(57)【要約】【課題】専用のバックプレート部品を含まないマイクロホン検出素子を提供する。【解決手段】シリコン系のマイクロホン検出素子とこれを製造するための方法が開示される。本マイクロホン検出素子は、各辺または各コーナーに隣合う孔あきプレートを有するダイアフラムを有する。ダイアフラムは、導電性基板に作られた一つ以上の背面孔の上に整列配置され、この背面孔はダイアフラムの幅より小さい幅を有する。孔あきプレートは、基板の上に在るエアギャップ上に吊り下げられる。ダイアフラムは、コーナー、辺または中心でダイアフラムに取り付けられ、誘電体スペーサ層にアンカー固定された硬質パッドで終わる二つの端部を有する機械的スプリングによって支持される。可変キャパシタ回路を確立するために第１の電極が一つ以上の硬質パッド上に形成され、基板上の一つ以上の位置に第２の電極が形成される。本マイクロホン検出素子は、寄生キャパシタンスを減らすために種々のアプローチで具体化され得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）下部誘電体スペーサ層と上部膜フィルムとからなるスタックが正面上に形成され、ハードマスクが背面上に配置された正面と背面とを有する基板を用意するステップと、
（ｂ）前記基板の前記正面に接する前記下部誘電体スペーサ層を貫通して延びる複数のバイアを前記上部膜フィルム内に形成するステップと、
（ｃ）前記上部膜フィルム上のある一定の位置に複数の第１の電極を、また一つ以上の前記バイアに第２の電極を形成するステップと、
（ｄ）ダイアフラムと前記ダイアフラムの各辺または各コーナーに隣合う孔あきプレートとを定め、一方の端部において前記ダイアフラムに、他方の端部においてパッドに接続される二つの端部を有する機械的スプリングと、各機械的スプリングを前記下部誘電体スペーサ層にアンカー固定するパッドとを定める開口部を形成するために前記上部膜フィルムをエッチングするステップと、
（ｅ）前記ダイアフラムの下に整列されられる、前記ハードマスクにおける開口部と基板における背面孔とをエッチングするステップと、
（ｆ）前記ダイアフラムと前記背面孔との間にエアギャップを形成するために解放ステップにおいて前記下部誘電体スペーサ層の一部分を除去するステップと、を備える専用バックプレートを有さないマイクロホン検出素子を形成する方法。
【請求項２】
前記基板は低抵抗率を有するシリコンからなり、前記膜フィルムは低抵抗率を有するドープドシリコンまたはドープドポリシリコンからなる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記下部誘電体スペーサ層は、燐珪酸ガラス（ＰＳＧ）、熱酸化物、オルソ珪酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）層、または低温酸化物からなる請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ハードマスクは、熱酸化物層、低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）窒化シリコン層からなるか、あるいは前記の層の両方からなる複合層である請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１と第２の電極は、Ａｕ／Ｃｒ複合層からなるか、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｕまたは他の金属材料からなる単一層または複合層である請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ダイアフラムは本質的に正方形であり各辺は第１の長さを有し、孔あきプレートは前記第１の長さに等しいか、より小さい長さ方向寸法と前記長さ方向寸法より小さい幅とを有する請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記孔あきプレートの前記孔は正方形、矩形または円形の形状を有し、前記上部膜フィルムのエッチング時に形成される請求項１に記載の方法。
【請求項８】
機械的スプリングは上から見て矩形、「Ｕ字形」、または「Ｌ字形」の形状を有する請求項１に記載の方法。
【請求項９】
機械的スプリングは第１の幅を有し、パッドは本質的に正方形の形状と前記第１の幅に等しいか、より大きい幅寸法とを有する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板に前記背面孔をエッチングするステップは、ＫＯＨエッチングによって実行され、前記背面孔は背面の開口部が正面の開口部より大きな幅を有し、前記正面の開口部が前記ダイアフラム側の長さより小さい幅を有する傾斜した側壁を有する請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記背面孔をエッチングするステップは、深部ＲＩＥ（ＤＲＩＥ）エッチングによって実行され、前記背面孔は垂直な側壁と前記ダイアフラムの辺の長さより小さい幅とを有する請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
第１の電極のある一定の位置はパッド上にある請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
第１のフォトマスクはステップ（ｂ）のために使用され、第２のフォトマスクはステップ（ｃ）のために使用され、第３のフォトマスクはステップ（ｄ）のために使用され、第４のフォトマスクはステップ（ｅ）においてハードマスクに開口部をエッチングするために使用される請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記膜フィルムは平面であり、前記ダイアフラムと機械的スプリングとパッドは共面であり等しい厚さを有する請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
（ａ）正面と背面孔が形成された背面とを有する基板と、
（ｂ）前記基板の正面上に形成された誘電体スペーサ層と、
（ｃ）第１の厚さと中心とある長さを有する４つの辺と４つのコーナーとを有して前記背面孔の上方に整列させられるダイアフラムと、
（ｄ）第１の厚さと複数の孔とを有し前記ダイアフラムの各辺または各コーナーに隣合う矩形の孔あきプレートであって、長さ方向と幅方向の寸法を有し、前記基板の上にあるエアギャップの上に吊り下げられる矩形の孔あきプレートと、
（ｅ）前記ダイアフラムの各コーナーに取り付けられた機械的スプリングであって、各機械的スプリングは第１の厚さと、長さと、幅と、一方の端部が前記ダイアフラムの１コーナーに取り付けられ、第２の端部がパッドに接続される二つの端部と、を有する機械的スプリングと、
（ｆ）各機械的スプリングに接続されたパッドであって、前記パッドは第１の厚さと４辺と長さと幅とを有し前記誘電体スペーサ層上に形成され、前記パッドは前記背面孔とエアギャップとを通り抜ける音響信号に応答して上下に（基板に垂直に）振動する前記機械的スプリングとダイアフラムとをアンカー固定するために役立つパッドと、を備える専用バックプレート部品を有さないマイクロホン検出素子。
【請求項１６】
一つ以上のパッド上に形成された第１の電極と、前記基板上に形成された一つ以上の第２の電極とを更に備えており、第１の電極と第２の電極は可変キャパシタ回路を形成するように接続される請求項１５に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項１７】
第１の電極と第２の電極はＡｕ／Ｃｒ複合層からなるか、あるいはＡｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｕまたは他の金属材料からなる単一層または複合層である請求項１６に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項１８】
前記ダイアフラムと機械的スプリングとパッドと孔あきプレートは共面であり、シリコン、ポリシリコン、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉまたは他の金属材料からなる請求項１５に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項１９】
前記背面孔は前記基板の正面に前記ダイアフラムの長さより小さい第１の幅を有する開口部を有し、また前記背面孔は前記基板の背面に前記第１の幅に等しいか、より大きい第２の幅を有する開口部を有する請求項１５に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項２０】
機械的スプリングは矩形、「Ｕ字形」または「Ｌ字形」の形状と、前記ダイアフラムの中心と１コーナーとを通る平面に沿った長さ方向とを有する請求項１５に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項２１】
機械的スプリングはパッドの１辺に取り付けられる請求項１５に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項２２】
前記ダイアフラムは正方形または矩形の形状を有する請求項１５に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項２３】
前記誘電体スペーサ層は熱酸化物層、低温酸化物層、ＴＥＯＳ層またはＰＳＧ層からなる請求項１５に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項２４】
前記基板は低抵抗率を有するドープドシリコン、または上に導電層が形成されたガラスのいずれかからなる請求項１５に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項２５】
（ａ）正面と背面孔が形成された背面とを有する基板と、
（ｂ）前記基板の正面上に形成された誘電体スペーサスタックと、
（ｃ）第１の厚さと中心と４コーナーとある長さを有する４辺と底面とを有し、前記背面孔の上方に整列させられるダイアフラムと、
（ｄ）第１の厚さと複数の孔とを有し前記ダイアフラムの各辺または各コーナーに隣合う矩形の孔あきプレートであって、長さ方向と幅方向の寸法を有し、前記誘電体スペーサ層に形成されたエアギャップの上に吊り下げられる矩形の孔あきプレートと、
（ｅ）前記ダイアフラムの各コーナーまたは各辺に取り付けられた機械的スプリングであって、各機械的スプリングは第１の厚さと、長さと、幅と、一方の端部が前記基板の上方の第１の距離において前記ダイアフラムに取り付けられ、第２の端部が前記基板の上方で前記第１の距離より大きい第２の距離においてパッドに接続される二つの端部と、を有する機械的スプリングと、
（ｆ）半導体層の硬い垂直セクションによって支持される各機械的スプリングに接続された、前記半導体層の水平セクションからなるパッドであって、前記パッドは第１の厚さと４辺と長さと第１の幅とを有し、前記垂直セクションはある深さと第２の幅とを有するパッドと、を備える専用バックプレートを有さないマイクロホン検出素子。
【請求項２６】
前記ダイアフラムと孔あきプレートと機械的スプリングと半導体層は、ドープドポリシリコン層からなる、請求項２５に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項２７】
前記背面上の熱酸化物層と熱酸化物層上に形成されたＬＰＣＶＤ窒化シリコン層とからなる誘電体スタックを更に備えており、前記正面上に形成された前記誘電体スペーサスタックは下部熱酸化物層と中間ＬＰＣＶＤ窒化シリコン層と上部酸化物層とからなる請求項２５に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項２８】
前記基板は低抵抗率を有するドープドシリコンからなるか、あるいは上に導電層が形成されたガラスである請求項２５に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項２９】
前記基板から前記第２の距離にある一つ以上のパッド上に形成された第１の電極と、前記基板から前記第１の距離に形成されたポリシリコン層の一つ以上の水平セクション上に配置された第２の電極とを更に備える請求項２５に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項３０】
第１の電極と第２の電極は本質的に正方形の形状を有し、またＡｕ／Ｃｒ複合層からなるか、あるいはＡｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｕまたは他の金属材料からなる単一層または複合層である請求項２９に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項３１】
前記背面孔は前記誘電体スペーサスタックを貫通して延びる第１の幅を有する正面開口部と前記誘電体スタックを貫通して延びる、前記第１の幅に等しいか、より大きい第２の幅を有する背面開口部とを有する請求項２７に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項３２】
機械的スプリングは矩形、「Ｕ字形」または「Ｌ字形」の形状を有し、前記ダイアフラムの中心を通る平面に沿った長さ方向を有する請求項２５に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項３３】
前記半導体層の前記垂直セクションは充填されたリング状のトレンチからなり、第１のトレンチは前記第１の電極の下の誘電体スペーサスタックを取り囲み第１の領域の上部ポリシリコン層と下部熱酸化物層とからなるスタック上に形成され、第２のトレンチは第２の電極の下の誘電体スペーサスタックを取り囲み前記基板に接触する請求項２９に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項３４】
前記第１の領域の前記ポリシリコン／熱酸化物スタックは、前記パッドと前記基板との間の寄生キャパシタンスを減らすために前記ポリシリコン／熱酸化物スタックと共に役立つ酸化物充填トレンチを有する前記基板の一部分の上に形成される請求項３３に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項３５】
前記ダイアフラムと同じ材料からなる前記ダイアフラムの底面に取り付けられた補強部を更に備える請求項２５に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項３６】
（ａ）正面と背面孔が形成された背面とを有する基板と、
（ｂ）前記基板の正面上に形成された誘電体スペーサスタックと、
（ｃ）第１の厚さと中心と４つのコーナーとある長さを有する４つの辺と底面とを有し、前記背面孔の上方に整列させられるダイアフラムと、
（ｄ）第１の厚さと複数の孔を有し前記ダイアフラムの各辺または各コーナーに隣合う矩形の孔あきプレートであって、長さ方向と幅方向の寸法を有し、前記誘電体スペーサスタックに形成されたエアギャップの上に吊り下げられる矩形の孔あきプレートと、
（ｅ）前記ダイアフラムの各コーナーに取り付けられた機械的スプリングであって、各機械的スプリングは第１の厚さと、長さと、第１の幅と、一方の端部が前記ダイアフラムに取り付けられ、第２の端部が電気的接続点として役立つパッドに接続される二つの端部と、を有する機械的スプリングと、
（ｆ）第１の厚さと４辺と長さと第１の幅とを有するパッドであって、各機械的スプリングに接続され、硬いベース要素によって支持されるパッドと、
（ｇ）４個の充填されたトレンチからなる連続壁の形をしたベース要素であって、各充填されたトレンチは長さ方向および幅方向の寸法と厚さと最上部と底部とを有し、前記底部は前記基板に接触し、前記最上部はパッドに接続し、前記ベース要素は各パッドの下の誘電体スペーサスタックを取り囲んでいるベース要素と、を備える専用バックプレートを有さないマイクロホン検出素子。
【請求項３７】
前記ダイアフラムと孔あきプレートと機械的スプリングとパッドは共面でありポリシリコンからなる請求項３６に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項３８】
前記ダイアフラムの底面上に形成されたポリシリコンの補強部を更に備える請求項３７に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項３９】
前記基板は低抵抗率を有するドープドシリコンからなる請求項３６に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項４０】
前記背面上の熱酸化物層と前記熱酸化物層上のＬＰＣＶＤ窒化シリコン層とからなる誘電体スタックを更に備えており、前記誘電体スペーサスタックは下部熱酸化物層と前記熱酸化物層上のＬＰＣＶＤ窒化シリコン層と前記ＬＰＣＶＤ窒化シリコン層上のＰＳＧ層とからなる請求項３６に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項４１】
一つ以上のベース要素上に形成された第１の電極と前記基板上に配置された一つ以上の第２の電極とを更に備えており、第１の電極はパッドの隣合う領域の上に部分的に重ねられる請求項３６に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項４２】
第１の電極と第２の電極はＡｕ／Ｃｒ複合層からなるか、あるいはＡｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｕまたは他の金属材料からなる単一層または複合層である請求項４１に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項４３】
前記ベース要素はシリコンリッチ窒化シリコン（ＳＲＮ）層からなる請求項３６に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項４４】
前記背面孔は前記正面上の前記熱酸化物層とＬＰＣＶＤ窒化シリコン層とを貫通して延びる第１の幅を有する正面開口部と前記誘電体スタックを貫通して延びる背面開口部であって、ダイアフラムの辺の長さより小さい前記第１の幅に等しいか、より大きい第２の幅を有する背面開口部とを有する請求項４０に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項４５】
機械的スプリングは矩形、「Ｕ字形」または「Ｌ字形」の形状を有し、前記ダイアフラムの中心と１コーナーとを通る平面に沿った長さ方向を有する請求項３６に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項４６】
（ａ）正面と背面孔が形成された背面とを有する基板であって、前記背面孔は４つのセクションを有し、一つのセクションは互いに垂直で、且つ前記基板に垂直である第１および第２の平面によって分割された各象限に形成される基板と、
（ｂ）第１の厚さと中心とエッジと４つのコーナーとある長さを有する４つの辺と底面とを有するダイアフラムであって、前記象限の各々にある背面孔の上方と、前記底面と前記基板との間に形成されたエアギャップの上に形成されるダイアフラムと、
（ｃ）前記基板の正面上と前記ダイアフラムの中心の下に形成された、ある厚さと幅とを有する誘電体スペーサ層と、
（ｄ）第１の厚さと複数の孔とを有し前記ダイアフラムの各辺に隣合う矩形の孔あきプレートであって、前記基板の上にあるエアギャップの上に吊り下げられる矩形の孔あきプレートと、
（ｅ）前記第１の平面に沿って形成された長さ方向寸法を有する二つの辺と二つの端部とを有する第１の１対の機械的スプリングであって、前記機械的スプリングは前記ダイアフラムと共面であり各辺に沿ったスロットによって前記ダイアフラムから分離されており、一方の端部は前記誘電体スペーサ層上に形成され、第２の端部は前記ダイアフラムのエッジに取り付けられる第１の１対の機械的スプリングと、
（ｆ）前記第２の平面に沿って形成された長さ方向寸法を有する二つの辺と二つの端部とを有する第２の１対の機械的スプリングであって、前記機械的スプリングは前記ダイアフラムと共面であり各辺に沿ったスロットによって前記ダイアフラムから分離されており、一方の端部は前記誘電体スペーサ層上に形成され、第２の端部は前記ダイアフラムのエッジに取り付けられており、前記誘電体スペーサ層上の前記端部は前記誘電体スペーサ層上に前記第１の１対の機械的スプリングの端部とのオーバーラップ領域を形成する第２の１対の機械的スプリングと、を備える専用バックプレートを有さないマイクロホン検出素子。
【請求項４７】
前記基板は低抵抗率を有するドープドシリコンまたは上に導電層が形成されたガラスからなり、前記ダイアフラムと機械的スプリングと孔あきプレートはドープドシリコン、ドープドポリシリコンまたは他の半導体材料からなる請求項４６に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項４８】
前記誘電体スペーサ層の上方の前記機械的スプリングのオーバーラップ領域上に形成された第１の電極と前記孔あきプレートまたはダイアフラムの外側の基板上に形成された第２の電極とを更に備える請求項４６に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項４９】
前記機械的スプリングは前記背面孔セクションの上には形成されない請求項４６に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項５０】
前記エアギャップは前記誘電体スペーサ層の厚さによって定められる厚さを有する請求項４６に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項５１】
前記第１の電極と第２の電極はＡｕ／Ｃｒ複合層からなるか、あるいはＡｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｕまたは他の金属材料からなる単一層または複合層である請求項４６に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項５２】
前記誘電体スペーサ層は酸化物、窒化シリコンまたは他の誘電体材料からなる単一層または複合層である請求項４６に記載のマイクロホン検出素子。
【請求項５３】
前記ダイアフラムは基本的に正方形または矩形であり、孔あきプレートは前記ダイアフラムの長さに等しいか、より小さい長さ方向寸法と前記長さ方向寸法より小さい幅とを有する請求項４６に記載のマイクロホン検出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンコンデンサマイクロホンの検出素子とこれを製作するための方法とに関し、また特に可動ダイアフラムに直接取り付けられる孔あきプレートを有する専用のバックプレートを有さないシリコンマイクロホン構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
音響変換器としても知られたシリコン系のコンデンサマイクロホンは、２０年以上にわたって研究開発段階にある。小型化、性能、信頼性、環境的耐久性、低コスト、および量産性におけるその潜在的利点のために、シリコンマイクロホンは、通信、マルチメディア、消費者電子機器、補聴器などに広く使用されてきた従来のエレクトレットコンデンサマイクロホン（ＥＣＭ）に取って代わる次世代製品として広く認められている。すべてのシリコン系アプローチのうちでマイクロホンの容量コンデンサ型が、近年最も顕著に進歩してきた。シリコンコンデンサマイクロホンは典型的には、検出素子と前置増幅器ＩＣ装置である二つの基本素子からなる。検出素子は基本的には、可動柔軟ダイアフラムと、硬い固定された孔あきバックプレートと、ダイアフラム・バックプレート間にエアギャップを形成するための誘電体スペーサとで構成された可変キャパシタである。前置増幅器ＩＣ装置は基本的に、電圧バイアス源（バイアス抵抗器を含む）とソースフォロア前置増幅器とで構成される。シリコン基板上の可変キャパシタの非常に多くの実施形態が存在しているが、各従来技術例は、マイクロホン検出素子の構造に専用のバックプレートを含む。表１は、マイクロホン検出素子の製造に種々の材料を使用する典型的な例を列挙する。
【表１】
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【０００３】
表１の参考文献は、次の通りである：（１）D. Hohm and G. Hess, "A Subminiature Condenser Microphone with Silicon Nitride Membrane and Silicon Backplate" （窒化シリコン膜とシリコンバックプレートとを有する超小型コンデンサマイクロホン）, J. Acoust. Soc. Am., Vol. 85, pp.476-480 (1989); （２）J. Bergqvist et al., "A New Condenser Microphone in Silicon"（シリコン製新型コンデンサマイクロホン）, Sensors and Actuators, A21-23 (1990), pp.123-125；（３）W. Kuhnel et al., "A Silicon Condenser Microphone with Structured Backplate and Silicon Nitride Membrane" （構造化バックプレートと窒化シリコン膜とを有するシリコンコンデンサマイクロホン）, Sensors and Actuators A, Vol. 30, pp.251-258 (1991);（４）P. Scheeper et al., "Fabrication of Silicon Condenser Microphones Using Single Wafer Technology"（単一ウェーハ技術を使用するシリコンコンデンサマイクロホンの製造）, J. Microelectromech. Systems, Vol. 1, No. 3, pp.147-154 (1992); (５)米国特許第５，１４６，４３５号および米国特許第５，４５２，２６８号；（６）J. Bergqvist et al., "A Silicon Microphone Using Bond and Etch-back Technology" （ボンディングおよびエッチバック技術を使用するシリコンマイクロホン）, Sensors and Actuators A, Vol.45, pp.115-124 (1994)；（７）Zou, Quanbo, et al., "Theoretical and Experimental Studies of Single-Chip Processed Miniature Silicon Condenser Microphone with Corrugated Diaphragm"（波形ダイアフラムを有する単一チップ処理小型シリコンコンデンサマイクロホンの理論的および実験的研究）, Sensors and Actuators A, Vol. 63, pp. 209-215 (1997);（８）米国特許第５,４９０，２２０号および米国特許第４，８７０，４８２号；（９）M. Pedersen et al., "A Silicon Microphone with Polyimide Diaphragm and Backplate" （ポリイミドダイアフラムとバックプレートとを有するシリコンマイクロホン）, Sensors and Actuators A, Vol. 63, pp. 97-104 (1997)；（１０）P. Rombach et al., "The First Low Voltage, Low Noise Differential Condenser Silicon Microphone"（第１低電圧・低雑音差動コンデンサシリコンマイクロホン）, Eurosensor XIV, The 14th European Conference on Solid State Transducers（第１４回・固体変換器に関するヨーロッパ会議）, Aug. 27-30, 2000, pp. 213-216；（１１）M. Brauer et al., "Silicon Microphone Based on Surface and Bulk Micromachining"（表面および本体の微細加工に基づくシリコンマイクロホン）,Ｊ. Micromech. Microeng., Vol. 11, pp. 319-322 (2001)；（１２）ＰＣＴ特許出願第ＷＯ０１／２０９４８Ａ２号。
【０００４】
マイクロホン検出素子における専用バックプレートの包含は通常、材料と処理方法とにおけるその特殊な定義のために製造の複雑化に通じる。ダイアフラムとバックプレート間のオーバーレイと間隔取りに関する処理問題だけでなく必要とされるマスキングレベルも通常、複雑で高コスト製造という結果を招く。
【０００５】
したがって製造プロセスが削減されたコストで単純化されることを可能にするシリコンマイクロホンのための改良された構造が必要とされている。特に改良された性能を有するマイクロホン検出素子を製造するために、より少ないマスキングレベルが必要とされるように、可変キャパシタ部品のための新規な設計が望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の一つの目的は、専用のバックプレート部品を含まないマイクロホン検出素子を提供することである。
【０００７】
本発明の更なる目的は、マイクロホン検出素子を製造するための単純化された方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
これらの目的は、その最も基本的な実施形態において、硬質パッドを介して導電性基板にアンカー固定された機械的スプリングによってダイアフラムのエッジまたはコーナーで支持される可動ダイアフラムを特徴とするマイクロホン検出素子によって達成される。各パッドは、ダイアフラムと基板との間にエアギャップを定めるスペーサとして働く誘電体層上に配置される。ダイアフラムの各辺には、ダイアフラム、パッドおよび機械的スプリングと同じ材料の層から作られた孔あきプレートが取り付けられる。一つ以上のパッドは、配線によって外部回路に接続される導電性金属材料のアイランドである、上に重なる第１の電極を有する。同じ材料組成の第２の電極は、導電性基板上に形成され、可変キャパシタ回路を完成させるように配線される。一実施形態（ＳＯＩバージョン）ではダイアフラムと孔あきプレートとパッドと機械的スプリングは共面（同一面）であり同じシリコン層から作られ、また誘電体スペーサは酸化物層である。ダイアフラムと孔あきプレートの両方は、形状的に矩形であり得る。孔あきプレートは、隣合う機械的スプリング間に配置される。パーフォレーションは好ましくは、複数の孔の多数の行と列とを備える。音響信号がダイアフラムへの自由通路を有し、それによってダイアフラムに振動を誘発するように、基板と孔あきプレートとの間の誘導体スペーサにはエアギャップが存在し、ダイアフラムの下方の基板には背面孔（back hole）が形成される。ダイアフラムと機械的スプリングと孔あきプレートは、振動時に協調運動で上下に（基板に垂直に）動く。この動きは、出力電圧に変換され得る第１と第２の電極間のキャパシタンス変化という結果をもたらす。
【０００９】
酸化シリコン層、例えばオルソ珪酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）が犠牲層として使用される第２の実施形態では、ダイアフラム、機械的スプリング、パッドおよび孔あきプレートは、すべて薄いポリシリコン（ポリ２）層から作られる。孔あきプレートが取り付けられたダイアフラムは、基板の背面孔の上に整列させられるダイアフラムの底面の下に突き出た底面補強部を有し得る。このダイアフラムは、４つのコーナーと４つの辺とを有する正方形であり、各辺には孔あきプレートが取り付けられ得る。４個の機械的スプリングの各々は、ダイアフラムの中心と１コーナーとを通る平面に沿った長さ方向に形成され、一方の端部がダイアフラムに取り付けられ、他方の端部がポリ２アンカーパッドに接続される二つの端部を有する。任意選択的に機械的スプリングはダイアフラムの各辺に取り付けられ、また孔あきプレートは隣合うダイアフラムのコーナーまたは辺の一部分に取り付けられる。アンカーパッドまたはパッドもまた電気的接続点として役立つ。ポリ２アンカーパッドと導電性基板との間の寄生キャパシタンスを減らすために、ポリ２アンカーパッドは、ダイアフラムと共面でない可能性があり、また基板とアンカーパッドとの間に一つ以上の誘電体酸化物層を加えることによって基板から離れるように隆起させられ得る。もう一つのポリシリコン（ポリ１）パッドは、酸化物トレンチのエッチングのためのエッチング停止層として役立つようにポリ２アンカーパッドと基板との間に介在させられ得る。壁の形をしたポリ２充填トレンチは、介在するポリ１パッドの内側エッジを連続的に取り囲む。ポリ２アンカーパッドの種々のセクションは、ポリ１アンカーパッドのエッジの回りに連続するリングを形成し、それによってポリ１アンカーパッドの下の酸化物層を解放プロセスでエッチング除去されることから保護する。介在するポリ１パッドと基板との間の酸化物層は、エアギャップを形成するために使用される酸化物解放エッチングに耐える、または遅らせることができる窒化シリコンなどで作られたもう一つの誘電体層によって保護される。寄生キャパシタンスを更に減らすために、導電性シリコン基板内で機械的スプリングとそれらのアンカーパッドによって覆われるどこにでも酸化物で充填された複数のメッシュパターン化された深いトレンチが形成され得る。
【００１０】
第３の実施形態ではダイアフラムは、第２の実施形態でのように、４枚の取り付けられた孔あきプレートとダイアフラムをそのコーナーにおいて４個のパッド（アンカーパッド）に接続する４個の機械的スプリングとを有する。しかしながら機械的スプリングとパッドとダイアフラムは共面であり、基板から第１の距離にある同じポリシリコン層から作られる。ダイアフラムは、第２の実施形態のように底面補強部を有し得る。しかしながら各機械的スプリングは、最上部、底部および幅を有する側壁からなる垂直セクションによって支持されるベース要素の水平セクションにアンカー固定される。ベース要素は好ましくは、正方形または矩形のリング状に配置された４つの側壁を形成するように４つのトレンチを充填するシリコンリッチ窒化シリコン（ＳＲＮ）で作られる。ＳＲＮベースの水平セクションは、一実施形態では機械的スプリングの延長部であるパッド上に形成される。このようにしてダイアフラムとその取り付けられた孔あきプレートは、エアギャップと基板の背面孔の上に吊り下げられる。第１の電極は、非共面であり水平セクションと隣合うパッドの最上部に形成されてもよい。第２の電極は、基板上に形成される。
【００１１】
機械的スプリングのためのコーナー支持またはエッジ支持が「中心支持」構成によって置き換えられる第１の実施形態の修正版である第４の実施形態が図示されている。中心の硬質アンカーパッドとして機能する誘電体スペーサ層は、ダイアフラムの中心の下の基板上に形成され、第１の電極の下で一方の端部にオーバーラップする４個の機械的スプリングを支持する。機械的スプリングの他方の端部は、ダイアフラムのエッジに接続される。各機械的スプリングは、ダイアフラムの中心で交差して基板に垂直である二つの垂直な平面の一つに沿った長さ方向を有する矩形の形状を有し得る。機械的スプリングのいずれの側にも長さ方向に沿って、機械的スプリングをダイアフラムから分離するスロットが存在する。背面孔は、一つのセクションがこれら二つの交差する平面によって定められる各ダイアフラム象限の下に形成される４つのセクションを有する。誘電体スペーサ層の厚さは、ダイアフラムと基板との間のエアギャップの厚さを定める。
【００１２】
本発明はまた、専用のバックプレートを有する従来のシリコンコンデンサマイクロホンの大部分より少ないマスクを必要とするマイクロホン検出素子を製造する単純な方法である。例示的プロセス列は、導電性基板、例えばドープドシリコン（doped silicon）上に誘電体スペーサ層を形成するステップを含む。誘電体スペーサ層は、酸化シリコンからなり得る。それから誘電体スペーサ層上には、ドープドシリコンまたはポリシリコンであり得る膜フィルムが形成される。次に、引き続いて背面孔を製造するために使用される一つ以上の層からなるハードマスクが、基板の背面に形成される。第１のフォトマスクは、基板に接触するように誘電体スペーサ層を貫通して延びる一つ以上のバイア（via）を膜フィルム内に生成するために使用される。第２のフォトマスクは、二つ以上の金属の複合体であり得る導電層が正面に堆積された後に、第１の電極である膜層上の一つ以上のアイランドと第２の電極である基板上の一つ以上のバイア内のアイランドとを除いて導電層を除去するために使用される。それからもう一つのフォトマスクは、孔あきプレートを定めるように、そして孔あきプレートのエッジと機械的スプリングとパッドとを定める開口部を形成するように、膜層の一部分に孔をエッチングするために使用される。第４のフォトマスクは、ダイアフラムの下の基板に背面孔を形成するための次のステップでのＫＯＨエッチング剤または深部ＲＩＥエッチングを可能にする背面上のハードマスクに開口部をエッチングするために使用される。最後に時限解放ステップ時のエッチング剤は、ダイアフラムがエアギャップとその下にある背面孔の上に吊り下げられるようにエアギャップを作り出すためにダイアフラムと背面孔との間の誘電体スペーサ層の一部分を除去する。
【００１３】
基本的シリコンマイクロホン構造を形成するための最も単純な製造方法は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハを含む。当業者は、ウェーハ・ツー・ウェーハ・ボンディング方法とポリシリコン表面微細加工とを含む他の製造方法も他の実施形態または本明細書に説明されたものに類似の実施形態を形成するために使用され得ることを認める。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、既存の半導体材料とシリコン微細加工プロセスとによって直ちに製作され得る容量コンデンサタイプのマイクロホンのための検出素子である。図は、必ずしも一定の拡大率で描かれておらず、また構造内の種々の要素の相対的サイズは実際の装置とは異なる可能性がある。本発明は、高性能マイクロホン検出素子が専用バックプレート部品なしで構成され得るという発見に基づいている。マイクロホン動作キャパシタンスは、背面孔が形成された導電性基板とこの基板の上方の可動ダイアフラムに取り付けられた孔あきプレートとによって達成される。このダイアフラムは、基板上に配置された誘電体スペーサ層上の硬質アンカーパッドに取り付けられた機械的スプリングに接続され得る。
【００１５】
図１を参照すると、本発明によるマイクロホン検出素子の第１の実施形態が描かれている。マイクロホン検出素子１０は、好ましくは低い抵抗率を有する基板１１、例えばシリコン上に構成される。任意選択的に基板１１は、その上に導電層が形成されたガラスであり得る。マイクロホン検出素子１０は、ダイアフラムと機械的スプリングと孔あきプレートとパッドとに作られる膜フィルムに基づいている。例示的実施形態では、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕまたは他の金属材料がドープされ得るシリコン、ポリシリコンで作られた本質的に正方形の平面ダイアフラム１３ａが存在する。代替としてダイアフラムは、矩形または円形の形状を有し得る。ダイアフラム１３ａは、ダイアフラムと同じ材料で作られ、ダイアフラムと同じ厚さを有する機械的スプリング１３ｂによってその４つのコーナーの各々において支持される。機械的スプリング１３ｂは、長さａ、幅ｂを有し、またダイアフラム中心ｅと一つのコーナーとを通る平面に沿って形成される。各機械的スプリング１３ｂは、ダイアフラム１３ａと同じ材料から構成され、同じ厚さを有する、今後パッド１３ｃと呼ばれるアンカーパッドで終わる矩形、「Ｕ字形」または「Ｌ字形」の形状を有し得る。例示目的のためにパッド１３ｃは、典型的には機械的スプリングの幅ｂより大きい幅と長さｃを有する本質的に正方形として示されている。しかしながらパッド１３ｃはまた、矩形の形状を有し得るか、あるいは丸められたエッジを有し得る。一実施形態では各機械的スプリング１３ｂは、パッド１３ｃの一つの辺に接続される。
【００１６】
パッド１３ｃは、ダイアフラムに振動を誘発するように音響信号が通過し得るエアギャップと背面孔（図示せず）の上にダイアフラム１３ａと孔あきプレート１３ｄとが吊り下げられるように、スペーサとして役立つ誘電体層１２を介して基板１１にアンカー固定される。一態様では誘電体層１２は、酸化シリコンから構成される。この実施形態は、膜フィルムがシリコンで構成され、誘電体層１２が酸化シリコンであるＳＯＩアプローチを包含している。任意選択的に誘電体層１２は、当分野で使用される他の誘電体材料で作ることも可能であり、また複数の層による複合体でもよい。
【００１７】
本発明のもう一つの重要な特徴は、形状的に矩形である孔あきプレート１３ｄがダイアフラム１３ａの各辺に隣合っていることである。孔あきプレート１３ｄは、それが取り付けられるダイアフラムの辺の長さに等しいか、それより小さい長さ方向寸法とその長さ方向寸法より小さい幅とを有し、またダイアフラム１３ａと同じ組成と同じ厚さを有する。パーフォレーションは多数の列と行に配置され得る孔１９から構成される。これらの孔は、振動時に空気の通風を可能にするために、それによって狭いエアギャップ（図示せず）内での空気制動を減らすために必要とされる。
【００１８】
外部配線への接続点として役立つ各パッド１３ｃの上にはＣｒ／Ａｕのような金属層からなるコンタクトまたは第１の電極１８ａが存在する。更に基板１１の正面に位置する第１の電極と同じ組成を有する一つ以上の第２の電極１８ｂが存在する。第１の電極と第２の電極は、可変キャパシタ回路を形成するために配線（図示せず）によって接続される。再び例示目的のために第１と第２の電極１８ａ、１８ｂは、形状的に正方形として示されているが、丸められたコーナーまたは矩形の形状も採用され得る。第１の電極１８ａは、処理時のある重なり誤差を考慮して、その長さと幅がパッド１３ｃの幅ｃより小さい。任意選択的に第１と第２の電極１８ａ、１８ｂはＡｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｕまたは他の金属材料からなる単一層または複合層であり得る。
【００１９】
第１の実施形態は更に、破線２３−２３（図１）に沿った断面から得られる図２の断面図に示される。可変キャパシタ回路２４は、第１の電極１８ａと第２の電極１８ｂとの間に示されている。基板１１において、ダイアフラム１３ａの下方に、また基板から孔あきプレート１３ｄと機械的スプリング１３ｂとを分離するスペーサ（誘電体層１２）におけるエアギャップ２８の下方に整列配置される傾斜側壁を有する背面孔２６が存在する。任意選択的に背面孔２６は垂直な側壁を有し得る。背面孔２６を通してダイアフラム１３ａの底面に突き当たる音響信号２５は、基板に垂直な協調運動で動くダイアフラムと、取り付けられた孔あきプレート１３ｄと、機械的スプリング１３ｂとに振動２７を誘発する。マイクロホン検出素子１０に加えて、シリコンコンデンサマイクロホンは電圧バイアス源（バイアス抵抗器を含む）とソースフォロア前置増幅器とからなるが、図面を単純化して本発明の基本的特徴に注意を向けるためにこれらの部品は図示されていないことが理解される。音響信号２５によって誘発された振動２７は、ソースフォロア前置増幅器によって出力される低インピーダンス電圧に変換される可変キャパシタ回路２４にキャパシタンス変化を引き起こす。
【００２０】
本発明によるバックプレートなしのシリコンマイクロホンにおける検出素子の第２の実施形態は図９〜１２に示されている。図９の図は、図１０の上面図に示された破線４７に沿った断面からのものである。破線４７は図面内の基本的特徴要素のすべてを横切るために直線状ではないことに留意すること。図９を参照すると、マイクロホン検出素子３０は、好ましくは正面と背面が研磨されていて、（１００）結晶方位と０．０１〜０．０２ｏｈｍ−ｃｍの抵抗率とを有するシリコンウェーハである基板に基づいている。任意選択的に基板は、その上に導電層を有するガラスからなる。寄生キャパシタンスを減らすために、機械的スプリング４１ｃとパッド４１ｄが上に重なる基板３１の正面上の領域は、基板を覆う酸化物層３３で充填されたトレンチ３２を有する。酸化物層３３と上に重なる第１のポリシリコン（ポリ１）層３４は、トレンチ３２とアイソレーショントレンチとしても知られるトレンチの周りの基板３１の部分とをカバーするアイランドの形をしたスタックを形成する。上面図（図１０）から、窒化シリコン層３６ならびに下にある酸化物層とポリ１／酸化物スタックは、機械的スプリング４１ｃと取り付け孔あきプレート４１ｅを有するダイアフラム４１ｂとをアンカー固定するパッド４１ｄの各々を支持する。
【００２１】
図９に戻ると、基板３１の正面とトレンチ３２の上方のポリ１／酸化物スタックとの上に配置された熱酸化物層３５が存在する。熱酸化物層３５の上には、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）窒化シリコン層３６が存在する。窒化シリコン層３６は、下にある熱酸化物層３５と酸化物層３３とを保護するために役立つ。基板３１の背面には、熱酸化物層３５ｂ上のＬＰＣＶＤ窒化シリコン層３６ｂからなる同様のスタックが存在する。ＬＰＣＶＤ窒化シリコン層３６の一部分の上には、低温酸化物（ＬＴＯ）、ＬＰＣＶＤオルソ珪酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）、プラズマ強化（ＰＥ）ＣＶＤ酸化物または燐珪酸ガラス（ＰＳＧ）からなり得る酸化物層３７が配置される。
【００２２】
好ましくはポリシリコンで作られた硬質半導体層の垂直セクションは、熱酸化物層３５と窒化シリコン層３６と酸化物層３７とからなる誘電体スペーサスタック（spacer stack）に形成され、ダイアフラム４１ｂの周辺の外側のある一定の領域で基板３１またはポリ１層３４に接している。一実施形態では垂直セクションは、ポリシリコン充填トレンチ３８ａ、３８ｂ、４０である。
【００２３】
パッド４１ｄと基板３１との間の寄生キャパシタンスを減らすためにパッド４１ｄは、ダイアフラム４１ｂと共面でなくてもよく、またこの場合、基板３１のある一定の領域上に酸化物層３３である誘電体層を挿入することによって基板から隆起させられ得る（ダイアフラムと比較して）。更に熱酸化物層３５と酸化物層３７とを介してトレンチ３８ｂをエッチングするときに酸化物層３３を保護するためのエッチングストッパとして役立つように酸化物層３３と熱酸化物層３５との間に、ポリ１層３４が挿入される。その結果、充填されたトレンチ３８ｂは、ポリ１層３４のエッジを連続的に取り囲む。パッド４１ｄと水平セクション４１ａの下の酸化物層３７と窒化シリコン層３６と熱酸化物層３５の一部分は、充填されたトレンチ３８ａ内と充填されたトレンチ３８ｂ内に完全に取り囲まれ、それによって取り囲まれた酸化物層３５、３７は、解放ステップ（release step）でエアギャップ４８を形成するために適用されるエッチングから保護される。更にポリ１層３４の下の酸化物層３３は、解放ステップで酸化物エッチングに耐え得る、またはエッチングを遅らせ得る窒化シリコン層３６によって保護される。
【００２４】
図１０の上面透視図からトレンチ３８ａは、第２の電極４５の周りに連続したリングを形成して第２の電極の下の誘電体スペーサスタックの一部分を取り囲む正方形または矩形の形状を有し得る。同様にトレンチ３８ｂ（図示せず）は第１の電極４４を取り囲む正方形または矩形の形状を有する。第１の電極４４は、ポリ１／酸化物スタックの上の窒化シリコン層３６の一部分の上の各パッド４１ｄの水平セクション上に配置され得る。この水平セクション４１ａ上には一つ以上の第２の電極４５が形成される。第１と第２の電極は、導電性材料、例えばＣｒ、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、またはＣｕからなる単一層または複合層であり得る。トレンチ４０は、一実施形態ではダイアフラム４１ａ、パッド４１ｄ、機械的スプリング４１ｂおよび孔あきプレート４１ｅを取り囲む正方形リング形状を有する連続した壁を形成する。充填されたトレンチ３８ａと上にある水平層は、第２のポリシリコン（ポリ２）層からなり、硬質ポリシリコン層４１ａを形成する。充填されたトレンチ３８ｂは、そうでなければパッド４１ｄとして知られる硬質ポリシリコン層の水平セクションを支持するために使用される。言い換えれば垂直セクション４１ａの上に配置された硬質ポリシリコン層の水平セクション４１ａが存在する。更に各パッド４１ｄは、垂直セクション４１ｄによって下のポリ１層３４に接続される。
【００２５】
図１１に示す一つのパッド領域の拡大図では、充填されたトレンチ３８ｂは、パッド４１ｄによってカバーされ、破線として示されている。充填されたトレンチ３８ｂは、第１の電極４４の下の誘電体スペーサスタックの一部分を取り囲む。各パッド４１ｄの下には、垂直セクション４１ｄとも呼ばれる充填されたトレンチ３８ｂが存在することは理解される。
【００２６】
図９に戻ると、水平セクション４１ａは、ダイアフラム４１ｂおよび孔あきプレート４１ｅと共面であり、ダイアフラム、孔あきプレート、機械的スプリング４１ｃ、パッド４１ｄと同じ厚さを有する。窒化シリコン層３６ｂと酸化物層３５ｂからなる背面ハードマスクスタックによって取り囲まれる基板３１に形成された背面孔４６が存在する。背面孔はＫＯＨエッチングのようなシリコン異方性エッチングの結果として傾斜側壁を有するように図示されているが、背面孔はまた、シリコン深部反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）の結果として垂直側壁を有することもできる。いずれの場合にも正面の開口部は、ダイアフラムの辺の長さより小さい幅を有する。
【００２７】
ダイアフラム４１ｂと孔あきプレート４１ｅと機械的スプリング４１ｃは、エアギャップ４８の上に吊り下げられる。エアギャップ４８は、孔あきプレート４１ｅと窒化シリコン層３６との間にある。ダイアフラム４１ｂと孔あきプレート４１ｅと機械的スプリング４１ｃは、基板３１に向かって下方に突き出たこれらの底部の辺に沿った補強部３９を有し得る。補強部３９は好ましくは、ダイアフラム４１ｂが薄い（約１ミクロン厚さ）ときに使用され、ダイアフラム厚さが約３ミクロンより厚いときには必要でない。開口部４３はポリ２層の水平セクション４１ｆを孔あきプレート４１ｅとパッド４１ｄから分離していることに留意すること。第２の電極４５の下の水平セクション４１ａを隔離するポリ２層の水平セクション４１ｆにはリング形状のトレンチ４９が存在する。
【００２８】
図１０の透視図は、孔あきプレート４１ｅとパッド４１ｄと機械的スプリング４１ｃとが、いわゆる「コーナー支持」構成でダイアフラム４１ｂの周りにどのように配置されるかの一実施形態を示している。機械的スプリング４１ｃは、一端でダイアフラム４１ｂの１コーナーに取り付けられて、ダイアフラムの中心を通る平面に沿って外に延びる。機械的スプリング４１ｃはまた、補強部３９（ダイアフラムの下の破線によって示された輪郭）を有することもあり、第１の実施形態で説明された機械的スプリング１３ｂの長さと幅に類似の長さと幅を有し得る。更に補強部３９はまた、薄いポリシリコン層（約１ミクロン厚さ）があまりに柔軟であるので、孔あきプレート４１ｅと機械的スプリング４１ｃの底面にも適用され得る。補強部３９は、ダイアフラム形状と同心でありそのエッジ付近のダイアフラムの底面に形成されるリングを含み得る。背面孔４６の上部開口は、ダイアフラム４１ｂの下にあるので破線で示されている。機械的スプリング４１ｃが取り付けられたパッド４１ｄは、前述のパッド１３ｃと同様の形状とサイズを有し得る。パッド４１ｄの長さと幅より小さい長さと幅を有する第１の電極４４は、４個のパッドのうちの一つ以上に配置され得る。
【００２９】
一態様ではダイアフラム４１ｂは、本質的に正方形の形状を有する。孔あきプレート４１ｅは、ダイアフラム４１ｂの各辺に隣合っており、ダイアフラムの辺の長さに等しいかそれより小さい長さ方向の寸法とその長さ寸法より小さい幅とを有する矩形の形状を有する。パーフォレーション（孔）４２は好ましくは、多数の行と列に配置され、第１の実施形態で述べたように、正方形、矩形または円形の形状を有し得る。孔あきプレート４１ｅとパッド４１ｄの取り付けられない３辺の周りには、基板３１の上に窒化シリコン層３６を露出して孔あきプレートとパッドとを水平セクション４１ｆから分離する開口部４３が存在する。補強部３９は、ダイアフラム４１ｂを強化する助けとなり、一実施形態ではダイアフラムの中心から放射状に延びるスポークのように配置される。８個の補強部が描かれているが、当業者は種々のパターンを含む他の補強部設計も同様に実施可能であることを認める。
【００３０】
第２の実施形態は、背面孔４６の上部開口の周りの補強部リング３９がエアギャップ４８（図９に示すように）を通る音響漏れを防止し、スティクション（stiction）を防止する助けとなるという点で第１の実施形態より利点を有する。更に寄生キャパシタンスは、少なくとも３つの仕方で制御される。第１に、パッドと機械的スプリングの下に基板の誘電体層を充填されたアイソレーショントレンチ３２が存在する。第２に、パッド４１ｄの下の誘電体スペーサスタックを取り囲む充填トレンチ３８ｂが酸化物層３５、３７のための保護を与えて前の実施形態より小さなパッド幅を可能にする。第３に、酸化物充填トレンチの上へのポリ１／酸化物スタックの挿入によりパッドと基板との間の距離が増やされる。
【００３１】
本発明によるマイクロホン検出素子の第３の実施形態は、図１５〜１８に示されている。図１５の図は、図１８に描かれた上面図の破線７０に沿った断面からのものである。破線７０は図面内の基本的特徴要素のすべてを横切るために直線状ではないことに留意すること。図１５を参照すると、マイクロホン検出素子５０は、好ましくは正面と背面が研磨された低抵抗率シリコンウェーハである基板５１に基づいている。基板５１の正面の一部分の上に配置された熱酸化物層５２が存在し、熱酸化物層の上にはＬＰＣＶＤ窒化シリコン層５３が存在する。基板５１の隣合う部分上には第２の電極６３が存在する。第２の電極は、Ｃｒ／Ａｕ複合層からなるか、あるいはＡｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｕまたは他の金属材料からなる単一層または複合層である。
【００３２】
基板５１の背面は、基板上に熱酸化物層５２ｂが配置され、熱酸化物層の上に窒化シリコン層５３ｂが形成された１スタックの層を有する。基板５１には、背面孔がＫＯＨエッチングによって形成されるときには正面の開口は背面の開口より小さい背面孔６６が形成されている。代替として背面孔６６は、第２の実施形態で前に説明されたように垂直側壁を有することもできる。背面孔６６は、背面上の熱酸化物層５２ｂと窒化シリコン層５３ｂとを貫通して垂直に（基板に垂直に）延び、そして熱酸化物層５２と窒化シリコン層５３とを貫通して基板の正面から本質的に垂直に延びて、好ましくは上面か見たときに正方形の形状（図示せず）を有する上部エッジ６９を形成する。
【００３３】
重要な特徴は、各パッド５８ｃの上と中と下にそれぞれ水平および垂直セクション６１ａ、６１ｂを有するＳＲＮベースが形成されることである。水平セクション６１ａは、電気的接続ベースとして役立つが、垂直セクション６１ｂはパッド５８ｃのために硬い支持体を与える。水平セクション６１ａは、パッド５８ｃ上に配置され、好ましくは垂直セクションの上に中心を置く正方形の形状を有する。垂直セクション６１ｂは、４面の壁を有し、下部熱酸化物層５２と中間ＬＰＣＶＤ窒化シリコン層５３と上部ＰＳＧ層５６とからなる誘電体スペーサスタック（図示せず）を取り囲むＳＲＮ層で満たされたリング状トレンチ６０からなる。好ましい実施形態では各ＳＲＮベースのためのトレンチ６０は、矩形または円形の形状も受入れ可能であるが正方形の形で交差する４個のセクションを有する。
【００３４】
図１６を参照すると、図１５のＳＲＮベースと周辺要素の斜視図は、パッド５８ｃに基づくＳＲＮベースの水平セクション６１ａの相対的サイズ示すために第１の電極６２を意図的に取り除いている。パッド５８ｃは実際には機械的スプリング５８ｂの延長部であり、機械的スプリングより大きな幅を有し得る。水平セクション６１ａは幅ｒを有するが、ＳＲＮベースの垂直セクション６１ｂの幅ｓは一般にｒより小さい。
【００３５】
図１７を参照すると、トレンチ６０の正面セクションは、幅ｖを有するＳＲＮ層６１ｂで満たされた側壁（トレンチ６０）と側壁間の誘電体スペーサスタックとを見せるために取り除かれている。トレンチ６０の背面セクションは、誘電体スペーサスタックとＳＲＮベース６１ｂの背後に在り、この図では見えない。トレンチ６０は、基板５１に接する底部と、熱酸化物層５２と窒化シリコン層５３とに形成される下部とを有する。パッド５８ｃは、張り出し部を形成し、ＳＲＮベース６１ｂから離れて機械的スプリング５８ｂとは反対方向に距離ｎだけ延びる。
【００３６】
水平セクション６１ａと垂直セクション６１ｂとを有する全部で４個のＳＲＮベースは、基板５１上のエッジ６９から同様の距離に形成され、４個のパッド５８ｃを支持することが理解される（図１８）。水平セクション６１ａは、第１の電極６２によって完全にカバーされているので図１８では見えない。このようにして４個のパッド５８ｃに取り付けられる４個の機械的スプリング５８ｂと４個の機械的スプリングに接続されるダイアフラム５８ａは背面孔（図示せず）の上に吊り下げられる。
【００３７】
図１５に戻ると、パッド５８ｃと窒化シリコン層５３との間には、厚さｔ3を有するエアギャップ７１ａが存在する。水平セクション６１ａの上には、第２の電極６３と同様の厚さと組成とを有する第１の電極６２が存在する。第１の電極６２は好ましくは、上から見たときに正方形の形状を有し水平セクションとパッド５８ｃの一部分とをカバーするが、パッドのエッジまでは延びない。第１の電極６２は水平セクション６１ａ上に静止した内側部分（高いレベル）とは非共面であるが、パッド５８ｃ上に形成された外側部分は低レベルにある。前述の内側部分と外側部分を接続する水平セクション６１ａの辺に沿って配置された第１の電極６２の中間部分が存在する。ダイアフラム５８ａの一辺に隣合う孔６４を有する孔あきプレート５８ｄは、厚さｔ3を有するエアギャップ７１ｂによって窒化シリコン層５３から分離されている。パッド５８ｃと機械的スプリング５８ｂと孔あきプレート５８ｄとダイアフラム５８ａは共面であり、同じ厚さを有し、他の半導体材料でも使用可能ではあるが好ましくはポリシリコンである同じ材料から構成される。
【００３８】
ダイアフラム５８ａの底面上には、背面孔６６と基板５１とに向かって下方に突き出た補強部６７が存在し得る。補強部は、ダイアフラムが約３ミクロン以上の厚さを有するポリシリコン層からなる実施形態では必要でない可能性がある。３個の補強部が描かれているが、第２の実施形態における補強部３に関して前に説明されたように外側リングを有するパターンのようなスポークを含む種々の設計で、複数の補強部６７が使用可能である。補強部６７は、ダイアフラム５８ａの一体部分でありダイアフラムと同じ組成を有する。
【００３９】
図１８の上面図から例示的実施形態は、孔あきプレート５８ｄとダイアフラム５８ａとに関する機械的スプリング５８ｂの方位を描いている。機械的スプリング５８ｂは、ダイアフラムの１コーナーと中心点７２とを通る平面に沿ってダイアフラムの各コーナーから外に延びる。各機械的スプリング５８ｂは、ダイアフラムの１コーナーと中心とを通る平面に沿った長さ方向の寸法を有する矩形の形状を有し得る。任意選択的に機械的スプリングは、「Ｕ字形」または「Ｌ字形」の形状を有することができ、当業者によって認められるように「エッジ構成」にしたがってダイアフラムの各辺のコーナーに取り付けられ得る。機械的スプリング５８ｂは、第１の電極６２に近いパッド５８ｃに接続する。第２の電極６３の位置と数は変わり得るが、少なくとも一つの第２の電極は、基板５１上で第１の電極６２の近傍に配置される。パーフォレーション（孔）６４は好ましくは、多数の行と列に配置され、正方形、矩形、または円形の形状を有し得る。孔あきプレートはダイアフラムの辺の長さにほぼ等しいかより小さい長さ方向寸法を有し、またその長さ方向寸法より小さい幅を有する。
【００４０】
第３の実施形態の利点は、ＳＲＮベースがパッドとその上に在る第１の電極とのためのアンカーとして役立ち、それによって第２の実施形態で採用されたポリ１／酸化物スタックの必要をなくしていることである。更に基板寄生キャパシタンスを減らすために、充填トレンチは必要とされない。しかしながら欠点は、ＳＲＮベースの形成が追加の材料堆積とエッチングプロセスとによって達成されることである。
【００４１】
３つの実施形態すべては、機械的スプリングがダイアフラムの各辺の中心に取り付けられ、孔あきプレートが１コーナーの周りのダイアフラムの隣合う辺に取り付けられる構成を期待している。第２の実施形態の修正版である図１２に描かれた例示的実施形態では、機械的スプリング４１ｃは、ダイアフラム４１ｂの各辺の中心に取り付けられ、孔あきプレート４１ｅは１コーナーの周りのダイアフラムの隣合う辺に取り付けられる。このいわゆる「エッジ支持」構成は、ダイアフラムに取り付けられた機械的スプリングと孔あきプレートがダイアフラムの辺の長さ方向寸法の半分に等しい距離だけダイアフラムのエッジ（辺）に沿ってシフトされているという点を除いて前述の「コーナー支持」アプローチと同じである。したがって機械的スプリングの端部に接続されたパッドと孔あきプレートの底面上の補強部と機械的スプリングもシフトすることは明らかである。
【００４２】
本発明によるマイクロホン検出素子の第４の実施形態は、図１３〜１４に描かれており、第１の実施形態の修正版である「中心支持」構成に基づいている。しかしながら当業者は、第２、第３の実施形態もまた「中心支持」構成を包含するように修正され得ることを認める。第４の実施形態がマイクロホン検出素子１０に関し、またその種々の要素の構成が前に説明されたことは理解される。
【００４３】
図１３を参照すると、前述のコーナー支持アプローチのようにダイアフラム１３ａの４つの辺の各々に孔あきプレート１３ｄが隣合っている。しかしながら例示的実施形態ではダイアフラム内に機械的スプリング１３ｂが配置される。第１の１対の機械的スプリング１３ｂは、ダイアフラム１３ａの辺を二分してダイアフラムの中心を通る平面Ｘ−Ｘ’に沿って形成される。第１の１対の機械的スプリング１３ｂは、平面Ｘ−Ｘ’に沿った長さ方向を有する矩形の形状を有することができ、一方の端部で誘電体スペーサ層１２によって支持され、他方の端部でダイアフラムのエッジに接続される。第２の１対の機械的スプリング１３ｂは、平面Ｘ−Ｘ’に垂直でありダイアフラムの中心を通り、ダイアフラムの他方の２辺を二分する平面Ｙ−Ｙ’に沿って形成される。第２の１対の機械的スプリングは、第１の１対の機械的スプリングと同じ形状を有するが平面Ｙ−Ｙ’に沿った長さ方向を有し、一方の端部では誘電体スペーサ層の上に形成され、他方の端部ではダイアフラム１３ａのエッジに接続される。４個の機械的スプリング１３ｂは互いに、またダイアフラムに共面であり、誘電体スペーサ層１２の上の領域でオーバーラップする。機械的スプリングのそれぞれの辺がダイアフラムから分離されるように、機械的スプリングの各辺に沿って形成された矩形のスロット２９が存在する。互いに直角に配置された各ダイアフラム象限における二つの矩形のスロット２９は、機械的スプリング１３ｂのオーバーラップ領域に隣合う小さなカラースロットによって接続される。
【００４４】
誘電体スペーサ層１２は、厚さｔ5を有し、また一つ以上の酸化物層、窒化シリコン層または他の誘電体層からなる単一層または複合層であり得る。更に誘電体スペーサ層１２は、円形または正方形の形状を有することもでき、幅ｗ2を有する。
【００４５】
第４の実施形態のもう一つの重要な特徴は、背面孔２６が４つのセクションからなることである。平面Ｘ−Ｘ’およびＹ−Ｙ’によって定められた基板の各象限に形成された背面孔の一つのセクションが存在する。上面図から一つの背面孔セクションはダイアフラム１３ａの右下象限の下にあるが、背面孔２６の他の３セクションはそれぞれ、ダイアフラムの右上、左上および左下象限の下に位置する。第１の電極１８ａは、誘電体スペーサ層１２の上の４個の機械的スプリングのオーバーラップ領域に配置されるが、第２の電極１８ｂは、基板１１上でダイアフラム１３ａと孔あきプレート１３ｄの周辺の外側に形成される。
【００４６】
図１４を参照すると、図１３の平面２３−２３に沿って取られた断面図が示されている。平面２３−２３は、マイクロホン検出素子１０の基本的特徴要素のすべてを横切るために直線状ではない。誘電体スペーサ層１２は、第１の実施形態のように基板の一部分の上に形成される。音響信号２５が背面孔２６を通ってダイアフラム１３ａに衝突すると、ダイアフラム、機械的スプリング１３ｂおよび孔あきプレート１３ｄが協調運動で上下に動く振動２７が誘発される。このアプローチではダイアフラムの中心の下に１個だけの硬質アンカーパッドが必要であることに留意すること。背面孔２６は垂直側壁を有するように示されているが、その代わりに傾斜側壁が使用されることも可能である。矩形スロット２９は、背面孔２６からある一定の距離だけ離れているべきであり、ダイアフラム１３ａからの音響漏れを防止するように最小の幅を有するべきである。言い換えれば矩形スロットは、背面孔の上に形成されるべきではない。
【００４７】
この実施形態は、第１の実施形態の利点を有するがまた、より少ないパッドが必要とされることと寄生キャパシタンスがより小さいという点において更なる利点を与える。更に中心支持は、如何なる固有応力の対称的緩和も可能にし、第２と第３の実施形態に使用された製造プロセスは第４の実施形態にも使用され得る。
【００４８】
マイクロホン検出素子の４つの実施形態すべては、結果として得られるシリコンマイクロホンが専用バックプレートを有さず、したがってこれまで達成されたより低いコストで製造できるという点で従来技術に対して同様の利点を有する。更に本発明によるマイクロホン検出素子は、専用バックプレート特徴要素を有する従来技術のマイクロホン検出素子から得られる結果と同様である良好な性能を発揮し得る。
【００４９】
本発明はまた、前述のシリコンマイクロホン検出素子を形成する方法である。図３〜８に示す一つのプロセス列では、単に４個のフォトマスクを必要とする、図１に示す第１の実施形態を形成する方法が与えられる。図３〜８の断面は、基板１１に関して図１の破線２３−２３と同じ位置にある非線形切断面に沿って得られた。
【００５０】
図３を参照すると、マイクロホン検出素子１０を製造するための例示的プロセス列は、正面と背面の両方が研磨された基板１１、例えばドープドシリコン（doped silicon）上に従来の酸化または堆積方法によって誘電体スペーサ層１２を形成するステップを含む。誘電体スペーサ層は、酸化シリコンからなり得る。それから誘電体スペーサ層１２上に、ドープドシリコンまたはポリシリコンであり得る膜フィルム１３が形成される。当業者は、膜フィルム１３と誘電体スペーサ層１２が周知のウェーハ・ボンディング・プロセスによって直接形成され得ることを認める。誘電体スペーサ層１２が酸化シリコンであって膜フィルム１３がドープドシリコンであるＳＯＩアプローチでは、基板１１とシリコン層１３は０．０２ｏｈｍ−ｃｍ未満の抵抗率を備える。
【００５１】
次に、背面孔を製造するために引き続いて使用される一つ以上の層からなるハードマスクが、基板の背面上に形成される。一実施形態では背面ハードマスクは、基板１１上に周知のＬＰＣＶＤ方法によって成長させられる熱酸化物層１５とこの熱酸化物層上にＬＰＣＶＤ方法によって堆積される窒化シリコン層１６とからなる。熱酸化物／窒化シリコンハードマスクは膜フィルム１３上で同時に成長させられるが、引き続いて、周知の湿式化学エッチングまたは乾式エッチング方法によって除去されることに留意すること。
【００５２】
第１のフォトマスクは、基板に接触するように誘電体スペーサ層１２を貫通して延びる一つ以上のバイア（via）１７を膜フィルム１３内に生成するために使用される。例えばＳＯＩアプローチでは、反応性イオンエッチングまたはプラズマエッチングは、シリコン膜フィルム１３を貫通する開口部をフォトレジスト層に転写するために使用され、これに続いて、露出された誘電体スペーサ層（酸化物）１２を除去してバイア１７を基板にまで延ばすために、湿式緩衝化酸化物エッチング（ＢＯＥ）が行われる。
【００５３】
図４を参照すると、従来の方法を使用することによって、膜フィルム１３上とバイア１７内に導電層１８が形成される。導電層１８は、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｃｕまたは他の金属材料からなる単一層または複合層であり得る。第２のフォトマスクは、膜フィルム１３上に第１の電極１８ａを、バイア１７内に第２の電極１８ｂを定めるように導電層１８を選択的にエッチングするために使用される。４個のパッド１３ｃ（図１）が存在し、そして各パッド上に第１の電極１８ａが形成され得る。更に基板１１上に形成された複数の第２の電極１８ｂが存在し得る。
【００５４】
図５を参照すると、孔あきプレート１３ｄになる膜フィルムのセクションに孔１９を形成するために第３のフォトマスクによって膜フィルム１３が選択的にエッチングされる。単に１枚の孔あきプレート１３ｄが示されているが、典型的には１ダイアフラム当たり４枚の孔あきプレートが形成される。更なる開口部２０は、同じ膜フィルムエッチングステップによって製作され、マイクロホン検出素子１０を隣合うシリコン層から分離するために、また前述のようにパッド１３ｃ、機械的スプリング１３ｂ、孔あきプレート１３ｄおよびダイアフラム１３ａを定めるために使用される。
【００５５】
図６を参照すると、基板１１の背面には、当業者に知られたエッチングプロセスによって、窒化シリコン層１６と熱酸化物層１５の一部分を選択的に除去するために第４のフォトマスクを使用して開口部２１が形成される。底面図（図示せず）から開口部２１は、次のステップで基板に背面孔を確定する正方形の形になっている。
【００５６】
図７を参照すると、基板１１は、背面孔２２を形成するためにＫＯＨ溶液を含む標準プロセスによってエッチングされる。シリコン基板１１のシリコン結晶構造のために、背面の背面孔２２の幅が正面の背面孔の幅より大きい傾斜側壁が生成される。重要な特徴は、正面の背面孔の幅がダイアフラム１３ａの幅より小さくなければならないことである。代替実施形態（図示せず）では垂直側壁を有する背面孔２２を形成するためにプラズマエッチングまたは深部ＲＩＥ（ＤＲＩＥ）プロセスが使用され得る。
【００５７】
図８を参照すると、窒化シリコン層１６と熱酸化物層１５とからなる背面ハードマスクは、既知の方法によって除去される。それからマイクロホン検出素子を互いに物理的に分離するために基板がダイシングされる従来のプロセスが後に続く。誘電体スペーサ層１２の一部分が除去される最後の解放ステップが存在する。ＳＯＩ実施形態では酸化物層１２は、例えば緩衝化ＨＦ溶液を含み時限エッチングによって除去される。酸化物層１２は、パッド１３ｃの下の領域が保存され、それによってパッドを基板にアンカー固定するために機能できるように適当な制御によって除去される。ダイアフラム１３ａは、機械的スプリング１３ｂによってパッド１３ｃに取り付けられる。ダイアフラム１３ａと機械的スプリング１３ｂとパッド１３ｃと孔あきプレート１３ｄは、共面であり、すべて膜フィルムの同様な厚さからなっている。矩形の形状をした機械的スプリング１３ｂが示されているが（図１）、当業者によって認められるように、他の構成、例えば「Ｕ字形」または「Ｌ字形」も受入れ可能である。
【００５８】
マイクロホン検出素子１０に加えてシリコンマイクロホンもまた、電圧バイアス源と、ソースフォロア前置増幅器と、可変キャパシタ回路を完成するために第１と第２の電極を接続する配線と、からなることは理解される。しかしながらこれらの特徴要素は、図面を単純化して本発明の基本的部品に注意を向けるために図示されていない。結果として得られるシリコンマイクロホンは、専用バックプレート構造を含む従来技術の方法より単純な製造プロセス列を有する。更に本発明の方法は、より少ないフォトマスクが必要とされるので、製造実施に際してより低コストである。
【００５９】
本発明は特にその好ましい実施形態を参照しながら図示され説明されてきたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、形式および細部における種々の変更が可能であることは当業者によって理解される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施形態による、隣合う孔あきプレートとパッドで終わるスプリングとを有するダイアフラムを描く上面図である。
【図２】本発明の一実施形態によるマイクロホン検出素子のための可変キャパシタ設計を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態によるマイクロホン検出素子を形成する４つのフォトマスク・ステップを含むプロセスの流れを示す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態によるマイクロホン検出素子を形成する４つのフォトマスク・ステップを含むプロセスの流れを示す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態によるマイクロホン検出素子を形成する４つのフォトマスク・ステップを含むプロセスの流れを示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態によるマイクロホン検出素子を形成する４つのフォトマスク・ステップを含むプロセスの流れを示す断面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態によるマイクロホン検出素子を形成する４つのフォトマスク・ステップを含むプロセスの流れを示す断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態によるマイクロホン検出素子を形成する４つのフォトマスク・ステップを含むプロセスの流れを示す断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態によるマイクロホン検出素子を示す断面図である。
【図１０】第２の実施形態によるコーナー支持体と補強部とを有するマイクロホン検出素子の上面図である。
【図１１】図１０に描かれたマイクロホン検出素子の一部分の拡大上面図である。
【図１２】第２の実施形態によるエッジ支持体と補強部とを有するマイクロホン検出素子の上面図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態による中心支持体を有するマイクロホン検出素子の断面図である。
【図１４】図１３のマイクロホン検出素子の断面図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態によるマイクロホン検出素子を示す断面図である。
【図１６】第３の実施形態によるベース要素の斜視図である。
【図１７】第３の実施形態によるベース要素の断面図である。
【図１８】図１５に描かれたマイクロホン検出素子の上面図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０  マイクロホン検出素子
１２  誘電体層
１３ａ  ダイアフラム
１３ｂ  機械的スプリング
１３ｃ  パッド
１８ａ  第１電極
１８ｂ  第２電極
２６  背面孔
２８  エアギャップ
【図１】
2008518549.tif 000004
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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2008518549.tif 000023