TWI498272B - Microelectromechanical system device and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

微機電系統裝置及其製造方法

本發明係一種微機電系統，尤指具有至少以第一多晶矽層、中間層以及第二多晶矽層來形成複合層結構的振膜，能抵抗結構釋放時受到酸液的破壞，且其所形成複合層結構的振膜因應力可互相抵消，所以具有較低的結構應力，且較穩定不容易受到溫濕度的影響及發生破裂及潛變等可靠度問題之微機電系統裝置及其製造方法。

按，微機電系統(Microelectromechanical Systems；MEMS)，一般稱為MEMS，是將微電子技術與機械技術整合在一起的一種工業技術，MEMS是微米大小的機械系統，包括有會活動的結構，可製成電子元件，例如：麥克風、陀螺儀、壓力計、RF切換器等等，分別具有不同的機構部份，來接受重力、電磁波、壓力、聲波等的作動，以產生電子信號並傳出。

而要在半導體材料上製造出這些微小的活動結構，借助一般的半導體製程或儀器是無法輕易達成的，製作MEMS晶圓廠，通常都需要DRIE(deep reactive ion etching)的設備，利用深層離子蝕刻的方式，來創造出浮懸的活動構造，例如：於MEMS麥克風中，此結構一般稱為振膜。

由於MEMS麥克風具有許多優點，如體積小、便於設計及整合、音質佳、性能穩定且不易受到機械振動、溫度變化、電磁干擾，所以在手機、耳機、筆記型電腦(NB)、攝影機等設備上已逐漸取代駐極式電容麥克風(Electric Condenser Microphone；ECM)。

隨著近幾年行動通訊的高度發展，智慧型手機的全球熱賣，也讓智慧 型手機所配備的微機電系統(MEMS)麥克風市場前景大好；根據市場研究機構的估計，全球MEMS麥克風出貨量將由2009年的4.41億顆，到2014年成長至17億顆以上。市場研究機構iSuppli預測，到2014年，大多數智慧型手機將會採用2顆以上的MEMS麥克風，屆時手持式裝置與筆記型電腦仍將會是MEMS麥克風的最大宗應用產品。雖然MEMS麥克風比ECM昂貴許多，但iSuppli表示，MEMS麥克風在尺寸、可擴展性(scalability)、耐熱性(temperature stability)以及聲音品質上都具有優勢。智慧型手機採用了兩顆獨立的MEMS麥克風以抑制雜訊，這種方式能夠降低背景音，以提升語音通話的清晰度。

現有的CMOS MEMS裝置通常包含CMOS電路以及MEMS裝置，其透過半導體製造技術製造於同一基底上，而對於具有感應振膜(sensing diaphragm)(例如作為麥克風振膜或其他應用)的MEMS裝置，主要利用蝕刻技術對電介質以及矽所製成之基底進行蝕刻，請參閱第九圖所示，係為先前技術微機電系統裝置6之實施示意圖，由圖中可清楚看出，當電介質62形成於該基底61上之後，需要蝕刻該基底61與該介電層62預設位置以形成一開口63，並使得該背板結構64與該振膜65之間形成一空腔66，該背板結構64形成複數個連通該空腔66之通孔67，藉此，暴露該振膜65，使得振膜65可進行感應。

其中，該振膜65部分使用金屬濺鍍鋁來形成篩孔(mesh)結構，並在最後振膜65釋放後再沉積高分子聚合物(polymer)材料，來覆蓋金屬鋁振膜，以封閉篩孔(mesh)結構，但其振膜65具有下列幾項問題：

一、高分子聚合物(polymer)材料非半導體IC製程材料，因此需額外機台 生產，且其會對晶圓廠的無塵室造成污染。

二、由於微機電系統是微米大小的機械系統，其中包括各式樣不同形狀的三維平版印刷所產生的系統，而大小通常在微米到毫米之間，在這樣的大小範圍之下，日常生活中的物理經驗往往不適用，而金屬濺鍍鋁與高分子聚合物(polymer)所製造的複合振膜，非常容易受到溫濕度的影響，尤其是高分子聚合物容易吸濕及長時間作用下產生材料劣化，因此市場上已經發生破裂及潛變等可靠度問題。

三、麥克風之通孔(聲學孔)及空腔(背空氣腔)製程複雜，無法在晶圓廠完成，而必需在完成CMOS製程後，轉移至專業MEMS代工廠完成通孔、空腔及振膜釋放製程，因其必須先在晶圓正面先分別蝕刻介電層DRIE及通孔silicon DRIE，然後再使用專用黏合設備將晶圓正面黏合在一片專用的乘載晶圓(carrier wafer)，此步驟容易傷到麥克風振膜，黏合後再翻到晶背製造空腔，然後再把乘載晶圓移除，因此此方法除了成本較高外，還會對晶圓廠產生污染。

四、隨著微機電系統產品的尺度縮小，表面積對體積比的增大，由微細加工技術所產生的微機電系統容易產生有附著(stiction)問題，附著是各式微機電系統例如：麥克風、陀螺儀等產品失效的主要原因。原因可歸納出以下幾點：

(一)進行微細加工技術後的氧化物必須使用蝕刻方式將犧牲層去除掉，並使用溶液將剩餘的殘留物去除。清洗後形成的水滴會因表面張力和毛細作用而使微機電系統之振膜產生附著。

(二)當靜電荷不平衡時，該振膜因靜電的排斥而偏向一側。

有鑑於上述問題，針對振膜部分，更有業者提出使用金屬濺鍍鋁及氧化物來形成振膜，然而，同樣具有以下問題：

一、金屬濺鍍鋁所製造的振膜，非常容易受到溫度的影響，因此容易造成麥克風靈敏度飄移。

二、金屬濺鍍鋁所製造的振膜，非常容易在作結構釋放時受到酸液的破壞。

三、麥克風之通孔及空腔為矽基底所形成，雖可在晶圓廠完成，但因製程複雜，所以成本太高(黃光步驟太多及DRIE時間太長)。

是以，要如何解決上述習用之問題與缺失，即為本發明之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

故，本發明之發明人有鑑於上述缺失，乃搜集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種發明專利者。

本發明之第一目的在於提供一種以第一多晶矽層、中間層以及第二多晶矽層來形成複合層結構的振膜之微機電系統裝置。

為了達到上述之目的，本發明一種微機電系統裝置，至少包括：一本體，其預設位置設有一開口，包括一基底以及設於該基底上之介電層；一振膜，設置於該開口處，兩端藉由該本體固持，包括一第一多晶矽層、一中間層以及一第二多晶矽層，該中間層設置於該第一多晶矽層上，該第二多晶矽層設置於該中間層上；以及一背板結構，設置於該開口處，兩端藉由該本體固持，該背板結構開 設有複數個通孔，且與該振膜之間形成一連通於該通孔之空腔。

在一較佳實施例中，該基底係為矽基底。

在一較佳實施例中，該介電層內具有CMOS電路。

在一較佳實施例中，該背板結構兩端藉由該介電層固持且設置於該振膜上方。

在一較佳實施例中，該背板結構包括一第一金屬層、一絕緣層以及一第二金屬層，該絕緣層設置於該第一金屬層上，並以金屬來包覆及保護該絕緣層，避免結構釋放時該絕緣層受到酸液的破壞，而該第二金屬層設置於該絕緣層上。

在一較佳實施例中，該背板結構於該空腔間，包括一凹洞或一凸塊。

在一較佳實施例中，該振膜表面具有波紋或紋膜結構，來降低該振膜應力。

本發明之第二目的在於提供以第一多晶矽層、中間層以及第二多晶矽層來形成複合層結構的振膜之微機電系統裝置製作方法。

為了達到上述之目的，本發明一種微機電系統裝置製作方法，至少包括下列步驟：提供一基底；形成一振膜，包括：形成一第一多晶矽層於該基底部分區域；形成一中間層於該第一多晶矽層上；以及形成一第二多晶矽層於該中間層上；形成一介電層於該第二多晶矽層與該基底上； 形成一背板結構於該介電層；以及蝕刻該基底與該介電層預設位置以形成一開口，以暴露該振膜於該開口處，並使得該背板結構與該振膜之間形成一空腔，該背板結構形成複數個連通該空腔之通孔。

在一較佳實施例中，該形成一背板結構於該介電層，更包括步驟：形成一第一金屬層於該介電層；形成一絕緣層於該第一金屬層，並以金屬來包覆及保護該絕緣層，避免結構釋放時該絕緣層受到酸液的破壞；以及形成一第二金屬層於該絕緣層。

在一較佳實施例中，其中該並使得該背板結構與該振膜之間形成一空腔，更包括：該背板結構於該空腔間，利用蝕刻方式，形成一凹洞或一凸塊。

其中，由於本發明利用了之振膜包括了該第一多晶矽層、該中間層以及該第二多晶矽層來形成複合層結構的振膜，藉此，能抵抗結構釋放時受到酸液的破壞，且其所形成的複合層結構的振膜因應力可互相抵消，所以具有較低的結構應力，且較穩定不容易受到溫濕度的影響及發生破裂及潛變等可靠度問題。

以及，本發明之微機電系統裝置可採用業界一般晶圓代工廠標準CMOS製程，並可將MEMS結構完全依循半導體製程規則及材料，且將之整合進CMOS元件之中，因此，其具有較佳之成本效益。

再者，本發明利用矽基底以形成空腔，因此製程簡單且具較低之成本。俾藉由前述結構及功效，本發明確實具有實用進步性。

另外，本發明還利用半導體的標準材料來防止附著(anti-stiction)，防 止產品在作結構釋放時產生附著及再作高溫高濕的可靠度量測時失效。其係在空腔間，利用蝕刻方式，形成凹洞或凸塊，並在凹洞或凸塊上沉積複合膜，以形成較小的接觸面積，可避免凡得瓦耳力或靜電吸附作用。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及構造，茲繪圖就本發明較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全了解。

請參閱第一圖所示，係為本發明較佳實施例之橫截面圖，由圖中可清楚看出，本發明一種微機電系統裝置1，至少包括：一本體2、一振膜3以及一背板結構4。於本實施例中，本發明之微機電系統裝置1係為MEMS麥克風，但不限於此。本發明可應用於包含加速度計、陀螺儀、壓力計等微機電系統(Microelectromechanical Systems；MEMS)相關結構。

該本體2其預設位置設有一開口21，包括一基底22以及設於該基底22上之介電層23。其中該基底22係為矽基底22，該介電層23內具有CMOS電路5。

該振膜3設置於該開口21處，兩端藉由該本體2固持，包括一第一多晶矽層31、一中間層32以及一第二多晶矽層33，該中間層32設置於該第一多晶矽層31上，該第二多晶矽層33設置於該中間層32上。其中該振膜3表面具有波紋或紋膜結構，來降低該振膜3應力，可具有較佳之靈敏度，該中間層32可以如：氮化矽、氧化層等非金屬材料所形成。

該背板結構4設置於該開口21處，兩端藉由該本體2固持，該背板結構4開設有複數個通孔41，且與該振膜3之間形成一連通於該通孔41之空腔42。於本實施例中，該背板結構4兩端藉由該介電層23固持且設置於該 振膜3上方，且該背板結構4包括一第一金屬層43、一絕緣層44以及一第二金屬層45，該絕緣層44設置於該第一金屬層43上，並以金屬來包覆及保護該絕緣層44，避免結構釋放時該絕緣層44受到酸液的破壞，而該第二金屬層45設置於該絕緣層44上。

需要特別說明的是，該背板結構4於該空腔42間，可利用蝕刻方式，形成凹洞或凸塊，於本實施例中係為凸塊46，並在凹洞或凸塊46上沉積複合膜，以形成較小的接觸面積，可避免該振膜3凡得瓦耳力或靜電吸附作用。其中，複合膜最外層材料需為絕緣材料且在作結構釋放時可耐酸液蝕刻(相對於要被酸液蝕刻材料)內部的複合層不需為絕緣材料但須能阻擋酸液侵蝕背板結構4或振膜3。

請同時參閱第二圖至第八圖所示，係為本發明較佳實施例之流程圖以及實施示意圖一至六，由圖中可清楚看出，本發明一種微機電系統裝置製作方法，於本實施例中，本發明之微機電系統裝置製作方法係為MEMS麥克風製作方法，但不限於此。本發明可應用於包含加速度計、陀螺儀、壓力計等微機電系統(Microelectromechanical Systems；MEMS)相關製作方法，至少包括下列步驟：(110)提供一基底22；(120)形成一振膜3，包括：(121)形成一第一多晶矽層31於該基底22部分區域；(122)形成一中間層32於該第一多晶矽層31上；以及(123)形成一第二多晶矽層33於該中間層32上；(130)形成一介電層23於該第二多晶矽層33與該基底22上； (140)形成一背板結構4於該介電層23；以及(150)蝕刻該基底22與該介電層23預設位置以形成一開口21，以暴露該振膜3於該開口21處，並使得該背板結構4與該振膜3之間形成一空腔42，該背板結構4形成複數個連通該空腔42之通孔41。

於該步驟(110)中，係提供如一般半導體製程常用之矽基底22。

於該步驟(120)中，於形成一振膜3之前可形成至少一停止層(也可稱為緩衝層)(圖中未示)於該基底22之上，係當進行蝕刻時可保護該振膜3。並且，於形成停止層之後，再形成至少一犧牲層(圖中未示)於該停止層與該基底22上，該犧牲層常用的材料主要有氧化矽、氮化矽、光刻膠等等，該犧牲層之功效即在形成可活動的微結構件(於本發明即為振膜3)過程中，先用材料沉積於所需的微結構件外表面，再用化學刻蝕劑將此層犧牲層薄膜腐蝕掉，但不損傷微結構件。

並且，本發明之振膜3包括該步驟(121)、(122)以及(123)，該振膜3係包括該第一多晶矽層31、該中間層32以及該第二多晶矽層33所形成之複合層結構，由下而上依序為形成該第一多晶矽層31於該基底22部分區域，形成該中間層32於該第一多晶矽層31上，以及形成該第二多晶矽層33於該中間層32上。其中，該中間層32可以如：氮化矽、氧化層等非金屬材料所形成。

於該步驟(130)中，係形成介電層23於該第二多晶矽層33與該基底22上，形成介電層23的過程當中，係可形成CMOS電路5於該介電層23中。

於該步驟(140)中，於形成介電層23的過程當中，係形成一背板結 構4於該介電層23，其中，該背板結構4之形成更包括步驟：形成一第一金屬層43於該介電層23，形成一絕緣層44於該第一金屬層43，並以金屬來包覆及保護該絕緣層44，避免結構釋放時該絕緣層44受到酸液的破壞，以及形成一第二金屬層45於該絕緣層44。該背板結構4為一三層堆疊之結構。

於該步驟(150)中，係蝕刻該基底22與該介電層23預設位置以形成一開口21，一般而言，此種微機電系統裝置1包括CMOS區域以及MEMS區域，於開口21處即為MEMS區域，而其於部分即為CMOS區域。藉由蝕刻技術以移除該振膜3下之該犧牲層與該停止層，使得該振膜3暴露於該開口21處，並使得該背板結構4與該振膜3之間形成一空腔42，該背板結構4形成複數個連通該空腔42之通孔41。

需要特別說明的是，其中該背板結構4與該振膜3之間形成一空腔42，更包括：該背板結構4於該空腔42間，可利用蝕刻方式，形成凹洞或凸塊，於本實施例中係為凸塊46，並在凹洞或凸塊46上沉積複合膜，以形成較小的接觸面積，可避免該振膜3凡得瓦耳力或靜電吸附作用。其中，複合膜最外層材料需為絕緣材料且在作結構釋放時可耐酸液蝕刻(相對於要被酸液蝕刻材料)內部的複合層不需為絕緣材料但須能阻擋酸液侵蝕背板結構4或振膜3。

請參閱全部附圖所示，相較於習用技術，本發明具有以下優點：

一、本發明之以第一多晶矽層31、中間層32以及第二多晶矽層33來形成複合層結構的振膜3，因應力可互相抵消，所以具有較低的結構應力，且能抵抗結構釋放時受到酸液的破壞，且其所形成複合層結構的振膜3 較穩定不容易受到溫濕度的影響及發生破裂及潛變等可靠度問題。

二、本發明相容於現有之半導體製程，其具有高執行效能且其成本最低，使用本發明之微機電系統裝置1及其製造方法所製作之MEMS麥克風，其具有較佳之成本效益，可抑制雜訊。

三、利用矽基底以形成空腔，因此製程簡單且具較低之成本。

四、本發明具有防止附著(anti-stiction)結構，可避免凡得瓦耳力或靜電吸附作用。

透過上述之詳細說明，即可充分顯示本發明之目的及功效上均具有實施之進步性，極具產業之利用性價值，且為目前市面上前所未見之新發明，完全符合發明專利要件，爰依法提出申請。唯以上所述著僅為本發明之較佳實施例而已，當不能用以限定本發明所實施之範圍。即凡依本發明專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

(本發明)

1‧‧‧微機電系統裝置

2‧‧‧本體

21‧‧‧開口

22‧‧‧基底

23‧‧‧介電層

3‧‧‧振膜

31‧‧‧第一多晶矽層

32‧‧‧中間層

33‧‧‧第二多晶矽層

4‧‧‧背板結構

41‧‧‧通孔

42‧‧‧空腔

43‧‧‧第一金屬層

44‧‧‧絕緣層

45‧‧‧第二金屬層

46‧‧‧凸塊

5‧‧‧CMOS電路

(先前技術)

6‧‧‧微機電系統裝置

61‧‧‧基底

62‧‧‧電介質

63‧‧‧開口

64‧‧‧背板結構

65‧‧‧振膜

66‧‧‧空腔

67‧‧‧通孔

第一圖 係為本發明較佳實施例之橫截面圖，說明本發明之微機電系統裝置。

第二圖 係為本發明較佳實施例之流程圖，說明本發明之微機電系統裝置製作方法。

第三圖 係為本發明較佳實施例之實施示意圖一，說明本發明之微機電系統裝置製作方法，提供一基底。

第四圖 係為本發明較佳實施例之實施示意圖二，說明本發明之微機電系統裝置製作方法，形成一振膜。

第五圖 係為本發明較佳實施例之實施示意圖三，說明本發明之微機電系統裝置製作方法，形成一介電層於該第二多晶矽層與該基底上。

第六圖 係為本發明較佳實施例之實施示意圖四，說明本發明之微機電系統裝置製作方法，形成一背板結構於該介電層。

第七圖 係為本發明較佳實施例之實施示意圖五，說明本發明之微機電系統裝置製作方法，蝕刻該基底與該介電層預設位置以形成一開口，以暴露該振膜於該開口處。

第八圖 係為本發明較佳實施例之實施示意圖六，說明本發明之微機電系統裝置製作方法，使得該背板結構與該振膜之間形成一空腔，該背板結構形成複數個連通該空腔之通孔。

第九圖 係為先前技術微機電系統裝置之實施示意圖。

1‧‧‧微機電系統裝置

2‧‧‧本體

21‧‧‧開口

22‧‧‧基底

23‧‧‧介電層

3‧‧‧振膜

31‧‧‧第一多晶矽層

32‧‧‧中間層

33‧‧‧第二多晶矽層

4‧‧‧背板結構

41‧‧‧通孔

42‧‧‧空腔

43‧‧‧第一金屬層

44‧‧‧絕緣層

45‧‧‧第二金屬層

46‧‧‧凸塊

5‧‧‧CMOS電路

Claims (10)

1. 一種微機電系統裝置，至少包括：一本體，其預設位置設有一開口，包括一基底以及設於該基底上之介電層；一振膜，設置於該開口處，兩端藉由該本體固持，包括一第一多晶矽層、一中間層以及一第二多晶矽層，該中間層設置於該第一多晶矽層上，該第二多晶矽層設置於該中間層上；以及一背板結構，設置於該開口處，兩端藉由該本體固持，該背板結構開設有複數個通孔，且與該振膜之間形成一連通於該通孔之空腔。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統裝置，其中該基底係為矽基底。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統裝置，其中該介電層內具有CMOS電路。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統裝置，其中該背板結構兩端藉由該介電層固持且設置於該振膜上方。
5. 如申請專利範圍第4項所述之微機電系統裝置，其中該背板結構包括一第一金屬層、一絕緣層以及一第二金屬層，該絕緣層設置於該第一金屬層上，並以金屬來包覆及保護該絕緣層，避免結構釋放時該絕緣層受到酸液的破壞，而該第二金屬層設置於該絕緣層上。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統裝置，其中該背板結構於該空腔間，包括一凹洞或一凸塊。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統裝置，其中該振膜表面具有波紋或紋膜結構，來降低該振膜應力。
8. 一種微機電系統裝置製作方法，至少包括下列步驟：提供一基底；形成一振膜，包括：形成一第一多晶矽層於該基底部分區域；形成一中間層於該第一多晶矽層上；以及形成一第二多晶矽層於該中間層上；形成一介電層於該第二多晶矽層與該基底上；形成一背板結構於該介電層；以及蝕刻該基底與該介電層預設位置以形成一開口，以暴露該振膜於該開口處，並使得該背板結構與該振膜之間形成一空腔，該背板結構形成複數個連通該空腔之通孔。
9. 如申請專利範圍第8項所述之微機電系統裝置製作方法，其中該形成一背板結構於該介電層，更包括步驟：形成一第一金屬層於該介電層；形成一絕緣層於該第一金屬層，並以金屬來包覆及保護該絕緣層，避免結構釋放時該絕緣層受到酸液的破壞；以及形成一第二金屬層於該絕緣層。
10. 如申請專利範圍第8項所述之微機電系統裝置製作方法，其中該並使得該背板結構與該振膜之間形成一空腔，更包括：該背板結構於該空腔間，利用蝕刻方式，形成一凹洞或一凸塊。