用于表面MEMS结构的操作/容限增强特征与雕刻凸起地址电极

摘要

本发明涉及一种用于表面MEMS结构的操作/容限增强特征与雕刻凸起地址电极。一种通过以下步骤来形成例如DMD型像素的微机电系统MEMS像素(10)的方法：形成具有非平面上部表面的衬底(11)，及在所述衬底上沉积光致抗蚀剂间隔层(15)。将所述间隔层暴露于灰阶光刻掩模(28)以塑形所述间隔层的上部表面。在经平面化的间隔层上形成控制部件(13a)，且在所述控制部件上方形成成像部件(14a)。所述成像部件经配置以依据所述控制部件定位以形成空间光调制器SLM。通过用灰阶光刻掩模掩蔽所述间隔层的选定部分以移除所述选定部分中的翘突来将所述间隔层平面化。

说明书

技术领域

本发明大体来说涉及半导体微机电系统(MEMS)技术，且更特定来说，涉及空间光调制器(SLM)。

背景技术

半导体空间光调制器(SLM)适于数字成像应用，包含投影仪、电视机、打印机及其它技术。数字微反射镜装置(DMD)是1987年在美国德克萨斯州达拉斯市的德州仪器公司处发明的一种类型的SLM。DMD为基于微机电系统(MEMS)技术的整体半导体装置。DMD通常包括制作在对应寻址存储器单元面阵上方的双稳态可移动微反射镜形成图像元素(像素)面阵及安置在微反射镜下方的相关联寻址电极。寻址电极由具有电压电势的控制电路选择性激励以形成致使相应微反射镜朝向相应地址电极倾斜的静电吸引力。在一些应用中，微反射镜也可具备电压电势。DMD的一个实施例经揭示于让与给本发明的同一受让人的美国专利7,011,015中，该美国专利的教示内容以引用的方式并入本文中。

DMD像素技术的设计及构造的整体性质与倾斜的微反射镜静电交互的准平面结构相关联。上述情形提出在试图维持静电权限时使结构缩小的能力的问题。最后，设计变得对源自平面部件边缘的静电转矩递送以及这种情况可产生的所有变化越来越敏感。

上文所描述的DMD超结构的制作通常将类CMOS工艺与完整SRAM存储器电路一起使用。通过使用多个光掩模层，超结构形成有用于地址电极、铰链、翘曲顶端、反射镜层的交替铝层以及用于形成气隙的牺牲层的硬化光致抗蚀剂。存储器电路可具有准平面形貌，且因此准平面形貌可通过光致抗蚀剂牺牲层耦合且形成准平面结构。

在半导体装置的整体制作期间将一个层形貌耦合到另一层(例如但不限于通过牺牲光致抗蚀剂间隔层的层形貌耦合)通过如何经由实质上依序塑形成部件的金属沉积将所述层的形状锁定到适当位置中来表达。这个部件经定义为‘翘突’且其与其它部件(例如，地址电极及翘曲顶端)的不一致性对用于致动的静电转矩递送具有影响。

发明内容

本发明提供一种包含雕刻凸起地址电极的用于表面MEMS结构的操作/容限增强特征。

在第一实例性实施例中，方法包括：在衬底的非平面上部表面上沉积光致抗蚀剂间隔层。将间隔层暴露于灰阶光刻掩模以塑形间隔层的上部表面。在经塑形上部表面上形成控制部件，且在控制部件上方形成成像部件。所述成像部件经配置以依据所述控制部件定位以形成空间光调制器(SLM)。

在某些实施例中，通过用灰阶光刻掩模掩蔽间隔层的选定部分以移除选定部分中的翘突来将间隔层上部表面平面化。成像部件平行于控制部件，且控制部件在衬底上面隆起并平行于所述衬底。衬底可包含经配置以控制成像部件的位置的存储器。成像部件具有形成在扭转铰链上的光反射上部表面且经配置以调制入射光并形成图像。

在另一实例性实施例中，方法包括：在衬底的非平面上部表面上沉积间隔层，及将间隔层暴露于灰阶光刻掩模以将间隔层的上部表面中的翘突移除。在衬底上方形成可定位成像部件，其中所述成像部件经配置以依据控制部件定位以形成空间光调制器(SLM)。

在某些实施例中，通过灰阶光刻掩模来将间隔层上部表面平面化且成像部件平行于衬底。衬底包含经配置以控制成像部件的位置的存储器。成像部件具有经配置以调制入射光的光反射上部表面且形成在扭转铰链上。控制部件在衬底上面隆起且经定位在成像部件下面。

在另一实例性实施例中，方法包括：在包含存储器的衬底的非平面上部表面上沉积光致抗蚀剂间隔层，及将所述间隔层暴露于灰阶光刻掩模以将间隔层的上部表面平面化。在经平面化上部表面上形成控制部件，且在所述控制部件上方形成可定位成像部件，其中所述成像部件平行于所述控制部件且经配置以依据存储器定位以形成空间光调制器(SLM)。成像部件具有经配置以调制入射光并形成图像的光反射上部表面，且形成在扭转铰链上。

所属领域的技术人员可从以下图、说明及权利要求书容易明了其它技术特征。

附图说明

为更完整地理解本发明及其优势，现在结合附图来参考以下说明，附图中：

图1图解说明根据本发明的MEMS像素元件的分解图；

图2A、图2B及图2C图解说明在倾斜MEMS像素情况下的三种主要考虑情形；

图3图解说明包含形成在存储器单元上的地址电极及偏压总线的M1层的实例性实施例；

图4图解说明当在M1层上方经处理时第一牺牲光致抗蚀剂间隔层的顶部的图像；

图5图解说明包含叠加在图4中所展示的光致抗蚀剂形貌的顶部上的隆起地址电极、铰链及翘曲顶端的M2层；

图6展示对具体察看M2层级的7.6μmDMD像素的高分辨率、光学干涉仪捕获，从而展示隆起地址电极及翘曲顶端中的大量卷曲；

图7图解说明隆起地址电极中的卷曲减小反射镜与隆起地址电极之间的组合角；

图8及图9图解说明根据本发明的用于间隔层的顶部上以便具体影响隆起地址电极的外边缘的次波长灰阶光刻掩蔽工艺的一个实例性实施例；

图10图解说明展示通过使用根据本发明的灰阶光刻掩蔽工艺在隆起地址电极的卷曲外边缘处减少50nm形貌的原子力显微术(AFM)数据；

图11展示表示在蚀刻之前的柱状铰链沉积的M2层的倾斜扫描电子显微镜(SEM)图像；

图12图解说明柱状铰链蚀刻形状，从而图解说明平坦的隆起地址电极及翘曲顶端，平坦的隆起地址电极及翘曲顶端在使灰阶掩模布局的中心位置最优化之后进一步改进相对于反射镜的净距离；

图13到22图解说明根据本发明的实例性过程；及

图23图解说明反射镜与隆起地址电极之间的经改进组合角。

具体实施方式

下文所论述的图1到23及在本专利文件中用于描述本发明的原理的各种实施例仅以说明方式进行且决不应以任何方式解释为限制本发明的范围。所属领域的技术人员将理解，可以任何适合方式且以任何类型的适合布置的装置或系统来实施本发明的原理。

图1是像素元件10(在此实例性实施例中展示为DMD像素)的分解图。像素元件10为使用半导体制作技术制作在晶片(衬底)上的此些像素元件的阵列中的一者。像素元件10为制作在形成于晶片上的SRAM存储器单元11上方的整体集成MEMS超结构单元。已通过等离子蚀刻将两个牺牲光致抗蚀剂层移除以在超结构的三个金属层之间产生气隙。出于此说明目的，通过由这些气隙分离来将三个金属层“间隔”开。

最上部第一金属(M3)层14具有反射镜14a。反射镜14a下方的气隙使反射镜14a绕顺应性扭转铰链13b(其为第二金属(M2)层13的部分)自由旋转。反射镜14a由通孔14b支撑在扭转铰链13b上。隆起地址电极13a也形成M2层13的部分且定位在反射镜14a下方。第三金属(M1)层12具有用于形成在晶片上的反射镜14a的地址电极12a，地址电极12a及13a各自经连接到存储器单元11且由存储器单元11用电压电势驱动。M1层12进一步具有偏压总线12b，所述偏压总线将所有像素10的反射镜14a电互连到芯片周界处的接合垫12c。片外驱动器(未展示)将所需偏压波形供应到接合垫12c以进行恰当数字操作。

反射镜14a可各自为7.4μm正方形且由铝制成以实现最大反射率。所述反射镜排列在8μm中心上以形成具有高填充因数(～90％)的矩阵。取决于应用可提供反射镜14a的其它尺寸。高填充因数产生像素层级的高轻度使用效率以及无缝(免像素化)投影图像。反射镜14a下方的铰链层13准许反射镜14a紧密间隔。由于铰链13b的下伏放置，像素元件10阵列称作为“隐藏铰链”类型DMD架构。

在操作中，在反射镜14a与其地址电极12a及13a之间形成静电场，从而形成静电转矩。此转矩对抗铰链13b的恢复转矩以沿正方向或反方向产生反射镜旋转。反射镜14a旋转直到其停止移动(或着陆)依靠翘曲顶端13c为止，所述翘曲顶端为铰链层13的部分。这些翘曲顶端13c附接到下伏地址层12，且因此为反射镜14a提供静止但柔韧着陆表面。

图2A,图2B及图2C图解说明在存在倾斜MEMS像素10及静电考虑情形的情况下的三种主要考虑情形。图2A展示隆起地址电极13a与反射镜14a之间的理论静电分布。如图2B中所展示，向上卷曲是准平面隆起地址电极13a的普遍情况，这产生额外边缘敏感性。理想上，期望跨越隆起地址电极13a具有静电场(及力/转矩)的一致总分布，如图2C中所展示。

由于通过第一牺牲光致抗蚀剂间隔层15(图4)的层12中的形貌耦合而在地址电极13a及翘曲顶端13c中产生额外卷曲(称作为“翘突”)，从而增加M2层的差异应力。化学机械平面化(CMP)无法对光致抗蚀剂中的翘突起作用。此外，由于电极12a之间的气隙，光致抗蚀剂将部分填充。这种不一致性造成形貌变化。

图3展示包含形成在存储器单元11上的地址电极12a及偏压总线12b的M1层12的实例性实施例。图4为当在M1层12上方经处理时第一牺牲光致抗蚀剂间隔层15的顶部的图像。此灰阶图像中用黑色展示的高特征展示在地址电极12a上方形成翘突的间隔层15中的堆叠特征。

图5展示包含叠加在图4中所展示的光致抗蚀剂形貌的顶部上的隆起地址电极13a、铰链13b及翘曲顶端13c的M2层13，其中在隆起地址电极13a的外边缘处存在明显翘突(相对于铰链13b)。地址电极12a上方的翘突因此在于所述翘突上方经处理的相关联隆起地址电极13a及翘曲顶端13c中造成翘突，也称作为卷曲。

图6展示对具体察看M2层级13的7.6μmDMD像素的高分辨率、光学干涉仪捕获。在隆起地址电极13a及翘曲顶端13c中存在大量卷曲，每一卷曲可卷曲大约2.5度。此图像中的比例尺经扩大以展示隆起地址电极13a以及翘曲顶端13c沿相反方向及行为翻转(cant)以使隆起地址电极13a的静电效率降级的程度。卷曲在动态操作期间使反射镜14a与邻近的隆起地址电极13a之间的间隙缩小。上述情形为像素10设计的容限性的共用位置且与偏压破坏及操作空间容限直接相关。此卷曲将反射镜14a与隆起地址电极13a之间的组合角减小到大约14.5度，如图7中所展示。上述情形不合意地将对这些地址电极边缘的特定形状的显著敏感性赋予静电转矩递送且进而像素的操作及容限。

根据本发明，使用次波长灰阶光刻掩蔽工艺来将形成于地址电极12a及偏压总线12b上方的间隔层15(图4)的起伏或厚度变化移除。此次波长灰阶光刻掩蔽工艺在进一步处理之前有利地塑形间隔层15并将其平面化以将间隔层15中的翘突移除。因此，通过将厚度变化自间隔层15的选定部分移除，消除隆起地址电极13a及翘曲顶端13c的卷曲。隆起地址电极13a及翘曲顶端13c为平面的且平行于定位于其上面的反射镜14a。此次波长灰阶光刻掩蔽工艺还用于间隔层15的顶部上以便具体地影响隆起地址电极13a的外边缘(对照铰链13b参考)。

图8及图9图解说明根据本发明的次波长灰阶光刻掩蔽工艺。对间隔层15(其由下伏图案化表面上面的间隔覆盖设定)的厚度变化选择性地作用及定标(如由图8及图9中所展示的同心环所表示)以雕刻间隔层15并将此变化移除，且因此在将M2层沉积在其上之前形成间隔层15的平面(或可能向下渐缩)上部表面。添加此雕刻掩模整平(灰阶)允许较大静电破坏容限及较大操作空间，此也与较高铰链存储器使用寿命相关。

图10图解说明展示通过使用根据本发明的灰阶光刻掩蔽工艺在隆起地址电极13a的卷曲外边缘处减少50nm形貌的原子力显微术(AFM)数据。图11展示表示在蚀刻之前的柱状铰链沉积的层13的倾斜扫描电子显微镜(SEM)图像。如可见，层13为实质上平坦的且无翘突。图12展示柱状铰链蚀刻形状，从而图解说明平坦的隆起地址电极13a及翘曲顶端13c，平坦的隆起地址电极及翘曲顶端在使灰阶掩模布局的中心位置最优化之后进一步改进相对于反射镜14a的净距离。

参考图13到23，展示使用根据本发明的次波长灰阶光刻掩蔽工艺来移除翘突并平面化隆起地址电极13a及翘曲顶端13c的制作过程。

图13图解说明包含存储器单元(也称作为载体)的衬底11上的间隔层15的牺牲光致抗蚀剂沉积，图解说明与衬底11的非平面表面一致的间隔层15的非平面表面。

图14图解说明将间隔层15的光致抗蚀剂暴露于灰阶掩模28以将翘突及其它空间变化从间隔层15的表面移除。

图15图解说明使间隔层15的光致抗蚀剂显影并蚀刻其以实现间隔层15的经平面化上部表面。

图16图解说明将M2层13毯覆式沉积在间隔层15上方。M2层13包括铝或其它材料(视需要)的金属层。有利地，M2层13与经平面化的间隔层15一致且因此还具有平面表面。

图17图解说明将图案光致抗蚀剂层16沉积在M2层13上方，所述图案光致抗蚀剂层也称作为图案抗蚀剂层级。

图18图解说明暴露层16的光致抗蚀剂以在M2层13中界定图案17，图案17对应于待在M2层13中形成的特征，例如隆起地址电极13a、铰链13b及翘曲顶端13c。

图19图解说明使经暴露层16显影并使其条带化以产生图案17。

图20图解说明蚀刻M2层13以在间隔层15上方的M2层13中界定图案18。

图21图解说明将图案17移除使得图案18保持在间隔层15上方。

图22图解说明将牺牲间隔层15移除，从而导致M2层13的特征(例如，隆起地址电极13a、铰链13b及翘曲顶端13c)在衬底11上方间隔，如图1中所展示。

图23图解说明达大约12度的反射镜14a与平坦隆起地址电极13a之间的组合角。上述情形有利地改进对隆起地址电极13a的边缘的敏感性且改进静电转矩递送及因此像素10的操作及容限。

尽管图已图解说明不同电路及操作实例，但可对图做出各种改变。举例来说，可通过灰阶掩蔽来暴露间隔层15以在M2层13中形成其它非平面特征，例如经塑形地址电极13a。作为特定实例，地址电极13a可通过灰阶掩蔽工艺来塑形以形成如同楔形物成角的地址电极13a以当反射镜14a朝向地址电极13a倾斜时平行于反射镜14a。可通过灰阶掩蔽来暴露其它层，例如用于塑形层14且定制反射镜14a的形状的间隔层。

陈述贯穿本专利文件使用的某些词语及短语的定义可为有利的。术语“包含”及“包括”以及其派生词意指包含而不限于。术语“或”为包含性的，意指及/或。短语“与相关联”以及其派生词可意指包含、包含在...内、与...互连、含有、含在...内、连接到...或与...连接、耦合到...或与...耦合、可与...通信、与...协作、与...交错、与...并置、接近于...、粘合到...或与...粘合、具有...、具有...的性质、与...具有关系等等。短语“中的至少一者”当与一系列物品一起使用时意指可使用所列物品中的一或多者的不同组合，且可仅需要列表中的一个物品。举例来说，“A、B及C中的至少一者”包含以下组合中的任一者：A、B、C、A及B、A及C、B及C以及A与B与C。

虽然本发明已描述某些实施例及大体相关联方法，但所属领域的技术人员将明了这些实施例及方法的更改及排列。因此，实例性实施例的以上说明并不界定或约束本发明。在不背离以上权利要求书所界定的本发明精神及范围的情况下，也可能有其它改变、替代及更改。