专利名称：平面腔体微机电系统及相关结构、制造和设计结构的方法
技术领域：
本发明涉及半导体结构及制造方法，特别是涉及平面腔体微机电系统(MEMS)结构、制造和设计结构的方法。
背景技术：
集成电路中所用的集成电路开关可以由固态结构(例如，晶体管)或者无源导线 (MEMS)形成。典型地采用MEMS开关，是因为它们几乎是理想的绝缘，这是无线通讯应用的关键需求，其中它们用于功率放大器(PA)的模式转换，还因为它们在IOGHz以及更高频率上的低插入损耗(即阻抗)。MEMS开关可用于多种应用、初始模拟和混合信号应用。一个这样的示例是移动电话芯片，其包含功率放大器(PA)和用于每个广播模式调整的电路。芯片上的集成开关将PA连接到适当的电路，从而不需要每个模式有一个PA。取决于特定的应用和工程标准，MEMS结构可具有许多不同的形式。例如，MEMS可以悬臂梁结构的形式实现。在悬臂结构中，通过施加驱动电压(actuation voltage)将悬臂(一端固定的悬置电极)拉向固定电极。通过静电力将悬置电极拉向固定电极所需的电压称为推向电压(pull-in voltage)，其取决于几个参数，包括悬置电极的长度、悬置电极和固定电极之间的间隔或间隙以及悬置电极的弹性常数，这是材料及其厚度的函数。作为选择，MEMS梁可为桥式结构，其中两端固定。MEMS可采用大量不同工具以很多方式制造。虽然一般而言，采用这些方法和工具来形成尺寸在微米级的小结构，开关尺寸约为5微米厚、100微米宽及200微米长。此外，用于制造MEMS的很多方法、即技术，是选自集成电路(IC)技术。例如，几乎所有的MEMS都构建在晶片上，并且实现在晶片之上通过光刻工艺图案化的材料薄膜中。特别是，MEMS的制造采用三个基本的构建阶段(building block) :(i)在衬底上沉积材料薄膜，(ii)通过光刻成像在上述膜的之上施加图案化的掩模，以及(iii)相对于掩模，选择性地蚀刻上述膜。例如，在MEMS悬臂式开关中，固定电极和悬置电极典型地采用一系列传统的光亥IJ、蚀刻和沉积工艺制造。在一个示例中，在形成悬置电极后，一层牺牲材料(例如由 Microchem, Inc.制造的旋涂聚合物PMGI)沉积在MEMS结构下面以形成腔体以及沉积在 MEMS结构上面以形成腔体。MEMS上面的腔体用于支持盖帽的形成，例如SiN圆顶，以密封 MEMS结构。然而，这造成几个缺点。例如，已知用诸如PMGI的旋涂聚合物形成的MEMS腔体是非平面的。然而，非平面的MEMS腔体引起一些问题，包括例如聚焦光刻深度的变化性以及因电介质破裂引起的封装可靠性。另外，用旋涂聚合物形成的MEMS腔体需要低温下处理，以避免回流或者损坏聚合物；并且聚合物可能在排出后在腔体中留下有机(即含碳)残留物。从而，在技术上存在克服上述缺陷和限制的需要。
发明内容
在本发明的第一方面中，一种形成至少一个微机电系统(MEMS)的方法包括图案化布线层以形成至少一个固定板以及在该布线层上形成牺牲材料。该方法还包括在该至少一个固定板和下方衬底的暴露部分上形成一个或多个膜的绝缘体层，以防止在该布线层和该牺牲材料之间形成反应产物。该方法还包括在该至少一个固定板上形成可移动的至少一个MEMS梁；该方法还包括排出或剥去该牺牲材料以形成至少第一腔体。 在本发明的另一个方面中，一种形成至少一个微机电系统(MEMS)的方法包括图案化包含铝的布线层以在衬底上形成至少一个固定板。该方法还包括在该至少一个固定板上沉积电介质层以在该至少一个固定板上形成锥形外形。该方法还包括在该电介质层的顶部上以及该至少一个固定板上沉积牺牲硅层。在该牺牲硅层沉积期间该电介质层阻挡铝和该牺牲硅层的反应、合金化或相互扩散。该方法还包括在该至少一个固定板的上形成至少一个MEMS梁。该方法还包括排出或剥去该牺牲硅层以形成至少第一腔体。在本发明的另一个方面中，一种结构包括具有至少一个固定板的下腔室。该结构还包括覆盖该至少一个固定板的绝缘体层。该绝缘体层包括锥形拐角，其构造为防止与牺牲材料沉积形成硅化铝。该结构还包括在该至少一个固定板上的可移动的上MEMS梁。在本发明的另一个方面中，提供一种设计结构，可确实地实施在可机读存储介质中用于设计、制造或测试集成电路。该设计结构包括本发明的结构。在进一步的实施例中， 可机读数据存储介质上编码的硬件描述语言(HDL)设计结构包括在计算机辅助设计系统中处理时产生MEMS的机械可执行表示的元件，其包括本发明的结构。在进一步的实施例中，提供计算机辅助设计系统中的方法，用于产生MEMS的功能设计模型。该方法包括产生 MEMS的结构元件的功能表示。在特定的方面中，在计算机辅助设计系统中产生MEMS功能设计模块的方法，包括产生形成至少一个固定板的布线层的功能表示；产生绝缘体层位于该至少一个固定板和下方衬底的暴露部分上以在后续牺牲材料沉积步骤期间防止形成硅化铝的功能表示；产生该至少一个固定板上的至少一个上MEMS梁的功能表示；以及产生排出或剥去该牺牲材料以形成至少下腔的功能表示。产生绝缘体层位于该至少一个固定板上的功能表示包括保形氧化阻挡层包括Al2O3和Ta2O5至少其中之一的功能表示。
在以下详细说明中，借助于本发明示范性实施例的非限定示例，参考所附的多个附图描述本发明。图1-23和26-33示出了根据本发明的各种结构和相关处理步骤；图24a_24f示出了采用根据本发明的方面所示的工艺制造的MEMS装置的顶部结构图；图25示出了几个形貌图(即原子力显微镜数据)，示出了硅凹坑(divot)深度对氧化物抛光的数据；图34是半导体设计、制造和/或试验中所用设计程序的流程图；以及图35a示出了根据本发明的方面因引入形貌学而减小或消除沉积硅中的氧化物接缝的结构和工艺(与示出氧化物接缝的图35b相比)。
具体实施方式
本发明涉及半导体结构和制造方法，特别是涉及平面腔体(例如，平坦或平面的表面)微机电系统(MEMS)结构、制造和设计机构的方法。有利地，形成结构的方法降低了 MEMS结构上的总应力，以及降低MEMS装置的材料变化性。在多个实施例中，形成平面(例如，平坦或平面的表面)MEMS装置的结构和方法采用牺牲层来形成与MEMS梁相邻的腔体。 在另外的实施例中，采用反向镶嵌工艺形成两极MEMS腔体，以形成平面(例如，平坦或平面的表面)结构。除其它装置之外，本发明的MEMS结构例如可用作单或双导线梁接触开关、 双导线梁电容器开关或者单双导线梁气隙感应器。图1示出了根据本发明的方面的起始结构和相关的处理步骤。接下来的几个段落中公开的结构是MEMS电容器开关，虽然所述方法和结构也可应用于其它的MEMS开关，例如不采用MEMS电容器电介质的欧姆接触开关；MEMS加速计；等等。该结构例如包括衬底10。 在实施例中，衬底10可以是装置的任何一层。在实施例中，衬底10是硅晶片，涂有二氧化硅或者本领域的技术人员已知的其它绝缘材料。在衬底10内配备有互连12。互连12例如可以是在传统形成的通孔(via)中形成的钨或铜间柱(stud)。例如，互连12可以采用本领域的技术人员已知用于形成间柱例如镶嵌的任何传统的光刻、蚀刻和沉积工艺形成。互连 12可以接触其它布线级、CMOS晶体管或者其它有源器件、无源器件等，如现有技术所知。在图2中，布线层形成在衬底10上，以采用传统的沉积和图案化工艺形成多个导线14。例如，布线层可以沉积在衬底上达到约0.05至4微米的深度；然而其它的尺寸也被本发明所预期。在实施例中，布线层14沉积达到0.25微米的深度。然后，图案化布线层以形成导线(下电极)14，导线14之间具有导线间隔(间隙)14a。在实施例中，导线间隔高宽比(aspect ratio)是由导线14的高度对导线间隔14a的比率决定，可能影响材料的变化性(例如，形貌)，如参考图25更加详细论述的。例如，1 20的低高宽比可以由50nm 高的导线14与IOOOnm的间隔14a形成；并且1 1的高高宽比可以由500nm高的导线与 500nm的间隔形成。这些高宽比值仅为参考，且如这里所论述，牺牲膜18 (图3)的保形性决定了需要怎样的导线间隔高宽比。 至少一个导线14与互连12接触(直接电接触)。在实施例中，导线14可以由铝或铝合金形成，例如AlCiuAlSi或AlCuSi ；然而，其它的布线材料也被本发明所预期。除其它的布线材料之外，例如，导线14可以是诸如Ti、TiN、TiN, Ta、TaN和W的难熔金属或AlCu。 在实施例中，导线14可以掺杂有Si，例如1%，以防止诸如Al的金属与诸如硅的上腔体层材料反应。在实施例中，导线的铝部分可以掺杂有Cu，例如0. 5%,以增加导线的抗电迁移性。在实施例中，导线可以由纯难熔金属形成，例如TiN、W、Ta等。导线14的表面形貌是由原子表面粗糙度以及存在的金属小丘决定。金属小丘为金属中的突起，典型地约为IOnm-IOOOnm宽和IOnm-IOOOnm高。对于上下覆有TiN的铝布线，例如下面覆有10/20nm Ti/TiN且上面覆有30nm的TiN的200nm AlCu，典型的金属小丘可以是50nm宽和IOOnm高。对于MEMS电容器，其中导线14涂有电介质，并且用作下电容器板，小丘的存在或者原子表面粗糙度的高值降低了电容密度，因为由MEMS梁形成的上电容器板不能紧密接触由导线14形成的下电容器板。
表面粗糙度可以采用原子力显微镜(AFM)或者光学轮廓仪(optical profiler) 来测量，并且存在几种已知的方法可用于测量和量化小丘的宽度和高度。在实施例中，通过采用典型范围为1至10，000平方微米的导线区域的AFM测量最小到最大高度，并且通过计算带有或不带有小丘的区域中均方根(RMS)粗糙度来测量表面粗糙度，将小丘量化。在一个实施例中，表面粗糙度为没有可见小丘的2 μ m2面积的RMS粗糙度。表1总结了采用AFM测量的各种导线材料的金属小丘和表面粗糙度数据。均方根 (RMS)粗糙度是在没有可见金属小丘的区域中在约2 μ m2面积内测量的。最大峰-谷小丘值是在约10，000 μ m2面积内测量的。纯难熔金属导线方案至今具有最低的粗糙度和小丘， 但是具有最高的阻抗。带AlCu的导线与纯难熔金属导线相比具有较低的阻抗，但是具有更高的粗糙度和小丘。在图案化之前或之后，在AlCu的下面和上面增加足够的Ti并且使晶片在350°C至450°C退火足够时间以形成TiAl3硅化物，即在400°C退火一小时，显著地减小小丘最小到最大高度，同时略微增加RMS表面粗糙度，这是因为减小了铝的体积。在示范性实施例中，导线14在图案化后被退火，并且被蚀刻，以减少TiAl3引起的金属蚀刻问题。AlCu 的下面和上面较薄的Ti，例如5nm，在小丘 的减小上作用最小或者没有作用；然而，IOnm和 15nm的Ti显著地减小小丘且效果等同。当Ti与铝反应而形成TiAl3时，铝(例如，AlCu) 的厚度以大约3 1的方式减少；即每IOnm的Ti，消耗30nm的铝而形成11々13;并且在导线中总是留下一些没有反应的AlCu，Ti AlCu厚度比需要小于1 3，其中Ti厚度包括 AlCu下面和上面的层。这意味着，为了优化小丘的减少和导线阻抗，考虑Ti和AlCu关于沉积厚度的变化性，如此沉积的Ti厚度范围应当为大于如此沉积的AlCu厚度的5%而小于如此沉积的AlCu厚度的25%。表 权利要求
1.一种形成至少一个微机电系统的方法，包括图案化布线层以形成至少一个固定板；在该布线层上形成牺牲材料；在该至少一个固定板上以及下方衬底的暴露部分上，形成一个或多个膜的绝缘体层， 以防止在该布线层和该牺牲材料之间形成反应产物；在该至少一个固定板上形成可移动的至少一个微机电系统梁；以及排出或剥去该牺牲材料以形成至少第一腔体。
2.如权利要求1所述的方法，其中该反应产物是硅化铝。
3.如权利要求1所述的方法，其中该至少一个固定板上的该绝缘体层用于阻挡该至少一个固定板的材料和该牺牲材料反应、合金化或者相互扩散。
4.如权利要求3所述的方法，其中该牺牲材料是硅，该至少一个固定板包含铝，并且该绝缘体层提供该至少一个固定板的铝的覆盖。
5.如权利要求1所述的方法，其中该布线层以一层或多层形成，从而相对于该一层或多层的最顶层形成底切，并且该绝缘体层采用保形沉积工艺形成，以在该布线层的顶表面、 侧表面和底表面提供接近均勻的绝缘体厚度。
6.如权利要求5所述的方法，其中该一层或多层包括在上TiN/TiAl3层之下的AlCu。
7.如权利要求1所述的方法，其中该绝缘体层以正锥形外形形成。
8.如权利要求7所述的方法，其中该绝缘体层采用高密度等离子体化学气相沉积工艺形成。
9.如权利要求1所述的方法，其中该一个或多个膜的绝缘体层通过具有至少一个蚀刻工艺的沉积工艺、蚀刻工艺和沉积工艺形成。
10.如权利要求1所述的方法，还包括在该至少一个固定板的拐角上使该绝缘体层锥形化，以减少或消除空隙。
11.如权利要求1所述的方法，其中该绝缘体层保形地沉积在该布线层上。
12.如权利要求1所述的方法，其中该绝缘体层是通过等离子体增强化学气相沉积、亚常压化学气相沉积、常压化学气相沉积、高密度等离子体化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积或低压化学气相沉积中的一种或多种沉积的氧化物。
13.如权利要求1所述的方法，其中该绝缘体层是保形阻挡物，包括Al2O3Ja2O5或者二者的组合。
14.如权利要求1所述的方法，其中该绝缘体层包括原子层沉积氧化铝和随后的高密度等离子体化学气相沉积氧化物。
15.如权利要求14所述的方法，其中跟随该高密度等离子体化学气相沉积氧化物之后是等离子体增强化学气相沉积氧化物。
16.如权利要求1所述的方法，其中该绝缘体层包括高密度等离子体化学气相沉积氧化物和随后的原子层沉积氧化铝。
17.如权利要求1所述的方法，其中该绝缘体层包括快速沉积SiO2和慢速沉积氧化铝的组合。
18.如权利要求1所述的方法，其中该绝缘体层在与铝布线兼容的温度下沉积。
19.如权利要求1所述的方法，其中该绝缘体层形成微机电系统电容器电介质的部分或全部。
20.一种形成至少一个微机电系统的方法，包括图案化包含铝的布线层，以在衬底上形成至少一个固定板； 在该至少一个固定板上沉积该至少一个固定板上方的电介质层； 在该电介质层的顶部上以及该至少一个固定板上沉积牺牲硅层，其中在该牺牲硅层沉积期间该电介质层阻挡铝和该牺牲硅层的反应、合金化或相互扩散； 在该至少一个固定板上形成至少一个微机电系统梁；以及排出或剥去该牺牲硅层以形成至少第一腔体。
21.如权利要求20所述的方法，其中该电介质层保形地覆盖该至少一个固定板。
22.如权利要求20所述的方法，其中该电介质层在该至少一个固定板的侧壁上提供铝的覆盖。
23.如权利要求22所述的方法，其中该电介质层包括在该至少一个固定板上的锥形边缘。
24.如权利要求20所述的方法，其中该电介质层的沉积包括等离子体增强化学气相沉积、亚常压化学气相沉积、常压化学气相沉积、高密度等离子体化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积或低压化学气相沉积中的一种或多种。
25.如权利要求20所述的方法，其中该电介质层是保形阻挡物，包括A1203、Ta2O5或二者的组合。
26.如权利要求20所述的方法，其中该电介质层包括以下之一原子层沉积氧化铝和随后的高密度等离子体化学气相沉积氧化物以及高密度等离子体化学气相沉积氧化物和随后的原子层沉积氧化铝。
27.如权利要求26所述的方法，其中跟随高密度等离子体化学气相沉积氧化物之后是等离子体增强化学气相沉积氧化物。
28.—种结构，包括具有至少一个固定板的下腔室；绝缘体层，覆盖该至少一个固定板，该绝缘体层构造为防止与牺牲材料沉积形成硅化铝；以及该至少一个固定板上的可移动的至少一个上微机电系统梁。
29.一种在计算机辅助设计系统中产生微机电系统功能设计模型的方法，该方法包括产生形成至少一个固定板的布线层的功能表示；产生绝缘体层位于该至少一个固定板上以及下方衬底的暴露部分上以在后续牺牲材料沉积步骤期间防止形成硅化铝的功能表示；产生该至少一个固定板上的至少一个上微机电系统梁的功能表示；以及产生排出或剥去该牺牲材料以形成至少下腔体的功能表示，其中，产生绝缘体层位于该至少一个固定板上的功能表示包括保形氧化阻挡层包括 Al2O3和Ta2O5至少之一的功能表示。
全文摘要
本发明公开一种平面腔体微机电系统及相关结构、制造和设计结构的方法。一种形成至少一个微机电系统(MEMS)的方法包括图案化布线层以形成至少一个固定板，以及在该布线层上形成牺牲材料。该方法还包括在至少一个固定板上和下方衬底的暴露部分上形成一个或多个膜的绝缘层以防止形成该布线层和牺牲材料之间的反应产物。该方法还包括在至少一个固定板上形成可移动的至少一个MEMS梁。该方法还包括排出或剥去该牺牲材料以形成至少第一腔体。
文档编号B81C99/00GK102295265SQ20111017458
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月24日 优先权日2010年6月25日
发明者安东尼.K.斯坦珀, 约翰.G.通布利 申请人:国际商业机器公司