JP2013211650A - Ｍｅｍｓ振動子およびｍｅｍｓ振動子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＥＭＳ振動子のビーム部とアンカー部を連結する連結部の機械的振動を抑制し、ＭＥＭＳ振動子のＱファクターを向上させる。
【解決手段】基板５００と、基板５００の上方に形成される第１電極１０と、基板５００の上方に形成されたアンカー部２１、第１電極１０の上方に配置されたビーム部２２、および基板５００の上方に立ち上がりアンカー部２１とビーム部２２とを連結する連結部２３と、を有する第２電極２０と、を含み、連結部２３と基板５００との間に連結部２３を支持するサイドウォール部２４が備えられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ振動子の構造、および、その製造方法に関するものである。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）は、例えば高周波（ＲＦ：Radio Frequency）アプリケーション等に利用され、低コスト・低消費電力な部品を提供するための有望な技術手段の１つであり、ＭＥＭＳデバイスの微細化と集積化は、従来の高周波システムにおいて受動素子が占有する面積を低減するのに有用である。

このような状況において、いわゆるＭＥＭＳ振動子が開発されており、これは、容量結合された２つの電極を含む。この電極は、電気信号に応じて可動するビーム部を含むものであり、ＭＥＭＳ振動子の共振信号は、ビーム部の機械的共振周波数に応じて発生するものである。電気信号を電極に印加すると、ＭＥＭＳ振動子は、その機械的共振周波数で振動を開始し、共振信号を発生する。

従来技術におけるＭＥＭＳ振動子の１つの例として、図９及び図１０にフラップ振動子、またはマイクロフラップ振動子の例を示す。図１０は図９のＸ−Ｘ断面方向にカットした断面図である。
ＭＥＭＳ振動子１００は、第１電極１０及び第２電極２０から構成されている。
第１電極１０は、基板５００に固定配置されており、第２電極２０は、基板５００に固定配置されたアンカー部２１、及び、第１電極１０にギャップ２５を介して対向配置されたビーム部２２、及びアンカー部２１とビーム部２２を結合させている連結部２３から構成されている。

このビーム部２２は、ＭＥＭＳ振動子の本来の振動部であり、ＭＥＭＳ振動子へ電気信号が印加されると、ビーム部２２の自由端がその機械的共振周波数に応じて振動方向Ａに振動する。

米国特許第６８７０４４４号明細書

しかしながら、従来構造のＭＥＭＳ振動子では、本来の振動部であるビーム部２２が振動方向Ａに振動する以外にも、連結部２３が振動方向Ｂに微小な機械的振動を発生する。このため、連結部２３で熱損失等が発生し、ＭＥＭＳ振動子のＱファクター（Ｑ値）を低下させるという課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係るＭＥＭＳ振動子は、基板と、前記基板の上方に形成される第１電極と、前記基板の上方に形成されたアンカー部、前記第１電極の上方に配置されたビーム部、および前記基板の上方に立ち上がり前記アンカー部と前記ビーム部とを連結する連結部と、を有する第２電極と、を含み、前記連結部と前記基板との間に前記連結部を支持するサイドウォール部が備えられていることを特徴とする。

本適用例のＭＥＭＳ振動子によれば、本来の振動部であるビーム部が本来の振動方向に振動する際に、連結部がサイドウォール部によって基板に固定されているため、機械的振動を発生させず、したがって、熱損失等の発生を抑え、ＭＥＭＳ振動子のＱファクター（Ｑ値）の低下を防止する。

［適用例２］上記適用例にかかるＭＥＭＳ振動子において、前記サイドウォール部が二酸化珪素または窒化珪素で形成されていることが好ましい。

この構成によれば、一般的な半導体プロセスにおける材料を用いて上記適用例１に示す構造を容易に構成することが可能となり、半導体デバイスとＭＥＭＳデバイスを１チップに収めることが可能であり、低コスト化に寄与することができる。

［適用例３］上記適用例にかかるＭＥＭＳ振動子において、前記第１電極、および前記第２電極がポリシリコンで形成され、前記サイドウォール部が窒化珪素で形成されていることが好ましい。

この構成によれば、適用例２と同様に一般的な半導体プロセスにおける材料を用いて上記適用例１に示す構造を容易に構成することが可能となり、半導体デバイスとＭＥＭＳデバイスを１チップに収めることが可能であり、低コスト化に寄与することができる。

［適用例４］上記適用例にかかるＭＥＭＳ振動子において、前記第１電極、および前記第２電極がタングステン、チタン、またはアルミニウムで形成され、前記サイドウォール部が二酸化珪素または窒化珪素で形成されていることが好ましい。

この構成によれば、適用例２と同様に一般的な半導体プロセスにおける材料を用いて上記適用例１に示す構造を容易に構成することが可能となり、半導体デバイスとＭＥＭＳデバイスを１チップに収めることが可能であり、低コスト化に寄与することができる。

［適用例５］本適用例に係るＭＥＭＳ振動子の製造方法は、基板の上方に第１電極を形成する工程と、前記基板の上方であって前記第１電極の側面にサイドウォール部を形成する工程と、前記第１電極を覆うように犠牲層を形成する工程と、前記基板の上方に形成された支持部、前記支持部に支持されており前記第１電極の上方に配置されたビーム部、および支持部と前記ビーム部とを連結する連結部と、を有する第２電極を形成する工程と、前記犠牲層を除去する工程と、を含み、前記犠牲層を除去する工程は、前記第１電極上方の前記犠牲層を除去して、前記第１電極と前記ビーム部との間にギャップを形成するとともに、前記連結部の前記第１電極に対向する面が前記サイドウォール部で支持されることを特徴とする。

本適用例のＭＥＭＳ振動子の製造方法によれば、本来の振動部であるビーム部が本来の振動方向に振動する際に、連結部がサイドウォール部によって誘電膜に固定され、機械的振動を発生させず、したがって、熱損失等の発生を抑え、ＭＥＭＳ振動子のＱファクターの低下が防止されたＭＥＭＳ振動子の製造を実施することができる。

［適用例６］上記適用例にかかるＭＥＭＳ振動子の製造方法において、前記第１電極、前記第２電極をポリシリコンで成膜する工程と、前記サイドウォール部を窒化珪素で成膜した後に指向性のあるドライエッチングを行うことによって形成する工程と、を有することが好ましい。

この製造方法によれば、一般的な半導体プロセスのＦＥＯＬ（Front End Of Line）半導体プロセスで製造されるトランジスターと同時にＭＥＭＳデバイスを製造することが可能であり、半導体デバイスとＭＥＭＳデバイスを１チップに収め、低コスト化に寄与することができる。

［適用例７］上記適用例にかかるＭＥＭＳ振動子の製造方法において、前記第１電極、前記第２電極をタングステン、チタン、もしくはアルミニウムで成膜する工程と、前記サイドウォール部を二酸化珪素、または、窒化珪素で成膜した後に指向性のあるドライエッチングを行うことによって形成する工程と、を有することが好ましい。

この製造方法によれば、一般的な半導体プロセスのＢＥＯＬ（Back End Of Line）半導体プロセスで製造される金属配線と同時にＭＥＭＳデバイスを製造することが可能であり、半導体デバイスとＭＥＭＳデバイスを１チップに収め、低コスト化に寄与することができる。

実施形態１のＭＥＭＳ振動子の構成を示す断面図。 実施形態２のＭＥＭＳ振動子の製造工程を説明する工程図。 実施形態２のＭＥＭＳ振動子の製造工程を説明する工程図。 実施形態１における変形例１のＭＥＭＳ振動子の構成を示す平面図。 実施形態１における変形例１のＭＥＭＳ振動子の構成を示す断面図。 実施形態１における変形例２のＭＥＭＳ振動子の構成を示す平面図。 実施形態２における変形例１のＭＥＭＳ振動子の製造工程を説明する工程図。 実施形態２における変形例１のＭＥＭＳ振動子の製造工程を説明する工程図。 従来のＭＥＭＳ振動子の構成を示す平面図。 従来のＭＥＭＳ振動子の構成を示す断面図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

（実施形態１）
本実施形態は、ＭＥＭＳ振動子のひとつの形態である、いわゆるフラップ振動子またはマイクロフラップ振動子の構造に関するものである。

実施形態１におけるＭＥＭＳ振動子の構成を示す断面図を図１に示す。
実施形態１の平面図は図９に示される従来構造と同様であり、図１は図９のＸ−Ｘ断面方向にカットした断面図に相当する。
ＭＥＭＳ振動子１の基板５００上には誘電膜４００が配置されており、第１電極１０は、誘電膜４００上に固定配置されている。第２電極２０は、誘電膜４００上に固定配置されたアンカー部２１及び、第１電極１０にギャップ２５を介して対向配置されたビーム部２２、及びアンカー部２１とビーム部２２を連結させている連結部２３を備えている。そして、第２電極２０には誘電膜４００上に配置され、連結部２３を支持する第１電極１０の側方に配置されたサイドウォール部２４を有している。

本実施形態１によれば、本来の振動部であるビーム部２２が本来の振動方向Ａに振動する際に、連結部２３がサイドウォール部２４によって誘電膜４００に固定されているため、他方向への機械的振動を発生させない。したがって、熱損失等の発生を抑え、ＭＥＭＳ振動子１のＱファクターの低下を防止する。

（実施形態２）
次に、実施形態２として上記ＭＥＭＳ振動子１の製造方法について説明する。

このＭＥＭＳ振動子１の製造方法は、基板５００上に誘電膜４００を成膜する工程と、誘電膜４００上に、第１電極１０に対応する第１電極層７１０を成膜する工程と、第１電極１０上に少なくとも１つの犠牲層３０を成膜する工程と、第１電極１０の側方にサイドウォール部２４を形成する工程と、誘電膜４００、第１電極１０、犠牲層３０、及び、サイドウォール部２４の上方に、各部をまたがって、第２電極２０に対応する第２電極層７２０を成膜する工程と、これらを形成した後に、犠牲層３０を除去してギャップ２５を形成する工程を有している。この方法は標準ＣＭＯＳプロセスのＦＥＯＬ（Front End Of Line）でＭＥＭＳ振動子１を作成するのに適した方法である。

図２、図３はＭＥＭＳ振動子の製造工程を説明する工程図である。
図２（ａ）では、第１工程後に得られる断面構造を示す。第１工程では基板５００を準備し、基板５００上に誘電膜４００を成膜する。基板５００は、例えば、シリコン基板を用いることができ、誘電膜４００には、例えば、窒化珪素（ＳｉＮ）を用いることができる。

図２（ｂ）では、第２工程後に得られる断面構造を示す。第２工程では誘電膜４００上に、第１電極層７１０を成膜し、第１電極１０に対応する形状に加工する。
第１電極層７１０は、例えば、ポリシリコンを用いることができる。第１電極層７１０にポリシリコンを用いた場合には、例えば、ＣＶＤ（化学気相成長）法によって成膜を行うことが可能である。また、このポリシリコン層の抵抗を低減するため、熱拡散やイオン注入によって砒素（Ａｓ）や燐（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）などをドープすることが可能である。
このようにして、第１電極層７１０にポリシリコンを用いた場合、第１電極１０に対応する形状に加工することは、半導体の微細加工技術で一般的に広く使用されているフォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いることで容易に実現できる。

図２（ｃ）では、第３工程後に得られる断面構造を示す。第３工程では第１電極１０上に犠牲層３０を形成する。
犠牲層３０は、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）を用いることができる。第１電極層７１０を、例えば、ポリシリコンを用いて形成した場合、熱酸化によって、選択的に第１電極層７１０の表面のみに犠牲層３０を二酸化珪素（ＳｉＯ₂）によって成膜することが可能である。

図３（ａ）では、第４工程後に得られる断面構造を示す。第４工程では第１電極１０の側方にサイドウォール部２４を形成する。
サイドウォール部２４は、例えば、窒化珪素（ＳｉＮ）を用いることができる。サイドウォール部２４に窒化珪素（ＳｉＮ）を用いる場合、例えば、ＣＶＤ（化学気相成長）法によって成膜を行い、その後、指向性のあるドライエッチングを用いて選択的に窒化珪素（ＳｉＮ）のエッチングを行うことによって、犠牲層３０である二酸化珪素（ＳｉＯ₂）をエッチングせずに窒化珪素（ＳｉＮ）のサイドウォール部を形成することが可能である。

図３（ｂ）では、第５工程後に得られる断面構造を示す。第５工程では誘電膜４００、第１電極１０、犠牲層３０、及び、サイドウォール部２４の上方に、各部をまたがって、第２電極層７２０を成膜し、第２電極２０に対応する形状に加工する。
第２電極層７２０は、例えば、ポリシリコンを用いることができる。第２電極層７２０にポリシリコンを用いた場合には、例えば、ＣＶＤ（化学気相成長）法によって成膜を行うことが可能である。また、このポリシリコン層の抵抗を低減するため、熱拡散やイオン注入によって砒素（Ａｓ）や燐（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）などをドープすることが可能である。
このようにして、第２電極層７２０にポリシリコンを用いた場合、第２電極２０に対応する形状に加工することは、半導体の微細加工技術で一般的に広く使用されているフォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いることで容易に実現できる。

図３（ｃ）では、第６工程後に得られる断面構造を示す。第６工程では犠牲層３０を除去してギャップ２５を形成する。
犠牲層３０は上述したように、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）で成膜することが可能である。このように犠牲層３０を二酸化珪素（ＳｉＯ₂）で成膜した場合、例えば、フッ化水素酸（ＨＦ）を含む溶液で選択的に二酸化珪素（ＳｉＯ₂）のみをエッチングすることが可能である。

このような製造方法を用いることで、本来の振動部であるビーム部２２が本来の振動方向に振動する際に、連結部２３がサイドウォール部２４によって誘電膜４００に固定され、機械的振動が発生しない。したがって、熱損失等の発生を抑え、ＭＥＭＳ振動子１のＱファクターの低下を防止するＭＥＭＳ振動子１の製造を実施することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。

（実施形態１の変形例１）
次に実施形態１の変形例１を図４及び図５に示す。図４はＭＥＭＳ振動子の構成を示す平面図であり、図５は図４のＸ−Ｘ断面を示す断面図である。
実施形態１の変形例１は、ＭＥＭＳ振動子のひとつの形態である、いわゆるブリッジ振動子またはマイクロブリッジ振動子に関するものである。
ＭＥＭＳ振動子２は、第１電極１０と第２電極２０を備えている。基板５００上には誘電膜４００が配置されており、第１電極１０は、誘電膜４００上に固定配置されている。第２電極２０は、誘電膜４００上に固定配置されたアンカー部２１ａ，２１ｂ、及び、第１電極１０にギャップ２５を介して対向配置されたビーム部２２、及びアンカー部２１ａ，２１ｂとビーム部２２を連結させている連結部２３ａ，２３ｂを備えている。そして、第２電極２０には誘電膜４００上に配置され、且つ、連結部２３ａ，２３ｂを支持するサイドウォール部２４ａ，２４ｂを有している。

（実施形態１の変形例２）
実施形態１の変形例２の平面図を図６に示す。なお、図６では上記で説明した構成要素と同様な部材には同符号を付し説明を省略する。
ＭＥＭＳ振動子３は、第１電極１０と第２電極２０を備えている。
図６の平面図に示されるＸ−Ｘ方向にカットした断面図は図１０で示したものと同様になり、Ｙ−Ｙ方向にカットした断面図は図１で示したものと同様になる。

このように、アンカー部が単数であるか複数であるか、対称に配置されているかいないかを問わず適用できる。

（実施形態２の変形例１）
実施形態２の変形例１は、いわゆるフラップ振動子またはマイクロフラップ振動子を含むＭＥＭＳ振動子の製造方法に関するものである。この製造方法は、標準ＣＭＯＳプロセスのＢＥＯＬ（Back End Of Line）でＭＥＭＳ振動子を作成するのに適した方法である。

この方法は、基板５００上に第１誘電膜４０１を成膜する工程と、第１誘電膜４０１の上方に第２誘電膜４０２を成膜する工程と、第２誘電膜４０２の上方に、第１電極１０に対応する第１電極層７１０を成膜する工程と、第１電極１０上に少なくとも１つの犠牲層３０を成膜、パターニングする工程と、第１電極１０の側方にサイドウォール部２４を形成する工程と、第２誘電膜４０２、第１電極１０、犠牲層３０、及び、サイドウォール部２４の上方に、各部をまたがって、第２電極２０に対応する第２電極層７２０を成膜する工程と、これらを形成した後に、犠牲層３０を除去してギャップ２５を形成する工程を有している。

図７、図８はＭＥＭＳ振動子の製造方法を説明する工程図である。
図７（ａ）では、実施形態２の変形例１の第１工程後に得られる断面構造を示す。第１工程では基板５００を準備し、基板５００の上方に第１誘電膜４０１を成膜する。基板５００は、例えば、シリコン基板を用いることができ、第１誘電膜４０１には、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）を用いることができる。二酸化珪素（ＳｉＯ₂）は、例えばＣＶＤ（化学気相成長）法によって形成することができる。

図７（ｂ）では、実施形態２の変形例１の第２工程後に得られる断面構造を示す。第２工程では第１誘電膜４０１の上方に第２誘電膜４０２を成膜する。第２誘電膜４０２には、例えば、窒化珪素（ＳｉＮ）を用いることができる。窒化珪素（ＳｉＮ）は、例えばＣＶＤ（化学気相成長）法によって形成することができる。

図７（ｃ）では、実施形態２の変形例１の第３工程後に得られる断面構造を示す。第３工程では第２誘電膜４０２上に、第１電極層７１０を成膜し、第１電極１０に対応する形状に加工する。
第１電極層７１０は、例えば、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等を用いることができる。第１電極層７１０にタングステン（Ｗ）を用いた場合には、例えば、ＰＶＤ（物理気相成長）法やＣＶＤ（化学気相成長）法によって成膜を行うことが可能である。
このようにして、第１電極層７１０にタングステン（Ｗ）を用いた場合、第１電極１０に対応する形状に加工することは、半導体の微細加工技術で一般的に広く使用されているフォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いることで容易に実現できる。

図７（ｄ）では、実施形態２の変形例１の第４工程後に得られる断面構造を示す。第４工程では第１電極１０上に犠牲層３０を形成する。
犠牲層３０は、例えば、レジスト、ポリイミドなどの有機材料を用いることができる。
犠牲層３０にレジストを用いる場合、半導体の微細加工技術で一般に用いられるフォトリソグラフィー技術を用いることで成膜・加工が可能である。

図８（ａ）では、実施形態２の変形例１の第５工程後に得られる断面構造を示す。第５工程では第１電極１０の側方にサイドウォール部２４を形成する。
サイドウォール部２４は、例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ₂）や窒化珪素（ＳｉＮ）を用いることができる。サイドウォール部２４に二酸化珪素（ＳｉＯ₂）を用いる場合、例えば、ＣＶＤ（化学気相成長）法によって成膜を行い、その後、指向性のあるドライエッチングを用いて選択的に二酸化珪素（ＳｉＯ₂）のエッチングを行うことによって、犠牲層３０であるレジスト等の有機材料をエッチングせずに二酸化珪素（ＳｉＯ₂）のサイドウォール部を形成することが可能である。

図８（ｂ）では、実施形態２の変形例１の第６工程後に得られる断面構造を示す。第６工程では第２誘電膜４０２、第１電極１０、犠牲層３０、及び、サイドウォール部２４の上方に、各部をまたがって、第２電極層７２０を成膜し、第２電極２０に対応する形状に加工する。
第２電極層７２０は、例えば、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等を用いることができる。第２電極層７２０にタングステン（W）を用いた場合には、例えば、ＰＶＤ（物理気相成長）法やＣＶＤ（化学気相成長）法によって成膜を行うことが可能である。
このようにして、第２電極層７２０にタングステン（Ｗ）を用いた場合、第２電極２０に対応する形状に加工することは、半導体の微細加工技術で一般的に広く使用されているフォトリソグラフィー技術とエッチング技術を用いることで容易に実現できる。

図８（ｃ）では、実施形態２の変形例１の第７工程後に得られる断面構造を示す。第７工程では犠牲層３０を除去してギャップ２５を形成する。
犠牲層３０は上述したように、例えば、レジスト、ポリイミドなどの有機材料で成膜することが可能である。このように犠牲層３０を有機材料で成膜した場合、例えば、エタノールを含む溶液で選択的に有機材料のみをエッチングすることが可能である。

１，２，３…ＭＥＭＳ振動子、１０…第１電極、２０…第２電極、２１…第２電極のアンカー部、２２…第２電極のビーム部、２３…第２電極の連結部、２４…サイドウォール部、２５…ギャップ、３０…犠牲層、１００…ＭＥＭＳ振動子、４００…誘電膜、４０１…第１誘電膜、４０２…第２誘電膜、５００…基板、７１０…第１電極層、７２０…第２電極層。

Claims (7)

1. 基板と、
   前記基板の上方に形成される第１電極と、
   前記基板の上方に形成されたアンカー部、前記第１電極の上方に配置されたビーム部、および前記基板の上方に立ち上がり前記アンカー部と前記ビーム部とを連結する連結部と、を有する第２電極と、を含み、
   前記連結部と前記基板との間に前記連結部を支持するサイドウォール部が備えられていることを特徴とするＭＥＭＳ振動子。
2. 請求項１に記載のＭＥＭＳ振動子において、
   前記サイドウォール部が二酸化珪素または窒化珪素で形成されていることを特徴とするＭＥＭＳ振動子。
3. 請求項１に記載のＭＥＭＳ振動子において、
   前記第１電極、および前記第２電極がポリシリコンで形成され、
   前記サイドウォール部が窒化珪素で形成されていることを特徴とするＭＥＭＳ振動子。
4. 請求項１に記載のＭＥＭＳ振動子において、
   前記第１電極、および前記第２電極がタングステン、チタン、またはアルミニウムで形成され、
   前記サイドウォール部が二酸化珪素または窒化珪素で形成されていることを特徴とするＭＥＭＳ振動子。
5. 基板の上方に第１電極を形成する工程と、
   前記基板の上方であって前記第１電極の側面にサイドウォール部を形成する工程と、
   前記第１電極を覆うように犠牲層を形成する工程と、
   前記基板の上方に形成された支持部、前記支持部に支持されており前記第１電極の上方に配置されたビーム部、および支持部と前記ビーム部とを連結する連結部と、を有する第２電極を形成する工程と、
   前記犠牲層を除去する工程と、を含み、
   前記犠牲層を除去する工程は、前記第１電極上方の前記犠牲層を除去して、前記第１電極と前記ビーム部との間にギャップを形成するとともに、前記連結部の前記第１電極に対向する面が前記サイドウォール部で支持されることを特徴とするＭＥＭＳ振動子の製造方法。
6. 請求項５に記載のＭＥＭＳ振動子の製造方法において、
   前記第１電極、前記第２電極をポリシリコンで成膜する工程と、
   前記サイドウォール部を窒化珪素で成膜した後に指向性のあるドライエッチングを行うことによって形成する工程と、を有することを特徴とするＭＥＭＳ振動子の製造方法。
7. 請求項５に記載のＭＥＭＳ振動子の製造方法において、
   前記第１電極、前記第２電極をタングステン、チタン、もしくはアルミニウムで成膜する工程と、
   前記サイドウォール部を二酸化珪素、または、窒化珪素で成膜した後に指向性のあるドライエッチングを行うことによって形成する工程と、を有することを特徴とするＭＥＭＳ振動子の製造方法。

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