CN1926918B - 驻极体电容器 - Google Patents

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Abstract

驻极体电容器包括：具有由上部电极构成的导电膜118的固定膜110，具有下部电极104及由驻极体膜构成的氧化硅膜105的振动膜112，以及具有在固定膜110与振动膜112之间形成且具有空气隙109的氧化硅膜108。固定膜110及振动膜112的露出在空气隙109的部分分别由氮化硅膜106及114所构成。

Description

驻极体电容器 
技术领域
本发明涉及一种具有振动电极与固定电极的驻极体电容器，特别是涉及使用微机电系统(MEMS，Micro Electro Mechanical Systems)技术形成的驻极体电容器。 
背景技术
目前应用在驻极体电容器麦克风等元件、具有永久电气极化的电介体驻极体电容器中，使用了在构成平行平板型电容器的固定电极与可动电极之间具备驻极体膜及空气隙(空孔)层的构造。 
驻极体电容器中，空气隙层的厚度与电容器的电容值直接相关，对麦克风等性能造成极大影响。换句话说，若将空气隙层设定的薄，将提高麦克风等的感度。另一方面，一旦空气隙层的厚度制造偏差大，将增加各个麦克风等的感度偏差。因此，对于驻极体电容器中的空气隙层，将被要求其厚度薄并且厚度的制造偏差小。 
近年来，为了使空气隙层厚度变薄同时降低制造时的厚度偏差，提出了利用微细加工技术的空气隙层的结构及制造方法。具体来说，例如通过使用氢氧化钾的湿蚀刻除去硅衬底的一部分来形成凹部的技术(参照专利文献1)。 
【专利文献1】日本特开2002-345088号公报。 
发明内容
解决课题 
但是，近年来为了实现机器的小型化及高性能化，更为小型且高性能、并且个别的特性偏差小的驻极体电容器的实现受到期待。 
因此，虽然使用微机电系统(MEMS)技术形成具有固定电极与可 动电极的驻极体电容器的方法受到尝试，但是使用湿蚀刻在固定电极与可动电极之间形成空气隙时，产生了一个问题是，固定电极与可动电极由于蚀刻液体或洗净液的表面张力而粘附(sticking)，也就是，有着无法形成具有想要的厚度的空气隙层的问题。 
有鉴这里，本发明的目的在于：形成驻极体电容器的空气隙时，防止电极之间的粘附，而通过上述来高精度的控制空气隙层的厚度。 
解决方法 
为了达成所述目的，本发明中的驻极体电容器，包括：具有第一电极的第一膜，具有第二电极及蓄积电荷的驻极体膜的第二膜，在所述第一膜与所述第二膜之间形成的第一绝缘膜，以及除去所述第一绝缘膜的一部分形成的空气隙；并且，所述第一膜及所述第二膜的露出于所述空气隙的部分分别由不同于所述第一绝缘膜的第二绝缘膜构成。 
发明效果 
根据本发明，能够实现高可靠性且高性能的麦克风。进一步地，能够将搭载了该麦克风的各种应用装置广泛地提供给社会。 
附图说明
图1(a)及图1(b)示出本发明的一种实施例的驻极体电容器麦克风(以下称ECM)的结构图，图1(a)为该ECM的平面图，图1(b)为该ECM的剖面图。 
图2示出本发明的一种实施例的ECM电路方块图。 
图3示出构成本发明的一种实施例的ECM驻极体电容器的剖面图。 
图4示出构成本发明的一种实施例的ECM驻极体电容器的下部电极及引出布线的平面图。 
图5示出构成本发明一种实施例的ECM驻极体电容器的固定膜中的氮化硅膜的平面图。
符号说明 
18-驻极体电容器、19-SMD、20-FET部、21-印刷电路板、22-ECM的外盒、23-ECM的内部电路、24，25，26，27-输出端子、28，29，30-端子、 101-半导体衬底、102，105，108-氧化硅膜、103，106，114，119-氮化硅膜、104-下部电极、107-漏孔(leak hole)、109-空气隙(air gap)、110-固定膜、111-声孔(acoustic hole)、112-振动膜、113-薄膜(membrane)区域、115-引出布线、116，117-开口部、118-导电膜、 
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的一种实施例的驻极体电容器应用于ECM时的例子。 
首先说明使用本实施例的驻极体电容器的元件、即ECM。 
图1(a)及图1(b)为本实施例的ECM的结构图，图1(a)为该ECM的平面图，图1(b)为该ECM的剖面图。 
如图1(a)及图1(b)所示，本实施例的ECM为由在印刷电路板21上搭载驻极体电容器18、电容器等SMD(表面组装零件)19及FET(场效晶体管)部20而构成。并且，图1(a)中虽然省略图示，但是，如图1(b)所示，搭载驻极体电容器18、SMD19、及FET部20的印刷电路板21由外盒(case)22保护。 
图2为本实施例的ECM的电路方块图。 
如图2所示，本实施例的ECM的内部电路23为由后述的本实施例的驻极体电容器、即驻极体电容器18、SMD19及FET部20所构成。并且，从内部电路23的输出端子24及输出端子25向外部端子26及外部电子27输出信号。实际工作时，一旦从通过电阻与外部端子26连接的端子28输入例如带有2V左右电压的信号，则例如带有数十mV交流电压的信号将输出到通过电容器与外部端子26连接的端子29。并且，外部端子27及与其连接的端子30，各自连接到ECM内部电路23中的GND端子、即输出端子25。 
以下说明本实施例的驻极体电容器。图3为本实施例的驻极体电容器的剖面图。 
如图3所示，本实施例的驻极体电容器为具有平行平板型结构，以在具有使周缘部留下而除去的区域(以下称薄膜(membrane)区域113)的半导体衬底101上以覆盖薄膜区域113的方式形成振动膜112，以及在与 振动膜112之间使空气隙109存在而设置的固定膜110，而以振动膜112及固定膜110为电极。这里，振动膜112具有下部电极104，同时固定膜110具有导电膜(上部电极)118。 
具体来说，在搭载本实施例的驻极体电容器的半导体衬底101上形成氧化硅膜102，同时，通过部分地除去半导体衬底101及氧化硅膜102，使其分别留下周缘部而形成薄膜区域113。换句话说，薄膜区域113是为了使振动膜112能够接收来自外部的压力来振动，而将半导体衬底101予以部分除去留下周缘部所构成的区域。 
氧化硅膜102上以覆盖薄膜区域113的方式形成氮化硅膜103。在氮化硅膜103上形成由同一导电膜构成的下部电极104及引出布线115。以覆盖薄膜区域113及其邻近区域(薄膜区域113的外侧区域的一部分)的方式，在氮化硅膜103上形成下部电极104；而在薄膜区域113的外侧的氮化硅膜103上形成引出布线115使其与下部电极104连接。 
分别在氮化硅膜103、下部电极104及引出布线115上，依序形成氧化硅膜105及氮化硅膜106。这里，振动膜112由位于薄膜区域113的氮化硅膜103、由导电膜构成的下部电极104、以及氧化硅膜105及氮化硅膜106所构成。并且，振动膜112中，形成由与空气隙109连接的多个的漏孔(leak hole)107。而且，形成氮化硅膜103及氮化硅膜106，以覆盖包含声孔(acoustic hole)107内侧壁面的下部电极104及氧化硅膜105的整体表面。而且，氧化硅膜105是蓄积电荷的驻极体膜。 
进一步地，如图3所示，在振动膜112上方、即氮化硅膜106的上方，设置了由下层氮化硅膜114及上层氮化硅膜119覆盖的导电膜118所构成的固定膜110。这里，在薄膜区域113及其邻近区域(薄膜区域113的外侧区域的一部分)，振动膜112与固定膜110之间形成有空气隙109；另一方面，在其以外的区域，氮化硅膜106或氧化硅膜102与固定膜110之间形成氧化硅膜108。换句话说，空气隙109形成在至少包含整个薄膜区域113的区域上，同时在振动膜112上方固定膜110为氧化硅膜108所支撑。而且，通过将在包含薄膜区域113的半导体衬底101上形成的氧化硅膜108予以部分除去而形成空气隙109。 
换句话说，作为本实施例的主要特征，如图3所示，将固定膜 110及振动膜112分别露出于空气隙109的部分由氮化硅膜(固定膜110的氮化硅膜114及振动膜112的氮化硅膜106)构成。 
并且，在空气隙109上方的固定膜110，形成有与空气隙109连接的多个声孔111。而且，在包含氮化硅膜114的固定膜110及氧化硅膜108中设置开口部116，以使引出布线115部分地露出。下部电极104通过引出布线115电连接到图2所示FET部20的栅极。并且，在构成固定膜110的氮化硅膜119设置开口部117，同时在该开口部117使构成固定膜110的导电膜118露出，通过上述使该导电膜118电连接到图2的GND端子25。 
图4为本实施例的驻极体电容器的下部电极104及引出布线115的平面图。如同上述，下部电极104及引出布线115为同一导电膜所构成。并且，如图4所示，下部电极104在薄膜区域113内部形成，同时，在下部电极104周缘部形成多个漏孔107。而且，为了使下部电极104与外部电连接形成引出布线115。 
以下，说明在薄膜区域113内部形成下部电极104的理由。ECM的电容器电容，由根据振动膜的振动而变化的电容成份与根据振动膜的振动不产生变化的电容成份所决定。这里，寄生电容一旦增大，由于振动膜的振动而不产生变化的电容成份也变大，因此ECM的性能受到很大左右。相对地，本实施例中，在薄膜区域113内侧设置驻极体电容器的下部电极104。通过这个构造，因为下部电极104与半导体衬底101的重叠区域将消失，所以能够消除由下部电极104与氧化硅膜102与半导体衬底101构成的大面积金属氧化半导体(MOS，metal oxide semiconductor)的电容。换句话说，能够使寄生电容是只由引出布线115与氧化硅膜102与半导体衬底101构成的小面积电容。因此，由于能够防止电容器中不变化的电容成份(寄生电容)的增加，所以能够实现小型且高性能的驻极体电容器。 
并且，本实施例中，振动膜112的构成要素，即氮化硅膜103、由导电膜构成的下部电极104、氧化硅膜105及氮化硅膜106中，以覆盖薄膜区域113的方式形成的氮化硅膜103、氧化硅膜105及氮化硅膜106，以与半导体衬底101重叠的方式形成。换句话说，氮化硅膜103、氧化硅膜105及氮化硅膜106的端边位于半导体衬底101上方。另一方面，振动 膜112中由导电膜构成的下部电极104以不与半导体衬底101重叠的方式在薄膜区域113内侧形成。换句话说，下部电极104的边缘位于薄膜区域113的内部。通过上述，能够以分别调整氮化硅膜103、氧化硅膜105及氮化硅膜106的膜厚，来控制振动膜112的共振频率数特性。也就是，使得电容器中接收来自外部压力变化的电容成份的控制变得容易，通过上述能够实现小型且高感度的驻极体电容器。 
以下，说明氮化硅膜103及氮化硅膜106，以覆盖下部电极104及氧化硅膜105的方式形成的理由。由氧化硅膜构成的驻极体一旦接触液体时，驻极体的电荷就大幅减少。为了抑制这个驻极体的电荷的减少，本实施例中，使得至少在驻极体氧化硅膜105的表面(上面、下面及侧面)，由氮化硅膜103及氮化硅膜106覆盖。进一步地详细来说，使在振动膜112形成的漏孔107内氧化硅膜(驻极体)105不露出的方式，来使氮化硅膜106将漏孔107内侧壁面被完全覆盖。因此，能够实现具有优良耐湿性及耐热性的驻极体的驻极体电容器。 
图5为构成本实施例的驻极体电容器的固定膜110的氮化硅膜114的平面图。如同上述，在包含薄膜区域113的半导体衬底101上方形成的固定膜110中，形成多个声孔111。各声孔111被配置在薄膜区域113及其邻近区域(薄膜区域113的外侧区域的一部分)。 
以下，说明本实施例的的驻极体电容器的动作。如图3所示，本实施例的驻极体电容器中，一旦振动膜112通过声孔111及空气隙109，自上方接收音压，振动膜112响应该音压将机械地上下振动。本实施例的驻极体电容器为平行平板型的电容器构造，以构成振动膜112的下部电极104与构成固定膜110的导电膜118为电极。因此，振动膜112一旦振动，下部电极104与导电膜118之间的电极间距离即产生变化，通过上述，电容器电容(C)也产生变化。这里，由于电容器蓄积的电荷(Q)为一定量，因此电容器的电容(C)一旦产生变化，下部电极104与固定膜110(导电膜118)之间的电压(V)即发生变化。其理由在于必须物理性满足下列公式(1)的条件。 
Q＝C·V    (1) 
而且，下部电极104与固定膜110(导电膜118)之间的电压(V)一旦 产生变化，则由于下部电极104与图2的FET部20的栅极电连接，因此FET部20的栅极电位也产生变化。如上所述，由于振动膜112的振动FET20的栅极电位产生变化，FET部20的栅极电位变化作为电压变化向图2的外部输出端子29输出。 
但是，ECM中的空气隙形成区域的电容器电容的偏差一旦变大，对于ECM性能也产生大影响。 
本实施例中，使固定膜110及振动膜112分别露出于空气隙109的部分，由绝缘膜、具体来说由具有张应力(tensile stress)的氮化硅膜(氮化硅膜114及氮化硅膜106)所构成。换句话说，设置有空气隙109的氧化硅膜108的上面及下侧为该氮化硅膜所覆盖。因此，能够防止空气隙109形成时，振动膜112与固定膜110由于表面张力而粘附。也就是，将决定空气隙109形成区域的电容器电容的空气隙109的厚度，利用半导体微细加工技术等形成的薄膜(本实施例为氧化硅膜108)厚度加以决定，因此能够形成具有想要的厚度的空气隙109。因此，能够实现更为小型、同时更为高性能、且个别特性偏差小的驻极体电容器。 
也就是，根据本实施例，能够实现可靠性高且高性能的麦克风。进一步地，能够将搭载该麦克风的各种应用装置广泛地提供给社会。 
并且，在本实施例中，虽然在固定膜110及振动膜112分别露出于空气隙109的部分，使用了氮化硅膜(氮化硅膜106及114)，但是也可以使用具有张应力的其他种类的绝缘膜取代。 
而且，本实施例中，也可以使用掺杂(dopping)杂质的硅或多晶硅、金、高熔点金属、铝或含有铝的合金，来作为构成下部电极104的导电材料。 
而且，本实施例中，也可以使用掺杂不纯物的硅或多晶硅、金、高熔点金属、铝或含有铝的合金，作为构成固定膜110的导电膜118的材料，。 
而且，本实施例中，也可以使用由绝缘体构成的衬底取代半导体衬底101。 
而且，本实施例中，虽然使用氧化硅膜108作为形成空气隙109的绝缘膜(牺牲层)，但是该牺牲层的种类并没有特别限定。并且，也可以 使用由同一材料构成的多个绝缘膜叠层的膜来作为牺牲层。这样一来，与使用单一绝缘膜形成相同厚度的牺牲层的情况相比，能够缩小牺牲层的厚度偏差、也就是空气隙的厚度偏差，因此能够缩小驻极体电容器的特性偏差。 
产业上利用的可能性 
本发明是涉及一种具有振动电极与固定电极的驻极体电容器，特别是适用于利用微机电系统技术形成ECM的情况，而能够实现ECM的高性能化及高可靠性化，非常有用。 

Claims (6)

1.一种驻极体电容器，其特征在于：
包括：
具有第一电极的第一膜，
具有第二电极和蓄积电荷的驻极体膜的第二膜，
在所述第一膜与所述第二膜之间形成的第一绝缘膜，以及
除去所述第一绝缘膜的一部分而形成的空气隙；并且
所述第一膜及所述第二膜的各自露出在所述空气隙的部分是由不同于所述第一绝缘膜的第二绝缘膜构成。
2.根据权利要求1所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述第一膜及所述第二膜的至少一个具有与所述空气隙连接的贯通孔。
3.根据权利要求1所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述第二绝缘膜是具有张应力的绝缘膜。
4.根据权利要求1所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述第二绝缘膜是氮化硅膜。
5.根据权利要求1所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述第一绝缘膜是由同一材料构成的多个绝缘膜所叠层的膜。
6.根据权利要求1所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述第一膜是固定膜，所述第二膜是振动膜。
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