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：
集成电路中所采用的集成电路开关可以由固态结构(例如，晶体管)或者无源布线 (MEMS)形成。因为MEMS开关的近乎理想的隔离以及其在IOGHz以及更高频率上的低插入损耗(即阻抗)，所以通常采用MEMS开关，MEMS开关的近乎理想的隔离是将其用于功率放大器(PA)的模式转换的无线通讯应用的关键需求。MEMS开关可用于多种应用，主要为模拟和混合信号应用。一个这样的示例是移动电话芯片，其包含用于为每个广播模式调谐的电路和功率放大器(PA)。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具有一个 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可以由悬臂梁结构的形式实现。在悬臂结构中，通过施加致动电压(actuation voltage)将悬臂(一个端部固定的悬置电极)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拉入电压(pull-involtage)，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簧常数，悬置电极的弹性常数是材料及其厚度的函数。可选择地，MEMS梁可以为桥式结构，其中两个端部被固定。MEMS可采用多种不同工具以多种方式制造。然而，一般而言，采用这些方法和工具来形成具有微米级尺寸的小结构，开关尺寸约为5微米厚、100微米宽及200微米长。此夕卜，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，并且实现在晶片的顶部上通过光刻工艺图案化的材料薄膜中。具体而言，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顶部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通常米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结构下方以形成腔体以及沉积在MEMS结构上方以形成腔体。MEMS上方的腔体用于支撑盖(例如，SiN圆顶)的形成，以密封MEMS结构。然而，这造成几个缺点。例如，已知使用诸如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腔体带来问题，包括例如光刻聚焦深度的可变性以及因电介质破裂引起的封装可靠性。另外，使用旋涂聚合物形成的MEMS腔体需要在低温下处理，以避免回流或者损坏聚合物；并且聚合物可能在排放后在腔体中留下有机(即含碳)残留物。因此，现有技术中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)腔体的方法包括在布线层和衬底上方形成第一牺牲腔体层。该方法还包括在第一牺牲腔体层上方形成绝缘体层。该方法还包括在绝缘体层上执行反向镶嵌回蚀刻工艺。该方法还包括平坦化绝缘体层和第一牺牲腔体层。该方法还包括将第一牺牲腔体层排放或剥离为MEMS的第一腔体的平面表面。在本发明的另一方面中，一种方法包括选择下布线层上的布线之间的布线间隔。该方法还包括在衬底上形成具有选择的布线间隔的布线。该方法还包括在布线上形成牺牲硅层。该方法还包括在牺牲硅层上形成绝缘体层。该方法还包括执行反向镶嵌工艺，使得绝缘体层的边缘与牺牲硅层交叠。该方法还包括基于选择的布线间隔而选择平坦化绝缘体层和牺牲硅层的蚀刻速率。该方法还包括基于选择的蚀刻速率而平坦化绝缘体层和牺牲硅层，从而最小化在牺牲硅层上形成的凹坑以及形成平坦化的牺牲硅层。该方法还包括在平坦化的绝缘体层和牺牲硅层上形成附加层，包括电极和通过通孔接触平坦化的硅层的第二牺牲硅层。该方法还包括在附加层之一中提供排放孔，以暴露第二牺牲硅层。该方法还包括排放牺牲硅层和第二牺牲硅层，以至少形成下平面腔体和上腔体。在本发明的另一方面中，一种减少硅层中的凹坑的方法，该硅层用于MEMS结构，该方法包括确定形成在硅层上的布线之间的间隔。该方法还包括蚀刻氧化物层达到预定量，以最小化硅层的可变性。在本发明的另一方面中，提供一种设计结构，可确实地实施在机器可读存储介质中，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，一种编码在机器可读数据存储介质上的硬件描述语言(HDL)设计结构包括在计算机辅助设计系统中处理时产生MEMS的机器可执行表示的元件，其包括本发明的结构。在进一步的实施例中，提供一种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。在具体方面中，提供一种在计算机辅助设计系统中用于产生MEMS的功能设计模型的方法。该方法包括产生在下布线层和衬底上方的牺牲腔体层的功能表示，下布线层在相邻的布线之间具有选择的间隔。该方法还包括产生在牺牲腔体层上方的绝缘体层的功能表示。该方法还包括产生采用在绝缘体层上方形成的抗蚀剂的反向镶嵌工艺的功能表示。该方法还包括产生平坦化工艺的功能表示，所述平坦化工艺用于平坦化绝缘体层和牺牲腔体层，以形成MEMS的下腔体的平面表面。在本发明的另一方面中，一种平面微机电系统结构包括具有平面上表面的下腔体。该结构还包括具有平面上表面的上腔体。该结构还包括通孔，将上腔体连接至下腔体。该结构还包括电极，该电极形成在上腔体和下腔体中，电极用作MEMS结构的梁。该结构还包括固定布线，该固定布线形成在梁下方的下腔体中。
在以下详细说明中，通过本发明示例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I至图23和图26至图33示出了根据本发明实施例的各种结构和相关处理步骤；图24a至图24f示出 了采用根据本发明实施例所示的工艺制造的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)深度与氧化物抛光的数据；图34是半导体设计、制造和/或试验中采用的设计过程的流程图；以及图35a示出了根据本发明实施例的减小或消除沉积硅中的氧化物接缝(由于引入形貌)的结构和工艺(与示出氧化物接缝的图35b相比)。
具体实施例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、制造和设计结构的方法。有利地，形成结构的方法减少MEMS结构上的总应力，并且减少MEMS装置的材料可变性。在实施例中，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。在进一步实施例中，采用反向镶嵌工艺形成两级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结构例如可用作单线或双线梁接触开关、双线梁电容器开关或者单双线梁气隙电感器。图I示出了根据本发明实施例的起始结构和相关处理步骤。在接下来的几组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以应用于其它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可以是装置的任一层。在实施例中，衬底10是硅晶片，该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内提供互连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，可以采用本领域的技术人员已知的用于形成间柱的任何传统光刻、蚀刻和沉积工艺(例如镶嵌)来形成互连
12。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，如现有技术已知的。在图2中，采用传统的沉积和图案化工艺，在衬底10上形成布线层，以形成多个布线14。例如，在衬底上可以沉积布线层以达到约O. 05至4微米的深度；然而本发明也涵盖其它尺寸。在实施例中，沉积布线层14以达到O. 25微米的深度。然后，图案化布线层以形成布线(下电极)14，布线14之间具有布线间隔(间隙)14a。在实施例中，布线间隔高宽比(aspect ratio)是由布线14的高度与布线间隔14a的比率决定，布线间隔高宽比可影响材料可变性(例如，形貌)，如参考图25更加详细讨论的。例如，1:20的低高宽比可以由50nm高的布线14与IOOOnm的间隔14a形成；并且I: I的高高宽比可以由500nm高的布线与500nm的间隔形成。这些高宽比值仅为参考，并且如这里所讨论的，牺牲膜18 (图3)的保形性决定了需要怎样的布线间隔高宽比。
至少一个布线14与互连12接触(直接电接触)。在实施例中，布线14可以由铝或铝合金形成，例如AlCu、AlSi或AlCuSi ;然而，本发明也涵盖其它布线材料。除其它布线材料之外，例如，布线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，布线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，布线的铝部分可以掺杂有Cu，例如O. 5%，以增加布线的抗电迁移性。在实施例中，布线可以由纯难熔金属形成，例如TiN、W、Ta等。布线14的表面形貌是由原子表面粗糙度以及金属小丘的存在而决定。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，其中布线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，这是因为由MEMS梁形成的上电容器板不能紧密地接触由布线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(opticalprofiler)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AFM测量典型范围为I至10，000平方微米的布线区域的最小高度至最大高度来量化小丘，并且通过计算带有或不带有小丘的区域中的均方根(RMS)粗糙度来量化表面粗糙度。在一个实施例中，表面粗糙度为没有可见小丘的2 μ m2区域的RMS粗糙度。表I总结了采用AFM测量的各种布线材料的金属小丘和表面粗糙度数据。均方根(RMS)粗糙度是在约2 μ m2区域内的没有可见金属小丘的区域中测量的。最大峰-谷小丘值是在约10，000 μ m2的区域内测量的。纯难熔金属布线可选项至今具有最低的粗糙度和小丘，但是具有最高的电阻。使用AlCu的布线与纯难熔金属布线相比具有较低的电阻，但是具有更高的粗糙度和小丘。在图案化之前或之后，在AlCu的下方和上方增加足够的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高度至最大高度，同时因为减少了铝体积而略微增加RMS表面粗糙度。在示例性实施例中，在图案化后，将布线14退火并且蚀刻布线14，以减少TiAl3引起的金属蚀刻问题。较薄的Ti (例如，在AlCu的下方和上方为5nm)对小丘的减小具有最小影响或者没有影响；然而，IOnm和15nm的Ti显著地减小小丘并且效果等同。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TiAl3 ;并且为了在布线中总是留下一些没有反应的AlCu，TiiAlCu的厚度比需要小于1:3，其中Ti厚度包括AlCu的下方和上方的层。这意味着，为了在考虑Ti和AlCu关于沉积厚度的可变性的情况下优化小丘的减少和布线电阻，所沉积的Ti厚度范围应当为大于所沉积的AlCu厚度的5%而小于所沉积的AlCu厚度的25%。表I
权利要求
1.一种形成至少一个微机电系统(MEMS)腔体的方法，包括 在布线层和衬底上方形成第一牺牲腔体层； 在所述第一牺牲腔体层上方形成绝缘体层； 在所述绝缘体层上执行反向镶嵌回蚀刻工艺； 平坦化所述绝缘体层和所述第一牺牲腔体层；以及 将所述第一牺牲腔体层排放或剥离为所述微机电系统的第一腔体的平面表面。
2.根据权利要求I所述的方法，其中形成所述第一牺牲腔体层包括膜沉积和回蚀刻的一个或更多个循环，以最小化或消除在所述第一牺牲腔体层上形成的凹坑。
3.根据权利要求I所述的方法，其中所述膜沉积为等离子体沉积，其中将功率提供至靶，并且所述回蚀刻包括将功率提供至晶片。
4.根据权利要求I所述的方法，其中形成所述第一牺牲腔体层包括沉积第一层材料，平坦化所述第一层材料，以及在平坦化的第一层材料上沉积附加材料，以提无接缝层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一层材料和附加层材料形成单个层，并且采用光刻和反应离子蚀刻步骤而图案化所述第一层材料和所述附加层材料。
6.根据权利要求I所述的方法，其中形成所述第一牺牲腔体层包括沉积第一层材料，平坦化所述第一层材料，以及图案化所述第一层材料。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括通过在平坦化的第一层材料上增加附加牺牲腔体层以在所述第一腔体的表面上提供无接缝层，最小化或消除凹坑。
8.根据权利要求I所述的方法，还包括通过在所述布线层的布线之间提供预定的间隔以及基于所述布线之间的所述间隔而平坦化所述绝缘体层达到预定的时段，最小化或消除凹坑。
9.根据权利要求8所述的方法，其中为以下之一 所述间隔为O. 5 μ m并且高度为O. 25微米，以及执行所述绝缘体层的化学机械抛光(CMP)达到第一预定时段，以提供第一凹坑深度； 所述间隔为O. 8 μ m并且高度为O. 25微米，以及执行所述绝缘体层的化学机械抛光达到第二预定时段，以提供所述第一凹坑深度；以及 所述间隔为5. 5 μ m并且高度为O. 25微米，以及执行所述绝缘体层的化学机械抛光达到第三预定时段，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.根据权利要求I所述的方法，其中所述反向镶嵌回蚀刻工艺包括形成与所述第一牺牲腔体层交叠的抗蚀剂边缘，以在所述第一牺牲腔体层上方形成开口。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括去除所述开口上方的绝缘体以形成画框。
12.根据权利要求I所述的方法，还包括在所述布线层上方形成氧化物膜。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述布线层的上拐角处将所述氧化物膜锥形化。
14.根据权利要求I所述的方法，还包括 在平坦化的第一牺牲腔体层上沉积绝缘体材料； 在所述绝缘体材料上方形成电极； 在所述电极和所述绝缘体材料的暴露部分上方形成第二绝缘体材料； 在所述第二绝缘体层上方以及在通孔内形成第二电极，以接触所述电极；在所述绝缘体材料中形成沟槽，以暴露所述平坦化的第一牺牲腔体层的部分； 在所述第二电极上方形成第二牺牲腔体层，并且所述第二牺牲腔体层通过所述沟槽与所述平坦化的第一牺牲腔体层接触； 在所述第二牺牲腔体层上形成顶盖； 在所述顶盖中形成开口，以暴露所述第二牺牲腔体层的表面；以及 排放所述平坦化的第一牺牲腔体层和所述第二牺牲腔体层，以形成平面表面腔体和第二腔体。
15.根据权利要求14所述的方法，其中将所述第一牺牲层放置在所述第二电极下方并且在所述布线层上方。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二牺牲腔体层被平坦化，以形成所述第二腔体的平面表面，其包括反向掩模回蚀刻以及之后的化学机械抛光。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括将所述第二腔体和所述第一腔体的拐角的至少之一倒角。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述倒角为45度拐角角度。
19.一种方法,包括 选择下布线层上的布线之间的布线间隔； 在衬底上形成具有选择的布线间隔的布线； 在所述布线上形成牺牲硅层； 在所述牺牲硅层上形成绝缘体层； 执行反向镶嵌工艺，使得所述绝缘体层的边缘与所述牺牲硅层交叠； 基于所述选择的布线间隔而选择平坦化所述绝缘体层和所述牺牲硅层的蚀刻速率；基于选择的蚀刻速率而平坦化所述绝缘体层和所述牺牲硅层，从而最小化在所述牺牲硅层上形成的凹坑以及形成平坦化的牺牲硅层； 在平坦化的绝缘体层和牺牲硅层上形成附加层，包括电极和通过通孔接触平坦化的硅层的第二牺牲娃层； 在所述附加层之一中提供排放孔，以暴露所述第二牺牲硅层；以及 排放所述牺牲硅层和所述第二牺牲硅层，以至少形成下平面腔体和上腔体。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括在所述上腔体和所述下腔体内形成倒角。
21.根据权利要求19所述的方法，还包括关于所述第二牺牲硅层，执行反向镶嵌工艺，以形成所述上腔体的平面表面。
22.—种减少娃层中的凹坑的方法,所述娃层用于微机电系统结构,所述方法包括 确定形成在所述硅层上的布线之间的间隔，以及 蚀刻氧化物层达到预定量，以最小化所述硅层的可变性。
23.一种在计算机辅助设计系统中用于产生微机电系统的功能设计模型的方法，所述方法包括 产生在下布线层和衬底上方的牺牲腔体层的功能表示，所述下布线层在相邻的布线之间具有选择的间隔； 产生在所述牺牲腔体层上方的绝缘体层的功能表示； 产生采用在所述绝缘体层上方形成的抗蚀剂的反向镶嵌工艺的功能表示；以及产生平坦化工艺的功能表示，所述平坦化工艺用于平坦化所述绝缘体层和所述牺牲腔体层，以形成所述微机电系统的下腔体的平面表面。
24.—种平面微机电系统结构,包括 下腔体，具有平面上表面； 上腔体，具有平面上表面； 通孔，将所述上腔体连接至所述下腔体； 电极，形成在所述上腔体中，所述电极用作所述微机电系统结构的梁；以及 固定布线，形成在所述梁下方的所述下腔体中。
全文摘要
一种形成至少一个微机电系统(MEMS)腔体(60b)的方法包括在布线层(14)和衬底(10)上方形成第一牺牲腔体层(18)。该方法还包括在第一牺牲腔体层上方形成绝缘体层(40)。该方法还包括在绝缘体层上执行反向镶嵌回蚀刻工艺。该方法还包括平坦化绝缘体层和第一牺牲腔体层。该方法还包括将第一牺牲腔体层排放或剥离为MEMS的第一腔体(60b)的平面表面。
文档编号H01H59/00GK102906010SQ201180025550
公开日2013年1月30日 申请日期2011年6月8日 优先权日2010年6月25日
发明者R.T.赫林, C.V.扬斯, A.K.斯坦珀, E.J.怀特 申请人:国际商业机器公司