JP6405276B2 - Ｍｅｍｓ素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明はＭＥＭＳ素子およびその製造方法に関し、特にマイクロフォン、各種センサ等として用いられる容量型ＭＥＭＳ素子およびその製造方法に関する。

半導体プロセスを用いたＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)素子は、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）構造が形成されている。

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。

従来のＭＥＭＳ素子の動作を図９に模式的に示す。導電性の固定電極を含む固定電極板１と導電性の可動電極を含む可動電極板２がスペーサー３を介して配置され、音圧等を受けて可動電極板２が振動すると、固定電極板１との間の距離が変化し、固定電極板１の固定電極と可動電極板２の固定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、可動電極板２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。

特開２０１１−５５０８７号公報

ところで、この種のＭＥＭＳ素子では図９に示すように、音圧等を受けた可動電極板２は両端をスペーサー３と基板５上に形成した絶縁膜４によって挟持され、固定されているため、中央部の変位量が大きく、外周部の変位量が小さくなる。

可動電極板２がこのように湾曲して変形すると可動電極板２上に形成されている可動電極も同様に変形し、固定電極に対して平行平板の電極とはならない。そのため、可動電極と固定電極とがより近接する際、外周側の近接量が足りないことにより出力信号が大きく取り出せないという問題があった。本発明はこのような問題点を解消し、大きな出力信号を得ることができ、しかも構造的にも強固な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。

本発明は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を含む固定電極板と可動電極を含む可動電極板とを対向配置したＭＥＭＳ素子において、前記可動電極板は、前記基板に固定された第１の可動電極部と、外周部が自由端となり前記第１の可動電極部に連結部を介して固着され、前記固定電極に対向する前記可動電極を含む第２の可動電極部とを備え、前記連結部は、前記第１の可動電極部および前記第２の可動電極部それぞれの中央部に配置し、前記第２の可動電極部の導電経路となる導電性部材が貫通し、補強部材を備えており、前記第１の可動電極部が振動するとともに前記第２の可動電極部が振動し、前記固定電極と前記可動電極との間の容量値の変化に基づく信号を出力することを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、基板上に可動電極を含む可動電極板を形成し、該可動電極板上に犠牲層を形成し、該犠牲層上に固定電極を含む固定電極板を形成した後、前記犠牲層を除去することにより、前記可動電極板と前記固定電極板との間にエアーギャップを形成する工程を含むＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記可動電極板の一部を構成する第１の可動電極部を形成する工程と、該第１の可動電極部上に第１の犠牲層を形成する工程と、連結部形成予定領域の前記第１の犠牲層の一部を除去した後、前記第１の犠牲層上に連結部で前記第１の可動電極部に連通する、前記可動電極を含み前記可動電極板の一部を構成する第２の可動電極部を形成する工程と、該第２の可動電極部上に第２の犠牲層を形成する工程と、該第２の犠牲層上に前記固定電極板を形成する工程と、少なくとも前記第２の可動電極部の外周部が自由端となり前記エアーギャップが形成されるように、前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層の一部を除去する工程とを含むことを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項２記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記第連結部の前記第２の可動電極部上に補強部材を形成する工程を含むことを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極の変位の大小によらず、第２の可動電極部は対向する固定電極に平板形状を保ったまま変位するため、大きな出力信号を得ることができる。特に第１の可動電極部と第２の可動電極部との連結部を最も変位の大きい可動電極部の中央部に配置することで、第１の可動電極部の振動をそのまま第２の可動電極部に伝えることができるため、特性の優れたＭＥＭＳ素子を提供することができる。

また本発明のＭＥＭＳ素子は、第１の可動電極部と第２の可動電極部の連結部に機械的強度を高めるため、補強部材を付加することが可能で、信頼性の高いＭＥＭＳ素子が提供できるという利点もある。

本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法は、従来のＭＥＭＳ素子の製造工程に第２の可動電極部の製造工程として、第１の犠牲層の形成工程と第２の可動電極部のパターニング工程を追加するのみで良く、第１の犠牲層の除去は、スペーサーを形成するための第２の犠牲層の除去と同時に行うことができ、製造コストの大幅な上昇を招くことがない。

また本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法は、補強部材を形成する工程を追加することで、第１の可動電極部と第２の可動電極部の連結部の機械的強度が増し、信頼性の高いＭＥＭＳ素子を提供できるという利点がある。

本発明の実施例のコンデンサマイクロフォンの製造工程の説明図である。 本発明の実施例のコンデンサマイクロフォンの製造工程の説明図である。 本発明の実施例のコンデンサマイクロフォンの製造工程の説明図である。 本発明の実施例のコンデンサマイクロフォンの製造工程の説明図である。 本発明の実施例のコンデンサマイクロフォンの製造工程の説明図である。 本発明の実施例のコンデンサマイクロフォンの製造工程の説明図である。 本発明の実施例のコンデンサマイクロフォンの製造工程の説明図である。 本発明の実施例のコンデンサマイクロフォンの動作を説明する図である。 一般的なＭＥＭＳ素子の動作を説明する図である。

本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極が形成される可動電極板を外周部を基板に固定されている第１の可動電極部と、外周部が自由端となっている第２の可動電極部とで構成し、第１の可動電極部と第２の可動電極部をそれぞれの中央部に配置した連結部で一体となるように構成している。

このように構成すると、例えば音圧を受けた場合、第１の可動電極部と共に第２の可動電極部が振動する際、第２の可動電極部は外周が自由端となっているため、その形状は変化しない状態（平行平板の状態）で固定電極に対向することになる。その結果、可動電極と固定電極との間で形成されるキャパシタの容量値に基づく出力信号は、従来に比べて大きな変位まで直線性のある特性が得られることになる。以下、本発明を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素子としてコンデンサマイクロフォンを例にとり説明する。本発明のコンデンサマイクロフォンは、まず、結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１０上に、厚さ１μｍ程度の熱酸化膜１１を形成し、熱酸化膜１１上に、ＣＶＤ法により厚さ０．２〜２．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に導電性ポリシリコン膜を通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、第１の可動電極部１２を形成する。可動電極１２には、感度向上、破損防止等のためスリット１３やステッキング防止用突起１４を形成する場合もある（図１）。スリット１３は、通常のフォトリソグラフ法により形成できる、ステッキング防止用突起１４は、例えばステッキング防止用突起１４の形成予定領域に窒化膜からなる円柱状のピラーを形成した後、この円柱状のピラーをエッチングし、完全に除去される前にエッチングを停止することで、図に示すように円錐状の突起を形成することができる。

全面に、厚さ１．０〜２．０μｍ程度のＵＳＧ膜からなる犠牲層１５（第１の犠牲層に相当）を積層形成する。その後、後述する連結部形成予定領域となる中央部分の犠牲層１５の一部を除去し、開口部１６を形成し、この開口部１６内に第１の可動電極部１２の一部を露出させる。例えば円柱状の開口部１６を４個程度形成し、厚さ０．２〜２．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜で被覆することで開口部１６内に導電性ポリシリコン膜を充填する。次に導電性ポリシリコン膜を通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、第２の可動電極部１７を形成する（図２）。

ここで、先に形成したステッキング防止用突起１４を第２の可動電極部１７側に形成することも可能である。この場合は犠牲層１５を形成した後、ステッキング防止用突起形成予定領域の犠牲層１５の表面の一部を凹状に除去し、その上に導電性ポリシリコン膜を形成し、その後パターニングする。その結果、第１の可動電極部１２に対向する面にステッキング防止用突起を形成することができる。

第１の可動電極部１２と第２の可動電極部１７のそれぞれの対向する面にステッキング防止用突起１４を形成することは、必ずしも必須ではないが、第１の可動電極部１２と第２の可動電極部１７は、非常に狭い間隔で対向配置しているためステッキングが生じやすい。そこで、製造歩留まりを向上させるためにステッキング防止用突起１４を形成することは有効である。

図２に示すように、第２の可動電極部１７と第１の可動電極部１２は、開口部１６がコンタクトホールとなり導通し、第２の可動電極部１７が、固定電極との間でキャパシタを形成する可動電極として機能する。従って、先に形成した第１の可動電極部１２は、第２の可動電極部１７の引出電極として機能すれば良く、必ずしも第１の可動電極部１２すべてが導電性膜である必要はない。

この開口部１６を含む連結部は、第１の可動電極部１２が音圧を受けて変形する際、大きな応力が加わり非常に破損しやすい。そこで、図３に示すように、連結部を覆うように（図３ａ）、あるいは先に形成した開口部１６に導電性膜を充填したときに中央部に平坦化されずに残る凹部内（図３ｂ）に、補強部材１８を形成することも可能である。補強部材１８は、機械的強度を増すために適宜選択すれば良い。例えば、導電性ポリシリコン膜より硬度の高い材料を選択する場合、シリコンナイトライドを選択することができる。図３（ａ）は、シリコンナイトライド膜を全面に形成したのち、通常のフォトリソグラフ法により連結部分にシリコンナイトライド膜を残すことにより、凹部へ埋め込まれ、更に表面を覆うように形成した補強部材１８を示している。以下の説明は、この構造の補強部材１８を形成した場合について説明する。なお補強部材は、シリコンナイトライドの他、クォーツやアルミナを選択することが可能である。

以下、通常の製造方法に従い、第２の可動電極部１７上にスペーサーとなる厚さ２．０〜５．０μｍ程度のＵＳＧ膜からなる犠牲層１９（第２の犠牲層に相当）を積層形成し、さらに犠牲層１９上に厚さ０．１〜１．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。導電性ポリシリコン膜を通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、固定電極２０を形成する（図４）。

固定電極２０上には、さらに減圧ＣＶＤ法によりシリコンナイトライド膜を積層形成し、固定電極２０と一体となったバックプレート２１（固定電極板に相当）を形成する。バックプレート２１には貫通孔２２を形成し、犠牲層１９の一部が露出されている（図５）。

その後、シリコン基板１を裏面側からＲＩＥ装置を用いてエッチングすることでバックチャンバー２３が形成される（図６）。最後に貫通孔２２から犠牲層１９、１５の一部をエッチングし、スペーサー２４を介して固定電極２０と第２の可動電極部１７が対向するＭＥＭＳ素子を形成する（図７）。ここで、連結部近傍の犠牲層１５は必ずしもすべてを除去する必要はなく、連結部の一部として残っても何ら問題はない。

このように形成した可動電極の動作を図８を用いて詳しく説明する。音圧を直接受ける第１の可動電極部１２は、その音圧の大きさに応じて振動する。その際、第１の可動電極部１２は、外周部を熱酸化膜１１とスペーサー２４により固定されているため、先に従来例で説明したように、湾曲した形状となる。一方、第１の可動電極１２と連結部を介して一体となっている第２の可動電極部１７は、第１の可動電極部１２が受ける音圧の大きさに応じて振動する。その際、第２の可動電極部１７は、外周部が自由端となっているので、その形状をほとんど変えずに固定電極２０側に変位する。その結果、第２の可動電極部１７と固定電極２０との間に形成されるキャパシタの容量値が変化する出力信号を図示しない電極から得ることができる。例えば、第１の可動電極部１２が大音量の入力にって大きく変位した場合でも、第２の可動電極部１７が湾曲する等の変形を起こすことはないので、容量値の変化は、直線的に変化し、結果的に大きな出力信号が得られることになる。

以上説明したように本発明によれば、平行平板電極として機能する第２の可動電極部を備えることで、特性の優れたＭＥＭＳ素子を簡便に形成することができる。なお、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、第２の可動電極部を含む電極は、ポリシリコンに限らず、単結晶、アモルファスあるいは多結晶の半導体（シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、インジウムリン、シリコンゲルマニウム）、あるいはガリウム砒素等化合物半導体とアルミニウムなどの金属の合金等とし不純物イオンを注入することで導電性とした材料から形成することができる。電極を構成する材料は、犠牲層１５、１９を選択除去することができれば、適宜選択可能である。また、マイクロフォン以外の各種センサ等として用いることも可能である。

１：固定電極板、２：可動電極板、３：スペーサー、４：基板、５：絶縁膜、
１０：基板、１１：熱酸化膜、１２：第１の可動電極部、１３：スリット、１４：ステッキング防止用突起、１５：犠牲層、１６：開口部、１７：第２の可動電極部、１８：補強部材、１９：犠牲層、２０：固定電極、２１：バックプレート、２２：貫通孔、２３：バックチャンバー、２４：スペーサー

Claims (3)

1. 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を含む固定電極板と可動電極を含む可動電極板とを対向配置したＭＥＭＳ素子において、
   前記可動電極板は、前記基板に固定された第１の可動電極部と、外周部が自由端となり前記第１の可動電極部に連結部を介して固着され、前記固定電極に対向する前記可動電極を含む第２の可動電極部とを備え、
   前記連結部は、前記第１の可動電極部および前記第２の可動電極部それぞれの中央部に配置し、前記第２の可動電極部の導電経路となる導電性部材が貫通し、補強部材を備えており、
   前記第１の可動電極部が振動するとともに前記第２の可動電極部が振動し、前記固定電極と前記可動電極との間の容量値の変化に基づく信号を出力することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
2. 基板上に可動電極を含む可動電極板を形成し、該可動電極板上に犠牲層を形成し、該犠牲層上に固定電極を含む固定電極板を形成した後、前記犠牲層を除去することにより、前記可動電極板と前記固定電極板との間にエアーギャップを形成する工程を含むＭＥＭＳ素子の製造方法において、
   前記可動電極板の一部を構成する第１の可動電極部を形成する工程と、
   該第１の可動電極部上に第１の犠牲層を形成する工程と、
   連結部形成予定領域の前記第１の犠牲層の一部を除去した後、前記第１の犠牲層上に連結部で前記第１の可動電極部に連通する、前記可動電極を含み前記可動電極板の一部を構成する第２の可動電極部を形成する工程と、
   該第２の可動電極部上に第２の犠牲層を形成する工程と、
   該第２の犠牲層上に前記固定電極板を形成する工程と、
   少なくとも前記第２の可動電極部の外周部が自由端となり前記エアーギャップが形成されるように、前記第１の犠牲層と前記第２の犠牲層の一部を除去する工程とを含むことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
3. 請求項２記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記第連結部の前記第２の可動電極部上に補強部材を形成する工程を含むことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。

Images