CN1848472A - 采用mems技术的半导体器件 - Google Patents
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Abstract
根据本发明一个实施例的采用MEMS技术的半导体器件包含：空腔；提供在空腔下部的下电极；提供在空腔上部或内部的致动器；连接到致动器的上电极；以及经由其底部表面被提供在空腔中下电极上部表面上方的接触孔而在空腔外与下电极相接触的导电层。
Description
相关申请的交叉参考
本申请基于先前在2005年4月6日提交的日本专利申请No.2005-109977，并对其提出优先权的权益要求，其整个内容在此处被引入作为参考。
技术领域
本发明涉及到采用微型电气机械系统(MEMS)技术的半导体器件(以下称为MEMS元件)。
背景技术
MEMS技术是一种用半导体加工技术来精密地制作可移动的三维结构(致动器)的技术。
根据MEMS技术，有可能开发一种与现有元件无法比拟的小尺寸高性能元件。例如，当实现LSI和分立元件的融合时，大幅度减小安装尺寸和大幅度降低功耗并非梦想。
目前，作为MEMS元件，主要已经研究和开发了可变电容、开关、加速度传感器、压力传感器、射频(RF)滤波器、陀螺仪、微镜器件等(见例如美国专利6355498；美国专利6359374；以及日本专利申请KOKAI公开No.2003-117897)。
但要使这些元件得到实际应用，在性能和制造成本方面，许多问题还有待解决。
例如在性能方面，致动器的移动范围存在着问题。当致动器包含压电元件，且致动器仅仅可以用压电力来移动时，就出现移动范围变窄的问题。另一方面，为了充分确保移动范围，必须对压电元件施加高电压，因而难以降低电压。
在制造成本方面，能够实现高可靠性和成品率同时减少步骤数目的工艺技术的开发，是一个关键问题。但在MEMS元件中，必须在其中制作致动器的可移动区内形成一个空腔。
因此，容易在半导体衬底上产生引起残留物的台阶部分。而且，一个接触孔相对于空腔底部电极的深度与另一接触孔的深度相比，容易变得过大。
结果就要求这样一些工艺：用来消除台阶部分的化学机械抛光(CMP)工艺；多个光刻工艺(PEP)等。这些工艺使步骤复杂化并增多了步骤，从而引起制造成本上升。
而且，当采用CMP工艺时，必须考虑抛光过的材料表面具有凹陷形状的表面凹陷问题。
发明内容
根据本发明的一种情况，采用MEMS技术的半导体器件包含：空腔；提供在空腔下部的下电极；提供在空腔上部或内部的致动器；连接到致动器的上电极；以及经由其底部表面被提供在空腔中下电极上部表面上方的接触孔而在空腔外与下电极实现接触的导电层。
根据本发明的一种情况，提供了采用MEMS技术的半导体器件的一种制造方法，此方法包含：在绝缘层中形成沟槽；形成下电极，此下电极从绝缘层的顶部延伸进入到沟槽中；用虚拟层填充此沟槽；在虚拟层上形成致动器，此致动器具有作为输入端子的电极和连接到致动器的上电极；以及将虚拟层转变成空腔。
附图说明
图1是剖面图，示出了根据参考例的MEMS元件；
图2是平面图，示出了根据第一实施方案的MEMS元件；
图3是沿图2中III-III线的剖面图；
图4是平面图，示出了根据第二实施方案的MEMS元件；
图5是沿图4中V-V线的剖面图；
图6是平面图，示出了根据第三实施方案的MEMS元件；
图7是沿图6中VII-VII线的剖面图；
图8是剖面图，示出了图6的MEMS元件的空腔部分；
图9是平面图，示出了根据第四实施方案的MEMS元件；
图10是沿图9中X-X线的剖面图；
图11是平面图，示出了根据第四实施方案的MEMS元件；
图12是沿图11中XII-XII线的剖面图；
图13是平面图，示出了根据第四实施方案的MEMS元件；
图14是沿图13中XIV-XIV线的剖面图；
图15是平面图，示出了根据本发明一个实施例的制造方法的一个步骤；
图16是沿图15中XVI-XVI线的剖面图；
图17是平面图，示出了根据本发明一个实施例的制造方法的一个步骤；
图18是沿图17中XVIII-XVIII线的剖面图；
图19是平面图，示出了根据本发明一个实施例的制造方法的一个步骤；
图20是沿图19中XX-XX线的剖面图；
图21是电路图，示出了VCO的一个例子；
图22是方框图，示出了发射/接收单元的一个例子；
图23是确定的电路，示出了匹配电路的一个例子；而
图24是确定的电路，示出了滤波器的一个例子。
具体实施方式
下面参照附图来详细地描述本发明一种情况的采用MEMS技术的半导体器件。
1.概况
本发明的一个实施例被应用于诸如可变电容、开关、加速度传感器、压力传感器、射频(RF)滤波器、陀螺仪、以及微镜器件之类的普通MEMS元件。
首先，在本发明的本实施例中，为了借助于减少步骤数目而达到制造成本的降低，提出了一种同时形成对于下电极和致动器电极的接触孔的技术。
关于此建议，从结构方面提出了一种结构，其中，对于下电极的接触孔的底部表面被提供在空腔中下电极的上部表面上方。从工艺方面提出了一种工艺，其中，在绝缘层中形成沟槽之后，下电极被形成在绝缘层上和沟槽中，致使接触孔的深度相对于下电极不变大。
要指出的是，对致动器的类型没有任何限制。例如，可采用下列类型的致动器：利用压电力的压电类型；利用静电力的静电类型；利用热形变的热类型；利用电磁力的电磁类型等。
而且，在本发明的本实施例中，提供了一种用来将致动器设定为可用二种力即压电力和静电力来移动的技术，以便扩大致动器的移动范围，从而提高MEMS元件的性能并实现低电压。
因此，从结构方面，采用了这样一种结构，其中，致动器包含压电元件，并在压电元件的第一与第二电极之间不产生任何电压的状态下，第一电极与下电极之间的距离随此二电极靠近上电极而增大。在此情况下，在致动器可移动时，同时存在着由压电元件产生的压电力以及在导电层与下电极之间产生的静电力。
2.参考例
图1示出了根据参考例的MEMS元件。
在此MEMS元件中，致动器包含压电元件。
绝缘层12被形成在半导体衬底11上。下电极13被形成在绝缘层12上。用绝缘层14涂敷下电极13。在下电极13上部具有沟槽的绝缘层15，被形成在绝缘层14上。以涂敷沟槽上部且将沟槽形成为空腔的方式，绝缘层16被形成在绝缘层15上。
压电元件被形成在空腔上的绝缘层16上作为致动器。例如，此压电元件包含第一和第二电极17和19以及设置在这些电极之间的压电层(例如PZT)18。
覆盖压电元件的绝缘层20，被形成在绝缘层16上。
在绝缘层20中，安置了达及第一和第二电极17和19的接触孔。经由这些接触孔而连接到第一和第二电极17和19的导电层21和23，被形成在绝缘层20上。
而且，在绝缘层20中安置了达及绝缘层16的接触孔。在绝缘层20上形成上电极22，用上电极22来填充接触孔。
而且，在绝缘层14、15、16、20中，安置了达及下电极13的接触孔。在绝缘层20上，形成经由接触孔而连接到下电极13的导电层24。
此处，例如当导电层23、24被固定到地电位，且输入信号Vin被馈送到导电层21时，压电元件就响应于输入信号Vin而形变，下电极13与上电极22之间的距离于是改变。亦即，由于下电极13与上电极22之间的电容C响应于输入信号Vin而改变，故这种MEMS元件可用作例如可变电容。
但在这种MEMS元件中，从图中可见，与另一接触孔的深度相比，接触孔相对于下电极13的深度d1过大。因此，难以与其它接触孔同时形成对下电极13的接触孔。
而且，由于此致动器基本上仅仅由压电元件的压电力而形变，如不使用高电压则难以扩大移动范围。
3.实施方案
接着来描述被认为是最好的几个实施方案。
在以下所述的各个实施方案中，为了明晰与参考例的差别，将描述类型相似于参考例的MEMS元件，但这并不意味着本发明的所有实施例都受此类型MEMS元件的限制。
(1)第一实施方案
a.结构
图2示出了根据第一实施方案的MEMS元件。图3是沿图2中III-III线的剖面图。
本实施方案的MEMS元件是一种压电可变电容，其中，以相同于参考例的方式，致动器包含压电元件。
绝缘层12被形成在半导体衬底11上。具有沟槽的绝缘层15被形成在绝缘层12上。下电极13被形成在绝缘层15上以及形成于绝缘层15中的沟槽中。用绝缘层14涂敷下电极13。
以覆盖沟槽上部且将沟槽形成为空腔的方式，绝缘层16被形成在绝缘层15上。在空腔上的绝缘层16上，压电元件被形成作为致动器。例如，压电元件包含第一电极17、第一电极17上的压电层18、以及压电层18上的第二电极19。第一和第二电极17和19用作例如MEMS元件的输入端子。
以覆盖压电元件的方式，绝缘层20被形成在绝缘层16上。在绝缘层20中，安置了达及第一和第二电极17和19的接触孔。经由这些接触孔而被连接到第一和第二电极17和19的导电层21和23，被形成在绝缘层20上。
而且，在绝缘层20中安置了达及绝缘层16的接触孔。以填充接触孔的方式，上电极22被形成在绝缘层20上。上电极22用作例如MEMS元件的输出端子。
而且，在绝缘层14、15、16、20中，安置了达及下电极13的接触孔。在绝缘层20上，形成经由接触孔而连接到下电极13的导电层24。
此处，例如当导电层23和24被固定到地电位，且输入信号Vin被馈送到导电层21时，压电元件就响应于输入信号Vin而形变，下电极13与上电极22之间的距离于是改变。亦即，由于下电极13与上电极22之间的电容C响应于输入信号Vin而改变，故这种MEMS元件可用作例如可变电容。
在本实施例中，下电极13从绝缘层15的顶部被安排进入到沟槽中。亦即，如参考例中那样，厚的绝缘层15不被形成在下电极13上，且下电极13被形成在厚的绝缘层15上。
因此，达及下电极13的接触孔的底部表面被提供在空腔中下电极13的上部表面上。
结果，从图中可见，接触孔相对于下电极13的深度d2基本上等于另一接触孔的深度。因此，有可能与其它接触孔同时形成对下电极13的接触孔。
b.材料、尺寸等
接着来描述用于图2和3的MEMS元件的材料和尺寸等的例子。
例如，可以从诸如硅和锗之类的纯粹半导体、诸如GaAs和ZnSe之类的化合物半导体、以及借助于用杂质对这些半导体进行掺杂而得到的高度导电的半导体中选择一种材料作为半导体衬底11。半导体衬底11可以是绝缘体基硅(SOI)衬底。
绝缘层12由例如二氧化硅组成。绝缘层12的厚度为3nm或以上，优选为400nm或以上。可以从诸如W、Al、Cu、Au、Ti、Pt之类的金属；至少包含这些金属之一的合金；以及包含杂质的导电多晶硅中选择一种材料作为下电极13和上电极22。下电极13和上电极22可以具有单层结构或叠层结构。
当包含杂质的导电的多晶硅被用作下电极13和上电极22时，硅化物被优选形成在导电的多晶硅上，以便降低电阻。下电极13和上电极22可以包含诸如Co、Ni、Si、N之类的元素。
下电极13和上电极22可以包含相同的结构或材料，或可以包含相互不同的结构或材料。
下电极13和上电极22的平面形状不受特殊的限制。例如可以采用诸如正方形、矩形、圆形、以及多角形之类的形状。
可以从诸如PZT(Pb(Zr，Ti)O3)、AlN、ZnO、PbTiO、BTO(BaTiO3)之类的陶瓷以及诸如聚偏二氟乙烯(PVDF)之类的聚合物材料中选择一种材料作为构成致动器的压电元件的压电层18。
构成致动器的压电元件的第一和第二电极1 7和19可以包含例如下列材料：
● 诸如Pt、Sr、Ru、Cr、Mo、W、Ti、Ta、Al、Cu、Ni之类的金属或至少包含这些金属之一的合金；
● 上述金属或合金的氮化物、氧化物(例如SrRuO)、或化合物；以及
● 从上述两组材料中选出的多种材料的叠层。
第一和第二电极17和19可以包含相同的结构或材料，或可以包含相互不同的结构或材料。
压电元件即致动器的厚度要尽可能薄，例如被设定为0.2nm或以下。压电元件的平面形状不受特殊的限制。例如可以采用正方形、矩形、圆形、以及多角形等形状。
绝缘层14和16包含例如氮化硅。绝缘层15和20包含例如氧化硅。
绝缘层15的厚度决定了空腔的尺寸亦即致动器的移动范围。绝缘层15的厚度被设定为例如600nm或以上。
导电层21、23、24包含例如相同于上电极22的结构和材料。
本实施方案的多个MEMS元件被形成在一个晶片上，并借助于划片而彼此分离。至于芯片的尺寸，例如在其中仅仅MEMS元件被形成在芯片中的分立产品中，四角形的尺寸约为2cm×2cm或以下。
此处，空腔优选被密封，以便防止元件在划片时被水的压力损坏。
对于空腔的气压和填充空腔的气体，没有任何限制。例如，空腔的气压可以是大气压或接近真空的状态。填充空腔的气体可以主要是含碳气体或与大气相同的组分。
可以例如从正方形、矩形、圆形、以及多角形等来选择空腔的平面形状。
c.运行
接着来描述图2和3的MEMS元件的运行。
当MEMS元件运行时，半导体衬底11优选被固定到例如地电位。
在没有任何电压被施加到构成致动器的压电元件的初始状态中，亦即当输入信号Vin显示0V时，任何电压都不被施加到压电元件，下电极13与上电极22之间的距离因而最大。此时的电容C被设定为Cmin。
当输入信号Vin被提高到例如0V或以上的数值时，压电元件的形变量根据此数值而增大，且下电极13与上电极22之间的距离逐渐减小。由于下电极13与上电极22之间的电容C反比于二个电极之间的距离，故电容C根据输入信号Vin的增大而逐渐增大。
例如，当输入信号Vin显示0V时，电容Cmin被设定为大约0.08pF。然后，当输入信号Vin被设定为3V(最大值)时，电容Cmax约为13pF。此外，上电极22具有直径为100微米的圆形。在此初始状态中，下电极13与上电极22之间的距离被设定为1微米。
要指出的是，输入信号Vin的最大值优选被设定为3V或以下，以便降低电压，此时的电容比率(Cmax/Cmin)在-45℃到125℃的工作条件下优选为20或以上。
d.结论
如上所述，在第一实施方案的MEMS元件中，下电极从厚的绝缘层顶部被形成进入到沟槽中。结果，对于下电极的接触孔的底面被提供在空腔中下电极的上部表面上方。因此，对于下电极的接触孔能够与其它接触孔同时被形成，从而能够借助于减少步骤数目(PEP数目)而实现制造成本的降低。
(2)第二实施方案
a.结构
图4示出了根据第二实施方案的MEMS元件。图5是沿图4中V-V线的剖面图。
此MEMS元件也是一种压电可变电容，其中，以相同于参考例的方式，致动器包含压电元件。
绝缘层12被形成在半导体衬底11上。具有沟槽的绝缘层15被形成在绝缘层12上。下电极13被形成在绝缘层15上以及形成于绝缘层15中的沟槽中。用绝缘层14覆盖下电极13。
以覆盖沟槽上部且将沟槽形成为空腔的方式，绝缘层16被形成在绝缘层15上。在空腔上的绝缘层16上，压电元件被形成作为致动器。例如，压电元件包含第一电极17、第一电极1 7上的压电层18、以及压电层18上的第二电极19。第一和第二电极17和19用作例如MEMS元件的输入端子。
以覆盖压电元件的方式，绝缘层20被形成在绝缘层16上。在绝缘层20中，安置了达及第一和第二电极17和19的接触孔。经由这些接触孔而被连接到第一和第二电极17和19的导电层21和23，被形成在绝缘层20上。
而且，在绝缘层20中安置了达及绝缘层16的接触孔。以填充接触孔的方式，上电极22被形成在绝缘层20上。上电极22用作例如MEMS元件的输出端子。
而且，在绝缘层14、15、16、20中，安置了达及下电极13的接触孔。在绝缘层20上，形成经由接触孔而连接到下电极13的导电层24。
此处，例如当导电层23和24被固定到地电位，且输入信号Vin被馈送到导电层21时，压电元件就响应于输入信号Vin而形变，下电极13与上电极22之间的距离于是改变。亦即，由于下电极13与上电极22之间的电容C响应于输入信号Vin而改变，故这种MEMS元件可用作例如可变电容。
在本实施例的MEMS元件中，在没有任何电压被施加到构成致动器的压电元件的初始状态中，亦即当输入信号Vin显示0V时，第一电极17与输入信号Vin被输入到其中的压电元件的下电极13之间的距离，随这些电极靠近上电极22而增大。
例如，如图5所示，形成在绝缘层15中的沟槽的侧面被局部地或整个地倾斜。此锥形优选被形成在构成致动器的压电元件的正下方。
因此，由于致动器可用压电元件的压电力以及第一电极17与下电极13之间的静电力来移动，故致动器的移动范围得到了扩大而不提高电压，从而能够实现高性能的MEMS元件。
要指出的是，静电力反比于距离的平方而增大，例如，当上电极22由于压电元件的收缩而接近下电极13时，第一电极17与压电元件下电极13之间的距离就缩短。
而且，例如借助于在形成沟槽时调整绝缘层15的腐蚀条件，能够容易地形成此锥形。这方面将在制造方法的描述中加以详细描述。
b.材料、尺寸等
至于用在第二实施方案的MEMS元件中的材料和尺寸等，可以原样采用第一实施方案所述材料和尺寸等的例子。
在第二实施方案的MEMS元件中，也是多个元件被形成在一个晶片上，并以相同于第一实施方案的方式借助于划片而彼此分离。
因此，空腔优选被密封。可以认为空腔的气压和填充空腔的气体与第一实施方案的相同。例如，正方形、矩形、圆形、多角形等可用作空腔的平面形状。
c.运行
第二实施方案的MEMS元件的运行相同于第一实施方案所述的运行。
此外，由于在第二实施方案中可以用压电力和静电力来移动致动器，故有可能在低于第一实施方案的电压下工作。
d.结论
如上所述，在第二实施方案的MEMS元件中，在初始状态中，第一电极与其中被施加输入信号Vin的压电元件的下电极之间的距离随着这些电极靠近上电极而增大。因此，可以用压电元件的压电力以及导电层与下电极之间产生的静电力来移动致动器。故能够扩大致动器的移动范围而无须提高电压，并能够实现高性能的MEMS元件。
e.其它
在第二实施方案中，对于下电极13的接触孔的底部表面被提供在空腔中下电极13的上部表面上方。亦即，第二实施方案MEMS元件包括第一实施方案的所有特性，从而能够得到相似于第一实施方案的效果。
要指出的是，在第二实施方案中，必须以锥形不限制致动器的移动范围的方式来调整锥形相对于半导体衬底表面的位置和角度等。
(3)第三实施方案
第三实施方案是第二实施方案的一种修正。其特征在于，沟槽的侧面被提供成不具有锥形而具有阶梯形。
a.结构
图6示出了根据第三实施方案的MEMS元件。图7是沿图6中VII-VII线的剖面图。
除了沟槽的侧面之外，根据第三实施方案的MEMS元件的结构相同于根据第二实施方案的。
在没有任何电压被馈送到构成致动器的压电元件的初始状态下，亦即当输入信号Vin显示0V时，第一电极17与输入信号Vin被施加到其中的压电元件的下电极13之间的距离，随这些电极靠近上电极22而增大。
在本实施方案中，如图6和7所示，形成在绝缘层15中的沟槽的侧面被部分地或整个地倾斜。在此情况下，如图8所示，在没有任何电压被馈送到构成致动器的压电元件的初始状态下，亦即在0V的输入信号Vin下，第一电极17与下电极13之间的距离，随这些电极靠近上电极22而增大。
要指出的是，阶梯部分优选被形成在构成致动器的压电元件正下方。
因此，由于致动器可用压电元件的压电力以及第一电极17与下电极13之间的静电力来移动，故致动器的移动范围得到了扩大而不提高电压，从而能够实现高性能的MEMS元件。
b.材料、尺寸等
至于用在第三实施方案的MEMS元件中的材料和尺寸等，可以原样采用第一实施方案所述材料和尺寸等的例子。
在第三实施方案的MEMS元件中，也是多个元件被形成在一个晶片上，并以相同于第一实施方案的方式借助于划片而彼此分离。
因此，空腔优选被密封。可以认为空腔的气压和填充空腔的气体与第一实施方案的相同。例如，正方形、矩形、圆形、多角形等可用作空腔的平面形状。
c.运行
第三实施方案的MEMS元件的运行相同于第一实施方案所述的运行。此处描述从略。
此外，由于在第三实施方案中也可以用压电力和静电力来移动致动器，故有可能在低于第一实施方案的电压下工作。
d.结论
如上所述，即使在第三实施方案中，也能够得到相似于第二实施方案的效果。
e.其它
第三实施方案的MEMS元件也包括第一实施方案的所有特性，从而能够得到相似于第一实施方案的效果。要指出的是，在第三实施方案中，必须以阶梯部分不限制致动器的移动范围的方式来调整阶梯部分的位置等。
(4)第四实施方案
图9-14示出了根据第四实施方案的MEMS元件。图9和10相当于第一实施方案的一种修正，图11和12相当于第二实施方案的一种修正，而图13和14相当于第三实施方案的一种修正。
绝缘层12被形成在半导体衬底11上。具有沟槽的绝缘层15被形成在绝缘层12上。下电极13被形成在绝缘层15上以及形成于绝缘层15中的沟槽中。用绝缘层14涂敷下电极13。
以覆盖沟槽上部的方式，绝缘层16被形成在绝缘层15上。在绝缘层16上，压电元件被形成作为致动器。例如，压电元件包含第一电极17、第一电极17上的压电层18、以及压电层18上的第二电极19。第一和第二电极17和19用作例如MEMS元件的输入端子。
以覆盖压电元件的方式，绝缘层20被形成在绝缘层16上。在绝缘层20中，安置了达及第一和第二电极17和19的接触孔。经由这些接触孔而被连接到第一和第二电极17和19的导电层21和23，被形成在绝缘层20上。
而且，在绝缘层20中安置了达及绝缘层16的接触孔。以填充接触孔的方式，上电极22被形成在绝缘层20上。上电极22用作例如MEMS元件的输出端子。
而且，在绝缘层14、15、16、20中，安置了达及下电极13的接触孔。在绝缘层20上，形成经由接触孔而连接到下电极13的导电层24。
以环绕致动器的方式，绝缘层31和32被形成在绝缘层20上。结果，空腔被形成在致动器周围。
要指出的是，代替绝缘层31和32，利用晶片层面封装件，另一个晶片可以被用来形成空腔。
此处，例如当导电层23和24被固定到地电位，且输入信号Vin被馈送到导电层21时，压电元件就响应于输入信号Vin而形变，下电极13与上电极22之间的距离于是改变。亦即，由于下电极13与上电极22之间的电容C响应于输入信号Vin而改变，故这种MEMS元件可用作例如可变电容。
b.材料、尺寸等
至于用在第四实施方案的MEMS元件中的材料和尺寸等，可以原样采用第一实施方案所述材料和尺寸等的例子。
在第四实施方案的MEMS元件中，也是多个元件被形成在一个晶片上，并以相同于第一实施方案的方式借助于划片而彼此分离。
因此，空腔优选被密封。可以认为空腔的气压和填充空腔的气体与第一实施方案的相同。例如，正方形、矩形、圆形、多角形等可用作空腔的平面形状。
c.运行
第四实施方案的MEMS元件的运行相同于第一实施方案所述的运行。此处描述从略。
d.结论
如上所述，即使在第四实施方案中，也能够得到相似于第一到第三实施方案的效果。
e.其它
在第一到第四实施方案中，输入信号Vin被施加到压电元件的第一电极，而第二电极被固定到地电位。在此情况下，例如当施加正电压被用作输入信号Vin时，致动器就沿一个方向(接近下电极的方向)移动。代替这种情况，致动器沿一个方向(接近下电极)或另一方向(离开下电极)从初始状态移动，从而能够扩大移动范围。
例如，当输入信号Vin在从负电压(例如-3V)到正电压(例如3V)的范围内改变时，致动器能够沿一个或另一个方向从初始状态移动。当仅仅正电压被用作输入信号Vin，且不同的输入信号Vin被施加到压电元件的第一和第二电极时，能够扩大致动器的移动范围。
而且，至于第一到第四实施方案的MEMS元件，例如当此元件被用作开关时，下电极和上电极必须被暴露在空腔中。因此，在此情况下，要求诸如设置在绝缘层中的窗口之类的变形。
4.制造方法
接着来描述根据本发明一个实施例的制造MEMS元件的方法。
此处将根据第二实施方案的MEMS元件的例子来描述此方法。
首先，如图15和16所示，用热氧化工艺，厚度约为1.3微米的绝缘层(例如氧化硅)12被形成在半导体衬底11上。用化学气相淀积(CVD)工艺，厚度约为1微米的绝缘层(例如氧化硅)15被形成在绝缘层12上。
接着，用光刻工艺(PEP)，沟槽被形成在绝缘层15中。亦即，抗蚀剂图形被形成在绝缘层15上，并用此抗蚀剂图形作为掩模，用化学干法腐蚀(CDE)方法对绝缘层15进行腐蚀。此CDE是一种各向同性腐蚀，从而在沟槽的侧面上形成锥形。然后清除抗蚀剂图形。
要指出的是，当如第一实施方案那样沟槽的侧面垂直于半导体衬底11的表面时，诸如反应离子刻蚀(RIE)之类的各向异性腐蚀，被用作绝缘层15的腐蚀工艺。
而且，当沟槽的侧面具有第三实施方案那样的阶梯形时，可以多次重复抗蚀剂图形的形成/清除以及RIE。
接着，导电层13被形成在绝缘层15上和沟槽中，并用PEP对导电层13进行图形化，使之形成为下电极13。用CVD工艺，以覆盖下电极13的方式，形成厚度约为50nm的绝缘层(例如氮化硅)14。
而且，以沟槽被完全填充的方式，用CVD工艺，虚拟层(例如多晶硅)25被形成在绝缘层14上。然后，用化学机械抛光(CMP)对虚拟层25进行抛光，使虚拟层25仅仅留在沟槽中，且表面被整平。
接着，如图17和18所示，由于用CVD工艺，厚度约为50nm的绝缘层(例如氮化硅)16被形成在绝缘层14和虚拟层25上，故绝缘层16的表面也是平坦的。
而且，压电元件被形成在平坦的绝缘层16上作为致动器。例如，第一电极17、压电层18、以及第二电极19，被相继淀积和图形化，从而形成压电元件。
要指出的是，由于压电元件被形成在平坦的绝缘层16上，故能够降低特性的起伏，这有助于提高MEMS元件的可靠性。
接着，利用CVD工艺，以完全覆盖压电元件的方式，厚度约为100nm的绝缘层(例如氧化硅)20被形成在绝缘层16上。
而且，用PEP方法，接触孔26、27、28被形成在绝缘层20中，且接触孔29被形成在绝缘层14、16、20中。
接触孔26达及压电元件的第一电极17，接触孔27达及压电元件的第二电极19，且接触孔27达及绝缘层16。接触孔29达及存在于绝缘层15上的下电极13。
此处，这些接触孔26、27、28、29被一次同时用PEP和RIE方法形成。
而且，清除虚拟层25以在绝缘层16中形成用来构成空腔的孔30。此孔30可以与接触孔26、27、28、29同时被形成。
例如，用来清除虚拟层25的孔30被安置在沟槽的几个端部中。孔30的形状不受特殊的限制，可以采用圆形、椭圆形、矩形、四角形、或多角形。
然后，用化学液或反应气体清除虚拟层25，以便以致动器可移动的方式形成空腔。
要指出的是，当虚拟层25包含抗蚀剂时，可以用称为烧蚀的蒸发工艺来清除虚拟层25。
接着，如图19和20所示，在以填充在接触孔26、27、28、29中的方式，用CVD工艺将导电层形成在绝缘层20上之后，用PEP方法对此导电层进行图形化，以便形成构成电极的导电层21、23、24以及上电极22。
而且，此时可以用导电层33将用来清除虚拟层25的孔30封闭起来，以便对空腔进行密封。
要指出的是，可以用诸如硅和硅锗之类的半导体代替导电层33来封闭此空腔。
用上述各个步骤，就完成了根据第二实施方案的MEMS元件。
根据此制造方法，在厚的绝缘层15中形成沟槽之后，导电层13被形成作为下电极，它从绝缘层15的顶部延伸到沟槽中。
因此，当对于下电极13的接触孔29被安置在绝缘层15的上部中时，能够减小接触孔29的深度d2，并能够同时形成接触孔26、27、28、29。
而且，当用诸如CDE之类的各向同性腐蚀方法在沟槽的侧面上形成锥形时，有可能容易地得到这样一种结构，其中，致动器除了可以由压电元件的压电力移动之外，还可以由静电力移动。
如上所述，此MEMS元件能够被实际制造，它能够同时实现性能的提高和制造成本的降低。
要指出的是，在上述制造方法中，除了多晶硅之外，诸如非晶硅之类的硅材料以及诸如抗蚀剂之类的有机材料，也可以用作构成用来形成空腔的虚拟层25的材料。
5.应用例子
当本发明的本实施例被应用于诸如可变电容、开关、加速度传感器、压力传感器、射频(RF)滤波器、陀螺仪、以及微镜器件之类的普通MEMS元件时，能够同时实现MEMS元件的性能提高和制造成本降低。
而且，本发明的本实施例可应用于其中在一个芯片上仅仅形成MEMS元件的分立产品。此外，本实施例例如被应用于系统LSI，其上MEMS元件和LSI(逻辑电路和存储器电路等)被混合/安装在一个芯片中，从而能够实现系统LSI的高性能以及安装尺寸的减小。
例如，本发明的本实施例可用作用于诸如蜂窝电话之类的便携式装置以及诸如无线电LAN之类的通信装置的图21所示的电压控制振荡器(VCO)的可变电容C。
而且，如图22和23所示，本发明的本实施例可应用于发射/接收单元的匹配电路中的可变电容C。而且，例如当虚线环绕的部分被形成到一个芯片中时，能够实现系统LSI的性能提高和安装尺寸减小。
而且，如图24所示，本发明的本实施例可应用于滤波器中的可变电容C。
6.其它
在上述各实施方案中已经描述了，空腔优选被密封，以便防止器件在划片时被水压力损坏。至于此空腔的密封方法，通常采用晶片层面封装件。在此封装件中，其上要形成MEMS元件的晶片被层叠在不同的晶片上，但也可以采用其它的结构或方法。这将被分别提出。
本技术领域的熟练人员可以容易地作出其它的优点和修正。因此，本发明在其更广阔的情况下不局限于此处所述的代表型实施方案的具体细节。因此，可以作出各种修正而不偏离所附权利要求及其等效物所定义的本发明的构思与范围。
Claims (20)
1.一种采用MEMS技术的半导体器件，它包含：
空腔；
提供在空腔下部的下电极；
提供在空腔上部或内部的致动器；
连接到致动器的上电极；以及
在空腔外经由接触孔与下电极相接触的导电层，所述接触孔的底部表面被提供在空腔中下电极上部表面上方。
2.根据权利要求1的半导体器件，其中，致动器包含第一电极、第一电极上的压电层、以及压电层上的第二电极，且
在第一与第二电极之间不产生任何电压的状态下，第一电极与下电极之间的距离随着第一电极和下电极靠近上电极而增大。
3.根据权利要求1的半导体器件，其中，空腔包含安置在绝缘层中的沟槽，且下电极从绝缘层的顶部延伸到沟槽中。
4.根据权利要求3的半导体器件，其中，绝缘层具有锥形。
5.根据权利要求3的半导体器件，其中，绝缘层具有阶梯形。
6.根据权利要求1的半导体器件，其中，空腔被密封。
7.根据权利要求1的半导体器件，其中，致动器包含压电元件。
8.根据权利要求1的半导体器件，其中，延伸进入空腔中的致动器的表面在初始状态下是平坦的。
9.根据权利要求1的半导体器件，其中，下电极被固定到地电位。
10.根据权利要求2的半导体器件，其中，第二电极被固定到地电位，且输入信号被馈送到第一电极。
11.根据权利要求1的半导体器件，其中，上电极和下电极是选自W、Al、Cu、Au、Ti、Pt的金属；至少包含这些金属之一的合金；以及包含杂质的导电多晶硅中的一种。
12.根据权利要求2的半导体器件，其中，压电层是选自PZT(Pb(Zr，Ti)O3)、AIN、ZnO、PbTiO、BTO(BaTiO3)的陶瓷以及选自聚偏二氟乙烯(PVDF)的聚合物材料之一。
13.根据权利要求2的半导体器件，其中，第一和第二电极是选自Pt、Sr、Ru、Cr、Mo、W、Ti、Ta、Al、Cu、Ni的金属、至少包含这些金属之一的合金、以及此金属或合金的氮化物、氧化物、或化合物中的一种。
14.一种采用MEMS技术的半导体器件的制造方法，此方法包含：
在绝缘层中形成沟槽；
形成下电极，此下电极从绝缘层的顶部延伸进入到沟槽中；
用虚拟层填充此沟槽；
在虚拟层上形成致动器，此致动器具有作为输入端子的电极和连接到致动器的上电极；以及
将虚拟层转变成空腔。
15.根据权利要求14的制造方法，还包含：
同时形成对于下电极的接触孔和对于致动器电极的接触孔。
16.根据权利要求14的制造方法，其中，用各向同性腐蚀方法来形成沟槽。
17.根据权利要求14的制造方法，其中，用各向异性腐蚀方法来形成沟槽。
18.根据权利要求14的制造方法，
其中，虚拟层包含选自包括多晶硅和非晶硅的硅材料以及包括抗蚀剂的有机材料中的一种材料。
19.根据权利要求18的制造方法，其中，用化学液和反应气体之一来清除虚拟层，并将虚拟层转变成空腔。
20.根据权利要求14的制造方法，其中，在形成空腔之后，将空腔密封。
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