电容性微结构的制作方法

本申请大体上涉及微结构、制造技术和半导体装置。特别地，但非排他地，本申请涉及微机电系统(mems)结构、集成无源器件(ipd)、开关电容器、金属-绝缘体-金属(mim)电容器和微机电系统(mems)开关。

背景技术：

本章节说明了有用的背景信息，但未示出本文中描述的、表示现有技术的任何技术。

利用微机电系统(mems)技术制造的组件正在被并入日益增长的许多消费者应用中，这些应用包括，但不限于，汽车电子、医疗仪器、智能电话、硬盘驱动器、计算机外围设备和无线设备。mems技术涉及使用微制造技术来形成小型化机电设备和结构。mems设备通常具有某种形式的机械功能，通常是以至少一个活动结构的形式。结构可以通过一系列的工艺步骤被形成在适当的衬底上，这些工艺步骤包括被影印平板印刷地遮蔽和刻蚀的薄膜沉积。例如，mems机械元件、传感器和致动器可以被集成在具有互补金属氧化物半导体(cmos)器件的普通衬底上。

集成无源器件(ipd)技术是用于在低损耗衬底中实现高品质因子(q)无源的方式。将大部分无源组件组合到ipd并且然后将基于ipd的模块集成到子系统，这使高性能、高集成度和较低的组装成本成为可能。特别是需要高q电感器的rf前端模块和组件有利于集成到ipd，诸如平衡-不平衡变换器、耦合器、滤波器、lc谐振器和匹配电路。

在已知的技术方案中，诸如微机电系统(mems)金属化的微结构生长在晶片之上。这将底电极的厚度通常限制为低于2μm。已知的技术方案还具有电阻损耗。

本发明的目的是提供方法、结构和装置，来缓解例如，现有技术的以上问题。

技术实现要素：

本发明示例的各个方面被阐述在权利要求中。

根据本发明的第一示例方面，提供一种微结构，包括：

衬底，具有顶表面；

第一电极，具有平行于衬底顶表面的水平定向，其中第一电极被嵌入在衬底内，使得第一电极的顶表面与衬底的顶表面一致；

电介质层，被布置在第一电极的顶表面上；以及

第二电极，被布置在电介质层的上方。

在实施例中，第一电极的顶表面被抛光。

在实施例中，第一电极的厚度大于5μm。

在实施例中，微结构包括微机电系统(mems)开关，以及还包括：

结构层，具有梁结构，梁结构的两端均被固定到衬底，并且结构层包括被设置在结构层的面对衬底的表面上的第二电极。

在实施例中，微结构还包括：

下驱动电极，被设置在结构层的下方，以及上驱动电极，被设置在结构层的面对衬底的表面上，其中当电势差被布置在上驱动电极和下驱动电极之间时，该结构层被静电引力朝向衬底吸引，使得操作为上开关电极的第二电极以及操作为下开关电极的第一电极开始彼此接触。

在实施例中，微结构包括金属-绝缘体-金属(mim)电容器，其中

第二电极被布置在电介质层的顶表面上。

在实施例中，第一电极顶表面的第一水平端被保留为未被电介质层覆盖，并且电介质层在第一电极的顶表面的第二水平端的上方延伸。

在实施例中，电介质层的顶表面的第一水平端被保留为未被第二电极覆盖，并且第二电极延伸至电介质层顶表面的第二水平端。

在实施例中，微结构还包括连接元件，被布置在衬底上且被配置为提供以下各项中的至少一项：

第一连接元件，被配置为提供到第一电极的顶表面的第一水平端的连接；以及

第二连接元件，被配置为提供到第二电极的第二水平端的连接；第二电极的第二水平端与电介质层的顶表面的第二水平端邻近。

根据本发明的第二示例方面，提供一种形成微结构的方法，该方法包括：

提供衬底，具有顶表面；

形成第一电极，具有与衬底的顶表面平行的水平定向，其中第一电极被嵌入在衬底内，使得第一电极的顶表面与衬底的顶表面一致；

在第一电极顶表面上形成电介质层；以及

在电介质层上方形成第二电极。

根据本发明的第三示例方面，提供一种半导体装置，包括根据第一方面的微结构。

在实施例中，半导体装置包括集成无源器件(ipd)。

在实施例中，半导体装置包括钝化层，被布置在硅衬底层和第一金属层之间。

在实施例中，半导体装置包括在至少一个电极的至少一个金属层的表面上延伸的至少一个阻挡层。

在实施例中，电介质层包括原子层沉积(ald)生长的氧化铝层。

在实施例中，电介质层包括等离子体增强的化学气相沉积(pecvd)层。

已经在前面说明了本发明不同的非约束性示例方面和实施例。在前面的实施例仅用于解释可以被利用在本发明实现中的所选方面或步骤。一些实施例可以仅参考本发明的某些示例方面来被呈现。应当理解，对应的实施例也可以应用到其他示例方面。

附图说明

为了更全面地理解本发明的示例实施例，现在参考结合附图进行以下描述，其中：

图1图示了根据本发明实施例的微结构的部分轮廓/侧面图；

图2图示了根据本发明实施例的mems开关的微结构；

图3图示了根据本发明实施例的mim电容器的微结构；以及

图4示出了根据本发明实施例的方法的流程图。

具体实施方式

在实施例中，公开了微结构，诸如微机电系统(mems)开关、金属-绝缘体-金属(mim)电容器或无源组件和使用电感器和电容器实现的电路。例如，集成无源器件(ipd)技术也可以通过混合集成的有源电路被用作针对多芯片模块技术的集成平台。

微结构技术或集成无源器件(ipd)技术可以被制造到适合在洁净室中进行薄膜工艺的任何衬底。熔融石英、石英或高电阻率硅因其良好的rf特性而通常被用于rf应用。

微结构或集成无源器件(ipd)层还可以被后加工到有源器件晶片，诸如cmos、sige或gaas，以具有高q的无源和再分布层(rdl)。

通过参考图1至图4来理解本发明及其潜在优点。在本文中，相同的附图标记表示相同的部件或步骤。

图1图示根据本发明实施例的微结构100的部分轮廓/侧面图。

在实施例中，裸片(未示出)可以被耦合在微结构100之上。此外，电路板(未示出)可以被耦合在微结构100之上或之下。焊球可以被用于耦合。

微结构100包括衬底100，具有顶表面111，第一电极120，具有与衬底100顶表面111平行的水平定向，其中第一电极120被嵌入在衬底110内，使得第一电极120的顶表面121与衬底110的顶表面111一致。

在实施例中，第一电极120的顶表面121被抛光或被平坦化以得到具有光滑顶表面的第一电极。

第一电极120的垂直厚度可以大于5μm，甚至大于10μm。

图2图示根据本发明实施例的微机电系统(mems)开关的微结构200。

在实施例中，微机电系统(mems)开关的微结构200包括：衬底110，具有顶表面111，第一电极120，具有与衬底110顶表面111平行的水平定向，其中第一电极120被嵌入在衬底110内，使得第一电极120的顶表面121与衬底110的顶表面111一致。

微结构200还包括：电介质层140，被布置在第一电极120的顶表面121上；以及第二电极130，被布置在电介质层140的上方。

在实施例中，微结构200还包括结构层131，具有梁结构，其中梁结构的两端均固定到衬底110，并且结构层131包括第二电极130，被设置在结构层131的面对衬底110的表面上。

在实施例中，微结构200还包括：至少一个下驱动电极150，被设置在结构层131的下方，以及至少一个上驱动电极151，被设置在结构层131的面对衬底110的表面上。从而，当电势差被布置在上驱动电极151和下驱动电极150之间时，结构层131被静电引力朝向衬底110吸引，使得操作为上开关电极的第二电极130以及操作为下开关电极的第一电极120开始彼此接触。

在实施例中，驱动电极150、151可以与第一电极120和第二电极130集成，或者第一电极120和第二电极130可以被用于为电势差提供偏置电压。

本发明的实施例使新型的mems开关器件成为可能，这种新型的mems开关器件的底电极比现有已知系统的更厚。当该技术被用作开关电容器技术时，这降低了mems开关技术的损耗以及增大了品质因子(q)。电极120金属化的顶表面可以被抛光/平坦化生成光滑的顶表面。这对于mems组件尤其重要，因为实施例的结构化层131没有如在现有已知方法中的任何台阶。在现有已知方法中，如果厚金属(大于1μm)被放置在晶片的表面上，这会引起mems组件的结构化层的台阶，并且随后从而潜在地引发问题。因为针对尤其是底电极的厚金属化，rf功率处理也被显著地改进。

因此，实现更高的品质因子(q)意味着更低的电阻损耗，以及与现有已知方法相比更容易的后加工。此外，由于光滑的底电极120，在电介质层140中不存在台阶覆盖的问题，以及在结构层131中不存在台阶。这产生了更高的电压和功率处理。

一般而言，memsrf开关具有优于传统半导体开关的性能优点。例如，当开关开启时，memsrf开关提供极其低的插入损耗，并且当开关断开时展现了高的衰减水平。与半导体开关相反，memsrf开关具有非常低的功耗和高频水平(大约70ghz)。

在实施例中，memsrf开关具有mim(金属/绝缘体/金属)结构，即，绝缘体/电介质层140被夹在两个电极120、130之间。因此，当偏置电压施加到memsrf开关(例如，在驱动电极150、151或电极120、130上)，开关作用为电容器，允许ac信号从中经过。

在实施例中，图2示出memsrf开关200的截面图。memsrf开关300包括衬底110、第一电极120、绝缘体(电介质层)140、以及第二电极130。特别地，图2中的memsrf开关具有结构层131，第二电极130被布置在结构层131上。同样，空气间隙160存在于第二电极130和绝缘体140之间。

当施加偏置电压(在驱动电极或主电极上)时，至少一个电极可能会热膨胀并且在绝缘体140的方向上偏移，从而会与绝缘体140接触。像这样，第一电极120、绝缘体140和第二电极130一起作用为电容器，并且rf开关200被打开，转而允许rf信号以预定频带从中经过。然而，如果未施加偏置电压，第二电极130与绝缘体140分离。结果，rf开关200被关闭，并且不允许rf信号从中经过。

在实施例中，当施加偏置电压时，第二偏置电极130、151带正电产生正电荷(+)的集聚以及第一偏置电极120、150带负电产生负电荷(-)的集聚。同时，绝缘体140上的电荷可以维持为0，不依赖于偏置电压的施加。然而，在实践中，电荷集聚常常出现在绝缘体140。因此，在绝缘体140上检测到的电荷不总为0。

图3图示根据本发明实施例的mim电容器的微结构300。

在实施例中，mim电容器的微结构300包括：衬底110，具有顶表面111，第一电极120，具有与衬底110顶表面111平行的水平定向，其中第一电极120被嵌入在衬底110内，使得第一电极120的顶表面121与衬底110的顶表面111一致。

微结构300还包括：电介质层140，被布置在第一电极120的顶表面121上；以及第二电极130，被布置在电介质层140的顶表面上。

在实施例中，如图3中所示的，第一电极120顶表面121的第一水平端被保留为未被电介质层140覆盖，并且电介质层140在第一电极120顶表面121的第二水平端的上方延伸。

此外，电介质层140顶表面的第一水平端可以被保留为未被第二电极130覆盖，并且第二电极130可以延伸至电介质层140顶表面的第二水平端。

在实施例中，微结构300还可以包括至少一个被布置在衬底10上的连接元件151、152。

例如，第一连接元件151，可以被配置为提供到第一电极120顶表面121的第一水平端的连接。例如，第一连接元件151可以是连接焊盘。

例如，第二连接元件152，可以被配置为提供到第二电极130的第二水平端的连接，第二电极的第二水平端与电介质层140顶表面的第二水平端邻近。例如，第二连接元件152也可以是连接焊盘。第二连接元件152可以被第二电极130包括且形成单个元件130。

第一连接元件151和第二连接元件152可以被布置在电介质层140顶表面相反的水平端处。

在已知系统中，mim电容器的底电极的厚度通常在0.1μm至1μm之间。由于电阻损耗，这限制了mim电容器品质因子(q)。

针对mim电容器的实施例使更厚(5至10μm)的底电极120成为可能。厚的底电极120被制造到衬底110中并且然后被平坦化。这允许光滑的表面121以用于下一个工艺步骤。在提供第一电极120的金属层之后生长电介质层140。必要时电介质层140可以被图案化。在电介质层140之上，生长第二电极130的金属层。

该多目的技术适合于多个rf应用和从超高频(vhf)到毫米波的多个频率。例如，半导体装置300还可以包括薄膜电阻器，和在不同金属层之间的ipd组件。

在实施例中，可以形成至少一个在电极120、130的至少一个金属层的表面上延伸的阻挡层。

阻挡层可以包括低压化学气相沉积氮化物(lpcvdsin)或等离子体增强的化学气相沉积氮化物(pecvdsin)。

例如，电介质层140可以包括原子层沉积(ald)生长的氧化铝层或等离子体增强的化学气相沉积(pecvd)层，诸如正硅酸乙酯(teos)。衬底可以包括硅衬底层110。

在实施例中，连接元件310、311可以包括导电焊盘，其可以被用于使至少一个金属层互连。也可以布置连接到半导体装置的集成无源器件(ipd)的连接。例如，半导体装置的金属层焊盘310、311可以被耦合到集成无源器件(ipd)端子上。

电介质层140可以影响微结构300的rf性能。

在实施例中，不同的绝缘体沉积方法可以被用于产生不同的rf性能。例如，可以利用具有最小静电荷的薄氧化物层140来优化rf性能。

在实施例中，高阻硅衬底110可以被使用。具有新颖钝化层的这种高阻硅衬底110无需表现为与标准硅晶片一样。

与微结构衬底110接触的电介质层140的厚度和材料类型对微结构300的性能有影响。尤其影响rf性能。在一些实现中，衬底110可以包括玻璃衬底或硅衬底。

在实施例中，例如，铜金属层可以被提供用于高品质因子传输线和无源组件。金属层可以被聚酰亚胺层140分离并且相同金属层的不同金属层元件可以被第二聚酰亚胺材料分离。作为进一步的步骤，倒装芯片凸块可以被沉积以允许将组件组装到模块。

在实施例中，sio2可以被用于电介质材料140，但如果需要更高的电容密度，其他材料也是可用的。例如，ta2o5、hfo或zro2，具有电介质常数为25、16和20。

针对ipd器件，可以根据应用选择薄膜电阻器层的电阻。例如，标准工艺薄膜电阻器的电阻，对于匹配的rf终端和用于电阻式wilkinson功率分配器的电阻器来说，是有用的。诸如rfmems偏置电路的应用需要优选大于500ohm的电阻值。

本发明的实施例使新型的mim电容器成为可能，mim电容器的底电极比现有已知系统的更厚。当使用该技术时，这降低了mim电容器技术的电阻性损耗以及增大了品质因子(q)。电极120金属化的顶表面121可以被抛光/平坦化生成光滑的顶表面。这对于mim电容器组件尤其重要，因为电介质层140则没有如在现有已知系统中的台阶覆盖问题。在现有已知方法中，如果厚金属(大于1μm)被放置在晶片的表面上，这会引起电介质层140的台阶以嵌入第一电极120。由于经抛光且光滑的表面，该实施例的mim电容器的击穿电压也比传统的mim电容器的击穿电压更高。因为针对尤其是底电极的厚金属化，rf功率处理也被显著地改进。

因此，实现更高的品质因子(q)意味着更低的电阻损耗，以及与现有已知方法相比更容易的后加工。此外，由于光滑的底电极120，在电介质层140中不存在台阶覆盖的问题。这产生了更高的电压和功率处理。

图4示出根据本发明实施例的方法流程图。

一种形成微结构100、200、300(例如参见图1至图3)的方法开始于步骤410。在步骤420中，具有顶表面111的硅衬底110被提供。在步骤430中，第一电极120被形成，其具有与衬底110的顶表面111平行的水平定向，其中第一电极120被嵌入在衬底110内，使得第一电极120的顶表面121与衬底110的顶表面111一致。在步骤440中，第一电极120的顶表面被抛光/极化。在步骤450中，电介质层140被形成在第一电极120的顶表面121上。在步骤460中，第二电极130被形成在电介质层140上方。在步骤470中，方法结束。

在实施例中，钝化层包括氧化铝并且钝化层被形成在硅衬底的表面上，以通过制造在钝化层与导电电极之间的阻挡层保护免于受到由钝化层与导电电极之间的化学相互作用所引起的影响。

可以通过将钝化层暴露在反应空间中，以交替地重复两种或多种不同前驱体(其中至少一种前驱体是针对氧的前驱体)的表面反应，来在钝化层上沉积阻挡层，阻挡层包括钛和氧、钽和氧、锆和氧、铪和氧、或它们中的任何组合、或它们与铝和氧的任何组合，以及通过在阻挡层上制备包括铝浆的层，来在沉积在钝化层上的阻挡层上形成导电电极。

反应空间可以被随后地抽真空至适当的压强，用于形成包括氧化铝的钝化层。反应空间可以使用，例如机械真空泵来被抽真空至适当的压强，或者在ald系统和/或工艺的大气压强的情况下，可以设置气流以保护沉积区域免受大气的影响。通过所使用的方法，硅衬底也可以被加热至适于形成钝化层、导电层或电介质层的温度。硅衬底可以通过例如，密封的装载锁系统或仅通过装载仓口被引入到反应空间。硅衬底可以被电阻加热元件加热，该电阻加热元件也加热整个反应空间。

在硅衬底和反应空间已经到达目标温度之后，并且其他条件适于沉积，硅表面可以被调整使得所沉积的材料基本上可以被直接沉积在硅表面上。在其上待被沉积层的硅表面的调整可以包括对硅膜表面进行化学洁净处理，以除去杂质和/或氧化。当硅表面经由氧化环境被送进反应空间时(例如，当将暴露的硅表面从一个沉积工具传送到另一个时)，尤其对氧的去除是有益的。鉴于本说明书，从硅膜的表面去除杂质和/或氧化物的方法的细节对于技术人员将是显而易见的。在本发明的一些实施例中，调节可以在原位进行，即在适合于ald型工艺的工具外部进行。

在硅衬底被调整完成后，可以开始将沉积表面交替暴露于不同的前驱体化学物中，以在硅衬底上直接形成进一步的层。由于对应的前驱体与沉积表面的吸附反应，沉积表面每一次暴露于前驱体都会引起在沉积表面上附加沉积的形成。

适于ald型沉积的典型反应器包括用于将诸如氮气或氩气的运载气体引入反应空间的系统，使得可以在将下一个前驱体化学物引入到反应空间之前，将剩余的化学物和反应产物从反应空间中清除。该特征与受控剂量的汽化前驱体一起使得能够将基材表面交替地暴露于前驱体，而不会在反应空间或反应器的其他部分中大量混入不同的前驱体。在实践中，运载气体流在整个沉积过程中连续地通过反应空间，并且只有各种前驱体被交替地通过运载气体引入到反应空间。

硅衬底上的另一可选层(例如，钝化层)的厚度，可以由沉积表面暴露于不同前驱体的次数来控制。钝化层的厚度增大直到达到目标厚度，在这之后至少一层绝缘体层被沉积。

在本发明的一个实施例中，绝缘体层(例如电介质层)的沉积以相同的沉积工具在ald型工艺中被实施。在这种情况下，可以简单地通过将前驱体化学物从用于先前层沉积的化学物改变为适合于绝缘体层沉积的化学物，来开始绝缘体层的沉积。

在实施例中，键合线封装包括堆叠在裸片上的微结构100、200、300。裸片可以被设置在引线框上。引线框可以是引脚栅格阵列(pga)封装、四方扁平无引线(qfn)封装或其他封装。引线框可以包括第一焊盘，并且可以被安装在pcb上。中间层可以设置在微结构100、200、300和裸片之间，并且将微结构100、200、300连接到裸片上。集成无源器件(ipd)也可以被布置在裸片内。

集成无源器件(ipd)包括绝缘层或第二衬底、和金属化层。绝缘层或第二衬底被设置在金属化层之间。绝缘层或第二衬底可以包括过孔。过孔可以是通过玻璃过孔(tgv)或硅过孔(tsv)。过孔可以将第一金属化层和/或第一金属化层上的无源器件连接到第二金属化层和/或第二金属化层上的无源器件。每个无源器件可以被实现在集成无源器件(ipd)的一层或多层上。

附加的焊盘可以被设置在微结构100、200、300上。焊盘可以通过键合线被连接到第一焊盘。焊盘可以被连接到金属化层和/或金属化层中的无源器件。

在不以任何方式限制下面出现的权利要求的范围、解释或应用的情况下，因为针对尤其是底电极的厚金属化，本文公开的一个或多个示例实施例的技术效果是，改进的rf功率处理。本文公开的一个或多个示例实施例的另一技术效果是，改进的品质因子(q)。本文公开的一个或多个示例实施例的另一技术效果是，后加工相比已知方法更容易。本文公开的一个或多个示例实施例的另一技术效果是，由于光滑的底电极，在电介质层中没有台阶覆盖问题，以及在结构层中没有台阶。这导致更高的电压和功率处理。本文公开的一个或多个示例实施例的另一个技术效果是，改进的微结构的制造工艺。本文公开的一个或多个示例实施例的另一技术效果是，提供了可靠且紧凑的半导体装置。

尽管本发明的各个方面将在独立权利要求中被陈述，本发明的其他方面包括来自所述实施例和/或从属权利要求的特征，与独立权利要求的特征的其他组合，而不仅仅是权利要求中明确陈述的组合。

在此还应注意，尽管以上描述了本发明的示例实施例，但是这些描述不应以限制性的意义被看待。相反，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以对实施例进行若干变型和修改。