(57)【要約】【課題】小型で構造が単純、低電圧駆動が可能、保持状態が長期にわたって安定、かつ半導体集積回路との混載が容易なバイステイブルＭＥＭＳスイッチを実現する。【解決手段】基板１０１と、基板１０１と空洞１０３を介して設置され、静電力によって弾性変形するダイアフラム１３４と、基板１０１に設置されたスイッチ駆動電極１０２と、ダイアフラム１３４に設置されたスイッチ駆動電極１０７とを有する。さらに、電荷蓄積電極１０５が、スイッチ駆動電極１０２とスイッチ駆動電極１０７との間でダイアフラム１３４に設置される。電荷蓄積電極１０５に電荷が蓄積された場合、電荷蓄積電極１０５と、スイッチ駆動電極１０２との間に静電力Ｆが生じ、ダイアフラム１３４が変形する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板近傍であって、前記基板の上方に設置された可動部と、
前記基板および前記可動部のそれぞれに設置された一対のスイッチ駆動電極と、
前記一対のスイッチ駆動電極の間に設置された電荷蓄積電極と、
前記基板に固定された第１信号線および前記可動部に固定された第２信号線を有する信号線部と有するマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチであって、
前記第１信号線と前記第２信号線とが電気的に接続または非接続することによって、前記信号線部を信号が伝達し、
前記基板と平行な領域において、前記信号線部と、前記一対のスイッチ駆動電極とを重ならないように配置し、
前記電荷蓄積電極に電荷を蓄積することにより生じる静電場によって前記可動部を弾性変形させて、前記第１信号線および前記第２信号線の接続状態を変化、保持することを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチ。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチにおいて、
前記電荷蓄積電極への電荷の書き込み、消去を行う前記基板側の前記スイッチ駆動電極または前記可動部側の前記スイッチ駆動電極からなる電荷注入電極と、前記電荷蓄積電極とは、前記可動部と前記基板との間に存在する空隙を挟んで配置され、
前記一対のスイッチ駆動電極に電圧を印加すると静電力によって前記可動部が変形し、
前記電荷注入電極と、前記電荷蓄積電極とが、前記基板に配置された第１絶縁膜、または、前記可動部に設置された第２絶縁膜の少なくともいずれか一方からなるトンネル絶縁膜を介して接触することによって、前記電荷注入電極から前記電荷蓄積電極へ電子が注入されることを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチ。
【請求項３】
請求項１記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチにおいて、
前記電荷蓄積電極は、前記可動部側にあることを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチ。
【請求項４】
請求項１記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチにおいて、
前記電荷蓄積電極は、前記基板側にあることを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチ。
【請求項５】
請求項１記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチにおいて、
前記一対のスイッチ駆動電極を含む駆動部と、前記信号線部とは、半導体集積回路プロセスによって、モノリシックに形成されることを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチ。
【請求項６】
基板と、
前記基板と対向し空隙を介して上方に設置され、弾性変形する可動部と、を有するマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチであって、
スイッチ駆動させるための駆動部は、
前記基板に設置され、前記可動部を変形させるための第１電極と、
前記可動部に設置され、前記可動部を変形させるための第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間であって前記基板または前記可動部に設置され、電荷を蓄積させるための第３電極と、
前記第１電極と前記空隙との間であって前記基板の前記空隙側に設置された第１絶縁膜、または、前記第２電極と前記空隙との間であって前記可動部の前記空隙側に設置された第２絶縁膜の少なくともいずれか一方からなるトンネル絶縁膜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システムを用いたスイッチ。
【請求項７】
請求項６記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチにおいて、
前記駆動部は、更に、
前記可動部に設置された前記第３電極と前記第２電極との間であって前記可動部に設置され、前記基板の厚さ方向において前記トンネル絶縁膜より厚い層間絶縁膜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システムを用いたスイッチ。
【請求項８】
請求項７記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチにおいて、
前記第１電極から前記第３電極への電子の書き込みは、前記トンネル絶縁膜を介して行われることを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチ。
【請求項９】
請求項７記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチにおいて、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加すると静電力によって前記可動部が変形され、
前記第１電極と前記第３電極とが、前記トンネル絶縁膜を介して接触されることによって、前記第１電極から前記第３電極への電子の注入が行われることを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチ。
【請求項１０】
請求項６記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチにおいて、
前記基板に設置された前記第３電極と前記第１電極との間であって前記基板に設置され、前記基板の厚さ方向において前記トンネル絶縁膜より厚い層間絶縁膜を、更に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システムを用いたスイッチ。
【請求項１１】
請求項１０記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチにおいて、
前記第２電極から前記第３電極への電子の注入は、前記トンネル絶縁膜を介して行われることを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチ。
【請求項１２】
請求項１０記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチにおいて、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加すると静電力によって前記可動部が変形され、
前記第２電極と前記第３電極とが、前記トンネル絶縁膜を介して接触されることによって、前記第２電極から前記第３電極への電子の書き込みが行われることを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチ。
【請求項１３】
基板と、
前記基板と対向し空隙を介して上部に設置され、弾性変形する可動部と、
信号を伝達するための信号線部と、
前記基板と平行な領域において、前記信号線部を挟み、スイッチ駆動させるための駆動部と、を有するマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチであって、
前記駆動部は、
前記基板に設置され、前記可動部を変形させるための第１電極と、
前記可動部に設置され、前記可動部を変形させるための第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間であって前記基板または前記可動部に設置され、電荷を蓄積させるための第３電極と、
前記第１電極と前記空隙との間であって前記基板の前記空隙側に設置された第１絶縁膜、または、前記第２電極と前記空隙との間であって前記可動部の前記空隙側に設置された第２絶縁膜の少なくともいずれか一方からなるトンネル絶縁膜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システムを用いたスイッチ。
【請求項１４】
請求項１３記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチにおいて、
前記第３電極は、前記可動部に設置され、
前記信号線部は、前記基板の厚さ方向において前記第１電極よりも高い位置で前記基板に設置された第１信号線と、前記可動部に配置され前記第３電極と同層に設置された第２信号線とを有し、
前記第３電極に電荷を蓄積することにより生じる静電場によって上記可動部を変形し、前記第１信号線と前記第２信号線とが電気的に接続または非接続することによって、前記信号線部を信号が伝達することを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチ。
【請求項１５】
請求項１３記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチにおいて、
前記第３電極は、前記基板に設置され、
前記信号線部は、前記基板の厚さ方向において前記第３電極よりも高い位置で前記基板に設置された第１信号線と、前記可動部に配置され前記第１電極と同層に設置された第２信号線とを有し、
前記第３電極に電荷を蓄積することにより生じる静電場によって上記可動部を変形し、前記第１信号線と前記第２信号線とが電気的に接続または非接続することによって、前記信号線部を信号が伝達することを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチ。
【請求項１６】
請求項１３記載のマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチにおいて、
前記信号線部が金を含んでなり、
前記基板の厚さ方向において前記駆動部の上部に、前記金が前記駆動部側へ拡散するのを防止するための保護膜が設置され、
前記保護膜の上部に前記信号線部が設置されることを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステムを用いたスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）を用いたスイッチ（以下、ＭＥＭＳスイッチという）に関し、特に、複数の周波数帯の信号を切り替えるためのスイッチに適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の高性能化および高集積化を実現してきた微細加工技術を用いて、圧力、加速度などの機械的センサや、微小スイッチ、振動子などの機械的アクチュエータ、すなわち微細な機械部品、機械システムを形成するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術が開発されている。
【０００３】
ＭＥＭＳは、例えばシリコンなどの半導体基板自体を加工するバルクＭＥＭＳと、半導体基板表面に薄膜を堆積、パターニングを繰り返すことにより形成する表面ＭＥＭＳとに大別される。この表面ＭＥＭＳは、半導体集積回路プロセス技術（半導体製造技術）と同様の技術が適用される。
【０００４】
ＭＥＭＳの代表的な応用の１つとしてＭＥＭＳスイッチ（またはＭＥＭ（Micro Electro Mechanical）スイッチともいう）がある。ＭＥＭＳスイッチは、接点を有する機械的なスイッチにより電気信号線や電源線の接続、非接続を制御（オンオフ制御）するものである。このＭＥＭＳスイッチは、例えば携帯無線機器などのアンテナ側のＲＦ（ＲＦ：radio frequency）信号の信号線に挿入されて、複数の高周波帯（マルチモード）の信号を切り替えるためのスイッチとしても用いられる。このようなＭＥＭＳスイッチは、ＲＦ信号の処理を行う一群のＭＥＭＳ（一般に、ＲＦ−ＭＥＭＳという）の１つであって、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチと呼ばれる。
【０００５】
また、電気信号のみならず、光信号を取り扱う光ＭＥＭＳも開発されている。光ＭＥＭＳの中でも、特に光信号をオンオフ制御する光スイッチ（光ＭＥＭＳスイッチ）が開発されている。
【０００６】
米国特許第６，６３５，５０６号明細書（特許文献１）および米国特許第６，６６７，２４５号明細書（特許文献２）には、静電力の作用によって接続、非接続を制御するＭＥＭスイッチ（ＭＥＭＳスイッチ）に関する技術が開示されている。
【０００７】
日本国特許第２５５５９２２号明細書（特許文献３）および特開２００４−１６０５７２号公報（特許文献４）には、電荷を帯電した状態とすることによって、静電力が作用し、ダイアフラムを保持する技術が開示されている。
【０００８】
電子情報通信学会誌、第８７巻（第１１号）、第９１９頁から第９３８頁（２００４年１１月、電子情報通信学会刊）（非特許文献１）には、ＲＦ−ＭＥＭＳおよびＲＦ−ＭＥＭＳスイッチに関する技術が記載されている。
【特許文献１】米国特許  ＵＳ  ６，６３５，５０６  Ｂ２
【特許文献２】米国特許  ＵＳ  ６，６６７，２４５  Ｂ２
【特許文献３】日本国特許  第２５５５９２２号
【特許文献４】特開２００４−１６０５７２号公報
【非特許文献１】電子情報通信学会誌、第８７巻（第１１号）、第９１９頁から第９３８頁（２００４年１１月、電子情報通信学会刊）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図４４および図４５は、本発明者らが検討したＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図であり、図４４は、非接続状態を示し、図４５は、接続状態を示す。
【００１０】
本発明者らが検討したＭＥＭＳスイッチは、基板１と、可動梁（可動部、ダイアフラム）２と、一対（一組）のスイッチ駆動電極３、４と、入力信号線５、出力信号線６とを有している。図４４に示すように、非接続状態のＭＥＭＳスイッチは、入力信号線５と出力信号線６とが接触していないため、信号を伝達することはない。図４５に示すように、この非接続状態のＭＥＭＳスイッチに、スイッチ駆動電極３、４に電圧をかけると静電力により可動梁２が変形して、入力信号線５と出力信号線６とが接触することにより入力端子Ｉｎと出力端子Ｏｕｔが導通状態となり、ＭＥＭＳスイッチは信号を伝達することができる接続状態となる。なお、このＭＥＭＳスイッチは、半導体製造技術を用いて、例えば１チップに複数個形成することができる。
【００１１】
このようなＭＥＭＳスイッチは、例えば、半導体集積回路によって処理された信号を伝送する線路（信号線）、または外部（例えば、アンテナ）から入力された信号を半導体集積回路に伝送する経路（信号線）で用いることができる。しかしながら、例えば、１チップに複数個形成されたＭＥＭＳスイッチと、１チップに複数個形成された半導体集積回路とを組み合わせて使用する場合、各々が別チップであるため、システム全体の小型化が困難となる。なお、ＭＥＭＳスイッチおよび半導体集積回路は、半導体製造技術を用いて、シリコンなどの半導体基板上に形成されるので、両者を同一基板上でモノリシックに集積することが考えられる。例えば、いわゆるＣｕダマシン配線プロセスにより半導体集積回路の上部にＭＥＭＳスイッチを形成することができると考えられる。
【００１２】
また、携帯電話などの携帯無線機器のアンテナ側で、ＲＦ信号の信号線にＭＥＭＳスイッチを挿入して使用する場合、ある周波数帯で使用中の状態から、別の周波数帯へ切り替えるまでの待ち受け状態において、ＭＥＭＳスイッチを接続（または非接続）状態に保持し続けなければならない。このため、図４４、図４５に示す本発明者らが検討したＭＥＭＳスイッチでは、入力信号線５と出力信号線６とを電気的に接続した接続状態を保持するために、スイッチ駆動電極３、４に印加する電圧（ＭＥＭＳスイッチを駆動する電圧）は、例えば３０〜５０Ｖ程度であり、半導体集積回路の電源電圧（例えば５Ｖ程度）より高く、高電圧を生成する適当な昇圧回路が必要となる。
【００１３】
さらに、大電力のＲＦ信号を扱う場合には、より強い静電力でスイッチの接続（または非接続）を保持するため、高電圧が必要となる。すなわち、入力信号線５に流れるＲＦ信号によって可動梁２が変形（振動）して、スイッチが駆動してしまう（オンオフ状態となる）ことを防止するために、スイッチ駆動電極３、４には、可動梁２の変形（振動）を抑えるための静電力を生じる電圧を印加する必要がある。
【００１４】
したがって、前述の待ち受け状態において、ＭＥＭＳスイッチを接続状態に保持し続けるためには、昇圧回路を駆動し続けなければならないため、消費電力が増大してしまう。この消費電力の増大のため、例えば携帯無線機器では、一回のバッテリー充電で可能な待ち受け時間が実用上十分に確保できないという課題がある。また、例えば接続状態から非接続状態とＭＥＭＳスイッチを駆動するために、高電圧をＭＥＭＳスイッチに「印加する」または「印加しない」を制御する高耐圧のトランジスタが別途必要となるという課題がある。
【００１５】
このため、以下に示すような様々なバイステイブルＭＥＭＳスイッチが考えられる。ここで、バイステイブルとは双安定、すなわち、接続状態と非接続状態が各々、特段外力を加えることなく安定に持続する性質をいう。バイステイブルＭＥＭＳスイッチは、２つの安定状態を機械的に実現することができる。また、電気的にバイステイブルを実現することもできる。
【００１６】
例えば、第１のスイッチと、第１のスイッチの近傍に設けられた一対のスイッチ駆動電極と、前記スイッチ駆動電極に電気的に接続された別の第２のスイッチとを有するＭＥＭＳスイッチが考えられる。まず、前記スイッチ駆動電極に、電圧を印加し、電荷を蓄積した状態とする。この状態では、スイッチ駆動電極間には静電力が発生し、第１のスイッチがオン状態であるとする。次いで、前記第２のスイッチを非接続としても、上記電荷はスイッチ駆動電極に保持されたままとなり、この保持された電荷の作る静電場により第１のスイッチを駆動（オン）し続けることができる。この場合、第２のスイッチは電気的スイッチであっても構わない。
【００１７】
しかしながら、このような機械的、および電気的なバイステイブルＭＥＭＳスイッチの場合、いずれもサイズが大きく、構造が複雑である。また、構造、材料などが特殊なため、このようなバイステイブルＭＥＭＳスイッチは、半導体集積回路との混載が難しい。
【００１８】
また、例えば、日本国特許第２５５５９２２号明細書（特許文献３）および特開２００４−１６０５７２号公報（特許文献４）に記載されているような光ＭＥＭＳスイッチでは、電荷保存の構造を、いわゆるフラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭなどの半導体メモリの原理を用いて行う構造が提案されている。これらの構造では、電荷注入電極上に、絶縁膜を挟み電荷蓄積電極を設け、その近傍に空洞（空隙）を挟んで導電体からなるダイアフラム（可動部）が設けられている。よって、この光ＭＥＭＳスイッチでは、電荷蓄積電極に電荷を注入し、その静電力によって、ダイアフラムを駆動、保持することとなる。
【００１９】
しかしながら、このような構造では、ダイアフラム自体が導電体のため、電気的な信号の制御が困難であり、また電荷蓄積電極に蓄積された電荷がトンネル絶縁膜からリークするため、静電力が徐々に減少し、ダイアフラムを保持できなくなる。
【００２０】
また、例えば、ＲＦ−ＭＥＭＳスイッチでは、挿入抵抗損失を抑えること、スイッチ駆動に伴うスイッチコンタクト部（接点）の磨耗を抑えることなどの課題がある。このため、接点の大面積化とともに、耐摩耗性に優れた金（Ａｕ）の使用などの対策が必要となる。
【００２１】
しかしながら、前述のように、ＲＦ−ＭＥＭＳは、半導体集積回路と混載する場合、金が半導体集積回路部へ拡散するとトランジスタ性能を著しく劣化するため、半導体集積回路との集積化が困難である。
【００２２】
本発明の目的は、小型で低電圧駆動が可能なＭＥＭＳスイッチを提供することにある。
【００２３】
また、本発明の他の目的は、保持状態が長期にわたって安定なバイステイブルＭＥＭＳスイッチを提供することにある。
【００２４】
また、本発明の他の目的は、半導体集積回路との混載に適したバイステイブルＭＥＭＳスイッチを提供することにある。
【００２５】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００２７】
本発明は、第１信号線と第２信号線とが電気的に接続または非接続することによって、信号線部を信号が伝達し、基板と平行な領域において、信号線部と、一対のスイッチ駆動電極とを重ならないように配置し、電荷蓄積電極に電荷を蓄積することにより生じる静電場によって可動部を弾性変形させて、第１信号線および第２信号線の接続状態を変化、保持するものである。
【発明の効果】
【００２８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００２９】
本発明によれば、小型で低電圧駆動が可能なＭＥＭＳスイッチ、またはバイステイブルＭＥＭＳスイッチを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００３１】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１のＭＥＭＳスイッチの構造およびその駆動原理について説明する。なお、本実施の形態１のＭＥＭＳスイッチは、信号を伝達するか否かを行うスイッチとして適用することができる。
【００３２】
図１は、本発明の実施の形態１のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す平面図である。図２〜図４は、本発明の実施の形態１のＭＥＭＳスイッチの駆動原理を説明するための図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、図２は初期状態、図３は電荷注入状態、図４は電荷保持状態を示す。図５〜図７は、本発明の実施の形態１のＭＥＭＳスイッチの駆動原理を説明するための図１のＢ−Ｂ’線に沿った断面図であり、図５は初期状態、図６は電荷注入状態、図７は電荷保持状態を示す。なお、図１では、説明を容易にするために、一部の構成部を透過して示し、また、信号線１０８、配線１３２、配線１３３にハッチングを付している。
【００３３】
図１に示すように、ＭＥＭＳスイッチＳＷの基板１０１上には、２つの駆動部１３０と、１つの信号線部１３１とが構成されており、また基板１０１上には、空洞（空隙）１０３が形成されている。駆動部１３０は、一対（一組）の第１のスイッチ駆動電極１０２、第２のスイッチ駆動電極１０７、電荷蓄積電極１０５およびスイッチ駆動電極１０２、１０７に電圧を印加するための配線１３２を有している。また、信号線部１３１は、信号線でもある接地電極１０９、信号を伝送するための信号線１０８および接地電極１０９と接地ＧＮＤとを電気的に接続する配線１３３とを有している。なお、信号は、入力端子Ｉｎから信号線１０８を通過して出力端子Ｏｕｔへ伝達される。
【００３４】
また、図２〜図４に示すように、駆動部１３０では、基板１０１の主面にスイッチ駆動電極１０２が設けられ、そのスイッチ駆動電極１０２を覆うように基板１０１上にトンネル絶縁膜（第１絶縁膜）１１２が設けられている。なお、スイッチ駆動電極１０２は、基板１０１上に形成されても良い。また、このスイッチ駆動電極１０２は、後述するが電荷蓄積電極１０５に電荷を注入する電極（電荷注入電極）でもある。
【００３５】
このスイッチ駆動電極１０２の上方には、空洞１０３を介し、電荷蓄積電極１０５が設けられている。この空洞１０３は、トンネル絶縁膜１１２と電荷蓄積電極１０５下のトンネル絶縁膜（第２絶縁膜）１０４とで囲まれるように形成されており、平面の大きさが、例えば１００μｍ×１００μｍ程度である。また、その電荷蓄積電極１０５上に層間絶縁膜１０６を挟みスイッチ駆動電極１０７が設けられている。スイッチ駆動電極１０２、１０７の平面の大きさは、それぞれ例えば数１０〜１００μｍ程度×数１０μｍ程度である。また、層間絶縁膜１０６は、トンネル絶縁膜１１２、トンネル絶縁膜１０４より厚く、例えば、層間絶縁膜１０６の膜厚は１００ｎｍ程度であり、トンネル絶縁膜１１２およびトンネル絶縁膜１０４の膜厚は両者とも１０〜２０ｎｍ程度である。本実施の形態１では、ＭＥＭＳスイッチＳＷがトンネル絶縁膜１０４およびトンネル絶縁膜１１２を有する場合について示すが、少なくともどちらか一方を有するだけでも良い。
【００３６】
また、このＭＥＭＳスイッチＳＷは、静電力などの外力によって弾性変形する層間絶縁膜１０６からなるダイアフラム（可動部）１３４を有している。このダイアフラム１３４には、スイッチ駆動電極１０７および電荷蓄積電極１０５が設置されている。
【００３７】
また、図５〜図７に示すように、信号線部１３１では、基板１０１の主面上に、接地電極１０９が設けられ、その接地電極１０９を覆うように基板１０１上にトンネル絶縁膜１１２が設けられている。この接地電極１０９上部には、空洞１０３を介し、信号線１０８が設けられている。この空洞１０３は、トンネル絶縁膜１１２と信号線１０８下のトンネル絶縁膜１０４とで囲まれるように形成されている。さらにその信号線１０８を保護するように層間絶縁膜１０６が設けられている。なお、接地電極１０９は、接地ＧＮＤと電気的に接続されている。また、接地電極１０９は、基板１０１の主面に形成されても良い。
【００３８】
図８は、本実施の形態１のＭＥＭＳスイッチの駆動電圧信号を示す模式的なタイミングチャートであり、時間経過に伴う第１のスイッチ駆動電極１０２への印加電圧、第２のスイッチ駆動電極１０７への印加電圧および電荷蓄積電極１０５の電荷量が示されている。
【００３９】
まず、図２および図５に示すように、本実施の形態１のＭＥＭＳスイッチＳＷの基本的姿態（初期状態）は、スイッチ駆動電極１０２、１０７に電圧を印加しない状態において、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２とトンネル絶縁膜１０４は空洞１０３を隔てて非接触である。なお、本実施の形態１では、図８のスイッチ非接続状態期間中が初期状態であるとする。
【００４０】
ＭＥＭＳスイッチＳＷが初期状態の場合、信号線１０８および接地電極１０９間にも空洞１０３が存在する。したがって、信号線１０８と接地電極１０９との間の容量は非常に小さく、入力端子Ｉｎに入力された信号は、そのまま出力端子Ｏｕｔに伝達される。すなわち、信号線１０８の入力端子Ｉｎ、出力端子Ｏｕｔ間はＡＣ的およびＤＣ的に接続状態となる。なお、ＡＣ的に接続状態とは、交流成分の信号が伝達される状態であり、また、ＤＣ的に接続状態とは、直流成分の信号が伝達される状態である。
【００４１】
続いて、図３に示すように、ＭＥＭＳスイッチの初期状態から、図８の電荷注入期間に、スイッチ駆動電極１０２を接地、スイッチ駆動電極１０７に正の電圧を印加した場合、静電力Ｆにより空洞１０３上部のダイアフラム１３４が変形し、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２と電荷蓄積電極１０５とがトンネル絶縁膜１１２、１０４を介して接触する。この場合、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２からトンネル絶縁膜１１２、１０４を介して電荷蓄積電極１０５へ電子が注入される。
【００４２】
このとき、図６に示すように、信号線１０８と接地電極１０９とが、トンネル絶縁膜１０４およびトンネル絶縁膜１１２を介して電気的に接続される。このため、信号線１０８と接地ＧＮＤ間の容量が増大し、信号線１０８の入力端子Ｉｎ−出力端子Ｏｕｔ間は信号が伝達されず（ＡＣ的に非接続され）、一方、入力端子Ｉｎ、接地ＧＮＤ間はＡＣ的に接続状態となる。
【００４３】
続いて、図４に示すように、図８のスイッチ接続状態保持期間においてスイッチ駆動電極１０２、１０７の電圧を０Ｖとすると、ダイアフラム１３４の変形の度合いが減少し、電荷蓄積電極１０５に蓄積された電荷（電子）と、その電荷による静電場によって電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２に誘起された逆極性の電荷との間に働く静電力Ｆにより、ダイアフラム１３４の変形が保持される。すなわち、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２と電荷蓄積電極１０５とは非接触となる。
【００４４】
ここで、ダイアフラム１３４の変形の度合いが減少するのは、電荷蓄積電極１０５から電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２へ、トンネル絶縁膜１０４、１１２を介して電子がリークするためである。しかしながら、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２と電荷蓄積電極１０５とが非接触となった場合、電荷蓄積電極１０５の電荷がトンネル絶縁膜１０４、１１２を介して電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２側へリークすることはない。なお、スイッチ駆動電極１０７と電荷蓄積電極１０５との間の層間絶縁膜１０６の厚さを、トンネル絶縁膜１０４、１１２の厚さより十分に厚くし、電荷蓄積電極１０５からスイッチ駆動電極１０７への電流リークを抑えている。
【００４５】
このとき、図７に示すように、空洞１０３内で接地電極１０９の表面は電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２の表面より上方に存在するように設けられているため、信号線１０８および接地電極１０９はトンネル絶縁膜１０４およびトンネル絶縁膜１１２を介して接触されたままである。したがって、信号線１０８の入力端子Ｉｎ、出力端子Ｏｕｔ間のＡＣ的非接続状態も半永久的に保持される。
【００４６】
続いて、図８の電荷引き抜き期間に、スイッチ駆動電極１０２、１０７間に逆電圧を印加、すなわちスイッチ駆動電極１０２に正の電圧を印加し、スイッチ駆動電極１０７を接地すると、電荷蓄積電極１０５からトンネル絶縁膜１０４、１１２を介して電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２へ電子が引き戻される。これにより、系は図２および図５に示した初期状態に戻る。なお、スイッチ駆動電極１０７を接地せず、スイッチ駆動電極１０２に正の電圧を印加しても、電荷蓄積電極１０５からトンネル絶縁膜１０４、１１２を介して電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２へ電子が引き戻される。
【００４７】
ここで、本実施の形態１のＭＥＭＳスイッチＳＷでは、接続状態、および電荷引き抜き後（復帰後）の初期状態（非接続状態）における電荷蓄積電極１０５の蓄積電荷量をモニタ（ベリファイ）することが好ましい。なぜなら、モニタしながらスイッチ駆動電極１０２またはスイッチ駆動電極１０７に電圧を印加することにより、静電力を所望の状態に制御することができるからである。
【００４８】
図９は、モニタ用のＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ１２１を駆動部１３０近傍に付加したＭＥＭＳスイッチＳＷを模式的に示す断面図である。前述のモニタを行うために、図９に示すように、電荷蓄積電極１０５にＭＯＳトランジスタ１２１を接続した。すなわち、電荷蓄積電極１０５に接続した配線の一端１２０をＭＯＳトランジスタ１２１のゲート電極１２２とチャネル１２３との間のゲート絶縁膜中に挿入する。このＭＯＳトランジスタ１２１のしきい値を調べることにより、蓄積電荷量をモニタすることができる。なお、符号１３５は、ＭＯＳトランジスタ１２１のソースまたはドレインとなる拡散層である。
【００４９】
また、本実施の形態１のＭＥＭＳスイッチＳＷでは、電荷蓄積電極１０５への電子の注入および引き抜きは、トンネル電流、いわゆるファウラーノルドハイム電流を用いて行なった。ＭＥＭＳスイッチの応用の多くでは、注入に要する時間の短縮はさほど重要な課題ではないので、ファウラーノルドハイム電流による注入で問題ないことが多い。ただし、電荷の注入および引き抜きは、上記ファウラーノルドハイム電流に限らず、例えば電荷注入用のトランジスタを別途設置して、いわゆるホットキャリア注入を用いるなどとしてもよい。この際、図９のＭＯＳトランジスタ１２１はホットキャリア注入用に用いることもでき、高速に電荷の注入を行うことができる。
【００５０】
また、本実施の形態１のＭＥＭＳスイッチＳＷでは、印加する高電圧は、ＭＥＭＳスイッチと同一基板上に形成した昇圧回路で発生させたものを用いても、または、素子の外部から加えてもどちらでも良い。
【００５１】
次に、本実施の形態１のＭＥＭＳスイッチの製造方法について説明する。図１０〜図１５は、製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図であり、それぞれには駆動部１３０（図１のＡ−Ａ’線）および信号線部１３１（図１のＢ−Ｂ’線）が示されている。
【００５２】
まず、図１０に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法によって、例えばシリコンからなる基板１０１の駆動部１３０の領域に、スイッチ駆動電極１０２となる拡散層を形成する。
【００５３】
続いて、図１１に示すように、信号線部１３１の領域であって、後の空洞１０３内で信号線１０８の下部に設けられる例えばポリシリコンからなる接地電極（信号線）１０９を形成した後、基板１０１の表面を酸化して膜厚１０〜２０ｎｍ程度の酸化シリコンからなるトンネル絶縁膜１１２を形成する。
【００５４】
続いて、図１２に示すように、後の空洞１０３となる領域に、例えばポリシリコンからなる犠牲層１１３を形成した後、その表面を酸化して膜厚１０〜２０ｎｍ程度の酸化シリコンからなるトンネル絶縁膜１０４を形成する。
【００５５】
続いて、図１３に示すように、表面にトンネル絶縁膜１０４が形成された犠牲層１１３上に、電荷蓄積電極１０５および信号線１０８を同層で形成し、さらに例えば酸化シリコンからなる層間絶縁膜１０６を堆積する。
【００５６】
続いて、図１４に示すように、駆動部１３０の犠牲層１１３へ達するエッチング穴１１５を形成した後、エッチング穴１１５を介して、ポリシリコンからなる犠牲層１１３をエッチング除去し、空洞１０３を形成する。犠牲層１１３のエッチングでは、ＸｅＦ２気相エッチングを用いて除去した。この場合、トンネル絶縁膜１１２、１０４などの酸化シリコンは殆どエッチングされない。次いで、犠牲層エッチング後、空洞１０３の内部表面の疎水化処理を行った。これにより、スイッチ駆動電極１０２とトンネル絶縁膜１０４の吸着が防止される。
【００５７】
続いて、図１５に示すように、ＣＶＤ法により例えば酸化シリコンからなる絶縁膜１１６を堆積して、エッチング穴１１５を封止した後、例えばポリシリコンからなるスイッチ駆動電極１０７を形成する。
【００５８】
以上で用いたプロセスは、全ていわゆる標準的なＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）半導体集積回路の製造プロセスの範疇である。このように、本実施の形態１のＭＥＭＳスイッチは半導体集積回路プロセス（半導体製造技術）で作成可能である。したがって、本実施の形態１のＭＥＭＳスイッチは容易にＣＭＯＳ半導体集積回路とモノリシックに集積化可能である。すなわち、小型で、構造が比較的単純で、保持状態が長期に渡って安定であり、かつ、半導体集積回路との混載が容易なバイステイブルＭＥＭＳスイッチが実現可能である。
【００５９】
また、本実施の形態１のＭＥＭＳスイッチＳＷでは、信号線１０８を接地電極１０９にトンネル絶縁膜１０４、１１２を介して接触させる構成について説明したが、他の構成にも変更可能である。図１６は、本実施の形態１の変形例のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す平面図である。図１７は、図１６のＣ−Ｃ’線に沿った断面図であり、初期状態（非接触状態）を示す。図１８は、図１６のＣ−Ｃ’線に沿った断面図であり、接触状態を示す。なお、図１６では、説明を容易にするために、一部の構成部を透過して示し、上部信号線１１７、下部信号線１１８および配線１３２にはハッチングを付している。また、駆動部１３０は図１および図１６のＭＥＭＳスイッチＳＷともに同じ構成であり、図１６のＡ−Ａ’線に沿った断面図が図２で示した断面図となる。
【００６０】
図１６のＭＥＭＳスイッチは、図１のＭＥＭＳスイッチと信号線部１３１が大きく異なる。すなわち、信号線部１３１が、図１のＭＥＭＳスイッチでは信号線１０８と接地電極１０９で構成されており、図１６のＭＥＭＳスイッチでは上部信号線１１７と下部信号線１１８とで構成されている。この上部信号線１１７は電荷蓄積電極１０５と同層であり、また下部信号線１１８は、スイッチ駆動電極１０２の表面より上方に存在するように設けられている。また、図１６のＭＥＭＳスイッチの製造方法は、図１のＭＥＭＳスイッチと同様の半導体製造技術を用いることができる。
【００６１】
図１６のＭＥＭＳスイッチＳＷの駆動部１３０をスイッチ駆動させることによって、図１７および図１８に示すように、上部信号線１１７を下部信号線１１８に、トンネル絶縁膜１１２およびトンネル絶縁膜１０４を介してＡＣ的に接続、非接続させることができる。また、空洞１０３形成後、トンネル絶縁膜１１２およびトンネル絶縁膜１０４をエッチング除去することにより、上部信号線１１７と下部信号線１１８とを直接接続して、ＤＣ的接続を行ってもよい。
【００６２】
以上、本発明者によってなされた発明を本実施の形態１に基づき具体的に説明したが、本発明は前述の内容に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００６３】
例えば、ＭＥＭＳスイッチＳＷの平面的形状は、前述の図１または図１６に示したものに限らない。ただし、図１または図１６に示したように駆動部１３０と信号線部１３１は、平面的に重ならないようにすることが好ましい。さらに、図１または図１６に示したように、平面的に２つ以上の駆動部１３０が信号線部１３１を挟むように、駆動部１３０および信号線部１３１を設置すると、接触時の信号線部１３１間の平行性が向上するので好ましい。
【００６４】
また、例えば、製造方法および電極や構造体の材料に関しても、前述したものに限らず、本実施の形態１に示した基本構成と動作原理を実現するものであれば、いかようにも変更してかまわない。例えば、接地電極１０９又は下部信号線１１８、上部信号線１１７などは、タングステン、アルミニウムなどの金属とすることにより、電気抵抗を低減することができる。また電荷蓄積電極１０５に関しても金属ではなく、有機物や窒化シリコン膜などの各種エレクトレット材料を用いてもよい。駆動電圧の低電圧化のためには、上記空洞１０３上のダイアフラム１３４の剛性を小さくすればよい。ダイアフラム１３４の薄膜化や、ダイアフラム１３４の周辺部にいわゆるコルゲート形状を導入するなどしてもよい。
【００６５】
また、例えば、接地電極１０９又は下部信号線１１８とスイッチ駆動電極１０２とを同一の薄膜層（例えば、基板表面に形成された拡散層）で形成することにより、ＭＥＭＳスイッチＳＷの構造を単純化してもよい。リークが存在しても実用的な期間にわたり、スイッチ駆動電極１０２と絶縁膜の接触が保持される場合には、信号線１０８と接地電極１０９との接触、または上部信号線１１７と下部信号線１１８との接触も保持されることになる。
【００６６】
また、電荷蓄積電極１０５を、ダイアフラム１３４ではなく、基板１０１に設置しても良い。
【００６７】
以上、本実施の形態１によれば、小型のＭＥＭＳスイッチであって、その構造が単純であり、保持状態が長期にわたって安定であり、かつ半導体集積回路との混載が容易なバイステイブルＭＥＭＳスイッチが実現可能となる。また、信号線とスイッチ駆動電極とが独立した構造であるため、信号線に印加される高周波信号（ＲＦ信号）が、スイッチの駆動に悪影響を与えることがなく、ＭＥＭＳスイッチの信頼性を向上することができる。
【００６８】
（実施の形態２）
一般に、「スイッチ」においては、挿入損失が小さいこと、遮断特性の優れていること（いわゆるオンオフ比が大きいこと）の２点が重要である。さらに、ダイアフラムと信号線部位を有する機械的なスイッチにおいては、信号線部位の機械的損傷（磨耗など）の抑制が重要である。前記実施の形態１で示したような機械的に信号線を遮断するＭＥＭＳスイッチは、遮断特性に優れているといえるが、挿入損失と機械的損傷を抑制するには、電気抵抗が小さく、かつ耐摩耗性に優れた材料を信号線または電極に採用する必要がある。このような特性を有する代表的な金属としては例えば金（Ａｕ）がある。
【００６９】
したがって、前記実施の形態１の信号線１０８として、金（Ａｕ）を用いることが考えられる。しかしながら、前記実施の形態１の構造は半導体製造技術で形成することが好ましく、この場合、製造工程中に金（Ａｕ）などの重金属を導入することは、拡散係数の大きな金（Ａｕ）がトランジスタに悪影響（例えばしきい値変動）を与えるため、極めて困難である。すなわち、半導体集積回路と混載する場合、例えば図１の電荷蓄積電極１０５および信号線１０８に金を用いることは現実的でない。本実施の形態２では、この課題を解決するものである。
【００７０】
まず、本発明の実施の形態２のＭＥＭＳスイッチの構造およびその駆動原理について説明する。なお、本実施の形態２のＭＥＭＳスイッチは、信号を伝達するか否かを行うスイッチとして適用することができる。
【００７１】
図１９は、本発明の実施の形態２のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す平面図である。図２０〜図２２は、本発明の実施の形態２のＭＥＭＳスイッチの駆動原理を説明するための図１９のＤ−Ｄ’線に沿った断面図であり、図２０は初期状態、図２１は電荷注入状態、図２２は電荷保持状態を示す。なお、図１９では、説明を容易にするために、一部の構成部を透過して示し、上部信号線２１７、下部信号線２１８および配線２３２にはハッチングを付している。また、駆動部２３０および信号線部２３１の平面的配置は、前記実施の形態１の駆動部１３０および信号線部１３１と基本的に大きく変わらない。
【００７２】
図１９に示すように、ＭＥＭＳスイッチＳＷの基板２０１上には、２つの駆動部２３０と、１つの信号線部２３１とが構成されている。駆動部２３０は、スイッチ駆動電極２０２、２０７、電荷蓄積電極２０５およびスイッチ駆動電極２０２、２０７に電圧を印加する配線２３２を有している。また、信号線部２３１は、上部信号線２１７、下部信号線２１８を有している。なお、信号は、上部信号線２１７側の入力端子Ｉｎから下部信号線２１８側の出力端子Ｏｕｔへ伝達される。
【００７３】
また、図２０〜図２２に示すように、駆動部２３０では、基板２０１の主面にスイッチ駆動電極２０２が設けられ、そのスイッチ駆動電極２０２を覆うように基板２０１上にトンネル絶縁膜２１２が設けられている。なお、スイッチ駆動電極２０２は、電荷蓄積電極２０５に電荷を注入する電荷注入電極でもある。
【００７４】
このスイッチ駆動電極２０２上部には、空洞（空隙）２０３を介し、電荷蓄積電極２０５が設けられている。この空洞２０３は、トンネル絶縁膜２１２と電荷蓄積電極２０５下のトンネル絶縁膜２０４とで囲まれるように形成されている。また、その電荷蓄積電極２０５上には、層間絶縁膜２０６を挟みスイッチ駆動電極２０７が設けられている。
【００７５】
また、スイッチ駆動電極２０７および層間絶縁膜２０６はその表面全体を例えば窒化シリコンからなる保護膜２０９で覆われている。後述するが、この保護膜２０９は、上部に存在する金（Ａｕ）が、保護膜２０９下部に拡散することを防止する役割をする。
【００７６】
また、信号線部２３１であって保護膜２０９上には、下部信号線２１８が設けられている。また、２つの駆動部２３０上に、下部信号線２１８をまたぐように、両持ち梁２１１が設置されている。また、両持ち梁２１１の下側には、下部信号線２１８と対向する上部信号線２１７が設けられている。
【００７７】
図２０に示すように、本実施の形態２のＭＥＭＳスイッチＳＷの基本的姿態（初期状態）は、スイッチ駆動電極２０２、２０７に電圧を印加しない状態で、かつ、電荷蓄積電極２０５に電荷が蓄積されていない状態である。この初期状態では、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極２０２とトンネル絶縁膜２０４とは空洞２０３を隔てて非接触である。また、ＭＥＭＳスイッチＳＷが初期状態の場合、上部信号線２１７と下部信号線２１８との間にも空洞（空隙）２３５が存在する。すなわち、上部信号線２１７と下部信号線２１８との間は、遮断状態である。
【００７８】
続いて、図２１に示すように、ＭＥＭＳスイッチＳＷの初期状態から、スイッチ駆動電極２０２を接地、スイッチ駆動電極２０７に正の電圧を印加した場合、静電力により空洞２０３上部のダイアフラム２３４の全体が変形し、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極２０２と電荷蓄積電極２０５とがトンネル絶縁膜２１２、２０４を介して接触する。この場合、スイッチ駆動電極２０２からトンネル絶縁膜２１２、２０４を介して電荷蓄積電極２０５へ電子が注入される。
【００７９】
このとき、上部信号線２１７と下部信号線２１８とが電気的に接続され、上部信号線２１７と下部信号線２１８とは、導通状態となり、入力端子Ｉｎに入力された信号は、出力端子Ｏｕｔに出力される。すなわち、信号線１０８の入力端子Ｉｎ、出力端子Ｏｕｔ間はＡＣ的およびＤＣ的に接続状態となる。
【００８０】
続いて、図２２に示すように、スイッチ駆動電極２０２、２０７の電圧を０Ｖとすると、ダイアフラム２３４の変形の度合いが減少し、電荷蓄積電極２０５に蓄積された電荷（電子）と、その電荷による静電場によって電荷注入電極である電荷注入電極であるスイッチ駆動電極２０２に誘起された逆極性の電荷との間に働く静電力により、変形が保持される。すなわち、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極２０２と電荷蓄積電極２０５とは非接触となる。
【００８１】
ここで、ダイアフラム２３４の変形の度合いが減少するのは、電荷蓄積電極２０５からスイッチ駆動電極２０２へ、トンネル絶縁膜２０４、２１２を介して電子がリークするためである。しかしながら、スイッチ駆動電極２０２と電荷蓄積電極２０５とが非接触となった場合、電荷蓄積電極２０５の電荷がトンネル絶縁膜２０４、２１２を介してスイッチ駆動電極２０２側へリークすることはない。なお、スイッチ駆動電極２０７と電荷蓄積電極２０５との間の層間絶縁膜２０６の厚さを、トンネル絶縁膜１０４、２１２の厚さより十分に厚くし、電荷蓄積電極２０５からスイッチ駆動電極２０７への電流リークを抑えている。
【００８２】
また、ダイアフラム２３４が基板２０１方向へ移動するのに伴い、両持ち梁２１１も基板２０１方向へ移動して、上部信号線２１７と下部信号線２１８とが接触する。ここで、上部配線２１７および下部配線２１８は、その表面が金、または、金を含んだ材料で覆われている。このため、接触による磨耗は極めて小さい。
【００８３】
また、荷蓄積電極２０５から電荷注入電極であるスイッチ駆動電極２０２へのリークによる静電引力減少から、変形の度合いが減少し、スイッチ駆動電極２０２と電荷蓄積電極２０５とが非接触となると、上記リークがほぼ完全に消滅するため、上記変形は半永久的に保持される。しかし、基本的姿態（図２０参照）において上部信号線２１７と下部信号線２１８との空洞２３５は、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極２０２と電荷蓄積電極２０５との間の空洞２０３より小さく設定した場合、上部信号線２１７と下部信号線２１８との接触状態は保持されたままである。すなわち上部信号線２１７と下部信号線２１８の接続状態は半永久的に保持される。
【００８４】
次に、本実施の形態２のＭＥＭＳスイッチの製造方法について説明する。図２３〜図３０は、製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図であり、それぞれには駆動部２３０および信号線部２３１（図１９のＤ−Ｄ’線）が示されている。なお、半導体集積回路と混載などの場合、本実施の形態２のＭＥＭＳスイッチＳＷの駆動部２３０の工程は、前記実施の形態１と同様に半導体製造技術を適用して半導体集積回路の形成と共に行い、信号線部２３１の工程は、半導体集積回路の形成後に行う。
【００８５】
まず、図２３に示すように、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法によって、例えばシリコンからなる基板２０１に、スイッチ駆動電極２０２となる拡散層を形成した後、基板２０１の表面を酸化して例えば膜厚１０〜２０ｎｍ程度の酸化シリコンからなるトンネル絶縁膜２１２を形成する。
【００８６】
続いて、図２４に示すように、後の空洞２０３となる領域に、例えばポリシリコンからなる犠牲層２１３を形成した後、その表面を酸化して例えば膜厚１０〜２０ｎｍ程度の酸化シリコンからなるトンネル絶縁膜２０４を形成する。
【００８７】
続いて、図２５に示すように、表面にトンネル絶縁膜２０４が形成された犠牲層２１３上に、電荷蓄積電極２０５を形成し、さらに層間絶縁膜２０６を堆積する。
【００８８】
続いて、図２６に示すように、駆動部２３０の犠牲層２１３へ達するエッチング穴（図示せず）を形成した後、このエッチング穴を介して、ポリシリコンからなる犠牲層２１３をエッチング除去し、空洞２０３を形成する。犠牲層２１３のエッチングでは、ＸｅＦ２気相エッチングを用いて除去した。この場合、トンネル絶縁膜２１２などの酸化シリコンは殆どエッチングされない。次いで、犠牲層エッチング後、空洞２０３の内部表面の疎水化処理を行った。これにより、スイッチ駆動電極２０２とトンネル絶縁膜２０４の吸着が防止される。
【００８９】
続いて、ＣＶＤ法により例えば酸化シリコンからなる絶縁膜（図示せず）を堆積して、上記エッチング穴を封止した後、例えばポリシリコンからなるスイッチ駆動電極２０７を形成する。なお、酸化シリコンからなる絶縁膜によるエッチング穴封止は必ずしも必須ではない。
【００９０】
続いて、基板２０１の全面を窒化シリコンからなる保護膜２０９で覆う。以上、これまでに用いたプロセスは、全ていわゆる標準的なＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）半導体集積回路の製造プロセスの範疇である。すなわち、本実施の形態２のＭＥＭＳスイッチは標準的なＣＭＯＳ半導体集積回路の製造プロセスで作成可能である。このため、本実施の形態２のＭＥＭＳスイッチは容易にＣＭＯＳ半導体集積回路とモノリシックに集積化可能である。すなわち、本実施の形態２のＭＥＭＳスイッチをＣＭＯＳ半導体集積回路とモノリシックに集積化する場合、ここまでのプロセスでＣＭＯＳ半導体集積回路を完成させる。
【００９１】
続いて、図２７に示すように、保護膜２０９上に下部信号線２１８を形成する。この下部信号線２１８の上面には、例えばメッキにより金薄膜を堆積する。
【００９２】
続いて、図２８に示すように、後の両持ち梁２１１の足の部分を除く領域であって、後の空洞２３５となる領域に、有機レジストを用いて犠牲層２３６を形成し、さらにその上に、上部信号線２１７を形成する。なお、上部信号線２１７下には、金薄膜が形成されている。
【００９３】
続いて、図２９に示すように、基板２０１の全面に例えば酸化シリコンからなる絶縁膜を堆積し、この絶縁膜からなる両持ち梁２１１を形成する。
【００９４】
続いて、図３０に示すように、両持ち梁２１１の適当な領域に犠牲層２３６へ達するエッチング穴（図示せず）を形成し、上記エッチング穴を介して有機レジストからなる犠牲層２３６をエッチング除去し、空洞２３５を形成する。再びＣＶＤ法により酸化シリコンからなる絶縁膜を堆積して、上記エッチング穴を塞ぎ、空洞を封止する。
【００９５】
本実施の形態２の製造工程によれば、ＣＭＯＳ半導体集積回路およびその製造工程を用いて作成される駆動部２３０は、金を用いる上部信号線２１７および下部信号線２１８形成工程から保護膜２０９により完全に分離されている。すなわち、金原子は例えば窒化シリコンからなる保護膜２０９を通過して、保護膜２０９下部のＣＭＯＳ半導体集積回路へ拡散することはないので、トランジスタ特性が劣化することはない。
【００９６】
また、上部信号線２１７と下部信号線２１８との接点は、空洞２３５内に封止されるため、外界からの湿度、化学汚染等の影響による接触面の劣化を抑制することができる。
【００９７】
以上、本実施の形態２によれば、挿入損失が小さく、遮断特性、信号線部位の耐磨耗性に優れ、かつ、小型で構造が単純、保持状態が長期にわたって安定、かつ半導体集積回路との混載が容易なバイステイブルＭＥＭＳスイッチが可能となる。また、上部信号線２１７および下部信号線２１８と、スイッチ駆動電極２０２、２０７とが独立しているため、例えば上部信号線２１７に印加される高周波信号（ＲＦ信号）が、スイッチの駆動に悪影響を与えることがない。
【００９８】
（実施の形態３）
本実施の形態３のＭＥＭＳスイッチは、前記実施の形態１のＭＥＭＳスイッチとは構造が同様であるが、駆動原理が相違する。そこで、本発明の実施の形態３のＭＥＭＳスイッチの構造についての説明は省略し、駆動原理を中心に説明する。なお、本実施の形態３のＭＥＭＳスイッチは、信号を伝達するか否かを行うスイッチとして適用することができる。
【００９９】
本実施の形態３のＭＥＭＳスイッチの平面構造は、前記実施の形態１のＭＥＭＳスイッチと同様であるので図１を参照する。図３１〜図３４は、本発明の実施の形態３のＭＥＭＳスイッチＳＷの駆動原理を説明するための図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、図３１は初期状態、図３２は電荷注入状態、図３３は電荷保持状態、図３４は電荷再注入状態を示す。図３５〜図３８は、本発明の実施の形態３のＭＥＭＳスイッチＳＷの駆動原理を説明するための図１のＢ−Ｂ’線に沿った断面図であり、図３５は初期状態、図３６は電荷注入状態、図３７は電荷保持状態、図３８は電荷再注入状態を示す。
【０１００】
図３９は、本実施の形態３のＭＥＭＳスイッチの駆動電圧信号を示す模式的なタイミングチャートであり、時間経過に伴う第１のスイッチ駆動電極１０２への印加電圧、第２のスイッチ駆動電極１０７への印加電圧および電荷蓄積電極１０５の電荷量が示されている。
【０１０１】
まず、図３１および図３５に示すように、本実施の形態３のＭＥＭＳスイッチＳＷの初期状態（基本的姿態）は、スイッチ駆動電極１０２、１０７に電圧を印加しない状態において、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２とトンネル絶縁膜１０４は空洞１０３を隔てて非接触である。このとき、信号線１０８および接地電極１０９間にも空洞１０３が存在する。したがって、信号線１０８と接地ＧＮＤ間の容量は非常に小さく、信号線１０８の入力端子Ｉｎ、出力端子Ｏｕｔ間はＡＣ的およびＤＣ的に接続状態である。この状態を初期モードと呼ぶ（図３９参照）。
【０１０２】
続いて、図３２に示すように、ＭＥＭＳスイッチの初期状態から、図３９の電荷注入モード期間に、スイッチ駆動電極１０２を接地、スイッチ駆動電極１０７に正の電圧を印加した場合、静電力Ｆにより空洞１０３上部のダイアフラム１３４の全体が変形し、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２と電荷蓄積電極１０５とがトンネル絶縁膜１１２、１０４を介して接触する。この場合、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２からトンネル絶縁膜１１２、１０４を介して電荷蓄積電極１０５へ電子が注入される。
【０１０３】
このとき、図３６に示すように、信号線１０８と接地電極１０９とが、トンネル絶縁膜１０４およびトンネル絶縁膜１１２を介して接続される。このため、信号線１０８と接地ＧＮＤ間の容量が増大し、信号線１０８の入力端子Ｉｎ、出力端子Ｏｕｔ間はＡＣ的に非接続（遮断）され、一方、入力端子Ｉｎ、接地ＧＮＤ間はＡＣ的に接続状態となる。この状態を電荷注入モードと呼ぶ。
【０１０４】
続いて、図３３に示すように、図３９のスイッチ接続状態保持期間に、スイッチ駆動電極１０２、１０７の電圧を０Ｖとすると、電荷蓄積電極１０５に保存された電荷（電子）と、その作る静電場によって電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２に誘起された逆極性の電荷との間に働く静電力Ｆにより、変形が保持される。但し、変形の度合いは減少し、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２とトンネル絶縁膜１０４は非接触となる。したがって、電荷蓄積電極１０５の電荷がトンネル絶縁膜１１２、１０４を経てスイッチ駆動電極１０２側へリークすることはない。
【０１０５】
このとき、図３７に示すように、空洞１０３内で接地電極１０９の表面が、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２の表面とほぼ同一平面上に作られている場合、信号線１０８および接地電極１０９はトンネル絶縁膜１０４、十分な空隙１０３およびトンネル絶縁膜１１２を介して隔てられ、信号線の入力端子Ｉｎ、出力端子Ｏｕｔ間はＡＣ的に接続状態となる。この状態を接続モードと呼ぶ。
【０１０６】
続いて、図３４に示すように、スイッチ駆動電極１０２に電圧Ｖｄｃを加えると、電荷注入電極であるスイッチ駆動電極１０２の電荷量がΔＱだけ増大する。スイッチ蓄積電極１０２に蓄積された電荷のつくる静電場（Ｅ）と上記電荷増分ΔＱにより、スイッチ駆動電極１０２と電荷蓄積電極１０５との間の静電力Ｆが増大し（増分ＥΔＱ）、駆動部１３０のダイアフラム１３４が変形して、スイッチ駆動電極１０２とトンネル絶縁膜１０４は接触する。
【０１０７】
このとき、図３８に示すように、信号線１０８および接地電極１０９もトンネル絶縁膜１０４およびトンネル絶縁膜１１２を介して接触する。このため、信号線１０８と接地ＧＮＤ間の容量が増大し、信号線１０８の入力端子Ｉｎ、出力端子Ｏｕｔ間はＡＣ的に遮断される。この状態を非接続モードと呼ぶ。上記電圧Ｖｄｃを０Ｖに戻すと、スイッチは、図３３および図３７の状態に戻る。
【０１０８】
以上、本実施の形態３のＭＥＭＳスイッチによれば、昇圧回路を駆動し続けることなく、蓄積電荷により電荷注入電極であるスイッチ駆動電極と電荷蓄積電極との間に高電圧を維持することができるので、比較的小さな電圧信号により大きな静電力変化が得られ、低電圧でスイッチを駆動できる。なお、電荷再注入は、ＭＥＭＳスイッチと同一基板上に形成した昇圧回路で高電圧を発生させて行なっても、または、素子の外部から高電圧を加えることにより行なってもどちらでもよい。
【０１０９】
また、本実施の形態３のＭＥＭＳスイッチの製造方法は、前記実施の形態１の図１０〜図１５に示す製造方法における接地電極１０９の形成方法を除き、ほぼ同様とすることができる。すなわち、本実施の形態３では接地電極１０９はスイッチ駆動電極１０２と同時に形成することができる。
【０１１０】
したがって、小型で構造が単純、低電圧駆動が可能、保持状態が長期にわたって安定、かつ半導体集積回路との混載が容易なバイステイブルＭＥＭＳスイッチが可能となる。これにより、電力消費を抑えつつＭＥＭＳスイッチを接続（又は非接続）状態に保持し続けることが可能となる。
【０１１１】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、前記実施の形態２のＭＥＭＳスイッチを、ＲＦフロントエンドモジュールの、バンド選択スイッチに応用した場合について説明する。図４０は、本発明の実施の形態４のＲＦフロントエンドモジュールの全体構成を模式的に示す説明図である。図４１は、スイッチアレイの要部を模式的に示す平面図である。図４２は、図４１のＥ−Ｅ’線に沿った断面図である。なお、本実施の形態４でのＭＥＭＳスイッチについての説明は、前記実施の形態２と同様であるので省略する。
【０１１２】
図４０に示すように、アンテナからのＲＦ線路は複数に分岐し、アンテナ側スイッチアレイに接続される。このアンテナ側スイッチアレイは前記実施の形態２で述べたＭＥＭＳスイッチＳＷをアレイ状に配置したもので、その各々に上記分岐後のＲＦ線路が接続される。以下の説明を統一するため、ここでは受信を前提にアンテナ側を入力と呼ぶことにする。アンテナ側スイッチアレイの各ＭＥＭＳスイッチＳＷｉｎ１、ＳＷｉｎ２、・・・、ＳＷｉｎ５の出力は、各々異なる高周波特性を有するフィルタｆｉｌｔｅｒ１、ｆｉｌｔｅｒ２、・・・、ｆｉｌｔｅｒ５に接続され、各フィルタの出力は、回路側スイッチアレイの各スイッチＳＷｏｕｔ１、ＳＷｏｕｔ２、・・・、ＳＷｏｕｔ５入力に接続される。回路側スイッチアレイの出力は受信用のＲＦ半導体集積回路（ＲＦ−ＩＣ）へ接続される。上記ＭＥＭＳスイッチは全て上記ＲＦ半導体集積回路とモノリシックに混載した。但し、ここでは、上記フィルタは外付け部品を用いた。ＲＦフィルタを本スイッチまたはＲＦ半導体集積回路と混載してもよいが、その方法については省略する。
【０１１３】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５では、前記実施の形態１のＭＥＭＳスイッチを、システムＬＳＩの各回路ブロックへの電源供給線の選択スイッチに適用した場合について説明する。図４３は、本発明の実施の形態５のシステムＬＳＩの全体構成を模式的に示す説明図である。
【０１１４】
図４３に示すように、例えば、５個のプロセッサＡと５個のプロセッサＢ、ＳＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＡＤ変換回路、ＤＡ変換回路、入出力制御回路等の回路ブロックを含む。各回路は電源線より電力を供給される。
【０１１５】
本実施の形態５では、共通電源供給線から各回路ブロック内の電源線への引き込み部分に前記実施の形態１のＭＥＭＳスイッチを配置した。使用する回路ブロックへの電源供給スイッチのみ接続状態とすることで、使用しない回路ブロック内でのトランジスタリーク電流等に起因する電力消費がほぼ完全に抑制される。
【０１１６】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【０１１７】
例えば、前記実施の形態１では、電荷蓄積電極への電荷の注入および引き抜きをファウラーノルドハイム電流を用いて行なった場合について説明したが、ホットキャリア注入により行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明は、高周波技術における、アンテナ選択やバンド選択のためのスイッチ、半導体集積回路における回路ブロック選択や、ダイナミックなチップ再構成用のスイッチ、さらに、これらスイッチを論理素子自体に用いる全ＭＥＭＳ論理回路など、様々な応用に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明の一実施の形態のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、ＭＥＭＳスイッチの初期状態を示す。
【図３】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、ＭＥＭＳスイッチの電荷注入状態を示す。
【図４】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面図であり、ＭＥＭＳスイッチの電荷保持状態を示す。
【図５】図１のＢ−Ｂ’線に沿った断面図であり、ＭＥＭＳスイッチの初期状態を示す。
【図６】図１のＢ−Ｂ’線に沿った断面図であり、ＭＥＭＳスイッチの電荷注入状態を示す。
【図７】図１のＢ−Ｂ’線に沿った断面図であり、ＭＥＭＳスイッチの電荷保持状態を示す。
【図８】本発明の一実施の形態のＭＥＭＳスイッチの駆動電圧信号を示す模式的なタイミングチャートである。
【図９】本発明の一実施の形態の別構成のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図１０】本発明の一実施の形態の製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図１１】図１０に続く製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図１２】図１１に続く製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図１３】図１２に続く製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図１４】図１３に続く製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図１５】図１４に続く製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図１６】本発明の一実施の形態の別構成のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す平面図である。
【図１７】図１６のＣ−Ｃ’線に沿った断面図であり、初期状態を示す。
【図１８】図１６のＣ−Ｃ’線に沿った断面図であり、接続状態を示す。
【図１９】本発明の他の実施の形態のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す平面図である。
【図２０】図１９のＤ−Ｄ’線に沿った断面図であり、初期状態を示す。
【図２１】図１９のＤ−Ｄ’線に沿った断面図であり、電荷注入状態を示す。
【図２２】図１９のＤ−Ｄ’線に沿った断面図であり、電荷保持状態を示す。
【図２３】本発明の他の実施の形態の製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図２４】図２３に続く製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図２５】図２４に続く製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図２６】図２５に続く製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図２７】図２６に続く製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図２８】図２７に続く製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図２９】図２８に続く製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図３０】図２９に続く製造工程中のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図である。
【図３１】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面に対応した、本発明の他の実施の形態のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図であり、初期状態を示す。
【図３２】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面に対応した、本発明の他の実施の形態のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図であり、電荷注入状態を示す。
【図３３】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面に対応した、本発明の他の実施の形態のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図であり、電荷保持状態を示す。
【図３４】図１のＡ−Ａ’線に沿った断面に対応した、本発明の他の実施の形態のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図であり、電荷再注入状態を示す。
【図３５】図１のＢ−Ｂ’線に沿った断面に対応した、本発明の他の実施の形態のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図であり、初期状態を示す。
【図３６】図１のＢ−Ｂ’線に沿った断面に対応した、本発明の他の実施の形態のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図であり、電荷注入状態を示す。
【図３７】図１のＢ−Ｂ’線に沿った断面に対応した、本発明の他の実施の形態のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図であり、電荷保持状態を示す。
【図３８】図１のＢ−Ｂ’線に沿った断面に対応した、本発明の他の実施の形態のＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図であり、電荷再注入状態を示す。
【図３９】本発明の他の実施の形態のＭＥＭＳスイッチの駆動電圧信号を示す模式的なタイミングチャートである。
【図４０】本発明の他の実施の形態のＲＦフロントエンドモジュールの全体構成を模式的に示す説明図である。
【図４１】図４０のスイッチアレイの要部を模式的に示す平面図である。
【図４２】図４１のＥ−Ｅ’線に沿った断面図である。
【図４３】本発明の他の実施の形態のシステムＬＳＩの全体構成を模式的に示す説明図である。
【図４４】本発明者らが検討したＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図であり、非接続状態を示す。
【図４５】本発明者らが検討したＭＥＭＳスイッチを模式的に示す断面図であり、接続状態を示す。
【符号の説明】
【０１２０】
１      基板
２      可動梁
３、４  スイッチ駆動電極
５      入力信号線
６      出力信号線
１０１  基板
１０２  スイッチ駆動電極（電荷注入電極）
１０３  空洞
１０４  トンネル絶縁膜
１０５  電荷蓄積電極
１０６  層間絶縁膜
１０７  スイッチ駆動電極
１０８  信号線
１０９  接地電極
１１２  トンネル絶縁膜
１１３  犠牲層
１１５  エッチング穴
１１６  絶縁膜
１１７  上部信号線
１１８  下部信号線
１２０  配線の一端
１２１  ＭＯＳトランジスタ
１２２  ゲート電極
１２３  チャネル
１３０  駆動部
１３１  信号線部
１３２、１３３  配線
１３４  ダイアフラム
２０１  基板
２０２  スイッチ駆動電極（電荷注入電極）
２０３  空洞
２０４  トンネル絶縁膜
２０５  電荷蓄積電極
２０６  層間絶縁膜
２０７  スイッチ駆動電極
２０９  保護膜
２１１  両持ち梁
２１２  トンネル絶縁膜
２１３  犠牲層
２１５  エッチング穴
２１６  絶縁膜
２１７  上部信号線
２１８  下部信号線
２３０  駆動部
２３１  信号線部
２３２  配線
２３４  ダイアフラム
２３５  空洞
２３６  犠牲層
Ｆ      静電力
ＧＮＤ  接地
Ｉｎ    入力端子
Ｏｕｔ  出力端子
ＳＷ    ＭＥＭＳスイッチ
【図１】
2007157511.tif 000003
【図２】
2007157511.tif 000004
【図３】
2007157511.tif 000005
【図４】
2007157511.tif 000006
【図５】
2007157511.tif 000007
【図６】
2007157511.tif 000008
【図７】
2007157511.tif 000009
【図８】
2007157511.tif 000010
【図９】
2007157511.tif 000011
【図１０】
2007157511.tif 000012
【図１１】
2007157511.tif 000013
【図１２】
2007157511.tif 000014
【図１３】
2007157511.tif 000015
【図１４】
2007157511.tif 000016
【図１５】
2007157511.tif 000017
【図１６】
2007157511.tif 000018
【図１７】
2007157511.tif 000019
【図１８】
2007157511.tif 000020
【図１９】
2007157511.tif 000021
【図２０】
2007157511.tif 000022
【図２１】
2007157511.tif 000023
【図２２】
2007157511.tif 000024
【図２３】
2007157511.tif 000025
【図２４】
2007157511.tif 000026
【図２５】
2007157511.tif 000027
【図２６】
2007157511.tif 000028
【図２７】
2007157511.tif 000029
【図２８】
2007157511.tif 000030
【図２９】
2007157511.tif 000031
【図３０】
2007157511.tif 000032
【図３１】
2007157511.tif 000033
【図３２】
2007157511.tif 000034
【図３３】
2007157511.tif 000035
【図３４】
2007157511.tif 000036
【図３５】
2007157511.tif 000037
【図３６】
2007157511.tif 000038
【図３７】
2007157511.tif 000039
【図３８】
2007157511.tif 000040
【図３９】
2007157511.tif 000041
【図４０】
2007157511.tif 000042
【図４１】
2007157511.tif 000043
【図４２】
2007157511.tif 000044
【図４３】
2007157511.tif 000045
【図４４】
2007157511.tif 000046
【図４５】
2007157511.tif 000047