CN1716640A - 微电动机械系统可变电容器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
描述了一种微电动机械系统(MEMS)可变电容器的制造方法，其中，极性相反的可移动的梳状电极被同时制造在同一个衬底上并被独立地操纵。电极以叉指方式被形成，以便尽可能增大电容。此MEMS可变电容器包括与选择性地用于最大应力下的区域中的弹性材料组合的CMOS制造步骤，以便确保变容二极管不会由于可能导致介质材料从导电元件分离的应力而失效。CMOS工艺与通道之间的导电弹性材料的组合增大了总的侧壁面积，这就提供了增大的电容密度。
Description
技术领域
本发明一般涉及到微电动机械系统(MEMS)可变电容器，更确切地说是涉及到能够完全在现有技术半导体制造工艺中集成的弹性MEMS变容二极管的制造方法。
背景技术
可变电容器即变容二极管在高频和射频(RF)电路中起着重大的作用。近年来，MEMS可变电容器由于其优异的电学特性而已经引起了巨大的兴趣。采用MEMS技术的可变电容器能够在用于空间、消费电子器件、以及通信系统的标准半导体器件中被容易地实现。
由于利用平行板电极方法得到的最大电容调谐范围受到限制，故研究人员已经试图改善MEMS可变电容器的调谐范围。这是由操纵过程中涉及到的非线性静电力造成的。平行板电极在三分之一间隙距离处呈现典型的“下拉行为“，导致1.5的最大调谐电容。大多数先前的方法已经导致了更大的工艺复杂性和/或大量的移动零件，导致可靠性大幅度降低。此外，对MEMS器件进行封装以及将其集成到CMOS集成电路中也面临巨大的挑战。
A.Dec等人在论文”RF micro-machined varactors with widetuning range”，IEEE RF IC Symposium Digest，pp.309-312，June 1998中，描述了借助于用可移动电极上方和下方的二个平行电极来操纵可移动电极，从而建立MEMS可变电容器。由于顶部电极-可移动电极之间的电容与可移动电极-底部电极之间的电容是串联的，故总的电容调谐范围被显著地增大了。用此方法可以得到的最大调谐范围是2∶1。A.Dec等人已经报道得到了高达1.9∶1的调谐范围。当采用此方法时，虽然调谐范围显著地改善了，但也相应地增加了工艺复杂性。
美国专利No.6661069描述了一种制造微电动机械变容二极管器件的方法，其中，梳状驱动电极被用于操纵。此方法被期望产生非常大的调谐范围，但涉及到在二个分离的衬底上制造器件。操纵的主要模式在此器件中的鳍状物结构之间。此器件还是一种三端变容二极管器件，且不提供用来增大器件调谐范围的多模式操纵。
涉及到本方法的固有电动机械情况非常不同于平行板方法和上述的各种方法。可移动的梳状驱动电极用于电容读出，且分离的操纵电极被用来操纵可移动的梳状驱动电极。借助于操纵一个或多个电极指从而改变梳状电极之间的重叠面积，能够改变电容。由于在此器件中有可能多模式操纵，故此器件的电容调谐范围被大幅度增大。由于此器件具有多个端口(至少二个DC偏压端口和二个RF信号端口)，故与常规三端口变容二极管器件的情况不同，此信号电容不要求去耦。能够用标准的半导体制造工艺来制造此器件，并将其容易地集成到半导体电路中。
因此，本发明的目的是提供一种制造MEMS可变电容器器件的方法，此器件利用多指状三维梳状驱动电极进行读出，而控制电极即操纵电极逐个地或同时地驱动可移动的梳状驱动电极的运动，以便改变电容。
另一目的是提供一种采用与CMOS半导体器件所用技术兼容的制造技术来制造MEMS可变电容器器件(亦即变容二极管)的方法，此方法能够在制造步骤的数目减为最少且降低加工成本的情况下，同时制造和封装MEMS器件。
另一目的是提供一种制造MEMS变容二极管的方法，此方法包括将弹性材料埋置在可移动电极内的通道之间，以便提供对通道的机械支持。
再一目的是提供一种制造MEMS变容二极管的方法，此方法组合了CMOS制造工艺且包括采用可变形弹性材料来使变容二极管能够在少量位移下呈现大的电导率变化。
发明内容
在本发明的第一情况下，所述的MEMS可变电容器包括常规CMOS制造步骤，这些常规CMOS制造步骤组合了选择性地用于最大应力下的区域中的弹性材料以确保变容二极管不会由于可能导致介质材料从器件的导电元件分离的应力而失效。
在本发明的另一情况下，提供了具有可控应力梯度的MEMS变容二极管，导致可移动电极的初始曲率。借助于改变电极材料的淀积条件以及改变电极材料各个组成部分的厚度，来改变可移动电极中的本征应力和应力梯度。
在本发明的另一情况下，导电弹性材料在各个通道之间的存在增大了总的侧壁面积，导致在总的MEMS变容二极管器件电容中增大电容密度的额外优点。
在本发明的再一情况下，借助于制造多个带有互连通道的系列金属线条来形成可移动的电极，其中，各个金属线条在彼此的顶部上对准，且各个可移动电极彼此相邻，形成电容器的平板。
在本发明的另一情况下，提供了一种制造微电动机械系统(MEMS)可变电容器的方法，此方法包括下列步骤：a)在衬底上淀积第一介质层，此第一介质层具有至少一个腐蚀在其中的空腔；b)借助于用金属填充，然后整平至少一个空腔，来形成操纵电极；c)在第一介质上淀积第二介质层，并在其中腐蚀至少一个空腔；d)用牺牲材料填充第二介质中的至少一个空腔，并进行整平；e)在第二介质上淀积第三介质层，并在其中腐蚀至少一个空腔；f)借助于用金属填充第三介质中的空腔，然后进行整平，来形成一个地平面电极；g)在第三介质的顶部上形成用多个通道互连的多个金属线条；h)在各个通道之间埋置弹性材料；以及i)选择性地清除环绕金属线条和地电极的第二和第三介质材料，并将牺牲材料腐蚀掉。
附图说明
结合附图，从本发明的详细优选实施方案，将更好地理解本发明的这些和其它的目的、情况、以及优点。
图1是根据本发明的MEMS电容器沿图2所示A-A’线的剖面图，示出了二个叉指电极，即正电极和负电极。
图2是根据本发明的功能MEMS可变电容器器件的俯视图。
图3-6示出了在衬底上用镶嵌工艺制造金属互连的工艺顺序的剖面图。
图7-8b示出了用来在介质中埋置牺牲材料的工艺顺序的剖面图。
图9a-9d是用来在介质中埋置牺牲材料的第二工艺顺序的剖面图。
图10-11示出了其中成形下一层金属互连以形成电极的工艺顺序的剖面图。
图12a-12g是用来将弹性材料组合在通道互连之间的工艺顺序的剖面图。
图13a-13f是用来将弹性材料组合在各个通道之间的另一方法的剖面图。
图14a-14c以及图15是其中弹性材料被埋置在整个衬底上的通道互连内的方法的剖面图。
图16示出了在制造被介质中的通道互连的多层状金属电极之后的可移动电极的剖面。
图17和19示出了器件的剖面图，其中，用标准的光刻技术对空腔区进行了图形化，且电极之间的介质被腐蚀了。
图18示出了用来清除介质并形成可移动电极的空腔掩模的俯视布局图。
图20示出了可移动的电极在释放之后的剖面图，其中，可移动的电极由于电极中本征应力的释放而被翘曲。
图21示出了沿图所示2A-A’线的MEMS电容器与操纵电极的布线一起的剖面图。
具体实施方式
以下参照示出了优选实施方案的附图来更详细地描述本发明。
参照图1，示出了根据本发明的微电动机械系统(MEMS)可变电容器的剖面图。用常规半导体制造技术，器件被建立在其上相继制作可移动电极76和66以及固定电极30的衬底10上。如专利申请No.＿＿＿＿＿(代理人案号No.FIS920040090.US1)所述，电极76和66被制作成梳状驱动电极结构，其中，梳状驱动指的一端被固定在空间，而另一端可自由移动。变容二极管的电容决定于二个电极(亦即面对第二个电极中的相应金属的一个可移动电极中的金属)之间的重叠侧壁面积以及二个电极之间的间距。电极76最好由利用弹性材料51彼此分隔开的通道连接的多层金属化组成。在最终结构的工作过程中，弹性材料对通道提供了必要的支持。此外，弹性材料的电导率在器件的操纵时发生改变，导致电极76与66之间的侧壁面积重叠增大。可移动的梳状驱动指的底部电极65用作操纵电极30的地平面电极。电极65和30的极性相反，并被空气间隙110分隔开。电极65与30之间的电压电位产生静电力，将梳状驱动电极76推向衬底。这又产生电极76与66之间的重叠侧壁面积的改变，导致二个指状结构之间的电容改变。地平面电极65和操纵电极30分别被绝缘层55和40电隔离。为了避免在操纵时产生电极65与30之间的电短路而需要此隔离。操纵电极30通过金属互连被连接到金属焊接区62，提供了同时或分别操纵的一种选项。金属带焊接区32和22被用作RF读出焊接区，而操纵金属焊接区52和62用作DC操纵焊接区。
图2示出了功能MEMS可变电容器器件的俯视图。此变容二极管由被预定距离彼此分隔开的叉指梳状驱动电极组成。电极76和66被充分分布在电容器器件的整个宽度上。器件的长度决定于先前所述各个叉指电极的重叠长度。形成MEMS可变电容器二个电极的电极76和66，被电隔离，且极性相反。二个电极之间的间隙以及其间的侧壁重叠面积决定了器件的总电容。如所示，这些电极最好被制作成叉指的梳状驱动结构，并通过金属通道连接75沿指长度被连接。各个导电通道连接75以固定的间距分隔开，并最好沿操纵电极66的整个长度被完全分布，以便使梳状电极的侧壁面积尽可能大。为了使电容尽可能大，一个可移动电极中的金属面对第二电极中的相应金属。
由形状100确定的边界示出了空气间隙110内的空腔区，其中待要形成可移动电极10和20。仍然参照图2，金属通道互连75被埋置在绝缘介质中或弹性材料41中。考虑到其在器件的释放和工作过程中对通道互连提供更好的机械支持，可形变的弹性材料被淀积在诸如SiO2、SiN、SiCOH之类的绝缘介质上。
图3-21示出了用来制造本发明的MEMS可变电容器器件的工艺顺序的细节。下面来简要描述逐个步骤的工艺顺序：
图3示出了第一步骤，此步骤将绝缘或半绝缘材料20淀积在衬底10的顶部上。此绝缘材料最好由SiO2、SiN、SiCOH、SiCN之类组成。材料20的厚度最好与衬底上的金属厚度一致或更大。图4示出了用常规半导体光刻和图形化技术形成在芯片侧衬底10上的材料20中的空腔30。然后如图5所示，在空腔上淀积衬里和籽晶铜材料，随之以金属化，最好是电镀铜。然后，用化学机械整平(CMP)方法形成图6所示的铜金属线条30，此时铜金属被整平，停止于下方的介质上。然后清除籽晶铜和衬里(亦即势垒金属)。金属层在腐蚀空腔中的形成通常在工业界称为镶嵌工艺。此工艺在各个金属层被重复，以便形成金属和互连。此工艺中制造的第一金属30对MEMS可变电容器器件的操纵电极进行成形。
然后如图7所示，在第一金属层顶部上淀积最好是SiN或SiCN的绝缘介质40和第二层间介质45。第一绝缘介质40用作金属层的帽材料以及进一步加工的腐蚀停止层。第二介质45提供了待要形成在此层上的操纵电极与可移动电极之间的必要分隔。第一介质层13典型地由SiN或SiCN组成，厚度为200-700埃。分隔用的层间介质(ILD)最好由厚度为2000-10000埃的SiO2、氟化的SiO2、SiCOH、或任何低介电常数的介质组成。
然后如图8a所示，空腔掩模被用来图形化和腐蚀此介质。在此腐蚀过程中，层40用作腐蚀停止层，以便避免损伤其下方的表面。然后如图8b所示，在空腔上淀积牺牲材料50，并对其进行整平，停止于ILD介质处。也可以借助于在第一金属层顶部上的绝缘材料之后淀积牺牲材料而将牺牲材料埋置在介质内(图9a)。然后用相反的抗蚀剂对牺牲材料50进行图形化，以便将已知厚度的牺牲材料保留在第一金属层上(图9b)。然后在牺牲材料上淀积层间介质45并整平，停止于牺牲材料处(图9c和9d)。此牺牲材料最好由SiLK、DLC(类金刚石碳)、或任何聚降冰片烯基聚合物组成。牺牲材料的高度最好为2000-7000埃。
图10示出了工艺顺序，其中，绝缘材料55和ILD 60被相继淀积在整平了的牺牲材料的顶部上。
图11示出了结构的剖面图，其中如上所述用镶嵌工艺产生了金属线条65。金属线条被埋置在牺牲材料50上的介质60内。此金属线条65成为器件电极的一个整体部分。
图12a-12g示出了在通道互连之间埋置弹性材料51以便改善其可靠性的工艺顺序。图12a示出了形成与可移动电极成一整体的第一金属线条的步骤。图12b所示的步骤示出了用单个镶嵌工艺形成通道互连。然后，如图12c所示，可移动电极的顶部区域被图形化，随之以腐蚀层间介质。在图12d中，弹性材料被淀积，填充了各个通道互连之间的间隙，随之以整平，如图12e所示。在图12f中，剖面图示出了淀积在其上的层间介质，以形成下一层金属。在图12g中，最终的包封步骤示出了用单个镶嵌工艺形成的第二金属线条。
图13a-13f示出了用来将弹性材料51埋置在可移动电极的各个通道互连之间的另一工艺顺序。图13a示出了被形成在层间介质内但仅仅在连接焊接区顶部上的通道互连。在图13b中，可移动电极区上的层间材料被腐蚀。在图13c和13d中，弹性材料51被淀积在间隙上，随之以整平。在图13e中，用前述镶嵌工艺，弹性材料被腐蚀，通道互连从而被形成在可移动电极区上。在图13f中，示出了最后的包封步骤，其中，用单个镶嵌工艺形成了下一层金属线条。
图14a-14c和图15示出了弹性材料被埋置在整个衬底上。在图14a中，弹性材料51被淀积在衬底上。在图14b中，通道互连被同时形成在可移动电极和连接焊接区的顶部上。在图14c和图15中，器件被包封，下一层金属线条由单个镶嵌工艺形成。
接着参照图16，最好用多重镶嵌工艺或用任何其它可用于弹性材料埋置的工艺，金属线条66和通道互连75被形成在层间介质和弹性材料51内。这些金属线条被成形为使形成垂直平行板电极的叉指梳状驱动电极的侧壁面积尽可能大。
接着参照图17，用标准光刻技术示出了叉指电极周围环绕区域中的释放掩模图形。图18示出了释放掩模区的俯视图。确定在区域80内的边界被腐蚀，以形成可移动的电极。
现在参照图19，环绕叉指电极的介质和弹性材料被清除，停止于介质55上。在介质腐蚀工艺过程中，沿叉指电极的厚度形成了侧壁间隔，从而提供了电隔离并改善了器件的总电容。各个可移动的电极最好被各个电极之间的空气间隙分隔开。然后，在进一步加工之前，清除释放掩模抗蚀剂80。在清除牺牲材料50之前，介质层55用作腐蚀停止层。
然后，如图19所示，用各向同性腐蚀方法对牺牲材料50进行腐蚀，以便在电极下方形成空气间隙。空气间隙110被形成在第一金属层30(操纵电极)与第二金属层65(地电极)之间。此时，在完成释放工艺时，铜金属线条65和66、金属通道互连75、以及层间介质中的应力已经被释放，导致可移动电极的弯曲形状。图20示出了电极指在清除牺牲膜之后的剖面图。由在薄势垒膜中和在体铜膜中的应力产生了正的应力梯度。正应力梯度的大小决定了电极的净偏转。此应力又决定于金属结构65和66的厚度、衬里材料的厚度、ILD膜的厚度以及影响淀积的各种条件。
而且，影响势垒膜淀积的条件决定了整个结构上的应力梯度。用物理气相淀积技术来淀积势垒材料，最好是TiN、Ta、或TaN。最好在氩气和氮气气氛中，用反应磁控溅射方法来淀积TiN或TaN。溅射是相继的，中间暴露于空气或中间不暴露于空气。对于TiN，采用了3∶1-5∶1优选为4∶1的氮对氩的气体混合物，同时保持总的工作室压力为2-20毫乇。淀积温度在40-100℃之间振荡。在上述淀积条件下，x射线衍射分析表明，不管淀积是在氧化物上还是在TaN上，溅射的膜都是立方陨氮钛石TiN。对于TaN，氩对氮的比率为1.5-3，优选为2-2.5。工作室中的压力优选为2-20毫乇，淀积温度保持在40-200℃。XRD(x射线衍射)扫描表明，当在氧化物上淀积时，TaN是立方相和六角相的组合。TiN势垒膜的厚度在20-200埃之间变化，优选在40-100埃之间变化，而TaN膜的厚度在200-1000埃之间振荡，优选约为400-700埃。在selrex或viaform化学物质中执行铜电镀，导致应力低的铜膜。借助于控制膜的厚度和淀积条件，来小心地监测此膜中的应力梯度和电极的净偏转。
图21示出了完成的MEMS可变电容器器件的剖面图，显示了沿图2中A-A’线的可移动电极76和66。电极76被示于背景中，示出了翘曲的可移动电极66与76之间的侧壁重叠区域。侧壁重叠区域的任何改变都来自可移动电极的动作，导致器件电容的改变。
虽然结合优选实施方案已经描述了本发明，但要理解的是，许多改变、修正、以及变化根据上面的描述对本技术领域的熟练人员来说是显而易见的。因此认为包罗了所附权利要求构思与范围内的所有这些改变、修正、以及变化。此处在附图中所述的所有内容都要被解释为说明性的而非限制性的。
Claims (16)
1.一种制造微电动机械系统可变电容器的方法，它包含下列步骤：
a)在衬底上淀积第一介质层，所述第一介质层具有至少一个腐蚀在其中的空腔；
b)借助于用金属填充，然后整平所述至少一个空腔，来形成操纵电极；
c)在所述第一介质上淀积第二介质层，并在其中腐蚀至少一个空腔；
d)用牺牲材料填充并整平所述第二介质中的所述至少一个空腔；
e)在所述第二介质上淀积第三介质层，并在其中腐蚀至少一个空腔；
f)借助于用金属填充然后整平所述第三介质中的所述空腔，来形成一个地平面电极；
g)在所述第三介质的顶部上形成用多个导电通道互连的多个金属线条；
h)在所述各个导电通道之间埋置弹性材料；以及
i)选择性地清除环绕所述金属线条和所述地电极的所述第二和第三介质材料，并将所述牺牲材料腐蚀掉。
2.权利要求1所述的方法，其中，步骤g)和h)还包含下列步骤：
在所述第三介质中的所述地电极上形成所述导电通道；
将环绕所述导电通道的介质材料腐蚀掉；
在所述被腐蚀的通道上淀积弹性材料；以及
整平所述弹性材料。
3.权利要求1所述的方法，其中，步骤g)和h)还包含下列步骤：
在淀积于所述第三介质层上的第四介质层中，腐蚀一个空腔；
在所述被腐蚀的空腔中淀积弹性材料；以及
在所述弹性材料内形成导电通道。
4.权利要求1所述的方法，其中，步骤g)和h)还包含下列步骤：
在所述第三介质上淀积弹性材料；
在所述弹性材料上淀积第四介质层；
在所述第四介质和所述弹性材料中腐蚀导电通道；
在所述第四介质层中腐蚀至少一个空腔，暴露所述导电通道；以及
用导电材料填充所述至少一个空腔，随之以
整平所述第四介质层和所述导电材料。
5.权利要求4所述的方法，其中，步骤g)还包含用势垒材料对所述至少一个空腔进行衬里的步骤。
6.权利要求1所述的方法，其中，所述操纵电极被空气间隙分隔于所述地电极。
7.权利要求1所述的方法，其中，施加在所述操纵电极与所述地电极之间的电压，在所述地电极和所述金属线条上产生吸引力，诱发所述地电极相对于所述操纵电极的运动。
8.权利要求1所述的方法，其中，所述弹性材料的电导率随垂直位移而改变，增大了所述地电极与所述金属线条之间的侧壁面积。
9.权利要求1所述的方法，其中，所述导电通道被所述可形变的弹性材料彼此分隔开，所述弹性材料提供了机械稳定性，并改善了可靠性。
10.权利要求1所述的方法，其中，步骤d)还包含下列步骤：
d1)在所述被整平的牺牲材料上淀积绝缘层；以及
d2)在所述操纵电极上淀积绝缘层。
11.权利要求10所述的方法，其中，所述绝缘层由选自SiN、SiO2、SiCN的介质材料组成。
12.权利要求1所述的方法，其中，所述地平面电极和所述金属线条至少在其一端处被锚定在介质材料中。
13.权利要求10所述的方法，其中，环绕所述电极的所述介质选自SiO2、氟化的SiO2、以及SiCOH。
14.权利要求1所述的方法，其中，所述地电极和金属线条依赖于所述金属线条内的应力梯度而上下翘曲。
15.权利要求14所述的方法，其中，所述应力梯度在所述金属线条中的存在包含下列步骤：
a)改变所述金属线条的淀积条件；
b)控制所述淀积条件以及环绕所述至少一个空腔的势垒材料的组分；
c)改变所述势垒材料的厚度；以及
d)改变所述牺牲材料上的所述绝缘层以及位于所述导电通道之间的所述弹性材料的所述淀积条件。
16.权利要求15所述的方法，其中，所述金属层由选自TaN、Ta、TiN、W、以及Cu的衬里材料组成。
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