CN101734608B

CN101734608B - 微机电结构及其制造方法

Info

Publication number: CN101734608B
Application number: CN200810174526A
Authority: CN
Inventors: 陈振颐; 王钦宏
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2028-11-10
Also published as: CN101734608A

Abstract

一种微机电结构及其制造方法，其中该微机电结构包括一个基板以及位于基板上的至少一个悬空微结构。前述悬空微结构包括多层金属层、多层介电层以及至少一边缘金属壁。其中，多层介电层被夹在多层金属层的每相邻两层之间，而边缘金属壁则平行于悬空微结构的厚度方向并围绕多层介电层的边缘。上述边缘金属壁可阻挡工艺中的蚀刻液蚀刻介电层，而金属层复合介电层的结构则可以增加悬空微结构在厚度方向上的结构强度。

Description

微机电结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微机电结构(MEMS structure)及其制造方法，且特别是涉及一种结构强度(structural strength)高的微机电结构及其制造方法。

背景技术

现今集成电路技术蓬勃发展，借助成熟的互补MOS(complementary MOS)工艺技术来制作微机电结构成为具成本效益的途径，将电路直接和微机电结构直接整合在单一芯片具有减少焊垫(pad)面积、降低噪声与提升灵敏度的优点。

举例来说，电容式传声器(microphone)的结构是由布满声孔的背板与感测薄膜所构成，当声音的压力波作用到传声器时感测薄膜会相对于背板产生移动，使得背板和感测薄膜之间的电容值产生变化。由于声压本身属于微小的压力变化，因此传声器对于工艺精度和稳定性具有相当高的要求。

然而，目前使用互补MOS技术所形成的材料都是利用薄膜工艺，而导致单纯使用单一层互补MOS材料不足以提供足够结构强度供传声器背板使用。

发明内容

本发明提供一种微机电结构，包括基板以及位于基板上的至少一个悬空微结构。前述悬空微结构包括多层金属层、多层介电层以及至少一边缘金属壁。其中，多层介电层被夹在多层金属层的每相邻两层之间，而边缘金属壁则平行于悬空微结构的厚度方向并围绕多层介电层的边缘。这种金属层复合介电层的结构能增加悬空微结构在厚度方向上的结构强度。

本发明另提供一种微机电结构的制造方法，其中微机电结构包括至少一个预定形成悬空微结构的区域。这种制造方法包括提供一个基板，然后在基板上重复进行以下步骤a至步骤d：a)形成介电层；b)于介电层中形成多个金属壁，这些金属壁分别围绕上述区域；c)于介电层上形成金属层；以及d)图案化金属层，以露出区域内的部分介电层。在重复进行步骤a至步骤d之后，进行一道结构释放蚀刻工艺，以去除上述区域内的介电层，而形成悬空微结构。

本发明的结构因为可以利用如互补MOS薄膜材料般的形式构成，因此工艺精度高，后工艺步骤少。而且，本发明的金属壁可保护其中的介电层，因此可适用侧向蚀刻方式进行结构释放蚀刻工艺，所以能实现互补MOS技术制作微机电结构的成果。此外，本发明的制造方法可完全与互补MOS工艺相容，具有结合互补MOS读取电路形成片上系统(SoC)的能力。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图，作详细说明如下。

附图说明

图1为依照本发明的实施例的微机电结构的剖面示意图。

图2至图4则为图1的微机电结构的边缘金属壁以及内部金属壁的各种几何结构的俯视图。

图5A、5B-1、5C-1、5D与5E-1为依照本发明的另一实施例的微机电结构的工艺剖面图。

图5B-2、5C-2与5E-2则分别是图5B-1、5C-1与5E-1的俯视图。

图6A至图6C为依照本发明的制造方法应用于传声器结构的工艺剖面示意图。

附图标记说明

10：微机电结构 100、500、600：基板

102、118、512、518、524、530、536、608：金属层

104、504、514、520、526、532、602、610：介电层

104a：边缘 106、200、300、400：边缘金属壁

108、202、302、402a、402b：内部金属壁

110、540、620：悬空微结构 112：内金属介电层

114、502：多晶硅层 116：内层介电层

120：周边结构 506：开口

508、516、522a、522b、528、534、612：金属壁

510、614：区域 538、618：结构释放蚀刻工艺

604：硅芯片 606：感测薄膜

616：保护层

具体实施方式

本发明实施例提供一种微机电结构，以增加厚度方向上的结构强度，并提供一种微机电结构的制造方法，可简单制作出高深宽比结构。

图1为依照本发明的实施例的微机电结构的剖面示意图。

请参照图1，本实施例的微机电结构10包括基板100以及位于基板100上的悬空微结构110。在图1中仅显示一个悬空微结构110，但本发明不限于此。前述悬空微结构110包括金属层102、介电层104、边缘金属壁106。其中，介电层104被夹在金属层102之间，而边缘金属壁106则平行于悬空微结构10的厚度方向并围绕介电层104的边缘104a。另外，悬空微结构110还可包括位于介电层104内并平行于悬空微结构10的厚度方向的内部金属壁108，以保护当边缘金属壁106有蚀刻液渗入边缘金属壁106与内部金属壁108之间时，内部金属壁108所包围的介电层104免于被蚀刻。至于悬空微结构110中由金属层102复合介电层104的结构则可增加悬空微结构110在厚度方向上的结构强度。

请继续参照图1，在本实施例的微机电结构10中还包括与悬空微结构110相连的周边结构120。举例来说，整个悬空微结构110可以利用现有互补MOS工艺即可实施，所以周边结构120一般包括内金属介电层(IMD)112、多晶硅层114、内层介电层(ILD)116以及金属层118，并包含上述边缘金属壁106与内部金属壁108。

由于图1是微机电结构10的剖面图，所以在图1中并未显示周边结构120与悬空微结构110的相连处。

图2至图4则为图1的微机电结构的边缘金属壁以及内部金属壁的各种几何结构的俯视图。请参照图2至图4，悬空微结构中的边缘金属壁可以是封闭式(close type)的(如图2的200以及图4的400)，也可以是非封闭式(non-close type)的(如图3的300)。而悬空微结构中的内部金属壁也可为封闭式(如图2的202)、非封闭式(如图3的302)或者混合封闭与非封闭式的金属壁(如图4的402a与402b)。此外，边缘金属壁的几何图形可依照悬空微结构的图形作变化，如圆形(请见图2的200)、矩形(请见图3的300与图4的400)或不规则的几何图形。同样地，内部金属壁的几何图形也可根据想要加强结构强度的区域做出不同的图形设计，如圆形(如图2的202以及图4的402b)、矩形(如图3的302与图4的402a)或不规则的几何图形。

图5A至图5E-2为依照本发明的另一实施例的微机电结构的工艺示意图。其中，图5A、5B-1、5C-1、5D与5E-1是剖面图；图5B-2、5C-2与5E-2则分别是图5B-1、5C-1与5E-1的俯视图。

请参照图5A，本实施例的制造方法是先提供一个基板500，其中基板500可以是硅芯片，或者是配合互补MOS工艺而在硅芯片上已形成晶体管之类的构件，如本图中的多晶硅层502。然后，在基板500上形成一层介电层504，再于介电层504中形成多个开口506。

接着，请参照图5B-1与5B-2，在开口506填入金属材料，以形成多个金属壁508，这些金属壁508分别围绕微机电结构中预定形成悬空微结构的区域510。在本实施例中所形成的是非封闭式的金属壁508；但本发明并不限于此。

之后，请参照图5C-1与5C-2，在介电层504上形成一层金属层512，再图案化金属层512，以露出区域510内的部分介电层504。重复进行以上步骤一次，以形成介电层514、金属壁516与金属层518。然后，在基板500上继续形成介电层520，再于介电层520中形成金属壁522a与522b，之后于介电层520上形成一层金属层524，再图案化金属层524。在这个步骤所形成的有封闭式金属壁522a和非封闭式金属壁522b。

然后，为增加结构强度，请参照图5D，可重复进行图5C-1的步骤数次。以本图为例是再重复两次，因此又形成两层介电层526和532、两层金属壁528和534以及两层金属层530和536。

最后，参照图5E-1与5E-2，进行一道结构释放蚀刻工艺538，以去除区域510内的介电层504、514、520、526与532，而形成悬空微结构540。其中，结构释放蚀刻工艺538例如湿式蚀刻或干式蚀刻。由于在悬空微结构540中的介电层520、526与532的边缘有金属壁522a、528和534，所以能增加悬空微结构540在厚度方向上的结构强度；而在介电层520、526与532内部的金属壁522a、528和534则可在蚀刻液渗入悬空微结构540时，保护金属壁522a、528和534所包围的介电层520、526与532免于被结构释放蚀刻工艺538影响。

请参照图6A，先提供一个基板600，且其步骤例如是在已形成介电层602的硅芯片604上先形成感测薄膜606。然后，可配合互补MOS工艺，在硅芯片604的感测薄膜606上形成类似图5D的包括多层的金属层608、介电层610以及金属壁612，且预定于区域614形成悬空微结构。此外，在结构最上方形成有一层保护层616。

接着，请参照图6B，去除区域614内的硅芯片604的晶背。

然后，请参照图6C，进行一道结构释放蚀刻工艺618，以同时去除区域614内的介电层602与610和保护层，而形成悬空微结构620，仅于区域614内留下传声器结构的感测薄膜606。

除了以上的应用，本发明的结构还可应用于加速度计及微镜面结构等微机电结构，以增加整体结构强度，而不限于传声器结构。

综上所述，本发明的特点在于利用如互补MOS工艺般的方式，形式由多层金属层与金属壁包覆介电层的微机电结构，因此工艺精度高，后工艺步骤少。而且可适用侧向蚀刻方式进行结构释放蚀刻工艺。另外，本发明的制造方法可完全与互补MOS工艺相容，具有结合互补MOS读取电路形成片上系统的能力。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种微机电结构，包括：

基板；以及

至少一悬空微结构，位于该基板上，其中该至少一悬空微结构包括：

多层金属层；

多层介电层，夹在所述多层金属层的每相邻两层之间；以及

至少一边缘金属壁，平行于该悬空微结构的厚度方向并围绕该多层介电层的边缘，其中该边缘金属壁与该多层介电层所构成的结构能增加该悬空微结构在该厚度方向上的结构强度。

2.如权利要求1所述的微机电结构，其中该至少一边缘金属壁为封闭式或非封闭式的金属壁。

3.如权利要求1所述的微机电结构，其中该至少一边缘金属壁的几何图形包括圆形、矩形或不规则的几何图形。

4.如权利要求1所述的微机电结构，其中该悬空微结构还包括多个内部金属壁，位于该多层介电层内并平行于该悬空微结构的该厚度方向。

5.如权利要求1所述的微机电结构，还包括周边结构，与该至少一悬空微结构相连。

6.如权利要求4所述的微机电结构，其中所述内部金属壁为封闭式、非封闭式或混合封闭与非封闭式的金属壁。

7.如权利要求4所述的微机电结构，其中所述内部金属壁的几何图形包括圆形、矩形或不规则的几何图形。

8.如权利要求4所述的微机电结构，还包括周边结构，与该至少一悬空微结构相连。

9.如权利要求8所述的微机电结构，其中该至少一边缘金属壁还包括设置于该周边结构内。

10.如权利要求8所述的微机电结构，其中所述内部金属壁还包括设置于该周边结构内。

11.一种微机电结构的制造方法，其中该微机电结构包括至少一区域，该微机电结构的制造方法包括：

提供基板；

在该基板上重复进行以下步骤a至步骤d：

a)形成介电层；

b)于该介电层中形成多个金属壁，所述金属壁分别围绕该至少一区域；

c)于该介电层上形成金属层；以及

d)图案化该金属层，以露出该至少一区域内的部分该介电层；

进行结构释放蚀刻工艺，以去除该至少一区域内的该介电层，以形成悬空微结构。

12.如权利要求11所述的微机电结构的制造方法，其中该结构释放蚀刻工艺包括湿式蚀刻。

13.如权利要求11所述的微机电结构的制造方法，其中该结构释放蚀刻工艺包括干式蚀刻。

14.如权利要求11所述的微机电结构的制造方法，其中提供该基板的步骤包括于硅芯片上形成感测薄膜。

15.如权利要求14所述的微机电结构的制造方法，其中进行该结构释放蚀刻工艺之前，还包括去除该至少一区域内的该硅芯片。

16.如权利要求11所述的微机电结构的制造方法，其中于该介电层中形成所述金属壁的步骤包括形成封闭式的金属壁。

17.如权利要求11所述的微机电结构的制造方法，其中于该介电层中形成所述金属壁的步骤包括形成非封闭式的金属壁

18.如权利要求11所述的微机电结构的制造方法，其中于该介电层中形成所述金属壁的步骤包括形成混合封闭与非封闭式的金属壁。