TWI398887B - 可變平行電容板之製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種可變平行電容板之製造方法，更特別有關於一種以濕蝕刻製程形成可變平行電容板之製造方法。
一般來說，現有的微機械製造技術係牽涉到藉由薄膜沈積以及蝕刻技術在一基板層上執行一連串的增加以及移除若干材料層，一直到所要的結構形成為止。因此，微機械元件通常與其在大尺度下的對應結構有著相同的作用原理，但與其大尺度下的對應結構相較，微機械元件具有著設計上、性能上以及成本上的優勢。此外，由於批量製造技術可應用在微機械元件，每單元的製造成本得以大量的降低。
微機械結構經常使用在例如是加速度計或陀螺儀等的微機電慣性感測器。利用差動電容來偵測加速度的微機電加速度計通常包含三個主要的微機械元件：質量塊、電容板以及支撐彈簧。參考第1圖，習知的差動電容式微機電加速度計100包含可動的質量塊102，其由支撐彈簧104所支撐。質量塊102包含有複數個指狀物108，由質量塊102垂直向外延伸，並分別插入複數個由支撐樑112垂直延伸出的指狀物110的間隙內。上述元件係利用習知的蝕刻技術形成在基板118上的一個凹部116內，並可固定在下方的基板118上，或者是固定在由基板118伸出的懸臂結構。指狀物108與110通常是由多晶矽(polysilicon)或多層膜材料所組成，例如二氧化矽及鋁所形成，藉此在每一對相鄰的指狀物108、110上，製造出個別的平行板電容器。在運作的時候，當加速度計100被加速時，指狀物108會相對於指狀物110運動，藉此改變指狀物108、110間的距離，指狀物108、110間的電容則會因此產生變化。指狀物108、110間的電容值能夠由與連接器120連接的電路所決定，這些連接器120藉由支撐樑112連接至指狀物110。
已知使用CMOS微製程所製造出的微結構，係由CMOS製程中的介電質與金屬層所製造出。依據如此的製造程序，CMOS互連金屬層中的一個、或者一些由防蝕刻材料所製造出的層，能夠作為蝕刻遮罩，以界定出微結構側壁。以CMOS氧化層所製造出的混合金屬/介電質微結構，其樑的寬度對樑的厚度以及樑與樑之間的間隙，可具有較高的縱深比(aspect ratio)。
依據MEMS元件在CMOS標準製程中製作的先後順序可以將CMOS－MEMS的製程分為三大類，分別為前段(Pre)、中段(Intermediate)及後段(Post)CMOS製程。
前段CMOS製程的方法是先定義MEMS結構，然後利用蝕刻停止層的設計來保護標準的CMOS元件，其優點在於可以避免結構製程時所使用溫度或是蝕刻影響到CMOS的元件表現。一個典型的製程是先沉積多晶矽來完成MEMS之結構部分，再利用氧化矽將元件覆蓋並且利用化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing,CMP)將氧化矽表面磨平，磨平之後便可以進行第二階段的CMOS製程來製造電路元件。最後步驟是將原先表面之氧化矽蝕刻移除以釋放元件，完成整個CMOS－MEMS的結構電路整合。
中段CMOS製程是指因應元件的需要，改變原本的CMOS製程，在製程中間加入結構所需要的薄膜層或是改變製程參數，不過基本上一般CMOS代工廠不允許製程參數的更動，所以使用中段製程的廠商通常是自己擁有元件的製造廠，才能夠因應自己的需求而改變參數。
後段CMOS製程是指同時間完成結構與CMOS製程，並於製程完成後進行懸浮MEMS結構的步驟，也可以在CMOS製程後再進行相關的元件製程，如：電鍍、蝕刻等。
傳統CMOS－MEMS的後製程通常只能做垂直面的蝕刻，無法蝕刻出與基板平行的孔道來做為上下電極的間距，因此目前市面上多是利用CMOS－MEMS來製作出的電容式同平面加速度計，這類垂直式的梳狀感測器所感測的電容變化過小以及具有嚴重的殘留應力，使得元件的表現有限，無法滿足一般加速度計使用需求。
有鑑於此，便有需要提出一種可變平行電容板之製造方法，以解決上述問題。
本發明之目的在於提供一種感測裝置的製造方法，係利用濕蝕刻製程以得到一個次微米的間距。
於一實施例中，本發明之微機械結構之製造方法包含下列步驟：a.提供一基板；b.在該基板上形成一第四介電層；c.在該第四介電層上形成一第一金屬層；d.在該第一金屬層上形成一第一介電層，其中該第一介電層中包含一第一引洞結構；e.在該第一介電層上形成一第二金屬層；f.在該第二金屬層上形成一第二介電層，其中該第二介電層中包含一第二引洞結構；g.在該第二介電層上形成一第三金屬層；h.在該第三金屬層上形成一第三介電層，其中該第三介電層中包含一第三引洞結構；i.在該第三介電層上形成一第四金屬層；j.在該第四金屬層上形成一保護層；k.在該保護層上定義一蝕刻窗；l.以一蝕刻液自該蝕刻窗並經該第一引洞結構、該第二引洞結構以及該第三引洞結構進行蝕刻；m.清除該蝕刻液；n.移除該保護層；以及o.進行一蝕刻以形成該感測裝置。
於另一實施例中，本發明之微機械結構之製造方法包含下列步驟：a.形成一結構體，其包含一介電層、一金屬層以及一保護層，其中該介電層含有一引洞結構；b.在該保護層上定義一蝕刻窗；c.以一蝕刻液自該蝕刻窗並經該引洞結構進行蝕刻；d.清除該蝕刻液；e.移除該保護層；以及f.進行一蝕刻以形成該感測裝置。
於再一實施例中，本發明之微機械結構之製造方法包含下列步驟：a.形成一電路層，其包含複數介電層、複數引洞結構、複數金屬層以及一保護層，其中該保護層包含一蝕刻窗；b.以一蝕刻液自該蝕刻窗並經該複數引洞結構進行蝕刻；c.移除該保護層；以及d.進行一蝕刻以形成該感測裝置。
於又一實施例中，本發明之微機械結構之製造方法包含下列步驟：a.形成一電路層，其包含一蝕刻路徑以及一保護層，其中該保護層包含一蝕刻窗；b.以一蝕刻液自該蝕刻窗並沿該蝕刻路徑進行蝕刻；c.移除該保護層；以及d.進行一蝕刻以形成該感測裝置。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯，下文特舉本發明實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下。
本發明之微機械結構的製造可分為兩階段，第一階段為製作CMOS的製程，第二階段為CMOS元件的後製程(Post fabrication process)，用以使MEMS元件的一部分懸浮。
請參考第2圖，其為依據本發明之微機械結構之製造方法第一階段所製造出的微機械結構的剖面示意圖。如圖所示，在第一階段中所製得的結構體200包含一基板S、兩層多晶矽層Poly1、Poly2，熱氧化矽層O、第一介電層D1、第二介電層D2、第三介電層D3、第四介電層D4、第一金屬層M1、第二金屬層M2、第三金屬層M3、第四金屬層M4、接點層C、主動區域P＋以及保護層P。在本實施例中，多晶矽層Poly1與Poly2的厚度為0.15μm、第四介電層D4的厚度為1.2μm；第一介電層D1、第二介電層D2、第三介電層D3的厚度都是1μm。而第一金屬層M1、第二金屬層M2、第三金屬層M3、第四金屬層M4都是以鋁製成，厚度依序為0.66μm、0.64μm、0.64μm以及0.925μm。引洞結構V1、V2與V3則以鎢金屬製作。
製程開始時先使用N井(N－well)定義出PMOS的操作區，接著再定義主動區(Active region)範圍，其用意在於標示出PMOS的位置，然後進行P型(PSD)離子佈植。在主動區P＋的上方形成熱氧化矽層或稱為場氧化矽層O。接著，在熱氧化矽層O上沈積多晶矽層Poly1與Poly2，用以製作電容。在定義出結構後，為使電訊號可以順利繞線(routing)，接著沈積複數金屬層M1、M2、M3與M4、複數介電層D1、D2、D3與D4，以及用於導通各金屬層M1、M2、M3、M4的複數引洞結構V1、V2與V3。在最後一層金屬層M4沈積後，於其上方沈積一保護層P，用以保護整個元件。於製作過程中，為了使稍後要進行的濕蝕刻能夠順利進行，引洞結構V1、V2與V3設計成長0.5μm，但寬度隨結構需要而更改，並且各引洞結構V1、V2與V3的位置都必須依設計的濕蝕刻路徑來設置以便稍後進行濕蝕刻。應注意的是，在光罩的設計上必須要於保護層P打開一蝕刻窗口W，以利稍後進行濕蝕刻。本實施例係使用氧化矽與氮化矽堆疊出保護層P，而介電層D1、D2、D3與D4為二氧化矽層。值得注意的是，第2圖所示僅是微機電結構體200的一剖面示意圖，但是因為各層的實際配置位置會依據需要與設計而不同，因此第2圖所示並非結構體200各部分的剖面示意圖，而僅是一種為方便說明所做的示意圖。
請參考第3圖，其為依據本發明之微機械結構之製造方法第一階段所製造出的微機械結構的另一剖面示意圖。如圖所示，當使用硫酸加雙氧水為蝕刻液而自蝕刻窗口W開始蝕刻時，蝕刻液會沿著箭頭方向流動，蝕刻掉一部分的金屬層M1、M2、M3與M4，以及作為引洞結構V1、V2與V3的鎢。由於硫酸加雙氧水混合液對二氧化矽與金屬的選擇比很高，因此我們利用二氧化矽層OX來保護整體結構。因為第3圖中的介電層D1、D2、D3與D4在本實施例中都是以二氧化矽製成，因此在第3圖中皆以OX表示。基本上，本實施例的引洞結構V1、V2與V3必須將濕蝕刻的路徑周圍包覆起來，以懸浮被引洞結構V1、V2與V3所包圍的二氧化矽部分。當引洞結構V1、V2與V3被蝕刻後，懸浮的二氧化矽塊即會被蝕刻液流動而帶出。利用這種濕蝕刻路徑的設計，可任意地選擇要蝕刻掉哪些部分的金屬，利用此蝕刻的設計可達到舊有乾蝕刻製程所無法達到的水平方向的蝕刻(如第3圖中的第二金屬層M2)，因此可大幅增加元件設計之靈活度。利用此濕蝕刻方法，可製造出一個次微米的感測間距，具備有完全差動感測架構，可取代以往垂直梳狀多層膜感測方式。
請參考第3圖及第4A至第4D圖，其中第4A至4D圖為本發明之微機械結構之製造方法的流程示意圖。如第3圖與第4A至4B圖所示，蝕刻液會先經過蝕刻窗口W而進行蝕刻，接著蝕刻液會蝕刻掉作為引洞結構V3、V2以及V1的鎢。蝕刻操作流程為在85℃下進行蝕刻，蝕刻期間視需要補充雙氧水，待濕蝕刻路徑內的物質都被蝕刻乾淨後，先在純水中將硫酸置換，再放置到異丙醇(IPA)中將純水置換，最後放到加熱器上將異丙醇蒸發。雖然本實施例是在85℃進行，但是因為溫度主要是影響反應速率，所以操作溫度其實是可能依需要不同而做調整。
濕蝕刻製程結束後接著進行習知的乾蝕刻製程。參考第4C圖，首先利用反應性離子蝕刻(Reactive Ion Etching；RIE)將保護層P以及不需要的介電層D1、D2、D3移除，此時第四金屬層M4是作為乾蝕刻的遮罩，所有在遮罩下方的結構都會被保留下來。乾蝕刻結束後，必須將元件保持在乾燥的環境，以免矽基板S部分產生原生氧化矽層(Native silicon oxide layer)而影響下一道蝕刻製程。
參考第4D圖，最後一道製程同樣是利用乾蝕刻，操作時係利用離子化的XeF2
氣體通入至元件表面與矽基板S進行蝕刻，或者利用感應耦合電漿(Inductively coupled plasma；ICP)製程對基板S進行蝕刻。
綜上所述，本發明利用金屬層與引洞結構組合成一金屬濕蝕刻的路徑，透過濕蝕刻路徑的設計，本發明可以得到一個次微米的感測架構，可用來形成需要上、下層分離的結構，例如壓力感測器、麥克風以及出平面加速度計中的上、下電極。
雖然本發明已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．微機電加速度計
102．．．質量塊
104．．．支撐彈簧
108．．．指狀物
110．．．指狀物
112．．．支撐樑
116．．．凹部
118．．．基板
120．．．連接器
200．．．結構體
C．．．接點層
D1．．．介電層
D2．．．介電層
D3．．．介電層
D4．．．介電層
M1．．．金屬層
M2．．．金屬層
M3．．．金屬層
M4．．．金屬層
O．．．熱氧化矽層
OX．．．二氧化矽層
P．．．保護層
Poly1．．．多晶矽層
Poly2．．．多晶矽層
P＋．．．主動區域
S．．．基板
V1．．．引洞結構
V2．．．引洞結構
V3．．．引洞結構
W．．．蝕刻窗口
第1圖：為習知的差動電容式微機電加速度計之上視圖。
第2圖：為依據本發明之微機械結構之製造方法第一階段所製造出的微機械結構的剖面示意圖。
第3圖：為依據本發明之微機械結構之製造方法第一階段所製造出的微機械結構的另一剖面示意圖。
第4A至4D圖：為本發明之微機械結構之製造方法的流程示意圖。
M1．．．金屬層
M2．．．金屬層
M3．．．金屬層
M4．．．金屬層
OX．．．二氧化矽層
P．．．保護層
Poly1．．．多晶矽層
Poly2．．．多晶矽層
S．．．基板
V2．．．引洞結構
V3．．．引洞結構
W．．．蝕刻窗口
Claims (17)
- 一種微機械結構之製造方法，包含下列步驟：提供一基板；在該基板上形成一第四介電層；在該第四介電層上形成一第一金屬層；在該第一金屬層上形成一第一介電層，其中該第一介電層中包含一第一引洞結構；在該第一介電層上形成一第二金屬層；在該第二金屬層上形成一第二介電層，其中該第二介電層中包含一第二引洞結構；在該第二介電層上形成一第三金屬層；在該第三金屬層上形成一第三介電層，其中該第三介電層中包含一第三引洞結構；在該第三介電層上形成一第四金屬層；在該第四金屬層上形成一保護層；在該保護層上定義一蝕刻窗；以一蝕刻液自該蝕刻窗並經該第一引洞結構、該第二引洞結構以及該第三引洞結構進行蝕刻；清除該蝕刻液；移除該保護層；及進行一蝕刻以形成該微機械結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機械結構之製造方法，其中該基板為一多晶矽層。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機械結構之製造方法，其中該第四介電層為二氧化矽層。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機械結構之製造方法，其中該第一介電層、該第二介電層、該第三介電層為二氧化矽層。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機械結構之製造方法，其中該蝕刻液包含硫酸與雙氧水。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機械結構之製造方法，其中進行一蝕刻以形成該微機械結構之步驟中的蝕刻為一乾蝕刻。
- 一種微機械結構之製造方法，包含下列步驟：形成一結構體，其包含一第一金屬層、一第二金屬層、一介電層以及一保護層，其中該介電層係設置在該第一金屬層與該第二金屬層之間，且包含有一引洞結構，該保護層則設置在該第二金屬層上方；在該保護層上定義一蝕刻窗；將一蝕刻液自該蝕刻窗注入，以蝕刻該第二金屬層，該蝕刻液並流經該引洞結構，以水平蝕刻該第一金屬層，使位在該介電層下方的一部分的該第一金屬層被移除；清除該蝕刻液；移除該保護層；以及進行一蝕刻以形成該微機械結構。
- 如申請專利範圍第7項所述之微機械結構之製造方法，其中該結構體更包含一多晶矽層。
- 如申請專利範圍第7項所述之微機械結構之製造方法，其中該蝕刻液包含硫酸與雙氧水。
- 如申請專利範圍第7項所述之微機械結構之製造方法，其中進行一蝕刻以形成該微機械結構之步驟中的蝕刻為一乾蝕刻。
- 一種微機械結構之製造方法，包含下列步驟：形成一電路層，其包含複數介電層、複數引洞結構、複數金屬層、一個二氧化矽層以及一保護層，其中該複數引洞結構係形成在該複數介電層內，該二氧化矽層的至少一部分係形成在其中一該複數金屬層內，而該保護層包含一蝕刻窗；將一蝕刻液自該蝕刻窗注入，該蝕刻液並流經該複數引洞結構，以進行一濕蝕刻製程，其中該二氧化矽層係用以限制該蝕刻液的流動；移除該保護層；以及進行一蝕刻以形成該微機械結構。
- 如申請專利範圍第11項所述之微機械結構之製造方法，其中該蝕刻液包含硫酸與雙氧水。
- 如申請專利範圍第11項所述之微機械結構之製造方法，其中進行一蝕刻以形成該微機械結構之步驟中的蝕刻為一乾蝕刻。
- 一種微機械結構之製造方法，包含下列步驟：形成一電路層，其包含一蝕刻路徑、至少一個二氧化矽層以及一保護層，其中該保護層包含一蝕刻窗；將一蝕刻液自該蝕刻窗注入，並沿該蝕刻路徑以進行一濕蝕刻製程，其中該至少一個二氧化矽層係用以限制該蝕刻液的流動；移除該保護層；以及進行一蝕刻以形成該微機械結構。
- 如申請專利範圍第14項所述之微機械結構之製造方法，其中該蝕刻液包含硫酸與雙氧水。
- 如申請專利範圍第14項所述之微機械結構之製造方法，其中進行一蝕刻以形成該微機械結構之步驟中的蝕刻為一乾蝕刻。
- 如申請專利範圍第14項所述之微機械結構之製造方法，其中該蝕刻路徑包含一引洞結構與一金屬層。
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