CN103732528B - 从mems空腔底部消除硅残留物 - Google Patents

Abstract

本发明通常涉及一种来自附着力促进剂材料的硅残留物从空腔底部减少或甚至消除的MEMS装置。附着力促进剂典型地用于将牺牲材料粘附到衬底上的材料。然后，将附着力促进剂与牺牲材料层一起移除。然而，在移除时附着力促进剂在空腔内留下基于硅的残留物。本发明人发现可以在沉积牺牲材料之前将附着力促进剂从空腔区域移除。残留在衬底的剩余部分上的附着力促进剂足以将牺牲材料粘附到衬底，而不用担心牺牲层脱层。因为在装置的空腔区域中不使用附着力促进剂，所以在解放MEMS装置的开关元件之后在空腔内不会存在硅残留物。

Description

从MEMS空腔底部消除硅残留物

发明背景

技术领域

本发明的实施方案通常涉及一种微机电系统(MEMS)装置及其制造方法。

背景技术

MEMS装置典型地包括可在多个位置之间、例如在与电极紧密接触的位置和与电极间隔开的位置之间移动的开关元件。图1A-1D是根据现有技术的MEMS装置100在制造的各个阶段的示意性横截面图。MEMS装置100包括具有嵌入其中的多个电极104、106、108的衬底102。介电层110设置在衬底102和电极104、106、108之上。

对于采用有机聚合物作为其牺牲材料的MEMS，牺牲材料的第一层与下方的电介质的粘附力一般较低。为了解决低粘附力的问题，通常将硅聚合物添加到聚合物体系。然而，在移除有机牺牲材料后，Si会留下对MEMS装置的性能有害的残留物。作为将硅添加到牺牲材料的替代方案，可以使用独立的附着力促进剂材料。在涂覆有机牺牲材料之前，通过旋涂或CVD型方法将附着力促进剂涂覆在衬底上。如果使用无机材料作为牺牲材料，那么不会采用附着力促进剂。

然后，在介电层110上沉积附着力促进剂层112。附着力促进剂层112用于将牺牲材料粘附于其上。然后，将第一牺牲材料层116A沉积在附着力促进剂层112上。第一牺牲材料层116A是包含碳、氢、氮和氧的有机牺牲材料。然后，将第一牺牲材料层116A、附着力促进剂层112和介电层110图案化以暴露电极104。如图1B中所示，然后，将导电材料沉积并图案化以形成开关元件118。然后，将第二牺牲材料层116B沉积在开关元件118上。然后，使用标准半导体加工技术来将第二牺牲材料层116B和第一牺牲材料层116A图案化。如图1C所示，由顶部120、壁122和介电层110限定空腔114。

如图1D所示，然后，将第一牺牲材料层116A和第二牺牲材料层116B以及附着力促进剂层112移除以在空腔114内解放开关元件118，使得开关元件118可以从与电极106间隔开的位置移动到与电极106紧密相邻(即与介电层110接触)的位置，如箭头“A”所示。通过使用H₂/O₂化学的蚀刻来移除第一牺牲材料层116A和第二牺牲材料层116B，所述H₂/O₂化学通过形成于顶部120中的释放孔(未示出)或通过空腔侧面中的孔引入。包含在有机牺牲材料中的任何硅不会被蚀刻，从而会作为残留物124残留在空腔中。残留物124被认为是附着力促进剂层112的残留物或可能存在于牺牲材料层中的硅。具体地，存在于附着力促进剂层112中或在牺牲材料内的硅可以导致纳观硅(即在1s轨道中具有空位的硅)，所述硅非常易于充电。残留物124会通过机械地阻碍开关元件118移动到与电极106紧密相邻来干扰MEMS装置100的性能。残留物还会通过在导致磁滞回线变窄的硅内储存电荷来改变MEMS装置100的电气开关行为，其中导致悬臂被拉下的施加到电极108的吸合电压与悬臂被释放回去的电压之间的差变小。

因此，本领域需要残留物不干扰装置性能的MEMS装置及其制造方法。

发明内容

本发明通常涉及一种来自附着力促进剂材料的硅残留物从空腔底部减少或甚至消除的MEMS装置。附着力促进剂典型地用于将牺牲材料粘附到下方层。然后，将附着力促进剂与牺牲材料一起移除。然而，在移除时附着力促进剂在空腔内留下基于硅的残留物。本发明人发现可以在沉积牺牲材料之前将附着力促进剂从空腔区域移除。残留在衬底的剩余部分上的附着力促进剂在形成MEMS装置的区域的外部，其足以将牺牲材料粘附到衬底来制造MEMS装置的覆盖在电极上的部分，而不用担心牺牲材料从衬底脱层。因为在装置的空腔区域不使用附着力促进剂，所以在通过移除牺牲材料来解放MEMS装置的开关元件之后在空腔内不会存在硅残留物。

在一个实施方案中，公开了一种制造MEMS装置的方法。所述方法包括在具有包围在空腔内的第一部分和设置在空腔外部的第二部分的衬底上沉积附着力促进剂层，移除设置在第一部分上的区域中的附着力促进剂层，在附着力促进剂层和衬底的第一部分上沉积牺牲层，在牺牲层上形成开关元件，将开关元件包围在空腔内并移除牺牲层。

在另一个实施方案中，公开了一种在具有第一部分和第二部分的衬底上制造MEMS装置的方法。所述方法包括在衬底的第一部分上选择性地形成附着力促进剂层，在附着力促进剂层和衬底的第二部分上形成牺牲层，在牺牲层和衬底的第二部分上形成开关元件，将开关元件包围在至少部分地由衬底的第二部分限定的空腔内并移除牺牲层。

在另一个实施方案中，装置包括衬底，衬底具有至少部分地限定空腔的第一部分和设置在空腔外部的第二部分，附着力促进剂层设置在衬底的第二部分上，其中附着力促进剂层不设置在第一部分上。装置还包括设置在空腔内的开关元件。

附图说明

所以，通过参考实施方案可以获得能够详细理解本发明的上述特征的方式、以上简单概括的本发明的更具体的说明，所述实施方案的一些在附图中进行说明。然而应注意，附图仅图示本发明的典型实施方案，因此不认为限制其范围，这是因为本发明可以允许其他等效的实施方案。

图1A-1D是现有技术的MEMS装置100在制造的各个阶段的示意性横截面图。

图2A-2G是MEMS装置200在制造的各个阶段的示意性横截面图。

图3A和3B是可以在本文所讨论的实施方案中使用的开关元件222的实施例。

为了有助于理解，在可能的情况下使用的相同的附图标记指示对附图中是共同的相同元件。在没有特别的说明的情况下，预期在一个实施方案中所公开的元件可以有利地应用于其他实施方案。

具体实施方式

本发明典型地涉及一种来自附着力促进剂材料的硅残留物从空腔底部减少或甚至消除的MEMS装置。附着力促进剂典型地用于将牺牲材料粘附到其下方层。然后，将附着力促进剂与牺牲材料层一起移除。然而，在移除后附着力促进剂在空腔内留下基于硅的残留物。如本文所讨论的，可以在沉积牺牲材料之前将附着力促进剂从空腔区域移除。残留在衬底的剩余部分上的附着力促进剂足以将牺牲材料粘附到衬底，而不用担心牺牲层脱层。因为在装置的空腔区域不使用附着力促进剂，所以在解放MEMS装置的开关元件之后在空腔内不会存在硅残留物。

图2A-2G是MEMS装置200在制造的各个阶段的示意性横截面图。如图2A所示，MEMS装置200包括具有嵌入其中的几个结构的衬底202。这里有提供从装置200到衬底202下方的层的电连接的电连接204。还有用于将之后形成的开关元件222(参见图2F和2G)从与RF电极206间隔开第一距离的位置拉到更接近RF电极206的第二距离的吸合电极208。电连接204、吸合电极208和RF电极206都可以通过以下方法形成：通过诸如蚀刻的方法将材料从衬底202移除，将导电材料覆被沉积到衬底的经蚀刻的区域中，并通过诸如蚀刻或化学机械抛光的方法将额外的导电材料从衬底的表面移除。可以使用的合适的导电材料包括铜、铝、钛、钨、氮化钛、氮化铝钛、其组合和在互补金属氧化物半导体(CMOS)制造方法的制程后端(BEOL)中传统使用的其他众所周知的导电材料。在其中形成有导电材料的衬底材料可以包括电绝缘材料，例如二氧化硅、氮化硅、氧氮化硅及其组合。或者，电连接204、吸合电极208和RF电极206都可以通过在衬底202上的导电材料的第一覆被沉积来形成。之后，导电材料的额外部分通过诸如蚀刻的方法移除以形成电连接204、吸合电极208和RF电极206的最终形状。

如图2A中所示，在附着力促进剂层212之前，电绝缘层210可以通过覆被沉积方法来沉积在暴露的衬底202和电连接204、吸合电极208和RF电极206上。然后，可以通过诸如蚀刻或CMP的方法来移除额外的电绝缘材料。电绝缘层210防止开关元件222和吸合电极208之间的短路。

然后，在电绝缘层210上沉积附着力促进剂层212。附着力促进剂层212可以沉积到小于20nm，例如在约4nm和约20nm之间或约6nm的厚度。可以用于附着力促进剂层212的合适的材料包括包含与有机官能团共价键合的硅的化合物，例如可以从Dow Chemical得到的AP3000、AP4000和AP6300，其一般基于有机硅烷以形成SiO₂和有机牺牲材料之间的适当的键合封端。附着力促进剂层212适合于需要改善的粘附力的特定的膜。一般来说，附着力促进剂层212含有约29原子百分比的硅，上限为30原子百分比的硅。使用附着力促进剂层212来将牺牲层220粘附到装置200。在不存在附着力促进剂层212的条件下，牺牲层220会从装置200脱层。附着力促进剂层212可以通过旋涂方法来沉积。

如上所讨论的，附着力促进剂层212可以是空腔226内的残留物源。因此，在沉积牺牲层220之前将附着力促进剂层212从空腔226移除。附着力促进剂层212会残留在衬底202上的空腔226外部区域中。应理解，甚至在移除过程之后，一些残余的附着力促进剂层212可以残留在空腔226内。残余的附着力促进剂层212不应在MEMS区域下甚至在开关元件222的MEMS触地(touchdown)区域下，使得当任何残留物形成时，残留物不改变MEMS装置的着陆性能。为了移除附着力促进剂层212，光刻胶层214如图2B中所示沉积在附着力促进剂层212上，然后如图2C中所示被图案化以形成掩模216。掩模216中的开口对应于附着力促进剂层212中在牺牲材料的沉积之前会被移除的部分。蚀刻暴露的附着力促进剂层212以在电极204、206和210的区域外部的区域中在衬底上留下附着力促进剂层218的图案，并且在电极204、206和210的区域内不留下附着力促进剂层212，如图2D中所示。剩余的、经图案化的附着力促进剂层218会足以将牺牲层220粘附到衬底202，而不允许牺牲层220在形成开关元件之前脱层(参见图2F)。如果附着力促进剂层212保留在电极206、208上，那么附着力促进剂材料会作为电荷陷阱(charge trap)导致装置可靠性和寿命降低。

在不存在经图案化的附着力促进剂层218的条件下，当牺牲层220经湿式加工时，牺牲层220会在衬底202的大片区域上脱层。未经图案化的附着力促进剂层218的区域与空腔226相比足够大，使得剩余的附着力促进剂层218会在晶片的剩余部分上保持牺牲层220。

一旦形成图案化了的附着力促进剂层218后，通过众所周知的方法，例如灰化或湿法蚀刻来移除掩模216，并且沉积牺牲层220，如图2E中所示。可以用于牺牲层220的合适的材料包括含有具有碳主链的长链分子的基于有机物的电介质。可以用于牺牲层220的具体材料包括基于聚亚芳基或聚亚苯基的聚合物，例如可从Dow Chemical得到的SILK^TM或来自JSR的LKD 7200系列。经图案化的附着力促进剂层218的有机官能团提供牺牲层220必需的键合官能团。牺牲层220可以通过旋涂方法来沉积，然后固化。经图案化的附着力促进剂层218为旋涂的牺牲层220提供足够的粘附力以允许牺牲层220在MEMS装置200方法的剩余步骤中保存下来。一旦沉积牺牲层220后，将其图案化，并形成装置200的剩余部分。

在牺牲层220上形成开关元件222，并在开关元件222上形成另一牺牲层224以在牺牲材料内嵌入开关单元222。在该阶段不需要额外的粘附层，这是因为第二牺牲层的大部分位于第一牺牲层上，然而，当需要粘附层时，可以图案化这种粘附层以不保留在空腔区域中。开关元件222通过以下方法形成：覆被沉积导电材料，在其上形成掩模，蚀刻导电材料以形成开关元件222，然后通过众所周知的方法、例如灰化或蚀刻移除掩模。开关元件222电连接到电连接204。

一旦所有牺牲材料已经沉积并经图案化以限定空腔226的内部形状后，可以将空腔226包封以使顶部228和壁230如图2F中所示存在。可以穿过顶部228和壁230中的一个或更多个来形成开口，以引入会移除牺牲层220、224并解放开关元件222使得其在空腔226内移动的蚀刻剂。牺牲层220、224通过各向异性的等离子体蚀刻方法来移除。如从图2G中所看到的，因为在沉积牺牲层220之前从空腔226移除附着力促进剂层212，所以在空腔226内没有残留物，并且开关元件不被残留物或电绝缘层210的排斥充电阻碍。

应理解，虽然示出开关元件222为具有活动端和连接到电连接204的固定端的悬臂结构，但本发明不限于这种开关元件。本发明同样适用于其他开关元件，例如在两端固定并在两端具有电连接、并且在固定的端部之间具有可以在与RF电极间隔开的位置和与RF电极紧密相邻的位置之间移动的柔性桥的开关元件。可以用于开关元件222的合适的材料包括氮化钛、钛铝、钨、铜、氮化铝钛铝及其组合以及多层结构，例如氮化钛-铝-氮化钛或氧化物-氮化钛铝-氧化物堆叠。开关元件222可以通过以下方法形成：通过诸如物理气相沉积(PVD)的方法来沉积导电材料，然后通过诸如蚀刻的方法来图案化导电材料。如果需要，可以在开关元件222的顶面和地面中的一个或更多个上形成电绝缘材料。

图3A和3B是可以在本文所讨论的实施方案中使用的开关元件222的实施例。在图3A中，开关元件222包括至少部分包封开关元件222的导电部分302的多个介电层304。介电层304比导电部分302薄。介电层304是有利的，这是因为否则牺牲材料会与暴露的导电材料相互作用以产生会残留在空腔226中的非挥发性残留物。当导电部分302通过用介电层304(例如氧化物材料，例如二氧化硅)将其包封而至少部分地从空腔226分离时，释放后残留物的量显著地降低或完全被消除。

图3B示出根据另一实施方案的开关元件222。开关元件222具有华夫饼状结构，其中底部部分310通过一个或更多个导电柱330连接到顶部部分320。底部部分310包括由至少部分包封导电部分312的多个介电层314所包围的导电部分312。相似地，顶部部分320包括由至少部分包封导电部分322的多个介电层324所包围的导电部分322。

通过在MEMS装置的装置空腔外部的区域中使用附着力促进剂层，可以沉积并粘附牺牲层，而不用担心在进一步的MEMS加工时脱层。在空腔内没有基于硅的粘附层，硅残留物减少或甚至被消除。因此，可以利用必需的牺牲材料来制造MEMS装置，而不用担心牺牲材料脱层或粘附材料残留物影响MEMS装置的机械或电操作。

应理解，根据其他方法，附着力促进剂层也可以被移除和/或不存在于空腔区域内。例如，考虑可以在介电层上形成掩模。掩模具有空腔底部的所希望的形状。然后，在衬底上覆被沉积附着力促进剂。然后，移除其上具有附着力促进剂材料的掩模使得所希望的区域其上没有附着力促进剂。

尽管前述内容针对本发明的实施方案，但是可以设计本发明的其他和另外的实施方案而不脱离其基本范围，其范围由之后的权利要求所确定。

Claims (14)

1.一种制造MEMS装置的方法，包括：

在具有待包围在空腔内的第一部分和待设置在所述空腔外部的第二部分的衬底上沉积粘附层；

移除设置在所述第一部分上的区域中的所述粘附层；

在所述粘附层和所述衬底的第一部分上沉积牺牲层；

在所述牺牲层上形成开关元件；

将所述开关元件包围在所述空腔内；并

移除所述牺牲层。

2.权利要求1所述的方法，其中所述粘附层包含硅。

3.权利要求2所述的方法，其中所述牺牲层包含介电材料。

4.权利要求3所述的方法，其中所述介电材料是有机介电材料。

5.权利要求1所述的方法，其中移除所述粘附层包括：

在所述粘附层上沉积光刻胶层；

曝光所述光刻胶层的对应于所述衬底的第一部分的选定区域；

显影所述光刻胶层以移除所述光刻胶层的选定区域，从而形成掩模并使设置在所述第一部分上的区域中的粘附层暴露；

蚀刻所述暴露的粘附层。

6.权利要求5所述的方法，进一步包括在沉积所述粘附层之前在所述衬底上沉积电绝缘层。

7.权利要求1所述的方法，其中所述粘附层包含与有机材料共价键合的硅。

8.一种在具有第一部分和第二部分的衬底上制造MEMS装置的方法，包括：

选择性地在所述衬底的第一部分上形成粘附层；

在所述粘附层和所述衬底的第二部分上形成牺牲层；

在所述衬底的第二部分上的牺牲层上形成开关元件；

将所述开关元件包围在至少部分地由所述衬底的第二部分限定的空腔内，其中所述粘附层被用在所述空腔外部的衬底部分上；并

移除所述牺牲层。

9.权利要求8所述的方法，其中所述粘附层包含硅。

10.权利要求9所述的方法，其中所述牺牲层包含介电材料。

11.权利要求10所述的方法，其中所述介电材料是有机介电材料。

12.权利要求11所述的方法，进一步包括在选择性地形成所述粘附层之前在所述衬底上沉积电绝缘层。

13.权利要求8所述的方法，进一步包括在沉积所述粘附层之前在所述衬底上沉积电绝缘层。

14.权利要求8所述的方法，其中所述粘附层包含与有机材料共价键合的硅。