制备三层梁的方法和设备的制作方法

专利名称：制备三层梁的方法和设备的制作方法
技术领域：
本主题一般地涉及微电子机械系统(MEMS)方法和设备。更具体地，本主题涉及用 于制备三层梁(beam)以及其他多层结构的方法和设备。
背景技术：
微电子机械系统(微机械或者MEMS设备)具有广泛应用，并在商业产品中变得流 行。因为它们在无线频率(RF)范围内操作具有低功率和损耗以及高绝缘和线性特性，从而 MEMS设备是理想的无线设备。特别地，MEMS设备非常适于包括蜂窝电话、无线网络、通信系 统和雷达系统等应用。在无线设备中，MEMS设备可用作天线转换器、模式转换器、发射/接 收转换器，可调滤波器、匹配网络等。用于MEMS设备中的结构的一个特殊实例是三层梁。该结构已显示用来在MEMS设 备中提供可靠、可重复的性能。利用具有如下形成结构的基本思想的任何数量的技术来制 备三层梁具有三个功能层，即第二功能层沉积在第一功能层上，且第三功能层沉积在第二 功能层上。第一和第三层可以相同，以创建成高度几何、机械和热机械对称。

发明内容
一方面，本公开主题提供了一种用于微电子机械设备的多层结构。所述多层结构 可包括基底、沉积在基底上的下牺牲层、沉积在所述下牺牲层上的绝缘层、沉积在所述绝缘 层上的第一金属层、沉积在所述第一金属层上的梁氧化物层、沉积在所述梁氧化物层上的 第二金属层以及沉积在所述第二金属层上的绝缘平衡层。所沉积的层可以图形化并进行蚀 刻以限定多层结构。另一方面，本公开主题提供了一种制备用于微电子机械设备的多层结构的方法。 所述方法可包括在基底上沉积下牺牲层，使所述下牺牲层形成隔离岛，在所述基底和所述 下牺牲层上沉积绝缘层，在所述绝缘层上沉积第一金属层，在所述第一金属层上沉积梁氧 化物层，在所述梁氧化物层上沉积第二金属层，在所述梁氧化物层和第二金属层上沉积绝 缘平衡层，在一个或更多个沉积层上创建周边和释放孔(perimeter and release hole), 并且通过所述周边和释放蚀刻孔蚀刻掉所述下牺牲层。在又一方面，本公开主题提供了用于制备微电子机械设备的多层结构的另一种方 法。所述方法可包括在基底上沉积下基础金属层，用介电层封装所述基础金属层，在所述基底上沉积下牺牲层，使所述下牺牲层形成隔离岛，在所述基底和所述下牺牲层上沉积绝缘 层，在所述基底上的所述绝缘层上沉积第一金属层，在所述第一金属层上沉积梁氧化物层， 在所述梁氧化物层上沉积第二金属层，在所述梁氧化物层和所述第二金属层上沉积绝缘平 衡层，在一个或更多个沉积层上创建周边和释放孔，并且通过所述周边和释放蚀刻孔蚀刻 掉所述下牺牲层。在这方面，可在所述基础金属层和所述第一金属层之间限定电容器。如下文所述，将说明书结合附图进行描述，本公开主题的其它特征将变得更清楚。


下文将参照附图对此处描述的主题进行说明，其中图1至12是在制备根据此处公开的主题的多层结构中可发生的渐进步骤的截面 侧视图；以及图13至36是根据此处公开的本主题的另一具体实施方式
的多层结构的截面侧视 图。
具体实施例方式根据本公开，提供了用于制备三层梁的方法和设备。此处所描述的三层梁可具有 用于多种通信应用的MEMS设备、系统以及方法的特殊应用。三层梁提供了相对简单的、提供温度和膜应力平衡的构造。应力平衡对于控制所 制备的设备的形状非常重要，而温度平衡对低温系数来说是重要的。通过增加绝缘层(IL) 和绝缘平衡层(IBL)，三层梁的制备在一些情况下可变得更容易生产、更强健。在典型情况 下，通过所述基本三层结构控制机械和电机机械，从而增加所附加的绝缘层和绝缘平衡层 不会严重影响MEMS设备的操作。许多方法可用于制备三层梁以形成最应力平衡和温度平衡的结构。本公开包括可 用于通过实施绝缘层和绝缘平衡层来制备三层梁的特定方法的描述。这些方法也可用于其 它的多层结构，因此绝缘层和绝缘平衡层的应用不限于三层结构的构造。如上所述，三层梁的基本组成是金属-电介质-金属三明治。第一金属层可沉积 在下牺牲层上，并图形化。这一步骤之后可接着进行沉积介电层和沉积第二金属层。所述 第二金属层可图形化，接着对所述介电层进行图形化和蚀刻以形成该结构的基本轮廓。如 果所述下牺牲层不被金属蚀刻或者不被光刻工艺损坏，简单的工艺流就足够了。当所述下 牺牲层被蚀刻或者被金属蚀刻或光刻工艺损坏(即，通过金属蚀刻和光刻工艺腐蚀或蚀刻 聚酰亚胺)，将需要针对这些工艺对所述下牺牲层进行保护。一种方法是将所述下牺牲层封装到不能被金属蚀刻或光刻工艺蚀刻(或最小地 蚀刻)的材料中。封装材料的选择取决于所要蚀刻的金属和所使用的光刻制剂。例如，在 一种特定情况下，所述下牺牲层的材料可以是聚酰亚胺。所述聚酰亚胺牺牲层可以封装到 用作电容器电介质的氧化物层中。可提供绝缘层以防止调节板短路、保护该下牺牲层、部分 封装该第一金属层、用作金属蚀刻的蚀刻阻挡层，并且如果所述金属可被所述牺牲释放蚀 刻化学反应所蚀刻则保护用于牺牲蚀刻的该金属。然后可用氧等离子体去除聚酰亚胺，这 不会腐蚀所述金属或所述电介质。所增加的绝缘或 绝缘平衡层兼容于传统互补型金属氧化物半导体(CMOS)工艺步骤，即替换金属和氧化沉积物，将所述氧化物用作电介质绝缘体和/或电容器电介质，以及 将所述金属用作氧化蚀刻阻挡层(电通路终端(electrical via terminations))以及将 所述氧化物用作金属蚀刻阻挡层。
此处描述的所述三层梁结构可有助于使所述三层截面的对称度达到最大，其中所 述对称度依据几何、材料和工艺性能来限定。进一步地，该绝缘层的成功取决于其用作对金 属蚀刻的蚀刻阻挡层、用作电容器电介质和支持最大电压降，以及用作保护金属不受所述 牺牲蚀刻和环境影响的保护性封装的能力。为了此处描述，应当理解，当诸如层或基底的元件被称为被“放置于”、“附着于”或 “形成于”另一元件上，该元件可直接在其它元件上或者还可存在介入元件(例如，一个或更 多个缓冲或过渡层、夹层、电极或接触)。而且，应当理解，术语“放置于”、“附着于”和“形 成于”可互换地用来描述给定的元件可如何相对于另一元件定位或设置。因此，应当理解， 术语“放置于”、“附着于”和“形成于”不引入对于材料传输、沉积或制备的特定方法的任何 限制。可通过溅射、CVD、蒸发或者电镀来形成多种金属的接触、互连、导电通孔、热电元 件以及电极。一些金属可能需要适当的中间粘附层以防止剥落。常用的粘附材料的实例包 括铬、钛或诸如钛-钨(TiW)或钛-氮化物(TiN)的合金。一些金属组合物可需要扩散屏 障以防止粘附层通过金属扩散，反之亦然。传统光刻技术可使用于根据诸如微机械的此处所描述主题中。因此，此处没有详 细描述诸如光致抗蚀剂应用，光学曝光以及显影剂的使用的基本光刻工艺步骤。类似地，通常已知的蚀刻工艺可适当地用来选择性地去除材料或材料的区域。成 像的光致抗蚀层剂通常用作掩膜模板。可将图案直接蚀刻到所述基底的块中，或者然后蚀 刻到用作后继蚀刻步骤的掩膜的薄膜或层中。在特殊制备步骤(例如，依赖于湿、干、各向同性、各向异性、各向异性取向)中所 使用的蚀刻工艺类型、蚀刻率以及所用的蚀刻剂类型取决于待去除材料的组成、所用的任 何掩膜或蚀刻阻挡层的组成以及将形成的蚀刻区域的轮廓。还可使用诸如等离子体-相蚀刻和反应离子蚀刻(RIE)的干蚀刻技术来去除硅及 其氧化物和氮化物，以及各种金属。深度反应离子蚀刻(DRIE)可用来在整块层上各向异性 地蚀刻深的、垂直沟槽。硅氧化物通常用作DRIE的蚀刻阻挡层，并因而根据本公开，可将包 含例如绝缘体上覆硅的晶片的埋入式二氧化硅层的结构用作制备微结构的初始基底。一种可替换的图形化的蚀刻工艺是本领域技术人员已知的剥离工艺。在这种情况 下，对理想图案的负像可使用传统光刻工艺。该工艺常用于使金属图形化，该金属在需要粘 附层和扩散阻挡层时沉积成一个连续膜或多个膜。金属沉积在待图形化的区域以及光致抗 蚀剂掩膜(负像)上。除去光致抗蚀剂及其顶部的金属以留下理想的金属图案。如此处所使用的，术语“设备”解释为具有可与术语“元件”互连的装置。如此处 所使用的，术语“导电的，，一般包含导电和半导材料。根据此处公开的主题，用于制备三层梁的方法和设备的具体实施方式
将参照图1 至36进行描述。一方面，本公开主题提供了如图1至12所例示的一种用于制备三层梁的方法。这 个方法首先包括提供基底。所述基底可用包括硅(Si)、玻璃(硼硅酸玻璃(Pyrex))、蓝宝石、砷化镓(GaAs)、陶瓷、铝(Al)或用于制备MEMS的其他普通基底材料的任意材料制成。可选择与所述沉积温度相容的所述材料。基底可以是任何尺寸，通常使用的尺寸包括100、 150和200mm。在一个特别实例中，所述基底可以是包含CMOS结构、高电压CMOS (HVCMOS) 或其他已经制成的集成电路的硅基底，所述基底可包括晶体管、二极管、扩散/植入层、铝 或铜连接线、氧化物/氮化物以及金属连接线。参照图1，所述方法进一步可包括在所述基底上沉积下牺牲层Si。下牺牲层Sl可 以是有机聚合物(光致抗蚀剂、聚酰亚胺)、无机电介质(SG、PSG、BPSG)、金属(Al、Cu)或 者用于制备MEMS或其他气隙设备的其他任何合适材料。特别地，下牺牲层Sl可以是硅、多 晶硅(polysilicon)或非晶硅。下牺牲层Sl可以是掺杂的或未掺杂的，并且可引入所述掺 杂质以提高蚀刻选择性或提供用于结构层的掺杂源。通过包括例如且不限于旋涂、溅镀、蒸发或电镀的多种沉积技术中的任何沉积技 术，下牺牲层Sl可沉积到所述基底上。所用的特定方法应与以节约成本的方式下沉积理想 厚度相一致。在一个实例中，下牺牲层Sl可以是通过旋涂工艺沉积、软固化、光学成像以及 为最终固化和除气在高温( 400摄氏度)下退火工艺的聚酰亚胺。下牺牲层Sl可以沉 积在单层或多层中。例如，下牺牲层Sl可以沉积并图形化于两层中，并用于实现一个或更 多功能目的，包括形成静电激励器气隙，形成电容气隙，形成接触隆起，和/或形成孤立的 远距离的隆起。如图2中所例示，下牺牲层Sl可以在隔离岛中图形化。下牺牲层Sl可以通过包括 剥离(lift-off)、电镀、光掩膜和蚀刻(例如，湿或干化学蚀刻或物理蚀刻)，以及光成像和 显影工艺(即光致抗蚀剂显影)的多种技术中任何技术。例如，下牺牲层Sl可以是通过光 成像和光显影图形化的聚酰亚胺层。或者，下牺牲层Sl可以是通过光掩膜和蚀刻图形化的 硅层。在另一替代方式中，下牺牲层Sl可以是通过光致抗蚀剂电镀模板的电镀和图形化的 铜层。更进一步地，下牺牲层Si可以是通过剥离技术溅射和图形化的铜层。无论所用的是 何具体方法，下牺牲层Si应该从不是隔离岛的部分的所有界面上彻底去除并清除。此外， 下牺牲层Sl的剩余部分可以平面化。下牺牲层Sl可需要高温退火以控制应力、除气、材料 性能或其他因素。如图3所示，用于制备三层梁的方法然后可包括在基底和下牺牲层Sl中一个或两 者上面沉积绝缘层IL。绝缘层IL可向所述三层梁提供多种功能。第一，它可在制备三-梁 结构的过程中用作形成后沉积金属层的图案的蚀刻阻挡层。在该作用下，绝缘层IL应该足 够强健以经受得住上覆金属层的任何蚀刻从而制成清洁、不导电的表面以及排除或减少纵 梁金属化的电位。绝缘层IL自身一般不应在下牺牲层Sl上图形化或蚀刻，为下牺牲层Sl 提供屏障。然而，它仅在提供金属层之间的通路互连(via interconnection)时蚀刻，因此， 该通路蚀刻(via etch)将常常在位于下面的金属层上终止。第二，绝缘层IL另外还可作为下牺牲层Sl的保护层。一般地，直到所有结构金属 层都已经沉积和图形化后，绝缘层IL才不需要图形化或蚀刻，以暴露下牺牲层Si。因为绝 缘层IL可以不图形化地保留在下牺牲层Sl上，它可为绝缘层IL沉积之后的任何随后的蚀 刻或光刻步骤提供保护屏障。在一些工艺中，在沉积绝缘层IL后，只要该图案不终止在下 牺牲层Sl上，可对其图形化和蚀刻。例如，典型的是，对位于下面的金属层图形化和蚀刻电 通路连接线，但不太典型的是，图形化和蚀刻通路，终止在场氧化物中。对该层的要求可取决于所用的下牺牲层和在该工艺过程中可暴露的随后化学工艺。在一个特别实例中，绝缘 层IL可与聚酰亚胺牺牲层联合使用。绝缘层IL可保护聚酰亚胺层不暴露于蚀刻工艺和任 何随后的光致抗蚀剂脱模(photoresist strip)。如果不存在绝缘层IL，聚酰亚胺牺牲层 将暴露于牺牲蚀刻和光致抗蚀剂脱模工艺，该光致抗蚀剂剥离工艺底切上覆的金属层并损 害结构的整体性。如果存在绝缘层IL，但在下牺牲层Sl上图形化或蚀刻，则也将出现这种 情况。第三，绝缘层IL可作为电容器电介质。例如，绝缘层IL可限定固定的电容器的电介质、可调/可激励电容器或者金属连接线之间的间层电介质的一些部分。在一个特别实 例中，处于“开启”状态时，与0. 15 μ m的、位于下面的金属层上的氧化物绝缘层IL和80A 的另一氧化物层(例如，SIP氧化物)相比，电容器间隔可以通过公称2μπι空气间隔来控 制。处于“关闭”状态时，由于其与其他贡献者(contributor)，SIP氧化物层相比的厚度， 氧化物绝缘层IL可以控制电容密度。绝缘层IL的厚度通常可根据蚀刻阻挡层和防护功能 确定。电容器介电层的最小厚度(即，绝缘层IL和SIP氧化物层的组合厚度)通过依据漏 电和击穿的可靠性确定。电容器介电层的最大厚度通过起作用的电容密度确定。例如，绝 缘层IL可包括电容器电介质的控制部分。根据电容器电介质的要求，介电层的厚度可分布 在SIP氧化物层和绝缘层IL之间以最优化并简化该工艺。在一个特定实例中，如果可以除 去绝缘层IL，SIP氧化物层可指定为0. 15 μ m以去除沉积步骤并减少用来限定电容器电介 质厚度的关键尺寸的步骤数量。在另一实例中，绝缘层IL的厚度为0. 15 μ m和氧化物层的 厚度为80人可优化电容密度，电容器可靠性，蚀刻阻挡能力以及牺牲层防护。第四，绝缘层IL可提供金属层和线的封装和隔离，并可改良高电压部件的击穿。 绝缘层IL可与另一层(例如，下文描述的梁氧化物层)组合使用以通过氧化物彻底封装金 属层，从而限制金属暴露于任何后继步骤或环境条件。在结构上，绝缘层IL可以是封装图形化的牺牲层的连续的、邻接的共形层。绝缘 层IL的一个普通实例是诸如硅氮化物、氧化硅或其他高_k电介质或低-k电介质的电介 质。作为一个特定实例，绝缘层IL可以是具有介电常数约为4，厚度约为500人到1500人的 与CMOS兼容的氧化硅。可基于一个或更多个因素选择形成的绝缘层IL的厚度，包括1)在 不存在穿透绝缘层IL达到位于下覆的下牺牲层Sl的蚀刻时，用作后继金属蚀刻的蚀刻阻 挡的能力；2)提供泄漏屏障并支持穿越金属层的电压(即击穿电压可有利地高于约40VDC/ RF) ；3)为固定的电容器或可调电容器提供特定电容密度的能力；和/或4)为后继蚀刻或 光刻步骤提供屏障的能力。例如，对于聚酰亚胺下牺牲层Si，绝缘层IL可有利地向附着和 去除聚酰亚胺的后继光脱模(photostrip)工艺提供屏障。对于诸如硅的较坚硬的下牺牲 层Si，为绝缘层IL提供防护的重要性可较小，这取决于硅蚀刻是否附着任何金属/金属覆 层。接着参照图4和5，可在基底上的绝缘层IL上沉积第一金属层Ml。除对于CMOS工 艺典型的诸如由钛/钛氮化物、金和/或铜组成的粘附层/扩散屏障的覆层外，第一金属层 Ml可以是与CMOS兼容的铝(例如，A1-0. 5% Cu，Al-I % Si等)。第一金属层Ml可图形化 以限定激励器电极、用于固定或可调电容器的电容器电极、开关触点(具有适当的触点合 金)、感应线圈、焊盘或其他金属互连结构。第一金属Ml的厚度可以设计成满足导电、热和 电能传导的电-热响应、机械要求(例如，固有频率和更高频率模式、转换时间)和电-机械响应(例如，接通电压、释放电压、自驱动电压)的机械要求。 在一个实例中，第一金属层Ml可以是铝层(例如Al_0.5%Cu)加上任意覆层材料 的0. 52 μ m-厚度的层。第一金属层Ml可以在不具有牺牲岛的基底部分上或在牺牲岛自身 上图形化。如果第一金属层Ml在下牺牲层Sl上图形化，它可以是悬浮/可移动结构的部 分或者固定结构的部分。如果它是可移动结构的部分，第一金属层Ml可形成可移动的电容 器板、可移动的调节板和/或可移动开关触点。第一金属层Ml可通过图形化的电镀模板利 用电镀图形化，这可能需要沉积种子层。或者，第一金属层Ml可以通过使用适当的剥离模 板的剥离、通过利用适当的蚀刻掩膜的湿蚀刻或利用适当的蚀刻掩膜的干蚀刻图形化。绝 缘层IL应对湿/干金属蚀刻或掩膜脱模工艺具有出色的选择性。如图6所示，梁氧化物层BOX可进一步沉积在第一金属层Ml上。梁氧化物层BOX 可以是可封装第一金属层Ml的连续的、邻接的共形层。可选择梁氧化物层BOX的厚度以满 足机械和电机械的要求(接通电压、自驱动、释放电压、转换时间、固有频率)。梁氧化物层 BOX可以是介电层，例如氧化硅、硅氮化物、氧化铝层。例如，梁氧化物层BOX可以是厚度约 为2μπι的SiO层。梁氧化物层BOX还可以图形化以蚀刻第一金属层Ml和第二金属层M2(下文将进 行描述)之间的电连接通路。通过第二金属层M2的共形工艺，利用通路的共形填充可完成 电互连。如果梁工艺可以平面化，可通过任何填充通路技术形成通路电连接。例如，通路技 术可首先包括CMP氧化物，然后先是CMP填充材料(例如，W)或电镀螺栓，接着是CMP电介 质，以暴露导电螺柱。通路可制备在下牺牲层Sl上并延伸出下牺牲层Si，但在第一金属层 Ml终止。一般地，梁氧化物层BOX不需要充分图形化以暴露下牺牲层Sl。进一步地，梁氧化 物层BOX的、限定设备形状的图形化和蚀刻可推迟到第二金属层M2蚀刻和绝缘平衡层IBL 沉积之后。一直等到执行这些步骤以对梁氧化物层BOX图形化和蚀刻之后，从而确保梁氧 化物层BOX不仅在蚀刻第二金属层M2和后继的显影工艺过程中提供对下牺牲层Sl的防 护而且简化金属蚀刻，因为不需要从陡壁或深壁上去除金属。因此，绝缘层IL、梁氧化物层 BOX和绝缘平衡层IBL可以同步蚀刻以限定梁的形状。这避免了许多过度绘制(overplot) 设计规则并使所用面积达到最小。参照图7和8，可在梁氧化物层BOX上沉积第二金属层M2。第二金属层M2可服务 于为自由悬挂的三层梁提供与第一金属层Ml对称平衡的目的。另外，第二金属层M2可通过 蚀刻在梁氧化物层BOX中的通路与第一金属层Ml电接触。除对CMOS工艺典型的、诸如钛/ 钛氮化物、金或铜的覆层(例如，粘附层/扩散屏障)外，第二金属层M2可由与CMOS兼容 的铝(例如，Al-0.5% Cu，AL-l%Si等)组成。第二金属层M2可图形化以限定激励器电 极、用于固定或可调电容器的电容器电极、开关触点(具有适当的触点合金)、感应线圈、焊 盘或其他金属互连结构。进一步地，第二金属层M2可通过蚀刻图形化，同时梁氧化物层BOX 有效地对第二金属层的蚀刻形成绝缘层。第二金属层M2的厚度可设计成满足导电、热和电 能传导的电-热响应、机械要求(例如，固有频率和更高频率模式、转换时间)和电-机械 响应(例如，接通电压、释放电压、自驱动电压)的功能要求。在一个实例中，第二金属层M2可以是铝层(例如Al-0.5% Cu)加上覆层的 0. 52 μ m-厚度的层。与第一金属层Ml类似，第二金属层M2可通过图形化的电镀模板利用电镀图形化，这可能需要沉积种子层。或者，第二金属层M2可以通过使用适当的剥离模板 进行剥离、通过利用适当的蚀刻掩膜进行湿蚀刻或利用适当的蚀刻掩膜进行干蚀刻来图形 化。绝缘层IL应对湿/干金属蚀刻或掩膜脱模工艺具有出色的选择性。如图9所例示，可在梁氧化物层BOX和第二金属层M2上沉积绝缘平衡层IBL。如 上文所指出的那样，为了梁的机械和热-机械平衡，可增加绝缘平衡层IBL，从而补偿增加 的绝缘层IL。绝缘平衡层IBL可利用与绝缘层IL相同的材料和相同的厚度进行沉积，以 提供可限定为几何、机械和热机械对称的高度对称性。例如，绝缘平衡层IBL可以是厚度为 500人到1500人的氧化物(例如，Sio)层。在这种形式下，绝缘平衡层IBL的首要功能性目 的是与绝缘层IL匹配。绝缘平衡层IBL的次要目的可以是封装第二金属层M2，并提供机械补偿。层 沉积的积聚效应可导致可使释放时梁形状弯曲的一些应力梯度。绝缘平衡层IBL，即最 后沉积的层，可因而对应力梯度和形状提供至少一些补偿。例如，覆层金属次序可以是 Ti-TiN-Al-Ti-TiN,但是第二次序的Ti-TiN可以比第一次序厚，形成轻微的不对称。此外， 可通过梁利用应力梯度设置其他的不对称性，这意味着绝缘平衡层IBL可以补偿诸如由共 形工艺的覆层构造产生的轻微几何不对称以及应力梯度不对称的次要因素。当然，在补偿 的度和对称的度之间存在权衡。如上文所述，绝缘平衡层IBL可与绝缘层IL和梁氧化物层BOX同步图形化和蚀亥IJ。进一步地，所有沉积层都可经受最终的高温退火处理，热暴露符合用于制备该结构的材 料。这种形成多层结构的层组合例示于图10中。可在组合层上执行光刻和蚀刻工艺以限定三层梁。图形化和蚀刻可限定可以是开 关、可调电容器、变抗器、传感器/变换器(例如，加速计、速率陀螺仪)或其他设备的梁设 备的外形。在蚀刻穿过结构氧化物(即，IL、BOX和IBL)之后，梁蚀刻可在下牺牲层Sl上 终止。图形化和蚀刻可进一步限定在下牺牲层Sl上终止的释放蚀刻孔。释放蚀刻孔用于 释放蚀刻以接近和去除下牺牲层Si。这样，牺牲材料可通过梁切口(beam cut) (S卩，周边和 释放蚀刻孔)蚀刻掉。例如，牺牲材料可以是通过梁切口蚀刻(即，氧化物蚀刻)部分去除 且通过光致抗蚀剂脱模工艺部分去除的聚酰亚胺层。在这种情况下，下牺牲层Sl不是蚀刻 阻挡层或者不能对梁切口蚀刻或光致抗蚀剂脱模显示很高的选择性。或者，下牺牲层Sl可 以是另一种更适合用作蚀刻阻挡层且不被光致抗蚀剂脱模腐蚀的材料。例如，如此高选择 性的材料可以是硅、铜或者铝。如图11所例示，在相关实施方式中，所述方法还可包括在已图形化且蚀刻的梁上 沉积上牺牲层S2。上牺牲层S2可满足多项功能1)它可在梁限定后但在其释放之前为任 何高温工艺提供创建高度对称性(牺牲层-梁_牺牲层)；2)它可在将下牺牲层Sl用于掺 杂所述三层梁的层时创建对称掺杂源；3)它可有助于在梁上形成薄膜封装罩；以及4)为装 运目的，它可提供钝化屏障。如果梁切口(轮廓和蚀刻孔)已图形化并已蚀刻，可在已去除 下牺牲层Sl的地方填充上牺牲层S2。如果将下牺牲层Sl沉积成单层，则上牺牲层S2还可 以是第二牺牲层。进一步地，如果在所述梁下面的下牺牲层Sl沉积成两层，则上牺牲层S2 可以是第三牺牲层。更进一步地，如果下牺牲层Sl沉积成η层，则上牺牲层可以是第(η+1) 牺牲层。在结构上，上牺牲层可以与在所述三层梁下的下牺牲层Sl相同。例如，如果下牺牲层是聚酰亚胺，上牺牲层可以是聚酰亚胺。或者在上牺牲层S2可以与在所述三层梁 下的下牺牲层Sl的材料不同。例如，下牺牲层Sl可以是硅(非结晶硅、多晶硅、溅射硅 (sputtered silicon))，然而上牺牲层S2可以是聚酰亚胺，或者反之亦然。另外，上牺牲层 S2可以单独地或者与下牺牲层Sl的平面化组合地平面化。在具有上牺牲层S2的本实施方式中，可通过梁切口(即，周边和释放蚀刻孔)从 梁的上部和下部蚀刻牺牲材料。如果上、下牺牲材料相同，牺牲蚀刻可以将单种材料作为目 标。例如，对聚酰亚胺的牺牲蚀刻将去除梁的上部和下部的聚酰亚胺。或者，牺牲蚀刻可由 多种化学反应组成，从而第一牺牲蚀刻化学反应可去除上牺牲层S2，第二牺牲蚀刻化学反 应可去除下牺牲层Si。还或者，牺牲蚀刻可由连接次序的化学反应组成，以去除多种材料类 型或者去除在处理或去除过程中已发生变化的材料。
可根据相对于基底和设备层的性能的材料性能选择用于下牺牲层Sl和上牺牲层 S2中的一个或二者的材料。在一个实施方式中，该关系可意味着沉积下牺牲层Sl可涉及沉 积所选择的、其刚度大于基底的刚度和一个或更多个后继沉积设备层的刚度的材料层。当 然，刚度的差别不需要相当大。例如，沉积下牺牲层Sl可包括沉积所选择的其刚度大致类 似于基底的刚度和一个或更多个设备层的刚度的材料层。这样利用根据其性能选择的材料组成的牺牲层可降低最终设备形状对工艺参数 (例如，特定沉积温度、沉积温度差别(即金属与氧化物相比)、特定材料参数(例如，牺牲 层的弹性模量/CTE、金属的塑性性能、牺牲层的玻璃化转变温度)、时间(例如，沉积时间、 停留时间、排队时间)和/或几何(例如，牺牲层厚度、设备层厚度、设备层长度或长宽比)) 的敏感性。另外，这种牺牲层可改良被释放设备的最终制成的形状，并降低所制成形状的可 变性，去除所沉积的层从所述基底的去耦，这可发生在更灵活的牺牲材料中，并常降低穿越 产品阵列、模具或晶片的设备的可变性。下牺牲层Sl的材料还选择为具有与一个或更多个设备层的材料性能相关的其他 特定材料性能。例如，这种材料性能可包括牺牲弹性模量、泊松比、热膨胀系数、厚度、特征 长度、特征温度(即熔点、软化点、玻璃化转变温度)、变形或粘弹性性能，它们可选择为与 一个或更多个设备层的相应性能直接相关。例如，在一个特别实施方式中，用来形成下牺牲层Sl的材料可选择为其具有大于 一个或更多个设备层的沉积温度的特征温度(即熔化温度、软化温度或玻璃化转变温度)。 进一步地，用于下牺牲层Sl的材料可选择为其热膨胀系数大致类似于一个或更多个设备 层的热膨胀系数。如图12所例示，在另一相关实施方式中，用于制备三层梁的方法可包括在基底 上、梁和牺牲层上方沉积罩层LL。罩层LL可在梁和牺牲层上方共形，且可与所述位于下面 的场氧化物相同。在一具体实施例中，罩层LL可以是厚度约为4-5 μ m的氧化硅层。罩层LL可以用一系列释放蚀刻孔图形化和蚀刻。这些释放蚀刻孔可将尺寸和间 距确定成在沉积上牺牲层S2后对罩层LL进行最佳释放和密封。例如，蚀刻释放孔的典型 尺寸约为1-5 μ m，典型间距(取决于孔的尺寸)约为10-30 μ m。进一步地，蚀刻释放孔可 以在χ和y方向具有相同间距的规则正交阵列中图形化，或者，蚀刻释放孔可以形成决定于 位于下面的设备的在X和Y方向上间距不同或者不规则的图案。类似地，蚀刻释放孔的尺寸可以是全部一致的或者蚀刻释放孔可以与满足特定蚀刻距离要求时尺寸不同。例如，如果上牺牲层S2的厚度是不均勻的，在牺牲材料较厚的地 方，所述孔可以面积更大一些。这样，当孔的尺寸变化时间距(pitch)保持恒定，从而有助 于创建更统一的释放蚀刻。或者，通过蚀刻孔尺寸保持恒定，并允许间距不一致地变化，或 者通过允许蚀刻孔尺寸和间距均不一致地变化，可创建更均勻一致的释放蚀刻。不管其特 定构造，可以蚀刻罩层LL并且可在上牺牲层S2上终止蚀刻。罩蚀刻和牺牲材料之间的蚀 刻选择性不是重要因素，但是上牺牲层S2不应该受到损害并不应该允许罩蚀刻腐蚀位于 下面的结构/梁材料。在本实施方式中，可通过梁切口(即周边和释放蚀刻孔)和罩层LL中的蚀刻释放 孔从梁的上部和梁的下部蚀刻牺牲材料。所述释放蚀刻可首先将梁上部的牺牲材料作为目 标(即上牺牲层S2)。如果上牺牲层S2的材料与下牺牲层Sl的材料不同，则需要不同的 牺牲释放化学反应以去除上牺牲层S2。一旦上牺牲层S2完全去除，可引入第二蚀刻化学 反应以去除下牺牲层Si。例如，释放蚀刻可以是氧等离子体以去聚酰亚胺上牺牲层S2，和 XeF2(或SF6)气相蚀刻以去除硅下牺牲层Si。或者，释放蚀刻可以将上牺牲层S2和下牺牲 层Sl的牺牲材料相同之处的所述两层作为目标。接着，罩层LL中的所述蚀刻释放孔可以是密封的。例如，所述孔可用有机或无机 材料的密封层密封。例如，所述孔可用聚酰亚胺的有机层密封。所述密封层可进一步用可 以是电介质(例如，氧化硅、氮化硅或者二者的组合物)或者金属(例如，Al、Au、Cu)的密 封屏障覆盖。例如，可以提供湿气屏障作为氧化硅加氮化硅的堆积成层的合成物。该屏障 层可以用来提供密封屏障以限制湿气/气体扩散。或者，所述孔可用还可作为密封屏障层 的密封层密封。另一方面，如图13至36所例示，本主题提供了一种制备三层梁的方法和替代结 构。在本替代方法中，再次提供基底S。在一个实例中，如图13所例示，基底S可包括用 4-金属HVCMOS处理的硅起始晶片W。如图14所例示，可创建连接件MC以将HVCMOS互连 于待制备的MEMS设备。参照图15，金属层MMl可以沉积和图形化。参照图16，然后氧化物 层可沉积在所述金属层上方，通路MVl形成于所述金属层。这样，在本实例中，如图13-16 中所示的这些步骤形成的结构可形成基底S。然后，如图17所示，基础金属层MB可沉积在所述基底上。基础金属层MB可沉积 并通过溅射、蚀刻、剥离、电镀图形化。它可由铝(或诸如Al-0.5%Cu，Al-l%Si等的铝合 金)、金、铜或其他导电材料组成。基础金属层MB在需要时可进一步包括粘附层和扩散屏 障，并且覆层(即粘附层和扩散层的组合)可以形成于所述金属的两侧。例如，基础金属层 MB可在铝层(例如，A1-0. 5% Cu)底部和顶部包括钛/氮化钛覆层。基础金属层MB还可形成电互连、焊盘、可变电容器板的固定电容器板、固定电容 器的一个电容器板，或者静电激励器的固定电极。另外，基础金属层MB可互连于相同基底 上的位于下面的电子器件。在该布置中，所述位于下面的电子器件可传输电压以控制激励 或测量电容的变化。而且，如图18所例示，可在基础金属层MB上方沉积并且对其平面化的另一其中蚀 刻有空腔的氧化物层PL。实现平面化的下牺牲层SLl的工艺可通过诸如下牺牲层SLl沉 积和图形化的第一 途径的其他集成器件完成，所述下牺牲层SLl封装在电介质(例如，氧化 物)中，并且使所述氧化物平面化以暴露和磨光下牺牲层SL1。图19例示了可在空腔中沉积、图形化并蚀刻的附加氧化物层BMP。氧化物层BMP可用于设定电容器间隔，提供较低的 电容密度，较高的击穿电压或提供激励器板隔离。或者，对于第一种途径，可在下牺牲层SLl 沉积和图形化或氧化物层PL平面化之前处理氧化物层BMP和即将出现的SIP层。第三替 代方案是可将氧化物层BMP集成于所述三层工艺中，从而可在所述梁上而不是在基底S上 制备所述氧化物隆起。如图20所描绘的，基底上的基础金属层MB可进一步用介电层(SIP) 封装。所述SIP介电层可满足多项功能，例如1)防止动、静电极(电容器或激励器)之间 短路；2)封装电介质材料中的金属化(即，基础金属层)以根据需要防止环境或工艺暴露 (即金属暴露于牺牲释放)；和/或3)限定固定或可调电容器电介质的部分。所述SIP层 可以是诸如氧化硅(SiO)、氮化硅(SixNy)、氧化铝(AlxOy)、氧化铪(HfO)或另一介电层的 绝缘电介质。所述SIP层可以通过溅射、PECVD、旋涂或其他已知工艺沉积。在一个实例中， 所述SIP层可以是介电常数约为4、厚度约为80人的氧化硅层。
现在参照图21至29，所述方法可进一步包括如下步骤在基底上和基础金属层 MB上沉积下牺牲层Si，并将下牺牲层Sl形成隔离岛图案(见图21)，在基底和牺牲层上沉 积绝缘层IL(见图22)，蚀刻用于基底S上的元件与后继沉积的设备层之间电连接的通路 MV2 (见图23)，在基底上的绝缘层IL上沉积第一金属层Ml (见图24)，在第一金属层Ml上 方沉积梁氧化物层BOX (见图25)，图形化和蚀刻穿过梁氧化物层BOX到达第一金属层Ml的 通路MV3 (见图26)，在梁氧化物层BOX上沉积第二金属层M2 (见图27)，在梁氧化物层BOX 和第二金属层M2上沉积绝缘平衡层IBL(见图28)，通过光刻和蚀刻限定梁切口 BC(见图 29)，以及通过所述梁切口(周边和释放蚀刻孔)蚀刻掉所述牺牲材料。另外，如图30所例 示，上牺牲层S2可以沉积在已图形化和蚀刻的梁上。进一步地，如图31所例示，可在基底 上和所述梁及牺牲层上方沉积罩层LL。另外，罩层LL可图形化和蚀刻以创建达到上牺牲层 S2的孔H(见图32)，两个牺牲层可通过蚀刻孔去除(见图33)，可沉积密封层LS以密封所 述孔(见图35)，可通过封装层蚀刻垫片开口 P(见图36)。类似于上述实施方式，可将一个 或两个牺牲层平面化。在此构造中，电容器可限定在基础金属层MB和第一金属层Ml之间，其中基础金属 层MB是静止层而第一金属层Ml可以是静止或可动的层。在一种布置中，固定的电容器可 通过基底上的基础金属层MB和基础金属层MB上的SIP电介质限定。第一金属层Ml可形 成固定的电容器的第二板。电介质绝缘层IL可直接沉积在所述SIP电介质上，并且第一金 属层Ml可直接沉积在绝缘层IL上。因而电容器电介质厚度可通过SIP电介质和绝缘层IL 的厚度和限定。可替代地，下牺牲层Sl可沉积在所述SIP层上，所述SIP层可沉积在基础金属层 MB上。然后电介质绝缘层IL可沉积在下牺牲层Sl上，并且第一金属层Ml可直接沉积在绝 缘层IL上。在去除下牺牲层Sl后，电容器电介质厚度从而通过所述SIP电介质、绝缘层IL 和通过去除下牺牲层Sl而形成的气隙的厚度的和限定。在本布置中，所述SIP电介质和绝 缘层IL可相对氧化硅(SiO)公称地具有介电常数约为4，气隙可具有公称的空气的介电常 数(即，约为1)，公称厚度约为2 μ m。在另一布置中，可调电容器可通过固定在所述基底上的基础金属层MB与基础金 属层上的SIP电介质限定。牺牲层可沉积在基础金属层MB上的SIP层上。电介质绝缘层 IL可沉积在下牺牲层Si。第二金属层M2可直接沉积在绝缘层IL上，并可形成所述可调电容器的第二可动板。在去除下牺牲层Sl后，基础金属层MB和第一金属层Ml可通过等于所述牺牲厚度的距离隔离。“开启”状态的电容可通过SIP电介质的厚度、绝缘层IL的厚度以 及气隙的宽度确定，其中所述气隙的宽度通过下牺牲层Sl的厚度和所述梁/可调电容器所 建立的偏移来设定。SIP电介质和绝缘层IL可相对于氧化硅公称地具有介电常数4，并且 气隙可具有公称的空气的介电常数(即，约为1)，公称厚度约为2 μ m(对于未偏移的可调电 容器而言)。电容器的所述“关闭”状态可通过SIP介电层的厚度和绝缘层IL的厚度确定 (没有曲率、粗糙度和/或杂质)。可替代地，具有电容的可调或固定的电容器可通过SIP电介质和绝缘层IL的厚度 确定。SIP电介质和绝缘层IL厚度的公称目标分别是80人和0. 15 μ m。所述SIP介电层 行使封装层、牺牲蚀刻和环境(钝化)层的功能，以及电容器电介质的功能。绝缘层IL可 行使蚀刻阻挡层、下牺牲层Sl和任何后继化学工艺(光致抗蚀剂脱模)之间的屏障，以及 电容器电介质的功能。总厚度可以满足电容密度要求和击穿电压要求为目标。SIP电介质和绝缘层IL的分布和厚度可根据特定要求而不同。例如，如果不需要 SIP电介质的屏障和钝化功能，可去除SIP电介质层，这去除了清理和沉积步骤而不是掩膜 步骤。如果金属蚀刻阻挡层和牺牲保护不是绝缘层IL的所需要的功能，可去除绝缘层IL， 并且SIP层的厚度可增加到满足电容要求(公称0. 15 μ m)。通过去除绝缘层IL，从而因为 可去除绝缘层IL的沉积和绝缘平衡层IBL的沉积而简化梁的结构。另外，关键的电介质厚 度可通过单层(即SIP电介质厚度)而不是多层沉积物(即SIP电介质和绝缘层IL的组 合物)测量。应当理解，在没有脱离本公开主题的范围的情况下可改变本公开主题的各种细 节。而且，上述描述仅用于例示目的，而不是限制目的。
权利要求
一种用于微电子机械设备的多层结构，包括；基底；沉积在所述基底上的下牺牲层；沉积在所述下牺牲层上的绝缘层；沉积在所述绝缘层上的第一金属层；沉积在所述第一金属层上的梁氧化物层；沉积在所述梁氧化物层上的第二金属层；以及沉积在所述第二金属层上的绝缘平衡层；其中，能够将所沉积的层图形化并进行蚀刻以限定多层结构。
2.如权利要求1所述的多层结构，其中，将所述第一金属层图形化以限定用作激励器 电极、固定或可调电容器的电容器电极、开关触点、感应线圈或焊盘的结构。
3.如权利要求1所述的多层结构，其中，将所述第二金属层图形化以限定用作激励器 电极、固定或可调电容器的电容器电极、开关触点、感应线圈或焊盘的结构。
4.如权利要求1所述的多层结构，其中，所述绝缘平衡层包括具有与所述绝缘层相同 的成分和厚度的材料。
5.如权利要求1所述的多层结构，还包括沉积在所述基底和所述下牺牲层之间的基础 金属层，其中将一电容器限定在所述基础金属层和所述第一金属层之间。
6.如权利要求1所述的多层结构，还包括沉积在所述多层结构上的上牺牲层。
7.如权利要求1所述的多层结构，还包括沉积在所述多层结构上的罩层。
8.一种制备用于微电子机械设备的多层结构的方法，所述方法包括 在基底上沉积下牺牲层；将所述下牺牲层图形化为隔离岛；在所述基底和所述下牺牲层上沉积绝缘层；在所述绝缘层上沉积第一金属层；在所述第一金属层上沉积梁氧化物层；在所述梁氧化物层上沉积第二金属层；在所述梁氧化物层和所述第二金属层上沉积绝缘平衡层；在一个或更多个所沉积的层中创建周边和释放孔；以及通过所述周边和释放蚀刻孔蚀刻掉所述下牺牲层。
9.如权利要求8所述的方法，其中，沉积所述绝缘平衡层包括沉积具有与所述绝缘层 相同的成分和厚度的材料层。
10.如权利要求8所述的方法，其中，沉积所述绝缘平衡层包括封装所述第二金属层。
11.如权利要求8所述的方法，还包括穿过所述绝缘层蚀刻电通路。
12.如权利要求8所述的方法，还包括将所述第一金属层图形化。
13.如权利要求12所述的方法，其中，藉由通过已图形化的电镀模板进行电镀、使用适 当的剥离模板进行剥离、利用适当的蚀刻掩膜进行湿蚀刻、或利用适当的蚀刻掩膜进行干 蚀刻，来将所述第一金属层图形化。
14.如权利要求8所述的方法，还包括将所述梁氧化物层图形化，以蚀刻所述第一金属 层和所述第二金属层之间的电连接通路。
15.如权利要求8所述的方法，还包括将所述第二金属层图形化。
16.如权利要求15所述的方法，其中，藉由通过已图形化的电镀模板进行电镀、使用适 当的剥离模板进行剥离、利用适当的蚀刻掩膜进行湿蚀刻、或利用适当的蚀刻掩膜进行干 蚀刻，来将所述第二金属层图形化。
17.如权利要求8所述的方法，还包括将所述绝缘层、所述梁氧化物层、和所述绝缘平 衡层同步图形化。
18.如权利要求8所述的方法，还包括在已图形化且进行蚀刻的多层结构上沉积上牺牲层；以及 通过所述周边和释放蚀刻孔蚀刻掉所述下牺牲层和所述上牺牲层。
19.如权利要求18所述的方法，其中，蚀刻掉所述下牺牲层和所述上牺牲层包括利用 第一蚀刻化学反应蚀刻所述上牺牲层，利用第二蚀刻化学反应蚀刻所述下牺牲层。
20.如权利要求8所述的方法，还包括在已图形化且进行蚀刻的多层结构上沉积上牺牲层； 在所述基底上和所述多层结构与所述上牺牲层上方沉积罩层； 通过所述周边和释放蚀刻孔以及所述罩层中的蚀刻释放孔蚀刻掉所述下牺牲层和所 述上牺牲层；以及密封所述罩层中的所述蚀刻释放孔。
21.如权利要求20所述的方法，其中，密封所述罩层中的所述蚀刻释放孔包括涂敷密 封层，并利用屏障层覆盖所述密封层。
22.—种制备用于微电子机械设备的多层结构的方法，所述方法包括 在基底上沉积基础金属层；在所述基底和所述基础金属层上沉积下牺牲层；将所述下牺牲层图形化为隔离岛；在所述基底和所述下牺牲层上沉积绝缘层；在所述基底上的所述绝缘层上沉积所述第一金属层，其中，将一电容器限定在所述基 础金属层和所述第一金属层之间；在所述第一金属层上沉积梁氧化物层； 在所述梁氧化物层上沉积第二金属层； 在所述梁氧化物层和所述第二金属层上沉积绝缘平衡层； 在一个或更多个所沉积的层中创建周边和释放孔；以及 通过所述周边和释放蚀刻孔蚀刻掉所述下牺牲层。
23.如权利要求22所述的方法，还包括在沉积所述下牺牲层之前，利用介电层封装所 述基础金属层。
24.如权利要求22所述的方法，还包括在已图形化且进行蚀刻的多层结构上沉积上牺牲层；以及 通过所述周边和释放蚀刻孔蚀刻掉所述下牺牲层和所述上牺牲层。
25.如权利要求22所述的方法，还包括在已图形化且进行蚀刻的多层结构上沉积上牺牲层； 在所述基底上、所述多层结构与所述上牺牲层上方沉积罩层；通过所述周边和释放蚀刻孔以及所述罩层中的蚀刻释放孔蚀刻掉所述下牺牲层和所 述上牺牲层；以及密封所述罩层中的所述蚀刻释放孔。
26. 一种制备用于微电子机械设备的多层结构的方法，所述方法包括在基底上沉积下牺牲层；在所述基底和所述下牺牲层上沉积绝缘层；在所述绝缘层上沉积第一金属层；在所述第一金属层上沉积梁氧化物层；在所述梁氧化物层上沉积第二金属层；在所述梁氧化物层和所述第二金属层上沉积绝缘平衡层；将所沉积的层图形化并进行蚀刻以限定多层结构。
全文摘要
提供了用于制备三层梁的方法和设备。特别地，公开了用于通过至少绝缘层、第一金属层、梁氧化物层、第二金属层和绝缘平衡层的沉积和图形化来制备多层结构的方法和结构。
文档编号H01L29/84GK101849289SQ200880108379
公开日2010年9月29日 申请日期2008年7月23日 优先权日2007年7月23日
发明者亚瑟·S.·玛瑞斯三世, 肖恩·J.·坎宁安, 达纳·德瑞斯 申请人:维斯普瑞公司