JP4702164B2 - Ultrasonic sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明は、超音波センサ及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to an ultrasonic sensor and a manufacturing method thereof.

従来、車両の障害物検知システム等に超音波センサが採用されている。このような超音波センサとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて作製された圧電式の超音波センサが知られている（特許文献１参照）。   Conventionally, an ultrasonic sensor has been employed in a vehicle obstacle detection system or the like. As such an ultrasonic sensor, a piezoelectric ultrasonic sensor manufactured using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology is known (see Patent Document 1).

特許文献１に示される超音波センサは、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板に薄肉部（半導体活性層と絶縁膜層）を形成し、強誘電体を２つの電極（上部検出用電極、下部検出用電極）で挟設する圧電振動子を、強誘電体の上下面に各電極が配置される態様で、薄肉部を覆うように形成してなるものである。
特開２００３−２８４１８２号公報 In the ultrasonic sensor shown in Patent Document 1, a thin part (semiconductor active layer and insulating film layer) is formed on a semiconductor substrate having an SOI (Silicon On Insulator) structure, and a ferroelectric substance is composed of two electrodes (upper detection electrode, The piezoelectric vibrator sandwiched between the lower detection electrodes) is formed so as to cover the thin portion in such a manner that the electrodes are arranged on the upper and lower surfaces of the ferroelectric.
JP 2003-284182 A

ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサにおいては、製造ばらつきによって、薄肉部と圧電振動子からなるメンブレン構造体の共振周波数が所望の共振周波数からずれる恐れがある。また、メンブレン構造体がアレイ化されたセンサにおいては、メンブレン構造体間に共振周波数のばらつきが生じる（すなわち、センサ感度にばらつきが生じる）という問題がある
これに対し、特許文献１においては、センサの動作中において、２つの電極間に所定電圧を印加することにより、センサの共振周波数を調整する方法が提案されている。この場合、強誘電体内に生じる自発分極の変化に伴って、剛性に関わる物性値（例えば膜応力、ヤング率）が変化し、共振周波数が変化する。しかしながら、電圧を印加し続けると分極の状態が徐々に変化するため、長期にわたって共振周波数を制御するのが困難である。 In the piezoelectric ultrasonic sensor manufactured using the MEMS technology, the resonance frequency of the membrane structure including the thin portion and the piezoelectric vibrator may be shifted from a desired resonance frequency due to manufacturing variations. In addition, in a sensor in which membrane structures are arrayed, there is a problem that variations in resonance frequency occur between membrane structures (that is, variations in sensor sensitivity occur). In the above operation, a method for adjusting the resonance frequency of the sensor by applying a predetermined voltage between the two electrodes has been proposed. In this case, along with the change of the spontaneous polarization generated in the ferroelectric body, the physical property values (for example, film stress and Young's modulus) related to the stiffness change, and the resonance frequency changes. However, if the voltage is continuously applied, the polarization state gradually changes, and it is difficult to control the resonance frequency over a long period of time.

また、特許文献１においては、センサの動作前において、２つの電極間に所定電圧を印加し、予め強誘電体の自発分極を変化させる（ポーリングする）ことで、センサの共振周波数を調整する方法も提案されている。しかしながら、この方法の場合、例えば室温で放置しておくと、自発分極が弱まることが知られており、長期にわたって共振周波数を制御するのが困難である。   In Patent Document 1, a method of adjusting the resonance frequency of a sensor by applying a predetermined voltage between two electrodes and changing (polling) the spontaneous polarization of the ferroelectric in advance before the operation of the sensor. Has also been proposed. However, in this method, it is known that spontaneous polarization is weakened if left at room temperature, for example, and it is difficult to control the resonance frequency over a long period of time.

なお、これらの方法では、強誘電体のように自発分極を持つ材料でないと調整することができず、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）といった圧電体には適用することができない。   These methods cannot be adjusted unless the material has spontaneous polarization such as a ferroelectric material, and cannot be applied to a piezoelectric material such as aluminum nitride (AlN) or zinc oxide (ZnO).

本発明は上記問題点に鑑み、長期にわたって共振周波数を制御できる超音波センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the ultrasonic sensor which can control a resonant frequency over a long term, and its manufacturing method in view of the said problem.

上記目的を達成する為に請求項１に記載の超音波センサは、一部に薄肉部が形成された基板と、基板の厚さ方向において、２つの検出用電極間に圧電体薄膜を配置してなり、薄肉部上に形成された圧電振動子と、メンブレン構造体を構成する薄肉部と圧電振動子のうち、薄肉部に所定電圧を印加するための調整用電極と、を備える。そして、基板は、第１導電型の半導体基板と、半導体基板の圧電振動子側の表面上に多層に積層配置された絶縁膜を含み、調整用電極は、第１調整用電極と第２調整用電極を含み、第１調整用電極は、半導体基板の圧電振動子側の表層において、第１導電型とは反対の、第２導電型の拡散領域として構成され、第２調整用電極は、基板の厚さ方向において、絶縁膜に挟まれて配置され、薄肉部の形成領域において、第１調整用電極を残して半導体基板が除去され、絶縁膜のうち、少なくとも半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、第２調整用電極を含むメンブレン構造体と第１調整用電極とが離間されており、第１調整用電極と第２調整用電極との間に印加された所定電圧に応じて、メンブレン構造体のばね定数が変化することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an ultrasonic sensor according to claim 1 includes a substrate having a thin portion formed in part and a piezoelectric thin film disposed between two detection electrodes in the thickness direction of the substrate. A piezoelectric vibrator formed on the thin-walled portion, and an adjustment electrode for applying a predetermined voltage to the thin-walled portion of the thin-walled portion and the piezoelectric vibrator constituting the membrane structure . The substrate includes a first conductivity type semiconductor substrate and an insulating film laminated in multiple layers on the surface of the semiconductor substrate on the piezoelectric vibrator side. The adjustment electrode includes the first adjustment electrode and the second adjustment electrode. The first adjustment electrode is configured as a diffusion region of the second conductivity type opposite to the first conductivity type on the surface of the semiconductor substrate on the piezoelectric vibrator side of the semiconductor substrate. In the thickness direction of the substrate, the semiconductor substrate is removed while leaving the first adjustment electrode in the thin portion forming region, and the insulating film is in contact with at least the surface of the semiconductor substrate. The membrane is removed, the membrane structure including the second adjustment electrode and the first adjustment electrode are separated from each other, and according to a predetermined voltage applied between the first adjustment electrode and the second adjustment electrode The spring constant of the membrane structure changes To.

このように本発明によれば、メンブレン構造体を構成する薄肉部、具体的には第１調整用電極と第２調整用電極との間に所定電圧を印加することが可能であり、所定電圧を印加すると、静電気力が生じてメンブレン構造体が変形（変位）する。すなわち、メンブレン構造体のばね定数が実質的に変化するので（所謂負の静電ばね効果）、共振周波数を調整することができる。また、圧電振動子を構成する圧電体薄膜には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to apply a predetermined voltage between the thin portions constituting the membrane structure , specifically, between the first adjustment electrode and the second adjustment electrode. Is applied, electrostatic force is generated and the membrane structure is deformed (displaced). That is, since the spring constant of the membrane structure changes substantially (so-called negative electrostatic spring effect), the resonance frequency can be adjusted. In addition, since a predetermined voltage is not applied to the piezoelectric thin film constituting the piezoelectric vibrator (that is, the spontaneous polarization of the piezoelectric thin film is not used), the resonance frequency can be controlled over a long period of time.

なお、上述したように、共振周波数の制御に圧電体薄膜の自発分極を利用しないので、圧電体薄膜として、ＰＺＴのような強誘電体以外にも、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）といった圧電体を適用することができる。   As described above, since the spontaneous polarization of the piezoelectric thin film is not used for controlling the resonance frequency, the piezoelectric thin film is not limited to a ferroelectric material such as PZT, for example, aluminum nitride (AlN) or zinc oxide (ZnO). ) Can be applied.

また、メンブレン構造体と第１調整用電極とが離間されている（すなわち、メンブレン構造体と第１調整用電極との間に空隙がある）ので、所定電圧の印加によりメンブレン構造体を変形させ、共振周波数を調整することができる。なお、半導体基板と第１調整用電極とは、ＰＮ接合にて絶縁分離されている。 In addition, since the membrane structure and the first adjustment electrode are separated (that is, there is a gap between the membrane structure and the first adjustment electrode), the membrane structure is deformed by applying a predetermined voltage. The resonance frequency can be adjusted. Note that the semiconductor substrate and the first adjustment electrode are insulated and separated by a PN junction.

また、請求項２に記載のように、半導体基板がシリコンからなる場合には、第１導電型としてＮ導電型、第２導電型としてＰ導電型を採用すると良い。このように構成すると、強アルカリ液によって半導体基板をエッチングし、薄肉部を形成するに当たり、半導体基板のみを除去し、Ｐ導電型の第１調整用電極を選択的に残すことができる。 Further, as described in claim 2 , when the semiconductor substrate is made of silicon, it is preferable to adopt the N conductivity type as the first conductivity type and the P conductivity type as the second conductivity type. If comprised in this way, when etching a semiconductor substrate with a strong alkali liquid and forming a thin part, only a semiconductor substrate can be removed and the P conductivity type 1st adjustment electrode can be left selectively.

次に、請求項３に記載の超音波センサは、一部に薄肉部が形成された基板と、基板の厚さ方向において、２つの検出用電極間に圧電体薄膜を配置してなり、薄肉部上に形成された圧電振動子と、メンブレン構造体を構成する薄肉部と圧電振動子のうち、薄肉部に所定電圧を印加するための調整用電極と、を備える。そして、基板は、支持基板上に埋め込み絶縁膜を介して半導体層を配置してなる半導体基板と、半導体基板の圧電振動子側の表面上に多層に積層配置された絶縁膜を含み、調整用電極は、第１調整用電極と第２調整用電極を含み、第１調整用電極は、半導体層に不純物を導入することにより構成され、第２調整用電極は、基板の厚さ方向において、絶縁膜に挟まれて配置され、薄肉部の形成領域において、第１調整用電極を残して半導体基板が除去され、絶縁膜のうち、少なくとも半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、第２調整用電極を含むメンブレン構造体と第１調整用電極とが離間されており、第１調整用電極と第２調整用電極との間に印加された所定電圧に応じて、メンブレン構造体のばね定数が変化することを特徴とする。 Next, an ultrasonic sensor according to claim 3 comprises a substrate having a thin portion formed in part and a piezoelectric thin film disposed between two detection electrodes in the thickness direction of the substrate. A piezoelectric vibrator formed on the part, a thin part constituting the membrane structure, and an adjustment electrode for applying a predetermined voltage to the thin part of the piezoelectric vibrator. The substrate includes a semiconductor substrate in which a semiconductor layer is disposed on a support substrate via a buried insulating film, and an insulating film that is stacked in multiple layers on the surface of the semiconductor substrate on the piezoelectric vibrator side . The electrode includes a first adjustment electrode and a second adjustment electrode. The first adjustment electrode is configured by introducing an impurity into the semiconductor layer, and the second adjustment electrode is formed in the thickness direction of the substrate. In the region where the thin portion is formed, the semiconductor substrate is removed, leaving the first adjustment electrode, and at least the insulating film in contact with the surface of the semiconductor substrate is removed. The membrane structure including the adjustment electrode and the first adjustment electrode are separated from each other, and the spring of the membrane structure according to a predetermined voltage applied between the first adjustment electrode and the second adjustment electrode It is characterized in that the constant changes.

このように、埋め込み絶縁膜を有する半導体基板（例えばＳＯＩ構造半導体基板）を採用しても、請求項１に記載の発明と同様の構造を実現することができる。 Thus, even when a semiconductor substrate having a buried insulating film (for example, an SOI structure semiconductor substrate) is employed, a structure similar to that of the first aspect of the invention can be realized.

なお、請求項３に記載の発明においては、請求項４に記載のように、基板の厚さ方向において、第１調整用電極の厚さを、メンブレン構造体の厚さよりも厚くした構成とすることが好ましい。これにより、電圧印加時の第１調整用電極の変形を抑え、第２調整用電極を含むメンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。 In the invention described in claim 3 , as described in claim 4 , in the thickness direction of the substrate, the thickness of the first adjustment electrode is made larger than the thickness of the membrane structure. It is preferable. Thereby, the deformation of the first adjustment electrode during voltage application can be suppressed, and the deformation amount of the membrane structure including the second adjustment electrode can be increased.

次に、請求項５に記載の超音波センサは、一部に薄肉部が形成された基板と、基板の厚さ方向において、２つの検出用電極間に圧電体薄膜を配置してなり、薄肉部上に形成された圧電振動子と、メンブレン構造体を構成する薄肉部と前記圧電振動子のうち、薄肉部に所定電圧を印加するための調整用電極と、を備える。そして、基板は、第１導電型の半導体基板と、半導体基板の圧電振動子側の表面上に配置された絶縁膜を含み、調整用電極は、半導体基板の圧電振動子側の表層において、第１導電型とは反対の、第２導電型の拡散領域として構成された第１調整用電極を含み、薄肉部の形成領域において、第１調整用電極を残して半導体基板が除去され、絶縁膜のうち、少なくとも半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、メンブレン構造体と第１調整用電極とが離間されており、２つの検出用電極の一方である基板側の下部検出用電極と第１調整用電極との間に印加された所定電圧に応じて、メンブレン構造体のばね定数が変化することを特徴とする。 Next, an ultrasonic sensor according to claim 5 comprises a substrate having a thin portion formed in part and a piezoelectric thin film disposed between two detection electrodes in the thickness direction of the substrate. A piezoelectric vibrator formed on the part; a thin part constituting the membrane structure; and an adjustment electrode for applying a predetermined voltage to the thin part of the piezoelectric vibrator. The substrate includes a first conductivity type semiconductor substrate and an insulating film disposed on the surface of the semiconductor substrate on the piezoelectric vibrator side, and the adjustment electrode is formed on the surface layer of the semiconductor substrate on the piezoelectric vibrator side. Including a first adjustment electrode configured as a diffusion region of the second conductivity type opposite to the first conductivity type, and the semiconductor substrate is removed in the thin portion forming region while leaving the first adjustment electrode; And at least the insulating film in contact with the surface of the semiconductor substrate is removed, the membrane structure and the first adjustment electrode are separated, and the lower detection electrode on the substrate side, which is one of the two detection electrodes, and the first The spring constant of the membrane structure is changed according to a predetermined voltage applied to one adjustment electrode .

このように、検出用電極を構成する下部検出用電極と第１調整用電極との間に所定電圧を印加することによっても、負の静電ばね効果によって、共振周波数を調整することができる。また、圧電振動子を構成する圧電体薄膜には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。   As described above, the resonance frequency can be adjusted by the negative electrostatic spring effect also by applying a predetermined voltage between the lower detection electrode and the first adjustment electrode constituting the detection electrode. In addition, since a predetermined voltage is not applied to the piezoelectric thin film constituting the piezoelectric vibrator (that is, the spontaneous polarization of the piezoelectric thin film is not used), the resonance frequency can be controlled over a long period of time.

さらには、調整用電極の一方と検出用電極の一方を共通化しているので、請求項１，３に記載の発明に比べて、構成を簡素化することができる。 Furthermore, since one of the adjustment electrodes and one of the detection electrodes are shared, the configuration can be simplified as compared with the first and third aspects of the invention.

請求項６に記載の発明の作用効果は、請求項２に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。 Since the effect of the invention described in claim 6 is the same as that of the invention described in claim 2 , the description thereof is omitted.

なお、メンブレン構造体は超音波の受信や所定電圧の印加による静電気力によって変形する。したがって、変形による応力によって下部検出用電極が破壊されないようにすることが好ましい。請求項７に記載のように、下部検出用電極として、粒界のない単結晶シリコンに不純物を導入してなる構成を採用すると、粒界が存在する多結晶シリコンを採用する構成に比べて、下部検出用電極を破壊されにくくすることができる。すなわち経時的な安定性を高めることができる。 The membrane structure is deformed by electrostatic force due to reception of ultrasonic waves or application of a predetermined voltage. Therefore, it is preferable that the lower detection electrode is not destroyed by the stress due to deformation. As described in claim 7 , when adopting a configuration in which impurities are introduced into single crystal silicon without grain boundaries as the lower detection electrode, compared to a configuration employing polycrystalline silicon in which grain boundaries exist, The lower detection electrode can be made difficult to be destroyed. That is, stability over time can be improved.

請求項８に記載の発明の作用効果は、請求項４に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。 Since the effect of the invention described in claim 8 is the same as the effect of the invention described in claim 4 , the description is omitted.

請求項１〜８いずれかに記載の発明において、メンブレン構造体の個数は特に限定されない。例えば請求項９に記載のように、メンブレン構造体が複数形成され、メンブレン構造体を構成する薄肉部ごとに所定電圧を印加できる構成としても良い。このように、メンブレン構造体が複数形成された（換言すれば超音波素子がアレイ化された）超音波センサにおいても、上述した発明を適用することができる。この場合、１つの超音波センサに形成された、複数のメンブレン構造体（超音波素子）の共振周波数のばらつきを調整することができる。例えば請求項１０に記載のように、所定電圧の印加により、複数のメンブレン構造体を、共振周波数が同一の周波数に調整された構成とすることができる。 In the invention according to any one of claims 1 to 8 , the number of membrane structures is not particularly limited. For example, as described in claim 9 , a plurality of membrane structures may be formed, and a predetermined voltage may be applied to each thin part constituting the membrane structure. Thus, the above-described invention can also be applied to an ultrasonic sensor in which a plurality of membrane structures are formed (in other words, an ultrasonic element is arrayed). In this case, it is possible to adjust the variation in the resonance frequency of the plurality of membrane structures (ultrasonic elements) formed in one ultrasonic sensor. For example, as described in claim 10 , by applying a predetermined voltage, the plurality of membrane structures can be configured such that the resonance frequencies are adjusted to the same frequency.

次に、請求項１１に記載の発明は、基板の厚さ方向において２つの検出用電極間に圧電体薄膜が配置された圧電振動子を、基板に形成された薄肉部上に配置してなる超音波センサの製造方法であって、基板を構成するＮ導電型の第１シリコン基板の、圧電振動子側の表層に、薄肉部に所定電圧を印加するための第１調整用電極として、Ｐ導電型の拡散領域を形成する第１調整用電極形成工程と、第１調整用電極の形成後、薄肉部が形成される基板の部位上に、絶縁膜を介して、下部検出用電極、圧電体薄膜、上部検出用電極の順に積層してなる圧電振動子を形成する振動子形成工程と、第１シリコン基板の圧電振動子側表面の裏面から強アルカリ液によるエッチング処理を実施し、薄肉部の形成領域において、第１調整用電極を残して第１シリコン基板を除去するエッチング工程と、薄肉部の形成領域において、絶縁膜のうち、少なくとも第１シリコン基板の表面に接する絶縁膜を除去して、メンブレン構造体と第１調整用電極とを離間させる離間工程を備えることを特徴とする。 Next, according to an eleventh aspect of the present invention, a piezoelectric vibrator in which a piezoelectric thin film is disposed between two detection electrodes in the thickness direction of the substrate is disposed on a thin portion formed on the substrate. As an ultrasonic sensor manufacturing method, P is used as a first adjustment electrode for applying a predetermined voltage to a thin portion of a surface layer on the piezoelectric vibrator side of an N conductivity type first silicon substrate constituting the substrate. A first adjustment electrode forming step for forming a conductive type diffusion region; and after forming the first adjustment electrode, a lower detection electrode and a piezoelectric layer are formed on the portion of the substrate on which the thin portion is formed via an insulating film. Forming a piezoelectric vibrator formed by laminating a body thin film and an upper detection electrode in this order, and performing etching with a strong alkaline solution from the back surface of the piezoelectric vibrator side surface of the first silicon substrate. In the formation region, the first adjustment electrode is left and the first In the etching process for removing the con substrate and in the formation region of the thin portion, at least the insulating film in contact with the surface of the first silicon substrate is removed, and the membrane structure and the first adjustment electrode are separated. A separation step is provided.

このように本発明によれば、強アルカリ液によって薄肉部の形成領域に対応する第１シリコン基板を除去し、Ｐ導電型の第１調整用電極を選択的に残すことができる。したがって、第１調整用電極と薄肉部を効率よく形成することができる。なお、請求項１２に記載のように、振動子形成工程の前に、第１調整用電極との間で、薄肉部に所定電圧の印加が可能な第２調整用電極を、第１調整用電極が形成された第１シリコン基板の表面上に、基板の厚さ方向において、多層に積層された絶縁膜間に挟まれる態様で形成する第２調整電極形成工程を備えると良い。これにより、第１調整用電極と第２調整用電極との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサを製造することができる。 As described above, according to the present invention, the first silicon substrate corresponding to the formation region of the thin portion can be removed with the strong alkaline solution, and the P conductivity type first adjustment electrode can be selectively left. Therefore, the first adjustment electrode and the thin portion can be efficiently formed. In addition, as described in claim 12 , before the vibrator forming step, the second adjustment electrode capable of applying a predetermined voltage to the thin portion between the first adjustment electrode and the first adjustment electrode is provided for the first adjustment. It is preferable to provide a second adjustment electrode forming step in which the electrode is formed on the surface of the first silicon substrate on which the electrodes are formed so as to be sandwiched between insulating films stacked in multiple layers in the thickness direction of the substrate. Thereby, an ultrasonic sensor having a configuration in which a predetermined voltage is applied between the first adjustment electrode and the second adjustment electrode can be manufactured.

また、請求項１３に記載のように、振動子形成工程の前に、第１調整用電極が形成された第１シリコン基板に対し、表面に絶縁膜としてシリコン酸化膜の形成された第２シリコン基板を、圧電振動子側表面とシリコン酸化膜形成面が接触するように貼り合せる貼り合せ工程を備え、振動子形成工程において、第２シリコン基板に不純物を導入し、第１調整用電極との間で、薄肉部に所定電圧の印加が可能な下部検出用電極を形成しても良い。これにより、第１調整用電極と下部検出用電極との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサを製造することができる。 In addition, as described in claim 13 , before the vibrator forming step, the second silicon having a silicon oxide film as an insulating film formed on the surface of the first silicon substrate on which the first adjustment electrode is formed. A bonding step of bonding the substrate so that the piezoelectric vibrator side surface and the silicon oxide film forming surface are in contact with each other; in the vibrator forming step, impurities are introduced into the second silicon substrate; A lower detection electrode capable of applying a predetermined voltage may be formed between the thin portions. Thereby, an ultrasonic sensor configured to apply a predetermined voltage between the first adjustment electrode and the lower detection electrode can be manufactured.

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３は、図１を圧電振動子側から見た平面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the ultrasonic sensor according to the first embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 3 is a plan view of FIG. 1 viewed from the piezoelectric vibrator side.

図１に示すように、本実施形態に係る超音波センサ１００は、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサであり、基板１１０と、基板１１０の薄肉部１２０上に形成された圧電振動子１３０と、薄肉部１２０に所定電圧を印加するための調整用電極１４０とを含んでいる。本実施形態に係る調整用電極１４０は、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２の２つの電極からなる。   As shown in FIG. 1, the ultrasonic sensor 100 according to the present embodiment is a piezoelectric ultrasonic sensor manufactured using MEMS technology, and is formed on a substrate 110 and a thin portion 120 of the substrate 110. The piezoelectric vibrator 130 and the adjustment electrode 140 for applying a predetermined voltage to the thin portion 120 are included. The adjustment electrode 140 according to this embodiment includes two electrodes, a first adjustment electrode 141 and a second adjustment electrode 142.

基板１１０は、第１導電型の半導体基板１１１を含んでいる。本実施形態においては、半導体基板１１１として、面方位（１００）のＮ型シリコン基板を採用しており、半導体基板１１１の圧電振動子側の表層に、Ｐ導電型の拡散領域として第１調整用電極１４１が形成されている。また、半導体基板１１１には、薄肉部１２０に対応して、貫通孔Ｈが形成されており、第１調整用電極１４１の一部が、貫通孔Ｈ内に露出している。第１調整用電極１４１は、貫通孔Ｈを完全に塞がないように、基板１１０の平面方向において、メンブレン構造体の形成領域の一部に配置されている。より具体的には、図２に示すように、メンブレン構造体の形成領域（図２中の破線で囲んだ領域）において、第１調整用電極１４１は格子状に構成されている。   The substrate 110 includes a first conductivity type semiconductor substrate 111. In the present embodiment, an N-type silicon substrate having a plane orientation (100) is employed as the semiconductor substrate 111, and a first conductivity adjustment layer is used as a P conductivity type diffusion region on the surface layer of the semiconductor substrate 111 on the piezoelectric vibrator side. An electrode 141 is formed. Further, a through hole H is formed in the semiconductor substrate 111 corresponding to the thin portion 120, and a part of the first adjustment electrode 141 is exposed in the through hole H. The first adjustment electrode 141 is disposed in a part of the membrane structure forming region in the planar direction of the substrate 110 so as not to completely block the through hole H. More specifically, as shown in FIG. 2, in the membrane structure forming region (the region surrounded by the broken line in FIG. 2), the first adjustment electrode 141 is configured in a lattice shape.

なお、半導体基板１１１には、図１に示すように、第１調整用電極１４１の形成部位とは異なる圧電振動子側の表層に、Ｎ＋拡散領域１１１ａが形成されている。そして、第１調整用電極１４１のパッド１４１ａに対してＮ＋拡散領域１１１ａのパッド１１１ｂの電位が例えば数Ｖ以上高く設定され、半導体基板１１１と第１調整用電極１４１とがＰＮ接合にて絶縁分離されている。   In the semiconductor substrate 111, as shown in FIG. 1, an N + diffusion region 111a is formed on the surface layer on the piezoelectric vibrator side that is different from the site where the first adjustment electrode 141 is formed. Then, the potential of the pad 111b of the N + diffusion region 111a is set higher by, for example, several V or more than the pad 141a of the first adjustment electrode 141, and the semiconductor substrate 111 and the first adjustment electrode 141 are insulated and separated by a PN junction. Has been.

また、基板１１０は、半導体基板１１１とともに、半導体基板１１１上に多層に積層配置された絶縁膜と、絶縁膜に挟まれて配置された第２調整用電極１４２とを含んでいる。   In addition, the substrate 110 includes the semiconductor substrate 111 and an insulating film stacked in multiple layers on the semiconductor substrate 111 and a second adjustment electrode 142 disposed between the insulating films.

本実施形態に係る絶縁膜は、圧電振動子側の半導体基板１１１の表面から、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜１１２、シリコン窒化膜からなる窒化膜１１３、シリコン酸化膜からなる第２酸化膜１１４、及びシリコン酸化膜からなる第３酸化膜１１５を順に積層して構成されている。そして、第２酸化膜１１４と第３酸化膜１１５に挟まれる態様で、不純物（例えばボロンやリン）の導入された多結晶シリコン膜（ポリシリコン膜）からなる第２調整用電極１４２が配置されている。本実施形態においては、多結晶シリコン膜にボロンが導入され、所定濃度に調整されている。   The insulating film according to this embodiment includes a first oxide film 112 made of a silicon oxide film, a nitride film 113 made of a silicon nitride film, and a second oxide film made of a silicon oxide film from the surface of the semiconductor substrate 111 on the piezoelectric vibrator side. 114 and a third oxide film 115 made of a silicon oxide film are sequentially stacked. Then, a second adjustment electrode 142 made of a polycrystalline silicon film (polysilicon film) into which an impurity (for example, boron or phosphorus) is introduced is disposed between the second oxide film 114 and the third oxide film 115. ing. In this embodiment, boron is introduced into the polycrystalline silicon film and adjusted to a predetermined concentration.

第１酸化膜１１２は、半導体基板１１１に貫通孔Ｈを形成する際のエッチングストッパとしての機能を果たすものであり、薄肉部１２０（メンブレン構造体）に対応する部位が除去され、除去された部分に空間Ｓが構成されている。そして、第１酸化膜１１２上に積層された上述の絶縁膜１１３〜１１５と第２調整用電極１４２のうち、空間Ｓ上の部分が薄肉部１２０となっている。すなわち、薄肉部１２０の下面（窒化膜１１３）と第１調整用電極１４１との間には空間Ｓが構成され、少なくとも圧電振動子１３０が振動しない状態で、両者が離間されている。   The first oxide film 112 functions as an etching stopper when the through hole H is formed in the semiconductor substrate 111, and a portion corresponding to the thin portion 120 (membrane structure) is removed and removed. A space S is formed. Of the insulating films 113 to 115 and the second adjustment electrode 142 stacked on the first oxide film 112, the portion on the space S is the thin portion 120. That is, a space S is formed between the lower surface (the nitride film 113) of the thin portion 120 and the first adjustment electrode 141, and the two are separated at least in a state where the piezoelectric vibrator 130 does not vibrate.

窒化膜１１３は、第１酸化膜１１２に空間Ｓを構成する際のエッチングストッパとしての機能を果たすとともに、自身の膜応力が引張であることを利用して、圧電振動子１３０が振動しない状態におけるメンブレン構造体（薄肉部）の坐屈を防ぐ機能を果たしている。   The nitride film 113 functions as an etching stopper when the space S is formed in the first oxide film 112, and utilizes the fact that its own film stress is tensile so that the piezoelectric vibrator 130 does not vibrate. It functions to prevent buckling of the membrane structure (thin wall).

圧電振動子１３０は、圧電体薄膜１３１を２つの検出用電極１３２，１３３間に配置してなるものである。本実施形態においては、図３に示すように、メンブレン構造体の形成領域（図３中の破線で囲んだ領域）を覆うように、第３酸化膜１１５上に、下部検出用電極１３２、圧電体薄膜１３１、上部検出用電極１３３の順で積層配置されている。   The piezoelectric vibrator 130 is formed by arranging a piezoelectric thin film 131 between two detection electrodes 132 and 133. In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the lower detection electrode 132 and the piezoelectric layer are formed on the third oxide film 115 so as to cover the membrane structure formation region (the region surrounded by the broken line in FIG. 3). The body thin film 131 and the upper detection electrode 133 are stacked in this order.

圧電体薄膜１３１の構成材料としては、強誘電体であるＰＺＴや、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を採用することができる。また、検出用電極１３２，１３３の構成材料しては、白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ）等を採用することができる。本実施形態においては、圧電体薄膜１３１の構成材料としてＰＺＴを採用し、検出用電極１３２，１３３の構成材料として、Ｐｔを採用している。なお、図１に示す符号１３２ａ，１３３ａ，１４２ａは、それぞれパッドであり、符号１１８は、貫通孔Ｈを形成する際のマスクとなるシリコン窒化膜１１８である。   As a constituent material of the piezoelectric thin film 131, ferroelectric PZT, aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), or the like can be used. Further, platinum (Pt), gold (Au), aluminum (Al), or the like can be used as a constituent material of the detection electrodes 132 and 133. In the present embodiment, PZT is adopted as the constituent material of the piezoelectric thin film 131, and Pt is adopted as the constituent material of the detection electrodes 132 and 133. Reference numerals 132a, 133a, and 142a shown in FIG. 1 are pads, respectively, and reference numeral 118 is a silicon nitride film 118 that serves as a mask when the through hole H is formed.

このように本実施形態に係る超音波センサ１００は、薄肉部１２０と圧電振動子１３０とにより、他の部位よりも薄肉のメンブレン構造体が構成され、このメンブレン構造体が超音波等の外力印加にともなって変形可能に構成されている。   As described above, in the ultrasonic sensor 100 according to the present embodiment, the thin-walled portion 120 and the piezoelectric vibrator 130 form a membrane structure that is thinner than other portions, and this membrane structure is applied with an external force such as an ultrasonic wave. Accordingly, it is configured to be deformable.

このように、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサにおいては、製造ばらつきによって、薄肉部１２０と圧電振動子１３０からなるメンブレン構造体の共振周波数が所望の共振周波数からずれる恐れがある。また、メンブレン構造体がアレイ化された超音波センサ１００においては、メンブレン構造体間に共振周波数のばらつきが生じる（すなわち、センサ感度にばらつきが生じる）という問題がある。   As described above, in the piezoelectric ultrasonic sensor manufactured using the MEMS technology, the resonance frequency of the membrane structure including the thin-walled portion 120 and the piezoelectric vibrator 130 may deviate from a desired resonance frequency due to manufacturing variations. is there. Further, in the ultrasonic sensor 100 in which the membrane structures are arrayed, there is a problem that the resonance frequency varies between the membrane structures (that is, the sensor sensitivity varies).

これに対し、本実施形態に係る超音波センサ１００においては、薄肉部１２０を構成する第２調整用電極１４２と、薄肉部１２０と空間Ｓを介して離間された第１調整用電極１４１との間に、所定電圧を印加することができる。すなわち、メンブレン構造体のうち、薄肉部１２０に所定電圧を印加することができる。そして、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２との間に所定電圧を印加し、両電極１４１，１４２間に、超音波を受けた際のメンブレン構造体のばねの復元力とは逆向きの静電気力（静電引力）を生じさせて、メンブレン構造体を変形（変位）させることができる。   On the other hand, in the ultrasonic sensor 100 according to the present embodiment, the second adjustment electrode 142 constituting the thin portion 120 and the first adjustment electrode 141 separated from the thin portion 120 via the space S are provided. A predetermined voltage can be applied between them. That is, a predetermined voltage can be applied to the thin portion 120 of the membrane structure. And what is the restoring force of the spring of the membrane structure when a predetermined voltage is applied between the first adjustment electrode 141 and the second adjustment electrode 142 and ultrasonic waves are received between the electrodes 141 and 142? The membrane structure can be deformed (displaced) by generating a reverse electrostatic force (electrostatic attractive force).

ここで、垂直方向（基板１１０の厚さ方向）に作用する静電気力は、両電極１４１，１４２間の間隔に２乗に反比例し、印加電圧の２乗に比例して増大する。したがって、印加電圧が大きく、間隔が狭くなるほど、正味のばねの復元力は小さくなり、共振周波数が低周波側へシフトする。このように、所謂負の静電ばね効果によって、メンブレン構造体のばね定数を実質的に変化させて、共振周波数を所望の値に調整することができる。例えば、所定の周波数の超音波を受信した状態で、超音波センサ１００の出力が最大となるように、両電極１４１，１４２間に印加する電圧を調整すれば良い。   Here, the electrostatic force acting in the vertical direction (thickness direction of the substrate 110) is inversely proportional to the square of the distance between the electrodes 141 and 142, and increases in proportion to the square of the applied voltage. Therefore, the greater the applied voltage and the shorter the interval, the smaller the restoring force of the net spring, and the resonant frequency shifts to the low frequency side. In this way, the so-called negative electrostatic spring effect allows the resonance frequency to be adjusted to a desired value by substantially changing the spring constant of the membrane structure. For example, the voltage applied between the electrodes 141 and 142 may be adjusted so that the output of the ultrasonic sensor 100 is maximized in a state where ultrasonic waves having a predetermined frequency are received.

特に本実施形態においては、第１調整用電極１４１を薄肉部１２０（メンブレン構造体）と離間し、第１調整用電極１４１の厚さを、メンブレン構造体の厚さよりも厚く設定している。したがって、両電極１４１，１４２間に静電気力（静電引力）を生じさせた際に、第１調整用電極１４１は変位せず、第２調整用電極１４２を含むメンブレン構造体が変形（変位）する。このように、第１調整用電極１４１の変位を抑制し、第２調整用電極１４２を含むメンブレン構造体が変形するように構成すると、メンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。すなわち、効率よく共振周波数を調整することができる。   In particular, in the present embodiment, the first adjustment electrode 141 is separated from the thin portion 120 (membrane structure), and the thickness of the first adjustment electrode 141 is set larger than the thickness of the membrane structure. Therefore, when an electrostatic force (electrostatic attractive force) is generated between the electrodes 141 and 142, the first adjustment electrode 141 is not displaced, and the membrane structure including the second adjustment electrode 142 is deformed (displaced). To do. As described above, when the displacement of the first adjustment electrode 141 is suppressed and the membrane structure including the second adjustment electrode 142 is deformed, the deformation amount of the membrane structure can be increased. That is, the resonance frequency can be adjusted efficiently.

また、本実施形態によれば、圧電振動子１３０を構成する圧電体薄膜１３１には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜１３１の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。   Further, according to the present embodiment, a predetermined voltage is not applied to the piezoelectric thin film 131 constituting the piezoelectric vibrator 130 (that is, the spontaneous polarization of the piezoelectric thin film 131 is not used), so that the resonance frequency is maintained over a long period of time. Can be controlled.

このように構成される超音波センサ１００は、例えば以下に示す製造方法によって形成することができる。図４は、図１に示す超音波センサ１００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２調整用電極形成工程、（ｃ）は振動子形成工程を示している。図５は、図４（ｃ）に続く、超音波センサ１００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）はエッチング工程、（ｂ）は離間工程を示している。   The ultrasonic sensor 100 configured as described above can be formed by, for example, a manufacturing method described below. 4A and 4B are cross-sectional views illustrating a part of the manufacturing method of the ultrasonic sensor 100 shown in FIG. 1, wherein FIG. 4A is a first adjustment electrode formation step, and FIG. (C) shows the vibrator forming step. 5A and 5B are cross-sectional views illustrating a part of the manufacturing method of the ultrasonic sensor 100 subsequent to FIG. 4C, in which FIG. 5A illustrates an etching process and FIG. 5B illustrates a separation process.

先ず、図４（ａ）に示すように、半導体基板１１１として、面方位（１００）のＮ型シリコン基板を準備し、半導体基板１１１の圧電振動子配置面側の表層に、調整用電極１４０の一方である第１調整用電極１４１を形成する。具体的には、半導体基板１１１の圧電振動子配置面側の表面に例えば厚さ１μｍのシリコン酸化膜からなるマスク（図示略）を形成して、所定位置に不純物をイオン注入（本実施形態においてはボロンイオンをドーズ量８×１０１６／ｃｍ２で注入）し、熱処理（例えば１１５０℃で１０ｈ）する。これにより、厚さ（深さ）約３μｍの第１調整用電極１４１が形成される。以上が、第１調整用電極形成工程である。 First, as shown in FIG. 4A, an N-type silicon substrate with a plane orientation (100) is prepared as the semiconductor substrate 111, and the adjustment electrode 140 is formed on the surface layer of the semiconductor substrate 111 on the piezoelectric vibrator arrangement surface side. On the other hand, a first adjustment electrode 141 is formed. Specifically, a mask (not shown) made of a silicon oxide film having a thickness of 1 μm, for example, is formed on the surface of the semiconductor substrate 111 on the piezoelectric vibrator arrangement surface side, and impurities are ion-implanted at a predetermined position (in this embodiment). Is implanted with boron ions at a dose of 8 × 10 16 / cm 2 ) and heat-treated (eg, at 1150 ° C. for 10 hours). As a result, the first adjustment electrode 141 having a thickness (depth) of about 3 μm is formed. The above is the first adjustment electrode forming step.

また、第１調整用電極１４１の形成領域とは異なる半導体基板１１１の圧電振動子配置面側の表面に不純物をイオン注入（本実施形態においてはリンイオンを注入）し、半導体基板１１１の電位取り出し用のＮ＋拡散領域１１１ａを形成する。なお、第１調整用電極１４１、Ｎ＋拡散領域１１１ａの形成に当たっては、イオン注入法以外にも、拡散法を適用することもできる。   Also, impurities are ion-implanted (in the present embodiment, phosphorus ions are implanted) into the surface of the semiconductor substrate 111 on the side where the piezoelectric vibrator is arranged, which is different from the region where the first adjustment electrode 141 is formed, to extract the potential of the semiconductor substrate 111. N + diffusion region 111a is formed. In forming the first adjustment electrode 141 and the N + diffusion region 111a, a diffusion method can be applied in addition to the ion implantation method.

第１調整用電極１４１形成後、図４（ｂ）に示すように、第１調整用電極１４１が形成された半導体基板１１１の表面上に、調整用電極１４０の他方である第２調整用電極１４２を形成する。具体的には、半導体基板１１１の表面上に、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜１１２を形成する。本実施形態においては、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ４μｍ程度の第１酸化膜１１２を形成する。プラズマＣＶＤ以外にも、熱酸化によって形成しても良い。第１酸化膜１１２形成後、第１酸化膜１１２上に、シリコン窒化膜からなる窒化膜１１３を形成する。本実施形態においては、ＬＰ−ＣＶＤ法を用いて、厚さ０．４μｍ程度の窒化膜１１３を形成する。このとき、半導体基板１１１の裏面に、シリコン窒化膜からなる窒化膜１１６が形成される。窒化膜１１３形成後、窒化膜１１３上に、シリコン酸化膜からなる第２酸化膜１１４を形成する。本実施形態においては、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ０．２μｍ程度の第２酸化膜１１４を形成する。   After the first adjustment electrode 141 is formed, as shown in FIG. 4B, the second adjustment electrode which is the other of the adjustment electrodes 140 is formed on the surface of the semiconductor substrate 111 on which the first adjustment electrode 141 is formed. 142 is formed. Specifically, a first oxide film 112 made of a silicon oxide film is formed on the surface of the semiconductor substrate 111. In the present embodiment, the first oxide film 112 having a thickness of about 4 μm is formed using a plasma CVD method. In addition to plasma CVD, it may be formed by thermal oxidation. After the formation of the first oxide film 112, a nitride film 113 made of a silicon nitride film is formed on the first oxide film 112. In the present embodiment, the nitride film 113 having a thickness of about 0.4 μm is formed using the LP-CVD method. At this time, a nitride film 116 made of a silicon nitride film is formed on the back surface of the semiconductor substrate 111. After the nitride film 113 is formed, a second oxide film 114 made of a silicon oxide film is formed on the nitride film 113. In the present embodiment, the second oxide film 114 having a thickness of about 0.2 μm is formed by plasma CVD.

第２酸化膜１１４形成後、第２酸化膜１１４上に、例えばポリシリコン膜を堆積させ、不純物イオンを注入する。本実施形態においてはボロンイオンをドーズ量２×１０１６／ｃｍ２で注入し、その後熱処理（例えば１１５０℃で２ｈ）している。なお、ポリシリコン膜に注入される不純物はボロンに限定されるものではない。例えばリンでも良い。また、不純物の導入されたポリシリコン膜の形成方法も上記例に限定されるものではない。不純物がドープされたポリシリコン膜を形成しても良い。このように、不純物が導入されたポリシリコン膜１４２を形成後、ポリシリコン膜１４２上に、シリコン酸化膜からなる第３酸化膜１１５を形成する。本実施形態においては、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ０．２μｍ程度の第３酸化膜１１５を形成する。なお、このとき、半導体基板１１１の裏面に、ポリシリコン膜１１７が形成される。 After the second oxide film 114 is formed, for example, a polysilicon film is deposited on the second oxide film 114, and impurity ions are implanted. In this embodiment, boron ions are implanted at a dose of 2 × 10 16 / cm 2 and then heat-treated (for example, at 1150 ° C. for 2 h). The impurity implanted into the polysilicon film is not limited to boron. For example, phosphorus may be used. Further, the method of forming the polysilicon film into which the impurity is introduced is not limited to the above example. A polysilicon film doped with impurities may be formed. Thus, after forming the polysilicon film 142 into which impurities are introduced, a third oxide film 115 made of a silicon oxide film is formed on the polysilicon film 142. In the present embodiment, the third oxide film 115 having a thickness of about 0.2 μm is formed by plasma CVD. At this time, a polysilicon film 117 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 111.

そして、第３酸化膜１１５、ポリシリコン膜１４２、第２酸化膜１１４、窒化膜１１３、第１酸化膜１１２の順で、不要部を例えばドライエッチングにより除去し、図４（ｂ）に示すようにそれぞれをパターニングする。これにより、ポリシリコン膜１４２がパターニングされて、上下面を第３酸化膜１１５と第２酸化膜１１４に挟まれ、薄肉部１２０を覆う態様の、第２調整用電極１４２が形成される。以上が第２調整用電極形成工程である。   Then, unnecessary portions are removed by, for example, dry etching in the order of the third oxide film 115, the polysilicon film 142, the second oxide film 114, the nitride film 113, and the first oxide film 112, as shown in FIG. 4B. Each is patterned. Thereby, the polysilicon film 142 is patterned, and the second adjustment electrode 142 is formed in such a manner that the upper and lower surfaces are sandwiched between the third oxide film 115 and the second oxide film 114 and covers the thin portion 120. The above is the second adjustment electrode forming step.

第２調整用電極１４２形成後、図４（ｃ）に示すように、第２調整用電極１４２上に、薄肉部１２０の形成領域を覆うように、圧電振動子１３０を形成する。具体的には、第３酸化膜１１５上に、Ｐｔ膜を蒸着法により堆積し、不要部を例えばドライエッチングにより除去する。これにより、薄肉部１２０を覆うようにパターニングされた下部検出用電極１３２が形成される。なお、本実施形態においては、厚さ０．２５μｍ程度の下部検出用電極１３２を形成する。下部検出用電極１３２形成後、下部検出用電極１３２上に、圧電体薄膜１３１としてのＰＺＴ膜を、薄肉部１２０を覆うように、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等により形成し、不要部を例えばドライエッチングにより除去する。なお、本実施形態においては、スパッタ法を用いて、厚さ１．０μｍ程度の圧電体薄膜１３１を形成する。圧電体薄膜１３１形成後、圧電体薄膜１３１上に、Ｐｔ膜を蒸着法により堆積し、不要部を例えばドライエッチングにより除去する。これにより、薄肉部１２０を覆うようにパターニングされた上部検出用電極１３３が形成される。なお、本実施形態においては、厚さ０．２５μｍ程度の上部検出用電極１３３を形成する。以上が、圧電振動子形成工程である。   After the formation of the second adjustment electrode 142, as shown in FIG. 4C, the piezoelectric vibrator 130 is formed on the second adjustment electrode 142 so as to cover the formation region of the thin portion 120. Specifically, a Pt film is deposited on the third oxide film 115 by vapor deposition, and unnecessary portions are removed by, for example, dry etching. Thereby, the lower detection electrode 132 patterned to cover the thin portion 120 is formed. In the present embodiment, the lower detection electrode 132 having a thickness of about 0.25 μm is formed. After the lower detection electrode 132 is formed, a PZT film as the piezoelectric thin film 131 is formed on the lower detection electrode 132 by a sputtering method, a CVD method, a sol-gel method or the like so as to cover the thin portion 120, and an unnecessary portion is formed. For example, it is removed by dry etching. In the present embodiment, the piezoelectric thin film 131 having a thickness of about 1.0 μm is formed by sputtering. After the piezoelectric thin film 131 is formed, a Pt film is deposited on the piezoelectric thin film 131 by an evaporation method, and unnecessary portions are removed by, for example, dry etching. Thereby, the upper detection electrode 133 patterned so as to cover the thin portion 120 is formed. In the present embodiment, the upper detection electrode 133 having a thickness of about 0.25 μm is formed. The above is the piezoelectric vibrator forming step.

圧電振動子１３０形成後、図５（ａ）に示すように、半導体基板１１１の裏面を研削・研磨し、窒化膜１１６及びポリシリコン膜１１７を除去する。その後、半導体基板１１１の裏面にシリコン窒化膜１１８をプラズマＣＶＤ法により形成し、薄肉部１２０の形成部位に対応する不要部を例えばドライエッチングにより除去する。なお、本実施形態においては、厚さ０．５μｍ程度のシリコン窒化膜１１８を形成し、エッチング時のマスクとする。マスク形成後、半導体基板１１１の裏面側をＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ性溶液に浸し、第１酸化膜１１２をエッチングストッパとして、半導体基板１１１を異方性エッチングする。これにより、半導体基板１１１に貫通孔Ｈが形成される。なお、Ｎ導電型の半導体基板１１１は強アルカリ性溶液によって異方性エッチングされるが、Ｐ導電型である第１調整用電極１４１はエッチングされず、貫通孔Ｈ内に残る。以上がエッチング工程である。   After the piezoelectric vibrator 130 is formed, as shown in FIG. 5A, the back surface of the semiconductor substrate 111 is ground and polished, and the nitride film 116 and the polysilicon film 117 are removed. Thereafter, a silicon nitride film 118 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 111 by plasma CVD, and unnecessary portions corresponding to the formation site of the thin portion 120 are removed by, for example, dry etching. In the present embodiment, a silicon nitride film 118 having a thickness of about 0.5 μm is formed and used as a mask during etching. After the mask is formed, the back side of the semiconductor substrate 111 is immersed in a strong alkaline solution such as TMAH or KOH, and the semiconductor substrate 111 is anisotropically etched using the first oxide film 112 as an etching stopper. Thereby, a through hole H is formed in the semiconductor substrate 111. The N-conductivity type semiconductor substrate 111 is anisotropically etched with a strong alkaline solution, but the P-conductivity type first adjustment electrode 141 is not etched and remains in the through hole H. The above is the etching process.

なお、貫通孔Ｈ内に在る（すなわちメンブレン構造体の形成領域に在る）第１調整用電極１４１の部分は、格子状となっている。したがって、貫通孔Ｈ形成後、格子状の第１調整用電極１４１を介して、薄肉部１２０（メンブレン構造体）に対応する第１酸化膜１１２の部位を除去する。具体的には、半導体基板１１１の裏面側を例えばフッ酸液に浸し、第１酸化膜１１２を除去する。これにより、薄肉部１２０（メンブレン構造体）に対応する第１酸化膜１１２の部位が除去されて空間Ｓが形成され、基板１１０に薄肉部１２０が形成される。すなわち、薄肉部１２０と圧電振動子１３０からなるメンブレン構造体が形成される。また、薄肉部１２０と第１調整用電極１４１とが離間される。以上が離間工程である。   In addition, the part of the 1st electrode 141 for adjustment which exists in the through-hole H (namely, it exists in the formation area of a membrane structure) is a grid | lattice form. Therefore, after the through hole H is formed, the portion of the first oxide film 112 corresponding to the thin portion 120 (membrane structure) is removed through the lattice-shaped first adjustment electrode 141. Specifically, the first oxide film 112 is removed by immersing the back side of the semiconductor substrate 111 in, for example, a hydrofluoric acid solution. As a result, the portion of the first oxide film 112 corresponding to the thin portion 120 (membrane structure) is removed, the space S is formed, and the thin portion 120 is formed on the substrate 110. That is, a membrane structure including the thin portion 120 and the piezoelectric vibrator 130 is formed. Further, the thin portion 120 and the first adjustment electrode 141 are separated from each other. The above is the separation step.

このように本実施形態に係る超音波センサ１００の製造方法によれば、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサ１００（図１参照）を形成することができる。   Thus, according to the manufacturing method of the ultrasonic sensor 100 according to the present embodiment, the ultrasonic sensor 100 configured to apply a predetermined voltage between the first adjustment electrode 141 and the second adjustment electrode 142 (FIG. 1). Reference) can be formed.

また、強アルカリ液によって薄肉部１２０の形成領域に対応する半導体基板１１１を除去し、Ｐ導電型の第１調整用電極１４１を選択的に残すことができる。したがって、第１調整用電極１４１と薄肉部１２０を効率よく形成することができる。   Further, the semiconductor substrate 111 corresponding to the formation region of the thin portion 120 can be removed with a strong alkali solution, and the P-conductivity type first adjustment electrode 141 can be selectively left. Therefore, the first adjustment electrode 141 and the thin portion 120 can be efficiently formed.

なお、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサ１００は、上記例に限定されるものではない。例えば、図６に示すように、図１に示す構成に対して、第２調整用電極１４２と窒化膜１１３の積層順を入れ替えた構成としても良い。この場合、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２との間の間隔が縮まるので、図１に示す構成よりも低電圧で共振周波数を調整することができる。図６は、変形例を示す断面図である。   Note that the ultrasonic sensor 100 configured to apply a predetermined voltage between the first adjustment electrode 141 and the second adjustment electrode 142 is not limited to the above example. For example, as illustrated in FIG. 6, a configuration in which the stacking order of the second adjustment electrode 142 and the nitride film 113 is replaced with the configuration illustrated in FIG. 1 may be employed. In this case, since the interval between the first adjustment electrode 141 and the second adjustment electrode 142 is reduced, the resonance frequency can be adjusted with a lower voltage than the configuration shown in FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a modification.

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図７に基づいて説明する。図７は、本発明の第２実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described based on FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an ultrasonic sensor according to the second embodiment of the present invention.

第２実施形態に係る超音波センサは、第１実施形態に係る超音波センサ１００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。   Since the ultrasonic sensor according to the second embodiment is often in common with the ultrasonic sensor 100 according to the first embodiment, the detailed description of the common parts will be omitted below, and different parts will be described mainly.

図７に示すように、本実施形態に係る超音波センサ２００も、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサであり、基板２１０と、基板２１０の薄肉部２２０上に形成された圧電振動子２３０と、薄肉部２２０に所定電圧を印加するための調整用電極２４０とを含んでおり、調整用電極２４０は、第１調整用電極２４１と第２調整用電極２４２の２つの電極からなる。   As shown in FIG. 7, the ultrasonic sensor 200 according to the present embodiment is also a piezoelectric ultrasonic sensor manufactured using the MEMS technology, and is formed on the substrate 210 and the thin portion 220 of the substrate 210. The piezoelectric vibrator 230 includes an adjustment electrode 240 for applying a predetermined voltage to the thin portion 220. The adjustment electrode 240 includes two electrodes, a first adjustment electrode 241 and a second adjustment electrode 242. Consists of.

基板２１０は、埋め込み絶縁膜（シリコン酸化膜）２１１ａを介して、支持基板２１１ｂ上に半導体層を配置してなる半導体基板２１１を含んでいる。この半導体層に、不純物（本実施形態においてはボロン）が導入され、所定形状にパターニングされて、図７に示す第１調整用電極２４１が構成されている。また、支持基板２１１ｂには、薄肉部２２０に対応して、貫通孔Ｈが形成されている。   The substrate 210 includes a semiconductor substrate 211 in which a semiconductor layer is disposed on a support substrate 211b via a buried insulating film (silicon oxide film) 211a. Impurities (boron in the present embodiment) are introduced into this semiconductor layer and patterned into a predetermined shape to form the first adjustment electrode 241 shown in FIG. Further, a through hole H is formed in the support substrate 211b corresponding to the thin portion 220.

基板２１０は、半導体基板２１１とともに、半導体基板２１１上に多層に積層配置された絶縁膜と、絶縁膜に挟まれて配置された第２調整用電極２４２とを含んでいる。絶縁膜及び第２調整用電極２４２の構成は、第１実施形態に示した超音波センサ１００の絶縁膜及び第２調整用電極１４２と基本的に同じである。異なる点は、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜２１２が、埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１調整用電極２４１上に形成されている点である。そして、埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１酸化膜２１２の、薄肉部１２０（メンブレン構造体）に対応する部位がそれぞれ除去され、除去された部分に空間Ｓが構成されている。したがって、本実施形態においても、第１酸化膜２１２上に積層された窒化膜２１３、シリコン酸化膜からなる第２酸化膜２１４、及びシリコン酸化膜からなる第３酸化膜２１５と第２調整用電極２４２のうち、空間Ｓ上の部分が薄肉部２２０となっている。すなわち、薄肉部２２０の下面（窒化膜２１３）と第１調整用電極２４１との間には空間Ｓが構成され、少なくとも圧電振動子２３０が振動しない状態で、両者が離間されている。それ以外の構成については、第１実施形態に示した超音波センサ１００と同様であるので、その記載を省略する。   The substrate 210 includes, along with the semiconductor substrate 211, an insulating film that is stacked in multiple layers on the semiconductor substrate 211, and a second adjustment electrode 242 that is disposed between the insulating films. The configuration of the insulating film and the second adjustment electrode 242 is basically the same as that of the insulating film and the second adjustment electrode 142 of the ultrasonic sensor 100 shown in the first embodiment. A different point is that a first oxide film 212 made of a silicon oxide film is formed on the buried insulating film 211 a and the first adjustment electrode 241. Then, portions of the buried insulating film 211a and the first oxide film 212 corresponding to the thin portion 120 (membrane structure) are removed, and a space S is formed in the removed portions. Therefore, also in this embodiment, the nitride film 213 stacked on the first oxide film 212, the second oxide film 214 made of a silicon oxide film, the third oxide film 215 made of a silicon oxide film, and the second adjustment electrode Of the 242, the portion on the space S is a thin portion 220. That is, a space S is formed between the lower surface (nitride film 213) of the thin portion 220 and the first adjustment electrode 241, and the two are separated at least in a state where the piezoelectric vibrator 230 does not vibrate. Since other configurations are the same as those of the ultrasonic sensor 100 shown in the first embodiment, description thereof is omitted.

このように本実施形態に係る超音波センサ２００においても、薄肉部２２０を構成する第２調整用電極２４２と、薄肉部２２０と空間Ｓを介して離間された第１調整用電極２４１との間に、所定電圧を印加することができる。すなわち、メンブレン構造体のうち、薄肉部２２０に所定電圧を印加することができる。そして、第１調整用電極２４１と第２調整用電極２４２との間に所定電圧を印加し、両電極２４１，２４２間に、超音波を受けた際のメンブレン構造体のばねの復元力とは逆向きの静電気力（静電引力）を生じさせて、メンブレン構造体を変形（変位）させることができる。したがって、所謂負の静電ばね効果によって、メンブレン構造体のばね定数を実質的に変化させて、共振周波数を所望の値に調整することができる。   As described above, also in the ultrasonic sensor 200 according to the present embodiment, the gap between the second adjustment electrode 242 constituting the thin portion 220 and the first adjustment electrode 241 separated from the thin portion 220 via the space S. In addition, a predetermined voltage can be applied. That is, a predetermined voltage can be applied to the thin portion 220 of the membrane structure. And what is the restoring force of the spring of the membrane structure when a predetermined voltage is applied between the first adjustment electrode 241 and the second adjustment electrode 242 and ultrasonic waves are received between the electrodes 241 and 242? The membrane structure can be deformed (displaced) by generating a reverse electrostatic force (electrostatic attractive force). Therefore, the resonance frequency can be adjusted to a desired value by substantially changing the spring constant of the membrane structure by the so-called negative electrostatic spring effect.

また、本実施形態においても、第１調整用電極２４１を薄肉部２２０（メンブレン構造体）と離間し、第１調整用電極２４１の厚さを、メンブレン構造体の厚さよりも厚く設定している。したがって、第１調整用電極２４１の変位を抑制し、第２調整用電極２４２を含むメンブレン構造体を変形させることができるので、メンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。すなわち、効率よく共振周波数を調整することができる。   Also in the present embodiment, the first adjustment electrode 241 is separated from the thin portion 220 (membrane structure), and the thickness of the first adjustment electrode 241 is set to be greater than the thickness of the membrane structure. . Accordingly, since the displacement of the first adjustment electrode 241 can be suppressed and the membrane structure including the second adjustment electrode 242 can be deformed, the amount of deformation of the membrane structure can be increased. That is, the resonance frequency can be adjusted efficiently.

また、圧電振動子２３０を構成する圧電体薄膜２３１には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜２３１の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。   Further, since a predetermined voltage is not applied to the piezoelectric thin film 231 constituting the piezoelectric vibrator 230 (that is, the spontaneous polarization of the piezoelectric thin film 231 is not used), the resonance frequency can be controlled over a long period of time.

このように構成される超音波センサ２００は、例えば以下に示す製造方法によって形成することができる。図８は、図７に示す超音波センサ２００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２調整用電極形成工程、（ｃ）は振動子形成工程を示している。図９は、図８（ｃ）に続く、超音波センサ２００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）はエッチング工程、（ｂ）は離間工程を示している。   The ultrasonic sensor 200 configured as described above can be formed by, for example, a manufacturing method described below. 8A and 8B are cross-sectional views showing a part of the method for manufacturing the ultrasonic sensor 200 shown in FIG. 7, wherein FIG. 8A is a first adjustment electrode formation step, and FIG. (C) shows the vibrator forming step. 9A and 9B are cross-sectional views illustrating a part of the method for manufacturing the ultrasonic sensor 200 subsequent to FIG. 8C, in which FIG. 9A illustrates an etching process and FIG. 9B illustrates a separation process.

先ず、図８（ａ）に示すように、半導体基板２１１として、シリコン酸化膜からなる埋め込み絶縁膜２１１ａを介して、支持基板２１１ｂ上に半導体層２１１ｃを配置してなる半導体基板（ＳＯＩ基板）２１１を準備する。本実施形態においては、半導体層２１１ｃの厚さを３．５μｍ、埋め込み絶縁膜２１１ａの厚さを０．５μｍ程度としている。そして、半導体層２１１ｃに、不純物をイオン注入（本実施形態においてはボロンイオンをドーズ量８×１０１６／ｃｍ２で注入）して熱処理（例えば１１５０℃で１０ｈ）し、所定形状にパターニングする。これにより、第１調整用電極２４１が形成される。本実施形態においては、第１調整用電極２４１の構造を、第１実施形態に示した第１調整用電極１４１の構造とほぼ同じとしている。すなわち、メンブレン構造体の形成領域において、第１調整用電極２４１は格子状に構成される。なお、不純物としてはボロンに限定されるものではなく、それ以外にも例えばリンを採用することができる。以上が、第１調整用電極形成工程である。 First, as shown in FIG. 8A, as a semiconductor substrate 211, a semiconductor substrate (SOI substrate) 211 in which a semiconductor layer 211c is arranged on a support substrate 211b through a buried insulating film 211a made of a silicon oxide film. Prepare. In the present embodiment, the thickness of the semiconductor layer 211c is about 3.5 μm, and the thickness of the buried insulating film 211a is about 0.5 μm. Then, impurities are ion-implanted into the semiconductor layer 211c (in this embodiment, boron ions are implanted at a dose amount of 8 × 10 16 / cm 2 ), heat-treated (for example, at 1150 ° C. for 10 hours), and patterned into a predetermined shape. Thereby, the first adjustment electrode 241 is formed. In the present embodiment, the structure of the first adjustment electrode 241 is substantially the same as the structure of the first adjustment electrode 141 shown in the first embodiment. That is, in the formation area of the membrane structure, the first adjustment electrode 241 is configured in a lattice shape. The impurity is not limited to boron, and other than that, for example, phosphorus can be adopted. The above is the first adjustment electrode forming step.

第１調整用電極２４１形成後、調整用電極２４０の他方である第２調整用電極２４２を形成する。具体的には、図８（ｂ）に示すように、埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１調整用電極２４１の表面上に、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜２１２を形成する。本実施形態においては、プラズマＣＶＤ法を用いてシリコン酸化膜を成膜し、エッチバックによる平滑化処理をして、厚さ５μｍ程度の第１酸化膜２１２を形成する。なお、平滑化処理を省略しても良い。第１酸化膜２１２形成後、第１実施形態同様の製造方法及び構成で、シリコン窒化膜からなる窒化膜２１３、第２酸化膜２１４、第２調整用電極２４２、第３酸化膜２１５を積層形成する。以上が第２調整用電極形成工程である。なお、図８（ｂ）に示す符号２１６は、窒化膜２１３の形成に伴って、支持基板２１１ｂの埋め込み絶縁膜２１１ａ配置面の裏面に形成された窒化膜であり、符号２１７は、第２調整用電極２４２の形成に伴って形成されたポリシリコン膜である。   After the first adjustment electrode 241 is formed, a second adjustment electrode 242 that is the other of the adjustment electrodes 240 is formed. Specifically, as shown in FIG. 8B, a first oxide film 212 made of a silicon oxide film is formed on the surface of the buried insulating film 211a and the first adjustment electrode 241. In the present embodiment, a silicon oxide film is formed using a plasma CVD method, and a smoothing process by etch back is performed to form a first oxide film 212 having a thickness of about 5 μm. Note that the smoothing process may be omitted. After the formation of the first oxide film 212, a nitride film 213 made of a silicon nitride film, a second oxide film 214, a second adjustment electrode 242, and a third oxide film 215 are stacked by the same manufacturing method and configuration as in the first embodiment. To do. The above is the second adjustment electrode forming step. Note that reference numeral 216 shown in FIG. 8B is a nitride film formed on the back surface of the embedded insulating film 211a on the support substrate 211b as the nitride film 213 is formed, and reference numeral 217 indicates the second adjustment. This is a polysilicon film formed along with the formation of the electrode 242 for use.

第２調整用電極２４２形成後、図８（ｃ）に示すように、第２調整用電極２４２上に、薄肉部２２０の形成領域を覆うように、第１実施形態同様の製造方法及び構成で、圧電振動子２３０を形成する。したがって、その記載を省略する。   After forming the second adjustment electrode 242, as shown in FIG. 8C, the manufacturing method and configuration similar to those of the first embodiment are provided so as to cover the formation region of the thin portion 220 on the second adjustment electrode 242. Then, the piezoelectric vibrator 230 is formed. Therefore, the description is omitted.

圧電振動子２３０形成後、図９（ａ）に示すように、支持基板２１１ｂの裏面を研削・研磨し、窒化膜２１６及びポリシリコン膜２１７を除去する。その後、支持基板２１１ｂの裏面にシリコン窒化膜２１８をプラズマＣＶＤ法により形成し、薄肉部２２０の形成部位に対応する不要部を例えばドライエッチングにより除去する。なお、本実施形態においては、厚さ０．５μｍ程度のシリコン窒化膜２１８を形成し、エッチング時のマスクとする。マスク形成後、支持基板２１１ｂの裏面側をＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ性溶液に浸し、埋め込み絶縁膜２１１ａをエッチングストッパとして、支持基板２１１ｂを異方性エッチングする。これにより、支持基板２１１ｂに貫通孔Ｈが形成される。以上がエッチング工程である。   After forming the piezoelectric vibrator 230, as shown in FIG. 9A, the back surface of the support substrate 211b is ground and polished, and the nitride film 216 and the polysilicon film 217 are removed. Thereafter, a silicon nitride film 218 is formed on the back surface of the support substrate 211b by a plasma CVD method, and unnecessary portions corresponding to the formation site of the thin portion 220 are removed by, for example, dry etching. In this embodiment, a silicon nitride film 218 having a thickness of about 0.5 μm is formed and used as a mask during etching. After forming the mask, the back side of the support substrate 211b is immersed in a strong alkaline solution such as TMAH or KOH, and the support substrate 211b is anisotropically etched using the embedded insulating film 211a as an etching stopper. Thereby, the through hole H is formed in the support substrate 211b. The above is the etching process.

貫通孔Ｈ形成後、薄肉部２２０（メンブレン構造体）に対応する埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１酸化膜２１２の部位を除去する。具体的には、支持基板２１１ｂの裏面側を例えばフッ酸液に浸し、埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１酸化膜２１２を除去する。これにより、薄肉部２２０（メンブレン構造体）に対応する埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１酸化膜２１２の部位が除去されて空間Ｓが形成され、基板２１０に薄肉部２２０が形成される。すなわち、薄肉部２２０と圧電振動子２３０からなるメンブレン構造体が形成される。また、薄肉部２２０と第１調整用電極２４１とが離間される。以上が離間工程である。   After the through hole H is formed, portions of the buried insulating film 211a and the first oxide film 212 corresponding to the thin portion 220 (membrane structure) are removed. Specifically, the back surface side of the support substrate 211b is immersed in, for example, a hydrofluoric acid solution, and the buried insulating film 211a and the first oxide film 212 are removed. As a result, the portions of the buried insulating film 211 a and the first oxide film 212 corresponding to the thin portion 220 (membrane structure) are removed to form the space S, and the thin portion 220 is formed on the substrate 210. That is, a membrane structure including the thin portion 220 and the piezoelectric vibrator 230 is formed. Further, the thin portion 220 and the first adjustment electrode 241 are separated from each other. The above is the separation step.

このように本実施形態に係る超音波センサ２００の製造方法によれば、第１調整用電極２４１と第２調整用電極２４２との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサ２００（図７参照）を形成することができる。   As described above, according to the method of manufacturing the ultrasonic sensor 200 according to the present embodiment, the ultrasonic sensor 200 configured to apply a predetermined voltage between the first adjustment electrode 241 and the second adjustment electrode 242 (FIG. 7). Reference) can be formed.

また、本実施形態においては、半導体基板２１１として、ＳＯＩ構造の半導体基板２１１を採用しており、半導体層２１１ｃに不純物を導入し、パターニングして第１調整用電極２４１を形成する。したがって、第１実施形態に示す超音波センサ１００のように、ＰＮ接合にて絶縁分離するための、Ｎ＋拡散領域やパッドを不要とすることができる。   In this embodiment, a semiconductor substrate 211 having an SOI structure is employed as the semiconductor substrate 211. Impurities are introduced into the semiconductor layer 211c and patterned to form the first adjustment electrode 241. Therefore, like the ultrasonic sensor 100 shown in the first embodiment, an N + diffusion region and a pad for insulating and separating at the PN junction can be eliminated.

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図１０に基づいて説明する。図１０は、本発明の第３実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an ultrasonic sensor according to the third embodiment of the present invention.

第２実施形態に係る超音波センサは、第１，第２実施形態に係る超音波センサ１００，２００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。   Since the ultrasonic sensor according to the second embodiment is in common with the ultrasonic sensors 100 and 200 according to the first and second embodiments, the detailed description of the common parts will be omitted below, and different parts will be emphasized. Explained.

図１０に示すように、本実施形態に係る超音波センサ３００も、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサであり、基板３１０と、基板３１０の薄肉部３２０上に形成された圧電振動子３３０と、薄肉部３２０に所定電圧を印加するための調整用電極３４０とを含んでいる。そして、２つの調整用電極３４０のうち、第２調整用電極３４２が、圧電振動子３３０の下部検出用電極３３２と共通化されている。   As shown in FIG. 10, the ultrasonic sensor 300 according to this embodiment is also a piezoelectric ultrasonic sensor manufactured using the MEMS technology, and is formed on the substrate 310 and the thin portion 320 of the substrate 310. The piezoelectric vibrator 330 and an adjustment electrode 340 for applying a predetermined voltage to the thin portion 320 are included. Of the two adjustment electrodes 340, the second adjustment electrode 342 is shared with the lower detection electrode 332 of the piezoelectric vibrator 330.

基板３１０は、第１実施形態同様、第１導電型の半導体基板３１１を含んでいる。本実施形態においても、半導体基板３１１として、面方位（１００）のＮ型シリコン基板を採用しており、半導体基板３１１の圧電振動子側の表層に、Ｐ導電型の拡散領域として第１調整用電極３４１が形成されている。また、半導体基板３１１には、薄肉部３２０に対応して、貫通孔Ｈが形成されており、第１調整用電極３４１の一部が、貫通孔Ｈ内に露出している。第１調整用電極３４１は、貫通孔Ｈを完全に塞がないように、格子状に構成されている。なお、図１０に示す符号３１１ａは、半導体基板３１１と第１調整用電極３４１とをＰＮ接合にて絶縁分離するための、Ｎ＋拡散領域であり、符号３１１ｂはパッドである。   The substrate 310 includes a first conductivity type semiconductor substrate 311 as in the first embodiment. Also in the present embodiment, an N-type silicon substrate having a plane orientation (100) is employed as the semiconductor substrate 311, and a first conductivity adjustment layer is formed as a P-conductivity type diffusion region on the surface of the semiconductor substrate 311 on the piezoelectric vibrator side. An electrode 341 is formed. The semiconductor substrate 311 has a through hole H corresponding to the thin portion 320, and a part of the first adjustment electrode 341 is exposed in the through hole H. The first adjustment electrode 341 is configured in a lattice shape so as not to completely block the through hole H. In addition, the code | symbol 311a shown in FIG. 10 is an N + diffusion area | region for insulation-separating the semiconductor substrate 311 and the 1st electrode for adjustment 341 by PN junction, and the code | symbol 311b is a pad.

また、基板３１０は、半導体基板３１１とともに、半導体基板３１１上に配置された絶縁膜と、絶縁膜上に配置された圧電振動子３３０の下部検出用電極３３２とを含んでいる。   The substrate 310 includes an insulating film disposed on the semiconductor substrate 311 and a lower detection electrode 332 of the piezoelectric vibrator 330 disposed on the insulating film together with the semiconductor substrate 311.

本実施形態に係る絶縁膜は、圧電振動子側の半導体基板３１１の表面に配置された、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜３１３である。そして、第１酸化膜３１３上に、不純物（例えばボロンやリン）の導入された単結晶シリコンからなる下部検出用電極３３２が配置されている。   The insulating film according to this embodiment is a first oxide film 313 made of a silicon oxide film and disposed on the surface of the semiconductor substrate 311 on the piezoelectric vibrator side. On the first oxide film 313, a lower detection electrode 332 made of single crystal silicon into which an impurity (for example, boron or phosphorus) is introduced is disposed.

第１酸化膜３１３は、半導体基板３１１に貫通孔Ｈを形成する際のエッチングストッパとしての機能を果たすものであり、薄肉部３２０（メンブレン構造体）に対応する部位が除去され、除去された部分に空間Ｓが構成されている。そして、第１酸化膜３１３上に積層された下部検出用電極３３２のうち、空間Ｓ上の部分が薄肉部３２０となっている。すなわち、薄肉部３２０の下面（下部検出用電極３３２）と第１調整用電極３４１との間には空間Ｓが構成され、少なくとも圧電振動子３３０が振動しない状態で、両者が離間されている。このように、本実施形態においては、下部検出用電極３３２が、第２調整用電極３４２としての機能と薄肉部３２０としての機能を果たすように構成されている。それ以外の構成については、第１実施形態に示した超音波センサ１００と同様であるので、その記載を省略する。   The first oxide film 313 functions as an etching stopper when the through hole H is formed in the semiconductor substrate 311, and a portion corresponding to the thin portion 320 (membrane structure) is removed and removed. A space S is formed. Of the lower detection electrode 332 stacked on the first oxide film 313, a portion on the space S is a thin portion 320. That is, a space S is formed between the lower surface (the lower detection electrode 332) of the thin portion 320 and the first adjustment electrode 341, and the two are separated at least in a state where the piezoelectric vibrator 330 does not vibrate. Thus, in the present embodiment, the lower detection electrode 332 is configured to perform the function as the second adjustment electrode 342 and the function as the thin portion 320. Since other configurations are the same as those of the ultrasonic sensor 100 shown in the first embodiment, description thereof is omitted.

このように本実施形態に係る超音波センサ３００においても、薄肉部３２０を構成する下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）と、薄肉部３２０と空間Ｓを介して離間された第１調整用電極３４１との間に、所定電圧を印加することができる。すなわち、メンブレン構造体のうち、薄肉部３２０に所定電圧を印加することができる。そして、第１調整用電極３４１と下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）との間に所定電圧を印加し、両電極３４１，３３２（３４２）間に、超音波を受けた際のメンブレン構造体のばねの復元力とは逆向きの静電気力（静電引力）を生じさせて、メンブレン構造体を変形（変位）させることができる。したがって、所謂負の静電ばね効果によって、メンブレン構造体のばね定数を実質的に変化させて、共振周波数を所望の値に調整することができる。   As described above, also in the ultrasonic sensor 300 according to the present embodiment, the lower detection electrode 332 (second adjustment electrode 342) constituting the thin portion 320 and the first portion separated from the thin portion 320 via the space S. A predetermined voltage can be applied between the adjustment electrode 341. That is, a predetermined voltage can be applied to the thin portion 320 of the membrane structure. A predetermined voltage is applied between the first adjustment electrode 341 and the lower detection electrode 332 (second adjustment electrode 342), and an ultrasonic wave is received between the electrodes 341 and 332 (342). The membrane structure can be deformed (displaced) by generating an electrostatic force (electrostatic attractive force) opposite to the restoring force of the spring of the membrane structure. Therefore, the resonance frequency can be adjusted to a desired value by substantially changing the spring constant of the membrane structure by the so-called negative electrostatic spring effect.

また、本実施形態においても、第１調整用電極３４１を薄肉部３２０（メンブレン構造体）と離間し、第１調整用電極３４１の厚さを、メンブレン構造体の厚さよりも厚く設定している。したがって、第１調整用電極３４１の変位を抑制し、下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）を含むメンブレン構造体を変形させることができるので、メンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。すなわち、効率よく共振周波数を調整することができる。   Also in this embodiment, the first adjustment electrode 341 is separated from the thin portion 320 (membrane structure), and the thickness of the first adjustment electrode 341 is set larger than the thickness of the membrane structure. . Accordingly, the displacement of the first adjustment electrode 341 can be suppressed, and the membrane structure including the lower detection electrode 332 (second adjustment electrode 342) can be deformed, so that the amount of deformation of the membrane structure is increased. Can do. That is, the resonance frequency can be adjusted efficiently.

また、圧電振動子３３０を構成する圧電体薄膜３３１には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜３３１の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。   In addition, since a predetermined voltage is not applied to the piezoelectric thin film 331 constituting the piezoelectric vibrator 330 (that is, the spontaneous polarization of the piezoelectric thin film 331 is not used), the resonance frequency can be controlled over a long period of time.

また、下部検出用電極３３２と第２調整用電極３４２を共通化しているので、第１、第２実施形態に示した構成に比べて、構造を簡素化することができる。   In addition, since the lower detection electrode 332 and the second adjustment electrode 342 are shared, the structure can be simplified as compared with the configurations shown in the first and second embodiments.

なお、本実施形態においては、下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）が、単結晶シリコンに不純物を導入してなる例を示した。それ以外にも、第１実施形態同様、ポリシリコン膜に不純物を導入してなる構成とすることも可能である。しかしながら、ポリシリコン膜は粒界が存在するため、メンブレン構造体の変形にともなって、粒界を起点とし、粒界に沿って亀裂が生じやすい。したがって、本実施形態に示すように、粒界のない単結晶シリコンを用いて、下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）を構成することが好ましい。   In the present embodiment, an example in which the lower detection electrode 332 (second adjustment electrode 342) introduces impurities into single crystal silicon is shown. In addition, as in the first embodiment, it is possible to adopt a configuration in which impurities are introduced into the polysilicon film. However, since a grain boundary exists in the polysilicon film, cracks tend to occur along the grain boundary starting from the grain boundary as the membrane structure is deformed. Therefore, as shown in the present embodiment, it is preferable to form the lower detection electrode 332 (second adjustment electrode 342) using single crystal silicon having no grain boundary.

このように構成される超音波センサ３００は、例えば以下に示す製造方法によって形成することができる。図１１は、図１０に示す超音波センサ３００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２シリコン基板準備工程、（ｃ）は貼り合せ工程、（ｄ）は振動子形成工程のうち、下部検出用電極（第２調整用電極）の形成部分を示す図である。図１２は、図１１（ｄ）に続く、超音波センサ３００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は振動子形成工程、（ｂ）はエッチング工程、（ｃ）は離間工程を示している。   The ultrasonic sensor 300 configured as described above can be formed by, for example, a manufacturing method described below. 11A and 11B are cross-sectional views showing a part of one method for manufacturing the ultrasonic sensor 300 shown in FIG. 10, wherein FIG. 11A is a first adjustment electrode forming step, FIG. 11B is a second silicon substrate preparation step, (c) is a figure which shows the formation part of the bonding process, (d) is a formation part of the lower detection electrode (2nd adjustment electrode) among vibrator formation processes. 12A and 12B are cross-sectional views illustrating a part of the manufacturing method of the ultrasonic sensor 300 subsequent to FIG. 11D, in which FIG. 12A is a vibrator forming process, FIG. 12B is an etching process, and FIG. A separation step is shown.

先ず、図１１（ａ）に示すように、本実施形態においても、半導体基板３１１として、面方位（１００）のＮ型シリコン基板を準備し、半導体基板３１１の圧電振動子配置面側の表層に、調整用電極３４０の一方である第１調整用電極３４１を形成する。この工程は、第１実施形態に示す第１調整用電極形成工程と同様であるので、その記載を省略する。なお、第１実施形態同様、第１調整用電極３４１と併せて、半導体基板３１１に電位取り出し用のＮ＋拡散領域３１１ａも形成する。   First, as shown in FIG. 11A, also in this embodiment, an N-type silicon substrate having a plane orientation (100) is prepared as the semiconductor substrate 311, and the surface of the semiconductor substrate 311 on the piezoelectric vibrator arrangement surface side is prepared. The first adjustment electrode 341 which is one of the adjustment electrodes 340 is formed. Since this step is the same as the first adjustment electrode forming step shown in the first embodiment, the description thereof is omitted. Similar to the first embodiment, an N + diffusion region 311 a for extracting a potential is also formed in the semiconductor substrate 311 together with the first adjustment electrode 341.

また、本実施形態においては、第１調整用電極形成工程と並行して、図１１（ｂ）に示すように、第２シリコン基板３１２を準備し、当該基板３１２の表面にシリコン酸化膜からなる酸化膜３１３を形成する。本実施形態においては、熱酸化によって、厚さ２μｍ程度の酸化膜３１３を形成する。なお、第２シリコン基板３１２の準備は、第１調整用電極３４１の形成前後に実施しても良い。以上が、第２シリコン基板準備工程である。   In this embodiment, in parallel with the first adjustment electrode forming step, as shown in FIG. 11B, a second silicon substrate 312 is prepared, and the surface of the substrate 312 is made of a silicon oxide film. An oxide film 313 is formed. In the present embodiment, an oxide film 313 having a thickness of about 2 μm is formed by thermal oxidation. The preparation of the second silicon substrate 312 may be performed before and after the formation of the first adjustment electrode 341. The above is the second silicon substrate preparation step.

次に、図１１（ｃ）に示すように、第１調整用電極３４１が形成された半導体基板３１１の表面上に、第２シリコン基板３１２を、酸化膜３１３が第１調整用電極形成面に接するように配置し、両者を貼り合わせて接合する。そして、第２シリコン基板３１２の厚さが所定厚さとなるように、酸化膜形成面の裏面から研削・研磨する。本実施形態においては、この研削・研磨により、第２シリコン基板３１２の厚さ（酸化膜３１３除く）を１μｍ程度とする。以上が、貼り合せ工程である。   Next, as shown in FIG. 11C, the second silicon substrate 312 is formed on the surface of the semiconductor substrate 311 on which the first adjustment electrode 341 is formed, and the oxide film 313 is formed on the first adjustment electrode formation surface. It arrange | positions so that it may contact | connect and bonds both together and it joins. Then, the second silicon substrate 312 is ground and polished from the back surface of the oxide film formation surface so that the thickness of the second silicon substrate 312 becomes a predetermined thickness. In the present embodiment, the thickness (excluding the oxide film 313) of the second silicon substrate 312 is set to about 1 μm by this grinding and polishing. The above is the bonding process.

貼り合せ終了後、所定厚さに調整された第２シリコン基板３１２に対し、不純物を導入して熱処理し、不要部を例えばドライエッチングして所定形状にパターニングする。これにより、図１１（ｄ）に示すように、下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）が形成される。本実施形態においては、ボロンイオンをドーズ量８×１０１６／ｃｍ２で注入し、その後熱処理（例えば１１５０℃で２ｈ）している。なお、第２シリコン基板３１２に注入される不純物はボロンに限定されるものではない。例えばリンでも良い。以上が、振動子形成工程のうち、下部検出用電極３３２の形成部分である。なお、この下部検出用電極の形成が、第１、第２実施形態に記載の第２調整用電極形成工程に相当する。また、この工程において、酸化膜３１３の不要部を例えばドライエッチングし、酸化膜３１３をパターニングする。図１１（ｄ）においては、パッド３４１ａ，３１１ｂ用のコンタクトホールが形成される。 After the bonding, the second silicon substrate 312 adjusted to a predetermined thickness is subjected to heat treatment by introducing impurities, and unnecessary portions are patterned into a predetermined shape by, for example, dry etching. Thus, as shown in FIG. 11D, the lower detection electrode 332 (second adjustment electrode 342) is formed. In this embodiment, boron ions are implanted at a dose of 8 × 10 16 / cm 2 and then heat-treated (for example, at 1150 ° C. for 2 h). The impurities implanted into the second silicon substrate 312 are not limited to boron. For example, phosphorus may be used. The above is the formation part of the lower detection electrode 332 in the vibrator formation process. The formation of the lower detection electrode corresponds to the second adjustment electrode formation step described in the first and second embodiments. In this step, unnecessary portions of the oxide film 313 are dry-etched, for example, and the oxide film 313 is patterned. In FIG. 11D, contact holes for pads 341a and 311b are formed.

下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）の形成後、図１２（ａ）に示すように、下部検出用電極３３２上に、圧電体薄膜３３１、上部検出用電極３３３の順に積層配置し、圧電振動子３３０を形成する。なお、圧電体薄膜３３１、上部検出用電極３３３の構成及び製造方法は、第１実施形態と同様であるので、その記載を省略する。以上が、圧電振動子形成工程である。   After the formation of the lower detection electrode 332 (second adjustment electrode 342), as shown in FIG. 12A, the piezoelectric thin film 331 and the upper detection electrode 333 are laminated on the lower detection electrode 332 in this order. Then, the piezoelectric vibrator 330 is formed. In addition, since the structure and manufacturing method of the piezoelectric thin film 331 and the upper detection electrode 333 are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted. The above is the piezoelectric vibrator forming step.

圧電振動子３３０形成後、半導体基板３１１の裏面を研削・研磨した後、半導体基板３１１の裏面にシリコン窒化膜３１８をプラズマＣＶＤ法により形成し、薄肉部３２０の形成部位に対応する不要部を例えばドライエッチングにより除去する。これにより、図１２（ｂ）に示すように、半導体基板３１１に貫通孔Ｈが形成される。貫通孔Ｈの形成方法は、第１実施形態と同様であるので、その記載を省略する。以上がエッチング工程である。   After the piezoelectric vibrator 330 is formed, the back surface of the semiconductor substrate 311 is ground and polished, and then a silicon nitride film 318 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 311 by a plasma CVD method, and unnecessary portions corresponding to the formation site of the thin portion 320 are formed, for example. Remove by dry etching. As a result, a through hole H is formed in the semiconductor substrate 311 as shown in FIG. Since the through hole H is formed in the same manner as in the first embodiment, the description thereof is omitted. The above is the etching process.

なお、本実施形態においても、貫通孔Ｈ内に在る（すなわちメンブレン構造体の形成領域に在る）第１調整用電極３４１の部分は、格子状となっている。したがって、貫通孔Ｈ形成後、格子状の第１調整用電極３４１を介して、薄肉部３２０（メンブレン構造体）に対応する酸化膜３１３の部位を除去する。具体的には、半導体基板３１１の裏面側を例えばフッ酸液に浸し、酸化膜３１３を除去する。これにより、図１２（ｃ）に示すように、薄肉部３２０（メンブレン構造体）に対応する酸化膜３１３の部位が除去されて空間Ｓが形成され、基板３１０に薄肉部３２０が形成される。すなわち、薄肉部３２０（下部検出用電極３３２）と圧電振動子３３０からなるメンブレン構造体が形成される。また、薄肉部３２０と第１調整用電極３４１とが離間される。以上が離間工程である。   Also in this embodiment, the portion of the first adjustment electrode 341 that exists in the through hole H (that is, in the region where the membrane structure is formed) has a lattice shape. Therefore, after the through hole H is formed, the portion of the oxide film 313 corresponding to the thin portion 320 (membrane structure) is removed via the lattice-shaped first adjustment electrode 341. Specifically, the back surface side of the semiconductor substrate 311 is immersed in, for example, a hydrofluoric acid solution, and the oxide film 313 is removed. As a result, as shown in FIG. 12C, the portion of the oxide film 313 corresponding to the thin portion 320 (membrane structure) is removed to form a space S, and the thin portion 320 is formed on the substrate 310. That is, a membrane structure including the thin portion 320 (lower detection electrode 332) and the piezoelectric vibrator 330 is formed. Further, the thin portion 320 and the first adjustment electrode 341 are separated from each other. The above is the separation step.

このように本実施形態に係る超音波センサ３００の製造方法によれば、調整用電極３４０として第１調整用電極３４１を含み、下部検出用電極３３２と第１調整用電極３４１との間に、所定電圧を印加する構成の超音波センサ３００（図１０参照）を形成することができる。   As described above, according to the method of manufacturing the ultrasonic sensor 300 according to the present embodiment, the first adjustment electrode 341 is included as the adjustment electrode 340, and the lower detection electrode 332 and the first adjustment electrode 341 are between An ultrasonic sensor 300 (see FIG. 10) configured to apply a predetermined voltage can be formed.

また、下部検出用電極３３２と第２調整用電極３４２を共通化しているので、第１、第２実施形態に示した構成に比べて、製造工程を簡素化することができる。   Further, since the lower detection electrode 332 and the second adjustment electrode 342 are made common, the manufacturing process can be simplified as compared with the configurations shown in the first and second embodiments.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。なお、本発明の主旨は、メンブレン構造体を構成する薄肉部のみに所定電圧を印加し、それにより生じる静電気力によって、メンブレン構造体全体を変位（変形）させ、共振周波数を調整できる点にある。   The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. The gist of the present invention is that a predetermined voltage is applied only to a thin portion constituting the membrane structure, and the entire membrane structure can be displaced (deformed) by an electrostatic force generated thereby to adjust the resonance frequency. .

本実施形態においては、基板１１０，２１０，３１０に構成されるメンブレン構造体の個数については特に限定しなかった。メンブレン構造体は、１つの超音波素子として構成されている。例えば、１つの基板１１０，２１０，３１０に構成された１つのメンブレン構造体に対して、上述した本発明を適用しても良い。また、１つの基板１１０，２１０，３１０に複数のメンブレン構造体がアレイ化された超音波センサに対して、それぞれのメンブレン構造体の共振周波数を調整し、共振周波数のばらつきを低減することができる。すなわち、所定電圧の印加により、複数のメンブレン構造体を、共振周波数が同一の周波数に調整された構成とすることができる。   In the present embodiment, the number of membrane structures configured on the substrates 110, 210, and 310 is not particularly limited. The membrane structure is configured as one ultrasonic element. For example, the present invention described above may be applied to one membrane structure formed on one substrate 110, 210, 310. In addition, with respect to an ultrasonic sensor in which a plurality of membrane structures are arrayed on one substrate 110, 210, 310, the resonance frequency of each membrane structure can be adjusted to reduce variations in resonance frequency. . That is, by applying a predetermined voltage, the plurality of membrane structures can be configured such that the resonance frequency is adjusted to the same frequency.

本発明の第１実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the ultrasonic sensor which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the AA line of FIG. 図１を圧電振動子側から見た平面図である。It is the top view which looked at FIG. 1 from the piezoelectric vibrator side. 図１に示す超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２調整用電極形成工程、（ｃ）は振動子形成工程を示している。2A and 2B are cross-sectional views illustrating a part of the method for manufacturing the ultrasonic sensor illustrated in FIG. 1, in which FIG. 1A is a first adjustment electrode formation step, FIG. 2B is a second adjustment electrode formation step, and FIG. The child formation process is shown. 図４（ｃ）に続く、超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）はエッチング工程、（ｂ）は離間工程を示している。FIG. 5C is a cross-sectional view illustrating a part of the manufacturing method of the ultrasonic sensor following FIG. 4C, in which FIG. 4A illustrates an etching process and FIG. 4B illustrates a separation process. 変形例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a modification. 本発明の第２実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the ultrasonic sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図７に示す超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２調整用電極形成工程、（ｃ）は振動子形成工程を示している。8A and 8B are cross-sectional views illustrating a part of the method for manufacturing the ultrasonic sensor illustrated in FIG. 7, in which FIG. 7A is a first adjustment electrode formation step, FIG. The child formation process is shown. 図８（ｃ）に続く、超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）はエッチング工程、（ｂ）は離間工程を示している。FIG. 9C is a cross-sectional view illustrating a part of the manufacturing method of the ultrasonic sensor following FIG. 8C, in which FIG. 8A illustrates an etching process and FIG. 8B illustrates a separation process. 本発明の第３実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows schematic structure of the ultrasonic sensor which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 図１０に示す超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２シリコン基板準備工程、（ｃ）は貼り合せ工程、（ｄ）は振動子形成工程のうち、下部検出用電極（第２調整用電極）の形成部分を示す図である。It is sectional drawing which shows a part of one manufacturing method of the ultrasonic sensor shown in FIG. 10, (a) is a 1st adjustment electrode formation process, (b) is a 2nd silicon substrate preparation process, (c) is bonding. Step (d) is a diagram showing a portion for forming a lower detection electrode (second adjustment electrode) in the vibrator formation step. 図１１（ｄ）に続く、超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は振動子形成工程、（ｂ）はエッチング工程、（ｃ）は離間工程を示している。FIG. 12D is a cross-sectional view illustrating a part of the manufacturing method of the ultrasonic sensor, following FIG. 11D, in which FIG. 11A is a vibrator forming step, FIG. 11B is an etching step, and FIG. Yes.

符号の説明Explanation of symbols

１００・・・超音波センサ
１１０・・・基板
１１１・・・半導体基板
１２０・・・薄肉部
１３０・・・圧電振動子
１３１・・・圧電体薄膜
１３２・・・下部検出用電極
１３３・・・上部検出用電極
１４０・・・調整用電極
１４１・・・第１調整用電極
１４２・・・第２調整用電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Ultrasonic sensor 110 ... Substrate 111 ... Semiconductor substrate 120 ... Thin part 130 ... Piezoelectric vibrator 131 ... Piezoelectric thin film 132 ... Lower detection electrode 133 ... Upper detection electrode 140 ... adjustment electrode 141 ... first adjustment electrode 142 ... second adjustment electrode

Claims (13)

一部に薄肉部が形成された基板と、
前記基板の厚さ方向において、２つの検出用電極間に圧電体薄膜を配置してなり、前記薄肉部上に形成された圧電振動子と、
メンブレン構造体を構成する前記薄肉部と前記圧電振動子のうち、前記薄肉部に所定電圧を印加するための調整用電極と、を備え、
前記基板は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の圧電振動子側の表面上に多層に積層配置された絶縁膜を含み、
前記調整用電極は、第１調整用電極と第２調整用電極を含み、
前記第１調整用電極は、前記半導体基板の圧電振動子側の表層において、前記第１導電型とは反対の、第２導電型の拡散領域として構成され、
前記第２調整用電極は、前記基板の厚さ方向において、前記絶縁膜に挟まれて配置され、
前記薄肉部の形成領域において、前記第１調整用電極を残して前記半導体基板が除去され、前記絶縁膜のうち、少なくとも前記半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、前記第２調整用電極を含む前記メンブレン構造体と前記第１調整用電極とが離間されており、
前記第１調整用電極と前記第２調整用電極との間に印加された前記所定電圧に応じて、前記メンブレン構造体のばね定数が変化することを特徴とする超音波センサ。 A substrate with a thin portion formed in part,
In the thickness direction of the substrate, a piezoelectric thin film is disposed between two detection electrodes, and a piezoelectric vibrator formed on the thin portion;
Among said thin portion constituting the membrane structure of the piezoelectric vibrator, and an adjustment electrode for applying a predetermined voltage to the thin portion,
The substrate includes a semiconductor substrate of a first conductivity type and an insulating film arranged in multiple layers on the surface of the semiconductor substrate on the piezoelectric vibrator side,
The adjustment electrode includes a first adjustment electrode and a second adjustment electrode;
The first adjustment electrode is configured as a diffusion region of a second conductivity type opposite to the first conductivity type on the surface layer of the semiconductor substrate on the piezoelectric vibrator side,
The second adjustment electrode is disposed between the insulating films in the thickness direction of the substrate,
In the region where the thin portion is formed, the semiconductor substrate is removed leaving the first adjustment electrode, and at least an insulating film in contact with the surface of the semiconductor substrate is removed from the insulating film, and the second adjustment electrode is removed. The membrane structure including the first adjustment electrode is spaced apart,
The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein a spring constant of the membrane structure changes in accordance with the predetermined voltage applied between the first adjustment electrode and the second adjustment electrode . 前記半導体基板はシリコンからなり、
前記第１導電型は、Ｎ導電型であり、
前記第２導電型は、Ｐ導電型であることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。 The semiconductor substrate is made of silicon,
The first conductivity type is an N conductivity type,
The ultrasonic sensor according to claim 1 , wherein the second conductivity type is a P conductivity type. 一部に薄肉部が形成された基板と、
前記基板の厚さ方向において、２つの検出用電極間に圧電体薄膜を配置してなり、前記薄肉部上に形成された圧電振動子と、
メンブレン構造体を構成する前記薄肉部と前記圧電振動子のうち、前記薄肉部に所定電圧を印加するための調整用電極と、を備え、
前記基板は、支持基板上に埋め込み絶縁膜を介して半導体層を配置してなる半導体基板と、前記半導体基板の圧電振動子側の表面上に多層に積層配置された絶縁膜を含み、
前記調整用電極は、第１調整用電極と第２調整用電極を含み、
前記第１調整用電極は、前記半導体層に不純物を導入することにより構成され、
前記第２調整用電極は、前記基板の厚さ方向において、前記絶縁膜に挟まれて配置され、
前記薄肉部の形成領域において、前記第１調整用電極を残して前記半導体基板が除去され、前記絶縁膜のうち、少なくとも前記半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、前記第２調整用電極を含む前記メンブレン構造体と前記第１調整用電極とが離間されており、
前記第１調整用電極と前記第２調整用電極との間に印加された前記所定電圧に応じて、前記メンブレン構造体のばね定数が変化することを特徴とする超音波センサ。 A substrate with a thin portion formed in part,
In the thickness direction of the substrate, a piezoelectric thin film is disposed between two detection electrodes, and a piezoelectric vibrator formed on the thin portion;
Among said thin portion constituting the membrane structure of the piezoelectric vibrator, and an adjustment electrode for applying a predetermined voltage to the thin portion,
The substrate includes a semiconductor substrate in which a semiconductor layer is disposed on a support substrate via a buried insulating film, and an insulating film that is disposed in multiple layers on the surface of the semiconductor substrate on the piezoelectric vibrator side,
The adjustment electrode includes a first adjustment electrode and a second adjustment electrode;
The first adjustment electrode is configured by introducing impurities into the semiconductor layer,
The second adjustment electrode is disposed between the insulating films in the thickness direction of the substrate,
In the region where the thin portion is formed, the semiconductor substrate is removed leaving the first adjustment electrode, and at least an insulating film in contact with the surface of the semiconductor substrate is removed from the insulating film, and the second adjustment electrode is removed. The membrane structure including the first adjustment electrode is spaced apart,
The ultrasonic sensor according to claim 1, wherein a spring constant of the membrane structure changes in accordance with the predetermined voltage applied between the first adjustment electrode and the second adjustment electrode . 前記基板の厚さ方向において、前記第１調整用電極の厚さが、前記メンブレン構造体の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項３に記載の超音波センサ。 The ultrasonic sensor according to claim 3 , wherein a thickness of the first adjustment electrode is greater than a thickness of the membrane structure in a thickness direction of the substrate. 一部に薄肉部が形成された基板と、
前記基板の厚さ方向において、２つの検出用電極間に圧電体薄膜を配置してなり、前記薄肉部上に形成された圧電振動子と、
メンブレン構造体を構成する前記薄肉部と前記圧電振動子のうち、前記薄肉部に所定電圧を印加するための調整用電極と、を備え、
前記基板は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の圧電振動子側の表面上に配置された絶縁膜を含み、
前記調整用電極は、前記半導体基板の圧電振動子側の表層において、前記第１導電型とは反対の、第２導電型の拡散領域として構成された第１調整用電極を含み、
前記薄肉部の形成領域において、前記第１調整用電極を残して前記半導体基板が除去され、前記絶縁膜のうち、少なくとも前記半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、前記メンブレン構造体と前記第１調整用電極とが離間されており、
前記２つの検出用電極の一方である基板側の下部検出用電極と前記第１調整用電極との間に印加された前記所定電圧に応じて、前記メンブレン構造体のばね定数が変化することを特徴とする超音波センサ。 A substrate with a thin portion formed in part,
In the thickness direction of the substrate, a piezoelectric thin film is disposed between two detection electrodes, and a piezoelectric vibrator formed on the thin portion;
Among said thin portion constituting the membrane structure of the piezoelectric vibrator, and an adjustment electrode for applying a predetermined voltage to the thin portion,
The substrate includes a first conductivity type semiconductor substrate and an insulating film disposed on a surface of the semiconductor substrate on the piezoelectric vibrator side,
The adjustment electrode includes a first adjustment electrode configured as a diffusion region of a second conductivity type opposite to the first conductivity type in a surface layer on the piezoelectric vibrator side of the semiconductor substrate,
In the region where the thin portion is formed, the semiconductor substrate is removed leaving the first adjustment electrode, and at least the insulating film in contact with the surface of the semiconductor substrate is removed among the insulating films, and the membrane structure and the The first adjustment electrode is spaced apart;
The spring constant of the membrane structure changes according to the predetermined voltage applied between the lower detection electrode on the substrate side which is one of the two detection electrodes and the first adjustment electrode. A featured ultrasonic sensor. 前記半導体基板はシリコンからなり、
前記第１導電型は、Ｎ導電型であり、
前記第２導電型は、Ｐ導電型であることを特徴とする請求項５に記載の超音波センサ。 The semiconductor substrate is made of silicon,
The first conductivity type is an N conductivity type,
The ultrasonic sensor according to claim 5 , wherein the second conductivity type is a P conductivity type. 前記下部検出用電極は、単結晶シリコンに不純物を導入してなることを特徴とする請求項６に記載の超音波センサ。 The ultrasonic sensor according to claim 6 , wherein the lower detection electrode is formed by introducing impurities into single crystal silicon. 前記基板の厚さ方向において、前記第１調整用電極の厚さが、前記メンブレン構造体の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項５〜７いずれか１項に記載の超音波センサ。 The ultrasonic sensor according to claim 5 , wherein a thickness of the first adjustment electrode is greater than a thickness of the membrane structure in a thickness direction of the substrate. 前記メンブレン構造体が複数形成されており、
前記メンブレン構造体を構成する前記薄肉部ごとに前記所定電圧を印加できることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の超音波センサ。 A plurality of the membrane structures are formed,
The ultrasonic sensor according to any one of claims 1 to 8 , wherein the predetermined voltage can be applied to each of the thin portions constituting the membrane structure. 前記所定電圧の印加により、複数の前記メンブレン構造体の共振周波数が同一の周波数に調整されていることを特徴とする請求項９に記載の超音波センサ。 The ultrasonic sensor according to claim 9 , wherein the resonance frequency of the plurality of membrane structures is adjusted to the same frequency by applying the predetermined voltage. 基板の厚さ方向において２つの検出用電極間に圧電体薄膜が配置された圧電振動子を、前記基板に形成された薄肉部上に配置してなる超音波センサの製造方法であって、
前記基板を構成するＮ導電型の第１シリコン基板の、圧電振動子側の表層に、前記薄肉部に所定電圧を印加するための第１調整用電極として、Ｐ導電型の拡散領域を形成する第１調整用電極形成工程と、
前記第１調整用電極形成工程後、前記薄肉部が形成される前記基板の部位上に、絶縁膜を介して、下部検出用電極、圧電体薄膜、上部検出用電極の順に積層してなる前記圧電振動子を形成する振動子形成工程と、
前記第１シリコン基板の圧電振動子側表面の裏面から強アルカリ液によるエッチング処理を実施し、前記薄肉部の形成領域において、前記第１調整用電極を残して前記第１シリコン基板を除去するエッチング工程と、
前記薄肉部の形成領域において、前記絶縁膜のうち、少なくとも前記第１シリコン基板の表面に接する絶縁膜を除去して、前記メンブレン構造体と前記第１調整用電極とを離間させる離間工程を備えることを特徴とする超音波センサの製造方法。 A method of manufacturing an ultrasonic sensor, wherein a piezoelectric vibrator having a piezoelectric thin film disposed between two detection electrodes in the thickness direction of a substrate is disposed on a thin portion formed on the substrate,
A P-conductivity type diffusion region is formed as a first adjustment electrode for applying a predetermined voltage to the thin portion on the surface layer of the N-conductivity type first silicon substrate constituting the substrate on the piezoelectric vibrator side. A first adjustment electrode forming step;
After the first adjustment electrode forming step, the lower detection electrode, the piezoelectric thin film, and the upper detection electrode are sequentially laminated on the portion of the substrate on which the thin portion is formed via an insulating film. A vibrator forming step for forming a piezoelectric vibrator;
Etching to remove the first silicon substrate from the back surface of the first silicon substrate on the piezoelectric vibrator side with a strong alkaline solution, leaving the first adjustment electrode in the thin-walled region. Process,
In the region where the thin-walled portion is formed, a separation step of removing at least the insulating film in contact with the surface of the first silicon substrate from the insulating film and separating the membrane structure from the first adjustment electrode is provided. A method for manufacturing an ultrasonic sensor. 前記振動子形成工程の前に、前記第１調整用電極との間で、前記薄肉部に所定電圧の印加が可能な第２調整用電極を、前記第１調整用電極が形成された前記第１シリコン基板の表面上に、前記基板の厚さ方向において、多層に積層された前記絶縁膜間に挟まれる態様で形成する第２調整電極形成工程を備えることを特徴とする請求項１１に記載の超音波センサの製造方法。 Before the vibrator forming step, a second adjustment electrode capable of applying a predetermined voltage to the thin portion between the first adjustment electrode and the first adjustment electrode is formed. 12. The method according to claim 11 , further comprising: a second adjustment electrode forming step of forming on a surface of one silicon substrate in a form sandwiched between the insulating films stacked in multiple layers in the thickness direction of the substrate. Manufacturing method of ultrasonic sensor. 前記振動子形成工程の前に、前記第１調整用電極が形成された前記第１シリコン基板に対し、表面に前記絶縁膜としてシリコン酸化膜の形成された第２シリコン基板を、前記圧電振動子側表面と前記シリコン酸化膜形成面が接触するように貼り合せる貼り合せ工程を備え、
前記振動子形成工程において、前記第２シリコン基板に不純物を導入し、前記第１調整用電極との間で、前記薄肉部に所定電圧の印加が可能な前記下部検出用電極を形成することを特徴とする請求項１１に記載の超音波センサの製造方法。 Prior to the vibrator forming step, a second silicon substrate having a silicon oxide film formed on the surface as the insulating film is formed on the surface of the first silicon substrate on which the first adjustment electrode is formed. A bonding step of bonding so that the side surface and the silicon oxide film forming surface are in contact with each other;
In the vibrator forming step, impurities are introduced into the second silicon substrate, and the lower detection electrode capable of applying a predetermined voltage to the thin portion is formed between the first adjustment electrode and the first adjustment electrode. The method of manufacturing an ultrasonic sensor according to claim 11 .
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