JP5406675B2 - Ｍｅｍｓコンデンサマイクロフォン - Google Patents

Description

本発明は、基板に微細加工により形成された上部電極と下部電極とを備えるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）コンデンサマイクロフォンに関する。

半導体製造分野において開発された微細加工技術が、小型機械を製作するマイクロマシニング技術の分野で広く応用されるようになっている。このようなマイクロマシニング技術を用いて小型マイクロフォン（ＭＥＭＳコンデンサマイクロフォン）の研究開発が進められている。ＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンは、基板に固定電極と、音波によって振動する振動電極と、固定電極と振動電極との間のエアギャップ（振動空間）を確保して支持するスペーサとを備える。ＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンでは、振動電極が音圧によって振動すると、固定電極と振動電極とで構成される平板コンデンサの静電容量が変化し、静電容量の変化が電圧変化として出力され、電圧変化を測定することにより、音が検出される。

図４は、従来技術に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンの断面構造の１例を示す。図４に示される従来のＭＥＭＳコンデンサマイクロフォン７１は、半導体製造技術を応用して製造されたＭＥＭＳコンデンサ型音響−電気変換チップ７２と、チップに形成されている音響−電気変換素子の一方の電極に直流バイアスを供給したり、もう一方の信号電極からの電気信号を変換、増幅するためのＩＣチップ７３と、ＭＥＭＳコンデンサ型音響−電気変換チップ７２とＩＣチップ７３とを実装する実装基板７５とを備える。

従来のＭＥＭＳコンデンサ型音響−電気変換チップ７２では、半導体基板７４の上に、基板絶縁膜８が形成され、基板絶縁膜８の上に振動電極１１が設けられる。そして、振動電極１１の上には、犠牲層絶縁膜１２が堆積され、犠牲層絶縁膜１２の上には固定電極１３が形成される。固定電極１３は、保護絶縁膜１４で覆われる。そして、固定電極１３と保護絶縁膜１４には、固定電極１３と保護絶縁膜１４とを貫通する複数の音響ホール１５が開孔されている。固定電極１３の下側の領域で、犠牲層絶縁膜１２の一部が除去され空隙１６が形成されている。振動電極１１の下側で振動電極１１を挟んで空隙１６と対向する領域で、半導体基板７４と絶縁膜８の一部が除去されキャビティー１７が形成されている。振動電極１１は、犠牲層絶縁膜１２と保護絶縁膜１４に設けられたコンタクトホールを介して引き出し電極８２と接続され、固定電極１３は、保護絶縁膜１４に設けられたコンタクトホールを介して引き出し電極８１と接続される。

音響−電気変換チップ７２とＩＣチップ７３とを配線８７を用いて接続するために、音響−電気変換チップ７２とＩＣチップ７３上に引き出し電極８１、８２、８３、８４、８５、８６が設けられる。それらの引き出し電極８１および８６、配線８７は高いインピーダンス値を有するので、外部からの電磁のノイズの影響を受けて、マイクロフォンの性能を低下させる。この外部からの電磁のノイズの影響を防止するために、実装基板７５に導電体で形成されたカバー９１を設け、実装基板７５とカバー９１をグラウンド電位として、音響−電気変換チップ７２とＩＣチップ７３をシールドする。カバー９１には、音響−電気変換チップ７２を動作させるために、音波の通過を可能とする連通孔９２が設けられる。

実装基板の上に音響−電気変換チップ７２とＩＣチップ７３を搭載し、音響−電気変換チップ７２とＩＣチップ７３を導電体で形成されたカバーにより被覆してシールドする従来技術に係るマイクロフォンの１例が、特許文献１に記載されている。また、フリップチップ型の実装構造により、高いインピーダンス値を有する導電体接続部をシールドする従来技術に係るマイクロフォンの１例が、特許文献２に記載されている。

特表２００４−５３７１８２号公報 特開２００７−１８４３４１号公報

しかしながら、従来のＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンは、電磁ノイズを防止するために、実装基板の上に、音響−電気変換チップ７２とＩＣチップ７３とを実装し、導電体で形成されたカバーで音響−電気変換チップ７２とＩＣチップ７３と配線を被覆する構成を有している。このため、装置の構成が複雑となり、装置の組み立てに労力を要し、コストが上昇するという問題を生じていた。

また、従来のＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンにおいて、電磁ノイズが誘起されるのを防止するため備えられたカバーには、音響−電気変換チップ７２の動作を確保するために、音響振動を通過させるための連通孔９２を設ける必要がある。このため、この連通孔から電磁ノイズが侵入し、電磁ノイズの誘起を完全に防止することができないという問題を生じていた。

また、従来のＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンでは、音響−電気変換チップ７２とＩＣチップ７３とが別個に設けられているので、配線が引き回されて配線長が長くなり、寄生容量が大きくなる。このため、マイクロフォンの感度とＳＮ比を低下させるという問題を生じていた。

また、従来のＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンにおいて、フリップチップ型の実装構造を採用する場合にも、振動電極の動作を確保するために実装基板にキャビティーを設け、寄生容量を低減するために実装基板に多層配線層を備えるので、実装基板の構造が複雑になり、コストが増加するという問題を生じていた。

本発明は、電磁ノイズを低減し、寄生容量が低く、感度とＳＮ比が高いＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンを提供することを目的とする。
また、本発明は、装置の構成が簡単で、組み立てに労力を要せず、価格の低いＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンは、半導体基板と、前記半導体基板に形成される開口の周囲に設けられ、前記半導体基板と逆導電型の第１のウエル領域と、前記開口の周囲で前記第１のウエル領域の上に絶縁膜を介して設けられ、前記開口に面する下部電極と、前記下部電極と空隙を介して対向する上部電極とを備えるＭＥＭＳ音響−電気変換素子と、前記半導体基板に設けられる第２のウエル領域と、前記第２のウエル領域に設けられ、出力端子が前記第１のウエル領域と接続される半導体増幅器と、を有することを特徴とする。

本発明のＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンは、前記半導体増幅器は、ＦＥＴを含み、前記上部電極は、直流のコンデンサマイクロフォン用電源を介して接地され、前記下部電極は、前記半導体増幅器のゲートと接続されることを特徴としても良い。

本発明では、半導体基板は、第１のウエル領域と第２のウエル領域を備える。第１のウエル領域は、上部電極と下部電極を有する音響−電気変換素子を備え、第２のウエル領域は、半導体増幅器を備える。そして、第１のウエル領域は、半導体増幅器の出力と接続される。本発明の構成により、外部からの電磁ノイズと、半導体基板と下部電極との間に生じる寄生容量が、マイクロフォンの性能に及ぼす影響を大幅に低減することが可能となる。

また、本発明によれば、半導体基板に素子を形成する前工程と素子が形成された半導体基板をダイスしてＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンを組み立てる後工程とからなるＭＥＭＳコンデンサマイクロフォン製造工程の内、前工程により外部ノイズと寄生容量による性能の低下及び感度低下の問題の解決が行われるので、導電性を有する実装基板上に、音響−電気変換チップと増幅機能を備えるＩＣチップとを実装し、導電性カバーにより被覆する従来のマイクロフォンと比較して、装置の構成が簡単になり、組み立てが容易となる。

以上説明のように、本発明によれば、電磁ノイズによる影響を低減し、寄生容量が低く、感度とＳＮ比の高いＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンを提供することができる。
また、本発明によれば、装置の構成が簡単で、組み立てに労力を要せず、価格の低いＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンを提供することができる。

本発明の実施形態に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンを示す断面図である。 本発明の実施形態に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンの等価回路を示す図である。 半導体基板に音響−電気変換素子と半導体増幅器とを備えるＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンの１例の等価回路を示す図である。 従来技術に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンの１例を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。図１は、本発明に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンの実施形態を示す図である。図１に基づいて、本発明に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンの実施形態について説明する。

本発明の実施形態に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォン１は、音響−電気変換素子２と半導体増幅器３とを備え、それらの音響−電気変換素子２と半導体増幅器３は、同一の半導体基板５に形成される。半導体基板５には、第１のウエル領域６と第２のウエル領域７とが形成される。そして、音響−電気変換素子２は、第１のウエル領域６に設けられ、半導体増幅器３は、第２のウエル領域７に設けられる。第１のウエル領域６と第２のウエル領域７は、例えば、半導体基板５に不純物を拡散することにより形成される。半導体基板５の表面には、基板絶縁膜８が設けられる。以下、半導体基板５が、ｎ型半導体基板の場合について説明する。半導体基板５がｎ型の場合には、第１のウエル領域６はｐ型である。第２のウエル領域７の構成と導電型については後で説明する。

第１のウエル領域６の上に振動電極１１が設けられ、第１のウエル領域６と振動電極１１の上には、犠牲層絶縁膜１２が堆積され、犠牲層絶縁膜１２の上には固定電極１３が形成される。固定電極１３は、保護絶縁膜１４で覆われ、固定電極１３と保護絶縁膜１４には、固定電極１３と保護絶縁膜１４とを貫通する複数の音響ホール１５が開孔されている。そして、固定電極１３の下側の領域で、犠牲層絶縁膜１２の一部が除去され空隙１６が形成されている。振動電極１１の下側でかつ振動電極１１を挟んで空隙１６と対向する領域で、半導体基板５と基板絶縁膜８が除去されキャビティー１７が形成されている。振動電極１１は、犠牲層絶縁膜１２と保護絶縁膜１４に設けられたコンタクトホールを介して引き出し電極１８と接続され、固定電極１３は、保護絶縁膜１４に設けられたコンタクトホールを介して引き出し電極１９と接続される。

第１のウエル領域６に設けられた音響−電気変換素子２では、図１の上から音響振動が入力すると、音響振動が音響ホール１５と空隙１６とを通過し、音響振動に従って振動電極１１を振動させる。これにより、振動電極１１と固定電極１３により形成されるキャパシタの容量が変化する。このキャパシタの容量の変化を検出することにより、第１のウエル領域６に設けられた音響−電気変換素子２は、マイクロフォンとして動作する。

本発明の実施形態に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンでは、第１のウエル領域６にオーミックコンタクトを取るためのコンタクト領域２１が設けられる。そして、基板絶縁膜８、犠牲層絶縁膜１２、保護絶縁膜１４に形成されたコンタクトホールを介してコンタクト領域２１と引き出し電極２２とが接続される。コンタクト領域２１は、例えば、拡散により形成される。第１のウエル領域６の機能については後で説明する。

半導体基板５の第２のウエル領域７には、増幅率が略１でかつ出力インピーダンスの低い半導体増幅器３が形成される。ここでは、半導体増幅器３が、ｎチャネル接合型ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いるソースフォロワ回路により構成される場合を例として説明する。第２のウエル領域７は、ｎ型半導体基板５に、ｐ型ウエル領域３１、ｎ型ウエル領域３２、ｐ型ウエル領域３３の順で接合深さが浅くなるように形成される。ｐ型ウエル領域３１、ｎ型ウエル領域３２、ｐ型ウエル領域３３は、例えば、拡散により形成される。

ｐ型ウエル領域３１、３３がＦＥＴのゲートとなり、ｎ型ウエル領域３２がチャネルとなる。ｎ型ウエル領域３２には、ｎ^＋コンタクト領域３５が、ＦＥＴのソースのオーミック接触のために形成され、ｎ^＋コンタクト領域３６が、ＦＥＴのドレインのオーミック接触のためにそれぞれ形成される。ｎ^＋コンタクト領域の上に、基板絶縁膜８、犠牲層絶縁膜１２、保護絶縁膜１４に開孔されたコンタクトホールを介して、ソース用引き出し電極４１とドレイン用引き出し電極４２が形成される。ゲートとなるｐ型ウエル領域３１、３３にも、ｐ^＋コンタクト領域３７、３８が形成され、ｐ^＋コンタクト領域３７、３８の上に、基板絶縁膜８、犠牲層絶縁膜１２、保護絶縁膜１４に開孔されたコンタクトホールを介して、ゲート用引き出し電極４３、４４が形成される。それらの他に、ｎチャネル接合型ＦＥＴをソースフォロワ回路として動作させるために低抵抗５１と高抵抗５２が同一の半導体基板５の上に集積化されている。

図１に示されるように、音響−電気変換素子２と半導体増幅器３は、配線２５により接続される。図１は、配線の接続を示すための図であり、実際には、配線２５は、半導体基板５の上に形成される単層又は多層の配線層により構成される。固定電極１３には、マイクロフォン用電源５０が接続される。また、振動電極１１は、接合型ＦＥＴのゲートに接続される。この構成により、マイクロフォンの信号は、固定電極１３で覆われた振動電極１１から出力され、同一基板上に形成された半導体増幅器３の入力部４３、４４に入力される。これにより、高インピーダンスを有し面積の大きい振動電極１１が、交流的にグラウンド電位の固定電極１３によりシールドされるので、外部からの電磁ノイズが振動電極１１に誘起されるのを効果的に防止することができる。振動電極１１と半導体増幅器３とを接続する配線も、高インピーダンスを有するので電磁ノイズが誘起される可能性を有する。それについては、振動電極１１と半導体増幅器３とを接続する配線は、同一の基板５上で配線されことになるので、配線を短縮することにより寄生容量を低減し、電磁ノイズが誘起されるのを防止する。

ゲート電極４３、４４は、直流電位を一定に保つために高抵抗５２を通して接地される。ソース電極４１は、出力端子４８と低抵抗５１の一端に接続される。そして、低抵抗５１の他端は接地される。ｎ型半導体基板５は、ｎ^＋コンタクト領域３９を介して接地される。ドレイン電極４２は、半導体増幅器用電源５３に接続される。

次に、本発明の実施形態に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンにおいて、第１のウエル領域の構成と機能について説明する。本発明の実施形態に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンにおける第１のウエル領域の構成と機能について説明する前に、第１のウエル領域を具備しないＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンの構成と機能について説明する。

第１のウエル領域を具備しなくても、音響−電気変換素子と半導体増幅器を同一の半導体基板に設けることにより、配線長が短くなり、寄生容量が低減して、実装基板上に音響−電気変換素子チップとＩＣチップを別個に設ける場合と比較してマイクロフォンの感度とＳＮ比が向上する。しかしながら、第１のウエル領域を具備しない場合には、以下に説明する問題が生じる。

第１のウエル領域を具備しないＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンを表す等価回路を図３に示す。マイクロフォンに入力した信号６１は、マイクロフォンの固定電極と振動電極で構成されるコンデンサ６２を通して接合型ＦＥＴ６４のゲートに入力される。振動電極と半導体基板との間には基板絶縁膜を挟んで比較的大きな値の寄生容量が生じる。マイクロフォンの構成を工夫してこの寄生容量の値を低減するように努めても、マイクロフォンの容量と比較して、この寄生容量の値は無視することのできない大きさを有する。マイクロフォンからの信号６１の電圧値Ｖ_ｉｎ、マイクロフォンの固定電極と振動電極で構成されるコンデンサ６２の容量値をＣ_６２、振動電極と半導体基板との間の寄生容量６５の値をＣ_６５とする。するとマイクロフォンの出力は、Ｖ_ｉｎ・Ｃ_６２／（Ｃ_６２＋Ｃ_６５）に分圧されてゲートに入力される。従って、実効的なマイクロフォンの感度が大幅に低下し、マイクロフォンの実用性能を大幅に低下させるという問題を生じていた。

本発明の実施形態に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンでは、半導体基板に第１のウエル領域を設け、この第１のウエル領域をコンタクト領域を介して半導体増幅器と接続することにより、振動電極と半導体基板との間に基板絶縁膜を挟んで発生する寄生容量の問題を解決している。

第１のウエル領域を具備する本発明の実施形態に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンを表す等価回路を図２に示す。マイクロフォン６１に入力した信号は、マイクロフォンの固定電極と振動電極で構成されるコンデンサ６２を通して接合型ＦＥＴ６４のゲートに入力される。また、基板絶縁膜を挟んで振動電極と第１のウエル領域との間で発生する寄生容量６３は、半導体増幅器の出力４８と接続される。

本発明の実施形態に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンで使用されるソースフォロワ回路を用いる増幅器では増幅率が略１となるので、増幅器の入力と出力とが略同位相かつ同電位となる。このような場合、増幅器の入力と出力との間にコンデンサを挿入しても、コンデンサの容量が極端に大きい場合を除いて、コンデンサに実質的に電荷が蓄積することはなく、コンデンサが存在しないものとして取り扱うことができる。（特許文献２参照）本発明の実施形態に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンでは、図２の等価回路に示されるように、基板絶縁膜を挟んで振動電極と第１のウエル領域との間で発生する寄生容量６３は、半導体増幅器の出力４８と接続されるので、寄生容量がマイクロフォンの出力を分圧することは無く、マイクロフォンの実効感度を低下させることにより、マイクロフォンの実用性能を低下させることが無くなる。

以上説明したように、本発明によれば、半導体基板に素子を形成する前工程と素子が形成された半導体基板をダイスしてＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンを組み立てる後工程とからなるＭＥＭＳコンデンサマイクロフォン製造工程の内、前工程により外部ノイズによる性能の低下及び感度低下の問題を解決できる。すなわち、本発明によれば、前工程での工程は増加するが、前工程と後工程の両方を含める組み立て工程全体を簡素化することか可能になり、低コストでＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンの組み立てを行うことができる。これにより、本発明によれば、高性能で低コストのＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンを提供することが可能となる。

本発明を、音響−電気変換素子と音響−電気変換素子からの信号を増幅する増幅器を同一の半導体基板に集積した場合を例として説明したが、上記説明以外の用途に使用される電子回路と、音響−電気変換素子と音響−電気変換素子からの信号を増幅する増幅器を同一の半導体基板に集積した場合についても本発明を適用することができる。

本発明を、音響−電気変換素子において上側を音響ホールが開孔する固定電極、下側を振動電極とするマイクロフォンの実施形態について説明したが、音響−電気変換素子において上側を振動電極、下側を音響ホールが開孔する固定電極とするマイクロフォンの実施形態についても本発明を適用することができる。すなわち、固定電極下の半導体基板に基板と逆導電型のウエル領域を設け、増幅器の出力に接続することにより、固定電極によって生じる寄生容量の影響を無くすることができる。

本発明を、増幅率が略１でかつ出力インピーダンスの低い半導体増幅器として、ｎチャネル接合型ＦＥＴによりソースフォロワ回路を構成する実施形態を例として説明したが、それに限ることなく、ｎチャネルＭＯＳ型ＦＥＴによりソースフォロワ回路を構成する実施形態にも本発明を適用することができる。また、ｐチャネル接合型ＦＥＴによるソースフォロワ回路又はｐチャネルＭＯＳ型ＦＥＴ（金属−酸化物−半導体型電界効果トランジスタ）によるソースフォロワ回路の場合には、半導体基板をｐ型として、ｐ型ウエル領域の代わりにｎ型ウエル領域を形成することにより本発明を適用することができる。

また、本発明において、増幅率が略１でかつ出力インピーダンスの低い半導体増幅器として、通常使用される差動入力型増幅器を用いることもできる。差動入力型増幅器を用いる場合には、増幅率を１以上にすることも可能となるが、増幅率を１以上とすると、正帰還により発振する危険が生じる。このため、差動入力型増幅器の増幅率を大きくすることは好ましくない。但し、複数の増幅器により多段増幅器を構成する場合には、後段で増幅率が大きな増幅器を使用しても、その問題は生じない。

本発明に係るＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンチップは、電磁ノイズの影響を受けにくい。そのため、ＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンチップを、グラウンド電位の導電体パッケージに入れる必要はなく、中空のプラスチック容器に入れることでＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンチップを十分に保護することができる。そのことにより、音響−電気変換素子と増幅器を同一基板に形成するために必要とされるコスト増加は、組み立て工程の簡素化によるコスト低減と電磁ノイズの低減による性能向上によりカバーされる。そのため、全体として高性能で安価なＭＥＭＳコンデンサマイクロフォンを提供することが可能となる。

１：ＭＥＭＳコンデンサマイクロフォン、２：音響−電気変換素子、３：半導体増幅器、５：半導体基板、６：第１のウエル領域、７：第２のウエル領域、８：基板絶縁膜、１１：振動電極、１２：犠牲層絶縁膜、１３：固定電極、１４：保護絶縁膜、１５：音響ホール、１６：空隙、１７：キャビティー、１８：引き出し電極、１９：引き出し電極、２１：コンタクト領域、２２：引き出し電極、３１：ｐ型ウエル領域、３２：ｎ型ウエル領域、３３：ｐ型ウエル領域、３５〜３９：コンタクト領域、４１〜４４：引き出し電極、４８：出力端子、５０：マイクロフォン用電源、５１：低抵抗、５２：高抵抗、５３：半導体増幅器用電源、６１：マイクロフォンの入力信号、６２：固定電極と振動電極で構成されるコンデンサ、６３：振動電極と第１のウエル領域との間の寄生容量、６４：接合型ＦＥＴ、６５：振動電極と半導体基板との間の寄生容量、７１：ＭＥＭＳコンデンサマイクロフォン、７２：音響−電気変換チップ、７３：ＩＣチップ、７４：半導体基板、７５：実装基板、７６：半導体基板、７７：半導体層、７８：絶縁層、８１〜８６：引き出し電極、９１：カバー、９２：連通孔

Claims (2)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板に形成される開口の周囲に設けられ、前記半導体基板と逆導電型の第１のウエル領域と、
   前記開口の周囲で前記第１のウエル領域の上に絶縁膜を介して設けられ、前記開口に面する下部電極と、前記下部電極と空隙を介して対向する上部電極とを備えるＭＥＭＳ音響−電気変換素子と、
   前記半導体基板に設けられる第２のウエル領域と、
   前記第２のウエル領域に設けられ、出力端子が前記第１のウエル領域と接続される半導体増幅器と、
   を有することを特徴とするＭＥＭＳコンデンサマイクロフォン。
2. 前記半導体増幅器は、ＦＥＴを含み、
   前記上部電極は、直流のコンデンサマイクロフォン用電源を介して接地され、前記下部電極は、前記半導体増幅器のゲートと接続されることを特徴とする請求項１記載のＭＥＭＳコンデンサマイクロフォン。

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