JP7120543B2 - Manufacturing method of MEMS element - Google Patents
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Description
本発明は、MEMS素子に関し、特にトランスデューサ等の各種センサとして用いることができるMEMS素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a MEMS element, and more particularly to a method for manufacturing a MEMS element that can be used as various sensors such as transducers.
半導体プロセスを用いて形成される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)構造が形成される。 A MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) element formed using a semiconductor process forms a movable electrode, a sacrificial layer, and a fixed electrode on a semiconductor substrate. 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。 For example, in a capacitive MEMS element, a fixed electrode having a plurality of through-holes and a movable electrode that vibrates when receiving sound pressure or the like are placed facing each other. It is configured to be detected as A MEMS element of this type is described, for example, in Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-200013.
一般的なこの種のMEMS素子の断面図を図9に示す。図9に示すように、支持基板となるシリコン基板21上に熱酸化膜からなる絶縁膜22を介して、可動電極23と固定電極24とがスペーサー25を介して配置され、固定電極24は全面を支持膜26により支持されている。固定電極24と支持膜26には複数の貫通孔27が形成されており、この貫通孔27を介して音圧等を受けて可動電極23が変位することで、固定電極24と可動電極23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23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。
FIG. 9 shows a cross-sectional view of a typical MEMS element of this type. As shown in FIG. 9, a
通常、固定電極24は導電性ポリシリコン膜等で構成され、支持膜はシリコン窒化膜等で構成される。これらの膜は、一般的に自身が縮む方向に応力が働く引張応力を有し、シリコン窒化膜28の引張応力は、導電性ポリシリコン膜29の引張応力よりも大きい。このため、これらの膜を積層すると、図10に模式的に示すように、導電性ポリシリコン膜29側に凸形状となる反りを生じる。したがって、固定電極24および支持膜26は、図11に示すように、可動電極23側に凸形状となる反りを生じてしまう。このような固定電極24の反りは、固定電極24と可動電極23との間隙を狭め、可動電極23の可動域を制限し、ダイナミックレンジの狭小化を招いてしまう。
Normally, the
そこでこの問題を解決するため、支持膜に自身が拡がる方向に応力が働く圧縮応力を有する膜を積層することで、この膜の圧縮応力により支持膜の引張応力を緩和し、固定電極の反りの発生を抑制する技術が開示されている(特許文献2)。 Therefore, in order to solve this problem, by stacking a film having a compressive stress in the direction in which the supporting film itself expands, the compressive stress of this film relaxes the tensile stress of the supporting film and prevents the warp of the fixed electrode. A technique for suppressing the occurrence has been disclosed (Patent Document 2).
ところで、支持膜の引張応力を、圧縮応力をもつ膜を積層することで緩和し、固定電極の反りを抑制する方法は、所望の圧縮応力をもつ膜を形成する必要があり、制御性が低く、歩留まりが悪いという問題点があった。本発明は、このような問題点を解消し、簡便に固定電極の反りの発生を抑制することができるMEMS素子の製造方法を提供することを目的とする。 By the way, the method of relaxing the tensile stress of the supporting film by stacking films with compressive stress and suppressing the warp of the fixed electrode requires forming a film with a desired compressive stress, and the controllability is low. , there was a problem that the yield was poor. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a MEMS element that can solve such problems and easily suppress the occurrence of warping of fixed electrodes.
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配置したMEMS素子の製造方法において、前記基板表面に絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜上に前記可動電極を形成する工程と、該可動電極上に、第1の犠牲層を形成する工程と、該第1の犠牲層上に前記固定電極を形成する工程と、該固定電極上に第2の犠牲層を形成する工程と、該第2の犠牲層上に支持膜を形成する工程と、前記支持膜、前記第2の犠牲層および前記固定電極を貫通する貫通孔であって、接続部形成予定領域の前記貫通孔の径を前記接続部形成予定領域以外の前記貫通孔の径より小さく形成する工程と、前記基板の一部をエッチング除去し、前記バックチャンバーを形成する工程と、前記貫通孔から前記第1の犠牲層の一部をエッチング除去し、前記スペーサーを形成し、前記固定電極と前記可動電極との間にエアーギャップを形成すると同時に、前記第2の犠牲層の一部を除去し、前記固定電極と前記支持膜の間であって径を小さく形成した前記貫通孔の周辺に前記接続部を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
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配置したMEMS素子の製造方法において、前記基板表面に絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜上に前記可動電極を形成する工程と、該可動電極上に、第1の犠牲層を形成する工程と、該第1の犠牲層上に前記固定電極を形成する工程と、該固定電極上に第2の犠牲層を形成する工程と、該第2の犠牲層上に支持膜を形成する工程と、接続部形成予定領域の前記支持膜および前記第2の犠牲層を除去し、接続部材を充填する工程と、前記支持膜、前記第2の犠牲層および前記固定電極を貫通する貫通孔を形成する工程と、前記基板の一部をエッチング除去し、前記バックチャンバーを形成する工程と、前記貫通孔から前記第1の犠牲層の一部をエッチング除去し、前記スペーサーを形成し、 前記固定電極と前記可動電極との間にエアーギャップを形成すると同時に、前記第2の犠牲層を除去し、前記固定電極と前記支持膜の間に前記接続部材からなる接続部を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
The invention according to
本発明のMEMS素子の製造方法によるMEMS素子は、固定電極と支持膜との間に間隙を有し、この間隙に固定電極と支持膜とを接続する接続部を配置して、固定電極を支持膜で支持する構造とすることで、固定電極の全面に支持層を積層することで生じる引張応力の影響を受けることが無く、固定電極が可動電極側に凸形状となる反りの発生を抑制することができる。 The MEMS element according to the method for manufacturing a MEMS element of the present invention has a gap between the fixed electrode and the support film, and the connection part for connecting the fixed electrode and the support film is arranged in the gap to support the fixed electrode. By adopting a structure in which the fixed electrode is supported by a film, it is not affected by the tensile stress generated by laminating the support layer on the entire surface of the fixed electrode, and the occurrence of warpage in which the fixed electrode is convex toward the movable electrode is suppressed. be able to.
また、本発明のMEMS素子の製造方法によれば、接続部を形成する際、固定電極、第2の犠牲層および支持膜に形成する貫通孔の径を小さくすることで、固定電極と支持膜の間に第2の犠牲層を残留させることができるため、接続部を所望の位置に非常に簡便に形成することができる。 Further, according to the manufacturing method of the MEMS element of the present invention, when forming the connecting portion, by reducing the diameter of the through holes formed in the fixed electrode, the second sacrificial layer, and the support film, the fixed electrode and the support film are separated from each other. Since the second sacrificial layer can be left in between, the connection can be very easily formed at a desired position.
さらにまた、接続部を形成する際、接続部形成予定領域の支持膜および第2の犠牲層をエッチング除去し、接続部材を充填することでも形成できるため、制御性が非常に良く、接続部を所望の位置に所望の形状で簡便に形成することが可能となる。 Furthermore, when forming the connecting portion, the supporting film and the second sacrificial layer in the region where the connecting portion is to be formed can be removed by etching, and the connecting member can be filled. It is possible to easily form a desired shape at a desired position.
本発明のMEMS素子の製造方法によるMEMS素子は、固定電極と支持膜との間に間隙を有し、この間隙に固定電極と支持膜とを接続する接続部を配置することで、固定電極を支持膜で支持する構造のため、固定電極の全面に支持層を積層することで生じる引張応力の影響を受けることが無く、固定電極が可動電極側に凸形状となる反りの発生を抑制することができる。以下、本発明のMEMS素子の製造方法に従い、本発明の実施例について詳細に説明する。 The MEMS element according to the manufacturing method of the MEMS element of the present invention has a gap between the fixed electrode and the support film, and the connection portion for connecting the fixed electrode and the support film is arranged in the gap, whereby the fixed electrode is Due to the structure supported by the support film, the fixed electrode is not affected by the tensile stress generated by laminating the support layer on the entire surface of the fixed electrode, and the occurrence of warpage in which the fixed electrode is convex toward the movable electrode is suppressed. can be done. Examples of the present invention will now be described in detail according to the method for manufacturing a MEMS element of the present invention.
本発明の第1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、その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1μm程度の熱酸化膜2(SiO2)を形成する。その後、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を行い、可動電極3を形成する。この可動電極3上に厚さ2~5μm程度のUSG(Undoped Silicate Glass)膜からなる第1の犠牲層4を積層する(図1)。
A first embodiment of the present invention will be described by taking a capacitor microphone as an example of a MEMS element and following its manufacturing process. First, a thermal oxide film 2 (SiO 2 ) having a thickness of about 1 μm is formed on a
次に、第1の犠牲層4上に、厚さ1.1~3.0μm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を通常のフォトリソグラフ法によりパターニングした後、熱酸化を行い、厚さ0.1~1.0μm程度の導電性ポリシリコン膜からなる固定電極5と厚さ1~2μm程度の熱酸化膜からなる第2の犠牲層6を形成する。次に、全面に厚さ0.1~2.0μm程度のシリコン窒化膜からなる支持膜7を積層する(図2)。
Next, a conductive polysilicon film having a thickness of about 1.1 to 3.0 μm is laminated on the first
その後、固定電極5、第2の犠牲層6および支持膜7に、貫通孔8を形成し、犠牲層4を露出させる。ここで、後工程で固定電極5と支持膜7を接続する接続部を形成するため、径の小さな貫通孔8aを、例えば、一例として、図3に示すように、中央部に形成する。
After that, a
次に、シリコン基板1の裏面から熱酸化膜2が露出するまでシリコン基板1の一部を除去し、バックチャンバー9を形成する(図4)。
Next, a portion of the
最後にエッチングによりバックチャンバー9内に露出する熱酸化膜2を除去するとともに、第1の犠牲層4の一部を除去し、スペーサー10を介して固定電極5と可動電極3との間にエアーギャップ11が形成される。また、このエッチングにより、貫通孔8、8a内に露出する第2の犠牲層6も除去されるが、中央の貫通孔8aの径のみを小さく形成しているため、中央の貫通孔8aは他の貫通孔8に比べてエッチング液の侵入量が少ない。さらに、中央の貫通孔8aを除く隣り合う貫通孔8間は一定距離であるが、中央の貫通孔8aと隣り合う貫通孔8との距離は、中央の貫通孔8aを除く貫通孔8間の一定距離よりも長くなっている。このため、図5(a)および図5(a)のA-A´面の断面図で固定電極5と接続部12を図5(b)に示すように、エッチングを行うと中央部にのみ第2の犠牲層が残留し、この残留した第2の犠牲層が固定電極5と支持膜7を接続する接続部12となり、支持膜7の中央部で固定電極5を支持する形状となる。ここで、図5(a)および図5(b)に示す接続体12は6本の柱状体であるが、一部あるいはすべてが連結してもよい。つまり、接続体12は少なくとも一つの柱状体であればく、その断面も円形とは限らない。
Finally, the
図5(a)および図5(b)に示す構造のMEMS素子では、固定電極5と支持膜7との間に間隙13を有し、この間隙13に配置する接続部12により支持膜7の中央部で固定電極5を支持する形状であるため、固定電極5の全面に支持膜7を積層することで生じる引張応力の影響を受けることが無く、固定電極5が可動電極3側に凸形状となる反りの発生を抑制することができる。
5(a) and 5(b) has a
また、本実施例では、接続部を中央部に形成したものを一例として記載したが、中央部以外や複数か所に形成しても、固定電極が可動電極側に凸形状となる反りの発生を抑制することができる。ただし、この場合、接続部をバランスよく配置することが望ましい。 In addition, in the present embodiment, an example in which the connecting portion is formed in the central portion is described. can be suppressed. However, in this case, it is desirable to arrange the connecting portions in a well-balanced manner.
接続部を形成する際には、固定電極、第2の犠牲層および支持膜に形成する貫通孔の径を小さくすることで、固定電極と支持膜の間に第2の犠牲層を残留させることができるため、本実施例の接続部の形成方法により、接続部を形成する位置を限定されることもない。 When forming the connecting portion, the diameters of the through holes formed in the fixed electrode, the second sacrificial layer, and the supporting film are reduced so that the second sacrificial layer remains between the fixed electrode and the supporting film. Therefore, the position of forming the connecting portion is not limited by the method of forming the connecting portion of this embodiment.
次に、本発明の第2の実施例について説明する。まず、上記第1の実施例と同様、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(SiO2)を形成する。その後、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を行い、可動電極3を形成する。この可動電極3上に厚さ2~5μm程度のUSG(Undoped Silicate Glass)膜からなる第1の犠牲層4を積層する(図1)。次に、第1の犠牲層4上に、厚さ1.1~3.0μm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を通常のフォトリソグラフ法によりパターニングした後、熱酸化を行い、厚さ0.1~1.0μm程度の導電性ポリシリコン膜からなる固定電極5と厚さ1~2μm程度の熱酸化膜からなる第2の犠牲層6を形成する。次に、全面に厚さ0.1~2.0μm程度のシリコン窒化膜からなる支持膜7を積層する(図2)。
Next, a second embodiment of the invention will be described. First, as in the first embodiment, a thermal oxide film 2 (SiO 2 ) having a thickness of about 1 μm is formed on a
その後、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、接続部形成予定領域の支持膜7および第2の犠牲層6をエッチング除去し、固定電極5を露出させる。ここで、接続部形成予定領域は後工程で形成する貫通孔と重ならない配置とする。エッチング除去した接続部形成予定領域内を充填し、支持膜7上に表面が平坦化されたポリシリコンからなる接続部材を形成した後、エッチバックし、支持膜7を露出することで、接続部形成予定領域内に選択的に接続部材を充填することができる。この接続部材が接続部14となる(図6)。
After that, patterning is performed by a normal photolithographic method to etch away the
次に、固定電極5、第2の犠牲層6および支持膜7を貫通する貫通孔8を形成し、第1の犠牲層4を露出させる。ここで貫通孔8の径は、上記第1の実施例と異なり、一定であることが好ましい。その後、シリコン基板1の裏面から熱酸化膜2が露出するまでシリコン基板1の一部を除去し、バックチャンバー9を形成する(図7)。
Next, a through
最後にエッチングによりバックチャンバー9内に露出する熱酸化膜2を除去するとともに、第1の犠牲層4の一部および貫通孔8内に露出する第2の犠牲層6を除去する。その結果、図8に示すように、スペーサー10を介して固定電極5と可動電極3との間にエアーギャップ11が形成されるとともに、固定電極5と支持膜7が接続部14で接続され、支持膜7の中央部で固定電極5を支持する形状となる。ここで、接続部は例えば円柱体や多角形柱体などでもよく、柱状体であればよい。
Finally, the
図8に示す構造のMEMS素子では、第1の実施例と同様に、固定電極5と支持膜7との間に間隙13を有し、この間隙13に配置した接続部13により支持膜7の中央部で固定電極5を支持する形状であるため、固定電極5の全面に支持膜7を積層することで生じる引張応力の影響を受けることが無く、固定電極5が可動電極3側に凸形状となる反りの発生を抑制することができる。
The MEMS element having the structure shown in FIG. 8 has a
また、本実施例では、接続部を中央部に2つ配置したものを一例として記載したが、少なくとも1つ配置すればよく、中央部以外に複数配置してもよい。ただし、この場合、接続部をバランスよく配置することが望ましい。 In addition, in this embodiment, two connecting portions are arranged in the central portion as an example, but at least one connecting portion may be arranged, and a plurality of connecting portions may be arranged other than in the central portion. However, in this case, it is desirable to arrange the connecting portions in a well-balanced manner.
さらにまた、接続部は通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、接続部形成予定領域の支持膜7および第2の犠牲層6をエッチング除去し、接続部材を充填することで形成できるため、制御性が非常に良く、所望の位置に所望の形状の接続部を簡便に形成することが可能となる。
Furthermore, the connecting portion can be formed by patterning by a normal photolithographic method, etching away the supporting
以上本発明の実施例について説明したが、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、固定電極5と支持膜7とが端部で直接接続する構造を記載したが、必ずしもその構造である必要はなく、接続部により支持膜が固定電極の端部付近を支持していればよく固定電極と支持膜の端部が直接接続しない構造であってもよい。
Although the embodiments of the present invention have been described above, it goes without saying that the present invention is not limited to the above embodiments. For example, although the structure in which the fixed
1、21:シリコン基板、2、22:熱酸化膜、3、23:可動電極、4:第1の犠牲層、5、24:固定電極、6:第2の犠牲層、7、26:支持膜、8、8a、27:貫通孔、9:バックチャンバー、10、25:スペーサー、11:エアーギャップ、12、14:接続部、13:間隙、28:シリコン窒化膜、29:導電性ポリシリコン膜 1, 21: Silicon substrate, 2, 22: Thermal oxide film, 3, 23: Movable electrode, 4: First sacrificial layer, 5, 24: Fixed electrode, 6: Second sacrificial layer, 7, 26: Support Film, 8, 8a, 27: through hole, 9: back chamber, 10, 25: spacer, 11: air gap, 12, 14: connection part, 13: gap, 28: silicon nitride film, 29: conductive polysilicon film
Claims (2)
前記基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
該絶縁膜上に前記可動電極を形成する工程と、
該可動電極上に、第1の犠牲層を形成する工程と、
該第1の犠牲層上に前記固定電極を形成する工程と、
該固定電極上に第2の犠牲層を形成する工程と、
該第2の犠牲層上に支持膜を形成する工程と、
前記支持膜、前記第2の犠牲層および前記固定電極を貫通する貫通孔であって、接続部形成予定領域の前記貫通孔の径を前記接続部形成予定領域以外の前記貫通孔の径より小さく形成する工程と、
前記基板の一部をエッチング除去し、前記バックチャンバーを形成する工程と、
前記貫通孔から前記第1の犠牲層の一部をエッチング除去し、前記スペーサーを形成し、
前記固定電極と前記可動電極との間にエアーギャップを形成すると同時に、前記第2の犠牲層の一部を除去し、前記固定電極と前記支持膜の間であって径を小さく形成した前記貫通孔の周辺に前記接続部を形成する工程と、を含むことを特徴とするMEMS素子の製造方法。 In a method for manufacturing a MEMS element in which a fixed electrode and a movable electrode are arranged with a spacer interposed on a substrate provided with a back chamber,
forming an insulating film on the surface of the substrate;
forming the movable electrode on the insulating film;
forming a first sacrificial layer on the movable electrode;
forming the fixed electrode on the first sacrificial layer;
forming a second sacrificial layer on the fixed electrode;
forming a support film on the second sacrificial layer;
A through hole passing through the support film, the second sacrificial layer, and the fixed electrode, wherein the diameter of the through hole in the connection portion formation scheduled region is smaller than the diameter of the through hole other than the connection portion formation scheduled region. forming;
etching away a portion of the substrate to form the back chamber;
etching away a portion of the first sacrificial layer from the through hole to form the spacer;
At the same time as forming an air gap between the fixed electrode and the movable electrode, a part of the second sacrificial layer is removed, and the through hole is formed between the fixed electrode and the support film with a small diameter. and forming the connecting portion around the hole .
前記基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
該絶縁膜上に前記可動電極を形成する工程と、
該可動電極上に、第1の犠牲層を形成する工程と、
該第1の犠牲層上に前記固定電極を形成する工程と、
該固定電極上に第2の犠牲層を形成する工程と、
該第2の犠牲層上に支持膜を形成する工程と、
接続部形成予定領域の前記支持膜および前記第2の犠牲層を除去し、接続部材を充填する工程と、
前記支持膜、前記第2の犠牲層および前記固定電極を貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記基板の一部をエッチング除去し、前記バックチャンバーを形成する工程と、
前記貫通孔から前記第1の犠牲層の一部をエッチング除去し、前記スペーサーを形成し、 前記固定電極と前記可動電極との間にエアーギャップを形成すると同時に、前記第2の犠牲層を除去し、前記固定電極と前記支持膜の間に前記接続部材からなる接続部を形成する工程と、を含むことを特徴とするMEMS素子の製造方法。 In a method for manufacturing a MEMS element in which a fixed electrode and a movable electrode are arranged with a spacer interposed on a substrate provided with a back chamber,
forming an insulating film on the surface of the substrate;
forming the movable electrode on the insulating film;
forming a first sacrificial layer on the movable electrode;
forming the fixed electrode on the first sacrificial layer;
forming a second sacrificial layer on the fixed electrode;
forming a support film on the second sacrificial layer;
a step of removing the support film and the second sacrificial layer in the region where a connection portion is to be formed, and filling the connection member;
forming a through hole penetrating through the support film, the second sacrificial layer and the fixed electrode;
etching away a portion of the substrate to form the back chamber;
Etching away a portion of the first sacrificial layer from the through hole to form the spacer, forming an air gap between the fixed electrode and the movable electrode, and simultaneously removing the second sacrificial layer. and forming a connecting portion composed of the connecting member between the fixed electrode and the supporting film.
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