JP5208867B2 - Memsデバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(1) 第1の実施形態
図1乃至図3Dを参照して、本発明の第1の実施形態について、説明する。
図1及び図2を用いて、本発明の第1の実施形態に係るMEMSデバイスの構造について、説明する。図1は、本実施形態に係るMEMSデバイスの平面図を示している。また、図2は、本実施形態に係るMEMSデバイスの断面図を示している。図2は、図1のA−A’線に沿う断面構造を示している。本実施形態において、MEMS可変容量素子が用いられたMEMSデバイスについて、説明する。本実施形態におけるMEMSデバイスは、可変容量素子を構成する可動構造10と、可動構造10を駆動するアクチュエータ30A,30Bと、可動構造10及びアクチュエータ30A,30Bの動作を制御する周辺回路とを含んでいる。
梁17A,17Bは、X方向に延在している。梁17A,17Bの一端は、上部信号電極16の端部に直接接続されている。例えば、図1中の右側の2つの梁17Aは、上部信号電極16の一端から二手に分かれるように、引き出されている。梁17Aの他端は、導電層18Aを介して、アンカー19Aにそれぞれ接続されている。また、図1中の左側の2つの梁17Bの一端は、上部信号電極16の端部から二手に分かれるように引き出され、梁17Bの他端は、導電層18Bを介して、アンカー19Bにそれぞれ接続されている。
梁17A,17Bは、アンカー19A,19Bによって、中空に支えられ、梁17A,17Bと基板1との間には、空隙が設けられている。
尚、本実施形態において、梁17A,17Bは、上部信号電極16と直接接続されているが、これに限定されず、梁17A,17Bは、他の部材を経由して、上部信号電極16に接続されてもよい。例えば、梁17A,17B及びアンカー18A,18Bは、上部信号電極16と同じ材料が用いられる。
本実施形態におけるアクチュエータ30A,30Bは、例えば、静電駆動方式のアクチュエータである。つまり、アクチュエータ30A,30Bにおいて、上部駆動電極33と下部駆動電極37とに電位差を与えた場合に、それらの駆動電極33,37の間に発生する静電引力によって、上部駆動電極33が基板1表面に対して垂直方向に動く。その上部駆動電極33の動作に伴って、MEMS可変容量素子(可動構造)10の可動な上部信号電極12が動く。
2つの駆動電極間にプルイン電圧以上の電位差が供給されることによって、上部駆動電極33と下部駆動電極37との間に、静電引力が発生する。アクチュエータ30A,30Bの駆動電極33,37間に発生する静電引力は、駆動電極33,37間の間隔が小さいほど強くなる。よって、上部駆動電極33は、駆動電極33のバネ構造34側から、下部駆動電極37に絶縁膜36を介して接触していく。駆動電極33,37に電位差を与えている期間、バネ構造34側から可動構造10側の方向へ向かって、駆動電極33,37間の間隔は徐々に小さくなっていき、上部駆動電極33は、下部駆動電極37にジッパー状に順次接触していく。そして、上部駆動電極33は、下部駆動電極37と絶縁膜38を介して、ほぼ全面で接触する。
下部電極52上には、絶縁体(第2の絶縁体)25が、設けられる。絶縁体25は、例えば、MEMS可変容量素子10の絶縁体20と同じ材料が用いられている。
絶縁体25上には、MIM容量素子50の上部電極(第2の上部電極)54が設けられる。上部電極54は、絶縁体25に直接接触し、絶縁体25上に固定されている。上部電極54は、絶縁体25を挟んで、下部電極52に対向する。上部電極54は、上部信号電極16と同じ材料が用いられている。
MIM容量素子50の絶縁体25において、上部電極54と下部電極52との間に挟まれた部分は、厚さt2を有する。この厚さt2は、絶縁体20の厚さt1より薄い。また、下部電極52の側面上の絶縁体25の厚さt1”は、MEMS可変容量素子10の下部信号電極12の側面を覆う絶縁体20の厚さt1’とほぼ同じである。
MIM容量素子50は固定容量素子であり、一定の静電容量CMIMを有する。
上部電極54は、例えば、矩形状の平面形状を有する。上部電極54の一端及び他端には、引き出し部57が接続されている。例えば、引き出し部57は、基板1表面に対して垂直方向において、上部電極54の一端から斜め上方に延在する。引き出し部57には、コンタクト部53が接続されている。コンタクト部53は、絶縁体26内に設けられた開口部を経由して、基板1上の配線51に直接接触する。上部電極54は、引き出し部57及びコンタクト部53を経由して、基板1上に固定された配線51に電気的に接続される。コンタクト部53,54及び配線51を経由して、MIM容量素子50の電極52,54に電圧又は信号が入出力される。配線51上の絶縁体26の厚さは、例えば、下部信号電極12上の絶縁体20の厚さt1と同じである。
よって、MIM容量素子を構成する絶縁体の厚さがMEMS可変容量素子を構成する絶縁体の厚さと同じになっている場合と比較して、本実施形態のように、MIM容量素子50を構成する絶縁体25の厚さt2がMEMS可変容量素子10を構成する絶縁体20の厚さt1よりも薄くされることで、MIM容量素子50の静電容量を大きくすることができる。
以下、図2、図3A乃至図3Dを用いて、第1の実施形態に係るMEMSデバイスの製造方法について、説明する。図3A乃至図3Dは、各工程における図1のA−A’線に沿う断面構造をそれぞれ示している。尚、以下では、図1及び図2のMEMS可変容量素子(可動構造)10が設けられる領域のことを、MEMS形成領域とよび、アクチュエータ30A,30Bが設けられる領域のことを、アクチュエータ形成領域とよぶ。また、MIM容量素子50が設けられる領域のことをMIM形成領域とよぶ。
尚、配線として機能する導電層39,51上に形成された絶縁体22,26も、絶縁体20と同じ材料が用いられ、同じ厚さt1を有する。
本実施形態においては、開口部Q1が形成されるのと同時に、MIM形成領域50内の絶縁体25上において、開口部Q2が、犠牲層41内に形成される。これによって、MIM容量素子に用いられる絶縁体25aの上面が露出する。
このように、アンカーを埋め込む開口部Q1が犠牲層41内に形成されるのと同時に、MIM容量素子に用いる絶縁体25を露出させる開口部Q2が、犠牲層内に形成される。
このエッチングによって、絶縁体25の厚さは絶縁体20の厚さより薄くされ、絶縁体25は厚さt2になる。一方、MEMS可変容量素子を構成する絶縁体20の上面は、犠牲層41によって覆われているため、エッチングによって、絶縁体20が薄くなることはない。よって、MEMS可変容量素子を構成する絶縁体20は、形成時の厚さt1が維持される。
堆積された導電層は、例えば、フォトリソグラフィー技術及びRIE法を用いて加工され、所定の形状の電極や配線が導電層から形成される。これによって、MEMS可変容量素子10の上部信号電極16は、犠牲層41を介して、MEMS可変容量素子10の下部信号電極12上方に形成される。アクチュエータ30A,30Bの上部駆動電極33は、犠牲層41を介して、アクチュエータ30A,30Bの下部駆動電極37上方に形成される。また、MIM容量素子の上部電極54は、MIM容量素子を構成する絶縁体25に直接接触するように、絶縁体25上に形成される。
犠牲層が除去されたことによって、MEMS可変容量素子10の上部信号電極16と下部信号電極12との間に、空隙(キャビティ)が形成される。また、犠牲層の除去によって、アクチュエータの上部駆動電極33は、ジョイント部32の応力とバネ構造34の応力との違いにより、上部駆動電極33のバネ構造34側が下方(基板側)に傾斜する。
一方、MIM容量素子の絶縁体25を薄くする際、MEMS容量素子の絶縁体20は犠牲層41で覆われているので、MEMS可変容量素子において、MEMS可変容量素子を構成する絶縁体20は、薄くされず、所望の容量値が得られる範囲内で、大きい厚さが確保される。よって、MEMS可変容量素子の駆動時、MEMS可変容量素子10の電極12,16間に生じる電界は、大きい厚さの絶縁体20によって、緩和される。
また、MIM容量素子を構成する絶縁体25が開口部Q2を介して薄くされるのと同時に、開口部Q1を介して露出した配線39,51表面から、自然酸化膜やダストが除去される。このように、素子の信頼性を向上させる処理が、絶縁体25の薄膜化のための処理と共通に実行されることによって、製造工程が増大する抑制するのと共に、アンカー/コンタクトと配線39,51との界面の欠陥に起因して、素子10,50の特性及び信頼性が劣化するのが抑制される。
図4及び図5を参照して、本発明の第2の実施形態に係るMEMSデバイス及びその製造方法ついて、説明する。尚、第1の実施形態と同じ構成要素については、同じ符号を付し、その詳細については必要に応じて説明する。
以下、図4を用いて、本発明の第2の実施形態に係るMEMSデバイスの構造について、説明する。ここでは、第1の実施形態に係るMEMSデバイスとの相違点について、主に述べる。図4は、図1のA−A’線に対応する断面図である。
また、絶縁体65の厚さt3は、例えば、絶縁体20の厚さt1より薄い。但し、絶縁体65の厚さt3は、絶縁体20の厚さt1より薄いことが好ましいが、同じ厚さでもよい。
絶縁体65は、例えば、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)又は酸化ジルコニウム(ZrO2)等の高誘電体材料が用いられる。但し、MEMS可変容量素子10の絶縁体20に酸化シリコンが用いられた場合、MIM容量素子50の絶縁体65は、窒化シリコンや酸窒化シリコンでもよい。
以下、図5を用いて、本発明の第2の実施形態に係るMEMSデバイスの製造方法について、説明する。ここでは、第1の実施形態で述べたMEMSデバイスの製造工程と同じ工程については詳細な説明を省略し、主に、第1の実施形態に係るMEMSデバイスの製造方法との相違点について述べる。図5は、図1のA−A’線に対応する断面図である。
このように、MIM形成領域50内において、電極52及び配線51の表面は露出する。また、MEMS形成領域10及びアクチュエータ形成領域30A,30B内において、導電層12,37,39上の絶縁体20,21,22は、ダミー層42によって、覆われる。
絶縁体65は、絶縁体20より誘電率が高い材料が用いられ、例えば、酸化ハフニウム、酸化アルミニウムなどの高誘電体材料である。但し、絶縁体65に用いられる材料は、絶縁体20に用いられる材料よりも誘電率が高ければ、酸化シリコンや窒化シリコン、酸窒化シリコンでもよい。絶縁体65の厚さt3は、例えば、絶縁体20の厚さt1よりも薄く形成される。尚、電極52にアルミニウムが用いられている場合には、電極52表面に酸化処理を施して、酸化アルミニウムからなる絶縁体65を形成してもよい。
この後、MEMS形成領域10内及びアクチュエータ形成領域30A,30B内において、カバー層42及びカバー層上の絶縁体がそれぞれ除去される。
そして、開口部Q1を経由して、露出した配線39,51表面から、自然酸化膜などが除去される。
また、MIM形成領域50内において、開口部Q2によって、下部電極52上の絶縁体65上面が露出する。図3Cに示す工程と同様に、開口部Q2を経由して、絶縁体65にエッチングを施し、絶縁体65の厚さを薄くしてもよい。
図6及び図7を参照して、本発明の第3の実施形態に係るMEMSデバイス及びその製造方法ついて、説明する。尚、第1及び第2の実施形態と同じ構成要素については、同じ符号を付し、その詳細については必要に応じて説明する。
以下、図6を用いて、本発明の第2の実施形態に係るMEMSデバイスの構造について、説明する。ここでは、第1の実施形態に係るMEMSデバイスとの相違点について主に述べる。図6は、図1のA−A’線に対応する断面図である。
また、配線39,51上に、絶縁体82,86がそれぞれ設けられている。配線39,51を覆う絶縁体82,86は、下部信号電極12を覆う絶縁体80と同様に、2つの絶縁膜70c,71c,70e,71eが積層された構造をそれぞれ有している。積層構造の絶縁体82,86の厚さは、例えば、積層構造の絶縁体80の厚さt4と同じである。
以下、図7を用いて、本発明の第3の実施形態に係るMEMSデバイスの製造方法について、説明する。ここでは、第1及び第2の実施形態に係るMEMSデバイスの製造方法との相違点について、主に述べる。
尚、図7において、2つの絶縁膜70a〜70e,71a〜71eが、電極20,52上に積層されているが、3つ以上の絶縁膜が電極上に積層されてもよいのはもちろんである。
以上の工程によって、本実施形態に係るMEMSデバイスが、完成する。
一方、MEMS可変容量素子10を構成する絶縁体80は、複数の絶縁膜70a,71bが積層されることによって、MEMSデバイスの駆動時に、MEMS可変容量素子10の2つの電極12,16間に生じる電界を緩和できる厚さが確保される。それゆえ、本実施形態で述べた製造方法では、信頼性の高いMEMS可変容量素子を作製できる。
図8を参照して、本発明の第1乃至第3の実施形態の適用例について述べる。
MIM容量素子50は、MEMS可変容量素子10の一端と出力端子95との間に、直列に接続されている。図8(a)に示されるRF回路において、MIM容量素子50は、ブロッキングキャパシタとして、直流成分が端子95へ出力されるのを遮断する。
本発明の実施形態で述べたMEMSデバイスを適用したRF回路では、MIM容量素子50に用いられる絶縁体の厚さが、MEMS可変容量素子10に用いられる絶縁体の厚さよりも薄くされることによって、MIM容量素子の静電容量が大きくされている。これによって、本実施形態のMIM容量素子50は、直流電源92の直流成分を十分に遮断するブロッキングキャパシタを実現する。
また、本発明の実施形態において、MEMS可変容量素子10を構成する絶縁体の厚さは、MIM容量素子50を構成する絶縁体の厚さよりも厚い。そのため、RF回路のRF発振時において、MEMS可変容量素子10を構成する2つの電極間に生じる電界の分布を緩和できる。したがって、本実施形態のMEMSデバイス適用したRF回路によれば、電界に起因するノイズの発生を低減でき、MEMS可変容量素子10の信頼性を向上できる。MEMS可変容量素子10の信頼性が向上するので、それを適用したRF回路(MEMSデバイス)の信頼性が向上するのはもちろんである。
図8の(b)に示されるように、静電型アクチュエータ30A,30Bの駆動電圧Voutは、昇圧回路97から供給される。昇圧回路97は、供給電圧Vdd(例えば、3V)を昇圧して、アクチュエータ30A,30Bの駆動電圧Vout(例えば、10〜20V程度)を生成する。
本発明の実施形態のMEMSデバイスにおいては、MEMS可変容量素子の両側に、両持ち構造(ブリッジ構造)のアクチュエータを設けるMEMSデバイスを例に挙げている。但し、本発明の実施形態はそれに限定されず、MEMS素子(例えば、MEMS可変容量素子)とMIM素子(例えば、容量素子)とを有するMEMSデバイスであって、MIM素子を構成する絶縁体の膜厚が、MEMS素子を構成する絶縁体の膜厚よりも薄くなっていれば、MEMS素子及びアクチュエータの構造は、片持ち構造(カンチレバー構造)であってもよい。尚、MIM素子の絶縁体の誘電率がMEMS素子の絶縁体の誘電率よりも高い場合、MEMS素子及びMIM素子の絶縁体が積層構造を有する場合においても、同様である。
Claims (5)
- 基板上に設けられる第1の下部電極と、前記第1の下部電極上に設けられ、第1の厚さを有する第1の絶縁体と、前記第1の下部電極上方にアンカーによって中空に支持される可動な第1の上部電極と、を有するMEMS素子と、
前記基板上に設けられる第2の下部電極と、前記第2の下部電極上に設けられ、第2の厚さを有する第2の絶縁体と、前記第2の絶縁体上に設けられる第2の上部電極と、を有する容量素子と、を具備し、
前記第2の厚さは、前記第1の厚さよりも薄いことを特徴とするMEMSデバイス。 - 前記第2の絶縁体の誘電率は、前記第1の絶縁体の誘電率よりも高いことを特徴とする請求項1に記載のMEMSデバイス。
- 前記第1及び第2の絶縁体は、単層膜若しくは積層膜から構成され、前記第1の絶縁体を構成する絶縁膜の数は、前記第2の絶縁体を構成する絶縁膜の数よりも多いことを特徴とする請求項1又は2に記載のMEMSデバイス。
- 基板上に、MEMS素子の第1の下部電極と容量素子の第2の下部電極とを形成する工程と、
前記第1及び第2の下部電極上に、第1の厚さを有する第1の絶縁体を形成する工程と、
前記第1の絶縁体上に、犠牲層を形成する工程と、
アンカーを形成する領域の犠牲層内に第1の開口部を形成するのと同時に、前記第2の下部電極上の前記第1の絶縁体が露出するように、第2の開口部を前記犠牲層内に形成する工程と、
前記第2の開口部を介して、露出した前記第1の絶縁膜にエッチングを施して、前記第2の下部電極上に、前記第1の厚さよりも薄い第2の厚さを有する第2の絶縁体を形成する工程と、
前記犠牲層上及び前記第2の絶縁体上に、導電層を形成する工程と、
前記導電層を加工した後、前記犠牲層を除去して、前記第1の下部電極上方にアンカーによって中空に支持される可動な前記MEMS素子の第1の上部電極と、前記第2の絶縁膜体上に前記容量素子の第2の上部電極とを形成する工程と、
を具備することを特徴とするMEMSデバイスの製造方法。 - 前記第1及び第2の下部電極に前記第1の絶縁体を形成するのと同時に、前記基板上の配線上に第1の絶縁体を形成する工程と、
前記犠牲層を形成する前に、前記配線上に形成された前記第1の絶縁体を除去する工程と、
前記第1の開口部を前記犠牲層内に形成することによって、前記配線の表面を露出させる工程と、
前記第2の絶縁体を形成するのと同一工程において、前記第1の開口部を介して、露出した前記配線の表面から不純物を除去する工程と、
をさらに具備することを特徴とする請求項4に記載のMEMSデバイスの製造方法。
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