平面腔體微機電系統及相關結構、製造和設計結構的方法

2023-05-14 15:51:41 4

專利名稱：平面腔體微機電系統及相關結構、製造和設計結構的方法
技術領域：
本發明涉及半導體結構及製造方法，特別是涉及平面腔體微機電系統(MEMS)結構、製造和設計結構的方法。
背景技術：
集成電路中所用的集成電路開關可以由固態結構(例如，電晶體)或者無源導線 (MEMS)形成。典型地採用MEMS開關，是因為它們幾乎是理想的絕緣，這是無線通訊應用的關鍵需求，其中它們用於功率放大器(PA)的模式轉換，還因為它們在IOGHz以及更高頻率上的低插入損耗(即阻抗)。MEMS開關可用於多種應用、初始模擬和混合信號應用。一個這樣的示例是行動電話晶片，其包含功率放大器(PA)和用於每個廣播模式調整的電路。晶片上的集成開關將PA連接到適當的電路，從而不需要每個模式有一個PA。取決於特定的應用和工程標準，MEMS結構可具有許多不同的形式。例如，MEMS可以懸臂梁結構的形式實現。在懸臂結構中，通過施加驅動電壓(actuation voltage)將懸臂(一端固定的懸置電極)拉向固定電極。通過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)，其取決於幾個參數，包括懸置電極的長度、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，這是材料及其厚度的函數。作為選擇，MEMS梁可為橋式結構，其中兩端固定。MEMS可採用大量不同工具以很多方式製造。雖然一般而言，採用這些方法和工具來形成尺寸在微米級的小結構，開關尺寸約為5微米厚、100微米寬及200微米長。此外，用於製造MEMS的很多方法、即技術，是選自集成電路(IC)技術。例如，幾乎所有的MEMS都構建在晶片上，並且實現在晶片之上通過光刻工藝圖案化的材料薄膜中。特別是，MEMS的製造採用三個基本的構建階段(building block) :(i)在襯底上沉積材料薄膜，(ii)通過光刻成像在上述膜的之上施加圖案化的掩模，以及(iii)相對於掩模，選擇性地蝕刻上述膜。例如，在MEMS懸臂式開關中，固定電極和懸置電極典型地採用一系列傳統的光刻、蝕刻和沉積工藝製造。在一個示例中，在形成懸置電極後，一層犧牲材料(例如由 Microchem, Inc.製造的旋塗聚合物PMGI)沉積在MEMS結構下面以形成腔體以及沉積在 MEMS結構上面以形成腔體。MEMS上面的腔體用於支持蓋帽的形成，例如SiN圓頂，以密封 MEMS結構。然而，這造成幾個缺點。例如，已知用諸如PMGI的旋塗聚合物形成的MEMS腔體是非平面的。然而，非平面的MEMS腔體引起一些問題，包括例如聚焦光刻深度的變化性以及因電介質破裂引起的封裝可靠性。另外，用旋塗聚合物形成的MEMS腔體需要低溫下處理，以避免回流或者損壞聚合物；並且聚合物可能在排出後在腔體中留下有機(即含碳)殘留物。從而，在技術上存在克服上述缺陷和限制的需要。

發明內容
在本發明的第一方面中，一種形成至少一個微機電系統(MEMQ的方法包括形成下犧牲材料，用於形成下腔體。該方法還包括形成將該下腔體連接到上腔體的腔體通孔。 腔體通孔形成有圓形或倒角邊緣的俯視外形。該方法還包括在該腔體通孔內和上方形成上犧牲材料，使其具有基於該腔體通孔外形的生成表面。上腔體形成有頂蓋，該頂蓋具有不妨礙MEMS梁的結構，包括在上犧牲材料的生成表面上沉積頂蓋材料；以及排出該上犧牲材料以形成該上腔體，使該頂蓋材料形成與該上犧牲材料的生成表面保形的頂蓋。在本發明的另一個方面中，一種形成至少一個微機電系統(MEMQ的方法，包括在襯底上的初始填充有第一層犧牲材料(排出前)的下腔體中形成多個分離導線以及在該第一層犧牲材料上形成MEMS梁。該方法還包括在延伸到該下腔體的腔體通孔內和上方沉積第二層犧牲材料。該第二層犧牲材料的沉積是非回歸矽沉積工藝，包括具有多個等離子體氣相沉積(PVD)矽沉積和rf偏置晶片回蝕刻步驟的保形矽沉積工藝，以在電通孔和該腔體通孔的上方實現非回歸開口。該方法還包括在第二層犧牲材料上形成頂蓋材料。該方法還包括排出第二層犧牲材料和犧牲材料以形成下腔體和上腔體，該上腔體包括由頂蓋材料形成的頂蓋，該頂蓋具有不妨礙MEMS梁的結構。在本發明的又一個方面中，一種形成微機電系統(MEMS)結構的方法包括形成 MEMS腔體以及形成與頂蓋結構具有足夠間隙的MEMS梁，使該MEMS梁在釋放時不會被固定。在本發明的另一個方面中，一種結構包括具有布線層的下腔室和通過腔體通孔連接到該下腔室的上腔室。該結構還包括懸掛在該上腔室和該下腔室之間的MEMS梁。該結構還包括包圍該上腔室的頂蓋結構，其具有不妨礙MEMS梁的結構。該頂蓋結構具有與從上腔室排出的犧牲材料保形的表面。在本發明的另一個方面中，提供一種設計結構，可確實地實施在可機讀存儲介質中，用於設計、製造或測試集成電路。該設計結構包括本發明的結構。在進一步的實施例中，可機讀數據存儲介質上編碼的硬體描述語言(HDL)設計結構包括在計算機輔助設計系統中處理時產生MEMS的機械可執行表示的元件，其包括本發明的結構。在進一步的實施例中，提供計算機輔助設計系統中的方法，用於產生MEMS的功能設計模型。該方法包括產生 MEMS的結構元件的功能表示。在特定方面中，一種在計算機輔助設計系統中產生MEMS功能設計模型的方法，包括產生腔體通孔具有圓形或倒角邊緣的俯視外形的功能表示，該腔體通孔將下腔體連接到上腔體；產生該腔體通孔內和上方的犧牲材料的功能表示，該犧牲材料具有基於電通孔和該腔體通孔的外形的生成表面；以及產生該上腔體具有頂蓋且該頂蓋具有不妨礙MEMS 梁的結構的功能表示，包括在該犧牲材料的生成表面上的頂蓋材料以及排放該犧牲材料， 使頂蓋結構形成與該犧牲材料的該生成表面保形的頂蓋。


在以下詳細說明中，藉助於本發明示範性實施例的非限定示例，參考所附的多個附圖描述本發明。圖1-23和沈-33示出了根據本發明的各種結構和相關處理步驟；圖Ma-24f示出了採用根據本發明的方面所示的工藝製造的MEMS裝置的頂部結構圖；圖25示出了幾個形貌圖(即原子力顯微鏡數據)，示出了矽凹坑(divot)深度對氧化物拋光的數據；圖34是半導體設計、製造和/或試驗中所用設計程序的流程圖；以及圖3 示出了根據本發明的方面因引入形貌學而減小或消除沉積矽中的氧化物接縫的結構和工藝(與示出氧化物接縫的圖3 相比)。
具體實施例方式本發明涉及半導體結構和製造方法，特別是涉及平面腔體(例如，平坦或平面的表面)微機電系統(MEMS)結構、製造和設計機構的方法。有利地，形成結構的方法降低了 MEMS結構上的總應力，以及降低MEMS裝置的材料變化性。在多個實施例中，形成平面(例如，平坦或平面的表面)MEMS裝置的結構和方法採用犧牲層來形成與MEMS梁相鄰的腔體。 在另外的實施例中，採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)結構。除其它裝置之外，本發明的MEMS結構例如可用作單或雙導線梁接觸開關、 雙導線梁電容器開關或者單雙導線梁氣隙感應器。圖1示出了根據本發明的方面的起始結構和相關的處理步驟。接下來的幾個段落中公開的結構是MEMS電容器開關，雖然所述方法和結構也可應用於其它的MEMS開關，例如不採用MEMS電容器電介質的歐姆接觸開關；MEMS加速計；等等。該結構例如包括襯底10。 在實施例中，襯底10可以是裝置的任何一層。在實施例中，襯底10是矽晶片，塗有二氧化矽或者本領域的技術人員已知的其它絕緣材料。在襯底10內配備有互連12。互連12例如可以是在傳統形成的通孔(via)中形成的鎢或銅間柱(stud)。例如，互連12可以採用本領域的技術人員已知用於形成間柱例如鑲嵌的任何傳統的光刻、蝕刻和沉積工藝形成。互連 12可以接觸其它布線級、CMOS電晶體或者其它有源器件、無源器件等，如現有技術所知。在圖2中，布線層形成在襯底10上，以採用傳統的沉積和圖案化工藝形成多個導線14。例如，布線層可以沉積在襯底上達到約0.05至4微米的深度；然而其它的尺寸也被本發明所預期。在實施例中，布線層14沉積達到0.25微米的深度。然後，圖案化布線層以形成導線(下電極)14，導線14之間具有導線間隔(間隙)14a。在實施例中，導線間隔高寬比(aspect ratio)是由導線14的高度對導線間隔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更加詳細論述的。例如，1 20的低高寬比可以由50nm 高的導線14與IOOOnm的間隔14a形成；並且1 1的高高寬比可以由500nm高的導線與 500nm的間隔形成。這些高寬比值僅為參考，且如這裡所論述，犧牲膜18 (圖幻的保形性決定了需要怎樣的導線間隔高寬比。至少一個導線14與互連12接觸(直接電接觸)。在實施例中，導線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明所預期。除其它的布線材料之外，例如，導線14可以是諸如Ti、TiN、TiN, Ta、TaN和W的難熔金屬或AlCu。 在實施例中，導線14可以摻雜有Si，例如1%，以防止諸如Al的金屬與諸如矽的上腔體層材料反應。在實施例中，導線的鋁部分可以摻雜有Cu，例如0. 5%,以增加導線的抗電遷移性。在實施例中，導線可由純難熔金屬形成，例如TiN、W、Ta等。導線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。對於上下覆有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。對於MEMS電容器，其中導線14塗有電介質，並且用作下電容器板，小丘的存在或者原子表面粗糙度的高值降低了電容密度，因為由MEMS梁形成的上電容器板不能緊密接觸由導線14形成的下電容器板。表面粗糙度可以採用原子力顯微鏡(AFM)或者光學輪廓儀(optical profiler) 來測量，並且存在幾種已知的方法可用於測量和量化小丘的寬度和高度。在實施例中，通過採用典型範圍為1至10，000平方微米的導線區域的AFM測量最小到最大高度，並且通過計算帶有或不帶有小丘的區域中均方根(冊幻粗糙度來測量表面粗糙度，將小丘量化。在一個實施例中，表面粗糙度為沒有可見小丘的2 μ m2面積的RMS粗糙度。表1總結了採用AFM測量的各種導線材料的金屬小丘和表面粗糙度數據。均方根 (RMS)粗糙度是在沒有可見金屬小丘的區域中在約2 μ m2面積內測量的。最大峰-谷小丘值是在約10，000 μ m2面積內測量的。純難熔金屬導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的導線與純難熔金屬導線相比具有較低的阻抗，但是具有更高的粗糙度和小丘。在圖案化之前或之後，在AlCu的下面和上面增加足夠的Ti並且使晶片在350°C至450°C退火足夠時間以形成TiAl3矽化物，即在400°C退火一小時，顯著地減小小丘最小到最大高度，同時略微增加RMS表面粗糙度，這是因為減小了鋁的體積。在示範性實施例中，導線14在圖案化後被退火，並且被蝕刻，以減少TiAl3引起的金屬蝕刻問題。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有作用；然而，IOnm和 15nm的Ti顯著地減小小丘且效果等同。當Ti與鋁反應而形成TiAl3時，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TiAl3 ；並且在導線中總是留下一些沒有反應的AlCu，Ti AlCu厚度比需要小於1 3，其中Ti厚度包括 AlCu下面和上面的層。這意味著，為了優化小丘的減少和導線阻抗，考慮Ti和AlCu關於沉積厚度的變化性，如此沉積的Ti厚度範圍應當為大於如此沉積的AlCu厚度的5%而小於如此沉積的AlCu厚度的25%。表 權利要求
1.一種形成至少一個微機電系統的方法，包括形成下犧牲材料，該下犧牲材料用於形成下腔體；形成將該下腔體連接到上腔體的腔體通孔，該腔體通孔形成有圓形或倒角邊緣的俯視外形；以及在該腔體通孔內及其上方形成上犧牲材料，該上犧牲材料具有基於該腔體通孔的外形的生成表面；並且其中，該上腔體形成有頂蓋，該頂蓋具有不妨礙微機電系統梁的結構，包括在該上犧牲材料的該生成表面上沉積頂蓋材料；以及排出該上犧牲材料以形成該上腔體，從而該頂蓋材料形成與該上犧牲材料的該生成表面保形的頂蓋。
2.如權利要求1所述的方法，還包括形成具有圓形或倒角邊緣的俯視外形的電通孔， 其中該上犧牲材料形成在該電通孔內及其上方，並且該上犧牲材料的該生成表面基於該電通孔的外形。
3.如權利要求2所述的方法，其中該電通孔的至少一個形成為錐形，以在後續犧牲材料沉積工藝中減少接縫或空隙。
4.如權利要求1所述的方法，其中該頂蓋中的至少一個排出孔形成為圓形或者近圓形，以最小化修剪該至少一個排出孔所需的後續材料量。
5.如權利要求1所述的方法，還包括採用非回歸矽沉積工藝沉積該上犧牲材料，以形成上表面上包括錐形側壁的外形；在該上犧牲材料上方以及由該錐形側壁形成的凹陷內沉積該頂蓋材料；圖案化該頂蓋中的至少一個排出孔；以及通過至少一個開口排出或者剝去該上犧牲材料，從而該頂蓋包括該犧牲材料的外形。
6.如權利要求5所述的方法，其中該非回歸矽沉積工藝包括保形矽沉積工藝，該保形矽沉積工藝包括進行多個等離子體氣相沉積矽沉積以及rf偏置晶片回蝕刻步驟，其中該非回歸沉積工藝消除了該頂蓋材料的回歸懸掛結構。
7.如權利要求6所述的方法，還包括進行HF清洗，以在排出前去除該上犧牲材料上的天然氧化物且氫鈍化該上犧牲材料的暴露表面。
8.如權利要求5所述的方法，其中該等離子體氣相沉積矽沉積和rf偏置晶片回蝕刻步驟實現近似45度角的矽沉積外形。
9.如權利要求8所述的方法，其中該等離子體氣相沉積矽沉積和回蝕刻步驟減少或消除了沉積的矽中因引入的形貌引起的接縫。
10.如權利要求1所述的方法，還包括在該上犧牲材料沉積之前通過該腔體通孔提供 HF清洗，以去除該下犧牲材料上的天然氧化物。
11.一種形成至少一個微機電系統的方法，包括在襯底上的初始填充有第一層犧牲材料的下腔體中形成多個分離導線；在該第一層犧牲材料上形成微機電系統梁；在延伸到該下腔體的腔體通孔內沉積第二層犧牲材料，該第二層犧牲材料的沉積是非回歸矽沉積工藝以在該腔體通孔上方實現非回歸開口，其中該非回歸矽沉積工藝包括具有多個等離子體氣相沉積矽沉積和rf偏置晶片回蝕刻步驟的保形矽沉積工藝；在該第二層犧牲材料上形成頂蓋材料；以及排出該第二層犧牲材料和該犧牲材料以形成該下腔體和上腔體，該上腔體包括由該頂蓋材料形成的頂蓋，該頂蓋具有不妨礙該微機電系統梁的結構。
12.如權利要求11所述的方法，其中 該第二層犧牲材料沉積在電通孔中；該犧牲材料沉積在該電通孔內及其上方；並且該非回歸開口形成在該電通孔上方。
13.如權利要求12所述的方法，其中該第二層犧牲材料的沉積優化為保形地填充該上腔體內的該電通孔和該腔體通孔或者修剪為使該頂蓋不形成鉚釘狀特徵。
14.如權利要求11所述的方法，其中該非回歸開口包括該第二層犧牲材料上的錐形側壁外形。
15.如權利要求11所述的方法，其中該等離子體氣相沉積矽沉積和rf偏置晶片回蝕刻步驟實現該第二層犧牲材料的上表面的近似45度角的矽沉積外形。
16.如權利要求11所述的方法，其中該非回歸矽沉積工藝結合用於底部和側壁沉積的較低腔室壓力沉積，並且採用較高腔室壓力蝕刻，其中將rf偏壓施加給晶片，以最大化表面和拐角蝕刻；該較低腔室壓力沉積和較高腔室壓力回蝕刻依次重複，直到該第二層犧牲材料實現所需的厚度；並且該回蝕刻去除的該第二層犧牲層材料的厚度小於沉積的厚度。
17.如權利要求11所述的方法，還包括沉積初始非偏置矽層，以避免濺射暴露的拐角。
18.如權利要求11所述的方法，其中該第二層犧牲材料的沉積優化為避免鉚釘形狀。
19.如權利要求11所述的方法，其中該頂蓋材料具有足夠的厚度以避免頂蓋在該排出期間或之後破裂。
20.如權利要求19所述的方法，其中該頂蓋材料為每10，000μ m2的腔體面積需要約1 微米厚的氧化物材料。
21.—種形成微機電系統結構的方法，包括 形成微機電系統腔體；以及形成與頂蓋結構具有足夠間隙的微機電系統梁，使該微機電系統梁在釋放時不會被固定。
22.—種結構，包括 具有布線層的下腔室； 連接到該下腔室的上腔室；微機電系統梁，懸掛在該上腔室和該下腔室之間；以及包圍該上腔室的頂蓋結構，其具有不妨礙該微機電系統梁的結構，其中該頂蓋結構具有與從該上腔室排出的犧牲材料保形的表面。
23.如權利要求22所述的結構，其中包括下述特徵的至少一個 該上腔室內的電通孔具有圓形或倒角外形的俯視外形；以及連接該上腔室與該下腔室的腔體通孔具有圓形或倒角外形的俯視外形。
24.如權利要求22所述的結構，其中該頂蓋結構的底表面包括角度小於90度的錐形側壁外形。
25. 一種在計算機輔助設計系統中產生微機電系統功能設計模型的方法，該方法包括產生具有圓形或倒角邊緣的俯視外形的腔體通孔的功能表示，該腔體通孔將下腔體連接到上腔體；產生該腔體通孔內及其上方的犧牲材料的功能表示，該犧牲材料具有基於電通孔和該腔體通孔的外形的生成表面；以及產生具有頂蓋且該頂蓋具有不妨礙微機電系統梁的結構的該上腔體的功能表示，包括該犧牲材料的該生成表面上的頂蓋材料，並且排出該犧牲材料，使頂蓋結構形成與該犧牲材料的該生成表面保形的頂蓋。
全文摘要
本發明公開一種平面腔體微機電系統及相關結構、製造和設計結構的方法。一種形成至少一個微機電系統(MEMS)的方法包括形成下犧牲材料，用於形成下腔體。該方法還包括形成將下腔體連接到上腔體的腔體通孔。該腔體通孔形成有圓形或倒角邊緣的俯視外形。該方法還包括在腔體通孔內及其上方形成上犧牲材料，其具有基於該腔體通孔的外形的生成表面。該上腔體形成有頂蓋，該頂蓋具有不妨礙MEMS梁的結構，包括在上犧牲材料的生成表面上沉積頂蓋材料；以及排出該上犧牲材料以形成上腔體，從而該頂蓋材料形成與該上犧牲材料的生成表面保形的頂蓋。
文檔編號B81B3/00GK102295263SQ201110173720
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月24日 優先權日2010年6月25日
發明者喬治.A.鄧巴三世, 威廉.J.莫菲, 安東尼.K.斯塔姆珀, 傑弗裡.C.馬林 申請人:國際商業機器公司