(57)【要約】      （修正有）【課題】ダイヤフラム等の可動電極における寄生容量の低減をはかり得るＭＥＭＳ素子を提供する。【解決手段】ＭＥＭＳ技術を用いたＭＥＭＳ素子であって、基板上に設けられた第１の電極２０と、可動部４１とこの可動部４１を支持するアンカー部４２を有し、アンカー部４２が基板上に固定され、可動部４１が第１の電極２０に離間対向配置された第２の電極４０とを具備し、アンカー部４２の一部４２ｂは可動部４１と電気的に絶縁されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた第１の電極と、
可動部とこの可動部を支持するアンカー部を有し、前記アンカー部が前記基板上に固定され、前記可動部が前記第１の電極に離間対向配置された第２の電極と、
を具備し、
前記アンカー部の一部は前記可動部と電気的に絶縁されている、ＭＥＭＳ素子。
【請求項２】
基板上に設けられた固定電極と、
板状の可動部とこの可動部を周辺で支持するアンカー部を有し、前記アンカー部が前記基板上に固定され、前記可動部が前記固定電極に離間対向配置されたダイヤフラム型の可動電極と、
を具備し、
前記アンカー部の一部は前記可動部と電気的に絶縁されている、ＭＥＭＳ素子。
【請求項３】
前記アンカー部は、前記可動部と電気的に接続された第１の領域と、前記可動部及び前記第１の領域に電気的に絶縁された第２の領域とを有する、請求項１又は２に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項４】
前記第１の領域に電極パッドを有する、請求項３に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項５】
前記可動部及び前記アンカー部は同一の導電材料であり、前記アンカー部に前記第２の領域を前記可動部及び前記第１の領域と絶縁するための絶縁膜が埋め込まれている、請求項３に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項６】
前記絶縁膜は、前記可動部と前記第２の領域との間、及び前記第１の領域と前記第２の領域との間に埋め込まれている、請求項５に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項７】
前記アンカー部に、前記第２の領域を前記可動部及び前記第１の領域と分離するためのスリットが設けられ、前記スリット内の一部に絶縁膜が埋め込まれている、請求項３に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項８】
基板上に設けられた固定電極と、
前記固定電極の周辺を囲むように、前記基板上に設けられた絶縁膜と、
板状の可動部とこの可動部を周辺で支持するアンカー部を有し、前記アンカー部が前記絶縁膜上に固定され、前記可動部が前記固定電極に離間対向配置されるダイヤフラム型の可動電極と、
を具備し、
前記アンカー部は前記基板面と垂直方向の複数の孔を有し、前記絶縁膜は前記アンカー部の孔と連通する孔を有している、ＭＥＭＳ素子。
【請求項９】
前記絶縁膜の孔の直径は、前記アンカー部の孔の直径よりも大きい、請求項８に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項１０】
前記可動電極は前記可動部に複数の孔を有し、前記可動部の孔のピッチは前記アンカー部の孔のピッチよりも狭い、請求項８に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項１１】
前記可動電極は、前記可動部に前記基板面と垂直方向の複数の孔を有する、請求項１〜９の何れかに記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項１２】
前記可動電極はＳｉＧｅである、請求項１〜１１の何れかに記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項１３】
前記可動電極上に保護絶縁膜が設けられている、請求項１〜１２の何れかに記載のＭＥＭＳ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いたＭＥＭＳ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩｏＴ（Internet of Things）向けに、低消費電力のＭＥＭＳセンサが使用されている。その中で、可動電極としてＭＥＭＳ構造のダイヤフラムを有するＭＥＭＳ圧力センサが注目されている。しかし、この種のセンサでは、ダイヤフラムのアンカー部に生じる寄生容量が低消費電力化を阻害する大きな要因となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１５−５０２６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明が解決しようとする課題は、ダイヤフラム等の電極における寄生容量の低減をはかり得るＭＥＭＳ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態のＭＥＭＳ素子は、基板上に設けられた第１の電極と、可動部とこの可動部を支持するアンカー部を有し、前記アンカー部が前記基板上に固定され、前記可動部が前記第１の電極に離間対向配置された第２の電極と、を具備し、前記アンカー部の一部は前記可動部と電気的に絶縁されている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係わるＭＥＭＳ圧力センサの概略構成を示す平面図。
【図２】図１の矢視Ｉ−Ｉ’及びII−II’断面図。
【図３】図１のＭＥＭＳ圧力センサにおける寄生容量を説明するための模式図。
【図４】第１の実施形態に係わるＭＥＭＳ圧力センサの製造工程を示す断面図。
【図５】第１の実施形態に係わるＭＥＭＳ圧力センサの製造工程を示す断面図。
【図６】第２の実施形態に係わるＭＥＭＳ圧力センサの概略構成を示す断面図。
【図７】第３の実施形態に係わるＭＥＭＳ圧力センサの概略構成を示す平面図。
【図８】図７の矢視III−III’断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態のＭＥＭＳ圧力センサを、図面を参照して説明する。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１及び図２（ａ）（ｂ）は、第１の実施形態に係わるＭＥＭＳ圧力センサの概略構成を説明するためのもので、図１は平面図、図２（ａ）は図１の矢視Ｉ−Ｉ’断面図、図２（ｂ）は図１の矢視II−II’断面図である。
【０００９】
Ｓｉ等の基板１０上にＳｉＯ2 等の層間絶縁膜１１が設けられ、層間絶縁膜１１の表面部に八角形状の固定電極（第１の電極）２０が設けられている。層間絶縁膜１１及び固定電極２０上にＳｉＮ等の第１のストッパ絶縁膜３１が設けられ、その上にＳｉＯ2 等からなる犠牲層３２が設けられ、更にその上にＳｉＮ等の第２のストッパ絶縁膜３３が設けられている。犠牲層３２及び第２のストッパ絶縁膜３３は、後述する可動電極の形状に合わせて一部除去されている。これにより、空洞部３５が形成されている。
【００１０】
ストッパ絶縁膜３３上に、ＳｉＧｅからなる八角形状のダイヤフラム型の可動電極（第２の電極）４０が設けられている。この可動電極４０は、中央部の可動部４１とこれを周辺で支持するアンカー部４２からなり、アンカー部４２がストッパ絶縁膜３３上に固定されている。これにより、可動部４１が固定電極２０に離間して対向配置されるものとなっている。また、可動電極４０の中央の可動部４１には、犠牲層３２を除去するための複数の微細孔６１が一定ピッチで設けられている。
【００１１】
アンカー部４２の一部上に可動電極用の電極パッド５１が設けられている。可動電極４０には、電極パッド５１を設ける第１の領域４２ａを除いて、可動部４１を囲むようにスリット６２が形成され、更に第１の領域４２ａと他の第２の領域４２ｂとを分離するためのスリット６３が形成されている。そして、これらのスリット６２，６３内にＳｉＯ2 やＳｉＮ等の絶縁膜３６が埋め込まれている。また、可動電極４０を覆うようにＳｉＯ2 等の保護絶縁膜３７が設けられている。
【００１２】
なお、図中の２１は固定電極２０に接続される貫通電極、２２は電極パッド、４５は可動電極４０と同時に形成される電極引き出し部、５２は固定電極用の電極パッドを示している。
【００１３】
本実施形態の構成においては、図３（ａ）に示すように、固定電極２０（下部電極）と可動電極４０（上部電極）との間の電極間容量Ｃｓ以外に、各部に寄生容量が生じるため、等価回路は図３（ｂ）のようになる。なお、Ｃp1は固定電極２０の寄生容量、Ｃp2は可動電極４０の可動部４１の寄生容量、Ｃp3は可動電極４０のアンカー部４２の寄生容量である。
【００１４】
本実施形態のように上部電極でセンシングする場合、
動作消費電力  ∝  （Ｃｓ＋Ｃp2＋Ｃp3）Ｖ２
となり、消費電力は上部電極の寄生容量及び電極間容量に比例する。このため、アンカー部４２の寄生容量Ｃp3が大きいと消費電力の増大を招くことになる。
【００１５】
本実施形態では、アンカー部４２にスリット６２，６３を設け、スリット６２，６３内に絶縁膜３６を埋め込むことにより、アンカー部４２の大部分は可動部４１とは電気的に絶縁されることになる。即ち、アンカー部４２の第２の領域４２ｂは可動部４１とは絶縁されることになる。このため、アンカー部４２の寄生容量Ｃp3はアンカー部４２の第１の領域４２ａと基板１０との間の容量のみとなり、寄生容量Ｃp3を極めて小さくすることができる。従って、上部電極でセンシングする構成において、アンカー部４２の寄生容量による消費電力の増大を抑制することができ、低消費電力化をはかることができる。
【００１６】
本実施形態のＭＥＭＳ圧力センサの製造工程を図４及び図５に示す。
【００１７】
まず、図４（ａ）に示すように、Ｓｉ等の基板１０上に、ＣＶＤ法等でＳｉＯ2 等の層間絶縁膜１１（厚さ５μｍ）を堆積する。続いて、層間絶縁膜１１の表面部に、Ａｌ等の固定電極２０（厚さ０．２μｍ）を形成する。具体的には、層間絶縁膜１１の表面部を浅くエッチングして八角形状の凹部を形成した後、スパッタ等でＡｌ膜を堆積し、ＣＭＰで凹部以外のＡｌ膜を除去することにより、層間絶縁膜１１の表面と同じ高さに固定電極２０を形成する。
【００１８】
次いで、図４（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１１及び固定電極２０上にＳｉＮ等の第１のストッパ絶縁膜３１、ＳｉＯ2 の犠牲層３２，ＳｉＮ等の第２のストッパ絶縁膜３２を形成する。ここで、ストッパ絶縁膜３１，３３の厚さは０．２μｍ、犠牲層３２の厚さは２μｍとした。
【００１９】
次いで、図４（ｃ）に示すように、上部の可動電極を形成する領域以外で、絶縁膜３１，３２，３３にコンタクトホールを形成し、これを金属で埋め込込むことにより貫通電極２１を形成する。そして、ストッパ絶縁膜３３上に貫通電極２１に接続された電極パッド２２を形成する。
【００２０】
次いで、図５（ｄ）に示すように、後述する可動電極の可動部に対応させてストッパ絶縁膜３３の一部を除去する。続いて、ストッパ絶縁膜３３，犠牲層３２，及びパッド２２上に、ＣＶＤ法等でＳｉＧｅ層４０’を堆積する。ＳｉＧｅ層４０’の厚さは、犠牲層３２よりも厚く、例えば１０μｍとする。
【００２１】
次いで、図５（ｅ）に示すように、ＳｉＧｅ層４０’に複数の微細孔６１を設けると共に、可動部４１とアンカー部４２の一部とを分離するためのスリット６２，６３を設ける。さらに、下側の固定電極２０に接続される電極引き出し部４５を設ける部分を除いて、周辺のＳｉＧｅ層４０’を除去する。これらの微細孔６１，スリット６２，６３，及び電極引き出し部４５の形成は、ＲＩＥ法で同時に行うことができる。
【００２２】
次いで、図５（ｆ）に示すように、フッ酸ベーパー処理を行い、可動部４１の微細孔６１を通して犠牲層３２を除去することにより、空洞部３５を形成する。ここで、可動部４１の微細孔６１のピッチが十分に小さいと、犠牲層３２に設けられる隣接する孔が繋がるため、可動部４１の下の犠牲層の全体が除去されることになる。
【００２３】
これ以降は、ＣＶＤ法で窒化膜や酸化膜等の絶縁膜を形成することにより、スリット６２，６３内に絶縁膜３６を埋め込み、更に表面を絶縁膜３７で覆う。具体的には、アンカー部４２に設けたスリット６２，６３が完全に埋め込まれるように絶縁膜を厚く堆積した後、可動電極４０を覆う絶縁膜が所望の厚さになるまでＣＭＰで薄くする。また、ＣＭＰで可動電極４０が露出するまで絶縁膜を除去した後に、保護絶縁膜を再度を形成しても良い。その後、電極パッド５１，５２を形成することにより、前記図１及び図２に示す構造が完成する。
【００２４】
このように本実施形態では、ダイヤフラム型の可動電極４０のアンカー部４２にＳｉＯ2 やＳｉＮ等の絶縁膜３６を埋め込むことで、アンカー部４２の一部を可動部４１から電気的に絶縁させ、アンカー部４２の寄生容量を低減させることができる。このため、ＭＥＭＳセンサとして用いた場合の低消費電力化が可能となる。
【００２５】
また、製造プロセス的には、可動部４１に犠牲層除去のための微細孔６１を設けるのと同時にアンカー部４２のスリット６２，６３を設ければ良いため、アンカー部４２にスリット６２，６３を設けるために特にプロセスが増えることもない。さらに、アンカー部４２のスリット６２，６３に埋め込む絶縁膜３６は、可動電極４０を覆う絶縁膜３７と同時に形成できるため、埋め込み絶縁膜３６の形成ためにプロセスが増えることもない。
【００２６】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係わるＭＥＭＳ圧力センサの概略構成を示す断面図である。なお、図６は、図２（ｂ）の断面に相当しており、図２（ｂ）と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００２７】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、アンカー部４２の第１の領域４２ａと第２の領域４２ｂとを電気的に分離するためのスリット６２，６３内に埋め込む絶縁膜３６の厚みである。
【００２８】
第１の実施形態ではスリット６２，６３内に絶縁膜３６を完全に埋め込むために、ＳｉＯ2 膜をＳｉＧｅ層４０’の厚さよりも厚くなるように十分厚く形成した後、ＣＭＰで平坦化していた。本実施形態では、保護膜３７としての厚さに相当する分だけＳｉＯ2 膜を堆積する。この場合、スリット６２，６３内は完全に埋め込まれるのではなく、底部近傍のみが絶縁膜３６で埋め込まれることになる。スリット６２，６３の底部近傍のみの埋め込みでもアンカー部４２として十分な強度が保てれば、可動部４１、アンカー部４２、及び埋め込み絶縁膜３６からなる構成を可動電極４０として用いることが可能である。
【００２９】
このような本実施形態では、アンカー部４２の第２の領域４２ｂが可動部４１及びアンカー部４２の第１の領域４２ａと電気的に分離されるのは第１の実施形態と同様であるため、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、絶縁膜３６を形成するためのＳｉＯ2 の堆積膜厚を薄くすることができ、更にＣＭＰを不要にすることができる。このため、第１の実施形態に比して製造工程の簡略化をはかり得ると云う利点もある。
【００３０】
（第３の実施形態）
図７及び図８は、第３の実施形態に係わるＭＥＭＳ圧力センサの概略構成を説明するためのもので、図７は平面図、図８は図７の矢視III−III’断面図である。なお、図１及び図２と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３１】
本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、アンカー部４２の一部を可動部４１と絶縁する代わりに、アンカー部４２に複数の孔を設けることにより、アンカー部４２の平面的な面積、即ち基板１０に対向する面積を低減したことにある。
【００３２】
基本的な構成は第１の実施形態と同様であるが、本実施形態では第２のストッパ絶縁膜３３を省略している。そして、可動部４１に犠牲層除去のための微細孔６１を設ける際に、アンカー部４２にも微細孔６４を設ける。ここで、アンカー部４２の微細孔６４のピッチは、可動部４１の微細孔６１のピッチよりも長いものとする。
【００３３】
可動部４１では、微細孔６１のピッチが短いため、犠牲層３２に設けられる孔が隣接するもの同士で繋がることになる。アンカー部４２では、微細孔６４のピッチが長いため、犠牲層３２に設けられる孔が隣接するもの同士で繋がることはない。アンカー部４２の下では、犠牲層３２にはアンカー部４２の微細孔６４よりも大きい直径の孔が形成される。
【００３４】
このように本実施形態では、アンカー部４２に複数の微細孔６４を設けることにより、アンカー部４２の平面的な面積を縮小することができる。しかも、アンカー部４２とストッパ絶縁膜３１との間の犠牲層３２にも孔を設けることにより、電極間の絶縁体における誘電率を低くすることができる。このため、アンカー部４２における寄生容量を小さくすることができ、従って第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００３５】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
【００３６】
実施形態では、ダイヤフラム型の可動電極を有するＭＥＭＳ圧力センサの例で説明したが、圧力センサに限らず各種のＭＥＭＳセンサに適用することができる。さらに、ＭＥＭＳセンサに限らず、ＲＦキャパシタやＭＥＭＳスイッチ、光素子などＭＥＭＳ加工技術で形成される素子に適用することも可能である。また、可動電極は、必ずしもダイヤフラム型に限るものではなく、片持ち支持の電極であっても良い。
【００３７】
本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３８】
１０…基板
１１…層間絶縁膜
２０…固定電極（第１の電極）
２１…貫通電極
２２，５１，５２…電極パッド
３１，３３…ストッパ絶縁膜
３２…犠牲層
３５…空洞部
３６…埋め込み絶縁膜
３７…保護絶縁膜
４０’…ＳｉＧｅ層
４０…可動電極（第２の電極）
４１…可動部
４２…アンカー部
４２ａ…第１の領域
４２ｂ…第２の領域
４５…電極引き出し部
６１，６４…微細孔
６２，６３…スリット
【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】
2019150917.tif 000008
【図７】
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【図８】
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