JP6708532B2

JP6708532B2 - Ｍｅｍｓ素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP6708532B2
Application number: JP2016213152A
Authority: JP
Inventors: 新一荒木; 孝英臼井
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2036-10-31
Also published as: JP2018074427A

Description

本発明はＭＥＭＳ素子及びその製造方法、特にトランスデューサー等の各種センサとして用いられ、感度調整が行われるＭＥＭＳ素子及びその製造方法に関する。

従来から、トランスデューサー、マイクロフォン、センサ、アクチュエータ等に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子が用いられる。
例えば、電子機器に使われるトランスデューサー（マイクロフォン装置）は、携帯電話やパーソナルコンピューター、また車載器等にも搭載され、近年、益々感度の高精度化が望まれている。

図４に、従来のトランスデューサーの構成が示されており、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）のＢ−Ｂ線（横中心線と固定電極パッド６から中心に向かう斜め線とを結ぶ線）での切断図（一部のみにハッチングをしたもの）である。図において、１は基板、２は可動電極、３は可動電極２に平行配置された固定電極、４は支持層（犠牲層の残り部分）、５は絶縁層、６は固定電極パッド、７は音孔、Ｇはエアーギャップである。

このようなトランスデューサーは、可動電極２と固定電極３が平行平板型コンデンサを形成し、音圧によって可動電極２が振動して生じる静電容量の変位を検出することにより、音声を電気信号に変換する。

特開２０１４−２３３０５９号公報

ところで、トランスデューサーの感度は、製造中の幾つかのバラツキ因子により変化し、トランスデューサーそのものだけではその精度を高めるのは難しい。そこで、従来では、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）側にて、抵抗やヒューズを用いて、或いはメモリトリミング、ダイオード等のザッピング等の回路構成により市場に受け入れられるレベルの感度に調整される。

しかしながら、上記トランスデューサー（ＭＥＭＳ素子）を内蔵する装置では、小型化の要求があり、素子の感度調整の際には、ＡＳＩＣ側の回路構成でＡＳＩＣが少しでも大きくならないようにし、またトランスデューサーにおいても、そのサイズやコストが変わらないようにする必要がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ＡＳＩＣを大きくすることなく、ＭＥＭＳ素子においてもサイズが大きくなったり、コストが増大したりすることなく、感度調整を良好に行うことのできるＭＥＭＳ素子及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明に係るＭＥＭＳ素子は、基板上に配置された固定電極と、この固定電極にエアーギャップを介して略平行に配置された可動電極とを備えるＭＥＭＳ素子において、上記固定電極の外周に、該固定電極と切り離し可能に接続された複数のトリミング用固定電極を設けたことを特徴とする。
請求項２の発明は、上記固定電極と上記トリミング用固定電極との間に、このトリミング用固定電極を切断するためのヒューズ部を形成し、かつこのヒューズ部に切断電流を流すための切断用電極を配線したことを特徴とする。

請求項３の発明に係るＭＥＭＳ素子の製造方法は、基板上に配置された固定電極と、この固定電極にエアーギャップを介して略平行に配置された可動電極とを備えるＭＥＭＳ素子の製造方法において、上記固定電極の外周に、該固定電極と切り離し可能な複数のトリミング用固定電極を接続し、選択された上記トリミング用固定電極を切り離すことにより、所望のプルイン電圧に設定することを特徴とする。
請求項４の発明は、上記トリミング用固定電極と上記固定電極との間に、切断のためのヒューズ部を形成し、かつこのヒューズ部に切断用電極を配線し、この切断用電極から上記ヒューズ部に切断電流を流すことにより、選択された上記トリミング用固定電極を上記固定電極から切り離すことを特徴とする。

以上の構成によれば、例えば複数のリング状のトリミング用固定電極を固定電極の外周に形成し、素子形成の状況に応じて所定のトリミング用固定電極を切断する。この切断は、ヒューズ部に切断電流を流したり、レーザー照射したりすることで行われ、選択されたトリミング用固定電極の切断によって、固定電極の全体の面積が変わることで、ＭＥＭＳ素子側で感度を調整することができる。

ＭＥＭＳ素子の感度は、固定電極−可動電極間の電圧と強い相関を持ち、プルイン（Pull In）電圧、つまり可動電極（メンブレン）のスティクションする電圧（両電極が貼り付く電圧）を読み取り、一定のプルイン電圧となるように、トリミング技術を使って固定電極をトリミングすることにより、感度を所望の値に調節することが可能となる。

本発明によれば、ＡＳＩＣを大きくすることなく、ＭＥＭＳ素子においてもサイズが大きくなったり、コストが増大したりすることなく、固定電極のトリミングにより感度調整を良好に行うことが可能となる。
即ち、固定電極と可動電極で構成される空気型コンデンサは、電流が殆ど流れないことから電流密度は考慮する必要がなく、微細化技術によってトリミング用固定電極を使われるテクノロジーの最小線幅にまで細くすることができ、このトリミング用固定電極を複数形成して適宜選択することで、感度を微細に調整することが可能となる。

また、従来の固定電極の外周スペースを有効活用しながらＭＥＭＳ素子側に感度調整機能を持たせ、製造工程の僅かな変更により、トリミング用固定電極やヒューズ部のパターンを製作することができ、マスク枚数を増やすこともなく、機能対コストが向上するという利点がある。

本発明の実施例のＭＥＭＳ素子であるトランスデューサーの構成を示し、図（Ａ）は上面図（表面の絶縁膜を透視状態とする）、図（Ｂ）は断面図（Ｂ−Ｂ線切断図で一部にハッチングしたもの）である。図１のトランスデューサーの一部を拡大した図である。実施例においてトリミング用固定電極の使い方とプルイン電圧の関係を示すグラフ図である。従来例のトランスデューサーの構成を示し、図（Ａ）は上面図（表面の絶縁膜を透視状態とする）、図（Ｂ）は断面図（Ｂ−Ｂ線切断図で一部にハッチングしたもの）である。

図１（Ａ），（Ｂ）及び図２に、実施例のトランスデューサーの構成が示されており、図において、１はシリコン基板、２は変位可能な可動電極、３は可動電極２に平行配置された固定電極、４は支持層（エアーギャップＧを形成するための犠牲層の残り部分）、５は絶縁膜、６は固定電極パッド、７は音孔（アコースティックホール）、Ｇは可動電極２と固定電極３の間のエアーギャップであり、固定電極３は連結ライン９で固定電極パッド６に接続される。

実施例では、円形（その他の形状でもよい）の固定電極３の外周に３本の固定電極リング（トリミング用固定電極）１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが配置され、この固定電極リング１０Ａ〜１０Ｃは連結ライン９に接続される。この固定電極３及び固定電極リング１０Ａ〜１０Ｃは、不純物がドープされたポリシリコンで形成されており、連結ライン９の短辺方向の両端に接続される固定電極リング１０Ａ〜１０Ｃの部分には、リング線を連結ライン９へ向けて例えばテーパー状（弧状でもよい）に細くしたヒューズ部１２が設けられる。

そして、固定電極リング１０Ａ〜１０Ｃが接続される連結ライン９の両端部分に、１対のポリシリコン配線１３及びメタル配線１４を介して１対の電極パッド１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが形成・接続される。なお、固定電極３の上には絶縁膜５が施され、この固定電極３及び絶縁膜５を貫通するように音孔７が形成されている。

以上の構成によれば、１対の電極パッド１５Ｃから切断電流を流してヒューズ部１２を焼き切ることにより、外側の固定電極リング１０Ｃが固定電極３から切り離され、また１対の電極パッド１５Ｂから切断電流を流してヒューズ部１２を焼き切ることにより、中間の固定電極リング１０Ｂが固定電極３から切り離され、更に１対の電極パッド１５Ａから切断電流を流してヒューズ部１２を焼き切ることにより、内側の固定電極リング１０Ａが固定電極３から切り離される。このようにして、実施例では、いずれの固定電極リング１０Ａ〜１０Ｃも切り離さない場合を含めて、固定電極の面積を変える以下の４つのパターンを選択することができる。
１．固定電極３のみ、
２．固定電極３＋固定電極リング１０Ａ、
３．固定電極３＋固定電極リング１０Ａ＋１０Ｂ、
４．固定電極３＋固定電極リング１０Ａ＋１０Ｂ＋１０Ｃ。

図３には、上記固定電極リング１０Ａ〜１０Ｃの使い方とプルイン電圧の関係が示されており、このグラフのように、固定電極３のみ（パターン１）の場合、プルイン電圧が０Ｖであるとすると、固定電極３＋固定電極リング１０Ａ（パターン２）の場合は、−０．９Ｖの近傍、固定電極３＋固定電極リング１０Ａ＋１０Ｂ（パターン３）の場合は、−１．９Ｖの近傍、固定電極３＋固定電極リング１０Ａ＋１０Ｂ＋１０Ｃ（パターン４）の場合は、−２．８Ｖの近傍となり、固定電極リング１０Ａ〜１０Ｃを順に追加すると、プルイン電圧はほぼリニアに変化することになる。従って、トリミング用の固定電極リング１０Ａ〜１０Ｃの設計、選択によってプルイン電圧を自在にコントロールすることができ、この結果、感度の調整が可能となり、プルイン電圧を所望の一定値として製造時のバラツキも解消することができる。

なお、固定電極リング１０のトリミングでは、可動電極−固定電極間に、切断した固定電極リング１０Ａ〜１０Ｃのバイアスがかかることのないように、連結ライン９の両端で確実に切断する必要があり、ヒューズ部１２は連結ライン９の左右対称となる２箇所に配置される。
実施例では、トリミング用の固定電極リング１０を３つ設けたが、この固定電極リング１０は、１つでも、４つ以上でもよく、また固定電極３が例えば楕円形となる場合は、トリミング用固定電極もその楕円形に合せた楕円リングにすることができる。

更に、実施例では、電極パッド１５Ａ〜１５Ｃから切断電流を流すようにしたが、上記固定電極リング１０Ａ〜１０Ｃをレーザー照射によって切断するようにしてもよい。この場合は、従来のレーザー加工の技術を応用することができる。

１…シリコン基板、２…可動電極、
３…固定電極、４…支持層、
５…絶縁膜、６…固定電極パッド、
７…音孔（アコーステックホール）、
９…連結ライン、
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…固定電極リング（トリミング用）、
１３，１４…配線、１５Ａ〜１５Ｃ…電極パッド、
Ｇ…エアーギャップ。

Claims

基板上に配置された固定電極と、この固定電極にエアーギャップを介して略平行に配置された可動電極とを備えるＭＥＭＳ素子において、
上記固定電極の外周に、該固定電極と切り離し可能に接続された複数のトリミング用固定電極を設けたことを特徴とするＭＥＭＳ素子。
上記固定電極と上記トリミング用固定電極との間に、このトリミング用固定電極を切断するためのヒューズ部を形成し、かつこのヒューズ部に切断電流を流すための切断用電極を配線したことを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳ素子。
基板上に配置された固定電極と、この固定電極にエアーギャップを介して略平行に配置された可動電極とを備えるＭＥＭＳ素子の製造方法において、
上記固定電極の外周に、該固定電極と切り離し可能な複数のトリミング用固定電極を接続し、選択された上記トリミング用固定電極を切り離すことにより、所望のプルイン電圧に設定することを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
上記トリミング用固定電極と上記固定電極との間に、切断のためのヒューズ部を形成し、かつこのヒューズ部に切断用電極を配線し、
この切断用電極から上記ヒューズ部に切断電流を流すことにより、選択された上記トリミング用固定電極を上記固定電極から切り離すことを特徴とする請求項３記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。