CN104973563B - 钨mems结构的制造 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钨MEMS结构的制造。在低温下制造厚的(即，大于2微米)精细颗粒的低应力的钨MEMS结构，尤其对于所谓的“MEMS最后”制造处理(例如，在制造了电子电路之后制造MEMS结构时)。公开了用于精确地从沉积的钨层刻蚀出结构细节以及用于坚固地并稳定地将钨层锚定至下面的衬底的手段。而且，公开了用于去除移动钨层下的牺牲层而不破坏钨或允许其被表面拉力向下拉和吸取的手段。

Description

钨MEMS结构的制造
相关申请的交叉引用
本专利申请请求2014年4月4日提交的题为“钨MEMS结构的制造”的美国临时专利申请No.61/975061的优先权，其整体通过引用在此并入本文。
技术领域
本发明总体涉及MEMS器件，更具体地涉及钨MEMS结构的制造。
背景技术
包括诸如惯性传感器(例如，电容性、压电和对流加速度和振动和调谐音叉陀螺仪)、麦克风、压力传感器、RF器件和光器件(例如，光开关)之类的物体的微机电系统(MEMS)器件通常包括许多可释放以进行移动的结构。释放结构的示例包括传声器振膜、惯性传感器防护物和滑梭、以及覆盖传感结构的悬挂密封层。
MEMS器件通常通过诸如刻蚀至衬底和/或沉积/图案化各种材料之类的显微机械加工技术而形成在衬底(例如，硅或者绝缘体上硅晶圆)上。将被释放的结构通常形成在一个或多个“牺牲”层的顶部，“牺牲”层的材料后续被去除以释放该结构。针对MEMS晶圆制造的典型的牺牲层包括氧化层。通常采用湿法或干法刻蚀工艺来去除氧化层。湿法刻蚀工艺(例如，缓冲氧化物蚀刻)通常要求释放精心布置的孔，孔之间隔开以允许进行湿法刻蚀，这对产品设计和工艺加入了特定限制。干法刻蚀工艺(例如，蒸发HF)通常提供了孔的放置和间隔中的更大的自由度，这继而可导致传感器设计的更大灵活度。
发明人已经认识到，十年间，钨相对于一般用作用于制造显微机械加工惯性仪器的材料的硅具有显著的优势。具体地，如果钨机械结构以与Sherman等人在US专利5417111中指教的方式类似的方式并入电子设备，则能够做出成本和精度方面的实质改进。通过开发来自钨的更强的惯性信号，给定性能的成本可通过减小机械结构尺寸或给定尺寸中增强的精度而降低。
其理由在于钨金属的特性。首先，它和硅一样是常温下的脆性材料(即，从非塑性的意义)。也就是说，其在拉紧至小于破裂的程度时没有呈现永久变形。因此，其形成了具有稳定几何形状和硬度的移动结构。其次，其具密度是硅的8.3倍。由此，钨结构相对于小尺寸硅结构相比经受了大约八倍的惯性力，但是预期它们会得到来自诸如环境介质的布朗运动之类的非惯性源的更近似相同的扰动力(或者可替换地，为了经受相同的惯性力，钨结构可能大约是硅结构的八分之一，例如，4um厚的钨与33um厚的硅大致具有相同质量)。因此，预期钨得到极大改进的信噪比(SNR)。第三，钨的杨氏模量比硅大2.5倍。可从给定尺寸获取更大的结构硬度，使得其更不易受扰动的影响。第四，我们的测量结果表明钨微结构的绝对强度可以与硅相比。强度是设计移动结构的关键参数。第五，不同于硅，钨具有导电氧化物。硅天然地形成了绝缘表面氧化物，表面氧化物随着温度、时间和环境因素的变化程度，捕获电荷。这使得显微机械加工陀螺仪和加速计零偏压不稳定，通常是惯性仪器精度的最重要的测量。已经发现，在硅传感器的活性表面覆盖导体能极大地改进其稳定性，如O’Brien等人在美国专利5205171中指教的那样。虽然它可能像硅一样在表面吸附外来物，钨没有占主导地位的充电效应。
已经意识到在MEMS器件中使用钨，具有一些特定优势，尤其作为硅的替代品。例如，美国专利No.7367232和美国公开的专利申请US2011/0005319和US 2011/0096623提到了钨作为各种MEMS结构的可能材料。然而，仅仅公开钨作为MEMS结构的可能材料，并没有实际地公开或实现这种钨MEMS结构的可用方式的实施。发明人对钨MEMS结构进行实验(例如，作为硅结构的替代)并且已经发现，使用传统制造工艺制造具有高的内应力的钨MEMS结构使得钨MEMS结构易于在释放时蜷曲或弯曲，导致器件不可用或具有差的性能。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种用于制造MEMS器件的方法包括：在大约500C以下的温度利用晶粒生长抑制剂沉积基于钨的材料以在下面的氧化物层上形成至少2微米厚的低应力的基于钨的材料层，而不首先使得致密化氧化层。该方法还包括刻蚀基于钨的材料层以形成基于钨的MEMS结构。
在各种替换实施例中，基于钨的MEMS结构可以是可释放的基于钨的可移动体，在该情况下，所述方法可进一步包括以及去除可释放的基于钨的可移动体下面的氧化物以释放基于钨的可移动体。
在各种替换实施例中，MEMS器件可在沉积基于钨的材料之前就包括电子电路，在该情况下，沉积基于钨的材料不使得电子电路的温度上升至大约450C。
在各种替换实施例中，沉积基于钨的材料层可包括在掺杂有诸如硼或稀土金属之类的晶粒生长抑制剂的对象上沉积基于钨的材料。可替换地，沉积基于钨的材料层可包括交替地(1)沉积基于钨的材料层以及(2)引入诸如硼或稀土金属之类的晶粒生长抑制剂以防止垂直晶粒生长至后续沉积的基于钨的材料层。
在其它替换实施例中，刻蚀基于钨的材料层可包括：
利用基本上是从六氟化硫(SF6)气体产生的氟的蚀刻剂刻蚀基于钨的材料层，而且使得从三氟甲烷产生的聚四氟乙烯类聚合物的层钝化以形成精确的强各向异性刻蚀。在利用氧等离子体进行刻蚀之后可去除残留的保护性聚合物。沉积基于钨的材料可包括：在沉积基于钨的材料期间控制氧水平。刻蚀基于钨的材料层以形成至少一个可释放的基于钨的可移动体还可包括：刻蚀基于钨的材料层以形成与可移动体邻接的至少一个电极。
所述方法可进一步包括：在沉积基于钨的材料之前，形成通过氧化层到达下面的衬底的至少一个基于钨的锚，以形成低应力的基于钨的材料层，其中MEMS结构被至少一个基于钨的锚而锚定至下面的衬底。在具体实施例中，至少一个基于钨的锚可以是包括小的基于钨的锚的矩阵的合成锚，每个小的基于钨的锚的直径大约为1微米，在该情况下形成小的基于钨的锚的矩阵可包括：图案化氧化层以形成图案化的氧化物层，图案化的氧化物层包括通过氧化层到达下面的衬底的直径大约为1微米的小孔的矩阵；以及利用基于钨的塞子填充孔以形成小的基于钨的锚的矩阵。可替换地，至少一个基于钨的锚可以是大的基于钨的锚，在该情况下形成大的基于钨的锚包括：通过利用多个刻蚀步骤在氧化层中刻蚀腔体来图案化氧化层，多个刻蚀步骤逐渐地增大腔体的宽度和深度以使得腔体延伸通过氧化层至下面的衬底并且基本上在顶部宽于底部；以及利用基于钨的材料均匀地填充腔体以形成大的基于钨的锚。下面的衬底可以是MEMS器件的平板结构，在该情况下至少一个基于钨的锚基本上由纯钨形成，而且平板结构由钛-钨形成。在任意情况下，至少一个基于钨的锚可被均匀填充而没有空隙或裂缝。至少一个基于钨的锚和基于钨的材料层可由相同基于钨的材料形成。
在本发明的另一实施例中，MEMS器件包括：通过如下处理形成的至少2微米厚的低应力的基于钨的MEMS结构：在不首先使得氧化层致密化的情况下，在大约500C以下的温度利用晶粒生长抑制剂沉积基于钨的材料，以在下层的氧化物层上形成至少2微米厚的低应力的基于钨的材料层；以及刻蚀基于钨的材料层以形成基于钨的MEMS结构。
在各种替换实施例中，MEMS结构可被从MEMS结构延伸通过氧化层至下面的衬底的至少一个基于钨的锚锚定至下面的衬底。在具体实施例中，至少一个基于钨的锚可以是包括小的基于钨的锚的矩阵的合成锚，每个小的基于钨的锚的直径大约是1微米。在替换实施例中，至少一个基于钨的锚可包括大的基于钨的锚，其基本上在顶部宽于底部。下面的衬底可以是MEMS器件的平板结构，在该情况下至少一个基于钨的锚基本上由纯钨形成，而且平板结构由钛-钨形成。至少一个基于钨的锚和低应力的基于钨的MEMS结构可由相同基于钨的材料形成
可能公开并请求保护其它实施例。
附图说明
通过参考下述详细说明并参考附图，实施例的前述特征将变得更容易理解，其中：
图1-12描绘了根据一个示例性实施例的利用基于钨的MEMS结构和电互连来基本上替换基于硅的MEMS结构和电互连的示例性制造处理的各种制造处理步骤；
图13-18描绘了根据一个示例性实施例的使用基座的各种制造处理；
图19描绘了根据一个具体示例性实施例的小的基于钨的锚的矩阵(例如，大约每个1微米)，用于替换单个大的基于钨的锚；
图20-23描绘了用于形成用于锚定图19所示的可释放MEMS结构的基于钨的锚的各种制造处理；
图24描绘了现有技术中已知的溅射金属层的“面包条”现象；
图25-28描绘了根据一个具体示例性实施例的用于形成用于锚定可释放的MEMS结构的基于钨的锚的各种制造处理；以及
图29是示出了基于钨的陀螺仪以及基于硅的陀螺仪的艾伦偏差图的示图，其示出了基于钨的陀螺仪的改进的分辨率。
具体实施方式
定义。在用于本说明书和所附权利要求中时，下述术语应该具有所示意思，除非上下文相反地要求：
术语“基于钨”指的是基本上是固体钨的材料，可选地具有少量的一种或多种物质，被添加用来控制低温(即，低于大约500C)沉积处理期间的晶粒间界。
术语相对于MEMS器件的主体的“可移动”指的是MEMS结构被配置成以预定模式运动。在一些类型的MEMS器件中，主体的移动可被驱动(例如，MEMS陀螺仪中的谐振器)，同时在其它类型的MEMS器件中，主体的移动可以是被动的(例如，MEMS加速计中的防护物)。驱动的移动可以是平移(例如，侧向抖动)、旋转(例如，围绕中央枢转点前后抖动)、体声波或其它驱动模式。
如上所述，已经认识到，在MEMS器件中使用钨将具有一些特定优势，尤其是代替硅。在利用钨代替硅时，对美国专利6122961中的类型的陀螺仪的SNR的影响，由附件A-B中示出的示例评估。
钨结构的制造
现在讨论制造钨MEMS结构的一些考虑。
首先，钨层需要本质上具有非常低的应力并因此需要是精细颗粒化的而且需要保持精细颗粒化以便提供稳定结构几何形状，而且尤其是对于所谓的“MEMS最后”制造处理(例如，在制造了电子电路之后制造MEMS结构时)，钨的沉积需要是一个低温处理以使得下面的电子电路不被热量破坏。虽然钨的退火可产生低应力层，但是对钨退火所需的温度超过电子系统的熔点。
其次，需要坚固地并且稳定地将钨层锚定至下面的衬底的手段，否则将失去强脆性材料的优势。该接合也应该具有低的温度电接触电阻。
第三，需要非常精确地从钨的均匀沉积刻蚀出结构细节的手段。非常精确的惯性仪器通常通过差分测量技术获取它们的稳定性。为了保持严格的差分测量，结构的相对部分必须精确地具有相同尺寸和形状。
第四，需要用于去除移动钨层下面的牺牲层而不破坏钨或允许其被表面拉力向下拉和吸取的手段。
在本发明的一些示例性实施例中，在低温下沉积基于钨的材料而不使得衬底材料的温度上升至大约450C(这总体上大约是现代电子电路可以达到而不受到损害的最高温度，其中诸如晶体管之类的更小部分通常更容易被破坏)，具有地通过在低于500C的温度下(例如，介于大约400C和500C之间)进行溅射，溅射期间精心地控制氧水平。此外，这些处理温度应该使得下面的电子电路能够承受钨沉积处理。如上所述，钨可被沉积，以使得平均残留应力是可伸展的而且小于100MPa由此产生可用的稳定结构。然而，在正常溅射期间，多晶硅钨的一些晶粒通常有利地随着层增厚而生长，导致柱形结构，其中一侧比另一侧具有更粗糙的晶粒结构。这引起通过膜的应力梯度，导致结构从其牺牲下层释放时的曲度。而且，很需要非常精细的晶粒材料，以便保持对抗加工硬化的长期稳定性以及有利于在给定各个微晶的各向异性时的杨氏模量的精确定义。
在本发明的一些示例性实施例中，这可通过通过精心地并入小比例的不溶于钨的另一材料来实现，该另一材料在晶粒边缘聚集，“阻塞”它们并防止晶粒生长。采用钾的类似技术被用于白炽灯的灯丝中以防止下垂而且还用于制造钨工具。然而，灯丝中采用的钾的添加与基于半导体的电子制造不兼容，因为高温工艺被用于加工。发明人已经发现，硼和镧可被用作晶粒生长抑制剂，而且还推测其它材料也可抑制晶粒生长(例如，锆、铪、钍、钇、铈、稀土的氧化物，以及金属铜、镍、铁和钴)，虽然这些材料作为半导体杂质呈现不同程度的问题。例如，钍的放射性可能呈现存储器组件的可靠性问题。镧和其它稀土金属的有效性源自处理期间的其氧化物的不溶微粒的形成。氧气可出现在溅射对象中或者引入溅射气体中。
0.01至1原子百分率的硼的添加是有效的，尤其是高于0.2％，其中晶粒边界被硼化钨粒子阻塞。NASA技术备忘表D-2649，其整体在此通过引用并入本文，讨论了硼作为用于宏观模具和工件环境下的钨的可能的晶粒生长抑制剂。硼是特别有吸引力的，因为它一般与半导体制造处理兼容。
在一些示例性实施例中，晶粒生长抑制剂(例如，硼或镧)可被提供作为溅射目标中的搀杂物，即，晶粒生长抑制剂可以是随后被溅射有钨的目标的一部分。
在一些其它示例性实施例中，晶粒生长抑制剂在溅射期间周期性地被引入以防止晶粒在垂直方向生长(例如，沉积薄钨层，引入晶粒生长抑制剂以阻塞晶粒边界，沉积另一薄钨层，引入晶粒生长抑制剂以阻塞晶粒边界等)。例如，可通过周期性地将一些乙硼烷引入溅射腔来形成中断晶粒生长的一个或多个层来使用硼。
第三，低温溅射还可实现MEMS结构下的金属电结构(例如，平板或屏蔽结构和电互连)。这些与硅结构不兼容，不仅因为硅沉积温度太高而且因为存在对电子制造的污染风险。与硅结构一起使用的多晶硅制成的互连是对传感器噪声的显著贡献源，因为它们具有比金属远远更大的电阻(若干KOhm的数量级，不同于金属的若干Ohm)。钛-钨是用于互连和屏蔽层的优选材料，因为其实现了强锚的制造而且与多晶硅相比降低了将近一个数量级的噪声贡献，虽然其它材料可被用于互连和屏蔽层。
第四，可获得精确的强各向异性刻蚀的手段类似于Larmer等人在美国专利5501893(其整体在此通过引用并入本文)中针对硅指教的那样，其中蚀刻剂基本上是从六氟化硫气产生的氟以及聚四氟乙烯类聚合物的钝化层由三氟甲烷产生。处理可被施加至热敏感集成电路上的钨层，因为尽管其具有高分子量，六氟化钨是易挥发的，在大气压下在大约20C下沸腾由此其快速地从气相中的反应位置开始扩散而无需加热衬底。残留保护性聚合物，在刻蚀后，是良好的电绝缘体而且可通过与之前描述的二氧化硅类似地俘获表面电荷而导致仪器误差。因此，利用另一个简单的各项同性刻蚀将它从刻蚀的晶圆去除。一个这种示例是氧等离子体，如美国专利8486198(其整体在此通过引用并入本文)中针对腔体清洗指教的那样。
示例性制造处理
现在参考图1-12来描述基本上代替了基于硅的MEMS结构和电互连的基于钨的MEMS结构和电互连的示例性制造处理，其通过截面图描绘了各种制造处理步骤。
参见图1，顶部金属结构102和104(例如，由钛-钨或其它适当导电材料形成)被形成在下面的氧化物层上而且随后被上面的氧化物层106覆盖。在该具体示例性实施例中，氧化层由高密度等离子体(HDP)氧化物形成，虽然替换实施例可使用另一氧化物沉积制造处理。
参见图2，上面的氧化物层106被减薄，例如通过研磨/抛光。
参见图3，钝化层108被形成在氧化层106上。在该具体示例性实施例中，钝化层108是氮化物钝化层，虽然替换实施例可使用另一钝化材料。
参见图4，通孔组110和112被形成为通过钝化层和氧化层分别到达顶部金属结构102和104。例如，通过使得钝化层108图案化并刻蚀透过钝化层108和氧化层106，来形成通孔。
参见图5，通孔组110和112分别被填充有基于钨的塞子114和116。在具体示例性实施例中，基于钨的塞子可以基本上是纯钨，虽然替换实施例可使用另一基于钨的材料(例如，钛-钨)或另一导电材料。
参见图6，基于钨的平板结构118、120和122被形成，例如，通过沉积基于钨的材料层123(例如，优选地钛-钨材料)并随后图案化基于钨的材料层123。在该具体示例性实施例中，平板结构118通过通孔114电连接至顶部金属结构102，同时平板结构120和122通过通孔116电连接至顶部金属结构104(由于附图的截面图特性，平板结构120的电连接性未被明确示出)。
参见图7，牺牲(间隔物)氧化物层124被形成在平板结构上方。此外，该氧化物层124被用来支撑后续处理步骤中形成的各种可释放的钨MEMS结构。
参见图8，氧化层124被图案化以形成图案化的氧化物层126，由此暴露平板结构的一些部分。
参见图9，厚的(即，大于或等于大约2微米厚)基于钨的材料层128被形成在溅射的氧化物层126上以及平板结构的暴露部分上。重要的是，在低于大约500C的低温下沉积基于钨的材料而无需致密化下面的氧化物层124/126。由于沉积基于硅的材料通常所处的高温的原因，基于硅的材料的沉积通常要求下面的氧化物的致密化。因此，该示例性制造处理取消了使得下面的氧化物层致密化的步骤，这节省了制造时间(由此降低了成本)并且还避免了可能破坏电子电路的高温处理。随后，键合焊盘130在平板结构118上方的部分上形成在基于钨的材料层128上。在该具体示例性实施例中，键合焊盘130由AlCu材料形成，虽然替换实施例可使用另一导电材料。
参见图10，基于钨的材料层128被图案化以形成(多个)可释放的钨MEMS结构134(例如，陀螺仪谐振器或加速计防护物)以及导电的钨键合焊盘基底132。如上所述，在具体示例性实施例中，可按照类似于Larmer等人在美国专利5501893(其整体在此通过引用并入本文)中针对硅指教的方式那样获取精确的强各向异性刻蚀，其中蚀刻剂基本上是从六氟化硫气体(SF6)产生的氟以及聚四氟乙烯类聚合物的钝化层由三氟甲烷产生。在该具体示例性实施例中，在刻蚀后，通过另一个简单的各项同性刻蚀利用氧等离子体从刻蚀的晶圆去除残留保护性聚合物，基本上如美国专利8486198(其整体在此通过引用并入本文)中针对腔体清洗所指教的那样。
继续参考图10，导电的钨键合焊盘基底132和键合焊盘130提供了用于金属性盖的键合点。导电的钨键合焊盘基底132和键合焊盘130可能(而且通常会)完全围绕(多个)可释放的钨MEMS结构134和出于简介的原因而未示出的其它相关MEMS结构(例如，各种驱动和感测电极)。简洁起见，用于覆盖的仅仅一个键合点被示出在附图中。
参见图11，氧化层126被去除以释放钨MEMS结构134。HF湿法刻蚀技术可被用来去除氧化层126。
参见图12，金属盖136被键合至键合焊盘130以封闭(通常密封地)MEMS器件。在该具体示例性实施例中，金属盖136通过键合焊盘130、键合焊盘基底132和通孔114电连接至顶部金属结构102。
应该注意的是，上述示例性制造处理可包括(通常不包括)此处出于简洁起见而省略的附加和/或替换制造步骤。例如，具体材料层的图案化可包括各种沉积和刻蚀步骤。而且，附加结构可被形成在所示层和/或各种附加层处。例如，各种基于钨的电极，例如用于驱动和/或感测基于钨的可移动体的移动，可由基于钨的材料层123形成(例如，可移动体下的电极)和/或从基于钨的材料层128形成(例如，可移动体侧边的电极)。
防止MEMS释放期间的静摩擦力的基座
为了防止释放操作期间的可释放的MEMS结构的静摩擦力，各种替换实施例可利用一个或多个基座来在释放操作期间支持可释放的MEMS结构，例如，如美国专利5314572(其整体在此通过引用并入本文)中描述的那样。
图13-18描绘了根据一个示例性实施例的用于基座的各种制造处理。图13-18基本上可以代替上述示例性制造处理中描述的图8-11。
参见图13，氧化层124被图案化以形成图案化的氧化物层126，由此暴露平板结构的一些部分并形成用于基座的开口1302。
参见图14，例如，利用可支撑可释放的MEMS结构并且在释放MEMS结构之后被去除的光阻材料或其它适当的材料，基座1304被形成在开口1302中。
参见图15，厚的(即，大于或等于大约2微米厚)基于钨的材料层128被形成在溅射的氧化物层126上以及基座1304的暴露部分上。重要的是，在低于大约500C的低温下沉积基于钨的材料而无需致密化下面的氧化物层124/126。由于沉积基于硅的材料通常所处的高温的原因，基于硅的材料的沉积通常要求下面的氧化物的致密化。因此，该示例性制造处理取消了使得下面的氧化物层致密化的步骤，这节省了制造时间(由此降低了成本)并且还避免了可能破坏电子电路的高温处理。随后，键合焊盘130在平板结构118上方的部分上形成在基于钨的材料层128上。在该具体示例性实施例中，键合焊盘130由AlCu材料形成，虽然替换实施例可使用另一导电材料。
参见图16，基于钨的材料层128被图案化以形成(多个)可释放的钨MEMS结构134(例如，陀螺仪谐振器或加速计防护物)以及导电的钨键合焊盘基底132。如上所述，在具体示例性实施例中，可按照类似于Larmer等人在美国专利5501893(其整体在此通过引用并入本文)中针对硅指教的方式那样获取精确的强各向异性刻蚀，其中蚀刻剂基本上是从六氟化硫气体(SF6)产生的氟以及聚四氟乙烯类聚合物的钝化层由三氟甲烷产生。在该具体示例性实施例中，在刻蚀后，通过另一个简单的各项同性刻蚀利用氧等离子体从刻蚀的晶圆去除残留保护性聚合物，基本上如美国专利8486198(其整体在此通过引用并入本文)中针对腔体清洗所指教的那样。应该注意的是，基于钨的材料层128的图案化未触动基座1304，由此基座1304支撑可释放的MEMS结构134。
参见图17，氧化层126被去除(例如，通过可释放的MEMS结构134中刻蚀出的附加孔，出于简洁起见未示出或描述，但是对于本领域技术人员是公知的)从而释放钨MEMS结构134。HF湿法刻蚀技术可被用来去除氧化层126。应该注意的是，氧化层126的去除未触动基座1304，由此基座1304支撑可释放的MEMS结构134。
参见图18，基座1304被去除以完全释放MEMS结构134。氧等离子体刻蚀技术可被用来去除光阻基座1304。
应该注意的是，上述示例性制造处理可包括(通常不包括)此处出于简洁起见而省略的附加和/或替换制造步骤。例如，具体材料层的图案化可包括各种沉积和刻蚀步骤。而且，附加结构可被形成在所示层和/或各种附加层处。例如，各种基于钨的电极，例如用于驱动和/或感测基于钨的可移动体的移动，可由基于钨的材料层123形成(例如，可移动体下的电极)和/或从基于钨的材料层128形成(例如，可移动体侧边的电极)。
横向驱动/感测电极
如上所述，用于驱动和/或感测可移动体的移动的电极可由基于钨的材料形成。例如，在一些具体示例性实施例中，平板结构120和122可由基于钨的材料形成，例如，以驱动和/或感测可移动MEMS结构134的平板外的移动。
应该注意的是，附加地或者可替换地，横向电极可由基于钨的材料形成，例如，以驱动和/或感测基于钨的可移动体的平板内的移动。具体地，横向电极可由与可移动体本身(例如，从图9所示的层128)相同的基于钨的材料层形成。例如，美国专利申请公开US2012/0137773中描述了一些示例性横向电极，其整体在此通过引用并入本文。例如，参考图10示出并描述的基于钨的材料层128的图案化可包括形成与可移动体邻接的一个或多个横向电极，而且利用上述类型的精确的强各向异性刻蚀，可形成高纵横比的MEMS器件，例如体声波(BAW)陀螺仪，其中电极被布置成非常靠近主体。利用可移动结构MEMS结构134，横向电极可利用基于钨的电互连电连接至下面的电路。
钨锚
图11和18示出了可移动MEMS结构134直接形成在平板结构120和122上。在各种替换实施例中，可移动MEMS结构134可替换地利用一个或多个基于钨的锚而锚定至平板结构120和122或其它基于钨的结构。其它结构，例如电极，可类似地利用基于钨的锚来锚定。
在一个特定示例性实施例中，小的基于钨的锚的矩阵(例如，每个大约1微米)被用来替代单个大的基于钨的锚，如图19所示。发明人已经发现，这种小锚，太弱从而作为独立个体是无用的，被均匀填充而没有空隙或裂缝，而且形成了足够强壮的合成锚。
图20-23描绘了根据一个示例性实施例的用于形成用于锚定可释放的MEMS结构的基于钨的锚的各种制造处理。图20-23基本上可以替代上述示例性制造处理的图8-10。
参见图20，氧化层124被图案化以形成图案化的氧化物层126，其包括用于小锚的矩阵的小孔1902的矩阵(例如，每个大约1微米)而且暴露平板结构118的一部分。
参见图21，孔1902被填充基于钨的塞子1904以形成锚，优选地与用于形成基于钨的可移动MEMS结构的基于钨的材料相同(例如，基本上是纯钨，其中平板结构120和122可由钛-钨形成)。
参见图22，厚的(即，大于或等于大约2微米厚)基于钨的材料层128被形成在溅射的氧化物层126上以及平板结构118的暴露部分上。重要的是，在低于大约500C的低温下沉积基于钨的材料而无需致密化下面的氧化物层124/126。由于沉积基于硅的材料通常所处的高温的原因，基于硅的材料的沉积通常要求下面的氧化物的致密化。因此，该示例性制造处理取消了使得下面的氧化物层致密化的步骤，这节省了制造时间(由此降低了成本)并且还避免了可能破坏电子电路的高温处理。随后，键合焊盘130在平板结构118上方的部分上形成在基于钨的材料层128上。在该具体示例性实施例中，键合焊盘130由AlCu材料形成，虽然替换实施例可使用另一导电材料。
参见图23，基于钨的材料层128被图案化以形成(多个)可释放的钨MEMS结构134(例如，陀螺仪谐振器或加速计防护物)以及导电的钨键合焊盘基底132。如上所述，在具体示例性实施例中，可按照类似于Larmer等人在美国专利5501893(其整体在此通过引用并入本文)中针对硅指教的方式那样获取精确的强各向异性刻蚀，其中蚀刻剂基本上是从六氟化硫气体(SF6)产生的氟以及聚四氟乙烯类聚合物的钝化层由三氟甲烷产生。在该具体示例性实施例中，在刻蚀后，通过另一个简单的各项同性刻蚀利用氧等离子体从刻蚀的晶圆去除残留保护性聚合物，基本上如美国专利8486198(其整体在此通过引用并入本文)中针对腔体清洗所指教的那样。
在另一具体示例性实施例中，不同于使用小锚的矩阵，一个或多个大锚可被使用，基本上如参考图20-23所描述的那样本质上通过在氧化层126中形成(多个)锚。然而，发明人已经发现，大的基于钨的锚的沉积可能由于沉积诸如二氧化硅之类的其它材料时的半导体工艺中公知的“面包条”现象而变得复杂。“面包条”的图形可在美国专利6204200中找到或者用于图24中的溅射的金属层。“面包条”产生了具有陡峭壁的刻蚀腔体中沉积的材料中的空隙，例如MEMS的牺牲氧化物中用于形成锚的那些。发明人已经发现，在制造足够大到能够有效地强壮的钨锚时，得到的空隙可延伸为精细缝隙，这破坏了机械完整性。
因此，在具体示例性实施例中，通过在阶段中在氧化层126中刻蚀出腔体以使得腔体在顶部宽于底部，形成大的基于钨的锚。陡峭侧壁的缺乏允许这些腔体均匀地填充有钨，由此形成具有各种截面的锚，这取决于刻蚀，但是典型的是基本“V”形锚。
图25-28描绘了根据一个示例性实施例的用于形成用来锚定可释放的MEMS结构的基于钨的锚的各种制造处理。
参见图25，第一次刻蚀形成部分腔体2502。
参见图26，第二次刻蚀形成更宽更深的腔体2504。
参见图27，第三次刻蚀形成最终腔体2506。
参见图28，利用基于钨的材料填充腔体2506以形成大的锚。可移动MEMS结构(未示出)可随后被形成在氧化层126和锚2506上方。
应该注意的是，上述示例性制造处理可包括(通常不包括)此处出于简洁起见而省略的附加和/或替换制造步骤。例如，具体材料层的图案化可包括各种沉积和刻蚀步骤。而且，附加结构可被形成在所示层和/或各种附加层处。例如，各种基于钨的电极，例如用于驱动和/或感测基于钨的可移动体的移动，可由基于钨的材料层123形成(例如，可移动体下的电极)和/或从基于钨的材料层128形成(例如，可移动体侧边的电极)。
应该注意的是，可利用基于钨的塞子锚定其它结构，例如非移动性的基于钨的电极结构。例如，基于钨的锚可用于美国专利申请公开US 2012/0137773中描述的类型的电极配置中，其整体在此通过引用并入本文。此外，锚定的电极总体上更不容易受到与可移动体的互动所导致的偏移的影响，尤其是高纵横比的MEMS器件，例如体声波(BAW)陀螺仪，其中电极被布置成非常靠近主体。
测试结果
基于具有在2.5um的钨(而不是4um硅)中制造的屏蔽板、传导器和传感器结构的模拟器件iMEMS ADXRS640的设计和几何结构，发明人对基于钨的陀螺仪进行了实际测试。因此，在相同的条件下操作时，发明人预期从基于钨的陀螺仪看到比基于硅的陀螺仪好大约2至4倍的噪声性能。在相同大气下以相同电压操作时，预期硅和钨结构具有大约相同的偏移，而且发明人发现基于钨的陀螺仪与其集成电子电路在预期频率下谐振，具有预期的Q和预期的运动幅度。重要的是，发明人发现，基于钨的陀螺仪的分辨率(resolution floor)看起来相对于硅改进了大的裕度,表明基于钨的陀螺仪相对于基于硅的陀螺仪具有更好的长期稳定性。预期其原因是更大的Coriolis力以及缺乏绝缘表面来捕获电荷(钨的表面氧化物是导电的，而硅的表面氧化物是绝缘的)。图29是示出了基于钨的陀螺仪以及基于硅的陀螺仪的艾伦偏差图的示图，其示出了基于钨的陀螺仪的改进的分辨率。
各方面
应该注意的是，方便起见上文采用了标题，这些标题不被解释为以任何方式对本发明进行限制。
本发明的各种实施例可由本段之后的段落中列出的可能的权利要求(在本说明书末尾处提供的实际权利要求之前)表征。这些可能的权利要求形成了本申请的撰写说明书的一部分。由此，在涉及本申请的后续处理或要求基于本申请的优先权的任意申请中，后面的可能的权利要求的主题可被呈现为实际权利要求。这些可能的权利要求的加入不应该被解释为表示实际权利要求未覆盖可能的权利要求的主题。因此，后续处理中不呈现这些可能的权利要求的决定不应该被解释为将这些主题赠送给公众。
没有任何限制的，可能请求保护的可能的主题(以字母“P”开头以避免与所附的真正的权利要求混淆)包括：
P15.一种采用小的基于钨的锚的矩阵代替单个大的基于钨的锚来将MEMS结构锚定至MEMS器件的下面的衬底的方法，所述方法包括：
图案化氧化层以形成图案化的氧化物层，图案化的氧化物层包括通过氧化层到达下面的衬底的直径大约为1微米的小孔的矩阵；
利用基于钨的塞子填充孔以形成小的基于钨的锚的矩阵；以及
在图案化的氧化物层上形成厚度至少为2微米的厚的基于钨的材料层，其中在低于大约500C的低温下沉积基于钨的材料层而不致密化下面的氧化物层，而且其中厚的基于钨的材料层被小的基于钨的锚的矩阵锚定至下面的衬底。
P16.根据权利要求P15所述的方法，其中下面的衬底是MEMS器件的平板结构。
P17.根据权利要求P16所述的方法，其中基于钨的塞子基本上由纯钨形成，而且其中平板结构由钛-钨形成。
P18.根据权利要求P15所述的方法，其中孔被均匀地填充而没有空隙或裂缝。
P19.根据权利要求P15所述的方法，其中基于钨的锚和基于钨的材料层由相同基于钨的材料形成。
P20.根据权利要求P15所述的方法，进一步包括：
图案化基于钨的材料层以形成可释放的基于钨的MEMS结构，其被小的基于钨的锚的矩阵锚定至下面的衬底。
P21.一种MEMS器件，包括：
衬底；
衬底上的未致密化的氧化物层，未致密化的氧化物层包括小的基于钨的锚的矩阵，每个小的基于钨的锚的直径大约是1微米且延伸通过氧化层到达衬底；以及
氧化层上的厚度至少为2微米的厚的基于钨的MEMS结构，其被小的基于钨的锚的矩阵锚定至下面的衬底。
P22.根据权利要求P21所述的MEMS器件，其中衬底是MEMS器件的平板结构。
P23.根据权利要求P22所述的MEMS器件，其中基于钨的塞子基本上由纯钨形成，而且其中平板结构由钛-钨形成。
P24.根据权利要求P21所述的MEMS器件，其中基于钨的锚被均匀地填充而没有空隙或裂缝。
P25.根据权利要求P21所述的MEMS器件，其中基于钨的锚和基于钨的材料层由相同的基于钨的材料形成。
P26.根据权利要求P21所述的MEMS器件，其中MEMS结构是可释放的MEMS结构。
P27.一种采用大的基于钨的锚将MEMS结构锚定至MEMS器件的下面的衬底的方法，所述方法包括：
图案化氧化物层包括利用多个刻蚀步骤在氧化层中刻蚀腔体，多个刻蚀步骤逐渐增大腔体的宽度和深度以使得腔体延伸通过氧化层到达下面的衬底而且基本上在顶部宽于底部；
利用基于钨的材料均匀填充腔体以形成大的基于钨的锚；以及
在图案化的氧化物层上形成厚度至少为2微米的厚的基于钨的材料层，其中在低于大约500C的低温下沉积基于钨的材料层而不致密化下面的氧化物层，而且其中厚的基于钨的材料层被大的基于钨的锚锚定至下面的衬底。
P28.根据权利要求P27所述的方法，其中下面的衬底是MEMS器件的平板结构。
P29.根据权利要求P28所述的方法，其中大的基于钨的锚基本上由纯钨形成，而且其中平板结构由钛-钨形成。
P30.根据权利要求P27所述的方法，其中腔体被均匀地填充而没有空隙或裂缝。
P31.根据权利要求P27所述的方法，其中基于钨的锚和基于钨的材料层由相同的基于钨的材料形成。
P32.根据权利要求P27所述的方法，进一步包括：
图案化基于钨的材料层以形成可释放的基于钨的MEMS结构，其被大的基于钨的锚锚定至下面的衬底。
P38.一种MEMS器件，包括：
衬底；
衬底上的未致密化的氧化物层，未致密化的氧化物层包括大的基于钨的锚，其基本上在顶部宽于底部而且延伸通过氧化层到达衬底；以及
氧化层上的厚度至少为2微米的厚的基于钨的MEMS结构，其被大的基于钨的锚锚定至下面的衬底。
P39.根据权利要求P38所述的MEMS器件，其中衬底是MEMS器件的平板结构。
P40.根据权利要求P39所述的MEMS器件，其中大的基于钨的锚基本上由纯钨形成，而且其中平板结构由钛-钨形成。
P41.根据权利要求P38所述的MEMS器件，其中大的基于钨的锚被均匀地填充而没有空隙或裂缝。
P42.根据权利要求P38所述的MEMS器件，其中大的基于钨的锚和基于钨的材料层由相同的基于钨的材料形成。
P43.根据权利要求P38所述的MEMS器件，其中MEMS结构是可释放的MEMS结构。
本发明可按照其它具体形式实体化而不脱离本发明的真实范围，而且在此处的指教的基础上各种变化和修改对于本领域技术人员而言是明显的。对“本发明”的引述指的是本发明的示例性实施例而且不应该被解释为指的是本发明的所有实施例，除非上下文相反地要求。所述实施例将被在所有方面予以考虑，仅仅是示意性的而不是限制新的。
附件A–针对处理参数的Z轴梳状驱动气体阻尼陀螺仪的理想速度
噪声
此处是一个近似公式，其可被用来进行量化比较，但是不需要做出所有折中，而且需要相当复杂的计算来进行试验设计。其明确地包括处理的优化，而不使用固定的几何形状，由此可以相对于来自之前的“品质因数”的夸张顺序做出更公平的比较，尽管其给出了相同的定性结果。其用于附件B中导出的航空陀螺仪。参见针对真空陀螺仪的附件C。
推到在附件B中。
所有单位是SIU，除了Ωn。
Ωn是deg/sec./rt.Hz为单位的速度噪声频谱密度。
b＝结构厚度；g＝最小特征；h＝牺牲层厚度
E＝杨氏模量；ρ＝密度；ζ＝空气速度；
V＝施加的电压；Vn＝差分放大器输入噪声；Ct＝手指终端电容
公共参数μ:＝10-6ξ:＝8.9·10-12Vn:＝12·10-9fo:＝2200k:＝1.4·10-23T:＝300
ζ:＝6．μ(70mbar的空气在700K下的玻璃覆盖)
这是我们得到的，意料之中。
4um Tungsten 21V BiMOS Ωn(4·u，2·u，2·u，410·109，19254，5·10-15，21)=9.0×10-4
钨给出了大于7倍改进。
2.5um Tungsten 21V BiMOS Ωn(2.5·u，3·u，2·u，410·109，19254，5·10-15，21)2.1×10-3
更薄，给出了3倍改进。
附件B–针对气体阻尼陀螺仪的衍生
给定宽度(W)和厚度(b)的结构中的可用评论范围在第一弯曲板外模式上被结合。该频率通常是粗略方形设计的最大值，而且实际上稍微低于相同尺寸的简单支撑的方形板的第一模式。该板模式的频率在“Roark”中被给出为：
其中，E是材料模量，ρ是其密度而且v是其浦松氏比。
即其中是材料中的压缩声波的速度。
良好的经验法则是，陀螺仪谐振腔频率fo应该超过fp/2.。我们一般为了得到给定裸片区域的最佳性能而使其接近极限，所以大致上有：
希望得到可能的最大机械信号。这是给定输入速率Ω度/秒的Coriol is加速计的偏移x，其被给出为：
其中，v是谐振腔速度，而且ka、kb是非尺寸设计参数，谐振腔与加速器惯性之比和频率增强系数在我们的陀螺仪中分别接近0.5和2。
但是，其中F是可用力，D是谐振腔阻尼。由此，再次地，大致有：
这强调了对fo的另一限制。希望它尽可能小以使得x可以很大。然而，当它变得更小时，陀螺仪更容易振动和震动。如果它变得非常低，则陀螺仪可能甚至会变得有粘性的。有经验的客户在10kHz下变得不稳定，当20kHz已经高到可以忘记。我们一般在16kHz下工作。由此，实际上，在选择fo时很少有自由度，而且等式(1)变成：
来自唐驱动手指阵列的可用力为：
其中，V是施加的电势，ξ是空气的介电常数，kf是用于驱动梳的W的分数乘以的边缘系数，g是手指之间的间隔(处理最小至最大F处绘出)，wf是手指宽度，其理论上是g。实际上，kf接近1由此其大致降低至：
对衬底的切断阻尼主导D，如果牺牲层和结构都仅仅只有若干μm厚。
如果结构更厚，空气通过移动手指和边缘而得到的偏移更显著：
对于一次近似，其中ζ是空气速度，而且h是牺牲层厚度。
结合等式(2)、(4)和(5)
Coriolis加速计阻尼Da被梳挤膜主导，而且其一次近似为：
其中N是长度为λ的的移动手指的数量。
在gen1和gen2设计中，其中p是锚布局规则确定的手指的间距。BiMOS规则p=12·g吕将被用于简化，g是标称制造值1.25um.。分析结果对该简化并不非常敏感，这将变得清楚。
加速计上的每个根Hz的布朗力是
fo下的每个根Hz的布朗偏移Xb因此为：
其中，kT是Boltzman能量，与一般情况一样。由此，替换Da和N，得到：
加速计的偏移导致的差分信号电压为：
其中，Ct是每个手指的有效终端电容。
由此，如果电子系统的输入参考电压噪声是fo下的每根Hz的Vn，则等效加速计偏移Xv是：
而且，总的等效偏移噪声功率为：
通过使用等式(6)和记住解调器的噪声折叠使得噪声功率(但不是信号功率)加倍，这可被转换成等效速度噪声Ωn，表示陀螺仪性能。
其简化为：
其包含只有参数λ1，其可针对最小Ωn进行优化。
由此：
而且，进行回代，与等式(1)一起有：

Claims (20)

1.一种用于制造MEMS器件的方法，所述MEMS器件具有基于钨的MEMS结构，所述方法包括：
在不首先使得氧化层致密化的情况下，在500C以下的温度利用晶粒生长抑制剂沉积基于钨的材料，以在下层的氧化物层上形成至少2微米厚的低应力的基于钨的材料层，所述基于钨的材料层与下层的氧化物层接触；以及
刻蚀基于钨的材料层以形成基于钨的MEMS结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中基于钨的MEMS结构是可释放的基于钨的可移动体，而且其中所述方法还包括去除可释放的基于钨的可移动体下面的氧化物以释放基于钨的可移动体。
3.根据权利要求1所述的方法，其中MEMS器件在沉积基于钨的材料之前已经包括电子电路，而且其中沉积基于钨的材料不使得电子电路的温度上升至大约450C。
4.根据权利要求1所述的方法，其中沉积基于钨的材料至少包括下述之一：
在掺杂有晶粒生长抑制剂的对象上沉积基于钨的材料；或
交替地(1)沉积基于钨的材料层以及(2)引入晶粒生长抑制剂以防止垂直晶粒生长至后续沉积的基于钨的材料层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中晶粒生长抑制剂至少包括下述之一：
硼；或
稀土金属。
6.根据权利要求1所述的方法，其中刻蚀基于钨的材料层包括：
利用从六氟化硫(SF6)气体产生的氟的蚀刻剂刻蚀基于钨的材料层，而且使得从三氟甲烷产生的聚四氟乙烯类聚合物的层钝化以形成精确的强各向异性刻蚀。
7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：
在利用氧等离子体进行刻蚀之后去除残留的保护性聚合物。
8.根据权利要求1所述的方法，其中沉积基于钨的材料包括：
在沉积基于钨的材料期间控制氧水平。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在沉积基于钨的材料之前，形成通过氧化层到达下面的衬底的至少一个基于钨的锚，以形成低应力的基于钨的材料层，其中MEMS结构被至少一个基于钨的锚而锚定至下面的衬底。
10.根据权利要求9所述的方法，其中至少一个基于钨的锚是包括小的基于钨的锚的矩阵的合成锚，每个小的基于钨的锚的直径大约为1微米，而且其中形成小的基于钨的锚的矩阵包括：
图案化氧化层以形成图案化的氧化物层，图案化的氧化物层包括每个通过氧化层到达下面的衬底的直径大约为1微米的小孔的矩阵；以及
利用基于钨的塞子填充孔以形成小的基于钨的锚的矩阵。
11.根据权利要求9所述的方法，其中至少一个基于钨的锚包括大的基于钨的锚，而且其中形成大的基于钨的锚包括：
通过利用多个刻蚀步骤在氧化层中刻蚀腔体来图案化氧化层，多个刻蚀步骤逐渐地增大腔体的宽度和深度以使得腔体延伸通过氧化层至下面的衬底并且基本上在顶部宽于底部；以及
利用基于钨的材料均匀地填充腔体以形成大的基于钨的锚。
12.根据权利要求9所述的方法，其中下面的衬底是MEMS器件的平板结构，而且其中至少一个基于钨的锚由纯钨形成，而且平板结构由钛-钨形成。
13.根据权利要求9所述的方法，其中至少一个基于钨的锚被均匀填充而没有空隙或裂缝。
14.根据权利要求9所述的方法，其中至少一个基于钨的锚和基于钨的材料层由相同基于钨的材料形成。
15.一种MEMS器件，包括：
通过权利要求1的处理形成的至少2微米厚的低应力的基于钨的MEMS结构。
16.根据权利要求15所述的MEMS器件，其中MEMS结构被从MEMS结构延伸通过氧化层至下面的衬底的至少一个基于钨的锚锚定至下面的衬底。
17.根据权利要求16所述的MEMS器件，其中至少一个基于钨的锚是包括小的基于钨的锚的矩阵的合成锚，每个小的基于钨的锚的直径大约是1微米。
18.根据权利要求16所述的MEMS器件，其中至少一个基于钨的锚包括大的基于钨的锚，其基本上在顶部宽于底部。
19.根据权利要求16所述的MEMS器件，其中下面的衬底是MEMS器件的平板结构，而且其中至少一个基于钨的锚由纯钨形成，而且平板结构由钛-钨形成。
20.根据权利要求16所述的MEMS器件，其中至少一个基于钨的锚和低应力的基于钨的MEMS结构由相同基于钨的材料形成。
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