JP2006247820A - 可動素子並びに半導体デバイスおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 チャージング現象の発生を抑制し、長時間の駆動による駆動電圧の上昇および薄膜電極と駆動電極との貼り付きなどを低減することのできる可動素子を提供する。
【解決手段】 基板１０上にマイクロマシン技術により形成された微小構造体２０と、この微小構造体２０の駆動制御を行う駆動回路３０とを備える。微小構造体２０は架橋部２１を有し、この架橋部２１が薄膜電極２１Ａとなる。薄膜電極２１Ａに対向して基板１０上には駆動電極２１Ｃが設けられている。薄膜電極２１Ａと駆動電極２１Ｃとの間に静電駆動用の電圧が印加されると、生じた静電力により薄膜電極２１Ａが駆動され、入出力電極２２Ａ，２２Ｂ間の継断を行う。駆動電圧には、所定の期間内に正負の両極性が含まれ、チャージング現象の発生が抑制される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems；マイクロマシン）の要素技術を応用したスイッチング素子や容量素子などの可動素子、並びにそれを内蔵した半導体デバイスおよび電子機器に関する。

近年、機械的構造を構成する微小振動子（薄膜電極）が素子に組み込まれたＭＥＭＳ素子や、このＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器などが注目されている。

特に、半導体プロセスよるマイクロマシニング技術を用いて形成されたＭＥＭＳ型のスイッチング素子については、デバイスの占有面性が小さいこと、高いＱ値（共振回路の性能を表す数値）を実現できることおよび他の半導体デバイスとの集積が可能なことなどの特徴を有していることから、例えば無線通信デバイスの中でも中間周波数（Intermediate Frequency；IF）フィルタ、高周波（Radio Frequency ; RF) フィルタや、高周波スイッチング素子として利用することが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。これらのスイッチング素子に備えられた薄膜電極の駆動は、一般に、静電気力（クーロン力）などを用いた電気的な方法により行われる。このようなスイッチング素子では、駆動電極に正負いずれかの極性の電圧を印加する。
ジェイ．アール．クラーク(J.R.Clark) 、ダブル．ーティー. スウ(W.-T.Hsu)、シー. ティー．ーシー. グエン(C.T.-C.Nguyen) 、"ハイ−キューブイエッチエフ マイクロメカニカル カウンター−モード ディスク レゾネーターズ, "テクニカル ダイジェスト, アイエイーイーイー アイエヌティー. エレクトロン デバイシス ミーティング, サンフランシスコ, カリフォルニア, （"High-QVHF micromechanical contour-mode disk resonators, "Technical Digest, IEEE Int. Electron Devices Meeting, SanFrancisco, California, ) 、Ｄｅｃ. １１−１３, ２００0 年、ｐ．３９９−４０２

しかしながら、このようなスイッチング素子では、長期の使用により電極表面に酸化膜ができるなどの理由によって、薄膜電極などに電荷が蓄積される、所謂チャージング現象が生じるという問題があった。そのため、駆動時間が長くなるに連れて駆動電圧が上昇したり、薄膜電極と駆動電極とが貼り付くなどの問題が生じていた。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、チャージング現象の発生を抑制し、駆動時間が長くなるに連れて生じる駆動電圧の上昇、および薄膜電極と駆動電極とが貼り付くなどの不具合を低減することができる可動素子並びにそれを備えた半導体デバイスおよび電子機器を提供することにある。

本発明による可動素子は、半導体基板上に当該基板方向に変位可能な架橋部を有し、架橋部に薄膜電極、半導体基板の表面に薄膜電極に対向して静電駆動用の駆動電極をそれぞれ有する微小構造体と、半導体基板上に設けられた入出力電極と、駆動電極と薄膜電極との間に所定の期間内に正負の両極性を含む駆動電圧を印加して薄膜電極を駆動することにより、入出力電極間の継断状態を切り替える駆動手段とを備えたものである。ここに、駆動電圧としては、正負両極性のそれぞれの駆動時間が実質的に同じとなるような波形とすることが望ましい。

本発明による可動素子では、駆動電極と薄膜電極との間に駆動電圧が印加されると、発生した静電気力により薄膜電極が駆動され、例えばスイッチング素子として作動する。このとき、所定の期間内に正極性および負極性の電圧が異なるタイミングで印加されるため、一方の極性の電荷が蓄積されることがなく、チャージング現象の発生が抑制される。

本発明による半導体デバイスおよび電子機器は、上記可動素子を例えばスイッチング素子あるいは高周波フィルタとして備えたものである。

本発明の可動素子によれば、静電駆動用の電圧として、所定の期間内に正負の両極性を含む電圧を印加するようにしたので、チャージング現象の発生を抑制することができ、長時間駆動させた際の駆動電圧の上昇や、電極同士が貼り付くなどの不具合を抑制することができる。よって、この可動素子を搭載した半導体デバイスや電子機器では、動作の安定性が向上する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る可動素子（ここではスイッチング素子１）の構成を表す平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ分断線に沿った断面構造を表したものである。このスイッチング素子１は、基板１０上にマイクロマシン技術により形成された微小構造体２０と、この微小構造体２０の駆動制御を行う駆動回路（駆動手段）３０を備えている。

基板１０は、基板本体１０Ａ上に絶縁層１０Ｂを有するものである。基板本体１０Ａは、例えば、シリコン（Ｓｉ）などの半導体基板により構成されている。また、絶縁層１０Ｂは、微小構造体２０を基板本体１０Ａから電気的に分離するものであり、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂ ）あるいは窒化ケイ素（ＳｉＮ）などの絶縁性材料により構成される単一層または上記絶縁性材料をそれぞれ積層した複数層により構成されている。

微小構造体２０は、基板１０上に架橋部２１を備えると共に、この架橋部２１の下に入出力電極２２（２２Ａ，２２Ｂ）を配置したものである。

架橋部２１は、例えば、不純物を含む多結晶シリコンにより構成され、基板１０の表面方向に変位可能な薄膜電極２１Ａの両端部を一対の支持部２１Ｂにより支持したものである。薄膜電極２１Ａに対向して基板１０の表面には静電駆動用の一対の駆動電極２１Ｃが設けられている。入出力電極２２Ａ，２２Ｂは、例えば、多結晶シリコンなどにより構成され、双方向の信号伝送経路となるものである。

すなわち、このスイッチング素子１では、薄膜電極２１Ａと駆動電極２１Ｃとの間に所定の電圧（静電電圧）を印加することにより、入出力電極２２Ａ，２２Ｂ間を機械的に継断（オン／オフ）し、信号の入出力を行うようになっている。すなわち、発生した静電力により薄膜電極２１Ａが下降すると、図２に二点鎖線で示したように、薄膜電極２１Ａが接触して入出力電極２２Ａ，２２Ｂ間を電気的に接続させ（オン動作）、一方、静電電圧を解除することにより、薄膜電極２１Ａを水平状態に復帰させて入出力電極２２Ａ，２２Ｂ間の接触を解除させる（オフ動作）ものである。

なお、ここでは、機械的なスイッチの接点の方式として、図３（Ａ）に示したシリーズ方式（図１のＢ−Ｂ線断面に対応）としたが、図３（Ｂ）に示したようなシャント方式としてもよい。このシャント方式とする場合には、薄膜電極２１Ａが一方の入出力電極を兼るものとし、基板１０上に他方の入出力電極２２を設けるようにすればよい。

駆動回路３０は、本実施の形態では、静電電圧を供給する電源３０Ａとともに極性変換部３０Ｂを備えたものである。この極性変換部３０Ｂは、チャージング現象の発生を防止するために、電源３０Ａから供給された直流電圧を、所定の期間内に正負の両極性を含むように極性変換、すなわち、正電圧であれば負電圧、負電圧であれば正電圧に切り換えるタイミングを制御するものである。なお、静電駆動のオン／オフの動作制御は図示しない制御部により行われる。

図４は、この駆動回路３０からスイッチング素子１に供給される駆動電圧波形の一例を表すものである。この駆動電圧波形は、図４（Ａ）に示したように正極性および負極性の駆動電圧を交互に印加するものであってもよく、あるいは図４（Ｂ）に示したように正極性の電圧を印加したのち、複数回に分けて負極性の電圧を印加するものであってもよい。なお、このような駆動電圧波形としては、チャージング現象の発生を効果的に防止するために、正負両極性のそれぞれの駆動時間が実質的に同じとなるような波形とすることが好ましい。

このスイッチング素子１は、例えば、次のようにして製造することができる。

図５および図６は、スイッチング素子１の製造方法を工程順に示したものである。なお、いずれも図２に対応する断面構造を表すものであるので、同一の構成要素には同一の番号を付して説明する。

まず、図５（Ａ）に示したように、シリコン製の基板本体１０Ａ上に成膜された厚さ１μｍの絶縁層１０Ｂ上に、例えば、減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）により例えば、厚さ０．５μｍの多結晶シリコン膜２３を形成する。次いで、図５（Ｂ）に示したように、フォトリソグラフィ処理およびドライエッチング処理を使用して多結晶シリコン膜２３をパターニングすることにより支持部下部２１Ｂ１、駆動電極２１Ｃおよび入出力電極２２Ａ，２２Ｂを形成する。続いて、図５（Ｃ）に示したように、絶縁層１０Ｂ、支持部下部２１Ｂ１、駆動電極２１Ｃおよび入出力電極２２Ａ，２２Ｂの表面を覆うように、例えば減圧ＣＶＤ法により例えば、厚さ０．５μｍの二酸化珪素（ＳｉＯ₂ ）からなる犠牲層２４を形成する。

次いで、図６（Ａ）に示したように、犠牲層２４の上面をＣＭＰ（Chemical Mechanical Poilshing ; 化学機械研磨）を用いて支持部下部２１Ｂ１、駆動電極２１Ｃおよび入出力電極２２Ａ，２２Ｂ上の犠牲層２４の厚みが、例えば０．１μｍになるまで平坦化する。この後、図６（Ｂ）に示したように、この犠牲層２４をパターニングすることにより、支持部下部２１Ｂ１の一部を露出させる。続いて、図６（Ｃ）に示したように、支持部下部２１Ｂ１および犠牲層２４の表面を覆うように、例えば減圧ＣＶＤ法を用いて多結晶シリコンを例えば、０．５μｍの厚みになるまで堆積させたのち、パターニングすることにより、支持部２１Ｂと一体化した薄膜電極２１Ａを形成する。

続いて、例えば希フッ化水素（ＤＨＦ；Diluted Hydrogen Fluoride ）溶液などの溶解液を使用して犠牲層２４を選択的に溶解させることにより、図１および図２に示した微小構造体２０が完成する。

このスイッチング素子１では、駆動電極２１Ｃと薄膜電極２１Ａとの間に所定の駆動電圧が印加されると、発生した静電気力により薄膜電極２１Ａが駆動され、これにより入出力電極２２Ａ，２２Ｂ間の継断が行われる。このとき、本実施の形態では、駆動電圧として、所定の期間内に正極性および負極性の電圧が異なるタイミングで印加されるため、いずれか一方の極性の電荷が蓄積されるようなことがなくなり、チャージング現象の発生が抑制される。

このように本実施の形態では、静電駆動用の電圧を、所定の期間内に正負の両極性を含むものとしたので、チャージング現象の発生を抑制することができ、長時間駆動させた際の駆動電圧の上昇や、電極同士が貼り付くなどの不具合を抑制することができる。よって、この素子を、半導体デバイスや電子機器に組み込むことにより動作の安定性を向上させることができる。以下、図７を参照して通信装置への適用例について説明する。

通信装置の具体例としては、携帯電話器、無線ＬＡＮ機器、無線トランシーバ、テレビチューナまたはラジオチューナなどが挙げられる。

この通信装置は、送信系回路１００Ａと、受信系回路１００Ｂと、送受信経路を切り替える送受信切換器１０１と、高周波フィルタ１０２と、送受信用のアンテナ１０３とを備えており、上記スイッチング素子１は、ここでは、送受信切換器１０１あるいは高周波フィルタ１０２として搭載される。

送信系回路１００Ａは、Ｉチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データに対応した２つのデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ；Digital/Analogue Converter）１１１Ｉ，１１１Ｑおよび２つのバンドパスフィルタ１１２Ｉ，１１２Ｑと、変調器１２０および送信用ＰＬＬ（Phase-Locked Loop ）回路１１３と、電力増幅器１１４とを備えている。この変調器１２０は、上記した２つのバンドパスフィルタ１１２Ｉ，１１２Ｑに対応した２つのバッファアンプ１２１Ｉ，１２１Ｑおよび２つのミキサ１２２Ｉ，１２２Ｑと、移相器１２３と、加算器１２４と、バッファアンプ１２５とを有している。

受信系回路１００Ｂは、高周波部１３０、バンドパスフィルタ１４１およびチャンネル選択用ＰＬＬ回路１４２と、中間周波回路１５０およびバンドパスフィルタ１４３と、復調器１６０および中間周波用ＰＬＬ回路１４４と、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データに対応した２つのバンドパスフィルタ１４５Ｉ，１４５Ｑおよび２つのアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ；Analogue/Digital Converter）１４６Ｉ，１４６Ｑとを備えている。高周波部１３０は、低ノイズアンプ１３１と、バッファアンプ１３２，１３４と、ミキサ１３３とを含んで構成されており、中間周波回路１５０は、バッファアンプ１５１，１５３と、自動ゲイン調整（ＡＧＣ；Auto Gain Controller）回路１５２とを含んで構成されている。復調器１６０は、バッファアンプ１６１と、上記した２つのバンドパスフィルタ１４５Ｉ，１４５Ｑに対応した２つのミキサ１６２Ｉ，１６２Ｑおよび２つのバッファアンプ１６３Ｉ，１６３Ｑと、移相器１６４とを有している。

この通信装置では、送信系回路１００ＡにＩチャンネルの送信データおよびＱチャンネルの送信データが入力されると、それぞれの送信データを以下の手順で処理する。すなわち、まず、ＤＡＣ１１１Ｉ、１１１Ｑにおいてアナログ信号に変換し、引き続きバンドパスフィルタ１１２Ｉ，１１２Ｑにおいて送信信号の帯域以外の信号成分を除去したのち、変調器１２０に供給する。続いて、変調器１２０において、バッファアンプ１２１Ｉ，１２１Ｑを介してミキサ１２２Ｉ，１２２Ｑに供給し、引き続き送信用ＰＬＬ回路１１３から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調したのち、両混合信号を加算器１２４において加算することにより１系統の送信信号とする。この際、ミキサ１２２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器１２３において信号移相を９０°シフトさせることにより、Ｉチャンネルの信号とＱチャンネルの信号とが互いに直交変調されるようにする。最後に、バッファアンプ１２５を介して電力増幅器１１４に供給することにより、所定の送信電力となるように増幅する。この電力増幅器１１４において増幅された信号は、送受信切換器１０１および高周波フィルタ１０２を介してアンテナ１０３に供給されることにより、そのアンテナ１０３を介して無線送信される。この送受信切換器１０１は、機械的構造を有する可動素子により構成されていることにより信号損失を低減しつつ送受信の切り換えを行うスイッチとして機能し、高周波フィルタ１０２は、通信装置において送信または受信する信号のうちの周波数帯域以外の信号成分を除去するバンドパスフィルタとして機能する。

一方、アンテナ１０３から高周波フィルタ１０２および送受信切換器１０１を介して受信系回路１００Ｂに信号が受信されると、その信号を以下の手順で処理する。すなわち、まず、高周波部１３０において、受信信号を低ノイズアンプ１３１で増幅し、引き続きバンドパスフィルタ１４１で受信周波数帯域以外の信号成分を除去したのち、バッファアンプ１３２を介してミキサ１３３に供給する。続いて、チャンネル選択用ＰＰＬ回路１４２から供給される周波数信号を混合し、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号とすることにより、バッファアンプ１３４を介して中間周波回路１５０に供給する。続いて、中間周波回路１５０において、バッファアンプ１５１を介してバンドパスフィルタ１４３に供給することにより中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、引き続きＡＧＣ回路１５２でほぼ一定のゲイン信号としたのち、バッファアンプ１５３を介して復調器１６０に供給する。続いて、復調器１６０において、バッファアンプ１６１を介してミキサ１６２Ｉ，１６２Ｑに供給したのち、中間周波用ＰＰＬ回路１４４から供給される周波数信号を混合し、Ｉチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。この際、ミキサ１６２Ｉに供給する周波数信号に関しては、移相器１６４において信号移相を９０°シフトさせることにより、互いに直交変調されたＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分とを復調する。最後に、Ｉチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号をそれぞれバンドパスフィルタ１４５Ｉ，１４５Ｑに供給することによりＩチャンネルの信号およびＱチャンネルの信号以外の信号成分を除去したのち、ＡＤＣ１４６Ｉ，１４６Ｑに供給してデジタルデータとする。これにより、Ｉチャンネルの受信データおよびＱチャンネルの受信データが得られる。

この通信装置では、可動素子１を送受信切換器１０１あるいは高周波フィルタ１０２として搭載しているため、送受信切換器１０１あるいは高周波フィルタ１０２に電荷が蓄積される、所謂チャージング現象が抑制され、これにより、長時間駆動させた際の駆動電圧の上昇や、電極同士が貼り付くなどの不具合が抑制され、動作の安定性が向上する。

なお、図７に示した通信装置では、上記実施の形態において説明した可動素子を送受信切換器１０１あるいは高周波フィルタ１０２に適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、可動素子をバンドパスフィルタ１１２Ｉ，１１２Ｑに代表される一連のバンドパスフィルタに適用してもよい。この場合においても、やはり同様の効果を得ることができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されものではない。例えば、本発明の可動素子並びに半導体デバイスおよび電子機器の構成やそれらの製造方法に関する手順などは、上記実施の形態と同様の効果を得ることが可能な限りにおいて自由に変形可能である。

また、上記実施の形態では、可動素子（スイッチング素子）の駆動手段として静電力のみを用いるようにしたが、薄膜電極と駆動電極とが近接するまでの初期駆動を電磁駆動で行い、そののち静電駆動により行うような構成としてもよい。

図８（Ａ），（Ｂ）は、そのような電磁駆動および静電駆動の二元駆動により制御されるスイッチング構造体４０の構造を表している。このスイッチング構造体４０は、基板１０上に電磁駆動用の駆動電極２１Ｃと共に電磁駆動用の駆動電極２１Ｄ、架橋部２１側の駆動電極２１Ｄに対向する位置に薄膜コイル２１Ｅを備えており、薄膜電極２１Ａを入出力電極２２Ａ，２２Ｂに近接させるまでの初期駆動を、薄膜コイル２１Ｅから発生する磁界と駆動電極２１Ｄに流れる電流とにより薄膜コイル２１Ｅに誘起される電磁力を利用して行うものである。これにより、図９（Ａ）の状態から図９（Ｂ）に示したように、薄膜電極２１Ａと静電駆動用の駆動電極２１Ｃとの間隔を縮めることができ、よって、その後、静電駆動を行う際の駆動電圧を低く抑えることができる。なお、駆動電極２１Ｄおよび薄膜コイル２１Ｅは、例えばアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などのＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor)プロセスと整合する導電性材料により構成されていることが好ましい。

更に、上記実施の形態では、本発明の可動素子が、薄膜電極２１Ａの両端を支持した、所謂両持ち梁型の例について説明したが、薄膜電極の片側のみを支持した片持ち梁型としてもよく、この片持ち梁型の場合においても、電磁駆動および静電駆動の二元駆動としてもよい。

また、上記実施の形態では、本発明の可動素子を送受信切換器あるいは高周波フィルタに適用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、本発明の可動素子を送受信切換器あるいは高周波フィルタ以外の他の半導体デバイスや電子デバイスに適用することも可能である。また、適用する電子機器としては、通信装置以外の他の機器であってもよい。いずれの場合においても、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係るスイッチング素子の構成を表す平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 接点方式を説明するための断面図である。 静電駆動用の電圧波形を表す図である。 スイッチング素子の製造工程を説明するための断面図である。 図５に続く工程を説明するための断面図である。 スイッチング素子を搭載した通信装置の一例を表すブロック図である。 本発明の変形例を説明するための図である。

符号の説明

１…スイッチング素子（可動素子）、１０…基板、１０Ａ…基板本体、１０Ｂ…絶縁層、２０，４０…スイッチング構造体、２０…微小構造体、２１…架橋部、２１Ａ…薄膜電極、２１Ｂ…支持部、２１Ｃ…駆動電極、２１Ｄ…対向電極、２１Ｅ…薄膜コイル、２２…入出力電極、２３…多結晶シリコン膜、２４…犠牲層、３０…制御回路、３０Ａ…電源、３０Ｂ…極性変換部、１００Ａ…送信系回路、１００Ｂ…受信系回路、１０１…送受信切換器、１０２…高周波フィルタ

Claims (6)

1. 半導体基板上に当該基板方向に変位可能な架橋部を有し、前記架橋部に薄膜電極、前記半導体基板の表面に前記薄膜電極に対向して静電駆動用の駆動電極をそれぞれ有する微小構造体と、
   前記半導体基板上に設けられた入出力電極と、
   前記駆動電極と薄膜電極との間に所定の期間内に正負の両極性を含む駆動電圧を印加して前記薄膜電極を駆動することにより、前記入出力電極間の継断状態を切り替える駆動手段と
   を備えたことを特徴とする可動素子。
2. 正負両極性の駆動時間が実質的に同じとなるよう駆動電圧を印加する
   ことを特徴とする請求項１記載の可動素子。
3. 所定の期間内で正負の極性が交互になるよう駆動電圧を印加する
   ことを特徴とする請求項１記載の可動素子。
4. 前記静電駆動用の駆動電極に加えて電磁駆動用の電極を備え、前記静電駆動用の駆動電極と前記薄膜電極とが近接するまでの初期駆動を電磁駆動で行い、その後、前記駆動手段による静電駆動を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の可動素子。
5. 第１素子と第２素子との間に可動素子を含む半導体デバイスであって、
   前記可動素子は、
   半導体基板上に当該基板方向に変位可能な架橋部を有し、前記架橋部に薄膜電極、前記半導体基板の表面に前記薄膜電極に対向して静電駆動用の駆動電極をそれぞれ有する微小構造体と、
   前記半導体基板上に設けられた入出力電極と、
   前記駆動電極と薄膜電極との間に所定の期間内に正負の両極性を含む駆動電圧を印加して前記薄膜電極を駆動することにより、前記入出力電極間の継断状態を切り替える駆動手段と
   を備えたことを特徴とする半導体デバイス。
6. 第１素子と第２素子との間に可動素子を含む電子機器であって、
   前記可動素子は、
   半導体基板上に当該基板方向に変位可能な架橋部を有し、前記架橋部に薄膜電極、前記半導体基板の表面に前記薄膜電極に対向して静電駆動用の駆動電極をそれぞれ有する微小構造体と、
   前記半導体基板上に設けられた入出力電極と、
   前記駆動電極と薄膜電極との間に所定の期間内に正負の両極性を含む駆動電圧を印加して前記薄膜電極を駆動することにより、前記入出力電極間の継断状態を切り替える駆動手段と
   を備えたことを特徴とする電子機器。
   

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