WO2005050680A1 - エレクトレット及びエレクトレットコンデンサー - Google Patents

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WO2005050680A1
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electret
silicon oxide
electrode
oxide film
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Tohru Yamaoka
Hiroshi Ogura
Yuichi Miyoshi
Tomoyuki Sasaki
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to an electret capacitor having a vibrating electrode and a fixed electrode, and in particular to an electret capacitor formed using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the film forming chamber 1 is not exposed to the atmosphere without containing water. Further, the silicon oxide film is heat-treated at 200 ° C. to 400 ° C. in an atmosphere containing oxygen, and then the silicon oxide film is charged.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-33241
  • an object of the present invention to provide an electret capacitor application element such as an ECM (electret condenser microphone) having a structure excellent in moisture resistance.
  • Another object of the present invention is to provide a small ECM which does not require a charge supply circuit by fabricating an ECM composed of electrets having permanent charges by the MEMS technology.
  • the electret according to the present invention comprises a charged silicon oxide film and an insulating film formed to cover the silicon oxide film.
  • a first electrode having a through hole and a second electrode disposed with an air gap interposed between the first electrode and the first electrode. And an electret formed of a charged silicon oxide film formed on the surface facing the first electrode of the second electrode, and an insulating film is formed to cover the silicon oxide film.
  • the second electret capacitor according to the present invention is disposed with the air gap interposed between the fixed film having the first electrode and having the first through hole formed therein, and the fixed film. And an electret formed of a charged silicon oxide film formed on the surface of the second electrode facing the fixed film, and an insulating film is formed to cover the silicon oxide film. It is being done.
  • a semiconductor substrate having a region removed so as to leave a peripheral portion, and a vibrating film formed on the semiconductor substrate so as to cover the region.
  • the vibrating film has a laminated structure of an extralet, an electrode film, a first insulating film, and a second insulating film, and the electret is covered with the first insulating film and the second insulating film.
  • the surface of the charged silicon oxide film that is, the upper surface, the lower surface and the side surface can be protected by the insulating film.
  • the silicon oxide film is covered with an insulating film so that the surface of the silicon oxide film, which is a material in which the adsorption of moisture in the atmosphere is remarkable, is not exposed to the atmosphere.
  • the insulating film may not directly cover the surface of the charged silicon dioxide film (electret), for example, the upper surface or the lower surface.
  • an electrode may be interposed between the lower surface of the silicon oxide film and the insulating film.
  • the moisture resistance of the insulating film covering the charged silicon oxide film is preferably higher than that of the silicon oxide film. That is, the moisture resistance of the silicon oxide film covered with the insulating film (predetermined humidity state, for example, the resistance to charge loss in the moisture resistance test) is not covered by the insulating film V, the silicon oxide film. Higher than moisture resistance.
  • a silicon nitride film can be used as the insulating film, which has higher moisture resistance than a silicon oxide film.
  • an electret condenser application element such as ECM having an electret structure excellent in moisture resistance. Also, by manufacturing such an ECM by MEMS technology, it is possible to provide a small ECM which does not require a charge supply circuit. That is, according to the present invention, it is possible to realize a reliable, compact, high-performance microphone. Furthermore, it becomes possible to widely supply various application devices equipped with the microphone to the society.
  • FIG. 1 (a) and 1 (b) are block diagrams of an ECM according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1 (a) is a plan view of the ECM, and FIG. ) Is a cross-sectional view of the ECM.
  • FIG. 2 is a circuit block diagram of an ECM according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an electret capacitor constituting an ECM according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an electret condenser constituting an ECM according to an embodiment of the present invention It is a top view of the lower electrode and lead-out wiring of the
  • FIG. 5 is a plan view of a silicon nitride film in a fixed film of an electret capacitor constituting an ECM according to an embodiment of the present invention.
  • ECM which is an element to which the electret capacitor of the present embodiment is applied.
  • FIGS. 1 (a) and 1 (b) are block diagrams of the ECM of this embodiment, FIG. 1 (a) is a plan view of the ECM, and FIG. 1 (b) is a cross-sectional view of the ECM. It is.
  • the ECM includes a microphone 18, an SMD (surface mount component) 19 such as a capacitor, and an FET (field effect type transition) on a printed circuit board 21.
  • the star unit 20 is configured to be mounted.
  • the printed circuit board 21 on which the microphone unit 18, the SMD 19 and the FET unit 20 are mounted is protected by a case 22 as shown in FIG. 1 (a). There is.
  • FIG. 2 is a circuit block diagram of an ECM of the present embodiment.
  • the internal circuit 23 of the ECM of this embodiment is composed of a microphone unit 18, an SMD 19 and an FET unit 20, which are electret capacitors of this embodiment described later. Further, signals are output from the output terminal 24 and the output terminal 25 of the internal circuit 23 to the external terminal 26 and the external terminal 27.
  • signals are output from the output terminal 24 and the output terminal 25 of the internal circuit 23 to the external terminal 26 and the external terminal 27.
  • the signal is connected to the terminal 29 connected to the external terminal 26 via a capacitor.
  • Have an alternating voltage of several tens of millivolts Signal is output.
  • Each of the external terminal 27 and the terminal 30 connected thereto is connected to an output terminal 25 which is a GND terminal in the ECM internal circuit 23.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the electret condenser of the present embodiment.
  • the electret capacitor 1 of the present embodiment covers the membrane area 113 on the semiconductor substrate 101 having the area (hereinafter referred to as the membrane area 113) removed so as to leave the peripheral portion. It has a parallel plate capacitor structure in which the vibrating film 112 thus formed and the fixed film 110 disposed with the air gap 109 interposed between the vibrating film 112 are electrodes.
  • the vibrating film 112 has a lower electrode 104 and the fixed film 110 has a conductive film (upper electrode) 118.
  • the diaphragm 112 when the diaphragm 112 receives a sound pressure from above through the plurality of acoustic holes 111 and the air gap 109 provided in the fixed film 110, the diaphragm vibrates according to the sound pressure.
  • the membrane 112 vibrates up and down mechanically.
  • the distance (inter-electrode distance) between the vibrating membrane 112 (that is, the lower electrode 104) and the fixed membrane 110 changes, thereby changing the capacity (C) of the capacitor.
  • the charge (Q) stored in the capacitor is constant
  • the capacitance (C) of the capacitor changes
  • the voltage (V) between the lower electrode 104 and the fixed film 110 changes. The reason is that it is necessary to physically satisfy the condition of the following formula (1).
  • the gate potential of the FET unit 20 changes due to the vibration of the vibrating film 112. Also, the change in the gate potential of the FET unit 20 is output to the external output terminal 29 as a voltage change.
  • the detailed configuration of the electret condenser of the present embodiment is as follows.
  • the silicon oxide film 102 is formed on the semiconductor substrate 101 on which the electret capacitor of the present embodiment is mounted, and the semiconductor substrate 101 and the silicon oxide film 102 are formed.
  • the membrane region 113 is formed by partially removing each of the rims so that each peripheral edge remains. That is, in the membrane region 113, the semiconductor substrate 101 is to be vibrated in order to allow the vibrating membrane 112 to vibrate under the pressure of the external force. It is an area that has been partially removed to leave the periphery.
  • a silicon nitride film 103 is formed on the silicon oxide film 102 so as to cover the membrane region 113.
  • the lower electrode 104 and the lead-out wiring 115 made of the same conductive film are formed on the silicon nitride film 103 covering the membrane area 113 and the area near the membrane area 113 (a part of the outer area of the membrane area 113), and the lead wire 115 is a silicon nitride film outside the membrane area 113. It is formed on the membrane 103 to be connected to the lower electrode 104 !.
  • a silicon oxide film 105 and a silicon nitride film 106 are sequentially formed on the silicon nitride film 103, the lower electrode 104 and the lead-out wiring 115.
  • a vibrating film 112 is formed by the silicon nitride film 103, the lower electrode 104 made of a conductive film, the silicon oxide film 105, and the silicon nitride film 106 located in the membrane region 113. Further, in the vibrating film 112, a plurality of leak holes 107 connected to the air gap 109 are formed.
  • the silicon nitride film 103 and the silicon nitride film 106 are formed to cover the entire surface of the lower electrode 104 including the inner wall surface of the leak hole 107 and the silicon oxide film 105.
  • the silicon oxide film 105 is an electret film storing charges. Specifically, by exposing the silicon oxide film 105 during corona discharge or plasma discharge, charges are injected into the silicon oxide film 105, whereby the silicon oxide film 105 is electretized. Can be formed. At this time, the silicon oxide film 105 may be exposed to corona discharge or plasma discharge, or may be covered with the silicon nitride film 103 and the silicon nitride film 106.
  • the conductive film 118 covered by the lower silicon nitride film 114 and the upper silicon nitride film 119 is provided above the vibrating film 112, ie, above the silicon nitride film 106.
  • the fixed film 110 is provided.
  • the air gap 109 is formed between the vibrating membrane 112 and the fixed membrane 110 in the membrane area 113 and the area near the membrane area 113 (a part of the outer area of the membrane area 113)
  • a silicon oxide film 108 is formed between the silicon nitride film 106 or the silicon oxide film 102 and the fixed film 110. That is, the air gap 109 is formed on an area including at least the entire membrane area 113, and the fixed film 110 is formed on the vibrating film 112.
  • a plurality of acoustic holes 111 connected to the air gap 109 are formed. Further, an opening 116 is provided in the fixed film 110 including the silicon nitride film 114 and the silicon oxide film 108 so as to partially expose the lead wire 115.
  • the lower electrode 104 is electrically connected to the gate of the FET unit 20 shown in FIG. 2 through the lead wire 115.
  • the silicon nitride film 119 constituting the fixed film 110 is provided with the opening 117 and the conductive film 118 constituting the fixed film 110 is exposed at the opening 117, whereby the relevant film is concerned.
  • the conductive film 118 is electrically connected to the GND terminal 25 of FIG.
  • FIG. 4 is a plan view of the lower electrode 104 and the lead-out wiring 115 of the electret capacitor of the present embodiment.
  • the lower electrode 104 and the lead wire 115 are made of the same conductive film.
  • the lower electrode 104 is formed inside the membrane region 113, and a plurality of leak holes 107 are formed in the peripheral portion of the lower electrode 104. Then, a lead wire 115 is formed to electrically connect the lower electrode 104 to the outside.
  • the reason why the lower electrode 104 is formed in the inner portion of the lower electrode 104 will be described below.
  • the capacitance of the capacitor in the ECM is determined by the capacitance component that changes due to the vibration of the vibrating membrane and the capacitance component that does not change due to the vibration of the vibrating membrane.
  • the capacitance component which does not change due to the vibration of the vibrating film is increased, which largely affects the performance of the ECM.
  • the lower electrode 104 of the electret capacitor is provided inside the membrane area 113.
  • the large area metal oxide semiconductor (MOS) capacitance consisting of the lower electrode 104, the silicon oxide film 102 and the semiconductor substrate 101 is eliminated.
  • the parasitic capacitance can be made to be only a small-area MOS capacitance composed of the lead-out line 115, the silicon oxide film 102 and the semiconductor substrate 101. Therefore, since it is possible to prevent an increase in the invariable capacitance component (parasitic capacitance) in the capacitor, a compact and high performance electret capacitor can be realized.
  • components of the vibrating film 112 that is, the silicon nitride film 103, the lower electrode 104 made of a conductive film, the silicon oxide film 105, and the silicon nitride film 106, the membrane region A silicon nitride film 103, a silicon oxide film 105 and a silicon nitride film 106 which are formed so as to cover 113 are formed so as to overlap with the semiconductor substrate 101.
  • the ends of the silicon nitride film 103, the silicon oxide film 105 and the silicon nitride film 106 are located on the semiconductor substrate 101.
  • the lower electrode 104 of the vibrating film 112 made of a conductive film is formed inside the membrane region 113 so as not to overlap with the semiconductor substrate 101.
  • the end of the lower electrode 104 is located inside the membrane region 113.
  • the resonance frequency characteristics of the vibrating film 112 can be controlled by adjusting the film thicknesses of the silicon nitride film 103, the silicon oxide film 105, and the silicon nitride film 106. That is, it is possible to facilitate control of the changing capacity component under the pressure of external force in the capacitor, thereby realizing a compact and highly sensitive electret capacitor.
  • the silicon nitride film 103 and the silicon nitride film 106 are formed to cover the lower electrode 104 and the silicon oxide film 105.
  • the charge of the electret is greatly reduced.
  • at least the surface (upper surface, lower surface, and side surface) of the silicon oxide film 105 which is the electret is formed of the silicon nitride film 103 and the silicon nitride film 106 in order to suppress the reduction of the electret charge. Covering.
  • the inner wall surface of the leak hole 107 is also completely covered with the silicon nitride film 106 so that the silicon oxide film (electret) 105 is not exposed in the leak hole 107 formed in the vibrating film 112.
  • an electret condenser having an electret excellent in moisture resistance and heat resistance can be realized.
  • FIG. 5 is a plan view of the silicon nitride film 114 that constitutes the fixed film 110 of the electret capacitor of the present embodiment.
  • a plurality of acoustic holes 111 are formed in the fixed film 110 formed above the semiconductor substrate 101 including the membrane region 113.
  • Each acoustic hole 111 is disposed in the membrane area 113 and its adjacent area (a part of the outer area of the membrane area 113).
  • the operation of the electret condenser of the present embodiment will be described below.
  • the vibrating membrane 112 receives an upward force also through the acoustic hole 111 and the air gap 109, the vibrating membrane 112 is mechanically operated according to the sound pressure.
  • the electret capacitor of the present embodiment has a parallel plate type capacitor structure in which the lower electrode 104 forming the vibrating film 112 and the conductive film 118 forming the fixed film 110 are electrodes. Therefore, when the vibrating membrane 112 vibrates, the inter-electrode distance between the lower electrode 104 and the conductive film 118 changes, thereby changing the capacity (C) of the capacitor.
  • C capacity
  • the charge (Q) stored in the capacitor is constant
  • the capacitance (C) of the capacitor changes, the voltage (V) between the lower electrode 104 and the fixed film 110 (conductive film 118) changes. It occurs. The reason is that it is necessary to physically satisfy the condition of the following formula (1).
  • the lower electrode 104 is electrically connected to the gate of the FET portion 20 in FIG.
  • the gate potential of section 20 changes.
  • the gate potential of the FET unit 20 changes due to the vibration of the vibrating film 112, and the change of the gate potential of the FET unit 20 is output as the voltage change to the external output terminal 29 in FIG.
  • the charged silicon oxide film 105 can be protected by the silicon nitride film 103 and the silicon nitride film 106. That is, the surface of the silicon oxide film 105 is silicon nitride film 103 and silicon nitride film so that the silicon oxide film 105, which is a material in which the adsorption of moisture in the atmosphere is remarkable, is not exposed to the atmosphere.
  • the film 106 By covering with the film 106, it is possible to suppress a decrease in the charge amount of the silicon oxide film 105. Thereby, the temporal reliability of the electret can be improved. Therefore, an electret condenser such as ECM having an electret structure excellent in moisture resistance can be provided.
  • ECM electret condenser
  • the present embodiment it is possible to realize a highly reliable, small and high-performance microphone. Furthermore, to widely supply various applied devices equipped with the microphone to the society It becomes possible.
  • the lower surface of the charged silicon oxide film 105 is covered with the silicon nitride film 103 via the lower electrode 104 in the present embodiment, the lower surface of the silicon oxide film 105 is directly silicon nitride film. Cover by.
  • the surface of the charged silicon oxide film 105 is covered with the silicon nitride film, but instead of the silicon nitride film, other types having higher moisture resistance than the silicon oxide film are used. You can cover it with an insulating film.
  • a conductive material constituting the lower electrode 104 silicon or polysilicon doped with an impurity, gold, refractory metal, aluminum, aluminum-containing alloy or the like is used. You may use it.
  • silicon or polysilicon doped with impurities, gold, refractory metal, aluminum or an aluminum-containing alloy or the like may be used as the material of conductive film 118 constituting fixed film 110. ,.
  • a substrate made of an insulator instead of the semiconductor substrate 101, a substrate made of an insulator may be used.
  • the present invention relates to an electret capacitor having a vibrating electrode and a fixed electrode, and in particular, when applied to an ECM or the like formed using MEMS technology, the ECM has high performance and high reliability. Yes, very useful.

Abstract

　エレクトレットとなる帯電したシリコン酸化膜１０５を覆うようにシリコン窒化膜１０３及びシリコン窒化膜１０６が形成されている。

Description

明 細 書
エレクトレット及びエレクトレットコンデンサー 技術分野
[0001] 本発明は、振動電極と固定電極とを有するエレクトレットコンデンサーに関し、特に MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて形成されるエレクトレツトコ ンデンサ一に関する。
背景技術
[0002] 従来、コンデンサーマイクロフォンなどの素子に応用される、永久的電気分極を有 する誘電体であるエレクトレット素子として、 FEP (Copolymer of Tetrafluoroetylene ( TFE) and Hexafluoropropylene (HFP) )材などの有機系の高分子重合体が使用さ れていた。しかし、これらの材料は耐熱性に劣るため、基板実装する場合のリフロー 用素子としての使用が困難であると!/、う問題があった。
[0003] それに対して、近年、微細加工技術を利用したエレクトレットの薄膜化、小型化を達 成するため、有機系の高分子重合体に代えて、特許文献 1に示すようなシリコン酸ィ匕 膜を用いたエレクトレットが提案されて 、る。
[0004] 具体的には、特許文献 1に示す技術においては、基材表面にシリコン酸化膜を成 膜した後、成膜チャンバ一を大気開放することなぐ当該チャンバ一内を、水分を含 まず且つ酸素を含有するガス雰囲気に設定し、当該雰囲気中で前記シリコン酸化膜 を 200°C— 400°Cで熱処理し、その後、当該シリコン酸化膜に対して帯電処理を行 なう。
特許文献 1：特開 2002— 33241号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] し力しながら、エレクトレットは液体に触れると電荷が抜けてしまうという問題点を有 している。例えばエレクトレツトイ匕した FEPをエタノールに浸すと、当該 FEPにおいて 電荷は 0にはならないものの大幅に電荷が減少してしまう。本願発明者らの実験によ れば、帯電量を示す表面電位が 300Vの FEP (具体的にはステンレス基板上に 12. 5 μ mの厚さで形成された FEP)をエタノールに浸すと、表面電位は数 V程度まで低 下した。尚、この現象は、エタノールだけではなく他の有機溶剤や水にエレクトレット を浸した場合にも同様に発生する現象である。また、材料的にも FEP特有の現象で はなぐシリコン酸ィ匕膜等のエレクトレット材料全般に発生する現象である。
[0006] 前記に鑑み、本発明は、耐湿性に優れた構造を有する ECM (エレクトレットコンデ ンサーマイクロフォン)等のエレクトレットコンデンサー応用素子を提供することを目的 とする。また、本発明は、永久電荷を持つエレクトレットから構成される ECMを MEM S技術により製作することによって、チャージ供給回路が不要な小型 ECMを提供す ることを目的とする。
課題を解決するための手段
[0007] 前記の目的を達成するために、本発明に係るエレクトレットは、帯電したシリコン酸 化膜と、シリコン酸ィ匕膜を覆うように形成された絶縁膜とを備えている。
[0008] また、本発明に係る第 1のエレクトレットコンデンサ一は、貫通孔が形成された第 1電 極と、第 1電極との間にエアギャップを介在させて配置された第 2電極と、第 2電極に おける第 1電極と対向する面上に形成され且つ帯電したシリコン酸ィ匕膜からなるエレ タトレットとを備え、シリコン酸ィ匕膜を覆うように絶縁膜が形成されて 、る。
[0009] また、本発明に係る第 2のエレクトレットコンデンサ一は、第 1電極を有し且つ第 1の 貫通孔が形成された固定膜と、固定膜との間にエアギャップを介在させて配置された 第 2電極と、第 2電極における固定膜と対向する面上に形成され且つ帯電したシリコ ン酸ィ匕膜からなるエレクトレットとを備え、シリコン酸ィ匕膜を覆うように絶縁膜が形成さ れている。
[0010] また、本発明に係る第 3のエレクトレットコンデンサ一は、周縁部を残すように除去さ れた領域を有する半導体基板と、当該領域を覆うように半導体基板上に形成された 振動膜とを備え、振動膜は、エレ外レットと電極膜と第 1の絶縁膜と第 2の絶縁膜との 積層構造を有し、エレクトレットは第 1の絶縁膜及び第 2の絶縁膜により覆われている
[0011] 本発明のエレクトレット及びエレクトレットコンデンサーによると、帯電したシリコン酸 化膜の表面、つまり上面、下面及び側面を絶縁膜により保護することができる。具体 的には、大気中の水分の吸着等が顕著な材料であるシリコン酸ィ匕膜の表面が大気 中に露出することのないように、当該シリコン酸ィ匕膜を絶縁膜によって覆うことにより、 帯電 (エレクトレット化)して 、るシリコン酸ィ匕膜の帯電量の減少を抑制することができ る。これにより、エレクトレットの経時的信頼性を向上させることができる。
[0012] 尚、本発明のエレクトレット及びエレクトレットコンデンサーにおいて、帯電したシリコ ン酸ィ匕膜 (エレクトレット）の表面、例えば上面又は下面を絶縁膜が直接覆っていなく てもよ 、。例えばシリコン酸ィ匕膜の下面と絶縁膜との間に電極が介在して 、てもよ ヽ
[0013] また、本発明のエレクトレット及びエレクトレットコンデンサーにおいて、帯電したシリ コン酸ィ匕膜 (エレクトレット）を覆う絶縁膜の耐湿性は当該シリコン酸ィ匕膜よりも高いこ とが好ましい。すなわち、絶縁膜により覆われたシリコン酸ィ匕膜の耐湿性 (所定の湿 度状態、例えば耐湿試験における電荷の抜けにくさ）は、絶縁膜により覆われていな V、シリコン酸ィ匕膜の耐湿性よりも高 、。シリコン酸ィ匕膜よりも耐湿性の高 、絶縁膜とし ては例えばシリコン窒化膜を用いることができる。
発明の効果
[0014] 本発明によると、耐湿性に優れたエレクトレット構造を有する ECM等のエレクトレツ トコンデンサー応用素子を提供することができる。また、このような ECMを MEMS技 術により製作することによって、チャージ供給回路が不要な小型 ECMを提供すること ができる。すなわち、本発明によると、信頼性の高い小型且つ高性能なマイクの実現 が可能となる。さらに、当該マイクを搭載した各種応用装置を広く社会に供給すること が可能となる。
図面の簡単な説明
[0015] [図 1]図 1 (a)及び (b)は本発明の一実施形態に係る ECMの構成図であり、図 1 (a) は当該 ECMの平面図であり、図 1 (b)は当該 ECMの断面図である。
[図 2]図 2は本発明の一実施形態に係る ECMの回路ブロック図である。
[図 3]図 3は本発明の一実施形態に係る ECMを構成するエレクトレットコンデンサー の断面図である。
[図 4]図 4は本発明の一実施形態に係る ECMを構成するエレクトレットコンデンサー の下部電極及び引出し配線の平面図である。
[図 5]図 5は本発明の一実施形態に係る ECMを構成するエレクトレットコンデンサー の固定膜中のシリコン窒化膜の平面図である。
符号の説明
18 マイク部
19 SMD
20 FET咅
21 プリント基板
22 ECMのケース
23 ECMの内部回路
24 出力端子
25 出力端子
26 外部端子
27 外部端子
28 端子
29 端子
30 端子
101 半導体基板
102 シリコン酸ィ匕膜
103 シリコン窒化膜
104 下部電極
105 シリコン酸ィ匕膜
106 シリコン窒化膜
107 リークホール
108 シリコン酸ィ匕膜
109 エアギャップ
110 固定膜
111 アコースティックホール 112 振動膜
113 メンブレン領域
114 シリコン窒化膜
115 引出し配線
116 開口部
117 開口部
118 導電膜
119 シリコン窒化膜
発明を実施するための最良の形態
[0017] (実施形態）
以下、本発明の一実施形態に係るエレクトレットコンデンサーについて、 ECMに応 用する場合を例として図面を参照しながら説明する。
[0018] まず、本実施形態のエレクトレットコンデンサーを応用した素子である ECMについ て説明する。
[0019] 図 1 (a)及び (b)は本実施形態の ECMの構成図であり、図 1 (a)は当該 ECMの平 面図であり、図 1 (b)は当該 ECMの断面図である。
[0020] 図 1 (a)及び (b)に示すように、本実施形態の ECMは、プリント基板 21上にマイク 部 18、コンデンサーなどの SMD (表面実装部品） 19及び FET (電界効果型トランジ スタ）部 20が搭載されることによって構成されている。また、図 1 (a)においては図示 を省略している力 図 1 (b)に示すように、マイク部 18、 SMD19及び FET部 20が搭 載されたプリント基板 21はケース 22によって保護されている。
[0021] 図 2は本実施形態の ECMの回路ブロック図である。
[0022] 図 2に示すように、本実施形態の ECMの内部回路 23は、後述する本実施形態の エレクトレットコンデンサーからなるマイク部 18、 SMD19及び FET部 20から構成さ れている。また、内部回路 23の出力端子 24及び出力端子 25から外部端子 26及び 外部端子 27へ信号が出力される。実動作時には、外部端子 26と抵抗を介して接続 されている端子 28から例えば 2V程度の電圧を持つ信号が入力されると、外部端子 2 6とコンデンサーを介して接続されている端子 29に例えば数十 mVの交流電圧を持 つ信号が出力される。尚、外部端子 27及びそれと接続された端子 30のそれぞれは 、ECM内部回路 23中の GND端子である出力端子 25に接続されている。
[0023] 以下、本実施形態のエレクトレットコンデンサーについて説明する。図 3は本実施形 態のエレクトレットコンデンサーの断面図である。
[0024] 図 3に示すように、本実施形態のエレクトレットコンデンサ一は、周縁部を残すように 除去された領域 (以下、メンブレン領域 113という）を有する半導体基板 101上にメン プレン領域 113を覆うように形成された振動膜 112と、振動膜 112との間にエアギヤッ プ 109を介在させて配置された固定膜 110とをそれぞれ電極とする平行平板型のコ ンデンサー構造を有している。ここで、振動膜 112は下部電極 104を有すると共に、 固定膜 110は導電膜 (上部電極） 118を有する。
[0025] 本実施形態のエレクトレットコンデンサーにおいては、固定膜 110に設けられた複 数のアコースティックホール 111及びエアギャップ 109を通して振動膜 112が上方か ら音圧を受けると、当該音圧に応じて振動膜 112が機械的に上下に振動する。ここで 、振動膜 112が振動すると、振動膜 112 (つまり下部電極 104)と固定膜 110との間 の距離 (電極間距離)が変化し、それによつてコンデンサーの容量 (C)が変化する。 ところで、コンデンサーに蓄えられる電荷 (Q)は一定であるため、コンデンサーの容 量 (C)が変化すると、下部電極 104と固定膜 110との間の電圧 (V)に変化が生じる。 その理由は、物理的に下記式（1)の条件を満足する必要があるためである。
[0026] Q = C-V · · · (1)
下部電極 104は、図 2の FET部 20のゲートと電気的に接続されているので、 FET 部 20のゲート電位は、振動膜 112の振動により変化する。また、 FET部 20のゲート 電位の変化は外部出力端子 29に電圧変化として出力される。
[0027] 本実施形態のエレクトレットコンデンサーの詳細な構成は次の通りである。
[0028] 図 3に示すように、本実施形態のエレクトレットコンデンサーが搭載される半導体基 板 101上にシリコン酸ィ匕膜 102が形成されていると共に、半導体基板 101及びシリコ ン酸ィ匕膜 102をそれぞれの周縁部が残存するように部分的に除去することによってメ ンブレン領域 113が形成されている。すなわち、メンブレン領域 113とは、振動膜 11 2が外部力も圧力を受けて振動することを可能とするために半導体基板 101がその 周縁部を残すように部分的に除去されてなる領域である。
[0029] シリコン酸ィ匕膜 102上にはメンブレン領域 113を覆うようにシリコン窒化膜 103が形 成されている。シリコン窒化膜 103上には同一の導電膜からなる下部電極 104及び 引出し配線 115が形成されている。下部電極 104は、メンブレン領域 113及びその 近傍領域 (メンプレン領域 113の外側領域の一部）を覆うシリコン窒化膜 103上に形 成されており、引出し配線 115は、メンブレン領域 113の外側のシリコン窒化膜 103 上に下部電極 104と接続するように形成されて!、る。
[0030] シリコン窒化膜 103、下部電極 104及び引出し配線 115のそれぞれの上には、シリ コン酸ィ匕膜 105及びシリコン窒化膜 106が順次形成されている。ここで、メンブレン領 域 113に位置する、シリコン窒化膜 103、導電膜からなる下部電極 104、シリコン酸 化膜 105及びシリコン窒化膜 106によって振動膜 112が構成されている。また、振動 膜 112には、エアギャップ 109と接続する複数のリークホール 107が形成されている 。尚、シリコン窒化膜 103及びシリコン窒化膜 106は、リークホール 107の内壁面を含 む下部電極 104及びシリコン酸ィ匕膜 105の表面全体を覆うように形成されている。ま た、シリコン酸ィ匕膜 105は、電荷を蓄えたエレクトレット膜である。具体的には、コロナ 放電またはプラズマ放電中にシリコン酸ィ匕膜 105をさらすことにより、シリコン酸ィ匕膜 1 05に電荷を注入し、それによつてエレクトレツトイ匕したシリコン酸ィ匕膜 105を形成する ことができる。このとき、シリコン酸ィ匕膜 105はコロナ放電またはプラズマ放電中に露 出して 、てもよ 、し又はシリコン窒化膜 103及びシリコン窒化膜 106に覆われて 、て ちょい。
[0031] さらに、図 3に示すように、振動膜 112の上方つまりシリコン窒化膜 106の上方には 、下層のシリコン窒化膜 114及び上層のシリコン窒化膜 119のそれぞれによって覆わ れた導電膜 118からなる固定膜 110が設けられている。ここで、メンブレン領域 113 及びその近傍領域 (メンプレン領域 113の外側領域の一部）における振動膜 112と 固定膜 110との間にはエアギャップ 109が形成されている一方、それ以外の領域に おけるシリコン窒化膜 106又はシリコン酸ィ匕膜 102と固定膜 110との間にはシリコン 酸ィ匕膜 108が形成されている。すなわち、エアギャップ 109は少なくともメンブレン領 域 113の全体を含む領域上に形成されて ヽると共に、固定膜 110は振動膜 112の上 方にお 、てシリコン酸ィ匕膜 108によって支持されて 、る。
[0032] 尚、エアギャップ 109の上方の固定膜 110には、エアギャップ 109と接続する複数 のアコースティックホール 111が形成されている。また、シリコン窒化膜 114を含む固 定膜 110及びシリコン酸ィ匕膜 108には引出し配線 115が部分的に露出するように開 口部 116が設けられている。そして、下部電極 104は引出し配線 115を介して、図 2 に示した FET部 20のゲートと電気的に接続されている。また、固定膜 110を構成す るシリコン窒化膜 119には開口部 117が設けられていると共に当該開口部 117にお いて固定膜 110を構成する導電膜 118が露出しており、それによつて当該導電膜 11 8は図 2の GND端子 25に電気的に接続されている。
[0033] 図 4は、本実施形態のエレクトレットコンデンサーの下部電極 104及び引出し配線 1 15の平面図である。前述したように、下部電極 104及び引出し配線 115は同一の導 電膜から構成されている。また、図 4に示すように、下部電極 104はメンブレン領域 1 13の内部に形成されていると共に、下部電極 104の周縁部には複数のリークホール 107が形成されている。そして、下部電極 104を外部と電気的に接続するために引 出し配線 115が形成され ヽる。
[0034] 以下、下部電極 104カ^ンブレン領域 113の内部に形成されている理由について 説明する。 ECMにおけるコンデンサーの容量は、振動膜の振動により変化する容量 成分と、振動膜の振動により変化しない容量成分とによって決定される。ここで、寄生 容量が大きくなると、振動膜の振動により変化しない容量成分が大きくなつてしまい、 それにより、 ECMの性能が大きく左右されてしまう。それに対して、本実施形態にお いては、エレクトレットコンデンサーの下部電極 104をメンブレン領域 113の内側に設 けている。この構成により、下部電極 104と半導体基板 101とが重なる領域がなくなる ので、下部電極 104とシリコン酸ィ匕膜 102と半導体基板 101とからなる大面積の MO S (metal oxide semiconductor )容量をなくすことができる。すなわち、寄生容量を、引 出し配線 115とシリコン酸ィ匕膜 102と半導体基板 101とからなる小面積の MOS容量 のみにすることができる。従って、コンデンサーにおける変化しない容量成分 (寄生 容量)の増加を防ぐことができるので、小型且つ高性能なエレクトレットコンデンサー を実現することができる。 [0035] また、本実施形態においては、振動膜 112の構成要素、つまり、シリコン窒化膜 10 3、導電膜からなる下部電極 104、シリコン酸ィ匕膜 105及びシリコン窒化膜 106のうち 、メンブレン領域 113を覆うように形成されているシリコン窒化膜 103、シリコン酸ィ匕膜 105及びシリコン窒化膜 106は半導体基板 101と重なるように形成されている。言い 換えると、シリコン窒化膜 103、シリコン酸ィ匕膜 105及びシリコン窒化膜 106の端部は 半導体基板 101上に位置する。一方、振動膜 112のうち導電膜からなる下部電極 10 4は半導体基板 101と重なることがないようにメンブレン領域 113の内側に形成され ている。言い換えると、下部電極 104の端部はメンブレン領域 113の内部に位置する 。これにより、振動膜 112の共振周波数特性を、シリコン窒化膜 103、シリコン酸ィ匕膜 105及びシリコン窒化膜 106の膜厚を調整することによって制御することが可能とな る。すなわち、コンデンサーにおける外部力もの圧力を受けて変化する容量成分の 制御を容易にし、それによつて小型且つ高感度のエレクトレットコンデンサーを実現 することができる。
[0036] 以下、シリコン窒化膜 103及びシリコン窒化膜 106が下部電極 104及びシリコン酸 化膜 105を覆うように形成されて!、る理由につ 、て説明する。シリコン酸ィ匕膜からなる エレクトレットが液体に触れると、エレクトレットの電荷が大幅に減少する。このエレクト レットの電荷の減少を抑制するために、本実施形態では、少なくともエレクトレットであ るシリコン酸ィ匕膜 105の表面（上面、下面及び側面）をシリコン窒化膜 103及びシリコ ン窒化膜 106によって覆っている。さらに詳細には、振動膜 112に形成されたリーク ホール 107内にシリコン酸化膜（エレクトレット） 105が露出しないように、リークホール 107の内壁面もシリコン窒化膜 106によって完全に覆っている。これにより、耐湿性 及び耐熱性に優れたエレクトレットを有するエレクトレットコンデンサーを実現すること ができる。
[0037] 図 5は、本実施形態のエレクトレットコンデンサーの固定膜 110を構成するシリコン 窒化膜 114の平面図である。前述したように、メンブレン領域 113を含む半導体基板 101の上方に形成された固定膜 110には複数のアコースティックホール 111が形成 されている。各アコースティックホール 111は、メンブレン領域 113及びその近傍領域 (メンプレン領域 113の外側領域の一部）に配置されて 、る。 [0038] 以下、本実施形態のエレクトレットコンデンサーの動作について説明する。図 3に示 す本実施形態のエレクトレットコンデンサ一にお 、て、アコースティックホール 111及 びエアギャップ 109を通して振動膜 112が上方力も音圧を受けると、その音圧に応じ て振動膜 112が機械的に上下に振動する。本実施形態のエレクトレットコンデンサー は、振動膜 112を構成する下部電極 104と固定膜 110を構成する導電膜 118とをそ れぞれ電極とする平行平板型のコンデンサー構造を有している。従って、振動膜 11 2が振動すると、下部電極 104と導電膜 118との電極間距離が変化し、それによつて コンデンサーの容量 (C)が変化する。ここで、コンデンサーに蓄えられる電荷 (Q)は 一定であるため、コンデンサーの容量 (C)が変化すると、下部電極 104と固定膜 110 (導電膜 118)との間の電圧 (V)に変化が生じる。この理由は、物理的に下記式（1) の条件を満足する必要があるためである。
[0039] Q = C-V · · · (1)
また、下部電極 104と固定膜 110 (導電膜 118)との間の電圧 (V)が変化すると、下 部電極 104は図 2の FET部 20のゲートと電気的に接続されているので、 FET部 20 のゲート電位が変化する。以上のように、振動膜 112の振動により FET部 20のゲート 電位が変化し、 FET部 20のゲート電位の変化は図 2の外部出力端子 29に電圧変化 として出力される。
[0040] 以上に説明したように、本実施形態によると、帯電したシリコン酸ィ匕膜 105をシリコン 窒化膜 103及びシリコン窒化膜 106により保護することができる。すなわち、大気中 の水分の吸着等が顕著な材料であるシリコン酸ィ匕膜 105が大気中に露出することの ないように、当該シリコン酸ィ匕膜 105の表面をシリコン窒化膜 103及びシリコン窒化膜 106によって覆うことにより、シリコン酸ィ匕膜 105の帯電量の減少を抑制することがで きる。これにより、エレクトレットの経時的信頼性を向上させることができる。従って、耐 湿性に優れたエレクトレット構造を有する ECM等のエレクトレットコンデンサーを提供 することができる。また、このような ECMを MEMS技術により製作することによって、 チャージ供給回路が不要な小型 ECMを提供することができる。
[0041] すなわち、本実施形態によると、信頼性の高い小型且つ高性能なマイクの実現が 可能となる。さらに、当該マイクを搭載した各種応用装置を広く社会に供給することが 可能となる。
[0042] 尚、本実施形態において、帯電したシリコン酸ィ匕膜 105の下面を下部電極 104を 介してシリコン窒化膜 103によって覆ったが、当該シリコン酸ィ匕膜 105の下面を直接 シリコン窒化膜によって覆ってもょ 、。
[0043] また、本実施形態において、帯電したシリコン酸ィ匕膜 105の表面をシリコン窒化膜 によって覆ったが、シリコン窒化膜に代えて、シリコン酸ィ匕膜よりも耐湿性が高い他の 種類の絶縁膜によって覆ってもょ 、。
[0044] また、本実施形態にぉ ヽて、下部電極 104を構成する導電材料として、不純物をド 一ビングしたシリコン若しくはポリシリコン、金、高融点金属、アルミニウム又はアルミ- ゥム含有合金等を用いてもょ 、。
[0045] また、本実施形態において、固定膜 110を構成する導電膜 118の材料として、不純 物をドーピングしたシリコン若しくはポリシリコン、金、高融点金属、アルミニウム又は アルミニウム含有合金等を用いてもょ 、。
[0046] また、本実施形態において、半導体基板 101に代えて、絶縁体からなる基板を用 いてもよい。
産業上の利用可能性
[0047] 本発明は、振動電極と固定電極とを有するエレクトレットコンデンサーに関し、特に MEMS技術を用いて形成される ECM等に適用した場合には ECMの高性能化及 び高信頼性ィ匕を実現でき、非常に有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 帯電したシリコン酸化膜と、
前記シリコン酸ィ匕膜を覆うように形成された絶縁膜とを備えていることを特徴とする ヱレクトレツ卜。
[2] 請求項 1において、
前記絶縁膜の耐湿性は前記シリコン酸ィ匕膜よりも高いことを特徴とするエレクトレット
[3] 請求項 1において、
前記絶縁膜はシリコン窒化膜であることを特徴とするエレクトレット。
[4] 請求項 1において、
前記シリコン酸ィ匕膜はプラズマ放電またはコロナ放電により帯電させられていること を特徴とするエレクトレット。
[5] 貫通孔が形成された第 1電極と、
前記第 1電極との間にエアギャップを介在させて配置された第 2電極と、 前記第 2電極における前記第 1電極と対向する面上に形成され、帯電したシリコン 酸ィ匕膜からなるエレクトレットとを備え、
前記シリコン酸ィ匕膜を覆うように絶縁膜が形成されていることを特徴とするエレクトレ ットコンデンサー。
[6] 請求項 5において、
前記絶縁膜の耐湿性は前記シリコン酸ィ匕膜よりも高いことを特徴とするエレクトレット コンデンサー。
[7] 請求項 5において、
前記絶縁膜はシリコン窒化膜であることを特徴とするエレクトレットコンデンサー。
[8] 請求項 5において、
前記第 1電極は、シリコン、ポリシリコン、アルミニウムまたはアルミニウム合金力もな ることを特徴とするエレクトレットコンデンサー。
[9] 請求項 5において、
前記第 2電極は金または高融点金属力 なることを特徴とするエレクトレツトコンデン サー。
[10] 請求項 5において、
前記シリコン酸ィ匕膜はプラズマ放電またはコロナ放電により帯電させられていること を特徴とするエレクトレットコンデンサーの製造方法。
[11] 第 1電極を有し、第 1の貫通孔が形成された固定膜と、
前記固定膜との間にエアギャップを介在させて配置された第 2電極と、
前記第 2電極における前記固定膜と対向する面上に形成され、帯電したシリコン酸 化膜からなるエレクトレットとを備え、
前記シリコン酸ィ匕膜を覆うように絶縁膜が形成されていることを特徴とするエレクトレ ットコンデンサー。
[12] 請求項 11において、
前記第 2電極と前記シリコン酸ィ匕膜との積層構造には、前記エアギャップに達する 第 2の貫通孔が形成されており、
前記第 2の貫通孔の内壁面となる前記シリコン酸ィ匕膜の表面にはシリコン窒化膜が 形成されていることを特徴とするエレクトレットコンデンサー。
[13] 請求項 11において、
前記絶縁膜の耐湿性は前記シリコン酸ィ匕膜よりも高いことを特徴とするエレクトレット コンデンサー。
[14] 請求項 11において、
前記絶縁膜はシリコン窒化膜であることを特徴とするエレクトレットコンデンサー。
[15] 請求項 11において、
前記第 1電極及び前記第 2電極が、アルミニウム、アルミニウム合金、シリコン、ポリ シリコン、金又は高融点金属からなることことを特徴とするエレクトレットコンデンサー。
[16] 周縁部を残すように除去された領域を有する半導体基板と、
前記領域を覆うように前記半導体基板上に形成された振動膜とを備え、 前記振動膜は、エレ外レットと電極膜と第 1の絶縁膜と第 2の絶縁膜との積層構造 を有し、
前記エレクトレットは前記第 1の絶縁膜及び前記第 2の絶縁膜により覆われているこ とを特徴とするエレクトレットコンデンサー。
請求項 16において、
前記電極膜は前記半導体基板と重ならな!/ヽように前記領域の内側に形成されて ヽ ることを特徴とするエレクトレットコンデンサー。
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