WO2005086533A1 - エレクトレットコンデンサーマイクロフォン - Google Patents

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WO2005086533A1
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electret
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air gap
electret capacitor
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Tohru Yamaoka
Hiroshi Ogura
Yuichi Miyoshi
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • the present invention relates to an electret capacitor having a vibrating electrode and a fixed electrode, and in particular to an electret capacitor formed using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • an electret capacitor that is a dielectric having permanent electric polarization, which is applied to elements such as a condenser microphone, an electret film and an electret film between a fixed electrode and a movable electrode that constitute a parallel plate capacitor.
  • Structures with an air gap (cavity) layer have been used.
  • the thickness of the air gap layer is directly related to the capacitance value of the condenser, and greatly affects the performance of the microphone and the like. That is, when the air gap layer is set thin, the sensitivity of the microphone etc. is improved. On the other hand, when the manufacturing variation of the thickness of the air gap layer is large, the sensitivity variation of the individual microphones and the like increases. Therefore, for the air gap layer provided in the electret capacitor, it is desirable that the thickness be small and the manufacturing variation of the thickness be small.
  • Patent Document 1 a technology in which a concave portion is formed by removing a part of a Si (silicon) substrate by wet etching using potassium hydroxide.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-345088
  • an electret capacitor having a fixed electrode and a movable electrode using MEMS technology.
  • Wet etching is used between the fixed electrode and the movable electrode to form an air gap. If the fixed electrode and the movable electrode are stuck due to the surface tension of the etching solution or the cleaning solution during formation, the air gap layer having the desired thickness can not be formed. There is.
  • the present invention prevents sticking of electrodes when forming an air gap in an electret capacitor, so that the thickness of the air gap layer can be accurately controlled.
  • the purpose is to
  • an electret capacitor according to the present invention comprises a first film having a first electrode, a second film having a second electrode and an electret film, and the first film.
  • a first insulating film formed between the first film and the second film, and an air gap formed by removing a portion of the first insulating film, the first film and the A portion exposed to the air gap in each of the two films is formed of a second insulating film.
  • the present invention it is possible to realize a highly reliable, compact and high-performance microphone. Furthermore, various application devices equipped with the microphone can be widely supplied to the society.
  • FIG. 1 (a) and 1 (b) are configuration diagrams of an electret condenser microphone (hereinafter referred to as ECM) according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1 (a) is a diagram showing the same.
  • FIG. 1 (b) is a cross-sectional view of the ECM.
  • FIG. 2 is a circuit block diagram of an ECM according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an electret capacitor constituting an ECM according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of the lower electrode and the lead-out wiring of the electret capacitor constituting the ECM according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view of a silicon nitride film in a fixed film of an electret capacitor constituting an ECM according to an embodiment of the present invention.
  • ECM which is an element to which the electret capacitor of the present embodiment is applied.
  • FIG. 1 (a) and 1 (b) are block diagrams of the ECM of the present embodiment
  • FIG. 1 (a) is a plan view of the ECM
  • FIG. 1 (b) is a cross-sectional view of the ECM. It is.
  • the ECM according to the present embodiment includes an electret capacitor 18, an SMD (surface mounted component) such as a capacitor 19 and an FET (field effect) on a printed circuit board 21. It is comprised by mounting the type
  • FIG. 1 (a) the printed board 21 on which the electret capacitor 18, the SMD 19 and the FET portion 20 are mounted is protected by the case 22. ing.
  • FIG. 2 is a circuit block diagram of an ECM of the present embodiment.
  • the internal circuit 23 of the ECM of this embodiment is configured of an electret capacitor 18, an SMD 19 and an FET unit 20 which are electret capacitors of this embodiment described later. Further, signals are output from the output terminal 24 and the output terminal 25 of the internal circuit 23 to the external terminal 26 and the external terminal 27.
  • a signal having a voltage of about 2 V for example, is input from the terminal 28 connected to the external terminal 26 via a resistor, the number of terminals is connected to the terminal 29 connected to the external terminal 26 via a capacitor.
  • a signal with an alternating voltage of 10 mV is output.
  • the external terminal 27 and a terminal 30 connected thereto Each is connected to an output terminal 25 which is a GND terminal in the ECM internal circuit 23.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the electret condenser of the present embodiment.
  • the electret capacitor 1 of the present embodiment covers the membrane region 113 on the semiconductor substrate 101 having the region (hereinafter referred to as the membrane region 113) removed so as to leave the peripheral portion. It has a parallel plate capacitor structure in which the vibrating film 112 thus formed and the fixed film 110 disposed with the air gap 109 interposed between the vibrating film 112 are electrodes.
  • the vibrating film 112 has a lower electrode 104 and the fixed film 110 has a conductive film (upper electrode) 118.
  • a silicon oxide film 102 is formed on a semiconductor substrate 101 on which the electret capacitor of the present embodiment is mounted, and the semiconductor substrate 101 and the silicon oxide film 102 have their respective peripheral edges.
  • the membrane region 113 is formed by partially removing the portion so that the portion remains. That is, the membrane area 113 is an area where the semiconductor substrate 101 is partially removed so as to leave its peripheral portion in order to allow the vibrating membrane 112 to vibrate by receiving pressure from the outside.
  • a silicon nitride film 103 is formed on the silicon oxide film 102 so as to cover the membrane region 113.
  • the lower electrode 104 and the lead-out wiring 115 made of the same conductive film are formed on the silicon nitride film 103 covering the membrane area 113 and the area near the membrane area 113 (a part of the outer area of the membrane area 113), and the lead wire 115 is a silicon nitride film outside the membrane area 113. It is formed on the membrane 103 to be connected to the lower electrode 104 !.
  • a silicon oxide film 105 and a silicon nitride film 106 are sequentially formed on the silicon nitride film 103, the lower electrode 104 and the lead-out wiring 115.
  • a vibrating film 112 is formed by the silicon nitride film 103, the lower electrode 104 made of a conductive film, the silicon oxide film 105, and the silicon nitride film 106 located in the membrane region 113. Further, in the vibrating film 112, a plurality of leak holes 107 connected to the air gap 109 are formed.
  • the silicon nitride film 103 and the silicon nitride film 106 include the inner wall surface of the leak hole 107.
  • the lower electrode 104 and the silicon oxide film 105 are formed to cover the entire surface.
  • the silicon oxide film 105 is an electret film storing charges.
  • the conductive film 118 covered by the lower silicon nitride film 114 and the upper silicon nitride film 119 is provided above the vibrating film 112, ie, above the silicon nitride film 106.
  • the fixed film 110 is provided.
  • a silicon oxide film 108 is formed between the silicon nitride film 106 or the silicon oxide film 102 and the fixed film 110.
  • the air gap 109 is formed over the area including at least the entire membrane area 113, and the fixed film 110 is supported by the silicon oxide film 108 above the vibrating film 112.
  • the air gap 109 is formed by partially removing the silicon oxide film 108 formed on the semiconductor substrate 101 including the membrane region 113.
  • portions of the fixed film 110 and the vibrating film 112 exposed to the air gaps 109 are silicon nitride films (fixed film 110
  • the silicon nitride film 114 and the silicon nitride film 106 of the vibrating film 112 are structured.
  • a plurality of acoustic holes 111 connected to the air gap 109 are formed in the fixed film 110 above the air gap 109. Further, an opening 116 is provided in the fixed film 110 including the silicon nitride film 114 and the silicon oxide film 108 so as to partially expose the lead wire 115.
  • the lower electrode 104 is electrically connected to the gate of the FET unit 20 shown in FIG. 2 through the lead wire 115.
  • the silicon nitride film 119 constituting the fixed film 110 is provided with the opening 117 and the conductive film 118 constituting the fixed film 110 is exposed at the opening 117, whereby the relevant film is concerned.
  • the conductive film 118 is electrically connected to the GND terminal 25 of FIG.
  • FIG. 4 is a plan view of the lower electrode 104 and the lead-out wiring 115 of the electret capacitor of the present embodiment.
  • the lower electrode 104 and the lead wire 115 are made of the same conductive film.
  • the lower electrode 104 is a membrane region 1.
  • a plurality of leak holes 107 are formed in the peripheral portion of the lower electrode 104 while being formed in the inside of the reference numeral 13. Then, a lead wire 115 is formed to electrically connect the lower electrode 104 to the outside.
  • the capacitance of the capacitor in the ECM is determined by the capacitance component that changes due to the vibration of the vibrating membrane and the capacitance component that does not change due to the vibration of the vibrating membrane.
  • the capacitance component which does not change due to the vibration of the vibrating film is increased, which largely affects the performance of the ECM.
  • the lower electrode 104 of the electret capacitor is provided inside the membrane area 113.
  • the large area metal oxide semiconductor (MOS) capacitance consisting of the lower electrode 104, the silicon oxide film 102 and the semiconductor substrate 101 is eliminated.
  • the parasitic capacitance can be made to be only a small-area MOS capacitance composed of the lead-out line 115, the silicon oxide film 102 and the semiconductor substrate 101. Therefore, since it is possible to prevent an increase in the invariable capacitance component (parasitic capacitance) in the capacitor, a compact and high performance electret capacitor can be realized.
  • components of the vibrating film 112 that is, the silicon nitride film 103, the lower electrode 104 made of a conductive film, the silicon oxide film 105, and the silicon nitride film 106, the membrane region A silicon nitride film 103, a silicon oxide film 105 and a silicon nitride film 106 which are formed so as to cover 113 are formed so as to overlap with the semiconductor substrate 101.
  • the ends of the silicon nitride film 103, the silicon oxide film 105 and the silicon nitride film 106 are located on the semiconductor substrate 101.
  • the lower electrode 104 of the vibrating film 112 made of a conductive film is formed inside the membrane region 113 so as not to overlap with the semiconductor substrate 101.
  • the end of the lower electrode 104 is located inside the membrane region 113.
  • the resonance frequency characteristics of the vibrating film 112 can be controlled by adjusting the film thicknesses of the silicon nitride film 103, the silicon oxide film 105, and the silicon nitride film 106. That is, it facilitates control of the capacity component that changes in response to external force or pressure in the capacitor, thereby a compact and highly sensitive electret capacitor One can be realized.
  • the silicon nitride film 103 and the silicon nitride film 106 are formed to cover the lower electrode 104 and the silicon oxide film 105.
  • the charge of the electret is greatly reduced.
  • at least the surface (upper surface, lower surface, and side surface) of the silicon oxide film 105 which is the electret is formed of the silicon nitride film 103 and the silicon nitride film 106 in order to suppress the reduction of the electret charge. Covering.
  • the inner wall surface of the leak hole 107 is also completely covered with the silicon nitride film 106 so that the silicon oxide film (electret) 105 is not exposed in the leak hole 107 formed in the vibrating film 112.
  • an electret condenser having an electret excellent in moisture resistance and heat resistance can be realized.
  • FIG. 5 is a plan view of the silicon nitride film 114 that constitutes the fixed film 110 of the electret capacitor of the present embodiment.
  • a plurality of acoustic holes 111 are formed in the fixed film 110 formed above the semiconductor substrate 101 including the membrane region 113.
  • Each acoustic hole 111 is disposed in the membrane area 113 and its adjacent area (a part of the outer area of the membrane area 113).
  • the electret condenser of the present embodiment when the vibrating membrane 112 receives an upward force also through the acoustic hole 111 and the air gap 109, the vibrating membrane 112 is mechanically operated according to the sound pressure. Vibrate up and down.
  • the electret capacitor of the present embodiment has a parallel plate capacitor structure in which the lower electrode 104 in the vibrating film 112 and the conductive film 118 in the fixed film 110 are electrodes. Therefore, when the vibrating membrane 112 vibrates, the inter-electrode distance between the lower electrode 104 and the conductive film 118 changes, thereby changing the capacity (C) of the capacitor.
  • the portion exposed to the air gap 109 in each of the fixed film 110 and the vibrating film 112 is an insulating film, specifically, a silicon nitride film (silicon nitride film 114 and silicon having tensile stress).
  • the nitride film 106) force is also configured.
  • the upper and lower sides of the silicon oxide film 108 provided with the air gap 109 are covered with the silicon nitride film. Therefore, it is possible to prevent the vibrating film 112 and the fixed film 110 from being stuck due to surface tension when the air gap 109 is formed.
  • the thickness of the air gap 109 which determines the capacity of the capacitor in the formation region of the air gap 109, is a thin film formed by a semiconductor microfabrication technique or the like (in this embodiment, the silicon oxide film 108). Therefore, the air gap 109 having a desired thickness can be formed. Therefore, it is possible to realize an electret capacitor which is smaller in size, higher in performance, and smaller in individual characteristic variation.
  • the present embodiment it is possible to realize a highly reliable, small and high-performance microphone. Furthermore, various application devices equipped with the microphone can be widely supplied to the society.
  • the silicon nitride films (silicon nitride films 106 and 114) are used for the portions exposed to the air gaps 109 in each of the fixed film 110 and the vibrating film 112.
  • other types of insulating films having tensile stress may be used.
  • a conductive material constituting the lower electrode 104 silicon or polysilicon doped with an impurity, gold, a refractory metal, aluminum, an aluminum-containing alloy, or the like is used. You may use it.
  • impurities are not included. Or doped silicon or polysilicon, gold, refractory metals, aluminum or aluminum-containing alloys, etc.
  • a substrate made of an insulator instead of the semiconductor substrate 101, a substrate made of an insulator may be used.
  • the silicon oxide film 108 is used as the insulating film (sacrificial layer) forming the air gap 109, but the type of the sacrificial layer is not particularly limited.
  • the sacrificial layer a film in which a plurality of insulating films having the same material strength may be stacked may be used. In this way, the variation in the thickness of the sacrificial layer, that is, the variation in the thickness of the air gap can be reduced as compared with the case where the sacrificial layer of the same thickness is formed using a single insulating film. The characteristic variation of the capacitor can be further reduced.
  • the present invention relates to an electret capacitor having a vibrating electrode and a fixed electrode, and in particular, when applied to an ECM or the like formed using MEMS technology, the ECM has high performance and high reliability. Yes, very useful.

Abstract

　エレクトレットコンデンサーは、上部電極となる導電膜１１８を有する固定膜１１０と、下部電極１０４及びエレクトレット膜となるシリコン酸化膜１０５を有する振動膜１１２と、固定膜１１０と振動膜１１２との間に設けられ且つエアギャップ１０９を有するシリコン酸化膜１０８とを備えている。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に露出している部分はシリコン窒化膜１０６及び１１４から構成されている。

Description

明 細 書
エレクトレツ トコンデンサーマイクロフォン 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ツトコ ンデンサ一に関する。
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 、る。
[0003] エレクトレットコンデンサーにおいては、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 ヤ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)基板の一部を水酸ィ匕カリウムを用いた ウエ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
発明が解決しょうとする課題
[0005] し力しながら、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 一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 デンサ一を形成することが試みられている力 固定電極と可動電極との間にウエット エッチングを用 、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 、てしまうと!、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 ヽと 、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、それによつてエアギャップ層 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一は、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し て形成されたエアギャップとを備え、前記第 1の膜及び前記第 2の膜のそれぞれにお ける前記エアギャップに露出して 、る部分は第 2絶縁膜から構成されて 、る。
発明の効果
[0009] 本発明によれば、信頼性の高!、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。
図面の簡単な説明
[0010] [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 口フォン（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 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 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 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
18 エレクトレットコンデンサ
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 シリコン酸ィ匕膜
103 シリコン窒化膜
104 下部電極
105 シリコン酸ィ匕膜
106 シリコン窒化膜
107 リークホール
108 シリコン酸ィ匕膜
109 エアギャップ
110 固定膜
111 アコースティックホール
112 励 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
発明を実施するための最良の形態
[0012] 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について、 ECMに応 用する場合を例として図面を参照しながら説明する。
[0013] まず、本実施形態のエレクトレットコンデンサーを応用した素子である ECMについ て説明する。
[0014] 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。
[0015] 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 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 18、 SMD 19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。
[0016] 図 2は本実施形態の ECMの回路ブロック図である。
[0017] 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であるエレクトレットコンデンサー 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。
[0018] 以下、本実施形態のエレクトレットコンデンサーについて説明する。図 3は本実施形 態のエレクトレットコンデンサーの断面図である。
[0019] 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一は、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 プレン領域 113を覆うように形成された振動膜 112と、振動膜 112との間にエアギヤッ 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。
[0020] 具体的には、本実施形態のエレクトレットコンデンサーが搭載される半導体基板 10 1上にシリコン酸ィ匕膜 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。
[0021] シリコン酸ィ匕膜 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 (メンプレン領域 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!、る。
[0022] 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 コン酸ィ匕膜 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及びシリコン酸ィ匕膜 105の表面全体を覆うように形成されている。ま た、シリコン酸ィ匕膜 105は、電荷を蓄えたエレクトレット膜である。
[0023] 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 (メンプレン領域 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又はシリコン酸ィ匕膜 102と固定膜 110との間にはシリコン 酸ィ匕膜 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 ヽると共に、固定膜 110は振動膜 112の上 方においてシリコン酸ィ匕膜 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ィ匕膜 108を部分 的に除去することによって形成されている。
[0024] 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に露出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)力 構成 されている。
[0025] 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及びシリコン酸ィ匕膜 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、それによつて当該導電膜 11 8は図 2の GND端子 25に電気的に接続されている。
[0026] 図 4は、本実施形態のエレクトレットコンデンサーの下部電極 104及び引出し配線 1 15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 1 13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 ヽる。
[0027] 以下、下部電極 104カ^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つてしまい、 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とシリコン酸ィ匕膜 102と半導体基板 101とからなる大面積の MO S (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とシリコン酸ィ匕膜 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 を実現することができる。
[0028] 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 10 3、導電膜からなる下部電極 104、シリコン酸ィ匕膜 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、シリコン酸ィ匕膜 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、シリコン酸ィ匕膜 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 10 4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、シリコン酸ィ匕膜 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力もの圧力を受けて変化する容 量成分の制御を容易にし、それによつて小型且つ高感度のエレクトレットコンデンサ 一を実現することができる。
[0029] 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!、る理由につ 、て説明する。シリコン酸ィ匕膜からなる 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 るシリコン酸ィ匕膜 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を実現すること ができる。
[0030] 図 5は、本実施形態のエレクトレットコンデンサーの固定膜 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 (メンプレン領域 113の外側領域の一部）に配置されて 、る。
[0031] 以下、本実施形態のエレクトレットコンデンサー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一にお 、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が上方力も音圧を受けると、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 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、それによつてコンデンサーの 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。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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に露出している部分は、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)力も構成されてい 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ィ匕膜 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 、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 1 09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 コン酸ィ匕膜 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ヤ 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を実現することができる。
[0035] 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。
[0036] 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 ヤップ 109に露出している部分に、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。
[0037] また、本実施形態にぉ ヽて、下部電極 104を構成する導電材料として、不純物をド 一ビ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- ゥム含有合金等を用いてもょ 、。
[0038] 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ょ 、。
[0039] 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。
[0040] 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、 シリコン酸ィ匕膜 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、同一材料力も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
[0041] 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 び高信頼性ィ匕を実現でき、非常に有用である。

Claims

請求の範囲
[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して形成されたエアギャップとを備え、
前記第 1の膜及び前記第 2の膜のそれぞれにおける前記エアギャップに露出して V、る部分は第 2絶縁膜から構成されて 、ることを特徴とするエレクトレットコンデンサ
[2] 請求項 1に記載のエレクトレットコンデンサ一にお 、て、
前記第 1電極及び前記第 2電極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。
[3] 請求項 1に記載のエレクトレットコンデンサ一にお 、て、
前記第 2絶縁膜は、引張応力を有する絶縁膜である。
[4] 請求項 1に記載のエレクトレットコンデンサ一にお 、て、
前記第 2絶縁膜はシリコン窒化膜である。
[5] 請求項 1に記載のエレクトレットコンデンサ一にお 、て、
前記第 1絶縁膜は、同一材料カゝらなる複数の絶縁膜が積層された膜である。
[6] 請求項 1に記載のエレクトレットコンデンサ一にお 、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。
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