JP7226683B2 - Ｍｅｍｓ素子の製造方法 - 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)素子では、半導体基板上に固定電極、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、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。

従来のＭＥＭＳ素子の断面斜視図を図９に示す。図９に示すように、シリコン基板からなるハンドル基板１上に熱酸化膜からなる絶縁膜２を介して、導電性の可動電極を含む可動電極膜３が接合している。この可動電極膜３上にはスペーサー４と導電性の固定電極を含む固定電極膜５が積層形成され、固定電極膜５がスペーサー４に接合している。ハンドル基板１には、バックチャンバー６が形成されている。この種のＭＥＭＳ素子は、例えば特許文献１に記載されている。

図１０に、図９に示すＭＥＭＳ素子を構成する可動電極膜３等の相互の位置関係を説明する図を示す。図１０では、図９に記載した貫通孔９や引出電極１０等の記載は省略している。図９および図１０に示すように、矩形のハンドル基板１に円柱状の空洞となるバックチャンバー６が形成されており、このバックチャンバー６側に絶縁膜２の円形の端部と、スペーサー４の円形の端部がそれぞれ配置している。絶縁膜２とスペーサー４の他端は、矩形のハンドル基板１の外形と同じ形状となっている。可動電極膜３は、引出電極１０を形成するための領域を除けばほぼ円形の平面形状で、絶縁膜２とともにハンドル基板１とスペーサー４により挟持され、接合している。また、可動電極膜３同様に、ほぼ円形の平面形状の固定電極膜５は、スペーサー４上に接合し支持されている。

バックチャンバー６や、可動電極膜３、スペーサー４および固定電極膜５で囲まれるエアーギャップなどの音響空間は、可動電極膜３の中心に音圧等を集中させるため円柱状の空間としている。

ところで、図９および図１０に示すように、バックチャンバー６周囲のハンドル基板１の壁厚や、エアーギャップ周囲のスペーサー４の壁厚は、周方向にわたって均一となっていない。

具体的には、ハンドル基板１の四隅では図１０に寸法Ａで示すスペーサー４が残り、さらにバックチャンバー６の端部までの寸法だけ寸法Ａより大きい寸法のハンドル基板１が残ることになる。これに対し、ハンドル基板１の各辺の中央部では、寸法Ａより短い寸法Ｂに相当するスペーサー４が残り、さらにバックチャンバー６の端部までの寸法だけ寸法Ｂより大きい寸法のハンドル基板１が残ることになる。絶縁膜２の寸法も同様の傾向となる。寸法Ａと寸法Ｂは一致していないことがわかる。

特許第５５１３８１３号公報

一般的な従来のＭＥＭＳ素子では、可動電極膜３および固定電極膜５と接合するハンドル基板１あるいはスペーサー４の壁厚は、可動電極膜３等の周方向にわたって不均一となっている。これによりハンドル基板１等から可動電極膜３等に加わる応力も、可動電極膜３等の周方向で不均一となってしまう。その結果、例えば温度変化によりハンドル基板１から可動電極膜３等に応力が加わることで、可動電極膜３の振動特性や、可動電極膜３と固定電極膜５との間の寸法が不均一に変動し、ＭＥＭＳ素子の出力に影響を与えてしまうという問題が生じる。本発明は、このような問題点を解消し、ハンドル基板１やスペーサー４から可動電極膜３や固定電極膜５へ加わる応力の影響を少なくしたＭＥＭＳ素子の製造方法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、円形のバックチャンバーを備えた矩形のハンドル基板上に、固定電極を含む固定電極膜と可動電極を含む可動電極膜とをスペーサーを介して対向配置するように形成したＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記ハンドル基板上に、犠牲層を挟んだ前記可動電極膜と前記固定電極膜とを形成する工程と、前記固定電極膜に貫通孔を形成する工程と、前記固定電極膜および前記可動電極膜と接合する前記犠牲層と前記ハンドル基板の表面の一部を円柱状に残して除去する工程と、前記ハンドル基板の一部を除去し、前記バックチャンバーを形成することで、前記円柱状に残したハンドル基板の表面を、壁厚が均一なドーナツ形状とする工程と、前記犠牲層の一部をエッチング除去し、前記固定電極膜と前記可動電極膜との間のエアーギャップを形成することで、前記円柱状に残した犠牲層を、壁厚が均一なドーナツ形状のスペーサーとする工程と、を含むことを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法によるＭＥＭＳ素子は、可動電極膜と固定電極膜が接合するスペーサーあるいはハンドル基板表面の形状をドーナツ形状とすることで、可動電極膜と固定電極膜に加わる応力を周方向で均一となるように構成している。その結果、可動電極膜や固定電極膜に対して不均一の応力集中を防ぐことができ、ＭＥＭＳ素子の特性変動を抑えることを可能としている。

また本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法は、一般的な半導体装置の製造工程に使用される工程のみで構成され、歩留まり良く形成することができる。

本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法によるＭＥＭＳ素子を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法によるＭＥＭＳ素子を説明する図である。 従来のＭＥＭＳ素子を説明する図である。 従来のＭＥＭＳ素子を説明する図である。

本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法によるＭＥＭＳ素子は、可動電極膜３および固定電極膜５と接合するハンドル基板１およびスペーサー４の形状を壁厚が均一のドーナツ形状とし、ハンドル基板１およびスペーサー４から可動電極膜３および固定電極膜５への不均一な応力集中等の影響を抑えることができる構成となっている。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

本発明のＭＥＭＳ素子について、その製造工程に従い説明する。本実施例では、複数のＭＥＭＳ素子が同時に形成されるが、以下の説明は１個のＭＥＭＳ素子の形成予定領域のみを図示するものとする。まず、シリコン基板からなるハンドル基板１を用意し、ハンドル基板１表面に絶縁膜２を形成する。その後、ハンドル基板１表面の絶縁膜２上に導電性のポリシリコン膜からなる可動電極膜３を積層形成する。さらに可動電極膜３上に、ＵＳＧ（Undoped Silicate Glass）膜からなる犠牲層４ａを積層する。この犠牲層４ａは、後述するように一部を除去することでスペーサーを構成する膜となる。犠牲層４ａ上には、固定電極となる導電性のポリシリコン膜７を形成してパターニングする。その後、可動電極膜３に接続する配線部を形成するため、図示しない領域で犠牲層４ａの一部を凹状に除去して可動電極膜３の一部を露出させ、全面に窒化膜８を形成する。ここでは、ポリシリコン膜７と窒化膜８の積層膜が固定電極膜となる（図１）。

その後、通常のフォトリソグラフ法により、窒化膜８およびポリシリコン膜７の一部をエッチング除去し、音圧等を可動電極膜３に伝えるための貫通孔９を形成し、貫通孔９内に犠牲層４ａを露出させる（図２）。この貫通孔９は、例えばＭＥＭＳマイクロフォンとして使用した場合、音を可動電極膜３に伝えるための音孔の機能を果たすことになり、所望の特性となるように、径の大きさ、数、配置を設定する。

可動電極膜３と固定電極となるポリシリコン膜７にそれぞれ接続する引出電極を形成するため、可動電極膜３上の窒化膜、ポリシリコン膜７上の窒化膜８の一部をエッチング除去し、引出電極１０ａ（図示せず）、１０ｂを形成する（図３）。

ハンドル基板１の表面側から先に形成した可動電極膜３、固定電極膜５（ポリシリコン膜７と窒化膜８の積層膜）およびこれらの引出電極１０ａ、１０ｂが形成された領域、さらには、後述するバックチャンバー形成予定領域の外周側に配置されている窒化膜８、犠牲層４ａ、絶縁膜２およびハンドル基板１の表面側の一部を除去した切欠き部１１を形成する。後述するようにバックチャンバーは円柱状の空間となるため、凸状に残るバンドル基板１の表面の一部等は、円柱形状となるように切欠き部１１を形成する（図４）。

その後、ハンドル基板１の裏面側から絶縁膜２が露出するまでハンドル基板１を除去し、バックチャンバー６を形成する。可動電極膜３と固定電極膜５との間を中空構造とするため、犠牲層４ａの一部をエッチング除去し、スペーサー４を形成する。その結果図５に示すように、スペーサー４を介して固定電極膜５と可動電極膜３が対向配置し、固定電極膜５は、スペーサー４に接合し、可動電極膜３は絶縁膜２を介してハンドル基板１とスペーサー４に挟持され接合する構造となる。

マトリックス状に配置した複数のＭＥＭＳ素子は、格子状に配置された切断予定領域に、例えばレーザー光を照射して個片化を行う。その結果、図６および図７に示すＭＥＭＳ素子が完成する。

図８に、図７に示すＭＥＭＳ素子を構成する可動電極膜３等の相互の位置関係を説明する図を示す。図８では、図７に記載した貫通孔や引出電極１０ａ等の記載は省略している。図７および図８に示すように、矩形のハンドル基板１に円柱状の空洞となるバックチャンバー６が形成されており、このバックチャンバー６側に絶縁膜２の円形の端部と、スペーサー４の円形の端部がそれぞれ配置している。絶縁膜２とスペーサー４の他端は、ハンドル基板１の表面側のドーナツ形状の外周側の端部と一致した形状となっている。

可動電極膜３は、ほぼ円形の平面形状で、絶縁膜を介してハンドル基板１とスペーサー４により挟持され、接合している。また、可動電極膜３同様に、円形の平面形状の固定電極膜５は、スペーサー４上に接合し、支持されている。

図７および図８に示すように本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法によるＭＥＭＳ素子は、バックチャンバー６の周囲のハンドル基板１の壁厚やエアーギャップ周囲のスペーサー４の壁厚は、周方向にわたって均一となっている。

具体的には、矩形のハンドル基板１の四隅では図８に示すように寸法Ａに示すスペーサー４が残り、さらにバックチャンバー６の端部までの寸法だけ寸法Ａより大きい寸法のハンドル基板１が残ることになる。またハンドル基板１の各辺の中央部では、寸法Ｂに相当するスペーサー４が残り、さらにバックチャンバー６の端部までの寸法だけ寸法Ｂより大きい寸法のハンドル基板１が残ることになる。絶縁膜２の寸法も同様の傾向となる。本発明では、従来例と異なり、寸法Ａと寸法Ｂはほぼ同じ値となることがわかる。

このように構成することで、可動電極膜３および固定電極膜５と接合するハンドル基板１あるいはスペーサー４の壁厚は、可動電極膜３等の周方向にわたって均一となり、可動電極等に加わる応力も周方向に均一となる。その結果、例えば温度変化によりハンドル基板１から可動電極膜３等に応力が加わる場合でも、その影響を小さくすることが可能となる。

また本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法は、通常の半導体装置の製造方法のみで構成され、非常に簡便な方法で形成することが可能となる。

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く、適宜変更可能である。例えば、切欠き部１１を形成する際、その深さ（ドーナツ形状に残すハンドル基板１の高さ）や壁厚は、所望の特性が得られる範囲で適宜設定すればよい。

１： ハンドル基板、２：絶縁膜、３：可動電極膜、４ａ：犠牲層、４：スペーサー、５：固定電極膜、６：バックチャンバー、７：ポリシリコン膜、８：窒化膜、９：貫通孔、１０ａ、１０ｂ：引出電極、１１：切欠き部

Claims (1)

1. 円形のバックチャンバーを備えた矩形のハンドル基板上に、固定電極を含む固定電極膜と可動電極を含む可動電極膜とをスペーサーを介して対向配置するように形成したＭＥＭＳ素子の製造方法において、
   前記ハンドル基板上に、犠牲層を挟んだ前記可動電極膜と前記固定電極膜とを形成する工程と、
   前記固定電極膜に貫通孔を形成する工程と、
   前記固定電極膜および前記可動電極膜と接合する前記犠牲層と前記ハンドル基板の表面の一部を円柱状に残して除去する工程と、
   前記ハンドル基板の一部を除去し、前記バックチャンバーを形成することで、前記円柱状に残したハンドル基板の表面を、壁厚が均一なドーナツ形状とする工程と、
   前記犠牲層の一部をエッチング除去し、前記固定電極膜と前記可動電極膜との間のエアーギャップを形成することで、前記円柱状に残した犠牲層を、壁厚が均一なドーナツ形状のスペーサーとする工程と、を含むことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。

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