JP6639042B2 - Ｍｅｍｓ素子 - Google Patents

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)素子は、半導体基板上に可動電極、犠牲層（絶縁膜）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。

ところで、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、可動電極のバネ定数を小さくする方法が採用されている。

一般的なこの種のＭＥＭＳ素子の断面図を図１４に示す。図１４（ａ）に示すように、基板１上に熱酸化膜２を介して可動電極膜３が形成されている。可動電極膜３上には、スペーサー４を介して固定電極膜５と窒化膜６が形成され、この固定電極膜５と窒化膜６からなるバックプレートには貫通孔７が形成されている。また可動電極膜３と固定電極膜５との間にはエアーギャップ９が形成され、固定電極膜３と固定電極膜５にそれぞれ接続する配線部１０が形成されている。

図１４（ａ）に示すＭＥＭＳ素子において、可動電極膜３が熱酸化膜２とスペーサー４によって全周にわたり固定されていると、可動電極膜３のバネ定数が大きくなり、可動範囲が狭くなってしまう。そこで、図１４（ｂ）に模式的に示すように、可動電極膜３の外周の一部を切り欠いてスリット８を形成し、スリット８間の可動電極膜３の端部を図１４（ａ）に示すように熱酸化膜２とスペーサー４によって固定することで、可動電極膜３のばね定数を小さくするように工夫されている。その結果、可動電極膜３の変位を大きくすることができ、感度を向上させることが可能となる。なお図１４（ｂ）は、可動電極膜３を露出した状態の平面図を示しており、図１４（ａ）で記載した配線部１０と接続する引出電極部の図示は省略している。

また可動電極３に形成されるスリット８は、図１５に示すように、スペーサー４と熱酸化膜２によって挟持される部分に沿って形成する場合もある。

特開２００７−２１００８３号公報

ところで、可動電極膜３のバネ定数を小さくして感度を向上させるためには、スリット８の長さを長くし、あるいは幅を広くしてスリット８の開口面積を大きくするのが好ましい。しかしながら、スリット８の開口面積を大きくしてしまうとＭＥＭＳ素子の感度が低下するという問題が発生する。特にＭＥＭＳ素子をコンデンサマイクロフォンとして使用する場合、低域感度が低下するという問題があった。一方感度を向上させるため、スリット８の長さを短くし、あるいはスリット８の幅を狭くすると、スリット端部に応力が集中し可動電極膜３が破損するという問題があった。本発明はこのような問題点を解消するため、スリットが形成された可動電極膜の破損を防止しながら、ＭＥＭＳ素子の感度を向上させることができるＭＥＭＳ素子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膜と可動電極膜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、前記可動電極膜に形成されたスリットと、該スリットに対向配置した庇部と、を備え、該庇部と前記可動電極膜との間隙により前記エアーギャップと前記バックチャンバーとの間の空気抵抗が高くなる狭窄部を形成し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、前記庇部は、導電性材料からなり、前記エアーギャップ内の前記可動電極上に接続固定され、前記可動電極膜の振動と連動して上下動することを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記庇部は、前記エアーギャップ側あるいは前記バックチャンバー側のいずれか一方あるいは両方に配置され、前記可動電極膜が振動しても上下動しないように固定されていることを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、バネ定数を小さくするとともに、開口の端部に応力集中が生じない大きさのスリットが形成された可動電極膜を備え、さらにこのスリットを覆う庇部を備える構造としている。このような構造とすることで、庇部と可動電極膜との間に狭い隙間が形成され、エアーギャップとバックチャンバーとの間の空気抵抗を高くする狭窄部となる。その結果、スリットを備えることで可動電極膜の応力集中による破損を防止しながら、庇部を備えることで空気抵抗を高め、感度を向上させることが可能となる。

さらに本発明の庇部を導電性材料で形成し、エアーギャップ側の可動電極膜上に接続固定して配置すると、可動電極の振動と連動して庇部が上下動することになる。この庇部は可動電極膜上に接続固定されているため、可動電極膜より固定電極膜に近い位置に配置されることになる。その結果、庇部が無い場合と比較して容量変化が大きくなり、感度の高い信号が得られるという利点がある。

一方、庇部をスリットの外周側に固定して庇部の上下動を小さくしたり、上下動しないように固定する構造とすると、可動電極の振動が想定より大きくなった場合に、可動電極が庇部に接触して、可動電極の振動を抑制するストッパーとして機能することになる。なお庇部は、可動電極を挟んで、エアーギャップ側あるいはバックチャンバー側のいずれか一方、あるいは両方に形成でき、所望のストッパー構造を形成することができる。

本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図である。 本発明の第３の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図である。 本発明の第４の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明の第４の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明の第４の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明の第４の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明の第５の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図である。 本発明の第６の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図である。 従来のＭＥＭＳ素子の説明図である。 従来の別のＭＥＭＳ素子の説明図である。

本発明に係るＭＥＭＳ素子は、可動電極膜に形成されたスリットと、このスリットを覆うように形成された庇部とを備える構造としている。この庇部と可動電極との間は、空気抵抗の高い狭窄部となりＭＥＭＳ素子の低域感度の低下を防止する構造となる。以下、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、製造工程に従い説明する。まず、結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１上に、厚さ０．１〜１．０μｍ程度の熱酸化膜２（ＳｉＯ₂）を形成し、さらに熱酸化膜２上にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．２〜１．０μｍ程度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、可動電極膜３を形成する。可動電極膜３には、スリット８が形成されている（図１）。なおスリット８の形状は、図１５で説明したように円形に開口が形成された場合について説明する。

次に、可動電極膜３上に厚さ０．１〜１．０μｍ程度のＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)膜からなる絶縁膜１１を積層形成し、通常のフォトリソグラフ法によりスリット８より外周側に凹部を形成して先に形成した可動電極膜３の一部を露出させる。その後、厚さ０．１〜０．５μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。この導電性ポリシリコン膜は通常のフォトリソグラフ法により、先に形成したスリット８を覆い、さらに空気抵抗となる狭窄部を形成するため可動電極膜３の中心方向に延出した形状の庇部１２となる（図２）。可動電極膜３と庇部１２との間の絶縁膜１１は、後述する工程で除去され、その間隙が狭窄部となる。従って、可動電極膜３上に形成される絶縁膜１１の厚さは、所望の空気抵抗が得られるように調整される。また、可動電極膜３の中心方向に延出する庇部１２の寸法も同様に調整される。

以下、通常の製造工程に従い、厚さ２．０〜４．０μｍ程度のＵＳＧ膜からなる犠牲層１３を積層形成し、さらに犠牲層１３上にＣＶＤ法により厚さ０．１〜１．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、固定電極膜５を形成する。その後、先に形成した可動電極膜３の一部を露出させ可動電極膜３に接続する配線部１０と、固定電極膜５に接続する配線部１０をそれぞれ形成する（図３）。

その後、全面に窒化膜６を堆積させた後、通常のフォトリソグラフ法により音圧を可動電極膜３に伝えるための貫通孔７を形成し、貫通孔７内に犠牲層１３を露出させる。その後、シリコン基板１の裏面側から熱酸化膜２が露出するまでシリコン基板１を除去し、バックチャンバー１４を形成する（図４）。

さらに、貫通孔７を通して犠牲層１３の一部、絶縁膜１１および熱酸化膜２の一部を除去する。その結果、図５に示すように絶縁膜１１およびスペーサー４に固定電極膜３と可動電極膜５が固定されたエアーギャップ９が形成される。本実施例では、庇部１２を備えることで庇部１２と可動電極膜３との間に狭窄部１５が形成され、エアーギャップ９とバックチャンバー１４との間の空気抵抗を高くすることが可能となる。

また図５に示す本実施例では、庇部１２が可動電極膜３上に接続固定された状態であるので、庇部１２は可動電極膜３の振動と連動して上下動することになる。庇部１２と固定電極膜５との間隔は、可動電極膜３と固定電極膜５との間隔よりも狭くなっているため、庇部１２の変位によって大きな容量変化を検知することができ、ＭＥＭＳ素子の感度を向上させることが可能となる。

さらに、狭窄部１５が形成された部分の可動電極膜３の変位と庇部１２が固定された部分の可動電極膜３の変位とを比較すると、前者の変位が大きい。つまり、狭窄部１５の可動電極膜３と庇部１２との間の寸法は、可動電極膜３の変位に応じてより小さくなり、エアーギャップ９とバックチャンバー１４との間の空気抵抗を高くすることができ、感度を向上させることが可能となる。

次に第２の実施例について説明する。本実施例は、図６に示すように上記第１の実施例で説明した可動電極膜３上に接続固定される庇部１２の固定位置のみを変更したものである。即ち、図２に示す工程において、可動電極膜３上に厚さ０．１〜１．０μｍ程度のＵＳＧ膜からなる絶縁膜１１を積層形成し、通常のフォトリソグラフ法によりスリット８の内周側に凹部を形成して先に形成した可動電極膜３の一部を露出させた後、厚さ０．１〜０．５μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。

この導電性ポリシリコン膜は、通常のフォトリソグラフ法により先に形成したスリット８を覆い、さらに空気抵抗となる狭い領域を形成するため、可動電極膜３の外周方向に延出した形状とすることで庇部１２を構成することになる（図６）。

本実施例のＭＥＭＳ素子は、上記第１の実施例で説明した構造に比べて、変位の大きい位置に庇部１２が固定されているため、庇部１２の変位が大きくなり、ＭＥＭＳ素子の感度向上が期待できるという利点がある。

次に第３の実施例について説明する。上記第１の実施例及び第２の実施例では、庇部１２は可動電極膜３の振動と連動して上下動する構造としたが、本実施例では庇部１２が上下動しない構造としている。即ち、上記第１の実施例で説明した図４に示す状態から、貫通孔７を通して犠牲層１３の一部、絶縁膜１１および熱酸化膜２の一部を除去する際、庇部１２の一部を覆うようにスペーサー４を形成する。その結果、図７に示すようにスペーサー４に可動電極膜３、固定電極膜５及び庇部１２が固定されたエアーギャップ９が形成される。

このように形成することで、可動電極膜３の振動が大きいほど可動電極膜３が庇部１２に近づき狭窄部１５の間隔が狭くなり、エアーギャップ９とバックチャンバー１４との間の空気抵抗を高め、感度を向上させることが可能となる。

なお、本実施例では、庇部１２が導電性材料で構成されること、庇部１２が可動電極膜３に固定接合していることは必ずしも必須ではなく、犠牲層１３および絶縁膜１１の一部を除去してエアーギャップ９と狭窄部１５を形成する際、エッチングされずに残る材料であれば、庇部１２を絶縁性材料で構成することも可能である。

特に本実施例の構造は、図１５（ｂ）で説明したスリット構造をとる場合に好適である。

次に第４の実施例について説明する。上記第１乃至第３の実施例では庇部１２をエアーギャップ９内に備える構造としたが、庇部をバックチャンバー１４側に備える構造としても良い。本実施例のＭＥＭＳ素子は次のように形成することができる。まず上記第１乃至第３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０．１〜１．０μｍ程度の熱酸化膜２を形成する。その後、厚さ０．１〜０．５μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成し、庇部１２を形成する。庇部１２上および熱酸化膜２上に、厚さ０．１〜１．０μｍ程度のＵＳＧ膜からなる絶縁膜１１を積層形成する。通常のフォトリソグラフ法により後述する可動電極膜に形成されるスリット８の外周側に位置する部分に凹部を形成して先に形成した可動電極膜３の一部を露出させる（図８）。

その後、全面にＣＶＤ法により厚さ０．２〜１．０μｍ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て可動電極膜３を形成する。可動電極膜３には、スリット８を形成する。図９に示すように先に形成した庇部１２が、スリット８の外周側で可動電極膜３と接合し、スリット８の下側に配置する構造となる。さらに庇部１２は、空気抵抗となる狭い領域を形成するため、可動電極膜３の中心方向に延出した配置となる。

以下、上述の第１の実施例同様、犠牲層１３、固定電極膜５、配線部１０、窒化膜６および貫通孔７を形成する。その後、シリコン基板１の裏面側から熱酸化膜２が露出するまでシリコン基板１を除去し、バックチャンバー１４を形成する（図１０）。これは、庇部１２と絶縁膜１１の配置が相違することを除けば上述の第１の実施例で説明した図４の工程に相当する。

さらに、貫通孔７を通して犠牲層１３の一部、熱酸化膜２および絶縁膜１１の一部を除去する。本実施例では、バックチャンバー１４側に庇部１２を備えることで、庇部１２と可動電極膜３の裏面側との間に狭窄部１５が形成され、エアーギャップ９とバックチャンバー１４との間の空気抵抗を高くし、感度向上が可能となる（図１１）。

なお、本実施例では、庇部１２が導電性材料で構成されることは必ずしも必須ではなく、犠牲層１３および絶縁膜１１の一部を除去してエアーギャップ９と狭窄部１５を形成する際、エッチングされずに残る材料であれば、庇部１２を絶縁性材料とすることも可能である。

本実施例では、庇部１２が可動電極膜３上に接続固定された状態であるので、庇部１２は可動電極膜３の振動と連動して上下動することになる。狭窄部１５が形成された部分の可動電極膜３の変位と庇部１２が固定された部分の可動電極膜３の変位とを比較すると、前者の変位が大きい。つまり、狭窄部１５の可動電極膜３と庇部１２との間の寸法は、可動電極膜３の変位に応じてより小さくなり、エアーギャップ９とバックチャンバー１４との間の空気抵抗を高くすることができ、感度を向上させることが可能となる。

さらに、可動電極の振動が想定より大きくなった場合に、可動電極が庇部に接触して、可動電極の振動を抑制するストッパーとして機能することになる。なお庇部は、可動電極を挟んで、エアーギャップ側にも形成でき、可動電極膜３を破損から保護するストッパー構造とすることができる。

次に第５の実施例について説明する。本実施例は図１２に示すように上記第４の実施例で説明した可動電極膜３と接続する庇部１２の固定位置のみを変更したものである。即ち、図８に示す工程において、庇部１２上に、厚さ０．１〜１．０μｍ程度のＵＳＧ膜からなる絶縁膜１１を積層形成し、通常のフォトリソグラフ法により可動電極膜に形成されるスリットの内周側に凹部を形成して先に形成した庇部１２の一部を露出させた後、厚さ０．２〜１．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。この導電性ポリシリコン膜は、可動電極膜３となる。

図１２に示すように、先に形成した庇部１２が、スリット８の内周側で可動電極膜３と接合し、スリット８の下側に配置する構造となる。さらに庇部１２は、空気抵抗となる狭い領域を形成するため、可動電極膜３の外周方向に延出した形状となる。

本実施例のＭＥＭＳ素子は、上記実施例４で説明したい構造に比べて、変位の大きい位置に庇部１２が固定されているため、庇部１２の変位が大きくなり、ＭＥＭＳ素子の感度向上が規定できる。

次に第６の実施例について説明する。上記第４の実施例及び第５の実施例では、庇部１２は、可動電極３の振動と連動して上下動する構造としたが、本実施例では、庇部１２が上下動しない構造としている。即ち、バックチャンバー１４を形成する際、庇部１２の一部を覆うように絶縁膜１１を除去する。その結果、図１３に示すように絶縁膜１１に庇部１２が固定されたバックチャンバー１４が形成される。

このように形成することで、可動電極膜３の振動が大きいほど可動電極膜３が庇部１２に近づき狭窄部１５の間隔が狭くなり、エアーギャップ９とバックチャンバー１４との間の空気抵抗を高め、感度を向上させることが可能となる。

特に本実施例の構造は、図１５（ｂ）で説明したスリット構造をとる場合に好適である。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、庇部１２は、スリット８を覆うように形成すれば足りるので、上述のようにスリットの形状に合わせて、分離する構造としても良い。また、バックチャンバー側に配置する庇部１２がすべてのスリット８を覆い、あるいはエアーギャップ側に配置する庇部１２がすべてのスリットを覆う必要はなく、スリットの一部はバックチャンバー側に配置する庇部１２により覆われ、残りの一部はエアーギャップ側に配置する庇部１２に覆われる構造にする等、種々変更可能である。

１：シリコン基板、２：熱酸化膜、３：可動電極膜、４：スペーサー、５：固定電極膜、６：窒化膜、７：貫通孔、８：スリット、９：エアーギャップ、１０：配線部、１１：絶縁膜、１２：庇部、１３：犠牲層、１４：バックチャンバー、１５：狭窄部

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膜と可動電極膜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、
   前記可動電極膜に形成されたスリットと、
   該スリットに対向配置した庇部と、を備え、
   該庇部と前記可動電極膜との間隙により前記エアーギャップと前記バックチャンバーとの間の空気抵抗が高くなる狭窄部を形成していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
2. 請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、
   前記庇部は、導電性材料からなり、前記エアーギャップ内の前記可動電極上に接続固定され、前記可動電極膜の振動と連動して上下動することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
3. 請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、
   前記庇部は、前記エアーギャップ側あるいは前記バックチャンバー側のいずれか一方あるいは両方に配置され、前記可動電極膜が振動しても上下動しないように固定されていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。

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