(57)【要約】【課題】固有振動数が小さい振動子からなる振動発電素子などの振動素子を備えた半導体装置が容易に形成できるようにする。【解決手段】半導体集積回路などが形成されている基板１０１の上に、２つの固定電極部１０４とこれらの間に配置されて振動する金（Ａｕ）からなる振動電極部１０６とによる振動発電素子（振動素子）を備える。振動電極部１０６は、基板１０１の上に固定された支持部１０３に連結する支持梁１０５により、基板１０１の上に離間して張架されている。また、バネとして機能する支持梁１０５により張架されている振動電極部１０６は、固定電極部１０４の方向に変位（振動）可能とされている。これら支持梁１０５及び振動電極部１０６は、Ａｕからなる一体の構造体として形成され、調和振動子として機能する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路が形成された半導体基板の上に配置された固定電極部と、
前記固定電極部と離間して配置されて前記固定電極の方向に可動する振動電極部と、
前記振動電極部と一体に形成されて前記振動電極部を張架する支持梁と
を少なくとも備え、
前記振動電極部と前記支持梁とは金属から構成され、
前記振動電極部と前記支持梁とにより振動子が構成され、この振動子と前記固定電極部とにより振動素子が構成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置において、
前記金属は、金及び銅のいずれか１つである
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置において、
前記支持梁の表面を覆う金属膜を備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３記載の半導体装置において、
前記金属膜は、ルテニウムであることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
半導体集積回路が形成された半導体基板の上に配置された固定電極部が形成された状態とする工程と、
メッキ法により形成した金属により、前記固定電極部と離間して配置されて前記固定電極の方向に可動する振動電極部及び前記振動電極部と一体に形成されて前記振動電極部を張架する支持梁からなる振動子が形成された状態とする工程と
を少なくとも備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の半導体装置の製造方法において、
前記半導体基板の上に有機樹脂からなる有機樹脂層が形成された状態とし、
前記有機樹脂層の上に有機樹脂からなる有機樹脂パターンが形成された状態とし、
前記有機樹脂パターンの開口領域にメッキ法により金属膜が形成された状態とすることで、前記金属膜からなる前記振動子が形成された状態とする
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項５又は６記載の半導体装置の製造方法において、
前記支持梁の表面に、無電解メッキ法によりルテニウム膜が形成された状態とする工程を備える
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動発電素子が半導体基板の上に設けられた半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯機器や超小型センサに供給する電源についての技術開発が進んでいる。従来よりあるボタン電池などの小型の電池では、要求される寸法に比較して大きく、小型化に適さないため、環境の変化などを利用した小型の電源の利用が検討されている。例えば、振動や、熱、加重などの物理的な量をエネルギーとし、これを電気に変換して用いる電源が検討されている。このような発電素子によって、非常に小型のユビキタスデバイスを用いたネットワーク環境の構築が可能となる。
【０００３】
上述した小型の電源（発電素子）として、振動をエネルギーとして初でする振動発電素子が提案されている（非特許文献１参照）。非特許文献１に提案されている振動発電素子は、図４に示すように、重なりバネ４０１とバネ４０２と磁石４０３とコイル４０４とを備え、これらを筒状の容器４０５に収容したものである。この振動発電素子に、スイッチとレギュレータとＤＳＰからなるＬＳＩを組み合わせることで、４００ｍＷ程度が発電可能とされている。
【０００４】
また、他の振動発電素子として、可変容量素子にＬＣ回路とタイミング回路とを組み合わせたものが提案されている（非特許文献２参照）。可変容量は、板バネの先に取り付けられた重りと固定された対向電極とで構成され、振動で板バネが揺れることで対向電極との距離が変化することで発電を可能としている。この発電素子は、２．５ｃｍ×７ｃｍのサイズに形成され、１２０ｎＷの発電が可能とされている。また、同様な振動発電素子として、１．２ｋＨｚの振動を加えることにより１００μＷの発電が得られるとされているものもある（非特許文献３参照）。
【０００５】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】R.Amirtharajah et al., "Self-powered signal processing using vibration-based power generation", IEEE J.Solid-state Circuits, vol.33, No.5, pp.687-695, 1998.
【非特許文献２】M.Miyazaki et al., "Electric-energy generation using variable-capacitive resonator for power-free LSI: efficiency analysis and fundamental experiment", IEEE International Symposium on Low Power Electronics and Design (ISLPED), pp.193-198, 2003.
【非特許文献３】T.Sterken et al., "Power extraction from ambient vibration", Workshop on Semiconductor Sensors (SeSens),pp.680-683,2002.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、非特許文献１，２に示されている振動発電素子は、寸法が数ｃｍから数十ｃｍと大きいため、小型なユビキタスデバイスの電源としては、要求される寸法を満たしていない状態である。これに対し、非特許文献３に示された振動発電素子は、シリコンを材料としたマイクロマシーン技術により形成され、微細化が可能とされている。しかしながら、非特許文献３の振動発電素子では、振動素子がシリコンから構成されているため、共振周波数が１ｋＨｚを超える高い領域にしか設定できず、効率的な発電ができないという問題があった。通常の生活空間で得られる数百Ｈｚの音波や建造物の壁に発生している数ヘルツから数十Ｈｚといった振動数では、非特許文献３の振動子では有効に振動エネルギーが吸収できない。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、固有振動数が小さい振動子からなる振動発電素子などの振動素子を備えた半導体装置が容易に形成できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る半導体装置は、半導体集積回路が形成された半導体基板の上に配置された固定電極部と、固定電極部と離間して配置されて固定電極の方向に可動する振動電極部と、振動電極部と一体に形成されて振動電極部を張架する支持梁とを少なくとも備え、振動電極部と支持梁とは金属から構成され、振動電極部と支持梁とにより振動子が構成され、この振動子と固定電極部とにより振動素子が構成されているようにしたものである。従って、振動子は、シリコンなどの半導体材料に比較して密度が大きくヤング率の小さい金属から構成されている。
【０００９】
上記半導体装置において、金属は、金及び銅のいずれか１つであれば、例えば、メッキ法などにより容易に形成できる。また、支持梁の表面を覆う金属膜を備えることで、支持梁における剛性が制御できる。なお、金属膜は、ルテニウムであればよい。
【００１０】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体集積回路が形成された半導体基板の上に配置された固定電極部が形成された状態とする工程と、メッキ法により形成した金属により、固定電極部と離間して配置されて固定電極の方向に可動する振動電極部及び振動電極部と一体に形成されて振動電極部を張架する支持梁からなる振動子が形成された状態とする工程とを少なくとも備えるようにしたものである。
【００１１】
上記半導体装置の製造方法において、半導体基板の上に有機樹脂からなる有機樹脂層が形成された状態とし、有機樹脂層の上に有機樹脂からなる有機樹脂パターンが形成された状態とし、有機樹脂パターンの開口領域にメッキ法により金属膜が形成された状態とすることで、金属膜からなる振動子が形成された状態とすればよい。なお、支持梁の表面に、無電解メッキ法によりルテニウム膜が形成された状態とする工程を備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、振動電極部と一体に形成されて振動電極部を張架する支持梁とを金属から構成し、振動電極部と支持梁とにより振動子を構成するようにしたので、固有振動数が小さい振動子からなる振動発電素子などの振動素子を備えた半導体装置が容易に形成できるようになるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における半導体装置の構成例を概略的に示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。この半導体装置は、半導体集積回路などが形成されている基板１０１の上に、２つの固定電極部１０４とこれらの間に配置されて振動する金（Ａｕ）からなる振動電極部１０６とによる振動発電素子（振動素子）を備えるようにしたものである。
【００１４】
固定電極部１０４は、基板１０１の上に支持部１０２により固定され、２つの固定電極部１０４は、振動電極部１０６を挾んで対向配置されている。振動電極部１０６は、基板１０１の上に固定された支持部１０３に連結する支持梁１０５により、基板１０１の上に離間して張架されている。また、バネとして機能する支持梁１０５により張架されている振動電極部１０６は、固定電極部１０４の方向に変位（振動）可能とされている。これら支持梁１０５及び振動電極部１０６は、Ａｕからなる一体の構造体として形成され、調和振動子として機能する。なお、固定電極１０４は、いずれか一方があればよい。ただし、２つの固定電極１０４を備える方が、より多く発電できる。
【００１５】
また、固定電極部１０４は、振動電極部１０６の側に櫛歯状に所定の間隔で配列された櫛歯電極１０４ａを備える。同様に、振動電極部１０６は、固定電極部１０４の側に櫛歯状に所定の間隔で配列された櫛歯電極１０６ａを備える。櫛歯電極１０６ａは、櫛歯電極１０４ａの配列間に、これらが接触することがない状態で嵌入するように配列されている。例えば、振動電極部１０６は、櫛歯電極部１０６ａが形成されている部分を含めた領域が、約５００μｍ角の矩形に形成され、厚さが３〜７μｍに形成されている。
【００１６】
上述した構成とされた振動発電素子は、振動電極部１０６が振動（変位）することにより発生する固定電極部１０４と振動電極部１０６との間の容量の変化に対応し、固定電極部１０４と振動電極部１０６との間の電荷の移動を電流あるいは電圧として取り出すことにより発電する。また、図１に示す半導体装置によれば、支持梁１０５及び振動電極部１０６からなる振動子が、Ａｕから構成されているようにしたので、次に説明するように、シリコンから構成した場合に比較して、固有振動数が低くなる。
【００１７】
よく知られているように、振動子が共振を起こす固有振動数は、剛体である振動電極部１０６の質量の大きさと、支持梁１０５の部分の剛性との２つの因子により決定される。固有振動数は、剛性が低いほど低い。従って、シリコンに比較して密度が高くヤング率の低いＡｕから支持梁１０５が構成されているので、固有振動数をより低くすることが可能となる。また、Ａｕは、シリコンに比較して密度が低いので、同じ体積であれば、振動電極部１０６の質量をより大きくできる。この点からも、支持梁１０５及び振動電極部１０６からなる振動子は、シリコンから構成した場合に比較して、固有振動数をより低くすることが可能となる。
【００１８】
同じ大きさの振動子である場合、固有振動数は、｛１／（質量×ヤング率）｝1/2に比例する。従って、Ａｕで構成した振動子は、シリコンで構成した振動子に比較して、固有振動数が１／４程度となる。シリコンで構成した振動子の固有振動数が１．６ｋＨｚである場合、同様の形状のＡｕからなる振動子の固有振動数は、４００Ｈｚ程度となる。例えば、支持梁１０５と振動電極部１０６とからなる振動子では、支持梁１０５の大きさ（径）や本数を可変して剛性を変化させることで、１５０〜１．４ｋＨｚの範囲で共振が観察される。
【００１９】
次に、本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法例について、図２を用いて説明する。なお、図２は、図１に示すｂｂ’断面に相当する模式的な断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、例えば、所定の導電形の単結晶シリコンから構成された半導体基板２０１の上に、酸化シリコンからなる絶縁層２０２が形成された状態とする。なお、半導体基板２０１には、図示していないが、半導体素子などから構成された半導体集積回路が形成されている。次に、図２（ｂ）に示すように、絶縁層２０２の上に、複数の配線２０３からなる配線層が形成された状態とする。
【００２０】
例えば、蒸着法によりＴｉ膜を形成しこの上に金膜を形成して金属層が形成された状態とし、金属層を公知のフォトリソグラフィ技術によりパターニングすることで、配線２０３が形成できる。配線２０３は、例えば、上述した半導体集積回路に接続している。ついで、配線２０３からなる配線層が覆われるように酸化シリコンからなる層間絶縁層２０４が形成された状態とし、層間絶縁層２０４に配線２０３の一部が露出する貫通孔（スルーホール）２０４ａが形成された状態とする。貫通孔２０４ａの形成は、公知のフォトリソグラフィ技術により、層間絶縁層２０４を加工し、これを熱硬化（３１０℃程度）することで形成できる。ついで、貫通孔２０４ａが充填されるように層間絶縁層２０４の上に金属層２０５が形成された状態とする。例えば、蒸着法により、Ｔｉ膜を形成してこの上に金膜を形成することで、金属層２０５が形成できる。
【００２１】
次に、図２（ｃ）に示すように、所望の領域に開口領域を備えた有機樹脂層２０６が、金属層２０５の上に形成された状態とする。有機樹脂層２０６は、例えば、ポジ型の感光性を有するポリイミドから構成すればよく、このポリイミドの膜を形成し、所定のパターンの露光と現像とをすることで、有機樹脂層２０６が形成できる。有機樹脂層２０６に形成された開口領域は、金属層２０５にまで貫通し、図１に示す支持部１０２が配置される領域に配置される。
【００２２】
次に、図２（ｄ）に示すように、電界メッキ法により金をメッキすることで、有機樹脂層２０６の開口領域を充填する金属構造体２０７が、形成された状態とする。例えば、開口領域内に露出する金属層２０５をシード層とした亜硫酸金ナトリウムメッキ液による電界メッキ法で、金属構造体２０７が形成できる。
【００２３】
次に、有機樹脂層２０６の上に、有機樹脂パターン２０８が形成された状態とする。例えば、ポジ型の感光性を有するポリイミドの膜を形成し、所定のパターンの露光と現像とをすることで、有機樹脂パターン２０８が形成できる。このようにして形成した有機樹脂パターン２０８の開口領域に露出する金属構造体２０７をシード層として、亜硫酸金ナトリウムメッキ液による電界メッキ法でＡｕ膜を形成することで、図２（ｅ）に示すように、金属膜２０９及び金属膜２１０が形成された状態とする。
【００２４】
ここで、図２に示す金属構造体２０７が、図１に示す支持部１０２を構成している。また、金属構造体２０７の同一の層において、金属層２０５の上に接して形成されている図２には示されていない金属構造体が、図１に示す支持部１０３を構成している。これらの金属構造体がシード層となり、有機樹脂パターン２０８の開口領域において、メッキ膜が横方向（層に平行な方向）に成長することで、金属膜２０９及び金属膜２１０が形成される。
【００２５】
この後、有機樹脂層２０６及び有機樹脂パターン２０８が除去され、金属構造体２０７の下部以外の金属層２０５が除去された状態とすることで、図２（ｆ）に示すように、半導体基板２０１の上に、２つの固定電極部１０４とこれらの間に配置されて振動する金（Ａｕ）からなる振動電極部１０６が形成された状態とする。振動電極部１０６は、図示していない支持梁と一体に形成されている。例えば、酸素プラズマやオゾンなどの活性な酸素による灰化処理により、有機樹脂層２０６及び有機樹脂パターン２０８が除去できる。また、ヨウ素−ヨウ化アンモニウム溶液を用いたウエットエッチング法により金属層２０５上部のＡｕが除去でき、ＨＦ系のエッチング液を用いたウエットエッチング法により、金属層２０５下部のチタンが除去できる。
【００２６】
なお、図２には示していないが、図１（ａ）に示したように、固定電極部１０４は、櫛歯電極１０４ａを備え、振動電極部１０６は、櫛歯電極１０６ａを備えている。また、固定電極部１０４は、金属構造体２０７とこの下の金属構造体２０５ａとから構成された支持部により支持され、振動電極部１０６は、図示していない支持部に連結する支持梁により、層間絶縁層２０４の上に離間して張架されている。
【００２７】
上述した製造方法によれば、メッキ膜の厚さを変化させることで、振動子が構成される振動電極部１０６の質量及び支持梁のバネ定数を容易に可変できる。また、上述したように、低い周波数帯域で共振する振動子が容易に作製できるので、発電用のみならず低い周波数帯域での高感度振動センサとしても、この振動子を使い得ることは当然である。複数の異なる共振周波数を持つ振動電極部１０６をチップの上に集積化して作製すれば、異なる周波数をワンチップで高感度に検知する振動センサチップも実現可能である。
【００２８】
また、上述した製造方法では、高密度プラズマなどを用いることなく振動発電素子が形成できるので、すでに形成されている半導体集積回路に対してプラズマダメージなどを与えることがない。また、上述した製造方法によれば、製造過程において加わる最高温度は、有機樹脂を硬化させる温度程度であるため、熱による問題も抑制される。
【００２９】
なお、上述では、振動子が構成される振動電極部及び支持梁がＡｕから構成されているようにしたが、これに限るものではなく、Ａｕ以外の他の金属材料を用いるようにしてもよい。金属材料であれば、シリコンなどの半導体材料に比較して、密度が高くヤング率が低いので、より低い固有振動の振動子が構成可能である。例えば、銅（Ｃｕ）を用いるようにすれば、前述した製造方法と同様に、メッキ法により形成可能である。同様に、クロムや銀などを用いるようにしてもよい。
【００３０】
ところで、図３に示すように、支持梁１０５及び振動電極部１０６からなる振動子の表面にルテニウム膜３０１が形成された状態とすることで、ルテニウム膜３０１の膜厚により振動子における剛性を調整でき、固有振動数が調整できる。例えば、図２（ｆ）に示した状態にまで形成された半導体基板２０１を、塩化パラジウム溶液に浸漬し、この後、ルテニウムメッキ液(田中貴金属製ルテネックス)に浸漬することで、無電解メッキ法により金属が露出している部分に選択的にルテニウム膜３０１が形成できる。ルテニウム膜３０１に被覆により、支持梁１０５の剛性が高くなり、バネ定数（ヤング率）を大きくできる。ルテニウム膜３０１の膜厚により、支持梁１０５における剛性が制御できる。なお、支持梁１０５の部分だけにルテニウム膜が形成されるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態における半導体装置の構成例を概略的に示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図２】本発明の実施の形態における半導体装置の製造方法例について説明する工程図である。
【図３】本発明の実施の形態における半導体装置の他の構成例を概略的に示す断面図である。
【図４】従来よりある振動発電素子の構成例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０１…基板、１０２…支持部、１０３…支持部、１０４…固定電極部、１０４ａ…櫛歯電極、１０５…支持梁、１０６…振動電極部、１０６ａ…櫛歯電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006196654.tif 000006