CN101726629B

CN101726629B - 微机电元件、出平面传感器与微机电元件制作方法

Info

Publication number: CN101726629B
Application number: CN2008101738525A
Authority: CN
Inventors: 李昇达; 王传蔚
Original assignee: Pixart Imaging Inc
Current assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2028-10-29
Also published as: CN102616728B; CN101726629A; CN102616728A

Abstract

本发明涉及一种微机电元件，包含：一质量块，其包括主质量部分和位于主质量部分两侧且与主质量部分连接的两电容板结构部分，其中该两电容板结构部分位于不同的高度；一上电极，位于该两电容板结构部分之一的上方，与其构成电容，以及一下电极，位于该两电容板结构部分的另一者的下方，与其构成另一电容，其中该上、下电极在水平方向上错开；其中，该质量块还包括：分别与该两电容板结构部分的另一侧连接的两外侧质量部分。或者，其中，该质量块至少其中一水平方向上的连续长度小于一预设长度。相应地，本发明还提供一种出平面传感器和微机电元件制作方法。

Description

微机电元件、出平面传感器与微机电元件制作方法

技术领域

本发明涉及一种出平面传感器与制作方法，特别是一种能降低制程残留应力影响的出平面传感器与制作方法。

背景技术

出平面传感器的作用是感测两电极间因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)等等。

有关出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6,402,968号、第6,792,804号、第6,845,670号、第7,138,694号、第7,258,011号。

上述各现有技术或是为大面积的单电容结构、或是以晶圆接合方式制造出差动电容结构。其缺点是，前者耗用的面积过大，后者制程较复杂且与标准CMOS制程不兼容。

因此，有必要针对此类出平面传感器的结构进行改良，使其既能缩小所占面积、又与CMOS制程兼容，且能抵抗制程残留应力。

发明内容

本发明针对以上现有技术的缺点，提出解决之道。本发明的第一目的在于，提出一种能降低残留应力对制程影响的出平面传感器。

本发明的第二目的在于，提出一种出平面传感器的制作方法。

为达上述目的，就其中一个观点而言，本发明提供一种微机电元件，包含：一质量块，其包括主质量部分、和位于主质量部分两侧且与主质量部分连接的两电容板结构部分，其中该两电容板结构部分位于不同的高度；一上电极，位于该两电容板结构部分之一的上方，与其构成电容，以及一下电极，位于该两电容板结构部分的另一者的下方，与其构成另一电容，其中该上、下电极在水平方向上错开；其中，该质量块还包括：分别与该两电容板结构部分的另一侧连接的两外侧质量部分。

为达上述目的，本发明还提供一种微机电元件，包含：一质量块，其包括主质量部分、和位于主质量部分两侧且与主质量部分连接的两电容板结构部分，其中该两电容板结构部分位于不同的高度；一上电极，位于该两电容板结构部分之一的上方，与其构成电容，以及一下电极，位于该两电容板结构部分的另一者的下方，与其构成另一电容，其中该上、下电极在水平方向上错开；其中，该质量块至少其中一水平方向上的连续长度小于一预设长度。

为达上述目的，就本发明的另一个观点而言，本发明提供一种出平面传感器，其包含多个微机电结构单位，每一微机电结构单位包含：一质量块，其包括主质量部分和位于主质量部分两侧且与主质量部分连接的两电容板结构部分，其中该两电容板结构部分位于不同的高度；一上电极，位于该两电容板结构部分之一的上方，与其构成电容，以及一下电极，位于该两电容板结构部分的另一者的下方，与其构成另一电容，其中该上、下电极在水平方向上错开；其中，该质量块还包括：分别与该两电容板结构部分的另一侧连接的两外侧质量部分。

为达上述目的，本发明还提供一种出平面传感器，其包含多个微机电结构单位，每一微机电结构单位包含：一质量块，其包括主质量部分和位于主质量部分两侧且与主质量部分连接的两电容板结构部分，其中该两电容板结构部分位于不同的高度；一上电极，位于该两电容板结构部分之一的上方，与其构成电容，以及一下电极，位于该两电容板结构部分的另一者的下方，与其构成另一电容，其中该上、下电极在水平方向上错开；其中，该质量块至少其中一水平方向上的连续长度小于一预设长度。

上述出平面传感器可以对该多个微机电结构单位做各种布局，例如使其中两个微机电结构单位彼此在水平面上垂直。

上述出平面传感器中，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。

此外，就本发明的另一个观点而言，还提供一种微机电元件的制作方法，包含：提供一个基板，在该基板上沉积并定义接触层、金属层与通道层，在该接触层、金属层与通道层图案中包含一待蚀刻区域；以及去除该待蚀刻区域，而形成前述的微机电元件。

上述方法中，该去除该待蚀刻区域的步骤还包含：先进行非等向性反应式离子蚀刻，再使用氢氟酸蒸气蚀刻或缓冲氧化物蚀刻方式进行第二次蚀刻。

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标出本发明的一个结构实施例；

图2说明本发明如何消除残留应力造成的问题；

图3-5标出本发明的几个实施例；

图6说明自图5的A-A线所得顶视图的可能形状；

图7标出本发明的微机电结构单位100的大略顶视图；

图8-10标出本发明的三个布局实施例；

图11-14标出本发明的制程实施例。

图中符号说明

10 质量块

11 外侧质量部分

12 电容板结构部分

13 主质量部分

14 电容板结构部分

15 外侧质量部分

19 开孔

20 下电极

30 上电极

40 弹簧

50 固定锚

60 防护环

71 第零层硅基板

72 接触层

73 金属层

74 通道层

75 氧化物(待蚀刻)区域

76 氧化物

77 屏蔽

100 微机电结构

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。

首先参阅图1，在本发明的第一实施例中，出平面传感器的微机电结构100中包含有质量块10、下电极20与上电极30。就图中的x轴水平方向言，上、下电极30、20位于错开的位置上。在质量块10与下电极20，和质量块10与上电极30之间形成了差动电容；当质量块10在图中的z轴垂直方向移动时，其电容值变化的灵敏度为垂直距离变化的两倍。为便利测量，质量块10相对于下电极20，与质量块10相对于上电极30的z轴垂直距离关系以大致对称为较佳，但不安排成对称亦可；后者情形下，于计算电容变化时需将其比例考虑在内。

上述结构的优点之一是，可消除制程上应力的影响，参照图2对此说明如下。质量块10可设想为五个结构部分，包括主质量部分13、外侧质量部分11、15，以及作用类似电容板的结构部分12、14。其中12、14两个电容板结构部分位于不同的高度(z轴垂直位置)，分别与上、下电极30、20形成两个电容。假设结构部分12仅与主质量部分13连结而无外侧质量部分11，则在制程上，未与大质量连接的部分可能因应力而产生弯翘，如图中虚线所示。同理，结构部分14若未与外侧质量部分15连结，亦可能会产生如图所示的弯翘，其虽然也是向上弯曲，但却造成质量块10和上、下电极30、20相对关系的不对称改变，换言之会因制程而影响最终结构对电容量测的精确度。在本发明中，由于在12、14两个部分的外侧连结了外侧质量部分11、15，因此将降低弯翘的程度。但外侧质量部分11、15并非绝对必要，亦可予以省略。

在本发明的上述概念下，图1的结构可以有各种变形，其层数也可以不同；重点是上、下电极30、20在x轴水平方向上错开，且电容板结构部分的至少一侧与较大的质量连结，并以两侧皆与较大质量连接为佳。例如，图3至图5分别示出几种可行的结构。请注意如图4所示，上、下电极30、20的剖面结构不需要对称，因其主要作用的部分为上电极30的下表面与下电极20的上表面，以及其与质量块10的垂直距离。又，如图5所示，电容板的结构部分12、14和其它部分11、13、15可以不互相紧密连结成一体，而仅在立体结构的其中一处或数处相连(例如图5中仅连于一层，且以虚线表示不位于同一剖面)、或从顶视图观之仅于一处或数处相连(例如图5从A-A线的顶视图观看可能如图6)。

图1-5所示的微机电结构100可视为一个单位，其由最上层的上往下看的顶视图如图7；其中下电极20以虚线绘示，表示其位于质量块10的下方。以此结构为单位，可将多个微机电结构单位100作布局安排，以增加整体元件的精确度。例如请见图8，可将若干个微机电结构单位100安排成图标的布局，值得注意的是右上方与左下方的两组微机电结构单位的方向旋转了90度，如此可进一步消除整体微机电元件在x轴方向与y轴方向上因制程应力造成的不平衡，使整体微机电元件所感测到的电容值变化更为精确。图8中另显示了质量块10中含有开孔19，其目的是便利蚀刻质量块10下方的材料，此点参阅后述对制程的说明时当可了然。质量块10通过弹簧40而与固定锚50相连接。

微机电结构单位的组合布局方式自不限于图8所示；图9与图10中分别另显示了两种布局实施例。在图9实施例中，部分微机电结构单位100彼此错开，使其在x轴与y轴的至少其中一个方向(或两者)上不对齐，本图中是仅在x轴方向错开(图中是在横方向上错开，但相较于图7，微机电结构单位100旋转了90度，故为避免混淆，本图中仍以上、下电极30、20错开的方向为x轴)。微机电结构单位100彼此错开的目的是，使质量块10在水平纵向、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，如图所示，质量块10的纵向最大长度不再为x，而是被分成若干个段落x1，x2，x3，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。图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。此外，图标质量块10中仍包含有若干开孔19。

图10实施例则是综合“微机电结构单位转向”与“长度限制”的两种概念而产生的布局，其在y轴方向上的最大长度被限制在一预设长度之下。由图中亦可看出，在本发明的概念下，各微机电结构单位100的尺寸并不需要完全相同。图中未绘示出弹簧与固定锚，它们可安排在质量块10y轴方向的上、下方或x轴方向的左、右方。

以下将参照图11-14，并以一个类似图5的结构为例来说明本发明的制程实施例。需说明的是，以下制程是以六层金属制程为例，但本发明当然并不局限于使用六层金属制程，其金属层可为任何层数，且制程当然可适用于图1-10及所有在本发明概念下的结构。

请参阅图11，在本实施例中首先提供一个第零层晶圆基板71，此基板71例如可为硅基板，以与CMOS制程兼容。接着在基板71上以CMOS制程制作晶体管元件等(为简化图面起见，未示出晶体管元件与相对应的多晶硅层、栅极氧化层等)；再依序以沉积、微影、蚀刻等制程制作内联机，如图11中的接触层72，第一层至第六层金属层73，多层通道层74等。此时根据各层的图案，除制作出上、下电极30、20和质量块10(含主质量部分13、外侧质量部分11、15，以及电容板结构部分12、14)之外，也同时制作出图中的氧化物区域75(待蚀刻区域)。为求未来蚀刻氧化物区域75时不致损及其它区域，宜将氧化物区域75包围在一个防护环60之内，该防护环60可在各层72，73，74形成图案时一并形成。

以上所述结构中，金属层例如可使用铝制作；接触层和通道层例如可使用钨制作；氧化物区域75例如可使用二氧化硅制作。在质量块10和下电极20的结构中，其接触层和通道层可以如图所示由外侧的钨将内部的氧化物76包覆在内，或整体均为钨；当然，就成本而言前者较佳。

接着请参阅图12，在基板上方沉积一层屏蔽77并定义图案，使氧化物区域75暴露出来，此层屏蔽77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。

接着见图13，在屏蔽77的遮盖下进行氧化物蚀刻，先去除部分较狭窄区域内的氧化物75。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)。

接着见图14，对氧化物区域75进行再一次的氧化物蚀刻，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，以将氧化物区域75完全去除。

最后，如屏蔽77为光阻，可将其去除；如屏蔽77为其它材质，则可视需要将其保留或去除，如此即可得到所欲的微机电元件。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅是为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，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8-10外，开孔和微机电结构单位可以有各种大小和布局的方式。又如，在实施例中所述金属层以铝为例、接触和通道层以钨为例、待蚀刻区域以二氧化硅为例，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。

Claims

1.一种微机电元件，其特征在于，包含：

一质量块，其包括主质量部分和位于主质量部分两侧且与主质量部分连接的两电容板结构部分，其中该两电容板结构部分位于不同的高度；

一上电极，位于该两电容板结构部分之一的上方，与其构成电容，以及

一下电极，位于该两电容板结构部分的另一者的下方，与其构成另一电容，

其中该上、下电极在水平方向上错开；

其中，该质量块还包括：分别与该两电容板结构部分的另一侧连接的两外侧质量部分。

2.如权利要求1所述的微机电元件，其中，该主质量部分、两电容板结构部分、和两外侧质量部分互相紧密连结成一体。

3.如权利要求1所述的微机电元件，其中，该两电容板结构部分的另一侧连接的两外侧质量部分仅于一处或数处相连。

4.一种出平面传感器，包含多个微机电结构单位，其特征在于，每一个微机电结构单位包括：

其中该上、下电极在水平方向上错开；

5.一种微机电元件的制作方法，其特征在于，包含：

提供一个基板，

在该基板上沉积并定义接触层、金属层与通道层，在该接触层、金属层与通道层图案中包含一待蚀刻区域；以及

去除该待蚀刻区域，而形成如权利要求1所述的微机电元件。

6.如权利要求5所述的微机电元件的制作方法，其中，该待蚀刻区域是以氧化物制作。

7.如权利要求6所述的微机电元件的制作方法，其中，该去除待蚀刻区域的步骤包含：先进行非等向性反应式离子蚀刻，再使用氢氟酸蒸气蚀刻或缓冲氧化物蚀刻方式进行第二次蚀刻。