(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
封入層によって封止された空洞を有するＭＥＭＳデバイスを製造することと、
封入層および空洞を境界付ける他の層のうちの１つに原子を注入することと、
ＭＥＭＳデバイスをアニール処理して、原子を空洞内に放出し、空洞を加圧することと、を含むＭＥＭＳ製造方法。
【請求項２】
前記空洞は、第１空洞と、第１空洞とチャネルを介して連結された第２空洞とを備える請求項１記載の方法。
【請求項３】
マスクを、封入層の上に形成することをさらに含む請求項２記載の方法。
【請求項４】
封入層によって封止された空洞を有するＭＥＭＳデバイスを製造することと、
封入層および空洞を境界付ける他の層のうちの１つに原子を注入することと、
ＭＥＭＳデバイスをアニール処理して、原子を空洞内に放出し、空洞を加圧すること、を含み、
前記空洞は、第１空洞と、第１空洞とチャネルを介して連結された第２空洞とを備え、
更に、マスクを、封入層の上に形成すること、を含み、
注入することは、第２空洞を境界付ける領域において原子を封入層の中に注入することを含むＭＥＭＳ製造方法。
【請求項５】
原子は、窒素、ヘリウム、アルゴン、キセノンおよびこれらの組合せからなるグループから選択される請求項４記載の方法。
【請求項６】
ＭＥＭＳデバイスを製造することは、
犠牲材料を絶縁層の上に堆積することと、
スイッチング素子を犠牲材料の中に形成することと、
犠牲材料をスイッチング素子の上に堆積することと、
絶縁層およびスイッチング素子の上に形成された犠牲材料を除去することと、を含む請求項５記載の方法。
【請求項７】
犠牲材料は、第１空洞、第２空洞およびチャネルの境界を規定する請求項６記載の方法。
【請求項８】
犠牲材料を除去した後、スイッチング素子は、第１空洞内で、絶縁層と接触する位置と、絶縁層から離れる位置との間で移動可能である請求項７記載の方法。
【請求項９】
注入することは、空洞を境界付ける領域において原子を封入層の中に注入することを含む請求項１記載の方法。
【請求項１０】
原子は、窒素、ヘリウム、アルゴン、キセノンおよびこれらの組合せからなるグループから選択される請求項９記載の方法。
【請求項１１】
ＭＥＭＳデバイスを製造することは、
犠牲材料を絶縁層の上に堆積することと、
スイッチング素子を犠牲材料の中に形成することと、
犠牲材料をスイッチング素子の上に堆積することと、
絶縁層およびスイッチング素子の上に形成された犠牲材料を除去することと、を含む請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
犠牲材料は、空洞の境界を規定する請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
犠牲材料を除去した後、スイッチング素子は、空洞内で、絶縁層と接触する位置と、絶縁層から離れる位置との間で移動可能である請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
ＭＥＭＳデバイスを製造することは、
犠牲材料を絶縁層の上に堆積することと、
スイッチング素子を犠牲材料の中に形成することと、
犠牲材料をスイッチング素子の上に堆積することと、
絶縁層およびスイッチング素子の上に形成された犠牲材料を除去することと、を含む請求項１記載の方法。
【請求項１５】
犠牲材料は、空洞の境界を規定する請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
犠牲材料を除去した後、スイッチング素子は、空洞内で、絶縁層と接触する位置と、絶縁層から離れる位置との間で移動可能である請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
第１位置と第２位置との間で移動可能なスイッチング素子を内部に有する第１空洞と、
第１空洞に近接して配置された第２空洞と、
第１空洞を第２空洞と連結するチャネルと、
第２空洞の境界の一部に注入された原子と、を備えるＭＥＭＳデバイス。
【請求項１８】
原子は、窒素、ヘリウム、アルゴン、キセノンおよびこれらの組合せからなるグループから選択される請求項１７記載のＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に、ガスをマイクロ空洞の中に導入して、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの寿命を増強することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ技術を利用したデジタル可変キャパシタ（ＤＶＣ）が、ＭＥＭＳデバイスのスイッチング素子を、高キャパシタンス状態と低キャパシタンス状態との間を移動させることによって動作する。高キャパシタンス状態において、スイッチング素子はＲＦ電極に近接した位置にある。低キャパシタンス状態において、スイッチング素子は、ＲＦ電極から離れた他の電極、詳細には、ＲＦ電極の上に配置された絶縁層から遠くにある他の電極に近接した位置にある。スイッチング素子は、グラウンドまで移動してもよく、これによりスイッチング素子はＲＦ電極にも他の電極にも近接していない。
【０００３】
ＭＥＭＳデバイスの寿命の期間、スイッチング素子は、種々の状態（即ち、高キャパシタンス状態、低キャパシタンス状態、グラウンド）の間を繰り返す。あるサイクルでは、スイッチング素子は、グラウンド状態から高キャパシタンス状態または低キャパシタンス状態に移動する。そのサイクルが終了して次のサイクルの前に、スイッチング素子はグラウンド状態に戻る。そして、新たなサイクルが開始すると、スイッチング素子は、高キャパシタンス状態または低キャパシタンス状態に移動し、あるいはグラウンド状態に留まる。これはプレートの物理運動に対応しており、プレートは、ＲＦ電極を覆う絶縁層に接触したり、それが収容される空洞の屋根に接触する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＥＭＳデバイスが故障する前にスイッチング素子が移動できるのは、有限の回数しかない。スイッチング素子の各運動では、ＭＥＭＳデバイスは有限量の損傷を蓄積し、充分な総サイクルを経過すると、故障に至る。ＭＥＭＳデバイスまたは空洞の屋根またはＲＦ電極を覆う絶縁層に対する有限の損傷の大きさは、スイッチング素子がこれに接触する際、高速移動するスイッチング素子の衝撃速度に比例する。上記の例では、この接触は、材料をその露出表面から排出させ、キャパシタのプレート間に進入して、グラウンドＭＥＭＳプレートが形成する、ＲＦ電極の上にある絶縁層に対する最近接距離を減少させる。こうして取り得る最大キャパシタンスが減少する。
【０００５】
従って、スイッチング素子がデバイス空洞内の種々の表面と接触する際、ＭＥＭＳデバイスにおけるスイッチング素子の衝撃速度を低減することによって、ＤＶＣにおいてＭＥＭＳデバイスの寿命を増加させるための技術のニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、一般に、ＭＥＭＳデバイスでのスイッチング素子の衝撃速度を低減することによって、ＭＥＭＳデバイスの寿命を増加させる方法に関する。封入したＭＥＭＳデバイスを真空空洞にするのではなく、空洞を真空状態に封止した後、原子を空洞内に注入(implant)して、不活性ガスを空洞内に導入する。ガスを空洞内に導入することは、ガスダンピング(damping)および薄膜ダンピングを生じさせ、最終の衝撃速度を減少させる。
【０００７】
一実施形態では、ＭＥＭＳ製造方法が、封入層によって封止された空洞を有するＭＥＭＳデバイスを製造することと、封入層および空洞を境界付ける他の層のうちの１つに原子を注入することと、ＭＥＭＳデバイスをアニール処理して、原子を空洞内に放出し、空洞を加圧することと、を含む。
【０００８】
他の実施形態では、ＭＥＭＳデバイスは、第１位置と第２位置との間で移動可能なスイッチング素子を内部に有する第１空洞と、第１空洞に近接して配置された第２空洞と、第１空洞を第２空洞と連結するチャネルと、第２空洞の境界の一部に注入された原子と、を含む。
【０００９】
他の実施形態では、ＭＥＭＳデバイスまたはＭＥＭＳデバイスセットは、高真空下の空洞内に収容される。例えば、ＭＥＭＳデバイスは、電気的に接地され、基板上に設置可能であり、絶縁体の薄い層でコートされた高周波（ＲＦ）電極に近接した位置（即ち、高キャパシタンス状態）から移動可能な導電性ビームからなるＤＶＣであってもよい。導電性ビームは、薄い絶縁体でコートされた、ＲＦ電極に近接した電極に電圧を印加することによって、高キャパシタンス状態に引き込まれる。導電性ビームの上方にある電極（即ち、プルアップ電極）に電圧を印加した場合、導電性ビームは空洞の屋根に引き寄せられる。プルアップ電極の下方にある絶縁体が、導電性ビームへの電流を生じさせるプルアップ電極での電圧を防止する（即ち、低キャパシタンス状態）。低キャパシタンス状態は、接地された導電性ビームをＲＦ電極から遠くへ移動して、ＲＦ電極にとって低キャパシタンス状態にする。典型的には、１０Ｖと３０Ｖの間の電圧が印加され、導電性ビームを高キャパシタンス状態と低キャパシタンス状態の間で移動させる。
【００１０】
これらの高い電圧は、空洞を横断するように導電性ビームを加速して、１ｍ／ｓより大きい速度で絶縁材料に着地させる。これらのデバイスは、数億回のスイッチ動作をする必要があり、衝撃速度が大きすぎる場合、最終的に材料が摩耗して、表面がデバイスの故障をもたらす。ガスを空洞内に導入することによって、ビームが絶縁材料と接触する際、導電性ビームの下方にある空気が立ち退く必要がある。ガスは、減少する間隙を通って側方に流れる必要があり、その結果、導電性ビームと、それが接近する表面との間にある狭い間隙において圧力が増加する。この圧力は、宣言力(declaration force)を生じさせ、導電性ビームが着地する際、導電性ビームを減速し、衝撃ダメージを低減する。
【００１１】
不活性ガス、例えば、アルゴン、窒素またはヘリウムなどのイオン注入が半導体プロセス工場で利用可能であり、ドーパントを半導体基板に注入するために用いられる。高い電圧がイオンを極めて高い速度に加速するために用いられ、これらは電子ビームと組み合わせて、基板に進入する前に、これらの電荷を中和することが可能である。高い速度は、原子の大部分が半導体の表面下のある距離で停止するのを確保する。本実施形態では、イオン加速は、イオンの大部分が空洞の上部層の厚さに匹敵する深さに堆積するように調整される。
【００１２】
原子が停止する深さの分布が存在するようになり、これは、注入されたこれらの原子の大きな割合が空洞の直ぐ上方または直ぐ下方で停止することを意味することになる。これは、スイッチング素子が空洞内に存在する場合、イオンがスイッチング素子自体で停止し、上部表面でのダメージまたは応力変化を引き起こし、スイッチング素子の湾曲をもたらすという問題になるかもしれない。
【００１３】
この問題を回避するには、第２空洞をＭＥＭＳ空洞の隣りに設けて、パイプ状のチャネルで連結することである。マスキング材料の特殊な層をＭＥＭＳデバイスを含む空洞の上に配置し、空の空洞の上から除去することができる。原子注入プロセスは、原子を、ＭＥＭＳ空洞の上方にある除去可能層（即ち、マスキング材料）の中に注入し、空の空洞の上方および下方に接近した空洞および領域の中には注入しない。次のアニール処理により、ガスが空の空洞壁から飛び出して、空の空洞に入り、そこでは圧力均等化によって、スイッチング素子を収納する空洞の中へのガス拡散をもたらす。プロセスの最終段階は、ＭＥＭＳ空洞を保護していたマスキング材料を除去することである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明の上記特徴が詳細に理解できるように、上記のように簡単に要約した本発明のより特定した説明が実施形態を参照しており、その幾つかを添付図面に図示している。しかしながら、添付図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示しており、その範囲を限定するものと考えるべきでなく、本発明にとって他の等価の有効な実施形態を許容できることに留意すべきである。
【００１５】
【図１Ａ】隣接する空の空洞と連結した空洞でのＭＥＭＳデバイスを示す。
【図１Ｂ】マスキング層の追加後の、図１ＡのＭＥＭＳデバイスおよび空洞を示す。
【図１Ｃ】注入プロセスの後の、図１ＡのＭＥＭＳデバイスおよび空洞を示す。
【図１Ｄ】マスキング層のアニール処理および除去後の、図１ＣのＭＥＭＳデバイスおよび空洞を示す。
【図２Ａ】高エネルギー注入後、典型的な原子濃度と固体基板での深さとの関係を示す。
【図２Ｂ】典型的な原子濃度と空洞のキャスト(cast)の深さとの関係を示す。
【図２Ｃ】アニール処理後、図２Ｂに示す後続の原子分布を示す。
【００１６】
理解促進のため、図面で共通する同一要素を指定するために、可能な限り同一の参照符号を使用している。一実施形態で開示した要素が、特別の説明なしで他の実施形態でも有効に利用できることは想定されよう。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、一般に、ＭＥＭＳデバイスでのスイッチング素子の衝撃速度を低減することによって、ＭＥＭＳデバイスの寿命を増加させる方法に関する。封入したＭＥＭＳデバイスを真空空洞にするのではなく、空洞を真空状態に封止した後、原子を空洞内に注入して、不活性ガスを空洞内に導入する。ガスを空洞内に導入することは、ガスダンピング(damping)および薄膜ダンピングを生じさせ、最終の衝撃速度を減少させる。
【００１８】
図１は、一実施形態に係る接地状態にあるＭＥＭＳデバイス１００を示す。ＭＥＭＳデバイス１００は、そこに形成された複数の電極１０４Ａ〜１０４Ｅを有する基板１０２を含む。２つの電極１０４Ｂ，１０４Ｄは、「プルイン」電極と称され、電極１０４Ｂ，１０４Ｄは、スイッチング素子１０８を電極１０４Ｃに引き寄せるために用いられる。電極１０４Ｃは、ＲＦ電極である。電極１０４Ａ，１０４Ｅは、導電性材料１１０で充填されたビアを経由した、スイッチング素子１０８とのグラウンド接続を提供する。電気絶縁層１０６が電極１０４Ｂ〜１０４Ｄの上に形成される。一実施形態では、絶縁層１０６が、二酸化シリコン、窒化シリコンまたはこれらの組合せを含んでもよい。
【００１９】
スイッチング素子１０８は、導電性材料、例えば、窒化チタンまたは窒化アルミニウムチタン合金を含んでもよい。一実施形態では、窒化チタンは、電気絶縁材料の薄い層でコートしてもよい。スイッチング素子１０８は、１つ又はそれ以上のポスト１１６によって接続された下部層１１２および上部層１１４を有するように示している。スイッチング素子１０８が他の配置を有することも考えられることは理解されよう。さらに、スイッチング素子１０８の下部層１１２および上部層１１４が、電気絶縁材料の薄い層を表面に有する窒化チタンを含むことも考えられ、他の材料も考えられることは理解されよう。スイッチング素子１０８は、空洞１１８の内部に配置され、低キャパシタンス状態、高キャパシタンス状態、グラウンド状態の間を空洞１１８内で移動可能である。
【００２０】
スイッチング素子１０８の上方には、他の電極１２０（「プルアップ」電極または「プルオフ」電極と称することがある）が存在する。電気絶縁材料の薄い層１２２が電極１２０と空洞１１８との間に配置され、層１２２は、空洞１１８の境界を決める。空洞１１８は、空洞１１８を封入するキャップ層１２４で封止される。
【００２１】
スイッチング素子１０８を収納する空洞１１８の隣りに、別個の空洞１３０がある。空洞１３０は、パイプまたはチャネル１３１によって、スイッチング素子１０８を収納する空洞１１８と連結される。空洞１３０は、原子を空洞１１８の中に導入するために用いられ、空洞１１８内でのスイッチング素子１０８の衝撃速度を低減する。原子は、イオン注入プロセスによって空洞１３０の中に注入してもよい。
【００２２】
ＭＥＭＳデバイス１００は、一実施形態に従って下記のように形成できる。基板１０２は、マスクをその上に形成し、基板１０２をエッチングすることによってパターン化され、溝を形成する。溝には、電極１０４Ａ〜１０４Ｅを形成する導電性材料が形成されることになる。その後、マスクを除去し、導電性材料を溝の中に堆積して、電極１０４Ａ〜１０４Ｅを形成する。そして、電気絶縁材料１０６をその上に堆積する。他のマスクを電気絶縁材料１０６の上に形成して、その結果、ビアが形成可能になり、そこには導電性材料１１０で充填されることになる。ビアは、絶縁層にエッチングされ、電極１０４Ａ，１０４Ｅを露出し、マスクを除去する。そして、導電性材料１１０をビアの中に堆積する。
【００２３】
そして、犠牲材料を電気絶縁層１０６の上に堆積する。そして、スイッチング素子１０８を犠牲材料の中に形成し、追加の犠牲材料をスイッチング素子１０８の上に形成する。犠牲材料は、形成すべき空洞１１８，１３０の境界を形成する。そして、電気絶縁層１２２を最上部の犠牲層の上に形成し、続いて電極１２０を形成する。キャップ層１２４、電極１２０および絶縁層１２２を通る孔を形成し、犠牲材料を露出させる。エッチャントを空洞１１８に導入して犠牲材料を除去し、空洞１１８および空洞１３０を形成する。空洞１１８内では、スイッチング素子１０８は、電極１２０または「プルイン」電極１０４Ｂ，１０４Ｄに印加される電流に応答して自由に移動する。追加の封入層をその上に堆積して、空洞１１８，１３０を封止してもよい。封止した後、イオン注入プロセスによって原子を空洞１３０内に注入してもよい。
【００２４】
原子を空洞１３０内に注入するために、マスク１４０をキャップ層１２４の上に形成する。図１Ｂは、空洞１１８およびこれに近接した空洞１３０を有するＭＥＭＳデバイス１００を示す。マスク１４０がキャップ層１２４の上に形成される。マスク１４０は、これを通る開口１４２を有し、空洞１３０の上にあるキャップ層１２４を露出させる。マスキング材料は、光レジスト、ポリイミド、または加速した原子を吸収できる他のマスキング材料を含んでもよい。マスキング材料は、隣りの空の空洞１３０の上を除去するように光リソグラフィおよびエッチングを用いてパターン化され、こうしてマスク１４０を形成する。
【００２５】
いったんマスク１４０が形成されると、マスク１４０を通って空洞１３０の中に原子を注入できる。図１Ｃは、原子が空洞１３０の中に注入されたＭＥＭＳデバイス１００を示す。注入された原子は、アルゴン、ヘリウム、窒素またはこれらの組合せ、あるいは周囲温度でガスを形成する任意の他の材料を含んでもよい。一実施形態では、注入された原子は、空洞１１８内の材料と反応しないガスを含む。注入された原子は、領域１５０，１５１においてマークされる。
【００２６】
原子の注入に続いて、ＭＥＭＳデバイス１００のアニール処理を行って、原子を空洞１３０、チャネル１３１および空洞１１８の中に拡散させることが可能になる。アニール処理は約４５０℃までの温度で行ってもよい。マスク１４０も除去する。アニール処理は、マスク１４０の除去前または後に行ってもよい。図１Ｄは、アニール処理後でマスク１４０の除去後のＭＥＭＳデバイス１００を示す。アニール処理により、ガス分子は空洞１１８の中に拡散するようになる。図示していないが、何らかの犠牲材料が空洞１３０内に残留し、注入プロセスの際、そこに注入された原子を有することが考えられる。
【００２７】
図２Ａは、高エネルギー注入後、典型的な原子濃度と固体基板での深さとの関係を示す。縦軸は、固体の基板中への下向き距離を示す。ｘ横軸は、注入原子の密度を示す。
【００２８】
図２Ｂは、典型的な原子濃度と空洞のキャスト(cast)の深さとの関係を示す。空洞の上部の深さは「１」で示し、空洞の下部の深さは「２」で示している。空洞は、注入原子がエネルギーを失う機会をほとんど提供しないため、空洞までに通過する原子は、空洞を横断して空洞の下部に埋め込まれる。こうして分布が、ほぼ空洞の厚さによって広がる。幾つかの原子が空洞の下部で反射し、ある圧力を提供することがある。
【００２９】
図２Ｃは、アニール処理後、図２Ｂに示す後続の原子分布を示す。注入原子の濃度勾配は、空洞表面に近い原子の空洞中への拡散を生じさせ、スイッチングＭＥＭＳ素子の衝撃速度を低減できる原子の圧力を提供する。
【００３０】
一実施形態では、ＭＥＭＳデバイス１００の製造の際、何らかの犠牲材料が空洞１３０内に残留することがあり、その結果、注入原子が空洞領域に停止する。この犠牲材料が多孔質であったり、原子が高速な拡散時間を有する場合、これらは連結空洞の中により迅速に、より効率的に放出されるようになる。空洞１３０は、製造段階で空洞１３０に堆積され、放出時に空洞から除去されず、注入原子を容易に停止させ、加熱時に迅速に拡散させることができる材料を有してもよい。
【００３１】
本発明は、デジタル可変キャパシタにおける多くのキャパシタの一部である、空洞内の１つのキャパシタに関して説明したが、本発明は、デバイスのスイッチングがデバイスの寿命を制限する衝撃を生じさせる複数のＭＥＭＳデバイスを有する空洞に適用可能であることが理解される。
【００３２】
上記説明は本発明の実施形態に関するものであるが、本発明の他の追加の実施形態がその基本的範囲から逸脱することなく考案でき、その範囲は下記の請求項によって決定される。
【図１Ａ】
0006034367.tif 000002
【図１Ｂ】
0006034367.tif 000003
【図１Ｃ】
0006034367.tif 000004
【図１Ｄ】
0006034367.tif 000005
【図２Ａ】
0006034367.tif 000006
【図２Ｂ】
0006034367.tif 000007
【図２Ｃ】
0006034367.tif 000008