專利名稱：平面腔體微機電系統(tǒng)及相關(guān)結(jié)構(gòu)、制造和設(shè)計結(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電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)、制造和設(shè)計結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
集成電路中所采用的集成電路開關(guān)可以由固態(tài)結(jié)構(gòu)(例如，晶體管)或者無源布線 (MEMS)形成。因為MEMS開關(guān)的近乎理想的隔離以及其在IOGHz以及更高頻率上的低插入損耗(即阻抗)，所以通常采用MEMS開關(guān)，MEMS開關(guān)的近乎理想的隔離是將其用于功率放大器(PA)的模式轉(zhuǎn)換的無線通訊應(yīng)用的關(guān)鍵需求。MEMS開關(guān)可用于多種應(yīng)用，主要為模擬和混合信號應(yīng)用。一個這樣的示例是移動電話芯片，其包含用于為每個廣播模式調(diào)諧的電路和功率放大器(PA)。芯片上的集成開關(guān)將PA連接到適當(dāng)?shù)碾娐罚瑥亩恍枰總€模式具有一個 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可以由懸臂梁結(jié)構(gòu)的形式實現(xiàn)。在懸臂結(jié)構(gòu)中，通過施加致動電壓(actuation voltage)將懸臂(一個端部固定的懸置電極)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拉入電壓(pull-involtage)，其取決于幾個參數(shù)，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簧常數(shù)，懸置電極的彈性常數(shù)是材料及其厚度的函數(shù)。可選擇地，MEMS梁可以為橋式結(jié)構(gòu)，其中兩個端部被固定。MEMS可采用多種不同工具以多種方式制造。然而，一般而言，采用這些方法和工具來形成具有微米級尺寸的小結(jié)構(gòu)，開關(guān)尺寸約為5微米厚、100微米寬及200微米長。此夕卜，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，并且實現(xiàn)在晶片的頂部上通過光刻工藝圖案化的材料薄膜中。具體而言，MEMS的制造采用三個基本的構(gòu)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頂部上施加圖案化的掩模，以及(iii)相對于掩模，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通常米用一系列傳統(tǒng)的光亥IJ、蝕刻和沉積工藝制造。在一個示例中，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)下方以形成腔體以及沉積在MEMS結(jié)構(gòu)上方以形成腔體。MEMS上方的腔體用于支撐蓋(例如，SiN圓頂)的形成，以密封MEMS結(jié)構(gòu)。然而，這造成幾個缺點。例如，已知使用諸如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腔體帶來問題，包括例如光刻聚焦深度的可變性以及因電介質(zhì)破裂引起的封裝可靠性。另外，使用旋涂聚合物形成的MEMS腔體需要在低溫下處理，以避免回流或者損壞聚合物；并且聚合物可能在排放后在腔體中留下有機(即含碳)殘留物。因此，現(xiàn)有技術(shù)中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，一種形成至少一個微機電系統(tǒng)(MEMS)腔體的方法包括在布線層和襯底上方形成第一犧牲腔體層。該方法還包括在第一犧牲腔體層上方形成絕緣體層。該方法還包括在絕緣體層上執(zhí)行反向鑲嵌回蝕刻工藝。該方法還包括平坦化絕緣體層和第一犧牲腔體層。該方法還包括將第一犧牲腔體層排放或剝離為MEMS的第一腔體的平面表面。在本發(fā)明的另一方面中，一種方法包括選擇下布線層上的布線之間的布線間隔。該方法還包括在襯底上形成具有選擇的布線間隔的布線。該方法還包括在布線上形成犧牲硅層。該方法還包括在犧牲硅層上形成絕緣體層。該方法還包括執(zhí)行反向鑲嵌工藝，使得絕緣體層的邊緣與犧牲硅層交疊。該方法還包括基于選擇的布線間隔而選擇平坦化絕緣體層和犧牲硅層的蝕刻速率。該方法還包括基于選擇的蝕刻速率而平坦化絕緣體層和犧牲硅層，從而最小化在犧牲硅層上形成的凹坑以及形成平坦化的犧牲硅層。該方法還包括在平坦化的絕緣體層和犧牲硅層上形成附加層，包括電極和通過通孔接觸平坦化的硅層的第二犧牲硅層。該方法還包括在附加層之一中提供排放孔，以暴露第二犧牲硅層。該方法還包括排放犧牲硅層和第二犧牲硅層，以至少形成下平面腔體和上腔體。在本發(fā)明的另一方面中，一種減少硅層中的凹坑的方法，該硅層用于MEMS結(jié)構(gòu)，該方法包括確定形成在硅層上的布線之間的間隔。該方法還包括蝕刻氧化物層達到預(yù)定量，以最小化硅層的可變性。在本發(fā)明的另一方面中，提供一種設(shè)計結(jié)構(gòu)，可確實地實施在機器可讀存儲介質(zhì)中，用于設(shè)計、制造或測試集成電路。該設(shè)計結(jié)構(gòu)包括本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。在進一步的實施例中，一種編碼在機器可讀數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)上的硬件描述語言(HDL)設(shè)計結(jié)構(gòu)包括在計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)中處理時產(chǎn)生MEMS的機器可執(zhí)行表示的元件，其包括本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。在進一步的實施例中，提供一種計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)中的方法，用于產(chǎn)生MEMS的功能設(shè)計模型。該方法包括產(chǎn)生MEMS的結(jié)構(gòu)元件的功能表示。在具體方面中，提供一種在計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)中用于產(chǎn)生MEMS的功能設(shè)計模型的方法。該方法包括產(chǎn)生在下布線層和襯底上方的犧牲腔體層的功能表示，下布線層在相鄰的布線之間具有選擇的間隔。該方法還包括產(chǎn)生在犧牲腔體層上方的絕緣體層的功能表示。該方法還包括產(chǎn)生采用在絕緣體層上方形成的抗蝕劑的反向鑲嵌工藝的功能表示。該方法還包括產(chǎn)生平坦化工藝的功能表示，所述平坦化工藝用于平坦化絕緣體層和犧牲腔體層，以形成MEMS的下腔體的平面表面。在本發(fā)明的另一方面中，一種平面微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括具有平面上表面的下腔體。該結(jié)構(gòu)還包括具有平面上表面的上腔體。該結(jié)構(gòu)還包括通孔，將上腔體連接至下腔體。該結(jié)構(gòu)還包括電極，該電極形成在上腔體和下腔體中，電極用作MEMS結(jié)構(gòu)的梁。該結(jié)構(gòu)還包括固定布線，該固定布線形成在梁下方的下腔體中。


在以下詳細(xì)說明中，通過本發(fā)明示例性實施例的非限定示例，參考所附的多個附圖描述本發(fā)明。圖I至圖23和圖26至圖33示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的各種結(jié)構(gòu)和相關(guān)處理步驟；圖24a至圖24f示出 了采用根據(jù)本發(fā)明實施例所示的工藝制造的MEMS裝置的頂部結(jié)構(gòu)圖；圖25示出了幾個形貌圖(即原子力顯微鏡數(shù)據(jù))，示出了硅凹坑(divot)深度與氧化物拋光的數(shù)據(jù)；圖34是半導(dǎo)體設(shè)計、制造和/或試驗中采用的設(shè)計過程的流程圖；以及圖35a示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的減小或消除沉積硅中的氧化物接縫(由于引入形貌)的結(jié)構(gòu)和工藝(與示出氧化物接縫的圖35b相比)。
具體實施例方式本發(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)微機電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)、制造和設(shè)計結(jié)構(gòu)的方法。有利地，形成結(jié)構(gòu)的方法減少MEMS結(jié)構(gòu)上的總應(yīng)力，并且減少MEMS裝置的材料可變性。在實施例中，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形成與MEMS梁相鄰的腔體。在進一步實施例中，采用反向鑲嵌工藝形成兩級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)例如可用作單線或雙線梁接觸開關(guān)、雙線梁電容器開關(guān)或者單雙線梁氣隙電感器。圖I示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的起始結(jié)構(gòu)和相關(guān)處理步驟。在接下來的幾組段落中公開的結(jié)構(gòu)是MEMS電容器開關(guān)，雖然所述方法和結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用于其它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；等等。該結(jié)構(gòu)例如包括襯底10。在實施例中，襯底10可以是裝置的任一層。在實施例中，襯底10是硅晶片，該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)提供互連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，可以采用本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的用于形成間柱的任何傳統(tǒng)光刻、蝕刻和沉積工藝(例如鑲嵌)來形成互連
12。互連12可以接觸其它布線級、CMOS晶體管或者其它有源器件、無源器件等，如現(xiàn)有技術(shù)已知的。在圖2中，采用傳統(tǒng)的沉積和圖案化工藝，在襯底10上形成布線層，以形成多個布線14。例如，在襯底上可以沉積布線層以達到約O. 05至4微米的深度；然而本發(fā)明也涵蓋其它尺寸。在實施例中，沉積布線層14以達到O. 25微米的深度。然后，圖案化布線層以形成布線(下電極)14，布線14之間具有布線間隔(間隙)14a。在實施例中，布線間隔高寬比(aspect ratio)是由布線14的高度與布線間隔14a的比率決定，布線間隔高寬比可影響材料可變性(例如，形貌)，如參考圖25更加詳細(xì)討論的。例如，1:20的低高寬比可以由50nm高的布線14與IOOOnm的間隔14a形成；并且I: I的高高寬比可以由500nm高的布線與500nm的間隔形成。這些高寬比值僅為參考，并且如這里所討論的，犧牲膜18 (圖3)的保形性決定了需要怎樣的布線間隔高寬比。
至少一個布線14與互連12接觸(直接電接觸)。在實施例中，布線14可以由鋁或鋁合金形成，例如AlCu、AlSi或AlCuSi ;然而，本發(fā)明也涵蓋其它布線材料。除其它布線材料之外，例如，布線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，布線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)。在實施例中，布線的鋁部分可以摻雜有Cu，例如O. 5%，以增加布線的抗電遷移性。在實施例中，布線可以由純難熔金屬形成，例如TiN、W、Ta等。布線14的表面形貌是由原子表面粗糙度以及金屬小丘的存在而決定。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。對于MEMS電容器，其中布線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，這是因為由MEMS梁形成的上電容器板不能緊密地接觸由布線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(opticalprofiler)來 測量，并且存在幾種已知的方法可用于測量和量化小丘的寬度和高度。在實施例中，通過采用AFM測量典型范圍為I至10，000平方微米的布線區(qū)域的最小高度至最大高度來量化小丘，并且通過計算帶有或不帶有小丘的區(qū)域中的均方根(RMS)粗糙度來量化表面粗糙度。在一個實施例中，表面粗糙度為沒有可見小丘的2 μ m2區(qū)域的RMS粗糙度。表I總結(jié)了采用AFM測量的各種布線材料的金屬小丘和表面粗糙度數(shù)據(jù)。均方根(RMS)粗糙度是在約2 μ m2區(qū)域內(nèi)的沒有可見金屬小丘的區(qū)域中測量的。最大峰-谷小丘值是在約10，000 μ m2的區(qū)域內(nèi)測量的。純難熔金屬布線可選項至今具有最低的粗糙度和小丘，但是具有最高的電阻。使用AlCu的布線與純難熔金屬布線相比具有較低的電阻，但是具有更高的粗糙度和小丘。在圖案化之前或之后，在AlCu的下方和上方增加足夠的Ti并且使晶片在350°C至450°C退火足夠時間以形成TiAl3硅化物，即在400°C退火一小時，顯著地減小小丘最小高度至最大高度，同時因為減少了鋁體積而略微增加RMS表面粗糙度。在示例性實施例中，在圖案化后，將布線14退火并且蝕刻布線14，以減少TiAl3引起的金屬蝕刻問題。較薄的Ti (例如，在AlCu的下方和上方為5nm)對小丘的減小具有最小影響或者沒有影響；然而，IOnm和15nm的Ti顯著地減小小丘并且效果等同。當(dāng)Ti與鋁反應(yīng)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 ;并且為了在布線中總是留下一些沒有反應(yīng)的AlCu，TiiAlCu的厚度比需要小于1:3，其中Ti厚度包括AlCu的下方和上方的層。這意味著，為了在考慮Ti和AlCu關(guān)于沉積厚度的可變性的情況下優(yōu)化小丘的減少和布線電阻，所沉積的Ti厚度范圍應(yīng)當(dāng)為大于所沉積的AlCu厚度的5%而小于所沉積的AlCu厚度的25%。表I
權(quán)利要求
1.一種形成至少一個微機電系統(tǒng)(MEMS)腔體的方法，包括 在布線層和襯底上方形成第一犧牲腔體層； 在所述第一犧牲腔體層上方形成絕緣體層； 在所述絕緣體層上執(zhí)行反向鑲嵌回蝕刻工藝； 平坦化所述絕緣體層和所述第一犧牲腔體層；以及 將所述第一犧牲腔體層排放或剝離為所述微機電系統(tǒng)的第一腔體的平面表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中形成所述第一犧牲腔體層包括膜沉積和回蝕刻的一個或更多個循環(huán)，以最小化或消除在所述第一犧牲腔體層上形成的凹坑。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述膜沉積為等離子體沉積，其中將功率提供至靶，并且所述回蝕刻包括將功率提供至晶片。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中形成所述第一犧牲腔體層包括沉積第一層材料，平坦化所述第一層材料，以及在平坦化的第一層材料上沉積附加材料，以提無接縫層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述第一層材料和附加層材料形成單個層，并且采用光刻和反應(yīng)離子蝕刻步驟而圖案化所述第一層材料和所述附加層材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中形成所述第一犧牲腔體層包括沉積第一層材料，平坦化所述第一層材料，以及圖案化所述第一層材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括通過在平坦化的第一層材料上增加附加犧牲腔體層以在所述第一腔體的表面上提供無接縫層，最小化或消除凹坑。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括通過在所述布線層的布線之間提供預(yù)定的間隔以及基于所述布線之間的所述間隔而平坦化所述絕緣體層達到預(yù)定的時段，最小化或消除凹坑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中為以下之一 所述間隔為O. 5 μ m并且高度為O. 25微米，以及執(zhí)行所述絕緣體層的化學(xué)機械拋光(CMP)達到第一預(yù)定時段，以提供第一凹坑深度； 所述間隔為O. 8 μ m并且高度為O. 25微米，以及執(zhí)行所述絕緣體層的化學(xué)機械拋光達到第二預(yù)定時段，以提供所述第一凹坑深度；以及 所述間隔為5. 5 μ m并且高度為O. 25微米，以及執(zhí)行所述絕緣體層的化學(xué)機械拋光達到第三預(yù)定時段，以提供第二凹坑深度，所述第二凹坑深度大于所述第一凹坑深度。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述反向鑲嵌回蝕刻工藝包括形成與所述第一犧牲腔體層交疊的抗蝕劑邊緣，以在所述第一犧牲腔體層上方形成開口。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括去除所述開口上方的絕緣體以形成畫框。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括在所述布線層上方形成氧化物膜。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括在所述布線層的上拐角處將所述氧化物膜錐形化。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，還包括 在平坦化的第一犧牲腔體層上沉積絕緣體材料； 在所述絕緣體材料上方形成電極； 在所述電極和所述絕緣體材料的暴露部分上方形成第二絕緣體材料； 在所述第二絕緣體層上方以及在通孔內(nèi)形成第二電極，以接觸所述電極；在所述絕緣體材料中形成溝槽，以暴露所述平坦化的第一犧牲腔體層的部分； 在所述第二電極上方形成第二犧牲腔體層，并且所述第二犧牲腔體層通過所述溝槽與所述平坦化的第一犧牲腔體層接觸； 在所述第二犧牲腔體層上形成頂蓋； 在所述頂蓋中形成開口，以暴露所述第二犧牲腔體層的表面；以及 排放所述平坦化的第一犧牲腔體層和所述第二犧牲腔體層，以形成平面表面腔體和第二腔體。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中將所述第一犧牲層放置在所述第二電極下方并且在所述布線層上方。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述第二犧牲腔體層被平坦化，以形成所述第二腔體的平面表面，其包括反向掩?；匚g刻以及之后的化學(xué)機械拋光。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括將所述第二腔體和所述第一腔體的拐角的至少之一倒角。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述倒角為45度拐角角度。
19.一種方法,包括 選擇下布線層上的布線之間的布線間隔； 在襯底上形成具有選擇的布線間隔的布線； 在所述布線上形成犧牲硅層； 在所述犧牲硅層上形成絕緣體層； 執(zhí)行反向鑲嵌工藝，使得所述絕緣體層的邊緣與所述犧牲硅層交疊； 基于所述選擇的布線間隔而選擇平坦化所述絕緣體層和所述犧牲硅層的蝕刻速率；基于選擇的蝕刻速率而平坦化所述絕緣體層和所述犧牲硅層，從而最小化在所述犧牲硅層上形成的凹坑以及形成平坦化的犧牲硅層； 在平坦化的絕緣體層和犧牲硅層上形成附加層，包括電極和通過通孔接觸平坦化的硅層的第二犧牲娃層； 在所述附加層之一中提供排放孔，以暴露所述第二犧牲硅層；以及 排放所述犧牲硅層和所述第二犧牲硅層，以至少形成下平面腔體和上腔體。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括在所述上腔體和所述下腔體內(nèi)形成倒角。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括關(guān)于所述第二犧牲硅層，執(zhí)行反向鑲嵌工藝，以形成所述上腔體的平面表面。
22.—種減少娃層中的凹坑的方法,所述娃層用于微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),所述方法包括 確定形成在所述硅層上的布線之間的間隔，以及 蝕刻氧化物層達到預(yù)定量，以最小化所述硅層的可變性。
23.一種在計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)中用于產(chǎn)生微機電系統(tǒng)的功能設(shè)計模型的方法，所述方法包括 產(chǎn)生在下布線層和襯底上方的犧牲腔體層的功能表示，所述下布線層在相鄰的布線之間具有選擇的間隔； 產(chǎn)生在所述犧牲腔體層上方的絕緣體層的功能表示； 產(chǎn)生采用在所述絕緣體層上方形成的抗蝕劑的反向鑲嵌工藝的功能表示；以及產(chǎn)生平坦化工藝的功能表示，所述平坦化工藝用于平坦化所述絕緣體層和所述犧牲腔體層，以形成所述微機電系統(tǒng)的下腔體的平面表面。
24.—種平面微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),包括 下腔體，具有平面上表面； 上腔體，具有平面上表面； 通孔，將所述上腔體連接至所述下腔體； 電極，形成在所述上腔體中，所述電極用作所述微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的梁；以及 固定布線，形成在所述梁下方的所述下腔體中。
全文摘要
一種形成至少一個微機電系統(tǒng)(MEMS)腔體(60b)的方法包括在布線層(14)和襯底(10)上方形成第一犧牲腔體層(18)。該方法還包括在第一犧牲腔體層上方形成絕緣體層(40)。該方法還包括在絕緣體層上執(zhí)行反向鑲嵌回蝕刻工藝。該方法還包括平坦化絕緣體層和第一犧牲腔體層。該方法還包括將第一犧牲腔體層排放或剝離為MEMS的第一腔體(60b)的平面表面。
文檔編號H01H59/00GK102906010SQ201180025550
公開日2013年1月30日 申請日期2011年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者R.T.赫林, C.V.揚斯, A.K.斯坦珀, E.J.懷特 申請人:國際商業(yè)機器公司