JP2014203844A - Ｍｅｍｓ装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可変容量キャパシタやスイッチ等で優れた特性を有する。【解決手段】ＭＥＭＳ装置であって、支持基板１０上に設けられた第１の電極２１と、第１の電極２１上に、少なくとも一つの端部が第１の電極２１と重なるように該第１の電極２１に対向配置され、且つ第１の電極２１との対向方向に可動可能に設けられた第２の電極２２と、支持基板１０上に設けられ、第２の電極２２を弾性的に支持する梁部２３と、を具備している。そして、第２の電極２２の端部と対向する領域の第１の電極２１の上面の高さを、第２の電極２２の中央部と対向する領域の第１の電極２１の上面の高さよりも低くしている。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、ＭＥＭＳ装置及びその製造方法に関する。

可動電極と固定電極で形成されたＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）デバイスは、低損失、高絶縁性、高線形性の特徴を有し、次世代の携帯電話のキーデバイスとして注目されている。さらに、このようなＭＥＭＳの特長を生かし、静電容量を可変できるＭＥＭＳキャパシタが提案されている。

しかし、この種のＭＥＭＳキャパシタにおいては、所望の容量が得られない云う問題が発生している。また、ＭＥＭＳスイッチの場合は、十分な信頼性を得られないという問題が発生している。

特開２０１１−６６１５０号公報 特開２０１２−１９６０４１号公報

発明が解決しようとする課題は、可変容量キャパシタやスイッチ等で優れた特性を有するＭＥＭＳ装置及びその製造方法を提供することである。

実施形態のＭＥＭＳ装置は、支持基板上に設けられた第１の電極と、前記第１の電極上に、少なくとも一つの端部が前記第１の電極と重なるように該第１の電極に対向配置され、且つ前記第１の電極との対向方向に可動可能に設けられた第２の電極と、前記支持基板上に設けられ、前記第２の電極を弾性的に支持する梁部と、を具備している。そして、前記第２の電極の端部と対向する領域の前記第１の電極の上面の高さを、前記第２の電極の中央部と対向する領域の前記第１の電極の上面の高さよりも低くしている。

第１の実施形態に係わるＭＥＭＳ装置の概略構成を示す平面図。 図１の矢視Ａ−Ａ’断面図及び矢視Ｂ−Ｂ’断面拡大図。 第１の実施形態のＭＥＭＳ装置の製造工程を示す断面図。 上部電極と下部電極との重なり状態の一例を示す平面図。 上部電極と下部電極との重なり状態の他の例を示す平面図。 第２の実施形態に係わるＭＥＭＳ装置の要部構成を示す断面図。 第３の実施形態に係わるＭＥＭＳ装置の要部構成を示す断面図。 第３の実施形態に係わるＭＥＭＳ装置の要部構成を示す断面図。 変形例に係わるＭＥＭＳ装置の要部構成を示す断面図。 変形例に係わるＭＥＭＳ装置の要部構成を示す断面図。 変形例に係わるＭＥＭＳ装置の要部構成を示す断面図。

以下、実施形態のＭＥＭＳ装置を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１及び図２は第１の実施形態に係わるＭＥＭＳ装置の概略構成を説明するためのもので、図１は平面図、図２（ａ）は図１の矢視Ａ−Ａ’断面図、図２（ｂ）は図１の矢視Ｂ−Ｂ’断面拡大図である。また、本実施形態は、上下電極間に電圧を印加して静電力で駆動させる方式である。

図中の１０は、Ｓｉ基板１１上にシリコン酸化膜等の絶縁膜１２を形成した支持基板であり、この基板１０には、ロジック回路や記憶回路を構成する電界効果トランジスタなどの素子が設けられていても良い。

支持基板１０上に、固定電極としての下部電極（第１の電極）２１が形成されている。下部電極２１は、例えば長方形に形成され、例えばアルミニウム（Ａｌ）又はＡｌを主成分とする合金で構成されている。下部電極２１の構成材料は、必ずしもこれらに限らず、銅（Ｃｕ）、又は白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）等であっても良い。

また、下部電極２１と支持基板１０との間に、後述する上部電極のパターンに応じてシリコン窒化膜からなるバンプ層３２が形成されている。即ち、バンプ層３２は、上部電極の端部下を除く領域に形成されている。そして、このバンプ層３２の存在により、下部電極２１の上面には凹部２１ａが形成されている。凹部２１ａの深さは、ＭＥＭＳを駆動させ上部電極２２を下部電極２１に接触させた時に、上部電極２２のエッジ部分が下部電極２１の平坦部分よりも先に下部電極２１に接触しない深さに設定されている。

下部電極２１の表面を覆うように、例えばシリコン窒化膜からなる厚さ１００ｎｍのキャパシタ絶縁膜３１が形成されている。キャパシタ絶縁膜３１の材料としては、シリコン窒化膜に限らず、ＳｉＯｘやＳｉＮよりも高誘電率を有する High-k 膜を用いても良い。

下部電極２１の上方に該電極２１に対向するように、可動電極としての上部電極（第２の電極）２２が配置されている。上部電極２２は、下部電極２１よりも大きな長方形であり、一部が下部電極２１にオーバーラップするように形成されている。上部電極２２は、例えばＡｌ，Ａｌ合金，Ｃｕ，Ａｕ，又はＰｔ等の延性材料で形成されている。但し、必ずしも延性材料に限らず、タングステン（Ｗ）等の脆性材料で形成されていても良い。

上部電極２２の端部は、図２（ｂ）に示すように、例えば後述するプロセスに起因して下側に湾曲している。そして、湾曲した端部エッジが下部電極２１の凹部２１ａに位置するようになっている。

なお、図面において、下部電極２１及び上部電極２２の平面における形状は長方形であるが、これに限らず正方形、円形、又は楕円形であっても良い。

上部電極２２の一部は、第１バネ部（梁部）２３により支持基板１０上に設けたアンカー部２４に固定されている。これらの第１バネ部２３及びアンカー部２４は、複数箇所（例えば４箇所）に設けられている。第１バネ部２３は、例えばシリコン窒化膜からなり、メアンダ形状に形成されて弾性を有している。このバネ部２３により上部電極２２が上下方向に可動可能となっている。

また、上部電極２２の一部は、導電性の第２バネ部２５により基板１０上に設けたアンカー部２６に接続されている。さらに、第２のバネ部２５は、上部電極２２の一部が延びて、上部電極２２と一体的に形成されていても良い。第２バネ部２５は、上部電極２２と導通を取るためのものであり、極めて細いＡｌ等の弾性材料で形成されている。

なお、図には示さないが、上部電極２２及びバネ部２３，２５の可動空間を覆うようにドーム層が形成されていても良い。

このように本実施形態では、上部電極２２の端部が下部電極２１上に位置する部分において、下部電極２１の表面に凹部２１ａが形成されているので、上部電極２２の端部に湾曲が生じても、この端部が下部電極２１に先に接触することはない。

ここで、ＭＥＭＳキャパシタにおいて所望の容量が得られず、優れた特性が得られないない理由は、次のように推察される。

ＭＥＭＳキャパシタでは、上部電極（可動電極）が平坦に形成されない場合がある。例えば、上部電極の周りに中空を確保するための犠牲層の塗布、キュア、除去のプロセスに起因して、上部電極の端部が下側に湾曲する。そのため、上下電極間に電圧を印加して駆動させた時に上部電極の湾曲したエッジ部分が先に下部電極に接触し、上部電極の平面部分と下部電極との間には空気層が発生する。

この場合、上部電極と下部電極（及び下部電極上に形成した絶縁膜）からなるキャパシタにおいて十分な容量が得られない。さらに、上部電極と下部電極とを十分に密着させるためには電極間に印加する電圧を高くする必要があり、即ち容量が十分に飽和するには高い電圧を必要とするという問題も存在する。

また、ＭＥＭＳスイッチの場合は、上部電極のエッジ部分が先に下部電極に接触するため、電極エッジ部分での電界集中が生じ、信頼性が低下する問題が発生する。

これに対し本実施形態のように、下部電極２１の表面に凹部２１ａを形成しておけば、上部電極２２の端部に湾曲が生じても、この端部が下部電極２１に先に接触することはない。従って、上部電極２２の端部が下側に湾曲している場合においても、上部電極端部が先行して下部電極２１に接触するのを未然に防止できることになる。

次に、本実施形態のＭＥＭＳ装置の製造方法を、図３を参照して説明する。図３は、前記図１の矢視Ｂ−Ｂ’断面に相当している。

まず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ等の基板１１上に絶縁膜１２を形成した支持基板１０上に、下部電極に段差を形成するためのバンプ層３２を形成する。バンプ層３２の形成方法は、下地のシリコン絶縁膜１２上にシリコン窒化膜を全面に形成し、例えばレジストパターニングとドライエッチングにより加工することで形成される。このときのシリコン窒化膜の膜厚は、下部電極２１の上面に形成する段差におおよそ相当する。

より具体的には、後述する犠牲層を除去した後の変形した上部電極２２のエッジ部分が接触しないだけの高さがあればよく、その後に形成する犠牲層の平坦性を劣化させない高さである必要がある。例えば、１００ｎｍ〜４００ｎｍ程度である。但し、この値は犠牲層の膜厚や、上部電極の膜厚によるもので、あくまで一例である。

また、バンプ層３２のパターン、即ち下部電極２１の凸部となる箇所は上部電極２１のエッジに対応する部分を除いた箇所の全て又は一部となる。但し、下部電極２１は１μｍ程度の厚さを持つのであれば、下部電極２１の成膜法にもよるが、等方的に形成されるのであれば、バンプ層３２の凹凸と下部電極２１の凹凸のズレが膜厚分あるので、その膜厚分は変換差として余裕を持ってパターニングを行う必要がある。また、凹部の領域は上部電極２２の湾曲領域の幅に対応するので、上部の電極端から数μｍの領域が必要になることもある。

バンプ層３２の材料は絶縁膜でなく、導電性の材料でもよい。また、バンプ層３２の形成方法として、感光性を持つ材料でパターニングしてもよい。さらに、支持基板１０上に選択ＣＶＤ法でバンプ層３２を形成しても良い。例えば、支持基板１０上にＳｉを選択的に形成し、ＷＦ₆ でＣＶＤを行うとＳｉを触媒として選択的にＷが成長する。これをバンプ層３２として用いることも可能である。

次いで、下部電極及びこれに繋がる配線等を構成する電極材料（例えばＡｌ合金）を全面に形成し、パターニングすることにより下部電極２１を形成する。パターニング方法は、例えばレジストによる転写と異方性エッチングによる電極材料の加工で行うことができる。このとき、下部電極２１の下層に形成されたバンプ層３２により下部電極２１の上面には対応した凹凸が形成されている。即ち、上部電極２１の端部下に位置する領域に凹部２１ａが形成されている。なお、前記アンカー部２４，２６は下部電極２１と同時に形成することができる。

次いで、図３（ｂ）に示すように、キャパシタの絶縁体となる絶縁膜（例えばシリコン窒化膜）３１を、下部電極２１の露出表面を覆うように形成する。その後、下部電極２１と上部電極（信号線用と駆動線用）２２との間を中空にするために、ポリイミド等の有機樹脂からなる第１の犠牲層４１を全面に塗布形成する。このとき、先に形成した下部電極２１の上面の凹凸（段差）はさほど大きくなく、更に有機樹脂は流動性があるため、犠牲層４１の上面はほぼ平坦に形成される。

続いて、図には示さないが、上部電極の位置決めを行うためのアンカー部分などを形成するために、犠牲層４１のパターニングを行う。犠牲層４１のパターニングは、例えばレジストによる転写とエッチングにより行われる。必要に応じてキュア処理を行う。

次いで、図３（ｃ）に示すように、上部電極材料を形成し、パターニングによって例えば上部電極２２及び図示しない駆動電極、バイアス線、更には第２バネ部２５等を形成する。このとき、上部電極２２の裏面で直下の下部電極２１と対向する箇所は平坦となっている。

次いで、図には示さないが、上部電極２２を支持する第１バネ部２３を形成する。例えば、上部電極２２及びアンカー部２４を覆うように犠牲層４１上にシリコン窒化膜を形成した後、このシリコン窒化膜を上部電極２２からアンカー部２４に渡って残すようにパターニングする。なお、第１バネ部２３は、上部電極２２と同時に形成することも可能である。

次いで、図３（ｄ）に示すように、薄膜ドームとの中空部を形成するために第２の犠牲層４２を形成する。第１の犠牲層４１と同様に塗布とパターニングを行った後、キュアを行う。このとき、第２の犠牲層４２が収縮し、その力で上部電極２２の端部を下側に湾曲させる。この湾曲量（変形量）は第２の犠牲層４２の厚さ・収縮率・キュア条件、上部電極２２の厚さ・剛性・パターン等に依存する。

これ以降は、ドームを形成する膜を全面に堆積し、パターニングにより犠牲層４１，４２の除去用のパターニング等を行う。そして、犠牲層４１，４２を除去することにより、上部電極２２が中空に支持された構造を形成することができる。

なお、上部電極２２と下部電極２１との重なり状態には種々のバリエーションがある。図４（ａ）は前記図１に示したように、上部電極２２の一方の端部が下部電極２１に重なっている状態である。この場合、先に説明したように、上部電極２２の一方の端部に対応する下部電極２１の部分に凹部２１ａ（太線破線）を形成すればよい。

図４（ｂ）は、上部電極２２の両方の端部が下部電極２１に重なっている状態である。この場合、上部電極２２の両方の端部において、下部電極２１に凹部２１ａを形成すればよい。

また、図５は、上部電極２２の４辺の全てが下部電極２１に重なっている場合である。この場合、上部電極２２の全ての辺に対して、下部電極２１に凹部２１ａを形成すればよい。

このように本実施形態によれば、上部電極２２のパターンに応じて支持基板１０上にバンプ層３２を設けることにより、上部電極２２の端部が下部電極２１上に位置する部分において、下部電極２１に凹部２１ａを形成している。このため、下部電極２１とキャパシタ等を形成する上部電極２２の端部が下部電極２２側に変形したとしても、上部電極２１の端部が先行して下部電極２２に接触するのを回避することができる。従って、上部電極２１と下部電極２２との間に空気層が形成されるのを未然に防止することができ、静電容量が設計値よりも低下することはない。つまり、可変容量キャパシタおいて優れた容量特性を有することになる。

また、印加電圧の変動によって容量値が変わるといったバラツキが抑えられるので、製品歩留まりが向上するといった利点もある。また、スイッチに適用した場合は、電極エッジ部分での電界集中を防ぐことができ、高信頼性を得ることができる。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係わるＭＥＭＳ装置の要部構成を示す断面図である。なお、図１及び図２と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、バンプ層を設ける代わりに支持基板の表面に凹凸を設けたことにある。即ち、支持基板１０の絶縁膜１２の表面に上部電極２１の端部に対応して凹部１２ａが形成されている。

具体的には、まず、支持基板１０の絶縁膜１２の表面に、下部電極２１に段差を形成するためのバンプ構造を形成する。バンプ構造の形成方法は、レジストパターニングとエッチングにより絶縁膜１２の表面を加工する。エッチングは、例えばドライエッチング又はウェットエッチングにより行うことができる。次いで、レジストを除去した後、下部電極２１を形成することで、上面に凹凸部を持つ下部電極２１を形成することができた。絶縁膜１２を加工する段差の深さ、パターンは第１の実施形態で形成したバンプ層３２と同等になる。この後の工程は、先の第１の実施形態と同じとなる。

このように本実施形態では、支持基板１０の絶縁膜１２の表面にバンプ構造を形成するための凹部１２ａを形成しているので、固の凹部１２ａに対応して下部電極２１の表面に凹部２１ａが形成される。このため、下部電極２２とキャパシタ等を形成する上部電極２１の端部が下部電極２２側に変形したとしても、上部電極２１の端部の接触を回避することができる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（第３の実施形態）
図７及び図８は、第３の実施形態に係わるＭＥＭＳ装置の要部構成を示す断面図である。なお、図１及び図２と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態が先の第１の実施形態と異なる点は、バンプ層を設けることなく、下部電極２１の表面にエッチング等による凹凸を設けたことにある。

具体的には、まず、支持基板１０上に下部電極２１を形成した後に、下部電極２１の上面に凹凸部を設ける。その方法の一つは、図７に示すように、例えば下部電極２１を、下層膜５１と上層膜５２の２層で形成した後、上層膜５２をパターニングとエッチングで除去することで形成できる。具体的には、膜厚の厚い下層膜５１上に凹部２１ａの深さに相当する薄い上層膜５２を形成しておき、凹部形成位置でこの上層膜５２をＲＩＥ等でエッチングすれば良い。

他の方法としては、図８に示すように、下部電極２１上にレジストパターニングを行って、エッチングにより下部電極２１の上面に凹凸に形成する。凹凸の形成と下部電極自体のパターニングはどちらが先になっても構わない。また、例えばエッチング後に更にカバー膜を形成しても構わない。これ以降は、第１の実施形態と同様にすればよい。

このように本実施形態によれば、下部電極２１自体の表面に凹凸加工を施し、上部電極２２の端部に対応する箇所に凹部２１ａを形成しているので、上部電極２１の端部の接触を回避することができる。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。

図９に示すように、第２及び第３の実施形態を組み合わせ、バンプ層３２の形成と下部電極２１の表面加工との両方を行うようにしても良い。さらに、図１０及び図１１に示すように、上部電極２２の両方の端部が下部電極２１と重なる場合は、両方の端部に対応して下部電極２１に凹部２１ａを形成すればよい。ここで、図１０の左側では、上部電極２２に対する下部電極２１のはみ出し量が少ないために、凹部２１ａではなく、下部電極２２の端部まで低くした段差部２１ｂとしている。このように、下部電極２１の上部電極２２の端部と対向する領域は、必ずしも凹部に限定されず、表面の高さが中央部よりも低くなるような段差部であってもよい。図１１では、端部に対応する部分の両方を凹部２１ａにしている。段差部２１ｂよりも凹部２１ａの方が上部電極２１を形成する前の犠牲層の平坦化に有効である。

支持基板は、Ｓｉ基板上にシリコン酸化膜を形成したものに限らず、ガラス等の絶縁基板を用いることも可能である。上部電極の梁部は必ずしも上部電極と異なる材料で形成することに限らず、上部電極と同じ材料で同時に形成することも可能である。

実施形態は、上下電極間に電圧を印加して静電力で駆動させる方式であるが、電極を積層の異種金属で形成してその圧電力で駆動する方式のＭＥＭＳ構造体にも適用できる。

実施形態ではＭＥＭＳキャパシタの例で説明したが、ＭＥＭＳスイッチでも適用可能である。この場合、下部電極上に形成するキャパシタ絶縁膜の一部、例えば上部信号電極と接触する箇所をパターニングとエッチングにより除去することで下部電極表面を露出させる。これにより、上部電極と下部電極によるスイッチが形成され、上下駆動電極により電極が駆動することによりスイッチが動作する。

実施形態では、下部電極と上部電極の２つの電極を用いた例で説明したが、３つ以上の電極（例えば固定した上部電極と固定した下部電極と可動する中間電極）で構成されたＭＥＭＳにも適用可能である。更に、電極の大きさは必要な静電容量により自由に設計できる。

また、下部電極の下地にバンプ層が無い構成においても、選択ＣＶＤ法を用い、下部電極の形成速度を変えて膜厚に高さの変化を付けることも可能である。例えば、支持基板の表面にＳｉを選択的に形成又は露出させておき、原料ガスとしてＷＦ₆ を用いてＣＶＤを行うことにより、Ｓｉを触媒として選択的にＷを成長させることができる。

本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…支持基板
１１…Ｓｉ基板
１２…絶縁膜
１２ａ，２１ａ…凹部
３１…シリコン窒化膜（キャパシタ絶縁膜）
３２…シリコン窒化膜（バンプ層）
２１…下部電極（第１の電極）
２１ｂ…段差部
２２…上部電極（第２の電極）
２３…第１バネ部（梁部）
２５…第２バネ部
２４，２６…アンカー部
４１…第１の犠牲層
４２…第２の犠牲層
５１…下層膜
５２…上層膜

Claims (8)

1. 支持基板上に設けられた第１の電極と、
   前記第１の電極上に、少なくとも一つの端部が前記第１の電極と重なるように該第１の電極に対向配置され、且つ前記第１の電極との対向方向に可動可能に設けられた第２の電極と、
   前記支持基板上に設けられ、前記第２の電極を弾性的に支持する梁部と、
   を具備し、
   前記第２の電極の端部は下側に湾曲しており、
   前記第２の電極の端部と対向する領域の前記第１の電極の上面の高さを、前記第２の電極の中央部と対向する領域の前記第１の電極の上面の高さよりも低くするように、前記第２の電極の端部と前記第１の電極とが重なる領域の前記第１の電極の表面に凹部が形成されていることを特徴とするＭＥＭＳ装置。
2. 支持基板上に設けられた第１の電極と、
   前記第１の電極上に、少なくとも一つの端部が前記第１の電極と重なるように該第１の電極に対向配置され、且つ前記第１の電極との対向方向に可動可能に設けられた第２の電極と、
   前記支持基板上に設けられ、前記第２の電極を弾性的に支持する梁部と、
   を具備し、
   前記第２の電極の端部と対向する領域の前記第１の電極の上面の高さを、前記第２の電極の中央部と対向する領域の前記第１の電極の上面の高さよりも低くしてなることを特徴とするＭＥＭＳ装置。
3. 前記第２の電極の端部と前記第１の電極とが重なる領域の前記第１の電極の表面に凹部が形成されていることを特徴とする請求項２記載のＭＥＭＳ装置。
4. 前記支持基板と前記第１の電極との間に、前記第１の電極の表面に段差を設けるためのバンプ層が形成されていることを特徴とする、請求項１乃至３の何れかに記載のＭＥＭＳ装置。
5. 前記支持基板の表面上に、前記第１の電極の表面に段差を設けるための段差が形成されていることを特徴とする、請求項１乃至３の何れかに記載のＭＥＭＳ装置。
6. 前記第１の電極は、前記支持基板上に形成された下層膜と該下層膜上に積層された上層膜の２層で形成され、前記上層膜は、前記第２の電極の端部と前記第１の電極とが重なる領域以外に形成されていることを特徴とする、請求項１乃至３の何れかに記載のＭＥＭＳ装置。
7. 前記第２の電極の端部は下側に湾曲していることを特徴とする請求項２乃至６の何れかに記載のＭＥＭＳ装置。
8. 支持基板上に、表面の一部に凹部を有する第１の電極を形成する工程と、
   前記第１の電極を覆うように犠牲層を形成する工程と、
   前記犠牲層上に、少なくとも一つの端部が前記第１の電極と重なる領域が前記第１の電極の凹部と一致するように第２の電極を形成する工程と、
   前記第２の電極を形成した後に、前記犠牲層を除去する工程と、
   を含むことを特徴とするＭＥＭＳ装置の製造方法。

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