集積化CMOS-MEMS技術とその応用

Hiroki MORIMURA

, Toshishige SHIMAMURA

, Kei KUWABARA

,

Kazuyoshi ONO

†

, and Katsuyuki MACHIDA

††

あらまし CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) 技術と MEMS (Micro Electro Mechan-ical Systems)技術を融合した集積化 CMOS-MEMS 技術について述べる．本技術は小型・薄型化，高機能化，高 精度化，量産化などが図れる．まずは，従来技術の動向と集積化 CMOS-MEMS 技術の位置付けを述べ，集積化 CMOS-MEMS技術のポイントと有用性を説明する応用例を示す．具体的には，約 6 万の MEMS 可変容量とセ ンサ回路により高感化を実現した MEMS 指紋センサ，マルチバンド RF (Radio Frequency) モジュールをワン チップで実現可能にする，RF-MEMS スイッチと CMOS 制御回路を混載した SP8T (Single-Pole Eight-Throw) スイッチについて述べる．更に，外部の環境からエネルギーを発電することでバッテリレスセンサノードを実 現可能にする技術として，Power-MEMS 発電素子，振動センサと協調することで nW レベルで動作するセン サ回路についても説明する．また，MEMS デバイスの特性を補償し，量産化に必要なテスト技術を可能にする MEMS制御用センサ回路についても紹介する．最後に CMOS 回路と MEMS デバイスの融合により期待される 今後の展望について述べる． キーワード CMOS-MEMS 技術，指紋センサ，マルチバンド RF，バッテリレスセンサノード，エネルギー ハーベスティング

1.

ま え が き

CMOS

技術と

MEMS

技術を融合した高機能デバイ

スの創出が期待される．我々は，超微細な

LSI (Large

Scale Integration)

と多種多様な

MEMS

デバイスと

を融合してシリコン基板上に作製し，実装技術に継ぎ

目なく橋渡しすることが可能な集積化

CMOS-MEMS

技術の研究開発を進めている．

集積化

CMOS-MEMS

技術により，単に

CMOS

回

路の高機能性と

MEMS

素子の高性能が同時に享受さ

れるだけでなく，センサデバイス応用としてセンシン

グ回路の高感度化や極低電力動作が可能な新原理セ

†_{日本電信電話株式会社NTTマイクロシステムインテグレーション} 研究所，厚木市

NTT Microsystem Integration Laboratories, NTT Corpora-tion, 3–1 Morinosato Wakamiya, Atsugi-shi, 243–0198 Japan

††_{NTTアドバンステクノロジ，厚木市}

NTT Advanced Technology Corporation, 3–1 Morinosato Wakamiya, Atsugi-shi, 243–0198 Japan

a) E-mail: [email protected]

ンサ，マルチバンド無線端末を実現する

RFIC

(Ra-dio Frequency Integrated Circuits)

の小型高性能化，

MEMS

デバイスの高品質化技術として

MEMS

デバ

イスの補償回路，量産化に必要なテスト技術などが実

現できると考えられる．

本論文では，集積化

CMOS-MEMS

技術の特徴に

ついて述べ，実際の研究事例として，指紋センサや

シングルチップ

RF LSI

に向けた

SP8T

スイッチへ

の適用例，バッテリレスセンサノードを可能にする

Power-MEMS

技術やセンサ回路技術について説明す

る．最後に量産化・高信頼化が可能な

MEMS

構造制

御技術について述べ，今後の展望について述べる．

2.

集積化

CMOS-MEMS

技術の特徴

「なぜ集積化

CMOS-MEMS

技術なのか？」という

問いに答えるために，図

1

に示すように現状のビジ

ネス例におけるデバイスについて分類を試みた．横

軸がトランジスタの数，縦軸が

MEMS

の素子数であ

る．単体

MEMS

素子は，図の左端に位置する．一方，

図 1 ビジネス例とデバイスの数との相関図 Fig. 1 Market trend and correlation between number

of MEMS devices and transistors.

ゲーム機用，自動車車載用の加速度センサ，プリンタ

のヘッドに使われている

MEMS

は図面上中央に位置

する．単体

MEMS

素子でのビジネス規模は小さいと

いわれている．加速度センサは，スマートフォンや

ゲーム機搭載などビジネス規模が大きくなりつつある．

図面上において，最もビジネスの成功例として知られ

る

DMD (Digital Micromirror Device)

がある．この

図から，

CMOS

技術と

MEMS

技術の集積により高機

能化が促され，差異化を図ることによりビジネスの可

能性がうかがえる．

集積化

CMOS-MEMS

技術の特徴を下記に列挙す

る．

（

1

）ワンチップ化により，小型化，薄型化が可能

である．

（

2

）

MEMS

が

CMOS

を介して信号処理でき

るために本来パッシブな動きをしていた

MEMS

のア

クティブ化が可能となり高機能化を実現できる．

（

3

）

MEMS

素子と

CMOS

とが直接接続されることによ

り容量や抵抗の寄生素子の影響を低減でき，高精度制

御が可能になる．

（

4

）

MEMS

素子の動作を評価・模

擬する

CMOS

によるテスト機能が搭載可能となり，

CMOS

で培ったテスト技術を使用でき量産化が可能

になる．

3.

集積化

CMOS-MEMS

技術の応用

3. 1 MEMS

指紋センサ

従 来 の 指 紋 セ ン サ は 指 が 濡 れ て い た り 乾 燥 し て

いると画像が取得できないという問題がある．集積

化

CMOS-MEMS

技術を用いて，これらの課題を克

服した

MEMS

指紋センサについて説明する

[1], [2]

．

MEMS

指紋センサの原理と構造を図

2

に示す．基本

原理は，

MEMS

構造が指の指紋の凹凸を機械的に感

応し，その変位を

CMOS

のセンサ回路が電気的信号

図 2 MEMS指紋センサの原理と構造 Fig. 2 Structure and sensing mechanism of proposed

MEMS fingerprint sensor.

図 3 MEMS指紋センサの FIB 断面写真 Fig. 3 FIB cross section of the pixel of MEMS

fingerprint sensor.

として容量値を感知することである．

実際に試作した

MEMS

指紋センサの

FIB (Focused

Ion Beam)

による断面

SEM (Scanning Electron

Mi-croscope)

写真を図

3

に示す．指紋の凸部が図の突起

を押し下げ，突起の押し下げ量が中空構造内の電極に

よって容量として電気信号に変換される．下地の

LSI

によって信号処理された後，

256

階調の指紋画像が出

力される．

図

4

にプロセスの概要を示す．

0.5

µm CMOS

プロ

セス完了後，電極構造を形成した．このとき犠牲層

のアニール温度を

310

◦

C

と低温化し

CMOS

への影

響を避けた．犠牲膜除去後，

STP (Spin coating film

Transfer and hot-Pressing)

技術

[3]

∼

[5]

を用いて封

止膜を形成し最後に突起部を形成する．

MEMS

指紋センサによる画像取得結果を図

5

に示

す．意図的に濡らした指と乾燥指を対象とし，従来の

静電容量式指紋センサと比較した．

MEMS

指紋セン

サが指の表面状態によらず画像が取得できることが分

かる．信頼性評価も同時に実施されており信頼性上実

用に耐え得ることが示されている

[6]

．

図 4 MEMS指紋センサのプロセスフロー Fig. 4 Fabrication process flow of the MEMS structure.

図 5 (a)容量型指紋センサによる濡れた指の指紋画像， (b) MEMS指紋センサによる濡れた指の指紋画 像，(c) 容量型指紋センサによる乾燥指の指紋画像， (d) MEMS指紋センサによる乾燥指の指紋画像 Fig. 5 Fingerprint images of a finger wetted with

wa-ter captured by (a) the MEMS and (b) a ca-pacitive fingerprint sensor. Fingerprint im-ages of a dry finger captured by (c) the MEMS and (d) a capacitive fingerprint sensor.

定動作を保証するためカプセル構造により保護される．

本スイッチは，低電圧化に適した可動電極の構造を備

えており，

CMOS

動作電圧での動作を実現している．

RF CMOS-MEMS

スイッチを用いて，

SP8T

スイッ

チを試作した結果を図

7

に示す．

8

個の

RF-MEMS

スイッチが

3

ビットアドレスデコーダと入出力回路

を備えた

0.6

µm CMOS

チップ上に形成されている．

カプセル保護された

RF-MEMS

スイッチが問題なく

CMOS

上に形成されていることが分かる．

SP8T

スイッチの動作波形を図

8

に示す．制御回路

の電源電圧は

3.3 V

である．デコーダーの制御信号に

従って，入力の正弦波が出力ポートに正しく伝送され

ていることが分かる．なお，機械的信頼性についても

評価され

10

億回のスイッチの

ON/OFF

を繰り返し

ても，問題ないことが示されている

[8]

．

3. 3

超小型バッテリレスセンサノード

近年，エネルギーハーベスティング機能を備えた無

線センサ端末技術が注目されている

[9]

．室内に端末を

（例えば

1000

個以上）遍在させる場合，端末サイズを

図 6 RF CMOS-MEMSスイッチの概念図 Fig. 6 Schematic of RF CMOS-MEMS switch. RF

MEMS switches are stacked on CMOS LSI and controlled by control circuit at CMOS supply voltage.

図 7 試作した SP8T スイッチ (a) 光学顕微鏡写真，(b) カ プセル保護された状態の SEM 写真，(c) カプセル 保護前の拡大 SEM 写真，(d) (c) 断面 A—A’ のカ プセル保護後の状態

Fig. 7 Fabricated SP8T switch. (a) Optical mi-croscope photograph of the SP8T switch. (b) SEM photograph of the SP8T switch. (c) SEM photograph of RF MEMS switches without encapsulation. (d) SEM photograph of cross-section A-A’ in Fig. 7 (c).

小型化することが重要である．我々は

1 mm

3

サイズ

のバッテリセンサノードの研究開発を進めている．ミ

リサイズに小型化した場合，生成電力はエネルギー密

度

[10]

に基づいた見積りではナノワットレベルに減少

する．また生成電力が無線送信に必要な電力よりも小

さいため，センサノードはエネルギーを蓄積して利用

する必要がある．

エネルギー蓄積機能を備えたセンサノードのアーキ

テクチャを図

9

に示す．

電源管理回路はナノアンペア電流を生成する小型発

電機から蓄積容量にエネルギーを蓄積し，センサ回路

図 8 (a) SP8Tス イッチ の 回 路 構 成 ，(b) 出 力 1 と CTRL1の動作波形

Fig. 8 (a) Circuit schematic of the SP8T switch and (b) measured waveforms at node output 1 and CTRL 1. The RF MEMS switch was con-trolled by the control circuit at a supply volt-age of 3.3 V.

図 9 ナノワットレベルで動作するバッテリレスセンサ ノードの構成

Fig. 9 Nano-watt-power sensor-node architecture.

に電力を供給する．センサ回路が信号を検出すると信

号の強さに関するデータが無線送信される構成である．

本構成によりナノワットレベルでのバッテリレス動作

が可能となる．本アーキテクチャで重要となる振動発

電による

Power-MEMS

技術と，常時動作するセンシ

ング回路をいかにしてナノワットレベルで動作させる

極が移動することにより容量変化により行き場のなく

なった電荷が発電電流として流れる．

より多くの電流を得るためには，面積効率を上げる

ことと狭ギャップ化が有効である．従来は，電極面積

を大きくすると膜の応力による膜の反りが発生した

り，実装プロセスの精度から狭ギャップ化に限界があ

るなど課題があった．これを改善する構造を図

11

に

示す．水平方向に梁を配置して電極をアレー構造とす

ることでストレスを軽減し膜の反りを低減した．更に

実装時に上部電極と下部電極の物理的・電気的な接触

を防止する入れ子構造を形成することで，狭ギャップ

図 10 エレクトレットを用いた振動発電素子の基本構造 Fig. 10 Concept of energy conversion for the“slit-and-slider” structure by an electret based on electrostatic induction.

図 11 膜の反り防止と狭ギャップ化を可能とする振動素子 の構造

Fig. 11 New concept of the “slit-and-slider” struc-ture with horizontal arrays and vertical pro-trusions.

変化する．ダイオードを順方向に接続したセンサ回路

にセンサ素子の差動出力を接続することで，振動によ

る容量変化に伴って，電源から電荷が充電・昇圧を繰

り返し順次転送され容量に蓄積される．容量の電圧を

検出することで振動エネルギーに対応した情報を検出

できる．本回路は原理的に電荷転送時の電力がゼロで，

外部の振動エネルギーを活用することでナノワットレ

ベルのセンシング動作を可能としている．

0.35

µm CMOS

プロセスによるテストチップを搭

載したプロトタイプを図

14

に示す．振動検出評価用の

振動センサも搭載している．本回路の消費電力を図

15

に示す．イベント検出時とイベントがない場合の消費

電力の実測から計算した．イベント発生の間隔が

3

秒

以上の範囲で消費電力は

0.7 nW

であった．従来回路

図 12 振動発電素子の試作結果 Fig. 12 Fabricated five-array structure.

図 13 nWレベル振動センサ回路の構成 Fig. 13 Vibration-sensing circuit configuration.

図 14 試作チップ写真と評価ボード Fig. 14 Chip micrograph and evaluation board.

図 15 nWレベル振動センサ回路の消費電力測定結果 Fig. 15 Power dissipation of vibration sensing.

の消費電力

[14]

はイベント間隔によらず

450 nW

であ

り，本回路の電力は従来回路の

1/600

に相当する．

3. 4 MEMS

制御用センサ回路

可動部を有する

MEMS

構造を

LSI

上に集積するこ

とで，

MEMS

構造のばらつきや欠陥をセンサ回路によ

り検出し補正することが可能になる

[16], [17]

．

MEMS

制御回路の概念図を図

16

に示す．可動部の位置をセ

ンサ回路で検出し，その結果を踏まえて補正を行い，

その補正結果をステータス信号として出力する．これ

により，

MEMS

構造のバラつきを補正し，欠陥を検出

することができるため，歩留り向上やテスタビリティ

の向上，更には使用時の劣化も随時調整できることに

よる長期信頼性向上も可能になる．

可動部を有する

MEMS

構造の位置制御には

LSI

に

よる容量検出技術が有効である．

MEMS

可変容量を

LSI

に積層した場合の位置検出方式の概念図を図

17

に示す．可動部の位置検出のために，可動電極とセン

サ電極間の容量

Cs

を検出する．しかしながら，セン

サ電極には

LSI

配線との間の寄生容量

Cp

が発生し，

Cs

の検出精度が劣化してしまう．

そこで我々は検出電極の下にシールド電極を配置し，

図 16 MEMS制御回路の概念

Fig. 16 MEMS devices on CMOS LSI controlled by CMOS circuits.

図 17 可動電極の位置検出の原理と課題 Fig. 17 Position detection by capacitive sensing and

its problem.

シールド電極の寄生容量を利用して微小容量を高感度

に検出する容量センサ回路を提案した．図

18

に回路

構成を示す．シールド電極構造により寄生容量と検出

容量を分離するとともに，クロック信号で制御された

電流源により寄生容量

Cp

に電荷を注入する．

Cp

が

大きいとシールド電極の電位上昇速度は遅くなり，そ

の結果

Csh

を介してセンサ電極に注入される電荷量

も減少しセンサ電極の電位上昇速度も遅くなる．この

ことによりセンサ回路の検出感度が向上する．センサ

電極の電圧変化は

Cs

に依存するため，傾き検出回路

によりその変化量を検出し，基準信号と比較すること

で傾きを

PWM

信号に変換する．

0.6

µm CMOS/MEMS

プロセスを用いて

MEMS

可変容量と容量センス回路を集積化し，提案手法を評

価した．試作結果を図

19

に示す．検出容量に対する

出力電圧は検出容量に比例し，検出感度

500 mV/fF

を確認した．

図 18 センサ回路構成 Fig. 18 Configuration of sensing circuit

図 19 試 作 結 果

Fig. 19 Microphotograph of test chip and SEM im-ages of MEMS variable capacitor and cross section along the line A–A.

4.

む す び

集積化

CMOS-MEMS

技術の特徴を説明し，応用

例として

MEMS

指紋センサ，

RF CMOS-MEMS

ス

イッチ及び超小型バッテリレスセンサノードに向けた

Power-MEMS

発電素子や

nW

レベルのセンサ回路に

ついて説明した．これらは集積化

CMOS-MEMS

技

術の可能性を示している．更に，

MEMS

デバイスを

補償し，量産化に必要なテスト技術を可能とする制御

回路用センサ回路についても紹介した．

集積化

CMOS-MEMS

技術により，高性能化・高機

能化だけでなく，高信頼化，高精度化，量産化が実現

され，高機能デバイスの創出が期待される．本技術の

適用範囲は広く，様々なアプリケーションを実現する

不可欠な基盤技術として，今後，医療，車載，福祉，

環境，安心，安全などの様々な分野に展開されると考

える．

pp.771–774, Dec. 2003.

[3] K. Machida, H. Kyuragi, H. Akiya, and K. Imai, “Novel global planarization technology for interlayer dielectrics using spin on glass film transfer and hot pressing,” J., Vac. Sci. Technol., vol.B16, no.3, pp.1093–1097, May/June 1998.

[4] N. Sato, K. Machida, M. Yano, K. Kudou, and H. Kyuragi, “Advanced spin coating film trans-fer and hot-pressing for global planarization with dielectric-material-viscosity control,” Jpn. J. Appl. Phys., vol.41, pp.2367–2373, April 2002.

[5] N. Sato, H. Ishii, S. Shigematsu, H. Morimura, T. Kamei, K. Kudou, M. Yano, K. Machida, and H. Kyuragi, “A sealing technique for stacking MEMS on LSI using spin-coating film transfer and hot-pressing,” Jpn. J. Appl. Phys., vol.42, pp.2462–2467, April 2003.

[6] N. Sato, S. Shigematsu, H. Morimura, M. Yano, K. Kudou, T. Kamei, and K. Machida, “Novel sur-face structure and its fabrication process for MEMS fingerprint sensor,” IEEE Trans. Electron Devices, vol.52, no.5, pp.1026–1032, April 2005.

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[8] K. Kuwabara, N. Sato, T. Shimamura, H. Morimura, J. Kodate, T. Sakata, S. Shigematsu, K. Kudou, K. Machida, M. Nakanishi, and H. Ishii, “RF CMOS-MEMS switch with low-voltage operation for single-chip RF LSIs,” IEDM Tech. Dig., pp.735–738, Dec. 2006.

[9] H. De Man, “Ambient intelligence: gigascale dreams and nanoscale realities,” International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), pp.29–35, Feb. 2005. [10] S. Roundy, P.K. Wright, and J.M. Rabaey,

En-ergy Scavenging for Wireless Sensor Networks, p.22, Kluwer AcademicPublishers, 2004.

[11] N. Sato, K. Kuwabara, K. Ono, T. Sakata, H. Morimura, J. Terada, K. Kudou, T. Kamei, M. Yano, K. Machida, and H. Ishii, “Monolithic inte-gration fabrication process of thermoelectric and

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[12] N. Sato, K. Ono, T. Shimamura, K. Kuwabara, M. Ugajin, S. Mutoh, H. Morimura, H. Ishii, J. Kodate, and Y. Sato, “Energy harvesting by MEMS vibra-tional devices with electrets,” Digest Tech. Papers, Transducers’09 Conference, pp.1381–1384, Denver, USA, June 2009.

[13] K. Ono, N. Sato, T. Shimamura, M. Ugajin, T. Sakata, S. Mutoh, and Y. Sato, “A millimeter-sized electret-energy-harvester with microfabricated hori-zontal arrays and vertical protrusions for power gen-eration enhancement,” Digest Tech. Papers, Trans-ducers’11, pp.1863–1866, 2011.

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[15] T. Shimamura, M. Ugajin, K. Suzuki, K. Ono, N. Sato, K. Kuwabara, H. Morimura, and S. Mutoh, “Nano-watt power management and vibration-sensing on dust-size battery-less sensor nodes for am-bient intelligence application,” International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), pp.504–505, 2010.

[16] H. Morimura, S. Shigematsu, T. Shimamura, K. Machida, and H. Kyuragi, “A pixel-level automatic calibration circuit scheme for capacitive fingerprint sensor LSIs,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol.37, no.10, pp.1300–1306, Oct. 2002.

[17] T. Shimamura, H. Morimura, K. Kuwabara, N. Sato, J. Terada, M. Ugajin, S. Shigematsu, and K. Machida, “A capacitive sensing scheme for control of movable element with complementary metal–oxide– semiconductor microelectoro-mechanical-systems de-vice,” Jpn. J. Appl. Phys., vol.47, pp.3418–3422, May 2008. （平成 24 年 1 月 31 日受付）

森村 浩季 （正員）

1991東工大・工・電子物理卒．1993 同 大大学院電子システム修士課程了．同年 NTT入社．2011 同マイクロシステムイ ンテグレーション研究所グループリーダ． 低電力 SRAM 回路技術，指紋センサ LSI の研究・実用化を経て，人体近傍通信技術 及びバッテリレスセンサノード技術の研究に従事．博士（工 学）．本会英論文誌（C）特集号編集委員．VLSI technology， SSDM, ISADS各論文委員．CSS2004 優秀論文賞，2006 本 学会論文賞，2009 集積化 MEMS シンポジウム優秀論文賞受 賞．応用物理学会，IEEE 各会員．

島村 俊重 （正員）

1995東工大・工・電子物理卒．1997 同 大大学院電子システム修士課程了．同年 NTT入社．MEMS 制御技術，指紋センサ 技術，バッテリレスセンサノード技術の研 究開発に従事．現在，NTT マイクロシス テムインテグレーション研究所主任研究員． 本会電子部品・材料技術研究専門委員会幹事，英論文誌（C） 編集委員．2006 本会論文賞受賞．2009 集積化 MEMS シンポ ジウム優秀論文賞受賞．応用物理学会，IEEE 各会員．

桑原

啓 （正員）

2002慶大・理工・物理情報卒．2004 同 大大学院・理工学研究科修士課程了．同年 NTT入社．同マイクロシステムインテグ レーション研究所にて，RF MEMS デバイ ス，光 MEMS デバイス，CMOS-MEMS 集積化技術の研究に従事．応用物理学会， IEEE各会員．

小野 一善 （正員）

2006東工大大学院電子機能システム修 士課程了．同年 NTT 入社．MEMS プロ セス技術及びエネルギーハーベスティング 技術の研究に従事．応用物理学会会員．

町田 克之 （正員）

1981九工大大学院電子修士課程了．電 電公社入社．LSI 配線プロセス及び縁膜形 成技術研究開発，指紋センサ LSI の研究， CMOS-MEMS技術の研究に従事．2007 より NTT アドバンステクノロジ（株） 先端プロダクツ事業本部ナノテクビジネ スユニット主幹担当部長高機能デバイスチームリーダ．集積 化 CMOS-MEMS デバイスの研究開発及び事業化推進に従事． 2010より東京工業大学大学院理工学研究科連携教授．CSS2004 優秀論文賞，2006 本学会論文賞，2006MNC Most Impressive Presentation Award，2009 年集積化 MEMS シンポジウム 優秀論文賞受賞．博士（工学），応用物理学会会員，電気学会， IEEE各会員．