JP4724501B2 - 超音波トランスデューサおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波トランスデューサの製造技術に関し、特に、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術により製造した超音波トランスデューサの構造と、その製造方法に適用して有効な技術に関する。

例えば、超音波トランスデューサは、超音波を送信、受信することにより、人体内の腫瘍などの診断に用いられている。

これまでは、圧電体の振動を利用した超音波トランスデューサが用いられてきたが、近年のＭＥＭＳ技術の進歩により、振動部をシリコン基板上に作製した容量検出型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が実用化を目指して盛んに開発されている。

例えば、米国特許第６３２０２３９Ｂ１号明細書（特許文献１）には、単体のＣＭＵＴとアレイ状に配置したＣＭＵＴが開示されている。

また、米国特許第６５７１４４５Ｂ２号明細書（特許文献２）および米国特許第６５６２６５０２号明細書（特許文献３）には、シリコン基板上に形成された信号処理回路の上層にＣＭＵＴを形成する技術が開示されている。

また、２００４ ＩＥＥＥ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ、ｐ７０９−ｐ７１０（非特許文献１）には、下部電極上に支柱を形成した構造のＣＭＵＴが開示されている。
米国特許第６３２０２３９Ｂ１号明細書 米国特許第６５７１４４５Ｂ２号明細書 米国特許第６５６２６５０２号明細書 ２００４ ＩＥＥＥ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ、ｐ７０９−ｐ７１０

ところで、ＣＭＵＴは、圧電体を用いたトランスデューサと比較して、使用できる超音波の周波数帯域が広い、あるいは高感度であるなどの利点がある。また、ＬＳＩ加工技術を用いて作製するので微細加工が可能である。特に、超音波素子をアレイ状に並べて、それぞれの素子を独立に制御を行う場合には、ＣＭＵＴは必須となると考えられる。何故ならば、各素子への配線が必要になり、アレイ内の配線数は膨大な数になることが考えられるが、配線や、さらには超音波送受信部からの信号処理回路の１チップへの混載も、ＣＭＵＴでは可能だからである。

図１を用いて、ＣＭＵＴの基本的な構造および動作を説明する。下部電極１０１の上層に空洞層（空洞部）１０２が形成されており、メンブレン（絶縁膜）１０３が空洞層１０２を囲む構造をしている。メンブレン１０３の上層には上部電極１０４が配置されている。上部電極１０４と下部電極１０１の間に直流電圧と交流電圧を重畳すると、静電気力が上部電極１０４と下部電極１０１の間に働き、メンブレン１０３および上部電極１０４が印加した交流電圧の周波数で振動することで、超音波を発信する。

逆に、受信の場合は、メンブレン１０３の表面に到達した超音波の圧力により、メンブレン１０３および上部電極１０４が振動する。すると、上部電極１０４と下部電極１０１との間の距離が変化するため、容量の変化として超音波を検出できる。

上記動作原理からも明らかであるが、電極間の電圧印加に起因する静電力によるメンブレンの振動と、振動による電極間の容量変化を利用して超音波の発信および受信を行うので、電極間の電圧差の安定性が、安定した動作やデバイスの信頼性向上には重要な点となる。

上記動作原理では、上部電極１０４と下部電極１０１の間に直流電圧を印加することにより、両電極間に静電力が働き、メンブレンは変形し、変形したことによるバネ復元力と静電力が釣合う変形量でメンブレンは安定する。

通常は、電極間の静電力とメンブレンのバネ復元力が釣合う直流電圧で駆動を行うが、メンブレンの変形量が電極間隔の約３分の１となるようなカラプス電圧と呼ばれる電圧よりも大きな直流電圧を印加すると、電極間の静電力がメンブレンのバネ復元力よりも大きくなり、メンブレンが一定位置に安定することができず、メンブレンの下面が下部電極の上面に接触することになる。接触すると、メンブレンは上部電極と下部電極に挟まれる構造となり、両電極から電荷が注入され、膜中の固定電荷となる。再度、両電極間に直流電圧を印加しても、絶縁膜中の固定電荷に電極間の電界が遮られ、ＣＭＵＴを最適に使用する電圧が変動することになる。したがって、前記特許文献１や特許文献２、特許文献３に開示されたＣＭＵＴでは、メンブレンが下部電極に接触することを防止するために、通常、カラプス電圧よりもかなり低い電圧で使用することとなる。

しかし、送受信の感度を向上するためには、ＣＭＵＴ使用中の両電極の間隔をできるだけ狭くする必要があり、したがって両電極間に印加する電圧をカラプス電圧にできるだけ近くすることが重要である。

前記非特許文献１では、ＣＭＵＴの下部電極上に支柱を形成し、カラプス電圧以上の電圧を印加した場合でも、メンブレンが下部電極に接触しない構造が示されている。しかし、この構造を実現するためにはＬＳＩの加工技術のみならず、Ｓｉウェハの貼り合わせ技術が必要であり、ウェハ貼り合わせ装置といった通常のＬＳＩプロセスでは使用しない装置が必要であり、かつウェハを２枚使用することから高コストでもある。

そこで、本発明の目的は、ウェハ貼り合わせ技術を使用せずに、メンブレンの下面が下部電極へ接触した場合でも絶縁膜に電荷が注入されにくい構造と、その製造方法を提供することである。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明による超音波トランスデューサは、第１電極と、第１電極上に形成された空洞層と、空洞層に形成された絶縁膜の突起と、空洞層上に形成された第２電極とを備え、第１電極と第２電極とのうち、少なくとも一方の電極は絶縁膜の突起と上面から見て重ならない位置に配置されていることを特徴とするものである。

あるいは、本発明による超音波トランスデューサは、第１電極と、第１電極上に形成された空洞層と、空洞層を覆うように形成された絶縁膜と、絶縁膜上に形成された第２電極とを備え、空洞層には絶縁膜の突起を有することを特徴とするものである。

また、本発明による超音波トランスデューサの製造方法は、第１電極を形成する工程と、第１電極上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層に窪みを形成する工程と、犠牲層を覆うように第１絶縁膜を形成するとともに、窪みに充填して第１絶縁膜の突起を形成する工程と、第１絶縁膜上に第２電極を形成する工程と、第２電極および第１絶縁膜を覆う第２絶縁膜を形成する工程と、第１絶縁膜および第２絶縁膜を貫通して犠牲層に達する開口部を形成する工程と、開口部を利用して犠牲層を除去することにより空洞層を形成する工程とを有することを特徴とするものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明によれば、ウェハ貼り合わせ技術を使用せずに、メンブレンの下面が下部電極へ接触した場合でも絶縁膜に電荷が注入されにくい構造と、その製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

以下の実施の形態においては、便宜上、その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

なお、平面図であっても理解を容易にするため、ハッチングを付す場合がある。

下記の実施の形態の記載では、電極間の絶縁膜への電荷注入がない超音波トランスデューサを作製するという目的を、電極間の絶縁膜に突起を設けることと、突起と電極が上面から見て重ならない位置に配置することで実現している。

（実施の形態１）
図２は、本実施の形態１における超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）を示した上面図である。図２では、１つのＣＭＵＴを示している。ＣＭＵＴは、下部電極（第１電極）３０２と、下部電極３０２上に形成された空洞層３０４と、空洞層３０４に形成された絶縁膜の突起３０６と、空洞層３０４上に形成された上部電極（第２電極）３０７などを備えて構成される。３１０は空洞部を形成するためのウェットエッチング孔である。すなわち、ウェットエッチング孔３１０は、空洞部となる空洞層３０４に接続されている。３１１は下部電極３０２へ接続する開口部、３１２は上部電極３０７へ接続する開口部である。上部電極３０７と空洞層３０４の間に空洞層３０４および下部電極３０２を覆うように絶縁膜が形成されているが、空洞層３０４、下部電極３０２を示すために図示していない。前記絶縁膜に形成した突起３０６は、実際には上部電極３０７の下部にあるので、上面からは見ることはできないが、図２では、理解の助けのために示してある。

図３（ａ）は図２のＡ−Ａ’線で切断した断面図を示しており、図３（ｂ）は図２のＢ−Ｂ’線で切断した断面図を示している。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、半導体基板に形成された絶縁膜３０１上にＣＭＵＴの下部電極３０２が形成されている。下部電極３０２の上層には絶縁膜３０３を介して空洞層（空洞部）３０４が形成されている。空洞層３０４を囲むように絶縁膜（第１絶縁膜）３０５を形成し、絶縁膜３０５の上層に上部電極３０７が形成されている。空洞層３０４には絶縁膜３０５の下面から突起３０６が形成されている。上部電極３０７の上層には絶縁膜（第２絶縁膜）３０８と絶縁膜３０９が形成されている。また、絶縁膜３０５および絶縁膜３０８にはこれらの膜を貫通するウェットエッチング孔３１０が形成されている。このウェットエッチング孔３１０は、空洞層３０４を形成するために形成されたものであり、空洞層３０４の形成後、絶縁膜３０９によって埋め込まれている。３１１、３１２はそれぞれ下部電極３０２、上部電極３０７へ電圧を供給するための開口部である。

本実施の形態１の特徴は、図２および図３（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁膜３０５の下面に空洞層３０４に突き出た突起３０６を設けた点にある。このような構造にすることにより、絶縁膜３０５の下面が下部電極３０２の上面を覆う絶縁膜３０３に接触する程の電圧を上部電極３０７と下部電極３０２に印加した場合でも突起３０６が支柱となり、絶縁膜３０５の下面全面が下部電極３０２を覆う絶縁膜３０３へ接触することを防止できる。つまり、突起３０６がない場合は、絶縁膜３０５の下面全面が下部電極３０２を覆う絶縁膜３０３へ接触し、接触部全領域にわたって絶縁膜３０５および３０３に電荷が注入されることになり、使用電圧の大きな変動の原因となる。しかし、本実施の形態１では、絶縁膜３０５の下面に突起３０６を設けているので、支柱の役割をし、絶縁膜３０５の下面全面が下部電極３０２を覆う絶縁膜３０３に接触することを防止でき、絶縁膜３０５および３０３への電荷注入量を軽減することができる。このため、ＣＭＵＴの動作信頼性を向上させることができる。

次に、図面を用いて本実施の形態１に記載されたＣＭＵＴの製造方法を説明する。図４〜図１３はＣＭＵＴの製造工程を示した断面図であり、図４〜図１３中の（ａ）は、図２のＡ−Ａ’線で切断した断面図を示しており、図４〜図１３中の（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ’線で切断した断面図を示している。

まず、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体基板上にシリコン酸化膜の絶縁膜３０１と窒化チタン膜とアルミニウム合金膜と窒化チタン膜の積層した下部電極３０２を形成する。そして、この下部電極３０２上にプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりシリコン酸化膜の絶縁膜３０３を約５０ｎｍ堆積させる。

次に、シリコン酸化膜の絶縁膜３０３の上面に多結晶シリコン膜４０４をプラズマＣＶＤ法により約５０ｎｍ堆積する。そして、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、多結晶シリコン膜４０４に開口部４０５を形成する（図５（ａ）、（ｂ））。

続いて、多結晶シリコン膜４０４および開口部４０５の上面に再度、多結晶シリコン膜をプラズマＣＶＤ法により約５０ｎｍ堆積する。そして、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、多結晶シリコン膜を残す。この残された部分が犠牲層４０７となり、その後の工程で空洞部となる。図５の開口部４０５は多結晶シリコン膜を堆積することにより犠牲層４０７に形成された窪み４０８となる（図６（ａ）、（ｂ））。

続いて、犠牲層４０７、シリコン酸化膜の絶縁膜３０３および窪み４０８を覆うように、プラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜の絶縁膜３０５を２００ｎｍ堆積する。このとき窪み４０８はシリコン酸化膜の絶縁膜３０５により埋められ、突起３０６がシリコン酸化膜の絶縁膜３０５の下面に形成される（図７（ａ）、（ｂ））。

次に、ＣＭＵＴの上部電極３０７を形成するため、スパッタリング法により窒化チタン膜とアルミニウム合金膜と窒化チタン膜の積層膜をそれそれ５０ｎｍ、３００ｎｍ、５０ｎｍ堆積する。そして、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、上部電極３０７を形成する（図８（ａ）、（ｂ））。

次に、プラズマＣＶＤ法により、シリコン窒化膜の絶縁膜３０８をシリコン酸化膜の絶縁膜３０５および上部電極３０７を覆うように３００ｎｍ堆積する（図９（ａ）、（ｂ））。

続いて、シリコン窒化膜の絶縁膜３０８およびシリコン酸化膜の絶縁膜３０５にフォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を使用して、犠牲層４０７に到達する開口部４１３を形成する（図１０（ａ）、（ｂ））。

その後、開口部４１３を介して、犠牲層４０７を水酸化カリウムでウェットエッチングすることにより、空洞層（空洞部）３０４を形成する（図１１（ａ）、（ｂ））。

次に、開口部４１３を埋め込むために、プラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜の絶縁膜３０９を約８００ｎｍ堆積する。（図１２（ａ）、（ｂ））。

その後、下部電極３０２、上部電極３０７へそれぞれ電圧を供給するための開口部３１１、３１２をドライエッチング技術により形成する（図１３（ａ）、（ｂ））。このようにして、図３（ａ）、（ｂ）に対応する、本実施の形態１におけるＣＭＵＴを形成することができる。

以上説明したように、本実施の形態１のＣＭＵＴによれば、メンブレン（絶縁膜３０５）が下部電極３０２へ接触しても、絶縁膜３０５に設けた突起３０６により、接触面積が低減され、絶縁膜３０５、３０３への電荷注入が抑制でき、使用電圧の変動を小さくすることができる。これにより、カラプス電圧に近い電圧でＣＭＵＴを駆動でき、ＣＭＵＴの感度を向上することができる。

さらに、ウェハ貼り合わせ等の特殊な技術を使用する必要がないことから、低コストなＣＭＵＴを製造できる。

なお、図２において、ＣＭＵＴは六角形の形状をしているが、形状はこれに限らず、例えば、円形形状をしていてもよい。

突起の配置に関しても、７つの突起を空洞部に配置しているが、突起の配置はこれに限らず、カラプス電圧よりも大きな電圧が上部電極、下部電極間に印加された場合にメンブレンが下部電極に接触しないよう、突起が支柱の役割をすればよい。

また、本実施の形態１として示したＣＭＵＴを構成する材料は、その組み合わせの一つを示したものであり、上部電極、下部電極の材料として、タングステンやその他の導電性を持つ材料にしてもよい。犠牲層の材料も、犠牲層の周りを囲む材料とのウェットエッチング選択性が確保することができればよい。したがって、多結晶シリコン膜の他に、ＳＯＧ膜（Ｓｐｉｎ−ｏｎ−Ｇｌａｓｓ）あるいは金属膜などであってもよい。

また、本実施の形態１として示した製造方法では、平坦化された面上ならばＣＭＵＴを製造できる。したがって、下部電極がＳｉ基板であってもよく、また、ＬＳＩの配線部の一部を下部電極にしてもよい。

（実施の形態２）
本実施の形態２におけるＣＭＵＴは、電極間の空洞部にある絶縁膜の突起と電極（上部電極）が重ならないことを特徴とするものである。

図１４は、本実施の形態２におけるＣＭＵＴを示した上面図である。１５０２は下部電極、１５０４は空洞層、１５０７は上部電極、１５１０は空洞部を形成するためのウェットエッチング孔である。すなわち、ウェットエッチング孔１５１０は、空洞部となる空洞層１５０４に接続されている。１５１１は下部電極１５０２へ接続する開口部、１５１２は上部電極１５０７へ接続する開口部である。上部電極１５０７と空洞層１５０４の間に空洞層１５０４および下部電極１５０２を覆うように絶縁膜が形成されているが、空洞層１５０４、下部電極１５０２を示すために図示していない。１５０６は前記絶縁膜に形成した突起であり、１５１３は上部電極１５０７に形成した開口部である。開口部１５１３は突起１５０６と重ならない配置としてある。１５１４は突起１５０６の外周面、１５１５は開口部１５１３の内周面である。

図１５（ａ）は図１４のＡ−Ａ’線で切断した断面図を示しており、図１５（ｂ）は図１４のＢ−Ｂ’線で切断した断面図を示している。図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、半導体基板に形成された絶縁膜１５０１上にＣＭＵＴの下部電極１５０２が形成されている。下部電極１５０２の上層には絶縁膜１５０３を介して空洞層（空洞部）１５０４が形成されている。空洞層１５０４を囲むように絶縁膜１５０５を形成し、絶縁膜１５０５の上層に上部電極１５０７が形成されている。空洞層１５０４には絶縁膜１５０５の下面から突起１５０６が形成されている。突起１５０６の上層の上部電極１５０７には開口部１５１３が設けてある。上部電極１５０７の上層には絶縁膜１５０８と絶縁膜１５０９が形成されている。また、絶縁膜１５０５および絶縁膜１５０８にはこれらの膜を貫通するウェットエッチング孔１５１０が形成されている。このウェットエッチング孔１５１０は、空洞層１５０４を形成するために形成されたものであり、空洞層１５０４の形成後、絶縁膜１５０９によって埋め込まれている。１５１１、１５１２はそれぞれ下部電極１５０２、上部電極１５０７へ電圧を供給する開口部である。また、１５１４は突起１５０６の外周面、１５１５は開口部１５１３の内周面である。

本実施の形態２の特徴は、図１４および図１５（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁膜１５０５の下面に空洞層１５０４に突き出た突起１５０６の上層の上部電極１５０７に開口部１５１３を設けた点にある。このような構造にすることにより、絶縁膜１５０５の下面が下部電極１５０２の上面を覆う絶縁膜１５０３に接触する程の電圧を上部電極１５０７と下部電極１５０２に印加した場合でも突起１５０６が支柱となり、絶縁膜１５０５の下面全面が下部電極１５０２を覆う絶縁膜１５０３へ接触することを防止できる。さらに、上部電極１５０７に開口部１５１３を設けることにより、突起１５０６が支柱となった場合でも、突起１５０６は上部電極１５０７に挟まれることはなく、突起１５０６の絶縁膜１５０５、１５０３への電荷の注入を大幅に軽減できる。このため、ＣＭＵＴの動作信頼性を向上させることができる。

また、好ましくは、突起１５０６の外周面１５１４と上部電極１５０７に設けられた開口部１５１３の内周面１５１５の上面からみた距離を絶縁膜１５０５の膜厚以上とした方が良い。それにより、突起１５０６での上部電極１５０７と下部電極１５０２による電界が一層緩和され、突起１５０６への電荷の注入を一層軽減できる。

本実施の形態２におけるＣＭＵＴの製造方法は、主に突起１５０６の上層となる上部電極１５０７に開口部１５１３を形成する点が異なる以外は、前記実施の形態１とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。上部電極１５０７の開口部１５１３は、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により形成することができる。

以上説明したように、本実施の形態２のＣＭＵＴによれば、前記実施の形態１と同様に、メンブレン（絶縁膜１５０５）が下部電極１５０２へ接触しても、絶縁膜１５０５に設けた突起１５０６により、接触面積が低減され、絶縁膜１５０５、１５０３への電荷注入が抑制でき、使用電圧の変動を小さくすることができる。さらに、前記突起１５０６と上部電極１５０７の位置が重ならない配置とすることで、上部電極１５０７、下部電極１５０２から絶縁膜１５０５、１５０３の突起１５０６への電荷の注入も防止できる。これにより、カラプス電圧に近い電圧でＣＭＵＴを駆動でき、ＣＭＵＴの感度を向上することができる。

さらに、ウェハ貼り合わせ等の特殊な技術を使用する必要がないことから、低コストなＣＭＵＴを製造できる。

なお、図１４において、ＣＭＵＴは六角形の形状をしているが、形状はこれに限らず、例えば、円形形状をしていてもよい。

突起および上部電極の開口部の配置に関しても、７つの突起と開口部を空洞部に配置しているが、突起の配置はこれに限らず、カラプス電圧よりも大きな電圧が上部電極、下部電極間に印加された場合にメンブレンが下部電極に接触しないよう、突起が支柱の役割をすればよい。

また、本実施の形態２として示したＣＭＵＴを構成する材料は、その組み合わせの一つを示したものであり、上部電極、下部電極の材料として、タングステンやその他の導電性を持つ材料にしてもよい。犠牲層の材料も、犠牲層の周りを囲む材料とのウェットエッチング選択性が確保することができればよい。したがって、多結晶シリコン膜の他に、ＳＯＧ膜（Ｓｐｉｎ−ｏｎ−Ｇｌａｓｓ）あるいは金属膜などであってもよい。

また、本実施の形態２として示した製造方法では、平坦化された面上ならばＣＭＵＴを製造できる。したがって、下部電極がＳｉ基板であってもよく、また、ＬＳＩの配線部の一部を下部電極にしてもよい。

（実施の形態３）
本実施の形態３におけるＣＭＵＴも、電極間の空洞部にある絶縁膜の突起と電極（下部電極）が重ならないことを特徴とするものである。

図１６は、本実施の形態３におけるＣＭＵＴを示した上面図である。１７０２は下部電極、１７０４は空洞層、１７０７は上部電極、１７１０は空洞部を形成するためのウェットエッチング孔である。すなわち、ウェットエッチング孔１７１０は、空洞部となる空洞層１７０４に接続されている。１７１１は下部電極１７０２へ接続する開口部、１７１２は上部電極１７０７へ接続する開口部である。上部電極１７０７と空洞層１７０４の間に空洞層１７０４および下部電極１７０２を覆うように絶縁膜が形成されているが、空洞層１７０４、下部電極１７０２を示すために図示していない。１７０６は前記絶縁膜に形成した突起であり、１７１３は下部電極１７０２に形成した開口部である。開口部１７１３は突起１７０６と重ならない配置としてある。１７１４は突起１７０６の外周面、１７１５は開口部１７１３の内周面である。

図１７（ａ）は図１６のＡ−Ａ’線で切断した断面図を示しており、図１７（ｂ）は図１６のＢ−Ｂ’線で切断した断面図を示している。図１７（ａ）および図１７（ｂ）に示すように、半導体基板に形成された絶縁膜１７０１上にＣＭＵＴの下部電極１７０２が形成されている。下部電極１７０２の上層には絶縁膜１７０３を介して空洞層（空洞部）１７０４が形成されている。空洞層１７０４を囲むように絶縁膜１７０５を形成し、絶縁膜１７０５の上層に上部電極１７０７が形成されている。空洞層１７０４には絶縁膜１７０５の下面から突起１７０６が形成されている。突起１７０６の下層の下部電極１７０２には開口部１７１３が設けてある。上部電極１７０７の上層には絶縁膜１７０８と絶縁膜１７０９が形成されている。また、絶縁膜１７０５および絶縁膜１７０８にはこれらの膜を貫通するウェットエッチング孔１７１０が形成されている。このウェットエッチング孔１７１０は、空洞層１７０４を形成するために形成されたものであり、空洞層１７０４の形成後、絶縁膜１７０９によって埋め込まれている。１７１１、１７１２はそれぞれ下部電極１７０２、上部電極１７０７へ電圧を供給する開口部である。また、１７１４は突起１７０６の外周面、１７１５は開口部１７１３の内周面である。

本実施の形態３の特徴は、図１６および図１７（ａ）、（ｂ）に示すように絶縁膜１７０５の下面に空洞層１７０４に突き出た突起１７０６の下層の下部電極１７０２に開口部１７１３を設けた点にある。このような構造にすることにより、絶縁膜１７０５の下面が下部電極１７０２の上面を覆う絶縁膜１７０３に接触する程の電圧を上部電極１７０７と下部電極１７０２に印加した場合でも突起１７０６が支柱となり、絶縁膜１７０５の下面全面が下部電極１７０２を覆う絶縁膜１７０３へ接触することを防止できる。さらに、下部電極１７０２に開口部１７１３を設けることにより、突起１７０６が支柱となった場合でも、突起１７０６は下部電極１７０２に挟まれることはなく、突起１７０６の絶縁膜１７０５、１７０３への電荷の注入を大幅に軽減できる。このため、ＣＭＵＴの動作信頼性を向上させることができる。

また、好ましくは、突起１７０６の外周面１７１４と開口部１７１３の内周面１７１５の上面からみた距離を絶縁膜１７０５の膜厚以上とした方が良い。それにより、突起１７０６での上部電極１７０７と下部電極１７０２による電界が一層緩和され、突起１７０６への電荷の注入を一層軽減できる。

本実施の形態３におけるＣＭＵＴの製造方法は、主に突起１７０６の下層となる下部電極１７０２に開口部１７１３を形成する点と、開口部１７１３を絶縁膜で埋め込んで平坦化する点が異なる以外は、前記実施の形態１とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。下部電極１７０２の開口部１７１３は、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により形成することができる。開口部１７１３の絶縁膜による埋め込みは、プラズマＣＶＤ法により行うことができる。

以上説明したように、本実施の形態３のＣＭＵＴによれば、前記実施の形態１と同様に、メンブレン（絶縁膜１７０５）が下部電極１７０２へ接触しても、絶縁膜１７０５に設けた突起１７０６により、接触面積が低減され、絶縁膜１７０５、１７０３への電荷注入が抑制でき、使用電圧の変動を小さくすることができる。さらに、前記突起１７０６と下部電極１７０２の位置が重ならない配置とすることで、上部電極１７０７、下部電極１７０２から絶縁膜１７０５、１７０３の突起１７０６への電荷の注入も防止できる。これにより、カラプス電圧に近い電圧でＣＭＵＴを駆動でき、ＣＭＵＴの感度を向上することができる。

さらに、ウェハ貼り合わせ等の特殊な技術を使用する必要がないことから、低コストなＣＭＵＴを製造できる。

なお、図１６において、ＣＭＵＴは六角形の形状をしているが、形状はこれに限らず、例えば、円形形状をしていてもよい。

突起および上部電極の開口部の配置に関しても、７つの突起と開口部を空洞部に配置しているが、突起の配置はこれに限らず、カラプス電圧よりも大きな電圧が上部電極、下部電極間に印加された場合にメンブレンが下部電極に接触しないよう、突起が支柱の役割をすればよい。

また、本実施の形態３として示したＣＭＵＴを構成する材料は、その組み合わせの一つを示したものであり、上部電極、下部電極の材料として、タングステンやその他の導電性を持つ材料にしてもよい。犠牲層の材料も、犠牲層の周りを囲む材料とのウェットエッチング選択性が確保することができればよい。したがって、多結晶シリコン膜の他に、ＳＯＧ膜（Ｓｐｉｎ−ｏｎ−Ｇｌａｓｓ）あるいは金属膜などであってもよい。

また、本実施の形態３として示した製造方法では、平坦化された面上ならばＣＭＵＴを製造できる。したがって、下部電極がＳｉ基板であってもよく、また、ＬＳＩの配線部の一部を下部電極にしてもよい。

本発明の超音波トランスデューサは、半導体装置を製造する製造業に幅広く利用することができる。

本発明者らが検討した超音波トランスデューサの断面図である。 本発明の実施の形態１における超音波トランスデューサを示した上面図である。 （ａ）は図２のＡ−Ａ’線で切断した断面図であり、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ’線で切断した断面図である。 （ａ）は図２のＡ−Ａ’線で切断した断面での超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ’線で切断した断面での超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図４（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図４（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図５（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図５（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図６（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図６（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図７（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図７（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図８（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図８（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図９（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図９（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図１０（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図１０（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図１１（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図１１（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図１２（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図１２（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 本発明の実施の形態２における超音波トランスデューサを示した上面図である。 （ａ）は図１４のＡ−Ａ’線で切断した断面図であり、（ｂ）は図１４のＢ−Ｂ’線で切断した断面図である。 本発明の実施の形態３における超音波トランスデューサを示した上面図である。 （ａ）は図１６のＡ−Ａ’線で切断した断面図であり、（ｂ）は図１６のＢ−Ｂ’線で切断した断面図である。

符号の説明

１０１ 下部電極
１０２ 空洞層
１０３ メンブレン
１０４ 上部電極
３０１，１５０１，１７０１ 絶縁膜
３０２，１５０２，１７０２ 下部電極
３０３，１５０３，１７０３ 絶縁膜
３０４，１５０４，１７０４ 空洞層
３０５，１５０５，１７０５ 絶縁膜
３０６，１５０６，１７０６ 突起
３０７，１５０７，１７０７ 上部電極
３０８，１５０８，１７０８ 絶縁膜
３０９，１５０９，１７０９ 絶縁膜
３１０，１５１０，１７１０ ウェットエッチング孔
３１１，１５１１，１７１１ 開口部
３１２，１５１２，１７１２ 開口部
４０４ 多結晶シリコン膜
４０５ 開口部
４０７ 犠牲層
４０８ 窪み
４１３ 開口部
１５１３，１７１３ 開口部
１５１４，１７１４ 突起の外周面
１５１５，１７１５ 開口部の内周面

Claims (11)

1. 第１電極と、
   空洞層と、
   前記空洞層を介して前記第１電極と対向する第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に形成され、前記空洞層に突き出た突起を有する第１絶縁膜とを備え、
   前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方の電極には、前記突起と上面から見て重なる位置に配置され、第２絶縁膜で埋め込まれた開口部が設けられていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記第１絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴とする超音波トランスデューサ。
3. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記第１絶縁膜は前記空洞層と前記第２電極の間に配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
4. 請求項３記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記開口部は前記第２電極に設けられていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
5. 請求項３記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記開口部は前記第１電極に設けられていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
6. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記突起の外周面と前記一方の電極の開口部の内周面との距離は前記第１絶縁膜の膜厚以上であることを特徴とする超音波トランスデューサ。
7. 第１電極を形成する工程と、
   前記第１電極上に犠牲層を形成する工程と、
   前記犠牲層に窪みを形成する工程と、
   前記犠牲層を覆うように第１絶縁膜を形成するとともに、前記窪みに充填して前記第１絶縁膜の突起を形成する工程と、
   前記第１絶縁膜上に第２電極を形成する工程と、
   前記第２電極および前記第１絶縁膜を覆う第２絶縁膜を形成する工程と、
   前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜を貫通して前記犠牲層に達する開口部を形成する工程と、
   前記開口部を利用して前記犠牲層を除去することにより空洞層を形成する工程とを有することを特徴とする超音波トランスデューサの製造方法。
8. 請求項７記載の超音波トランスデューサの製造方法において、
   前記第２電極に第２開口部を形成する工程をさらに有し、
   前記第２開口部は前記第２絶縁膜により埋め込まれ、
   前記第２開口部は前記第１絶縁膜の突起と上面から見て重なる位置に配置されることを特徴とする超音波トランスデューサの製造方法。
9. 請求項８記載の超音波トランスデューサの製造方法において、
   前記突起の外周面と前記第２開口部の内周面との距離は前記第１絶縁膜の膜厚以上であることを特徴とする超音波トランスデューサの製造方法。
10. 請求項７記載の超音波トランスデューサの製造方法において、
    前記第１電極に第２開口部を形成する工程と、
    前記第２開口部を第３絶縁膜で埋め込む工程をさらに有し、
    前記第２開口部は前記第１絶縁膜の突起と上面から見て重なる位置に配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサの製造方法。
11. 請求項１０記載の超音波トランスデューサの製造方法において、
    前記突起の外周面と前記第２開口部の内周面との距離は前記第１絶縁膜の膜厚以上であることを特徴とする超音波トランスデューサの製造方法。

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