CN1898150B - 容纳装置以及相应装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种封装在基层和一个或多个金属化层之间形成的微机械元件的方法。该方法包括在微机械元件上形成一个或多个封装层，并且为围绕在基层和一个或多个封装层之间延伸的元件提供封装壁。在基层和在微机械元件上形成的一个或多个金属化层之间形成电连接。

Description

容纳装置以及相应装置的方法 
技术领域
本发明涉及一种特别地但不是唯一地，在半导体装置中使用的微机械元件(micromechanical elements)的封装。 
背景技术
近些年，在各种技术领域(例如，半导体装置)中使用微机械元件的趋势逐渐升高。典型地，微机械元件集成到半导体装置中，并且容纳在例如互补金属氧化物半导体(CMOS)装置上或者其中形成的空腔或者开口穴中。在CMOS衬底上集成微机械元件的时候，对微机械元件提供适当的环境保护，以及提供到上层电路的电连接同样重要。 
微机械元件可以是可移动的或不可移动的，例如，可以在电极间移动的电荷转移装置，或者在施加适当电流时熔断的微型熔断元件。微机电系统(MEMS)工业面临的主要问题之一是微机械元件对于它们工作环境是高度敏感的，该工作环境包括可能对半导体装置的执行有害的热、化学、和机械影响。因此，期望提供这样的具有一些防护密封或者密封的结构的微机械元件。 
发明内容
例如，当该装置在接下来的封装步骤中或者提供到上层电路的电连接而被操纵时，同样地集成有微机械元件的装置可以被损害，因此需要适当的保护。可以理解微机械元件要求严格的保护标准，因此本发明的目的在于提供用于微机械元件的气密封形式的可靠外壳，而不增加装置的尺寸和成本。
因此可以看出，需要制造在半导体装置中使用的可靠的微机械元件。本发明的目的在于寻求提供一种用于通过在与装置的CMOS部件集成的元件上形成的装置的气密封层，对敏感的微机械元件(例如，熔断器或者电荷转移元件)的环境保护。附加的封装提供侧壁，其涉及由嵌入在CMOS中的形成的侧边的封装(encapsulating)层平面和装置的封装层。 
当在每个金属化层顺序而不是最后一个金属层中，被保护的微机械装置可以集成在CMOS处理程序中时，这种类型的封装具有特别的优点。本发明允许在装置的CMOS晶体管位置附近形成微机械元件。具体地，在金属化步骤中微机械元件集成的基底越来越薄时，微机械元件越来越远离CMOS晶体管位置。 
本发明的优点在于本发明的封装过程使其适用于普通的CMOS处理程序。这种装置的构成视传统和现代的工业处理程序规定而决定，例如，需要包括机械化学处理(CMP)的平面化(步骤。在半导体装置的生产，这种技术通常用于绝缘层和金属层的平面化。 
因此，根据本发明提供一种封装在基层和一个或多个金属化层之间形成的微机械元件的方法，该方法包括： 
在微机械元件上形成一个或多个封装层，为围绕在基层和一个或多个金属化层之间延伸的元件提供封装壁；以及 
在基层和一个或多个金属化层之间提供电连接。 
优选地，本方法可能进一步包括以下步骤： 
在微机械元件的至少一个部分上沉积一个或多个封装层； 
平面化一个或多个封装层； 
在一个或多个封装层上形成一个或多个开口； 
涂敷与微机械元件接触的一个或多个牺牲层(sacrificial layer)；以及 
移除一个或多个牺牲层，以露出空腔中的微机械元件； 
优选地，可以使用干蚀刻法露出在一个或多个封装层上形成的一个或多个开口。 
有利的是，平面化步骤可以使靠近一个或多个牺牲层的一个或多个封装层后退，并且实现使用化学机械抛光(CMP)。 
优选地，一个或多个牺牲层可以包括相同材料的不同结构或者包括不同的材料。 
特别有利的是，一个或多个牺牲层可以包括可蚀刻的硅基材料，例如，氮化硅、氧化硅、或者非晶硅。可以使用氟基化合物蚀刻该材料。 
有利的是，一个或多个封装层可以由硅基材料(例如，氧化硅或者氮化硅)形成。 
优选地，使用等离子增强型化学汽相沉积(PECVD)沉积一个或多个牺牲层。 
优选地，移除一个或多个牺牲层的步骤包括引导蚀刻剂通过在一个或多个封装层中的一个或多个开口。 
优选地，一个或多个牺牲层可以包括可蚀刻的聚合体基材料，例如，聚酰亚胺，其可以使用氧等离子体蚀刻。 
优选地，可以由一个或多个堆叠的堵塞物(plug)形成壁。进一步，堵塞物也可以提供在基层和在微机械元件下的最上层金属化层之间的电连接。 
有利的是，壁构件可以穿过绝缘层和封装层而延伸。 
在本发明的另一方面，提供半导体装置，其包括： 
在基层上形成微机械元件； 
在微机械元件上沉积一个或多个封装层和封装壁，其在基层和一个或多个金属化层之间延伸的微机械元件周围。 
在本发明的另一方面，提供形成微机械元件的方法，包括： 
提供可被图样化的基层； 
涂敷可蚀刻材料的一个或多个牺牲层； 
图样化一个或多个牺牲层，以限定至少一部分元件的形状； 
涂敷至少一个限定机械材料的层； 
图样化微机械元件，以形成元件的至少一部分；并且移除部分牺牲层，以释放至少一部分元件。 
附图说明
现在，参照附图，通过实例描述本发明的实施例，其中 
图1示出在形成微机械元件并沉积第一封装层之后的装置的截面图； 
图2示出在第一封装层平面化之后接着穿过第一封装层形成通孔的装置的截面图； 
图3示出集成在钨堵塞物、导电层、和TiN接触层上的装置的截面图； 
图4示出在具有由终止层阻挡的开口结构的第一封装层中形成开口的装置的截面图； 
图5示出装置的截面图，其中通过向牺牲层露出通过开口的蚀刻剂而释放微机械元件，该释放影响直至封装壁； 
图6示出在装置上沉积有第二封装层的装置的截面图；以及 
图7示出根据本发明的装置的平面图，其中封装壁形成在微机械元件周围的侧面外壳。 
具体实施方式
图1示出本领域技术人员熟知的在标准CMOS的开始基层中实施的根据本发明的装置，在该装置中形成微机械元件，其包括：基层1，其可以在CMOS晶体管位置(未示出)上沉积；绝缘层3，金属互连部5、7、9、11和在13、15、17、19形成的通孔堵塞物，其用于提供在CMOS和在基层1之下的衬底层之间的电连接，在其上集成微机械元件28并连接到上层金属互连层。 
参考图1，使用标准CMOS处理形成阻塞物13、15、17、19，例如，可以通过蚀刻预定厚度的与TiN衬垫成一条直线的通孔形成钨阻塞物15、17、和19，该通孔随后由钨填充料沉积。将在装置100的大约部分上沉积的剩余的W蚀刻到所示TiN层21。而后，在装置100上覆盖第二TiN层23，该第二TiN层与TiN层21一起图样化，并且选择性地蚀刻到所示绝缘层3。部分TiN层23和TiN层21将形成接触和/或电极，用于可以操作装置100。接下来，第一牺牲层25(例如，氮化硅)沉积在绝缘层3并且堆叠有TiN层21的TiN层23随后将有选择地被蚀刻。 
还是参考图1，形成微机械元件28的材料沉积在装置100上的下一层中，其被选择性的图样化并蚀刻，以限定微机械元件28的结构。一旦形成了微机械元件28，并且在释放微机械元件28之前，就引入另外的处理顺序，以启动微机械元件的封装阶段。 
如图1所示，在包括微机械元件28和第一牺牲层25的层上沉积第二牺牲层30。使用等离子增强型化学汽相沉积(PECVD)或本领域技术人员了解的其他传统方法，将TiN层23涂敷到受物理或化学气相沉积技术影响的第二牺牲层30上。第二牺牲层30优选地可以由硅基材料(例如，氮化硅、氧化硅、非晶硅、或者旋涂式玻璃材料(SOG))形成。可以选择第二牺牲层30，以具有期望的特性，例如，可蚀刻材料可以允许各向同性的或者各向异性的蚀刻，并不会对敏感的微机械元件施加不利的影响。 
此外，氮化硅或单晶硅可以用于第一牺牲层25和第二牺牲层30。富氢氮化硅层可以提高蚀刻率，例如，在氮化硅中的不同的氢含量可以使蚀刻率以10的倍数改变。氢含量可以通过在层的等离子处理期间控制硅烷和氨的比例来控制。 
为了提供气密封，以保护微机械元件28避免暴露在外界环境中，在装置100上沉积第一封装层33。此步骤包括氧化物沉积处理过程，以在第二牺牲层30上涂敷可微机械化的绝缘材料(例如，氧化硅)。优选地，使用化学汽相沉积(CVD)沉积用于形成第一封装层的氧化物，其基本覆盖如图1所示的微机械元件28。 
为了实现本发明的目的，还处理如图1所示的由先前步骤产生的不平坦的表面的外形。在接下来的步骤中，使用化学机械抛光(CMP)将第一封装层33降低至与牺牲层30隔绝的预定位置，该化学机械抛光提供了一种用于使外形基本平面化的快速、有效的方法。可以很容易地将CMP应用在上述沉积程序中的任意位置。此外，在本发明的这个阶段在第一封装层33上CMP的使用使得本发明的封装方法可以以任意金属化顺序集成在CMOS中，特别是靠近基层。 
在下一阶段，将图1中示出的装置的至少一部分掩模，以允许在图2中示出的微机械元件的右侧形成通孔26和通孔32。在这一步骤中，导入钨堵塞物，其可以用于产生环绕微机械元件28的侧面封装环。 
如图2所示，执行掩模步骤，以蚀刻穿过由CMP加工的第一封装层33和第二牺牲层30的一部分的通孔26和通孔32，随后为通孔26和通孔32沉积TiN衬垫27以提供在氧化物层之上和之下电连接的导电路径。可以通过等离子蚀刻技术蚀刻通孔。 
在下一步中，将通过CVD沉积的钨填充到涂有TiN的通孔中，以形成通孔堵塞物28、29，并且可以使用CMP干蚀刻或者平面化剩余的材料，使得如图3所示前面所述预定位置与牺牲层30隔离。CMP可以用于移除超过通开口上限的多余的W或TiN填料，因此平面化多余的填料沉积，使得其成为具有形成第一封装层33的氧 化物的表面的位置。防止W填充材料意外地从通孔内部移除是很重要的，这可能干扰后续沉积步骤并且削弱电接触。 
在下一步骤中，参考图3，通过进一步图样化和蚀刻阶段在装置100上涂敷铝(Al)/铜(Cu)金属化层40，从而如图3所示在W堵塞物28、29上形成导电层42。金属化层40进一步与由TiN构成的接触金属42的附加薄膜一起沉积，以更好地提高电接触。使用本领域技术人员熟悉的技术图样化和蚀刻该层。 
在本发明中，图3示出在微机械元件28周围形成包括钨堵塞物的壁44，而其上被涂敷的钨堵塞物45和互连层用于形成金属互连和下层CMOS晶体管位置，金属互连允许在装置100的上层和下层之间电连接。 
在由图4的横截面示出的下一步骤中，使用掩模图样化第一封装层33(LHS)，以蚀刻通过穿过氧化物封装层33和部分穿过第二牺牲层30蚀刻露出的开口46，直至进一步由包含TiN的阻碍层48阻碍开口46的蚀刻，该阻碍层在前述微机械元件形成期间形成。典型地，通过等离子蚀刻技术实现蚀刻步骤。TiN阻碍层可以对蚀刻步骤具有充分的惰性，以防止穿过下层绝缘层3的开口的蚀刻，这可能对装置100的操作有害。 
在图5所示的进一步的步骤中，蚀刻释放处理步骤释放微机械元件28，使得在使用中，微机械元件28可在空腔50中操作。通过开口46引导蚀刻剂实现第一牺牲层25和第二牺牲层30的移除，以释放微机械元件28。第一牺牲层25和第二牺牲层30的移除包括干蚀刻处理(即，氟基蚀刻，例如，SF6)。图5示出，由钨阻塞物形成的壁44具有两种功能：它防止蚀刻衬底以释放在壁44之上的微机械元件28，以及它在微机械元件28周围形成侧封装壁。后者 对在操作环境中的微机械元件提供保护，或者选择性地可以成为在微机械元件28上的附加电极。 
对微机械元件28的蚀刻剂的有害反应不能削弱微机械元件28的结构完整性是非常重要的。其通过选择适当的化学兼容材料以及释放蚀刻处理过程的条件和完成处理过程的装置来实现。 
在如图6所示的下一步骤中，在装置100上，即在第一封装层和金属化部42上沉积第二封装层60，以提供进一步的气密封。第二封装层材料可以从氮化物材料(例如，氮化硅)中选择。给出开口46(图5)和包括微机械元件28的空腔50的相对尺寸，控制用于涂敷氮化硅层60的沉积条件，以确保开口被堵塞。具体地，开口46远离微机械元件，以防止沉积在微机械元件上。 
图7示出本发明实施例的平面视图，其中壁44侧面地环绕微机械元件28沉积。例如，通过穿过释放开口46流过蚀刻剂执行微机械元件28的释放。 
图8a-图8g示出涂敷形成用于可以提供封装的微机械元件的不同步骤的示意图。参考图8a，在第一步骤中，在衬底1上沉积富氮氮化钛的导电层2。这可以使用反应溅射法实现。在如图2示出第二步骤中。 
在图8b所述的第二步骤中，通过在使用处理装置的微电子工业中很普遍的技术图样化和蚀刻导电层2，该处理装置在大多数半导体制造厂中普遍使用。因此形成不可移动的底层第一电极11。 
在图8c所述的第三步骤中，可能在导电层2或者图样化的导电层2’的特殊表面处理之后，在图样化的导电层2’上沉积硅基材料的牺牲层3。可以使用非晶硅或者氮化硅，或者任意其他的具有适当特性的硅基材料，尤其包括溅射非晶硅和由PECVD(等离子增 强型化学汽相沉积)沉积的氮化硅。另外，蚀刻处理过程存在其可以选择性地对应于具有限制和控制数量的蚀刻剂的钛化氮的将材料各向同性地或者各向同性地接近地蚀刻到钛化氮材料中。 
在图8d所述的第四步骤中，通过在使用处理装置的微电子工业中很普遍的技术图样化和蚀刻牺牲层3，该处理装置在大多数半导体制造厂中普遍使用。 
在图8e所述的第五步骤中，优选地使用偏流溅射法在图样化的牺牲层上沉积富氮氮化钛的结构层4，以控制导电层2的特性。进一步，可以控制沉积，以至于在图样化的导电层2’和结构层4之间实现良好的电接触，这两个层在完整的微机械元件10中接触。 
在图8f所述的第六步骤中，以与第二步骤相似的方法图样化和蚀刻结构层4。在图8g所述的第七步骤中，在使用氟基蚀刻剂的等离子蚀刻系统中，通过远离的图样化的牺牲层3’蚀刻部分地释放元件10。等离子系统可能是多重放射频率系统。 
本领域技术人员可以了解本发明可以用于封装的可移动和不可移动微机械元件，例如熔断器、开关、或者在空腔内的其他电荷转移元件。 

Claims (26)

1.一种封装在基层与一个或多个金属化层之间形成的微机械元件的方法，包括：
在所述微机械元件的至少部分上形成第一封装层；
在所述第一封装层上沉积第二封装层，并提供围绕所述微机械元件的封装壁，以形成在所述基层与所述第一和第二封装层之间延伸的侧封装壁；
在所述第一封装层上沉积一个或多个金属化层；以及
在所述基层与所述一个或多个所述金属化层之间提供电连接。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
蚀刻穿过所述第一封装层和位于所述第一封装层下方的牺牲层，以形成穿过所述第一封装层和所述牺牲层的开口；
引导蚀刻剂穿过所述开口；以及
移除所述牺牲层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述微机械元件位于空腔中，所述空腔至少部分地与所述封装壁相连，其中，所述封装壁包括填充有钨的通孔。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述封装壁包括由TiN作衬垫并填充有钨的通孔。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述封装壁在所述基层和一个或多个金属化层之间提供电连接。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述封装壁延伸穿过所述基层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中由一个或多个堆叠的堵塞物形成所述封装壁。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述一个或多个堆叠的堵塞物提供在所述基层与一个或多个金属化层之间的电连接。
9.根据权利要求8所述的方法，其中一个或多个堆叠的堵塞物包括TiN层和钨填充物。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述封装壁延伸穿过所述第一和第二封装层。
11.一种在基层与一个或多个金属化层之间形成并封装微机械元件的方法，包括：
在所述基层的至少一部分上涂敷可蚀刻材料的第一牺牲层；图样化所述第一牺牲层，以限定至少所述微机械元件的形状的一部分；
在所述第一牺牲层的至少一部分上涂敷微机械元件材料的至少一个层；
图样化所述微机械元件材料，以形成所述微机械元件的至少一部分；
在所述微机械元件上涂敷可蚀刻材料的第二牺牲层；
在所述第二牺牲层的至少一部分上涂敷第一封装层；
在所述第一封装层上沉积第二封装层，并提供围绕所述微机械元件的封装壁，以形成在所述基层和所述第一和第二封装层之间延伸的侧封装壁；
在所述第一封装层上沉积一个或多个金属化层；
在所述基层和所述一个或多个金属化层之间提供电连接；以及
移除至少部分的所述第一和第二牺牲层，以至少释放一部分所述微机械元件。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一和第二牺牲层包括可蚀刻硅基材料。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一和第二牺牲层包括可蚀刻的聚合体基材料。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一或第二牺牲层包括可蚀刻的硅基材料。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一或第二牺牲层包括可蚀刻的聚合体基材料。
16.根据权利要求11所述的方法，其中进一步包括平面化所述第一封装层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述平面化包括化学机械抛光。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述微机械元件设置在空腔内，所述空腔至少部分地被所述封装壁相连。
19.根据权利要求11所述的方法，其中所述封装壁包括由TiN作衬垫并填充有钨的通孔。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述封装壁延伸穿过所述基层。
21.根据权利要求11所述的方法，其中所述封装壁在所述基层和所述一个或多个金属层之间提供电连接。
22.根据权利要求11所述的方法，其中所述封装壁由一个或多个堆叠的堵塞物形成。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述一个或多个堆叠的堵塞物在所述基层和所述一个或多个金属层之间提供电连接。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述一个或多个堆叠的堵塞物包括TiN衬垫和钨填充物。
25.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
蚀刻穿过所述第一封装层和第二牺牲层，以形成穿过所述第一封装层和所述第二牺牲层的开口；
引导蚀刻剂穿过开口；以及
移除所述第一牺牲层和所述第二牺牲层。
26.根据权利要求11所述的方法，其中所述封装壁延伸穿过所述一个或多个封装层。
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