CN101139078B - 功能元件、半导体器件和电子机器 - Google Patents

Abstract

提供一种通过使成膜时的影响不波及到功能部而能提高元件可靠性的功能元件。基板(10)的表面上具备可动部(11)、密封层(12)和壁部(13)。密封层(12)具有在可动部(11)周围形成内部空间(14)的拱顶状形状，在密封层(12)中与可动部(11)相对区域以外的区域设置开口部(15)。壁部(13)形成在可动部(11)与开口部(15)之间而不把内部空间(14)分离，在内部空间(14)内形成有贯通开口部(15)且由不贯通密封层(12)和壁部(13)的直线不横穿的空间(阴影空间(19))。可动部(11)被配置在该阴影空间(19)内。

Description

功能元件、半导体器件和电子机器

技术领域

本发明涉及需要气密密封的功能元件、具备该功能元件的半导体器件和电子机器。

背景技术

近年来随着集成化技术的提高而电子机器的小型-重量轻化、低电压动作-低消耗电力化、高频动作化在急速进展，但另一方面也被要求高功能化。作为解决这种相互对立课题的技术之一，MEMS(Micro  ElectroMechanical Systems)被关注。该MEMS是通过硅处理技术把微机械零件与电子电路零件融合的系统。MEMS的零件技术根据其精密加工性等优良特点而能在应对高功能化的同时实现小型低价格的SoC(System on aChip)。

因此，近年来在跨越各种传感器、流体、光学、RF、存储器、生物工程等的多方面的应用领域中正在利用着MEMS的零件技术。作为利用了该技术的MEMS零件例如有通信电路用的混频器。该混频器具有在基板上利用了机械共振的可动部，以RF信号频率与LO信号频率差分的频率(中间频率)谐振，把该中间频率信号作为IF信号输出。

这样，把利用了所述MEMS零件技术的可动部这样的功能部进行内设的功能元件，有由温度、气压、大气中的水分、灰尘等外部环境的影响而元件特性变化、元件可靠性降低之虞。特别是在安装MEMS零件的工序中，由于MEMS零件被暴露在比使用时更严酷的环境下，所以有时元件特性大幅度恶化，合格品率降低。在对机械部的动作是利用机械共振的情况下，也有时在其特性上希望在减压下进行动作。根据这些理由，为了一边确保功能部的机械动作空间一边维持稳定的环境，则需要在MEMS零件中把功能部进行气密密封。

现有为了气密密封功能部，采用了通过接合气密性封装而在功能部上直接设置盖的方法。但该方法牵涉到制造成本，所以近年来通过晶片量级(ウエハレベル)来气密密封功能部的方法有多个被提案。例如被提案的方法是：在覆盖功能部整体的牺牲层的表面上形成密闭层，在该密闭层的一部分形成的开口部中通过开口部利用选择腐蚀来把牺牲层除去，最后通过使用某种成膜法来密封开口部，这样来气密密封功能部。专利文献1公开了的方法：在基板的凹部配置功能部，并且在功能部的上部形成像伞那样扩张的电极，在基板与电极之间设置间隙(开口部)，通过使用溅射法把开口部进行密封来把功能部气密密封。

专利文献1：特开2002-94328号公报

但这样把功能部进行气密密封时，在功能部与开口部的距离近时，埋入材料会通过开口部向功能部堆积等而把成膜时的影响波及到功能部，这样，有元件特性变化而元件的可靠性降低之虞。这种问题并不限定于利用了MEMS零件技术的，需要气密密封的功能元件一般普遍产生。

发明内容

本发明是鉴于该问题点而开发的，其目的在于提供一种通过使成膜时的影响不波及到功能部而能提高元件可靠性的功能元件、半导体器件和电子机器。

本发明的功能元件在基板的表面上具备一个或多个功能部，在该功能部的周围形成功能部周围空间，并且设置具有被埋入材料密封的一个或多个开口部的密封层。通过密封层形成的空间内设置有一个或多个壁部。该壁部形成在功能部与开口部之间但不把空间分离。本发明的半导体器件和电子机器内设有与一个元件和其他元件连接的所述功能元件。“基板的表面”是除了单一基板的表面之外还包括设置在基板表面上的其他基板的表面的概念，且是在基板的表面上形成有若干层时也包括该层表面的概念。

本发明的功能元件、半导体器件和电子机器由于在功能部与开口部之间形成有不使由密封层形成的空间分离的壁部，所以在使用各种成膜法(蒸镀、溅射、CVD等)密封开口部时，能使埋入材料被壁部阻挡而不能绕入到位于壁部背后的功能部。

根据本发明的功能元件、半导体器件和电子机器，由于在功能部与开口部之间形成有不使由密封层形成的空间分离的壁部，所以在使用各种成膜法密封开口部时，能使埋入材料不到达功能部。这样，由于成膜时的影响不波及到功能部，所以提高了元件的可靠性。

附图说明

图1是本发明一实施例MEMS元件的上面结构图；

图2是图1的A-A向视方向的剖面结构图；

图3是图2的B-B向视方向的剖面结构图；

图4是图2的C-C向视方向的剖面结构图；

图5是用于说明阴影空间的上面结构图；

图6A-6E是用于说明图1的MEMS元件制造过程的剖面结构图；

图7A-7D是接着图6的用于说明制造过程的剖面结构图；

图8是一变形例MEMS元件的剖面结构图；

图9是其他变形例MEMS元件的剖面结构图；

图10是其他变形例MEMS元件的剖面结构图；

图11是其他变形例MEMS元件的剖面结构图；

图12是其他变形例MEMS元件的上面结构图；

图13是其他变形例MEMS元件的上面结构图；

图14是适用例的通信装置功能方块图。

符号说明

1MEMS元件  10基板  10A支承基体  10B基底层

11可动部  12密封层  12A顶部  12B侧壁部分

13、23、33、43壁部  14内部空间  14A、14B、14C间隙

15开口部  15A最远端部  17密封部件

18、28直线  19、29阴影空间

具体实施方式

以下参照附图详细说明本发明的实施例。

图1表示本发明一实施例MEMS元件1(功能元件)的上面结构，图2表示图1的A-A向视方向的剖面结构，图3表示图2的B-B向视方向的剖面结构，图4表示图2的C-C向视方向的剖面结构。

该MEMS元件1把进行机械动作的可动部11(功能部)通过晶片量级进行气密密封，基板10的表面上具备：可动部11、密封层12和壁部13(参照图2)。

基板10在支承基体10A的表面上形成基底层10B(参照图2)。在此，半导体基板10A例如是由硅(Si)、砷化镓(GaAs)等构成的半导体基板，或是由石英、玻璃等构成的绝缘性基板。基底层10B是由通过腐蚀剂把后述的牺牲层R2除去时作为腐蚀停止层而起作用的材料例如SiN所构成。

可动部11例如由聚硅构成，形成在基底层10B的表面上(参照图2)。该可动部11具有根据来自外部的电信号而机械可动的结构。例如像在后面的适用例中所详述的那样，在作为以RF信号频率与LO信号频率差分的频率(中间频率)进行机械共振的结构时，根据来自外部的RF信号和LO信号的输入，而发挥把中间频率的信号作为IF信号输出的高频电路用混频器的功能。

密封层12由通过腐蚀剂把后述的牺牲层R2除去时不被腐蚀而残留的材料例如SiN所构成。该密封层12包括：在可动部11和基板10的表面中经由规定间隙而与可动部11周围双方形成中空的顶部12A、与该顶部12A形成一体且与基板10表面相接形成的侧壁部分12B(参照图2)。即密封层12具有拱顶状形状，具有在可动部11周围形成内部空间14而把可动部11与外部环境分离的空腔功能。该密封层12如后述那样例如使用减压CVD(化学气相成长)法形成，把可动部11通过晶片量级进行保护。

该密封层12在密封层12中与可动部11相对区域的以外区域，即，在密封层12中的与可动部11的非相对区域上形成开口部15(参照图2)。该开口部15如后述那样，作为在制造过程中把覆盖可动部11周围的牺牲层R2除去的腐蚀剂通过孔来使用，把牺牲层R2除去后通过由A1等埋入材料构成的密封部件17进行密封。这样，内部空间14就被气密密封，可动部11被从外部环境完全分离。

壁部13与密封层12成一体地形成了内部空间14，且形成得与基板10的表面连接(参照图2、图4)。因此，该壁部13有支承密封层12顶部12A的支柱功能。

该壁部13形成在可动部11与开口部15之间，在可动部11与开口部15相互相对方向的正交方向的两侧面13A与密封层12的侧壁部分12B之间形成有间隙14A(参照图3、图4)。即内部空间14的可动部11侧空间与开口部15侧空间经由间隙14A相互连通，壁部13形成得并不把内部空间14分离。这样，在除去牺牲层R2时，能使向开口部15流入的腐蚀剂经由间隙14A流入到可动部11侧。

如图5的上面图(省略了密封部件16)所示那样，该壁部13贯通开口部15，而且在内部空间14内形成：由不贯通密封层12和壁部13的直线不横穿的空间(阴影空间19)。

图5中，作为贯通开口部15而不贯通密封层12和壁部13的直线，例示了连结开口部15中离开壁部13最远的端部(最远端部15A，参照图1～图3、图5)与壁部13两侧面13A端部的直线18。该直线18也是把贯通开口部15而不贯通密封层12和壁部13的直线所横穿的空间与上述阴影空间19在空间上区分的边界。

该阴影空间19相当于是从外部看开口部15时被壁部13和密封层12遮挡而看不到的空间。更具体说就是：相当于是从内部空间14的可动部11侧空间，把被直线18切取的空间除去的空间。

本实施例把可动部11配置在该阴影空间19内。这样，在使用各种成膜法(蒸镀、溅射、CVD等)把埋入材料向开口部15堆积而密封开口部15时，能防止埋入材料绕入到位于壁部13背后的可动部11处。

下面说明这种结构MEMS元件1制造方法的一例。

首先在支承基体10A上把基底层10B和牺牲层R1按该顺序进行层合[图6(A)]，然后在牺牲层R1上形成用于形成可动部11一部分的开口部H1[图6(B)]。接着在整个表面上把可动部11A进行成膜[图6(C)]，然后通过有选择地把可动部11A进行腐蚀而形成可动部11[图6(D)]。接着把整个可动部11覆盖地来成膜牺牲层，与先前的牺牲层R1一起形成牺牲层R2[图6(E)]。

然后有选择地腐蚀牺牲层R2，在可动部11的周围残留牺牲层R2，并且形成开口部H2[图7(A)]，然后在牺牲层R2的整个表面上形成密封层12A，并且在开口部H2内与密封层12A成一体地形成壁部13[图7(B)]。接着在该密封层12A上形成开口部15而形成密封层12后[图7(C)]，使腐蚀剂从该开口部15流入，除去牺牲层R2而形成内部空间14[图7(D)]。

然后使用各种成膜法把埋入材料向开口部15堆积来密封开口部15(图2)。这样，内部空间14被气密密封，可动部11被与外部环境完全分离。这样来形成MEMS元件1。

但如上述那样使用各种成膜法把埋入材料向开口部15堆积时，埋入材料在内部空间14中飞散。因此，现有的MEMS元件由飞散的埋入材料附着在可动部上等而有元件特性变化和元件可靠性降低之虞。于是，现有为了不使埋入材料附着在可动部上而采取了使开口部从可动部离开的方法，但这样则布局变大，所以替代使开口部从可动部离开而考虑缩小开口部15的径来减小埋入材料的飞散面积。但若这样缩小开口部15的径，则为这点就使腐蚀剂难于从开口部15进入，其结果是不仅腐蚀时间变长，而且有由腐蚀剂而使元件受到大损伤之虞。

但本实施例由于在开口部15与可动部11之间设置了壁部13，所以在密封开口部15时，通过开口部15而向可动部11飞散的埋入材料被壁部13阻挡而堆积在开口部15与壁部13之间，另一方面，通过开口部15而向与可动部11不同方向飞散的埋入材料被壁部13阻挡而堆积在开口部15与壁部13之间，或是在间隙14A及其非常近旁落下堆积。即埋入材料被壁部13阻挡而不能绕入到配置在壁部13背后(阴影空间19)的可动部11处。

这样，本实施例通过在开口部15与可动部11之间设置壁部13，而使用各种成膜法把埋入材料向开口部15堆积时，埋入材料不能绕入到配置在阴影空间19的可动部11处。这样，能消除成膜时的影响波及到可动部11，所以元件特性不变化，提高了元件的可靠性。

特别是采用有指向性的成膜方法(蒸镀、溅射等)时，埋入材料几乎进入不到阴影空间19。这样，即使在不设置壁部13时埋入材料能到达的空间内设置可动部11时，也能消除成膜时的影响波及到可动部11之虞。这样，由于能把开口部15与可动部11的距离变窄小，所以能不降低元件可靠性地缩小布局。其结果是能把死区变小而能缩小占用面积。

如上述那样，本实施例由于不特意缩小开口部15的径也能缩小布局，随之还能缩小内部空间14，因此，能缩小牺牲层R2的容积，能缩短利用腐蚀剂把牺牲层R2除去所需要的时间。这样，能把由腐蚀剂引起的元件损伤抑制到最小程度。由于通过设置壁部13而能自由设定开口部15与可动部11的距离，所以布局的自由度被提高。

[变形例]

上述实施例把壁部13与密封层12形成为一体，且形成得与基板10的表面连接，但也可以如图8所例示那样，在壁部13与基板10之间设置埋入材料到达不到可动部11程度的间隙14B。这样，例如即使由变形强的材料形成密封层12的材料时，也没有由密封层12变形而引起基板10产生应力并在可动部11近旁出现裂纹之虞，因此，元件的可靠性被提高。

上述实施例把壁部13与密封层12形成为一体，但也可以与密封层12是个别地形成并形成得与密封层12连接。也可以如图9所例示那样，在与密封层12是个别地形成的壁部23与密封层12之间设置埋入材料到达不到可动部11程度的间隙14C。这样，例如即使由变形强的材料形成密封层12的材料时，也没有由密封层12变形而引起基板10产生应力并在可动部11近旁出现裂纹之虞，因此，元件的可靠性被提高。且在能把壁部23与可动部11以相同高度形成时，能把壁部23与可动部11一并形成。这样，能抑制处理时间的增加。

上述实施例把由方形一块板构成的壁部13设置在内部空间14内，但也可以例如如图10所示那样设置由两块板构成的壁部33。这样，例如即使在可动部11的高度高而开口部H2的长宽比高的情况下，也能容易地把壁部33与密封层12形成一体。但在壁部33的高度太高的情况下，最好例如如图11所示那样形成长宽比低的壁部43。这样，能防止由应力集中而在壁部33和密封层12上出现裂纹之虞，所以元件的可靠性被提高。

上述实施例说明了设置一个开口部15的情况，但也可以设置多个。这时，也可以仅设置一个壁部13，但若壁部13过大，则在除去牺牲层R2时，有不能把位于壁部13背后的牺牲层R2除净而残留之虞。在有这种之虞的情况下，最好例如如图12的上面图(省略了密封部件16)所例示的那样，与各开口部15对应地各设置一个壁部13。这样，在制造过程中能使腐蚀剂从各壁部13之间形成的间隙向可动部11侧流入，所以在短时间就能把牺牲层R2可靠地除去。这样，能防止由残留牺牲层R2而引起元件特性的变化，提高了元件的可靠性。但这时为了不使埋入材料到达可动部11，需要把可动部11设置在：贯通开口部15且由不贯通密封层12和壁部13的直线不横穿的空间(阴影空间19)内。

图12中，使连结各开口部15的最远端部15A和与各开口部15对应设置的壁部13两侧面13A端部的直线18，贯通邻接的壁部13地来配置各壁部13，这样，由于没有埋入材料经由在各壁部13之间形成的间隙而到达内部空间14中可动部11侧空间之虞，所以能把可动部11接近各壁部13配置。这样，与上述实施例同样地能不降低元件可靠性而缩小布局。其结果是能把死区变小而能缩小占用面积。

例如如图13所示那样把多个可动部11进行二维配列时，能利用没形成有可动部11的区域来把多个开口部15进行二维配列。这时，通过利用没形成有可动部11和开口部15的区域来在各可动部11与各开口部15之间设置壁部13就能保护可动部11不受飞散埋入材料的侵害，因此，不需要特意把各可动部11与各开口部15之间进行扩展。这样，即使在把多个可动部11进行二维配列时，也与上述实施例同样地能不降低元件可靠性而缩小布局。其结果是能把未利用空间变小而能缩小占用面积。

[适用例]

下面参照图14说明安装有上述实施例MEMS元件1的通信装置的结构。图14表示作为电子机器的通信装置的方块图结构。安装有上述实施例MEMS元件1的半导体器件和模块通过上述通信装置而被具体化，所以以下合并说明。

本适用例把安装有MEMS元件1的情况作为例示进行说明，但安装有上述各变形例MEMS元件的情况也具有同样的作用和效果。

图14所示的通信装置把上述实施例说明过的MEMS元件1作为混频器322I、322Q、333、362I、362Q(半导体器件)安装，例如是手机、信息携带终端(PDA)、无线LAN机器等。上述混频器322I、322Q、333、362I、362Q形成在由SoC构成的半导体器件内。例如如图14所示那样，该通信装置包括：发送系统电路300A(模块)、接收系统电路300B(模块)、切换发送接收路径的发送接收切换器301、高频滤波器302、发送接收用的天线303。

发送系统电路300A包括：与I波道的发送数据和Q波道的发送数据对应的两个数字/模拟变换器(DAC：Digital/Analogue Converter)311I、311Q、两个带通滤波器312I、312Q、调制器320、送信用PLL(Phase-LockedLoop)电路313和电力放大器314。该调制器320包括：与上述两个带通滤波器312I、312Q对应的两个缓冲放大器321I、321Q、两个混频器322I、322Q、移相器323、加法器324、缓冲放大器325。

接收系统电路300B包括：高频部330、带通滤波器341、通道选择用PLL电路342、中频电路350、带通滤波器343、复解调器360、中间频率用PLL电路344、与I波道的接收数据和Q波道的接收数据对应的两个带通滤波器345I、345Q、两个模拟/数字变换器(ADC：Analogue/DigitalConverter)346I、346Q。高频部330具备：低噪声放大器331、缓冲放大器332、334、混频器333，中频电路350包括：缓冲放大器351、353、自动增益调整(AGC：Auto Gain Controller)电路352。复解调器360包括：缓冲放大器361、与上述两个带通滤波器345I、345Q对应的两个混频器362I、362Q和两个缓冲放大器363I、363Q、移相器364。

该通信装置当把I波道的发送数据和Q波道的发送数据向发送系统电路300A输入，则把各自的发送数据按以下的顺序处理。即，首先在DAC311I、311Q中变换成模拟信号，接着在带通滤波器312I、312Q中把发送信号频带以外的信号成分除去后供给调制器320。然后在调制器320中把通过缓冲放大器321I、321Q向混频器322I、322Q供给，并接着从送信用PLL电路313供给的与发送频率信号对应的频率进行混合调制，然后把两混合信号在加法器324中进行加法运算而变成一个系统的发送信号。这时，把向混频器322I供给的频率信号在移相器323中进行信号移相90°位移，这样就把I波道的信号与Q波道的信号进行了相互正交调制。最后，经由缓冲放大器325向电力放大器314供给，放大成规定的发送电力。在该电力放大器314中被放大的信号经由发送接收切换器301和高频滤波器302被向天线303供给，这样，通过该天线303进行无线发送。该高频滤波器302在通信装置中有把发送或接收的信号中频率频带以外的信号成分除去的带通滤波器功能。

另一方面，当从天线303经由高频滤波器302和发送接收切换器301而由接收系统电路300B接收到信号时，则把该信号按以下的顺序处理。即首先在高频部330中把接收信号通过低噪声放大器331进行放大，接着在带通滤波器341中把接收频率频带以外的信号成分除去后经由缓冲放大器332向混频器333供给。接着，把从通道选择用PLL电路342供给的频率信号进行混合，把规定发送波道的信号变成中频信号，这样来通过缓冲放大器334向中频电路350供给。然后在中频电路350中，由通过经由缓冲放大器351向带通滤波器343供给，把中频信号频带以外的信号成分除去，接着通过AGC电路352而变成大致一定的增益信号后经由缓冲放大器353向解调器360供给。在复解调器360中通过缓冲放大器361向混频器362I、362Q供给后把从中间频率用PLL电路344供给的频率信号进行混合，把I波道的信号成分与Q波道的信号成分进行复解调。这时，把向混频器362I供给的频率信号在移相器364中进行信号移相90°位移，这样就把被相互正交调制了的I波道信号成分与Q波道信号成分进行复解调。最后，通过把I波道信号和Q波道信号分别向带通滤波器345I、345Q供给，并把I波道信号和Q波道信号以外的信号成分除去，然后向ADC346I、346Q供给而变成数字数据。这样，就能得到I波道的接收数据和Q波道的接收数据。

该通信装置由于把上述实施例的MEMS元件1作为混频器322I、322Q、333、362I、362Q来安装，所以不会由埋入材料的附着等和受到成膜时的影响而使各个混频器的高频特性有偏差。这样，各个通信装置的高频特性稳定，可靠性高。

图14所示的通信装置说明了把上述实施例的MEMS元件1作为混频器322I、322Q、333、362I、362Q(半导体器件)适用的情况，但并不一定限定于此，例如也可以把MEMS元件1适用在发送接收切换器301、带通滤波器312I、312Q、341、343、346I、346Q中，或是高频滤波器302中。这时也能得到与上述同样的效果。

以上举出实施例、变形例和适用例说明了本发明，但本发明并不限定于上述实施例，本发明的MEMS元件、半导体器件、通信装置的结构和关于制造方法的顺序等只要能得到与上述实施例等同样的效果，则可以自由变形。

上述实施例等对把本发明的MEMS元件适用在手机等代表通信装置的电子机器上的情况进行了说明，但并不限定于此，而是也能适用在通信装置以外的电子机器中。这些所有的情况也能得到与上述实施例同样的效果。

Claims (10)

1.一种功能元件，其特征在于，包括：

基板、

在所述基板表面上形成的一个或多个功能部、

在所述功能部的周围形成空间且具有通过埋入材料进行密封的一个或多个开口部的密封层、

使所述空间不分离地在所述功能部与所述开口部之间形成的一个或多个壁部，

所述壁部形成为与所述基板的表面连接，

所述功能部配置在贯通所述开口部且不贯通所述密封层和所述壁部的直线不横穿的空间内。

2.如权利要求1所述的功能元件，其特征在于，所述壁部与所述密封层形成为一体。

3.如权利要求2所述的功能元件，其特征在于，所述壁部与所述基板相接配置。

4.如权利要求1所述的功能元件，其特征在于，所述壁部与所述密封层被个别形成。

5.如权利要求4所述的功能元件，其特征在于，所述壁部与所述密封层相接配置。

6.如权利要求4所述的功能元件，其特征在于，所述壁部与所述密封层通过规定间隙配置。

7.如权利要求1所述的功能元件，其特征在于，所述开口部形成在所述密封层的与所述功能部非相对区域。

8.一种功能元件，其特征在于，包括：

基板、

在所述基板表面上形成的一个或多个功能部、

在所述功能部的周围形成空间且具有通过埋入材料进行密封的一个或多个开口部的密封层、

使所述空间不分离地在所述功能部与所述开口部之间形成的一个或多个壁部，

所述壁部与所述基板经由规定间隙配置。

9.一种半导体器件，其是把一个元件与其他元件连接的功能元件内设的半导体器件，其特征在于，

所述功能元件包括：基板、

在所述基板表面上形成的一个或多个功能部、

在所述功能部的周围形成空间且具有通过埋入材料进行密封的一个或多个开口部的密封层、

使所述空间不分离地在所述功能部与所述开口部之间形成的一个或多个壁部，

所述壁部形成为与所述基板的表面连接，

所述功能部配置在贯通所述开口部且不贯通所述密封层和所述壁部的直线不横穿的空间内。

10.一种电子机器，其特征在于，内设有权利要求9所述的半导体器件。

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