TW200540102A - Single crystal silicon sensor with additional layer and method of producing the same - Google Patents
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Description
200540102 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係關於感測器（sensors)，特別言之，本發 明係關於單晶石夕(single crystal silicon)感測器。 5 【先前技術】 微機電系統(microelectromechanical systems，“MEMS”) 使用於日漸增加的應用中。例如，微機電系統現正作為偵 丨測飛機傾斜角度的陀螺儀(gyroscope)，以及汽車上選擇啟 ίο 動安全氣囊的加速計(accelerometer)。簡而言之，許多這類 微機電糸統元件通常有一懸浮於基板(substrate)上方的結 構’且相關電路感測懸浮結構的運動，並將被感測之運動 的資料傳送至一個或多個外部元件(如外部的電腦）。外部 元件將感測資料處理，計算出所欲量測的特性(如傾斜角度 15 或加速度）。 許多種類的微機電系統感測器，例如以上所討論的形 式’係以傳統的表面微機械（surface micromachining， “SMM”)手段製成。如熟悉此技藝人士所知，表面微機械 技術係使用增加與去除程序，在基板上建造物質層。一般 20 而言，表面微機械技術使用多晶矽(polysilicon)來製造微機 電系統感測器。 然而，除了使用多晶矽以外，微機電系統感測器亦可 以單晶矽製造。除了其他許多好處，使用單晶矽方便將電 路直接整合至微機電系統晶圓上。然而在某些應用中，單 25 晶矽製成的微機電系統感測器有一組額外的問題。例如在 200540102
設計與生產中，要在電性上相互連接微機電系統元件的某 些部份，可能是較為麻煩的。此外，本發明人所知之單晶 矽微機電系統，並不允許平面外之感測與作動(actuati〇n)M 5 【發明内容】 依本發明之一面向，一種以絕緣層上覆矽 (silicon-on-insulator，“S0I，，)為基材的微機電系統元件其 具有-基礎層、-元件層與一位於基礎層及元件層之間^ • 絕緣層。此元件並有部份與元件層相隔之沈積層。元件層 10 係介於絕緣層與沈積層之間。 曰 germanium)，其沈積溫度相對較低）。 此元件可以具有-固定器(anchor)，由沈積層延伸出以 ，元件層做接觸。在某些實施财，元件層包含了電路。 這類電路也許可在經過沈積層沈積過㈣溫度之後仍能 運作。舉例而f，沈積層可包括錯（例如石夕錯（smc〇n 、在某些實施例巾，-空氣間隔(airspace)分隔了元件層 • 與沈積層。70件層的上表面也可以有既定物質(例如金屬接
感測器’其具有含上表面的單晶石夕層， 層上表面的沈積額外層。此單晶; 點)形成於其上。此類實施例可將既定物質與沈積層以空氣 一種微機電系統慣性(inertial) 雾晶矽層，與一相鄰於單晶矽
200540102 矽層亦可為絕緣層上覆矽晶圓的一部份，其中感測器進一 步包括一基礎層與一分離基礎層與單晶矽層的絕緣層。 在某些實施例中，單晶矽層可為整塊矽晶圓的一部 份。此外，沈積的額外層可形成内連線(interconnect)。在 5 某些實施例中，感測結構包括了一可移動的成員，與沈積 的額外層以空氣間隔相隔。在其他實施例中，沈積的額外 層形成電極，可與單晶矽層的至少一部份進行電容性轉合 (capacitive coupling) 〇 • 依本發明之另一面向，一種形成以絕緣層上覆矽為基 1〇 材的微機電系統元件的方法，其提供具有上表面的以絕緣 層上覆石夕為基材的微機電系統晶圓，並在上表面上沈積一 犧牲層（sacrificial layer)。此方法並在犧牲層上再沈積一額 外的微機電系統層。 此額外的微機電系統層可包括沈積溫度低於攝氏450 15 度的物質。此外，此方法更可除去至少一部份犧牲層。此 額外的微機電系統層，可為琴少部份以絕緣層上覆石夕為基 .材的微機電糸統晶圓之上表面形成一個上蓋(cap)。在例示 性實施例中，此方法對此額外的微機電系統層施加表面微 機械製程。 20 依本發明之另一面向，一種形成微機電系統慣性感測 器的方法，其提供具有上表面的單晶晶圓，並在上表面上 沈積犧牲層。一額外的微機電糸統層再沈積於犧牲層之 上。 25 【實施方式】 200540102 ，本發明之例示性實施例，結合單晶石夕製程與傳統表面 微機，技術，形成具有高度功能性的感測器。更具體而-言’單晶石夕晶圓上形成之感測器，可擁有一個或更多額外· 的沈積層，這些沈積層可經由微機械處理而執行一些額外 5功能。例如，額外的沈積層可形成保護蓋、感測器㈣部 分間的内連線、或靜電作動與偵測元件等不一而足。各 實施例的細節於以下討論。 圖1概要顯示依本發明的例示性實施例產生之慣性 • 測器(“感測11 10，，)的剖面圖。如以下所討論，感測器10係 10由，緣層上覆石夕晶圓12(“S〇I，，)形成，晶圓12含有形成於 二單晶矽晶圓之間的絕緣層14。該二晶圓之第一個，即本 技食中所稱之握柄晶圓16’’支撐絕緣層14與第二晶圓。 絕緣層14典型為氧化物，在感測器製造過程中係^為犧 15 牲層。第二晶圓即本技藝中所稱之“元件層18”，同時包含 15 電路2〇與可移動結構M，該兩者共同偵測感測器的移動S。 九應注意絕緣層上覆矽的討論，在此是作為範例，而無 • 意限制某些實施例的範圍。例如其他實現單晶矽元件的枯、 術亦可使用。 2〇 在例示性實施例中，慣性感測器10包含電路2〇與可 =動結構22,以形成微機電系統加速計或陀螺儀。其他實 知例當然亦可以與其他種類元件，例如微機電系統壓力偵 測器同時使用。實際上，某些實施例可與非微機電系統元 =或一般積體電路同時使用。因此對特殊種類之慣性偵測 25 裔，例如微機電系統加速計與陀螺儀的討論，乃是作為範 例而無意限制各種實施例的範圍。 200540102 當實施作為加速計時’感測器10有正常狀況下為穩 定(但可移動）的一質量24A懸於握柄晶圓16上方，及電路 20，用以偵測質量的移動。電路20亦可包括標準的發射 電路(未詳細顯示），以將與偵測到的質量移動相關之資訊 5 傳送至外部元件。或者電路20亦可分散於多個晶片/晶圓 上。在某些這類情形中，感測器10也許只有結構22。然 而，例示性實施例將加速計功能(結構22與電路20)整合於 單一晶片/晶圓上。微機電系統加速計功能的範例，包括那 _ 些被 Analog Devices，Inc· of Norwood，Massachusetts 所傳 10 佈且申請專利者。參見其他文件與美國專利第5,939,633 號，其中全部内容均包含於此作為參考。 ¥作為陀螺儀時’感/則器10含有一振動(oscillating) 質量24B懸於握柄晶圓16上方，以及電路2〇(概要顯示）， 以作動並偵測質量的運動。與以上所述加速計相似的是， 15 電路20亦可包括標準的發射電路（同樣未顯示），以將與特 疋夤里運動相關之資訊傳送至外部元件。這類電路2〇可 • 在同一晶片上(on_chiP)或不在同一晶片上(off-chip)。如圖 1所示，例示性實施例整合陀螺儀的功能(結構22與電路 2〇)於單一感測器1〇上。微機電系統陀螺儀功能的範例， 2〇 包括那些被 Analog Devices, lnc· 〇f Norwood，
Massachusetts所傳佈且申請專利者。參見其他文件與美國 專利第6,5〇5,511 f虎，其中全部内容均&含於此作為參考。 、依照本發明之例示性實施例，感測器10有一額外的 積曰（以下稱額外層26”），形成於元件層μ上表面28 25之上。渺卜層26之至少—部分與元件層18的上表面28 200540102 至少有—空氣間隔3G相隔。其他實質上整合於元 曰8的組件，因此可以置於額外層加之該部分與上表 =之間(例如電路20含有如閘極多晶石夕與電路元件之間 *输、接點21)。為方便製造，額外層26例示性地由傳統 ，械可立即處理的物質組成。舉例而言，額外層％可 以是以鍺為基礎的材料’如矽鍺(silicon germanium，SiGe)。
20 如以上與以下所述，額外層26可用於多種不同用途 之諸如為元件層18不同部份提供電氣内連線、作為 上蓋(提供密封或非密封的保護）、或是提供靜電作動與偵 =。事實上，可形成一個以上之額外層26，以提供額外功 月b。例如傳統表面微機械製程可在絕緣層上覆矽晶圓a 上形成的感測器10上方，再形成第二個微機電系統感測 器。 圖2概要顯示圖1中感測器1〇的俯視圖，展示額外 層26的範例性應用。詳言之，所示額外層26包含第一内 連線32A ’其輕合第一對相對(0pp0Se(i)之金屬接點27A， 與苐二内連線32B，其輕合第二對相對之金屬接點27B。 額外層26亦有網柵34，以靜電偵測質量24A或24B的運 動。或是該網栅亦可以靜電作動質量24A或24B。 此外，額外層26含有一對跳線(jumper)36，跨過分別 以空氣充填的溝槽37,而電氣連接元件層18隔絕的部份。 此種安排應可利用空氣低得多的介電常數，而降低先前技 術中使用氮化石夕充填溝槽所產生的寄生電容。 圖3顯示圖1中感測器10的例示性製造過程。圖4 至9利用顯不製造感測器10的中間步驟說明該製程。該 25 200540102 製程可在單一絕緣層上覆矽晶圓12、或是一在後續步驟切 開（diced)的塊狀晶圓上施行。該製程始於步驟3〇〇，其中 傳統製程在絕緣層上覆矽晶圓12上的元件層18之上/之中 形成結構22與電路20。例如參見圖4，其中顯示絕緣層 5 上覆石夕晶圓12，以及對應的電路20與結構22。更詳細地 說’傳統的絕緣層上覆矽製程同時蝕刻，但不致釋放 (release)元件層18上的條柱(beam),並形成必需的電路 20。關於生產範例性之絕緣層上覆矽元件的方法，參見共 _ 同持有的美國專利第5,569,621號，其中全部内容均包含 ίο 於此作為參考。 該製程接著進行至步驟3〇2。其中低溫之犧牲物質38 沈積於元件層18上表面28之上。如圖5所示，犧牲物質 38填入橫條空隙，以及其他於先前製程步驟中蝕去的部 份。犧牲物質38可為氧化物、鍺、電鍍金屬（plated metal)、 15 聚醯亞胺(P〇lyimide)、或其他有機材料等等。 沈積之後’製程接著對犧牲物質38造出形狀 修 （pattern)，以作為隨後形成之固定器、接點或其他額外層 26將產生之結構22的樣板(tempiate)(步驟3〇4)。舉例而 口，圖6顯示為與電路20中的金屬接頭21與單晶石夕造成 20 接觸所需之孔洞39。此外，在對犧牲物質38造出形狀之 後，製程可能會蝕去一部份元件層18的上表面28，例如 在金屬接點上形成的介電質。 该製程繼續進行至步驟306，其中傳統製程沈積額外 層26於犧牲物質38之上（見圖7)。於例示性實施例中，犧 25 牲物質38的沈積溫度不應對於元件層18的組件之最高承 -11 · 200540102 文溫度有不良影響。舉例而言，沈積溫度應夠低以不至對 電路20有負面影響。在某些實施例中，電路20即使在經 過高達攝氏450度之後仍能正常操作。因此，著眼於其相 對低之沈積溫度，例示性實施例中使用矽鍺作為額外層％ 的材質。多晶矽與鍺的相對濃度係經過選擇，以保證額外 層26的沈積溫度不超過攝氏45〇度。 額外層26亦可使用其他非基於鍺的材料。例如，在 不包括電路20的實施例中，額外層26可由多晶矽形成， 其有著杈矽鍺為高的沈積溫度。若作為防微粒保護(particie shield)(亦即無密封保護時），如=氧化；^或氮化；^的介電 質均可使用。其他實施例使用金屬。 15 20 〇忒製程繼續進行至步驟308，其中傳統表面微機械製 ^於沈積物質（即額外層26)上造出形狀以形成想要的結構 2摩:例而s，如圖2與8所示，沈積物質可被造出形狀， 成f定态、上電極、上蓋、或防微粒保護。如圖$所 不’固定器41可延伸與元件層18接觸，以形成電氣連接。 在/u積物負上造出形狀後，製程隨後依傳統製程(步驟 用除去犧牲物質38。若犧牲物質38為鍺，可以使 .^~般用於鍺蝕刻的蝕刻劑。例如過氧化氳即可。或 】右牲物質38是有機物，此製程可使用氧電聚(oxygen 將犧牲物質38料之後，於沈積物質與元件層 面28之間，產生一空氣間隔30。換言之，空氣 分隔了額外層組件(由絲去沈積物質且繼而 除去，牲物質38而形成)與元件層18的上表面28。 取後5亥製程在步驟312在元件層18中釋放微機電 -12- 25 200540102 系統結構後結束。若沈積物質只是形成簡單的内連線與固 定器’現存的光阻基板釋放製程(resist pe(iestal release process)即可使用。然而，若形成上蓋，汽態氫氟酸 (hydrofluoric acid)或其他技術可以使用。熟習此技藝之人 5 士應可選擇適當的釋放製程。以上的討論，僅作為各種實 施例的範例而已。 熟習此技藝之人士瞭解，除以上所討論之外，其他步 驟亦可實施。例如各種前製處理(例如準備絕緣層上覆矽晶 丨圓12)與後製處理步驟(例如測試、封裝等等)均可實施。 10 如以上所述，某些實施例具有多個額外層，而非單一 個額外層26。本方法的各個面向因此可用以製造此種多層 元件。因此’額外的沈積與犧牲層可被加入，而仍與本發 明各面向之目的相符。 因此，本發明之例示性實施例，使基於單晶的感測器 15 能夠執行平面外的作動與偵測（亦即垂直於質量24A或 之平面）。此外，例示性實施例亦使此類感測器得以更 . 谷易相互連接元件層18的各部份。由於其製造方法（見上 述）一中某些内連線允許在元件層18的各隔離部份之 間，使用以空氣充填的溝槽(例如見圖2)，而非充 20 質（如氮化物）的溝槽。更有甚者 ，如上述，某些實施例开/ 成堅固的内部護蓋(in_situcaps)。 — 幻形 雖然以上討論係揭露本發明的各種例示性實施例，卵 明顯地，習知此技藝的人士，可以作各種修改，以達到^ 發明的優點，而未離開本發明之範圍。 -13- 25 200540102 【圖式簡單說明】 刖述本發明的各項優點，從以下的配合圖式的進一步 說明，可更有助於體會。 圖1概要顯示依本發明的例示性實施例產生之感測器 ^ 的剖面圖。 圖2概要顯示圖1所示感測器的部份俯視圖。 圖3顯示依本發明的例示性實施例形成圖1中感測器 的程序。 ^ 圖4概要顯示圖1中之感測器，於產生過程中之〆阳 10 段（即圖3中之步驟300)。 圖5概要顯示圖1中之感測器，於產生過程中之〆階 段(即圖3中之步驟3〇2)。 圖6概要顯示圖1中之感測器，於產生過程中之〆階 段(即圖3中之步驟3〇4)。 15 圖7概要顯示圖1中之感測器，於產生過程中之〆階 段（即圖3中之步驟306)。 • 圖8概要顯示圖1中之感測器，於產生過程中之〆階 段（即圖3中之步驟3〇8)。 匕 圖9概要顯示圖丨中之感測器，於產生過程中之/階 焱(即圖3中之步驟31〇)。 【70件符號說明】 1G :感測器 12 :晶圓 14 ·絕緣層 25 200540102
握柄晶圓 元件層 電路 金屬接頭 可移動結構 :質量 :質量 額外層 :金屬接點 •金屬接點 上表面 空氣間隔 :第一内連線 :第二内連線 網柵 跳線 溝槽 犧牲物質 孔洞 固定器 20
Claims (1)
- 200540102 十、申請專利範圍： 一種以絕緣層上覆矽（SOI)為基材的微機電系統 (microelectromechanical systems，“MEMS”）元件，其 包含： 一基礎層； 一元件層； 介於該基礎層與該元件層間之一絕緣層；以及 有部份與該元件層相隔之一沈積層； 該元件層係介於該絕緣層與該沈積層之間。 Γ 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 如申請專利範圍第1項之微機電系統元件，進一步包 含一固定器（anch〇r)，其自該沈積層延伸與該元件層 接觸。 如申請專利範圍第丨項之微機電系統元件，其中該元 件層包含電路。 如申請專利範圍第4項之微機電系統元件，其中該沈 積層包含一材料，其沈積溫度得使電路在經歷該沈積 溫度後，仍能運作。 如申清專利範圍第1項之微機電系統元件，其中該沈 積層含有鍺。 如，請專利範圍第1項之微機電系統元件，其中有一 空氣，隔將該元件層與該沈積層分隔。 如申請專利範U第6項之微機電系統元件，其中該元 件層具有上方有特定物質形成之一上表面 ，該空氣間 隔將特定㈣與該沈積層分隔。 考重微機電系統慣性（inertial)感測器，豆句.-16- 200540102 構， 與該單晶矽層之該上表面相鄰之一沈積額外層，該沈 積額外層有部份與該上表面相隔。 9. 如申請專利範圍第8項之微機電系統慣性感測器，其 中該沈積額外層有部份接觸該上表面。 10. 如申請專利範圍第8項之微機電系統慣性感測器，其 中該單晶矽層為絕緣層上覆矽晶圓之一部分，該感測 器進一步包含一基礎層與一分開該基礎層與該單晶 妙層之一絕緣層。 〇 11.如申請專利範圍第8項之微機電系統慣性感測器，其 中該單晶矽層為塊狀矽晶圓。 12. 如申請專利範圍第8項之微機電系統慣性感測器，其 中至少有一空氣間隔將該上表面與該沈積額外層相 隔。 13. 如申請專利範圍第8項之微機電系統慣性感測器，其 中感測結構包括一可移動成員，與該沈積額外層以一 空氣間隔相隔。 14. 如申請專利範圍第8項之微機電系統慣性感測器，其 # 中沈積額外層形成一電極，其得以與至少一部分該單 晶矽層，進行電容性耦合。 15. —種形成以絕緣層上覆矽為基材之微機電系統元件 的方法，該方法包括： 提供具有一上表面之一以絕緣層上覆矽為基材之微 機電系統晶圓； 於該上表面沈積一犧牲層；以及 於該犧牲層上方沈積一額外之微機電系統層。 16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該額外之微機 -17- 200540102 電系統層由其沈積溫度低於攝氏450度之物質組成。 17. 如申請專利範圍第15項之方法，進一步包含除去至 少一部分該犧牲層。 18. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該額外之微機 電系統層，在至少一部分該以絕緣層上覆矽為基材之 微機電系統晶圓上表面，形成一上蓋。 19. 如申請專利範圍第15項之方法，進一步包含施用表 面微機械製程於該額外之微機電系統層。 20. —種形成微機電系統慣性感測器的方法，該方法包 〇 括： 提供具有一上表面之一單晶晶圓； 於該上表面沈積一犧牲層；以及 於該犧牲層上方沈積一額外之微機電系統層。 21. 如申請專利範圍第20項之方法，進一步包含除去至 少一部分該犧牲層。 22. 如申請專利範圍第20項之方法，進一步包含施用表 面微機械製程於該額外之微機電系統層。-18 -
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