專利名稱：采用mems技術(shù)的半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到采用微型電氣機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的半導(dǎo)體器件(以下稱為MEMS元件)。
背景技術(shù)：
MEMS技術(shù)是一種用半導(dǎo)體加工技術(shù)來精密地制作可移動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)(致動(dòng)器)的技術(shù)。
根據(jù)MEMS技術(shù)，有可能開發(fā)一種與現(xiàn)有元件無法比擬的小尺寸高性能元件。例如，當(dāng)實(shí)現(xiàn)LSI和分立元件的融合時(shí)，大幅度減小安裝尺寸和大幅度降低功耗并非夢(mèng)想。
目前，作為MEMS元件，主要已經(jīng)研究和開發(fā)了可變電容、開關(guān)、加速度傳感器、壓力傳感器、射頻(RF)濾波器、陀螺儀、微鏡器件等(見例如美國(guó)專利6355498；美國(guó)專利6359374；以及日本專利申請(qǐng)KOKAI公開No.2003-117897)。
但要使這些元件得到實(shí)際應(yīng)用，在性能和制造成本方面，許多問題還有待解決。
例如在性能方面，致動(dòng)器的移動(dòng)范圍存在著問題。當(dāng)致動(dòng)器包含壓電元件，且致動(dòng)器僅僅可以用壓電力來移動(dòng)時(shí)，就出現(xiàn)移動(dòng)范圍變窄的問題。另一方面，為了充分確保移動(dòng)范圍，必須對(duì)壓電元件施加高電壓，因而難以降低電壓。
在制造成本方面，能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性和成品率同時(shí)減少步驟數(shù)目的工藝技術(shù)的開發(fā)，是一個(gè)關(guān)鍵問題。但在MEMS元件中，必須在其中制作致動(dòng)器的可移動(dòng)區(qū)內(nèi)形成一個(gè)空腔。
因此，容易在半導(dǎo)體襯底上產(chǎn)生引起殘留物的臺(tái)階部分。而且，一個(gè)接觸孔相對(duì)于空腔底部電極的深度與另一接觸孔的深度相比，容易變得過大。
結(jié)果就要求這樣一些工藝用來消除臺(tái)階部分的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝；多個(gè)光刻工藝(PEP)等。這些工藝使步驟復(fù)雜化并增多了步驟，從而引起制造成本上升。
而且，當(dāng)采用CMP工藝時(shí)，必須考慮拋光過的材料表面具有凹陷形狀的表面凹陷問題。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一種情況，采用MEMS技術(shù)的半導(dǎo)體器件包含空腔；提供在空腔下部的下電極；提供在空腔上部或內(nèi)部的致動(dòng)器；連接到致動(dòng)器的上電極；以及經(jīng)由其底部表面被提供在空腔中下電極上部表面上方的接觸孔而在空腔外與下電極實(shí)現(xiàn)接觸的導(dǎo)電層。
根據(jù)本發(fā)明的一種情況，提供了采用MEMS技術(shù)的半導(dǎo)體器件的一種制造方法，此方法包含在絕緣層中形成溝槽；形成下電極，此下電極從絕緣層的頂部延伸進(jìn)入到溝槽中；用虛擬層填充此溝槽；在虛擬層上形成致動(dòng)器，此致動(dòng)器具有作為輸入端子的電極和連接到致動(dòng)器的上電極；以及將虛擬層轉(zhuǎn)變成空腔。


圖1是剖面圖，示出了根據(jù)參考例的MEMS元件；圖2是平面圖，示出了根據(jù)第一實(shí)施方案的MEMS元件；圖3是沿圖2中III-III線的剖面圖；圖4是平面圖，示出了根據(jù)第二實(shí)施方案的MEMS元件；圖5是沿圖4中V-V線的剖面圖；
圖6是平面圖，示出了根據(jù)第三實(shí)施方案的MEMS元件；圖7是沿圖6中VII-VII線的剖面圖；圖8是剖面圖，示出了圖6的MEMS元件的空腔部分；圖9是平面圖，示出了根據(jù)第四實(shí)施方案的MEMS元件；圖10是沿圖9中X-X線的剖面圖；圖11是平面圖，示出了根據(jù)第四實(shí)施方案的MEMS元件；圖12是沿圖11中XII-XII線的剖面圖；圖13是平面圖，示出了根據(jù)第四實(shí)施方案的MEMS元件；圖14是沿圖13中XIV-XIV線的剖面圖；圖15是平面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制造方法的一個(gè)步驟；圖16是沿圖15中XVI-XVI線的剖面圖；圖17是平面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制造方法的一個(gè)步驟；圖18是沿圖17中XVIII-XVIII線的剖面圖；圖19是平面圖，示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制造方法的一個(gè)步驟；圖20是沿圖19中XX-XX線的剖面圖；圖21是電路圖，示出了VCO的一個(gè)例子；圖22是方框圖，示出了發(fā)射/接收單元的一個(gè)例子；圖23是確定的電路，示出了匹配電路的一個(gè)例子；而圖24是確定的電路，示出了濾波器的一個(gè)例子。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖來詳細(xì)地描述本發(fā)明一種情況的采用MEMS技術(shù)的半導(dǎo)體器件。
1.概況本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例被應(yīng)用于諸如可變電容、開關(guān)、加速度傳感器、壓力傳感器、射頻(RF)濾波器、陀螺儀、以及微鏡器件之類的普通MEMS元件。
首先，在本發(fā)明的本實(shí)施例中，為了借助于減少步驟數(shù)目而達(dá)到制造成本的降低，提出了一種同時(shí)形成對(duì)于下電極和致動(dòng)器電極的接觸孔的技術(shù)。
關(guān)于此建議，從結(jié)構(gòu)方面提出了一種結(jié)構(gòu)，其中，對(duì)于下電極的接觸孔的底部表面被提供在空腔中下電極的上部表面上方。從工藝方面提出了一種工藝，其中，在絕緣層中形成溝槽之后，下電極被形成在絕緣層上和溝槽中，致使接觸孔的深度相對(duì)于下電極不變大。
要指出的是，對(duì)致動(dòng)器的類型沒有任何限制。例如，可采用下列類型的致動(dòng)器利用壓電力的壓電類型；利用靜電力的靜電類型；利用熱形變的熱類型；利用電磁力的電磁類型等。
而且，在本發(fā)明的本實(shí)施例中，提供了一種用來將致動(dòng)器設(shè)定為可用二種力即壓電力和靜電力來移動(dòng)的技術(shù)，以便擴(kuò)大致動(dòng)器的移動(dòng)范圍，從而提高M(jìn)EMS元件的性能并實(shí)現(xiàn)低電壓。
因此，從結(jié)構(gòu)方面，采用了這樣一種結(jié)構(gòu)，其中，致動(dòng)器包含壓電元件，并在壓電元件的第一與第二電極之間不產(chǎn)生任何電壓的狀態(tài)下，第一電極與下電極之間的距離隨此二電極靠近上電極而增大。在此情況下，在致動(dòng)器可移動(dòng)時(shí)，同時(shí)存在著由壓電元件產(chǎn)生的壓電力以及在導(dǎo)電層與下電極之間產(chǎn)生的靜電力。
2.參考例圖1示出了根據(jù)參考例的MEMS元件。
在此MEMS元件中，致動(dòng)器包含壓電元件。
絕緣層12被形成在半導(dǎo)體襯底11上。下電極13被形成在絕緣層12上。用絕緣層14涂敷下電極13。在下電極13上部具有溝槽的絕緣層15，被形成在絕緣層14上。以涂敷溝槽上部且將溝槽形成為空腔的方式，絕緣層16被形成在絕緣層15上。
壓電元件被形成在空腔上的絕緣層16上作為致動(dòng)器。例如，此壓電元件包含第一和第二電極17和19以及設(shè)置在這些電極之間的壓電層(例如PZT)18。
覆蓋壓電元件的絕緣層20，被形成在絕緣層16上。
在絕緣層20中，安置了達(dá)及第一和第二電極17和19的接觸孔。經(jīng)由這些接觸孔而連接到第一和第二電極17和19的導(dǎo)電層21和23，被形成在絕緣層20上。
而且，在絕緣層20中安置了達(dá)及絕緣層16的接觸孔。在絕緣層20上形成上電極22，用上電極22來填充接觸孔。
而且，在絕緣層14、15、16、20中，安置了達(dá)及下電極13的接觸孔。在絕緣層20上，形成經(jīng)由接觸孔而連接到下電極13的導(dǎo)電層24。
此處，例如當(dāng)導(dǎo)電層23、24被固定到地電位，且輸入信號(hào)Vin被饋送到導(dǎo)電層21時(shí)，壓電元件就響應(yīng)于輸入信號(hào)Vin而形變，下電極13與上電極22之間的距離于是改變。亦即，由于下電極13與上電極22之間的電容C響應(yīng)于輸入信號(hào)Vin而改變，故這種MEMS元件可用作例如可變電容。
但在這種MEMS元件中，從圖中可見，與另一接觸孔的深度相比，接觸孔相對(duì)于下電極13的深度d1過大。因此，難以與其它接觸孔同時(shí)形成對(duì)下電極13的接觸孔。
而且，由于此致動(dòng)器基本上僅僅由壓電元件的壓電力而形變，如不使用高電壓則難以擴(kuò)大移動(dòng)范圍。
3.實(shí)施方案接著來描述被認(rèn)為是最好的幾個(gè)實(shí)施方案。
在以下所述的各個(gè)實(shí)施方案中，為了明晰與參考例的差別，將描述類型相似于參考例的MEMS元件，但這并不意味著本發(fā)明的所有實(shí)施例都受此類型MEMS元件的限制。
(1)第一實(shí)施方案a.結(jié)構(gòu)圖2示出了根據(jù)第一實(shí)施方案的MEMS元件。圖3是沿圖2中III-III線的剖面圖。
本實(shí)施方案的MEMS元件是一種壓電可變電容，其中，以相同于參考例的方式，致動(dòng)器包含壓電元件。
絕緣層12被形成在半導(dǎo)體襯底11上。具有溝槽的絕緣層15被形成在絕緣層12上。下電極13被形成在絕緣層15上以及形成于絕緣層15中的溝槽中。用絕緣層14涂敷下電極13。
以覆蓋溝槽上部且將溝槽形成為空腔的方式，絕緣層16被形成在絕緣層15上。在空腔上的絕緣層16上，壓電元件被形成作為致動(dòng)器。例如，壓電元件包含第一電極17、第一電極17上的壓電層18、以及壓電層18上的第二電極19。第一和第二電極17和19用作例如MEMS元件的輸入端子。
以覆蓋壓電元件的方式，絕緣層20被形成在絕緣層16上。在絕緣層20中，安置了達(dá)及第一和第二電極17和19的接觸孔。經(jīng)由這些接觸孔而被連接到第一和第二電極17和19的導(dǎo)電層21和23，被形成在絕緣層20上。
而且，在絕緣層20中安置了達(dá)及絕緣層16的接觸孔。以填充接觸孔的方式，上電極22被形成在絕緣層20上。上電極22用作例如MEMS元件的輸出端子。
而且，在絕緣層14、15、16、20中，安置了達(dá)及下電極13的接觸孔。在絕緣層20上，形成經(jīng)由接觸孔而連接到下電極13的導(dǎo)電層24。
此處，例如當(dāng)導(dǎo)電層23和24被固定到地電位，且輸入信號(hào)Vin被饋送到導(dǎo)電層21時(shí)，壓電元件就響應(yīng)于輸入信號(hào)Vin而形變，下電極13與上電極22之間的距離于是改變。亦即，由于下電極13與上電極22之間的電容C響應(yīng)于輸入信號(hào)Vin而改變，故這種MEMS元件可用作例如可變電容。
在本實(shí)施例中，下電極13從絕緣層15的頂部被安排進(jìn)入到溝槽中。亦即，如參考例中那樣，厚的絕緣層15不被形成在下電極13上，且下電極13被形成在厚的絕緣層15上。
因此，達(dá)及下電極13的接觸孔的底部表面被提供在空腔中下電極13的上部表面上。
結(jié)果，從圖中可見，接觸孔相對(duì)于下電極13的深度d2基本上等于另一接觸孔的深度。因此，有可能與其它接觸孔同時(shí)形成對(duì)下電極13的接觸孔。
b.材料、尺寸等接著來描述用于圖2和3的MEMS元件的材料和尺寸等的例子。
例如，可以從諸如硅和鍺之類的純粹半導(dǎo)體、諸如GaAs和ZnSe之類的化合物半導(dǎo)體、以及借助于用雜質(zhì)對(duì)這些半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜而得到的高度導(dǎo)電的半導(dǎo)體中選擇一種材料作為半導(dǎo)體襯底11。半導(dǎo)體襯底11可以是絕緣體基硅(SOI)襯底。
絕緣層12由例如二氧化硅組成。絕緣層12的厚度為3nm或以上，優(yōu)選為400nm或以上?？梢詮闹T如W、Al、Cu、Au、Ti、Pt之類的金屬；至少包含這些金屬之一的合金；以及包含雜質(zhì)的導(dǎo)電多晶硅中選擇一種材料作為下電極13和上電極22。下電極13和上電極22可以具有單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)。
當(dāng)包含雜質(zhì)的導(dǎo)電的多晶硅被用作下電極13和上電極22時(shí)，硅化物被優(yōu)選形成在導(dǎo)電的多晶硅上，以便降低電阻。下電極13和上電極22可以包含諸如Co、Ni、Si、N之類的元素。
下電極13和上電極22可以包含相同的結(jié)構(gòu)或材料，或可以包含相互不同的結(jié)構(gòu)或材料。
下電極13和上電極22的平面形狀不受特殊的限制。例如可以采用諸如正方形、矩形、圓形、以及多角形之類的形狀。
可以從諸如PZT(Pb(Zr，Ti)O3)、AlN、ZnO、PbTiO、BTO(BaTiO3)之類的陶瓷以及諸如聚偏二氟乙烯(PVDF)之類的聚合物材料中選擇一種材料作為構(gòu)成致動(dòng)器的壓電元件的壓電層18。
構(gòu)成致動(dòng)器的壓電元件的第一和第二電極1 7和19可以包含例如下列材料● 諸如Pt、Sr、Ru、Cr、Mo、W、Ti、Ta、Al、Cu、Ni之類的金屬或至少包含這些金屬之一的合金；● 上述金屬或合金的氮化物、氧化物(例如SrRuO)、或化合物；以及● 從上述兩組材料中選出的多種材料的疊層。
第一和第二電極17和19可以包含相同的結(jié)構(gòu)或材料，或可以包含相互不同的結(jié)構(gòu)或材料。
壓電元件即致動(dòng)器的厚度要盡可能薄，例如被設(shè)定為0.2nm或以下。壓電元件的平面形狀不受特殊的限制。例如可以采用正方形、矩形、圓形、以及多角形等形狀。
絕緣層14和16包含例如氮化硅。絕緣層15和20包含例如氧化硅。
絕緣層15的厚度決定了空腔的尺寸亦即致動(dòng)器的移動(dòng)范圍。絕緣層15的厚度被設(shè)定為例如600nm或以上。
導(dǎo)電層21、23、24包含例如相同于上電極22的結(jié)構(gòu)和材料。
本實(shí)施方案的多個(gè)MEMS元件被形成在一個(gè)晶片上，并借助于劃片而彼此分離。至于芯片的尺寸，例如在其中僅僅MEMS元件被形成在芯片中的分立產(chǎn)品中，四角形的尺寸約為2cm×2cm或以下。
此處，空腔優(yōu)選被密封，以便防止元件在劃片時(shí)被水的壓力損壞。
對(duì)于空腔的氣壓和填充空腔的氣體，沒有任何限制。例如，空腔的氣壓可以是大氣壓或接近真空的狀態(tài)。填充空腔的氣體可以主要是含碳?xì)怏w或與大氣相同的組分。
可以例如從正方形、矩形、圓形、以及多角形等來選擇空腔的平面形狀。
c.運(yùn)行接著來描述圖2和3的MEMS元件的運(yùn)行。
當(dāng)MEMS元件運(yùn)行時(shí)，半導(dǎo)體襯底11優(yōu)選被固定到例如地電位。
在沒有任何電壓被施加到構(gòu)成致動(dòng)器的壓電元件的初始狀態(tài)中，亦即當(dāng)輸入信號(hào)Vin顯示0V時(shí)，任何電壓都不被施加到壓電元件，下電極13與上電極22之間的距離因而最大。此時(shí)的電容C被設(shè)定為Cmin。
當(dāng)輸入信號(hào)Vin被提高到例如0V或以上的數(shù)值時(shí)，壓電元件的形變量根據(jù)此數(shù)值而增大，且下電極13與上電極22之間的距離逐漸減小。由于下電極13與上電極22之間的電容C反比于二個(gè)電極之間的距離，故電容C根據(jù)輸入信號(hào)Vin的增大而逐漸增大。
例如，當(dāng)輸入信號(hào)Vin顯示0V時(shí)，電容Cmin被設(shè)定為大約0.08pF。然后，當(dāng)輸入信號(hào)Vin被設(shè)定為3V(最大值)時(shí)，電容Cmax約為13pF。此外，上電極22具有直徑為100微米的圓形。在此初始狀態(tài)中，下電極13與上電極22之間的距離被設(shè)定為1微米。
要指出的是，輸入信號(hào)Vin的最大值優(yōu)選被設(shè)定為3V或以下，以便降低電壓，此時(shí)的電容比率(Cmax/Cmin)在-45℃到125℃的工作條件下優(yōu)選為20或以上。
d.結(jié)論如上所述，在第一實(shí)施方案的MEMS元件中，下電極從厚的絕緣層頂部被形成進(jìn)入到溝槽中。結(jié)果，對(duì)于下電極的接觸孔的底面被提供在空腔中下電極的上部表面上方。因此，對(duì)于下電極的接觸孔能夠與其它接觸孔同時(shí)被形成，從而能夠借助于減少步驟數(shù)目(PEP數(shù)目)而實(shí)現(xiàn)制造成本的降低。
(2)第二實(shí)施方案a.結(jié)構(gòu)圖4示出了根據(jù)第二實(shí)施方案的MEMS元件。圖5是沿圖4中V-V線的剖面圖。
此MEMS元件也是一種壓電可變電容，其中，以相同于參考例的方式，致動(dòng)器包含壓電元件。
絕緣層12被形成在半導(dǎo)體襯底11上。具有溝槽的絕緣層15被形成在絕緣層12上。下電極13被形成在絕緣層15上以及形成于絕緣層15中的溝槽中。用絕緣層14覆蓋下電極13。
以覆蓋溝槽上部且將溝槽形成為空腔的方式，絕緣層16被形成在絕緣層15上。在空腔上的絕緣層16上，壓電元件被形成作為致動(dòng)器。例如，壓電元件包含第一電極17、第一電極1 7上的壓電層18、以及壓電層18上的第二電極19。第一和第二電極17和19用作例如MEMS元件的輸入端子。
以覆蓋壓電元件的方式，絕緣層20被形成在絕緣層16上。在絕緣層20中，安置了達(dá)及第一和第二電極17和19的接觸孔。經(jīng)由這些接觸孔而被連接到第一和第二電極17和19的導(dǎo)電層21和23，被形成在絕緣層20上。
而且，在絕緣層20中安置了達(dá)及絕緣層16的接觸孔。以填充接觸孔的方式，上電極22被形成在絕緣層20上。上電極22用作例如MEMS元件的輸出端子。
而且，在絕緣層14、15、16、20中，安置了達(dá)及下電極13的接觸孔。在絕緣層20上，形成經(jīng)由接觸孔而連接到下電極13的導(dǎo)電層24。
此處，例如當(dāng)導(dǎo)電層23和24被固定到地電位，且輸入信號(hào)Vin被饋送到導(dǎo)電層21時(shí)，壓電元件就響應(yīng)于輸入信號(hào)Vin而形變，下電極13與上電極22之間的距離于是改變。亦即，由于下電極13與上電極22之間的電容C響應(yīng)于輸入信號(hào)Vin而改變，故這種MEMS元件可用作例如可變電容。
在本實(shí)施例的MEMS元件中，在沒有任何電壓被施加到構(gòu)成致動(dòng)器的壓電元件的初始狀態(tài)中，亦即當(dāng)輸入信號(hào)Vin顯示0V時(shí)，第一電極17與輸入信號(hào)Vin被輸入到其中的壓電元件的下電極13之間的距離，隨這些電極靠近上電極22而增大。
例如，如圖5所示，形成在絕緣層15中的溝槽的側(cè)面被局部地或整個(gè)地傾斜。此錐形優(yōu)選被形成在構(gòu)成致動(dòng)器的壓電元件的正下方。
因此，由于致動(dòng)器可用壓電元件的壓電力以及第一電極17與下電極13之間的靜電力來移動(dòng)，故致動(dòng)器的移動(dòng)范圍得到了擴(kuò)大而不提高電壓，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的MEMS元件。
要指出的是，靜電力反比于距離的平方而增大，例如，當(dāng)上電極22由于壓電元件的收縮而接近下電極13時(shí)，第一電極17與壓電元件下電極13之間的距離就縮短。
而且，例如借助于在形成溝槽時(shí)調(diào)整絕緣層15的腐蝕條件，能夠容易地形成此錐形。這方面將在制造方法的描述中加以詳細(xì)描述。
b.材料、尺寸等至于用在第二實(shí)施方案的MEMS元件中的材料和尺寸等，可以原樣采用第一實(shí)施方案所述材料和尺寸等的例子。
在第二實(shí)施方案的MEMS元件中，也是多個(gè)元件被形成在一個(gè)晶片上，并以相同于第一實(shí)施方案的方式借助于劃片而彼此分離。
因此，空腔優(yōu)選被密封?？梢哉J(rèn)為空腔的氣壓和填充空腔的氣體與第一實(shí)施方案的相同。例如，正方形、矩形、圓形、多角形等可用作空腔的平面形狀。
c.運(yùn)行第二實(shí)施方案的MEMS元件的運(yùn)行相同于第一實(shí)施方案所述的運(yùn)行。
此外，由于在第二實(shí)施方案中可以用壓電力和靜電力來移動(dòng)致動(dòng)器，故有可能在低于第一實(shí)施方案的電壓下工作。
d.結(jié)論如上所述，在第二實(shí)施方案的MEMS元件中，在初始狀態(tài)中，第一電極與其中被施加輸入信號(hào)Vin的壓電元件的下電極之間的距離隨著這些電極靠近上電極而增大。因此，可以用壓電元件的壓電力以及導(dǎo)電層與下電極之間產(chǎn)生的靜電力來移動(dòng)致動(dòng)器。故能夠擴(kuò)大致動(dòng)器的移動(dòng)范圍而無須提高電壓，并能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的MEMS元件。
e.其它在第二實(shí)施方案中，對(duì)于下電極13的接觸孔的底部表面被提供在空腔中下電極13的上部表面上方。亦即，第二實(shí)施方案MEMS元件包括第一實(shí)施方案的所有特性，從而能夠得到相似于第一實(shí)施方案的效果。
要指出的是，在第二實(shí)施方案中，必須以錐形不限制致動(dòng)器的移動(dòng)范圍的方式來調(diào)整錐形相對(duì)于半導(dǎo)體襯底表面的位置和角度等。
(3)第三實(shí)施方案第三實(shí)施方案是第二實(shí)施方案的一種修正。其特征在于，溝槽的側(cè)面被提供成不具有錐形而具有階梯形。
a.結(jié)構(gòu)圖6示出了根據(jù)第三實(shí)施方案的MEMS元件。圖7是沿圖6中VII-VII線的剖面圖。
除了溝槽的側(cè)面之外，根據(jù)第三實(shí)施方案的MEMS元件的結(jié)構(gòu)相同于根據(jù)第二實(shí)施方案的。
在沒有任何電壓被饋送到構(gòu)成致動(dòng)器的壓電元件的初始狀態(tài)下，亦即當(dāng)輸入信號(hào)Vin顯示0V時(shí)，第一電極17與輸入信號(hào)Vin被施加到其中的壓電元件的下電極13之間的距離，隨這些電極靠近上電極22而增大。
在本實(shí)施方案中，如圖6和7所示，形成在絕緣層15中的溝槽的側(cè)面被部分地或整個(gè)地傾斜。在此情況下，如圖8所示，在沒有任何電壓被饋送到構(gòu)成致動(dòng)器的壓電元件的初始狀態(tài)下，亦即在0V的輸入信號(hào)Vin下，第一電極17與下電極13之間的距離，隨這些電極靠近上電極22而增大。
要指出的是，階梯部分優(yōu)選被形成在構(gòu)成致動(dòng)器的壓電元件正下方。
因此，由于致動(dòng)器可用壓電元件的壓電力以及第一電極17與下電極13之間的靜電力來移動(dòng)，故致動(dòng)器的移動(dòng)范圍得到了擴(kuò)大而不提高電壓，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的MEMS元件。
b.材料、尺寸等至于用在第三實(shí)施方案的MEMS元件中的材料和尺寸等，可以原樣采用第一實(shí)施方案所述材料和尺寸等的例子。
在第三實(shí)施方案的MEMS元件中，也是多個(gè)元件被形成在一個(gè)晶片上，并以相同于第一實(shí)施方案的方式借助于劃片而彼此分離。
因此，空腔優(yōu)選被密封。可以認(rèn)為空腔的氣壓和填充空腔的氣體與第一實(shí)施方案的相同。例如，正方形、矩形、圓形、多角形等可用作空腔的平面形狀。
c.運(yùn)行第三實(shí)施方案的MEMS元件的運(yùn)行相同于第一實(shí)施方案所述的運(yùn)行。此處描述從略。
此外，由于在第三實(shí)施方案中也可以用壓電力和靜電力來移動(dòng)致動(dòng)器，故有可能在低于第一實(shí)施方案的電壓下工作。
d.結(jié)論如上所述，即使在第三實(shí)施方案中，也能夠得到相似于第二實(shí)施方案的效果。
e.其它第三實(shí)施方案的MEMS元件也包括第一實(shí)施方案的所有特性，從而能夠得到相似于第一實(shí)施方案的效果。要指出的是，在第三實(shí)施方案中，必須以階梯部分不限制致動(dòng)器的移動(dòng)范圍的方式來調(diào)整階梯部分的位置等。
(4)第四實(shí)施方案圖9-14示出了根據(jù)第四實(shí)施方案的MEMS元件。圖9和10相當(dāng)于第一實(shí)施方案的一種修正，圖11和12相當(dāng)于第二實(shí)施方案的一種修正，而圖13和14相當(dāng)于第三實(shí)施方案的一種修正。
絕緣層12被形成在半導(dǎo)體襯底11上。具有溝槽的絕緣層15被形成在絕緣層12上。下電極13被形成在絕緣層15上以及形成于絕緣層15中的溝槽中。用絕緣層14涂敷下電極13。
以覆蓋溝槽上部的方式，絕緣層16被形成在絕緣層15上。在絕緣層16上，壓電元件被形成作為致動(dòng)器。例如，壓電元件包含第一電極17、第一電極17上的壓電層18、以及壓電層18上的第二電極19。第一和第二電極17和19用作例如MEMS元件的輸入端子。
以覆蓋壓電元件的方式，絕緣層20被形成在絕緣層16上。在絕緣層20中，安置了達(dá)及第一和第二電極17和19的接觸孔。經(jīng)由這些接觸孔而被連接到第一和第二電極17和19的導(dǎo)電層21和23，被形成在絕緣層20上。
而且，在絕緣層20中安置了達(dá)及絕緣層16的接觸孔。以填充接觸孔的方式，上電極22被形成在絕緣層20上。上電極22用作例如MEMS元件的輸出端子。
而且，在絕緣層14、15、16、20中，安置了達(dá)及下電極13的接觸孔。在絕緣層20上，形成經(jīng)由接觸孔而連接到下電極13的導(dǎo)電層24。
以環(huán)繞致動(dòng)器的方式，絕緣層31和32被形成在絕緣層20上。結(jié)果，空腔被形成在致動(dòng)器周圍。
要指出的是，代替絕緣層31和32，利用晶片層面封裝件，另一個(gè)晶片可以被用來形成空腔。
此處，例如當(dāng)導(dǎo)電層23和24被固定到地電位，且輸入信號(hào)Vin被饋送到導(dǎo)電層21時(shí)，壓電元件就響應(yīng)于輸入信號(hào)Vin而形變，下電極13與上電極22之間的距離于是改變。亦即，由于下電極13與上電極22之間的電容C響應(yīng)于輸入信號(hào)Vin而改變，故這種MEMS元件可用作例如可變電容。
b.材料、尺寸等至于用在第四實(shí)施方案的MEMS元件中的材料和尺寸等，可以原樣采用第一實(shí)施方案所述材料和尺寸等的例子。
在第四實(shí)施方案的MEMS元件中，也是多個(gè)元件被形成在一個(gè)晶片上，并以相同于第一實(shí)施方案的方式借助于劃片而彼此分離。
因此，空腔優(yōu)選被密封?？梢哉J(rèn)為空腔的氣壓和填充空腔的氣體與第一實(shí)施方案的相同。例如，正方形、矩形、圓形、多角形等可用作空腔的平面形狀。
c.運(yùn)行第四實(shí)施方案的MEMS元件的運(yùn)行相同于第一實(shí)施方案所述的運(yùn)行。此處描述從略。
d.結(jié)論如上所述，即使在第四實(shí)施方案中，也能夠得到相似于第一到第三實(shí)施方案的效果。
e.其它在第一到第四實(shí)施方案中，輸入信號(hào)Vin被施加到壓電元件的第一電極，而第二電極被固定到地電位。在此情況下，例如當(dāng)施加正電壓被用作輸入信號(hào)Vin時(shí)，致動(dòng)器就沿一個(gè)方向(接近下電極的方向)移動(dòng)。代替這種情況，致動(dòng)器沿一個(gè)方向(接近下電極)或另一方向(離開下電極)從初始狀態(tài)移動(dòng)，從而能夠擴(kuò)大移動(dòng)范圍。
例如，當(dāng)輸入信號(hào)Vin在從負(fù)電壓(例如-3V)到正電壓(例如3V)的范圍內(nèi)改變時(shí)，致動(dòng)器能夠沿一個(gè)或另一個(gè)方向從初始狀態(tài)移動(dòng)。當(dāng)僅僅正電壓被用作輸入信號(hào)Vin，且不同的輸入信號(hào)Vin被施加到壓電元件的第一和第二電極時(shí)，能夠擴(kuò)大致動(dòng)器的移動(dòng)范圍。
而且，至于第一到第四實(shí)施方案的MEMS元件，例如當(dāng)此元件被用作開關(guān)時(shí)，下電極和上電極必須被暴露在空腔中。因此，在此情況下，要求諸如設(shè)置在絕緣層中的窗口之類的變形。
4.制造方法接著來描述根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的制造MEMS元件的方法。
此處將根據(jù)第二實(shí)施方案的MEMS元件的例子來描述此方法。
首先，如圖15和16所示，用熱氧化工藝，厚度約為1.3微米的絕緣層(例如氧化硅)12被形成在半導(dǎo)體襯底11上。用化學(xué)氣相淀積(CVD)工藝，厚度約為1微米的絕緣層(例如氧化硅)15被形成在絕緣層12上。
接著，用光刻工藝(PEP)，溝槽被形成在絕緣層15中。亦即，抗蝕劑圖形被形成在絕緣層15上，并用此抗蝕劑圖形作為掩模，用化學(xué)干法腐蝕(CDE)方法對(duì)絕緣層15進(jìn)行腐蝕。此CDE是一種各向同性腐蝕，從而在溝槽的側(cè)面上形成錐形。然后清除抗蝕劑圖形。
要指出的是，當(dāng)如第一實(shí)施方案那樣溝槽的側(cè)面垂直于半導(dǎo)體襯底11的表面時(shí)，諸如反應(yīng)離子刻蝕(RIE)之類的各向異性腐蝕，被用作絕緣層15的腐蝕工藝。
而且，當(dāng)溝槽的側(cè)面具有第三實(shí)施方案那樣的階梯形時(shí)，可以多次重復(fù)抗蝕劑圖形的形成/清除以及RIE。
接著，導(dǎo)電層13被形成在絕緣層15上和溝槽中，并用PEP對(duì)導(dǎo)電層13進(jìn)行圖形化，使之形成為下電極13。用CVD工藝，以覆蓋下電極13的方式，形成厚度約為50nm的絕緣層(例如氮化硅)14。
而且，以溝槽被完全填充的方式，用CVD工藝，虛擬層(例如多晶硅)25被形成在絕緣層14上。然后，用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)對(duì)虛擬層25進(jìn)行拋光，使虛擬層25僅僅留在溝槽中，且表面被整平。
接著，如圖17和18所示，由于用CVD工藝，厚度約為50nm的絕緣層(例如氮化硅)16被形成在絕緣層14和虛擬層25上，故絕緣層16的表面也是平坦的。
而且，壓電元件被形成在平坦的絕緣層16上作為致動(dòng)器。例如，第一電極17、壓電層18、以及第二電極19，被相繼淀積和圖形化，從而形成壓電元件。
要指出的是，由于壓電元件被形成在平坦的絕緣層16上，故能夠降低特性的起伏，這有助于提高M(jìn)EMS元件的可靠性。
接著，利用CVD工藝，以完全覆蓋壓電元件的方式，厚度約為100nm的絕緣層(例如氧化硅)20被形成在絕緣層16上。
而且，用PEP方法，接觸孔26、27、28被形成在絕緣層20中，且接觸孔29被形成在絕緣層14、16、20中。
接觸孔26達(dá)及壓電元件的第一電極17，接觸孔27達(dá)及壓電元件的第二電極19，且接觸孔27達(dá)及絕緣層16。接觸孔29達(dá)及存在于絕緣層15上的下電極13。
此處，這些接觸孔26、27、28、29被一次同時(shí)用PEP和RIE方法形成。
而且，清除虛擬層25以在絕緣層16中形成用來構(gòu)成空腔的孔30。此孔30可以與接觸孔26、27、28、29同時(shí)被形成。
例如，用來清除虛擬層25的孔30被安置在溝槽的幾個(gè)端部中?？?0的形狀不受特殊的限制，可以采用圓形、橢圓形、矩形、四角形、或多角形。
然后，用化學(xué)液或反應(yīng)氣體清除虛擬層25，以便以致動(dòng)器可移動(dòng)的方式形成空腔。
要指出的是，當(dāng)虛擬層25包含抗蝕劑時(shí)，可以用稱為燒蝕的蒸發(fā)工藝來清除虛擬層25。
接著，如圖19和20所示，在以填充在接觸孔26、27、28、29中的方式，用CVD工藝將導(dǎo)電層形成在絕緣層20上之后，用PEP方法對(duì)此導(dǎo)電層進(jìn)行圖形化，以便形成構(gòu)成電極的導(dǎo)電層21、23、24以及上電極22。
而且，此時(shí)可以用導(dǎo)電層33將用來清除虛擬層25的孔30封閉起來，以便對(duì)空腔進(jìn)行密封。
要指出的是，可以用諸如硅和硅鍺之類的半導(dǎo)體代替導(dǎo)電層33來封閉此空腔。
用上述各個(gè)步驟，就完成了根據(jù)第二實(shí)施方案的MEMS元件。
根據(jù)此制造方法，在厚的絕緣層15中形成溝槽之后，導(dǎo)電層13被形成作為下電極，它從絕緣層15的頂部延伸到溝槽中。
因此，當(dāng)對(duì)于下電極13的接觸孔29被安置在絕緣層15的上部中時(shí)，能夠減小接觸孔29的深度d2，并能夠同時(shí)形成接觸孔26、27、28、29。
而且，當(dāng)用諸如CDE之類的各向同性腐蝕方法在溝槽的側(cè)面上形成錐形時(shí)，有可能容易地得到這樣一種結(jié)構(gòu)，其中，致動(dòng)器除了可以由壓電元件的壓電力移動(dòng)之外，還可以由靜電力移動(dòng)。
如上所述，此MEMS元件能夠被實(shí)際制造，它能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)性能的提高和制造成本的降低。
要指出的是，在上述制造方法中，除了多晶硅之外，諸如非晶硅之類的硅材料以及諸如抗蝕劑之類的有機(jī)材料，也可以用作構(gòu)成用來形成空腔的虛擬層25的材料。
5.應(yīng)用例子當(dāng)本發(fā)明的本實(shí)施例被應(yīng)用于諸如可變電容、開關(guān)、加速度傳感器、壓力傳感器、射頻(RF)濾波器、陀螺儀、以及微鏡器件之類的普通MEMS元件時(shí)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)MEMS元件的性能提高和制造成本降低。
而且，本發(fā)明的本實(shí)施例可應(yīng)用于其中在一個(gè)芯片上僅僅形成MEMS元件的分立產(chǎn)品。此外，本實(shí)施例例如被應(yīng)用于系統(tǒng)LSI，其上MEMS元件和LSI(邏輯電路和存儲(chǔ)器電路等)被混合/安裝在一個(gè)芯片中，從而能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)LSI的高性能以及安裝尺寸的減小。
例如，本發(fā)明的本實(shí)施例可用作用于諸如蜂窩電話之類的便攜式裝置以及諸如無線電LAN之類的通信裝置的圖21所示的電壓控制振蕩器(VCO)的可變電容C。
而且，如圖22和23所示，本發(fā)明的本實(shí)施例可應(yīng)用于發(fā)射/接收單元的匹配電路中的可變電容C。而且，例如當(dāng)虛線環(huán)繞的部分被形成到一個(gè)芯片中時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)LSI的性能提高和安裝尺寸減小。
而且，如圖24所示，本發(fā)明的本實(shí)施例可應(yīng)用于濾波器中的可變電容C。
6.其它在上述各實(shí)施方案中已經(jīng)描述了，空腔優(yōu)選被密封，以便防止器件在劃片時(shí)被水壓力損壞。至于此空腔的密封方法，通常采用晶片層面封裝件。在此封裝件中，其上要形成MEMS元件的晶片被層疊在不同的晶片上，但也可以采用其它的結(jié)構(gòu)或方法。這將被分別提出。
本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員可以容易地作出其它的優(yōu)點(diǎn)和修正。因此，本發(fā)明在其更廣闊的情況下不局限于此處所述的代表型實(shí)施方案的具體細(xì)節(jié)。因此，可以作出各種修正而不偏離所附權(quán)利要求及其等效物所定義的本發(fā)明的構(gòu)思與范圍。
權(quán)利要求
1.一種采用MEMS技術(shù)的半導(dǎo)體器件，它包含空腔；提供在空腔下部的下電極；提供在空腔上部或內(nèi)部的致動(dòng)器；連接到致動(dòng)器的上電極；以及在空腔外經(jīng)由接觸孔與下電極相接觸的導(dǎo)電層，所述接觸孔的底部表面被提供在空腔中下電極上部表面上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，致動(dòng)器包含第一電極、第一電極上的壓電層、以及壓電層上的第二電極，且在第一與第二電極之間不產(chǎn)生任何電壓的狀態(tài)下，第一電極與下電極之間的距離隨著第一電極和下電極靠近上電極而增大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，空腔包含安置在絕緣層中的溝槽，且下電極從絕緣層的頂部延伸到溝槽中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中，絕緣層具有錐形。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的半導(dǎo)體器件，其中，絕緣層具有階梯形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，空腔被密封。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，致動(dòng)器包含壓電元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，延伸進(jìn)入空腔中的致動(dòng)器的表面在初始狀態(tài)下是平坦的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，下電極被固定到地電位。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其中，第二電極被固定到地電位，且輸入信號(hào)被饋送到第一電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，上電極和下電極是選自W、Al、Cu、Au、Ti、Pt的金屬；至少包含這些金屬之一的合金；以及包含雜質(zhì)的導(dǎo)電多晶硅中的一種。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其中，壓電層是選自PZT(Pb(Zr，Ti)O3)、AIN、ZnO、PbTiO、BTO(BaTiO3)的陶瓷以及選自聚偏二氟乙烯(PVDF)的聚合物材料之一。
13.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其中，第一和第二電極是選自Pt、Sr、Ru、Cr、Mo、W、Ti、Ta、Al、Cu、Ni的金屬、至少包含這些金屬之一的合金、以及此金屬或合金的氮化物、氧化物、或化合物中的一種。
14.一種采用MEMS技術(shù)的半導(dǎo)體器件的制造方法，此方法包含在絕緣層中形成溝槽；形成下電極，此下電極從絕緣層的頂部延伸進(jìn)入到溝槽中；用虛擬層填充此溝槽；在虛擬層上形成致動(dòng)器，此致動(dòng)器具有作為輸入端子的電極和連接到致動(dòng)器的上電極；以及將虛擬層轉(zhuǎn)變成空腔。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的制造方法，還包含同時(shí)形成對(duì)于下電極的接觸孔和對(duì)于致動(dòng)器電極的接觸孔。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的制造方法，其中，用各向同性腐蝕方法來形成溝槽。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的制造方法，其中，用各向異性腐蝕方法來形成溝槽。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的制造方法，其中，虛擬層包含選自包括多晶硅和非晶硅的硅材料以及包括抗蝕劑的有機(jī)材料中的一種材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的制造方法，其中，用化學(xué)液和反應(yīng)氣體之一來清除虛擬層，并將虛擬層轉(zhuǎn)變成空腔。
20.根據(jù)權(quán)利要求14的制造方法，其中，在形成空腔之后，將空腔密封。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的采用MEMS技術(shù)的半導(dǎo)體器件包含空腔；提供在空腔下部的下電極；提供在空腔上部或內(nèi)部的致動(dòng)器；連接到致動(dòng)器的上電極；以及經(jīng)由其底部表面被提供在空腔中下電極上部表面上方的接觸孔而在空腔外與下電極相接觸的導(dǎo)電層。
文檔編號(hào)H01L41/22GK1848472SQ20061007388
公開日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2006年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月6日
發(fā)明者大黑達(dá)也 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝