JP2004181567A - マイクロマシンおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｑ値が高く、かつ周波数帯域のより高い高周波フィルタ用のマイクロマシンを得る。
【解決手段】基板５上に設けられた出力電極７と、基板５を覆う状態で設けられると共に出力電極７を底部とした孔パターン９ａを備えた層間絶縁膜９と、孔パターン９ａ内を空間部Ａとしてこの上部を横切るように層間絶縁膜９上に設けられた帯状の振動子電極１１とを備えたマイクロマシン１であり、振動子電極１１は、孔パターン９ａの側壁に沿って孔パターン９ａ側に凹状に設けられていることを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロマシンおよびその製造方法に関し、特には空間部を介して出力電極上を横切るように振動子電極が設けられたマイクロマシンおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板上における微細加工技術の進展に伴い、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に、微細構造体とこの駆動を制御する電極および半導体集積回路等を形成するマイクロマシン技術が注目されている。
【０００３】
その中の一つに、下記非特許文献１に示すように、無線通信用の高周波フィルタとしての利用が提案されている微小振動子がある。図１４に示すように、微小振動子１００は、基板１０１上に設けられた出力電極１０２ａの上方に、空間部Ａを介して振動子電極１０３を配置してなる。この振動子電極１０３は、出力電極１０２ａと同一の導電層で構成された入力電極１０２ｂに一端部が接続されており、入力電極１０２ｂに特定の周波数電圧が印加された場合に、出力電極１０２ａ上に空間部Ａを介して設けられた振動子電極１０３のビーム（振動部）１０３ａが固有振動周波数で振動し、出力電極１０２ａとビーム（振動部）１０３ａとの間の空間部Ａで構成されるキャパシタの容量が変化し、これが出力電極１０２ａから出力される。このような構成の微小振動子１００からなる高周波フィルタは、表面弾性波（ＳＡＷ）や薄膜弾性波（ＦＢＡＲ）を利用した高周波フィルタと比較して、高いＱ値を実現することができる。
【０００４】
【非特許文献１】
Ｃ．Ｔ．−Ｃ．Ｎｇｕｙｅｎ，”Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｌｏｗ−ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ｉｎｖｉｔｅｄ ｐｌｅｎａｒｙ），”ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１９９９ ＩＥＥＥ ＭＴＴ−Ｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ＲＦ ＭＥＭＳ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，Ｊｕｎｅ，１８，１９９９，ｐｐ．４８−７７．
【０００５】
このような微小振動子の製造は、次のように行う。先ず、図１５（ａ）に示すように、表面が絶縁膜で覆われた基板１０１上に、ポリシリコンからなる出力電極１０２ａ、入力電極１０２ｂ、支持電極１０２ｃを形成する。これらの電極１０２ａ〜１０２ｃは、出力電極１０２ａを挟んだ両側に入力電極１０２ｂと支持電極１０２ｃとが配置される。次いで、これらの電極１０２ａ〜１０２ｃを覆う状態で、基板１０１上に酸化シリコンからなる犠牲層１０５を形成する。
【０００６】
次に、図１５（ｂ）に示すように、犠牲層１０５に、入力電極１０２ｂおよび支持電極１０２ｃに達する接続孔１０５ｂ，１０５ｃを形成する。その後、これらの接続孔１０５ｂ，１０５ｃ内を含む犠牲層１０５上にポリシリコン層１０６を形成する。
【０００７】
次いで、図１５（ｃ）に示すように、このポリシリコン層１０６をパターンエッチングすることで、出力電極１０２ａ上を通過する帯状の振動子電極１０３を形成する。この際、ポリシリコンからなる入力電極１０２ｂおよび支持電極１０２ｃのエッチングを防止するために、接続孔１０５ｂ，１０５ｃが完全に覆われるようにポリシリコン層１０６のパターンエッチングを行う。
【０００８】
以上の後、犠牲層１０５を選択的に除去し、これによって先の図１４に示すように、出力電極１０２ａと振動子電極１０３との間に空間部Ａを形成して、微小振動子１００を完成させる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図１６は、上述した構成の微小振動子１００のビーム（振動部）１０３ａの長さ（ビーム長）Ｌと固有振動周波数との関係を示す図である。この図に示すように、下記式（１）に基づく理論上の固有振動周波数（Ｔｈｅｏｒｙ）は、（１／Ｌ^２）に比例する。このため、高周波化を達成するためには、ビーム長Ｌを縮小する必要がある。
【数１】

【００１０】
ところが、上述した微小振動子１００においては、出力電極１０２ａを跨ぐ様に空間部Ａおよび振動子電極１０３が設けられるため、出力電極１０２ａの線幅よりもビーム長Ｌを短くすることはできない。
【００１１】
また、高周波化のためにビーム長Ｌを微細化しようとした場合、出力電極１０２ａの線幅も微細化する必要があるため、出力電極１０２ａと振動子電極１０３との間の容量が小さくなり出力が低下してしまう。以上のことは、ビーム長Ｌの微細化による高周波化の達成を制限する要因になっている。
【００１２】
そこで本発明は、ビーム長の微細化による高周波化をさらに進めることが可能な振動子電極を有するマイクロマシンおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明のマイクロマシンは振動子電極を備えたものであり、基板上にパターン形成された出力電極を備えており、この出力電極を底部とした孔パターンを備えた層間絶縁膜が基板上に形成されている。また、この層間絶縁膜上には、孔パターン内を空間部としてこの上部を横切るように帯状の振動子電極が設けられている。そして特に、本発明の第１のマイクロマシンは、振動子電極が孔パターンの側壁に沿って当該孔パターン側に凹状に設けられていることを特徴としている。
【００１４】
このような構成の第１のマイクロマシンにおいては、孔パターン上を横切る振動子電極部分が、当該振動子電極のビーム（以下、振動部と記す）となる。このため、出力電極の幅に依存することなく、孔パターンの大きさによって振動部の長さ（すなわちビーム長）が設定され、出力電極の幅よりも短い振動部を有する振動子電極が得られる。しかも、この振動子電極は、その下面が層間絶縁膜の上面で支持されるだけではなく、振動部の側面となる部分が孔パターンの側壁部分によって支持された状態となる。したがって、層間絶縁膜に対する振動子電極の支持が確実となり、振動部のみを振動に寄与させることが可能になる。また、孔パターンの側壁に沿って配置される振動子電極の膜厚分だけ振動部の長さが短縮されるため、実質的な振動部の長さは、孔パターンの開口径よりも短くなる。
【００１５】
また、特に、本発明の第２のマイクロマシンは、孔パターンの両脇に位置する振動子電極の両端部分が、層間絶縁膜とこの上部に設けられた絶縁膜との間に狭持されていることを特徴としている。
【００１６】
このような構成の第２のマイクロマシンにおいては、第１のマイクロマシンと同様に、孔パターン上を横切る振動子電極部分が当該振動子電極の振動部となるため、出力電極の幅よりも短い振動部を有する振動子電極が得られる。しかも、この振動子電極は、孔パターンの両脇、すなわち振動部の両脇部分が、層間絶縁膜とこの上部に設けられた絶縁膜との間に狭持されているため、層間絶縁膜と絶縁膜とで確実に支持され、振動部のみを振動に寄与させることが可能になる。
【００１７】
また本発明は、上述した構成の第１のマイクロマシンの製造方法および第２のマイクロマシンの製造方法でもある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、各実施形態においては、高周波フィルタに好適な微小振動子としてのマイクロマシンの構成およびその製造方法をこの順に説明する。
【００１９】
＜第１実施形態＞
図１（ａ）は第１実施形態のマイクロマシンの構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は第１実施形態のマイクロマシンの構成を示す平面図である。尚、図１（ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ’断面に相当する。
【００２０】
これらの図に示すマイクロマシン１は、半導体基板３の表面を絶縁膜４で覆ってなる基板５上に形成されている。この基板５上には、出力電極７がパターン形成されている。この出力電極７は、マイクロマシン１の構成部から引き出されて基板５上において配線されている。
【００２１】
また、基板５上には、この出力電極７を覆う状態で、層間絶縁膜９が設けられている。この層間絶縁膜９は、出力電極７を埋め込む状態で表面平坦に形成されていることが好ましいが、このような形状に限定されることはなく、出力電極７の配置に追従した凸部を有する表面形状で、この出力電極７を覆うものであっても良い。
【００２２】
このような層間絶縁膜９には、出力電極７に達する孔パターン９ａが設けられている。この孔パターン９ａは、出力電極７上からはみ出すことなく、出力電極７上のみに配置される。ただし、この孔パターン９ａの開口径Ｌは、このマイクロマシン１における振動数を決定する因子の１つとなる。したがって、この孔パターン９ａは、マイクロマシン１で構成される高周波フィルタに必要とされる振動数によって規定された開口径Ｌで形成されていることとする。
【００２３】
また、層間絶縁膜９上には、孔パターン９ａ内を空間部Ａとしてこの上部を横切るように帯状の振動子電極１１が設けられており、空間部Ａ上、すなわち孔パターン９ａに重ねて配置された部分が振動部（ビーム）１１ａとなる。したがって、孔パターン９ａの開口径Ｌが、このマイクロマシン１の振動部（ビーム）１１ａのビーム長Ｌとなる。この振動子電極１１は、その振動部１１ａが、孔パターン９ａの側壁に沿って、孔パターン９ａ側に凹状に設けられている。そして、振動子電極１１の孔パターン９ａ側に凹状となる部分（振動部１１ａの中央部分）の表面は、図１（ａ）に示すように、層間絶縁膜９の表面よりも任意の値ｄ（例えばｄ＝０．２μｍ）だけ低く設けられていることが好ましい。
【００２４】
また、層間絶縁膜９上には、振動子電極１１に接続された配線１５が設けられている。尚、配線１５は、振動子電極１１と同一層で形成されたものであっても良い。
【００２５】
次に、上述した第１実施形態のマイクロマシンの製造方法の一例を、図２および図３の断面工程図を用いて詳細に説明する。
【００２６】
先ず、図２（１）に示すように、単結晶シリコンなどの半導体基板３上を絶縁層４で覆ってなる基板５を形成する。この絶縁層４は、その最表面が、以降に行われる犠牲層（例えば酸化シリコン）のエッチング除去に対してエッチング耐性を有する材料で構成されることが好ましい。そこで、例えば、半導体基板３との間の応力を緩和するための酸化シリコン膜４ａを介して、上述したエッチング耐性を有する窒化シリコン膜４ｂをこの順に積層してなる絶縁層４を形成することとする。尚、これらの酸化シリコン膜４ａおよび窒化シリコン４ｂは、例えば減圧ＣＶＤ法によって形成される。
【００２７】
次に、図２（２）に示すように、基板５上に第１導電層をパターニングしてなる出力電極７を形成する。この出力電極７を構成する第１導電層は、例えばリン（Ｐ）を含有するポリシリコン等のシリコン層であることとする。なお、第１電極層のパターニングおよび以下に示す各構成部のパターン形成は、リソグラフィー処理で形成したレジストパターンをマスクにして材料膜をエッチングすることによって行われることとする。
【００２８】
その後、図２（３）に示すように、出力電極７を覆う状態で、基板５上を層間絶縁膜９で覆う。この際、例えば、出力電極７が埋め込まれるように基板５上に出力電極７の膜厚よりも厚い膜厚で層間絶縁膜９を形成し、この層間絶縁膜９の表面を平坦化することが好ましい。この層間絶縁膜９は、後に行われる犠牲層のエッチング除去に対してエッチング耐性を有する絶縁性材料からなることとする。この際、例えば上述した犠牲層を酸化シリコンで形成する場合には、窒化シリコンからなる層間絶縁膜９を形成することとする。尚、層間絶縁膜９は、表面平坦に出力電極７を埋め込むように形成される必要はなく、出力電極７の配置に追従した表面形状を有して当該出力電極７を覆う様に形成されても良い。また、窒化シリコンからなる層間絶縁膜９は、例えば減圧ＣＶＤ法によって形成される。
【００２９】
次いで、この層間絶縁膜９に、出力電極７に達する孔パターン９ａを形成する。この孔パターン９ａは、上述したように、完全に出力電極７上のみに配置されるような開口形状で形成されることとし、これにより、孔パターン９ａの底部を出力電極７とする。
【００３０】
次いで、図２（４）に示すように、孔パターン９ａの底部に露出している出力電極７の表面を犠牲層１０で覆う。この犠牲層１０は、層間絶縁膜９および出力電極７に対して選択的に除去が可能な材料、例えば酸化シリコンで構成されることとする。この場合、例えば窒化シリコンからなる層間絶縁膜９をマスクにしてポリシリコンからなる出力電極７の表面を酸化させ、これにより出力電極７の露出表面を酸化シリコンからなる犠牲層１０で覆う。またここでは、犠牲層１０の表面が、層間絶縁膜９の表面よりも十分に低くなるように、すなわち犠牲層１０形成後にも孔パターン９ａ部分が凹状に維持されるように、犠牲層１０の形成を行うことが重要である。
【００３１】
以上の後、図３（５）に示すように、底部が犠牲層１０で覆われた孔パターン９ａの内壁を覆う状態で、層間絶縁膜９上に第２導電層１２を成膜する。この第２導電膜１２は、以降に行われる犠牲層１０のエッチングに対して耐性を有する材料からなることとする。このため、犠牲層１０が酸化シリコンからなる場合には、第２導電層１２は例えばポリシリコン膜で構成されることとする。また、この第２導電層１２において、孔パターン９ａ側に凹状となる部分の表面が、層間絶縁膜９の表面よりも低くなるように、当該第２導電層１２の膜厚が設定されることとする。
【００３２】
次いで、図３（６）に示すように、第２導電層１２をパターニングすることで、犠牲層１０および層間絶縁膜９上に振動子電極１１をパターン形成する。この振動子電極１１は、犠牲層１０を横切り、孔パターン９ａの一部および孔パターン９ａ内に形成された犠牲層１０の一部を露出する帯状にパターン形成されることとする。この場合、例えば図１（ｂ）に示したように、振動子電極１１の両脇から、孔パターン９ａを露出させても良い。また、振動子電極１１の幅Ｗ方向（ビーム長Ｌと着垂直な方向）の片側からのみ、孔パターン９ａおよび犠牲層１０を露出させても良い。
【００３３】
次に、図３（７）に示すように、振動子電極１１に接続する配線１５を層間絶縁膜９上に形成する。この配線１５を形成する場合には、例えば先ず、基板５上の全面に金（Ａｕ）のシード層（図示省略）を形成した後、配線を形成する部分を露出させて他の部分を覆うレジストパターン（図示省略）を形成する。次いで、メッキ法によりレジストパターンの開口部内のシード層上にメッキ層を成長させて配線１５を形成する。配線１５形成後には、レジストパターンを除去し、さらにシード層を除去するための全面エッチングを行う。尚、この配線１５を、振動子電極１１と同一層で構成する場合には、この工程を行う必要はない。
【００３４】
以上の後、配線１５、振動子電極１１、層間絶縁膜９および出力電極７に対して選択的に犠牲層１０をエッチング除去する。この際、バッファードフッ酸を用いたウェットエッチングを行うことで、振動子電極１１下の酸化シリコンからなる犠牲層１０を確実に除去する。
【００３５】
これにより、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、振動子電極１１の下部に犠牲層を除去してなる空間部Ａを形成すると共に、孔パターン９ａ底部の出力電極７を露出させる。そして、孔パターン９ａ内を空間部Ａとしてこの上部を横切るように、層間絶縁膜９上に帯状の振動子電極１１を設けてなるマイクロマシン１を得る。
【００３６】
以上説明した構成の第１実施形態のマイクロマシン１においては、層間絶縁膜９に形成された孔パターン９ａ内を空間部Ａとして、この上部を横切るように振動子電極１１が配置されている。このため、特定の周波数の電圧を印可して振動子電極１１を振動させた場合、孔パターン９ａ上を横切る振動子電極１１部分が振動し、この部分が振動子電極１１のビーム（振動部）１１ａとなる。したがって、孔パターン９ａの大きさによって、振動部１１ａの長さ（ビーム長Ｌ）が設定されることになる。
【００３７】
このため、図１４を用いて説明したような、出力電極１０２ａを跨ぐように空間部Ａおよび振動子電極１０３が配置される従来の構成のマイクロマシンにおいては、振動子電極１０３のビーム長Ｌを出力電極１０２ａの最小加工寸法よりも小さくすることはできなかったが、図１に示した本第１実施形態のマイクロマシン１においては、出力電極７の線幅によらず、振動子電極１１のビーム長Ｌを孔パターン９ａの最小加工寸法にまで縮小することが可能になる。したがって、さらなるビーム長Ｌの微細化と、これによる高周波化の達成が可能となる。
【００３８】
また、振動子電極１１と出力電極７との間に生じる容量を、従来の構成のマイクロマシン（図１４参照）と本第１実施形態のマイクロマシン１とで比較した場合、本第１実施形態のマイクロマシン１のほうが、振動子電極１１と出力電極７との対向面積をビーム長Ｌに対して広くすることができるため、ビーム長Ｌに対する容量を大きくすることができる。したがって、高周波化を目的としてビーム長Ｌを微細化した場合であっても、出力を維持することが可能になる。
【００３９】
そして特に、本第１実施形態の構成のマイクロマシン１においては、振動子電極１１の両端部、すなわち振動部１１ａを支持するアンカー部分が、その全面にわたって層間絶縁膜９に対して固定されているだけではなく、振動部１１ａの側面が孔パターン９ａの側壁部分によって支持された状態となっている。したがって、層間絶縁膜９に対する振動子電極１１の支持が確実となり、振動部１１ａのみを効率良く振動に寄与させることが可能になる。この結果、所定周波数の電圧を印可して振動子電極１１を振動させた場合、ビーム（振動部）１５ａのみが振動に関与して振動することになる。したがって、固有振動周波数が、上述した式（１）を満たす理論上の値（振動部の長さＬの二乗に反比例した値）により近くなる。このことからも、微細化による高周波化の達成が容易になると言える。
【００４０】
またさらに、このマイクロマシン１の振動子電極１１は、孔パターン９ａの側壁に沿って配置される振動子電極１１の膜厚分だけ振動部１１ａの長さが短縮される。このため、実質的に振動する振動部分の長さは、孔パターン９ａの開口幅よりも短くなる。このことからも、高周波化の達成が容易となっている。
【００４１】
図４には、各構成のマイクロマシンにおける、固有振動数のビーム長Ｌ依存性のシミュレーション結果の図を示す。この図に示すように、第１実施形態のマイクロマシンにおいては、固有振動数のビーム長依存性が、上述した式（１）を満たす理論上の値（Ｔｈｅｏｒｙ）により近くなり、微細化による高周波化の達成が容易になることが確認された。
【００４２】
これに対して、図１４に示した従来構造のマイクロマシンにおいては、製造工程上の都合から、ビーム（振動部）１０３ａを支持するアンカー部分の先端が、下地に密着しない庇部Ｂが形成されるため、この庇部Ｂが、ビーム（振動部）１０３ａの振動に対して影響を及ぼしていた。このため、ビーム長Ｌが微細化された領域においては、固有振動周波数が、上述した式（１）を満たす理論上の値を下回り、ビーム長Ｌの微細化による高周波化が困難であった。
【００４３】
以上の結果、本構成のマイクロマシン１を用いることで、Ｑ値が高くかつ周波数帯域のより高い高周波フィルタを実現することが可能になる。
【００４４】
また特に、出力電極７を埋め込む層間絶縁膜９の表面を平坦に形成した場合、層間絶縁膜９を介して出力電極７と振動子電極１１との間に生じる寄生容量（振動に寄与しない部分の容量）を最小限に抑えることができる。このため、このマイクロマシン１からなる高周波フィルタにおいての、周波数の選択性（透過特性）の向上を図ることも可能になる。
【００４５】
尚、上述した第１実施形態においては、図１（ｂ）に示したように、振動子電極１１の線幅Ｗが同一である場合を説明したが、振動子電極１１は層間絶縁膜９上に配置された両端部に線幅の大きな部分が設けられた形状であっても良く、このような形状とすることで、さらにビーム（振動部）１１ａの支持を確実にすることが可能になる。
【００４６】
＜第２実施形態＞
図５（ａ）は第２実施形態のマイクロマシンの構成を示す断面図であり、図５（ｂ）は第２実施形態のマイクロマシンの構成を示す平面図である。尚、図５（ａ）は図５（ｂ）のＡ−Ａ’断面に相当する。
【００４７】
これらの図に示す第２実施形態のマイクロマシン２０と、第１実施形態において図１を用いて説明したマイクロマシンとの異なるところは、振動子電極１１’の構成にあり、他の構成は同様であることとする。
【００４８】
すなわち、これらの図５（ａ），図５（ｂ）に示すマイクロマシン２０の振動子電極１１’は、層間絶縁膜９に形成された孔パターン９ａ内を空間部Ａとしてこの空間部Ａを塞ぐような幅Ｗで設けられており、かつ空間部Ａに達する孔部１１ｂを有している。そして、このような振動子電極１１’では、空間部Ａ上、すなわち孔パターン９ａに重ねて配置された部分が振動部１１ａ’となることは、第１実施形態と同様である。
【００４９】
ここで孔部１１ｂは、図示したように、振動子電極１１’に１箇所設けられても良いし、２箇所以上の複数箇所設けられても良い。ただし、孔部１１ｂの開口面積率（孔パターン９ａに対する）および配置状態（個数も含む）は、本第２実施形態のマイクロマシン２０を高周波フィルタとして用いた場合に、目的とする周波数帯域の出力が得られる様に適宜設定されることとする。
【００５０】
また第１実施形態と同様に、この振動子電極１１’は、その振動部１１ａ’が、孔パターン９ａの側壁に沿って、孔パターン９ａ側に凹状に設けられていることとし、さらに、振動子電極１１の孔パターン９ａ側に凹状となる部分（振動部１１ａの中央部分）の表面が層間絶縁膜９の表面よりも任意の値（ｄ）だけ低く設けられていることが好ましい。
【００５１】
このような構成の振動子電極１１’を備えたマイクロマシン２０を製造する場合には、第１実施形態のマイクロマシンの製造方法において、図３（６）を用いて振動子電極をパターン形成する工程で、孔パターン９ａを覆うと共に孔パターン９ａ内の犠牲層１０に達する孔部を有する振動子電極を形成し、次にこの孔部を介して犠牲層１０を選択的に除去すると言った方法が採用される。
【００５２】
以上、図５を用いて説明した構成の第２実施形態のマイクロマシン２０においては、孔パターン９ａ内を空間部Ａとして、この上部を塞ぐように振動子電極１１’が配置され、振動子電極１１’には空間部Ａに連通する孔部１１ｂが設けられている。このため、特定周波数の電圧を印可して振動子電極１１’を振動させた場合、孔パターン９ａを塞ぐ振動子電極１１’部分が振動し、この部分が振動子電極１１’の振動部１１ａ’となる。したがって、孔パターン９ａの大きさによって、振動部１１ａ’のビーム長Ｌが設定されることになる。このため、第１実施形態のマイクロマシンと同様に、出力電極７の線幅に依存することなく、孔パターン９ａの大きさによってビーム長Ｌを設定することが可能となる。この結果、ビーム長Ｌの微細化による高周波化の達成、および出力の維持を達成することが可能になる。
【００５３】
特に、本第２実施形態のマイクロマシン２０は、振動子電極１１’によって孔パターン９ａが塞がれるため、ビーム（振動部）１１ａ’が全周にわたって層間絶縁膜９に支持固定された状態となっており、しかも、振動子電極１１’の両端部、すなわちビーム（振動部）１１ａ’を支持するアンカー部分が、その全面にわたって層間絶縁膜９に対して固定されているだけではなく、振動部１１ａ’の側面が孔パターン９ａの側壁部分によって支持された状態となっている。このため、第１実施形態のマイクロマシンと比較して振動子電極１１’の支持状態がさらに確実になり、固有振動周波数をさらに上昇させることが可能である。
【００５４】
＜第３実施形態＞
図６は第３実施形態のマイクロマシンの構成を示す断面図である。この図に示す第３実施形態のマイクロマシン３０と、第１実施形態において図１を用いて説明したマイクロマシンとの異なるところは、層間絶縁膜３１の構成にあり、他の構成は同様であることとする。
【００５５】
すなわち、このマイクロマシン３０は、出力電極７を覆う状態で基板５上に設けられた層間絶縁膜３１が、第１層３２とその上部の第２層３３との２層で構成されている。
【００５６】
このうち、第１層３２は、出力電極７を埋め込むために十分な膜厚を有していることとする。この第１層３２は、表面平坦に形成されていることが好ましいが、このような形状に限定されることはなく、出力電極７の配置に追従した凸部を有する表面形状で当該出力電極７を覆うものであっても良い。そして、この第１層３２には、出力電極７に達する孔パターン３２ａが設けられている。この孔パターン３２ａは、出力電極７上からはみ出すことなく、出力電極７上のみに配置されることが好ましいが、これに限定されることはない。
【００５７】
また、第２層３３は、第１層３２よりも十分に薄い膜厚を有し、第１層３２の孔パターン３２ａの内壁に沿ってこれを覆う状態で、第１層３２上に設けられている。また、第２層３３の膜厚は、第１層３２を保護でき、かつ振動子電極１１の下部に配置される空間部Ａの高さと略等しいかこれよりも厚いこととする。そして、この第２層３３には、出力電極７に達する孔パターン３３ａが設けられている。この孔パターン３３ａは、第１層３２の孔パターン３２ａの内側に形成され、出力電極７上からはみ出すことなく出力電極７上のみに配置され、かつ第１層３２が露出することのないように設けられることとする。また、出力電極７上は、所定幅（長さ）の第２層３３部分で覆われることとする。
【００５８】
そして、これらの第１層３２および第２層３３で構成された層間絶縁膜３１上に設けられた振動子電極１１は、第２層３３を介して第１層３２の孔パターン３２ａの側壁に沿って配設されることで、孔パターン３２ａ側に凹状に設けられている。また、振動子電極１１は、第２層３３の孔パターン３３ａ内を空間部Ａとして、この空間部Ａを横切る状態で設けられている。このため、空間部Ａ上、すなわち孔パターン３３ａに重ねて配置された部分が振動部（ビーム）１１ａとなる。
【００５９】
ここで、振動子電極１１は、第２層３３の孔パターン３３ａの側壁に沿って、孔パターン３３ａ側（すなわち空間部Ａ側）に凹状に設けられても良い。この場合、振動子電極１１は、出力電極７側に向かう２段階の凹状に構成される。このため、振動部１１ａの側面側が、階段状に支持された状態となる。尚、振動部１１ａの中央部分の表面が層間絶縁膜３１（第２層３３）の表面よりも任意の値（ｄ）だけ低く設けられていることが好ましいことは、第１実施形態と同様である。
【００６０】
次に、上述した第３実施形態のマイクロマシンの製造方法の一例を、図７および図８の断面工程図を用いて詳細に説明する。
【００６１】
先ず、図７（１）に示すように、半導体基板３上を絶縁層４で覆ってなる基板５を形成し、この上部に出力電極７を形成するまでを、第１実施形態で図２（１）および図２（２）を用いて説明したと同様に行う。
【００６２】
次に、図７（２）に示すように、出力電極７を覆う状態で、基板５上を層間絶縁膜の第１層３２で覆う。この際、例えば、出力電極７が埋め込まれるように基板５上に出力電極７の膜厚よりも厚い膜厚で第１層３２を形成し、この第１層３２の表面を平坦化することが好ましい。この第１層３２は、例えば酸化シリコンを用いて形成されることとする。その後、この第１層３２に、出力電極７に達する孔パターン３２ａを形成する。
【００６３】
次いで、図７（３）に示すように、第１層３２の孔パターン３２ａの内壁を覆う状態で、第１層３２よりも十分に膜厚の薄い第２層３３を形成する。この第２層３３は、後に行われる犠牲層のエッチング除去に対してエッチング耐性を有する絶縁性材料からなることとする。この際、例えば上述した犠牲層を酸化シリコンで形成する場合には、窒化シリコンからなる第２層３３を形成することとする。
【００６４】
そして、この第２層３３に、出力電極７に達する孔パターン３３ａを形成する。この孔パターン３３ａは、上述したように、完全に出力電極７上のみに配置されるような開口形状で形成されることとし、これにより、孔パターン３３ａの底部を出力電極７とする。
【００６５】
以上の後、図７（４）に示すように、孔パターン３３ａの底部に露出している出力電極７の表面を犠牲層１０で覆う。この犠牲層１０は、第２層３３および出力電極７に対して選択的に除去が可能な材料、例えば酸化シリコンで構成されることとする。この場合、この犠牲層１０は、第１実施形態において図２（４）を用いて説明したと同様に形成する。またここでは、犠牲層１０の表面が、第２層３３の表面と同程度かそれよりも低くなるように犠牲層１０の形成を行うことが重要である。
【００６６】
その後、図８（５）〜図８（７）に示す工程は、第１実施形態において図３（５）〜図３（７）を用いて説明したと同様に行う。ただし、図８（７）に示す工程で、犠牲層１０を除去する場合には、配線１５、振動子電極１１、第２層３３および出力電極７に対して選択的に犠牲層１０をエッチング除去することとする。
【００６７】
以上により、図６に示すように、振動子電極１１の下部に犠牲層を除去してなる空間部Ａを形成すると共に、孔パターン３３ａ底部の出力電極７を露出させる。そして、孔パターン３３ａ内を空間部Ａとしてこの上部を横切るように、第２層３３上に帯状の振動子電極１１を設けてなるマイクロマシン３０を得る。
【００６８】
以上説明した第３実施形態のマイクロマシン３０においては、孔パターン３３ａ内を空間部Ａとして、この上部を横切るように振動子電極１１が配置されており、また振動子電極１１のビーム（振動部）１１ａの側面が孔パターン３２ａ，３３ａの側壁部分に支持された状態となっている。このため、第１実施形態のマイクロマシンと同様に、Ｑ値が高く、かつ周波数帯域のより高い高周波フィルタを実現することが可能になる。
【００６９】
＜第４実施形態＞
図９（ａ）は第４実施形態のマイクロマシンの構成を示す断面図であり、図９（ｂ）は第４実施形態のマイクロマシンの構成を示す平面図である。尚、図９（ａ）は図９（ｂ）のＡ−Ａ’断面に相当する。
【００７０】
これらの図に示す第４実施形態のマイクロマシン４０と、第１実施形態において図１を用いて説明したマイクロマシンとの異なるところは、出力電極７’が溝配線として構成されている点にあり、他の構成は同様であることとする。
【００７１】
すなわち、これらの図９（ａ），図９（ｂ）に示すマイクロマシン４０の出力電極７’は、層間絶縁膜９’に形成された孔パターン９ａ’内に溝配線として設けられており、層間絶縁膜９’から出力電極７’の上面全体が露出された状態となっている。このため、層間絶縁膜９’に形成された孔パターン９ａ’は、出力電極７’から引き出された配線部分も露出させるような溝配線パターンとして形成されていることとする。
【００７２】
次に、上述した第４実施形態のマイクロマシンの製造方法の一例を、図１０および図１１の断面工程図を用いて詳細に説明する。
【００７３】
先ず、図１０（１）に示すように、半導体基板３上を絶縁層４で覆ってなる基板５を形成するまでを、第１実施形態で図２（１）を用いて説明したと同様に行う。
【００７４】
次に、図１０（２）に示すように、基板５上に層間絶縁膜９’を形成し、この層間絶縁膜９に基板５（絶縁膜４）に達する溝配線用の孔パターン９ａ’を形成する。
【００７５】
その後、図１０（３）に示すように、孔パターン９ａ’内に出力電極７’を形成する。ここでは、例えば、孔パターン９’内を埋め込むように、出力電極７’を構成する第１導電層（ポリシリコン層）を層間絶縁膜９’上に形成し、次いで層間絶縁膜９’上の第１導電層をＣＭＰにより研磨除去する。しかる後、孔パターン９’内の第１導電層をエッチバックすることで、当該第１導電層からなる出力電極７’を、層間絶縁膜９’よりも十分に低い膜厚で形成する。
【００７６】
次いで、図１０（４）に示すように、出力電極７’の露出表面上に選択的に犠牲層１０を形成する。この工程は、第１実施形態において図２（４）を用いて説明したと同様に行う。そして、その後の工程は、第１実施形態において図３（５）〜図３（７）を用いて説明したと同様に行い、これにより、図９を用いて説明した構成のマイクロマシン４０を得る。
【００７７】
以上説明した第４実施形態のマイクロマシン４０であっても、孔パターン９ａ’内を空間部Ａとして、この上部を横切るように振動子電極１１が配置されており、また振動子電極１１のビーム（振動部）１１ａの側面が孔パターン９ａ’の側壁部分に支持された状態となっている。このため、第１実施形態のマイクロマシンと同様に、Ｑ値が高く、かつ周波数帯域のより高い高周波フィルタを実現することが可能になる。
【００７８】
＜第５実施形態＞
図１１は第５実施形態のマイクロマシンの構成を示す断面図である。この図に示す第５実施形態のマイクロマシン５０と、第１実施形態において図１を用いて説明したマイクロマシンとの異なるところは、振動子電極１１を覆う状態で層間絶縁膜９上に絶縁膜５１が設けられている点にあり、他の構成は同様であることとする。
【００７９】
すなわち、このマイクロマシン５０においては、層間絶縁膜９上に支持されている振動子電極１１部分、すなわち振動子電極１１における振動部１１ａの両脇部分が、層間絶縁膜９とこの上部の絶縁膜５１との間に狭持されている。また、配線１５も、層間絶縁膜９と絶縁膜５１との間に狭持される。
【００８０】
ここで、層間絶縁膜９上に積層された絶縁膜５１は、層間絶縁膜９の孔パターン９ａを第１孔パターン９ａとした場合、この第１孔パターン９ａとほぼ同じ位置に略同一形状の第２孔パターン５１ａを有していることとする。尚、この第２孔パターン５１ａは、振動子電極１１における振動部１１ａの振動を妨げることのない大きさであれば良い。
【００８１】
次に、上述した第５実施形態のマイクロマシンの製造方法の一例を、図１２の断面工程図を用いて詳細に説明する。
【００８２】
先ず、第１実施形態で図２および図３を用いて説明したと同様の手順で、層間絶縁膜９上に振動子電極１１および配線１５を形成するまでを行う。
【００８３】
その後、犠牲層１０を除去する前に、図１２（８）に示すように、振動子電極１１および配線１５を覆う状態で、層間絶縁膜９上に絶縁膜５１を形成する。この絶縁膜５１は、後に行われる犠牲層１０のエッチング除去に対してエッチング耐性を有する絶縁性材料からなることとし、ここでは窒化シリコンからなる絶縁膜５１を形成することとする。
【００８４】
次に、図１２（９）に示すように、層間絶縁膜９の第１孔パターン９ａに重ねて、絶縁膜５１に第２孔パターン５１ａを形成する。その後、振動子電極１１、層間絶縁膜９、出力電極７および絶縁膜５１に対して選択的に犠牲層１０をエッチング除去する。この際、バッファードフッ酸を用いたウェットエッチングを行うことで、振動子電極１１下の酸化シリコンからなる犠牲層１０を確実に除去する。
【００８５】
これにより、図１１に示したように、振動子電極１１の下部に犠牲層を除去してなる空間部Ａを形成すると共に、第１孔パターン９ａ底部の出力電極７を露出させる。そして、第１孔パターン９ａ内を空間部Ａとしてこの上部を横切るように、層間絶縁膜９上に帯状の振動子電極１１を設けてなるマイクロマシン５０を得る。
【００８６】
以上説明した構成の第５実施形態のマイクロマシン５０であっても、孔パターン９ａ’内を空間部Ａとして、この上部を塞ぐように振動子電極１１が配置されており、また振動子電極１１のビーム（振動部）１１ａの側面が孔パターン９ａ’の側壁部分に支持された状態となっている。しかも、振動子電極１１における振動部１１ａの両脇部分が、層間絶縁膜９とこの上部に設けられた絶縁膜５１との間に狭持されているため、第１実施形態と比較して、さらに振動子電極１１の支持が確実になる。したがって、第１実施形態よりもさらに確実に、Ｑ値が高く、かつ周波数帯域のより高い高周波フィルタを実現することが可能になる。
【００８７】
＜第６実施形態＞
図１３は第６実施形態のマイクロマシンの構成を示す断面図である。この図に示す第６実施形態のマイクロマシン６０は、図１１を用いて説明した第５実施形態のマイクロマシンの変形例である。本第６実施形態のマイクロマシン６０と、図１１を用いて説明したマイクロマシンとの異なるところは、振動子電極６１の構成にあり、他の構成は同様であることとする。
【００８８】
すなわち、このマイクロマシン６０においては、振動子電極６１が、出力電極７側に向かって凹状となる部分がなく、その振動部６１ａも含めて平坦な形状で構成されている。そして、振動子電極６１における振動部６１ａの両脇部分が、層間絶縁膜９とこの上部の絶縁膜５１との間に狭持されている。また、配線１５も、層間絶縁膜９と絶縁膜５１との間に狭持される。
【００８９】
このような構成の振動子電極６１を備えたマイクロマシン６０を製造する場合には、第１実施形態のマイクロマシンの製造方法において、図２（４）を用いて説明した犠牲層１０を形成する工程で、孔パターン９ａと同じ高さの犠牲層１０を形成し、その後は第５実施形態と同様の手順を行うと言った方法が採用される。
【００９０】
以上、図１３を用いて説明した構成の第６実施形態のマイクロマシン６０においては、孔パターン９ａ内を空間部Ａとして、この上部を横切るように振動子電極６１が配置されている。このため、第１実施形態と同様に、特定の周波数の電圧を印可して振動子電極１１を振動させた場合、孔パターン９ａ上を横切る振動子電極６１部分が振動し、この部分が振動子電極６１の振動部６１ａとなる。したがって、孔パターン９ａの大きさによって、振動部６１ａの長さ（ビーム長Ｌ）が設定されることになる。
【００９１】
したがって、第１実施形態で説明したように、ビーム長Ｌの微細化と、これによる高周波化の達成が可能となると共に、高周波化を目的としてビーム長Ｌを微細化した場合であっても、出力を維持することが可能になる。
【００９２】
そして特に、本第６実施形態の構成のマイクロマシン６０においては、第５実施形態で説明したと同様に、振動子電極６１の両端部、すなわち振動部６１ａを支持するアンカー部分を、層間絶縁膜９とこの上部に設けられた絶縁膜５１との間に狭持させたことで、層間絶縁膜９と絶縁膜５１とで確実に振動子電極６１を支持することができ、振動部のみを振動に寄与させることが可能になる。この結果、所定周波数の電圧を印可して振動子電極１１を振動させた場合、ビーム（振動部）１５ａのみが振動に関与して振動することになる。したがって、固有振動周波数が、上述した式（１）を満たす理論上の値（振動部の長さＬの二乗に反比例した値）により近くなる。このことからも、微細化による高周波化の達成が容易になる。
【００９３】
ここで、先の図４には、第６実施形態のマイクロマシン６０における、固有振動数のビーム長Ｌ依存性のシミュレーション結果を合わせて示した。この図に示すように、第６実施形態のマイクロマシン６０においては、固有振動数のビーム長依存性が、上述した式（１）を満たす理論上の値（Ｔｈｅｏｒｙ）により近くなり、微細化による高周波化の達成が容易になることが確認された。
【００９４】
尚、上述した第６実施形態においても、振動子電極６１は、その両端部に線幅の大きな部分が設けられた形状であっても良く、これによりビーム（振動部）６１ａの支持を確実にし、固有振動周波数をさらに上昇させることが可能である。
【００９５】
また、上述した第３−第６実施形態は、第２実施形態と組み合わせ、各振動子電極によって孔パターンを塞ぐ様にしても良い。このようにすることで、各第３−第６実施形態の効果に加え、さらに振動子電極の支持を確実にして固有振動周波数の向上を図ることが可能になる。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のマイクロマシンおよびその製造方法によれば、振動子電極における振動部の長さ（ビーム長）を出力電極の幅よりも短くでき、しかも振動部の長さに対して出力電極と振動子電極との間の容量を大きくすることが可能になると共に、層間絶縁膜に対する振動子電極の支持を確実することが可能になる。したがって、ビーム長の微細化が可能になるだけではなく、固有振動周波数を理論値に近づけられるため高周波化の達成が容易になる。この結果、Ｑ値が高くかつ周波数帯域のより高い高周波フィルタを実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のマイクロマシンの断面図および平面図である。
【図２】第１実施形態の製造方法を示す断面工程図（その１）である。
【図３】第１実施形態の製造方法を示す断面工程図（その２）である。
【図４】ビーム長（Ｌ）に対する固有振動数のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】第２実施形態のマイクロマシンの断面図および平面図である。
【図６】第３実施形態のマイクロマシンの断面図である。
【図７】第３実施形態の製造方法を示す断面工程図（その１）である。
【図８】第３実施形態の製造方法を示す断面工程図（その２）である。
【図９】第４実施形態のマイクロマシンの断面図および平面図である。
【図１０】第４実施形態の製造方法を示す断面工程図である。
【図１１】第５実施形態のマイクロマシの断面図である。
【図１２】第５実施形態の製造方法を示す断面工程図である。
【図１３】第６実施形態のマイクロマシンの断面図である。
【図１４】従来のマイクロマシン（微小振動子）の構成を示す図である。
【図１５】従来の製造方法を示す断面工程図である。
【図１６】従来のマイクロマシンの課題を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
１、２０，３０，４０，５０，６０…マイクロマシン、５…基板、７，７’…出力電極、９，９’，３１…層間絶縁膜、９ａ，９ａ’…孔パターン（第１孔パターン）、１０…犠牲層、１１，１１’，６１…振動子電極、１１ａ，１１ａ’、６１ａ…ビーム（振動部）、１１ｂ…孔部、５１…絶縁膜、５１ａ…第２孔パターン）、Ａ…空間部

Claims (10)

1. 基板上にパターン形成された出力電極と、
   前記基板を覆う状態で設けられると共に前記出力電極を底部とした孔パターンを備えてなる層間絶縁膜と、
   前記孔パターン内を空間部としてこの上部を横切るように前記層間絶縁膜上に設けられた帯状の振動子電極とを備えたマイクロマシンにおいて、
   前記振動子電極は、前記孔パターンの側壁に沿って当該孔パターン側に凹状に設けられている
   ことを特徴とするマイクロマシン。
2. 請求項１記載のマイクロマシンにおいて、
   前記振動子電極の前記孔パターン側に凹状となる部分の表面は、前記層間絶縁膜の表面よりも低く設けられている
   ことを特徴とするマイクロマシン。
3. 請求項１記載のマイクロマシンにおいて、
   前記孔パターンの両脇に位置する前記振動子電極の両端部分が、前記層間絶縁膜と、当該層間絶縁膜上に設けられた絶縁膜との間に狭持されている
   ことを特徴とするマイクロマシン。
4. 請求項１記載のマイクロマシンにおいて、
   前記振動子電極は、前記孔パターンを塞ぐ状態で配置されると共に、当該孔パターン内の空間部に連通する孔部を備えている
   ことを特徴とするマイクロマシン。
5. 請求項１記載のマイクロマシンにおいて、
   前記出力電極は、前記層間絶縁膜に埋め込まれている
   ことを特徴とするマイクロマシン。
6. 基板上にパターン形成された出力電極と、
   前記基板を覆う状態で設けられると共に前記出力電極を底部とした孔パターンを備えてなる層間絶縁膜と、
   前記孔パターン内を空間部としてこの上部を横切るように前記層間絶縁膜上に設けられた帯状の振動子電極とを備えたマイクロマシンにおいて、
   前記孔パターンの両脇に位置する前記振動子電極の両端部分が、前記層間絶縁膜と、当該層間絶縁膜上に設けられた絶縁膜との間に狭持されている
   ことを特徴とするマイクロマシン。
7. 請求項６記載のマイクロマシンにおいて、
   前記振動子電極は、前記孔パターンを塞ぐ状態で配置されると共に、当該孔パターンの空間部に連通する孔部を備えている
   ことを特徴とするマイクロマシン。
8. 請求項６記載のマイクロマシンにおいて、
   前記出力電極は、前記層間絶縁膜に埋め込まれている
   ことを特徴とするマイクロマシン。
9. 基板上に出力電極をパターン形成すると共に、当該出力電極を底部とした孔パターンを備えた層間絶縁膜を前記基板上に形成する第１工程と、
   前記孔パターンの底部に前記層間絶縁膜の表面よりも低い表面高さで犠牲層を形成し、当該犠牲層によって当該孔パターンの底部の出力電極表面を覆う第２工程と、
   前記犠牲層の一部を露出させた状態で当該犠牲層上を横切る帯状の振動子電極を、前記孔パターンの内壁に沿って当該孔パターン側に凹状となるように前記犠牲層および前記層間絶縁膜上にパターン形成する第３工程と、
   前記孔パターン内の犠牲層を選択的に除去することで、前記出力電極と前記振動子電極との間に空間部を設ける第４工程とを行う
   ことを特徴とするマイクロマシンの製造方法。
10. 基板上に出力電極をパターン形成すると共に、当該出力電極を底部とした第１孔パターンを備えた層間絶縁膜を前記基板上に形成する第１工程と、
    前記第１孔パターン底部の出力電極表面を犠牲層で覆う第２工程と、
    前記犠牲層の一部を露出させた状態で当該犠牲層上を横切る帯状の振動子電極を、前記犠牲層および前記層間絶縁膜上にパターン形成する第３工程と、
    前記振動子電極を覆う状態で前記層間絶縁膜上に絶縁膜を形成し、当該絶縁膜に前記振動子電極および前記犠牲層を露出する第２孔パターンを形成する第４工程と、
    前記第２孔パターンを介して前記第１孔パターン内の犠牲層を選択的に除去することで、前記出力電極と前記振動子電極との間に空間部を設ける第５工程とを行う
    ことを特徴とするマイクロマシンの製造方法。

Images