专利名称：通过采用分割层悬臂沉积方案来制造基于mems的悬臂式开关的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式一般而言涉及一种用于在生产线(BEOL)系统的铝或铜后段工序或者具有金属互连系统的任何半导体工序之内形成基于微机电系统(MEMS)的悬臂式开关的方法。
背景技术：
对于MEMS悬臂式开关来说，需要严格控制通过梁的梯度应力以防止在释放时严重弯曲。梁弯曲是当梁在与电极接触之前不会回到所述梁的正常位置的时候。梁保持靠近电极，因此使梁移动到与电极相接触所必需的功率会发生改变。当梁弯曲加剧时，开关可能无法根据所述开关的设计参数而操作。例如，当梁弯曲加剧时，梁保持更靠近接触电极。因此，要将梁拉到与电极相接触所需的功率量会降低。因此，可能会无意中使开关或者梁与接触电极相接触。另外，因为梁具有曲率，因此开关不能以可预见的方式进行操作。在不知道曲率以及要将梁拉到与接触电极相接触所需的功率的情况下，开关的控制是不稳定的。梁的曲率可迫使开关相对于正常位置(即理想情况)向上或向下移动。因此，使设备相对于正常位置而言移动离开最初开始位置所需的电压会发生变化。当由于相对于材料的自然柱状晶粒结构而言压应力的作用增大而使梁厚度降低到小于200nm时，曲率规格变得很重要。由于薄膜在晶片表面上形成晶核并且成长的方式， 使用诸如TiN等耐火材料形成这些非常薄的悬臂梁会在沉积膜中呈现出相当大的梯度应力。为了对所述梯度应力进行紧密控制，需要严格的沉积控制参数。因此，需要克服梯度应力的MEMS悬臂式开关以及所述MEMS悬臂式开关的制造方法。
发明内容
这里所讨论的实施方式一般而言公开了可用于克服在用于薄膜MEMS悬臂式开关的耐火材料中形成的梯度应力的新颖替代方法。使用这里所述的“分割层”悬臂制造方法使得能够制造薄膜MEMS悬臂式开关，在保持最终制造的悬臂式开关的着落部分的机械刚性的同时，获得低操作电压设备。在一个实施方式中，一种微机电设备制造方法包括在衬底上沉积第一导电层，并且对第一导电层构图，以暴露出衬底的一或更多个部分并且形成第一电触点和接触电极。 所述方法还可包括在第一电触点、接触电极，以及衬底的一或更多个暴露部分上沉积第一牺牲层。可对第一牺牲层构图以暴露出第一电触点。可在第一牺牲层上并且与第一电触点相接触地沉积第二导电层。可对绝缘层构图以暴露出第二导电层的部分，以使得绝缘层的剩余部分与第二导电层接触第一电触点的位置横向间隔开。所述方法还可包括在第二导电层以及绝缘层的剩余部分上沉积加强层，并且对加强层和第二导电层构图以暴露出绝缘层的剩余部分并且形成梁结构。所述方法还可包括除去绝缘层的至少一些剩余部分并且除去
第一牺牲层。在另一实施方式中，一种微机电设备制造方法包括在衬底上沉积第一导电层，并且对第一导电层构图，以暴露出衬底的一或更多个部分并且形成第一电触点和接触电极。 所述方法还可包括在第一电触点、接触电极，以及衬底的一或更多个暴露部分上沉积第一牺牲层，并且对第一牺牲层构图以暴露出第一电触点。所述方法还可包括在第一牺牲层上并且与第一电触点相接触地沉积第二导电层，并且对第二导电层构图以形成梁结构。所述方法还可包括在梁结构上沉积加强层，并且对加强层构图以暴露出与梁结构的一部分，所述部分与梁结构接触第一电触点的位置横向间隔开。所述方法还可包括除去第一牺牲层。在另一实施方式中，一种微机电设备制造方法包括在衬底上沉积第一导电层，并且对第一导电层构图，以暴露出衬底的一或更多个部分并且形成第一电触点和接触电极。 所述方法还可包括在第一电触点、接触电极，以及衬底的一或更多个暴露部分上沉积第一牺牲层，并且对第一牺牲层构图以暴露出第一电触点。所述方法还可包括在第一牺牲层上且与第一电触点相接触地沉积第二导电层，并且对第二导电层构图，以暴露出第一牺牲层， 并且形成第一梁部分以及第二梁部分，所述第一梁部分与第一电触点相接触，所述第二梁部分与第一梁部分相分离且相间隔，第二梁部分位于接触电极上。所述方法还可包括在第一梁部分、第二梁部分，以及暴露的第一牺牲层上沉积加强层，并且对加强层构图以形成构图后的加强层，所述构图后的加强层与第一梁部分和第二梁部分相接触，并且横跨第一梁部分与第二梁部分之间的距离。所述方法还可包括除去第一牺牲层。在另一实施方式中，一种微机电设备制造方法包括在衬底上沉积第一导电层，并且对第一导电层构图，以暴露出衬底的一或更多个部分并且形成第一电触点和接触电极。 所述方法还可包括在第一电触点、接触电极，以及衬底的一或更多个暴露部分上沉积第一牺牲层，并且对第一牺牲层构图以暴露出第一电触点。所述方法还可包括在第一牺牲层上且与第一电触点相接触地沉积第二导电层，并且对第二导电层构图以形成梁结构。所述方法还可包括在梁结构上沉积第二牺牲层，并且对第二牺牲层构图以形成数个间隔结构，所述数个间隔结构与梁结构接触第一电触点的位置横向间隔开。所述方法还可包括在梁结构和数个间隔结构上沉积加强层，并且对加强层构图以暴露出梁结构的一部分，所述部分与梁结构接触第一电触点的位置横向间隔开，且所述部分与数个间隔结构横向间隔开。所述方法还可包括除去间隔结构以使得构图后的加强层的至少一部分与梁结构纵向间隔开，以及除去第一牺牲层。在另一实施方式中，公开了一种微机电设备。所述设备可包括第一电触点，所述第一电触点位于衬底上；以及接触电极，所述接触电极位于衬底上，且所述接触电极与第一电触点横向间隔开。所述设备还可包括导电梁结构，所述导电梁结构具有锚部分、腿部分，以及板部分，所述锚部分与第一电触点相接触，所述板部分与接触电极纵向间隔开。所述设备还可包括第一加强元件，所述第一加强元件与锚部分相连接。所述设备还可包括第二加强元件，所述第二加强元件与板部分相连接且所述第二加强元件与第一加强元件横向间隔开，以使得在腿部分上方，在第一加强元件与第二加强元件之间存在间隙。在另一实施方式中，公开了一种微机电设备。所述设备可包括第一电触点，所述第一电触点位于衬底上；以及接触电极，所述接触电极位于衬底上且所述接触电极与第一电触点横向间隔开。所述设备还可包括导电锚元件以及导电板元件，所述导电锚元件与第一电触点相接触，所述导电板元件与接触电极纵向间隔开且所述导电板元件与锚元件横向间隔开。所述设备还可包括加强元件，所述加强元件与锚元件和板元件相连接，且所述加强元件横跨锚元件与板元件之间的距离。在另一实施方式中，公开了一种微机电设备。所述设备可包括锚部分、腿部分，以及板部分，所述锚部分具有第一刚性，所述腿部分与锚部分相连接且所述腿部分具有第二刚性，所述第二刚性小于第一刚性，所述板部分与腿部分相连接且所述板部分具有第三刚性，所述第三刚性大于第二刚性。所述设备还可包括一或更多个层，所述一或更多个层横跨板部分、腿部分，以及锚部分，以将板部分、腿部分，以及锚部分连接在一起。
因此，为了能够详细理解实现本发明上述特征的方式，可参考实施方式对上面简要概述的本发明进行更具体地描述，在附图中对其中一些实施方式进行了说明。然而，应该注意的是附图仅是对本发明的典型实施方式进行说明，因此不应认为是对本发明的范围做出限制，因为本发明允许包含其他同样有效的实施方式。图1A-1F是根据一个实施方式的在各个制造阶段的悬臂式结构的示意性横断面视图。图2A-2D是根据另一实施方式的在各个制造阶段的悬臂式结构的示意性横断面视图。图3A-3D是根据另一实施方式的在各个制造阶段的悬臂式结构的示意性横断面视图。图4A-4F是根据另一实施方式的在各个制造阶段的悬臂式结构的示意性横断面视图。为了便于理解，在可能的情况下，使用相同参考数字以表示为附图所共用的相同元件。可以想到的是，在没有特别叙述的情况下，在一个实施方式中所公开的单元可有利地用在其他实施方式。
具体实施例方式这里所讨论的实施方式一般而言公开了用于克服在用于薄膜MEMS悬臂式开关的耐火材料中形成的梯度应力的新颖替代方法。使用这里所述的“分割层”悬臂制造方法使得能够制造薄膜MEMS悬臂式开关，在保持最终制造的悬臂式开关的着落部分的机械刚性的同时，得到低操作电压设备。这里所讨论的实施方式描述了在互补金属氧化物半导体 (CMOS)BEOL中形成MEMS悬臂式开关。所述设备可以形成于所述结构之内的任何一点上。例如，所述设备可形成于CMOS 结构的上方或下方。另外，所述设备可以在叠层内形成，以便可以在所述设备上方提供所述结构的附加层(即不是所述设备)。所述设备可用在金属系统的BEOL处理中。所述设备还可以形成于诸如双极处理、或者双CMOS、或者SiGe、或者GaAS、GaAlAS或其他III/V或11/ VI、或者任何其他前端半导体工艺等任何其他半导体前端技术的生产线的后端工序中。在一个实施方式中，所述设备可形成在玻璃上。
图1A-1F是根据一个实施方式的在各个制造阶段的悬臂式结构的示意性横断面视图。所述实施方式示出了在铝BEOL流程中制造"分割层"悬臂式开关的方法。应该了解的是，所述实施方式可以在具有金属互连系统的任何BEOL流程中制造。在图IA中说明了制造序列中的第一步骤。最初，沉积导电层并对所述导电层构图，以在衬底100上形成电触点102和接触电极104。在一个实施方式中，导电材料可包括金属、金属合金、或者金属化合物。在另一实施方式中，导电材料可包括氮化钛。此后，沉积牺牲层106并对所述牺牲层106构图。仅举几个例子，可以通过诸如等离子增强的化学气相沉积(PECVD)、化学气相沉积(CVD)、旋涂式技术、物理气相沉积(PVD) 等工艺来沉积牺牲层。在一个实施方式中，牺牲层106可包括含硅化合物。在另一实施方式中，牺牲层106可包括二氧化硅。在另一实施方式中，牺牲层160可包括旋涂式玻璃。牺牲层106可包含通孔122以使所述牺牲层160与先前层相连。应该了解的是，所述通孔连接可以来自于上方的层。此后，在牺牲层106上沉积导电层108。在一个实施方式中，导电层108可包括氮化钛。所述层的材料并不局限于氮化钛，也可以由为接触式MEMS设备提供受控电阻率的其他非氧化材料制造。导电层108可以从包括Al、Cu、Ti、TiN、Ta、TaN, Ru、Pt、WN、WNC、或者上述物质的任何组合的材料组中选择出。然而，在电容耦合的MEMS设备的情况下，可以采用下述材料，所述材料在暴露于空气时形成氧化表面。在构图之后，导电层108会形成所谓的“分割层，，悬臂的“薄，，部分。“分割层，，悬臂中的薄层与厚层的厚度比是可调的，以设置设备的操作性能。可通过诸如PVD这样的众所周知的沉积方法来沉积导电层108。在一个实施方式中，通过在导电层108上沉积光致抗蚀剂层、对所述光致抗蚀剂进行曝光、对所述光致抗蚀剂进行显影、除去显影后的(或者未显影的光致抗蚀剂)以形成掩模，并且随后通过掩模使所述导电层暴露于蚀刻气体或液体以除去导电层的不需要部分，对导电层108进行构图。此后，可除去掩模。在一个实施方式中，可使用硬掩模。在一个实施方式中，蚀刻气体或液体可包括氢气、氟、氧气、氟化氢、氯气、盐酸、氮气、氦气、二氟代氙、无水氟化氢、氟基蚀刻气体或液体、氧基蚀刻气体或液体、氢基蚀刻气体或液体，或者上述物质的组合。在另一实施方式中，当对加强材料进行构图时，在随后时刻对导电层108 进行构图。在图IB中对制造序列中的下一步骤进行说明。可在导电层108上沉积另一牺牲层沉积并对所述牺牲层构图。在图IB所示的实施方式中，在对导电层108构图之前沉积牺牲层，但是应该了解的是，可以在沉积牺牲层之前对导电层108构图。可通过对牺牲层进行蚀刻来对绝缘层110构图，而不腐蚀导电层108。在一个实施方式中，牺牲层可以是绝缘材料。可以在第一导电层108的表面上沉积牺牲层，并对所述牺牲层进行构图和蚀刻。在一个实施方式中，牺牲层可包括氮化硅。在另一实施方式中，牺牲层可包括二氧化硅。在另一实施方式中，牺牲层可包括无定形碳。在另一实施方式中，牺牲层可包括旋涂式有机薄膜。 其他可用的牺牲层可包括有机碳、聚酰亚胺碳，以及无定形碳。在一个实施方式中，可通过 PECVD来沉积牺牲层。在一个实施方式中，仅举几个例子，可利用基于氟离子的蚀刻、氢或氧离子蚀刻、湿HF蚀刻、蒸汽HF、或者蒸汽HF蚀刻，来蚀刻牺牲层。牺牲层的厚度需要足以防止在最终的悬臂蚀刻期间在水平和垂直平面中发生尺寸损失。在构图之后，剩余的牺牲层是在最终包括分割层悬臂的腿的导电层108的区域之上的绝缘材料110。无需附加处理步骤，便还可以为悬臂式开关形成绝缘材料112的顶部突起，这种突起用于限制接触区域。剩余的绝缘材料110用于形成悬臂的腿部分。最终将除去绝缘材料110，以便悬臂的腿部分具有预定厚度，并且由此具有预定刚性。通过知道腿部分的刚性，所施加的用于使悬臂移动的电压可以是更可预测的且可重复的。绝缘材料112用于形成突起，所述突起将悬臂的接触区域限制为上部电极。另外，用于在悬臂上提供突起的绝缘材料112会使悬臂在与悬臂上方的电极相接触之前需要移动的距离变小。因此，可以预测上侧面静摩擦，并且可以重复上拉电极(即悬臂上方的电极)的电压。绝缘材料112可以与导电层108接触电触点102的位置横向间隔开。绝缘层110可以与绝缘材料112横向间隔开，并且绝缘层 110可以与导电层108接触电触点102的位置横向间隔开。在图IC中对制造序列中的下一步骤进行说明。在第一导电层108以及在蚀刻之后剩余的剩余绝缘材料110、112上沉积第二导电层114。在一个实施方式中，第二导电层 114可包括氮化钛。第二导电层114将用于形成悬臂式开关的"厚"部分。应该了解的是， 导电材料并不局限于氮化钛。可以使用其他导电材料。在一个实施方式中，可以由绝缘层来替代第二导电层114。可通过诸如PVD等众所周知的沉积技术来沉积第二导电层114。在图ID中对制造序列中的下一步骤进行说明，其中对悬臂式开关进行构图和蚀刻，以形成最终设备。对第二导电层114进行构图和蚀刻，以在电触点102上与所述电触点 102相接触地形成第一加强元件116。对导电层114构图还形成了第二加强元件118，所述第二加强元件118与第一加强元件116横向间隔开，且所述第二加强元件118与电触点102 横向间隔开。第二加强元件118的一些部分位于接触电极104上方。可以按照与上文所论述的为构图第一导电层108执行的蚀刻相似的方式，对第二导电层114进行蚀刻。可以在相同的步骤中，与第二导电层114 一起地对第一导电层108构图。对第二导电层114构图还暴露出绝缘材料110，所述绝缘材料110与电触点102横向间隔开。在第二导电层114的金属蚀刻期间，绝缘材料110用作蚀刻停止层，以在悬臂的"薄"/下部中形成自对准的腿。 在对第二导电层114构图期间，还对第一导电层108构图以形成梁120。第二加强元件118 与第一加强元件116间隔开并且所述第二加强元件118位于接触电极104上方。在一个实施方式中，第一加强元件116具有长度，所述长度比第二加强元件118的长度要小。在另一实施方式中，第一加强元件116与第二加强元件118间隔开距离，所述距离比第一加强元件 116的长度要小。此后，可通过如图IE所示的蚀刻除去绝缘材料110。在一个实施方式中，绝缘材料110暴露于氟基离子，以对绝缘材料110进行蚀刻。虽然未示出，但是应该了解的是，如果期望，还可除去绝缘材料112。图IF示出了最终结构。示出了最终设备的三个关键特征，即锚、薄腿，以及开关板。已除去牺牲层106以释放"分割层"悬臂。可通过等离子体蚀刻除去牺牲层106。应该了解的是，牺牲层106的除去取决于材料。在一个实施方式中，蚀刻气体或者液体可包括氢气、氟、氧气、氟化氢、氯气、盐酸、氮气、氦气、二氟化氙、无水氟化氢、氟基蚀刻气体或液体、氧基蚀刻气体或液体、氢基蚀刻气体或液体，或者上述物质的组合。通过使薄与厚的沉积厚度的比例最佳，可使设备的机电性能最佳化。这样做的关键部分是着落在指定触点与着落在被称为辅助着落部分124的另一部分电极表面之间的电压差。辅助着落是取决于设备的，并且辅助着落可出现在底部电极表面的不同位置。辅助着落部分1 仅是辅助位置的一个示例。应该理解的是，辅助着落部分不局限于所示出的位置。通过对悬臂的腿和板组件的相对刚度进行调节，可将所述电压差增大到辅助着落电压明显大于下方CMOS可提供电压的点。利用对金属的DC磁控溅射沉积，并且在耐火金属用于所示出悬臂的情况下，随着薄膜生长，梯度应力在薄膜中累积。通过用薄且容易弯曲的初始层以例如大于约1 2的薄厚比值形成腿和厚板(slab)，使得在薄的部分中所形成的梯度应力无法支配释放结构的最终诱导曲率得到平面开关板。在表格1中说明了就机械刚性而言的薄/厚效果。随着薄腿与总的板厚度的比值增大，薄腿中的梯度应力的影响显著降低，使得所述梯度应力对于设备的最终机械性能的影响不显著。薄值是悬臂的腿部分的值。厚值是悬臂的板部分的值。总值是薄值与厚值的和。刚性比值是薄值相对于立方总值的比值。例如，对于厚度为 Inm的悬臂的腿部分以及厚度为2nm的悬臂的板部分而言，刚性比值是1 27，这意味着板部分比腿部分要硬27倍。应该了解的是，所述比值本质上是无单位的。另外，刚性会受到悬臂宽度(即附图中向纸张内深入的距离)的影响。
权利要求
1.一种微机电设备制造方法，所述方法包括 在衬底上沉积第一导电层；对所述第一导电层构图，以暴露出所述衬底的一或更多个部分并且形成第一电触点和接触电极；在所述第一电触点、所述接触电极，以及所述衬底的一或更多个暴露部分上沉积第一牺牲层；对所述第一牺牲层构图以暴露出所述第一电触点； 在所述第一牺牲层上方并且与所述第一电触点相接触地沉积第二导电层； 在所述第二导电层上沉积绝缘层；对所述绝缘层构图以暴露出所述第二导电层的部分，以使得所述绝缘层的剩余部分与所述第二导电层接触所述第一电触点的位置横向间隔开；在所述第二导电层以及所述绝缘层的剩余部分上沉积加强层； 对所述加强层和所述第二导电层进行构图以暴露出所述绝缘层的剩余部分； 除去所述绝缘层的至少一些剩余部分；以及除去所述第一牺牲层。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第二导电层包括氮化钛。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述加强层包括氮化钛。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述绝缘层是从由氮化硅、二氧化硅、无定形碳，及上述物质的组合构成的组中选择出来的。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述绝缘层的剩余部分包括第一部分，所述第一部分与所述梁结构接触所述第一电触点的位置横向间隔开；以及第二部分，所述第二部分与所述第一部分横向间隔开，并且所述第二部分与所述梁结构接触所述第一电触点的位置横向间隔开。
6.如权利要求1所述的方法，其中构图后的加强层包括第一加强元件以及第二加强元件，所述第一加强元件位于所述第一电触点上方，第二加强元件与所述第一加强元件间隔开并且第二加强元件位于所述接触电极上方。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述第一加强元件具有长度，所述长度比所述第二加强元件的长度要小。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述第一加强元件与所述第二加强元件间隔开距离，所述距离比所述第一加强元件的长度要小。
9.一种微机电设备，所述设备包括 第一电触点，所述第一电触点位于衬底上；接触电极，所述接触电极位于所述衬底上且所述接触电极与所述第一电触点横向间隔开；导电梁结构，所述导电梁结构具有锚部分、腿部分，以及板部分，所述锚部分与所述第一电触点相接触，所述板部分与所述接触电极纵向间隔开；第一加强元件，所述第一加强元件与所述锚部分相连接，以使得所述锚部分和所述第一加强元件合起来厚于所述腿部分；以及第二加强元件，所述第二加强元件与所述板部分相连接，并且所述第二加强元件与所述第一加强元件横向间隔开，以使得在所述腿部分上方，在所述第一加强元件与所述第二加强元件之间存在间隙，所述第二加强元件和所述板部分合起来厚于所述腿部分。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述导电梁包括氮化钛。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述第一加强元件和所述第二加强元件均包括氮化钛。
12.如权利要求10所述的设备，其中所述第一加强元件包括绝缘材料。
13.如权利要求9所述的设备，其中所述第二加强元件在一或更多个第一位置处与所述板部分纵向间隔开，并且所述第二加强元件在一或更多个第二位置处与所述板部分相接触。
14.如权利要求9所述的设备，其中所述第一加强元件具有长度，所述长度比第二加强元件的长度要小。
15.如权利要求14所述的设备，其中所述第一加强元件与所述第二加强元件间隔开距离，所述距离比所述第一加强元件的长度要小。
16.一种微机电设备，所述设备包括锚部分，所述锚部分具有第一刚性；腿部分，所述腿部分与所述锚部分相连接，并且所述腿部分具有第二刚性，所述第二刚性小于所述第一刚性；以及板部分，所述板部分与所述腿部分相连接，并且所述板部分具有第三刚性，所述第三刚性大于所述第二刚性；以及一或更多个层，所述一或更多个层横跨所述板部分、腿部分，以及锚部分，以将所述板部分、腿部分，以及锚部分连接在一起。
17.如权利要求16所述的设备，其中所述一或更多个层包括氮化钛。
18.如权利要求16所述的设备，其中所述一或更多个层包括绝缘材料。
19.如权利要求16所述的设备，其中所述一或更多个层包括导电材料。
20.如权利要求16所述的设备，其中所述腿部分由所述一或更多个层组成，并且所述腿部分具有厚度，所述厚度比所述板部分的厚度要小。
全文摘要
这里所讨论的实施方式一般来讲公开了可用于克服在用于薄膜MEMS悬臂式开关的耐火材料中形成的梯度应力的新颖替代方法。使用这里所述的“分割层”悬臂制造方法使得能够制造薄膜MEMS悬臂式开关，在保持最终制造的悬臂式开关的着落部分的机械刚性的同时，获得低操作电压设备。
文档编号B81B3/00GK102292279SQ201080005060
公开日2011年12月21日 申请日期2010年1月20日 优先权日2009年1月21日
发明者约瑟夫·达米安·戈登·拉西 申请人:卡文迪什动力有限公司