JP3556676B2 - 小型シリコンコンデンサマイクロフォン - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、CMOS回路系に集積化することができる小型シリコンコンデンサマイクロホンに関する。
背景の従来技術
CMOS回路系に集積化することができる小型シリコンコンデンサマイクロホンは、最小体積において高感度と低ノイズとを得るために幾つかのトレードオフを必要とする。典型的には、コンデンサマイクロホンは、４つの要素、すなわち、固定有孔バックプレート、高コンプライアンス可動ダイヤフラム（このバックプレートとダイヤフラムは共に可変エアギャップコンデンサの２つの電極を形成する）、電圧バイアス源、及び、緩衝増幅器から構成されている。
上記ダイヤフラムは、高コンプライアンスでありかつ上記バックプレートに対して正確に位置決めされなければならず、一方、上記バックプレートは、定置状態のままでありかつそのバックプレートを通過する空気流に対して最小限の抵抗しか与えないものでなければならない。集積回路材料を使用してサイズ1mm未満のマイクロホンの形でこれらの特徴を全て実現することは、これまで３つの側面において困難な課題であった。第１に、現在までのシリコンベースの小型コンデンサマイクロホンは、その最大たわみがダイヤフラムの中央で生じる、周囲フレームによって保持されたダイヤフラムを使用してきた。この構成では、ダイヤフラム材料内の除去されることのない応力が、（その応力が、ダイヤフラムを剛化させる引張り応力である場合には）ダイヤフラムのコンプライアンスの低下を生じさせるか、または、（その応力がダイヤフラムを座屈させる圧縮応力である場合には）位置決め精度の低下を生じさせる。集積回路薄膜における典型的な応力レベルは、完成ダイヤフラム内から除去されない場合には、過剰な剛化または座屈のためにダイヤフラムが使用不可能になるレベルよりも何倍も高いレベルである。
1mm未満の大きさのダイヤフラムの第２の問題点は、ダイヤグラムの材料と厚さとが決まっている場合には、ダイヤフラムのサイズが小さければ小さいほどコンプライアンスが極めて急激に低下する傾向があるということである。ダイヤフラムコンプライアンスの単位を単位圧力当たりの直線たわみとする場合に、このコンプライアンスは、ダイヤフラムサイズの４乗とみなされる。具体例としては、ダイヤフラムの材料と厚さと形状が同一に保たれる場合には、ダイヤフラム直径を半分に削減することは、ダイヤグラムコンプライアンスをその以前の値の16分の１に低下させると推定される。
サイズ1mm未満のマイクロホンの小型化における第３の問題点は、ダイヤフラム変位に対する機械的減衰を小さい度合いに維持することである。緩衝増幅器の入力を効果的に駆動することが可能な範囲内にコンデンサ容量を保つためには、その構造がより小さくされるのに応じて、エアギャップがより小さくされなければならない（装置サイズの２乗の逆数として概算される）。残念なことに、エアギャップが小さくされればされるほど、ダイヤフラムとバックプレートとの間に閉じ込められている空気の粘性流に起因する減衰効果が、エアギャップのサイズの３乗の逆数として変化し、急激に増大する。その最終的な結果として、機械的減衰が、装置サイズの６乗の逆数の形で極めて急激に増大する傾向がある。この減衰は周波数応答に悪影響を与え、すでに確立されている理論にしたがえば、マイクロホン出力の雑音の原因となるマイクロホン構造内での圧力変動を生じさせる。
小型コンデンサマイクロホンのダイヤフラムにおける過剰応力の問題を回避するために、これまでに様々な解決策が提案されてきた。こうした解決策は、その解決策がダイヤグラム材料に焦点を当てているか、または、ダイヤフラム構造に焦点を当てているかによって、分類されることが可能である。材料の側面では、BergquistとRudolfのTransducers 91,Proceedings of the International Conference on Solid−State Sensors and Actuators（IEEE,New York,1991）pp.266−269が、単結晶シリコンで同様に形成されているダイヤフラム支持体に対する応力格差の発生を最小限に抑えるための、ダイヤフラム材料としての単結晶シリコンを開示している。
Hoshinoの米国特許第4,571,661号は、半導体基部と、その半導体基部に固定されている一方の端部と振動可能な自由端部とを有する可動レバーとを含む、半導体振動検出装置を開示している。しかし、Hoshinoは、流体伝導音圧に対して応答しかつ支持構造の開口の一部分の上に延びている薄膜カンチレバー構造については、開示または示唆し損なっている。
Bernsteinの米国特許第5,146,453号は、パターン成形シリコンばねによってその周囲において支持されている単結晶シリコンダイヤフラムから成る全シリコン構造を開示している。
ダイヤフラム構造の側面では、Loeppertの米国特許第5,490,220号に、自由プレートダイヤフラム構成が開示されており、そのダイヤフラムはそのフレームから分離させられており、かつ、一組の横方向拘束手段だけによって保持されている。Loeppertによれば、ダイヤフラムとそのフレームとの間の材料の不一致にも係わらず、材料応力が完成ダイヤフラム内で完全に除去される。
PCT国際公開WO 95/34917は、ピエゾ電気カンチレバー圧力変換器を開示している。あるいは、この変換器が、磁気ひずみ変換器、ピエゾ抵抗変換器、または、熱変換器であることも可能である。
しかし、上記解決策のいずれにおいても、製造プロセスにおいて良好な性能を維持しながら、この特有の薄膜の応力問題を解決することは不可能である。
本発明は、こうした問題とその他の問題との解決を可能にする。
発明の要約
本発明の目的は、ダイヤフラムの形状がカンチレバーを基本としており、かつ、1mm未満のサイズのマイクロホンに適している別のバックプレート通気構造が使用される、従来とは別のダイヤフラム／バックプレート構造を提供することである。こうしたマイクロホンは、超音波用途、オーディオ用途、および、音声変換用途に使用することができる。
カンチレバー形態においては、ダイヤフラム材料の応力が、自由プレートに関連した保持拘束手段の必要なしに、自由プレート構造の場合と概ね同じ程度まで最終ダイヤフラム構造内で除去される。これに加えて、カンチレバー構造のコンプライアンスは、材料とスパンと厚さが同一である端縁締付けダイヤフラムのコンプライアンスに比べて百倍以上大きく、このことが、サイズ1mm未満のダイヤフラムにおけるコンプライアンスに起因する上記問題点にも係わらず、より小型の装置の設計を容易にする。
このダイヤフラムは、バックプレートと、バックプレート電圧バイアスのため集積CMOS回路系と、緩衝増幅器と共に、単一のシリコンウェーハ上に形成されることが可能である。幾つかの実施形態が下記に示されている。機械的減衰を最小限に抑えるためのコンデンサエアギャップの通気方法は、個々の実施形態の状況に応じて決定され、したがって、個々の場合に状況に応じて与えられる。最終的な結果は、マイクロホンのサイズと感度における利点を提供する解決策であり、このことは当業者には容易に明らかである。
本発明の他の特徴と利点とが、次の添付図面を参照して説明される以下の詳述から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明にしたがって作られるシリコンコンデンサマイクロホンの第１の実施形態の斜視図である。
図1aは、本発明にしたがって作られるシリコンコンデンサマイクロホンの第２の実施形態の斜視図である。
図２から図９は、図１のマイクロホンの製造の連続段階を示す断面図である。
図6a、図6b、図7a、図8a、図9a、図9bは、図1aのマイクロホンの製造の連続段階を示す断面図である。
図10は、本発明にしたがって作られるシリコンコンデンサマイクロホンの第３の実施形態の斜視図である。
図11と図12は、図10のマイクロホンの製造の連続段階を示す断面図である。
図13は、本発明にしたがって作られるシリコンコンデンサマイクロホンの第４の実施形態の斜視図である。
図13aは、ダイヤフラムを省略した、図13のマイクロホンの平面図である。
図13bと図13cは、図13aのマイクロホンの断面図である。
図13dは、ダイヤフラムを含む、図13aのマイクロホンの平面図である。
図14と図15は、図13のマイクロホンの製造の連続段階を示す断面図である。
図16は、本発明の第４の実施形態の変形例のウェブ構造の平面図である。
図16aは、本発明の第４の実施形態の変形例の平面図である。
図16bと図16cは、図16aのマイクロホンの断面図である。
図17aは、第４の実施形態のマイクロホンと共に使用するための過圧止め構造の平面図である。
図17bは、図17aの過圧止め構造の断面図である。
詳細な説明
本発明は様々な形態の実施形態として具体化されることが可能であり、本発明の好ましい実施形態が添付画面に示され下記説明において詳述されているが、本明細書における本発明の開示内容が本発明の原理の例示であるとみなされるべきであることと、本明細書に示されている実施形態に本発明の広範な側面を限定することは意図されていないということとを理解されたい。
シリコンコンデンサマイクロホン10のためのカンチレバー設計が図１に示されている。マイクロホン10は、基部端縁すなわち固定端縁12aにおいて支持構造すなわちフレーム12に固定されておりかつ末端端縁12bを含む他の３つの端縁上では自由であるダイヤフラム12を含む。したがって、ダイヤフラム12の堅さは、ダイヤフラム12の厚さと材料特性とによって決定されるのであって、処理加工時にダイヤフラム12内に発生させられる応力によっては決定されない。コンデンサ14が、固定端縁12aから距離をおいたダイヤフラムの末端端縁12bの付近に配置されており、この場所では、音声圧力に起因するダイヤフラム12の最大たわみが生じる。
図２を参照すると、この図に示されているように、本発明では、基板16上における他の構成要素（図示されていない）のCMOS処理加工中に、両面研摩シリコンウェーハであることが好ましい基板16上にマイクロホン10が形成される。CMOS処理加工中に、フィールド酸化物18によって周囲を囲まれた活性区域18aが標準LOCOSプロセスによって形成され、最終的にダイヤフラム12がそこに配置されることになる。公知であるように、LOCOSプロセスは、基板16の背面上に窒化物層18bも生じさせる。この窒化物層18bは、LOCOSプロセスの完了時に基板16の背面上に残される。
図３を参照すると、この図に示されているように、低温酸化物層20がウェーハ16の表面全体に推積される。CMOSプロセスでは、酸化物層20が、ポリシリコンゲートとアルミニウムインタコネクト（図示されていない）との間の誘電体として、ウェーハ表面の概ね全体上に残されることが一般的である。アルミニウムインタコネクトは、ウェーハ16上の他の位置に形成される回路を接続するために使用される。その後で、裸シリコン基板16を露出させるために、酸化物層20の一部分が除去される。
同様に、CMOSプロセスでは、低温酸化物20とアルミニウムインタコネクト層とを保護するために、ウェーハ表面の概ね全体に窒化ケイ素パッシベーション層22が残されることが一般的である。図４に示されているように、ウェーハ16上に他の位置のCMOS回路区域内において通常の保護を与えるために窒化ケイ素パッシベーション層22がパターン形成されるが、上記と同様に、ダイヤフラム12が形成されることになっている区域内ではシリコン基板16を露出させるために、窒化ケイ素パッシベーション層22が部分的に除去される。したがって、窒化ケイ素パッシベーション層22が、下記の微細加工段階において、水酸化カリウム（KOH）であることが好ましい異方性エッチング剤からCMOS区域を保護するための障壁を形成する。窒化物背面層18bも、下記の最終微細加工段階のためのエッチングマスクを形成するようにパターン形成される。
コンデンサ14は、固定電極14aすなわちバックプレートと、可動電極14bとを含む。図５を参照すると、この図に示されているように、固定電極14aを形成するために、厚さが0.1ミクロンから0.2ミクロンの範囲内の、クロムであることが好ましい金属層が堆積されて、パターン形成されている。
図６を参照すると、この図に示されているように、厚さが約４ミクロンの、アルミニウムであることが好ましい犠牲層24が、堆積されて、パターン形成される。コンデンサ14の固定電極14aと可動電極14bとの間にギャップを形成するために、この犠牲層24は最終的には除去されることになる。
図７を参照すると、この図に示されているように、典型的には厚さ１ミクロンである窒化ケイ素ダイヤフラム層26が堆積され、パターン形成される。
図８を参照すると、この図に示されているように、可動電極14bを形成するために、厚さ約0.02ミクロンの、好ましくはクロムである金属層が、窒化ケイ素ダイヤフラム層26上に堆積されてパターン形成される。
0.02ミクロンの厚さが、応力に関する考慮事項とコンダクタンスに関する考慮事項との間の適切なバランスを与えるものとして使用される。より薄い層の場合には、より低いコンダクタンスが得られるが、応力に関してはより劣った結果をもたらすだろう。
明確には示されていないが、ウェーハ16上のアルミニウムボンディングパッドを保護するために、チタン／タングステン合金層と、その次に、金層とが堆積されて、パターン形成される。
最終微細加工段階が図９に示されている。この段階では、ウェーハ全体が異方性エッチング剤（好ましくは、水酸化カリウム（KOH））でエッチングされる。この段階は、マイクロホン10の可動要素と固定要素との間にコンデンサギャップ28を形成し、かつ、ダイヤフラム12の下に穴30を形成する。
図１に示されているカンチレバー形マイクロホン10は、２つの点で最適条件から逸脱する傾向がある。第１に、端縁締付けダイヤフラムに対するカンチレバー形ダイヤフラムの上記コンプライアンス特性のために、図１に示されている通りのカンチレバー構造は、実際には非常にコンプライアンスが高く、したがって、特定のマイクロホン用途において遭遇する最大音圧では過負荷となる。第２に、上記の通りに集積回路薄膜材料から製造される図１のカンチレバー形ダイヤフラムは、除去されない応力の３つの原因、すなわち、（１）付着後に残留する薄膜の厚さを通しての応力勾配、（２）ダイヤフラムの表面に対するクロム薄層または他の金属被覆の付加によって引き起こされる応力格差、および、（３）ダイヤフラム12が固定される固定端縁12aにおける非除去薄膜応力のために、カールする傾向がある。
所期の圧力範囲にダイヤフラムのコンプライアンスを適合させるために、および、ダイヤフラム12がカールする傾向を抑制するために、下記の２つのタイプの構造が現在までに開発されている。
構造というものは、その形状をその堅さに関係付ける「曲げモーメント」を有する。フィルムはその厚さの増大に伴って曲げモーメントを増大させるが、同時に、不要にダイヤフラム質量を増大させ、さらには、カールする傾向を増進する力とモーメントとを単に増大させる。下記の両タイプの構造は、フィルムの厚さを変化させずにダイヤフラムの曲げモーメントを増大させることによって、その機能を果たす。
曲げモーメントを増大させるための第１の構造は、単一の薄膜層で形成されたダイヤフラムに波形しわを付けることである。最初のアプローチは、カンチレバーの根元から先端まで波形しわを付けることから成るだろう。しかし、その薄膜層ではカンチレバーに沿ってカールする傾向の度合いとカンチレバーの横断方向にカールする傾向とが等しく、したがって、縦方向の直線的な波形しわだけを有する構造は、依然として、横断方向にカールする可能性がある。このために、ダイヤフラムのあらゆる横断面における曲げモーメントを増大させる、より高性能の波形しわパターンが使用されなければならない。こうした波形しわパターンの１つが図1aに示されている。他の様々なパターンが使用可能である。図1aに示されているように、どんな断面をとろうとも、あらゆる断面が複数の波形しわを横断することになる。
図1aのダイヤフラムの製造は、図6a、図6b、図7a、図8a、図9aおよび図9bに示されている段階を除いて、図１のダイヤフラムの製造と同様である。
図6aを参照すると、この図に示されているように、さらに犠牲層24が波形しわ32を形成するようにパターン形成される。
図6bに示されているように、厚さが１ミクロンから２ミクロンの範囲内の第２の犠牲層34が、第１の犠牲層24の上に堆積されてパターン形成される。この第２の犠牲層34は、コンデンサギャップ28の寸法と波形しわ32の高さとを別々に調整することができる。
図7aを参照すると、典型的には厚さ１ミクロンである窒化ケイ素ダイヤフラム層26が堆積されてパターン形成される。この段階は、波形しわ32の存在を除いて、図７に示されている段階と同様である。
図8aを参照すると、好ましくは厚さ約0.01ミクロンのクロムであることが好ましい金属層が、窒化ケイ素ダイヤフラム層26上に堆積されてパターン形成され、可動電極14bを形成する。この段階は、波形しわ32の存在を除いて、図８に示されている段階と同様である。
詳細には示されていないが、第１の実施形態と同様に、ウェーハ16上の他の場所のアルミニウムボンディングパッドを保護するために、チタン／タングステン合金層と、それに続く金層とが、堆積されてパターン形成されることができる。
最終微細加工段階が図9aに示されている。この段階では、ウェーハ全体16が、水酸化カリウム（KOH）であることが好ましい異方性エッチング剤でエッチングされる。この段階は、マイクロホン10の可動要素と固定要素との間のコンデンサギャップ28を形成すると共に、ダイヤフラム12の下に穴30を形成する。この段階は、波形しわ32の存在を除いて、図９に示されている段階と同様である。
より深い波形しわが必要とされる場合には、波形しわの全体的な振幅を増大させるために、犠牲層の堆積およびパターン形成の前にシリコンが溝堀りエッチングされる。
マイクロホンの低周波数ロールオフプイントは、背部体積コンプライアンス（音響ファラド単位）と圧力等化経路の音響抵抗（音響オーム単位）との積の逆数によって決定される。この装置の音響等化経路は、カンチレバー形ダイヤフラムの端縁の周囲に存在し、シリコン基板内の穴の中に続いている。本発明において求められている、背部体積が２立方ミリメートルから３立方ミリメートルである非常に小型のマイクロホンの場合には、100Hz未満の平坦な応答を維持するために、この経路の音響抵抗は非常に高くなければならず、約百万音響オームでなければならない。
図9bは、図1aの線9b−9bに沿ってとられた、図1aの断面図である。図9bに示されているように、穴30の端縁を通過して延びるダイヤフラム12の重なり部分12cを形成することによって、高い音響抵抗が得られる。この重なり部分12cは、約５ミクロンから約10ミクロンの長さ「ｌ」を有する等化経路36を画定し、ダイヤフラム12とウェーハ16との間に１ミクロンから２ミクロンのギャップ高さ「ｈ」を有する。
コンデンサギャップ28、波形しわ32および圧力等化経路36のために必要とされる様々な垂直方向寸法が、２つの互いに無関係にパターン成形された犠牲層を使用することによって全て実現されることが可能である。たとえば、図6bを参照すると、この図に示されているように、厚さ３ミクロンの第１の犠牲層24が、ダイヤフラム波形しわのために必要とされる高低差を生じさせるようにパターン成形されることが可能であり、一方、厚さ１ミクロンの第２の犠牲層34が、等化経路36の高さ「ｈ」を設定するために使用される。第２の（１ミクロンの）犠牲層34も、波形しわレリーフパターン全体を被覆する形で残され、したがって、波形しわ32の高さが変化せずに、犠牲層24と共に、４ミクロンのコンデンサギャップ28を形成する。これらの３つの寸法（波形しわ高さ、コンデンサギャップ、等化経路高さ）を別々に完全に制御することが求められる場合には、第３の犠牲層（図示されていない）が必要とされる。
すべてのコンデンサマイクロホンに関して、そのバックプレート上でのダイヤフラムの不可逆的な崩壊を結果的に生じさせる、音響レベルとバイアス電圧の組合せが存在する。ゼロバイアス電圧／ゼロ音圧条件でのダイヤフラムの位置が、そのダイヤフラムの無負荷位置と呼ばれる。典型的な用途においては、バイアス電圧が調整可能であるが、最大音圧を制御することは困難である場合が多い。無負荷位置からのダイヤフラムの移動が制限されており、かつ、適正なバイアス電圧が維持されている場合には、この不可逆的な崩壊が防止されることが可能である。
本発明のマイクロホンでは、圧力等化経路36の高さ「ｈ」（図9bを参照されたい）が小さいことが、高音圧下でのダイヤフラムの撓みを約１ミクロンに制限する働きをし、したがって、コンデンサ14での静電力が優勢になってダイヤフラム12の不可逆的な崩壊を引き起こすことはあり得ない。
上記構造では、ダイヤフラム12下の面積の大部分が、基板16内の穴30の真上に位置している。これは、ダイヤフラム12の運動によって動かされる空気が大きな抵抗なしに自由に動くことが可能であることを意味する。しかし、コンデンサ14の区域内では、ダイヤフラムとバックプレートとの間の３ミクロンから４ミクロンのコンデンサギャップ28内に空気が閉じこめられており、開口に達するまでその空気が強制的に横方向に流動させられる。空気の粘度と、コンデンサギャップ内を通過する空気流動経路の寸法が小さいこととのために、ダイヤフラム応答の大きな減衰が生じる可能性がある。この減衰は、高周波数応答に悪影響を与えると同時に、マイクロホン出力に雑音を付加する可能性がある。これを克服するための一般的な方法は、バックプレートに穿孔することであるが、この場合にはバックプレートが固体シリコン上に形成されているので、この減衰の問題は、図1aに示されている通りに、可動電極14bを含むダイヤフラム12を貫通して延びている孔または穴38を形成することによって解決される。こうした穴の使用が、50kHzまでの十分な応答性をすでに実現している。
曲げモーメントを増大させるための第２の構造は、厚さ２ミクロンから３ミクロンの薄い犠牲スペーサによって隔てられている２つのキルト状（quilted）薄膜のサンドイッチを使用してダイヤフラム12を形成することである。これら２つの薄膜が、図10に示されているように、キルト状構造を形成するように互いに断続的に付着されている。こうして、曲げモーメントが、付着点の横列を通過する横断面における僅かな偏りを除いて、すべての断面にわたって概ね同一の度合いに増大させられる。この偏りは、付着間隔に対する付着サイズの比率を小さく保つことによって最小限に抑えられることが可能である。
このダイヤフラムの製造方法は、図1aの実施形態に関して上記で開示した製造方法に類似しているが、図11と図12とでさらに詳細に示されている。
この方法では、１ミクロンの厚さを有する第１の犠牲層24の付着とパターン成形との後で、厚さ0.5ミクロンの第１の窒化ケイ素ダイヤフラム層40が付着させられてパターン成形される。その上に第２の犠牲層34（実施形態1aの層34に相当し、３ミクロンの厚さを有する）が堆積されてパターン形成される。その後で、0.5ミクロンの厚さを有する第２の窒化ケイ素層26が堆積されてパターン形成される。層26だけが、コンデンサ14の可動電極14bを支持する働きをする。
別の好ましいダイヤフラム構造が図13に示されている。この構造は、その中央で固定されている円形ダイヤフラムを含む。この形状の利点は、この形状が、横方向カールの抑制が最も困難である直線カンチレバーの２つの自由側部端縁を不要にするということである。残された唯一の自由端縁は円形の周縁である。ダイヤフラムサイズとダイヤフラム材料とダイヤフラム厚さとが決まっている場合には、その構造が波形しわの振幅に等しい寸法内で一様に保たれているならば、その構造のコンプライアンスは、端縁支持ダイヤフラムのコンプライアンスと直線カンチレバーのコンプライアンスとの中間であり、前者の５倍でかつ後者の約20分の１である。この構造のカーリングの傾向も中間である。さらに、この構造のコンプライアンスは、適切な振幅の波形しわを組み込むことによって所要の値に調節されることもできる。こうした波形しわは、放射状、円形（好ましい形状である）、または、玩具の風車のように内側半径に対して接線状にすることができる。円形の波形しわの場合には、ダイヤフラム固定区域によって中断されることなしに波形しわを形成することができるので、円形の波形しわが好ましい。
図13の実施形態を製造するプロセスは、固定部（anchor）60の形成段階を除けば、図1aの実施形態を製造するプロセスと同様である。図14と図15は、この実施形態の横断面を示している。
中央で支持される円形ダイヤフラム12の固定部60は、基板の穴30の中央に達している。したがって、上記固定部を周囲の基板に接続するために、周囲基板表面以外の幾つかのダイヤフラム支持体手段が備えられなければならない。
上記の好ましい方法は、引っ張られた穿孔薄膜構造すなわちウェブ62を基板穴30をまたぐ形で形成するように、かつ、固定部60においてウェブ62にダイヤフラム12を付着させるように、（直線カンチレバー設計では除去済みである）ウェーハ16の表側表面上のLOCOS窒化物薄膜18cとパッシベーション窒化物22との組合せ堆積物をパターン形成することである。図１のカンチレバー構造に関連して上記で言及したように、CMOSプロセス中に、ダイヤフラムと基板穴とになる活性区域が形成される。しかし、この場合には、フィールド酸化物の成長を阻止することによってLOCOSプロセスにおける活性区域を画定するために一般的に使用されるLPCVD窒化ケイ素層18cが、ダイヤフラム12と基板穴30とになる区域の全体にわたって残されている。従来のLOCOSプロセスでは、この窒化物層は、フィールド酸化段階でマスクとして使用された後に、全体が剥ぎ取られる。このシリコン窒化物は一般的に高い伸張性を有し、最終構造を引っ張るために使用される。上記活性区域内においては、窒化ケイ素層18cを露出させるために、CMOS低温酸化物20が上記と同様に除去される。窒化ケイ素パッシベーション層22がウェーハ16上に堆積され、エッチングによってパターン形成される。しかし、このエッチング段階では、下にあるLOCOS窒化物16cも同様にエッチングされ、窒化ケイ素パッシベーション層22と同じパターンを得て、図13aに示されている通りのウェブ62を形成するように、エッチング時間が延長させられる。ウェーハ16がこのプロセスの最後にKOH中でエッチングされる時には、ウェーハ16の表側に対して作用するバルクシリコンエッチングが、最終的に４つのポケット（pocket）66を形成する。これらのポケット66は、ウェブ62内の８つの開口66aで始まり、その後で、長方形の制限境界66bに達するまで横方向に延びる。異方性エッチング剤の場合に予想されるように、この境界は、当初のエッチング開口に外接しかつ基板16の（111）結晶面と位置合せされている最大の長方形である。この場合には、この横方向エッチングがウェブ62の下をくりぬき、その結果として、ウェブ62の大きな区域が自立状態となる。しかし、各々のポケット66bの間に１つずつのシリコンリブが位置する形で４つのシリコンリブ68が配置されており、これらのリブ68は、固定部60と基板16との間を延びている。この場合には、この構造の剛性が、リブ68と、その構造を形成する薄膜18c、22の張力との両方から得られる。堅固な支持を与えるのに十分な大きさの、周囲基板上に付着させられたウェブ62の合計区域を含んでいるように、しかし、穴30の中への移動空気流の抵抗を最小限に抑えるのに十分な個数の開口を含むように、薄膜18c、22のパターン形成が行われる。窒化ケイ素パッシベーション層22が、堆積時に引張り状態で得られることが可能である場合には、この好ましい実施形態は、LOCOS窒化物18cを省略して窒化ケイ素パッシベーション層22だけを使用することになり、したがって、そのプロセスの流れを従来のCMOSプロセスのプロセスの流れにより一層類似したものにする。穴30が、ウェーハ16の表側からのポケットのエッチングと、LOCOS窒化物18b内の開口を通してウェーハ背面側のエッチングとを同時に行うことによって形成される。
この中央支持円形ダイヤフラム設計では、静電性領域内のコンプライアンスは、ダイヤフラム12のコンプライアンスとバックプレートのウェブ62のコンプライアンスとの合計の結果である。
より大きなコンプライアンスを得るために、最終微細加工のエッチング時間を延長することによって、リブ68が除去されることが可能である。実際には、コンプライアンスの全てを、バックプレートウェブ62から得ることができ、ダイヤフラム12を非常に堅くすることができる。
円形ダイヤフラムのためのシリコン中央支持の利点は、この支持がダイヤフラムのための非常に平坦で安定した基礎であることである。中央シリコン支持は、さらに、引張り薄膜支持構造に比べてパッケージ発生応力からより一層分離されてもいる。さらに、支持体がバルク状シリコンで作られているので、ダイヤフラム付着部分における非除去薄膜応力は、引張り薄膜支持構造に比較して無視できるほど小さい。
基板エッチングのこの好ましい方法（異方性エッチング）は、正方形の穴を作れる。円形ダイヤフラムの周囲は、ダイヤフラムと基板穴とに関して選択される相対的サイズに基づいて、周囲基板表面の大部分と重なり合うか、または、重なり合わない基板穴の隅を残しておかなければならない。前者の場合には、空気の大部分がダイヤフラムと基板との間に捕らえられ、移動させられる空気の流れに起因する粘性減衰を回避するために、上記のようにダイヤフラムの穿孔を必要とする。後者の場合には、大きな漏洩区域が基板穴の隅に生じさせられるが、上記ダイヤフラム支持方法に関連して使用されるぴんと張られた（tensioned）薄膜（好ましくは窒化ケイ素パッシベーション層）が上記穴の隅の中を埋めるように伸張させられる場合には、上記漏洩区域が排除されることが可能である。したがって、ダイヤフラムと基板との間のナローギャップ重なり部の領域が、気圧リリーフ経路を通る漏洩を抑制するために必要に応じて再形成される。上記穴の隅の中に加えられたぴんと張られた薄膜の自由端部は、幾分かカールする傾向があり、このことが気圧リリーフ経路内のナローギャップの制御の効果を低下させる。上記の好ましい設計では、その装置の中央に向けて隅の薄膜区域の自由端縁を引っ張ることによってその自由端縁を平らにする、幾つかのぴんと張られた追加の薄膜ストリップ62aが含まれる。
コンデンサが上記装置内のダイヤフラムの端縁付近の位置に組み込まれるが、これは、圧力に起因する振動の最大振幅がその場所で生じるからである。ダイヤフラム電極が、そのダイヤフラムのコンデンサ区域を金属化することによって形成される。バックプレートの構造は、ダイヤフラムに関して選択されるサイズに応じて決まる。基板穴の周囲を囲む固体基板表面に重なる大きなダイヤフラムの場合には、バックプレート電極が、パッシベーション被覆基板の表面を金属化することによって形成される。
図13dに示されているような、上記の通りに基板穴の隅を引張り薄膜の区域が既に埋めていなければならないより小さなダイヤフラムの場合には、ぴんと張られた薄膜のこうした区域をさらに単純に伸張させて、そのダイヤフラムの金属化周囲区域の下に位置する自立したバックプレート薄膜構造を形成することによって、バックプレートが形成される。その後で、バックプレート電極14aを形成するために、こうした追加のぴんと張られた薄膜区域も金属化される。バックプレート金属化の応力が、その薄膜構造の正味引張り力を強化するために選択されることができる。いずれの場合でも、金属化バックプレート薄膜の正味応力は張力でなければならない。この場合も同様に、ダイヤフラムとバックプレートとの間に閉じこめられている空気は、粘性減衰を回避するために適切に通気されなければならない。この場合には、好ましい解決策は、ダイヤフラムではなくバックプレートに穿孔することであるが、これは、穿孔した場合には、バックプレート構造の方がダイヤフラムの場合よりもカールする傾向が小さいからである。バックプレート穴72は、穴またはスロットの形にされることが可能である。穴の穿孔の典型的なパラメータは、穴直径５マイクロメートルで穴間隔が10マイクロメートルである。スロット穿孔の典型的なパラメータは、14マイクロメートルのスロットで、スロット間隔が24マイクロメートルである。スロット通気の場合には、残りのバックプレート材料はウェブ状の特徴を呈する。そのバックプレート構造が最初にパターン形成された時のように張力がその構造中でバランスが取られるように、かつ、そのバックプレート構造が釈放される時に張力が再分布させられないように、バックプレート構造の直線要素の交差角度と長さとが選択される。
金属化ダイヤフラム14aに対する電気的接続が、そのダイヤフラムの端縁に付着するように中央柱の中を通してまたは好ましくは薄い窒化物リーダ（leader）70によって実現される。図13に示されているように、これによって、追加の寄生的キャパシタンスが最小になる。
特定のダイヤフラム波形しわ形状とバックプレート穿孔パターンとが組み合わされる時に生じる問題は、その波形しわパターンの幾つかの低い区域がバックプレート薄膜材料上に垂れ下がるということである。これは、他の場所ではエアギャップが４マイクロメートルであるのに、その区域内ではエアギャップが約１マイクロメートルである区域を生じさせる。上記のように、粘性減衰効果がエアギャップの３乗の逆数として概算されるので、機械的減衰が、こうした場所では、その構造の他の場所に比べて単位面積当たりで50倍以上急速に累積する。
これを回避するための２つの方法が本明細書に含まれている。第１の方法は、上記の通りに、そうした場所でダイヤフラムに穿孔することである。これらの場所があまりに多くはない場合には、ダイヤフラムの波形しわはダイヤフラムのコンプライアンスまたはカール抑制を大きく変化させるのに十分にアップセットされていない。
この減衰効果を回避するための第２の方法は、波形しわ／バックプレートの交差を全て取り除くことである。図16、図16a、図16b、図16cはこうした設計を示している。このアプローチは、波形しわの概ね半径方向の配置とそれに対応するウェブ62のストリップ62aの半径方向配置とを使用する。等化経路36の高さ「ｈ」が減少させられる周囲の等化経路36と、ダイヤフラムの撓みが非常に僅かであるダイヤフラム中央固定区域の付近とを除いた、ダイヤフラム波形しわパターンの凸部区域の下に、ウェブストリップ62aの全てが置かれる。この設計は、上記半径方向方法と上記円形方法との組合せを表わす、上記の第３の波形しわスキームも示している。図16aに示されているように、波形しわが内側半径に対して接線方向に配置され、このことが、ダイヤフラムの端縁においては波形しわを特徴的に概ね半径方向に位置させるが、中央付近では円形波形しわの形に収束させる。ダイヤフラム波形しわのこの配置がぴんと張られた薄膜のストリップに一致させられる場合には、ウェブが形成され、このウェブは、バックプレート構造を構成し、かつ、シリコンリブと上記拡大中央ダイヤフラム支持区域とを形成するようにシリコン穴エッチングをマスクする。このウェブの下のシリコンリブは、バックプレート構造に剛性を与える。収束ダイヤフラム波形しわはこの中央支持区域に固定される。
長方形カンチレバーと円形カンチレバーの両方は、その構造が過圧力を受ける場合に、１つの方向に自然の動き止めを有する（特に、ナローギャップ圧力リリーフ経路と、波形しわの溝とバックプレート薄膜との小さな意図的交差）。その他の方向における動き止めを提供するために、パッシベーション窒化物22の島73が、犠牲層としてCMOS金属74を使用して形成される。一方の端部73aがダイヤフラムの端縁に付着させられており、かつ、他方の端部73bが、活性区域の外側のダイヤフラム窒化物の張出しの下に閉じこめられている。図17は、この圧力止め構造を示している。
ギャップの反復性がシリコンマイクロホンにおいて重要である。動作モードの１つは、ダイヤフラムをバックプレートの外側端縁に接触させるように十分に高いバイアス電圧を供給することである。これは非常に反復性の高いギャップを形成し、かつ、優れた感度を与えるのに十分なコンプライアンスが依然として保たれている。
本発明が、本発明の思想またはその中心的特徴から逸脱することなしに、他の特定の形態で具体化されることが可能であることが理解されるだろう。したがって、上記実施形態と具体例とが非限定的な例示のためのものであるとみなされるべきであり、本発明は上記の詳細な説明に限定されるものではない。

Claims (16)

1. ソリッドステートコンデンサマイクロホンであって、
   支持構造（11）を形成し且つ開口（30）を有する半導体基板（16）と、
   前記開口の一部分の上に延びている流体伝導音圧に応答するダイヤフラム（12）を形成しており、基部端部（12a）と末端端部（12b）とを有し、前記基部端部が前記支持構造に取り付けられ、かつ、前記末端端部が前記支持構造から分離されかつ前記支持構造の一部分の上に延びている薄膜カンチレバー構造と、
   可動電極（14a）と固定電極（14b）とを有し、前記可動電極が前記構造の前記末端端部の上に配置され、前記固定電極が前記可動電極に近接して前記支持構造の上に配置され、かつ、前記コンデンサマイクロホンが前記固定電極に対する前記可動電極の位置に比例した出力を生じさせる可変ギャップコンデンサ（14）
   とを含むソリッドステートコンデンサマイクロホン。
2. 前記半導体基板がシリコンである請求項１に記載のマイクロホン。
3. 前記カンチレバー構造の前記基部端部が前記開口の端縁に沿っている請求項１に記載のマイクロホン。
4. 前記カンチレバー構造が概ね長方形の形状である請求項３に記載のマイクロホン。
5. 前記ダイヤフラムが概ね円形の形状である請求項１に記載のマイクロホン。
6. 前記カンチレバー構造が複数の薄膜層で形成されている請求項１に記載のマイクロホン。
7. 前記複数の薄膜層がキルト状にされている請求項６に記載のマイクロホン。
8. 前記ダイヤフラムが、前記ダイヤフラムの両側部の間の空気流を制限するための、前記支持構造の一部分の上に延びている圧力等化経路を規定する手段を含む請求項１に記載のマイクロホン。
9. 前記支持構造から遠ざかる方向の前記ダイヤフラムの移動を制限するための手段を含む請求項１に記載のマイクロホン。
10. 前記移動制限手段が、前記ダイヤフラムの前記末端端部の上に延びている手段を含む請求項９に記載のマイクロホン。
11. 前記ダイヤフラム末端端部が通気口を含む請求項１に記載のマイクロホン。
12. 前記通気口が、前記末端端部を通って延びている複数の穴を含む請求項11に記載のマイクロホン。
13. 前記カンチレバー構造が波形しわにされている請求項１に記載のマイクロホン。
14. 前記波形しわが同心円を形成する請求項13に記載のマイクロホン。
15. 前記波形しわが概ね半径方向のラインを形成する請求項13に記載のマイクロホン。
16. 前記波形しわが概ね接線方向のラインを形成する請求項13に記載のマイクロホン。

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