JP6515408B2 - 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、スイッチ等として用いられる容量型ＭＥＭＳ素子に関する。   The present invention relates to a MEMS device, and more particularly to a capacitive MEMS device used as a microphone, various sensors, switches and the like.

半導体プロセスを用いたＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)素子は、半導体基板上に固定電極を含むバックプレート、犠牲層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。   A MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) device using a semiconductor process forms a back plate including a fixed electrode, a sacrificial layer and a movable electrode on a semiconductor substrate, and then removes a portion of the sacrificial layer to form a spacer. An air gap (hollow) structure is formed between the fixed electrode and the movable electrode.

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。   For example, in a condenser microphone that is a capacitive MEMS element, a fixed electrode provided with a plurality of through holes that allow sound pressure to pass and a movable electrode that vibrates in response to the sound pressure are disposed opposite to each other to receive the sound pressure. The displacement of the movable electrode that vibrates is detected as a change in capacitance between the electrodes.

図６は、一般的なコンデンサマイクロフォンの製造方法の説明図である。まず、結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１上に、厚さ１μｍ程度の熱酸化膜２を形成し、熱酸化膜２上にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）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、可動電極３を形成する（図６ａ）。可動電極３には、破損防止のためスリットを形成する場合もある。   FIG. 6 is an explanatory view of a method of manufacturing a general condenser microphone. First, a thermal oxide film 2 having a thickness of about 1 μm is formed on a silicon substrate 1 having a crystal orientation (100) plane and a thickness of 420 μm, and a thermal oxide film 2 having a thickness of 0.2 μm is formed by CVD (Chemical Vapor Deposition). A conductive polysilicon film of about 2 to 2.0 μm is stacked and formed. Next, the conductive polysilicon film is patterned by a normal photolithography method to form the movable electrode 3 (FIG. 6a). The movable electrode 3 may be provided with a slit to prevent breakage.

次に、可動電極３上に厚さ２．０〜５．０μｍ程度のＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)膜からなる犠牲層４を積層形成し、さらに、犠牲層４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５を形成する。固定電極５上には、さらに減圧ＣＶＤ法により窒化膜を積層形成し、固定電極５と一体となったバックプレート６を形成する。固定電極５とバックプレート６には貫通孔７を形成し、犠牲層４を露出させる（図６ｂ）。   Next, a sacrificial layer 4 made of an USP (Undoped Silicate Glass) film having a thickness of about 2.0 to 5.0 μm is laminated on the movable electrode 3, and a thickness of 0.1 to 1 is further formed on the sacrificial layer 4. A conductive polysilicon film of about 0 μm is laminated and formed. The conductive polysilicon film is patterned by the usual photolithography method to form the fixed electrode 5. Further, a nitride film is laminated on the fixed electrode 5 by a low pressure CVD method to form a back plate 6 integrated with the fixed electrode 5. Through holes 7 are formed in the fixed electrode 5 and the back plate 6 to expose the sacrificial layer 4 (FIG. 6b).

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８を形成する。最後に貫通孔７から犠牲層の一部をエッチングし、スペーサー９を介して固定電極５と可動電極３が対向するエアーギャップ１０が形成される（図６ｃ）。固定電極５と可動電極３には、それぞれ図示しない引出電極が接続しており、外部から所定の電圧を印加することで、可動電極３の変位を固定電極５、可動電極３間の容量変化として検出することができる構造となっている。   Thereafter, the silicon substrate 1 is etched from the back side using an RIE apparatus to form the back chamber 8. Finally, a part of the sacrificial layer is etched from the through hole 7 to form an air gap 10 in which the fixed electrode 5 and the movable electrode 3 face each other through the spacer 9 (FIG. 6 c). The fixed electrode 5 and the movable electrode 3 are each connected with an extraction electrode (not shown), and the displacement of the movable electrode 3 is changed as a change in capacitance between the fixed electrode 5 and the movable electrode 3 by applying a predetermined voltage from the outside. It has a structure that can be detected.

図６に示すような従来のＭＥＭＳ素子では、固定電極５と可動電極３との間に空気を挟んだ構造となるため、電極面積を大きくしたり、電極間の間隔を狭めるなどの方法によって感度を向上させようとしても物理上の限界があった。   The conventional MEMS device as shown in FIG. 6 has a structure in which air is sandwiched between the fixed electrode 5 and the movable electrode 3, so sensitivity is increased by increasing the electrode area or narrowing the distance between the electrodes. There were physical limits to trying to improve

一方、固定電極あるいは可動電極としてエレクトレット膜を使用したＭＥＭＳ構造のエレクトレットコンデンサマイクロフォンも提案されている。例えば、特許文献２には、エレクトロットコンデンサマイクロフォンが開示されており、振動電極（可動電極に相当）上にシリコン窒化膜で覆われたエレクトレット化されたシリコン酸化膜が形成された例が開示されている。   On the other hand, there have also been proposed electret condenser microphones of a MEMS structure using an electret film as a fixed electrode or a movable electrode. For example, Patent Document 2 discloses an electrotographic condenser microphone and discloses an example in which an electretized silicon oxide film covered with a silicon nitride film is formed on a vibrating electrode (corresponding to a movable electrode). ing.

一般的にエレクトレット膜は、径時変化や、製造過程、実装過程で行われる熱処理によってエレクトレット膜から電荷が抜けてしまうという問題があることが知られている。特許文献２に開示されているエレクトレットコンデンサマイクロフォンでも、エレクトレット膜から電荷が抜けてしまうことを抑制する技術が開示されている。   In general, it is known that electret films have a problem that electric charges are released from the electret films due to time change, heat treatment performed in a manufacturing process, and a mounting process. Also in the electret condenser microphone disclosed in Patent Document 2, a technology is disclosed that suppresses the loss of charge from the electret film.

特開２０１１−２５０１６９号公報JP 2011-250169 A 特許第４２６４１０３号公報Patent 4264103 gazette

従来の一般的なＭＥＭＳ素子では、固定電極５と可動電極３との間に空気を挟んだ構造となっているため、電極面積を大きくしたり、電極間の間隔を狭めるなどの方法によって感度を向上させようとしても物理上の限界があった。また従来のエレクトレットコンデンサマイクロフォンは、径時変化や加熱処理によりエレクトレット膜から電荷が抜けてしまうことが避けられなかった。本発明は、径時変化や製造、実装工程で加熱処理を行っても特性変化が生じることなく感度の向上を図ることができるＭＥＭＳ素子を提供することを目的とする。   The conventional general MEMS element has a structure in which air is sandwiched between the fixed electrode 5 and the movable electrode 3. Therefore, the sensitivity is increased by increasing the electrode area or narrowing the distance between the electrodes. There were physical limitations to trying to improve it. Further, in the conventional electret condenser microphone, it is inevitable that the electric charge is released from the electret film due to the time change and the heating process. An object of the present invention is to provide a MEMS device capable of improving the sensitivity without causing a characteristic change even if a heat treatment is performed in a time change, a manufacturing process, or a mounting process.

上記目的を達成するために、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ているＭＥＭＳ素子において、前記固定電極あるいは前記可動電極の少なくともいずれか一方は、誘電体膜を挟み第１の電極と第２の電極が、前記第１の電極を前記エアーギャップ側に配置するように積層し、かつ該第１の電極の一部が除去され前記誘電体膜の一部を露出する構造とし、前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記誘電体膜が分極する電圧を印加し、前記固定電極あるいは前記可動電極と、対向する前記可動電極あるいは前記固定電極を構成する前記第２の電極との間に、前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される電圧より大きな電圧を印加することができる電圧印加手段を備えていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, in the invention according to claim 1 of the present application, an air gap is formed by arranging a fixed electrode and a movable electrode on a substrate provided with a back chamber and a spacer on the substrate. In the MEMS device, at least one of the fixed electrode and the movable electrode has a dielectric film interposed between a first electrode and a second electrode, and the first electrode is disposed on the air gap side. And a portion of the first electrode is removed to expose a portion of the dielectric film, and the dielectric film is polarized between the first electrode and the second electrode. Between the first electrode and the second electrode between the first fixed electrode or the second movable electrode and the second movable electrode constituting the second fixed electrode. Voltage applied between Characterized in that it comprises a voltage applying means capable of applying a higher voltage.

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の電極および前記第２の電極は、前記誘電体膜に蓄積した電荷を放電する放電電極の機能を有することを特徴とする。   The invention according to claim 2 of the present application is the MEMS element according to claim 1, wherein the first electrode and the second electrode have a function of a discharge electrode that discharges the charge accumulated in the dielectric film. It features.

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、前記誘電体膜は、常誘電体膜または強誘電体膜であることを特徴とする。   The invention according to claim 3 of the present application is the MEMS device according to claim 1 or 2, wherein the dielectric film is a paraelectric film or a ferroelectric film.

本発明のＭＥＭＳ素子は、第１の電極と第２の電極との間に所定の電圧を印加することにより誘電体膜が分極して電荷を蓄積した構造とすることができる。この分極により生じた電荷は、第１の電極の一部が除去され、露出する誘電体膜表面にも蓄積する。その結果、可動電極と固定電極間の容量変化が、空気だけの場合と比較して大きくなり、感度の向上を図ることが可能となる。特に、誘電体を強誘電体物質とすることで、その効果は大きくなる。   The MEMS device of the present invention can have a structure in which the dielectric film is polarized and charges are accumulated by applying a predetermined voltage between the first electrode and the second electrode. The charge generated by this polarization is also removed on a part of the first electrode and also accumulated on the exposed dielectric film surface. As a result, the change in capacitance between the movable electrode and the fixed electrode is greater than in the case of air alone, and the sensitivity can be improved. In particular, when the dielectric is a ferroelectric substance, the effect is enhanced.

本発明では、第１の電極と第２の電極との間に所望の電圧を印加することで誘電体膜に分極を生じさせるため、ＭＥＭＳ素子の製造工程や実装工程で加熱処理が行われたとしても何ら問題ない。すなわち、従来のエレクトレット膜の課題であった蓄積した電荷の径時的な消失等に配慮する必要のない電極構造となっている。   In the present invention, the dielectric film is polarized by applying a desired voltage between the first electrode and the second electrode, so that the heat treatment is performed in the manufacturing process or mounting process of the MEMS element. There is no problem as well. That is, the electrode structure does not have to take into consideration the temporal loss of the accumulated charge, which has been a problem of the conventional electret film.

さらに本発明では、第１の電極と第２の電極との間の誘電体膜に蓄積した電荷を、第１の電極あるいは第２の電極から除去（放電）することも可能となる。これにより、誘電体膜の分極を消失させることができるので、残留電荷の影響による特性変動をリセットすることができるという利点がある。   Furthermore, in the present invention, it is also possible to remove (discharge) the charge accumulated in the dielectric film between the first electrode and the second electrode from the first electrode or the second electrode. Thereby, the polarization of the dielectric film can be eliminated, so that there is an advantage that the characteristic fluctuation due to the influence of the residual charge can be reset.

本発明の第１の実施例のコンデンサマイクロフォンの製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the condenser microphone of the 1st Example of this invention. 本発明の第１の実施例のコンデンサマイクロフォンの製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the condenser microphone of the 1st Example of this invention. 本発明の第１の実施例のコンデンサマイクロフォンの製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of the condenser microphone of the 1st Example of this invention. 本発明の第１の実施例のコンデンサマイクロフォンの説明図である。It is explanatory drawing of the condenser microphone of the 1st Example of this invention. 本発明の第２の実施例の説明図である。It is explanatory drawing of the 2nd Example of this invention. 一般的なコンデンサマイクロフォンの製造方法の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing method of a general condenser microphone.

本発明のＭＥＭＳ素子は、固定電極あるいは可動電極の少なくともいずれか一方の電極に電荷が蓄積した誘電体膜を備える構造とするため、第１の電極と第２の電極によって誘電体膜を挟んだ積層構造としている。また、エアーギャップ側に配置された第１の電極は、複数の開口部が形成され、誘電体膜の一部を露出する構造としている。また電圧印加手段から第１の電極と第２の電極には、誘電体膜が分極する程度の所望の電圧Ｖbias(誘電体)が印加される。可動電極を上記のような積層構造とする場合、対向する固定電極とエアーギャップに接していない固定電極を構成する第２の電極との間に、通常のＭＥＭＳ素子として機能する所定の電圧Ｖbias（Mic）が印加される。その結果、可動電極と第２の電極との間には、従来の空気に加え、電荷が蓄積した誘電体膜が介在することになり、可動電極の変位を高感度で検出することが可能となる。また、可動電極の代わりに固定電極を上記のような積層構造とする場合、対向する固定電極とエアーギャップに接していない第２の電極との間に、従来の空気に加え、電荷が蓄積した誘電体膜が介在することになり、可動電極の変位を高感度に検出することが可能となる。また電圧印加手段は、誘電分極した誘電体膜に蓄積された電荷の放電経路として使用することも可能である。以下、本発明を実施例について詳細に説明する。   The MEMS device of the present invention has a dielectric film in which a charge is accumulated in at least one of the fixed electrode and the movable electrode, so that the dielectric film is sandwiched between the first electrode and the second electrode. It has a laminated structure. Further, the first electrode disposed on the air gap side has a structure in which a plurality of openings are formed and a part of the dielectric film is exposed. In addition, a desired voltage Vbias (dielectric) to the extent that the dielectric film is polarized is applied from the voltage application means to the first electrode and the second electrode. When the movable electrode has the above-described stacked structure, a predetermined voltage Vbias (functioning as a normal MEMS element) is applied between the opposing fixed electrode and the second electrode that constitutes the fixed electrode not in contact with the air gap. Mic) is applied. As a result, in addition to conventional air, a dielectric film in which charges are accumulated is interposed between the movable electrode and the second electrode, and it is possible to detect displacement of the movable electrode with high sensitivity. Become. When the fixed electrode has the above-described laminated structure instead of the movable electrode, charge is accumulated in addition to the conventional air between the opposed fixed electrode and the second electrode not in contact with the air gap. The dielectric film intervenes, and the displacement of the movable electrode can be detected with high sensitivity. The voltage application means can also be used as a discharge path of charges accumulated in the dielectric polarized dielectric film. Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

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、可動電極を積層構造とする場合について説明する。従来例同様、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１上に、厚さ１μｍ程度の熱酸化膜２を形成し、熱酸化膜２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、可動電極３を形成する。可動電極３には、破損防止のためスリットが形成される場合もある。さらに本発明では、可動電極３上に誘電体膜１１を形成する（図１）。この誘電体膜１１は、例えば、チタン酸バリウムストロンチウム（（ＢａxＳｒ1-x）ＴｉＯ3）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）、酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化タンタル（ＴａＯ5）等を用いることができる。特にチタン酸バリウムストロンチウム等の強誘電体は、誘電率が大きく好ましい。誘電体膜１１は、例えばスパッタリング法により成膜した後、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングして形成することができる。 In the embodiment of the present invention, taking a condenser microphone as an example of the MEMS element, the case where the movable electrode has a laminated structure will be described. As in the prior art, in the condenser microphone of the present invention, a thermal oxide film 2 having a thickness of about 1 μm is first formed on a silicon substrate 1 having a crystal orientation (100) plane and a thickness of 420 μm. A conductive polysilicon film having a thickness of about 0.2 to 2.0 μm is stacked by CVD. Next, the conductive polysilicon film is patterned by the normal photolithography method to form the movable electrode 3. The movable electrode 3 may be provided with a slit to prevent damage. Furthermore, in the present invention, the dielectric film 11 is formed on the movable electrode 3 (FIG. 1). The dielectric film 11 is, for example, barium strontium titanate ((Ba x Sr 1-x ) TiO 3), silicon nitride (Si 3 N 4), silicon oxide (SiO 2), tantalum oxide (TaO 5) or the like It can be used. In particular, a ferroelectric such as barium strontium titanate has a large dielectric constant and is preferable. The dielectric film 11 can be formed, for example, by sputtering and then patterning using a normal photolithography method.

次に全面にＣＶＤ法により酸化膜を形成し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングして、誘電体膜１１を露出し、可動電極３を被覆する酸化膜１２を形成する。その後、誘電膜１１および酸化膜１２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し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングを行うことで、一部を例えば円形に除去して開口部１４が形成され、この開口部１４の底部に誘電体膜１１が露出する第１の電極１３を形成する。この第１の電極１３は、先に形成した可動電極３との間に誘電体膜１１と酸化膜１２を挟み込んだ構造となり、第１の電極１３と可動電極３との間に所定の電圧を印加することで誘電体膜１１を分極させることができる。可動電極３は第２の電極に相当する（図２）。   Next, an oxide film is formed on the entire surface by a CVD method and patterned by a normal photolithography method to expose the dielectric film 11 and form an oxide film 12 covering the movable electrode 3. Thereafter, a conductive polysilicon film having a thickness of about 0.2 to 2.0 μm is laminated and formed on dielectric film 11 and oxide film 12 by the CVD method, and patterning is performed by the normal photolithography method to partially form a part. For example, it is removed in a circular shape to form an opening 14, and the first electrode 13 to which the dielectric film 11 is exposed is formed at the bottom of the opening 14. The first electrode 13 has a structure in which the dielectric film 11 and the oxide film 12 are sandwiched between the first electrode 13 and the movable electrode 3 formed previously, and a predetermined voltage is applied between the first electrode 13 and the movable electrode 3. The dielectric film 11 can be polarized by applying the voltage. The movable electrode 3 corresponds to a second electrode (FIG. 2).

以下、従来の製造工程同様に、第１の電極１３および酸化膜１２上に厚さ２．０〜５．０μｍ程度のＵＳＧ膜からなる犠牲層４を積層形成し、さらに、犠牲層４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５を形成する。固定電極５上には、さらに減圧ＣＶＤ法により窒化膜を積層形成し、固定電極５と一体となったバックプレート６を形成する。固定電極５とバックプレート６には貫通孔７を形成し、犠牲層４を露出させる（図３）。   Thereafter, as in the conventional manufacturing process, a sacrificial layer 4 made of a USG film having a thickness of about 2.0 to 5.0 μm is laminated and formed on the first electrode 13 and the oxide film 12. A conductive polysilicon film having a thickness of about 0.1 to 1.0 μm is laminated and formed. The conductive polysilicon film is patterned by the usual photolithography method to form the fixed electrode 5. Further, a nitride film is laminated on the fixed electrode 5 by a low pressure CVD method to form a back plate 6 integrated with the fixed electrode 5. Through holes 7 are formed in the fixed electrode 5 and the back plate 6 to expose the sacrificial layer 4 (FIG. 3).

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８を形成する。最後に貫通孔７から犠牲層の一部をエッチングし、スペーサー９を介して固定電極５と可動電極３が対向するコンデンサマイクロフォンを形成する（図４）。なお、可動電極３、固定電極５および第１の電極１３を外部に引き出すための電極は図示を省略している。   Thereafter, the silicon substrate 1 is etched from the back side using an RIE apparatus to form the back chamber 8. Finally, a part of the sacrificial layer is etched from the through hole 7 to form a condenser microphone in which the fixed electrode 5 and the movable electrode 3 face each other through the spacer 9 (FIG. 4). In addition, the electrode for withdrawing the movable electrode 3, the fixed electrode 5, and the 1st electrode 13 is abbreviate | omitting illustration.

このように形成したコンデンサマイクロフォンでは、例えば、第１の電極１３と可動電極３（第２の電極に相当）に電圧印加部１５からそれぞれ誘電体膜が分極させる電圧Ｖｂｉａｓ(誘電体)およびマイクロフォンとして機能させるための電圧Ｖｂｉａｓ(Ｍｉｃ)を印加する。その結果、誘電体膜１１は分極する。誘電体膜１１内に蓄積した電荷は、第１の電極１３に形成されている開口部１４内にも存在し、スペーサー９によって形成される中空部（空気層）のみの場合と比較して、可動電極３と固定電極５との間の誘電率が大きくなり、感度が増すことになる。   In the condenser microphone formed in this manner, for example, as a voltage Vbias (dielectric) and a microphone that cause the dielectric film to be polarized from the voltage application unit 15 to the first electrode 13 and the movable electrode 3 (corresponding to the second electrode) Apply a voltage Vbias (Mic) to function. As a result, the dielectric film 11 is polarized. The charge accumulated in the dielectric film 11 is also present in the opening 14 formed in the first electrode 13, and compared with the case of only the hollow portion (air layer) formed by the spacer 9, The dielectric constant between the movable electrode 3 and the fixed electrode 5 is increased, and the sensitivity is increased.

なお、誘電体膜１１と第１の電極１３は、その厚さを調整することで、可動電極としての機能を損なわずに形成することが可能である。また開口部１４の数、大きさ、形状、配置等は、所望の特性のコンデンサマイクロフォンを形成できるように適宜設定すればよい。同様に、第１の電極１３と可動電極３との間に印加する電圧を調整したり、誘電体膜の材料を適宜選択することで、誘電体膜の誘電率を変え、所望の特性のコンデンサマイクロフォンを形成することができる。   The dielectric film 11 and the first electrode 13 can be formed by adjusting the thickness without impairing the function as the movable electrode. Further, the number, size, shape, arrangement and the like of the openings 14 may be appropriately set so as to form a condenser microphone of desired characteristics. Similarly, by adjusting the voltage applied between the first electrode 13 and the movable electrode 3 or by appropriately selecting the material of the dielectric film, the dielectric constant of the dielectric film is changed to obtain a capacitor having desired characteristics. A microphone can be formed.

次に第２の実施例について説明する。誘電体膜１１は可動電極を構成する代わりに固定電極を構成することも可能である。図５は、コンデンサマイクロフォンの可動電極および固定電極部の部分拡大図である。図１を用いて説明した第１の実施例同様、結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１上に、厚さ１μｍ程度の熱酸化膜２を形成し、熱酸化膜２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、可動電極３を形成する。   A second embodiment will now be described. The dielectric film 11 can also constitute a fixed electrode instead of constituting the movable electrode. FIG. 5 is a partially enlarged view of the movable electrode and the fixed electrode portion of the condenser microphone. Similar to the first embodiment described with reference to FIG. 1, a thermal oxide film 2 having a thickness of about 1 μm is formed on a silicon substrate 1 having a crystal orientation (100) plane and a thickness of 420 μm. A conductive polysilicon film having a thickness of about 0.2 to 2.0 .mu.m is laminated by CVD. Next, the conductive polysilicon film is patterned by the normal photolithography method to form the movable electrode 3.

次に、図３を用いて説明した第１の実施例同様、可動電極３上に厚さ２．０〜５．０μｍ程度のＵＳＧ膜からなる犠牲層４を積層形成し、さらに、犠牲層４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、第１の電極１３を形成する。ここで、第１の電極１３には、後述する誘電体膜の一部を露出するための開口部１４を形成しておく。第１の電極１３上には、実施例１で説明した誘電体膜１１を積層形成する。誘電体膜１１の一部は、先に形成した開口部１４に入り込んだ形状となる。その後、誘電体膜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し、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５を形成する（図５ａ）。   Next, similarly to the first embodiment described with reference to FIG. 3, a sacrificial layer 4 made of a USG film having a thickness of about 2.0 to 5.0 μm is laminated and formed on the movable electrode 3. A conductive polysilicon film having a thickness of about 0.1 to 1.0 μm is laminated on the top. The conductive polysilicon film is patterned by a normal photolithography method to form a first electrode 13. Here, an opening 14 for exposing a part of a dielectric film described later is formed in the first electrode 13. The dielectric film 11 described in the first embodiment is stacked on the first electrode 13. A part of the dielectric film 11 has a shape which has entered the opening 14 formed previously. Thereafter, a conductive polysilicon film having a thickness of about 0.2 to 2.0 μm is laminated and formed on the dielectric film 11 by the CVD method, and is patterned by the ordinary photolithography method to form the fixed electrode 5 (FIG. 5a) ).

次に、固定電極５に形成される貫通孔の形成予定領域の固定電極５、誘電体膜１１および第１の電極１３の一部を、例えば円形に除去する。その後、減圧ＣＶＤ法により窒化膜１６を積層形成する。このように形成すると、誘電体膜１１の端部は、窒化膜１６で被覆されることになる。その結果、後述する犠牲層４のエッチングの際に用いられる薬液に対して、耐エッチング性の弱い材料を誘電体膜として選択した場合でも窒化膜１６により保護することができる。その後、貫通孔形成予定領域の窒化膜１６の一部を除去し、犠牲層４を露出させ、貫通孔７を形成する（図５ｂ）。   Next, the fixed electrode 5, the dielectric film 11 and a part of the first electrode 13 in the region for forming the through hole formed in the fixed electrode 5 are removed, for example, in a circular shape. Thereafter, a nitride film 16 is formed in a stacked manner by a low pressure CVD method. In this case, the end of the dielectric film 11 is covered with the nitride film 16. As a result, the nitride film 16 can protect the chemical solution used in the etching of the sacrificial layer 4 to be described later even when a material having a low etching resistance is selected as the dielectric film. Thereafter, a part of the nitride film 16 in the region where the through hole is to be formed is removed to expose the sacrificial layer 4, and the through hole 7 is formed (FIG. 5b).

なお、この貫通孔形成予定領域に残る窒化膜１６の小さな突起は、ステッキング防止のための突起として形成することも可能である。その場合は、貫通孔形成予定領域の固定電極５、誘電体膜１１および第１の電極１３の一部を除去する際、露出する犠牲層４をわずかにエッチング除去しておき、窒化膜１６で被覆する。その後、窒化膜１６の一部を除去し、犠牲層４を露出させ、貫通孔７を形成すると、犠牲層４をわずかにエッチング除去した分だけ窒化膜１６が対向する可動電極３側に突出する形状を形成することができる。   The small projections of the nitride film 16 remaining in the through hole formation planned regions can also be formed as projections for preventing sticking. In that case, when removing fixed electrode 5, dielectric film 11, and a part of first electrode 13 in the region where through holes are to be formed, exposed sacrificial layer 4 is slightly etched away, and nitride film 16 is used. To coat. After that, when the nitride film 16 is partially removed to expose the sacrificial layer 4 and the through holes 7 are formed, the nitride film 16 protrudes toward the opposing movable electrode 3 by the amount by which the sacrificial layer 4 is slightly etched away. It can form a shape.

以下、従来の製造工程同様に、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８が形成される。最後に貫通孔７から犠牲層の一部をエッチングし、スペーサー９を介して固定電極５と可動電極３が対向するコンデンサマイクロフォンを形成する（図５ｃ）。なお、前述の通り、図５はコンデンサマイクロフォンの可動電極および固定電極部の部分拡大図を示しており、本実施例は、図示していないコンデンサマイクロフォンの構成を含んでいる。   Thereafter, as in the conventional manufacturing process, the back chamber 8 is formed by etching the silicon substrate 1 from the back side using an RIE apparatus. Finally, a part of the sacrificial layer is etched from the through hole 7 to form a condenser microphone in which the fixed electrode 5 and the movable electrode 3 face each other through the spacer 9 (FIG. 5c). As described above, FIG. 5 shows a partially enlarged view of the movable electrode and the fixed electrode portion of the condenser microphone, and the present embodiment includes the configuration of the condenser microphone not shown.

このように形成したコンデンサマイクロフォンでは、例えば、第１の電極１３と可動電極３との間に電圧印加部１５からそれぞれ誘電体膜が分極させる電圧Ｖｂｉａｓ(誘電体)およびマイクロフォンとして機能させるための電圧Ｖｂｉａｓ(Ｍｉｃ)を印加する。その結果、誘電体膜１１は分極する。誘電体膜１１内に蓄積した電荷は、第１の電極１３に形成されている開口部１４内にも存在し、スペーサー９によって形成される中空部（空気層）のみの場合と比較して、可動電極３と固定電極５との間の誘電率が大きくなり、感度が増すことになる。   In the condenser microphone thus formed, for example, a voltage Vbias (dielectric) and a voltage for causing it to function as a microphone cause the dielectric film to be polarized from the voltage application unit 15 between the first electrode 13 and the movable electrode 3, respectively. Apply Vbias (Mic). As a result, the dielectric film 11 is polarized. The charge accumulated in the dielectric film 11 is also present in the opening 14 formed in the first electrode 13, and compared with the case of only the hollow portion (air layer) formed by the spacer 9, The dielectric constant between the movable electrode 3 and the fixed electrode 5 is increased, and the sensitivity is increased.

なお、開口部１４の数、大きさ、形状、配置等は、所望の特性のコンデンサマイクロフォンを形成できるように適宜設定すればよい。同様に、第１の電極１３と固定電極５との間に印加する電圧を調整したり、誘電体膜の材料を適宜選択することができ、誘電体膜の誘電率を変え、所望の特性のコンデンサマイクロフォンを形成することができる。   The number, size, shape, arrangement, and the like of the openings 14 may be set appropriately so as to form a condenser microphone having desired characteristics. Similarly, the voltage applied between the first electrode 13 and the fixed electrode 5 can be adjusted, the material of the dielectric film can be appropriately selected, the dielectric constant of the dielectric film is changed, and desired characteristics can be obtained. A condenser microphone can be formed.

以上本発明の実施例について説明してきたが、本発明はこれらの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、可動電極３と固定電極５のいずれも誘電体膜を形成した形状とすることできる。   Although the embodiments of the present invention have been described above, it goes without saying that the present invention is not limited to these embodiments. For example, each of the movable electrode 3 and the fixed electrode 5 can have a shape in which a dielectric film is formed.

１：シリコン基板、２：熱酸化膜、３：可動電極、４：犠牲層、５：固定電極、６：バックプレート、７：貫通孔、８：バックチャンバー、９：スペーサー、１０：エアーギャップ、１１：誘電体膜、１２：酸化膜、１３：第１の電極、１４：開口部、１５：電圧印加部、１６：窒化膜 1: silicon substrate 2: thermal oxide film 3: movable electrode 4: sacrificial layer 5: fixed electrode 6: back plate 7: through hole 8: back chamber 9: spacer 10: air gap 11: dielectric film, 12: oxide film, 13: first electrode, 14: opening, 15: voltage application unit, 16: nitride film

Claims (3)

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ているＭＥＭＳ素子において、
前記固定電極あるいは前記可動電極の少なくともいずれか一方は、誘電体膜を挟み第１の電極と第２の電極が、前記第１の電極を前記エアーギャップ側に配置するように積層し、かつ該第１の電極の一部が除去され前記誘電体膜の一部を露出する構造とし、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記誘電体膜が分極する電圧を印加し、前記固定電極あるいは前記可動電極と、対向する前記可動電極あるいは前記固定電極を構成する前記第２の電極との間に、前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加される電圧より大きな電圧を印加することができる電圧印加手段を備えていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。 In a MEMS device in which an air gap is formed by disposing a fixed electrode and a movable electrode on a substrate provided with a back chamber and a spacer interposed therebetween on the substrate,
At least one of the fixed electrode and the movable electrode is laminated such that a first electrode and a second electrode sandwich the dielectric film and arrange the first electrode on the air gap side, and A structure in which a part of the first electrode is removed to expose a part of the dielectric film,
A voltage that polarizes the dielectric film is applied between the first electrode and the second electrode to form the fixed electrode or the movable electrode, and the movable electrode or the fixed electrode opposed to the first electrode. A MEMS device characterized by comprising voltage applying means capable of applying a voltage larger than the voltage applied between the first electrode and the second electrode between the two electrodes. . 請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、
前記第１の電極および前記第２の電極は、前記誘電体膜に蓄積した電荷を放電する放電電極の機能を有することを特徴とするＭＥＭＳ素子。 In the MEMS device according to claim 1,
The MEMS device, wherein the first electrode and the second electrode have a function of a discharge electrode which discharges the charge accumulated in the dielectric film. 請求項１または２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、
前記誘電体膜は、常誘電体膜または強誘電体膜であることを特徴とするＭＥＭＳ素子。 The MEMS device according to claim 1 or 2,
The MEMS device, wherein the dielectric film is a paraelectric film or a ferroelectric film.
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