(57)【要約】      （修正有）【課題】エアーギャップ領域の見かけ上の誘電率を高め、高感度のＭＥＭＳ素子を提供する。【解決手段】バックチャンバーを備えた基板と、基板上に、スペーサー１２、１３を挟んで固定電極を含む固定電極膜と可動電極を含む可動電極膜とがエアーギャップ領域１４を挟んで対向配置しているＭＥＭＳ素子において、エアーギャップ領域にスペーサーにより支持され可動電極膜および固定電極膜から独立した絶縁膜５を配置し、絶縁膜には絶縁膜によって分割するエアーギャップ領域を連通させる連通部６を備える。エアーギャップ領域の見かけ上の誘電率を高くすることで、固定電極と可動電極との間の容量値を大きくし、従来よりも大きな出力信号を得ることを可能とする。【選択図】図６
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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を含む固定電極膜と可動電極を含む可動電極膜とがエアーギャップ領域を挟んで対向配置しているＭＥＭＳ素子において、
前記エアーギャップ領域に、前記スペーサーにより支持され、前記可動電極膜および前記固定電極膜から独立した絶縁膜を配置し、該絶縁膜には、該絶縁膜によって分割する前記エアーギャップ領域を連通させる連通部を備えていることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
【請求項２】
請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、
雰囲気ガスと該雰囲気ガスより高い誘電率を有する前記絶縁膜からなる前記エアーギャップ領域の誘電率は、前記可動電極膜が振動して前記絶縁膜に近い位置にあるほど大きいことを特徴とするＭＥＭＳ素子。
【請求項３】
請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、
前記可動電極が所定の寸法だけ変位することで検出される容量変化は、前記可動電極膜が前記絶縁膜に近い位置から変位するほど大きいことを特徴とするＭＥＭＳ素子。
【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】
従来のＭＥＭＳ素子の動作を図７に模式的に示す。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、導電性の可動電極を含む可動電極膜２３と導電性の固定電極を含む固定電極膜２４とがスペーサー２５を介して配置されている。可動電極膜２３は、音圧等を受けて矢印方向に振動することで、固定電極膜２４の固定電極と可動電極膜２３の可動電極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、可動電極膜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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−５５０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のＭＥＭＳ素子では、固定電極膜と可動電極膜との間のエアーギャップ領域は、雰囲気ガスとして空気のみで満たされており、空気の誘電率が低いことから容量値の変化は高くなかった。本発明は、エアーギャップ領域の見かけ上の誘電率を高め、高感度のＭＥＭＳ素子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】
【０００７】
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を含む固定電極膜と可動電極を含む可動電極膜とがエアーギャップ領域を挟んで対向配置しているＭＥＭＳ素子において、前記エアーギャップ領域に、前記スペーサーにより支持され、前記可動電極膜および前記固定電極膜から独立した絶縁膜を配置し、該絶縁膜には、該絶縁膜によって分割する前記エアーギャップ領域を連通させる連通部を備えていることを特徴とする。
【０００８】
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、雰囲気ガスと該雰囲気ガスより高い誘電率を有する前記絶縁膜からなる前記エアーギャップ領域の誘電率は、前記可動電極膜が振動して前記絶縁膜に近い位置にあるほど大きいことを特徴とする。
【０００９】
本願請求項３に係る発明は、請求項１記載のＭＥＭＳ素子において、前記可動電極が所定の寸法だけ変位することで検出される容量変化は、前記可動電極膜が前記絶縁膜に近い位置から変位するほど大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のＭＥＭＳ素子は、エアーギャップ領域に絶縁膜を配置することでエアーギャップ領域の見かけ上の誘電率を高くすることで、固定電極と可動電極との間の容量値を大きくし、従来よりも大きな出力信号を得ることを可能としている。
【００１１】
特に本発明の絶縁膜は、可動電極膜および固定電極膜から独立した構造とすることで、可動電極が絶縁膜に近づくほどエアーギャップ領域に占める空気の割合が減り、エアーギャップ領域の見かけ上の誘電率が高くなる。その結果、音圧等を受けて可動電極膜が振動し、可動電極が絶縁膜に近い位置から変位するほど、大きな出力信号を得ることができる。
【００１２】
一方、音圧等を受けない状態で発生する可動電極膜の振動は、絶縁膜から遠く、空気の誘電率に近い領域での振動となるため、従来同様の出力信号が出力されることになる。その結果Ｓ／Ｎ比の大きな出力信号を得ることができるという利点がある。
【００１３】
さらに本発明のＭＥＭＳ素子は、動作時に絶縁膜が可動しない構造となっており、固定電極膜や可動電極膜から独立して成膜することができれば、誘電率の高い材料から種々選択でき、また厚さ等を適宜選択できるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。
【図２】本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。
【図３】本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。
【図４】本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。
【図５】本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。
【図６】本発明のＭＥＭＳ素子の製造工程を説明する図である。
【図７】従来のＭＥＭＳ素子の説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明のＭＥＭＳ素子は、固定電極膜と可動電極膜との間のエアーギャップ領域に絶縁膜を配置する構造とすることで、エアーギャップ領域の見かけ上の誘電率を高くすることを可能としている。特に、可動電極膜が振動し、可動電極膜が絶縁膜に近い位置にあるほど、見かけ上の誘電率が大きくなるため、可動電極膜が絶縁膜に近い位置から変位するほど大きな出力信号を得ることができる。以下、本発明のＭＥＭＳ素子について詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例について、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。本発明のコンデンサマイクロフォンは、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し、可動電極膜３を形成する。（図１）。
【００１７】
次に、可動電極膜３上に厚さ１〜２μｍ程度のＵＳＧ(Undoped Silicate Glass)膜からなる第１の犠牲層４を積層する。この第１の犠牲層４上には、窒化膜からなる絶縁膜５を積層し、所定のパターニングを行う。ここで絶縁膜５には、後述する第１のエアーギャップ領域と第２のエアーギャップ領域を連通するための連通部６を形成する。図２に示す例では、後述する貫通孔と重なるように開口した連通部６を形成している。
【００１８】
さらに絶縁膜５上に、厚さ１〜２μｍ程度のＵＳＧ膜からなる第２の犠牲層７と、厚さ０．１〜１．０μｍ程度の導電性ポリシリコン膜８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、表面に窒化膜が積層した固定電極膜９を形成する。（図３）。
【００１９】
図３に示すように本実施例は、通常一層の犠牲層を形成する代わりに、第１の犠牲層４と第２の犠牲層７を積層形成する構成とし、その間に絶縁膜５を積層形成している。この絶縁膜５は、第１および第２の犠牲層４、７をエッチング除去してスペーサーを形成する際、エッチング除去されずに残り、雰囲気ガスである空気より誘電率の高い材料から選択する。さらに絶縁膜５は、第１の犠牲層４から形成されるスペーサーと、第２の犠牲層７から形成されるスペーサーとで挟持され、所定の位置に配置することができる材料から選択されるのが望ましく、窒化膜の代わりに、酸化膜等の誘電体、あるいは圧電体や強電体であってもよい。
【００２０】
以下、通常のＭＥＭＳ素子の製造工程に従い、固定電極膜９に貫通孔１０を形成し、貫通孔１０内に第２の犠牲層７を露出させる（図４）。
【００２１】
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１１を形成する（図５）。
【００２２】
さらに、貫通孔１０を通して第２の犠牲層７の一部と第１の犠牲層４の一部を除去する。その結果、図６に示すように第１のスペーサー１２および第２のスペーサー１３を介して固定電極膜９と可動電極膜３が配置したエアーギャップ１４が形成される。本実施例では、第１のスペーサー１２と第２のスペーサー１３との間に絶縁膜５が形成されており、エアーギャップ１４内に絶縁膜５が配置した形状となる（図６）。
【００２３】
図６に示す構造のＭＥＭＳ素子では、可動電極膜３と固定電極膜９との間のエアーギャップ１４の誘電率は、雰囲気ガスである空気の誘電率とエアーギャップ１４内に配置された絶縁膜５の誘電率からなり、空気より誘電率の高い絶縁膜５を配置した分だけ空気のみの場合と比較して見かけ上の誘電率が高くなる。
【００２４】
特に図６に示す例では、絶縁膜５に連通部６を形成しているため、可動電極膜３が振動しても、絶縁膜５は振動しないように構成しているため、可動電極膜３が大きく振動して絶縁膜５の近づく場合、可動電極膜３と絶縁膜５との間の空気が少なく、エアーギャップ１４の見かけ上の誘電率が高くなり、より高い信号を出力できることになる。
【００２５】
一方、音圧等の無い状態で、可動電極膜３に振動が生じた場合、可動電極膜３は絶縁膜５から離れた位置であるので、可動電極膜３と絶縁膜５との間の空気が多く、エアーギャップ１４の見かけ上の誘電率は、比較的低い状態となり、小さい信号が出力されるにとどまる。その結果、Ｓ／Ｎ比の大きな出力信号を得ることができる。
【００２６】
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。たとえば、絶縁膜５に形成する連通部６の形状は、図６に示すように貫通孔１０と完全に一致すると可動電極膜３に加わる音圧等を絶縁膜５によって遮らない構造となり好ましい形状であるが、必ずしも開口形状を一致させる必要はない。また、図６では、絶縁膜５をエアーギャップ１４の中心部に配置するように記載したが、絶縁膜５を配置する位置は適宜設定することができる。例えば、絶縁膜５を固定電極膜９側に近づけて配置すると、可動電極膜３の可動範囲が広がることになる。
【符号の説明】
【００２７】
１、２１：シリコン基板、２、２２：熱酸化膜、３、２３：可動電極膜、４：第１の犠牲層、５：絶縁膜、６：連通部、７：第２の犠牲層、８：ポリシリコン膜、９、２４：固定電極膜、１０：貫通孔、１１：バックチャンバー、１２：第１のスペーサー、１３：第２のスペーサー、１４：エアーギャップ、２５：スペーサー
【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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