目前，开发出一种MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 技术，使用实现了半导体集成电路的高性能化和高集成化的微细加 工技术来形成压力、加速度等的机械传感器、和微小开关、振子等 机械执行元件、即微细的机械部件、机械系统。
MEMS大致分为对例如硅等半导体衬底本身进行加工的整体 MEMS、和通过在半导体衬底表面反复淀积、图形化而形成薄膜的 表面MEMS。该表面MEMS能应用与半导体集成电路工艺技术(半 导体制造技术)相同的技术。
作为MEMS的具有代表性的应用之一，有MEMS开关(或者也 称为MEM(Micro Electro Mechanical)开关)。MEMS开关通过具 有触点机械开关来控制(控制接通/断开)电信号线和电源线的连接、 非连接。该MEMS开关也可被插入到例如便携式无线设备等的天线 侧的RF(RF：radio frequency)信号的信号线，而作为切换多个高 频带(多个模式)的信号的开关使用。这种MEMS开关是进行RF 信号的处理的一组MEMS(通常称为RF-MEMS)之一，被称为 RF-MEMS开关。
另外，还开发出不仅处理电信号而且处理光信号的光MEMS。 在光MEMS中，特别开发出对光信号进行接通/断开控制的光开关 (光MEMS开关)。
在美国专利第6,635,506号说明书(专利文献1)和美国专利第 6,667,245号说明书(专利文献2)中，公开了涉及通过静电力的作 用来控制连接、非连接的MEM开关(MEMS开关)的技术。
在日本专利第2555922号说明书(专利文献3)和日本特开 2004-160572号公报(专利文献4)中，公开了通过成为带电的状态 来作用静电力以保持膜片(diaphragm)的技术。
在电子信息通信学会期刊、第87卷(第11号)、从第919页 至第938页(2004年11月、电子信息学会刊)(非专利文献1)中， 记载了涉及RF-MEMS和RF-MEMS开关的技术。

图44和图45是示意地表示本发明人研究的MEMS开关的剖视 图，图44表示非连接状态，图45表示连接状态。
本发明人研究的MEMS开关具有衬底1、可动臂(可动部、膜 片2)、一对(一组)开关驱动电极3、4、输入信号线5、输出信号 线6。如图44所示，非连接状态的MEMS开关，由于输入信号线5 和输出信号线6未接触，所以不会传递信号。如图45所示，在该非 连接状态的MEMS开关，当对开关驱动电极3、4施加电压时，由 静电力使可动臂2变形，经由输入信号线5和输出信号线6相接触， 输入端子In和输出端子Out处于导通状态，MEMS开关处于能传递 信号的连接状态。此外，该MEMS开关能够使用半导体制造技术而 在例如1芯片上形成多个。
这种MEMS开关能够在例如传递由半导体集成电路处理过的信 号的线路(信号线)、或者将从外部(例如天线)输入的信号传送 到半导体集成电路的路线(信号线)中使用。但是，例如，在组合 使用在1个芯片上形成多个的MEMS开关、和在1个芯片上形成多 个的半导体集成电路的情况下，由于分别是独立的芯片，所以整个 系统的小型化很困难。此外，MEMS开关和半导体集成电路使用半 导体制造技术形成在硅等半导体衬底上，所以考虑到将这两者在同 一个衬底上集成为整体。例如，考虑到通过所谓的Cu镶嵌布线工艺 在半导体集成电路的上部形成MEMS开关。
此外，在便携式电话等便携无线设备的天线侧，在将MEMS开 关插入到RF信号的信号线使用的情况下，从正在某个频带使用的状 态开始到切换为其他频带为止的等待状态中，必须将MEMS开关持 续保持在连接(或者非连接)状态。因此，在图44、图45所示的本 发明人研究的MEMS开关中，为了保持将输入信号线5和输出信号 线6电连接的连接状态，施加在开关驱动电极3、4的电压(驱动 MEMS开关电压)例如为30V～50V左右，比半导体集成电路的 电源电压(例如为5V左右)高，因而需要生成高电压的合适的升压 电路。
另外，在处理大功率的RF信号的情况下，为了以更强的静电力 保持开关的连接(非连接)，需要高电压。即，为了防止因流经输 入信号线5的RF信号使可动臂变形(振动)而导致开关驱动(处于 接通/断开状态)，需要在开关驱动电极3、4施加生成用于抑制可动 臂2变形(振动)的静电力的电压。
因此，在上述的等待状态中，为了将MEMS开关持续保持在连 接状态，必须持续驱动升压电路，因此导致功耗增大。由于该功耗 的增大，例如在便携式无线设备中，存在不能在实际应用上充分确 保可由一次蓄电池充电维持的等待时间的问题。另外，还存在这样 的问题：例如，为了驱动MEMS开关从连接状态成为非连接状态， 而另外需要控制对MEMS开关“施加”或者“不施加”高电压的高 耐压晶体管。
因此，可以考虑以下所示的各种双稳态MEMS开关。在此，双 稳态指双稳定、即不施加特殊的外力时连接状态和非连接状态分别 稳定地持续的性质。双稳态MEMS开关能够以机械的方式实现两个 稳定状态。另外，也能够以电的方式实现双稳态。
例如，可以考虑这样的MEMS开关，该MEMS开关具有第一开 关、被设置在第一开关附近的一对开关驱动电极、电连接在上述开 关驱动电极的另一个第二开关。首先，对上述开关驱动电极施加电 压而处于蓄积电荷的状态。在这种状态下，在开关驱动电极间产生 静电力，第一开关是接通的状态。接着，即使使上述第二开关非连 接，也是上述电荷被保持在开关驱动电极的状态，能够由该被保持 的电荷形成的静电场持续驱动(接通)第一开关。此时，第二开关 也可以是电性的开关。
但是，这种以机械性的、和电性的双稳态MEMS开关，都是尺 寸大、结构复杂的。另外，因为结构、材料等特殊，所以这种双稳 态MEMS开关和半导体集成电路的混载很困难。
另外，例如，对于日本专利第2555922号说明书(专利文献3) 和日本特开2004-160572号公报(专利文献4)中记载的那样的光 MEMS开关，提出用所谓的闪存器、EEPROM等半导体存储器的原 理进行电荷保存的结构。在这些结构中，在电荷注入电极上夹持绝 缘膜地设置有电荷蓄积电极，在其附近夹持空气隙(空隙)地设置 有由导电体构成的膜片(可动部)。因此，在该光MEMS开关中， 在电荷蓄积电极注入电荷，利用其静电力，来驱动、保持膜片。
但是，在这样的结构中，由于膜片本身是导电体，所以对电信 号的控制很困难，而且蓄积在电和蓄积电极上的电荷从隧道绝缘膜 泄漏，因此静电力逐渐减少，不能保持膜片。
另外，例如，在RF-MEMS开关中，具有抑制插入电阻损失、 抑制随着开关驱动而导致的开关接触部(触点)的磨损等课题。因 此，需要增大触点面积，并且使用耐磨损性优良的金(Au)等的对 策。
但是，如上所述，RF-MEMS在和半导体集成电路混载的情况下， 如果金向半导体集成电路扩散，则晶体管性能显著恶化，因此与半 导体集成电路进行集成很困难。
本发明的目的在于提供小型且可低电压驱动的MEMS开关。
另外，本发明的另一个目的在于提供保持状态长期稳定的双稳 态MEMS开关。
另外，本发明的又一目的在于提供适合与半导体集成电路混载 的双稳态MEMS开关。
本发明的上述以及其他目的和新的特征由本说明书的记载和附 图得以明确。
简单地说明本申请所公开的发明中有代表性的发明的概要如 下。
本发明，通过第一信号线和第二信号线电性地连接或者非连接， 而使信号在信号线部传递，在和衬底平行的区域，不重叠地配置信 号线部和一对开关驱动电极，利用通过在电荷蓄积电极蓄积电荷而 生成的静电场使可动部发生弹性形变，改变、保持第一信号线和第 二信号线的连接状态。
简单地说明通过本申请所公开的发明中有代表性的发明得到的 效果如下。
按照本发明，能够提供一种小型且可低电压驱动的MEMS开关 或者双稳态MEMS开关。
附图说明
图1是示意地表示本发明的一个实施方式的MEMS开关的俯视 图。
图2是沿图1的A-A’线的剖视图，表示MEMS开关的初始状态。
图3是沿图1的A-A’线的剖视图，表示MEMS开关的电荷注入 状态。
图4是沿图1的A-A’线的剖视图，表示MEMS开关的电荷保持 状犬态。
图5是沿图1的B-B’线的剖视图，表示MEMS开关的初始状态。
图6是沿图1的B-B’线的剖视图，表示MEMS开关的电荷注入 状态。
图7是沿图1的B-B’线的剖视图，表示MEMS开关的电荷保持 状态。
图8是表示本发明的一个实施方式的MEMS开关的驱动电压信 号的示意时序图。
图9是示意地表示本发明的一个实施方式的其他结构的MEMS 开关的剖视图。
图10是示意地表示本发明的一个实施方式的制造工序中的 MEMS开关的剖视图。
图11是继图10的示意地表示制造工序中的MEMS开关的剖视 图。
图12是继图11的示意地表示制造工序中的MEMS开关的剖视 图。
图13是继图12的示意地表示制造工序中的MEMS开关的剖视 图。
图14是继图13的示意地表示制造工序中的MEMS开关的剖视 图。
图15是继图14的示意地表示制造工序中的MEMS开关的剖视 图。
图16是示意地表示本发明的一个实施方式的其他结构的MEMS 开关的俯视图。
图17是沿图16的C-C’线的剖视图，表示初始状态。
图18是沿图16的C-C’线的剖视图，表示连接状态。
图19是示意地表示本发明其他实施方式的MEMS开关的俯视 图。
图20是沿图19的D-D’线的剖视图，表示初始状态。
图21是沿图19的D-D’线的剖视图，表示电荷注入状态。
图22是沿图19的D-D’线的剖视图，表示电荷保持状态。
图23是示意地表示本发明其他实施方式的制造工序中的MEMS 开关的剖视图。
图24是继图23的示意地表示制造工序中的MEMS开关的剖视 图。
图25是继图24的示意地表示制造工序中的MEMS开关的剖视 图。
图26是继图25的示意地表示制造工序中的MEMS开关的剖视 图。
图27是图26的示意地表示继制造工序中的MEMS开关的剖视 图。
图28是继图27的示意地表示制造工序中的MEMS开关的剖视 图。
图29是继图28的示意地表示制造工序中的MEMS开关的剖视 图。
图30是继图29的示意地表示制造工序中的MEMS开关的剖视 图。
图31是与沿图1的A-A’线的剖面对应的、示意地表示本发明的 其他实施方式的MEMS开关的剖视图，表示初始状态。
图32是与沿图1的A-A’线的剖面对应的、示意地表示本发明的 其他实施方式的MEMS开关的剖视图，表示电荷注入状态。
图33是与沿图1的A-A’线的剖面对应的、示意地表示本发明的 其他实施方式的MEMS开关的剖视图，表示电荷保持状态。
图34是与沿图1的A-A’线的剖面对应的、示意地表示本发明的 其他实施方式的MEMS开关的剖视图，表示电荷再注入状态。
图35是与沿图1的B-B’线的剖面对应的、示意地表示本发明的 其他实施方式的MEMS开关的剖视图，表示初始状态。
图36是与沿图1的B-B’线的剖面对应的、示意地表示本发明的 其他实施方式的MEMS开关的剖视图，表示电荷注入状态。
图37是与沿图1的B-B’线的剖面对应的、示意地表示本发明的 其他实施方式的MEMS开关的剖视图，表示电荷保持状态。
图38是与沿图1的B-B’线的剖面对应的、示意地表示本发明的 其他实施方式的MEMS开关的剖视图，表示电荷再注入状态。
图39是表示本发明的其他实施方式的MEMS开关的驱动电压 信号的示意时序图。
图40是示意地表示本发明的其他实施方式的RF前端模块的整 体结构的说明图。
图41是示意地表示图40的开关阵列的主要部分的俯视图。
图42是沿图41的E-E’线的剖视图。
图43是示意地表示本发明的其他实施方式的系统LSI的整体结 构的说明图。
图44是示意地表示本发明人研究的MEMS开关的剖视图，表示 非连接状态。
图45是示意地表示本发明人研究的MEMS开关的剖视图，表示 连接状态。

下面，基于附图来详细地说明本发明的实施方式。此外，在用 于说明实施方式的所有图中，对同一个构件原则上标注相同的附图 标记，省略其重复说明。
(实施方式1)
首先，对本发明的实施方式1的MEMS开关的结构及其驱动原 理进行说明。此外，本实施方式1的MEMS开关能够作为进行是否 传递信号的开关应用。
图1是示意地表示本发明的实施方式1的MEMS开关的俯视图。 图2～图4是用于说明本发明的实施方式1的MEMS开关的驱动原 理的、沿图1的A-A’线的剖视图，图2表示初始状态，图3表示电 荷注入状态，图4表示电荷保持状态。图5～图7是用于说明本发明 的实施方式1的MEMS开关的驱动原理的、沿图1的B-B＇线的剖视 图，图5表示初始状态，图6表示电荷注入状态，图7表示电荷保 持状态。此外，在图1中，为了便于说明，透视地示出一部分的结 构部，另外，对信号线108、布线132、布线133标上影线(hatching)。
如图1所示，在MEMS开关SW的衬底101上构成有2个驱动 部130和1个信号线部131，另外，在衬底101上形成有空气隙(空 隙)103。驱动部130具有一对(一组)第一开关驱动电极102、第 二开关驱动电极107、电荷蓄积电极105以及用于对开关驱动电极 102、107施加电压的布线132。另外，信号线131具有作为信号线 的接地电极109、用于传递信号的信号线108、以及将接地电极109 和接地GND电连接的布线133。此外，信号从输入端子In通过信号 线108而被传递到输出端子Out。
另外，如图2～图4所示，在驱动部130中，在衬底101的主面 设置有开关驱动电极102，覆盖该开关驱动电极102地在衬底101 上设置有隧道绝缘膜(第一绝缘膜)112。此外，开关驱动电极102 也可以形成在衬底101上。另外，该开关驱动电极102虽然在后面 叙述，但其也是向电荷蓄积电极105注入电荷的电极(电荷注入电 极)。
在该开关驱动电极102的上方，隔着空气隙103设置有电荷蓄 积电极105。该空气隙103由隧道绝缘膜112和电荷蓄积电极105 下的隧道绝缘膜(第二绝缘膜)104包围地形成，平面的大小例如为 100μm×100μm左右。另外，在其电荷蓄积电极105上，夹持层间 绝缘膜106地设置有开关驱动电极107。开关驱动电极102、107的 平面的大小分别为例如几十至一百μm左右×几十μm左右。另外， 层间绝缘膜106比隧道绝缘膜112、隧道绝缘膜104厚，例如，层间 绝缘膜106的膜厚为100nm左右，隧道绝缘膜112和隧道绝缘膜104 的膜厚两者都为10～20nm左右。在本实施方式1中，表示MEMS 开关SW具有隧道绝缘膜104和隧道绝缘膜112的情况，但也可以 仅具有至少一者。
另外，该MEMS开关SW具有由于静电力等外力而产生弹性形 变的由层间绝缘膜106构成的膜片(可动部)134。在该膜片134设 置有开关驱动电极107和电荷蓄积电极105。
另外，如图5～图7所示，在信号线部131，在衬底101的主面 之上设置有接地电极109，覆盖接地电极109地在衬底101上设置有 隧道绝缘膜112。在该接地电极109上部隔着空气隙103设置有信号 线108。该空气隙103由隧道绝缘膜112和信号线108下的隧道绝缘 膜104包围地形成。另外设置有层间绝缘膜106以保护该信号线108。 此外，接地电极109和接地GND电连接。另外，接地电极109也可 以形成于衬底101的主面。
图8是表示本实施方式1的MEMS开关的驱动电压信号的示意 时序图，表示随着时间变化的向第一开关驱动电极102施加的电压、 向第二开关驱动电极107施加的电压和电荷蓄积电极105的电荷量。
首先，如图2和图5所示，本实施方式1的MEMS开关SW的 基本的形态(初始状态)是未对开关驱动电极102、107施加电压的 状态，作为电荷注入电极的开关驱动电极102和隧道绝缘膜104隔 着空气隙103，是非接触的。此外，在本实施方式1中，将图8的开 关非连接状态期间中设为初始状态。
在MEMS开关SW为初始状态的情况下，在信号线108和接地 电极109之间也存在空气隙103。因此，信号线108和接地电极109 之间的电容非常小，被输入到输入端子In的信号原样传递到输出端 子Out。即，信号线108的输入端子In、输出端子Out之间为AC和 DC连接状态。AC连接状态是指传递交流成分的信号的状态，另外， DC连接状态是指传递直流成分的信号的状态。
接着，如图3所示，在从MEMS开关的初始状态至图8的电荷 注入期间，在使开关驱动电极102接地、对开关驱动电极107施加 了正电压的情况下，通过静电力F使空气隙103上部的膜片134变 形，作为电荷注入电极的开关驱动电极102和电荷蓄积电极105经 由隧道绝缘膜112、104相接触。此时，电子从作为电荷注入电极的 开关驱动电极102经由隧道绝缘膜112、104而注入到电荷蓄积电极 105。
此时，如图6所示，信号线108和接地电极109经由隧道绝缘 膜104和隧道绝缘膜112而电连接。因此，信号线108和接地GND 之间的电容增大，信号线108的输入端子In-输出端子Out之间不 传递信号(AC非连接)，另一方面，输入端子In、接地GND为AC 连接状态。
接着，如图4所示，在图8的开关连接状态保持期间，当使开 关驱动电极102、107的电压为0V时，膜片134变形的程度减少， 通过在被蓄积在电荷蓄积电极105的电荷(电子)、和由该电荷(电 子)产生的静电场在作为电荷注入电极的开关驱动电极102上所感 应的反极性的电荷之间作用的静电力F来保持膜片134的变形。即， 作为电荷注入电极的开关驱动电极102和电荷蓄积电极105为非接 触。
在这里，膜片134的变形的程度减少是因为电子从电荷蓄积电 极105经由隧道绝缘膜104、112向作为电荷注入电极的开关驱动电 极102泄漏。但是，在作为电荷°注入电极的开关驱动电极102和电 荷蓄积电极105为非接触的情况下，电荷蓄积电极105的电荷不会 经由隧道绝缘膜104、112向作为电荷注入电极的开关驱动电极102 侧漏泄。此外，使开关驱动电极107和电荷蓄积电极105之间的层 间绝缘膜106的厚度比隧道绝缘膜104、112的厚度充分厚，来抑制 从电荷蓄积电极105向开关驱动电极107的电流泄漏。
此时，如图7所示，在空气隙103内，接地电极109的表面以 存在于作为电荷注入电极的开关驱动电极102的表面的上方的方式 而设置，所以信号线108和接地电极109经由隧道绝缘膜104和隧 道绝缘膜112保持接触。因此，信号线108的输入端子In、输出端 子Out之间的AC非接触状态也暂时地保持。
接着，在图8的电荷抽出期间，当对开关驱动电极102、107之 间施加反电压，即对开关驱动电极102施加正电压、使开关驱动电 极107接地时，电子从电荷蓄积电极105经由隧道绝缘膜104、112 拉回到作为电荷注入电极的开关驱动电极102。由此，系统返回到图 2和图5所示的初始状态。此外，即使不使开关驱动电极107接地地 对开关驱动电极102施加正电压，电子也从电荷蓄积电极105经由 隧道绝缘膜104、112拉回到作为电荷注入电极的开关驱动电极102。
在这里，本实施方式1的MEMS开关SW，优选监视(检验) 连接状态、和电荷抽出后(还原后)的初始状态(非连接状态)的 电荷蓄积电极105的蓄积电荷量。这是因为通过监视，对开关驱动 电极102或者开关驱动电极107施加电压，能够将静电力控制在所 希望的状态。
图9是示意地表示在驱动部130附近增加了监视用的MOS (Metal Oxide Semiconductor)晶体管121的MEMS开关SW的剖视 图。为了进行上述监视，如图9所示，在电荷蓄积电极105上连接 着MOS晶体管121。即，将与电荷蓄积电极105连接的布线的一端 120插入到MOS晶体管121的栅极电极122和沟道123之间的栅极 绝缘膜中。通过检查该MOS晶体管121的阈值，能够监视蓄积电荷 量。此外，标号135是MOS晶体管121的源极或者漏极的扩散层。
另外，在本实施方式1的MEMS开关SW中，电子向电荷蓄积 电极105的注入和抽出使用隧道电流、所谓的福勒-诺德海姆 (Fowler-Nordheim)电流来进行。在MEMS开关的很多应用中，由 于缩短注入所需要的时间并不是非常重要的课题，所以在由福勒-诺 德海姆电流进行的注入大多是没有问题的。但是，电荷的注入和抽 出不限于上述福勒-诺德海姆电流，也可以另行设置例如电荷注入用 的晶体管，采用所谓的热载流子注入等。此时，图9的MOS晶体管 121也能够用于热载流子注入用，能够高速地进行电荷的注入。
另外，在本实施方式1的MEMS开关SW中，施加的高电压可 以使用在和MEMS开关形成在同一衬底上的升压电路产生的电压， 也可以从元件的外部施加。
接着，对本实施方式1的MEMS开关的制造方法进行说明。图 10～图15是示意地表示制造工序中的MEMS开关的剖视图，分别 示出驱动部130(图1的A-A’线)和信号线131(图1的B-B’线)。
首先，如图10所示，通过光刻技术和离子注入法，在由例如硅 构成的衬底101的驱动部130的区域形成成为开关驱动电极102的 扩散层。
接着，如图11所示，在信号线部131的区域，形成位于后面的 空气隙103内并设置在信号线108的下部的、例如由多晶硅构成的 接地电极(信号线)109之后，使衬底101的表面氧化来形成膜厚 10～20nm左右的由氧化硅构成的隧道绝缘膜112。
接着，如图12所示，在成为后面的空气隙103的区域，形成例 如由多晶硅构成的牺牲层113之后，使其表面氧化，形成膜厚10～ 20nm左右的由氧化硅构成的隧道绝缘膜104。
接着，如图13所示，在表面形成有隧道绝缘膜104的牺牲层113 之上，在同层形成电荷蓄积电极105和信号线108，进而淀积例如由 硅构成的层间绝缘膜106。
接着，如图14所示，形成达到驱动部130的牺牲层113的蚀刻 孔115之后，通过蚀刻孔115，蚀刻除去由多晶硅构成的牺牲层113， 形成空气隙103。在牺牲层113的蚀刻中，使用XeF2气相蚀刻除去。 此时，隧道绝缘膜112、104等的氧化硅几乎没有被蚀刻。接着，牺 牲层被蚀刻之后，对空气隙103的内部表面进行疏水化处理。由此， 防止开关驱动电极102和隧道绝缘膜104的吸附。
接着，如图15所示，通过CVD法淀积例如由氧化硅构成的绝 缘膜116，密封蚀刻孔115之后，形成例如由多晶硅构成的开关驱动 电极107。
以上所采用的工艺都属于所谓的标准的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)半导体集成电路的制造工艺的范畴。这 样，本实施方式1的MEMS开关能够用半导体集成电路工艺(半导 体制造技术)制造。因此，本实施方式1的MEMS开关能容易地和 CMOS半导体集成电路集成为整体。即，能够实现小型、结构比较 简单、保持状态长期稳定、且和半导体集成电路的混载容易的双稳 态MEMS开关。
另外，在本实施方式1的MEMS开关SW中，对使信号线108 经由隧道绝缘膜104、112与接地电极109接触的结构进行说明，但 是也可以变更为其他结构。图16是示意地表示本实施方式1的变形 例的MEMS开关的俯视图。图17是沿图16的C-C’线的剖视图，表 示初始状态(非接触状态)。图18是沿图16的C-C’线的剖视图， 表示接触状态。此外，在图16中，为了便于说明，透视表示一部分 结构部，对上部信号线117、下部信号线118和布线132标记影线。 另外，驱动部130是和图1以及图6的MEMS开关SW都相同的结 构，沿图16的A-A’线的剖视图为在图2所示的剖视图。
图16的MEMS开关和图1的MEMS开关相比，信号线部131 有很大不同。即，信号线部131，在图1的MEMS开关中，由信号 线108和接地电极109构成，在图16的MEMS开关中，由上部信 号线117和下部信号线118构成。该上部信号线117和电荷蓄积电 极105处于同层，另外，下部信号线118以存在于开关驱动电极102 的表面的上方的方式设置。另外，图16的MEMS开关的制造方法 能够采用和图1的MEMS开关同样的半导体制造技术。
通过开关驱动图16的MEMS开关SW的驱动部130，如图17 和图18所示，能使上部信号线117经由隧道绝缘膜112和隧道绝缘 膜104与下部信号线118进行AC连接、非连接。另外，形成空气 隙103之后，通过蚀刻除去隧道绝缘膜112和隧道绝缘膜104，将上 部信号线117和下部信号线118直接连接，也可以进行DC连接。
以上，基于本实施方式1具体地说明了由本发明人提出的发明。 本发明并不限于上述的内容，不言而喻，在不脱离其宗旨的范围内 可进行各种变更。
例如，MEMS开关SW的平面形状不限于上述的图1或者图16 所示的形状。但是，优选如图1或者图16所示那样驱动部130和信 号线部131在平面上不重叠。进而，当如图1或者图16所示，以在 平面上两个以上的驱动部130夹持信号线部131的方式当设置驱动 部130和信号线部131时，接触时的信号线部131之间的并行性提 高，因此是优选的。
另外，例如制造方法和电极、结构体的材料也不限于上述的形 式，如要实现本实施方式1所示的基本结构和工作原理，则可以变 更为任何形式。例如，接地电极109或者下部信号线118、上部信号 线117等为钨、铝等金属，能够降低电阻。另外电荷蓄积电极105 也可以不使用金属而使用有机物和氮化硅膜等各种驻极体材料。为 了使驱动电压低电压化，使上述空气隙103上的膜片134的刚性小 即可。也可以使膜片134薄膜化或者在膜片的134的周边部引入所 谓的波纹形状等。
另外，例如，通过在同一薄膜层(例如在衬底表面所形成的扩 散层)形成接地电极109、或者下部信号线118和开关驱动电极102， 可以使MEMS开关SW的结构简单化。即使存在泄漏，在实际应用 期间，在保持开关驱动电极102和绝缘膜的接触的情况下，保持信 号线108和接地电极109的接触、或者上部信号线117和下部信号 线118的接触。
另外，可以将电荷蓄积电极105设置在衬底101上而不是膜片 134上。
以上，根据本实施方式1，能够实现这样的双稳态MEMS开关： 是小型的MEMS开关，其结构简单，保持状态长期稳定，且和半导 体集成电路的混载容易。另外，由于信号线和开关驱动电极是独立 的结构，所以施加于信号线的高频信号(RF信号)不会给开关的驱 动带来不良影响，能够提高MEMS开关的可靠性。
(实施方式2)
通常，在“开关”中，插入损失小、开断特性优良(所谓的接 通/断开比大)这两点很重要。进而，在具有膜片和信号线部位的机 械开关中，抑制信号线部位的机械损伤(磨损等)很重要。如上述 实施方式所示那样的、以机械的方式开断信号线的MEMS开关，可 以说在开断特性上较为优良，但是要抑制插入损失和机械损伤，需 要对信号线或者电极采用电阻小、且耐磨损性优良的材料。作为具 有这种特性的具有代表性的金属，例如有金(Au)。
因此，可以考虑使用金(Au)作为上述实施方式1的信号线108。 但是，优选上述实施方式1的结构用半导体制造技术形成。此时， 由于扩散系数大的金(Au)给晶体管带来不良的影响(例如阈值变 动)，所以在制造工序中导入金(Au)等重金属极其困难。即，在 和半导体集成电路混载的情况下，对例如图1的电荷蓄积电极105 和信号线108使用金是不现实的。在本实施方式2中，来解决该课 题。
首先，对本发明的实施方式2的MEMS开关的结构及其驱动原 理进行说明。本实施方式2的MEMS开关能够作为进行是否传递信 号的开关应用。
图19是示意地表示本实施方式2的MEMS开关的俯视图。图 20～图22是用于说明本发明实施方式2的MEMS开关的驱动原理 的、沿图19的D-D’线的剖视图，图20表示初始状态，图21表示电 荷注入状态，图22表示电荷保持状态。此外，在图19中，为了便 于说明，透视表示一部分结构，在上部信号线217、下部信号线218 和布线232标记影线。另外，驱动部230和信号线231的平面配置 和上述实施方式1的驱动部130以及信号线部131基本上没有大的 变化。
如19图所示，在MEMS开关SW的衬底201上构成有2个驱动 部230和1个信号线部231。驱动部230包括：开关驱动电极202、 207、电荷蓄积电极205以及对开关驱动电极202、207施加电压的 布线232。另外，信号线部231包括上部信号线217、下部信号线218。 此外，信号从上部信号线217侧的输入端子In传递到下部信号线218 侧的输出端子Out。
另外，如图20～图22所示，在驱动部230，在衬底201的主面 设置有开关驱动电极202。覆盖该开关驱动电极202地在衬底201 上设置有隧道绝缘膜212。此外，开关驱动电极202也是向电荷蓄积 电极205注入电荷的电荷注入电极。
在该开关驱动电极202上部隔着空气隙(空隙)203设置有电荷 蓄积电极205。该空气隙203由隧道绝缘膜212和电荷蓄积电极205 下的隧道绝缘膜204包围地形成。另外，在该电荷蓄积电极205上 夹持层间绝缘膜206地设置有开关驱动电极207。
另外，开关驱动电极207和层间绝缘膜206用例如由氮化硅构 成的保护膜209覆盖其整个表面。虽然在后面叙述，但是该保护膜 209起到防止存在于上部的金(Au)扩散到保护膜209下部的作用。
在信号线部231且在保护膜209上设置有下部信号线218。另外， 在两个驱动部230上以横跨下部信号线218的方式设置有双支承臂 211。另外，在双支承臂211的下侧设置有和下部信号线218对置的 上部信号线217。
如图20所示，本实施方式2的MEMS开关SW的基本形态(初 始状态)是未对开关驱动电极202、207施加电压的状态、并且是在 电荷蓄积电极205没有蓄积电荷的状态。在该初始状态，作为电荷 注入电极的开关驱动电极202和隧道绝缘膜204隔着空气隙203，是 非接触的。另外，在MEMS开关SW为初始状态的情况下，在上部 信号线217和下部信号线218之间也存在空气隙(空隙)235。即， 上部信号线217和下部信号线218之间是关断状态。
接着，如图21所示，从MEMS开关SW的初始状态开始，在使 开关驱动电极202接地并对开关驱动电极207施加正电压的情况下， 通过静电力使空气隙203上部的整个膜片234变形，作为电荷注入 电极的开关驱动电极202和电荷蓄积电极205经由隧道绝缘膜212、 204相接触。此时，电子从开关驱动电极202经由隧道绝缘膜212、 204注入到电荷蓄积电极205。
此时，上部信号线217和下部信号线218电连接，上部信号线 217和下部信号线218处于导通状态，被输入到输入端子In的信号 被输出到输出端子Out。即，信号线108的输入端子In、输出端子 Out之间为AC或DC连接状态。
接着，如图22所示，当将开关驱动电极202、207的电压设为 0V时，膜片234的变形程度减少，通过在被蓄积在电荷蓄积电极205 的电荷(电子)、和由该电荷(电子)所产生的静电场在作为电荷 注入电极的开关驱动电极202上所感应的反极性的电荷之间作用的 静电力来保持变形。即，作为电荷注入电极的开关驱动电极202和 电荷蓄积电极205为非接触。
在这里，膜片234的变形的程度减少是因为电子从电荷蓄积电 极205经由隧道绝缘膜204、212向开关驱动电极202泄漏。但是， 在开关驱动电极202和电荷蓄积电极105为非接触的情况下，电荷 蓄积电极205的电荷不会经由隧道绝缘膜204、212向开关驱动电极 202侧泄漏。此外，使开关驱动电极207和电荷蓄积电极205之间的 层间绝缘膜206的厚度比隧道绝缘膜204、212的厚度充分厚，以抑 制从电荷蓄积电极205向开关驱动电极207的电流泄漏。
另外，伴随着膜片234向衬底201方向移动，双支承臂211也 向衬底201方向移动，上部信号线217和下部信号线218相接触。 在这里，上部信号线217和下部信号线218的表面用金或者含有金 的材料覆盖。因此，由接触导致的磨损极小。
另外，因为由从电荷蓄积电极205向作为电荷注入电极的开关 驱动电极202的泄漏引起的静电引力减少，所以变形程度减少，当 开关驱动电极202和电荷蓄积电极205为非接触时，上述泄漏几乎 完全消失，所以上述变形暂时地保持。但是，在基本的形态(参照 图20)，上部信号线217和下部信号线218之间的空气隙235，设 定得比作为电荷注入电极的开关驱动电极202和电荷蓄积电极205 之间的空气隙203小的情况下，上部信号线217和下部信号线218 的接触状态保持不变。即，上部信号线217和下部信号线218的连 接状态被暂时地保持。
接着，对本实施方式2的MEMS开关的制造方法进行说明。图 23～图30是示意地表示制造工序中的MEMS开关的剖视图，分别 示出驱动部230和信号线部231(图19的D-D’线)。此外，在和半 导体集成电路混载等的情况下，本实施方式2的MEMS开关SW的 驱动部230的工序，与上述实施方式1同样地应用半导体制造工序， 与半导体集成电路的形成同时进行，信号线部231的工序在形成半 导体集成电路之后进行。
首先，如图23所示，通过光刻技术和离子注入法，在例如由硅 构成的衬底201上形成成为开关驱动电极202的扩散层之后，对衬 底201的表面进行氧化，形成例如膜厚为10～20nm左右的由氧化硅 构成的隧道绝缘膜212。
接着，如图24所示，在成为后述的空气隙203的区域，形成例 如由多晶硅构成的牺牲层213之后，对其表面进行氧化，而形成例 如膜厚为10～20nm左右的由氧化硅构成的隧道绝缘膜204。
接着，如图25所示，在表面形成了隧道绝缘膜204的牺牲层213 上，形成电荷蓄积电极205，进一步淀积层间绝缘膜206。
接着，如图26所示，在形成达到驱动部230的牺牲层213的蚀 刻孔(未图示)之后，通过该蚀刻孔，蚀刻除去由多晶硅构成的牺 牲层213，形成空气隙203。在牺牲层213的蚀刻中，使用XeF2气 相蚀刻进行除去。此时，隧道绝缘膜212等的氧化硅几乎没有被蚀 刻。接着，蚀刻牺牲层之后，对空气隙203的内部表面进行疏水化 处理。由此，防止开关驱动电极202和隧道绝缘膜204的吸附。
接着，通过CVD法淀积由例如氧化硅构成的绝缘膜(未图示)， 密封上述蚀刻孔之后，形成由例如多晶硅构成的开关驱动电极207。 此外，利用由氧化硅构成的绝缘膜对蚀刻孔进行密封不一定是必须 的。
接着，用由氮化硅构成的保护膜209来覆盖衬底201的整个表面。 以上，到目前为止所使用工序全都属于所谓的标准的CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)半导体集成电路的制 造工艺的范畴。即，本实施方式2的MEMS开关能够用标准的CMOS 半导体集成电路的制造工艺来制作。因此，本实施方式2的MEMS开 关能够容易地和CMOS半导体集成电路集成为整体。即，在将本实施 方式2的MEMS开关和CMOS半导体集成电路集成为整体时，用前述 的工艺完成CMOS半导体集成电路。
接着，如图27所示，在保护膜209上形成下部信号线218。在该 下部信号线218的上表面通过例如电镀来淀积金薄膜。
接着，如图28所示，在除了后面的双支承臂211的脚的部分的区 域且在成为后面的空气隙235的区域，使用有机抗蚀剂形成牺牲层 236，进一步，在其上形成上部信号线217。此外，在上部信号线217 下形成有金薄膜。
接着，如图29所示，在衬底201的整个表面淀积例如由氧化硅构 成的绝缘膜，并形成由该绝缘膜构成的双支承臂211。
接着，如图30所示，在双支承臂211的适当的区域形成到达牺牲 层236的蚀刻孔(未图示)，通过上述蚀刻孔蚀刻除去由有机抗蚀剂 构成的牺牲层236，形成空气隙235。再通过CVD淀积由氧化硅构成 的绝缘膜，堵塞上述蚀刻孔，密封空气隙。
根据本实施方式2的制造工序，使用CMOS半导体集成电路及 其制造工序做成的驱动部230，通过保护膜209而从形成使用金的上 部信号线217和下部信号线218的工序完全分离。即，金原子不会 通过例如由氮化硅构成的保护膜209扩散到保护膜209下部的 CMOS半导体集成电路，所以晶体管特性不会恶化。
另外，由于上部信号线217和下部信号线218的触点被密封在 空气隙235内，所以能够抑制因来自外界的湿度、化学污染等影响 导致的接触面的恶化。
以上，根据本实施方式2，能够做成插入损失小、开断特性和信 号线部位的耐磨损性优良、且小型、结构简单，保持状态长期稳定、 且和半导体集成电路的混载容易的双稳态MEMS开关。另外，由于 上部信号线217以及下部信号线218和开关驱动电极202、207是独 立的，所以例如施加在上部信号线217的高频信号(RF信号)不会 给开关的驱动带来不良的影响。
(实施方式3)
本实施方式3的MEMS开关和上述实施方式1的MEMS开关结 构相同，但是驱动原理不同。因此，省略关于本发明的实施方式3 的MEMS开关的结构的说明，以驱动原理为中心进行说明。此外， 本实施方式3的MEMS开关能够作为进行是否传递信号的开关应 用。
由于本实施方式3的MEMS开关的平面结构和上述实施方式1 的MEMS开关相同，故参照图1。图3 1～图34是用于说明本发明 的实施方式3的MEMS开关SW的驱动原理的、沿图1的A-A’线的 剖视图，图31表示初始状态，图32表示电荷注入状态，图33表示 电荷保持状态，图34表示电荷再注入状态。图35～图38是用于说 明本发明的实施方式3的MEMS开关SW的驱动原理的、沿图1的 B-B’线的剖视图，图35表示初始状态，图36表示电荷注入状态， 图37表示电荷保持状态，图38表示电荷再注入状态。
图39是表示本实施方式3的MEMS开关的驱动电压信号的示意 时序图，表示伴随时间变化的向第一开关驱动电极102的施加电压、 向第二开关驱动电极107的施加电压以及电荷蓄积电极105的电荷 量。
首先，如图31和图35所示，本实施方式3的MEMS开关SW 的初始状态(基本形态)，在未对开关驱动电极102、107施加电压 的状态下，作为电荷注入电极的开关驱动电极102和隧道绝缘膜104 隔着空气隙103，是非接触的。此时，在信号线108和接地电极109 之间也存在空气隙103。因此，信号线108和接地GND之间的电容 非常小，信号线108的输入端子In、输出端子Out之间是AC和DC 连接状态。将该状态称为初始模式(参照图39)。
接着，如图32所示，在从MEMS开关的初始状态到图39的电 荷注入模式期间，在将开关驱动电极102接地、对开关驱动电极107 施加正电压的情况下，通过静电力F使空气隙103上部的整个膜片 134变形，作为电荷注入电极的开关驱动电极102和电荷蓄积电极 105经由隧道绝缘膜112、104相接触。此时，电子从作为电荷注入 电极的开关驱动电极102经由隧道绝缘膜112、104注入到电荷蓄积 电极105。
此时，如图36所示，信号线108和接地电极109经由隧道绝缘 膜104和隧道绝缘膜112相连接。因此，信号线108和接地GND之 间的电容增大，信号线108的输入端子In、输出端子Out之间AC 非连接(关断)，另一方面，输入端子In、接地GND之间为AC连 接状态。将该状态称为电荷注入模式。
接着，如图33所示，在图39的开关连接状态保持期间，当将 开关驱动电极102、107的电压设为0V时，通过在被保存在电荷蓄 积电极105的电荷(电子)、和由该电荷(电子)产生的静电场在 作为电荷注入电极的开关驱动电极102上所感应的反极性的电荷之 间作用的静电力F来保持变形，其中，反极性的电荷通过。但是， 变形的程度减少，作为电荷注入电极的开关驱动电极102和隧道绝 缘膜104为非接触。因此，电荷蓄积电极105的电荷不会经由隧道 绝缘膜112、104向开关驱动电极102侧泄漏。
此时，如图37所示，在空气隙103内，接地电极109的表面和 作为电荷注入电极的开关驱动电极102的表面在大致同一个平面上 做成的情况下，信号线108和接地电极109中间隔着隧道绝缘膜104、 足够的空隙103以及隧道绝缘膜112而被隔开，信号线的输入端子 In、输出端子Out之间为AC连接状态。将该连接状态称为连接模式。
接着，如图34所示，当在开关驱动电极102施加电压Vdc时， 作为电荷注入电极的开关驱动电极102的电荷量增大ΔQ。由被蓄积 在开关蓄积电极102的电荷所产生的静电场(E)和上述电荷增加量 ΔQ，开关驱动电极102和电荷蓄积电极105之间的静电力F增大(增 加量EΔQ)，驱动部130的膜片134变形，开关驱动电极102和隧 道绝缘膜104接触。
此时，如图38所示，信号线108和接地电极109也经由隧道绝 缘膜104和隧道绝缘膜112相接触。因此，信号线108与接地GND 之间的电容增大，信号线108的输入端子In、输出端子Out之间为 AC关断。将该状态称为非连接状态。当将上述电压Vdc返回到0V 时，开关返回到图33和图37的状态。
以上，根据本实施方式3的MEMS开关，能够由蓄积电荷在作 为电荷注入电极的开关驱动电极和电荷蓄积电极之间维持高电压， 而不持续驱动升压电路，所以能由比较小的电压信号得到较大的静 电力变化，能够以低电压驱动开关。此外，电荷再注入可以用和 MEMS开关在同一个衬底上形成的升压电路产生高电压来进行，也 可以通过从元件的外部施加高电压来进行。
另外，本实施方式3的MEMS开关的制造方法，除了上述实施 方式1的图10～图15所示的制造方法中的接地电极109的形成方 法，几乎都相同。即，在本实施方式3中，接地电极109能够和开 关驱动电极102同时形成。
因此，能够做成小型、结构简单、可低电压驱动、保持状态长 期稳定、且和半导体集成电路的混载容易的双稳态MEMS开关。由 此，能够抑制功耗并且将MEMS开关持续保持在连接(或者非连接) 状态。
(实施方式4)
在本发明的实施方式4中，对将上述实施方式2的MEMS开关 应用于RF前端模块的波段选择开关的情况进行说明。图40是示意 地说明本发明实施方式4的RF前端模块的整体结构的说明图。图 41是示意地表示开关阵列的主要部分的俯视图。图42是沿图41的 E-E’线的剖视图。此外，关于在本实施方式4的MEMS开关的说明 由于和上述实施方式2相同，故省略。
如图40所示，来自天线的RF线路分路为多个，与天线侧开关 阵列相连接。该天线侧开关阵列是将在上述实施方式2所述的MEMS 开关SW配置成阵列状的开关阵列，其分别连接着上述分路后的RF 线路。为了统一以下的说明，在这里，以接收为前提，将天线侧称 为输入。天线侧开关阵列的各MEMS开关SWin1、SWin2、···、 SWin5的输出与具有彼此不同的高频特性的滤波器filter1、 filter2、···、filter5连接，各滤波器的输出与电路侧开关阵列的 各开关SWout1、SWout2、···、SWout5输入连接。电路侧开关 阵列的输出连接到接收用的RF半导体集成电路(RF-IC)。上述 MEMS开关全部和RF半导体集成电路混载为整体。但是，在这里， 上述滤波器采用了外部部件。也可以将RF滤波器和本开关或者RF 半导体集成电路混载，但省略其方法。
(实施方式5)
在本发明的实施方式5中，对将上述实施方式1的MEMS开关 应用于对系统LSI的各电路块的电源供给线的选择开关的情况进行 说明。图43是示意地表示本发明实施方式5的系统LSI的整体结构 的说明图。
如图43所示，例如，包括例如5个处理器A、5个处理器B、 SRAM、ROM、EEPROM、AD转换电路、DA转换电路、输入输出 控制电路等电路块。各电路由电源线提供电功率。
在本实施方式5中，从共用电源供给线至各电路块内的电源线 的引入部分配置了上述实施方式1的MEMS开关。通过仅设要使用 的电路块的电源供给开关为连接状态，能基本完全抑制在不使用的 电路块内的晶体管泄漏电流等所造成的功耗。
以上，基于实施方式来具体地说明由本发明人完成的发明，但 是，本发明并不限于上述实施方式，在不脱离其宗旨的范围内，可 以进行各种变更。
例如，在上述实施方式1中，对使用福勒-诺德海姆电流来进行 向电荷蓄积电极的电荷的注入和抽出的情况进行了说明。但是，也 可以通过热载流子注入来进行。
本发明能利用于高频技术中的、用于天线选择或带选择的开关、 半导体集成电路中的电路块选择或动态的芯片重构用的开关、以及 将这些开关用于逻辑元件自身的所有MEMS逻辑电路等各种应用。
专利文献1：美国专利US 6,635,506 B2
专利文献2：美国专利US 6,667,245 B2
专利文献3：日本专利第2555922号
专利文献4：日本特开2004-160572号公报
非专利文献1：日本电子信息通信学会期刊、第87卷(第11号)、 第919页至第938页(2004年11月、日本电子信息通信学会刊)