CN103715350A

CN103715350A - 基于soi衬底的压电薄膜悬臂梁传感器结构和制造方法

Info

Publication number: CN103715350A
Application number: CN201310746898.2A
Authority: CN
Inventors: 杨冰
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-04-09

Abstract

一种基于SOI衬底的压电悬臂梁传感器结构及制造方法，该方法包括在SOI衬底中形成具有与悬臂梁结构相对应的悬臂梁区域；在悬臂梁区域上依次形成下电极、第一层压电薄膜、中间电极、第二层压电薄膜和上电极；沿悬臂梁区域边缘依次刻蚀顶层硅层、埋氧化层和衬底硅层，形成底部延伸至衬底硅层的沟槽；在上述结构上沉积隔离层；去除沟槽底部的隔离层并露出衬底硅层，以形成悬臂梁结构的释放窗口；以及通过释放窗口进行释放工艺，刻蚀悬臂梁区域下方的衬底硅层，以形成悬臂梁结构。本发明通过采用双压电薄膜悬臂梁结构，增大了传感器的灵敏度或执行器的变形幅度，提高了悬臂梁对外部激励的响应和信号输出，还能够简化了悬臂梁结构的制造工艺。

Description

基于SOI衬底的压电薄膜悬臂梁传感器结构和制造方法

技术领域

本发明属于微加工技术和微型检测器件以及半导体集成电路制造工艺领域，特别涉及一种基于绝缘衬底上的硅（Silicon-On-Insulator，SOI）衬底的压电薄膜悬臂梁传感器结构及其制造方法。

背景技术

微传感器是一种基于半导体工艺技术的新一代传感器器件，它应用新的工作机制和物化效应，采用与标准半导体工艺兼容的材料，用微细加工技术制备的。微传感器因其微型化、智能化、低功耗、易集成的特点而越来越受到青睐。

压电原理是实现微传感器的一种新途径，即通过压电效应、力和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，压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。

通常，压电传感器的敏感元件由压电材料制成，压电材料受力后表面会产生电荷，这些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。压电式传感器通常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。

目前，国际上多个研究机构都已经开展了对压电薄膜微传感器技术的研究，在压电薄膜微器件的原理、结构和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压电微器件却很少，其关键问题：

①.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；

②.大部分的压电传感器采用体硅工艺，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；

③.大部分的压电传感器为便于加工生产，采用的是单压电薄膜的结构，限制了传感器的灵敏度或执行器的变形幅度，降低了悬臂梁对外部激励的响应以及信号的输出。

因此，探索研究新型的基于绝缘衬底上的硅（Silicon-On-Insulator，SOI）衬底的压电薄膜悬臂梁传感器结构及其制造方法是急需的，使其不仅能悬臂梁结构的制造工艺，还可以与现有CMOS工艺完全兼容。

发明内容

本发明的主要目的旨在提供一种基于SOI衬底的压电薄膜悬臂梁传感器结构及其制造方法，其通过采用双压电薄膜悬臂梁结构，增大了传感器的灵敏度或执行器的变形幅度，提高了悬臂梁对外部激励的响应和信号输出，还能够简化了悬臂梁结构的制造工艺。

为达成上述目的，本发明提供一种基于绝缘衬底上的硅衬底压电悬臂梁传感器的制造方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：提供一SOI衬底，其包括衬底硅层，埋氧化层以及顶层硅层；在所述SOI衬底中形成具有与悬臂梁结构相对应的悬臂梁区域；

步骤S2：在悬臂梁区域上用剥离方法将下电极进行图形化，形成Pt/Ti结构的下电极；然后，制备第一层压电陶瓷（piezoelectric ceramic transducer，简称PZT）压电薄膜，并采用干法刻蚀工艺将压电薄膜图形化；

步骤S3：用光刻胶剥离方法将所述中间电极进行图形化，形成Pt/Ti结构的中间电极；

步骤S4：在所述中间电极上制备第二层PZT压电薄膜，并采用干法刻蚀工艺将压电薄膜图形化；

步骤S5：用光刻胶剥离方法将上电极进行图形化，形成Pt/Ti结构的上电极；

步骤S6：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；

步骤S7：在上述结构上沉积隔离层；

步骤S8：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

步骤S9：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，所述第一层PZT压电薄膜和第二层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，所述第一层PZT压电薄膜和/或所述第二层PZT压电薄膜采用溶胶-凝胶方法制备，制备出的PZT膜的厚度为1.5～2.5微米；然后，对PZT膜进行涂胶、曝光、显影，采用含SF6/Cl2/Ar/O2气体的干法刻蚀工艺进行图形化，形成第一层压电薄膜图形。

优选地，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；采用PVD淀积Pt/Ti薄膜；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；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中间电极的步骤包括：在步骤S2形成的结构上涂覆光刻胶，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；采用PVD淀积Pt/Ti薄膜；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；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，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：在在步骤S4形成结构上涂覆光刻胶，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；采用PVD淀积Pt/Ti薄膜；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；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SOI衬底中作为支撑结构的Si/SiO2层的厚度在1微米～2微米之间。

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，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微米之间。

为达成上述目的，本发明还提供一种根据上述制造方法所制造的基于绝缘衬底上的硅衬底压电悬臂梁传感器。

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；采用双压电薄膜电极结构，增大了传感器的灵敏度或执行器的变形幅度，提高了悬臂梁对外部激励的响应和信号输出；采用各项同性湿法刻蚀工艺刻蚀SOI的硅衬底，从表面释放压电悬臂梁的悬空结构；并且，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1～18为本发明采用基于绝缘衬底上的硅衬底压电悬臂梁传感器的制造方法各个分步骤所对应的压电悬臂梁传感器结构剖视图

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18，其所示为本发明采用基于绝缘衬底上的硅衬底压电悬臂梁传感器的制造方法各个分步骤所对应的压电悬臂梁传感器结构剖视图。

本发明提供一种基于绝缘衬底上的硅衬底压电悬臂梁传感器的制造方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：提供一SOI衬底，其包括衬底硅层，埋氧化层以及顶层硅层；在SOI衬底中形成具有与悬臂梁结构相对应的悬臂梁区域。如图1所示，在本实施例中，首选提供一SOI（Silicon-On-Insulator）衬底，SOI衬底由衬底硅层1、埋氧注入SiO2层2和顶层硅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。埋氧注入SiO2层2和顶层硅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。较佳地，作为支撑结构的埋氧注入SiO2层2和顶层硅3的厚度约为1微米。

步骤S2：在悬臂梁区域上用剥离方法将下电极进行图形化，形成Pt/Ti结构的下电极；然后，制备第一层压电陶瓷（piezoelectric ceramic transducer，简称PZT）压电薄膜，并采用干法刻蚀工艺将压电薄膜图形化。

具体地，在本实施例中，采用光刻胶直接剥离工艺，经曝光、显影形成所需的下电极图形，在需要剥离下电极的区域保留光刻胶4，下电极保留的区域无光刻胶4，如图2所示；接着，采用PVD方法淀积Pt/Ti薄膜5，Pt膜厚度约为0.05微米，Ti膜厚度约为0.01微米～0.02微米，如图3所示；然后，将整个结构浸入到丙酮溶液中进行光刻胶剥离，形成Pt/Ti下电极图形，如图4所示；采用溶胶-凝胶方法制备第一层PZT压电薄膜，但不限于溶胶-凝胶方法，还可使用溅射法(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)和脉冲激光沉积法(PLD)等方法制备出厚度约为2微米的第一层PZT压电薄膜6，如图5所示；最后,对第一层PZT压电薄膜6进行涂胶、曝光、显影，然后采用含SF6/Cl2/Ar/O2气体的干法刻蚀工艺进行图形化，如图6所示。

步骤S3：用光刻胶剥离方法将所述中间电极进行图形化，形成Pt/Ti结构的中间电极。在本实施例中，采用光刻胶直接剥离工艺，经曝光、显影形成所需的中间电极图形，在需要剥离电极的区域保留光刻胶4，电极保留的区域无光刻胶4，如图7所示；然后，采用PVD方法淀积Pt/Ti薄膜7，形成中间电极，其中，Pt膜厚度约为0.05微米，Ti膜厚度约为0.01微米～0.02微米，如图8所示；最后，将整个结构浸入到丙酮溶液中进行光刻胶剥离，形成Pt/Ti中间电极图形，如图9所示。

步骤S4：在所述中间电极上制备第二层PZT压电薄膜，并采用干法刻蚀工艺将压电薄膜图形化。在本实施例中，采用溶胶-凝胶方法制备第二层PZT压电薄膜，但不限于溶胶-凝胶方法，还可使用溅射法(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)和脉冲激光沉积法(PLD)等方法制备出厚度约为2微米的第二层PZT压电薄膜8，如图10所示；然后，对第二层PZT压电薄膜8进行涂胶、曝光、显影，然后采用含SF6/Cl2/Ar/O2气体的干法刻蚀工艺进行图形化，如图11所示。

步骤S5：用光刻胶剥离方法将上电极进行图形化，形成Pt/Ti结构的上电极。在本实施例中，采用光刻胶直接剥离工艺，经曝光、显影形成所需的上电极图形，在需要剥离电极的区域保留光刻胶4，电极保留的区域无光刻胶4，如图12所示；然后，采用PVD方法淀积Pt/Ti薄膜9，形成上电极，其中，Pt膜厚度约为0.05微米，Ti膜厚度约为0.01微米～0.02微米，如图13所示；最后，将整个结构浸入到丙酮溶液中进行光刻胶剥离，形成Pt/Ti上电极图形，如图14所示。

步骤S6：沿所述悬臂梁区域边缘依次刻蚀顶层硅层、埋氧化层和衬底硅层，形成底部延伸至衬底硅层的沟槽。在本实施例中，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15所示，该沟槽具有与悬臂梁区域对齐的侧壁。

步骤S7：在上述结构上沉积隔离层；在本实施例中，可以采用PECVD的方法在整个结构表面生长一层SiN10，厚度约为0.05微米～0.1微米，作为释放悬臂梁结构的阻挡层，如图16所示。

步骤S8：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；以及步骤S9：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。

具体地，采用干法刻蚀方法刻蚀硅衬底上的SiN11，形成悬臂梁结构释放的窗口，如图17所示；然后，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支撑的压电悬臂梁结构，如图18所示。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；采用双压电薄膜电极结构，增大了传感器的灵敏度或执行器的变形幅度，提高了悬臂梁对外部激励的响应和信号输出；采用各项同性湿法刻蚀工艺刻蚀SOI的硅衬底，从表面释放压电悬臂梁的悬空结构；并且，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。

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

1.一种基于SOI衬底的压电悬臂梁传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S2：在悬臂梁区域上用剥离方法将下电极进行图形化，形成Pt/Ti结构的下电极；然后，制备第一层PZT压电薄膜，并采用干法刻蚀工艺将压电薄膜图形化；

步骤S7：在上述结构上沉积隔离层；

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，所述第一层PZT压电薄膜和第二层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。

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，所述第一层PZT压电薄膜和/或所述第二层PZT压电薄膜采用溶胶-凝胶方法制备，制备出的PZT膜的厚度为1.5～2.5微米；然后，对PZT膜进行涂胶、曝光、显影，采用含SF6/Cl2/Ar/O2气体的干法刻蚀工艺进行图形化，形成第一层压电薄膜图形。

4.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；

采用PVD淀积Pt/Ti薄膜；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；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。

5.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，通过光刻胶剥离工艺在所述压电薄膜上形成Pt/Ti中间电极的步骤包括：

在步骤S2形成的结构上涂覆光刻胶，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；

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。

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：

在在步骤S4形成结构上涂覆光刻胶，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；

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SOI衬底中作为支撑结构的Si/SiO2层的厚度在1微米～2微米。

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，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。

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，所述释放工艺为各向同性湿法刻蚀工艺，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。

10.根据权利要求1～9任一项所述的制造方法所制造的一种基于SOI衬底的压电悬臂梁传感器。