JPWO2017145514A1 - Ultrasonic probe and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
基板301と、基板301上に形成された下部電極102と、下部電極102上に形成された下層絶縁膜303と、下層絶縁膜303上に形成され、下層絶縁膜303との間に空洞部103を形成する上層絶縁膜305と、上層絶縁膜305上に形成された上部電極105と、を有し、空洞部103は、下部電極102と重なり、上部電極105は、空洞部103および下部電極102と重なり、上層絶縁膜305は、下層絶縁膜303よりもリーク電流の大きい絶縁膜とした超音波探触子。The cavity portion 103 is formed between the substrate 301, the lower electrode 102 formed on the substrate 301, the lower insulating film 303 formed on the lower electrode 102, and the lower insulating film 303. And the upper electrode 105 formed on the upper insulating film 305. The cavity 103 overlaps the lower electrode 102. The upper electrode 105 includes the cavity 103 and the lower electrode 102. And the upper insulating film 305 is an insulating film having a leakage current larger than that of the lower insulating film 303.
Description
本発明は、超音波探触子およびその製造方法に関し、特に、それに使用される超音波トランスデューサおよびその製造方法に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to an ultrasonic probe and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a technique effective when applied to an ultrasonic transducer used therein and a manufacturing method thereof.
超音波トランスデューサを用いた超音波探触子は、超音波を送受信することにより、人体内の腫瘍の診断や建造物に発生した亀裂の検査などの様々な用途に用いられている。 An ultrasonic probe using an ultrasonic transducer is used in various applications such as diagnosis of a tumor in a human body and inspection of a crack generated in a building by transmitting and receiving ultrasonic waves.
これまでは、圧電体の振動を利用した超音波探触子が用いられてきたが、近年のMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術の進歩により、振動部をシリコン基板上に作製した容量検出型超音波トランスデューサ(CMUT:Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)が開発されている。 Up to now, ultrasonic probes using the vibration of piezoelectric materials have been used, but due to the recent advancement of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, a capacitive detection type super- A sound transducer (CMUT: Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer) has been developed.
このCMUTは、従来の圧電体を用いた超音波トランスデューサと比較して、使用できる超音波の周波数帯域が広い、あるいは、高感度であるなどの利点を有している。また、LSI加工技術を用いて作製することができるので、微細加工が可能である利点も有している。 This CMUT has advantages such as a wider frequency band of ultrasonic waves that can be used or higher sensitivity than conventional ultrasonic transducers using piezoelectric materials. In addition, since it can be manufactured using LSI processing technology, there is an advantage that fine processing is possible.
例えば、特許文献1の図29には、CMUTセルが記載されており、CMUTセルは、下部電極103、下部電極103上の下層絶縁膜104、下層絶縁膜104上の上層絶縁膜106、下層絶縁膜104と上層絶縁膜106の間の空洞部105、および、上層絶縁膜106上の上部電極107を有している。
For example, FIG. 29 of Patent Document 1 describes a CMUT cell. The CMUT cell includes a
また、特許文献2の図18には、CMUTセルが記載されており、CMUTセルは、下部電極1008、下部電極1008上の絶縁膜1010、下部電極1008と絶縁膜1010の間の空洞部1009、および、絶縁膜1010上の上部電極1011を有している。
FIG. 18 of
本願発明者が検討しているCMUTセルも上記特許文献1と同様の構造を有しているが、本願発明者の検討によって、以下の事実が明らかになった。 The CMUT cell studied by the present inventor also has the same structure as that of Patent Document 1, but the following facts have been clarified by the study of the present inventor.
CMUTセルでは、上部電極と下部電極間にバイアス電圧および駆動電圧信号を印加することでCMUTセルのメンブレンを振動させて、超音波を発信する。逆に受信時には、CMUTに到達した超音波によってメンブレンが振動することで上部電極と下部電極間の静電容量が変化する。この静電容量の変化により受信した超音波を検出している。 In the CMUT cell, a bias voltage and a driving voltage signal are applied between the upper electrode and the lower electrode to vibrate the membrane of the CMUT cell and transmit ultrasonic waves. On the other hand, at the time of reception, the membrane is vibrated by the ultrasonic wave that reaches the CMUT, so that the capacitance between the upper electrode and the lower electrode changes. The received ultrasonic wave is detected by the change in capacitance.
近年、バイアス電圧の上昇に伴って、上部電極と下部電極間に印加される最大電界は、電極間の絶縁膜にFN(Fowler Nordheim)トンネル電流が流れる電界に達している。後述するが、この電界により、例えば、電子は下層絶縁膜中を上層絶縁膜に向かって移動し、一部の電子が上層絶縁膜に捕獲されることにより、下層絶縁膜と上層絶縁膜の蓄積電荷量にアンバランスが生じる。その為、受診の際の超音波の検出精度が低下し、超音波に応じた電流信号の検出が正常に行えないことが判明した。 In recent years, as the bias voltage increases, the maximum electric field applied between the upper electrode and the lower electrode reaches an electric field in which an FN (Fowler Nordheim) tunnel current flows in the insulating film between the electrodes. As will be described later, due to this electric field, for example, electrons move in the lower insulating film toward the upper insulating film, and some electrons are captured by the upper insulating film, thereby accumulating the lower insulating film and the upper insulating film. An imbalance occurs in the charge amount. For this reason, it has been found that the detection accuracy of ultrasonic waves at the time of medical examination is lowered, and current signals corresponding to the ultrasonic waves cannot be detected normally.
本発明は、超音波の検出精度を向上させた超音波探触子を提供する。 The present invention provides an ultrasonic probe with improved ultrasonic detection accuracy.
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.
一実施の形態における超音波探触子は、基板と、基板上に形成された第1電極と、第1電極上に形成された第1絶縁膜と、第1絶縁膜上に形成され、第1絶縁膜との間に空洞部を形成する第2絶縁膜と、第2絶縁膜上に形成された第2電極と、を有する。そして、空洞部は、第1電極と重なり、第2電極は、空洞部および第1電極と重なり、第2絶縁膜は、第1絶縁膜よりもリーク電流の高い絶縁膜とする。 An ultrasonic probe according to an embodiment is formed on a substrate, a first electrode formed on the substrate, a first insulating film formed on the first electrode, a first insulating film, A second insulating film that forms a cavity with the first insulating film; and a second electrode that is formed on the second insulating film. The cavity overlaps with the first electrode, the second electrode overlaps with the cavity and the first electrode, and the second insulating film is an insulating film having a higher leakage current than the first insulating film.
一実施の形態によれば、CMUTを有する超音波探触子において、超音波の検出精度を向上させることができる。 According to one embodiment, in an ultrasonic probe having a CMUT, ultrasonic detection accuracy can be improved.
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。 In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.
また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。 Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say.
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。 Similarly, in the following embodiments, when referring to the shape, positional relationship, etc., of components, etc., unless otherwise specified, and in principle, it is considered that this is not clearly the case, it is substantially the same. Including those that are approximate or similar to the shape. The same applies to the above numerical values and ranges.
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
(実施の形態)
<CMUTの基本構造および動作>In all the drawings for explaining the embodiments, the same members are denoted by the same reference symbols in principle, and the repeated explanation thereof is omitted. In order to make the drawings easy to understand, even a plan view may be hatched.
(Embodiment)
<Basic structure and operation of CMUT>
本実施の形態の超音波探触子は、CMUTと呼ばれる構造を有しており、基板上には、複数のCMUTセルが設けられている。 The ultrasonic probe according to the present embodiment has a structure called CMUT, and a plurality of CMUT cells are provided on the substrate.
図1を用いて、CMUTの基本的な構造および動作を説明する。図1は、基本的なCMUTセルの断面構造を示している。基板101の上層に絶縁膜104aを介して下部電極102が形成され、この下部電極102の上部に、下層絶縁膜104bおよび上層絶縁膜104cに囲まれた空洞部103が形成されている。空洞部103の上部には、上層絶縁膜104cを介して上部電極105が形成されており、上部電極105を覆うように絶縁膜104dが形成されており、空洞部103の上層の上層絶縁膜104c、上部電極105、および、絶縁膜104dでメンブレン106が構成される。また、上部電極105、下部電極102、ならびに、下層絶縁膜104b、空洞部103、および、上層絶縁膜104cからなる誘電体層、で可変容量素子が構成される。
The basic structure and operation of the CMUT will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a basic CMUT cell. A
上部電極105と下部電極102の間には、バイアス電圧源108、駆動電圧信号源109、および、スイッチ111が直列接続されている。また、上部電極105と下部電極102の間には、バイアス電圧源108、電流検出手段110、および、スイッチ112が直列接続されている。送信時には、スイッチ112をオフし、スイッチ111をオンする。そして、バイアス電圧(直流電圧)と駆動電圧信号(交流電圧)を、上部電極105と下部電極102の間に印加する。すると、上部電極105(正極)と下部電極102(負極)の間に静電気力が働き、メンブレン106が印加された駆動電圧信号の周波数で振動することで、超音波を発信する。
A
また、超音波を受信する場合は、スイッチ111をオフし、スイッチ112をオンする。メンブレン106の表面に到達した超音波の圧力により、メンブレン106が振動すると、空洞部103の幅(厚さ)が変化することで、可変容量素子の容量値が変化する。つまり、上部電極105と下部電極102との間の静電容量が変化することで、超音波に応じた電流信号が発生する。この電流信号を電流検出手段110で検出することにより受信した超音波を検出する。
When receiving ultrasonic waves, the
超音波の送信効率および受信効率は、上部電極105と下部電極102との間に印加するバイアス電圧にも関係する。バイアス電圧を高くすることで、CMUTのメンブレン106の振動エネルギーと電気エネルギーの変換効率が高くなるため、バイアス電圧が高くなる傾向にある。
<改善の検討>The transmission efficiency and reception efficiency of ultrasonic waves are also related to the bias voltage applied between the
<Examination of improvement>
上部電極105と下部電極102との間に印加するバイアス電圧が高くなることにより、上層絶縁膜104cおよび下層絶縁膜104bに印加される最大電界は5MV/cm以上となり、上下電極間の絶縁膜にFN(Fowler Nordheim)トンネル電流が流れる電界に達している。上部電極105を正極、下部電極102を負極とした場合、電子は下層絶縁膜104b中を上層絶縁膜104cに向かって移動し、一部の電子は、下層絶縁膜104b中に捕獲され捕獲電子107aとなる。また、一部の電子は、空洞部103の放電により上層絶縁膜104c中へ注入され、上層絶縁膜104c中に捕獲され捕獲電子107bとなる。
By increasing the bias voltage applied between the
通常は、高エネルギーで加速された電子が衝突する上部電極(正極)105側の上層絶縁膜104cの捕獲電子107bの数が、下層電極(負極)103側の下層絶縁膜104bの捕獲電子107aの数よりも多くなる。つまり、上層絶縁膜104cと下層絶縁膜104bの各々に捕獲される電子数にアンバランスが生じ、上層絶縁膜104cの蓄積電荷量が、下層絶縁膜104bの蓄積電荷量よりも多くなる。この主原因は、以下の通りである。つまり、空洞部103が放電していることで、高エネルギーで加速された電子が、上層絶縁膜104cに衝突する。そして、上層絶縁膜104cの表面部分(空洞部103側の表面部分)に新たな欠陥準位が生成され、その新たな準位に電子が次々と捕獲されるためである。深い準位に捕獲された捕獲電子107bは、正極である上部電極105にデトラップ(消失)され難く、上層絶縁膜104cの捕獲電子107bの量は増加し続けることとなる。つまり、下層絶縁膜104bに比べ、上層絶縁膜104cの蓄積電荷量が増大することとなる。
Normally, the number of trapped
このように、上層絶縁膜104cと下層絶縁膜104bの各々に蓄積された電子数(電荷)にアンバランスが生じることで、電極間の静電容量が最小となる電圧がシフトし、超音波の検出精度が低下してしまうという問題が発生することが確認された。
As described above, an imbalance occurs in the number of electrons (charges) accumulated in each of the upper insulating
図2は、CMUTの上下電極間の静電容量と電圧(Vdc)の関係を示す図である。グラフ(a)は、上層絶縁膜104cおよび下層絶縁膜104bに電荷が蓄積する前の初期状態であり、グラフ(b)は、上層絶縁膜104c側に蓄積した電荷107bが多い場合であり、グラフ(c)は、下層絶縁膜104b側に蓄積した電荷107aが多い場合である。グラフ(b)では、電極間の最小電圧が、初期状態に比べ正側にシフトし、グラフ(c)では、負側にシフトしている。なお、捕獲される電子数が増加しても、上層絶縁膜104cと下層絶縁膜104bの各々に蓄積された電子数が同数であれば電圧シフトは発生しない。
FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the capacitance between the upper and lower electrodes of the CMUT and the voltage (Vdc). Graph (a) shows an initial state before charges are accumulated in upper insulating
また、本願発明者の検討により、次の事実も明らかになった。メンブレンが振動する場合、最も上下の稼動範囲が大きい部分は空洞部103の中央部である。言い換えれば、この中央部分は、他の部分に比べ空洞高さが最大になる瞬間と最小になる瞬間がある。空洞高さが最小となった時,この領域に掛かる電界は最大になるため、前述の高エネルギーで加速された電子は、上層絶縁膜104cの一部に集中的に捕獲される。また、捕獲電子107bは、上層絶縁膜104c中を横方向に移動することは出来ないので、上層絶縁膜104cの中央部は捕獲電子107bが集中的に分布する。この捕獲電子107bの自己電界で、空洞の中央部分は動作前に比べ凹部103aのような形状に成り易い。
The following facts have also been clarified by the study of the present inventor. When the membrane vibrates, the portion with the largest upper and lower operating range is the central portion of the
以下に、本実施の形態における技術的思想について説明する。 The technical idea in the present embodiment will be described below.
本実施の形態の超音波探触子は、複数のCMUTセルを有している。
<実施の形態におけるCMUTセルの構成>The ultrasonic probe of the present embodiment has a plurality of CMUT cells.
<Configuration of CMUT Cell in Embodiment>
本実施の形態における基本思想は、CMUTセルにおいて、正極側の上層絶縁膜104cに蓄積される電子数(電荷量)を減少させて、負極側の下層絶縁膜104bに蓄積される電子数(電荷量)とバランスさせ、蓄積電荷量の差を許容範囲内に減少させるものである。具体的には、上層絶縁膜104cを、下層絶縁膜104bに比べてリーク電流が大きい膜とするものである。そして、リーク電流を異ならせるために、上層絶縁膜104cと下層絶縁膜104bとを、異なる膜厚、異なる膜質、または、その両者で構成するものである。
The basic idea in this embodiment is that the number of electrons (charge amount) accumulated in the upper insulating
図3は、本実施の形態の超音波探触子の要部断面図である。具体的には、CMUTセルの要部断面図である。図3に示すように、半導体基板(基板)301上に形成された酸化シリコン膜からなる絶縁膜302上にCMUTセルの下部電極102が配置されている。下部電極102の上層には酸化シリコン膜からなる下層絶縁膜303を介して空洞部103が配置されている。空洞部103は、下部電極102と重なるように配置されている。空洞部103を囲むように酸化シリコン膜からなる上層絶縁膜305が配置され、上層絶縁膜305の上層に上部電極105と、上部電極105を覆う絶縁膜306、308、および、309とが配置されている。上部電極105は、空洞部103および下部電極102と重なっている。なお、図3に示すCMUTセルも、図1の場合と同様に、上部電極103が正極として、下部電極102が負極として動作する。また、図示していないが、空洞部103の中央部には、図1と同様の凹部103aが形成されている。上部電極105と、下部電極102と、その間に位置する、下層絶縁膜303、空洞部103、および、上層絶縁膜305からなる誘電体層と、で可変容量素子が構成される。また、メンブレン106は、上層絶縁膜305、上部電極104、ならびに、絶縁膜306、308、および、309で構成されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part of the ultrasonic probe according to the present embodiment. Specifically, it is a cross-sectional view of the main part of the CMUT cell. As shown in FIG. 3, a
上部電極105と下部電極102は、金属導体層で形成されており、例えば、アルミニウム膜またはアルミニウム合金膜等を主導体膜とし、その上下に、例えば、窒化チタン膜または窒化タングステン膜等からなるバリア膜を配置した積層構造体からなる。
The
下層絶縁膜303を構成する酸化シリコン膜は、TEOS(tetraethoxysilane)を有機ソースガスとして用いてプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法で形成したPTEOS膜であり、例えば、その膜厚を400nmとする。また、下層絶縁膜303は、モノシランガスと酸化性ガスを用いたプラズマCVD法で形成したPSiO膜としてもよい。
The silicon oxide film constituting the lower insulating
上層絶縁膜305を構成する酸化シリコン膜は、リーク電流が大きいシリコンリッチ酸化膜とするのが好適であり、その膜厚は、下層絶縁膜303よりも薄い100nmとする。ここで、シリコンリッチ酸化膜とは、例えば、PTEOS膜よりも膜中のシリコン組成比が大きい酸化シリコン膜を意味する。シリコンリッチ酸化膜は、SiOX(X<1.8)、下層絶縁膜303として用いるPTEOS膜は、SiOX(1.9≦X≦2.0)と表すことができる。ここで、シリコン組成比とは、[Si]/[O]を意味する。
The silicon oxide film constituting the upper insulating
図4は、本実施の形態のシリコンリッチ酸化膜のリーク電流特性を示すグラフである。ここでは、光学的膜厚を同じ膜厚としている。図5は、本実施の形態のシリコンリッチ酸化膜の屈折率を示すグラフである。ここでは、シリコンリッチ酸化膜を、SiH4ガスおよびN2Oガスを用いたプラズマCVD法で形成した。図4および図5は、N2Oガス流量を一定として、SiH4ガス流量を変化させて作製した多種のシリコンリッチ酸化膜のリーク電流特性と屈折率を示している。図5に示すように、モノシランガス流量が増加するにつれて膜中のシリコン含有量が増加するため、シリコンリッチ酸化膜の屈折率も増加している。図5において、PTEOS膜の屈折率よりも高い屈折率を有する酸化シリコン膜が、シリコンリッチ酸化膜である。なお、屈折率は、He−Neレーザ(波長λ=633nm)光源を用いたエリプソメトリ法で測定した。FIG. 4 is a graph showing the leakage current characteristics of the silicon-rich oxide film of the present embodiment. Here, the optical film thickness is the same. FIG. 5 is a graph showing the refractive index of the silicon-rich oxide film of the present embodiment. Here, the silicon-rich oxide film was formed by a plasma CVD method using SiH 4 gas and N 2 O gas. 4 and 5 show leakage current characteristics and refractive indexes of various silicon-rich oxide films produced by changing the SiH 4 gas flow rate while keeping the N 2 O gas flow rate constant. As shown in FIG. 5, since the silicon content in the film increases as the monosilane gas flow rate increases, the refractive index of the silicon-rich oxide film also increases. In FIG. 5, a silicon oxide film having a refractive index higher than that of the PTEOS film is a silicon-rich oxide film. The refractive index was measured by ellipsometry using a He—Ne laser (wavelength λ = 633 nm) light source.
図4に示すように、例えば、電界5.3MV/cmの位置で比較すると、モノシラン(SiH4)ガス流量が600cc以上のシリコンリッチ酸化膜のリーク電流は、PTEOS膜のリーク電流よりも大きくなっている。モノシランガス流量が600ccのシリコンリッチ酸化膜の屈折率は、1.6より若干小さいが、PTEOS膜の屈折率よりも大きい。つまり、図4および図5から、屈折率が1.6以上のシリコンリッチ酸化膜であれば、そのリーク電流が、PTEOS膜のリーク電流よりも大きいことが分かる。また、屈折率が1.5以下の酸化シリコン膜は、リーク電流が小さい膜とも言える。そして、PTEOS膜は、リーク電流が小さい膜に分類される。なお、シリコンリッチ酸化膜は、PTEOS膜に比べ、希フッ酸に対するウェットエッチングレートが小さいという特徴を有している。As shown in FIG. 4, for example, when compared at a position of an electric field of 5.3 MV / cm, the leakage current of the silicon-rich oxide film having a monosilane (SiH 4 ) gas flow rate of 600 cc or more is larger than the leakage current of the PTEOS film. ing. The refractive index of the silicon-rich oxide film having a monosilane gas flow rate of 600 cc is slightly smaller than 1.6 but larger than the refractive index of the PTEOS film. That is, it can be seen from FIGS. 4 and 5 that the leakage current of the silicon-rich oxide film having a refractive index of 1.6 or more is larger than the leakage current of the PTEOS film. A silicon oxide film having a refractive index of 1.5 or less can be said to be a film having a small leakage current. The PTEOS film is classified as a film having a small leakage current. Note that the silicon-rich oxide film has a feature that the wet etching rate for dilute hydrofluoric acid is lower than that of the PTEOS film.
従って、リーク電流を増加せるために、上層絶縁膜305には、屈折率が1.6以上のシリコンリッチ酸化膜を用いることが好適である。言い換えると、上層絶縁膜305には、屈折率が1.6以上の酸化シリコン膜を用いることが好適である。
Therefore, in order to increase the leakage current, it is preferable to use a silicon-rich oxide film having a refractive index of 1.6 or more for the upper insulating
また、上層絶縁膜305の膜厚は、下層絶縁膜303の膜厚よりも薄くすることが好適である。上層絶縁膜305の膜厚を薄くすることで、よりリーク電流の高い膜とすることができる。また、下層絶縁膜303の膜厚を厚くすることにより、上層絶縁膜305の膜厚を薄くしても可変容量素子の耐圧を向上させることができる。
The thickness of the upper insulating
なお、上部電極105を正極とし、下部電極102を負極とする例で説明したが、上部電極105を負極とし、下部電極102を正極としても良い。その場合、上層絶縁膜305と下層絶縁膜303とを入れ替える必要がある。
<実施の形態における特徴>Although the example in which the
<Features in Embodiment>
空洞部103に対して、正極となる上部電極105側に位置する上層絶縁膜305を、負極となる下部電極102側に位置する下層絶縁膜303よりもリーク電流が大きい膜とする。つまり、相対的に、上層絶縁膜305は、リーク電流が大きい絶縁膜とし、下層絶縁膜303は、リーク電流が小さい絶縁膜とする。これにより、上層絶縁膜305に捕獲された電子を、容易に、正極である上部電極105にデトラップできる。つまり、上層絶縁膜305の蓄積電荷量が低減することで、上層絶縁膜305と下層絶縁膜303の蓄積電荷量のアンバランスを低減できるため、超音波の検出精度を向上することができる。
The upper
図17は、本実施の形態のCMUTセルのストレス試験結果を示すグラフである。 FIG. 17 is a graph showing a stress test result of the CMUT cell according to the present embodiment.
ストレス条件は、以下のように設定する。図1に示したスイッチ111をオンさせ、バイアス電圧(直流電圧)108のみを印加し、メンブレンの上下が接触する直流電圧(コラプス電圧)を確認する。ストレス電圧条件は、バイアス電圧(直流電圧)と駆動電圧信号(交流電圧)の最大電圧をコラプス電圧で割った値が、1.1〜1.2になるように選択して印加する。
The stress conditions are set as follows. The
図17(d)に示すように、本実施の形態のCMUTセルでは、電極間の最小電圧シフト量(△Vdc)が、最初は急激に増えるが、その後は一定に落ち着いている。上層絶縁膜305は、捕獲準位密度が大きく、捕獲準位のトラップ深さが浅い膜である。最初は、正極側である上層絶縁膜305に捕獲される蓄積電荷量が増加するが、すぐに、上層絶縁膜305に蓄積された電荷がデトラップされるため、一定以上は増加しなくなる。従って、上層絶縁膜305と下層絶縁膜の蓄積電荷量がバランスした状態で飽和する。
As shown in FIG. 17 (d), in the CMUT cell of the present embodiment, the minimum voltage shift amount (ΔVdc) between the electrodes increases rapidly at first, but then remains constant after that. The upper
図17(e)は、上層絶縁膜と下層絶縁膜を等しい膜厚のPTEOS膜で構成したCMUTセルに関するものである。図17(e)に示すように、正電極側の上層絶縁膜に蓄積される電荷(電子)は、深いトラップ準位に捕獲されるため容易にデトラップされない。この為、上層絶縁膜の蓄積電荷は増加を続け、電極間の最小電圧シフト量(△Vdc)も増加し続ける。 FIG. 17E relates to a CMUT cell in which an upper insulating film and a lower insulating film are composed of PTEOS films having the same film thickness. As shown in FIG. 17E, charges (electrons) accumulated in the upper insulating film on the positive electrode side are not easily detrapped because they are trapped in deep trap levels. For this reason, the accumulated charge of the upper insulating film continues to increase, and the minimum voltage shift amount (ΔVdc) between the electrodes also continues to increase.
上層絶縁膜305の膜厚を、下層絶縁膜303の膜厚よりも薄くすることで、上層絶縁膜305のリーク電流を、下層絶縁膜303よりも大きくすることができる。また、上層絶縁膜305が、リーク電流の大きい膜であり、かつ、薄膜であるため、前述の、新たな欠陥順位に捕獲される捕獲電子も上部電極105にデトラップされ易くなり、上層絶縁膜305の蓄積電荷を低減することができる。
By making the thickness of the upper insulating
下層絶縁膜303の膜厚を、上層絶縁膜305の膜厚よりも厚くすることにより、可変容量素子の耐圧を向上させるとともに、上層絶縁膜305のリーク電流を増加することができる。
By making the thickness of the lower insulating
上層絶縁膜305を、下層絶縁膜303よりもシリコン組成比が大きい酸化シリコン膜とすることで、上層絶縁膜305のリーク電流を、下層絶縁膜303よりも大きくすることができる。
By making the upper insulating film 305 a silicon oxide film having a silicon composition ratio larger than that of the lower insulating
上層絶縁膜305を屈折率が1.6以上の酸化シリコン膜とし、下層絶縁膜303を屈折率が1.5以下の酸化シリコン膜とすることで、上層絶縁膜305のリーク電流を、下層絶縁膜303よりも大きくすることができる。
<変形例>The upper
<Modification>
変形例は、上記実施の形態の図3において、上層絶縁膜305と空洞部103の間に、導体層601を追加した点が特徴である。その他の部分は、上記実施の形態と同様である。
The modification is characterized in that a
図6は、変形例の超音波探触子の要部断面図である。具体的には、変形例のCMUTセルの断面図である。図6に示すように、空洞部103とほぼ等しい外形を有する導体層601が、空洞部103の上であって、上層絶縁膜305の下に配置されている。導体層601は、アモルファスシリコン膜、あるいは、タングステン膜またはモリブデン膜等の金属膜からなる。導体層601は、電気的にはフローティングである。
FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of an ultrasonic probe according to a modification. Specifically, it is a sectional view of a CMUT cell of a modification. As shown in FIG. 6, a
導体層601は、空洞部103の放電により、高エネルギーで加速された電子を受け止める機能と、受け止めた電子を平面方向に拡散させる機能を有している。加速された電子が、導体層601で受け止められるため、加速された電子が、上層絶縁膜305に衝突することが無い。従って、上層絶縁膜305の表面に新たな欠陥順位が生成されることがなく、上層絶縁膜305の蓄積電荷を低減することができる。また、導体層601で受け止めた電子を平面方向に拡散するため、図1に示したように、空洞部103の中央部分だけに電荷が蓄積される現象を抑制できる。従って、導体層601は、上層絶縁膜305の空洞部103側に配置することが好適である。
The
アモルファスシリコン膜は、正確には半導体であり、膜中の電子の移動度は、シリコン単結晶等に比べるとかなり低い。しかしながら、電子が移動可能という点で、本変形例では導体層601としている。
<本実施の形態におけるCMUTセルの製造方法>An amorphous silicon film is precisely a semiconductor, and the mobility of electrons in the film is considerably lower than that of a silicon single crystal or the like. However, in this modification, the
<Method for Manufacturing CMUT Cell in the Present Embodiment>
次に、本実施の形態における超音波探触子のCMUTセルの製造方法について、図面を参照しながら説明する。図7〜図16は、本実施の形態の超音波探触子の製造工程中の要部断面図である。ここでは、本実施の形態の一部である変形例の導体層601を有するCMUTセルの製造方法を説明する
Next, a method for manufacturing a CMUT cell of an ultrasonic probe in the present embodiment will be described with reference to the drawings. 7-16 is principal part sectional drawing in the manufacturing process of the ultrasonic probe of this Embodiment. Here, a manufacturing method of a CMUT cell having a
まず、図7に示すように、半導体基板(半導体ウェハ)301の主面上に、プラズマCVD法(Chemical Vapor Deposition)で酸化シリコン膜からなる絶縁膜302を1000nm堆積する。次に、絶縁膜302上に、スパッタリング法を用いて、窒化チタン膜とアルミニウム合金膜と窒化チタン膜とをそれぞれ100nm、600nm、100nm積層する。その後、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を使用してパターニングすることにより、下部電極102を形成する。なお、アルミニウム合金膜とは、アルミニウムに微量のシリコンおよび銅が添加された膜である。
First, as shown in FIG. 7, an insulating
続いて、図8に示すように、プラズマCVD法により、下部電極102上を含む半導体基板301の主面上に、下層絶縁膜303となる酸化シリコン膜であるPTEOS膜を3000nm堆積する。そして、図9に示すように、CMP技術(Chemical Mechanical Polishing)を用いてPTEOS膜を研磨することにより、下部電極102上の下層絶縁膜303を形成する。下層絶縁膜303の膜厚は、例えば、400nmとする。
Subsequently, as shown in FIG. 8, a PTEOS film, which is a silicon oxide film serving as the lower insulating
その後、図10に示すように、下層絶縁膜303の上面に、例えば、スパッタリング法でアルミニウム等の金属膜を300nm堆積し、次に、金属膜上に、例えば、プラズマCVD法で、アモルファスシリコン膜を堆積する。次に、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、アモルファスシリコン膜および金属膜をパターニングすることで、下層絶縁膜303上に金属膜からなる犠牲層1003およびアモルファスシリコン膜からなる導体層601を形成する。すなわち、平面視において下部電極102と重なる犠牲層1003および導体層601を形成する。導体層601と犠牲層1003は、等しい平面パターンを有している。この犠牲層1003は、その後の工程で空洞部となる。
After that, as shown in FIG. 10, a 300 nm metal film such as aluminum is deposited on the upper surface of the lower insulating
次に、図11に示すように、導体層601、犠牲膜1003および下層絶縁膜303を覆うように、プラズマCVD法により、シリコンリッチ酸化膜を100nm堆積する。つまり、導体層601および犠牲層1003を覆うように、下層絶縁膜303上にシリコンリッチ酸化膜からなる上層絶縁膜305を形成する。上層絶縁膜305は、下層絶縁膜303よりもリーク電流が大きい膜とするため、その膜厚を下層絶縁膜303よりも薄くすることが肝要である。
Next, as shown in FIG. 11, a silicon-rich oxide film is deposited to a thickness of 100 nm by plasma CVD so as to cover the
続いて、図12に示すように、CMUTセルの上部電極105を形成するため、スパッタリング法により、窒化チタン膜とアルミニウム合金膜と窒化チタン膜との積層膜をそれぞれ50nm、100nm、50nm堆積する。そして、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、積層膜をパターニングして上部電極105を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 12, in order to form the
そして、図13に示すように、プラズマCVD法を用いて、窒化シリコン膜からなる絶縁膜306を上層絶縁膜305と上部電極105を覆うように200nm堆積する。
Then, as shown in FIG. 13, an insulating
次に、図14に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、絶縁膜306、上層絶縁膜305、および、導体層601に、犠牲層1003に到達する開口307を形成する。
Next, as illustrated in FIG. 14, an
その後、図15に示すように、開口307を介して、犠牲層1003を塩酸で除去することにより、空洞部103を形成する。
After that, as shown in FIG. 15, the
なお、犠牲層1003は、犠牲層1003を覆う絶縁膜に対して、選択的に除去できる膜であれば良い。例えば、窒化絶縁膜シリコン膜、酸化シリコン膜、シリコン膜がエッチングされない、塩酸、硫酸、硝酸、過酸化水素、及びそれらの混合液で除去できる金属膜であれば良い。また、犠牲層1003としてフォトレジスト等の有機膜を用いることもでき、その場合の犠牲層1003は、オゾンガスや酸素プラズマを用いたアッシング法で除去することができる。さらに、犠牲層1003を有機膜とした場合には、タングステン膜またはモリブデン膜等の金属膜を導体層601とすることができる。犠牲層1003と導体層601を、上記の組合せとすることで、犠牲層1003を除去する際に導体層601が除去されるのを防止できるため、製造歩留りを向上できる。
Note that the
続いて、図16に示すように、開口307を埋め込むために、プラズマCVD法を用いて、酸化シリコン膜からなる絶縁膜308を400nm堆積する。こうして、図16に示すように閉じられた空間である空洞部103が形成される。空洞部103は、下層絶縁膜303、上層絶縁膜305、導体層601、および、絶縁膜308によって囲まれた空間である。
Subsequently, as shown in FIG. 16, in order to fill the
その後、図6に示すように、プラズマCVD法を用いて、窒化シリコン膜からなる絶縁膜309を400nm堆積する。絶縁膜309は、CMUTを外部の雰囲気または応力から保護するための保護膜である。
Thereafter, as shown in FIG. 6, an insulating
以上のようにして、本実施の形態の変形例におけるCMUTを製造することができる。なお、導体層601を有さない本実施の形態のCMUTセルの場合には、導体層601の形成工程を省略する。そして、空洞部103は、下層絶縁膜303、上層絶縁膜305、および、絶縁膜308によって閉じられた空間となる。
As described above, the CMUT according to the modification of the present embodiment can be manufactured. In the case of the CMUT cell of this embodiment that does not have the
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。すなわち、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say. That is, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
101 基板
102 下部電極
103 空洞部
103a 凹部
104a 絶縁膜
104b 下層絶縁膜
104c 上層絶縁膜
104d 絶縁膜
105 上部電極
106 メンブレン
107a、107b 捕獲電子
108 バイアス電圧源
109 駆動電圧信号源
110 電流検出手段
111 スイッチ
112 スイッチ
301 半導体基板(基板)
302 絶縁膜
303 下層絶縁膜
305 上層絶縁膜
306 絶縁膜
307 開口
308 絶縁膜
309 絶縁膜
601 導体層
1103 犠牲層DESCRIPTION OF
302 Insulating
Claims (15)
前記基板上に形成された第1電極と、
前記第1電極上に形成された第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に形成され、前記第1絶縁膜との間に空洞部を形成する第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜上に形成された第2電極と、
を有し、
前記空洞部は、前記第1電極と重なり、前記第2電極は、前記空洞部および前記第1電極と重なり、
前記第2絶縁膜は、前記第1絶縁膜よりもリーク電流が大きい膜である、超音波探触子。A substrate,
A first electrode formed on the substrate;
A first insulating film formed on the first electrode;
A second insulating film formed on the first insulating film and forming a cavity with the first insulating film;
A second electrode formed on the second insulating film;
Have
The cavity overlaps the first electrode, the second electrode overlaps the cavity and the first electrode,
The ultrasonic probe, wherein the second insulating film is a film having a leakage current larger than that of the first insulating film.
前記第1絶縁膜は、第1酸化シリコン膜からなり、前記第2絶縁膜は、第2酸化シリコン膜からなる、超音波探触子。The ultrasonic probe according to claim 1,
The ultrasonic probe, wherein the first insulating film is made of a first silicon oxide film, and the second insulating film is made of a second silicon oxide film.
前記第2酸化シリコン膜のシリコン組成比は、前記第1酸化シリコン膜のシリコン組成比よりも大きい、超音波探触子。The ultrasonic probe according to claim 2,
The ultrasonic probe in which a silicon composition ratio of the second silicon oxide film is larger than a silicon composition ratio of the first silicon oxide film.
前記第2酸化シリコン膜の屈折率は、前記第1酸化シリコン膜の屈折率よりも大きい、超音波探触子。The ultrasonic probe according to claim 2,
The ultrasonic probe, wherein a refractive index of the second silicon oxide film is larger than a refractive index of the first silicon oxide film.
前記第1絶縁膜の膜厚は、前記第2絶縁膜の膜厚よりも大きい、超音波探触子。The ultrasonic probe according to claim 1,
The ultrasonic probe in which the film thickness of the first insulating film is larger than the film thickness of the second insulating film.
前記第2電極が正極となり、前記第1電極が負極となるように、前記第1電極および前記第2電極間に接続されたバイアス電圧源を有する、超音波探触子。The ultrasonic probe according to claim 1, further comprising:
An ultrasonic probe having a bias voltage source connected between the first electrode and the second electrode so that the second electrode is a positive electrode and the first electrode is a negative electrode.
前記第2絶縁膜と接触するように、前記空洞部と前記第2絶縁膜との間に形成された導体層を有する、超音波探触子。The ultrasonic probe according to claim 1, further comprising:
An ultrasonic probe having a conductor layer formed between the cavity and the second insulating film so as to be in contact with the second insulating film.
前記前記導体層は、アモルファスシリコン膜である、超音波探触子。The ultrasonic probe according to claim 7,
The ultrasonic probe, wherein the conductor layer is an amorphous silicon film.
前記前記導体層は、金属膜である、超音波探触子。The ultrasonic probe according to claim 7,
The ultrasonic probe, wherein the conductor layer is a metal film.
前記基板上に形成された第1電極と、
前記第1電極上に形成された第1酸化シリコン膜と、
前記第1酸化シリコン膜上に形成され、前記第1酸化シリコン膜との間に空洞部を形成する第2酸化シリコン膜と、
前記第2酸化シリコン膜上に形成された第2電極と、
を有し、
前記空洞部は、前記第1電極と重なり、前記第2電極は、前記空洞部および前記第1電極と重なり、
前記第2酸化シリコン膜は、前記第1絶縁膜よりもリーク電流が大きい膜で、かつその膜厚は、前記第1酸化シリコン膜の膜厚よりも薄い、超音波探触子。A substrate,
A first electrode formed on the substrate;
A first silicon oxide film formed on the first electrode;
A second silicon oxide film formed on the first silicon oxide film and forming a cavity with the first silicon oxide film;
A second electrode formed on the second silicon oxide film;
Have
The cavity overlaps the first electrode, the second electrode overlaps the cavity and the first electrode,
The ultrasonic probe in which the second silicon oxide film has a larger leakage current than the first insulating film, and the film thickness is smaller than the film thickness of the first silicon oxide film.
前記第2電極が正極となり、前記第1電極が負極となるように、前記第1電極および前記第2電極間に接続されたバイアス電圧源を有する、超音波探触子。The ultrasonic probe according to claim 10, further comprising:
An ultrasonic probe having a bias voltage source connected between the first electrode and the second electrode so that the second electrode is a positive electrode and the first electrode is a negative electrode.
前記第2酸化シリコン膜のリーク電流は、前記第1酸化シリコン膜のリーク電流よりも大きい、超音波探触子。The ultrasonic probe according to claim 10,
The ultrasonic probe in which a leakage current of the second silicon oxide film is larger than a leakage current of the first silicon oxide film.
(b)前記基板上に第1金属膜からなる第1電極を形成する工程、
(c)前記第1電極上に第1酸化シリコン膜を形成する工程、
(d)前記第1酸化シリコン膜上に、犠牲層を形成する工程、
(e)前記犠牲層を覆うように、前記第1酸化シリコン膜上に第2酸化シリコン膜を形成する工程、
(f)前記第2酸化シリコン膜上に、前記犠牲層と重なるように第2電極を形成する工程、
(g)前記第2電極を覆うように、前記第2酸化シリコン膜上に第1絶縁膜を形成する工程、
(h)前記第1絶縁膜および前記第2酸化シリコン膜を貫通して前記犠牲層に達する開口を形成する工程、
(i)前記開口を介して、前記犠牲層を除去することにより、空洞部を形成する工程、
(j)前記(i)工程後、前記開口を塞ぐように第2絶縁膜を形成する工程、
を有し、
前記第2酸化シリコン膜の膜厚を、前記第1酸化シリコン膜の膜厚よりも薄くする、超音波探触子の製造方法。(A) a step of preparing a substrate;
(B) forming a first electrode made of a first metal film on the substrate;
(C) forming a first silicon oxide film on the first electrode;
(D) forming a sacrificial layer on the first silicon oxide film;
(E) forming a second silicon oxide film on the first silicon oxide film so as to cover the sacrificial layer;
(F) forming a second electrode on the second silicon oxide film so as to overlap the sacrificial layer;
(G) forming a first insulating film on the second silicon oxide film so as to cover the second electrode;
(H) forming an opening that reaches the sacrificial layer through the first insulating film and the second silicon oxide film;
(I) forming the cavity by removing the sacrificial layer through the opening;
(J) After the step (i), a step of forming a second insulating film so as to close the opening;
Have
The method of manufacturing an ultrasonic probe, wherein the second silicon oxide film is thinner than the first silicon oxide film.
前記第2酸化シリコン膜のシリコン組成比は、前記第1酸化シリコン膜のシリコン組成比よりも大きい、超音波探触子の製造方法。In the manufacturing method of the ultrasonic probe according to claim 13,
The ultrasonic probe manufacturing method, wherein a silicon composition ratio of the second silicon oxide film is larger than a silicon composition ratio of the first silicon oxide film.
前記(d)工程と(e)工程との間に、さらに、
(k)前記犠牲層の上に、アモルファスシリコン膜を形成する工程、
を有する、超音波探触子の製造方法。In the manufacturing method of the ultrasonic probe according to claim 13,
Between the step (d) and the step (e),
(K) forming an amorphous silicon film on the sacrificial layer;
A method for manufacturing an ultrasonic probe.
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