專利名稱：平面腔體微機(jī)電系統(tǒng)及相關(guān)結(jié)構(gòu)、制造和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及制造方法，特別是涉及平面腔體微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)、制造和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
集成電路中所用的集成電路開關(guān)可以由固態(tài)結(jié)構(gòu)(例如，晶體管)或者無(wú)源導(dǎo)線 (MEMS)形成。典型地采用MEMS開關(guān)，是因?yàn)樗鼈儙缀跏抢硐氲慕^緣，這是無(wú)線通訊應(yīng)用的關(guān)鍵需求，其中它們用于功率放大器(PA)的模式轉(zhuǎn)換，還因?yàn)樗鼈冊(cè)贗OGHz以及更高頻率上的低插入損耗(即阻抗)。MEMS開關(guān)可用于多種應(yīng)用、初始模擬和混合信號(hào)應(yīng)用。一個(gè)這樣的示例是移動(dòng)電話芯片，其包含功率放大器(PA)和用于每個(gè)廣播模式調(diào)整的電路。芯片上的集成開關(guān)將PA連接到適當(dāng)?shù)碾娐?，從而不需要每個(gè)模式有一個(gè)PA。取決于特定的應(yīng)用和工程標(biāo)準(zhǔn)，MEMS結(jié)構(gòu)可具有許多不同的形式。例如，MEMS可以懸臂梁結(jié)構(gòu)的形式實(shí)現(xiàn)。在懸臂結(jié)構(gòu)中，通過(guò)施加驅(qū)動(dòng)電壓(actuation voltage)將懸臂(一端固定的懸置電極)拉向固定電極。通過(guò)靜電力將懸置電極拉向固定電極所需的電壓稱為推向電壓(pull-in voltage)，其取決于幾個(gè)參數(shù)，包括懸置電極的長(zhǎng)度、懸置電極和固定電極之間的間隔或間隙以及懸置電極的彈性常數(shù)，這是材料及其厚度的函數(shù)。作為選擇，MEMS梁可為橋式結(jié)構(gòu)，其中兩端固定。MEMS可采用大量不同工具以很多方式制造。雖然一般而言，采用這些方法和工具來(lái)形成尺寸在微米級(jí)的小結(jié)構(gòu)，開關(guān)尺寸約為5微米厚、100微米寬及200微米長(zhǎng)。此外，用于制造MEMS的很多方法、即技術(shù)，是選自集成電路(IC)技術(shù)。例如，幾乎所有的MEMS都構(gòu)建在晶片上，并且實(shí)現(xiàn)在晶片之上通過(guò)光刻工藝圖案化的材料薄膜中。特別是，MEMS的制造采用三個(gè)基本的構(gòu)建階段(building block) :(i)在襯底上沉積材料薄膜，(ii)通過(guò)光刻成像在上述膜的之上施加圖案化的掩模，以及(iii)相對(duì)于掩模，選擇性地蝕刻上述膜。例如，在MEMS懸臂式開關(guān)中，固定電極和懸置電極典型地采用一系列傳統(tǒng)的光刻、蝕刻和沉積工藝制造。在一個(gè)示例中，在形成懸置電極后，一層犧牲材料(例如由 Microchem, Inc.制造的旋涂聚合物PMGI)沉積在MEMS結(jié)構(gòu)下面以形成腔體以及沉積在 MEMS結(jié)構(gòu)上面以形成腔體。MEMS上面的腔體用于支持蓋帽的形成，例如SiN圓頂，以密封 MEMS結(jié)構(gòu)。然而，這造成幾個(gè)缺點(diǎn)。例如，已知用諸如PMGI的旋涂聚合物形成的MEMS腔體是非平面的。然而，非平面的MEMS腔體引起一些問(wèn)題，包括例如聚焦光刻深度的變化性以及因電介質(zhì)破裂引起的封裝可靠性。另外，用旋涂聚合物形成的MEMS腔體需要低溫下處理，以避免回流或者損壞聚合物；并且聚合物可能在排出后在腔體中留下有機(jī)(即含碳)殘留物。從而，在技術(shù)上存在克服上述缺陷和限制的需要。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一方面中，形成至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMQ的方法包括在襯底上形成多個(gè)分離導(dǎo)線。該方法還包括在分離導(dǎo)線上形成犧牲腔體層。該方法還包括在該犧牲腔體層的上表面形成溝槽。該方法還包括用電介質(zhì)材料填充該溝槽。該方法還包括在該犧牲腔體層和該電介質(zhì)材料上沉積金屬以形成具有從其底表面延伸的至少一個(gè)電介質(zhì)緩沖器的梁。在本發(fā)明的另一方面中，形成至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMQ的方法包括在襯底上形成布線層。該方法還包括圖案化布線層以形成其間具有間隔的多個(gè)分離導(dǎo)線。該方法還包括在該多個(gè)分離導(dǎo)線上形成犧牲腔體層。該方法還包括平坦化犧牲腔體層。該方法還包括執(zhí)行帶光致抗蝕劑的HF清洗以氫鈍化平坦化的犧牲腔體層。該方法還包括蝕刻氫鈍化的平坦化的犧牲腔體層以形成至少一個(gè)溝槽。該方法還包括在至少一個(gè)溝槽中形成氧化物材料。該方法還包括在氧化物材料和鈍化的平坦?fàn)奚惑w層上沉積電極材料，以在其下側(cè)用氧化物材料形成梁。在本發(fā)明的又一個(gè)方面中，一種結(jié)構(gòu)包括襯底上的多個(gè)分離導(dǎo)線，其間具有間隔。 該結(jié)構(gòu)還包括與該多個(gè)分離導(dǎo)線相對(duì)的MEMS梁。該MEMS梁具有連接其底表面且朝向多個(gè)分離導(dǎo)線延伸的氧化物栓。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供一種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可確實(shí)地實(shí)施在可機(jī)讀存儲(chǔ)介質(zhì)中，用于設(shè)計(jì)、制造或測(cè)試集成電路。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，可機(jī)讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)上編碼的硬件描述語(yǔ)言(HDL)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中處理時(shí)產(chǎn)生MEMS的機(jī)械可執(zhí)行表示的元件，其包括本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，提供計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的方法，用于產(chǎn)生MEMS的功能設(shè)計(jì)模型。該方法包括產(chǎn)生 MEMS的結(jié)構(gòu)元件的功能表示。在具體的方面中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中用于產(chǎn)生MEMS功能設(shè)計(jì)模型的方法包括產(chǎn)生襯底上多個(gè)分離導(dǎo)線的功能表示；產(chǎn)生該分離導(dǎo)線上的犧牲腔體層的功能表示； 產(chǎn)生該犧牲腔體層的上表面中溝槽的功能表示；產(chǎn)生用電介質(zhì)材料填充該溝槽的功能表示；以及產(chǎn)生在該犧牲腔體層和該電介質(zhì)材料上沉積金屬以形成具有從其底表面延伸的至少一個(gè)電介質(zhì)緩沖器梁的功能表示。


在以下詳細(xì)說(shuō)明中，借助于本發(fā)明示范性實(shí)施例的非限定示例，參考所附的多個(gè)附圖描述本發(fā)明。圖1-23和沈-33示出了根據(jù)本發(fā)明的各種結(jié)構(gòu)和相關(guān)處理步驟；圖Ma-24f示出了采用根據(jù)本發(fā)明的方面所示的工藝制造的MEMS裝置的頂部結(jié)構(gòu)圖；圖25示出了幾個(gè)形貌圖(即原子力顯微鏡數(shù)據(jù))，示出了硅凹坑(divot)深度對(duì)氧化物拋光的數(shù)據(jù)；圖34是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、制造和/或試驗(yàn)中所用設(shè)計(jì)程序的流程圖；以及圖3 示出了根據(jù)本發(fā)明的方面因引入形貌學(xué)而減小或消除沉積硅中的氧化物接縫的結(jié)構(gòu)和工藝(與示出氧化物接縫的圖3 相比)。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和制造方法，特別是涉及平面腔體(例如，平坦或平面的表面)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)、制造和設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的方法。有利地，形成結(jié)構(gòu)的方法降低了 MEMS結(jié)構(gòu)上的總應(yīng)力，以及降低MEMS裝置的材料變化性。在多個(gè)實(shí)施例中，形成平面(例如，平坦或平面的表面)MEMS裝置的結(jié)構(gòu)和方法采用犧牲層來(lái)形成與MEMS梁相鄰的腔體。 在另外的實(shí)施例中，采用反向鑲嵌工藝形成兩極MEMS腔體，以形成平面(例如，平坦或平面的表面)結(jié)構(gòu)。除其它裝置之外，本發(fā)明的MEMS結(jié)構(gòu)例如可用作單或雙導(dǎo)線梁接觸開關(guān)、 雙導(dǎo)線梁電容器開關(guān)或者單雙導(dǎo)線梁氣隙感應(yīng)器。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的起始結(jié)構(gòu)和相關(guān)的處理步驟。接下來(lái)的幾個(gè)段落中公開的結(jié)構(gòu)是MEMS電容器開關(guān)，雖然所述方法和結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于其它的MEMS開關(guān)，例如不采用MEMS電容器電介質(zhì)的歐姆接觸開關(guān)；MEMS加速計(jì)；等等。該結(jié)構(gòu)例如包括襯底10。 在實(shí)施例中，襯底10可以是裝置的任何一層。在實(shí)施例中，襯底10是硅晶片，涂有二氧化硅或者本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其它絕緣材料。在襯底10內(nèi)配備有互連12?；ミB12例如可以是在傳統(tǒng)形成的通孔(via)中形成的鎢或銅間柱(stud)。例如，互連12可以采用本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知用于形成間柱例如鑲嵌的任何傳統(tǒng)的光刻、蝕刻和沉積工藝形成?；ミB 12可以接觸其它布線級(jí)、CMOS晶體管或者其它有源器件、無(wú)源器件等，如現(xiàn)有技術(shù)所知。在圖2中，布線層形成在襯底10上，以采用傳統(tǒng)的沉積和圖案化工藝形成多個(gè)導(dǎo)線14。例如，布線層可以沉積在襯底上達(dá)到約0.05至4微米的深度；然而其它的尺寸也被本發(fā)明所預(yù)期。在實(shí)施例中，布線層14沉積達(dá)到0.25微米的深度。然后，圖案化布線層以形成導(dǎo)線(下電極)14，導(dǎo)線14之間具有導(dǎo)線間隔(間隙)14a。在實(shí)施例中，導(dǎo)線間隔高寬比(aspect ratio)是由導(dǎo)線14的高度對(duì)導(dǎo)線間隔14a的比率決定，可能影響材料的變化性(例如，形貌)，如參考圖25更加詳細(xì)論述的。例如，1 20的低高寬比可以由50nm 高的導(dǎo)線14與IOOOnm的間隔1 形成；并且1 1的高高寬比可以由500nm高的導(dǎo)線與 500nm的間隔形成。這些高寬比值僅為參考，且如這里所論述，犧牲膜18 (圖幻的保形性決定了需要怎樣的導(dǎo)線間隔高寬比。 至少一個(gè)導(dǎo)線14與互連12接觸(直接電接觸)。在實(shí)施例中，導(dǎo)線14可以由鋁或鋁合金形成，例如AlCiuAlSi或AlCuSi ；然而，其它的布線材料也被本發(fā)明所預(yù)期。除其它的布線材料之外，例如，導(dǎo)線14可以是諸如Ti、TiN、TiN, Ta、TaN和W的難熔金屬或AlCu。 在實(shí)施例中，導(dǎo)線14可以摻雜有Si，例如1%，以防止諸如Al的金屬與諸如硅的上腔體層材料反應(yīng)。在實(shí)施例中，導(dǎo)線的鋁部分可以摻雜有Cu，例如0. 5%,以增加導(dǎo)線的抗電遷移性。在實(shí)施例中，導(dǎo)線可以由純難熔金屬形成，例如TiN、W、Ta等。導(dǎo)線14的表面形貌是由原子表面粗糙度以及存在的金屬小丘決定。金屬小丘為金屬中的突起，典型地約為IOnm-IOOOnm寬和IOnm-IOOOnm高。對(duì)于上下覆有TiN的鋁布線，例如下面覆有10/20nm Ti/TiN且上面覆有30nm的TiN的200nm AlCu，典型的金屬小丘可以是50nm寬和IOOnm高。對(duì)于MEMS電容器，其中導(dǎo)線14涂有電介質(zhì)，并且用作下電容器板，小丘的存在或者原子表面粗糙度的高值降低了電容密度，因?yàn)橛蒑EMS梁形成的上電容器板不能緊密接觸由導(dǎo)線14形成的下電容器板。表面粗糙度可以采用原子力顯微鏡(AFM)或者光學(xué)輪廓儀(optical profiler) 來(lái)測(cè)量，并且存在幾種已知的方法可用于測(cè)量和量化小丘的寬度和高度。在實(shí)施例中，通過(guò)采用典型范圍為1至10，000平方微米的導(dǎo)線區(qū)域的AFM測(cè)量最小到最大高度，并且通過(guò)計(jì)算帶有或不帶有小丘的區(qū)域中均方根(冊(cè)幻粗糙度來(lái)測(cè)量表面粗糙度，將小丘量化。在一個(gè)實(shí)施例中，表面粗糙度為沒(méi)有可見小丘的2 μ m2面積的RMS粗糙度。表1總結(jié)了采用AFM測(cè)量的各種導(dǎo)線材料的金屬小丘和表面粗糙度數(shù)據(jù)。均方根 (RMS)粗糙度是在沒(méi)有可見金屬小丘的區(qū)域中在約2 μ m2面積內(nèi)測(cè)量的。最大峰-谷小丘值是在約10，000 μ m2面積內(nèi)測(cè)量的。純難熔金屬導(dǎo)線方案至今具有最低的粗糙度和小丘， 但是具有最高的阻抗。帶AlCu的導(dǎo)線與純難熔金屬導(dǎo)線相比具有較低的阻抗，但是具有更高的粗糙度和小丘。在圖案化之前或之后，在AlCu的下面和上面增加足夠的Ti并且使晶片在350°C至450°C退火足夠時(shí)間以形成TiAl3硅化物，即在400°C退火一小時(shí)，顯著地減小小丘最小到最大高度，同時(shí)略微增加RMS表面粗糙度，這是因?yàn)闇p小了鋁的體積。在示范性實(shí)施例中，導(dǎo)線14在圖案化后被退火，并且被蝕刻，以減少TiAl3引起的金屬蝕刻問(wèn)題。AlCu 的下面和上面較薄的Ti，例如5nm，在小丘的減小上作用最小或者沒(méi)有作用；然而，IOnm和 15nm的Ti顯著地減小小丘且效果等同。當(dāng)Ti與鋁反應(yīng)而形成TiAl3時(shí)，鋁(例如，AlCu) 的厚度以大約3 1的方式減少；即每IOnm的Ti，消耗30nm的鋁而形成11々13;并且在導(dǎo)線中總是留下一些沒(méi)有反應(yīng)的AlCu，Ti AlCu厚度比需要小于1 3，其中Ti厚度包括 AlCu下面和上面的層。這意味著，為了優(yōu)化小丘的減少和導(dǎo)線阻抗，考慮Ti和AlCu關(guān)于沉積厚度的變化性，如此沉積的Ti厚度范圍應(yīng)當(dāng)為大于如此沉積的AlCu厚度的5%而小于如此沉積的AlCu厚度的25%。表 權(quán)利要求
1.一種形成至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)的方法，包括 在襯底上形成多個(gè)分離導(dǎo)線；在該分離導(dǎo)線上形成犧牲腔體層； 在該犧牲腔體層的上表面形成溝槽； 用電介質(zhì)材料填充該溝槽；以及在該犧牲腔體層和該電介質(zhì)材料上沉積金屬以形成梁，該梁具有從其底表面延伸的至少一個(gè)電介質(zhì)緩沖器。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該構(gòu)槽是通過(guò)鑲嵌蝕刻工藝形成在該犧牲腔體層中。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括在該鑲嵌蝕刻工藝之前，在抗蝕劑圖案化的晶片上進(jìn)行氧化物反應(yīng)離子蝕刻工藝。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，還包括在形成溝槽之前，進(jìn)行帶光致抗蝕劑的HF清洗，以氫鈍化該犧牲腔體層。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括在該鑲嵌蝕刻工藝之前，進(jìn)行帶光致抗蝕劑的HF 清洗，以氫鈍化該犧牲腔體層。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該溝槽形成在2微米高的犧牲腔體層中達(dá)到約 0. 3μπι的深度。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該電介質(zhì)材料是氧化物栓。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，還包括對(duì)該氧化物栓的拐角進(jìn)行倒角。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該梁是通過(guò)金屬、氧化物和金屬的沉積形成的微機(jī)電系統(tǒng)梁。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該溝槽被氧化物材料填充，然后被金屬填充，以形成具有氧化物下表面的電極。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該金屬被圖案化，使得該溝槽中的金屬與該溝槽外側(cè)的金屬?zèng)]有形成連續(xù)的通路。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該犧牲腔體層被平坦化，以形成具有平面表面的腔體。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該至少一個(gè)電介質(zhì)緩沖器在形成該梁之前形成。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該至少一個(gè)電介質(zhì)緩沖器是采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積SiO2膜而沉積的電介質(zhì)栓。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中該電介質(zhì)栓在微機(jī)電系統(tǒng)操作期間形成保護(hù)層， 其防止到下梁的電弧。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中該電介質(zhì)栓通過(guò)在氬-SF6-基硅蝕刻工藝期間減小rf偏置功率而形成有圓形拐角。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該溝槽沒(méi)有金屬。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該分離導(dǎo)線是與該至少一個(gè)電介質(zhì)緩沖器不一致的下導(dǎo)線。
19.一種形成至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)的方法，包括 在襯底上形成布線層；圖案化該布線層，以形成其間具有間隔的多個(gè)分離導(dǎo)線； 在該多個(gè)分離導(dǎo)線上形成犧牲腔體層； 平坦化該犧牲腔體層；進(jìn)行帶光致抗蝕劑的HF清洗，以氫鈍化該平坦化犧牲腔體層； 蝕刻該氫鈍化的平坦化犧牲腔體層以形成至少一個(gè)溝槽； 在該至少一個(gè)溝槽中形成氧化物材料；以及在該氧化物材料和該鈍化的平坦化犧牲腔體層上沉積電極材料，以形成梁，該梁在其下側(cè)具有氧化物材料。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中在該梁下方以及該布線層上方，該氧化物材料形成氧化物栓。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中該電極材料與該氧化物栓不一致，并且該電極材料被圖案化為與該至少一個(gè)溝槽外側(cè)的金屬不在連續(xù)的通路上。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括形成具有圓形拐角的氧化物栓。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該圓形拐角是通過(guò)在氬-SF6-基硅蝕刻工藝期間減小或消除rf偏置功率以及減小惰性氣體流量而形成。
24.如權(quán)利要求19所述的方法，其中該氧化物栓是通過(guò)在反向腔體平坦化工藝之前進(jìn)行圖案化和蝕刻工藝而形成。
25.如權(quán)利要求19所述的方法，其中該氧化物栓是通過(guò)在反向腔體平坦化工藝之后進(jìn)行圖案化和蝕刻工藝而形成。
26.如權(quán)利要求19所述的方法，其中該梁是微機(jī)電系統(tǒng)梁。
27.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括在該平坦化犧牲腔體層上方形成電介質(zhì)層。
28.—種結(jié)構(gòu)，包括襯底上的多個(gè)分離導(dǎo)線，其間具有間隔；以及微機(jī)電系統(tǒng)梁，與該多個(gè)分離導(dǎo)線相對(duì)，該微機(jī)電系統(tǒng)梁具有連接到其底表面并且朝向該多個(gè)分離導(dǎo)線延伸的氧化物栓。
29.一種在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中產(chǎn)生微機(jī)電系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)模型的方法，該方法包括產(chǎn)生襯底上多個(gè)分離導(dǎo)線的功能表示； 產(chǎn)生該分離導(dǎo)線上的犧牲腔體層的功能表示； 產(chǎn)生該犧牲腔體層的上表面中溝槽的功能表示； 產(chǎn)生用電介質(zhì)材料填充該溝槽的功能表示；以及產(chǎn)生在該犧牲腔體層和該電介質(zhì)材料上沉積金屬以形成具有從其底表面延伸的至少一個(gè)電介質(zhì)緩沖器的梁的功能表示。
全文摘要
本發(fā)明公開一種平面腔體微機(jī)電系統(tǒng)及相關(guān)結(jié)構(gòu)、制造和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的方法。一種形成至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的方法包括在襯底上形成多個(gè)分離導(dǎo)線。該方法還包括在該分離導(dǎo)線上形成犧牲腔體層。該方法還包括在該犧牲腔體層的上表面形成溝槽。該方法還包括用電介質(zhì)材料填充溝槽。該方法還包括在該犧牲腔體層和該電介質(zhì)材料上沉積金屬以形成具有從其底表面延伸的至少一個(gè)電介質(zhì)緩沖器的梁。
文檔編號(hào)B81C99/00GK102295264SQ20111017402
公開日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者安東尼.K.斯塔姆珀, 杰弗里.C.馬林, 泰.多恩, 迪恩.當(dāng) 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司