに、少なくとも前記ストッパー部と前記可動電極との間の前記第１の絶縁膜をエッチング除去し、前記バックチャンバー側に露出する前記可動電極が風圧を受けて前記バックチャンバー側に変位したとき破損に至る前に前記可動電極に接触し、かつ前記ＭＥＭＳ素子の通常動作時には前記可動電極に接触しない位置に配置された、前記バックチャンバーの端部から中心方向に向かって延出した梁状の連結部によって固定されたリング状の、あるいは前記バックチャンバーの端部から中心方向に向かって延出した突起状のストッパー構造を備えたバックチャンバーを形成する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極が風圧等を受けてバックチャンバー側に変位した場合、ストッパー構造に接触し、それ以上変位することを防止し、可動電極が破損に至ることを防止できる。

本発明のストッパー構造は、基板と一体構造となっており、バックチャンバーの形成と同時に形成することができ、追加の部材や製造工程等なしで簡便に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。本発明のステッパー構造の説明図である。

本発明のＭＥＭＳ素子は、バックチャンバーを形成する際、所定の位置に基板の一部を残し、この残った基板の一部が、固定電極の異常な変位を停止させるストッパー構造となっている。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。まず、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を形成する。さらに表面側の熱酸化膜１２（第１の絶縁膜に相当）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１３を形成する（図１ａ）。図１（ａ）では、可動電極１３の応力緩和のため、スリット１４が形成されている。通常スリット１４は、後工程で形成されるエアギャップの端部に沿って形成される。スリット１４の一例は、特願２０１３−１１４３７４号に開示している。

可動電極１３上に、厚さ３μｍ程度のＵＳＧ（Undoped Silicate Glass）膜１５（第２の絶縁膜に相当）を積層形成する。このＵＳＧ膜１５は、スペーサーを構成する膜となる。ＵＳＧ膜１５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１６を形成する。その後、可動電極１３の一部を露出するようにＵＳＧ膜１５の一部をエッチング除去し、露出した可動電極１３に接続する配線部１７と固定電極１６に接続する配線部１７を形成する（図１ｂ）。この配線膜１７は、アルミニウム等の導体膜から構成されている。またスクライブライン上のＵＳＧ膜１５も除去しておく。

全面に窒化膜１８を積層形成し、窒化膜１８および固定電極１６の一部を除去し、貫通孔１９を形成してＵＳＧ膜１５表面を露出させる。この貫通孔１９は、音を可動電極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。また、配線部１７上の窒化膜１８もエッチング除去し、配線部１７を露出させておく（図１ｃ）。

その後、バックチャンバーを形成するため、裏面側の熱酸化膜１２およびシリコン基板１１をＲＩＥ装置を用いてエッチングする。ここで本発明では、シリコン基板１１を残した状態で、エッチングを中断する（図１ｄ）。

その後、スプレーコート装置を用いて、少なくとも凹状に除去されたシリコン基板１１の底部に、ストッパー部形成予定領域を被覆するようにマスク材をパターニングして、マスク材をエッチングマスクとして使用して再度ＲＩＥ装置を用いて、凹部内に残るシリコン基板１１をエッチング除去し、可動電極１３側の熱酸化膜１２を露出させる。このエッチングにより、シリコン基板１１と一体となったストッパー部２０とバックチャンバー部２１が形成される（図１ｅ）。

その後、可動電極１３と固定電極１６の間を中空構造とするため、ＵＳＧ膜１５の一部をエッチング除去し、スペーサー２２を形成する(図１ｆ)。このエッチング工程は、配線部１７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。

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１９を通過した音圧により可動電極１３が振動し、固定電極１６と可動電極１３間の変位を電極間の容量変化として検出することになる。ここで通常動作時には、可動電極１３がストッパー部２０に接触することがない位置にストッパー部２０が配置されている。またストッパーとして機能させるため、可動電極１３が風圧を受けてバックチャンバー側に通常動作の変位を越えて大きく変位した際には、可動電極１３がストッパー部２０に接触し、破損に至ることがない位置にストッパー部２０が配置されている。

なお、上記製造方法によれば、熱酸化膜１２の厚さが、可動電極１３とストッパー部２１との間の間隔に相当することになる。従って、素子設計上、可動電極１３とストッパー部２０の間の寸法を調整することが必要となった場合には、本発明の第１の絶縁膜の膜厚を調整するため、多層膜構造とする必要がある。

次に、ストッパー構造についてより詳細に説明する。図２に、ストッパー構造２０を備えたシリコン基板１１の平面図を示している。図２に示すように、ストッパー構造２０は、シリコン基板１１と一体となった構造とすることができる。例えば、リング状のストッパー構造を四方に延びる連結部２３によって固定した構造（図２ａ）、円形の抜き部２４が形成され残った部分をストッパー部２０とする構造（図２ｂ）、ストッパー構造２０を十字形状とした構造（図２ｃ）はバックチャンバー部の端部から中心方向に向かって延出した構造（図２ｄ）等、種々変更することができる。

１１：シリコン基板、１２：熱酸化膜、１３：可動電極、１４：スリット、１５：ＵＳＧ膜、１６：固定電極、１７：配線部、１８：窒化膜、１９：貫通孔、２０：ストッパー部、２１：バックチャンバー、２２：スペーサー、２３：連結部、２４：抜き部

Claims

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と可動電極とを対向配置したＭＥＭＳ素子において、
前記可動電極が露出する前記バックチャンバー内に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チャンバー側に変位したとき破損に至る前に前記可動電極に接触し、かつ前記ＭＥＭＳ素子の通常動作時には前記可動電極に接触しない位置に配置された、前記バックチャンバーの端部から中心方向に向かって延出した梁状の連結部によって固定されたリング状の構造であることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
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と可動電極とを対向配置したＭＥＭＳ素子において、
前記可動電極が露出する前記バックチャンバー内に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チャンバー側に変位したとき破損に至る前に前記可動電極に接触し、かつ前記ＭＥＭＳ素子の通常動作時には前記可動電極に接触しない位置に配置された、前記バックチャンバーの端部から中心方向に向かって延出した突起状の構造であることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
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と可動電極とを対向配置したＭＥＭＳ素子の製造方法において、
前記基板上に、第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上に、可動電極を形成する工程と、
前記可動電極上に、前記スペーサーを構成する第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜上に、固定電極を形成する工程と、
前記固定電極に貫通孔を形成する工程と、
前記基板の一部を除去し、バックチャンバー部およびストッパー部を形成する工程と、
前記貫通孔から前記第２の絶縁膜の一部をエッチング除去し、前記第２の絶縁膜からなるスペーサーを形成するとともに、少なくとも前記ストッパー部と前記可動電極との間の前記第１の絶縁膜をエッチング除去し、前記バックチャンバー側に露出する前記可動電極が風圧を受けて前記バックチャンバー側に変位したとき破損に至る前に前記可動電極に接触し、かつ前記ＭＥＭＳ素子の通常動作時には前記可動電極に接触しない位置に配置された、前記バックチャンバーの端部から中心方向に向かって延出した梁状の連結部によって固定されたリング状の、あるいは前記バックチャンバーの端部から中心方向に向かって延出した突起状のストッパー構造を備えたバックチャンバーを形成する工程と、を含むことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。