CN106865485B - 微机电结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种微机电结构及其制作方法。该微机电结构的制作方法，包含首先提供一基底包含一逻辑元件区和一微机电元件区，接着形成一逻辑元件于逻辑元件区，之后全面形成一含氮材料层覆盖逻辑元件区和微机电元件区，然后移除位于微机电元件区内的部分的含氮材料层以在含氮材料层上定义出至少一退缩区域，在形成退缩区域之后，形成至少一介电层覆盖逻辑元件区和微机电元件区，并且介电层填入退缩区域，接续蚀刻位于微机电元件区的部分的介电层以形成至少一孔洞穿透介电层，其中退缩区域环绕孔洞，最后蚀刻基底以形成一腔室。

Description

微机电结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种微机电结构及其制作方法，特别是涉及一种具有退缩区域的微机电结构及其制作方法。
背景技术
微机电元件是一种在微小化的封装结构中所制作的微型电子机械元件，其制造的技术十分类似于制造集成电路的技术，但微机电元件与其周遭环境互动的方式则多于传统的集成电路，例如力学、光学或磁力上的互动。微机电系统元件包括加速度计、开关、电容器、感应器、麦克风等极小的电子机械元件。采用微机电技术所制造的微机电元件具有许多优点。举例来说，以微机电技术制造的微机电加速度计具有重量轻以及体积小等特性。
然而传统制作工艺中，在制作微机电元件的腔室时，蚀刻剂会蚀刻掉非预定蚀刻的元件，形成不预期的空隙，并且造成元件的毁损。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种新的微机电结构的制作方法，以避免上述问题。
根据本发明的一优选实施例，本发明的一种微机电结构的制作方法，包含首先提供一基底包含一逻辑元件区和一微机电元件区，接着形成一逻辑元件于逻辑元件区，之后全面形成一含氮材料层覆盖逻辑元件区和微机电元件区，然后移除位于微机电元件区内的部分的含氮材料层以在含氮材料层上定义出至少一退缩区域，在形成退缩区域之后，形成至少一介电层覆盖逻辑元件区和微机电元件区，并且介电层填入退缩区域，接续蚀刻位于微机电元件区的部分的介电层以形成至少一孔洞穿透介电层，其中退缩区域环绕孔洞，最后蚀刻基底以形成一腔室，腔室和孔洞构成微机电结构的一共振腔室。
根据本发明的一优选实施例，一种微机电结构，包含一基底，基底包含一逻辑元件区和一微机电元件区，一逻辑元件设置于逻辑元件区，一含氮材料层覆盖逻辑元件、逻辑元件区和微机电元件区，其中位于微机电元件区内的含氮材料层定义出至少一退缩区域，退缩区域内没有含氮材料层，一介电层覆盖逻辑元件区和微机电元件区，并且介电层填入退缩区域，至少一孔洞位于微机电元件区内的介电层中，其中退缩区域环绕孔洞以及一腔室位于基底的微机电元件区内，腔室和孔洞构成微机电结构的一共振腔室。
附图说明
图1至图6为本发明的第一实施例所绘示的微机电结构的制作方法的示意图；其中：
图3A为图3B中的蚀刻停止层和退缩区域的相对位置的上视图；
图5A绘示的图5B和图6中的蚀刻停止层、退缩区域和孔洞的相对位置的上视图；
图7为本发明的第二实施例所绘示的微机电结构的制作方法的示意图。
主要元件符号说明
10 基底 12 浅沟槽隔离
14 逻辑元件 16 微机电元件
18 蚀刻停止层 20 图案化光致抗蚀剂
22 退缩区域 24 介电层
26 金属层间介电层 28 金属电路
30 保护层 32 孔洞
34 末端 36 腔室
38 共振腔室 40 盖层
42 空隙 44/46 开口
50 微机电结构 60 微机电结构
321 侧壁
具体实施方式
图1至图6为依据本发明的第一实施例所绘示的微机电结构的制作方法的示意图。
如图1所示，首先提供一基底10，基底10划分为一微机电元件区A和二逻辑元件区B，逻辑元件区B可以位于微机电元件区A的两侧，基底10可以为一硅基底、一锗基底、一砷化镓基底、一硅锗基底、一磷化铟基底、一氮化镓基底、一碳化硅基底或是其它半导体基底，在本发明的实施例中，基底10优选为硅基底。在微机电元件区A的基底10上可设置有一浅沟槽隔离12，浅沟槽隔离12可延伸至逻辑元件区B。接着形成一逻辑元件14，例如一晶体管于逻辑元件区B，并且形成至少一微机电元件16于微机电元件区A，晶体管可以包含一多晶硅栅极电极，微机电元件16中也可以包含多晶硅，在图1中绘示的微机电元件16为4个，但仅为举例之用，微机电元件16的个数可以视产品的需要调整。然后全面形成一蚀刻停止层18顺应地覆盖微机电元件区A和逻辑元件区B，详细来说，蚀刻停止层18覆盖基底10、逻辑元件14和微机电元件16。蚀刻停止层18优选为氮化硅，但不限于此，蚀刻停止层18可以为其它含氮材料层。此外蚀刻停止层18可以为复合材料层，但至少包含一含氮材料层，举例而言，蚀刻停止层18可以为氮化硅和氧化硅的复合结构。另外，蚀刻停止层18还可以选择性包含有应力。
如图2所示，形成一图案化光致抗蚀剂20覆盖蚀刻停止层18，由图案化光致抗蚀剂20曝露出位于微机电元件区A的部分的蚀刻停止层18。请参阅图3A和图3B，图3A为图3B中的蚀刻停止层和退缩区域的相对位置的上视图，在图案化光致抗蚀剂20形成之后，利用图案化光致抗蚀剂20为掩模移除曝露的蚀刻停止层18中的含氮材料层，以在蚀刻停止层18上定义出至少一个退缩区域22。换句话说，退缩区域22为利用移除部分的蚀刻停止层18所定义出来的区域，也就是在蚀刻停止层18中所形成的凹槽，所以在退缩区域22中不会有含氮材料层。详细来说，若是蚀刻停止层18为单层结构，例如为单层的氮化硅，在退缩区域22中就不会有任何的蚀刻停止层；若是蚀刻停止层18为复合层，由含氮材料层和非含氮材料层组合而成，例如为氮化硅和氧化硅的复合结构，在退缩区域22中还会剩下非含氮材料层的蚀刻停止层，在本例中也就是氧化硅。在退缩区域22形成之后，将图案化光致抗蚀剂20移除，另外，移除蚀刻停止层18的方式可以为干蚀刻或湿蚀刻。此外在本实施例中以蚀刻停止层18为单层结构为例。
如图4所示，同时在微机电元件区A和逻辑元件区B上形成至少一介电层24、多个金属层间介电层26和多个金属电路28于逻辑元件区B和微机电元件区A，介电层24位于金属层间介电层26下方，金属电路28位于金属层间介电层26和介电层24内。金属层间介电层26和介电层24优选氧化硅。另外，介电层24填满退缩区域22并且接触蚀刻停止层18。然后在最上层的金属层间介电层26上选择性形成一保护层30，保护层30优选为氧化硅。
请参阅图5A和图5B，图5A为图5B中的蚀刻停止层、退缩区域和孔洞的相对位置的上视图。如图5B所示，首先移除部分的保护层30，使得在微机电元件区A的最上层的金属层间介电层26曝露出来，并且在逻辑元件区B的部分最上层的金属层间介电层26也曝露出来，接着形成一掩模层(图未示)曝露覆盖微机电元件区B内曝露出的金属层间介电层26，然后蚀刻在逻辑元件区A内曝露出的金属层间介电层26，使得位于金属层间介电层26内的金属电路28曝露出来，之后移除掩模层。接续以另一掩模层(图未示)覆盖逻辑元件区B，并曝露出微机电元件区A，然后蚀刻位于微机电元件区A的金属层间介电层26、金属电路28和介电层24以形成至少一孔洞32穿透金属层间介电层26、金属电路28和介电层24，孔洞32的个数可以如图5A和图5B所示的为4个，但依据需求不同也可以变化成其它个数。
请同时参阅图5A和图5B，值得注意的是本发明特别设计了退缩区域22和孔洞32的相对位置：退缩区域22环绕并且重叠孔洞32，详细来说孔洞32具有一末端34位于填入退缩区域22的介电层26中，并且末端34完全位于退缩区域22中并且重叠部分的退缩区域22，另外，未和末端34重叠的退缩区域22则是环绕末端34。前述的相对位置其目的在于使孔洞32的周围没有任何的含氮材料层，并且孔洞32具有一侧壁321，没有任何含氮材料层由侧壁321曝露出来。
请参阅图6，在孔洞32完成之后由延续孔洞32的末端34接续蚀刻基底10以在基底中形成一腔室36，然后移除覆盖逻辑元件区B的掩模层。若在前面步骤中形成有多个孔洞32，在腔室36形成之后，腔室36会和所有孔洞32共通。在形成孔洞32时，优选使用深反应式离子蚀刻制作工艺搭配适合的蚀刻剂蚀刻金属层间介电层26、金属电路28和介电层24。之后更换蚀刻剂，例如更换成六氟化硫，接续蚀刻基底10，以完成腔室36，此时本发明的微机电结构业50已完成。腔室36和孔洞32构成微机电结构的50一共振腔室38，值得注意的是共振腔室38中没有固体材料。此外可以选择性地在基底10的微机电元件区A上形成一盖层40覆盖孔洞32和腔室36，以避免污染物掉入孔洞32和腔室36。
图7为依据本发明第二实施例所绘示的微机电结构的制作方法的示意图，其中具有相同功能和材料的元件将使用如第一实施例中相同的标号。如图7所示，一般而言，蚀刻停止层18为氮化硅，并且在本实施例中，没有进行移除部分移除蚀刻停止层18，形成退缩区域的步骤，由于六氟化硫会和氮化硅反应，在蚀刻基底10时形成腔室36时，六氟化硫也会蚀刻掉蚀刻停止层18，更甚者在蚀刻掉蚀刻停止层18后会接续蚀刻包含有硅的元件，例如多晶硅栅极电极或微机电元件16。如此一来不只会影响到微机电结构的效能，同时被蚀刻掉的蚀刻停止层18位置，也会产生空隙42，使得微机电结构60会塌陷，因此若使用第二实施例的方法，在蚀刻停止层18的材料选择上以及蚀刻基底10的蚀刻气体的选择上必须另外进行调整，才能避免微机电结构60塌陷的问题。
相较起来，本发明的第一实施例特别移除在孔洞32周围的蚀刻停止层18中的含氮材料层，形成了退缩区域22，因此，在蚀刻基底10时，六氟化硫只会接触到介电层24，但介电层24是氧化硅，因此不会和六氟化硫反应，如此就可有效避免如第二实施例中含有硅的元件被损坏以及蚀刻停止层被不预期移除的问题。
图6为依据本发明图1至图6所教导的制作工艺所形成的微机电结构。如图6所示，本发明的微机电结构50，包含：一基底10包含一微机电元件区A和二逻辑元件区B，至少一逻辑元件14，例如一晶体管设置于逻辑元件区B，至少一微机电元件16于微机电元件区A，图6中绘示的微机电元件16为4个，但仅为举例之用，微机电元件16的个数可以视产品的需要调整。基底10可以为一硅基底、一锗基底、一砷化镓基底、一硅锗基底、一磷化铟基底、一氮化镓基底、一碳化硅基底或是其它半导体基底，在本发明的实施例中，基底10优选为硅基底。在微机电元件区A的基底10上可设置有一浅沟槽隔离12，浅沟槽隔离12可延伸到逻辑元件区B。前述的晶体管可以包含一多晶硅栅极电极，微机电元件16中也可以包含多晶硅。此外，一蚀刻停止层18覆盖逻辑元件14、微机电元件16、逻辑元件区B和微机电元件区A，蚀刻停止层18可以为单层结构，优选为一含氮材料层，例如氮化硅，但不限于此，蚀刻停止层18可以为其它含氮材料层，例如氮氧化硅。此外蚀刻停止层18可以为复合材料层，但至少包含一含氮材料层，举例而言，蚀刻停止层18可以为氮化硅和氧化硅的复合结构，在本实施例中以蚀刻停止层18为单层结构为例。请参阅图5A、图5B和图6，图5A绘示的是图5B和图6中的蚀刻停止层、退缩区域和孔洞的相对位置的上视图，值得注意的是位于微机电元件区A内的蚀刻停止层18定义出至少一退缩区域22，退缩区域22中没有含氮材料层，详细而言若是蚀刻停止层18为单层结构，例如为单层的氮化硅，在退缩区域22中就不会有任何的蚀刻停止层18；若是蚀刻停止层18为复合层，由含氮材料层和非含氮材料层组合而成，例如为氮化硅和氧化硅的复合结构，在退缩区域22中会有非含氮材料层的蚀刻停止层18，也就是氧化硅。在本实施例中以蚀刻停止层18为单层结构为例。此外，一介电层24、多个一金属层间介电层26和多个金属电路覆28盖微机电元件区A和逻辑元件区B，并且介电层24填入退缩区域22，金属电路28位于介电层24和金属层间介电层26中，至少一孔洞32位于微机电元件区A内的介电层24、金属层间介电层26和金属电路28中，在图5A、图5B和图6中绘示的孔洞32为4个，但仅为举例之用，孔洞32个数可以视产品的需要调整。
请同时参阅图5A和图6，值得注意的是退缩区域22环绕并且重叠孔洞32，详细来说孔洞32具有一末端34位于填入退缩区域22的介电层26中，并且末端34完全位于退缩区域22中并且重叠部分的退缩区域22，另外，未和末端34重叠的退缩区域22则是环绕末端34，末端34和基底10的上表面的水平方向的延伸面切齐，在图6末端34以虚线表示，并且为了简明起见只在其中一个孔洞32中标示末端34的位置，虚线上方为孔洞32，虚线下方的空间为一腔室36，由图5A可知，末端34完全位于退缩区域22中，也就是说退缩区域22比末端34大，优选地退缩区域22的边缘和末端34相距0.5至1.5微米，孔洞32具有一侧壁321，没有任何含氮材料层由侧壁321曝露出来。
请再度参阅图6，腔室36位于基底10的微机电元件区A内，若有多个孔洞32，腔室36会和所有孔洞32共通，腔室36和孔洞32构成微机电结构50的一共振腔室38，共振腔室38中没有固体材料。另外，在最上层的金属层间介电层26上可以选择性设置一保护层30，保护层30具有至少二开口，一开口44曝露出孔洞32，另一开口46曝露出金属电路28。本发明的微机电结构50可另外包含一盖层40设置在基底10的微机电元件区A上，以覆盖孔洞32和腔室36，避免污染物掉入孔洞32和腔室36。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (16)

1.一种微机电结构的制作方法，包含：
提供一基底包含一逻辑元件区和一微机电元件区；
形成一逻辑元件于该逻辑元件区；
全面形成一含氮材料层覆盖该逻辑元件区和该微机电元件区；
移除位于该微机电元件区内的部分的该含氮材料层以在该含氮材料层上定义出至少一退缩区域；
在形成该退缩区域之后，形成至少一介电层覆盖该逻辑元件区和该微机电元件区，并且该介电层填入该退缩区域；
蚀刻位于该微机电元件区的部分的该介电层以形成至少一孔洞穿透该介电层，其中该退缩区域环绕该孔洞；以及
蚀刻该基底以形成一腔室，该腔室和该孔洞构成该微机电结构的一共振腔室，
其中该孔洞具有一末端位于填入该退缩区域的该介电层中，该末端完全位于该退缩区域中。
2.如权利要求1所述的微机电结构的制作方法，其中该含氮材料层为氮化硅，该含氮材料层为一蚀刻停止层。
3.如权利要求1所述的微机电结构的制作方法，其中该逻辑元件为一晶体管，该晶体管具有一多晶硅栅极电极。
4.如权利要求1所述的微机电结构的制作方法，其中部分该退缩区域重叠该末端，并且部分该退缩区域环绕该末端。
5.如权利要求1所述的微机电结构的制作方法，其中该基底为硅基底，并且该腔室是利用深反应式离子蚀刻制作工艺蚀刻该基底而形成。
6.如权利要求1所述的微机电结构的制作方法，在形成该孔洞之前，还包含：
形成至少一金属层间介电层和至少一金属电路于该逻辑元件区和该微机电元件区之后，蚀刻位于该微机电元件区的该金属层间介电层、该金属电路和该介电层以形成该孔洞。
7.如权利要求1所述的微机电结构的制作方法，其中在该共振腔室中没有固体材料。
8.如权利要求1所述的微机电结构的制作方法，其中在该微机电元件区内的该基底上设置有一浅沟槽隔离。
9.一种微机电结构，包含：
基底，包含一逻辑元件区和一微机电元件区；
逻辑元件，设置于该逻辑元件区；
含氮材料层，覆盖该逻辑元件、该逻辑元件区和该微机电元件区，其中位于该微机电元件区内的该含氮材料层定义出至少一退缩区域，该退缩区域内没有该含氮材料层；
介电层，覆盖该逻辑元件区和该微机电元件区，并且该介电层填入该退缩区域；
至少一孔洞，位于该微机电元件区内的该介电层中，其中该退缩区域环绕该孔洞；以及
腔室，位于该基底的该微机电元件区内，该腔室和该孔洞构成该微机电结构的一共振腔室，
其中该孔洞具有一末端位于填入该退缩区域的该介电层中，该末端完全位于该退缩区域中。
10.如权利要求9所述的微机电结构，其中该含氮材料层为氮化硅。
11.如权利要求9所述的微机电结构，其中该逻辑元件为一晶体管，该晶体管具有一多晶硅栅极电极。
12.如权利要求9所述的微机电结构，其中部分该退缩区域重叠该末端，并且部分该退缩区域环绕该末端。
13.如权利要求9所述的微机电结构，其中该基底为硅基底。
14.如权利要求9所述的微机电结构，还包含：
至少一金属层间介电层和至少一金属电路设置于该逻辑元件区和该微机电元件区内，并且该孔洞延伸至该金属层间介电层和该金属电路中。
15.如权利要求9所述的微机电结构，其中在该微机电元件区内的该基底和该介电层之间，设置有一浅沟槽隔离。
16.如权利要求9所述的微机电结构，其中在该共振腔室中没有固体材料。
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