JP7125004B2 - Ｍｅｍｓ素子 - Google Patents

Description

この発明はＭＥＭＳ素子に関し、特にマイクロフォン、各種センサ等として用いられるＭＥＭＳ素子に関する。

半導体プロセスを用いたＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)素子として、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）構造が形成された容量型のＭＥＭＳ素子が知られている。

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５に模式的に示す。ハンドル基板２１上に絶縁膜２２を介して導電性の可動電極を含む可動電極膜２３（振動膜に相当）と導電性の固定電極を含む固定電極膜２４がスペーサー２５を介して配置され、音圧等を受けて可動電極膜２３が振動すると、固定電極膜２４との間の距離が変化し、固定電極膜２４の固定電極と可動電極膜２３の可動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、可動電極膜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。

特開２０１１－５５０８７号公報

ところで、この種のＭＥＭＳ素子では図５に示すように、可動電極膜２３はその周囲をスペーサー２５と絶縁膜２２によって挟持、固定されており、大きな音圧等を受けた場合であっても、その変位量に限界があった。そのため一般的なＭＥＭＳ素子では、可変電極膜２３の変位から生じる容量値の変化は数パーセント以下程度で、センサー感度は非常に低く、高感度化が望まれていた。本発明はこのような実状に鑑み、感度の高い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ハンドル基板と、該ハンドル基板上に固定された振動膜を備えたＭＥＭＳ素子において、前記振動膜の一部がトランジスタ形成領域となり、該トランジスタ形成領域は、前記振動膜の一部を取り囲むように配置した一本のスリットにより区画された自由端を備えることで、前記ハンドル基板上に固定された前記振動膜の振動より大きく振動可能となる振動領域を含み、該振動領域上に少なくともトランジスタの一部を配置し、前記振動領域の振動に伴い変動する前記トランジスタの出力電流を検知信号として出力す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、前記トランジスタは、相互に離間する第１の領域と第２の領域との間に流れる電流が前記第１の領域と前記第２の領域間に配置した第３の領域に印加する電圧により制御される構造であり、前記第１の領域あるいは前記第２の領域の少なくともいずれか一方を、前記振動領域に配置し、前記第１の領域と前記第２の領域間の電圧および前記第３の領域への印加電圧を所定の値としたとき、前記振動領域の振動に伴い変動する前記第１の領域と前記第２の領域との間に流れる電流を前記検知信号として出力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または２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、少なくとも前記振動膜の一部を半導体からなる膜とし、該半導体からなる膜に前記トランジスタが形成されていることを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項１乃至３いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、導電性の前記振動膜上にスペーサーを介して導電性の対向電極膜を対向配置し、該対向電極膜と前記振動膜間に所定の電位を印加可能としたことを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、ハンドル基板に固定された振動膜より大きく振動可能な振動領域を備え、この振動領域にトランジスタを配置する構成としている。そのため、トランジスタを構成する膜が振動領域の振動とともに歪み、ピエゾ効果によりトランジスタの出力電流が変動する。このトランジスタの非飽和領域の出力電流を検知信号として出力する構成とすることで、振動の大きさの変化に対して検知信号の変化が大きくなり、感度の高いＭＥＭＳ素子を得ることが可能となる。

本発明のＭＥＭＳ素子の振動膜は、トランジスタを構成する半導体からなる膜で構成し、トランジスタを構成する膜自体が振動する構成とすることで、感度の高いＭＥＭＳ素子を得ることが可能となる。

また本発明のＭＥＭＳ素子は、振動膜上に複数のトランジスタ形成領域を配置することができ、それぞれのトランジスタの出力電流を合算して検知信号とすることも可能となる。

さらに本発明において、振動膜に対向するように対向電極膜を配置し、振動膜と対向電極膜間に所定の電圧を印加した状態で振動可能とすることで、振動膜に歪が生じていない状態あるいは振動膜が大きく振動可能な状態でＭＥＭＳ素子を動作させ、感度の高いＭＥＭＳ素子を得ることが可能となる。

本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図である。 本発明の第１の実施例のスリットの配置を説明する図である。 本発明の第１の実施例のトランジスタ形成領域を説明する図である。 本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図である。 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、ハンドル基板上に固定された振動膜の一部にスリットを形成し、自由端を備える振動領域を備えている。この自由端を備えることで、ハンドル基板に固定された振動膜に比べて振動領域は大きく振動する。本発明は、この振動領域にトランジスタを備える構成とし、トランジスタを構成する膜の振動に伴うピエゾ効果による出力信号の変動から検知結果を得る構成となっている。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素子としてマイクロフォンを例にとり説明する。本発明のマイクロフォンは、結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコンからなるハンドル基板１上に、厚さ１μｍ程度の熱酸化膜２を介して、厚さ２μｍ程度の単結晶シリコン膜からなる振動膜３が積層形成されている。シリコン基板上に絶縁膜を介して単結晶の半導体層が形成されているＳＯＩ基板を用いることもでき、単結晶シリコン膜を振動膜３としても良い。ハンドル基板１には、一部が除去されバックチャンバー４が形成されている。振動膜３の一部は、トランジスタを形成するためＰ型領域６となっている。

また振動膜３には、スリット５が形成されている。スリット５は、例えば図２に示す配置とする。なお図２は、図１に示す振動膜３の一部となる振動膜３ａにスリット５を形成した例を示している。図１に示すように振動膜３は、熱酸化膜２を介してハンドル基板１に固定されている。これに対して図２に示すようにスリット５を形成すると、スリット５によって囲まれた領域（区画された領域）は、自由端を有する可動片となり、ハンドル基板１に固定された領域より大きく振動することが可能な振動領域３ｂを形成することになる。

図３は、スリット５によって囲まれたトランジスタ形成領域の一部を拡大した断面図である。図２に示すように２つのスリット５によって囲まれた２つの振動領域３ｂと、２つの振動領域３ｂの間の振動膜３とからなるトランジスタ形成領域に、２つのトランジスタが形成されている。図３の示す例は、ＭＯＳ型トランジスタを２個形成した場合を示している。

図３に示すＭＯＳ型トランジスタは、通常の製造方法により形成可能である。具体的には、ハンドル基板１となるシリコン基板上に振動膜３となる単結晶シリコン膜を形成し、この単結晶シリコン膜の一部にイオン注入してＰ型領域６を形成し、Ｐ型領域６上にゲート酸化膜７とゲート電極８を形成する。このゲート電極８の両端に不純物イオンを注入等してＮ型のソース領域９およびドレイン領域１０を形成すれば良い。なお、図３ではソース領域９、ドレイン領域１０に接続する電極や、ゲート電極８等の引出電極については記載を省略している。

通常のＭＥＭＳ素子の製造方法に従えば、上記説明したＭＯＳ型トランジスタを形成した後、ハンドル基板１の裏面側の一部を除去してバックチャンバー４を形成することで図１に示すＭＥＭＳ素子が形成できる。

このような構造のＭＥＭＳ素子では、振動膜３に音圧等が印加した場合、振動膜３が変形する。その際本実施例のＭＥＭＳ素子では、スリット５により区画された振動領域３ｂは、自由端を有しておりハンドル基板１に固定されている振動膜３の振動より大きく振動することが可能となる。そのため大きな音圧等が印加された場合、振動領域３ｂは大きく振動する。

振動領域３ｂにはＭＯＳ型トランジスタが形成されており、図３に示す例では、ソース領域９側が大きく振動することになる。つまり、ＭＯＳ型トランジスタが動作状態となるようにソース－ドレイン間、ゲート電極にそれぞれ所望の電圧を印加し、ソース－ドレイン間に所定の電流が流れている状態で、振動領域３ｂが大きく振動すると、ソース領域９、ソース領域９とドレイン領域１０の間のチャネル領域、さらにドレイン領域が圧縮されあるいは伸張され、ピエゾ効果によりソース－ドレイン間に流れる電流が変化する。この電流値を検出信号とすることで、振動領域が受ける音圧等の変化を検出することが可能となる。

図３に示す例では、２つの振動領域３ｂが対称となるように配置され、さらにその２つの振動領域３ｂの中心に対称となるように２つのＭＯＳ型トランジスタが配置されている。その結果、電流値の変化は２倍となり出力される構成となっている。

次に第２の実施例について説明する。上述の第１の実施例のＭＥＭＳ素子は、振動領域は音圧等が印加された場合、その大きさに応じて振動することになる。これに対し、導電性の対向電極膜を配置し、その振動を制御することも可能である。

図４は、本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の説明図である。上記第１の実施例で説明したＭＥＭＳ素子にスペーサー１１を介して対向電極膜１２を配置している。この対向電極膜１２は、容量型のトランスデューサーの固定電極膜に相当し、音圧等により変動しないように貫通孔１３が形成されている。

振動膜３と対向電極膜１２は、それぞれ導電性を有する材料で構成し、導電性の振動膜３（Ｐ型領域６）と導電性の対向電極膜１２に所定の電圧を印加する構成とする。この電圧の印加により、振動膜３、特に振動領域３ｂの変位を制御することができる。例えば、振動のない状態では振動領域３ｂは歪まない状態であるが、振動が加わり、振動領域３ｂが対向電極膜１２に近づくと静電引力が加わり端部の変位が増すようにすることで、トランジスタのソース－ドレイン間電流の変化が増大するように構成することができる。

以上本発明のＭＥＭＳ素子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、上記実施例では、振動膜３上に２つのＭＯＳ型トランジスタを形成した例を説明したが、複数のトランジスタから得られる出力信号が加算されるように配置する等すればトランジスタの数は適宜選択可能である。またＭＯＳ型トランジスタに限らず、バイポーラ型トランジスタ等適宜選択することができる。さらにまた振動膜３を半導体膜のみで形成する場合に限定されるものでもなく、絶縁膜と半導体膜の積層構造等適宜選択することが可能である。

１：ハンドル基板、２：熱酸化膜、３：振動膜、３ｂ：振動領域、４：バックチャンバー、５：スリット、６：Ｐ型領域、７：ゲート酸化膜、８：ゲート電極、９：ソース領域、１０：ドレイン領域、１１：スペーサー、１２：対向電極膜、１３：貫通孔、２１：ハンドル基板、２２：絶縁膜、２３：可動電極膜、２４：固定電極膜、２５：スペーサー

Claims (4)

1. バックチャンバーを備えたハンドル基板と、該ハンドル基板上に固定された振動膜を備えたＭＥＭＳ素子において、
   前記振動膜の一部がトランジスタ形成領域となり、
   該トランジスタ形成領域は、前記振動膜の一部を取り囲むように配置した一本のスリットにより区画された自由端を備えることで、前記ハンドル基板上に固定された前記振動膜の振動より大きく振動可能となる振動領域を含み、
   該振動領域上に少なくともトランジスタの一部を配置し、
   前記振動領域の振動に伴い変動する前記トランジスタの出力電流を検知信号として出力す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、
   前記トランジスタは、相互に離間する第１の領域と第２の領域との間に流れる電流が前記第１の領域と前記第２の領域間に配置した第３の領域に印加する電圧により制御される構造であり、
   前記第1の領域あるいは前記第２の領域の少なくともいずれか一方を、前記振動領域に配置し、
   前記第1の領域と前記第２の領域間の電圧および前記第３の領域への印加電圧を所定の値としたとき、前記振動領域の振動に伴い変動する前記第１の領域と前記第２の領域との間に流れる電流を前記検知信号として出力することを特徴とするＭＥＭＳ素子。
3. 請求項１または２いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、少なくとも前記振動膜の一部を半導体からなる膜とし、該半導体からなる膜に前記トランジスタが形成されていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
4. 請求項１乃至３いずれか記載のＭＥＭＳ素子において、導電性の前記振動膜上にスペーサーを介して導電性の対向電極膜を対向配置し、該対向電極膜と前記振動膜間に所定の電位を印加可能としたことを特徴とするＭＥＭＳ素子。

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