JP2006294866A

JP2006294866A - 半導体装置

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Publication number: JP2006294866A
Application number: JP2005113483A
Authority: JP
Inventors: Tamio Ikehashi; 民雄池橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2006-10-26
Also published as: US20060226735A1; CN1848342A

Abstract

【課題】小さな駆動電圧で大きなコンタクト力が得られる半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置は、弾性部材１５、第１，第２の電極２１，２２、圧電アクチュエータ１３及び静電アクチュエータ１２を備えている。弾性部材は、基板１０との間に空隙３５’を形成するように、一端がアンカー２７を介して固定されている。第１，第２の電極は、弾性部材の他端と基板にそれぞれ対向して配置される。圧電アクチュエータは、弾性部材の他端を基板に近づけるように変形させる。静電アクチュエータは、弾性部材内に配置された第３の電極と、第３の電極と対向するように基板上に配置された第４の電極とからなり、前記弾性部材の他端を前記基板に近づけるように変形させる。そして、圧電アクチュエータと静電アクチュエータの駆動によって第１の電極と第２の電極との距離が変化する。
【選択図】図１０

Description

この発明は、マイクロマシンもしくはＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）技術を用いて形成した可変容量やスイッチなどの半導体装置に関する。

ＭＥＭＳ技術を採用した可変容量やスイッチは、ＰＩＮダイオードやＦＥＴを使用したものと比較してロスが少ない（Ｑ値が大きい）、歪が少ないなどの利点を有する。このため、次世代携帯電話システムへの搭載が有望視されている。

これらＭＥＭＳ可変容量とスイッチの駆動方式には、静電型、圧電型、熱型、電磁型などが用いられている。このうち熱型と電磁型は消費電力が大きく、携帯機器への搭載には向いていない。これに対し、静電型（例えば特許文献１参照）は消費電力が小さいものの、次のような欠点を持っている。

i) 駆動電圧が高い。

ii) 絶縁膜への電荷トラップによるスティッキングが発生する。

電極間距離が約１μｍのＭＥＭＳ可変容量の場合、静電引力で電極を接触させるには約２０Ｖの高電圧が必要となる。この電圧は携帯電話システムの電源電圧より高いため、高電圧を生成する部品もしくは回路が必要となりコストがかかる。また、高電圧を生成するために消費電力も増加する。静電型の可変容量やスイッチでは、この高電圧のために電極間の絶縁膜に電荷がトラップされることが知られている。一回のスイッチングでトラップされる電荷量はわずかであるが、スイッチングを繰り返すと多くの電荷が溜まり、プルアウト電圧がシフトする。このシフト量が大きくなると、電極がくっついたまま離れなくなる（スティッキング）。このスティッキングは１０^６回以上のスイッチングで起こることが知られている。

一方、圧電型の可変容量やスイッチは５Ｖ以下の低電圧で駆動可能であり、消費電力も小さい。しかし、駆動力が弱いためコンタクト力が１０μＮ程度と静電型の１／１０であり、次のような問題が起こる。

iii) ＭＥＭＳスイッチの場合、接触抵抗が大きい。

iv) ＭＥＭＳ可変容量の場合、電極間の密着性が悪い（電極に微小な凹凸や反りがあっても、駆動力が強いと電極間を密着させることができる。駆動力が弱いと密着させることができず、結果として可変幅が小さくなる）。

このように、静電型や圧電型の可変容量やスイッチは、熱型や電磁型に比べて携帯機器への搭載には向いているものの、駆動電圧、スティッキング、接触抵抗、電極間の密着性などの特性や機能において一長一短があり、いずれも十分なものではなく改良が望まれている。
U.S.Patent No.5,578,976 H.C.Lee et al. "Silicon Bulk Micromachined RF MEMS Switches with 3.5 Volts Operation by using Piezoelectric Actuator", MTT-S Digest, pp585-588, 2004.

この発明の目的とするところは、小さな駆動電圧で大きなコンタクト力が得られる半導体装置を提供することにある。

この発明の一態様によると、基板との間に空隙を形成するように、一端がアンカーを介して固定され、変形されることによって他端と前記基板間の距離が変化する弾性部材と、前記弾性部材の他端に配置された第１の電極と、前記第１の電極と対向するように前記基板上に配置された第２の電極と、前記弾性部材内に配置され、前記弾性部材の他端を前記基板に近づけるように変形させる圧電アクチュエータと、前記弾性部材内に配置された第３の電極と、前記第３の電極と対向するように前記基板上に配置された第４の電極とからなり、前記弾性部材の他端を前記基板に近づけるように変形させる静電アクチュエータとを具備し、前記圧電アクチュエータと前記静電アクチュエータの駆動によって第１の電極と第２の電極との距離が変化する半導体装置が提供される。

この発明によれば、小さな駆動電圧で大きなコンタクト力が得られる半導体装置が得られる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１乃至図３はそれぞれ、この発明の第１の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、図１は可変容量の平面図、図２は図１のII−II’線に沿った断面図、図３は図１のIII−III’線に沿った断面図である。この半導体装置は、可変容量部１１、静電アクチュエータ部１２−１，１２−２及び圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２を含んで構成されている。上記圧電アクチュエータ部１３−１、静電アクチュエータ部１２−１、可変容量部１１、静電アクチュエータ部１２−２及び圧電アクチュエータ部１３−２は一方向に沿って直線的に配置されている。これらは基板（例えばシリコン基板）１０上にアンカー２７−１，２７−２で弾性部材１５の両端が固定された構造体中に形成される。上記弾性部材１５と基板１０との間には空洞３５が形成されており、上記圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２と上記静電アクチュエータ部１２−１，１２−２とを駆動することによって上記弾性部材１５の中央部（可変容量部１１）が基板１０に近づくように変形し、上記弾性部材１５と基板１０との間の距離が変化するようになっている。

すなわち、上記可変容量部１１は、弾性部材１５中に形成された上部電極２１と基板１０上に形成された下部電極２２，２３とを備えている。上部電極２１はフロートとなっており、上記アクチュエータ部１２−１，１２−２，１３−１，１３−２で駆動されることにより電極間距離が変化する。上記可変容量部１１の上部電極２１がアクチュエータ部１２−１，１２−２，１３−１，１３−２により下げられると、この上部電極２１が下部電極２２，２３に近づく。これにより、下部電極２２，２３が容量結合する。上部電極２１が上がっている状態では、上部電極２１と絶縁膜３３の間に約１．５μｍの隙間ができる。従って、この状態では下部電極２２，２３の間の容量は無視できるほど小さくなる。このように、上部電極２１を上下動することにより、容量値が２値的に変化するデジタル可変容量を形成できる。

次に、上記可変容量部１１の電極間距離を制御するハイブリッド型のアクチュエータについて説明する。上記静電アクチュエータ部１２−１，１２−２はそれぞれ、上記可変容量部１１の両側に配置され、上部電極２５−１，２５−２と下部電極２６−１，２６−２とで構成されている。これら静電アクチュエータ部１２−１，１２−２と両端のアンカー２７−１，２７−２との間にはそれぞれ、上記圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２が設けられている。上記圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２は、圧電膜２８−１，２８−２、及びこれら圧電膜２８−１，２８−２をそれぞれ挟むように配置された圧電駆動用の上部電極２９−１，２９−２と下部電極３０−１，３０−２とを有している。上記圧電膜２８−１，２８−２の材料としては、例えばＡｌＮ，ＰＺＴなどを使用する。

上記可変容量部１１の上部電極２１、上記静電アクチュエータ部１２−１，１２−２の上部電極２５−１，２５−２、及び圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２の上部電極２９−１，２９−２上には絶縁膜３１が形成されている。上記圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２の下部電極３０−１，３０−２下には絶縁膜３２が形成されている。また、上記可変容量部１１の下部電極２２，２３及び上記静電アクチュエータ部１２−１，１２−２の下部電極２６−１，２６−２は、基板１０上に形成された絶縁膜３４上に形成される。これらの下部電極２２，２３，２６−１，２６−２上には絶縁膜３３が形成されている。

上記のような構成において、圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２における上部電極２９−１，２９−２と下部電極３０−１，３０−２間に電位差をかけると、圧電膜２８−１，２８−２が変位して、弾性部材１５の他端が下方に変位する。この圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２には、ユニモルフ型とバイモルフ型のいずれも用いることができる。上記圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２の上部電極２９−１，２９−２と下部電極３０−１，３０−２間に第１の電位差をかけて上部電極２１，２５−１，２５−２を下方に変位させたとき、上部電極２５−１，２５−２と下部電極２６−１，２６−２とが近づく。次いで、この状態で、上部電極２５−１，２５−２と下部電極２６−１，２６−２の間に第２の電位差を印加する。この第２の電位差は上記第１の電位差と同じでも良く、あるいは第１の電位差よりも小さくても大きくても良い。これによって、可変容量部１１の上部電極２１が下方に変位し、上部電極２１と下部電極２２，２３間の電極間距離が小さくなって容量値が２値的に変化する。

可変容量部１１の上部電極２１を上方に変位させて戻すには、静電アクチュエータ部１２−１，１２−２の電位差をなくしたあと、もしくはそれと同時に圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２の電位差をなくせば良い。

上記のような構成では、圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２は変位量が大きいため、第１の電位差は５Ｖ以下でも動作可能である。通常、静電アクチュエータ部１２−１，１２−２を駆動するには２０Ｖ以上の高い電位差が必要であるが、本実施形態の場合、圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２を駆動して極板間距離（電極間距離）が短くなった状態で静電アクチュエータ部１２−１，１２−２を駆動する。静電引力は極板間距離の逆数の二乗に比例するため、電極間の電位差が第１の電位差以下であっても十分強い静電引力が得られ、可変容量部１１の上部電極２１と下部電極２２，２３の高い密着性を確保できる。

また、本実施形態の構成では、静電アクチュエータ部１２−１，１２−２の極板間電位差が小さいため、絶縁膜３３への電荷トラップが起こり難い。このため、従来技術よりスイッチング回数を増やすことができる。

しかも、図１の可変容量部１１及び静電アクチュエータ部１２−１，１２−２にマトリックス状に形成されている窓１４は、空洞３５を形成するためのエッチング工程において、エッチングの進行を均一化するためのものであるが、空気抵抗の削減にも寄与し、高速スイッチングが可能になる。勿論、この窓１４は必須ではなく、なくてもこの発明の本質的な効果に変わりはない。

なお、本実施形態では、静電アクチュエータ部１２−１，１２−２の圧電駆動用下部電極３０−１，３０−２と、静電アクチュエータ部１２−１，１２−２の上部電極２５−１，２５−２とをショート（接続）しているが、圧電駆動用の上部電極２９−１，２９−２と静電アクチュエータ部１２−１，１２−２の上部電極２５−１，２５−２とをショートさせる構成でも実質的に同様な作用効果が得られる。また、静電アクチュエータ部１２−１，１２−２の上部電極２５−１，２５−２と下部電極３０−１，３０−２は別々に制御しても良い。

上述した本実施形態の可変容量は、携帯機器、例えば地上デジタル放送視聴可能な携帯電話のアンテナ整合回路への使用に適している。以下この適用例を説明する。

図４は、地上デジタル放送視聴機能を搭載した携帯電話のブロック図である。図４におけるバックエンドシステム４１は、従来の携帯電話に備わっているシステムである。地上デジタル放送視聴のために新規に追加しているのは、地上デジタル放送受信専用アンテナ４２、整合回路システム４３、及びチューナ４４とＯＦＤＭ復調ＬＳＩ４５からなるフロントシステム４６である。上記整合回路システム４３はアンテナの不整合損による狭帯域化を防ぐ役割を担っており、ドライバ４７と整合回路４８を備えている。

次に、上記整合回路システム４３についてより詳しく説明する。

地上デジタル放送は、周波数４７０−７７０ＭＨｚ（波長６３ｃｍ−３９ｃｍ）のＵＨＦ帯の電波を用いて放送される。電波の波長が長いため、ダイポールアンテナでこの地上デジタル放送を受信しようとすると、約１５ｃｍの長さのアンテナが必要となる。しかし、近年の携帯電話ではデザイン性が特に重視されるため、アンテナの長さは極力短いことが要求されている。可能であれば、アンテナを携帯電話の筐体内に内蔵させることが望ましい。しかしながら、単にアンテナを小型化すると帯域が狭くなり、周波数４７０−７７０ＭＨｚの全てを受信できなくなる。そこで、この問題を回避するために整合回路４８を設け、見たい番組に応じて整合周波数を変化させている。この整合回路４８は、例えば可変容量により構成し、可変容量の容量値を変化させることにより整合周波数を変えるように構成すれば良い。

アンテナを小型化する場合のもう１つの問題点は、アンテナ効率の低下である。アンテナ効率はアンテナ自身の放射抵抗と、アンテナから受信回路に至るまでの損失抵抗とで決まり、
アンテナ効率＝放射抵抗／（放射抵抗＋損失抵抗）
と表される。アンテナを小型化すると放射抵抗が小さくなるため、損失抵抗が小さくならない限りアンテナ効率が低下する。例えば整合回路４８の可変容量としてＰＩＮダイオードを採用すると、損失抵抗が大きいためアンテナ効率が低下してしまう。これに対し、ＭＥＭＳは損失抵抗が小さく、１Ω以下に抑えることも可能である。従って、整合回路４８にＭＥＭＳ可変容量を採用すれば、小型アンテナを実現でき、携帯電話の筐体内にアンテナを内蔵することも可能となる。

上述したような考察に基づき、図４の整合回路システム４３における整合回路４８は、図１乃至図３に示した半導体装置（可変容量）で構成されている。バックエンドシステム４１のコントローラ４９から出力された選局情報はドライバ４７、チューナ４４及びＯＦＤＭ復調ＬＳＩ４５に入力される。上記ドライバ４７に入力された選局情報は、容量値選択信号ＣＳＳに変換されたのち整合回路４８に入力される。

図５は、上記図４に示した回路におけるドライバ４７の具体的な構成例を示す回路図である。選局情報はバイナリの信号形態であり、例えばＩ^２Ｃバスを介してドライバ４７に入力される。このバイナリ信号はドライバ４７内のデコーダ（Decoder）５１でデコードされる。このデコーダ５１から出力されるデコード信号Ｓｉ（ｉ＝１，…，ｎ）が活性化されると（例えば“Ｈｉｇｈ”／“Ｌｏｗ”のうちの“Ｈｉｇｈ”状態になる）、スイッチＳＷｉがオンしてｉ番目のヒューズデータｆｕｓｅ−ｉが容量値選択信号ＣＳＳとして出力され、整合回路４８に入力される。このようにして、選局情報に応じて整合回路４８の容量値が変化し、選局された放送局の周波数帯にアンテナの整合がとれた状態にできる。

上記容量値選択信号ＣＳＳとしてヒューズデータｆｕｓｅ−ｉ（ｉ＝１，…，ｎ）を使用するのは、ＭＥＭＳ可変容量の容量値ばらつきや、整合回路４８の寄生容量の効果を補正するためである。ヒューズデータｆｕｓｅ−ｉはテスト工程において次のように決定する。まず、テスト回路５２から容量値選択信号ＣＳＳを出力し、整合回路４８の容量値が最小の値から最大の値に至るまで、１ステップずつ変化するようにする。この際の整合回路４８の容量値をテスターでモニタする。次いで、このモニタ値に応じて、選局情報に応じた容量値が実現できるように、ドライバ４７内のヒューズデータｆｕｓｅ−ｉを決定して行く。このヒューズデータｆｕｓｅ−ｉの決定は、例えばレーザーブローにより行う。

なお、ヒューズに代えて不揮発性メモリを使用しても良い。

また、ＭＥＭＳ可変容量の容量値のばらつきや整合回路４８の寄生容量の効果が十分小さく補正の必要がない場合は、図６に示すようにテスト回路をなくし、ヒューズをＲＯＭ（ＲＯＭ−１，…，ＲＯＭ−ｎ）で置き換えても良い。

図７は、上記図４乃至図６に示した回路における整合回路４８の具体的な構成例を示している。図７において、容量Ａ３−１，…，Ａ３−４はアクチュエータによりデジタル的に（２値的に）容量値を変化させることができるＭＥＭＳ可変容量である。これら容量Ａ３−１，…，Ａ３−４における一方の電極ｐｏｒｔ１はアンテナに、他方の電極ｐｏｒｔ２は接地点に接続される。

この整合回路４８のパターンレイアウトは、例えば図８のようになる。容量Ａ３−ｊ（ｊ＝１，２，３，４）は、各々が２^ｊ−１Ｃもしくは０の容量値が実現できるデジタル可変容量である。このように容量値をバイナリ的に割り振ることにより、４個のデジタル可変容量がそれぞれ１Ｃ，２Ｃ，４Ｃ，８Ｃの４通り、合計で１６通りに容量値を変化させることができる。勿論、これは一例であり、デジタル可変容量の数は４以外であっても良い。

上記図７及び図８に示したデジタル可変容量（容量Ａ３−１，…，Ａ３−４）として、図１乃至図３に示した構成を採用することにより、低電圧・低消費電力の整合回路４８が実現できる。また、圧電型と静電型を併用し、それぞれの利点を生かし且つ欠点を補償するハイブリッド型に構成したので、容量部の面積を大きくしても密着性を確保できる。従って、前述したバイナリ可変の構成を採用することができ、整合回路４８全体のチップ面積を縮小できる。

［第２の実施形態］
図９及び図１０はそれぞれ、この発明の第２の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、図９は可変容量の平面図、図１０は図９のX−X’線に沿った断面図である。図９におけるIII−III’線に沿った断面は、図３と同じになっている。

この半導体装置は、可変容量部１１、静電アクチュエータ部１２及び圧電アクチュエータ部１３を含んで構成されている。これらは基板（例えばシリコン基板）１０上にアンカー２７で弾性部材１５の一端が固定された構造体中に形成される。上記弾性部材１５と基板１０との間には空隙３５’が形成されており、上記圧電アクチュエータ部１３と上記静電アクチュエータ部１２を駆動することによって上記弾性部材１５の他端（可変容量部１１の上部電極２１）が基板１０（可変容量部１１の下部電極２２）に近づくように変形し、上記弾性部材１５と基板１０との間の距離が変化するようになっている。

図９及び図１０において、図１及び図２と同一構成部には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

すなわち、本第２の実施形態は、弾性部材１５を片持ち式にしたものである。このような構成であっても基本的には第１の実施形態と同様な動作を行い、実質的に同じ作用効果が得られる。

［第３の実施形態］
図１１は、この発明の第３の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、可変容量の平面図である。この半導体装置は、可変容量部１１、静電アクチュエータ部１２−１，１２−２及び圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２，１３−３，１３−４を含んで構成されている。本第３の実施形態では、可変容量部、静電アクチュエータ部及び圧電アクチュエータ部を直線的に配置するのではなく、圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２，１３−３，１３−４の配置を変えている。すなわち、圧電アクチュエータ部１３−１と１３−３は、静電アクチュエータ１２−１を挟んで対向する方向に配置され、圧電アクチュエータ部１３−２と１３−４は、静電アクチュエータ１２−２を挟んで対向する方向に配置されている。

このような構成であっても基本的には第１の実施形態と同様な動作を行い、同じ作用効果が得られる。しかも、可変容量部、静電アクチュエータ部及び圧電アクチュエータ部を直線的に配置する場合に比べて、弾性部材１５の引っ張り応力を緩和してより小さい力で効果的に容量値を変化させることができる。

なお、本第３の実施形態も上述した第２の実施形態と同様に、弾性部材１５を片持ち式にしても良い。

［第４の実施形態］
図１２は、この発明の第４の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、可変容量の平面図である。この半導体装置は、可変容量部１１、静電アクチュエータ部１２−１，１２−２及び圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２，１３−３，１３−４を含んで構成されている。本第４の実施形態では、圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２，１３−３，１３−４を折曲した平面パターンで構成している。

このような構成であっても基本的には第１，第３の実施形態と同様な動作を行い、実質的に同じ作用効果が得られる。また、圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２，１３−３，１３−４の折曲部がバネとして働き、小さい力で効果的に容量値を変化させることができる。

なお、上述した第２の実施形態と同様に、弾性部材１５を片持ち式にしても良いのは勿論である。

［第５の実施形態］
図１３及び図１４はそれぞれ、この発明の第５の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、図１３は可変容量の平面図、図１４は図１３のXIV−XIV’線に沿った断面図である。図１３におけるII−II’線に沿った断面は、図２と実質的に同じ構成になっている。

すなわち、この半導体装置は、可変容量部１１の上部電極２１がフロートではなく、コンタクト３６で固定されている。これによって、上部電極２１には上記コンタクト３６を介して電位を印加できる。

このような構成であっても基本的には第１の実施形態と同様な動作を行い、実質的に同じ作用効果が得られる。また、上部電極２１を電気的に固定できるので、可変容量部１１の容量を稼ぐことができる。しかも、可変容量部１１の下部電極が１つで済むので、パターン占有面積を小さくできる。更に、上部電極２１を接地しておけば製造プロセスにおけるチャージアップを防止することもできる。

［第６の実施形態］
図１５及び図１６はそれぞれ、この発明の第６の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、図１５は可変容量の平面図、図１６は図１５のXVI−XVI’線に沿った断面図である。図１５におけるIII−III’線に沿った断面は、図３と同じになっている。

本第６の実施形態では、圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２の圧電膜２８−１，２８−２、上部電極２９−１，２９−２及び下部電極３０−１，３０−２を、静電アクチュエータ部１２−１，１２−２の下部電極２６−１，２６−２と対向するように延設している。換言すれば、下部電極３０−１，３０−２を、静電アクチュエータ部１２−１，１２−２の上部電極として利用している。

このような構成であっても基本的には第１の実施形態と同様な動作を行い、実質的に同じ作用効果が得られる。

［第７の実施形態］
図１７及び図１８はそれぞれ、この発明の第７の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、図１７はスイッチの平面図、図１８は図１７のXVIII−XVIII’線に沿った断面図である。

この半導体装置は、スイッチ部１６、静電アクチュエータ部１２−１，１２−２及び圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２を含んで構成されている。これらは基板（例えばシリコン基板）１０上にアンカー２７−１，２７−２で弾性部材１５の両端が固定された構造体中に形成される。上記弾性部材１５と基板１０との間には空洞３５が形成されており、上記圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２と上記静電アクチュエータ部１２−１，１２−２とを駆動することによって上記弾性部材１５の中央部（スイッチ部１６）が基板１０に近づくように変形し、スイッチがオン／オフするようになっている。

図１７及び図１８において、図１及び図２と同一構成部には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

すなわち、図１及び図２における可変容量部１１に代えてスイッチ部１６を設けたものである。このスイッチ部１６は、上部電極２１と下部電極２２，２３を備えている。この上部電極２１と下部電極２２，２３は露出されているので、空気に触れて酸化し、接触抵抗が上昇したり接触不良になったりしないように金かプラチナを用いると良い。上記上部電極２１はフロートとなっており、上記静電アクチュエータ部１２−１，１２−２及び上記圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２で上下方向に可動になっている。上記スイッチ部１６の上部電極２１がアクチュエータ部１２−１，１２−２，１３−１，１３−２により下げられると、この上部電極２１の突起部２１Ａが下部電極２２，２３と接触して電気的に接続される（スイッチオン）。

一方、上部電極２１が上がっている状態では、上部電極２１と絶縁膜３３の間に約１．５μｍの隙間ができる（スイッチオフ）。このようにして、上部電極２１を上下動することにより、スイッチのオン／オフが実現できる。

なお、前述した第２の実施形態と同様に弾性部材１５を片持ち式で構成しても良い。また、第３の実施形態のように静電アクチュエータ部１２−１，１２−２と圧電アクチュエータ部１３−１，１３−２，１３−３，１３−４を配置しても良く、第４の実施形態のように配置しても良い。更に、第５の実施形態と同様に上部電極２１をコンタクト３６で固定しても良いのは勿論である。

次に、第２の実施形態に係る半導体装置である可変容量を例にとって、種々の駆動方法について説明する。

（第１の駆動方法）
図１９は、この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の第１の駆動方法について説明するための模式図であり、図２０は本駆動方法における各端子の印加電圧と容量値との関係を示している。圧電アクチュエータ部１３の上部電極２９と静電アクチュエータ部１２の下部電極２６をショートさせ（端子Ｎ１）、圧電アクチュエータ部１３の下部電極３０（端子Ｎ２）に電圧Ｖ０を与えると容量値は所定の状態で安定する。可変容量部１１の上部電極２１を下げる際には、端子Ｎ２を電圧Ｖ０に保った状態で端子Ｎ１の電圧をＶ０からＶ１に上げる。電圧Ｖ０は例えば０Ｖ、電圧Ｖ１は例えば３Ｖとする。

これによって、可変容量部１１の上部電極２１と下部電極２２，２３の電極間距離が近づいて容量値が増大する。

なお、図２０のタイミングチャートにおける端子Ｎ１と端子Ｎ２の電圧波形を入れ替えても良い。この場合には、圧電アクチュエータ１３が電圧印加により下向きに反るように、圧電膜２８の分極の向きや圧電駆動用の上部電極２９と下部電極３０の膜厚を調整する。

（第２の駆動方法）
図２１は、この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の第２の駆動方法について説明するための模式図であり、図２２は本駆動方法における各端子の印加電圧と容量値との関係を示している。この駆動例では、電圧Ｖ１を印加する端子をＮ１→Ｎ２→Ｎ１→Ｎ２→…のように交互に変えている。これにより、静電アクチュエータ１２の絶縁膜３３に加わる電界の向きがスイッチングのたびに変わり、絶縁膜３３に電荷がトラップされ難くなる。この結果、スイッチング回数を１０^６回より増やすことが可能となる。

なお、ここでは、圧電膜２８としてＰＺＴを採用する。ＰＺＴ膜の膜厚や組成は、電圧Ｖ１以下で分極が反転するように決定する。これにより、電界の向きが変わっても圧電アクチュエータ１３を常に下方に変位させることができる。

（第３の駆動方法）
図２３は、この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の第３の駆動方法について説明するための模式図であり、図２４は本駆動方法における各端子の印加電圧と容量値との関係を示している。圧電アクチュエータ１３の上部電極２９と静電アクチュエータ１２の下部電極２６を別端子Ｎ１，Ｎ３とし、図２４に示すように電圧印加のタイミングをｔｄだけずらしている。

これにより、スイッチング時のピーク電流値を削減でき、電源電圧の低下を抑制できる。上記遅延時間ｔｄは、例えば１００ｎｓとする。図２４では端子Ｎ１の電位の立ち上がりの方が端子Ｎ３よりもｔｄだけ早いが、逆に端子Ｎ３の電位の立ち上がりを端子Ｎ１より早くしても良い。また、端子Ｎ１，Ｎ３の印加電圧Ｖ１，Ｖ２は同じ電圧でも良いし、異なる電圧でも良い。

（第４の駆動方法）
図２５は、この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の第４の駆動方法について説明するための模式図であり、図２６は本駆動方法における各端子の印加電圧と容量値との関係を示している。この駆動例では、端子Ｎ３に電圧を印加する際に、立ち上がりの第１の期間だけＶ２より大きな電圧Ｖ３を印加するようにしている。これにより、第１の期間内だけ電極間の静電引力が増加し、電極間の密着性を向上させることができる。電極同士が一度密着すると、極板間距離が短く静電引力が強い状態になっているため、より低い電圧（Ｖ２）でも密着状態を保持できる。具体的には、電圧Ｖ２は例えば３Ｖ、電圧Ｖ３は例えば５Ｖ、第１の期間は例えば１μｓである。

（第５の駆動方法）
図２７は、この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の第５の駆動方法について説明するための模式図であり、図２８は本駆動方法における各端子の印加電圧と容量値との関係を示している。この駆動例では、圧電アクチュエータ１３の駆動電極と静電アクチュエータ１２の駆動電極を完全に分離している。そして、各端子Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４に図２８に示すような駆動電圧を与える。

これにより、静電アクチュエータ１２の絶縁膜３３に対しては、第２の駆動方法と同様な効果を期待できる。また、静電アクチュエータ１２の上部電極２５が圧電アクチュエータ１３の電極２９，３０と分離されているため、圧電膜２８として分極反転特性のないＡｌＮを採用することが可能となる。

ＡｌＮは、ＰＺＴを採用した場合よりも分極反転による疲労が少なくなるため、スイッチング回数をより増やすことが可能となる。

なお、上述した第１乃至第５の駆動方法のいくつかを組み合わせた駆動方法を採用しても良い。また、第２の実施形態の駆動方法を例にとり説明したが、他の全ての実施形態の可変容量やスイッチにも同様にして適用できるのは勿論である。

また、この発明の実施形態に係る可変容量は、アンテナ整合回路以外の回路、例えばＶＣＯにも使用可能である。図２９は、ＭＥＭＳ可変容量を搭載したＶＣＯ回路を示す回路図である。この回路は、インダクタＬ１，Ｌ２、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２、定電流源Ｉｖ及びＭＥＭＳ可変容量Ｃｖを備え、ＭＥＭＳ可変容量Ｃｖの容量値を変化させることにより発振周波数が変化するようになっている。

図３０は、この発明の実施形態に係るスイッチをマルチバンド携帯電話向けＭＥＭＳスイッチに用いる場合の構成例を示す回路図である。図３０に示すマルチバンド携帯電話は、ｎ個の出力システムＲｘとｎ個の入力システムＴｘを、ＭＥＭＳスイッチＳＰ２ｎＴで切り替えるようになっている。各出力システムＲｘの入力段と各入力システムＴｘの出力段にはフィルタＦＩ１〜ＦＩｎ，ＦＯ１〜ＦＯｎが設けられている。

以上第１乃至第７の実施形態と第１乃至第５の駆動方法を用いてこの発明の説明を行ったが、この発明は上記各実施形態や駆動方法に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記各実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば各実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも１つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも１つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

この発明の第１の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、可変容量の平面図。この発明の第１の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、図１のII−II’線に沿った断面図。この発明の第１の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、図１のIII−III’線に沿った断面図。この発明の実施形態に係る半導体装置の適用例について説明するためのもので、地上デジタル放送視聴機能を搭載した携帯電話のブロック図。図４に示した回路におけるドライバの具体的な構成例を示す回路図。図４に示した回路におけるドライバの他の具体的な構成例を示す回路図。図４乃至図６に示した回路における整合回路の具体的な構成例を示す回路図。図７に示した整合回路のパターンレイアウトを示す平面図。この発明の第２の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、可変容量の平面図。この発明の第２の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、図９のX−X’線に沿った断面図。この発明の第３の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、可変容量の平面図。この発明の第４の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、可変容量の平面図。この発明の第５の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、可変容量の平面図。この発明の第５の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、図１３のXIV−XIV’線に沿った断面図。この発明の第６の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、可変容量の平面図。この発明の第６の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、図１５のXVI−XVI’線に沿った断面図。この発明の第７の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、スイッチの平面図。この発明の第７の実施形態に係る半導体装置について説明するためのもので、図１７のXVIII−XVIII’線に沿った断面図。この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の第１の駆動方法について説明するための模式図。上記第１の駆動方法を採用したときの各端子の印加電圧と容量値との関係を示すタイミングチャート。この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の第２の駆動方法について説明するための模式図。上記第２の駆動方法を採用したときの各端子の印加電圧と容量値との関係を示すタイミングチャート。この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の第３の駆動方法について説明するための模式図。上記第３の駆動方法を採用したときの各端子の印加電圧と容量値との関係を示すタイミングチャート。この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の第４の駆動方法について説明するための模式図。上記第４の駆動方法を採用したときの各端子の印加電圧と容量値との関係を示すタイミングチャート。この発明の第２の実施形態に係る半導体装置の第５の駆動方法について説明するための模式図。上記第５の駆動方法を採用したときの各端子の印加電圧と容量値との関係を示すタイミングチャート。この発明の実施形態に係る半導体装置の他の適用例について説明するためのもので、ＭＥＭＳ可変容量を搭載したＶＣＯ回路を示す回路図。この発明の実施形態に係る半導体装置の更に他の適用例について説明するためのもので、マルチバンド携帯電話向けＭＥＭＳスイッチに用いる場合の構成例を示す回路図。

符号の説明

１０…基板（シリコン基板）、１１…可変容量部、１２，１２−１，１２−２…静電アクチュエータ部、１３，１３−１，１３−２，１３−３，１３−４…圧電アクチュエータ部、１４…窓、１５…弾性部材、１６…スイッチ部、２１…上部電極、２２，２３…下部電極、２５−１，２５−２…上部電極、２６−１，２６−２…下部電極、２７−１，２７−２…アンカー、２８−１，２８−２…圧電膜、２９−１，２９−２…上部電極、３０−１，３０−２…下部電極、３１，３２，３３，３４…絶縁膜、３５…空洞、３５’…空隙、３６…コンタクト。

Claims

基板との間に空隙を形成するように、一端がアンカーを介して固定され、変形されることによって他端と前記基板間の距離が変化する弾性部材と、
前記弾性部材の他端に配置された第１の電極と、
前記第１の電極と対向するように前記基板上に配置された第２の電極と、
前記弾性部材内に配置され、前記弾性部材の他端を前記基板に近づけるように変形させる圧電アクチュエータと、
前記弾性部材内に配置された第３の電極と、前記第３の電極と対向するように前記基板上に配置された第４の電極とからなり、前記弾性部材の他端を前記基板に近づけるように変形させる静電アクチュエータと
を具備し、前記圧電アクチュエータと前記静電アクチュエータの駆動によって第１の電極と第２の電極との距離が変化することを特徴とする半導体装置。
前記圧電アクチュエータは前記アンカーと前記第１の電極の間に配置され、前記第３の電極は前記圧電アクチュエータと前記第１の電極の間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記圧電アクチュエータは、圧電駆動用の上部電極と、圧電膜と、圧電駆動用の下部電極とを有し、前記圧電駆動用の上部電極及び前記圧電駆動用の下部電極のいずれか一方が、前記第３の電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
前記第１，第２の電極間に介在される絶縁膜を更に具備することを特徴とする請求項１乃至３いずれか１つの項に記載の半導体装置。
前記第１，第２の電極は前記空隙に面した側が露出しており、前記弾性部材と前記基板とが近づいたときに電気的に接続され、離れたときに電気的に分離されることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１つの項に記載の半導体装置。