Способ изготовления интегрального микромеханического реле

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении приборов микроэлектромеханических систем, в частности интегральных микромеханических реле и устройств на их основе. Технический результат: повышение надежности и временной стабильности интегрального микромеханического реле. Сущность: способ изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем (7), осуществляется на поверхности кремниевых пластин в едином технологическом цикле при технологии изготовления, совместимой с технологией производства интегральных схем. Для этого формируют на поверхности кремниевой подложки (1) диэлектрический слой (2) из пленки SiO₂ методом термического окисления; напыляют токопроводящий слой TiN (3) и формируют неподвижный электрод методом ионно-лучевого напыления и травления с использованием проекционной лазерной фотолитографии. Осаждают слой Si₃N₄ методом CVD с подготовкой его в качестве жертвенного слоя с последующим плазменным травлением. Напыляют первый токопроводящий слой TiN (4), осаждают диэлектрический слой SiC (5) с высокими упругими свойствами методом магнетронного напыления Напыляют второй токопроводящий слой TiN (6). Осаждают пьезоэлектрический слой ЦТС (7). Напыляют третий токопроводящий слой TiN (8). Затем проводят плазмохимическое травление слоев: третьего токопроводящего слоя TiN (8), пьезоэлектрического слоя ЦТС (7), второго токопроводящего слоя TiN (6), диэлектрического слоя SiC (5) с высокими упругими свойствами, первого токопроводящего слоя TiN (4) с формированием подвижного многослойного электрода и вскрытием жертвенного слоя Si₃N₄. Травление жертвенного слоя Si₃N₄ проводят с образованием воздушного зазора между неподвижным и подвижным электродами. 1 ил.

 

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении приборов микроэлектромеханических систем, в частности интегральных микромеханических реле и устройств на их основе.

Известен способ изготовления микромеханического реле на основе ультрананокристаллического алмаза (УНКА), заключающийся в формировании подвижного электрода путем осаждения УНКА на поверхность SiO₂ в качестве жертвенного слоя для образования зазора между подвижным и неподвижным электродом, проведение фотолитографии, реактивного ионного травления и последующим осаждением пьезоэлектрического слоя ЦТС на поверхность УНКА для формирования подвижного электрода [Auciello, Orlando; Pacheco, S.; Sumant, Anirudha V.; Gudeman, C; Sampath, S.; Datta, A.; Carpick, Robert W.; Adiga, Vivekananda P.; Zurcher, P.; Zhenqiang Ma; Yuan, Hao-Chih; Carlisle, J.A.; Kabius, В.; Hiller, J.; Srinivasan, S., "Are Diamonds a MEMS' Best Friend?," Microwave Magazine, IEEE, vol.8, no.6, pp.61,75, Dec. 2007].

Недостатком данного способа является низкая надежность устройства, обусловленная сложностью получения УНКА, длительностью процесса осаждения, небольшими геометрическими размерами осажденного слоя УНКА, которые не соответствуют групповой технологии, необходимостью осаждения слоя ЦТС на УНКА при высокой температуре (750°C), что при существенном различии температурных коэффициентов линейного расширения ЦТС (3,5·10^-6/К) и УНКА (1,05·10^-6/К) вызывает возникновение значительных механических напряжений, способных привести к деформации и отслоению слоев.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем, состоящей из подложки, покрытой диэлектрическим слоем с нижним (неподвижным) электродом, и подвижного электрода, состоящего последовательно из нижнего токопроводящего слоя, диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами, среднего токопроводящего слоя, пьезоэлектрического слоя, верхнего токопроводящего слоя, расположенного на поверхности вышеупомянутой подложки, осуществляется на поверхности кремниевых пластин. Создание интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем осуществляют в едином технологическом цикле при упрощенной технологии изготовления, совместимой с технологией производства интегральных схем, в которой формирование подвижного электрода возможно в виде консоли или в виде балки и включает операции: формирования на поверхности кремниевой подложки пленки Si₃N₄ методом пиролиза SiH₄; напыление слоя TiN и формирование структуры «нижний электрод» методом проекционной фотолитографии и плазмохимического травления слоя TiN; осаждение слоя ФСС (фосфатно-силикатного стекла) методом химического осаждения из газовой фазы и формирование на его основе жертвенного слоя методом жидкостного химического травления; напыление первого слоя TiN; осаждение диэлектрического слоя Si₃N₄; напыление второго слоя TiN; осаждение пьезоэлектрического слоя ЦТС; напыление третьего слоя TiN; плазмохимическое травление слоев: третьего слоя TiN, слоя ЦТС, второго слоя TiN, слоя Si₃N₄, первого слоя TiN с формированием подвижного многослойного электрода и вскрытием жертвенного слоя ФСС, жидкостное химическое травление жертвенного слоя ФСС с образованием воздушного зазора между неподвижным и подвижным электродами [RU патент №2481675, С2, H01L 41/00, В81В 7/00. Конструкция и технология изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем. Опубл.: 10.05.2013, Бюл. №13].

Недостатками прототипа являются низкая надежность и недостаточная продолжительность работы прибора при высоком количестве переключений реле за счет низких значений прочностных характеристик диэлектрического слоя Si₃N₄, использующегося в качестве упругого элемента. К уменьшению прочности при изгибе подвижного электрода в процессе работы реле и уменьшению надежности приводит также существенное отличие температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) Si₃N₄=2,6·10^-6/K от ТКЛР ЦТС-19=6,0·10^-6/К и снижает диапазон рабочих температур прибора. Другим недостатком известного способа является существенная погрешность за счет снижения воспроизводимости параметров при высоких частотах переключения реле [Allyson L. Hartzell, Mark G. da Silva, Herbert R. Shea. MEMS Reliability. - Springer London, Limited, 2013].

Целью заявляемого изобретения является повышение надежности и временной стабильности интегрального микромеханического реле за счет использования в качестве подвижного электрода микромеханического реле композиции на основе пьезоэлектрического слоя с высокопрочным материалом.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем, состоящего из подложки, покрытой диэлектрическим слоем с нижним неподвижным электродом, и подвижного электрода, состоящего последовательно из нижнего токопроводящего слоя, диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами, среднего токопроводящего слоя, пьезоэлектрического слоя, верхнего токопроводящего слоя, причем создание интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде балки или струны в едином технологическом цикле включает операции: формирование на поверхности кремниевой подложки диэлектрического слоя, напыление токопроводящего слоя TiN и формирование структуры «нижний электрод» методом проекционной фотолитографии; осаждение жертвенного слоя; напыление первого токопроводящего слоя TiN; осаждение диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами; напыление второго токопроводящего слоя TiN; осаждение пьезоэлектрического слоя ЦТС; напыление третьего токопроводящего слоя TiN; плазмохимическое травление слоев: третьего токопроводящего слоя TiN, пьезоэлектрического слоя ЦТС, второго токопроводящего слоя TiN, диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами, первого токопроводящего слоя TiN с формированием подвижного многослойного электрода и вскрытием жертвенного слоя, травление которого проводят с образованием воздушного зазора между неподвижным и подвижным электродами, согласно предлагаемому изобретению диэлектрический слой с нижним неподвижным электродом формируют из SiO₂ методом термического окисления на поверхности кремниевой подложки, неподвижный электрод формируют методом ионно-лучевого напыления и травления с использованием проекционной лазерной фотолитографии, формирование жертвенного слоя проводят путем осаждения пленки методом CVD с последующим плазменным травлением, а диэлектрический слой с высокими упругими свойствами формируют из SiC методом магнетронного напыления.

Использование в качестве подвижного электрода микромеханического реле композиции на основе пьезоэлектрического слоя с высокопрочным материалом приводит к повышению надежности, временной стабильности, долговечности работы прибора. Использование микроэлектронной вакуумно-плазменной технологии позволяет получать активные слои в едином вакуумном цикле, что существенно уменьшает трудоемкость. Осаждение и травление жертвенного слоя Si₃N₄ методом CVD в едином цикле на одной установке при помощи индукционной плазмы упрощает технологический процесс изготовления и снижает вредность производства по сравнению с жидкостным травлением. Тогда как в прототипе жертвенный слой ФСС осаждался из газовой фазы с последующим жидкостным травлением, что требовало использования разных установок. Использование диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами со значением ТКЛР, близким к ТКЛР пьезоэлектрического слоя, позволяет расширить диапазон рабочих температур прибора.

Предложенный способ изготовления, в котором диэлектрический слой выполняется из SiC с высокими упругими свойствами и повышенными прочностными характеристиками, позволяет повысить упругость и прочность подвижного электрода. Изготовление пьезоэлектрического слоя из ЦТС-19 путем осаждения на упругий слой позволяет существенно снизить температурные напряжения при эксплуатации интегрального микромеханического реле, обусловленные тем, что температурные напряжения в структуре «подвижный электрод - пьезоэлектрический слой» определяются выражением:

где E _f - модуль упругости пьезоэлектрического слоя, ν _f - коэффициент Пуассона пьезоэлектрического слоя, α_s и αf - ТКЛР упругого слоя и пьезоэлектрического слоя соответственно,

ΔT - диапазон изменения температуры. В прототипе модуль упругости пьезоэлектрического слоя ЦТС-19 E _f=73 ГПа, коэффициент Пуассона пьезоэлектрического слоя ЦТС-19 ν _f=0,175, ТКЛР пьезоэлектрического слоя ЦТС-19 α_f=6·10^-6/К, ТКЛР упругого слоя Si₃N₄ α_s=2,6·10^-6/К. Температурное напряжение, рассчитанное с учетом выражения (1), σ_th=54,153 МПа.

В предложенном техническом решении модуль упругости пьезоэлектрического слоя ЦТС-19 E _f=73 ГПа, коэффициент Пуассона пьезоэлектрического слоя ЦТС-19 ν _f=0,175, ТКЛР пьезоэлектрического слоя ЦТС-19 α_f=6·10^-6/К, ТКЛР упругого слоя SiC α_s=4,7·10^-6/К. Температурное напряжение, рассчитанное с учетом выражения (1), σ_th=20,705 МПа.

Следовательно, предложенный способ изготовления позволяет снизить температурные напряжения в 2,7 раза по сравнению с прототипом за счет использования в качестве диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами SiC.

Применение диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами, изготовленного из SiC, увеличивает надежность при циклическом воздействии сил на подвижный электрод при работе реле и снижает погрешность за счет увеличения модуля упругости, при этом увеличивается рабочая частота реле, т.е. повышается его быстродействие. Рабочая частота прямо пропорциональна квадратному корню из модуля упругости диэлектрического слоя. Модуль упругости SiC=450 ГПа, Si₃N₄=73 ГПа, соответственно в предложенном техническом решении и протопите. Применение в качестве диэлектрического слоя SiC позволяет повысить рабочую частоту в 2,5 раза [Allyson L. Hartzell, Mark G. da Silva, Herbert R. Shea. MEMS Reliability. - Springer London, Limited, 2013].

Предлагаемый способ изготовления поясняется на фиг. 1, на котором изображено интегральное микромеханическое реле.

Способ изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем (7), состоящей из кремниевой подложки (1), покрытой диэлектрическим слоем SiO₂ (2) с нижним неподвижным электродом (3), и подвижного электрода, состоящего последовательно из нижнего (первого) токопроводящего слоя TiN (4), диэлектрического слоя SiC (5) с высокими упругими свойствами, среднего (второго) токопроводящего слоя TiN (6), пьезоэлектрического слоя ЦТС (7), верхнего (третьего) токопроводящего слоя TiN (8), причем создание интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде балки или струны в едином технологическом цикле включает операции: формируют на поверхности кремниевой подложки (1) диэлектрический слой (2) из пленки SiO₂ методом термического окисления; напыляют токопроводящий слой TiN (3) и формируют неподвижный электрод методом ионно-лучевого напыления и травления с использованием проекционной лазерной фотолитографии, осаждают слой Si₃N₄ методом CVD с подготовкой его в качестве жертвенного слоя с последующим плазменным травлением, напыляют первый токопроводящий слой TiN (4), осаждают диэлектрический слой SiC (5) с высокими упругими свойствами методом магнетронного напыления, напыляют второй токопроводящий слой TiN (6), осаждают пьезоэлектрический слой ЦТС (7), напыляют третий токопроводящий слой TiN (8). Затем проводят плазмохимическое травление слоев: третьего токопроводящего слоя TiN (8), пьезоэлектрического слоя ЦТС (7), второго токопроводящего слоя TiN (6), диэлектрического слоя SiC (5) с высокими упругими свойствами, первого токопроводящего слоя TiN (4) с формированием подвижного многослойного электрода и вскрытием жертвенного слоя Si₃N₄. Травление жертвенного слоя Si₃N₄ проводят с образованием воздушного зазора между неподвижным и подвижным электродами.

В предлагаемой технологии создание интегрального микромеханического реле с подвижным электродам в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем (7) проводят в едином технологическом цикле, с формированием на поверхности подложки (1) диэлектрического слоя (2) с нижним неподвижным электродом (3) и осаждением слоя Si₃N₄ в качестве жертвенного слоя. Затем последовательно наносят на упомянутые слои с целью формирования подвижного электрода: первый токопроводящий слой (4), диэлектрический слой (5) с высокими упругими свойствами, второй токопроводящий слой (6), пьезоэлектрический слой ЦТС (7); третий токопроводящий слой (8) с удалением на финальном этапе жертвенного слоя.

Пример конкретного выполнения

Разработана технология изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем ЦТС (7) на поверхности кремниевых пластин диаметром 60 мм и 100 мм, включающая следующие операции: формирование на поверхности кремниевой подложки (1) диэлектрического слоя SiO₂ (2) с нижним (неподвижным) электродом методом термического окисления, формирование на поверхности кремниевой подложки (1) структуры «нижний электрод» (3) на основе пленки TiN методом ионно-лучевого напыления и травления с использованием проекционной лазерной фотолитографии, формирование жертвенного слоя, заключающееся в осаждении пленки Si₃N₄ методом CVD с последующим ее плазмохимическим травлением после формирования структуры «подвижный электрод». Формирование первого токопроводящего слоя TiN (4) проводят методом ионно-лучевого напыления, формирование диэлектрического слоя SiC (5) с высокими упругими свойствами методом магнетронного напыления, напыление второго токопроводящего слоя TiN (6) в едином вакуумном цикле, без разгерметизации объема рабочей камеры с целью повышения чистоты процесса. Затем проводят осаждение пьезоэлектрического слоя ЦТС (7). После чего методом ионно-лучевого напыления формируют третий токопроводящий слой TiN (8). Далее проводят формирование подвижного электрода методом плазмохимического травления слоев: третьего токопроводящего слоя TiN (8), пьезоэлектрического слоя ЦТС (7), второго токопроводящего слоя TiN (6), диэлектрического слоя SiC (5), с высокими упругими свойствами, первого токопроводящего слоя TiN (4) с формированием подвижного электрода и вскрытием жертвенного слоя Si₃N₄. Травление жертвенного слоя Si₃N₄ проводят с образованием воздушного зазора между неподвижным и подвижным электродами.

Технико-экономическими преимуществами предлагаемого способа изготовления интегрального микромеханического реле по сравнению с известными техническими решениями являются повышение надежности и временной стабильности интегрального микромеханического реле, снижение погрешности, упрощение технологии и снижение себестоимости изготовления.

Способ изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем, состоящего из подложки, покрытой диэлектрическим слоем с нижним неподвижным электродом, и подвижного электрода, состоящего последовательно из нижнего токопроводящего слоя, диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами, среднего токопроводящего слоя, пьезоэлектрического слоя, верхнего токопроводящего слоя, причем создание интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде балки или струны в едином технологическом цикле включает операции: формирование на поверхности кремниевой подложки диэлектрического слоя, напыление токопроводящего слоя TiN и формирование структуры «нижний электрод» методом проекционной фотолитографии; осаждение жертвенного слоя; напыление первого токопроводящего слоя TiN; осаждение диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами; напыление второго токопроводящего слоя TiN; осаждение пьезоэлектрического слоя ЦТС; напыление третьего токопроводящего слоя TiN; плазмохимическое травление слоев: третьего токопроводящего слоя TiN, пьезоэлектрического слоя ЦТС, второго токопроводящего слоя TiN, диэлектрического слоя с высокими упругими свойствами, первого токопроводящего слоя TiN с формированием подвижного многослойного электрода и вскрытием жертвенного слоя, травление жертвенного слоя с образованием воздушного зазора между неподвижным и подвижным электродами, отличающийся тем, что диэлектрический слой с нижним неподвижным электродом формируют из SiO₂ методом термического окисления на поверхности кремниевой подложки, неподвижный электрод формируют методом ионно-лучевого напыления и травления с использованием проекционной лазерной фотолитографии, формирование жертвенного слоя проводят путем осаждения пленки Si₃N₄ методом CVD с последующим плазменным травлением, а диэлектрический слой с высокими упругими свойствами формируют из SiC методом магнетронного напыления.