CN1986384A - 具有横梁结构的器件和半导体器件 - Google Patents

Abstract

一种具有横梁结构的器件包括衬底、分别设置在该衬底上面和之上的锚定件和空腔、以及横梁结构，该横梁结构设置在锚定件上面和空腔之上，在第一方向上延伸，并且包括多个凸起部分和多个凹进部分，每个凸起部分具有提供凸起弯曲这样的应力梯度，而每个凹进部分具有提供凹进弯曲这样的应力梯度。凸起部分和凹进部分交替重复布置。

Description

具有横梁结构的器件和半导体器件

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2005年12月20日提交的在先日本专利申请No.2005-366648的优先权的权益，这里引入其全部内容作为参考。

背景技术

发明领域

本发明一般地涉及一种具有横梁结构的器件，和半导体器件，尤其涉及包括MEMS(微机电系统)器件的器件和半导体器件。

相关技术的描述

近年来，微机械技术尺寸的减少已经不断地发展。微机械技术包括MEMS技术。MEMS技术是使用半导体工艺技术精细地制造可移动的三维器件的技术。

例如，作为使用MEMS技术制造的器件，已经主要研究和研发了可变电容器、开关、加速度传感器、压力传感器、RF(射频)滤波器、陀螺仪和镜面装置。

在使用MEMS技术在空腔上制造横梁的情况中，非常重要的一点是，怎样抑制由于构成横梁的层中的残余应力产生的弯曲。例如，在MEMS可变电容器的情况中，如果在构成可变电容器的电极层中出现弯曲，则不可能获得所需的电容值。而且，如果在移动电极层的致动器中出现弯曲，则可变电容器的电容值不可能在所需的电压值上变化。

由于残余压力导致的这种弯曲容易出现在由两个或者多个层形成横梁的情况中。原因是难以平衡各个层中残余应力的值。例如，在压电型可变电容器或者开关的情形中，在压电致动器中至少需要使用三个层，因此尤其容易出现弯曲。作为相关的技术，公开了涉及压电致动器的弯曲的技术(参见Myeong-Jin Kim和Young-Ho Cho，Transducer′99，1999年6月7-10日，第1758-1761页的“DESIGN，FABRICATION ANDCHARACTERIZATION OF PIEZOELECTRIC  MULTI-LAYERCANTILEVER MICROACTUATOR FOR THE MINIMUM INITIALDEFLECTION”)。

发明内容

根据本发明的第一方案，提供了一种具有横梁结构的器件，包括：

衬底；

分别设置在衬底上面和之上的锚定件和空腔；以及

横梁结构，其设置在锚定件上面和空腔之上，在第一方向上延伸，并包括多个凸起部分和多个凹进部分，每个凸起部分具有提供凸起弯曲这样的应力梯度，并且每个凹进部分具有提供凹进弯曲这样的应力梯度，

其中凸起部分和凹进部分交替重复地布置。

根据本发明的第二方案，提供了一种具有横梁结构的器件，包括：

衬底；

分别设置在衬底上面和之上的锚定件和空腔；以及

横梁结构，其设置在锚定件上面和空腔之上，在第一方向上延伸，并包括基底部分和支撑部分，

其中支撑部分包括具有提供凸起弯曲这样的应力梯度的第一凸起部分，和具有提供凹进弯曲这样的应力梯度的第一凹进部分，该支撑部分调节基底部分的高度，该高度不同于锚定件的高度。

根据本发明的第三方案，提供了一种半导体器件，包括：

衬底；

分别设置在衬底上面和之上的锚定件和空腔；以及

致动器，其设置在锚定件上面和空腔之上，并在第一方向上延伸；以及

多个第一调节层，其部分地添加到致动器并调节致动器的弯曲。

附图说明

图1是用于解释由多个层构成的悬臂的弯曲的剖面图；

图2是根据本发明第一实施例的包括悬臂的器件的平面图；

图3是沿着图2中的线III-III截取的剖面图；

图4是示出了由多个层构成的悬臂的结构的另一个例子的剖面图；

图5是示出了由单层构成的悬臂的结构的剖面图；

图6是用于解释设置凸起部分和凹进部分之间的长度比率的剖面图；

图7示出了用有限元方法模拟悬臂弯曲的结果；

图8是示出了图7中所示的悬臂的三种情形(情形1到情形3)的条件列表；

图9是通过有限元方法示出悬臂的弯曲的透视图；

图10是示出了当ρ1/ρ2变化时根据有限元方法(泊松比v＝0.3)的完全和理论值的曲线；

图11是示出了用于调节横梁弯曲的调节层17的平面图案的第一例子的平面图；

图12是示出了调节层17的平面图案的第二例子的平面图；

图13是示出了调节层17的平面图案的第三例子的平面图；

图14是示出了调节层17的平面图案的第四例子的平面图；

图15是示出了调节层17的平面图案的第五例子的平面图；

图16是示出了调节层17的平面图案的第六例子的平面图；

图17是根据本发明第二实施例的包括悬臂的器件的平面图；

图18是沿着图17的线XVIII-XVIII截取的器件的剖面图；

图19是根据本发明的第三实施例的半导体器件的平面图；

图20是沿着图19的线XX-XX截取的半导体器件的剖面图；

图21是根据本发明的第四实施例的半导体器件的平面图；

图22是沿着图21的线XXII-XXII截取的半导体器件的剖面图；

图23是示出了第四个实施例的变形的剖面图；

图24是根据本发明的第五实施例的半导体器件的平面图；

图25是沿着图24的线XXV-XXV截取的半导体器件的剖面图；

图26是沿着图24的线XXVI-XXVI截取的半导体器件的剖面图；

图27是根据本发明的第六实施例的半导体器件的平面图；

图28是沿着图27的线XXVIII-XXVIII截取的半导体器件的剖面图；以及

图29是沿着图27的线XXIX-XXIX截取的半导体器件的剖面图。

具体实施方式

现在将参考附图说明本发明的实施例。在下面的说明中，用相同的附图标记表示具有相同功能和结构的元件，并只在需要的地方给出重复描述。

首先，解释根据本发明的实施例的器件的原理(将要结合第一和第二实施例进行说明)，其后将描述特定半导体器件的结构。

(第一实施例)

首先解释横梁的弯曲(即，弯曲量)。图1是用于解释由多个层构成的悬臂的弯曲的剖面图。

由m个数量的层构成的悬臂(或者横梁)设置在锚定件侧面上。具体地，悬臂设置在空腔之上。悬臂的多层具有残余的应力(也称作“内应力”)。如果层叠具有不同残余应力的两层，则在层的厚度方向上产生应力梯度。类似地，由于包括多层的悬臂中的应力梯度而产生弯曲。在下面的描述中，应力梯度指的是膜厚度方向上的应力梯度。

如图1所示，在第i(i＝1，2，……，m)层的膜厚度、残余应力和杨氏模量分别是t_i、σ_i和E_i的情况下，出现具有由公式(1)表达的曲率半径ρ的弯曲。在公式(1)中，hi由公式(2)定义。

$\frac{1}{\mathrm{\ρ}}=\frac{6\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i(h_i-h_{i-1})\right)\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i(h_i^2-h_{i-1}^2)\right)-6\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i(h_i^2-h_{i-1}^2)\right)\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i(h_i-h_{i-1})\right)}{3{\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i(h_i^2-h_{i-1}^2)\right)}^2-4\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i(h_i-h_{i-1})\right)\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i(h_i^3-h_{i-1}^3)\right)}$

...(1)

$h_i=\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{t}_j---\left(2\right)$

在公式(1)中，如果曲率半径ρ是正值，则出现凹进的弯曲。如果曲率半径ρ是负值，则出现凸起的弯曲。如果x方向上悬臂的长度是L，则由公式(3)给出弯曲z。

$Z=\frac{L^2}{2\mathrm{\ρ}}---\left(3\right)$

即使在具有应力梯度的单层悬臂的情况中，通过减小膜厚度t_i和充分地增加m可以通过公式(2)来表达弯曲。

在悬臂由两层构成的情形中，只通过上下层的残余应力的相对大小来决定弯曲的方向。然而，在悬臂由三层或者更多层构成的情况中，如公式(2)所表示的，通过每层的膜厚度和杨氏模量，以及每层的残余应力来决定弯曲的方向。

图2是根据本发明第一实施例的包括悬臂的器件的平面图。图3是沿着图2的线III-III截取的剖面图。如果构成悬臂的每个层具有满足预定条件的应力，则其可以是绝缘层或者金属层。因此，在图3的剖面中，省略了每层的阴影线。后面将要介绍的图4到图6也是如此。

在衬底11上设置锚定件12。在衬底11上面部分地设置锚定件12。缺少锚定件12的区域是空腔13。

悬臂16设置在锚定件12和空腔13之上。具体地，悬臂16的一端部分(近端部分)设置在锚定件12上面，使得悬臂16从锚定件12之上突出到空腔13之上。悬臂16的另一端部分(远端部分)设置在空腔之上，并且不固定。

悬臂16包括第一层14、设置在第一层14上面的第二层15和部分设置在第二层15上面的多个调节层(例如，在该实施例中的三个调节层17-1，17-2和17-3)。第一层14和第二层15具有残余的应力。残余应力是层本身拥有的、且不依赖于外力的应力。

第二层15具有比第一层14更大的拉伸特性。例如，第二层15具有拉应力，而第一层14具有压应力。用正号定义拉应力。用负号定义压应力。

如果第一层 14和第二层15的残余应力相对不同，则其就应当满足了需要。因此，可能的是，第一层14和第二层15具有拉应力，并且第二层15的拉应力相对大于第一层14的拉应力。或者，可能的是，第一层14和第二层15都具有压应力，并且第一层14的压应力相对大于第二层15的压应力。

因此，由第一层14和第二层15形成的横梁部分16C(也就是悬臂16排除了调节层17的部分)具有提供凹进弯曲的应力梯度。因此，横梁部分16C向上弯曲。用语“向上弯曲”指的是横梁的两个端部分以横梁的中心部分的接触线向上地设置。

悬臂16包括部分地设置在第二层15上的调节层17(17-1，17-2，17-3)。调节层17的残余应力相对小于横梁部分16C的残余应力。换句话说，调节层17具有比第二层15更大的压缩特性。例如，调节层17具有压应力。

由此，设置了调节层17-1，17-2和17-3的悬臂16的段在反向方向上具有弯曲。具体地，设置了调节层17-1，17-2和17-3的悬臂16的段具有凸起形状，而没有设置调节层17-1，17-2和17-3的悬臂16的段具有凹进形状。

凸起段(凸起部分16A)具有提供凸起弯曲这样的应力梯度。凹进段(凹进部分16B)具有提供凹进弯曲这样的应力梯度。如图3所示，设置悬臂16，使得多个凸起部分16A和多个凹进部分16B交替设置。

如果充分减小包括悬臂16的一个凹进部分和一个凸起部分的一个单元的长度，同时固定(调节)凸起部分16A和凹进部分16B之间的长度的比例，则可以形成作为一个整体基本上具有平坦形状的悬臂16。换句话说，悬臂16基本上平行于衬底11。在该文本中，具有基本上平坦形状的悬臂16指的是，当观察悬臂16的整体时，不是完全平坦但是在预定方向上延伸的悬臂16。

对形成调节层的方法没有限制。例如，在第二层15上形成具有压应力的层，并部分地刻蚀掉该层。由此，形成调节层17-1，17-2和17-3。或者，通过升高(lift-off)方法可以在第二层15上部分地形成调节层17-1，17-2和17-3。

同时，可以基本上使朝下弯曲的横梁部分16C变平坦。图4是示出由多个层构成的悬臂的结构的另一个例子的剖面图。

第二层15的残余应力相对小于第一层14的残余应力。换句话说，第二层15具有比第一层14更高的压缩特性。例如，第一层14具有拉应力，而第二层15具有压应力。因此，由第一层14和第二层15形成的横梁部分16C具有提供凸起弯曲的应力梯度。因此，横梁部分16C向下弯曲。

悬臂16包括部分地设置在第二层15上的调节层17(17-1，17-2，17-3)。调节层17的残余应力相对大于横梁部分16C的残余应力。例如，调节层17具有拉应力。

因此，设置了调节层17-1，17-2和17-3的悬臂16的段在相反的方向上具有弯曲。具体地，没有设置调节层17-1，17-2和17-3的悬臂16的段具有凸起形状，而在设置调节层17-1，17-2和17-3的悬臂16的段具有凹进形状。如图4所示，设置悬臂16，使得多个凸起段(凸起部分16A)和多个凹进段(凹进部分16B)交替布置。

如果包括悬臂16的一个凹进部分和一个凸起部分的一个单元的长度充分减小，同时固定凸起部分16A和凹进部分16B之间的长度的比例，则可以形成作为一个整体基本上是平的，并基本上平行于衬底的悬臂16。该方法还可以应用于两端固定的横梁。

基本上使由单层构成的悬臂变平也是可能的。图5是示出由单层构成的悬臂的结构的剖面图。

第一层14设置在锚定件12和空腔13之上。即使在横梁具有单层结构而不是两层结构的情况中，如果单层在它的膜厚度方向上具有应力梯度，则横梁弯曲。在膜厚度方向上，第一层14的上部分具有比其下部分更大的残余应力。在这种情况下，第一层14向上弯曲。

悬臂16包括部分地设置在第一层14上的调节层17(17-1，17-2和17-3)。调节层17的残余应力相对小于第一层14的残余应力。因此，交替地重复设置凸起部分16A和凹进部分16B，并且可以基本上使悬臂16变平。

接下来，对凹进部分和凸起部分之间的长度比例的设置方法进行说明。图6是用于解释设置凹进部分和凸起部分之间的长度比例的剖面图。一个凸起部分16A和一个凹进部分16B构成一个单元。考虑具有对应于n个单元的凸起和凹进部分的长度L的悬臂16。假定凹进部分16B的曲率半径是ρ1，凸起部分16A的曲率半径是ρ2，凹进部分16B的总长度是L1，而凸起部分16A的总长度是L2(也就是，L＝L1+L2)。而且，假定θ1＝L1/ρ1，θ2＝L2/ρ2，以及φ＝(θ1-θ2)/2。

在这种情况中，用公式(4)表示悬臂的弯曲Δz(n)。

$\mathrm{\Δz}\left(n\right)=\frac{2\sin \mathrm{\φ}}{\sin (\mathrm{\φ}/n)}[\mathrm{\ρ}1\sin \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2n}\right)\sin (\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2n}+\mathrm{\φ})+\mathrm{\ρ}2\sin \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2n}\right)\sin (\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2n}+\mathrm{\φ})]\·\·\·$

(4)

如果n足够大，则公式(4)收敛到公式(5)。

$\mathrm{\Δz}(\∞)=\frac{L}{\mathrm{\φ}}\mathrm{si}{n}^2\mathrm{\φ}...\left(5\right)$

当L1/L2＝ρ1/ρ2时，公式(5)的右侧是0。这意味着，如果使得凹进部分和凸起部分之间的长度的比例等于曲率半径的比例，则基本上可以消除横梁的弯曲。

实际上，由于n取的是有限值，因此不能获得用公式(5)本身表达的状态。然而，通过使用半导体器件的微制造技术，相对于悬臂的长度L，可以充分地减少凹进和凸起部分的一个单元的长度。由此考虑用充分良好地近似来确定公式(5)。

凹进和凸起部分的一个单元的弯曲正比于(Li/n)2/(2ρi)，(i＝1，2)，也就是，最小单元Li/n的平方。因此，当n足够大时，实际上消除了悬臂下表面上的凹进/凸起的不规则，并且下表面基本上变得平坦。例如，在将该横梁结构应用到可变电容器的电极层的情况中，形成电极层的横梁的长度大约是100μm。另一方面，凹进部分和凸起部分的最小单元的长度Li/n可以设置为大约1μm。因此，形成可变电容器的电极层的表面基本上变平坦。后面将介绍可变电容器的具体结构。

图7示出了用有限元方法模拟的悬臂弯曲的结果。图8是示出了图7中所示的悬臂的三种情形(情形1到情形3)的条件的表格。图9是描述了通过有限元方法计算的悬臂弯曲的透视图。

在MEMS中使用的悬臂材料的典型泊松比v大约是0.3。因此，图7示出了当泊松比v＝0.3时用有限元方法模拟的结果，当泊松比v＝0时用有限元方法的模拟结果，以及相对于图8中所示的三种情形，基于理论公式(公式(5))计算的理论值。在图7中，横坐标表示悬臂的分隔数(也就是，每个都包括凹进部分和凸起部分的单元数量)，而纵坐标表示弯曲(μm)。

在图7中，理论值具有均匀的趋势。然而，由于不考虑泊松比的影响，因此误差随着分隔数n的增加而增加。图10示出了理论值的弯曲和基于有限元方法(泊松比v＝0.3)的弯曲。在图10中，横坐标表示ρ1/ρ2以及纵坐标表示弯曲(μm)。

如图10所示，在弯曲变为零时ρ1/ρ2的理论值是0.8，但是在考虑泊松比的有限元方法中它是1.1。在两个值之间存在38％的误差。考虑这样的事实，即误差随着分隔数的增加而增加并且存在具有大于等于0.3的泊松比的材料，应当认为在理论公式中存在大约±40％的误差。因此，在从ρ1/ρ2决定L1/L2的情况中，也应当认为高达大约±40％的误差是容许的。

上述的讨论基于二维模型。不考虑横梁的三维影响，也就是在深度方向的影响。公式(4)和公式(5)相对于具有小宽度的横梁是有效的，也就是在深度方向具有小尺寸的横梁，但是近似的程度相对于具有大宽度的横梁不是很好。然而，通过重复设置凹进和凸起部分来消除弯曲的概念仍然是有效的。因此，相对于具有大宽度的横梁，应当考虑到其上形成凹进或者凸起部分的膜的平面图案来调整凹进部分和凸起部分之间的比例。

下面将介绍用于调节横梁的弯曲的调节层17的平面图案的例子。图11是示出调节层17的平面图案的第一例子的平面图。横梁部分16C(包括第一层14和第二层15)在X方向上延伸并具有预定的宽度(在Y方向的长度)，并具有例如矩形平面形状。在横梁部分16C上设置用于调节横梁部分16C的弯曲的调节层17。

调节层17具有带状。具体地，调节层17包括多个调节层部分。每个调节层部分在Y方向上线性地延伸。每个调节层部分具有预定的宽度(在X方向上的长度)。该预定宽度对应于上面提到的凹进部分或者凸起部分的长度。而且，两个相邻调节层部分之间的间隔对应于凹进部分或者凸起部分的长度。通过形成带状的调节层17，可以调节层具有大宽度的横梁的弯曲。

图12示出了调节层17的平面图案的第二例子。第二例子是第一个例子的变形。第二例子的调节层17具有砖块状的布置。具体地，在该调节层17中，在一个点或者多个点处隔开第一例子中所示的每个调节层部分。在图12的例子中，其每一个都在一个点处隔开的调节层部分和其每一个都在两个点处隔开的调节层部分交替设置。隔开调节层部分的部分的宽度例如等于两个相邻调节层部分的间隔。

当线性延伸的层的长度增加时，容易在设置层的部分上出现弯曲。因此，如在第二例子中所示的，通过用任意长度分隔调节层部分，减少了Y方向上调节层部分的长度。因此，和第一个例子相比，可以减小横梁在Y方向上的弯曲。

图13示出了调节层17的平面图案的第三例子。在第三个例子的调节层17中，布置横梁部分16C，使得当从上面观察横梁16时，其具有格子形状。具体地，调节层17由多个调节层部分构成，并且每个调节层部分具有例如正方形形状。在X方向和Y方向上以预定间隔布置多个调节层部分。在第三个例子中，和第二个例子比较，可以进一步减小横梁在Y方向上的弯曲。

图14示出了调节层17的平面图案的第四例子。第四个例子的调节层17具有蜂窝形状。具体地，调节层17包括多个调节层部分，并且每个调节层部分具有例如六边形形状。布置调节层部分，使得两个相邻调节层部分的两个相对侧之间的间隔是相等的。

图15示出了调节层17的平面图案的第五例子。第五个例子的调节层17具有瓦片状的布置。具体地，调节层17由多个瓦片17A构成，并且每个瓦片17A具有带状。每个瓦片17A由分别线性延伸的多个调节层部分构成。

而且，瓦片17A包括第一瓦片17A-1和第二瓦片17A-2，在第一瓦片17A-1中，形成瓦片17A的多个线性调节层部分在X方向上延伸，在第二个瓦片17A-2中，形成瓦片17A的多个线性调节层部分在Y方向上延伸。第一瓦片17A-1和第二瓦片17A-2在X方向和Y方向上交替布置，由此构成具有瓦片状布置的调节层17。

在第五个例子中，每个调节层部分长度很小，因此可以减小由于调节层部分引起的横梁的弯曲。而且，没有提供调节层部分的横梁部分16C很难以线性连续形状延伸。因此，可以减小横梁部分16C的弯曲。

图16示出了调节层17的平面图案的第六例子。第六个例子的调节层17具有Z字型形状。具体地，调节层17包括多个调节层部分，并且每个调节层部分具有Z字型形状。每个调节层部分和相邻调节层部分以预定的间隔设置。

在调节层17的平面图案的第一到第六例子中的第四和第六个例子中，在除了外围区域之外的任何位置，凹进或者凸起部分没有在很长的距离上线性延伸。在第四和第六例子中，当在任意方向上切割横梁时，调节层17总是存在的。因此，作为整体，可以有效地消除表面上的弯曲。而且在第五例子中，如上所述，线性连续延伸层的区域很小，因此作为整体可以有效地消除表面上的弯曲。

另一方面，在第一到第三例子的平面图案的情况中，和第四到第六个例子相比，容易出现表面上的弯曲。然而，在X方向和Y方向上的横梁的长度不是非常大的情况中，可以充分地抑制弯曲。如果Y方向上的弯曲是有意产生的，则可以采用第一到第三例子的平面图案。

调节层17的布局图案可以调节弯曲意味着用于调节弯曲的自由度增加了。在现有技术中，通过控制膜厚度或者应力来调节横梁的弯曲。在本发明中，增加用于弯曲调节的新参数，也就是，凹进/凸起部分的致密/非致密结构。

利用增加的自由度，还可以减小横梁的弯曲对温度的依赖性。具体地，通过设定膜厚度和L1/L2以便建立下述公式，可以减少弯曲对温度的依赖性：

L1/L2＝ρ1(T)/ρ2(T)＝ρ1(T+ΔT)/ρ2(T+ΔT)

其中ρ1(T)和ρ2(T)是在温度T时，凹进部分和凸起部分各自的曲率半径。

注意，在本发明的实施例中，在横梁内，通过交替地重复布置具有相反的弯曲方向的层结构，可以控制横梁的弯曲。尤其是，已经表明，根据凹进部分和凸起部分的曲率半径，通过最优化凹进部分和凸起部分之间的长度比例，可以减小横梁的弯曲。根据该方法，可以控制包括任意数量层，以及包括两层的横梁的弯曲。

而且，通过设计调节层17的平面图案可以减小具有大宽度的横梁的整个平面上的弯曲。

本实施例涉及悬臂。然而，在该实施例中，悬臂可以解释为是由设置在空腔上的层状结构构成的结构的横梁。本实施例还可以应用到指的是具有宽的结构的外壳。因此，在本说明书中，术语“横梁”应当解释为包括“横梁”和“外壳”的概念。下面将要介绍的其它实施例也是如此。

(第二实施例)

如上所述，用凹进/凸起部分的致密/非致密结构可以调节弯曲意味着增加了调节弯曲的自由度。利用这一点，可以调节悬臂的高度。在本发明的第二个实施例中，通过利用形成悬臂的凹进或凸起部分来调节悬臂的高度。

图17是根据本发明第二实施例的包括悬臂的装置平面图。图18是沿着图17的线XVIII-XVIII截取的装置的剖面图。

悬臂16设置在锚定件12和空腔13之上。悬臂16包括横梁部分16C和部分地设置在横梁部分16C上的多个调节层17和18。而且，悬臂16是由在X方向上延伸的基底部分16G和支撑基底部分16G的支撑部分16D构成的。

在没有设置调节层的状态中，横梁部分16C向上弯曲。用于调节弯曲的多个调节层17设置在对应于基底部分16G的横梁部分16C的那部分上。调节层17具有基本上使基底部分16G变平的最佳长度(参考第一实施例)。因此，基底部分16G基本上是平的。

调节层18设置在横梁部分16C的对应于支撑部分16D的那部分上。调节层18的残余应力比横梁部分16C的相对小一些。例如，调节层18具有压应力。因此，设置调节层18的支撑部分16D的段具有相反方向的弯曲。具体地，设置调节层18的支撑部分16D的段具有凸起的形状，而没有设置调节层18的支撑部分16D的段具有凹进的形状。

凸起段(凸起部分16F)具有提供凸起弯曲这样的应力梯度。凹进段(凹进部分16E)具有提供凹进弯曲这样的应力梯度。调节层18在X方向上的长度大于一个调节层17在X方向上的长度。也就是，包括凹进部分和凸起部分的一个单元的长度在支撑部分16D中大于在基底部分16G中的长度。

以这种方式，通过利用横梁的弯曲，支撑部分16D可以调节基底部分16G的高度。如图18所示，延伸部分16G的高度H2(也就是，在基底部分16G之下空腔的高度)大于锚定件12侧上悬臂16的高度H1。空腔13的高度H1等于锚定件12的厚度。通过调节凹进部分16E和凸起部分16F的长度可以任意改变高度H2。

如上面具体描述的，通过随着位置改变凹进部分和凸起部分的长度，可以调节空腔13的高度。因此，即使在用于形成空腔13的牺牲层很薄的情况下，也可以增加空腔13的高度。

而且，通过使牺牲层变薄，可以简化牺牲层的膜形成过程并可以缩短去除牺牲层的时间。因此，可以降低制造成本。

(第三实施例)

在通常情况下，通过堆叠多个层来形成致动器。致动器是将能量例如电能或者化学能转化成动能，由此进行机械工作的装置。本发明的第三实施例涉及将本发明应用到压电型致动器的例子。

图19是根据本发明的第三实施例的半导体器件的平面图。图20是沿着图19的线XX-XX截取的半导体器件的剖面图。

锚定件12设置在衬底11上。例如，使用半导体衬底作为衬底11。半导体衬底的材料的例子包括本征半导体，例如Si或者Ge，化合物半导体，例如GaAs或者ZnSe，和通过在这些半导体中掺入杂质得到的高导电率半导体。半导体衬底可以是SOI(绝缘体上硅)衬底或者玻璃衬底。

锚定件12是由绝缘材料(例如SiO₂)形成的。锚定件12部分地设置在衬底11上。允许致动器21(在后面描述)移动的空腔13设置在锚定件12上。例如，通过锚定件12的膜厚度可以调节空腔13的深度。

被绝缘层25覆盖的致动器21设置在锚定件12和空腔13上，以便于在X方向上延伸。具体地，绝缘层25包括下绝缘层26和上绝缘层27。下绝缘层26设置在锚定件12和空腔13之上。致动器21设置在下绝缘层26上面。上绝缘层27设置在致动器21上面。绝缘层25的材料的例子包括SiO₂和氧化铝。

例如，致动器21由压电元件构成。致动器21包括下电极层22、上电极层24和夹在下电极层22和上电极层24之间的压电层23。例如，致动器21的平面形状是矩形，或者它可以是任何其它形状。

例如，致动器21的下电极层22和上电极层24的材料是：(a)选自于由Pt、Sr、Ru、Cr、Mo、W、Ti、Ta、Al、Cu和Ni组成的组中的一个，

(b)包括选自于上述组中的至少一个的氮化物，(c)包括选自于上述组中的至少一个的导电氧化物(例如，SrRuO)，或者(d)从(a)到(c)中选择的材料的堆叠。

例如，致动器21的压电层23的材料是陶瓷压电材料，例如PZT(PbZr_xTi_1-xO₃)、AlN、ZnO、PbTiO或者BTO(BaTiO₃)，或者高聚合物压电材料，例如PVDF(聚偏二氟乙烯)。

在形成空腔13的步骤中包括的刻蚀牺牲层的时候，绝缘层25起到保护压电层和电极层的作用。如果在刻蚀的时候压电层和电极层没有遭受损害，则可以不设置绝缘层25。

由于致动器21是由多个层构成的，所以在致动器21中容易出现弯曲。因此致动器21设置有用于调节凹进和凸起部分的调节层28，由此调节致动器21的弯曲。用于调节凹进和凸起的多个调节层28部分地设置在上绝缘层27上。例如，调节层28具有带状。不用说，调节层28可以具有如在第一个实施例中所述的其它平面图案。

在本实施例中，致动器21向上弯曲。在该实施例中，致动器21指的是包括绝缘层25的悬臂。具体地，根据包括致动器21和绝缘层25的悬臂是向上还是向下弯曲来进行确定。这里使用的调节层28具有比致动器21相对较低的残余应力。调节层28是由例如具有压应力的SiO₂形成的。

因此，设置调节层28的致动器21的段具有相反方向的弯曲。具体地，设置调节层28的致动器21的段具有凸起形状，而没有设置调节层28的致动器21的段具有凹进形状。

如果充分减小包括该横梁结构的一个凹进部分和一个凸起部分的一个单元的长度，同时固定凸起部分和凹进部分之间的长度的比例，则可以形成具有整体基本上为平坦形状的致动器21。在致动器21向下弯曲的情况中，使用具有比致动器21相对更大的残余应力的调节层。

例如，钝化层可以用作调节层28，用于调节凹进和凸起部分。钝化层是用于保护半导体芯片的表面的绝缘层。为了保证和焊接端子的导电性，在用于电极焊盘的开口处除去钝化层(也就是已经设置了用于钝化工艺的掩模)。

因此，如果使用钝化层作为调节凹进和凸起部分的层，则可以在不增加工艺步骤数量和掩模数量的情况下调节致动器21的弯曲。在使用具有压应力的钝化层的情况下，如果在没有设置钝化层的状态中将致动器21设置为向下弯曲，则其应当就足够了。

(第四实施例)

在本发明的第四实施例中，通过利用设置在绝缘层25上的布线层来调节致动器21的弯曲。

图21是根据本发明的第四实施例的半导体器件的平面图。图22是沿着图21的线XXII-XXII截取的半导体器件的剖面图。

将电连接到下电极层22的接触层29A设置在下电极层22上以及上绝缘层27内。将电连接到接触层29A的布线层29设置在上绝缘层27上。将用于移动致动器21的电压V1提供给布线层29。

将电连接到上电极层24的接触层30A设置在上电极层24上以及上绝缘层27内。将电连接到接触层30A的布线层30设置在上绝缘层27上。将用于移动致动器21的电压V2提供给布线层30。

在空腔13上的上绝缘层27上以预定间隔设置多个虚拟的布线层31。将每个虚拟布线层31设置成在Y方向上延伸。具体地，虚拟布线层31具有带状。

在本实施例中，致动器21向下弯曲。致动器21的弯曲方向随着构成致动器21的上电极层24和下电极层22的材料和厚度或者压电层23的材料和厚度而变化。这里使用的虚拟布线层31具有比致动器21相对更大的残余应力。作为虚拟布线层31的材料，例如，使用具有拉应力的Al。

因此，设置了虚拟布线层31的致动器21的段具有相反方向的弯曲。具体地，没有设置虚拟配线层31的致动器21的段具有凸起形状，而设置了虚拟布线层31的致动器21的段具有凹进形状。通过调节每个虚拟布线层31的宽度(也就是，在X方向上的长度)和虚拟布线层31的间隔可以调节致动器21的弯曲。

接下来，介绍第四实施例的变形。图23是示出了该变形的剖面图。变形的平面图和图21一样，因此这里将其省略。

多个虚拟接触层31A设置在上电极层24上和上绝缘层27内，所述虚拟接触层31A和各个虚拟布线层31相结合地设置，并电连接虚拟布线层31和上电极层24。虚拟接触层31A在Y方向上的长度等于虚拟布线层31在Y方向上的长度。

在上绝缘层27由例如具有压应力的SiO₂层形成以及虚拟接触层31A由例如具有拉应力的Al层形成的情况下，设置了上绝缘层27的致动器21的段具有凸起形状，而设置了虚拟接触层31A的致动器21的段具有凹进形状。以这种方式，可以调节致动器21的弯曲。

如上面具体描述的，通过利用设置在致动器21上的布线层可以调节致动器21的弯曲。而且，通过利用设置在致动器21上的接触层可以调节致动器21的弯曲。

而且，利用形成布线层29和30的制造步骤，可以形成虚拟布线层或者虚拟接触层。不需要提供形成用于调节致动器21的弯曲的调节层的附加制造步骤。因此，可以抑制制造成本的增加。

(第五实施例)

本发明的第五实施例涉及将本发明应用到可变电容器的例子。图24是根据本发明的第五实施例的半导体器件的平面图。图25是沿着图24的线XXV-XXV截取的半导体器件的剖面图。图26是沿着图24的线XXVI-XVI截取的半导体器件的剖面图。

在衬底11上设置绝缘层41。绝缘层41例如由SiN形成。可变电容器40的第一电极层42设置在绝缘层41上。第一电极层42例如由Al形成。在该实施例中，可变电容器40的第一电极层42是由两个电极层42A和42B构成的。该两个电极层42A和42B彼此相邻地设置在垂直于致动器21的延伸方向(X方向)的方向上(Y方向)。绝缘层41被设置来电隔离衬底11和可变电容器40的第一电极层42。

绝缘层43设置在绝缘层41和第一电极层42上。绝缘层43是由例如SiN形成的。设置第一电极层42上的绝缘层43，以防止可变电容器40的第一电极层和第二电极层之间的电接触。

锚定件12设置在绝缘层43上面。锚定件12例如是由SiO₂形成的。锚定件12部分地设置在衬底11上。用于允许致动器21和可变电容器40的第二电极层移动的空腔13设置在锚定件12中。

被绝缘层25覆盖的致动器21设置在锚定件12和空腔13之上，以便于在X方向上延伸。调节层28设置在绝缘层25上面。因此，可以减小致动器21的弯曲(参考第三实施例)。

可变电容器40的第二电极层44设置在致动器21的远端的侧表面上，以便于在X方向上延伸。第二电极层44设置在电极层42A和42B之上。第二电极层44包括多个层。第二电极层44由Al层和垂直夹着Al层的两个TiN层构成。绝缘层45设置在第二电极层44的侧表面上。绝缘层45例如是由SiO₂形成的。

第二电极层44包括多个开口部分(在该实施例中六个开口部分)。设置开口部分，以便当空腔13形成在第二电极层44下面时，去除掉设置在第二电极层44下面的牺牲层。具体地，利用开口部分来刻蚀掉第二电极层44下面的牺牲层的主要部分。开口部分和可变电容器40的操作无关。当形成空腔13时，如果可以去除掉第二电极层44下面的牺牲层，则开口部分是不必要的。

由于第二电极层44是由多个层构成的，所以它容易弯曲。将用于调节凹进和凸起部分的多个调节层46设置在第二电极层44上，由此调节第二电极层44的弯曲。将用于调节凹进和凸起部分的多个调节层46部分地设置在第二电极层44上。例如，调节层46具有瓦片状形状。不必说，调节层46可以具有如第一个实施例中所述的其它平面图案。

在本实施例中，第二电极层44向上弯曲。因此，这里用的调节层46具有比第二电极层44相对较低的残余应力。例如，使用由绝缘层形成的钝化层作为调节层46。由此，设置了调节层46的第二电极层44的段具有相反方向的弯曲。具体地，设置了调节层46的第二电极层44的段具有凸起形状，而没有设置调节层46的第二电极层44的段具有凹进形状。以这种方式，可以调节设置在空腔13之上的第二电极层44的弯曲。

接下来，介绍可变电容器40的操作。首先，给出致动器21的不可去除状态的描述。当施加给致动器21的下电极层22的电压V1和施加给上电极层24的电压V2例如是地电势(0V)时，致动器21不移动并保持在图22所示的状态。当致动器21处于图22所示的状态时，可变电容器40的电容值Cv最小。

接下来，给出致动器21的可移动状态的描述。如果将致动器21的下电极层22的电压V1设置为例如地电势(0V)并且将上电极层24的电压V2从0V升高到例如3V，则致动器21的压电层23在横向方向收缩。结果，致动器21的远端向下移动，并且可变电容器40的第一电极层42和第二电极层44之间的距离减小。当致动器21移动，并且第二电极层44开始和绝缘层43接触时，可变电容器40的电容值Cv取最大值。

如上所述，设置施加到致动器21的下电极层22和上电极层24的电压V1和V2，以移动致动器21。结果，可变电容器40的两个电极层之间的距离变化，因此可变电容器40的电容值Cv变化。

在本实施例中，可变电容器40的第一电极层42是由电隔离的两个电极层42A和42B构成的，如图24到26所示。将可变电容器40的第二电极层44设置在浮置状态。

在这种情况下，可变电容器40A(电容值Cva)是由第一电极层42A和第二电极层44构成的，并且可变电容器40B(电容值Cvb)是由第一电极层42B和第二电极层44构成的。可变电容器40A和40B串联连接。因此，用下述公式表示可变电容器40的整个电容值Cv：

1/Cv＝＝1/Cva+1/Cvb                     ...(6)

如上面已经具体描述的，根据本实施例，可以调节构成可变电容器的致动器21的弯曲。而且，可以调节连接到致动器21的第二电极层44的弯曲。因此，致动器21和第二电极层44基本上形成为平坦的，并可以构成高精度的可变电容器。

同时，可变电容器的第一电极层可以不分隔成两部分。即使在第一电极层是由单层构成的情况下，也可以得到和本实施例相同的有益效果。在这种情况下，布线需要连接到第二电极层44。

(第六实施例)

在本发明的第六实施例中，在衬底上形成具有不同高度的两个器件(电感器和可变电容器)。

图27是根据本发明的第六实施例的半导体器件的平面图。图28是沿着图27的线XXVIII-XXVIII取的半导体器件的剖面图。图29是沿着图27的线XXIX-XXIX截取的半导体器件的剖面图。可变电容器40的结构和第五实施例的相同。致动器21从衬底11的高度是H1。致动器21的高度H1等于锚定件12的膜厚度。

电感器50设置在空腔13和锚定件12之上。电感器50的平面形状可以是螺旋形、矩形、环形的或者弯曲的。在该实施例中，作为例子，电感器50具有螺旋形。电感器50的两个端部分都设置在锚定件12上。

现在将介绍电感器50的具体结构。绝缘层51设置在锚定件12和空腔13之上，以便横跨空腔13。具体地，绝缘层51的两端部分都设置在锚定件12上面。例如，绝缘层51由SiO₂形成。

金属层52A和52B设置在绝缘层51上。金属层52A的一端设置在锚定件12之上。金属层52B的一端设置在锚定件12之上。例如金属层52A和52B是由具有拉应力的Al形成的。

用于连接金属层52A和52B的另一端的金属层53设置在绝缘层51中。金属层52A和52B以及金属层53通过触点插头连接。

电感器50包括电感器部分50A和在两端支撑电感器部分50A的两个支撑部分50B和50C。电感器部分50A对应于电感器50的螺旋部分。支撑部分50B或者50C在锚定件12侧上的高度H1等于锚定件12的膜厚度。换句话说，高度H1等于用于形成空腔13的牺牲层的膜厚度。

在包括在电感器部分50A中的金属层52A和52B上设置多个调节层55。由绝缘层51以及金属层52A和52B形成的横梁向上弯曲。因此，这里使用的调节层55具有比横梁相对较小的残余应力。例如，调节层55是由具有压应力的SiO₂形成的。因此，设置有调节层55的横梁的段具有在相反方向上的弯曲。具体地，设置了调节层55的横梁的段具有凸起形状，而没有设置调节层55的横梁的段具有凹进形状。因此，基本上可以使电感器部分50A变平坦。

另外，在包括在支撑部分50B中的金属层52A上设置调节层54A。例如，调节层54A是由具有压应力的SiO₂形成的。因此，支撑部分50B由一个凹进部分和一个凸起部分构成。利用横梁的弯曲并调节凹进部分和凸起部分的长度，可以将电感器部分50A的高度H2设置在任意高度。类似地，利用调节层54B可以将电感器部分50A的高度H2设置在任意高度。

在横梁向下弯曲的情况中，可以使用具有拉应力的调节层54A和54B来形成由凹进部分和凸起部分构成的支撑部分50B和50C。

如上面已经具体描述的，根据本实施例，利用横梁的弯曲可以调节空腔在任意位置的高度。简而言之，可以使电感器部分50A下面的空腔的高度H2大于牺牲层的高度(厚度)H1。

例如，通过将高度H2设置为大于等于10μm，优选30μm，可以减小在衬底11上产生的涡流量，并且可以减少电感的损失。由此，可以改善电感器50的特性。另一方面，关于可变电容器，将空腔的高度H1设置为大约1μm。以这种方式，利用横梁的弯曲，可以用简单的工艺实现多个空腔高度。

需要大量的时间来去除厚的牺牲层。在本实施例中，在形成高度为H1的空腔之后，调节空腔在任意部分的高度。因此，减少了牺牲层的量，并减少了去除牺牲层所需的时间。结果，可以降低制造成本。

在上述的每个实施例中，在横梁的上侧上设置用于调节横梁的弯曲的调节层。然而，本发明不局限于这些实施例。如果在制造步骤中不出现问题，则可以在横梁的下侧上设置调节层。

每个实施例都涉及悬臂。不必说，即使将每个实施例应用到两端都固定的横梁也可以获得相同的有益效果。

本领域技术人员很容易想到其它的优点和变形。因此，本发明就其更宽的方面来说不局限于这里所示出和所描述的特定细节和典型实施例。因此，在不脱离所附的权利要求和它们的等价物限定的总的发明理念的精神或者范围的情况下，也可以作出各种变形。

Claims (20)

1、一种具有横梁结构的器件，包括：

衬底；

分别设置在该衬底上面和之上的锚定件和空腔；以及

横梁结构，其设置在该锚定件的上面和该空腔之上，在第一方向上延伸，并且包括多个凸起部分和多个凹进部分，每个所述凸起部分具有提供凸起弯曲这样的应力梯度，而每个所述凹进部分具有提供凹进弯曲这样的应力梯度，

其中所述凸起部分和所述凹进部分交替重复地布置。

2、根据权利要求1所述的器件，其中在所述凸起部分和所述凹进部分交替重复布置的该横梁结构的至少一部分基本上平行于该衬底，且所述凸起部分和所述凹进部分之间的长度比是固定的。

3、根据权利要求1所述的器件，其中所述横梁结构包括具有第一残余应力的第一层和部分地设置在该第一层上并具有和该第一残余应力符号不同的第二残余应力的的多个调节层。

4、根据权利要求3所述的器件，其中该第一层包括具有不同残余应力的多个层。

5、根据权利要求3所述的器件，其中该第二残余应力相对小于该第一残余应力，

所述横梁结构中的设置有所述调节层的段对应于所述凸起部分，而

所述横梁结构中的没有设置所述调节层的段对应于所述凹进部分。

6、根据权利要求3所述的器件，其中该第二残余应力相对大于该第一残余应力，

所述横梁结构中的设置有所述调节层的段对应于所述凹进部分，而所述横梁结构中的没有设置所述调节层的段对应于所述凸起部分。

7、根据权利要求1所述的器件，其中满足关系式ρ1/ρ2＝L1/L2，其中L1是所述凹进部分的总长度，L2是所述凸起部分的总长度，ρ1是所述凹进部分的曲率半径，并且ρ2是所述凸起部分的曲率半径，以及

通过该关系式计算的数值的容许误差范围是±40％。

8、根据权利要求3所述的器件，其中设置所述调节层，使得当以任意方向垂直切割所述横梁结构时，在剖面中存在一部分所述调节层。

9、一种具有横梁结构的器件，包括：

衬底；

分别设置在该衬底上面和之上的锚定件和空腔；以及

横梁结构，其设置在该锚定件上面和该空腔之上，在第一方向上延伸，并包括基底部分和支撑部分，

其中该支撑部分包括具有提供凸起弯曲这样的应力梯度的第一凸起部分，和具有提供凹进弯曲这样的应力梯度的第一凹进部分，所述支撑部分调节所述基底部分的高度，该高度不同于所述锚定件的高度。

10、根据权利要求9所述的器件，其中所述基底部分基本上平行于所述衬底，并且包括多个第二凸起部分和多个第二凹进部分，每个所述第二凸起部分具有提供凸起弯曲这样的应力梯度，而每个所述第二凹进部分具有提供凹进弯曲这样的应力梯度，并且

包括所述支撑部分的第一凸起部分和第一凹进部分的一个单元的长度大于包括所述基底部分的第二凸起部分和第二凹进部分的一个单元的长度。

11、根据权利要求9所述的器件，其中所述支撑部分包括具有第一残余应力的第一层和部分地设置在该第一层上并具有和该第一残余应力符号不同的第二残余应力的调节层。

12、一种半导体器件，包括：

衬底；

分别设置在该衬底上面和之上的锚定件和空腔；

致动器，其设置在该锚定件上面和该空腔之上，并在第一方向上延伸；以及

多个第一调节层，其部分地添加到所述致动器并调节所述致动器的弯曲。

13、根据权利要求12所述的半导体器件，其中所述致动器具有第一残余应力，并且

所述第一调节层具有和所述第一残余应力符号不同的第二残余应力。

14、根据权利要求12所述的半导体器件，其中所述致动器包括下电极层、设置在该下电极层上的压电层和设置在该压电层上的上电极层。

15、根据权利要求12所述的半导体器件，其中所述第一调节层是绝缘层。

16、根据权利要求14所述的半导体器件，还包括设置在该上电极层上的第一绝缘层，

其中所述第一调节层被设置在所述第一绝缘层上，并且是虚拟布线层。

17、根据权利要求12所述的半导体器件，还包括：

设置在该衬底上和该空腔下面的第一电极层；

设置在该第一电极层上的第二绝缘层；以及

从所述致动器的远端部分在第一方向上延伸的第二电极层，其设置在所述第一电极层之上，并且通过所述致动器可以使其向下移动，

其中所述第一电极层、所述第二电极层和所述第二绝缘层起到可变电容器的作用。

18、根据权利要求17所述的半导体器件，还包括多个第二调节层，其部分地添加到所述第二电极层并调节所述第二电极层的弯曲。

19、根据权利要求17所述的半导体器件，还包括电感器，其设置在所述锚定件上面和所述空腔之上并且包括电感器部分和支撑部分，该支撑部分调节该电感器部分的高度并且支撑该电感器部分，

其中所述支撑部分包括具有提供凸起弯曲这样的应力梯度的凸起部分和具有提供凹进弯曲这样的应力梯度的凹进部分。

20、根据权利要求19所述的半导体器件，其中所述电感器包括第三绝缘层和设置在该第三绝缘层上的导电层，并且

所述支撑部分包括第三调节层，其部分地设置在对应于所述支撑部分的所述导电层上。

Images