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刻、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(MEMQ的方法包括形成下牺牲材料，用于形成下腔体。该方法还包括形成将该下腔体连接到上腔体的腔体通孔。 腔体通孔形成有圆形或倒角边缘的俯视外形。该方法还包括在该腔体通孔内和上方形成上牺牲材料，使其具有基于该腔体通孔外形的生成表面。上腔体形成有顶盖，该顶盖具有不妨碍MEMS梁的结构，包括在上牺牲材料的生成表面上沉积顶盖材料；以及排出该上牺牲材料以形成该上腔体，使该顶盖材料形成与该上牺牲材料的生成表面保形的顶盖。在本发明的另一个方面中，一种形成至少一个微机电系统(MEMQ的方法，包括在衬底上的初始填充有第一层牺牲材料(排出前)的下腔体中形成多个分离导线以及在该第一层牺牲材料上形成MEMS梁。该方法还包括在延伸到该下腔体的腔体通孔内和上方沉积第二层牺牲材料。该第二层牺牲材料的沉积是非回归硅沉积工艺，包括具有多个等离子体气相沉积(PVD)硅沉积和rf偏置晶片回蚀刻步骤的保形硅沉积工艺，以在电通孔和该腔体通孔的上方实现非回归开口。该方法还包括在第二层牺牲材料上形成顶盖材料。该方法还包括排出第二层牺牲材料和牺牲材料以形成下腔体和上腔体，该上腔体包括由顶盖材料形成的顶盖，该顶盖具有不妨碍MEMS梁的结构。在本发明的又一个方面中，一种形成微机电系统(MEMS)结构的方法包括形成 MEMS腔体以及形成与顶盖结构具有足够间隙的MEMS梁，使该MEMS梁在释放时不会被固定。在本发明的另一个方面中，一种结构包括具有布线层的下腔室和通过腔体通孔连接到该下腔室的上腔室。该结构还包括悬挂在该上腔室和该下腔室之间的MEMS梁。该结构还包括包围该上腔室的顶盖结构，其具有不妨碍MEMS梁的结构。该顶盖结构具有与从上腔室排出的牺牲材料保形的表面。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。在特定方面中，一种在计算机辅助设计系统中产生MEMS功能设计模型的方法，包括产生腔体通孔具有圆形或倒角边缘的俯视外形的功能表示，该腔体通孔将下腔体连接到上腔体；产生该腔体通孔内和上方的牺牲材料的功能表示，该牺牲材料具有基于电通孔和该腔体通孔的外形的生成表面；以及产生该上腔体具有顶盖且该顶盖具有不妨碍MEMS 梁的结构的功能表示，包括在该牺牲材料的生成表面上的顶盖材料以及排放该牺牲材料， 使顶盖结构形成与该牺牲材料的该生成表面保形的顶盖。
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和沈-33示出了根据本发明的各种结构和相关处理步骤；图Ma-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3 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3 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 (图幻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(冊幻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TiAl3 ；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，包括形成下牺牲材料，该下牺牲材料用于形成下腔体；形成将该下腔体连接到上腔体的腔体通孔，该腔体通孔形成有圆形或倒角边缘的俯视外形；以及在该腔体通孔内及其上方形成上牺牲材料，该上牺牲材料具有基于该腔体通孔的外形的生成表面；并且其中，该上腔体形成有顶盖，该顶盖具有不妨碍微机电系统梁的结构，包括在该上牺牲材料的该生成表面上沉积顶盖材料；以及排出该上牺牲材料以形成该上腔体，从而该顶盖材料形成与该上牺牲材料的该生成表面保形的顶盖。
2.如权利要求1所述的方法，还包括形成具有圆形或倒角边缘的俯视外形的电通孔， 其中该上牺牲材料形成在该电通孔内及其上方，并且该上牺牲材料的该生成表面基于该电通孔的外形。
3.如权利要求2所述的方法，其中该电通孔的至少一个形成为锥形，以在后续牺牲材料沉积工艺中减少接缝或空隙。
4.如权利要求1所述的方法，其中该顶盖中的至少一个排出孔形成为圆形或者近圆形，以最小化修剪该至少一个排出孔所需的后续材料量。
5.如权利要求1所述的方法，还包括采用非回归硅沉积工艺沉积该上牺牲材料，以形成上表面上包括锥形侧壁的外形；在该上牺牲材料上方以及由该锥形侧壁形成的凹陷内沉积该顶盖材料；图案化该顶盖中的至少一个排出孔；以及通过至少一个开口排出或者剥去该上牺牲材料，从而该顶盖包括该牺牲材料的外形。
6.如权利要求5所述的方法，其中该非回归硅沉积工艺包括保形硅沉积工艺，该保形硅沉积工艺包括进行多个等离子体气相沉积硅沉积以及rf偏置晶片回蚀刻步骤，其中该非回归沉积工艺消除了该顶盖材料的回归悬挂结构。
7.如权利要求6所述的方法，还包括进行HF清洗，以在排出前去除该上牺牲材料上的天然氧化物且氢钝化该上牺牲材料的暴露表面。
8.如权利要求5所述的方法，其中该等离子体气相沉积硅沉积和rf偏置晶片回蚀刻步骤实现近似45度角的硅沉积外形。
9.如权利要求8所述的方法，其中该等离子体气相沉积硅沉积和回蚀刻步骤减少或消除了沉积的硅中因引入的形貌引起的接缝。
10.如权利要求1所述的方法，还包括在该上牺牲材料沉积之前通过该腔体通孔提供 HF清洗，以去除该下牺牲材料上的天然氧化物。
11.一种形成至少一个微机电系统的方法，包括在衬底上的初始填充有第一层牺牲材料的下腔体中形成多个分离导线；在该第一层牺牲材料上形成微机电系统梁；在延伸到该下腔体的腔体通孔内沉积第二层牺牲材料，该第二层牺牲材料的沉积是非回归硅沉积工艺以在该腔体通孔上方实现非回归开口，其中该非回归硅沉积工艺包括具有多个等离子体气相沉积硅沉积和rf偏置晶片回蚀刻步骤的保形硅沉积工艺；在该第二层牺牲材料上形成顶盖材料；以及排出该第二层牺牲材料和该牺牲材料以形成该下腔体和上腔体，该上腔体包括由该顶盖材料形成的顶盖，该顶盖具有不妨碍该微机电系统梁的结构。
12.如权利要求11所述的方法，其中 该第二层牺牲材料沉积在电通孔中；该牺牲材料沉积在该电通孔内及其上方；并且该非回归开口形成在该电通孔上方。
13.如权利要求12所述的方法，其中该第二层牺牲材料的沉积优化为保形地填充该上腔体内的该电通孔和该腔体通孔或者修剪为使该顶盖不形成铆钉状特征。
14.如权利要求11所述的方法，其中该非回归开口包括该第二层牺牲材料上的锥形侧壁外形。
15.如权利要求11所述的方法，其中该等离子体气相沉积硅沉积和rf偏置晶片回蚀刻步骤实现该第二层牺牲材料的上表面的近似45度角的硅沉积外形。
16.如权利要求11所述的方法，其中该非回归硅沉积工艺结合用于底部和侧壁沉积的较低腔室压力沉积，并且采用较高腔室压力蚀刻，其中将rf偏压施加给晶片，以最大化表面和拐角蚀刻；该较低腔室压力沉积和较高腔室压力回蚀刻依次重复，直到该第二层牺牲材料实现所需的厚度；并且该回蚀刻去除的该第二层牺牲层材料的厚度小于沉积的厚度。
17.如权利要求11所述的方法，还包括沉积初始非偏置硅层，以避免溅射暴露的拐角。
18.如权利要求11所述的方法，其中该第二层牺牲材料的沉积优化为避免铆钉形状。
19.如权利要求11所述的方法，其中该顶盖材料具有足够的厚度以避免顶盖在该排出期间或之后破裂。
20.如权利要求19所述的方法，其中该顶盖材料为每10，000μ m2的腔体面积需要约1 微米厚的氧化物材料。
21.—种形成微机电系统结构的方法，包括 形成微机电系统腔体；以及形成与顶盖结构具有足够间隙的微机电系统梁，使该微机电系统梁在释放时不会被固定。
22.—种结构，包括 具有布线层的下腔室； 连接到该下腔室的上腔室；微机电系统梁，悬挂在该上腔室和该下腔室之间；以及包围该上腔室的顶盖结构，其具有不妨碍该微机电系统梁的结构，其中该顶盖结构具有与从该上腔室排出的牺牲材料保形的表面。
23.如权利要求22所述的结构，其中包括下述特征的至少一个 该上腔室内的电通孔具有圆形或倒角外形的俯视外形；以及连接该上腔室与该下腔室的腔体通孔具有圆形或倒角外形的俯视外形。
24.如权利要求22所述的结构，其中该顶盖结构的底表面包括角度小于90度的锥形侧壁外形。
25. 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，该方法包括产生具有圆形或倒角边缘的俯视外形的腔体通孔的功能表示，该腔体通孔将下腔体连接到上腔体；产生该腔体通孔内及其上方的牺牲材料的功能表示，该牺牲材料具有基于电通孔和该腔体通孔的外形的生成表面；以及产生具有顶盖且该顶盖具有不妨碍微机电系统梁的结构的该上腔体的功能表示，包括该牺牲材料的该生成表面上的顶盖材料，并且排出该牺牲材料，使顶盖结构形成与该牺牲材料的该生成表面保形的顶盖。
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)的方法包括形成下牺牲材料，用于形成下腔体。该方法还包括形成将下腔体连接到上腔体的腔体通孔。该腔体通孔形成有圆形或倒角边缘的俯视外形。该方法还包括在腔体通孔内及其上方形成上牺牲材料，其具有基于该腔体通孔的外形的生成表面。该上腔体形成有顶盖，该顶盖具有不妨碍MEMS梁的结构，包括在上牺牲材料的生成表面上沉积顶盖材料；以及排出该上牺牲材料以形成上腔体，从而该顶盖材料形成与该上牺牲材料的生成表面保形的顶盖。
文档编号B81B3/00GK102295263SQ201110173720
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
发明者乔治.A.邓巴三世, 威廉.J.莫菲, 安东尼.K.斯塔姆珀, 杰弗里.C.马林 申请人:国际商业机器公司