制造mems装置的方法

制造mems装置的方法
【专利摘要】本发明涉及制造MEMS装置的方法。在所描述的实例中，微机电系统MEMS包含附接到半导体装置(602)的微镜装置(604)。第一间隔层(700)经形成且经图案化以形成铰链(622)通孔开口。铰链金属沉积于第一间隔层(700)上方以形成所述铰链(622)及铰链通孔(620)。覆盖层(702)形成于所述铰链金属上方。第二间隔层(704)形成于所述覆盖层(702)上方且经图案化以形成镜通孔(624)。使用显影液清洗所述装置。所述覆盖层(702)保护所述铰链金属不受所述显影液的影响。将所述覆盖层(702)从所述镜通孔(624)开口内移除。另一金属层沉积于所述第二间隔层(704)上方及所述镜通孔(624)内以形成镜(626)。
【专利说明】
制造 MEMS装置的方法
技术领域
[00011本发明大体上涉及微机电系统(MEMS)的制造，且特定来说，本发明涉及数字微镜 装置(DMD)的制造。
【背景技术】
[0002] 微机电系统(MEMS)装置(如德州仪器DLP?)数字微镜装置(DMD))使用个别可定位 的镜阵列来形成用于投影到显示表面上的图像。在含有用于解决及控制镜的定位的COMS电 路的衬底上方制造镜阵列的机电组件。在下列文献中给出有关此类装置的制造的信息： L.J.霍恩贝克（L.J. Hornbeck)的"用于高亮度、高分辨率应用的数字光处理（Digital Light Processing for High-Brightness ,High Resolution Applications)''（SPIE会议 记录，第3013卷，第27到40页，投影显示III，1997年2月），及C.龚（C.Gong)及T.霍根 (T. Hogn)的"用于数字微镜装置的CMOS兼容制造工艺（CMOS Compatible Fabrication Processes for the Digital Micromirror Device)"（IEEE电子装置期刊，第2卷，第3期， 第27到32页，2014年5月），两个文献的全部内容以引用的方式并入本文中。
[0003] 图1(现有技术)展示根据例如由龚等人所描述的工艺制造的DMD MEMS装置100的 横截面图像。图1说明通过铰链及镜支撑通孔到底层COMS结构的镜及铰链层的互连件。装置 100包括在COMS部分104上方的机电组件部分102。衬底106包括SRAM单元晶体管108及用于 针对镜定位的数据加载及电压施加的其它电路元件。
[0004] 第一电介质层110形成于晶体管108上方。第一金属层(M1H12经形成且经图案化 于第一电介质层110上方。第二电介质层114经形成且经图案化于Ml层112上方。第二金属层 (M2H16经形成且经图案化于第二电介质层114上方。第三电介质层118经沉积且经图案化 于M2层116上方。第三金属层(M3H20经形成且经图案化于第三电介质层118上方。
[0005] 间隔层122(通常为光致抗蚀剂材料)沉积于第三金属层120上方。间隔层122为牺 牲的且在稍后步骤中被移除。铰链通孔124经图案化于间隔层122内。铰链金属沉积于间隔 层122上方以形成铰链126,且沉积于铰链通孔124内以形成铰链通孔128的壁。另一间隔层 130(通常为光致抗蚀剂材料)沉积于铰链126上方。间隔层130为牺牲的且在稍后工艺中将 被移除。镜通孔132经图案化于间隔层130内，且镜金属沉积于间隔层130上方且沉积于镜通 孔132内以形成镜134。镜通孔132可在镜金属134丨几积之后保持部分未填充，且中央压痕136 可保持于镜通孔132上方的镜表面内。在处理完成之后，等离子体灰化底切工艺移除牺牲间 隔层。
[0006] 在光刻图案化步骤中使用显影液(例如，氢氧化四甲基氨)来移除暴露的光致抗蚀 剂。图案形成需要此显影液。
[0007] 图2(现有技术)展示包括镜202的装置200的自上而下的图像。
[0008] 显影工艺导致产生形成于分离个别镜202的空间206内的残留物204。残留物204为 有机金属且可干扰底切工艺。其还可引起跨越装置及铰链转矩的变色，且导致DMD的图像质 量缺陷。
[0009]当钛原子在显影工艺期间从经暴露的铰链金属126脱落且从镜通孔的底部被运送 到间隔层130的顶部时发生残留物204的形成为可能的。钛原子与间隔层130及镜金属、铝合 金相互作用以形成残留物204。残留物204在蚀刻工艺期间充当抵御反应物的阻挡物，且牺 牲间隔层可被非均匀地移除。
[0010]在此工艺中所使用的光刻是365nm(i线）。丨线光刻在半导体制造中是典型的且已 被广泛研究及测试。实验已展示用于此工艺的不同的其它典型光致抗蚀剂无法解决残留物 204的形成。
[0011]图3(现有技术)展示镜302的阵列300的自上而下的图像。在阵列300的多个区域上 方可见有机金属残留物304。残留物304作为个别镜302之间的空间中的轻微变色为可见的。 随着镜302的尺寸的减小及残留物304跨越相同表面区域内的更大数目的镜302而沉积，残 留物304具有更重大意义。残留物304阻碍用于移除间隔层且用于释放铰链及镜302的镜302 的最优底切。残留物304跨越衬底而随机发生。装置性能、对比度及可靠性可受到不利影响。 [0012]图4A及4B(现有技术)描述在镜302的部分400上方的残留物的形成。
[0013]在图4A中，铰链金属402形成于间隔层404(通常为光致抗蚀剂）上方。间隔层406 (通常为光致抗蚀剂)形成于铰链金属402上方且经图案化以形成镜通孔408。在图案化通孔 408之后，铰链金属402的顶部表面412被暴露。在显影工艺期间，钛原子从顶部表面412迀移 到间隔层406的顶部表面410。
[0014]图4B展示一旦已形成残留物的部分400。残留物在层406的顶部表面410上形成层 414。镜金属416形成于间隔层406及层414上方。层414防止用于释放镜的间隔层406的移除。

【发明内容】

[0015] 一种制造 MEMS装置的方法能解决有机金属残留物。第一间隔层形成于衬底上方。 所述第一间隔层经图案化以形成铰链通孔开口。铰链金属的层沉积于所述第一间隔层上方 以形成铰链及铰链通孔。覆盖层(例如碳或氮氧化硅)形成于所述铰链金属层上方。第二间 隔层形成于所述覆盖层上方且使用显影剂而经图案化以形成镜通孔开口。所述覆盖层形成 在所述镜通孔内的所述显影液与所述铰链金属之间的障壁。在镜金属的沉积之前移除所述 镜通孔内的所述覆盖层。
【附图说明】
[0016] 参考附图描述实例实施例，在附图中：
[0017] 图1(现有技术)为微镜装置的横截面图。
[0018] 图2(现有技术)为跨越镜的交叉点的有机金属残留物的扫描电子显微镜图像。
[0019] 图3(现有技术)为具有有机金属残留物的镜阵列的扫描电子显微镜图像。
[0020] 图4A及4B(现有技术)说明在镜的部分上方的残留物的形成。
[0021] 图5A及5B说明具有覆盖层的镜的部分。
[0022]图6为微镜装置的横截面图。
[0023]图7A到7D说明制造中的微镜装置的序列。
【具体实施方式】
[0024]通常以晶片级尺度进行下文所描述的步骤，其中同时形成所说明的结构的多个实 例以界定形成于对应同时所形成的DMD的相应裸片区域处的此类结构的阵列。
[0025]图5A及5B说明具有覆盖层506的微镜装置的部分500。
[0026]铰链金属502形成于间隔层504(通常为光致抗蚀剂)上方。覆盖层506形成于金属 502上方。覆盖层506具有约100埃到500埃的厚度。间隔层508(通常为光致抗蚀剂)形成于覆 盖层506上方且经图案化以形成镜通孔510。铰链金属502由覆盖层506保护而不受在图案化 工艺中所使用的显影液的影响。覆盖层506遮蔽铰链金属502使其免于与显影液反应且免于 形成残留物。参考图5B，使用等离子体蚀刻工艺移除在镜通孔510内的覆盖层506。镜金属 512形成于间隔层508上方及镜通孔510内。
[0027]当所使用的光刻波长为365nm(i线)时，此工艺尤为有用。多个i线光致抗蚀剂的评 估已导致类似有机金属残留物的形成。相应地，可将所述工艺替代地应用于易受有机金属 残留物影响的其它波长的光刻工艺。
[0028] 图6说明微镜装置600，其由CMOS部分602及MEMS部分604组成。
[0029] CMOS部分602包括具有晶体管及金属互连层的衬底606。第一金属沉积于衬底606 上方且经图案化以形成第一互连件608。第一电介质层610形成于层608上方。第二金属沉积 于电介质层610上方且经图案化以形成第二互连件612。第二电介质层614形成于层612上方 且经图案化以形成插塞616。插塞616填充有金属，例如妈。第三金属形成于电介质层614上 方且经图案化以形成第三互连件618。
[0030]由金属(例如钛)形成的铰链通孔620形成于CMOS部分602上方且支撑铰链622。图6 中展示两个铰链通孔(在CMOS部分602的每一端处具有一个铰链通孔）。铰链通孔620为支撑 平面及水平铰链622的垂直结构。中央放置的镜通孔624形成于铰链622上方。金属层沉积于 镜通孔624上方且形成镜626。
[0031] 镜626为反射性的且通常由包括99%的铝及1 %的钛的合金形成。中央压痕628可 保持于镜626的顶部表面内。
[0032]图7A到D说明装置制造的步骤。
[0033] 图7A说明MEMS部分604在CMOS部分602上方的形成。
[0034] CMOS部分602包括多个金属层及氧化物层。金属经形成且经图案化于衬底606上方 以产生第一互连层608。氧化物形成于第一互连层608上方以用于绝缘层610。金属经形成且 经图案化于绝缘层610上方以形成第二互连层612。氧化物再次形成于互连层612上方以用 于绝缘层614。层614经图案化以形成在层614内的中央插塞616。金属经形成且经图案化于 绝缘层614上方以形成第三互连层618。牺牲层700形成于第三互连层618上方且经图案化以 形成作为微镜装置600的MEMS 604部分的一部分的两个铰链通孔620。金属(例如钛)形成于 通孔620及牺牲层700上方以产生铰链622。铰链通孔620可填充额外金属用于通孔620壁的 机械强度。
[0035]图7B展示形成于铰链622及铰链通孔620上方的毯式覆盖层702。牺牲层704形成于 覆盖层702上方且经图案化以形成镜通孔624。形成通孔624会将覆盖层702的表面暴露于用 以图案化装置600的显影液。层702阻挡铰链622以免受显影液的影响。
[0036]层702为保形的且使用例如化学气相沉积或溅镀等工艺而形成。其为牺牲的且可 使用半导体制造中典型的工艺(例如，〇2及CF4灰化)将其移除。覆盖层702不改变微镜装置 600的物理、电或机械功能。层702的沉积温度受限于材料(例如光致蚀刻剂)的温度极限、低 于用于间隔层的温度。覆盖层702的膜厚度约为100埃到500埃。层702可由有机材料（例如 碳)或无机材料(例如氮氧化硅)组成。
[0037]在一个实例实施例中，层702由在约200摄氏度下经化学气相沉积的碳组成，厚度 约为200A。
[0038]在图7C中，使用等离子体蚀刻操作将覆盖层702从镜通孔624内清除。无覆盖层702 保留于通孔624内。
[0039] 在图7D中，镜金属沉积于层704上方及镜通孔624内以形成镜626。覆盖层702保留 于牺牲层704与铰链通孔620及铰链622之间。中央压痕628源于在镜通孔624上方的金属的 沉积。
[0040] 在形成镜626之后，剩余牺牲间隔层700及704及剩余覆盖层702在等离子体蚀刻底 切操作中使用〇2及CF4灰化被移除。间隔层700及704的移除释放铰链622及镜626。铰链通孔 620形成用于铰链622的自由站立支架，且镜通孔624形成用于镜626的自由站立支架。
[0041] 用于解决有机金属残留物的一种方法是使用溶液洗涤镜阵列来移除残留物。此方 法导致镜金属的表面上的缺陷形成。
[0042] 另一种方法是增加镜金属的蚀刻时间来移除残留物。此方法无法移除残留物且可 能损坏镜表面。
[0043]另一种方法是在铰链金属上方形成聚合物材料来防止显影液与铰链金属之间的 相互作用。此方法解决有机金属残留物的形成，但也可能导致其它缺陷。
[0044]所描述的方法可提供许多优点。
[0045] 覆盖层702在镜通孔624形成期间保护铰链622且形成抵御显影液的障壁。
[0046] 层702为牺牲的且可在铰链622及镜626释放工艺期间被移除。
[0047]层702形成抵御铰链金属的电化学攻击的障壁。
[0048]实验数据已展示覆盖层702有效抵御有机金属残留物且改进装置可靠性失效。 [0049]本发明相关的领域的技术人员将了解，在所主张的本发明范围内，可对所描述的 实例实施例作出修改，且许多其它实施例也为可能的。
【主权项】
1. 一种制造微机电系统MEMS装置的方法，其包括： 将第一间隔层沉积于具有在其中形成电路的衬底上方； 在所述第一间隔层内图案化铰链通孔开口； 将铰链金属层沉积于所述第一间隔层上方及所述铰链通孔开口内以形成铰链及铰链 通孔； 将覆盖层沉积于所述铰链金属层上方及所述铰链通孔上方； 将第二间隔层沉积于所述覆盖层上方； 在所述第二间隔层内图案化镜通孔开口，其中所述覆盖层在所述镜通孔开口的底部处 暴露； 移除在所述镜通孔开口的所述底部处暴露的所述覆盖层； 将镜金属沉积于所述镜通孔开口内及所述第二间隔层上方以形成镜及镜通孔，其中所 述镜通孔接触所述铰链金属层； 使用氧灰化来移除所述第一间隔层及所述第二间隔层以及所述覆盖层以释放所述铰 链及所述镜。2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述覆盖层为保形的。3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述覆盖层为牺牲的。4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述覆盖层的厚度为100埃到500埃。5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述覆盖层由电介质组成。6. 根据权利要求4所述的方法，其中所述覆盖层由碳材料组成。7. 根据权利要求4所述的方法，其中所述覆盖层由氮氧化硅材料组成。8. 根据权利要求1所述的方法，其中使用02及CF4灰化工艺来移除所述覆盖层。9. 一种制造数字微镜装置的方法，其包括： 将第一间隔层沉积于衬底上方，所述第一间隔层包括光致抗蚀剂； 在所述第一间隔层内图案化铰链通孔开口； 将铰链金属层沉积于所述第一间隔层上方及所述铰链通孔开口内以形成铰链及铰链 通孔； 将覆盖层沉积于所述铰链金属层上方，其中所述覆盖层包括碳材料； 将第二间隔层沉积于所述覆盖层上方，所述第二间隔层包括光致抗蚀剂； 在所述第二间隔层内图案化镜通孔开口以暴露所述覆盖层，其中所述图案化步骤使用 显影液，且其中所述覆盖层防止所述显影液接触所述铰链金属层； 在所述图案化步骤之后，使用等离子体蚀刻工艺移除所述镜通孔开口内的所述覆盖 层； 将镜金属沉积于所述镜通孔内及所述第二间隔层上方以形成镜及镜通孔，其中所述镜 金属在所述镜通孔底部处接触所述铰链金属层； 使用氧灰化来移除所述第一间隔层及所述第二间隔层以及所述覆盖层以释放所述铰 链及所述镜。10. 根据权利要求9所述的方法，其中所述覆盖层为保形的。11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述覆盖层为牺牲的。12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述覆盖层的厚度为约100埃到500埃。13.根据权利要求9所述的方法，其中使用02及CF4灰化工艺来移除所述覆盖层。
【文档编号】B81C1/00GK106044700SQ201610230215
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月13日 公开号201610230215.1, CN 106044700 A, CN 106044700A, CN 201610230215, CN-A-106044700, CN106044700 A, CN106044700A, CN201610230215, CN201610230215.1
【发明人】肖恩·克里斯托弗·奥布莱恩
【申请人】德州仪器公司