JP3989860B2 - 半導体微細電気機械的（ｍｅｍ）スイッチ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、微細電気機械的（ＭＥＭ）スイッチとこのような構造の製造方法とに関し、より具体的には、スイッチング電極と直交する制御電極を有するねじれＭＥＭスイッチに関する。
【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。ＭＥＭスイッチ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】
例えばMiller等の米国特許第６，０００，２８０号公報に開示されるように、ねじれビームを用いてＭＥＭスイッチが製造されてきたが、これらのデバイスは、スイッチ面に並行な制御面で典型的に構成されてきた。さらに、材料および処理は、ＣＭＯＳ製造手法と両立しないものであった。
【０００４】
本発明のより良い理解を得るために、誘電体２上に固定された変形可能なビーム５の一方の端部を有する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１で作成され、デバイスの様々な電気部品を接続し形成するために使用される導体素子３および４から構成される。数字３および６によって参照される導体は、ビームを変形させる動作電圧電位を与えるために用いられる。信号を伝える導体４は、同様に、ＭＥＭスイッチの動作時にビームへ接続される。図２は、同じ従来のスイッチの平面図を示す。
【０００５】
従来のＭＥＭスイッチの典型的な実装において、コンタクト・ビーム６を、例えばＳｉＯ2 で形成される誘電体層の上にポリシリコンによって形成する。周囲の材料をエッチングして、シリコン・ビーム５に装置された突起構造を残す。事前に形成された導体３および４の上に浮くコンタクト・ビーム６は、好ましくはポリシリコンより成る。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３，４，および６を形成する。
【０００６】
スイッチは、コンタクト・ビーム６および電極３の間に電圧差を与えることによって動作する。この電圧は、ビーム６を電極４と接触させる静電引力を発生させ、スイッチを閉じる。固定ビーム５へ与えられたねじれは、制御電圧電位が下がるや否やコンタクト６をその開位置へ戻すために用いられる。
【０００７】
一般的に、従来の全ての突起構造は、従来の半導体デバイスと比較した場合に極めて広い領域にわたることによって特徴付けられる。これは、本質的に、従来の突起構造を半導体チップ製造プロセスへ統合するのをほぼ不可能にする。
【０００８】
【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、スイッチング電極とほぼ直交する制御電極を有するねじれＭＥＭスイッチを提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、誘電体によってコンタクトを隔てることによって、制御信号とスイッチ信号との間に電気的分離を与えることである。
【００１０】
本発明のさらに他の目的は、スイッチを開閉するための複数の制御部を備えるねじれＭＥＭスイッチを提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、様々な多極，多投配置のＭＥＭスイッチを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、電極間に良好なコンタクトをもたらし十分な静電制御をなおも保持するために必要とされる全スイッチング領域が著しく縮小されたＭＥＭスイッチを提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、ＣＭＯＳ半導体デバイスに適用可能な製造手法と両立する製造手法を用いてＭＥＭスイッチを製造する方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様において、良好なコンタクトをもたらし必要な静電制御を与えるために要求されるＭＥＭスイッチの全スイッチ領域は、スイッチ・コンタクトと直交する方向に制御部を配置することによって著しく縮小される。これは、制御面領域を垂直方向に移動させるだけでなく、垂直配置において得られた追加のてこ比（leverage）によってビームの長さをも縮小する。信号電極間の間隔を縮小することなしに、制御電極間の間隔を縮小できるので、同じてこ比が制御電圧要件を下げる。
【００１５】
本発明の他の態様において、スティクション（stiction）として知られるＭＥＭスイッチにおいて生じる問題（すなわち、コンタクトを互いに付着させ、制御電圧が下がった時に解放しない表面の傾向）が著しく低減される。本発明のＭＥＭスイッチは、対向する制御面に、どちらか一方の方向に必要な引力を供給させてスティクションを克服することによりこの問題を解決する。
【００１６】
本発明のさらに他の態様において、スイッチング信号からの制御信号の分離が提供される。本発明のＭＥＭスイッチング・デバイスは、物理的および電気的に２つの導電路を分離する。本発明のＭＥＭスイッチング・デバイスは、また、ＭＥＭスイッチを形成する様々な要素を再配置することによって信号電極間の間隔を著しく拡大することにより、追加の分離を与える。本発明は、さらに、単極デバイスおよび多極デバイスを提供する。
【００１７】
本発明の他の態様において、半導体ＭＥＭスイッチを提供する。この半導体ＭＥＭスイッチは、導電性可動制御電極と、可動制御電極へ装置された絶縁半導体ねじれビームとを備え、絶縁ねじれビームと可動制御電極とは、相互に並行であり、絶縁ねじれビームへ装置された少なくとも一つの可動コンタクトを備え、絶縁ねじれビームおよび制御電極の結合体は、可動コンタクトと直交する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
好適な実施の形態を示す図面を参照して、以下に本発明をより十分に説明する。
【００１９】
図３は、図４の線Ａ−Ａによって定まる切断面を通して見た垂直ねじれＭＥＭスイッチの断面図を示す。デバイスは、その上にセラミック，ガラス，シリコン，あるいは絶縁もしくは半絶縁材料層が付着される基板８の上に形成される。層１０の厚さは製造されるべきＭＥＭスイッチの全体の寸法によって定められ、好ましくは、約２μｍの厚さである。スイッチの金属接続部および電極は、誘電体内に挿入されて示され、それは、ダマシン・プロセスとして一般的に知られる半導体製造プロセスにおいて典型的になされる。好適な実施の形態において、金属は、好ましくは適切なライナおよびバリア材料を有する銅である。金属導体３０，４０，および５０は、約１μｍの厚さである。導体３０は、可動コンタクト２０がアクティベートされてスイッチを閉じるとき、電流または信号が伝わるコンタクト・パッドの例である。パッド３０の面積は、著しく変化し、典型的には約１０μｍ2 である。ビーム構造の長さもまた様々であり、２０μｍから２００μｍ以上まで変動する。制御電極間の引き付け力は、並行な面のそれぞれの面積に依存する。電極４０の面積は０．５μｍ2 から１μｍ2 まで変動する。一方、その寸法は、電極５０の面積とより好ましく一致するために電極４０をより深くまたはより長くすることによって変化し得る。トレンチ７０は、電極５０と、その上に数字２０で参照される可動電極が固定されるねじれビーム６０との周囲に構成される。トレンチは、電極５０と固定電極４０との間に電圧が加えられるときに、電極が揺れるために必要な空間を与える。これが起こるとき、電極５０が電極４０の方へ引き付けられる。可動電極５０は、誘電体ビーム６０からぶら下がり、誘電体ビーム６０へ取り付けられる。誘電体ビーム６０は、少なくとも一端で誘電体へ固定される（図６の層１１および１２を参照されたい）。２つの制御電極４０および５０間の引力は、電極５０が４０の方へ引かれるように、ビーム６０を回転させまたはねじる。可動コンタクト２０はまた、極板３０にコンタクトするときに可動コンタクト２０を回転させる誘電体ビーム６０へ装置される（これは、本発明の他の実施の形態を示す図１０および１１を参照してさらに説明される）。電極４０は、一方の側でトレンチへ露出してもよく、あるいは、誘電体の薄い層が２つの制御電極間の物理的コンタクトを阻止する方法で設けられてもよい。好ましくは、誘電体の薄い層は、約２００Å〜約５００Åであり、コンタクトが成され、電位のデルタが失われ、スイッチが揺動可能の場合に、それらが相互に接触するのを妨げる。代わりに、その両側に誘電体の薄い層を付着することにより、可動電極５０を分離してもよい。
【００２０】
図４は、本発明に係るＭＥＭスイッチの平面図である。デバイスが、基板の内部あるいは基板の上に付着した誘電体層の上に形成される。図４は、可動コンタクト２０が２つのほぼ同じ平面にあるコンタクト３０および３０Ａを接続する例を説明する。金属接続部５０Ａは、制御電極５０への電気的経路を与える（これは、図６を説明するときにより詳細に説明する）。その内部でねじれビーム６０の制御電極５０が自由に動くことができるくぼみ７０が誘電体または基板内に形成される。対応する制御電極４０が可動ビーム電極５０と並行の方向に誘電体内に形成される。電極４０と５０との間に電圧差が加えられるとき、静電力が可動電極５０を固定電極４０の方へ引き付け、ねじり棒６０を変形させそしてねじる。ねじり棒が変形するとき、それは、装置された信号電極２０を回転させ、固定信号電極３０とコンタクトした状態にさせ、スイッチを閉じる。
【００２１】
さらに、ＭＥＭスイッチを閉じることにより、コンタクト２０によって、電気信号が電極３０Ａおよび３０に通ることを可能にするように、ＭＥＭデバイスを構成する。他の組み合わせも可能である。
【００２２】
図５は、可動コンタクト２０によって、電流または信号が固定コンタクト３０からおよび固定コンタクト３０へ直接伝わるのを可能にする本発明の他の実施の形態を示す。この例では、可動電極２０とのコンタクトを成す接続部８０が示される。
【００２３】
図６は、図４に示す線Ｂ−Ｂを通るデバイスの断面図である。ここでは、電極５０から５０Ａまで、電極５０Ａからバイア５５まで、そしてバイア５５から上部パッド２５まで及ぶ接続部が示される。ビーム６０は、誘電体層１１および１２、金属接続部５０Ａで形成される。ビーム６０は、両端部でそれぞれの層へ固定される。電極５０はバイア５５を通してコンタクト２５へ接続される。くぼみ７０は、電極５０が自由に動くための空間を与える。明瞭性のために、固定制御電極は示されない。可動電極５０は、くぼみ７０内に浮かび、ねじれビーム６０へ接続される。電極５０への電気的接続が、導体５０Ａ，導電バイア５５を通り、上部コンタクト２５まで形成される。ねじれビーム６０を取り囲む誘電体は、信号電極２０から制御電極５０を分離する（固定制御電極は示されない）。
【００２４】
本発明のＭＥＭスイッチのより十分な理解を得るために、図７はスイッチング・デバイスの斜視図を説明する。具体的には、電極５０およびねじれビーム６０と直交して配置される可動コンタクト２０へ電極５０と結合して支持を与えるねじれビーム６０の周囲のくぼみ７０の一端で固定される電極５０を示す。完全に下へ曲がったとき、コンタクト２０がコンタクト３０および３０Ａに短絡する。
【００２５】
図８は、電極５０に関して電極４０と対称に配置される電極４０Ａを付加することによって、反対方向の引き付け力を与えてスイッチを開く方法を示す。この特徴は、スイッチが閉位置で動かないままであり、ビームの通常のねじれがスイッチをその開状態へ戻すことができない場合に非常に重要である。例えば、電極４０と５０との間の電圧が下がるとき、制御面が共に付着した結果として、あるいは信号コンタクトが相互に接触するという理由で、スイッチが閉位置で動かない場合、電極５０と４０Ａとの間に加えられた電圧が制御電極５０をその開位置へ引き戻すこととなる。この配置は、前述したように２以上の固定電極を分路可能なように構成してもよく、あるいは図５と同様な直列スイッチとして構成してもよい。例えば、図５を参照して、電極４０と同様の相補的な制御電極がくぼみの向かい側に配置される場合には、この電極は、スイッチをその開位置へ引っ張るために使用できる。これは、図８に示すデバイスの断面図において説明される。この配置は、スティクションを克服するために用いることもできる。というのは、一方の制御電極を可動ビームを下げるために用いることができ、一方第２の制御電極を用いてそれを引き上げることができるからである。
【００２６】
図９は、図８に示すスイッチに基づく拡張スイッチ構成を示す。二元的制御部に加えて、構造の両側の上へ延び、多位置スイッチすなわち、多極双投または単極双投スイッチを形成する可動コンタクト２０Ａが示される。この配置は、スイッチを開状態に戻すために上述したのと同じ利点を与える。加えて、スイッチが単極双投スイッチ、あるいはさらに多極双投スイッチとして用いられるときに、追加の機能を提供することによって追加の利点を与える。
【００２７】
図１０および１１は、動作の２つの形態を説明する。図１０において、制御電圧が電極５０と４０Ａとの間に加えられ、ビーム６０を変形し、コンタクト３５および２０Ａをつなぐ。図１１は、電圧が電極４０と５０との間に加えられる反対の状態を示す。
【００２８】
図１２は、垂直制御部がてこ比を与えて必要なビームを縮小する方法の一例を説明する。点ＡとＢの間の距離が例えば０．５μｍであり、点ＢからＣまでの距離が例えば１．５μｍである場合には、制御面５０が０．５μｍ動くときに、点Ｄが０．３μｍ動くこととなる（ピボット・ポイントはＣである）。同様に、ビームの長さがたった５μｍの場合には、ビームの端部、すなわち点Ｅが２μｍ動くこととなる。
【００２９】
図１３は、本発明の他の実施の形態を示す。ここでは、可動コンタクトが、好ましくは誘電体層１３の一部から成るスペーサ１００によって隔てられた２以上のコンタクト２０および２０Ａに分割され、固定コンタクト３０および３５とそれぞれコンタクトすることによって多位置，多投スイッチングを可能にする。
【００３０】
図１４は、図１３の平面図を示す。様々な構成部品のサイズは、それらの特定の用途に応じて変化する。名目上の寸法を以下に示す。コンタクト２０および２０Ａは、それぞれ幅が約５０μｍであり長さが約１００μｍである。ビーム６０およびその関連部品（すなわち５０）の幅は約１０μｍであり、くぼみの上のその長さは約８０μｍである。Ｚ方向の厚さは４μｍから１０μｍまで変動する。くぼみ７０の幅は５２μｍから５５μｍまで変化し、その長さは約８０μｍである。その深さは、適切な動きを与えるために、その部品を含むビームの深さよりわずかに大きい。制御電極４０および４０Ａは、典型的には幅５μｍ，深さ４μｍ，長さ５０μｍ〜８０μｍである。固定コンタクト（３０，３０Ａ，３５および３５Ａ）の寸法はデバイスの動作にとって重要ではないがそれが用いられるデバイスの用途に依存する。したがって、ハイパワーの用途については、コンタクト領域を最大にするためにそれをレイアウトが許す場合にはコンタクトが大きくなる。最後に、コンタクトの分離は、それが構成される用途のために必要とされる分離の程度に従う。
【００３１】
図１５は、１つのビームを与えながら複数のコンタクトへこの思想を拡張する方法を説明する。ねじれビーム６０の上部へ装置された可動コンタクト２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，および２０Ｄをそこに示す。制御電極４０および４０Ａは、（図示しない）可動電極５０へ結合される。このようにして、固定電極３０および３０Ａは可動コンタクト２０によってつながれ、固定電極３０Ｂおよび３０Ｃは可動コンタクト２０Ｂによってつながれ、固定電極３０Ｄおよび３０Ｅは可動コンタクト２０Ｄによってつながれる。スイッチが反対のモードで動作するとき、固定コンタクト３５および３５Ａはそれぞれ可動コンタクト２０Ａおよび２０Ｃによってコンタクトされる。上述した構造に関して他の変形例が可能であることを当業者は理解できる。例えば、可動電極２０Ａおよび２０Ｃが固定コンタクト３５および３５Ａに電気的に接続したときにそれがそれらの間に閉回路を形成するように可動電極２０Ａおよび２０Ｃをビームへ電気的に接続する方法で可動電極２０Ａおよび２０Ｃを形成してもよい。
【００３２】
図１６〜２５は、本発明に従ってねじれＭＥＭスイッチを作成するプロセス・フローを説明する。図１３に示すデバイスを選択して、このようなデバイスの構成に関連したプロセス製造工程を説明する。同一または同種のプロセスを用いて、ＭＥＭスイッチの様々な実施形態と関連して述べる様々な構成の全てを作成することができる。前述したように、プロセスは、半導体基板の上に直接実行してもよく、あるいは代わりに、基板上に付着した誘電体層によって絶縁された基板上に実行してもよい。
【００３３】
図１６は、パターニングされエッチングされて少なくとも１つのトレンチ領域７０を形成する（図示しない）基板上の誘電体材料の層１０を示す。誘電体は、好ましくはＳｉＯ2 で形成されるが、窒化シリコン，ＢＰＳＧ（リンホウケイ酸ガラス）のような他の誘電体材料を有益に用いることができる。トレンチは、当業者に周知の標準の半導体処理手法を用いてパターニングされる。エッチングは、誘電体として用いられる特定の材料に適応する標準のエッチング・プロセスによって行われる。誘電体層の厚さはトレンチの必要な深さに依存し、厚さ５０００Åから数マイクロメートルまで変化する。好ましくは、厚さが１μｍから４μｍまで変動し、深さが４０００Åから数マイクロメートルまで及ぶ。
【００３４】
図１７は、犠牲リリース材料７５で充填され、平坦化されたトレンチ７０を示す。この目的のために、フォトレジスト，ポリイミド，ＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素），または（DuPont Chemicals, Incによって製造される）ＳｉＬＫのような多数の化合物を使用できる。ＳｉＬＫは、γ−ブチロラクトン，Ｂ段階ポリマおよびメシチレンから成るポリマ樹脂の形態の半導体誘電体である。ＤＬＣは、炭素原子の一部がダイヤモンドと同様に結合するコーティングを含む無定形炭素であり、多くの点でダイヤモンドと類似している。ダイヤモンド状炭素は、高エネルギ・ボンバードメント（energetic bombardment）のもとで炭素が付着するときに作られる。瞬時の局所的な高温高圧が炭素原子の一部をダイヤモンドのように結合させる。これらの状態は、プラズマＣＶＤ（ＰＡＣＶＤ）の際に得られる。導入されて高エネルギ炭素イオンを与えるアセチレンのような炭素含有ガスを用いて付着が行われる。ポリマは、典型的にはスピン付着しＣＭＰ（化学機械研磨）を用いて平坦化することができる。好適な実施の形態において、リリース材料としてのＳｉＬＫの使用を説明する。リリース・プロセスの要件に応じてそれらが選択されるという条件で、他の材料を用いることもできる。バルク・シリコン・マイクロマシン手法と同様に、ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 およびドープト酸化物のような種々の誘電体が、水酸化カリウムでのウェットエッチングと関連して使用される。
【００３５】
図１８は、標準のＣＭＯＳダマシン・プロセスを用いて金属コンタクトおよび電極を形成する方法を説明する。これは、下部接続部すなわち、全てが同時に形成される固定コンタクトおよび制御電極３０，３５，４０，４０Ａおよび５０を形成することを可能にする。用いられる材料は、好ましくはＴａＮおよびＴａライナを有する銅である。他の同種の材料も適している。
【００３６】
図１９は、付着し、（図２０において電極５０への）相互接続５０Ａを形成する金属を受け入れるようパターニングされた誘電体の第二の層１１を示す。この誘電体層もまた、ＳｉＯ2 または他の同種の誘電体材料で形成される。
【００３７】
図２０は、誘電体１１内の相互接続５０Ａを説明する。金属相互接続は、標準の半導体プロセスを用いて形成され、好ましくは、銅，アルミニウム，タングステン等で形成される（注：図２０の要素７５は図６に示すくぼみ７０を充填するリリース材料である。さらに、双方の図において、要素５０Ａは、それが要素５０への電気的コンタクトを成す限りビーム６０の全体の長さであってもよく、そうでなくてもよい）。
【００３８】
図２１は、前の誘電体１１と結合し、その内部で可動ビームが動くことができるくぼみ７０の完全な深さを与える別の誘電体層１２の付加を示す。このくぼみと、そして前の金属層、特に相互接続５０Ａにコンタクトするために要求される（図６の）必要なバイア５５とを得るために、層１２がパターニングされエッチングされる。
【００３９】
図２２は、先に用いられた材料、すなわち図１７に示すくぼみ７０を充填するリリース材料７５と同様な同じ犠牲材料７５Ａで充填されたくぼみ７０を説明する。犠牲材料は、誘電体層１２とほぼ平坦となるように、ＣＭＰを用いて平坦化され、あるいはパターニングおよびエッチングされる。
【００４０】
図２３は、前の構造の上に付加された誘電体のさらに別の層１３を示す。この層の内部に、本技術分野で用いられる銅ダマシン・プロセスに従って上部スイッチ・コンタクト２０および２０Ａが形成される。
【００４１】
図２４は、ビームおよびコンタクトを必要な領域にリリースし、下部のリリース材料７５よび７５Ａへの経路を与えるための、ビーム６０および上部コンタクト２０および２０Ａの周囲の誘電体層１３のパターニングおよびエッチングを説明する。
【００４２】
図２５は、図２４で述べた経路を通して犠牲リリース材料７５および７５Ａを選択的に除去した後の構造を示す。より具体的には、これらの材料は、露出される酸化可能材料がない場合には酸素プラズマ露出によって除去できる。有機材料の除去の際に酸化可能材料が露出する場合には、Ｈ2 ／ＣＯ2 ／ＣＯ／Ｎ2 タイプのプラズマ除去を有益に用いることができる。これらのガス混合物は、反応性イオンエッチングの当業者にとって認識可能である。
【００４３】
図２６は、可動コンタクト２０Ａおよび２０の上方に形成された追加の固定コンタクト３５Ｔおよび３０Ｔを含むＭＥＭデバイスの他の実施の形態を説明する。これらの付加された特徴は、特に図２８を参照してさらに説明される。
【００４４】
図２７〜３０は、デバイスの完全なカプセル化を与えてデバイスを外界から保護するように構造を形成する代替の方法を示す。
【００４５】
より具体的には、図２７は、代替の方法が使用される場合に図２３に続くプロセス工程を示す。この順序において、別の誘電体層１４が付加され、適切な領域をパターニングし、ビームとビームの周囲の領域との上のくぼみをエッチングする。得られた空隙は、犠牲材料、すなわち７５Ｂおよび７５Ｃの組み合わせで充填される。
【００４６】
代わりに、図２４を参照して、エッチングされた領域が犠牲材料７５Ｂで充填され、平坦化される。誘電体層１４を追加する。ビームおよび可動コンタクトの上にくぼみが形成され、前述したようにリリース材料７５Ｃで充填される。最後に、構造を誘電体層１４とほぼ平坦にさせる。
【００４７】
図２８は、従来の半導体製造手法を用いてパターニングおよびエッチングされ、それを通して犠牲材料がリリースされる複数の小型バイア９０を形成する誘電体層１５の付加を説明する。この時点で、図２６を参照して前述した上部コンタクトを組み込んでもよい。これらの上部コンタクトは、前述したダマシン金属コンタクトと同じように製造され、誘電体層１５内に必要な配線と共に構成される。これらの金属コンタクトを組み込む場合、それらは、好ましくはバイアの形成の前に形成される必要がある。
【００４８】
図２９は、犠牲材料７５，７５Ａ，７５Ｂ，および７５Ｃの全てをリリースした後の構造を示す。材料を分解する酸素プラズマまたは水素プラズマに材料を露出することによって材料がリリースされる。補足的な詳述は、Materials Research Society発行Journal of Material Research., Vol.6, No.7, p.1484, 1996“Erosion of diamond films and graphite in oxygen plasma”と称するA.JoshiおよびR.Nimmagaddaの論文において得ることができる。
【００４９】
図３０は、複数の小型バイア９０をピンチオフ（pinch off）する別の誘電体層１６の付加によるカプセル化を示す。
【００５０】
図３１は、複数の要素を組み合わせることにより、スイッチが様々な機能の組み合わせのもとでの動作に適合できる多用途のＭＥＭスイッチを説明する。複数のコンタクトと付随するスイッチング組み合わせとを提供する複数のビーム６０と制御電極５０，４０および４０ａとが示される。
【００５１】
図３２は、上部コンタクト３０Ｔを追加してＭＥＭデバイスの機能をさらに拡張した図３１のデバイスを示す。これは、図３３および３４でさらに詳述される。
【００５２】
図３３は、ねじれビームが反対方向に回転するとき可動コンタクト２０がどのように動作するかを示す。３つの点においてコンタクトが与えられる。この配置のもう一方の動きも同様に動作する。すなわち、ビームが回転する場合、可動制御電極５０が互いの方に動き、可動コンタクト２０の端部が下方へ動く。したがって、可動コンタクト２０の中央が上方に変形する。
【００５３】
図３４は、ねじれビームが同一方向に回転するとき、コンタクトがどのように動作するかを説明する。
【００５４】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
（１）導電可動制御電極と、前記可動制御電極へ装置された絶縁半導体ねじれビームであって、前記絶縁ねじれビームと前記可動制御電極とは相互に並行である絶縁半導体ねじれビームと、前記絶縁ねじれビームへ装置された少なくとも１つの可動コンタクトであって、前記絶縁ねじれビームと前記制御電極との組み合わせが前記少なくとも１つの可動コンタクトと直交する少なくとも１つの可動コンタクトと、を備える半導体微細電気機械的（ＭＥＭ）スイッチ。
（２）前記可動制御電極と並行な固定電極をさらに備え、前記固定電極と前記可動制御電極との間に加えられた電圧が前記両電極上に引き付け力を生み出し、前記可動コンタクトを動かすトルクを前記絶縁ねじれビームに対して誘導する上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（３）空気が、前記ねじれビームへの付着部を除いて前記可動コンタクト電極を取り囲む上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（４）複数の固定コンタクトをさらに備え、少なくとも１つの前記固定コンタクトが前記少なくとも１つの固定コンタクトと前記可動コンタクトとの間に信号路を与えて、単極単投（ＳＰＳＴ）ＭＥＭスイッチを形成する上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（５）前記固定コンタクトの少なくとも２つが前記固定コンタクトと前記可動コンタクトとの間に信号路を与える上記（４）に記載のＭＥＭスイッチ。
（６）少なくとも３つの固定コンタクトが前記可動コンタクトと前記３つの固定コンタクトとの間に信号路を与えて、二極双投（ＤＰＤＴ）ＭＥＭスイッチを形成する上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（７）前記ねじれビームは、前記可動コンタクトの少なくとも一端へ取り付けられる上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（８）前記可動コンタクトは、前記可動コンタクトの２つの端部の間に位置する点において装置される上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（９）前記ねじれビームにおいて前記可動コンタクトは前記可動制御電極の向かい側に配置され、前記可動コンタクトは前記可動制御電極と直交し、前記可動制御電極と前記可動コンタクトとは、前記ねじれビームによって相互に電気的に分離される上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（１０）ａ）周囲の絶縁体へ固定される２つの端部，ｂ）前記ねじれビームと前記可動制御電極との間の接続部，ｃ）前記ねじれビームと前記可動コンタクト電極との間の接続部、を除いて前記ねじれビームが空気によって取り囲まれる上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（１１）ａ）そこにエッチングされた少なくとも１つのくぼみを有する第一の誘電体層を基板上に付着する工程と、ｂ）前記少なくとも１つのくぼみを犠牲材料で充填し平坦化する工程と、ｃ）そこに複数の導電相互接続ラインを形成する工程と、ｄ）第二の誘電体層を付着し、可動電極への複数の接続部を形成する工程と、ｅ）第三の誘電体層を付着し、その内部で可動コンタクトが動作するくぼみを前記第二および第三の誘電体層内に形成し、前記くぼみを犠牲材料で充填して平坦化する工程と、ｆ）前記可動コンタクトが形成される第四の誘電体層を付着する工程と、ｇ）前記可動コンタクトの周囲の前記第四の誘電体層にくぼみを形成する工程と、ｈ）前記全てのくぼみから前記犠牲材料を除去して前記可動コンタクトとねじれビームとをリリースする工程とを含む微細電気機械的（ＭＥＭ）スイッチの製造方法。
（１２）ｉ）前記工程ｇ）に続いて、第五の誘電体層を付加して前記可動コンタクトの上と周囲とにくぼみを形成する工程と、ｊ）前記くぼみを犠牲材料で充填し、前記第五の誘電体表面まで平坦化する工程と、ｋ）第六の誘電体層を付着し、リリース・バイアを前記第六の誘電体層に形成する工程と、ｌ）前記全てのくぼみ内の前記全ての犠牲材料をリリースして前記可動コンタクトの一部を選択的にリリースする工程と、ｍ）第七の誘電体層を付着して前記リリース・バイアをピンチオフし、カプセル化を形成する工程とをさらに含む上記（１１）に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＭＥＭスイッチの断面図である。
【図２】図１に示すのと同一の従来のＭＥＭスイッチの平面図である。
【図３】図４に示す線Ａ−Ａを通る切断面において見た、本発明に係る機能ＭＥＭねじれスイッチの断面図である。
【図４】本発明に係る図３に示すデバイスの平面図である。
【図５】可動電極がどのように構成されてＳＰＳＴ（単極，単投）ＭＥＭスイッチにおいて電気的コンタクトを与えるかを示す本発明の実施形態を説明する図である。
【図６】図４の線Ｂ−Ｂを通る切断面から見たデバイスの断面図である。
【図７】本発明に係るＭＥＭスイッチの斜視図である。
【図８】対向する電極を追加することによって、ＭＥＭスイッチをその開位置へ戻す静電力を与える方法を説明する図である。
【図９】単極双投スイッチとして構成されるねじれＭＥＭスイッチの実施形態を示す図である。また、可動コンタクトを２つの側の上へ広げることにより、多位置ＭＥＭスイッチ構成を実現する方法を示す。
【図１０】電極４０Ａと制御電極５０との間に電圧を加えることにより、可動コンタクト２０Ａが固定電極３５にコンタクトし、向かい側の電極３０を開く状態を説明する図である。
【図１１】電極４０と５０との間に電圧を加えたときに、可動コンタクト２０Ａが電極３０とコンタクトし、固定電極３５を開き、それをコンタクト２０Ａから離すＭＥＭスイッチの相補的バージョンを説明する図である。
【図１２】垂直制御部がてこ比を与えて可動ビームの長さを縮小する方法の一例を説明する図である。
【図１３】相互に電気的に分離される２つの可動コンタクトを示す本発明の他の実施形態を示す。
【図１４】図１３に示すデバイスの平面図である。
【図１５】ねじれＭＥＭスイッチの第一の実施形態から引き出される種々の変形例のうちの１つを説明する。ここでは、５つのＭＥＭスイッチが単一のスイッチ構成に接続されて示される。
【図１６】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図１７】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図１８】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図１９】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２０】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２１】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２２】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２３】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２４】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２５】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２６】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２７】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２８】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２９】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図３０】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図３１】複数の要素を組み合わせることにより、スイッチが様々な機能の組み合わせのもとでの動作に適合する多用途のＭＥＭスイッチを説明する図である。
【図３２】上部コンタクト３０Ｔを追加して、ＭＥＭＳデバイスの機能をさらに拡張した図３１のデバイスを示す図である。
【図３３】ねじれビームが反対方向にねじれるとき、可動コンタクトがどのように動作するかを示し、コンタクトが３つの点で与えられる。
【図３４】ねじれビームが同一方向にねじれるとき、コンタクトがどのように動作するかを示す図である。
【符号の説明】
１，２ 誘電体
３，４ 導体素子
５ シリコン・ビーム
６ コンタクト・ビーム
８ 基板
１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６ 誘電体層
２０ 可動コンタクト
２５ 上部パッド
３０，３５ 固定コンタクト
４０ 制御電極
５０ 可動電極
５０Ａ 金属接続部
５５ バイア
６０ ねじれビーム
７０ くぼみ
７５ 犠牲リリース材料
８０ 接続部
９０ 小型バイア
１００ スペーサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、微細電気機械的（ＭＥＭ）スイッチとこのような構造の製造方法とに関し、より具体的には、スイッチング電極と直交する制御電極を有するねじれＭＥＭスイッチに関する。
【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。ＭＥＭスイッチ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】
例えばMiller等の米国特許第６，０００，２８０号公報に開示されるように、ねじれビームを用いてＭＥＭスイッチが製造されてきたが、これらのデバイスは、スイッチ面に並行な制御面で典型的に構成されてきた。さらに、材料および処理は、ＣＭＯＳ製造手法と両立しないものであった。
【０００４】
本発明のより良い理解を得るために、誘電体２上に固定された変形可能なビーム５の一方の端部を有する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１で作成され、デバイスの様々な電気部品を接続し形成するために使用される導体素子３および４から構成される。数字３および６によって参照される導体は、ビームを変形させる動作電圧電位を与えるために用いられる。信号を伝える導体４は、同様に、ＭＥＭスイッチの動作時にビームへ接続される。図２は、同じ従来のスイッチの平面図を示す。
【０００５】
従来のＭＥＭスイッチの典型的な実装において、コンタクト・ビーム６を、例えばＳｉＯ2 で形成される誘電体層の上にポリシリコンによって形成する。周囲の材料をエッチングして、シリコン・ビーム５に装置された突起構造を残す。事前に形成された導体３および４の上に浮くコンタクト・ビーム６は、好ましくはポリシリコンより成る。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３，４，および６を形成する。
【０００６】
スイッチは、コンタクト・ビーム６および電極３の間に電圧差を与えることによって動作する。この電圧は、ビーム６を電極４と接触させる静電引力を発生させ、スイッチを閉じる。固定ビーム５へ与えられたねじれは、制御電圧電位が下がるや否やコンタクト６をその開位置へ戻すために用いられる。
【０００７】
一般的に、従来の全ての突起構造は、従来の半導体デバイスと比較した場合に極めて広い領域にわたることによって特徴付けられる。これは、本質的に、従来の突起構造を半導体チップ製造プロセスへ統合するのをほぼ不可能にする。
【０００８】
【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、スイッチング電極とほぼ直交する制御電極を有するねじれＭＥＭスイッチを提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、誘電体によってコンタクトを隔てることによって、制御信号とスイッチ信号との間に電気的分離を与えることである。
【００１０】
本発明のさらに他の目的は、スイッチを開閉するための複数の制御部を備えるねじれＭＥＭスイッチを提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、様々な多極，多投配置のＭＥＭスイッチを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、電極間に良好なコンタクトをもたらし十分な静電制御をなおも保持するために必要とされる全スイッチング領域が著しく縮小されたＭＥＭスイッチを提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、ＣＭＯＳ半導体デバイスに適用可能な製造手法と両立する製造手法を用いてＭＥＭスイッチを製造する方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様において、良好なコンタクトをもたらし必要な静電制御を与えるために要求されるＭＥＭスイッチの全スイッチ領域は、スイッチ・コンタクトと直交する方向に制御部を配置することによって著しく縮小される。これは、制御面領域を垂直方向に移動させるだけでなく、垂直配置において得られた追加のてこ比（leverage）によってビームの長さをも縮小する。信号電極間の間隔を縮小することなしに、制御電極間の間隔を縮小できるので、同じてこ比が制御電圧要件を下げる。
【００１５】
本発明の他の態様において、スティクション（stiction）として知られるＭＥＭスイッチにおいて生じる問題（すなわち、コンタクトを互いに付着させ、制御電圧が下がった時に解放しない表面の傾向）が著しく低減される。本発明のＭＥＭスイッチは、対向する制御面に、どちらか一方の方向に必要な引力を供給させてスティクションを克服することによりこの問題を解決する。
【００１６】
本発明のさらに他の態様において、スイッチング信号からの制御信号の分離が提供される。本発明のＭＥＭスイッチング・デバイスは、物理的および電気的に２つの導電路を分離する。本発明のＭＥＭスイッチング・デバイスは、また、ＭＥＭスイッチを形成する様々な要素を再配置することによって信号電極間の間隔を著しく拡大することにより、追加の分離を与える。本発明は、さらに、単極デバイスおよび多極デバイスを提供する。
【００１７】
本発明の他の態様において、半導体ＭＥＭスイッチを提供する。この半導体ＭＥＭスイッチは、導電性可動制御電極と、可動制御電極へ装置された絶縁半導体ねじれビームとを備え、絶縁ねじれビームと可動制御電極とは、相互に並行であり、絶縁ねじれビームへ装置された少なくとも一つの可動コンタクトを備え、絶縁ねじれビームおよび制御電極の結合体は、可動コンタクトと直交する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
好適な実施の形態を示す図面を参照して、以下に本発明をより十分に説明する。
【００１９】
図３は、図４の線Ａ−Ａによって定まる切断面を通して見た垂直ねじれＭＥＭスイッチの断面図を示す。デバイスは、その上にセラミック，ガラス，シリコン，あるいは絶縁もしくは半絶縁材料層が付着される基板８の上に形成される。層１０の厚さは製造されるべきＭＥＭスイッチの全体の寸法によって定められ、好ましくは、約２μｍの厚さである。スイッチの金属接続部および電極は、誘電体内に挿入されて示され、それは、ダマシン・プロセスとして一般的に知られる半導体製造プロセスにおいて典型的になされる。好適な実施の形態において、金属は、好ましくは適切なライナおよびバリア材料を有する銅である。金属導体３０，４０，および５０は、約１μｍの厚さである。導体３０は、可動コンタクト２０がアクティベートされてスイッチを閉じるとき、電流または信号が伝わるコンタクト・パッドの例である。パッド３０の面積は、著しく変化し、典型的には約１０μｍ2 である。ビーム構造の長さもまた様々であり、２０μｍから２００μｍ以上まで変動する。制御電極間の引き付け力は、並行な面のそれぞれの面積に依存する。電極４０の面積は０．５μｍ2 から１μｍ2 まで変動する。一方、その寸法は、電極５０の面積とより好ましく一致するために電極４０をより深くまたはより長くすることによって変化し得る。トレンチ７０は、電極５０と、その上に数字２０で参照される可動電極が固定されるねじれビーム６０との周囲に構成される。トレンチは、電極５０と固定電極４０との間に電圧が加えられるときに、電極が揺れるために必要な空間を与える。これが起こるとき、電極５０が電極４０の方へ引き付けられる。可動電極５０は、誘電体ビーム６０からぶら下がり、誘電体ビーム６０へ取り付けられる。誘電体ビーム６０は、少なくとも一端で誘電体へ固定される（図６の層１１および１２を参照されたい）。２つの制御電極４０および５０間の引力は、電極５０が４０の方へ引かれるように、ビーム６０を回転させまたはねじる。可動コンタクト２０はまた、極板３０にコンタクトするときに可動コンタクト２０を回転させる誘電体ビーム６０へ装置される（これは、本発明の他の実施の形態を示す図１０および１１を参照してさらに説明される）。電極４０は、一方の側でトレンチへ露出してもよく、あるいは、誘電体の薄い層が２つの制御電極間の物理的コンタクトを阻止する方法で設けられてもよい。好ましくは、誘電体の薄い層は、約２００Å〜約５００Åであり、コンタクトが成され、電位のデルタが失われ、スイッチが揺動可能の場合に、それらが相互に接触するのを妨げる。代わりに、その両側に誘電体の薄い層を付着することにより、可動電極５０を分離してもよい。
【００２０】
図４は、本発明に係るＭＥＭスイッチの平面図である。デバイスが、基板の内部あるいは基板の上に付着した誘電体層の上に形成される。図４は、可動コンタクト２０が２つのほぼ同じ平面にあるコンタクト３０および３０Ａを接続する例を説明する。金属接続部５０Ａは、制御電極５０への電気的経路を与える（これは、図６を説明するときにより詳細に説明する）。その内部でねじれビーム６０の制御電極５０が自由に動くことができるくぼみ７０が誘電体または基板内に形成される。対応する制御電極４０が可動ビーム電極５０と並行の方向に誘電体内に形成される。電極４０と５０との間に電圧差が加えられるとき、静電力が可動電極５０を固定電極４０の方へ引き付け、ねじり棒６０を変形させそしてねじる。ねじり棒が変形するとき、それは、装置された信号電極２０を回転させ、固定信号電極３０とコンタクトした状態にさせ、スイッチを閉じる。
【００２１】
さらに、ＭＥＭスイッチを閉じることにより、コンタクト２０によって、電気信号が電極３０Ａおよび３０に通ることを可能にするように、ＭＥＭデバイスを構成する。他の組み合わせも可能である。
【００２２】
図５は、可動コンタクト２０によって、電流または信号が固定コンタクト３０からおよび固定コンタクト３０へ直接伝わるのを可能にする本発明の他の実施の形態を示す。この例では、可動電極２０とのコンタクトを成す接続部８０が示される。
【００２３】
図６は、図４に示す線Ｂ−Ｂを通るデバイスの断面図である。ここでは、電極５０から５０Ａまで、電極５０Ａからバイア５５まで、そしてバイア５５から上部パッド２５まで及ぶ接続部が示される。ビーム６０は、誘電体層１１および１２、金属接続部５０Ａで形成される。ビーム６０は、両端部でそれぞれの層へ固定される。電極５０はバイア５５を通してコンタクト２５へ接続される。くぼみ７０は、電極５０が自由に動くための空間を与える。明瞭性のために、固定制御電極は示されない。可動電極５０は、くぼみ７０内に浮かび、ねじれビーム６０へ接続される。電極５０への電気的接続が、導体５０Ａ，導電バイア５５を通り、上部コンタクト２５まで形成される。ねじれビーム６０を取り囲む誘電体は、信号電極２０から制御電極５０を分離する（固定制御電極は示されない）。
【００２４】
本発明のＭＥＭスイッチのより十分な理解を得るために、図７はスイッチング・デバイスの斜視図を説明する。具体的には、電極５０およびねじれビーム６０と直交して配置される可動コンタクト２０へ電極５０と結合して支持を与えるねじれビーム６０の周囲のくぼみ７０の一端で固定される電極５０を示す。完全に下へ曲がったとき、コンタクト２０がコンタクト３０および３０Ａに短絡する。
【００２５】
図８は、電極５０に関して電極４０と対称に配置される電極４０Ａを付加することによって、反対方向の引き付け力を与えてスイッチを開く方法を示す。この特徴は、スイッチが閉位置で動かないままであり、ビームの通常のねじれがスイッチをその開状態へ戻すことができない場合に非常に重要である。例えば、電極４０と５０との間の電圧が下がるとき、制御面が共に付着した結果として、あるいは信号コンタクトが相互に接触するという理由で、スイッチが閉位置で動かない場合、電極５０と４０Ａとの間に加えられた電圧が制御電極５０をその開位置へ引き戻すこととなる。この配置は、前述したように２以上の固定電極を分路可能なように構成してもよく、あるいは図５と同様な直列スイッチとして構成してもよい。例えば、図５を参照して、電極４０と同様の相補的な制御電極がくぼみの向かい側に配置される場合には、この電極は、スイッチをその開位置へ引っ張るために使用できる。これは、図８に示すデバイスの断面図において説明される。この配置は、スティクションを克服するために用いることもできる。というのは、一方の制御電極を可動ビームを下げるために用いることができ、一方第２の制御電極を用いてそれを引き上げることができるからである。
【００２６】
図９は、図８に示すスイッチに基づく拡張スイッチ構成を示す。二元的制御部に加えて、構造の両側の上へ延び、多位置スイッチすなわち、多極双投または単極双投スイッチを形成する可動コンタクト２０Ａが示される。この配置は、スイッチを開状態に戻すために上述したのと同じ利点を与える。加えて、スイッチが単極双投スイッチ、あるいはさらに多極双投スイッチとして用いられるときに、追加の機能を提供することによって追加の利点を与える。
【００２７】
図１０および１１は、動作の２つの形態を説明する。図１０において、制御電圧が電極５０と４０Ａとの間に加えられ、ビーム６０を変形し、コンタクト３５および２０Ａをつなぐ。図１１は、電圧が電極４０と５０との間に加えられる反対の状態を示す。
【００２８】
図１２は、垂直制御部がてこ比を与えて必要なビームを縮小する方法の一例を説明する。点ＡとＢの間の距離が例えば０．５μｍであり、点ＢからＣまでの距離が例えば１．５μｍである場合には、制御面５０が０．５μｍ動くときに、点Ｄが０．３μｍ動くこととなる（ピボット・ポイントはＣである）。同様に、ビームの長さがたった５μｍの場合には、ビームの端部、すなわち点Ｅが２μｍ動くこととなる。
【００２９】
図１３は、本発明の他の実施の形態を示す。ここでは、可動コンタクトが、好ましくは誘電体層１３の一部から成るスペーサ１００によって隔てられた２以上のコンタクト２０および２０Ａに分割され、固定コンタクト３０および３５とそれぞれコンタクトすることによって多位置，多投スイッチングを可能にする。
【００３０】
図１４は、図１３の平面図を示す。様々な構成部品のサイズは、それらの特定の用途に応じて変化する。名目上の寸法を以下に示す。コンタクト２０および２０Ａは、それぞれ幅が約５０μｍであり長さが約１００μｍである。ビーム６０およびその関連部品（すなわち５０）の幅は約１０μｍであり、くぼみの上のその長さは約８０μｍである。Ｚ方向の厚さは４μｍから１０μｍまで変動する。くぼみ７０の幅は５２μｍから５５μｍまで変化し、その長さは約８０μｍである。その深さは、適切な動きを与えるために、その部品を含むビームの深さよりわずかに大きい。制御電極４０および４０Ａは、典型的には幅５μｍ，深さ４μｍ，長さ５０μｍ〜８０μｍである。固定コンタクト（３０，３０Ａ，３５および３５Ａ）の寸法はデバイスの動作にとって重要ではないがそれが用いられるデバイスの用途に依存する。したがって、ハイパワーの用途については、コンタクト領域を最大にするためにそれをレイアウトが許す場合にはコンタクトが大きくなる。最後に、コンタクトの分離は、それが構成される用途のために必要とされる分離の程度に従う。
【００３１】
図１５は、１つのビームを与えながら複数のコンタクトへこの思想を拡張する方法を説明する。ねじれビーム６０の上部へ装置された可動コンタクト２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，および２０Ｄをそこに示す。制御電極４０および４０Ａは、（図示しない）可動電極５０へ結合される。このようにして、固定電極３０および３０Ａは可動コンタクト２０によってつながれ、固定電極３０Ｂおよび３０Ｃは可動コンタクト２０Ｂによってつながれ、固定電極３０Ｄおよび３０Ｅは可動コンタクト２０Ｄによってつながれる。スイッチが反対のモードで動作するとき、固定コンタクト３５および３５Ａはそれぞれ可動コンタクト２０Ａおよび２０Ｃによってコンタクトされる。上述した構造に関して他の変形例が可能であることを当業者は理解できる。例えば、可動電極２０Ａおよび２０Ｃが固定コンタクト３５および３５Ａに電気的に接続したときにそれがそれらの間に閉回路を形成するように可動電極２０Ａおよび２０Ｃをビームへ電気的に接続する方法で可動電極２０Ａおよび２０Ｃを形成してもよい。
【００３２】
図１６〜２５は、本発明に従ってねじれＭＥＭスイッチを作成するプロセス・フローを説明する。図１３に示すデバイスを選択して、このようなデバイスの構成に関連したプロセス製造工程を説明する。同一または同種のプロセスを用いて、ＭＥＭスイッチの様々な実施形態と関連して述べる様々な構成の全てを作成することができる。前述したように、プロセスは、半導体基板の上に直接実行してもよく、あるいは代わりに、基板上に付着した誘電体層によって絶縁された基板上に実行してもよい。
【００３３】
図１６は、パターニングされエッチングされて少なくとも１つのトレンチ領域７０を形成する（図示しない）基板上の誘電体材料の層１０を示す。誘電体は、好ましくはＳｉＯ2 で形成されるが、窒化シリコン，ＢＰＳＧ（リンホウケイ酸ガラス）のような他の誘電体材料を有益に用いることができる。トレンチは、当業者に周知の標準の半導体処理手法を用いてパターニングされる。エッチングは、誘電体として用いられる特定の材料に適応する標準のエッチング・プロセスによって行われる。誘電体層の厚さはトレンチの必要な深さに依存し、厚さ５０００Åから数マイクロメートルまで変化する。好ましくは、厚さが１μｍから４μｍまで変動し、深さが４０００Åから数マイクロメートルまで及ぶ。
【００３４】
図１７は、犠牲リリース材料７５で充填され、平坦化されたトレンチ７０を示す。この目的のために、フォトレジスト，ポリイミド，ＤＬＣ（ダイヤモンド状炭素），または（DuPont Chemicals, Incによって製造される）ＳｉＬＫのような多数の化合物を使用できる。ＳｉＬＫは、γ−ブチロラクトン，Ｂ段階ポリマおよびメシチレンから成るポリマ樹脂の形態の半導体誘電体である。ＤＬＣは、炭素原子の一部がダイヤモンドと同様に結合するコーティングを含む無定形炭素であり、多くの点でダイヤモンドと類似している。ダイヤモンド状炭素は、高エネルギ・ボンバードメント（energetic bombardment）のもとで炭素が付着するときに作られる。瞬時の局所的な高温高圧が炭素原子の一部をダイヤモンドのように結合させる。これらの状態は、プラズマＣＶＤ（ＰＡＣＶＤ）の際に得られる。導入されて高エネルギ炭素イオンを与えるアセチレンのような炭素含有ガスを用いて付着が行われる。ポリマは、典型的にはスピン付着しＣＭＰ（化学機械研磨）を用いて平坦化することができる。好適な実施の形態において、リリース材料としてのＳｉＬＫの使用を説明する。リリース・プロセスの要件に応じてそれらが選択されるという条件で、他の材料を用いることもできる。バルク・シリコン・マイクロマシン手法と同様に、ＳｉＯ2 ，Ｓｉ3 Ｎ4 およびドープト酸化物のような種々の誘電体が、水酸化カリウムでのウェットエッチングと関連して使用される。
【００３５】
図１８は、標準のＣＭＯＳダマシン・プロセスを用いて金属コンタクトおよび電極を形成する方法を説明する。これは、下部接続部すなわち、全てが同時に形成される固定コンタクトおよび制御電極３０，３５，４０，４０Ａおよび５０を形成することを可能にする。用いられる材料は、好ましくはＴａＮおよびＴａライナを有する銅である。他の同種の材料も適している。
【００３６】
図１９は、付着し、（図２０において電極５０への）相互接続５０Ａを形成する金属を受け入れるようパターニングされた誘電体の第二の層１１を示す。この誘電体層もまた、ＳｉＯ2 または他の同種の誘電体材料で形成される。
【００３７】
図２０は、誘電体１１内の相互接続５０Ａを説明する。金属相互接続は、標準の半導体プロセスを用いて形成され、好ましくは、銅，アルミニウム，タングステン等で形成される（注：図２０の要素７５は図６に示すくぼみ７０を充填するリリース材料である。さらに、双方の図において、要素５０Ａは、それが要素５０への電気的コンタクトを成す限りビーム６０の全体の長さであってもよく、そうでなくてもよい）。
【００３８】
図２１は、前の誘電体１１と結合し、その内部で可動ビームが動くことができるくぼみ７０の完全な深さを与える別の誘電体層１２の付加を示す。このくぼみと、そして前の金属層、特に相互接続５０Ａにコンタクトするために要求される（図６の）必要なバイア５５とを得るために、層１２がパターニングされエッチングされる。
【００３９】
図２２は、先に用いられた材料、すなわち図１７に示すくぼみ７０を充填するリリース材料７５と同様な同じ犠牲材料７５Ａで充填されたくぼみ７０を説明する。犠牲材料は、誘電体層１２とほぼ平坦となるように、ＣＭＰを用いて平坦化され、あるいはパターニングおよびエッチングされる。
【００４０】
図２３は、前の構造の上に付加された誘電体のさらに別の層１３を示す。この層の内部に、本技術分野で用いられる銅ダマシン・プロセスに従って上部スイッチ・コンタクト２０および２０Ａが形成される。
【００４１】
図２４は、ビームおよびコンタクトを必要な領域にリリースし、下部のリリース材料７５よび７５Ａへの経路を与えるための、ビーム６０および上部コンタクト２０および２０Ａの周囲の誘電体層１３のパターニングおよびエッチングを説明する。
【００４２】
図２５は、図２４で述べた経路を通して犠牲リリース材料７５および７５Ａを選択的に除去した後の構造を示す。より具体的には、これらの材料は、露出される酸化可能材料がない場合には酸素プラズマ露出によって除去できる。有機材料の除去の際に酸化可能材料が露出する場合には、Ｈ2 ／ＣＯ2 ／ＣＯ／Ｎ2 タイプのプラズマ除去を有益に用いることができる。これらのガス混合物は、反応性イオンエッチングの当業者にとって認識可能である。
【００４３】
図２６は、可動コンタクト２０Ａおよび２０の上方に形成された追加の固定コンタクト３５Ｔおよび３０Ｔを含むＭＥＭデバイスの他の実施の形態を説明する。これらの付加された特徴は、特に図２８を参照してさらに説明される。
【００４４】
図２７〜３０は、デバイスの完全なカプセル化を与えてデバイスを外界から保護するように構造を形成する代替の方法を示す。
【００４５】
より具体的には、図２７は、代替の方法が使用される場合に図２３に続くプロセス工程を示す。この順序において、別の誘電体層１４が付加され、適切な領域をパターニングし、ビームとビームの周囲の領域との上のくぼみをエッチングする。得られた空隙は、犠牲材料、すなわち７５Ｂおよび７５Ｃの組み合わせで充填される。
【００４６】
代わりに、図２４を参照して、エッチングされた領域が犠牲材料７５Ｂで充填され、平坦化される。誘電体層１４を追加する。ビームおよび可動コンタクトの上にくぼみが形成され、前述したようにリリース材料７５Ｃで充填される。最後に、構造を誘電体層１４とほぼ平坦にさせる。
【００４７】
図２８は、従来の半導体製造手法を用いてパターニングおよびエッチングされ、それを通して犠牲材料がリリースされる複数の小型バイア９０を形成する誘電体層１５の付加を説明する。この時点で、図２６を参照して前述した上部コンタクトを組み込んでもよい。これらの上部コンタクトは、前述したダマシン金属コンタクトと同じように製造され、誘電体層１５内に必要な配線と共に構成される。これらの金属コンタクトを組み込む場合、それらは、好ましくはバイアの形成の前に形成される必要がある。
【００４８】
図２９は、犠牲材料７５，７５Ａ，７５Ｂ，および７５Ｃの全てをリリースした後の構造を示す。材料を分解する酸素プラズマまたは水素プラズマに材料を露出することによって材料がリリースされる。補足的な詳述は、Materials Research Society発行Journal of Material Research., Vol.6, No.7, p.1484, 1996“Erosion of diamond films and graphite in oxygen plasma”と称するA.JoshiおよびR.Nimmagaddaの論文において得ることができる。
【００４９】
図３０は、複数の小型バイア９０をピンチオフ（pinch off）する別の誘電体層１６の付加によるカプセル化を示す。
【００５０】
図３１は、複数の要素を組み合わせることにより、スイッチが様々な機能の組み合わせのもとでの動作に適合できる多用途のＭＥＭスイッチを説明する。複数のコンタクトと付随するスイッチング組み合わせとを提供する複数のビーム６０と制御電極５０，４０および４０ａとが示される。
【００５１】
図３２は、上部コンタクト３０Ｔを追加してＭＥＭデバイスの機能をさらに拡張した図３１のデバイスを示す。これは、図３３および３４でさらに詳述される。
【００５２】
図３３は、ねじれビームが反対方向に回転するとき可動コンタクト２０がどのように動作するかを示す。３つの点においてコンタクトが与えられる。この配置のもう一方の動きも同様に動作する。すなわち、ビームが回転する場合、可動制御電極５０が互いの方に動き、可動コンタクト２０の端部が下方へ動く。したがって、可動コンタクト２０の中央が上方に変形する。
【００５３】
図３４は、ねじれビームが同一方向に回転するとき、コンタクトがどのように動作するかを説明する。
【００５４】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
（１）導電可動制御電極と、前記可動制御電極へ装置された絶縁半導体ねじれビームであって、前記絶縁ねじれビームと前記可動制御電極とは相互に並行である絶縁半導体ねじれビームと、前記絶縁ねじれビームへ装置された少なくとも１つの可動コンタクトであって、前記絶縁ねじれビームと前記制御電極との組み合わせが前記少なくとも１つの可動コンタクトと直交する少なくとも１つの可動コンタクトと、を備える半導体微細電気機械的（ＭＥＭ）スイッチ。
（２）前記可動制御電極と並行な固定電極をさらに備え、前記固定電極と前記可動制御電極との間に加えられた電圧が前記両電極上に引き付け力を生み出し、前記可動コンタクトを動かすトルクを前記絶縁ねじれビームに対して誘導する上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（３）空気が、前記ねじれビームへの付着部を除いて前記可動コンタクト電極を取り囲む上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（４）複数の固定コンタクトをさらに備え、少なくとも１つの前記固定コンタクトが前記少なくとも１つの固定コンタクトと前記可動コンタクトとの間に信号路を与えて、単極単投（ＳＰＳＴ）ＭＥＭスイッチを形成する上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（５）前記固定コンタクトの少なくとも２つが前記固定コンタクトと前記可動コンタクトとの間に信号路を与える上記（４）に記載のＭＥＭスイッチ。
（６）少なくとも３つの固定コンタクトが前記可動コンタクトと前記３つの固定コンタクトとの間に信号路を与えて、二極双投（ＤＰＤＴ）ＭＥＭスイッチを形成する上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（７）前記ねじれビームは、前記可動コンタクトの少なくとも一端へ取り付けられる上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（８）前記可動コンタクトは、前記可動コンタクトの２つの端部の間に位置する点において装置される上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（９）前記ねじれビームにおいて前記可動コンタクトは前記可動制御電極の向かい側に配置され、前記可動コンタクトは前記可動制御電極と直交し、前記可動制御電極と前記可動コンタクトとは、前記ねじれビームによって相互に電気的に分離される上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（１０）ａ）周囲の絶縁体へ固定される２つの端部，ｂ）前記ねじれビームと前記可動制御電極との間の接続部，ｃ）前記ねじれビームと前記可動コンタクト電極との間の接続部、を除いて前記ねじれビームが空気によって取り囲まれる上記（１）に記載のＭＥＭスイッチ。
（１１）ａ）そこにエッチングされた少なくとも１つのくぼみを有する第一の誘電体層を基板上に付着する工程と、ｂ）前記少なくとも１つのくぼみを犠牲材料で充填し平坦化する工程と、ｃ）そこに複数の導電相互接続ラインを形成する工程と、ｄ）第二の誘電体層を付着し、可動電極への複数の接続部を形成する工程と、ｅ）第三の誘電体層を付着し、その内部で可動コンタクトが動作するくぼみを前記第二および第三の誘電体層内に形成し、前記くぼみを犠牲材料で充填して平坦化する工程と、ｆ）前記可動コンタクトが形成される第四の誘電体層を付着する工程と、ｇ）前記可動コンタクトの周囲の前記第四の誘電体層にくぼみを形成する工程と、ｈ）前記全てのくぼみから前記犠牲材料を除去して前記可動コンタクトとねじれビームとをリリースする工程とを含む微細電気機械的（ＭＥＭ）スイッチの製造方法。
（１２）ｉ）前記工程ｇ）に続いて、第五の誘電体層を付加して前記可動コンタクトの上と周囲とにくぼみを形成する工程と、ｊ）前記くぼみを犠牲材料で充填し、前記第五の誘電体表面まで平坦化する工程と、ｋ）第六の誘電体層を付着し、リリース・バイアを前記第六の誘電体層に形成する工程と、ｌ）前記全てのくぼみ内の前記全ての犠牲材料をリリースして前記可動コンタクトの一部を選択的にリリースする工程と、ｍ）第七の誘電体層を付着して前記リリース・バイアをピンチオフし、カプセル化を形成する工程とをさらに含む上記（１１）に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＭＥＭスイッチの断面図である。
【図２】図１に示すのと同一の従来のＭＥＭスイッチの平面図である。
【図３】図４に示す線Ａ−Ａを通る切断面において見た、本発明に係る機能ＭＥＭねじれスイッチの断面図である。
【図４】本発明に係る図３に示すデバイスの平面図である。
【図５】可動電極がどのように構成されてＳＰＳＴ（単極，単投）ＭＥＭスイッチにおいて電気的コンタクトを与えるかを示す本発明の実施形態を説明する図である。
【図６】図４の線Ｂ−Ｂを通る切断面から見たデバイスの断面図である。
【図７】本発明に係るＭＥＭスイッチの斜視図である。
【図８】対向する電極を追加することによって、ＭＥＭスイッチをその開位置へ戻す静電力を与える方法を説明する図である。
【図９】単極双投スイッチとして構成されるねじれＭＥＭスイッチの実施形態を示す図である。また、可動コンタクトを２つの側の上へ広げることにより、多位置ＭＥＭスイッチ構成を実現する方法を示す。
【図１０】電極４０Ａと制御電極５０との間に電圧を加えることにより、可動コンタクト２０Ａが固定電極３５にコンタクトし、向かい側の電極３０を開く状態を説明する図である。
【図１１】電極４０と５０との間に電圧を加えたときに、可動コンタクト２０Ａが電極３０とコンタクトし、固定電極３５を開き、それをコンタクト２０Ａから離すＭＥＭスイッチの相補的バージョンを説明する図である。
【図１２】垂直制御部がてこ比を与えて可動ビームの長さを縮小する方法の一例を説明する図である。
【図１３】相互に電気的に分離される２つの可動コンタクトを示す本発明の他の実施形態を示す。
【図１４】図１３に示すデバイスの平面図である。
【図１５】ねじれＭＥＭスイッチの第一の実施形態から引き出される種々の変形例のうちの１つを説明する。ここでは、５つのＭＥＭスイッチが単一のスイッチ構成に接続されて示される。
【図１６】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図１７】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図１８】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図１９】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２０】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２１】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２２】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２３】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２４】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２５】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２６】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２７】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２８】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図２９】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図３０】様々な製造プロセス工程を説明し、それらがどのように標準的ＣＭＯＳ製造設備へ完全に統合されるかを特に強調する。
【図３１】複数の要素を組み合わせることにより、スイッチが様々な機能の組み合わせのもとでの動作に適合する多用途のＭＥＭスイッチを説明する図である。
【図３２】上部コンタクト３０Ｔを追加して、ＭＥＭＳデバイスの機能をさらに拡張した図３１のデバイスを示す図である。
【図３３】ねじれビームが反対方向にねじれるとき、可動コンタクトがどのように動作するかを示し、コンタクトが３つの点で与えられる。
【図３４】ねじれビームが同一方向にねじれるとき、コンタクトがどのように動作するかを示す図である。
【符号の説明】
１，２ 誘電体
３，４ 導体素子
５ シリコン・ビーム
６ コンタクト・ビーム
８ 基板
１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６ 誘電体層
２０ 可動コンタクト
２５ 上部パッド
３０，３５ 固定コンタクト
４０ 制御電極
５０ 可動電極
５０Ａ 金属接続部
５５ バイア
６０ ねじれビーム
７０ くぼみ
７５ 犠牲リリース材料
８０ 接続部
９０ 小型バイア
１００ スペーサ
Claims (8)
- 可動制御電極（５０）と、
前記可動制御電極に取り付けられた絶縁半導体ねじれビームであって、前記絶縁半導体ねじれビームと前記可動制御電極とは相互に平行である絶縁半導体ねじれビーム（６０）と、
前記絶縁半導体ねじれビームに取り付けられた少なくとも１つの可動コンタクトであって、前記絶縁半導体ねじれビームと前記可動制御電極との組み合わせが前記少なくとも１つの可動コンタクトと直交する、少なくとも１つの可動コンタクト（２０）と、
前記可動制御電極と向き合うように置かれた固定電極であって、前記可動制御電極から前記固定電極へ向かう方向が前記少なくとも１つの可動コンタクトと平行である、固定電極（４０）とを備え、
前記固定電極と前記可動制御電極との間に加えられた電圧が前記両電極上に引き付け力を生み出し、前記可動コンタクトを動かすトルクを前記絶縁半導体ねじれビームに対して誘導する、半導体微細電気機械的（ＭＥＭ）スイッチ。 - 空気が、前記絶縁半導体ねじれビームへの付着部を除いて前記可動コンタクトを取り囲む、請求項１に記載のＭＥＭスイッチ。
- 複数の固定コンタクト（３０、３０Ａ、３５）をさらに備え、少なくとも１つの前記固定コンタクトが前記可動コンタクトとの間に信号路を与えて、単極単投（ＳＰＳＴ）ＭＥＭスイッチを形成する請求項１に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記固定コンタクトの少なくとも２つが前記可動コンタクトとの間に信号路を与える、請求項３に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記絶縁半導体ねじれビームは、前記可動コンタクトの少なくとも一端へ取り付けられる、請求項１に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記絶縁半導体ねじれビームは、前記可動コンタクトの中央部に取り付けられる、請求項１に記載のＭＥＭスイッチ。
- 前記可動制御電極と前記可動コンタクトとは、前記絶縁半導体ねじれビームによって相互に電気的に分離される、請求項１に記載のＭＥＭスイッチ。
- ａ）前記絶縁半導体ねじれビームを固定するための絶縁体（１０）へ固定される２つの端部、ｂ）前記絶縁半導体ねじれビームと前記可動制御電極との間の接続部、ｃ）前記絶縁半導体ねじれビームと前記可動コンタクトとの間の接続部、を除いて前記絶縁半導体ねじれビームが空気によって取り囲まれる、請求項１に記載のＭＥＭスイッチ。
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