JP5240900B2 - エレクトレット構造及びその形成方法並びにエレクトレット型静電容量センサ - Google Patents

Description

本発明は、半導体を用いて形成されるエレクトレット構造及びその形成方法並びにエレクトレット型静電容量センサに関する。

従来、シリコン等の無機材料を用いて半導体微細加工技術によって製作されるシリコンマイクロホン、圧力センサ、加速度センサ等の半導体静電容量型センサが実用化されている。これらのセンサは、圧力や加速度等の物理量を受けて変位する可動電極と対向電極とを含み、両電極間に一定の電荷を蓄積させた状態で動作する。圧力等の物理量を受けて可動電極が変位すると、可動電極と対向電極との距離が変わることで、両電極間の静電容量が変化する。両電極間に蓄積された電荷は一定に保たれているため、静電容量変化は両電極間の電圧変化として検出される。

このような半導体静電容量型センサでは、従来、電荷を蓄積させるために両電極間に外部からバイアス電圧を印加する方式が主流であったが、近年では酸化シリコン等、半導体微細加工技術で加工可能な無機エレクトレット部材を組み込み、これに電荷を蓄積させる構造のセンサが発表されている。これらエレクトレット型のセンサは外部からのバイアス電圧が不要であるため、センサ全体の小型化や簡素化が可能となる等の利点を有する。

ところで、酸化シリコン等の半導体微細加工技術で加工可能な無機エレクトレット部材には、湿度の影響により蓄積された電荷が放電してしまうという問題がある。このため、無機エレクトレット部材（例えばシリコン酸化膜）が直接外気（湿気）に触れないように、窒化シリコン等の保護膜で覆うことが一般的である。その際、無機エレクトレット部材の側面を保護膜で覆いやすくする、すなわち、ステップカバレッジ（Step Coverage：段差被覆性）を改善するために、無機エレクトレット部材の上端部を丸く形成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された従来のエレクトレット構造を図７に示す。図７に示すように、従来のものは、絶縁膜１上に無機エレクトレット部材であるシリコン酸化膜２が形成されている。また、このシリコン酸化膜２を覆うように絶縁膜３が形成されている。特許文献１によれば、シリコン酸化膜２の上端部２ａを図示のように丸く形成することで絶縁膜３のステップカバレッジを改善し、シリコン酸化膜２に対する耐湿性を高くすることができるとしている。

ところで、シリコン酸化膜の厚さを厚くすることによりシリコン酸化膜に蓄積される電荷による蓄積電圧を大きくすることが可能であることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１には、シリコン酸化膜を保護するシリコン窒化膜の厚さ１００ｎｍに対して、シリコン酸化膜の厚さを５００ｎｍから６００ｎｍに厚くするに従い、蓄積電圧が高くなることが記載されている。そこで、蓄積電圧を高めるため、実用上はシリコン窒化膜の数倍の厚さのシリコン酸化膜が用いられることがある。
特開２００６−２４５３９８号公報 V. Leonov 他, "Stabilization of positive charge in SiO２/Si３N4 electrets", IEEE Transactions on Dielectric and Electrical Insulation誌, vol.13, No.5, pp.1049-1056, October 2006.

しかしながら、特許文献１に示された従来のエレクトレット構造では、図７に示すように、無機エレクトレット部材であるシリコン酸化膜２の側面２ｂが絶縁膜１に対して垂直となっているので、ステップカバレッジの改善が限定的であり、特に、蓄積電圧を高めるためにシリコン酸化膜の厚さを厚くしようとするとステップカバレッジの改善効果が期待できず、シリコン酸化膜に対する耐湿性が確保できないという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、無機エレクトレット部材の厚さに関わらず、その耐湿性を確実に確保することができるエレクトレット構造及びその形成方法並びにエレクトレット型静電容量センサを提供することを目的とする。

本発明のエレクトレット構造は、凹部が形成された第１の面及び該第１の面とは反対側の第２の面を有するシリコン基板と、前記凹部の底面から前記第１の面の位置までの前記凹部内に埋め込まれた無機エレクトレット部材と、前記第１の面及び前記無機エレクトレット部材の表面を保護する保護膜と、前記第２の面上に形成された電極とを備え、前記無機エレクトレット部材の表面と前記第１の面とが同一面である構成を有している。

この構成により、本発明のエレクトレット構造は、無機エレクトレット部材が、保護膜によって外気に触れないよう保護されるので、無機エレクトレット部材の厚さに関わらず、その耐湿性を確実に確保することができる。

また、本発明のエレクトレット構造は、凹部が形成された第１の面及び該第１の面とは反対側の第２の面を有するシリコン基板と、前記凹部の底面から前記第１の面の位置を超える予め定めた位置まで埋め込まれた無機エレクトレット部材と、前記第１の面及び前記無機エレクトレット部材の表面を保護する保護膜と、前記第２の面上に形成された電極とを備え、前記無機エレクトレット部材は、前記シリコン基板の厚さ方向において前記凹部の開口の中央から端に向かって次第に薄くなるようバーズビーク状に形成されており、前記無機エレクトレット部材のバーズビーク状の先端と前記第１の面とが接続されている構成を有している。

この構成により、本発明のエレクトレット構造は、無機エレクトレット部材が、バーズビーク状の形状を含む保護膜によって外気に触れないよう保護されるので、無機エレクトレット部材の厚さに関わらず、その耐湿性を確実に確保することができる。

また、このバーズビーク状のエレクトレット構造の場合には、従来からあるバーズビーク状半導体部品の製造ラインを利用することができる。

さらに、本発明のエレクトレット構造は、前記凹部の開口が設けられた前記第１の面上の領域とは異なる領域から前記第２の面に貫通する少なくとも１つの貫通孔を備えた構成を有している。

この構成により、本発明のエレクトレット構造は、無機エレクトレット部材の耐湿性を確実に確保するとともに、第１の面側から印加圧力（空気の振動）が加わった場合でも、貫通孔を通して空気を逃がすことができ、エレクトレット構造が変位しないようにできる。

本発明のエレクトレット型静電容量センサは、エレクトレット構造を有する背面電極基板と、該背面電極基板に対向配置され印加圧力に応じて変位する可動電極基板とを備えた構成を有している。

この構成により、本発明のエレクトレット型静電容量センサは、背面電極基板の無機エレクトレット部材が、保護膜によって外気に触れないよう保護されるので、無機エレクトレット部材の厚さに関わらず、その耐湿性を確実に確保することができる。

本発明のエレクトレット構造の形成方法は、第１の面及び該第１の面とは反対側の第２の面を有するシリコン基板に無機エレクトレット部材を形成するエレクトレット構造の形成方法であって、
前記シリコン基板の前記第１の面に凹部を形成する工程と、前記無機エレクトレット部材を前記凹部に形成する工程と、前記第１の面と前記無機エレクトレット部材の表面とを同一面に平坦化する工程と、同一面に平坦化した第１の面及び無機エレクトレット部材の表面に保護膜を形成する工程と、前記第２の面上に電極を形成する工程とを含む構成を有している。

この構成により、本発明のエレクトレット構造の形成方法は、無機エレクトレット部材が、保護膜によって外気に触れないよう保護されるので、無機エレクトレット部材の厚さに関わらず、その耐湿性を確実に確保することができる。

本発明は、無機エレクトレット部材の厚さに関わらず、その耐湿性を確実に確保することができるという効果を有するエレクトレット構造及びその形成方法並びにエレクトレット型静電容量センサを提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、本発明のエレクトレット型静電容量センサをシリコンマイクロホンに適用する例を挙げて説明する。

（第１の実施の形態）
まず、本実施の形態におけるシリコンマイクロホンの構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態におけるシリコンマイクロホンの構成を概念的に示す断面概念図である。

図１に示すように、本実施の形態におけるシリコンマイクロホン１００は、無機エレクトレット部材を含む背面電極基板２００と、背面電極基板２００と対向配置された可動電極基板３００と、背面電極基板２００と可動電極基板３００との間に設けられた絶縁体４００とを備えている。

背面電極基板２００は、シリコン基板２０１と、シリコン酸化膜２０２と、シリコン窒化膜２０３と、貫通孔２０４と、外部回路（図示省略）に接続される電極２０５とを備えている。なお、背面電極基板２００の詳細な構成については後述する。また、以下の説明において、シリコン窒化膜２０３がある側を「表面」、電極２０５がある側を「裏面」という。

可動電極基板３００は、シリコン基板３０１と、シリコン基板３０１に形成された可動電極膜３０２と、可動電極膜３０２上に形成された接続用端子３０３とを備えている。

可動電極膜３０２は、例えば不純物をドープしたシリコンからなる導電性の薄膜で構成され、音波による音圧変化に応じて変位するようになっている。

接続用端子３０３は、例えばアルミニウム膜で構成され、電極２０５と同様に外部回路に接続されるものである。

絶縁体４００は、例えばガラスやセラミックスで構成され、背面電極基板２００と可動電極基板３００との間隔を所定の寸法に保持するようになっている。

前述のように構成されたシリコンマイクロホン１００は、音波に応じて可動電極膜３０２が変位することにより背面電極基板２００と可動電極基板３００との間の静電容量が変化し、電荷が一定であることから電極２０５及び３０３に接続された外部回路においてこの静電容量の変化が電圧の変化として検出され、音波が電気信号に変換されるようになっている。

次に、背面電極基板２００の詳細な構成について図２を用いて説明する。図２（ａ）は、本実施の形態における背面電極基板２００の断面概念図、図２（ｂ）は、背面電極基板２００の平面概念図である。なお、図２（ａ）は、図２（ｂ）に示すＡ−Ａ断面における断面概念図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＢ方向から見た平面概念図である。

図２に示すように、本実施の形態における背面電極基板２００は、シリコン基板２０１と、無機エレクトレット部材であるシリコン酸化膜２０２と、保護膜としてのシリコン窒化膜２０３と、貫通孔２０４と、電極２０５とを備えている。

シリコン基板２０１には、貫通孔２０４を避けるようパターニングされて形成された凹部２０１ａが設けられ、凹部２０１ａには側面２０１ｂが形成されている。無機エレクトレット部材であるシリコン酸化膜２０２は、この凹部２０１ａに埋め込まれて形成されている。

シリコン窒化膜２０３は、段差無く形成された、シリコン基板２０１の表面２０１ｃとシリコン酸化膜２０２の表面２０２ａとを覆うように形成されている。なお、シリコン窒化膜２０３に代わる保護膜として、例えばアルミニウム酸化膜やフッ素樹脂膜等を用いてもよい。

前述の構成により、シリコン酸化膜２０２の側面は、シリコン基板２０１に設けられた凹部２０１ａの側面２０１ｂに保護される。また、シリコン基板２０１の表面２０１ｃと、シリコン酸化膜２０２の表面２０２ａとには段差がないので、シリコン窒化膜２０３によってシリコン酸化膜２０２の表面２０２ａを確実に保護することができる。

すなわち、本実施の形態における背面電極基板２００は、従来のものとは異なり、シリコン酸化膜２０２を厚くしてもステップカバレッジの問題が発生せず、耐湿性の高いエレクトレット構造を有するものである。

次に、本実施の形態における背面電極基板２００の製造方法について図３〜図５を用いて説明する。

まず、シリコン基板２０１の表面及び裏面にそれぞれ例えば熱酸化法によってシリコン酸化膜１１を形成する（図３（ａ））。このシリコン酸化膜１１は、後工程においてシリコン基板２０１に凹部２０１ａを形成するためのマスク膜である。

続いて、シリコン基板２０１の表面及び裏面にそれぞれフォトレジスト１２を塗布し、フォトリソグラフィ法により、シリコン基板２０１の表面に開口部１２ａを形成する（図３（ｂ））。

さらに、開口部１２ａからシリコン酸化膜１１をエッチングした後、フォトレジスト１２を除去する。これによりシリコン基板２０１の表面２０１ｃに開口部１１ａが形成される（図３（ｃ））。

次に、開口部１１ａからシリコン基板２０１をエッチングし、凹部２０１ａを形成する。例えば、シリコン基板２０１が単結晶シリコンである場合、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド等のエッチング液を使ってエッチングすると、凹部２０１ａの側面２０１ｂは斜めに形成される（図３（ｄ））。

引き続き、エッチングによりシリコン基板２０１の表面及び裏面にそれぞれに形成したシリコン酸化膜１１を除去する（図４（ｅ））。

次に、熱酸化法等を用いて、無機エレクトレット部材であるシリコン酸化膜２０２を形成する。シリコン酸化膜２０２の厚さは、凹部２０１ａの深さより厚くしておくことが望ましい。なお、熱酸化法でシリコン酸化膜２０２を形成する場合、シリコン基板２０１の裏面にもシリコン酸化膜１３が形成される（図４（ｆ））。

続いて、シリコン酸化膜２０２とシリコン基板２０１の表面２０１ｃとの段差が無くなるように、シリコン基板２０１の表面側を研磨する（図４（ｇ））。

さらに、シリコン基板２０１の表面２０１ｃをフォトレジスト（図示せず）で保護して、シリコン基板２０１の裏面に形成されたシリコン酸化膜１３をエッチングして除去する。フォトレジストはシリコン酸化膜１３をエッチングした後に除去する（図４（ｈ））。

また、シリコン基板２０１の両面に化学気相成長法等でシリコン窒化膜２０３及び１４を形成する（図４（ｉ））。

次に、シリコン基板２０１の表面及び裏面にそれぞれフォトレジスト１５を塗布し、フォトリソグラフィ法により、シリコン基板２０１の裏面に開口部１５ａを形成する（図５（ｊ））。

さらに、開口部１５ａからシリコン窒化膜２０３をエッチングし、続いて、フォトレジスト１５を除去する。これによりシリコン基板２０１の裏面に開口部１４ａが形成される（図５（ｋ））。

また、開口部１４ａからシリコン基板２０１をエッチングし、開口部２０１ｄを形成する。例えば、シリコン基板２０１が単結晶シリコンの場合、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド等のエッチング液を使ってエッチングすると、開口部２０１ｄの側面２０１ｅは図示のように斜めに形成される（図５（ｌ））。

次に、例えばドライエッチング法を用いて、シリコン基板２０１の裏面からシリコン窒化膜１４を除去する。このとき、開口部２０１ｄの底のシリコン窒化膜２０３（図５（ｌ）参照）も同時にエッチングされ貫通孔２０４が形成される（図５（ｍ））。

そして、シリコン基板２０１の裏面にスパッタ法等で電極２０５を形成することで、本発明のエレクトレット構造を有する背面電極基板２００が得られる（図５（ｎ））。

この後、背面電極基板２００のシリコン窒化膜２０３側から、図示しないメッシュを通して針電極よりコロナ放電を行い、電荷を蓄積して背面電極基板２００が完成する。

次に、本実施の形態に係るシリコンマイクロホン１００の可動電極基板３００は公知の製造方法で製作することができる。この後、背面電極基板２００と可動電極基板３００との間に絶縁体４００を設けて接合することによってシリコンマイクロホン１００が得られる。

以上のように、本実施の形態におけるシリコンマイクロホン１００によれば、シリコン基板２０１の表面２０１ｃと、無機エレクトレット部材であるシリコン酸化膜２０２の表面２０２ａとを段差無くシリコン窒化膜２０３で保護するとともに、シリコン酸化膜２０２が形成されていない領域に貫通孔２０４を形成する構成としたので、シリコン酸化膜２０２は外気に触れないこととなる。したがって、本実施の形態におけるシリコンマイクロホン１００は、無機エレクトレット部材の厚さに関わらず、その耐湿性を確実に確保することができる。

なお、前述の実施の形態において、本発明のエレクトレット型静電容量センサをシリコンマイクロホン１００に適用する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、音波以外の圧力や加速度等に応じて可動電極が変位するものに適用することができる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態におけるシリコンマイクロホンの背面基板を図６に示す。図６（ａ）は、図６（ｂ）に示すＡ−Ａ断面における断面概念図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＢ方向から見た平面概念図である。また、図６（ｃ）は、図６（ａ）におけるＣ部を拡大した断面概念図である。

図６に示すように、本実施の形態における背面電極基板５００は、第１の実施の形態における背面電極基板２００（図２参照）に対し、Ｃ部の構成が異なっている。なお、第１の実施の形態における背面電極基板２００と同様な構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施の形態におけるシリコン酸化膜２０２は、その一部がシリコン基板２０１の凹部２０１ａに埋め込まれ、シリコン基板２０１の表面２０１ｃから予め定めた位置まで盛り上がった形状で形成されている。そして、シリコン酸化膜２０２の端部２０２ｃはバーズビーク（鳥のくちばし）状に形成されている。また、シリコン窒化膜２０３は、シリコン基板２０１の表面２０１ｃと、シリコン酸化膜２０２の表面２０２ａとを覆うように形成されている。

本実施の形態における背面電極基板５００は、前述のように構成されているので、シリコン酸化膜２０２の表面２０２ａとシリコン基板２０１の表面２０１ｃとが、段差無く、緩やかに接続されるため、シリコン酸化膜２０２の厚さに関わらず、シリコン酸化膜２０２の表面２０２ａをシリコン窒化膜２０３で確実に保護することができ、耐湿性の高いエレクトレット構造を有するものとなる。

なお、バーズビーク形状の断面をもつシリコン酸化膜２０２をシリコン基板２０１に一部埋め込んで形成するには、例えば既に確立している半導体製造技術であるＬＯＣＯＳ（LOCal Oxidation of Silicon：選択酸化法）プロセスを用いることができる。このＬＯＣＯＳプロセスは公知であるので、背面電極基板５００の製造方法の説明を省略する。

以上のように、本実施の形態におけるシリコンマイクロホンによれば、無機エレクトレット部材であるシリコン酸化膜２０２を、バーズビーク状の形状を有するシリコン窒化膜２０３で保護する構成としたので、無機エレクトレット部材の厚さに関わらず、その耐湿性を確実に確保することができる。

以上のように、本発明に係るエレクトレット構造及びその形成方法並びにエレクトレット型静電容量センサは、無機エレクトレット部材の厚さに関わらず、その耐湿性を確実に確保することができるという効果を有し、シリコンマイクロホン、圧力センサ、加速度センサ等として有用である。

本発明の第１の実施の形態におけるシリコンマイクロホンの構成を示す断面概念図 本発明の第１の実施の形態におけるシリコンマイクロホンの背面電極基板の構成を示す概念図 （ａ）背面電極基板の断面概念図 （ｂ）背面電極基板の平面概念図 本発明の第１の実施の形態におけるシリコンマイクロホンの背面電極基板の製造工程を示す図 本発明の第１の実施の形態におけるシリコンマイクロホンの背面電極基板の製造工程を示す図 本発明の第１の実施の形態におけるシリコンマイクロホンの背面電極基板の製造工程を示す図 本発明の第２の実施の形態におけるシリコンマイクロホンの背面電極基板の構成を示す概念図 （ａ）背面電極基板の断面概念図 （ｂ）背面電極基板の平面概念図 従来のエレクトレット構造を示す断面図

符号の説明

１１ シリコン酸化膜
１１ａ シリコン酸化膜の開口部
１２ フォトレジスト
１２ａ フォトレジストの開口部
１３ シリコン酸化膜
１４ シリコン窒化膜
１４ａ シリコン窒化膜の開口部
１５ フォトレジスト
１５ａ フォトレジストの開口部
１００ シリコンマイクロホン
２００ 背面電極基板
２０１ シリコン基板
２０１ａ シリコン基板の凹部
２０１ｂ 凹部の側面
２０１ｃ シリコン基板の表面
２０１ｄ シリコン基板の開口部
２０１ｅ 開口部の側面
２０２ シリコン酸化膜（無機エレクトレット部材）
２０２ａ シリコン酸化膜の表面
２０２ｂ シリコン酸化膜の側面
２０２ｃ シリコン酸化膜の端部
２０３ シリコン窒化膜（保護膜）
２０４ 貫通孔
２０５ 電極
３００ 可動電極基板
３０１ シリコン基板
３０２ 可動電極膜
３０３ 接続用端子
４００ 絶縁体
５００ 背面電極基板

Claims (5)

1. 凹部が形成された第１の面及び該第１の面とは反対側の第２の面を有するシリコン基板と、前記凹部の底面から前記第１の面の位置までの前記凹部内に埋め込まれた無機エレクトレット部材と、前記第１の面及び前記無機エレクトレット部材の表面を保護する保護膜と、前記第２の面上に形成された電極とを備え、
   前記無機エレクトレット部材の表面と前記第１の面とが同一面であることを特徴とするエレクトレット構造。
2. 凹部が形成された第１の面及び該第１の面とは反対側の第２の面を有するシリコン基板と、前記凹部の底面から前記第１の面の位置を超える予め定めた位置まで埋め込まれた無機エレクトレット部材と、前記第１の面及び前記無機エレクトレット部材の表面を保護する保護膜と、前記第２の面上に形成された電極とを備え、
   前記無機エレクトレット部材は、前記シリコン基板の厚さ方向において前記凹部の開口の中央から端に向かって次第に薄くなるようバーズビーク状に形成されており、
   前記無機エレクトレット部材のバーズビーク状の先端と前記第１の面とが接続されていることを特徴とするエレクトレット構造。
3. 前記凹部の開口が設けられた前記第１の面上の領域とは異なる領域から前記第２の面に貫通する少なくとも１つの貫通孔を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエレクトレット構造。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のエレクトレット構造を有する背面電極基板と、該背面電極基板に対向配置され印加圧力に応じて変位する可動電極基板とを備えたことを特徴とするエレクトレット型静電容量センサ。
5. 第１の面及び該第１の面とは反対側の第２の面を有するシリコン基板に無機エレクトレット部材を形成するエレクトレット構造の形成方法であって、
   前記シリコン基板の前記第１の面に凹部を形成する工程と、前記無機エレクトレット部材を前記凹部に形成する工程と、前記第１の面と前記無機エレクトレット部材の表面とを同一面に平坦化する工程と、同一面に平坦化した第１の面及び無機エレクトレット部材の表面に保護膜を形成する工程と、前記第２の面上に電極を形成する工程とを含むエレクトレット構造の形成方法。

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