TW590983B - Method of fabricating micro-electromechanical switches on CMOS compatible substrates - Google Patents

Description

590983 ⑴ 玖、發明說明 (發明說明i敘明:發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 發明範圍 本發明一般有關於微電機械（MEMS)開關之製造，尤其有 關於可被整合進現今技藝中半導體製程之微電機械開關。 發明背景 開關操作為許多電氣、機械以及電機械應用之基礎部分

，微電機械開關過去幾年已經引起廣大的興趣，使用MEMS 科技之產品已廣佈生醫、航太以及通訊系統中。 傳統MEMS—般利用如McMillan等人之US 6,160,23 0、

Feng 等人之 US 6,143,997、Carley 等人之 US 5,970,3 15，以 % 及丁 ham等人之US 5,880,92 1等美國專利中之懸臂樑開關、

膜狀開關，以及可調式電容結構，MEMS元件可利用微機 電技術製造之，且被用以控制電氣、機械或光學信號流動 ，然而，這種元件展現出許多問題，因為其結構與固有材 料性質需要與傳統製程分開而製造之，這通常是因為不同 材料與製程織布相容，因此，其無法在標準半導體製程中 被整合。

使用一般MEMS製造所用之材料如金，造成直接整合元 件至晶片上應用時整合之問題，即使使用文獻中常見之複 晶矽，仍會造成由於溫度循環與一般實際半導體元件製造 處前端產線（FEOL)工具，及處理連接金屬之後端產線 (BEOL)之分離，所引起之問題，通常，兩種組合不被允許 兩者有製程上之交會，以防止主動元件受到金屬化之污染 ，因此，一般不願意在後端產線發生複晶矽之沈積。 (2) (2)

陷，1數存在之製程會遭受因為使用標準金屬化之嚴重缺 二但仍無封裝提供以保護該金屬，此外，具有對應固有 、·之超過一個基板，經常會接合在一起使用。 甘 能無法結構最上層提供切換能力，導致可 所述。成斤有層級之集成，如同本發明下文中的說明 此而要有一種製程，能夠使用現有可整合於製程之 材料，使得這些元件可與傳統則L或連接水準一併 或作為額外模組而製造。 :了得到對本發明較佳之瞭解，一傳統麵開關現在將 :圖1明之，其顯示-MEM開關之截面圖示，其具有固 "電貝4中可撓桿1之兩端，該最低層由含有導電元素2 h與3之介電材料5所組成，其將隨後被使用於連接或平 、：件之不同電氣部分，由數字2與2a所標示之導體：被 於提供-操作電位，使該可撓桿變形，傳導一信號之導 運作時，依次連接於該可撓桿。 一圖2顯示目1相㈣前技藝微電機械元件之平面圖示，在 一典型操作中，可撓桿1藉由複晶矽形成於介電質4如Si〇 上，而周圍材料被蝕刻只留 2 前形成，懸空於… T彳起之，。構，亦即’該先 ;導體上之可撓桿係由複晶矽所形成，接著 =元件經歷無電鑛’一般係無電鑛金，其會附著於形成導 ^件1、2、2a、3之複晶石夕上，該開關係藉由提供一潛 ^別於可撓桿與電極2及〜之間而操作，此㈣產生一 靜電吸引力’其將可撓桿1與電極3相接觸，如此則關閉該 -9- (3) 開關。 應/主:在與傳統半導體元件比較時，這些都是具有龐大 * 表面里心之典型升起結構，這使得這些元件不可能相互整 ‘ 〜，半導體aa片製私中，這些元件_般係用表面微加工技 . 術製造，表面微加工包含在光阻或基板如石夕上建構，接著 / 土板月面去除元件下基板之一部分，並再次排除標準半 導體製程之整合。 圖3說明另一版本微電機械開關之截面圖示，其中僅可撓 · 之-端固定於介電質4中，其他所有部分如圖η所敘述 般動作，同樣方式也應用於圖4，說明圖3中說明相對應元 件之上下圖示，在後者案例中，該開關係藉由在可撓桿1 與控制電極2間施加-電壓而操作之，這使得可撓桿被拉下 . 而與信號電極3接觸，當電壓降下來時，可撓桿丨回到起始 位置。 一般來說，在可撓桿與控制電極之間的間隙，決定拉下 可撓桿所需之電壓，大多數文獻敘述具有間隙從丨到數微米 寬之元件，這些間隙較大，因此所需電壓較大多數消費⑯ · 用途之需求高，記載之致動電壓範圍從約3〇至75伏特（ν)， 這遠比如行動電話等通常在3到5 V之間操作之用途來得高 ，本發明之結構操作於間隙範圍從200埃（angstr〇ms)至數= - 埃之間，並製造具有低於5 V致動電壓之開關。 :.·· 先前說明之開關組態僅為記憶中已知許多可能結構中之 -· 某些，微電機械開關亦可被調整為多重可撓桿不同組合排 列，是相當可貴的。 590983 在微電機械元件中，沾黏（stiction)是主要考量，沾黏可 2為兩個或多個接觸之表面，其鬆脫會對㈣造成諸 . " 此現象之主要原因為衝撞，如同圖19 A將詳細說明者 · · 本务明以备開關關閉時提供一空氣間隙200之方式，在至 … 少一具體實施例中強調此問題，據信表面張力也是沾黏之 另主要原因其說明了為何本發明使用乾蝕刻與釋放移動 零件之製程，以及隨後之製程。 因此本务明之一目的為，製造微電機械開關，與其他 鲁 可完全整合入CMOS、二極體或BiCMOS晶圓當中的類似姓 構。 、口 本發明之另-目的為，以嵌入製程製造一微電機械開_ ’ ’與其他類似結構。 - 另一更進一步之目的，係利用密封於阻障材料中之銅， 製造微電機械開關與其他類似之結構，以保護金屬。 另一更進一步之目的，係在與這種製程相容之溫度，確 保密封可被整合入BE0L銅中。 發明概述 · 本發明藉由提供使用相容製程與材料，以製造與傳統半 導體連接水準整合之微電機械開關，強調本發明這些與其 他之目的。 . 此處敘述之發明，提供一種製造一電容開關之方法，該 ： 方法適於k供用於接觸開關與/或金屬-介電質-金屬開關之 · 各種組態。 在一較佳具體實施例中，製程始於介電質中金屬導體製 -11- (5) &之鋼嵌入連接層，所有或部分之銅嵌入連接被挖至足以 在開關關閉時提供一電容空氣間隙之程度，且因此，提供 a如預期用於Ta/TaN之保護層之空間，在開關指定區域中 疋義之金屬結構，作用如致動器電極，拉低一可動導電桿 /、& t、或多個供開關信號越過之路徑，這種空氣間隙 之優點，係介電質（空氣）並未經歷電荷儲存獲悉負，其會引 起可罪度與電壓漂移之問題。 _ I月可用任何數目介電材料如二氧化石夕或氮化石夕而被 具體化，所有介電材料可被優勢地置於下電極與該電容開 關之可撓桿之間。 值仔〉主意的是，為取代挖空電極以保護一間隙，操作者 可添加介電質於電極周圍或其上，一第二介電層接著被沈 積至-厚度，其等於下電極與可挽桿間隙之厚度，通道被 =成通過第二介電層，以提供前述金屬連接層與包含可繞 才干之下-金屬層間連結，包含通道支層接著被製作圖樣並 蝕刻以提供包含下致動電極與信號路徑之孔洞區，該孔洞 接著被以犧牲釋放材料回填，該材料最好料Μ，盆係一 種由丁酸内酉旨（g_a-butyrolactone)、B階段聚合物^三〒 苯所組成之聚合物樹脂形式存在之半導體介電質，此事放 材料接著藉由最好是化學機__Mp)之方式平坦化，並 將之對準介電質之頂端，平坦化該釋放材料亦有可能藉由 使用相對極性光阻，重緣製相同於用於定義孔洞區之相曰同 著從上表面㈣該釋放材料，以使其與孔洞形成 其中之介電質共平面，此提供在可徺桿層所建構平面上之 -12- (6)590983

平坦表面。

包含可動可撓桿之層類似於其他用於標準CM〇s元件势 造之連接層’此可挽桿結構最好部分或完全地延伸越過^ 前所述之孔洞，如此則當開關在操作中時，其可提供預期 之電性連結，另外應該注意，孔洞可被内入可動可持桿中 ’這些桿中介電質區接著被蚀刻以提供桿下犧牲材:較大 之路徑’如此則有助於釋放過程，其次，孔洞區或圖樣之 某些子集被定義，且圍繞該桿之介電質材料被去除，包含 桿中通過孔洞之區域，此處該釋放材料可被去除，跨越孔 洞曲之開關現在是完全地發揮功能。 附圖之簡短說明 擔明前文與其他目的、觀點及優點，參照以下較佳具 體實施例之詳細敘述，配合附圖，將更容易瞭解，其中： 圖1與2分別顯示沿著先前技藝中微電機械開關之可繞桿 ’長度方向之截面圖示與上視圖示，其中可繞桿之兩端被 固定住；

圖3與4分別顯示另一形式之先前技藝微電機械開關，截 面圖示與上視圖示，其中該桿僅一端被固定住；

圖5 _ 6刀別為根據本發明所製造之微電機械開關之一截 面圖不與上視圖示，該桿之兩端被固定住； —圖7與圖8分別顯示根據本發明所製造之微電機械開關之 —截面圖示與上視圖示，其中該桿僅_端被固定住； 圖9至1 9.兒明根據本發明之一較佳具體實施例，製造微電 機械元件所需之一系列步驟； 590983 ㈧ 圖19A顯示根據本發明，在關閉位置之完整微電機械開 關。 圖20至25顯示交替製程流程，提供較佳具體實施例之微 電機械開關之完全密封狀態。 圖26與27說明一交替製程，可完全自釋放材料製造孔洞 與通道介電層。 發明之詳細敘述 主要具體實施例指導如何已可完全整合入一標準cm〇s 、二極體、BiCMOS或其他常見半導體晶片製程之方式，製 造一微電機械元件。 圖5就明初始結構，亦即銅嵌入連接製程，在此之下，會 放置元件如場效電晶體（FET)、NPN電晶體或異質接面雙極 電晶體（HBT)、電阻等，於一石夕基板或替代地最好由 製成之低散失基板上，此製成包含埋入最好由Si〇2製成之 介電層20中之銅線30、4〇及5〇編號3〇所代表之區域，表示 埋於介電層;100中之通道11〇之著陸（landing)金屬，編號4〇 之金屬，形成致動器或控制電極，而金屬5〇代表信號電極 ，金屬之厚度一般係在3〇〇〇至5000埃（八叫价〇1115)之間，但 並非限制於此範圍中，形成於介電層150中之桿160，顯示 其兩端被固定住，桿之中心被設計成垂直移動於孔洞120 上（見圖19A)。 仍然參考圖5,銅線30、4〇及5〇之頂部6〇據顯示被挖掘以 最小化沾黏，挖掘最好是藉由濕蝕刻，儘管其他方法也是 和，該凹洞之延伸，視最終預期之結構而定，在較佳具體 -14- 590983 實施例中’濕姓刻由-般常用之醋酸與過氧化氫弱酸溶液 所組成，銅最好被蝕刻至約800埃之深度。 圖6顯視圖5說明之微電機械元件之上下透視圖，桿16〇 懸於孔洞120上，據顯示具有複數個孔175，其將在製程說 明中詳細被說明（圖9至19)，這些孔對建構孔洞12〇時促進犧 牲材料之去除是有幫助的。 圖7顯不另一微電機械元件之截面圖示，其中僅開關之一 端被固定住，如圖5所示，銅線30、4〇及5〇被形成於介電層 20中，同時通道11〇被形成於介電層1〇〇中，桿16〇之一端不 接觸其他部分，允許其在孔洞12〇上自由地垂直動作。 圖8係對應圖7所說明微電機械元件之上下透視圖，再一 次地，可動桿16〇具有孔175。 圖5至6與圖7至8所說明用於建構微電機械元件之製程， 現在將被詳細地說明。 參考圖9，據顯示銅線3〇、4〇及5〇形成於介電層2〇中，其 中鋼線之上表面關於介電層2〇之上表面是平坦的。 其次’參考圖10，銅線之上表面6〇據顯示對介電層2〇之 上表面而言是凹陷的，金屬凹陷之一種方式係藉由濕蝕刻 ，其對達預期深度所需之時間，對該金屬是有效的，舉例 來說’在較佳具體實施例中，一種溶液，其由水、醋酸及 過氧化氫（分別是3公升、15毫升及9毫升），使用2.5分鐘可 達到600至8〇〇埃之深度。

現在參考圖11，一層阻障材料70被沈積以密封該銅，並 保護其不受隨後製程影響，較佳具體實施例在4〇〇埃之TaN -15- 590983

後，納入厚100埃之Ta層，交替地，阻障材料亦可由介電質 或任何數量之其他適當金屬阻障材料所製成。 圖12顯示將阻障層70由介電質8〇之上表面去除掉之結果 . ，此步驟最好藉由化學機械拋光（CMp)而完成，現在口有阻 ' 障材料75留在凹陷區，由於CMP製成可能會侵蝕介電質別 之某些部分，所以當操作者在開關關閉時欲保持一適當間 隙，必須小心操作以最小化對介電質之侵蝕，當完成^以？ 製成後，從上介電質80至阻障層75之距離將大約為2〇〇埃， 隹 此步驟可被固定以便形成電容開關最終之間隙。 另一密封導體之方法，是以定義該導體同樣之光罩，但 相反極性之光阻，對覆蓋之阻障層7〇製作圖樣，並尤其上 - 表面蝕刻該阻障層。 - 在較佳具體實施例之變化中，參考圖5至圖8任一附圖， 操作者可修改凹陷與/或沈積物，以達到一平坦或甚至升起 之金屬接觸，以製造一金屬_金屬接觸開關或一金屬·絕緣體

-金屬開關，在金屬接觸開關之情況中，操作者可將下電極 特別疋50 ,密封至實質上與介電質2〇同平面之程度，或 甚至稍微高出其表面之程度，在此組態中，當開關被關閉 ，在信號電極50與桿160之間，將建立起一質接金屬-金屬 接觸，類似地，下電極可被介電材料密封，最好是一種具 有高介電常數之材料，以便建構_金屬_絕、緣體·金屬開關' 此會產生類似於較佳空氣間隙開關之電容開關，而不會有 降低接觸面積之優點。 現在參照圖13 ,顯不添加另一介電層1⑽，其中通道係使 -16- (10) 用標準製程技術而製造，介電層100之厚度，決定餘下電極 與將被形成上方桿之間所需空間，在較佳具體實施例t， 介電質100大約厚1000埃，通道110是根據標準嵌入製程加 以製作圖樣、蝕刻並平坦化。 圖14顯示介電質1〇〇中蝕刻所而得孔洞12〇之形成，該孔 洞係使用傳統微影（photolithography)與反應式離子蝕刻 (RIE)需小心確保下電極9〇之原來結構有保存，亦即，確保 下電極表面80與凹陷金屬75間之關係不會改變，此關係在 建構微電機械元件之金屬-金屬或金屬-絕緣體-金屬開關時 並不嚴苛。 、 圖15說明使用一犧牲材料130如SiLK或DLC厚之結構， (注意：SiLK是由Dow Chemical公司製造之半導體介電質） ，此材料包含各種形式之產品，也以p〇r〇usSiLK著稱，其 為一種包含丁酸内酯（gamma-bUtyr〇lactone)、B階段聚合物 及二甲苯之聚合物樹脂，另一種較被偏好使用者，是前述 之DLC，一種類鑽石碳，為一種包含一塗料之非晶質碳， 其中碳原子之一部分以類似鑽時之方法鍵結，且以許多方 法組合成鑽石，其他能夠以類似方式揮發之有機材料將被 說明，當碳在高能轟擊下沈積時，會製造出類鑽石碳，瞬 間局部高溫與高壓，會誘導一部份碳原子鍵結成鑽石，這 種情況會發生於電漿輔助化學氣相沈積（PACVD)當中，此 沈積係以含碳氣體如乙炔完成，引入乙炔是為了提供高能 之碳原子，假若無會被氧化之材料，這些材料可藉由氧氣 電聚暴路’如果在有機材料被去除當中，將有可被氧化2 590983

材料被暴露，那麼可使用一種h2/c〇2/co/N2形式之電漿去 除’這種混合氣體對熟知反應離子蝕刻製程之技藝者，理 解為一種實行，此結構最終會被平坦化至與介電質1〇〇之上 表面同平面之程度。 在本發明之另依據體實施例中，如同圖1 6所示，整個介 電層100係由釋放材料100A，如SiLK所形成，此可省略形 成底部孔洞120(見圖14)之步驟，因為將如圖26與27所示真 空區將於稍候被定義，孔洞之邊緣係藉由釋放材料之橫向 去除而定義，此材料係藉由被暴露於氧氣或氫氣電漿中而 被釋放’其會分解该材料’在A. j〇shi與R.Nimmagadda所著 論文”在氧氣電漿中鑽石膜與石墨之腐蝕（Er〇si〇n 〇f diamond films and graphite in 〇xygen plasma)”可發現更多 細郎，此論文由Materials Research Society在1 996年出版於 Materials Research期刊之第6冊第7篇第1484頁。 圖17說明桿160所保存之水平，在此時，參考回溯圖5至8 可較有助於瞭解此結構，在桿之水平面上，再次沈積介電 材料150，金屬桿160最好在介電質15〇中製造，該桿可被固 定兩端，如圖5至6所示，或只固定一端，如圖7至8所示， 如同前文所述’該桿可具有孔175 ,其有助於促進隨後犧牲 材料之去除，該桿亦可如稍早參考圖丨丨至12所示被密封， 參考編號75，以便保護銅。 圖1 8說明微影與#刻步驟，姓刻掉桿周圍與通過桿、及 覆蓋孔洞之介電質’此將桿16 0之可動部分從上介電質1 5 〇 釋放，並提供釋放材料130之途徑。

成2明釋放材料130去除後之結構，此最好用氧電^ 以傳Γ破存在之有機材料，使其真空，此步驟之後，可 ^方法或替代地以介電f填滿釋放孔，執行整個元件 在封，如參考稍候圖22至Μ所說明者。

此說明書之完整元件，兩端固^住之感⑽， &顯不其中央向下彎曲，該附圖並非等比例，因此，為

i更清楚最終元件並瞭解其動作，將說明該元件各部分之 貫際尺寸，例如，定義該桿移動距離之孔洞，對於1〇〇〇〇 、予之感而δ，可旎僅有2〇〇至1 〇〇〇埃，如此，則桿之變形 相當微小。 圖20至23顯示可由圖17前插入之替代方法，其有助於 說明如何密封該微電機械元件，參考圖2〇，現在又增加 了另一介電層210,以在桿（見圖21)之上形成另一孔洞22〇 ’當姓刻該上孔洞220時，該介電質被由孔洞區及該桿周 圍去除。 接著，在圖22中，被蝕刻之區域如前所述被更多釋放材 料230，最好是SiLK或DLC所填滿，且被平坦化，現在在一 次使用置於下方之相同犧牲材料如此則釋放製程會去除所 有釋放材料層。 圖23說明又另一介電層240之加入，其中通道250被製作 圖樣並蝕刻，這些通道提供釋放材料被去除之途徑。 圖24說明如先前所述’釋放材料透過通道250被去除之元 件。 圖25顯示沈積另一介電質26〇之最終密封步驟，其填滿這 -19- 590983

些小通道250，亦密封該結構。 圖26與27說明完全用釋放材料i〇〇a製造孔洞/通道介電 層之替代方法，參考如圖1 6所示，圖26顯示以形成之感與 經圖樣製作與蝕刻之上孔洞區22〇，如先前參考圖2丨者。 其-人，圖27顯示使用電漿製程之釋放製程，釋放製程係 等向性的，如此則具有一橫向去除速率，該橫向速率決定 於所用之釋放材料，及藉以去除之製程，該釋放材料直接 於開放區下方及距離每一邊界某橫向距離25〇處被去除。 田本兔明與一車父佳具體實施例一併說明時，需瞭解按 照前述說明，對熟練該技藝者許多替代、修正及變化是 顯而易見的，因此，將視圖包含所有這種在附加申請$ 利範圍精神與範圍内之替代、修正及變化，本文中先前 &極或附圖中顯示之所有内容，僅為解釋說明之用，而 無限制之意。 圖式代表符號說明 1 可撓桿 2、2a、 導體 3 電極 4、80、260 介電質 5 介電材料 2〇、100、150、210、240 介電層 30、40、50 銅線 60 上表面 7〇、75 阻障材料 -20- 590983 (η)

90 下電極 110 通道 120 、 180 孔洞 130 犧牲材料 160 、 220 桿 175 200 空氣間隙 250 通道

-21-

Claims (1)

1. 590983 第091125027號專利申請案 鄭… 中文申請專利範圍替換本(93年4月） i年月a補充i… L-一^請專利範圍 1. 一種製造一種微電機械（MEM)開關之方法，其包含步驟 有： a) 沈積一第一介電層於一基板上，該第一介電層具有 形成於其中之導電連接線； b) 沈積一第二介電層，其中形成有通過之導電通道，

   該導電通道與該複數個導電連接線至少其中之一相接 觸； Ο形成一孔洞，其由該第二介電層挖開而成； d)以犧牲材料填滿該孔洞，並平坦化該犧牲材料；以 e) 沈積一第三介電層，並形成一導電桿，使該導電通 道接觸該導電桿。 2·如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含步驟有： f) 沈積一第四介電層，並製作一第二孔洞圖樣，其與 該第一孔洞相容；

   g) 以犧牲材料填滿該第二孔洞，並平坦化該犧牲材料； h) 沈積一第五層以覆蓋該第二孔洞； i) 於該犧牲材料上圖樣製作並蝕刻複數個孔；以及 j) 選擇性地去除該犧牲材料，使得該導電桿至少一端 可被固定住，並留下該導電桿剩餘部分被空氣環繞。 3·如申請專利範圍第2項之方法，其進一步包含步驟有添 加一第六介電層以密封該第二孔洞，以保護該導電桿裸 露之部分，並隔離該第五介電層中之釋放通道。 590983 年月S3 El % 修_止丨 方·丨 -i . A 士申明專利fe圍第3項之方法，其中該保護層係由丁a或 TaN所製成。 士申。月專利|已圍第工項之方法，其中該步驟e)係由選擇性 也從4第_ ;ι電層去除犧牲材料所取代，該選擇性去除 與該第一孔洞之形狀相符合。 士申:月專利範圍第i項之方法，其中該孔洞係藉由從大 致。亥V電杯處，選擇性地去除介電材料而形成。 7.如申請專利範圍第^之方法，其中該步驟e)被以下步驟 所取代

   ⑴-圖樣製作該第三介電層，以選擇性地從該第三 電層釋放該導電桿；以及 e2)去除在该第二介電層中之該犧牲材料。 如申μ專利範圍第i項之其中該導電連接線係由銅所: 成，且其中該導電連接線位於一介電質中。 如申請專利範圍第8> 士 、 、祀固弟8項之方法，其中所有或部分之該: 連接線被挖掘至一程度，足以在當該微電機械開關在 關閉狀態中，提供一電容空氣間隙。 10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該導電線相對該: —介電層之上表面’被挖掘以最小化沾黏效應。 11. 如申請專利範圍第丨〇 祀固弟…項之方法，其進一步包含封裝該丨 陷導電線之步驟。 12. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該導電桿之一或『 端可被固定住。 1 3」申明專利範圍第i項之方法，其中該微電機械開關_ 8. 9.

   申褚專利範ΐ續貢： ’該開關以各種組態 合至複數個金屬-介電質-金屬開關 排列。 如申請專利範圍第1項之 法，其中形成於該第一孔洞 中裸路區域之該導雷綠 , Λ，作用如致動電極，可拉低該導 電杯，亚提供_或多個電氣㈣㈣。 如申請專利範圍第1項之方 e 万去其中该第二介電層被沈 ，、厚度w亥厚度係由形成於該複數個導電連接線間

   〗隙大j所决定’ 4間隙作用如下電極與該導電桿。 一種微f機械（MEM)開關，其包含： 埋入於沈積於基板上第—介電層中之導線，該導線相 對於該低介電層之上表面較凹陷； 一第一孔洞，其位於一第二介電層上； 導電柃’其位於該第一孔洞上，且藉由第三介電層 固定在至少該導電桿之一端； 一第二孔洞，其由加在該第三介電層上之第四介電層 挖開而得，該第二孔洞具有與第一孔洞周圍相配合之; 圍；

   一第五介電層，其被加諸該第四層上，以提供保護於 該導電桿。 、 如申請專利範圍第16項之微電機械開關，其中該導電桿 固定於其一端或兩端。