JP4561072B2 - Ｍｅｍｓスイッチを有する半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電力を駆動力にして機械的に動作するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スイッチを有する半導体装置に関し、特に、ＭＥＭＳスイッチに外部電源を停止してもスイッチのＯＮ、若しくは、ＯＦＦの情報を保持する機能をもたせてなる半導体装置に関する。

微細加工技術の進歩により、現在では、１３０ｎｍから９０ｎｍの半導体デバイスが生産されている。また、半導体製造装置の進歩により、ウェハサイズも直径２００ｍｍから３００ｍｍへと移行しつつある。このような、１３０ｎｍ以下の設計ルールで３００ｍｍ径ウェハを用いる製造においては、一度に大量のチップが生産される。このとき、セルベースＩＣなどでシステムＬＳＩを開発できるのは、大量消費が期待できるユーザに限られる。少量・多品種ユーザにとってはマスク代や試作・開発コストの上昇により、セル・ベースＩＣの開発の採算がとれなくなる可能性が高い。
これらの用途に向け、ＦＰＧＡなどのプログラマブル・ロジックとマイコンを１チップ化したリコンフィグアラブル・ロジック（または、リコンフィグアラブル・プロセッサ）の開発がされている。これを用いることで、ユーザは自分で定義した機能をプログラマブル・ロジックへコンフィギュレーションすることで、カスタムＬＳＩを瞬時に、簡単に実現できる。
プログラムに合わせてコンフィギュレーションを実現する部分にＦＰＧＡが用いられる。このＦＰＧＡ部分は、例えば、４入力のルックアップテーブルとフリップフロップを組み合わせたものが１セルとなる。パワーＯＮ時にユーザプログラムを書き込んだフラッシュメモリ等のＲＯＭからコンフィギュレーションデータを転送し、各セルのフリップフロップの動作を確定させ、コンフィギュレーションデータを完了したことを制御レジスタに設定した後、論理動作を開始する。この構成では、コンフィギュレーションデータ即ちユーザプログラムをセルのフリップフロップ動作として記憶させるため、外部電源を停止した際にロジック状態が保持されない。
このようなリコンフィギュアラブル・ロジックを通信機器や民生用モバイル機器向けＬＳＩに適用する検討も進められている。特に、民生用モバイル機器向けＬＳＩに用いる場合、チップサイズの縮小と低消費電力化がキーとなる。
そのために、我々はフリップフロップの代わりにラッチ機能を有するＭＥＭＳスイッチを用いる検討を進めてきた。ＭＥＭＳスイッチは、機械的に接点をＯＮ、ＯＦＦさせるため、ＯＮ抵抗〜０、ＯＦＦ抵抗〜∞の理想的なスイッチである。ＭＥＭＳスイッチにラッチ機能をもたせたいわゆるバイステーブルＭＥＭＳスイッチを用いれば、電圧保持回路を省略できることに加え、スイッチ保持時に電力が不要となるため、消費電力の低減が図れる。
加えて、回路ブロック毎の電源をダイナミックにＯＮ−ＯＦＦすることも可能である。従来もＭＯＳトランジスタで電源管理を行う試みはなされてきたが、回路ブロックに流れる電流値に合わせ、トランジスタのチャネル幅を大きくする必要があり、全回路ブロックを対象に電源管理を行うとチップサイズも大きくなってしまった。これに対し、ＭＥＭＳスイッチでは、金属接点に流れる電流値を大きくできることと、トランジスタと異なってＳｉ基板表面ではなく配線層の中に作製することが可能であるため、チップサイズを大きくする必要がない。
これらＭＥＭＳスイッチのラッチ機構について、いろいろな取り組みがなされてきた。例えば、特許文献１（特開２００１−１７６３６９号公報）では、図１５に示すように、ラッチ用に磁性材料を適用している。このスイッチは可動電極１３の表面の電気接点１４と、可動電極１３と対向する固定電極１８表面の電気接点１６を接触させることでＯＮとなる。ここでは、基板１１上に形成した可動電極１３の上面に磁性材料１５を配置し、それと対向する固定電極１８の表面にも磁性材料１７を配置している。可動電極１３の下側に離間して配置したコイル１２によって、可動電極上面の磁性材料１５に磁化を与え、その磁力をスイッチのＯＮ状態の保持力に用いるものである。
また、特許文献２（特開平９−６３２９３号公報）では、図１６に示すように、ダイアフラム２３をラッチとして用い、上に凸状態をＯＦＦ、下に凸状態で基板２１に形成された下部電極２２と接触し、ＯＮとなるメモリセル（ＭＥＭＳスイッチ）を実現する方法が明記されている。
その他、熱駆動を用いて機械的なラッチを実現する方法や、機械的な構造を工夫してラッチを実現する方法などが提案されている。

特開２００１−１７６３６９号公報

特開平９−６３２９３号公報

これらの公知例は概ね、磁性材料のような新材料を導入するか、デバイス表面に複雑な構造体を形成することで、ラッチ機能を実現するものである。新材料を用いる場合、特に磁性材料では、従来の半導体デバイスでは汚染物質として扱ってきた材料を導入することになり、コンタミネーションの管理や特別な洗浄を追加する必要がある。また、複雑な構造体を形成する場合、従来の半導体デバイスと並行してウェハ上に作製するためには、プロセスを複雑にする可能性が高い。
そのため、磁性材料などのような新材料を用いずに、簡単な構造でラッチ機能を有するＭＥＭＳスイッチを実現することが課題である。

本発明では、２つ以上のＭＥＭＳスイッチを組み合わせて、外部電源をオフしてもＭＥＭＳスイッチ自体のＯＮ状態、もしくはＯＦＦ状態を保持する機能を与える。ＭＥＭＳスイッチにはホットスイッチとコールドスイッチと呼ばれる２種類のスイッチがある。ホットスイッチとは、可動電極と可動接点が同電位、即ち、可動電極本体が可動接点も兼ね電気信号の経路となるものである。一方、コールドスイッチでは可動電極と可動接点が絶縁されており、可動電極の駆動と、伝達すべき電気信号は独立して制御できる。

本発明では、２つのＭＥＭＳスイッチを直列に接続し、そのうち後段のスイッチをコールドスイッチとする。該コールドスイッチのスイッチ端子（可動接点）を保持するために、コールドスイッチ本体（可動電極）と、可動電極と対向する様に配置された固定電極とによりキャパシタを構成し、該コールドスイッチの前段のＭＥＭＳスイッチを介して該キャパシタに電荷を蓄積し、該電荷により生じるキャパシタの各電極（可動電極−固定電極）間の引力を該コールドスイッチの駆動力とする。前段のＭＥＭＳスイッチを介して行う該キャパシタの充放電により、充電時には該コールドスイッチがオン、放電時には該コールドスイッチがオフ動作を行う。

以上に説明したように、本発明によれば、２つ以上のＭＥＭＳスイッチを組み合わせ、かつ、末端のＭＥＭＳスイッチをコールドスイッチとし、該コールドスイッチの可動電極と固定電極間に電荷を蓄積させることで、ＭＥＭＳスイッチにラッチ機構を与えることができる。

＜実施形態１＞
本発明のＭＥＭＳスイッチの第１の実施形態について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は本発明のＭＥＭＳスイッチ部の断面構造、図１（ｂ）はＭＥＭＳスイッチの平面図である。図１（ａ）は図１（ｂ）のＤ−Ｄ’における断面構造に相当する。該ＭＥＭＳスイッチは２つのスイッチで構成されている。本実施形態では前段のスイッチＳ１をホットスイッチ、後段のスイッチＳ２をコールドスイッチで作製している。
ホットスイッチＳ１では、キャパシタの２つの電極となる可動電極１１６、固定電極１１８の間に電位差を与えたときに、可動電極１１６が固定電極１１８に引きつけられ固定接点１２０に短絡し、ＯＮ動作となる。後段のコールドスイッチＳ２では、可動電極１１７と可動接点１０９との間に絶縁膜１１０が挟まれている。ホットスイッチと同様に、キャパシタの２つの電極となる可動電極１１７と固定電極１１９の間に電位差を与えると、可動電極１１７が固定電極１１９に引きつけられることになるが、可動接点１０９が可動電極１１７と絶縁されているので、可動接点１０９で２つの固定接点（配線）Ｙ１，Ｙ２を短絡させて、信号を伝達することになる。この動作を図１（ｂ）の平面図と図１（ｃ）のタイミングチャートで説明する。

スイッチＳ２をＯＮ動作させるときは、スイッチＳ１の可動電極端子Ａ２を＋Ｖｃｃ、スイッチＳ１の固定電極端子Ａ１をＧＮＤ、スイッチＳ２の固定電極端子Ｂ１をＧＮＤとする。スイッチＳ１の可動電極１１６と固定電極１１８の電位差が｜Ｖｃｃ｜となり、スイッチＳ１はＯＮ状態となって可動電極１１６と固定接点１２０とが短絡される。スイッチＳ１がＯＮ状態でＡ２が＋Ｖｃｃとなっているので、スイッチＳ２の可動電極１１７の電位Ｂ２も＋Ｖｃｃとなり、スイッチＳ２の可動電極１１７と固定電極１１９間の電位差も｜Ｖｃｃ｜となり、スイッチＳ２もＯＮ状態となる。このとき、スイッチＳ２の可動接点１０９が２つの配線端子（固定接点）Ｙ１，Ｙ２間をショートしＹ１＝Ｙ２となる。
その後、スイッチＳ１の可動電極端子Ａ２をＧＮＤにすると、スイッチＳ１はＯＦＦ状態となるが、スイッチＳ２の可動電極１１７には電荷が蓄積されているため、スイッチＳ２の固定電極１１９との間の電位差を維持することができ、スイッチＳ２はＯＮ状態を保持する。

実際には、図１（ｃ）に記載したように、スイッチＳ１をＯＦＦする際に、スイッチＳ２の可動電極１１７と固定電極１１９間に蓄積された電荷は一部放電されてしまう。この放電電荷量が多いと、スイッチＳ２の可動電極１１７と固定電極１１９との電位差の低下が大きくなり、スイッチＳ２のＯＮ状態を保持できなくなる。そのため、スイッチＳ２のキャパシタの電極サイズをスイッチＳ１に比べて大きくし、蓄積電荷量を多くした。また、スイッチＳ１をＯＦＦ動作させるときには、スイッチＳ２の上下電極間隔（可動電極−固定電極間隔）は狭くなっているため、多少電位が低下してもＯＮ状態を保持することは可能である。

次に、スイッチＳ１の固定電極端子Ａ１を＋Ｖｃｃとすると、スイッチＳ１の可動電極１１６と固定電極１１８間の電位差は｜Ｖｃｃ｜となり、スイッチＳ１はＯＮ状態となって可動電極１１６と固定接点１２０とが短絡する。この時、スイッチＳ１の可動電極端子Ａ２がＧＮＤであるため、スイッチＳ２の可動電極１１７の電位Ｂ２もＧＮＤとなり、スイッチＳ２の固定電極１１９と同電位になるため、スイッチＳ２のキャパシタに蓄積された電荷は放電され、スイッチＳ２はＯＦＦ状態となる。
図１（ａ）に示したように、ホットスイッチＳ１の各端子Ａ１，Ａ２には電位供給回路Ｃ１のＭＯＳトランジスタＴ１が接続される。同様に、コールドスイッチＳ２の固定接点端子Ｙ１，Ｙ２にも、スイッチング対象回路Ｃ２のＭＯＳトランジスタＴ２が接続される。

ホットスイッチＳ１を介さずにコールドスイッチＳ２のＯＮ−ＯＦＦ制御をＭＯＳトランジスタのスイッチ動作で実現することも理論的上は出きるが、現実的にはＭＯＳトランジスタではＯＦＦ時のリーク電流により、コールドスイッチＳ２の蓄積電荷が徐々に放電されてＯＮ状態の保持が不可能である。そのため、本発明では物理的に電位供給回路を切り離すことができるＭＥＭＳスイッチＳ１を用いることで、ＯＮ状態の保持を確実に実行可能なものとしている。
また、上述の説明では、コールドスイッチＳ２の固定電極Ｂ１をＧＮＤとし、可動電極Ｂ２に＋Ｖｃｃを与えることで、キャパシタの各電極間の電位差を｜Ｖｃｃ｜としたが、固定電極Ｂ１に＋Ｖｃｃ、可動電極Ｂ２にＧＮＤを与えることによって、各電極間の電位差を｜Ｖｃｃ｜としてもスイッチＳ２のＯＮ動作，ＯＮ状態保持は可能である。この場合には、固定電極Ｂ１を電位供給回路Ｃ１に直接接続すると電位供給回路Ｃ１のＭＯＳトランジスタのＯＦＦ時のリーク電流によってスイッチＳ２のＯＮ状態保持が不可能となってしまうため、図１（ａ），（ｂ）でスイッチＳ２の可動電極１１７に接続されているスイッチＳ１の固定接点１２０をスイッチＳ２の固定電極１１９に接続する。

なお、上述のコールドスイッチＳ２では、スイッチング対象回路Ｃ２に繋がる２つの固定接点Ｙ１，Ｙ２を設け、可動接点１０９で各固定接点Ｙ１，Ｙ２間を短絡させるものとなっているが、図２に示すようにコールドスイッチＳ２の固定接点を１つとし、固定接点Ｙ２と可動接点Ｙ１をスイッチング対象回路Ｃ２に接続することも可能である。但し、図２のコールドスイッチＳ２では固定接点の電気的引出しのためにコールドスイッチＳ２の可動部の重心と駆動力中心のアンバランスが発生する為、コールドスイッチの設計上は図１（ｂ）のコールドスイッチＳ２の如き構成の方が好ましい。
次に、本実施形態のＭＥＭＳスイッチの製造方法を説明する。
図３（ａ）は電位供給回路Ｃ１，スイッチング対象回路Ｃ２のトランジスタを形成したウェハの上層にＭＥＭＳスイッチを形成する途中の工程を示したものである。尚、スイッチング対象回路部は図示を省略している。層間絶縁膜１０１内に下層配線１０２が埋め込まれている。この下層配線１０２がプラグ１０３を介してトランジスタＴ１に接続されている。層間絶縁膜１０１のキャップ膜１０４としてＳｉＮを堆積し、ＳｉＮ１０４と層間絶縁膜１０１を開口してプラグ１０３を埋込、平坦化した後にスイッチの固定電極や固定接点となる下層導電膜１０５を堆積する。ここでは、ｐｏｌｙ−Ｓｉを用いた。その上にホトリソ工程により、固定電極や固定接点のパターンをレジスト１００に転写する。このレジストをマスクにｐｏｌｙ−Ｓｉをエッチングし、レジストを除去する（図３（ｂ））。

表面を洗浄した後、スイッチのギャップとなる犠牲膜１０６としてプラズマＴＥＯＳを堆積し、スイッチの固定接点に対向するところを開口したパターンをホトリソ工程を通してレジスト１０７に転写したのが図３（ｃ）である。
このレジストをマスクに犠牲膜に窪み１０８を形成し、レジストを除去した状態が図３（ｄ）である。この窪み１０８を形成せずにスイッチの可動電極，可動接点を形成することもできるが、可動電極１１６，可動接点１０９の固定接点１２０，１０５と接触させる部分を凸形状にした方がスイッチの信頼性は高くなる。
引き続き、表面を洗浄し、可動接点となる導電膜９９としてｐｏｌｙ−Ｓｉを堆積し、コールドスイッチＳ２側の可動接点部にのみレジストパターン９８をホトリソ工程により形成した（図４（ａ））。
これをマスクに電極端子１０９をパターニングし、レジスト９８を除去したものが図４（ｂ）である。

次に、コールドスイッチＳ２の可動接点である電極端子１０９と犠牲層１０６の表面に絶縁膜１１０を堆積し、更に、コールドスイッチＳ２の電極端子１０９を覆うようにレジストパターン１１１を形成したものが図４（ｃ）である。本実施形態ではこの絶縁膜１１０にアルミナを用いた。
絶縁膜１１０をドライエッチング除去し、レジスト１１１を除去した状態が図４（ｄ）である。
さらに、洗浄工程を通し、ホトリソ工程で可動電極の接続口をレジストパターン１１２で形成したものが図５（ａ）である。
このレジスト１１２をマスクに犠牲層１０６をエッチングし、下層導電膜１０５の表面まで開口１１３し、レジスト１１２を除去した状態が図５（ｂ）である。
この開口部１１３と犠牲層１０６の表面にスイッチの可動電極として導電膜１１４を堆積し、可動電極のパターンをレジスト１１５に転写したものが図５（ｃ）である。本実施形態では、可動電極材料をｐｏｌｙ−Ｓｉとした。
このレジストパターン１１５をマスクに可動電極となる導電膜１１４をエッチングし、レジスト１１５を除去し（図５（ｄ））、ホットスイッチとコールドスイッチの可動電極１１６，１１７部分を形成する。

その後、犠牲層１０６をウェット除去し、乾燥させて図１（ａ）のスイッチ構造が完成する。本実施形態では、犠牲層１０６の除去にはフッ酸水溶液を用いた。ウェットエッチ後に水洗を行うため、そのまま乾燥させると、水の表面張力により、可動電極１１６，１１７が固定電極１１８，１１９と固着してしまうため、水洗後にメタノール洗浄を行い、最終的には、炭酸ガスの超臨界乾燥を行った。
また、図には示していないが、スイッチ構造を形成した後、ガラスやセラミックで上部を封止し、外部環境と隔離する。この際に封止内部は不活性ガスを封入するか、減圧状態にすることが望ましい。

図６はスイッチの平面図の例である。図６（ａ）は図３（ｂ）まで工程を進めた段階の平面図である。下部導電膜１０５のパターニングを行った状態に相当している。図６（ｂ）は図５（ｂ）の工程まで進んだ状態の平面図であり、コールドスイッチＳ２の電極端子（可動接点）１０９と、下部導電膜１１０５と可動電極を接続するための開口１１３と、下部導電膜１０５との配置関係を示している。図６（ｃ）は更に可動接点１０９と、下部導電膜１０５と、開口１１３と、可動電極１１６，１１７の配置関係を示した図である。開口１１３内部は可動電極材料のｐｏｌｙ−Ｓｉが埋め込まれている。この図はホットスイッチＳ１とコールドスイッチＳ２を各１つずつ使用して作製したラッチ機能付きＭＥＭＳスイッチの平面図となり、その動作については、図１を用いて前記した。
＜実施形態２＞
この他に、ホットスイッチを２つ使用し、コールドスイッチのラッチ機能を実現した本発明の第２の実施形態について説明する。
製造プロセスは、図３〜図５と同様である。スイッチの平面図を図７に示す。前述したように、本実施形態においても、ＯＮまたはＯＦＦ状態を保持させるためのスイッチ（図７ではＳ３）のキャパシタの電極サイズは、前段のスイッチ（図７ではＳ１，Ｓ２）のキャパシタの電極サイズよりも大きくする方が望ましい。但し、図７では同じサイズで示している。この場合でも、スイッチのＯＮ電位を｜Ｖｃｃ｜に比べて小さくすることで安定した動作ができる。図７（ａ）は図３（ｂ）まで工程を進めた段階の平面図である。下部導電膜１０５のパターニングを行った状態に相当している。図７（ｂ）は図５（ｂ）の工程まで進んだ状態の平面図であり、コールドスイッチＳ３の電極端子（可動接点）１０９と、下部導電膜１０５と可動電極を接続するための開口１１３と、下部導電膜１０５との配置関係を示している。図７（ｃ）は更に可動接点１０９と、下部導電膜１０５と、開口１１３と、可動電極１１６，１１７の配置関係を示した図である。開口１１３内部は可動電極材料のｐｏｌｙ−Ｓｉが埋め込まれている。

ホットスイッチＳ１、Ｓ２と、コールドスイッチＳ３を用いた、ラッチ機能付きＭＥＭＳスイッチの動作は図８のタイミングチャートで行った。ホットスイッチＳ１の可動電極端子Ａ２をＧＮＤとし、固定電極端子Ａ１を＋Ｖｃｃに設定すると、スイッチＳ１はＯＮ状態となり、コールドスイッチＳ３の固定電極の電位Ｃ１がＧＮＤ電位となる。ホットスイッチＳ２の方は、固定電極端子Ｂ１をＧＮＤとし、可動電極端子Ｂ２を＋Ｖｃｃに設定し、スイッチＳ２をＯＮ状態にすると、コールドスイッチＳ３の可動電極１１７の電位Ｃ２が＋Ｖｃｃに設定される。この状態で、コールドスイッチＳ３の可動電極Ｃ１と固定電極Ｃ２間には｜Ｖｃｃ｜の電位差が生じるため、コールドスイッチＳ３がＯＮ状態になり、可動接点１０９を介して信号端子（固定接点）Ｙ１とＹ２がショートされ、Ｙ１＝Ｙ２となる。
この状態から固定電極端子Ａ１及び可動電極端子Ｂ２をＧＮＤ電位に切換えてホットスイッチＳ１，Ｓ２をＯＦＦしても、コールドスイッチＳ３の可動電極Ｃ１と固定電極Ｃ２間には電荷が蓄積されるため、静電引力が働き続け、コールドスイッチＳ３はＯＮ状態を保持することが出来る。この場合も、実際にはホットスイッチＳ１，Ｓ２をＯＦＦする際に、コールドスイッチＳ３の可動電極Ｃ２の電荷が一部放電され、可動電極Ｃ１−固定電極Ｃ２の電位差は｜Ｖｃｃ｜より低くなるが、スイッチのＯＮ電位を保持することは出来ている。

コールドスイッチＳ３をＯＦＦする場合は、スイッチＳ１の固定電極端子Ａ１に＋Ｖｃｃ、可動電極端子Ａ２をＧＮＤ、スイッチＳ２の固定電極端子Ｂ１に＋Ｖｃｃ、可動電極端子Ｂ２をＧＮＤとすることで、各ホットスイッチＳ１，Ｓ２をＯＮ状態にするが、コールドスイッチＳ３の固定電極Ｃ１と可動電極Ｃ２ともにＧＮＤ電位となるため、蓄積された電荷が放電され、コールドスイッチＳ３はＯＦＦ状態となる。尚、コールドスイッチＳ３がオンを保持している状態において固定電極Ｃ１はＧＮＤ電位となっている為、図８中の破線に示すように必ずしもホットスイッチＳ１をＯＮ状態としなくても、ホットスイッチＳ２のみを上記電圧印加条件でＯＮさせることによってもコールドスイッチＳ３をＯＦＦすることができる。

上述の第１の実施形態は、２つのスイッチで構成しているため本実施形態より面積を縮小することができる。これに対して、本実施の形態では、コールドスイッチＳ３のオン状態の保持時に固定電極をも完全なフローティングとするので、上述の第１の実施形態よりもコールドスイッチＳ３のＯＮ状態の保持をより確実なものとすることができる。
尚、本実施の形態においても、コールドスイッチＳ３を、図２に示すコールドスイッチＳ２のように固定接点を１つとし、固定接点と可動接点をスイッチング対象回路に接続する構成とすることが可能である。
＜実施形態３＞
第１，第２の実施形態で、ホットスイッチとコールドスイッチを組み合わせて作製したラッチ機能付きＭＥＭＳスイッチについて説明したが、同様の機能をコールドスイッチの組合せでも実現できる。その本発明の第３の実施形態を以下説明する。
図９は３つのコールドスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３を用いてラッチ機能付きＭＥＭＳスイッチを構成した例である。（ｂ）に平面図を示す。（ａ）の断面構造図は平面図（ｂ）のＤ−Ｄ’断面を示している。（ｃ）がラッチ機能を示すタイミングチャート図である。本構成では、スイッチＳ３をラッチ機能付きスイッチとし、スイッチＳ３がＯＮ状態のときに、可動接点２１５を介して２つの信号端子（固定接点）Ｙ１とＹ２をショート（Ｙ１＝Ｙ２）とし、スイッチＳ３がＯＦＦ状態のときに信号端子Ｙ１とＹ２は切離し状態となる。このコールドスイッチを直列に接続したＭＥＭＳスイッチの製造方法については後述する。図９（ａ）に示したように、コールドスイッチＳ１〜Ｓ３の可動電極２２０と電極端子（可動接点）２１２は絶縁膜２１５で電気的に絶縁されている。固定電極２２１と可動電極２２０の電位差が｜Ｖｃｃ｜以上のときに、該電極間の静電力によりスイッチがＯＮとなる様に設計した。スイッチの動作は以下の通りである。

スイッチＳ１の固定電極端子Ａ１をＧＮＤ、可動電極端子Ａ２を＋Ｖｃｃに設定すると、スイッチＳ１はＯＮ状態となり、スイッチＳ１先端の可動接点２１２が端子Ｘ１とスイッチＳ３の固定電極端子Ｃ１を接続して同電位とする。端子Ｘ１はＧＮＤに設定されているので、スイッチＳ３の固定電極２２１もＧＮＤに設定される。スイッチＳ２についても、固定電極端子Ｂ１をＧＮＤ、可動電極端子Ｂ２を＋Ｖｃｃに設定することで、ＯＮ状態となり、スイッチＳ２先端の可動接点２１２が、スイッチＳ３の可動電極端子Ｃ２を端子Ｘ２とショートさせ、両者を同電位にする。この状態で、端子Ｘ２を＋Ｖｃｃに設定すると、スイッチＳ３の可動電極２２０と固定電極２２１間に｜Ｖｃｃ｜の電位差が生じるためスイッチＳ３がＯＮ状態となり、スイッチＳ３先端の可動接点２１２が信号端子（固定接点）Ｙ１とＹ２をショートさせる。
この状態から、スイッチＳ１の可動電極端子Ａ２とスイッチＳ２の可動電極端子Ｂ２をＧＮＤに設定し、スイッチＳ１およびスイッチＳ２をＯＦＦ状態にしても、スイッチＳ３の可動電極２２０−固定電極２２１間には電荷が蓄積されているため、静電力は維持され、スイッチＳ３のＯＮ状態を保持することができる。尚、スイッチＳ３がＯＮの保持状態となった後に、端子Ｘ１はＧＮＤ電位に設定する。

本実施形態では、コールドスイッチでスイッチＳ１，Ｓ２を構成したため、スイッチＳ１，Ｓ２をＯＦＦするときに、スイッチＳ３から蓄積電荷の放電がない。そのため前述したホットスイッチとコールドスイッチとの組合せの第１，第２の実施形態に比べて、ＯＮ状態保持の信頼性の高いスイッチを作製することができる。
スイッチＳ３をＯＦＦする場合は、スイッチＳ１の可動電極端子Ａ２とスイッチＳ２の可動電極端子Ｂ２を各々＋Ｖｃｃに、スイッチＳ１の固定電極端子Ａ１とスイッチＳ２の固定電極端子Ｂ１を各々ＧＮＤに設定し、スイッチＳ１とスイッチＳ２をＯＮ状態とする。さらに、端子Ｘ２をＧＮＤに設定すれば、スイッチＳ３の可動電極２２０−固定電極２２１間に蓄積された電荷が放電される。これにより、スイッチＳ３の可動電極２２０−固定電極２２１間の静電力がなくなり、スイッチＳ３はＯＦＦになる。

図９（ｃ）のタイミングチャートでは、スイッチＳ３をＯＮ状態にする際に、端子Ｘ１（固定電極端子Ｃ１）の設定電位をＧＮＤとし、端子Ｘ２（可動電極端子Ｃ２）の設定電位を＋Ｖｃｃとしているが、図９（ｃ）中に点線で示すように、各端子Ｘ１，Ｘ２（固定電極端子Ｃ１，可動電極端子Ｃ２）の設定電位を逆にしてもよい。さらに、各端子Ｘ１，Ｘ２（固定電極端子Ｃ１，可動電極端子Ｃ２）の設定電位は、ＧＮＤや＋Ｖｃｃでなくとも端子Ｘ１（固定電極端子Ｃ１）と端子Ｘ２（可動電極端子Ｃ２）の電位差が｜Ｖｃｃ｜以上となる電位としてやればよい。なお、この点は、スイッチＳ１，Ｓ２をＯＮ状態にする際も同様である。
また、スイッチＳ３をＯＦＦ状態とする際に、端子Ｘ１（固定電極端子Ｃ１）及び端子Ｘ２（可動電極端子Ｃ２）の設定電位をＧＮＤとしているが、必ずしも両者をＧＮＤとする必要はなく、端子Ｘ１（固定電極端子Ｃ１）と端子Ｘ２（可動電極端子Ｃ２）の電位差を｜Ｖｃｃ｜未満となるような電位を両者に設定すればよい。但し、端子Ｘ１（固定電極端子Ｃ１）及び端子Ｘ２（可動電極端子Ｃ２）の設定電位を同じ電位とすることにより、ＯＦＦ状態の確実性を高めることができる。なお、この点は、スイッチＳ１，Ｓ２をＯＦＦ状態にする際も同様である。

図９（ａ）のコールドスイッチを用いたラッチ機能付きＭＥＭＳスイッチの製造方法を説明する。図３（ｄ）までは、ホットスイッチとコールドスイッチの組合せの場合と同様である。
この後、表面を洗浄し、可動接点となる導電膜２１０を堆積する。本実施形態でも導電膜としてｐｏｌｙ−Ｓｉを用いた。ホトリソ工程で各コールドスイッチの可動接点部にレジストパターン２１１を形成し（図１０（ａ））、これをマスクに電極端子２１２をパターニングし、レジストを除去する（図１０（ｂ））。

続いて、表面に絶縁膜２１３としてアルミナを堆積し、コールドスイッチの可動接点である電極端子２１２を覆うようにレジストパターン２１４を形成したものが図１０（ｃ）である。
該アルミナ絶縁膜２１３をドライエッチング除去し、レジスト２１４を除去した状態が図１０（ｄ）である。この状態では電極端子（可動接点）２１２はアルミナ絶縁膜２１５に覆われている。
さらに、洗浄工程を通し、ホトリソ工程で可動電極の接続口をレジストパターン２１６で形成し（図１１（ａ））、このレジスト２１６をマスクに犠牲層２０７をエッチングし、下層導電膜２０５の表面まで開口２１７し、レジスト２１６を除去した状態が図１１（ｂ）である。
この表面にスイッチの可動電極となる導電膜２１８としてｐｏｌｙ−Ｓｉを堆積し、可動電極のパターンをレジスト２１９に転写したものが図１１（ｃ）である。
このレジストパターン２１９をマスクに可動電極となる導電膜２１８をエッチングし、レジスト２１９を除去し（図１１（ｄ））、各コールドスイッチの可動電極部分２２０を形成する。

その後、犠牲層２０７をウェット除去し、乾燥させて図９（ａ）のスイッチ構造が完成する。
本実施形態ではＭＥＭＳスイッチを何れもコールドスイッチとしている為、各々の構成は同一のものとすることができ、スイッチング特性の設計が容易となるという効果も有している。なお、上述の第１，第２の実施形態では、本実施形態におけるスイッチＳ３の可動電極２２０，固定電極２２１に電位を供給するための図１０（ｂ）の端子Ｘ１，Ｘ２を作りこむ必要が無いため、本実施形態に較べ小面積にて実現できるという効果がある。
＜実施形態４＞
本発明では、ＭＥＭＳスイッチの可動電極と固定電極の間に電荷を蓄積し、その電荷を保持することで、両電極間の静電力を維持し、スイッチのＯＮ状態を維持することを特徴としている。ここまで説明した各実施形態では、スイッチの動作環境として、減圧環境か、不活性ガス封入した環境としているが、スイッチをＯＮ状態で保持する場合、電極表面に微弱なリーク電流が流れ、蓄積電荷量を劣化させる可能性がある。
この対策として、固定電極、可動電極表面を絶縁膜で被覆することが効果的である。その本発明の第４の実施形態を以下説明する。
図１２（ａ）は図３（ｂ）と同工程を示す図で、層間絶縁膜表面にＳｉＮ膜３０４を堆積し、ｐｏｌｙ−Ｓｉ下層電極３０５を形成した状態を表している。
図１２（ｂ）に示すように、この表面に、アルミナ絶縁膜３０６を堆積し、スイッチの可動接点が接触する部分に相当するところを開口したレジストパターン３０７をホトリソ工程で形成する。ここで堆積したアルミナ絶縁膜３０６が各スイッチの固定電極表面を被覆し、表面リーク電流を抑制する。

レジストパターン３０７をマスクに、絶縁膜３０６をエッチングして開口部３０８を形成し、レジスト３０７を除去した状態が図１２（ｃ）である。
表面を洗浄した後、スイッチのギャップとなる犠牲膜３０９としてプラズマＴＥＯＳを堆積し、スイッチの可動接点形成部に相当するところを開口したパターンをホトリソ工程を通してレジスト３１０に転写したのが図１２（ｄ）である。
このレジストをマスクに犠牲膜に窪み３１１を形成し、レジストを除去した状態が図１３（ａ）である。
この後、表面を洗浄し、可動接点となる導電膜３１２を堆積する。本実施形態でも導電膜としてｐｏｌｙ−Ｓｉを用いた。ホトリソ工程で各コールドスイッチの可動接点部にレジストパターン３１３を形成した（図１３（ｂ））。
これをマスクにスイッチの可動接点である電極端子３１４をパターニングし、レジスト３１３を除去する（図１３（ｃ））。

続いて、表面に絶縁膜３１５としてアルミナを堆積し、ホトリソ工程で可動電極の接続口をレジストパターン３１６で形成し（図１３（ｄ））、このレジスト３１６をマスクにアルミナ絶縁膜３１５，犠牲層３０９，下層電極表面のアルミナ絶縁膜３０６を連続エッチングし、下層導電膜３０５の表面まで開口３１７し、レジスト３１６を除去した状態が図１４（ａ）である。
この表面にスイッチの可動電極となる導電膜３１８としてｐｏｌｙ−Ｓｉを堆積し、可動電極のパターンをレジスト３１９に転写したものが図１４（ｂ）である。
このレジストパターン３１９をマスクに可動電極となる導電膜３１８とその下のアルミナ絶縁膜３１５をエッチングし、レジスト３１９を除去し（図１４（ｃ））、各コールドスイッチの可動電極部分３２０を形成する。

その後、犠牲層３０９をウェット除去し、乾燥させて図１４（ｄ）のスイッチ構造が完成する。
本実施形態では、固定電極などの下層電極３０５の表面をアルミナ３０６で覆い、かつ、可動電極３２０下側表面をアルミナ３１５で覆っているため、スイッチをＯＮ状態で保持した場合の可動電極−固定電極間の表面リーク電流を低減し、スイッチの信頼性を高くすることができる。
但し、可動電極３２０のｐｏｌｙ−Ｓｉと下側表面のアルミナ３１５が積層しているため、膜の応力制御に注意し、可動電極３２０の反りを抑制する必要がある。そのため、固定電極表面のみを絶縁膜３０６で被覆するのが最適である。
本実施形態は上述の各実施形態と組合せることによって、ＯＮ状態保持の信頼性を更に確実なものとすることができる。

本発明の第１の実施形態におけるラッチ機能付きＭＥＭＳスイッチを説明する図である。（ａ）はスイッチの断面構造であり、（ｂ）はスイッチの平面図、（ｃ）はスイッチの動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態におけるラッチ機能付きＭＥＭＳスイッチの変形例を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）本発明の第１の実施形態におけるＭＥＭＳスイッチの製造工程の一部を示した断面工程図である。 （ａ）〜（ｄ）本発明の第１の実施形態におけるＭＥＭＳスイッチの製造工程の一部を示した断面工程図である。 （ａ）〜（ｄ）本発明の第１の実施形態におけるＭＥＭＳスイッチの製造工程の一部を示した断面工程図である。 （ａ）〜（ｃ）本発明の第１の実施形態におけるＭＥＭＳスイッチの平面図である。 （ａ）〜（ｃ）本発明の第２の実施形態におけるＭＥＭＳスイッチの平面図である。 本発明の第２の実施形態におけるラッチ機能付きＭＥＭＳスイッチの動作を説明するタイミングチャート図である。 本発明の第３の実施形態におけるラッチ機能付きＭＥＭＳスイッチを説明する図である。（ａ）はスイッチの断面構造であり、（ｂ）はスイッチの平面図、（ｃ）はスイッチの動作を示すタイミングチャートである。 （ａ）〜（ｄ）本発明の第３の実施形態におけるＭＥＭＳスイッチの製造工程の一部を示した断面工程図である。 （ａ）〜（ｄ）本発明の第３の実施形態におけるＭＥＭＳスイッチの製造工程の一部を示した断面工程図である。 （ａ）〜（ｄ）本発明の第４の実施形態におけるＭＥＭＳスイッチの製造工程の一部を示した断面工程図である。 （ａ）〜（ｄ）本発明の第４の実施形態におけるＭＥＭＳスイッチの製造工程の一部を示した断面工程図である。 （ａ）〜（ｄ）本発明の第４の実施形態におけるＭＥＭＳスイッチの製造工程の一部を示した断面工程図である。 第１の従来技術におけるラッチ機能付きＭＥＭＳスイッチの断面構造図である。 第２の従来技術におけるラッチ機能付きＭＥＭＳスイッチの断面構造図である。

符号の説明

１１…従来技術における基板、１２…コイル、１３…可動電極、１４…可動電極表面の電気接点、１５…可動電極表面の磁性材料、１６…固定電極表面の電気接点、１７固定電極表面の磁性材料、１８…固定電極、２１…従来技術における基板、２２…下部電極、２３…ダイアフラム、１０１…層間絶縁膜、１０２…下層配線、１０３…プラグ、１０４…層間絶縁膜のキャップ膜、１０５…下層導電膜、１０６…犠牲膜、１０７…レジスト、１０８…犠牲層表面の凹パターン、１０９…電極端子パターン、１１０…絶縁膜、１１１…レジスト、１１２…レジスト、１１３…可動電極固定部用の開口パターン、１１４…導電膜、１１５…レジスト、１１６…ホットスイッチ可動電極、１１７…コールドスイッチ可動電極、１１８…ホットスイッチ固定電極、１１９…コールドスイッチ固定電極、２０５…下層電極、２０７…犠牲層、２１０…導電膜、２１１…レジスト、２１２…電極端子パターン、２１３…絶縁膜、２１４…レジスト、２１５…電極端子被覆絶縁膜、２１６…レジスト、２１７…可動電極固定部用の開口パターン、２１８…導電膜、２１９…レジスト、２２０…可動電極、２２１…固定電極、３０４…層間絶縁膜のキャップ膜、３０５…下層導電膜、３０６…絶縁膜、３０７…レジスト、３０８…開口部、３０９…犠牲膜、３１０…レジスト、３１１…犠牲膜表面の凹パターン、３１２…導電膜、３１３…レジスト、３１４…電極端子パターン、３１５…絶縁膜、３１６…レジスト、３１７…可動電極固定部用の開口パターン、３１８…導電膜、３１９…レジスト、３２０…可動電極。

Claims (11)

1. 第１の固定電極と、第１の固定接点と、第１の可動電極と、可動接点とを有し、キャパシタの電極を構成する前記第１の固定電極と前記第１の可動電極との電位差を制御することにより前記第１の固定接点と前記可動接点の接触／非接触を制御可能な第１のＭＥＭＳスイッチと、
   第２の固定電極と、第２の固定接点と、第２の可動電極とを有し、キャパシタの電極を構成する前記第２の固定電極と前記第２の可動電極との電位差を制御することにより前記第２の固定接点と前記第２の可動電極の接触／非接触を制御可能な第２のＭＥＭＳスイッチとを有し、
   前記第２の固定接点が前記第１の可動電極又は前記第１の固定電極に接続され、前記第２の固定接点と前記第２の可動電極とを接触させた後に非接触とすることにより、前記第２の固定接点から供給される電荷を、前記第１の可動電極又は前記第１の固定電極に蓄積し、前記第１の固定接点と前記可動接点の接触を保持することを特徴とする半導体装置。
2. 前記第１の固定接点及び前記可動接点がスイッチング対象の回路に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第１のＭＥＭＳスイッチが、更に、第３の固定接点を有し、
   前記第１の固定接点及び前記第３の固定接点がスイッチング対象の回路に接続され、
   前記第１の固定電極と前記第１の可動電極の間に電位差を与えることにより、前記可動接点が前記第１の固定接点及び前記第３の固定接点に接触し、前記第１の固定接点と前記第３の固定接点間が導通状態となることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
4. 前記第２の固定接点が前記第１の可動電極に接続され
   前記第１の固定電極，前記第２の固定電極及び前記第２の可動電極が電位供給回路に接続され、
   前記第１のＭＥＭＳスイッチのオン動作時，オン状態の保持時及びオフ動作時に、前記第１の固定電極に接地電位が供給され、
   前記第２の固定電極に接地電位，前記第２の可動電極に第１の電位を供給することにより、前記第１のＭＥＭＳスイッチをオン動作させ、
   その後、前記第２の可動電極に接地電位を供給することにより、前記第１のＭＥＭＳスイッチをオン状態に保持し、
   その後、前記第２の可動電極に接地電位，前記第２の固定電極に前記第１の電位を供給することにより、前記第１のＭＥＭＳスイッチをオフ動作させることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
5. 更に、第３の固定電極と、第３の固定接点と、第３の可動電極とを有し、キャパシタの電極を構成する前記第３の固定電極と前記第３の可動電極との電位差を制御することにより前記第３の固定接点と前記第３の可動電極の接触／非接触を制御可能な第３のＭＥＭＳスイッチを有し、
   前記第２の固定接点が前記第１の可動電極に接続され、前記第３の固定接点が前記第１の固定電極に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
6. 前記第２の固定電極，前記第３の固定電極，前記第２の可動電極，前記第３の可動電極が電位供給回路に接続され、
   前記第２の固定電極及び前記第３の可動電極に第１の電位，前記第２の可動電極及び前記第３の固定電極に第２の電位を供給することにより、前記第１のＭＥＭＳスイッチをオン動作させ、
   その後、前記第２の可動電極及び前記第３の固定電極に前記第１の電位を供給することにより、前記第１のＭＥＭＳスイッチをオン状態に保持し、
   その後、前記第２の可動電極に前記第１の電位，前記第２の固定電極に前記第２の電位を供給することにより、前記第１のＭＥＭＳスイッチをオフ動作させることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
7. 第１の固定電極と、第１の固定接点と、第１の可動電極と、第１の可動接点とを有し、キャパシタの電極を構成する前記第１の固定電極と前記第１の可動電極との電位差を制御することにより前記第１の固定接点と前記第１の可動接点の接触／非接触を制御可能な第１のＭＥＭＳスイッチと、
   第２の固定電極と、第２の固定接点と、第２の可動電極と、第２の可動接点とを有し、キャパシタの電極を構成する前記第２の固定電極と前記第２の可動電極との電位差を制御することにより前記第２の固定接点と前記第２の可動接点の接触／非接触を制御可能な第２のＭＥＭＳスイッチとを有し、
   前記第２の固定接点が前記第１の可動電極又は前記第１の固定電極に接続され、
   前記第２の固定接点と前記第２の可動電極とを接触させた後に非接触とすることにより、前記第２の固定接点から供給される電荷を、前記第１の可動電極又は前記第１の固定電極に蓄積し、前記第１の固定接点と前記可動接点の接触を保持することを特徴とする半導体装置。
8. 前記第１の固定接点及び前記第１の可動接点がスイッチング対象の回路に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記第１のＭＥＭＳスイッチが、更に、第３の固定接点を有し、
   前記第１の固定接点及び前記第３の固定接点がスイッチング対象の回路に接続され、
   前記第１の固定電極と前記第１の可動電極の間に電位差を与えることにより、前記第１の可動接点が前記第１の固定接点及び前記第３の固定接点に接触し、前記第１の固定接点と前記第３の固定接点間が導通状態となることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
10. 更に、第３の固定電極と、第３の固定接点と、第３の可動電極と、第３の可動接点とを有し、キャパシタの電極を構成する前記第３の固定電極と前記第３の可動電極との電位差を制御することにより前記第３の固定接点と前記第３の可動接点の接触／非接触を制御可能な第３のＭＥＭＳスイッチとを有し、
    前記第２の固定接点が前記第１の可動電極に接続され、前記第３の固定接点が前記第１の固定電極に接続されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
11. 更に、前記第２のＭＥＭＳスイッチが第４の固定接点を、前記第３のＭＥＭＳスイッチが第５の固定接点を、夫々有し、
    前記第２のＭＥＭＳスイッチのオン動作により、前記第２の固定接点と前記第４の固定接点とが前記第２の可動接点を介して短絡され、
    前記第３のＭＥＭＳスイッチのオン動作により、前記第３の固定接点と前記第５の固定接点とが前記第３の可動接点を介して短絡され、
    前記第２の固定電極，前記第２の可動電極，前記第３の固定電極、前記第３の可動電極，前記第４の固定接点，前記第５の固定接点が電位供給回路に接続され、
    第１のＭＥＭＳスイッチがオンし得る電位差を前記第４の固定接点と前記第５の固定接点に供給し、前記第２のＭＥＭＳスイッチ及び前記第３のＭＥＭＳスイッチの各々をオンさせることにより、前記第１のＭＥＭＳスイッチをオン動作させ、
    その後、前記第２のＭＥＭＳスイッチ及び前記第３のＭＥＭＳスイッチの各々をオフさせることにより、前記第１のＭＥＭＳスイッチをオン状態に保持し、
    その後、第１のＭＥＭＳスイッチがオフし得る電位差を前記第４の固定接点と前記第５の固定接点に供給し、前記第２のＭＥＭＳスイッチ及び前記第３のＭＥＭＳスイッチの各々をオンさせることにより、前記第１のＭＥＭＳスイッチをオフ動作させることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。

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