JP5240900B2 - Electret structure, method of forming the same, and electret-type capacitance sensor - Google Patents

Electret structure, method of forming the same, and electret-type capacitance sensor Download PDF

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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。   The present invention relates to an electret structure formed using a semiconductor, a method for forming the same, and an electret capacitive sensor.

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。   Conventionally, semiconductor capacitive sensors such as silicon microphones, pressure sensors, and acceleration sensors manufactured by semiconductor microfabrication technology using inorganic materials such as silicon have been put into practical use. These sensors include a movable electrode and a counter electrode that are displaced by receiving physical quantities such as pressure and acceleration, and operate in a state in which a constant charge is accumulated between both electrodes. When the movable electrode is displaced in response to a physical quantity such as pressure, the capacitance between the two electrodes is changed by changing the distance between the movable electrode and the counter electrode. Since the electric charge accumulated between both electrodes is kept constant, a change in capacitance is detected as a voltage change between both electrodes.

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。   Conventionally, in such a semiconductor capacitance type sensor, a method of applying a bias voltage from the outside between both electrodes in order to accumulate electric charge has been the mainstream, but in recent years, it has been processed by semiconductor fine processing technology such as silicon oxide. A sensor having a structure in which a chargeable inorganic electret member is incorporated and electric charge is accumulated therein has been announced. Since these electret type sensors do not require an external bias voltage, they have advantages such as miniaturization and simplification of the entire sensor.

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）。   By the way, an inorganic electret member that can be processed by a semiconductor microfabrication technique such as silicon oxide has a problem that the accumulated charges are discharged due to the influence of humidity. For this reason, it is common to cover an inorganic electret member (for example, a silicon oxide film) with a protective film such as silicon nitride so as not to directly touch the outside air (humidity). At that time, in order to easily cover the side surface of the inorganic electret member with a protective film, that is, in order to improve step coverage (step coverage), it is proposed to form the upper end portion of the inorganic electret member in a round shape. (For example, refer to Patent Document 1).

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。   A conventional electret structure disclosed in Patent Document 1 is shown in FIG. As shown in FIG. 7, in the conventional one, a silicon oxide film 2 that is an inorganic electret member is formed on an insulating film 1. An insulating film 3 is formed so as to cover the silicon oxide film 2. According to Patent Document 1, the step coverage of the insulating film 3 is improved by forming the upper end portion 2a of the silicon oxide film 2 in a round shape as shown in the figure, and the moisture resistance against the silicon oxide film 2 can be increased. .

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. By the way, it is known that by increasing the thickness of the silicon oxide film, it is possible to increase the accumulated voltage due to the charges accumulated in the silicon oxide film (see, for example, Non-Patent Document 1). Non-Patent Document 1 describes that the storage voltage increases as the thickness of the silicon oxide film is increased from 500 nm to 600 nm with respect to the thickness of the silicon nitride film protecting the silicon oxide film of 100 nm. . Therefore, in order to increase the storage voltage, a silicon oxide film several times thicker than the silicon nitride film may be used in practice.
JP 2006-245398 A V. Leonov et al., "Stabilization of positive charge in SiO2 / Si3N4 electrets", IEEE Transactions on Dielectric and Electrical Insulation, 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。   However, in the conventional electret structure shown in Patent Document 1, the side surface 2b of the silicon oxide film 2 that is an inorganic electret member is perpendicular to the insulating film 1 as shown in FIG. In particular, there is a problem that if the thickness of the silicon oxide film is increased in order to increase the storage voltage, the effect of improving the step coverage cannot be expected and the moisture resistance against the silicon oxide film cannot be ensured. It was.

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。   The present invention has been made in order to solve the conventional problems, and an electret structure that can reliably ensure moisture resistance regardless of the thickness of the inorganic electret member, a method for forming the same, and an electret electrostatic An object is to provide a capacitive sensor.

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。 The electret structure of the present invention includes a silicon substrate having a first surface on which a recess is formed and a second surface opposite to the first surface, and from the bottom surface of the recess to the position of the first surface. An inorganic electret member embedded in the recess, a protective film for protecting the first surface and the surface of the inorganic electret member, and an electrode formed on the second surface , the inorganic electret The surface of the member and the first surface are the same surface .

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。   With this configuration, the electret structure of the present invention is protected so that the inorganic electret member is not exposed to the outside air by the protective film, so that the moisture resistance can be reliably ensured regardless of the thickness of the inorganic electret member. .

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。 Further, the electret structure of the present invention includes a silicon substrate having a first surface on which a recess is formed and a second surface opposite to the first surface, and a bottom surface of the recess from the first surface. An inorganic electret member embedded up to a predetermined position exceeding the position, a protective film protecting the surface of the first surface and the inorganic electret member, and an electrode formed on the second surface, The inorganic electret member is formed in a bird's beak shape so as to become gradually thinner from the center of the opening of the concave portion toward the end in the thickness direction of the silicon substrate, and the bird's beak-shaped tip of the inorganic electret member and the first Are connected to each other.

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。   With this configuration, the electret structure of the present invention protects the inorganic electret member from being exposed to the outside air by a protective film including a bird's beak-like shape, thus ensuring its moisture resistance regardless of the thickness of the inorganic electret member. Can be secured.

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。   Further, in the case of this bird's beak-like electret structure, a conventional production line for bird's beak-like semiconductor components can be used.

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。   Furthermore, the electret structure of the present invention has a configuration including at least one through-hole penetrating from the region different from the region on the first surface where the opening of the concave portion is provided to the second surface. ing.

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。   With this configuration, the electret structure of the present invention reliably ensures the moisture resistance of the inorganic electret member and allows air to escape through the through-hole even when applied pressure (air vibration) is applied from the first surface side. It is possible to prevent the electret structure from being displaced.

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。   The electret capacitive sensor of the present invention has a configuration including a back electrode substrate having an electret structure and a movable electrode substrate that is disposed opposite to the back electrode substrate and is displaced according to an applied pressure.

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。   With this configuration, the electret capacitive sensor of the present invention protects the inorganic electret member of the back electrode substrate from being exposed to the outside air by the protective film. Can be ensured.

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。 The electret structure forming method of the present invention is an electret structure forming method in which an inorganic electret member is formed on a silicon substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface,
The step of forming a recess in the first surface of the silicon substrate, the step of forming the inorganic electret member in the recess, and the first surface and the surface of the inorganic electret member are planarized. The method includes a step, a step of forming a protective film on the surface of the first surface flattened on the same surface and the surface of the inorganic electret member, and a step of forming an electrode on the second surface.

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。   With this configuration, the method of forming the electret structure of the present invention protects the inorganic electret member from being exposed to the outside air by the protective film, so that the moisture resistance is surely ensured regardless of the thickness of the inorganic electret member. be able to.

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。   The present invention can provide an electret structure having an effect that the moisture resistance can be reliably ensured regardless of the thickness of the inorganic electret member, a method of forming the electret structure, and an electret-type capacitance sensor. is there.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. An example in which the electret capacitive sensor of the present invention is applied to a silicon microphone will be described.

（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。 (First embodiment)
First, the structure of the silicon microphone in this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view conceptually showing the configuration of the silicon microphone in the present embodiment.

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。   As shown in FIG. 1, a silicon microphone 100 according to the present embodiment includes a back electrode substrate 200 including an inorganic electret member, a movable electrode substrate 300 disposed opposite to the back electrode substrate 200, the back electrode substrate 200, and the movable electrode. And an insulator 400 provided between the substrate 300 and the substrate 300.

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。   The back electrode substrate 200 includes a silicon substrate 201, a silicon oxide film 202, a silicon nitride film 203, a through hole 204, and an electrode 205 connected to an external circuit (not shown). The detailed configuration of the back electrode substrate 200 will be described later. In the following description, the side having the silicon nitride film 203 is referred to as “front surface”, and the side having the electrode 205 is referred to as “back surface”.

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。   The movable electrode substrate 300 includes a silicon substrate 301, a movable electrode film 302 formed on the silicon substrate 301, and a connection terminal 303 formed on the movable electrode film 302.

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。   The movable electrode film 302 is made of a conductive thin film made of silicon doped with impurities, for example, and is displaced according to a change in sound pressure due to sound waves.

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。   The connection terminal 303 is made of, for example, an aluminum film, and is connected to an external circuit like the electrode 205.

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。   The insulator 400 is made of, for example, glass or ceramics, and holds the gap between the back electrode substrate 200 and the movable electrode substrate 300 at a predetermined dimension.

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。   In the silicon microphone 100 configured as described above, the capacitance between the back electrode substrate 200 and the movable electrode substrate 300 changes due to the displacement of the movable electrode film 302 according to the sound wave, and the charge is constant. Therefore, in the external circuit connected to the electrodes 205 and 303, this change in capacitance is detected as a change in voltage, and sound waves are converted into electric signals.

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。   Next, a detailed configuration of the back electrode substrate 200 will be described with reference to FIG. 2A is a conceptual cross-sectional view of the back electrode substrate 200 in the present embodiment, and FIG. 2B is a conceptual plan view of the back electrode substrate 200. 2A is a conceptual cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 2B, and FIG. 2B is a conceptual plan view seen from the direction B shown in FIG. 2A. is there.

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。   As shown in FIG. 2, the back electrode substrate 200 in this embodiment includes a silicon substrate 201, a silicon oxide film 202 that is an inorganic electret member, a silicon nitride film 203 as a protective film, a through hole 204, an electrode 205.

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。   The silicon substrate 201 is provided with a recess 201a formed by patterning so as to avoid the through hole 204, and a side surface 201b is formed in the recess 201a. A silicon oxide film 202, which is an inorganic electret member, is formed by being embedded in the recess 201a.

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。   The silicon nitride film 203 is formed so as to cover the surface 201c of the silicon substrate 201 and the surface 202a of the silicon oxide film 202 formed without any step. For example, an aluminum oxide film or a fluororesin film may be used as a protective film in place of the silicon nitride film 203.

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。   With the above-described configuration, the side surface of the silicon oxide film 202 is protected by the side surface 201b of the recess 201a provided in the silicon substrate 201. Further, since there is no step between the surface 201 c of the silicon substrate 201 and the surface 202 a of the silicon oxide film 202, the surface 202 a of the silicon oxide film 202 can be reliably protected by the silicon nitride film 203.

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。   That is, unlike the conventional substrate, the back electrode substrate 200 in the present embodiment does not cause a step coverage problem even if the silicon oxide film 202 is thick, and has an electret structure with high moisture resistance.

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。   Next, a method for manufacturing back electrode substrate 200 in the present embodiment will be described with reference to FIGS.

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。   First, the silicon oxide film 11 is formed on the front surface and the back surface of the silicon substrate 201 by, eg, thermal oxidation (FIG. 3A). This silicon oxide film 11 is a mask film for forming a recess 201a in the silicon substrate 201 in a later step.

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））。   Subsequently, a photoresist 12 is applied to each of the front and back surfaces of the silicon substrate 201, and an opening 12a is formed on the front surface of the silicon substrate 201 by photolithography (FIG. 3B).

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））。   Further, after etching the silicon oxide film 11 from the opening 12a, the photoresist 12 is removed. As a result, an opening 11a is formed in the surface 201c of the silicon substrate 201 (FIG. 3C).

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））。   Next, the silicon substrate 201 is etched from the opening 11a to form a recess 201a. For example, when the silicon substrate 201 is single crystal silicon, the side surface 201b of the recess 201a is formed obliquely when etched using an etchant such as tetramethylammonium hydroxide (FIG. 3D).

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））。   Subsequently, the silicon oxide film 11 formed on each of the front and back surfaces of the silicon substrate 201 is removed by etching (FIG. 4E).

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））。   Next, a silicon oxide film 202 which is an inorganic electret member is formed using a thermal oxidation method or the like. The thickness of the silicon oxide film 202 is desirably thicker than the depth of the recess 201a. When the silicon oxide film 202 is formed by the thermal oxidation method, the silicon oxide film 13 is also formed on the back surface of the silicon substrate 201 (FIG. 4F).

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））。   Subsequently, the surface side of the silicon substrate 201 is polished so that there is no step between the silicon oxide film 202 and the surface 201c of the silicon substrate 201 (FIG. 4G).

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））。   Further, the surface 201c of the silicon substrate 201 is protected with a photoresist (not shown), and the silicon oxide film 13 formed on the back surface of the silicon substrate 201 is removed by etching. The photoresist is removed after etching the silicon oxide film 13 (FIG. 4H).

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））。   Further, silicon nitride films 203 and 14 are formed on both surfaces of the silicon substrate 201 by chemical vapor deposition or the like (FIG. 4I).

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））。   Next, a photoresist 15 is applied to each of the front and back surfaces of the silicon substrate 201, and an opening 15a is formed on the back surface of the silicon substrate 201 by photolithography (FIG. 5J).

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））。   Further, the silicon nitride film 203 is etched from the opening 15a, and then the photoresist 15 is removed. As a result, an opening 14a is formed on the back surface of the silicon substrate 201 (FIG. 5K).

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））。   Further, the silicon substrate 201 is etched from the opening 14a to form an opening 201d. For example, when the silicon substrate 201 is single crystal silicon, the side surface 201e of the opening 201d is formed obliquely as shown in FIG. 5 (l) when etched using an etching solution such as tetramethylammonium hydroxide. .

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））。   Next, the silicon nitride film 14 is removed from the back surface of the silicon substrate 201 using, for example, a dry etching method. At this time, the silicon nitride film 203 (see FIG. 5 (l)) at the bottom of the opening 201d is simultaneously etched to form a through hole 204 (FIG. 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））。   Then, by forming the electrode 205 on the back surface of the silicon substrate 201 by sputtering or the like, the back electrode substrate 200 having the electret structure of the present invention is obtained (FIG. 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。   Thereafter, corona discharge is performed from the needle electrode through a mesh (not shown) from the side of the silicon nitride film 203 of the back electrode substrate 200, and charges are accumulated to complete the back electrode substrate 200.

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。   Next, the movable electrode substrate 300 of the silicon microphone 100 according to the present embodiment can be manufactured by a known manufacturing method. Thereafter, the silicon microphone 100 is obtained by providing and bonding the insulator 400 between the back electrode substrate 200 and the movable electrode substrate 300.

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。   As described above, according to the silicon microphone 100 in the present embodiment, the surface 201c of the silicon substrate 201 and the surface 202a of the silicon oxide film 202 that is an inorganic electret member are protected by the silicon nitride film 203 without any step, Since the through hole 204 is formed in a region where the silicon oxide film 202 is not formed, the silicon oxide film 202 is not exposed to the outside air. Therefore, the silicon microphone 100 according to the present embodiment can reliably ensure the moisture resistance regardless of the thickness of the inorganic electret member.

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。   In the above-described embodiment, the example in which the electret capacitive sensor of the present invention is applied to the silicon microphone 100 has been described. However, the present invention is not limited to this, and pressures other than sound waves, The present invention can be applied to a case where the movable electrode is displaced according to acceleration or the like.

（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。 (Second Embodiment)
FIG. 6 shows a back substrate of the silicon microphone according to the present embodiment. 6A is a conceptual cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG. 6B, and FIG. 6B is a conceptual plan view seen from the direction B shown in FIG. 6A. Moreover, FIG.6 (c) is the cross-sectional conceptual diagram which expanded the C section in Fig.6 (a).

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。   As shown in FIG. 6, the back electrode substrate 500 in the present embodiment is different from the back electrode substrate 200 (see FIG. 2) in the first embodiment in the configuration of the C part. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure similar to the back electrode substrate 200 in 1st Embodiment, and description is abbreviate | omitted.

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。   Part of the silicon oxide film 202 in this embodiment is embedded in the recess 201a of the silicon substrate 201, and is formed in a shape rising from the surface 201c of the silicon substrate 201 to a predetermined position. The end portion 202c of the silicon oxide film 202 is formed in a bird's beak (bird's beak) shape. The silicon nitride film 203 is formed so as to cover the surface 201 c of the silicon substrate 201 and the surface 202 a of the silicon oxide film 202.

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。   Since the back electrode substrate 500 in the present embodiment is configured as described above, the surface 202a of the silicon oxide film 202 and the surface 201c of the silicon substrate 201 are gently connected without any step. Regardless of the thickness of the film 202, the surface 202a of the silicon oxide film 202 can be reliably protected by the silicon nitride film 203, and has an electret structure with high moisture resistance.

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。   In order to form the silicon oxide film 202 having a bird's beak-shaped cross-section partially embedded in the silicon substrate 201, for example, a LOCOS (LOCal Oxidation of Silicon) process, which is an already established semiconductor manufacturing technology, is used. Can be used. Since this LOCOS process is known, the description of the manufacturing method of the back electrode substrate 500 is omitted.

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。   As described above, according to the silicon microphone of the present embodiment, since the silicon oxide film 202 that is an inorganic electret member is protected by the silicon nitride film 203 having a bird's beak shape, the thickness of the inorganic electret member Regardless of this, the moisture resistance can be reliably ensured.

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。   As described above, the electret structure according to the present invention, the method for forming the electret structure, and the electret-type capacitance sensor have an effect that the moisture resistance can be reliably ensured regardless of the thickness of the inorganic electret member. It is useful as a silicon microphone, pressure sensor, acceleration sensor and the like.

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Sectional conceptual diagram which shows the structure of the silicon microphone in the 1st Embodiment of this invention. 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The conceptual diagram which shows the structure of the back electrode substrate of the silicon microphone in the 1st Embodiment of this invention (a) The cross-sectional conceptual diagram of a back electrode substrate (b) The plane conceptual diagram of a back electrode substrate 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The figure which shows the manufacturing process of the back electrode board | substrate of the silicon microphone in the 1st Embodiment of this invention. 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The figure which shows the manufacturing process of the back electrode board | substrate of the silicon microphone in the 1st Embodiment of this invention. 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The figure which shows the manufacturing process of the back electrode board | substrate of the silicon microphone in the 1st Embodiment of this invention. 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The conceptual diagram which shows the structure of the back electrode substrate of the silicon microphone in the 2nd Embodiment of this invention (a) The cross-sectional conceptual diagram of a back electrode substrate (b) The plane conceptual diagram of a back electrode substrate 従来のエレクトレット構造を示す断面図Sectional view showing a conventional electret structure

符号の説明Explanation of symbols

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Silicon oxide film 11a Silicon oxide film opening 12 Photoresist 12a Photoresist opening 13 Silicon oxide film 14 Silicon nitride film 14a Silicon nitride film opening 15 Photoresist 15a Photoresist opening 100 Silicon microphone 200 Back electrode Substrate 201 Silicon substrate 201a Recessed portion of silicon substrate 201b Side surface of recessed portion 201c Surface of silicon substrate 201d Opening portion of silicon substrate 201e Side surface of opening portion 202 Silicon oxide film (inorganic electret member)
202a Surface of silicon oxide film 202b Side surface of silicon oxide film 202c End portion of silicon oxide film 203 Silicon nitride film (protective film)
204 Through-hole 205 Electrode 300 Movable electrode substrate 301 Silicon substrate 302 Movable electrode film 303 Connection terminal 400 Insulator 500 Back electrode substrate

Claims (5)

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。 A silicon substrate having a first surface in which a recess is formed and a second surface opposite to the first surface; and embedded in the recess from the bottom surface of the recess to the position of the first surface. An inorganic electret member, a protective film protecting the first surface and the surface of the inorganic electret member, and an electrode formed on the second surface ,
The electret structure , wherein the surface of the inorganic electret member and the first surface are the same surface . 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。 A silicon substrate having a first surface in which a recess is formed and a second surface opposite to the first surface, and embedded from the bottom surface of the recess to a predetermined position exceeding the position of the first surface An inorganic electret member formed, a protective film for protecting the first surface and the surface of the inorganic electret member, and an electrode formed on the second surface,
The inorganic electret member is formed in a bird's beak shape so as to become gradually thinner from the center to the end of the opening of the recess in the thickness direction of the silicon substrate ,
An electret structure in which a bird's beak-like tip of the inorganic electret member is connected to the first surface . 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。   3. The method according to claim 1, further comprising at least one through-hole penetrating from the region different from the region on the first surface where the opening of the concave portion is provided to the second surface. The electret structure described. 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。   A back electrode substrate having the electret structure according to any one of claims 1 to 3, and a movable electrode substrate disposed opposite to the back electrode substrate and displaced in accordance with an applied pressure. Electret type capacitive sensor. 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。 A method for forming an electret structure in which an inorganic electret member is formed on a silicon substrate having a first surface and a second surface opposite to the first surface,
The step of forming a recess in the first surface of the silicon substrate, the step of forming the inorganic electret member in the recess, and the first surface and the surface of the inorganic electret member are planarized. A method for forming an electret structure, comprising: a step, a step of forming a protective film on a surface of a first surface flattened on the same surface and the surface of the inorganic electret member, and a step of forming an electrode on the second surface.
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