JP6863545B2 - MEMS device and its manufacturing method - Google Patents
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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。 The present invention relates to a MEMS device, particularly a capacitive MEMS device used as a microphone, various sensors, a switch, etc., and a method for manufacturing the same.
従来、半導体プロセスを用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子は、半導体基板上に固定電極、犠牲層(絶縁膜)および可動電極を形成した後、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された固定電極と可動電極との間にエアーギャップ(中空)構造が形成されている。 Conventionally, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices using a semiconductor process have spacers by forming a fixed electrode, a sacrificial layer (insulating film) and a movable electrode on a semiconductor substrate, and then removing a part of the sacrificial layer. An air gap (hollow) structure is formed between the fixed electrode and the movable electrode fixed via the above.
例えば、容量型の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(ダイアフラム膜)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。 For example, in a condenser microphone which is a capacitive MEMS element, a fixed electrode having a plurality of through holes for passing sound pressure and a movable electrode (diaphragm film) that vibrates in response to sound pressure are arranged so as to face each other. The configuration is such that the displacement of the movable electrode that vibrates in response to sound pressure is detected as a capacitance change between the electrodes.
図4は、一般的なコンデンサマイクロフォンの製造方法の説明図である。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膜を積層形成する。次に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、可動電極6を形成する(図4a)。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a general method for manufacturing a condenser microphone. First, a
次に、可動電極6上に厚さ2.0〜5.0μm程度の第1のスペーサーとなるUSG(Undoped Silicate Glass)膜からなる犠牲層7を積層形成し、さらに、犠牲層7上に厚さ0.1〜1.0μm程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。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、固定電極8を形成する。固定電極8上には、さらに減圧CVD法により窒化膜を積層形成し、固定電極8と一体となったバックプレート9を形成する。固定電極8とバックプレート9には貫通孔10を形成し、犠牲層7を露出させる(図4b)。
Next, a
その後、シリコン基板1を裏面側から熱酸化膜2が露出するまでシリコン基板1をエッチングすることでバックチャンバー11を形成する。最後に貫通孔10から犠牲層7の一部をエッチングし、第1のスペーサー12を形成すると同時に、バックチャンバー11側に残る熱酸化膜の一部をエッチングし、第2のスペーサー13を形成し、固定電極8と可動電極6が対向するMEMS素子を形成する(図4c)。このような一般的なコンデンサマイクロフォンの製造方法は、例えば特許文献1に記載されている。
After that, the
ところで、このようにシリコン基板1をエッチングすることでバックチャンバー11を形成すると、非常に深くシリコン基板1をエッチングする必要があるため、シリコン基板1の底面(バックチャンバー側面端部15)は、スムーズな円形とはならず突起部が残ってしまう。図5は、バックチャンバー11の側面端部と熱酸化膜の一部をエッチングして形成した第2のスペーサー13の端部を可動電極6側から模式的に表している。図5に示すように、バックチャンバー側面端部15に突起部16が形成されると、熱酸化膜は等方的にエッチングされるため、第2のスペーサー13の側端部にも突起部17が形成されてしまう。このように突起部17が存在する第2のスペーサー13に支持された可動電極6に圧力が加わると、第2のスペーサー13の突起部17先端と可動電極6との接続点18に応力が集中し、可動電極6に破壊しやすくなってしまうという問題点があった。
By the way, when the
本発明は、上記問題点を解消し、MEMS素子の破壊を防止することができる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。 An object of the present invention is to provide a MEMS device and a method for manufacturing the same, which can solve the above problems and prevent the MEMS device from being destroyed.
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シリコン基板と、該シリコン基板上に、第1のスペーサーを挟んで固定電極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たMEMS素子において、前記シリコン基板と前記可動電極の間に第2のスペーサーと、前記シリコン基板と対向する前記可動電極との間の寸法を前記バックチャンバー側面端部側で大きくする段部とを備え、該段部は、前記第2のスペーサーを構成する熱酸化膜と前記バックチャンバーを構成する前記シリコン基板の側面との間に該シリコン基板の側面に沿って環状に配置されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, in the invention according to
本願請求項2に係る発明は、バックチャンバーを備えたシリコン基板上に、第1の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、第2のスペーサー形成予定領域の内側に配置する環状形状の凹部内を充填するように前記シリコン基板表面を熱酸化する工程と、前記シリコン基板表面の熱酸化膜上に、前記可動電極を形成する工程と、前記可動電極上に、絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に、前記固定電極を形成する工程と、前記固定電極に貫通孔を形成する工程と、前記シリコン基板の一部をエッチング除去し、側面が前記環状形状の凹部に位置するように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絶縁膜の一部をエッチング除去し、前記第1の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、前記凹部内に埋め込まれた熱酸化膜を除去し、前記シリコン基板表面の熱酸化膜の一部を残し、第2のスペーサーを形成する工程と、を含むことを特徴とする。
The invention according to
本発明のMEMS素子の製造方法により製造したMEMS素子は、バックチャンバーの側面端部に突起部が形成されたとしても、第2のスペーサーの側端部には突起部が形成されずスムーズな円形形状とすることで、可動電極が破壊に至ることを防止できる。また突起部は、可動電極から離れ、可動電極の振動の際に突起部に接触して破損することも防止できる。 The MEMS element manufactured by the method for manufacturing a MEMS element of the present invention has a smooth circular shape in which a protrusion is not formed on the side end of the second spacer even if a protrusion is formed on the side end of the back chamber. The shape can prevent the movable electrode from being destroyed. Further, the protrusion can be separated from the movable electrode and can be prevented from coming into contact with the protrusion and being damaged when the movable electrode vibrates.
本発明のMEMS素子の製造方法は、通常の半導体装置の製造工程で、一般的に用いられている工程のみで構成されているため、非常に安定的に、また安価にMEMS素子を形成することができるという利点がある。特にシリコン基板の熱酸化により、側面及び底面がスムーズな形状となっている凹部内に充填された熱酸化膜からエッチングを開始することで第2のスペーサーを形成するため、バックチャンバーの側面端部に突起部が残されていても、第2のスペーサーの側端部に突起を形成することがなくなるという利点がある。 Since the method for manufacturing a MEMS device of the present invention is composed of only commonly used steps in a normal manufacturing process for a semiconductor device, the MEMS device can be formed very stably and inexpensively. There is an advantage that it can be done. In particular, due to thermal oxidation of the silicon substrate, the side end of the back chamber is formed because etching is started from the thermal oxide film filled in the concave portion whose side surface and bottom surface are smooth. Even if the protrusion is left on the surface, there is an advantage that the protrusion is not formed on the side end of the second spacer.
本発明に係るMEMS素子は、バックチャンバーの側面端部と第2のスペーサーが形成される領域との間が一部厚くなるようにシリコン基板表面を熱酸化して熱酸化膜を形成する。この熱酸化膜は通常の半導体装置の製造工程に従い形成されるため、厚さの厚い部分の形状は、スムーズな環状、例えば円形形状に形成することができる。しかも、第2のスペーサーとして残る熱酸化膜の内側に厚い熱酸化膜を形成することで、バックチャンバーの側面端部に残る突起部の影響を受けない構造とすることが可能となる。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説明する。 In the MEMS element according to the present invention, the surface of the silicon substrate is thermally oxidized to form a thermal oxide film so that the space between the side surface end of the back chamber and the region where the second spacer is formed is partially thickened. Since this thermal oxide film is formed according to a normal manufacturing process of a semiconductor device, the shape of the thick portion can be formed into a smooth annular shape, for example, a circular shape. Moreover, by forming a thick thermal oxide film inside the thermal oxide film remaining as the second spacer, it is possible to form a structure that is not affected by the protrusions remaining on the side end portions of the back chamber. Hereinafter, examples of the present invention will be described according to the method for manufacturing a MEMS device of the present invention.
本発明の実施例について、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)を形成し、通常のフォトリソグラフ法により熱酸化膜2をパターニングし、シリコン基板1に幅0.5μm、深さ1μm程度の環状溝3をシリコン基板1の縁周に沿って複数形成する。このとき、環状溝3のうち最も外側の環状溝3aの外周が、バックチャンバー形成予定位置よりも外側で、第2のスペーサー形成予定位置より内側になるように形成する(図1a)。
Examples of the present invention will be described according to the manufacturing process. First, a thermal oxide film 2 (SiO 2 ) having a thickness of about 1 μm is formed on a
その後、シリコン基板1表面を熱酸化することにより、環状溝3間のシリコン基板4を熱酸化し、環状凹部5を形成すると同時に環状凹部5内を熱酸化膜2aで埋める(図1b)。なお、環状凹部5内を熱酸化膜2aで埋めるために、環状溝3を複数形成すると熱酸化後に熱酸化膜2aの表面が平坦となり、簡便な方法となる。
After that, the surface of the
以下、通常の製造工程に従い、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膜を積層形成する。次に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、可動電極6を形成する(図1c)。
Hereinafter, a conductive polysilicon film having a thickness of about 0.2 to 2.0 μm is laminated and formed on the
次に、可動電極6上に厚さ2.0〜5.0μm程度の第1のスペーサーとなるUSG(Undoped Silicate Glass)膜からなる犠牲層7を積層形成し、さらに、犠牲層7上に厚さ0.1〜1.0μm程度の導電性ポリシリコン膜を積層形成する。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、固定電極8を形成する。固定電極8上には、さらに減圧CVD法により窒化膜を積層形成し、固定電極8と一体となったバックプレート9を形成する。固定電極8とバックプレート9には貫通孔10を形成し、犠牲層7を露出させる(図2a)。
Next, a
その後、シリコン基板1を裏面側から熱酸化膜2が露出するまでエッチングすることでバックチャンバー11を形成する。このとき、バックチャンバー11の側壁端部が、図2(b)に示すように、先に形成した環状凹部5内に埋め込まれた熱酸化膜2aの底部となるように配置する。
After that, the
最後に貫通孔10から犠牲層7の一部をエッチングし、第1のスペーサー12を形成すると同時に、バックチャンバー11側に残る熱酸化膜2の一部をエッチングし、第2のスペーサー13を形成し、固定電極8と可動電極6が対向するMEMS素子を形成する(図2c)。
Finally, a part of the
このように形成するMEMS素子は、図3に示すように、バックチャンバー11を形成する際、バックチャンバーの側面端部14に突起部16が形成されたとしても、第2のスペーサー13の側端部には突起が形成されずスムーズな円形形状となる。これは、熱酸化膜がエッチングされる際、熱酸化膜2aの側面部2bと底面がスムーズな円形形状であることにより、このスムーズな円形形状の面をトレースするように等方的なエッチングが進行し、突起部が形成されないためである。また、バックチャンバーの側壁端部14に突起部16が形成されているために突起をトレースするように熱酸化膜2のエッチングが進行するものの、このエッチングは熱酸化膜2aの側面部2cに達するとすべての熱酸化膜2aがエッチングされ、第2のスペーサー13のエッチング形状に影響を与えることがない。このように、突起のない構造とすることにより、可動電極6に圧力が加わっても、第2のスペーサー13と可動電極6の特定の接続点に応力が集中することはなく、可動電極6の破壊を防止することができることになる。
In the MEMS element formed in this way, as shown in FIG. 3, when the
以上本発明について説明したか、本発明はこれに限定されるものではなく、種々変更可能である。例えば、環状凹部5内に熱酸化膜を充填する方法は、図1(a)に示すように複数の環状溝3を形成する方法に限定されるものではなく、幅の広い凹部内に熱酸化膜を充填して環状凹部5を形成してもよい。また、可動電極や熱酸化膜が埋め込まれる凹部等の形状は円形に限るものでもない。
As described above, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made. For example, the method of filling the
1:シリコン基板、2:熱酸化膜、2a,2b,2c:環状凹部に埋め込まれた熱酸化膜、3,3a:環状溝、4:環状溝3間のシリコン基板、5:環状凹部、6:可動電極、7:犠牲層、8:固定電極、9:バックプレート、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、14,15:バックチャンバー側面端部、16,17:突起部、18:接続点
1: Silicon substrate 2: Thermal oxide film, 2a, 2b, 2c: Thermal oxide film embedded in the annular recess, 3, 3a: Circular groove 4: Silicon substrate between the
Claims (2)
前記シリコン基板と前記可動電極の間に第2のスペーサーと、
前記シリコン基板と対向する前記可動電極との間の寸法を前記バックチャンバー側面端部側で大きくする段部とを備え、
該段部は、前記第2のスペーサーを構成する熱酸化膜と前記バックチャンバーを構成する前記シリコン基板の側面との間に該シリコン基板の側面に沿って環状に配置されていることを特徴とするMEMS素子。 In a silicon substrate provided with a back chamber and a MEMS element in which an air gap is formed by arranging a fixed electrode and a movable electrode on the silicon substrate with a first spacer interposed therebetween.
A second spacer between the silicon substrate and the movable electrode ,
A step portion for increasing the dimension between the silicon substrate and the movable electrode facing the silicon substrate on the side surface end side of the back chamber is provided.
The step portion is characterized in that it is annularly arranged along the side surface of the silicon substrate between the thermal oxide film constituting the second spacer and the side surface of the silicon substrate constituting the back chamber. MEMS element.
第2のスペーサー形成予定領域の内側に配置する環状形状の凹部内を充填するように前記シリコン基板表面を熱酸化する工程と、
前記シリコン基板表面の熱酸化膜上に、前記可動電極を形成する工程と、
前記可動電極上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、前記固定電極を形成する工程と、
前記固定電極に貫通孔を形成する工程と、
前記シリコン基板の一部をエッチング除去し、側面が前記環状形状の凹部に位置するように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絶縁膜の一部をエッチング除去し、前記第1の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、前記凹部内に埋め込まれた熱酸化膜を除去し、前記シリコン基板表面の熱酸化膜の一部を残し、第2の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。 In a method for manufacturing a MEMS element in which a fixed electrode and a movable electrode are arranged on a silicon substrate provided with a back chamber with a first spacer interposed therebetween.
A step of thermally oxidizing the surface of the silicon substrate so as to fill the inside of the annular recess arranged inside the second spacer formation planned region, and
The step of forming the movable electrode on the thermal oxide film on the surface of the silicon substrate, and
The step of forming an insulating film on the movable electrode and
The step of forming the fixed electrode on the insulating film and
The step of forming a through hole in the fixed electrode and
A step of etching and removing a part of the silicon substrate to form the back chamber so that the side surface is located in the annular recess.
A part of the insulating film is removed by etching from the through hole to form the first spacer, an air gap is formed between the fixed electrode and the movable electrode, and at the same time, heat embedded in the recess is formed. A method for manufacturing a MEMS element, which comprises a step of removing an oxide film, leaving a part of a thermal oxide film on the surface of the silicon substrate, and forming a second spacer.
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