JP2004328076A

JP2004328076A - Mems type resonator and manufacturing method thereof, and filter

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Publication number: JP2004328076A
Application number: JP2003116148A
Authority: JP
Inventors: Koji Nanbada; 康治難波田; Takashi Kinoshita; 隆木下
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-21
Also published as: JP4341288B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the S/N of an output signal in an MEMS resonator and a filter equipped with the MEMS type resonator. <P>SOLUTION: The MEMS resonator is configured to include: a first electrode 14 for receiving a high frequency signal; a second electrode 15 for outputting the high frequency signal; and a third electrode 17 acting as a diaphragm located by sandwiching a space 16 between the first and second electrodes 14 and 15, on the same plane of a substrate 12. Further, a fourth electrode 32 for supplying the ground potential is provided between the first electrode 14 and the second electrode 15. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＭＥＭＳ型共振器及びその製造方法、並びにＭＥＭＳ型共振器を有するフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ、超小型電気的・機械的複合体）素子、及びＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器が、注目されている。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクローン力などを応用して電気的に行われる。
【０００３】
半導体プロセスによるマイクロマニシング技術を用いて形成された微小振動素子は、デバイスの占有面積が小さいこと、高いＱ値を実現できること、他の半導体デバイスとの集積が可能なこと、という特長により、無線通信デバイスの中でも中間周波数（ＩＦ）フィルタ、高周波（ＲＦ）フィルタとしての利用がミシガン大学を始めとする研究機関から提案されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
図１６は、非特許文献１に記載された高周波フィルタを構成する振動素子、即ちＭＥＭＳ型の振動素子の概略を示す。この振動素子１は、半導体基板２上に絶縁膜３を介して例えば多結晶シリコンによる入力側配線層４と出力電極５が形成され、この出力電極５に対向して空隙６を挟んで例えば多結晶シリコンによる振動可能なビーム、所謂ビーム型の振動電極７が形成されて成る。振動電極７は、両端のアンカー部（支持部）８〔８Ａ，８Ｂ〕にて支持されるように、出力電極５をブリッジ状に跨いで入力側配線層４に接続される。振動電極７は入力電極となる。入力側配線層４の端部には、例えば金（Ａｕ）膜９が形成される。この振動素子１では、入力側配線層４の金（Ａｕ）膜９より入力端子ｔ１、出力電極５より出力端子ｔ２が導出される。
【０００５】
この振動素子１は、振動電極７と接地間にＤＣバイアス電圧Ｖ１が印加された状態で、入力端子ｔ１を通じて振動電極７に高周波信号Ｓ１が供給される。即ち、入力端子ｔ１からＤＣバイアス電圧Ｖ１と高周波信号Ｓ１が重畳された入力信号が供給される。目的周波数の高周波信号Ｓ１が入力されると、長さＬで決まる固有振動数を有する振動電極７が、出力電極５と振動電極７間に生じる静電力で振動する。この振動によって、出力電極５と振動電極７との間の容量の時間変化とＤＣバイアス電圧に応じた高周波信号が出力電極５（したがって、出力端子ｔ２）から出力される。高周波フィルタでは振動電極７の固有振動数（共振周波数）に対応した信号が出力される。
【０００６】
【非特許文献１】
Ｃ．Ｔ．−Ｎｇｕｙｅｎ，″Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｆｏｒｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄｌｏｗ−ｐｏｗｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ（ｉｎｖｉｔｅｄｐｌｅｎａｒｙ），″ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，１９９９ＩＥＥＥＭＴＴ−ＳＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍＲＦＭＥＭＳＷｏｒｋｓｈｏｐ，Ｊｕｎｅ，１８，１９９９，ｐｐ．４８−７７．
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、これまでに提案され、検証された微小振動子の共振周波数は、最高でも２００ＭＨｚを超えず、従来の表面弾性波（ＳＡＷ）あるいは薄膜弾性波（ＦＢＡＲ）によるＧＨｚ領域のフィルタに対して、微小振動子の特性である高いＱ値をＧＨｚ帯周波数領域で提供することができていない。
【０００８】
現在のところ、一般的に高い周波数領域では出力信号としての共振ピークが小さくなる傾向があり、良好なフィルタ特性を得るためには、共振ピークのＳＮ比を向上する必要がある。ミシガン大学の文献に係るディスク型の振動子によれば、出力信号のノイズ成分は、入力電極なる振動電極７と出力電極５間に構成される寄生容量Ｃ０を直接透過する信号によっている。一方においてディスク型の振動子で、十分な出力信号を得るには、３０Ｖを超えるＤＣバイアス電圧が必要であるために、実用的な振動電極構造としては両持ち梁を用いたビーム型の構造であることが望ましい。
【０００９】
しかし、上述の図１６の振動子１の場合、振動電極７と出力電極５間の空隙６が小さく、両電極７及び５の対向面積も所要の大きさを持っているので、入力電極となる振動電極７と出力電極５間の寄生容量Ｃ０が大きくなる。このため、寄生容量Ｃ０のインピーダンスＺ０と、共振系（抵抗Ｒｘ，インダクタンスＬｘ，容量Ｃｘ）のインピーダンスＺｘとの比Ｚ０／Ｚｘが小さくなり、出力信号のＳＮ比が小さくなる。振動電極７と出力電極５間の空隙を小さくして出力信号を大きく取ろうとすれば、寄生容量Ｃ０も大きくなるという、ジレンマを抱える。
【００１０】
本発明は、上述の点に鑑み、出力信号のＳＮ比を向上させたＭＥＭＳ型共振器及びその製造方法を提供するものである。
また、本発明は、出力信号のＳＮ比を向上させたＭＥＭＳ型共振器を有するフィルタを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＭＥＭＳ型共振器は、基板の同一平面上に高周波信号を入力する第１の電極と、高周波信号を出力する第２の電極と、第１及び第２の電極に対して空間を挟んで配置された振動板となる第３の電極とを有して成る。
より好ましくは、基板上の第１の電極と第２の電極との間に、接地電位が供給される第４の電極を配置して成る。
【００１２】
本発明のＭＥＭＳ型共振器においては、基板の同一平面上に第１の電極すなわち入力電極と第２の電極即ち出力電極とが形成され、これら入出力電極に対向して第３の電極すなわち振動電極が形成されるので、入出力電極間の対向面積が小さくなり且つ入出力電極間の間隔が従来に比して大きくとることができる。従って、入出力電極間の寄生容量が低減し、入力電極から出力電極への寄生容量を介した信号の透過が抑制される。
基板上の上記入力電極と上記出力電極との間に、接地電位が供給される第４の電極すなわち接地電極を配置するときは、入出力電極間の寄生容量が限りなく小さくなる。寄生容量を通して入出力電極間に流れんとする信号は、接地電極に流れることになる。従って、入力電極から出力電極への寄生容量を介した信号の透過がさらに抑制される。
【００１３】
本発明に係るフィルタは、基板の同一平面上に高周波信号を入力する第１の電極と、高周波信号を出力する第２の電極と、第１及び第２の電極に対して空間を挟んで配置された振動板となる第３の電極とからなるＭＥＭＳ型共振器を有して成る。
より好ましくは、ＭＥＭＳ型共振器における基板上の第１の電極と第２の電極との間に、接地電位が供給される第４の電極を配置して成る。
【００１４】
本発明のフィルタにおいては、基板の同一平面上に第１の電極すなわち入力電極と第２の電極即ち出力電極とが形成され、これら入出力電極に対向して第３の電極すなわち振動電極が形成されたＭＥＭＳ型共振器を有して構成されるので、上記のようにＭＥＭＳ型共振器における入出力電極間の寄生容量が低減し、入力電極から出力電極への寄生容量を介した信号の透過が抑制される。
ＭＥＭＳ型共振器における基板上の入力電極と上記出力電極との間に、接地電位が供給される第４の電極すなわち接地電極を配置するときは、上記のようにＭＥＭＳ型共振器における入出力で間の寄生容量が限りなく小さくなり、入力電極から出力電極への寄生容量を介した信号の透過がさらに抑制される。
【００１５】
本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法は、基板上に互いに所定間隔を置いて入力となる第１の電極と、出力となる第２の電極と、第１及び第２の電極の両側に位置する導電層とを選択的に形成する工程と、第１、第２の電極及び導電層を含む全面上に犠牲層を形成し、この犠牲層を平坦化する工程と、導電層に一部接続されるように犠牲層上に振動板となる第３の電極を形成する工程と、犠牲層を選択的に除去する工程とを有する。
【００１６】
本発明のＭＥＭＳ型共振器の製造方法においては、基板上に第１の電極すなわち入力電極、第２の電極すなわち出力電極及び配線層を形成し、犠牲層を形成した後、犠牲層を平坦化する工程を有するので、第３の電極すなわち振動電極と入出力電極間の間隔（いわゆる空間）を精度よく制御できる。また振動電極が平坦に形成され、各振動モードに適した振動板として形成される。そして、上記一連の工程により、精度よく且つ容易に入出力電極間の寄生容量を低減した目的のＭＥＭＳ型共振器の製造が可能になる。
【００１７】
本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法は、基板上に入力となる第１の電極と、出力となる第２の電極と、接地される第４の電極と、第１、第２及び第４の電極の両側に位置する導電層とを選択的に形成する工程と、第１、第２、第４の電極及び導電層を含む全面上に犠牲層を形成し、この犠牲層を平坦化する工程と、導電層に一部接続されるように犠牲層上に振動板となる第３の電極を形成する工程と、犠牲層を選択的に除去する工程とを有する
【００１８】
本発明のＭＥＭＳ型共振器の製造方法においては、基板上に第１の電極すなわち入力電極、第２の電極すなわち出力電極、第４の電極即ち接地電極及び配線層を形成し、犠牲層を形成した後、犠牲層を平坦化する工程を有するので、第３の電極すなわち振動電極と入出力電極間の間隔（いわゆる空間）を精度よく制御できる。また振動電極が平坦に形成され、各振動モードに適した振動板として形成される。そして、上記一連の工程により、精度よく且つ容易に入出力電極間の寄生容量を限りなく小さくした目的のＭＥＭＳ型共振器の製造が可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
ＭＥＭＳ型の振動子によるＲＦ共振器は、図１０に示すような等価回路に置き換えることができる。即ち、入力端子ｔ１と出力端子ｔ２間に、共振系を構成する抵抗ＲｘとインダクタンスＬｘと容量Ｃｘの直列回路と、入出力電極間の空隙による寄生容量Ｃ０が並列に挿入される。振動系のインピーダンスをＺｘ、寄生容量Ｃ０のインピーダンスをＺ０とすると、出力信号のＳＮ比は、Ｚ０／Ｚｘに相当する。Ｚ０／Ｚｘの値が大きいほど共振系の信号は、寄生容量Ｃ０を等価する信号に比べて大きく、１に近づくにつれ共振系を等価する信号と寄生容量Ｃ０を透過する信号は同程度となる。また、Ｚ０／Ｚｘ∝１／Ｃ０が成り立つ。従って、入力電極と出力電極間の容量Ｃ０の低減は、ＳＮ比を向上させるために最も重要なポイントの一つである。
【００２１】
図１及び図２は、本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の一実施の形態を示す。本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器１１は、基板１２の同一平面上、即ち基板１２の少なくとも絶縁性を有する表面上に、互いに所要の間隔を置いて配置された高周波信号１３を入力する第１の電極（以下、入力電極という）１４と、高周波信号を出力する第２の電極（以下、出力電極という）１５と、これら入力電極１４及び出力電極１５に対して空間１６を挟んで配置された振動板となる第３電極（以下、振動電極という）１７とを有して成る。振動電極１７は、入出力電極１４、１５をブリッジ状に跨ぎ、入出力電極１４、１５の外側に配置した配線層１８に接続されるように、両端を支持部（いわゆるアンカー部）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕で一体に支持される。
【００２２】
基板１２は、例えばシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、石英基板やガラス基板のような絶縁性基板等が用いられる。本例では、シリコン基板２１上にシリコン酸化膜２２及びシリコン窒化膜２３を積層した基板１２が用いられる。入力電極１４、出力電極１５及び配線層１８は、同じ導電材料で形成し、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム（Ａｌ）などの金属膜にて形成することができる。振動電極１７は、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム（Ａｌ）などの金属膜にて形成することができる。
【００２３】
入力電極１４には入力端子ｔ１が導出され、入力端子ｔ１を通じて入力電極１４に高周波信号Ｓ２が入力されるようになす。振動電極１５には出力端子ｔ２が導出され、出力端子ｔ２から目的周波数の高周波信号が出力されるようになす。振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２が印加されるようになす。
【００２４】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器１１の動作は次の通りである。
振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２が印加さる。入力端子ｔ１を通じて高周波信号Ｓ２が入力電極１４に入力される。目的周波数の高周波信号が入力されると、振動電極１７と入力電極１４間に生じる静電力で図３に示すように、２次の振動モード２５で振動電極１７が共振する。この振動電極１７の共振で出力電極１５から出力端子ｔ２を通じて目的周波数の高周波信号が出力される。他の周波数の信号が入力されたときは振動電極１７が共振せず、出力端子ｔ２からは信号が出力されない。
【００２５】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器１１によれば、前述の図１６のＭＥＭＳ型の振動子１に比べて、入出力電極１４及び１５の対向面積が小さく且つ入出力電極１４及び１５間の間隔を大きくすることができので、入出力電極１４及び１５間の寄生容量Ｃ０は小さくなる。一方、大きな出力信号を得るために振動電極１７と入出力電極１４、１５との空間１６を小さくすることができる。この空間１６を小さくすることは寄生容量Ｃ０に影響を与えない。このため、本実施の形態のＭＥＭＳ型共振器１１は、図１６の従来のものに比べて出力信号のＳＮ比を向上させることができる。
【００２６】
上例では１つの入力電極１４と１つの出力電極１５を配置して２次振動モードのＭＥＭＳ型共振器を構成したが、その他、図示せざるも２つの入力電極と、両入力電極間に１つの出力電極を配置して３次振動モードにする等、入力電極及び出力電極の数、配置を変更して多次振動モードのＭＥＭＳ型共振器を構成することもできる。
【００２７】
図１２〜図１３は、上述のＭＥＭＳ型共振器１１の製造方法の一例を示す。
先ず、図１２Ａに示すように、基板１２上に電極となるべき導電膜４１を形成する。本例ではシリコン基板２１上に絶縁膜であるシリコン酸化膜２２及びシリコン窒化膜２３を積層した基板１２を用いる。導電膜４１としては、後の犠牲層とエッチング比がとれる材料で形成する必要があり、本例では多結晶シリコン膜で形成する。
【００２８】
次に、図１２Ｂに示すように、導電膜４１をパターニングして入力電極１４、出力電極１５及び外側の配線層１８を形成する。
次に、図１２Ｃに示すように、入力電極１４、出力電極１５及び配線層１８を含む全面に犠牲層４２を形成する。犠牲層４２は、下地の絶縁膜（本例ではシリコン窒化（ＳｉＮ）膜）及び多結晶シリコンによる各電極１４、１４、３２及び配線層１８とエッチング比がとれる材料、本例ではシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜で形成する。
【００２９】
次に、図１２Ｄに示すように、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）法などにより犠牲層４２を平坦化する。
次に、図１３Ｅに示すように、両外側の配線層１８上の犠牲層４２に選択エッチングによりコンタクト孔４３を形成する。
【００３０】
次に、図１３Ｆに示すように、コンタクト孔４３内を含む犠牲層４２上に振動電極となる導電膜４４、本例では犠牲層４２とエッチング比が多結晶シリコン膜を形成する。その後、この導電膜４４をパターニングして外側の両配線層１８に接続された多結晶シリコン膜からなる振動電極１７を形成する。振動電極１７と配線層１８間の部分が振動電極１７を両持ち梁構造として支持する支持部（アンカー）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕となる。
【００３１】
次に、図１３Ｇに示すように、犠牲層４２をエッチング除去する。犠牲層４２のエッチング除去は、本例ではシリコン酸化膜であるので、フッ酸溶液によりウェットエッチングで行う。かくして目的のＭＥＭＳ型共振器３１を得る。
【００３２】
なお、電極１４、１５及び配線層１８を金属の例えばアルミニウム（Ａｌ）膜で形成し、犠牲層４２を非晶質シリコン層で形成するときは、犠牲層４２をＸｅＦ２ガスによるドライエッチングで除去することができる。また、下地絶縁膜をシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜とし、電極１４、１５及び配線層１８を多結晶シリコン膜またはアルミニウム（Ａｌ）膜とし、犠牲層４２をフォトレジスト膜としたときには、犠牲層４２を酸素Ｏ_２プラズマによるドライエッチングで除去することができる。
【００３３】
本実施の形態の製造方法によれば、基板１２上に入力電極１４、出力電極１５及び配線層１８を同じ導電膜４１で形成し、犠牲層４２を形成した後、犠牲層４２を平坦化する工程を有するので、振動電極１７と入出力電極１４、１５との間に間隔（空間１６）を精度良く制御できる。また振動電極１７を平坦に形成することができ、各振動モードに適した振動板として形成することができる。そして、上記一連の工程により、精度よく且つ容易に入出力電極間の寄生容量Ｃ０が低減し、ＳＮ比が向上した目的のＭＥＭＳ型共振器１１を製造することができる。
【００３４】
図４及び図５は、更にＳＮ比を向上させ本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の他の実施の形態を示す。本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３１は、基板１２の同一平面上、即ち基板１２の少なくとも絶縁性を有する表面上に、相互に所要の間隔を置いて配置された高周波信号１３を入力する第１電極である入力電極１４と、高周波信号を出力する第２の電極である出力電極１５と、入出力電極１４及び１５の間に配置された接地電位を供給する第４の電極（以下、接地電極という）３２と、これら入力電極１４、出力電極１５及び接地電極３２に対して空間１６を挟んで配置された振動板となる第３電極の振動電極１７とを有して成る。振動電極１７は、入出力電極１４、１５及び接地電極３２をブリッジ状に跨ぎ、入出力電極１４、１５、接地電極３２の外側に配置した配線層１８に接続されるように、両端を支持部（いわゆるアンカー部）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕で一体に支持される。ここで、振動電極１７と入出力電極１４，１５との間のギャップＸ１と、入出力電極１４，１５と接地電極３２との間のギャップＸ２は、Ｘ２＞Ｘ１とすることができる。
【００３５】
入力電極１４、出力電極１５、接地電極３２及び配線層１８は、同じ導電材料で形成し、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム（Ａｌ）などの金属膜にて形成することができる。振動電極１７は、例えば多結晶シリコン膜、アルミニウム（Ａｌ）などの金属膜にて形成することができる。入力電極１４には入力端子ｔ１が導出され、入力端子ｔ１を通じて入力電極１４に高周波信号Ｓ２が入力されるようになす。振動電極１５には出力端子ｔ２が導出され、出力端子ｔ２から目的周波数の高周波信号が出力されるようになす。接地電極３２には接地（ＧＮＤ）電位が印加されるようになす。振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２が印加されるようになす。
【００３６】
その他の構成は、前述の図１及び図２と同様であるので、対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００３７】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３１の動作は、図１及び図２の場合と同様である。即ち、振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２が印加さる。入力端子ｔ１を通じて高周波信号Ｓ２が入力電極１４に入力される。目的周波数の高周波信号が入力されると、振動電極１７と入力電極１４間に生じる静電力で図６に示すように、２次の振動モード２５で振動電極１７が共振する。この振動電極１７の共振で出力電極１５から出力端子ｔ２を通じて目的周波数の高周波信号が出力される。他の周波数の信号が入力されたときは振動電極１７が共振せず、出力端子ｔ２からは信号が出力されない。
【００３８】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３１によれば、入力電極１４と出力電極１５との間に接地電極３２を配置することにより、図１１の等価回路に示すように、入力電極１４及び出力電極１５間の寄生容量Ｃ０が限りなく小さくなる。即ち、この等価回路では、図１でのＭＥＭＳ型共振器１１に元々有った寄生容量Ｃ０が、接地電極３２との間の容量Ｃ０１と容量Ｃ０２に分配された形になる。これにより、元々の寄生容量Ｃ０を透過する信号が接地電極３２側に流れ、出力電極１５側に流れない。従って、入力された高周波信号の漏れがなくなり、出力信号のＳＮ比が向上する。信号の一部は接地側に流れるので、信号レベルは落ちるも、信号レベルは出力側の負荷抵抗Ｒ０等により電気的に補償するようになせばよい。従って、図１及び図２のＭＥＭＳ型共振器１１に比べてさらに寄生容量Ｃ０を低減し、さらにＳＮ比を向上させることができる。
【００３９】
図１４〜図１５は、上述のＭＥＭＳ型共振器３１の製造方法の一例を示す。
先ず、図１４Ａに示すように、基板１２上に電極となるべき導電膜４１を形成する。本例ではシリコン基板２１上に絶縁膜であるシリコン酸化膜２２及びシリコン窒化膜２３を積層した基板１２を用いる。導電膜４１としては、後の犠牲層とエッチング比がとれる材料で形成する必要があり、本例では多結晶シリコン膜で形成する。
【００４０】
次に、図１４Ｂに示すように、導電膜４１をパターニングして入力電極１４、出力電極１５、両電極１４及び１５間の接地電極３２、外側の配線層１８を形成する。
次に、図１４Ｃに示すように、入力電極１４、出力電極１５、接地電極３２及び配線層１８を含む全面に犠牲層４２を形成する。犠牲層４２は、下地の絶縁膜（本例ではシリコン窒化（ＳｉＮ）膜）及び多結晶シリコンによる各電極１４、１４、３２及び配線層１８とエッチング比がとれる材料、本例ではシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜で形成する。
【００４１】
次に、図１４Ｄに示すように、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）法などにより犠牲層４２を平坦化する。
【００４２】
次に、図１５Ｅに示すように、両外側の配線層１８上の犠牲層４２に選択エッチングによりコンタクト孔４３を形成する。
【００４３】
次に、図１５Ｆに示すように、コンタクト孔４３内を含む犠牲層４２上に振動電極となる導電膜４４、本例では犠牲層４２とエッチング比が多結晶シリコン膜を形成する。その後、この導電膜４４をパターニングして外側の両配線層１８に接続された多結晶シリコン膜からなる振動電極１７を形成する。振動電極１７と配線層１８間の部分が振動電極１７を両持ち梁構造として支持する支持部（アンカー）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕となる。
【００４４】
次に、図１５Ｇに示すように、犠牲層４２をエッチング除去する。犠牲層４２のエッチング除去は、本例ではシリコン酸化膜であるので、フッ酸溶液によりウェットエッチングで行う。かくして目的のＭＥＭＳ型共振器３１を得る。
【００４５】
なお、電極１４、１５、３２及び配線層１８となる導電膜４１、犠牲層４２、下地絶縁膜２３の材料の組み合わせ、さらに犠牲層４２のエッチャント等は、前述と同様のものを選択することができる。
【００４６】
本実施の形態の製造方法によれば、基板１２上に入力電極１４、出力電極１５、接地電極３２及び配線層１８を同じ導電膜４１で形成し、犠牲層４２を形成した後、犠牲層４２を平坦化する工程を有するので、振動電極１７と入出力電極１４、１５との間に間隔（空間１６）を精度良く制御できる。また振動電極１７を平坦に形成することができ、各振動モードに適した振動板として形成することができる。そして、上記一連の工程により、精度よく且つ容易に入出力電極間の寄生容量Ｃ０が低減し、ＳＮ比が向上した目的のＭＥＭＳ型共振器３１を製造することができる。
【００４７】
図７及び図８は、本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の他の実施の形態を示す。本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３５は、基板１２の同一平面上、即ち基板１２の少なくとも絶縁性を有する表面上に、相互に所要の間隔を置いて配置された高周波信号１３を入力する２つの入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕と、高周波信号を出力する１つの出力電極１５と、入力電極１４Ａと出力電極１５間、入力電極１４Ｂと出力電極１５間に、それぞれ配置した接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕と、これら入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕、出力電極１５及び接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕に対して空間１６を挟んで配置された振動電極１７とを有して成る。本例では中央に出力電極１５が配置され、これの両側に接地電極３２〔３２Ａ，３Ｂ〕、入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕が配置される。振動電極１７は、入出力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕、１５及び接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕をブリッジ状に跨ぎ、入出力電極１４、１５、接地電極３２の外側に配置した導電層１８に接続されるように、両端を支持部（いわゆるアンカー部）１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕で一体に支持される。ここで、接地電極３２Ａ，３２Ｂは、後述するように振動電極１７の振動の節となる部分に近接して配置される。
【００４８】
入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕には入力端子ｔ１が導出され、入力端子ｔ１を通じて入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕に高周波信号Ｓ２が入力されるようになす。振動電極１５には出力端子ｔ２が導出され、出力端子ｔ２から目的周波数の高周波信号が出力されるようになす。接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕には接地（ＧＮＤ）電位が印加されるようになす。振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２が印加されるようになす。なお、２つの入力電極１４Ａ及び１４Ｂは１つの入力電極パッドから分岐して形成され、２つの接地電極３２Ａ及び３２Ｂは１つの接地電極パッドから分岐して形成される。
る。
【００４９】
基板１２、入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕、出力電極１５、接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕及び導電層１８〔１８Ａ，１８Ｂ〕等、その他の構成は図４及び図５と同様であるので、対応する部分に同一符号を付して重複説明を省略する。
なお、上例では中央を出力電極１５とし、これを挟んで２つの入力電極１４Ａ，１４Ｂを配置し、入出力電極間に接地電極３２を配置した構成であるが、中央を入力電極１４とし、これを挟んで２つの出力電極１５を配置し、入出力で間に接地電極３２を配置した構成とすることもできる。
【００５０】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３５の動作は、図４及び図５の場合と同様である。即ち、振動電極１７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ２が印加さる。入力端子ｔ１を通じて高周波信号Ｓ２が入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕に入力される。目的周波数の高周波信号が入力されると、振動電極１７と入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕間に生じる静電力で振動電極１７が共振する。この場合、図９に示すように、３次の振動モード２６で振動電極１７が共振する。この振動電極１７の共振で出力電極１５から出力端子ｔ２を通じて目的周波数の高周波信号が出力される。他の周波数の信号が入力されたときは振動電極１７が共振せず、出力端子ｔ２からは信号が出力されない。
【００５１】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３５によれば、入力電極１４〔１４Ａ，１４Ｂ〕と出力電極１５との間に夫々接地電極３２〔３２Ａ，３２Ｂ〕を配置することにより、入力電極１４及び出力電極１５間の寄生容量Ｃ０を図４及び図５と同様に低減することができる。従って、ＭＥＭＳ型共振器１１に比べてさらにＳＮ比を向上させることができる。
【００５２】
本実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器３５の製造方法は、図１４Ａから図１５Ｇで示した前述のＭＥＭＳ型共振器３１の製造方法と同様にして製造することができる。
【００５３】
図１及び図２のＭＥＭＳ型共振器１１において、入力電極１４及び出力電極１５のいずれか一方の電極を中心に配し、他方の電極を一方の電極を中心としてリング状に配置し、振動電極１７を両電極１４、１５上に対向して配置するようにした構成とすることもできる。電極の形状は、円形、四角形状、その他の形状等、適宜選択できる。
図４及び図５のＭＥＭＳ型共振器３１、あるいは図７及び図８のＭＥＭＳ型共振器３１において、入力電極１４及び出力電極１５のいずれか一方の電極を中心に配し、他方の電極及び接地電極３２を一方の電極を中心としてリング状に配置し、振動電極１７を電極１４、１５及び３２上に対向して配置するようにした構成とすることもできる。電極の形状は、円形、四角形状、その他の形状等、適宜選択できる。
【００５４】
上述の実施の形態では、２次振動モード及び３次振動モードのＭＥＭＳ型共振器に適用したが、４次振動モード以上の多次振動モードのＭＥＭＳ型共振器にも適用可能である。
【００５５】
本発明は、上述の実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器１１あるいはＭＥＭＳ型共振器３１を有して高周波フィルタ、中間周波フィルタ等のフィルタを構成する。
ＭＥＭＳ型共振器１１を有してフィルタを構成することにより、入出力電極間の寄生容量Ｃ０を従来よりも低減することができ、出力信号のＳＮ比を向上することができる。
ＭＥＭＳ型共振器３１を有してフィルタを構成することにより、入出力電極１４及び１５間に接地電極３２が配置されるので、寄生容量Ｃ０を限りなく小さくなり、さらに出力信号のＳＮ比を向上することができる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明に係るＭＥＭＳ型共振器によれば、基板の同一平面上に高周波信号を入力する第１の電極と高周波信号を出力する第２の電極を配置し、これら第１、第２の電極に対向して振動板となる第３の電極を配置した構成とすることにより、第１及び第２の電極間、つまり入出力電極極間の寄生容量が低減し、出力信号のＳＮ比を向上することができる。
本発明に係るＭＥＭＳ型共振器によれば、さらに上記第１の電極と第２の電極との間に接地電位が供給される第４の電極を配置することにより、第１及び第２の電極間、つまり入出力電極極間の寄生容量が限りなく小さくなり、より出力信号のＳＮ比を向上することができる。
【００５７】
本発明に係るフィルタによれば、上記ＭＥＭＳ型共振器を有することにより、出力信号のＳＮ比を向上することができる。
本発明に係るフィルタによれば、さらに上記第１の電極と第２の電極との間に接地電位の第３の電極を配置するようにしたＭＥＭＳ型共振器を有することにより、さらに出力信号のＳＮ比を向上することができる。
【００５８】
本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法によれば、入出力電極となる第１、第２の電極と振動板となる第３ので間の間隔を精度よく制御することができると共に、第３の電極を振動に適した平坦に形成することができる。そして入出力電極間の寄生容量を低減、あるいは限りなく小さくしたＭＥＭＳ型共振器を、精度良く且つ容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の一実施の形態を示す平面図である。
【図３】本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の一実施の形態の振動モードを示す説明図である。
【図４】本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の他の実施の形態を示す構成図である。
【図５】本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の他の実施の形態を示す平面図である。
【図６】本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の他の実施の形態の振動モードを示す説明図である。
【図７】本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の更に他の実施の形態を示す構成図である。
【図８】本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の更に他の実施の形態を示す平面図である。
【図９】本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の更に他の実施の形態の振動モードを示す説明図である。
【図１０】ＭＥＭＳ型共振器の等価回路図である。
【図１１】図４の実施の形態に係るＭＥＭＳ型共振器の等価回路図である。
【図１２】Ａ〜Ｄ本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法の実施の形態の一例を示す製造工程図（その１）である。
【図１３】Ｅ〜Ｇ本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法の実施の形態の一例を示す製造工程図（その２）である。
【図１４】Ａ〜Ｄ本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法の実施の形態の他の一例を示す製造工程図（その１）である。
【図１５】Ｅ〜Ｇ本発明に係るＭＥＭＳ型共振器の製造方法の実施の形態の他の例を示す製造工程図（その２）である。
【図１６】従来のＭＥＭＳ型の振動子の例を示す構成図である。
【符号の説明】
１１、３１、３５・・ＭＥＭＳ型共振器、１２・・基板、１４、１４Ａ、１４Ｂ・・入力電極、１５・・出力電極、１６・・空間、１７・・振動電極、１８・・配線層、１９〔１９Ａ，１９Ｂ〕・・支持部、２１・・シリコン基板、２２・・シリコン酸化膜、２３・・シリコン窒化膜、３２、３２Ａ、３２Ｂ・・接地電極、４１・・導電膜、４２・・犠牲層、４３・・コンタクト孔、４４・・導電膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a MEMS resonator, a method for manufacturing the same, and a filter having the MEMS resonator.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, a micromachine (MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) element and a small device incorporating a MEMS element have attracted attention. A basic feature of the MEMS element is that a driving body configured as a mechanical structure is incorporated in a part of the element, and the driving of the driving body is performed by applying a cloning force between electrodes and the like. It is done electrically.
[0003]
Micro-vibration elements formed using micro-machining technology based on semiconductor processes are characterized by their small footprint, high Q value, and the ability to integrate with other semiconductor devices. Among communication devices, use as intermediate frequency (IF) filters and high frequency (RF) filters has been proposed by research institutions such as the University of Michigan (see Non-Patent Document 1).
[0004]
FIG. 16 schematically shows a vibrating element constituting a high-frequency filter described in Non-Patent Document 1, that is, a MEMS-type vibrating element. In the vibration element 1, an input-side wiring layer 4 and an output electrode 5 made of, for example, polycrystalline silicon are formed on a semiconductor substrate 2 with an insulating film 3 interposed therebetween. A vibrating beam made of crystalline silicon, a so-called beam type vibrating electrode 7 is formed. The vibration electrode 7 is connected to the input-side wiring layer 4 across the output electrode 5 in a bridge-like manner so as to be supported by anchor portions (support portions) 8 [8A, 8B] at both ends. The vibration electrode 7 becomes an input electrode. For example, a gold (Au) film 9 is formed at an end of the input side wiring layer 4. In this vibration element 1, an input terminal t 1 is derived from the gold (Au) film 9 of the input side wiring layer 4, and an output terminal t 2 is derived from the output electrode 5.
[0005]
In the vibration element 1, a high-frequency signal S1 is supplied to the vibration electrode 7 through the input terminal t1 in a state where the DC bias voltage V1 is applied between the vibration electrode 7 and the ground. That is, an input signal in which the DC bias voltage V1 and the high frequency signal S1 are superimposed is supplied from the input terminal t1. When the high frequency signal S1 of the target frequency is input, the vibrating electrode 7 having a natural frequency determined by the length L vibrates with an electrostatic force generated between the output electrode 5 and the vibrating electrode 7. Due to this vibration, a high-frequency signal corresponding to the time change of the capacitance between the output electrode 5 and the vibration electrode 7 and the DC bias voltage is output from the output electrode 5 (therefore, the output terminal t2). The high frequency filter outputs a signal corresponding to the natural frequency (resonance frequency) of the vibration electrode 7.
[0006]
[Non-patent document 1]
C. T. -Nguyen, "Micromechanical components for minimized low-power communications (invited plenary)," proceedings, 1999 IEEE MTT-Sep, International Microwave Society, Microelectronics. 48-77.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the resonance frequency of the micro-vibrator proposed and verified so far does not exceed 200 MHz at the maximum, and is compared with a conventional filter in a GHz region by a surface acoustic wave (SAW) or a thin film elastic wave (FBAR). A high Q value, which is a characteristic of a micro-vibrator, cannot be provided in a GHz band frequency region.
[0008]
At present, the resonance peak as an output signal generally tends to be small in a high frequency region, and it is necessary to improve the SN ratio of the resonance peak in order to obtain good filter characteristics. According to the disk-type vibrator disclosed in the University of Michigan document, the noise component of the output signal depends on the signal directly passing through the parasitic capacitance C0 formed between the vibrating electrode 7 serving as the input electrode and the output electrode 5. On the other hand, in order to obtain a sufficient output signal with a disk-type vibrator, a DC bias voltage exceeding 30 V is required. Therefore, a practical vibrating electrode structure is a beam-type structure using a doubly supported beam. Desirably.
[0009]
However, in the case of the vibrator 1 of FIG. 16 described above, the gap 6 between the vibrating electrode 7 and the output electrode 5 is small, and the facing area between the electrodes 7 and 5 also has a required size, so that it becomes an input electrode. The parasitic capacitance C0 between the vibration electrode 7 and the output electrode 5 increases. For this reason, the ratio Z0 / Zx between the impedance Z0 of the parasitic capacitance C0 and the impedance Zx of the resonance system (resistance Rx, inductance Lx, capacitance Cx) decreases, and the SN ratio of the output signal decreases. If an attempt is made to increase the output signal by reducing the gap between the vibrating electrode 7 and the output electrode 5, there is a dilemma that the parasitic capacitance C0 also increases.
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a MEMS resonator having an improved SN ratio of an output signal and a method of manufacturing the same.
Another object of the present invention is to provide a filter having a MEMS resonator having an improved SN ratio of an output signal.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The MEMS resonator according to the present invention provides a space between the first electrode for inputting a high-frequency signal, the second electrode for outputting a high-frequency signal, and the first and second electrodes on the same plane of the substrate. And a third electrode serving as a diaphragm interposed therebetween.
More preferably, a fourth electrode to which a ground potential is supplied is arranged between the first electrode and the second electrode on the substrate.
[0012]
In the MEMS resonator of the present invention, a first electrode, ie, an input electrode, and a second electrode, ie, an output electrode, are formed on the same plane of a substrate, and a third electrode, ie, a vibrator is opposed to these input / output electrodes. Since the electrodes are formed, the facing area between the input and output electrodes can be reduced, and the distance between the input and output electrodes can be increased as compared with the related art. Therefore, the parasitic capacitance between the input and output electrodes is reduced, and transmission of a signal from the input electrode to the output electrode via the parasitic capacitance is suppressed.
When a fourth electrode to which a ground potential is supplied, that is, a ground electrode, is arranged between the input electrode and the output electrode on the substrate, the parasitic capacitance between the input and output electrodes becomes extremely small. A signal flowing between the input and output electrodes through the parasitic capacitance will flow to the ground electrode. Therefore, transmission of a signal from the input electrode to the output electrode via the parasitic capacitance is further suppressed.
[0013]
A filter according to the present invention has a first electrode for inputting a high-frequency signal, a second electrode for outputting a high-frequency signal, and a space between the first and second electrodes on the same plane of the substrate. And a third electrode serving as a vibrating plate.
More preferably, a fourth electrode to which a ground potential is supplied is arranged between the first electrode and the second electrode on the substrate in the MEMS type resonator.
[0014]
In the filter of the present invention, a first electrode, ie, an input electrode, and a second electrode, ie, an output electrode, are formed on the same plane of a substrate, and a third electrode, ie, a vibrating electrode is formed facing these input / output electrodes. As described above, the parasitic capacitance between the input and output electrodes in the MEMS resonator is reduced, and the transmission of signals from the input electrode to the output electrode via the parasitic capacitance is reduced. Is suppressed.
When the fourth electrode to which the ground potential is supplied, that is, the ground electrode is arranged between the input electrode on the substrate and the output electrode in the MEMS resonator, as described above, the input / output of the MEMS resonator is The parasitic capacitance between the electrodes becomes extremely small, and transmission of a signal from the input electrode to the output electrode via the parasitic capacitance is further suppressed.
[0015]
The method of manufacturing a MEMS resonator according to the present invention includes a first electrode serving as an input, a second electrode serving as an output, and both sides of the first and second electrodes at predetermined intervals on a substrate. Selectively forming a conductive layer located thereon; forming a sacrificial layer over the entire surface including the first and second electrodes and the conductive layer; planarizing the sacrificial layer; The method includes a step of forming a third electrode serving as a diaphragm on the sacrificial layer so as to be connected, and a step of selectively removing the sacrificial layer.
[0016]
In the method of manufacturing a MEMS resonator according to the present invention, a first electrode, that is, an input electrode, a second electrode, that is, an output electrode, and a wiring layer are formed on a substrate, and after forming a sacrifice layer, the sacrifice layer is planarized. Therefore, the distance (so-called space) between the third electrode, that is, the vibration electrode and the input / output electrode can be controlled with high accuracy. Further, the vibration electrode is formed flat, and is formed as a vibration plate suitable for each vibration mode. Then, through the above-described series of steps, it is possible to accurately and easily manufacture a target MEMS resonator in which the parasitic capacitance between the input and output electrodes is reduced.
[0017]
According to the method of manufacturing a MEMS resonator according to the present invention, a first electrode serving as an input, a second electrode serving as an output, a fourth electrode grounded, a first electrode, a second electrode, and a second electrode are provided on a substrate. A step of selectively forming conductive layers located on both sides of the fourth electrode, and forming a sacrificial layer on the entire surface including the first, second, and fourth electrodes and the conductive layer, and flattening the sacrificial layer. And forming a third electrode serving as a diaphragm on the sacrificial layer so as to be partially connected to the conductive layer, and selectively removing the sacrificial layer.
[0018]
In the method of manufacturing a MEMS resonator of the present invention, a first electrode, ie, an input electrode, a second electrode, ie, an output electrode, a fourth electrode, ie, a ground electrode, and a wiring layer are formed on a substrate, and a sacrificial layer is formed. After that, the step of flattening the sacrificial layer is provided, so that the distance (so-called space) between the third electrode, that is, the vibration electrode and the input / output electrode can be accurately controlled. Further, the vibration electrode is formed flat, and is formed as a vibration plate suitable for each vibration mode. Then, through the above-described series of steps, it is possible to accurately and easily manufacture a target MEMS resonator in which the parasitic capacitance between the input and output electrodes is reduced as much as possible.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0020]
An RF resonator using a MEMS type vibrator can be replaced with an equivalent circuit as shown in FIG. That is, between the input terminal t1 and the output terminal t2, a series circuit of the resistor Rx, the inductance Lx, and the capacitor Cx constituting the resonance system and the parasitic capacitance C0 due to the gap between the input and output electrodes are inserted in parallel. Assuming that the impedance of the vibration system is Zx and the impedance of the parasitic capacitance C0 is Z0, the SN ratio of the output signal is equivalent to Z0 / Zx. As the value of Z0 / Zx is larger, the signal of the resonance system is larger than the signal equivalent to the parasitic capacitance C0, and as the value approaches 1, the signal equivalent to the resonance system and the signal transmitted through the parasitic capacitance C0 become approximately the same. Also, Z0 / Zx∝1 / C0 holds. Therefore, reduction of the capacitance C0 between the input electrode and the output electrode is one of the most important points for improving the SN ratio.
[0021]
1 and 2 show one embodiment of a MEMS resonator according to the present invention. The MEMS resonator 11 according to the present embodiment is configured to input a high-frequency signal 13 arranged at a required interval from each other on the same plane of the substrate 12, that is, on at least the insulating surface of the substrate 12. One electrode (hereinafter, referred to as an input electrode) 14, a second electrode (hereinafter, referred to as an output electrode) 15 for outputting a high-frequency signal, and a space 16 are arranged between the input electrode 14 and the output electrode 15. And a third electrode (hereinafter referred to as a vibration electrode) 17 serving as a vibrating plate. The vibrating electrode 17 straddles the input / output electrodes 14 and 15 in a bridge shape, and has both ends supporting portions (so-called anchor portions) 19 [19A] so as to be connected to the wiring layer 18 disposed outside the input / output electrodes 14 and 15. , 19B].
[0022]
As the substrate 12, for example, a substrate in which an insulating film is formed on a semiconductor substrate such as silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs), or an insulating substrate such as a quartz substrate or a glass substrate is used. In this example, a substrate 12 in which a silicon oxide film 22 and a silicon nitride film 23 are stacked on a silicon substrate 21 is used. The input electrode 14, the output electrode 15, and the wiring layer 18 are formed of the same conductive material, and can be formed of, for example, a polycrystalline silicon film or a metal film such as aluminum (Al). The vibration electrode 17 can be formed of, for example, a polycrystalline silicon film or a metal film such as aluminum (Al).
[0023]
An input terminal t1 is derived from the input electrode 14, and a high-frequency signal S2 is input to the input electrode 14 through the input terminal t1. An output terminal t2 is led to the vibration electrode 15, and a high-frequency signal of a target frequency is output from the output terminal t2. A required DC bias voltage V2 is applied to the vibration electrode 17.
[0024]
The operation of the MEMS resonator 11 according to the present embodiment is as follows.
A required DC bias voltage V2 is applied to the vibration electrode 17. The high-frequency signal S2 is input to the input electrode 14 through the input terminal t1. When a high-frequency signal of a target frequency is input, the vibrating electrode 17 resonates in a secondary vibration mode 25 as shown in FIG. 3 by electrostatic force generated between the vibrating electrode 17 and the input electrode 14. Due to the resonance of the vibration electrode 17, a high-frequency signal of a target frequency is output from the output electrode 15 through the output terminal t2. When a signal of another frequency is input, the vibration electrode 17 does not resonate, and no signal is output from the output terminal t2.
[0025]
According to the MEMS resonator 11 according to the present embodiment, the facing area of the input / output electrodes 14 and 15 is smaller than that of the MEMS resonator 1 of FIG. Since the distance can be increased, the parasitic capacitance C0 between the input / output electrodes 14 and 15 decreases. On the other hand, the space 16 between the vibration electrode 17 and the input / output electrodes 14 and 15 can be reduced to obtain a large output signal. Reducing the space 16 does not affect the parasitic capacitance C0. Therefore, the MEMS resonator 11 of the present embodiment can improve the SN ratio of the output signal as compared with the conventional one shown in FIG.
[0026]
In the above example, one input electrode 14 and one output electrode 15 are arranged to form a secondary vibration mode MEMS resonator, but in addition, two input electrodes (not shown) and one between the two input electrodes are provided. For example, the number and arrangement of the input electrodes and the output electrodes may be changed to arrange a MEMS type resonator in a multi-order vibration mode by arranging one output electrode for a third-order vibration mode.
[0027]
12 and 13 show an example of a method for manufacturing the MEMS resonator 11 described above.
First, as shown in FIG. 12A, a conductive film 41 to be an electrode is formed on the substrate 12. In this example, a substrate 12 in which a silicon oxide film 22 and a silicon nitride film 23 as insulating films are stacked on a silicon substrate 21 is used. The conductive film 41 needs to be formed of a material having an etching ratio with the later sacrificial layer. In this example, the conductive film 41 is formed of a polycrystalline silicon film.
[0028]
Next, as shown in FIG. 12B, the conductive film 41 is patterned to form the input electrode 14, the output electrode 15, and the outer wiring layer 18.
Next, as shown in FIG. 12C, a sacrificial layer 42 is formed on the entire surface including the input electrode 14, the output electrode 15, and the wiring layer 18. The sacrifice layer 42 is made of a material having an etching ratio with the electrodes 14, 14, 32 and the wiring layer 18 of a base insulating film (in this example, a silicon nitride (SiN) film) and polycrystalline silicon, in this example, silicon oxide (SiO 2). ₂ ) Formed with a film.
[0029]
Next, as shown in FIG. 12D, the sacrificial layer 42 is flattened by, for example, a chemical mechanical polishing (CMP) method.
Next, as shown in FIG. 13E, a contact hole 43 is formed in the sacrificial layer 42 on both outer wiring layers 18 by selective etching.
[0030]
Next, as shown in FIG. 13F, a polycrystalline silicon film is formed on the sacrificial layer 42 including the inside of the contact hole 43 so as to serve as a vibrating electrode, in this example, the etching ratio with the sacrificial layer 42. Thereafter, the conductive film 44 is patterned to form the vibrating electrode 17 made of a polycrystalline silicon film connected to both outer wiring layers 18. A portion between the vibration electrode 17 and the wiring layer 18 becomes a support portion (anchor) 19 [19A, 19B] for supporting the vibration electrode 17 as a doubly supported structure.
[0031]
Next, as shown in FIG. 13G, the sacrificial layer 42 is removed by etching. Since the sacrifice layer 42 is removed by etching in this embodiment, the sacrifice layer 42 is formed by wet etching using a hydrofluoric acid solution. Thus, the desired MEMS resonator 31 is obtained.
[0032]
When the electrodes 14, 15 and the wiring layer 18 are formed of a metal such as an aluminum (Al) film, and the sacrifice layer 42 is formed of an amorphous silicon layer, the sacrifice layer 42 is removed by dry etching using XeF2 gas. be able to. Further, the underlying insulating film is made of silicon oxide (SiO 2). ₂ ) When the electrodes 14, 15 and the wiring layer 18 are polycrystalline silicon films or aluminum (Al) films, and the sacrificial layer 42 is a photoresist film, the sacrificial layer 42 is ₂ It can be removed by dry etching using plasma.
[0033]
According to the manufacturing method of the present embodiment, the input electrode 14, the output electrode 15, and the wiring layer 18 are formed of the same conductive film 41 on the substrate 12, and after the sacrifice layer 42 is formed, the sacrifice layer 42 is planarized. Since the process is included, the space (space 16) between the vibration electrode 17 and the input / output electrodes 14 and 15 can be accurately controlled. Further, the vibration electrode 17 can be formed flat, and can be formed as a vibration plate suitable for each vibration mode. Through the above-described series of steps, the objective MEMS resonator 11 in which the parasitic capacitance C0 between the input and output electrodes is reduced accurately and easily and the SN ratio is improved can be manufactured.
[0034]
4 and 5 show another embodiment of the MEMS resonator according to the present invention in which the SN ratio is further improved. The MEMS resonator 31 according to the present embodiment inputs the high-frequency signals 13 arranged at a predetermined interval from each other on the same plane of the substrate 12, that is, on at least the insulating surface of the substrate 12. An input electrode 14 serving as a first electrode, an output electrode 15 serving as a second electrode for outputting a high-frequency signal, and a fourth electrode (hereinafter, referred to as an electrode) disposed between the input / output electrodes 14 and 15 for supplying a ground potential. And a third vibrating electrode 17 serving as a vibrating plate arranged with the space 16 interposed between the input electrode 14, the output electrode 15, and the ground electrode 32. The vibrating electrode 17 straddles the input / output electrodes 14 and 15 and the ground electrode 32 in a bridge-like manner, and has both ends supporting portions so as to be connected to the wiring layer 18 disposed outside the input / output electrodes 14 and 15 and the ground electrode 32. (So-called anchor portions) 19 [19A, 19B] are integrally supported. Here, the gap X1 between the vibration electrode 17 and the input / output electrodes 14, 15 and the gap X2 between the input / output electrodes 14, 15 and the ground electrode 32 can satisfy X2> X1.
[0035]
The input electrode 14, the output electrode 15, the ground electrode 32, and the wiring layer 18 are formed of the same conductive material, and can be formed of, for example, a polycrystalline silicon film or a metal film such as aluminum (Al). The vibration electrode 17 can be formed of, for example, a polycrystalline silicon film or a metal film such as aluminum (Al). An input terminal t1 is derived from the input electrode 14, and a high-frequency signal S2 is input to the input electrode 14 through the input terminal t1. An output terminal t2 is led to the vibration electrode 15, and a high-frequency signal of a target frequency is output from the output terminal t2. The ground (GND) potential is applied to the ground electrode 32. A required DC bias voltage V2 is applied to the vibration electrode 17.
[0036]
Other configurations are the same as those in FIG. 1 and FIG. 2 described above.
[0037]
The operation of the MEMS resonator 31 according to the present embodiment is the same as in the case of FIGS. That is, the required DC bias voltage V2 is applied to the vibration electrode 17. The high-frequency signal S2 is input to the input electrode 14 through the input terminal t1. When a high-frequency signal having a target frequency is input, the vibrating electrode 17 resonates in a secondary vibration mode 25 as shown in FIG. 6 by electrostatic force generated between the vibrating electrode 17 and the input electrode 14. Due to the resonance of the vibration electrode 17, a high-frequency signal of a target frequency is output from the output electrode 15 through the output terminal t2. When a signal of another frequency is input, the vibration electrode 17 does not resonate, and no signal is output from the output terminal t2.
[0038]
According to the MEMS resonator 31 according to the present embodiment, by arranging the ground electrode 32 between the input electrode 14 and the output electrode 15, as shown in the equivalent circuit of FIG. The parasitic capacitance C0 between the electrodes 15 becomes extremely small. That is, in this equivalent circuit, the parasitic capacitance C0 originally in the MEMS resonator 11 in FIG. 1 is distributed to the capacitance C01 and the capacitance C02 between the ground electrode 32. As a result, the signal transmitted through the original parasitic capacitance C0 flows to the ground electrode 32 side and does not flow to the output electrode 15 side. Accordingly, leakage of the input high-frequency signal is eliminated, and the S / N ratio of the output signal is improved. Since a part of the signal flows to the ground side, the signal level drops, but the signal level may be electrically compensated by the load resistor R0 on the output side. Therefore, the parasitic capacitance C0 can be further reduced and the SN ratio can be further improved as compared with the MEMS resonator 11 shown in FIGS.
[0039]
14 and 15 show an example of a method for manufacturing the above-described MEMS resonator 31.
First, as shown in FIG. 14A, a conductive film 41 to be an electrode is formed on the substrate 12. In this example, a substrate 12 in which a silicon oxide film 22 and a silicon nitride film 23 as insulating films are stacked on a silicon substrate 21 is used. The conductive film 41 needs to be formed of a material having an etching ratio with the later sacrificial layer. In this example, the conductive film 41 is formed of a polycrystalline silicon film.
[0040]
Next, as shown in FIG. 14B, the conductive film 41 is patterned to form the input electrode 14, the output electrode 15, the ground electrode 32 between the electrodes 14 and 15, and the outer wiring layer 18.
Next, as shown in FIG. 14C, a sacrifice layer 42 is formed on the entire surface including the input electrode 14, the output electrode 15, the ground electrode 32, and the wiring layer 18. The sacrifice layer 42 is made of a material having an etching ratio with the electrodes 14, 14, 32 and the wiring layer 18 of a base insulating film (in this example, a silicon nitride (SiN) film) and polycrystalline silicon, in this example, silicon oxide (SiO 2). ₂ ) Formed with a film.
[0041]
Next, as shown in FIG. 14D, the sacrificial layer 42 is flattened by, for example, a chemical mechanical polishing (CMP) method.
[0042]
Next, as shown in FIG. 15E, a contact hole 43 is formed in the sacrificial layer 42 on both outer wiring layers 18 by selective etching.
[0043]
Next, as shown in FIG. 15F, a polycrystalline silicon film is formed on the sacrificial layer 42 including the inside of the contact hole 43 so as to have a conductive film 44 serving as a vibrating electrode, in this example, an etching ratio with the sacrificial layer 42. Thereafter, the conductive film 44 is patterned to form the vibrating electrode 17 made of a polycrystalline silicon film connected to both outer wiring layers 18. A portion between the vibration electrode 17 and the wiring layer 18 becomes a support portion (anchor) 19 [19A, 19B] for supporting the vibration electrode 17 as a doubly supported structure.
[0044]
Next, as shown in FIG. 15G, the sacrificial layer 42 is removed by etching. Since the sacrifice layer 42 is removed by etching in this embodiment, the sacrifice layer 42 is formed by wet etching using a hydrofluoric acid solution. Thus, the desired MEMS resonator 31 is obtained.
[0045]
It should be noted that a combination of the materials of the conductive films 41, the sacrifice layer 42, and the underlying insulating film 23, which are the electrodes 14, 15, and 32, and the wiring layer 18, as well as the etchant of the sacrifice layer 42, may be the same as those described above. it can.
[0046]
According to the manufacturing method of the present embodiment, the input electrode 14, the output electrode 15, the ground electrode 32, and the wiring layer 18 are formed of the same conductive film 41 on the substrate 12, and the sacrificial layer 42 is formed. Is flattened, so that the space (space 16) between the vibration electrode 17 and the input / output electrodes 14 and 15 can be accurately controlled. Further, the vibration electrode 17 can be formed flat, and can be formed as a vibration plate suitable for each vibration mode. Through the above-described series of steps, the objective MEMS resonator 31 in which the parasitic capacitance C0 between the input and output electrodes is reduced accurately and easily and the SN ratio is improved can be manufactured.
[0047]
7 and 8 show another embodiment of the MEMS resonator according to the present invention. The MEMS resonator 35 according to the present embodiment inputs the high-frequency signals 13 arranged at a required interval from each other on the same plane of the substrate 12, that is, on at least the insulating surface of the substrate 12. Two input electrodes 14 [14A, 14B], one output electrode 15 for outputting a high-frequency signal, a ground electrode 32 disposed between the input electrode 14A and the output electrode 15, and between the input electrode 14B and the output electrode 15, respectively. 32A, 32B], and a vibrating electrode 17 arranged with the space 16 interposed between the input electrode 14 [14A, 14B], the output electrode 15, and the ground electrode 32 [32A, 32B]. In this example, the output electrode 15 is arranged at the center, and the ground electrode 32 [32A, 3B] and the input electrode 14 [14A, 14B] are arranged on both sides of the output electrode 15. The vibrating electrode 17 extends over the input / output electrodes 14 [14A, 14B] and 15 and the ground electrode 32 [32A and 32B] in a bridge shape, and is formed on the conductive layer 18 disposed outside the input / output electrodes 14 and 15 and the ground electrode 32. Both ends are integrally supported by support portions (so-called anchor portions) 19 [19A, 19B] so as to be connected. Here, the ground electrodes 32A and 32B are arranged close to a portion of the vibration electrode 17 that serves as a node of vibration, as described later.
[0048]
An input terminal t1 is derived from the input electrode 14 [14A, 14B], and a high-frequency signal S2 is input to the input electrode 14 [14A, 14B] through the input terminal t1. An output terminal t2 is led to the vibration electrode 15, and a high-frequency signal of a target frequency is output from the output terminal t2. A ground (GND) potential is applied to the ground electrode 32 [32A, 32B]. A required DC bias voltage V2 is applied to the vibration electrode 17. The two input electrodes 14A and 14B are formed by branching from one input electrode pad, and the two ground electrodes 32A and 32B are formed by branching from one ground electrode pad.
You.
[0049]
Other configurations such as the substrate 12, the input electrode 14 [14A, 14B], the output electrode 15, the ground electrode 32 [32A, 32B], and the conductive layer 18 [18A, 18B] are the same as those in FIGS. Corresponding parts have the same reference characters allotted, and description thereof will not be repeated.
In the above example, the output electrode 15 is located at the center, two input electrodes 14A and 14B are interposed therebetween, and the ground electrode 32 is arranged between the input and output electrodes. It is also possible to adopt a configuration in which two output electrodes 15 are arranged with this interposed therebetween, and a ground electrode 32 is arranged between the input and output.
[0050]
The operation of the MEMS resonator 35 according to the present embodiment is the same as in the case of FIGS. That is, the required DC bias voltage V2 is applied to the vibration electrode 17. The high frequency signal S2 is input to the input electrode 14 [14A, 14B] through the input terminal t1. When a high-frequency signal of the target frequency is input, the vibrating electrode 17 resonates with an electrostatic force generated between the vibrating electrode 17 and the input electrode 14 [14A, 14B]. In this case, as shown in FIG. 9, the vibration electrode 17 resonates in the third vibration mode 26. Due to the resonance of the vibration electrode 17, a high-frequency signal of a target frequency is output from the output electrode 15 through the output terminal t2. When a signal of another frequency is input, the vibration electrode 17 does not resonate, and no signal is output from the output terminal t2.
[0051]
According to the MEMS resonator 35 according to the present embodiment, by arranging the ground electrodes 32 [32A, 32B] between the input electrode 14 [14A, 14B] and the output electrode 15, respectively, The parasitic capacitance C0 between the output electrodes 15 can be reduced as in FIGS. Therefore, the SN ratio can be further improved as compared with the MEMS resonator 11.
[0052]
The method of manufacturing the MEMS resonator 35 according to the present embodiment can be manufactured in the same manner as the above-described method of manufacturing the MEMS resonator 31 shown in FIGS. 14A to 15G.
[0053]
In the MEMS resonator 11 shown in FIGS. 1 and 2, one of the input electrode 14 and the output electrode 15 is arranged at the center, and the other electrode is arranged in a ring around the one electrode. 17 may be arranged on both electrodes 14 and 15 so as to face each other. The shape of the electrode can be appropriately selected from a circle, a square, and other shapes.
In the MEMS resonator 31 shown in FIGS. 4 and 5, or the MEMS resonator 31 shown in FIGS. 7 and 8, one of the input electrode 14 and the output electrode 15 is arranged at the center, and the other electrode and the ground are connected. The electrode 32 may be arranged in a ring shape around one electrode, and the vibrating electrode 17 may be arranged on the electrodes 14, 15 and 32 so as to face each other. The shape of the electrode can be appropriately selected from a circle, a square, and other shapes.
[0054]
In the above-described embodiment, the present invention is applied to the MEMS resonators in the secondary vibration mode and the tertiary vibration mode, but can also be applied to the MEMS resonators in the multi-order vibration mode equal to or higher than the fourth vibration mode.
[0055]
The present invention includes the MEMS resonator 11 or the MEMS resonator 31 according to the above-described embodiment to configure a filter such as a high-frequency filter and an intermediate-frequency filter.
By configuring the filter with the MEMS resonator 11, the parasitic capacitance C0 between the input and output electrodes can be reduced as compared with the conventional case, and the SN ratio of the output signal can be improved.
Since the ground electrode 32 is arranged between the input / output electrodes 14 and 15 by forming a filter having the MEMS type resonator 31, the parasitic capacitance C0 is reduced as much as possible, and the SN ratio of the output signal is further improved. can do.
[0056]
【The invention's effect】
According to the MEMS resonator according to the present invention, the first electrode for inputting a high-frequency signal and the second electrode for outputting a high-frequency signal are arranged on the same plane of the substrate, and the first and second electrodes are provided on the first and second electrodes. With the configuration in which the third electrode that is the diaphragm is opposed to the first electrode, the parasitic capacitance between the first and second electrodes, that is, between the input and output electrode electrodes is reduced, and the SN ratio of the output signal is improved. be able to.
According to the MEMS resonator according to the present invention, furthermore, the fourth electrode to which the ground potential is supplied is arranged between the first electrode and the second electrode, so that the first and second electrodes are provided. The parasitic capacitance between the electrodes, that is, between the input and output electrode poles is reduced as much as possible, and the S / N ratio of the output signal can be further improved.
[0057]
According to the filter according to the present invention, by including the MEMS resonator, the SN ratio of the output signal can be improved.
According to the filter of the present invention, the MEMS-type resonator in which the third electrode having the ground potential is arranged between the first electrode and the second electrode further increases the output signal. The S / N ratio can be improved.
[0058]
According to the method of manufacturing the MEMS resonator according to the present invention, the distance between the first and second electrodes serving as input / output electrodes and the third electrode serving as the diaphragm can be accurately controlled, and the third electrode can be controlled. Can be formed flat so as to be suitable for vibration. In addition, a MEMS resonator having reduced or infinitely small parasitic capacitance between input and output electrodes can be manufactured accurately and easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of a MEMS resonator according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing one embodiment of a MEMS resonator according to the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a vibration mode of the MEMS resonator according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram showing another embodiment of the MEMS resonator according to the present invention.
FIG. 5 is a plan view showing another embodiment of the MEMS resonator according to the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a vibration mode of another embodiment of the MEMS resonator according to the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram showing still another embodiment of the MEMS resonator according to the present invention.
FIG. 8 is a plan view showing still another embodiment of the MEMS resonator according to the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a vibration mode of still another embodiment of the MEMS resonator according to the present invention.
FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of the MEMS resonator.
FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of the MEMS resonator according to the embodiment of FIG.
12A to 12D are manufacturing process diagrams (part 1) illustrating an example of an embodiment of a method for manufacturing a MEMS resonator according to the present invention.
13A to 13G are manufacturing process diagrams (part 2) illustrating an example of an embodiment of a method for manufacturing a MEMS resonator according to the present invention.
14A to 14D are manufacturing process diagrams (part 1) illustrating another example of the embodiment of the method of manufacturing the MEMS resonator according to the present invention.
FIGS. 15A to 15G are manufacturing process diagrams (part 2) illustrating another example of the embodiment of the method for manufacturing the MEMS resonator according to the present invention.
FIG. 16 is a configuration diagram showing an example of a conventional MEMS type vibrator.
[Explanation of symbols]
11, 31, 35 MEMS resonator, 12 substrate, 14 A, 14 B input electrode, 15 output electrode, 16 space, 17 vibration electrode, 18 wiring layer, 19 [19A, 19B] · · · support portion, 21 · · · silicon substrate, 22 · · · silicon oxide film, 23 · · · silicon nitride film, 32, 32A, 32B · · · ground electrode, 41 · · · conductive film, 42 · · · Sacrifice layer, 43 contact hole, 44 conductive film

Claims

A first electrode for inputting a high-frequency signal, a second electrode for outputting a high-frequency signal, and a diaphragm arranged with a space between the first and second electrodes are provided on the same plane of the substrate. A MEMS resonator comprising: a third electrode.

2. The MEMS resonator according to claim 1, wherein a fourth electrode to which a ground potential is supplied is arranged between the first electrode and the second electrode on the substrate.

A first electrode for inputting a high-frequency signal, a second electrode for outputting a high-frequency signal, and a diaphragm arranged with a space between the first and second electrodes are provided on the same plane of the substrate. A filter comprising a MEMS resonator including a third electrode.

4. The MEMS resonator according to claim 3, wherein a fourth electrode to which a ground potential is supplied is disposed between the first electrode and the second electrode on the substrate. filter.

A first electrode for inputting a high-frequency signal at a predetermined interval on a substrate, a second electrode for outputting a high-frequency signal, and conductive layers located on both sides of the first and second electrodes are selectively provided. Forming a
Forming a sacrificial layer on the entire surface including the first and second electrodes and the conductive layer, and flattening the sacrificial layer;
Forming a third electrode serving as a diaphragm on the sacrificial layer so as to be partially connected to the conductive layer;
Selectively removing the sacrificial layer. A method for manufacturing a MEMS resonator.

A first electrode for inputting a high-frequency signal on a substrate, a second electrode for outputting a high-frequency signal, a fourth electrode to which a ground potential is supplied, and both sides of the first, second and fourth electrodes Selectively forming a conductive layer located at
Forming a sacrificial layer on the entire surface including the first, second, and fourth electrodes and the conductive layer, and planarizing the sacrificial layer;
Forming a third electrode serving as a diaphragm on the sacrificial layer so as to be partially connected to the conductive layer;
Selectively removing the sacrificial layer. A method for manufacturing a MEMS resonator.