(57)【要約】【課題】高周波領域に適用されるＲＦ−ＭＥＭＳシヤント型スイッチにおいて、高誘電率を維持しながら、漏洩電流の少ない高耐圧な絶縁膜によって、超広帯域かつ高信頼性なＭＥＭＳ素子を得ると同時に、この高耐圧絶縁膜特性を生かした他の高耐圧ＭＥＭＳあるいはパワーＭＥＭＳ素子などの電子部品を得ること【解決手段】単層の高耐圧な高誘電体膜もしくは多層の絶縁膜構成の内少なくともひとつが高誘電体膜で少なくともひとつが高耐圧膜であるかあるいは高誘電率・高耐圧特性を同時にもつ一つ以上の膜構成をもつ多層膜構造【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
コプレーナ伝送線路（ＣＰＷ＝Ｃｏｐｌａｎａｒ  Ｗａｖｅ  Ｇｕｉｄｅ）を跨いで、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて作られた両端が支持体（アンカー＝ａｎｃｈｏｒ）によって支持された薄膜ブリッジ構造を有する高周波シヤント型ＭＥＭＳスイッチにおいて、中心導体を覆う絶縁膜が誘電率２０以上の高誘電率を有する高誘電体材料からなる構造有するスイッチ
【請求項２】
請求項１の中心導体を覆う絶縁膜が誘電率２０以上の高誘電率を有すると同時に０．５ＭＶ／ｃｍ以上の電界強度を持つ高誘電率・高耐圧絶縁膜であること
【請求項３】
請求項１の構造を有するＭＥＭＳスイッチにおいて、中心導体を覆う絶縁膜が二つ以上の多層絶縁膜で覆われ、少なくとも一つの膜が誘電率２０以上の高誘電体膜であり、かつ少なくとも一つの膜が０．５ＭＶ／ｃｍ以上の電界強度を持つかあるいは同時にこれらの特性をもつ一つの膜を含む多層膜構成をもつこと
【請求項４】
ＭＥＭＳ技術を用いた請求項１のスイッチ以外に、請求項３の多層膜構造よりなるＭＥＭＳ電子部品
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は高誘電率を有する高誘電体を少なくとも一つ含む、多層絶縁膜構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】まず、多層絶縁膜構造が重要な意味をもつ高周波スイッチへの応用につき述べる。従来の１ＧＨＺ以上で動作するスイッチは、その製造技術の完成度から、半導体技術を用いた、半導体ＦＥＴ（電界効果トランジスター）あるいはＰＩＮダイオードが用いられてきた。しかしながら、これら素子はスイッチの基本周波数特性である、挿入損失・絶縁特性の高周波特性が悪くマイクロ波帯（３ＧＨＺ以上）、ミリ波帯（３０ＧＨＺ以上）での適用は困難で、とりわけ前者においてはマイクロ波帯での適用も危ぶまれる。しかも、いずれの素子も接合（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を有するため、入出力信号の線形性（Ｌｉｎｅａｒｉｔｙ）が悪く、高精度信号処理には不向きである。
【０００３】これらの欠点を凌駕し、高周波での動作可能なＭＥＭＳスイッチが、その製造の簡便性・設計の容易さ、などから注目を浴びている。    このうち、シヤント型スイッチはマイクロ波帯からミリ波帯にわたる挿入損失・絶縁特性が、シリーズ型スイッチに比べて優れ、より高周波での応用が期待される。
【０００４】従来型シヤント型スイッチの基本構造を示す図２ではコプレーナ伝送線路の中心導体１１を覆って絶縁膜１６が配置されて、コプレーナの接地導体１２にその支持基盤をもつ、中心導体１１を跨ぐブリッジ１３（メンブレーン＜Ｍｅｍｂｒａｎｅ＞とも）を上方電極とし、中心導体１１を下方電極としたコンデンサー容量によって、高周波信号を中心導体１１から接地導体１２へと分岐して、前方中心導体への信号の流入を防ぐスイッチ機能を発揮する。これがスイッチのオフ（ｏｆｆ）状態を示す。  この分流機能が十分発揮されるためには、コンデンサー容量が大きいほど好ましい。このため、誘電体がコンデンサーの絶縁体として用いられる。
【０００５】また、スイッチのオン状態はブリッジ１３を、コンデンサー容量を提供する誘電体から離して、電極間距離を大きくして容量を極力低下させる必要がある。このため、ＭＥＭＳスイッチでは金属導体であるブリッジ１３と中心導体１１との間に直流バイアスを印加し、静電力でブリッジを上下運動させ、上方にあってはスイッチオン、下方に絶縁膜に接した状態ではオフ状態を実現させている。
【０００６】従来、この絶縁膜１６としては、半導体製造工程でよく用いられるシリコン窒化膜（Ｓｉ２Ｏ３）が多用されてきた。しかしながら、オフ時にブリッジ１３を下方に移動させるためにブリッジ１３と中心導体１１に印加される正の駆動電圧によって、シリコン窒化膜に電荷が注入され、そのため絶縁体中の電界が変化し、静電力が低下し、このためこの低下を補うため新たなバイアスを印加する必要がある。また同時に駆動電圧はシリコン窒化膜中に注入された電荷を膜中に留まることなく、下方電極である中心導体へと流れる漏洩電流を生じさせる。  これらの現象はスイッチの駆動電圧の不安定化、引いては信頼性の低下となり、スイッチの基本動作を阻害する。
【０００７】次にさらに、膜中に発生する電界が低電界となった結果、実効的な静電力の低下となり、電極間には大きな正のバイアスを印加することによってのみ、ブリッジは絶縁膜と密着し高容量を発生させるため、高バイアスが新たな電荷の注入を促し、また高バイアスを必要とするという、ポジテイブ・フイードバックが誘起される。
【０００８】通常の場合、上下電極間の印加された正の駆動電圧を完全に除去以前のバイアス（Ｒｅｌｅａｓｅ  Ｖｏｌｔａｇｅ）で、ブリッジはそれを成す金属のばね力によってバイアス印加前の位置に復帰するが、ときとして復帰しない場合がある。これを固着と言う（Ｓｔｉｃｔｉｏｎ）。これは電荷注入によって注入された電荷のキヤリア効果が残存しているためで、これによってもたらされる静電力が金属のばね力に打ち勝って大きいと金属膜が絶縁膜から離れない。さらにこの残量電荷効果が大きいと完全に正のバイアスを除去してもブリッジは元の状態に復帰せず、固着が継続する。このとき固着を解除するためには負のバイアスを印加して、負の電荷によって残存電荷の効果を補償する必要がある。このため、システムとしては負の電源をもつ必要がある。
【０００９】また、スイッチのオン・オフを繰り返すことで実用状態でのスイッチの寿命をある程度推定できる。シリコン窒化膜を用いた従来の構造では１０の６乗ないし８乗サイクルでスイッチの基本特性、たとえば絶縁性、挿入損失特性は劣化しはじめる。１０の６乗サイクルでは１秒間で１０回のスイッチ動作する場合、高々３０時間程度の寿命を意味し、決して長寿命とは言えない。
【００１０】
【発明が解決しようとしている課題】以上に述べた従来のシリコン窒化膜を用いたＭＥＭＳスイッチに存する、電荷の注入と絶縁膜中を流れる漏洩電流の増加よる絶縁膜中の電界変化によってもたらされる膜中電界分布変化に対応する駆動電圧の高電圧化・あるいは負電源化、同様な機構によってもたらされるＭＥＭＳ素子寿命の劣化は解決されねばならぬ重要課題である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため、本特許はこれらの不具合を改善する新たな絶縁膜およびその構造を提供するにある。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の『高誘電率材料を用いたＭＥＭＳ素子』について、まず構造を模式的に示した図１のシヤント型ＭＥＭＳスイッチの実施例を参照しながら説明する。図１（ａ）は本発明なるシヤント型ＭＥＭＳスイッチの平面図で、図１（ｂ）はＡ−Ｂ切断線によって切断された断面図を示す。
【００１３】高周波伝送線路として用いられるコプレーナ型伝送線路（ＣＰＷ）はその中心導体１とその両側に配置された接地導体２が高抵抗シリコン基板４またはこれを覆う絶縁膜５上配置されて成る。シヤント型ＭＥＭＳスイッチではこの他にブリッジ３が、その両端をアンカー８として接地導体２上に配置された支持体によって支持され、さらに中心導体１を覆って絶縁膜６および絶縁膜７が配置される。
【００１４】ブリッジを上下に移動させる静電力は、コンデンサーの上部電極となる金属、たとえば金（Ａｕ）と、下部電極となる金属例えば金（Ａｕ）の中心導体との間に印加された直流バイアスによって誘起される。この静電力は平衡状態では金のもつばね力（変形応力によってもたらされる）と釣り合っている。
【００１５】この平衡方程式を解くことでブリッジの下方への移動開始電圧、プルイン電圧（Ｖｐｕｌｌ−ｉｎ）は、次式によって求まる。
Ｖｐｕｌｌ−ｉｎ＝√（８κｇｏ＊３／２７ε０Ｗｗ）−−−−−−（１）
κ＝（３２Ｅｔ＊３ｗ／Ｌｍ＊３）＋８σ（１−ν）ｔｗ／Ｌｍ
ここで、
κ；スプリング定数  ｇ０；上下電極間隔、ε０；絶縁膜の誘電率
Ｗ；中心導体の幅、ｗ；ブリッジの幅、Ｅ；ブリッジ材のヤング率
Ｌｍ；ブリッジ長  σ；ブリッジ材の残留応力  ν；ポアッソン比
Ｖｐｕｌｌ−ｉｎは電極間隔ｇ０、電極面積Ｓ（Ｗ×ｗ）、スプリング定数κ、などに支配され、重要な設計因子である。また、動作時にブリッジに印加される最大電圧、駆動電圧（Ｖａｃｔ；  Ａｃｔｕａｔｉｏｎ  Ｖｏｌｔａｇｅ）はＶｐｕｌｌ−ｉｎよりは１０ないし２０％大きく設定する。  後に述べる電荷注入は駆動電圧の大きいほど大きく、設計時における駆動電圧は、上式によって各種パラメータの最適組み合わせによって、信頼性を確保するためできるだけ小さく設定され、通常は２０ないし５０Ｖである。
【００１６】つぎに本発明の中心となる中心導体を覆う絶縁膜につき、図１を参照して詳細に述べる。シリコンなどの基板４の上に中心導体１が配置された後、これを覆ってまず、高誘電率を有する例えばＰＺＴ膜６（通常の誘電率は２００から１０００程度、これを前後してもよい）を配置し、さらに引き続きシリコンとの界面に発生する表面準位密度（１×１０の１１乗程度）およびバイアス印加による表面準位密度増加が小さく、しかも高耐圧（４ＭＶ／ｃｍ）を有する絶縁膜、例えばハフニウム酸化膜（ＨｆＯ２膜）７を配置して二層の絶縁膜構成を形成する。
【００１７】通常、高誘電率を呈する高誘電体は絶縁耐圧が低く、１ＭＶ／ｃｍを超えない。ＰＺＴでは０．２〜０．３ＭＶ／ｃｍ程度である。一方、ＨｆＯ２膜などの高耐圧膜は４ＭＶ／ｃｍ程度の絶縁耐圧をもつ。
【００１８】このような二層構造の絶縁膜によって、若干の低下はあっても高誘電率を確保しながら、高耐圧を呈する絶縁膜構成が完成する。しかも本発明における構造のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチでは、上部電極であるブリッジ３と下部電極である中心導体１の間に二層構造の絶縁膜６，７が介在する結果、ブリッジと直接接する絶縁膜は低表面準位密度をもち、漏洩電流の少ない上質な絶縁膜、例えばＨｆＯ２膜７となる。  この構成では、従来のＲＦ−ＭＥＭＳスイッチで絶縁膜として用いられてきたシリコン窒化膜に比較して、ブリッジからの電荷（キヤリア）注入は少なく、したがって駆動電圧に与える影響は小さく、先の駆動電圧設計式（１）から導かれる値に近い値が得られ、かつ長時間の連続バイアス印加にも変動が少ない高信頼性スイッチをえることができる。
【００１９】次に図３を参照して他の実施例につき述べる。絶縁膜構成は図３に示す通り５層構成であってもよい。すなわち、シリコン基板３２などの高抵抗基板上に中心導体３１が配置され、これを覆って絶縁膜例えばイリジウム酸化膜（ＩｒＯ２）３３、高誘電体膜ＰＺＴ３４、ＨｆＯ２３５、ＰＺＴ３６、イリジウム酸化膜３７より成る多層膜が配置される。この構成では、ＰＺＴ膜３４、３６がもつ酸素空位（Ｏ２−ｖａｃａｎｃｙ）をＩｒＯ２  ３３、３７がもつ酸素が埋めるためその密度が減少し、酸素空位誘起による電気伝導を抑圧する効果をもつ。したがって、同様に駆動電圧の安定化と長期信頼性の確保に寄与する。
【００２０】また、他の実施例として、図２の従来構造の１層（単層）の絶縁膜１６が高誘電率をもつ高誘電体、例えばＰＺＴ膜が特別な熱処理工程などによって高耐圧化された場合には、単層構造でも本発明の効果が期待される。
【００２１】さらに、他の実施例につき述べる。上に述べた多層絶縁膜構造は、ＭＥＭＳ技術を用いた他の電子部品、例えばＰＺＴなどの高誘電率を中間絶縁膜の一つとして用いた高耐圧コンデンサー、自動車応用などのパワーＭＥＭＳなど、高耐圧を要求される電子部品にも応用される。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明になる『高誘電率材料を用いたＭＥＭＳ素子』の効果につき、図を参照して述べる。図４は本発明の効果を説明するシヤント型スイッチの等価回路図、図５は本発明によって得られた高周波特性、図６は中間絶縁膜種を変えたときのコンデンサーの漏洩電流特性を各々示す。
【００２３】図４ではブリッジの上下移動により、高い位置にあるときの上下ブリッジ間の容量が小さく伝送線路を流れる高周波信号は接地導体に分岐することなく出力され（スイッチＯＮ）、一方絶縁膜に上部電極が接したときの容量が高誘電率絶縁膜により極めて大きくなる結果、高周波的にショートとなり、信号は接地導体に分岐する（スイッチＯＦＦ）される様子をモデル化した。本発明を適用することにより、図５に示す１０ＧＨＺ近傍に共振点をもった、挿入損失・絶縁特性とも超広帯域な特性を示すスイッチが得られる。また、図６のように中心導体を覆う絶縁膜をモデル化して、ＰＺＴ単層と従来技術なるシリコン窒化膜単層とＰＺＴにＨｆＯ２を加えて２層とした３種類の中間絶縁膜コンデンサーの漏洩電流を測定して、ＰＺＴを含む多層構造の漏洩電流が少なく高耐圧化され、高信頼性が確保される様子を示した。
【００２４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になるシヤント型ＭＥＭＳスイッチの平面図（ａ）と
その断面図（ｂ）
【図２】従来技術になるシャント型スイッチの断面図
【図３】本発明になる他の実施例の中心導体付近を拡大した断面図
【図４】本発明になるシヤント型スイッチの等価回路
【図５】本発明になるシヤント型スイッチの絶縁特性と挿入損失特性
【図６】絶縁膜種を変えたときのコンデンサーの上下電極間を流れる
漏洩電流
【図１】
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【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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