JP4057212B2 - マイクロフォン装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体基板内に形成されたエレクトレットコンデンサを備えるマイクロフォン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロフォン装置MU2の回路図を図５に示す。マイクロフォン装置MU2はエレクトレットコンデンサECを備えている。エレクトレットコンデンサECは音圧を受けると容量値が変化して、その両電極間で入力信号Vinが発生する。よって、この入力信号Vinには音声の情報が反映される。また、エレクトレットコンデンサECの両端には、ダイオードD1，D2、抵抗R1およびＮチャネルＭＯＳ型のトランジスタT1，T2からなるインピーダンス変換回路が接続される。具体的には、ダイオードD1のアノードがエレクトレットコンデンサECの一方電極に、カソードがエレクトレットコンデンサECの他方電極にそれぞれ接続される。また、ダイオードD2については、ダイオードD1に対してアノードおよびカソードが逆転してエレクトレットコンデンサECの両端に接続される。さらに、抵抗R1がエレクトレットコンデンサECの両端に並列に接続される。また、トランジスタT1のソースがエレクトレットコンデンサECの他方電極に接続され、ゲートがエレクトレットコンデンサECの一方電極に接続される。トランジスタT1のドレインにはトランジスタT2のソースが接続される。そして、トランジスタT2のドレインには電源電位Vddが、ゲートには一定電位Vref1がそれぞれ与えられる。また、トランジスタT1，T2のバックゲートには接地電位GNDが与えられる。なお、エレクトレットコンデンサECの他方電極にも接地電位GNDが与えられる。
【０００３】
トランジスタT1のゲート−ソース間の電圧は、入力信号Vinが与えられないときにはダイオードD1，D2、抵抗R1によって０［V］に維持される。エレクトレットコンデンサECの容量値が音圧を受けて変化し、入力信号Vinが発生したときには、トランジスタT1のゲート−ソース間の電圧が変動する。そして、それに伴ってドレイン−ソース間に流れる電流が変化する。なお、トランジスタT1はデプリーション型であり、ゲート−ソース間電圧が０［V］であってもドレイン−ソース間には電流が流れている。トランジスタT1のドレイン−ソース間電流の変化により、トランジスタT2のドレイン−ソース間に流れる電流も変化し、トランジスタT2のゲート−ソース間電圧が変動する。そして、このトランジスタT2のソースにおける電位の変動が出力信号Voutとなる。なお、この出力信号Voutの位相は入力信号Vinの位相と逆転しており、入力信号Vinの値が減少すると出力信号Voutの値は増加し、入力信号Vinの値が増加すると出力信号Voutの値は減少する。
【０００４】
さて、エレクトレットコンデンサECの具体的構造の一例を図６に示す。エレクトレットコンデンサECは、半導体基板SB上に形成された配線膜IL2を一方電極として備えている。なお、配線膜IL2は半導体基板SB上に絶縁膜IF1，IF2を介して形成されている。また、エレクトレットコンデンサECは、一定量の静電荷が半永久的に固定した誘電体からなるエレクトレット膜ELを他方電極として、配線膜IL2とは空間を隔てて半導体基板SBの上方に備えている。そして、エレクトレット膜ELが音圧を受けて振動する振動膜である。なお図６では、このエレクトレット膜ELに接地電位GNDが与えられている。
【０００５】
半導体基板SBは例えばシリコン基板であり、図６では半導体基板SBが例えばＰ形不純物を含んでいる。また、半導体基板SBには接地電位GNDが与えられている。そして、絶縁膜IF1上には回路内の配線である配線膜IL5が形成され、絶縁膜IF1および配線膜IL5を覆うように絶縁膜IF2が形成されている。絶縁膜IF1，IF2は例えば酸化膜や窒化膜等であり、配線膜IL2，IL5は例えばＡｌ等からなる導電性膜である。また、配線膜IL2および絶縁膜IF2の上面には絶縁性の保護膜PFが形成され、これらの膜を覆っている。保護膜PFも例えば酸化膜や窒化膜等である。
【０００６】
また、図６には示していないが、エレクトレットコンデンサECの形成された部分の周辺の半導体基板SB内に図５中のダイオードD1，D2および抵抗R1およびトランジスタT1，T2も形成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
エレクトレットコンデンサECは図６に示したような構造をしており、その一方電極である配線膜IL2が半導体基板SBの表面に形成されているので、半導体基板SBと配線膜IL2との間で寄生容量が発生する。図５では、この寄生容量をCXとして表わしている。寄生容量CXの一方電極である半導体基板SBには接地電位GNDが与えられているので、寄生容量CXの一方電極はエレクトレット膜ELと同電位である。よって、寄生容量CXはエレクトレットコンデンサECと並列接続の関係にある。
【０００８】
また、トランジスタT1のゲート−ソース間にも寄生容量が発生する。図５では、この寄生容量をCGとして表わしている。
【０００９】
さて、エレクトレットコンデンサECの容量値をCeとおき、エレクトレット膜ELが保持する一定量の静電荷の電荷量をQとおけば、上記の寄生容量CX，CGが存在しない場合のトランジスタT1のゲート−ソース間電圧すなわち入力信号Vinは、Vin＝Q／Ceとなる。よって、仮にCe＝1.0［pF］とした場合、入力信号VinはQ／(1.0×10-12)［V］になる。
【００１０】
ところが、寄生容量CX，CGの存在を考慮して同じくゲート−ソース間電圧Vinを考えると、その値はVin＝Q／(Ce＋Cx＋Cg)となる。ここで、Cxは寄生容量CXの容量値を、Cgは寄生容量CGの容量値をそれぞれ表す。仮に容量値Ceが先と同じ値で、容量値Cx，Cgの値の合計をCx＋Cg＝9.0［pF］とした場合、入力信号VinはQ／(10.0×10-12)［V］になる。このように寄生容量CX，CGが存在すると、寄生容量CX，CGが存在しない場合に比べ入力信号Vinの値が1／10となり、トランジスタT1のゲート−ソース間に入力される信号が微弱になってしまう。
【００１１】
すなわち、寄生容量CX，CGが存在すると、入力信号Vinの値が小さくなり変化が現れにくくなるので、マイクロフォン装置としての感度が低下する。
【００１２】
そこで、この発明は、エレクトレットコンデンサの構造に伴って発生する寄生容量による感度の低下を抑制することが可能なマイクロフォン装置を実現するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、固定電位が与えられる半導体基板と、前記半導体基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された一方電極と、前記固定電位が与えられ、前記一方電極とは空間を隔てて設けられた振動自在の他方電極とを有するエレクトレットコンデンサと、前記エレクトレットコンデンサの前記一方電極および他方電極の間に生じる電圧を増幅して出力する増幅器と、前記エレクトレットコンデンサの前記一方電極に対向して前記絶縁層下に形成され、前記増幅器の出力が与えられる導電層とを備えるマイクロフォン装置である。
さらに、当該請求項１に記載の発明は、前記絶縁層は前記半導体基板上に形成された第１絶縁膜および前記第１絶縁膜上に形成された第２絶縁膜を有し、前記導電層は、前記第１絶縁膜上および前記第２絶縁膜下に形成された配線層であるマイクロフォン装置である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態にかかるマイクロフォン装置MU1を示したものである。マイクロフォン装置MU1も、図５に示したマイクロフォン装置MU2と同様、エレクトレットコンデンサECを備えている。そして、エレクトレットコンデンサECが音圧を受けると容量値が変化して、その両電極間で入力信号Vinが発生する。また、ダイオードD1のアノードがエレクトレットコンデンサECの一方電極に、カソードがエレクトレットコンデンサECの他方電極にそれぞれ接続される。ダイオードD2については、ダイオードD1に対してアノードおよびカソードが逆転してエレクトレットコンデンサECの両端に並列に接続される。さらに、抵抗R1がエレクトレットコンデンサECの両端に並列に接続される。また、トランジスタT1のソースがエレクトレットコンデンサECの他方電極に接続され、ゲートがエレクトレットコンデンサECの一方電極に接続される。トランジスタT1のドレインにはトランジスタT2のソースが接続される。そして、トランジスタT2のドレインには電源電位Vddが、ゲートには一定電位Vref1がそれぞれ与えられる。また、トランジスタT1，T2のバックゲートには接地電位GNDが与えられる。また、エレクトレットコンデンサECの他方電極にも接地電位GNDが与えられる。そして、トランジスタT1のゲート−ソース間には寄生容量CGが示されている。寄生容量CXについては後述する。
【００１９】
なお、エレクトレットコンデンサEC並びにダイオードD1，D2、抵抗R1およびトランジスタT1，T2からなるインピーダンス変換回路の動作は、マイクロフォン装置MU2と同様であるので説明を省略する。
【００２０】
さて、本発明の実施の形態にかかるマイクロフォン装置MU1は、さらに演算増幅器OP1，OP2および抵抗R2，R3をも備えている。トランジスタT1のドレインにおける出力信号Voutは、信号として出力される以外に演算増幅器OP1の正入力端にも入力される。演算増幅器OP1の負入力端には演算増幅器OP1の出力信号が入力され、演算増幅器OP1はボルテージフォロアとして機能する。なお、ボルテージフォロアは、入力側の回路に影響を及ぼすことなく電圧信号を取り出すために設けられるものである。よって、トランジスタT1，T2のドレインソース間に流れる電流に影響を及ぼすことなく出力信号Voutを検出できるのであれば、演算増幅器OP1は省略してもよい。
【００２１】
演算増幅器OP1の出力信号は、抵抗R2を介して演算増幅器OP2の負入力端に入力される。演算増幅器OP2の負入力端には演算増幅器OP2の出力信号Vfbも抵抗R3を介して入力され、演算増幅器OP2は反転増幅器として機能する。なお、演算増幅器OP2の正入力端には一定電位Vref2が与えられる。
【００２２】
この反転増幅器は、出力信号VoutをエレクトレットコンデンサECの一方電極にフィードバックさせるために設けられる。演算増幅器OP2の出力信号Vfbは、出力信号Voutが反転増幅されて生じた、入力信号Vinと同相のフィードバック信号である。なお、出力信号Vfbが入力信号Vinと同相であるのは、出力信号Voutの位相が入力信号Vinの位相と逆転しており、さらに演算増幅器OP2によって反転されるからである。また、出力信号Vfbの入力信号Vinに対する増幅度は、トランジスタT1における出力信号Voutの入力信号Vinに対する増幅度と演算増幅器OP2における出力信号Vfbの出力信号Voutに対する増幅度との積である。よって、この反転増幅器は、トランジスタT1とともに増幅器を構成しているとも考えられる。
【００２３】
さて、寄生容量CXについては、図５ではその一方電極が半導体基板SBであり、半導体基板SBには接地電位GNDが与えられていたため、エレクトレットコンデンサECに並列接続した表現がなされていた。しかし、本実施の形態においては、エレクトレットコンデンサECの一方電極に出力信号Vfbをフィードバックさせるために、寄生容量CXの一方電極に接地電位GNDではなく出力信号Vfbを与える。よって、図１においては、寄生容量CXをエレクトレットコンデンサECに並列接続した表現とはしておらず、寄生容量CXの一方電極を演算増幅器OP2の出力端に接続し、その他方電極をエレクトレットコンデンサECの一方電極に接続して表している。
【００２４】
出力信号Vfbが寄生容量CXの一方電極に与えられると、寄生容量CXは結合容量として機能し、出力信号Vfb中の直流バイアス分を除去しつつ交流信号だけをエレクトレットコンデンサECの一方電極に伝達する。ここで、出力信号Vfbの入力信号Vinに対する増幅度、すなわちトランジスタT1および演算増幅器OP2の各々の電圧信号の増幅度を調節してエレクトレットコンデンサECの一方電極に伝達される交流信号の値を増幅すれば、トランジスタT1のゲート−ソース間の電圧の振幅値を寄生容量CX，CGの存在しないときの入力信号Vinの値に近づけることができる。上述のように出力信号Vfbは入力信号Vinと同相のフィードバック信号であることから、エレクトレットコンデンサECの一方電極に伝達される交流信号も入力信号Vinと同相であり、エレクトレットコンデンサECの一方電極における電位の変化を強調することができるからである。よって、寄生容量CX，CGの影響のため微弱となっていたトランジスタT1のゲート−ソース間の信号が増幅され、マイクロフォン装置への寄生容量CX，CGの影響を抑制できる。すなわち、入力信号Vinと同相のフィードバック信号である出力信号Vfbを寄生容量CXの一方電極に与えてその他方電極における電位の変化を強調することで、トランジスタT1のゲート−ソース間電圧を増加させ、寄生容量CXによるマイクロフォン装置MU1の感度が低下するのを抑制することができる。
【００２５】
なお、寄生容量CXの容量値を調節することが可能であれば、出力信号Vfbのうち寄生容量CXの両端に印加される電圧とエレクトレットコンデンサECに印加される電圧との比や、エレクトレットコンデンサECの一方電極における電位の変化する時間を調節することもできる。
【００２６】
また、トランジスタT1および演算増幅器OP2の両者を合わせての電圧信号の増幅度は、エレクトレットコンデンサECの一方電極に伝達される交流信号が寄生容量CX，CGの存在しないときの入力信号Vinの値を上回らないように調整しておくことが望ましい。交流信号が寄生容量CX，CGの存在しないときの入力信号Vinの値を上回ってしまうと正帰還となり、発振現象が生じてマイクロフォン装置として機能しなくなる場合があるからである。
【００２７】
本実施の形態にかかるマイクロフォン装置MU1を用いれば、寄生容量CXにより出力信号Vfbから直流バイアス分が除去された交流信号がエレクトレットコンデンサECの一方電極に伝達されるので、エレクトレットコンデンサECの一方電極および他方電極の間に生じる入力信号Vinを増幅させることができる。よって、トランジスタT1のゲート−ソース間電圧を増加させ、寄生容量CXによるマイクロフォン装置MU1の感度が低下するのを抑制することができる。また、寄生容量CXの容量値を調節することで、エレクトレットコンデンサECの一方電極における電位やその変化する時間を調節することができる。
【００２８】
なお、本実施の形態においては、トランジスタT1，T2としてＭＯＳトランジスタを用いたが、もちろんバイポーラトランジスタを用いてもよい。バイポーラトランジスタを用いる場合には、上記のゲート、ドレイン、ソースをそれぞれベース、コレクタ、エミッタと読み替えればよい。
【００２９】
＜実施の形態２＞
本実施の形態は、実施の形態１にかかるマイクロフォン装置MU1のうちエレクトレットコンデンサEC付近の具体的構造を示したものである。図２がその構造を示した断面図である。図２においても図６と同様、エレクトレットコンデンサECは、半導体基板SB上に形成された配線膜IL2を一方電極として備えている。なお、配線膜IL2は半導体基板SB上に絶縁膜IF1，IF2を介して形成されている。また、エレクトレットコンデンサECは、一定量の静電荷が半永久的に固定した誘電体からなるエレクトレット膜ELを他方電極として、配線膜IL2とは空間を隔てて半導体基板SBの上方に備える。そして、エレクトレット膜ELが音圧を受けて振動する振動膜である。なお、エレクトレット膜ELには接地電位GNDが与えられている。
【００３０】
半導体基板SBは例えばシリコン基板であり、図６では半導体基板SBが例えばＰ形不純物を含んでいる。また、半導体基板SBには接地電位GNDが与えられている。半導体基板SBの表面には、イオン注入法等により不純物層WL1〜WL3が形成されている。このうちＮ形不純物層WL2は配線膜IL2の下方に設けられている。また、Ｐ形不純物層WL1，WL3はＮ形不純物層WL2の周囲を囲んで、これを素子分離している。
【００３１】
絶縁膜IF1上には演算増幅器OP2の出力端につながる配線である配線膜IL1が形成されている。この配線膜IL1は絶縁膜IF1を貫通して半導体基板SB表面のＮ形不純物層WL2に接続されている。また、Ｎ形不純物層WL2においては、配線膜IL1との接続部分に不純物濃度の比較的高いコンタクト領域CTを設け、接続部分の抵抗値を減らしている。
【００３２】
絶縁膜IF1および配線膜IL1を覆うように絶縁膜IF2が形成されている。絶縁膜IF1，IF2は例えば酸化膜や窒化膜等であり、配線膜IL1，IL2は例えばＡｌ等からなる導電性膜である。また、配線膜IL2および絶縁膜IF2の上面には絶縁性の保護膜PFが形成され、これらの膜を覆っている。また、保護膜PFも例えば酸化膜や窒化膜等である。
【００３３】
また、図２には示していないが、エレクトレットコンデンサECの形成された部分の周辺の半導体基板SB内に図１中のダイオードD1，D2および抵抗R1〜R3およびトランジスタT1，T2および演算増幅器OP1，OP2も形成されている。
【００３４】
このように、半導体基板SBの表面にＮ形不純物層WL2を設け、そこに配線膜IL2を介して演算増幅器OP2の出力信号Vfbを与えるようにすれば、従来、配線膜IL2と半導体基板SBとの間で生じていた寄生容量CXは、配線膜IL2とＮ形不純物層WL2との間で生じることになる。よって、寄生容量CXは図１に示した回路図のようにエレクトレットコンデンサECの一方電極と演算増幅器OP2の出力端との間に形成されることになる。
【００３５】
なお、出力信号Voutは、トランジスタT1がデプリーション形であることから入力信号Vinの入力がないときであっても正の直流バイアスを有する。よって、一定電位Vref2の値を適当に設定すれば、演算増幅器OP2から出力される出力信号Vfbも正となる。すると、Ｎ形不純物層WL2の電位は正となり、半導体基板SBの電位GNDよりも高くなるので、Ｎ形不純物層WL2と半導体基板SBとの間はＰＮ接合の逆バイアス状態となり、両者の間に電流はほとんど流れない。
【００３６】
本実施の形態にかかるマイクロフォン装置を用いれば、半導体基板SBの表面にＮ形不純物層WL2を設け、そこに配線膜IL2を介して演算増幅器OP2の出力信号Vfbを与えるので、イオン注入法等の半導体プロセスにより容易に実施の形態１にかかるマイクロフォン装置MU1を実現することができる。
【００３７】
なお、寄生容量CXの容量値は、絶縁膜IF1，IF2の膜厚および誘電率、並びに配線膜IL2およびＮ形不純物層WL2の面積により調節することが可能である。よって、実施の形態１においても述べたように、出力信号Vfbのうち寄生容量CXの両端に印加される電圧とエレクトレットコンデンサECに印加される電圧との比や、エレクトレットコンデンサECの一方電極における電位の変化する時間を調節することもできる。
【００３８】
＜実施の形態３＞
本実施の形態は、実施の形態２にかかるマイクロフォン装置の変形例である。図３がその構造を示した断面図である。なお、図３では実施の形態２にかかるマイクロフォン装置と同様の機能を有する要素については同一符号を付している。
【００３９】
本実施の形態にかかるマイクロフォン装置においては、絶縁膜IF2が形成されず、また、配線膜IL2に相当する配線膜IL3が配線膜IL1と同じく絶縁膜IF1上に形成されている。このように、配線膜IL3を配線膜IL1とともに絶縁膜IF1上に形成すると、マイクロフォン装置の製造過程において配線膜IL3と配線膜IL1とを同じフォトリソグラフィ工程で一度に形成することができ、工程が少なくて済む。また、絶縁膜IF2も不要となるため材料に要するコストも削減できる。
【００４０】
その他の構成は実施の形態２にかかるマイクロフォン装置と同様のため、説明を省略する。
【００４１】
＜実施の形態４＞
本実施の形態も、実施の形態２にかかるマイクロフォン装置の変形例である。図４がその構造を示した断面図である。なお、図４では実施の形態２にかかるマイクロフォン装置と同様の機能を有する要素については同一符号を付している。
【００４２】
本実施の形態にかかるマイクロフォン装置においては、不純物層WL1〜WL3およびコンタクト領域CTが形成されず、また、配線膜IL1に相当する配線膜IL4が絶縁膜IF1上に形成されている。ただし、配線膜IL4は、配線膜IL2の下方にまで及んで形成されており、Ｎ形不純物層WL2に代わって寄生容量CXの一方電極としても機能する。
【００４３】
このように、配線膜IL4を配線膜IL2の下方にまで及んで絶縁膜IF1上に形成すると、不純物層WL1〜WL3およびコンタクト領域CTを形成する必要がなく工程が少なくて済む。
【００４４】
また、実施の形態２，３のようにＮ形不純物層WL2を寄生容量CXの一方電極とした場合には、半導体基板SB内にリーク電流が生じてＮ形不純物層WL2の電位が不安定になったり、Ｎ形不純物層WL2の抵抗値が高いため出力信号Vfbの変動に伴って余分な電力消費が生じる、ということが考えられる。
【００４５】
しかし、本実施の形態のように配線膜IL4がＮ形不純物層WL2に代わって寄生容量CXの一方電極として機能すれば、半導体基板SBとは絶縁膜IF1を介していることから比較的リーク電流が流れにくく、また、配線膜IL4としてＡｌ等の低抵抗材料を用いれば、出力信号Vfbの変動に伴って余分な電力消費が生じにくい。
【００４６】
その他の構成は実施の形態２にかかるマイクロフォン装置と同様のため、説明を省略する。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、エレクトレットコンデンサの他方電極に対向して絶縁層下に導電層が設けられ、導電層に増幅器の出力が与えられるので、エレクトレットコンデンサの一方電極と導電層との間に生じる寄生容量を、増幅器の出力が与えられた一方電極とエレクトレットコンデンサの一方電極に接続された他方電極とを有するコンデンサとして、感度の低下を抑制することができ、エレクトレットコンデンサの他方電極における電位やその変化する時間を調節することができるマイクロフォン装置を実現することができる。
さらに、導電層が第１絶縁膜上および第２絶縁膜下に形成されるので、半導体基板表面に不純物層を形成する必要がなく工程が少なくて済む。また、半導体基板とは第１絶縁膜を介していることから比較的リーク電流が流れにくく、また、導電層としてＡｌ等の低抵抗材料を用いれば、増幅器の出力の変動に伴って余分な電力消費が生じにくい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係るマイクロフォン装置を示す回路図である。
【図２】 この発明の実施の形態２に係るマイクロフォン装置を示す断面図である。
【図３】 この発明の実施の形態３に係るマイクロフォン装置を示す断面図である。
【図４】 この発明の実施の形態４に係るマイクロフォン装置を示す断面図である。
【図５】 従来のマイクロフォン装置を示す回路図である。
【図６】 従来のマイクロフォン装置を示す断面図である。
【符号の説明】
EC エレクトレットコンデンサ、CG，CX 寄生容量、T1，T2 トランジスタ、OP1，OP2 演算増幅器、EL エレクトレット膜、IL1，IL2 配線膜、IF1，IF2 絶縁膜、SB 半導体基板、WL1〜WL3 不純物層。
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体基板内に形成されたエレクトレットコンデンサを備えるマイクロフォン装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロフォン装置MU2の回路図を図５に示す。マイクロフォン装置MU2はエレクトレットコンデンサECを備えている。エレクトレットコンデンサECは音圧を受けると容量値が変化して、その両電極間で入力信号Vinが発生する。よって、この入力信号Vinには音声の情報が反映される。また、エレクトレットコンデンサECの両端には、ダイオードD1，D2、抵抗R1およびＮチャネルＭＯＳ型のトランジスタT1，T2からなるインピーダンス変換回路が接続される。具体的には、ダイオードD1のアノードがエレクトレットコンデンサECの一方電極に、カソードがエレクトレットコンデンサECの他方電極にそれぞれ接続される。また、ダイオードD2については、ダイオードD1に対してアノードおよびカソードが逆転してエレクトレットコンデンサECの両端に接続される。さらに、抵抗R1がエレクトレットコンデンサECの両端に並列に接続される。また、トランジスタT1のソースがエレクトレットコンデンサECの他方電極に接続され、ゲートがエレクトレットコンデンサECの一方電極に接続される。トランジスタT1のドレインにはトランジスタT2のソースが接続される。そして、トランジスタT2のドレインには電源電位Vddが、ゲートには一定電位Vref1がそれぞれ与えられる。また、トランジスタT1，T2のバックゲートには接地電位GNDが与えられる。なお、エレクトレットコンデンサECの他方電極にも接地電位GNDが与えられる。
【０００３】
トランジスタT1のゲート−ソース間の電圧は、入力信号Vinが与えられないときにはダイオードD1，D2、抵抗R1によって０［V］に維持される。エレクトレットコンデンサECの容量値が音圧を受けて変化し、入力信号Vinが発生したときには、トランジスタT1のゲート−ソース間の電圧が変動する。そして、それに伴ってドレイン−ソース間に流れる電流が変化する。なお、トランジスタT1はデプリーション型であり、ゲート−ソース間電圧が０［V］であってもドレイン−ソース間には電流が流れている。トランジスタT1のドレイン−ソース間電流の変化により、トランジスタT2のドレイン−ソース間に流れる電流も変化し、トランジスタT2のゲート−ソース間電圧が変動する。そして、このトランジスタT2のソースにおける電位の変動が出力信号Voutとなる。なお、この出力信号Voutの位相は入力信号Vinの位相と逆転しており、入力信号Vinの値が減少すると出力信号Voutの値は増加し、入力信号Vinの値が増加すると出力信号Voutの値は減少する。
【０００４】
さて、エレクトレットコンデンサECの具体的構造の一例を図６に示す。エレクトレットコンデンサECは、半導体基板SB上に形成された配線膜IL2を一方電極として備えている。なお、配線膜IL2は半導体基板SB上に絶縁膜IF1，IF2を介して形成されている。また、エレクトレットコンデンサECは、一定量の静電荷が半永久的に固定した誘電体からなるエレクトレット膜ELを他方電極として、配線膜IL2とは空間を隔てて半導体基板SBの上方に備えている。そして、エレクトレット膜ELが音圧を受けて振動する振動膜である。なお図６では、このエレクトレット膜ELに接地電位GNDが与えられている。
【０００５】
半導体基板SBは例えばシリコン基板であり、図６では半導体基板SBが例えばＰ形不純物を含んでいる。また、半導体基板SBには接地電位GNDが与えられている。そして、絶縁膜IF1上には回路内の配線である配線膜IL5が形成され、絶縁膜IF1および配線膜IL5を覆うように絶縁膜IF2が形成されている。絶縁膜IF1，IF2は例えば酸化膜や窒化膜等であり、配線膜IL2，IL5は例えばＡｌ等からなる導電性膜である。また、配線膜IL2および絶縁膜IF2の上面には絶縁性の保護膜PFが形成され、これらの膜を覆っている。保護膜PFも例えば酸化膜や窒化膜等である。
【０００６】
また、図６には示していないが、エレクトレットコンデンサECの形成された部分の周辺の半導体基板SB内に図５中のダイオードD1，D2および抵抗R1およびトランジスタT1，T2も形成されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
エレクトレットコンデンサECは図６に示したような構造をしており、その一方電極である配線膜IL2が半導体基板SBの表面に形成されているので、半導体基板SBと配線膜IL2との間で寄生容量が発生する。図５では、この寄生容量をCXとして表わしている。寄生容量CXの一方電極である半導体基板SBには接地電位GNDが与えられているので、寄生容量CXの一方電極はエレクトレット膜ELと同電位である。よって、寄生容量CXはエレクトレットコンデンサECと並列接続の関係にある。
【０００８】
また、トランジスタT1のゲート−ソース間にも寄生容量が発生する。図５では、この寄生容量をCGとして表わしている。
【０００９】
さて、エレクトレットコンデンサECの容量値をCeとおき、エレクトレット膜ELが保持する一定量の静電荷の電荷量をQとおけば、上記の寄生容量CX，CGが存在しない場合のトランジスタT1のゲート−ソース間電圧すなわち入力信号Vinは、Vin＝Q／Ceとなる。よって、仮にCe＝1.0［pF］とした場合、入力信号VinはQ／(1.0×10-12)［V］になる。
【００１０】
ところが、寄生容量CX，CGの存在を考慮して同じくゲート−ソース間電圧Vinを考えると、その値はVin＝Q／(Ce＋Cx＋Cg)となる。ここで、Cxは寄生容量CXの容量値を、Cgは寄生容量CGの容量値をそれぞれ表す。仮に容量値Ceが先と同じ値で、容量値Cx，Cgの値の合計をCx＋Cg＝9.0［pF］とした場合、入力信号VinはQ／(10.0×10-12)［V］になる。このように寄生容量CX，CGが存在すると、寄生容量CX，CGが存在しない場合に比べ入力信号Vinの値が1／10となり、トランジスタT1のゲート−ソース間に入力される信号が微弱になってしまう。
【００１１】
すなわち、寄生容量CX，CGが存在すると、入力信号Vinの値が小さくなり変化が現れにくくなるので、マイクロフォン装置としての感度が低下する。
【００１２】
そこで、この発明は、エレクトレットコンデンサの構造に伴って発生する寄生容量による感度の低下を抑制することが可能なマイクロフォン装置を実現するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、固定電位が与えられる半導体基板と、前記半導体基板上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された一方電極と、前記固定電位が与えられ、前記一方電極とは空間を隔てて設けられた振動自在の他方電極とを有するエレクトレットコンデンサと、前記エレクトレットコンデンサの前記一方電極および他方電極の間に生じる電圧を増幅して出力する増幅器と、前記エレクトレットコンデンサの前記一方電極に対向して前記絶縁層下に形成され、前記増幅器の出力が与えられる導電層とを備えるマイクロフォン装置である。
さらに、当該請求項１に記載の発明は、前記絶縁層は前記半導体基板上に形成された第１絶縁膜および前記第１絶縁膜上に形成された第２絶縁膜を有し、前記導電層は、前記第１絶縁膜上および前記第２絶縁膜下に形成された配線層であるマイクロフォン装置である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態にかかるマイクロフォン装置MU1を示したものである。マイクロフォン装置MU1も、図５に示したマイクロフォン装置MU2と同様、エレクトレットコンデンサECを備えている。そして、エレクトレットコンデンサECが音圧を受けると容量値が変化して、その両電極間で入力信号Vinが発生する。また、ダイオードD1のアノードがエレクトレットコンデンサECの一方電極に、カソードがエレクトレットコンデンサECの他方電極にそれぞれ接続される。ダイオードD2については、ダイオードD1に対してアノードおよびカソードが逆転してエレクトレットコンデンサECの両端に並列に接続される。さらに、抵抗R1がエレクトレットコンデンサECの両端に並列に接続される。また、トランジスタT1のソースがエレクトレットコンデンサECの他方電極に接続され、ゲートがエレクトレットコンデンサECの一方電極に接続される。トランジスタT1のドレインにはトランジスタT2のソースが接続される。そして、トランジスタT2のドレインには電源電位Vddが、ゲートには一定電位Vref1がそれぞれ与えられる。また、トランジスタT1，T2のバックゲートには接地電位GNDが与えられる。また、エレクトレットコンデンサECの他方電極にも接地電位GNDが与えられる。そして、トランジスタT1のゲート−ソース間には寄生容量CGが示されている。寄生容量CXについては後述する。
【００１９】
なお、エレクトレットコンデンサEC並びにダイオードD1，D2、抵抗R1およびトランジスタT1，T2からなるインピーダンス変換回路の動作は、マイクロフォン装置MU2と同様であるので説明を省略する。
【００２０】
さて、本発明の実施の形態にかかるマイクロフォン装置MU1は、さらに演算増幅器OP1，OP2および抵抗R2，R3をも備えている。トランジスタT1のドレインにおける出力信号Voutは、信号として出力される以外に演算増幅器OP1の正入力端にも入力される。演算増幅器OP1の負入力端には演算増幅器OP1の出力信号が入力され、演算増幅器OP1はボルテージフォロアとして機能する。なお、ボルテージフォロアは、入力側の回路に影響を及ぼすことなく電圧信号を取り出すために設けられるものである。よって、トランジスタT1，T2のドレインソース間に流れる電流に影響を及ぼすことなく出力信号Voutを検出できるのであれば、演算増幅器OP1は省略してもよい。
【００２１】
演算増幅器OP1の出力信号は、抵抗R2を介して演算増幅器OP2の負入力端に入力される。演算増幅器OP2の負入力端には演算増幅器OP2の出力信号Vfbも抵抗R3を介して入力され、演算増幅器OP2は反転増幅器として機能する。なお、演算増幅器OP2の正入力端には一定電位Vref2が与えられる。
【００２２】
この反転増幅器は、出力信号VoutをエレクトレットコンデンサECの一方電極にフィードバックさせるために設けられる。演算増幅器OP2の出力信号Vfbは、出力信号Voutが反転増幅されて生じた、入力信号Vinと同相のフィードバック信号である。なお、出力信号Vfbが入力信号Vinと同相であるのは、出力信号Voutの位相が入力信号Vinの位相と逆転しており、さらに演算増幅器OP2によって反転されるからである。また、出力信号Vfbの入力信号Vinに対する増幅度は、トランジスタT1における出力信号Voutの入力信号Vinに対する増幅度と演算増幅器OP2における出力信号Vfbの出力信号Voutに対する増幅度との積である。よって、この反転増幅器は、トランジスタT1とともに増幅器を構成しているとも考えられる。
【００２３】
さて、寄生容量CXについては、図５ではその一方電極が半導体基板SBであり、半導体基板SBには接地電位GNDが与えられていたため、エレクトレットコンデンサECに並列接続した表現がなされていた。しかし、本実施の形態においては、エレクトレットコンデンサECの一方電極に出力信号Vfbをフィードバックさせるために、寄生容量CXの一方電極に接地電位GNDではなく出力信号Vfbを与える。よって、図１においては、寄生容量CXをエレクトレットコンデンサECに並列接続した表現とはしておらず、寄生容量CXの一方電極を演算増幅器OP2の出力端に接続し、その他方電極をエレクトレットコンデンサECの一方電極に接続して表している。
【００２４】
出力信号Vfbが寄生容量CXの一方電極に与えられると、寄生容量CXは結合容量として機能し、出力信号Vfb中の直流バイアス分を除去しつつ交流信号だけをエレクトレットコンデンサECの一方電極に伝達する。ここで、出力信号Vfbの入力信号Vinに対する増幅度、すなわちトランジスタT1および演算増幅器OP2の各々の電圧信号の増幅度を調節してエレクトレットコンデンサECの一方電極に伝達される交流信号の値を増幅すれば、トランジスタT1のゲート−ソース間の電圧の振幅値を寄生容量CX，CGの存在しないときの入力信号Vinの値に近づけることができる。上述のように出力信号Vfbは入力信号Vinと同相のフィードバック信号であることから、エレクトレットコンデンサECの一方電極に伝達される交流信号も入力信号Vinと同相であり、エレクトレットコンデンサECの一方電極における電位の変化を強調することができるからである。よって、寄生容量CX，CGの影響のため微弱となっていたトランジスタT1のゲート−ソース間の信号が増幅され、マイクロフォン装置への寄生容量CX，CGの影響を抑制できる。すなわち、入力信号Vinと同相のフィードバック信号である出力信号Vfbを寄生容量CXの一方電極に与えてその他方電極における電位の変化を強調することで、トランジスタT1のゲート−ソース間電圧を増加させ、寄生容量CXによるマイクロフォン装置MU1の感度が低下するのを抑制することができる。
【００２５】
なお、寄生容量CXの容量値を調節することが可能であれば、出力信号Vfbのうち寄生容量CXの両端に印加される電圧とエレクトレットコンデンサECに印加される電圧との比や、エレクトレットコンデンサECの一方電極における電位の変化する時間を調節することもできる。
【００２６】
また、トランジスタT1および演算増幅器OP2の両者を合わせての電圧信号の増幅度は、エレクトレットコンデンサECの一方電極に伝達される交流信号が寄生容量CX，CGの存在しないときの入力信号Vinの値を上回らないように調整しておくことが望ましい。交流信号が寄生容量CX，CGの存在しないときの入力信号Vinの値を上回ってしまうと正帰還となり、発振現象が生じてマイクロフォン装置として機能しなくなる場合があるからである。
【００２７】
本実施の形態にかかるマイクロフォン装置MU1を用いれば、寄生容量CXにより出力信号Vfbから直流バイアス分が除去された交流信号がエレクトレットコンデンサECの一方電極に伝達されるので、エレクトレットコンデンサECの一方電極および他方電極の間に生じる入力信号Vinを増幅させることができる。よって、トランジスタT1のゲート−ソース間電圧を増加させ、寄生容量CXによるマイクロフォン装置MU1の感度が低下するのを抑制することができる。また、寄生容量CXの容量値を調節することで、エレクトレットコンデンサECの一方電極における電位やその変化する時間を調節することができる。
【００２８】
なお、本実施の形態においては、トランジスタT1，T2としてＭＯＳトランジスタを用いたが、もちろんバイポーラトランジスタを用いてもよい。バイポーラトランジスタを用いる場合には、上記のゲート、ドレイン、ソースをそれぞれベース、コレクタ、エミッタと読み替えればよい。
【００２９】
＜実施の形態２＞
本実施の形態は、実施の形態１にかかるマイクロフォン装置MU1のうちエレクトレットコンデンサEC付近の具体的構造を示したものである。図２がその構造を示した断面図である。図２においても図６と同様、エレクトレットコンデンサECは、半導体基板SB上に形成された配線膜IL2を一方電極として備えている。なお、配線膜IL2は半導体基板SB上に絶縁膜IF1，IF2を介して形成されている。また、エレクトレットコンデンサECは、一定量の静電荷が半永久的に固定した誘電体からなるエレクトレット膜ELを他方電極として、配線膜IL2とは空間を隔てて半導体基板SBの上方に備える。そして、エレクトレット膜ELが音圧を受けて振動する振動膜である。なお、エレクトレット膜ELには接地電位GNDが与えられている。
【００３０】
半導体基板SBは例えばシリコン基板であり、図６では半導体基板SBが例えばＰ形不純物を含んでいる。また、半導体基板SBには接地電位GNDが与えられている。半導体基板SBの表面には、イオン注入法等により不純物層WL1〜WL3が形成されている。このうちＮ形不純物層WL2は配線膜IL2の下方に設けられている。また、Ｐ形不純物層WL1，WL3はＮ形不純物層WL2の周囲を囲んで、これを素子分離している。
【００３１】
絶縁膜IF1上には演算増幅器OP2の出力端につながる配線である配線膜IL1が形成されている。この配線膜IL1は絶縁膜IF1を貫通して半導体基板SB表面のＮ形不純物層WL2に接続されている。また、Ｎ形不純物層WL2においては、配線膜IL1との接続部分に不純物濃度の比較的高いコンタクト領域CTを設け、接続部分の抵抗値を減らしている。
【００３２】
絶縁膜IF1および配線膜IL1を覆うように絶縁膜IF2が形成されている。絶縁膜IF1，IF2は例えば酸化膜や窒化膜等であり、配線膜IL1，IL2は例えばＡｌ等からなる導電性膜である。また、配線膜IL2および絶縁膜IF2の上面には絶縁性の保護膜PFが形成され、これらの膜を覆っている。また、保護膜PFも例えば酸化膜や窒化膜等である。
【００３３】
また、図２には示していないが、エレクトレットコンデンサECの形成された部分の周辺の半導体基板SB内に図１中のダイオードD1，D2および抵抗R1〜R3およびトランジスタT1，T2および演算増幅器OP1，OP2も形成されている。
【００３４】
このように、半導体基板SBの表面にＮ形不純物層WL2を設け、そこに配線膜IL2を介して演算増幅器OP2の出力信号Vfbを与えるようにすれば、従来、配線膜IL2と半導体基板SBとの間で生じていた寄生容量CXは、配線膜IL2とＮ形不純物層WL2との間で生じることになる。よって、寄生容量CXは図１に示した回路図のようにエレクトレットコンデンサECの一方電極と演算増幅器OP2の出力端との間に形成されることになる。
【００３５】
なお、出力信号Voutは、トランジスタT1がデプリーション形であることから入力信号Vinの入力がないときであっても正の直流バイアスを有する。よって、一定電位Vref2の値を適当に設定すれば、演算増幅器OP2から出力される出力信号Vfbも正となる。すると、Ｎ形不純物層WL2の電位は正となり、半導体基板SBの電位GNDよりも高くなるので、Ｎ形不純物層WL2と半導体基板SBとの間はＰＮ接合の逆バイアス状態となり、両者の間に電流はほとんど流れない。
【００３６】
本実施の形態にかかるマイクロフォン装置を用いれば、半導体基板SBの表面にＮ形不純物層WL2を設け、そこに配線膜IL2を介して演算増幅器OP2の出力信号Vfbを与えるので、イオン注入法等の半導体プロセスにより容易に実施の形態１にかかるマイクロフォン装置MU1を実現することができる。
【００３７】
なお、寄生容量CXの容量値は、絶縁膜IF1，IF2の膜厚および誘電率、並びに配線膜IL2およびＮ形不純物層WL2の面積により調節することが可能である。よって、実施の形態１においても述べたように、出力信号Vfbのうち寄生容量CXの両端に印加される電圧とエレクトレットコンデンサECに印加される電圧との比や、エレクトレットコンデンサECの一方電極における電位の変化する時間を調節することもできる。
【００３８】
＜実施の形態３＞
本実施の形態は、実施の形態２にかかるマイクロフォン装置の変形例である。図３がその構造を示した断面図である。なお、図３では実施の形態２にかかるマイクロフォン装置と同様の機能を有する要素については同一符号を付している。
【００３９】
本実施の形態にかかるマイクロフォン装置においては、絶縁膜IF2が形成されず、また、配線膜IL2に相当する配線膜IL3が配線膜IL1と同じく絶縁膜IF1上に形成されている。このように、配線膜IL3を配線膜IL1とともに絶縁膜IF1上に形成すると、マイクロフォン装置の製造過程において配線膜IL3と配線膜IL1とを同じフォトリソグラフィ工程で一度に形成することができ、工程が少なくて済む。また、絶縁膜IF2も不要となるため材料に要するコストも削減できる。
【００４０】
その他の構成は実施の形態２にかかるマイクロフォン装置と同様のため、説明を省略する。
【００４１】
＜実施の形態４＞
本実施の形態も、実施の形態２にかかるマイクロフォン装置の変形例である。図４がその構造を示した断面図である。なお、図４では実施の形態２にかかるマイクロフォン装置と同様の機能を有する要素については同一符号を付している。
【００４２】
本実施の形態にかかるマイクロフォン装置においては、不純物層WL1〜WL3およびコンタクト領域CTが形成されず、また、配線膜IL1に相当する配線膜IL4が絶縁膜IF1上に形成されている。ただし、配線膜IL4は、配線膜IL2の下方にまで及んで形成されており、Ｎ形不純物層WL2に代わって寄生容量CXの一方電極としても機能する。
【００４３】
このように、配線膜IL4を配線膜IL2の下方にまで及んで絶縁膜IF1上に形成すると、不純物層WL1〜WL3およびコンタクト領域CTを形成する必要がなく工程が少なくて済む。
【００４４】
また、実施の形態２，３のようにＮ形不純物層WL2を寄生容量CXの一方電極とした場合には、半導体基板SB内にリーク電流が生じてＮ形不純物層WL2の電位が不安定になったり、Ｎ形不純物層WL2の抵抗値が高いため出力信号Vfbの変動に伴って余分な電力消費が生じる、ということが考えられる。
【００４５】
しかし、本実施の形態のように配線膜IL4がＮ形不純物層WL2に代わって寄生容量CXの一方電極として機能すれば、半導体基板SBとは絶縁膜IF1を介していることから比較的リーク電流が流れにくく、また、配線膜IL4としてＡｌ等の低抵抗材料を用いれば、出力信号Vfbの変動に伴って余分な電力消費が生じにくい。
【００４６】
その他の構成は実施の形態２にかかるマイクロフォン装置と同様のため、説明を省略する。
【００４８】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、エレクトレットコンデンサの他方電極に対向して絶縁層下に導電層が設けられ、導電層に増幅器の出力が与えられるので、エレクトレットコンデンサの一方電極と導電層との間に生じる寄生容量を、増幅器の出力が与えられた一方電極とエレクトレットコンデンサの一方電極に接続された他方電極とを有するコンデンサとして、感度の低下を抑制することができ、エレクトレットコンデンサの他方電極における電位やその変化する時間を調節することができるマイクロフォン装置を実現することができる。
さらに、導電層が第１絶縁膜上および第２絶縁膜下に形成されるので、半導体基板表面に不純物層を形成する必要がなく工程が少なくて済む。また、半導体基板とは第１絶縁膜を介していることから比較的リーク電流が流れにくく、また、導電層としてＡｌ等の低抵抗材料を用いれば、増幅器の出力の変動に伴って余分な電力消費が生じにくい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係るマイクロフォン装置を示す回路図である。
【図２】 この発明の実施の形態２に係るマイクロフォン装置を示す断面図である。
【図３】 この発明の実施の形態３に係るマイクロフォン装置を示す断面図である。
【図４】 この発明の実施の形態４に係るマイクロフォン装置を示す断面図である。
【図５】 従来のマイクロフォン装置を示す回路図である。
【図６】 従来のマイクロフォン装置を示す断面図である。
【符号の説明】
EC エレクトレットコンデンサ、CG，CX 寄生容量、T1，T2 トランジスタ、OP1，OP2 演算増幅器、EL エレクトレット膜、IL1，IL2 配線膜、IF1，IF2 絶縁膜、SB 半導体基板、WL1〜WL3 不純物層。
Claims (1)
- 固定電位が与えられる半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成された一方電極と、前記固定電位が与えられ、前記一方電極とは空間を隔てて設けられた振動自在の他方電極とを有するエレクトレットコンデンサと、
前記エレクトレットコンデンサの前記一方電極および他方電極の間に生じる電圧を増幅して出力する増幅器と、
前記エレクトレットコンデンサの前記一方電極に対向して前記絶縁層下に形成され、前記増幅器の出力が与えられる導電層とを備え、
前記絶縁層は前記半導体基板上に形成された第１絶縁膜および前記第１絶縁膜上に形成された第２絶縁膜を有し、
前記導電層は、前記第１絶縁膜上および前記第２絶縁膜下に形成された配線層である
マイクロフォン装置。
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