TWI783338B - 互補金氧半微機電感測器晶片的製造方法及其裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種互補金氧半微機電感測器晶片的製造方法及其裝置，包括以下步驟：提供一矽基板; 形成複數個淺溝槽隔離氧化物於矽基板的內部及上表面; 分別形成一多晶矽層於一淺溝槽隔離氧化物的部份上表面; 形成一微機電結構於矽基板、氧化物及多晶矽層的上表面; 進行光刻製程以在微機電結構中形成貫穿微機電結構的複數個垂直溝槽; 以及對垂直溝槽和氧化物下方的矽基板進行蝕刻，以形成一護城壕空間，藉此懸空微機電結構。因此，本發明的製造方法使用淺溝槽隔離氧化物來提供保護給多晶矽層，使其在蝕刻步驟進行時不會受到侵蝕。
Description
本發明有關於一種感測器晶片，尤指應用互補金氧半積體電路製程和微機電微加工程序來製造的互補金氧半微機電感測器晶片及其製造方法。
積體電路(integrated circuit,IC)和其他半導體器件是被廣泛使用的電子器件，在當今世界上幾乎不受限制地應用。近年來，半導體積體電路行業經歷了快速的增長。積體電路材料和設計的技術進步已經產生了幾代IC，其中每一代都比上一代具有更小，更複雜的電路。在IC發展的過程中，功能密度，亦即每個晶片區域的互連器件的數量，通常也增加了，而幾何尺寸，亦即可以使用製造工藝製造的最小部件也減小了。
最近已經開發了微機電系統(MEMS)設備。MEMS設備包括使用半導體技術製造以形成機械和電氣特徵的器件。MEMS裝置在加速度計、流量計、壓力感測器、麥克風、致動器、微鏡片、溫度感測器和/或印表機噴嘴中實現。
MEMS的最終目標是繼續不斷小型化、擴展功能、降低成本、提高性能和可靠性。MEMS的目的要求將機械結構與製造好的電子設備直接集成在CMOS(互補金屬氧化物半導體，簡稱互補金氧半)中。在過去的幾十年中，憑藉個人技術和支持工具的突破，業界已經付出了巨大的努力來將MEMS結構
與集成電路(IC)集成在單個CMOS基板上，即所謂的互補金氧半微機電(CMOS-MEMS)集成。
互補金氧半微機電(CMOS-MEMS)是一種微機械系統，其中微機電(MEMS)器件與互補金氧半(CMOS)集成在一起單個晶片上的電路以實現小型化和性能改善。現在已經有一些應用互補金氧半微機電技術來製作的感測器晶片的研究成果被提出。例如，Hsin-Hsiung Wang等人在2006年IEEE微機電系統國際會議上發表的報告“Micro Pressure Sensors of 50μM Size Fabricated by a Standard CMOS Foundry and a Novel Post Process”,Proceedings of the IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS)2006,pp.578-581，裡面提出了一種採用CMOS後段製程處理程序的方式，研製微型壓阻式壓力感測器的陣列。請參見圖1A至圖1D，其顯示該文獻所提出的壓力感測器的製作程序。如圖1A所示，我們先以例如臺灣積體電路製造股份有限公司(TSMC)所開發的0.35微米(0.35μm)2P4M(2-poly-4-metal，亦即二個多晶矽層-四個金屬層)CMOS-MEMS製程來製作一個互補金氧半微機電感測器，其包括一個矽基板10；二個多晶矽層14，沈積於矽基板10的上表面；一個介電層12，較佳者為二氧化矽所組成，形成於矽基板10以及多晶矽層14的上表面；以及複數個金屬層16a,16b，形成於多晶矽層14以及介電層12的上表面。如圖1B所示，接著採用溼式蝕刻(wet etching)的步驟，將作為犧牲層的金屬層16a,16b給全部移除，所形成的半導體結構顯示於圖1C。接著，如圖1C所示，利用氫氧化鉀(KOH)溶液或四甲基氫氧化銨溶液(TMAH)溶液作為蝕刻媒介，從前方對矽基板10進行非等向性蝕刻，而蝕刻出一個下凹的空腔體18，再進行烘烤作業來製造出壓力感測器，
其中空腔體18乃是作為壓力感測器的空腔結構。所形成的半導體結構顯示於圖1D。最後再對製造完成的壓力感測器進行封裝而完成所有製程。
儘管該文獻中首次提出了從CMOS晶片前方成功蝕刻出微機電懸空結構，但是後續在對運用該文獻所製成的壓力感測器進行壓力測試後，卻發現到測試結果為失敗。根據實驗研析顯示，測量出來的壓電阻阻值從1k歐姆飆高到接近斷路之Mega歐姆範圍，因此可以判斷出多晶矽層14應該已經在從前方對矽基板10進行非等向性蝕刻的步驟中，被氫氧化鉀(KOH)溶液或四甲基氫氧化銨溶液(TMAH)溶液等蝕刻溶液所侵蝕。即使是以電漿或矽蝕刻氣體為蝕刻媒介的等向性的乾蝕刻來取代非等向性蝕刻的步驟，多晶矽層14還是會因為曝露在蝕刻環境中而受損，而無法完成完整的互補金氧半微機電感測器結構。
因此，便有需求在互補金氧半微機電感測器的製程中，提供保護給多晶矽層，使其免於在蝕刻護城壕空間的步驟中遭到蝕刻媒介的侵蝕而受損，從而完成一個完整且能夠正常運作的互補金氧半微機電感測器。本發明可以滿足這個需求。
本發明之目的為提供一種感測器晶片，其以互補金氧半積體電路製程和微機電微加工程序來製作，而能夠提供保護給感測器晶片中作為感測結構的多晶矽層，使其免於蝕刻護城壕空間的步驟中受到蝕刻媒介的侵蝕而受損。
為達成此目的，本發明提出一種互補金氧半微機電感測器晶片的製造方法，包括以下步驟：提供一矽基板；形成複數個氧化物於該矽基板的內部及上表面；分別形成一多晶矽層於該氧化物的部份上表面；形成一微機電結構於該矽基板、該複數個氧化物及該多晶矽層的上表面；進行光刻製程以在該微機電
結構中形成貫穿該微機電結構的複數個垂直溝槽；以及對該垂直溝槽及該氧化物下方的矽基板進行蝕刻，以形成一護城壕空間，藉此懸空該微機電結構。
根據本發明的較佳實施例，該形成一氧化物於該矽基板的內部及上表面的步驟，係以淺溝槽隔離製程來完成。
根據本發明的較佳實施例，該形成一微機電結構於該矽基板、該複數個氧化物及該多晶矽層的上表面的步驟，更包括下列步驟：形成一第一介電質層於該矽基板、該氧化物以及該多晶矽層的上表面；以及形成一第二介電質層於該第一介電質層的上表面，並且在該第二介電質層內部的預定位置上，沈積複數個金屬層，其中該多晶矽層位於該複數個金屬層的下方。
根據本發明的較佳實施例，該複數個金屬層的數目為六。
根據本發明的較佳實施例，在該進行光刻製程以在該微機電結構中形成貫穿該微機電結構的複數個垂直溝槽的步驟前，更包括以下步驟：形成一二氧化矽層於該第二介電質層的部份上表面，其中該複數個金屬層以及該多晶矽層位於該二氧化矽層的下方，且該二氧化矽層的底面積大於該多晶矽層以及該複數個金屬層的底面積；形成一氮化矽層於該二氧化矽層的上表面；以及塗布一光阻層於該第二介電質層以及該氮化矽層的上表面。
本發明的令一個實施態樣為利用本發明所提出的互補金氧半微機電感測器晶片的製造方法所製造的互補金氧半微機電感測器晶片，其可為一流速計、一壓力感測器、一加速度感測器、一紅外線感溫計的其中之一種。
本發明將由以下詳細說明與所附圖式而充分瞭解，但其僅作為說明，且並不因此構成對本發明之限制。
10:矽基板
12:介電層
14:多晶矽層
16a:金屬層
16b:金屬層
18:空腔體
20:矽基板
21a-21e:淺溝槽隔離氧化物
22a-22e:多晶矽層
23:第一介電質層
24a-24f:金屬層
25:第二介電質層
25a-25e:二氧化矽層
26a-26e:氮化矽層
27:光阻層
28a-28d:垂直溝槽
29:護城壕空間
31:中央加熱器
32:熱阻式感測器
33:熱阻式感測器
501:平板上的強制熱對流
502:電阻式熱偵測器
503:橋式電路
61:中央加熱器
62:第一橋式電路
63:第二橋式電路
圖1為用來圖例說明習知互補金氧半微機電壓力感測器技術的製造方法的剖面圖。
圖2A-圖2H為用來圖例說明根據本發明的較佳實施例的互補金氧半微機電感測器晶片的製造方法的剖面圖。
圖3顯示本發明的應用實施例的一般熱感應式流速計的感測原理。
圖4顯示本發明的應用實施例的感測器電阻值隨著溫度的變化。
圖5顯示本發明的應用實施例的流速感測器的信號傳輸方塊圖。
圖6顯示本發明的應用實施例的流速感測器的電路配置。
圖7顯示本發明的應用實施例的理論預測之流速計輸出電壓對應流速關係。
圖8顯示利用顯微鏡觀察本發明的微機電熱電阻與淺溝槽隔離氧化物的微結構的橫斷面。
圖9顯示本發明的應用實施例的流速計打線封裝後的俯視圖。
圖10顯示本發明的應用實施例的流速計的設計布局。
圖11顯示圖10的對應之電阻腳位編號。
圖12顯示本發明的應用實施例的流速計利用低速風洞，進行流速計輸出校正後的電壓對應流速關係。
為使貴審查委員方便了解本發明之內容，及所能達成之功效，茲配合圖式列舉具體實施例，詳細說明如下。
本發明的互補金氧半微機電感測器晶片的製造方法的較佳實施例，將在底下配合圖2A至圖2H的剖面圖來做詳細說明。如圖2A所示，首先，提
供一個矽基板20，其係為一個互補金氧半晶圓(CMOS wafer)。接著，如圖2B所示，我們應用淺溝槽隔離(shallow trench isolation,STI)製程於矽基板20，以形成複數個淺溝槽隔離結構，其由複數個淺溝槽隔離氧化物21a-21e所組成，形成在矽基板20的內部及上表面。至於淺溝槽隔離製程，其係為半導體業界所廣泛採用的互補金氧半積體電路的標準製造程序，在此不予以贅述。
接下來，如圖2C所示，在淺溝槽隔離氧化物21a-21e的部份上表面，分別形成一個多晶矽層22a-22e。接著，如圖2D所示，在矽基板20、淺溝槽隔離氧化物21a-21e以及多晶矽層22a-22e的上表面沈積一個第一介電質層(first interlayer dielectric,first ILD)23，其覆蓋了淺溝槽隔離氧化物21a-21e和多晶矽層22a-22e。
接著，如圖2E所示，在形成第一介電質層23後，接著沈積一第二介電質層(second interlayer dielectric,second ILD)25於第一介電質層23的上表面，並且在第二介電質層25內部的預定位置上，沈積六個金屬層24a-24f，其中多晶矽層22a-22e位於金屬層24a-24f的下方，藉此形成一個1P6M(1-poly-6-metal，亦即一個多晶矽層-六個金屬層)的微機電結構。較佳者，我們可採用聯華電子股份有限公司(UMC)所開發的0.18微米(0.18μm)CMOS-MEMS製程來形成微機電結構。並且在形成第二介電質層25以及沈積複數個金屬層24a-24f後，形成一個二氧化矽層25a-25e於第二介電質層25的部份上表面，其中金屬層24a-24f以及多晶矽層22a-22e位於二氧化矽層25a-25e的下方，且二氧化矽層25a-25e的底面積大於多晶矽層22a-22e以及金屬層24a-24f的底面積。接著，形成一個氮化矽層26a-26e於二氧化矽層25a-25e的上表面。
接著，如圖2F所示，在第二介電質層25以及氮化矽層26a-26e的上表面，塗佈一個光阻層27。接著，我們對微機電結構進行光刻程序，以便在第一介電質層23以及第二介電質層25內部形成貫穿第一介電質層23以及第二介電質層25的複數個垂直溝槽28a-28d，並且移除剩餘的光阻層27、二氧化矽層25a-25e以及氮化矽層26a-26e，而形成如圖2G所示的半導體結構，其中光刻程序中的蝕刻步驟為非等向性的乾蝕刻程序。
最後，如圖2H所示，接下來進行等向性乾蝕刻程序，來掏空垂直溝槽28a-28d和淺溝槽隔離氧化物21b-21e的下方的矽基板20的一部份，而形成一個護城壕空間(moat)29，使得微機電結構變成一個懸空結構(suspension structure)，如圖2H所示。須注意的是，形成護城壕空間(moat)29的蝕刻步驟，較佳者可以採用二氟化氙(XeF2)的矽蝕刻氣體來進行。
須注意的是，淺溝槽隔離在CMOS電路的原始功能，如同護城河，其中的淺溝槽隔離氧化物具有明顯的厚度，用來有效橫向隔絕MOS電晶體，使得MOS電晶體彼此之間不會產生寄生電容，避免發生電晶體鎖扣(latch-up)現象。因為讓淺溝槽隔離氧化物的位置與多晶矽層相近，便可以將其拿來當作多晶矽層的下方保護，而能夠有效抵擋微機電結構製程後的蝕刻。但是淺溝槽隔離氧化物的標準橫向位置，是在MOS電晶體與MOS電晶體之中間，而非位於MOS電晶體的多晶矽閘極的下方。本發明的互補金氧半微機電感測器的製作，乃是將淺溝槽隔離氧化物21a-21e的位置設置在多晶矽層22a-22e的下方，再進行微機電結構的製作。如此一來，便可以讓淺溝槽隔離氧化物21a-21e作為多晶矽層22a-22e的保護層，來保護多晶矽層22a-22e避免在蝕刻護城壕空間的步驟中受到蝕刻媒介的侵蝕而受損。換言之，在CMOS電路部位與CMOS微機電感測器部位並不重疊
之前提下，本發明在CMOS微機電感測器部位，將淺溝槽隔離氧化物置於多晶矽層之下方，並不更動CMOS電路部位原本淺溝槽隔離氧化物在MOS電晶體與MOS電晶體之中間的配置，故不會影響CMOS電路部位之正常運作，而完成一個完整且可以正常運作的互補金氧半微機電感測器。
底下舉出本發明的互補金氧半微機電感測器晶片的應用實施例。
本發明的互補金氧半微機電感測器晶片，可以作為多種感測元件的感測結構，例如壓力感測器、速度計、流速計(流速感測器)等等。在此以本發明的互補金氧半微機電感測器的製造方法下線代工，製作出來微機電流速感測器為例子。本應用實施例係呈現基於熱電阻式感測元件對流熱傳的原理。在許多流量感測方法中，熱電阻式流速感測器具有簡單實現的結構。由於本類型感測器之電阻對應溫度關係是穩定且一致的，因此在固定加熱通量下測量感測元件半電橋電壓輸出，可反推空氣流速，並具有可接受之精確度。感測器布局之圖層設計是使用標準的電路設計軟體，例如，CADENCE完成的。
請參見圖3，其顯示一般熱感應式流速計的感測原理。一般的流速計包括一中央加熱器31、一個上游熱阻式感測器32，以及一個下游熱阻式感測器33。中央加熱器31為一個加熱平板，其係用來將熱導入流體流動(fluid stream)中。上游熱阻式感測器32以及下游熱阻式感測器33係用來感測溫度的變化，藉此根據上游熱阻式感測器32以及下游熱阻式感測器33的溫度差異，計算出流體流速。熱感應式的流速計具有無可動件之優點，容易縮小化，可方便整合於微機電的設計與製程中。本發明將熱熱阻式感測器32及熱阻式感測器33與中央加熱器31的材料設定為均是互補金氧半微機電感測器晶片中之多晶矽層22a-22e，因為其材
料特性穩定不老化。在妥善設計之後，可實現對溫度變化和不同流動特性的高靈敏度。
已知感測器材料之電阻溫度係數(temperature coefficient of resistance；TCR)定義為TC1與TC2，與溫度關係如下： R(T)=R 0 +△R R(T)=R 0 ．[1+TC 1 ．(T-25)+TC 2 ．(T-25) 2 ] (公式1)
其中R0為室溫電阻，T為元件溫度(element temperature)，TC1為上游熱阻式感測器32的電阻溫度係數，其為3.118×10-3(for polysilicon)，TC2為下游熱阻式感測器33的電阻溫度係數，其為-1.325×10-7(for polysilicon)。感測器電阻值隨著溫度的變化顯示於圖4。
請參見圖5，其顯示流速感測器的信號傳輸方塊圖。如圖5所示，元件號碼501代表中央加熱器31(顯示於圖3)的強制熱對流，元件號碼502代表感測溫度變化的電阻式熱偵測器，元件號碼503代表橋式電路。作用原理為，當空氣流速增加時，電阻式熱偵測器502電阻值減小；隨著溫度變化，感測器502之電阻值也跟著變化；最後使橋式電路503產生不平衡從而輸出電壓。
假設低流速層流(laminar)情形，根據著名邊界層理論(Boundary layer theory)，在平板固定加熱通量q”作用下，溫差△T與流速U ∞關係如下：
熱通量q”(heat flux)表示如下：
其中△T代表溫度變化，K f 代表流體的熱傳導率，P r 代表普朗特數，q"代表熱通量，R h 代表加熱器電阻(單位為歐姆)，S代表感測器的橋式區域面積，
T S 代表表面溫度，T ∞代表週邊流體溫度，U ∞代表流體的自由流動速度，V代表電源供應(單位為伏特)，v代表流體的黏度(單位為m2/s)，x為晶片上由感測器所佔據的感測器電橋長度。
基於加熱平板熱對流理論，流速感測器之電路配置如圖6。如圖6所示，此電路包括中央加熱電阻(heater)61與前後兩對半橋式電阻感測模組62及63，其中各有一個電阻(R 0 +△R)會隨流速對流溫度變化△T帶來電阻變化△R。為了區隔出不受流速影響的電阻R 0 與受影響的電阻(R 0 +△R)，固定電阻R 0 擺設在遠離流速影響的矽基板20的位置，電阻(R 0 +△R)則要刻意地放在容易被流速影響的微機電懸空結構上。
有關半橋電路的輸出的公式如下：
結合上述公式(1)~(4)，得出理論預測之流速計輸出電壓對應流速關係如圖7。商用流速感測器之靈敏度(sensitivity)應在±10mV/(m/s)/1V bias的範圍，非線性度(non-linearity)則需小於±1%。
本發明的應用於流速計的應用實施例，後續相關測試結果說明如下：
圖8顯示利用共軛雷射顯微鏡(confocal microscope)與光學顯微鏡，觀察本發明的微機電熱電阻與淺溝槽隔離氧化物的微結構的橫斷面。如圖8所示，在經過微機電後製程處理之後，上述微結構均完整保留下來。圖9顯示本發明的應用實施例的流速計打線封裝後的俯視圖。
本發明的應用實施例的流速計的設計布局顯示於圖10，對應之電阻腳位編號顯示於圖11。如圖11所示，腳位編號(1)~(5)為具有懸空中央熱隔絕板，
或是指定微機電製程區域(MEMS area)的流速計元件部分。腳位編號(6)~(10)為沒有微機電製程區域的流速計對應元件(dummy devices)，不隨流速而變動電阻值，可與腳位編號(1)~(5)合組半電橋進行電壓輸出。以腳位編號(1)~(5)為例，腳位編號(1)與(2)代表上游熱電阻接腳，腳位編號(4)與(5)代表下游熱電阻接腳，腳位編號(3)為中央加熱電阻。
下面列示的表1顯示所有電阻之量測值，其會稍低於設計值。腳位編號(3)與(8)之加熱器均為9.6K(設計值10K)，電阻誤差4%；其餘熱電阻之平均值為932ohm(設計值1K)，電阻誤差6.8%。
接著，我們利用低速風洞(尺寸為30cm×30cm×100cm)，進行流速計輸出校正。圖12顯示本發明的應用實施例的流速計利用低速風洞，進行流速計輸出校正後的電壓對應流速關係。如圖12所示，兩條曲線各代表上游與上游的流速感知情形。由圖可知，二者輸出斜率一致，未經濾波放大之訊號靈敏度均為0.2mV/(m/s)/1.8V bias，輸出線性度良好。此外，我們可再增加電壓放大電路到感測器晶片中，以輕易達到10mV/(m/s)/1V bias的商用靈敏度要求。
綜合上述，將本發明的互補金氧半微機電感測器晶片用來研製流速計，目標設定在輸出可隨流速變動且清楚辨認之訊號。由圖4的量測數據可以看出，本發明的感測器晶片均顯示測試結果成功達標，代表本發明採用淺溝槽隔離氧化物保護多晶矽感測結構的作法，確實是可行的。
以上說明內容僅為本發明的一較佳實施例，其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、結構、材質、特徵及精神所為之等同變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
20:矽基板
21a-21e:淺溝槽隔離氧化物
22a-22e:多晶矽層
23:第一介電質層
24a-24f:金屬層
25:第二介電質層
28a-28d:垂直溝槽
29:護城壕空間
Claims (6)
- 一種互補金氧半微機電感測器晶片的製造方法，包括以下步驟：提供一矽基板；形成複數個淺溝槽隔離氧化物分別獨立分散於該矽基板的內部及上表面的結構；分別形成一多晶矽層於該淺溝槽隔離氧化物的部份上表面，分別獨立分散的該淺溝槽隔離氧化物的位置設置在該多晶矽層的下方的淺溝槽隔離製程，是形成避免被蝕刻的該多晶矽層的保護層；形成一微機電結構於該矽基板、分別獨立分散的該複數個淺溝槽隔離氧化物及該多晶矽層的上表面；進行光刻製程以在該微機電結構中形成貫穿該微機電結構的複數個垂直溝槽；以及對該垂直溝槽及分別獨立分散的該淺溝槽隔離氧化物下方的該矽基板進行蝕刻，以形成一護城壕空間，藉此懸空該微機電結構。
- 如請求項1所述之互補金氧半微機電感測器晶片的製造方法，其中該形成一微機電結構於該矽基板、該複數個淺溝槽隔離氧化物及該多晶矽層的上表面的步驟，更包括下列步驟：形成一第一介電質層於該矽基板、該淺溝槽隔離氧化物以及該多晶矽層的上表面；以及形成一第二介電質層於該第一介電質層的上表面，並且在該第二介電質層內部的預定位置上，沈積複數個金屬層，其中該多晶矽層位於該複數個金屬層的下方。
- 如請求項2所述之互補金氧半微機電感測器晶片的製造方法，其中該複數個金屬層的數目為六。
- 如請求項2所述之互補金氧半微機電感測器晶片的製造方法，其中在該進行光刻製程以在該微機電結構中形成貫穿該微機電結構的複數個垂直溝槽的步驟前，更包括以下步驟：形成一二氧化矽層於該第二介電質層的部份上表面，其中該複數個金屬層以及該多晶矽層位於該二氧化矽層的下方，且該二氧化矽層的底面積大於該多晶矽層以及該複數個金屬層的底面積；形成一氮化矽層於該二氧化矽層的上表面；以及塗布一光阻層於該第二介電質層以及該氮化矽層的上表面。
- 一種由請求項1-4所述之互補金氧半微機電感測器晶片的製造方法所製造的互補金氧半微機電感測器晶片。
- 如請求項5所述之互補金氧半微機電感測器晶片，其係為一流速計、一壓力感測器、一加速度感測器、一紅外線感溫計的其中之一種。
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