CN1872657A - 微结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

传统上形成微机械的微结构是用硅晶片作为主体形成的。考虑到这一点，本发明提供微结构制造方法，其中微结构是在绝缘衬底上形成的。本发明提供的微结构包括含多晶硅的层，该多晶硅是以金属元素用热晶化或激光晶化而晶化的，且该层包括在其上或其下的空间。这样的多晶硅可在绝缘表面上形成并具有高强度，因此，可以用作微结构。作为结果，提供了在绝缘衬底上形成的微结构或提供有微结构的微机械。

Description

微结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及在绝缘表面上形成的微结构及其制造方法。

背景技术

近年来，称为MEMS(微机电系统)的微机械系统正在被积极研究。MEMS是微机电系统的缩写，有时其被简称为微机械。微机械一般相应于微型装置，其中“具有三维结构的可移动微结构”和“具有半导体元件的电路”被集成到一起。前述微结构具有三维结构和可移动部分，且进一步具有作为开关、可变电容器、致动器等的功能，。

微机械可用电路控制其微结构。因此，据说可形成自主分散型系统，其通过处理数据执行一系列操作，这些数据通过传感器、通过电路及通过致动器等执行操作而获得的，而非中央处理控制型系统(如用计算机的传统装置)。

对上述微机械进行了许多研究(参看专利文献1)。专利文献1揭示一种晶化的薄膜形式的机械装置。

[专利文献1]

日本专利公开号No.2004-1201。

发明内容

形成微机械的微结构是由用于使用硅晶片制造半导体元件的工艺形成的。特别地，实用的微机械是用硅晶片形成的以便获得足够的厚度和强度，用于制造主流结构。然而，在形成微结构的情形中，采用与形成半导体元件不同的工艺，诸如牺牲层刻蚀。

进一步，考虑到具有微结构的微机械的大量制造，减小制造成本是需要的。

鉴于此，本发明提供不在硅晶片上形成的微结构，和具有该微结构的微机械。而且，本发明提供微结构和微机器的制造方法。

为了实现前述目的，形成本发明微机械的微结构(以下称为半导体装置)包括含多晶硅的层，该多晶硅是用金属元件热晶化或激光晶化形成的，且在该层上或下有空间(也称为空洞)。这样的多晶硅可用作微结构，该多晶硅可在由玻璃衬底代表的绝缘表面上形成，并可用作微结构。

空间可具有单层结构或堆叠层结构。这样的空间是通过用由接触孔引入的刻蚀剂除去牺牲层形成的。因此，当从半导体装置的横截面看时，堆叠层结构中的空间优选通过接触孔等连接。作为结果，除去牺牲层步骤的数量可减少。

通过形成这样的空间，可提供包括含多晶硅的可移动层的半导体装置。可移动意味着在向上，向下，向左和向右方向上移开和绕某些轴转动。压力，静电力，或电磁力可用来实现可移动功能。

本发明将在下面明确说明。

按照本发明的一种方式，微结构包括在绝缘表面上提供的第一层和在该第一层上提供的含多晶硅的第二层。多晶硅是用金属元素晶化的。在第一层和第二层之间有空间。

按照本发明的另一种方式，微结构包括在绝缘表面上提供的第一层和在该第一层上提供的含多晶硅的第二层。多晶硅是用金属元素晶化的。在第一层上提供的含金属的层，金属化合物，硅，氧化硅，或氮化硅的层是用刻蚀法除去的。在第一层和第二层之间有空间。

按照本发明的另一种方式，微结构包括在绝缘表面上提供的第一层和在该第一层上提供的含多晶硅的第二层。多晶硅是用金属元素晶化的。在第一层上提供的含金属的层，金属化合物，硅，氧化硅，或氮化硅的层是用刻蚀法除去的。第二层具有不与绝缘表面或第一层接触的部分。

按照本发明的另一种方式，微结构包括在绝缘表面上提供的第一层和在该第一层上提供的含多晶硅的第二层。多晶硅是用金属元素晶化的。在第一层上提供的含金属的层，金属化合物，硅，氧化硅，或氮化硅的层是用刻蚀法除去的。第二层具有横梁(beam)结构，其中部分不与绝缘表面或第一层接触。

在本发明中，第二层可具有这样的结构，其中多晶硅和非晶硅堆叠。而且在本发明中，第二层可具有这样的结构，其中具有不同晶态的多晶硅层堆叠在一起。

按照本发明的另一种方式，微结构的制造方法包括在绝缘表面上形成含非晶硅层，通过将金属元素应用到多晶硅中而晶化非晶硅，在含多晶硅层上或其下形成空间的步骤。

按照本发明的另一种方式，微结构的制造方法包括在绝缘表面上形成第一层，在第一层上形成第三层，在第三层上形成含非晶硅的第二层，通过将金属元素应用到多晶硅中而晶化非晶硅，以及通过刻蚀除去第三层的步骤。

按照本发明的另一种方式，微结构的制造方法包括在绝缘表面上形成第一层，在第一层上形成第三层，在第三层上形成含非晶硅的第二层，通过将金属元素应用到多晶硅中而晶化非晶硅，形成覆盖多晶硅的绝缘层，在绝缘层中形成接触孔，以及通过接触孔引入刻蚀剂刻蚀第三层而除去第三层的步骤。

按照本发明的另一种方式，微结构的制造方法包括在绝缘表面上形成第一层，在第一层上形成第三层，在第三层上形成含非晶硅的第二层，通过将金属元素应用到多晶硅中而晶化非晶硅，以及通过刻蚀除去第三层的步骤，因此第二层具有不与绝缘表面接触的部分或形成在绝缘表面上形成的层。

按照本发明的另一种方式，微结构的制造方法包括在绝缘表面上形成第一层，在第一层上形成第三层，在第三层上形成含非晶硅的第二层，通过将金属元素应用到多晶硅中而晶化非晶硅，以及通过刻蚀除去第三层的步骤，因此第二层具有横梁结构。

按照本发明的另一种方式，微结构的制造方法包括在绝缘表面上形成第一层，在第一层上形成第三层，在第三层上形成含非晶硅的第二层，通过将金属元素应用到多晶硅中而晶化非晶硅，以及通过刻蚀除去第三层的步骤，因此第二层具有横梁结构且可通过压力，静电力或电磁力移动。

在本发明中，热晶化或激光晶化可用于晶化工艺。而且，选择性晶化的多晶硅可通过将金属元素应用至非晶硅而形成。而且，选择性晶化的多晶硅可通过激光辐照部分非晶硅而形成。

本发明可提供微结构，其可抵抗外力和应力并通过将金属元素用于微结构的结构层来使用晶化的多晶硅而控制连续性而进一步控制导电性。

附图说明

图1A到1C是示出本发明微结构制造步骤的视图。

图2A到2B是示出本发明微结构制造步骤的视图。

图3A到3C是示出本发明微结构制造步骤的视图。

图4A到4B是示出本发明微结构制造步骤的视图。

图5是示出本发明微结构的结构的视图。

图6是示出具有本发明微结构的半导体装置的视图。

图7A和7B是示出本发明微结构的制造步骤的视图。

图8是示出本发明微结构的结构的视图。

图9A和9B是示出本发明微结构的制造步骤的视图。

图10A和10B是示出本发明的微结构的结构的视图。

具体实施方式

虽然本发明将完全通过实施方式和参考附图的实施例描述，可以理解不同的改变和变化对本领域的技术人员来说是显然的。因此，除非这样的改变会变化偏离本发明的范围，否则它们应被解释为包括在其中。注意，表示相同部分的附图标记被用于不同的图中。

[实施方式1]

在该实施方式中，结构例子和具有本发明微结构的半导体装置的制造方法将参考附图描述。

包括本发明微结构的半导体装置属于微机械领域，且其尺寸在几个微米到几个毫米范围。当制造成某些装置的元件时，如组装的情形中，包括本发明微结构的半导体装置被制成几米的尺寸。

图6是包括本发明微结构的半导体装置的示意图。

本发明的半导体装置11可结合包括半导体元件的电路部分12和由微结构构成的结构部分13使用。电路部分12包括控制微结构的控制电路14，与外部控制装置10通信的接口15。结构部分13包括传感器16，致动器17，开关等，每个都由微结构形成。致动器是将信号(主要是电信号)转换为物理值的元件。

电路部分12可包括中央处理单元等，其用于处理由结构部分13获得的数据。

外部控制装置10执行如下操作，如传送信号以控制半导体装置11，接收由半导体装置11获得的数据，或供应驱动电源至半导体装置11。

包括本发明微结构的半导体装置不局限于前述结构例子。也就是，本发明包括由电路控制的微结构并提供新型微结构。

以传统方式，在处理几毫米或更小尺寸的微型目标的情形中，要求这样的工艺，使得目标的结构被放大，人或计算机获得数据并确定工艺和操作，按比例缩小操作并将其传送到微型目标。

然而，包括本发明微结构的半导体装置可仅通过人或计算机给出抽象指令处理微型目标。也就是，当人或计算机确定目的和给出指令时，包括微结构的半导体装置获得目标的数据，处理数据，从而执行操作。

在前述例子中，假定目标是微型的。这意味着目标自身具有几米的尺寸，但包括目标所产生的微小信号(如，光或压力的微小改变)等。

下面，本发明微结构的制造方法参考附图说明。在附图中，上端示出俯视图，而下端示出沿俯视图O-P的横截面视图。

本发明的微型结构是在衬底上形成的，该衬底具有绝缘表面(以下称为绝缘衬底)。绝缘衬底包括玻璃衬底，石英衬底，塑料衬底等等。而且，可以使用导电衬底，如金属或半导体衬底，半导体衬底如硅衬底，其上形成有绝缘层。通过在塑料衬底上形成微结构，可形成高度韧性且薄的半导体装置。进一步，通过形成由研磨等薄化的玻璃衬底，可形成薄的半导体装置。

首先，在具有绝缘表面的衬底101上形成基膜102(参看图1A)。基膜102可由单个绝缘层或绝缘层的堆叠层结构形成，绝缘层如氧化硅膜，氮化硅膜，或硅氮氧化物膜。在该实施模式中，两个层结构被用于基膜102，然而，也可采用单层结构或两层或多层的堆叠层结构。

作为基膜102的第一层，可用SiH₄，NH₃，N₂O和H₂作为反应气体经等离子体CVD方法形成硅氮氧化物膜，其厚度为10到200纳米(优选50到100纳米)。在该实施方式中，硅氮氧化物膜形成厚度为50纳米。然后，作为基膜102的第二层，用SiH₄，和N₂O作为反应气体经等离子体CVD方法可形成硅氮氧化物膜厚度为50纳米到200纳米(优选为100到150纳米)。在该实施方式中，形成的硅氮氧化物膜厚度为100纳米。

然后，作为第一结构层103的非晶硅膜或多晶硅膜被形成并被构图为所需形状(参看图1A)，该第一结构层103形成微结构。多晶硅膜可由含硅的材料形成。含硅的材料包括由硅形成的材料和含锗原子百分比浓度为0.01到4.5％的硅锗材料形成的材料。而且，前述硅膜可具有结晶状态和非晶状态。在该实施模式中，使用通过将金属元素应用至非晶硅膜热处理而晶化的多晶硅膜。退火炉、激光辐照、或灯而非激光发生的光辐照(以下称为灯退火)、或它们的组合可用于热处理。

如上所述的结构层可具有多层结构以便获得所需的厚度。例如，多晶硅的堆叠层结构可通过重复非晶硅膜沉积并通过热处理晶化而形成。通过该热处理，事先形成的多晶硅膜中的应力被减缓，从而防止膜剥落和衬底变形。进一步，构图也可一起重复以便进一步减缓膜中应力。

结构层可通过堆叠具有不同晶态的膜形成。例如，可采用非晶硅膜和多晶硅膜的堆叠结构。

在以该方式采用堆叠层结构的情形中，当将具有大内应力材料用于结构层时，厚结构层不能一次沉积。在该情形中，结构层可通过重复沉积和成图案而形成。

在通过激光辐照形成多晶硅的情形中，可使用连续波激光束(CW激光束)或脉冲波激光束(脉冲化激光束)。作为激光束，可使用从一个或多个从Ar激光器，Kr激光器，准分子激光器，YAG激光器，Y₂O₃激光器，YVO₄激光器，YLF激光器，YAlO₃激光器，玻璃激光器，红宝石激光器，金绿宝石激光器，Ti：蓝宝石激光器，铜蒸汽激光器，金蒸汽激光器中选择的振荡激光束。除了前述激光束的基谐波，通过发射基谐波的二次到四次谐波的激光束，可获得具有大晶粒直径的晶体。例如，可使用Nd:YVO₄激光器(基谐波波长1064纳米)的二次谐波(532纳米)或三次谐波(355纳米)。激光器要求的能量密度约从0.01到100MW/cm²(优选，约从0.1到10MW/cm²)。激光是以约10到2000cm/sec的扫描速率发射的。

可发射连续波基谐波激光束和连续波较高次谐波激光束。可替换地，也可发射连续波基谐波激光束和脉冲波更高次谐波激光束。通过发射多个激光束可供应能量。

也可使用这样的激光束，其是脉冲波激光束，其可以这样的振荡频率振荡激光，该振荡频率能够在激光导致的熔化和半导体膜的固化之间的周期期间发射下一个脉冲的激光。通过以这样的频率振荡激光束，可获得在扫描方向上连续生长的晶体晶粒。该激光束的特定振荡频率是10MHz或更高。采用比通常使用的几十到几百Hz频带显著更高的频带。

在使用加热炉作为另一种热处理的情形中，在400到550℃非晶半导体膜被加热2到20小时。此时，温度优选在400到550℃的范围内设定为多个步幅以便逐步增加。通过在约400℃的初始低温加热工艺，非晶半导体中的氢等被释放出来。因此，可减少由于晶化导致的膜表面的粗糙度。而且，促进晶化的金属元素，例如镍(Ni)，优选地在非晶半导体膜表面上形成，因为加热温度可被减小。作为金属元素，也可以使用铁(Fe)，钌(Ru)，铑(Rh)，钯(Pd)，锇(Os)，铱(Ir)，铂(Pt)，铜(Cu)，金(Au)，钴(Co)，等等。

除了加热炉，可执行如上所述的激光辐照从而形成多晶硅。

通过用金属元素执行热处理，以该方式形成的多晶硅具有与单晶硅几乎相同的晶体结构。作为结果，可形成比以不用金属元素的热处理形成的多晶硅坚韧的第一结构层103，其能够用作结构层的材料。这是因为其中晶粒被连续形成的多晶硅可通过用金属元素的热处理形成。在晶粒是连续形成的多晶硅中，共价晶粒边界不破碎，与非晶硅或由不用金属元素的热处理形成的多晶硅不同。因此，与不用金属元素形成的多晶硅相比，导致较大的破碎应力的由于晶粒边界缺陷导致的应力集中的现象不会发生。而且，由于连续晶粒边界，电子迁移率高，因此其中晶粒被连续形成的多晶硅适于用作通过静电力控制结构的情形中的材料。

而且，当含有用于促进晶化的金属元素时，第一结构层103可具有导电性，这适用于通过静电力控制结构的本发明的半导体装置。

而且，成为半导体装置污染源的金属元素可在晶化后除去。在该情形中，通过在用金属元素的热处理后，在硅膜上形成作为吸气壑(gettering sink)的层，金属元素可通过加热转移到该吸气壑中。吸气壑可由多晶态半导体膜或添加有杂质的半导体膜形成。例如，添加有惰性元素(如氩)的多晶半导体膜可在半导体膜上形成并用作吸气壑。通过添加惰性元素，多晶态半导体膜可变形，由此金属元素可被有效地捕获。进一步，通过形成添加有诸如磷的元素的半导体膜，金属元素可被捕获。

可使用由这些步骤形成的第一结构层103。在第一结构层103被要求是导电的情形中，杂质元素，如磷，砷，或硼可添加到其中。具有导电性的结构适于本发明的半导体装置，其具有导电结构并由静电力控制。

杂质区域可在第一结构层103中形成从而增强导电率。杂质区域可通过光刻法形成光刻胶掩膜并添加杂质于其中而形成。杂质元素可通过离子掺杂方法或离子注入方法添加。作为提供n型导电的杂质元素，通常使用磷(P)或砷(As)，而硼(B)被用作提供p型导电的杂质元素。n型杂质区域和p型杂质区域可通过添加浓度在1×10²⁰到10²¹/cm³范围的杂质而形成。

在形成杂质区域后，可执行热处理以便激活杂质元素。热处理可用前述条件执行。

然后，形成牺牲层104并构图为所需的形状(参看图1A)。牺牲层104是用溅射方法，CVD方法等形成的，使用材料为例如金属(如钨)，含硅的化合物(例如，氧化物或氮化硅)，以及金属与另一种元素(如硅)的金属化合物。为了构图该层，用光刻方法形成光刻胶掩膜并对其应用各向异性干刻蚀。牺牲层是在随后步骤中除去的层。通过除去牺牲层而形成一空间。这样的牺牲层可由含金属，金属化合物，硅，氧化硅，或氮化硅的材料形成。进一步，牺牲层可以是导电层或绝缘层。

牺牲层104的厚度是考虑不同因素确定的，如牺牲层104的材料、结构以及结构的操纵方法、以及用于除去牺牲层的刻蚀方法。例如，当牺牲层104太薄时，其不被刻蚀因为刻蚀剂不分散到其中。而且，在牺牲层104上形成的结构层的所谓粘滞(也称为粘附)的现象可能会出现。而且，当结构是由静电力操作时，当牺牲层太厚时不能被驱动。因此，在由静电力驱动结构的情形中，优选地牺牲层104具有0.5到3微米或更优选1到2.5微米的厚度。

在使用大内应力材料作为牺牲材料的情形中，难于一次形成厚牺牲层。在该情形中，可通过对形成和构图进行重复而形成厚牺牲层。也就是，牺牲层可具有单层结构或堆叠层结构。

然后，形成微结构顶部的第二结构层105被形成。第二结构105是通过形成非晶硅膜或多晶硅膜并将其构图为所需形状而形成的(参看图1B)。此时，执行构图以便部分牺牲层104被曝光(参看图1B的俯视图)。第二结构层105可由与第一结构层103类似的材料和晶体结构形成。多晶硅层可由用类似于第一结构层103的金属元素的热处理形成。

由这些步骤形成的多晶硅可用于第二结构层105。含用于热处理中实际使用的金属元素，多晶硅可具有导电性。而且，当第二导电层105被要求是导电的时候，杂质元素可类似于第一结构层103那样添加到其中。

在形成杂质区域后，杂质元素可通过与第一结构层103类似的方法激活。

第二结构层105可具有类似于第一结构层103的多层结构以便获得所需的厚度。

第二结构层105的材料和厚度可结合不同因素确定，如与第一结构层103的粘附性、牺牲层104的厚度、第二结构层105的材料、结构的构成和牺牲层的刻蚀方法。例如，在通过使用该实施方式的硅膜形成第二结构层105的情形中，其厚度优选为1到10微米。

当具有大内应力分布差别的材料被用作第二结构层105的材料时，第二结构层105可以弯曲。然而，结构可以通过利用第二结构层105的弯曲形成。

当第二结构层105形成得厚时，内应力可分布于其中，这将引起弯曲或粘滞(也称为粘附)。另一方面，当第二结构层105形成得薄时，结构可由于用于刻蚀牺牲层的溶液的表面张力而粘滞到底下层上。考虑到这些，可确定第二结构层105的厚度。

然后，牺牲层104被通过刻蚀除去(参看图1C)。适合于牺牲层104的刻蚀剂和刻蚀方法可用于该刻蚀。刻蚀方法是湿刻蚀法或干刻蚀法。

例如，当牺牲层由钨(W)形成时，刻蚀是将该层在溶液中浸泡20分钟而执行的，该溶液是用28％铵和31％的过氧化氢溶液以1∶2的比率混合而成的。当牺牲层由二氧化硅形成时，使用缓冲的氟化氢溶液，该缓冲的氟化氢溶液是用氢氟酸溶液和氟化铵以1∶7的比例混合而成的。

在湿法刻蚀后，可通过用低粘度的有机溶剂(例如环己胺)冲洗进行干燥，或可以在低温和低压条件下执行以便防止结构由于毛细现象引起的粘滞。可替换地，这些方法可结合使用。

而且，可用F₂和XeF₂在高压条件(如大气压)下对牺牲层执行干法刻蚀。也可以应用等离子体处理以便结构表面具有液体排斥特性，从而防止由毛细现象引起的结构粘滞。

在该实施方式中，随着牺牲层104的一部分被暴露，牺牲层104可被除去而不形成接触孔。

而且，在形成绝缘层等以便覆盖第二结构层105和牺牲层104的情形中，牺牲层104可通过在绝缘层中形成接触孔并通过接触孔引入刻蚀剂而除去。

通过以这样的步骤刻蚀牺牲层104，可形成结构106。

通过刻蚀牺牲层104，结构106具有第二结构层105不固定于或接触于衬底或在衬底上形成的第一结构层103的结构。这样的结构是，例如图1C所示的梁结构。梁结构具有支柱部分和梁部分。

在结构106可由静电力移动的情形中，可用作公共电极、控制电极等的导电层107可在基膜102下形成(参看图2A)。而且，当基膜102具有堆叠层结构时，导电层107可在基膜102的多个层之间形成(参看图2B)。导电层107可用金属(如钨)和具有导电性的物质作为材料由CVD等方法形成。进一步，导电层107可按要求构图为所需形状。

当从顶部看形成结构106的层具有带角的图案时，优选地它被构图为具有圆角的形状。类似地，这可类似地应用到以后将被除去的牺牲层104。图7A是顶视图，其中导电层107和牺牲层104被形成并被构图，图7B是其截面图。通过将该层构图为具有圆角的形状，可防止灰尘且因此提高产出率。

以该方式，形成结构106的层优选地被形成为尽可能平滑的形状。通过将该层形成为无锐利部分的形状，可防止灰尘且引起破碎的裂纹不容易出现。

第二结构层105是在牺牲层104之上以前述步骤形成的，然而绝缘层可在牺牲层104之上形成，且于是第二结构层105可在其上形成。也就是，本发明特征为使用通过使用金属元素形成的多晶硅作为结构层。本发明可具有其它构型而不受特定限制。

以该方式，通过形成牺牲层104和第二结构层之间105之间的绝缘层，该绝缘层可保护第二结构层105，从而在除去牺牲层104时减小对第二结构层105的损害。

在用于如上所述形成结构106的方法中，确定了第一结构层103，第二结构层105，和牺牲层104的适当的材料组合，以及除去牺牲层的蚀刻剂。例如，当特定蚀刻剂被确定时，相比第一结构层103和第二结构层105的材料具有较高刻蚀速率的材料优选地被用于形成牺牲层104。

形成第一结构层103和第二结构层105的多晶硅层可通过堆叠含多晶硅的层和含非晶硅的层形成，该多晶硅通过前述步骤晶化。以该方式，通过在结构层中采用堆叠层的结构，可提供具有兼有韧性和硬度的结构层。而且，韧性和硬度的平衡可通过各堆叠层的厚度比率确定。

一般地，硅合金(如镍硅化物)公知具有高强度。通过将用于半导体膜热处理的金属元素选择性地或整个地留在半导体膜中，并对其应用适当的热处理，可形成较硬并具有高导电性的结构。

通过堆叠前述用于晶化的金属元素被留在其中的层和含有多晶硅的层，可获得具有优良导电性的韧性材料。通过堆叠含非晶硅的层和含硅化物的层，可提供具有优良导电性的硬材料。

在金属元素被添加到层的整个表面，以及激光辐照或热处理被应用到其中的情形中，硅晶体在垂直于衬底的方向上生长。同时，在金属元素被选择性添加到层中且激光辐照或热处理被应用到其中，或该层在不用金属元素而被晶化的情形中，晶体在平行于衬底的方向上生长。通过堆叠这些具有不同晶体取向的层中的两个或多个层，可提供韧性优良的材料。由于具有不同晶体方向的层被堆叠，即使一个层破裂，该破裂不容易蔓延到具有不同晶体取向的层。作为结果，可形成具有高强度且不容易破裂的第二结构层105。

含非晶硅的层，含多晶硅的层，或含镍硅化物的层可被重复堆叠以便获得所需的厚度。

如图10A所示，可堆叠具有不同特性的硅和硅化合物。在图10A中，含非晶硅的层150，含多晶硅的层151，和含镍硅化物的层152被堆叠在衬底101上。在本发明中，可适当选择并堆叠形成结构的层。前述堆叠层的步骤可被容易地执行。因此，易于形成具有所需的特性的第二结构层105。

进一步，如前述步骤的使用金属的晶化，可通过选择性应用金属元素而部分地执行。例如，金属可仅应用至其下具有牺牲层104的第二结构层105的部分以便晶化。

如上所述的晶化可通过用激光选择性辐照该层而部分地执行。例如，仅具有位于其下的牺牲层104的部分154的第二结构层105可被晶化。进一步，通过改变激光条件，可以仅在图10B所示的梁结构的支柱部分155中留下非晶硅，并晶化其中的梁部分。以该方式，微结构可通过使用具有不同晶态的硅形成。

在诸如前述步骤的热处理是通过使用金属元素执行的情形中，与不用金属元素的热处理相比，晶化可在较低温度时执行，因此，用于形成结构的衬底可在更多的材料中选择。例如，在仅通过加热晶化半导体膜的情形中，要求膜在约1000℃时加热约1小时。因此，不可使用对加热敏感的玻璃衬底或熔点为1000℃或更低的金属。然而，通过前述步骤，可使用变形点为593℃的玻璃衬底等。

以该方式，按照本发明，微结构可在绝缘表面上形成。可通过半导体元件形成的电路可控制微结构。可以减小的成本形成具有这样的微结构的半导体装置。而且，按照本发明半导体装置的制造方法，相比较传统结构(其中电路是分开形成的且电连接到微结构)，生产率可提高。

[实施方式2]

在该实施方式中，其中多晶态硅被夹在绝缘层之间的结构(这与前述方式不同)是参考图3A到3C说明的。在附图中，上端示出俯视图，而下端示出沿俯视图中O-P的横截面视图。

如图3A所示，基膜202在绝缘衬底201之上形成，且牺牲层203在其上形成。对于这些膜的制造方法，可参考实施方式1。构成结构的第一绝缘层204被形成。作为第一绝缘层，可使用无机材料或有机材料。作为无机材料，可使用氧化硅或氮化硅。作为有机材料，可以使用聚酰亚胺，丙烯酸纤维(acrylic)，聚酰胺，聚酰亚胺醯胺，苯并环丁烯，硅氧烷，或聚硅氮烷。硅氧烷具有硅(Si)氧(O)键结构。作为取代基，至少具有氢(如烷基和芳香碳氢化合物)的有机基团或含氟基团可以被使用。可替换地，至少含氢的有机基团和含氟基团都可用作取代基。聚硅氧烷由含硅(Si)氮(N)键的聚合物材料作为起始材料形成。

特别地，在使用无机材料作为第一绝缘层204的情形中，要处理的目标的表面被氧化或氮化，以在其上形成第一绝缘层204。作为氧化或氮化的方法，使用高密度等离子体处理。高密度等离子体处理是用1×10¹¹cm^-3或更高的等离子密度，或优选为1×10¹¹到9×10¹⁵cm^-3执行的，使用高频如微波(例如2.45GHz的频率)。当等离子体是用这样的条件发生时，低电子温度变为0.2到2eV。以该方式，具有低电子温度特征的高密度等离子体具有低运动能的活性物质。因此，可以形成接收较少等离子体损害并因此具有较少缺陷的膜。

形成了直到第一牺牲层203的衬底被提供于沉积腔室中，该沉积腔室可以执行这样的等离子体处理，从而沉积处理用所谓的天线执行的，且要处理的目标距离为20到80毫米或更优选为20到60毫米。借助这样高密度的等离子体处理，可实现低温处理(400℃或更低的衬底温度)。因此，具有低耐热性的玻璃或塑料可用作绝缘衬底201。

这样的绝缘层可在氮气氛或氧气氛中形成。氮气氛是氮气和稀有气体的混合气氛或氮气、氢气和稀有气体的混合气氛。氦气，氖气，氩气，氪气和氙气中至少一种可用作稀有气体。氧气氛通常是氧气和稀有气体的混合气氛，氧气、氢气、稀有气体的混合气氛，或一氧化二氮与稀有气体的混合气氛。氦气，氖气，氩气，氪气和氙气中至少一种可用作稀有气体。

以该方式形成的绝缘层具有高密度，且对其它膜损害较少。由高密度等离子体处理形成的绝缘层在与绝缘层接触的界面状态中可被改善。例如，具有要处理表面的界面状态可通过借助例如高密度等离子体处理而形成第一绝缘层204而被改善。通过在结构层上形成这样的绝缘层可减少对结构的损害。

这里，高密度等离子体处理被用于形成栅极绝缘层，然而，高密度等离子体处理可应用至半导体膜。通过高密度等离子体处理，可提高半导体膜表面的质量。作为结果，可改善界面状态并可改善半导体元件的电子特征。

而且，高密度等离子体处理也可用于形成基膜202，以及第一绝缘层204。

然后，如图3B所示，含多晶硅(结构层)205的膜在第一绝缘层204上形成，从而形成第二绝缘层206以便覆盖层205。对于含多晶硅(结构层)205的层，可参考前述实施方式。而且，对于第二绝缘层206可参考第一绝缘层204。

此后，第一绝缘层204和第二绝缘层206被构图为所需的形状，以便牺牲层203被暴露(参看俯视图3B)。

然后，牺牲层203被通过蚀刻除去(参看图3C)。对于牺牲层203的蚀刻可参考前述实施方式。

在结构207可由静电力移动的情形中，可用作公共电极，控制电极等的导电层208可在基膜202下面形成(参看图4A)。而且，在基膜202具有堆叠层结构的情形中，导电层208可在基膜202的各层之间形成(参看图4B)。导电层208可用金属(如钨)或具有导电性的物质通过CVD等方法形成。进一步，导电层208可按需要构图为所需形状。

当从顶上看形成结构207的层具有角的图案时，它被优选地构图为具有圆角的形状。这被类似地应用至以后要除去的牺牲层203。图9A是俯视图，其中形成导电层208和牺牲层203并被构图，而图9B是其截面图。通过以这种方式将该层构图为具有圆角的形状，可防止灰尘并因此提高产出率。

要指出的是，该实施方式可以结合前述实施方式自由实施。

[实施方式3]

在该实施方式中，在前述实施方式中形成的微结构将参考附图描述。

图5是微结构301的横截面视图，该微结构301是通过应用前述实施方式中描述的微结构制造方法而形成的。微结构301具有结构层，其中基膜305，第一导电层303，第一绝缘层306是在衬底300上形成的。通过堆叠半导体层302和第二绝缘层307而形成的结构是在第一绝缘层上形成的。第三绝缘层309被部分地在结构层上形成。第二导电层304通过在第三绝缘层中提供的接触孔电连接到第一导电层和半导体层。

这里，当杂质元素或金属元素被添加到形成结构层的半导体层302时，半导体层302具有导电性。因此，电容器(电容器件)可通过结构层和第一导电层形成。以该方式形成的结构层可通过接收外部力，如静电力、压力和加速度而移动，这意味着前述电容器是可变电容器(可变电容器件)。因此，微结构301可用作传感器，当外部力施加到其上时其电容改变。

图5所示的微结构可具有传感器16的功能，其检测图6所示的半导体装置11中的外部力。

而且，在图5所示的微结构301中，结构层可形成为具有双金属结构，其中具有不同热膨胀系数的两种物质被堆叠到一起。在该情形中，结构层可通过温度改变而移动，因此微结构301也可用作温度检测元件。

图8是通过应用前述实施方式中所述的微结构的制造方法形成的微结构的透视图。该微结构310具有结构层315，其由基膜317，牺牲层314，和衬底316上的半导体层形成。在微结构310中，牺牲层315形成可移动的悬垂梁313，第一电极311和第二电极312(它们提供于悬垂梁313的两侧)。至少在可移动悬垂梁313下形成的牺牲层314被通过刻蚀除去。

以该方式形成的微结构310可用作开关，其中可移动的悬垂梁313移动并接触第一电极311或第二电极312。而且，微结构310可用作角动量传感器，其检测当一定的振动施加到可移动悬垂梁313时微结构310中发生的科里奥利(Coriolis)力。

在用这样的微结构形成开关的情形中，通过开关的信号传输路径在开关关断时被完全绝缘，当开关开通时，可形成低阻信号传输路径。用于控制开关的开通/关断的信号传输路径和控制系统可被绝缘，由此，可形成插入损耗较小的开关。

通过改变控制方法，如上所述形成的微结构可用作不改变形状的元件或传感器。进一步，如上所述形成的微结构可通过改变控制方法而用作致动器。通过使用前述微结构，可形成图6所示的半导体装置11中的结构部分13。

[实施例1]

在该实施例中，描述了由半导体层形成的结构层制造方法的例子，如在实施方式1中参考图1A到2B描述的第二结构层105，和在实施方式2中参考图3A到4B描述的结构层205。

例如，如图10A所示，结构中的结构层可通过堆叠含多晶硅的层和含非晶硅的层形成，该多晶硅通过前述步骤晶化。

具有不同晶态的硅层，如含多晶硅的层和含非晶硅的层具有不同机械特性。因此，通过堆叠各层而形成结构层或在所选区域中形成各层，可形成适于不同应用的结构层。

<复合弹性和压痕硬度的测量>

为了测量具有不同晶态的硅层之间机械特征的差异，测量了含非晶硅的层和由CVD方法形成的含多晶硅的层的复合弹性和压痕硬度。这里，含多晶硅的层是用金属催化剂由激光晶化含非晶硅的层形成的。

用作样品的含非晶硅的层是通过形成50纳米厚的氮化硅层作为基层，和在石英衬底上通过CVD方法沉积的100纳米厚的氧化硅层作为基层而形成，非晶硅层是在基层上通过CVD方法形成的。用作样品的含多晶硅的层是通过晶化含非晶硅的层形成的，该非晶硅是通过用连续波激光类似于前述方式形成的。这里，用于晶化的激光能量密度为9到9.5W/cm²且扫描速率为35cm/sec。用作样品的含非晶硅的层被形成厚度为66纳米，而用激光辐照晶化的含多晶硅的层厚度约为60纳米。

测量是用纳米压痕测量执行的，从而将具有三角金字塔形压头压到样品中。测量是用压缩单个压头的条件执行的，该压头是由钻石制成的Berkovich压头。因此，压头的弹性约为1000GPa而泊松(Poisson)比率约为0.1。

测量的复合弹性是通过组合样品和压头的弹性而获得的弹性，由下面公式(1)表示。在公式(1)中，Er表示复合弹性，E表示杨氏(Young’s)模量，v表示泊松比率。公式的第一括号(表达为样品)是样品弹性贡献，而第二括号(表达为压头)是压头弹性贡献。

如公式中所示，复合弹性是样品弹性贡献的第一括号和压头弹性贡献的第二括号的和。然而，压头的弹性比样品的弹性高得多，因此，第二括号可忽略。作为结果，复合弹性约等于样品的弹性。

压痕硬度是由压痕方法测量的硬度，该硬度是通过最大压力匹配时以投影面积除以最大压力重力获得的。这里挤压处的投影面积由压头的几何形状和压头被压入样品时的接触深度确定的。压痕硬度乘以76可以如维氏(Vicker’s)硬度等同处理，维氏硬度通常被用作硬度指数。

[公式1]

表1示出复合弹性和含多晶硅层以及含非晶硅层的压痕硬度的测量结果。该结果示出测量的三倍的平均值。

如表1所示，含多晶硅的层比含非晶硅的层弹性高。也就是，当弯曲结构的力产生时，含多晶硅的层可比含非晶硅层更好地抵抗由弯曲引起的破碎。

而且，如表1中结果所示，含多晶硅的层比含非晶硅的层硬。

[表1]

样品	复合弹性(GPa)	压痕硬度(GPa)
			含非晶硅的层	141	15.5
含多晶硅的层	153	20.3

以该方式，通过堆叠具有不同弹性和硬度的半导体层，可形成能抵抗弯曲力的具有韧性和硬度的结构。例如，通过堆叠前述层，即使破碎由于含多晶硅的层的晶体缺陷而发生，破碎不容易蔓延到含非晶硅的层。因此，破碎可在含多晶硅和含非晶硅的层之间停止。通过该方式，韧性和硬度的平衡可通过堆叠各层厚度的比率确定。

如上所述，具有所需特性，如韧性，硬度，或导电性的结构层的结构可通过堆叠或部分形成具有不同特性的硅层或硅化合物层而形成。通过使用这样的结构，可制造具有所需特性的产品。例如，在使用结构作为传感器的情形中，可制造在所需区域中检测的传感器。而且，也可制造检测大面积的传感器。具有韧性结构层的结构对弯曲引起的破碎有抵抗力，因此也可制造具有长寿命的结构和产品。

本申请基于2005年5月31日向日本专利局申请的日本专利申请No.2005-160608，其整个内容结合在此以供参考。

Claims (47)

1.一种微结构，包括：

在绝缘表面上提供的第一层；和

包含在所述第一层上提供的含多晶硅的第二层；和

所述第一层和第二层之间的空间；

其中所述多晶硅是用金属元素晶化的。

2.如权利要求1所述的微结构，

其中在第一层上提供的包括金属，金属化合物，硅，氧化硅，或氮化硅的层被通过蚀刻方法除去，从而形成该空间。

3.如权利要求1所述的微结构，

其中所述第二层具有不与绝缘表面和第一层相接触的部分。

4.如权利要求1所述的微结构，包括：

其中第二层具有梁结构。

5.如权利要求1所述的微结构，

其中所述第一层包括用金属元素通过热处理获得的多晶硅。

6.如权利要求1所述的微结构，

其中所述第二层具有这样的结构，其中多晶硅和非晶硅被堆叠。

7.如权利要求1所述的微结构，

其中所述第二层具有这样的结构，其中多晶硅和非晶硅被堆叠；和

其中多晶硅具有不同的晶态。

8.如权利要求1所述的微结构，

其中公共电极提供在所述第一层下。

9.如权利要求1所述的微结构，

其中所述多晶硅通过热晶化或激光晶化而被晶化。

10.如权利要求1所述的微结构，

其中Ni，Fe，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，和Au中的一种或多种金属元素被用于形成多晶硅。

11.一种微结构的制造方法，包括：

在绝缘表面上形成含非晶硅的层；

用金属元素晶化非晶硅从而形成含多晶硅的层；和

在所述含多晶硅的层之上或之下形成空间。

12.一种微结构的制造方法，包括：

在绝缘表面上形成第一层；

在第一层上形成第三层；

在第三层上形成含非晶硅的第二层；

用金属元素晶化所述非晶硅从而形成含多晶硅的第二层；和

用刻蚀除去所述第三层。

13.一种微结构的制造方法，包括：

在所述第一层上形成第三层；

在所述第三层上形成含非晶硅的第二层；

用金属元素晶化非晶硅从而形成含多晶硅的第二层；

形成绝缘层以覆盖多晶硅；

在所述绝缘层中形成接触孔；和

通过接触孔引入刻蚀剂以除去所述第三层。

14.一种微结构的制造方法，包括：

在绝缘层上形成第一层；

在所述第一层上形成第三层；

在所述第三层上形成含非晶硅的第二层；

用金属元素晶化非晶硅从而形成含多晶硅的第二层；和

除去第三层从而形成其中第二层不与所述绝缘表面和第一层接触的部分。

15.一种微结构的制造方法，包括：

在绝缘表面上形成第一层；

在所述第一层上形成第三层；

在所述第三层上形成含非晶硅的第二层；

用金属元素晶化非晶硅从而形成含多晶硅的第二层；和

用刻蚀除去第三层从而形成具有梁结构的第二层。

16.一种微结构，包括：

在绝缘表面上提供的第一层；和

在所述第一层上提供的包括多晶硅的第二层；和

在所述第一层和第二层之间的空间，

其中多晶硅用金属元素晶化；和

其中第二层通过压力，静电力，或电磁力而除去。

17.如权利要求11所述的微结构制造方法，

其中所述第三层包括金属元素，金属化合物，硅，氧化硅，或氮化硅。

18.如权利要求12所述的微结构制造方法，

其中所述第三层包括金属元素，金属化合物，硅，氧化硅，或氮化硅。

19.如权利要求13所述的微结构制造方法，

其中所述第三层包括金属元素，金属化合物，硅，氧化硅，或氮化硅。

20.如权利要求14所述的微结构制造方法，

其中所述第三层包括金属元素，金属化合物，硅，氧化硅，或氮化硅。

21.如权利要求15所述的微结构制造方法，

其中所述第三层包括金属元素，金属化合物，硅，氧化硅，或氮化硅。

22.如权利要求11所述微结构制造方法，

其中非晶硅的晶化是通过热晶化或激光晶化执行的。

23.如权利要求12所述微结构制造方法，

其中非晶硅的晶化是通过热晶化或激光晶化执行的。

24.如权利要求13所述微结构制造方法，

其中非晶硅的晶化是通过热晶化或激光晶化执行的。

25.如权利要求14所述微结构制造方法，

其中非晶硅的晶化是通过热晶化或激光晶化执行的。

26.如权利要求15所述微结构制造方法，

其中非晶硅的晶化是通过热晶化或激光晶化执行的。

27.如权利要求11所述微结构制造方法，

其中被选择性晶化的多晶硅是通过对非晶硅的一部分应用金属元素形成的。

28.如权利要求12所述微结构制造方法，

其中被选择性晶化的多晶硅是通过对非晶硅的一部分应用金属元素形成的。

29.如权利要求13所述微结构制造方法，

其中被选择性晶化的多晶硅是通过对非晶硅的一部分应用金属元素形成的。

30.如权利要求14所述微结构制造方法，

其中被选择性晶化的多晶硅是通过对非晶硅的一部分应用金属元素形成的。

31.如权利要求15所述微结构制造方法，

其中被选择性晶化的多晶硅是通过对非晶硅的一部分应用金属元素形成的。

32.如权利要求11所述微结构制造方法，

其中被选择性晶化的多晶硅是用激光辐照非晶硅的一部分形成的。

33.如权利要求12所述微结构制造方法，

其中被选择性晶化的多晶硅是用激光辐照非晶硅的一部分形成的。

34.如权利要求13所述微结构制造方法，

其中被选择性晶化的多晶硅是用激光辐照非晶硅的一部分形成的。

35.如权利要求14所述微结构制造方法，

其中被选择性晶化的多晶硅是用激光辐照非晶硅的一部分形成的。

36.如权利要求15所述微结构制造方法，

其中被选择性晶化的多晶硅是用激光辐照非晶硅的一部分形成的。

37.如权利要求11所述的微结构制造方法，

其中硅和金属元素的合金被形成而不除去所述金属元素。

38.如权利要求12所述的微结构制造方法，

其中硅和金属元素的合金被形成而不除去所述金属元素。

39.如权利要求13所述的微结构制造方法，

其中硅和金属元素的合金被形成而不除去所述金属元素。

40.如权利要求14所述的微结构制造方法，

其中硅和金属元素的合金被形成而不除去所述金属元素。

41.如权利要求15所述的微结构制造方法，

其中硅和金属元素的合金被形成而不除去所述金属元素。

42.如权利要求11所述的微结构制造方法，

其中用于晶化的金属元素是Ni，Fe，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，和Au中的一种或多种。

43.如权利要求12所述的微结构制造方法，

其中用于晶化的金属元素是Ni，Fe，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，和Au中的一种或多种。

44.如权利要求13所述的微结构制造方法，

其中用于晶化的金属元素是Ni，Fe，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，和Au中的一种或多种。

45.如权利要求14所述的微结构制造方法，

其中用于晶化的金属元素是Ni，Fe，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，和Au中的一种或多种。

46.如权利要求15所述的微结构制造方法，

其中用于晶化的金属元素是Ni，Fe，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，和Au中的一种或多种。

47.一种微结构，包括：

在绝缘表面上的第一层；和

在所述第一层上的包括多晶硅的第二层；和

在所述第一层和所述第二层之间的空间；

其中所述第一层和第二层中的至少一个包括含金属元素的多晶硅。

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