JP2007167998A - 梁構造を有する装置、および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】残留応力に起因する梁構造の反りを低減する。
【解決手段】梁構造を有する装置は、基板11と、基板11上に設けられたアンカー12および空洞13と、アンカー12および空洞13上に設けられ、かつ第1の方向に延在し、かつ凸状に反るような応力勾配を有する複数の凸部16Aと凹状に反るような応力勾配を有する複数の凹部16Bとを含む梁構造とを具備し、複数の凸部16Aと複数の凹部16Bとは、交互に繰り返される。
【選択図】図3
【解決手段】梁構造を有する装置は、基板11と、基板11上に設けられたアンカー12および空洞13と、アンカー12および空洞13上に設けられ、かつ第1の方向に延在し、かつ凸状に反るような応力勾配を有する複数の凸部16Aと凹状に反るような応力勾配を有する複数の凹部16Bとを含む梁構造とを具備し、複数の凸部16Aと複数の凹部16Bとは、交互に繰り返される。
【選択図】図3
Description
本発明は、梁構造を有する装置、および半導体装置に係り、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスを備えた梁構造を有する装置、および半導体装置に関する。
近年、マイクロマシン技術(Micromachine technology)の微細化が進んでいる。このマイクロマシン技術に含まれる技術として、MEMS技術が知られている。ここで、MEMS技術とは、半導体プロセス技術を用いて可動な3次元構造体を微細に作り込む技術のことである。
MEMS技術を用いて形成されたデバイス(MEMSデバイスと称す)としては、主に、可変容量、スイッチ、加速度センサ、圧力センサ、RF(radio frequency)フィルタ、ジャイロスコープ、ミラーデバイスなどが研究、開発されている。
ところで、MEMS技術を用いて空洞上に梁をつくる場合、梁を構成する層の残留応力により生じる反りをいかに抑えるかが重要なポイントとなる。例えばMEMS可変容量では、この可変容量を構成する電極層に反りがあると、所望の容量値が得られなくなってしまう。また、電極層を駆動するアクチュエータに反りがあると、所定の電圧値で可変容量の容量値を可変できなくなってしまう。
このような残留応力起因の反りは、梁が2層以上で構成されている場合に起きやすい。なぜなら、各層ごとの残留応力を同じ値にそろえるのが困難なためである。例えば圧電型の可変容量やスイッチの場合は、圧電アクチュエータに少なくとも3層が必要となるため、特に反りが生じやすい。なお、非特許文献1には、圧電アクチュエータの反りに関する技術が開示されている。
Myeong-Jin Kim and Young-Ho Cho, "DESIGN, FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF PIEZOELECTRIC MULTI-LAYER CANTILEVER MICROACTUATORS FOR THE MINIMUM INITIAL DEFLECTION", Transducer ’99, June 7-10, 1999, p.1758-1761
Myeong-Jin Kim and Young-Ho Cho, "DESIGN, FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF PIEZOELECTRIC MULTI-LAYER CANTILEVER MICROACTUATORS FOR THE MINIMUM INITIAL DEFLECTION", Transducer ’99, June 7-10, 1999, p.1758-1761
本発明は、残留応力に起因する梁構造の反りを低減することが可能な梁構造を有する装置、および半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の第1の視点に係る梁構造を有する装置は、基板と、前記基板上に設けられたアンカーおよび空洞と、前記アンカーおよび前記空洞上に設けられ、かつ第1の方向に延在し、かつ凸状に反るような応力勾配を有する複数の凸部と凹状に反るような応力勾配を有する複数の凹部とを含む梁構造とを具備し、前記複数の凸部と前記複数の凹部とは、交互に繰り返される。
本発明の第2の視点に係る梁構造を有する装置は、基板と、前記基板上に設けられたアンカーおよび空洞と、前記アンカーおよび前記空洞上に設けられ、かつ第1の方向に延在し、かつ延在部と支持部とを含む梁構造とを具備し、前記支持部は、凸状に反るような応力勾配を有する凸部と、凹状に反るような応力勾配を有する凹部とを含み、かつ前記延在部を前記アンカーの高さと異なる高さにする。
本発明の第3の視点に係る半導体装置は、基板と、前記基板上に設けられたアンカーおよび空洞と、前記アンカーおよび前記空洞上に設けられ、かつ第1の方向に延在するアクチュエータと、前記アクチュエータ上に部分的に設けられ、かつ前記アクチュエータの反りを調整する複数の第1の調整層とを具備する。
本発明によれば、残留応力に起因する梁構造の反りを低減することが可能な梁構造を有する装置、および半導体装置を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能および構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
はじめに本発明の一実施形態に係る装置の原理(第1および第2の実施形態に記載)について説明し、その後に具体的な半導体装置の構成について説明する。
(第1の実施形態)
まず、梁(beam)の反り量について説明する。図1は、複数の層により構成された片持ち梁(cantilever)の反りを説明するための断面図である。
まず、梁(beam)の反り量について説明する。図1は、複数の層により構成された片持ち梁(cantilever)の反りを説明するための断面図である。
アンカーの側面上には、m層の片持ち梁(或いは、梁)が設けられている。すなわち、片持ち梁は、空洞上に設けられている。片持ち梁を構成する複数の層は、残留応力(或いは、内部応力ともいう)を有している。ここで、残留応力の異なる2つの層を積層すると、膜厚方向に応力勾配が生じる。同様に、複数の層から構成される片持ち梁は、応力勾配により反りが生じる。以後、応力勾配とは、膜厚方向の応力勾配をいう。
図1に示すように、例えば、i番目(i=1,2,・・・,m)の層の膜厚、残留応力、ヤング率がそれぞれti、σi、Eiであるようなm層の片持ち梁の場合、(式1)に示す曲率半径ρの反りが生じる。なお、(式1)中のhiは、(式2)で定義される。
なお、応力勾配の存在する単層の片持ち梁の場合でも、膜厚tiを薄くしてmを十分大きくすることにより、(式2)で反りを表現することが可能である。
片持ち梁が2層の場合は、上下の層の残留応力の相対的な大きさのみで反りの方向が決まるが、3層以上の場合は、(式2)から示唆されるように、各層の残留応力のほか、膜厚、ヤング率が関与して反りの向きが決定される。
図2は、本発明の第1の実施形態に係る片持ち梁を有する装置の平面図である。図3は、図2に示したIII−III線に沿った装置の断面図である。なお、片持ち梁を構成する複数の層は、所定の条件の応力を有してさえいれば、絶縁層或いは金属層のいずれであってもよい。よって、図2の断面図では、各層のハッチングを省略している。後述する図4乃至図6についても同様である。
基板11上には、アンカー12が設けられている。アンカー12は、基板11上に部分的に設けられており、アンカー12がない部分は空洞13となっている。
アンカー12および空洞13上には、片持ち梁16が設けられている。具体的には、片持ち梁16は、一端(後端)がアンカー12上に設けられ、アンカー12上から空洞13上へ突き出るように設けられている。そして、片持ち梁16の他端(先端)は空洞13上に設けられており、かつ固定されていない。
片持ち梁16は、第1の層14と、この第1の層14上に設けられた第2の層15と、この第2の層15上に部分的に設けられた複数の調整層17(本実施形態では、例えば3つの調整層17−1,17−2,17−3を一例として示している)とを備えている。第1の層14および第2の層15は、残留応力を有している。残留応力とは、層自体が有する応力であり、かつ外力に依存しない応力である。
第2の層15は、第1の層14よりも引っ張り性が強い。例えば、第2の層15は引っ張り応力(tensile stress)を有し、第1の層14は圧縮応力(compressive stress)を有している。引っ張り応力は、符号が正と定義される。圧縮応力は、符号が負と定義される。
なお、第1の層14と第2の層15との残留応力は、相対的に異なっていればよい。よって、第1の層14と第2の層15とが共に引っ張り応力を有し、かつ第2の層15の引っ張り応力が、第1の層14の引っ張り応力よりも相対的に大きくてもよい。また、第1の層14と第2の層15とが共に圧縮応力を有し、かつ第1の層14の圧縮応力が、第2の層15の圧縮応力よりも相対的に大きくてもよい。
これにより、第1の層14と第2の層15とからなる梁部分16C(すなわち、片持ち梁16から調整層17を除いた部分)は、凹状に反るような応力勾配を有する。よって、梁部分16Cは、上側に反る。「上側に反る」とは、梁の中央部の接線に対して梁の両端が上側にある状態である。
ここで、片持ち梁16は、第2の層15上に部分的に設けられた複数の調整層17(17−1,17−2,17−3)を有している。調整層17の残留応力は、梁部分16Cの残留応力より相対的に小さい。すなわち、調整層17は、第2の層15より圧縮性が強い。例えば、調整層17は、圧縮応力を有している。
これにより、調整層17−1,17−2,17−3が設けられている片持ち梁16のセグメントは、反りの向きが反転する。すなわち、調整層17−1,17−2,17−3が設けられている片持ち梁16のセグメントは凸状、調整層17−1,17−2,17−3が設けられていない片持ち梁16のセグメントは凹状になる。
凸状のセグメント(凸部16A)は、凸状に反るような応力勾配を有している。凹状のセグメント(凹部16B)は、凹状に反るような応力勾配を有している。そして、図3に示すように、片持ち梁16は、複数の凸部16Aと、複数の凹部16Bとが交互に配置されて構成されている。
このような片持ち梁16において、凸部16Aと凹部16Bとの長さの比を一定に保ちつつ、1つの凹部と1つの凸部とからなる1単位分の長さを十分小さくすれば、全体として実質的に平坦な片持ち梁16を構成することができる。換言すると、片持ち梁16は、基板11に対して略平行となる。なお、ここでの平坦な片持ち梁16とは、図3に示すように、完全な平坦ではなく、片持ち梁16全体を見た場合に、所定の方向に延在していることをいう。
調整層の形成方法については特に限定されない。例えば、第2の層15上に圧縮応力を有する層を形成し、この層をエッチングにより部分的に取り除くことにより、調整層17−1,17−2,17−3を形成する。或いは、第2の層15上に、リフトオフ法を用いて調整層17−1,17−2,17−3を部分的に形成してもよい。
また、下側に反る梁部分16Cを実質的に平坦にすることも可能である。図4は、複数の層により構成された片持ち梁の他の構成例を示す断面図である。
第2の層15の残留応力は、第1の層14の残留応力よりも相対的に小さい。すなわち、第2の層15は、第1の層14よりも圧縮性が強い。例えば、第1の層14は引っ張り応力を有し、第2の層15は圧縮応力を有している。これにより、第1の層14と第2の層15とからなる梁部分16Cは、凸状に反るような応力勾配を有する。よって、梁部分16Cは、下側に反る。
ここで、片持ち梁16上は、第2の層15上に部分的に設けられた複数の調整層17(17−1,17−2,17−3)を有している。調整層17の残留応力は、梁部分16Cの残留応力より相対的に大きい。例えば、調整層17は、引っ張り応力を有している。
これにより、調整層17−1,17−2,17−3が設けられている片持ち梁16のセグメントは、反りの向きが反転する。すなわち、調整層17−1,17−2,17−3が設けられていない片持ち梁16のセグメントは凸状、調整層17−1,17−2,17−3が設けられている片持ち梁16のセグメントは凹状になる。図4に示すように、片持ち梁16は、複数の凸状のセグメント(凸部16A)と、複数の凹状のセグメント(凹部16B)とが交互に配置されて構成されている。
このような片持ち梁16において、凸部16Aと凹部16Bとの長さの比を一定に保ちつつ、1つの凹部と1つの凸部とからなる1単位分の長さを十分小さくすれば、全体として実質的に平坦で基板に対して略平行な片持ち梁16を構成することができる。この方法は、両持ち梁に対しても適用できる。
また、単層からなる片持ち梁を実質的に平坦にすることも可能である。図5は、単層により構成された片持ち梁の構成を示す断面図である。
アンカー12および空洞13の上には、第1の層14が設けられている。梁が2層構造でなく、単層構造であっても、単層内の膜厚方向に応力勾配が存在すると反りが生じる。膜厚方向において、第1の層14の上部は、下部よりも残留応力が大きい。この場合、第1の層14は、上側に反る。
ここで、片持ち梁16は、第1の層14上に部分的に設けられた複数の調整層17(17−1,17−2,17−3)を有している。調整層17の残留応力は、第1の層14の残留応力より相対的に小さい。したがって、凸部16Aと凹部16Bとが繰り返されるため、片持ち梁16を実質的に平坦にすることができる。
次に、凹部と凸部との長さの比を設定する方法について説明する。図6は、凹部と凸部との長さの比の設定を説明するための断面図である。1つの凸部16Aと1つの凹部16Bとを1単位とする。この凹凸がn単位分繰り返された長さLの片持ち梁16を考える。凹部16Bの曲率半径をρ1、凸部16Aの曲率半径をρ2とし、また凹部16Bの長さの総和をL1、凸部16Aの長さの総和をL2とする(すなわち、L=L1+L2)。また、θ1=L1/ρ1、θ2=L2/ρ2、φ=(θ1−θ2)/2とする。
(式5)の右辺は、L1/L2=ρ1/ρ2のときにゼロとなる。このことは、凹部と凸部との長さの比を曲率半径の比と等しくすれば、梁の反りを略無くせることを意味している。
なお、実際にはnは有限の値をとるので、(式5)そのものの状態にはならない。しかし、半導体装置の微細加工技術により、凹凸の1単位分の長さを片持ち梁の長さLに比べて十分短くすることは可能である。したがって、十分よい近似で(式5)が成り立つと考えてよい。
また、凹部と凸部との1単位分の反り量は、(Li/n)2/(2ρi)、(i=1,2)、すなわちその最小単位の長さLi/nの2乗に比例する。したがって、nが十分大きい場合、片持ち梁の下側の面の凸凹は事実上なくなり、実質的に平坦な面となる。たとえば、可変容量の電極層にこの梁構造を採用する場合、電極層を構成する梁の長さは100μm程度である。一方、凹部と凸部との最小単位の長さLi/nは1μm程度にできる。したがって、可変容量を構成する電極層の面は実質的に平坦となる。可変容量の具体的な構成については後述する。
図7は、有限要素法による片持ち梁の反り量のシミュレーション結果を示す図である。図8は、図7に示した片持ち梁の3つのケース(ケース1乃至3)の条件を示す図である。図9は、有限要素法で求めた片持ち梁の反りの様子を示す斜視図である。
MEMSで使用される片持ち梁の材料の典型的なポワソン比νは、0.3程度である。よって、図7には、ポワソン比ν=0.3の場合の有限要素法によるシミュレーション結果、ポワソン比ν=0の場合の有限要素法によるシミュレーション結果、および理論式(式5)に基づいて算出した理論値を、図8に示した3つのケースについてそれぞれ示している。図7の横軸は片持ち梁の分割数n(凹凸からなる1単位の個数)、縦軸は反り量(μm)を示している。
図7において、理論値は傾向は合っているが、ポワソン比の効果が入っていないため、分割数nを大きくするにつれて誤差が生じる。図10は、ρ1/ρ2を変化させた場合の有限要素法(ポワソン比ν=0.3)と理論値との反り量を示す図である。図10の横軸はρ1/ρ2、縦軸は反り量(μm)を示している。
図10に示すように、反り量がゼロになるρ1/ρ2は、理論値では0.8であるのに対し、ポワソン比を考慮した有限要素法では1.1であり、両者には38%の誤差がある。分割数nを大きくするにつれて誤差がより大きくなること、およびポワソン比が0.3以上の材料もあることを考慮すれば、理論式には±40%程度の誤差があるとみなすべきである。したがって、ρ1/ρ2からL1/L2を決定する際も、±40%程度までの誤差が許容されるとみなすべきである。
以上の議論は2次元モデルに基づくものであり、梁の3次元効果、すなわち奥行き方向の効果は考えられていない。幅が狭い、すなわち奥行き方向が短い梁に対しては(式4)および(式5)は有効であるが、幅が広い梁に対しては近似の度合いが悪くなる。しかし凹凸を繰り返して反りをなくすという考え方は依然として有効である。そこで、幅の広い梁に対しては、凹部もしくは凸部を形成する膜の平面パターンを考慮し、凹部と凸部との割合を調整すればよい。
以下に、梁の反りを調整するための調整層17の平面パターンの例について説明する。図11は、調整層17の平面パターンの第1の例を示す平面図である。梁部分16C(第1の層14と第2の層15とから構成される)は、X方向に延在しかつ所定の幅(Y方向の長さ)を有しており、平面形状が例えば矩形である。梁部分16C上には、梁部分16Cの反りを調整するための調整層17が設けられている。
調整層17は、ストライプ状を有している。すなわち、調整層17は、複数の調整層部分から構成されており、複数の調整層部分がそれぞれ直線状にY方向に延在している。また、各調整層部分は、所定の幅(X方向の長さ)を有している。この所定の幅は、上述した凹部或いは凸部の長さに対応する。また、隣接する2つの調整層部分の間隔は、凹部或いは凸部の長さに対応する。このように調整層17をストライプ状にすることで、幅の広い梁の反りを調整することができる。
図12は、調整層17の平面パターンの第2の例を示す図である。第2の例は、第1の例の変形例である。第2の例の調整層17は、れんが状を有している。すなわち、調整層17は、第1の例で示した調整層部分が一箇所以上分断されている。図12の例では、一箇所分断されている調整層部分と、二箇所分断されている調整層部分とが交互に配置されている。分断されている部分の幅は、例えば隣接する2つの調整層部分の間隔と同じである。
直線状に延びた層は、長さが長くなるにつれて、当該層が配置された部分に反りが発生しやすい。よって、第2の例に示すように調整層部分を任意の長さで分断し、調整層部分のY方向の長さを短くする。このようにすることで、第1の例に比べて、梁のY方向の反りを低減することができる。
図13は、調整層17の平面パターンの第3の例を示す図である。第3の例の調整層17は、梁16を上から見た場合に、梁部分16Cが格子状になるように配置されている。すなわち、調整層17は、複数の調整層部分から構成されており、各調整層部分は例えば正方形を有している。そして、複数の調整層部分は、X方向およびY方向にそれぞれ所定の間隔を空けて配置されている。第3の例では、第2の例に比べて梁のY方向の反りをより低減することができる。
図14は、調整層17の平面パターンの第4の例を示す図である。第4の例の調整層17は、ハニカム(ハチの巣)状を有している。すなわち、調整層17は、複数の調整層部分から構成されており、各調整層部分は例えば六角形を有している。そして、複数の調整層部分は、隣接する2つの調整層部分の対向する2つの辺の間隔が同じになるように配置されている。
図15は、調整層17の平面パターンの第5の例を示す図である。第5の例の調整層17は、タイル状を有している。すなわち、調整層17は、複数のタイル17Aから構成されており、各タイル17Aはストライプ状を有している。各タイル17Aは、直線状に延在する複数の調整層部分から構成されている。
さらに、複数のタイル17Aには、タイル17Aを構成する直線状の複数の調整層部分がX方向に延在するように配置された第1のタイル17A−1と、複数の調整層部分がY方向に延在するように配置された第2のタイル17A−2とを含んでいる。そして、第1のタイル17A−1と第2のタイル17A−2とがX方向およびY方向にそれぞれ交互に配置されて、タイル状を有する調整層17が構成されている。
第5の例では、調整層部分の長さが短いので、この調整層部分に起因する梁の反りを低減することができる。また、調整層部分が設けられていない梁部分16Cが直線状に連続することが少ないので、梁部分16Cの反りを低減することができる。
図16は、調整層17の平面パターンの第6の例を示す図である。第6の例の調整層17は、ジグザグ状を有している。すなわち、調整層17は、複数の調整層部分から構成されており、各調整層部分はジグザグになっている。そして、各調整層部分は、隣接する調整層部分と所定の間隔を空けて配置されている。
調整層17の平面パターンの第1乃至6の例のうち第4の例と第6の例とは、外周部を除いて、凹部もしくは凸部が長い距離にわたって直線状に伸びている箇所がない。すなわち、第4の例と第6の例とは、梁を任意の方向で切断した場合に、必ず調整層17が存在する構造である。このため、面全体としての反りをなくすのに有効である。また、前述したように、第5の例においても、直線状に連続する層が少ないので、面全体としての反りをなくすのに有効である。
一方、第1乃至3の例の平面パターンの場合は、第4乃至6の例に比べれば面としての反りが生じやすい。しかし、梁のX方向もしくはY方向の長さがあまり長くない場合は十分に反りを抑制できる。また、意図的にY方向の反りを生じさせたい場合に、第1乃至3の例の平面パターンを採用してもよい。
このように調整層17のレイアウトパターンで反り調整ができることは、反り調整のための自由度が増えたことを意味する。すなわち、従来であれば膜厚や応力を調整して梁の反りを調整していたのに対し、凹部、凸部の粗密という新たな反り調整のパラメータが加わったことになる。
この増えた自由度を利用し、梁の反り量の温度依存性を低減することも可能である。温度Tにおける凹部、凸部の曲率半径をρ1(T)、ρ2(T)とすると、L1/L2=ρ1(T)/ρ2(T)=ρ1(T+ΔT)/ρ2(T+ΔT)が成り立つように、膜厚ならびにL1/L2を設定すれば、反り量の温度依存性を低減することができる。
本発明の本質は、反りの向きが互いに異なるような層構造を、一つの梁内において交互に繰り返すことにより、反り量の制御ができることを示した点にある。とくに、凹部、凸部の曲率半径に応じて凹部、凸部の長さの比を最適化することにより、梁の反りを低減できることを示した点にある。この方法によれば、2層構造の梁に限らず、任意の数の層からなる梁の反りを制御することが可能である。
また、調整層17の平面パターンを工夫することで、幅が広い梁に対して面全体としての反りを低減することができる。
なお、本実施形態では、片持ち梁(cantilever)について説明したが、空洞上の層構造からなる構造物である梁(beam)と言い換えてもよい。また、幅を持った構造物を指す殻(shell)にも本実施形態は適用できる。したがって、本説明文における梁という用語は、いわゆる梁(beam)と殻(shell)の両方の概念を含んだものと解釈すべきである。以下の実施形態についても同様である。
(第2の実施形態)
前述したように、凹部、凸部の粗密で反りが調整できることは、反り調整のための自由度が増えたことを意味する。これを利用し、片持ち梁の高さを調整することができる。第2の実施形態は、片持ち梁を構成する凹部あるいは凸部を利用して片持ち梁の高さを調整するようにしたものである。
前述したように、凹部、凸部の粗密で反りが調整できることは、反り調整のための自由度が増えたことを意味する。これを利用し、片持ち梁の高さを調整することができる。第2の実施形態は、片持ち梁を構成する凹部あるいは凸部を利用して片持ち梁の高さを調整するようにしたものである。
図17は、本発明の第2の実施形態に係る片持ち梁を有する装置の平面図である。図18は、図17に示したXVIII−XVIII線に沿った装置の断面図である。
アンカー12および空洞13上には、片持ち梁16が設けられている。片持ち梁16は、梁部分16Cと、この梁部分16C上に部分的に設けられた複数の調整層とを備えている。また、片持ち梁16は、X方向に延在する延在部16Gと、この延在部16Gを支持する支持部16Dとから構成されている。
調整層が設けられていない状態では、梁部分16Cは、上側に反る。延在部16Gに対応する梁部分16C上には、反りを調整するための複数の調整層17が設けられている。調整層17は、延在部16Gを実質的に平坦にするために最適な長さを有している(第1の実施形態を参照)。したがって、延在部16Gは、実質的に平坦になっている。
支持部16Dに対応する梁部分16C上には、調整層18が設けられている。調整層18の残留応力は、梁部分16Cの残留応力より相対的に小さい。例えば、調整層18は、圧縮応力を有している。これにより、調整層18が設けられている支持部16Dのセグメントは、反りの向きが反転する。すなわち、調整層18が設けられている支持部16Dのセグメントは凸状、調整層18が設けられていない支持部16Dのセグメントは凹状になる。
凸状のセグメント(凸部16F)は、凸状に反るような応力勾配を有している。凹状のセグメント(凹部16E)は、凹状に反るような応力勾配を有している。ところで、調整層18のX方向の長さは、1つの調整層17のX方向の長さより長い。すなわち、凹部と凸部とからなる1単位分の長さは、支持層16Dの方が延在部16Gより長い。
このように、梁が反ることを利用することで、支持層16Dは、延在部16Gの高さを調整することができる。図18に示すように、延在部16Gの高さ(延在部16Gの下の空洞の高さ)H2は、アンカー12側の片持ち梁16の高さH1よりも高くなっている。空洞13の高さH1は、アンカー12の膜厚と同じである。高さH2は、凹部16Eと凸部16Fとの長さを調整することで、任意に変えることができる。
以上詳述したように本実施形態によれば、凹部、凸部の粗密を場所により変えることにより、空洞13の高さを調整することができる。これにより、空洞13を形成する際に使用される犠牲層が薄い場合でも空洞の高さを高くすることができる。
また、犠牲層を薄くすることで、犠牲層の成膜プロセスが簡略化されると共に、犠牲層除去の時間も短縮することができる。これにより、製造コストを削減することができる。
(第3の実施形態)
アクチュエータは、通常、複数の層が積層されて構成される。なお、アクチュエータとは、電気的エネルギー、化学的エネルギー等の種々のエネルギーを力学的運動エネルギーに変換して、機械的仕事を行うデバイスである。第3の実施形態は、圧電型アクチュエータに本発明を適用した場合の例を示している。
アクチュエータは、通常、複数の層が積層されて構成される。なお、アクチュエータとは、電気的エネルギー、化学的エネルギー等の種々のエネルギーを力学的運動エネルギーに変換して、機械的仕事を行うデバイスである。第3の実施形態は、圧電型アクチュエータに本発明を適用した場合の例を示している。
図19は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の平面図である。図20は、図19に示したXX−XX線に沿った半導体装置の断面図である。
基板11上には、アンカー12が設けられている。基板11としては、例えば半導体基板が用いられる。半導体基板としては、例えば、Si,Ge等の真性半導体、GaAs,ZnSe等の化合物半導体、および、これら半導体に不純物をドーピングした高導電性半導体等があげられる。なお、半導体基板は、SOI(silicon on insulator)基板、もしくはガラス基板であってもよい。
アンカー12は、絶縁材料(例えば、SiO2)により構成される。アンカー12は、基板11上に部分的に設けられており、アンカー12内には後述するアクチュエータ21が可動するための空洞13が設けられている。この空洞13の深さは、例えばアンカー12の膜厚により調整することができる。
アンカー12および空洞13上には、X方向に延在するように、絶縁層25に覆われたアクチュエータ21が設けられている。すなわち、絶縁層25は、下部絶縁層26および上部絶縁層27を含んでいる。アンカー12および空洞13上には、下部絶縁層26が設けられている。下部絶縁層26上には、アクチュエータ21が設けられている。アクチュエータ21上には、上部絶縁層27が設けられている。絶縁層25の材料としては、SiO2やアルミナ等があげられる。
アクチュエータ21は、例えば圧電素子により構成される。アクチュエータ21は、下部電極層22、上部電極層24、および下部電極層22と上部電極層24との間に挟まれた圧電層23を備えている。アクチュエータ21の平面形状は、例えば矩形であり、その他種々の形状であってもよい。
アクチュエータ21の下部電極層22および上部電極層24の材料としては、例えば、(a)Pt,Sr,Ru,Cr,Mo,W,Ti,Ta,Al,Cu,Niからなる材料群のうちいずれか1つからなる材料、(b)上記材料群のうち少なくとも1つを含む窒化物、(c)上記材料群のうち少なくとも1つを含む導電性酸化物(例えばSrRuO)、(d)上記(a)乃至(c)から選ばれた材料を積層したもの等があげられる。
アクチュエータ21の圧電層23の材料としては、例えば、PZT(Pb(Zr,Ti)O3),AlN,ZnO,PbTiO,BTO(BaTiO3)等のセラミック圧電材料や、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)等の高分子圧電材料等があげられる。
絶縁層25は、空洞13形成工程に含まれる犠牲層のエッチング時に、圧電層および電極層を保護する役割を担っている。エッチング時に圧電層および電極層がダメージを受けない場合は、この絶縁層25はなくてもよい。
アクチュエータ21はこのように複数の層から構成されているため、反りが生じやすい。そこで、アクチュエータ21に凹凸を調整するための調整層17をつけ、アクチュエータ21の反りを調整する。上部絶縁層27上には、凹凸を調整するための複数の調整層17が部分的に設けられている。調整層17は、例えばストライプ状を有している。もちろん、調整層17は、第1の実施形態で説明した他の平面パターンであってもよい。
本実施形態では、アクチュエータ21は、上側に反る。なお、ここでいうアクチュエータ21とは、絶縁層25を含んだ片持ち梁を示している。すなわち、アクチュエータ21と絶縁層25とからなる片持ち梁が上側に反るか、あるいは下側に反るかによって判断する。調整層17としては、残留応力がアクチュエータ21の残留応力より相対的に小さいものを用いる。調整層17としては、圧縮応力を有するSiO2等が用いられる。
これにより、調整層17が設けられているアクチュエータ21のセグメントは、反りの向きが反転する。すなわち、調整層17が設けられているアクチュエータ21のセグメントは凸状、調整層17が設けられていないアクチュエータ21のセグメントは凹状になる。
このような梁構造において、凸部と凹部との長さの比を一定に保ちつつ、1つの凹部と1つの凸部とからなる1単位分の長さを十分小さくすれば、全体として実質的に平坦なアクチュエータ21を構成することができる。なお、アクチュエータ21が下側に反る場合は、調整層としては残留応力がアクチュエータ21の残留応力より相対的に大きいものを用いればよい。
凹凸調整用の調整層17として、例えばパシベーション層を利用してもよい。パシベーション層は半導体チップの表面を保護するために使用される絶縁層である。電極パッド用の開口部ではボンディング端子との導電性を確保するため、パシベーション層は除去される(すなわち、パシベーション加工用のマスクはすでにある)。
したがって、凹凸調整用の層としてパシベーション層を利用すれば、プロセス工程ならびにマスクを増やすことなく、アクチュエータ21の反りを調整できる。圧縮性の応力を有するパシベーション層を採用する場合は、パシベーション層がない状態でアクチュエータ21が下側に反るようにしておけばよい。
(第4の実施形態)
第4の実施形態は、絶縁層25上に設けられる配線層を利用してアクチュエータ21の反りを調整するようにしたものである。
第4の実施形態は、絶縁層25上に設けられる配線層を利用してアクチュエータ21の反りを調整するようにしたものである。
図21は、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の平面図である。図22は、図21に示したXXII−XXII線に沿った半導体装置の断面図である。
下部電極層22上で上部絶縁層27内には、下部電極層22に電気的に接続されたコンタクト層29Aが設けられている。上部絶縁層27上には、コンタクト層29Aに電気的に接続された配線層29が設けられている。配線層29には、アクチュエータ21を駆動するための電圧V1が供給される。
上部電極層24上で上部絶縁層27内には、上部電極層24に電気的に接続されたコンタクト層30Aが設けられている。上部絶縁層27上には、コンタクト層30Aに電気的に接続された配線層30が設けられている。配線層30には、アクチュエータ21を駆動するための電圧V2が供給される。
空洞13の上方で上部絶縁層27上には、複数のダミー配線層31が所定間隔を空けて設けられている。また、複数のダミー配線層31のそれぞれは、Y方向に延在するように設けられている。すなわち、ダミー配線層31は、ストライプ状を有している。
本実施形態では、アクチュエータ21は、下側に反る。アクチュエータ21は、当該アクチュエータ21を構成する上部電極層24および下部電極層22の材料や膜厚、或いは圧電層23の材料や膜厚等によって反る方向が変わってくる。そして、ダミー配線層31としては、残留応力がアクチュエータ21の残留応力より相対的に大きいものを用いる。ダミー配線層31としては、引っ張り応力を有するAl等が用いられる。
これにより、ダミー配線層31が設けられているアクチュエータ21のセグメントは、反りの向きが反転する。すなわち、ダミー配線層31が設けられていないアクチュエータ21のセグメントは凸状、ダミー配線層31が設けられているアクチュエータ21のセグメントは凹状になる。そして、各ダミー配線層31の幅(X方向の長さ)と、ダミー配線層31の間隔とを調整することで、アクチュエータ21の反りを調整することができる。
次に、第4の実施形態の変形例について説明する。図23は、この変形例を示す断面図である。なお、平面図は、図21と同じであるため省略する。
上部電極層24上で上部絶縁層27内には、複数のダミー配線層31に対応して設けられ、かつ複数のダミー配線層31と上部電極層24とを電気的に接続する複数のダミーコンタクト層31Aが設けられている。このダミーコンタクト層31AのY方向の長さは、ダミー配線層31のY方向の長さと同じである。
ここで、上部絶縁層27にSiO2等の圧縮応力を有する層を用い、ダミーコンタクト層31AにAl等の引っ張り応力を有する層を用いた場合、上部絶縁層27が設けられているアクチュエータ21のセグメントは凸状、ダミーコンタクト層31Aが設けられているアクチュエータ21第3のセグメントは凹状になる。このようにして、アクチュエータ21の反りを調整することができる。
以上詳述したように本実施形態によれば、アクチュエータ21の上方に設けられた配線層を用いてアクチュエータ21の反りを調整することができる。また、アクチュエータ21上に設けられたコンタクト層を用いてアクチュエータ21の反りを調整することができる。
また、配線層29,30を形成する製造工程を利用してダミー配線層或いはダミーコンタクト層を形成することができる。よって、アクチュエータ21の反りを調整するための調整層を形成する新たな製造工程を追加する必要がない。これにより、製造コストの増加を抑制することができる。
(第5の実施形態)
第5の実施形態は、可変容量に本発明を適用した場合の例を示している。図24は、本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の平面図である。図25は、図24に示したXXV−XXV線に沿った半導体装置の断面図である。図26は、図24に示したXXVI−XXVI線に沿った半導体装置の断面図である。
第5の実施形態は、可変容量に本発明を適用した場合の例を示している。図24は、本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の平面図である。図25は、図24に示したXXV−XXV線に沿った半導体装置の断面図である。図26は、図24に示したXXVI−XXVI線に沿った半導体装置の断面図である。
基板11上には、絶縁層41が設けられている。絶縁層41としては、例えばSiNが用いられる。絶縁層41上には、可変容量40の第1の電極層42が設けられている。第1の電極層42としては、例えばAlが用いられる。本実施形態では、可変容量40の第1の電極層42は、2つの電極層42A,42Bから構成されている。2つの電極層42A,42Bは、アクチュエータ21の延在方向(X方向)に対して直交する方向(Y方向)に隣接して設けられている。なお、前述した絶縁層41は、基板11と可変容量の第1の電極層42とを電気的に分離するために設けられている。
絶縁層41および第1の電極層42上には、絶縁層43が設けられている。絶縁層43としては、例えばSiNが用いられる。第1の電極層42上に設けられた絶縁層43は、可変容量40の第1の電極層と第2の電極層とが電気的に接触しないようにするために設けられている。
絶縁層43上には、アンカー12が設けられている。アンカー12としては、例えばSiO2が用いられる。アンカー12は、基板11上に部分的に設けられており、アンカー12内にはアクチュエータ21および可変容量40の第2の電極層が可動するための空洞13が設けられている。
アンカー12および空洞13上には、X方向に延在するように、絶縁層25に覆われたアクチュエータ21が設けられている。絶縁層25上には、調整層28が設けられている。これにより、アクチュエータ21の反りを低減することができる(第3の実施形態を参照)。
アクチュエータ21の先端の側面上には、X方向に延在するように、可変容量40の第2の電極層44が設けられている。また、第2の電極層44は、電極層42Aおよび42Bの上方に設けられている。第2の電極層44は、複数の層により構成されている。第2の電極層44は、Al層と、このAl層を上下で挟むように設けられた2つのTiN層とから構成されている。第2の電極層44の側面上には、絶縁層45が設けられている。絶縁層45としては、例えばSiO2が用いられる。
また、第2の電極層44は、複数の開口部(本実施形態では、6つの開口部)を有している。この開口部は、第2の電極層44の下の空洞13を形成する際に、第2の電極層44の下に設けられた犠牲層を除去するために設けられている。すなわち、第2の電極層44の下の犠牲層の主要部分は、開口部を利用してエッチングされる。なお、この開口部は、可変容量40の動作には特に関係がなく、空洞13を形成する際に第2の電極層44の下の犠牲層が除去できるのであれば特に必要ない。
第2の電極層44はこのように複数の層から構成されているため、反りが生じやすい。そこで、第2の電極層44上に凹凸を調整するための調整層46をつけ、第2の電極層44の反りを調整する。第2の電極層44上には、凹凸を調整するための複数の調整層46が部分的に設けられている。調整層46は、例えばタイル状を有している。もちろん、調整層46は、第1の実施形態で説明した他の平面パターンであってもよい。
本実施形態では、第2の電極層44は、上側に反る。よって、調整層46としては、残留応力が第2の電極層44の残留応力より相対的に小さいものを用いる。例えば、調整層46としては、絶縁層からなるパシベーション層を用いる。これにより、調整層46が設けられている第2の電極層44のセグメントは、反りの向きが反転する。すなわち、調整層46が設けられている第2の電極層44のセグメントは凸状、調整層46が設けられていない第2の電極層44のセグメントは凹状になる。このようにして、空洞13上に設けられた第2の電極層44の反りを低減することができる。
次に、可変容量40の動作について説明する。まず、アクチュエータ21の非可動時について説明する。アクチュエータ21の下部電極層22に印加される電圧V1および上部電極層24に印加される電圧V2がそれぞれ例えば接地電位(0V)のとき、アクチュエータ21は可動せず、図22に示すような状態のままである。この図22の状態のとき、可変容量40の容量値Cvは最も小さくなる。
次に、アクチュエータ21の可動時について説明する。アクチュエータ21の下部電極層22の電圧V1を例えば接地電位(0V)とし、上部電極層24の電圧V2を0Vから例えば3Vに上げると、アクチュエータ21の圧電層23が横方向に収縮する。この結果、アクチュエータ21の先端が下方向に動くことで、可変容量40の第1の電極層42と第2の電極層44との間の距離が小さくなる。アクチュエータ21が可動して第2の電極層44と絶縁層43とが接触した場合に、可変容量40の容量値Cvは最も大きくなる。
このように、アクチュエータ21の下部電極層22および上部電極層24に印加する電圧V1,V2を設定することでアクチュエータ21を可動させ、その結果、可変容量40の2つの電極層間の距離が変化することで可変容量40の容量値Cvを変化させることができる。
なお、本実施形態では、可変容量40の第1の電極層42が図24乃至図26に示すように、電気的に分離された2つの電極層42A,42Bにより構成されている。そして、可変容量40の第2の電極層44は、フローティング状態に設定される。
この場合、第1の電極層42Aと第2の電極層44とを含んで可変容量40A(容量値Cva)が構成され、第1の電極層42Bと第2の電極層44とを含んで可変容量40B(容量値Cvb)が構成されている。そして、可変容量40Aと40Bとは直列接続された状態となる。このため、可変容量40の全体の容量値Cvは、(式5)のようになる。
1/Cv=1/Cva+1/Cvb …(式6)
以上詳述したように本実施形態によれば、可変容量を構成するアクチュエータ21の反りを調整することができる。また、アクチュエータ21に接続される第2の電極層44の反りを調整することができる。これにより、アクチュエータ21および第2の電極層44が実質的に平坦で、かつ高精度な可変容量を形成することができる。
以上詳述したように本実施形態によれば、可変容量を構成するアクチュエータ21の反りを調整することができる。また、アクチュエータ21に接続される第2の電極層44の反りを調整することができる。これにより、アクチュエータ21および第2の電極層44が実質的に平坦で、かつ高精度な可変容量を形成することができる。
なお、可変容量の第1の電極層は、2つに分離されていないくてもよい。第1の電極層が一層で構成されている場合でも本実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、この場合は、第2の電極層44に配線を接続することが必要となる。
(第6の実施形態)
第6の実施形態は、同一基板上に高さの異なる2つの素子(インダクタと可変容量)を形成するようにしたものである。
第6の実施形態は、同一基板上に高さの異なる2つの素子(インダクタと可変容量)を形成するようにしたものである。
図27は、本発明の第6の実施形態に係る半導体装置の平面図である。図28は、図27に示したXXVIII−XXVIII線に沿った半導体装置の断面図である。図29は、図27に示したXXIX−XXIX線に沿った半導体装置の断面図である。なお、可変容量40の構成は、第5の実施形態と同じである。また、アクチュエータ21の基板11からの高さをH1とする。アクチュエータ21の高さH1は、アンカー12の膜厚と同じである。
空洞13およびアンカー12上には、インダクタ50が設けられている。インダクタ50の平面形状は、スパイラル形状であってもよいし、四角形状、円形状或いはミアンダ(meander)形状等であってもよい。本実施形態では、スパイラル形状を一例として示している。インダクタ50の両端は、アンカー12上に設けられている。
以下に、インダクタ50の具体的な構成について説明する。アンカー12および空洞13上には、空洞13を跨ぐように絶縁層51が設けられている。すなわち、絶縁層51の両端は、アンカー12上に設けられている。絶縁層51としては、SiO2等が用いられる。
絶縁層51上には、金属層52A,52Bが設けられている。金属層52Aの一端は、アンカー12の上方に設けられている。金属層52Bの一端は、アンカー12の上方に設けられている。金属層52A,52Bとしては、引っ張り応力を有するAl等が用いられる。
絶縁層51内には、金属層52Aと52Bとの他端を接続するための金属層53が設けられている。金属層52A,52Bと金属層53とはそれぞれ、コンタクトプラグを介して接続されている。
また、インダクタ50は、インダクタ部50Aと、このインダクタ部50Aを両側から支える2つの支持部50B,50Cとから構成されている。インダクタ部50Aは、インダクタ50のうちスパイラル形状を有した部分に相当する。支持部50B,50Cのアンカー12側の高さH1は、アンカー12の膜厚と同じである。換言すると、高さH1は、空洞13を形成するための犠牲層の膜厚と同じである。
ところで、インダクタ部50Aに含まれる金属層52A,52B上には、複数の調整層55が設けられている。絶縁層51と金属層52A,52Bとからなる梁は、上側に反る。よって、調整層55としては、残留応力が梁の残留応力より相対的に小さいものを用いる。例えば、調整層55としては、圧縮応力を有するSiO2等が用いられる。これにより、調整層55が設けられている梁の部分は、反りの向きが反転する。すなわち、調整層55が設けられている梁のセグメントは凸状、調整層55が設けられていない梁のセグメントは凹状になる。これにより、インダクタ部50Aを実質的に平坦にすることができる。
さらに、支持部50Bに含まれる金属層52A上には、調整層54Aが設けられている。調整層54Aとしては、圧縮応力を有するSiO2等が用いられる。これにより、支持部50Bは、1つの凹部と1つの凸部とから構成される。そして、梁が反ることを利用しかつ凹部と凸部とのそれぞれの長さを調整することで、インダクタ部50Aの高さH2を任意の高さにすることができる。同様に、調整層54Bを用いてインダクタ部50Aの高さH2を任意の高さにすることができる。
また、梁が下側に反る場合は、調整層54A,54Bとして引っ張り応力を有するものを用いることで、凹部と凸部とからなる支持部50B,50Cを形成すればよい。
以上詳述したように本実施形態によれば、梁の反りを利用して任意の位置の空洞の高さを調整することができる。すなわち、インダクタ部50Aの下の空洞高さH2を、犠牲層の高さ(厚さ)H1よりも高くすることができる。
例えば、高さH2を10μm以上、望ましくは30μmとすることにより、基板11上に生成される渦電流の量を削減でき、インダクタのロスを低減させることができる。これにより、インダクタ50の特性を向上させることができる。一方、可変容量は、空洞高さH1を1μm程度にする。このように、本発明の反り制御方法を利用することにより、複数の空洞高さを簡単なプロセスで実現できる。
また、膜厚が厚い犠牲層を除去するには時間がかかる。本実施形態では、高さH1の空洞を形成した後に任意の部分の空洞の高さを調整している。よって、犠牲層の量を低減することができるため、犠牲層を除去する時間を低減することができる。この結果、製造コストを削減することができる。
また、上記各実施形態において、梁の反りを調整するための調整層を梁の上に設けるようにしている。しかし、これに限定されず、製造工程上問題がなければ、梁の下に調整層を設けるようにしてもよい。
なお、上記各実施形態では片持ち梁について説明したが、もちろん両持ち梁に対して上記各実施形態を適用した場合でも同様の効果を得ることができる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
11…基板、12…アンカー、13…空洞、14…第1の層、15…第2の層、16…片持ち梁、17…調整層、18…調整層、21…アクチュエータ、22…下部電極層、23…圧電層、24…上部電極層、25…絶縁層、26…下部絶縁層、27…上部絶縁層、28,46,54A,54B,55,…調整層、29,30…配線層、29A,30A…コンタクト層、31…ダミー配線層、31A…ダミーコンタクト層、40…可変容量、41,43,45,51…絶縁層、42…第1の電極層、44…第2の電極層、50…インダクタ、52A,52B,53…金属層。
Claims (5)
- 基板と、
前記基板上に設けられたアンカーおよび空洞と、
前記アンカーおよび前記空洞上に設けられ、かつ第1の方向に延在し、かつ凸状に反るような応力勾配を有する複数の凸部と凹状に反るような応力勾配を有する複数の凹部とを含む梁構造と
を具備し、
前記複数の凸部と前記複数の凹部とは、交互に繰り返されることを特徴とする梁構造を有する装置。 - 前記梁構造のうち少なくとも交互に繰り返されている部分は、前記複数の凸部と前記複数の凹部との長さの比を一定に保つことにより、前記基板に対して略平行であることを特徴とする請求項1に記載の梁構造を有する装置。
- 基板と、
前記基板上に設けられたアンカーおよび空洞と、
前記アンカーおよび前記空洞上に設けられ、かつ第1の方向に延在し、かつ延在部と支持部とを含む梁構造と
を具備し、
前記支持部は、凸状に反るような応力勾配を有する第1の凸部と、凹状に反るような応力勾配を有する第1の凹部とを含み、かつ前記延在部を前記アンカーの高さと異なる高さにすることを特徴とする梁構造を有する装置。 - 前記延在部は、凸状に反るような応力勾配を有する第2の凸部と、凹状に反るような応力勾配を有する第2の凹部とを含み、
前記支持部の前記第1の凸部および前記第1の凹部からなる1単位分の長さは、前記延在部の前記第2の凸部および前記第2の凹部からなる1単位分の長さよりも大きいことを特徴とする請求項3に記載の梁構造を有する装置。 - 基板と、
前記基板上に設けられたアンカーおよび空洞と、
前記アンカーおよび前記空洞上に設けられ、かつ第1の方向に延在するアクチュエータと、
前記アクチュエータ上に部分的に設けられ、かつ前記アクチュエータの反りを調整する複数の第1の調整層と
を具備することを特徴とする半導体装置。
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