專利名稱：微機電系統(tǒng)存儲器裝置及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于(例如)半導體裝置中的微機電結構。微機電系統(tǒng)
(MEMS)裝置在例如電信、感測、光學和微流體技術等多種領域中具有
顯著潛力。
背景技術：
舉例來說，MEMS開關包含可移動微機電結構(例如，懸臂)，通 過由施加到電極的致動電壓產生的電磁場的影響而將其激活。電磁場使 懸臂結構在兩個穩(wěn)定位置之間移動以便提供雙極開關。微機電裝置的一 個優(yōu)點是其適合集成到常規(guī)集成電路(IC)技術中。然而，基于MEMS 的裝置的缺點是與約5V或更低的典型IC操作電壓相比，致動開關所需 的高電壓(通常40V或更高)。使基于MEMS的裝置具有較低電壓要求 的解決方案是按比例縮小MEMS裝置，以使得懸臂制造得較小且因此較 易致動。
然而，微機電裝置的制造需要高度復雜的沉積工藝和光刻程序。使 用基于硅的處理技術來制造微機電裝置和結構，所述技術包含使用犧牲 層技術進行硅的整體微加工或表面微加工。此技術通常用于制造獨立結 構，主要是以插在犧牲材料層之間的導體的形式，所述犧牲材料層經化 學釋放以在腔中暴露獨立結構。
襯底材料可包含硅、氧化硅、玻璃或其它陶瓷。犧牲層材料可包含 半導體材料，例如硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅、如硅酸磷玻璃的玻璃、 聚合物、陶瓷，或適于進行精密加工的任何其它材料。用于釋放結構層 的標準技術包含犧牲層的干式(等離子體)或濕式蝕刻。除了以上物質 外，還可使用無定形碳與上文提到的金屬層的組合。
可移動微機電結構極其薄(通常約幾百納米到幾微米薄)且在制造期間或使用期間引發(fā)較高程度的殘余熱機械應力，這導致微機電結構暫 時或(在一些情況下)永久翹曲或彎曲。所得的曲率尤其在結構相對于 致動電極的定向是較關鍵的情況下可減小微機電裝置的效率和/或功能 性。
殘余熱應力在MEMS領域提出一個主要問題，其有時無法通過調諧 制造工藝來充分解決。對于用于(例如)射頻開關、繼電器或諧振MEMS 化學檢測器中的亞微米微機電結構尤其如此。
當微機電結構(例如，懸臂)的尺寸較關鍵且使用亞微米薄膜時， 膜的沉積條件中的表面效應(例如，氧化)和波動對裝置的特征具有相 當大的影響。表面效應導致膜上的梯度應力，這產生單夾持懸臂結構中 的曲率。所引起的曲率往往會改變裝置的致動或檢測特性，例如實施靜 電致動的MEMS開關的拉入電壓。
因此，顯然需要一種使應力引發(fā)的曲率效應最小化的基于亞微米 MEMS懸臂的裝置。

發(fā)明內容
為了解決與現(xiàn)有技術相關聯(lián)的問題，本發(fā)明提供一種制造非易失性
存儲器位單元的方法，所述方法包括以下步驟 在襯底上沉積第一導電材料層；
圖案化和蝕刻所述第一導電材料層以形成三個非線性設置的電極； 在所述電極和所述襯底上沉積第一犧牲材料層；
在所述第一犧牲材料層上提供細長懸臂結構，以使得所述懸臂結構 與每一電極的至少一部分彼此重疊；
在所述懸臂結構和所述第一犧牲材料層上沉積第二犧牲材料層；
在所述第二犧牲材料層上提供蓋層，并在所述蓋層中提供孔，以暴 露所述第二犧牲材料層的至少一部分；
通過所述蓋層中提供的所述孔去除所述第一和第二犧牲材料層，進 而界定其中懸置有所述懸臂結構的腔。優(yōu)選的是，提供細長懸臂結構的步驟進一步包括以下步驟 在第一犧牲材料層上沉積第二導電材料層；
圖案化和蝕刻所述導電材料層，以使得其形成細長懸臂結構。 優(yōu)選的是，圖案化和蝕刻所述導電材料層的步驟進一步包括以下步
驟
將所述導電材料層圖案化和蝕刻為U形懸臂結構。
優(yōu)選的是，電極是由選自鎳、銅、鉻、鈷、鋅、鐵、鈦鋁鉭、釕、 鉑、鈷及其合金或化合物的一組材料制成。
優(yōu)選的是，犧牲層由基于硅的材料或基于碳的材料制成。
優(yōu)選的是，界定懸臂結構的層包括選自鎳、銅、鉻、鈷、鋅、鐵、 鈦、鋁、鉭、釕、鉬、鈷及其合金或化合物的一組材料。
優(yōu)選的是，通過蝕刻去除犧牲材料層。
本發(fā)明進一步提供一種非易失性存儲器位單元，其包括 襯底；
第一、第二和第三電極，所述電極共面且非線性地設置在襯底上；
懸臂結構，其經設置以使得所述懸臂結構與每一電極的至少一部分
彼此重疊，所述非易失性存儲器位單元經配置以使得在使用中，在第一
與第二電極之間施加電壓會朝向第二電極拉動懸臂結構的至少一部分， 且在第一與第三電極之間施加電壓會將懸臂結構的至少一部分推動遠離
第二電極。
優(yōu)選的是，根據權利要求8所述的非易失性存儲器位單元，其中所 述懸臂結構為U形。
優(yōu)選的是，電極是由選自鎳、銅、鉻、鈷、鋅、鐵、鈦鋁鉭、釕、 鉑、鈷及其合金或化合物的一組材料制成。
優(yōu)選的是，懸臂結構包括選自鎳、銅、鉻、鈷、鋅、鐵、鈦、鋁、 鉭、釕、鉑、鈷及其合金或化合物的一組材料。
所屬領域的技術人員將了解，本發(fā)明提供優(yōu)于現(xiàn)有技術的若干優(yōu)點。具有根據本發(fā)明的結構的一個優(yōu)點是其與拉入電極之間的距離相對較 小，且因此需要較低的拉入電壓來接通所述裝置。
并且，本發(fā)明的微機電結構可在兩種操作模式之間來回擺動。在第 一模式中，所述裝置可在(例如)存儲器應用中在一次可編程(OTP) 模式中操作，其中第一狀態(tài)包括定位在獨立狀態(tài)中的微機電結構。在第 二狀態(tài)中，靜電力的影響將處于獨立狀態(tài)中的結構吸引到其與電極接觸 的狀態(tài)，以使得可在其間發(fā)生電荷轉移。
在另一模式中，所述裝置可在(例如)存儲器應用或需要快速切換
的應用中在多次可編程(MTP)模式中操作。在此MTP模式中，微機 電結構是獨立的，而在第二狀態(tài)中，所述結構在靜電力的影響下被拉入 以與電極接觸，使得可發(fā)生電荷轉移。在第三狀態(tài)中，所述接觸可在另 一靜電力的影響下被破壞。
此MTP開關的一個優(yōu)點是拉入和拉開電極處于同一平面中。因此， 制造期間不需要額外的遮蔽步驟來提供OTP和MTP裝置兩者。


現(xiàn)將參考附圖描述本發(fā)明的實例，附圖中
圖1展示顯示制造后梯度應力的現(xiàn)有技術微機電結構的端視圖； 圖2展示根據本發(fā)明的微機電結構的實例的透視圖； 圖3展示圖2的微機電結構的平面圖；以及 圖4展示根據本發(fā)明的第二實例的微機電結構的平面圖。
具體實施例方式
圖1展示線性微機電結構1，例如形成在襯底上的懸臂，其未施加 有偏壓但顯示出固有的制造后熱殘余應力。圖la展示具有遠離致動電極 4而定向的自由端3的結構的實例，而圖lb展示具有向下曲率的微機電 結構1。在根據現(xiàn)有技術的設計中，當發(fā)生向上曲率時，可能難以致動 微機電結構以使其與位于其下方的偏轉電極接觸。在此情形下，需要較 大的致動電壓來實現(xiàn)懸臂與下伏電極的接觸。此外，如果結構材料包括兩個或兩個以上層，那么組成微機電結構 的不同材料之間發(fā)生的熱膨脹系數(shù)(CTE)失配可產生應力梯度，進而 (例如)在已暴露于升高的制造溫度后結構的溫度降低時，導致向上曲率。
本發(fā)明的微機電結構和配置回避了與常規(guī)線性結構中引發(fā)的梯度應 力相關聯(lián)的應力引發(fā)的曲率效應，且因此對工藝控制設置較不嚴格的要 求。
圖2展示根據本發(fā)明一實例的可致動的微機電結構IO(即，懸臂梁) 的透視圖。微機電結構10由形成在襯底30上的第一電極22支撐，所述 襯底30上進一步設置著第二電極20(稱為拉入電極)和第三電極25 (稱 為拉開電極)，其中結構10可相對于第二電極20和第三電極25選擇性 地移動。第一、第二和第三電極并非線性配置。
現(xiàn)在，參看圖2，現(xiàn)將描述微機電結構IO的操作。當將預定拉入電 壓施加到第二電極20時，微機電結構lO的遠側部分ll (自由端)朝向 第二電極20移動并與結構IO接觸。這表征裝置的"接通"狀態(tài)。結構 10與電極20之間需要至少一個接觸點，以便允許其間的電荷轉移。
通過施加拉入電壓使微機電結構IO的遠側部分11朝向第二電極20 的移動會由于結構中引發(fā)的屈矩(bending movement)而在懸臂結構10 的近側部分12處引起相應的向上移動，如箭頭A所示。
在此模式中，裝置可在一次可編程(OTP)模式中操作。此操作尤 其適于存儲器應用，其中裝置的第一狀態(tài)可表示存儲器單元的第一狀態(tài) (例如，"未編程狀態(tài)"或"斷開"狀態(tài))且第二狀態(tài)可表示存儲器單元 的第二狀態(tài)(例如，"已編程"狀態(tài)或"接通"狀態(tài))。多種粘附力(即， "靜摩擦")維持結構10的遠端11與電極20的接觸。靜摩擦是指趨向于 使兩個表面貼在一起的各種力，例如范德瓦耳斯力(Van der Waals forces) 一由表面之間的濕氣和/或表面之間的結合(例如，通過兩個表面處的原 子之間的共價或金屬結合)而引起的表面張力。
在本發(fā)明在操作期間使用第三電極25的模式中，裝置可在多次可編程(MTP)模式中操作。此模式將尤其適于其中需要快速切換動作的應 用(例如，射頻應用)中所使用的存儲器裝置。
現(xiàn)在，參看圖2，現(xiàn)將描述裝置的操作的第二模式。當處于上文描
述的"接通"狀態(tài)時，可使用拉開電極25將微機電結構切換到"斷開" 狀態(tài)。向拉開電極25施加預定電壓會在微機電結構10中引發(fā)應力梯度。 進而沿著結構10的長度在第三電極25附近產生屈矩，其又導致結構10 在其近側部分中向上彎曲。一旦維持結構10的遠端11與電極20之間的 接觸的力被所施加的靜電力的影響克服，結構10的遠端11就釋放到"斷 開"狀態(tài)，其中結構10再次僅由第一電極22支撐。
由于電極20與結構10下方的電極25的間隔的緣故，當向第二電極 20施加拉入電壓時，微機電結構10的近側部分12向上彎曲而遠離第二 電極25。
本發(fā)明的微機電結構10通常由于在結構中引發(fā)屈矩而具有促進結 構從"接通"狀態(tài)向"斷開"狀態(tài)轉變的效果。在接通狀態(tài)中，結構的 彈力或回復力必須抵消結構與電極表面之間的"靜摩擦"。
優(yōu)選的是，制成懸臂的材料可允許其在施加致動電壓時充分彎曲， 同時維持適當剛性以防止與接觸電極過分接觸，使得接觸面積最小化。
根據本發(fā)明的微機電裝置包括金屬層，其具有由于存在屈矩而發(fā)生 的固有應力梯度。雖然本發(fā)明的微機電結構大體上由例如鎳、銅、鉻、 鈷、鋅、鐵、鈦、鋁、鉭、其合金或化合物(例如，氮化鈦或氮化鉭) 的一組金屬制成，但用于金屬層的其它適宜材料可包含釕、鉑或鈷及其 化合物。
此微機電結構的制造需要逐步沉積材料層以及光刻步驟，以在具有 與制成微機電結構的材料兼容的材料的基于硅、基于鎵或任何基于陶瓷 的半導體襯底上形成一裝置。使用沉積工藝來制造所述結構，所述沉積 工藝包含物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)或此類工藝的 修改(例如，原子層沉積(ALD))。開關配置或非易失性存儲器配置的制造方法包括若干步驟。第一步 驟是將第一導電材料層沉積到襯底上。所述第一導電材料層可同樣由例 如上文描述的金屬材料或材料的化合物形成。接著，將所述第一導電材 料層圖案化和蝕刻為三個非線性設置的電極。 一旦完成此操作，就在圖 案化電極和所述襯底上沉積第一犧牲材料層。接著部分圖案化和蝕刻犧 牲材料層以便在電極22上方開放一區(qū)域，所述區(qū)域隨后將用于允許結構
10與電極22形成電和機械接觸。
接著在所述第一犧牲材料層上沉積第二導電材料層。接著圖案化和
蝕刻此第二導電材料層以便形成結構10。必須圖案化和蝕刻結構10以
使得所得結構的至少一部分將覆蓋每一非線性設置的電極的至少一部
分。結構的一個有利形狀為大體上"U"形狀，如圖2到4所示。 一旦 完成此操作，就在結構IO和第一犧牲材料層上沉積第二犧牲材料層。
接著在第二犧牲材料層上沉積最終材料層，且在最終層中蝕刻通孔， 以便暴露第二犧牲材料層的至少一部分。最后，蝕刻掉犧牲材料層，進 而界定其中懸置有結構10的腔。
犧牲層可包括基于硅的材料，例如硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅、 硅酸磷玻璃、聚合物、陶瓷、光致抗蝕劑、箔、旋涂電介質(SOD)，或 任何其它適宜的材料。聚合物材料可包含例如聚酰亞胺等可去除聚合物。 除了上述物質外，還可使用例如無定形碳等基于碳的材料。用于去除犧 牲層的標準技術包含干式(等離子體)或濕式蝕刻。
現(xiàn)參看圖3，圖案化形成偏轉構件的電極的層，以使得三個電極非 線性設置。并且，所述電極與微機電結構10的相應的近側部分25和遠 側部分20大體上重疊(或覆蓋近側部分25和遠側部分20)。
現(xiàn)參看圖4，在本發(fā)明的另一實例中，界定具有近側部分49的微機 電結構40的金屬層可在制造工藝期間經圖案化，以使得結構的自由端與 懸臂結構40的其余部分相比可具有較大面積44 (遠側部分)。類似地， 第一電極42可具有類似于或大于結構44的自由端的面積的面積43。在此實例中，第二電極46是拉入電極且電極48將所述結構支撐在
襯底50上。在上文描述的OTP模式中，高粘附力是一個優(yōu)點。結構44 的頂端與下伏拉入電極43的重疊面積越大，則將維持結構40與電極之 間的接觸的粘附力越大。
然而，此結構40如果并非由高靜摩擦材料制成，那么可有效地用于 MTP模式中。
本發(fā)明的微機電結構優(yōu)選密封在低壓腔中，以允許操作并保護結構 10。密封層通常為薄蓋層，其可由使用高溫工藝(例如，化學氣相沉積 (CVD))沉積的氧化物或氮化物材料形成，或者使用通過濺鍍、CVD的 蒸鍍而沉積的金屬層形成。
權利要求
1.一種制造非易失性存儲器位單元的方法，所述方法包括以下步驟在襯底上沉積第一導電材料層；圖案化和蝕刻所述第一導電材料層以形成三個非線性設置的電極；在所述電極和所述襯底上沉積第一犧牲材料層；在所述第一犧牲材料層上提供細長懸臂結構，以使得所述懸臂結構與每一電極的至少一部分彼此重疊；在所述懸臂結構和所述第一犧牲材料層上沉積第二犧牲材料層；在所述第二犧牲材料層上提供蓋層，并在所述蓋層中提供孔，以暴露所述第二犧牲材料層的至少一部分；通過所述蓋層中提供的所述孔去除所述第一和第二犧牲材料層，進而界定其中懸置有所述懸臂結構的腔。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述提供所述細長懸臂結構的 步驟進一步包括以下步驟在所述第一犧牲材料層上沉積第二導電材料層； 圖案化和蝕刻所述導電材料層，以使得其形成細長懸臂結構。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中所述圖案化和蝕刻所述導電材 料層的步驟進一步包括以下步驟將所述導電材料層圖案化和蝕刻為U形懸臂結構。
4. 根據前述權利要求中任一權利要求所述的方法，其中所述電極是 由選自鎳、銅、鉻、鈷、鋅、鐵、鈦鋁鉭、釕、鉑、鈷及其合金或化合 物的一組材料制成。
5. 根據前述權利要求中任一權利要求所述的方法，其中所述犧牲層 是由基于硅的材料或基于碳的材料制成。
6. 根據前述權利要求中任一權利要求所述的方法，其中所述界定所 述懸臂結構的層包括選自鎳、銅、鉻、鈷、鋅、鐵、鈦、鋁、鉭、釕、 鉑、鈷及其合金或化合物的一組材料。
7. 根據前述權利要求中任一權利要求所述的方法，其中通過蝕刻而 去除所述犧牲材料層。
8. —種非易失性存儲器位單元，其包括襯底；第一、第二和第三電極，所述電極共面且非線性地設置在所述襯 底上；懸臂結構，其經設置以使得所述懸臂結構與每一電極的至少一部 分彼此重疊，所述非易失性存儲器位單元經配置以使得在使用中，在 所述第一與第二電極之間施加電壓會朝向所述第二電極拉動所述懸臂 結構的至少一部分，且在所述第一與所述第三電極之間施加電壓會將 所述懸臂結構的所述至少一部分推動遠離所述第二電極。
9. 根據權利要求8所述的非易失性存儲器位單元，其中所述懸臂結 構為U形。
10. 根據前述權利要求中任一權利要求所述的非易失性存儲器位單 元，其中所述電極是由選自鎳、銅、鉻、鈷、鋅、鐵、鈦鋁鉭、釕、鉑、 鈷及其合金或化合物的一組材料制成。
11. 根據前述權利要求中任一權利要求所述的非易失性存儲器位單 元，其中所述懸臂結構包括選自鎳、銅、鉻、鈷、鋅、鐵、鈦、鋁、鉭、 釕、鉑、鈷及其合金或化合物的一組材料。
全文摘要
一種制造非易失性存儲器位單元的方法包括以下步驟在襯底上沉積第一導電材料層，以及圖案化和蝕刻所述第一導電材料層以形成三個非線性設置的電極。所述方法還包括以下步驟在所述電極和所述襯底上沉積第一犧牲材料層，以及在所述第一犧牲材料層上提供細長懸臂結構，以使得所述懸臂結構與每一電極的至少一部分彼此重疊。所述方法還包含以下步驟在所述懸臂結構和所述第一犧牲材料層上沉積第二犧牲材料層，以及在所述第二犧牲材料層上提供蓋層，并在所述蓋層中提供孔，以暴露所述第二犧牲材料層的至少一部分。最后，所述方法提供以下步驟通過所述蓋層中提供的所述孔去除所述第一和第二犧牲材料層，進而界定其中懸置有所述懸臂結構的腔。
文檔編號B81C1/00GK101310341SQ200680042350
公開日2008年11月19日 申請日期2006年11月22日 優(yōu)先權日2005年11月21日
發(fā)明者查爾斯·史密斯, 羅伯特·凡·坎彭, 羅伯特·考津齊 申請人:卡文迪什動力有限公司