同平面傳感器與制作方法

專利名稱：同平面傳感器與制作方法
技術領域：
本發明涉及一種同平面傳感器與制作方法，特別是一種能降低殘留應力對工藝影響的同平面傳感器與制作方法。
背景技術：
同平面傳感器的作用是感測兩電極間因平面距離變化所產生的電容值變化，以產生對應的訊號,其例如可應用于制作加速度計(accelerometer)或陀螺儀(gyro sensor) 等等。有關同平面傳感器或其制作方法的現有技術，例如可參閱美國專利第5，326，726號、 第 5，847，280 號、第 5，880，369 號、第 6，877，374 號、第 6，892，576 號。上述各現有技術都具有相同的問題，說明如下。請參閱圖1，此類微機電元件通常包含有一個或多個固定結構50和一個移動結構60，固定結構50包含多個固定臂(fixed finger) 52，每個固定臂52本身為懸浮，但藉由固定端58而固定，固定臂52之間彼此通過固定端58和連接部56而連接導通。固定端58固定于下方的基體(未示出)上。移動結構 60 則包含本體(proof mass) 62、延伸臂(extended finger 或 movable finger) 64、連接部66和固定端(anch0r)68。除固定端68(亦固定于下方基體上)之外，移動結構60的其它部份(包含本體62、延伸臂64、連接部66)是懸浮的，當整體元件運動時，移動結構60的懸浮部分相對于固定結構50會產生相對移動，使固定臂52和延伸臂64之間的距離發生改變，當固定臂52和延伸臂64分別為電容的兩電極時，其電容值即產生變化，因此，通過偵測該電容值變化，即可計算出運動的方向、速度、加速度等，其應用可視該微機電元件的設計目的而定。請參閱圖2 (此為從圖1的X-X剖面往右方視的所得的剖視圖)，由于固定臂52 和延伸臂64均為懸浮結構，在半導體工藝中很容易造成彎翹，此時固定臂52和延伸臂64 的重疊面積顯著降低，使有效電容值下降。因此，有必要針對此類微機電元件的結構進行改良，以降低工藝的影響度。

發明內容
本發明的第一目的在于克服現有技術的不足與缺陷，提出一種能降低殘留應力對工藝影響的同平面傳感器。本發明的第二目的在于，提出一種同平面傳感器的制作方法。為達上述目的，就本發明的其中一個觀點而言，提供了一種同平面傳感器，包含 一固定結構，此固定結構包括彼此連接的固定臂與固定端，該固定臂具有支撐端和懸浮端， 支撐端與固定端連接，懸浮端為懸浮；以及一移動結構，此移動結構至少包括彼此連接的本體與延伸臂，其中，該固定臂的支撐端比懸浮端更靠近本體。
再者，就本發明的另一個觀點而言，提供了一種同平面傳感器，包含一固定結構， 此固定結構包括彼此連接的固定臂與固定端，該固定臂具有支撐端和懸浮端，支撐端與固定端連接，懸浮端為懸浮；以及一移動結構，此移動結構至少包括本體、延伸本體與延伸臂， 本體和延伸本體通過延伸臂而彼此連接。上述兩種同平面傳感器中，該本體縱橫任一方向上的連續長度宜不大于一上限值，例如6(^111(微米) 100 μ m。上述兩種同平面傳感器中的移動結構可更包含有一彈簧，該彈簧宜在其較長的方向上具有至少一個曲折處。此外，為達上述目的，就本發明的另一個觀點而言，提供了一種同平面傳感器的制作方法，該同平面傳感器包含一固定結構與一移動結構，固定結構包括彼此連接的固定臂與固定端，且移動結構至少包括彼此連接的本體與延伸臂，制作方法包含提供一個基板， 在該基板上已沉積至少一層接觸層與至少一層金屬層，且已通過該至少一層接觸層與至少一層金屬層而形成該固定結構的固定端，此固定端為第一待蝕刻區域所圍繞；沉積并定義金屬層與通道層，以形成該固定結構的固定臂，及該移動結構的本體與延伸臂，所述固定結構的固定臂，及移動結構的本體與延伸臂，為第二待蝕刻區域所圍繞；以及去除該第一和第二待蝕刻區域。上述方法中，該第一和第二待蝕刻區域可一次去除，或分為兩或更多步驟去除。上述方法中，該去除該第一和第二待蝕刻區域的步驟可包含以下步驟沉積一層防護層；沉積一層硬屏蔽；定義該硬屏蔽與防護層的圖案；及蝕刻該第一和第二待蝕刻區域。以上步驟中，在定義該硬屏蔽與防護層的圖案后，可再沉積一層屏蔽。下面通過具體實施例詳加說明，當更容易了解本發明的目的、技術內容、特點及其所達成的功效。


圖1標出現有技術的同平面傳感器結構的一例；圖2說明現有技術的問題；圖3標出本發明的一個實施例；圖4說明本發明可解決先前技術的問題；圖5A、5B標出本發明的兩個實施例；圖6A、6B、6C標出本發明的三個實施例；圖7A-7H標出本發明的工藝實施例，其中圖第7A、7C、7E-7G為沿圖3中A—A剖面所得的剖面圖；圖7B、7D、7H為沿圖3中B--B剖面所得的剖面圖；圖8A-8C、圖9A-9C標出本發明的另兩個工藝實施例。圖中符號說明11第零層硅基板12a 接觸層12b-12f 通道層13a-13f 金屬層14氧化物區域(空心區域)
17氧化物區域(空心區域)18屏蔽18a防護層18b硬屏蔽18c光阻19屏蔽30固定結構32固定臂32a懸浮端32b支撐端38固定端40移動結構42本體43延伸本體44延伸臂45開孔46，46，彈簧(連接部)46a曲折處48固定部50固定結構52固定臂56連接部58固定端60移動結構62本體64延伸臂66連接部68固定端100,200,300 微機電區域
具體實施例方式本說明書的圖標均屬示意，其維度并未完全按照比例繪示。請參閱圖3，在本發明的第一實施例中，同平面傳感器的微機電結構100中包含有至少一個固定結構30和一個移動結構40。移動結構40包含本體42、延伸臂44、連接部46 和固定部48，彼此互相連接；其中本體42、延伸臂44、連接部46為懸浮結構，固定部48為固定結構，其意即，除固定部48固定于下方的基體(未示出)上之外，彼此連接的本體42、延伸臂44、連接部46為懸浮。在其中一個實施例中，連接部46為彈簧，可以彈性伸縮。固定結構30包含多個固定臂32，每個固定臂32本身為懸浮，其具有懸浮端3 與支撐端32b， 支撐端32b通過與固定端38連接而固定。至于各固定端38之間，則可借助底層基體或更上層的內聯機來互相導通(導通關系以虛線表示)。本發明特點之一在于，支撐端32b較懸浮端3 更接近本體42，且與本體42位于同一側，而懸浮端3 則位于另一側。因此如圖 4所示，即使因工藝問題造成彎翹，由于固定臂32的懸浮端3 和延伸臂44的外緣位于同一側，工藝造成的彎翹問題對兩者的影響度相近，因此固定臂32和延伸臂44仍具有相當大的重疊面積，不影響原先所設計的電容值。圖5A標出本發明的另一實施例，在本實施例中，同平面傳感器的微機電結構200 中同樣包含有至少一個固定結構30和一個移動結構40。本實施例的特點在于，移動結構 40除了包含本體42、延伸臂44、連接部46和固定部48之外，還包含了延伸本體43。由于延伸本體43的存在，使延伸臂44的兩端都與較大質量連接，因此可以增加質量。在本實施例中，固定臂32的支撐端32b可以與本體42位于同一側(如圖所示)，也可以與延伸本體 43位于同一側(未示)。本實施例結構中的其它部分與上一實施例相似，不另說明。圖5B標出本發明的又另一實施例，圖中省略繪示固定結構30，在本實施例的微機電結構300中，不但提供延伸本體43，且本體42和延伸本體43在縱向上都個別被分割成若干塊，不過所有的本體42和延伸本體43都連接在一起。縱向分割的作用是減低本體42 和延伸本體43在縱向上的連續長度，以減少彎翅，所述連續長度的上限例如可為60 μ m(微米) 100 μ m。圖6A標出本發明的再一實施例，圖中僅畫出本體42，其它部分省略。在本實施例中，本體42并非完整的一整塊質量塊，而是包含許多鏤空的大開孔45。開孔的第一個作用是在工藝上，便于蝕刻位于本體42下方的材料層；第二個作用是使質量塊在縱向、橫向、 或兩者上(本實施例中僅設計于縱向上)，不至于有連續過長的長度。詳言之，如圖6A所示，本體42的縱向長度Y被分成若干個段落Yl，Y2,...，每一個段落的縱向長度都限制在某個長度之下，其上限例如為60 μ m 100 μ m。此種安排方式的目的是減少彎翹，由于將連續長度限制在一預設長度之下，因此在該方向上彎翹的程度就可以降低。當然，開孔的位置并不局限于如圖6A所示，例如圖6B也同樣可行。圖6A、6B兩實施例中，長度限制僅設計于縱向上，但本領域技術人員自可在本發明的揭示后，自行應用于橫向、或縱橫向兩者上。且此種鏤空結構不僅可設計在本體42上，當然亦可設計在延伸本體43上。在以上各實施例中，彈簧46的結構并不限于圖3、5A、5B所示，例如請見圖6C，圖中對照顯示圖3、5A、5B所示的簡單彈簧結構(上方彈簧46，僅示出右半邊)，與較復雜型式的彈簧結構(下方彈簧46’，僅示出右半邊)，彈簧46’在彈簧46較長的方向上(圖中的X方向)，增設至少一個曲折處46a，以增加彈簧的實際有效長度。由此可降低彈簧的彈性系數， 增加傳感器的靈敏度。以下將參照圖7A-7H，并以圖3為例來說明本發明的同平面傳感器的工藝。需說明的是，以下工藝是以六層金屬工藝為例，但本發明當然并不局限于使用六層金屬工藝，其金屬層可為任何層數，且工藝當然可適用于圖5A、5B、6A、6B及所有在本發明概念下的結構。 請參閱圖7A、7B，其中圖7A為沿圖3中A--A剖面、圖7B為沿圖3中B--B剖面所得的剖面圖。在本實施例中首先提供一個第零層晶圓基板11，此基板11例如可為硅基板，以與CMOS 工藝兼容。接著在基板11上以CMOS工藝制作晶體管元件等(未示出)，再依序以沉積、微影、蝕刻等工藝制作內聯機，如圖7B中的接觸層12a，第一層金屬層13a，第一層通道層12b， 第二層金屬層13b，第二層通道層12c等，此時也同時制作出圖3中的固定端38。圖中所示的下方結構使用兩層金屬制作，其接觸層與通道層材料例如可使用鎢，且在沉積鎢之前可先沉積多晶硅或氮化層，金屬層材料則可使用鋁，介電材料可使用氧化物如二氧化硅。但當然，使用其它導電與介電材料來制作內聯機也是可行的，且金屬層數目當然也可以改變，圖標僅是舉例而已。各層與13a-13b的圖案中，包含重疊的氧化物區域14(第一待蝕刻區域)；微機電結構區域100之外的部份并未繪示，以求簡化圖面。氧化物區域14的材料例如可以使用二氧化硅。為求未來蝕刻氧化物區域14時不致損及其它區域，宜將氧化物區域14包圍在一個防護環(未示出)之內，該防護環可在各層與13a-i;3b形成圖案時一并形成。接下來在基板上方沉積若干層的內聯機結構，包括通道層12d_12f與金屬層 13c-13f。為了機電電路功能的需求，必須將某些區域彼此隔離，圖中舉例顯示以氧化物區域17來隔離，此氧化物區域17可在形成通道層12d-12f與金屬層13c-13f時一并形成。接續圖7A與7B，再請參閱圖7C與7D，在其中一種較佳實施型態中，可在基板上方沉積一層屏蔽18并定義圖案，使氧化物區域17 (第二待蝕刻區域)暴露出來，此層屏蔽18 例如可為光阻，以顯影方式形成圖案，或亦可采用其它材質，例如金屬層或非晶硅層等。采用金屬層或非晶硅層作為屏蔽的實施例，容后說明。接續圖7C，接著見圖7E，在屏蔽18的遮蓋下進行氧化物蝕刻，去除區域17內的氧化物。蝕刻的方式例如可為非等向性(anisotropic)反應式離子蝕刻(RIE，reactive ion etch)。在蝕刻過程中，屏蔽18大致上已接近完全耗損。請注意，以上自圖7C至圖7E的步驟，屬選項而非必要；可省略之而在圖7A、7B步驟后，直接銜接圖7F的步驟。接著見圖7F，不論屏蔽18是否已完全耗損，再沉積一層屏蔽19，此屏蔽的材質例如為光阻，并對氧化物區域14進行氧化物蝕刻，其方式例如可使用氫氟酸蒸氣蝕刻(HF vapor etch)、或將整體基板浸入酸槽內以緩沖氧化物蝕刻(BOE，buffered oxide etch)方式進行濕式蝕刻。最后如圖7G所示，將光阻18、19 一齊去除，即可得到所欲的微機電元件，由于剖面位置的關系，圖中僅可見到移動結構40。圖7H顯示沿圖3中B-B剖面所見的結構，可見到固定結構30 (包含固定臂32與固定端38)和移動結構40的一部分(本體42)。圖8A接續圖7A，顯示采用金屬層或非晶硅層作為屏蔽的實施例，在本實施例中， 宜在最上層金屬層13f上先沉積防護層18a(防護層可為氮化層或氧化層加氮化層的雙層結構)，之后在其上沉積硬屏蔽層18b (硬屏蔽層可為金屬層或非晶硅層)。在圖標實施例中，硬屏蔽層18b和防護層18a先經過一次圖案定義，以打開微機電結構的區域100。由于已設置了硬屏蔽18b，因此光阻18c并不必然需要，可視工藝所需而決定是否再沉積光阻18c， 圖標以沉積光阻18c為例，換言之在此作法中需要兩次定義圖案。但本發明并不局限于此種作法，亦可直接一次定義其圖案，如圖9A所示。接著見圖8B與9B，先進行一次氧化物蝕刻，以去除區域17內的氧化物。蝕刻的方式例如可為異向性(anisotropic)反應式離子蝕刻(RIE，reactive ion etch)。在蝕刻過程中，光阻18c大致上已接近完全耗損，但硬屏蔽18b尚留存。同樣地，此蝕刻步驟屬選項， 可省略之而直接進行圖8C與9C的步驟。接著見圖8C與9C，對氧化物區域14進行氧化物蝕刻，其方式例如可使用氫氟酸
8蒸氣蝕刻(HF vapor etch)、或將整體基板浸入酸槽內以緩沖氧化物蝕刻(BOE，buffered oxide etch)方式進行濕式蝕刻。如此，即可得到所欲的微機電元件，其中圖8C與9C的差別在于區域100內，微機電結構的上方是否留存防護層18a和硬屏蔽18b。如有必要，可再以光阻蝕刻エ藝去除之，以及去除區域100外的硬屏蔽18b，其步驟不予贅述。以上エ藝以制作圖3結構為例，但當然也可用以制作圖5A、5B、6A、6B等的結構。以上已針對較佳實施例來說明本發明，以上所述，僅為使本領域技術人員易于了解本發明的內容而，并非用來限定本發明的權利范圍。對于本領域技術人員，當可在本發明精神內，立即思及各種等效變化。舉例而言，除圖6A、6B外，達成同樣的目的，可以有各種開孔的方式。又如，彈簧除圖6C所示的兩種結構外，可為其它任何結構。再如，雖然實施例所述金屬以鋁為例、介電材料以ニ氧化硅為例，但本發明也可應用銅和低介電常數材料來制作。除以上所述外，還其它有各種等效變化的可能。故凡依本發明的概念與精神所為之均等變化或修飾，均應包括于本發明的權利要求書的范圍內。
權利要求
1.一種同平面傳感器，其特征在于，包含一固定結構，此固定結構包括彼此連接的固定臂與固定端，該固定臂具有支撐端和懸浮端，支撐端與固定端連接，懸浮端為懸浮；以及一移動結構，此移動結構至少包括本體、延伸本體與延伸臂，本體和延伸本體通過延伸臂而彼此連接。
2.如權利要求1所述的同平面傳感器，其中，該移動結構還包含連接部與固定部，本體經由連接部而與固定部連接，且該固定部與固定結構同固定于一基板。
3.如權利要求2所述的同平面傳感器，其中，該連接部為彈簧。
4.如權利要求3所述的同平面傳感器，其中，該彈簧在其較長的方向上具有至少一個曲折處。
5.如權利要求1所述的同平面傳感器，其中，該本體與延伸本體至少其中之一具有開孔。
6.如權利要求1所述的同平面傳感器，其中，該本體縱橫任一方向上的連續長度小于一預設長度。
7.如權利要求1所述的同平面傳感器，其中，該移動結構包含有多個本體與多個延伸本體，經由延伸臂而連接成一體。
8.—種同平面傳感器的制作方法，該同平面傳感器包含一固定結構與一移動結構，固定結構包括彼此連接的固定臂與固定端，且移動結構至少包括彼此連接的本體與延伸臂， 其特征在于，該方法包含提供一個基板，在該基板上已沉積至少一層接觸層與至少一層金屬層，且已通過該至少一層接觸層與至少一層金屬層而形成該固定結構的固定端，此固定端為第一待蝕刻區域所圍繞；沉積并定義金屬層與通道層，以形成該固定結構的固定臂，及該移動結構的本體與延伸臂，所述固定結構的固定臂，及移動結構的本體與延伸臂，為第二待蝕刻區域所圍繞；以及去除該第一和第二待蝕刻區域。
9.如權利要求8所述的同平面傳感器制作方法，其中，該第一和第二待蝕刻區域以氧化物制作。
10.如權利要求8所述的同平面傳感器制作方法，其中，該去除該第一和第二待蝕刻區域的步驟包含使用氫氟酸蒸氣蝕刻或緩沖氧化物蝕刻方式一次去除第一和第二待蝕刻區域。
11.如權利要求8所述的同平面傳感器制作方法，其中，該去除該第一和第二待蝕刻區域的步驟包含使用異向性反應式離子蝕刻方式去除第二待蝕刻區域，再使用氫氟酸蒸氣蝕刻或緩沖氧化物蝕刻方式去除第一待蝕刻區域。
12.如權利要求8所述的同平面傳感器制作方法，其中，該去除該第一和第二待蝕刻區域的步驟包含沉積一層防護層； 沉積一層硬屏蔽；定義該硬屏蔽與防護層的圖案；以及蝕刻該第一和第二待蝕刻區域。
13.如權利要求12所述的同平面傳感器制作方法，其中，該去除該第一和第二待蝕刻區域的步驟還包含在定義該硬屏蔽與防護層的圖案后，沉積一層屏蔽。
14.如權利要求8所述的同平面傳感器制作方法，其中，該接觸層的材料包括鎢。
15.如權利要求14所述的同平面傳感器制作方法，其中，該接觸層的沉積步驟包括先沉積一層多晶硅或氮化層，再沉積鎢。
16.如權利要求8所述的同平面傳感器制作方法，其中，該通道層的材料包括鎢。
17.如權利要求16所述的同平面傳感器制作方法，其中，該通道層的沉積步驟包括先沉積一層多晶硅或氮化層，再沉積鎢。
全文摘要
本發明涉及一種同平面傳感器，該同平面傳感器包含一固定結構，此固定結構包括彼此連接的固定臂與固定端，該固定臂具有支撐端和懸浮端，支撐端與固定端連接，懸浮端為懸浮；以及一移動結構，此移動結構至少包括彼此連接的本體與延伸臂，其中，該固定臂的支撐端比懸浮端更靠近本體。
文檔編號G01D5/241GK102538834SQ201210005458
公開日2012年7月4日 申請日期2008年5月27日 優先權日2008年5月27日
發明者李昇達, 王傳蔚 申請人:原相科技股份有限公司