JP3975574B2 - モノリシックマイクロ波集積回路の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板にマイクロ波トランジスタ及びこのマイクロ波トランジスタを配線するための伝送線路等を集積して構成されたモノリシックマイクロ波集積回路の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
静電引力を利用したマイクロマシンスイッチの例として、特開平5−54782号公報、特開平6−44883号公報、特開平6−131960号公報に記載された構成がある。これら公報に記載されたマイクロマシンスイッチは、静電引力により引き寄せられる橋架状をなす可動電極と、この可動電極に対向するように設けられ静電引力発生用の電圧を印加する固定電極とから構成されている。そして、上記マイクロマシンスイッチは、可動電極と固定電極を別々に作成した後、2つの電極を貼り合わせることにより製造されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
さて、本発明者は、上記構成のマイクロマシンスイッチを、マイクロ波の回路においてスイッチングする場合に用いることを考えた。この場合、マイクロマシンスイッチを上記公報の方法で製造すると、2つの電極を組み付けるときにばらつきがかなり発生するため、製品によってはマイクロ波の損失が大きくなるという問題点があった。これに対して、2つの電極の組み付けを高精度に実行することが考えられるが、この場合には、製造コストが高くなってしまう。
【0004】
また、マイクロ波の処理回路は、MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit )で構成することが多い。このため、MMICと、上記した構成の別体のマイクロマシンスイッチとを基板上に取り付けると共に、両者の間をワイヤボンディング等を行うことにより接続する必要がある。この場合、MMIC及びマイクロマシンスイッチの取り付け位置にばらつきが発生するため、製品によってはマイクロ波の損失が大きくなるという問題点があった。この場合も、取り付けを高精度に実行することが考えられるが、やはり製造コストが高くなってしまう。
【0005】
そこで、本発明の目的は、マイクロ波のスイッチングにマイクロマシンスイッチを用いながら、マイクロ波の損失が大きくなることを防止でき、また、製造コストが高くなることを防止できるモノリシックマイクロ波集積回路の製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明においては、半導体基板にマイクロ波トランジスタの半導体素子部分を作る素子作成用工程と、前記半導体基板にマイクロ波トランジスタの電極及びマイクロマシンスイッチの固定電極を作る電極作成用工程と、前記半導体基板に前記マイクロ波トランジスタの電極及び前記マイクロマシンスイッチの固定電極を覆うように絶縁膜を形成する絶縁膜形成用工程と、前記半導体基板に前記マイクロ波トランジスタを配線するための伝送線路及び前記マイクロマシンスイッチの可動電極を同時に形成する可動電極作成用工程とを備えるように構成した。この構成によれば、マイクロマシンスイッチを半導体基板にモノリシックに集積する構成となるので、マイクロマシンスイッチの構造の精度及び配設位置の精度は、半導体プロセス技術のアライメント精度となり、十分高精度なものとなる。このため、マイクロ波のスイッチングにマイクロマシンスイッチを用いながら、マイクロ波の損失を小さくすることができる。また、上記構成の場合、モノリシックマイクロ波集積回路を製造するときの半導体プロセスにおいて、マイクロマシンスイッチを作ることが可能となるので、製造コストがほとんど高くならない。特に、可動電極と伝送線路を同時に形成したから、工程数を削減することができる。
【0010】
この場合、請求項2の発明のように、または、請求項3の発明のように構成しても、モノリシックマイクロ波集積回路を製造することが可能である。更に、請求項4の発明によれば、半導体基板にマイクロ波トランジスタを配線するための伝送線路及びマイクロマシンスイッチの可動電極を作る方法を、具体的に実現することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施例について、図1ないし図4を参照しながら説明する。まず、図1は本実施例のモノリシックマイクロ波集積回路(以下、MMICと称す)1の縦断面図である。この図1に示すように、MMIC1は、Si、GaAs、InP等からなる半導体基板2と、この半導体基板2の左端部に設けられたマイクロ波トランジスタ3と、このマイクロ波トランジスタ3を配線するための伝送線路4と、半導体基板2の右端部に設けられたマイクロマシンスイッチ5とを備えて構成されている。
【0012】
上記マイクロ波トランジスタ3は、MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor )や、HEMT(Hight Electron Mobility Transistor)や、HBT(Hetero junction Bipolor Transistor)や、Si−MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor )等のトランジスタで構成されている。このマイクロ波トランジスタ3は、半導体素子部分(図示しない)と、ソース電極6と、ドレイン電極7と、ゲート電極8とを備えている。図1においては、ソース電極6、ドレイン電極7上にそれぞれ伝送線路4、4が設けられている。
【0013】
また、マイクロマシンスイッチ5は、半導体基板2に設けられた固定電極9と、半導体基板2に固定電極9と対向するように設けられた例えば橋架状をなす可動電極10とから構成されている。この橋架状をなす可動電極10は、可動梁と呼んでも良い。尚、固定電極9の上面には、例えば窒化珪素からなる絶縁膜11が形成されている。
【0014】
上記マイクロマシンスイッチ5は、図1に示すように、固定電極9と可動電極10が対向した状態では、両電極間をマイクロ波が流れないように構成されている。そして、固定電極9と可動電極10間に電圧を印加して両電極間に静電引力を発生させることにより、可動電極10を固定電極に接近させるか、または、絶縁膜11を介して接触させるように可動電極10を変形させると、両電極間の容量が増加し、両電極間をマイクロ波が流れるように構成されている。即ち、マイクロマシンスイッチ5は、固定電極9と可動電極10間に印加する電圧を制御することにより、マイクロ波のスイッチとして機能するものである。
【0015】
尚、可動電極10を固定電極9に接近させる場合には、低周波の電圧を固定電極9と可動電極10間に印加することにより、可動電極10を振動(共振)させるように構成することが好ましい。また、固定電極9側にストッパ用の凸部を設け、この凸部に可動電極10を当接させることにより、可動電極10が固定電極9に接触しないような構成としても良い。
【0016】
次に、上記した構成のMMIC1を製造する方法について、図2ないし図4も参照して説明する。まず、半導体基板2の上面に、マイクロ波トランジスタ3の半導体素子部分(図示しない)を周知の半導体プロセス技術により作製する。続いて、図2に示すように、半導体基板2の上面に、マイクロ波トランジスタ3のソース電極6、ドレイン電極7、ゲート電極8を形成すると共に、固定電極9を形成する。
【0017】
この場合、ソース電極6、ドレイン電極7、ゲート電極8及び固定電極9が、すべて同じ材質である場合には、同時に(同じプロセスで)作製することができる。そして、ソース電極6、ドレイン電極7及びゲート電極8の材質と、固定電極9の材質が異なる場合には、ソース電極6、ドレイン電極7及びゲート電極8を作製した後、固定電極9を作製することが好ましい。また、固定電極9を作製した後、ソース電極6、ドレイン電極7及びゲート電極8を作製するように構成しても良い。
【0018】
さて、上述したように、マイクロ波トランジスタ3の電極6、7、8及びマイクロマシンスイッチ5の固定電極9を作製した後は、絶縁膜11を例えばP−CVD等の方法により半導体基板2の上面全面に形成する。これにより、マイクロ波トランジスタ3の電極6、7、8及びマイクロマシンスイッチ5の固定電極9が絶縁膜11により覆われる。
【0019】
続いて、絶縁膜11のうちのマイクロ波トランジスタ3の所定の電極(具体的には、ソース電極6及びドレイン電極7)上の部位に、コンタクトホール12、12を形成する工程を実行する。この場合、例えばCF4によるRIEや、HF水溶液によるウエットエッチング等の方法によって、上記コンタクトホール12、12を形成する。これにより、図2に示す構造が得られる。
【0020】
そして、図3に示すように、上記図2の構造上に、ホトプロセスにより下層レジスト13のレジストパターンを形成する。この下層レジストパターンは、非電解メッキ部とマイクロマシンスイッチ5の可動電極10部分に残るレジストである。上記下層レジスト13は、例えばノボラック系のポジレジストからなり、その膜厚は例えば約2μmに設定されている。続いて、半導体基板2の全面にバイアス電極14を真空蒸着等の方法により形成し、図3に示す構造を得る。上記バイアス電極14は、例えばTiとAuの2層から構成されており、その膜厚は約160nm(Tiの膜厚が約60nm、Auの膜厚が約100nm)に設定されている。このバイアス電極14は、電解メッキ用のバイアス電極である。
【0021】
更に、図4に示すように、上記図3の構造上に、ホトプロセスにより上層レジスト15のレジストパターンを形成する。この上層レジスト15は、例えばノボラック系のポジレジストからなる。続いて、バイアス電極14から給電しながら、上層レジスト15の開口部に例えばAuを電解メッキすることにより、伝送線路4及び可動電極10を同時に形成する。これにより、図4に示す構造が得られる。ここで、上記可動電極10の膜厚は約2μmに設定されている。
【0022】
次に、上層レジスト15を例えば酸素アッシング等の方法により除去する。この後、露出したバイアス電極14を例えばウエットエッチングやスパッタリング等の方法によりエッチングして除去する。更に、下層レジスト13を例えば有機溶剤による溶解及び酸素アッシング等の方法により除去する。これにより、半導体基板2にマイクロ波トランジスタ3、伝送線路4及びマイクロマシンスイッチ5等をモノリシックに集積して成るMMIC1が得られる(図1参照)。
【0023】
このような構成の本実施例によれば、固定電極9を半導体基板2に設けると共に、伝送線路4と同じ材料により形成された橋架状をなす可動電極10を半導体基板2に固定電極9と対向するように設け、可動電極10と固定電極9とからマイクロマシンスイッチ5を構成した。この構成によれば、マイクロマシンスイッチ5を半導体基板2にモノリシックに集積する構成となるので、マイクロマシンスイッチ5の構造の精度及び配設位置の精度は、半導体プロセス技術のアライメント精度となり、十分高精度なものとなる。このため、マイクロ波のスイッチングにマイクロマシンスイッチ5を用いながら、マイクロ波の損失を小さくすることができる。
【0024】
また、上記実施例の場合、モノリシックマイクロ波集積回路1を製造するときの半導体プロセスにおいて、マイクロマシンスイッチ5を作製することが可能となるので、製造コストがほとんど高くならない。特に、上記実施例では、可動電極10と伝送線路4の材質を同じ材質であるAuにしたので、両者を同じ製造工程で形成することができ、工程数を削減することができ、製造コストを低減することができる。
【0025】
尚、上記実施例では、バイアス電極14をTiとAuの2層から構成し、その下層側をTiとしたが、これは、バイアス電極14の密着性ひいては伝送線路4及びマイクロマシンスイッチ5の可動電極10の密着性を向上させるためである。また、上記実施例では、バイアス電極14の膜厚のうち、Tiの膜厚を約60nm、Auの膜厚を約100nmに設定したが、Tiの膜厚については、上記密着性を得られる範囲で、できるだけ薄く設定する構成が好ましい。Auの膜厚については、マイクロ波が流れるときの表皮深さ以上に設定する必要がある。尚、バイアス電極14の上層をAuとしている理由は、高周波の損失を低減するためであり、低抵抗でAuメッキが可能なAuを使用している。
【0026】
また、バイアス電極14は、上層レジスト15の除去時に下層レジスト13のエッチングを防ぐ機能を備える必要があるため、下層レジスト13のカバレージが可能な膜厚以上に設定する必要がある。同時に、バイアス電極14は、Auの電解メッキ時に、バイアス不良を防止する必要があるため、予め決められた所定の膜厚以上に設定する必要がある。尚、バイアス電極14においては、TiとAuの間に、両者の反応を防止するPt等のバリアメタルを挿入するように構成しても良い。
【0027】
一方、上記実施例では、可動電極10の膜厚を約2μmに設定すると共に、可動電極10の幅寸法(図1において紙面に直交する方向の寸法)を約10μmに設定した。この構成の場合、可動電極10の長さ寸法d(図1参照)については、約150nm以下に設定すれば、マイクロマシンスイッチ5として、十分に動作することを確認している。尚、上記構成の場合、可動電極10の長さ寸法dを、150nmを越えるように設定すると、可動電極10がたわんだりして対向電極9に接触したりすることがある。
【0028】
また、上記実施例では、伝送線路4及びマイクロマシンスイッチ5の可動電極10をAuの電解メッキで形成する際に、バイアス電極14の上層をAuにより構成したので、良好な膜質のAuの電解メッキ膜を形成することができる。尚、この場合、Auの電解メッキの前に、Auの無電解メッキ工程を実行するように構成しても、良好な膜質のAuの電解メッキ膜を得ることができる。
【0029】
更に、上記実施例においては、下層レジスト13を形成した後、例えばベーキングすることにより、下層レジスト13の段差部、即ち、開口部の内側壁部が斜面形状(いわゆるテーパー形状)となるように構成した。これは、上層レジスト15の除去時に下層レジスト13のエッチングを防止するためであると共に、Auの電解メッキ時にバイアス不良を防止するためである。
【0030】
尚、上記実施例では、伝送線路4及びマイクロマシンスイッチ5の可動電極10をAuで形成したが、これに限られるものではなく、例えばCuやAl等の導体で形成しても良い。また、マイクロマシンスイッチ5の可動電極10の材質と、伝送線路4の材質を異ならせるように構成しても良い。この構成の場合、マイクロマシンスイッチ5の可動電極10を形成する工程と、伝送線路4を形成する工程とが、異なる半導体プロセスとなり、工程数が1つ増えることになるが、これ意外に支障はない。
【0031】
図5は本発明の第2の実施例を示すものであり、第1の実施例と異なるところを説明する。尚、第1の実施例と同一部分には、同一符号を付している。第2の実施例では、図5に示すように、マイクロマシンスイッチ5の可動電極16の形状を片持ち状に形成した。具体的には、可動電極16の一方の端部16aだけを半導体基板2に固着するように構成し、他方の端部16bは固定電極9及び半導体基板2と対向させるように構成した。
【0032】
そして、上述した以外の第2の実施例の構成は、第1の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第2の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【0033】
図6は本発明の第3の実施例を示すものであり、第1の実施例と異なるところを説明する。尚、第1の実施例と同一部分には、同一符号を付している。第3の実施例では、図6に示すように、マイクロマシンスイッチ5の可動電極17の変形部分18、即ち、固定電極9と対向する部分18の膜厚を薄くするように構成した。具体的には、可動電極17の両端部17a及び17b、即ち、支持部17a及び17bだけを第1の実施例と同じ膜厚(約2μm)とし、可動電極17の変形部分18は、バイアス電極14だけが残るようにして、その膜厚を約160nmとした。
【0034】
上記構成のマイクロマシンスイッチ5を製造するに当たっては、可動電極17の変形部分18に相当する部分に、上層レジスト15を残すように形成してから、Auの電解メッキを実行するように構成すれば良い。これにより、可動電極17の両端の支持部17a及び17bだけが厚い膜となり、可動電極17の中間部分の変形部分18はバイアス電極14だけの薄い膜となる。
【0035】
尚、上述した以外の第3の実施例の構成は、第1の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第3の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第3の実施例によれば、可動電極17の中間部分の変形部分18を、バイアス電極14だけの薄い膜としたので、上記可動電極17の変形部分18を弱い電圧ひいては弱い静電引力で変形させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示すMMICの縦断側面図
【図2】MMICの製造工程を示す縦断側面図(その1)
【図3】MMICの製造工程を示す縦断側面図(その2)
【図4】MMICの製造工程を示す縦断側面図(その3)
【図5】本発明の第2の実施例を示す図1相当図
【図6】本発明の第3の実施例を示す図1相当図
【符号の説明】
1はモノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)、2は半導体基板、3はマイクロ波トランジスタ、4は伝送線路、5はマイクロマシンスイッチ、6はソース電極、7はドレイン電極、8はゲート電極、9は固定電極、10は可動電極、11は絶縁膜、13は下層レジスト、14はバイアス電極、15は上層レジスト、16、17は可動電極、18は変形部分を示す。
Claims (4)
- 半導体基板にマイクロ波トランジスタの半導体素子部分を作る素子作成用工程と、
前記半導体基板にマイクロ波トランジスタの電極及びマイクロマシンスイッチの固定電極を作る電極作成用工程と、
前記半導体基板に前記マイクロ波トランジスタの電極及び前記マイクロマシンスイッチの固定電極を覆うように絶縁膜を形成する絶縁膜形成用工程と、
前記半導体基板に前記マイクロ波トランジスタを配線するための伝送線路及び前記マイクロマシンスイッチの可動電極を同時に形成する可動電極作成用工程とを備えて成るモノリシックマイクロ波集積回路の製造方法。 - 半導体基板にマイクロ波トランジスタの半導体素子部分を作る素子作成用工程と、
前記半導体基板にマイクロ波トランジスタの電極を作るトランジスタ電極作成用工程と、
前記半導体基板にマイクロマシンスイッチの固定電極を作る固定電極作成用工程と、
前記半導体基板に前記マイクロ波トランジスタの電極及び前記マイクロマシンスイッチの固定電極を覆うように絶縁膜を形成する絶縁膜形成用工程と、
前記半導体基板に前記マイクロ波トランジスタを配線するための伝送線路及び前記マイクロマシンスイッチの可動電極を同時に形成する可動電極作成用工程とを備えて成るモノリシックマイクロ波集積回路の製造方法。 - 半導体基板にマイクロ波トランジスタの半導体素子部分を作る素子作成用工程と、
前記半導体基板にマイクロマシンスイッチの固定電極を作る固定電極作成用工程と、
前記半導体基板に前記マイクロ波トランジスタの電極を作るトランジスタ電極作成用工程と、
前記半導体基板に前記マイクロ波トランジスタの電極及び前記マイクロマシンスイッチの固定電極を覆うように絶縁膜を形成する絶縁膜形成用工程と、
前記半導体基板に前記マイクロ波トランジスタを配線するための伝送線路及び前記マイクロマシンスイッチの可動電極を同時に形成する可動電極作成用工程とを備えて成るモノリシックマイクロ波集積回路の製造方法。 - 前記可動電極作成用工程は、
前記絶縁膜のうちの前記マイクロ波トランジスタの所定の電極上の部位にコンタクトホールを形成する工程と、
非電解メッキ部と前記マイクロマシンスイッチの可動電極部分にレジストが残る下層レジストパターンを形成する工程と、
電解メッキ用のバイアス電極を形成する工程と、
伝送線路及び前記マイクロマシンスイッチの可動電極を形成する部分に開口部を有する上層レジストパターンを形成する工程と、
前記上層レジストパターンの開口部に電解メッキにより前記伝送線路及び前記マイクロマシンスイッチの可動電極を形成する工程と、
前記上層レジストを除去する工程と、
露出するバイアス電極を除去する工程と、
前記下層レジストを除去する工程とを有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のモノリシックマイクロ波集積回路の製造方法。
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