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【発明の名称】 音響感応装置
【発明者】 【氏名】森 三佳

【氏名】沖野 徹
【要約】 【課題】簡単な構成で安定した特性を有する小型かつ高感度なコンデンサを備えた音響感応装置を提供することにある。

【構成】音響感応装置１０は、半導体基板１１上に形成された固定電極膜１２及び振動電極膜１４で構成されたコンデンサを備えており、固定電極膜１２と振動電極膜１４との間には、中空部１５が設けられている。中空部１５は、半導体基板１１上に形成された犠牲層１８がエッチング除去されて形成されたものである。そして、振動電極膜１４は、タングステン膜またはチタン膜で構成されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された固定電極膜及び振動電極膜で構成されたコンデンサを備えた音響感応装置であって、
前記固定電極膜と前記振動電極膜との間に、中空部が設けられており、
前記振動電極膜は、タングステン膜またはチタン膜で構成されている、音響感応装置。
【請求項２】
前記中空部は、前記半導体基板上に形成された犠牲層がエッチング除去されて形成されたものである、請求項１に記載の音響感応装置。
【請求項３】
前記振動電極膜に、前記中空部に通ずる貫通孔が形成されている、請求項１に記載の音響感応装置。
【請求項４】
前記固定電極膜と前記振動電極膜との間に、エレクトレット膜がさらに形成されている、請求項１に記載の音響感応装置。
【請求項５】
前記半導体基板には、前記振動電極膜の振動によって変動した前記コンデンサの出力信号を検出する検出回路がさらに形成されている、請求項１に記載の音響感応装置。
【請求項６】
前記音響感応装置は、コンデンサマイクロホンである、請求項１に記載の音響感応装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板と一体的に形成されたエアギャップ構造を有するコンデンサを備えた音響感応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体基板上に形成されたエアギャップ構造を有するコンデンサ（例えばコンデンサマイクロホン）を備えた音響感応装置として、図６に示すような構造が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
図６に示すように、シリコン基板１０１上に形成された多結晶シリコン膜の一部からなる振動電極膜１０２と、この振動電極膜１０２上に、シリコン酸化膜からなるスペーサ１０４を介して形成された多結晶シリコン膜からなる固定電極膜１０３とで、コンデンサを構成している。そして、音圧に応答して振動電極膜１０２が振動した際のコンデンサの静電容量の変化を、電気的に取り出すことによって、マイクロホンの機能を果たしている。
【０００４】
なお、振動電極膜１０２と固定電極膜１０３との間に形成された中空部（エアギャップ）１０８は、振動電極膜１０２上に形成されたシリコン酸化膜１０４からなる犠牲層を、固定電極膜１０３に形成された複数の貫通孔１０５を介してエッチング液を供給してエッチングすることによって形成される。また、振動電極膜１０２の裏面は、シリコン基板１０１を裏面側から選択的にエッチングして開口部１０９を形成することによって露出されている。
【０００５】
ここで、振動電極膜１０２は、シリコン基板１０１上に形成されたシリコン窒化膜からなる応力緩和層１０７を介して形成されている。これにより、シリコン基板１０１から振動電極膜１０２に作用する応力が緩和され、振動電極膜１０２の歪みを抑制することができる。
【０００６】
しかしながら、振動電極膜１０２を構成する多結晶シリコン膜は、張り強度が非常に弱いため、振動電極膜１０２の中央付近が弛んでしまい、電極間のギャップを一定に保つことが難しい。
【０００７】
このような張り強度の弱い振動電極膜に対して、一定の張り強度（張力）を付与する方法が、特許文献２に記載されている。すなわち、多結晶シリコン膜からなる振動電極膜の片面又は両面に、シリコン窒化膜等の引張り応力の大きな膜を積層することによって、振動電極膜全体に一定の張力を付与することができる。これにより、振動電極膜の弛みを防止することができる。
【特許文献１】特開２００４−３５６７０８号公報
【特許文献２】特表２００２−５１８９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２に記載された方法は、振動電極膜として、張り強度の弱い膜、例えば多結晶シリコン膜等を用いる場合に、振動電極膜に一定の張力を付与できる点では有用な方法であるが、シリコン窒化膜等の膜を別途積層する必要があることから、製造工程が増え、製品コストの上昇に繋がる。
【０００９】
また、シリコン窒化膜を振動電極膜に積層した場合、シリコン窒化膜の剥がれ等の問題が生じるおそれがあり、コンデンサの特性変動や、不良の原因ともなる。さらに、シリコン窒化膜の形成に高温熱処理が必要となるため、例えば、半導体基板にコンデンサの出力信号を検出する検出回路（例えば、ＭＯＳＦＥＴで構成）が混載されている場合、ＭＯＳＦＥＴの特性が変動するおそれがある。加えて、振動電極膜を積層構造にすることによって、振動電極膜が厚膜になり、コンデンサの小型化の制約となる。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その主な目的は、簡単な構成で安定した特性を有する小型かつ高感度なコンデンサを備えた音響感応装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、本発明の音響感応装置は、振動電極膜が、タングステン膜またはチタン膜からなる構成を採用した。すなわち、これらの膜は、ヤング率が大きいので、単層の膜でも十分な張り強度を有する振動電極膜を得ることができる。また、これらの膜は、抵抗率も小さいので、薄膜化しても十分に低抵抗な振動電極膜を得ることができる。さらに、これらの特性から、電極間のエアギャップの高さを小さくでき、かつ、振動電極膜の振幅を大きくすることができるので、小型で高感度（もしくは高出力）なコンデンサを実現することができる。加えて、これらの膜は、低温で形成することができるので、例えば、半導体基板にコンデンサの出力信号を検出する検出回路が混載されている場合でも、検出回路の特性変動に影響を与えることはない。
【００１２】
本発明に係わる音響感応装置は、半導体基板上に形成された固定電極膜及び振動電極膜で構成されたコンデンサを備え、固定電極膜と振動電極膜との間に、中空部が設けられており、振動電極膜は、タングステン膜またはチタン膜で構成されていることを特徴とする。
【００１３】
ある好適な実施形態において、上記中空部は、半導体基板上に形成された犠牲層がエッチング除去されて形成されたものである。
【００１４】
また、上記振動電極膜に、中空部に通ずる貫通孔が形成されていてもよい。
【００１５】
また、固定電極膜と振動電極膜との間に、エレクトレット膜がさらに形成されていてもよい。
【００１６】
また、半導体基板には、振動電極膜の振動によって変動したコンデンサの出力信号を検出する検出回路がさらに形成されていてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、振動電極膜を、ヤング率の大きなタングステン膜またはチタン膜で構成することによって、簡単な構成で安定した特性を有する小型かつ高感度なコンデンサを備えた音響感応装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態におけるコンデンサ（例えばコンデンサマイクロホン）を備えた音響感応装置１０の構成を模式的に示した図で、図２（ａ）は音響感応装置１０の断面図、図２（ｂ）は、音響感応装置１０におけるコンデンサ部分の平面図である。なお、図２（ａ）は、図２（ｂ）のＩa−Ｉaに沿った断面図を示す。
【００２０】
図１（ａ）に示すように、本発明における音響感応装置１０は、半導体基板１１上に形成された固定電極膜１２及び振動電極膜１４で構成されたコンデンサを備えており、固定電極膜１２と振動電極膜１４との間には、中空部１５が設けられている。ここで、中空部１５は、後述する半導体基板１１上に形成された犠牲層がエッチング除去されて形成されたものである。そして、振動電極膜１４は、タングステン膜またはチタン膜で構成されている。
【００２１】
振動電極膜１４を構成するタングステン膜またはチタン膜は、そのヤング率が１１０〜４００ＧＰａで、従来用いられていた多結晶シリコン膜のヤング率（１００ＧＰａ程度）よりも大きいため、単層の膜で、振動電極膜１４に必要な十分な張り強度を得ることができる。また、これらの膜は、抵抗率が８〜７０μΩ・ｃｍで、多結晶シリコン膜の抵抗率（４５０〜１０００μΩ・ｃｍ程度）よりも小さいため、薄膜化しても十分に低抵抗な振動電極膜１４を得ることができる。加えて、これらの特性から、中空部（エアギャップ）１５の高さを小さくでき、かつ、振動電極膜１４の振幅を大きくすることができるので、小型で高感度（もしくは高出力）なコンデンサを実現することができる。
【００２２】
以下、本実施形態の具体的な構成を、図１（ａ）、（ｂ）を参照しながら、さらに詳しく説明する。なお、本実施形態では、本発明に係わるコンデンサに加え、半導体基板に、振動電極膜の振動によって変動したコンデンサの出力信号を検出する検出回路が集積された音響感応装置を例に説明する。
【００２３】
図１（ａ）に示すように、シリコン基板（半導体基板）１１の表面に、検出回路を構成するＭＯＳＦＥＴのゲート電極２０、及びソース、ドレイン拡散層２１ａ、２１ｂが形成されている。また、シリコン基板１１の表面に形成されたシリコン酸化膜からなる素子分離領域２３上には、コンデンサを構成する固定電極膜１２が形成されている。固定電極膜１２は、例えば、多結晶シリコン膜からなり、この場合、ゲート電極２０と同時に形成することができる。
【００２４】
固定電極膜１２及びゲート電極２０上には第１の層間絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）１３が形成され、さらに、固定電極膜１２上には、シリコン酸化膜２４を介して、中空部１５が形成されている。この中空部１５は、後述するシリコン酸化膜２４上に形成された犠牲層をエッチング除去することによって形成される。
【００２５】
ここで、中空部１５の高さは、０．１μｍ〜３μｍ程度であり、面積は０．１×０．１ｍｍ２〜３×３ｍｍ２程度である。この面積は、検出する音圧の周波数によって決まり、周波数が高い（波長が短い）ほど、面積を小さくする必要がある。
【００２６】
中空部１５の上方には、タングステン膜またはチタン膜からなる振動電極膜１４が形成されている。ここで、振動電極膜１４は、１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の薄膜で構成されている。
【００２７】
なお、振動電極膜１４にチタン膜を用いた場合、チタンはタングステンに比べてヤング率が小さいため、振動電極膜１４の振幅を大きくすることができ、高出力のコンデンサを得ることができる。
【００２８】
また、本発明における振動電極膜１４は、基本的には単層膜で構成することができるが、例えば、タングステン膜とチタン膜との積層膜で振動電極膜１４を構成してもよい。この場合、チタン膜に対してタングステン膜の引張り応力が付加されるため、振動電極膜１４の弛みを防止できるとともに、振動電極膜１４の振幅を大きくすることができるので、コンデンサの高出力化を図ることができる。また、チタン膜にタングステン膜またはシリコン窒化膜を積層することによって、チタン膜の酸化を防いで、振動電極膜１４の高抵抗化を防止することができる。
【００２９】
第１の層間絶縁膜１３上には、振動電極膜１４を覆うように、第２の層間絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）１７が形成され、コンデンサの固定電極膜１２、振動電極膜１４、及びＭＯＳＦＥＴのゲート電極２０、ソース、ドレイン拡散層２１ａ、２１ｂの電位は、層間絶縁膜１３、１７内に形成されたビア２６、２７、２８を介して、第２の層間絶縁膜１７上に形成された電極２９によって、半導体基板１１の表面から取り出される。
【００３０】
なお、図１（ｂ）に示すように、中空部１５は、その各辺から十字状に延びる連通孔１５ａを備えており、第２の層間絶縁膜１７内に形成された貫通孔１６は、連通孔１５ａの終端部に通じている。中空部１５及び連通孔１５ａは、これらの領域を画定すべく形成された犠牲層（不図示）を、貫通孔１６から導入されるエッチングガスで除去することによって形成される。そして、中空部１５上に配設された振動電極膜１４は、各連通孔１５ａに隣接する第２の層間絶縁膜１７によって支持されている。
【００３１】
（第２の実施形態）
次に、第１の実施形態における音響感応装置１０の製造方法を、図２（ａ）〜図３（ｂ）に示した工程断面図を参照しながら説明する。
【００３２】
先ず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１１の表面上に、シリコン酸化膜を選択的に形成して素子分離領域２３を形成する。続いて、シリコン基板１１上にゲート絶縁膜（不図示）を形成した後、多結晶シリコン膜を堆積し、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、ゲート絶縁膜上にゲート電極膜２０、素子分離領域２３上に固定電極膜１２を形成する。続いて、ゲート電極膜２０をマスクに、シリコン基板１１の表面にイオン注入を行って、ソース、ドレイン拡散層２１ａ、２１ｂを形成する。その後、プラズマＣＶＤ法を用いてシリコン基板１１上に、シリコン酸化膜２２を堆積させ、さらにその上に、ＣＶＤ法を用いて、中空部１５を形成するための犠牲層１８（例えば多結晶シリコン膜）３１を形成する。
【００３３】
次に、図２（ｂ）に示すように、犠牲層１８を、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、中空部１５及び連通孔１５ａの領域を画定する形状に加工する。続いて、ＣＶＤ法を用いて、犠牲層１８を完全に覆うようにシリコン酸化膜１３を形成した後、エッチバック法又は化学機械的研磨（ＣＭＰ）法を用いて、犠牲層１８の表面が露出するまで、シリコン酸化膜１３の表面を平坦化する。その後、ＣＶＤ法またはスパッタリング法を用いて、１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度の膜厚のタングステン膜またはチタン膜を堆積し、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、犠牲層１８上に振動電極膜１４を形成する。なお、シリコン酸化膜１３は、犠牲層１８の表面が露出しないように平坦化してもよい。その場合、振動電極膜１４は、シリコン酸化膜１３を介して、犠牲層１８上に形成される。
【００３４】
次に、図２（ｃ）に示すように、ＣＶＤ法を用いて、振動電極膜１４を覆うように、シリコン酸化膜１３上に、シリコン酸化膜１７をさらに形成した後、エッチバック法又はＣＭＰ法を用いて、シリコン酸化膜１７の表面を平坦化する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、シリコン酸化膜１３、１７にコンタクトホールを形成する。その後、スパッタリング法又はＣＶＤ法を用いて、コンタクトホール内を含めてチタンおよびタングステンからなる導電体膜を堆積した後、エッチバック法又はＣＭＰ法を用いて、コンタクトホール内に導電体膜を埋め込み、固定電極膜１２、振動電極膜１４、及びＭＯＳＦＥＴのゲート電極２０等に接続するビア２６、２７、２８を形成する。
【００３５】
次に、図３（ａ）に示すように、スパッタリング法を用いて、シリコン酸化膜１７上にチタン、窒化チタン、アルミニウムからなる積層膜を堆積した後、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、電極配線２９を形成する。続いて、ＣＶＤ法を用いて、電極配線２９上にシリコン窒化膜からなる保護膜３０を堆積させた後、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、所定の電極パッドの表面を露出するように保護膜３０の一部を除去する。
【００３６】
次に、図３（ｂ）に示すように、リソグラフィ法及びドライエッチング法を用いて、シリコン酸化膜１３、１７、及び保護膜３０内に、犠牲層１８に通ずる１μｍ〜２００μｍ程度の幅の貫通孔１６を形成する。続いて、貫通孔１６から、三塩化フッ素またはフッ化キセノンガスを導入して、犠牲層１８を構成する多結晶シリコン膜を除去することによって中空部１５を形成し、これにより、図１（ａ）に示したコンデンサを備えた音響感応装置１０を完成する。
【００３７】
（第１の実施形態の変形例）
本発明は、振動電極膜１４を、タングステン膜またはチタン膜で構成した点に特徴を有するが、振動電極膜１４以外の特徴的な構成を備えた音響感応装置の変形例について、図４及び図５を参照しながら説明する。
【００３８】
図４は、本発明における音響感応装置において、固定電極膜１２上に、エレクトレット膜３１を配設した変形例１の構成を示した断面図である。エレクトレット膜３１は、例えばＣＶＤ法で形成されたシリコン酸化膜で構成され、その膜厚は、１００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度である。このような構成にすれば、コンデンサへの給電を不要にすることができ、音響感応装置をより小型にすることができる。
【００３９】
また、エレクトレット膜３１は、中空部１５と振動電極膜１４との間に配設してもよい。この場合、振動電極膜（タングステン膜またはチタン膜）１４は低温で形成されるので、エレクトレット膜３１の材料として、着電保持時間の長い有機系材料、例えば、ＣＹＴＯＰ（フルオロカーボンポリマ）や、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）等を用いることができる。さらに、この場合、振動電極膜１４は０．１〜３μｍ程度の薄膜で構成されているので、振動電極膜１４を介して電子ビーム等の照射により、エレクトレット膜３１を容易に着電することができる。
【００４０】
図５は、本発明の音響感応装置において、振動電極膜１４内にも、中空部１５（または連通孔１５ａ）に通じる貫通孔３２をさらに形成した変形例２の構成を示した断面図である。犠牲層１８に多結晶シリコン膜を用いた場合、多結晶シリコン膜をエッチングガス（例えば三塩化フッ素）でエッチングする際、多結晶シリコン膜とタングステン膜（またはチタン膜）のエッチング選択比は２桁以上あるので、貫通孔３２からエッチングガスを導入しても、振動電極膜１４はほとんどエッチングされることはない。このような構成にすることによって、犠牲層１８のエッチング除去を短時間で行うことができ、音響感応装置の製造工程の短縮することができる。
【００４１】
なお、貫通孔３２は、本発明の第２の実施形態で説明した音響感応装置の製造方法において、図３（ｂ）に示した貫通孔１６の形成工程と同時に形成することができる。
【００４２】
また、エレクトレット膜３１を中空部１５と振動電極膜１４との間に配設した場合、貫通孔３２を介してコロナ放電を行うことによって、容易にエレクトレット膜の着電を行うことができる。なお、貫通孔３２は、０．５μｍ〜５０μｍ程度の径を有することが好ましい。
【００４３】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、本実施形態では、コンデンサとして、コンデンサマイクロホンの例を説明したが、これに限らず、圧力センサ、加速度センサ等のデバイスにも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明によれば、簡単な構成で安定した特性を有する小型かつ高感度なコンデンサを備えた音響感応装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の実施形態における音響感応装置の構成を模式的に示した図で、（ａ）はその断面図、（ｂ）は音響感応装置におけるコンデンサ部分を示した平面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態における音響感応装置の製造方法を示した工程断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の第２の実施形態における音響感応装置の製造方法を示した工程断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における音響感応装置の変形例を示した断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における音響感応装置の他の変形例を示した断面図である。
【図６】従来の音響感応装置の構成を示した断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０ 音響感応装置
１１ 半導体基板
１２ 固定電極膜
１３ 第１の層間絶縁膜
１４ 振動電極膜
１５ 中空部
１５ａ 連通孔
１６ 貫通孔
１７ 第２の層間絶縁膜
１８ 犠牲層
２０ ゲート電極
２１ａ、２１ｂ ドレイン拡散層
２３ 素子分離領域
２６、２７、２８ ビア
２９ 電極配線
３０ 保護膜
３１ エレクトレット膜
３２ 貫通孔
【出願人】 【識別番号】０００００５８２１
【氏名又は名称】松下電器産業株式会社
【出願日】 平成１８年７月３日（２００６．７．３）
【代理人】 【識別番号】１０００７７９３１
【弁理士】
【氏名又は名称】前田 弘

【識別番号】１００１１０９３９
【弁理士】
【氏名又は名称】竹内 宏

【識別番号】１００１１０９４０
【弁理士】
【氏名又は名称】嶋田 高久

【識別番号】１００１１３２６２
【弁理士】
【氏名又は名称】竹内 祐二

【識別番号】１００１１５０５９
【弁理士】
【氏名又は名称】今江 克実

【識別番号】１００１１５６９１
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 篤史

【識別番号】１００１１７５８１
【弁理士】
【氏名又は名称】二宮 克也

【識別番号】１００１１７７１０
【弁理士】
【氏名又は名称】原田 智雄

【識別番号】１００１２１７２８
【弁理士】
【氏名又は名称】井関 勝守

【識別番号】１００１２４６７１
【弁理士】
【氏名又は名称】関 啓

【識別番号】１００１３１０６０
【弁理士】
【氏名又は名称】杉浦 靖也
【公開番号】 特開２００８−１６９１９（Ｐ２００８−１６９１９Ａ）
【公開日】 平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【出願番号】 特願２００６−１８３１７８（Ｐ２００６−１８３１７８）