CN1468798A

CN1468798A - 微悬浮结构的制造方法

Info

Publication number: CN1468798A
Application number: CNA021262470A
Authority: CN
Inventors: 邱景宏; 蔡柏豪; 郭乃豪; 颜凯翔; 林瑞进
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2004-01-21

Abstract

本发明涉及一种微悬浮结构的制造方法，利用集成电路布局的方法在基板表面依次形成所需的多层线路结构、牺牲层、微结构与介电层；同时在微结构表面的介电层和预进行蚀刻的牺牲层之间需堆栈出金属信道，再将金属移除形成蚀刻信道，最后经由蚀刻信道去除牺牲层使微结构悬空以形成微悬浮结构；本发明可节省大量的光微影步骤以及易于整合至现有制造，利用现有的集成电路制造设备即可完成微悬浮结构的制造。

Description

微悬浮结构的制造方法

技术领域

本发明涉及一种微悬浮结构的制造方法，特别涉及一种容易整合至现有集成电路制造的微悬浮结构的制造方法。

背景技术

随着科技的进步，将微机电组件整合至单一芯片上的制造为现今产业趋势。才能解决数组式的微机电组件大量输出端与输入端彼此连接的问题。同时，微机电组件包括了传感器和致动器，皆需要建构在悬浮结构上才能获得较佳的性能。致动器需要建构在悬浮薄膜上以提高震动频率与提供活动空间进行小角度的变形；将数组式的传感器建立于悬浮结构则可提高集成度以得到较高的灵敏度与较短的反应时间。

此外，有部分组件则需要与基板隔离以提升效能。如通讯电感与基板隔离可减少在基板上产生涡电流而降低品质系数，微加热平台则可减少热量传导至基板所产生的热量损失。

因此，发展出以微机电(MEMS，micro electro-mechanical system)技术并应用牺牲层(sacrificial layer)的概念来制造悬浮结构的制造方法。然而应用此方法在集成电路制造完成以后，还需要经过微机电后制造过程如蚀刻、镀膜或是电镀，才能使微机电组件发生其功能。如J Buhler等人于1995年在Sensors and Actuators期刊所发表的文章“Thermally actuated CMOSmicro-mirrors”中所提出的制造过程，其利用湿蚀刻及临界点干燥技术去除金属间的介电层、场氧化层与结构下方的硅基板以形成悬浮结构。利用这种方法需要配合黄光制造并通过湿蚀刻或是干蚀刻来去除不要的部分，因此在进行微机电后制造过程的同时容易破坏已存在的集成电路，增加了制造的困难与复杂度，也提高了生产的成本。

发明内容

鉴于以上现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种微悬浮结构的制造方法，利用集成电路的布局技巧以及后续的蚀刻步骤就可以形成微悬浮结构。

为达上述目的，本发明所提供的微悬浮结构的制造方法，其步骤包括有：首先，提供一基板，其基板表面系具有一牺牲层；然后，在牺牲层表面建立一微结构与贯穿微结构的一金属信道；再于微结构表面形成一介电层，此介电层系于金属信道的顶端形成开口；并且对金属信道进行湿蚀刻以形成由介电层通至牺牲层的蚀刻信道；然后使蚀刻液进一步经由此蚀刻信道蚀刻牺牲层，使微结构悬空以成为一微悬浮结构。本发明通过选择适当的牺牲层材料，仅需一次的蚀刻步骤即可形成微悬浮结构。

其中，配合各种不同的组件及制造上的需要，牺牲层可由一层以上的金属层所组合而成，而金属层材料为铝、铝合金和钛所组成的金属层。或者，其牺牲层可由一层以上的金属层与一层以上的连接层所组成，其连接层材料可选自钨、氮化钛和钛其中之一。同时，介电层的材料可为二氧化硅；微结构也可为内藏金属电极线路的二氧化硅结构，以及其基板还可包括一集成电路芯片。

此外，基于相同的原理与方法，本发明还包括一种微悬浮结构的制造方法。此方法是以部分的硅基板作为牺牲层直接于硅基板上制造悬浮结构，因此，不需要在硅基板上另外形成牺牲层。其步骤包括有：先提供一基板；然后，在基板表面建立一微结构与贯穿微结构的金属信道；并且于微结构表面形成介电层，此介电层于金属信道的顶端形成一开口；再对金属信道进行蚀刻直至露出基板为止以形成蚀刻信道；最后，经由蚀刻信道蚀刻微结构下方的基板部分，使微结构悬空以成为一微悬浮结构。

其中，基板可选择硅基板；同时形成金属信道的材料可由铝、铜和铜铝合金组合而成；介电层的材料可为二氧化硅。特别是，蚀刻金属信道的步骤，其蚀刻方法可采用湿蚀刻；如选择湿蚀刻方法，其蚀刻液可为适当比例的硫酸蚀刻液。以及，蚀刻微结构下方的基板部分的步骤，其蚀刻方法则可选择湿蚀刻或是干蚀刻；其蚀刻液可为氢氧化钾(KOH)蚀刻液或是四甲基铵氢氧化物(TMAH，Tetramethyl Ammonium Hydroxide)蚀刻液。

使用本发明方法制造微悬浮结构相较于一般的微机电技术可节省大量的光微影制造步骤。本发明的微悬浮结构的制造方法，利用集成电路布局技巧来进行牺牲层或是硅基板的蚀刻，以形成微悬浮结构。并且可减少光阻的使用并且缩短制造时间，同时本发明更有易于整合至现有制造的优点。

有关本发明的特征与实作，配合附图作最佳实施例详细说明如下。

附图说明图1为本发明第一实施例的堆栈结构示意图；图2为本发明第一实施例形成的微悬浮结构的示意图；图3为本发明第一实施例的微结构的结构示意图；图4为本发明第二实施例的堆栈结构示意图；图5为本发明第二实施例的蚀刻流程示意图；及图6为本发明第二实施例形成的微悬浮结构的示意图。标号说明100 基板110 二氧化硅层120 复晶硅层121 第一金属层122 第二金属层123 第三金属层124 第四金属层125 第五金属层126 第六金属层140 连接层(via4)150 连接层(via5)160 微结构170 介电层200 硅基板210 微结构220 金属信道221 蚀刻信道230 介电层

具体实施方式

本发明所公开的微悬浮结构的制造方法，是利用集成电路布局的方法在微结构表面的介电层和欲进行蚀刻的牺牲层之间堆栈出金属信道，再将金属移除形成蚀刻信道，最后经由蚀刻信道去除牺牲层使微结构悬空以形成微悬浮结构。本发明在形成微结构与其金属信道之前，可在基板表面先形成所需的多层线路结构，然后再堆栈数层金属层作为牺牲层。或是直接以微结构下方的基板部分作为牺牲层，于基板上方建立微悬浮结构。

为更详细说明本发明，请参考图1，其为本发明第一实施例的堆栈结构示意图。本发明第一实施例是应用于一层复晶硅六层金属(Single poly Sixthmetal，1P6M)的互补性金氧半(Complementary Metal-0xide Semiconductor，CMOS)制造，其堆栈结构是在基板100表面形成所需的多层线路结构，其包括复晶硅层120、第一金属层121、第二金属层122、第三金属层123以及间隔其间的二氧化硅层110；其上方的第四金属层124、连接层(via4)140和第五金属层125作为牺牲层；牺牲层上方则为微结构160以及贯穿微结构160的金属信道，金属信道由连接层(via5)150和第六金属层126所形成；以及覆盖于微结构160表面的二氧化硅介电层170，形成介电层170的时需在其金属信道的上方形成开口。

再进行本发明第一实施例的蚀刻步骤，首先，对金属信道进行蚀刻以形成由介电层170通至牺牲层的蚀刻信道；同时，蚀刻液再经由此蚀刻信道来蚀刻牺牲层，使微结构160悬空即成为一微悬浮结构。仅经一次蚀刻制造即可完成微悬浮结构；完成蚀刻结果如图2所示，其为本发明第一实施例形成的微悬浮结构的示意图。

本发明第一实施例可特别应用于制作具有电极的微悬浮结构。如图3所示，其为本发明第一实施例的微结构的结构示意图。其中，于制造过程中制作第六金属层126时，有一部分包括于微结构160内部形成内藏金属电极的微结构160。在使微结构160悬空成为一微悬浮结构之后，去除其表面的介电层170。即可使第六金属层126所形成的金属电极裸露出来形成具有电极的微悬浮结构；并可直接于电极表面加上感测材料作为传感器。应用本发明实施例所制造的具有电极的微悬浮结构，其电极于制造金属信道时一并形成，可节省大量的制造步骤。

其中，本发明配合各种不同的组件及制造上的需要，牺牲层可由一层以上的金属层所组合而成，而金属层可由铝、铝合金和钛所组合而成。或者，牺牲层可由一层以上的金属层与一层以上的连接层所组成，以堆栈的层数决定微悬浮结构的悬浮高度；其连接层材料可为钨、氮化钛和钛所组合而成。同时，为达成各种功能，其基板更可包括一集成电路芯片。

此外，本发明也可直接以微结构下方的基板部分作为牺牲层，于基板上方建立微悬浮结构。请参考图4，其为本发明第二实施例的堆栈结构示意图，其结构为在硅基板200表面建立一微结构210与贯穿微结构210的金属信道220；并且于微结构210表面形成二氧化硅的介电层230，此介电层230于金属信道220的顶端形成开口。

然后开始进行蚀刻步骤，请参考图5，其为本发明第二实施例的蚀刻流程示意图。先利用硫酸(H₂SO₄)与过氧化氢(H₂O₂)的比例为二比一的蚀刻液，对金属信道220进行蚀刻直至露出硅基板200为止以形成蚀刻信道221。再参考图6，其为本发明第二实施例形成的微悬浮结构的示意图，最后，再以氢氧化钾蚀刻液经由蚀刻信道221来蚀刻微结构210下方的部分基板200，使微结构210悬空以成为一微悬浮结构。

其中，形成金属信道的材料可为铝、铜和铜铝合金所组合而成。特别是，蚀刻金属信道的步骤，其蚀刻方法可采用湿蚀刻或是干蚀刻；如选择湿蚀刻方法，其蚀刻液可为适当比例的硫酸蚀刻液。以及，蚀刻微结构下方的基板部分的步骤，其蚀刻方法如选择湿蚀刻；其蚀刻液可为氢氧化钾(KOH)蚀刻液或是四甲基铵氢氧化物(TMAH，Tetramethyl Ammonium Hydroxide)蚀刻液。

利用本发明的微悬浮结构的制造方法，可以节省大量的光微影步骤。仅需于集成电路布局完成之后再进行蚀刻制造就可形成微悬浮结构。同时，在蚀刻进行中皆以介电层覆盖住集成电路与微机电组件部分，可防止蚀刻对电路和组件造成伤害。再加上其蚀刻金属信道的步骤反应速度快且易于观察其蚀刻终止点，可节省制造时间；此外，蚀刻金属信道时，不会对微结构产生侧蚀的现象，使得可用面积加大。以及，本发明易于整合至现有的制造过程，利用现有的集成电路制造设备即可完成微悬浮结构的制造。

虽然本发明已通过较佳实施例公开，然其并非用于限定本发明，任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作一些等效变化，因此本发明的保护范围以权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

提供一基板，该基板表面具有一牺牲层；

在该牺牲层表面建立一微结构与贯穿该微结构的一金属信道；

于该微结构表面形成一介电层，该介电层于该金属信道的顶端形成一开口；及

提供一蚀刻液对该金属信道进行湿蚀刻以形成一蚀刻信道，该蚀刻液系经由该蚀刻信道继续蚀刻该牺牲层，使该微结构悬空成为一微悬浮结构。

2.如权利要求1所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该牺牲层由一层以上的金属层所组成。

3.如权利要求2所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该一层以上的金属层为铝、铝合金和钛所组合而成。

4.如权利要求1所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该牺牲层由一层以上的金属层与一层以上的连接层所组成。

5.如权利要求4所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该一层以上的连接层为钨、氮化钛和钛所组合而成。

6.如权利要求1所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该介电层的材料为二氧化硅。

7.如权利要求1所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该基板还包括有一集成电路芯片。

8.如权利要求1所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该微结构具有一金属电极。

9.如权利要求8所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，还包括去除该微结构表面的介电层的步骤，使该金属电极裸露出来。

10.如权利要求8所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，还包括于该金属电极表面形成一感测材料层的步骤，以形成一微悬浮传感器。

11.一种微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

提供一基板；

在该基板表面建立一微结构与贯穿该微结构的一金属信道；

于该微结构表面形成一介电层，该介电层于该金属信道的顶端形成一开口：

对该金属信道进行蚀刻直至露出该基板为止以形成一蚀刻信道；及

经由该蚀刻信道蚀刻该微结构下方的该基板部分，使该微结构悬空以成为一微悬浮结构。

12.如权利要求11所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该基板为一硅基板。

13.如权利要求11所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该金属信道材料为铝、铜和铜铝合金所组合而成。

14.如权利要求11所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该介电层的材料为二氧化硅。

15.如权利要求11所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该对该金属信道进行蚀刻直至露出该基板为止以形成一蚀刻信道的步骤，其蚀刻方法为湿蚀刻。

16.如权利要求15所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该湿蚀刻方法的蚀刻液为适当比例的硫酸蚀刻液。

17.如权利要求11所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该经由该蚀刻信道蚀刻该微结构下方的该基板部分的步骤，其蚀刻方法为湿蚀刻与干蚀刻其中之一。

18.如权利要求17所述的微悬浮结构的制造方法，其特征在于，该湿蚀刻方法的蚀刻液为氢氧化钾蚀刻液、四甲基铵氢氧化物蚀刻液及其混合液其中之一。