WO2009104486A1 - マイクロエレクトロメカニカルデバイス及びその製造方法。 - Google Patents

マイクロエレクトロメカニカルデバイス及びその製造方法。 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a structure of a microelectromechanical device such as a micromechanical resonator or a micromechanical capacitor manufactured by utilizing a microfabrication technique in the semiconductor field, and a manufacturing method thereof.
  • MEMS microelectromechanical system
  • FIG. 6 shows a conventional micromechanical resonator using MEMS technology (Non-Patent Document 1).
  • the micromechanical resonator includes a resonator (90) on a substrate (96) as illustrated, and the resonator (90) includes a prismatic resonance beam (92) and both ends of the resonance beam (92). It is composed of four prismatic support beams (91) to (91) to be supported, and the base ends of the support beams (91) are respectively mounted on the substrate (96) by anchors (93). It is fixed. Thus, the resonator (90) is held at a position slightly floating from the surface of the substrate (96).
  • an input electrode (94) and an output electrode (95) are disposed across the center of the resonant beam (92), and the resonant beam (92) and A predetermined gap portion G is formed between the electrodes (94) and (95).
  • the high frequency power source (6) is connected to the input electrode (94), and the main voltage power source (7) is connected to one anchor (93).
  • the capacitance Co formed between the resonant beam 92 and the electrodes 94 and 95 is determined by the size of the gap G.
  • the gap G between the resonance beam (92) and the electrodes (94) (95) is on the order of submicron (0.1 to 0.5 ⁇ m).
  • the present invention is to provide a structure of a microelectromechanical device capable of further narrowing the gap and a manufacturing method thereof.
  • a microelectromechanical device has two members facing each other and having a capacitance corresponding to a gap between the two members, and operates based on the capacitance.
  • a pair of thermal oxide films are formed on the opposing surfaces of the member, and a narrowed gap is provided between the two thermal oxide films.
  • one member of the pair of members is an electrode
  • the other member is a resonator, which resonates by generating an alternating electrostatic force between the electrode and the resonator by inputting a high frequency signal.
  • a vibration is applied to the element, and a change in electrostatic capacitance between the electrode and the resonator is output as a high-frequency signal.
  • a second gap forming step is performed in which a pair of Si thermal oxide films are formed on the opposing surfaces of the groove by an oxidation treatment, and a narrowed gap is formed between both Si thermal oxide films.
  • a groove of about 0.35 ⁇ m is formed in the Si layer that is the material of the two members, for example, by photolithography and etching using an i-line exposure machine.
  • a thermal oxidation process is performed on the Si layer in which the groove is formed, whereby Si thermal oxide films are formed on both side surfaces of the groove, and these Si thermal oxide films face each other to reach 0.35 ⁇ m.
  • a narrower gap (for example, 0.05 to 0.30 ⁇ m) is formed.
  • the Si thermal oxide film can be formed to a thickness of at least 0.01 ⁇ m or more.
  • microelectromechanical device and the manufacturing method thereof according to the present invention it is possible to further narrow the gap as compared with the conventional case.
  • FIG. 1 and 2 show processes P1 to P7 for forming the resonator and the left and right electrodes of the MEMS resonator according to the present invention.
  • (A) is a longitudinal sectional view
  • (B) and (C) are plan views.
  • an SOI wafer is prepared by laminating a SiO 2 layer (3) and a Si layer (2) on the surface of a Si layer (1) serving as a substrate.
  • step P2 a resist (4) is applied to the surface of the Si layer (2).
  • step P3 the resist (4) is exposed and developed using an i-line exposure machine to form a groove pattern having a gap G '.
  • 0.35 ⁇ m is the limit as the gap G ′.
  • step P4 the Si layer (2) is dry-etched to process the groove (20) in the Si layer (2).
  • step P5 of FIG. 2 the resist (4) is removed, and in step P6, the SiO 2 layer (3) is wet etched. As a result, a resonator (22) having a width W and left and right electrodes (21) and (21) are formed.
  • FIG. 2C the upper Si layer (2) is omitted and the surfaces of the SiO 2 layer (3) and the lower Si layer (1) are shown.
  • step P7 thermal oxidation is performed at a temperature of 900 to 1200 ° C. in a mixed gas atmosphere of hydrogen gas and oxygen gas.
  • hydrogen burns and Si is oxidized in a steam atmosphere.
  • SiO 2 which is an oxide of Si
  • Si thermal oxide film (5) is a stable material.
  • the gap G obtained by the formation of (5) maintains high accuracy and can be narrowed.
  • the Si thermal oxide film is formed on the entire exposed Si surface, but only the gap surface is shown in the drawing for the sake of simplicity of explanation.
  • the limit is that the width of the groove (20) is 0.35 ⁇ m as shown in FIG. 3 (a).
  • a pair of Si thermal oxide films (5) and (5) facing each other are formed between the resonator (22) and the electrodes (21) and (21).
  • the gap between the films (5) and (5) can be narrowed to, for example, 0.1 ⁇ m or less.
  • the groove (20) In the process of forming the Si thermal oxide film (5) on both sides of the groove (20) between the electrode (21) and the resonator (22) as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the groove (20) The Si thermal oxide film (5) grows at a rate of 44% toward the inside of the side surface and 56% toward the outside, and between the opposing surfaces of the pair of Si thermal oxide films (5) and (5) facing each other. A gap G is formed.
  • an electrostatic capacitance Co is formed only by a vacuum gap, and the electrostatic capacitance C 0 has a dielectric constant of vacuum ⁇ 0 , an opposing area S, and a gap d As 0 , it can be expressed by the following mathematical formula.
  • C 0 ⁇ 0 (S / d 0 ) Therefore, the capacitance C in the MEMS resonator of the present invention shown in FIG. 4 is equal to the capacitance C 0 when the gap d 0 in the conventional MEMS resonator is 0.35 ⁇ m and the gap d 1 after thermal oxidation.
  • the capacitance C in the MEMS resonator of the present invention shown in FIG. 4 is equal to the capacitance C 0 when the gap d 0 in the conventional MEMS resonator is 0.35 ⁇ m and the gap d 1 after thermal oxidation.
  • the capacitance C in the MEMS resonator of the present invention shown in FIG. 4 is equal to the capacitance C
  • FIG. 5 shows the electrostatic capacity Co based only on the vacuum gap and the electrostatic capacity C composed of the combination of the thermal oxide film gap and the vacuum gap, with the electrostatic capacity as a reference when the vacuum gap is 0.35 ⁇ m. It shows the change in capacity ratio.
  • the formation of the Si thermal oxide film (5) can further reduce the substantial gap as compared with the conventional case. It is possible to improve the characteristics.
  • the present invention is not limited to MEMS resonators, and can be implemented in various microelectromechanical devices such as MEMS capacitors.

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Abstract

【課題】ギャップを更に狭小化することが可能なマイクロエレクトロメカニカルデバイスの構造及びその製造方法を提供する。 【解決手段】本発明に係るマイクロエレクトロメカニカルデバイスにおいては、共振子２２と電極２１が互いに対向し、その対向面には一対の熱酸化膜５、５が形成されて、両熱酸化膜間に狭小化されたギャップを有している。本発明に係るマイクロエレクトロメカニカルデバイスの製造工程においては、共振子２２と電極２１となるＳｉ層に対し、フォトリソグラフィとエッチングを用いた加工を施して、ギャップとなる溝２０を形成した後、該Ｓｉ層に対し、熱酸化処理を施して、溝２０の対向面に一対のＳｉ熱酸化膜５、５を形成する。

Description

マイクロエレクトロメカニカルデバイス及びその製造方法。
　本発明は、半導体分野における微細加工技術を利用して作製されるマイクロメカニカル共振器やマイクロメカニカルキャパシタ等のマイクロエレクトロメカニカルデバイスの構造、並びにその製造方法に関するものである。
　近年、半導体分野における微細加工技術を利用して、微細な機械構造を電子回路と一体化して形成する、所謂マイクロエレクトロメカニカルシステム(ＭＥＭＳ)技術が開発されており、フィルターや共振器への応用が検討されている。
　図６は、ＭＥＭＳ技術を用いた従来のマイクロメカニカル共振器を表わしている(非特許文献１)。該マイクロメカニカル共振器は、図示の如く基板(96)上に共振子(90)を具え、該共振子(90)は、角柱状の共振ビーム(92)と、該共振ビーム(92)の両端部を支持すべき４本の角柱状の支持ビーム(91)～(91)とから構成されており、各支持ビーム(91)の基端部はそれぞれアンカー(93)によって基板(96)上に固定されている。これによって、共振子(90)は、基板(96)の表面から僅かに浮上した位置に保持されている。
　又、共振子(90)の共振ビーム(92)の両側には、共振ビーム(92)の中央部を挟んで入力電極(94)と出力電極(95)が配備され、共振ビーム(92)と両電極(94)(95)との間に所定のギャップ部Ｇが形成されている。
　そして、入力電極(94)には高周波電源(６)が接続されると共に、１つのアンカー(93)には主電圧電源(７)が接続されている。
　アンカー(93)を介して共振子(90)に直流電圧Ｖｐを印加した状態で、入力電極(94)に高周波信号Ｖｉを入力すると、入力電極(94)と共振ビーム(92)との間にギャップ部Ｇを介して交番静電気力が発生し、該静電気力によって共振子(90)が基板(96)の表面と平行な面内で振動する。この共振子(90)の振動により、共振ビーム(92)と両電極(95)(94)との間に形成される静電容量が変化し、該静電容量の変化が出力電極(95)から高周波信号Ｉｏとして出力される。
　上述のマイクロメカニカル共振器においては、図７に示す如く、共振ビーム(92)と両電極(94)(95)の間に形成される静電容量Ｃｏは、ギャップＧの大きさによって決まり、ギャップＧが小さい程、静電容量Ｃｏは大きくなり、挿入損失やインピーダンスなどの特性面においてもギャップＧは小さいことが望ましい。
　そこで、上述のマイクロメカニカル共振器の製造工程においては、共振ビーム(92)と左右の電極(94)(95)の間にギャップＧを形成するために、フォトリソグラフィとエッチングを用いた溝加工が用いられている。
W.-T.Hsu,J.R.Clark,　and　C.T.-C.Nguyen,"Q-optimized　lateral　freee-free　beam　micromechanical　resonators,"　Digest　of　Technical　papers,　the　11th　Int.　Conf.　on　Solid-State　Sensors　&　Actuators(Transducers’01),　Munich,　Germany,　June　10-14,2001,　pp.1110-1113. 特表２００２-５３５８６５号公報
　ところで、マイクロメカニカル共振器の共振周波数を数百ＭＨｚ帯からＧＨｚ帯に設定する場合、共振ビーム(92)と電極(94)(95)の間のギャップＧはサブミクロンのオーダ(０.１～０.５μｍ)に形成する必要がある。
　しかしながら、従来のフォトリソグラフィとエッチングによる溝加工では、例えばｉ線露光機を用いた場合、０.３５μｍ程度の溝幅を形成することが限界であり、それ以上の狭小化は困難であった。
　そこで本発明は、ギャップを更に狭小化することが可能なマイクロエレクトロメカニカルデバイスの構造及びその製造方法を提供することである。
　本発明に係るマイクロエレクトロメカニカルデバイスは、２つの部材が互いに対向して両部材間のギャップに応じた静電容量を有し、該静電容量に基づいて動作するものであって、前記２つの部材の対向面には一対の熱酸化膜が形成されて、両熱酸化膜間に狭小化されたギャップを有している。
　具体的には、前記一対の部材の内、一方の部材は電極であり、他方の部材は共振子であって、高周波信号の入力により電極と共振子の間に交番静電気力を発生させて共振子に振動を与え、電極と共振子との間の静電容量の変化を高周波信号として出力する。
　本発明のマイクロエレクトロメカニカルデバイスの製造方法においては、前記２つの部材の間に狭小化されたギャップを形成するために、
　前記２つの部材となるＳｉ層に対し、フォトリソグラフィとエッチングを用いた加工を施して、前記ギャップとなる溝を形成する第１ギャップ形成工程と、前記溝が形成されたＳｉ層に対し、熱酸化処理を施して、前記溝の対向面に一対のＳｉ熱酸化膜を形成し、両Ｓｉ熱酸化膜間に狭小化されたギャップを形成する第２ギャップ形成工程とが実施される。
　第１ギャップ形成工程では、例えばｉ線露光機を用いたフォトリソグラフィとエッチングによって、前記２つの部材の材料となるＳｉ層に０.３５μｍ程度の溝が形成される。
　その後、前記溝が形成されたＳｉ層に対し、熱酸化処理を施すことにより、前記溝の両側面にＳｉ熱酸化膜が形成され、これらのＳｉ熱酸化膜が互いに対向して、０.３５μｍよりも更に狭小化されたギャップ(例えば０.０５～０.３０μｍ)が形成されることになる。
　尚、熱酸化処理によれば、Ｓｉ熱酸化膜は少なくとも０.０１μｍ以上の厚さに形成することが出来る。
　本発明に係るマイクロエレクトロメカニカルデバイス及びその製造方法によれば、従来よりも更にギャップを狭小化することが可能である。
　以下、本発明を図６に示すＭＥＭＳ共振器に実施した形態につき、図面に沿って具体的に説明する。
　図１及び図２は、本発明に係るＭＥＭＳ共振器の共振子及び左右の電極を形成するための工程Ｐ１～Ｐ７を表わしている。尚、図１及び図２において、(Ａ)は縦断面図、(Ｂ)及び(Ｃ)は平面図である。
　先ず図１の工程Ｐ１においては、基板となるＳｉ層(１)の表面に、ＳｉＯ２層(３)とＳｉ層(２)を積層してなるＳＯＩウエハを準備する。
　次に工程Ｐ２においては、Ｓｉ層(２)の表面にレジスト(４)を塗布する。そして、工程Ｐ３では、レジスト(４)に対してｉ線露光機を用いた露光と現像を施し、ギャップＧ′を有する溝パターンを形成する。ここで、ギャップＧ′としては０.３５μｍが限界である。
　続いて工程Ｐ４では、Ｓｉ層(２)にドライエッチングを施して、Ｓｉ層(２)に溝(20)を加工する。
　図２の工程Ｐ５では、前記レジスト(４)を剥離し、更に工程Ｐ６では、ＳｉＯ２層(３)にウエットエッチングを施す。これによって幅Ｗの共振子(22)と左右の電極(21)(21)が形成されることになる。尚、図２(Ｃ)は上のＳｉ層(２)を省略してＳｉＯ２層(３)及び下のＳｉ層(１)の表面を表わしている。
　その後、工程Ｐ７では、水素ガスと酸素ガスの混合ガス雰囲気中で９００～１２００℃の温度による熱酸化処理を施す。この熱酸化処理においては、水素が燃焼して水蒸気雰囲気中でＳｉが酸化される。
　この結果、共振子(22)と両電極(21)(21)の対向面に一対のＳｉ熱酸化膜(５)(５)が形成され、両Ｓｉ熱酸化膜(５)(５)間にギャップＧが形成されることになる。
　ここで、Ｓｉの酸化物であるＳｉＯ２は安定した材料であり、然も熱酸化処理によれば狭小な隙間にも高い精度で薄膜を形成することが出来るので、Ｓｉ熱酸化膜(５)(５)の形成によって得られるギャップＧは、高い精度を維持し、且つ狭小化が可能である。
　又、Ｓｉ熱酸化膜は、露出しているＳｉ表面全体に形成されることになるが、説明簡略化のため、図面ではギャップ面のみ表示している。
　上述の如くｉ線露光及びドライエッチングによる溝加工においては、図３(ａ)に示す如く溝(20)の幅を０.３５μｍに形成することが限界であるが、その後の熱酸化処理により、図３(ｂ)の如く共振子(22)と両電極(21)(21)の間にそれぞれ、互いに対向する一対のＳｉ熱酸化膜(５)(５)が形成されて、両Ｓｉ熱酸化膜(５)(５)間のギャップを例えば０.１μｍ以下に狭小化することが出来る。
　図４(ａ)(ｂ)に示す如く電極(21)と共振子(22)の間の溝(20)の両側面にＳｉ熱酸化膜(５)が形成される過程では、溝(20)の側面の内側へ向けて４４％、外側へ向けて５６％の割合でＳｉ熱酸化膜(５)が成長し、互いに対向する一対のＳｉ熱酸化膜(５)(５)の対向面間にギャップＧが形成されることになる。
　図４(ｂ)に示す如く、電極(21)と共振子(22)の間の静電容量Ｃは、一対のＳｉ熱酸化膜(５)(５)が対向して形成される真空ギャップの静電容量Ｃ１と、両Ｓｉ熱酸化膜(５)(５)によって形成される２つの静電容量Ｃ２、Ｃ２の直列接続となるため、下記数式が成り立つ。
(数式１)
　　　　１／Ｃ＝１／Ｃ２＋１／Ｃ１＋１／Ｃ２
　従来のＭＥＭＳ共振器においては、図７に示す様に真空ギャップのみによる静電容量Ｃｏが形成され、その静電容量Ｃ０は、真空の誘電率をε０、対向面積をＳ、ギャップをｄ０として、下記数式により表わすことが出来る。
(数式２)
　　　　Ｃ０＝ε０(Ｓ／ｄ０)
　従って、図４に示す本発明のＭＥＭＳ共振器における静電容量Ｃは、従来のＭＥＭＳ共振器におけるギャップｄ０が０.３５μｍの場合の静電容量Ｃ０と、熱酸化後のギャップｄ１を用いて、下記数式で表わすことが出来る。
(数式３)
　　　　Ｃ＝(９３１０００／(１４１ｄ１＋４３７５００))・Ｃ０
　図５は、真空ギャップのみによる静電容量Ｃｏと、熱酸化膜のギャップと真空ギャップの組合せからなる静電容量Ｃについて、真空ギャップが０.３５μｍのときの静電容量を基準とする静電容量比の変化を表わしている。
　図５中に破線で示す様に、０.３５μｍの真空ギャップを形成した後にそのギャップが
０.０６７μｍに狭小化されるまで熱酸化膜を形成すれば、０.２μｍの真空ギャップのみを有するＭＥＭＳ共振器と同等の静電容量が得られることになる。
　この様に、本発明のＭＥＭＳ共振器によれば、Ｓｉ熱酸化膜(５)の形成によって、実質的なギャップを従来よりも更に狭小化することが出来、その結果、挿入損失やインピーダンスなどの特性を改善することが可能である。
　尚、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
　又、本発明は、ＭＥＭＳ共振器に限らず、ＭＥＭＳキャパシタなどの種々のマイクロエレクトロメカニカルデバイスに実施することが出来る。
本発明に係るＭＥＭＳ共振器の製造工程の前半を示す一連の図面である。 本発明に係るＭＥＭＳ共振器の製造工程の後半を示す一連の図面である。 エッチング工程及び熱酸化工程を示す断面図である。 熱酸化膜によるギャップの形成を説明する断面図である。 真空ギャップのみを有する従来のＭＥＭＳ共振器と、熱酸化膜によるギャップと真空ギャップの両方を有する本発明のＭＥＭＳ共振器について、ギャップと静電容量の関係を表わすグラフである。 従来のＭＥＭＳ共振器の構成を表わす斜視図である。 従来のＭＥＭＳ共振器における真空ギャップによる静電容量の形成を表わす断面図である。
符号の説明
(１)　Ｓｉ層
(２)　Ｓｉ層
(３)　ＳｉＯ２層
(４)　レジスト
(５)　Ｓｉ熱酸化膜
(20)　溝
(21)　電極
(22)　共振子

Claims (4)

  1. 　２つの部材が互いに対向して両部材間のギャップに応じた静電容量を有し、該静電容量に基づいて動作するマイクロエレクトロメカニカルデバイスにおいて、前記２つの部材の対向面には一対の熱酸化膜が形成されて、両熱酸化膜間に狭小化されたギャップを有することを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルデバイス。
  2. 　前記一対の部材の内、一方の部材は電極であり、他方の部材は共振子であって、高周波信号の入力により電極と共振子の間に交番静電気力を発生させて共振子に振動を与え、電極と共振子との間の静電容量の変化を高周波信号として出力する請求項１に記載のマイクロエレクトロメカニカルデバイス。
  3. 　２つの部材が互いに対向して両部材間のギャップに応じた静電容量を有し、該静電容量に基づいて動作するマイクロエレクトロメカニカルデバイスの製造方法において、
    　前記２つの部材となるＳｉ層に対し、フォトリソグラフィとエッチングを用いた加工を施して、前記ギャップとなる溝を形成する第１ギャップ形成工程と、
    　前記溝が形成されたＳｉ層に対し、熱酸化処理を施して、前記溝の対向面に一対のＳｉ熱酸化膜を形成し、両Ｓｉ熱酸化膜間に狭小化されたギャップを形成する第２ギャップ形成工程とを有することを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルデバイスの製造方法。
  4. 　前記第１ギャップ形成工程では、前記溝を形成することによって、前記Ｓｉ層からなる電極と共振子を成形し、前記第２ギャップ形成工程では、電極側のＳｉ熱酸化膜と共振子側のＳｉ熱酸化膜の対向面間に、前記狭小化されたギャップを形成する請求項３に記載のマイクロエレクトロメカニカルデバイスの製造方法。
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