TW448290B - Method of making thin film piezoresistive sensor - Google Patents

Description

厶482 9 ϋ 五、發明說明（1)

本發明之發明領 是由一方法製造之 動作在一絕緣的退 選擇部位。 域係有關於於半導體 壓電阻感測器，其令 火基體上退火之摻雜 壓電阻量計，尤其 由一雷射退火程序 半導體材料薄膜的 在習知 料。此簡 材料之電 之應力可 壓電阻感 製造此 附著劑結 —退火的 到量測介 的電阻。 當感測器 改變。 技術中熟 單地意謂 阻性能改 準確地加 測器。 裝置之一 合到應用 金屬板’ 質上。組 其主要缺 老化後， 知如摻 著當半 變。電 以量測 種方法 力接收 風箱或 件的結 點為上在半導 明背景 雜石夕程序壓電阻特性的 導體承受如結合應力時 阻改變’因此作用在半 出來。此材料及其能力 為簡單地採用一片摻雜 組件。基本上此應力接 薄膜。應力接收組件的 合產生應用，因此改變 膠的感測技術於產生輸 體材料及應力接收組件 半導體材 ，半導體 導體材料 適於作為 矽及將由 收組件'為 反面曝露 在量計上 出漂移。 之間也 美國專利5 , 51 8，9 51中提出兩或多矽層指定作用到應力 接收組件的感測器，該組件可如金屬板’風箱或薄膜。一 層推雜梦作用到該絕緣層上。然後在選擇的預定位置上形 成在電阻量測裝置及將形成之壓電阻感測器之間之連結的 $屬接點。然後在金屬接點之間的特定位置上視需要動作 長非ί電的摻雜層以形成電阻感測器。使用一具有適當波 又的雷射動作在該層中的摻雜劑以活化並導電。此導致金

448290 五、發明說明（2) 屬接點之間之層加熱，退火，再穩定，因此，摻雜原子導 電，且在金屬接點之間形成感測器。 ’ 9 5 1之感測器製造技術尚存在許多改進的空間。當在置 於金屬接點形成電阻可只在金屬墊相鄰邊之間形成。當只 在雷射可到達之處產生活化時，電阻及金屬墊之間的接觸 區域均不大於金屬墊邊緣及電阻之間形成的薄接觸線。甚 至將角度小於9 0 °C的雷射置於摻雜層的表面將無法增加金 屬墊及電阻之間的接觸面積。任何的熱扭曲將破壞此薄的 連結，而導致電阻失效。 因此，需要有一種更自動化的設計以容忍熱扭曲且可在 用於大體積製造的方法中形成。 發明概述 y 介 器 問解薄由例測 及以一上施感 難加如本實阻 困器能基佳電 的測功。較壓 法感件縮的的 方阻組伸明上 之電收以發膜 器壓接加本薄 測體力而在一 感導應變。經 阻半的改縮置 電膜式的伸位 壓薄型質變其 造成體介改， 製形基之而膜 於中之測變薄 用明料量改火 中發材將度退 術本擇應溫為 技由選回或體 知可一以力基 習，。 ，壓， 題決膜質中 的 半要先 等 電需。 變 導中度 改 非層忍 量 積積容 重 沉沉計 ， 上有設 變 面所的 改 表制致 度 的控一 溫 洗術生 ， 清技產 變 上積量 改 膜沉質 力 薄用的 ， 在使器 變 ，續測 改 時持感 力 序及當 壓 程確適 供 積精以 提 沉。’ 以。用層度 測示使體厚 量指 導的

五'發明說明（3) 用於形成壓電阻感測器的電非晶/多晶矽層在介電層上氣 相沉積。沉積時，該層為高電阻，且具有低的壓電阻特 性。 然後在一或多個選擇的位置上動作非導電摻雜矽層以形 成一或多個壓電阻感測器。使用雷射以動作在層出現的摻 雜原子。然後在壓電阻感測器上摻雜薄膜中選擇位置處使 用濺射或蒸鍍法在壓電阻感測器之間金屬接點。在摻雜層 上置於該接點位置的遮罩圖樣以金屬沉積在適當的接點位 置處。經使用基體上形成的對齊特徵，該罩與壓電阻感測 器對齊。對齊特性可為形成壓電阻感測器或金屬墊的機械 裝置，如一缺口，耳部或樣示。此確定在基體上多種層及 組件可得到準確及一致的定位。 7 可視需要作用一保護層。此保護層也密封任何達到腐蝕 感測器及影響性能的雜質。 圖式之簡單說明 圖1 A到1 F顯示由於本發明程序之不同步驟中薄膜感測器 的部位示意截面圖。 ’ 圖2顯示由本發明製造之薄膜感測器的壓力感測應用之 侧視圖。 圖3顯示由本發明定義之Wheatstone橋電路的示意上視 圖。 圖4顯示如圖1 A - 1 F所示的感測器之製造程序的流程圖。 發明之詳細說明 為了說明上方便起見，此將於下文中加以說明只使用一

448290 五、發明說明（4) 此類型感測器說明本發明中製造薄膜壓電阻感測器的方 法。但是須了解本發明的方法可經由使用與本發明方法有 關之熟知半導體晶圓製造技術同時製造多個感測器。而 且，但是本發明的較佳實施例說明應用以矽為基^之材料 的感測器製造方法’須了解該感測器可由其他二半導體材 料形成，包含如類似性質的鍺。 請參考附圖1A到1F及4 ’其用於說明製造薄膜壓電阻感 測器之方法》在圖1A到1F中顯示一連串的示意截面圖/顯 示本發明中不同製造步驟下的薄膜壓電阻感測器。圖4顯 示對應圖1A-1F之製造步驟的基礎圖。 在一選擇材料之基體1之型式的應力接收組件提供本發 明感測器的支撐。圖1 A所示的基體1最好由具退火的金屬-基體形成，如不錄鋼’錄’Hasta丨loy，inC0nei，鉻或 鈦’但是也可以由任何其他選擇的材料如陶曼中加以選 擇，只要該材料的退火可回應壓力的熱溫度的改變，且與 感測器所設計以量測之介質相容即可。 例如，在圖2所示的壓力感測器應用中，金屬基體1涵蓋 —開孔2 7以提供壓力膜以回應流體流2 9中壓力改變而加以 伸縮。須了解本發明處理製造之感測器也可以使用在其他 力量測的應用中，如杻力感測器’負載單元及加速計。 在圖1A中顯示本發明的第一步驟，而圖4為基礎步驟 31 ’製備基體1的上表面3以應用在往後的數層中。基體1 的上表面上先研磨至適當厚度，然後進行疊合平滑加工以 提升摻雜層的結合力。在疊合後，由洗去疊合化合物及其

4482 9 〇 — ' ~ — 五 '發明說明（5) --- =的流體以清潔基體^其次在漫處理中鈍化該疊合的 w:i ΐ ί t洗：最後’在去氫室中烘焙基體1，以去 除從望合或清洗程序中留下的水或溼氣。 表ΐ基ί步：=示圖？及圖4之第二步驟。在基體1的上 表面=不導電的絕緣層5。絕緣層5可由氮化〜认) 的；乂及1者之結合或具有類似性能之其他 的附著性。 匕曰馮—氧化矽，因具有優越 層沉積的較佳方法為電激燁全 在此沉積程序中也可以使=;= '=(咖)。雖然 為可控制由於電衆增強的，其優點 PECVD程序的操作為熟知者、導體材料' 該篇文章在此列為本文之參考了文參件見U."利5,⑴，， 沉積方法的參數可視設計特 為了說明需要，此方法以實^特！置配置改變。 了解任何與薄臈材料相容且適=示。而且，須 可用於替代本較佳實施例的程^積丰導體材料的程序均 二二緣-，該材料即 室溫度低至2 50 °C，最好是3〇〇 〇Γ 。導入至中。设定該 最好約_微托耳。瓦的電’壓力微：耳’ 約=產生以到5微米厚的氧=^，i3.5百斷 =，可作用多於一個的 付有此必要。完全額# I ^喟％忑表置上，雖然不見 額外加入的層可由與第-層相同的材料

第9頁 448290 五、發明說明（6) 一 構成’或者是與絕緣層5相容且可結合的材料，該額外層 的絕緣層上方。 在形成絕緣層5後，如步驟35的圖K及以，在絕緣層5上 氣相沉積摻雜的電非晶/多晶矽層7。多晶矽層7的位置最 後依據上述說明的步驟將形成—壓電阻感測器量計。但 J，當沉積時，電非晶/多晶矽層7為高電阻性者。存在相 备不好的壓電阻感測器特性，且類似沉積的介電絕緣層 5。在本發明的較佳實施例中，電非晶/多晶石夕層推雜爛。 ^二ϋ7可摻雜其他的材料或可包含任何其他掺雜的半 導體材料。 摻雜層7應用與D絕緣層5類型的PECVD裝置沉積。苴他使 用PECVD系統沉積厚0.5微米的沉積硼摻雜的材料，在45:_ SCCM的流率下流入摻雜的矽烷於室中。設 =’壓力為3。0到100。微乾耳β作用的電“匕〇 膜厚度。的頻率’作用—段長時間可沉積需要的薄 ^ t步驟37中的圖1D及圖4所示’在捧雜層7中依據 全部形成壓電阻感測器。為了產生完 康

:::二需要選擇性動作摻雜層…要退火 J = 為了絕緣且在摻雜層7中形成廢電阻 戊測器取好使用雷射束，如YAG雷射或氬雷射，以在換 二層：的”位置處追縱一或多個個別的壓電阻感測器/

连布二Ϊ射使通過在層7預定及預區域中的層7。由雷射 產生的熱退火正好雷射下方的區域，…其餘的多aU

448290 五、發明說明（了） 7，此層不為雷射歐碰觸，不會影響，使得其餘層動作如 相鄰壓電阻感測器之間的絕緣體。 可選擇由雷射作用到層7的操作情況，如功率及時間， 使得可由電非晶/多晶矽層吸收雷射能並且退火。摻雜層7 中雷射條的全長可為需要者，其中其長度大於如兩墊（已 形成）之間長度決定之感測器的加工長度。最好在摻雜層 中雷射條的全長為壓電阻感測器加工長至少〗.2 5倍。由 此’可確定感測器在金屬墊下技術一段距離，而進行完全 不中斷接觸。 為了輔助摻雜層7壓電阻感測器的適當定位，必要形成 一對齊裝置，以在固定位置處登記及維持薄膜表面。由 此，必需暫存各層之形成，尤其是壓電阻感測器及金屬：塾 以彼此互相直接導通。完成此傳統的裝置如圖3所示在薄 膜表面邊形成一缺口30。設計缺口3〇以與夾持器圖沒 有顯示）中對應的支撑件相適配，因此可維持薄膜於發 明薄膜壓電阻感測器形成期間於一固定位置、' Λ 使用如耳部’對齊標示，二或吝個她σ 4甘 置可確定薄膜芊構上夂思，* 1多個缺或其他此類型的裝 置j啤疋得膜木構上各層適當對齊且登錄。 f形成感測器後，需要清潔摻雜層7表 属塾U之間具有足夠的結合力。此顯 破疋層7及金 中，可使用多個不同的方法， ：，39之圖4 學蝕刻。 冤氷π為叶清潔或溼化 如步驟41之圖1Ε及圖4配置3 2 1之對應端的預定位置上的捧

，可在對應一或多個感測器 _層7上方沉積金屬接觸墊

第〖1頁 448290 五、發明說明（8) 11。一位在一用於接觸墊U的遮罩圖樣13位在摻 方且與對齊裝置308丨或登錄以適當接觸墊Η。不盘 上 11a由遮罩圖樣13防止沉積在摻雜層7的表面上。=金屬 接觸墊11後先沉積如NlCr或Τι&附著層。最好嗜=，在 /1%矽混合物或金形成，且決定厚約1〇微米。罩=鋁 =的金屬Ua隨後去除而在摻雜層7的表面上留下金屬=需 在上述步驟後，如步驟43之圖if及圖4所示，可氣相、 積或人工方法將保護層作用在摻雜及雷射退火層7上^ = 保濩層封住雜質及來自矽表面的污物，且保護該裝s 一 環境影響。 尾个雙 現在請參考圖3 ,以電非晶/多晶矽層7定義的虛線示真 有4個電阻之Wheatstone橋電路25，在電路中的各電阻& 作如壓電阻感測器組件。雷射5之摻雜層7的部位保為高 阻性者，且結合絕緣層而作用如電阻及薄膜之間及各別 鄰電阻之間的絕緣體。因此，不需要昂貴的光微影步驟以 形成或去除層區域，此為習知技術中需要執行者。雖然 出Wheats tone橋電路’須了解本發明的方法可用於在摻雜 層7上形成任何型式的壓電阻感測器元件及電路設計。 兩雖然文中已應較佳實施例說明本發明，但嫺熟本技術者 需了解可對上述實施例加以更改及變更，而不偏離本發明 的精神及觀點。

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Claims (1)

1. 六、申請專利範圍 1. 一種形成一壓電阻半導體感測器測規的方法，該方法 包含下列步驟： 製備至少一具有兩相反面之基體的第一表面； 在該基體的第一表面上沉積一介電絕緣層； 在介電絕緣層上方沉積一摻雜的半導體層，當沉積時 該半導體層具有高電阻性； 在一或多個選擇的區域中退火該摻雜的半導體層，以 減少該一或多個選擇區域中半導體層的電阻性，且在其内 形成包含該退火半導體材料的一或多個感測器量計； 去除由退火步驟中產生的表面氧化物及/或污物；以 及 在半導體層之選擇區域的相鄰處作用電接點，該接_點 覆蓋一或多個選擇區域中至少一部位。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該基體具有在其 各表面令至少一表面上形成的對齊特徵。 3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該基體具有在其 各表面中至少一表面上形成的對齊特徵，且該對齊性能為 從包含缺口，耳部及標示所形成之群組中形成之機械裝 置。 4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中製備基體的步驟 包含研磨，層疊，清洗及乾燥。 5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中沉積一介電絕緣 層的步驟包含步驟為：經一電漿增強化學氣相沉積程序氣 相沉積一絕緣層，此絕緣層的材料由氮化矽，二氧化矽及

   第13頁 448290 六、申請專利範圍 其結合中選擇。 6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中尚包含步驟為在 形成電接點後，施加一進入電接點的保護層及摻雜層。 7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在介電絕緣層上 方摻雜半導體層的步驟包含步驟為：經一電漿增強化學氣 相？儿積私序’氣相沉積一播雜的電非晶/多晶石夕層材料。 8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中退火部份半導體 層的步驟包含步驟為應用雷射束再輻射該層之一或多個選 擇部位以退火該摻雜的半導體層成為高導電性，因此形成 感測器。 9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中由電漿增強化學 氣相沉積程序進行氣相沉積。 … 10. —種包含退火基體的壓電阻感測器，該基體覆蓋一 開孔，該開孔與介質形成流體聯通，該退火基體可伸縮， 以回應介質之改變，該基體具有一對齊裝置，該基體具有 第一及第二表面，該第一表面具有在其上形成的絕緣介電 層，該介電層具有高電阻或摻雜半導體材料層，一體結合 到介電層的上表面，該半導體材料層具有一或多個退火部 位，以形成導電的壓電阻感測器，該感測器具有第一及第 二端，一金屬接點結合該半導體材料層的表面，因此分別 覆蓋感測器的第一及第二端，及在金屬接點及電阻量測裝 置之間的電連接器。 11. 如申請專利範圍第1 0項之感測器，其中使用該感測 器以監視壓力差，其中從氣體及液體中選擇該感測器。

   第14頁 A4B2 9 Ο 六、申請專利範圍 1 2.如申請專利範圍第1 0項之感測器，其中由氣相沉積 程序形成該介電層及該半導體材料層。 1 3,如申請專利範圍第1 0項之感測器，尚包含施加在該 半導體材料層及金屬接點上的一保護層。

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