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TWI433809B - Ｃｍｏｓ微機電懸臂結構 - Google Patents

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TWI433809B
TWI433809B TW098141974A TW98141974A TWI433809B TW I433809 B TWI433809 B TW I433809B TW 098141974 A TW098141974 A TW 098141974A TW 98141974 A TW98141974 A TW 98141974A TW I433809 B TWI433809 B TW I433809B
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邱進峯
莊英宗
蔡瀚輝
曾聖翔
林建甫
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財團法人國家實驗研究院國家晶片系統設計中心
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Description

CMOS微機電懸臂結構
本發明係為一種CMOS微機電懸臂結構，特別為一種應用於以多晶矽為壓阻材料之CMOS微機電懸臂結構。
在微機電系統之領域中，懸臂樑具有非常廣泛之用途，其可以應用於流力計、生物感測器、原子力顯微鏡之探針及加速計等各方面。因此，懸臂樑可以說是最常被使用到的結構之一，並且其通常是由矽、氮化矽或聚合物(Polymer)等所製造。
第1圖所示係為習知之微機電懸臂裝置10，其係使用SOI(Silicon on Insulator)基板11為基材製造而成。SOI基板11係包括第一矽層13、二氧化矽層14及第二矽層15，其上則沉積有二氧化矽層16、壓阻材料層17及一金屬層18。在經過一正向蝕刻及一背向蝕刻之過程後，可以使懸臂樑12自其周圍結構被釋放(release)而懸浮。懸臂樑12包括第二矽層15、二氧化矽層14及壓阻材料層17，並且可以透過金屬層18連接至一電路結構。
第2圖所示係為另一習知之微機電懸臂裝置20。微機電懸臂裝置20係主要利用一矽基板21，並且在部分之矽基板21進行離子佈植而使其成為n型井結構21a。在矽基板21及n型井結構21a上依序沉積有二氧化矽層22及氮化矽層23。在經過數道蝕刻程序後，則可以形成如第2圖中之懸臂樑24。
然而上述具有懸臂樑12及24之微機電懸臂裝置10及20在應用上仍然具有缺點。舉例而言，懸臂樑12必需使用較昂貴之SOI基板來製造，因此非常不利於成本考量。此外，懸臂樑12及24之製造均牽涉到較複雜之製程，而使得製程成本增加。例如，在製作懸臂樑12及24之背向蝕刻之過程，需使用到濕蝕刻技術，而濕蝕刻後之清潔及烘乾將增加製程所耗費時間。此外，為了保護微機電懸臂裝置10及20上之正面結構，因而必需在其正面設置保護裝置方可以進行背向蝕刻，因此也提高了操作上之程序及複雜度。
本發明係為一種CMOS微機電懸臂結構，藉由使懸臂樑懸浮於基板之上方之設計，以使得CMOS微機電懸臂結構易於製造。
本發明係為一種CMOS微機電懸臂結構，藉由使懸臂樑僅由一支撐材料層及一壓阻材料層所組成，可以使得CMOS微機電懸臂結構具有輕薄之特徵，進而增加懸臂樑之感測靈敏度。
為達上述功效，本發明係提供一種CMOS微機電懸臂結構，其包括：一基板，其上定義有一電路區及一感測元件區；一電路結構，形成於基板上之電路區內；以及一懸臂樑，設置於感測元件區內，具有一端懸浮於基板之上方以及另一端連接電路結構。
藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效：
一、藉由本發明CMOS微機電懸臂結構之元件設計及安排，不但相容標準CMOS製程，且不需要進行背向蝕刻過程，可以簡化製程並且降低製造成本。
二、藉由二結構層構成懸臂樑，可以使懸臂樑有較輕薄之結構，進而增加懸臂樑之感測靈敏度。
為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
第3圖係為本發明之一種CMOS微機電懸臂結構30之立體實施例圖。第4圖係為沿第3圖中A-A剖線之剖面實施例圖。第5A至5H圖係為本發明之一種CMOS微機電懸臂結構30之製造過程實施例圖。
請同時參照第3圖及第4圖，本實施例之CMOS微機電懸臂結構30包括一基板31、一電路結構34以及一懸臂樑35。基板31係為一矽基板，其上係定義有電路區32及感測元件區33。此外，基板31更具有一凹陷區41於感測元件區33內，其係自基板31之表面向其內部凹陷。基板31上則形成有電路結構34及懸臂樑35，其係分別形成於電路區32及感測元件區33內，其中電路結構34及懸臂樑35皆為由一CMOS標準製程所沉積製造而成。
電路結構34包括第一氧化層38、多晶矽層36及一第二氧化層39，其中第一氧化層38係由二氧化矽所形成，其係主要用於形成電晶體之閘極氧化層，因此其具有接近200埃(angstrom)之一較薄厚度。多晶矽層36係主要用以形成電晶體之閘極層，而在其他實施態樣中，多晶矽層36亦可進一包括一矽化鎢層，以增加閘極界面之導電能力。
懸臂樑35係懸浮於基板31上，更詳細而言，其具有一端懸浮於基板31之凹陷區41之上方，並且具有另一端連接電路結構34。懸臂樑35包括壓阻材料層37及一支撐材料層40，其中壓阻材料層37之材料係為一多晶矽層，而支撐材料層40則可以是一層氧化物層或是一金屬層。
請參照第4圖，懸臂樑35之壓阻材料層37係位於支撐材料層40之下方，並且相較於習知具有較多層結構之懸臂樑，本實施例之懸臂樑35僅由兩層結構所組成，因此具有一較輕薄之結構，而此一輕薄之結構將降低懸臂樑35之剛性特性。除此之外，為了使懸臂樑35在受外力影響時會有較大振幅，壓阻材料層37可位於懸臂樑35最下方的位置，以遠離整個懸臂樑35的結構中心，並使壓阻材料層37在因外力產生形變時可產生一較大之電阻變化，進而使懸臂樑35可具有較高的感測靈敏度。
請參考第5A至5H圖，以下將藉由描述CMOS微機電懸臂結構30之製造過程，來闡明本實施例具有易於製造之優點。如第5A圖所示，其係為CMOS微機電懸臂結構30於完成CMOS標準製程時之結構實施例圖。此時在基板31上預定形成懸臂樑35處，由下而上依序沉積有第一氧化層38、多晶矽層36、第二氧化層39、壓阻材料層37及支撐材料層40，而在懸臂樑35以外之區域則填充有介電質層42，其中第一氧化層38及第二氧化層39之材料皆為二氧化矽。
第5B圖所示，其係塗佈一光阻層43於CMOS微機電懸臂結構30上，並且以一微影技術圖案化光阻層43，以定義出一蝕刻區51(如第5C圖所示)。
接下來如第5C圖所示，其係為移除蝕刻區51之光阻層43後的CMOS微機電懸臂結構30。此時開始進行一第一蝕刻過程，其係以一非等向性氣相蝕刻法蝕刻CMOS微機電懸臂結構30之蝕刻區51，並且將蝕刻終點設定至到達基板31為止。
第5D圖所示為第一蝕刻過程後之示意圖，並接續進行一第二蝕刻過程，其係以一等向性氣相蝕刻法對CMOS微機電懸臂結構30進行一矽蝕刻。雖然第二蝕刻過程係為針對矽進行蝕刻，但其仍對二氧化矽有相當之蝕刻能力，再者由於第一氧化層38約只有200埃之厚度，且第二蝕刻過程為等向性氣相蝕刻，因此第二蝕刻過程除了會將基板31蝕刻出一凹陷區41之外，亦會將第一氧化層38完全蝕刻掉(如第5E圖所示)。
若繼續拉長第二蝕刻過程，則在第一氧化層38被蝕刻掉後，第二蝕刻過程接著會開始很快地蝕刻掉多晶矽層36(如第5F圖所示)。由於在此實施例中，第二氧化層39為二氧化矽，因此仍會受到第二蝕刻過程之蝕刻，雖然第二氧化層39具有較第一氧化層38厚之一厚度，但只要第二蝕刻過程進行時間足夠，亦可將第二氧化層39蝕刻完畢，其結果如第5G圖所示。
最後，移除光阻層43後之CMOS微機電懸臂結構30係如第5H圖所示。因此，本實施例在CMOS微機電懸臂結構30完成標準CMOS之製程後，只需進行第一蝕刻過程及第二蝕刻過程之後製過程，即可使懸臂樑35釋放出來。
由於第一蝕刻過程及第二蝕刻過程皆為一正向蝕刻之過程，其不需額外安裝保護裝置以保護CMOS微機電懸臂結構30之正面結構，並且因為第一蝕刻過程及第二蝕刻過程同時皆使用乾式蝕刻技術，因此可避免了如濕蝕刻有蝕刻液殘留之問題，以使得CMOS微機電懸臂結構30之製造更為方便。再者，僅需控制第二蝕刻過程之時間，也可得到具有不同厚度之懸臂樑35。但唯有使壓阻材料層37位在懸臂樑35中最下方的位置，才可使懸臂樑35具有較佳的感測靈敏度。
惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
10．．．微機電懸臂裝置
11．．．SOI基板
12．．．懸臂樑
13．．．第一矽層
14．．．二氧化矽層
15．．．第二矽層
16．．．二氧化矽層
17．．．壓阻材料層
18．．．金屬層
20．．．微機電懸臂裝置
21．．．矽基板
21a．．．n型井結構
22．．．二氧化矽層
23．．．氮化矽層
24．．．懸臂樑
30．．．CMOS微機電懸臂結構
31．．．基板
32．．．電路區
33．．．感測元件區
34．．．電路結構
35．．．懸臂樑
36．．．多晶矽層
37．．．壓阻材料層
38‧‧‧第一氧化層
39‧‧‧第二氧化層
40‧‧‧支撐材料層
41‧‧‧凹陷區
42‧‧‧介電質層
43‧‧‧光阻層
51‧‧‧蝕刻區
第1圖係為習知之微機電懸臂裝置。
第2圖係為另一習知之微機電懸臂裝置。
第3圖係為本發明之一種CMOS微機電懸臂結構之立體實施例圖。
第4圖係為沿第3圖中A-A剖線之剖面實施例圖。
第5A至5H圖係為本發明之一種CMOS微機電懸臂結構之製造過程實施例圖。
30．．．CMOS微機電懸臂結構
31．．．基板
32．．．電路區
33．．．感測元件區
34．．．電路結構
35．．．懸臂樑
36．．．多晶矽層
37．．．壓阻材料層
38．．．第一氧化層
39．．．第二氧化層
40．．．支撐材料層
41．．．凹陷區

Claims (5)

  1. 一種CMOS微機電懸臂結構，其包括：一基板，其上定義有一電路區及一感測元件區；一電路結構，形成於該基板上之該電路區內；以及一懸臂樑，設置於該感測元件區內，具有一端懸浮於該基板之上方以及另一端連接該電路結構，又該懸臂樑係由一支撐材料層及一壓阻材料層所組成，且該壓阻材料層係位於該支撐材料層之下方。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之CMOS微機電懸臂結構，其中該基板係為一矽基板。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之CMOS微機電懸臂結構，其中該支撐材料層係為一金屬層或一層氧化物層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之CMOS微機電懸臂結構，其中該壓阻材料層係為一多晶矽層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之CMOS微機電懸臂結構，其中該基板更包含一凹陷區，設置於該感測元件區內，並且自該基板之表面向其內部凹陷。
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