JPWO2009157122A1 - Ｍｅｍｓデバイス、ｍｅｍｓデバイスモジュール及び音響トランスデューサ - Google Patents

Ｍｅｍｓデバイス、ｍｅｍｓデバイスモジュール及び音響トランスデューサ Download PDF

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Abstract

半導体基板５上の第１の絶縁膜６の上に、第１の電極３を有する振動膜２が形成されている。振動膜２の上方に、振動膜２との間にエアギャップ１１が介在するように、第２の電極４を有する固定膜１０が形成されている。半導体基板５と固定膜１０の一部分との間に第２の絶縁膜１２が設けられている。半導体基板５は、Ｎ型の多数キャリアを含む領域を有している。

Description

本発明は、半導体基板を支持基板とし、当該半導体基板上に可動電極及び固定電極を有する音響トランスデューサ等のＭＥＭＳデバイス及びそれを搭載するＭＥＭＳデバイスモジュールに関する。
従来の電子部品の小型化、高性能化の手段として、半導体技術を応用したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスが有望視されている。すでに、特許文献１等に示すように、マイクロフォンや加速度センサー等の分野でＭＥＭＳデバイスの量産が進んでいる。これらのＭＥＭＳデバイスの製造においては、支持基板として半導体基板を用いることにより、半導体集積回路を製造するための製造ライン及びウェーハプロセスを活用することが可能となっている。
特開２００７−２９５５１６号公報
しかしながら、前述のＭＥＭＳデバイス、特に、音響トランスデューサのような容量型素子においてはノイズや感度変動等が生じやすいという問題がある。
前記に鑑み、本発明は、ノイズや感度変動等が生じにくいＭＥＭＳデバイスを実現することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本願発明者らは、ＭＥＭＳデバイスにおいてノイズや感度変動等が生じやすい原因を検討した結果、以下のような知見を得た。
すなわち、電極構造を有するＭＥＭＳデバイスを半導体基板上に構成した場合、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor ）構造が容易に形成されて寄生容量として作用してしまう。本願発明者らは、このＭＩＳ構造における空乏層幅の変動によって生じる変位電流に起因して電位が変動し、その結果、音響トランスデューサのような容量型素子においてノイズや感度変動等が生じていることを見出した。
具体的には、ＭＩＳ構造における半導体基板界面に分布する界面電荷の極性と当該半導体基板の多数キャリアの極性とが同じである場合、半導体基板中には空乏層（Depletion Layer ）が発生する。これらの空乏層は寄生容量の一部として作用するので、空乏層の発生に起因する寄生容量の大きさの変動がノイズ源となり、ＳＮ比特性が低下したり、感度が変動したりするという問題が生じる。
例えば、蛍光灯のように発光周波数を持つ光源下においては、キャリアの生成消滅によりＭＩＳ構造に非平衡状態が生じて空乏層幅が変調を受け、寄生容量の大きさが周期的に変動するが、音響トランスデューサのような容量型素子では、この寄生容量の大きさの変動がノイズ源となり、ＳＮ比特性が低下する。
同様に、照度の異なる場所間の移動や温度の異なる場所間の移動によってもキャリアの生成消滅によりＭＩＳ構造に非平衡状態が生じて空乏層幅が変調を受け、寄生容量の大きさが変動する結果、ノイズが発生する。特に、安価で広く使用されているｐ型シリコン基板を音響トランスデューサのような容量型素子の支持基板として使用した場合、基板の洗浄工程等において基板表面に付着する微量のアルミニウムなどに起因する正電荷により、その正電荷の下側に空乏層が形成されるので、温度変化や光強度変化による空乏層幅の変動の影響を受け易くなる。
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであって、具体的には、本発明に係るＭＥＭＳデバイスは、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜の上に形成され且つ第１の電極を有する振動膜と、前記振動膜との間にエアギャップが介在するように前記振動膜の上方に形成され且つ第２の電極を有する固定膜と、前記半導体基板と前記固定膜の一部分との間に設けられた第２の絶縁膜とを備え、前記半導体基板は、Ｎ型の多数キャリアを含む領域を有している。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記半導体基板はシリコン基板であってもよい。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記半導体基板及び前記第１の絶縁膜の所定領域は除去されており、当該所定領域を覆うように前記振動膜が形成されていてもよい。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記半導体基板と前記第１の絶縁膜とは接しており、前記Ｎ型の多数キャリアを含む領域は、少なくとも前記半導体基板における前記第１の絶縁膜との接触部分に設けられていてもよい。この場合、前記半導体基板における前記第１の絶縁膜との接触部分でのＮ型の多数キャリアの濃度は、前記半導体基板のその他の部分でのＮ型の多数キャリアの濃度と比べて高いことが好ましい。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記Ｎ型の多数キャリアを含む領域にはＮ型不純物が含まれていることが好ましく、具体的には、前記Ｎ型不純物の濃度は１×１０14ｃｍ-3以上で且つ１×１０21ｃｍ-3以下であることが好ましい。この場合、前記Ｎ型不純物はリン原子又は砒素原子であってもよい。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記半導体基板はＮ型半導体基板であってもよい。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記第１の絶縁膜はシリコン酸化膜であってもよい。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記第２の絶縁膜はシリコン酸化膜であってもよい。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記エアギャップの高さは、前記振動膜と前記固定膜との間隔に等しくてもよい。
また、本発明に係るＭＥＭＳデバイスモジュールは、本発明に係るＭＥＭＳデバイスを有するＭＥＭＳデバイスモジュールであって、前記ＭＥＭＳデバイスの上に設けられ且つ音孔を有するカバーを備えている。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスモジュールにおいて、前記ＭＥＭＳデバイスと電気的に接続された増幅器をさらに備えていてもよい。
また、本発明に係る音響トランスデューサは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された可動電極と、前記半導体基板上に形成された固定電極と、前記半導体基板と前記可動電極の一部分との間に設けられた第１の絶縁膜と、前記半導体基板と前記固定電極の一部分との間に設けられた第２の絶縁膜とを備え、前記半導体基板、前記第１の絶縁膜及び前記可動電極は第１のＭＩＳ構造を構成し、前記半導体基板、前記第２の絶縁膜及び前記固定電極は第２のＭＩＳ構造を構成し、前記半導体基板と前記第１の絶縁膜又は前記第２の絶縁膜との界面には第１の極性を持つ界面電荷が分布し、前記半導体基板は、前記第１の極性とは異なる第２の極性を持つキャリアを多数キャリアとして有している。
本発明に係る音響トランスデューサにおいて、前記半導体基板は、Ｎ型の多数キャリアを含む領域を有するシリコン基板であることが好ましい。この場合、前記シリコン基板と前記第１の絶縁膜とは接しており、前記Ｎ型の多数キャリアを含む領域は、少なくとも前記シリコン基板における前記第１の絶縁膜との接触部分に設けられていてもよく、具体的には、前記シリコン基板における前記第１の絶縁膜との接触部分でのＮ型の多数キャリアの濃度は、前記シリコン基板のその他の部分でのＮ型の多数キャリアの濃度と比べて高くてもよい。また、この場合、前記シリコン基板はＮ型シリコン基板であってもよい。
本発明に係る音響トランスデューサにおいて、前記可動電極と前記固定電極とはコンデンサー構造を構成し、音圧に反応して前記可動電極が振動することにより、前記コンデンサー構造の容量が変動してもよい。
本発明によると、音響トランスデューサ等のＭＥＭＳデバイスにおいて支持基板である半導体基板にＮ型の多数キャリアを含む領域を設けることにより、通常の集積回路製造工程で発生するアルミニウム汚染等に起因する正の固定電荷によって寄生ＭＩＳ構造に空乏層が発生することを抑制することができるので、容量変動によるノイズや感度変動等の発生を防止することが可能となる。
図１は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサの断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサの断面図において各部位の容量素子を模式的に示した図である。 図３は、図２に示す本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサの等価回路図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサにおけるエアギャップ容量Ｃａを持つ容量素子を模式的に示す図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサにおける寄生容量Ｃ3 を持つ容量素子を模式的に示す図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサにおける寄生容量Ｃ1 を持つ容量素子を模式的に示す図である。 図７は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサにおける寄生容量Ｃ2 を持つ容量素子を模式的に示す図である。 図８は、比較例の音響トランスデューサ（空乏層を有する音響トランスデューサ）における寄生容量Ｃ1 を持つ容量素子を模式的に示す図である。 図９は、比較例の音響トランスデューサ（空乏層を有する音響トランスデューサ）における寄生容量Ｃ2 を持つ容量素子を模式的に示す図である。 図１０は、比較例の音響トランスデューサ（空乏層を有する音響トランスデューサ）における寄生容量Ｃｐを持つ容量素子の当該寄生容量Ｃｐが外的刺激（例えば、光）により変化することを説明する図である。 図１１は、比較例の音響トランスデューサ（空乏層を有する音響トランスデューサ）における外的刺激（例えば、光）とキャリア密度との関係、及び外的刺激と空乏層幅との関係を合わせて説明する図である。 図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサを搭載したマイクロフォンモジュールを説明する図であって、図１２（ａ）は上面図であり、図１２（ｂ）は断面図であり、図１２（ｃ）は回路図である。
（実施形態）
以下、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサについて、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る音響トランスデューサの断面図である。
図１に示すように、支持基板であるＮ型のシリコン基板５の上にシリコン酸化膜６が形成されている。シリコン基板５及びシリコン酸化膜６の積層構造は、その周辺部を残すように除去されており、それによってメンブレン領域（基板除去領域）７が形成されている。すなわち、メンブレン領域７は、後述する振動膜２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シリコン基板５が選択的に（周辺部を残すように）除去されてなる領域である。シリコン酸化膜６上にはメンブレン領域７を覆うように振動膜２が形成されている。振動膜２には、メンブレン領域７の空洞に通じるリークホール９が形成されている。振動膜２は、下部電極（振動電極）を構成する導電膜から構成されてもよいし、又は当該導電膜及び絶縁膜を含む多層膜から構成されてもよい。特に、振動膜２が、永久電荷を保持するエレクトレット膜を含む場合には、エレクトレットコンデンサーを構成できる。本実施形態では、振動膜２は、ポリシリコン膜などの導電膜からなる下部電極３と、その上に形成されたシリコン酸化膜などからなる絶縁膜２Ｂと、絶縁膜２Ｂの下面及び上面（側面を含む）をそれぞれ覆うシリコン窒化膜などからなる絶縁膜２Ａ及び２Ｃとから構成されている。また、シリコン酸化膜６上には、下部電極３を構成する導電膜からなる引出し配線８が形成されている。
また、振動膜２の上方には固定膜１０が配置されている。固定膜１０は、上部電極（固定電極）を構成する１つの導電膜から構成されてもよいし、又は当該導電膜及び絶縁膜を含む多層膜から構成されてもよい。特に、固定膜１０が、永久電荷を保持するエレクトレット膜を含む場合には、エレクトレットコンデンサーを構成できる。本実施形態では、固定膜１０は、ポリシリコン膜などの導電膜からなる上部電極４と、上部電極４の下面及び上面（側面を含む）をそれぞれ覆うシリコン窒化膜などからなる絶縁膜１０Ａ及び１０Ｂとから構成されている。
また、振動膜２の一部分の上及びシリコン酸化膜６の上には、固定膜１０を支持するためのシリコン酸化膜１２が形成されている。
また、振動膜２と固定膜１０とシリコン酸化膜１２とによって囲まれるようにエアギャップ１１が設けられている。尚、エアギャップ１１は、少なくともメンブレン領域７の上側全体に亘って形成されている。本実施形態では、エアギャップ１１は、シリコン酸化膜１２を部分的に除去することによって形成されている。また、エアギャップ１１の高さ（エアギャップ長）は、振動膜２と固定膜１０との間隔に等しい。
また、エアギャップ１１上の固定膜１０には、エアギャップ１１に通じる複数のアコースティックホール１が形成されている。アコースティックホール１は、振動膜２を振動させる空気の通り穴としての役割を果たす。
また、シリコン酸化膜１２には、シリコン酸化膜６上の引出し配線８が露出するように開口部１３が設けられている。図示は省略しているが、下部電極３は引出し配線８を介して外部回路に接続されている。
次に、本実施形態の音響トランスデューサの動作について説明する。本実施形態の音響トランスデューサにおいて、アコースティックホール１を通して、振動膜２が上方（外部）から音圧を受けると、その音圧に応じて振動膜２が機械的に上下に振動する。ここで、下部電極３及び上部電極４をそれぞれ電極とする平行平板型のコンデンサー構造が形成されているために、振動膜２が振動すると、下部電極３と上部電極４との電極間距離が変化し、コンデンサーの容量（Ｃａ）が変化する。一方、当該コンデンサーに蓄えられる電荷量（Ｑａ）が一定であるという条件下で、容量（Ｃａ）が変化（以下、容量Ｃａの変化量をΔＣａとする）すると、下記（式１）の関係より、下部電極３と上部電極４との間の電圧（Ｖａ）に下記（式２）のような変化（以下、電圧Ｖａの変化量をΔＶａとする）が生じる。
Ｑａ＝Ｃａ×Ｖａ ・・・ （式１）
ΔＶａ＝Ｑａ／ΔＣａ ・・・ （式２）
すなわち、空気振動が機械振動に変換されることにより、音圧変化が電圧変化ΔＶａに変換される。これが、本実施形態の音響トランスデューサの動作原理である。ところが、従来の音響トランスデューサにおいては、各種の寄生容量が変動することにより、前述のような理想的な電圧変化を出力として得ることができない。
次に、音響トランスデューサの特性を表す感度について説明する。可聴音域における音響トランスデューサの感度Ｓの一般式は、下記（式３）で表される。
Ｓ＝α×Ｃａ×Ｖａ×Ｐ×（１／Ｓ0 ） ・・・ （式３）
（式３）において、αは比例係数を表し、Ｃａは可動部であるエアギャップ容量（（エアギャップ面積／エアギャップ長）に比例する）を表し、Ｖａはエアギャップ間電圧を表し、Ｐは音圧を表し、Ｓ0 は振動膜スティフネス（動きにくさ）を表している。（式３）からも分かるように、Ｃａは感度の良し悪しを左右する主要なパラメータの一つである。しかし、従来の音響トランスデューサにおいては、各種の寄生容量が変動することにより、理想的な感度特性を実現することができない。
以下、従来の音響トランスデューサに対する本実施形態の音響トランスデューサの優位点を、音響トランスデューサの各部位における容量素子（寄生容量を含む）の観点から説明する。
まず、本実施形態の音響トランスデューサの各部位における容量素子について詳しく説明する。
図２は、本実施形態の音響トランスデューサの断面図において各部位の容量素子を模式的に示した図である。図２において、１４はエアギャップ容量Ｃａを持つ容量素子を、１５は上部電極４、シリコン酸化膜１２、シリコン酸化膜６及びシリコン基板５から構成されるＭＩＳ構造の寄生容量素子（容量値Ｃ1 ）を、１６は下部電極３、シリコン酸化膜６及びシリコン基板５から構成されるＭＯＳ構造の寄生容量素子（容量値Ｃ2 ）を、１７は上部電極４、シリコン酸化膜１２及び下部電極３から構成されるＭＯＳ構造の寄生容量素子（容量値Ｃ3 ）をそれぞれ表している。
図３は、図２に示す本実施形態の音響トランスデューサの等価回路図である。図３に示す回路は、容量素子１４（エアギャップ容量Ｃａ）、容量素子１５（寄生容量Ｃ1 ）、容量素子１６（寄生容量Ｃ2 ）、容量素子１７（寄生容量Ｃ3 ）、下部電極３（電圧Ｖｍｉｃ）、上部電極４（グランド電圧）、及びシリコン（Ｓｉ）基板５から構成されている。ここで、下部電極３の電圧Ｖｍｉｃが電気信号として増幅器等の次段の回路に出力される。また、シリコン基板５の裏面は、グランド電位となるプリント基板２２に直接貼り付けられるが（図１２（ｂ）参照）、シリコン基板５とプリント基板２２との接触抵抗値が微小な電圧変化に対して大きいため、シリコン基板５の電圧を考慮する必要は無い。従って、図３に示す回路においては、上部電極４と下部電極３との間に、容量素子１４と、容量素子１７と、容量素子１５及び１６の直列容量とが並列に接続されていることになる。そこで、上部電極４と下部電極３との間の合計容量Ｃｍｉｃ（仮想的な単一の容量素子１８の容量）を近似的に下記（式４）で表すことができる。
Ｃｍｉｃ＝Ｃａ＋Ｃ3 ＋｛（Ｃ1 ×Ｃ2 ）／（Ｃ1 ＋Ｃ2 ）｝ ・・・ （式４）
（式４）に示すように、振動膜２の振動によりエアギャップ容量Ｃａが変動すると、それに伴い、Ｃｍｉｃも変動するため、下部電極３の電圧Ｖｍｉｃも変動することになる。すなわち、エアギャップ容量Ｃａの変動が、下部電極３の電圧の変動となり、それが信号成分として次段回路に入力されることになる。一方、寄生容量であるＣ1 、Ｃ2 、Ｃ3 が変動する場合にも、Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 の変動に伴い、Ｃｍｉｃも変動するため、下部電極３の電圧Ｖｍｉｃも変動することになる。ここで、Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 は、それぞれの容量素子構造から音圧では変動せずに音圧以外の要因で変動するので、Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 の変動に起因するＣｍｉｃの変動分は、下部電極３の電圧Ｖｍｉｃのノイズ成分となって次段回路に入力されることになる。すなわち、本来、音響トランスデューサ出力として、エアギャップ容量Ｃａの変動に比例した出力信号を下部電極３に取り出したいところ、寄生容量であるＣ1 、Ｃ2 、Ｃ3 が大きく変動すると、この本来の目的を達成することができなくなる。
ところで、寄生容量のうちＣ1 及びＣ2 は、シリコン基板５と上部電極４又は下部電極３との間にそれぞれ形成されたＭＩＳ容量の容量値であって、これらの容量値の大きさは温度の変化や外部からの光の変化に伴って変動する。また、図３に示す等価回路において、下部電極３から見て、寄生容量のうちＣ1 及びＣ2 は上部電極４までの間に直列に接続された容量素子（１５及び１６）の容量であるため、Ｃ1 及びＣ2 の直列合成容量値が変動すると、合成容量Ｃｍｉｎが変動して、下部電極３の電圧Ｖｍｉｃにノイズ成分が生じてしまう。
それに対して、本実施形態によれば、支持基板として、電子が多数キャリアであるｎ型のシリコン基板５を使用することにより、寄生容量Ｃ1 及びＣ2 を有するＭＩＳ構造において、シリコン酸化膜６とシリコン基板５との界面の正電荷に起因して空乏層が生じることを抑制することができる。従って、入射光の強度変動や温度変動によって空乏層の幅が変動することがないので、ノイズの発生や温度変動による感度変動等を抑制することができる。
図４は、本実施形態の音響トランスデューサにおけるエアギャップ容量Ｃａを持つ容量素子（容量素子１４）を模式的に示す図である。図４に示すように、エアギャップ容量Ｃａは、容量電極である上部電極４及び下部電極３によって、エアギャップ１１並びに絶縁膜２Ａ、２Ｂ、２Ｃ及び１０Ａが挟まれることによって生じるので、下記（式５）が成り立つ。
１／Ｃａ＝１／Ｃａｉｒ＋１／Ｃｉ ・・・ （式５）
（式５）において、Ｃａｉｒはエアギャップ１１による容量値、Ｃｉは絶縁膜２Ａ、２Ｂ、２Ｃ及び１０Ａによる容量値である。
図５は、本実施形態の音響トランスデューサにおける寄生容量Ｃ3 を持つ容量素子（容量素子１７）を模式的に示す図である。図５に示すように、寄生容量Ｃ3 は、容量電極である上部電極４及び下部電極３によって、絶縁膜２Ａ、２Ｃ、１０Ａ及びシリコン酸化膜１２が挟まれることによって生じるので、下記（式６）が成り立つ。
１／Ｃ3 ＝１／Ｃｉ ・・・ （式６）
（式６）において、Ｃｉは絶縁膜２Ａ、２Ｃ、１０Ａ及びシリコン酸化膜１２による容量値である。
図６は、本実施形態の音響トランスデューサにおける寄生容量Ｃ1 を持つ容量素子（容量素子１５）を模式的に示す図である。図６に示すように、寄生容量Ｃ1 は、容量電極である上部電極４及びＮ型のシリコン基板５（電子が多数キャリアとなる）によって、絶縁膜１０Ａ及びシリコン酸化膜６、１２が挟まれることによって生じるので、下記（式７）が成り立つ。
１／Ｃ1 ＝１／Ｃｉ ・・・ （式７）
（式７）において、Ｃｉは絶縁膜１０Ａ及びシリコン酸化膜６、１２による容量値である。
本実施形態に係る音響トランスデューサによると、図６に示すように、シリコン酸化膜６とシリコン基板５との界面近傍において、シリコン酸化膜６内に正の電荷を持つ界面電荷２４が形成される一方、シリコン基板５内にＮ型の多数キャリア２７が蓄積されて界面電荷２４と電気的釣り合いを保つため、空乏層は発生しない。その結果、音圧以外の要因による寄生容量Ｃ1 の変動を抑制することができるので、振動膜２の振動に伴う下部電極３の電圧変動にノイズ成分が含まれることを抑制できるという効果が得られる。
図７は、本実施形態の音響トランスデューサにおける寄生容量Ｃ2 を持つ容量素子（容量素子１６）を模式的に示す図である。図７に示すように、寄生容量Ｃ2 は、容量電極である下部電極３及びＮ型のシリコン基板５（電子が多数キャリアとなる）によって、シリコン酸化膜６が挟まれることによって生じるので、下記（式８）が成り立つ。
１／Ｃ2 ＝１／Ｃｉ ・・・ （式８）
（式８）において、Ｃｉはシリコン酸化膜６による容量値である。
本実施形態に係る音響トランスデューサによると、図７に示すように、シリコン酸化膜６とシリコン基板５との界面近傍において、シリコン酸化膜６内に正の電荷を持つ界面電荷２４が形成される一方、シリコン基板５内にＮ型の多数キャリア２７が蓄積されて界面電荷２４と電気的釣り合いを保つため、空乏層は発生しない。すなわち、本実施形態に係る音響トランスデューサによると、シリコン基板５がＮ型であって多数キャリアが電子であるため、支持基板としてＰ型シリコン基板を用いる場合と比較して、シリコン酸化膜６内に形成される正の電荷を持つ界面電荷２４に対応して、負の電荷を持つ多数キャリア２７がシリコン酸化膜６とシリコン基板５との界面近傍に集まりやすくなるので、シリコン酸化膜６とシリコン基板５との界面近傍のシリコン基板５には空乏層が発生しなくなる。従って、界面電荷２４と多数キャリア２７との電気的釣り合いが保たれるので、照度の異なる場所間の移動や温度の異なる場所間の移動によっても、キャリア平衡状態は保たれることになる。その結果、音圧以外の要因による寄生容量Ｃ2 の変動を抑制することができるので、振動膜２の振動に伴う下部電極３の電圧変動にノイズ成分が含まれることを抑制できるという効果が得られる。
以下、比較例として、本実施形態に係る音響トランスデューサのシリコン基板５をＰ型のシリコン基板５Ａに代替した場合における寄生容量Ｃ1 及びＣ2 について説明する。
図８は、比較例の音響トランスデューサ（空乏層を有する音響トランスデューサ）における寄生容量Ｃ1 を持つ容量素子（容量素子１５）を模式的に示す図である。図８に示すように、寄生容量Ｃ1 は、容量電極である上部電極４及びＰ型のシリコン基板５Ａ（ホールが多数キャリアとなる）によって、絶縁膜１０Ａ及びシリコン酸化膜６、１２が挟まれることによって生じる。また、図８に示すように、シリコン酸化膜６とＰ型のシリコン基板５Ａとの界面近傍において、シリコン酸化膜６内に正の電荷を持つ界面電荷２４が形成される一方、Ｐ型のシリコン基板５Ａ内には、界面電荷２４の影響により空乏層２６が形成される。ここで、空乏層２６内には負の電荷を持つアクセプター原子２５が存在しており、このアクセプター原子２５と界面電荷２４とによって電気的釣り合いが保たれるので、下記（式９）が成り立つ。
１／Ｃ1 ＝１／Ｃｉ＋１／Ｃｓｉ ・・・ （式９）
（式９）において、Ｃｓｉは空乏層２６による容量値であり、Ｃｉは絶縁膜１０Ａ及びシリコン酸化膜６、１２による容量値である。
図９は、比較例の音響トランスデューサ（空乏層を有する音響トランスデューサ）における寄生容量Ｃ2 を持つ容量素子（容量素子１６）を模式的に示す図である。図９に示すように、寄生容量Ｃ2 は、容量電極である下部電極３及びＰ型のシリコン基板５Ａ（ホールが多数キャリアとなる）によって、シリコン酸化膜６が挟まれることによって生じる。また、図９に示すように、シリコン酸化膜６とＰ型のシリコン基板５Ａとの界面近傍において、シリコン酸化膜６内には正の電荷を持つ界面電荷２４が形成される一方、Ｐ型のシリコン基板５Ａ内には、界面電荷２４の影響により空乏層２６が形成される。ここで、空乏層２６内には負の電荷を持つアクセプター原子２５が存在しており、このアクセプター原子２５と界面電荷２４とによって電気的釣り合いが保たれるので、下記（式１０）が成り立つ。
１／Ｃ2 ＝１／Ｃｉ＋１／Ｃｓｉ ・・・ （式１０）
（式１０）において、Ｃｓｉは空乏層２６による容量値であり、Ｃｉはシリコン酸化膜６による容量値である。
次に、図８及び図９に示した比較例の音響トランスデューサ（空乏層を有する音響トランスデューサ）の寄生容量素子に光や熱などの外的刺激が加わった場合における挙動や特性への影響について説明する。図１０は、空乏層を有する比較例の音響トランスデューサにおける寄生容量Ｃｐを持つ容量素子の当該寄生容量Ｃｐが外的刺激（例えば、光）により変化することを説明する図である。ここで、寄生容量Ｃｐを持つ容量素子の構造は、基本的に、図９に示す寄生容量Ｃ2 を持つ容量素子の構造と同じである。また、図１１は、空乏層を有する比較例の音響トランスデューサにおける外的刺激（例えば、光）とキャリア密度との関係、及び外的刺激と空乏層幅との関係を合わせて説明する図である。
図１０に示すように、寄生容量Ｃｐは、容量電極である電極３Ａ及びＰ型のシリコン基板５Ａ（ホールが多数キャリアとなる）によって、シリコン酸化膜６Ａが挟まれることによって生じる。また、図１０に示すように、シリコン酸化膜６ＡとＰ型のシリコン基板５Ａとの界面近傍において、シリコン酸化膜６Ａ内には正の電荷を持つ界面電荷２４が形成される一方、Ｐ型のシリコン基板５Ａ内には、界面電荷２４の影響により空乏層２６が形成される。ここで、空乏層２６内には負の電荷を持つアクセプター原子２５が存在しており、このアクセプター原子２５と界面電荷２４とによって電気的釣り合いが保たれるので、下記（式１１）が成り立つ。
１／Ｃｐ＝１／Ｃｉ＋１／Ｃｓｉ ・・・ （式１１）
（式１１）において、Ｃｓｉは空乏層２６による容量値であり、Ｃｉはシリコン酸化膜６Ａによる容量値である。
また、Ｃｓｉについては下記（式１２）で表すことができる。
Ｃｓｉ＝（εｓｉ×ε０／Ｘｐ）×Ｓ ・・・ （式１２）
（式１２）において、εｓｉはシリコンの比誘電率であり、ε０は真空の誘電率であり、Ｘｐは空乏層の幅であり、Ｓは空乏層の面積である。
（式１１）に示すように、空乏層容量Ｃｓｉは寄生容量Ｃｐの一部として作用するが、例えば蛍光灯のように発光周波数を持つ光源下においては、図１１に示すように、光源のＯＮ、ＯＦＦに伴うキャリアの生成消滅によりＭＩＳ構造に非平衡状態が生じて空乏層幅が変調を受け、寄生容量の大きさが周期的に変動する。このため、音響トランスデューサのような容量型素子では、この寄生容量の大きさの変動がノイズ源となり、ＳＮ比特性が低下する。
同様に、照度の異なる場所間の移動や温度の異なる場所間の移動によってもキャリアの生成消滅によりＭＩＳ構造に非平衡状態が生じて空乏層幅が変調を受け、寄生容量の大きさが変動する結果、ノイズが発生する。
例えば、空乏層を有する寄生容量素子を含む比較例の音響トランスデューサの容量Ｃｍｉｃを下記（式１３）のように表す。
Ｃｍｉｃ＝Ｃａ＋Ｃｐ ・・・ （式１３）
（式１３）において、Ｃａはエアギャップ容量であり、Ｃｐは空乏層を有する寄生容量素子の容量値である。
このような比較例の音響トランスデューサに対して音圧が加えられると同時に、光や熱などの刺激によって空乏層幅Ｘｐに変調が加えられるような環境下ではＣｍｉｃは下記（式１４）のように表すことができる。
Ｃｍｉｃ＝Ｃａ＋ΔＣａ＋Ｃｐ＋ΔＣｐ ・・・ （式１４）
（式１４）において、ΔＣａは音圧に反応して発生する信号成分であり、ΔＣｐは光や熱などの外的刺激によって発生するノイズ成分である。
それに対して、本実施形態では、ＭＥＭＳデバイスの支持台としてＮ型のシリコン基板５を用いることにより、図６及び図７に示す寄生容量素子の構造を実現し、それによって、（式１４）においてΔＣｐで表されるノイズ成分を除去することができる。
具体的には、（式４）及び（式１４）より、本実施形態の音響トランスデューサにおいて音圧に加えて光や熱などの外的刺激がある場合におけるＣｍｉｃを下記（式１５）のように表すことができる。
Ｃｍｉｃ＝Ｃａ＋ΔＣａ＋Ｃ3 ＋ΔＣ3 ＋｛（（Ｃ1 ＋ΔＣ1 ）×（Ｃ2 ＋ΔＣ2 ））
／（（Ｃ1 ＋ΔＣ1 ）＋（Ｃ2 ＋ΔＣ2 ））｝ ・・・ （式１５）
ここで、本実施形態のように、寄生素子Ｃ1 及びＣ2 を図６及び図７に示す構造にすることによって、光や熱などの外的刺激に起因する容量変動を抑制することができる。この場合、Ｃｍｉｃを下記（式１６）のように表すことができる。
Ｃｍｉｃ＝Ｃａ＋ΔＣａ＋Ｃ3 ＋｛（（Ｃ1 ×Ｃ2 ）／（Ｃ1 ＋Ｃ2 ）｝
＝Ｃａ＋ΔＣａ＋Ｃｐ ・・・ （式１６）
すなわち、（式１６）に示すように、外的刺激によるノイズ成分を除去することができる。
尚、本実施形態の音響トランスデューサにおいて、支持基板として、Ｎ型のシリコン基板５を用いたが、これに代えて、Ｐ型（真性でもよい：以下同じ）シリコン基板を用いると共に当該Ｐ型シリコン基板におけるシリコン酸化膜６との界面又はその近傍にＮ型不純物含有領域を設けた場合にも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。このように、Ｎ型不純物含有領域を設けることにより、Ｎ型の多数キャリアを含む領域を形成することができる。この場合、Ｐ型シリコン基板におけるシリコン酸化膜６との接触部分でのＮ型の多数キャリアの濃度は、Ｐ型シリコン基板のその他の部分でのＮ型の多数キャリアの濃度と比べて高いことが好ましい。このようにすると、Ｐ型シリコン基板とシリコン酸化膜６との界面近傍のＰ型シリコン基板に空乏層が形成されないようにすることができるので、光や熱などの外的刺激による空乏層容量の変動を抑制することができる結果、外的刺激に起因するノイズ成分を確実に除去することができる。ここで、本発明による効果を確実に得るためには、前記Ｎ型不純物含有領域のＮ型不純物濃度は１×１０14ｃｍ-3以上で且つ１×１０21ｃｍ-3以下であることが好ましい。また、前記Ｎ型不純物含有領域に含まれるＮ型不純物としては、リン原子又は砒素原子等を用いることができる。
また、本実施形態の音響トランスデューサにおいて、支持基板として用いるＮ型のシリコン基板５におけるシリコン酸化膜６との接触部分のＮ型不純物濃度を、その他の部分のＮ型不純物濃度と比べてより高くしてもよい。このようにすると、前述の本実施形態の効果をより顕著に得ることができる。すなわち、シリコン基板５とシリコン酸化膜６との界面近傍のシリコン基板５に空乏層が形成されないようにすることができるので、光や熱などの外的刺激による空乏層容量の変動を抑制することができる結果、外的刺激に起因するノイズ成分を確実に除去することができる。ここで、本発明による効果を確実に得るためには、Ｎ型のシリコン基板５に設ける高濃度Ｎ型不純物領域のＮ型不純物濃度は１×１０14ｃｍ-3以上で且つ１×１０21ｃｍ-3以下であることが好ましい。また、前記高濃度Ｎ型不純物領域に追加的に導入するＮ型不純物としては、リン原子又は砒素原子等を用いることができる。
ところで、音響トランスデューサが搭載されたマイクロフォンモジュールにおいて、音響トランスデューサを覆うカバーに貫通孔（音孔）が設けられていると、光に起因する空乏層容量の変動が大きくなると考えられる。すなわち、カバーに形成された貫通孔を通して、光が直接的に音響トランスデューサに当たるからである。従って、このような場合には、本実施形態に係る音響トランスデューサが特に有利となる。
以下、本実施形態に係る音響トランスデューサが搭載されたマイクロフォンモジュールの具体的構成について、図面を参照しながら説明する。
図１２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の音響トランスデューサを搭載したマイクロフォンモジュールを説明する図であって、図１２（ａ）は上面図であり、図１２（ｂ）は断面図であり、図１２（ｃ）は回路図である。尚、図１２（ｃ）において、図２に示す本実施形態の音響トランスデューサの等価回路と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態のマイクロフォンモジュールにおいては、プリント基板２２上に本実施形態の音響トランスデューサ１９と増幅器２０とが搭載されていると共に、音響トランスデューサ１９と増幅器２０とを覆うようにカバー２３が設けられている。カバー２３には、音響トランスデューサ１９（具体的には固定膜１０（図１参照））の上方に位置する貫通孔（音孔）２１が設けられている。すなわち、貫通孔２１を音響トランスデューサ１９の直上に設けると、マイクロフォンモジュール内で音圧が減衰することなく音響トランスデューサ１９に伝わるので、マイクロフォンモジュールを高感度化することができる。さらに、本実施形態に係る音響トランスデューサ１９の支持基板であるシリコン基板５（図１参照）には空乏層が形成されていないため、蛍光灯のように発光周波数を持つ光源、照度の異なる場所間の移動、及び温度の異なる場所間の移動等によるノイズの発生や感度変動等を抑制することができる。
図１２（ｃ）に示す回路においては、下部電極３に生じる電圧信号Ｖｍｉｃが増幅器２０に入力されると、当該信号が増幅されてマイクロフォンモジュールの電気信号Ｖｍｏｄとして出力される。その際においても、本実施形態に係る音響トランスデューサ１９のシリコン基板５には空乏層が形成されないため、下部電極３に生じる電圧信号Ｖｍｉｃにノイズ成分が含まれることがないので、電圧信号Ｖｍｉｃが増幅されたとしても、マイクロフォンモジュールのＳＮ比が低下することがないという効果が得られる。
尚、本実施形態において、容量型の音響トランスデューサを対象として説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形及び応用が可能である。すなわち、本実施形態に係る音響トランスデューサと基本構成を同じくする他のＭＥＭＳデバイス、例えば圧力センサなどに対して本発明を適用した場合にも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、本願においては、例えばＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor ）等の製造プロセス技術を利用して多数のチップが同時に製造されている基板（ウェハ）を分割することによって、容量型の音響トランスデューサや圧力センサなどのデバイスを製造する技術をＭＥＭＳ技術と称し、このようなＭＥＭＳ技術を用いて製造されたデバイスをＭＥＭＳデバイスと称する。また、容量型の音響トランスデューサや圧力センサなどのＭＥＭＳデバイス以外の様々なデバイスについても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で本発明が適用可能であることは言うまでもない。
以上に説明したように、本発明は音響トランスデューサ等のＭＥＭＳデバイスに関し、支持基板である半導体基板にＮ型の多数キャリアを含む領域を設けることによって、寄生容量変動に起因するノイズ発生等を防止できるという効果が得られるので、シリコンウェーハ等を使用した高性能且つ高品質のＭＥＭＳデバイスを広く社会に供給することを可能とする。
１ アコースティックホール
２ 振動膜
２Ａ 絶縁膜
２Ｂ 絶縁膜（エレクトレット膜）
２Ｃ 絶縁膜
３ 下部電極
３Ａ 電極
４ 上部電極
５ シリコン基板（Ｎ型のシリコン基板）
５Ａ シリコン基板（Ｐ型のシリコン基板）
６ シリコン酸化膜
６Ａ シリコン酸化膜
７ メンブレン領域
８ 引出し配線
９ リークホール
１０ 固定膜
１０Ａ 絶縁膜
１０Ｂ 絶縁膜
１１ エアギャップ
１２ シリコン酸化膜
１３ 開口部
１４ 容量素子（エアギャップ容量素子）
１５ 寄生容量素子
１６ 寄生容量素子
１７ 寄生容量素子
１８ 容量素子（上部電極・下部電極間容量素子）
１９ 音響トランスデューサ
２０ 増幅器
２１ 貫通孔（音孔）
２２ プリント基板
２３ カバー
２４ 正の電荷を持つ界面電荷
２５ 負の電荷を持つアクセプター原子
２６ 空乏層
２７ 負の電荷を持つ多数キャリア
本発明は、半導体基板を支持基板とし、当該半導体基板上に可動電極及び固定電極を有する音響トランスデューサ等のＭＥＭＳデバイス及びそれを搭載するＭＥＭＳデバイスモジュールに関する。
従来の電子部品の小型化、高性能化の手段として、半導体技術を応用したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスが有望視されている。すでに、特許文献１等に示すように、マイクロフォンや加速度センサー等の分野でＭＥＭＳデバイスの量産が進んでいる。これらのＭＥＭＳデバイスの製造においては、支持基板として半導体基板を用いることにより、半導体集積回路を製造するための製造ライン及びウェーハプロセスを活用することが可能となっている。
特開２００７−２９５５１６号公報
しかしながら、前述のＭＥＭＳデバイス、特に、音響トランスデューサのような容量型素子においてはノイズや感度変動等が生じやすいという問題がある。
前記に鑑み、本発明は、ノイズや感度変動等が生じにくいＭＥＭＳデバイスを実現することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本願発明者らは、ＭＥＭＳデバイスにおいてノイズや感度変動等が生じやすい原因を検討した結果、以下のような知見を得た。
すなわち、電極構造を有するＭＥＭＳデバイスを半導体基板上に構成した場合、ＭＩＳ（Metal Insulator Semiconductor ）構造が容易に形成されて寄生容量として作用してしまう。本願発明者らは、このＭＩＳ構造における空乏層幅の変動によって生じる変位電流に起因して電位が変動し、その結果、音響トランスデューサのような容量型素子においてノイズや感度変動等が生じていることを見出した。
具体的には、ＭＩＳ構造における半導体基板界面に分布する界面電荷の極性と当該半導体基板の多数キャリアの極性とが同じである場合、半導体基板中には空乏層（Depletion Layer ）が発生する。これらの空乏層は寄生容量の一部として作用するので、空乏層の発生に起因する寄生容量の大きさの変動がノイズ源となり、ＳＮ比特性が低下したり、感度が変動したりするという問題が生じる。
例えば、蛍光灯のように発光周波数を持つ光源下においては、キャリアの生成消滅によりＭＩＳ構造に非平衡状態が生じて空乏層幅が変調を受け、寄生容量の大きさが周期的に変動するが、音響トランスデューサのような容量型素子では、この寄生容量の大きさの変動がノイズ源となり、ＳＮ比特性が低下する。
同様に、照度の異なる場所間の移動や温度の異なる場所間の移動によってもキャリアの生成消滅によりＭＩＳ構造に非平衡状態が生じて空乏層幅が変調を受け、寄生容量の大きさが変動する結果、ノイズが発生する。特に、安価で広く使用されているｐ型シリコン基板を音響トランスデューサのような容量型素子の支持基板として使用した場合、基板の洗浄工程等において基板表面に付着する微量のアルミニウムなどに起因する正電荷により、その正電荷の下側に空乏層が形成されるので、温度変化や光強度変化による空乏層幅の変動の影響を受け易くなる。
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものであって、具体的には、本発明に係るＭＥＭＳデバイスは、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜の上に形成され且つ第１の電極を有する振動膜と、前記振動膜との間にエアギャップが介在するように前記振動膜の上方に形成され且つ第２の電極を有する固定膜と、前記半導体基板と前記固定膜の一部分との間に設けられた第２の絶縁膜とを備え、前記半導体基板は、Ｎ型の多数キャリアを含む領域を有している。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記半導体基板はシリコン基板であってもよい。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記半導体基板及び前記第１の絶縁膜の所定領域は除去されており、当該所定領域を覆うように前記振動膜が形成されていてもよい。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記半導体基板と前記第１の絶縁膜とは接しており、前記Ｎ型の多数キャリアを含む領域は、少なくとも前記半導体基板における前記第１の絶縁膜との接触部分に設けられていてもよい。この場合、前記半導体基板における前記第１の絶縁膜との接触部分でのＮ型の多数キャリアの濃度は、前記半導体基板のその他の部分でのＮ型の多数キャリアの濃度と比べて高いことが好ましい。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記Ｎ型の多数キャリアを含む領域にはＮ型不純物が含まれていることが好ましく、具体的には、前記Ｎ型不純物の濃度は１×１０14ｃｍ-3以上で且つ１×１０21ｃｍ-3以下であることが好ましい。この場合、前記Ｎ型不純物はリン原子又は砒素原子であってもよい。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記半導体基板はＮ型半導体基板であってもよい。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記第１の絶縁膜はシリコン酸化膜であってもよい。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記第２の絶縁膜はシリコン酸化膜であってもよい。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスにおいて、前記エアギャップの高さは、前記振動膜と前記固定膜との間隔に等しくてもよい。
また、本発明に係るＭＥＭＳデバイスモジュールは、本発明に係るＭＥＭＳデバイスを有するＭＥＭＳデバイスモジュールであって、前記ＭＥＭＳデバイスの上に設けられ且つ音孔を有するカバーを備えている。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスモジュールにおいて、前記ＭＥＭＳデバイスと電気的に接続された増幅器をさらに備えていてもよい。
また、本発明に係る音響トランスデューサは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された可動電極と、前記半導体基板上に形成された固定電極と、前記半導体基板と前記可動電極の一部分との間に設けられた第１の絶縁膜と、前記半導体基板と前記固定電極の一部分との間に設けられた第２の絶縁膜とを備え、前記半導体基板、前記第１の絶縁膜及び前記可動電極は第１のＭＩＳ構造を構成し、前記半導体基板、前記第２の絶縁膜及び前記固定電極は第２のＭＩＳ構造を構成し、前記半導体基板と前記第１の絶縁膜又は前記第２の絶縁膜との界面には第１の極性を持つ界面電荷が分布し、前記半導体基板は、前記第１の極性とは異なる第２の極性を持つキャリアを多数キャリアとして有している。
本発明に係る音響トランスデューサにおいて、前記半導体基板は、Ｎ型の多数キャリアを含む領域を有するシリコン基板であることが好ましい。この場合、前記シリコン基板と前記第１の絶縁膜とは接しており、前記Ｎ型の多数キャリアを含む領域は、少なくとも前記シリコン基板における前記第１の絶縁膜との接触部分に設けられていてもよく、具体的には、前記シリコン基板における前記第１の絶縁膜との接触部分でのＮ型の多数キャリアの濃度は、前記シリコン基板のその他の部分でのＮ型の多数キャリアの濃度と比べて高くてもよい。また、この場合、前記シリコン基板はＮ型シリコン基板であってもよい。
本発明に係る音響トランスデューサにおいて、前記可動電極と前記固定電極とはコンデンサー構造を構成し、音圧に反応して前記可動電極が振動することにより、前記コンデンサー構造の容量が変動してもよい。
本発明によると、音響トランスデューサ等のＭＥＭＳデバイスにおいて支持基板である半導体基板にＮ型の多数キャリアを含む領域を設けることにより、通常の集積回路製造工程で発生するアルミニウム汚染等に起因する正の固定電荷によって寄生ＭＩＳ構造に空乏層が発生することを抑制することができるので、容量変動によるノイズや感度変動等の発生を防止することが可能となる。
図１は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサの断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサの断面図において各部位の容量素子を模式的に示した図である。 図３は、図２に示す本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサの等価回路図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサにおけるエアギャップ容量Ｃａを持つ容量素子を模式的に示す図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサにおける寄生容量Ｃ3 を持つ容量素子を模式的に示す図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサにおける寄生容量Ｃ1 を持つ容量素子を模式的に示す図である。 図７は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサにおける寄生容量Ｃ2 を持つ容量素子を模式的に示す図である。 図８は、比較例の音響トランスデューサ（空乏層を有する音響トランスデューサ）における寄生容量Ｃ1 を持つ容量素子を模式的に示す図である。 図９は、比較例の音響トランスデューサ（空乏層を有する音響トランスデューサ）における寄生容量Ｃ2 を持つ容量素子を模式的に示す図である。 図１０は、比較例の音響トランスデューサ（空乏層を有する音響トランスデューサ）における寄生容量Ｃｐを持つ容量素子の当該寄生容量Ｃｐが外的刺激（例えば、光）により変化することを説明する図である。 図１１は、比較例の音響トランスデューサ（空乏層を有する音響トランスデューサ）における外的刺激（例えば、光）とキャリア密度との関係、及び外的刺激と空乏層幅との関係を合わせて説明する図である。 図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサを搭載したマイクロフォンモジュールを説明する図であって、図１２（ａ）は上面図であり、図１２（ｂ）は断面図であり、図１２（ｃ）は回路図である。
（実施形態）
以下、本発明の一実施形態に係る音響トランスデューサについて、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る音響トランスデューサの断面図である。
図１に示すように、支持基板であるＮ型のシリコン基板５の上にシリコン酸化膜６が形成されている。シリコン基板５及びシリコン酸化膜６の積層構造は、その周辺部を残すように除去されており、それによってメンブレン領域（基板除去領域）７が形成されている。すなわち、メンブレン領域７は、後述する振動膜２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シリコン基板５が選択的に（周辺部を残すように）除去されてなる領域である。シリコン酸化膜６上にはメンブレン領域７を覆うように振動膜２が形成されている。振動膜２には、メンブレン領域７の空洞に通じるリークホール９が形成されている。振動膜２は、下部電極（振動電極）を構成する導電膜から構成されてもよいし、又は当該導電膜及び絶縁膜を含む多層膜から構成されてもよい。特に、振動膜２が、永久電荷を保持するエレクトレット膜を含む場合には、エレクトレットコンデンサーを構成できる。本実施形態では、振動膜２は、ポリシリコン膜などの導電膜からなる下部電極３と、その上に形成されたシリコン酸化膜などからなる絶縁膜２Ｂと、絶縁膜２Ｂの下面及び上面（側面を含む）をそれぞれ覆うシリコン窒化膜などからなる絶縁膜２Ａ及び２Ｃとから構成されている。また、シリコン酸化膜６上には、下部電極３を構成する導電膜からなる引出し配線８が形成されている。
また、振動膜２の上方には固定膜１０が配置されている。固定膜１０は、上部電極（固定電極）を構成する１つの導電膜から構成されてもよいし、又は当該導電膜及び絶縁膜を含む多層膜から構成されてもよい。特に、固定膜１０が、永久電荷を保持するエレクトレット膜を含む場合には、エレクトレットコンデンサーを構成できる。本実施形態では、固定膜１０は、ポリシリコン膜などの導電膜からなる上部電極４と、上部電極４の下面及び上面（側面を含む）をそれぞれ覆うシリコン窒化膜などからなる絶縁膜１０Ａ及び１０Ｂとから構成されている。
また、振動膜２の一部分の上及びシリコン酸化膜６の上には、固定膜１０を支持するためのシリコン酸化膜１２が形成されている。
また、振動膜２と固定膜１０とシリコン酸化膜１２とによって囲まれるようにエアギャップ１１が設けられている。尚、エアギャップ１１は、少なくともメンブレン領域７の上側全体に亘って形成されている。本実施形態では、エアギャップ１１は、シリコン酸化膜１２を部分的に除去することによって形成されている。また、エアギャップ１１の高さ（エアギャップ長）は、振動膜２と固定膜１０との間隔に等しい。
また、エアギャップ１１上の固定膜１０には、エアギャップ１１に通じる複数のアコースティックホール１が形成されている。アコースティックホール１は、振動膜２を振動させる空気の通り穴としての役割を果たす。
また、シリコン酸化膜１２には、シリコン酸化膜６上の引出し配線８が露出するように開口部１３が設けられている。図示は省略しているが、下部電極３は引出し配線８を介して外部回路に接続されている。
次に、本実施形態の音響トランスデューサの動作について説明する。本実施形態の音響トランスデューサにおいて、アコースティックホール１を通して、振動膜２が上方（外部）から音圧を受けると、その音圧に応じて振動膜２が機械的に上下に振動する。ここで、下部電極３及び上部電極４をそれぞれ電極とする平行平板型のコンデンサー構造が形成されているために、振動膜２が振動すると、下部電極３と上部電極４との電極間距離が変化し、コンデンサーの容量（Ｃａ）が変化する。一方、当該コンデンサーに蓄えられる電荷量（Ｑａ）が一定であるという条件下で、容量（Ｃａ）が変化（以下、容量Ｃａの変化量をΔＣａとする）すると、下記（式１）の関係より、下部電極３と上部電極４との間の電圧（Ｖａ）に下記（式２）のような変化（以下、電圧Ｖａの変化量をΔＶａとする）が生じる。
Ｑａ＝Ｃａ×Ｖａ ・・・ （式１）
ΔＶａ＝Ｑａ／ΔＣａ ・・・ （式２）
すなわち、空気振動が機械振動に変換されることにより、音圧変化が電圧変化ΔＶａに変換される。これが、本実施形態の音響トランスデューサの動作原理である。ところが、従来の音響トランスデューサにおいては、各種の寄生容量が変動することにより、前述のような理想的な電圧変化を出力として得ることができない。
次に、音響トランスデューサの特性を表す感度について説明する。可聴音域における音響トランスデューサの感度Ｓの一般式は、下記（式３）で表される。
Ｓ＝α×Ｃａ×Ｖａ×Ｐ×（１／Ｓ0 ） ・・・ （式３）
（式３）において、αは比例係数を表し、Ｃａは可動部であるエアギャップ容量（（エアギャップ面積／エアギャップ長）に比例する）を表し、Ｖａはエアギャップ間電圧を表し、Ｐは音圧を表し、Ｓ0 は振動膜スティフネス（動きにくさ）を表している。（式３）からも分かるように、Ｃａは感度の良し悪しを左右する主要なパラメータの一つである。しかし、従来の音響トランスデューサにおいては、各種の寄生容量が変動することにより、理想的な感度特性を実現することができない。
以下、従来の音響トランスデューサに対する本実施形態の音響トランスデューサの優位点を、音響トランスデューサの各部位における容量素子（寄生容量を含む）の観点から説明する。
まず、本実施形態の音響トランスデューサの各部位における容量素子について詳しく説明する。
図２は、本実施形態の音響トランスデューサの断面図において各部位の容量素子を模式的に示した図である。図２において、１４はエアギャップ容量Ｃａを持つ容量素子を、１５は上部電極４、シリコン酸化膜１２、シリコン酸化膜６及びシリコン基板５から構成されるＭＩＳ構造の寄生容量素子（容量値Ｃ1 ）を、１６は下部電極３、シリコン酸化膜６及びシリコン基板５から構成されるＭＯＳ構造の寄生容量素子（容量値Ｃ2 ）を、１７は上部電極４、シリコン酸化膜１２及び下部電極３から構成されるＭＯＳ構造の寄生容量素子（容量値Ｃ3 ）をそれぞれ表している。
図３は、図２に示す本実施形態の音響トランスデューサの等価回路図である。図３に示す回路は、容量素子１４（エアギャップ容量Ｃａ）、容量素子１５（寄生容量Ｃ1 ）、容量素子１６（寄生容量Ｃ2 ）、容量素子１７（寄生容量Ｃ3 ）、下部電極３（電圧Ｖｍｉｃ）、上部電極４（グランド電圧）、及びシリコン（Ｓｉ）基板５から構成されている。ここで、下部電極３の電圧Ｖｍｉｃが電気信号として増幅器等の次段の回路に出力される。また、シリコン基板５の裏面は、グランド電位となるプリント基板２２に直接貼り付けられるが（図１２（ｂ）参照）、シリコン基板５とプリント基板２２との接触抵抗値が微小な電圧変化に対して大きいため、シリコン基板５の電圧を考慮する必要は無い。従って、図３に示す回路においては、上部電極４と下部電極３との間に、容量素子１４と、容量素子１７と、容量素子１５及び１６の直列容量とが並列に接続されていることになる。そこで、上部電極４と下部電極３との間の合計容量Ｃｍｉｃ（仮想的な単一の容量素子１８の容量）を近似的に下記（式４）で表すことができる。
Ｃｍｉｃ＝Ｃａ＋Ｃ3 ＋｛（Ｃ1 ×Ｃ2 ）／（Ｃ1 ＋Ｃ2 ）｝ ・・・ （式４）
（式４）に示すように、振動膜２の振動によりエアギャップ容量Ｃａが変動すると、それに伴い、Ｃｍｉｃも変動するため、下部電極３の電圧Ｖｍｉｃも変動することになる。すなわち、エアギャップ容量Ｃａの変動が、下部電極３の電圧の変動となり、それが信号成分として次段回路に入力されることになる。一方、寄生容量であるＣ1 、Ｃ2 、Ｃ3 が変動する場合にも、Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 の変動に伴い、Ｃｍｉｃも変動するため、下部電極３の電圧Ｖｍｉｃも変動することになる。ここで、Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 は、それぞれの容量素子構造から音圧では変動せずに音圧以外の要因で変動するので、Ｃ1 、Ｃ2 、Ｃ3 の変動に起因するＣｍｉｃの変動分は、下部電極３の電圧Ｖｍｉｃのノイズ成分となって次段回路に入力されることになる。すなわち、本来、音響トランスデューサ出力として、エアギャップ容量Ｃａの変動に比例した出力信号を下部電極３に取り出したいところ、寄生容量であるＣ1 、Ｃ2 、Ｃ3 が大きく変動すると、この本来の目的を達成することができなくなる。
ところで、寄生容量のうちＣ1 及びＣ2 は、シリコン基板５と上部電極４又は下部電極３との間にそれぞれ形成されたＭＩＳ容量の容量値であって、これらの容量値の大きさは温度の変化や外部からの光の変化に伴って変動する。また、図３に示す等価回路において、下部電極３から見て、寄生容量のうちＣ1 及びＣ2 は上部電極４までの間に直列に接続された容量素子（１５及び１６）の容量であるため、Ｃ1 及びＣ2 の直列合成容量値が変動すると、合成容量Ｃｍｉｎが変動して、下部電極３の電圧Ｖｍｉｃにノイズ成分が生じてしまう。
それに対して、本実施形態によれば、支持基板として、電子が多数キャリアであるｎ型のシリコン基板５を使用することにより、寄生容量Ｃ1 及びＣ2 を有するＭＩＳ構造において、シリコン酸化膜６とシリコン基板５との界面の正電荷に起因して空乏層が生じることを抑制することができる。従って、入射光の強度変動や温度変動によって空乏層の幅が変動することがないので、ノイズの発生や温度変動による感度変動等を抑制することができる。
図４は、本実施形態の音響トランスデューサにおけるエアギャップ容量Ｃａを持つ容量素子（容量素子１４）を模式的に示す図である。図４に示すように、エアギャップ容量Ｃａは、容量電極である上部電極４及び下部電極３によって、エアギャップ１１並びに絶縁膜２Ａ、２Ｂ、２Ｃ及び１０Ａが挟まれることによって生じるので、下記（式５）が成り立つ。
１／Ｃａ＝１／Ｃａｉｒ＋１／Ｃｉ ・・・ （式５）
（式５）において、Ｃａｉｒはエアギャップ１１による容量値、Ｃｉは絶縁膜２Ａ、２Ｂ、２Ｃ及び１０Ａによる容量値である。
図５は、本実施形態の音響トランスデューサにおける寄生容量Ｃ3 を持つ容量素子（容量素子１７）を模式的に示す図である。図５に示すように、寄生容量Ｃ3 は、容量電極である上部電極４及び下部電極３によって、絶縁膜２Ａ、２Ｃ、１０Ａ及びシリコン酸化膜１２が挟まれることによって生じるので、下記（式６）が成り立つ。
１／Ｃ3 ＝１／Ｃｉ ・・・ （式６）
（式６）において、Ｃｉは絶縁膜２Ａ、２Ｃ、１０Ａ及びシリコン酸化膜１２による容量値である。
図６は、本実施形態の音響トランスデューサにおける寄生容量Ｃ1 を持つ容量素子（容量素子１５）を模式的に示す図である。図６に示すように、寄生容量Ｃ1 は、容量電極である上部電極４及びＮ型のシリコン基板５（電子が多数キャリアとなる）によって、絶縁膜１０Ａ及びシリコン酸化膜６、１２が挟まれることによって生じるので、下記（式７）が成り立つ。
１／Ｃ1 ＝１／Ｃｉ ・・・ （式７）
（式７）において、Ｃｉは絶縁膜１０Ａ及びシリコン酸化膜６、１２による容量値である。
本実施形態に係る音響トランスデューサによると、図６に示すように、シリコン酸化膜６とシリコン基板５との界面近傍において、シリコン酸化膜６内に正の電荷を持つ界面電荷２４が形成される一方、シリコン基板５内にＮ型の多数キャリア２７が蓄積されて界面電荷２４と電気的釣り合いを保つため、空乏層は発生しない。その結果、音圧以外の要因による寄生容量Ｃ1 の変動を抑制することができるので、振動膜２の振動に伴う下部電極３の電圧変動にノイズ成分が含まれることを抑制できるという効果が得られる。
図７は、本実施形態の音響トランスデューサにおける寄生容量Ｃ2 を持つ容量素子（容量素子１６）を模式的に示す図である。図７に示すように、寄生容量Ｃ2 は、容量電極である下部電極３及びＮ型のシリコン基板５（電子が多数キャリアとなる）によって、シリコン酸化膜６が挟まれることによって生じるので、下記（式８）が成り立つ。
１／Ｃ2 ＝１／Ｃｉ ・・・ （式８）
（式８）において、Ｃｉはシリコン酸化膜６による容量値である。
本実施形態に係る音響トランスデューサによると、図７に示すように、シリコン酸化膜６とシリコン基板５との界面近傍において、シリコン酸化膜６内に正の電荷を持つ界面電荷２４が形成される一方、シリコン基板５内にＮ型の多数キャリア２７が蓄積されて界面電荷２４と電気的釣り合いを保つため、空乏層は発生しない。すなわち、本実施形態に係る音響トランスデューサによると、シリコン基板５がＮ型であって多数キャリアが電子であるため、支持基板としてＰ型シリコン基板を用いる場合と比較して、シリコン酸化膜６内に形成される正の電荷を持つ界面電荷２４に対応して、負の電荷を持つ多数キャリア２７がシリコン酸化膜６とシリコン基板５との界面近傍に集まりやすくなるので、シリコン酸化膜６とシリコン基板５との界面近傍のシリコン基板５には空乏層が発生しなくなる。従って、界面電荷２４と多数キャリア２７との電気的釣り合いが保たれるので、照度の異なる場所間の移動や温度の異なる場所間の移動によっても、キャリア平衡状態は保たれることになる。その結果、音圧以外の要因による寄生容量Ｃ2 の変動を抑制することができるので、振動膜２の振動に伴う下部電極３の電圧変動にノイズ成分が含まれることを抑制できるという効果が得られる。
以下、比較例として、本実施形態に係る音響トランスデューサのシリコン基板５をＰ型のシリコン基板５Ａに代替した場合における寄生容量Ｃ1 及びＣ2 について説明する。
図８は、比較例の音響トランスデューサ（空乏層を有する音響トランスデューサ）における寄生容量Ｃ1 を持つ容量素子（容量素子１５）を模式的に示す図である。図８に示すように、寄生容量Ｃ1 は、容量電極である上部電極４及びＰ型のシリコン基板５Ａ（ホールが多数キャリアとなる）によって、絶縁膜１０Ａ及びシリコン酸化膜６、１２が挟まれることによって生じる。また、図８に示すように、シリコン酸化膜６とＰ型のシリコン基板５Ａとの界面近傍において、シリコン酸化膜６内に正の電荷を持つ界面電荷２４が形成される一方、Ｐ型のシリコン基板５Ａ内には、界面電荷２４の影響により空乏層２６が形成される。ここで、空乏層２６内には負の電荷を持つアクセプター原子２５が存在しており、このアクセプター原子２５と界面電荷２４とによって電気的釣り合いが保たれるので、下記（式９）が成り立つ。
１／Ｃ1 ＝１／Ｃｉ＋１／Ｃｓｉ ・・・ （式９）
（式９）において、Ｃｓｉは空乏層２６による容量値であり、Ｃｉは絶縁膜１０Ａ及びシリコン酸化膜６、１２による容量値である。
図９は、比較例の音響トランスデューサ（空乏層を有する音響トランスデューサ）における寄生容量Ｃ2 を持つ容量素子（容量素子１６）を模式的に示す図である。図９に示すように、寄生容量Ｃ2 は、容量電極である下部電極３及びＰ型のシリコン基板５Ａ（ホールが多数キャリアとなる）によって、シリコン酸化膜６が挟まれることによって生じる。また、図９に示すように、シリコン酸化膜６とＰ型のシリコン基板５Ａとの界面近傍において、シリコン酸化膜６内には正の電荷を持つ界面電荷２４が形成される一方、Ｐ型のシリコン基板５Ａ内には、界面電荷２４の影響により空乏層２６が形成される。ここで、空乏層２６内には負の電荷を持つアクセプター原子２５が存在しており、このアクセプター原子２５と界面電荷２４とによって電気的釣り合いが保たれるので、下記（式１０）が成り立つ。
１／Ｃ2 ＝１／Ｃｉ＋１／Ｃｓｉ ・・・ （式１０）
（式１０）において、Ｃｓｉは空乏層２６による容量値であり、Ｃｉはシリコン酸化膜６による容量値である。
次に、図８及び図９に示した比較例の音響トランスデューサ（空乏層を有する音響トランスデューサ）の寄生容量素子に光や熱などの外的刺激が加わった場合における挙動や特性への影響について説明する。図１０は、空乏層を有する比較例の音響トランスデューサにおける寄生容量Ｃｐを持つ容量素子の当該寄生容量Ｃｐが外的刺激（例えば、光）により変化することを説明する図である。ここで、寄生容量Ｃｐを持つ容量素子の構造は、基本的に、図９に示す寄生容量Ｃ2 を持つ容量素子の構造と同じである。また、図１１は、空乏層を有する比較例の音響トランスデューサにおける外的刺激（例えば、光）とキャリア密度との関係、及び外的刺激と空乏層幅との関係を合わせて説明する図である。
図１０に示すように、寄生容量Ｃｐは、容量電極である電極３Ａ及びＰ型のシリコン基板５Ａ（ホールが多数キャリアとなる）によって、シリコン酸化膜６Ａが挟まれることによって生じる。また、図１０に示すように、シリコン酸化膜６ＡとＰ型のシリコン基板５Ａとの界面近傍において、シリコン酸化膜６Ａ内には正の電荷を持つ界面電荷２４が形成される一方、Ｐ型のシリコン基板５Ａ内には、界面電荷２４の影響により空乏層２６が形成される。ここで、空乏層２６内には負の電荷を持つアクセプター原子２５が存在しており、このアクセプター原子２５と界面電荷２４とによって電気的釣り合いが保たれるので、下記（式１１）が成り立つ。
１／Ｃｐ＝１／Ｃｉ＋１／Ｃｓｉ ・・・ （式１１）
（式１１）において、Ｃｓｉは空乏層２６による容量値であり、Ｃｉはシリコン酸化膜６Ａによる容量値である。
また、Ｃｓｉについては下記（式１２）で表すことができる。
Ｃｓｉ＝（εｓｉ×ε０／Ｘｐ）×Ｓ ・・・ （式１２）
（式１２）において、εｓｉはシリコンの比誘電率であり、ε０は真空の誘電率であり、Ｘｐは空乏層の幅であり、Ｓは空乏層の面積である。
（式１１）に示すように、空乏層容量Ｃｓｉは寄生容量Ｃｐの一部として作用するが、例えば蛍光灯のように発光周波数を持つ光源下においては、図１１に示すように、光源のＯＮ、ＯＦＦに伴うキャリアの生成消滅によりＭＩＳ構造に非平衡状態が生じて空乏層幅が変調を受け、寄生容量の大きさが周期的に変動する。このため、音響トランスデューサのような容量型素子では、この寄生容量の大きさの変動がノイズ源となり、ＳＮ比特性が低下する。
同様に、照度の異なる場所間の移動や温度の異なる場所間の移動によってもキャリアの生成消滅によりＭＩＳ構造に非平衡状態が生じて空乏層幅が変調を受け、寄生容量の大きさが変動する結果、ノイズが発生する。
例えば、空乏層を有する寄生容量素子を含む比較例の音響トランスデューサの容量Ｃｍｉｃを下記（式１３）のように表す。
Ｃｍｉｃ＝Ｃａ＋Ｃｐ ・・・ （式１３）
（式１３）において、Ｃａはエアギャップ容量であり、Ｃｐは空乏層を有する寄生容量素子の容量値である。
このような比較例の音響トランスデューサに対して音圧が加えられると同時に、光や熱などの刺激によって空乏層幅Ｘｐに変調が加えられるような環境下ではＣｍｉｃは下記（式１４）のように表すことができる。
Ｃｍｉｃ＝Ｃａ＋ΔＣａ＋Ｃｐ＋ΔＣｐ ・・・ （式１４）
（式１４）において、ΔＣａは音圧に反応して発生する信号成分であり、ΔＣｐは光や熱などの外的刺激によって発生するノイズ成分である。
それに対して、本実施形態では、ＭＥＭＳデバイスの支持台としてＮ型のシリコン基板５を用いることにより、図６及び図７に示す寄生容量素子の構造を実現し、それによって、（式１４）においてΔＣｐで表されるノイズ成分を除去することができる。
具体的には、（式４）及び（式１４）より、本実施形態の音響トランスデューサにおいて音圧に加えて光や熱などの外的刺激がある場合におけるＣｍｉｃを下記（式１５）のように表すことができる。
Ｃｍｉｃ＝Ｃａ＋ΔＣａ＋Ｃ3 ＋ΔＣ3 ＋｛（（Ｃ1 ＋ΔＣ1 ）×（Ｃ2 ＋ΔＣ2 ））
／（（Ｃ1 ＋ΔＣ1 ）＋（Ｃ2 ＋ΔＣ2 ））｝ ・・・ （式１５）
ここで、本実施形態のように、寄生素子Ｃ1 及びＣ2 を図６及び図７に示す構造にすることによって、光や熱などの外的刺激に起因する容量変動を抑制することができる。この場合、Ｃｍｉｃを下記（式１６）のように表すことができる。
Ｃｍｉｃ＝Ｃａ＋ΔＣａ＋Ｃ3 ＋｛（（Ｃ1 ×Ｃ2 ）／（Ｃ1 ＋Ｃ2 ）｝
＝Ｃａ＋ΔＣａ＋Ｃｐ ・・・ （式１６）
すなわち、（式１６）に示すように、外的刺激によるノイズ成分を除去することができる。
尚、本実施形態の音響トランスデューサにおいて、支持基板として、Ｎ型のシリコン基板５を用いたが、これに代えて、Ｐ型（真性でもよい：以下同じ）シリコン基板を用いると共に当該Ｐ型シリコン基板におけるシリコン酸化膜６との界面又はその近傍にＮ型不純物含有領域を設けた場合にも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。このように、Ｎ型不純物含有領域を設けることにより、Ｎ型の多数キャリアを含む領域を形成することができる。この場合、Ｐ型シリコン基板におけるシリコン酸化膜６との接触部分でのＮ型の多数キャリアの濃度は、Ｐ型シリコン基板のその他の部分でのＮ型の多数キャリアの濃度と比べて高いことが好ましい。このようにすると、Ｐ型シリコン基板とシリコン酸化膜６との界面近傍のＰ型シリコン基板に空乏層が形成されないようにすることができるので、光や熱などの外的刺激による空乏層容量の変動を抑制することができる結果、外的刺激に起因するノイズ成分を確実に除去することができる。ここで、本発明による効果を確実に得るためには、前記Ｎ型不純物含有領域のＮ型不純物濃度は１×１０14ｃｍ-3以上で且つ１×１０21ｃｍ-3以下であることが好ましい。また、前記Ｎ型不純物含有領域に含まれるＮ型不純物としては、リン原子又は砒素原子等を用いることができる。
また、本実施形態の音響トランスデューサにおいて、支持基板として用いるＮ型のシリコン基板５におけるシリコン酸化膜６との接触部分のＮ型不純物濃度を、その他の部分のＮ型不純物濃度と比べてより高くしてもよい。このようにすると、前述の本実施形態の効果をより顕著に得ることができる。すなわち、シリコン基板５とシリコン酸化膜６との界面近傍のシリコン基板５に空乏層が形成されないようにすることができるので、光や熱などの外的刺激による空乏層容量の変動を抑制することができる結果、外的刺激に起因するノイズ成分を確実に除去することができる。ここで、本発明による効果を確実に得るためには、Ｎ型のシリコン基板５に設ける高濃度Ｎ型不純物領域のＮ型不純物濃度は１×１０14ｃｍ-3以上で且つ１×１０21ｃｍ-3以下であることが好ましい。また、前記高濃度Ｎ型不純物領域に追加的に導入するＮ型不純物としては、リン原子又は砒素原子等を用いることができる。
ところで、音響トランスデューサが搭載されたマイクロフォンモジュールにおいて、音響トランスデューサを覆うカバーに貫通孔（音孔）が設けられていると、光に起因する空乏層容量の変動が大きくなると考えられる。すなわち、カバーに形成された貫通孔を通して、光が直接的に音響トランスデューサに当たるからである。従って、このような場合には、本実施形態に係る音響トランスデューサが特に有利となる。
以下、本実施形態に係る音響トランスデューサが搭載されたマイクロフォンモジュールの具体的構成について、図面を参照しながら説明する。
図１２（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の音響トランスデューサを搭載したマイクロフォンモジュールを説明する図であって、図１２（ａ）は上面図であり、図１２（ｂ）は断面図であり、図１２（ｃ）は回路図である。尚、図１２（ｃ）において、図２に示す本実施形態の音響トランスデューサの等価回路と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態のマイクロフォンモジュールにおいては、プリント基板２２上に本実施形態の音響トランスデューサ１９と増幅器２０とが搭載されていると共に、音響トランスデューサ１９と増幅器２０とを覆うようにカバー２３が設けられている。カバー２３には、音響トランスデューサ１９（具体的には固定膜１０（図１参照））の上方に位置する貫通孔（音孔）２１が設けられている。すなわち、貫通孔２１を音響トランスデューサ１９の直上に設けると、マイクロフォンモジュール内で音圧が減衰することなく音響トランスデューサ１９に伝わるので、マイクロフォンモジュールを高感度化することができる。さらに、本実施形態に係る音響トランスデューサ１９の支持基板であるシリコン基板５（図１参照）には空乏層が形成されていないため、蛍光灯のように発光周波数を持つ光源、照度の異なる場所間の移動、及び温度の異なる場所間の移動等によるノイズの発生や感度変動等を抑制することができる。
図１２（ｃ）に示す回路においては、下部電極３に生じる電圧信号Ｖｍｉｃが増幅器２０に入力されると、当該信号が増幅されてマイクロフォンモジュールの電気信号Ｖｍｏｄとして出力される。その際においても、本実施形態に係る音響トランスデューサ１９のシリコン基板５には空乏層が形成されないため、下部電極３に生じる電圧信号Ｖｍｉｃにノイズ成分が含まれることがないので、電圧信号Ｖｍｉｃが増幅されたとしても、マイクロフォンモジュールのＳＮ比が低下することがないという効果が得られる。
尚、本実施形態において、容量型の音響トランスデューサを対象として説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形及び応用が可能である。すなわち、本実施形態に係る音響トランスデューサと基本構成を同じくする他のＭＥＭＳデバイス、例えば圧力センサなどに対して本発明を適用した場合にも、本実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、本願においては、例えばＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor ）等の製造プロセス技術を利用して多数のチップが同時に製造されている基板（ウェハ）を分割することによって、容量型の音響トランスデューサや圧力センサなどのデバイスを製造する技術をＭＥＭＳ技術と称し、このようなＭＥＭＳ技術を用いて製造されたデバイスをＭＥＭＳデバイスと称する。また、容量型の音響トランスデューサや圧力センサなどのＭＥＭＳデバイス以外の様々なデバイスについても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で本発明が適用可能であることは言うまでもない。
以上に説明したように、本発明は音響トランスデューサ等のＭＥＭＳデバイスに関し、支持基板である半導体基板にＮ型の多数キャリアを含む領域を設けることによって、寄生容量変動に起因するノイズ発生等を防止できるという効果が得られるので、シリコンウェーハ等を使用した高性能且つ高品質のＭＥＭＳデバイスを広く社会に供給することを可能とする。
１ アコースティックホール
２ 振動膜
２Ａ 絶縁膜
２Ｂ 絶縁膜（エレクトレット膜）
２Ｃ 絶縁膜
３ 下部電極
３Ａ 電極
４ 上部電極
５ シリコン基板（Ｎ型のシリコン基板）
５Ａ シリコン基板（Ｐ型のシリコン基板）
６ シリコン酸化膜
６Ａ シリコン酸化膜
７ メンブレン領域
８ 引出し配線
９ リークホール
１０ 固定膜
１０Ａ 絶縁膜
１０Ｂ 絶縁膜
１１ エアギャップ
１２ シリコン酸化膜
１３ 開口部
１４ 容量素子（エアギャップ容量素子）
１５ 寄生容量素子
１６ 寄生容量素子
１７ 寄生容量素子
１８ 容量素子（上部電極・下部電極間容量素子）
１９ 音響トランスデューサ
２０ 増幅器
２１ 貫通孔（音孔）
２２ プリント基板
２３ カバー
２４ 正の電荷を持つ界面電荷
２５ 負の電荷を持つアクセプター原子
２６ 空乏層
２７ 負の電荷を持つ多数キャリア

Claims (20)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の上に形成された第１の絶縁膜と、
    前記第１の絶縁膜の上に形成され、且つ第１の電極を有する振動膜と、
    前記振動膜との間にエアギャップが介在するように前記振動膜の上方に形成され、且つ第２の電極を有する固定膜と、
    前記半導体基板と前記固定膜の一部分との間に設けられた第２の絶縁膜とを備え、
    前記半導体基板は、Ｎ型の多数キャリアを含む領域を有していることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
  2. 請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
    前記半導体基板はシリコン基板であることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
  3. 請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
    前記半導体基板及び前記第１の絶縁膜の所定領域は除去されており、当該所定領域を覆うように前記振動膜が形成されていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
  4. 請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
    前記半導体基板と前記第１の絶縁膜とは接しており、
    前記Ｎ型の多数キャリアを含む領域は、少なくとも前記半導体基板における前記第１の絶縁膜との接触部分に設けられていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
  5. 請求項４に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
    前記半導体基板における前記第１の絶縁膜との接触部分でのＮ型の多数キャリアの濃度は、前記半導体基板のその他の部分でのＮ型の多数キャリアの濃度と比べて高いことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
  6. 請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
    前記Ｎ型の多数キャリアを含む領域にはＮ型不純物が含まれていることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
  7. 請求項６に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
    前記Ｎ型不純物の濃度は１×１０14ｃｍ-3以上で且つ１×１０21ｃｍ-3以下であることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
  8. 請求項６に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
    前記Ｎ型不純物はリン原子又は砒素原子であることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
  9. 請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
    前記半導体基板はＮ型半導体基板であることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
  10. 請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
    前記第１の絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
  11. 請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
    前記第２の絶縁膜はシリコン酸化膜であることを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
  12. 請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
    前記エアギャップの高さは、前記振動膜と前記固定膜との間隔に等しいことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイスを有するＭＥＭＳデバイスモジュールにおいて、
    前記ＭＥＭＳデバイスの上に設けられ且つ音孔を有するカバーを備えていることを特徴とするＭＥＭＳデバイスモジュール。
  14. 請求項１３に記載のＭＥＭＳデバイスモジュールにおいて、
    前記ＭＥＭＳデバイスと電気的に接続された増幅器をさらに備えていることを特徴とするＭＥＭＳデバイスモジュール。
  15. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成された可動電極と、
    前記半導体基板上に形成された固定電極と、
    前記半導体基板と前記可動電極の一部分との間に設けられた第１の絶縁膜と、
    前記半導体基板と前記固定電極の一部分との間に設けられた第２の絶縁膜とを備え、
    前記半導体基板、前記第１の絶縁膜及び前記可動電極は第１のＭＩＳ構造を構成し、
    前記半導体基板、前記第２の絶縁膜及び前記固定電極は第２のＭＩＳ構造を構成し、
    前記半導体基板と前記第１の絶縁膜又は前記第２の絶縁膜との界面には第１の極性を持つ界面電荷が分布し、
    前記半導体基板は、前記第１の極性とは異なる第２の極性を持つキャリアを多数キャリアとして有していることを特徴とする音響トランスデューサ。
  16. 請求項１５に記載の音響トランスデューサにおいて、
    前記半導体基板は、Ｎ型の多数キャリアを含む領域を有するシリコン基板であることを特徴とする音響トランスデューサ。
  17. 請求項１６に記載の音響トランスデューサにおいて、
    前記シリコン基板と前記第１の絶縁膜とは接しており、
    前記Ｎ型の多数キャリアを含む領域は、少なくとも前記シリコン基板における前記第１の絶縁膜との接触部分に設けられていることを特徴とする音響トランスデューサ。
  18. 請求項１７に記載の音響トランスデューサにおいて、
    前記シリコン基板における前記第１の絶縁膜との接触部分でのＮ型の多数キャリアの濃度は、前記シリコン基板のその他の部分でのＮ型の多数キャリアの濃度と比べて高いことを特徴とする音響トランスデューサ。
  19. 請求項１６に記載の音響トランスデューサにおいて、
    前記シリコン基板はＮ型シリコン基板であることを特徴とする音響トランスデューサ。
  20. 請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の音響トランスデューサにおいて、
    前記可動電極と前記固定電極とはコンデンサー構造を構成し、
    音圧に反応して前記可動電極が振動することにより、前記コンデンサー構造の容量が変動することを特徴とする音響トランスデューサ。
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