JP2017109304A - 微小電気機械デバイスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁層によって分離された層を相互に連結させる、最適な方法を提供する。
【解決手段】積層された固体構造を含む微小電気機械デバイスにおいて、固体構造は、第１導電材料層８１と、第２導電材料層８３と、第１導電材料層８１と第２導電材料層８３との間の第３絶縁材料層８２と、第２導電材料層８３の表面から第３絶縁材料層８２を貫通して、第１導電材料層８１にまで延在しているビア溝８９と、ビア溝８９の底面に延在し、ビア溝８９の高さよりも低い高さまでの、第１導電材料層８１と第２導電材料層８３との間の導電経路を成すように延在する導電性相互接合素子８１１と、を有し、導電性相互接合素子８１１は、ビア溝８９の側壁８１４、８１８との間のある点においてよりも、ビア溝８９の側壁８１４、８１８において、または、第３絶縁材料層８２に形成されるアンダーカット内において実質的に高い。
【選択図】図１２Ｂ

Description

本発明は、微小電気機械デバイス、および微小電気機械デバイスの改良された製造方法に関する。

微小電気機械デバイス（ＭＥＭＳ）は、物理的特性における非常に小さな変化を迅速かつ正確に検出するために適用することができる。多くのＭＥＭＳデバイスが、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハやキャビティ・シリコン・オン・インシュレータ（キャビティ−ＳＯＩ）ウェハのように、積層された固体構造から製造される。ＳＯＩウェハは、一般に、ハンドル・ウェハ層、埋込酸化（ＢＯＸ）層およびデバイス層からなる。ハンドル・ウェハ層は、通常、最も厚い部分であり、数百μｍの厚みがある。一方、デバイス層は、一般に、数十μｍの厚みである。ＢＯＸ層は、一般に、わずか１μｍから数μｍの厚みである。キャビティ−ＳＯＩウェハでは、通常、ハンドル・ウェハは、いくつかの場所にキャビティを有する。キャビティの深さは、数μｍから数十μｍであってもよい。ＢＯＸ層は、ハンドル・ウェハ層またはデバイス層のいずれかに配置されてもよく、ＢＯＸ層が上記２つのシリコン層に挟持され、デバイス層がハンドル・ウェハ層から電気的に分離されるように、上記２つのシリコン層が互いに結合されていてもよい。

ＭＥＭＳデバイスの構造（ＭＥＭＳ構造）は、一般に、デバイス層の中に、および／または、デバイス層を介して、溝をエッチングすることにより、ＳＯＩウェハまたはキャビティ−ＳＯＩウェハのデバイス層に製造される。キャビティ−ＳＯＩが使用される場合、いくつかのＭＥＭＳ構造は、一般に、キャビティと一致するように設計される。ＳＯＩウェハにおいて、または、キャビティ−ＳＯＩの非キャビティ領域上に可動構造が必要な場合、ＢＯＸ層の犠牲エッチングは、ＢＯＸ層から所望のＭＥＭＳ構造を機械的にリリースするために用いられるので、ハンドル・ウェハ層からも所望のＭＥＭＳ構造を機械的にリリースするために用いられる。

図１は、キャビティ−ＳＯＩウェハ上の従来のＭＥＭＳ構造の配置を示している。例示されるＭＥＭＳデバイスでは、ハンドル・ウェハ層１１は、埋込酸化層１２で覆われており、デバイス層１３は、埋込酸化層１２に取り付けられている。キャビティ１４は、ハンドル・ウェハ層１１の中に作られている。多くの溝１５は、様々な位置に、デバイス層１３を介してエッチングされる。埋込酸化層１２の一部１６は、溝１５が配置されているいくつかの領域から除去されている。

多くの場合において、ＭＥＭＳデバイスの全機能がデバイス層の中に組み込まれており、ハンドル・ウェハがＭＥＭＳデバイスの機械的支持および一部の封止としてのみ機能する。しかしながら、ハンドル・ウェハはシリコン材料であるので、ハンドル・ウェハのドーピングレベルに応じて、少なくともある程度、電気的に導電性を有する。このことが、デバイスの性能にある程度の影響を与える恐れがある。ＢＯＸ層を越えて、または、犠牲的にエッチングされた領域を超えて、ハンドル・ウェハからデバイス層までの容量結合が生じるからである。キャビティ−ＳＯＩ中のキャビティの目的の１つは、キャビティ領域でこの容量結合を減少させることである。

ＭＥＭＳデバイスが安定かつ影響を受けない動作を行うためには、ハンドル・ウェハをデバイス動作に最も有害でない電位に接続できることが必要である。ハンドル・ウェハが外部電位に接続されることなく電気的にフローティングである場合、または、ハンドル・ウェハが不適当な電位に接続される場合、デバイス動作は、いくつかのメカニズムにより悪影響を受けるかもしれない。これらの悪影響は、浮遊容量、ＭＥＭＳデバイス内における電気信号の不要な結合、およびＭＥＭＳデバイスへの外部電気信号の不要な結合による負荷が含まれる。ＭＥＭＳデバイスに結合されるかもしれない不要な電気信号の一例としては、ＷｉＦｉ、携帯電話、またはＢｌｕｅＴｏｏｔｈ（登録商標）無線のような近距離無線からの電波送信である。他の例としては、ＭＥＭＳデバイスが、例えば、配電回路の上面に実装される積層梱包形態において、近距離デジタル信号回線からの電気的結合である。多くの場合、ハンドル・ウェハにとって最良の電位は、付属の電気回路のグランド電位である。しかし、他の電位もまた適用可能な結果を達成し得る。

有利には、ＭＥＭＳデバイスへの電気接点（図示せず）は、デバイス層１３の表面１８に形成される。最適電位にハンドル・ウェハを接続するために、電気接点は、ハンドル・ウェハの裏面１７上に形成されてもよい。しかしながら、電子アセンブリにおいて、ウェハ構造の両側に当接部材を有することは経済的ではない。ＭＥＭＳデバイスへの他の全ての電気接点がデバイス層１３の前面１８上に形成されるので、ハンドル・ウェハへの接点もこの面で好適に利用可能となる。

ハンドル・ウェハからデバイス層の前面に電気接点をもたらす従来の方法を、図２に示す。図２は、キャビティ２４を有するハンドル・ウェハ２１、埋込酸化層２２、およびデバイス層２３を備えるキャビティ−ＳＯＩを示している。ＭＥＭＳ構造は、デバイス層２３を介して構造溝２５をエッチングすることにより、キャビティ−ＳＯＩウェハ上に作られる。構造溝25に加えて、さらにビア溝２９がデバイス層２３およびＢＯＸ層２２を介してエッチングされ、少なくとも部分的に導電材料で満たされ、プラグ３０を形成する。導電プラグ３０の材料および製造方法、ならびに、ハンドル・ウェハ２１およびデバイス層２３のドーピングレベルは、プラグ３０がハンドル・ウェハ２１およびデバイス層２３の両方にオーム接触を形成し、ハンドル・ウェハ２１とデバイス層２３との間に導電経路を形成するように選択される。その後、この導電経路を介して、デバイス層２３の前面２８からハンドル・ウェハ２１まで、電気接点を作ることができる。

既知のプラグ製造方法は、最初にビア溝２９をエッチングし、その後、デバイス層２３の前面２８に導電材料層を形成すると、導電材料がビア溝２９の底面およびビア溝２９の側壁を覆い、少なくとも部分的にビア溝２９を満たす。導電材料層を形成する既知の方法は、物理的および化学的蒸着法（ＰＶＤおよびＣＶＤ）、蒸着（ＶＥ）、および電着（ＥＤ）を含む。ＰＶＤ、ＣＶＤおよびＶＥを使用する場合、ビア溝の側壁も少なくともある程度覆われ、最終的には、溝全体が満たされてもよい。ＥＤ法により、ビア溝の底面から成長するプラグのみを作成することができる。導電材料層の形成工程の後、ＰＶＤ、ＣＶＤおよびＶＥにより形成された導電材料は、フォトリソグラフィ法によりパターニングされ、ビア溝２９以外の全ての他の領域、または、それに代えて、ビア溝２９およびその周辺部以外の全ての領域から除去される。ＥＤにより形成された導電材料は、パターニングの必要はないが、ビア溝２９の底面と同じ電位における全ての表面がＥＤ工程で形成されるようになる。

それゆえに、これらの最新技術の欠点は、ビア溝２９が構造溝２５とは別のエッチング工程でエッチングされなければならず、導電材料のために、追加のパターニングおよびさらなる除去工程が必要となる場合があるということである。導電材料の蒸着の間、構造溝２５が開口してはいけないため、別のエッチング工程が必要である。そうでなければ、導電材料が構造溝２５をも満たしてしまい、後で構造溝２５から導電材料を除去することが実質的に不可能になってしまう。

これに代わる方法としては、プラグが形成されるようにビア溝の中にインクジェット方式で導電材料を噴出する方法である。インクジェット方式とは、液体物質をノズルから目的場所に非常に小さな液滴として移動する技術である。付着させる導電材料は、液体のキャリア溶媒および固体ナノ粒子を含むインク状である。固体ナノ粒子の大きさは、一般に、数十ｎｍの範囲である。液体のキャリア溶媒は、導電材料を付着させる間およびその後に、例えば、目的場所の温度およびその後の熱処理に応じて、蒸発して無くなる。最後に、付着させた導電材料を、固体粒子が少なくとも部分的に溶解して互いに接続するような温度で熱処理する。これらのナノ粒子の融点は、対応するバルク材の融点よりかなり低い。

この方法では、追加の溝エッチングおよびパターニング工程が不要である。インクジェット方式は、所望のビア溝２９のみを満たし、その周囲の表面２８および構造溝２５には影響を与えないように制限することができる局所的な工程だからである。さらに、同一のエッチング工程を行う間に、構造溝２５およびビア溝２９を作製することができる。しかしながら、インクジェット方式による工程の欠点は、溝を満たすのに必要な大量の固形材料を付着させるのに時間がかかるということである。ナノスケールの粒子を用いてインクジェット方式でプラグ３０を形成する工程に要する付加的な時間を減らす必要がある。

本発明の目的は、絶縁層によって分離された層を相互に連結させる、最適な方法を提供することである。独立請求項に記載の微小電気機械デバイスおよび微小電気機械デバイスの製造方法により、本発明の上記目的およびその他の目的は達成される。

本発明の一実施の形態に係る微小電気機械デバイスは、積層された固体構造を有する。固体構造は、第１導電材料層、第２導電材料層、第１導電材料層と第２導電材料層との間に第３絶縁材料層、ビア溝、および、導電性相互接合素子を有する。ビア溝は、第２導電材料層の表面から第３絶縁材料層を貫通して、表面がビア溝の底面を形成している第１導電材料層にまで延在している。導電性相互接続素子は、ビア溝の底面に延在し、ビア溝の底面からビア溝の高さよりも低い高さまでの、第１導電材料層と第２導電材料層との間の導電経路を成すように延在する。導電性相互接続素子は、ビア溝の側壁とそれに対向する側壁との間のある点においてよりも、ビア溝の側壁において、または、第３絶縁材料層に形成されるアンダーカット内において、実質的に高い。

本発明の一実施の形態に係る微小電気機械デバイスの製造方法は、さらに、積層された固体構造を有する微小電気機械デバイスの製造方法を有する。固体構造は、第１導電材料層、第２導電材料層、および、第１導電材料層と第２導電材料層との間に第３絶縁材料層を有する。上記製造方法は、また、第２導電材料層の表面から第３絶縁材料層を貫通して、表面がビア溝の底面を形成している第１導電材料層にまで延在するビア溝を作成する工程を含む。上記製造方法は、また、液体キャリアとナノ粒子の導電材料とを混合物としてのインクジェットセットアップを形成する工程を含む。特定のインクジェットセットアップ毎に、工程期間を決定する。上記工程期間の間に、上記混合物のインクジェットされた小塊の周端に向かって、ナノ粒子の毛細管現象が引き起こされる。混合物の液滴は、上記期間内にインクジェットされ、ビア溝の底面で小塊になる。そして、積層された固体構造を熱処理し、混合物の液体キャリアを蒸発させる。

本発明のさらなる利点は、以下の実施の形態によってより詳細に説明する。

以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態についてより詳細に説明する。

キャビティ−ＳＯＩ上の従来のＭＥＭＳ構造の配置を示す図である。 ハンドル・ウェハからデバイス層の表面に電気接点を設けるための従来の方法を示す図である。 少なくとも３つの異なる材料層から形成される積層された固体構造を有する微小電気機械デバイス構造を示す図である。 請求項に係る微小電気機械デバイス構造を作成するために適応可能な新規の方法の工程を示す図である。 積層された固体構造の他の実施形態を示す概略図である。 ２つの導電性相互接続素子の一実施形態を示す図である。 導電性相互接続素子の他の実施形態を示す図である。 導電性相互接続素子の他の実施形態を示す図である。 実際に行った実験結果を示す図である。 実際に行った他の実験結果を示す図である。 液体物質が深い長方形の溝に置かれた場合の実験結果を示す図である。 図１１の結果を導く工程をさらに説明する図である。 図１１の結果を導く工程をさらに説明する図である。

以下の実施形態は例示である。本明細書では、「一（ａｎ）」実施形態、「１つの（ｏｎｅ）」実施形態、または「いくつかの（ｓｏｍｅ）」実施形態を参照している場合があるが、これは必ずしも、そのような各参照が同じ１又は複数の実施形態に対するものであること、または、その特徴が単一の実施形態のみに適用されることを意味するものではない。異なる実施形態の単一の特徴を組み合わせて、さらなる実施形態をもたらすことができる。

以下、本発明の特徴について、本発明の様々な実施形態を実施することができるデバイスアーキテクチャの簡単な一例を用いて説明する。実施形態を説明するために関連する要素のみを詳細に説明する。当業者に一般的に知られている微小電気機械デバイスの様々な実施態様については、本明細書で具体的に説明しない場合がある。

図３の概略図は、少なくとも３つの異なる材料膜から形成される積層された固体構造を有する微小電気機械デバイス構造を示している。一実施形態では、ハンドル・ウェハ、埋込酸化層、およびデバイス層を有するＳＯＩウェハが示される。ここで、ハンドル・ウェハは、第１導電材料層３１（以下、第１層と称する場合がある。）として図示されている。第１層３１は、有利に、主に、ドープされたシリコンから形成される支持層をもたらし、その抵抗は、与えられたドーピングレベルによって変化する。ここで言う主にとは、層の大部分(少なくとも半分)が特定の材料からなることを意味するが、一方、その層が空隙領域および／または他の材料で構成された領域を含んでいてもよいことも意味する。

ここで、デバイス層は、第２導電材料層３３（以下、第２層と称する場合がある。）として図示されている。第２層３３は、有利には、主に、１μｍ〜１００μｍの厚さを有するドープされたシリコンから形成されるアクティブ層をもたらす。第１層３１は、一般に、第２層３３よりも厚い。具体的には、第１層３１の厚みは、少なくとも３００μｍであるが、多くの場合は、５００μｍ〜６００μｍである。破損のリスクなく、また、重力や取り扱いの際の負荷によってあまり曲がることなく、ウェハを扱うことができるからである。

ここで、埋込酸化層は、第３絶縁材料層３２（以下、第３層と称する場合がある。）として図示されている。そのため、第３層３２は、導電領域間の絶縁領域をもたらす。有利には、第３層３２は、主に、シリコン酸化物から形成される。第３層３２の厚みは、０．１μｍ〜１０μｍの間である。第３層３２は、例えば、シリコンウェハの酸素イオンビーム注入により、または、他のウェハに酸化シリコンウェハを接合しているウェハにより、製造されてもよい。

微小電気機械デバイスは、さらに、第２層３３の表面３１２から始まり、第２層３３および第３層３２を貫通して第１層３１にまで延在するビア溝３９を有する。第２層３３の表面３１２は、第３層２１から見て外方を向く外面であり、微小電気機械デバイスの適応可能な電気接点側にある。ビア溝３９の底３１５には、少なくとも１つの導電性相互接合素子３１１、３１６が設けられており、導電性相互接合素子３１１、３１６は、ビア溝３９の底面３１５に延在し、ビア溝３９の底面３１５から第１導電材料層３１と第２導電材料層３３との間の導電経路が形成される高さまで延在している。従来のプラグ充填に対し、伝導性相互結合素子３１１、３１６は、ビア溝３９の側壁３１４、３１８全体を覆わないが、ビア溝３９の側壁３１４とそれに対向する側壁３１８との間のある点においてよりも、ビア溝３９の側壁３１４において、または、第３絶縁材料層３２に形成されるアンダーカット内において、実質的に高い。

図３は、アンダーカットのない構造を示している。そのような構造では、伝導性相互接合素子３１１は、ビア溝の側壁３１４と接触している。それゆえに、側壁３１４における導電性相互接合素子３１１の高さは、第３絶縁材料層３２の厚み以上である。そのため、オーム接触は、導電性相互接合素子３１１を介して、第２層３３と第１層３１との間に形成される。導電性相互接合素子３１１は、さらに、ビア溝３９の側壁３１４とそれに対向する側壁３１８との間のある点においてよりも、ビア溝３９の側壁３１４において実質的に高い。それゆえに、導電性相互接合素子３１１は、ビア溝３９の側壁３１４と底３１５との間の内角をならす隅肉として機能する。例えば、導電性相互接合素子３１１は、側壁３１４と底面３１５との間の周辺底角３１３の内角をならすと同時に、第１層３１および第２層３３の間のオーム接触を生じるように、ビア溝３９の底３１５から側壁３１４に沿って延在する。

図３の断面は、導電性相互接合素子３１１の高さが、導電性相互接合素子３１１と隣接する側壁３１４から離れるにつれて減少する一例を示している。このような場合、導電性相互接合素子３１１は、側壁３１４とそれに対向する側壁３１８との間のどの点においてよりも、側壁３１４において実質的に高くなる。なお、ここで、ビア溝３９は様々な形状を有していてもよく、２つ以上の導電性相互接合素子３１１、３１６を有する内角をより多く有していてもよい。また、後述するように、導電性相互接合素子３１１、３１６は、対向する側壁３１４、３１８の間において、様々な形状を取ってもよい。しかしながら、側壁３１４とそれに対向する側壁３１８との間のある点において、導電性相互接合素子３１１、３１６は、側壁３１４、３１８においてよりも低い。

図３に示す一例は、直線状のビア溝３９の両方の周辺底角３１３に、２つの導電性相互接合素子３１１、３１６を有する。なお、第１層３１および第２層３３は、最低でも、ただ１つの導電性相互接合素子を介して電気的に接続することができる。一方、ビア溝３９は、さまざまな形状を有していてもよく、２つ以上の導電性相互接合素子を有する内角をより多く有していてもよい。

図３では、２つの導電性相互接合素子３１１、３１６が、互いに対向する側壁３１４、３１８に沿って延在し、互いに離間している構成をさらに例示している。したがって、側壁３１４、３１８間のある点において、導電性相互接合素子３１１、３１６のそれぞれの高さは、ゼロである。この例において、導電性相互接合素子３１１、３１６は、側壁３１４、３１８の間の中央および中央付近で高さがゼロになるように、同じ高さのものである。しかしながら、後で示すように、ビア溝３９の異なる側壁３１４、３１８から延在する導電性相互接合素子３１１、３１６は、代わりに、ビア溝３９の底３１５を部分的にまたは全て覆う、１つ以上の一体化された相互接合素子領域を形成してもよい。さらに、このような一体化された相互接合素子領域の高さは、対向する側壁の間で変化してもよい。例えば、図３のビア溝３９において、導電性接合素子３１１の隅肉の形は、平坦化され、ビア溝３９の底面３１５までも覆う凹状の導電角塊を形成してもよい。しかしながら、そのような形状の一体化された相互接合素子領域の高さは、互いに対向する側壁間のある点において最も低くなる。

図３の構成では、導電性相互結合素子３１１、３１６は、その全高で、第１層３１と第２層３３との間に電気接点を形成するために最も効果的な位置に延在するが、ビア溝３９のその他の部分では、これより少ない量で延在する点で優れている。したがって、所望の電気接点を形成するために、材料の最少量だけが必要とされる。つまり、それは、導電層間の電気接点を形成するに必要な時間も短くなることも意味する。

図４では、請求項に記載の微小電気機械デバイス構造、例えば、図３に示す微小電気機械デバイス構造を製造するために適応可能な新規の方法の各工程について説明する。上記方法は、第１導電材料層３１、第２導電材料層３３、第３絶縁材料層３２を有する積層された固体構造を入手する（工程４００）ことから始まる。絶縁性の第３層３２は、図３に示すように、第１導電材料層３１と第２導電材料層３３との間に挟持されている。これらの層は、それぞれの最上面に異なる材料の層を配置することにより形成されてもよく、または、１つ以上の容易に接合された層と事前構成済みのウェハ構造とを用いて積層された固体構造を形成してもよい。

この方法においては、第２絶縁材料層３３の表面３１２から第２絶縁材料層３３を貫通して第１導電材料層３１までに延在するビア溝３９が形成される（工程４０２）。ビア溝３９の製造工程は、エッチングマスクを配置し、フォトリソグラフィ、エッチングおよび微小デバイスの製造を行う当業者に周知である他の同様の処理を含んでもよい。ビア溝の製造工程では、導電材料および絶縁材料が配置されない領域が積層された固体構造中に形成されるように、積層された固体積層から一部を取り除く。図３の空隙構造を参照すると、空隙領域では、側面が急傾斜の凹部を成し、その凹部が固体構造内で延在している。その空隙領域では、ビア溝３９の側壁３１４が第３絶縁材料層３２および第２導電材料層３３の断面を有し、少なくともビア溝３９の底面３１５に第１導電材料層３１が表出している。有利には、ビア溝３９の底面３１５が第１層３１の最上面と一致している、またはビア溝３９の底面３１５が第１層３１に窪みを作っている。

優れた点としては、ビア溝３９の側壁３１４、３１８が第２層３３の表面３１２に対して略垂直であり、ビア溝の底面３１５が第２層３３の表面３１２に対して略平行である。しかしながら、ビア溝３９は、本発明の範囲内で、多くの直線形状または曲線形状を含んでいてもよい。ビア溝３９の底角３１３は、ビア溝３９の底面３１５の周縁にある。

図３に示す一例では、積層された固体構造がＳＯＩウェハである例を示しており、ビア溝３９は、第２層３３の表面３１２側から見ると、長い線状形を有している。図３に示すように、ビア溝３９の側壁３１４、３１８は、第２層３３の表面３１２に対して垂直であり、ビア溝３９の底面３１５は、第２層３３の表面３１２に対して平行である。

積層された固体構造の一方の側に接点を配置することを可能とする積層された固体構造の製造方法であって、より迅速に少ない材料で製造できる方法でありながら、第１層および第２層の間に良好な接続をなお犠牲にしない方法を見出した。改善のために、特定のインクジェットのセットアップのための工程期間が決定される（工程４０４）。この工程期間とは、上述した混合物をインクジェットした小塊の周端に向かって、ナノ粒子が毛細管現象を起こす間および毛細管現象が誘引されている間の時間をいう。

ここで、特定のインクジェットセットアップは、少なくとも１つのビア溝のインクジェット処理の間、一定のままであるように固定された１式のパラメータを指す。上記パラメータを調整し、ビア溝の少なくとも１つの底角と接触する液状の小塊を形成する。上記液滴混合物中の固体材料のナノ粒子は、固体積層構造の各層におけるシリコン材料と親和性が高いことで知られている、一群の導電材料から有利に選択される。これらの材料は、例えば、銀、金、アルミニウム、およびドープされたシリコンを含むが、他の多くの導電材料を本発明の範囲内で使用してもよい。インクジェットされた小塊内で所望の毛細管流動を引き起こすために調整することができる他の工程パラメータは、例えば、液滴の大きさ、ノズルの距離、液滴の運動エネルギー、液滴混合物中のナノ粒子の量、液滴混合物の粘度、目標表面のぬれ角、目標表面の温度、液状キャリアの蒸発率（蒸発速度）などを挙げることができる。インクジェット技術の当業者であって、小塊の要求された特徴を知り得た人であれば、インクジェットされた小塊の周縁に向かってナノ粒子が移動するコーヒー染み効果のような所望の毛細管現象を誘引する１以上の最適パラメータの組み合わせを想到し得る。

定義された工程期間では、インクジェットされた物質から周縁部に凝集したナノ粒子が周縁素子を形成するように、インクジェットされた小塊の大きさをサイズ調整する。これにより、第１層と第２層との間にオーム接続を可能となる。それゆえに、図３に示すように、導電相互結合素子３１１は、ビア溝３９の底角３１３からビア溝３９の側壁３１４に沿って第２導電材料層３３の表面３１２に向かって延在しなければならず、少なくとも第３絶縁材料層３２の高さまで延在しなければならない。

ところで、ある量の液滴混合物をビア溝の底の上にインクジェットし（工程４０６）、工程期間が超過していない場合、上記混合物のインクジェットされた小塊の周縁に対するナノ粒子の毛細管現象が引き起こされる。毛細管効果において、小塊の縁から蒸発する液体は、小塊内部の液体により補充される。このため、混合物内の固体ナノ粒子は、ビア溝の底角に対して移動し始め、ビア溝の周囲の壁に対して不均一に凝集する。インクジェット工程は、堆積したナノ粒子により第１層および第３層の間にオーム接触を形成することができるのであれば、全工程期間に渡って行うことができ、または工程期間よりも短くしてもよい。

インクジェット工程の後、積層された固体構造は、ナノ粒子の不均一な層が固体導電性相互接合素子に接合するように、ナノ粒子の融点にまで加熱処理されてもよい（工程４０８）。優れた点としては、熱処理は小塊中の全ての液体を蒸発させた後に行われる。それゆえ、図３に示すように、導電性相互結合素子３１１は、側壁３１４およびそれと対向する側壁３１８との間のある点においてより、ビア溝３９の側壁３１４において実質的に高い。この例において、導電性相互結合素子３１１は、実際、実質的に側壁３１４およびそれに対向する側壁３１８との間のどの点においてよりも、ビア溝３９の側壁３１４において高く、側壁３１４とそれに対向する側壁３１８との中央において高さが最小である。なお、従来方式で充填されたビアプラグの最上面は、若干凹んだ形に乾燥されてもよい。側壁におけるプラグの高さとプラグの中央の高さとの最小の違いは、実質的な違いではない。実質的な違いとして、ビア溝の側壁における導電性相互結合素子の高さ、または、第３絶縁材料層の中に形成されたアンダーカット内の導電性相互結合素子の高さは、上述した点において導電性相互結合素子の高さの少なくとも２倍である。なお、ビア溝の側壁における導電性相互接合素子の高さは、ビア溝の高さの３／４よりも低い。このように、実質的な違いは、小塊の周縁に対するナノ粒子の毛細管現象の利用により達成可能な違いをいう。

ここで、アンダーカットという用語は、インクジェット工程の前に空っぽになった第３層の一部を言う。一般に、このようなアンダーカットは、ビア溝の製造工程において、例えば、層をエッチングした結果として形成される。これにより、アンダーカットは、インクジェット工程の前に第３層に作られ、ビア溝の空隙領域に外接する。したがって、ビア溝およびアンダーカットが両方形成された部分の空隙領域の断面は、断面が層に対して平行である場合、ビア溝のその他の部分における空隙領域の断面よりも大きい。それゆえ、アンダーカット空間は、第１導電材料層および第２導電材料層の間に形成される。

図３の構成では、側壁３１４は、第２層３３の表面３１２からビア溝３９の底３１５まで一様な直線状の輪郭を有する。図５は、製造工程４０２の後の、積層された固体構造の他の実施形態を概略的に（規模ではなく）示している。図５に示すように、積層された固体構造は、第１導電材料層５１、第２導電材料層５３、第３絶縁材料層５２を備える。ビア溝５９が第３層５２を貫通してエッチングされる時に、アンダーカット５１０が埋込酸化層５２の中に形成されてもよい。

図６では、図５の構造に図４の方法を用いて得られる導電性相互接合素子５１１の一実施形態を示す。導電材料のナノ粒子を含む液滴は、ビア溝５９の底へインクジェットされてもよい。液滴は、１つ以上の角に小塊を形成し、毛細管現象によりアンダーカットの中に流れ込む。小塊中の固体ナノ粒子は、小塊の底周縁に向かって凝集し始め、液体が小塊から蒸発した後でもそこに留まる。例えば、図６では、凝集した導電材料が隅肉形状の導電性相互結合素子５１１の中に蓄積されることを示している。具体的には、上記相互接合素子５１１は、アンダーカット５１０の周辺底角５１３から側壁５１４までアンダーカット５１０を満たし、側壁５１４を越えると高さが減少し始める。熱処理後、第１層５１および第２層５３を電気的に接続する固体導電角構造を有する導電性相互結合素子５１１が得られる。相互結合素子５１１は、側壁５１４とそれに対向する側壁５１８との間のある点、実際には、側壁５１４とそれに対向する側壁５１８との間のどの点においてよりも、側壁５１４において実質的に高い。

図７は、図５の構造に図４の方法を用いて得られる導電性相互結合素子７１１の他の実施形態を示している。図７では、アンダーカット５１０を部分的にのみ満たす導電性相互接合素子７１１を示す。導電性相互接合素子７１１は、ビア溝５９の底面５１５に延在し、ビア溝５９の底面５１５から第１導電材料層５１と第２導電材料層５３との間の導電経路が作られる高さまで延在している。導電性相互接合素子７１１は、側壁５１４とそれに対向する側壁５１８との間のある点においてよりもアンダーカット５１０内において実質的に高い。図７から読み取れるように、導電性相互接合素子７１１は、側壁５１４とそれに対向する側壁５１８との間の、実際には、どのような点においてよりも、アンダーカット５１０内において実質的に高い。

図８は、図５の構造に図４の方法を用いて得られる導電性相互接合素子８１１の他の実施形態を示している。図８では、アンダーカット５１０を満たし、側壁５１４に沿った高さにまで延在する導電性相互接合素子８１１を示す。側壁５１４を越えると、固体導電角構造を有する導電性相互結合素子８１１の高さは、ビア溝５９の底５１５からの高さが、側壁５１４から離れるにつれて減少し始める。導電性相互接合素子８１１は、この場合もやはり、側壁５１４とそれに対向する側壁５１８との間のある点、実際には、側壁５１４とそれに対向する側壁５１８との間のどの点においてよりも、側壁５１４において実質的に高くなる。

図９の画像ａ）〜ｄ）は、液体キャリアと銀ナノ粒子の混合物（Ａｇインク）を用いて導電性相互接合素子を作製した実施例の結果を示している。本実施例では、異なる量のＡｇインクを、９０μｍ幅のビア溝の中にインクジェットし、ビア溝の底に付着させて実験を行った。ビア溝は、ビア溝の上側から平面視して、横幅よりも十分に長い長方形の形状を有していた。ビア溝の長手方向の側壁に対して平行な２つの線を形成するようにＡｇインクを付着させ、それぞれの線は、各々に対応する側壁に近接していた。図９の画像ａ）〜ｄ）は、長方形のビア溝の上面から見たものであり、それらの画像は、Ａｇインクをインクジェットでビア溝の底に付着させた直後の状態を示している。Ａｇインクの量が異なると、線の厚みも異なる。ａ）〜ｄ）のそれぞれの場合において、Ａｇインクは、ビア溝の周辺底角に付着し、ビア溝の中央には付着していない、または、ビア溝の側壁に近接するＡｇインクの高さよりも実質的に低い高さで付着していた。このように、インクの量を適切に選択すれば、可能である。

図１０の画像ａ）〜ｆ）は、液体キャリアと金ナノ粒子の混合物（Ａｕインク）を用いて導電性相互接合素子を作製した実施例の結果を示している。本実施例では、異なる量のＡｕインクを、図９に示す実施例と同様に、横幅よりも十分に長い長方形の形状、９０μｍ幅のビア溝の中にインクジェットし、ビア溝の底に付着させて実験を行った。ビア溝の長手方向の側壁に対して平行な２つの線を形成するようにＡｕインクを付着させ、それぞれの線は、各々に対応する側壁に近接していた。図１０の画像ａ）〜ｆ）は、長方形のビア溝の上面から見たものであり、それらの画像は、Ａｕインクをインクジェットでビア溝の底に付着させた直後の状態を示している。Ａｕインクの量が異なると、線の厚みも異なる。Ａｕインクは、ビア溝の周辺底角に付着し、インクの量を適切に選択すれば、ビア溝の中央には付着しない。

図９の画像ａ）〜ｄ）および図１０の画像ａ）〜ｆ）により、適切な配列、位置、および付着量を選択することにより、所望の形状で、所望の位置に、導電性相互接合素子を作製することが可能であることが証明された。

さらに、他の実施例として、ビア溝が長方形の形状を有しており、ビア溝の底面の長さ寸法がビア溝の底面の幅寸法の少なくとも３倍である微小電気機械デバイスについて実験を行った。

図１１の画像は、Ａｇインクを、幅６０μｍ、長さ２００μｍ、深さ５０μｍの長方形のビア溝の中にインクジェットし、ビア溝の底に付着させた実験結果を示している。図１１では、Ａｇインクの液体キャリアを蒸発させた後の状態を示している。インクの量は、長手方向において側壁に沿って付着したインクが混ざり合い、付着後、ビア溝の全底面を覆う十分な高さに調整した。しかしながら、液体キャリアが蒸発する間に、インク中の銀材料は、ビア溝の中心から周縁に向かって引きつけられ、導電性相互接合素子の所望の形および位置を作り出していた。正確な形および位置は、ナノ粒子の濃度および付着物の体積を選択することによりコントロールした。図１１の結果に導く工程については、図１２Ａ〜１２Ｂでより詳細に説明する。

図１２Ａおよび図１２Ｂでは、図３のように、積層された固体構造は、第１導電材料層８１、第２導電材料層８３、および第３絶縁材料層８２を備える。ビア溝８９が第３層８２にエッチングされた場合、埋込酸化層８２にアンダーカットが形成される。図１２Ａに示すように、まず、インク混合物を含む銀の薄膜をビア溝の底に形成してもよい。この例において、インクジェットされたインク混合物は、最初に、ビア溝８９の底全体を一様に覆う小塊８２０を形成する。インク混合物中の液体キャリアを蒸発させる間に、小塊８２０内の固体銀ナノ粒子はビア溝８９の中心からビア溝８９の周辺底角８１３に向かって、毛細管現象により、引っ張られ始める。それと同時に、小塊８２０内の固体銀ナノ粒子が小塊８２０の底縁近くに凝集し始める。そして、固体銀ナノ粒子は、最終的に、全ての液体が蒸発してしまった後、アンダーカット内および側壁８１４、８１８に対して、不均一にとどまる。アニール工程の後、導電性相互接合素子８１１もまた、図１１の画像のように形成される。

技術進歩として、様々な方法で発明の基本概念を実施することができることは当業者に自明である。したがって、本発明およびその実施の形態は上記例示に制限されないが、それらは請求項の範囲内で変えてもよい。

Claims (13)

1. 積層された固体構造を含む微小電気機械デバイスであって、
   前記固体構造は、
   第１導電材料層と、
   第２導電材料層と、
   前記第１導電材料層と前記第２導電材料層との間の第３絶縁材料層と、
   前記第２導電材料層の表面から前記第３絶縁材料層を貫通して、表面がビア溝の底面を形成している前記第１導電材料層にまで延在しているビア溝と、
   前記ビア溝の前記底面に延在し、前記ビア溝の前記底面から前記ビア溝の高さよりも低い高さまでの、前記第１導電材料層と前記第２導電材料層との間の導電経路を成すように延在する導電性相互接合素子と、
   を有し、
   前記導電性相互接合素子は、前記ビア溝の側壁とそれに対向する側壁との間のある点においてよりも、前記ビア溝の前記側壁において、または、前記第３絶縁材料層に形成されるアンダーカット内において、実質的に高い微小電気機械デバイス。
2. 前記導電性相互接合素子が前記導電性相互接合素子の中に凝固されたナノ粒子から形成され、
   前記ビア溝の側壁おける、または、前記第３絶縁材料層中に形成されるアンダーカット内における前記導電性相互接合素子の高さ、および、前記ある点における前記導電性相互接合素子の高さの違いは、前記ナノ粒子が前記導電性相互接合素子中に凝固される前に、前記ビア溝の周縁に向かう液体物質中のナノ粒子の毛細管現象をコントロールすることにより生じることを特徴とする、請求項１に記載の微小電気機械デバイス。
3. 前記ビア溝の側壁における、または、前記第３絶縁材料層中に形成されたアンダーカット内における前記導電性相互接合素子の高さが、前記ある点における前記導電性相互接合素子の高さの少なくとも２倍であることを特徴とする、請求項１または２に記載の微小電気機械デバイス。
4. 前記ビア溝の側壁における前記導電性相互接合素子の高さが、前記ビア溝の高さの３／４よりも低いことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小電気機械デバイス。
5. 前記側壁と前記それに対向する側壁との間の前記導電性相互接合素子の前記ある点が、前記側壁および前記それに対向する側壁との中央にあることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小電気機械デバイス。
6. 導電性相互接合素子が、前記側壁と前記それに対向する側壁とのどの点においてよりも、前記ビア溝の前記側壁において、または、前記第３絶縁材料層中に形成されるアンダーカット内において高いことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の微小電気機械デバイス。
7. 前記導電性相互接合素子の高さが前記側壁から離れるにつれて減少することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の微小電気機械デバイス。
8. 前記導電性相互接合素子が、前記第１導電材料層と前記第２導電材料層との間のアンダーカットを少なくとも部分的に満たすことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の微小電気機械デバイス。
9. 前記導電性接合素子が凹状隅肉の形状を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の微小電気機械デバイス。
10. 前記ビア溝が長方形の形状を有しており、前記ビア溝の底面の長さ寸法が前記ビア溝の底面の幅寸法の少なくとも３倍であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の微小電気機械デバイス。
11. 第１導電材料層と、第２導電材料層と、前記第１導電材料層と前記第２導電材料層との間の第３絶縁材料層と、を備える積層された固体構造を備える微小電気機械デバイスの製造方法であって、
    前記第２導電材料層の表面から前記第３絶縁材料層を貫通して、表面がビア溝の底面を形成している前記第１導電材料層にまで延在する前記ビア溝を作製し、
    液体キャリアとナノ粒子の導電材料とを混合物としてのインクジェットセットアップを形成し、
    上記混合物のインクジェットされた小塊の周端に向かって、ナノ粒子の毛細管現象が引き起こされる、特定の前記インクジェットセットアップ毎に工程期間を決定し、
    少なくとも前記工程期間の間に、前記混合物の液滴をインクジェットし、前記ビア溝の前記底面で前記小塊にし、
    前記積層された固体構造を熱処理し、前記混合物の前記液体キャリアを蒸発させる微小電気機械デバイスの製造方法。
12. 前記ビア溝の底面に延在し、前記ビア溝の前記底面から前記ビア溝の高さよりも低い高さまでの、前記第１導電材料層と前記第２導電材料層との間の導電経路を成すように延在する導電性相互接合素子であって、前記ビア溝の側壁とそれに対向する側壁との間のある点においてよりも、前記ビア溝の前記側壁において、または、前記第３絶縁材料層の中に形成されたアンダーカット内において高い前記導電性相互接合素子を、前記微小電気機械デバイスの製造方法を用いて形成することを特徴とする、請求項１１に記載の微小電気機械デバイスの製造方法。
13. 前記インクジェットセットアップのパラメータである、液滴のサイズ、噴霧された液滴の量、ノズルの距離、液滴の運動エネルギー、液滴混合物中のナノ粒子の量、液滴混合物の粘度、目標表面のぬれ角、目標表面の温度、および液体キャリアの蒸発速度の少なくとも１つに基づいて、前記工程期間を決定することを特徴とする、請求項１１または１２に記載の微小電気機械デバイスの製造方法。