(57)【要約】      （修正有）【課題】支持膜の引張応力の影響を緩和し、高感度のＭＥＭＳ素子を提供する。【解決手段】固定電極５と支持膜７との間に間隙１３を設け、この間隙部に固定電極と支持膜と接続する少なくとも１つの接続部１２を備えた構造とすることで、支持膜の引張応力の影響を緩和し、固定電極の反りの発生を簡便に抑制することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バックチャンバーを備えた基板と、該基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを配置しているＭＥＭＳ素子において、
前記基板上に、前記固定電極の支持膜を前記固定電極と間隙を持って対向配置し、
前記固定電極は、前記可動電極と前記支持膜との間に配置し、少なくとも１つの接続部により前記支持膜と接続していることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
【請求項２】
バックチャンバーを備えた基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを配置したＭＥＭＳ素子の製造方法において、
前記基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
該絶縁膜上に前記可動電極を形成する工程と、
該可動電極上に、第１の犠牲層を形成する工程と、
該第１の犠牲層上に前記固定電極を形成する工程と、
該固定電極上に第２の犠牲層を形成する工程と、
該第２の犠牲層上に支持膜を形成する工程と、
前記支持膜、前記第２の犠牲層および前記固定電極を貫通する貫通孔であって、接続部形成予定領域の前記貫通孔の径を前記接続部形成予定領域以外の前記貫通孔の径より小さく形成する工程と、
前記基板の一部をエッチング除去し、前記バックチャンバーを形成する工程と、
前記貫通孔から前記第１の犠牲層の一部をエッチング除去し、前記スペーサーを形成し、前記固定電極と前記可動電極との間にエアーギャップを形成すると同時に、前記第２の犠牲層の一部を除去し、前記固定電極と前記支持膜の間であって径を小さく形成した前記貫通孔の周辺に前記接続部を形成する工程と、を含むことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項３】
バックチャンバーを備えた基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを配置したＭＥＭＳ素子の製造方法において、
前記基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
該絶縁膜上に前記可動電極を形成する工程と、
該可動電極上に、第１の犠牲層を形成する工程と、
該第１の犠牲層上に前記固定電極を形成する工程と、
該固定電極上に第２の犠牲層を形成する工程と、
該第２の犠牲層上に支持膜を形成する工程と、
接続部形成予定領域の前記支持膜および前記第２の犠牲層を除去し、接続部材を充填する工程と、
前記支持膜、前記第２の犠牲層および前記固定電極を貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記基板の一部をエッチング除去し、前記バックチャンバーを形成する工程と、
前記貫通孔から前記第１の犠牲層の一部をエッチング除去し、前記スペーサーを形成し、前記固定電極と前記可動電極との間にエアーギャップを形成すると同時に、前記第２の犠牲層を除去し、前記固定電極と前記支持膜の間に前記接続部材からなる接続部を形成する工程と、を含むことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ素子に関し、特にトランスデューサ等の各種センサとして用いることができるＭＥＭＳ素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体プロセスを用いて形成されるＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)素子は、半導体基板上に可動電極、犠牲層およ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固定電極と可動電極との間にエアーギャップ（中空）構造が形成される。
【０００３】
例えば、容量型のＭＥＭＳ素子では、複数の貫通孔を備えた固定電極と、音圧等を受けて振動する可動電極とを対向して配置し、振動によ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。この種のＭＥＭＳ素子は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００４】
一般的なこの種のＭＥＭＳ素子の断面図を図９に示す。図９に示すように、支持基板となるシリコン基板２１上に熱酸化膜からなる絶縁膜２２を介して、可動電極２３と固定電極２４とがスペーサー２５を介して配置され、固定電極２４は全面を支持膜２６により支持されている。固定電極２４と支持膜２６には複数の貫通孔２７が形成されており、この貫通孔２７を介して音圧等を受けて可動電極２３が変位することで、固定電極２４と可動電極２３との間で形成されているキャパシタの容量値が変化する。この容量値を図示しない電極から取り出すことで、可動電極２３が受ける音圧等に応じた出力信号を得ることが可能となる。
【０００５】
通常、固定電極２４は導電性ポリシリコン膜等で構成され、支持膜はシリコン窒化膜等で構成される。これらの膜は、一般的に自身が縮む方向に応力が働く引張応力を有し、シリコン窒化膜２８の引張応力は、導電性ポリシリコン膜２９の引張応力よりも大きい。このため、これらの膜を積層すると、図１０に模式的に示すように、導電性ポリシリコン膜２９側に凸形状となる反りを生じる。したがって、固定電極２４および支持膜２６は、図１１に示すように、可動電極２３側に凸形状となる反りを生じてしまう。このような固定電極２４の反りは、固定電極２４と可動電極２３との間隙を狭め、可動電極２３の可動域を制限し、ダイナミックレンジの狭小化を招いてしまう。
【０００６】
そこでこの問題を解決するため、支持膜に自身が拡がる方向に応力が働く圧縮応力を有する膜を積層することで、この膜の圧縮応力により支持膜の引張応力を緩和し、固定電極の反りの発生を抑制する技術が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−０５５０８７号公報
【特許文献２】特開２００７−３２４８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、支持膜の引張応力を、圧縮応力をもつ膜を積層することで緩和し、固定電極の反りを抑制する方法は、所望の圧縮応力をもつ膜を形成する必要があり、制御性が低く、歩留まりが悪いという問題点があった。本発明は、このような問題点を解消し、簡便に固定電極の反りの発生を抑制することができる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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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と、該基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを配置しているＭＥＭＳ素子において、前記基板上に、前記固定電極の支持膜を前記固定電極と間隙を持って対向配置し、前記固定電極は、前記可動電極と前記支持膜との間に配置し、少なくとも１つの接続部により前記支持膜と接続していることを特徴とする。
【００１０】
本願請求項２に係る発明は、バックチャンバーを備えた基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを配置したＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記基板表面に絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜上に前記可動電極を形成する工程と、該可動電極上に、第１の犠牲層を形成する工程と、該第１の犠牲層上に前記固定電極を形成する工程と、該固定電極上に第２の犠牲層を形成する工程と、該第２の犠牲層上に支持膜を形成する工程と、前記支持膜、前記第２の犠牲層および前記固定電極を貫通する貫通孔であって、接続部形成予定領域の前記貫通孔の径を前記接続部形成予定領域以外の前記貫通孔の径より小さく形成する工程と、前記基板の一部をエッチング除去し、前記バックチャンバーを形成する工程と、前記貫通孔から前記第１の犠牲層の一部をエッチング除去し、前記スペーサーを形成し、前記固定電極と前記可動電極との間にエアーギャップを形成すると同時に、前記第２の犠牲層の一部を除去し、前記固定電極と前記支持膜の間であって径を小さく形成した前記貫通孔の周辺に前記接続部を形成する工程と、を含むことを特徴とする
【００１１】
本願請求項３に係る発明は、バックチャンバーを備えた基板上に、スペーサーを挟んで固定電極と可動電極とを配置したＭＥＭＳ素子の製造方法において、前記基板表面に絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜上に前記可動電極を形成する工程と、該可動電極上に、第１の犠牲層を形成する工程と、該第１の犠牲層上に前記固定電極を形成する工程と、該固定電極上に第２の犠牲層を形成する工程と、該第２の犠牲層上に支持膜を形成する工程と、接続部形成予定領域の前記支持膜および前記第２の犠牲層を除去し、接続部材を充填する工程と、前記支持膜、前記第２の犠牲層および前記固定電極を貫通する貫通孔を形成する工程と、前記基板の一部をエッチング除去し、前記バックチャンバーを形成する工程と、前記貫通孔から前記第１の犠牲層の一部をエッチング除去し、前記スペーサーを形成し、前記固定電極と前記可動電極との間にエアーギャップを形成すると同時に、前記第２の犠牲層を除去し、前記固定電極と前記支持膜の間に前記接続部材からなる接続部を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のＭＥＭＳ素子は、固定電極と支持膜との間に間隙を有し、この間隙に固定電極と支持膜とを接続する接続部を配置して、固定電極を支持膜で支持する構造とすることで、固定電極の全面に支持層を積層することで生じる引張応力の影響を受けることが無く、固定電極が可動電極側に凸形状となる反りの発生を抑制することができる。
【００１３】
また、本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法によれば、接続部を形成する際、固定電極、第２の犠牲層および支持膜に形成する貫通孔の径を小さくすることで、固定電極と支持膜の間に第２の犠牲層を残留させることができるため、接続部を所望の位置に非常に簡便に形成することができる。
【００１４】
さらにまた、接続部を形成する際、接続部形成予定領域の支持膜および第２の犠牲層をエッチング除去し、接続部材を充填することでも形成できるため、制御性が非常に良く、接続部を所望の位置に所望の形状で簡便に形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。
【図４】本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。
【図５】本発明の第１の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。
【図７】本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。
【図８】本発明の第２の実施例のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。
【図９】従来のＭＥＭＳ素子を説明する図である。
【図１０】従来のＭＥＭＳ素子を説明する図である。
【図１１】従来のＭＥＭＳ素子を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明のＭＥＭＳ素子は、固定電極と支持膜との間に間隙を有し、この間隙に固定電極と支持膜とを接続する接続部を配置することで、固定電極を支持膜で支持する構造のため、固定電極の全面に支持層を積層することで生じる引張応力の影響を受けることが無く、固定電極が可動電極側に凸形状となる反りの発生を抑制することができる。以下、本発明のＭＥＭＳ素子の製造方法に従い、本発明の実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
本発明の第１の実施例について、ＭＥＭＳ素子としてコンデンサマイクロフォンを例にとり、その製造工程に従い説明する。まず、結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１上に、厚さ１μｍ程度の熱酸化膜２（ＳｉＯ2）を形成する。その後、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ０．２〜１．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に通常のフォトリソグラフ法によりパターニングを行い、可動電極３を形成する。この可動電極３上に厚さ２〜５μｍ程度のＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)膜からなる第１の犠牲層４を積層する（図１）。
【００１８】
次に、第１の犠牲層４上に、厚さ１．１〜３．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。この導電性ポリシリコン膜を通常のフォトリソグラフ法によりパターニングした後、熱酸化を行い、厚さ０．１〜１.０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜からなる固定電極５と厚さ１〜２μｍ程度の熱酸化膜からなる第２の犠牲層６を形成する。次に、全面に厚さ０．１〜２．０μｍ程度のシリコン窒化膜からなる支持膜７を積層する（図２）。
【００１９】
その後、固定電極５、第２の犠牲層６および支持膜７に、貫通孔８を形成し、犠牲層４を露出させる。ここで、後工程で固定電極５と支持膜７を接続する接続部を形成するため、径の小さな貫通孔８ａを、例えば、一例として、図３に示すように、中央部に形成する。
【００２０】
次に、シリコン基板１の裏面から熱酸化膜２が露出するまでシリコン基板１の一部を除去し、バックチャンバー９を形成する（図４）。
【００２１】
最後にエッチングによりバックチャンバー９内に露出する熱酸化膜２を除去するとともに、第１の犠牲層４の一部を除去し、スペーサー１０を介して固定電極５と可動電極３との間にエアーギャップ１１が形成される。また、このエッチングにより、貫通孔８、８ａ内に露出する第２の犠牲層６も除去されるが、中央の貫通孔８ａの径のみを小さく形成しているため、中央の貫通孔８ａは他の貫通孔８に比べてエッチング液の侵入量が少ない。さらに、中央の貫通孔８ａを除く隣り合う貫通孔８間は一定距離であるが、中央の貫通孔８ａと隣り合う貫通孔８との距離は、中央の貫通孔８ａを除く貫通孔８間の一定距離よりも長くなっている。このため、図５（ａ）および図５（ａ）のＡ−Ａ´面の断面図で固定電極５と接続部１２を図５（ｂ）に示すように、エッチングを行うと中央部にのみ第２の犠牲層が残留し、この残留した第２の犠牲層が固定電極５と支持膜７を接続する接続部１２となり、支持膜７の中央部で固定電極５を支持する形状となる。ここで、図５（ａ）および図５（ｂ）に示す接続体１２は６本の柱状体であるが、一部あるいはすべてが連結してもよい。つまり、接続体１２は少なくとも一つの柱状体であればく、その断面も円形とは限らない。
【００２２】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示す構造のＭＥＭＳ素子では、固定電極５と支持膜７との間に間隙１３を有し、この間隙１３に配置する接続部１２により支持膜７の中央部で固定電極５を支持する形状であるため、固定電極５の全面に支持膜７を積層することで生じる引張応力の影響を受けることが無く、固定電極５が可動電極３側に凸形状となる反りの発生を抑制することができる。
【００２３】
また、本実施例では、接続部を中央部に形成したものを一例として記載したが、中央部以外や複数か所に形成しても、固定電極が可動電極側に凸形状となる反りの発生を抑制することができる。ただし、この場合、接続部をバランスよく配置することが望ましい。
【００２４】
接続部を形成する際には、固定電極、第２の犠牲層および支持膜に形成する貫通孔の径を小さくすることで、固定電極と支持膜の間に第２の犠牲層を残留させることができるため、本実施例の接続部の形成方法により、接続部を形成する位置を限定されることもない。
【実施例２】
【００２５】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。まず、上記第１の実施例と同様、結晶方位（１００）面の厚さ４２０μｍのシリコン基板１上に、厚さ１μｍ程度の熱酸化膜２（ＳｉＯ2）を形成する。その後、ＣＶＤ法により厚さ０．２〜１．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。次に通常のフォトリソグラフ法によりパターニングを行い、可動電極３を形成する。この可動電極３上に厚さ２〜５μｍ程度のＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)膜からなる第１の犠牲層４を積層する（図１）。次に、第１の犠牲層４上に、厚さ１．１〜３．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。この導電性ポリシリコン膜を通常のフォトリソグラフ法によりパターニングした後、熱酸化を行い、厚さ０．１〜１.０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜からなる固定電極５と厚さ１〜２μｍ程度の熱酸化膜からなる第２の犠牲層６を形成する。次に、全面に厚さ０．１〜２．０μｍ程度のシリコン窒化膜からなる支持膜７を積層する（図２）。
【００２６】
その後、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、接続部形成予定領域の支持膜７および第２の犠牲層６をエッチング除去し、固定電極５を露出させる。ここで、接続部形成予定領域は後工程で形成する貫通孔と重ならない配置とする。エッチング除去した接続部形成予定領域内を充填し、支持膜７上に表面が平坦化されたポリシリコンからなる接続部材を形成した後、エッチバックし、支持膜７を露出することで、接続部形成予定領域内に選択的に接続部材を充填することができる。この接続部材が接続部１４となる（図６）。
【００２７】
次に、固定電極５、第２の犠牲層６および支持膜７を貫通する貫通孔８を形成し、第１の犠牲層４を露出させる。ここで貫通孔８の径は、上記第１の実施例と異なり、一定であることが好ましい。その後、シリコン基板１の裏面から熱酸化膜２が露出するまでシリコン基板１の一部を除去し、バックチャンバー９を形成する（図７）。
【００２８】
最後にエッチングによりバックチャンバー９内に露出する熱酸化膜２を除去するとともに、第１の犠牲層４の一部および貫通孔８内に露出する第２の犠牲層６を除去する。その結果、図８に示すように、スペーサー１０を介して固定電極５と可動電極３との間にエアーギャップ１１が形成されるとともに、固定電極５と支持膜７が接続部１４で接続され、支持膜７の中央部で固定電極５を支持する形状となる。ここで、接続部は例えば円柱体や多角形柱体などでもよく、柱状体であればよい。
【００２９】
図８に示す構造のＭＥＭＳ素子では、第１の実施例と同様に、固定電極５と支持膜７との間に間隙１３を有し、この間隙１３に配置した接続部１３により支持膜７の中央部で固定電極５を支持する形状であるため、固定電極５の全面に支持膜７を積層することで生じる引張応力の影響を受けることが無く、固定電極５が可動電極３側に凸形状となる反りの発生を抑制することができる。
【００３０】
また、本実施例では、接続部を中央部に２つ配置したものを一例として記載したが、少なくとも１つ配置すればよく、中央部以外に複数配置してもよい。ただし、この場合、接続部をバランスよく配置することが望ましい。
【００３１】
さらにまた、接続部は通常のフォトリソグラフ法によりパターニングし、接続部形成予定領域の支持膜７および第２の犠牲層６をエッチング除去し、接続部材を充填することで形成できるため、制御性が非常に良く、所望の位置に所望の形状の接続部を簡便に形成することが可能となる。
【００３２】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、固定電極５と支持膜７とが端部で直接接続する構造を記載したが、必ずしもその構造である必要はなく、接続部により支持膜が固定電極の端部付近を支持していればよく固定電極と支持膜の端部が直接接続しない構造であってもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１、２１：シリコン基板、２、２２：熱酸化膜、３、２３：可動電極、４：第１の犠牲層、５、２４：固定電極、６：第２の犠牲層、７、２６：支持膜、８、８ａ、２７：貫通孔、９：バックチャンバー、１０、２５：スペーサー、１１：エアーギャップ、１２、１４：接続部、１３：間隙、２８：シリコン窒化膜、２９：導電性ポリシリコン膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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