JP2016007681A - Ｍｅｍｓ素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】追加の製造工程なしで、バックチャンバーの容積を大きくすることができるＭＥＭＳ素子を提供する。
【解決手段】ＭＥＭＳ素子は、可動電極３が基板側に露出するように基板が除去された第１のバックチャンバー部１１が形成され、その外側には可動電極３、スペーサー４、固定電極が積層形成された基板からなる電極支持部１４と、さらにその外側に基板が除去された第２のバックチャンバー部１２が形成されており、第１のバックチャンバー部１１と第２のバックチャンバー部１２とは、それぞれの空間が連続するように連通部が形成されている。第１のバックチャンバー１１と第２のバックチャンバー１２は、一般的なバックチャンバーと同様に形成することができる。
【選択図】図８

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圧力検出式のＭＥＭＳ素子およびその製造方法に関する。

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（絶縁膜）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、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、音圧を受けて振動す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。

一般的に、コンデンサマイクロフォンの感度を上げるためには、音圧により可動電極の変位を大きくする必要がある。そのため、可動電極のバネを柔らかくする方法や、バックチャンバーの容積を大きくする方法が採られている。

図１０は、バックチャンバーの容積を大きくした従来のＭＥＭＳ素子の説明図である。図１０に示すようにシリコン基板１上に熱酸化膜２を介して可動電極３が形成されている。可動電極３上には、スペーサー４を介して固定電極５と窒化膜６が形成され、固定電極５には貫通孔７が形成されている。

図１０に示すＭＥＭＳ素子では、シリコン基板１を階段状に除去することによりバックチャンバーの容積を大きくしている（特許文献１）。また段数を多くすることで、さらにバックチャンバーの容積を大きくすることも可能となる。

ところで、このような階段状のバックチャンバーを形成する際には、エッチングマスクの形成とエッチング工程を複数回繰り返す必要がある。具体的な製造工程を図１１に示す。まず、シリコン基板１の表面側に、熱酸化膜２、可動電極３、固定電極５等を形成した後、シリコン基板１の裏面側にシリコン基板１をエッチングする際使用する第１のマスク膜９ａと第２のマスク膜９ｂを積層形成する。この第１のマスク膜９ａと第２のマスク膜９ｂは、選択除去ができる膜の組合せとなっている。具体的には、第１のマスク膜９ａを金属膜とし、第２のマスク膜９ｂをフォトレジストとする。次に、第２のマスク膜９ｂをエッチングマスクとして使用して、露出するシリコン基板１表面をＲＩＥ法により異方性のエッチングを行う。その結果、図１１（ａ）に示すように第１の凹部１０ａが形成される。

第２のマスク膜９ｂを選択的に除去し、第１のマスク膜９ａを露出させる。第１のマスク膜９ａは、第２のマスク膜９ａより後退した位置に開口するようにパターニングされており、エッチングされずに残ったシリコン基板１の裏面側の一部が露出することになる（図１１ｂ）。

その後、第１のマスク膜９ａをエッチングマスクとして使用し、露出するシリコン基板１表面をＲＩＥ法により異方性のエッチングを行い、熱酸化膜２を露出させる。その結果、図１１（ｃ）に示すように第１の凹部１０ａと第２の凹部１０ｂが形成され、階段状のバックチャンバーとなる。ここで、さらに段数の多いバックチャンバーを形成する場合は、エッチングマスクの形成とエッチングを繰り返すことになる。

その後、貫通孔７からスペーサー膜４ａの一部を除去することにより図１０に示すＭＥＭＳ素子を形成することができる。

特開２００８−１７３９５号公報

ところで、従来提案されている方法は、バックチャンバーを形成する際、エッチングマスクの形成とエッチングを繰り返す必要があり、製造工程が長くなるという問題があった。本発明はこのような問題を解消するため、追加の製造工程なしで、バックチャンバーの容積を大きくすることができる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基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを対向配置したＭＥＭＳ素子において、前記可動電極が露出するように前記基板が除去された第１のバックチャンバー部と、該第１のバックチャンバー部を区画し、前記スペーサーを介して前記固定電極と前記可動電極を支持する電極支持部と、該電極支持部を区画するように前記基板が除去された第２のバックチャンバー部と、前記第１のバックチャンバー部と第２のバックチャンバー部とを連続される連通部とを備えてい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、前記第２のバックチャンバー部上に前記スペーサーが除去された空間を備え、該空間は、前記第２のバックチャンバー部と連続していることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、バックチャンバーを備えた基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを対向配置したＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、該第１の絶縁膜上に、可動電極を形成する工程と、該可動電極上に、前記スペーサーを構成する第２の絶縁膜を形成する工程と、該第２の絶縁膜上に、固定電極を形成する工程と、該固定電極に貫通孔を形成する工程と、前記基板の一部を除去し、前記可動電極を露出させる第１のバックチャンバー部と、前記スペーサーを介して前記固定電極と可動電極を支持する電極支持部を区画する第２のバックチャンバー部と、前記第１のバックチャンバー部と前記第２のバックチャンバー部とを連続させる連通部とを形成する工程と、前記貫通孔から前記第２の絶縁膜の一部をエッチング除去し、前記電極支持部に前記第２の絶縁膜からなるスペーサーを形成する工程と、を含むことを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項３記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記スペーサーを形成する際、前記第２のバックチャンバー部上の前記第２の絶縁膜をエッチング除去し、該除去された空間と前記第２のバックチャンバー部とを連続させる工程を含むことを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子は、第１のバックチャンバー部、第２のバックチャンバー部および連通部を１回のエッチングマスクの形成とエッチングのみで形成することができる構造となっており、追加の製造工程なしでバックチャンバーの容積を大きくすることができる。

また本発明のＭＥＭＳ素子は、電極支持部により可動電極の可動面積を任意の大きさに設定することができるとともに、第２のバックチャンバー部の大きさを適宜設定することで、バックチャンバーの容積を所望の大きさで拡大することができるという利点もある。

さらに本発明のＭＥＭＳ素子の第２のバックチャンバー部は、スペーサーが除去されており、さらにバックチャンバーと連通する容積が大きくなり、ＭＥＭＳ素子の感度が向上することになる。

本発明のＭＥＭＳ素子の平面図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子のバックチャンバー部の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。 本発明のＭＥＭＳ素子のバックチャンバー部の説明図である。 従来のＭＥＭＳ素子の説明図である。 従来のＭＥＭＳ素子のバックチャンバーの製造工程を説明する図である。

本発明のＭＥＭＳ素子は、可動電極が基板側に露出するように基板が除去された第１のバックチャンバー部が形成され、その外側には可動電極、スペーサー、固定電極が積層形成された基板からなる電極支持部と、さらにその外側に基板が除去された第２のバックチャンバー部が形成されており、第１のバックチャンバー部と第２のバックチャンバー部とは、それぞれの空間が連続するように連通部が形成されている。この連通部は、基板が除去され形成されている。本発明の第１のバックチャンバー部と第２のバックチャンバー部は、それぞれその側壁がほぼ垂直に形成されており、一般的なバックチャンバーと同様に形成することができる。

さらに本発明のＭＥＭＳ素子は、第２のバックチャンバー部上に配置されたスペーサーが除去された構造とすることも可能である。以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。

本発明の実施例についてコンデンサマイクロフォンを例にとり、詳細に説明する。図１は本実施例のＭＥＭＳ素子の平面図であり、このＡ−Ａ面の断面図を図２乃至図６および図８に示す。図１において、点線で囲まれた領域のシリコン基板が除去され、第１のバックチャンバー部１１、第２のバックチャンバー部１２、第１のバックチャンバー部１１と第２のバックチャンバー部１２を連続させる連通部１３が形成されている。第１のバックチャンバー部１１と第２のバックチャンバー部１２の間は、シリコン基板が残る電極支持部１４となる。

以下、製造工程に従い説明する。まず、表面の結晶方位が（１００）面のシリコン基板１上に、厚さ０．５μｍ程度の熱酸化膜２（第１の絶縁膜に相当）を形成する。さらに表面側の熱酸化膜２上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．５μｍの導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、可動部となる可動電極３を形成する（図２）。可動電極１３には、応力緩和のためスリットが形成される場合もある。

可動電極３上に、厚さ３μｍ程度のＵＳＧ（Undoped Silicate Glass）膜からなるスペーサー膜４ａ（第２の絶縁膜に相当）を積層形成する（図３）。このスペーサー膜４ａは、エアギャップを形成するため一部が除去され、残された部分がスペーサーとなる。

スペーサー膜４ａ上に、厚さ０．１μｍのポリシリコン膜を形成し、所定のパターニングを行い、固定電極５を形成する（図４）。可動電極３と固定電極５には、図１に示す配線部１５が形成される。

スクライブライン上のスペーサー膜４ａを除去した後、全面に窒化膜６を積層形成する。この窒化膜６は、固定電極５と一体となる（固定電極に相当）。窒化膜６および固定電極５の一部を除去し、貫通孔７を形成してスペーサー膜４ａ表面を露出させる。この貫通孔７は、音を可動電極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、配置が設定される（図５）。

その後、バックチャンバーを形成するため、シリコン基板１をＲＩＥ装置を用いてエッチングする。本発明のバックチャンバーは、可動電極３を開口する第１のバックチャンバー部１１とその外側に第２のバックチャンバー部１２からなり、その間に電極支持部１４となるシリコン基板１が残る構造となっている（図６）。図７は、第１のバックチャンバー部１１と第２のバックチャンバー部１２が形成されたシリコン基板１の平面図を示している。図７に示すように、第１のバックチャンバー部１１と第２のバックチャンバー部１２の間には、電極支持部１４となるシリコン基板が残され、可動電極が支持される構造となる。また、第１のバックチャンバー部１１と第２のバックチャンバー部１２が連続するように、電極支持部１４の一部が除去され、連通部１３が形成されている。

その後、可動電極３と固定電極５の間を中空構造とするため、スペーサー膜４ａの一部をエッチング除去し、スペーサー４を形成する（図８）。

このように形成されたＭＥＭＳ素子であるコンデンサマイクロフォンは、貫通孔７を通過した音圧により可動電極３が振動し、固定電極５と可動電極３間の変位を電極間の容量変化として検出することになる。ここで本発明では、従来のバックチャンバーに相当する第１のバックチャンバー部１１に加え、連続する第２のバックチャンバー部１２が形成されており、バックチャンバーの容積を大きくすることができ、高感度のＭＥＭＳ素子を形成することが可能となる。

また、本発明では、スペーサー膜４ａの一部をエッチングする際、第２のバックチャンバー部１２上のスペーサー膜４ａも同時にエッチング除去され、第２のバックチャンバー部１２に連続する空間１６が形成される。この空間１６も第１のバックチャンバー部１１と第２のバックチャンバー部１２および連通部１３を介して連続しているため、バックチャンバーの一部を構成し、ＭＥＭＳ素子の感度向上に寄与することになる。

バックチャンバーの形状は、図７に示す構造の他、図９に示すように種々変更可能である。なお、図９右図において１７は、可動電極３が大きく変形して破損するのを防止するために設けられたストッパーである。

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いことは言うまでもない。例えば、上記実施例では連通部１３は、シリコン基板１がすべてエッチング除去された場合にについて説明したが、シリコン基板１を完全に除去する必要はない。図７に示す構造にシリコン基板をエッチングする場合、エッチングのためのマスクは、図７に示す構造とした場合であっても、シリコン基板の厚さに相当する深いエッチングを行うと、連通部１３が完全にはエッチング除去されず、わずかにシリコン基板１が残る場合もある。その場合には、連通部はシリコン基板のエッチング除去された領域で構成され、電極支持部は、円形に残るシリコン基板となる。このような構造とすると、連通部においても可動電極と固定電極はスペーサーを介して電極支持部にしっかりと固定されるため、可動電極、固定電極の強度を保つことができるという利点もある。

１：シリコン基板、２：熱酸化膜、３：可動電極、４：スペーサー、４ａ：スペーサー膜、５：固定電極、６：窒化膜、７：貫通孔、８：バックチャンバー、９ａ：第１のマスク膜、９ｂ：第２のマスク膜、１０ａ：第１の凹部、１０ｂ：第２の凹部、１１：第１のバックチャンバー部、１２：第２のバックチャンバー部、１３：連通部、１４：電極支持部、１５：配線、１６：空間、１７：ストッパー

Claims (4)

1. バックチャンバーを備えた基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを対向配置したＭＥＭＳ素子において、
   前記可動電極が露出するように前記基板が除去された第１のバックチャンバー部と、該第１のバックチャンバー部を区画し、前記スペーサーを介して前記固定電極と前記可動電極を支持する電極支持部と、該電極支持部を区画するように前記基板が除去された第２のバックチャンバー部と、前記第１のバックチャンバー部と第２のバックチャンバー部とを連続される連通部とを備えてい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、
   前記第２のバックチャンバー部上に前記スペーサーが除去された空間を備え、該空間は、前記第２のバックチャンバー部と連続していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
3. バックチャンバーを備えた基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを対向配置したＭＥＭＳ素子の製造方法において、
   前記基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
   該第１の絶縁膜上に、可動電極を形成する工程と、
   該可動電極上に、前記スペーサーを構成する第２の絶縁膜を形成する工程と、
   該第２の絶縁膜上に、固定電極を形成する工程と、
   該固定電極に貫通孔を形成する工程と、
   前記基板の一部を除去し、前記可動電極を露出させる第１のバックチャンバー部と、前記スペーサーを介して前記固定電極と可動電極を支持する電極支持部を区画する第２のバックチャンバー部と、前記第１のバックチャンバー部と前記第２のバックチャンバー部とを連続させる連通部とを形成する工程と、
   前記貫通孔から前記第２の絶縁膜の一部をエッチング除去し、前記電極支持部に前記第２の絶縁膜からなるスペーサーを形成する工程と、を含むことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
4. 請求項３記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記スペーサーを形成する際、前記第２のバックチャンバー部上の前記第２の絶縁膜をエッチング除去し、該除去された空間と前記第２のバックチャンバー部とを連続させる工程を含むことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。

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