具有止蚀层的MEMS显示装置的制作方法

具有止蚀层的mems显示装置相关申请[0001]本申请要求2018年7月4日提交的美国临时申请专利62/694,008的优先权和权益，其全部公开内容通过引用合并于本文。技术领域[0002]本公开涉及用于制造微电子机械系统(mems)的方法。更具体地，本公开涉及制造具有坚固的保护层的mems装置的制造工艺，以防止在释放蚀刻以去除牺牲层时蚀刻剂的侵蚀。背景技术：[0003]mems制造中的关键工艺是去除牺牲层。当通过蚀刻去除牺牲层时，蚀刻剂可能会损坏mems的结构，例如互补金属氧化物半导体(cmos)电子电路。技术实现要素：[0004]本公开的一方面在于提供一种用于mems装置的坚固的保护层，该坚固的保护层可以在使用氢氟酸(hf或vhf)等蒸气蚀刻剂蚀刻牺牲层时保留下来。[0005]根据本公开的mems装置可以包括：基板；在所述基板上的电子电路；电连接到所述电子电路的电极；可移动元件，所述可移动元件通过在所述电极与所述可移动元件之间施加电压来控制；在所述电极与所述电子电路之间的绝缘层，所述绝缘层具有将所述电极与所述电子电路电连接的通孔；以及在所述绝缘层上的止蚀层，所述止蚀层由氮化铝或氧化铝中的至少一种制成。止蚀层可以覆盖电极和电子电路，或者电极可以安装在止蚀层上，并通过通孔经由止蚀层电连接到电子电路。[0006]根据本公开的在基板上制造mems装置的方法可以包括：在基板上形成电子电路；在所述基板上形成绝缘层；形成包括贯孔的通孔，所述贯孔延伸穿过所述绝缘层并填充有电连接到所述电子电路的导电材料；在所述绝缘层上形成连接到所述通孔的电极；在所述绝缘层上形成止蚀层，所述止蚀层由氮化铝或氧化铝中的至少一种制成；形成与所述电极连接的垂直铰链；在所述绝缘层上形成牺牲层；形成与所述垂直铰链连接的可移动元件；和通过氢氟酸蒸气去除所述牺牲层。可以在在形成所述电极之后形成所述止蚀层，使得所述止蚀层在所述可移动元件与所述电极之间。或者，可以在形成所述止蚀层之后形成所述电极，使得所述电极形成在所述止蚀层上。附图说明[0007]当结合附图阅读时，可以根据以下详细描述理解本公开。应当强调的是，根据惯例，附图的各个特征未按比例绘制。相反，为了清楚起见，各特征的尺寸被任意地扩大或缩小。此外，除非另外指出，否则相似的附图标记指代相似的元件。[0008]图1是根据第一实施例可以在显示装置中使用的mems装置的截面图。[0009]图2是图1所示的mems装置的反射镜偏转到on状态时的截面图。[0010]图3是mems装置的一个反射镜元件的截面图，用于描述图1的制造工艺。[0011]图4是根据第二实施例的mems装置的截面图。[0012]图5是图4所示的mems装置的反射镜偏转到on状态时的截面图。[0013]图6是mems装置的一个反射镜元件的截面图，用于描述图4的制造工艺。[0014]图7是根据第三实施例的mems装置的截面图。[0015]图8是根据第四实施例的mems装置的截面图。[0016]图9是图7所示的mems装置的反射镜偏转到on状态时的截面图。[0017]图10是mems装置的一个反射镜元件的截面图，用于描述图8的制造工艺。[0018]图11是金属化工艺的示例。[0019]图12是镶嵌工艺的示例。具体实施方式[0020]图1和图2示出了本公开的第一实施例中的mems装置101的截面图。这些附图和本文中的其他附图用于描述根据本公开的mems装置的单个可移动元件。然而，本文描述的mems装置可包括多个可移动元件。例如，在可移动元件是反射镜使得mems装置可用于显示器的情况下，在一些实施方式中，mems装置3可以包括大约200万个反射镜。[0021]mems装置101包括基板111。在基板111上形成至少一个电子电路，在该示例中，该电子电路是一个或多个晶体管116、117。在基板111上形成层间电介质112、113、114。即，层间电介质112形成在基板111和电子电路(即晶体管116、117)的一部分上。层间电介质113形成在层间电介质112上，并且层间电介质114形成在层间电介质113上。可以结合更多或更少的层间电介质。层间电介质在本文中也可以称为绝缘层。止蚀层115形成在离基板最远的(例如，顶部)层间电介质114上。[0022]mems装置101具有金属层136、137、138、139、140、141和电极121、122、123用于在层间电介质112、113、114之间的电气布线。此外，mems装置101具有连接电气布线和电极的通孔127、128、129、130、131、131、132、133、134、135。更一般而言，mems装置101可包括一个或多个电极，其安装在止蚀层115上，以通过金属层和使用层间电介质绝缘的通孔与mems装置101的一个或多个电子电路电连接。根据本文教导的mems装置的电极、金属层和通孔的数量可以基于mems装置101内的电子电路及其在其中的布置而变化。[0023]如图1所示，通孔127提供从形成在止蚀层115上的电极121穿过层间电介质114到形成在层间电介质114上的金属层136的导电路径。通孔128提供从形成在层间电介质114上的金属层136穿过层间电介质113到形成在层间电介质112上的金属层137的导电路径。通孔129提供从形成在层间电介质112上的金属层137穿过层间电介质112到基板111的导电路径。通过通孔127、128、129和金属层136、137，电极121可以通过基板111、层间电介质113和层间电介质114上的触点电连线或电连接到电子电路。[0024]以类似的方式，通孔130提供从形成在止蚀层115上的电极122穿过层间电介质114到形成在层间电介质114上的金属层138的导电路径。通孔131提供从形成在层间电介质114上的金属层138穿过层间电介质113到形成在层间电介质112上的金属层139的导电路径。通孔132提供从形成在层间电介质112上的金属层139穿过层间电介质112到基板111的导电路径。通过通孔130、131、132和金属层138、139，电极122可以通过基板111、层间电介质113和层间电介质114上的触点电连线或电连接到电子电路。[0025]图1中根据电极123连接到一个或多个晶体管116、117的触点示出了电极与电子电路的连接。通孔133提供从形成在止蚀层115上的电极123穿过层间电介质114到形成在层间电介质114上的金属层140的导电路径。通孔134提供从形成在层间电介质114上的金属层140穿过层间电介质113到形成在层间电介质112上的金属层141的导电路径。通孔135提供从形成在层间电介质112上的金属层141穿过层间电介质112到一个或多个晶体管116、117的触点的导电路径。通过通孔133、134、135和金属层140、141，电极123可以通过层间电介质113和层间电介质114上的触点电连线或电连接到电子电路。[0026]此外，mems装置101具有铰链152，该铰链152直接形成在电极122上或形成在安装在电极122上的附加导电支撑结构上，其中每个附图中示例性地示出的导电支撑件可以由与电极122相同的材料形成。mems装置101具有反射镜元件151，该反射镜元件151形成在铰链152的上侧。在该实施例和本文所述的其他实施例中，反射镜元件是可结合到本文描述的mems装置中的可移动元件的一个示例。同时，在铰链152的底部形成机械阻挡件153、154。所示的机械阻挡件153、154是由与铰链152相同的材料形成的单件，该铰链152平行于反射镜元件151的默认或未激发位置延伸，而反射镜元件151平行于基板111及其各层的安装面。[0027]基板111由单晶硅构成。在该示例中，晶体管116和117是cmos晶体管，但是其他电子电路也可以。层间电介质112、113、114是包括二氧化硅(sio2)或另一种合适的绝缘材料的层间绝缘膜或层。[0028]金属层136、137、138、139、140、141例如由铝(al)、铜(cu)或铝铜合金(al-cu)制成。[0029]电极121、122、123由钨(w)或与通孔相同的材料制成。每个通孔127、128、129、130、131、131、132、133、134、135形成为贯孔，该贯孔延伸穿过mems装置101的至少一个层并填充有导电材料，在此示例中为钨(w)。另外，在制造期间在通孔127、130、133与止蚀层115之间形成间隙124、125和126，这会产生问题，因为随后使用的蚀刻剂可能会穿透这些间隙并损坏该结构。为了减轻该问题，假设通孔127的半径为r，那么期望电极121覆盖止蚀层115的距离x是r的两倍以上。对于安装在止蚀层上的每个电极，同样期望穿过止蚀层的通孔的半径r与安装在止蚀层上的电极的长度或距离x之间存在相同的关系。[0030]在本文中的结构中，电极(例如电极122)安装在止蚀层(例如止蚀层115)上，该关系在上面被描述为电极覆盖止蚀层的距离x是r的两倍以上。在本文描述的其他结构中，例如，参照图7，止蚀层可以替代地覆盖一些或全部电极。更一般地，可将电极描述为沿着其安装表面具有至少两倍于与其电气连接的通孔半径的长度、大小或尺寸(例如，长度、宽度或半径)。[0031]例如，期望覆盖止蚀层115的电极121、122、123的尺寸大小是与每个电极连接的通孔的半径的两倍或更大。这防止了蒸气蚀刻剂(i)穿透电极121、122、123和止蚀层115，以及(ii)通过间隙123、125、126侵蚀层间电介质114。[0032]铰链152是支撑反射镜元件151的可变形构件。例如，铰链152由诸如非晶硅或多晶硅的材料制成。[0033]反射镜元件151是能够反射来自光源的光的元件。反射镜元件151具有由钛、钨等构成的支撑层，以及由反射率良好的材料(例如铝、金或银或其任意组合)构成的反射镜层。[0034]反射镜元件151静电吸引电极123，并且铰链152由于变形而倾斜。这可能是因为在可移动元件(例如，反射镜元件151)与电极123之间施加电压。该电压引起吸引力。如图2所示，反射镜元件151通过与阻挡件153接触，可防止与未被绝缘层覆盖的电极123接触。也就是说，机械阻挡件153、154安装在电极121、123上方一定的高度处，并具有足以防止铰链152变形导致反射镜元件151接触电极123的尺寸(例如，长度)。例如，机械阻挡件153、154的长度允许在以下情况下与反射镜元件151接触：当反射镜元件151倾斜以防止反射镜元件151接触mems装置的另一部分时。可防止铰链152变形导致反射镜元件151接触电极123。因此，可以防止电短路。因为在该示例中机械阻挡件153、154由与铰链152相同的材料形成，所以它也可以稍微变形，但是该变形可以忽略，或者可以在确定机械阻挡件153、154的长度和安装高度时考虑。[0035]参照图3，牺牲层181用于形成反射镜元件151。牺牲层181由无机或无定形材料形成，其中一个示例是sio2。牺牲层181沉积在止蚀层115和止蚀层115的表面上的任何组件上。在牺牲层181的表面上形成反射镜元件151之后，通过蒸气蚀刻剂——氢氟酸蒸气(vhf)去除牺牲层181。此时，反射镜元件151、铰链152、电极121、122、123和止蚀层115暴露于蒸气hf。但是，由于每种材料都具有抗蒸气hf的能力，因此腐蚀作用不明显。另外，由二氧化硅(sio2)构成的层间电介质112、113、114被电极121、122、123和止蚀层115覆盖，因此侵蚀程度被降到最低。而且，例如，电极121覆盖止蚀层115的距离x是通孔127的半径的两倍以上，并且对于电极122和123可以引入相同的特征。因此，该距离x的值足以防止蒸气hf渗透到止蚀层115与电极121、122、123之间并到达层间电介质112、113、114。[0036]图4和图5示出了本公开的第二实施例中的mems装置201的截面图。mems装置201包括基板211。在基板211上形成至少一个电子电路，在该示例中，该电子电路是一个或多个晶体管216、217。类似于图1至图3的晶体管116、117，晶体管216、217可以是cmos晶体管，或者是其他电子组件或电路。层间电介质212、213、214形成在基板211上。即，层间电介质212形成在基板211和电子电路的一部分(在此为晶体管216、217)上。层间电介质213形成在层间电介质212上，层间电介质214形成在层间电介质213上。可以结合更多或更少的层间电介质，并且层间电介质212、213、214可以由与层间电介质112、113、114相同的材料形成。止蚀层215形成在离基板最远的层(例如，顶部)层间电介质214上。[0037]此外，mems装置201具有金属层236、237、238、239、240、241和电极221、222、223，用于在层间电介质212、213、214之间的电布线。此外，mems装置201具有连接电气布线和电极的通孔227、228、229、230、231、232、233、234、235。通孔227、228、229，金属层236、237和电极221可以分别具有如上所述的与通孔127、128、129，金属层136、137和电极121相同的布置并由相同的材料形成。通孔230、231、232，金属层238、239和电极222可以分别具有如上所述的与通孔130、131、132，金属层138、139和电极122相同的布置并由相同的材料形成。通孔233、234、235，金属层240、241和电极223可以分别具有如上所述的与通孔133、134、135，金属层140、141和电极123相同的布置并由相同的材料形成。[0038]mems装置201具有铰链252，该铰链252直接形成在电极222上或形成在安装在电极122上的单独的电极上，以及形成在铰链252上侧的反射镜元件251。铰链252可以以与铰链152相同的方式、材料形成，反射镜元件251可以与上述反射镜元件151相同。[0039]电极221、222、223由al、al-cu合金等制成。电极221、222、223形成在层间电介质214上。电极221、222、223与层间电介质214形成阶梯。参照图1至图3，其中止蚀层115覆盖层间电介质114，并且电极121、122、123形成在止蚀层115上，与图1至图3的布置相比，在该实施例中，止蚀层215具有阶梯结构以覆盖电极221、222、223和层间电介质214。[0040]第二实施例与第一实施例之间的主要区别在于，止蚀层215覆盖电极221、222、223。此外，在图4的实施例中未形成图1中的机械阻挡件153、154。[0041]反射镜元件251静电吸引电极223，并且铰链252由于变形而倾斜。从图5中可以看出，通过接触覆盖电极223的止蚀层215来限制反射镜元件251的倾斜。止蚀层215还防止反射镜元件251直接接触电极223。因为止蚀层215是由氮化铝(aln)或氧化铝(al2o3)构成的绝缘膜，可以防止发生电短路。[0042]图6是用于形成反射镜元件251的牺牲层281的截面图。牺牲层281由诸如sio2的无机或无定形材料形成，并且沉积在止蚀层215和从该止蚀层215表面延伸的任何组件上。在形成反射镜元件251之后，通过蒸气蚀刻剂——氢氟酸蒸气(vhf)去除牺牲层281。此时，反射镜元件251、铰链252、电极222和止蚀层215暴露于蒸气hf。但是，由于每种材料都具有抗蒸气hf的能力，因此它们受侵蚀的程度被降到最低。[0043]图7是根据本公开的第三实施例的mems装置301的截面图。mems装置301包括基板311、晶体管316、317(作为可以在mems装置301中形成的电子电路的示例)、形成在基板311上的层间电介质312、313、314以及形成在层间电介质314上的止蚀层315。[0044]mems装置301具有金属层336、337、338、339、340、341和电极321、322、323，用于在层间电介质312、313、314之间的电布线。此外，mems装置301具有连接电气布线和电极的通孔327、328、329、330、331、332、333、334、335。基板311、晶体管316、317、金属层336、337、338、339、340、341和通孔327、328、329、330、331、332、333、334、335分别具有与基板111、晶体管116、117、金属层136、137、138、139、140、141和通孔127、128、129、130、131、131、132、133、134、135相似的组成和布置，因此不再赘述。层间电介质312、313、314可以由与层间电介质112、113、114相同的材料形成，并且为晶体管316、317、金属层336、337、338、339、340、341和通孔孔327、328、329、330、331、331、332、333、334、335提供的绝缘功能与层间电介质112、113、114为晶体管116、117、金属层136、137、138、139、140、141和通孔127、128、129、130、131、132、133、134、135提供的绝缘功能相同。然而，层间电介质314与电极321、322、323的布置与先前实施例不同，下文会进一步详细描述。[0045]此外，mems装置301具有形成在电极322上的铰链352和形成在铰链352上侧的反射镜元件351。铰链352可以以与与铰链251相同的方式、材料形成，反射镜元件351可以与上述反射镜元件251相同。[0046]电极321、322、323由铜(cu)、钨(w)等构成。可以通过镶嵌工艺形成电极321、322、323，以便将其埋入层间电介质314中。下面参照图12描述镶嵌工艺。从该描述可以看出，电极321、322、323和层间电介质314同时经受化学机械抛光(cmp)处理，它们在同一表面上对准。止蚀层315形成在电极321、322、323和层间电介质314上，并且在同一表面上被平坦化。由于其制造方法，止蚀层315不具有阶梯结构，并且可以形成均匀且无缺陷的膜。因此，即使形成薄的止蚀层315，也可以防止蒸气hf对层间电介质314的腐蚀。[0047]图8和图9示出了根据本公开第四实施例的mems装置401的截面图。mems装置401包括基板411。在基板411上形成至少一个电子电路，在该示例中，该电子电路是一个或多个晶体管416、417。类似于图1至图3的晶体管116、117，晶体管416、417可以是cmos晶体管，或者是其他电子组件或电路。层间电介质412、413、414形成在基板411上。即，层间电介质412形成在基板411和电子电路的一部分(在此为晶体管416、417)上。层间电介质413形成在层间电介质412上，层间电介质414形成在层间电介质413上。可以结合更多或更少的层间电介质，并且层间电介质412、413、414可以由与层间电介质112、113、114相同的材料形成。[0048]mems装置401具有金属层436、437、438、439、440、441和电极421、422、423，用于在层间电介质412、413、414之间的电布线。此外，mems装置401具有连接电气布线和电极的通孔427、428、429、430、431、432、433、434、435。通孔427、428、429，金属层436、437和电极421可以分别具有如第一实施例所述的与通孔127、128、129，金属层136、137和电极121相同的布置并由相同的材料形成。通孔430、431、432，金属层438、439和电极422可以分别具有如第一实施例所述的与通孔130、131、132，金属层138、139和电极122相同的布置并由相同的材料形成。通孔433、434、435，金属层440、441和电极423可以分别具有如第一实施例所述的与通孔133、134、135，金属层140、141和电极123相同的布置并由相同的材料形成。然而，与第一实施例不同并且与第二实施例类似，电极421、422、423与离基板411最远的(即，顶部)层间电介质414形成阶梯，并且止蚀层415具有阶梯结构以覆盖电极421、422、423和层间电介质414。止蚀层415可以是由aln或al2o3构成的绝缘膜。[0049]mems装置401具有铰链452，该铰链452直接形成在电极422上或形成在安装在电极422上的单独的电极上，以及形成在铰链452上侧的反射镜元件451。铰链452可以以与铰链152相同的方式、材料形成，反射镜元件451可以与如第一实施例所述的反射镜元件151相同。在铰链452的底部，形成机械阻挡件453、454，其类似于第一实施例的阻挡件153、154。[0050]第四实施例与第二实施例之间的主要区别在于，铰链452的底部形成有机械阻挡件453、454。[0051]参考图9，反射镜元件451静电吸引电极423，并且铰链452的变形导致铰链452倾斜。反射镜元件451通过接触阻挡件453，可以防止与覆盖在电极423上的止蚀层415的接触。因此，可以防止反射镜元件451粘附到止蚀层415，还可以防止发生电短路。[0052]图10是反射镜装置的一个反射镜元件的截面图，用于描述图8的制造工艺。牺牲层481是用于形成反射镜元件451的基底。牺牲层481由诸如sio2的无机或无定形材料形成，并且沉积在止蚀层415和从该止蚀层415表面延伸的任何组件上。在形成反射镜元件451之后，通过蒸气蚀刻剂——氢氟酸蒸气(vhf)去除牺牲层481。此时，反射镜元件451、铰链452、电极422和止蚀层415暴露于蒸气hf。但是，由于每种材料都具有抗蒸气hf的能力，因此它们受侵蚀的程度被降到最低。[0053]接下来描述在基板上制造mems装置的方法。为了便于说明，使用与第一实施例相对应的附图标记。然而，其他实施例的制造方法是相似的。在该方法中，在基板111上形成电子电路。参照图1至图3，电子电路包括耦合到金属层136、137、138、139、140、141中的任何一个或多个的晶体管116、晶体管117或其他电子电路。也可以在基板111上形成绝缘层(本文中也称为层间电介质)。形成通孔(例如通孔132)，该通孔包括延伸穿过绝缘层112并填充有导电材料的贯孔。通孔132与电子电路电连接。在绝缘层112上形成电极(例如电极122)，并且电极112电连接至通孔132。[0054]可以看出，可以形成一个以上的绝缘层或层间电介质112、113、114。因此，并且取决于布置在基板111上的电子电路，可以在相应的绝缘层112、113、114上沉积一个或多个金属层，并且可以形成延伸穿过绝缘层112、113、114的一个或多个通孔以将电极电连接到电子电路。例如，电极112可以通过金属层139、通孔131、金属层138和通孔130电连接到通孔132。[0055]可以使用金属化工艺1100来形成本文中的电极、通孔和金属层，其中，例如，金属是可以容易地蚀刻的金属，例如al等。在图11中示出了金属化工艺1100的示例。在图11中，金属层1104沉积在电介质层1102上。电介质层1102可以位于晶片上，例如si晶片。以正图案(保护金属层1104的一部分)施加光致抗蚀剂1106。然后，根据光致抗蚀剂1106的图案，使用蚀刻剂蚀刻金属层1104，从而留下可与本文所指的电极、通孔或金属层相对应的金属部分1108。电介质1110沉积在电介质层1102和金属部分1108上。最后，蚀刻过量的电介质。例如，通过化学机械平坦化(cmp)工艺使电介质1110平坦化。由于在该工艺1100中蚀刻了金属层1104，因此可以将其称为减法工艺。[0056]当电极、通孔或金属层改为由更耐蚀刻的cu、w等构成时，例如图12所示的镶嵌工艺1200可以用于金属化。在这样的工艺1200中，止蚀层1204沉积在电介质层1202上。电介质层1202可以位于晶片上，例如si晶片。止蚀层1204的材料可以根据要使用的金属材料而不同。在止蚀层1204上形成另一个电介质层1206。以负图案(保护电介质层1206的一部分)施加光致抗蚀剂1208。然后，根据光致抗蚀剂1208的图案，使用蚀刻剂蚀刻电介质层1206，从而留下用于本文中所指的电极、通孔、线或金属层的沟槽或孔1210。金属1212沉积在剩余的电介质层1206上，并暴露出止蚀层1204以填充沟槽或孔1210。例如，可以通过电镀来沉积cu。此后，通过cmp去除多余的金属1212以形成金属部分1214，该金属部分1214可以对应于本文所指的电极、通孔或金属层。电介质层1216沉积在金属部分1214和剩余的电介质层1206上方。由于工艺1200蚀刻沟槽或孔1210以添加金属1212，因此可以将其称为添加工艺。[0057]代替上述的单一镶嵌工艺，可以使用双镶嵌工艺。在双镶嵌工艺中，可以通过在电介质层中蚀刻孔和沟槽来形成通孔和线(在本文中也称为电极或金属线)，然后在如此形成的两个部件中沉积金属。一个光致抗蚀剂加上蚀刻步骤可在电介质中形成孔以与下面的金属连接，而另一光致抗蚀剂加上蚀刻步骤可形成用于金属线的沟槽。可以以以下两个顺序之一执行两个光致抗蚀剂加上蚀刻步骤——先形成沟槽，然后形成孔，或者先形成孔，然后形成沟槽——然后沉积金属。[0058]无论包括多少绝缘层以及采用何种工艺进行金属化，都可以在最外层绝缘层、层间电介质11上形成止蚀层115。止蚀层115可以由以下材料制成：氮化铝(aln)或氧化铝(al2o3)中的至少一种。形成止蚀层115可以包括在适当的氧分压下在绝缘层114上溅射氧化铝。溅射的氧化铝可以形成膜。形成止蚀层115可以包括使用原子层沉积在由氧化铝制成的绝缘层114上形成膜。[0059]接下来，形成垂直铰链152。即，竖直铰链152是垂直于基板(例如基板111)的安装表面延伸的铰链。竖直铰链152连接至电极122。由无机或无定形材料制成的牺牲层181可以形成在绝缘层114上，也可以形成在止蚀层上，这取决于绝缘层114、电极和止蚀层的布置。在铰链152上形成可移动元件，例如反射镜或反射镜元件151。可以使用多种技术来形成竖直铰链152和反射镜元件151。在美国专利7,876,488中描述了示例技术的其他细节，该专利的全部内容通过引用合并于本文。随后，通过氢氟酸蒸气去除牺牲层181。[0060]尽管已经根据某些实施例描述了本发明，但是应该理解，这样的公开不应该被解释为限制性的。对于本领域技术人员而言，在阅读本公开之后，各种改变和修改是显而易见的。因此，应当将所附权利要求书解释为覆盖落入其范围内的所有替代和修改。