TWI452006B - 微機電系統結構 - Google Patents

Description

微機電系統結構

本發明係關於一種微機電系統結構及其製造方法。特定言之，本發明係關於一種具有立體振膜電極之微機電系統結構及其製造方法。此等立體振膜電極具有複合結構，以增進立體振膜電極本身之機械強度。

MEMS裝置包括具有微機電的基板與微電子電路整合在一起。此種裝置可形成例如微感應器(microsensors)或微驅動器(microactuators)，其係基於例如電磁、電致伸縮(electrostrictive)、熱電、壓電、壓阻(piezoresistive)等效應來操作。MEMS裝置可藉由微電子技術例如微影、氣相沉積、及蝕刻等，於絕緣層或其他之基板上製得。近來，有使用與習知之類比及數位CMOS(互補式金氧半)電路之同類型的製造步驟(例如材料層的沉積與材料層的選擇性移除)來製造MEMS。目前微機電系統麥克風結構可藉由一般的微電子技術例如微影、氣相沉積、蝕刻，或光刻電鑄模造(LIGA)等技術，於絕緣層或其他半導體等之基板上製得。

請參考第1圖至第3圖，第1圖至第3圖為習知製造微機電系統麥克風結構之方法示意圖。如第1圖所示，習知製造具多層振膜之微機電系統麥克風結構10之方法係先提供一基底12，且基底12之表面包含有一基部犧牲層14以及一第一金屬層16。然後，圖案化第一金屬層16以形成一第一微型金屬網18。接著，如第2圖所示，將一第一犧牲層20覆蓋於基底12上，並且平坦化第一犧牲層20之表面。然後，於第一犧牲層20上形成一第二金屬層22，再圖案化第二金屬層22以形成第二微型金屬網。接著，將一第二犧牲層26覆蓋於基底12上，並且平坦化第二犧牲層26之表面。然後，於第二犧牲層26上形成一第三金屬層28，再圖案化第三金屬層28以形成第三微型金屬網。之後，覆蓋一第三犧牲層32於基底12上。

最後，如第3圖所示，利用一等向性蝕刻製程移除第一微型金屬網18、第二微型金屬網以及第三微型金屬網之間的第一犧牲層20、第二犧牲層26、第三犧牲層32以及部分基部犧牲層14，使第一微型金屬網18、第二微型金屬網以及第三微型金屬網懸浮於基底12上，而形成多層振膜結構。接著，可進行背後蝕刻製程，將基底12蝕穿，使外界之空氣分子可上下的自由運動，進而震動多層振膜結構，至此即形成習知微機電系統麥克風結構10。

由上述說明可知，習知微機電系統麥克風結構係採用一般鋁製程來形成作為振膜結構之微型金屬網，即先形成鋁所構成之第一、第二與第三金屬層，再塗佈光阻層，且將光阻層圖案化。接著再以圖案化光阻層為遮罩蝕刻金屬層，以逐步形成所需之各層微型金屬網。由於以上方法需要蝕刻多層金屬層，所以仍然需要一種新穎的微機電系統結構，而具有更簡化但是依然強固之結構。

本發明於是提出一種微機電系統結構，其可作為麥克風之用。本發明之微機電系統結構，具有複合結構之立體振膜電極。此等具有複合結構之立體振膜電極，不但具有高機械強度，而且在製作時還可以無需進行金屬層的蝕刻步驟，於是製作流程得以更為簡化。

本發明所提出之微機電系統結構，包含一背板電極與一立體振膜電極。立體振膜電極鄰近背板電極，而一起形成一可變電容。立體振膜電極包含具有至少一凹槽結構之第一金屬層、位於凹槽結構之側壁上之至少一第一間隙壁、以及共形地位於第一金屬層與第一間隙壁上之第二金屬層。立體振膜電極之複合結構可以增進立體振膜電極本身之機械強度，而足以應付當麥克風在使用時，聲波震動所產生之各種壓縮或是伸張應力。

本發明又提出一種形成微機電系統結構的方法。首先，提供一基材，其包含一具有斜角之溝渠。其次，以第一材料層共形地覆蓋基材。然後，進行一第一蝕刻步驟，移除部份之第一材料層而選擇性地保留斜角溝渠側壁上之第一材料層，以形成第一間隙壁。繼續，以第一金屬層共形地覆蓋在基材與第一間隙壁上。再來，將第二材料層共形地覆蓋第一金屬層。之後，進行一第二蝕刻步驟，移除部份之第二材料層，但選擇性地保留鄰近斜角溝渠側壁上之第二材料層，以形成第二間隙壁。接下來，將第二金屬層共形地覆蓋在第二間隙壁與第一金屬層上，於是形成了立體振膜電極。

在本發明立體振膜電極中，一介電層選擇性地位於兩金屬層之間，而形成一複合結構。此等具有複合結構之立體振膜電極，不但具有足以應付當麥克風在使用時，聲波震動所產生之各種壓縮或是伸張應力之高機械強度，而且製作步驟還無涉於金屬層的蝕刻步驟，因之又同時具有製作流程得以更為簡化之優點。

本發明首先提供一種形成微機電系統結構的方法。第4圖至第12圖例示製造本發明微機電系統結構之一實施方法示意圖。本發明形成微機電系統結構的方法，如第4圖所示，首先提供基材201。基材201可以為一種含矽的材料，例如單晶矽、多晶矽、氧化矽或其組合。使用半導體基材可以使得本發明製作微機電系統結構的方法，與一般半導體之製作流程相容，其為本發明形成微機電系統結構方法的特點之一。基材201又包含一溝渠202。在形成溝渠202時，可以選擇適當之蝕刻方式，使得溝渠202之底部與側璧會具有大於90度之斜角α。例如斜角溝渠202之斜角α介於100-135度之間。

其次，如第5圖所示，使用第一材料層210共形地覆蓋住基材201。第一材料層210可以為一介電材料，例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或碳化矽之至少一者。或者，第一材料層210可以具有一複合結構，例如包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽及/或碳化矽之複合結構，其經由分別之沉積與蝕刻所形成。

然後，請同時參考第5圖與第6圖，進行第一次之蝕刻步驟，例如一乾蝕刻步驟。第一次之蝕刻步驟，較佳者會盡量移除第一材料層210之水平部分211，但又保留第一材料層210部分之垂直部分212，亦即位於斜角溝渠202側壁203上之第一材料層210。於是第一材料層210部分之垂直部分212便成為第一間隙壁213。

繼續，如第7圖所示，將第一金屬層220共形地覆蓋在基材201與第一間隙壁213之上。第一金屬層220可以包含鋁、鈦、氮化鈦、鉭以及氮化鉭之至少一者。另外，可以選用適當之沉積方式，例如濺鍍法，加上第一間隙壁213的位置，使得第一金屬層220的水平部分221與第一金屬層220的垂直部分222盡量地均勻覆蓋在基材201與第一間隙壁213之上。

雖然第一金屬層220水平部分221的厚度與第一金屬層220的垂直部分222的厚度可能會不同，然而較佳者，第一金屬層220水平部分221的厚度與第一金屬層220的垂直部分222的厚度比值能介於30%~70%之間。由於第一間隙壁213的存在，第一金屬層220的水平部分221與第一金屬層220垂直部分222的夾角，亦即位於斜角溝渠202底部之第一金屬層220的夾角，會介於90度-135度之間。另外，亦由於第一間隙壁213的存在，第一金屬層220的轉角223部分也會較為圓鈍化(corner rounding)。

再來，如第8圖所示，將第二材料層230共形地覆蓋在第一金屬層220上。第二材料層230可以為一介電材料，例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或碳化矽之至少一者。或者，第二材料層230可以具有一複合結構，例如包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽及/或碳化矽之複合結構，其經由分別之沉積與蝕刻所形成。

之後，請同時參考第8圖與第9圖，進行第二次之蝕刻步驟，例如一乾蝕刻步驟。第二次之蝕刻步驟，較佳仍然會盡量移除第二材料層230之水平部分231，但又保留第二材料層230部分之垂直部分232，亦即位於斜角溝渠202側壁203上之第二材料層230。於是第二材料層230部分之垂直部分232便成為第二間隙壁233。

接下來，如第10圖所示，又將另外之第二金屬層240共形地覆蓋在第二間隙壁233與第一金屬層220之上，於是形成了立體振膜電極250。第二金屬層240可以包含鋁、鈦、氮化鈦、鉭以及氮化鉭之至少一者。另外，可以選用適當之沉積方式，例如濺鍍法，加上第二間隙壁233之位置，使得第二金屬層240的水平部分241與第二金屬層240的垂直部分242盡量地均勻覆蓋在第二間隙壁233與第一金屬層220之上。雖然第二金屬層240水平部分241的厚度與第二金屬層240的垂直部分242的厚度可能會不同，然而較佳者，第二金屬層240水平部分241的厚度與第二金屬層240的垂直部分242的厚度比值能介於30%~70%之間。

由於第二間隙壁233的存在，第二金屬層240的水平部分241與第二金屬層240垂直部分242的夾角，亦即位於斜角溝渠202底部之第二金屬層240的夾角，比起第一金屬層220的水平部分221與第一金屬層220垂直部分222的夾角，會更放大，例如介於90度-135度之間。而且由於第二間隙壁233的存在，第二金屬層240的轉角243部分也會較為圓鈍化。

另外，還會需要形成一背板電極260，使得背板電極260鄰近立體振膜電極250。較佳者，背板電極260具有一多孔結構。視情況需要，背板電極260可以在立體振膜電極250之前或是之後形成。如第11圖所示，如果背板電極260在立體振膜電極250之前形成，可以在形成基材201之溝渠202之前，先完成背板電極260。當背板電極260與立體振膜電極250都一一完成之時，再利用背面蝕刻(back-etch)方式移除相對應區域之基材201，以於基底201的背面形成背腔(back-chamber)，使得立體振膜電極250與背板電極260一起成為麥克風結構270之可變電容，而如第12圖所示。在移除基材201時，還可以一併移除用來微調第一金屬層220角度的第一間隙壁213。

經過前述之方法後，就可以得到一微機電系統結構。第13圖例示本發明微機電系統結構之一實施例示意圖。本發明微機電系統結構270可作為麥克風之用，包含一背板電極260以及一立體振膜電極250，例如一非線形振膜電極。立體振膜電極250鄰近背板電極260，例如位於背板電極260上方，一起形成一可變電容。背板電極260可以具有一多孔結構。

立體振膜電極250具有一複合結構，使得一介電層位於兩金屬層之間。例如，立體振膜電極250包含第一金屬層220、至少一間隙壁233與第二金屬層240。第一金屬層220具有至少一凹槽結構202。另外，間隙壁233則位於凹槽結構202之一側壁203上，使得第二金屬層240共形地位於第一金屬層220與間隙壁233表面上，同時也使得間隙壁233夾置於第一金屬層220與第二金屬層240之間。間隙壁233可以為一介電材料。另一方面，間隙壁233也可以具有一複合結構。例如，間隙壁233會包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或碳化矽之至少一者。

如前所述，凹槽結構202之之底部與側璧會具有介於90-135度間之角度。但是。第一金屬層220與第二金屬層240位於凹槽結構202底部之角度則不相同。另外，凹槽結構202之底部與凹槽結構之側壁之厚度可以不同，例如底部的厚度與側壁的厚度比值能介於30%~70%之間。第一金屬層220與第二金屬層240可以分別獨立地包含鋁、鈦、氮化鈦、鉭以及氮化鉭之至少一者。

在本發明微機電系統結構中，介電層可以選擇性地位於立體振膜電極的兩金屬層之間，而形成一複合結構。此等介電層一方面可以微調複合結構之形狀，另一方面可以緩衝麥克風在使用時，聲波震動所產生之各種壓縮或是伸張應力，而能夠使得具有複合結構之立體振膜電極具有更高之機械強度。而且本發明微機電系統結構的製作步驟還無涉於金屬層的蝕刻步驟，於是還同時具有製作流程得以更為簡化之優點。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10．．．微機電系統裝置

12．．．基底

14．．．基部犧牲層

16．．．第一金屬層

18．．．第一微型金屬網

20．．．第一犧牲層

22．．．第二金屬層

26．．．第二犧牲層

28．．．第三金屬層

32．．．第三犧牲層

201．．．基材

202．．．斜角溝渠/凹槽結構

203．．．側壁

210．．．第一材料層

211．．．水平部分

212．．．垂直部分

213．．．第一間隙壁

220．．．第一金屬層

221．．．水平部分

222．．．垂直部分

223．．．轉角

230．．．第二材料層

231．．．水平部分

232．．．垂直部分

233．．．第二間隙壁

240．．．第二金屬層

241．．．水平部分

242．．．垂直部分

243．．．轉角

250．．．立體振膜電極

260．．．背板電極

270．．．麥克風結構/微機電系統結構

第1圖至第3圖為習知製造微機電系統麥克風結構之方法示意圖。

第4圖至第12圖例示製造本發明微機電系統結構之一實施方法示意圖。

第13圖例示本發明微機電系統結構之一實施例示意圖。

202．．．凹槽結構

220．．．第一金屬層

233．．．第二間隙壁

240．．．第二金屬層

250．．．立體振膜電極

260．．．背板電極

270．．．麥克風結構/微機電系統結構

Claims (21)

1. 一種微機電系統(MEMS)結構，包含：一背板電極；以及一立體振膜電極，位於該背板電極上方，並包含：一第一金屬層，其具有至少一凹槽結構；至少一第一間隙壁，位於該凹槽結構之一側壁上；以及一第二金屬層，共形地位於該第一金屬層與該至少一第一間隙壁上。
2. 如請求項1之微機電系統結構，其中該背板電極具有一多孔結構。
3. 如請求項1之微機電系統結構，其中該立體振膜電極與該背板電極一起形成一可變電容。
4. 如請求項3之微機電系統結構，其中該凹槽結構之底部與側璧具有介於90-135度間之角度。
5. 如請求項3之微機電系統結構，其中該凹槽結構之底部與該凹槽結構之側壁之厚度不同。
6. 如請求項3之微機電系統結構，其中該間隙壁具有一複合結構。
7. 如請求項3之微機電系統結構，其中該第一金屬層與該第二金屬層分別包含鋁、鈦、氮化鈦、鉭以及氮化鉭之至少一者。
8. 如請求項3之微機電系統結構，其中該間隙壁包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、以及碳化矽之至少一者。
9. 如請求項3之微機電系統結構，以形成一麥克風結構。
10. 一種形成微機電系統結構的方法，包含：提供一基材，其包含一斜角溝渠；以一第一材料層共形地覆蓋該基材；進行一第一蝕刻步驟，以移除該第一材料層但而保留該斜角溝渠之一側壁上之該第一材料層，以形成一第一間隙壁；將一第一金屬層共形地覆蓋該基材與該第一間隙壁；將一第二材料層共形地覆蓋該第一金屬層；進行一第二蝕刻步驟，以移除該第二材料層但保留鄰近該斜角溝渠之該側壁上之該第二材料層，以形成一第二間隙壁；以及將一第二金屬層共形地覆蓋該第二間隙壁與該第一金屬層，以形成一立體振膜電極。
11. 如請求項10之形成微機電系統結構的方法，更包含：形成一背板電極，而鄰近該立體振膜電極。
12. 如請求項11之形成微機電系統結構的方法，其中該背板電極具有一多孔結構。
13. 如請求項10之形成微機電系統結構的方法，更包含：移除該基材，使得該立體振膜電極與該背板電極一起形成一可變電容。
14. 如請求項10之形成微機電系統結構的方法，其中該第一間隙壁使得位於該斜角溝渠底部之該第一金屬層具有介於90-135度間之角度。
15. 如請求項10之形成微機電系統結構的方法，其中使用一濺鍍法以形成該第一金屬層。
16. 如請求項10之形成微機電系統結構的方法，其中該第一金屬層位於該斜角溝渠之底部與位於該側壁之厚度不同。
17. 如請求項10之形成微機電系統結構的方法，其中該第二間隙壁使得位於該斜角溝渠底部之該第二金屬層具有介於90-135度間之角度。
18. 如請求項10之形成微機電系統結構的方法，其中該第一間隙壁與該第二間隙壁分別具有一複合結構。
19. 如請求項10之形成微機電系統結構的方法，其中該第二間隙壁包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、以及碳化矽之至少一者。
20. 如請求項10之形成微機電系統結構的方法，其中該第一金屬層與該第二金屬層分別包含鋁、鈦、氮化鈦、以及鉭氮化鉭之至少一者。
21. 如請求項10之形成微機電系統結構的方法，更包含：將該背板電極與該立體振膜電極一起形成一麥克風結構。