專利名稱：用于mems開關(guān)的梁的制作方法
背景本發(fā)明一般涉及微機(jī)電系統(tǒng)(micro-mechanical system)技術(shù)。
在微機(jī)電系統(tǒng)中，可以使用在納米量級(jí)尺寸的集成電路技術(shù)來制造機(jī)械和電部件。多種器件可以被制成，包括開關(guān)。這樣的開關(guān)在大小上可以處于微米級(jí)。
常規(guī)射頻微機(jī)電開關(guān)的可移動(dòng)開關(guān)元件一般由鍍上的金或鎳形成。但是，電鍍的厚金屬受高應(yīng)力梯度的困擾。對(duì)于梁大小～100um的高電壓開關(guān)(～40V)來說，鍍上的金或鎳中的應(yīng)力梯度可能不是顯著的問題(在100um梁之上～0.3um的彎曲)。但是，在用于超低驅(qū)動(dòng)電壓(例如，在3V級(jí)別上)的長(zhǎng)開關(guān)梁(所述長(zhǎng)開關(guān)梁需要350um的開關(guān)長(zhǎng)度)的情況下，這種應(yīng)力梯度彎曲要嚴(yán)重得多(例如，在350um長(zhǎng)梁之上3um的彎曲)。長(zhǎng)開關(guān)梁的彎曲導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電極和開關(guān)梁之間大得多的氣隙，所述大得多的氣隙使得3V靜電驅(qū)動(dòng)不可實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，鍍上的金或鎳的這種應(yīng)力梯度還具有可移動(dòng)開關(guān)元件的顯著非一致的向上彎曲，所述顯著不一致的向上彎曲導(dǎo)致不一致的器件特性。
因此，需要制備用于射頻應(yīng)用的微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的更好方式。
附圖簡(jiǎn)要說明

圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的放大剖面視圖；圖2是在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的加工過程的早期階段的放大剖面視圖；圖3是在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的加工過程的后續(xù)階段的放大剖面視圖；圖4是在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的加工過程的后續(xù)階段的放大剖面視圖；圖5是在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的加工過程的后續(xù)階段的放大剖面視圖；圖6是在加工過程的后續(xù)階段，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的放大剖面視圖；圖7是在加工過程的后續(xù)階段，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的放大剖面視圖；圖8是在加工過程的后續(xù)階段，一個(gè)實(shí)施方案的放大剖面視圖；圖9是在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的加工過程的后續(xù)階段的放大剖面視圖；圖10是在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的加工過程的后續(xù)階段的放大剖面視圖；圖11是在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的加工過程的后續(xù)階段的放大剖面視圖；圖12是在加工過程的后續(xù)階段，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的放大剖面視圖；圖13是在加工過程的后續(xù)階段，一個(gè)實(shí)施方案的放大剖面視圖；圖14是在加工過程的后續(xù)階段，一個(gè)實(shí)施方案的放大剖面視圖；圖15是在加工過程的后續(xù)階段，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的放大剖面視圖16是在加工過程的后續(xù)階段，一個(gè)實(shí)施方案的放大剖面視圖；圖17是在加工過程的后續(xù)階段，一個(gè)實(shí)施方案的放大剖面視圖；圖18是處于打開或未驅(qū)動(dòng)位置的、根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的已完成的開關(guān)的放大剖面視圖；以及圖19是在圖18中示出的實(shí)施方案的放大頂部俯視圖。
詳細(xì)描述參照?qǐng)D1，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)60可以被形成在半導(dǎo)體襯底10上。在一個(gè)實(shí)施方案中，襯底10可以是高電阻率硅材料。懸臂梁26被安裝在襯底10之上。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，懸臂梁26由低應(yīng)力梯度多晶硅形成。低應(yīng)力梯度多晶硅在它被釋放之后，基本上不彎曲(例如，在350um長(zhǎng)梁之上少于25nm的彎曲)。因此，在多晶硅梁被釋放之后，梁與驅(qū)動(dòng)電極之間的氣隙可以被保持為非常小。在圖1中，梁26被示出處于開關(guān)閉合的位置(closed position)，其中梁26接觸固定的底部電極部分32。開關(guān)60閉合間隔開的底部電極部分32之間的電連接。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在襯底12之上的可以是被氮化物保護(hù)層16覆蓋的氧化物島12。在一些實(shí)施方案中，氮化物保護(hù)層16可以隨后被底部電極18覆蓋。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，底部驅(qū)動(dòng)電極18可以由多晶硅形成。梁26的底部表面可以包括一對(duì)阻擋凸起(stopper bump)42，所述阻擋凸起42接合底部電極18b中的開口44。
安裝在頂部電極26的端部分36上的是金屬接觸體38(例如，Au)。在閉合的位置中，鍍層38接合底部接觸金屬部分32。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)金屬部分32均可以被安置在附著層30(例如，Mo或Cr)之上。
用于制備開關(guān)60的一個(gè)示例性工藝在圖2到17中被示出。在圖2中，高電阻率硅晶片10可以用隔離氧化物層覆蓋。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，隔離氧化物可以被圖形化，以形成開口14并且生成一系列氧化物島12。島12可以降低到硅襯底的寄生電容。島12可以被免去，例如，在寄生電容不是問題時(shí)。
如在圖3中示出的，島12可以用保護(hù)氮化物層16覆蓋。層16在釋放蝕刻期間保護(hù)下面的氧化物島12，在所述釋放蝕刻中，通過將晶片10浸入氫氟酸溶液中來使梁26自由。
參照?qǐng)D4，氮化物保護(hù)層16在一些位置54被去除，并且在其他位置56被保留。在最終的犧牲氧化物蝕刻之后，剩余區(qū)域中的氮化物保護(hù)層16被蝕刻掉，使得在硅表面的關(guān)鍵區(qū)(在梁26之下，以及接觸電極32之間的空間)中將不會(huì)存在電介質(zhì)。在一些實(shí)施方案中，電介質(zhì)的去除可以改善高電阻率硅晶片10上的傳輸線的射頻性能。
接著轉(zhuǎn)向圖5，底部驅(qū)動(dòng)電極18可以被沉積并且被圖形化。底部電極18僅被形成在氮化物保護(hù)層16之上。在一些情況下，通過層18的接觸孔48在間隔開的位置被提供。在一個(gè)實(shí)施方案中，層18可以是厚度約為1000埃的多晶硅底部電極。
轉(zhuǎn)移到圖6，第一釋放層20可以由沉積的氧化物形成。在一個(gè)實(shí)施方案中，層20的厚度可以處于0.5微米的級(jí)別。盡管氧化物層20被圖示，但是其他犧牲材料可以被用來在梁26的制造期間臨時(shí)支撐它。
參照?qǐng)D7，用于形成阻擋凸起42(圖1)的模區(qū)(mold region)22通過短暫的、定時(shí)的氧化物蝕刻被蝕刻。在圖8中圖示的另一氧化物蝕刻形成開口24，以接收將錨定(anchor)懸臂梁26的材料。如在圖9中示出的，低應(yīng)力梯度多晶硅可以隨后被沉積，以形成梁26?？梢栽诙嗑Ч柚线M(jìn)行一些摻雜物注入，以獲得期望的傳導(dǎo)率和應(yīng)力調(diào)整。
如在圖10中示出的，蓋覆氧化物28可以被形成在低應(yīng)力多晶硅之上。在一些實(shí)施方案中，多層犧牲氧化物、低應(yīng)力梯度多晶硅和蓋覆氧化物28可以被退火，以控制多晶硅梁26的應(yīng)力和應(yīng)力梯度。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，梁26的厚度可以是2微米。如在圖11中示出的，蓋覆氧化物28可以隨后被去除。
如在圖12中示出的，由層32和30組成的底部電極可以被沉積并且被圖形化。在一個(gè)實(shí)施方案中，較上的層32可以是Au，并且較低的層30可以是Cr或Mo。層30、32兩者都是在主結(jié)構(gòu)層之后被沉積。接觸金屬層32和附著層30有利地抵擋釋放工藝，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，所述釋放工藝使用氫氟酸。
接著，如在圖13中示出的，第二釋放層34可以通過犧牲銅沉積而被形成。層34的厚度可以是約0.35微米，所述厚度小于氧化物20的厚度。如在圖14中示出的，層34可以隨后被蝕刻。如在圖15中示出的，開口可以在層34中被向下蝕刻到梁26，并且第一釋放層20可以被沉積并且被圖形化。附著金屬36(例如，Mo)適于抵擋釋放工藝。
如在圖16中示出的，在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬接觸體38由厚(例如，4～6um)但是短(例如，在橫向尺寸中小于30um)的鍍上的Au形成(在圖中沒有按比例)。一旦開關(guān)被閉合，鍍上的接觸體38被用來給射頻(RF)信號(hào)提供良好的電傳導(dǎo)。因?yàn)榻佑|體38僅充當(dāng)用于RF信號(hào)的電傳導(dǎo)片(patch)，所以相比主開關(guān)梁26，它可以具有小的橫向尺寸。因此，非常短的接觸體38可以不會(huì)有來自它的應(yīng)力梯度的嚴(yán)重的彎曲(例如，30um中小于25nm)。接觸體38可以是T形，其中一個(gè)臂在梁26之上的金屬36上，底部(base)在第二釋放層34上并且另一個(gè)臂在釋放層34上。如在圖17中示出的，層34隨后被選擇性地蝕刻掉。
最終，如在圖18中示出的，犧牲層20(圖17)(例如，氧化物)在氫氟酸中被蝕刻掉，以釋放可移動(dòng)的多晶硅梁26。隨后，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在結(jié)構(gòu)之間的空區(qū)40中可以不存在電介質(zhì)層。結(jié)果，在這樣的實(shí)施方案中，可以獲得較好的射頻性能。
參照?qǐng)D19，梁26包括錨定部分48，所述錨定部分48通過肋部份(rib)46耦合到接觸部分26。接觸體38可以被相對(duì)集中地形成在梁26的部分50之上。一對(duì)梯形的底部電極部分32a和32b被對(duì)準(zhǔn)在接觸體38之下。在一個(gè)實(shí)施方案中，部分32a提供射頻輸入信號(hào)，并且部分32b在開關(guān)60閉合時(shí)提供輸出信號(hào)。
通過在低應(yīng)力梯度多晶硅梁26和多晶硅底部電極18之間施加電壓使開關(guān)60閉合。由于在這種工藝中使用低應(yīng)力梯度多晶硅，梁26和電極18之間的氣隙可以保持非常小(例如，小于0.6um)。因此，在一些實(shí)施方案中，超低驅(qū)動(dòng)電壓開關(guān)可以被實(shí)現(xiàn)。當(dāng)多晶硅梁26被驅(qū)動(dòng)向下時(shí)，接觸體38與底部電極部分32接觸，因?yàn)殡姌O18和梁26之間的剩余間隙可以由犧牲膜厚度沉積精確地控制。
當(dāng)進(jìn)一步的電壓被施加時(shí)，允許多晶硅梁26下陷(collapse)，以具有更高的接觸力。但是，如在圖1中示出的，接觸體38和梁26可以仍然與底部電極18分離開。這種分離是由于多晶硅阻擋件(stopper)42的提供而產(chǎn)生，所述多晶硅阻擋件42接觸氮化物保護(hù)層16，而不接觸底部電極18，因?yàn)槟^(qū)22大于阻擋件42。
在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，金被用作接觸體組分和用于低損耗射頻信號(hào)傳輸?shù)膶?dǎo)體。這些金結(jié)構(gòu)可以在多晶硅結(jié)構(gòu)的制造之后被沉積，所述多晶硅結(jié)構(gòu)的制造可以完全在潔凈室中進(jìn)行。由二氧化硅組成的隔離通道可以被氮化硅保護(hù)層16包住。氮化硅保護(hù)層16可以在釋放蝕刻期間保護(hù)下面的氧化物12，在所述釋放蝕刻中通過將晶片浸入氫氟酸中使梁26自由。
在一些實(shí)施方案中，相對(duì)小的氣隙40可以被實(shí)現(xiàn)，以用于超低電壓開關(guān)制造而無需承受嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)彎曲。在制造中，低應(yīng)力梯度多晶硅膜的使用更加一致并且更加容易控制。在惡劣的環(huán)境中，所述材料還可以具有較好的機(jī)械可靠性。
在一些實(shí)施方案中，精確的膜厚度沉積可以產(chǎn)生有效的接觸體高度，提供比直接蝕刻更好的接觸體高度控制和一致性。局部化的保護(hù)性氮化物保護(hù)層可以在仍然實(shí)現(xiàn)良好射頻傳輸?shù)耐瑫r(shí)，允許氧化物釋放蝕刻，而不會(huì)在關(guān)鍵區(qū)域留下電介質(zhì)。梁26和底部電極18之間的電介質(zhì)可以變?yōu)閹щ姷?，并且在一些情況下，這樣的充電可能對(duì)開關(guān)60的操作有不利的影響。在一些實(shí)施方案中，多晶硅阻擋件可以被集成到工藝中，以允許開關(guān)60下陷來獲得更高的接觸力而不使用電介質(zhì)。
盡管已經(jīng)關(guān)于有限數(shù)量的實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域中的那些技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到來自其的許多修改和變體。所附的權(quán)利要求書打算覆蓋所有落入本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍內(nèi)的這樣的修改和變體。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括形成具有懸臂梁的微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，所述懸臂梁包括附接到金屬接觸體的低應(yīng)力梯度多晶硅部分。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，包括形成包括底部電極的所述開關(guān)，所述底部電極施加吸引力到所述梁，以閉合所述開關(guān)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，包括使所述底部電極和所述梁之間的區(qū)保持無電介質(zhì)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，包括在襯底上安裝所述梁，在所述襯底上提供一對(duì)間隔開的襯底接觸體，并且將所述金屬接觸體布置在所述襯底接觸體之上，使得在所述開關(guān)閉合時(shí)，在所述襯底接觸體之間產(chǎn)生電連接。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，包括在所述懸臂梁上的所述金屬接觸體和所述襯底接觸體之間形成間隙，所述間隙大于在所述懸臂梁的所述多晶硅部分和所述底部電極之間的間隙。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，包括在所述襯底之上形成釋放層，以及在所述釋放層之上形成所述多晶硅部分。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，包括在釋放所述釋放層之前，將所述金屬接觸體固定到所述多晶硅部分。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，包括在將所述金屬接觸體固定到所述多晶硅部分之后，釋放所述釋放層。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，包括在襯底上形成所述懸臂梁，在所述襯底上形成氧化物島，以及用氮化物保護(hù)層覆蓋所述氧化物島，在所述氮化物保護(hù)層之上形成釋放層，以及使用蝕刻溶液來去除所述釋放層。
10.一種靜電驅(qū)動(dòng)微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，包括襯底；安裝在所述襯底上的懸臂梁，所述梁由低應(yīng)力梯度多晶硅和金屬接觸體的組合來形成；在所述襯底之上形成的底部電極，以朝著所述襯底的方向吸引所述梁。
11.如權(quán)利要求10所述的開關(guān)，包括在所述襯底上形成的一對(duì)接觸體，所述接觸體被間隔開，以便在所述懸臂梁被向下拉向所述襯底時(shí)，在所述襯底接觸體之間電路被完成。
12.如權(quán)利要求11所述的開關(guān)，其中所述懸臂梁金屬接觸體包括分支部分，所述分支部分接觸所述襯底上的所述一對(duì)接觸體。
13.如權(quán)利要求11所述的開關(guān)，包括氧化物島和所述島之上的氮化物保護(hù)層，所述襯底接觸體安裝在所述氧化物島之上，且所述襯底接觸體在所述氮化物保護(hù)層上。
14.如權(quán)利要求11所述的開關(guān)，其中當(dāng)所述梁上的所述金屬接觸體接觸所述襯底上的所述一對(duì)接觸體時(shí)，所述梁被隔離在所述底部電極之上。
15.如權(quán)利要求11所述的開關(guān)，其中所述金屬接觸體和所述襯底接觸體被形成為具有由相同材料形成的接觸表面。
16.如權(quán)利要求10所述的開關(guān)，其中在所述底部電極和所述懸臂梁之間的區(qū)無電介質(zhì)。
17.如權(quán)利要求10所述的開關(guān)，包括在所述襯底之上形成的氧化物，所述氧化物被氮化物保護(hù)層覆蓋。
18.如權(quán)利要求10所述的開關(guān)，其中至少一個(gè)孔口被形成在所述底部電極中，所述懸臂梁包括阻擋件，所述阻擋件延伸通過所述底部電極中的所述孔口。
19.如權(quán)利要求10所述的開關(guān)，包括氧化物島和所述島之上的氮化物保護(hù)層，所述懸臂梁安裝在所述氧化物島之上，且所述懸臂梁在所述氮化物保護(hù)層上。
20.一種方法，包括在襯底之上形成第一釋放層；在所述釋放層之上沉積低應(yīng)力多晶硅；去除所述低應(yīng)力梯度多晶硅的一部分；用第二釋放層覆蓋所述低應(yīng)力多晶硅；形成開口，所述開口通過所述第二釋放層到達(dá)所述低應(yīng)力梯度多晶硅并且到達(dá)所述第一釋放層；在所述孔口中沉積金屬接觸體。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，包括由絕緣體形成所述第一釋放層，以及由金屬形成所述第二釋放層。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，包括在形成所述第一釋放層之前，形成底部電極。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，包括在所述底部電極中形成至少一個(gè)開口，以及在所述低應(yīng)力多晶硅上形成至少一個(gè)突起，所述突起延伸到所述底部開口中而不接觸所述底部電極。
24.如權(quán)利要求20所述的方法，包括在所述襯底上形成彼此間隔開的一對(duì)接觸體。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，包括將所述金屬接觸體對(duì)準(zhǔn)在所述襯底上形成的所述一對(duì)接觸體之上。
26.如權(quán)利要求20所述的方法，包括形成將所述多晶硅和所述金屬接觸體用作懸臂梁的微機(jī)電開關(guān)。
27.如權(quán)利要求20所述的方法，包括在所述第一釋放層之下形成底部電極，以及形成包括充當(dāng)懸臂梁的所述多晶硅和所述金屬接觸體的微機(jī)電開關(guān)，以及在所述底部電極和所述懸臂梁之間的區(qū)中消除任何電介質(zhì)。
28.如權(quán)利要求20所述的方法，包括形成比所述第一釋放層薄的所述第二釋放層。
29.如權(quán)利要求20所述的方法，包括在所述襯底上形成氧化物島，并且在形成所述第一釋放層之前，用氮化物保護(hù)層覆蓋所述氧化物島。
30.如權(quán)利要求20所述的方法，包括形成T形的金屬接觸體，其中所述接觸體的底部延伸到所述第一釋放層，所述接觸體的一個(gè)臂被安裝在所述多晶硅的頂上，并且所述接觸體的另一個(gè)臂被安裝在所述第二釋放層的頂上。
31.如權(quán)利要求20所述的方法，包括在釋放所述第一釋放層之前，釋放所述第二釋放層。
全文摘要
懸臂梁式射頻微機(jī)電開關(guān)可以由具有金屬接觸體的低應(yīng)力梯度多晶硅形成。在一些實(shí)施方案中，所述梁和所述襯底之間的區(qū)域可以是無電介質(zhì)的。在一些情況下，氧化物層可以由氮化物保護(hù)層來保護(hù)。
文檔編號(hào)H01H1/00GK1950290SQ200580014246
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月7日
發(fā)明者T－K·周, 約翰·赫克 申請(qǐng)人:英特爾公司