同平面传感器与制作方法.pdf

本发明涉及一种同平面传感器，该同平面传感器包含：一固定结构，此固定结构包括彼此连接的固定臂与固定端，该固定臂具有支撑端和悬浮端，支撑端与固定端连接，悬浮端为悬浮；以及一移动结构，此移动结构至少包括彼此连接的本体与延伸臂，其中，该固定臂的支撑端比悬浮端更靠近本体。

1.  一种同平面传感器，其特征在于，包含：
一固定结构，此固定结构包括彼此连接的固定臂与固定端，该固定臂具有支撑端和悬浮端，支撑端与固定端连接，悬浮端为悬浮；以及
一移动结构，此移动结构至少包括彼此连接的本体与延伸臂，
其中，该固定臂的支撑端比悬浮端更靠近本体。

2.  如权利要求1所述的同平面传感器，其中，该移动结构还包含连接部与固定部，本体经由连接部而与固定部连接，且该固定部与固定结构同固定于一基板。

3.  如权利要求2所述的同平面传感器，其中，该连接部为弹簧。

4.  如权利要求3所述的同平面传感器，其中，该弹簧在其较长的方向上具有至少一个曲折处。

5.  如权利要求1所述的同平面传感器，其中，该本体具有开孔。

6.  如权利要求1所述的同平面传感器，其中，该本体纵横任一方向上的连续长度小于一预设长度。

7.  如权利要求1所述的同平面传感器，其中，该移动结构还包含有延伸本体，经由延伸臂而与本体连接。

8.  如权利要求7所述的同平面传感器，其中，该延伸本体上具有开孔。

9.  如权利要求7所述的同平面传感器，其中，该移动结构包含有多个本体与多个延伸本体，经由延伸臂而连接成一体。

10.  一种同平面传感器，其特征在于，包含：
一固定结构，此固定结构包括彼此连接的固定臂与固定端，该固定臂具有支撑端和悬浮端，支撑端与固定端连接，悬浮端为悬浮；以及
一移动结构，此移动结构至少包括本体、延伸本体与延伸臂，本体和延伸本体通过延伸臂而彼此连接。

11.  如权利要求10所述的同平面传感器，其中，该移动结构还包含连接部与固定部，本体经由连接部而与固定部连接，且该固定部与固定结构同固定于一基板。

12.  如权利要求11所述的同平面传感器，其中，该连接部为弹簧。

13.  如权利要求12所述的同平面传感器，其中，该弹簧在其较长的方向上具有至少一个曲折处。

14.  如权利要求10所述的同平面传感器，其中，该本体与延伸本体至少其中之一具有开孔。

15.  如权利要求10所述的同平面传感器，其中，该本体纵横任一方向上的连续长度小于一预设长度。

16.  如权利要求10所述的同平面传感器，其中，该移动结构包含有多个本体与多个延伸本体，经由延伸臂而连接成一体。

17.  一种同平面传感器的制作方法，该同平面传感器包含一固定结构与一移动结构，固定结构包括彼此连接的固定臂与固定端，且移动结构至少包括彼此连接的本体与延伸臂，其特征在于，该方法包含：
提供一个基板，在该基板上已沉积至少一层接触层与至少一层金属层，且已通过该至少一层接触层与至少一层金属层而形成该固定结构的固定端，此固定端为第一待蚀刻区域所围绕；
沉积并定义金属层与通道层，以形成该固定结构的固定臂，及该移动结构的本体与延伸臂，所述固定结构的固定臂，及移动结构的本体与延伸臂，为第二待蚀刻区域所围绕；以及
去除该第一和第二待蚀刻区域。

18.  如权利要求17所述的同平面传感器制作方法，其中，该第一和第二待蚀刻区域以氧化物制作。

19.  如权利要求17所述的同平面传感器制作方法，其中，该去除该第一和第二待蚀刻区域的步骤包含：使用氢氟酸蒸气蚀刻或缓冲氧化物蚀刻方式一次去除第一和第二待蚀刻区域。

20.  如权利要求17所述的同平面传感器制作方法，其中，该去除该第一和第二待蚀刻区域的步骤包含：使用异向性反应式离子蚀刻方式去除第二待蚀刻区域，再使用氢氟酸蒸气蚀刻或缓冲氧化物蚀刻方式去除第一待蚀刻区域。

21.  如权利要求17所述的同平面传感器制作方法，其中，该去除该第一和第二待蚀刻区域的步骤包含：
沉积一层防护层；
沉积一层硬屏蔽；
定义该硬屏蔽与防护层的图案；以及
蚀刻该第一和第二待蚀刻区域。

22.  如权利要求21所述的同平面传感器制作方法，其中，该去除该第一和第二待蚀刻区域的步骤还包含：在定义该硬屏蔽与防护层的图案后，沉积一层屏蔽。

23.  如权利要求17所述的同平面传感器制作方法，其中，该接触层的材料包括钨。

24.  如权利要求23所述的同平面传感器制作方法，其中，该接触层的沉积步骤包括：先沉积一层多晶硅或氮化层，再沉积钨。

25.  如权利要求17所述的同平面传感器制作方法，其中，该通道层的材料包括钨。

26.  如权利要求25所述的同平面传感器制作方法，其中，该通道层的沉积步骤包括：先沉积一层多晶硅或氮化层，再沉积钨。

同平面传感器与制作方法
技术领域
本发明涉及一种同平面传感器与制作方法，特别是一种能降低残留应力对工艺影响的同平面传感器与制作方法。
背景技术
同平面传感器的作用是感测两电极间因平面距离变化所产生的电容值变化，以产生对应的讯号，其例如可应用于制作加速度计(accelerometer)或陀螺仪(gyro sensor)等等。有关同平面传感器或其制作方法的现有技术，例如可参阅美国专利第5,326,726号、第5,847,280号、第5,880,369号、第6,877,374号、第6,892,576号。
上述各现有技术都具有相同的问题，说明如下。请参阅图1，此类微机电元件通常包含有一个或多个固定结构50和一个移动结构60，固定结构50包含多个固定臂(fixed finger)52，每个固定臂52本身为悬浮，但藉由固定端58而固定，固定臂52之间彼此通过固定端58和连接部56而连接导通。固定端58固定于下方的基体(未示出)上。移动结构60则包含本体(proof mass)62、延伸臂(extended finger或movable finger)64、连接部66和固定端(anchor)68。除固定端68(亦固定于下方基体上)之外，移动结构60的其它部份(包含本体62、延伸臂64、连接部66)是悬浮的，当整体元件运动时，移动结构60的悬浮部分相对于固定结构50会产生相对移动，使固定臂52和延伸臂64之间的距离发生改变，当固定臂52和延伸臂64分别为电容的两电极时，其电容值即产生变化，因此，通过侦测该电容值变化，即可计算出运动的方向、速度、加速度等，其应用可视该微机电元件的设计目的而定。
请参阅图2(此为从图1的X--X剖面往右方视的所得的剖视图)，由于固定臂52和延伸臂64均为悬浮结构，在半导体工艺中很容易造成弯翘，此时固定臂52和延伸臂64的重叠面积显著降低，使有效电容值下降。因此，有必要针对此类微机电元件的结构进行改良，以降低工艺的影响度。
发明内容
本发明的第一目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种能降低残留应力对工艺影响的同平面传感器。
本发明的第二目的在于，提出一种同平面传感器的制作方法。
为达上述目的，就本发明的其中一个观点而言，提供了一种同平面传感器，包含：一固定结构，此固定结构包括彼此连接的固定臂与固定端，该固定臂具有支撑端和悬浮端，支撑端与固定端连接，悬浮端为悬浮；以及一移动结构，此移动结构至少包括彼此连接的本体与延伸臂，其中，该固定臂的支撑端比悬浮端更靠近本体。
再者，就本发明的另一个观点而言，提供了一种同平面传感器，包含：一固定结构，此固定结构包括彼此连接的固定臂与固定端，该固定臂具有支撑端和悬浮端，支撑端与固定端连接，悬浮端为悬浮；以及一移动结构，此移动结构至少包括本体、延伸本体与延伸臂，本体和延伸本体通过延伸臂而彼此连接。
上述两种同平面传感器中，该本体纵横任一方向上的连续长度宜不大于一上限值，例如60μm(微米)～100μm。
上述两种同平面传感器中的移动结构可更包含有一弹簧，该弹簧宜在其较长的方向上具有至少一个曲折处。
此外，为达上述目的，就本发明的另一个观点而言，提供了一种同平面传感器的制作方法，该同平面传感器包含一固定结构与一移动结构，固定结构包括彼此连接的固定臂与固定端，且移动结构至少包括彼此连接的本体与延伸臂，制作方法包含：提供一个基板，在该基板上已沉积至少一层接触层与至少一层金属层，且已通过该至少一层接触层与至少一层金属层而形成该固定结构的固定端，此固定端为第一待蚀刻区域所围绕；沉积并定义金属层与通道层，以形成该固定结构的固定臂，及该移动结构的本体与延伸臂，所述固定结构的固定臂，及移动结构的本体与延伸臂，为第二待蚀刻区域所围绕；以及去除该第一和第二待蚀刻区域。
上述方法中，该第一和第二待蚀刻区域可一次去除，或分为两或更多步骤去除。
上述方法中，该去除该第一和第二待蚀刻区域的步骤可包含以下步骤：沉积一层防护层；沉积一层硬屏蔽；定义该硬屏蔽与防护层的图案；及蚀刻该第一和第二待蚀刻区域。以上步骤中，在定义该硬屏蔽与防护层的图案后，可再沉积一层屏蔽。
下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1标出现有技术的同平面传感器结构的一例；
图2说明现有技术的问题；
图3标出本发明的一个实施例；
图4说明本发明可解决先前技术的问题；
图5A、5B标出本发明的两个实施例；
图6A、6B、6C标出本发明的三个实施例；
图7A-7H标出本发明的工艺实施例，其中图第7A、7C、7E-7G为沿图3中A--A剖面所得的剖面图；图7B、7D、7H为沿图3中B--B剖面所得的剖面图；
图8A-8C、图9A-9C标出本发明的另两个工艺实施例。
图中符号说明
11       第零层硅基板
12a      接触层
12b-12f  通道层
13a-13f  金属层
14       氧化物区域(空心区域)
17       氧化物区域(空心区域)
18       屏蔽
18a      防护层
18b      硬屏蔽
18c      光阻
19       屏蔽
30       固定结构
32       固定臂
32a      悬浮端
32b      支撑端
38       固定端
40       移动结构
42       本体
43       延伸本体
44       延伸臂
45       开孔
46，46’ 弹簧(连接部)
46a      曲折处
48       固定部
50       固定结构
52       固定臂
56            连接部
58            固定端
60            移动结构
62            本体
64            延伸臂
66            连接部
68            固定端
100，200，300 微机电区域
具体实施方式
本说明书的图标均属示意，其维度并未完全按照比例绘示。
请参阅图3，在本发明的第一实施例中，同平面传感器的微机电结构100中包含有至少一个固定结构30和一个移动结构40。移动结构40包含本体42、延伸臂44、连接部46和固定部48，彼此互相连接；其中本体42、延伸臂44、连接部46为悬浮结构，固定部48为固定结构，其意即，除固定部48固定于下方的基体(未示出)上之外，彼此连接的本体42、延伸臂44、连接部46为悬浮。在其中一个实施例中，连接部46为弹簧，可以弹性伸缩。固定结构30包含多个固定臂32，每个固定臂32本身为悬浮，其具有悬浮端32a与支撑端32b，支撑端32b通过与固定端38连接而固定。至于各固定端38之间，则可借助底层基体或更上层的内联机来互相导通(导通关系以虚线表示)。本发明特点之一在于，支撑端32b较悬浮端32a更接近本体42，且与本体42位于同一侧，而悬浮端32a则位于另一侧。因此如图4所示，即使因工艺问题造成弯翘，由于固定臂32的悬浮端32a和延伸臂44的外缘位于同一侧，工艺造成的弯翘问题对两者的影响度相近，因此固定臂32和延伸臂44仍具有相当大的重叠面积，不影响原先所设计的电容值。
图5A标出本发明的另一实施例，在本实施例中，同平面传感器的微机电结构200中同样包含有至少一个固定结构30和一个移动结构40。本实施例的特点在于，移动结构40除了包含本体42、延伸臂44、连接部46和固定部48之外，还包含了延伸本体43。由于延伸本体43的存在，使延伸臂44的两端都与较大质量连接，因此可以增加质量。在本实施例中，固定臂32的支撑端32b可以与本体42位于同一侧(如图所示)，也可以与延伸本体43位于同一侧(未示)。本实施例结构中的其它部分与上一实施例相似，不另说明。
图5B标出本发明的又另一实施例，图中省略绘示固定结构30，在本实施例的微机电结构300中，不但提供延伸本体43，且本体42和延伸本体43在纵向上都个别被分割成若干块，不过所有的本体42和延伸本体43都连接在一起。纵向分割的作用是减低本体42和延伸本体43在纵向上的连续长度，以减少弯翘，所述连续长度的上限例如可为60μm(微米)～100μm。
图6A标出本发明的再一实施例，图中仅画出本体42，其它部分省略。在本实施例中，本体42并非完整的一整块质量块，而是包含许多镂空的大开孔45。开孔的第一个作用是：在工艺上，便于蚀刻位于本体42下方的材料层；第二个作用是：使质量块在纵向、横向、或两者上(本实施例中仅设计于纵向上)，不至于有连续过长的长度。详言之，如图6A所示，本体42的纵向长度Y被分成若干个段落Y1，Y2，...，每一个段落的纵向长度都限制在某个长度之下，其上限例如为60μm～100μm。此种安排方式的目的是减少弯翘，由于将连续长度限制在一预设长度之下，因此在该方向上弯翘的程度就可以降低。当然，开孔的位置并不局限于如图6A所示，例如图6B也同样可行。图6A、6B两实施例中，长度限制仅设计于纵向上，但本领域技术人员自可在本发明的揭示后，自行应用于横向、或纵横向两者上。且此种镂空结构不仅可设计在本体42上，当然亦可设计在延伸本体43上。
在以上各实施例中，弹簧46的结构并不限于图3、5A、5B所示，例如请见图6C，图中对照显示图3、5A、5B所示的简单弹簧结构(上方弹簧46，仅示出右半边)，与较复杂型式的弹簧结构(下方弹簧46’，仅示出右半边)，弹簧46’在弹簧46较长的方向上(图中的X方向)，增设至少一个曲折处46a，以增加弹簧的实际有效长度。由此可降低弹簧的弹性系数，增加传感器的灵敏度。
以下将参照图7A-7H，并以图3为例来说明本发明的同平面传感器的工艺。需说明的是，以下工艺是以六层金属工艺为例，但本发明当然并不局限于使用六层金属工艺，其金属层可为任何层数，且工艺当然可适用于图5A、5B、6A、6B及所有在本发明概念下的结构。请参阅图7A、7B，其中图7A为沿图3中A--A剖面、图7B为沿图3中B--B剖面所得的剖面图。在本实施例中首先提供一个第零层晶圆基板11，此基板11例如可为硅基板，以与CMOS工艺兼容。接着在基板11上以CMOS工艺制作晶体管元件等(未示出)，再依序以沉积、微影、蚀刻等工艺制作内联机，如图7B中的接触层12a，第一层金属层13a，第一层通道层12b，第二层金属层13b，第二层通道层12c等，此时也同时制作出图3中的固定端38。图中所示的下方结构使用两层金属制作，其接触层与通道层材料例如可使用钨，且在沉积钨之前可先沉积多晶硅或氮化层，金属层材料则可使用铝，介电材料可使用氧化物如二氧化硅。但当然，使用其它导电与介电材料来制作内联机也是可行的，且金属层数目当然也可以改变，图标仅是举例而已。各层12a-12c与13a-13b的图案中，包含重叠的氧化物区域14(第一待蚀刻区域)；微机电结构区域100之外的部份并未绘示，以求简化图面。氧化物区域14的材料例如可以使用二氧化硅。为求未来蚀刻氧化物区域14时不致损及其它区域，宜将氧化物区域14包围在一个防护环(未示出)之内，该防护环可在各层12a-12c与13a-13b形成图案时一并形成。
接下来在基板上方沉积若干层的内联机结构，包括通道层12d-12f与金属层13c-13f。为了机电电路功能的需求，必须将某些区域彼此隔离，图中举例显示以氧化物区域17来隔离，此氧化物区域17可在形成通道层12d-12f与金属层13c-13f时一并形成。
接续图7A与7B，再请参阅图7C与7D，在其中一种较佳实施型态中，可在基板上方沉积一层屏蔽18并定义图案，使氧化物区域17(第二待蚀刻区域)暴露出来，此层屏蔽18例如可为光阻，以显影方式形成图案，或亦可采用其它材质，例如金属层或非晶硅层等。采用金属层或非晶硅层作为屏蔽的实施例，容后说明。
接续图7C，接着见图7E，在屏蔽18的遮盖下进行氧化物蚀刻，去除区域17内的氧化物。蚀刻的方式例如可为非等向性(anisotropic)反应式离子蚀刻(RIE，reactive ion etch)。在蚀刻过程中，屏蔽18大致上已接近完全耗损。
请注意，以上自图7C至图7E的步骤，属选项而非必要；可省略之而在图7A、7B步骤后，直接衔接图7F的步骤。
接着见图7F，不论屏蔽18是否已完全耗损，再沉积一层屏蔽19，此屏蔽的材质例如为光阻，并对氧化物区域14进行氧化物蚀刻，其方式例如可使用氢氟酸蒸气蚀刻(HF vapor etch)、或将整体基板浸入酸槽内以缓冲氧化物蚀刻(BOE，buffered oxide etch)方式进行湿式蚀刻。
最后如图7G所示，将光阻18、19一齐去除，即可得到所欲的微机电元件，由于剖面位置的关系，图中仅可见到移动结构40。图7H显示沿图3中B--B剖面所见的结构，可见到固定结构30(包含固定臂32与固定端38)和移动结构40的一部分(本体42)。
图8A接续图7A，显示采用金属层或非晶硅层作为屏蔽的实施例，在本实施例中，宜在最上层金属层13f上先沉积防护层18a(防护层可为氮化层或氧化层加氮化层的双层结构)，之后在其上沉积硬屏蔽层18b(硬屏蔽层可为金属层或非晶硅层)。在图标实施例中，硬屏蔽层18b和防护层18a先经过一次图案定义，以打开微机电结构的区域100。由于已设置了硬屏蔽18b，因此光阻18c并不必然需要，可视工艺所需而决定是否再沉积光阻18c，图标以沉积光阻18c为例，换言之在此作法中需要两次定义图案。但本发明并不局限于此种作法，亦可直接一次定义其图案，如图9A所示。
接着见图8B与9B，先进行一次氧化物蚀刻，以去除区域17内的氧化物。蚀刻的方式例如可为异向性(anisotropic)反应式离子蚀刻(RIE，reactive ion etch)。在蚀刻过程中，光阻18c大致上已接近完全耗损，但硬屏蔽18b尚留存。同样地，此蚀刻步骤属选项，可省略之而直接进行图8C与9C的步骤。
接着见图8C与9C，对氧化物区域14进行氧化物蚀刻，其方式例如可使用氢氟酸蒸气蚀刻(HF vapor etch)、或将整体基板浸入酸槽内以缓冲氧化物蚀刻(BOE，buffered oxide etch)方式进行湿式蚀刻。如此，即可得到所欲的微机电元件，其中图8C与9C的差别在于区域100内，微机电结构的上方是否留存防护层18a和硬屏蔽18b。如有必要，可再以光阻蚀刻工艺去除之，以及去除区域100外的硬屏蔽18b，其步骤不予赘述。
以上工艺以制作图3结构为例，但当然也可用以制作图5A、5B、6A、6B等的结构。
以上已针对较佳实施例来说明本发明，以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容而，并非用来限定本发明的权利范围。对于本领域技术人员，当可在本发明精神内，立即思及各种等效变化。举例而言，除图6A、6B外，达成同样的目的，可以有各种开孔的方式。又如，弹簧除图6C所示的两种结构外，可为其它任何结构。再如，虽然实施例所述金属以铝为例、介电材料以二氧化硅为例，但本发明也可应用铜和低介电常数材料来制作。除以上所述外，还其它有各种等效变化的可能。故凡依本发明的概念与精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明的权利要求书的范围内。