CN1883020A - 驻极体和驻极体电容器 - Google Patents

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Abstract

以覆盖成为驻极体的带电氧化硅膜105的方式，来形成氮化硅膜103及氮化硅膜106。

Description

驻极体和驻极体电容器
技术领域
[0001]本发明涉及了具有振动电极和固定电极的驻极体电容器，特别是涉及使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技术形成的驻极体电容器。
背景技术
[0002]被应用在电容式麦克风等元件、具有永久电气极化的介电体驻极体元件，向来使用了FEP(Copolymer of Tetrafluoroetylene(TFE)andHexafluoropropylene(HFP))等有机系的高分子聚合体。但是，由于这些材料的耐热性不好，难以作为衬底组装时的平坦化热处理(reflow)用的元件来使用。
[0003]相对于此，近年来为了达成利用微细加工技术的驻极体的薄膜化、小型化，提出了如专利文献1所示、以使用氧化硅膜的驻极体取代有机高分子聚合体。
[0004]具体而言，在专利文献1中所公开的技术中，在底材表面上形成氧化硅膜后，不将成膜反应室开放于大气，而使该反应室内设定为不含水分且含氧的气体气氛，在该气氛中对所述氧化硅膜实施200℃～400℃的加热处理，然后对该氧化硅膜实施带电处理。
【专利文献1】日本特开2002-33241号公报
发明内容
解决课题
[0005]但是，驻极体有着一项问题是，当触及液体时电荷将会逃离。例如一旦将驻极体化的FEP浸入乙醇时，在该FEP中虽然电荷不至于成为0但电荷将会大幅减少。按照本案发明人的实验，显示出将带电量的表面电位为300V的FEP(具体上譬如在不锈钢衬底上形成的12.5μm厚的FEP)浸入乙醇时，表面电位下降到数V。这个现象不只是乙醇，将驻极体浸入其他有机溶剂或水中也会发生同样现象。除此之外，在材料上也不只是FEP的特殊现象，而是发生在氧化硅膜等所有驻极体材料的现象。
[0006]有鉴于此，本发明的目的在于：提供具有优良耐湿性结构的ECM(驻极体电容式麦克风)等驻极体电容器应用元件。并且，本发明的目的还在于：通过以MEMS技术制造由带有永久电荷的驻极体所构成的ECM，提供不需要电荷供给电路的小型ECM。
解决方法
[0007]为了达成所述目的，本发明的驻极体具备带电的氧化硅膜，和以覆盖氧化硅膜的方式形成的绝缘膜。
[0008]而且，本发明的第一驻极体电容器，包括：形成有贯通孔的第一电极，和第一电极之间存在有空气隙(air gap)而设置的第二电极，以及在第二电极的和第一电极相向的面上形成、而由带电的氧化硅膜所构成的驻极体；并且，以覆盖氧化硅膜的方式形成绝缘膜。
[0009]而且，本发明的第二驻极体电容器，包括：具有第一电极且形成有第一贯通孔的固定膜，和固定膜之间存在空气隙而设置的第二电极，以及，由在第二电极和固定膜相向的面上形成带电的氧化硅膜所构成的驻极体；并且，以覆盖氧化硅膜的方式形成绝缘膜。
[0010]而且，本发明的第三驻极体，包括：具有使周边部分留下的去除区域的半导体衬底，以及，以覆盖该区域的方式在半导体衬底上形成的振动膜；并且，该振动膜具有驻极体、电极膜、第一绝缘膜和第二绝缘膜的叠层构造，驻极体为第一绝缘膜和第二绝缘膜所覆盖。
[0011]根据本发明的驻极体及驻极体电容器，能够以绝缘膜保护带电的氧化硅膜的表面，也就是上面、下面及侧面。具体来说，通过使绝缘膜覆盖上述氧化硅膜，使得非常容易吸附大气中水分的氧化硅膜的表面不露出大气中，而能够抑制带电(驻极体化)的氧化硅膜的带电量减少。因此，能够提高驻极体的经时性的信赖性。
[0012]并且，在本发明的驻极体及驻极体电容器，绝缘膜也可以不直接覆盖带电的氧化硅膜(驻极体)的表面、如上面或下面。也可以譬如使电极介在于氧化硅膜的下面和绝缘膜之间。
[0013]而且，在本发明的驻极体和驻极体电容器，覆盖带电的氧化硅膜(驻极体)的绝缘膜，其耐湿性最好比该氧化硅膜还高。也就是，由绝缘膜覆盖的氧化硅膜的耐湿性(所定的湿度状态、例如在耐湿测试中电荷的保持性)比未被绝缘覆盖的氧化硅膜的耐湿性为高。耐湿性高于氧化硅膜的绝缘膜中，譬如也能够使用氮化硅膜。
发明效果
[0014]根据本发明，能够提供具有优良耐湿性的驻极体ECM等驻极体电容器应用元件。并且，通过以MEMS技术制造这一类的ECM，能够提供不需要电荷供给电路的小型ECM。换句话说，根据本发明，能够实现高信赖性且高性能的麦克风。进一步地，能够将搭载该麦克风的各种应用设备广泛的提供给社会。
附图说明
[0015]图1(a)及图1(b)示出本发明的一个实施例的ECM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示出本发明的一个实施例的ECM电路方块图。
图3示出构成本发明的一个实施例的ECM的驻极体电容器的剖面图。
图4示出构成本发明的一个实施例的ECM的驻极体电容器的下部电极及引线的平面图。
图5示出构成本发明的一个实施例的ECM的驻极体电容器的固定膜中氮化硅膜的平面图。
符号说明
[0016]18-麦克风，19-SMD，20-FET部，21-电路板，22-ECM的外盒，23-ECM的内部电路，24、25-输出端子，26、27-外部端子，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-引线，116、117-开口部，118-导电膜
具体实施方式
[0017](实施例)
以下，以本发明的一个实施例的驻极体电容器应用在ECM的情况为例子，参照附图加以说明。
[0018]首先说明ECM，其为应用本实施例的驻极体电容器的元件。
[0019]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(b)为该ECM的剖面图。
[0020]如图1(a)及图1(b)所示，本实施例的ECM是在电路板21上搭载麦克风18、驻极体等SMD(表面组装零件)19、及FET(场效晶体管)20而构成。在图1(a)中省略图示，但是如图1(b)所示，搭载麦克风18、SMD19、及FET20的电路板21由外盒(case)22保护。
[0021]图2为本实施例的ECM的电路方块图。
[0022]如图2所示，本实施例的ECM内部电路23，由后述的本实施例的驻极体电容器所构成的麦克风18、SMD19及FET20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及外部端子27输出信号。实际动作时，一旦通过外部端子26和电阻从被连接的端子28输入譬如带2V左右电压的信号，则通过外部端子26和电容器向被连接的端子29输出譬如带有数十mV的交流电压的信号。并且，外部端子27及和其连接的端子30，各自连接到ECM内部电路23的GND端子、即输出端子25。
[0023]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。
[0024]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的电容器，包括：在具有使周边部分留下而去除的区域(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的方式形成的振动膜112；以及，和振动膜112之间存在有空气隙109而设置的固定膜110；而分别将振动膜和固定膜作为电极。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。
[0025]在本实施例的驻极体电容器，通过在固定膜110设置的多个声孔(acoustic hole)111及空气隙109，振动膜112从上方接受音压，响应该音压，振动膜112机械性的上下振动。在这里，振动膜112一旦振动，振动膜112(也就是下部电极104)和固定膜110之间的距离(电极间距离)产生变化，驻极体电容(C)也有所变化。但是驻极体所能蓄积的电荷(Q)为一定的量，驻极体电容(C)一旦发生变化的话，下部电极104和固定膜110之间的电压(V)则产生变化。其理由为物理性满足下列(1)条件。
[0026]    Q＝C·V  (1)
下部电极104和图2的FET20闸极电连接，所以FET20的闸极电位根据振动膜112的振动而变化。另外，FET20的闸极电位的变化作为电压变化向外部输出端子29输出。
[0027]本实施例的驻极体电容器的详细结构如下。
[0028]如图3所示，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，同时将半导体101及氧化硅膜102留下周边部分子以部分去除，通过上述形成薄膜区域113。也就是说，薄膜区域113意味着：为了使振动膜112能够接受来自外部的压力而振动，将半导体衬底101留下周边区域而加以部分去除的区域。
[0029]在氧化硅膜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及引线115。在覆盖薄膜区域113及邻近区域(薄膜区域113外侧区域的一部分)的氮化硅膜103上形成下部电极104，在薄膜区域113外侧的氮化硅膜103上和下部电极104形成引线115。
[0030]在氮化硅膜103、下部电极104及引线115上，分别依序形成氧化硅膜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、导电膜所构成的下部电极104、氧化硅膜105及氮化硅膜106所构成。而且，振动膜112中，形成和空气隙109连接的多个漏孔(leakhole)107。并且，氮化硅膜103及氮化硅膜106以覆盖包含漏孔107内侧壁面的下部电极104及氧化硅膜105整体表面而形成。另外，氧化硅膜105为蓄积电荷的驻极体膜。具体来说，将氧化硅膜105暴露于电晕放电或等离子体放电中，向氧化硅膜105注入电荷，通过上述能够形成驻极体化的氧化硅膜105。这时，可以将氧化硅膜105暴露在电晕放电或是等离子体放电中，也可以使氧化硅膜105为氮化硅膜103及氮化硅膜106所覆盖。
[0031]进一步地，如图3所示，在振动膜112上方，也就是氮化硅膜106上方，设置固定膜110，固定膜110由下层氮化硅膜114及上层氮化硅膜119分别覆盖导电膜118所构成。这里，薄膜区域113及其邻近区域(薄膜区域113外侧区域一部分)的振动膜112和固定膜110之间形成有空气隙109，另一方面，这个区域以外的氮化硅膜106或氧化硅膜102和固定膜110之间形成有氧化硅膜108。也就是，空气隙109在至少包含薄膜区域113整体的区域上被形成，同时，固定膜110在振动膜112上方由氧化硅膜108所支撑。
[0032]并且，在空气隙109上方的固定膜110，形成和空气隙109连接的复数声孔111。另外，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，使引线115部分露出。这样地，透过引线115，使下部电极104电连接到图2所示FET20的闸极。并且，在构成固定膜110的氮化硅膜119上设置了开口部117，同时在该开口部117，使构成固定膜110的导电膜118露出，通过上述该导电膜118电连接到图2GND端子25。
[0033]图4为本实施例驻极体电容器的下部电极104及引线115的平面图。如前所述，下部电极104及引线115由同一导电膜所构成。并且，如图4所示，下部电极104为在薄膜区域113内部形成，同时，在下部电极104的周边部位上形成复数漏孔107。而为了使下部电极104和外部电连接形成引线115。
[0034]以下说明有关在薄膜区域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、和根据振动膜的振动不变化的电容成份来决定。这里，寄生电容一旦变大，根据振动膜的振动不变化的电容成份变大，因此ECM性能受到很大影响。相对地，将本实施例的驻极体电容器的下部电极104设置在薄膜区域113内侧。通过这样的构成，下部电极104和半导体衬底101的重叠区域将消失，因此，能够消除由下部电极104和氧化硅膜102和半导体衬底101构成的大面积MOS(metal oxide semiconductor)电容。也就是说，能够使寄生电容仅为由引线115和氧化硅膜102和半导体衬底101所构成的小面积MOS电容。因此，能够防止在电容器中不变化的电容成份(寄生电容)的增加，而能够实现小型且高性能的驻极体电容器。
[0035]另外，本实施例中，振动膜112的构成要素、也就是氮化硅膜103、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，以和半导体衬底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的边缘位于半导体衬底101上。另一方面，振动膜112中，由导电膜构成的下部电极104以不会和半导体衬底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边缘位于薄膜区域113的内部。通过上述，以调整氮化硅膜103、氧化硅膜105及氮化硅膜106的膜厚能够控制振动膜112的共振频率特性。换句话说，使得接受外部压力而变化的电容器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。
[0036]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，驻极体的电荷即大幅减少。为了抑制这样的驻极体的电荷减少，本实施例中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所覆盖。进一步地以使形成振动膜112的漏孔107内部的氧化硅膜(驻极体)105不露出的方式，使氮化硅膜106将漏孔107内侧壁面完全覆盖。因此，能够实现具有优良耐湿性及耐热性驻极体的驻极体电容器。
[0037]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。如前所述，在包含薄膜区域113的半导体衬底101的上方形成的固定膜110上，形成有复数的声孔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外侧区域的一部分)。
[0038]以下说明本实施例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，透过声孔111及空气隙109，一旦振动膜112接受来自上方的音压，响应该音压，振动膜112机械性上下震动。本实施例的驻极体电容器为平行平板型的电容器结构，具有构成振动膜112的下部电极104和构成固定膜110的导电膜118，而分别以其为电极。因此，振动膜112一旦振动，下部电极104和导电膜118的电极之间距离即产生变化，电容器的电容(C)也相对应地产生变化。这里，电容器所蓄积的电荷(Q)为一定的量，因此电容器的电容(C)一旦产生变化，下部电极104和固定膜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式(1)的条件。
[0039]    Q＝C·V   (1)
而且，下部电极104和固定膜110(导电膜118)之间的电压(V)一旦产生变化，由于下部电极104和图2的FET20闸极电连接，因此FET20的闸极电位也产生变化。如上所述，振动膜112的振动使FET20的闸极电位产生变化，而FET20的闸极电位的变化作为电压变化，向图2的外部输出端子29输出。
[0040]如上所述，根据本实施例，通过氮化硅膜103及氮化硅膜106能够保护带电的氧化硅膜105。也就是说，通过使氮化硅膜103及氮化硅膜106覆盖该氧化硅膜105表面，使得非常容易吸附大气中水分的氧化硅膜105不露出大气中，而能够抑制氧化硅膜105带电量的减少。通过上述能够提高驻极体的经时性的信赖性。因此能够提供具有优良耐湿性驻极体结构的ECM等驻极体电容器。并且，通过这一类的MEMS技术制造这一类ECM，能够提供不需要电荷供给电路的小型ECM。
[0041]换句话说，根据本发明能够实现高信赖性且高性能的麦克风。进一步地，能够将搭载该麦克风的各种应用设备广泛地提供给社会。[0042]而且，本实施例中，隔着下部电极104使氮化硅膜103覆盖带电的氧化硅膜105的下面，但也能够使氮化硅膜直接覆盖氧化硅膜105下面。
[0043]并且，本实施例中，以氮化硅膜覆盖带电的氧化硅膜105的表面，但也可以使用耐湿性高于氧化硅膜的其他种类的绝缘膜取代氮化硅膜加以覆盖。
[0044]并且，本实施例中，也可以使用掺杂(doping)不纯物的硅或多晶硅、金、高熔点金属、铝或是含铝合金作为构成下部电极104的导电材料。
[0045]并且，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、铝或是含铝合金作为构成固定膜110的导电膜118的材料。
[0046]另外，在本实施例中，也可以使用由绝缘体构成的衬底取代半导体衬底101。
产业上利用的可能性
[0047]本发明涉及具有振动电极和固定电极的驻极体电容器，特别是适用于使用MEMS技术所形成的ECM等，而能够实现ECM的高性能化及高信赖性，因此，非常有用。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.(修改后)一种驻极体，其特征在于：
包括：
带电的氧化硅膜，
以覆盖所述氧化硅膜的上面和侧面的方式形成的第1绝缘膜，以及
以覆盖所述氧化硅膜的下面的方式形成的第2绝缘膜。
2.(修改后)根据权利要求1所述的驻极体，其特征在于：
所述第1绝缘膜和第2绝缘膜为氮化硅膜。
3.(修改后)根据权利要求1所述的驻极体，其特征在于：
所述氧化硅膜为通过等离子体放电、或是电晕放电而被带电。
4.(修改后)一种驻极体电容器，其特征在于：
包括：
具有第一电极的固定膜，
在和所述固定膜之间存在有空气隙而设的振动膜；并且
前述振动膜具有带电氧化硅膜、第2电极、第1绝缘膜、和第2绝缘膜的叠层构造，
所述氧化硅膜设于所述第1电极和所述第2电极之间，
所述氧化硅膜的上面和侧面由所述第1绝缘膜覆盖，
所述氧化硅膜的下面由所述第2绝缘膜覆盖。
5.(修改后)根据权利要求4所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述氧化硅膜的下面隔着所述第2电极由所述第2绝缘膜所覆盖。
6.(修改后)根据权利要求4所述的驻极体电容器，其特征在于：
在所述振动膜中形成有到达所述空气隙的多个贯通孔，
成为所述多个贯通孔的内壁面的所述氧化硅膜的表面，由所述第1绝缘膜覆盖。
7.(修改后)根据权利要求4所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述第1绝缘膜和所述第2绝缘膜为氮化硅膜。
8.(修改后)根据权利要求4所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述第1电极和所述第2电极由铝、铝合金、硅、多晶硅、金或高熔点金属构成。
9.(修改后)根据权利要求4所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述第2电极的面积小于所述氧化硅膜
10.(修改后)根据权利要求4所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述氧化硅膜为通过等离子体放电或电晕放电而被带电。
11.(修改后)一种驻极体电容器，其特征在于：
包括：
具有使周边部分留下的去除区域的半导体衬底，以及
以覆盖所述区域的方式在所述半导体衬底上形成的振动膜；并且
所述振动膜具有带电氧化硅膜、电极膜、第一绝缘膜和第二绝缘膜的叠层结构。
12.(修改后)根据权利要求11所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述氧化硅膜的上面和侧面由所述第1绝缘膜覆盖，
所述氧化硅膜的下面隔着所述电极膜由所述第2绝缘膜覆盖。
13.(修改后)根据权利要求11所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述电极膜设于所述半导体衬底和所述氧化硅膜之间。
14.(修改后)根据权利要求11所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述第1绝缘膜和所述第2绝缘膜为氮化硅膜。
15.(修改后)根据权利要求11所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述电极膜以不和所述半导体衬底重叠的方式形成在所述区域内侧。

Claims (17)

1.一种驻极体，其特征在于：
包括：
带电的氧化硅膜，以及
以覆盖所述氧化硅膜的方式形成的绝缘膜。
2.根据权利要求1所述的驻极体，其特征在于：
所述绝缘膜的耐湿性高于所述氧化硅膜。
3.根据权利要求1所述的驻极体，其特征在于：
所述绝缘膜为氮化硅膜。
4.根据权利要求1所述的驻极体，其特征在于：
所述氧化硅膜为通过等离子体放电、或是电晕放电而被带电。
5.一种驻极体电容器，其特徵在於：
包括：
第一电极，形成有贯通孔，
第二电极，在和所述第一电极之间存在有空气隙，以及
驻极体，形成在所述第二电极中的与所述第一电极面对面的面上、由带电的氧化硅膜构成；并且
以覆盖所述氧化硅膜的方式形成绝缘膜。
6.根据权利要求5所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述绝缘膜的耐湿性高于所述氧化硅膜。
7.根据权利要求5所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述绝缘膜为氮化硅膜。
8.根据权利要求5所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述第一电极由硅、多晶硅、铝或铝合金构成。
9.根据权利要求5所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述第二电极由金或高熔点金属构成。
10.根据权利要求5所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述氧化硅膜为通过等离子体放电或电晕放电而被带电。
11.一种驻极体电容器，其特徵在於：
包括：
固定膜，具有第一电极且形成有第一贯通孔，
第二电极，在和所述固定膜之间存在有空气隙，以及
驻极体，形成在所述第二电极中的与所述固定膜面对面的面上、由带电的氧化硅膜构成；并且
以覆盖所述氧化硅膜的方式形成有绝缘膜。
12.根据权利要求11所述的驻极体电容器，其特征在于：
在所述第二电极和所述氧化硅膜的叠层结构中，形成有到达所述空气隙的第二贯通孔，
在成为所述第二贯通孔内侧壁面的所述氧化硅膜的表面上形成氮化硅膜。
13.根据权利要求11所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述绝缘膜的耐湿性高于所述氧化硅膜。
14.根据权利要求11所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述绝缘膜为氮化硅膜。
15.根据权利要求11所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述第一电极和所述第二电极由铝、铝合金、硅、多晶硅、金或高熔点金属构成。
16.一种驻极体电容器，其特徵在於：
包括：
具有使周边部分留下的去除区域的半导体衬底，以及
以覆盖所述去除区域的方式在所述半导体衬底上形成的振动膜；并且
所述振动膜具有驻极体、电极膜、第一绝缘膜和第二绝缘膜的叠层结构；
所述驻极体由所述第一绝缘膜和所述第二绝缘膜所覆盖。
17.根据权利要求16所述的驻极体电容器，其特征在于：
所述电极膜以不和所述半导体衬底重叠的方式形成在所述去除区域内侧。
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