JPWO2010079574A1 - Ｍｅｍｓデバイス - Google Patents

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徹 山岡
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Abstract

ＭＥＭＳデバイスは、シリコン基板（１）と、シリコン基板（１）の上に拘束部（１２）を介して設けられ、下部電極（７）を有する振動膜（６）と、シリコン基板（１）の上に支持部（１８）を介して振動膜（６）を覆うように設けられ、上部電極（１４）を有する固定膜（１３）とを備えている。振動膜（６）と固定膜（１３）とは、互いに対向した領域に形成される間隙よりなるエアギャップ層（１７）を有している。拘束部（１２）は、シリコン基板（１）と振動膜（６）との間を部分的に連結し、振動膜（６）は、下部電極（７）と圧縮応力を持つ絶縁膜（８）とが積層されてなる多層構造を有している。絶縁膜（８）は、下部電極（７）の周囲から内側に配置されている。

Description

本発明は、多層膜構造により構成された振動膜を有するＭＥＭＳデバイスに関する。
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。半導体技術を用いることにより、センサやトランスデューサのデバイス特性を決定する振動膜の構造を複数の薄膜で構成される多層構造とすることができる。特許文献１は、センサの多層構造振動膜を構成する複数の薄膜のうち、最大破壊強度を有する薄膜を振動膜の表面側及び裏面側の最外層の少なくとも一方に用いることにより、振動膜を厚くすることなく、振動膜の破壊強度を向上する技術を開示している。また、特許文献２は、トランスデューサの多層構造振動膜の特性を決める張力調整の方法について開示している。
特開２００１−１９４２０１号公報 特表２００２−５１８９１３号公報
近年、携帯機器用を中心に、ＭＥＭＳセンサ又はＭＥＭＳトランスデューサが採用され、そのチップサイズの縮小の要望が高まっている。このため、特性に影響する振動膜の面積、すなわち可動電極面積を縮小する必要が生じている。
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、近似的に下記（式１）で表される。
Ｓ＝α×Ｃa×Ｖa×（１／Ｓ0 ） ・・・ （式１）
（式１）において、αは比例係数を表し、Ｃａは可動電極を含むエアギャップ容量（（可動電極面積Ｓdia／エアギャップ長ｄ0）に比例する。）を表し、Ｖａはエアギャップ間電圧を表し、Ｓ0 は振動膜スティフネス(動きにくさ)を表している。
（式１）からも分かるように、エアギャップ間電圧Ｖａ、振動膜スティフネスＳ0 一定の下で可動電極面積Ｓdiaを縮小すると、エアギャップ容量Ｃａが低下して感度Ｓが低下する。感度Ｓを低下させることなく可動電極面積Ｓdiaを縮小する方法としては、エアギャップ間電圧Ｖaを増加させるか、振動膜スティフネスＳ0を低下させることが有効である。
ここで、振動膜スティフネスＳ0を低下するには、振動膜を低応力化すると共に、振動膜がシリコン基板と機構的に連結される拘束部の面積を縮小する構造（以下、部分拘束構造と記す。）とする必要がある。
携帯機器向けとしてチップサイズを１ｍｍ２程度にまで縮小する場合、振動膜の応力を数ＭＰａまで下げ、且つ振動膜の周辺長に対する拘束部の周辺長と同一方向の長さの率（拘束率）を１０％程度とする必要がある。ところが、多層構造を持つ振動膜を低応力化すると、多層構造を構成する薄膜の層間応力の差によって振動膜の変形が生じるため、エアギャップ容量Ｃa（エアギャップ長ｄ0）及び振動膜スティフネスＳ0を制御できず、その結果、所望の感度特性を得られないという問題がある。
前記の問題を解決するため、本発明に係る第１のＭＥＭＳデバイスは、半導体基板と、半導体基板の上に拘束部を介して設けられ、第１の電極を有する振動膜と、半導体基板の上に支持部を介して振動膜を覆うように設けられ、第２の電極を有する固定膜とを備え、振動膜と固定膜とは、互いに対向した領域に形成される間隙よりなるエアギャップ層を有しており、拘束部は、半導体基板と振動膜との間を部分的に連結し、振動膜は、第１の電極と圧縮応力を持つ第１の絶縁膜とが積層されてなる多層構造を有し、第１の絶縁膜は、第１の電極の周囲から内側に配置されている。
本発明の第１のＭＥＭＳデバイスによると、振動膜は第１の電極と圧縮応力を持つ第１の絶縁膜とが積層されてなる多層構造を有し、第１の絶縁膜は第１の電極の周囲から内側に配置されているため、振動膜と半導体基板とを部分的に連結する拘束部において引張応力が働いた場合にも、振動膜の層間応力の差に起因する膜の変形を抑制することができる。
本発明の第１のＭＥＭＳデバイスにおいて、振動膜は引張応力を持つ第２の絶縁膜及び引張応力を持つ第３の絶縁膜を有しており、第２の絶縁膜は第１の絶縁膜の上に形成され、第３の絶縁膜は第１の絶縁膜の下に形成されていてもよい。
この場合に、第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜の少なくとも一方は、拘束部の周辺部を除く領域に形成されていてもよい。
本発明の第１のＭＥＭＳデバイスにおいて、第１の絶縁膜には互いに交差する複数の溝部が形成され、第１の絶縁膜は溝部によって複数の部分に分離されていてもよい。
本発明の第１のＭＥＭＳデバイスが第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜を有する場合に、第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜はシリコン窒化膜であってもよい。
本発明の第１のＭＥＭＳデバイスにおいて、第１の絶縁膜はシリコン酸化膜であってもよい。
本発明に係る第２のＭＥＭＳデバイスは、半導体基板と、半導体基板の上に拘束部を介して設けられ、第１の電極を有する振動膜と、半導体基板の上に支持部を介して振動膜を覆うように設けられ、第２の電極を有する固定膜とを備え、振動膜と固定膜とは、互いに対向した領域に形成される間隙よりなるエアギャップ層を有しており、拘束部は、半導体基板と振動膜との間を部分的に連結し、振動膜は、第１の電極、圧縮応力を持つ第１の絶縁膜及び圧縮応力を持つ第２の絶縁膜が積層されてなる多層構造を有し、第１の絶縁膜は、第１の電極の上に形成され、第２の絶縁膜は、第１の電極の下に形成されている。
本発明の第２のＭＥＭＳデバイスによると、拘束部は半導体基板と振動膜との間を部分的に連結し、振動膜は第１の電極、圧縮応力を持つ第１の絶縁膜及び圧縮応力を持つ第２の絶縁膜が積層されてなる多層構造を有し、第１の絶縁膜は第１の電極の上に形成され、第２の絶縁膜は第１の電極の下に形成されている。これにより、振動膜と半導体基板とを部分的に連結する拘束部において引張応力が働いた場合にも、振動膜の層間応力の差に起因する膜の変形を抑制することができる。
本発明の第２のＭＥＭＳデバイスにおいて、振動膜は引張応力を持つ第３の絶縁膜及び引張応力を持つ第４の絶縁膜を有しており、第３の絶縁膜は第１の絶縁膜の上に形成され、第４の絶縁膜は第２の絶縁膜の下に形成されていてもよい。
この場合に、第３の絶縁膜及び第４の絶縁膜の少なくとも一方は、拘束部の周辺部を除く領域に形成されていてもよい。
本発明の第２のＭＥＭＳデバイスにおいて、第１の絶縁膜には互いに交差する複数の溝部が形成され、第１の絶縁膜は溝部によって複数の部分に分離されていてもよい。
また、本発明の第２のＭＥＭＳデバイスにおいて、第２の絶縁膜には互いに交差する複数の溝部が形成され、第２の絶縁膜は溝部によって複数の部分に分離されていてもよい。
本発明の第２のＭＥＭＳデバイスが第３の絶縁膜及び第４の絶縁膜を有する場合に、第３の絶縁膜及び第４の絶縁膜はシリコン窒化膜であってもよい。
本発明の第２のＭＥＭＳデバイスにおいて、第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜はシリコン酸化膜であってもよい。
尚、以上の特徴を矛盾が生じないように適宜組み合わせることが可能であることはいうまでもない。また、それぞれの特徴において、効果が複数期待できるときも、全ての効果を発揮できなければいけないわけではない。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスによると、多層構造からなる振動膜の薄膜間の応力の差に起因する振動膜の変形を抑制することにより、振動膜中の可動電極を小さくしたとしても、所望の感度特性を得ることが可能となる。その結果、感度特性を維持したままＭＥＭＳデバイスを小型化することが可能となる。
図１は本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサを示す断面図である。 図２は本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサの振動膜を示す平面図である。 図３は図２のIII−III線における断面図である。 図４は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサを示す断面図である。 図５は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサの振動膜を示す平面図である。 図６は図５のVI−VI線における断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す工程順の断面図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す工程順の断面図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す工程順の断面図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す工程順の断面図である。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す工程順の断面図である。 図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す工程順の断面図である。 図１３は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す一工程の断面図である。 図１４は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る音響トランスデューサを示す断面図である。 図１５は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る音響トランスデューサの振動膜を示す平面図である。 図１６は図１５のXVI−XVI線における断面図である。 図１７は本発明の第３の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサを示す断面図である。 図１８は本発明の第３の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサの振動膜を示す平面図である。 図１９は図１８のXIX−XIX線における断面図である。 図２０は本発明の第４の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサを示す断面図である。 図２１は本発明の第４の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサの振動膜を示す平面図である。 図２２は図２１のXXII−XXII線における断面図である。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る音響トランスデューサについて図１〜図３を参照しながら説明する。以下に示す各図、種々の形状、材料及び数値等はいずれも望ましい例を挙げるに過ぎず、示した内容には限定されない。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、記載内容に限定されることなく適宜変更が可能である。さらに加えるならば、本実施形態は、他の実施形態と組み合わせることも矛盾がない範囲で可能である。なお、ここでは、ＭＥＭＳデバイスの例として、音響トランスデューサを用いて説明しているが、本発明はＭＥＭＳデバイス全般に適用できる。ＭＥＭＳデバイスとは、後述するが、半導体プロセスを用いて形成された機械信号等を電気信号等に変換する変換素子を指す。ＭＥＭＳデバイスの例としては、音響トランスデューサ（ＭＥＭＳマイク）、圧力センサ、加速度センサ及び角速度センサ等が挙げられる。以上のことは、本発明に共通する。
まず、本発明の第１の実施形態に係る音響トランスデューサの構成について説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る音響トランスデューサの断面図を示している。
図１に示すように、シリコン基板１の上に第１のシリコン酸化膜２及び第２のシリコン酸化膜３が形成されている。シリコン基板１は、その周辺部４を残すように除去されており、それによって基板除去領域５が形成されている。すなわち、基板除去領域５は、後述する振動膜６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１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。
シリコン基板１の上には、基板除去領域５を覆うように振動膜６が形成されている。振動膜６は、下部電極（振動電極）を構成する導電膜から構成される場合と、絶縁膜を含む多層膜から構成される場合とがある。振動膜６が、特に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を構成でき、外部からの電圧供給を不要にすることができる。
本実施形態においては、振動膜６は、ポリシリコン等の導電膜である下部電極７と、その上に形成される酸化シリコン等からなる絶縁膜８と、絶縁膜８の側面を含む下面及び上面をそれぞれ覆う窒化シリコン等からなる絶縁膜９及び１０とから構成されている。絶縁膜８は、基板除去領域５の内側に設けられている。
振動膜６とシリコン基板１との間にはエアギャップ層１１が設けられており、エアギャップ層１１が設けられていない領域の振動膜６とシリコン基板１との間には振動膜６を支持するための、第１のシリコン酸化膜２及び第２のシリコン酸化膜３からなる拘束部１２が設けられている。この拘束部１２により、振動膜６はシリコン基板１と機構的に連結される。
振動膜６の上方には固定膜１３が配置されている。固定膜１３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る場合と、絶縁膜を含む多層膜から構成される場合とがある。固定膜１３が、特に永久電荷を保持する酸化シリコン等からな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を構成でき、外部からの電圧供給を不要にすることができる。本実施形態においては、固定膜１３は、ポリシリコン等の導電膜である上部電極１４と、上部電極１４の側面を含む下面及び上面をそれぞれ覆う窒化シリコン等からなる絶縁膜１５及び１６とから構成されている。
振動膜６と固定膜１３との間にはエアギャップ層１７が形成されており、エアギャップ層１７が設けられていない領域の第２のシリコン酸化膜３と固定膜１３との間には固定膜１３を支持するための酸化シリコンからなる支持部１８が形成されている。
尚、エアギャップ層１７は、支持部１８を構成するシリコン酸化膜の一部を除去することにより、少なくとも基板除去領域５の上側の全体にわたって形成されている。
エアギャップ層１７上の固定膜１３には、エアギャップ層１７に通じる複数のアコースティックホール１９が形成されている。ここで、アコースティックホール１９は、振動膜６を振動させる空気の通り穴としての役割を果たす。
支持部１８には、下部電極７のパッド部２０と上部電極１４のパッド部２１が露出するように第１の開口部２２と第２の開口部２３とが設けられており、図示は省略するが、ワイヤボンド接続等を介して外部回路に接続される。
次に、本発明の第１の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の構造について、詳細に説明する。図２は本発明の第１の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の平面構成を示し、図３は本発明の第１の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の断面構成を示している。ここで、図３は図２のIII−III線における断面形状を示している。
図２から分かるように、振動膜６の平面形状は略正六角形であり、拘束部１２の平面形状は略円形である。但し、振動膜の平面形状は、略正六角形だけでなく、略四角形、略六角形等の多角形形状及び略円形状でも構わない。また、拘束部１２の平面形状は、略円形だけでなく、略四角形又は略六角形等の多角形形状でも構わない。また、隣接する拘束部１２の中心間の距離（Ｌ１とする）を符号２４で表し、拘束部１２の直径（Ｌ２とする）を符号２５で表している。
また、図３から分かるように、振動膜６は、ほぼ無応力であるポリシリコン等の導電膜である下部電極７と、その上に形成される−５００ＭＰａ〜−１００ＭＰａの圧縮応力を持つ酸化シリコン等からなる絶縁膜８と、絶縁膜８の側面を含む下面及び上面をそれぞれ覆う、１０００ＭＰａ〜２０００ＭＰａの引張応力を持つ窒化シリコン等からなる絶縁膜９及び１０とから構成されている。ここで、絶縁膜８は、基板除去領域５の内側に設けられている。尚、圧縮応力を持つ絶縁膜８の全てが、基板除去領域５の内側に配置されている必要はない。例えば、絶縁膜８は、少なくとも下部電極７の内側、又は少なくとも拘束部１２よりも内側に配置されていればよい。
−５００ＭＰａ〜−１００ＭＰａの圧縮応力を持つシリコン酸化膜は、例えば、テトラエトキシシランを用いた化学気相堆積（chemical vapor deposition:ＣＶＤ）法により形成することができる。また、シラン系ガスによってＣＶＤ法で形成されるシリコン酸化膜であっても、圧縮応力を持つ絶縁膜であれば、同様の効果を得ることができる。
１０００ＭＰａ〜２０００ＭＰａの引張応力を持つシリコン窒化膜は、例えば、シラン系ガスとアンモニアとを用いたＣＶＤ法により形成することができる。
また、図２及び図３から分かるように、下部電極７、絶縁膜８、絶縁膜９及び絶縁膜１０に加わる応力の向きを矢印で示している。振動膜６は、前述したように、圧縮応力を持つ絶縁膜８と、ほぼ無応力である下部電極７と、引張応力を持つ絶縁膜９及び１０とから構成されている。圧縮応力を持つ絶縁膜８は基板除去領域５の内側に設けられている。一方、引張応力を持つ絶縁膜９及び１０は、振動膜６上のほぼ全面にわたって形成されている。このため、図２及び図３に示すように、エアギャップ層１１上の振動膜６には、拘束部１２からの引張応力が加わることとなる。これは、引張応力を持つ絶縁膜９及び１０の影響の方が、圧縮応力を持つ絶縁膜８の影響よりも大きくなるように、引張応力を持つ絶縁膜の端部（すなわち、振動膜の端部）の内側に圧縮応力を持つ絶縁膜の端が収まるように配置されているからである。
次に、本実施形態における音響トランスデューサの動作について図１を参照しながら説明する。本実施形態における音響トランスデューサにおいて、複数のアコースティックホール１９を通して、振動膜６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６が機械的に上下に振動する。ここで、下部電極７及び上部電極１４をそれぞれ電極とする平行平板型のコンデンサ構造が形成されているために、振動膜６が振動すると下部電極７と上部電極１４との電極間距離が変化し、コンデンサの容量（Ｃａ）が変化する。一方、当該コンデンサに蓄えられる電荷量（Ｑａ）が一定の下では、容量（Ｃa）が変化（以下、容量Ｃａの変化量をΔＣａとする。）すると、（式２）の関係より下部電極７と上部電極１４との間の電圧（Ｖａ）に変化（以下、電圧Ｖａの変化量をΔＶａとする。）が生じる（式３）。
Ｑａ＝Ｃａ×Ｖａ ・・・ （式２）
ΔＶa＝Ｑa／ΔＣａ ・・・ （式３）
すなわち、空気振動が、機械振動を介して電圧変化ΔＶａに変換されることとなる。これが、本実施形態における音響トランスデューサの動作原理である。
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、前述の通り、近似的に（式１）で表される。
Ｓ＝α×Ｃa×Ｖａ×（１／Ｓ0 ） ・・・ （式１）
（式１）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
Ｃa＝ε0×ε×（Ｓdia／ｄ0 ） ・・・ （式４）
を表し、Ｖａはエアギャップ間電圧を表し、Ｓ0 は振動膜スティフネス(動きにくさ)を表している。また、（式４）において、ε0は真空中の誘電率を表わし、εは下部電極７と上部電極１４との電極間の平均比誘電率を表し、Ｓdiaは可動電極面積を表し、ｄ0は電極間距離を表している。
（式１）と（式４）からも分かるように、感度Ｓを低下させることなく可動電極面積Ｓdiaを縮小するには振動膜スティフネスＳ0を低下させることが必要になる。また、振動膜スティフネスＳ0を低下するためには、振動膜を低応力化すると共に、振動膜がシリコン基板１と機構的に連結する拘束部１２の面積を縮小する構造（部分拘束構造）にする必要がある。また、振動膜６の構成材料が決まると、振動膜スティフネスＳ0は、下記（式５）で表される。
Ｓ0 ＝（σ×Ａ)／(６×Ｌ１）＝（σ×６×Ｌ２×Ｔ)／(６×Ｌ１）
＝σ×Ｔ×（Ｌ２／Ｌ１） ・・・ （式５）
（式５）において、σは振動膜６の応力（振動膜６の単位面積当たりに作用する力）、Ａは拘束部１２の上に位置する振動膜６の断面積、Ｌ１は隣接する拘束部１２の中心間の距離、Ｌ２は拘束部１２の直径、Ｔは振動膜６の膜厚である。
ここで、本実施形態の音響トランスデューサの振動膜スティフネスＳ0について、詳しく説明する。
図３に示すように、エアギャップ領域１１上の振動膜６はシリコン基板１から開放された構成、すなわち、シリコン基板１とは接しない構成を採る。また、図２に示すように、エアギャップ層１１上の振動膜６には、拘束部１２からの引張応力が加わることになる。このため、振動膜６とシリコン基板１が接することがない。その結果、シリコン基板１との熱膨張係数の差によって生じる残留応力が振動膜６に作用することがなくなる。すなわち、拘束部１２からの引張応力により、振動膜６とシリコン基板１とが接触するのを防ぐことができる。
一方、引張応力を持つ絶縁膜９、１０の影響が強すぎると、非拘束部（振動膜６とシリコン基板１とが拘束されていない部分）において、振動膜６が跳ね上がる現象が発生する。そこで、振動膜６の跳ね上がりを抑制するために、圧縮応力を持つ絶縁膜８を基板除去領域５の内側に設ける。このようにすると、引張応力を持つ絶縁膜９、１０の影響を、圧縮応力を持つ絶縁膜８の影響により抑制することができる。その結果、非拘束部における振動膜６の跳ね上がりを抑制できるという効果を得る。
以上のように、引張応力を持つ絶縁膜と圧縮応力を持つ絶縁膜とを積層させ、圧縮応力を持つ絶縁膜が引張応力を持つ絶縁膜の内側に位置するように配置することにより、振動膜内の層間応力の差に起因する膜の変形を抑制することができるため、所望の振動スティフネスを得ることができる。
従って、（式５）を参照すると、拘束部１２の直径２５の長さＬ２を隣接する拘束部１２の中心間の距離Ｌ１の例えば５０％に設定した場合に、互いに間隔をおいた複数の拘束部１２を形成せず振動膜６の全周にわたりシリコン基板１に拘束されている場合と比べて、振動膜６の単位長さ当たりの張力Ｓ0 を約５０％の大きさに低減することができる。これは、振動膜６の変形を抑制できているからである。その結果、（式１）及び（式４）より、音響トランスデューサの感度Ｓを低下させることなく可動電極面積Ｓdiaを５０％に縮小することができ、チップサイズの縮小が可能となる。
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る音響トランスデューサによると、振動膜が、電極と圧縮応力を持つ絶縁膜とが積層した多層構造を有しており、且つ圧縮応力を持つ絶縁膜が電極の内側に配置されている点に大きな特徴がある。このような構成により、振動膜とシリコン基板を部分的に連結する拘束部とにおいて引張応力が働いた場合にも、非拘束部において、引張応力の影響が強すぎることによる振動膜の跳ね上がりを抑制することができるからである。その結果、振動膜の層間応力の差に起因する膜の変形をさらに抑制することができる。
また、振動膜は、引張応力を持つ絶縁膜をさらに有しており、引張応力を持つ絶縁膜が振動膜の端部にまで形成されていることが好ましい。この構成により、拘束部に引張応力が働きやすくなる。このため、圧縮応力を持つ絶縁膜が電極の内側に配置されていることによる効果がさらに高まるからである。
尚、本実施形態においては、図１〜図３に示すように、下部電極７、引張応力を持つ絶縁膜９、圧縮応力を持つ絶縁膜８及び引張応力を持つ絶縁膜１０の順に積層した振動膜６について説明している。すなわち、圧縮応力を持つ絶縁膜８の直下に引張応力を持つ絶縁膜９が配置されている振動膜６について説明してる。しかし、引張応力を持つ絶縁膜９を、圧縮応力を持つ絶縁膜８の直下に配置するのではなく、引張応力を持つ絶縁膜９を、下部電極７の下面に形成する構成としてもよい。この構成により、下部電極７の面内方向を軸にして、引張応力を持つ絶縁膜９と引張応力を持つ絶縁膜１０とが上下対称の構造となる。このため、振動膜６の層間応力の差に起因する膜の変形をさらに抑制することができる。
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る音響トランスデューサについて、図４〜図６を参照しながら説明する。以下に示す各図、種々の形状、材料及び数値等はいずれも望ましい例を挙げるに過ぎず、示した内容には限定されない。発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、記載内容に限定されることなく適宜変更可能である。さらに加えるならば、本実施形態は、他の実施形態との組み合わせ等も矛盾がない範囲で可能である。なお、ここでは、ＭＥＭＳデバイスの例として、音響トランスデューサを用いて説明するが、ＭＥＭＳデバイス全般に適用できる。
まず、本発明の第２の実施形態に係る音響トランスデューサについて説明する。図４は本発明の第２の実施形態に係る音響トランスデューサの断面図を示している。また、図５は本発明の第２の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の平面構成を示し、図６は本発明の第２の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の断面構成を示している。尚、図６は図５のVI−VI線における断面形状を示している。ここで、第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して、振動膜６の構造が異なる以外は同様の構成となっている。従って、図５及び図６について詳細を説明する。尚、音響トランスデューサの動作及び音響トランスデューサの特性を表す感度の説明については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
図５から分かるように、振動膜６の平面形状は略正六角形であり、拘束部１２の平面形状は略円形である。但し、振動膜６の平面形状は、略正六角形だけでなく、略四角形、略六角形等の多角形形状及び略円形状でも構わない。また、拘束部の平面形状は、略円形だけでなく、略四角形又は略六角形等の多角形形状でも構わない。また、隣接する拘束部１２の中心間の距離（Ｌ１とする）を符号２４で表し、拘束部１２の直径（Ｌ２とする）を符号２５で表している。
また、図６から分かるように、振動膜６は、ほぼ無応力であるポリシリコン等の導電膜である下部電極７と、その下に形成される−５００ＭＰａ〜−１００ＭＰａの圧縮応力を持つ酸化シリコン等からなる絶縁膜８ａと、絶縁膜８ａの下面及び側面をそれぞれ覆う、１０００ＭＰａ〜２０００Ｍｐａの引張応力を持つ窒化シリコン等からなる絶縁膜９ａと、下部電極７の上に形成される−５００ＭＰａ〜−１００ＭＰａの圧縮応力を持つ酸化シリコン等からなる絶縁膜８ｂと、絶縁膜８ｂの上面及び側面をそれぞれ覆う、１０００ＭＰａ〜２０００Ｍｐａの引張応力を持つ窒化シリコン等からなる絶縁膜１０ａとから構成されている。
−５００ＭＰａ〜−１００ＭＰａの圧縮応力を持つシリコン酸化膜は、例えば、テトラエトキシシランを用いたＣＶＤ法により形成することができる。また、シラン系ガスによってＣＶＤ法で形成されるシリコン酸化膜であっても、圧縮応力を持つ絶縁膜であれば、同様の効果を得ることができる。
１０００ＭＰａ〜２０００ＭＰａの引張応力を持つシリコン窒化膜は、例えば、シラン系ガスとアンモニアを用いたＣＶＤ法により形成することができる。
また、図５及び図６から分かるように、下部電極７、絶縁膜８ａ、絶縁膜８ｂ、絶縁膜９ａ及び絶縁膜１０ａに加わる応力の向きを矢印で示している。振動膜６は、圧縮応力を持つ絶縁膜８ａ及び８ｂと、ほぼ無応力である下部電極７と、引張応力を持つ絶縁膜９ａ及び１０ａとから構成されている。圧縮応力を持つ絶縁膜８ａ及び８ｂは基板除去領域５の内側に設けられている。一方、引張応力を持つ絶縁膜９ａ及び１０ａは、振動膜６上のほぼ全面にわたって形成されている。このため、図５及び図６に示すように、エアギャップ層１１上の振動膜６には、拘束部１２からの引張応力が加わることとなる。
さらに、ほぼ無応力の下部電極７の上下に絶縁膜８ａ、絶縁膜８ｂ、絶縁膜９ａ及び絶縁膜１０ａを配置することが好ましい。さらには、絶縁膜８ａの膜厚と絶縁膜８ｂの膜厚とを同等にし、絶縁膜９ａの膜厚と絶縁膜１０ａの膜厚とを同等にすることが好ましい。これは、下部電極７を挟んで振動膜６の断面方向の応力分布を対称にすることが好ましいからである。
ここで、本実施形態の音響トランスデューサの振動膜スティフネスＳ0について、第１の実施形態と同様に、詳しく説明する。
図６に示すように、エアギャップ領域１１上の振動膜６はシリコン基板１から開放された構成、すなわちシリコン基板１とは接しない構成を採る。また、図５に示すように、エアギャップ層１１の上の振動膜６には、拘束部１２からの引張応力が加わることになる。このため、振動膜６とシリコン基板１が接することがない。その結果、シリコン基板１との熱膨張係数の差によって生じる残留応力が振動膜６に作用することがなくなる。すなわち、引張応力を持つ絶縁膜９ａ及び１０ａに起因する拘束部１２からの引張応力により、振動膜６とシリコン基板１とが接触するのを防ぐことができる。
また、本実施形態においては、ほぼ無応力の下部電極７の下面及び上面に、それぞれ絶縁膜８ａ、絶縁膜８ｂを配置している。この構成により、下部電極７を挟み、振動膜６の断面方向の応力分布が対称となり、その結果、振動膜６内の層間応力の差に起因する膜の変形を抑制することができる。
さらに、本実施形態においては、ほぼ無応力の下部電極７の下面及び上面に、それぞれ絶縁膜８ａ及び絶縁膜８ｂと、絶縁膜９ａ及び絶縁膜１０ａとをそれぞれ配置することが好ましい。また、絶縁膜８ａの膜厚と絶縁膜８ｂの膜厚とを同等とし、絶縁膜９ａの膜厚と絶縁膜１０ａの膜厚とを同等とすることが好ましい。この構成により、下部電極７を挟み、振動膜６の断面方向の応力分布が対称となり、その結果、振動膜６内の層間応力の差に起因する膜の変形をさらに抑制することができる。
ここで、引張応力を持つ絶縁膜の影響が強すぎると、非拘束部（振動膜６とシリコン基板１とが拘束されていない部分）において、振動膜６が跳ね上がる現象が発生する。そこで、振動膜６の跳ね上がりを抑制するために、圧縮応力を持つ絶縁膜８ａ及び８ｂが形成されている。こうすることにより、引張応力を持つ絶縁膜９ａ及び１０ａの影響を、圧縮応力を持つ絶縁膜８ａ及び８ｂの影響により抑制することができる。その結果、非拘束部における振動膜６の跳ね上がりを抑制することができる。
従って、第１の実施形態で説明した（式５）を参照すると、拘束部１２の直径２５の長さＬ２を隣接する拘束部１２の中心間の距離Ｌ１の例えば５０％に設定した場合、互いに間隔をおいた複数の拘束部１２を形成せず振動膜６の全周にわたりシリコン基板１に拘束されている場合と比べて、振動膜６の単位長さ当たりの張力Ｓ0 を約５０％の大きさに低減することができる。これは、振動膜６の変形を抑制できているからである。その結果、第１の実施形態で説明した（式１）及び（式４）より、音響トランスデューサの感度Ｓを低下させることなく可動電極面積Ｓdiaを５０％に縮小することができ、チップサイズの縮小が可能となる。
以上のように、本発明の第２の実施形態に係る音響トランスデューサによると、振動膜が、電極と圧縮応力を持つ第１の絶縁膜と圧縮応力を持つ第２の絶縁膜とを積層した多層構造となっている点に大きな特徴がある。すなわち、第１の実施形態と比較すると、圧縮応力を持つ絶縁膜を振動膜内に１層追加している点が異なる。この構成により、振動膜とシリコン基板とを部分的に連結する拘束部において引張応力が働いた場合にも、非拘束部において、引張応力の影響が強すぎることによる振動膜の跳ね上がりをさらに抑制することができる。その結果、振動膜の層間応力の差に起因する膜の変形をさらに抑制することができる。
また、圧縮応力を持つ第１の絶縁膜は、電極の上に形成され、圧縮応力を持つ第２の絶縁膜は、電極の下に形成されていることが好ましい。このように配置することにより、電極を挟んで振動膜の断面方向の応力分布を対称にしやすくなるからである。このため、上記効果をさらに得やすくなる。
また、振動膜は、引張応力を持つ絶縁膜を２層有しており、引張応力を持つ第１の絶縁膜は、圧縮応力を持つ第１の絶縁膜の上に形成されており、引張応力を持つ第２の絶縁膜は、圧縮応力を持つ第２の絶縁膜の下に形成されていることが好ましい。このような構成により、拘束部に引張応力がより働きやすくなる。このため、圧縮応力を持つ絶縁膜が電極の内側に配置されていることによる効果がさらに高まる。また、電極を挟んで振動膜の断面方向の応力分布を対称にしやすくなる。
（第２の実施形態の製造方法）
以下に、第２の実施形態に係る音響トランスデューサであって、ＭＥＭＳマイクの製造方法の一例を説明する。なお、図４に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付しているが、本構成部材に限定されることはない。あくまで本実施形態に記載の部材は例示に過ぎない。
まず、図７（ａ）に示すように、熱酸化法又はＣＶＤ法により、ウェハ状のシリコン基板１の上に第１のシリコン酸化膜２を形成する。続いて、リソグラフィ法及びエッチング法により、第１のシリコン酸化膜２に対して、後工程で形成される基板除去領域５と対応する領域に開口部を選択的に形成する。
次に、図７（ｂ）に示すように、シリコン基板１の上に、第１のシリコン酸化膜２の開口部を覆うように、不純物、例えばリンをドープしたポリシリコンからなる第１の犠牲層２７を形成する。
次に、図８（ａ）に示すように、ＣＶＤ法により、第１の犠牲層２７及び第１のシリコン酸化膜２の上に、第２のシリコン酸化膜３を形成する。ここで、第１のシリコン酸化膜２及び第２のシリコン酸化膜３の一部が後工程で形成される拘束部１２となる。続いて、第２のシリコン酸化膜３にヒンジ溝を形成する。このヒンジ溝は、最終的に振動膜のヒンジ部として残存する。ここで、ヒンジ部とは、振動膜を上面から見た場合に、該振動膜の外縁部に複数形成されるものであり、断面で見た場合には、凹凸の繰り返し形状となる。ヒンジ部により、例えば振動膜を構成する膜の応力を調整して、該振動膜の振動特性を向上することができる。
次に、図８（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法により、第２のシリコン酸化膜３の上に、シリコン窒化膜９ａを形成する。続いて、シリコン窒化膜９ａの上にシリコン酸化膜（ＴＥＯＳ：Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate）膜）８ａを形成する。その後、シリコン酸化膜８ａに対して基板除去領域５に相当する部分を残すようにパターニングする。
次に、図９（ａ）に示すように、ＣＶＤ法により、シリコン酸化膜８ａを含めシリコン窒化膜９ａの上に、下部電極となる、不純物、例えばリンをドープした第１のポリシリコン膜７Ａを形成する。続いて、ＣＶＤ法により、第１のポリシリコン膜７Ａの上に、シリコン酸化膜８ｂを形成する。その後、シリコン酸化膜８ｂに対して、シリコン酸化膜８ａと対応する部分を残すようにパターニングする。
次に、図９（ｂ）に示すように、第１のポリシリコン膜７Ａ及びシリコン窒化膜９ａに対して、振動膜を構成する部分を残すようにパターニングすることにより、第１のポリシリコン膜７Ａから下部電極７を形成する。
次に、図１０（ａ）に示すように、ＣＶＤ法により、第２のシリコン酸化膜３、下部電極膜７及びシリコン酸化膜８ｂの上に、シリコン窒化膜１０ａを形成する。その後、形成したシリコン窒化膜１０ａに対して、振動膜の一部として残す部分と、他の必要部分を残すようにパターニングする。これにより、下部電極７の上面及び下面が共にシリコン酸化膜８ａ、８ｂとシリコン窒化膜９ａ、１０ｂとに挟まれてなる振動膜６が形成される。
次に、図１０（ｂ）に示すように、シリコン基板１上の全面に、酸化シリコンからなる第２の犠牲層１８Ａを形成し、さらに、形成された第２の犠牲層１８Ａに対して、後工程で形成される、スティッキングを防止するためのストッパ部及びパッド部２０、２１と対応する部分に溝部を形成する。ストッパ部とは、後工程で形成される振動膜と固定膜との吸着（スティッキング）を防ぐために、振動膜側に突き出るように固定膜に形成される凸部である。
次に、図１１（ａ）に示すように、第２の犠牲層１８Ａに対して、後工程で形成される、パッド部２０、２１と対応する部分を開口する。
次に、図１１（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法により、シリコン基板１上の全面に、シリコン窒化膜１５及び不純物、例えばリンをドープした第２のポリシリコン膜１４Ａを順次形成する。その後、形成されたシリコン窒化膜１５及び第２のポリシリコン膜１４Ａに対して、後工程で形成されるアコースティックホール１９に対応する部分に複数の開口部を形成する。
次に、図１２（ａ）に示すように、ＣＶＤ法により、シリコン基板１上の全面に、シリコン窒化膜１６を形成する。その後、形成されたシリコン窒化膜１６に対して、後工程で形成されるアコースティックホール１９に対応する部分に開口部を形成する。これにより、ポリシリコンからなる上部電極１４がその上面及び下面を絶縁膜（シリコン窒化膜）１５、１６に挟まれてなる固定膜１３が形成される。
次に、図１２（ｂ）に示すように、シリコン基板１上の全面に、酸化シリコンからなる第１の保護膜２９を形成し、シリコン基板１の裏面の全面にも、酸化シリコンからなる第２の保護膜３０を形成する。続いて、第２の保護膜における基板除去領域５を選択的にエッチングして、開口パターンを形成する。その後、各保護膜２９、３０をマスクとして、シリコン基板１を貫通するように裏面からエッチングすることにより、シリコン基板１に基板除去領域５を形成する。その際、基板除去領域５の直上に形成されていた第１の犠牲層２７も除去される。
次に、図１３に示すように、基板除去領域５が形成されたシリコン基板１に対してウェットエッチングを行う。すなわち、第１の保護膜２９及び第２の保護膜３０が除去されると共に、固定膜１３に形成された複数のアコースティックホール１９からエッチングを施し、第２の犠牲層１８Ａが除去される。さらには、第１のシリコン酸化膜２、第２のシリコン酸化膜３における振動膜６の下側部分を、複数の拘束部１２を残すように除去する。その後、振動膜６と固定膜１３との貼り付き、いわゆるスティッキングを防止するために、乾燥時の液体表面張力の影響がない超臨界乾燥を行う。
以上のようにして、第２の実施形態に係るＭＥＭＳマイクを形成することができる。すなわち、シリコン窒化膜９ａ、シリコン酸化膜８ａ、ポリシリコンからなる下部電極７、シリコン酸化膜８ｂ及びシリコン窒化膜１０ａにより構成された振動膜６が形成される。また、シリコン窒化膜１５、ポリシリコンからなる上部電極１４及びシリコン窒化膜１６により構成された固定膜１３が形成される。
また、固定膜１３と振動膜６との間には、第２の犠牲層１８Ａが除去されてなるエアギャップ層１７が形成される。また、第２の犠牲層１８Ａの残存部分は固定膜１３を支持する支持部１８となる。
（第２の実施形態の一変形例）
以下、本発明の第２の実施形態の一変形例に係る音響トランスデューサについて、図１４〜図１６を参照しながら説明する。
図１４は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る音響トランスデューサの断面図を示している。また、図１５は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る音響トランスデューサの振動膜の平面構成を示し、図１６は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る音響トランスデューサの振動膜の断面構成を示している。尚、図１６は図１５のXVI−XVI線における断面形状を示している。
ここで、第２の実施形態の一変形例は、第２の実施形態と比較して、振動膜とシリコン基板を機構的に連結する拘束部の構造が異なる以外は同様の構成である。すなわち、本変形例においては、振動膜における周縁部分とシリコン基板を部分的に拘束するのではなく、ほぼ全面的に拘束している。この構成を採った場合には、非拘束部の面積が小さいことから、振動膜が跳ね上がる現象が起きにくくなる。しかしながら、振動膜の変形を抑制することによって、感度特性の変動を低減する必要がある。この場合には、振動膜６の構成を、ほぼ無応力である下部電極７の上下に、絶縁膜８ｂ及び１０ａと絶縁膜８ａ及び９ａとを配置することにより、振動膜６の断面方向の応力分布を対称にしやすくなる。その結果、振動膜６内の層間応力の差に起因する膜の変形を抑制しやすくなる。また、絶縁膜８ａの膜厚と絶縁膜８ｂの膜厚とを同等とし、さらに、絶縁膜９ａの膜厚と絶縁膜１０ａの膜厚とを同等とすることにより、下部電極７を挟み、振動膜６の断面方向の応力分布を対称とすれば、振動膜６内の層間応力の差に起因する膜の変形をさらに抑制することができる。このように、積層構造からなる振動膜６内の応力分布を対称とすることは、振動膜６内の層間応力の差に起因する膜の変形を抑制することにつながる。従って、上下の電極間の距離ｄ0、すなわちエアギャップ容量Ｃaの変動を抑制して、所望の感度特性を得ることができる。
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る音響トランスデューサについて、図１７〜図１９を参照しながら説明する。以下に示す各図、種々の形状、材料及び数値等はいずれも望ましい例を挙げるに過ぎず、示した内容には限定されない。発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、記載内容に限定されることなく適宜変更可能である。さらに加えるならば、本実施形態は、他の実施形態との組み合わせ等も矛盾がない範囲で可能である。なお、ここでは、ＭＥＭＳデバイスの例として、音響トランスデューサを用いて説明するが、ＭＥＭＳデバイス全般に適用できる。
図１７は本発明の第３の実施形態に係る音響トランスデューサの断面図を示している。また、図１８は本発明の第３の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の平面構成を示し、図１９は本発明の第３の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の断面構成を示している。尚、図１９は図１８のXIX−XIX線における断面形状を示している。ここで、第３の実施形態は、第１の実施形態及び第２の実施形態と比較して、振動膜に形成されている引張応力を持つシリコン窒化膜等の絶縁膜１０ａの平面形状が異なる以外は同様の構成となっている。従って、図１８及び図１９について、第１の実施形態と第２の実施形態と相違する部分を詳細に説明する。尚、音響トランスデューサの動作及び音響トランスデューサの特性を表す感度の説明については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。また、図１７〜図１９は、図４〜６に示した振動膜を変形した構成を表しているが、図１〜３に示した振動膜の構成を変えてもよい。
図１８及び図１９から分かるように、第３の実施形態においては、第１及び第２の実施形態と同様に、シリコン基板１に対して拘束部１２により部分的に連結された振動膜６を有している。さらに、振動膜６を構成する下部電極７の上に形成された引張応力を持つシリコン窒化膜等の絶縁膜１０ａには、拘束部１２及びその近傍が選択的に除去された領域２６が設けられている。言い換えれば、下部電極７の上に形成された引張応力を持つ絶縁膜１０ａは、拘束部１２の周辺部以外の部分に形成されている。
第３の実施形態に係る音響トランスデューサは、上記の構成により、第１及び第２の実施形態に係る音響トランスデューサと比較して以下のような効果を期待できる。すなわち、拘束部１２は、部分的に振動膜６と連結されているため、応力集中が起きやすい構造を持つ。そこで、第３の実施形態のように、拘束部１２及びその近傍を選択的に除去した領域２６を設けることにより、拘束部１２における応力集中を緩和することができる。その結果、振動膜６の破壊耐量が増加して、加工歩留まりを向上することが可能となる。
尚、図１７〜図１９には記していないが、下部電極７の下に形成された引張応力を持つ絶縁膜９ａにおいて、拘束部１２及びその近傍が選択的に除去された領域を設けても同様の効果を得ることができる。また、下部電極７の上面及び下面に形成された引張応力を持つ絶縁膜１０ａ、９ａの両者において、拘束部１２及びその近傍を選択的に除去した領域を設けることにより、さらに、振動膜６の破壊耐量が増大するという効果を得ることができる。
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る音響トランスデューサについて、図２０〜図２２を参照しながら説明する。以下に示す各図、種々の形状、材料及び数値等はいずれも望ましい例を挙げるに過ぎず、示した内容には限定されない。発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、記載内容に限定されることなく適宜変更可能である。さらに加えるならば、本実施形態は、他の実施形態との組み合わせ等も矛盾がない範囲で可能である。なお、ここでは、ＭＥＭＳデバイスの例として、音響トランスデューサを用いて説明するが、ＭＥＭＳデバイス全般に適用できる。
図２０は本発明の第４の実施形態に係る音響トランスデューサの断面図を示している。また、図２１は本発明の第４の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の平面構成を示し、図２２は本発明の第４の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の断面構成を示している。尚、図２２は図２１のXXII−XXII線における断面形状を示している。ここで、第４の実施形態は、第１の実施形態及び第２の実施形態と比較して、振動膜６に形成されている圧縮応力を持つシリコン酸化膜等の絶縁膜８ｃの形状が異なる以外は同様の構成となっている。従って、図２２及び図２１について、第１の実施形態と第２の実施形態と相違する部分を詳細に説明する。尚、音響トランスデューサの動作及び音響トランスデューサの特性を表す感度の説明については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。また、図２０〜図２２は、図１〜３に示した振動膜を変形した構成を表しているが、図４〜６に示した振動膜の構成を変えてもよい。
図２１及び図２２から分かるように、本実施形態においては、第１及び第２の実施形態と同様に、シリコン基板１に対して拘束部１２により部分的に連結された振動膜６を有している。下部電極７の上に形成され、振動膜６を構成する圧縮応力を持つ酸化シリコン等からなる絶縁膜８ｃには、互いに略直線的に交差する複数の溝部が形成されている。圧縮応力を持つ絶縁膜８ｃは、これら複数の溝部によって複数の部分に分離された構造を採る。言い換えれば、圧縮応力を持つ絶縁膜８ｃは、複数の溝部により島状にパターン化された平面形状を有している。
第４の実施形態に係る音響トランスデューサによると、上記の構成により、第１及び第２の実施形態に係る音響トランスデューサと比較して以下のような効果を期待できる。すなわち、圧縮応力を持つ絶縁膜８ｃは、下部電極７の内側に配置されており、振動膜６の中心部に集中するように配置されている。このため、振動膜６の中心部に部分的に応力集中が起きやすい構造を持つ。従って、振動膜６の中心部への圧縮応力が強い場合には、振動膜６の中心部が上方に跳ね上がるおそれがある。そこで、第４の実施形態のように、圧縮応力を持つ絶縁膜８ｃを複数の溝部によって複数の部分に分離する構造とすることにより、振動膜６の中心部への応力集中を抑制することができる。これにより、振動膜６の中心部が上方に跳ね上がることを抑制できる。このため、振動膜６の層間応力の差に起因する膜の変形をさらに抑制することができる。
尚、図２０〜図２２には記していないが、下部電極７の下側に圧縮応力を持つ絶縁膜を形成した場合には、該下部電極７の下側に形成された圧縮応力を持つ絶縁膜に対しても、複数の溝部によって複数の部分に分離する構造としてもよい。このようにしても、同様の効果を得ることができる。また、下部電極７の上面及び下面に形成された２つの圧縮応力を持つ絶縁膜の両者に対しても、複数の溝部によって複数の部分に分離する構造としてもよい。
ここで、全ての実施形態において説明しているＭＥＭＳデバイスについて説明する。ＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor ）用の製造プロセス技術等を用いて多数のチップが同時に製造された基板（ウェハ）をチップに分割することにより、容量型のコンデンサマイクロホン又は圧力センサ等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デバイスと称している。
本発明に係る音響トランスデューサ等のＭＥＭＳデバイスは、多層構造の低応力振動膜の応力分布を制御して振動膜の変形を抑制することにより、所望の特性を得ることができ、また、振動膜、すなわち可動電極面積の縮小が可能となり、多層膜構造の振動膜を有するＭＥＭＳデバイス等に有用である。
１ シリコン基板
２ 第１のシリコン酸化膜
３ 第２のシリコン酸化膜
４ シリコン基板の周辺部
５ 基板除去領域
６ 振動膜
７ 下部電極
７Ａ 第１のポリシリコン膜
８ 圧縮応力を持つ絶縁膜
８ａ 圧縮応力を持つ絶縁膜（シリコン酸化膜）
８ｂ 圧縮応力を持つ絶縁膜（シリコン酸化膜）
８ｃ 圧縮応力を持つ絶縁膜
９ 引張応力を持つ絶縁膜
９ａ 引張応力を持つ絶縁膜（シリコン窒化膜）
１０ 引張応力を持つ絶縁膜
１０ａ 引張応力を持つ絶縁膜（シリコン窒化膜）
１１ エアギャップ層
１２ 拘束部
１３ 固定膜
１４ 上部電極
１４Ａ 第２のポリシリコン膜
１５ 絶縁膜（シリコン窒化膜）
１６ 絶縁膜（シリコン窒化膜）
１７ エアギャップ層
１８ 支持部
１８Ａ 第２の犠牲層
１９ アコースティックホール
２０ 下部電極のパッド部
２１ 上部電極のパッド部
２２ 第１の開口部
２３ 第２の開口部
２４ 隣接拘束部間の距離
２５ 拘束部の直径
２６ 拘束部及びその近傍の絶縁膜除去領域
２７ 第１の犠牲層
２９ 第１の保護膜
３０ 第２の保護膜
本発明は、多層膜構造により構成された振動膜を有するＭＥＭＳデバイスに関する。
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。半導体技術を用いることにより、センサやトランスデューサのデバイス特性を決定する振動膜の構造を複数の薄膜で構成される多層構造とすることができる。特許文献１は、センサの多層構造振動膜を構成する複数の薄膜のうち、最大破壊強度を有する薄膜を振動膜の表面側及び裏面側の最外層の少なくとも一方に用いることにより、振動膜を厚くすることなく、振動膜の破壊強度を向上する技術を開示している。また、特許文献２は、トランスデューサの多層構造振動膜の特性を決める張力調整の方法について開示している。
特開２００１−１９４２０１号公報 特表２００２−５１８９１３号公報
近年、携帯機器用を中心に、ＭＥＭＳセンサ又はＭＥＭＳトランスデューサが採用され、そのチップサイズの縮小の要望が高まっている。このため、特性に影響する振動膜の面積、すなわち可動電極面積を縮小する必要が生じている。
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、近似的に下記（式１）で表される。
Ｓ＝α×Ｃa×Ｖa×（１／Ｓ0 ） ・・・ （式１）
（式１）において、αは比例係数を表し、Ｃａは可動電極を含むエアギャップ容量（（可動電極面積Ｓdia／エアギャップ長ｄ0）に比例する。）を表し、Ｖａはエアギャップ間電圧を表し、Ｓ0 は振動膜スティフネス(動きにくさ)を表している。
（式１）からも分かるように、エアギャップ間電圧Ｖａ、振動膜スティフネスＳ0 一定の下で可動電極面積Ｓdiaを縮小すると、エアギャップ容量Ｃａが低下して感度Ｓが低下する。感度Ｓを低下させることなく可動電極面積Ｓdiaを縮小する方法としては、エアギャップ間電圧Ｖaを増加させるか、振動膜スティフネスＳ0を低下させることが有効である。
ここで、振動膜スティフネスＳ0を低下するには、振動膜を低応力化すると共に、振動膜がシリコン基板と機構的に連結される拘束部の面積を縮小する構造（以下、部分拘束構造と記す。）とする必要がある。
携帯機器向けとしてチップサイズを１ｍｍ２程度にまで縮小する場合、振動膜の応力を数ＭＰａまで下げ、且つ振動膜の周辺長に対する拘束部の周辺長と同一方向の長さの率（拘束率）を１０％程度とする必要がある。ところが、多層構造を持つ振動膜を低応力化すると、多層構造を構成する薄膜の層間応力の差によって振動膜の変形が生じるため、エアギャップ容量Ｃa（エアギャップ長ｄ0）及び振動膜スティフネスＳ0を制御できず、その結果、所望の感度特性を得られないという問題がある。
前記の問題を解決するため、本発明に係る第１のＭＥＭＳデバイスは、半導体基板と、半導体基板の上に拘束部を介して設けられ、第１の電極を有する振動膜と、半導体基板の上に支持部を介して振動膜を覆うように設けられ、第２の電極を有する固定膜とを備え、振動膜と固定膜とは、互いに対向した領域に形成される間隙よりなるエアギャップ層を有しており、拘束部は、半導体基板と振動膜との間を部分的に連結し、振動膜は、第１の電極と圧縮応力を持つ第１の絶縁膜とが積層されてなる多層構造を有し、第１の絶縁膜は、第１の電極の周囲から内側に配置されている。
本発明の第１のＭＥＭＳデバイスによると、振動膜は第１の電極と圧縮応力を持つ第１の絶縁膜とが積層されてなる多層構造を有し、第１の絶縁膜は第１の電極の周囲から内側に配置されているため、振動膜と半導体基板とを部分的に連結する拘束部において引張応力が働いた場合にも、振動膜の層間応力の差に起因する膜の変形を抑制することができる。
本発明の第１のＭＥＭＳデバイスにおいて、振動膜は引張応力を持つ第２の絶縁膜及び引張応力を持つ第３の絶縁膜を有しており、第２の絶縁膜は第１の絶縁膜の上に形成され、第３の絶縁膜は第１の絶縁膜の下に形成されていてもよい。
この場合に、第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜の少なくとも一方は、拘束部の周辺部を除く領域に形成されていてもよい。
本発明の第１のＭＥＭＳデバイスにおいて、第１の絶縁膜には互いに交差する複数の溝部が形成され、第１の絶縁膜は溝部によって複数の部分に分離されていてもよい。
本発明の第１のＭＥＭＳデバイスが第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜を有する場合に、第２の絶縁膜及び第３の絶縁膜はシリコン窒化膜であってもよい。
本発明の第１のＭＥＭＳデバイスにおいて、第１の絶縁膜はシリコン酸化膜であってもよい。
本発明に係る第２のＭＥＭＳデバイスは、半導体基板と、半導体基板の上に拘束部を介して設けられ、第１の電極を有する振動膜と、半導体基板の上に支持部を介して振動膜を覆うように設けられ、第２の電極を有する固定膜とを備え、振動膜と固定膜とは、互いに対向した領域に形成される間隙よりなるエアギャップ層を有しており、拘束部は、半導体基板と振動膜との間を部分的に連結し、振動膜は、第１の電極、圧縮応力を持つ第１の絶縁膜及び圧縮応力を持つ第２の絶縁膜が積層されてなる多層構造を有し、第１の絶縁膜は、第１の電極の上に形成され、第２の絶縁膜は、第１の電極の下に形成されている。
本発明の第２のＭＥＭＳデバイスによると、拘束部は半導体基板と振動膜との間を部分的に連結し、振動膜は第１の電極、圧縮応力を持つ第１の絶縁膜及び圧縮応力を持つ第２の絶縁膜が積層されてなる多層構造を有し、第１の絶縁膜は第１の電極の上に形成され、第２の絶縁膜は第１の電極の下に形成されている。これにより、振動膜と半導体基板とを部分的に連結する拘束部において引張応力が働いた場合にも、振動膜の層間応力の差に起因する膜の変形を抑制することができる。
本発明の第２のＭＥＭＳデバイスにおいて、振動膜は引張応力を持つ第３の絶縁膜及び引張応力を持つ第４の絶縁膜を有しており、第３の絶縁膜は第１の絶縁膜の上に形成され、第４の絶縁膜は第２の絶縁膜の下に形成されていてもよい。
この場合に、第３の絶縁膜及び第４の絶縁膜の少なくとも一方は、拘束部の周辺部を除く領域に形成されていてもよい。
本発明の第２のＭＥＭＳデバイスにおいて、第１の絶縁膜には互いに交差する複数の溝部が形成され、第１の絶縁膜は溝部によって複数の部分に分離されていてもよい。
また、本発明の第２のＭＥＭＳデバイスにおいて、第２の絶縁膜には互いに交差する複数の溝部が形成され、第２の絶縁膜は溝部によって複数の部分に分離されていてもよい。
本発明の第２のＭＥＭＳデバイスが第３の絶縁膜及び第４の絶縁膜を有する場合に、第３の絶縁膜及び第４の絶縁膜はシリコン窒化膜であってもよい。
本発明の第２のＭＥＭＳデバイスにおいて、第１の絶縁膜及び第２の絶縁膜はシリコン酸化膜であってもよい。
尚、以上の特徴を矛盾が生じないように適宜組み合わせることが可能であることはいうまでもない。また、それぞれの特徴において、効果が複数期待できるときも、全ての効果を発揮できなければいけないわけではない。
本発明に係るＭＥＭＳデバイスによると、多層構造からなる振動膜の薄膜間の応力の差に起因する振動膜の変形を抑制することにより、振動膜中の可動電極を小さくしたとしても、所望の感度特性を得ることが可能となる。その結果、感度特性を維持したままＭＥＭＳデバイスを小型化することが可能となる。
図１は本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサを示す断面図である。 図２は本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサの振動膜を示す平面図である。 図３は図２のIII−III線における断面図である。 図４は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサを示す断面図である。 図５は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサの振動膜を示す平面図である。 図６は図５のVI−VI線における断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す工程順の断面図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す工程順の断面図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す工程順の断面図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す工程順の断面図である。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す工程順の断面図である。 図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す工程順の断面図である。 図１３は本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造方法を示す一工程の断面図である。 図１４は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る音響トランスデューサを示す断面図である。 図１５は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る音響トランスデューサの振動膜を示す平面図である。 図１６は図１５のXVI−XVI線における断面図である。 図１７は本発明の第３の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサを示す断面図である。 図１８は本発明の第３の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサの振動膜を示す平面図である。 図１９は図１８のXIX−XIX線における断面図である。 図２０は本発明の第４の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサを示す断面図である。 図２１は本発明の第４の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスであって、音響トランスデューサの振動膜を示す平面図である。 図２２は図２１のXXII−XXII線における断面図である。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る音響トランスデューサについて図１〜図３を参照しながら説明する。以下に示す各図、種々の形状、材料及び数値等はいずれも望ましい例を挙げるに過ぎず、示した内容には限定されない。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、記載内容に限定されることなく適宜変更が可能である。さらに加えるならば、本実施形態は、他の実施形態と組み合わせることも矛盾がない範囲で可能である。なお、ここでは、ＭＥＭＳデバイスの例として、音響トランスデューサを用いて説明しているが、本発明はＭＥＭＳデバイス全般に適用できる。ＭＥＭＳデバイスとは、後述するが、半導体プロセスを用いて形成された機械信号等を電気信号等に変換する変換素子を指す。ＭＥＭＳデバイスの例としては、音響トランスデューサ（ＭＥＭＳマイク）、圧力センサ、加速度センサ及び角速度センサ等が挙げられる。以上のことは、本発明に共通する。
まず、本発明の第１の実施形態に係る音響トランスデューサの構成について説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る音響トランスデューサの断面図を示している。
図１に示すように、シリコン基板１の上に第１のシリコン酸化膜２及び第２のシリコン酸化膜３が形成されている。シリコン基板１は、その周辺部４を残すように除去されており、それによって基板除去領域５が形成されている。すなわち、基板除去領域５は、後述する振動膜６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１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。
シリコン基板１の上には、基板除去領域５を覆うように振動膜６が形成されている。振動膜６は、下部電極（振動電極）を構成する導電膜から構成される場合と、絶縁膜を含む多層膜から構成される場合とがある。振動膜６が、特に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を構成でき、外部からの電圧供給を不要にすることができる。
本実施形態においては、振動膜６は、ポリシリコン等の導電膜である下部電極７と、その上に形成される酸化シリコン等からなる絶縁膜８と、絶縁膜８の側面を含む下面及び上面をそれぞれ覆う窒化シリコン等からなる絶縁膜９及び１０とから構成されている。絶縁膜８は、基板除去領域５の内側に設けられている。
振動膜６とシリコン基板１との間にはエアギャップ層１１が設けられており、エアギャップ層１１が設けられていない領域の振動膜６とシリコン基板１との間には振動膜６を支持するための、第１のシリコン酸化膜２及び第２のシリコン酸化膜３からなる拘束部１２が設けられている。この拘束部１２により、振動膜６はシリコン基板１と機構的に連結される。
振動膜６の上方には固定膜１３が配置されている。固定膜１３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る場合と、絶縁膜を含む多層膜から構成される場合とがある。固定膜１３が、特に永久電荷を保持する酸化シリコン等からな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を構成でき、外部からの電圧供給を不要にすることができる。本実施形態においては、固定膜１３は、ポリシリコン等の導電膜である上部電極１４と、上部電極１４の側面を含む下面及び上面をそれぞれ覆う窒化シリコン等からなる絶縁膜１５及び１６とから構成されている。
振動膜６と固定膜１３との間にはエアギャップ層１７が形成されており、エアギャップ層１７が設けられていない領域の第２のシリコン酸化膜３と固定膜１３との間には固定膜１３を支持するための酸化シリコンからなる支持部１８が形成されている。
尚、エアギャップ層１７は、支持部１８を構成するシリコン酸化膜の一部を除去することにより、少なくとも基板除去領域５の上側の全体にわたって形成されている。
エアギャップ層１７上の固定膜１３には、エアギャップ層１７に通じる複数のアコースティックホール１９が形成されている。ここで、アコースティックホール１９は、振動膜６を振動させる空気の通り穴としての役割を果たす。
支持部１８には、下部電極７のパッド部２０と上部電極１４のパッド部２１が露出するように第１の開口部２２と第２の開口部２３とが設けられており、図示は省略するが、ワイヤボンド接続等を介して外部回路に接続される。
次に、本発明の第１の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の構造について、詳細に説明する。図２は本発明の第１の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の平面構成を示し、図３は本発明の第１の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の断面構成を示している。ここで、図３は図２のIII−III線における断面形状を示している。
図２から分かるように、振動膜６の平面形状は略正六角形であり、拘束部１２の平面形状は略円形である。但し、振動膜の平面形状は、略正六角形だけでなく、略四角形、略六角形等の多角形形状及び略円形状でも構わない。また、拘束部１２の平面形状は、略円形だけでなく、略四角形又は略六角形等の多角形形状でも構わない。また、隣接する拘束部１２の中心間の距離（Ｌ１とする）を符号２４で表し、拘束部１２の直径（Ｌ２とする）を符号２５で表している。
また、図３から分かるように、振動膜６は、ほぼ無応力であるポリシリコン等の導電膜である下部電極７と、その上に形成される−５００ＭＰａ〜−１００ＭＰａの圧縮応力を持つ酸化シリコン等からなる絶縁膜８と、絶縁膜８の側面を含む下面及び上面をそれぞれ覆う、１０００ＭＰａ〜２０００ＭＰａの引張応力を持つ窒化シリコン等からなる絶縁膜９及び１０とから構成されている。ここで、絶縁膜８は、基板除去領域５の内側に設けられている。尚、圧縮応力を持つ絶縁膜８の全てが、基板除去領域５の内側に配置されている必要はない。例えば、絶縁膜８は、少なくとも下部電極７の内側、又は少なくとも拘束部１２よりも内側に配置されていればよい。
−５００ＭＰａ〜−１００ＭＰａの圧縮応力を持つシリコン酸化膜は、例えば、テトラエトキシシランを用いた化学気相堆積（chemical vapor deposition:ＣＶＤ）法により形成することができる。また、シラン系ガスによってＣＶＤ法で形成されるシリコン酸化膜であっても、圧縮応力を持つ絶縁膜であれば、同様の効果を得ることができる。
１０００ＭＰａ〜２０００ＭＰａの引張応力を持つシリコン窒化膜は、例えば、シラン系ガスとアンモニアとを用いたＣＶＤ法により形成することができる。
また、図２及び図３から分かるように、下部電極７、絶縁膜８、絶縁膜９及び絶縁膜１０に加わる応力の向きを矢印で示している。振動膜６は、前述したように、圧縮応力を持つ絶縁膜８と、ほぼ無応力である下部電極７と、引張応力を持つ絶縁膜９及び１０とから構成されている。圧縮応力を持つ絶縁膜８は基板除去領域５の内側に設けられている。一方、引張応力を持つ絶縁膜９及び１０は、振動膜６上のほぼ全面にわたって形成されている。このため、図２及び図３に示すように、エアギャップ層１１上の振動膜６には、拘束部１２からの引張応力が加わることとなる。これは、引張応力を持つ絶縁膜９及び１０の影響の方が、圧縮応力を持つ絶縁膜８の影響よりも大きくなるように、引張応力を持つ絶縁膜の端部（すなわち、振動膜の端部）の内側に圧縮応力を持つ絶縁膜の端が収まるように配置されているからである。
次に、本実施形態における音響トランスデューサの動作について図１を参照しながら説明する。本実施形態における音響トランスデューサにおいて、複数のアコースティックホール１９を通して、振動膜６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６が機械的に上下に振動する。ここで、下部電極７及び上部電極１４をそれぞれ電極とする平行平板型のコンデンサ構造が形成されているために、振動膜６が振動すると下部電極７と上部電極１４との電極間距離が変化し、コンデンサの容量（Ｃａ）が変化する。一方、当該コンデンサに蓄えられる電荷量（Ｑａ）が一定の下では、容量（Ｃa）が変化（以下、容量Ｃａの変化量をΔＣａとする。）すると、（式２）の関係より下部電極７と上部電極１４との間の電圧（Ｖａ）に変化（以下、電圧Ｖａの変化量をΔＶａとする。）が生じる（式３）。
Ｑａ＝Ｃａ×Ｖａ ・・・ （式２）
ΔＶa＝Ｑa／ΔＣａ ・・・ （式３）
すなわち、空気振動が、機械振動を介して電圧変化ΔＶａに変換されることとなる。これが、本実施形態における音響トランスデューサの動作原理である。
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、前述の通り、近似的に（式１）で表される。
Ｓ＝α×Ｃa×Ｖａ×（１／Ｓ0 ） ・・・ （式１）
（式１）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
Ｃa＝ε0×ε×（Ｓdia／ｄ0 ） ・・・ （式４）
を表し、Ｖａはエアギャップ間電圧を表し、Ｓ0 は振動膜スティフネス(動きにくさ)を表している。また、（式４）において、ε0は真空中の誘電率を表わし、εは下部電極７と上部電極１４との電極間の平均比誘電率を表し、Ｓdiaは可動電極面積を表し、ｄ0は電極間距離を表している。
（式１）と（式４）からも分かるように、感度Ｓを低下させることなく可動電極面積Ｓdiaを縮小するには振動膜スティフネスＳ0を低下させることが必要になる。また、振動膜スティフネスＳ0を低下するためには、振動膜を低応力化すると共に、振動膜がシリコン基板１と機構的に連結する拘束部１２の面積を縮小する構造（部分拘束構造）にする必要がある。また、振動膜６の構成材料が決まると、振動膜スティフネスＳ0は、下記（式５）で表される。
Ｓ0 ＝（σ×Ａ)／(６×Ｌ１）＝（σ×６×Ｌ２×Ｔ)／(６×Ｌ１）
＝σ×Ｔ×（Ｌ２／Ｌ１） ・・・ （式５）
（式５）において、σは振動膜６の応力（振動膜６の単位面積当たりに作用する力）、Ａは拘束部１２の上に位置する振動膜６の断面積、Ｌ１は隣接する拘束部１２の中心間の距離、Ｌ２は拘束部１２の直径、Ｔは振動膜６の膜厚である。
ここで、本実施形態の音響トランスデューサの振動膜スティフネスＳ0について、詳しく説明する。
図３に示すように、エアギャップ領域１１上の振動膜６はシリコン基板１から開放された構成、すなわち、シリコン基板１とは接しない構成を採る。また、図２に示すように、エアギャップ層１１上の振動膜６には、拘束部１２からの引張応力が加わることになる。このため、振動膜６とシリコン基板１が接することがない。その結果、シリコン基板１との熱膨張係数の差によって生じる残留応力が振動膜６に作用することがなくなる。すなわち、拘束部１２からの引張応力により、振動膜６とシリコン基板１とが接触するのを防ぐことができる。
一方、引張応力を持つ絶縁膜９、１０の影響が強すぎると、非拘束部（振動膜６とシリコン基板１とが拘束されていない部分）において、振動膜６が跳ね上がる現象が発生する。そこで、振動膜６の跳ね上がりを抑制するために、圧縮応力を持つ絶縁膜８を基板除去領域５の内側に設ける。このようにすると、引張応力を持つ絶縁膜９、１０の影響を、圧縮応力を持つ絶縁膜８の影響により抑制することができる。その結果、非拘束部における振動膜６の跳ね上がりを抑制できるという効果を得る。
以上のように、引張応力を持つ絶縁膜と圧縮応力を持つ絶縁膜とを積層させ、圧縮応力を持つ絶縁膜が引張応力を持つ絶縁膜の内側に位置するように配置することにより、振動膜内の層間応力の差に起因する膜の変形を抑制することができるため、所望の振動スティフネスを得ることができる。
従って、（式５）を参照すると、拘束部１２の直径２５の長さＬ２を隣接する拘束部１２の中心間の距離Ｌ１の例えば５０％に設定した場合に、互いに間隔をおいた複数の拘束部１２を形成せず振動膜６の全周にわたりシリコン基板１に拘束されている場合と比べて、振動膜６の単位長さ当たりの張力Ｓ0 を約５０％の大きさに低減することができる。これは、振動膜６の変形を抑制できているからである。その結果、（式１）及び（式４）より、音響トランスデューサの感度Ｓを低下させることなく可動電極面積Ｓdiaを５０％に縮小することができ、チップサイズの縮小が可能となる。
以上のように、本発明の第１の実施形態に係る音響トランスデューサによると、振動膜が、電極と圧縮応力を持つ絶縁膜とが積層した多層構造を有しており、且つ圧縮応力を持つ絶縁膜が電極の内側に配置されている点に大きな特徴がある。このような構成により、振動膜とシリコン基板を部分的に連結する拘束部とにおいて引張応力が働いた場合にも、非拘束部において、引張応力の影響が強すぎることによる振動膜の跳ね上がりを抑制することができるからである。その結果、振動膜の層間応力の差に起因する膜の変形をさらに抑制することができる。
また、振動膜は、引張応力を持つ絶縁膜をさらに有しており、引張応力を持つ絶縁膜が振動膜の端部にまで形成されていることが好ましい。この構成により、拘束部に引張応力が働きやすくなる。このため、圧縮応力を持つ絶縁膜が電極の内側に配置されていることによる効果がさらに高まるからである。
尚、本実施形態においては、図１〜図３に示すように、下部電極７、引張応力を持つ絶縁膜９、圧縮応力を持つ絶縁膜８及び引張応力を持つ絶縁膜１０の順に積層した振動膜６について説明している。すなわち、圧縮応力を持つ絶縁膜８の直下に引張応力を持つ絶縁膜９が配置されている振動膜６について説明してる。しかし、引張応力を持つ絶縁膜９を、圧縮応力を持つ絶縁膜８の直下に配置するのではなく、引張応力を持つ絶縁膜９を、下部電極７の下面に形成する構成としてもよい。この構成により、下部電極７の面内方向を軸にして、引張応力を持つ絶縁膜９と引張応力を持つ絶縁膜１０とが上下対称の構造となる。このため、振動膜６の層間応力の差に起因する膜の変形をさらに抑制することができる。
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る音響トランスデューサについて、図４〜図６を参照しながら説明する。以下に示す各図、種々の形状、材料及び数値等はいずれも望ましい例を挙げるに過ぎず、示した内容には限定されない。発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、記載内容に限定されることなく適宜変更可能である。さらに加えるならば、本実施形態は、他の実施形態との組み合わせ等も矛盾がない範囲で可能である。なお、ここでは、ＭＥＭＳデバイスの例として、音響トランスデューサを用いて説明するが、ＭＥＭＳデバイス全般に適用できる。
まず、本発明の第２の実施形態に係る音響トランスデューサについて説明する。図４は本発明の第２の実施形態に係る音響トランスデューサの断面図を示している。また、図５は本発明の第２の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の平面構成を示し、図６は本発明の第２の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の断面構成を示している。尚、図６は図５のVI−VI線における断面形状を示している。ここで、第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して、振動膜６の構造が異なる以外は同様の構成となっている。従って、図５及び図６について詳細を説明する。尚、音響トランスデューサの動作及び音響トランスデューサの特性を表す感度の説明については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
図５から分かるように、振動膜６の平面形状は略正六角形であり、拘束部１２の平面形状は略円形である。但し、振動膜６の平面形状は、略正六角形だけでなく、略四角形、略六角形等の多角形形状及び略円形状でも構わない。また、拘束部の平面形状は、略円形だけでなく、略四角形又は略六角形等の多角形形状でも構わない。また、隣接する拘束部１２の中心間の距離（Ｌ１とする）を符号２４で表し、拘束部１２の直径（Ｌ２とする）を符号２５で表している。
また、図６から分かるように、振動膜６は、ほぼ無応力であるポリシリコン等の導電膜である下部電極７と、その下に形成される−５００ＭＰａ〜−１００ＭＰａの圧縮応力を持つ酸化シリコン等からなる絶縁膜８ａと、絶縁膜８ａの下面及び側面をそれぞれ覆う、１０００ＭＰａ〜２０００Ｍｐａの引張応力を持つ窒化シリコン等からなる絶縁膜９ａと、下部電極７の上に形成される−５００ＭＰａ〜−１００ＭＰａの圧縮応力を持つ酸化シリコン等からなる絶縁膜８ｂと、絶縁膜８ｂの上面及び側面をそれぞれ覆う、１０００ＭＰａ〜２０００Ｍｐａの引張応力を持つ窒化シリコン等からなる絶縁膜１０ａとから構成されている。
−５００ＭＰａ〜−１００ＭＰａの圧縮応力を持つシリコン酸化膜は、例えば、テトラエトキシシランを用いたＣＶＤ法により形成することができる。また、シラン系ガスによってＣＶＤ法で形成されるシリコン酸化膜であっても、圧縮応力を持つ絶縁膜であれば、同様の効果を得ることができる。
１０００ＭＰａ〜２０００ＭＰａの引張応力を持つシリコン窒化膜は、例えば、シラン系ガスとアンモニアを用いたＣＶＤ法により形成することができる。
また、図５及び図６から分かるように、下部電極７、絶縁膜８ａ、絶縁膜８ｂ、絶縁膜９ａ及び絶縁膜１０ａに加わる応力の向きを矢印で示している。振動膜６は、圧縮応力を持つ絶縁膜８ａ及び８ｂと、ほぼ無応力である下部電極７と、引張応力を持つ絶縁膜９ａ及び１０ａとから構成されている。圧縮応力を持つ絶縁膜８ａ及び８ｂは基板除去領域５の内側に設けられている。一方、引張応力を持つ絶縁膜９ａ及び１０ａは、振動膜６上のほぼ全面にわたって形成されている。このため、図５及び図６に示すように、エアギャップ層１１上の振動膜６には、拘束部１２からの引張応力が加わることとなる。
さらに、ほぼ無応力の下部電極７の上下に絶縁膜８ａ、絶縁膜８ｂ、絶縁膜９ａ及び絶縁膜１０ａを配置することが好ましい。さらには、絶縁膜８ａの膜厚と絶縁膜８ｂの膜厚とを同等にし、絶縁膜９ａの膜厚と絶縁膜１０ａの膜厚とを同等にすることが好ましい。これは、下部電極７を挟んで振動膜６の断面方向の応力分布を対称にすることが好ましいからである。
ここで、本実施形態の音響トランスデューサの振動膜スティフネスＳ0について、第１の実施形態と同様に、詳しく説明する。
図６に示すように、エアギャップ領域１１上の振動膜６はシリコン基板１から開放された構成、すなわちシリコン基板１とは接しない構成を採る。また、図５に示すように、エアギャップ層１１の上の振動膜６には、拘束部１２からの引張応力が加わることになる。このため、振動膜６とシリコン基板１が接することがない。その結果、シリコン基板１との熱膨張係数の差によって生じる残留応力が振動膜６に作用することがなくなる。すなわち、引張応力を持つ絶縁膜９ａ及び１０ａに起因する拘束部１２からの引張応力により、振動膜６とシリコン基板１とが接触するのを防ぐことができる。
また、本実施形態においては、ほぼ無応力の下部電極７の下面及び上面に、それぞれ絶縁膜８ａ、絶縁膜８ｂを配置している。この構成により、下部電極７を挟み、振動膜６の断面方向の応力分布が対称となり、その結果、振動膜６内の層間応力の差に起因する膜の変形を抑制することができる。
さらに、本実施形態においては、ほぼ無応力の下部電極７の下面及び上面に、それぞれ絶縁膜８ａ及び絶縁膜８ｂと、絶縁膜９ａ及び絶縁膜１０ａとをそれぞれ配置することが好ましい。また、絶縁膜８ａの膜厚と絶縁膜８ｂの膜厚とを同等とし、絶縁膜９ａの膜厚と絶縁膜１０ａの膜厚とを同等とすることが好ましい。この構成により、下部電極７を挟み、振動膜６の断面方向の応力分布が対称となり、その結果、振動膜６内の層間応力の差に起因する膜の変形をさらに抑制することができる。
ここで、引張応力を持つ絶縁膜の影響が強すぎると、非拘束部（振動膜６とシリコン基板１とが拘束されていない部分）において、振動膜６が跳ね上がる現象が発生する。そこで、振動膜６の跳ね上がりを抑制するために、圧縮応力を持つ絶縁膜８ａ及び８ｂが形成されている。こうすることにより、引張応力を持つ絶縁膜９ａ及び１０ａの影響を、圧縮応力を持つ絶縁膜８ａ及び８ｂの影響により抑制することができる。その結果、非拘束部における振動膜６の跳ね上がりを抑制することができる。
従って、第１の実施形態で説明した（式５）を参照すると、拘束部１２の直径２５の長さＬ２を隣接する拘束部１２の中心間の距離Ｌ１の例えば５０％に設定した場合、互いに間隔をおいた複数の拘束部１２を形成せず振動膜６の全周にわたりシリコン基板１に拘束されている場合と比べて、振動膜６の単位長さ当たりの張力Ｓ0 を約５０％の大きさに低減することができる。これは、振動膜６の変形を抑制できているからである。その結果、第１の実施形態で説明した（式１）及び（式４）より、音響トランスデューサの感度Ｓを低下させることなく可動電極面積Ｓdiaを５０％に縮小することができ、チップサイズの縮小が可能となる。
以上のように、本発明の第２の実施形態に係る音響トランスデューサによると、振動膜が、電極と圧縮応力を持つ第１の絶縁膜と圧縮応力を持つ第２の絶縁膜とを積層した多層構造となっている点に大きな特徴がある。すなわち、第１の実施形態と比較すると、圧縮応力を持つ絶縁膜を振動膜内に１層追加している点が異なる。この構成により、振動膜とシリコン基板とを部分的に連結する拘束部において引張応力が働いた場合にも、非拘束部において、引張応力の影響が強すぎることによる振動膜の跳ね上がりをさらに抑制することができる。その結果、振動膜の層間応力の差に起因する膜の変形をさらに抑制することができる。
また、圧縮応力を持つ第１の絶縁膜は、電極の上に形成され、圧縮応力を持つ第２の絶縁膜は、電極の下に形成されていることが好ましい。このように配置することにより、電極を挟んで振動膜の断面方向の応力分布を対称にしやすくなるからである。このため、上記効果をさらに得やすくなる。
また、振動膜は、引張応力を持つ絶縁膜を２層有しており、引張応力を持つ第１の絶縁膜は、圧縮応力を持つ第１の絶縁膜の上に形成されており、引張応力を持つ第２の絶縁膜は、圧縮応力を持つ第２の絶縁膜の下に形成されていることが好ましい。このような構成により、拘束部に引張応力がより働きやすくなる。このため、圧縮応力を持つ絶縁膜が電極の内側に配置されていることによる効果がさらに高まる。また、電極を挟んで振動膜の断面方向の応力分布を対称にしやすくなる。
（第２の実施形態の製造方法）
以下に、第２の実施形態に係る音響トランスデューサであって、ＭＥＭＳマイクの製造方法の一例を説明する。なお、図４に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付しているが、本構成部材に限定されることはない。あくまで本実施形態に記載の部材は例示に過ぎない。
まず、図７（ａ）に示すように、熱酸化法又はＣＶＤ法により、ウェハ状のシリコン基板１の上に第１のシリコン酸化膜２を形成する。続いて、リソグラフィ法及びエッチング法により、第１のシリコン酸化膜２に対して、後工程で形成される基板除去領域５と対応する領域に開口部を選択的に形成する。
次に、図７（ｂ）に示すように、シリコン基板１の上に、第１のシリコン酸化膜２の開口部を覆うように、不純物、例えばリンをドープしたポリシリコンからなる第１の犠牲層２７を形成する。
次に、図８（ａ）に示すように、ＣＶＤ法により、第１の犠牲層２７及び第１のシリコン酸化膜２の上に、第２のシリコン酸化膜３を形成する。ここで、第１のシリコン酸化膜２及び第２のシリコン酸化膜３の一部が後工程で形成される拘束部１２となる。続いて、第２のシリコン酸化膜３にヒンジ溝を形成する。このヒンジ溝は、最終的に振動膜のヒンジ部として残存する。ここで、ヒンジ部とは、振動膜を上面から見た場合に、該振動膜の外縁部に複数形成されるものであり、断面で見た場合には、凹凸の繰り返し形状となる。ヒンジ部により、例えば振動膜を構成する膜の応力を調整して、該振動膜の振動特性を向上することができる。
次に、図８（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法により、第２のシリコン酸化膜３の上に、シリコン窒化膜９ａを形成する。続いて、シリコン窒化膜９ａの上にシリコン酸化膜（ＴＥＯＳ：Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate）膜）８ａを形成する。その後、シリコン酸化膜８ａに対して基板除去領域５に相当する部分を残すようにパターニングする。
次に、図９（ａ）に示すように、ＣＶＤ法により、シリコン酸化膜８ａを含めシリコン窒化膜９ａの上に、下部電極となる、不純物、例えばリンをドープした第１のポリシリコン膜７Ａを形成する。続いて、ＣＶＤ法により、第１のポリシリコン膜７Ａの上に、シリコン酸化膜８ｂを形成する。その後、シリコン酸化膜８ｂに対して、シリコン酸化膜８ａと対応する部分を残すようにパターニングする。
次に、図９（ｂ）に示すように、第１のポリシリコン膜７Ａ及びシリコン窒化膜９ａに対して、振動膜を構成する部分を残すようにパターニングすることにより、第１のポリシリコン膜７Ａから下部電極７を形成する。
次に、図１０（ａ）に示すように、ＣＶＤ法により、第２のシリコン酸化膜３、下部電極膜７及びシリコン酸化膜８ｂの上に、シリコン窒化膜１０ａを形成する。その後、形成したシリコン窒化膜１０ａに対して、振動膜の一部として残す部分と、他の必要部分を残すようにパターニングする。これにより、下部電極７の上面及び下面が共にシリコン酸化膜８ａ、８ｂとシリコン窒化膜９ａ、１０ｂとに挟まれてなる振動膜６が形成される。
次に、図１０（ｂ）に示すように、シリコン基板１上の全面に、酸化シリコンからなる第２の犠牲層１８Ａを形成し、さらに、形成された第２の犠牲層１８Ａに対して、後工程で形成される、スティッキングを防止するためのストッパ部及びパッド部２０、２１と対応する部分に溝部を形成する。ストッパ部とは、後工程で形成される振動膜と固定膜との吸着（スティッキング）を防ぐために、振動膜側に突き出るように固定膜に形成される凸部である。
次に、図１１（ａ）に示すように、第２の犠牲層１８Ａに対して、後工程で形成される、パッド部２０、２１と対応する部分を開口する。
次に、図１１（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法により、シリコン基板１上の全面に、シリコン窒化膜１５及び不純物、例えばリンをドープした第２のポリシリコン膜１４Ａを順次形成する。その後、形成されたシリコン窒化膜１５及び第２のポリシリコン膜１４Ａに対して、後工程で形成されるアコースティックホール１９に対応する部分に複数の開口部を形成する。
次に、図１２（ａ）に示すように、ＣＶＤ法により、シリコン基板１上の全面に、シリコン窒化膜１６を形成する。その後、形成されたシリコン窒化膜１６に対して、後工程で形成されるアコースティックホール１９に対応する部分に開口部を形成する。これにより、ポリシリコンからなる上部電極１４がその上面及び下面を絶縁膜（シリコン窒化膜）１５、１６に挟まれてなる固定膜１３が形成される。
次に、図１２（ｂ）に示すように、シリコン基板１上の全面に、酸化シリコンからなる第１の保護膜２９を形成し、シリコン基板１の裏面の全面にも、酸化シリコンからなる第２の保護膜３０を形成する。続いて、第２の保護膜における基板除去領域５を選択的にエッチングして、開口パターンを形成する。その後、各保護膜２９、３０をマスクとして、シリコン基板１を貫通するように裏面からエッチングすることにより、シリコン基板１に基板除去領域５を形成する。その際、基板除去領域５の直上に形成されていた第１の犠牲層２７も除去される。
次に、図１３に示すように、基板除去領域５が形成されたシリコン基板１に対してウェットエッチングを行う。すなわち、第１の保護膜２９及び第２の保護膜３０が除去されると共に、固定膜１３に形成された複数のアコースティックホール１９からエッチングを施し、第２の犠牲層１８Ａが除去される。さらには、第１のシリコン酸化膜２、第２のシリコン酸化膜３における振動膜６の下側部分を、複数の拘束部１２を残すように除去する。その後、振動膜６と固定膜１３との貼り付き、いわゆるスティッキングを防止するために、乾燥時の液体表面張力の影響がない超臨界乾燥を行う。
以上のようにして、第２の実施形態に係るＭＥＭＳマイクを形成することができる。すなわち、シリコン窒化膜９ａ、シリコン酸化膜８ａ、ポリシリコンからなる下部電極７、シリコン酸化膜８ｂ及びシリコン窒化膜１０ａにより構成された振動膜６が形成される。また、シリコン窒化膜１５、ポリシリコンからなる上部電極１４及びシリコン窒化膜１６により構成された固定膜１３が形成される。
また、固定膜１３と振動膜６との間には、第２の犠牲層１８Ａが除去されてなるエアギャップ層１７が形成される。また、第２の犠牲層１８Ａの残存部分は固定膜１３を支持する支持部１８となる。
（第２の実施形態の一変形例）
以下、本発明の第２の実施形態の一変形例に係る音響トランスデューサについて、図１４〜図１６を参照しながら説明する。
図１４は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る音響トランスデューサの断面図を示している。また、図１５は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る音響トランスデューサの振動膜の平面構成を示し、図１６は本発明の第２の実施形態の一変形例に係る音響トランスデューサの振動膜の断面構成を示している。尚、図１６は図１５のXVI−XVI線における断面形状を示している。
ここで、第２の実施形態の一変形例は、第２の実施形態と比較して、振動膜とシリコン基板を機構的に連結する拘束部の構造が異なる以外は同様の構成である。すなわち、本変形例においては、振動膜における周縁部分とシリコン基板を部分的に拘束するのではなく、ほぼ全面的に拘束している。この構成を採った場合には、非拘束部の面積が小さいことから、振動膜が跳ね上がる現象が起きにくくなる。しかしながら、振動膜の変形を抑制することによって、感度特性の変動を低減する必要がある。この場合には、振動膜６の構成を、ほぼ無応力である下部電極７の上下に、絶縁膜８ｂ及び１０ａと絶縁膜８ａ及び９ａとを配置することにより、振動膜６の断面方向の応力分布を対称にしやすくなる。その結果、振動膜６内の層間応力の差に起因する膜の変形を抑制しやすくなる。また、絶縁膜８ａの膜厚と絶縁膜８ｂの膜厚とを同等とし、さらに、絶縁膜９ａの膜厚と絶縁膜１０ａの膜厚とを同等とすることにより、下部電極７を挟み、振動膜６の断面方向の応力分布を対称とすれば、振動膜６内の層間応力の差に起因する膜の変形をさらに抑制することができる。このように、積層構造からなる振動膜６内の応力分布を対称とすることは、振動膜６内の層間応力の差に起因する膜の変形を抑制することにつながる。従って、上下の電極間の距離ｄ0、すなわちエアギャップ容量Ｃaの変動を抑制して、所望の感度特性を得ることができる。
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る音響トランスデューサについて、図１７〜図１９を参照しながら説明する。以下に示す各図、種々の形状、材料及び数値等はいずれも望ましい例を挙げるに過ぎず、示した内容には限定されない。発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、記載内容に限定されることなく適宜変更可能である。さらに加えるならば、本実施形態は、他の実施形態との組み合わせ等も矛盾がない範囲で可能である。なお、ここでは、ＭＥＭＳデバイスの例として、音響トランスデューサを用いて説明するが、ＭＥＭＳデバイス全般に適用できる。
図１７は本発明の第３の実施形態に係る音響トランスデューサの断面図を示している。また、図１８は本発明の第３の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の平面構成を示し、図１９は本発明の第３の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の断面構成を示している。尚、図１９は図１８のXIX−XIX線における断面形状を示している。ここで、第３の実施形態は、第１の実施形態及び第２の実施形態と比較して、振動膜に形成されている引張応力を持つシリコン窒化膜等の絶縁膜１０ａの平面形状が異なる以外は同様の構成となっている。従って、図１８及び図１９について、第１の実施形態と第２の実施形態と相違する部分を詳細に説明する。尚、音響トランスデューサの動作及び音響トランスデューサの特性を表す感度の説明については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。また、図１７〜図１９は、図４〜６に示した振動膜を変形した構成を表しているが、図１〜３に示した振動膜の構成を変えてもよい。
図１８及び図１９から分かるように、第３の実施形態においては、第１及び第２の実施形態と同様に、シリコン基板１に対して拘束部１２により部分的に連結された振動膜６を有している。さらに、振動膜６を構成する下部電極７の上に形成された引張応力を持つシリコン窒化膜等の絶縁膜１０ａには、拘束部１２及びその近傍が選択的に除去された領域２６が設けられている。言い換えれば、下部電極７の上に形成された引張応力を持つ絶縁膜１０ａは、拘束部１２の周辺部以外の部分に形成されている。
第３の実施形態に係る音響トランスデューサは、上記の構成により、第１及び第２の実施形態に係る音響トランスデューサと比較して以下のような効果を期待できる。すなわち、拘束部１２は、部分的に振動膜６と連結されているため、応力集中が起きやすい構造を持つ。そこで、第３の実施形態のように、拘束部１２及びその近傍を選択的に除去した領域２６を設けることにより、拘束部１２における応力集中を緩和することができる。その結果、振動膜６の破壊耐量が増加して、加工歩留まりを向上することが可能となる。
尚、図１７〜図１９には記していないが、下部電極７の下に形成された引張応力を持つ絶縁膜９ａにおいて、拘束部１２及びその近傍が選択的に除去された領域を設けても同様の効果を得ることができる。また、下部電極７の上面及び下面に形成された引張応力を持つ絶縁膜１０ａ、９ａの両者において、拘束部１２及びその近傍を選択的に除去した領域を設けることにより、さらに、振動膜６の破壊耐量が増大するという効果を得ることができる。
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態に係る音響トランスデューサについて、図２０〜図２２を参照しながら説明する。以下に示す各図、種々の形状、材料及び数値等はいずれも望ましい例を挙げるに過ぎず、示した内容には限定されない。発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、記載内容に限定されることなく適宜変更可能である。さらに加えるならば、本実施形態は、他の実施形態との組み合わせ等も矛盾がない範囲で可能である。なお、ここでは、ＭＥＭＳデバイスの例として、音響トランスデューサを用いて説明するが、ＭＥＭＳデバイス全般に適用できる。
図２０は本発明の第４の実施形態に係る音響トランスデューサの断面図を示している。また、図２１は本発明の第４の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の平面構成を示し、図２２は本発明の第４の実施形態に係る音響トランスデューサの振動膜の断面構成を示している。尚、図２２は図２１のXXII−XXII線における断面形状を示している。ここで、第４の実施形態は、第１の実施形態及び第２の実施形態と比較して、振動膜６に形成されている圧縮応力を持つシリコン酸化膜等の絶縁膜８ｃの形状が異なる以外は同様の構成となっている。従って、図２２及び図２１について、第１の実施形態と第２の実施形態と相違する部分を詳細に説明する。尚、音響トランスデューサの動作及び音響トランスデューサの特性を表す感度の説明については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。また、図２０〜図２２は、図１〜３に示した振動膜を変形した構成を表しているが、図４〜６に示した振動膜の構成を変えてもよい。
図２１及び図２２から分かるように、本実施形態においては、第１及び第２の実施形態と同様に、シリコン基板１に対して拘束部１２により部分的に連結された振動膜６を有している。下部電極７の上に形成され、振動膜６を構成する圧縮応力を持つ酸化シリコン等からなる絶縁膜８ｃには、互いに略直線的に交差する複数の溝部が形成されている。圧縮応力を持つ絶縁膜８ｃは、これら複数の溝部によって複数の部分に分離された構造を採る。言い換えれば、圧縮応力を持つ絶縁膜８ｃは、複数の溝部により島状にパターン化された平面形状を有している。
第４の実施形態に係る音響トランスデューサによると、上記の構成により、第１及び第２の実施形態に係る音響トランスデューサと比較して以下のような効果を期待できる。すなわち、圧縮応力を持つ絶縁膜８ｃは、下部電極７の内側に配置されており、振動膜６の中心部に集中するように配置されている。このため、振動膜６の中心部に部分的に応力集中が起きやすい構造を持つ。従って、振動膜６の中心部への圧縮応力が強い場合には、振動膜６の中心部が上方に跳ね上がるおそれがある。そこで、第４の実施形態のように、圧縮応力を持つ絶縁膜８ｃを複数の溝部によって複数の部分に分離する構造とすることにより、振動膜６の中心部への応力集中を抑制することができる。これにより、振動膜６の中心部が上方に跳ね上がることを抑制できる。このため、振動膜６の層間応力の差に起因する膜の変形をさらに抑制することができる。
尚、図２０〜図２２には記していないが、下部電極７の下側に圧縮応力を持つ絶縁膜を形成した場合には、該下部電極７の下側に形成された圧縮応力を持つ絶縁膜に対しても、複数の溝部によって複数の部分に分離する構造としてもよい。このようにしても、同様の効果を得ることができる。また、下部電極７の上面及び下面に形成された２つの圧縮応力を持つ絶縁膜の両者に対しても、複数の溝部によって複数の部分に分離する構造としてもよい。
ここで、全ての実施形態において説明しているＭＥＭＳデバイスについて説明する。ＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor ）用の製造プロセス技術等を用いて多数のチップが同時に製造された基板（ウェハ）をチップに分割することにより、容量型のコンデンサマイクロホン又は圧力センサ等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デバイスと称している。
本発明に係る音響トランスデューサ等のＭＥＭＳデバイスは、多層構造の低応力振動膜の応力分布を制御して振動膜の変形を抑制することにより、所望の特性を得ることができ、また、振動膜、すなわち可動電極面積の縮小が可能となり、多層膜構造の振動膜を有するＭＥＭＳデバイス等に有用である。
１ シリコン基板
２ 第１のシリコン酸化膜
３ 第２のシリコン酸化膜
４ シリコン基板の周辺部
５ 基板除去領域
６ 振動膜
７ 下部電極
７Ａ 第１のポリシリコン膜
８ 圧縮応力を持つ絶縁膜
８ａ 圧縮応力を持つ絶縁膜（シリコン酸化膜）
８ｂ 圧縮応力を持つ絶縁膜（シリコン酸化膜）
８ｃ 圧縮応力を持つ絶縁膜
９ 引張応力を持つ絶縁膜
９ａ 引張応力を持つ絶縁膜（シリコン窒化膜）
１０ 引張応力を持つ絶縁膜
１０ａ 引張応力を持つ絶縁膜（シリコン窒化膜）
１１ エアギャップ層
１２ 拘束部
１３ 固定膜
１４ 上部電極
１４Ａ 第２のポリシリコン膜
１５ 絶縁膜（シリコン窒化膜）
１６ 絶縁膜（シリコン窒化膜）
１７ エアギャップ層
１８ 支持部
１８Ａ 第２の犠牲層
１９ アコースティックホール
２０ 下部電極のパッド部
２１ 上部電極のパッド部
２２ 第１の開口部
２３ 第２の開口部
２４ 隣接拘束部間の距離
２５ 拘束部の直径
２６ 拘束部及びその近傍の絶縁膜除去領域
２７ 第１の犠牲層
２９ 第１の保護膜
３０ 第２の保護膜

Claims (13)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板の上に拘束部を介して設けられ、第１の電極を有する振動膜と、
    前記半導体基板の上に支持部を介して前記振動膜を覆うように設けられ、第２の電極を有する固定膜とを備え、
    前記振動膜と前記固定膜とは、互いに対向した領域に形成される間隙よりなるエアギャップ層を有しており、
    前記拘束部は、前記半導体基板と前記振動膜との間を部分的に連結し、
    前記振動膜は、前記第１の電極と圧縮応力を持つ第１の絶縁膜とが積層されてなる多層構造を有し、
    前記第１の絶縁膜は、前記第１の電極の周囲から内側に配置されているＭＥＭＳデバイス。
  2. 請求項１において、
    前記振動膜は、引張応力を持つ第２の絶縁膜及び引張応力を持つ第３の絶縁膜を有しており、
    前記第２の絶縁膜は、前記第１の絶縁膜の上に形成され、
    前記第３の絶縁膜は、前記第１の絶縁膜の下に形成されているＭＥＭＳデバイス。
  3. 請求項２において、
    前記第２の絶縁膜及び前記第３の絶縁膜の少なくとも一方は、前記拘束部の周辺部を除く領域に形成されているＭＥＭＳデバイス。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項において、
    前記第１の絶縁膜には、互いに交差する複数の溝部が形成され、
    前記第１の絶縁膜は、前記溝部によって複数の部分に分離されているＭＥＭＳデバイス。
  5. 請求項２〜４のいずれか１項において、
    前記第２の絶縁膜及び前記第３の絶縁膜は、シリコン窒化膜であるＭＥＭＳデバイス。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項において、
    前記第１の絶縁膜は、シリコン酸化膜であるＭＥＭＳデバイス。
  7. 半導体基板と、
    前記半導体基板の上に拘束部を介して設けられ、第１の電極を有する振動膜と、
    前記半導体基板の上に支持部を介して前記振動膜を覆うように設けられ、第２の電極を有する固定膜とを備え、
    前記振動膜と前記固定膜とは、互いに対向した領域に形成される間隙よりなるエアギャップ層を有しており、
    前記拘束部は、前記半導体基板と前記振動膜との間を部分的に連結し、
    前記振動膜は、前記第１の電極、圧縮応力を持つ第１の絶縁膜及び圧縮応力を持つ第２の絶縁膜が積層されてなる多層構造を有し、
    前記第１の絶縁膜は、前記第１の電極の上に形成され、
    前記第２の絶縁膜は、前記第１の電極の下に形成されているＭＥＭＳデバイス。
  8. 請求項７において、
    前記振動膜は、引張応力を持つ第３の絶縁膜及び引張応力を持つ第４の絶縁膜を有しており、
    前記第３の絶縁膜は、前記第１の絶縁膜の上に形成され、
    前記第４の絶縁膜は、前記第２の絶縁膜の下に形成されている記載のＭＥＭＳデバイス。
  9. 請求項８において、
    前記第３の絶縁膜及び前記第４の絶縁膜の少なくとも一方は、前記拘束部の周辺部を除く領域に形成されているＭＥＭＳデバイス。
  10. 請求項７〜９のいずれか１項において、
    前記第１の絶縁膜には、互いに交差する複数の溝部が形成され、
    前記第１の絶縁膜は、前記溝部によって複数の部分に分離されているＭＥＭＳデバイス。
  11. 請求項７〜９のいずれか１項において、
    前記第２の絶縁膜には、互いに交差する複数の溝部が形成され、
    前記第２の絶縁膜は、前記溝部によって複数の部分に分離されているＭＥＭＳデバイス。
  12. 請求項８〜１１のいずれか１項において、
    前記第３の絶縁膜及び前記第４の絶縁膜は、シリコン窒化膜であるＭＥＭＳデバイス。
  13. 請求項７〜１２のいずれか１項において、
    前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜は、シリコン酸化膜であるＭＥＭＳデバイス。
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