JPH08264844A - フローティングメンブレン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】フローティングメンブレンの大面積化と耐破壊
性の向上。 【構成】Si基板３上に、矩形の四隅に梁４を放射状に設
けたフローティングメンブレン１は、周辺部が梁４と同
様、酸化シリコン(SiO₂)膜で出来ており、中央部分がSi
₃N₄ 膜２で形成されている。メンブレン１の中央部分を
予めSi₃N₄ 膜２で置き換えると、内部応力が相殺されて
破壊を防止できる。あるいは、メンブレン１を形成する
SiO₂膜に燐(P) などのＶ族元素を添加すると、膜中に非
架橋性酸素が生成されて、膜のヤング率が低下するの
で、0.4 wt％から3.0 wt％の添加量で内部応力を破壊応
力より低下させることができる。この結果、メンブレン
の大面積化が 400μｍ角程度まで可能となり、高感度で
高分解能な熱型センサが実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主に赤外線センサやエ
アフローメータ、ガスセンサなどの熱型センサに利用さ
れるフローティングメンブレンに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体微細加工を利用して熱型セ
ンサを作成する技術が種々開発されている。熱型センサ
には、基板に対する断熱性を保つために４点支持して基
板から浮かせたフローティングメンブレン（もしくはダ
イヤフラム構造、以下メンブレンとも記す）が用いられ
ている。通常、メンブレンを構成する材料には、熱絶縁
性に優れたSiO₂膜が利用されており、この膜はSi基板の
表面を酸化することで容易に形成できる。しかし、この
SiO₂膜は内部応力が大きいため、 100μｍ角以上の面積
のメンブレンを形成することは難しい。内部応力を最小
にして大面積のメンブレンを作るために、特開平6-1322
77号公報に示されている如く、Si₃N₄ 膜とSiO₂膜とを積
層してフローティングメンブレンを形成する技術があ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、積層形
状ではメンブレンを大面積にできるものの、Si₃N₄ 膜は
熱伝導率が大きいために、全面に渡ってSi₃N₄ 膜が存在
すると断熱性が良くないという問題がある。また積層に
より大面積化しようとすると、バイメタル効果と同様な
効果が発生してメンブレン全体に反りが生じてしまうと
いう問題がある。

【０００４】従って本発明の目的は、より大面積が実現
可能で、破壊しにくいフローティングメンブレンを提供
することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明の構成は、基板上に、梁によって支えられて中
空構造を成し、フローティング状態となったメンブレン
を備え、前記メンブレンと前記梁が、Ｖ族元素を添加し
た酸化シリコン(SiO₂)膜から成る高断熱構造を有するこ
とである。また関連発明の構成は、前記Ｖ族元素が燐
(P) であって、前記燐の濃度が、0.4 wt％から3.0 wt％
であることを特徴とする。

【０００６】本発明の構成としてはまた、基板上に、梁
によって支えられて中空構造を成し、フローティング状
態となったメンブレンを備え、前記メンブレンの主部お
よび前記梁が酸化シリコン(SiO₂)膜で形成され、前記メ
ンブレンの一部は酸化シリコン(SiO₂)膜に代えて、引っ
張り応力を持つ膜が形成されていることを特徴とする。
その関連発明の特徴ある構成は、前記引っ張り応力を示
す膜が、窒化硅素(Si₃N₄) もしくは多結晶シリコン(p-S
i)となっていることである。本発明の特徴ある構成はさ
らに、前記フローティングメンブレン上に薄膜機能素子
を有し、前記基板から前記梁を通して前記薄膜機能素子
への配線が形成されていることである。加えて、前記薄
膜機能素子が、薄膜ヒータもしくは薄膜感温素子となっ
ていることである。

【０００７】

【作用】メンブレンを形成するSiO₂膜に燐(P) などのＶ
族元素を添加すると、膜中に非架橋性酸素が生成され
て、膜のヤング率が低下する。燐(P) を添加する場合で
は、0.4 wt％から3.0 wt％の添加量でメンブレンの内部
応力はその破壊応力より低くなる。また、SiO₂膜の一部
分をSi₃N₄ 膜やp-Si膜などの引っ張り応力を示す膜で置
き換えることで、メンブレンとしてのSiO₂膜に残留する
内部応力を相殺して、メンブレン利用時の破壊を防止す
る。この結果、請求項５、６のように安定した大面積の
メンブレン上に薄膜機能素子を形成でき、センサ等に応
用される。

【０００８】

【発明の効果】フローティングメンブレンとして断熱性
の高いSiO₂膜を用い、その内部応力を、Ｖ族元素を添加
したり、SiO₂膜の一部をSi₃N₄ 膜などの引っ張り応力を
持つ膜に置換することで、メンブレン全体の内部応力を
低減することができる。この結果、大面積でかつ高断熱
性のフローティングメンブレンが実現できる。よって、
高感度で高分解能な熱型センサが実現可能となる。本発
明の構成ではおよそ 400μｍ角程度まで実現できる。Ｖ
族元素を添加してフローティングメンブレンを構成する
場合は、メンブレン単層で内部応力を低下できるので、
成膜工程が少なくて済み、膜厚もわずかながらSi₃N₄ 膜
を利用する場合より薄い構成とできる。請求項５や６の
構成では、機能素子が断熱性の高いフローティングメン
ブレン上で作用するので効率が良い。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。 （第一実施例）図１は、Siでできた半導体チップ基板
（以下、基板と記す）３上に、矩形の四隅に梁４が放射
状に設けられたフローティングメンブレン１を形成した
素子の模式図である（寸法比は正確ではない）。図１
(a) に示すように、ほぼ正方形の領域の周辺部に梁４を
残して空隙５が穿たれて、図１(b) の断面図に示すよう
にフローティングメンブレン１（以下、単にメンブレン
とも記す）が中空に梁４で支えられている。フローティ
ングメンブレン１はその周辺（主部）が梁４と同様、酸
化シリコン(SiO₂)膜で出来ており、その中央部分がSi₃N
₄ 膜２で形成されている。これは図１(c) に示す拡大断
面図のように、メンブレン１の中央部分のSiO₂膜を予め
Si₃N₄ 膜２で置き換えて形成したものである。

【００１０】このフローティングメンブレン１の中央部
分にSi₃N₄ 膜２を形成する方法は次の通りである。な
お、メンブレン構造の形成方法は既知であるので簡単に
説明する。まず基板３の表面を熱酸化してSiO₂膜を形成
し、レジストを塗布してフローティングメンブレンとな
る領域をパターン形成して酸化膜エッチングで開口す
る。そしてレジスト除去後にポリSiを犠牲層としてその
開口部分に蒸着し、余分なポリSiを除去して、上からメ
ンブレン形成層となるSiO₂層を蒸着させ、ポリSi犠牲層
をメンブレン形成層の下に埋め込む。そしてメンブレン
の中央部を所定の形状（図１の２の形状）に犠牲層の深
さまでエッチングして開口し、開口した部分にSi₃N₄ 膜
をスパッタリングで形成させる。さらにそのSi₃N₄ 膜周
辺部にかかるようにSiO₂膜を形成する。その後、膜の周
辺部の空隙５をエッチングで開口した後、基板３を犠牲
層エッチングする。この方法により、このメンブレン構
造が形成される。

【００１１】メンブレン１の周辺部および梁４に用いら
れている酸化シリコン(SiO₂)膜は0.15〜0.17GPa の圧縮
内部応力を有し、一方Si₃N₄ 膜は1.0 〜1.2GPaの引っ張
り内部応力を有する。またSiO₂膜の内部破壊応力は0.12
GPa である。そこでSiO₂膜からなるメンブレン１の中央
部分をSi₃N₄ 膜に置き換えると、メンブレン１内部の応
力を相殺することができ、メンブレン１の破壊を防止す
ることができる。Si₃N₄ 膜はSiO₂膜に比べて一桁以上熱
伝導率が大きい。周辺部が熱伝導率の低いSiO₂膜なので
高断熱性のフローティングメンブレン１が形成される。

【００１２】メンブレン１の内部応力を相殺するために
は、メンブレンの面積に応じて適切な範囲にSi₃N₄ 膜を
形成する必要がある。図２(b) に示すフローティングメ
ンブレンの形状に対して、置き換えるべきSi₃N₄ 膜の面
積をシミュレーションで求めた結果を図２(a) に示す。
図２(b) のメンブレンは、梁も含めた一辺が 220μｍの
正方形、梁の幅は、一辺が10μｍの直角二等辺三角形の
斜辺（２^1/2 ×10μｍ) の長さとし、膜厚は 1μｍであ
る。また、置き換えるSi₃N₄ 膜は図２(b) に示すように
矩形で、その膜厚はSiO₂膜の半分(0.5μｍ）として計算
した。

【００１３】この図２(a) の結果から、Si₃N₄ 膜のメン
ブレン１に対する面積比は、平均的に５％〜１０％の範
囲であれば、ほぼ応力が相殺されることが判る。図２
(b) に図示した例ではメンブレン１の中央部分を矩形の
Si₃N₄ 膜２で置き換えているが、面積比が上述の範囲で
あれば矩形に限らず枠構造、短冊状のような形状でも良
い。ただし、Si₃N₄ 膜はメンブレン形状に合わせた対称
形状が望ましい。また、断熱性の観点からは、周辺部に
Si₃N₄ 膜の置き換え領域を設けるよりもメンブレン１の
中央部に設ける方が好ましい。

【００１４】なお上記の望ましい面積比は、メンブレン
形状や梁などの形状、幅、厚さなどによって変化する。
従って最適面積比は現実の形状構造を基にした実験によ
り決定される。

【００１５】上述の構成により内部応力を減少できるの
で、フローティングメンブレンは大面積化でき、従来10
0 μｍ角程度が限界であったが、約縦横２倍の400 μｍ
角程度まで作成が可能となった。

【００１６】（第二実施例）メンブレンの内部応力を相
殺する手段として第一実施例の他に次の方法がある。す
なわち、SiO₂膜にＶ族元素を添加すると、ある濃度で膜
中に非架橋性酸素が生成されて膜のヤング率が低下す
る。これを利用して、熱伝導率の小さい耐熱性のあるフ
ローティングメンブレンを形成することができる。

【００１７】燐(P) 添加のSiO₂膜は、通常のSiO₂膜（ガ
ラス薄膜）を成膜する際に燐(P) を添加するリンガラス
の形成方法と同様である。このリンガラス薄膜の形成
は、LPCVD 装置を用い、シラン(SiH₄)ガスと酸素(O₂)ガ
スにホスフィンガスを混合して基板９上に成膜する。他
の元素の場合でも同様にして成膜できる。またほかにも
イオン注入法によっても可能である。

【００１８】ここでは、図３に示す形状のフローティン
グメンブレン６において、添加するＶ族元素として燐
(P) を用いた実施例を説明する。SiO₂膜へのＰ元素添加
濃度とヤング率との関係を測定した。その結果を図４に
示す。この実験結果を基にして、Ｐ添加濃度とSiO₂フロ
ーティングメンブレン６の梁７に加わる最大応力値との
関係を求めた。その結果を、図５に示す。但し、メンブ
レン６の構造は図２のシミュレーションと同様、図２
(b) に示すものである。図５から明らかなように、メン
ブレン６の梁７に加わる最大応力が0.12GPa 以上では破
壊が発生し、Ｐ濃度が５wt％以上ではSiO₂膜の吸湿性が
大きくなる。よって斜線で図示する範囲では、使用でき
ない。

【００１９】この図５の結果から判るように、添加する
Ｐ濃度が0.7 wt％から1.4 wt％の範囲で、SiO₂膜のメン
ブレン６の内部に発生する最大応力が破壊応力以下にな
ることが判明した。従ってフローティングメンブレン６
を、この範囲内のＰを添加したSiO₂膜とすることで、自
己破壊を防止し、高断熱性を維持することができる。

【００２０】なお、フローティングメンブレン内部の最
大応力は、その形状によって異なるため、一般的に燐
(P) の添加濃度の範囲は、ヤング率が 4×10¹⁰Pa以下と
なる0.4 wt％から3.0 wt％とすることができる。しか
し、図２(b) に示す構造で、最も効果を上げる燐(P) の
添加濃度範囲は、0.7 wt％から1.4 wt％とすることであ
る。なおヤング率は燐(P) 濃度が 5wt％以上でも小さく
なるが、その濃度範囲は上述の図５に示す吸湿性のため
に利用することはできない。

【００２１】この燐(P) を添加する構成では、図１の構
成の場合に比べて、開口、成膜、保護膜形成などの工程
が不要であり、膜厚も薄くできる利点がある。

【００２２】請求項でいうＶ族元素には、実施例で示し
た燐(P) の他に砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(B
i)、窒素(N) がある。これらの元素でも内部応力を低下
させることができ、酸化シリコン(SiO₂)膜中に非架橋性
酸素が生成され、ヤング率を低下させる。ただし、元素
の最適な濃度は各元素で若干差があるが、非架橋性酸素
の形成される構造としては同じであることから、0.4 wt
％〜3.0 wt％の範囲が良い。場合によってはこれらのＶ
族の元素のいずれかが二種類以上の元素をSiO₂膜内に混
在させても構わない。

【００２３】（第三実施例）別の応用例として、図６
に、メンブレン１１上に発熱体１４を設けてマイクロヒ
ータ２００を形成した実施例を示す。この発熱体１４は
メンブレン１１の中央部分に設けられたSi₃N₄ メンブレ
ン１２上に形成され、電極配線１５が発熱体１４の端部
から梁１０の上を経由して基板１６の側へ取り出されて
いる。また図７に、図３の構成のメンブレン１８の中央
部上に発熱体２０を形成してマイクロヒータ２０１を構
成した実施例を示す。このようなマイクロヒータ２０
０、２０１はSiO₂メンブレン６、１８によって断熱的に
作用するので、温度コントロールが容易であり、効率よ
く使用できる。

【００２４】（第四実施例）次に本発明のメンブレン上
に感温素子２７を設けて赤外線センサ３００を形成した
実施例を図８に示す。図８(a) に示すように、メンブレ
ン２４上に赤外線吸収膜３０が形成されており、図８
(b) 及び(c) の断面図に示すように、メンブレン２４の
中央部に、図６と同様にSi₃N₄ メンブレン２５が形成さ
れており、その上に感温素子２７が設けられている（図
８(a) では感温素子２７は表示されない）。感温素子２
７に対する電極配線２８は図６と同様に素子端部から梁
２３上を通って基板１６の側へ取り出されている。感温
素子２７はダイオードやサーミスタなど温度を電気信号
に変換できて薄膜を形成できる素子である。また図９に
は、図３の様に構成されたメンブレン３２の上に、感温
素子３４を形成して赤外線センサ３０１を形成した実施
例を示している。図９の赤外線センサ３０１の表面に
は、図８に示す赤外線センサと同様に、感温素子３４を
覆う赤外線吸収膜３７が形成されている。なお、赤外線
吸収膜３０、３７の材料としては金(Au)ブラックやNiCr
が用いられている。

【００２５】なお、SiO₂の成膜は、Si基板の熱酸化に限
定されるものではなく、例えばLPCVD 法によりシラン(S
iH₄)ガスと酸素(O₂)ガスを混合させて成膜させても良
い。またSi₃N₄ の成膜はスパッタリングだけでなく、LP
CVD 法を用いて、シラン(SiH₄)ガスとアンモニア(NH₃)
ガスを混合させて成膜しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一実施例のフローティングメンブレンの構造
を示した構成図。

【図２】SiO₂膜に対するSi₃N₄ 膜の面積比と破壊・非破
壊との関係の演算結果を示した特性図。

【図３】第二実施例のフローティングメンブレンの構造
を示した構成図。

【図４】第二実施例のフローティングメンブレンに燐
(P) を添加させた場合の燐濃度とヤング率との関係を示
した特性図。

【図５】第二実施例において、フローティングメンブレ
ン内部の最大応力と燐濃度との関係を示した特性図。

【図６】第三実施例のフローティングメンブレンを用い
たマイクロヒータの構造を示した構成図。

【図７】第三実施例のフローティングメンブレンを用い
たマイクロヒータの別の構造を示した構成図。

【図８】第四実施例のフローティングメンブレンを用い
た赤外線センサの構造を示した構成図。

【図９】第四実施例のフローティングメンブレンを用い
た赤外線センサの別の構造を示した構成図。

【符号の説明】

１ SiO₂膜フローティングメンブレン ２ Si₃N₄ 膜 ６、１８ 燐(P) 添加SiO₂膜フローティングメンブレン ７、１７ 燐(P) 添加SiO₂梁 １１、２４ SiO₂メンブレン １２、２５ Si₃N₄ メンブレン １４、２０ 発熱体 １５、２１、２８、３５ 配線 ２７、３４ 感温素子 ３０、３７ 赤外線吸収膜 ３、９、１６、２２、２９、３６ Si基板 ４、１０、２３ SiO₂梁 ５、８、１３、１９、２６、３３ 空隙

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に、梁によって支えられて中空構造
   を成し、フローティング状態となったメンブレンを備
   え、 前記メンブレンと前記梁が、Ｖ族元素を添加した酸化シ
   リコン(SiO₂)膜から成る高断熱構造を有することを特徴
   とするフローティングメンブレン。
2. 【請求項２】前記Ｖ族元素が燐(P) であって、 前記燐の濃度が、0.4 wt％から3.0 wt％であることを特
   徴とする請求項１に記載のフローティングメンブレン。
3. 【請求項３】基板上に、梁によって支えられて中空構造
   を成し、フローティング状態となったメンブレンを備
   え、 前記メンブレンの主部および前記梁が酸化シリコン(SiO
   ₂)膜で形成され、 前記メンブレンの一部は、酸化シリコン(SiO₂)膜に代え
   て、引っ張り応力を持つ膜が形成されていることを特徴
   とするフローティングメンブレン。
4. 【請求項４】前記引っ張り応力を示す膜が、窒化硅素(S
   i₃N₄) もしくは多結晶シリコン(p-Si)であることを特徴
   とする請求項３に記載のフローティングメンブレン。
5. 【請求項５】前記フローティングメンブレン上に薄膜機
   能素子を有し、 前記基板から前記梁を通して前記薄膜機能素子への配線
   を形成したことを特徴とする請求項１乃至４に記載のフ
   ローティングメンブレン。
6. 【請求項６】前記薄膜機能素子が、薄膜ヒータもしくは
   薄膜感温素子であることを特徴とする請求項５に記載の
   フローティングメンブレン。