(57)【要約】装置は、基板上の第１の固体電極と、第１の固体電極の一部の上方の高分子電解質層と、高分子電解質層の一部の上の第２の固体電極と、第１の固体電極の一部の上の固着層とを備えている。高分子電解質層は固着層に化学結合されるか、または約２０ナノメートル未満の厚さを有している。
2010502033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の固体電極を設けるステップと、
前記第１の固体電極の一部の上方に高分子電解質層を形成するステップと、
前記高分子電解質層上に第２の固体電極を形成するステップと、を含み、
高分子電解質層を形成する動作が、前記第１の固体電極上に固着層を形成し、前記高分子電解質層の高分子を前記固着層に化学結合するステップを含む方法。
【請求項２】
第２の固体電極を形成する前記動作が、前記高分子電解質の高分子単層上に前記第２の固体電極を作製する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
高分子電解質層を形成する動作が、アクリル酸分子、および／またはアクリル酸塩から高分子を形成するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記高分子電解質層を、金属カチオンまたはアンモニウム・カチオンを含むイオン溶液で処理するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記高分子電解質層が約２０ナノメートル未満の厚さを有する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
基板上の第１の固体電極と、
前記第１の固体電極の一部の上方の高分子電解質層と、
前記高分子電解質層の一部の上の第２の固体電極と、
前記第１の固体電極の一部の上の固着層と、を備え、前記高分子電解質層が前記固着層に化学結合される装置。
【請求項７】
前記第２の固体電極が、前記高分子電解質層の高分子の高分子単層上にある請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記高分子電解質層が、カルボン酸官能基またはカルボン酸官能基のイオンを有する高分子を含む請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記高分子電解質層がアクリル酸官能基またはそのイオンである基を含み、
前記高分子電解質層が、内部に分散された金属カチオンまたはアンモニウム・カチオンをさらに含む請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の電極と第２の固体電極との間で、前記高分子電解質層が約２０ナノメートル未満の厚さを有する請求項６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気スイッチ、および電気スイッチの製造および動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この段落は、本発明のより明解な理解を容易にするために有用な態様を説明する。したがって、この段落の記述はこの観点で読まれたい。この段落の記述は、どれが先行技術であり、どれが先行技術でないかの認定であると理解されるべきではない。
【０００３】
かなり多くの研究活動が、側面の形状寸法が小さい従来の回路デバイスの製造を対象にしてきた。実質的な努力は、側面の形状寸法が約０．５マイクロメートル未満である電気スイッチおよびトランジスタを対象にしてきた。
【０００４】
さらに、かなり多くの研究活動が、活性層が有機材料である従来の回路デバイスの製造をも対象にしてきた。このようなデバイスでは、金属製固体電極と活性有機層との界面での作用がデバイスの電気的挙動を制御することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
電気スイッチのある実施形態は、記憶特性を示す活性有機チャネルを有している。記憶特性は、制御電圧が活性有機チャネルを実質的な導通状態と実質的な非導通状態とで切り換えることを可能にする。記憶特性は、制御電圧が除去された後、活性有機チャネルを導通状態、および非導通状態に留めることを可能にする。
【０００６】
一実施形態は、基板上に第１の固体電極を設けるステップと、第１の固体電極の一部の上方に高分子電解質層を形成するステップと、高分子電解質層の一部の上に第２の固体電極を形成するステップとを含む方法を特徴としている。高分子電解質層を形成する動作は、層の高分子を接着領域に化学結合するステップを含んでいる。
【０００７】
別の実施形態は、基板上に第１の固体電極を設けるステップと、第１の固体電極の一部の上方に高分子電解質層を形成するステップと、高分子電解質層の一部の上に第２の固体電極を形成するステップとを含む方法を特徴としている。高分子電解質層は、第１と第２の固体電極の間に約２０ナノメートル未満の厚さを有している。
【０００８】
上記の方法のある実施形態では、第２の固体電極を形成する動作は、第１の固体電極の一部の上方の高分子電解質の高分子単層上に第２の固体電極を作製する。
【０００９】
上記の方法のある実施形態では、高分子電解質層を形成するステップは、層の高分子を第１の固体電極の一部の上の固着層に化学結合するステップを含んでいる。
【００１０】
ある実施形態では、上記の方法は、金属イオンまたはアンモニウム・カチオン、またはピリジン、アミン、アニリン、ピリジン誘導体、およびアニリン誘導体の１つを含む溶液で高分子電解質層を処理するステップを含んでいる。
【００１１】
ある実施形態では、上記の方法は基板の上表面の上にシャドー・マスクを組み込むステップを含んでいる。
【００１２】
上記の方法のある実施形態では、高分子電解質層を形成するステップは、厚さが約１２ｎｍ未満の層を作製する。
【００１３】
別の実施形態は、基板上の第１の固体電極と、第１の固体電極の一部の上方の高分子電解質層と、高分子電解質層の一部の上の第２の固体電極と、第１の固体電極の一部の上の固着層とを含む装置を特徴としている。高分子電解質層は固着層に化学結合される。
【００１４】
別の実施形態は、基板上の第１の固体電極と、第１の固体電極の一部の上方の高分子電解質層と、高分子電解質層の一部の上の第２の固体電極とを含む装置を特徴としている。高分子電解質層は、２つの固体電極の間に約２０ナノメートル未満の厚さを有している。装置は、第１の固体電極の上に位置する固着層を含んでいてもよく、高分子電解質層が固着層に化学結合されている。
【００１５】
上記の装置のある実施形態では、高分子電解質層は高分子電解質分子の高分子単層である。
【００１６】
上記の装置のある実施形態では、層は金属カチオン、アンモニウム・カチオン、ピリジン、アミン、アニリン、ピリジン誘導体、またはアニリン誘導体をさらに含んでいる。
【００１７】
上記の装置のある実施形態では、高分子電解質層は、２つの固体電極の間に約１２ナノメートル未満の厚さを有している。
【００１８】
上記の装置のある実施形態では、層は固体電極の両端間に電圧を印加することによって相対的に高い導電率と低い導電率の状態間で反復的の切り換え可能な導電率を有している。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】記憶挙動を示す２端子電気スイッチの断面図である。
【図２】図１の２端子電気スイッチの特定の実施形態を示す断面図である。
【図３】例えば図２の電気スイッチのような記憶挙動を示す２端子電気スイッチの電流／電圧（Ｉ／Ｖ）特性を概略的に示すグラフである。
【図４】例えば図２の電気スイッチのような記憶挙動を有する２端子スイッチのオン状態でのＩ／Ｖ特性を概略的に示すグラフである。
【図５】高分子電解質層の様々な化学処理後の、例えば図２の電気スイッチのような記憶挙動を有する２端子スイッチのＩ／Ｖ特性を示すグラフである。
【図６】例えば図１〜２の電気スイッチのような記憶挙動を示す２端子電気スイッチの動作方法を示すフローチャートである。
【図７】例えば図１〜２の電気スイッチのような高分子電解質チャネルを有する２端子電気スイッチの製造方法を示すフローチャートである。
【図８】図２の電気スイッチの特定の実施形態を製造するために使用できるシャドー・マスク構造の配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図面および本文で、同様の番号は同様の機能を有する要素を示す。
【００２１】
図中、ある特徴の相対寸法は、その１つまたは複数の構造をより明確に示すために誇張されることがある。
【００２２】
本明細書で、高分子電解質という用語はそれ自体が電解質である高分子を意味する。高分子電解質は、溶液中でイオン化可能で塩を生成する官能基を有する高分子を有している。
【００２３】
本明細書では、様々な実施形態が図面および発明を実施するための形態によってより詳細に記載される。しかし、本発明は様々な形態で実施可能であり図面および発明を実施するための形態に記載されている実施形態に限定されるものではない。
【００２４】
図１は、ヒステリシスを使用した電気スイッチ１０、すなわちメモリ挙動を示すスイッチの一実施形態を示している。スイッチは基板１２と、底部および上部固体電極１４、１６と、高分子電解質層１８とを含んでいる。２つの固体電極１４、１６と高分子電解質層１８とは、基板１２の上表面１３の上に位置している。高分子電解質層１８は上部と底部の固体電極１４、１６の間に、かつこれらの近傍に挿入されており、ある実施形態では、底部固体電極１４の上方、または上の接着領域に化学結合されてもよい。
【００２５】
電気スイッチ１０では、基板１２は物理的支持体を形成する。基板１２は例えば結晶質半導体、例えば従来のｐ＋−ドープ型、ｎ−−ドープ型、または非ドープ結晶質シリコン、従来の誘電体基板、例えば石英ガラス基板、または多層の誘電体および／または半導体でよい。基板１２は例えば、電気スイッチ１０からの電気的絶縁を行う誘電体層を含んでいてもよい。
【００２６】
電気スイッチ１０では、各固体電極１４、１６は金属層、金属積層、または別の良導体の構造でよい。例えば、底部の固体電極１４は、例えば従来の金（Ａｕ）およびチタン（Ｔｉ）の金属積層でよく、上部の固体電極１６は例えばＡｕ層でよい。このようなＴｉ層は底部の固体電極１４を基板１２の上表面１３に接着するのに役立つことができる。あるいは、底部の固体電極１４は高濃度ドープした半導体層、または基板１２の導通領域でもよい。
【００２７】
電気スイッチ１０では、高分子電解質層１８は、底部と上部の固体電極１４と１６との間に縦に挿入された領域を実質的に埋める高分子２０の分布を含んでいる。高分子２０は各固体電極１４、１６に接触し、または各固体電極１４、１６から例えば３ナノメートル（ｎｍ）未満だけ離れた、好ましくは１．５ｎｍ未満だけ離れた固体電極の近傍にある。例示的高分子電解質層１８は、その厚さが約５ｎｍと２０ｎｍとの間、例えば１２ｎｍ未満またはさらには約８ｎｍである高分子単層であってよい。
【００２８】
高分子電解質層１８では、高分子２０の分布によって層１８は固体電極１４の上方の領域で蒸着金属に浸透不能になる。例示的高分子電解質層１８は、高分子２０、例えば相互に絡み合った高分子ブラシの高密度のパッキングを含んでいる。高分子２０のこのような高密度のパッキングは、通常なら上部固体電極１６の製造中に電気ショートを生ずることがある縦の空洞が発生する危険を低減することができる。高分子電解質層１８では、いずれかの縦の空洞の直径は、上部固体電極１４の領域で好ましくは約５ｎｍ未満であり、より好ましくは約１ｎｍ未満である。より一般的には、高分子２０の高密度のパッキングによって高分子電解質層１８は、その表面に蒸着された金属に対して浸透不能になる。
【００２９】
高分子電解質層１８では、高分子２０の一部または全部は、その長さに沿って分散された１つまたは１つより多いイオン化可能な、および／またはイオン性の官能基を含んでいる。イオン化可能な、および／またはイオン性の官能基は、例えばカルボン酸基またはそのイオンでよい。高分子２０の例示的種はポリアクリルアミド−ポリアクリル酸（ＰＡｍ−ＰＡＡｃ）および／またはその部分的なまたは完全なアニオンの共重合体である。このようなＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体は５０％から１００％のポリアクリル酸（ＰＡＡｃ）単量体および／またはそのイオンを有し、５０％またはそれ未満の％のポリアクリルアミド（ＰＡｍ）単量体を有していてもよい。
【００３０】
高分子電解質層１８では、凝集した、または分散した１つまたは複数の添加物があってもよく、凝集した水または水蒸気を含んでいてもよく、含んでいなくてもよい。添加物は、高分子電解質と共に塩を形成可能な化合物を含んでいてもよく、またはカルボン酸と強力に水素結合する有機化合物を含んでいてもよい。高分子電解質と共に塩を形成可能な例示的化合物は、アニリンおよびイオンなどの化合物を含んでいる。イオンはアンモニウム・カチオンなどのカチオン、例えばＮＨ４＋、Ｎ（ＣＨ３）４＋、またはＮ（Ｃ２Ｈ５）４＋、または金属イオン、例えばＡｇ＋、Ｃｕ＋、Ｎａ＋、Ｃａ＋、およびＣｕ＋でよい。このようなカチオンはカルボキシ・アニオンと共に、高分子電解質の分子上でカルボン酸基のある種の水素原子を置換する塩を形成することができる。カルボン酸基への強力な水素結合を形成可能な例示的有機化合物には、ピリジン、トリエチルアミン、およびこれらの化合物の誘導体が含まれてもよい。
【００３１】
ある実施形態では、高分子電解質層１８の高分子電解質分子は下層の接着領域に化学結合される。このような化学結合によって、高分子電解質層１８の高分子電解質分子は溶液で洗浄されて除去されることに対する耐性を有するようになる。化学結合には、例えば固体電極１４の上部または底部の接着領域への高分子電解質分子の共有結合が含まれてもよい。
【００３２】
図２は、図１に示された電気スイッチ１０の特定の実施形態１０’を示している。電気スイッチ１０’は、図１に関して記載したように、基板１２と、底部および上部固体電極１４、１６と、高分子電解質層１８とを含んでいる。電気スイッチ１０’では、底部および上部固体電極１４、１６は金属製であり、例えばパターン形成されたＡｕ層またはパターン形成されたＡｕ／Ｔｉ層である。さらに、底部および上部固体電極１４は、その端部２２、２４だけが縦に重なるように横方向にずらされている。したがって、スイッチング・デバイス１０’は実質的に、縦に位置合わせされた端部２２、２４の間またはその近傍に位置する高分子電解質層１８’の部分に電流を限定する。底部および上部固体電極１４、１６の縦の重複部分の横の範囲を前記端部２２、２４に限定することによって、製造中の電気ショートの危険を低減することができる。例えば、縦の重複領域の横方向の長さ寸法は、１マイクロメートル以下でよく、さらには２００ｎｍ以下でもよい。特に、構成は、厚さ２０ｎｍ以下の高分子電解質層１８上に上部固体電極１６を形成するための金属の蒸着中に、金属原子がブリッジによる電気ショートを引き起こす危険を低減する。高分子電解質層１８は、ＰＡｍ−ＰＡＡＣ共重合体またはそのイオンである高分子電解質分子を含んでおり、さらに前述のような金属またはアンモニウム・カチオンおよび強力な水素結合化合物などの添加物を含んでいてもよい。
【００３３】
スイッチング・デバイス１０’はさらに、金属製の底部固体電極１４、および基板１２の上表面１３の露出部分の両方によく接着する薄い有機固着層２６をも含んでいる。接着層は例えば、部分的に交差結合し得るポリ（メタクリン酸グリシジル）ＰＧＭＡから形成される。有機固着層２６の厚さは約１．５ｎｍ以下でよい。高分子電解質層１８の電解質のＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体分子は、例えばＰＧＭＡ固着層２６に共有結合的にグラフトされる。
【００３４】
図３〜４は、図１および２に示された電気スイッチ１０、１０’の例示的な電流／電圧（Ｉ／Ｖ）特性の形態を定性的に示している。特に、これらのＩ／Ｖ特性は、これらの電気スイッチ１０、１０’がヒステリシスまたは記憶挙動を利用していることを概略的に示している。
【００３５】
図３は、固体電極１４、１６の両端間に印加された電圧が、電気スイッチ１０’内の高分子電解質層１８の活性チャネル部分の状態をどのように変更可能であるかを定性的に示す曲線Ａ、Ｂを示している。
【００３６】
曲線Ａは、活性チャネル部分が当初は低い導電率状態、すなわちオフ状態にある場合の例示的スイッチ・デバイス１０’の反応を定性的に示している。この状態から、底部および上部固体電極１４、１６の両端間に正の電圧を印加しても、印加電圧が約２．９ボルト（Ｖ）の値、すなわちターンオンのしきい値に達するまでは活性チャネルに実質的な電流を生成しない。ターンオンのしきい値以上で、活性チャネル部分は急激に導電率が大幅に高い状態、すなわちオン状態に進展する。例示的電気スイッチ１０’では、活性チャネル内の電流（Ｉ）はオン状態で５ナノアンペア（ｎＡ）以上の値に達することができる。さらに、印加された電圧を次いで除去しても、活性チャネル部分は導電率が比較的低いオフ状態には戻らない。すなわち、活性チャネルは記憶挙動を有し、またはヒステリシスを示す。
【００３７】
曲線Ｂは、活性チャネル部分が当初は比較的高い導電率状態、すなわちオン状態にある場合の例示的スイッチ・デバイス１０’の反応を定性的に示している。この状態から、固体電極１４、１６の両端間に小さい電圧を印加しても、電気スイッチ１０’の活性チャネル部分はオフ状態には戻らない。しかし、印加電圧がより大きい負の値、すなわち約−１ボルトに増大すると、活性チャネル部分の抵抗率は急激に増大し、その両端間の電圧は急速に低下する。すなわち、ターンオン電圧とは逆の符号の大量の電圧は電気スイッチ１０’をオフ状態に戻す。オフ状態では、活性チャネル部分はその抵抗率が高いためそれほどの電流を搬送しない。オフ状態は、印加電圧の大きさがターンオンのしきい値よりもかなり小さい状態に留まっている限りは持続する。
【００３８】
図４は、オン状態で温度４．２ケルビン（Ｋ）および２９５Ｋにある場合の、印加された小さい電圧に対するスイッチング・デバイス１０’の応答を概略的に示している。４．２Ｋの低温では、例えば約０．１Ｖ未満の低電圧を印加しても、オン状態でも、その活性チャネル部分は実質的に導電状態にならない。室温に近い温度、例えば２９５Ｋでは、同様の低電圧を印加すると活性チャネル部分に大幅に多くの実質的な電流が発生する。したがって、活性チャネル部分は、熱励起される電流キャリヤ密度を有すると思われる。両方の温度で、高分子電解質層１８の活性チャネル部分の反応は、このような小さい印加電圧ではヒステリシスを示さない。
【００３９】
図５は、図２によって示されたような１つの電気スイッチ１０’のターンオン電圧が、カチオンおよび強力な水素結合化合物などの添加物を含む高分子電解質層１８の処理にどのように反応するかを示している。スイッチの高分子電解質層１８がＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体である場合は、Ｃ曲線は電気スイッチ１０’のターンオン特性を示す。２つの「Ｆ」曲線は、ＮＨ４＋イオンによる処理の後の、すなわちＮＨ４ＣｌおよびＮＨ４ＯＨのそれぞれの水溶液にさらした後の同じ電気スイッチ１０’のターンオン特性を示している。アンモニウム・カチオンはターンオン電圧を約３．２ボルトまで実質的に低減する。Ｅ曲線は、活性チャネル部分をピリジンにさらした後の、例えばメタノール中の１重量％（ｗｔ％）のピリジン溶液に１０〜３０分間さらした後の同じ電気スイッチ１０’のターンオン特性を示している。Ｅ曲線は、強力な水素結合化合物ピリジンによる処理も、ターンオン電圧を約３．５ボルトまで実質的に低減することを示している。Ｄ曲線は、活性チャネル部分をトリエチルアミンにさらした後の、例えばメタノール中の１重量％（ｗｔ％）のトリエチルアミン溶液に１０〜３０分間さらした後の電気スイッチ１０’のターンオン特性を示している。この第２の強力な水素結合化合物の存在は、ターンオン電圧を約３．７ボルトまで実質的に低減する。したがって、カチオンおよび強力な水素結合化合物による電気スイッチ１０’の活性チャネル部分の処理は、ターンオンしきい値を低減することができる。
【００４０】
図３および４のＩ／Ｖ特性は、定性的に同様の挙動を有する電気スイッチ、例えば図１〜２に示された電気スイッチ１０、１０’の動作方法３０を示唆している。方法３０は、高分子電解質層の活性チャネル部分が固体電極の間に挿入される、２つの固体電極および薄い高分子電解質層を有する電気デバイスの記憶挙動を利用している。方法３０によって、このようなデバイスを介したアナログまたはディジタル・データの伝送が可能になる。
【００４１】
図６を参照すると、方法３０は、デバイスの２つの固体電極の両端間にターンオン電圧を印加して、高分子電解質層の活性チャネル部分を導電率が高い状態、すなわちオン状態に設定するステップを含んでいる（ステップ３２）。ターンオン電圧は典型的には大きい値を有しているので、デバイスの薄い高分子電解質層内に極めて強い電界を生成する。出願人は、極めて強い電界によって高分子電解質分子の強くイオン化可能な官能基に物理的転位が引き起こされ、それによって高分子電解質層の活性チャネル部分の導電状態が変化するものと確信する。方法３０はさらに、同じ２つの固体電極の両端間に一連の電圧信号を印加して、デバイスを介して対応する一連の電気信号を伝送するステップをも含んでいる（ステップ３４）。一連の電圧信号は交流成分ＡＣを有し、直流ＤＣ成分は有していても、有していなくてもよい。一連の電圧信号のＡＣ成分はデバイスを介してデータを伝送する。一連の電圧信号の差の大きさはターンオン電圧よりも大幅に小さいので、電圧信号は活性チャネル部分をオフ状態に戻さない。一連の電圧信号は例えば、例えば図４に示されるようなターンオン電圧よりも大幅に小さい大きさを有していてもよい。方法３０は、デバイスの２つの固体電極間に大きいターンオフ電圧を印加して、内部の活性チャネル部分を導電率が低い状態、すなわちオフ状態に戻すステップを含んでいる（ステップ３６）。ターンオフ電圧の符号はターンオン電圧の符号と逆であり、ステップ３４でデバイスを介して一連のデータを伝送するために使用される電圧信号のＡＣ成分よりも大きい値を有している。例えば、ターンオン電圧およびターンオフ電圧の大きさは、例えば５倍または１０倍未満だけ異なる同等の値でよい。方法３０は、ループバック・ステップ３７、および数回反復するステップ３２、３４、および３６を含んでいる。このようなループバックは、新規のデータ、すなわちＡＣ成分を有する新たな一連の電圧信号が電気デバイスを介して送信されるべきであると判定されると、それに応答してシステム内で実行されてもよい。
【００４２】
オン状態とオフ状態との多くの移行がなされた後、図１〜２の電気スイッチ１０、１０’のある実施形態のターンオンしきい値は、オフ状態の抵抗値が小さくなるので小さくなることがある。その場合、小さいしきい値電圧が電気スイッチの状態の変化を引き起こし、それによって、その両端間への対応する一連のＡＣ電圧信号の印加を介した一連のデータを送信するための使用が妨害されることがあり得る。すなわち、最終的には一連のデータ搬送電圧信号が、このスイッチのオン状態からオフ状態への移行を引き起こすことがあり得る。そのため、方法３０は複数回のループバック３７の後、デバイスの活性チャネル部分を高湿度にさらすステップを含んでもよい（ステップ３８）。活性チャネル部分を高湿度にさらすステップは、例えばデバイスを水に浸すことによって行ってもよい。高湿度にさらすことによって、オフ状態での電気スイッチの抵抗値を高めることができるので、このような一連の小さい電圧信号は電気スイッチのターンオフを引き起こさない。このような処理を行った後、電気スイッチを経てより多くのデータを送信するために、ステップ３２、３４、および３６を繰り返すことができる。
【００４３】
図７は、薄い高分子電解質層を有する２電極電気スイッチの製造方法４０を示している。方法４０は、図１〜２に示されている電気スイッチ１０、１０’を製造することができる。
【００４４】
方法４０は、スイッチがその上に製造される基板、例えば図１〜２の基板１２に物理的に統合されるシャドー・マスクを形成するステップを含んでいる（ステップ４２）。形成ステップ４２は、基板に堅く固定され、しかもその上表面、例えば表面１３に極めて近接したシャドー・マスクを作製する。
【００４５】
ある実施形態では、形成ステップ４２は、多段階のプロセスを介して図８の例示的シャドー・マスク６０を作製する。多段階のプロセスは、従来の堆積プロセスを実行して、結晶質のＳｉウエーハ基板６２の上表面上にＳｉＯ２絶縁層（図示せず）を形成するステップを含んでいる。多段階のプロセスは、当業者に知られているいずれかの従来のプロセスを介してＳｉＯ２絶縁層を除去して、ウインドウ領域を作製するステップを含んでいる。酸化物のないウインドウ領域は、スイッチング・デバイスが形成される領域である。ＳｉＯ２絶縁層の残りの部分は、結晶質のＳｉウエーハ基板６２の残りの部分を電気的に絶縁する機能を果たす。多段階のプロセスは、従来の堆積を実行して、ウインドウ領域内の基板１２の上表面の上方に薄いＳｉ３Ｎ４層を作製するステップを含んでいる。Ｓｉ３Ｎ４は例えば約４００ｎｍの厚さを有していてもよい。多段階のプロセスは、従来の堆積を行って、Ｓｉ３Ｎ４層上に薄い高品質のＳｉＯ２層を形成するステップを含んでいる。ＳｉＯ２層は、約１５０ｎｍの厚さを有していてもよく、マスク自体を形成するため使用される。多段階のプロセスは、従来のマスク制御のドライエッチを実行して、所望のシャドー・マスク６０をＳｉＯ２層内にパターン形成するステップを含んでいる。シャドー・マスク６０は、２つのスリット６４、６６と、スリット６４、６６の端部を分離する薄いＳｉＯ２ブリッジ６８とを含んでいる。次いで、多段階のプロセスは、従来の第２のエッチングを実行して、スリット６４、６６およびＳｉＯ２ブリッジ６８の下に位置するＳｉ３Ｎ４の一部を選択的に除去するステップを含んでいる。従来の第２のエッチングは、Ｓｉ３Ｎ４を選択的に除去し、例えば第２のエッチングがウエット・エッチであるためＳｉＯ２ブリッジのアンダカットをも行う化学作用を有している。第２のエッチングは、基板１２の上表面の材料上で停止されるように制御される。第２のエッチングは、また、上表面１３のすべての部分の上のＳｉ３Ｎ４層が除去される前に停止される。したがって、Ｓｉ３Ｎ４層の残りはＳｉＯ２マスク６０を基板１２の上表面１３に堅く固定することによって、物理的に統合されたシャドー・マスクを作製する。
【００４６】
方法４０は、従来のプロセスを実行して、薄い高品質のＳｉＯ２層、例えば図８に示されている厚さ１０ｎｍの層６７を結晶質のシリコン・ウエーハ基板の露出された上表面６９上に再成長させるステップを含んでいる（ステップ４４）。再成長された薄いＳｉＯ２層は、平滑な上表面、すなわち上表面１３を備えている。
【００４７】
方法４０は、基板の上表面、例えばステップ４４で形成されたＳｉＯ２層６７の上表面１３上に金属製の底部固体電極１４を形成するステップを含んでいる（ステップ４６）。例示的な形成ステップ４６は、金属蒸着を２回行うステップを含んでいる。各々の蒸着は、シャドー・マスク、例えば図８のシャドー・マスク６０によって制御される。第１の蒸着は、基板１２の上表面１３にチタン（Ｔｉ）接着層、すなわち底部固体電極１４の導電性を高めることもできる層を堆積してもよい。例示的なＴｉ接着層は、２ｎｍと２０ｎｍの間の厚さ、例えば約１５ｎｍの厚さを有していてもよい。第２の蒸着は、Ｔｉ接着層上に３ｎｍと３０ｎｍの間の金（Ａｕ）、例えば１５ｎｍ未満のＡｕまたは、さらには約５ｎｍのＡｕを堆積してもよい。
【００４８】
ステップ４６で、両方の蒸着は図８の統合されたシャドー・マスク６０によって制御されてもよい。シャドー・マスク６０を利用するために、各々の蒸着は、蒸発した金属原子が熱を保持し、堆積前に熱化しないように行われる。例えば、蒸発した金属原子の平均自由行程が、シャドー・マスク６０と基板１２の上表面１３との距離よりも大きくなるように圧力が保たれる。したがって、蒸着は、図８に示されるような基板１２の上表面１３上の金属がない空隙によって分離される２つの金属条片１４Ｌ、１４Ｒを作製するバリスティック・プロセスである。各々の蒸着中、金属供給源（図示せず）はブリッジ６８の片側、例えばブリッジ６８の左側に位置している。次いで、蒸発した金属原子のビーム７２は、ブリッジ６８の下の縦にではなくブリッジ６８の中心線から横にずらされた金属のない空隙、すなわち２つの金属条片１４Ｌ、１４Ｒを分離する空隙を作製する。
【００４９】
図７を再び参照すると、方法４０は、金属製の底部固体電極、例えば金属条片１４Ｌ上に高分子電解質層を形成するステップを含んでいる（ステップ４８）。高分子電解質層は、高分子電解質のブラシが互いに絡み合った、例えば図１〜２の高分子電解質層１８のような高分子単層であってよい。高分子電解質層の一部は、基板の上表面の露出部分、例えば図１〜２および８の上表面１３上に位置してもよい。
【００５０】
ステップ４８に関連して、高分子電解質層を形成するための１つの例示的プロセスを以下に記載する。例示的プロセスは２つのサブステップを含んでいる。第１のサブステップは、底部の固体電極１４、および基板１２の上表面１３の露出部分上に図２の薄いＰＧＭＡ固着層２６を形成する。第２のサブステップは、ＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体をＰＧＭＡ固着層２６にグラフトすることによって高分子電解質層１８を形成する。
【００５１】
ＰＧＭＡ固着層２６を作製するための第１のサブステップは、一連のステップを実行することを含んでいる。一連のステップのうちの第１のステップは、金属製の底部固体電極１４、および基板１２の上表面１３の露出部分に溶液からＰＧＭＡを堆積するステップを含んでいる。溶液は例えば、約１重量％（ｗｔ％）のＰＧＭＡと、約９９ｗｔ％の有機溶剤メチルエチルケトン（ＭＥＫ）を含有している。結果として生ずるＰＧＭＡ層は、基板１２の上表面１３上に０．５ｎｍから２ｎｍの、例えば約１．３ｎｍの厚さを有している。一連のステップのうちの第２のステップは堆積されたＰＧＭＡを例えば約１１０℃の温度に約１０分間さらすことによってこれをアニールするステップを含んでいる。アニールによって、ＰＧＭＡが下にある表面１３と金属製の底部固体電極１４とに化学結合されてもよく、またはＰＧＭＡのグリシジル基と微量の水との化学反応を介してＰＧＭＡを交差結合されてもよい。両方の作用とも、結果として生ずる固着層２６の物理的安定性を高める。一連のステップのうちの第３のステップは、ＰＧＭＡ固着層２６の表面をより良く反応するように、すなわち高分子電解質がＰＧＭＡ固着層２６にグラフトされることできるように処理するステップを含んでいる。例示的な処理は、堆積されたＰＧＭＡを約１０分間純粋なアクリル酸にさらすステップを含んでいる。この例示的な処理は、アクリル酸のカルボキシル基をＰＧＭＡのグリシジル基と反応させることによって、ＰＧＭＡ中に反応性の二重炭素結合を生ずるものと考えられる。一連のステップのうちの第４のステップは、例えば結果として生ずる中間構造を水に浸すことによって中間構造を洗浄して、不要な反応物質を除去するステップを含んでいる。
【００５２】
ＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体をＰＧＭＡ固着層２６にグラフトする第２のサブステップも一連のステップを含んでいる。一連のステップのうちの第１のステップは、ＰＧＭＡ固着層２６にＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体の前駆体を含む水溶液を被覆するステップを含んでいる。このような水溶液の１つは、約１ｗｔ％の光開始剤、例えば２−ヒドロキシ−４’−（２−ヒドロキシエトキシ）−２−メチルプロピオフェノンと、ＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体用の約２０ｗｔ％〜４０ｗｔ％の前駆体とを含有している。ＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体用の適切な前駆体はアクリルアミドとアクリル酸単量体とを含んでいる。一連のステップのうちの第２のステップは、被覆水溶液を紫外（ＵＶ）光に露光して重合を光開始するステップを含んでいる。露光ステップは被覆溶液を石英スライドで覆い、次いで石英スライドに水銀灯からの紫外光を照射するステップを含んでいてもよい。１つの適切な水銀灯は、ＵＶＰ  Ｉｎｃ．Ｕｐｌａｎｄ，ＣＡ，ＵＳＡで製造されているモデルＢ−１００のＢｌａｋＲａｙランプである。ＢｌａｋＲａｙランプは石英スライドから約５０ｃｍの位置に置いてもよく、紫外光への露光を約１時間行って、厚さが５ｎｍと２０ｎｍの間、例えば８ｎｍであるＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体層１８を作製してもよい。一連のステップのうちの第３のステップは、グラフトされたＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体の層を水で洗浄して、残りの反応物質を除去するステップを含んでいる。固着層２６の化学結合、例えば共有結合のため、洗浄ステップは高分子電解質層１８を除去しない。
【００５３】
方法４０は、ＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体層上に金属製の上部固体電極を蒸着して、電気スイッチ、例えば図２の上部固体電極１６を作製するステップを含んでいる（ステップ５０）。蒸着はＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体層１８上に例えば厚さが１２ｎｍと３０ｎｍの間のＡｕ層を作製する。蒸着は、金属製の上部と底部の固体電極、例えば図８の固体電極１４Ｌ、１６Ｒ間の金属ショートを避けるように行われる。
【００５４】
ステップ５０で、蒸着は図８と同じ統合されたシャドー・マスク６０によって制御されてもよい。シャドー・マスク６０を利用するために、この場合も蒸着はバラスティック条件下で行われる。例えば、蒸発した金属原子の平均自由行程は、はシャドー・マスク６０とＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体層１８の上部との間の距離よりも大きい。このため、堆積されたＡｕは、図８に示されるようにシャドー・マスク６０内にスリット６４、６６の像を形成する。像は２つのＡｕ条片１６Ｌ、１６ＲおよびＡｕ条片１６Ｌ、１６Ｒを横方向に分離する無金属間隙を含む。この堆積中、Ａｕ蒸気供給源は、Ａｕ原子のビーム７４がステップ４６中に使用される蒸発した金属原子のビーム７２とは異なるシャドー・マスク６０に対する入射角を有するように、ブリッジ６８の右側に配置される。このため、一対の底部固体電極１４Ｌ、１４Ｒは、一対の上部金属条片１６Ｌ、１６Ｒ間の空隙に対して横方向に変位される。ステップ４６および５０で、例えば長さ寸法が１マイクロメートル以下、またはさらに２００ｎｍ以下でよい横方向の重複領域内で、左の底部金属条片１４Ｌが右の上部金属条片１６Ｒの端部と縦方向に重なるように、金属蒸気の供給源の位置が選択される。横方向の重複領域は、図２に示されるようにスイッチング・デバイス１０’を形成する。このような限定された横方向の重複領域に電気スイッチを形成することで、上部固体電極１６の製造中に堆積された金属がＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体層１８に浸透することによる電気ショートの危険を低減することができる。
【００５５】
方法４０は任意選択で、高分子電解質層、例えば図２のＰＡｍ−ＰＡＡｃ共重合体層１８を化学処理して、例えば図５に示されるようにターンオンしきい値電圧を変更するステップを含んでいてもよい（ステップ５２）。処理ステップ５２は、高分子電解質層をカチオン、または強力な水素結合化合物の処理溶液にさらすステップを含んでいる。処理ステップ５２は、スイッチの上表面を処理溶液に例えば約１０〜３０分間浸し、次いで上表面を例えば窒素ガス流内で乾燥させるステップを含んでいてもよい。カチオン処理の場合は、処理溶液は約１ｗｔ％のアンモニウム・イオン、４級化されたアンモニウム・イオンまたは金属カチオンを含む水でよい。このような溶液は、ＮＨ４ＯＨ、ＮＨ４Ｃｌ、Ｎ（ＣＨ３）４Ｆ、またはＮ（Ｃ２Ｈ５）４Ｆ、またはＡｇＮＯ３、ＣｕＡｃ、Ｃｕ（Ａｃ）２、ＣａＣｌ２、ＮａＣｌなどの金属塩を水に溶解させることによって作製してもよい。堆積は、金属製の上部および底部固体電極、例えば図８の固体電極１４Ｌ、１６Ｒ間の金属ショートが回避されるように行われる。強力な水素結合化合物による処理の場合は、処理溶液はメタノールなどの有機溶剤中に約１ｗｔ％のピリジンまたは、トリエチルアミンを含有していてもよい。
【００５６】
ステップ５２の化学処理は、実質的に可逆性のものである。ターンオンしきい値を初期値に戻すため、デバイスを１ｗｔ％の酢酸水溶液に浸し、水で濯ぎ、次いで乾燥させてもよい。
【００５７】
上記の開示、図面およびクレームから、別の実施形態が当業者には明らかであろう。
【図１】
2010502033.tif 000003
【図２】
2010502033.tif 000004
【図３】
2010502033.tif 000005
【図４】
2010502033.tif 000006
【図５】
2010502033.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年5月8日(2009.5.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１の固体電極を設けるステップと、
電解質の高分子である高分子電解質の層を前記第１の固体電極の一部の上方に形成するステップと、
電解質の前記層の一部の上に第２の固体電極を形成するステップと、を含み、
高分子電解質の層を形成する前記動作が、前記第１の固体電極上に固着層を形成し、高分子電解質の前記層の高分子を前記固着層に化学結合するステップを含む方法。
【請求項２】
第２の固体電極を形成する前記動作が、前記高分子電解質の高分子単層上に前記第２の固体電極を作製する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
高分子電解質の層を形成する動作が、アクリル酸分子、および／またはアクリル酸塩から高分子を形成するステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記高分子電解質の層を、金属カチオンまたはアンモニウム・カチオンを含むイオン溶液で処理するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記高分子電解質の層が約２０ナノメートル未満の厚さを有する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
基板上の第１の固体電極と、
前記第１の固体電極の一部の上方の電解質の高分子である高分子電解質の層と、
前記高分子電解質の層の一部の上の第２の固体電極と、
前記第１の固体電極の一部の上の固着層と、を備え、前記高分子電解質の層が前記固着層に化学結合される装置。
【請求項７】
前記第２の固体電極が、前記高分子電解質の層の高分子の高分子単層上にある請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記高分子電解質の層が、カルボン酸官能基またはカルボン酸官能基のイオンを有する高分子を含む請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記高分子電解質の層がアクリル酸官能基またはそのイオンである基を含み、
前記層が、内部に分散された金属カチオンまたはアンモニウム・カチオンをさらに含む請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の電極と第２の固体電極との間で、前記高分子電解質の層が約２０ナノメートル未満の厚さを有する請求項６に記載の装置。
【国際調査報告】
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2010502033.tif 000012
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