KR100836980B1 - 정전형 액튜에이터를 구동하기 위한 회로를 포함하는반도체 집적 회로, ｍｅｍｓ 및 정전형 액튜에이터의 구동방법 - Google Patents

정전형 액튜에이터를 구동하기 위한 회로를 포함하는반도체 집적 회로, ｍｅｍｓ 및 정전형 액튜에이터의 구동방법 Download PDF

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Abstract

반도체 집적 회로는, 정전형 액튜에이터, 검출 회로, 기억 회로, 및 바이어스 회로를 구비한다. 상기 정전형 액튜에이터는, 상부 전극, 하부 전극, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 배치된 상기 절연막을 갖는다. 상기 검출 회로는, 상기 정전형 액튜에이터의 상기 절연막 내에 축적된 전하량을 검출한다. 상기 기억 회로는, 상기 검출 회로에 의해 검출된 상기 전하량의 검출 결과를 저장한다. 상기 바이어스 회로는, 상기 기억 회로에 저장된 상기 검출 결과에 기초하여, 상기 정전형 액튜에이터를 구동하기 위한 구동 전압을 변화시킨다.
Figure R1020070013214
정전형 액튜에이터, 상부 전극, 하부 전극, 절연막, 전하 축적량 검출 회로, 풀아웃 전압

Description

정전형 액튜에이터를 구동하기 위한 회로를 포함하는 반도체 집적 회로, ＭＥＭＳ 및 정전형 액튜에이터의 구동 방법{SEMICONDUCTOR INTEGRATED CIRCUIT WITH ELECTROSTATIC ACTUATOR DRIVING CIRCUIT, MEMS, AND METHOD FOR DRIVING ELECTROSTATIC ACTUATOR}
도 1a는, 정전형 액튜에이터에서 상부 전극에 전압 Vs를 인가하고, 하부 전극을 접지 전압으로 하였을 때의 CV 특성을 나타내는 곡선(제1종의 전하 주입의 경우)을 도시하는 도면.
도 1b는, 정전형 액튜에이터에서 하부 전극에 전압 Vs를 인가하고, 상부 전극을 접지 전압으로 하였을 때의 CV 특성을 나타내는 곡선(제1종의 전하 주입의 경우)을 도시하는 도면.
도 1c는, 정전형 액튜에이터에서 상부 전극에 전압 Vs를 인가하고, 하부 전극을 접지 전압으로 하였을 때의 CV 특성을 나타내는 곡선(제2종의 전하 주입의 경우)을 도시하는 도면.
도 1d는, 정전형 액튜에이터에서 하부 전극에 전압 Vs를 인가하고, 상부 전극을 접지 전압으로 하였을 때의 CV 특성을 나타내는 곡선(제2종의 전하 주입의 경우)을 도시하는 도면.
도 1e는, 본 발명의 실시 형태를 실현하는 반도체 집적 회로의 구성을 도시 하는 개략도.
도 2는, 상기 실시 형태에서의 정전형 액튜에이터를 접촉형 스위치에 적용한 경우의 MEMS부의 단면도.
도 3은, 상기 실시 형태에서의 상기 정전형 액튜에이터를 가변 용량 소자에 적용한 경우의 MEMS부의 단면도.
도 4는, 상기 실시 형태에서의 상기 정전형 액튜에이터와 정전형 이외의 액튜에이터를 조합한 하이브리드형 액튜에이터를 이용한 MEMS부의 단면도.
도 5는, 본 발명의 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로의 구성을 도시하는 개략도.
도 6a는, 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로에서의 전하 축적량 검출 회로의 회로도.
도 6b는, 도 6a에 도시한 상기 전하 축적량 검출 회로의 변형예의 회로도.
도 7은, 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로에서의 전압 생성 회로의 출력 전압의 전압 파형도(모드1).
도 8은, 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로에서의 전하 축적량의 검출 동작 시의 전압 파형도(모드1).
도 9는, 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로에서의 전압 생성 회로의 출력 전압의 전압 파형도(모드2).
도 10은, 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로에서의 전하 축적량의 검출 동작 시의 전압 파형도(모드2).
도 11a는, 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로의 동작을 설명하는 플로우차트(제1종의 전하 주입의 경우).
도 11b는, 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로의 동작을 설명하는 플로우차트(제1종의 전하 주입에서 VmonL=VmonH=Vmon의 경우).
도 11c는, 도 11b에 도시한 반도체 집적 회로에서의 연속 동작 시의 상부 전극과 하부 전극에 인가되는 전압 파형도.
도 11d는, 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로의 동작을 설명하는 플로우차트(제2종의 전하 주입의 경우).
도 11e는, 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로의 동작을 설명하는 플로우차트(제2종의 전하 주입에서 VmonL=VmonH=Vmon의 경우).
도 12a는, 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로의 정전형 액튜에이터에서의 CV 특성을 도시하는 도면(모드1).
도 12b는, 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로의 정전형 액튜에이터에서의 CV 특성을 도시하는 도면(모드2).
도 13은, 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로에서의 연속 동작 시의 상부 전극과 하부 전극에 인가되는 전압 파형도.
도 14는, 상기 제1 실시 형태인 변형예의 반도체 집적 회로의 구성을 도시하는 개략도.
도 15는, 상기 제1 실시 형태인 변형예의 반도체 집적 회로에서의 연속 동작 시의 상부 전극과 하부 전극에 인가되는 전압 파형도.
도 16a는, 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로에서의 상부 전극과 하부 전극에 인가되는 홀드 전압으로서의 바이폴라 형상의 전압 파형도.
도 16b는, 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로에서의 전압 생성 회로의 출력 전압의 다른 변형예를 도시하는 전압 파형도.
도 17은, 본 발명의 제2 실시 형태의 반도체 집적 회로에서의 전하 축적량 검출 회로의 회로도.
도 18은, 상기 제2 실시 형태의 반도체 집적 회로에서의 전하 축적량 검출 회로의 검출 동작 시의 파형도.
도 19는, 상기 제2 실시 형태의 반도체 집적 회로의 동작을 설명하는 플로우차트.
도 20a는, 본 발명의 제3 실시 형태에서의 전압 생성 회로의 출력 전압의 전압 파형도.
도 20b는, 상기 제3 실시 형태에서의 전압 생성 회로의 제1 변형예로서의 출력 전압의 전압 파형도.
도 20c는, 상기 제3 실시 형태에서의 전압 생성 회로의 제2 변형예로서의 출력 전압의 전압 파형도.
도 20d는, 상기 제3 실시 형태에서의 전압 생성 회로의 제3 변형예로서의 출력 전압의 전압 파형도.
도 21은, 상기 제3 실시 형태의 반도체 집적 회로의 동작을 설명하는 플로우차트.
도 22a는, 상기 제3 실시 형태의 반도체 집적 회로에서의 절연막 내의 전하 축적량의 추이를 나타내는 모식도.
도 22b는 상기 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로에서의 절연막 내의 전하 축적량의 추이를 나타내는 모식도.
도 23은, 본 발명의 제4 실시 형태의 반도체 집적 회로의 동작을 설명하는 플로우차트.
도 24는, 상기 제4 실시 형태의 반도체 집적 회로에서의 전압 생성 회로의 제1 출력 파형도.
도 25는 상기 제4 실시 형태의 반도체 집적 회로에서의 전압 생성 회로의 제2 출력 파형도.
도 26a는, 도 23 중의 모드3에서의 전압 파형도.
도 26b는, 도 23 중의 모드3에서의 플로우차트.
도 27a는, 도 23 중의 모드4에서의 전압 파형도.
도 27b는, 도 23 중의 모드4에서의 플로우차트.
도 28은, 본 발명의 제5 실시 형태의 반도체 집적 회로가 구비한 테스트 모드의 동작을 설명하는 플로우차트.
도 29는, 본 발명의 제6 실시 형태인 반도체 집적 회로가 구비한 테스트 모드의 동작을 설명하는 플로우차트.
도 30a는, 본 발명의 제7 실시 형태인 MEMS 가변 용량 소자를 포함하는 반도체 집적 회로의 구성을 도시하는 개략도.
도 30b는, 상기 제7 실시 형태에서의 상기 MEMS 가변 용량 소자의 평면도.
도 31a는, 본 발명의 제8 실시 형태인 MEMS 스위치를 포함하는 반도체 집적 회로의 구성을 도시하는 개략도.
도 31b는, 상기 제8 실시 형태에서의 상기 MEMS 스위치의 평면도.
[특허문헌 1] 미국 특허 제5,578,976호 명세서
[비특허 문헌] G.M.Rebeiz,"RF MEMS Theory, Design, and Technology", Wiley-Interscience, 2003, PP.190-191.
본 출원은 일본국 특허 출원 2006-032587(2006년 2월 9일)에 기초한 것으로서, 그 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
본 발명은, 액튜에이터를 이용한 마이크로 머신 혹은 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 기술에 관한 것으로서, 예를 들면 정전형 액튜에이터를 이용한 스위치나 가변 용량 소자 등을 포함하는 반도체 집적 회로, 및 정전형 액튜에이터의 구동 방법에 관한 것이다.
정전형 액튜에이터를 이용한 MEMS 스위치의 구조는, 예를 들면, 특허 문헌1에 개시되어 있다. MEMS 스위치를 닫힘 상태로 하기 위해서는, 정전형 액튜에이터의 상부 전극과 하부 전극 사이에 전위차를 걸어, 이들 전극 사이의 정전 인력이, 상부 전극이 고착된 들보의 탄성력을 상회하도록 한다. 통상적으로, 닫힘 상태로 하기 위해서는, 상부 전극과 하부 전극 사이에 20V 이상의 전위차를 걸 필요가 있다. 이하, 이 전위차의 절대값을 전압 Vs라고 부른다.
닫힘 상태의 MEMS 스위치에서는, 정전형 액튜에이터의 상부 전극과 하부 전극이 절연막을 개재하여 접한 상태로 된다. 이 때, 상부 전극과 하부 전극 사이에 20V 이상의 전위차가 있기 때문에, FN 터널 혹은 풀 프렌켈 기구에 의해 절연막에 전하가 주입되어 트랩된다. 이 현상을, 정전형 액튜에이터의 다이일렉트릭 차징이라고 한다.
다이일렉트릭 차징에 의해 절연막에 쌓인 전하량이 충분히 커지면, 상부 전극과 하부 전극 사이의 전위차를 0V로 해도, 절연막 내의 전하에 상부 전극이 끌어당겨져, 스위치를 닫힘 상태로부터 열림 상태로 할 수 없게 된다. 이 형상을 다이일렉트릭 차징에 의한 스틱션이라고 한다.
스틱션을 제어하기 위해, 상부 전극과 하부 전극 사이의 전압의 바이어스 방법이 다음의 G.M.Rebeiz, "RF MEMS Theory, Design, and Technology", Wiley-Interscience, 2003, PP.190-191.에 기재되어 있다. 이 바이어스 방법의 포인트는 이하의 3점이다.
(1) 홀드 전압 Vh를 전압 Vs보다도 낮게 한다.
(2) 상부 전극과 하부 전극에의 구동 전압의 정부를 매회 반전시킨다(바이폴라 액츄에이션).
(3) 스위치의 홀드 상태에서, 진폭 Vh의 정부의 펄스를 계속해서 인가한다.
여기서 홀드 전압 Vh란, 열림 상태에 있는 스위치를 닫힘 상태로 한 후, 그 닫힘 상태(홀드 상태)를 유지하기 위해 필요한 상부 전극과 하부 전극 사이의 전위차이다. 상부 전극과 하부 전극 사이의 정전 인력은 양 전극간 거리의 역수의 2승에 비례하기 때문에, 홀드 전압 Vh는 전압 Vs보다도 낮게 하는 것이 가능하다.
상기 (1)∼(3)의 3점으로 이루어지는 바이어스 방법에 의해, 절연막 내에 트랩되는 전하량을 삭감하는 것은 가능하지만, 완전히 없앨 수는 없다. 왜냐하면, 플러스의 펄스와 마이너스의 펄스를 공급하고 있는 기간에서, 주입되는 전하량이 서로 다르기 때문이다. 이것은 전하 주입 기구가 대칭이 아닌 것에 의한다. 따라서 홀드 상태에서 충분히 긴 시간, 정전압의 펄스와 부전압의 펄스의 스위칭을 반복하면, 절연막 내의 전하량이 서서히 증가하여, 결국에는 스틱션을 발생시키게 된다.
제1 측면으로부터 본 본 발명의 반도체 집적 회로는, 상부 전극, 하부 전극, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 배치된 상기 절연막을 갖는 정전형 액튜에이터와, 상기 정전형 액튜에이터의 상기 절연막 내에 축적된 전하량을 검출하는 검출 회로와, 상기 검출 회로에 의해 검출된 상기 전하량의 검출 결과를 저장하는 기억 회로와, 상기 기억 회로에 저장된 상기 검출 결과에 기초하여, 상기 정전형 액튜에이터를 구동하기 위한 구동 전압을 변화시키는 바이어스 회로를 구비한다.
제2 측면으로부터 본 본 발명의 반도체 집적 회로는, 상부 전극, 하부 전극, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 배치된 절연막을 갖는 정전형 액튜에이터와, 상기 정전형 액튜에이터에서의, 상기 상부 전극을, 상기 절연막을 개재한 상기 하부 전극 측에의 접촉 상태로부터 분리하기 위한 풀아웃 전압을 모니터하는 검출 회로와, 상기 검출 회로에 의해 모니터된 상기 풀아웃 전압에 기초하여, 상기 정전형 액튜에이터를 구동시킬 때의, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극에 의한 상기 절연막에의 전계의 방향을 결정하는 바이어스 회로를 구비한다.
제3 측면으로부터 본 본 발명의 반도체 집적 회로는, 상부 전극, 하부 전극, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 배치된 절연막을 갖는 정전형 액튜에이터와, 상기 정전형 액튜에이터의 상기 절연막 내에 축적된 전하량이 소정의 범위 내에 들어가 있는지의 여부를 검출하는 검출 회로와, 상기 절연막에 축적된 상기 전하량이 소정의 범위 내에 들어가 있지 않은 것이 검출되었을 때, 상기 전하량이 소정의 범위 내에 들어가도록, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 구동 전압을 인가하여, 상기 절연막에 대하여 전하의 주입 및 뽑아냄 중 어느 하나를 행하는 바이어스 회로를 구비한다.
제4 측면으로부터 본 본 발명의 Micro-Electro-Mechanical Systems(MEMS)는, 상부 전극, 하부 전극, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 배치된 제1 절연막을 갖는 정전형 액튜에이터-상기 하부 전극은 기판 상에 형성되어 있고, 상기 상부 전극은 상기 기판과의 사이에 공동이 존재하도록 배치되어 있음-와, 상기 기판 상에, 상기 하부 전극과 이격하여 형성된 제1 전극과, 상기 상부 전극과의 사이에 절연체를 개재하여 형성된 제2 전극-상기 제2 전극은 상기 제1 전극과 대향하도록 배치되어 있음-과, 상기 정전형 액튜에이터의 상기 상부 전극에 구동 전압이 인가되어 있는 동안은 상기 하부 전극을 접지 전압으로 하고, 상기 하부 전극에 상기 구동 전압이 인가되어 있는 동안은 상기 상부 전극을 상기 접지 전압으로 하는 바이어스 회로를 포함하고, 상기 바이어스 회로에 의해 상기 구동 전압 및 상기 접지 전압을 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극에 인가함으로써, 상기 정전형 액튜에이터는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 거리를 변화시킨다.
제5 측면으로부터 본 본 발명의 정전형 액튜에이터의 구동 방법은, 상부 전극, 하부 전극, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 배치된 절연막을 갖는 정전형 액튜에이터의 구동 방법으로서, 전원의 투입 및 커맨드의 입력 중 어느 하나를 검지하는 스텝과, 상기 전원의 투입 및 커맨드의 입력 중 어느 하나를 검지하였을 때, 상기 절연막 내에 축적된 전하량이 소정의 범위 내에 들어가 있는지의 여부를 검출하는 스텝과, 상기 절연막 내에 축적된 상기 전하량이 소정의 범위 내에 들어가 있지 않은 것이 검출되었을 때, 상기 전하량이 소정의 범위 내에 들어가도록, 상기 절연막에 대하여 전하의 주입 및 뽑아냄 중 어느 하나를 행하는 스텝을 구비한다.
<실시예>
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다. 설명 시에, 모든 도면에 걸쳐, 공통되는 부분에는 공통되는 참조 부호를 붙인다.
통상적으로, 정전형 액튜에이터를 구동하여 상부 전극을 아래로 내리는, 즉 상부 전극을 하부 전극 측으로 움직여, 상부 전극을 하부 전극 상의 절연막에 접촉 시키기 위해서는 다음의 2가지의 방법이 있다.
(a) 상부 전극에 전압 Vs를 인가하고, 하부 전극을 접지 전압으로 한다.
(b) 하부 전극에 전압 Vs를 인가하고, 상부 전극을 접지 전압으로 한다.
상술한 바와 같이, 상부 전극이 아래로 내려간 상태에서는 하부 전극 상에 배치된 절연막에 고전계가 걸리기 때문에, 다이일렉트릭 차징이 발생한다. 그러나 상기 (a)와 (b)에서는 절연막에 인가되는 전계의 방향이 서로 다르기 때문에, 절연막에 주입되는 전하의 부호가 서로 다르다. 예를 들면, 절연막으로서, 실리콘 질화막(SiN)과 실리콘 산화막(SiO2)의 적층막을 채용한 경우, (a)의 경우에 절연막에 전자가 주입되어, 상부 전극을 절연막으로부터 분리하기 위한 풀아웃 전압이 내려간다. 이 때의 CV 특성의 변화의 모습을 도 1a에 도시한다. 여기서 전압 "Vtop-Vbtm"은 상부 전극과 하부 전극 사이의 전위차이고, 용량 Ces는 상부 전극과 하부 전극 사이에 배치된 절연막의 용량이다. 또한 (b)의 경우에는, 도 1b에 도시한 바와 같이 CV 특성이 변화된다. 따라서, Vs>O으로 하면 어떠한 경우에도 전압 "Vtop-Vbtm"의 절대값에 대하여 풀아웃 전압 Vpo가 저하되는 방향으로 움직인다. 따라서 전압 "Vtop-Vbtm"의 부호를 바꾸지 않은 채로 동작을 계속하면, 최종적으로는 스틱션이 발생한다. 본 발명의 실시 형태의 포인트는, 절연막에 주입된 전하량에 따라 상기 (a), (b)의 바이어스 방법을 구분하여 사용하여, 스틱션에 의한 불량을 방지하는 것에 있다. 바꿔 말하면, 절연막에 주입된 전하량에 따라 상부 전극과 하부 전극 사이의 전계의 방향을 바꿈으로써, 절연막에 주입된 전하량을 일정한 범위로 유지하는 것에 있다.
또한, 상기 절연막에 인가되는 전계의 방향과 절연막에 주입되는 전하의 부호는 절연막의 종류나 트랩의 장소에 의해 서로 다를 가능성이 있지만, 이하에서는 주로 도 1a 및 1b에 도시한 바와 같이 CV 특성이 변화되는 경우를 상정하여 설명한다. 이와 같이 전압 "Vtop-Vbtm"의 절대값에 대하여 풀아웃 전압 Vpo가 저하되는 방향으로 움직이는 케이스를, 제1종의 전하 주입이라고 부르기로 한다. 그러나 분명히, 도 1c 및 1d에 도시한 바와 같이 CV 특성이 변화되는 경우, 즉 전압 "Vtop-Vbtm"의 절대값에 대하여 풀아웃 전압 Vpo가 상승하는 방향으로 움직이는 경우(제2종의 전하 주입이라고 부름)에도 본 발명의 실시 형태는 적용할 수 있다. 도 1c 및 1d에 도시한 바와 같이 CV 특성이 변화되는 경우에는, 구동 전압이 상승하고, 풀인하지 않게 되는, 즉 상부 전극이 절연막에 접촉하지 않게 된다고 하는 불량이 발생한다.
도 1e는, 이하에 설명하는 본 발명의 제1 실시 형태로부터 제6 실시 형태를 실현하는 반도체 집적 회로의 구성을 도시하는 도면이다. 이 반도체 집적 회로는, MEMS부(10)와 회로부(20)로 구성되어 있다. MEMS부(10)와 회로부(20)는 동일 반도체 칩 내에 형성되어 있어도 되고, 각각의 칩으로 나누어져 있어도 된다. 회로부(20)는, 전하 축적량 검출 회로(21), 기억 회로(22), 바이어스 회로(23), 컨트롤러(24)를 포함한다. 노드 Ntop는 바이어스 회로(23)와 상부 전극(17) 사이를 접속하는 노드이고, 노드 Nbot는 바이어스 회로(23)와 하부 전극(15) 사이를 접속하는 노드이다. 노드 N1은, 전하 축적량 검출 회로(21)와 바이어스 회로(23) 사이를 접 속하는 노드이다. 전하 축적량 검출 회로(21)는 정전형 액튜에이터(11)에서의 하부 전극(15) 상의 절연막(16)에 트랩된 전하 축적량을 검출하는 회로이다. 전하 축적량 검출 회로(21)에 의한 전하 축적량의 검출 결과는, 레지스터 등의 기억 회로(22)에 저장된다. 바이어스 회로(23)는, 기억 회로(22)에 저장된 검출 결과(전하 축적량)에 기초하여, 정전형 액튜에이터(11)를 구동하는 구동 전압(바이어스 전압)을 하부 전극(15)과 상부 전극(17)에 공급한다.
이하에, 도 1e에서의 MEMS부(10)에 대해서 상술한다.
MEMS부(10)는, 정전형 액튜에이터(11)를 포함하고 있다. 이 MEMS부(10)는, 반도체 기판(12) 상의 앵커(13)에 탄성 부재(14)의 일단이 고정된 구조를 갖고 있고, 반도체 기판(12)과 탄성 부재(14) 사이에는 공동(30)이 형성되어 있다. 반도체 기판(12) 상에는 하부 전극(15)이 형성되고, 하부 전극(15) 상에는 이 하부 전극(15)을 피복하도록 절연막(16)이 형성되어 있다. 탄성 부재(14)의 한쪽의 면 상에는 하부 전극(15)과 대향하도록, 상부 전극(17)이 형성되어 있다. 이와 같은 구조를 갖는 MEMS부(10)에서는, 정전형 액튜에이터(11)가 구동함으로써, 탄성 부재(14)의 중앙부가 반도체 기판(12)에 근접하도록 변형되고, 상부 전극(17)이 하부 전극(15) 측으로 이동하여 상부 전극(17)이 하부 전극(15) 상의 절연막(16)에 접촉된다. 이와 같이 하여, 탄성 부재(14)와 반도체 기판(12) 사이의 거리가 변화되는 기구가, 스위치 및 가변 용량 소자에 이용되고 있다.
도 1e에서는, MEMS부(10)로서 정전형 액튜에이터(11)만을 모식적으로 도시하고 있지만, 본 발명은 정전형 액튜에이터를 포함하는 다양한 디바이스, 예를 들면 스위치, 가변 용량 소자 등에 적용할 수 있다.
도 2는, 정전형 액튜에이터를 접촉형 스위치에 적용한 경우의 MEMS부의 단면도이다. 제1 전극(18)과 제2 전극(19)에 의해 접촉형 스위치가 구성되어 있다. 반도체 기판(12) 상에는, 하부 전극(15)에 인접하여 제1 전극(18)이 형성되고, 이 제1 전극(18)에 대향하는 탄성 부재(14)의 한쪽의 면 상에는, 상부 전극(17)에 인접하여 제2 전극(19)이 형성되어 있다. 이와 같은 구조를 갖는 MEMS부에서는, 정전형 액튜에이터(11)가 구동됨으로써, 상부 전극(17)이 하부 전극(15) 측으로 이동하여 상부 전극(17)이 하부 전극(15) 상의 절연막(16)에 접촉한다. 이에 의해, 제1 전극(18)과 제2 전극(19)이 접촉하여 전기적으로 접속되어, 접촉형 스위치가 닫힘 상태로 된다. 한편, 정전형 액튜에이터(11)가 구동되고 있지 않을 때에는, 하부 전극(15)과 상부 전극(17) 사이에는 공동이 형성되어 있다. 이에 의해, 제1 전극(18)과 제2 전극(19)이 비접촉으로 되어, 접촉형 스위치가 열림 상태로 된다.
또한, 도 3은 정전형 액튜에이터를 가변 용량 소자에 적용한 경우의 MEMS부의 단면도이다. 제1 전극(18), 제2 전극(19), 이들 제1 전극(18)과 제2 전극(19) 사이에 배치된 절연막(16)에 의해, 가변 용량 소자가 구성된다. 반도체 기판(12) 상에는, 하부 전극(15)에 인접하여 제1 전극(18)이 형성되고, 이 제1 전극(18)을 피복하도록 절연막(16)이 배치되어 있다. 제1 전극(18)에 대향하는 탄성 부재(14)의 한쪽의 면 상에는, 상부 전극(17)에 인접하여 제2 전극(19)이 형성되어 있다. 이와 같은 구조를 갖는 MEMS부에서는, 정전형 액튜에이터(11)가 구동함으로써, 상부 전극(17)이 하부 전극(15) 측으로 이동하여 상부 전극(17)이 하부 전극(15) 상 의 절연막(16)에 접촉한다. 이에 의해, 제1 전극(18) 상의 절연막(16)과 제2 전극(19)이 접촉하여, 가변 용량 소자가 제1 용량을 갖는 상태로 된다. 한편, 정전형 액튜에이터(11)가 구동되고 있지 않을 때에는, 하부 전극(15)과 상부 전극(17) 사이에는 공동이 형성되어 있다. 이에 의해, 제1 전극(18) 상의 절연막(16)과 제2 전극(19)이 비접촉으로 되어, 가변 용량 소자가 상기 제1 용량보다 작은 제2 용량을 갖는 상태로 된다.
또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명은 정전형 액튜에이터와 정전형 이외의 액튜에이터(31)를 조합한 하이브리드형의 액튜에이터에도 적용 가능하다. 정전형 이외의 액튜에이터로서는, 압전형, 또는 열형, 전자형 등이 있다. 하이브리드형의 액튜에이터를 채용하면, 정전형 이외의 액튜에이터(31)에 의해서도 상부 전극(17)을 하부 전극(15) 측으로 이동할 수 있기 때문에, 정전형 액튜에이터(11)의 구동 전압을 저하시킬 수 있다.
[제1 실시 형태]
본 발명의 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로에 대해서 설명한다.
도 5는, 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로의 구성을 도시하는 도면이다. 상술한 바와 같이, 이 반도체 집적 회로는, MEMS부(10)와 회로부(20)로 구성되어 있다. MEMS부(10)는 용량 Ces를 갖는 정전형 액튜에이터(11)를 포함하고 있다. 회로부(20)는, 전하 축적량 검출 회로(21), 기억 회로(22), 바이어스 회로(23), 및 컨트롤러(24)를 구비하고 있다.
바이어스 회로(23)는, 전압 생성 회로(25)와 스위치 소자 SW1, SW2, SW3, SW4를 포함한다. 이들 스위치 소자 SW1, SW2, SW3, SW4의 스위칭에 의해, 전압 생성 회로(25)의 출력 전압은, 정전형 액튜에이터(11)의 상부 전극(17)(노드 Ntop) 혹은 하부 전극(15)(노드 Nbot)에 절환하여 출력된다. 이 때, 전압 생성 회로(25)가 접속되어 있지 않은 쪽의 상부 전극(17) 혹은 하부 전극(15)에는, 접지 전압 GND가 공급된다. 즉, 스위치 소자 SW1, SW4가 닫힘 상태일 때에는 스위치 소자SW2, SW3이 열림 상태로 되고, 반대로 스위치 소자 SW1, SW4가 열림 상태일 때에는 스위치 소자 SW2, SW3이 닫힘 상태로 된다. 어느 스위치 소자를 열림 상태 또는 닫힘 상태로 할지는, 기억 회로(22)에 저장된 데이터에 기초하여 행해진다. 상기 데이터란, 전하 축적량 검출 회로(21)에 의해 검출된, 절연막(16) 내의 전하 축적량을 나타내는 것이다.
도 6은, 회로부(20) 내의 전하 축적량 검출 회로(21)의 회로도이다. 용량 Ces는, 정전형 액튜에이터(11)의 상부 전극(17)과 하부 전극(15) 사이의 용량이다. 정전형 액튜에이터(11)의 상부 전극(17)이 아래로 내려간 상태의 용량 Ces의 값을 용량 Cdown, 위로 올라간 상태의 용량 Ces의 값을 용량 Cup로 한다. 용량 Cdown은 용량 Cup보다도 크다. 고정 용량 Cref의 값은, 대략 용량 Cup와 용량 Cdown의 중간의 값으로 설정한다(Cref≒(Cup+Cdown)/2).
전하 축적량 검출 회로(21)의 접속 관계는, 이하와 같이 되어 있다. 상부 전극(17)에는, 스위치 소자 S5를 통하여 전압 생성 회로(25)의 출력 전압 Ves가 공급되고, 하부 전극(15)에는 접지 전압 GND가 공급되어 있다. 또한, 고정 용량 Cref를 갖는 캐패시터의 한쪽의 전극에는 스위치 소자 S6을 통하여 출력 전압 Ves 가 공급되고, 다른쪽의 전극에는 접지 전압이 공급되어 있다. 일정 용량 C1을 갖는 제1 캐패시터의 한쪽의 전극에는 스위치 소자 S1을 통하여 일정 전압 V1이 공급되고, 다른쪽의 전극에는 접지 전압이 공급되어 있다. 마찬가지로, 일정 용량 C1을 갖는 제2 캐패시터의 한쪽의 전극에는 스위치 소자 S2를 통하여 일정 전압 V1이 공급되고, 다른쪽의 전극에는 접지 전압이 공급되어 있다.
상부 전극(17)과 스위치 소자 S5의 접속점에는, 스위치 소자 S3의 일단(노드 N11)이 접속되고, 스위치 소자 S3의 타단은 비교기 CP의 플러스 입력 단자에 접속됨과 함께, 제1 캐패시터 C1의 한쪽의 전극과 스위치 소자 S1의 접속점에 접속되어 있다. 고정 용량 Cref를 갖는 캐패시터의 한쪽의 전극과 스위치 소자 S6의 접속점에는, 스위치 소자 S4의 일단(노드 N12)이 접속되고, 스위치 소자 S4의 타단은 비교기 CP의 마이너스 입력 단자에 접속됨과 함께, 제2 캐패시터 C1의 한쪽의 전극과 스위치 소자 S2의 접속점에 접속되어 있다. 그리고 비교기 CP의 플러스 입력 단자와 마이너스 입력 단자에 입력되는 전압의 비교 결과에 따른 출력 전압 Vout가, 비교기 CP의 출력 단자로부터 출력된다. 또한, 도 6a에 도시한 전하 축적량 검출 회로(21)에는, 도 6b에 도시한 바와 같이, 비교기 CP 대신에 센스 앰프 SA를 배치한 회로를 이용해도 된다.
또한, MEMS부(10)와 회로부(20)를 각각의 반도체 칩으로 구성하는 경우, 고정 용량 Cref는 MEMS부(10)와 동일한 칩 상에 형성하는 것이 바람직하다. 동일한 칩 상에 형성되어 있지 않으면 기생 용량 및 기생 저항의 값이 서로 달라, 전하 축적량의 검출 동작의 정밀도가 상실되기 때문이다. 또한, 일정 전압 V1은 후술하는 전압 VmonH 및 전압 VmonL보다도 높은 전압이다.
또한, 전압 생성 회로(25)의 출력 전압 Ves를 상부 전극(17)에 공급하는 기간을 모드1, 출력 전압 Ves를 하부 전극(15)에 공급하는 기간을 모드2라고 한다. 풀아웃 전압은 다이일렉트릭 차징에 의해 모드1에서 하강하고, 모드2에서 상승하는 것으로 한다.
본 실시 형태에서는, 전압 인가 시퀀스가 종료될 때마다 풀아웃 전압을 모니터하고, 풀아웃 전압이 소정의 범위에 들어가도록, 모드1과 모드2를 절환한다. 이것은, 정전형 액튜에이터(11)의 절연막(16) 내에 트랩된 전하량을 적정한 범위에 들어가게 하는 것을 의미한다. 구체적으로는, 이하와 같이 실시한다.
도 7은, 모드1에서의 전압 생성 회로(25)의 출력 전압 Ves의 전압 파형이고, 도 8은 모드1에서의 전하 축적량의 검출 동작 시의 전압 파형이다. 도 9는, 모드2에서의 전압 생성 회로(25)의 출력 전압 Ves의 전압 파형이고, 도 10은 모드2에서의 전하 축적량의 검출 동작 시의 전압 파형이다. 도 11a는, 제1 실시 형태의 반도체 집적 회로의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
도 7, 도 9에서의 기간 T1, T2는, 정전형 액튜에이터(11)를 구동시키고 있는 기간이다. 상술하면, 기간 T1은 상부 전극(17)을 하부 전극(15) 측으로 이동하고 있는 기간이며, 기간 T2는 상부 전극(17)을 절연막(16)에 접촉시킨 채로 홀드하고 있는 기간(홀드 기간)이다. 기간 T2의 길이는 어플리케이션이나 디바이스의 사용 상황에 따라 변화된다. 기간 T1에서의 다이일렉트릭 차징이 그다지 많지 않은 경우에는, 기간 T2의 홀드 전압 Vh를 전압 Vs1 또는 전압 Vs2로 해도 된다. 기간 T3 은, 절연막(16) 내의 전하 축적량의 검출 동작에 할당되어 있다. 기간 T3은 100nsec 정도로 할 수 있어, 기간 T1(20㎲ 정도) 및 기간 T2(1㎳∼1H 정도)의 기간보다도 충분히 작다. 따라서, 기간 T3의 추가에 의한 퍼포먼스의 열화는 거의 없다. 기간 T3 동안, 전압 생성 회로(25)의 출력 전압 Ves는 모드1에서는 전압 VmonL로 설정되고, 모드2에서는 전압 VmonH로 설정된다. 또한 도 8, 도 10에서, 스위치 S1, S2, …, S6은 전압 파형이 "H" 레벨일 때 닫힘 상태로 되는 것으로 한다.
도 7에 도시한 모드1의 전압 파형을 계속해서 인가하면, 도 12a에 도시한 바와 같이, 풀아웃 전압 Vpo가 서서히 저하된다. 전하 축적량 검출 회로(21)에 의한 전하 축적량의 검출 동작의 결과, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonL보다도 높으면, 그 이후도 모드1을 계속한다. 한편, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonL보다도 낮아졌을 때는, 그 이후, 모드2로 이행한다. 어느 쪽의 모드를 실행할지를 결정하기 위한 정보는 기억 회로(22)에 저장한다. 즉, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonL보다도 높으면, 전하 축적량 검출 회로(21)는 기억 회로(22)에 제1 데이터를 저장하고, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonL보다도 낮을 때는, 기억 회로(22)에 제2 데이터를 저장한다. 컨트롤러(24)는, 기억 회로(22)에 제1 데이터가 저장되어 있는 경우에는 모드1을 실행하고, 제2 데이터가 저장되어 있는 경우에는 모드2를 실행한다.
또한, 풀아웃 전압 Vpo와 전압 VmonL의 고저 관계는, 도 6a에 도시한 전하 축적량 검출 회로(21)에 의해 검출할 수 있다. 노드 N11과 노드 N12의 전위차 ΔV는 이하의 수학식 1과 같이 된다.
Figure 112007011834750-pat00001
따라서, 도 6a에서의 비교기 CP의 출력 전압 Vout를 모니터함으로써, 용량 Ces와 용량 Cref의 대소를 알 수 있고, 이것으로부터 풀아웃 전압 Vpo와 전압 VmonL의 고저를 알 수 있다.
마찬가지로 하여, 모드2의 전압 파형을 계속해서 인가하면, 도 12b에 도시한 바와 같이, 풀아웃 전압 Vpo가 서서히 상승한다. 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonH를 초과하면, 그 이후는 모드1로 이행한다. 즉, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonH보다도 높으면(절대값이 작으면), 전하 축적량 검출 회로(21)는 기억 회로(22)에 제1 데이터를 저장하고, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonH보다도 낮을 때(절대값이 클 때는), 기억 회로(22)에 제2 데이터를 저장한다. 컨트롤러(24)는, 기억 회로(22)에 제1 데이터가 저장되어 있는 경우에는 모드1을 실행하고, 제2 데이터가 저장되어 있는 경우에는 모드2를 실행한다.
이하에, 도 11a에 도시한 플로우차트를 이용하여 모드1과 모드2의 동작을 설명한다. 모드1에서는 다음과 같은 동작으로 된다. 우선, 스위치 소자 SW1∼SW4에 의해 전압 생성 회로(25)의 출력처를 상부 전극(17)으로 설정하고, 바이어스 회로(23)에 의해 상부 전극(17)에 전압 Vs를 인가하여(기간 T1), 정전형 액튜에이터(11)를 구동한다(스텝 S1). 계속해서, 바이어스 회로(23)에 의해 상부 전극(17)에 홀드 전압 Vh를 인가하여(기간 T2), 정전형 액튜에이터(11)를 홀드 상태로 한다(스텝 S2).
또한, 바이어스 회로(23)에 의해 상부 전극(17)에 전압 VmonL을 인가하여(기간 T3), 정전형 액튜에이터(11)의 절연막(16)에 축적된 전하 축적량을, 도 6a에 도시한 전하 축적량 검출 회로(21)에 의해 검출한다(스텝 S3). 절연막(16) 내의 전하 축적량이 소정의 전하량보다 큰지의 여부, 즉 상부 전극(17)과 하부 전극(15) 사이의 용량 Ces가 고정 용량 Cref보다 큰지의 여부를 검출한다(스텝 S4). 용량 Ces가 고정 용량 Cref보다 크지 않을 때, 스텝 S1로 이행하여, 정전형 액튜에이터(11)를 구동하고, 다시 스텝 S2 이후의 처리를 반복한다. 한편, 용량 Ces가 고정 용량 Cref보다 클 때, 기억 회로(22)에 제2 데이터를 저장하고, 전압 생성 회로(25)의 출력처가 하부 전극(15)으로 절환되도록, 스위치 소자 SW1∼SW4를 설정한다(스텝 S5).
그 후, 모드2로 이행하고, 모드2에서는 다음과 같은 동작으로 된다. 바이어스 회로(23)에 의해 하부 전극(15)에 전압 Vs를 인가하여(기간 T1), 정전형 액튜에이터(11)를 구동한다(스텝 S6). 계속해서, 바이어스 회로(23)에 의해 하부 전극(15)에 홀드 전압 Vh를 인가하여(기간 T2), 정전형 액튜에이터(11)를 홀드 상태로 한다(스텝 S7).
또한, 바이어스 회로(23)에 의해 하부 전극(15)에 전압 VmonH를 인가하여(기간 T3), 정전형 액튜에이터(11)의 절연막(16)에 축적된 전하 축적량을, 도 6a에 도시한 전하 축적량 검출 회로(21)에 의해 검출한다(스텝 S8). 절연막(16)의 전하 축적량이 소정의 전하량보다 큰지의 여부, 즉 상부 전극(17)과 하부 전극(15) 사이의 용량 Ces가 고정 용량 Cref보다 큰지의 여부를 검출한다(스텝 S9). 용량 Ces가 고정 용량 Cref보다 크지 않을 때, 스텝 S6으로 이행하여, 정전형 액튜에이터(11)를 구동하고, 다시 스텝 S7 이후의 처리를 반복한다. 한편, 용량 Ces가 고정 용량 Cref보다 클 때, 기억 회로(22)에 제1 데이터를 저장하고, 전압 생성 회로(25)의 출력처가 상부 전극(17)으로 절환되도록, 스위치 소자 SW1∼SW4를 설정한다(스텝 S10). 그 후, 모드1로 이행한다.
도 13에, 반도체 집적 회로의 연속 동작 시에서의, 상부 전극의 전압(Vtop)과 하부 전극의 전압(Vbtm)의 전위차를 도시한다. 또한 도 13에서, 전압 진폭의 크기인 전압 Vs1과 Vs2는 반드시 동일할 필요는 없다. 마찬가지로, 홀드 전압 Vh1과 Vh2를 모드1, 2에서 바꾸어도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 도 11a에 도시한 플로우차트에 따라 동작시킴으로써, 전압 "Vtop-Vbtm"이 플러스 또는 마이너스인 경우에, 풀아웃 전압 Vpo의 절대값을 각각 전압 VmonL 또는 전압 VmonH의 절대값보다도 크게 할 수 있다. 이것은, 정전형 액튜에이터(11)에서의 절연막(16) 내의 전하량을 측정하여, 스틱션 등의 불량이 발생하지 않는 범위로 절연막(16) 내의 전하량을 제어하는 것에 상당하고 있다. 이에 의해, 정전형 액튜에이터(11)를 홀드 상태로 충분히 긴 시간 유지해도, 스틱션이 발생하지 않는 정전형 액튜에이터(11)를 포함하는 반도체 집적 회로를 제공할 수 있다. 또한, 전압 VmonL, 전압 VmonH를 서로 다른 값으로 하고 있는 것은, 스틱션을 방지하기 위한 풀아웃 전압 Vpo의 마진이 전계의 방향에 따라 서로 다른 케이스를 상정하고 있기 때문이다. 그러나, 절연막(16)의 종류에 따라서는, 상기 마진이 전계의 방향에 의하지 않는다고 간주해도 되는 경우도 있다. 그 경우 에는, 전압 VmonL, 전압 VmonH를 동일한 값으로 해도 된다. 즉, VmonL=VmonH=Vmon으로 해도 된다. 이 경우의 플로우차트를 도 11b에, 또한 연속 동작시켰을 때의 모습을 도 11c에 도시한다. 본 발명의 실시 형태에서는, 이와 같이 풀아웃 전압 Vpo의 값에 따라 상부 전극(17)과 하부 전극(15) 사이의 전계의 방향을 결정하는 것을 특징으로 한다. 또한, 풀아웃 전압 Vpo는, 임의의 모니터 전압에서의 용량값으로부터 판정하고 있다.
또한, 상술한 제2종의 전하 주입을 본 발명의 실시 형태에 적용하는 경우에는, 도 11d에 도시하는 플로우차트를 채용하면 된다. 이 때의 전압 VmonL, 전압 VmonH의 값은, 풀인하지 않게 되는 불량이 발생하지 않도록 마진을 고려해서 결정한다. 또한, 제2종의 전하 주입의 경우에도, 상기 마진이 전계의 방향에 의하지 않는다고 간주해도 되는 경우에는, VmonL=VmonH=Vmon으로 해도 된다. 이 경우의 플로우차트를 도 11e에 도시한다.
다음으로, 제1 실시 형태의 변형예의 반도체 집적 회로에 대해서 설명한다.
도 14는, 제1 실시 형태의 변형예의 반도체 집적 회로의 구성을 도시하는 도면이다. 제1 실시 형태에서는, 도 5에 도시한 스위치 소자 SW1∼SW4에 의해, 전압 생성 회로(25)의 출력 전압의 출력처를 상부 전극(17) 또는 하부 전극(15)으로 절환하였다. 이에 대하여, 제1 실시 형태의 변형예에서는, 도 14에 도시한 바와 같이, 전압 생성 회로(25)의 출력 전압의 출력처를 절환하기 위한 스위치 소자를 없애고, 전압 생성 회로(25)가 플러스 혹은 마이너스의 출력 전압을 상부 전극(17)에 출력하고, 하부 전극(15)에는 접지 전압 GND가 공급되도록 하고 있다. 이 때, 상 부 전극(17)과 하부 전극(15) 사이에 인가되는 인가 전압의 파형을 도 15에 도시한다. 그 밖의 구성 및 효과에 대해서는, 제1 실시 형태와 마찬가지이다. 또한, 이 변형예에서는, 전압 생성 회로(25)의 출력 전압이 항상 상부 전극(17)에 공급되도록 했지만, 이와는 반대로 전압 생성 회로(25)의 출력 전압이 항상 하부 전극(15)에 공급되도록 해도 된다.
또한, 상술한 제1 실시 형태 및 그 변형예에서는, 도 17에 도시한 바와 같이, 모드1에서의 기간 T2에서 일정한 홀드 전압 Vh를 인가했지만, 도 16a에 나타낸 바와 같이, 바이폴라 형상의 전압 파형을 인가하도록 해도 된다. 바이폴라 형상의 전압 파형이란, 임의의 일정 기간(펄스폭)마다, 플러스의 홀드 전압(Vh)과 마이너서의 홀드 전압(-Vh)이 교대로 절환되는 파형을 말한다.
이와 같은 바이폴라 형상의 전압 파형에서 다이일렉트릭 차징을 완전하게 없앨 수는 없지만, 절연막(16) 내에 축적되는 전하 축적량을 저감하는 것은 가능하다. 정전형 액튜에이터(11)의 홀드 기간이 길고, 또한 홀드 기간 중의 다이일렉트릭 차징을 무시할 수 없는 경우에는 이와 같은 바이어스 파형, 즉 바이폴라 형상의 전압 파형을 인가하는 것이 유효하다. 또한 여기서는, 바이폴라 형상의 전압 파형으로서, 동일한 펄스폭 및 진폭을 갖는 플러스 혹은 마이너스의 홀드 전압이 교대로 절환되는 파형을 나타냈지만, 이에 한하는 것이 아니라, 동일한 펄스폭으로 진폭이 서서히 변화되는 플러스 혹은 마이너스의 전압이 교대로 절환되는 파형(도 20b의 모드2 참조), 또는 동일한 진폭으로 펄스 폭이 서서히 변화되는 플러스 혹은 마이너스의 전압이 교대로 절환되는 파형(도 20c의 모드2 참조), 진폭 및 펄스폭의 양방이 서서히 변화되는 플러스 혹은 마이너스의 전압이 교대로 절환되는 파형(도 20d의 모드2 참조) 등을 이용해도 된다. 또한, 상술한 제1 실시 형태 및 그 변형예에서는, 풀아웃 전압 Vpo를 모니터하여 풀아웃 전압 Vpo가 소정의 범위에 들어가도록 정전형 액튜에이터의 구동을 행했지만, 풀아웃 전압 Vpo 대신에 풀인 전압을 모니터하여 풀인 전압이 소정의 범위에 들어가도록 정전형 액튜에이터의 구동을 행해도 된다. 도 16b는, 이 때의 전압 생성 회로(25)의 출력 전압의 전압 파형이다. 도 16b에 나타낸 바와 같이, 풀인 전압의 모니터는 전압 인가 시퀀스의 개시의 기간 T0에서 실시된다. 즉, 이 기간 T0에 인가되는 출력 전압 Vmo에 의해 정전형 액튜에이터의 풀인이 발생하는지의 여부를 판정함으로써 절연막(16) 내에 축적되는 전하 축적량을 검출할 수 있다.
[제2 실시 형태]
다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태의 반도체 집적 회로에 대해서 설명한다. 상기 제1 실시 형태에서의 구성과 마찬가지의 부분에는 동일한 부호를 붙인다.
제1 실시 형태에서는, 도 6a에 도시한 전하 축적량 검출 회로(21)에서 소정의 전압에서의 용량값을 검출함으로써, 절연막(16) 내의 전하 축적량을 모니터했다. 그러나, 전하 축적량 검출 회로(21)의 회로 구성은 이 이외에도 있을 수 있다. 이 제2 실시 형태에서는, 제1 실시 형태에서 이용한 전하 축적량 검출 회로(21)의 다른 회로 구성예에 대해서 설명한다.
도 17은, 제2 실시 형태에서의 전하 축적량 검출 회로의 회로도이다. 도 18은 상기 전하 축적량 검출 회로에서의 검출 동작 시의 파형이고, 도 19는 제2 실시 형태의 반도체 집적 회로의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
바이어스 회로(23)에 의해 상부 전극(17)에 전압 Vs를 인가하여, 정전형 액튜에이터(11)를 구동한다(스텝 S21). 계속해서, 바이어스 회로(23)에 의해 상부 전극(17)에 홀드 전압 Vh을 인가하여, 정전형 액튜에이터(11)를 홀드 상태로 한다(스텝 S22). 그리고, 정전형 액튜에이터(11)의 절연막(16)에 축적된 전하 축적량을, 도 17에 도시한 전하 축적량 검출 회로(21)에 의해 검출한다(스텝 S23). 절연막(16)에 축적된 전하 축적량보다, 전압 VN23이 전압 VrefL보다 높고, 또한 전압 VrefH보다 낮은지의 여부를 검출한다(스텝 S24). VrefL<VN23<VrefH가 성립할 때, 스텝 S21로 이행하여, 스텝 S21 이후의 처리를 반복한다. 한편, VrefL<VN23<VrefH가 성립하지 않을 때는, 기억 회로(22)에 제2 데이터를 저장하고, 전압 생성 회로(25)의 출력처가 하부 전극(15)으로 절환되도록, 스위치 소자 SW1∼SW4를 설정한다(스텝 S25). 그 후, 스텝 S21로 이행하여, 스텝 S21 이후의 처리를 반복한다.
이 제2 실시 형태에서는, 전하 축적량의 검출 모드에서, 정전형 액튜에이터(11)의 인가 전압을 홀드 전압 Vh로부터 서서히 강하시킨다. 도 17에 도시한 바와 같은 전류 원인 I를 이용한 회로를 채용하면, 홀드 전압 Vh의 리니어한 전압 강하를 실현할 수 있다. 노드 N21의 전압이 내려가 풀아웃 전압 Vpo에 도달하면, 상부 전극(17)이 올라가고 용량 Ces가 내려간다. 노드 N21의 전하량이 일정하게 유지된 상태에서 용량 Ces가 작아지면, 노드 N21의 전압이 상승한다. 이 노드 N21의 전압 상승분을 비교기 CP1에서 검출한다. 또한 실제로는, 노드 N21로부터는 전류원 회로에 기인한 전압 강하가 있지만, 그 효과는 충분히 작아, 노드 N21의 전압 상승을 억제할 정도는 아니다.
용량 Cref1의 값을 용량 Cdown과 동일한 정도로 하고, 또한 노드 N21로부터의 방전 개시를 노드 N22로부터의 방전 개시보다도 빠르게 하면, 도 18에 도시한 바와 같이, 용량 Ces의 값이 변화되었을 때에 비교기 CP1의 출력 전압 Vout1이 반전되도록 할 수 있다. 출력 전압 Vout1의 반전을 받아 스위치 S16을 열어, 노드 N23로부터의 방전을 멈춘다. 이 때의 노드 N23의 전압 VN23은, 정전형 액튜에이터(11)의 풀아웃 전압 Vpo를 반영하고 있다. 즉, 전압 VN23의 고저가 풀아웃 전압 Vpo의 고저에 대응한다. 따라서, 전압 VN23으로부터 절연막(16) 내의 전하 축적량을 구할 수 있다. 불량을 발생시키지 않는 절연막(16) 내의 전하 축적량에 대응하는 전압 VN23의 하한과 상한을 각각 전압 VrefL과 전압 VrefH로 하면, 도 17, 도 19에 도시한 바와 같은 회로 및 플로우차트에 의해, 절연막(16) 내의 전하 축적량을 적정한 값으로 유지할 수 있다. 그 밖의 구성 및 효과에 대해서는, 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
[제3 실시 형태]
다음으로, 본 발명의 제3 실시 형태의 반도체 집적 회로에 대해서 설명한다. 상기 제1 실시 형태에서의 구성과 마찬가지의 부분에는 동일한 부호를 붙인다.
제1 실시 형태에서는, 모드1 및 모드2의 마지막에 전하 축적량의 검출 동작을 실시하여, 판정 기준을 초과한 경우에는, 상부 전극과 하부 전극 사이에 인가하는 전압을 반전시켰다. 이에 대하여 제3 실시 형태에서는, 판정 기준을 초과한 경우에는 절연막(16) 내의 전하를 뽑아내는 동작을 집중하여 행한다.
도 20a에, 제3 실시 형태에서의 전압 생성 회로(25)의 출력 전압 Ves의 전압 파형을 도시한다. 이 제3 실시 형태에서는, 모드2가 절연막(16)으로부터 전하를 뽑아내는 전용의 동작에 할당되어 있다. 즉, 모드2에서는, 홀드 전압 Vh를 인가하지 않고, 전압 Vs2의 인가와, 전압 VmonH의 인가에 의한 전하 축적량의 검출 동작만을 실시한다. 전압 Vs2와 전압 VmonH의 인가는, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonH에 도달하는 때까지 반복한다. 도 21은, 제3 실시 형태의 반도체 집적 회로의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
모드1에서는 다음과 같은 동작으로 된다. 우선, 스위치 소자 SW1∼SW4에 의해 전압 생성 회로(25)의 출력처를 상부 전극(17)으로 설정하고, 바이어스 회로(23)에 의해 상부 전극(17)에 전압 Vs를 인가하여(기간 T1), 정전형 액튜에이터(11)를 구동한다(스텝 S31). 계속해서, 바이어스 회로(23)에 의해 상부 전극(17)에 홀드 전압 Vh를 인가하여(기간 T2), 정전형 액튜에이터(11)를 홀드 상태로 한다(스텝 S32).
또한, 바이어스 회로(23)에 의해 상부 전극(17)에 전압 VmonL을 인가하여(기간 T3), 정전형 액튜에이터(11)의 절연막(16)에 축적된 전하 축적량을, 도 6a에 도시한 전하 축적량 검출 회로(21)에 의해 검출한다(스텝 S33). 절연막(16)의 전하 축적량이 소정의 전하량보다 큰지의 여부, 즉 상부 전극(17)과 하부 전극(15) 사이의 용량 Ces가 고정 용량 Cref보다 큰지의 여부를 검출한다(스텝 S34). 용량 Ces가 고정 용량 Cref보다 클 때, 스텝 S31로 이행하여, 스텝 S31 이후의 처리를 반복한다. 한편, 용량 Ces가 고정 용량 Cref보다 크지 않을 때, 기억 회로(22)에 제2 데이터를 저장하고, 전압 생성 회로(25)의 출력처가 하부 전극(15)으로 절환되도록, 스위치 소자 SW1∼SW4를 설정한다(스텝 S35).
그 후, 모드2로 이행하고, 다음과 같은 동작으로 된다. 바이어스 회로(23)에 의해 하부 전극(15)에 전압 Vs를 인가하여(기간 T1), 정전형 액튜에이터(11)를 구동한다(스텝 S36). 계속해서, 바이어스 회로(23)에 의해 하부 전극(15)에 전압 VmonH를 인가하여(기간 T3), 정전형 액튜에이터(11)의 절연막(16)에 축적된 전하 축적량을, 도 6a에 도시한 전하 축적량 검출 회로(21)에 의해 검출한다(스텝 S37). 절연막(16)의 전하 축적량이 소정의 전하량보다 큰지의 여부, 즉 상부 전극(17)과 하부 전극(15) 사이의 용량 Ces가 고정 용량 Cref보다 큰지의 여부를 검출한다(스텝 S38). 용량 Ces가 고정 용량 Cref보다 클 때, 스텝 S36으로 이행하여, 스텝 S36 이후의 처리를 반복한다. 한편, 용량 Ces가 고정 용량 Cref보다 크지 않을 때, 기억 회로(22)에 제1 데이터를 저장하고, 전압 생성 회로(25)의 출력처가 상부 전극(17)으로 절환되도록, 스위치 소자 SW1∼SW4를 설정한다(스텝 S39). 그 후, 모드1로 이행한다. 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지의 이유로, VmonL=VmonH=Vmon으로 해도 된다.
제1 실시 형태와의 차를 명확히 하기 위해, 도 22a에 제3 실시 형태의 절연막(16) 내에서의 전하 축적량의 추이의 모식도를 도시하고, 도 22b에 제1 실시 형태의 절연막(16) 내에서의 전하 축적량의 추이의 모식도를 도시한다. 전하량 Qmax와 전하량 Qmin은, 불량을 발생시키지 않는 전하 축적량의 최대값과 최소값이다. 즉, 정전형 액튜에이터(11)가 스틱션을 발생시키지 않고, 홀드 전압으로 풀인시킬 수 있는, 절연막(16) 내의 전하 축적량의 최대값과 최소값이다. 제3 실시 형태에서는, 절연막(16) 내의 전하 축적량이 급격하게 감소하지만, 제1 실시 형태에서는 절연막(16) 내의 전하 축적량이 완만하게 감소한다.
도 20a와 도 21은, 전하 축적량 검출 회로로서 도 6a 혹은 도 6b에 도시한 회로를 채용한 경우에 대응하는 것이지만, 이 제3 실시 형태는 제2 실시 형태에서 설명한 도 17의 전하 축적량 검출 회로로도 실현 가능하다. 또한, 도 20a에서의 모드1과 모드2의 역할을 교환해도 된다. 즉, 홀드 전압 Vh를 인가하는 기간을 모드1로부터 없애고, 모드1을 절연막(16) 내의 전하량을 모드2의 초기값으로 되돌리기 위한 전용의 동작 모드로 하고, 모드2에서 홀드 전압 Vh를 인가하도록 해도 된다. 또한, 도 20b에 도시한 바와 같이, 모드2에서의 전압 Vs2의 전압 진폭을 변화시켜도 되고, 도 20c에 도시한 바와 같이, 모드2에서의 전압 Vs2의 펄스폭을 변화시켜도 된다. 또한, 도 20d에 도시한 바와 같이, 모드2에서의 전압 Vs2의 전압 진폭과 펄스폭의 양방을 변화시켜도 된다. 이들에 의해, 절연막(16)으로부터의 전하 뽑아냄량의 제어가 용이해져, 전하를 지나치게 뽑아내는 불량을 억제할 수 있다. 또한, 도 20b, 도 20c, 도 20d에 도시한, 전압 Vs2의 전압 진폭 혹은 펄스폭, 혹은 그 양방을 변화시키는 방법은, 이 제3 실시 형태 이외의 실시 형태에도 적용할 수 있다.
[제4 실시 형태]
다음으로, 본 발명의 제4 실시 형태의 반도체 집적 회로에 대해서 설명한다. 상기 제1 실시 형태에서의 구성과 마찬가지의 부분에는 동일한 부호를 붙인다.
상술한 제1∼제3 실시 형태에서는, 홀드 기간 중의 다이일렉트릭 차징이 충분히 작은 경우를 가정하고 있다. 그러나, 홀드 기간이 충분히 긴 경우나, 전하가 트랩되기 쉬운 절연막을 채용한 경우에는, 홀드 기간 중의 다이일렉트릭 차징을 무시할 수 없게 된다. 이와 같은 경우, 홀드 기간 종료 후에 스틱션이 발생할 가능성이 있다. 또한 이와는 반대로, 홀드 전압으로 풀인할 수 없는, 즉 홀드 전압으로 홀드 상태를 유지할 수 없는 현상이 발생할 가능성도 있다. 이 제4 실시 형태에서는, 이와 같은 케이스에도 대처할 수 있는 상부 전극과 하부 전극 사이에의 바이어스 방법에 대하여 설명한다.
도 23은, 제4 실시 형태의 반도체 집적 회로의 동작을 설명하는 플로우차트이다. 도 24 및 도 25는, 제4 실시 형태에서의 전압 생성 회로(25)의 출력 파형이다.
우선, 바이어스 회로(23)에 의해 상부 전극(17)에 전압 Vs를 인가하고(기간 T1), 정전형 액튜에이터(11)를 구동한다. 계속해서, 바이어스 회로(23)에 의해 상부 전극(17)에 홀드 전압 Vh를 인가하여(기간 T2), 정전형 액튜에이터(11)를 홀드 상태로 한다. 또한, 바이어스 회로(23)에 의해 상부 전극(17)에 전압 VmonL을 인가한다(기간 T3)(스텝 S41). 그리고, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonL보다 높은지의 여부를 검출한다(스텝 S42). 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonL보다 높을 때, 스텝 S41로 이행하여, 스텝 S41 이후의 처리를 반복한다.
한편, 스텝 S42에서, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonL보다 높지 않을 때는, 또한 풀아웃 전압 Vpo가 0V보다 높은지의 여부를 검출한다(스텝 S43). 풀아웃 전압 Vpo가 0V보다 높지 않을 때, 모드3을 실행한 후(스텝 S44), 스텝 S41로 이행하여, 스텝 S41 이후의 처리를 반복한다.
또한, 스텝 S43에서, 풀아웃 전압 Vpo가 0V보다 높을 때는, 전압 생성 회로(25)의 출력처를 하부 전극(15)으로 절환한다(스텝 S45). 계속해서, 바이어스 회로(23)에 의해 하부 전극(15)에 전압 Vs를 인가하여(기간 T1), 정전형 액튜에이터(11)를 구동한다(스텝 S46). 또한, 바이어스 회로(23)에 의해 하부 전극(15)에 홀드 전압 Vh를 인가하여(기간 T5), 풀아웃 전압 Vpo가 홀드 전압 Vh보다 낮은지의 여부를 검출한다(스텝 S47). 풀아웃 전압 Vpo가 홀드 전압 Vh보다 낮지 않을 때, 모드4를 실행한 후(스텝 S48), 스텝 S46으로 이행하여, 스텝 S46 이후의 처리를 반복한다.
또한, 스텝 S47에서, 풀아웃 전압 Vpo가 홀드 전압 Vh보다 낮을 때는, 바이어스 회로(23)에 의해 하부 전극(15)에 그 상태 그대로 홀드 전압 Vh를 인가하고(기간 T2), 홀드 시간이 경과하면, 바이어스 회로(23)에 의해 하부 전극(15)에 전압 VmonH를 인가한다(기간 T3)(스텝 S49). 그리고, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonH보다 낮은지의 여부를 검출한다(스텝 S50). 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonH보다 낮을 때, 스텝 S46으로 이행하여, 스텝 S46 이후의 처리를 반복한다. 한편, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonH보다 낮지 않을 때는, 전압 생성 회로(25)의 출력처를 상부 전극(17)으로 절환하고(스텝 S51), 스텝 S41로 이행하여, 스텝 S41 이후의 처리를 반복한다.
도 26a와 도 26b에, 도 23 중의 모드3의 전압 파형과 플로우차트를 도시한 다.
모드3에서는 다음과 같은 동작을 행한다. 우선, 바이어스 회로(23)에 의해 하부 전극(15)에 전압 Vs를 인가한다. 계속해서, 바이어스 회로(23)에 의해 하부 전극(15)에 전압 VmonH를 인가한다(스텝 S61). 그리고, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonH보다 높은지의 여부를 검출한다(스텝 S62). 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonH보다 높지 않을 때, 스텝 S61로 이행하여, 스텝 S61 이후의 처리를 반복한다. 한편, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonH보다 높을 때는, 모드3의 처리를 종료한다.
도 27a와 도 27b에, 도 23 중의 모드4의 전압 파형과 플로우차트를 도시한다.
모드4에서는 다음과 같은 동작을 행한다. 우선, 바이어스 회로(23)에 의해 상부 전극(17)에 전압 Vs를 인가한다. 계속해서, 바이어스 회로(23)에 의해 상부 전극(17)에 전압 VmonL을 인가한다(스텝 S71). 그리고, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonL보다 낮은지의 여부를 검출한다(스텝 S72). 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonL보다 낮지 않을 때, 스텝 S71로 이행하여, 스텝 S71 이후의 처리를 반복한다. 한편, 풀아웃 전압 Vpo가 전압 VmonL보다 낮을 때는, 모드4의 처리를 종료한다.
이 제4 실시 형태에서는, 상술한 실시 형태와 마찬가지로, 풀아웃 전압 Vpo와 전압 VmonL의 고저를 비교한 후, Vpo≤VmonL인 것이 판명된 경우에는, 계속해서 풀아웃 전압 Vpo와 0V의 고저를 비교한다. 이 비교는, 정전형 액튜에이터(11)에 스틱션이 발생하고 있는지의 여부를 판별하기 위해 실시한다. 풀아웃 전압 Vpo가 0V 이하일 때는, 스틱션이 발생하고 있다고 판정하여 모드3을 실행한다. 모드3에 서는, 도 26에 도시한 바와 같은 전압 파형을 인가하여 도 26b에 도시하는 동작을 행한다. 이에 의해, 풀아웃 전압 Vpo를 전압 VmonH보다 높게 하여, 스틱션을 해소한다. 스텝 S42, S43에 나타낸 비교 동작은, 상술한 실시 형태의 전하 축적량 검출 회로(21)로 실현 가능하고, 스텝 S42의 비교 동작은 도 24 중의 기간 T3에 실시하고, 스텝 S43의 비교 동작은 도 24 중의 기간 T4에 실시한다.
한편, 홀드 전압 Vh로 홀드 상태를 유지할 수 없는 불량이 발생한 경우에는, 도 27a에 도시한 바와 같은 전압 파형을 상부 전극(17)과 하부 전극(15) 사이에 인가하여 도 27b에 도시하는 동작을 행한다. 이에 의해, 풀아웃 전압 Vpo를 전압 VmonL보다 낮게 한다. 정전형 액튜에이터(11)가 홀드 전압 Vh로 홀드 상태를 유지하고 있는지의 여부는, 도 25 중의 기간 T5에서 검출한다. 또한, 모드3에서 풀아웃 전압 Vpo를 전압 VmonL의 전압 레벨까지 올린 후, 상부 전극(17)과 하부 전극(15) 사이에 인가하는 전계를 반전시키는 플로우차트를 채용해도 된다. 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지의 이유로, VmonL=VmonH=Vmon으로 해도 된다.
[제5 실시 형태]
다음으로, 본 발명의 제5 실시 형태의 반도체 집적 회로가 구비한 정전형 액튜에이터의 구동 방법에 대해서 설명한다. 상기 제1 실시 형태에서의 구성과 마찬가지의 부분에는 동일한 부호를 붙인다.
반도체 집적 회로에 전원을 투입한 직후에는, 절연막(16)에 축적되어 있는 전하 축적량이 어느 정도인지 알 수 없다. 이와 같은 경우에, 풀아웃 전압 Vpo가 적정한 범위에 들어가 있는지의 여부를 테스트하는 테스트 모드가 있으면 편리하 다. 제5 실시 형태에서는, 이 테스트 모드에 대해서 설명한다.
도 28은, 제5 실시 형태의 반도체 집적 회로가 구비한 테스트 모드의 동작을 설명하는 플로우차트이다. 도 6a 또는 도 17에 도시한 전하 축적량 검출 회로(21)에 의해 풀아웃 전압 Vpo를 모니터하여, 적정한 범위에 들어가 있지 않은 경우는, 상술한 모드3 혹은 모드4를 실행하여 풀아웃 전압 Vpo를 적정한 범위에 들어가게 한다. 이하에, 테스트 모드의 동작을 상술한다.
전원이 투입되거나, 혹은 커맨드가 입력되면(스텝 S81), 전하 축적량 검출 회로(21)에 의해 풀아웃 전압 Vpo가 홀드 전압 Vh보다 낮은지의 여부를 검출한다(스텝 S82). 풀아웃 전압 Vpo가 홀드 전압 Vh보다 낮지 않을 때, 모드4로 이행한다 (스텝 S83). 한편, 풀아웃 전압 Vpo가 홀드 전압 Vh보다 낮을 때는, 또한 전하 축적량 검출 회로(21)에 의해 풀아웃 전압 Vpo가 0V보다 높은지의 여부를 검출한다(스텝 S84). 풀아웃 전압 Vpo가 0V보다 높지 않을 때, 모드3으로 이행한다(스텝 S85). 한편, 풀아웃 전압 Vpo가 0V보다 높을 때는, 풀아웃 전압 Vpo가 적정한 범위에 들어가 있는 것으로서, 테스트 모드를 종료한다.
또한 여기서는, 풀아웃 전압 Vpo를 모니터하여 풀아웃 전압 Vpo가 적정한 범위에 들어가도록 조정했지만, 풀아웃 전압 Vpo 대신에 풀인 전압을 모니터하여 풀인 전압이 적정한 범위에 들어가도록 조정해도 된다. 또한, 테스트 모드는, 전원 투입의 검지 신호를 받아, 전원 투입 후에 자동적으로 실행하도록 해도 되고, 컨트롤러로부터의 커맨드를 받아 테스트 모드를 실행하도록 해도 된다.
[제6 실시 형태]
불휘발성 메모리를 구비하고 있지 않은 반도체 집적 회로(시스템)에서는, 전원을 오프하면, 상부 전극과 하부 전극 사이의 인가 전계의 방향을 기억하고 있는 기억 회로(22), 예를 들면 레지스터의 데이터가 소실되게 된다. 따라서, 전원 투입 시에, 인가 전계의 방향을 기억하고 있는 레지스터의 데이터를 결정할 필요가 있다. 제6 실시 형태는 그 데이터 결정 방식에 관한 것이다.
도 29는, 제6 실시 형태의 반도체 집적 회로가 구비한 테스트 모드의 동작을 설명하는 플로우차트이다.
전원 투입(스텝 S91) 후에는, 파워 온 리세트 회로의 출력 신호를 받아, 레지스터의 데이터를 결정된 데이터값, 예를 들면 제1 데이터로 한다(스텝 S92). 그 후, 정전형 액튜에이터(11)를 구동시키고(스텝 S93), 홀드 상태로 한다(스텝 S94). 그 후, 정전형 액튜에이터(11)의 절연막(16)에 축적된 전하 축적량을, 전하 축적량 검출 회로(21)에 의해 검출한다(스텝 S95). 통상의 동작 시에는, 홀드 동작의 기간을 유저가 결정하지만, 이 경우에는 미리 정해진 기간 Tph만큼 홀드한다. 기간 Tph는 긴 기간일 필요가 없으므로, 예를 들면 여기서는 1msec로 한다. 전하 축적량의 검출 동작의 결과, 레지스터에는 절연막(16) 내의 축적 전하량에 따른 데이터값이 들어가기 때문에, 이 이후의 스텝 S96, S97의 동작에서의 불량의 발생을 억제할 수 있다.
[제7 실시 형태]
제7 실시 형태에서는, 정전형 액튜에이터를 이용한 디바이스로서, 가변 용량 소자(MEMS 가변 용량 소자)에의 구체적인 적용예에 대해서 설명한다.
도 30a는 제7 실시 형태의 MEMS 가변 용량 소자(40)를 포함하는 반도체 집적 회로의 구성을 도시하는 도면이고, 도 30b는 상기 MEMS 가변 용량 소자(40)의 평면도이다. 상기 MEMS 가변 용량 소자(40)의 구조는 이하와 같이 되어 있다. 반도체 기판(12) 상에 배치된 앵커(13)에는, 구동용 상부 전극(17)이 고정되어 있다. 반도체 기판(12) 상에 구동용 하부 전극(15)과 RF용 하부 전극(18A, 18B)이 형성되고, RF용 하부 전극(18A, 18B)은 구동용 하부 전극(15) 사이에 배치되어 있다. 구동용 하부 전극(15) 상에는, 구동용 하부 전극(15)을 피복하도록 절연막(16)이 형성되고, RF용 하부 전극(18A, 18B) 상에는 RF용 하부 전극(18A, 18B)을 피복하도록 절연막(42)가 형성되어 있다. 이들 RF용 하부 전극(18A, 18B), RF용 상부 전극(19), 및 절연막(42)에 의해, 가변 용량 소자가 구성된다. 또한, RF용 상부 전극(19)과 구동용 상부 전극(17) 사이에는 절연체(41)가 삽입되어 있어, RF용 상부 전극(19)과 구동용 상부 전극(17)은 전기적으로 아이솔레이트되어 있다.
RF용 하부 전극(18A, 18B)은, RF용 상부 전극(19)과 대향하도록 배치되어 있고, RF용 상부 전극(19)의 하방에서 절단되어, 도 30b에 도시한 바와 같이, RF용 하부 전극(18A, 18B)을 구성하고 있다. RF용 하부 전극(18A)은 포트 1에, RF용 하부 전극(18B)는 포트 2에 각각 접속되어 있다. 따라서, 구동용 상부 전극(17) 및 하부 전극(15)으로 구성되는 정전 액튜에이터에 의해 RF용 상부 전극(19)과 RF용 하부 전극(18A, 18B) 사이의 거리를 변화시킴으로써, 포트 1, 2 사이의 용량값을 가변할 수 있다.
이 실시 형태는, 절연막(16) 내의 전하량에 따라서 전압 "Vtop-Vbtm"의 부호 를 바꾸는 것을 특징으로 한다. 이를 실현하는 일례는, 구동용 상부 전극(17)에 인가되는 전압 Vtop를 항상 0V로 하고, 구동용 하부 전극(15)에 인가되는 전압 Vbtm에 플러스 또는 마이너스의 전압을 인가하는 방식이다. 그러나 이 경우, 정부의 고전압을 생성하는 회로가 필요로 된다. 이와 같은 회로를 만들기 위해서는, 프로세스 상의 코스트가 든다. 따라서, 전압 Vtop에 플러스의 고전압을 공급하고 있는 경우에는 전압 Vbtm을 OV로 하고, 전압 Vbtm에 플러스의 고전압을 공급하고 있는 경우에는 전압 Vtop를 0V로 한다고 하는 방법으로 구동용 상부 전극(17)과 구동용 하부 전극(15) 사이의 전계의 방향을 변화시키는 것이 바람직하다.
단 이 경우에는, MEMS 가변 용량 소자(40)의 RF용 상부 전극(19)과 구동용 상부 전극(17)을 전기적으로 공유할 수 없다. 왜냐하면, RF용 상부 전극(19)의 전압이 구동 전극부(구동용 상부 전극(17) 및 구동용 하부 전극(15))의 전계의 방향에 따라서 변화되는 것은 바람직하지 않기 때문이다. 따라서, 도 30a에 도시한 바와 같이, RF용 상부 전극(19)과 구동용 상부 전극(17) 사이에 절연체(41)을 삽입하여, RF용 상부 전극(19)과 구동용 상부 전극(17) 사이를 전기적으로 아이솔레이트한다. 이와 같은 구조로 하면, 구동 전극부의 노이즈가 RF용 전극부에 전달되지 않도록 할 수 있다고 하는 효과도 있다.
[제8 실시 형태]
제8 실시 형태에서는, 본 발명을, 정전형 액튜에이터를 이용한 디바이스로서, 스위치(MEMS 스위치)에의 구체적인 적용에 대해서 설명한다.
도 31a는, 제8 실시 형태의 MEMS 스위치(50)를 포함하는 반도체 집적 회로의 구성을 도시하는 도면이고, 도 31b는 상기 MEMS 스위치(50)의 평면도이다. 상술한 MEMS 가변 용량 소자(40)에서는 RF용 하부 전극(18A, 18B) 상에 절연막(42)이 형성되어 있었지만, 이 MEMS 스위치(50)에서는 RF용 하부 전극(18) 상에 절연막이 형성되어 있지 않기 때문에, RF용 상부 전극(19)이 하방으로 내려갔을 때에, RF용 상부 전극(19)이 RF용 하부 전극(18)과 전기적으로 접촉한다. 이 때문에, 구동용 상부 전극(17) 및 하부 전극(15)으로 구성되는 정전 액튜에이터에 의해 RF용 상부 전극(19)을 구동함으로써, 포트(1, 2) 사이를 전기적으로 단락 또는 개방할 수 있다. 이 실시 형태에서도, RF용 상부 전극(19)과 구동용 상부 전극(17)이 전기적으로 아이솔레이트되어 있기 때문에, 이들 전극의 구동 방법에 관해서 제7 실시 형태와 마찬가지의 작용, 효과를 갖는다.
이상, 상술한 제1∼제8 실시 형태에서는, 풀아웃 전압 Vpo로부터 절연막(16) 내의 전하량을 추정하는 경우를 중심으로 설명하였지만, 풀인 전압을 모니터하여 절연막(16) 내의 전하량을 추정하도록 해도 된다. 그를 위해서는, 전압 Vs의 전압을 변화시켜, 풀인하는지의 여부를 모니터하면 된다. 이 동작은, 도 6a 혹은 도 6b에 도시한 전하 축적량 검출 회로와 마찬가지의 회로로 실현할 수 있다.
또한, 상술한 각 실시 형태는 각각, 단독으로 실시할 수 있을 뿐만 아니라, 적당히 조합하여 실시하는 것도 가능하다. 예를 들면, 도 23에 도시한 플로우차트에서의 절연막 내의 전하 축적량의 검출에는, 도 6b 혹은 도 17에 도시한 전하 축적량 검출 회로를 이용해도 되고, 이 밖에도 다양한 조합이 가능하다. 또한, 상술한 각 실시 형태에는 다양한 단계의 발명이 포함되어 있어, 각 실시 형태에서 개시 한 복수의 구성 요건의 적절한 조합에 의해, 다양한 단계의 발명을 추출하는 것도 가능하다.
당 분야의 업자라면 부가적인 장점 및 변경들을 용이하게 생각해 낼 것이다. 따라서, 광의의 관점에서의 본 발명은 본 명세서에 예시되고 기술된 상세한 설명 및 대표 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 첨부된 청구 범위들 및 그 등가물들에 의해 정의된 바와 같은 일반적인 발명적 개념의 정신 또는 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변경이 가능하다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 홀드 상태에서 충분히 긴 시간이 경과해도, 문제점을 발생시키지 않도록 정전형 액튜에이터를 구동시키는 것이 가능한 반도체집적 회로 및 정전형 액튜에이터의 구동 방법을 제공하는 것이 가능하다.

Claims (20)

  1. 상부 전극, 하부 전극, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 배치된 절연막을 갖는 정전형 액튜에이터와,
    상기 정전형 액튜에이터의 상기 절연막 내에 축적된 전하량을 검출하는 검출 회로와,
    상기 검출 회로에 의해 검출된 상기 전하량의 검출 결과를 저장하는 기억 회로와,
    상기 기억 회로에 저장된 상기 검출 결과에 기초하여, 상기 정전형 액튜에이터를 구동하기 위한 구동 전압을 변화시키는 바이어스 회로
    를 포함하는 반도체 집적 회로.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 검출 회로는, 고정 용량을 구비하고, 상기 고정 용량에 축적된 전압과, 상기 정전형 액튜에이터의 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이의 용량에 축적된 전압과의 비교로부터 상기 절연막 내에 축적된 상기 전하량을 검출하는 반도체 집적 회로.
  4. 상부 전극, 하부 전극, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 배치된 절연막을 갖는 정전형 액튜에이터와,
    상기 정전형 액튜에이터에서의, 상기 상부 전극을 상기 절연막을 개재한 상기 하부 전극 측에의 접촉 상태로부터 분리하기 위한 풀아웃 전압을 모니터하는 검출 회로와,
    상기 검출 회로에 의해 모니터된 상기 풀아웃 전압에 기초하여, 상기 정전형 액튜에이터를 구동시키는 때의, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극에 의한 상기 절연막에의 전계의 방향을 결정하는 바이어스 회로
    를 포함하는 반도체 집적 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 검출 회로는, 상기 정전형 액튜에이터의 상기 풀아웃 전압으로부터 상기 절연막 내에 축적된 전하량을 검출하는 반도체 집적 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 검출 회로는, 고정 용량을 구비하고, 상기 고정 용량과, 상기 정전형 액튜에이터에서의 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이의 용량값과의 비교로부터, 상기 절연막 내에 축적된 상기 전하량을 검출하는 반도체 집적 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 검출 회로는, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 전위차가 제1 전압 일 때의 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이의 용량값과, 상기 고정 용량과의 비교로부터, 상기 절연막 내에 축적된 상기 전하량을 검출하는 반도체 집적 회로.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 검출 회로에 의해 검출된 상기 전하량의 검출 결과를 저장하는 기억 회로와,
    전원의 투입을 검지하였을 때, 상기 정전형 액튜에이터를 구동시키고, 상기 검출 회로에 의해 상기 절연막 내의 상기 전하량을 검출시키고, 그 검출 결과에 기초하여 상기 기억 회로에 기억하는 데이터를 결정하는 시퀀스를 구비한 제어 회로
    를 더 포함하는 반도체 집적 회로.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 바이어스 회로는,
    상기 검출 회로에 의해 모니터된 상기 풀아웃 전압이 상기 제1 전압보다도 큰 경우에는, 상기 정전형 액튜에이터의 다음 구동 시에, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 전회의 구동 시와 동일한 방향으로 전계를 인가하고,
    상기 풀아웃 전압이 상기 제1 전압보다도 작은 경우에는, 상기 정전형 액튜에이터의 다음 구동 시에, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 전회의 구동 시와 역방향으로 전계를 인가하는 반도체 집적 회로.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 바이어스 회로는,
    상기 검출 회로에 의해 모니터된 상기 풀아웃 전압이 상기 제1 전압보다도 작은 경우에는, 상기 정전형 액튜에이터의 다음 구동 시에, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 전회의 구동 시와 동일한 방향으로 전계를 인가하고,
    상기 풀아웃 전압이 상기 제1 전압보다도 큰 경우에는, 상기 정전형 액튜에이터의 다음 구동 시에, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 전회의 구동 시와 역방향으로 전계를 인가하는 반도체 집적 회로.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 검출 회로는, 상기 제1 전압에서의 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이의 용량값으로부터, 상기 제1 전압과 상기 풀아웃 전압의 대소를 판정하는 반도체 집적 회로.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 검출 회로는, 상기 제1 전압에서의 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이의 용량값으로부터, 상기 제1 전압과 상기 풀아웃 전압의 대소를 판정하는 반도체 집적 회로.
  13. 상부 전극, 하부 전극, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 배치된 절연막을 갖는 정전형 액튜에이터와,
    상기 정전형 액튜에이터의 상기 절연막 내에 축적된 전하량이 스틱션 방지를 위해서 유지되어야 할 범위 내에 들어가 있는지의 여부를 검출하는 검출 회로와,
    상기 절연막에 축적된 상기 전하량이 상기 범위 내에 들어가 있지 않은 것이 검출되었을 때, 상기 전하량이 상기 범위 내에 들어가도록, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 구동 전압을 인가하여, 상기 절연막에 대하여 전하의 주입 및 뽑아냄 중 어느 하나를 행하는 바이어스 회로
    를 포함하는 반도체 집적 회로.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 검출 회로는, 고정 용량을 구비하고, 상기 고정 용량에 축적된 전압과, 상기 정전형 액튜에이터의 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이의 용량에 축적된 전압과의 비교로부터 상기 절연막 내에 축적된 상기 전하량을 검출하는 반도체 집적 회로.
  16. 상부 전극, 하부 전극, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 배치된 제1 절연막을 갖는 정전형 액튜에이터-상기 하부 전극은 기판 상에 형성되어 있고, 상기 상부 전극은 상기 기판과의 사이에 공동이 존재하도록 배치되어 있음-과,
    상기 기판 상에, 상기 하부 전극과 이격해서 형성된 제1 전극과,
    상기 상부 전극과의 사이에 절연체를 개재하여 형성된 제2 전극-상기 제2 전극은 상기 제1 전극과 대향하도록 배치되어 있음-과,
    상기 정전형 액튜에이터의 상기 상부 전극에 구동 전압이 인가되어 있는 동안은 상기 하부 전극을 접지 전압으로 하고, 상기 하부 전극에 상기 구동 전압이 인가되어 있는 동안은 상기 상부 전극을 상기 접지 전압으로 하는 바이어스 회로
    를 포함하고,
    상기 바이어스 회로에 의해 상기 구동 전압 및 상기 접지 전압을 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극에 인가함으로써, 상기 정전형 액튜에이터는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이의 거리를 변화시키는 Micro-Electro-Mechanical Systems(MEMS).
  17. 제16항에 있어서,
    상기 정전형 액튜에이터의 상기 제1 절연막 내에 축적된 전하량을 검출하는 검출 회로와,
    상기 검출 회로에 의해 검출된 상기 전하량의 검출 결과를 저장하는 기억 회로
    를 더 구비하고,
    상기 바이어스 회로는, 상기 기억 회로에 저장된 상기 검출 결과에 기초하여, 상기 구동 전압을 상기 상부 전극에 인가할지 상기 하부 전극에 인가할지를 결정하는 MEMS.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에는 제2 절연막이 배치되어 있고, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 및 상기 제2 절연막에 의해 가변 용량 소자를 형성하고 있는 MEMS.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제1 전극, 및 상기 제2 전극에 의해 스위치를 형성하고 있는 MEMS.
  20. 상부 전극, 하부 전극, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 배치된 절연막을 갖는 정전형 액튜에이터의 구동 방법으로서,
    전원의 투입 및 커맨드의 입력 중 어느 하나를 검지하는 스텝과,
    상기 전원의 투입 및 커맨드의 입력 중 어느 하나를 검지하였을 때, 상기 절연막 내에 축적된 전하량이 스틱션 방지를 위해서 유지되어야 할 범위 내에 들어가 있는지의 여부를 검출하는 스텝과,
    상기 절연막 내에 축적된 상기 전하량이 상기 범위 내에 들어가 있지 않은 것이 검출되었을 때, 상기 전하량이 상기 범위 내에 들어가도록, 상기 절연막에 대하여 전하의 주입 및 뽑아냄 중 어느 하나를 행하는 스텝
    을 포함하는 정전형 액튜에이터의 구동 방법.
KR1020070013214A 2006-02-09 2007-02-08 정전형 액튜에이터를 구동하기 위한 회로를 포함하는반도체 집적 회로, ｍｅｍｓ 및 정전형 액튜에이터의 구동방법 KR100836980B1 (ko)

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