JP6659027B2 - Ｍｅｍｓ素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ素子に関し、特にマイクロフォン、各種センサ、スイッチ等として用いられる容量型のＭＥＭＳ素子およびその製造方法に関する。

従来、半導体プロセスを用いたＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)素子では、半導体基板上に可動電極、犠牲層及び固定電極を形成した後、犠牲層の一部を除去することで、スペーサーを介して配置された可動電極と固定電極との間にエアーギャップ（中空）構造が形成されている。

例えば、容量型ＭＥＭＳ素子であるコンデンサマイクロフォンでは、音圧を通過させる複数の貫通孔を備えた固定電極と、音圧を受けて振動する可動電極とを対向して配置し、音圧を受けて振動する可動電極の変位を電極間の容量変化として検出する構成となっている。

このような構造のＭＥＭＳ素子は、一般的に次のように形成される。まず、表面の結晶方位が（１００）面のシリコン基板１を用意し、表面および裏面に厚さ０．５μｍの熱酸化膜２を形成する。さらに表面側の熱酸化膜２上にＣＶＤ（Chemical Vaper Deposition）法により厚さ０．５μｍのポリシリコン膜を形成し、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングを行い、可動電極３を形成する（図８ａ）。

その後、表面全面に、厚さ２μｍのＵＳＧ（Undoped Silicate Glass）膜からなる犠牲層４を積層する。さらに犠牲層４上に、厚さ１．０μｍのポリシリコンからなる固定電極５を形成した後、表面全面に厚さ０．２μｍのシリコン窒化膜６を堆積形成する。この固定電極５とシリコン窒化膜６とが一体となりバックプレートを構成する（図８ｂ）。

次に、先に形成した犠牲層４を後工程で除去するため、シリコン窒化膜６および固定電極５の一部をエッチング除去して複数の貫通孔７を形成し、犠牲層４の表面の一部を露出させる（図８ｃ）。

可動電極３、固定電極５のそれぞれに接触する配線部８を形成（図８ｄ）した後、シリコン基板１の一部をエッチングし、図８（ｅ）に示すようにバックチャンバー９を形成する。

その後、可動電極３と固定電極５の間を中空構造とするため、貫通孔７を通して犠牲層４の一部をエッチング除去する。ここで使用するエッチング液は、配線部８を構成する配線材料とのエッチング選択比が高く、等方性エッチングを行うことができるフッ酸系の混酸水溶液を用いる。具体的にはフッ酸、フッ化アンモニウム、酢酸の混合液を用いる。

その結果、図８（ｆ）に示すように、可動電極３と固定電極５との間にエアーギャップ１１が形成され、犠牲層４の一部がスペーサー１０として残る。このときスペーサー１０のエアーギャップ１１側の端部は、エッチングの進行に応じた形状となる。このようにウエットエッチング法によりスペーサーを形成する例は、例えば特許文献１に記載されている。また、ドライエッチング法により犠牲層４の一部をエッチング除去してエアーギャップ１１を形成する場合も、スペーサー１０のエアーギャップ側の端部は、エッチングの進行に応じた形状となる。

特開２０１２−４０６１９号公報

従来のＭＥＭＳ素子は、可動電極３と固定電極５との間にエアーギャップを形成する際、貫通孔７からエッチング液やエッチング種を流入させて犠牲層の一部を除去し、この除去された空間が所定の大きさとなったところでエッチングをストップしていた。その際、製造工程のばらつき等を考慮し、エッチング時間を長く設定するのが一般的である。

一方エッチング時間を一定にした場合でも犠牲層の膜厚のばらつきやエッチング液の温度やエッチング液の置換の程度、エッチング種の拡散速度のばらつき等によるエッチング速度にばらつきが生じ、横方向へのエッチング量が数μｍ単位でばらついてしまう。このエッチング量のばらつきは、１個のＭＥＭＳ素子のエアーギャップ内でも生じ、エッチングされずに残るスペーサーの端部は、凹凸が残る形状となっていた。

ところで、ＭＥＭＳ素子をコンデンサマイクロフォンとして使用する場合、貫通孔７を通過した音波は、スペーサー１０側に伝搬し、スペーサー１０や固定電極５を含むバックプレートで反射して可動電極３に不要な振動（ノイズ）を発生させてしまう。ここで犠牲層の横方向のエッチング量にばらつきが生じると、コンデンサマイクロフォンのノイズ特性にもばらつきが発生してしまう。本発明はこのような問題を解消し、音響特性のばらつきが生じないＭＥＭＳ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、バックチャンバーを備えた基板上に、スペーサーを挟んで固定電極を含むバックプレートと可動電極とを配置することでエアーギャップが形成されているＭＥＭＳ素子において、前記スペーサーは、前記エアーギャップ側に一部を露出する第１の部材からなる第１のスペーサー部と、該第１のスペーサー部の前記エアーギャップに露出する側と反対側に配置された前記第１の部材と異なる第２の部材からなる第２のスペーサー部とを含み、前記エアーギャップは、前記第２の部材からなる犠牲層が除去された領域であることを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記第１の部材と前記第２の部材は、前記犠牲層を除去する際、前記第２の部材を選択除去できる材料の組み合わせであることを特徴とする。

本願請求項３に係る発明は、バックチャンバーを備えた基板上に、スペーサーを挟んで固定電極を含むバックプレートと可動電極とを配置することでエアーギャップが形成されているＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記基板上に可動電極を形成する工程と、該可動電極上に第２の部材からなる犠牲層を形成する工程と、該犠牲層上に固定電極を形成する工程と、前記犠牲層に、エアーギャップ形成領域を区画し、底部に前記可動電極の一部を露出する凹部を形成する工程と、前記凹部内に、前記第２の部材と異なる第１の部材を充填する工程と、前記固定電極に貫通孔を形成し、前記犠牲層の一部を露出させる工程と、前記基板の一部を除去し、バックチャンバーを形成する工程と、前記貫通孔から一部を露出し前記凹部により区画された前記犠牲層をエッチング除去し、前記凹部内に充填した前記第１の部材の側面部を露出させてエアーギャップを形成すると共に、前記エアーギャップ側に一部を露出する第１の部材からなる第１のスペーサー部と、該第１のスペーサー部の前記エアーギャップに露出する側と反対側に配置された前記第２の部材からなる第２のスペーサー部とを含むスペーサーを形成する工程と、を含むことを特徴とする。

本願請求項４に係る発明は、請求項３記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記第１の部材と前記第２の部材は、前記犠牲層をエッチング除去する際、該犠牲層を選択エッチング可能な材料の組む合わせから選択することを特徴とする。

本願請求項５に係る発明は、請求項３記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記犠牲層をエッチング除去する際、該犠牲層を選択除去することができるエッチング条件を選択することを特徴とする。

本願請求項６に係る発明は、請求項３記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記凹部により区画された前記犠牲層をエッチング除去する際、前記凹部内に充填された前記第１の部材が、エッチングストッパーとして機能することを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法によれば、エアーギャップを形成するために犠牲層をエッチング除去する際、凹部内に充填された第１の部材がエッチングストッパーとして機能し、スペーサーの形成位置のばらつきや端部の凹凸がなく、所望の形状のＭＥＭＳ素子を安定的に形成することができる。その結果、ＭＥＭＳ素子の音響特性のばらつきを極めて小さくできるという利点がある。

本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。 従来のＭＥＭＳ素子の製造工程の説明図である。

本発明に係るＭＥＭＳ素子およびその製造方法は、予め犠牲層の一部に、エアーギャップを形成する際エッチングストッパーとなる部材を埋め込み、このエッチングストッパーの内側の犠牲層を選択的に除去して、エアーギャップとスペーサーを形成する。その結果、犠牲層を除去する際のエッチング時間やエッチングレートがばらついたとしても、所望の形状のエアーギャップとスペーサーが形成される構成としている。具体的には、エアーギャップの形状は第１の部材で囲まれた（区画された）内側の形状となり、エッチングストッパーとなった第１の部材がエアーギャップ側に表面の一部を露出する構造となる。また犠牲層のエッチングによりエッチングストッパーがわずかにエッチングされる場合であっても、そのエッチングレートが小さい材料を選択すれば、エアーギャップの形状のばらつきを小さく抑えることが可能となる。以下本発明の実施例について詳細に説明する。

本発明の実施例のＭＥＭＳ素子について、その製造工程に従い説明する。結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１上に、厚さ０．５μｍ程度の熱酸化膜２を形成し、熱酸化膜２上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．２〜２．０μｍ程度の導電性ポリシリコンからなる可動電極３を積層形成する。さらに可動電極３上に、厚さ２．０〜５．０μｍ程度のＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)膜からなる犠牲層４を積層形成する。ここでＵＳＧは第２の部材に相当し、犠牲層４は一部を除去することによりスペーサーを構成する膜となる。犠牲層４上に、厚さ０．１μｍのポリシリコン膜を形成し、所定のパターニングを行い、固定電極５を形成する（図１）。

次に、所定の大きさの凹部１２を形成する（図２）。この凹部１２は、この凹部１２で区画された内側がエアーギャップとなるためエアーギャップ側の側面が所望の形状となるように形成すれば良い。また、凹部１２の幅は後述するように第１の部材で内部を充填できる幅に設定すればよく、例えば２μｍ程度とすると、凹部１２内部に隙間なく充填することができる。なお、凹部１２内部に第１の部材を充填する場合、必ずしも完全に充填されることは必須ではなく、ＭＥＭＳ素子として所望の強度を保つことができる程度に充填されるようにすればよい。

凹部１２の底部には、可動電極３が露出するのが好ましい。凹部１２の底部に犠牲層４が残ると、犠牲層４をエッチングする際に、凹部１２の底部直下のエッチングが進行し、凹部１２の外側（エアーギャップと反対側）の犠牲層４のエッチングが進行してしまうからである。

なお、固定電極５に接続する引出電極がこの凹部１２で区画される領域の外側まで引き出す場合には、凹部１２を形成しない領域を残し、この凹部１２を形成しない領域上に引出用電極を形成すれば良い。つまり、凹部１２によりエアーギャップ形成予定領域を完全に取り囲む構造とする必要はない。なお図２では、可動電極３に接続する引出電極を形成するため、幅の広い別の凹部も形成している。

次に凹部１２内にエッチングストッパーとなる、換言すればＵＳＧ膜と選択エッチング可能な部材（第１の部材に相当する）を埋め込む。第１の部材は、少なくとも可動電極３と可動電極５を短絡させない材料であれば、絶縁材、絶縁材と導電材の多層構造などを選択することができる。例えば、シリコン窒化膜、酸素添加ポリシリコン、窒素添加ポリシリコン、シリコンカーバイド、アルミニウム、金などが使用可能である。特に、シリコン窒化膜６は、固定電極５上に積層することで固定電極とシリコン窒化膜からなるバックプレートの一部を構成し好ましい。図３に示すように、凹部１２は幅を狭く形成しているため、凹部１２内にシリコン窒化膜６が充填される。具体的には凹部１２の幅が２μｍ程度の場合、１．２μｍ程度のシリコン窒化膜６を積層することで、凹部１２内を完全に充填することができる。可動電極３に接続する配線部を形成するために形成した別の凹部は、幅を広く形成しているため表面に均一にシリコン窒化膜６が積層される。

その後、通常のフォトリソグラフ法により音圧を可動電極３に伝えるための貫通孔７を形成し、貫通孔７内に犠牲層４を露出させる。また、可動電極３あるいは固定電極５にそれぞれ接続する配線部の形成予定領域のシリコン窒化膜６の一部もエッチング除去する（図４）。この貫通孔７は、例えばＭＥＭＳマイクロフォンとして使用した場合、音を可動電極膜３に伝えるための音孔の機能を果たすことになり、所望の特性となるように、径の大きさ、数、配置を設定する必要がある。

可動電極３および固定電極５にそれぞれ接続する配線部８を形成した後、シリコン基板１の裏面側から熱酸化膜２が露出するまでシリコン基板１を除去し、バックチャンバー９を形成する(図５)。

その後、可動電極３と固定電極５の間を中空構造とするため、犠牲層４をエッチング除去する。このエッチング工程は、配線部８を構成する配線材料とシリコン窒化膜６はエッチングせず、犠牲層４を構成するＵＳＧ膜のエッチング選択性の高いエッチング方法が採用される。一例として、フッ酸、フッ化アンモニウムと酢酸の混合液を用いる。その結果図６に示すように、シリコン窒化膜で充填された凹部１２の位置でエッチングがストップし、エッチングされずに残るスペーサーは、凹部１２内に充填されたシリコン窒化膜からなる第１のスペーサー部１３とその外側に残る犠牲層からなる第２のスペーサー部１４とで構成されることになる。

このように本発明の製造方法によれば、エアーギャップ１１を形成する工程において、凹部内に充填されたシリコン窒化膜（第１のスペーサー部１３に相当）が露出すると、さらに外側へのエッチングの進行を阻害する障壁となり、エアーギャップが横方向に拡大するエッチングの進行が遅くなり、エアーギャップの大きさが必要以上に大きくならないようにすることができる。なお、凹部１２によりエアーギャップ形成予定領域を完全に取り囲まない場合には、その間隙に露出する犠牲層のエッチングが進行することになるが、音響特性に影響を及ぼすほど大きくエッチング除去されることはないので、問題とはならない。

図７に本発明のＭＥＭＳ素子の平面図を模式的に示す。図７は、固定電極５側からみた平面図で貫通孔の図示は省略している。第１のスペーサー部１３は、図２で説明した凹部１２の形状によって決まるため、所望の円形形状で、かつ半導体装置を製造する場合と同様の高精度で形成でき、音響特性のばらつきを抑えることが可能となることがわかる。なお上記実施例では、第１のスペーサー部１３の幅は２μｍで、全てシリコン窒化膜により形成する場合について説明した（図２）が、幅の広い凹部１２を形成し、凹部１２にエッチングストッパーとして機能する部材を充填した後、図３で説明したシリコン窒化膜６を全面に形成しても何ら問題はない。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく様々変更可能である。例えば、凹部１２の形状は、断面の側壁が垂直の場合に限らず、傾斜する形状であってもよい。

１：シリコン基板、２：熱酸化膜、３：可動電極、４：犠牲層、５：固定電極、６：シリコン窒化膜、７：貫通孔、８：配線部、９：バックチャンバー、１０：スペーサー、１１：エアーギャップ、１２：凹部、１３：第１のスペーサー部、１４：第２のスペーサー部

Claims (6)

1. バックチャンバーを備えた基板上に、スペーサーを挟んで固定電極を含むバックプレートと可動電極とを配置することでエアーギャップが形成されているＭＥＭＳ素子において、
   前記スペーサーは、前記エアーギャップ側に一部を露出する第１の部材からなる第１のスペーサー部と、該第１のスペーサー部の前記エアーギャップに露出する側と反対側に配置された前記第１の部材と異なる第２の部材からなる第２のスペーサー部とを含み、
   前記エアーギャップは、前記第２の部材からなる犠牲層が除去された領域であることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
2. 請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記第１の部材と前記第２の部材は、前記犠牲層を除去する際、前記第２の部材を選択除去できる材料の組み合わせであることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
3. バックチャンバーを備えた基板上に、スペーサーを挟んで固定電極を含むバックプレートと可動電極とを配置することでエアーギャップが形成されているＭＥＭＳ素子の製造方法において、
   前記基板上に可動電極を形成する工程と、
   該可動電極上に第２の部材からなる犠牲層を形成する工程と、
   該犠牲層上に固定電極を形成する工程と、
   前記犠牲層に、エアーギャップ形成領域を区画し、底部に前記可動電極の一部を露出する凹部を形成する工程と、
   前記凹部内に、前記第２の部材と異なる第１の部材を充填する工程と、
   前記固定電極に貫通孔を形成し、前記犠牲層の一部を露出させる工程と、
   前記基板の一部を除去し、バックチャンバーを形成する工程と、
   前記貫通孔から一部を露出し前記凹部により区画された前記犠牲層をエッチング除去し、前記凹部内に充填した前記第１の部材の側面部を露出させてエアーギャップを形成すると共に、前記エアーギャップ側に一部を露出する第１の部材からなる第１のスペーサー部と、該第１のスペーサー部の前記エアーギャップに露出する側と反対側に配置された前記第２の部材からなる第２のスペーサー部とを含むスペーサーを形成する工程と、を含むことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
4. 請求項３記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、
   前記第１の部材と前記第２の部材は、前記犠牲層をエッチング除去する際、該犠牲層を選択エッチング可能な材料の組む合わせから選択することを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
5. 請求項３記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、
   前記犠牲層をエッチング除去する際、該犠牲層を選択除去することができるエッチング条件を選択することを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
6. 請求項３記載のＭＥＭＳ素子の製造方法において、
   前記凹部により区画された前記犠牲層をエッチング除去する際、前記凹部内に充填された前記第１の部材が、エッチングストッパーとして機能することを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。

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