平面腔體微機電系統及相關結構、制造和設計結構的方法

專利名稱：平面腔體微機電系統及相關結構、制造和設計結構的方法
技術領域：
本發明涉及半 導體結構及制造方法，特別是涉及平面腔體微機電系統(MEMS)結構、制造和設計結構的方法。
背景技術：
集成電路中所采用的集成電路開關可以由固態結構(例如，晶體管)或者無源布線(MEMS)形成。因為MEMS開關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，MEMS開關的近乎理想的隔離是將其用于功率放大器(PA)的模式轉換的無線通訊應用的關鍵需求。MEMS開關可用于多種應用，主要為模擬和混合信號應用。一個這樣的示例是移動電話芯片，其包含用于為每個廣播模式調諧的電路和功率放大器(PA)。芯片上的集成開關將PA連接到適當的電路，從而不需要每個模式具有一個 PA。取決于特定的應用和工程標準，MEMS結構可具有許多不同的形式。例如，MEMS可以由懸臂梁結構的形式實現。在懸臂結構中，通過施加致動電壓(actuation voltage)將懸臂(一個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)，其取決于幾個參數，包括懸置電極的長度、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，懸置電極的彈性常數是材料及其厚度的函數。可選擇地，MEMS梁可以為橋式結構，其中兩個端部被固定。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尺寸的小結構，開關尺寸約為5微米厚、100微米寬及200微米長。此夕卜，用于制造MEMS的很多方法、即技術，是選自集成電路(IC)技術。例如，幾乎所有的MEMS都構建在晶片上，并且實現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的制造采用三個基本的構建階段(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)相對于掩模，選擇性地蝕刻上述膜。例如，在MEMS懸臂式開關中，固定電極和懸置電極通常米用一系列傳統的光亥IJ、蝕刻和沉積工藝制造。在一個示例中，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結構下方以形成腔體以及沉積在MEMS結構上方以形成腔體。MEMS上方的腔體用于支撐蓋(例如，SiN圓頂)的形成，以密封MEMS結構。然而，這造成幾個缺點。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(即含碳)殘留物。因此，現有技術中存在克服上述缺陷和限制的需要。

發明內容
在本發明的第一方面中，一種形成至少一個微機電系統(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分離布線。該方法還包括在多個分離布線上方形成電極梁。電極梁和多個分離布線的形成的至少之一形成有最小化后續硅沉積中的小丘和三相點的布局。在本發明的另一方面中，一種形成至少一個微機電系統(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梁和多個分離布線的形成的至少之一形成有最小化后續娃沉積中的小丘和三相點的布局。·在本發明的另一方面中，一種結構包括在襯底上的多個分離布線，多個分離布線由AlCu形成，在AlCu下方和上方具有Ti以形成TiAl3。該結構還包括至少一個MEMS梁，形成在腔體中并位于多個分離布線上方。多個分離布線和至少一個MEMS梁中的至少之一形成有開孔或開槽的布局。在本發明的另一方面中，提供一種設計結構，可確實地實施在機器可讀存儲介質中，用于設計、制造或測試集成電路。該設計結構包括本發明的結構。在進一步的實施例中，一種編碼在機器可讀數據存儲介質上的硬件描述語言(HDL)設計結構包括在計算機輔助設計系統中處理時產生MEMS的機器可執行表示的元件，其包括本發明的結構。在進一步的實施例中，提供一種計算機輔助設計系統中的方法，用于產生MEMS的功能設計模型。該方法包括產生MEMS的結構元件的功能表示。在具體方面中，在計算機輔助設計系統中用于產生MEMS的功能設計模型的方法包括產生具有開孔或開槽的布局的襯底上的多個分離布線的功能表示。多個分離通孔由AlCu形成，在AlCu下方和上方具有Ti以形成TiAl3。該方法還包括產生具有開孔或開槽的布局的至少一個MEMS梁的功能表示，至少一個MEMS梁形成在腔體中并位于多個分離布線上方。


在以下詳細說明中，通過本發明示例性實施例的非限定示例，參考所附的多個附圖描述本發明。圖I至圖23和圖26至圖33示出了根據本發明實施例的各種結構和相關處理步驟；圖24a至圖24f示出了采用根據本發明實施例所示的工藝制造的MEMS裝置的頂部結構圖；圖25示出了幾個形貌圖(即原子力顯微鏡數據)，示出了硅凹坑(divot)深度與氧化物拋光的數據；圖34是半導體設計、制造和/或試驗中所采用的設計過程的流程圖；以及
圖35a示出了根據本發明實施例的減小或消除沉積硅中的氧化物接縫(由于引入形貌)的結構和工藝(與示出氧化物接縫的圖35b相比)。
具體實施例方式本發明涉及半導體結構和制造方法，特別是涉及平面腔體(例如，平坦或平面的表面)微機電系統(MEMS)結構、制造和設計結構的方法。有利地，形成結構的方法減少MEMS結構上的總應力，并且減少MEMS裝置的材料可變性。在實施例中，形成平面(例如，平坦或平面的表面)MEMS裝置的結構和方法采用犧牲層來形成與MEMS梁相鄰的腔體。在進一步實施例中，采用反向鑲嵌工藝形成兩級MEMS腔體，以形成平面(例如，平坦或平面的表面)結構。除其它裝置之外，本發明的MEMS結構例如可用作單線或雙線梁接觸開關、雙線梁電容器開關或者單雙線梁氣隙電感器。圖I示出了根據本發明實施例的起始結構和相關處理步驟。在接下來的幾組段落
中公開的結構是MEMS電容器開關，雖然所述方法和結構也可以應用于其它MEMS開關，例如不采用MEMS電容器電介質的歐姆接觸開關;MEMS加速計；等等。該結構例如包括襯底10。在實施例中，襯底10可以是裝置的任一層。在實施例中，襯底10是硅晶片，該硅晶片涂有二氧化硅或者本領域的技術人員已知的其它絕緣材料。在襯底10內提供互連12。互連12例如可以是在傳統形成的通孔(via)中形成的鎢或銅間柱(stud)。例如，可以采用本領域的技術人員已知的用于形成間柱的任何傳統光刻、蝕刻和沉積工藝(例如鑲嵌)來形成互連
12。互連12可以接觸其它布線級、CMOS晶體管或者其它有源器件、無源器件等，如現有技術已知的。在圖2中，采用傳統的沉積和圖案化工藝，在襯底10上形成布線層，以形成多個布線14。例如，在襯底上可以沉積布線層以達到約O. 05至4微米的深度；然而本發明也涵蓋其它尺寸。在實施例中，沉積布線層14以達到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。至少一個布線14與互連12接觸(直接電接觸)。在實施例中，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。在實施例中，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。對于MEMS電容器，其中布線14涂有電介質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，這是因為由MEMS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)或者光學輪廓儀(opticalprofiler)來測量，并且存在幾種已知的方法可用于測量和量化小丘的寬度和高度。在實施例中，通過采用AFM測量典型范圍為I至10，000平方微米的布線區域的最小高度至最大高度來量化小丘，并且通過計算帶有或不帶有小丘的區域中的均方根(RMS)粗糙度來量化表面粗糙度。在一個實施例中，表面粗糙度為沒有可見小丘的2 μ m2區域的RMS粗糙度。表I總結了采用AFM測量的各種布線材料的金屬小丘和表面粗糙度數據。均方根(RMS)粗糙度是在約2 μ m2區域內的沒有可見金屬小丘的區域中測量的。最大峰-谷小丘值是在約10，000 μ m2的區域內測量的。純難熔金屬布線可選項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退火足夠時間以形成TiAl3硅化物，即在400°C退火一小時，顯著 地減小小丘最小高度至最大高度，同時因為減少了鋁體積而略微增加RMS表面粗糙度。在示例性實施例中，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Ti與鋁反應而形成TiAl3時，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關于沉積厚度的可變性的情況下優化小丘的減少和布線電阻，所沉積的Ti厚度范圍應當為大于所沉積的AlCu厚度的5%而小于所沉積的AlCu厚度的25%。表I
權利要求
1.一種形成至少一個微機電系統(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分離布線；以及 在所述多個分離布線上方形成電極梁， 其中，所述電極梁和所述多個分離布線的形成的至少之一形成有最小化后續硅沉積中的小丘和三相點的布局。
2.根據權利要求I所述的方法，其中所述多個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.根據權利要求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。
4.根據權利要求2所述的方法，其中所述開槽的布局的寬度與節距比率為I:6。
5.根據權利要求2所述的方法，其中相對于所述電極梁或所述多個分離布線，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.根據權利要求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分離布線中的至少之O
7.根據權利要求I所述的方法，其中所述多個分離布線由鋁或鋁合金形成。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述多個分離布線由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間以形成TiAl3。
9.根據權利要求8所述的方法，還包括在圖案化之后，將所述多個分離布線退火，以及蝕刻以減少TiAl3引起的金屬蝕刻問題。
10.根據權利要求8所述的方法，其中所述Ti與鋁反應以形成所述TiAl3,并且所述AlCu的厚度以約3 1的方式減少。
11.根據權利要求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，形成所述Ti的厚度。
12.根據權利要求I所述的方法，其中所述多個分離布線由純難熔金屬形成，以最小化小丘形成。
13.根據權利要求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.根據權利要求I所述的方法，其中所述多個分離布線為實體。
15.根據權利要求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.根據權利要求15所述的方法，其中所述槽為直角槽或有角度的槽。
17.根據權利要求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間以形成TiAl3。
18.—種形成至少一個微機電系統(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分離布線；以及 在所述下布線層上方形成微機電系統梁，其中，所述微機電系統梁和所述多個分離布線的形成的至少之一形成有最小化后續硅沉積中的小丘和三相點的布局。
19.根據權利要求18所述的方法，其中 所述多個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 將所述多個分離布線退火足夠的時間以形成TiAl3, 其中將所述多個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.根據權利要求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，形成Ti的厚度。
21.根據權利要求18所述的方法，其中所述多個分離布線由純難熔金屬形成，以減少小丘形成。
22.根據權利要求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.根據權利要求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.—種結構,包括 在襯底上的多個分離布線，所述多個分離布線由AlCu形成，在所述AlCu下方和上方具有Ti以形成TiAl3 ;以及 至少一個微機電系統梁，由AlCu形成，在所述AlCu下方和上方的至少之一具有Ti，并且所述至少一個微機電系統梁形成在腔體中并位于所述多個分離布線上方， 其中所述多個分離布線和所述至少一個微機電系統梁中的至少之一形成有開孔或開槽的布局。
25.根據權利要求24所述的結構，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。
26.一種在計算機輔助設計系統中用于產生微機電系統的功能設計模型的方法，所述方法包括 產生具有開孔或開槽的布局的襯底上的多個分離布線的功能表示，多個分離通孔由AlCu形成，在所述AlCu下方和上方具有Ti以形成TiA13 ;以及 產生具有開孔或開槽的布局的至少一個微機電系統梁的功能表示，所述至少一個微機電系統梁形成在腔體中并位于所述多個分離布線上方。
全文摘要
一種形成至少一個微機電系統(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分離布線(14)。該方法還包括在多個分離布線之上形成電極梁(38)。電極梁和多個分離布線的形成的至少之一形成有最小化后續硅沉積(50)中的小丘和三相點的布局。
文檔編號H01L23/48GK102906871SQ201180025549
公開日2013年1月30日 申請日期2011年6月8日 優先權日2010年6月25日
發明者G.A.鄧巴, 何忠祥, J.C.馬林, W.J.墨菲, A.K.斯坦珀 申請人:國際商業機器公司