JP7364163B2 - MEMS element and its manufacturing method - Google Patents
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本発明は、MEMS素子およびその製造方法に関し、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素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a MEMS element and a method for manufacturing the same, and more particularly to a capacitive MEMS element used as a microphone, various sensors, switches, etc., and a method for manufacturing the same.
従来、半導体プロセスを用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子では、固定電極と、この固定電極にエアーギャップを介して対向するように配置された可動電極とを備える構造の容量型MEMS素子が広く知られている。この種のMEMS素子は、犠牲層と呼ばれる中間膜を挟んで固定電極と可動電極を形成した後、犠牲層の一部をエッチング除去することによって、エアーギャップを形成している。 Conventionally, in MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices using semiconductor processes, capacitive MEMS devices have been widely used, which have a structure that includes a fixed electrode and a movable electrode arranged to face the fixed electrode with an air gap interposed therebetween. Are known. In this type of MEMS element, a fixed electrode and a movable electrode are formed with an intermediate film called a sacrificial layer sandwiched therebetween, and then a part of the sacrificial layer is removed by etching to form an air gap.
一般的に、犠牲層を除去する方法は、犠牲層を選択的にエッチングする溶液を用いたウエットエッチング法か、エッチング種のガスを用いたドライエッチング法が用いられる。これらの方法のうち安価なMEMS素子を形成するためには、製造コストの安いウエットエッチング法を選択するのが好ましい。 Generally, the sacrificial layer is removed by wet etching using a solution that selectively etches the sacrificial layer, or by dry etching using an etching gas. Among these methods, in order to form an inexpensive MEMS element, it is preferable to select the wet etching method, which has a low manufacturing cost.
しかしウエットエッチング法では、犠牲層をエッチングする際、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が固着するという問題が発生してしまう。そこでこの問題を解決するため、固定電極膜と可動電極膜とが対向する面に、小さな突起を形成する方法が採用されている。 However, in the wet etching method, when etching the sacrificial layer, a problem arises in that the fixed electrode film including the fixed electrode and the movable electrode film including the movable electrode stick together. In order to solve this problem, a method has been adopted in which small protrusions are formed on opposing surfaces of the fixed electrode film and the movable electrode film.
図3は、本願出願人が先に提案した突起を形成する製造方法の説明図である(特許文献1)。まず図3(a)に示すように、シリコン基板からなる基板1上に熱酸化膜2を形成し、熱酸化膜2上に導電性の多結晶シリコン(ポリシリコン)からなる可動電極3を形成する。さらに可動電極3上にUSG(Undoped Silicate Glass)膜からなる犠牲層4を積層形成し、この犠牲層4上に、導電性の多結晶シリコンから固定電極5を積層形成する。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a manufacturing method for forming protrusions previously proposed by the applicant of the present invention (Patent Document 1). First, as shown in FIG. 3(a), a
固定電極5に貫通孔6を形成し、この貫通孔6内に露出する犠牲層4の表面をエッチングする。その後、全面に窒化膜7を形成する。この窒化膜7は、後述する突起となるため、犠牲層4の表面をエッチングした深さだけ固定電極5の裏面側より突出する構造とする(図3b)。
A through
突起を形成するため、少なくとも固定電極5の貫通孔6の側壁部につながる窒化膜7の一部を突起8として残し、貫通孔6の底部の窒化膜7をエッチングする(図3c)。
To form the protrusion, at least a portion of the
以下、一般的な容量型MEMS素子の製造工程に従い、可動電極3、固定電極5にそれぞれ接続する引出電極9を形成する。その後、基板1の裏面側から熱酸化膜2が露出するまで基板1の一部を除去し、バックチャンバー10を形成する。さらに固定電極5に形成された貫通孔6を通して犠牲層4の一部を除去することで、可動電極3と固定電極5の間にエアーギャップ11を形成する。犠牲層4を除去する際、窒化膜7はエッチングされずに残るため図3(d)に示すように、固定電極5のエアーギャップ11側の表面に可動電極3側に突出する突起8を形成することができる。
Thereafter, the
本願出願人が先に提案した突起8は、貫通孔6内の窒化膜7を加工して形成する。そのため従来のMEMS素子の製造方法と比較し、窒化膜7を加工する工程、即ち、通常のフォトリソグラフ法に従い、窒化膜7上にフォトレジストを塗布、パターニングする工程、窒化膜をエッチング除去する工程、その後フォトレジストを除去する工程を追加する必要があり、製造コストの増加を招いてしまう。本発明は、このような追加工程を少なくしながら固定電極と可動電極の固着を防止する突起を形成できるMEMS素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
The
上記目的を達成するため本願請求項1に係る発明は、スペーサーによりエアーギャップを形成して配置された固定電極と可動電極とを備えたMEMS素子において、前記固定電極および前記可動電極の少なくともいずれか一方の前記エアーギャップ側の表面に、対向する前記可動電極あるいは前記固定電極側に突出する突起を備え、前記スペーサーが多結晶二酸化シリコンからなり、前記固定電極および前記可動電極が多結晶シリコンからなり、前記突起が前記多結晶シリコン中のシリコンと前記多結晶二酸化シリコン中の酸素とが結合してなるシリコンリッチな化合物からなることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
本願請求項2に係る発明は、スペーサーによりエアーギャップを形成して配置された固定電極と可動電極とを備えたMEMS素子の製造方法であって、多結晶シリコンからなる前記固定電極、犠牲層および多結晶シリコンからなる前記可動電極の積層膜を形成する工程と、前記積層膜を加熱し、前記固定電極および前記可動電極の前記犠牲層に接するそれぞれの表面に、対向する前記犠牲層側に突出し、前記固定電極および前記可動電極を構成する物質と前記犠牲層を構成する物質とが結合した絶縁性の化合物からなる突起を成長させる工程と、前記突起を残し前記固定電極と前記可動電極の間の前記犠牲層の一部をエッチング除去し、エッチングされずに残る前記犠牲層の一部からなるスペーサーによりエアーギャップを形成して前記固定電極と前記可動電極を対向配置させる工程と、を含むMEMS素子の製造方法において、前記犠牲層として、テトラエトキシシランと酸素を含むガスを原料ガスとして使用する減圧プラズマCVD法により多結晶二酸化シリコンを形成する工程と、前記絶縁性の突起として前記多結晶シリコン中のシリコンと前記多結晶二酸化シリコン中の酸素とが結合したシリコンリッチな化合物からなる突起を成長させる工程と、を含むことを特徴とする。
The invention according to
本発明の製造方法に従い突起を形成する工程は、固定電極、犠牲層および可動電極の積層膜を形成した後に、これらの積層膜を加熱する工程を付加するだけで良いので、突起を形成するための追加の工程を大幅に少なくすることができ、製造コストの低減を図ることができる。 The step of forming a protrusion according to the manufacturing method of the present invention requires only adding a step of heating these laminated films after forming a laminated film of a fixed electrode, a sacrificial layer, and a movable electrode. The number of additional steps can be significantly reduced, and manufacturing costs can be reduced.
本発明の製造方法に従い突起を形成するため、従来例の製造方法とは異なる材料からなる犠牲層を用いることになるが、使用する材料は半導体装置の製造工程において通常使用されている材料で、制御性良く簡便に形成することができる。 In order to form protrusions according to the manufacturing method of the present invention, a sacrificial layer made of a different material from that of the conventional manufacturing method is used, but the materials used are those commonly used in the manufacturing process of semiconductor devices. It can be easily formed with good controllability.
本発明の製造方法により形成されるMEMS素子は、加熱条件を適宜変更することで、制御性良く所望の大きさの絶縁性の化合物からなる突起を備える構成とすることができ、その製造工程で犠牲層のエッチングを行う際に固定電極と可動電極が固着することを確実に防止することができるほか、使用時における固着も確実に防止することができる。 By appropriately changing the heating conditions, the MEMS element formed by the manufacturing method of the present invention can be configured to have protrusions made of an insulating compound of a desired size with good controllability. It is possible to reliably prevent the fixed electrode and the movable electrode from sticking together when etching the sacrificial layer, and it is also possible to reliably prevent them from sticking together during use.
本発明は、犠牲層と、この犠牲層に接触するように積層した固定電極と可動電極を加熱処理することで、犠牲層と接する固定電極と可動電極の表面に犠牲層を構成する物質と電極を構成する物質との化合物を成長させて突起とする構成としている。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。 The present invention heat-treats a sacrificial layer, and a fixed electrode and a movable electrode laminated in contact with the sacrificial layer, so that the material constituting the sacrificial layer and the electrode The protrusion is formed by growing a compound with the substance that constitutes the protrusion. Examples of the present invention will be described in detail below.
以下、第1の実施例に係る本発明のMEMS素子について、その製造工程に従い説明する。まず、シリコン基板からなる基板1を用意し、基板1表面に熱酸化膜2を形成する。その後、熱酸化膜2上に導電性の多結晶シリコンからなる可動電極3を積層形成する。
Hereinafter, the MEMS device of the present invention according to the first embodiment will be explained according to its manufacturing process. First, a
次に可動電極3上に犠牲層4aを形成する。ここで犠牲層4aとして、TEOS(テトラエトキシシラン)と酸素、オゾン、亜酸化窒素等の酸素を含むガスをを原料ガスとして減圧プラズマCVD法により多結晶二酸化シリコンを形成する。さらに犠牲層4a上に導電性の多結晶シリコンからなる固定電極5を積層形成する。固定電極膜5上には全面に窒化膜7が形成される。
Next, a
このように可動電極3上に犠牲層4aが積層し、犠牲層4a上に固定電極5が積層した状態、換言すれば、可動電極3と固定電極5が犠牲層4aに接触した状態で、加熱処理を行う。この加熱処理は、例えば、窒素雰囲気で800℃以上の条件とする。この加熱処理により、多結晶シリコンからなる可動電極3と固定電極5の犠牲層4aと接触している表面にそれぞれ、多結晶シリコン中のシリコンと、多結晶二酸化シリコン中の酸素が結合したシリコンリッチな化合物(シリコンと酸素の化合物)が形成される(図1a)。この化合物は、多結晶シリコンの結晶粒界で成長し、後述するスペーサーを形成する工程で固定電極5と可動電極3が固着することを防止する突起12を構成する。ここで突起12の形成は、熱処理温度と時間を制御することでその大きさを制御することができる。また多結晶シリコンの膜質を制御することで突起の発生場所(結晶粒界)も制御することができる。そのため、通常の半導体装置の製造方法を採用すれば、制御性の良い製造方法となる。
In this manner, the
以下、一般的な容量型MEMS素子の製造工程に従い、窒化膜7および固定電極5に貫通孔6を形成し、貫通孔6内に犠牲層4aを露出させる(図1b)。
Thereafter, a
可動電極3、固定電極5にそれぞれ接続する引出電極9を形成した後、基板1の裏面側から熱酸化膜2が露出するまで基板1の一部を除去し、バックチャンバー10を形成する。さらに固定電極5に形成された貫通孔6を通して犠牲層4aの一部を除去することで、可動電極3と固定電極5の間にエアーギャップ11を形成する。犠牲層4aを除去する際、突起12はシリコンリッチな化合物のため通常の多結晶二酸化シリコンよりエッチングレートが遅くなり、突起12を残して犠牲層4aを選択除去することが可能となる。その結果図1(c)に示すように、可動電極3のエアーギャップ11側の表面と、固定電極5のエアーギャップ11側の表面に、それぞれエアーギャップ11側に突出する突起12を形成することができる。
After forming
以上説明したように本実施例の製造方法によれば、突起12の形成は、多結晶シリコンからなる可動電極3あるいは固定電極5を多結晶二酸化シリコンからなる犠牲層4aに接するように形成し加熱処理するのみとなる。この加熱処理は、従来方法で説明したフォトリソグラフ法のような枚様式の処理を必要とせず、しかも例えば加熱炉内に載置しておけばよいので、非常に簡便な方法となる。
As explained above, according to the manufacturing method of this embodiment, the
次に第2の実施例に係るMEMS素子について、その製造工程に従い説明する。上記第1の実施例では、可動電極3と固定電極5の両方に突起12を形成する方法について説明した。しかしながら本願発明は、可動電極3上、あるいは固定電極5上のいずれか一方のみに突起12を形成することが可能である。以下、可動電極3上に突起12を形成する方法について説明する。
Next, a MEMS element according to a second embodiment will be explained according to its manufacturing process. In the first embodiment, the method of forming the
上記実施例同様、まず、シリコン基板からなる基板1を用意し、基板1表面に熱酸化膜2を形成する。その後、熱酸化膜2上に導電性の多結晶シリコンからなる可動電極3を積層形成する。
As in the above embodiment, first, a
次に可動電極3上に犠牲層4aを形成する。ここで犠牲層4aとして、TEOS(テトラエトキシシラン)と酸素、オゾン、亜酸化窒素等の酸素を含むガスを原料ガスとして減圧プラズマCVD法により多結晶二酸化シリコンを形成する。
Next, a
次に本実施例では、犠牲層4a上に薄い窒化膜7aを形成し、この窒化膜7a上に導電性の多結晶シリコンからなる固定電極5を形成し、全面に窒化膜7を形成する。
Next, in this embodiment, a
このように可動電極3上に犠牲層4aが積層し、犠牲層4a上に窒化膜7aを挟んで固定電極5が積層した状態、換言すれば、可動電極3が犠牲層4aに接触し、固定電極5は犠牲層4aに接触しない状態で、加熱処理を行う。この加熱処理は、例えば、窒素雰囲気で800℃以上の条件とする。この加熱処理により、多結晶シリコンからなる可動電極3の犠牲層4aと接触している表面に、多結晶シリコン中のシリコンと、二酸化シリコン中の酸素が結合したシリコンリッチな化合物(シリコンと酸素の化合物)が形成される(図2a)。この化合物は、多結晶シリコンの結晶粒界で成長し、後述するスペーサーを形成する工程で固定電極5と可動電極3が固着することを防止する突起12を構成する。ここで突起12の形成は、熱処理温度と時間を制御することでその大きさを制御することができる。また多結晶シリコンの膜質を制御することで突起の発生場所(結晶粒界)も制御することができる。そのため、通常の半導体装置の製造工程を採用すれば、制御性の良い製造方法となる。本実施例では、固定電極5は犠牲層4aと接触していないため、固定電極5には突起12は形成されていない。
In this way, the
以下、一般的な容量型MEMS素子の製造工程に従い、窒化膜7、固定電極5および窒化膜7aに貫通孔6を形成し、貫通孔6内に犠牲層4aを露出させる(図2b)。
Thereafter, a through
可動電極3、固定電極5にそれぞれ接続する引出電極9を形成した後、基板1の裏面側から熱酸化膜2が露出するまで基板1の一部を除去し、バックチャンバー10を形成する。さらに固定電極5に形成された貫通孔6を通して犠牲層4aの一部を除去することで、可動電極3と固定電極5の間にエアーギャップ11を形成する。犠牲層4aを除去する際、突起12はシリコンリッチな化合物のため通常の多結晶二酸化シリコンよりエッチングレートが遅くなり、突起12を残して犠牲層4aを選択除去することが可能となる。その結果図2(c)に示すように、可動電極3のエアーギャップ11側の表面に、エアーギャップ11側に突出する突起12を形成することができる。
After forming
以上説明したように本実施例の製造方法によれば、突起12の形成は、多結晶シリコンからなる可動電極3を多結晶二酸化シリコンからなる犠牲層4aに接するように形成し、加熱処理するのみとなる。この加熱処理は、従来方法で説明したフォトリソグラフ法のような枚様式の処理を必要とせず、しかも例えば加熱炉内に載置しておけばよいので、非常に簡便な方法となる。また突起12の形成が不要の場合は、多結晶シリコンと多結晶二酸化シリコンが直接接しないように窒化膜を形成すれば良く、非常に簡便な方法となる。
As explained above, according to the manufacturing method of this embodiment, the
次に第3の実施例に係るMEMS素子について説明する。上記第2の実施例では、可動電極3表面に突起12を形成する方法について説明した。しかしながら本願発明は、可動電極3上の代わりに固定電極5上に突起12を形成することも可能である。
Next, a MEMS element according to a third example will be explained. In the second embodiment, the method of forming the
上記第2の実施例と相違し、可動電極3上に窒化膜7aを挟んで犠牲層4aが積層し、犠牲層4a上に固定電極5が積層した状態、換言すれば、可動電極3は犠牲層4aに接触せず、固定電極5が犠牲層4aに接触する状態で、加熱処理を行う。この加熱処理は、上記実施例同様例えば、窒素雰囲気で800℃以上の条件とする。この加熱処理により、多結晶シリコンからなる固定電極5の犠牲層4aと接触している表面に、多結晶シリコン中のシリコンと、二酸化シリコン中の酸素が結合したシリコンリッチな化合物(シリコンと酸素の化合物)が形成される。この化合物は、多結晶シリコンの結晶粒界で成長し、スペーサーを形成する工程で固定電極5と可動電極3が固着することを防止する突起12を構成する。ここで突起12の形成は、熱処理温度と時間を制御することでその大きさを制御することができる。また多結晶シリコンの膜質を制御することで突起の発生場所(結晶粒界)も制御することができる。そのため、通常の半導体装置の製造工程を採用すれば、制御性の良い製造方法となる。本実施例では、可動電極3は犠牲層4aと接触していないため、可動電極3には突起12は形成されていない。
Unlike the second embodiment described above, a
上記製造工程を除けば、上記第1の実施例と同様の製造方法により本実施例のMEMS素子を形成することができる。 The MEMS element of this example can be formed by the same manufacturing method as the first example above, except for the above manufacturing process.
以上説明したように本実施例の製造方法によれば、突起12の形成は、可動電極3上に多結晶二酸化シリコンを形成し、さらに固定電極5を形成し、加熱処理するのみとなる。この加熱処理は、従来方法で説明したフォトリソグラフ法のような枚様式の処理を必要とせず、しかも例えば加熱炉内に載置しておけばよいので、非常に簡便な方法となる。
As explained above, according to the manufacturing method of this embodiment, the
なお、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、可動電極3および固定電極5上に形成される突起は、所望の材料の組み合わせて可動電極3および固定電極5上に犠牲層と選択エッチング可能な絶縁性の物質を析出、成長等させることができれば、シリコンリッチなシリコンと酸素の化合物に限定されるものではない。
It goes without saying that the present invention is not limited to the above embodiments. For example, the protrusions formed on the
1: 基板、2:熱酸化膜、3:可動電極、4、4a:犠牲層、5:固定電極、6:貫通孔、7、7a:窒化膜、8:突起、9:引出電極、10:バックチャンバー、11:エアーギャップ、12:突起 1: Substrate, 2: Thermal oxide film, 3: Movable electrode, 4, 4a: Sacrificial layer, 5: Fixed electrode, 6: Through hole, 7, 7a: Nitride film, 8: Protrusion, 9: Extracting electrode, 10: Back chamber, 11: Air gap, 12: Protrusion
Claims (2)
前記固定電極および前記可動電極の少なくともいずれか一方の前記エアーギャップ側の表面に、対向する前記可動電極あるいは前記固定電極側に突出する突起を備え、
前記スペーサーが多結晶二酸化シリコンからなり、
前記固定電極および前記可動電極が多結晶シリコンからなり、
前記突起が前記多結晶シリコン中のシリコンと前記多結晶二酸化シリコン中の酸素とが結合してなるシリコンリッチな化合物からなることを特徴とするMEMS素子。 In a MEMS element including a fixed electrode and a movable electrode arranged with an air gap formed by a spacer,
A projection protruding toward the opposing movable electrode or the fixed electrode is provided on the air gap side surface of at least one of the fixed electrode and the movable electrode,
the spacer is made of polycrystalline silicon dioxide;
The fixed electrode and the movable electrode are made of polycrystalline silicon,
A MEMS device characterized in that the protrusion is made of a silicon-rich compound formed by bonding silicon in the polycrystalline silicon and oxygen in the polycrystalline silicon dioxide.
多結晶シリコンからなる前記固定電極、犠牲層および多結晶シリコンからなる前記可動電極の積層膜を形成する工程と、forming a laminated film of the fixed electrode made of polycrystalline silicon, a sacrificial layer, and the movable electrode made of polycrystalline silicon;
前記積層膜を加熱し、前記固定電極および前記可動電極の前記犠牲層に接するそれぞれの表面に、対向する前記犠牲層側に突出し、前記固定電極および前記可動電極を構成する物質と前記犠牲層を構成する物質とが結合した絶縁性の化合物からなる突起を成長させる工程と、The laminated film is heated, and a material constituting the fixed electrode and the movable electrode and the sacrificial layer are added to the surfaces of the fixed electrode and the movable electrode in contact with the sacrificial layer, protruding toward the opposing sacrificial layer side. A process of growing protrusions made of an insulating compound combined with constituent substances;
前記突起を残し前記固定電極と前記可動電極の間の前記犠牲層の一部をエッチング除去し、エッチングされずに残る前記犠牲層の一部からなるスペーサーによりエアーギャップを形成して前記固定電極と前記可動電極を対向配置させる工程と、を含むMEMS素子の製造方法において、A part of the sacrificial layer between the fixed electrode and the movable electrode is removed by etching, leaving the protrusion, and an air gap is formed by a spacer made of a part of the sacrificial layer that remains unetched, and the part of the sacrificial layer is removed between the fixed electrode and the fixed electrode. In a method for manufacturing a MEMS device, the method includes the step of arranging the movable electrodes to face each other,
前記犠牲層として、テトラエトキシシランと酸素を含むガスを原料ガスとして使用する減圧プラズマCVD法により多結晶二酸化シリコンを形成する工程と、forming polycrystalline silicon dioxide as the sacrificial layer by a low pressure plasma CVD method using a gas containing tetraethoxysilane and oxygen as a source gas;
前記絶縁性の突起として前記多結晶シリコン中のシリコンと前記多結晶二酸化シリコン中の酸素とが結合したシリコンリッチな化合物からなる突起を成長させる工程と、を含むことを特徴とするMEMS素子の製造方法。Manufacturing a MEMS device, comprising the step of growing a protrusion made of a silicon-rich compound in which silicon in the polycrystalline silicon and oxygen in the polycrystalline silicon dioxide are combined as the insulating protrusion. Method.
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