CN1798696A - 制造微机械元件的方法 - Google Patents
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Abstract
制造微机械元件的方法，其中该方法包括下述步骤：提供基础材料层；施加至少一层可蚀刻材料的至少部分牺牲层；图案化至少部分牺牲层，以确定该元件的至少一部分形状；施加至少一层机械材料的结构层；图案化该结构层，以形成该元件的至少一部分；和至少部分除去图案化的至少部分牺牲层，以释放部分脱离的元件。该机械材料选自导电材料。
Description
本发明一般地涉及制造微机械结构的技术，和更特别地涉及生产微电子机械元件的牺牲层的技术，所述牺牲层可例如用作开关、继电器、可熔连接件、逻辑元件或存储元件。
对使用硅基加工技术制造的微(电子)机械器件和结构的需求日益增长。感兴趣的一个领域是使用这种器件用于切换电流，例如JP2002-170470、JP 2002-23073、EP 1146533、EP 1089261、WO 99/10907、EP 1156499、US 2002/0027487或WO 99/63559。制造微(电子)机械结构的技术包括使用牺牲层技术的硅的本体微加工，或表面微加工。牺牲层技术常用于独立(free-standing)或发射(lifted-off)结构，例如DE 10108663、WO 02/44078、WO 99/35035、WO 01/44822、US 6251699或WO 01/19723。基底可包括例如硅、氧化硅、玻璃或陶瓷。牺牲和结构层可包括金属，例如镍、铜、铬、钴、锌、铁或合金；半导体材料，例如硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅；玻璃，例如硅酸磷玻璃；聚合物，陶瓷；光致抗蚀剂、箔或易于精确加工的任何其它材料。标准的剥离技术使用干法(等离子)或湿法蚀刻牺牲层。WO 02/064495和WO98/29720公开了电化学蚀刻牺牲层。
在本体或表面微加工中所使用的许多材料和方法与微电子电路不相容，因此使得不可能用于半导体制造设施中。这种“不相容”问题的通常解决方法是独立地制造微电子电路部件和微(电子)机械部件，之后，例如使用倒装芯片工艺将它们设置在一起。然而，连接不同部件通常是复杂的，尤其因为通常要求非常精确的校准。这导致高的制造成本。因此希望具有在含微电子，更特别地CMOS(互补金属氧化物半导体)电路的基底上制造微(电子)机械结构和元件的方法，从而仅仅采用在半导体工业中常用且对微电子电路及其操作没有负面影响的材料和处理技术。本发明旨在提供这样一种方法。
本发明提供一种制造微机械元件的方法，该方法包括下述步骤：
提供基础材料层；
施加至少一层可蚀刻材料的至少部分牺牲层；
例如通过光刻(lithography)和蚀刻图案化至少部分牺牲层，以确定该元件的至少一部分形状；
施加至少一层机械材料的结构层；
例如通过光刻和蚀刻图案化该结构层，以形成该元件的至少一部分；和
至少部分除去图案化的至少部分牺牲层，以至少部分脱离(free)该元件，其中机械材料选自导电材料。
基础材料层可以是在硅基底上的氧化硅或其它材料层，其中在所述硅基底之内或之上制造微电子电路，但也可使用其它基底，如砷化镓或陶瓷基底。基层可被图案化。机械材料导电，该元件既可充当机械元件，又可充当电子元件，如导电通路和/或电极。
在本发明方法的优选实施方案中，机械材料含有钛，优选氮化钛，更优选富氮的氮化钛。这些材料常用于半导体工业中。或者，机械材料可含有铂，铂也与微电子电路相容，但不如氮化钛那样可广泛获得。除了与微电子电路的相容性以外，重要的是，机械、导电材料不容易锈蚀或在其表面上形成绝缘氧化物。氮化钛和铂是满足这两个要求的非常少见的两种材料。然而，满足这些条件的任何其它材料，例如氮化钽可以是合适的。
优选地，可蚀刻材料选自硅基材料，如氮化硅、无定形硅、氧化硅和玻璃，例如SOG(旋涂玻璃)。这些材料也常常可在半导体制造设施中获得。此外，可存在相对于氮化钛选择性蚀刻这些材料的蚀刻方法。至少部分除去图案化的至少部分牺牲层可包括在蚀刻工艺，优选RF等离子蚀刻工艺中使用氟源气体，优选三氟化氮或六氟化硫。
对于牺牲层是氮化硅的情况来说，可通过控制沉积条件来增加蚀刻速度，以产生具有高氢含量的层。具有高氢含量的氮化硅层可在例如三氟化氮或六氟化硫气体中更快速地蚀刻。可使用它来降低基底材料和其它层暴露于蚀刻下的时间。
或者，可蚀刻材料可含有聚合物，例如聚酰亚胺，它也与微电子电路相容。在此情况下，至少部分除去图案化的至少部分牺牲层可包括在等离子蚀刻工艺中使用氧气。可使用纯氧或者含氧的氟源气体，如四氟化碳、三氟化氮或六氟化硫。
在本发明方法的优选实施方案中，该方法进一步包括下述步骤：
施加至少一层导电材料的导电层；和
例如通过光刻和蚀刻图案化该导电层，以形成至少一个第一电极的至少一部分。
导电材料可含有钛，优选氮化钛，更优选富氮的氮化钛。或者，该材料可含有铂。如前所述，这些材料或多或少地常用于半导体工业中，它们与微电子电路相容且它们不容易锈蚀或在其表面上形成绝缘氧化物。然而，满足这些条件的任何其它材料，例如氮化钽可以是合适的。
在至少部分除去图案化的至少部分牺牲层的过程中，可从至少部分已脱离元件和第一电极的至少一部分表面除去控制量的材料。这使得可精确控制释放元件的曲率，以及在最终元件内电极表面的导电率。
参考下述详细说明并结合图1a-1g，将更充分地理解本发明，所述图1a-1g描述了根据本发明方法的优选实施方案的非限制性实例，制造微电子机械元件的制造工艺的连续步骤。
在图1a所述的第一步中，在基底1上沉积富氮的氮化钛的导电层2。氮化钛常用于大多数(CMOS)半导体制造设施中作为阻挡层或者作为ARC(抗反射涂层)。另外，熟练技术人员会意识到CMOS金属的每一层可包括氮化钛层作为在底部的阻挡层和第二氮化钛层作为在顶部的ARC层。可通过在相对低温下，在氩气和氮气氛围内，反应性溅射钛靶，沉积氮化钛层。这一技术使得可良好地控制沉积的氮化钛层的性能。也可使用偏置溅射以更好地控制导电层2的性能。特别地，富氮的氮化钛不容易锈蚀或者在其表面上形成绝缘氧化物。
在图1b所述的第二步中，通过微电子工业中常见的技术，使用在大多数半导体制造设施中通常可获得的工艺设备，图案化和蚀刻导电层2。因此，形成不可移动的底部电极11。特别地控制图案化的导电层2′的确切形状，以提高下一层和随后层的性能和改进最终元件10的可靠度与产率。可使用特殊的工艺技术改进下一层的分级覆盖，以控制图案化的导电层2′的顶部表面的粗糙度和导电率，和改进第一电极11的电接触性能。
在图1c所述的第三步中，可能地在导电层2或者图案化的导电层2′的特殊表面处理之后，在图案化的导电层2′上沉积硅基材料的牺牲层3。可使用无定形硅或氮化硅，或者具有合适性能的任何其它硅基材料，具体地包括溅射无定形硅、PECVD(等离子体加强的化学气相沉积)无定形硅和PECVD氮化硅。使用无定形硅或氮化硅尤其有利，这是因为这些材料常用于制造微电子电路，且在大多数半导体制造设施中可获得，和因为可在与基底1之上或之内存在的任何微电子电路相容的相对低温下，通过溅射、反应性溅射或PEVCD沉积这些材料。此外，可相对于氮化钛，各向同性或者接近各向同性地选择蚀刻这些材料，且以有限和可控的用量蚀刻到氮化钛材料内。牺牲层3的沉积方法可包括特殊特征以控制材料的性能，在牺牲层3与其它层之间的几何形状关系，阶梯覆盖率，和在牺牲层3与其它层之间的相互作用。
在图1d所述的第四步中，通过微电子工业常规的技术，使用在大多数半导体制造设施中可商购的工艺设备，图案化和蚀刻牺牲层3。可使用特殊工艺技术控制图案化的牺牲层3′的确切形状，以便下一层获得良好的阶梯覆盖率。
在图1e所述的第五步中，在图案化的牺牲层3′和底下的图案化的导电层2′上沉积富氮的氮化钛的结构层4。该方法可与第一步中沉积导电层2的方法相同或相类似。除了前面所述的优点以外，氮化钛还显示出相对高的机械强度，结果它适合作为元件10的机械材料。藉助沉积工艺参数的特殊控制，其中包括可使用偏置溅射以更好地控制结构层4的性能，可控制最终元件10的脱离部分的曲率，以及在底下层的各步中层4的阶梯覆盖率，以便在最终元件10内存在充足的机械和电连续性。此外，以使得在图案化的导电层2′和图案化的结构层4′之间存在良好的电接触的方式进行沉积工艺顺序(它可包括溅射蚀刻)，在此使得这两层在最终的微电子机械元件10内接触。
在图1f所述的第六步中，通过与第二步中图案化和蚀刻导电层2的工艺相当或类似的工艺图案化和蚀刻结构层4。由于结构层4由导电材料制成，因此最终元件10的剥离部分导电且可充当导电通路和可移动的上部电极12。
在图1g所述的第七步中，通过在等离子体蚀刻体系中，使用氟源气体如氟化氮或六氟化硫气体，蚀刻掉图案化的牺牲层3′，从而部分剥离元件10。等离子体系可具有单一或二元RF电源，以便可独立地控制等离子体密度和轰击基底表面(元件10位于其内)的平均离子能量。特别地控制等离子条件，以便图案化的牺牲层3′被蚀刻掉，同时图案化的氮化钛层2′、4′没有被除去且仅仅略微变化或者保持未变。此外，可控制等离子条件，以便仅仅控制量的材料从电极11、12的表面上除去，和以便最终元件10的剥离部分的曲率保持在正确操作所要求的数值内。重要的是，在剥离工艺过程中，不存在当元件10的剥离部分的差别应力引起它弯曲并接触另一表面的时候。若出现这一情况，可发生粘附。对于一些应用来说，重要的是不发生这一情况。通过精确地控制基底1的温度、施加到一个或两个RF电极上的RF功率，和工艺过程气体的压力和流量，从而进行剥离蚀刻等离子的特殊控制。这使得可精确控制氮化钛2′、4′的暴露表面的蚀刻和元件10的剥离部分的曲率，以及氮化钛电极11、12的表面导电率。在剥离蚀刻之后，可进行特殊的后处理，以改性电极11、12的表面，降低电极11、12之间的接触电阻，当它们彼此接触时。
对于牺牲层3是氮化硅的情况来说，可通过控制沉积条件来控制蚀刻速度，产生具有高氢含量的层。可在例如三氟化氮或六氟化硫气体中更快速地蚀刻具有高氢含量的氮化硅层。可使用它降低基底材料和氮化钛暴露于蚀刻下的时间。
制造微电子机械元件10所使用的所有材料(不管它们是永久的(如导电层2和结构层4)还是临时的(如牺牲层3))与微电子，尤其CMOS电路，就材料的性能以及进行沉积、图案化和蚀刻使用的所有工艺和这些材料的所有其它处理充分相容。
特别地，可在没有对微电子，尤其CMOS电路引起任何显著负面影响的情况下，进行制造微电子机械元件10所要求的所有工艺，和若微电子机械元件制造工艺确实引起微电子电路内的任何变化，则可通过对生产微电子电路所使用的正常制造工艺进行微小改良，以便微电子电路能在其正常技术规格内操作，从而逆转或补偿这些变化。
因此，可在不需要费力和麻烦的处理工艺、校准和连接独立的微型部件的情况下，通过较高的产量、较小的宽度和器件尺寸、较大的晶片面积，和与已有的半导体，例如CMOS制造设施固有的较低的制造成本来利用全部优点。
Claims (19)
1.一种制造微机械元件(10)的方法，该方法包括下述步骤：
提供基础材料层(1)；
施加至少一层可蚀刻材料的至少部分牺牲层(3)；
例如通过光刻和蚀刻图案化至少部分牺牲层(3)，以确定该元件(10)的至少一部分形状；
施加至少一层机械材料的结构层(4)；
例如通过光刻和蚀刻图案化该结构层(4)，形成该元件(10)的至少一部分；和
至少部分除去图案化的至少部分牺牲层(3′)，以至少部分脱离该元件(10)；
其中该机械材料选自导电材料。
2.权利要求1的方法，其中机械材料含有钛。
3.权利要求2的方法，其中机械材料含有氮化钛，优选富氮的氮化钛。
4.权利要求1的方法，其中机械材料含有铂。
5.权利要求1-4任何一项的方法，其中可蚀刻材料选自硅基材料。
6.权利要求5的方法，其中可蚀刻材料含有氮化硅。
7.权利要求6的方法，其中通过增加氢含量来增加氮化硅的蚀刻速度。
8.权利要求5的方法，其中可蚀刻材料含有无定形硅。
9.权利要求5的方法，其中可蚀刻材料含有氧化硅。
10.权利要求5的方法，其中可蚀刻材料含有玻璃，例如SOG(旋涂玻璃)。
11.权利要求1-4任何一项的方法，其中可蚀刻材料含有聚合物，例如聚酰亚胺。
12.权利要求5-10任何一项的方法，其中至少部分除去图案化的至少部分牺牲层(3′)包括在蚀刻工艺，优选RF或微波等离子蚀刻工艺中，使用氟源气体，优选三氟化氮或六氟化硫。
13.权利要求11的方法，其中至少部分除去图案化的至少部分牺牲层(3′)包括在等离子蚀刻工艺中使用氧气。
14.前述任何一项权利要求的方法，进一步包括下述步骤：
施加至少一层导电材料的导电层(2)；和
例如通过光刻和蚀刻图案化该导电层(2)，以形成至少一个第一电极(11)的至少一部分。
15.权利要求14的方法，其中导电材料含有钛。
16.权利要求15的方法，其中导电材料含有氮化钛，优选富氮的氮化钛。
17.权利要求14的方法，其中导电材料含有铂。
18.权利要求14-17任何一项的方法，其中在至少部分除去图案化的至少部分牺牲层(3′)的过程中，从第一电极(11)的至少部分表面除去控制量的材料。
19.前述任何一项权利要求的方法，其中在至少部分除去图案化的至少部分牺牲层(3′)的过程中，从元件(10)的脱离部分的至少部分表面除去控制量的材料。
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