TWI677941B

TWI677941B - 互補式金氧半微機電麥克風之製作方法

Info

Publication number: TWI677941B
Application number: TW107147562A
Authority: TW
Inventors: 王傳蔚
Original assignee: 王傳蔚
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2019-11-21
Also published as: TW202027226A

Abstract

本發明係揭露一種互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，首先，提供一互補式金氧半裝置，其係包含依序由下而上設置的一半導體基板、一第一氧化絕緣層、一有摻雜多晶矽層、一第二氧化絕緣層、一圖案化多晶矽層與一金屬佈線層，金屬佈線層設於第二氧化絕緣層上，圖案化多晶矽層包含未摻雜多晶矽。接著，移除部分之金屬佈線層，以形成一金屬背板，並於半導體基板開設貫穿自身之一空腔，以露出第一氧化絕緣層，進而形成一微機電麥克風。本發明利用圖案化多晶矽層之未摻雜多晶矽避免有摻雜多晶矽層與金屬背板發生短路。

Description

互補式金氧半微機電麥克風之製作方法

本發明係關於一種麥克風之製作方法，且特別關於一種互補式金氧半微機電麥克風之製作方法。

在過去的三十年中，互補金屬氧化物半導體(CMOS)已廣泛用於積體電路(IC)的製造。由於大量的研究人力和投入，積體電路的發展和創新取得了突飛猛進的發展，顯著提高了其可靠性和產量，同時，生產成本大幅降低。目前，此技術已達到成熟穩定的水平，對於半導體的持續發展，除了緊跟當前技術發展趨勢外，必須實現突破，提供特殊的生產工藝，增強系統整合度。

在這方面，微機電系統(MEMS)是一種完全不同於傳統技術的新型加工技術。它主要利用半導體技術生產MEMS結構；同時它能夠製造具有電子和機械功能的產品。因此，它具有批量處理，小型化和高性能的優點，並且非常適用於需要以降低的成本進行大規模生產的生產工業。因此，對於這種穩定且不斷發展的CMOS技術，MEMS和電路的集成可以是實現系統集成的更好方法。在傳統技術中，如第1圖所示，微機電麥克風通常有一背板10、一隔膜12與一半導體基板14。背板10與隔膜12中間有空隙，半導體基板14開設有一空腔16，空腔16位於隔膜12下方。當聲壓透過空氣振動傳遞到隔膜12時，隔膜12會振動。若製程有誤差時，背板10與隔膜12施加的電壓會造成背板10與隔膜12發生短路。舉例來說，歐洲專利EP2536168A2與美國專利US9758370都有揭露麥克風之結構，其背板與振動膜之間並無任何阻隔物，故振動膜振動時，背板與振動膜容易發生短路。此外，美國專利US7666698雖有利用蝕刻阻擋(etch stop)層在MEMS裝置的上方形成空腔(cavity)，但此蝕刻阻擋層之材質為氮化矽(SiN)，並非為標準製程所使用的多晶矽(polysilicon)。美國專利20070218661A1則是對純多晶矽層進行圖案化與蝕刻，以形成有摻雜離子之閘極，與麥克風結構無關。

因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，以解決習知所產生的問題。

本發明的主要目的，在於提供一種互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，其係利用圖案化多晶矽層之未摻雜多晶矽隔離有摻雜多晶矽層與金屬背板，以避免有摻雜多晶矽層與金屬背板發生短路，同時避免有摻雜多晶矽層被蝕刻。

為達上述目的，本發明提供一種互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，首先，提供一互補式金氧半裝置，其係包含依序由下而上設置的一半導體基板、一第一氧化絕緣層、一有摻雜多晶矽層、一第二氧化絕緣層、一圖案化多晶矽層與一金屬佈線層，金屬佈線層設於第二氧化絕緣層上，圖案化多晶矽層包含未摻雜多晶矽。接著，移除部分之金屬佈線層，以形成位於未摻雜多晶矽之上方之一金屬背板，以利用未摻雜多晶矽隔離金屬背板與有摻雜多晶矽層，並於半導體基板開設貫穿自身之一空腔(Chamber)，以露出有摻雜多晶矽層作為震動隔膜(Diaphragm)，進而形成一微機電麥克風。

在本發明之一實施例中，係先移除部分之金屬佈線層，以形成金屬背板，再於半導體基板開設空腔，以露出第一氧化絕緣層。

在本發明之一實施例中，係先於半導體基板開設空腔，以露出第一氧化絕緣層，再移除部分之金屬佈線層，以形成金屬背板。

在本發明之一實施例中，金屬佈線層更包含一氧化絕緣結構、一第一金屬層、一第二金屬層、一第一金屬通孔、一第二金屬通孔與一第三金屬層，氧化絕緣結構設於第二氧化絕緣層與圖案化多晶矽層上，第一金屬層、第二金屬層、第一金屬通孔、第二金屬通孔與第三金屬層嵌入氧化絕緣結構中，第一金屬層、第二金屬層與第三金屬層彼此相隔，並依序由下而上設置，第一金屬層與圖案化多晶矽層相隔，第一金屬通孔位於第二金屬層與第三金屬層之間，以電性連接第二金屬層與第三金屬層，第二金屬通孔連接第二氧化絕緣層及未摻雜多晶矽之至少其中一者與第三金屬層。

在本發明之一實施例中，氧化絕緣結構之材質為二氧化矽。

在本發明之一實施例中，金屬佈線層更包含一氮化矽(SiN)層，其係設於氧化絕緣結構與第三金屬層上。

在本發明之一實施例中，先移除部分之氧化絕緣結構，以露出部分之圖案化多晶矽層，再移除其餘之氧化絕緣結構、第一金屬層與部分之第二金屬層，以利用第一金屬通孔、第三金屬層與其餘之第二金屬層形成金屬背板。

在本發明之一實施例中，部分之氧化絕緣結構之移除方法為乾蝕刻法，其餘之氧化絕緣結構、第一金屬層與部分之第二金屬層之移除方法為濕蝕刻法。

在本發明之一實施例中，空腔之開設方法為深層反應性離子蝕刻(DRIE)法。

在本發明之一實施例中，圖案化多晶矽層更包含有摻雜多晶矽。

在本發明之一實施例中，半導體基板為矽基板，且第一氧化絕緣層與第二氧化絕緣層為二氧化矽層。

茲為使貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：

10‧‧‧背板

12‧‧‧隔膜

14‧‧‧半導體基板

16‧‧‧空腔

18‧‧‧互補式金氧半裝置

20‧‧‧半導體基板

22‧‧‧第一氧化絕緣層

24‧‧‧有摻雜多晶矽層

26‧‧‧第二氧化絕緣層

28‧‧‧圖案化多晶矽層

281‧‧‧未摻雜多晶矽

282‧‧‧有摻雜多晶矽

30‧‧‧金屬佈線層

32‧‧‧氧化絕緣結構

34‧‧‧第一金屬層

36‧‧‧第二金屬層

38‧‧‧第一金屬通孔

40‧‧‧第二金屬通孔

42‧‧‧第三金屬層

44‧‧‧氮化矽層

46‧‧‧金屬背板

47‧‧‧腔體

48‧‧‧空腔

第1圖為先前技術之微機電麥克風之結構剖視圖。

第2(a)圖至第2(d)圖為本發明之製作互補式金氧半微機電麥克風之第一實施例之各步驟結構剖視圖。

第3(a)圖至第3(d)圖為本發明之製作互補式金氧半微機電麥克風之第二實施例之各步驟結構剖視圖。

第4(a)圖至第4(b)圖為本發明之製作互補式金氧半裝置之一實施例之各步驟結構剖視圖。

本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。

一般而言，互補式金氧半(CMOS)製程中的多晶矽(polysilicon)中都有摻雜N型或P型離子，以作為導電材料，通常可以作為閘極、電阻或多晶矽電容，但本發明卻未在多晶矽中摻雜任何離子，即使用純多晶矽，不但能在製作微機電麥克風時作為蝕刻阻擋層，亦能防止麥克風發生短路事件。

以下請參閱第2(a)圖至第2(d)圖，以介紹本發明之互補式金氧半微機電麥克風之製作方法之第一實施例。首先，如第2(a)圖所示，提供一互補式金氧半裝置18，其係包含依序由下而上設置的一半導體基板20、一第一氧化絕緣層22、一有摻雜多晶矽層24、一第二氧化絕緣層26、一圖案化多晶矽層28與一金屬佈線層30，金屬佈線層30設於第二氧化絕緣層26上，圖案化多晶矽層28 包含未摻雜多晶矽或同時包含未摻雜多晶矽與有摻雜多晶矽。若圖案化多晶矽層28僅包含未摻雜多晶矽，則圖案化多晶矽層28之全部區域之材質皆為未摻雜多晶矽。在第一實施例中，圖案化多晶矽層28同時包含未摻雜多晶矽281與有摻雜多晶矽282為例。換言之，圖案化多晶矽層28之部分區域之材質為未摻雜多晶矽281，圖案化多晶矽層28之其餘區域之材質為有摻雜多晶矽282，其中未摻雜多晶矽281之區域係以剖面線表示，有摻雜多晶矽282之區域係以空白表示。本發明所使用的有摻雜多晶矽282可摻雜P型離子或N型離子，相對未摻雜多晶矽281更加具有導電性。此外，本發明所使用的未摻雜多晶矽281為純多晶矽，根據NAGA SIVAKUMAR YAGNAMURTHY於2013年所著之EFFECT OF GRAIN STRUCTURE AND DOPING ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF POLYSILICON THIN FILMS FOR MEMS，未摻雜多晶矽的電阻率為無限大，有摻雜磷矽玻璃(PSG)相對為摻雜多晶矽的電阻率則較低，故本發明所使用的未摻雜多晶矽，可視為絕緣體，並用來防止二導體發生短路。為了詳細說明本發明互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，在第一實施例中，係具體描述互補式金氧半裝置18之結構，但本發明並不限定於此。

在互補式金氧半裝置18中，半導體基板20為矽基板，且第一氧化絕緣層22與第二氧化絕緣層26為二氧化矽層。金屬佈線層30更包含一氧化絕緣結構32、一第一金屬層34、一第二金屬層36、一第一金屬通孔(via)38、一第二金屬通孔(via)40、一第三金屬層42與一氮化矽(SiN)層44，氧化絕緣結構32之材質可為二氧化矽，第一金屬層34、第二金屬層36、第一金屬通孔38、第二金屬通孔40與第三金屬層42皆為導電材質。氧化絕緣結構32設於第二氧化絕緣層26與圖案化多晶矽層28上，第一金屬層34、第二金屬層36、第一金屬通孔38、第二金屬通孔40與第三金屬層42嵌入氧化絕緣結構32中，第一金屬層34、第二金屬層36與第三金屬層42彼此相隔，並依序由下而上設置，第一金屬層34 與圖案化多晶矽層28相隔，第一金屬通孔38位於第二金屬層36與第三金屬層42之間，以電性連接第二金屬層36與第三金屬層42，第二金屬通孔40連接第二氧化絕緣層26及圖案化多晶矽層28之未摻雜多晶矽281之至少其中一者與第三金屬層42。在第一實施例中，第二金屬通孔40同時連接第二氧化絕緣層26、圖案化多晶矽層28之未摻雜多晶矽281與第三金屬層42。

接著，如第2(b)圖所示，以乾蝕刻法移除部分之氧化絕緣結構32，以露出部分之圖案化多晶矽層28。然後，如第2(c)圖所示，以濕蝕刻法移除其餘之氧化絕緣結構32、第一金屬層34與部分之第二金屬層36，以利用第一金屬通孔38、第三金屬層42與其餘之第二金屬層36形成一金屬背板46，並形成設於金屬背板46與圖案化多晶矽層28之間的一腔體(cavity)47。在第2(b)圖與第2(c)圖之步驟中，由於圖案化多晶矽層28之未摻雜多晶矽281隔離有摻雜多晶矽層24與氧化絕緣結構32，故能避免蝕刻有摻雜多晶矽層24。此外，因為圖案化多晶矽層28之未摻雜多晶矽281位於有摻雜多晶矽層24與金屬背板46之間，使金屬背板46位於圖案化多晶矽層28之未摻雜多晶矽281之上方，以利用未摻雜多晶矽281隔離有摻雜多晶矽層24與金屬背板46，故當有摻雜多晶矽層24作為隔膜振動，且有摻雜多晶矽層24與金屬背板46上施加電壓時，能避免有摻雜多晶矽層24與金屬背板46發生短路。最後，如第2(d)圖所示，為了使聲壓能傳遞到隔膜，以深層反應性離子蝕刻(DRIE，Deep reactive-ion etching)法於半導體基板20開設貫穿自身之一空腔48，以露出第一氧化絕緣層22，進而形成一微機電麥克風。

第2(b)圖、第2(c)圖與第2(d)圖之步驟除了可以依序進行外，亦可同時進行。即在一步驟中，以蝕刻法移除部分之金屬佈線層30，以形成位於未摻雜多晶矽281之上方之金屬背板46，以利用未摻雜多晶矽281隔離金屬背板46與有摻雜多晶矽層24，並於半導體基板20開設貫穿自身之空腔48，以露出第一氧化絕緣層22，進而形成微機電麥克風。

以下請參閱第3(a)圖至第3(d)圖，以介紹本發明之互補式金氧半微機電麥克風之製作方法之第二實施例。首先，如第3(a)圖所示，提供一互補式金氧半裝置18，其結構與第2(a)圖中的互補式金氧半裝置18之結構相同，於此不再贅述。接著，如第3(b)圖所示，以深層反應性離子蝕刻(DRIE)法於半導體基板20開設貫穿自身之一空腔48，以露出第一氧化絕緣層22。然後，如第3(c)圖所示，以乾蝕刻移除部分之氧化絕緣結構32，以露出部分之圖案化多晶矽層28。最後，如第3(d)圖所示，以濕蝕刻法移除其餘之氧化絕緣結構32、第一金屬層34與部分之第二金屬層36，以利用第一金屬通孔38、第三金屬層42與其餘之第二金屬層36形成一金屬背板46，並形成設於金屬背板46與圖案化多晶矽層28之間的一腔體(cavity)47，進而形成一微機電麥克風。在第3(c)圖與第3(d)圖之步驟中，由於圖案化多晶矽層28之未摻雜多晶矽281隔離有摻雜多晶矽層24與氧化絕緣結構32，故能避免蝕刻有摻雜多晶矽層24。此外，因為圖案化多晶矽層28之未摻雜多晶矽281位於有摻雜多晶矽層24與金屬背板46之間，使金屬背板46位於圖案化多晶矽層28之未摻雜多晶矽281之上方，以利用未摻雜多晶矽281隔離有摻雜多晶矽層24與金屬背板46，故當有摻雜多晶矽層24作為隔膜透過空腔48接收聲壓進行振動，且有摻雜多晶矽層24與金屬背板46上施加電壓時，能避免有摻雜多晶矽層24與金屬背板46發生短路。

以下介紹本發明之互補式金氧半裝置18之製作過程，但本發明並不限定於此。首先，如第4(a)圖所示，於半導體基板20上以熱氧化法(thermal oxidation)形成第一氧化絕緣層22。接著，配合離子佈植法(ion implantation)，於第一氧化絕緣層22上形成有摻雜多晶矽層24。再來，以熱氧化法形成第二氧化絕緣層26於有摻雜多晶矽層24上。形成完後，配合圖案化(patterning)與蝕刻(etching)製程及離子佈植法，於第二氧化絕緣層26上形成圖案化多晶矽層28。最後，如第4(b)圖所示，配合熱氧化法、圖案化與蝕刻製程與金屬沈積法形成金屬佈線層30於圖案化多晶矽層28與第二氧化絕緣層26上。

綜上所述，本發明利用圖案化多晶矽層之未摻雜多晶矽隔離有摻雜多晶矽層與金屬背板，以避免有摻雜多晶矽層與金屬背板發生短路，同時避免有摻雜多晶矽層被蝕刻。

以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

Claims

一種互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，包含：提供一互補式金氧半裝置，其係包含依序由下而上設置的一半導體基板、一第一氧化絕緣層、一有摻雜多晶矽層、一第二氧化絕緣層、一圖案化多晶矽層與一金屬佈線層，該金屬佈線層設於該第二氧化絕緣層上，該圖案化多晶矽層包含未摻雜多晶矽；以及移除部分之該金屬佈線層，以形成位於該未摻雜多晶矽之上方之一金屬背板，以利用該未摻雜多晶矽隔離該金屬背板與該有摻雜多晶矽層，並於該半導體基板開設貫穿自身之一空腔(chamber)，以露出該摻雜多晶矽層，進而形成一微機電麥克風。
如請求項1所述之互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，其中在移除該部分之該金屬佈線層，以形成該金屬背板，並於該半導體基板開設該空腔，以露出該第一氧化絕緣層之步驟中，係先移除該部分之該金屬佈線層，以形成該金屬背板，再於該半導體基板開設該空腔，以露出該第一氧化絕緣層。
如請求項1所述之互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，其中在移除該部分之該金屬佈線層，以形成該金屬背板，並於該半導體基板開設該空腔，以露出該第一氧化絕緣層之步驟中，係先於該半導體基板開設該空腔，以露出該第一氧化絕緣層，再移除該部分之該金屬佈線層，以形成該金屬背板。
如請求項1所述之互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，其中該金屬佈線層更包含一氧化絕緣結構、一第一金屬層、一第二金屬層、一第一金屬通孔、一第二金屬通孔與一第三金屬層，該氧化絕緣結構設於該第二氧化絕緣層與該圖案化多晶矽層上，該第一金屬層、該第二金屬層、該第一金屬通孔、該第二金屬通孔與該第三金屬層嵌入該氧化絕緣結構中，該第一金屬層、該第二金屬層與該第三金屬層彼此相隔，並依序由下而上設置，該第一金屬層與該圖案化多晶矽層相隔，該第一金屬通孔位於該第二金屬層與該第三金屬層之間，以電性連接該第二金屬層與該第三金屬層，該第二金屬通孔連接該第二氧化絕緣層及該未摻雜多晶矽之至少其中一者與該第三金屬層。
如請求項4所述之互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，其中該氧化絕緣結構之材質為二氧化矽。
如請求項5所述之互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，其中該金屬佈線層更包含一氮化矽(SiN)層，其係設於該氧化絕緣結構與該第三金屬層上。
如請求項4所述之互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，其中在移除該部分之該金屬佈線層，以形成該金屬背板之步驟中，先移除部分之該氧化絕緣結構，以露出部分之該圖案化多晶矽層，再移除其餘之該氧化絕緣結構、該第一金屬層與部分之該第二金屬層，以利用該第一金屬通孔、該第三金屬層與其餘之該第二金屬層形成該金屬背板。
如請求項7所述之互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，其中該部分之該氧化絕緣結構之移除方法為乾蝕刻法，該其餘之該氧化絕緣結構、該第一金屬層與該部分之該第二金屬層之移除方法為濕蝕刻法。
如請求項1所述之互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，其中該空腔之開設方法為深層反應性離子蝕刻法(DRIE)法。
如請求項1所述之互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，其中該圖案化多晶矽層更包含有摻雜多晶矽。
如請求項1所述之互補式金氧半微機電麥克風之製作方法，其中該半導體基板為矽基板，且該第一氧化絕緣層與該第二氧化絕緣層為二氧化矽層。