(57)【要約】【課題】可変容量素子の最小容量を安定化したＭＥＭＳ装置を提供する。【解決手段】実施形態のＭＥＭＳ装置は、基板上に形成された第１電極と、前記第１電極の上方に対向して上下方向に可動に配置され、かつ、凸構造を有する第２電極と、前記第２電極を収容する空洞を形成し、かつ前記空洞と連通する複数の貫通孔と前記空洞側に突出した突起部とを備えた第１の保護膜と、前記第１の保護膜を覆うように、前記第１の保護膜上に設けられた封止層と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に対向して上下方向に可動に配置され、かつ、凸構造を有する第２電極と、
前記第２電極を収容する空洞を形成し、かつ前記空洞と連通する複数の貫通孔と前記空洞側に突出した突起部とを備えた第１の保護膜と、
前記第１の保護膜を覆うように、前記第１の保護膜上に設けられた封止層と、
を備えるＭＥＭＳ装置。
【請求項２】
前記貫通孔は前記基板に対して平行な面内で、六角形以上の多角形構造を有することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項３】
前記突起部は前記基板に対して平行な面内で、網目状構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項４】
前記基板上には、前記基板と電気的に接続されたアンカー部を有し、
前記第２電極は前記アンカー部に固定されたバネ部によって前記アンカー部と接続されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項５】
前記第２電極は、その最下面と最上面との間の距離が１〜２μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ＭＥＭＳ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）素子を備えた電気部品であるＭＥＭＳ装置は、ＭＥＭＳ素子の可動部の動作空間としての空洞を必要とする。このような空洞は例えば複数の貫通孔を有するドーム状薄膜（中空構造を有するキャップ層）、貫通孔を塞ぐ封止層、及び水分や可動イオン等の侵入を防止する表面保護膜を積層した構造で形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５８１３４７１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、可変容量素子の最小容量を安定化したＭＥＭＳ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態のＭＥＭＳ装置は、基板上に形成された第１電極と、前記第１電極の上方に対向して上下方向に可動に配置され、かつ、凸構造を有する第２電極と、前記第２電極を収容する空洞を形成し、かつ前記空洞と連通する複数の貫通孔と前記空洞側に突出した突起部とを備えた第１の保護膜と、前記第１の保護膜を覆うように、前記第１の保護膜上に設けられた封止層と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本実施形態に係るＭＥＭＳ装置の構成を示す断面図。
【図２】本実施形態に係るＭＥＭＳ装置の貫通孔及び突起部の平面構造を示す図。
【図３】本実施形態に係るＭＥＭＳ装置の製造方法の第１工程を示す断面図。
【図４】本実施形態に係るＭＥＭＳ装置の製造方法の第２工程を示す断面図。
【図５】本実施形態に係るＭＥＭＳ装置の製造方法の第３工程を示す断面図。
【図６】本実施形態に係るＭＥＭＳ装置の製造方法の第４工程を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本実施形態に係るＭＥＭＳ装置について図１乃至図６を参照して説明する。なお、
以下の図面の記載において、同一な部分には同一の符号で表している。ただし、図面は厚さと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なり、模式的なものである。
【０００８】
図１は、ＭＥＭＳ装置の構成を示す断面図である。図１に示すように、支持基板１０はシリコン基板１１上にシリコン酸化膜等の絶縁膜１２が形成されてなるものである。この支持基板１０にはロジック回路や記憶回路等を構成する電界効果トランジスタなどの素子が設けられていても良い。
【０００９】
支持基板１０上には、固定電極としての下部電極２１ａと、アンカー部（梁部）３１ｂを固定するための土台２１ｂとが形成されている。下部電極２１ａは例えば長方形に形成され、例えばアルミニウム（Ａｌ）またはその合金で構成されている。下部電極２１ａの構成材料はこれに限定されず、例えば銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）タングステン（Ｗ）またはそれらを主成分とする合金等であっても良い。下部電極２１ａは複数に分断されていても良い。本実施形態において下部電極２１ａと土台２１ｂは同材料で形成されていても良い。
【００１０】
支持基板１０、下部電極２１ａ及び土台２１ｂの表面には、例えばシリコン窒化膜からなる厚さ１００ｎｍ程度のキャパシタ絶縁膜１５が形成されている。ただし、キャパシタ絶縁膜１５はシリコン窒化膜に限定されない。
【００１１】
下部電極２１ａの上方には、下部電極２１ａと対向するように、可動電極としての上部電極３１ａを有する。上部電極３１ａは、例えばアルミニウムまたはその合金を含む延性材料から形成される。ただし、延性材料に限らずタングステン等の脆性材料から形成されていても良い。また、土台２１ｂ上に上部電極３１ａと同じ材料を含むアンカー部３１ｂが形成されている。土台２１ｂ及びアンカー部３１ｂは互いに固定されている。アンカー部３１ｂは支持基板１０と電気的に接続されている。
【００１２】
上部電極３１ａの端部はバネ部（梁部）３２を介してアンカー部３１ｂに接続されている。つまり、バネ部３２の一端がアンカー部３１ｂに固定され、バネ部３２の他端が上部電極３１ａの上面の端部に固定されている。バネ部３２には配線層があり、バネ部３２はアンカー部３１ｂと電気的に接続される。また、バネ部３２及びアンカー部３１ｂは図１では２箇所に示したが、上部電極３１ａに対して複数個所に設けられていても良い。バネ部３２は例えばシリコン窒化膜を含み、弾性を有している。これらバネ部３２を有することで上部電極３１ａが上下方向に移動可能となる。ここで、上部電極３１ａはその両端に位置するバネ部３２の、バネ部３２から上部電極側３１ａへの応力により上側に反って湾曲した凸構造を有する。ここで上側とは支持基板１０に対しての上部側である。凸構造により上部電極３１ａの最下面と最上面との間の距離Ｌは例えば１〜２μｍになる。この距離Ｌは、後述する第２の犠牲層の膜厚と同程度、またはそれ以上となる。
【００１３】
上部電極３１ａ、アンカー部３１ｂ及びバネ部３２の周辺には、中空領域（空洞）を形成しながら、これらを覆うようにキャップ層４１が形成されている。キャップ層４１は例えばシリコン酸化膜を含む。キャップ層４１と上部電極３１ａとの間には、上部電極３１ａがある一定の範囲以上に上部に移動しないように止めるストッパーとしての役割を果たす突起部４２が設けられている。実際には突起部４２はキャップ層４１から延在し、その先端が空洞内に突出したキャップ層４１の一部であり、キャップ層４１と同材料のものが用いられる。突起部４２と上部電極３１ａは完全には固定されていないため、上部電極３１ａは上下方向への動作によって突起部４２と接したり離れたりすることが可能である。上部電極３１ａと下部電極２１ａとの電極間に電圧を印可すると、静電力によって上部電極３１ａと下部電極２１ａとが引き合うため、上部電極３１ａは下側へ動く。印可をやめると上部電極３１ａはバネ部３２の復元力によって上側に動き、元の位置に戻る。また、上部電極３１ａは、凸構造を有することにより突起部４２と接することが可能となる。
【００１４】
キャップ層４１には突起部４２の他に犠牲層を除去するための六角形の貫通孔４１ａが複数設けられている。犠牲層とは、中空領域を形成するために上部電極３１ａと下部電極２１ａとの間等に設けられる層であり、後に除去される。貫通孔４１ａは、キャップ層４１の突起部４２が形成されていない領域に設けられる。また、本実施形態ではキャップ層４１に形成される貫通孔４１ａを４つ示したが、貫通孔４１ａは多いほうがよく、その数は少なくとも４つ以上である。貫通孔４１ａが少ない場合、犠牲層を除去するために高温状況下で長時間処理しなければならず、その際上部電極３１ａ及び下部電極２１ａが変形する等の虞があるためである。
【００１５】
キャップ層４１の上部には、キャップ層４１の貫通孔４１ａを塞ぐように封止樹脂層４３が形成されている。封止樹脂層４３はキャップ層４１の上面だけでなく側面にも形成されている。封止樹脂層４３の上には、キャップ層４１と封止樹脂層４３を覆うように、防湿膜としての役割を果たす絶縁膜４４が形成されている。絶縁膜４４は例えばシリコン窒化膜等を含む。
【００１６】
このようにキャップ層４１、封止樹脂層４３及び絶縁膜４４の３層構造からＭＥＭＳ素子の可動部の動作空間としての空洞（薄膜ドーム）が形成されている。
【００１７】
次にＭＥＭＳ装置の貫通孔４１ａ及び突起部４２の平面構造について説明する。
【００１８】
図２（ａ）は、図１に示したＭＥＭＳ装置のＡ−Ａ‘断面の平面図、図２（ｂ）はＢ−Ｂ’断面の平面図をそれぞれ示す。図２（ａ）に示すように、キャップ層４１には多数の貫通孔４１ａを有していることがわかる。貫通孔４１ａにはキャップ層４１の上部を覆う封止樹脂層４３が充填されていてもよい。貫通孔４１ａは例えば蜂の巣状構造をしている。貫通孔４１ａの１つの形状は六角形であるが、この形状は六角形に限定されず、六角形以上の多角形又は円形が望ましい。以下、その理由について説明する。貫通孔４１ａは封止樹脂層４３によって封止される。封止樹脂が貫通孔４１ａに充填された場合、貫通孔４１ａの形状が円形に近いほど貫通孔４１ａの中心点から外周までの距離が等しくなり、表面張力によって封止樹脂が貫通孔４１ａを通過し空洞内に落ちる可能性が低くなる。しかし、貫通孔４１ａの形状が例えば四角形の場合、中心点から外周までの距離にばらつきが生じることになる。ばらつきがあると、中心点からの距離が長い部分で表面張力が低くなり封止樹脂が貫通孔４１ａを通過し空洞内に落ちてしまう。封止樹脂が空洞内に落ちると、上部電極３１ａがキャップ層４１と接着し、上部電極３１ａの上下動作が妨げられる虞がある。なお、多角形においての外周とは辺及び頂点を含む。また、多角形は正多角形が望ましい。
【００１９】
次に図２（ｂ）に示すように本実施形態の突起部４２は例えば網目状構造をとる。網目状構造とは、網のように突起部４２がその一端から他端まで貫通孔４１ａを避けて途切れることなく形成されるような構造を指す。なお、突起部４２は網目状構造に限らず貫通孔４１ａの位置を避けるように形成すればよい。ただし網目状構造とすれば、突起部４２が連続的に形成されるため薄膜ドームの強度を強くすることが可能となる。
【００２０】
なお、図２において示した貫通孔４１ａ及び突起部４２の平面図は本実施形態のＭＥＭＳ装置を構成する一部の領域を示したものであり、その数や範囲はこれに限定されない。
【００２１】
次に、本実施形態に係るＭＥＭＳ装置の製造方法について図３乃至図６を用いて説明する。
【００２２】
図３（ａ）に示すように、シリコン等の半導体基板１１上にシリコン酸化膜等の絶縁膜１２を形成した支持基板１０上に、アルミニウム等の金属膜を数百ｎｍ〜数μｍ厚で形成する。この金属膜をパターニングすることにより下部電極２１ａ及び土台２１ｂを形成する。次に、下部電極２１ａ及び土台２１ｂを覆うように支持基板１０上に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等でシリコン窒化膜等のキャパシタ絶縁膜１５を形成する。
【００２３】
次に図３（ｂ）に示すように、第１の犠牲層１６としてポリイミド等の有機材料を塗布した後に第１の犠牲層１６を所望の形状にパターニングする。第１の犠牲層１６は下部電極２１ａと上部電極３１ａとの間の空洞を形成するための層となる。第１の犠牲層１６には後にアンカー部３１ｂとなる領域を作成するための開口部１６ａを有する。この開口部１６ａに位置する絶縁膜１５は除去する。開口部１６ａは、第１の犠牲層１６上にリソグラフィー法によってレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにしてＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法でパターニングしても良い。
【００２４】
次に、図４（ａ）に示すように上部電極３１ａ及びアンカー部３１ｂを形成する。開口部１６ａを有する第１の犠牲層１６上にアルミニウム等の金属膜を数百ｎｍ〜数μｍの膜厚で形成する。金属膜をパターニングして上部電極３１ａとアンカー部３１ｂを形成する。パターニング後、上部電極３１ａとアンカー部３１ｂとをつなぐバネ部（梁部）３２を形成する。バネ部３２形成は、シリコン窒化膜等を成膜した後に、ＲＩＥで所望のバネ部３２の形状にパターニングすれば良い。
【００２５】
次に、図４（ｂ）に示すように上部電極３１ａ上を空洞とするための第２の犠牲層１７を形成する。第２の犠牲層１７は上部電極３１ａ、アンカー部３１ｂ及びバネ部３２を覆うように形成する。
【００２６】
次に、図５（ａ）に示すように第２の犠牲層１７上に第３の犠牲層１８を形成する。第３の犠牲層１８は突起部４２を形成するためのものである。第３の犠牲層１８には図２（ｂ）に示した突起部４２の形状となるようなパターニングを行う。このパターニングによって第３の犠牲層に開口部１８ａが形成される。なお、第２の犠牲層及び第３の犠牲層は、第１の犠牲層と同様な材料のポリイミド系の有機材料を含む。
【００２７】
次に、薄膜ドームを形成する。図５（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜等の絶縁膜をＣＶＤ法等で数百ｎｍ〜数μｍ厚に成膜後、リソグラフィー法によってレジスト（図示しない）を形成し、パターニングを行なうことによりキャップ層４１を形成する。この時、第３の犠牲層１８に設けられた開口部１８ａにもキャップ層４１と同じ材料の絶縁膜が埋められ、突起部４２が形成される。この時点では突起部４２と上部電極３１ａとの間には第２の犠牲層１７が介在するため、突起部４２と上部電極３１ａは接していない。
【００２８】
次に、図６（ａ）に示すようにキャップ層４１に、突起部４２が形成された位置を避けるようにしてＲＩＥ法やウエットエッチング法を用いて第１、第２及び第３の犠牲層１６、１７、１８除去のための貫通孔４１ａを形成する。酸素ガスを用いたアッシング法によって貫通孔４１ａを介して第１、第２及び第３の犠牲層１６、１７、１８の除去を行う。これにより上部電極３１ａ、アンカー部３１ｂ及びバネ部３２周辺に空洞が形成される。つまり、上部電極３１ａはバネ部３２を介して上下に可動な状態となる。犠牲層１６、１７、１８を除去し空洞化する際、バネ部３２から上部電極３１ａへの内部応力がはたらき、上部電極３１ａは上側に反ったような凸構造を有する。ここで初めて上部電極３１ａは突起部４２と接することが可能となる。
【００２９】
次に、図６（ｂ）に示すように、ポリイミド系の有機材料をキャップ層４１の上面及び側面に塗布成膜し、パターニングすることにより封止樹脂層４３を形成する。この時封止樹脂層４３は貫通孔４１ａを塞ぐ。ただし、上述したように表面張力によって樹脂が貫通孔４１ａから空洞内に落ちることは無い。最後に、キャップ層４１及び封止樹脂層４３を覆うように支持基板１０全面に防湿膜としての絶縁膜４４をＣＶＤ法等で成膜する。以上のようにして、本実施形態のＭＥＭＳ装置が完成する。
【００３０】
本実施形態に係るＭＥＭＳ装置によれば、キャップ層４１に突起部４２を形成することで上部電極３１ａが任意の位置より上部へ動くことを阻止し、下部電極２１ａと上部電極３１ａ間に形成されるキャパシタの最小容量を安定化することができる。上部電極３１ａは突起部４２と一体化するものではなく、上部電極３１ａは可動であるため、キャパシタの容量を変化させることが可能となる。
【００３１】
また、上部電極３１ａは上側に反った凸構造を有するが、上部電極３１ａを上側に反った凸構造とすれば、上部電極３１ａが何らかの作用によって下側の凹構造となり、キャパシタの容量が大きくなってしまうという問題を回避することが可能となる。
【００３２】
さらに、突起部４２を網目状構造とすることで薄膜ドームの強度を強化できる。
【００３３】
貫通孔４１ａに封止樹脂が充填された場合には、突起部４２を形成することにより、上部電極３１ａが上部に動いた際に封止樹脂と接着し、不動となる問題を回避することができる。貫通孔４１ａを六角形とすることで封止樹脂層が空洞内に落ちることを抑制することができる。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３５】
１０  支持基板
１１  シリコン基板
１２、１５、４４  絶縁膜
１６  第１の犠牲層
１６ａ、１８ａ  開口部
１７  第２の犠牲層
１８  第３の犠牲層
２１ａ  下部電極
２１ｂ  土台
３１ｂ  アンカー部
３１ａ  上部電極
３２  バネ部
４１  キャップ層
４１ａ  貫通孔
４２  突起部
４３  封止樹脂層
【図１】
2017147363.tif 000003
【図２】
2017147363.tif 000004
【図３】
2017147363.tif 000005
【図４】
2017147363.tif 000006
【図５】
2017147363.tif 000007
【図６】
2017147363.tif 000008