專利名稱：平面腔體微機(jī)電系統(tǒng)及相關(guān)結(jié)構(gòu)、制造和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及制造方法，特別是涉及平面腔體微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)、制造和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
集成電路中所采用的集成電路開關(guān)可以由固態(tài)結(jié)構(gòu)(例如，晶體管)或者無源布線(MEMS)形成。因?yàn)镸EMS開關(guān)的近乎理想的隔離以及其在IOGHz以及更高頻率上的低插入損耗(即阻抗)，所以通常采用MEMS開關(guān)，MEMS開關(guān)的近乎理想的隔離是將其用于功率放大器(PA)的模式轉(zhuǎn)換的無線通訊應(yīng)用的關(guān)鍵需求。MEMS開關(guān)可用于多種應(yīng)用，主要為模擬和混合信號(hào)應(yīng)用。一個(gè)這樣的示例是移動(dòng)電話芯片，其包含用于為每個(gè)廣播模式調(diào)諧的電路和功率放大器(PA)。芯片上的集成開關(guān)將PA連接到適當(dāng)?shù)碾娐?，從而不需要每個(gè)模式具有一個(gè) PA。取決于特定的應(yīng)用和工程標(biāo)準(zhǔn)，MEMS結(jié)構(gòu)可具有許多不同的形式。例如，MEMS可以由懸臂梁結(jié)構(gòu)的形式實(shí)現(xiàn)。在懸臂結(jié)構(gòu)中，通過施加致動(dòng)電壓(actuation voltage)將懸臂(一個(gè)端部固定的懸置電極)拉向固定電極。通過靜電力將懸置電極拉向固定電極所需的電壓稱為拉入電壓(pull-involtage)，其取決于幾個(gè)參數(shù)，包括懸置電極的長(zhǎng)度、懸置電極和固定電極之間的間隔或間隙以及懸置電極的彈簧常數(shù)，懸置電極的彈性常數(shù)是材料及其厚度的函數(shù)。可選擇地，MEMS梁可以為橋式結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)端部被固定。MEMS可采用多種不同工具以多種方式制造。然而，一般而言，采用這些方法和工具來形成具有微米級(jí)尺寸的小結(jié)構(gòu)，開關(guān)尺寸約為5微米厚、100微米寬及200微米長(zhǎng)。此夕卜，用于制造MEMS的很多方法、即技術(shù)，是選自集成電路(IC)技術(shù)。例如，幾乎所有的MEMS都構(gòu)建在晶片上，并且實(shí)現(xiàn)在晶片的頂部上通過光刻工藝圖案化的材料薄膜中。具體而言，MEMS的制造采用三個(gè)基本的構(gòu)建階段(building block): (i )在襯底上沉積材料薄膜，(ii )通過光刻成像在上述膜的頂部上施加圖案化的掩模，以及(iii)相對(duì)于掩模，選擇性地蝕刻上述膜。例如，在MEMS懸臂式開關(guān)中，固定電極和懸置電極通常米用一系列傳統(tǒng)的光亥IJ、蝕刻和沉積工藝制造。在一個(gè)示例中，在形成懸置電極后，一層犧牲材料(例如，由Microchem, Inc.制造的旋涂聚合物PMGI)沉積在MEMS結(jié)構(gòu)下方以形成腔體以及沉積在MEMS結(jié)構(gòu)上方以形成腔體。MEMS上方的腔體用于支撐蓋(例如，SiN圓頂)的形成，以密封MEMS結(jié)構(gòu)。然而，這造成幾個(gè)缺點(diǎn)。例如，已知使用諸如PMGI的旋涂聚合物形成的MEMS腔體是非平面的。然而，非平面的MEMS腔體帶來問題，包括例如光刻聚焦深度的可變性以及因電介質(zhì)破裂引起的封裝可靠性。另外，使用旋涂聚合物形成的MEMS腔體需要在低溫下處理，以避免回流或者損壞聚合物；并且聚合物可能在排放后在腔體中留下有機(jī)(即含碳)殘留物。因此，現(xiàn)有技術(shù)中存在克服上述缺陷和限制的需要。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一方面中，一種形成至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的方法包括在襯底上形成下布線層。該方法還包括自下布線層形成多個(gè)分離布線。該方法還包括在多個(gè)分離布線上方形成電極梁。電極梁和多個(gè)分離布線的形成的至少之一形成有最小化后續(xù)硅沉積中的小丘和三相點(diǎn)的布局。在本發(fā)明的另一方面中，一種形成至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的方法包括在襯底上形成下布線層。該方法還包括圖案化下布線層以形成多個(gè)分離布線。該方法還包括在下布線層上方形成MEMS梁。MEMS梁和多個(gè)分離布線的形成的至少之一形成有最小化后續(xù)娃沉積中的小丘和三相點(diǎn)的布局?！ぴ诒景l(fā)明的另一方面中，一種結(jié)構(gòu)包括在襯底上的多個(gè)分離布線，多個(gè)分離布線由AlCu形成，在AlCu下方和上方具有Ti以形成TiAl3。該結(jié)構(gòu)還包括至少一個(gè)MEMS梁，形成在腔體中并位于多個(gè)分離布線上方。多個(gè)分離布線和至少一個(gè)MEMS梁中的至少之一形成有開孔或開槽的布局。在本發(fā)明的另一方面中，提供一種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可確實(shí)地實(shí)施在機(jī)器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中，用于設(shè)計(jì)、制造或測(cè)試集成電路。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，一種編碼在機(jī)器可讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)上的硬件描述語言(HDL)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中處理時(shí)產(chǎn)生MEMS的機(jī)器可執(zhí)行表示的元件，其包括本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，提供一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的方法，用于產(chǎn)生MEMS的功能設(shè)計(jì)模型。該方法包括產(chǎn)生MEMS的結(jié)構(gòu)元件的功能表示。在具體方面中，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中用于產(chǎn)生MEMS的功能設(shè)計(jì)模型的方法包括產(chǎn)生具有開孔或開槽的布局的襯底上的多個(gè)分離布線的功能表示。多個(gè)分離通孔由AlCu形成，在AlCu下方和上方具有Ti以形成TiAl3。該方法還包括產(chǎn)生具有開孔或開槽的布局的至少一個(gè)MEMS梁的功能表示，至少一個(gè)MEMS梁形成在腔體中并位于多個(gè)分離布線上方。


在以下詳細(xì)說明中，通過本發(fā)明示例性實(shí)施例的非限定示例，參考所附的多個(gè)附圖描述本發(fā)明。圖I至圖23和圖26至圖33示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的各種結(jié)構(gòu)和相關(guān)處理步驟；圖24a至圖24f示出了采用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所示的工藝制造的MEMS裝置的頂部結(jié)構(gòu)圖；圖25示出了幾個(gè)形貌圖(即原子力顯微鏡數(shù)據(jù))，示出了硅凹坑(divot)深度與氧化物拋光的數(shù)據(jù)；圖34是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、制造和/或試驗(yàn)中所采用的設(shè)計(jì)過程的流程圖；以及
圖35a示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的減小或消除沉積硅中的氧化物接縫(由于引入形貌)的結(jié)構(gòu)和工藝(與示出氧化物接縫的圖35b相比)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和制造方法，特別是涉及平面腔體(例如，平坦或平面的表面)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)、制造和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的方法。有利地，形成結(jié)構(gòu)的方法減少M(fèi)EMS結(jié)構(gòu)上的總應(yīng)力，并且減少M(fèi)EMS裝置的材料可變性。在實(shí)施例中，形成平面(例如，平坦或平面的表面)MEMS裝置的結(jié)構(gòu)和方法采用犧牲層來形成與MEMS梁相鄰的腔體。在進(jìn)一步實(shí)施例中，采用反向鑲嵌工藝形成兩級(jí)MEMS腔體，以形成平面(例如，平坦或平面的表面)結(jié)構(gòu)。除其它裝置之外，本發(fā)明的MEMS結(jié)構(gòu)例如可用作單線或雙線梁接觸開關(guān)、雙線梁電容器開關(guān)或者單雙線梁氣隙電感器。圖I示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的起始結(jié)構(gòu)和相關(guān)處理步驟。在接下來的幾組段落
中公開的結(jié)構(gòu)是MEMS電容器開關(guān)，雖然所述方法和結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用于其它MEMS開關(guān)，例如不采用MEMS電容器電介質(zhì)的歐姆接觸開關(guān);MEMS加速計(jì)；等等。該結(jié)構(gòu)例如包括襯底10。在實(shí)施例中，襯底10可以是裝置的任一層。在實(shí)施例中，襯底10是硅晶片，該硅晶片涂有二氧化硅或者本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其它絕緣材料。在襯底10內(nèi)提供互連12?；ミB12例如可以是在傳統(tǒng)形成的通孔(via)中形成的鎢或銅間柱(stud)。例如，可以采用本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的用于形成間柱的任何傳統(tǒng)光刻、蝕刻和沉積工藝(例如鑲嵌)來形成互連
12?；ミB12可以接觸其它布線級(jí)、CMOS晶體管或者其它有源器件、無源器件等，如現(xiàn)有技術(shù)已知的。在圖2中，采用傳統(tǒng)的沉積和圖案化工藝，在襯底10上形成布線層，以形成多個(gè)布線14。例如，在襯底上可以沉積布線層以達(dá)到約O. 05至4微米的深度；然而本發(fā)明也涵蓋其它尺寸。在實(shí)施例中，沉積布線層14以達(dá)到O. 25微米的深度。然后，圖案化布線層以形成布線(下電極)14，布線14之間具有布線間隔(間隙)14a。在實(shí)施例中，布線間隔高寬比(aspect ratio)是由布線14的高度與布線間隔14a的比率決定，布線間隔高寬比可影響材料可變性(例如，形貌)，如參考圖25更加詳細(xì)討論的。例如，I 20的低高寬比可以由50nm高的布線14與IOOOnm的間隔14a形成；并且I :1的高高寬比可以由500nm高的布線與500nm的間隔形成。這些高寬比值僅為參考，并且如這里所討論的，犧牲膜18 (圖3)的保形性決定了需要怎樣的布線間隔高寬比。至少一個(gè)布線14與互連12接觸(直接電接觸)。在實(shí)施例中，布線14可以由鋁或鋁合金形成，例如AlCu、AlSi或AlCuSi ;然而，本發(fā)明也涵蓋其它布線材料。除其它布線材料之外，例如，布線14可以是諸如Ti、TiN、TiN、Ta、TaN和W的難熔金屬或AlCu。在實(shí)施例中，布線14可以摻雜有Si，例如1%，以防止諸如Al的金屬與諸如硅的上腔體層材料反應(yīng)。在實(shí)施例中，布線的鋁部分可以摻雜有Cu，例如O. 5%，以增加布線的抗電遷移性。在實(shí)施例中，布線可以由純難熔金屬形成，例如TiN、W、Ta等。布線14的表面形貌是由原子表面粗糙度以及金屬小丘的存在而決定。金屬小丘為金屬中的突起，典型地約為IOnm-IOOOnm寬和IOnm-IOOOnm高。對(duì)于上下覆有TiN的鋁布線，例如下面覆有10/20nm Ti/TiN且上面覆有30nm的TiN的200nm AlCu，典型的金屬小丘可以是50nm寬和IOOnm高。對(duì)于MEMS電容器，其中布線14涂有電介質(zhì)并且用作下電容器板，小丘的存在或者原子表面粗糙度的高值降低了電容密度，這是因?yàn)橛蒑EMS梁形成的上電容器板不能緊密地接觸由布線14形成的下電容器板。表面粗糙度可以采用原子力顯微鏡(AFM)或者光學(xué)輪廓儀(opticalprofiler)來測(cè)量，并且存在幾種已知的方法可用于測(cè)量和量化小丘的寬度和高度。在實(shí)施例中，通過采用AFM測(cè)量典型范圍為I至10，000平方微米的布線區(qū)域的最小高度至最大高度來量化小丘，并且通過計(jì)算帶有或不帶有小丘的區(qū)域中的均方根(RMS)粗糙度來量化表面粗糙度。在一個(gè)實(shí)施例中，表面粗糙度為沒有可見小丘的2 μ m2區(qū)域的RMS粗糙度。表I總結(jié)了采用AFM測(cè)量的各種布線材料的金屬小丘和表面粗糙度數(shù)據(jù)。均方根(RMS)粗糙度是在約2 μ m2區(qū)域內(nèi)的沒有可見金屬小丘的區(qū)域中測(cè)量的。最大峰-谷小丘值是在約10，000 μ m2的區(qū)域內(nèi)測(cè)量的。純難熔金屬布線可選項(xiàng)至今具有最低的粗糙度和小丘，但是具有最高的電阻。使用AlCu的布線與純難熔金屬布線相比具有較低的電阻，但是具有更高的粗糙度和小丘。在圖案化之前或之后，在AlCu的下方和上方增加足夠的Ti并且使晶片在350°C至450°C退火足夠時(shí)間以形成TiAl3硅化物，即在400°C退火一小時(shí)，顯著 地減小小丘最小高度至最大高度，同時(shí)因?yàn)闇p少了鋁體積而略微增加RMS表面粗糙度。在示例性實(shí)施例中，在圖案化后，將布線14退火并且蝕刻布線14，以減少TiAl3引起的金屬蝕刻問題。較薄的Ti (例如，在AlCu的下方和上方為5nm)對(duì)小丘的減小具有最小影響或者沒有影響；然而，IOnm和15nm的Ti顯著地減小小丘并且效果等同。當(dāng)Ti與鋁反應(yīng)而形成TiAl3時(shí)，鋁(例如，AlCu)的厚度以大約3 1的方式減少；即每IOnm的Ti，消耗30nm的鋁而形成TiAl3 ;并且為了在布線中總是留下一些沒有反應(yīng)的AlCu，Ti =AlCu的厚度比需要小于I :3，其中Ti厚度包括AlCu的下方和上方的層。這意味著，為了在考慮Ti和AlCu關(guān)于沉積厚度的可變性的情況下優(yōu)化小丘的減少和布線電阻，所沉積的Ti厚度范圍應(yīng)當(dāng)為大于所沉積的AlCu厚度的5%而小于所沉積的AlCu厚度的25%。表I
權(quán)利要求
1.一種形成至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的方法，包括 在襯底上形成下布線層； 自所述下布線層形成多個(gè)分離布線；以及 在所述多個(gè)分離布線上方形成電極梁， 其中，所述電極梁和所述多個(gè)分離布線的形成的至少之一形成有最小化后續(xù)硅沉積中的小丘和三相點(diǎn)的布局。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述多個(gè)分離布線和所述電極梁的所述布局的至少之一為開槽或開孔的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述開槽的布局和所述開孔的布局包括在所述開槽的布局或所述開孔的布局的端部形成蓋，以避免所述三相點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述開槽的布局的寬度與節(jié)距比率為I:6。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中相對(duì)于所述電極梁或所述多個(gè)分離布線，所述開槽的布局或所述開孔的布局具有通過所述孔或所述槽去除至約20%或更少的金屬體積。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述開槽的布局或所述開孔的布局的金屬去除對(duì)于較高的布線多于較矮的布線，所述布線包括所述電極梁和所述多個(gè)分離布線中的至少之O
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述多個(gè)分離布線由鋁或鋁合金形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述多個(gè)分離布線由AlCu形成，在所述AlCu下方和上方的至少之一具有Ti，并且所述方法還包括退火足夠的時(shí)間以形成TiAl3。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括在圖案化之后，將所述多個(gè)分離布線退火，以及蝕刻以減少TiAl3引起的金屬蝕刻問題。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述Ti與鋁反應(yīng)以形成所述TiAl3,并且所述AlCu的厚度以約3 1的方式減少。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中在大于所述AlCu的厚度的5%并且小于所述AlCu的所述厚度的25%的范圍內(nèi)，形成所述Ti的厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述多個(gè)分離布線由純難熔金屬形成，以最小化小丘形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述難熔金屬包括Ti、TiN、TiN、Ta、TaN和W的至少之一。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述多個(gè)分離布線為實(shí)體。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述布局包括槽和孔，所述槽的垂直端部和布線形狀的端部之間的間隔減少至小于所述分離布線的寬度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述槽為直角槽或有角度的槽。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述電極梁由AlCu形成，在所述AlCu下方和上方的至少之一具有Ti，并且所述方法還包括退火足夠的時(shí)間以形成TiAl3。
18.—種形成至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的方法，包括 在襯底上形成下布線層； 圖案化所述下布線層以形成多個(gè)分離布線；以及 在所述下布線層上方形成微機(jī)電系統(tǒng)梁，其中，所述微機(jī)電系統(tǒng)梁和所述多個(gè)分離布線的形成的至少之一形成有最小化后續(xù)硅沉積中的小丘和三相點(diǎn)的布局。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中 所述多個(gè)分離布線由鋁或鋁合金形成，所述鋁合金包括AlCiuAlSi和AlCuSi之一；并且所述方法還包括 在所述鋁合金下方和上方的至少之一形成Ti ;以及 將所述多個(gè)分離布線退火足夠的時(shí)間以形成TiAl3, 其中將所述多個(gè)分離布線退火是在圖案化之后提供的，以及 蝕刻以減少TiAl3引起的金屬蝕刻問題。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中在大于所述鋁合金的厚度的5%并且小于所述鋁合金的所述厚度的25%的范圍內(nèi)，形成Ti的厚度。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述多個(gè)分離布線由純難熔金屬形成，以減少小丘形成。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述開孔的布局和所述開槽的布局包括在所述開槽的布局或所述開孔的布局的端部形成蓋。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中為以下之一所述開槽的布局的寬度與節(jié)距比率為I :6，以及所述開孔的布局具有通過所述孔去除至約20%或更少的金屬量。
24.—種結(jié)構(gòu),包括 在襯底上的多個(gè)分離布線，所述多個(gè)分離布線由AlCu形成，在所述AlCu下方和上方具有Ti以形成TiAl3 ;以及 至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)梁，由AlCu形成，在所述AlCu下方和上方的至少之一具有Ti，并且所述至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)梁形成在腔體中并位于所述多個(gè)分離布線上方， 其中所述多個(gè)分離布線和所述至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)梁中的至少之一形成有開孔或開槽的布局。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的結(jié)構(gòu)，其中所述槽的垂直端部與布線形狀的端部之間的間隔減少至小于布線寬度。
26.一種在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中用于產(chǎn)生微機(jī)電系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)模型的方法，所述方法包括 產(chǎn)生具有開孔或開槽的布局的襯底上的多個(gè)分離布線的功能表示，多個(gè)分離通孔由AlCu形成，在所述AlCu下方和上方具有Ti以形成TiA13 ;以及 產(chǎn)生具有開孔或開槽的布局的至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)梁的功能表示，所述至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)梁形成在腔體中并位于所述多個(gè)分離布線上方。
全文摘要
一種形成至少一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的方法包括在襯底上形成下布線層。該方法還包括自下布線層形成多個(gè)分離布線(14)。該方法還包括在多個(gè)分離布線之上形成電極梁(38)。電極梁和多個(gè)分離布線的形成的至少之一形成有最小化后續(xù)硅沉積(50)中的小丘和三相點(diǎn)的布局。
文檔編號(hào)H01L23/48GK102906871SQ201180025549
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2011年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者G.A.鄧巴, 何忠祥, J.C.馬林, W.J.墨菲, A.K.斯坦珀 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司