CN103594617A - 压电悬臂梁传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电悬臂梁传感器的制造方法，包括提供一SOI衬底，其包括衬底硅层，埋氧化层以及顶层硅层；所述SOI衬底具有与悬臂梁结构相对应的悬臂梁区域；在所述悬臂梁区域上依次形成下电极、压电薄膜和上电极；沿所述悬臂梁区域边缘依次刻蚀所述顶层硅层、所述埋氧化层和所述衬底硅层，形成底部延伸至所述衬底硅层的沟槽；在上述结构上沉积隔离层；去除所述沟槽底部的隔离层并露出所述衬底硅层，以形成悬臂梁结构的释放窗口；以及通过所述释放窗口进行释放工艺，刻蚀所述悬臂梁区域下方的所述衬底硅层，以形成所述悬臂梁结构。本发明简化了悬臂梁结构的制造工艺。

Description

压电悬臂梁传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造工艺领域，特别涉及一种基于SOI衬底的压电悬臂梁传感器结构及其制造方法。

背景技术

压电原理是实现微传感器的另一种新途径。通过压电效应，力、加速度等待感知量可以直接在压电薄膜上输出电压，而逆压电效应使微传感器可以通过施加外电压驱动微结构产生位移，从而同时具备执行器功能。资料表明，利用压电薄膜材料制成的微传感器/执行器与现有的硅基材料微传感器/执行器相比具有无可比拟的优势，是微传感器研究发展的新领域。

基于压电效应的传感器是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成，压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。而压电悬臂梁结构是压电传感器最简单的微结构，利用它可以探测到微小的位移或质量变化，因此压电悬臂梁成为高精度、高灵敏度传感器的理想选择。

目前，国际上多个研究机构都已经开展了对压电悬臂梁传感器技术的研究，在压电悬臂梁微结构的原理、结构、性能等的理论分析方面已经取得了一定的成果，但是真正可以在实际中应用的却很少，其关键问题：一是压电薄膜的微细加工技术和压电薄膜与硅集成电路工艺的兼容性问题尚未得到很好的解决；二是大部分的压电传感器采用体硅工艺，悬臂梁微结构的释放需采用硅衬底背面腐蚀工艺，工艺复杂难控制，与目前普遍采用的集成电路工艺不兼容，而且易发生微结构与衬底粘连的问题，导致成品率降低。这些问题也是发展铁电不挥发存储器、室温型热释电红外探测器等新型器件亟待解决的关键技术。

发明内容

本发明的主要目的旨在提供一种压电悬臂梁传感器的制造方法，其简化了悬臂梁结构的制造工艺，与现有CMOS工艺完全兼容。

为达成上述目的，本发明提供一种压电悬臂梁传感器的制造方法，具体包含以下步骤：提供一SOI衬底，其包括衬底硅层，埋氧化层以及顶层硅层；所述SOI衬底具有与悬臂梁结构相对应的悬臂梁区域；在所述悬臂梁区域上依次形成上电极、压电薄膜和上电极；沿所述悬臂梁区域边缘依次刻蚀所述顶层硅层、所述埋氧化层和所述衬底硅层，形成底部延伸至所述衬底硅层的沟槽；在上述结构上沉积隔离层；去除所述沟槽底部的隔离层并露出所述衬底硅层，以形成所述悬臂梁结构的释放窗口；以及通过所述释放窗口进行释放工艺，刻蚀所述悬臂梁区域下方的所述衬底硅层，以形成所述悬臂梁结构。

优选地，在所述悬臂梁区域上依次形成上电极、压电薄膜和上电极的步骤包括：通过光刻胶剥离工艺在所述悬臂梁区域上形成Pt/Ti下电极；制备PZT压电薄膜，并对其图形化；以及通过光刻胶剥离工艺在所述图形化的压电薄膜上形成Pt/Ti上电极。

优选地，过光刻胶剥离工艺在所述悬臂梁区域上形成Pt/Ti下电极的步骤包括：在所述顶层硅层上涂覆光刻胶，经曝光显影去除所述悬臂梁区域上方的所述光刻胶；淀积Pt/Ti薄膜；以及将上述结构浸泡于剥离液中进行光刻胶剥离，以在所述悬臂梁区域上形成所述Pt/Ti下电极。

优选地，通过光刻胶剥离工艺在所述压电薄膜上形成Pt/Ti上电极的步骤包括：在上述结构上涂覆光刻胶，经曝光显影去除所述图形化的PZT压电薄膜上方的所述光刻胶；淀积Pt/Ti薄膜；以及将上述结构浸泡于剥离液中进行光刻胶剥离，以在所述图形化的PZT压电薄膜上形成所述Pt/Ti上电极。

优选地，所述PZT压电薄膜通过溅射法，溶胶－凝胶法，金属有机化合物热分解法，金属有机化学气相沉积法或脉冲激光沉积法制备而成。

优选地，通过干法刻蚀工艺沿所述悬臂梁区域边缘依次刻蚀所述顶层硅层、所述埋氧化层和所述衬底硅层；通过干法刻蚀工艺去除所述沟槽底部的隔离层并露出所述衬底硅层。

优选地，所述释放工艺为各向同性湿法刻蚀工艺。

优选地，所述隔离层为SiN层，其通过等离子体增强化学气相沉积法沉积而成，其厚度为0.05微米～0.1微米。

优选地，所述Pt/Ti薄膜中Pt膜的厚度为0.05微米～0.1微米，Ti膜的厚度为0.01微米～0.02微米。

本发明还提供一种通过上述制造方法所形成的压电悬臂梁传感器。

本发明的有益效果在于，通过采用SOI作为压电悬臂梁传感器的衬底材料，利用SOI衬底中的埋氧化层和顶层硅层作为压电悬臂梁支撑结构，简化了悬臂梁结构的制造工艺；采用硅的各向同性湿法刻蚀的释放工艺从表面腐蚀SOI的衬底硅层，形成压电悬臂梁的悬空结构，整个结构形成过程充分利用普遍采用的CMOS工艺完成，工艺简单可控，避免了体硅衬底用湿法刻蚀从背面释放悬臂梁工艺中的污染问题以及湿法工艺引起的悬臂梁结构与衬底粘连的问题。

附图说明

图1～13为本发明一实施例压电悬臂梁传感器的制造方法的剖视图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

下面将结合具体的实施例对本发明的压电悬臂梁传感器的制造方法进行详细的说明。为了更好地说明本发明的技术方案，请参考图1至图13，其所示为本发明压电悬臂梁传感器制造方法剖视图。

首先，请参考图1，提供一SOI（Silicon-On-Insulator）衬底，SOI衬底由衬底硅层1、埋氧化层2和顶层硅层3构成。其中，SOI衬底上具有对应于形成于其上方的悬臂梁结构的悬臂梁区域。埋氧化层2和顶层硅层3是用作压电悬梁臂传感器悬梁臂的支撑结构，为保持悬臂梁传感器的灵敏度并保持一定的弹性韧度，埋氧化层2和顶层硅层3的厚度约为1微米至2微米。

接着，请参见图2至图9，在悬臂梁区域上方依次形成下电极、压电薄膜和上电极。其中上下电极均是采用光刻胶直接剥离工艺形成。如图2所示，具体来说，先在SOI衬底上涂覆光刻胶4并经曝光、显影去除悬臂梁区域上覆盖的光刻胶，形成下电极图形，光刻胶4仍然覆盖在悬臂梁区域以外。如图3所示，采用PVD方法淀积Pt/Ti薄膜5，其中Pt膜厚度约为0.05微米～0.1微米，Ti膜厚度约为0.01微米～0.02微米。请继续参考图4，将整个结构浸入到剥离液，如丙酮溶液中，进行光刻胶剥离，随着光刻胶的溶解，光刻胶4上的Pt/Ti薄膜5也随其一起脱落，从而留下了Pt/Ti下电极。之后如图5和图6所示，制备PZT压电薄膜6并对其进行图形化。其中PZT压电薄膜6可采用溶胶－凝胶法(Sol-gel)制备，也可采用其他制备方法如溅射法(Sputtering)、金属有机化合物热分解法(MOD)、金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或脉冲激光沉积法(PLD)等。制备出的PZT压电薄膜的厚度约为2微米。图形化PZT压电薄膜6的步骤可包括涂胶、曝光、显影，然后采用含Cl2/Ar/O2气体的干法刻蚀工艺进行图形化，其为本领域技术人员所熟知，在此不作赘述。在形成压电薄膜6并图形化之后，进行上电极的制备，上电极同样采用光刻胶剥离工艺形成。请参考图7至图9，在图6所示的结构上再次涂覆光刻胶4并经曝光、显影去除压电薄膜6上覆盖的光刻胶，形成上电极图形，光刻胶4仍然覆盖在压电薄膜6以外区域的顶层硅层3上。采用PVD方法淀积Pt/Ti薄膜7，其中Pt膜厚度约为0.05微米～0.1微米，Ti膜厚度约为0.01微米～0.02微米。将整个结构浸入到剥离液，如丙酮溶液中，进行光刻胶剥离，随着光刻胶的溶解，光刻胶4上的Pt/Ti薄膜7也随其一起脱落，从而留下了位于压电薄膜6上的Pt/Ti上电极。

在形成悬臂梁结构的上下电极和压电薄膜后，再次涂覆光刻胶且使其覆盖Pt/Ti上电极，以该光刻胶为掩膜沿着悬臂梁区域的边缘，依次刻蚀顶层硅层3、埋氧化层2和衬底硅层1，形成底部延伸至衬底硅层1的沟槽，如图10所示，该沟槽具有与悬臂梁区域对齐的侧壁。顶层硅层3、埋氧化层2和衬底硅层1的刻蚀方法例如为各向异性干法刻蚀。之后，请参见图11，去除光刻胶，在整个结构表面沉积一层隔离层8，该隔离层作为后续释放工艺的阻挡层。在本实施例中，隔离层为SiN层，厚度约为0.05微米～0.1微米，通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积而成。接着，去除沟槽底部的隔离层8并露出衬底硅层1，以形成悬臂梁结构的释放窗口。隔离层8可通过干法刻蚀去除。最后，通过悬臂梁结构的释放窗口从SOI衬底正面进行释放工艺，腐蚀悬臂梁区域下方的衬底硅层1，从而对应于悬臂梁区域，形成悬空的且由埋氧化层以及顶层硅层支撑的压电悬臂梁结构。在本实施例中，释放工艺为各向同性湿法刻蚀工艺。

综上所述，本发明通过采用SOI作为压电悬臂梁传感器的衬底材料，利用SOI衬底中的埋氧化层以及顶层硅层作为压电悬臂梁支撑结构，简化了悬臂梁结构的制造工艺，且充分利用普遍采用的CMOS工艺完成，工艺简单可控；此外，从衬底正面进行释放工艺腐蚀SOI的衬底硅层来形成悬臂梁结构，也避免了体硅衬底用湿法刻蚀从背面释放悬臂梁工艺中的污染问题以及湿法工艺引起的悬臂梁结构与衬底粘连的问题。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (10)

1.一种压电悬臂梁传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一SOI衬底，其包括衬底硅层，埋氧化层以及顶层硅层；所述SOI衬底具有与悬臂梁结构相对应的悬臂梁区域；

在所述悬臂梁区域上依次形成下电极、压电薄膜和上电极；

沿所述悬臂梁区域边缘依次刻蚀所述顶层硅层、所述埋氧化层和所述衬底硅层，形成底部延伸至所述衬底硅层的沟槽；

在上述结构上沉积隔离层；

去除所述沟槽底部的隔离层并露出所述衬底硅层，以形成所述悬臂梁结构的释放窗口；以及

通过所述释放窗口进行释放工艺，刻蚀所述悬臂梁区域下方的所述衬底硅层，以形成所述悬臂梁结构。

2.根据权利要求1所述的压电悬臂梁传感器的制造方法，其特征在于，在所述悬臂梁区域上依次形成上电极、压电薄膜和上电极的步骤包括：

通过光刻胶剥离工艺在所述悬臂梁区域上形成Pt/Ti下电极；

制备PZT压电薄膜，并对其图形化；以及

通过光刻胶剥离工艺在所述图形化的PZT压电薄膜上形成Pt/Ti上电极。

3.根据权利要求2所述的压电悬臂梁传感器的制造方法，其特征在于，通过光刻胶剥离工艺在所述悬臂梁区域上形成Pt/Ti下电极的步骤包括：

在所述顶层硅层上涂覆光刻胶，经曝光显影去除所述悬臂梁区域上方的所述光刻胶；

淀积Pt/Ti薄膜；以及

将上述结构浸泡于剥离液中进行光刻胶剥离，以在所述悬臂梁区域上形成所述Pt/Ti下电极。

4.根据权利要求2所述的压电悬臂梁传感器的制造方法，其特征在于，通过光刻胶剥离工艺在所述压电薄膜上形成Pt/Ti上电极的步骤包括：

在上述结构上涂覆光刻胶，经曝光显影去除所述图形化的PZT压电薄膜上方的所述光刻胶；

淀积Pt/Ti薄膜；以及

将上述结构浸泡于剥离液中进行光刻胶剥离，以在所述图形化的PZT压电薄膜上形成所述Pt/Ti上电极。

5.根据权利要求2所述的压电悬臂梁传感器的制造方法，其特征在于，所述PZT压电薄膜通过溅射法，溶胶－凝胶法，金属有机化合物热分解法，金属有机化学气相沉积法或脉冲激光沉积法制备而成。

6.根据权利要求1所述的压电悬臂梁传感器的制造方法，其特征在于，

通过干法刻蚀工艺沿所述悬臂梁区域边缘依次刻蚀所述顶层硅层、所述埋氧化层和所述衬底硅层；

通过干法刻蚀工艺去除所述沟槽底部的隔离层并露出所述衬底硅层。

7.根据权利要求1所述的压电悬臂梁传感器的制造方法，其特征在于，所述释放工艺为各向同性湿法刻蚀工艺。

8.根据权利要求1所述的压电悬臂梁传感器的制造方法，其特征在于，所述隔离层为SiN层，其通过等离子体增强化学气相沉积法沉积而成，厚度为0.05微米～0.1微米。

9.根据权利要求1所述的压电悬臂梁传感器的制造方法，其特征在于，所述Pt/Ti薄膜中Pt膜的厚度为0.05微米～0.1微米，Ti膜的厚度为0.01微米～0.02微米。

10.根据权利要求1～9任一项所述的制造方法所制造的压电悬臂梁传感器。

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