JP4670271B2

JP4670271B2 - 半導体装置

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Publication number: JP4670271B2
Application number: JP2004193513A
Authority: JP
Inventors: 誠古畑
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: JP2005224933A

Description

本発明は半導体装置に係り、特に、静電力により移動するように構成された可動部分を
有する微小可動構造体を備える半導体装置に関する。

一般に、半導体基板であるシリコン基板などの表面上に微細な構造を形成し、静電力に
よって動作するように構成された可動部分を有する微小可動構造体が知られている。この
ような微小可動構造体は、静電アクチュエータ、光スイッチ、マイクロミラーデバイス、
薄膜振動子などとしての応用が期待されている。

上記の微小可動構造体としては、通信などの信号処理に用いられる薄膜振動子フィルタ
や各種電子機器に用いられるクロック源の薄膜共振子などを構成することのできる薄膜振
動子がある。このような薄膜振動子には、櫛歯型の駆動電極の間に櫛歯型の可動電極を基
板表面に沿ってスライド可能に配置し、この可動電極を振動させることによって駆動電極
と可動電極との間の静電容量が変化することを利用して振動子を構成したものが知られて
いる（例えば、以下の非特許文献１参照）。

「ＬａｔｅｒａｌｌｙＤｒｉｖｅｎＲｅｓｏｎａｎｔＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」ＷＩＬＬＩＡＭＣ．ＴＡＮＧ，ＴＵ−ＣＵＯＮＧ，Ｈ．ＮＧＵＹＥＮａｎｄＲＯＧＥＲＴ．ＨＯＷＥＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ，２０（１９８９）Ｐ．２５−３２

しかしながら、上記従来の薄膜振動子では、可動電極の駆動初期に大きな静電力が必要
となるため、この静電力を高めるために駆動電極と可動電極とを櫛歯状に構成しているが
、これによって、駆動電極と可動電極との間の静電容量が大きくなり、また、櫛歯型の駆
動電極及び可動電極の平面投影面積が大きくなるため、これらの電極と半導体基板との間
の寄生容量も大きくなっている。一方、可動電極の平面スライド動作に起因する静電容量
の変動量は、上記の静電容量の和に較べてかなり小さい。したがって、静電容量の可動電
極が振動することによって生ずる静電容量の変動成分（可変容量）の割合が小さいため、
充分な信号出力を得るためには駆動電圧を高くする必要があることから、低電圧化を図る
事が難しく、省電力化が困難であるという問題点がある。

そこで、本発明は上記問題点の少なくとも一部を解決するものであり、その目的は、微
小可動構造体の電極構造と半導体基板との間の寄生容量を低減することにより、微小可動
構造体の可動部分の動作に起因する可変容量の割合を大きくし、微小可動構造体の駆動電
圧の低電圧化を図った半導体装置を提供することにある。

本発明の半導体装置は、刳り抜かれた部分を有する半導体基板と、前記刳り抜かれた部分を含む半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成され、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極とのギャップと、を含む振動体と、を有し、前記振動体の直下に、前記刳り抜かれた部分が形成され、前記振動体と、前記切り抜かれた部分との間には、前記絶縁膜のみが形成され、前記第１電極と前記第２電極との間に静電斥力のみを発生させることにより、前記第２電極が振動することを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、前記半導体装置において、初期状態において、前記第１電極と前記第２電極とのギャップは最小であることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、前記半導体装置において、前記第１電極には、正の交流電圧が印加され、前記第２電極には、前記正の交流電圧より小さい、正の直流電圧が印加されることを特徴とする。
また、本発明の半導体装置は、前記半導体装置において、前記第１電極には、正の第１交流電圧が印加され、前記第２電極には、前記正の第１交流電圧より小さい、正の第２交流電圧が印加され、前記正の第１交流電圧の位相は、前記正の第２交流電圧の位相とずれていることを特徴とする。

本発明の半導体装置は、静電力によって振動する振動部と電極を有する振動体と、絶縁
膜と、半導体基板とを備える半導体装置であって、前記振動体と前記半導体基板が接合す
る領域の前記半導体基板裏面の少なくとも一部が刳り抜かれ、刳り抜かれた部分の前記振
動体と前記半導体基板の接合する領域が前記絶縁膜のみからなることを特徴とする。
この発明によれば、振動体直下の半導体基板をなくすことにより、半導体基板と振動体
間の寄生容量が低減できる。従って、振動体を高電圧で駆動する必要がなくなり、振動に
よる可変容量をとらえ易くなり、更なる駆動電圧の低電圧化が可能になる。

本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成された第１電極と、前記第１電極に対向配
置される第２電極とを有し、前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方を可動に構成
し、前記第１電極と前記第２電極との間に静電力を発生させることにより、前記第１電極
と前記第２電極を相対的に移動するように構成された微小可動構造体と、絶縁膜とを有す
る半導体装置であって、前記微小可動構造体と前記半導体基板が接合する領域の前記半導
体基板裏面の少なくとも一部が刳り抜かれ、刳り抜かれた部分の前記微小可動構造体と前
記半導体基板の接合する領域が前記絶縁膜のみからなることを特徴とする。

この発明によれば、微小可動構造体直下の半導体基板をなくすことにより、半導体基板
と微小可動構造体間の寄生容量が低減できる。従って、微小可動構造体を高電圧で駆動す
る必要がなくなり、微小可動による可変容量をとらえ易くなり、更なる駆動電圧の低電圧
化が可能になる。

また、本発明は、前記第１電極及び前記第２電極は前記半導体基板の表面に沿って延長
された形状若しくは前記半導体基板の表面に沿って広がった形状を有し、前記第１電極と
前記第２電極の相対的移動方向は、前記半導体基板の表面に平行な平面成分と、前記半導
体基板の表面に直交する直交成分とを共に有することを特徴とする。

この発明によれば、半導体基板の表面に沿って延長した形状若しくは基板の表面に沿っ
て広がった形状を有する第１電極と第２電極の相対的移動方向が半導体基板の表面に平行
な平面成分と、半導体基板の表面に直交する直交成分とを有することにより、静電力によ
って第１電極と第２電極とが相対的に移動したときに、第１電極と第２電極の間の静電容
量の変化量を増大させることができる。このため、駆動電圧を印加して静電力を発生させ
、第１電極と第２電極とを相対的に移動させて静電容量の変化に起因する出力を取り出す
場合に当該出力を効率的に得ることができることから、駆動電圧を低電圧化することが可
能になり、省電力化を図ることができる。また、上記の電極構造は、基板上に薄膜を形成
することによって簡単に形成することができる。

この場合に、上記第１電極と第２電極とが交互に配列された構造を有することによって
静電力をより大きくすることができ、より容易に両電極を相対的に移動させることができ
る。例えば、第１電極と第２電極の少なくとも一方が複数設けられた櫛歯構造を有し、相
互に噛み合うように配置されていることが望ましい。また、静電力が発生していない初期
状態において、第１電極と第２電極が上記の相対的移動方向にずれるように配置されてい
ることが望ましい。これによって、電極間に静電力が働いたときに、当該静電力によって
両電極が上記の相対的移動方向に導かれるように構成できるので、上記の相対的移動方向
を物理的に強制するための構造が必要なくなるため、静電力による駆動ロスを低減できる
。

また、本発明の別の半導体装置は、前記第１電極と、前記第１電極の上方に対向配置さ
れる前記第２電極は、前記静電力が発生していない状態で前記基板の表面に平行な所定方
向に相互にずれた位置に配置され、前記第１電極と前記第２電極の相対的移動方向は、前
記所定方向に平行な成分を有することを特徴とする。

この発明によれば、半導体基板上において上下方向に対向配置された第１電極と第２電
極とが静電力の発生していない初期状態において基板の表面に平行な所定方向にずれた位
置に配置され、第１電極と第２電極の相対的移動方向が所定方向に平行な平面成分を有す
ることにより、第１電極と第２電極とが相対的に移動したときの第１電極と第２電極の間
の静電容量の変化量を大きくすることができる。このため、駆動電圧を印加して静電力を
発生させ、第１電極と第２電極とを相対的に移動させて静電容量の変化に起因する出力を
取り出す場合に当該出力を効率的に得ることができることから、駆動電圧を低電圧化する
ことが可能になり、省電力化を図ることができる。

この場合に、上記第１電極及び第２電極は基板の表面に沿って広がる平板状に構成され
ていることが好ましい。このように構成すると、半導体基板上の薄膜によって両電極を容
易に形成することができる。また、上記の相対的移動方向が所定方向に平行な平面方向に
近くなるようにするために、第１電極と第２電極の少なくとも一方を上記平面方向に容易
に移動可能な構造とすることが好ましい。例えば、電極を弾性支持するための弾性支持部
を、電極間の相対的移動方向が上記平面方向になるように変形しやすく構成することが望
ましい。

さらに、本発明の異なる半導体装置は、前記静電力として静電斥力のみを及ぼすように
構成されていることを特徴とする。

この発明によれば、静電力が生じていない状態では第１電極と第２電極とが最も接近し
た状態となるので駆動電圧を上げなくても駆動初期の駆動力を大きくすることができる。
また、静電力が発生しているときには静電斥力のみが及ぼされることによって第１電極と
第２電極とが常に初期状態よりも相互に離れた状態となっているため、第１電極と第２電
極の間の静電容量が小さくなることから、相対的に駆動時における静電容量の変化量の割
合を大きくすることができる。したがって、駆動電圧を印加して静電力を発生させ、第１
電極と第２電極とを相対的に移動させて静電容量の変化に起因する出力を取り出す場合に
当該出力を効率的に得ることができることから、駆動電圧を低電圧化することが可能にな
り、省電力化を図ることができる。また、静電斥力のみで駆動することから、駆動電圧が
過剰となっても電極間の衝突が発生することがないため、過電圧駆動による短絡破壊対策
が不要になるという利点もある。

上記の各発明においては、前記第１電極と前記第２電極の間の静電容量の変化に基づく
電気信号を出力可能に構成されていることが好ましい。これによれば、電極間の相対的移
動状態を電気的に出力することができるため、電気的に電極の移動速度や位置関係を観測
したり、相対的移動状態に起因する電気的な周波数特性を獲得したりすることができる。

また、前記静電力に基づいて前記第１電極と前記第２電極とを相対的に振動させるよう
に構成されていることが好ましい。これによって電極間の相対振動に応じた波形を有する
電気信号を出力することが可能になるため、周波数フィルタや共振子などとして用いるこ
とのできる静電振動子を構成することができる。

さらに、上記第１電極と第２電極の少なくとも一方は弾性支持部を介して基板に接続さ
れていることが望ましい。この弾性支持部は、第１電極と第２電極の相対的移動方向に対
応するように、当該相対的移動方向の両電極の移動を容易にする構造を有していることが
好ましい。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
（第１実施形態）
最初に、図１及び図２を参照して本発明に係る第１実施形態の微小可動構造体を有する
半導体装置について説明する。図１は半導体装置の概略平面図、図２は半導体装置の概略
断面図である。振動体である微小可動構造体１００は、シリコン基板などで構成される半
導体基板１０１の上に酸化シリコンなどで構成される絶縁膜１０２が形成され、その上に
、ポリシリコンなどで第１電極層１１０及び第２電極層１２０が形成されている。ここで
、絶縁膜１０２は半導体基板１０１と第１電極層１１０及び第２電極層１２０とを電気的
に絶縁するためのものである。半導体基板１０１（絶縁膜１０２）と微小可動構造体１０
０の接合する領域の半導体基板１０１の裏面は、絶縁膜１０２まで刳り抜かれ、凹部１０
７が形成されている。

第１電極層１１０は、半導体基板１０１（絶縁膜１０２）に基端が固定されてなる弾性
支持部１１１と、この弾性支持部１１１の先端に接続された第１電極１１２とを有する。
弾性支持部１１１は第１電極１１２を図２の矢印で示す方向、すなわち、半導体基板１０
１の表面に対して斜め方向に移動させることができるように構成されている。この斜め方
向は、半導体基板１０１の表面に平行な平面成分と、半導体基板１０１の表面に直交する
直交成分とを有する方向である。第１電極層１１０は全体として櫛歯状に形成され、複数
の第１電極１１２が並列配置されている。第１電極１１２はそれぞれ半導体基板１０１の
表面に沿った所定方向（図示左右方向）に延長された形状を有する。

第２電極層１２０は、半導体基板１０１（絶縁膜１０２）上に形成された基部１２１と
、この基部１２１の基板面から或る程度上方に離れた部位（図示例では上端）に基端が固
定されてなる弾性支持部１２２と、弾性支持部１２２の先端に接続された第２電極１２３
とを有する。弾性支持部１２２は、第２電極１２３を図２の矢印で示す方向、すなわち、
半導体基板１０１の表面に対して斜め方向に移動させることができるように構成されてい
る。この斜め方向は、半導体基板１０１の表面に対して平行な平面成分と、半導体基板１
０１の表面に直交する直交成分とを有する方向である。第２電極層１２０は上記第１電極
層１１０と噛み合うように配置された櫛歯状に構成されている。複数の第２電極１２３は
並列配置され、その並列方向に第１電極１１２と交互に配置されている。第２電極１２３
はそれぞれ半導体基板１０１の表面に沿った所定方向（図示左右方向）に延長された形状
を有する。

第１電極１１２と第２電極１２３とは、両電極の間に静電力が発生していない状態（以
下、単に「初期状態」という。）では、図２に示すように、上下方向及び左右方向にやや
ずれた位置に配置されている。図示例では、第１電極１１２は第２電極１２３よりもやや
上方及び左側にずれた位置（高さ）に配置されている。これによって、第１電極１１２と
第２電極１２３との間に静電力が生じた場合には、図示矢印に沿って第１電極１１２と第
２電極１２３とがそれぞれ移動し、両電極の相対的移動方向もまた図示矢印に沿った方向
となる。例えば、第１電極１１２と第２電極１２３との間に交流電圧を印加した場合、第
１電極１１２と第２電極１２３との間に周期的に変動する静電力が発生し、これによって
第１電極１１２と第２電極１２３とが相対的に振動することになる。

上記のように第１電極１１２と第２電極１２３が相対的に移動すると、第１電極１１２
と第２電極１２３との間隔が変化するので、両者間の静電容量が変化する。例えば、上述
のように第１電極１１２と第２電極１２３とが相対的に振動すると、静電容量は周期的に
増減を繰り返すことになる。

本実施形態では、第１電極１１２と第２電極１２３の間の相対的移動方向が半導体基板
１０１の表面に平行な平面成分と、半導体基板１０１の表面に直交する直交成分とを有す
るので、両電極間の静電容量の変化量が従来の平面スライド動作を行う櫛歯電極に較べて
大きくなる。例えば、上記の第１電極１１２と第２電極１２３との間の静電容量は、相対
的移動方向及び移動範囲を適宜に設定することによって、電極間隔の２乗にほぼ反比例す
るように構成することができる。これによって、従来と同じ駆動電圧で駆動した場合でも
静電容量の変化に伴う電気信号の出力を大きくすることができるため、駆動電圧を低下さ
せて省電力化を図ることが可能になる。さらに、微小可動構造体１００直下の半導体基板
１０１を刳りぬくことにより、微小可動構造体１００の接合する領域が絶縁膜１０２のみ
となり、半導体基板１０１と微小可動構造体１００間の寄生容量が低減できる。従って、
微小可動構造体１００を高電圧で駆動する必要がなくなり、微小可動による可変容量をと
らえ易くなり、更なる駆動電圧の低電圧化が可能になる。

本実施形態の微小可動構造体１００は以下のようにして形成できる。まず、絶縁膜１０
２に基部１２１を形成し、次に、ＰＳＧ（燐ドープガラス）や樹脂層などで構成される犠
牲層（図示せず）を形成し、その上に第１電極１１２及び第２電極１２３を形成する。第
１電極１１２と第２電極１２３とは初期状態の高さが異なるため、犠牲層を凹凸状に形成
し、その上に電極層を一時に形成した後、第１電極１１２と第２電極１２３とをそれぞれ
パターニングによって形成してもよく、また、第１電極を形成した後に、さらにその上に
犠牲層を形成し、この犠牲層の上に第２電極を形成するようにしてもよい。

いずれにしても、第１電極１１２及び第２電極１２３を形成した後に、さらに別の犠牲
層を形成して、この犠牲層の上に弾性支持部１１１，１２２を形成する。これらの弾性支
持部１１１，１２２の弾性特性を最適化するためにその形状を適宜に設定する必要がある
場合には、下地層となる犠牲層の表面をその形状に合わせて予め成形しておく。また、弾
性特性を最適化するために、弾性支持部の材質を、基部１２１や第１電極１１２及び第２
電極１２３と異なる材質、例えば、Ａｌなどの金属としてもよい。上記の全ての犠牲層は
、その上層に所望の層を形成した後に、ウエットエッチングなどによって除去される。

薄膜振動子１００が形成された後、微小可動構造体１００が形成された領域の半導体基
板１０１の裏面を絶縁膜１０２まで刳り抜いて凹部１０７を形成する。刳り抜きは、刳り
抜かない部分にレジストを形成して、ウエットエッチングやドライエッチングによって行
うことができる。エッチングストップは、半導体基板１０１と絶縁膜１０２のエッチング
レートの違いによって行う。従って、エッチングレートの違いの大きい、つまり選択比の
大きなエッチングを行うのが好ましい。

例えば、ウエットエッチングとしては、ＫＯＨやＴＭＡＨ溶液（水酸化テトラメチルア
ンモニウム）が使用できる。また、ドライエッチングとしては、ＲＩＥ（リアクティブ・
イオン・エッチング）やＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）とＣＤＥ（ケミカ
ル・ドライ・エッチング）のコンビネーションによるエッチングが使用できる。

さらに、レジストの形成を行わないで、ＦＩＢ（収束イオンビーム）加工による刳り抜
き又はレーザーによる刳り抜き等で凹部１０７を形成することも可能である。

半導体基板１０１の刳り抜きは、微小可動構造体１００形成前、微小可動構造体１００
形成後のいずれで行っても良い。微小可動構造体１００と回路を、例えばワイヤーボンデ
ィングやハンダバンプや金属バンプで接合する場合には、接合時の圧力に対する半導体基
板１０１の強度を考慮すると、微小可動構造体１００と回路を接合後に刳り抜きによる凹
部１０７の形成を行うのが望ましい。

なお、上記の製造方法では、弾性支持部を電極とは別の工程で形成しているが、電極と
弾性支持部とを同時に同材質で成膜などによって形成しても構わない。

（第２実施形態）
次に、図３及び図４を参照して本発明に係る第２実施形態の微小可動構造体２００を有
する半導体装置について説明する。この半導体装置は、半導体基板２０１の上に絶縁膜２
０２を形成し、半導体基板２０１（絶縁膜２０２）と微小可動構造体２００の接合する領
域の半導体基板２０１の裏面は、絶縁膜２０２まで刳り抜かれ、凹部２０７が形成されて
いる。その絶縁膜上に、第１電極層２１０及び第２電極層２２０が形成されている点で、
上記第１実施形態と同様である。

この実施形態では、第１電極層２１０は、半導体基板２０１（絶縁膜２０２）上におい
てその表面に沿って広がるように形成された平板状の電極として構成されている。図示例
では、第１電極層２１０の平面形状は円形である。また、第２電極層２２０は、基板２０
１（絶縁膜２０２）上に形成された基部２２１と、この基部２２１に基端が接続された弾
性支持部２２２と、この弾性支持部２２２の先端に接続された第２電極２２３とを有する
。弾性支持部２２２は、半導体基板２０１の表面と平行な方向に撓みやすく、半導体基板
２０１の表面と直交する方向には撓みにくく構成することが好ましい。例えば、図示例と
は異なるが、図４に示す上下方向の厚みｔを図３に示す幅ｗよりも大きくすることによっ
て上記のように構成できる。第２電極２２３は基板の表面に沿って広がるように平板状に
形成されている。図示例では、第２電極２２３の平面形状は円形である。なお、第２電極
２２３は第１電極層２１０とほぼ同じ平面形状、或いは、ほぼ同じ面積を有するように構
成されている。

本実施形態では、初期状態において、第１電極層２１０と第２電極２２３とが半導体基
板２０１の表面上において平面的に相互に所定方向（図３では図の右上と左下を結ぶ線に
沿った方向）にずれた位置に形成されている。そして、上記弾性支持部２２２によって第
２電極２２３は上記の所定方向に移動可能な状態で支持されている。

本実施形態において、それぞれに所定の電位を与えることにより第１電極層２１０と第
２電極２２３との間に静電力を発生させると、当該静電力によって図示矢印方向に第２電
極２２３が移動する。ここで、静電力によって第２電極２２３が半導体基板２０１の表面
に対して完全に平行な方向ではなく、当該表面に対して傾斜した方向に移動するように構
成されていてもよい。例えば、両電極間に静電引力を発生させたとき、図３に実線で示す
矢印の向きに第２電極２２３が移動しながら徐々に下降していくように、すなわち基板表
面に対して斜めに移動するように構成されていてもよい。いずれにしても、本実施形態で
は、第２電極２２３が平面方向に移動することによって第１電極層２１０との対向面積が
増減するため、静電容量の変化量が移動距離のほぼ２乗に比例し、従来よりも大幅に静電
容量の変動率を増大できる。したがって、従来と同じ駆動電圧で駆動した場合でも静電容
量の変化に伴う電気信号の出力を大きくすることができるため、駆動電圧を低下させて省
電力化を図ることが可能になる。さらに、微小可動構造体２００直下の半導体基板２０１
を刳り抜くことにより、微小可動構造体２００の接合する領域が絶縁膜２０２のみとなり
、半導体基板２０１と微小可動構造体２００間の静電容量が低減できる。従って、微小可
動構造体２００を高電圧で駆動する必要がなくなり、微小振動又は移動による可変容量を
とらえ易くなり、更なる駆動電圧の低電圧化が可能になる。

（第３実施形態）
次に、図５及び図６を参照して、本発明に係る第３実施形態の微小可動構造体３００を
有する半導体装置について説明する。この半導体装置は、半導体基板３０１（絶縁膜３０
２）上に形成された第１電極層３１０と、半導体基板３０１（絶縁膜３０２）上に基部３
２１が固定され、この基部３２１に基端が接続された弾性支持部３２２と、弾性支持部３
２２の先端に接続された第２電極３２３とを有する点で、上記第２実施形態と同様である
。また、個々の電極形状についても第２実施形態と同様であるので、それらの説明は省略
する。

本実施形態では、第１電極層３１０の直上位置に第２電極３２３が配置されている点で
、上記第２実施形態とは異なる。この場合、第１電極層３１０と第２電極３２３との間に
静電力が発生すると、第２電極３２３は図６の矢印で示すように上下方向に移動する。た
だし、本実施形態は、第１電極層３１０と第２電極３２３との間に生ずる静電力を静電斥
力とし、図６に示す初期状態で第１電極層３１０と第２電極３２３との間隔が最も小さく
、駆動中には初期状態よりも第１電極３１０と第２電極３２３の間隔が大きい状態で第２
電極３２３が動作するようになっている。この詳細については後述する。

（微小可動構造体の製造方法）
次に、本発明に係る微小可動構造体の製造方法について説明する。この製造方法は、上
記第２実施形態を製造する場合を例にとり説明する。もちろん、寸法形状などを若干変更
するだけで上記第３実施形態を製造する場合に以下の方法を適用することも可能である。

図７は、上記第２実施形態の製造工程を示す概略工程断面図（ａ）〜（ｇ）である。上
記の微小可動構造体２００を製造する場合には、最初に、図７（ａ）に示すように半導体
基板２０１の表面上に熱酸化、塗布焼成処理、蒸着やスパッタリングなどにより酸化シリ
コンなどの絶縁膜２０２を形成する。この絶縁膜２０２は、半導体基板２０１が或る程度
導電性を有する場合に、半導体基板２０１と、上記の第１電極層２１０及び電第２電極層
２２０で構成される構造との間の絶縁を確保するためのものである。半導体基板２０１は
回路構造を一体に構成する上では例えばシリコン基板などあることが好ましい。

次に、図７（ｂ）に示すように構造層２０３を所定領域に形成し、さらに、図７（ｃ）
に示すように、この構造層２０３の上を覆い、しかも、構造層２０３から平面的に外れた
位置まで広がる犠牲層２０４を形成する。犠牲層２０４は構造層２０３に対して高い選択
性をもって除去できる素材であればよく、ＰＳＧ（燐ドープガラス）などの無機材料やレ
ジストその他の合成樹脂などで形成できる。また、構造層２０３は、上記第１電極層２１
０及び第２電極層２２０の一部となるものであり、例えばポリシリコン（多結晶シリコン
）で構成される。この構造層２０３は、上記第１電極層２１０となるようにパターニング
される。実際には、例えば、構造層２０３の成膜、パターニング、犠牲層２０４の成膜、
パターニングの順で上記構造が形成される。

次に、図７（ｄ）に示すように、上記構造層２０３及び犠牲層２０４の上に構造層２０
５が形成される。この構造層２０５は、犠牲層２０４の上を覆い、さらにこの犠牲層２０
４を平面的に外れた位置まで広がるように形成される。構造層２０５は上記構造層２０３
と同様の素材で構成できる。上記構造層２０５は、上記の基部２２１、弾性支持部２２２
及び第２電極２２３が構成されるようにパターニングされる。

次に、上記のように構造層２０５をパターニングすることによって上記犠牲層２０４の
一部が露出するので、その露出部分を通して図７（ｅ）に示すように犠牲層２０４を除去
する。この犠牲層２０４の除去は、ウエットエッチングによって行うことができる。これ
によって、図３及び図４に示す構造が形成される。

なお、図７（ｆ）に示すように、上記構造層２０５の一部を除去し、この除去部分に構
造層２０５とは別の素材（２０６）を形成することによって、上記の弾性支持部２２２を
構成することができる。このようにすると、弾性支持部２２２を、基部２２１や第２電極
２２３とは別の素材、例えば、金属薄膜などで構成することができる。

微小可動構造体２００が形成された後、図７（ｇ）に示すように微小可動構造体２００
が形成された領域の半導体基板２０１の裏面を絶縁膜２０２まで刳り抜いて凹部２０７を
形成する。刳り抜きは、半導体基板２０１の裏面の刳り抜かない部分にレジストを形成後
、ＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）で行った。

（微小可動構造体の動作）
図８には、上記微小可動構造体１００，２００，３００における半導体基板上に構成さ
れた上記構造の等価回路を示す。ここで、Ｃａは第１電極と第２電極との間の可変成分、
Ｒは抵抗（損失）、Ｌはインダクタンス、Ｃｏは静電容量の定常成分、Ｃｐは微小可動構
造体１００，２００，３００の寄生容量である。ここで、Ｃａ，Ｃｏは、主に第１電極と
第２電極との間の静電容量に基づき、Ｃｐは、第１電極及び第２電極と半導体基板との間
の静電容量などに基づく寄生容量によるものである。また、静電容量の可変成分Ｃａは、
第１電極と第２電極の相対的移動に起因するもの、典型的には電極間のギャップ変化に起
因するものである。

この微小可動構造体、特に振動子として用いた場合の性能は、上記静電容量の可変成分
と定常成分（寄生容量を含む）の比γ＝Ｃａ／（Ｃｏ＋Ｃｐ）によって大きく影響を受け
る。このγ値が大きくなると、静電容量の可変成分Ｃａによる充放電電流が大きくなるの
で、駆動電圧（励振電圧）が低くても出力電位を大きくすることができるため、出力信号
のＳ／Ｎ比が高くなる。したがって、駆動電圧を低電圧化することが可能になるため、省
電力化を図ることができる。特に、本実施形態では、微小可動構造体１００，２００，３
００が形成された領域の半導体基板の裏面が刳り抜かれているため、絶縁膜を介した第１
電極及び第２電極と半導体基板との間の寄生容量であるＣｐを小さくすることができる。
その結果、振動子としての性能をさらに高めることができる。

図９は、本実施形態の微小可動構造体１００，２００，３００のインピーダンスの周波
数特性を、模式的に示した図である。点線は、微小可動構造体１００，２００，３００が
形成された領域の半導体基板の裏面を刳りぬいて凹部を形成しない状態での周波数特性を
表し、実線は、半導体基板の裏面を刳りぬいた状態での周波数特性を表す。半導体基板の
裏面を刳り抜いた場合、第１電極及び第２電極と半導体基板との間の寄生容量であるＣｐ
が減少して、共振周波数でのインピーダンス変化が大きくなり、振動子としてさらに利用
しやすくなる。

図１０は、上記実施形態の微小可動構造体１００に接続された回路構造の具体例を示す
ものである。この回路構造は、交流電源Ｅ、負荷抵抗Ｒ_Ｌ、直流バイアス電圧Ｖｄｃを含
む。交流電源Ｅは第１電極１１２に接続され、直流バイアス電圧Ｖｄｃは第２電極１２３
に接続されている。交流電源Ｅにより所定の交流電位ｖｉを第１電極に印加すると、第１
電極と第２電極は静電力によって上述のように相対的に振動する。そして、この機械的振
動によって電極間ギャップが変化するため、電極間の静電容量Ｃｓが変動するので、上記
の機械的振動と同期して直流バイアス電圧Ｖｄｃに基づいて負荷抵抗Ｒ_Ｌを流れる電流が
変動し、これによって出力端子Ｖｏの電位が振動し、機械的振動に対応した振動波形が出
力される。このような回路構造の構成は一例であり、他の適宜の回路構成を採用すること
ができる。また、通信回路などの種々の電子回路内に上記振動子構造を組み込む形で構成
することも可能である。

図１１は、上記第３実施形態の微小可動構造体３００における第１電極層３１０の駆動
波形Ａ、第２電極３２３の駆動波形Ｂ及び第１電極層３１０と第２電極３２３の間の電位
差Ｃの時間変動を示すグラフである。一般的に静電アクチュエータは電極間の静電引力に
よって動作するように構成されているが、本実施形態は電極間に静電斥力を発生させるよ
うに駆動される。図１０に示す駆動方法は、片側バイアス駆動であり、第１電極層３１０
には正の交流電圧＋Ｖａを印加し、第２電極３２３には、交流電圧＋Ｖａと同極性（正）
の直流電圧＋Ｖｄを印加する。これによって、第１電極層３１０と第２電極３２３の間に
は静電斥力が発生し、電位差Ｃの増減に従って静電斥力が増減することによって、第２電
極３２３が振動する。

図１２は、上記とは異なる駆動態様を示すグラフである。このグラフでは、駆動波形Ａ
，Ｂの同極性の交流電圧＋Ｖａ，＋Ｖａ′と、これらの駆動波形Ａ，Ｂを第１電極層３１
０と第２電極３２３とにそれぞれ印加したときの電極間の電位差Ｃを示す。この駆動方法
は位相差駆動であり、同極性の交流波形を相互に僅かに位相をずらして両電極に印加する
ことにより、電極間に周期的に変動する電位差Ｃが生ずるので、第１電極層３１０と第２
電極層３２３の間の静電斥力が増減し、これによって第２電極３２３が振動する。

この第３実施形態では、上記のいずれの駆動方法であっても、電極間に生じた静電斥力
によって駆動されるので、静電力が発生していない初期状態において第１電極層３１０と
第２電極３２３とが最も接近しており、上記のように常時同極性の電圧が印加されている
状態では、静電斥力によって電極間の距離は初期状態よりも常に大きくなっている。した
がって、駆動前は初期状態であるから電極間隔が小さいため、より小さな駆動電圧であっ
ても駆動を開始することができ、駆動中には、電極間隔が大きくなっているため、静電容
量の定常成分Ｃｏが小さくなることから、上記γ値を大きくすることができる。したがっ
て、駆動電圧を低電圧化することが可能になり、省電力化を図ることができる。また、初
期状態において電極間隔が最小になることから、駆動電圧が過剰になったときに両電極が
衝突するなどの事故を防止することができる。換言すれば、過電圧駆動による電極の短絡
破壊を防止することができ、当然のことながら、このような短絡破壊対策を別途講ずる必
要もなくなる。

（第４実施形態）
図１３に第１実施形態において、基部１２１と半導体基板１０１（絶縁膜１０２）の接
合する部分のみ半導体基板１０１を刳り抜いた場合の半導体装置の概略断面図を示した。
刳り抜きは、接合する部分の一部分でも構わないが、接合する部分の全体を刳り抜けば、
電極と半導体基板１０１の絶縁膜１０２を介した寄生容量低減に効果的である。また、第
１実施形態のように接合部分以外も刳り抜けば、寄生容量の低減に効果があるが、半導体
基板１０１の強度等も考慮して刳り抜く領域を選択する。

尚、本発明の半導体装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要
旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

（変形例１）
上記各実施形態では、基本的に高周波フィルタや共振子などとして用いられる振動子と
して構成する場合について述べたが、本発明に係る微小可動構造体を有する半導体装置は
、振動子に限らず、各種の駆動源として用いられる静電アクチュエータ、光伝播路を切り
換えるための光スイッチ、反射角度を可変に構成したマイクロミラーデバイスなど、種々
の微小静電動作機構を有する半導体装置として用いることができる。

（変形例２）
半導体装置の基板は、シリコン以外のＧａＡｓ，ＳｉＧｅ等でも適用可能であり、構造
体もシリコンに限定されることなく、ＧａＡｓ，ＳｉＧｅ等でも形成可能である。

（変形例３）
上記実施形態は、振動体を備えた半導体装置であれば適用可能である。例えば、リニア
型、屈曲型、屈曲改良型、径振動基本型などの構造を持つものにも適用できる。

（変形例４）
上記実施形態の絶縁膜は、酸化シリコンに限定されず絶縁膜であれば適用可能である。
例えば、窒化シリコン等の半導体製造で使用される絶縁膜であれば好ましい。

第１実施形態の半導体装置の概略平面図。半導体装置の概略断面図。第２実施形態の半導体装置の概略平面図。半導体装置の概略断面図。第３実施形態の半導体装置の概略平面図。半導体装置の概略断面図。半導体装置の製造方法を示す概略工程断面図。第１電極及び第２電極を備えた構造の等価回路図。凹部を形成した場合のインピーダンスの周波数特性を示す図。第１実施形態に接続される回路構造の例を示す回路図。第３実施形態の駆動態様を示すグラフ。第３実施形態の異なる駆動態様を示すグラフ。第４実施形態の概略断面図。

符号の説明

１００，２００，３００…微小可動構造体、１０１，２０１，３０１…半導体基板、１０
２，２０２，３０２…絶縁膜、１０７，２０７，３０７…半導体基板に刳り抜かれた凹部
、１１０，２１０，３１０…第１電極層、１１１，１２２，２２２，３２２…弾性支持部
、１２３，２２３，３２３…第２電極、１２０，２２０，３２０…第２電極層、１２１，
２２１，３２１…基部、１２３，２２３，３２３…第２電極。

Claims

刳り抜かれた部分を有するシリコン基板と、
前記刳り抜かれた部分を含む前記シリコン基板上に形成された酸化シリコンからなる絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成され、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極とのギャップと、を含む振動体と、を有し、
前記振動体の直下に、ＫＯＨ溶液を用いたウエットエッチングにより、前記刳り抜かれた部分が形成され、
前記振動体と、前記刳り抜かれた部分との間には、前記絶縁膜のみが形成され、
第１電極および第２電極はアルミからなり、
初期状態において、前記第１電極と前記第２電極とのギャップは最小であり、
前記第１電極と前記第２電極との間に静電斥力のみを発生させることにより、前記第２電極が振動する振動子であって、
前記第１電極には、正の第１交流電圧が印加され、
前記第２電極には、前記正の第１交流電圧より小さい、正の第２交流電圧が印加され、前記正の第１交流電圧の位相は、前記正の第２交流電圧の位相とずれていることを特徴する振動子