[发明专利]平面腔体微机电系统及相关结构、制造和设计结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体结构及制造方法，特别是涉及平面腔体微机电系统(MEMS)结构、制造和设计结构的方法。

背景技术

集成电路中所用的集成电路开关可以由固态结构(例如，晶体管)或者无源导线(MEMS)形成。典型地采用MEMS开关，是因为它们几乎是理想的绝缘，这是无线通讯应用的关键需求，其中它们用于功率放大器(PA)的模式转换，还因为它们在10GHz以及更高频率上的低插入损耗(即阻抗)。MEMS开关可用于多种应用、初始模拟和混合信号应用。一个这样的示例是移动电话芯片，其包含功率放大器(PA)和用于每个广播模式调整的电路。芯片上的集成开关将PA连接到适当的电路，从而不需要每个模式有一个PA。

取决于特定的应用和工程标准，MEMS结构可具有许多不同的形式。例如，MEMS可以悬臂梁结构的形式实现。在悬臂结构中，通过施加驱动电压(actuation voltage)将悬臂(一端固定的悬置电极)拉向固定电极。通过静电力将悬置电极拉向固定电极所需的电压称为推向电压(pull-in voltage)，其取决于几个参数，包括悬置电极的长度、悬置电极和固定电极之间的间隔或间隙以及悬置电极的弹性常数，这是材料及其厚度的函数。作为选择，MEMS梁可为桥式结构，其中两端固定。

MEMS可采用大量不同工具以很多方式制造。虽然一般而言，采用这些方法和工具来形成尺寸在微米级的小结构，开关尺寸约为5微米厚、100微米宽及200微米长。此外，用于制造MEMS的很多方法、即技术，是选自集成电路(IC)技术。例如，几乎所有的MEMS都构建在晶片上，并且实现在晶片之上通过光刻工艺图案化的材料薄膜中。特别是，MEMS的制造采用三个基本的构建阶段(building block)：(i)在衬底上沉积材料薄膜，(ii)通过光刻成像在上述膜的之上施加图案化的掩模，以及(iii)相对于掩模，选择性地蚀刻上述膜。

例如，在MEMS悬臂式开关中，固定电极和悬置电极典型地采用一系列传统的光刻、蚀刻和沉积工艺制造。在一个示例中，在形成悬置电极后，一层牺牲材料(例如由Microchem，Inc.制造的旋涂聚合物PMGI)沉积在MEMS结构下面以形成腔体以及沉积在MEMS结构上面以形成腔体。MEMS上面的腔体用于支持盖帽的形成，例如SiN圆顶，以密封MEMS结构。然而，这造成几个缺点。例如，已知用诸如PMGI的旋涂聚合物形成的MEMS腔体是非平面的。然而，非平面的MEMS腔体引起一些问题，包括例如聚焦光刻深度的变化性以及因电介质破裂引起的封装可靠性。另外，用旋涂聚合物形成的MEMS腔体需要低温下处理，以避免回流或者损坏聚合物；并且聚合物可能在排出后在腔体中留下有机(即含碳)残留物。

从而，在技术上存在克服上述缺陷和限制的需要。

发明内容

在本发明的第一方面中，一种形成至少一个微机电系统(MEMS)的方法包括形成下牺牲材料，用于形成下腔体。该方法还包括形成将该下腔体连接到上腔体的腔体通孔。腔体通孔形成有圆形或倒角边缘的俯视外形。该方法还包括在该腔体通孔内和上方形成上牺牲材料，使其具有基于该腔体通孔外形的生成表面。上腔体形成有顶盖，该顶盖具有不妨碍MEMS梁的结构，包括：在上牺牲材料的生成表面上沉积顶盖材料；以及排出该上牺牲材料以形成该上腔体，使该顶盖材料形成与该上牺牲材料的生成表面保形的顶盖。

在本发明的另一个方面中，一种形成至少一个微机电系统(MEMS)的方法，包括在衬底上的初始填充有第一层牺牲材料(排出前)的下腔体中形成多个分离导线以及在该第一层牺牲材料上形成MEMS梁。该方法还包括在延伸到该下腔体的腔体通孔内和上方沉积第二层牺牲材料。该第二层牺牲材料的沉积是非回归硅沉积工艺，包括具有多个等离子体气相沉积(PVD)硅沉积和rf偏置晶片回蚀刻步骤的保形硅沉积工艺，以在电通孔和该腔体通孔的上方实现非回归开口。该方法还包括在第二层牺牲材料上形成顶盖材料。该方法还包括排出第二层牺牲材料和牺牲材料以形成下腔体和上腔体，该上腔体包括由顶盖材料形成的顶盖，该顶盖具有不妨碍MEMS梁的结构。

在本发明的又一个方面中，一种形成微机电系统(MEMS)结构的方法包括形成MEMS腔体以及形成与顶盖结构具有足够间隙的MEMS梁，使该MEMS梁在释放时不会被固定。