平面腔体微机电系统及相关结构、制造和设计结构的方法.pdf

一种形成至少一个微机电系统（MEMS）腔体（60b）的方法包括：在布线层（14）和衬底（10）上方形成第一牺牲腔体层（18）。该方法还包括在第一牺牲腔体层上方形成绝缘体层（40）。该方法还包括在绝缘体层上执行反向镶嵌回蚀刻工艺。该方法还包括平坦化绝缘体层和第一牺牲腔体层。该方法还包括将第一牺牲腔体层排放或剥离为MEMS的第一腔体（60b）的平面表面。

权利要求书一种形成至少一个微机电系统（MEMS）腔体的方法，包括：
在布线层和衬底上方形成第一牺牲腔体层；
在所述第一牺牲腔体层上方形成绝缘体层；
在所述绝缘体层上执行反向镶嵌回蚀刻工艺；
平坦化所述绝缘体层和所述第一牺牲腔体层；以及
将所述第一牺牲腔体层排放或剥离为所述微机电系统的第一腔体的平面表面。
根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第一牺牲腔体层包括：膜沉积和回蚀刻的一个或更多个循环，以最小化或消除在所述第一牺牲腔体层上形成的凹坑。
根据权利要求1所述的方法，其中所述膜沉积为等离子体沉积，其中将功率提供至靶，并且所述回蚀刻包括将功率提供至晶片。
根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第一牺牲腔体层包括：沉积第一层材料，平坦化所述第一层材料，以及在平坦化的第一层材料上沉积附加材料，以提无接缝层。
根据权利要求4所述的方法，其中所述第一层材料和附加层材料形成单个层，并且采用光刻和反应离子蚀刻步骤而图案化所述第一层材料和所述附加层材料。
根据权利要求1所述的方法，其中形成所述第一牺牲腔体层包括：沉积第一层材料，平坦化所述第一层材料，以及图案化所述第一层材料。
根据权利要求6所述的方法，还包括：通过在平坦化的第一层材料上增加附加牺牲腔体层以在所述第一腔体的表面上提供无接缝层，最小化或消除凹坑。
根据权利要求1所述的方法，还包括：通过在所述布线层的布线之间提供预定的间隔以及基于所述布线之间的所述间隔而平坦化所述绝缘体层达到预定的时段，最小化或消除凹坑。
根据权利要求8所述的方法，其中为以下之一：
所述间隔为0.5μm并且高度为0.25微米，以及执行所述绝缘体层的化学机械抛光（CMP）达到第一预定时段，以提供第一凹坑深度；
所述间隔为0.8μm并且高度为0.25微米，以及执行所述绝缘体层的化学机械抛光达到第二预定时段，以提供所述第一凹坑深度；以及
所述间隔为5.5μm并且高度为0.25微米，以及执行所述绝缘体层的化学机械抛光达到第三预定时段，以提供第二凹坑深度，所述第二凹坑深度大于所述第一凹坑深度。
根据权利要求1所述的方法，其中所述反向镶嵌回蚀刻工艺包括：形成与所述第一牺牲腔体层交叠的抗蚀剂边缘，以在所述第一牺牲腔体层上方形成开口。
根据权利要求10所述的方法，还包括：去除所述开口上方的绝缘体以形成画框。
根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述布线层上方形成氧化物膜。
根据权利要求12所述的方法，还包括：在所述布线层的上拐角处将所述氧化物膜锥形化。
根据权利要求1所述的方法，还包括：
在平坦化的第一牺牲腔体层上沉积绝缘体材料；
在所述绝缘体材料上方形成电极；
在所述电极和所述绝缘体材料的暴露部分上方形成第二绝缘体材料；
在所述第二绝缘体层上方以及在通孔内形成第二电极，以接触所述电极；
在所述绝缘体材料中形成沟槽，以暴露所述平坦化的第一牺牲腔体层的部分；
在所述第二电极上方形成第二牺牲腔体层，并且所述第二牺牲腔体层通过所述沟槽与所述平坦化的第一牺牲腔体层接触；
在所述第二牺牲腔体层上形成顶盖；
在所述顶盖中形成开口，以暴露所述第二牺牲腔体层的表面；以及
排放所述平坦化的第一牺牲腔体层和所述第二牺牲腔体层，以形成平面表面腔体和第二腔体。
根据权利要求14所述的方法，其中将所述第一牺牲层放置在所述第二电极下方并且在所述布线层上方。
根据权利要求14所述的方法，其中所述第二牺牲腔体层被平坦化，以形成所述第二腔体的平面表面，其包括反向掩模回蚀刻以及之后的化学机械抛光。
根据权利要求14所述的方法，还包括：将所述第二腔体和所述第一腔体的拐角的至少之一倒角。
根据权利要求17所述的方法，其中所述倒角为45度拐角角度。
一种方法，包括：
选择下布线层上的布线之间的布线间隔；
在衬底上形成具有选择的布线间隔的布线；
在所述布线上形成牺牲硅层；
在所述牺牲硅层上形成绝缘体层；
执行反向镶嵌工艺，使得所述绝缘体层的边缘与所述牺牲硅层交叠；
基于所述选择的布线间隔而选择平坦化所述绝缘体层和所述牺牲硅层的蚀刻速率；
基于选择的蚀刻速率而平坦化所述绝缘体层和所述牺牲硅层，从而最小化在所述牺牲硅层上形成的凹坑以及形成平坦化的牺牲硅层；
在平坦化的绝缘体层和牺牲硅层上形成附加层，包括电极和通过通孔接触平坦化的硅层的第二牺牲硅层；
在所述附加层之一中提供排放孔，以暴露所述第二牺牲硅层；以及
排放所述牺牲硅层和所述第二牺牲硅层，以至少形成下平面腔体和上腔体。
根据权利要求19所述的方法，还包括：在所述上腔体和所述下腔体内形成倒角。
根据权利要求19所述的方法，还包括：关于所述第二牺牲硅层，执行反向镶嵌工艺，以形成所述上腔体的平面表面。
一种减少硅层中的凹坑的方法，所述硅层用于微机电系统结构，所述方法包括：
确定形成在所述硅层上的布线之间的间隔，以及
蚀刻氧化物层达到预定量，以最小化所述硅层的可变性。
一种在计算机辅助设计系统中用于产生微机电系统的功能设计模型的方法，所述方法包括：
产生在下布线层和衬底上方的牺牲腔体层的功能表示，所述下布线层在相邻的布线之间具有选择的间隔；
产生在所述牺牲腔体层上方的绝缘体层的功能表示；
产生采用在所述绝缘体层上方形成的抗蚀剂的反向镶嵌工艺的功能表示；以及
产生平坦化工艺的功能表示，所述平坦化工艺用于平坦化所述绝缘体层和所述牺牲腔体层，以形成所述微机电系统的下腔体的平面表面。
一种平面微机电系统结构，包括：
下腔体，具有平面上表面；
上腔体，具有平面上表面；
通孔，将所述上腔体连接至所述下腔体；
电极，形成在所述上腔体中，所述电极用作所述微机电系统结构的梁；以及
固定布线，形成在所述梁下方的所述下腔体中。

说明书平面腔体微机电系统及相关结构、制造和设计结构的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年6月25日提交的临时申请序列号：61/358621的优先权，其内容通过整体引用而结合于此。
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
集成电路中所采用的集成电路开关可以由固态结构（例如，晶体管）或者无源布线（MEMS）形成。因为MEMS开关的近乎理想的隔离以及其在10GHz以及更高频率上的低插入损耗（即阻抗），所以通常采用MEMS开关，MEMS开关的近乎理想的隔离是将其用于功率放大器（PA）的模式转换的无线通讯应用的关键需求。MEMS开关可用于多种应用，主要为模拟和混合信号应用。一个这样的示例是移动电话芯片，其包含用于为每个广播模式调谐的电路和功率放大器（PA）。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具有一个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可以由悬臂梁结构的形式实现。在悬臂结构中，通过施加致动电压（actuation voltage）将悬臂（一个端部固定的悬置电极）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拉入电压（pull‑involtage），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簧常数，悬置电极的弹性常数是材料及其厚度的函数。可选择地，MEMS梁可以为桥式结构，其中两个端部被固定。
MEMS可采用多种不同工具以多种方式制造。然而，一般而言，采用这些方法和工具来形成具有微米级尺寸的小结构，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，并且实现在晶片的顶部上通过光刻工艺图案化的材料薄膜中。具体而言，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顶部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通常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结构下方以形成腔体以及沉积在MEMS结构上方以形成腔体。MEMS上方的腔体用于支撑盖（例如，SiN圆顶）的形成，以密封MEMS结构。然而，这造成几个缺点。例如，已知使用诸如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腔体带来问题，包括例如光刻聚焦深度的可变性以及因电介质破裂引起的封装可靠性。另外，使用旋涂聚合物形成的MEMS腔体需要在低温下处理，以避免回流或者损坏聚合物；并且聚合物可能在排放后在腔体中留下有机（即含碳）残留物。
因此，现有技术中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）腔体的方法包括：在布线层和衬底上方形成第一牺牲腔体层。该方法还包括在第一牺牲腔体层上方形成绝缘体层。该方法还包括在绝缘体层上执行反向镶嵌回蚀刻工艺。该方法还包括平坦化绝缘体层和第一牺牲腔体层。该方法还包括将第一牺牲腔体层排放或剥离为MEMS的第一腔体的平面表面。
在本发明的另一方面中，一种方法包括：选择下布线层上的布线之间的布线间隔。该方法还包括在衬底上形成具有选择的布线间隔的布线。该方法还包括在布线上形成牺牲硅层。该方法还包括在牺牲硅层上形成绝缘体层。该方法还包括执行反向镶嵌工艺，使得绝缘体层的边缘与牺牲硅层交叠。该方法还包括基于选择的布线间隔而选择平坦化绝缘体层和牺牲硅层的蚀刻速率。该方法还包括基于选择的蚀刻速率而平坦化绝缘体层和牺牲硅层，从而最小化在牺牲硅层上形成的凹坑以及形成平坦化的牺牲硅层。该方法还包括在平坦化的绝缘体层和牺牲硅层上形成附加层，包括电极和通过通孔接触平坦化的硅层的第二牺牲硅层。该方法还包括在附加层之一中提供排放孔，以暴露第二牺牲硅层。该方法还包括排放牺牲硅层和第二牺牲硅层，以至少形成下平面腔体和上腔体。
在本发明的另一方面中，一种减少硅层中的凹坑的方法，该硅层用于MEMS结构，该方法包括：确定形成在硅层上的布线之间的间隔。该方法还包括蚀刻氧化物层达到预定量，以最小化硅层的可变性。
在本发明的另一方面中，提供一种设计结构，可确实地实施在机器可读存储介质中，用于设计、制造或测试集成电路。该设计结构包括本发明的结构。在进一步的实施例中，一种编码在机器可读数据存储介质上的硬件描述语言（HDL）设计结构包括在计算机辅助设计系统中处理时产生MEMS的机器可执行表示的元件，其包括本发明的结构。在进一步的实施例中，提供一种计算机辅助设计系统中的方法，用于产生MEMS的功能设计模型。该方法包括产生MEMS的结构元件的功能表示。
在具体方面中，提供一种在计算机辅助设计系统中用于产生MEMS的功能设计模型的方法。该方法包括：产生在下布线层和衬底上方的牺牲腔体层的功能表示，下布线层在相邻的布线之间具有选择的间隔。该方法还包括产生在牺牲腔体层上方的绝缘体层的功能表示。该方法还包括产生采用在绝缘体层上方形成的抗蚀剂的反向镶嵌工艺的功能表示。该方法还包括产生平坦化工艺的功能表示，所述平坦化工艺用于平坦化绝缘体层和牺牲腔体层，以形成MEMS的下腔体的平面表面。
在本发明的另一方面中，一种平面微机电系统结构包括具有平面上表面的下腔体。该结构还包括具有平面上表面的上腔体。该结构还包括通孔，将上腔体连接至下腔体。该结构还包括电极，该电极形成在上腔体和下腔体中，电极用作MEMS结构的梁。该结构还包括固定布线，该固定布线形成在梁下方的下腔体中。
附图说明
在以下详细说明中，通过本发明示例性实施例的非限定示例，参考所附的多个附图描述本发明。
图1至图23和图26至图33示出了根据本发明实施例的各种结构和相关处理步骤；
图24a至图24f示出了采用根据本发明实施例所示的工艺制造的MEMS装置的顶部结构图；
图25示出了几个形貌图（即原子力显微镜数据），示出了硅凹坑（divot）深度与氧化物抛光的数据；
图34是半导体设计、制造和/或试验中采用的设计过程的流程图；以及
图35a示出了根据本发明实施例的减小或消除沉积硅中的氧化物接缝（由于引入形貌）的结构和工艺（与示出氧化物接缝的图35b相比）。
具体实施方式
本发明涉及半导体结构和制造方法，特别是涉及平面腔体（例如，平坦或平面的表面）微机电系统（MEMS）结构、制造和设计结构的方法。有利地，形成结构的方法减少MEMS结构上的总应力，并且减少MEMS装置的材料可变性。在实施例中，形成平面（例如，平坦或平面的表面）MEMS装置的结构和方法采用牺牲层来形成与MEMS梁相邻的腔体。在进一步实施例中，采用反向镶嵌工艺形成两级MEMS腔体，以形成平面（例如，平坦或平面的表面）结构。除其它装置之外，本发明的MEMS结构例如可用作单线或双线梁接触开关、双线梁电容器开关或者单双线梁气隙电感器。
图1示出了根据本发明实施例的起始结构和相关处理步骤。在接下来的几组段落中公开的结构是MEMS电容器开关，虽然所述方法和结构也可以应用于其它MEMS开关，例如不采用MEMS电容器电介质的欧姆接触开关；MEMS加速计；等等。该结构例如包括衬底10。在实施例中，衬底10可以是装置的任一层。在实施例中，衬底10是硅晶片，该硅晶片涂有二氧化硅或者本领域的技术人员已知的其它绝缘材料。在衬底10内提供互连12。互连12例如可以是在传统形成的通孔（via）中形成的钨或铜间柱（stud）。例如，可以采用本领域的技术人员已知的用于形成间柱的任何传统光刻、蚀刻和沉积工艺（例如镶嵌）来形成互连12。互连12可以接触其它布线级、CMOS晶体管或者其它有源器件、无源器件等，如现有技术已知的。
在图2中，采用传统的沉积和图案化工艺，在衬底10上形成布线层，以形成多个布线14。例如，在衬底上可以沉积布线层以达到约0.05至4微米的深度；然而本发明也涵盖其它尺寸。在实施例中，沉积布线层14以达到0.25微米的深度。然后，图案化布线层以形成布线（下电极）14，布线14之间具有布线间隔（间隙）14a。在实施例中，布线间隔高宽比（aspect ratio）是由布线14的高度与布线间隔14a的比率决定，布线间隔高宽比可影响材料可变性（例如，形貌），如参考图25更加详细讨论的。例如，1:20的低高宽比可以由50nm高的布线14与1000nm的间隔14a形成；并且1:1的高高宽比可以由500nm高的布线与500nm的间隔形成。这些高宽比值仅为参考，并且如这里所讨论的，牺牲膜18（图3）的保形性决定了需要怎样的布线间隔高宽比。
至少一个布线14与互连12接触（直接电接触）。在实施例中，布线14可以由铝或铝合金形成，例如AlCu、AlSi或AlCuSi；然而，本发明也涵盖其它布线材料。除其它布线材料之外，例如，布线14可以是诸如Ti、TiN、TiN、Ta、TaN和W的难熔金属或AlCu。在实施例中，布线14可以掺杂有Si，例如1%，以防止诸如Al的金属与诸如硅的上腔体层材料反应。在实施例中，布线的铝部分可以掺杂有Cu，例如0.5%，以增加布线的抗电迁移性。在实施例中，布线可以由纯难熔金属形成，例如TiN、W、Ta等。
布线14的表面形貌是由原子表面粗糙度以及金属小丘的存在而决定。金属小丘为金属中的突起，典型地约为10nm‑1000nm宽和10nm‑1000nm高。对于上下覆有TiN的铝布线，例如下面覆有10/20nm Ti/TiN且上面覆有30nm的TiN的200nm AlCu，典型的金属小丘可以是50nm宽和100nm高。对于MEMS电容器，其中布线14涂有电介质并且用作下电容器板，小丘的存在或者原子表面粗糙度的高值降低了电容密度，这是因为由MEMS梁形成的上电容器板不能紧密地接触由布线14形成的下电容器板。
表面粗糙度可以采用原子力显微镜（AFM）或者光学轮廓仪（opticalprofiler）来测量，并且存在几种已知的方法可用于测量和量化小丘的宽度和高度。在实施例中，通过采用AFM测量典型范围为1至10,000平方微米的布线区域的最小高度至最大高度来量化小丘，并且通过计算带有或不带有小丘的区域中的均方根（RMS）粗糙度来量化表面粗糙度。在一个实施例中，表面粗糙度为没有可见小丘的2μm2区域的RMS粗糙度。
表1总结了采用AFM测量的各种布线材料的金属小丘和表面粗糙度数据。均方根（RMS）粗糙度是在约2μm2区域内的没有可见金属小丘的区域中测量的。最大峰‑谷小丘值是在约10,000μm2的区域内测量的。纯难熔金属布线可选项至今具有最低的粗糙度和小丘，但是具有最高的电阻。使用AlCu的布线与纯难熔金属布线相比具有较低的电阻，但是具有更高的粗糙度和小丘。在图案化之前或之后，在AlCu的下方和上方增加足够的Ti并且使晶片在350℃至450℃退火足够时间以形成TiAl3硅化物，即在400℃退火一小时，显著地减小小丘最小高度至最大高度，同时因为减少了铝体积而略微增加RMS表面粗糙度。在示例性实施例中，在图案化后，将布线14退火并且蚀刻布线14，以减少TiAl3引起的金属蚀刻问题。较薄的Ti（例如，在AlCu的下方和上方为5nm）对小丘的减小具有最小影响或者没有影响；然而，10nm和15nm的Ti显著地减小小丘并且效果等同。当Ti与铝反应而形成TiAl3时，铝（例如，AlCu）的厚度以大约3:1的方式减少；即每10nm的Ti，消耗30nm的铝而形成TiAl3；并且为了在布线中总是留下一些没有反应的AlCu，Ti:AlCu的厚度比需要小于1:3，其中Ti厚度包括AlCu的下方和上方的层。这意味着，为了在考虑Ti和AlCu关于沉积厚度的可变性的情况下优化小丘的减少和布线电阻，所沉积的Ti厚度范围应当为大于所沉积的AlCu厚度的5%而小于所沉积的AlCu厚度的25%。
表1

金属小丘的形成也可由布线的布局引起。例如，相比于采用槽‘S’（图26b和26c）或者孔‘H’（图26d）而分解为窄线的布局，实体（solid）布局（图26a）倾向于具有更大量的金属小丘和更高的小丘。
更具体地，图26a至图26d示出具有实体（图26a）、开槽“S”（图26b和26c）和开孔“H”（图26d）布局的MEMS电容器板的俯视图布局。开孔（图26d）布局“H”可以采用菱形（如图所示）、八边形、圆形、椭圆形、正方形、加号形或从布局剪出的任何形状，其全部由标记“H”表示。开槽和开孔布局被设计为由于去除了金属，不但最小化小丘的形成，而且不显著度增加有效的布线电阻或者减少电容器板面积。如果采用开槽布局“S”（图26b），则槽宽度典型地被最小化，以不降低电容器板面积或增加有效布线电阻。例如，可以采用1μm的槽宽度以及以6μm的节距放置的槽；或者这些值的类似比率（即0.4μm槽宽度和2.4μm的节距）。对于图26d中的开孔方案，通过孔去除的金属体积可保持为约20%或更少，以基本上不增加有效布线电阻或者降低电容。例如，可以采用占总布线面积20%的1μm2面积的孔。
通过将布线开槽或开孔而去除的金属体积也由形成小丘的可能性决定。例如，难熔金属对于形成小丘不敏感，并且可以不需要开槽或开孔。铝或铝合金中形成小丘的可能性随着布线厚度的增加以及加盖难熔金属（即TiAl3/TiN、TiN等）厚度的减小而增加。布线越高，例如，>=1μm，通过开槽或开孔而需要去除的金属体积可越大；其中布线越短，例如<0.2μm，通过开槽或开孔而需要去除的金属体积可越小。节距被限定为重复的布线宽度+间隔。对于具有1μm间隔的5μm节距，布线宽度可为4μm。
对于实施例，槽之间的布线宽度可为4μm，并且从布线的垂直端部至布线形状的边缘的间隔也为4μm。采用槽的端部闭合的槽算法的布局（图26b中所示）在槽的端部经受小丘形成，这是因为增加了局部区域或者其它几何形状引起的作用。这示于图26e中，其示出了在槽之间以及槽和布线形状的端部之间具有相等间隔A1的闭合槽布局。为了减小或者消除在此位置形成小丘的可能性，槽的垂直端部与布线形状的端部之间的间隔可以减小至小于开槽的布线宽度，如图26f所示，其示出了布线宽度A1以及到布线边缘或槽边缘的槽间隔A2和A3，A2和A3二者都小于A1。这适用于直角槽（即以垂直90度角的方式终止的槽）以及有角度的槽（即以45度或其它角度终止的槽），如图26所示。开槽布线引起的另一个潜在问题是在后续的硅沉积中在未加盖的槽上方形成三相点。当槽或孔没有被加盖时，如图26c或者图26d的上部所示，后续的硅沉积可在未加盖的槽的端部上方形成三相点（图26c中由“TP”表示），从而导致硅表面的缺陷，该缺陷可能传播到后续布线级或者其它级。为了避免这个缺陷，开槽的端部可以被（可选地）加盖或者封闭，如图26b所示。对于开孔设计，可能发生类似的三相点缺陷，再者，其可以通过封闭孔而消除。打开和封闭的孔被示出在图26d的上部和下部中。
在如下所述的后续处理步骤期间，取决于布线的图案化，空隙（void）或者接缝可形成在布线之间的间隔之间以及布线之间的间隔之上的牺牲材料例如硅中。接缝是在下层布线之间的间隙中硅的区域，或者作为硅沉积外形副产品而产生的形貌。这些接缝可包含杂质，例如氧，并且可能引起后续问题，这是因为由CMP、湿化学、RIE或者其它下游工艺引起的接缝开口或者氧化硅的存在。就是说，如果布线14的间隔与高度的高宽比高，则在后续沉积工艺期间空隙或者接缝可能形成在上层中。这些空隙或者接缝可影响诸如硅的材料的形貌，尤其是如果在后续工艺步骤期间存在抛光不足或抛光过度；或者如果在后续膜的沉积期间空隙氧化。可选择地，如果将镶嵌或者反向镶嵌工艺应用于布线级14，则表面基本上为平面，并且后续层对形成空隙不敏感。反向镶嵌工艺是这样的工艺，其中沉积并且图案化布线，然后是电介质沉积和平坦化步骤，从而使布线表面暴露，但在布线之间具有平坦的电介质。
在图3中，绝缘体层（电介质层）16形成在多个布线14和衬底10的暴露部分上。在实施例中，绝缘体层16是沉积为约80nm的氧化物；然而，本发明也涵盖其它尺寸。下MEMS电容器绝缘体层16和后续的上MEMS电容器绝缘体层34（图11中所示）的组合厚度决定了MEMS电容器的击穿电压以及时间相关的电介质击穿特性。对于50V的MEMS操作，击穿电压需要大于50V，典型地大于100V，以确保高的MEMS电容器可靠性。对于50V的MEMS操作，160nm的组合MEMS电容器的绝缘体厚度足以实现高可靠性。此绝缘体层16仅在制造MEMS电容器时需要，绝缘体层16将形成下电容板电介质。绝缘体层16也用作布线14中的金属（例如，铝）和后续材料18（即，硅）之间的阻挡物。硅和铝可发生反应而形成难以去除的金属间化合物，并且如果形成该金属间化合物，则可通过在致动期间阻挡梁充分下垂而阻挡MEMS梁启动。通过坚固的绝缘体层16可以防止此金属间化合物的形成。应当注意，绝缘体层16需要在与铝布线兼容的温度下沉积，例如，在约420℃以下的温度下并且优选在约400℃以下的温度下沉积，这排除了采用高度保形的电介质，例如，液相化学沉积（LPCVD）SiO2，其在远高于约420℃的温度下沉积。用于绝缘体层16的沉积的可选项包括等离子体增强CVD（PECVD）、亚常压CVD（SACVD）、常压CVD（APCVD）、高密度等离子体CVD（HDPCVD）、物理气相沉积（PVD）或者原子层沉积（ALD）中的一种或更多种。参考图27a至图27c将更加详细地讨论这一层。
在绝缘体层16上沉积牺牲腔体材料层18；或者，如果不存在绝缘体层16，在层14上沉积牺牲腔体材料层18，例如，牺牲腔体材料层18为硅、钨、钽、锗、或者随后可采用例如XeF2气体可相对于绝缘体层16或者如果不存在绝缘体层16相对于布线14选择性去除的任何材料。在实施例中，硅被用于层18。层18可以采用在与布线14兼容的温度下（例如，<420℃）操作的任何传统等离子体气相沉积（PVD）、PECVD、快速热CVD（RTCVD）或者LPCVD来沉积。在实施例中，层18被沉积至约0.1至10微米的高度，这是由MEMS的间隙要求所决定的，并且采用传统的光刻和反应离子蚀刻（RIE）步骤图案化该层18。一个示例可采用大约2.3微米的硅厚度。
用于硅的一般RIE蚀刻气体为SF6，其中使用其它气体诸如CF4、氮或氩将SF6稀释。如上文所讨论的，用于沉积硅层18的硅沉积工艺可在布线之间以及布线的边缘处产生接缝。如果这些接缝被氧化或者这些接缝中具有其它杂质，则这些接缝在硅层18的蚀刻步骤期间或者在最终的硅腔体排放蚀刻期间是难以蚀刻的。为了避免硅层18进行蚀刻之后在晶片上留下氧化的接缝，可以采用氩稀释与施加到晶片的射频偏置功率（rf bias power）的组合，以同时溅射和RIE蚀刻表面。由于层18的台阶覆盖性或者保形性差，因此空隙20可形成在布线14之间的间隔14a上方。空隙20的宽度、与衬底10之间的间隔以及与硅20a的表面之间的间隔是由布线14的高宽比、硅沉积的保形性以及绝缘体层16的形状决定。
图27a至图27c示出了布线14上方的几个绝缘体层16的形状。图27a中所示的布线14被绘出为具有上TiN/TiAl3层14’下方的AlCu的底切。此底切常常发生在金属RIE处理期间，并且如果存在该底切，则会增加获得绝缘体层16的良好的布线14侧壁覆盖性的难度。图27a示出了采用保形性工艺诸如LPCVD、APCVD或者SACVD形成的绝缘体层16。这些保形性沉积工艺在顶表面、侧表面和底表面16A、16B和16C上提供几乎均匀的绝缘体厚度。这些保形性沉积工艺在与铝或铜基布线兼容的温度下操作时，例如在420℃以下的温度下操作时，可能具有不良的电容器电介质特性，例如高漏电流、低电压击穿或者不良的TDDB可靠性。这样的外形在空隙20中提供台阶形成300。图27b示出了采用PECVD或PVD形成的绝缘体层16。此外形在空隙20中提供“面包形”或者“双锥形”的外形形成305。尽管这些“面包形”的膜不是保形的，但是它们因其等离子体沉积而可以具有良好的电容器电介质特性。为了减小或者消除空隙20，希望具有锥形的外形，如图27c所示，其改善了层18的台阶覆盖性，并且减少或者消除了空隙20。
在层18的表面上，凹口19（参见例如图8或图9a）可形成在布线14之间的空隙或接缝20上方。空隙20和凹口19的形成是由于布线14之间的间隔，并且它们可以根据层18的高度以及布线14的间隔和/或高度而变化。这些凹口19在诸如化学机械处理的后续处理期间能够加深，如下面关于图8所讨论的。这些凹口19和接缝在诸如暴露于潮湿的空气、氧化环境的光致抗蚀剂剥离或者等离子体氧化物沉积的后续处理期间可能氧化，并且这些氧化硅区域在最终的硅排放或去除步骤期间不会被去除。如果这种情况发生，则位于MEMS梁下方的这些氧化硅残留物可阻挡MEMS梁接触下电极（布线）14，从而导致不良致动（参见例如图33中的元件19a）。使绝缘体层16的外形锥形化（图27c）通过消除空隙和凹口而减小或者消除了这种效应，如同通过改善硅沉积间隙填充而消除了空隙。通过沉积高密度等离子体CVD氧化物作为绝缘体层16的一部分或全部，可使外形锥形化（图27c）。可选择地，绝缘体沉积和一个或多个溅射回蚀刻以及后续的绝缘体沉积可以产生绝缘体层16的相同锥形外形。可选择地，如下面所讨论的，硅沉积可以修改为通过在PVD硅沉积室中原位溅射硅膜而将硅外形锥形化为45度。
布线14上方的绝缘体层16也用于阻挡布线14的材料和层（腔体材料）18的反应、合金化或内部扩散。例如，如果布线14包含铝，则铝可与硅反应而形成硅化铝，这在后续层18（牺牲层）排放或去除步骤期间难于或者不可能去除。此硅化铝的形成可发生在上布线拐角中，例如，因为绝缘体层16具有倒向沉积外形（图27b）或者在上布线拐角中具有小覆盖率（图27c），从而导致铝暴露于层18的沉积。尽管这个问题可以通过增加绝缘体层的厚度而减少或消除，但是因为采用布线14作为底板而形成的MEMS电容器的电容相应减小，所以增加厚度不总是可行的。另外，布线表面或者拐角缺陷（未示出）可阻挡绝缘体层16完全覆盖铝。此铝‑硅反应可导致突出的硅化铝胡须状特征，这可阻挡或者部分地阻挡MEMS梁致动。为了防止此层16和18反应，可以沉积保形的阻挡物，例如ALD Al2O3（氧化铝）、ALD Ta2O5（五氧化二钽）或者二者的组合。在一个示例性实施例中，层16由80nm的HDPCVD氧化物以及后继的15nm的ALD氧化铝组成。ALD膜具有极慢的沉积速率，并且尽管ALD膜可单独用作MEMS电容器电介质，但是因为长沉积时间和高制造成本而可能是不实用的。一个ALD氧化铝膜具有每分钟1nm的沉积速率，这意味着沉积80nm的膜将花费80分钟。因此，采用快速沉积SiO2和慢速沉积氧化铝的组合是最佳的。应当注意，ALD氧化铝或者类似的膜可用在80nm的氧化物下方；并且也可以用在上MEMS电极38下方，以阻挡硅与上MEMS电极的反应。
在图3a中，根据本发明的实施例，示出了形成电介质栓（peg）16a（例如，氧化物栓）的可选处理步骤。在此可选步骤中，氧化物栓16a可以在形成沉积的绝缘体层16之前形成。例如，氧化物栓16a可以是沉积的PECVDSiO2膜，其可采用传统的光刻和蚀刻工艺而在布线14上被图案化和蚀刻。在此选择的情况下，首先可将氧化物栓16a图案化和蚀刻，随后将布线14图案化和蚀刻；或者首先将布线14图案化和蚀刻，随后进行氧化物栓16a的沉积和蚀刻。因为布线14之间的氧化物在氧化物栓16a的蚀刻期间没有被蚀刻，所以在布线14图案化和蚀刻之前将氧化物栓16a图案化和蚀刻，可避免增加14a引入到绝缘体层16沉积的高宽比。另外，如果在将布线14图案化和蚀刻之后将氧化物栓16a图案化和蚀刻，则用于蚀刻氧化物栓16a的全氟化碳（perfluorocarbon）基RIE化学也可蚀刻布线14的顶部TiN层，从而导致降级的表面以及降级的MEMS电容器电产率（electrical yield）或可靠性。氧化物栓16a被放置在远离MEMS电容器或者接触头的区域中MEMS致动器上方时，在MEMS操作期间形成保护层，这可防止在MEMS梁不需要紧密地接触下电极的区域中MEMS梁中的导体与下致动器电极形成电弧。因为优选工艺是在图案化和蚀刻布线14之前将氧化物栓图案化和蚀刻，所以希望避免使布线14之间的间隔14a与氧化物栓相交。在形成氧化物栓16a之后，如上所述，形成绝缘体层16和层18。
作为可选处理步骤，可以采用例如化学机械抛光（CMP）将层18平坦化，然后，可选地，将附加材料（硅）沉积在抛光的层18上，以在下硅MEMS腔体的表面上提供无接缝的硅层。应当注意，传统CMP和后续的清洗工艺，例如刷洗、稀释的氢氟酸（DHF）、缓冲的氢氟酸（BHF）、低温清洗等，可以在任何CMP步骤之后进行，以去除硅表面上形成的自然氧化物。例如，参考图4a，采用诸如PVD的传统沉积工艺，在绝缘体层16上沉积层18。如图4a所示，在布线14之间，空隙20可形成在层18中，并且在空隙20的上方形成有凹口19。如图4b所示，例如采用CMP工艺将层18平坦化。在图4c中，在平坦化的层18上沉积第二层材料22，例如硅。在图4d中，采用传统光刻和反应离子蚀刻（RIE）步骤，图案化硅层18和22（其现在形成单层（在下文称为层18）。此硅沉积、CMP和第二沉积工艺消除了硅表面中的凹口19，消除了氧化接缝20的机会，并且部分地或者全部平坦化由于引入布线14和布线间隔14a形貌而引起的硅表面上的形貌。
一组示例厚度可为：250nm高的布线14，布线14之间的500nm的间隔14a，2微米的初始硅18的沉积厚度，布线14上方的400nm的硅CMP去除以平坦化布线14上方的250nm的台阶，并且后续的硅沉积22具有足够的厚度以在图5至图8所示的后续反向氧化物平坦化工艺期间部分地保留在晶片上。在一个示例性实施例中，从布线14上方的区域去除200nm的硅，并且在布线之间的间隔14a中实质上去除小于50nm的硅，这部分地平坦化了布线14和间隔14a上方的区域。
如本领域已知的，通常进行硅CMP是为了形成深沟槽DRAM电容器。对于这种类型的硅CMP，将CMP工艺优化为最大化晶片表面上的衬垫绝缘体（例如，SiO2或氧化物）膜的选择性，即最大化硅CMP速率，而最小化氧化物CMP速率，从而使得硅与氧化物的选择率为50:1。这种类型的硅CMP工艺对于采用CVD沉积的硅膜而言是最佳的，但是对于采用PVD沉积的硅膜而言可能产生问题。通过传统选择性硅CMP工艺抛光的PVD硅膜可具有PVD硅膜中存在缺陷的问题，这可导致局部抛光速率下降。可能由于氧化硅、其它杂质或者硅晶粒结构引起的这些PVD硅缺陷，可导致选择性的硅CMP工艺在抛光的硅表面上留下未抛光的点缺陷。
为了避免硅CMP期间的这些点缺陷，可以采用较低选择性或非选择性硅抛光工艺，例如采用SiO2抛光化学和工艺而不是硅CMP抛光化学和工艺。采用较低选择性的硅抛光工艺可消除抛光之后的这些点表面缺陷。选择性硅抛光的示例为其ph足够高而能够溶解硅（即>12）的使用硅石研磨剂的碱性介质（例如，TMAH），其具有50:1的硅:SiO2选择性；非选择性硅抛光的示例为其ph太低而不能溶解硅（ph<12）的采用硅石研磨剂的碱性介质（例如，KOH）。这种非选择性硅CMP工艺具有低于50:1的硅:SiO2选择性，并且在一个示例性实施例中可在2:1至1:2的范围内。
为了避免抛光至空隙20中，希望第一硅沉积的厚度足以将空隙掩埋在表面下。对于光的光学波长，硅是不透明的。如果用于图案化硅的后续光刻工艺采用光学波长，则硅CMP工艺不应完全平坦化采用布线级形貌的对准结构；或者采用镶嵌级12的部分填充的对准结构。如果后续光刻工艺采用红外光或者可检测硅下方的特征的其它方法，则不需要这些防范措施。
薄天然氧化物（例如，SiO2）形成在暴露于空气或氧的任何硅表面上，甚至在室温下。当在后续处理期间蚀刻或排放硅时，此天然氧化物的存在可阻挡蚀刻或排放，或者可在晶片上留下作为几个单层的SiO2膜。为了避免这种情况，可以通过将硅暴露到蒸汽、等离子体或液体氢氟酸（HF）而将硅表面氢钝化，或者在沉积第二硅层22之前应即时进行预清洗而不将晶片暴露于空气或氧，预清洗例如采用射频偏置氩溅射预清洗。
参考图5，绝缘体材料（例如，氧化物）24沉积在层18上。氧化物沉积例如可以是传统保形沉积工艺，将氧化物层24沉积至与硅18的高度大致相同的深度，例如，对于2.3微米厚的层18而言，氧化物层24的深度为约2.3μm。例如，沉积工艺可以为400℃的PECVD氧化物沉积，采用TEOS或者硅烷作为硅源，并且氧或者N2O作为氧源，如现有技术已知的。如果氧化物层24的厚度有意地薄于硅层18的高度，则图8所示的后续氧化物CMP工艺将过度抛光并且平坦化硅层18的表面。相反，如果氧化物层24的厚度有意地厚于硅层18的高度，则图8所示的后续氧化物CMP工艺将不足抛光硅层18的表面，并且留下其被掩埋在氧化物表面下。两个工艺可选项都可以是所需的，这取决于最小化硅表面18的过度抛光与从布线级14平坦化氧化物层24或硅18的表面形貌有多么重要。在一个示例性实施例中，硅层18约为2.3微米，氧化物层24约为2.1微米，并且图7所示的可选氧化物回蚀刻步骤目标在于完全去除氧化物，即>2.1微米。这导致后续氧化物抛光工艺进一步平坦化硅层18。
在图6中，根据本发明的实施例，进行可选反向蚀刻（反向镶嵌工艺）。更具体地，在氧化物层24上沉积抗蚀剂26并且将其图案化以形成开口28，其中抗蚀剂边缘26a与下层18的边缘交叠。就是说，抗蚀剂26会略微遮挡下层18。该交叠需要大于0，例如可为3微米，并且被最小化以减少留下的将在后续CMP工艺期间平坦化的氧化物层24。如果该交叠为负，则后续RIE蚀刻将蚀刻至氧化物层24的下部中，导致相邻于硅层18的深沟槽，这可引起例如来自后续布线级的金属残留在深沟槽内的问题，从而导致后续级的电线短路，并且对此应以避免。如图所示，开口是图案化的层18的相反图像。
如图7所示，采用传统RIE工艺蚀刻氧化物材料24。在实施例中，如图7所示，该蚀刻工艺产生“画框”30，其围绕下层18。如果氧化物材料24被完全蚀刻向下至层18的表面，则最小化远离层18的区域中氧化物的过度抛光。这对于最小化层18的过度抛光是所希望的，以降低其厚度容限；并且消除在MEMS电容器或者接触区域中的硅上方留下残留氧化物的可能性。可选择地，一些氧化物可留在层18上方，如图7所示。
在图8中，将氧化物材料24平坦化为例如与下层的层18为平面（例如，几乎平坦或者平面的表面）。在实施例中，上述工艺也将下层的硅层18平坦化，这有利于在后续处理步骤中产生平面腔体结构（例如，具有平坦或平面的表面）。平坦化工艺例如可为CMP工艺。预想不到地并且如参考图25所详细讨论的，氧化物CMP可最小化下层的层18的可变性；例如，取决于布线间隔，氧化物材料24的抛光可以最小化布线14之间的凹口（例如，在布线14之间形成的间隔14a上方）。
图25示出了图8所示的硅凹坑深度与层18的表面的氧化物抛光的几个形貌图（即，原子力显微镜数据）。这些图涉及例如图8所示的氧化物层24的抛光。在此示例中，层18中的凹口19（例如，参见图3和图8）可为250nm（0.25μm）高，这是布线14的厚度。
图25的图示出了对于0.5μm、0.8μm和5.5μm的不同布线间隔14a，进行30秒、60秒和90秒的氧化物层24的CMP。这些图示出了为了将层18的形貌可变性最小化，布线14的布线间隔14a具有预想不到的重要性。例如，0.5μm的槽（间隔）和30秒的氧化物CMP显示了层18中的2nm的凹口深度，分别与60秒和90秒的氧化物CMP的5nm和10nm对比。再者，0.8μm的槽和30秒的氧化物CMP显示了层18的30nm的凹口深度，分别与60秒和90秒的氧化物CMP的2nm和8nm对比。另外，5.5μm的槽和30秒的氧化物CMP显示了170nm的凹口深度，分别与60秒和90秒的CMP的40nm和10nm对比。这些结果是预想不到的，因为氧化物的CMP时间的增加被预期显示层18的形貌优化，即凹口深度的减小。层18中的这些凹口将在MEMS梁下方重复，从而导致MEMS梁的下侧形貌。另外，MEMS梁的下侧形貌将由沉积的氧化物以及凹口下方潜在的氧化接缝二者组成，其与MEMS梁的粘合性差，导致MEMS操作期间剥落。因为在MEMS梁的下方或者上方的MEMS腔体中存在剥落的氧化物，所以此剥落可导致极差的MEMS电容器产率或者可靠性下降。
因此，减小用于MEMS结构的硅层的凹口深度或可变性的方法包括确定在硅层上形成的布线之间的间隔。该方法还包括蚀刻氧化物层达到预定量，以最小化硅层的可变性。对于每个间隔，预定量时间的蚀刻将导致最佳结构，例如，减小硅层中的任何可变性。由于由层14中的间隙14a引起的下层形貌而在硅中的接缝或空隙上方可形成层18上方的凹口，其可以是排放或释放后MEMS梁下方的残留氧化物的源。例如，采用包含氧化等离子体的PECVD工艺，并且可选地在约350℃或者400℃，沉积氧化物层24或34，从而导致凹口或接缝的氧化。如图33所示，此氧化的凹口或接缝CC在硅排放后可残留在MEMS梁的下侧，从而导致MEMS梁下方的形貌，这可部分地阻挡MEMS梁与下电容器电极（布线）14接触，或者在MEMS梁致动或操作期间破碎或掉落，从而导致MEMS电容器的电介质损坏。图4b、图4c和图4d中所述的优选实施例消除了这样的问题，其中层18被抛光并且覆盖有第二硅层22。
作为图9a所示的可选步骤，相比于图5所示的2.3μm，氧化物材料24可以沉积至约3.3μm的厚度。对于此实施例，氧化物蚀刻深度类似于图7中所述的深度，但是可比其深约1μm，并且需要暴露下方硅层18的表面。凹口19例如可以形成在布线14之间、层18中所示的空隙20上方。如图9a所示，厚氧化物材料24被沉积在层18的侧面上，被图案化和蚀刻，以及采用CMP抛光。在图9b中，硅层32例如沉积在厚氧化物材料24和层18上。如前所述，在图9c所示的后续硅层32沉积之前，在层18的表面上应避免自然（或任何）氧化物。
在图9c中，采用传统工艺，例如CMP，将硅层32（以及氧化物材料24的部分）平坦化，这可以消除或者最小化凹口。在实施例中，此工艺将有利地在后续处理步骤中产生平面腔体结构（例如，平坦的或平面表面）。这些增加的步骤，即硅沉积、CMP、沉积（图4a至图4c；图9a至图9c）以及反向镶嵌氧化物CMP过度抛光（图6至图8）或者非反向镶嵌氧化物CMP过度抛光（图5和图8），决定了微观和宏观的MEMS梁形貌。下面关于图25进一步讨论由于硅空隙上方的凹口引起的微观MEMS梁形貌。
不希望出现的宏观形貌的示例是图9d和图9e所示的弯曲硅表面18a和18b。图9d示出了由于未优化的平坦化而引起的硅表面弯曲18a，并且更具体示出了不希望出现的宏观形貌的示例。下牺牲腔体材料18中的这个宏观形貌凸起18a或者凹陷18b的弯曲可引起释放的MEMS梁‘冻结’弯曲以及不良MEMS致动，即MEMS梁可在牺牲腔体18材料的周围弯曲，从而导致高的梁释放后弯曲以及不良MEMS梁致动或者接触面积。硅表面的弯曲可以由曲率半径ROC限定。小于1cm的硅ROC是所希望的，并且大于5cm的ROC将导致MEMS电容器的电容减少约50%，这是因为MEMS电容器的表面接触面积减少以及两个MEMS电容器板之间的间隔更大。
在图10a中，从图8或图9c的结构开始，可选沟槽33可形成在布线14上方的硅层18中。为了确保硅被均匀地蚀刻，在硅蚀刻前可在抗蚀剂图案化晶片上进行可选氧化物RIE工艺。另外，通过或不通过可选氧化物RIE工艺，在蚀刻硅之前，可在晶片上具有光致抗蚀剂的情况下进行HF清洗以氢钝化硅表面。在实施例中，在2微米高的层18（例如，牺牲腔体材料18）中形成深度约为0.3μm的沟槽33；然而，取决于设计参数，特别是层18的高度，本发明也涵盖其它尺寸。
如同图3a中讨论的氧化物栓16a，这些镶嵌氧化物栓或沟槽33的目的是在MEMS梁和下布线级14之间设置电介质缓冲器，以防止在MEMS操作期间由于非常靠近MEMS梁中的布线和布线14而引起电弧。在将高直流（dc）电压、即5‑100V施加至MEMS致动器时，在例如布线14中可产生电弧。为了避免电弧发生的可能性，可去除与沟槽33的底部紧密接触的后续MEMS梁金属层，如图10b和图10c所示。氧化物栓33a使后续MEMS梁金属层38从设计中去掉，而氧化物栓33b使金属层38留在设计中。
后续金属层38用以形成MEMS梁下电极，其可图案化为覆盖氧化物栓33或者使其不被覆盖。如果未被覆盖，则减小了致动器板之间电弧或者其它电介质损坏的可能性；如果被覆盖，即金属向下延伸至氧化物栓33，则可降低氧化物栓减小致动器电弧或者电介质损坏的作用。如果氧化物栓33未被金属层38覆盖，并且由于选取的工艺方法而存在向下至栓中的台阶，则可能存在沿着氧化物栓的侧壁留下的薄金属间隔物。因为上述金属间隔物不接触电极38，所以不重要。
可以采用接近90度或者圆化底角的氧化物栓。为了使栓底部圆化，这在后续MEMS梁金属38位于栓上方的情况下是希望的，在氩‑SF6‑基硅蚀刻工艺期间可以减小或者消除晶片上的rf偏置功率，并且可以减小氩流量。氧化物栓33可以在反向腔体平坦化工艺之前或之后进行图案化和蚀刻。如果在之后进行，则其深度可变性仅由硅蚀刻深度的可变性控制，而不受反向腔体氧化物CMP平坦化步骤控制。可选择地，如果在反向腔体氧化物平坦化氧化物沉积步骤之前进行，则由于CMP去除的可变性，其将具有高度可变性的附加成分，但是它将被平坦化的氧化物填充或部分地填充，如果氧化物栓被金属覆盖，则增加后续金属级38与致动器金属级14的距离或间隔。
在图11中，在图10a的结构上进行上电容器电介质或者氧化物沉积。更具体地，在此沉积步骤中，氧化物材料34可以沉积至约80nm的高度；然而，如前所述，本发明也涵盖其它尺寸。由于MEMS电容器电极的表面粗糙度和小丘，因此MEMS电容器电介质在MEMS梁被致动时包括以小间隙分开的电介质层16和34。锥形通孔36可以形成在氧化物材料24和34中至下层布线14’。锥形通孔36可以采用本领域的技术人员已知的传统光刻、蚀刻和清洗工艺形成。应当注意，锥形通孔没有过度氧化下面的TiN、TiAl3或者AlCu表面，这可能导致高通孔电阻。可选地，可在低温、即100℃下进行通孔RIE后的光致抗蚀剂剥离，以将氧化最小化。可选择地，如现有技术已知的，可制造镶嵌钨间柱通孔。采用锥形通孔36可减少硅表面的CMP暴露，从而导致硅18具有较小的厚度可变性，避免了抛光或者损坏上MEMS电容器绝缘体34；并且，采用锥形通孔36可减少形成深凹口的机会。由于硅层18的厚度决定了MEMS装置的拉入电压，因此希望最小化其可变性。应注意，锥形通孔36应该用在硅腔体区域的外侧，这是因为如果将其放置在硅腔体的内侧，用于其制造的氧化物蚀刻将被硅层18阻挡。如果用于布线38的后续金属沉积工艺具有不良的保形性或者侧壁覆盖性，则需要锥形通孔36的高宽比低，例如0.5:1。对于2微米厚的绝缘体24，可采用4微米宽的锥形通孔36。可选择地，如果采用保形性铝工艺，即热回流PVD或者CVD工艺，则锥形通孔36可以采用较高的高宽比。
在图12中，在氧化物材料34上方，形成和图案化电极38的布线，并且电极38的布线也沉积在通孔36内以接触下方布线14’。电极38也可以沉积在沟槽33中；然而，为了图示的目的，在图12的沟槽33中没有示出电极（尽管在后续图中电极38示出为形成在沟槽中）。在实施例中，电极38例如可为AlCu；然而，本发明也涵盖其它材料。在实施例中，除了其它材料，例如，电极38可以是TiN、TiN或W、Ru、Pt、Ir。上述电极和其它电极和/或布线的厚度可根据特定的设计参数而变化。例如，Ti/AlCu/Ti/TiN层可分别具有10nm、480nm、10nm和32nm的厚度，这在400℃退火后可在AlCu上方和下方形成TiAl3。为了将任何小丘最小化，在实施例中，可选Ti层可沉积和/或形成为与Al直接接触，如上文所讨论的。在此情况下，在布线（电极）38的与上表面相对的下表面上应抑制小丘。可选择地，电极38可由贵金属形成，例如Au；或者由难熔金属形成，例如W或Ta；或者没有Ti‑AlCu界面，例如Ti/TiN/AlCu/TiN。
在图13中，在电极38上方保形地沉积绝缘体材料40。在实施例中，绝缘体材料40为采用上述任何方法沉积的氧化物，根据梁弹性常数和氧化物与金属的厚度比的要求，绝缘体材料40被沉积至约0.5至5μm的高度。在一个示例性实施例中，绝缘体材料是400℃PECVD 2μm氧化物，并且具有良好控制的残留应力和厚度。在实施例中，锥形通孔42形成在绝缘体材料40中，以类似于前面形成的通孔36的方式暴露下层电极38的部分。可选择地，由于绝缘体层40的可变CMP侵蚀，因此钨间柱通孔能够以降低层40的厚度可变性为代价制造。绝缘体层40在厚度或残留应力上的变化导致整体MEMS梁中弹性常数和应力梯度的可变性，这会不利地影响梁的曲率和弯曲。
如图14所示，在绝缘体层40上方形成和图案化上电极44，并且上电极44也沉积在通孔42内以接触下电极38。在实施例中，上电极44是由与下电极38相同的材料形成；在一个示例性实施例中，上部电极38和44由Ti/AlCu/Ti/TiN组成。对于钨间柱通孔，现有技术教导最上层TiN层应在通孔蚀刻后留在布线上。对于这些MEMS结构所采用的锥形通孔，需要在沉积电极38和44金属，即Ti/AlCu/Ti/TiN之前，通过采用TiN RIE化学对其蚀刻、采用氩溅射对其溅射或者二者的结合来完全去除TiN层，以消除通孔电阻高波动（high flyers）的可能性。在实施例中，电极38和44的金属体积应相同或基本上相同，以便平衡装置的整体体积和应力，并且因此没有在MEMS结构的梁上施加不适当的应力。金属体积由金属厚度和布局二者决定。如果将相同的布局用于电极38和44，则电极38和44的厚度相同时他们可具有相同的体积。如果将开槽或开孔的布局用于下电极38，则上电极需要减薄，以匹配金属体积。在实施例中，下电极或上电极44的厚度可增加或减小，以将应力梯度有意地施加至梁，这可导致梁在释放之后向上或向下偏转；或者改变由改变温度而引起的梁弯曲，如下面讨论的。下面的讨论假设电极38和44由单一、相同的金属膜组成。实际上，如上面讨论的，电极由多层金属组成，每一个都具有不同的热膨胀系数（CTE）和其它的机械特性，并且如果改变布局或厚度，则几乎不可能精确地匹配它们的机械特性。如果电极38和44的AlCu部分远厚于难熔金属和其它金属成分，则首先CTE和其它机械特性可以近似于AlCu膜。
可选择地，如果上电极和下电极38和44的布局不对称或者不同，则具有较低图案因数（即较少金属）的电极的厚度可加厚，以平衡金属体积。图28中示出了不对称的上电极和下电极的一个示例。在此表示中，从下MEMS电极200去除菱形形状（或者其它图案形状），其设置为降低金属小丘形成的可能性。因为下MEMS电极200的面积小于上MEMS电极210的面积，所以如果电极200和210的金属厚度相同，则每个电极中的金属体积会失去平衡。平衡下电极和上电极的金属体积无论对于悬梁还是桥式MEMS梁都重要，因为梁金属例如铝的热膨胀系数（CTE）远大于SiO2的CTE。
在实施例中，具有不同面积的MEMS电极可部分地平衡。例如，如果下MEMS梁电极具有比上MEMS梁电极小80%的面积，则下电极可加厚10%，以部分地重新平衡两个电极中的金属体积。有意地不平衡两个MEMS电极中的金属体积可导致MEMS梁在释放或排放之后弯曲，以将梁向上或向下弯曲到所需位置；或者，可以最小化MEMS梁在操作使用温度（例如，‑55℃至125℃）上或者封装芯片操作温度的任何正常范围的弯曲，如下面讨论的。MEMS腔体致动间隙随着MEMS梁向上或向下弯曲而增加或减小；并且，梁的曲率可以减小接触面积以及降低电容，当MEMS梁在改变温度的情况下膨胀或收缩时，梁的曲率可以改变。因为致动电压与MEMS腔体间隙成反比，所以需要最小化MEMS梁在操作芯片温度上的弯曲。
当排放的MEMS梁的运动因为顶盖铆钉AA或者因为该顶盖接合到顶盖BB（见图31）而受到顶盖限制时，MEMS梁不能按着预期的那样致动，并且将部分地或者完全失去功能。图16所示的退回性（regressive）顶盖氧化物外形在通孔42和48的拐角具有最大的退回程度。为了将其减小，MEMS腔体内的通孔42和48的拐角可以圆化或者倒角化，如图32所示，这减小了顶盖氧化物牵制住MEMS梁的可能性。图30e示出了用于上硅腔体的具有锥形侧壁外形的非退回性硅沉积。此保形性硅沉积工艺可以这样获得，例如，在硅沉积期间，优选原位（即在相同的室中）或者异位（即在沉积和回蚀刻室之间转移）执行多个PVD硅沉积和射频偏置晶片回蚀刻步骤，以实现约45度角的硅沉积外形。一旦实现了45度角，例如，在0.3μm高的特征上方净沉积大约0.3μm（图3）后或者在非常深的特征上方净沉积大约1μm后（图16），沉积平衡可以由常规的未偏置硅膜或者较厚的未偏置硅膜与较低频率的回蚀刻步骤的结合组成，这是为了消除由于下层的形貌引起的硅中的氧化接缝所需要的。这些硅沉积/回蚀刻工艺的目标是消除退回性悬挂结构以及也降低或者消除由于引入的形貌而引起的沉积硅中的接缝（图35a）（与图35b的对比，图35b示出了MEMS结构的拐角上的氧化物接缝）。此非退回性PVD硅沉积工艺组合了用于底部和侧壁沉积的室较低压沉积，并且采用室较高压蚀刻，其中将射频偏压施加至晶片，以最大化顶表面和拐角蚀刻。这些低压沉积和高压回蚀刻的步骤被顺序地重复，直到达到所需厚度。在一个示例性实施例中，较低压沉积（例如<6Mtorr）以及高压（例如>10mTorr）回蚀刻步骤的厚度值为近似沉积10‑50nm以及蚀刻5‑25nm的量级，例如，回蚀刻硅去除小于沉积的厚度，并且，如下所述，第一硅层厚度可以增加至例如50或100nm，以避免溅射至特征的拐角中。另外，这样的顺序允许在侧壁和锥形表面上增加膜密度。从而，最小化Si的表面面积，以减少表面氧化物的量。可选择地，可以采用同时进行的PVD硅沉积和回蚀刻工艺，其中将溅射靶子偏置以溅射硅，并且将晶片偏置以产生45度的侧壁角。由于任何氧化物都降低Si腔体的排放速率，因此这对于实现稳定的排放性能是重要的。
所需的45度拐角角度是通过重复氩溅射回蚀刻步骤而获得，并且在获得之后，硅沉积工艺可返回到常规沉积工艺而没有氩溅射步骤。上述偏置硅沉积工艺也可应用于下硅腔体层18，以消除硅中的空隙和接缝。在初始膜沉积步骤期间溅射蚀刻硅时，应当注意避免从特征的拐角溅射绝缘体或其它材料。通过此原位或者异位溅射方，可将图30e中的拐角405倒角成45度，这导致了氧化物层46再沉积在硅中，从而由于硅中SiO2的存在而难于进行硅排放。为了避免在初始硅沉积期间溅射暴露的拐角，可沉积初始未偏置的硅层，例如50或100nm。
由于释放的MEMS梁被加热或冷却，因此将向上或向下弯曲，这是因为较大体积的金属电极的膨胀或收缩大于较小体积的金属电极。图29和表2定量地示出了对于采用图28所示的布局的梁，MEMS桥式梁的弯曲与温度的关系曲线。如上所述，因为梁中氧化物和金属之间的CTE失配，所以MEMS梁弯曲。梁中的主要金属（例如铝）具有150‑250℃的屈服应力温度。屈服应力温度出现在铝中的残留应力不再随着温度变化时，如现有技术中已知的。在屈服应力温度上，弯曲可以变平，或者更为典型地，弯曲可以倒转方向（图29的曲线B或E）。具有平衡金属体积的MEMS桥式梁相对于温度具有最小的弯曲；具有较大上电极体积的梁随着温度的升高而向上弯曲；具有较大下电极体积的梁相对于温度向下弯曲。应注意，如果MEMS桥式梁的弯曲足够大，则梁将受到MEMS梁上方的顶盖或者MEMS梁下方的固定电极限制（图29的曲线A或F）。出于上面讨论的原因，最希望的MEMS梁相对于温度的弯曲行为是总弯曲最小化的情况。这可以采用MEMS梁的厚度实现，使得在关注的温度范围上MEMS弯曲的外形开始向上弯曲并且然后向下弯曲，即图29的曲线C；或者反之亦然。实现这样的MEMS梁弯曲曲线可能需要有意地不平衡下电极和上电极的体积。
在一个示例性实施例中，下电极38与上电极44的图案因数比为0.8:1；梁氧化物为2μm厚。下电极具有0.56μm的总厚度，其中未反应的AlCu厚度为450nm，并且下电极具有0.48μm的总厚度，其中未反应的AlCu厚度为370nm。此组合导致电极38和44具有不平衡的体积，即电极38和44的体积比为0.93:1，并且最小化在关注的温度范围上梁相对于温度的弯曲，在定量上类似于图29中的曲线C。
表2


上述MEMS梁释放后的弯曲可能导致两个问题，如上所述：
a.在常规的芯片操作期间，例如从约‑55℃到125℃，MEMS梁弯曲将增加或者减小致动间隙，从而导致致动电压上的相应变化；以及
b.如果释放的MEMS梁被加热到高温（例如>150℃，例如400℃），这可能由于牺牲材料被排放或去除后的常规工艺引起，则释放的MEMS梁将由于上和下MEMS梁电极以及梁氧化物之间的热膨胀失配而引起向上、向下或者向上和向下弯曲，并且如果弯曲足够大，则受到MEMS梁上方的顶盖或者MEMS梁下方的固定电极限制。退火期间MEMS梁的限制可能“冻结”为不希望的曲率，从而导致弯曲的（即不平的）MEMS梁。弯曲的MEMS梁将减少接触面积，从而导致减小的电容。另外，如果MEMS梁施加的压向梁下方的固定电极或者梁上方的顶盖的力太高，则MEMS梁或者顶盖可能破裂，从而导致MEMS装置的毁灭性故障。
在图15中，在上电极44以及绝缘体材料40的暴露部分上沉积绝缘体材料46。在实施例中，绝缘体材料46沉积的厚度约为80nm；然而，本发明也涵盖其它尺寸。为了平衡MEMS梁，MEMS梁上方的绝缘体材料46应当具有与MEMS梁下方的绝缘体材料34基本上相同的厚度。层34和46的此厚度平衡应包括在后续排放孔电介质沉积密封步骤期间发生的层46上的任何附加电介质沉积。通过图案化和蚀刻绝缘体，腔体通孔48形成为穿过绝缘体材料34、40和46到下层的层18。在实施例中，在后续硅沉积之前，可以采用例如HF酸清洗掉硅上的任何多余氧化物，例如通过将硅18暴露到空气而形成的天然氧化物。希望但不要求腔体通孔48的侧壁角是渐缩的，以改善后续硅沉积侧壁覆盖以及减少硅中的接缝或空隙。
在图16中，在图15的结构上沉积硅层50。在实施例中，硅层50沉积的厚度约为4μm；然而，本发明也涵盖其它尺寸。如图16所示，硅层50沉积为使得硅层50的形貌根据下层的特征而改变。硅层50可在通孔42和48上留下退回性外形。在后续氧化物沉积期间，氧化物可以以铆钉状的方式填充退回性结构，从而在通孔42和48上方存在铆钉形状的氧化物栓。顶盖中铆钉形状的氧化物特征能够在释放后牵制住MEMS梁。为了避免上述MEMS梁的牵制，硅层50的沉积工艺需要被优化以避免这种形状（图30e）；或者需要足够厚的硅层50，以夹断或部分夹断通孔42和48的开口（图30d）；需要硅沉积、CMP和后续硅沉积，类似于前面关于硅层18所讨论的，或者以上的组合。再者，如图16所示，通过通孔48，硅层50与下层的层18接触。在实施例中，由于HF酸清洗，在两个硅层（例如，层18和层50）之间没有氧化物。在可选实施例中，硅层50具有3微米的初始厚度，经受1微米的CMP去除，并且具有第二硅沉积以实现4μm的厚度。
在图17所示的可选实施例中，硅层50可以采用反向掩模来进行可选光刻和RIE工艺，类似于上面讨论的。此反向掩模可将光致抗蚀剂放置在通孔42和48上方，从而当采用RIE或湿化学硅蚀刻工艺回蚀刻硅层50以及后续抗蚀剂剥离与清洗时，减少引入后续CMP步骤中的形貌。反向掩模的形状需要完全覆盖通孔42和48的开口，从而使沟槽不会被沿着其侧壁蚀刻，如前面参考图6所讨论的。
图18a示出了采用类似于前面参考图3讨论的方法而图案化和蚀刻硅层50。在图18a中，硅层50经受CMP工艺以将硅表面平坦化或部分平坦化，然后进行清洗。如前所述，可以采用任何硅抛光工艺，并且如果采用对SiO2具有低选择性或者无选择性的工艺，则消除了硅表面上存在点缺陷的可能性。在这一实施例中，将硅层50图案化为使得硅层50保留在前面形成的通孔48和形成的沟槽46内。在实施例中，通过或不通过反向掩模的图案化或蚀刻工艺，采用传统CMP工艺平坦化硅层50。对于仅进行CMP或者在反向掩模回蚀刻之后进行CMP的情况，可进行HF清洗前的可选第二硅沉积。可选择地，硅层50的沉积可被优化为使其保形地填充通孔42和48；或者夹断通孔42和48，如上面和下面所讨论的。这将保证后续的顶盖层54不延伸到通孔42和48上方形成的铆钉状特征中，其可能潜在地导致摩擦MEMS梁，如上所述。此外，在实施例中，上述工艺在后续处理步骤中也有利地产生平面的腔体结构或者基本上为平面的腔体结构（例如，平坦的或平面表面）。
图17的可选步骤能够有助于硅层50的后续蚀刻/平坦化。应当注意，如果将光波长用于后续的光刻对准，硅层50的任何CMP或者其它平坦化都不能完全平坦化晶片上的所有特征。为了避免完全平坦化，通孔42和48可堆叠在功能集成电路外侧的区域，从而即使在通孔42和48上方将硅平坦化，在堆叠的通孔结构42和48上方也不会将硅平坦化。
如图19a所示，氧化物材料52可被平坦化，使得氧化物留在硅层50上方（图19a），或者氧化物可以与下层的硅层50为平面的，类似于前面图8所示。无论氧化物层52是否被平坦化而退至硅层50的表面，都可能需要附加电介质，以在MEMS腔体上方形成所需的氧化物顶盖厚度，如下所述。可选择地，氧化物层52可被部分平坦化，如图19b所示；或者留下而不平坦化。作为非常相似于图9a所示的可选步骤，相比于2.3μm，氧化物材料可沉积至约5μm的厚度，例如，Si层沉积在厚氧化物材料上。例如，采用诸如CMP的传统工艺而平坦化Si层（和氧化物材料52的部分）。氧化物材料52的沉积工艺应充分填充布线级44的间隔，对于初始氧化物沉积或者整个膜，例如，通过沉积初始氧化物膜而使用HDPCVD氧化物填充间隔，沉积/蚀刻/沉积氧化物，或者PECVD TEOS‑基氧化物，使氧化物中的空隙与CMP平坦化的氧化物表面不相交。对于所有这些实施例，图18a所示的反向图案回蚀刻步骤都是可选的。
如果硅层50没有被完全平坦化，如图16所示，则氧化物层52的表面将延续硅层50的表面形貌，如图19c所示。对于图19c所示的引入形貌，由于通孔42和48的存在，因此氧化物CMP步骤（具有或者不具有反向镶嵌回蚀刻步骤）不能完全平坦化氧化物层52的表面，从而产生图19d所示的外形。应注意，图19d所示的表面外形也具有图19b所示的叠置于其上的球形外形。
可选择地，如果可选氧化物回蚀刻步骤向下蚀刻至硅层50的硅表面，则通孔42和48上方的氧化物将延伸至硅层50的表面下。通孔42和48上方的此形貌可在最终切割的晶片表面产生沟槽，例如，由于在封装芯片的湿度‑压力应力期间水聚集在沟槽中，因此可能导致芯片的可靠性问题。为了避免这个问题，氧化物层52可沉积至使得通孔42和48上方的开口夹断的厚度；或者氧化物层52可平坦化为使的最终表面是平面的，如图19a中。
可选择地，反向图案回蚀刻掩模可修改为使得在通孔42和48周围的区域中去除掩模开口。图19e示出了腔体50、通孔42和通孔48的俯视图。如果在通孔42和48被阻挡的情况下采用反向图案回蚀刻工艺（图19f），则在通孔42和48周围的氧化物不会被蚀刻（图19g），并且更易于平坦化或基本上平坦化氧化物层52的表面。用于平坦化或部分平坦化氧化物层52的可选氧化物CMP工艺会划伤表面。图19h中示出了表面划伤RR的示例。在MEMS牺牲腔体层18和50被排放或去除后，这些表面划伤可能起到破裂核点的作用。为了消除此问题，执行可选的第二电介质或者氧化物沉积，以沉积图19h中所示的层400。
在图20中，在表面上示出氧化物材料54，其在硅排放前决定了顶盖厚度。氧化物材料54例如在排放前可具有约3μm的厚度。如果在硅层50上方没有去除或者没有完全去除氧化物层52，则层52和54的总氧化物厚度将决定硅排放前的顶盖厚度。在实施例中，排放孔58被图案化并且开口在氧化物顶盖中，暴露下层的硅层50的一部分。应当理解，氧化物材料54中可形成多于一个的排放孔58。排放孔58可采用本领域的技术人员已知的传统光刻和蚀刻工艺形成。本公开中讨论的所有图案化特征都采用传统光刻工具（例如，分节器或者相近的）并使用光掩模来图案化，如现有技术中已知的。对于传统光刻，包括掩模上的额外特征以测量特征尺寸、即线宽，以及晶片上当前成像的特征与前级特征之间的重合或交叠。这些额外特征一般被放置在有源芯片之间的切割沟道上，然而它们也可被放置在芯片内侧；或者可以采用有源芯片的特征。为了使印刷的特征与有源芯片内的有源特征相匹配，重要但不要求复制前级特征。例如，对于排放孔58，如果将有源芯片外侧的结构用于测量特征尺寸或交叠，则其应当堆叠在上硅腔体50上方以及腔体内其它布线上方（可选），从而使距离晶片的高度和被测量特征的光学特性（即反射）与有源芯片内相同。这对排放孔58而言尤其重要，因为排放孔58具有相对小的宽度，并且，取决于用于平坦化上腔体的处理，上腔体可在周围的晶片表面上方延伸1μm或更多，如果排放孔抗蚀剂的宽度是在腔体的外侧测量，则可能导致腔体上印刷的排放孔58的抗蚀剂残渣问题。
排放孔58的宽度和高度决定了硅排放后应沉积以夹断排放孔的材料量。通常，当排放孔的宽度减小时；以及当排放孔的高宽比（其为排放孔的高度与宽度的比率）增加时，应沉积以夹断排放孔58的材料量减少。在实施例中，3μm厚的排放前顶盖应具有1μm的直径。在实施例中，在排放硅之前，可使用HF溶液清洗结构，特别是暴露的下层的硅层50。如果排放孔58具有太高的高宽比，或者如果具有太少的排放孔，则难以排放出牺牲腔体材料18和50。排放孔可以是圆形的或接近圆形的，以最小化后续夹断排放孔所需的材料量。在一个示例性实施例中，排放孔成型为八角形，如上所述，其最小化了计算要求。
如果顶盖相对于MEMS腔体面积太薄，无论是排放之后还是在任何后续膜沉积期间，因为膜应力高或者因为在退火期间MEMS梁向上弯向顶盖，所以抽空或排放的腔体上方的顶盖可能破裂或分层。例如，覆盖有1μm氧化物顶盖的500μm乘500μm硅腔体在排放之后或者在后续密封膜沉积之后易于破裂或者分层，这是因为顶盖氧化物或者密封膜的残留应力；或者，因为在退火期间释放的MEMS梁向上推向顶盖。在一个示例性实施例中，每10,000μm2的腔体面积需要约1微米的氧化物顶盖，以避免在排放之后顶盖破裂。
在图21a中，通过排放孔58，排放或者剥离硅层50和18。在实施例中，通过排放孔58，采用XeF2蚀刻剂进行剥离（例如，蚀刻）。蚀刻将剥离所有材料（硅），形成上腔体或腔室60a和下腔体或腔室60b，并且该蚀刻对于许多其它材料（包括SiO2）是选择性的。如在此表示中所示，由于硅层18、50的先前蚀刻步骤，上腔体60a和下腔体60b具有平面的或者接近平面的壁。在排放硅之前，可以执行可选HF清洗，以去除天然氧化物并且氢钝化暴露的硅表面。
如图21b和图21c所示，排放孔58可以形成在几个位置上，形成至上硅层50、下层18或上硅层和下硅层50、18二者的部分（暴露部分）。例如，如图21b所示，排放孔形成在腔体通孔48的内侧和外侧。排放孔58应为圆形或者接近于圆形，以最小化排放后夹断排放孔所需的绝缘体量。可以采用八角形替代圆形来绘制排放通孔，从而最小化处理设计数据所需的计算工作量，如上所述。在此实施例中，上部59a中的硅层50的蚀刻速率快于下部59b中的硅层18的蚀刻速率，因此保证了没有不适当的应力被施加到下部59b上，如图21d所示。（上部59a和下部59b将形成MEMS结构的上腔体和下腔体）。
图21d和图21e示出了图21b和图21c的更加详细的截面图。如图21d所示，排放孔58形成至上硅层和下硅层50、18二者的部分上。在此实施例中，如图21d所示，下层18实际上支撑着上部59a，这是因为它以较低的速率蚀刻。在图21e中，排放孔58可形成在几个位置上，但主要形成至（暴露）层18。在此实施例中，下部59b中的层18的蚀刻速率快于上部59b中的硅层50的蚀刻速率，从而导致MEMS梁60上增加应力的可能性（例如，MEMS梁60可能部分地或全部地撕裂或撕破）。
如果排放孔的布局为，例如，通过将排放孔放置在通孔（腔体通孔）48的外侧，如图21c所示，使得下腔体18比上腔体50排放快，则下腔体可以在上腔体之前排放。这能够导致与应力相关的破裂问题，如图21c所示。当下腔体层18几乎完全排放而仍然延伸腔体的全部高度，并且上腔体硅层50没有完全排放并且延伸到上腔体的全部高度时，则由于顶盖和梁向上弯曲引起的应力能够从下腔体撕裂氧化物60，如图21c所示。出于这些原因，希望在上腔体上方放置排放孔，从而使上腔体在下腔体之前排放。
图21f中示出了倒角的下腔体A和上腔体B的拐角405（也可参见例如图21b）。腔体拐角的倒角可以减小硅排放之后的应力，从而减少由于温度循环或者其它应力引起的电介质膜破裂的机会。45度的倒角405被示出；然而，可预期任何倒角角度，包括圆形拐角（也由标号405表示）。如前所述，相对于圆形拐角，倒角减小了与验证布局不违背最小线和间隔规则相关的计算复杂性。腔体内的通孔42和48也可倒角，如下所述。在图21c中，排放孔58可形成在几个位置上，暴露下层18。在此实施例中，下部59b中的层18的蚀刻速率快于上部59b中的硅层50的蚀刻速率。任何布线级14、38、44的拐角也可倒角，如图22所示，以降低整体应力。
如图22所示，排放孔58可使用材料62密封，材料62例如为电介质或金属。如果密封材料62在梁上的腔体内沉积膜，则可能潜在地使MEMS梁的应力不平衡，并且在通孔周围的区域中将顶盖接合到梁，如这里所述以及图31中的250所示。为了避免此问题，在排放密封材料沉积在腔体内的实施例中，排放孔应当被放置于足够远离通孔，例如大于1微米，或者在示例性实施例中，大于5微米，从而使释放的MEMS梁不会因为排放密封沉积而接合到顶盖。可选择地，排放孔可以被放置在远离MEMS梁的腔体区域中，从而没有排放孔密封材料沉积在释放的MEMS梁上。接下来，沉积可选层64以提供气密密封。层64例如可为500nm PECVD氮化硅膜或者其它已知的膜，以在氧化物层62上方提供气密密封。
在图23a中，在图22的结构中打开最终的通孔66。在实施例中，通孔66暴露下层的电极44。在实施例中，通孔66采用传统光刻和蚀刻工艺而形成。在进一步的实施例中，在形成通孔之前，例如，可选聚酰亚胺层68可沉积在氮化物盖层64上。由于上硅腔体的平坦化，形成此最终通孔的问题是其高度，可在6‑12μm的范围内。长电介质RIE步骤导致RIE工具产生问题，这是由于腔体过度加热或者其它原因；或者简单因为它们每小时处理时间具有低部分并且很昂贵。
图23b和图23c示出了形成通孔的可选择工艺。例如，部分通孔66a可以与排放孔58同时形成。在形成排放孔58（以及后续清洗硅层50、18）之后，排放孔58可以使用电介质材料62和氮化物盖层64密封。这种可选项中，采用两个分开的图案化和蚀刻步骤而形成最终通孔66，减少了制造MEMS装置所需的总蚀刻时间量，并且还使最终通孔的角度锥形化，因此改善了无铅突起间隙填充。在实施例中，如现有技术已知的，可选聚酰亚胺或其它聚合物涂层材料68可沉积在氮化物盖层64上。电介质材料62、氮化物盖层64和聚酰亚胺材料68也将形成在部分通孔66a中。然后，通过穿过电介质材料62、氮化物盖层64和可选聚酰亚胺材料68而蚀刻至下层的电极，形成通孔66b的其余部分。在此表示中，应注意，部分通孔66a具有大于通孔66b的横截面。例如，通孔66a可具有大约60微米的截面（例如，直径）；然而，通孔66b具有更小的尺寸，例如54微米。此外，通孔（由通孔66a和66b形成）的总高度可约为9微米。在实施例中，可选聚酰亚胺的开口小于氧化物的开口，例如48微米，以覆盖布线拐角上的氧化物/氮化物界面的拐角。
图24a至图24f示出了根据本发明制造的结构的俯视图。图24a至图24c示出了根据本发明的第一结构的不同横截面图；而图24d至图24f示出了根据本发明的第二结构的不同横截面图。更具体地，图24a示出了具有上腔体200a和下腔体200b的悬臂梁结构的俯视图。腔体通孔210延伸在上腔体200a和下腔体200b之间。在实施例中，腔体通孔210为“U”或“||”形通孔，然而，本发明也涵盖其它形状。腔体通孔210的宽度例如约为0.1至100微米，而通孔的长度约为1至1000微米。在一个示例性实施例中，腔体通孔210为4微米宽和100微米长。如所讨论的，如果腔体通孔足够厚，例如为5μm，则例如2μm宽的窄腔体通孔在上硅腔体沉积期间将夹断，从而减少顶盖氧化物进入通孔中的延伸。
如本文前面所述，上腔体和下腔体200a和200b可具有相同的尺寸或不同的尺寸。用于形成示出为200b的平面下腔体的CMP处理可导致腔体边缘上的表面弯曲。为了避免此表面弯曲使MEMS梁的底部弯曲，腔体通孔48应设置为使得内部边缘超过弯曲部分并且在下腔体的平坦部分上方。
图24b还示出了腔体通孔210，其延伸在上腔体200a和下腔体200b之间。另外，图24b示出了平行的第一致动器和第二致动器215。相对于第一致动器和第二致动器215提供电容器头220，根据本发明的实施例其可为下固定电容器板。这些布线、即215和220是由层14形成，如图22所示。本领域的技术人员应认识到，第一致动器和第二致动器（电极）215可以是电线，如上所述。第一致动器和第二致动器（电极）215在驱动时，即施加足够的dc电压，将导致MEMS梁的弯曲。
图24c示出了腔体通孔210，其延伸在上腔体200a和下腔体200b之间。另外，图24c示出了平行的第一致动器和第二致动器215a。相对于第一致动器和第二致动器215a提供电容器臂和头220a，根据本发明的方面其可为下固定电容器板。电容器臂和头220a在第一致动器和第二致动器215a之间从腔体的边缘延伸到电容器头。MEMS电容器形成为图24b中的元件220与图24c中的元件220a相交。图24c中的致动器215a以及电容器臂和头220a是由图22中的布线38和44组成，并且如图所示通过通孔228连接，如下面讨论的。
另外，图24c示出了电通孔228，其连接到悬臂梁的下布线和上布线。电通孔228也可连接到延伸在致动器215a之间的电容器臂220a。这些通孔在图22中示出为42。
氧化物栓225被提供在梁的下方，并且可延伸到电容器臂220a以及致动器215a。这些氧化物栓225也位于图21b中的致动器215上方。图24c也示出了梁下方的氧化物栓225。这些氧化物栓是图22中的元件33。在操作中，电极215a致动时将导致MEMS梁的弯曲。在通常的MEMS操作中，致动电压施加在致动器215和215a之间。例如，致动器215接地，并且50V施加到致动器215a；‑25V施加到致动器215，并且25V施加到致动器215a；50V施加到致动器215，并且致动器215a可接地；等等。这些MEMS布局具有四个分离的输入：下电容器输入、上电容器输出、下致动器和上致动器。这四个电极可组合，如现有技术已知的。例如，上致动器215a和电容器220a可由单一的连接布线组成；下致动器215和下电容器220的电极可由单一的布线组成；或二者。对于这些简单的2或3个输入装置，ac信号和dc致动需要通过例如采用连接到接地或者电极上的dc电压的感应器去耦。
图24d至图24f示出了根据本发明的第二结构的不同横截面图。更具体地，图24d示出了具有上腔体300a和下腔体300b的悬臂梁结构的俯视图。腔体通孔310延伸在上腔体300a和下腔体300b之间。在实施例中，腔体通孔310包括平行条，然而，本发明也涵盖其它形状。腔体通孔310的宽度例如约为0.1至100微米，而通孔的长度约为1至1000微米。在一个示例性实施例中，通孔310为4微米宽和100微米长。
图24e也示出了腔体通孔310，其延伸在上腔体300a和下腔体300b之间。另外，图24e示出了第一、第二和第三致动器315。在实施例中，第一致动器和第二致动器是平行的，并且第三致动器是下致动器。电容器头320位于第一致动器和第二致动器与第三（下）致动器之间。根据本发明的方面，电容器头320可为下固定电容器板。这些布线即315和320是由图22所示的层14形成。本领域的技术人员应认识到，第一、第二和第三致动器（电极）315可为电线，如上所述。第一、第二和第三致动器315致动时，将导致MEMS梁的弯曲。
图24f示出了腔体通孔310，其延伸在上腔体300a和下腔体300b之间。另外，图24f示出了第一、第二和第三致动器（电极）315a。相对于第一、第二和第三致动器（电极）315a提供电容器头和臂320a。电容器头和臂320a延伸在第一致动器和第二致动器315a之间。图24f中的致动器315a以及电容器臂和头320a是由图22中的布线38和44组成。
另外，图24f示出了电通孔328，其连接到悬臂梁的下布线和上布线。电通孔328也可连接到电容器臂320a。氧化物栓325被提供在梁的下方，并且可延伸到电容器臂320a以及下致动器315c。在操作中，第一、第二和第三致动器（电极）315驱动时，将导致MEMS梁的弯曲。更具体地，下致动器将电压施加到致动器（电极）。
在两种情况下，如果MEMS装置是电容器，则MEMS梁包括金属/绝缘体/金属，在堆叠的下方和上方具有附加薄绝缘体层。如果装置为电容器，一个示例性实施例可采用0.5微米的上金属和下金属厚度以及2微米的绝缘体厚度，梁的上方和下方具有80nm的绝缘体层。另外，致动器215（图24a至图24c）或者致动器315（图24d至图24f）可连接到地，从而当致动电压施加至致动器时，MEMS梁将致动并且向下弯曲，如现有技术已知的。可选择地，致动电压可施加至图24c和图24f中的致动电极，并且图24b和图24c中的致动器接地。在另一个实施例中，致动器和电容器可连接到一起，并且需要采用诸如感应器的dc地来接地。
图30a至图30e示出了在已执行非保形性硅沉积步骤之后的上腔体硅50的表面形貌，其由于电通孔42和腔体通孔48而没有夹断开口。非偏置PVD硅沉积将形成“面包块”外形，如图30a所示，如现有技术已知的。图30a至图30e还示出了氧化物栓16a。硅层50退回性地、即以具有底切的方式覆盖通孔的侧壁，并且在沉积MEMS腔体的顶盖材料例如SiO2时，顶盖材料将填充通孔42和48上方的退回性开口，如前所述。此退回性顶盖的形成是在图16中的顶盖形成、硅排放和腔体密封步骤之后被示出，如果梁在排放后向上弯曲，则此退回性顶盖的形成能够以铆钉状的方式将顶盖牵制到梁，其中顶盖中的铆钉形状特征（250）摩擦梁和/或将铆钉状顶盖结构接合到梁（255）（例如，参见图31）。
在图31至图33以及图35中，在表面上示出氧化物材料54，其决定了硅排放前的顶盖厚度。在实施例中，排放孔58被开在氧化物顶盖中，暴露下层的硅层50的一部分。应当理解，氧化物材料54中可形成一个以上的排放孔58。排放孔58可以采用本领域的技术人员已知的传统光刻和蚀刻工艺形成。排放孔58的宽度和高度决定了硅排放后应沉积以夹断排放孔的材料量，如下面更加详细讨论的。排放孔58可使用诸如电介质或金属等材料62密封，如上所述。
图34是半导体设计、制造和/或测试中采用的设计过程的流程图。图34示出用于例如半导体IC逻辑设计、模拟、测试、布局和制造中的示例性设计流程900的框图。设计流程900包括用于处理设计结构或装置的工艺、机器和/或机械装置，以产生上述以及图1至图33以及图35所示的设计结构和/或装置的逻辑或其它功能等同表示。设计流程900处理和/或产生的设计结构可被编码在可机读传输或存储介质上以包括数据和/或指令，上述数据和/或指令在数据处理系统上被执行或进行其它处理时产生硬件部件、电路、装置或系统的逻辑、结构、机械或其它功能等同表示。机器包括但不限于IC设计程序中采用的任何机器，例如设计、制造或模拟电路、部件、装置或系统。例如，机器可以包括：光刻机、产生掩模的机器和/或设备（例如，e‑束记录器）、计算机或用于模拟设计结构的设备、制造或测试过程中采用的任何设备或者用于将设计结构的功能等同表示编入任何介质（例如，用于对可编程门阵列编程的机器）的任何机器。
设计流程900可根据设计的表示类型而变化。例如，用于构建专用集成电路（ASIC）的设计流程900可与设计标准部件的设计流程900或者与将设计具体化到可编程阵列的设计流程900不同，可编程阵列例如为Inc.或者Inc.提供的可编程门阵列（PGA）或者场可编程门阵列（FPGA）。
图34示出了多个这样的设计结构，包括输入设计结构920，其优选由设计程序910处理。设计结构920可以是由设计程序910产生和处理的逻辑模拟设计结构，以产生硬件装置的逻辑等同功能表示。设计结构920还可以或者选择性地包括数据和/或程序指令，上述数据和/或程序指令在由设计程序910处理时，产生硬件装置的物理结构的功能表示。无论表示功能和/或结构设计特征，设计结构920都可采用例如由芯体开发者/设计者执行的电子计算机辅助设计（ECAD）产生。在可机读数据传输、门阵列或存储介质上编码时，设计结构920可以由一个或多个硬件和/或设计程序910内的软件模块存取和处理，以模拟或以其它方式功能性表示电子部件、电路、电子或逻辑模块、设备、装置或系统，诸如图1至图33以及图35所示。这样，设计结构920可包括文档或其它数据结构，其它数据结构包括人和/或机读源代码、编译结构以及计算机可执行的代码结构，上述数据结构在被设计或模拟数据处理系统处理时，功能地模拟或以其它方式表示电路或硬件逻辑设计的其它层级。这样的数据结构可包括硬件描述语言（HDL）设计实体或者其它数据结构，上述其它数据结构与诸如Verilog和VHDL的低级HDL设计语言和/或诸如C或C++的高级设计语言一致和/或兼容。
设计程序910优选采用且结合硬件和/或软件模块，用于合成、转化或以其它方式处理图1至图33以及35所示的部件、电路、装置或逻辑结构的设计/模拟功能等同，以产生可包含诸如设计结构920的设计结构的目录（netlist）980。目录980例如可包括编译或以其它方式处理的数据结构，其表示布线、分离部件、逻辑门、控制电路、I/O装置、模块等的列表，描述集成电路设计中与其它元件和电路的连接。目录980可采用迭代程序合成，其中目录980根据设计规范和装置的参数再合成一次或多次。与这里描述的其它设计结构类型一样，目录980可记录在可机读数据存储介质上，或者编程在可编程门阵列中。上述介质可为诸如磁或光盘致动器的非易失存储介质、可编程门阵列、高密闪存或其它闪存存储器。另外或者作为选择，上述介质可以是系统或高速缓冲存储器、缓冲器空间或者电或光传导装置和材料，在上述电或光传导装置和材料上数据包可通过互联网或者其它网络适配装置传输和即时存储。
设计程序910可包括硬件和软件模块，用于处理各种输入数据结构类型，包括目录980。这样的数据结构类型例如可位于库元件930内，并且包括一套通常使用的元件、电路和装置，包括用于指定制造技术（例如，不同的技术节点，32nm、45nm、90nm等）的模型、布局和符号表示。数据结构类型还可包括设计规范940、特征数据950、验证数据960、设计规则970和测试数据文档985，测试数据文档985可包括输入测试方式、输出测试结果以及其它测试信息。例如，设计程序910还可包括标准机械设计工艺，诸如应力分析、热分析、机械事件模拟、诸如铸造、模制和模压成型的操作工艺模拟等。机械设计领域的普通技术人员可认识到设计程序910中采用的机械设计工具以及应用的可能范围，而不偏离本发明的范围和精神。设计程序910还可包括执行标准电路设计程序的模块，例如定时分析、验证、设计规则检查、布局和走线操作等。
设计程序910采用且结合诸如HDL编译器的逻辑和物理设计工具以及仿真模型构建工具，以与一些或全部描述的支持数据结构连同任何附加的机械设计或数据（如果可应用）一起处理设计结构920，从而产生第二设计结构990。
以用于机械装置和结构的数据交换（例如，存储在IGES、DXF、ParasolidXT、JT、DRG中的信息，或者用于存储或者表现这些机械设计结构的任何其它适当格式）的数据格式，设计结构990位于存储介质或者可编程门阵列上。类似于设计结构920，设计结构990优选包括一个或多个文档、数据结构或其它计算机编码数据或指令，上述数据或指令位于传输或数据存储介质上，并且在由ECAD系统处理时，产生图1至图33以及图35所示的本发明一个或多个实施例的逻辑或另外功能等同形式。在一个实施例中，设计结构990可包括编译的可执行HDL仿真模型，其功能地模拟图1至图33以及35所示的装置。
设计结构990还可以采用集成电路布局数据交换所用的数据格式和/或符号数据格式（例如，GDSII（GDS2）、GL1、OASIS、地图文档中存储的信息，或者用于存储这些设计数据结构的任何其它适当格式）。设计结构990可以包括如下信息，诸如符号数据、地图文档、测试数据文档、设计内容文档、制造数据、布局参数、布线、金属级、通孔、形状、生产线路径的数据，以及制造者或者其它设计者/开发者为生产如上所述和图1至图33以及图35所示的装置或结构所需的任何其它数据。然后，设计结构990可进行到阶段995，在这里，例如，设计结构990：进行到带输出，发布到制造，发布到掩模室，送到另一个设计室，送回到顾客等。
如上所述的方法被用于集成电路芯片的制造。所产生的集成电路芯片可由制造者以原料晶片形式（即，作为具有多个未封装芯片的单一晶片）、作为裸芯片或者以封装的形式分布。在后者的情况下，芯片被安装在单一芯片封装中（例如塑料载体，其引线固定到母板上或者其它更高级载体上），或者安装在多芯片封装中（例如陶瓷载体，其具有表面互连或埋置互连的任何一个或二者）。在任何情况下，该芯片然后与其它芯片、分离电路元件和/或其它信号处理装置集成，作为（a）诸如母板的中间产品或（b）最终产品的一部分。最终产品可为包括集成电路芯片的任何产品，其范围为从玩具和其它低端应用到具有显示器、键盘或其它输入装置以及中央处理器的先进计算机产品。
这里采用的术语仅为描述特定实施例的目的，而不意味着限定本发明。这里使用的单数形式“一个”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有说明。还应当理解的是说明书中所用的词语“包括”和/或“包含”是指所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，而不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或增加。
权利要求书中的所有手段或步骤加功能元件的对应结构、材料、作用及等同物，如果使用的话，是指包括与按着具体要求的其它要求元件相结合执行该功能的任何结构、材料或作用。已经呈现的本发明的描述是为了图示和说明的目的，而不意味着以公开的形式穷举或限定本发明。很多修改和变化对本领域的普通技术人员是显而易见的，而不脱离本发明的范围和精神。选择和描述的实施例是为了更好地说明本发明和实际应用的原理，并且能够使本领域的普通技术人员以外的人员理解本发明具有不同修改的各种实施方式，以适合于预期的特定使用。从而，尽管本发明已经以实施例的方式进行了描述，但是本领域的技术人员应当认识到，本发明可通过修改且在所附权利要求的精神和范围内实施。