(57)【要約】【課題】電気特性および信頼性に優れたＭＥＭＳキャパシタを有するＭＥＭＳ素子を提供する。【解決手段】本発明の一態様に係るＭＥＭＳ素子１００は、半導体基板１と、面内方向に配置された複数のエアギャップ２１ａ（２１ｂ、２１ｃ）からなるエアギャップ群２０ａ（２０ｂ、２０ｃ）を含むエアギャップ層２ａ（２ｂ、２ｃ）を有する、半導体基板１上の島状の絶縁層２と、絶縁層２上のエアギャップ群２０ａ（２０ｂ、２０ｃ）の上方に形成されたＭＥＭＳキャパシタ４と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
面内方向に配置された複数のエアギャップからなるエアギャップ群を含むエアギャップ層を有する、前記基板上の島状の絶縁層と、
前記絶縁層上の前記エアギャップ群の上方に形成されたＭＥＭＳキャパシタと、
を有するＭＥＭＳ素子。
【請求項２】
前記絶縁層は、第１のエアギャップ群を含む第１のエアギャップ層と、前記第１のエアギャップ層上の第２のエアギャップ群を含む第２のエアギャップ層と、を有する、
請求項１に記載されたＭＥＭＳ素子。
【請求項３】
前記第１および第２のエアギャップ群は、同じパターンを有し、かつ面内方向の位置が異なる、
請求項２に記載されたＭＥＭＳ素子。
【請求項４】
前記第１および第２のエアギャップ群のパターンは、四角格子パターンまたは三角格子パターンである、
請求項２または３に記載されたＭＥＭＳ素子。
【請求項５】
前記第２のエアギャップ群の前記パターンの格子点は、前記第１のエアギャップ群の前記パターンの格子間の中心の直上にある、
請求項４に記載されたＭＥＭＳ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）キャパシタを有する装置として、半導体基板上に絶縁膜を介してＭＥＭＳキャパシタが設けられたものが知られている（例えば、特許文献１）。このような装置によれば、絶縁層を設けることにより、ＭＥＭＳキャパシタと半導体基板との間に発生する寄生容量を低減することができる。
【０００３】
さらに、特許文献１には、絶縁層中に空洞部を設けた構成も開示されている。空気は絶縁層よりも誘電率が低いため、空洞部を設けることにより寄生容量をより低減することができる。
【０００４】
しかし、十分に寄生容量を低減することのできる程度の大きさの空洞部を設けると、絶縁層の機械的強度が低下し、ＭＥＭＳキャパシタの信頼性に悪影響を及ぼすおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２７９７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、電気特性および信頼性に優れたＭＥＭＳキャパシタを有するＭＥＭＳ素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、基板と、面内方向に配置された複数のエアギャップからなるエアギャップ群を含むエアギャップ層を有する、前記基板上の島状の絶縁層と、前記絶縁層上の前記エアギャップ群の上方に形成されたＭＥＭＳキャパシタと、を有するＭＥＭＳ素子を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電気特性および信頼性に優れたＭＥＭＳキャパシタを有するＭＥＭＳ素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態に係るＭＥＭＳ素子の上面図。
【図２】図１の線分II−IIに沿ったＭＥＭＳ素子の垂直断面図。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、エアギャップ群がそれぞれ四角格子（正方格子）パターンを有する場合の配置を模式的に表す上面図。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、エアギャップ群がそれぞれ三角格子（六方格子）パターンを有する場合の配置を模式的に表す上面図。
【図５Ａ】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係るＭＥＭＳ素子の製造工程を示す断面図。
【図５Ｂ】（ｅ）〜（ｈ）は、本発明の実施の形態に係るＭＥＭＳ素子の製造工程を示す断面図。
【図５Ｃ】（ｉ）、（ｊ）は、本発明の実施の形態に係るＭＥＭＳ素子の製造工程を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
〔実施の形態〕
（ＭＥＭＳ素子の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係るＭＥＭＳ素子１００の上面図である。また、図２は、図１の線分II−IIに沿ったＭＥＭＳ素子１００の垂直断面図である。
【００１１】
ＭＥＭＳ素子１００は、半導体基板１と、半導体基板１上に形成された島（アイランド）状の絶縁層２と、絶縁層２の表面を覆う絶縁膜３と、絶縁層２上に形成されたＭＥＭＳキャパシタ４とを有する。
【００１２】
絶縁層２は、面内方向に配置された複数のエアギャップからなるエアギャップ群を含む。図２に示される絶縁層２は、複数のエアギャップ２１ａからなるエアギャップ群２０ａを含むエアギャップ層２ａ、複数のエアギャップ２１ｂからなるエアギャップ群２０ｂを含むエアギャップ層２ｂ、および複数のエアギャップ２１ｃからなるエアギャップ群２０ｃを含むエアギャップ層２ｃの３層からなる。なお、エアギャップ層の層数は３層に限られず、また、１層であってもよい。
【００１３】
半導体基板１とＭＥＭＳキャパシタ４との間に絶縁層２を設けることにより、ＭＥＭＳキャパシタ４と半導体基板１との間に発生する寄生容量を低減することができる。また、空気は絶縁層２よりも誘電率が低いため、絶縁層２中にエアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃを設けることにより寄生容量をより低減することができる。
【００１４】
エアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃのような面内方向に独立して配置された複数のエアギャップからなるエアギャップ群を形成する場合、１つの大きなエアギャップを形成する場合よりも、絶縁層２の機械的強度の低下を抑えることができる。
【００１５】
また、エアギャップ層２ａ、２ｂ、２ｃのような多層のエアギャップ層を形成することにより、単層の縦長のエアギャップ層を形成する場合よりも機械的強度の低下をより効果的に抑えることができる。また、単層の縦長のエアギャップ層を形成する場合と比べて、アスペクト比を高めずに絶縁層２の厚さ方向の広い範囲にエアギャップを形成することができるため、エアギャップを形成するための絶縁層２のパターニングが容易になる。
【００１６】
ＭＥＭＳキャパシタ４は、絶縁層２のエアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃの上方に形成される。なお、エアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃはＭＥＭＳキャパシタ４の下方以外の領域に形成されてもよいが、寄生容量を低減するためにはＭＥＭＳキャパシタ４の下方にのみ形成されれば十分であり、また、絶縁層２の機械的強度を確保するためにはＭＥＭＳキャパシタ４の下方にのみ形成されることが好ましい。
【００１７】
ＭＥＭＳキャパシタ４は、下部電極としての信号線４１、ＧＮＤに接続される接地線４２ａ、４２ｂ、接地線４２ａ、４２ｂ上にそれぞれ形成された支持部４３ａ、４３ｂ、および支持部４３ａ、４３ｂ上に渡された上部電極としてのブリッジ４０を有する。ブリッジ４０と信号線４１との間に電圧を印加することによりブリッジ４０が変形して、ブリッジ４０と信号線４１との間隔が変化し、電気容量が変化する。なお、ＭＥＭＳキャパシタ４と異なる構造を有するＭＥＭＳキャパシタを用いてもよい。
【００１８】
キャパシタの特性の指標の１つとして、Ｑ値と呼ばれるパラメータが用いられる。Ｑ値は、Ｑ＝１／（ωＣＲ）という式で表され、値が大きいほどキャパシタの特性がよいことを示す。ここで、ωは信号線４１に流れる電気信号の周波数、ＣはＭＥＭＳキャパシタ内の可変容量値とＭＥＭＳキャパシタと半導体基板間の寄生容量との合計、Ｒは信号線４１の電気抵抗を表す。
【００１９】
ＭＥＭＳキャパシタと半導体基板間の寄生容量を低減することにより、ＭＥＭＳキャパシタ内の可変容量値を低減することなくＣを小さくし、それによってＱ値を大きくすることができる。
【００２０】
半導体基板１は、例えば、Ｓｉ結晶等のＳｉ系結晶からなる。
【００２１】
絶縁層２は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等の絶縁材料からなる。また、ＳＯＧ（Spin-On Glass）膜を加工したものであってもよい。また、エアギャップ層２ａ、２ｂ、２ｃの材料は同じでなくてもよい。
【００２２】
絶縁膜３は、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等の絶縁材料からなる。
【００２３】
ブリッジ４０、信号線４１、接地線４２ａ、４２ｂ、および支持部４３ａ、４３ｂは、Ａｌ、Ｎｉ等の金属材料、あるいはＡｌ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ等の合金材料からなる。
【００２４】
図３（ａ）、（ｂ）は、エアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃがそれぞれ四角格子（正方格子）パターンを有する場合の配置を模式的に表す上面図である。
【００２５】
図３（ａ）は、エアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃの面内方向の位置が一致する場合の上面図であり、エアギャップ２１ａ、２１ｂ、２１ｃが重なる。この場合、エアギャップ２１ａ、２１ｂ、２１ｃの位置を結晶構造でいうところの原子位置と考えれば、エアギャップ２１ａ、２１ｂ、２１ｃは単純正方構造に近い構造を有する。
【００２６】
図３（ｂ）は、エアギャップ群２０ｂとエアギャップ群２０ａの面内方向の位置が異なる場合の上面図である。エアギャップ群２０ｂの四角格子パターンの格子点はエアギャップ群２０ａの四角格子パターンの格子間の中心の真上にある。また、エアギャップ群２０ｃの配置とエアギャップ群２０ａの面内方向の位置は一致する。この場合、エアギャップ２１ａ、２１ｂ、２１ｃは体心正方構造に近い構造を有する。３層以上のエアギャップ層が形成される場合は、エアギャップ群２０ａの配置（A）とエアギャップ群２０ｂの配置（B）が交互に繰り返される（ABABAB…）。
【００２７】
図４（ａ）〜（ｃ）は、エアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃがそれぞれ三角格子（六方格子）パターンを有する場合の配置を模式的に表す上面図である。
【００２８】
図４（ａ）は、エアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃの面内方向の位置が一致する場合の上面図であり、エアギャップ２１ａ、２１ｂ、２１ｃが重なる。この場合、エアギャップ２１ａ、２１ｂ、２１ｃは単純六方構造に近い構造を有する。
【００２９】
図４（ｂ）は、エアギャップ群２０ｂの配置がエアギャップ群２０ａの配置からずれた場合の上面図である。エアギャップ群２０ｂの三角格子パターンの格子点はエアギャップ群２０ａの三角格子パターンの格子間の中心の真上にある。また、エアギャップ群２０ｃとエアギャップ群２０ａの面内方向の位置は一致する。この場合、エアギャップ２１ａ、２１ｂ、２１ｃは六方最密構造に近い構造を有する。３層以上のエアギャップ層が形成される場合は、エアギャップ群２０ａの配置（A）とエアギャップ群２０ｂの配置（B）が交互に繰り返される（ABABAB…）。
【００３０】
図４（ｃ）は、エアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃの面内方向の位置が異なる場合の上面図である。エアギャップ群２０ｂの三角格子パターンの格子点はエアギャップ群２０ａの三角格子パターンの格子間の中心の真上にある。またエアギャップ群２０ｃの三角格子パターンの格子点はエアギャップ群２０ａの三角格子パターンの格子間の中心の真上かつエアギャップ群２０ｂの三角格子パターンの格子間の中心の真上にある。この場合、エアギャップ２１ａ、２１ｂ、２１ｃは立方最密構造に近い構造を有する。なお、４層以上のエアギャップ層が形成される場合は、エアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃの配置（A, B, C）が繰り返される（ABCABCABC…）。
【００３１】
エアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃの各々が図３、４に示されるように規則的、周期的な配置を持つ場合、絶縁層２中の領域ごとの機械的強度のばらつきが少なく、強度が極端に弱い箇所が存在しない。そのため、絶縁層２の機械的強度の低下をより効果的に抑えることができる。
【００３２】
さらに、図３（ｂ）、図４（ｂ）、（ｃ）に示されるように多層のエアギャップ層のエアギャップの面内方向の位置を層ごとに変えることにより、絶縁層２の機械的強度がより高まることが期待できる。
【００３３】
なお、エアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃの配置は、図３、４に示されるものに限られない。例えば、エアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃのそれぞれのパターンは異なっていてもよい。また、エアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃ中の個々のエアギャップ２１ａ、２１ｂ、２１ｃの形状、大きさが異なっていてもよい。
【００３４】
以下に、実施の形態に係るＭＥＭＳ素子１００の製造方法の一例を示す。
【００３５】
（ＭＥＭＳ素子の製造）
図５Ａ（ａ）〜（ｄ）、図５Ｂ（ｅ）〜（ｈ）、図５Ｃ（ｉ）、（ｊ）は、本発明の実施の形態に係るＭＥＭＳ素子１００の製造工程を示す断面図である。
【００３６】
まず、図５Ａ（ａ）に示すように、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により半導体基板１上に絶縁材料を堆積させ、厚さ数μｍ〜数十μｍの絶縁層２を形成する。
【００３７】
次に、図５Ａ（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法とＲＩＥ法の組み合わせ等により絶縁層２をパターニングし、溝２２ａを形成する。
【００３８】
次に、図５Ａ（ｃ）に示すように、エアギャップ２１ａを含むエアギャップ層２ａを形成する。まず、ＣＶＤ法等により溝２２ａを完全に埋めないように絶縁層２上に絶縁材料を堆積させ、絶縁層２の厚さを増す。その後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等により絶縁層２の上面を平坦化し、エアギャップ層２ａを得る。
【００３９】
次に、図５Ａ（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィ法とＲＩＥ法の組み合わせ等により絶縁層２をパターニングし、溝２２ｂを形成する。このとき、エアギャップ２１ａと溝２２ｂのパターンによっては両者が連結するそれがあるため、溝２２ｂの底の位置がエアギャップ２１ａの上端の位置よりも高くなるように溝２２ｂを形成することが好ましい。
【００４０】
次に、図５Ｂ（ｅ）に示すように、エアギャップ２１ｂを含むエアギャップ層２ｂを形成する。まず、ＣＶＤ法等により溝２２ｂを完全に埋めないように絶縁層２上に絶縁材料を堆積させ、絶縁層２の厚さを増す。その後、ＣＭＰ等により絶縁層２の上面を平坦化し、エアギャップ層２ｂを得る。
【００４１】
次に、図５Ｂ（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィ法とＲＩＥ法の組み合わせ等により絶縁層２をパターニングし、溝２２ｃを形成する。このとき、溝２２ｃの底の位置がエアギャップ２１ｂの上端の位置よりも高くなるように溝２２ｃを形成することが好ましい。
【００４２】
次に、図５Ｂ（ｇ）に示すように、エアギャップ２１ｃを含むエアギャップ層２ｃを形成する。まず、ＣＶＤ法等により溝２２ｃを完全に埋めないように絶縁層２上に絶縁材料を堆積させ、絶縁層２の厚さを増す。その後、ＣＭＰ等により絶縁層２の上面を平坦化し、エアギャップ層２ｃを得る。
【００４３】
次に、図５Ｂ（ｈ）に示すように、フォトリソグラフィ法とＲＩＥ法の組み合わせ等により絶縁層２をパターニングし、絶縁層２を島状に加工する。
【００４４】
次に、図５Ｃ（ｉ）に示すように、信号線４１、接地線４２ａ、４２ｂ、および絶縁膜３を形成する。信号線４１および接地線４２ａ、４２ｂは、絶縁層２を覆うように形成された金属膜をパターニングすることにより形成される。
【００４５】
次に、図５Ｃ（ｊ）に示すように、支持部４３ａ、４３ｂおよびブリッジ４０を形成する。例えば、絶縁膜３上に形成した犠牲層（図示しない）の側面および上面にそれぞれ支持部４３ａ、４３ｂおよびブリッジ４０を形成し、その後犠牲層を除去する。
【００４６】
（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、絶縁層２がエアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃのような面内方向に独立して配置された複数のエアギャップからなるエアギャップ群を含むため、１つの大きなエアギャップを形成する場合よりも、絶縁層２の機械的強度の低下を抑えることができる。
【００４７】
また、エアギャップ層２ａ、２ｂ、２ｃのような多層のエアギャップ層を形成することにより、単層の縦長のエアギャップ層を形成する場合よりも機械的強度の低下をより効果的に抑えることができる。また、単層の縦長のエアギャップ層を形成する場合と比べて、アスペクト比を高めずに絶縁層２の厚さ方向の広い範囲にエアギャップを形成することができるため、エアギャップを形成するための絶縁層２のパターニングが容易になる。
【００４８】
また、エアギャップ群２０ａ、２０ｂ、２０ｃの各々が規則的、周期的な配置を持つ場合、絶縁層２中の領域ごとの機械的強度のばらつきを抑え、絶縁層２全体の機械的強度の低下をより効果的に抑えることができる。
【００４９】
〔他の実施の形態〕
本発明は、上記実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１００  ＭＥＭＳ素子、  １  半導体基板、  ２  絶縁層、  ２ａ、２ｂ、２ｃ  エアギャップ層、  ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ  エアギャップ群、  ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ  エアギャップ、  ４  ＭＥＭＳキャパシタ
【図１】
2011216820.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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