CN100424804C - 用于微机电开关的贵金属接触 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种具有贵金属接触的半导体微机电系统(MEMS)开关，贵金属接触用作铜电极的氧阻挡层。该MEMS开关完全集成在CMOS半导体制造线中。该集成技术、材料和工艺与铜芯片金属化工艺完全兼容以及典型地是低成本和低温工艺(低于400℃)。该MEMS开关包括：空腔内的可移动梁，所述可移动梁在其一端或两端固定到所述空腔的壁；嵌入所述可移动梁的第一电极；以及在所述空腔的壁中并面对所述第一电极的第二电极，其中所述第一和第二电极分别被贵金属接触覆盖。

Description

用于微机电开关的贵金属接触
技术领域
无线收发机的前端小型化提供许多优点，包括成本，较小数目的元件使用和允许集成更多功能的附加功能性。微机电系统(MEMS)是能够进行小型化的技术并提供在一个芯片上集成多个无线收发机元件的潜能，如SPIE 27th Annual International Symposium on Microtithography，March3-8，2002，Santa Clara，CA，D.E.Seeger等人的名称为″FabricationChallenges for Next Generation Devices：MEMS for RF WirelessCommunications″的论文所述。
背景技术
微机电系统(MEMS)开关是使用静电致动(actuation)使可移动梁(beam)或膜产生移动的收发机无源器件，可移动梁或膜提供欧姆接触(即，允许RF信号通过)或电容量变化，由此信号流被中断和典型地被接地。
用于MEMS开关的竞争技术包括p-i-n二极管和GaAs FET开关。这些典型地具有高功率损耗率。
M EMS application″Solid-State Sensor and Actuator Workshop.246-249，(2000)。如J.MEMS，6，3-9，(1997)，P.M.Zavracky等人的论文″Micromechanical  switches  fabricated using nickel surfacemicromachining″和Int.J.RF Microwave Comp.Aid.Eng.，9，338-347，(1999)的″Microswitches and microrelays with a view toward microwaveapplications″中描述了由于接触电阻增加和接触卡合(seizure)而报道的热切换时的开关故障。其中报道了增加的接触电阻和接触卡合，两者都可能与材料传递和电弧/焊接有关。在N2中在二十亿个周期的冷切换之后观察到Au-Au接触电阻增加到大于100Ω的值(没有电流流过开关)，而在空气中在几百万个周期之后通过热切换的样品观察到接触卡合，如前述的第一论文中所述。
如果开关在气密的环境中封装，与暴露于外界条件相比导致开关故障的杂质积累较少。当形成杂质膜的概率减小时，由于金属-金属接触处的粘附力，接触电阻和/或接触卡合都增加。接触电阻的增加很可能与由表面粗糙化引起的物质传递有关且导致接触面积减小。在后一种情况中，由于在界面处的金属-金属键合形成(焊接)，两个金属表面被牢固地粘结。在此描述的发明是具有长寿命和具有稳定和低接触电阻的金属-金属开关的制造方法。
由此，用于减小粘附力同时获得适当的接触电阻的主要推力是：
1)接触的每一侧上的不同冶金(metallurgy)
-晶格失配减小粘附力，以及
2)接触中金属的最佳硬度
-较硬金属预计给定较低的粘附力。
接触冶金不仅选自Au、Pt、Pd，如美国专利号5,578,976，而且以它可以与铜和绝缘体结构集成的方式选自Ni、Co、Ru、Rh、Ir、Re、Os及其合金。硬接触金属具有较低的接触粘附力。而且，通过合金化可以改变金属的硬度。Au具有低的反应性，但是软和可以产生强烈地粘结的接触。例如，为了避免该问题，金可以被合金化。添加约0.5％的Co到Au，使金硬度从约0.8GPa增加到约2.1GPa。而且，在本发明中使用硬金属如钌和铑作为开关接触。具有增加熔点的双层，如涂有钌的铑，用于防止在接触处局部高温处的电弧过程中的接触故障。
发明内容
本发明提供了一种微机电系统开关，包括：空腔内的可移动梁，所述可移动梁固定到所述空腔的壁；嵌入所述可移动梁的第一电极；以及面对所述第一电极的第二电极，其中所述第一和第二电极被贵金属接触覆盖，以及其中所述第二电极是嵌入介质中的导电致动电极；所述第一电极是嵌入介质中的导电信号电极，所述介质集成到所述可移动梁；以及其中所述贵金属接触包括抬升的金属接触和凹陷的金属接触，所述抬升的金属接触覆盖所述导电信号电极和所述凹陷的金属接触覆盖所述致动电极。
附图说明
引入并构成说明书一部分的附图，与上面给出的概述和下面给出的优选实施例的详细描述一起说明本发明的优选实施例，用来解释发明的原理。
图1a-1f是本发明的第一实施例的截面的示意图，说明通过覆盖贵金属淀积和化学机械平面化制造的抬升贵金属接触的形成的工艺步骤。
图2a-2f是本发明的第二实施例的截面的示意图，说明通过贵金属接触的选择性电镀制造的抬升电极的形成的工艺步骤。
图3a-3e是MEMs开关的截面的示意图，说明本发明的第三实施例，使用镶嵌工艺，用贵金属填充第一金属级的电极。
图4a-4d是MEMs开关的截面的示意图，说明用电镀的覆盖铜金属填充第一金属级电极和在TaN/Ta阻挡膜处停止平面化的工艺步骤。
图5a-5f是MEMs的截面的示意图，示出了开关的上接触的形成。
图6a-6e是MEMs的截面的示意图，表示通过光致抗蚀剂掩模使用电镀产生上开关接触的工艺顺序。
图7a-7f是MEMs的截面的示意图，表示上开关接触形成之后完成器件的工艺顺序。
具体实施方式
现在将参考图1和2描述本发明，首先论述下开关接触的集成和制造。
淀积接触材料使用两种不同的方法：覆盖淀积方法和选择性淀积方法。在一个实施例中，通过覆盖贵金属淀积和化学机械平面化形成抬升贵金属接触。首先，在二氧化硅中嵌入铜镶嵌级。用通常500-1000
Figure C20048001923300061
厚度的氮化硅层(10)覆盖铜电极(11，12，13和14)。在其上淀积优选具有1000-2000
Figure C20048001923300062
厚度的氧化硅层(20)，如图1a所示。刻蚀，优选通过光刻和RIE(反应离子刻蚀)在氧化物(20)和氮化物层(10)中形成露出铜(12)的接触图形(15)，如图1b所示。接下来，通过PVD(物理汽相淀积)或CVD(化学气相淀积)淀积薄阻挡层，如Ta、TaN、W或双层，如Ta/TaN，典型地50-700
Figure C20048001923300063
厚度(30，图1c)。通过PVD、CVD或电镀淀积覆盖贵金属(40，图1c)。通过在阻挡金属Ta、TaN、W处停止的化学机械平面化工艺(CMF)加工成形贵金属(30，图1d)。可选地，如果贵金属CMP对于阻挡层金属不具有选择性，那么抛光工艺可以在介质层20上停止，介质层20上不被集成到完成的器件。可以通过化学-机械平面化(CMP)加工成形的贵金属包括Ru、Rh、Ir、Pt和Re。接下来，如果需要，通过在二氧化硅上停止的CM P，在场区域中除去阻挡金属(30)，如图1e所示。通过在氮化硅(10)上停止的反应离子刻蚀除去氧化硅(20)，以得到抬升贵金属下电极(50，图1f)。
在另一实施例中，通过选择性电镀贵金属接触形成抬升电极。在Volant等人的美国专利号6,368,484中论述了在阻挡层存在的情况下的选择性电解电镀，更具体地说，在镶嵌部件中选择性电淀积铜。在本实施例中，通过掩模通过选择性电淀积形成抬升贵金属接触。
图2a示出了通过镶嵌级在形成抬升贵金属接触的顶部开始的工艺，镶嵌级包括在结构的中间示出的下致动电极(11，13)和下射频(RF)信号电极(12)。所有下电极被氮化硅(10)和二氧化硅(20)覆盖。现在参考图2b，通过RIE构图和刻蚀二氧化硅(20)，留下露出的中间电极(12)的铜。然后通过PVD或CVD方法淀积一组难熔金属阻挡层如Ta、TaN、W(30)和籽晶层。然后通过CMP或离子研磨在场区域中除去薄籽晶层(35)，如图2d所示。典型地，在CMP之后，需要后续的短化学刻蚀步骤，以保证在场区域中的TaN/Ta(30)顶部不存在非常薄的金属层和/或金属岛。具有Ta/TaN的阻挡膜用于使电流通过和接着在包含贵金属如Au、AuNi、AuCo、Pd、PdNi、PdCo、Ru、Rh、Os、Pt、PtTi、Ir(45)的籽晶层(35)的凹陷中选择性电淀积。选择性电淀积在难熔的Ta或TaN(30)上不成核，但是将在贵金属籽晶层(35)上成核，如图2e所示。接下来，在贵金属接触存在的情况下，通过CMP除去Ta/TaN(30)阻挡层。通过刻蚀(RGB)氧化硅层(20)下至氮化硅(图2f)形成抬升接触(50)。
制造下接触电极有两种附加的可选方法。这些方法提供在所有下电极即，下致动电极和下信号电极上直接形成贵金属接触的优点。这些方法提供的明显优点是消除下致动电极(11，13)顶部的氮化硅覆层，产生移动MEMS开关梁需要的下静电致动电压。另一个优点是简单和更少数目的工艺步骤，具体，增加总制造成本的光刻步骤。
返回参考图2，根据另一实施例，使用镶嵌工艺，用贵金属填充第一金属级(11，12，13和14)的电极。图3示出了从Si晶片(1)开始的工艺顺序，增加氧化硅层(2)，构图氧化硅层(2)，以形成下致动电极(3，5)和信号电极(4)，通过CVD或PVD方法淀积阻挡层，如TaN/Ta(6)，通过CVD或PVD淀积贵金属籽晶层(7)，以及通过PVD、CVD最终覆盖淀积或电镀贵金属(8)，以填充镶嵌结构(3，4，5)，通过CMP平面化贵金属(8)，以露出阻挡膜(7)，以及最终通过CMP从场区域除去阻挡膜(7)，产生由贵金属填充的下开关电极(11，12，13，14)。
根据图4a所示的另一实施例，第一金属级电极(11，12，13和14)用电镀的覆盖铜金属填充并将其平面化，在阻挡膜TaN/Ta(7)处停止。如图4b所示，在存在阻挡层TaN/Ta(7)的情况下通过化学刻蚀使铜凹陷。然后该层用于在凹陷的铜电极(11，12，13，14)顶部有选择地电淀积贵金属接触(21，22，23，24)。实现该贵金属接触制造方案有几个需求。例如，要求铜顶部的贵金属不仅用于铜的扩散阻挡层，而且最重要的是用于铜的氧阻挡层，因为MEMS开关制造过程中的后续工艺步骤利用氧等离子体除去牺牲材料。例如，铂不可能是用于铜的氧阻挡层，如IBM J.Res.Dev.43.No.3，May 1999.pp.367-380出版的，D.E.Kotecki等人的名称为″(Ba，Sr)TiO3 dielectrics for future stacked-capacitor DRAM″所述。因此，它不能单独用作铜顶部的接触材料。结合不止一种贵金属，如铑/钌或钌/铂的双层对于抑制铜扩散、氧化和开关接触故障更可能是有效的。
上开关接触的集成和制造
图5描述了上接触的形成。现在参考图5a，在下开关接触形成之后，淀积牺牲材料的有机覆盖层。接着通过薄氮化硅层(70)和通过二氧化硅(80)淀积有机材料(60)，如SiLK或金刚石状碳(DLC)。可选地，使用薄难熔金属(90)增加用于后续处理的贵金属的粘附力和用于反应离子刻蚀的附加硬掩模。通过PVD、CVD或IMP(电离金属物理汽相淀积)淀积金属硬掩模。尽管TaN优于其他硬掩模材料，因为它增加与二氧化硅(80)的粘附力，但是可以使用诸如Ta、TaN或W的难熔金属。图5b示出了通过光刻形成的平坦凹陷(100)，和通过湿法刻蚀或RIE构图和刻蚀的难熔金属(即，硬掩模)(90)。通过等离子体工艺在牺牲有机层(60)中形成凹陷(100)。可以调整凹陷工艺，以便以它在上和下接触之间产生最佳接触的方式形成上接触。产生图5b所示的上接触的一种方法是当在凹陷过程中刻蚀有机层时通过产生平坦表面和避免粗糙。上接触的面积设计为当它与下接触接触时，它落入下接触的接触面积内。为了改善与较粗糙表面的接触，形成小面积接触，如图5c和5d所示。通过用至少一个RIE步骤首先刻蚀金属硬掩模层90以及介质层80和70使有机层凹陷。在RIE微开槽过程中，常常发生和导致部件边缘的局部不均匀刻蚀。在本申请中，使用微开槽的形成，在部件边缘提供突出到有机层中的尖端。对于相同的外力，产生小的接触面积点更易于产生增加的接触压力。
在形成凹陷(100)之后，使用诸如PVD、CVD或电镀和CMP的非选择性淀积技术用覆盖贵金属层(110)填充部件，如图5e所示。用于上接触选择的金属不必与下接触的贵金属相同，但是它选自相同的材料组，例如，Au、AuNi、AuCo、Pd、PdNi、PdCo、Ru、Rh、Re、Os、Pt、PtTi、Ir及其合金。覆盖贵金属层典型地通过化学机械平面化形成，以产生上接触(110)，但是可以被有选择地电镀，以使贵金属CMP过程中的金属超负荷效果最小化。选择性的电镀工艺要求具有在凹陷内和在硬掩模(80)顶部的场区域中淀积的薄籽晶层(101)。然后通过CMP或离子研磨从硬掩模区除去具有100至1000
Figure C20048001923300091
厚度范围的籽晶层(101)。钌、铑和铱优选通过掩模选择性电镀形成籽晶层，因为已有为这三种贵金属研发的CMP工艺。贵金属或合金的选择性电镀仅仅在凹陷(90)内和在籽晶层(101)顶部发生。图5f示出了选择性电镀之后的上接触(110)。
用于产生上开关接触的最后实施例使用通过光致抗蚀剂掩模的电镀。图6a至6e描述了该工艺顺序。类似于图5描述的工艺，在下开关接触形成之后，淀积牺牲材料的有机覆盖层。淀积有机材料(60)如SiLK或金刚石状碳(DLC)。接着，淀积薄氮化硅层(70)。构图和刻蚀氮化物层(70)，在有机牺牲层(60)中产生凹陷(90)。在贵金属电淀积过程中，在氮化硅层(70)的顶部淀积覆盖贵金属薄籽晶层(71)，用于通过电流。在贵金属籽晶层(71)的顶部施加光致抗蚀剂掩模(72)，如图6a所示。然后通过有选择地电镀形成上接触(110)，其中光致抗蚀剂掩模露出薄贵金属籽晶层，如图6c所示。然后剥离光致抗蚀剂掩模(72)(图6c)以及通过离子研磨或化学刻蚀除去剩下的贵金属籽晶层(71)(图6d)。
然后有机层(60)和介质层(70，80)被构图，以及用附加的介质(200)回填和用CMP平面化，如图7a所示。接下来，在介质层(220，240和200)中形成双镶嵌铜级，以及用氮化硅(260)覆盖，如图7b所示。然后构图和RIE该平面结构，以开口介质叠层(70，80，220，240和260)，露出有机层(60)。然后用氮化硅(320)淀积覆盖附加的有机材料300和通过RIE构图，以产生图7C所示的截面。然后淀积和平面化回填介质(400)，以及在平坦表面上淀积附加的介质(420)，如图7d所示。现在，在介质层(420)中形成通路过孔，露出有机层(300)，以便于器件释放。然后该样品被暴露于除去有机层(300，60)的氧气灰。然后通过淀积夹断(pinch-off)层(500)密封该器件和使用最后系列的光刻和RIE形成用于引线键合或焊球芯片形成的接触(600)。为了确保增加的可靠性超过延伸的开关操作，优选在具有He、N2、Kr、Ne或Ar气体的不活泼环境中完全密封该开关。

Claims (9)

1. 一种微机电系统开关，包括：
空腔内的可移动梁，所述可移动梁固定到所述空腔的壁；
嵌入所述可移动梁的第一电极；
以及面对所述第一电极的第二电极，其中所述第一和第二电极被贵金属接触覆盖，以及其中所述第二电极是嵌入介质中的导电致动电极；所述第一电极是嵌入介质中的导电信号电极，所述介质集成到所述可移动梁；以及其中所述贵金属接触包括抬升的金属接触和凹陷的金属接触，所述抬升的金属接触覆盖所述导电信号电极和所述凹陷的金属接触覆盖所述致动电极。
2. 根据权利要求1的微机电系统开关，其中所述第二电极嵌入所述空腔的壁中。
3. 根据权利要求1的微机电系统开关，其中所述第一和第二电极的所述贵金属接触分别在所述第一电极之上和所述第二电极之下突出。
4. 根据权利要求1的微机电系统开关，其中所述电极由铜制成。
5. 根据权利要求1的微机电系统开关，其中所述可移动梁在其至少一端固定到所述空腔的壁。
6. 根据权利要求1的微机电系统开关，其中所述贵金属接触选自Au、AuNi、AuCo、Pt、PtNi、Ru、Re、Rh、Os、Ir、Pd、PdNi、PtTi和PdCo中的至少一种。
7. 根据权利要求1的微机电系统开关，其中所述空腔填充有气体，所述气体选自氮气、氦气、氖气、氪气和氩气中的至少一种。
8. 根据权利要求1的微机电系统开关，其中所述第二电极的贵金属接触具有小于所述第一电极的贵金属接触表面的平坦表面。
9. 根据权利要求1的微机电系统开关，其中所述第二电极的露出表面在所述介质的露出表面之下凹陷，以及叠加在所述第二电极顶部的所述贵金属接触匹配所述介质的露出表面。
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