(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極を有する第１の膜と、
第２電極及びエレクトレット膜を有する第２の膜と、
前記第１の膜と前記第２の膜との間に形成された第１絶縁膜と、
前記第１絶縁膜の一部を除去することにより前記第１の膜と前記第２の膜との間に形成されたエアギャップとを備え、
前記第１の膜における前記エアギャップに対面している部分には第２絶縁膜が形成されており、
前記第２の膜における前記エアギャップに対面している部分には第３絶縁膜が形成されていることを特徴とするエレクトレットコンデンサーマイクロフォン。
【請求項２】
請求項１に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンにおいて、
前記第２絶縁膜は、前記第１電極が前記エアギャップに接触しないように形成されており、
前記第３絶縁膜は、前記第２電極及び前記エレクトレット膜が前記エアギャップに接触しないように形成されている。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンにおいて、
前記エアギャップの厚さは、前記第１絶縁膜の膜厚によって実質的に規定されている。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンにおいて、
前記第１の膜及び前記第２の膜のうちの少なくとも一方は、前記エアギャップと接続する貫通孔を有する。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンにおいて、
前記第２絶縁膜及び前記第３絶縁膜は、引張応力を有する絶縁膜である。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンにおいて、
前記第２絶縁膜及び前記第３絶縁膜はシリコン窒化膜である。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンにおいて、
前記第１絶縁膜は、同一材料からなる複数の絶縁膜が積層された膜である。
【請求項８】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンにおいて、
前記第１の膜は固定膜であり、前記第２の膜は振動膜である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動電極と固定電極とを有するエレクトレットコンデンサーマイクロフォンに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて形成されるエレクトレットコンデンサーマイクロフォンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コンデンサーマイクロフォンなどの素子に応用される、永久的電気分極を有する誘電体であるエレクトレットコンデンサーマイクロフォンにおいては、平行平板型コンデンサーを構成する固定電極と可動電極との間にエレクトレット膜及びエアギャップ（空洞）層を備えた構造が用いられてきている。
【０００３】
エレクトレットコンデンサーマイクロフォンにおいては、エアギャップ層の厚さはコンデンサーの容量値と直接関係し、マイクロフォン等の性能に大きな影響を与える。すなわち、エアギャップ層を薄く設定すると、マイクロフォン等の感度が向上する。一方、エアギャップ層の厚さの製造ばらつきが大きいと、個々のマイクロフォン等の感度ばらつきが増加する。従って、エレクトレットコンデンサーマイクロフォンに設けるエアギャップ層に対しては、その厚さが薄く且つ当該厚さの製造ばらつきが小さいことが望まれる。
【０００４】
近年、エアギャップ層の厚さを薄くすると共に当該厚さの製造ばらつきを低減するために、微細加工技術を利用したエアギャップ層の構造及びその製造方法が提案されている。具体的には、例えば、Ｓｉ（シリコン）基板の一部を水酸化カリウムを用いたウェットエッチングにより除去して凹部を形成する技術（特許文献１参照）が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−３４５０８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、近年の機器の小型化及び高性能化を実現するために、より小型であると共により高性能であり、且つ個々の特性ばらつきが小さいエレクトレットコンデンサーマイクロフォンの実現が望まれている。
【０００６】
そのため、ＭＥＭＳ技術を用いて固定電極と可動電極とを有するエレクトレットコンデンサーマイクロフォンを形成することが試みられているが、固定電極と可動電極との間にウェットエッチングを用いてエアギャップを形成する際に固定電極と可動電極とがエッチング液又は洗浄液の表面張力により張り付いてしまうという問題、つまり所望の厚さを持つエアギャップ層を形成できないという問題がある。
【０００７】
前記に鑑み、本発明は、エレクトレットコンデンサーマイクロフォンにおけるエアギャップの形成時に電極同士の張り付き（sticking）が生じることを防止し、それによってエアギャップ層の厚さを精度良く制御できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明に係るエレクトレットコンデンサーマイクロフォンは、第１電極を有する第１の膜と、第２電極及びエレクトレット膜を有する第２の膜と、前記第１の膜と前記第２の膜との間に形成された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜の一部を除去することにより前記第１の膜と前記第２の膜との間に形成されたエアギャップとを備え、前記第１の膜における前記エアギャップに対面している部分には第２絶縁膜が形成されており、前記第２の膜における前記エアギャップに対面している部分には第３絶縁膜が形成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、信頼性の高い小型且つ高性能なマイクロフォンの実現が可能となる。さらに、当該マイクロフォンを搭載した各種応用装置を広く社会に供給することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態に係るエレクトレットコンデンサーマイクロフォンについて、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
まず、本実施形態のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンを応用した素子であるＥＣＭについて説明する。
【００１２】
図１（ａ）及び（ｂ）は本実施形態のＥＣＭの構成図であり、図１（ａ）は当該ＥＣＭの平面図であり、図１（ｂ）は当該ＥＣＭの断面図である。
【００１３】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態のＥＣＭは、プリント基板２１上にエレクトレットコンデンサーマイクロフォン１８、コンデンサーなどのＳＭＤ（表面実装部品）１９及びＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）部２０が搭載されることによって構成されている。また、図１（ａ）においては図示を省略しているが、図１（ｂ）に示すように、エレクトレットコンデンサーマイクロフォン１８、ＳＭＤ１９及びＦＥＴ部２０が搭載されたプリント基板２１はケース２２によって保護されている。
【００１４】
図２は本実施形態のＥＣＭの回路ブロック図である。
【００１５】
図２に示すように、本実施形態のＥＣＭの内部回路２３は、後述する本実施形態のエレクトレットコンデンサーマイクロフォン１８、ＳＭＤ１９及びＦＥＴ部２０から構成されている。また、内部回路２３の出力端子２４及び出力端子２５から外部端子２６及び外部端子２７へ信号が出力される。実動作時には、外部端子２６と抵抗を介して接続されている端子２８から例えば２Ｖ程度の電圧を持つ信号が入力されると、外部端子２６とコンデンサーを介して接続されている端子２９に例えば数十ｍＶの交流電圧を持つ信号が出力される。尚、外部端子２７及びそれと接続された端子３０のそれぞれは、ＥＣＭ内部回路２３中のＧＮＤ端子である出力端子２５に接続されている。
【００１６】
以下、本実施形態のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンについて説明する。図３は本実施形態のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンの断面図である。
【００１７】
図３に示すように、本実施形態のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンは、周縁部を残すように除去された領域（以下、メンブレン領域１１３という）を有する半導体基板１０１上にメンブレン領域１１３を覆うように形成された振動膜１１２と、振動膜１１２との間にエアギャップ１０９を介在させて配置された固定膜１１０とをそれぞれ電極とする平行平板型のコンデンサー構造を有している。ここで、振動膜１１２は下部電極１０４を有すると共に、固定膜１１０は導電膜（上部電極）１１８を有する。
【００１８】
具体的には、本実施形態のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンが搭載される半導体基板１０１上にシリコン酸化膜１０２が形成されていると共に、半導体基板１０１及びシリコン酸化膜１０２をそれぞれの周縁部が残存するように部分的に除去することによってメンブレン領域１１３が形成されている。すなわち、メンブレン領域１１３とは、振動膜１１２が外部から圧力を受けて振動することを可能とするために半導体基板１０１がその周縁部を残すように部分的に除去されてなる領域である。
【００１９】
シリコン酸化膜１０２上にはメンブレン領域１１３を覆うようにシリコン窒化膜１０３が形成されている。シリコン窒化膜１０３上には同一の導電膜からなる下部電極１０４及び引出し配線１１５が形成されている。下部電極１０４は、メンブレン領域１１３及びその近傍領域（メンブレン領域１１３の外側領域の一部）を覆うシリコン窒化膜１０３上に形成されており、引出し配線１１５は、メンブレン領域１１３の外側のシリコン窒化膜１０３上に下部電極１０４と接続するように形成されている。
【００２０】
シリコン窒化膜１０３、下部電極１０４及び引出し配線１１５のそれぞれの上には、シリコン酸化膜１０５及びシリコン窒化膜１０６が順次形成されている。ここで、メンブレン領域１１３に位置する、シリコン窒化膜１０３、導電膜からなる下部電極１０４、シリコン酸化膜１０５及びシリコン窒化膜１０６によって振動膜１１２が構成されている。また、振動膜１１２には、エアギャップ１０９と接続する複数のリークホール１０７が形成されている。尚、シリコン窒化膜１０３及びシリコン窒化膜１０６は、リークホール１０７の内壁面を含む下部電極１０４及びシリコン酸化膜１０５の表面全体を覆うように形成されている。また、シリコン酸化膜１０５は、電荷を蓄えたエレクトレット膜である。
【００２１】
さらに、図３に示すように、振動膜１１２の上方つまりシリコン窒化膜１０６の上方には、下層のシリコン窒化膜１１４及び上層のシリコン窒化膜１１９のそれぞれによって覆われた導電膜１１８からなる固定膜１１０が設けられている。ここで、メンブレン領域１１３及びその近傍領域（メンブレン領域１１３の外側領域の一部）における振動膜１１２と固定膜１１０との間にはエアギャップ１０９が形成されている一方、それ以外の領域におけるシリコン窒化膜１０６又はシリコン酸化膜１０２と固定膜１１０との間にはシリコン酸化膜１０８が形成されている。すなわち、エアギャップ１０９は少なくともメンブレン領域１１３の全体を含む領域上に形成されていると共に、固定膜１１０は振動膜１１２の上方においてシリコン酸化膜１０８によって支持されている。尚、エアギャップ１０９は、メンブレン領域１１３を含む半導体基板１０１上に形成されたシリコン酸化膜１０８を部分的に除去することによって形成されている。
【００２２】
すなわち、本実施形態の主要な特徴として、図３に示すように、固定膜１１０及び振動膜１１２のそれぞれにおけるエアギャップ１０９に対面している部分はシリコン窒化膜（固定膜１１０のシリコン窒化膜１１４及び振動膜１１２のシリコン窒化膜１０６）から構成されている。
【００２３】
尚、エアギャップ１０９の上方の固定膜１１０には、エアギャップ１０９と接続する複数のアコースティックホール１１１が形成されている。また、シリコン窒化膜１１４を含む固定膜１１０及びシリコン酸化膜１０８には引出し配線１１５が部分的に露出するように開口部１１６が設けられている。そして、下部電極１０４は引出し配線１１５を介して、図２に示したＦＥＴ部２０のゲートと電気的に接続されている。また、固定膜１１０を構成するシリコン窒化膜１１９には開口部１１７が設けられていると共に当該開口部１１７において固定膜１１０を構成する導電膜１１８が露出しており、それによって当該導電膜１１８は図２のＧＮＤ端子２５に電気的に接続されている。
【００２４】
図４は、本実施形態のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンの下部電極１０４及び引出し配線１１５の平面図である。前述したように、下部電極１０４及び引出し配線１１５は同一の導電膜から構成されている。また、図４に示すように、下部電極１０４はメンブレン領域１１３の内部に形成されていると共に、下部電極１０４の周縁部には複数のリークホール１０７が形成されている。そして、下部電極１０４を外部と電気的に接続するために引出し配線１１５が形成されいる。
【００２５】
以下、下部電極１０４がメンブレン領域１１３の内部に形成されている理由について説明する。ＥＣＭにおけるコンデンサーの容量は、振動膜の振動により変化する容量成分と、振動膜の振動により変化しない容量成分とによって決定される。ここで、寄生容量が大きくなると、振動膜の振動により変化しない容量成分が大きくなってしまい、それにより、ＥＣＭの性能が大きく左右されてしまう。それに対して、本実施形態においては、エレクトレットコンデンサーマイクロフォンの下部電極１０４をメンブレン領域１１３の内側に設けている。この構成により、下部電極１０４と半導体基板１０１とが重なる領域がなくなるので、下部電極１０４とシリコン酸化膜１０２と半導体基板１０１とからなる大面積のＭＯＳ（metal oxide semiconductor ）容量をなくすことができる。すなわち、寄生容量を、引出し配線１１５とシリコン酸化膜１０２と半導体基板１０１とからなる小面積のＭＯＳ容量のみにすることができる。従って、コンデンサーにおける変化しない容量成分（寄生容量）の増加を防ぐことができるので、小型且つ高性能なエレクトレットコンデンサーマイクロフォンを実現することができる。
【００２６】
また、本実施形態においては、振動膜１１２の構成要素、つまり、シリコン窒化膜１０３、導電膜からなる下部電極１０４、シリコン酸化膜１０５及びシリコン窒化膜１０６のうち、メンブレン領域１１３を覆うように形成されているシリコン窒化膜１０３、シリコン酸化膜１０５及びシリコン窒化膜１０６は半導体基板１０１と重なるように形成されている。言い換えると、シリコン窒化膜１０３、シリコン酸化膜１０５及びシリコン窒化膜１０６の端部は半導体基板１０１上に位置する。一方、振動膜１１２のうち導電膜からなる下部電極１０４は半導体基板１０１と重なることがないようにメンブレン領域１１３の内側に形成されている。言い換えると、下部電極１０４の端部はメンブレン領域１１３の内部に位置する。これにより、振動膜１１２の共振周波数特性を、シリコン窒化膜１０３、シリコン酸化膜１０５及びシリコン窒化膜１０６のそれぞれの膜厚を調整することによって制御することが可能となる。すなわち、コンデンサーにおける外部からの圧力を受けて変化する容量成分の制御を容易にし、それによって小型且つ高感度のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンを実現することができる。
【００２７】
以下、シリコン窒化膜１０３及びシリコン窒化膜１０６が下部電極１０４及びシリコン酸化膜１０５を覆うように形成されている理由について説明する。シリコン酸化膜からなるエレクトレットが液体に触れると、エレクトレットの電荷が大幅に減少する。このエレクトレットの電荷の減少を抑制するために、本実施形態では、少なくともエレクトレットであるシリコン酸化膜１０５の表面（上面、下面及び側面）をシリコン窒化膜１０３及びシリコン窒化膜１０６によって覆っている。さらに詳細には、振動膜１１２に形成されたリークホール１０７内にシリコン酸化膜（エレクトレット）１０５が露出しないように、リークホール１０７の内壁面もシリコン窒化膜１０６によって完全に覆っている。これにより、耐湿性及び耐熱性に優れたエレクトレットを有するエレクトレットコンデンサーマイクロフォンを実現することができる。
【００２８】
図５は、本実施形態のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンの固定膜１１０を構成するシリコン窒化膜１１４の平面図である。前述したように、メンブレン領域１１３を含む半導体基板１０１の上方に形成された固定膜１１０には複数のアコースティックホール１１１が形成されている。各アコースティックホール１１１は、メンブレン領域１１３及びその近傍領域（メンブレン領域１１３の外側領域の一部）に配置されている。
【００２９】
以下、本実施形態のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンの動作について説明する。図３に示す本実施形態のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンにおいて、アコースティックホール１１１及びエアギャップ１０９を通して振動膜１１２が上方から音圧を受けると、その音圧に応じて振動膜１１２が機械的に上下に振動する。本実施形態のエレクトレットコンデンサーマイクロフォンは、振動膜１１２中の下部電極１０４と固定膜１１０中の導電膜１１８とをそれぞれ電極とする平行平板型のコンデンサー構造を有している。従って、振動膜１１２が振動すると、下部電極１０４と導電膜１１８との電極間距離が変化し、それによってコンデンサーの容量（Ｃ）が変化する。ここで、コンデンサーに蓄えられる電荷（Ｑ）は一定であるため、コンデンサーの容量（Ｃ）が変化すると、下部電極１０４と固定膜１１０（導電膜１１８）との間の電圧（Ｖ）に変化が生じる。この理由は、物理的に下記式（１）の条件を満足する必要があるためである。
【００３０】
Ｑ＝Ｃ・Ｖ  ・・・  （１）
また、下部電極１０４と固定膜１１０（導電膜１１８）との間の電圧（Ｖ）が変化すると、下部電極１０４は図２のＦＥＴ部２０のゲートと電気的に接続されているので、ＦＥＴ部２０のゲート電位が変化する。以上のように、振動膜１１２の振動によりＦＥＴ部２０のゲート電位が変化し、ＦＥＴ部２０のゲート電位の変化は図２の外部出力端子２９に電圧変化として出力される。
【００３１】
ところで、ＥＣＭにおけるエアギャップ形成領域のコンデンサーの容量のばらつきが大きくなると、ＥＣＭの性能に大きな影響が生じてしまう。
【００３２】
それに対して。本実施形態においては、固定膜１１０及び振動膜１１２のそれぞれにおけるエアギャップ１０９に対面している部分は、絶縁膜、具体的には引張応力を有するシリコン窒化膜（シリコン窒化膜１１４及びシリコン窒化膜１０６）から構成されている。言い換えると、エアギャップ１０９が設けられるシリコン酸化膜１０８の上面及び下側を当該シリコン窒化膜によって覆っている。従って、エアギャップ１０９の形成時に振動膜１１２と固定膜１１０とが表面張力によって張り付いてしまうことを防止できる。すなわち、エアギャップ１０９の形成領域のコンデンサーの容量を決定するエアギャップ１０９の厚さを、半導体微細加工技術等によって形成される薄膜（本実施形態ではシリコン酸化膜１０８）の膜厚として決定することができるので、所望の厚さを持つエアギャップ１０９を形成することができる。従って、より小型であると共により高性能であり、且つ個々の特性ばらつきが小さいエレクトレットコンデンサーマイクロフォンを実現することができる。
【００３３】
すなわち、本実施形態によると、信頼性の高い小型且つ高性能なマイクの実現が可能となる。さらに、当該マイクを搭載した各種応用装置を広く社会に供給することが可能となる。
【００３４】
尚、本実施形態において、固定膜１１０及び振動膜１１２のそれぞれにおけるエアギャップ１０９に対面している部分に、シリコン窒化膜（シリコン窒化膜１０６及び１１４）を用いたが、これに代えて、引張応力を有する他の種類の絶縁膜を用いてもよい。
【００３５】
また、本実施形態において、下部電極１０４を構成する導電材料として、不純物をドーピングしたシリコン若しくはポリシリコン、金、高融点金属、アルミニウム又はアルミニウム含有合金等を用いてもよい。
【００３６】
また、本実施形態において、固定膜１１０を構成する導電膜１１８の材料として、不純物をドーピングしたシリコン若しくはポリシリコン、金、高融点金属、アルミニウム又はアルミニウム含有合金等を用いてもよい。
【００３７】
また、本実施形態において、半導体基板１０１に代えて、絶縁体からなる基板を用いてもよい。
【００３８】
また、本実施形態において、エアギャップ１０９を形成する絶縁膜（犠牲層）として、シリコン酸化膜１０８を用いたが、当該犠牲層の種類は特に限定されるものではない。また、犠牲層として、同一材料からなる複数の絶縁膜が積層された膜を用いてもよい。このようにすると、同じ厚さの犠牲層を単一の絶縁膜を用いて形成した場合と比べて、犠牲層の厚さのばらつき、つまりエアギャップの厚さのばらつきを小さくできるので、エレクトレットコンデンサーマイクロフォンの特性ばらつきをより小さくできる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、振動電極と固定電極とを有するエレクトレットコンデンサーマイクロフォンに関し、特にＭＥＭＳ技術を用いて形成されるＥＣＭ等に適用した場合にはＥＣＭの高性能化及び高信頼性化を実現でき、非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係るエレクトレットコンデンサーマイクロフォン（以下、ＥＣＭと称する）の構成図であり、図１（ａ）は当該ＥＣＭの平面図であり、図１（ｂ）は当該ＥＣＭの断面図である。
【図２】図２は本発明の一実施形態に係るＥＣＭの回路ブロック図である。
【図３】図３は本発明の一実施形態に係るＥＣＭを構成するエレクトレットコンデンサーマイクロフォンの断面図である。
【図４】図４は本発明の一実施形態に係るＥＣＭを構成するエレクトレットコンデンサーマイクロフォンの下部電極及び引出し配線の平面図である。
【図５】図５は本発明の一実施形態に係るＥＣＭを構成するエレクトレットコンデンサーマイクロフォンの固定膜中のシリコン窒化膜の平面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１８  エレクトレットコンデンサーマイクロフォン
１９  ＳＭＤ
２０  ＦＥＴ部
２１  プリント基板
２２  ＥＣＭのケース
２３  ＥＣＭの内部回路
２４  出力端子
２５  出力端子
２６  外部端子
２７  外部端子
２８  端子
２９  端子
３０  端子
１０１  半導体基板
１０２  シリコン酸化膜
１０３  シリコン窒化膜
１０４  下部電極
１０５  シリコン酸化膜
１０６  シリコン窒化膜
１０７  リークホール
１０８  シリコン酸化膜
１０９  エアギャップ
１１０  固定膜
１１１  アコースティックホール
１１２  振動膜
１１３  メンブレン領域
１１４  シリコン窒化膜
１１５  引出し配線
１１６  開口部
１１７  開口部
１１８  導電膜
１１９  シリコン窒化膜
【図１】
0004137158.tif 000002
【図２】
0004137158.tif 000003
【図３】
0004137158.tif 000004
【図４】
0004137158.tif 000005
【図５】
0004137158.tif 000006