(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロック信号を出力するＭＥＭＳデバイスであって、
同一の基板上に設けられた、第１のＭＥＭＳ共振子および第１の発振回路を有する第１のＭＥＭＳ発振器と、第２のＭＥＭＳ共振子および第２の発振回路を有する第２のＭＥＭＳ発振器とを含み、
前記第１のＭＥＭＳ発振器の共振周波数である第１の共振周波数と、前記第２のＭＥＭＳ発振器の共振周波数である第２の共振周波数とは、略一致するように設定され、
前記第１のＭＥＭＳ共振子のＱ値と前記第２のＭＥＭＳ共振子のＱ値とは異なるように設定され、
前記第１のＭＥＭＳ発振器は、
前記第１の共振周波数を周波数とする第１のクロック信号を出力し、
前記第２のＭＥＭＳ発振器は、
前記第２の共振周波数を周波数とする第２のクロック信号を出力し、
前記第１のクロック信号と前記第２のクロック信号の少なくとも一方を前記クロック信号として出力する、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数との差の絶対値は、前記第１の共振周波数との比で１０％以内である、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
請求項１乃至２のいずれかに記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記第１のクロック信号と前記第２のクロック信号の一方を選択し、前記クロック信号として出力する出力選択部を含む、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
請求項３に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記第１のＭＥＭＳ共振子のＱ値は前記第２のＭＥＭＳ共振子のＱ値よりも小さく設定され、
前記出力選択部は、
前記第１のクロック信号を選択した後に、前記第２のクロック信号を選択する、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項５】
請求項４に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記出力選択部が前記第２のクロック信号を選択した場合には、前記第１のクロック信号の出力が停止される、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記第１のＭＥＭＳ発振器の起動時間と前記第２のＭＥＭＳ発振器の起動時間とが異なる、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のＭＥＭＳデバイスを含む電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳデバイス、電子機器等に関する。
【背景技術】
【０００２】
発振器の特性の１つに発振起動時間（以下、起動時間）がある。昨今の電子機器は、低消費電力化のために回路を間欠動作させており、その回路が実現する機能（以下、回路機能）が必要とされていない場合には供給電源がオフになり、回路機能が必要となるとオンになる。ここで、電源がオンになったとき、クロック信号は発振器の起動時間の経過後にその回路に供給される。よって、発振器の起動時間が長いと、使用できるようになるまでユーザーを待たせる、といった電子機器における性能上の問題が生じ得る。すなわち、発振器には早い起動時間が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１８１０９１号公報
【特許文献２】特開２００５−６１３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
起動時間を早くする方法の１つは、発振器が備える共振子のＱ値（Quality factor）を下げることである。しかし、Ｑ値を下げると、周波数精度が低下するという不可避の問題が生じてしまう。周波数精度が低下した場合には、例えば演算処理を行う回路でエラーが生じるなどの深刻な問題を生じ得る。
【０００５】
そこで、用途により発振器（又は振動子）を使い分けることが提案されている。例えば、特許文献１では水晶振動子を２個含む発振器により周波数を切り替えて使用する発明が開示されている。特許文献２では水晶発振器を２個含む基板により周波数を切り替えて使用する発明が開示されている。しかし、配線パターンを共有することで一定の面積縮小をしているが（特許文献１）、現実的には実装面積やコストが増大してしまう。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものである。本発明のいくつかの態様によれば、微細加工技術によりシリコン等の基板上に集積したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）発振器を用いることで実装面積やコストを抑えつつ、起動時間を短縮でき、周波数精度の高いクロック信号も出力できるＭＥＭＳデバイス等を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明は、クロック信号を出力するＭＥＭＳデバイスであって、同一の基板上に設けられた、第１のＭＥＭＳ共振子および第１の発振回路を有する第１のＭＥＭＳ発振器と、第２のＭＥＭＳ共振子および第２の発振回路を有する第２のＭＥＭＳ発振器とを含み、前記第１のＭＥＭＳ発振器の共振周波数である第１の共振周波数と、前記第２のＭＥＭＳ発振器の共振周波数である第２の共振周波数とは、略一致するように設定され、前記第１のＭＥＭＳ共振子のＱ値と前記第２のＭＥＭＳ共振子のＱ値とは異なるように設定され、前記第１のＭＥＭＳ発振器は、前記第１の共振周波数を周波数とする第１のクロック信号を出力し、前記第２のＭＥＭＳ発振器は、前記第２の共振周波数を周波数とする第２のクロック信号を出力し、前記第１のクロック信号と前記第２のクロック信号の少なくとも一方を前記クロック信号として出力する。
【０００８】
本発明のＭＥＭＳデバイスは、微細加工技術により第１のＭＥＭＳ発振器と第２のＭＥＭＳ発振器が同一の基板上に集積されている。基板とは、ガラス基板や有機材料の基板等であってもよいが特にシリコン基板をいう。第１のＭＥＭＳ発振器と第２のＭＥＭＳ発振器の共振周波数は一致するように設計される。ただし、製造ばらつき等に起因する誤差があってもよい。
【０００９】
第１のＭＥＭＳ発振器と第２のＭＥＭＳ発振器は、それぞれ第１のＭＥＭＳ共振子と第２のＭＥＭＳ共振子を有する。第１のＭＥＭＳ共振子のＱ値と第２のＭＥＭＳ共振子のＱ値は異なる。そのため、第１のＭＥＭＳ発振器と第２のＭＥＭＳ発振器の起動時間は異なっている。そして、それらの出力信号である第１のクロック信号と第２のクロック信号の周波数精度も異なっている。
【００１０】
例えば後段の回路において、第１のクロック信号と第２のクロック信号のいずれかを適切に選択することによって、起動時間を早めることも、周波数精度の高いクロック信号を利用することも可能になる。例えば、第１のクロック信号の方が出力されるまでの時間が早い場合には、相対的に第２のクロック信号の周波数精度は高い。よって、起動時には第１のクロック信号を選択し、演算等を行う通常動作時には第２のクロック信号を選択することで、起動時間の短縮と高い周波数精度のクロックの利用を両立できる。
【００１１】
このとき、これら２つの発振器は水晶発振器ではなく、ＭＥＭＳ発振器であるので実装面積やコストを抑えることが可能である。また、例えばＣＲ発振回路と比べるとＭＥＭＳ発振器は高い周波数精度を得ることができる。よって、本発明によれば、実装面積やコストを抑えつつ、起動時間を短縮でき、周波数精度の高いクロック信号も出力できるＭＥＭＳデバイスを提供することができる。
【００１２】
（２）このＭＥＭＳデバイスにおいて、前記第１の共振周波数と前記第２の共振周波数との差の絶対値は、前記第１の共振周波数との比で１０％以内であってもよい。
【００１３】
本発明によれば、第１の共振周波数と第２の共振周波数との差（絶対値）をとったときに、一方の共振周波数（第１の共振周波数）との比で１０％以内であれば、第１の共振周波数と第２の共振周波数は一致しているとする。微細加工技術により作成されるＭＥＭＳ発振器には製造ばらつき等の誤差が生じる。しかし、この計算式に従った場合のばらつきが１０％以内であれば、例えばＣＲ発振回路に比べると格段に精度がよく、セラミック振動子を用いた場合に匹敵する。よって、従来の半導体の微細加工技術により作成される発振器（例えばＣＲ発振回路）に比べて高精度である。
【００１４】
（３）このＭＥＭＳデバイスにおいて、出力選択部を含み、前記出力選択部は、前記第１のクロック信号と前記第２のクロック信号の一方を選択し、前記クロック信号として出力してもよい。
【００１５】
本発明によれば、第１のクロック信号と第２のクロック信号の一方が出力選択部で選択されて排他的に出力される。よって、このクロック信号を受け取る後段の回路が個々に第１のクロックと第２のクロックを選択する必要がないので、制御を簡略化でき、回路規模が増大するのを抑えることができる。
【００１６】
出力選択部は、例えば制御部（ＣＰＵ等）から入力された選択信号に基づいて、第１のクロック信号と第２のクロック信号の一方を選択してもよい。このとき、制御部は、要求されている処理が早期に処理されることを求めているか、高精度な演算等を求めているかによって、選択信号の信号レベルを変化させてもよい。
【００１７】
出力選択部は、例えば内部又は外部のカウンターのカウント値に基づいて第１のクロック信号と第２のクロック信号の一方を選択してもよい。カウンターの数値によって第１のＭＥＭＳ発振器の起動時間又は第２のＭＥＭＳ発振器の起動時間が経過したことを判断し、安定したクロック信号を出力することが可能になる。また、起動時間が経過したか否かの判断を制御部が行い、選択信号によって第１のクロック信号と第２のクロック信号の一方を選択してもよい。
【００１８】
（４）このＭＥＭＳデバイスにおいて、前記第１のＭＥＭＳ共振子のＱ値は前記第２のＭＥＭＳ共振子のＱ値よりも小さく設定され、前記出力選択部は、前記第１のクロック信号を選択した後に、前記第２のクロック信号を選択してもよい。
【００１９】
本発明によれば、前記第１のＭＥＭＳ共振子のＱ値は前記第２のＭＥＭＳ共振子のＱ値よりも小さいため、第１のＭＥＭＳ発振器の起動時間は第２のＭＥＭＳ発振器の起動時間
よりも早い。そこで、出力選択部は、例えば初期化時などの早期の起動時間が求められる状況では第１のクロック信号を出力し、初期化が完了した後に第２のクロック信号を出力するようにしてもよい。
【００２０】
（５）このＭＥＭＳデバイスにおいて、前記出力選択部が前記第２のクロック信号を選択した場合には、前記第１のクロック信号の出力が停止されてもよい。
【００２１】
本発明によれば、出力選択部が第１のクロック信号をクロック信号として選択していない場合には、使用されない第１のクロック信号は停止される。このことにより、消費電力を抑えることができる。
【００２２】
このとき、第１のクロック信号は、第１のＭＥＭＳ発振器のイネーブル信号が制御されることで停止されてもよい。また、第１のＭＥＭＳ発振器と第２のＭＥＭＳ発振器とは別の電源が供給されており、第１のＭＥＭＳ発振器への電源供給が停止されてもよい。
【００２３】
（６）このＭＥＭＳデバイスにおいて、前記第１のＭＥＭＳ発振器の起動時間と前記第２のＭＥＭＳ発振器の起動時間とが異なってもよい。
【００２４】
本発明によれば、２つのＭＥＭＳ発振器の起動時間は異なる。例えば、第１のＭＥＭＳ発振器の起動時間が第２のＭＥＭＳ発振器の起動時間よりも早い場合、早期のクロック信号を受け取りたい回路は第１のクロック信号を受け取り、そうでない回路は高精度の第２のクロック信号を受け取ってもよい。起動時間の異なるクロックを回路機能に応じて選択できるので設計の柔軟性が高まる。
【００２５】
（７）本発明は、このＭＥＭＳデバイスを含む電子機器である。
【００２６】
本発明によれば、発振起動時間が早い前記のＭＥＭＳデバイスを含むことで、電源投入時等における起動時間を早めた電子機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態に係るＭＥＭＳデバイスのブロック図。
【図２】第１実施形態のＭＥＭＳ発振器の構成を示す図。
【図３】図３（Ａ）〜図３（Ｂ）は、第１実施形態のＭＥＭＳ発振器の起動時間を示す図。
【図４】第２実施形態に係るＭＥＭＳデバイスのブロック図。
【図５】本実施形態に係るＭＥＭＳデバイスを模式的に示す断面図。
【図６】本実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの共振子を模式的に示す図。
【図７】本実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造工程を模式的に示す断面図。
【図８】本実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造工程を模式的に示す断面図。
【図９】本実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの製造工程を模式的に示す断面図。
【図１０】変形例に係るＭＥＭＳデバイスの共振子を模式的に示す断面図。
【図１１】本実施形態に係るＭＥＭＳデバイスを含む電子機器のブロック図。
【図１２】図１２（Ａ）は電子機器の例である携帯電話の図。図１２（Ｂ）は電子機器の例である携帯型ゲーム装置の図。図１２（Ｃ）は電子機器の例であるパーソナルコンピューターの図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
１．  ＭＥＭＳデバイス
１．１．  第１実施形態
図１は、第１実施形態に係るＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイス１００のブロック図である。ＭＥＭＳデバイス１００は、第１のＭＥＭＳ発振器３００と第２のＭＥＭＳ発振器３２０を含む。ＭＥＭＳデバイス１００はクロック信号を出力し、本実施形態では、クロック信号として第１のクロック信号４００と第２のクロック信号４０２を出力する。第１のクロック信号４００は第１のＭＥＭＳ発振器３００の共振周波数（以下、第１の共振周波数）をクロック周波数とし、第２のクロック信号４０２は第２のＭＥＭＳ発振器３２０の共振周波数（以下、第２の共振周波数）をクロック周波数とする。ここで、第１の共振周波数は第２の共振周波数と一致する。このとき、一致とは誤差を含む略一致でもよい。本実施形態では、製造ばらつきを含めても、第１の共振周波数と第２の共振周波数との周波数の差が一方の共振周波数（例えば、第１の共振周波数）と比べて１０％以内に収まるものとする。
【００３０】
第１のＭＥＭＳ発振器３００は、第１のＭＥＭＳ共振子３０２と第１の発振回路３０４を含む。図２に、第１のＭＥＭＳ発振器３００のより具体的な構成例を示す。図２に示すように、第１の発振回路３０４に含まれるキャパシター３１１、３１２、抵抗３１３、３１４、インバーター３１５により第１のＭＥＭＳ共振子３０２を発振させる発振ループが形成され、第１のＭＥＭＳ共振子３０２は共振周波数に略等しい周波数で発振する。そして、第１のＭＥＭＳ共振子３０２の駆動信号すなわちインバーター３１５の出力信号が第１のクロック信号４００として出力される。なお、インバーター３１５は３以上の奇数個のインバーターが直列に接続された構成であってもよい。
【００３１】
第２のＭＥＭＳ発振器３２０は、第２のＭＥＭＳ共振子３２２と第２の発振回路３２４を含む。第２のＭＥＭＳ発振器３２０の具体的な構成は、図２の第１のＭＥＭＳ発振器３００と同じであり、説明を省略する。第２のＭＥＭＳ共振子３２２の駆動信号が第２のクロック信号４０２として出力される。
【００３２】
第１の共振周波数と第２の共振周波数とは一致する。しかし、第１のＭＥＭＳ共振子３０２のＱ値と第２のＭＥＭＳ共振子３２２のＱ値とは異なっている。ここで、Ｑ値（Quality factor）は周波数選択性を表す無次元数である。Ｑ値が大きいほど周波数は安定するが、応答性は悪くなるため起動に時間がかかる。
【００３３】
図３（Ａ）〜図３（Ｂ）は本実施形態における起動時間の具体例を示す。本実施形態では、第１のＭＥＭＳ共振子３０２のＱ値は第２のＭＥＭＳ共振子３２２のＱ値に比べて小さい。
【００３４】
図３（Ａ）は第１のＭＥＭＳ発振器３００の起動時間ＳＴ１を示す。起動時間ＳＴ１は電源投入時から発振波形が出力されるまでの時間を示す。ここで、発振波形の出力とは、第１のクロック信号４００について定常時の振幅（Ｖｄｄ）の９０％の波形が出力されることをいう。第１のＭＥＭＳ共振子３０２のＱ値が小さいため、起動時間ＳＴ１は早いが、第１のクロック信号４００の周波数精度は高くない。
【００３５】
一方、図３（Ｂ）は第２のＭＥＭＳ発振器３２０の起動時間ＳＴ２を示す。起動時間ＳＴ２は電源投入時から発振波形が出力されるまでの時間を示す。第２のＭＥＭＳ共振子３２２のＱ値が大きいため、起動時間ＳＴ２は遅いが、第２のクロック信号４０２の周波数精度は高い。
【００３６】
本実施形態のＭＥＭＳデバイスでは、起動時間の異なるＭＥＭＳ発振器のそれぞれから２つのクロック信号を出力することができる。これにより、後段の回路は、第１のクロック信号４００、又は第２のクロック信号４０２の一方を回路機能に応じて選択することが可能になる。このとき、これらのクロック信号は、微細加工技術によりシリコン等の基板上に集積したＭＥＭＳ発振器から出力されるので実装面積やコストを抑えることが可能である。つまり、面積やコストを増大させることなく、例えば早期に出力される第１のクロック信号４００を選択することが可能であり、このときＭＥＭＳデバイス１００を含む回路や機器の起動時間を早めることができる。また、周波数精度の高い第２のクロック信号４０２を選択することも可能であり、このときＭＥＭＳデバイス１００を含む回路や機器は安定動作を行うことができる。
【００３７】
また、２つのクロックを選択できることで設計の自由度が増す。まず、ＭＥＭＳデバイス１００によって設計変更に対して柔軟に対応できる。予め出力までの時間が異なる２つのクロック信号を用意しているので、設計変更により起動時間を早める必要が生じた場合や、より周波数精度の高いクロック信号が必要になった場合にも対応し得る。他の使用方法として、ＭＥＭＳデバイス１００によってコストを増大させることなく、通常動作時に用いるクロック信号と起動時間テスト用のクロック信号の両方を用意することもできる。さらに、仕様の最終決定がなされていないプロトタイプにおいては、ＭＥＭＳデバイス１００を用いて、最適なクロック信号を選択するための評価を行ってもよい。
【００３８】
ここで、第１のＭＥＭＳ共振子３０２と第２のＭＥＭＳ共振子３２２とは、後述するフラップ型の共振子でも、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）でも、ＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）であってもよい。また、第１のＭＥＭＳ共振子３０２と第２のＭＥＭＳ共振子３２２とで、共振子の種類が異なっていてもよい。共振周波数の誤差は大きくなり得るが、第１のＭＥＭＳ共振子３０２と第２のＭＥＭＳ共振子３２２のうち一方をＭＥＭＳ共振子ではなく例えばＣＲ発振回路やＬＣ回路で置き換えてもよい。本実施形態では、ＭＥＭＳデバイス１００は２つのＭＥＭＳ発振器を含むが、３つ以上のＭＥＭＳ発振器を含み、それぞれの起動時間が異なっていてもよい。
【００３９】
本実施形態のＭＥＭＳデバイスでは、実装面積やコストを抑えつつ、出力までの時間が早い第１のクロック信号４００と、周波数精度の高い第２のクロック信号４０２の両方を共に出力できるＭＥＭＳデバイス１００を提供することができる。
【００４０】
１．２．  第２実施形態
図４は、第２実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１００Ａのブロック図である。なお、図１と同じ要素については同じ番号を付しており説明は省略する。
【００４１】
ＭＥＭＳデバイス１００Ａは、第１のＭＥＭＳ発振器３００Ａと第２のＭＥＭＳ発振器３２０Ａと出力選択部３４０を含む。ＭＥＭＳデバイス１００Ａは１つのクロック信号４０４を出力する。出力選択部３４０は、選択信号４０６に基づいて、出力までの時間が早い第１のクロック信号４００Ａ、又は周波数精度の高い第２のクロック信号４０２Ａの一方を選択する。本実施形態では、選択信号４０６の信号レベルがＬｏｗの場合には、スイッチ３４２がＬ側（図４の（Ｌ））に接続されて第１のクロック信号４００Ａが出力される。そして、選択信号４０６の信号レベルがＨｉｇｈの場合には、スイッチ３４２がＨ側（図４の（Ｈ））に接続されて第２のクロック信号４０２Ａが出力される。
【００４２】
このとき、第１のＭＥＭＳ発振器３００Ａは第１の発振回路３０４Ａに第１のイネーブル信号４０８を持っていてもよい。同じく、第２のＭＥＭＳ発振器３２０Ａは第２の発振回路３２４Ａに第２のイネーブル信号４１０を持っていてもよい。イネーブル信号の信号レベルがＨｉｇｈの場合には発振回路は動作するが、Ｌｏｗの場合には動作を停止するのでクロック信号は出力されない。
【００４３】
本実施形態では、第１のイネーブル信号４０８と第２のイネーブル信号４１０の信号レベルは選択信号４０６の信号レベルに応じて変化する。選択信号４０６の信号レベルがＨｉｇｈの場合、第１のイネーブル信号４０８と第２のイネーブル信号４１０の信号レベルはそれぞれＬｏｗとＨｉｇｈである。このとき、出力選択部３４０により選択されている第２のクロック信号４０２Ａを出力する第２のＭＥＭＳ発振器３２０Ａだけが動作する。逆に、選択信号４０６の信号レベルがＬｏｗのときには、第１のイネーブル信号４０８と第２のイネーブル信号４１０の信号レベルはそれぞれＨｉｇｈとＬｏｗである。このとき、出力選択部３４０により選択されている第１のクロック信号４００Ａを出力する第１のＭＥＭＳ発振器３００Ａだけが動作する。本実施形態のＭＥＭＳデバイス１００Ａは、不使用のクロック信号を停止させることにより消費電力の増加を抑えることができる。
【００４４】
なお、第１のイネーブル信号４０８と第２のイネーブル信号４１０に代えて、もしくは併用して、電源電圧を制御することで消費電力の増加を抑えてもよい。図４のように、第１のＭＥＭＳ発振器３００Ａと第２のＭＥＭＳ発振器３２０Ａに、それぞれ別電源であるＶＤＤ１とＶＤＤ２を供給しておき、出力するクロック信号が使用されていないＭＥＭＳ発振器の電源供給自体を止めてもよい。例えば、選択信号４０６の信号レベルがＬｏｗのときには、ＶＤＤ２の供給を止めて第２のＭＥＭＳ発振器３２０Ａの動作を停止させてもよい。
【００４５】
ここで、ＭＥＭＳデバイス１００Ａの使用例を述べる。演算などを含む通常動作には、出力される周波数の精度が高いクロック信号４０２Ａが必要であるが、リセット後などの初期化動作においては周波数の精度の低い第１のクロック信号４００Ａで十分な場合がある。そして、第２のクロック信号４０２Ａでは電源投入後の起動時間が遅いためにＭＥＭＳデバイス１００Ａを含む機器において必要な性能が得られない場合がある。このようなときに、面積とコストの増加を抑えながら、２つのクロック信号を選択して出力できるＭＥＭＳデバイス１００Ａは有用である。つまり、電源投入後にだけ起動時間の早い第１のＭＥＭＳ発振器３００Ａからの第１のクロック信号４００Ａを選択し、その後に周波数精度の高い第２のクロック信号４０２Ａに切り替えれば、早い起動時間と高い周波数精度のクロック信号の供給とを両立させることが可能である。
【００４６】
以下に具体的に説明する。Ｑ値が低い第１のＭＥＭＳ共振子３０２を含む第１のＭＥＭＳ発振器３００Ａは起動時間が早い（図３（Ａ）参照）。一方、Ｑ値が高い第２のＭＥＭＳ共振子３２２を含む第２のＭＥＭＳ発振器３２０Ａは起動時間が遅いが周波数の精度がよい（図３（Ｂ）参照）。そこで、出力選択部３４０のスイッチ３４２をデフォルトでＬ側にしておく。すると、電源投入時には早期に出力される第１のクロック信号４００ＡがＭＥＭＳデバイス１００Ａのクロック信号４０４として出力されるため、早期に初期化動作を行うことが可能になる。そして、初期化動作が完了した後に、例えば制御部などが選択信号４０６によってスイッチ３４２をＨ側にする。すると、周波数精度の高い第２のクロック信号４０２ＡがＭＥＭＳデバイス１００Ａのクロック信号４０４として出力されるため、後段の処理において安定した動作を期待できる。このとき、その後は使用されない第１のクロック信号４００Ａは、イネーブル信号４０８又はＶＤＤ１の操作によって停止してもよい。
【００４７】
ここで、図４では第２のＭＥＭＳ発振器３２０Ａのイネーブル信号４１０は選択信号４０６に連動するが、常に信号レベルがＨｉｇｈであってもよい。このような使用方法においては、第２のクロック信号４０２Ａが主として使用されるため、電源投入と同時に第２のＭＥＭＳ発振器３２０Ａが動作してもよい。そして、第２のＭＥＭＳ発振器３２０Ａの起動時間経過後にスイッチ３４２がＨ側に切り替わるようにしてもよい。
【００４８】
ＭＥＭＳデバイス１００Ａが出力選択部３４０を有することは、後段の回路が個別に出力信号を選択しなくて済むという利点がある。後段の回路において、個別に選択用の回路を設ける必要がないために回路面積の削減という効果が得られる。
【００４９】
１．３．  ＭＥＭＳデバイスの構造と製造方法
１．３．１．  フラップ型共振子
図５は、ＭＥＭＳデバイス１００を模式的に示す断面図である。なお、図５のＭＥＭＳデバイス１００は、第１実施形態のＭＥＭＳデバイス１００だけでなく第２実施形態のＭＥＭＳデバイス１００Ａにも対応する。
【００５０】
ＭＥＭＳデバイス１００は、図５に示すように、基板１０と、当該基板１０上に形成された第１のＭＥＭＳ共振子（以下、第１共振子）２０Ａおよび第２のＭＥＭＳ共振子（以下、第２共振子）２０Ｂと、層間絶縁層（第１層間絶縁層３０ａ，第２層間絶縁層３０ｂ，第３層間絶縁層３０ｃ）と、第１被覆層４０と、第２被覆層５０と、発振回路９０と、を含む。
【００５１】
基板１０としては、例えば、シリコン基板等の半導体基板を用いることができる。基板１０として、セラミックス基板、ガラス基板、サファイア基板、合成樹脂基板などの各種の基板を用いてもよい。基板１０には、素子分離層１１が形成されている。
【００５２】
第１共振子２０Ａおよび第２共振子２０Ｂは、同一の素子分離層１１（基板１０）上に形成されている。図示の例では、第１共振子２０Ａおよび第２共振子２０Ｂは、層間絶縁層３０ａ，３０ｂ，３０ｃに形成された空洞部３２に収容されている。
【００５３】
第１共振子２０Ａは、素子分離層１１上に形成された固定電極２２と、固定電極２２と一定間隔を空けて形成された可動電極２４と、から構成されている。可動電極２４は、素子分離層１１上に形成された固定部２４ａと、固定電極２２に対向して配置された振動可能な可動部（梁）２４ｂと、可動部２４ｂと固定部２４ａを連結して支持する支持部２４ｃとで構成されている。固定電極２２および可動電極２４は、発振回路９０と電気的に接続されている。発振回路９０から電極２２，２４間に電圧が印加されると、可動部２４ｂは、電極２２，２４間に発生する静電力により振動する。このように、発振回路９０によって第１共振子２０Ａを振動させることにより、所望の周波数を得ることができる。すなわち、第１共振子２０Ａと発振回路９０とは、図１、図４の第１のＭＥＭＳ発振器（以下、第１の発振器）３００、３００Ａに対応する。
【００５４】
第２共振子２０Ｂは、素子分離層１１上に形成された固定電極２６と、固定電極２６と一定間隔を空けて形成された可動電極２８と、から構成されている。可動電極２８は、素子分離層１１上に形成された固定部２８ａと、固定電極２６に対向して配置された振動可能な可動部（梁）２８ｂと、可動部２８ｂと固定部２８ａを連結して支持する支持部２８ｃとで構成されている。固定電極２６および可動電極２８は、発振回路９０と電気的に接続されている。発振回路９０から電極２６，２８間に電圧が印加されと、可動部２８ｂは、電極２６，２８間に発生する静電力により振動する。このように、発振回路９０によって第２共振子２０Ｂを振動させることにより、所望の周波数を得ることができる。すなわち、第２共振子２０Ｂと発振回路９０とは、図１、図４の第２のＭＥＭＳ発振器（以下、第２の発振器）３２０、３２０Ａに対応する。
【００５５】
固定電極２２，２６および可動電極２４，２８の材質としては、例えば、所定の不純物をドーピングすることにより導電性が付与された多結晶シリコンが挙げられる。
【００５６】
図６（Ａ）は、第１共振子２０Ａおよび第２共振子２０Ｂを模式的に示す断面図であり、図６（Ｂ）は、第１共振子２０Ａおよび第２共振子２０Ｂを模式的に示す平面図である。ここで、発振器の共振周波数は、共振子の可動部の長さと膜厚により決まる。そこで、第１の発振器３００と、第２の発振器３２０の共振周波数とが略一致するように以下のように設定する。図６（Ａ）に示すように、第１共振子２０Ａの可動部２４ｂの厚さＴ１と、第２共振子２０Ｂの可動部２８ｂの厚さＴ２とが、同じになるように設定する。そして、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すように、第１共振子２０Ａの可動部２４ｂの長さＬ１と、第２共振子２０Ｂの可動部２８ｂの長さＬ２とが、同じになるように設定する。
【００５７】
なお、可動部２４ｂ，２８ｂの厚さＴ１，Ｔ２や長さＬ１，Ｌ２には、製造工程で誤差が生じるため、発振器３００，３２０の共振周波数は、所望の共振周波数に対して±５％程度の誤差を有する。したがって、本実施形態において、第１の発振器３００と第２の発振器３２０の共振周波数とが略一致するとは、第１の発振器３００の共振周波数と第２の発振器３２０の共振周波数との差の絶対値が、第１の発振器３００の共振周波数との比で１０％以内であることをいう。
【００５８】
第１共振子２０Ａと第２共振子２０ＢのＱ値を異なる値とするために、図６（Ｂ）に示すように、第１共振子２０Ａの可動部２４ｂの幅Ｗ１は、第２共振子２０Ｂの可動部２８ｂの幅Ｗ２よりも大きく形成される。ここで、共振子のＱ値は、可動電極の可動部の幅が小さいほど、大きい。このため、第１共振子２０ＡのＱ値は、第２共振子２０ＢのＱ値よりも小さい。このように、可動電極２４，２８の形状を制御することにより、発振器３００，３２０の共振周波数や共振子２０Ａ，２０ＢのＱ値を制御することができる。
【００５９】
なお、ここでは、可動電極２４，２８が片持ち梁状のいわゆるフラップ型の共振子について説明したが、可動電極２４，２８は、両持ち梁であってもよい。また、第１の発振器および第２の発振器のうち一方が、ＭＥＭＳ発振器でなくＣＲ発振器やＬＣ発振器であってもよい。
【００６０】
層間絶縁層３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、基板１０上に形成されている。層間絶縁層３０ａ，３０ｂ，３０ｃには、空洞部３２が形成されている。空洞部３２内は、例えば、減圧状態である。層間絶縁層３０ａ，３０ｂ，３０ｃの材質としては、例えば、酸化シリコンが挙げられる。
【００６１】
空洞部３２には、包囲壁（ガードリング）（第１包囲壁２ａ、第２包囲壁２ｂ、第３包囲壁２ｃ）が形成されている。各包囲壁２ａ，２ｂ，２ｃは、共振子２０Ａ，２０Ｂを囲む平面形状を有する。包囲壁２ａ，２ｂ，２ｃは、平面視において、共振子２０Ａ，２０Ｂを囲む形状であれば特に限定されず、例えば、円形状、多角形状などの任意の形状である。包囲壁２ａ，２ｂ，２ｃは、互いに導電接続されていてもよい。また、包囲壁２ａ，２ｂ，２ｃは、一体的に形成されていてもよい。包囲壁２ａ，２ｂ，２ｃは、共振子２０Ａ，２０Ｂと発振回路９０を接続するための配線（図示しない）を避けて形成されてもよい。包囲壁２ａ，２ｂ，２ｃの材質としては、例えば、多結晶シリコンや、アルミニウム、銅、タングステン、チタンなどの金属やその合金が挙げられる。
【００６２】
第１被覆層４０は、図５に示すように、空洞部３２の上方に形成されている。第１被覆層４０は、貫通孔４２を有している。図１に示す例では、貫通孔４２の数は、３つだが、その数は限定されない。第１被覆層４０は、第３包囲壁２ｃと一体的に形成されていてもよい。第１被覆層４０は、例えば、チタン層、窒化チタン層、アルミニウム−銅合金層、窒化チタン層がこの順で積層された積層構造を有する。
【００６３】
包囲壁２ａ，２ｂ，２ｃおよび第１被覆層４０には、一定の電位（例えば接地電位）が与えられることが望ましい。これにより、包囲壁２ａ，２ｂ，２ｃおよび第１被覆層４０を、電磁シールドとして機能させることができる。そのため、共振子２０Ａ，２０Ｂを、外部と電気的に遮蔽することができ、共振子２０Ａ，２０Ｂは、より安定した特性を有することができる。
【００６４】
第２被覆層５０は、第１被覆層４０上に形成されている。第２被覆層５０は、第１被覆層４０の貫通孔４２を塞ぐことができる。第２被覆層５０の材質としては、例えば、アルミニウム、チタン、タングステンが挙げられる。第２被覆層５０の膜厚は、例えば、３μｍ程度である。第１被覆層４０および第２被覆層５０は、空洞部３２を上方から覆って、空洞部３２を封止する封止部材として機能することができる。
【００６５】
発振回路９０は、基板１０に形成されている。発振回路９０は、例えば、図５に示すトランジスター９２やキャパシター９６などで構成されている。発振回路９０は、共振子２０Ａ，２０Ｂを駆動させるための回路である。なお、トランジスター９２は、図示の例では、ＣＭＯＳトランジスターであるが、バイポーラトランジスターであってもよい。発振回路９０は、例えば図１の第１の発振回路３０４、第２の発振回路３２４に対応する。
【００６６】
保護膜６は、層間絶縁層３０ａ，３０ｂ，３０ｃ上および第１被覆層４０上に形成されている。保護膜６としては、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、樹脂等が挙げられる。保護膜６は、電極４を避けて形成されている。電極４は、配線５を介して発振回路９０と接続されている。電極４は、発振回路９０からの信号を外部に出力するための出力端子である。電極４からの信号とは、例えば図１の第１のクロック信号４００、第２のクロック信号４０２、図４のクロック信号４０４である。
【００６７】
１．３．２．  ＭＥＭＳ素子の製造方法
次に、本実施形態に係るＭＥＭＳデバイス１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図７〜図９は、ＭＥＭＳデバイス１００の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００６８】
図７に示すように、素子分離層１１上に共振子２０Ａ，２０Ｂを形成する。共振子２０Ａ，２０Ｂを形成する工程は、具体的には、まず、ＣＶＤ法やスパッタ法などによる成膜処理と、フォトリソグラフィー技術などによるパターニング処理により、素子分離層１１上に固定電極２２，２６を形成する。固定電極２２，２６が多結晶シリコンからなる場合、導電性を付与するために所定の不純物をドーピングする。次に、熱酸化処理や、ＣＶＤ法などにより、固定電極２２，２６を覆う犠牲層２９を形成する。次に、犠牲層２９上および素子分離層１１上に可動電極２４，２８を形成する。可動電極２４，２８は、ＣＶＤ法やスパッタ法などによる成膜処理と、フォトリソグラフィー技術などによるパターニング処理により形成される。可動電極２４，２８が多結晶シリコンからなる場合、導電性を付与するために所定の不純物をドーピングする。以上の工程により、共振子２０Ａ，２０Ｂが形成される。
【００６９】
なお、発振回路９０を構成するトランジスター９２やキャパシター９６の部材を、上述した共振子２０Ａ，２０Ｂを形成する工程と同一工程、もしくは同種の工程で形成してもよい。具体的には、例えば、上述した固定電極２２，２４を形成する工程において、キャパシター９６の下部電極９７を形成し、犠牲層２９を形成する工程において、トランジスター９２のゲート酸化膜９４およびキャパシター９６の絶縁膜９８を形成してもよい。さらに、可動電極２４，２８を形成する工程において、トランジスター９２のゲート電極９３およびキャパシター９６の上部電極９９を形成してもよい。このように、共振子２０Ａ，２０Ｂと発振回路９０の製造工程を共通化することで、製造工程の簡略化を図ることができる。
【００７０】
図８に示すように、共振子２０Ａ，２０Ｂを覆う層間絶縁層３０ａ，３０ｂ，３０ｃ、および層間絶縁層３０ａ，３０ｂ，３０ｃに形成された包囲壁２ａ，２ｂ，２ｃを形成する。層間絶縁層３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、例えば、ＣＶＤ法や塗布（スピンコート）法などにより形成される。なお、層間絶縁層３０ａ，３０ｂ，３０ｃを形成した後に、層間絶縁層３０ａ，３０ｂ，３０ｃの表面を平坦化する処理を行ってもよい。包囲壁２ａ，２ｂ，２ｃは、ＣＶＤ法やスパッタ法などによる成膜処理と、フォトリソグラフィー技術などによるパターニング処理により形成される。なお、本工程において、配線５や電極４が形成されてもよい。
【００７１】
次に、共振子２０Ａ，２０Ｂの上方の第３層間絶縁層３０ｃ上に、第１被覆層４０を形成する。第１被覆層４０は、例えば、スパッタ法やＣＶＤ法などによる成膜処理と、フォトリソグラフィー技術などによるパターニング処理により形成される。第１被覆層４０には、貫通孔４２が形成される。貫通孔４２は、本工程のパターニング処理により形成されてもよいし、第１被覆層４０を形成した後に、パターニング処理を行うことによって形成されてもよい。
【００７２】
次に、第３層間絶縁層３０ｃ上および第１被覆層４０上に保護膜６を形成する。保護膜６は、例えば、プラズマＣＶＤ法により形成される。次に、保護膜６をパターニングして、貫通孔４２および電極４を露出させる。
【００７３】
図９に示すように、貫通孔４２を通して共振子２０Ａ，２０Ｂの上方の層間絶縁層３０ａ，３０ｂ，３０ｃおよび犠牲層２９をエッチングし、空洞部３２を形成する（リリース工程）。エッチングは、例えば、フッ化水素酸や緩衝フッ酸（フッ化水素酸とフッ化アンモニウムの混合液）などを用いたウエットエッチングでもよいし、フッ化水素系のガスなどを用いたドライエッチングでもよい。包囲壁２ａ，２ｂ，２ｃおよび第１被覆層４０は、リリース工程においてエッチングされない材料で形成されることができる。
【００７４】
図５に示すように、第１被覆層４０上に第２被覆層５０を形成する。これにより、貫通孔４２を塞ぐことができ、空洞部３２を封止することができる。第２被覆層５０は、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法などの気相成長法により形成される。これにより、空洞部３２を減圧状態のまま封止することができる。
【００７５】
以上の工程により、ＭＥＭＳデバイス１００を製造することができる。
【００７６】
１．３．３．  ＦＢＡＲ（変形例）
なお、上述の例では、共振子が、いわゆるフラップ型の共振子である場合について説明したが、共振子は、例えば、図１０に示すＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Resonator）であってもよい。
【００７７】
共振子２０は、図１０に示すように、下部電極２１０と、圧電体層２２０と、上部電極２３０と、を含む。
【００７８】
下部電極２１０は、基板１０上に形成されている。基板１０には、空隙部１３が形成されており、下部電極２１０の一部は、この空隙部１３上に形成されている。これにより、共振子２０は、基板１０に束縛されることなく、自由に振動することができる。下部電極２１０の材質としては、例えば、モリブデンが挙げられる。下部電極２１０は、圧電体層２２０に電圧を印加するための一方の電極として機能する。
【００７９】
圧電体層２２０は、下部電極２１０上に形成されている。圧電体層２２０は、電極２１０，２２０間に電圧が印加されると、圧電体層２２０の厚み方向に振動する。すなわち、共振子２０は、バルク波振動を用いた共振子である。圧電体層２２０の材質としては、例えば、酸化亜鉛、窒化アルミニウム等が挙げられる。
【００８０】
上部電極２３０は、圧電体層２２０上に形成されている。上部電極２３０の材質としては、例えば、モリブデンが挙げられる。上部電極２３０は、圧電体層２２０に電圧を印加するための他方の電極として機能する。
【００８１】
ＦＢＡＲの共振周波数は、下部電極２１０、圧電体層２２０、上部電極２３０の合計の厚さで定まる。圧電体層２２０はスパッタ等によって比較的容易に薄くすることが可能であるため、ＦＢＡＲを用いることにより高周波の共振周波数を得ることができる。
【００８２】
なお、本実施形態に係るＭＥＭＳデバイスに用いられる共振子としては、上述したフラップ型の共振子やＦＢＡＲに限らず、基板１０上に半導体技術で形成できる共振子であればよい。例えば、ＳＭＲ（Solidly Mounted Resonator）であってもよい。
【００８３】
２．  電子機器（適用例）
本発明の電子機器への適用例について図１１〜図１２を参照にして説明する。なお、第１実施形態、第２実施形態と同様の構成については、同一符号を付しており説明を省略する。
【００８４】
図１１は本実施形態に係る電子機器８００のブロック図である。電子機器８００は、制御部８１０、入力部８２０、記憶部８３０、クロック生成部８４０、表示部８５０、音声出力部８６０を含む。電源投入後にはクロック生成部８４０に含まれるＭＥＭＳデバイス１００Ａからクロック信号４０４が制御部８１０、入力部８２０、記憶部８３０、表示部８５０、音声出力部８６０に供給される。
【００８５】
制御部８１０は例えばＣＰＵであってもよい。制御部８１０は、他の機能ブロックを制御し、電子機器８００のリセット直後には他の機能ブロックを初期化してもよい。
【００８６】
入力部８２０は、種々のデータを入力するためのものである。入力部８２０は、例えばボタンやキーであってもよい。制御部８１０は、この入力部８２０により入力されたデータに基づいて種々の処理を行うことになる。
【００８７】
記憶部８３０は、例えばメモリーであり、ＤＲＡＭやＳＲＡＭであってもよいし、ＲＯＭを含んでいてもよい。制御部８１０がＣＰＵの場合、ＣＰＵは記憶部８３０からプログラムを読み込んでもよい。また、制御部８１０がデータ等の記憶領域として用いてもよい。
【００８８】
表示部８５０は、電子機器８００が表示する各種の画像（文字、アイコン、グラフィック等）を出力するためのものである。例えばＬＣＤや電気泳動表示装置であってもよい。
【００８９】
音声出力部８６０は、電子機器８００が出力する各種の音（音声、ゲーム音等）を出力するためのものであり、その機能は、スピーカーなどのハードウェアにより実現できる。
【００９０】
図１２（Ａ）に、電子機器の１つである携帯電話９５０の外観図の例を示す。この携帯電話９５０は、入力部８２０として機能するダイヤルボタン９５２や、表示部８５０として機能し電話番号や名前やアイコンなどを表示するＬＣＤ９５４や、音声出力部８６０として機能し音声を出力するスピーカー９５６を備える。
【００９１】
図１２（Ｂ）に、電子機器の１つである携帯型ゲーム装置９６０の外観図の例を示す。この携帯型ゲーム装置９６０は、入力部８２０として機能する操作ボタン９６２、十字キー９６４や、表示部８５０として機能しゲーム画像を表示するＬＣＤ９６６や、音声出力部８６０として機能しゲーム音を出力するスピーカー９６８を備える。
【００９２】
図１２（Ｃ）に、電子機器の１つであるパーソナルコンピューター９７０の外観図の例を示す。このパーソナルコンピューター９７０は、入力部８２０として機能するキーボード９７２や、表示部８５０として機能し文字、数字、グラフィックなどを表示するＬＣＤ９７４や、音声出力部８６０として機能するスピーカー９７６を備える。
【００９３】
前記のＭＥＭＳデバイス１００Ａを図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）の電子機器のクロック生成部８４０に組み込む。すると、電源投入時やパワーセーブモードからの復帰時においては、クロック信号４０４として出力までの時間が早い第１のクロック信号４００Ａ（図４参照）が選択されるので、起動時間の早い電子機器を提供することができる。また、初期化動作が終了して通常動作を行う時には、クロック信号４０４として周波数精度の高い第２のクロック信号４０２Ａ（図４参照）が選択されるので安定した動作が期待できる。
【００９４】
以上のように、ＭＥＭＳデバイスという形態によって面積やコストの増加を抑えつつ、電源投入時等の起動時間を早めた電子機器を提供することができる。
【００９５】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００９６】
２ａ…第１包囲壁、２ｂ…第２包囲壁、２ｃ…第３包囲壁、４…電極、５…配線、６…保護膜、１０…基板、１１…素子分離層、１３…空隙部、２０…共振子、２０Ａ…第１共振子（第１のＭＥＭＳ共振子）、２０Ｂ…第２共振子（第２のＭＥＭＳ共振子）、２２…固定電極、２４…可動電極、２４ａ…固定部、２４ｂ…可動部、２４ｃ…支持部、２６…固定電極、２８…可動電極、２８ａ…固定部、２８ｂ…可動部、２８ｃ…支持部、２９…犠牲層、３０ａ…第１層間絶縁層、３０ｂ…第２層間絶縁層、３０ｃ…第３層間絶縁層、３２…空洞部、４０…第１被覆層、４２…貫通孔、５０…第２被覆層、９０…発振回路、９２…トランジスター、９３…ゲート電極、９４…ゲート酸化膜、９６…キャパシター、９７…下部電極、９８…絶縁層、９９…上部電極、１００…ＭＥＭＳデバイス、１００Ａ…ＭＥＭＳデバイス、２１０…下部電極、２２０…圧電体層、２３０…上部電極、３００…第１のＭＥＭＳ発振器、３００Ａ…第１のＭＥＭＳ発振器、３０２…第１のＭＥＭＳ共振子、３０４…第１の発振回路、３０４Ａ…第１の発振回路、３１１…キャパシター、３１２…キャパシター、３１３…抵抗、３１４…抵抗、３１５…インバーター、３２０…第２のＭＥＭＳ発振器、３２０Ａ…第２のＭＥＭＳ発振器、３２２…第２のＭＥＭＳ共振子、３２４…第２の発振回路、３２４Ａ…第２の発振回路、３４０…出力選択部、３４２…スイッチ、４００…第１のクロック信号、４００Ａ…第１のクロック信号、４０２…第２のクロック信号、４０２Ａ…第２のクロック信号、４０４…クロック信号、４０６…選択信号、４０８…第１のイネーブル信号、４１０…第２のイネーブル信号、８００…電子機器、８１０…制御部、８２０…入力部、８３０…記憶部、８４０…クロック生成部、８５０…表示部、８６０…音声出力部、９５０…携帯電話、９５２…ダイヤルボタン、９５４…ＬＣＤ、９５６…スピーカー、９６０…携帯型ゲーム装置、９６２…操作ボタン、９６４…十字キー、９６６…ＬＣＤ、９６８…スピーカー、９７０…パーソナルコンピューター、９７２…キーボード、９７４…ＬＣＤ、９７６…スピーカー
【図１】
0005516872.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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