JP4466081B2 - Ｍｅｍｓ素子 - Google Patents

Description

本発明は、静電駆動型のＭＥＭＳ素子に関する。

現在、半導体加工、機械加工、電気的回路などの複数種の技術を融合したＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical system)技術が注目されている。ＭＥＭＳ技術を適用した素子（以下、ＭＥＭＳ素子）としては、共振器構造を有するフィルタ素子（ＭＥＭＳ共振器）のほか、スイッチング動作を行うマイクロスイッチや、光学素子（光スイッチ、光変調素子等）などが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図６は従来のＭＥＭＳ素子の構成例を示すもので、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側断面図である。図示した従来のＭＥＭＳ素子５０においては、ベースとなる半導体基板５１上に第１の絶縁層５２及び第２の絶縁層５３が順に積層されている。第２の絶縁層５３上には入力電極５４と出力電極５５が形成され、さらにこれらの電極５４，５５を跨ぐようにビーム電極５６が形成されている。ビーム電極５６は、入力電極５４及び出力電極５５との間に所定のギャップＧを介して対向状態に配置されている。また、ビーム電極５６の両端部は一対の支持電極５７に電気的かつ機械的に接続されている。一対の支持電極５７は、上記入力電極５４及び出力電極５５と共に第２の絶縁膜５３上に形成されている。また、一対の支持電極５７には配線部５８がそれぞれ接続されている。

図７及び図８は従来のＭＥＭＳ素子の製造方法を示す工程図である。先ず、図７（Ａ）に示すように、半導体基板５１上に第１の絶縁層５２及び第２の絶縁層５３を順に積層して形成した後、第２の絶縁層５３上に入力電極５４、出力電極５５及び一対の支持電極５７を形成する。これら入力電極５４、出力電極５５及び一対の支持電極５７は、第２の絶縁層５３上に所定の厚み寸法で多結晶シリコン層を形成した後、この多結晶シリコン層をフォトリソグラフィ技術によってパターニングすることで同時に形成される。

次に、図７（Ｂ）に示すように、入力電極５４、出力電極５５及び一対の支持電極５７の上から絶縁材料５９を積層した後、図７（Ｃ）に示すように、ＣＰＭ(Chemical Mechanical Polishing；化学的機械研磨)法によって絶縁材料５９の表面を平坦化する。これにより、入力電極５４、出力電極５５及び一対の支持電極５７の表面と絶縁材料５９の表面が面一状態とされる。

続いて、図８（Ａ）に示すように、入力電極５４、出力電極５５及び一対の支持電極５７の表面と絶縁材料５９の表面にそれぞれ一様な厚み寸法で犠牲層６０を積層した後、一対の支持電極５７上で犠牲層６０に開口部６１を形成する。次いで、図８（Ｂ）に示すように、上記開口部６１を介して一対の支持電極５７と接続するように犠牲層６１上にビーム電極５６を形成した後、図８（ｃ）に示すように、一対の支持電極５７に接続するように配線部５８を形成する。その後、犠牲層６１と絶縁材料６０とを除去することにより、図６に示すＭＥＭＳ素子５０が得られる。

以上の製造方法によって得られるＭＥＭＳ素子５０において、例えば、外側の配線部５８から一対の支持電極５７を介してビーム電極５６に直流電圧を印加し、この状態で入力電極５４に所定の振幅で高周波信号（ＲＦ信号）を入力すると、ビーム電極５６と入力電極５４の対向部分にクーロン力と総称される静電引力と静電反発力が繰り返し発生する。静電引力が発生したときはビーム電極５６が入力電極５４に接近する方向で微小変位し、静電反発力が発生したときはビーム電極５６が入力電極５４から離間する方向で微小変位する。この繰り返しによりビーム電極５６は自身の固有振動数にしたがって共振（振動）し、これに応じてビーム電極５６と出力電極５５との対向距離も変化する。そのため、ビーム電極５６の共振周波数に対応した周波数帯域の電流だけが出力電極５５から出力される。このＭＥＭＳ素子５０は電気的なフィルタ素子として活用することができる。

ところで、上述のような共振器構造を有する静電駆動型のＭＥＭＳ素子５０においては、出力電極５５から取り出される電流のレベル（以下、出力電流レベル）を決定するパラメータとして、入出力電極５４，５５とビーム電極５６との間の対向面積や、ビーム電極５６に印加される直流電圧、さらには入出力電極５４，５５とビーム電極５６との間のギャップ寸法（図６のＧ寸法）などがある。このうち、入出力電極５４，５５とビーム電極５６との間のギャップ寸法は、出力電流レベルを決定する最も有効なパラメータとなる。具体的には、出力電流レベルが上記ギャップ寸法の４乗に反比例したものとなる。したがって、フィルタ素子として重要なＳＮ比(signal-to-noise-ratio)を向上させるためには、電極間のギャップ寸法を出来るだけ狭めることが有効となる。

特開２００３−２４１１２２号公報

上記従来のＭＥＭＳ素子５０の製造方法においては、第２の絶縁層５３上で入力電極５４及び出力電極５５を覆うように絶縁材料５９を積層したときに、各々の電極５４，５５の厚み寸法に応じた段差（凹凸）が絶縁材料５９の表面に形成されるため、これをＣＭＰ法によって平坦化した後、上記ギャップ寸法を規定する犠牲層６０を積層している。そのため、犠牲層６０を形成する際の下地がＣＭＰの研磨面となり、この研磨面が研磨パッドや研磨剤などの影響で粗くなる。その結果、ギャップ寸法を狭めるために犠牲層６０を非常に薄い膜で形成する場合に、犠牲層６０の膜厚分布を適切に制御することが困難になり、ＭＥＭＳ素子５０の特性（フィルタ特性）や信頼性に悪影響を与える恐れがあった。

本発明は、
基板上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層上に第１のギャップをブリッジ状に跨ぐ状態で形成された門型のビーム電極
と、
前記第１のギャップと共に前記ビーム電極を取り囲む第２のギャップを介して前記ビー
ム電極上に形成された固定電極と
を備え、
前記ビーム電極は、前記第１のギャップ部分に面するビーム状の可動部と、この可動部
の両側で当該可動部を保持する保持部とを一体に有し、
前記固定電極は、前記基板の面内で互いに異なる位置に形成された入力電極と出力電極
とからなり、
前記入力電極と前記出力電極は、前記絶縁層上に互いに平行でかつ逆向きに形成され、
前記入力電極は、前記ビーム電極の長さ方向と直交する方向に沿って前記絶縁層上を前
記ビーム電極の可動部側に延出し、その延出端側が前記絶縁層からクランク状に立ち上がっ
て前記可動部を取り巻くように迂回し、
前記出力電極は、前記ビーム電極の長さ方向と直交する方向に沿って前記絶縁層上を前
記入力電極とは反対側から前記ビーム電極の可動部側に延出し、その延出端側が前記絶縁
層からクランク状に立ち上がって前記可動部を取り巻くように迂回している
ＭＥＭＳ素子に係るものである。

本発明によれば、ＭＥＭＳ素子を製造する過程でＣＭＰによる平坦化研磨を行う必要がなくなるため、ビーム電極と固定電極との間のギャップを非常に微小な寸法で安定的に形成することができる。その結果、ＭＥＭＳ素子の特性向上と信頼性維持を両立させることが可能となる。

以下、本発明の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の構成例を示すもので、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）はその側断面図である。また、図２は図１のＣ−Ｃ断面図である。図示したＭＥＭＳ素子１においては、ベースとなる半導体基板２上に第１の絶縁層３及び第２の絶縁層４が順に積層されている。半導体基板２は、例えばシリコン基板からなるものである。また、第１の絶縁層３は、例えば二酸化シリコン層からなるもので、第２の絶縁層４は、例えば窒化シリコン層からなるものである。

第２の絶縁層４上には第１のギャップ５を跨ぐ状態でビーム電極６が形成されている。ビーム電極６は、全体的に門型（逆凹形状）に形成されたもので、第１のギャップ５部分に面するビーム状の可動部（振動部）６Ａと、この可動部６Ａの両端で当該可動部６Ａを保持する保持部６Ｂを一体に有している。また、ビーム電極６は、例えば、高い導電性を有する多結晶シリコンからなるもので、第１のギャップ５をブリッジ状に跨いで第２の絶縁層４上に立脚している。

ビーム電極６の可動部６Ａの周囲には、上述した第１のギャップ５とこれに連通する第２のギャップ７が確保されている。第１のギャップ５は、ビーム電極６の可動部６Ａとこれに対向する第２の絶縁層４との間に形成される空隙である。第２のギャップ７は、ビーム電極６の可動部６Ａとこれに対向する２つの固定電極８，９との間に形成される空隙である。各々の固定電極８，９は半導体基板２の平面内で互いに異なる位置に形成されている。一方の固定電極８は入力信号（ＲＦ信号等）を入力（供給）する側の電極となり、他方の固定電極９は出力信号を出力（取り出し）する側の電極となる。よって、以降の説明では、一方の固定電極８を入力電極８、他方の固定電極９を出力電極９とする。入力電極８は略Ｚ字形に形成され、出力電極９も略Ｚ字形に形成されている。

また、入力電極８と出力電極９は、第２の絶縁層４上に互いに平行でかつ逆向きに形成されている。さらに詳述すると、入力電極８は、ビーム電極６の長さ方向（図１の左右方向）と直交する方向（図１の上下方向）に沿って第２の絶縁層４上をビーム電極６の可動部６Ａ側に延出し、その延出端側が第２の絶縁層４からクランク状に立ち上がって可動部６Ａを取り巻くように迂回している。これに対して、出力電極９は、ビーム電極６の長さ方向と直交する方向に沿って第２の絶縁層４上を入力電極８とは反対側からビーム電極６の可動部６Ａ側に延出し、その延出端側が第２の絶縁層４からクランク状に立ち上がって可動部６Ａを取り巻くように迂回している。

また、第２のギャップ７は、入力電極８及び出力電極９の立ち上がり部分とビーム電極６の可動部６Ａとの間に形成されている。したがって、ビーム電極６の可動部６Ａは、互いに連通する第１のギャップ５と第２のギャップ７とに取り囲まれた状態になっている。また、ビーム電極６の可動部６Ａの上側には（第１のギャップ５と反対側）には、それぞれ第２のギャップ７を介して入力電極８の上片部と出力電極９の上片部が対向状態に配置されている。ＭＥＭＳ素子１を駆動していない定常時においては、可動部６Ａと入力電極８との対向距離及び可動部６Ａと出力電極９との対向距離が、いずれも第２のギャップ７のギャップ寸法によって規定されている。

入力電極８及び出力電極９は支持部１０によって支持されている。支持部１０は、例えば窒化シリコン層からなるもので、入力電極８と出力電極９さらにはビーム電極６を覆う状態で第２の絶縁層５上に積層されている。支持部１０には、互いに同じ形状及び寸法を有する２つの開口部１１と、１つの開口部１５が設けられている。開口部１５は、第２のギャップ７に連通する状態で入力電極８と出力電極９の間に設けられている。また、ビーム電極６の長さ方向の両端部は、それぞれ支持部１０に設けられた開口部１１を通して配線部１２に電気的に接続されている。配線部１２は、例えばアルミニウム等の配線材料によって形成されるものである。

図３〜図５は本発明の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の製造方法を示す工程図である。先ず、図３（Ａ）に示すように、半導体基板２上に第１の絶縁層３及び第２の絶縁層４を順に積層して形成する。第１の絶縁層３は、例えば熱酸化法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法あるいはスパッタ法によって形成され、第２の絶縁層４は例えばCVD法あるいはスパッタ法によって形成される。

次に、図３（Ｂ）に示すように、第２の絶縁層４上に第１の犠牲層１３を形成する。第１の犠牲層１３は、例えば、第２の絶縁層４上に薄膜状（例えば、１μｍ以下の厚み寸法）に二酸化シリコン膜を熱酸化法、CVD法あるいはスパッタ法によって形成した後、この二酸化シリコン膜をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、平面視長方形に形成される。

続いて、図４（Ａ）に示すように、第２の絶縁層４上にビーム電極６を形成する。ビーム電極６は、例えばCVD法あるいはスパッタ法によって形成される。その際、ビーム電極６は、第１の犠牲層１３を跨ぐようにブリッジ状に形成される。また、ビーム電極６の可動部６Ａは、その前工程で第１の犠牲層１３を薄く形成することにより、第１の犠牲層１３に沿って僅かに盛り上がった形状になるものの、その表面（上面）は非常に平滑な状態となる。

次いで、図４（Ｂ）に示すように、第２の絶縁層４上において、第１の犠牲層１３との間でビーム電極６を取り囲むように第２の犠牲層１４を形成する。第２の犠牲層１４は、例えば熱酸化法、CVD法あるいはスパッタ法によって形成される。この場合、第１の犠牲層１３と第２の犠牲層１４は、ビーム電極６の可動部６Ａを取り囲む状態となる。具体的には、第１の犠牲層１３が可動部６Ａの下面に接触し、第２の犠牲層１４が可動部６Ａの両側面と上面に接触した状態となる。

次に、図４（Ｃ）に示すように、第２の犠牲層１４上に入力電極８と出力電極９を所定の間隔に並べて形成する。入力電極８と出力電極９は、例えばCVD法あるいはスパッタ法によって形成される。このとき、各々の電極８，９は、第２の絶縁層４上でビーム電極６により形成される凹凸に沿って略Ｚ字形（クランク状）に形成される。また、ビーム電極６の長さ方向においては、可動部６Ａの中心から均等な距離を隔てた位置に入力電極８と出力電極９が形成される。

次いで、図５（Ａ）に示すように、入力電極８、出力電極９及びビーム電極６を一様に覆う状態で第２の絶縁層４上に支持部１０を形成する。支持部１０は、例えばCVD法あるいはスパッタ法によって形成される。この場合、支持部１０の表面には入力電極８や出力電極９の介在による凹凸が形成されるものの、この凹凸はＭＥＭＳ素子の特性上何ら問題となることはない。

次に、図５（Ｂ）に示すように、支持部１０の２箇所にビーム電極６に通じる開口部１１を形成すると共に、支持部１０の１箇所に第２の犠牲層１４に通じる開口部１５を形成する。各々の開口部１１，１５は、例えばフォトリソグラフィで開口部のパターンを形成後、プラズマを用いたドライエッチング法または溶液を用いたウェットエッチング法によって形成される。これにより、各々の開口部１１の底部にはビーム電極６の表面が部分的に露出した状態になる。また、開口部１５の底部には第２の犠牲層１４の表面が部分的に露出した状態となる。

続いて、図５（Ｃ）に示すように、上記２つの開口部１１を埋め込む状態で配線部１２を形成する。配線部１２は、例えばCVD法あるいはスパッタ法によって形成される。これにより、ビーム電極１３と配線部１２が開口部１１を通して電気的に接続された状態となる。

その後、第１の犠牲層１３と第２の犠牲層１４を除去する。これにより、第１の犠牲層１３が形成されていた部位に第１のギャップ５が形成されると共に、第２の犠牲層１４が形成されていた部位に第２のギャップ７が形成される。第１の犠牲層１３と第２の犠牲層１４は、例えば各々の犠牲層を二酸化シリコン層で形成したとすると、これを溶解し得るフッ酸等の溶剤を用いたウェットエッチングによって除去される。その際、溶剤は、前工程で支持部１０に形成された開口部１５を通して第２の犠牲層１４に接触し、これを溶解しつつ第１の犠牲層１３にも接触する。そのため、第１の犠牲層１３と第２の犠牲層１４を同一工程で除去することができる。このように第１の犠牲層１３と第２の犠牲層１４を除去することにより、ビーム電極６の可動部６Ａが第１のギャップ５と第２のギャップ７に取り囲まれた状態になる。その結果、上記図１及び図２に示したＭＥＭＳ素子１が得られる。

以上の製造方法によって得られるＭＥＭＳ素子１において、例えば、外側の配線部１２からビーム電極６に直流電圧を印加し、この状態で入力電極８に所定の振幅で高周波信号（ＲＦ信号）を入力すると、ビーム電極６の可動部６Ａとこれに対向する入力電極８の一端部との間に、クーロン力と呼ばれる静電引力と静電反発力が繰り返し発生する。静電引力が発生したときはビーム電極６の可動部６Ａが入力電極８に接近する方向で微小変位し、静電反発力が発生したときはビーム電極６の可動部６Ａが入力電極８から離間する方向で微小変位する。この繰り返しによりビーム電極６の可動部６Ａは自身の固有振動数にしたがって共振（振動）し、これに応じてビーム電極６の可動部６Ａとこれに対向する出力電極９の一端部との間の対向距離も変化する。そのため、ビーム電極６の共振周波数に対応した周波数帯域の電流だけが出力電極９から出力される。

このような共振器構造を有する静電駆動型のＭＥＭＳ素子１は電気的なフィルタ素子として活用することができる。そして、フィルタ素子として重要なＳＮ比は、ビーム電極６の可動部６Ａとこれに対向する入出力電極８，９との間のギャップ寸法、つまり第２のギャップ７の寸法を狭めることで大幅に向上させることができる。この点に関して本発明の実施形態に係るＭＥＭＳ素子１とその製造方法においては、従来（図６）と比較して、ビーム電極６と入出力電極８，９との位置関係を上下反転させることにより、半導体基板２の絶縁膜３，４上に、第１の犠牲層１３、ビーム電極６及び第２の犠牲層１４を順に形成から、その上に入力電極８と出力電極９を形成するようにしているため、従来のようにＣＰＭ等の研磨による平坦化加工を用いることなく、所望のデバイス構造（共振器構造等）を得ることができる。

したがって、第２の犠牲層１４を形成する工程では、下地となるビーム電極６の表面が平滑化された面（半導体基板２の表面と同等の鏡面レベル）となるため、第２のギャップ７を規定する第２の犠牲層１４を非常に薄く形成する場合でも、第２の犠牲層１４の膜厚分布を適切に制御することができる。その結果、ビーム電極６と入出力電極８，９との間に介在する第２のギャップ７を非常に微小な寸法で安定的に形成することができる。そのため、ＭＥＭＳ素子１の特性向上と信頼性維持を両立させることが可能となる。また、ＭＥＭＳ素子の製造工程として、ＣＭＰ研磨による後処理工程（基板洗浄工程等）が不要になる。

また、入力電極８と出力電極９を支持部１０で支持することにより、各々の電極８，９の機械的強度が支持部１０によって高められる。そのため、ビーム電極６との対向部分で各々の電極８，９を確実に固定状態に保持することができる。

なお、上記実施形態においては、ビーム電極６の可動部６Ａと対向する部分に入力電極８と出力電極９といった２つの固定電極を設けるようにしたが、本発明はこれに限るものではない。例えば、配線部１２からビーム電極６に直流電圧と入力信号（高周波信号など）を重畳して入力する場合は、出力電極となる１つの固定電極を設けるだけでよい。

本発明の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の構成例を示す図である。 図１のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の製造方法を示す工程図（その１）である。 本発明の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の製造方法を示す工程図（その２）である。 本発明の実施形態に係るＭＥＭＳ素子の製造方法を示す工程図（その３）である。 従来のＭＥＭＳ素子の構成例を示す図である。 従来のＭＥＭＳ素子の製造方法を示す工程図（その１）である。 従来のＭＥＭＳ素子の製造方法を示す工程図（その２）である。

符号の説明

１…ＭＥＭＳ素子、２…半導体基板、３…第１の絶縁層、４…第２の絶縁層、５…第１のギャップ、６…ビーム電極、７…第２のギャップ、８…入力電極（固定電極）、９…出力電極（固定電極）、１０…支持部、１２…配線部、１３…第１の犠牲層、１４…第２の犠牲層

Claims (1)

1. 基板上に形成された絶縁層と、
   前記絶縁層上に第１のギャップをブリッジ状に跨ぐ状態で形成された門型のビーム電極と、
   前記第１のギャップと共に前記ビーム電極を取り囲む第２のギャップを介して前記ビーム電極上に形成された固定電極と
   を備え、
   前記ビーム電極は、前記第１のギャップ部分に面するビーム状の可動部と、この可動部の両側で当該可動部を保持する保持部とを一体に有し、
   前記固定電極は、前記基板の面内で互いに異なる位置に形成された入力電極と出力電極とからなり、
   前記入力電極と前記出力電極は、前記絶縁層上に互いに平行でかつ逆向きに形成され、
   前記入力電極は、前記ビーム電極の長さ方向と直交する方向に沿って前記絶縁層上を前記ビーム電極の可動部側に延出し、その延出端側が前記絶縁層からクランク状に立ち上がって前記可動部を取り巻くように迂回し、
   前記出力電極は、前記ビーム電極の長さ方向と直交する方向に沿って前記絶縁層上を前記入力電極とは反対側から前記ビーム電極の可動部側に延出し、その延出端側が前記絶縁層からクランク状に立ち上がって前記可動部を取り巻くように迂回している
   ＭＥＭＳ素子。

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