(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
層中に金属からなる複数の導電相互接続ラインを有する第一の誘電体層を基板上に付着する工程と、
前記金属をウェットエッチングして前記導電相互接続ラインの境界上にトレンチを形成する工程と、
層中を貫通し、前記複数の導電相互接続ラインの少なくとも１つとコンタクトする導電バイアが形成される第二の誘電体層を前記第一の誘電体層上に付着し、前記トレンチのトポグラフィを前記第二の誘電体層の上部表面に複写し、前記複写されたトレンチのトポグラフィを金属で充填する工程と、
前記第二の誘電体層をエッチングして開口を形成し、同時に前記金属で充填されたトレンチのトポグラフィに、当該トポグラフィの真下の誘電体のエッチングを選択的に抑制させて自己整合スペーサを形成する工程と、
前記開口を犠牲材料で充填し、前記犠牲材料を平坦化する工程と、
第三の誘電体層を前記第二の誘電体層上に付着する工程と、
前記第三の誘電体層の一部に開口を設け、当該開口を利用して前記犠牲材料を除去する工程と、
前記第三の誘電体層の表面に導電層を付着させることにより、前記導電バイアがコンタクト可能な導電ビームを形成する工程と、を含む微細電気機械的スイッチ（ＭＥＭＳ）を形成する方法。
【請求項２】
前記第二の誘電体層は、前記第一の誘電体層および前記導電相互接続ラインに対して共形をなす請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記自己整合スペーサは、幅が２０００Åから１．５μｍの範囲にあり、高さが２０００Åから２μｍの範囲にある請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記自己整合スペーサは、ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 およびＳｉＣＯＨより成るグループから選択された材料で形成される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記金属で充填されたトレンチのトポグラフィは、銅あるいは他のメッキ導電材料で形成される請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、現在の最新式の半導体製造プロセスへ完全に統合可能な微細電気機械的スイッチング（ＭＥＭＳ）デバイスの製造に関し、特に、可動ビームと電極との間のスティクション（stiction）を低減する自己整合スペーサもしくはストップを含むＭＥＭＳデバイスの製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング動作は、多くの電気的，機械的，および電気機械的アプリケーションの基礎要素である。ＭＥＭスイッチは、最近の数年間にわたって多くの利益を生み出してきた。ＭＥＭＳ技術を用いた製品が、バイオメディカル・システム，航空宇宙システム，および通信システムにおいて普及した。
【０００３】
従来のＭＥＭＳは、例えばMcMillan等の米国特許第６，１６０，２３０号公報，Feng等の米国特許第６，１４３，９９７号公報，Carley等の米国特許第５，９７０，３１５号公報，およびTham等の米国特許第５，８８０，９２１号公報に開示されるように、カンチレバー（cantilever）・スイッチ，薄膜（membrane）スイッチ，およびチューナブル・キャパシタ構造を典型的に用いる。ＭＥＭＳデバイスは、微細電気機械的技術を用いて製造され、電気的，機械的あるいは光学的信号フローを制御するために用いられる。しかしながら、このようなデバイスは、自身の構造および固有の材料特性が、従来の半導体処理、特にＣＭＯＳから分離した製造ラインでデバイスを製造することを要求するので、多くの問題を生じさせる。これは、両立せず、したがって、標準の半導体製造プロセスに統合できない異なる材料と異なるプロセスとに一般的に帰因する。
【０００４】
例えば金のようなＭＥＭＳの製造に典型的に用いられる材料は、オンチップ・アプリケーションへデバイスを直接集積することに対して明らかな問題を有する。文献において広く見られるポリシリコンの使用でさえ、従来の製造設備に対して問題を有する。１つの問題は、ポリシリコンの付着プロセスが、金属の溶融点よりも高い温度サイクルを必要とするということである。他の問題は、ポリシリコンの付着ツールが、典型的には、相互接続金属を処理するラインの後工程（ＢＥＯＬ）においての使用に利用できないということである。この問題は、主に、実際の半導体デバイスが製造されるラインの前工程（ＦＥＯＬ）用のツール・セットが、ラインの後工程（ＢＥＯＬ）用の全てのツール・セットから分離されるという理由で生じる。この２つのツール・セットは、アクティブ・デバイスの金属汚染を防ぐために、一方から他方へのプロセス・クロスオーバを許容しない。
【０００５】
したがって、従来のＢＥＯＬもしくは相互接続レベルへのアドオン・モジュールと共に、あるいはこのようなアドオン・モジュールとしてデバイスを製造できるように完全に統合可能な処理と結び付いた所定のＢＥＯＬ材料を用いてＭＥＭＳデバイスを提供できるプロセスの必要性が存在する。
【０００６】
本発明のより良い理解を得るために、変形可能なビーム１の両端部が誘電体４に固定されたＭＥＭスイッチの断面図を示す図１を参照して、従来のＭＥＭスイッチを説明する。最下位のレベルは誘電体材料１５から構成され、誘電体材料１５は、デバイスの様々な電気的部分を接続し形成するために続いて使用される導体素子２，２ａおよび３を含む。数字２および２ａによって参照される導体は、ビームを変形させる動作電位を与える。電気信号を伝える導体３は、同様に、ビームの動作時にビームへ接続される。
【０００７】
典型的な実装において、変形可能なビーム１を、誘電体４例えばＳｉＯ2の上にポリシリコンを付着することによって形成する。周囲の材料をエッチングして、突起構造、すなわち事前に形成された導体の上に浮くビームであり、つまりそれ自身はポリシリコンより成る構造を残す。続いて、デバイスを、ポリシリコンへ付着する一般的には金で無電解メッキし、導体素子１，２，２ａおよび３を形成する。スイッチは、ビームと電極２および２ａとの間に電位差を与えることによって動作する。この電圧は、ビーム１を動かして電極３と接触させる静電引力を発生させ、スイッチを閉じる。
【０００８】
図２は、ビーム１の一方の端部のみが誘電体４に固定されるということを除いて、図１に示すデバイスと同種の他の従来のＭＥＭデバイスの断面図である。ここでは、制御電極が数字２によって参照され、スイッチング電極が数字３によって参照される。このデバイスは、前述したデバイスと同様に構成され動作する。
【０００９】
ＭＥＭＳデバイスを製造するとき、可動部品が一定の表面と接触するのを阻止するために一定の制限またはストップを導入することが望ましい。一定のスイッチング要素またはこれらの少なくとも一部の動きを妨げるあるいは制限することが必要とされることもある。これは、ストップを用いてＲＦ容量性スイッチを製造する方法を示す添付図面において説明するケースである。本発明は、以下に説明するように、これらの問題を詳細に検討する。
【００１０】
現在の微細電気機械的コンタクト・スイッチを悩ます他の重要な問題は、コンタクト時に互いに付着し、スイッチをオフにするためにそれらを分離させるのを困難にする電極の傾向にある。“スティクション（stiction）”として知られるこの現象は、２つの表面上の原子および分子間での微視的レベルにおける引力によって生じる。１つの解決法は、一方のコンタクト極板がたわんでスイッチを閉じるとき、自然にコンタクトを分離しようとするばね状の復原力をこのたわみが生み出すことを確保することである。十分に大きい場合には、このような力がスティクションを克服できる。しかしながら、コンタクト極板をたわませてデバイスを閉じるために大きな力を生み出さなければならないということも、当の力は意味する。たわみが静電気であるスイッチにおいて、これは、一般的に、例えばモバイル・ハンドセットで必要とされる最大５Ｖを越える高制御電圧の必要性を意味する。
【００１１】
スティクション問題は新しいものではなく、その一定の態様が本技術分野において開示されている。例として、Reed等の米国特許第５，７７２，９０２号公報は、製造時に相互に付着する微細電気機械的構造の付着を阻止する方法を開示する。ここで開示される構造は、微細電気機械的システムへ適合するが、スイッチの動作時に発生するスティクションに適合しない。特に、この特許は、部品を製造してリリースするときにスティクションを回避するように部品を成形する方法を開示する。
【００１２】
微細電気機械的スイッチの復原力を変える他の解決法が例えばCabuz等の米国特許第５，９０１，９３９号公報のような特許文献に開示されている。ここでは、強い復原力を生み出す複数の制御電極および特殊形状のビームの使用が開示される。しかしながら、ここで開示される手法は、２相構成で複数の電極対を駆動することを必要とし、このようなスイッチを用いるシステムのコストと複雑さとを増加させる。加えて、ビームのたわみを用いるというよりは、このスイッチは、金属ラインの湾曲領域をラインの一方の端部または他方の端部の方へ移すことに依存し、ラインの大きな湾曲を生じさせ、長期的な信頼性の問題を引き起こす手法に依存する。
【００１３】
オン状態からオフ状態へのスイッチの遷移の際のスティクションによって生じる問題は、それが製造プロセス時にのみ発生するときに、このような作用を研究することによって主に検討されており、製造後のスイッチ動作時については検討されていない。さらに、大部分の解決法は、それらの全てがほぼ同相の電圧で作動する簡単な単一制御電極または複数電極を継続して使用しない点で十分でない。さらに、既存の解決法は、製造が困難であり、たわみよりむしろ湾曲によって一般に電気的に接続される（こうして信頼性の含みを有する高い物質応力を導入する）新しいタイプのビームを用いるのではなく簡単な電極コーティングによってたわみビームに追加の復原力を導入することができない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、ＭＥＭＳアクチュエータに対する抑止（detent）機構として機能するような自己整合スペーサを製造することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、自己整合スペーサを適切なサイズにし、さらにはそれらを適所に配置することによって自己整合スペーサを製造することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、標準の半導体技術、特にＣＭＯＳデバイスの製造のために典型的に用いられる製造方法によってスペーサを製造することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、スペーサの製造が、追加の付着，余分なリソグラフィ工程，および追加のエッチングを必要としないことを保証することである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、ＭＥＭＳデバイスのスティクションによって生じる問題を最小にすることである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
これらのおよび他の目的を実現するために、そしてその目的にかんがみて、本発明は、追加のプロセスを必要とすることなしに、ＭＥＭＳデバイスを製造する過程で生成される自己整合ストップまたはスペーサを提供する。これは、その後にこれらのストップの符合した形成を開始するようなトポグラフィの事前形成に基づく。
【００２０】
本発明は、層中に金属からなる複数の導電相互接続ラインを有する第一の誘電体層を基板上に付着する工程と、金属をウェットエッチングして導電相互接続ラインの境界上にトレンチを形成する工程と、層中を貫通し、複数の導電相互接続ラインの少なくとも１つとコンタクトする導電バイアが形成される第二の誘電体層を第一の誘電体層上に付着し、トレンチのトポグラフィを第二の誘電体層の上部表面に複写し、複写されたトレンチのトポグラフィを金属で充填する工程と、第二の誘電体層をエッチングして開口を形成し、同時に金属で充填されたトレンチのトポグラフィに、そのトポグラフィの真下の誘電体のエッチングを選択的に抑制させて自己整合スペーサを形成する工程と、開口を犠牲材料で充填し、その犠牲材料を平坦化する工程と、第三の誘電体層を第二の誘電体層上に付着する工程と、記第三の誘電体層の一部に開口を設け、その開口を利用して犠牲材料を除去する工程と、第三の誘電体層の表面に導電層を付着させることにより、前記導電バイアがコンタクト可能な導電ビームを形成する工程と、を含む微細電気機械的スイッチ（ＭＥＭＳ）を形成する方法を提供する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
全ての図において、同じ数字が同じ要素を指示する図面を参照して本発明を説明する。これらの図面は、限定ではなくて例示であることが意図され、本発明のプロセスの説明を容易にする。
【００２２】
本発明の方法は、ＭＥＭＳアクチュエータの抑止機構として機能する一連の自己整合スペーサまたはバンプを提供する。その代表例は、本発明の主要部分において以下に述べるように、ＭＥＭＳ構造にスペーサまたはストップを導入することによる。一方、ストップを適切なサイズにし、これらを適所に配置しようとするときに、これらのストップの製造に関して問題が存在する。これらの双方は、非常に高価で難しい付着，リソグラフィ，およびエッチングを用いて実現できる。本発明の方法の主な利点は、それが追加の付着，余分なリソグラフィ，および追加のエッチングを必要としないということである。さらに、スペーサもしくはストップの有用性は、一部のデバイスにおけるスティクションの確率を大いに低減する。
【００２３】
ＣＭＯＳデバイスの製造に好ましくは適合した半導体製造ラインにプロセスを統合する方法の理解を促進するために、２００１年１１月７日に出願された“Method of Fabricating MEMS Switches on CMOS Compatible Substrates”と称される米国特許出願Ｓ／Ｎ１０／０１４，６６０を明細書の内容として引用する。
【００２４】
本発明の好適な実施の形態は、半導体ＣＭＯＳ製造設備においてＭＥＭＳデバイス内に自己整合スペーサを作成する方法を説明する。
【００２５】
図３を参照して説明される開始時の構造は、銅ダマシン相互接続層として当業者によって理解できる。この層の下に、他の相互接続層もしくはバイア層、あるいはＦＥＴ，ＮＰＮトランジスタもしくはＨＢＴのようなデバイス、抵抗等を、シリコン基板上あるいは代わりに水晶のような低損失基板上に直接配置してもよい。誘電体２０に埋め込まれたダマシン金属４０は、好ましくは、ＳｉＯ2 のような適切な誘電体材料に埋め込まれた銅で形成される。金属の厚さは典型的には約３０００Åから５０００Åまでであるが、この範囲に限定されない。
【００２６】
図４は、ウェットエッチング（他の手段も適切であるが）を用いてエッジ５においてリセスされた銅を示す。リセスの量は、要求される最終的な構造に依存する。好適な方法において、ウェットエッチングは、酢酸と過酸化水素との希薄溶液から成る。銅は約８００Åの深さまでエッチングされる。
【００２７】
シード層とメッキされた銅との間の粒界構成（grain boundaries setup)にかんがみれば、構造の外辺部の周囲から銅を積極的に除去することによってリセスの主なフィーチャを実現することは価値がない。これは、図１４を参照して後述するように、主形状内の形状の周囲にも生じる。
【００２８】
図５は、誘電体層１００を付着し、下方に作られたトポグラフィ(エッジ５）が上部表面６にリセス６として転写された後の構造を示す。誘電体層１００の厚さは必要な開口の深さに依存する。本実施形態において、好ましい範囲は８００Åから５０００Åまで変化する。この例で使用される誘電体はＳｉＯ2 であるが、当業者は、同等の結果に関して、多数の入手可能な誘電体を使用できることを容易に理解できる。
【００２９】
図６は、フォトレジスト８によるバイア７のパターニングおよびエッチングを説明する。これは、標準のリソグラフィおよびＲＩＥプロセスである。バイアは、様々な金属層間に相互接続を設定する。
【００３０】
図７において、標準のＣＭＯＳ処理手法、好ましくはシングル・ダマシン銅プロセスを用いて金属で充填されたバイアを示す。この構造を、化学機械平坦化（ＣＭＰ）プロセスを用いて今度は平坦化し、先に形成されたリセス６内に金属９すなわちライナを残す。好ましいライナ材料はＴａＮ／Ｔａであるが、それらが以下に用いられるエッチングをマスクする限りは、Ｔｉ，ＴｉＮまたはタングステンのような他のライナ材料を用いることができる。重要なのは、平坦化プロセスが適切に、すなわち必要以上の誘電体が除去されるのを回避することにより行われた後に、リセスが依然として金属で充填されたままであることである。
【００３１】
図８は、フォトレジスト８ａを用いる誘電体１００に形成される開口のパターニングを示す。金属９は、自己整合スペーサが製造されるべき領域に露出する。
【００３２】
図９は、金属（図８の９）によって形成された自己整合スペーサを有するエッチングされた開口１２０を説明する。金属９は、エッチングの少なくとも一部について誘電体のＲＩＥを阻み、対応する誘電体からなる自己整合スペーサ１０を金属９の真下に形成する。自己整合スペーサの高さは、誘電体の厚さとそのエッチング時間とに依存する。それは、また、それらの全てが自己整合スペーサの所望のサイズに適応した金属の厚さにも依存する。例として、金属のエッジが約７００Å〜約９００Åだけリセスされ、誘電体１００が厚さ約１２００Åの開口を定める場合には、スペーサは、６００Åとほぼ等しい高さに達する。
【００３３】
図１０は、開口に渡って伸びる可動ビーム１６０を備える完成した構造を示す。このような構造を製造する方法の詳細は、明細書の内容として引用される２００１年１１月７日出願の“Method of Fabricating MEMS Switches on CMOS Compatible Substrates”と称される前述の米国特許出願Ｓ／Ｎ１０／０１４，６６０において詳細に説明される。図２に示すように、ＳＰＳＴ（単極単投）スイッチ，ＤＰＤＴ（二極双投）スイッチ，および他の複数のビーム構成のような他のＭＥＭスイッチ構成が可能である。
【００３４】
図１１は、静電気でアクティベートされ、自己整合スペーサとコンタクトする点へ曲がったビームを説明する。当業者は、自己整合スペーサを有益に用いることができることを十分に理解でき、さらにＭＥＭＳアクチュエータの曲がりを制限して可動ビームと金属電極との間のコンタクトを最小にできることを十分に理解できる。このようにすることによって、スティクションの問題が著しく最小化される。
【００３５】
図１２は、ビームの一方の端部のみが固定されたＭＥＭＳデバイスを示し、図１３は、スイッチが前述したようにアクティベートされるとき自己整合スペーサがどのように動作するかを説明する。
【００３６】
図１４は、特に、このような構造のエッジ間に間隔を与える大規模ＭＥＭＳ構造において、追加の自己整合スペーサが主形状内に組み込まれたＭＥＭＳ構成を説明する。最後に、図１５は、同じ構造の斜視断面を示す。単一の好適な実施形態の点から本発明を述べたが、特許請求の範囲の趣旨および範囲に含まれる置換および変更によって本発明を実行できることを当業者は理解できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ビームの長手方向に沿って見た、ビームの両端部が固定されている従来のＭＥＭスイッチの断面図である。
【図２】  ビームの一方の端部のみが固定されている従来のＭＥＭスイッチの断面図である。
【図３】  本発明の一実施形態に従って、それらがＭＥＭスイッチング・デバイスに適応するように自己整合スペーサを作成するプロセス・フローを詳述する図である。
【図４】  本発明の一実施形態に従って、それらがＭＥＭスイッチング・デバイスに適応するように自己整合スペーサを作成するプロセス・フローを詳述する図である。
【図５】  本発明の一実施形態に従って、それらがＭＥＭスイッチング・デバイスに適応するように自己整合スペーサを作成するプロセス・フローを詳述する図である。
【図６】  本発明の一実施形態に従って、それらがＭＥＭスイッチング・デバイスに適応するように自己整合スペーサを作成するプロセス・フローを詳述する図である。
【図７】  本発明の一実施形態に従って、それらがＭＥＭスイッチング・デバイスに適応するように自己整合スペーサを作成するプロセス・フローを詳述する図である。
【図８】  本発明の一実施形態に従って、それらがＭＥＭスイッチング・デバイスに適応するように自己整合スペーサを作成するプロセス・フローを詳述する図である。
【図９】  本発明の一実施形態に従って、それらがＭＥＭスイッチング・デバイスに適応するように自己整合スペーサを作成するプロセス・フローを詳述する図である。
【図１０】  本発明の一実施形態に従って、それらがＭＥＭスイッチング・デバイスに適応するように自己整合スペーサを作成するプロセス・フローを詳述する図である。
【図１１】  自己整合スペーサがＭＥＭスイッチの動作にどのように作用するか説明する図である。
【図１２】  ビームの一方の端部のみが固定されているＭＥＭＳデバイスを示す図である。
【図１３】  スイッチがアクティベートされるとき、自己整合スペーサがどのように動作するか説明する図である。
【図１４】  追加の自己整合スペーサが主形状内部に組み込まれたＭＥＭＳ構成を説明する図である。
【図１５】  図１４の構造の斜視断面を示す図である。
【符号の説明】
１  ビーム
２，２ａ，３  導体
４  誘電体
５  エッジ
６  上部表面
７  バイア
８，８ａ  フォトレジスト
９  自己整合金属マスキング
１０  誘電体スペーサ
１５，２０  誘電体
４０  ダマシン金属
１００  コンフォーマル誘電体層
１２０  開口
１６０  可動ビーム
【図１】
0003808052.tif 000002
【図２】
0003808052.tif 000003
【図３】
0003808052.tif 000004
【図４】
0003808052.tif 000005
【図５】
0003808052.tif 000006
【図６】
0003808052.tif 000007
【図７】
0003808052.tif 000008
【図８】
0003808052.tif 000009
【図９】
0003808052.tif 000010
【図１０】
0003808052.tif 000011
【図１１】
0003808052.tif 000012
【図１２】
0003808052.tif 000013
【図１３】
0003808052.tif 000014
【図１４】
0003808052.tif 000015
【図１５】
0003808052.tif 000016