钨mems结构的制造
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本专利申请请求2014年4月4日提交的题为"钨MEMS结构的制造"的美国临时 专利申请No. 61/975061的优先权，其整体通过引用在此并入本文。
技术领域
[0003] 本发明总体涉及MEMS器件，更具体地涉及钨MEMS结构的制造。
【背景技术】
[0004] 包括诸如惯性传感器（例如，电容性、压电和对流加速度和振动和调谐音叉陀螺 仪）、麦克风、压力传感器、RF器件和光器件（例如，光开关）之类的物体的微机电系统 (MEMS)器件通常包括许多可释放以进行移动的结构。释放结构的示例包括传声器振膜、惯 性传感器防护物和滑梭、以及覆盖传感结构的悬挂密封层。
[0005] MEMS器件通常通过诸如刻蚀至衬底和/或沉积/图案化各种材料之类的显微机械 加工技术而形成在衬底（例如，硅或者绝缘体上硅晶圆）上。将被释放的结构通常形成在 一个或多个"牺牲"层的顶部，"牺牲"层的材料后续被去除以释放该结构。针对MEMS晶圆 制造的典型的牺牲层包括氧化层。通常采用湿法或干法刻蚀工艺来去除氧化层。湿法刻蚀 工艺（例如，缓冲氧化物蚀刻）通常要求释放精心布置的孔，孔之间隔开以允许进行湿法刻 蚀，这对产品设计和工艺加入了特定限制。干法刻蚀工艺（例如，蒸发HF)通常提供了孔的 放置和间隔中的更大的自由度，这继而可导致传感器设计的更大灵活度。
[0006] 发明人已经认识到，十年间，钨相对于一般用作用于制造显微机械加工惯性仪器 的材料的硅具有显著的优势。具体地，如果钨机械结构以与Sherman等人在US专利5417111 中指教的方式类似的方式并入电子设备，则能够做出成本和精度方面的实质改进。通过开 发来自钨的更强的惯性信号，给定性能的成本可通过减小机械结构尺寸或给定尺寸中增强 的精度而降低。
[0007] 其理由在于钨金属的特性。首先，它和硅一样是常温下的脆性材料（即，从非塑性 的意义）。也就是说，其在拉紧至小于破裂的程度时没有呈现永久变形。因此，其形成了具 有稳定几何形状和硬度的移动结构。其次，其具密度是硅的8.3倍。由此，钨结构相对于小 尺寸硅结构相比经受了大约八倍的惯性力，但是预期它们会得到来自诸如环境介质的布朗 运动之类的非惯性源的更近似相同的扰动力（或者可替换地，为了经受相同的惯性力，钨 结构可能大约是硅结构的八分之一，例如，4um厚的钨与33um厚的硅大致具有相同质量）。 因此，预期钨得到极大改进的信噪比（SNR)。第三，钨的杨氏模量比硅大2. 5倍。可从给定 尺寸获取更大的结构硬度，使得其更不易受扰动的影响。第四，我们的测量结果表明钨微结 构的绝对强度可以与硅相比。强度是设计移动结构的关键参数。第五，不同于硅，钨具有导 电氧化物。硅天然地形成了绝缘表面氧化物，表面氧化物随着温度、时间和环境因素的变化 程度，捕获电荷。这使得显微机械加工陀螺仪和加速计零偏压不稳定，通常是惯性仪器精 度的最重要的测量。已经发现，在硅传感器的活性表面覆盖导体能极大地改进其稳定性，如 O'Brien等人在美国专利5205171中指教的那样。虽然它可能像娃一样在表面吸附外来物， 钨没有占主导地位的充电效应。
[0008] 已经意识到在MEMS器件中使用钨，具有一些特定优势，尤其作为硅的替代品。例 如，美国专利No. 7367232和美国公开的专利申请US2011/0005319和US 2011/0096623提 到了钨作为各种MEMS结构的可能材料。然而，仅仅公开钨作为MEMS结构的可能材料，并没 有实际地公开或实现这种钨MEMS结构的可用方式的实施。发明人对钨MEMS结构进行实 验（例如，作为硅结构的替代）并且已经发现，使用传统制造工艺制造具有高的内应力的钨 MEMS结构使得钨MEMS结构易于在释放时蜷曲或弯曲，导致器件不可用或具有差的性能。
【发明内容】
[0009] 在本发明的一个实施例中，一种用于制造 MEMS器件的方法包括：在大约500C以下 的温度利用晶粒生长抑制剂沉积基于钨的材料以在下面的氧化物层上形成至少2微米厚 的低应力的基于钨的材料层，而不首先使得致密化氧化层。该方法还包括刻蚀基于钨的材 料层以形成基于鹤的MEMS结构。
[0010] 在各种替换实施例中，基于钨的MEMS结构可以是可释放的基于钨的可移动体，在 该情况下，所述方法可进一步包括以及去除可释放的基于钨的可移动体下面的氧化物以释 放基于钨的可移动体。
[0011] 在各种替换实施例中，MEMS器件可在沉积基于钨的材料之前就包括电子电路，在 该情况下，沉积基于钨的材料不使得电子电路的温度上升至大约450C。
[0012] 在各种替换实施例中，沉积基于钨的材料层可包括在掺杂有诸如硼或稀土金属之 类的晶粒生长抑制剂的对象上沉积基于钨的材料。可替换地，沉积基于钨的材料层可包括 交替地（1)沉积基于钨的材料层以及（2)引入诸如硼或稀土金属之类的晶粒生长抑制剂以 防止垂直晶粒生长至后续沉积的基于钨的材料层。
[0013] 在其它替换实施例中，刻蚀基于钨的材料层可包括：
[0014] 利用基本上是从六氟化硫（SF6)气体产生的氟的蚀刻剂刻蚀基于钨的材料层，而 且使得从三氟甲烷产生的聚四氟乙烯类聚合物的层钝化以形成精确的强各向异性刻蚀。在 利用氧等离子体进行刻蚀之后可去除残留的保护性聚合物。沉积基于钨的材料可包括：在 沉积基于钨的材料期间控制氧水平。刻蚀基于钨的材料层以形成至少一个可释放的基于钨 的可移动体还可包括：刻蚀基于钨的材料层以形成与可移动体邻接的至少一个电极。
[0015] 所述方法可进一步包括：在沉积基于钨的材料之前，形成通过氧化层到达下面的 衬底的至少一个基于钨的锚，以形成低应力的基于钨的材料层，其中MEMS结构被至少一个 基于钨的锚而锚定至下面的衬底。在具体实施例中，至少一个基于钨的锚可以是包括小的 基于钨的锚的矩阵的合成锚，每个小的基于钨的锚的直径大约为1微米，在该情况下形成 小的基于钨的锚的矩阵可包括：图案化氧化层以形成图案化的氧化物层，图案化的氧化物 层包括通过氧化层到达下面的衬底的直径大约为1微米的小孔的矩阵；以及利用基于钨的 塞子填充孔以形成小的基于钨的锚的矩阵。可替换地，至少一个基于钨的锚可以是大的基 于钨的锚，在该情况下形成大的基于钨的锚包括：通过利用多个刻蚀步骤在氧化层中刻蚀 腔体来图案化氧化层，多个刻蚀步骤逐渐地增大腔体的宽度和深度以使得腔体延伸通过氧 化层至下面的衬底并且基本上在顶部宽于底部；以及利用基于钨的材料均匀地填充腔体以 形成大的基于钨的锚。下面的衬底可以是MEMS器件的平板结构，在该情况下至少一个基于 钨的锚基本上由纯钨形成，而且平板结构由钛-钨形成。在任意情况下，至少一个基于钨的 锚可被均匀填充而没有空隙或裂缝。至少一个基于钨的锚和基于钨的材料层可由相同基于 钨的材料形成。
[0016] 在本发明的另一实施例中，MEMS器件包括：通过如下处理形成的至少2微米厚的 低应力的基于钨的MEMS结构：在不首先使得氧化层致密化的情况下，在大约500C以下的温 度利用晶粒生长抑制剂沉积基于钨的材料，以在下层的氧化物层上形成至少2微米厚的低 应力的基于鹤的材料层；以及刻蚀基于鹤的材料层以形成基于鹤的MEMS结构。
[0017] 在各种替换实施例中，MEMS结构可被从MEMS结构延伸通过氧化层至下面的衬底 的至少一个基于钨的锚锚定至下面的衬底。在具体实施例中，至少一个基于钨的锚可以是 包括小的基于钨的锚的矩阵的合成销，每个小的基于钨的锚的直径大约是1微米。在替换 实施例中，至少一个基于钨的锚可包括大的基于钨的锚，其基本上在顶部宽于底部。下面的 衬底可以是MEMS器件的平板结构，在该情况下至少一个基于钨的锚基本上由纯钨形成，而 且平板结构由钛-钨形成。至少一个基于钨的锚和低应力的基于钨的MEMS结构可由相同 基于钨的材料形成
[0018] 可能公开并请求保护其它实施例。
【附图说明】
[0019] 通过参考下述详细说明并参考附图，实施例的前述特征将变得更容易理解，其 中：
[0020] 图1-12描绘了根据一个示例性实施例的利用基于钨的MEMS结构和电互连来基本 上替换基于硅的MEMS结构和电互连的示例性制造处理的各种制造处理步骤；
[0021] 图13-18描绘了根据一个示例性实施例的使用基座的各种制造处理；
[0022] 图19描绘了根据一个具体示例性实施例的小的基于钨的锚的矩阵（例如，大约每 个1微米），用于替换单个大的基于钨的锚；
[0023] 图20-23描绘了用于形成用于锚定图19所示的可释放MEMS结构的基于钨的锚的 各种制造处理；
[0024] 图24描绘了现有技术中已知的溅射金属层的"面包条"现象；
[0025] 图25-28描绘了根据一个具体示例性实施例的用于形成用于锚定可释放的MEMS 结构的基于鹤的销的各种制造处理；以及
[0026] 图29是示出了基于钨的陀螺仪以及基于硅的陀螺仪的艾伦偏差图的示图，其示 出了基于钨的陀螺仪的改进的分辨率。
【具体实施方式】
[0027] 定义。在用于本说明书和所附权利要求中时，下述术语应该具有所示意思，除非上 下文相反地要求：
[0028] 术语"基于钨"指的是基本上是固体钨的材料，可选地具有少量的一种或多种物 质，被添加用来控制低温（即，低于大约500C)沉积处理期间的晶粒间界。
[0029] 术语相对于MEMS器件的主体的"可移动"指的是MEMS结构被配置成以预定模式运 动。在一些类型的MEMS器件中，主体的移