JP4775427B2

JP4775427B2 - コンデンサーマイクロフォン

Info

Publication number: JP4775427B2
Application number: JP2008275125A
Authority: JP
Inventors: 徹山岡; 裕一三由; 洋小倉
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2024-08-31
Also published as: JP2009022055A

Description

本発明は振動電極と固定電極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）技術を用いて形成するエレクトレットコンデンサーに関する。

従来、コンデンサーマイクロホ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では、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の間に、エレクトレット膜とエアギャップ（空洞）層を備えた構造を有する。

近年、エアギャップ層厚さを薄くかつ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製造方法が提案されている。具体例としては、特許文献１に示すようなＳｉ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ものである。また、特許文献２に示すような、スペーサとなるポリイミド表面に平坦化膜であるシリコン窒化膜を設けることにより、ポリイミド膜厚のばらつきを抑制するものである。
特開２００２−３４５０８８号公報特開２００２−３１５０９７号公報

しかしながら、近年の機器の小型化、高性能化を実現するため、より小型で高性能でありながら、寄生容量が小さいエレクトレットコンデンサーの実現が望まれている。

本発明は、小型かつ高性能であり、寄生容量が小さいエレクトレットコンデンサーを提供することを目的とする。

前記の課題を解決するために、本発明に係る第１のエレクトレットコンデンサーは、半導体基板の中央部に、半導体基板を選択的に除去した領域と、領域を覆うように半導体基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜表面に形成された電極膜とを備え、電極膜は、半導体基板と重ならないように領域内に形成されていることを特徴とする。

本発明に係る第１のエレクトレットコンデンサーによると、電極膜を半導体基板と重ならないように設けるので、寄生容量を小さくすることができる。

本発明に係る第１のエレクトレットコンデンサーにおいて、半導体基板と重なるように、電極膜から引き出された配線が形成されていることが好ましい。

本発明に係る第２のエレクトレットコンデンサーは、周辺部を残すように除去された領域を有する半導体基板と、領域を覆うように半導体基板上に形成された絶縁膜と、絶縁膜表面に形成された電極膜とを備え、電極膜は、半導体基板と重ならないように領域内に形成されていることを特徴とする。

本発明に係る第２のエレクトレットコンデンサーによると、電極膜を半導体基板と重ならないように設けるので、寄生容量を小さくすることができる。

本発明に係る第２のエレクトレットコンデンサーにおいて、半導体基板と重なる周辺部には、電極膜から引き出された配線が形成されていることが好ましい。

本発明に係る第１又は第２のエレクトレットコンデンサーにおいて、絶縁膜の端面は、領域の外側の半導体基板と重なる領域に形成されていることが好ましい。

以上のように、本発明によれば、寄生容量が小さく高感度のエレクトレットコンデンサーの実現が可能となる。さらに、それら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。

最初に、エレクトレットコンデンサーの応用例であるエレクトレットコンデンサーマイクロフォン（以下、ＥＣＭ）について説明する。

図１にＥＣＭの構成図を示す。図１（ａ）はＥＣＭの上面図を、図１（ｂ）はＥＣＭの断面図を示している。図１（ａ）において、プリント基板２１上にマイク部１８、コンデンサーなどのＳＭＤ（表面実装部品）１９、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）２０が搭載されている。また、図１（ｂ）において、ＥＣＭのケース２２を示している。

図２は、ＥＣＭの回路ブロック図である。ＥＣＭの内部回路２３は、マイク部１８、ＳＭＤ１９、ＦＥＴ２０より構成されており、出力端子２４及び出力端子２５から、外部端子２６および外部端子２７へ信号を出力する構成となっている。実際の動作としては、端子２８より２Ｖ程度の入力信号がなされ、端子２９に数十ｍＶの交流の信号出力がなされる。端子２７と端子３０は、ＥＣＭ内部回路２３の中のＧＮＤ端子である出力端子２５に接続される。

以下に、本発明のエレクトレットコンデンサーの実施の形態について詳細に説明する。

図３は、本発明のエレクトレットコンデンサーの断面図である。図４は、エレクトレットコンデンサーの下部電極および引出し配線の平面図である。

図３に示すように、半導体基板１０１の上にシリコン酸化膜１０２が形成され、半導体基板１０１及びシリコン酸化膜１０２の周辺を残すように除去してメンブレン領域１１３を形成している。ここで、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が周辺を残すように部分的に除去されている領域である。そして、シリコン窒化膜１０３がシリコン酸化膜１０２上及びメンブレン領域１１３中に形成されている。その上に、下部電極１０４及び引出し配線１１５が、１つの導電膜から形成されている。そして、シリコン窒化膜１０３、下部電極１０４及び引出し配線１１５の上に、シリコン酸化膜１０５及びシリコン窒化膜１０６が形成されている。ここで、下部電極１０４及びシリコン酸化膜１０５にはリークホール１０７が形成されている。そして、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が形成されたメンブレン領域１１３の下部電極１０４及びシリコン酸化膜１０５を覆うように形成されている。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は、振動膜１１２となる。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。さらに、シリコン窒化膜１０６の上方には、シリコン窒化膜１１４で覆われた導電膜からなる固定膜１１０が形成されている。振動膜１１２と固定膜１１０の間は、エアギャップ層１０９が形成されており、それ以外のシリコン窒化膜１０６と固定膜１１０の間には、シリコン酸化膜１０８が形成されている。このエアギャップ層１０９は、少なくともメンブレン領域１１３を含むように形成されている。また、エアギャップ層１０９の上方の固定膜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。また、引出し配線１１５が露出するようにシリコン窒化膜１１４、固定膜１１０及びシリコン酸化膜１０８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ＦＥＴ２０のゲートと電気的に接続されている。また、固定膜１１０は、シリコン窒化膜１１４に設けられた開口部１１７により露出しており、図２のＧＮＤ端子２５に接続されている。

ここで、下部電極１０４及び引出し配線１１５について、図４を用いて説明する。下部電極１０４及び引出し配線１１５は、１つの導電膜から形成されている。下部電極１０４は、メンブレン領域１１３内に形成されており、周辺にはリークホール１０７が形成されている。そして、下部電極１０４が外部と電気的に接続するために引出し配線１１５を形成している。

ここで、下部電極１０４がメンブレン領域１１３内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変化しない容量成分によって決定される。寄生容量により変化しない容量成分が大きくなると、ＥＣＭの性能に大きく関わる。本発明においては、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、半導体基板１０１及びシリコン酸化膜１０２からなるＭＯＳ容量の面積を無くすことができ、引出し配線１１５、半導体基板１０１及びシリコン酸化膜１０２からなるＭＯＳ容量の小さい面積だけにすることができる。すなわち、コンデンサーの変化しない容量成分（寄生容量）の増加を防ぎ、小型か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。

また、振動膜１１２となるシリコン窒化膜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の端面は、半導体基板１０１と重なるように形成されている。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様にメンブレン領域１１３の内側に形成されている。

これにより、振動膜１１２の共振周波数特性は、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の膜厚を調整させることで制御することができる。すなわち、外部からの圧力を受けて変化するコンデンサー容量成分の制御を容易にし、小型かつ高感度のエレクトレットコンデンサーを実現することができる。

なお、下部電極１０４を形成する導電膜は、不純物をドーピングしたポリシリコンや金、アルミニウム、アルミニウム系合金などの金属で形成することができる。

最後に、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において、アコースティックホール１１１を通して、振動膜１１２が上方から音圧を受けたとき、その音圧に応じて振動膜１１２が機械的に上下に振動する。図３においては、下部電極１０４と固定膜１１０を電極とする平行平板型のコンデンサー構造を形成している。振動膜１１２が振動すると下部電極１０４と固定膜１１０との電極間距離が変化することで、コンデンサーの容量（Ｃ）が変化する。コンデンサーに蓄えられる電荷（Ｑ）は一定であるため、下部電極１０４と固定膜１１０との間の電圧（Ｖ）に変化が生じる。この理由は、物理的に、以下の式（１）の条件を満足する必要があるためである。

Ｑ＝Ｃ・Ｖ・・・・（１）
固定膜１１０は、図２のＦＥＴ２０のゲートと電気的に接続しているので、ＦＥＴ２０のゲート電位は、振動膜の振動により変化する。ＦＥＴ２０のゲートの電位変化は外部出力端子２９に電圧変化として出力されることとなる。

以上説明したように、本発明のエレクトレットコンデンサーは、寄生容量を小さくできるので、高性能で小型のＥＣＭの実現に有用である。

エレクトレットコンデンサーマイクロフォンの構成図エレクトレットコンデンサーマイクロフォンの回路図本発明の実施の形態のエレクトレットコンデンサーの断面図本発明の実施の形態のエレクトレットコンデンサーの下部電極および引出し配線の平面図

符号の説明

１８マイク部
１９ＳＭＤ
２０ＦＥＴ
２１プリント基板
２２ＥＣＭのケース
２３ＥＣＭ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エアギャップ層
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

Claims

周辺部を残すように除去された領域を有する半導体基板と、
前記領域を覆うように前記半導体基板上に形成された第１の電極膜を有する振動膜と、
前記振動膜の上に形成された固定膜と、
前記振動膜と前記固定膜の間に形成されたエアギャップを備え、
前記電極膜は、前記半導体基板と重ならないように前記領域内に形成されており、
前記振動膜は、端面において、前記半導体基板と重なるようにシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜の順に積層した第１の絶縁膜を有していることを特徴とするコンデンサーマイクロフォン。
前記半導体基板と重なる周辺部には、前記電極膜から引き出された配線が形成されていることを特徴とする請求項１記載のコンデンサーマイクロフォン。
前記固定膜は、第２の電極膜を有し、前記第２の電極膜は第２の絶縁膜で覆われていることを特徴とする請求項１又は２に記載のコンデンサーマイクロフォン。
前記第２の絶縁膜は、シリコン窒化膜であることを特徴とする請求項３に記載のコンデンサーマイクロフォン。
前記半導体基板と前記固定膜の間であって、前記半導体基板の前記周辺部上に絶縁層が存在し、
前記エアギャップは少なくとも前記除去された領域上に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のコンデンサーマイクロフォン。
前記絶縁層は、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項５に記載のコンデンサーマイクロフォン。
前記固定膜は、前記固定膜を貫通する音孔を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のコンデンサーマイクロフォン。