JP2014200857A - Ｍｅｍｓ装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可動電極及び梁部を覆うキャップ層に設けた貫通孔からの封止材の侵入を抑制することができ、歩留まり及び信頼性の向上をはかりる。【解決手段】ＭＥＭＳ装置であって、支持基板１０上に設けられた第１の電極２１と、第１の電極２１に対向配置され、且つ第１の電極２１との対向方向に可動可能に設けられた第２の電極３１と、支持基板１０上に設けられ、第２の電極３１を弾性的に支持する梁部３３と、第２の電極３１及び梁部３３の周辺に中空領域を形成しながら、第２の電極３１及び梁部３３を覆うように設けられ、且つ複数の貫通孔４１ａが形成されたキャップ層４１と、キャップ層４１を覆うように、且つ貫通孔４１ａを塞ぐように設けられた封止層４２と、を具備している。そして、キャップ層４１の貫通孔４１ａは、梁部３３上を避けて形成、又は梁部３３上では他よりも径が小さく形成されている。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、ＭＥＭＳ装置及びその製造方法に関する。

可動電極と固定電極で形成されたＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）デバイスは、低損失、高絶縁性、高線形性の特徴を有し、次世代の携帯電話のキーデバイスとして注目されている。さらに、このようなＭＥＭＳの特長を生かし、静電容量を可変できるＭＥＭＳキャパシタが提案されている。

ＭＥＭＳ装置においては、下部の固定電極に対向する可動可能な上部電極及びそれを弾性的に支持する梁部の周辺が中空構造となっている必要がある。そのため、上部電極及び梁部を覆うように犠牲層を形成し、更に犠牲層を覆うように複数の貫通孔を有するキャップ層を形成した後に、犠牲層を除去することにより中空構造を形成する。その後、貫通孔を塞ぐために、キャップ層上に有機材料等の樹脂封止層を形成していた。

しかし、従来構造では、キャップ層上に樹脂封止層を形成するための封止工程において、キャップ層内の中空構造内に貫通孔から有機材料が侵入すると云う問題がある。中空構造内に有機材料が侵入すると、上部電極や梁部の可動を妨げ、最悪の場合は素子が動作しなくなる。即ち、可動電極及び梁部を覆うキャップ層に設けた貫通孔からの封止材の侵入により、歩留まりの低下及び信頼性の低下を招く問題があった。

特許第４５８１０１１号公報

発明が解決しようとする課題は、可動電極及び梁部を覆うキャップ層に設けた貫通孔からの封止材の侵入を抑制することができ、歩留まり及び信頼性の向上をはかり得るＭＥＭＳ装置及びその製造方法を提供することである。

実施形態のＭＥＭＳ装置は、支持基板上に設けられた第１の電極と、前記第１の電極に対向配置され、且つ前記第１の電極との対向方向に可動可能に設けられた第２の電極と、前記支持基板上に設けられ、前記第２の電極を弾性的に支持する梁部と、前記第２の電極及び前記梁部の周辺に中空領域を形成しながら、前記第２の電極及び前記梁部を覆うように設けられ、且つ複数の貫通孔が形成されたキャップ層と、前記キャップ層を覆うように、且つ前記貫通孔を塞ぐように設けられた封止層と、を具備している。そして、前記キャップ層の貫通孔は、前記梁部上を避けて形成、又は前記梁部上では他よりも径が小さく形成されている。

第１の実施形態に係わるＭＥＭＳ装置の概略構成を示す平面図。 図１の矢視Ａ−Ａ’断面図。 第１の実施形態に係わるＭＥＭＳ素子の製造工程を示す断面図。 第１の実施形態に係わるＭＥＭＳ素子の製造工程を示す断面図。 第２の実施形態に係わるＭＥＭＳ素子の要部構成を示す断面図。

以下、実施形態のＭＥＭＳ装置及びその製造方法を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１及び図２は、第１の実施形態に係わるＭＥＭＳ装置の概略構成を説明するためのもので、図１は平面図、図２は図１の矢視Ａ−Ａ’断面図である。

図中の１０は、Ｓｉ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であり、この基板１０には、ロジック回路や記憶回路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。

支持基板１０上に、固定電極としての下部電極（第１の電極）２１と梁部を固定するためのアンカー部２２が形成されている。下部電極２１は、例えば長方形に形成され、例えばアルミニウム（Ａｌ）又はＡｌを主成分とする合金で構成されている。下部電極２１の構成材料は、必ずしもこれらに限らず、銅（Ｃｕ）、又は白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）等であっても良い。さらに、下部電極２１は複数に分割されていても良い。

下部電極２１の表面を覆うように、例えばシリコン窒化膜からなる厚さ１００ｎｍのキャパシタ絶縁膜１５が形成されている。キャパシタ絶縁膜１５の材料としては、シリコン窒化膜に限らず、ＳｉＯｘやＳｉＮよりも高誘電率を有する High-k 膜を用いても良い。

下部電極２１の上方に該電極２１に対向するように、可動電極としての上部電極（第２の電極）３１が配置されている。上部電極３１は、例えばＡｌ，Ａｌ合金，Ｃｕ，Ａｕ，又はＰｔ等の延性材料で形成されている。但し、必ずしも延性材料に限らず、タングステン（Ｗ）等の脆性材料で形成されていても良い。

上部電極３１の一部は、第１バネ部（梁部）３３により支持基板１０上に設けたアンカー部２２に接続されている。即ち、第１バネ部２２の一端がアンカー部２２に固定され、他端が上部電極３１の上面に固定されている。また、第１バネ部３３及びアンカー部２２は、上部電極３１に対して複数箇所に設けられている。第１バネ部３３は、例えばシリコン窒化膜からなり、メアンダ形状に形成されて弾性を有している。そして、このバネ部３３により上部電極３１が上下方向に可動可能となっている。

また、上部電極３１の一部は、図示しない導電性の第２バネ部により支持基板１０上に設けられたアンカー部（図示せず）に接続されている。さらに、第２のバネ部は、上部電極３１の一部が延びて、上部電極３１と一体的に形成されていても良い。第２バネ部は、上部電極３１と導通を取るためのものであり、極めて細いＡｌ等の弾性材料で形成されている。

上部電極３１及び第１バネ部３３の周辺に中空領域を形成しながら、上部電極３１及びバネ部３３を覆うように、シリコン酸化膜からなるキャップ層４１が形成されている。このキャップ層４１には、犠牲層を除去する際に用いる円形の貫通孔４１ａが複数個形成されている。貫通孔４１ａの直径は、犠牲層の除去のためには大きい方か良いが、後述する樹脂封止層を形成する際の樹脂の侵入を防止する観点からは小さい方が良い。本実施形態では、貫通孔４１ａの直径を１０μｍ以下、例えば７μｍとした。

ここで、キャップ層４１に設ける貫通孔４１ａは、従来とは異なり、図１に示すように、バネ部３３上を除く領域に形成されている。犠牲層の除去のためには貫通孔４１ａは均一な配置にするのが望ましいが、バネ部３３上に配置しないことから、完全に均一に配置することはできない。そこで本実施形態では、バネ部３３上を除く領域、即ち上部電極３１上では隣接する３つが正三角形を成すように均一に配列されている。

発明者らの検討により、貫通孔の配列によって、犠牲層を除去する際に、犠牲層が除去しきれないことがあることが分かった。例えば、２次元格子の正方格子に貫通孔を配列した場合、犠牲層を除去する際に、格子の中心部分の犠牲層が除去しきれないことがあることが分かった。

そこで、Ｘ方向，Ｙ方向に２次元格子の正方格子として配列した貫通孔について、正方格子の格子をＹ方向にずらして配列させた斜方格子（正方格子を構成していた４つが平行四辺形）に配列することによって、最も近い貫通孔から中心部分までの距離が短くなり、犠牲層を容易に除去することができる。

また、同様に、２次元格子の長方格子の格子をＹ方向にずらして配列させることによって、長方格子に配列させた場合に比べて、最も近い貫通孔から中心部分までの距離が短くなり、犠牲層を容易に除去することができる。

また、２次元格子の長方格子の格子をＹ方向にずらして六方格子（正方格子を構成していた４つがひし形、隣接する３つが正三角形）に配列することにより、貫通孔を均一に配列しつつ、最も近い貫通孔から中心部分までの距離を短くすることができ、犠牲層をより容易に除去することができる。即ち、一つの貫通孔から見て隣接する６つをハニカム模様のような配列とすることによって、犠牲層除去を容易に行うことができる。

なお、犠牲層の除去のためにバネ部３３上にも貫通孔４１ａが必要な場合は、バネ部３３上の貫通孔４１ａの直径を上部電極３１上の貫通孔４１ａの直径よりも小さくすれば良い。

次に、本実施形態のＭＥＭＳ装置の製造方法を、図３及び図４を参照して説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ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、Ａｌ等の金属膜を数百ｎｍ〜数μｍ厚で形成し、これをパターニングすることにより、下部電極２１及びアンカー部２２を形成する。続いて、下部電極２１を覆うように支持基板１０上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等でＳｉＮ等のキャパシタ絶縁膜１５を形成する。キャパシタ絶縁膜１５の材料としては、シリコン窒化膜に限らず、ＳｉＯｘやＳｉＮよりも高誘電率を有する High-k 膜を用いても良い。

次いで、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。なお、パターニング方法については犠牲層１６を数百ｎｍ〜数μｍ厚で塗布後に感光露光／現像してパターニングしても良いし、犠牲層１６上に通常のリソグラフィー法で形成したレジストパターンとＥＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用いて形成しても良い。さらに、犠牲層１６上に成膜したＳｉＯ膜等を、通常のリソグラフィー法によるレジストパターンとＲＩＥ法又はウェットエッチング法によってパターニングしてハードマスクを形成し、このハードマスクを用いてパターン形成しても良い。

次いで、上部電極及びアンカー部の形成のために、Ａｌ等の金属膜３０を数百ｎｍ〜数μｍの膜厚で形成し、不要部分を除去する。

次いで、図３（ｂ）に示すように、金属膜３０をパターニングして上部電極３１とアンカー部３２を形成する。続いて、上部電極３１とアンカー部３２をつなぐ第１バネ部（梁部）３３を形成する。このバネ部３３の形成には、シリコン窒化膜等を成膜した後に、ＲＩＥでバネ部の形状にパターニングすればよい。ここで、上部電極３１とアンカー部３２との間の隙間を予め犠牲層１６と同じ材料で埋めておいても良い。

なお、図３ではアンカー部２２の上にアンカー部３２を形成し、アンカー部３２にバネ部３を固定するようにしたが、前記図２に示すように、アンカー部２２上にバネ部３３を直接固定するようにしても良い。図３に示すように、アンカー部２２上にアンカー部３２を形成し、バネ部３３を固定する部分を上部電極３１と同じ高さにしておくことにより、バネ部３３を上部電極３１の表面と平行な面内で平坦に形成することができる。

なお、上部電極３１とバネ部３３を形成するプロセス順は、上部電極形成後にバネ部３３をパターニングしても良いし、バネ部３３をパターニングしてから上部電極３１を形成しても良い。

続いて、薄膜ドーム形成工程に入る。

図３（ｃ）に示すように、上部電極３１，アンカー部３２，及びバネ部３３を覆うように、ポリイミド等の有機材料からなる第２の犠牲層１７を塗布形成する。この犠牲層１７は、数百ｎｍ〜数μｍ厚で塗布後、パターニングを行って所望の形状を得る。パターニング方法については、犠牲層１７を数百ｎｍ〜数μｍ厚で塗布後に感光露光／現像してパターニングしても良いし、犠牲膜１７上に通常のリソグラフィー法で形成したレジストパターンとＲＩＥ法を用いて形成しても良い。さらに、犠牲層１７上に成膜したＳｉＯ膜等を通常のリソグラフィー法によるレジストパターンとＲＩＥ法又はウェットエッチング法によってハードマスクとしてパターニングした層を用いてパターン形成しても良い。

続いて、薄膜ドーム形成のために、ＳｉＯ等の絶縁膜をＣＶＤ法等で数百ｎｍ〜数μｍ厚に成膜した後、通常のリソグラフィー法によってレジストを塗布して感光パターニングを行うことにより、キャップ層４１を形成する。

次いで、図４（ｄ）に示すように、ＲＩＥ法やウェットエッチング法を用いて、キャップ層４１に犠牲層１６，１７の除去のための円形の貫通孔４１ａを形成する。このとき、ドーム内部に形成されたバネ部３３の上部には、貫通孔４１ａを配置しない。また、上部電極３１上では、隣接する３つが正三角形の配置となるように貫通孔４１ａを配置する。

なお、犠牲層の除去のためにバネ部３３上にも貫通孔４１ａが必要な場合は、バネ部３３上の貫通孔４１ａの直径を上部電極３１上の貫通孔４１ａの直径よりも小さくする。具体的には、樹脂封止層４２の形成の際に封止樹脂が殆ど侵入しない程度に小さくする。これにより、バネ部３３上の貫通孔４１ａからの封止樹脂の浸入を回避することが可能となる。

次いで、Ｏ₂ ガス等を用いたアッシングによる手法によって、図４（ｅ）に示すように、貫通孔４１ａを介して第１及び第２の犠牲層１６，１７の除去を行う。これにより、上部電極３１及びバネ部３３の周辺に中空構造を作製する。即ち、上部電極３１及びバネ部３３を可動可能な状態にする。

最後に、図４（ｆ）に示すように、ポリイミド等の有機材料を塗布成膜し、パターニングすることにより樹脂封止層４２を形成する。パターニング方法については樹脂封止層４２を数百ｎｍ〜数μｍ厚で塗布後に感光露光／現像してパターニングしても良いし、或いは、樹脂封止層４２上に通常のリソグラフィー法で形成したレジストパターンとＲＩＥ法を用いて形成しても良い。さらに、樹脂封止層４２上に成膜したＳｉＯ膜等を通常のリソグラフィー法によるレジストパターンとＲＩＥ法又はウェットエッチング法によってハードマスクとしてパターニングした層を用いてパターン形成しても良い。

これ以降は、図示はしていないが、防湿膜としての役割を果たすＳｉＮ等の絶縁膜をＣＶＤ法等で数百ｎｍ〜数μｍ厚に成膜した後、通常のリソグラフィー法とＲＩＥ法又はウェットエッチング法による電極開口などのパターン形成を行って、薄膜ドーム構造が完成する。

このように本実施形態では、キャップ層４１に設ける貫通孔４１ａを、バネ部３３上を避けて形成、又はバネ部３３上では貫通孔４１ａの直径を小さくしているため、薄膜ドーム内への樹脂の侵入を抑制することができる。これは、次のような理由による。

前記図４（ｆ）に示す封止樹脂を設ける際には、キャップ層４１の貫通孔４１ａから薄膜ドーム内に有機樹脂が少しはみ出すのを避けられない。しかし、有機樹脂のキュアにより樹脂が縮むため、薄膜ドーム内に侵入した有機樹脂は元に戻ると考えられる。

ここで、バネ部３３は薄膜ドーム内で最も高い位置にあり、キャップ層４１の貫通孔４１ａの下面からバネ部３３までの距離は短い。バネ部３３上に貫通孔４１ａが存在すると、貫通孔４１ａから薄膜ドーム内に侵入した樹脂がバネ部３３に接触してしまう。バネ部３３に樹脂が接触すると、樹脂はバネ部３３に吸着すると共に益々薄膜ドーム内に侵入することになる。この場合、有機樹脂をキュアしても薄膜ドーム内に樹脂が残存することになる。これは、バネ部３３のスムーズな可動を妨げる要因となる。

これに対し本実施形態では、バネ部３３上には貫通孔４１ａを設けないようにしているので、封止工程にて有機材料が貫通孔４１ａから薄膜ドーム内に浸入してバネ部３３に接触するのを未然に防止することができる。バネ部３３上に設ける貫通孔４１ａの直径を小さくしても同様の効果が得られる。つまり、薄膜ドーム内への樹脂の残存を防止でき、バネ部３３の稼働を妨げる要因を無くすることができる。

このように本実施形態によれば、薄膜ドーム形成のためのキャップ層４１に設ける貫通孔４１ａを、バネ部３３上を避けて形成、又はバネ部３３上では貫通孔４１ａの直径を小さくしているため、薄膜ドーム内への樹脂の侵入を抑制することができる。従って、ＭＥＭＳ装置の歩留まり及び信頼性の向上をはかることができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係わるＭＥＭＳ装置の要部構成を示す断面図である。なお、図２と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、バネ部３３よりもキャップ層４１の下面に近い部分が存在する場合に、この部分における貫通孔４１ａを無くしたことである。

本実施形態では、上部電極３１上に、例えば電極３１の抵抗値を下げるための導電膜３５が更に形成され、導電膜３５の上面はバネ部３３よりも高くなっている。この場合、前記図４（ｆ）の工程で、導電膜３５に封止樹脂が接触する恐れがある。

そこで本実施形態では、バネ部３３のみではなく、導電膜３５上を避ける領域に貫通孔４１ａを形成している。なお、犠牲層の除去のためにバネ部３３及び導電膜３５上にも貫通孔４１ａが必要な場合は、バネ部３３及び導電膜３５上の貫通孔４１ａの直径を電極３１上の貫通孔４１ａの直径よりも小さくすればよい。これにより、バネ部３３及び導電膜３５上の貫通孔４１ａからの封止樹脂の浸入を回避することが可能である。

また、導電膜３５に限らず、上部電極２２上に何らかの部材を設置した場合に、この部材とキャップ層の下面との距離が一定値よりも短くなる近接部分に関して、上記と同様に、近接部分上には貫通孔４１ａを配置しない、又は近接部分上の貫通孔４１ａの直径を他よりも小さくする。なお、ここで云う近接部分とは、キャップ層４１上に有機樹脂を塗布した際に、貫通孔４１ａを介してドーム内に侵入する樹脂の最大長さよりも短い部分である。

このように本実施形態によれば、キャップ層４１に設ける貫通孔４１ａを、キャップ層４１の下面と該キャップ層４１内の部材との対向距離が所定以下の近接部分を避けて形成、又は該近接部分では他よりも貫通孔４１ａの直径を小さくすることにより、近接部分において貫通孔４１ａからの封止樹脂の浸入を回避することが可能である。従って、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。

支持基板は、Ｓｉ基板上にシリコン酸化膜を形成したものに限らず、ガラス等の絶縁基板を用いることも可能である。上部電極の梁部は必ずしも上部電極と異なる材料で形成することに限らず、上部電極と同じ材料で同時に形成することも可能である。

実施形態は、上下電極間に電圧を印加して静電力で駆動させる方式であるが、電極を積層の異種金属で形成してその圧電力で駆動する方式のＭＥＭＳ構造体にも適用できる。

実施形態ではＭＥＭＳキャパシタの例で説明したが、ＭＥＭＳスイッチでも適用可能である。この場合、下部電極上に形成するキャパシタ絶縁膜の一部、例えば上部信号電極と接触する箇所をパターニングとエッチングにより除去することで下部電極表面を露出させる。これにより、上部電極と下部電極によるスイッチが形成され、上下駆動電極により電極が駆動することによりスイッチが動作する。

実施形態では、下部電極と上部電極の２つの電極を用いた例で説明したが、３つ以上の電極（例えば固定した上部電極と固定した下部電極と可動する中間電極）で構成されたＭＥＭＳにも適用可能である。更に、電極の大きさは必要な静電容量により自由に設計できる。

また、キャップ層に設ける貫通孔の開口形状は必ずしも円形に限らず、楕円形であっても良いし多角形であっても良い。さらに、実施形態では貫通孔はキャップ層の上壁側のみに形成したが、側壁側に形成することも可能である。

本発明の幾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同様に、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ものである。

１０…支持基板
１１…Ｓｉ基板
１２…シリコン酸化膜
１５…シリコン窒化膜（キャパシタ絶縁膜）
１６…第１の犠牲層
１７…第２の犠牲層
２１…下部電極（第１の電極）
２２…アンカー部
３０…金属膜
３１…上部電極（第２の電極）
３２…アンカー部
３３…第１バネ部（梁部）
３５…導電膜
４１…キャップ層
４１ａ…貫通孔
４２…樹脂封止層

Claims (6)

1. 支持基板上の一部に設けられた第１の電極と、
   前記第１の電極に対向配置され、且つ前記第１の電極との対向方向に可動可能に設けられた第２の電極と、
   前記支持基板上に設けられ、前記第２の電極を弾性的に支持する梁部と、
   前記第２の電極及び前記梁部の周辺に中空領域を形成しながら、前記第２の電極及び前記梁部を覆うように設けられ、且つ複数の貫通孔が形成されたキャップ層と、
   前記キャップ層を覆うように、且つ前記貫通孔を塞ぐように設けられた封止層と、
   を具備し、
   前記キャップ層の貫通孔は、前記キャップ層と該キャップ層内の部材との対向距離が所定以下の近接部分を避けて形成、又は該近接部分では他よりも径が小さく形成されていることを特徴とするＭＥＭＳ装置。
2. 支持基板上に設けられた第１の電極と、
   前記第１の電極に対向配置され、且つ前記第１の電極との対向方向に可動可能に設けられた第２の電極と、
   前記支持基板上に設けられ、前記第２の電極を弾性的に支持する梁部と、
   前記第２の電極及び前記梁部の周辺に中空領域を形成しながら、前記第２の電極及び前記梁部を覆うように設けられ、且つ複数の貫通孔が形成されたキャップ層と、
   前記キャップ層を覆うように、且つ前記貫通孔を塞ぐように設けられた封止層と、
   を具備し、
   前記キャップ層の貫通孔は、前記梁部上を避けて形成、又は前記梁部上では他よりも径が小さく形成されていることを特徴とするＭＥＭＳ装置。
3. 前記梁部は、前記第２の電極とは異なる材料で形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のＭＥＭＳ装置。
4. 前記梁部の一端は前記支持基板上に設けたアンカー部に固定され、他端は前記第２の電極の上面に固定されていることを特徴とする、請求項３記載のＭＥＭＳ装置。
5. 前記貫通孔は、前記近接部分又は前記梁部上を除く領域では、隣接する３つで正三角形を成すように配置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のＭＥＭＳ装置。
6. 支持基板上の一部に第１の電極を形成する工程と、
   前記第１の電極を覆うように第１の犠牲層を形成する工程と、
   前記第１の犠牲層上に前記第１の電極の対向方向に可動可能な第２の電極及び該第２の電極を弾性的に支持する梁部を形成する工程と、
   前記第２の電極及び前記梁部を覆うように第２の犠牲層を形成する工程と、
   前記第２の犠牲層を覆うようにキャップ層を形成する工程と、
   前記キャップ層に複数の貫通孔を形成し、且つ該貫通孔を前記キャップ層と該キャップ層内の部材との対向距離が所定以下の近接部分を避けて形成、又は該近接部分では他よりも径を小さく形成する工程と、
   前記キャップ層の貫通孔を介して前記第１及び第２の犠牲層を除去する工程と、
   前記犠牲層を除去した後に、前記キャップ層を覆い、且つ前記貫通孔を塞ぐように封止層を形成する工程と、
   を含むことを特徴とするＭＥＭＳ装置の製造方法。

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