壓電懸臂梁傳感器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種壓電懸臂梁傳感器的制造方法，包括提供一SOI襯底，其包括襯底硅層，埋氧化層以及頂層硅層；所述SOI襯底具有與懸臂梁結(jié)構相對應的懸臂梁區(qū)域；在所述懸臂梁區(qū)域上依次形成下電極、壓電薄膜和上電極；沿所述懸臂梁區(qū)域邊緣依次刻蝕所述頂層硅層、所述埋氧化層和所述襯底硅層，形成底部延伸至所述襯底硅層的溝槽；在上述結(jié)構上沉積隔離層；去除所述溝槽底部的隔離層并露出所述襯底硅層，以形成懸臂梁結(jié)構的釋放窗口；以及通過所述釋放窗口進行釋放工藝，刻蝕所述懸臂梁區(qū)域下方的所述襯底硅層，以形成所述懸臂梁結(jié)構。本發(fā)明簡化了懸臂梁結(jié)構的制造工藝。
【專利說明】壓電懸臂梁傳感器及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體集成電路制造工藝領域，特別涉及一種基于SOI襯底的壓電懸臂梁傳感器結(jié)構及其制造方法。
【背景技術】
[0002]壓電原理是實現(xiàn)微傳感器的另一種新途徑。通過壓電效應，力、加速度等待感知量可以直接在壓電薄膜上輸出電壓，而逆壓電效應使微傳感器可以通過施加外電壓驅(qū)動微結(jié)構產(chǎn)生位移，從而同時具備執(zhí)行器功能。資料表明，利用壓電薄膜材料制成的微傳感器/執(zhí)行器與現(xiàn)有的硅基材料微傳感器/執(zhí)行器相比具有無可比擬的優(yōu)勢，是微傳感器研究發(fā)展的新領域。
[0003]基于壓電效應的傳感器是一種自發(fā)電式和機電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感兀件由壓電材料制成，壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷，此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量。它的優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構簡單、工作可靠和重量輕等。而壓電懸臂梁結(jié)構是壓電傳感器最簡單的微結(jié)構，利用它可以探測到微小的位移或質(zhì)量變化，因此壓電懸臂梁成為高精度、高靈敏度傳感器的理想選擇。
[0004]目前，國際上多個研究機構都已經(jīng)開展了對壓電懸臂梁傳感器技術的研究，在壓電懸臂梁微結(jié)構的原理、結(jié)構、性能等的理論分析方面已經(jīng)取得了一定的成果，但是真正可以在實際中應用的卻很少，其關鍵問題:一是壓電薄膜的微細加工技術和壓電薄膜與硅集成電路工藝的兼容性問題尚未得到很好的解決；二是大部分的壓電傳感器采用體硅工藝，懸臂梁微結(jié)構的釋放需采用硅襯底背面腐蝕工藝，工藝復雜難控制，與目前普遍采用的集成電路工藝不兼容，而且易發(fā)生微結(jié)構與襯底粘連的問題，導致成品率降低。這些問題也是發(fā)展鐵電不揮發(fā)存儲器、室溫型熱釋電紅外探測器等新型器件亟待解決的關鍵技術。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的旨在提供一種壓電懸臂梁傳感器的制造方法，其簡化了懸臂梁結(jié)構的制造工藝，與現(xiàn)有CMOS工藝完全兼容。
[0006]為達成上述目的，本發(fā)明提供一種壓電懸臂梁傳感器的制造方法，具體包含以下步驟:提供一 SOI襯底，其包括襯底硅層，埋氧化層以及頂層硅層；所述SOI襯底具有與懸臂梁結(jié)構相對應的懸臂梁區(qū)域；在所述懸臂梁區(qū)域上依次形成上電極、壓電薄膜和上電極；沿所述懸臂梁區(qū)域邊緣依次刻蝕所述頂層硅層、所述埋氧化層和所述襯底硅層，形成底部延伸至所述襯底硅層的溝槽；在上述結(jié)構上沉積隔離層；去除所述溝槽底部的隔離層并露出所述襯底硅層，以形成所述懸臂梁結(jié)構的釋放窗口 ；以及通過所述釋放窗口進行釋放工藝，刻蝕所述懸臂梁區(qū)域下方的所述襯底硅層，以形成所述懸臂梁結(jié)構。
[0007]優(yōu)選地，在所述懸臂梁區(qū)域上依次形成上電極、壓電薄膜和上電極的步驟包括:通過光刻膠剝離工藝在所述懸臂梁區(qū)域上形成Pt/Ti下電極；制備PZT壓電薄膜，并對其圖形化；以及通過光刻膠剝離工藝在所述圖形化的壓電薄膜上形成Pt/Ti上電極。
[0008]優(yōu)選地，過光刻膠剝離工藝在所述懸臂梁區(qū)域上形成Pt/Ti下電極的步驟包括:在所述頂層硅層上涂覆光刻膠，經(jīng)曝光顯影去除所述懸臂梁區(qū)域上方的所述光刻膠；淀積Pt/Ti薄膜；以及將上述結(jié)構浸泡于剝離液中進行光刻膠剝離，以在所述懸臂梁區(qū)域上形成所述Pt/Ti下電極。
[0009]優(yōu)選地，通過光刻膠剝離工藝在所述壓電薄膜上形成Pt/Ti上電極的步驟包括:在上述結(jié)構上涂覆光刻膠，經(jīng)曝光顯影去除所述圖形化的PZT壓電薄膜上方的所述光刻膠；淀積Pt/Ti薄膜；以及將上述結(jié)構浸泡于剝離液中進行光刻膠剝離，以在所述圖形化的PZT壓電薄膜上形成所述Pt/Ti上電極。
[0010]優(yōu)選地，所述PZT壓電薄膜通過濺射法，溶膠一凝膠法，金屬有機化合物熱分解法，金屬有機化學氣相沉積法或脈沖激光沉積法制備而成。
[0011]優(yōu)選地，通過干法刻蝕工藝沿所述懸臂梁區(qū)域邊緣依次刻蝕所述頂層硅層、所述埋氧化層和所述襯底硅層；通過干法刻蝕工藝去除所述溝槽底部的隔離層并露出所述襯底娃層。
[0012]優(yōu)選地，所述釋放工藝為各向同性濕法刻蝕工藝。
[0013]優(yōu)選地，所述隔離層為SiN層，其通過等離子體增強化學氣相沉積法沉積而成，其厚度為0.05微米?0.1微米。
[0014]優(yōu)選地，所述Pt/Ti薄膜中Pt膜的厚度為0.05微米?0.1微米，Ti膜的厚度為
0.01微米?0.02微米。
[0015]本發(fā)明還提供一種通過上述制造方法所形成的壓電懸臂梁傳感器。
[0016]本發(fā)明的有益效果在于，通過采用SOI作為壓電懸臂梁傳感器的襯底材料，利用SOI襯底中的埋氧化層和頂層硅層作為壓電懸臂梁支撐結(jié)構，簡化了懸臂梁結(jié)構的制造工藝；采用硅的各向同性濕法刻蝕的釋放工藝從表面腐蝕SOI的襯底硅層，形成壓電懸臂梁的懸空結(jié)構，整個結(jié)構形成過程充分利用普遍采用的CMOS工藝完成，工藝簡單可控，避免了體硅襯底用濕法刻蝕從背面釋放懸臂梁工藝中的污染問題以及濕法工藝引起的懸臂梁結(jié)構與襯底粘連的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1?13為本發(fā)明一實施例壓電懸臂梁傳感器的制造方法的剖視圖。
【具體實施方式】
[0018]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步說明。當然本發(fā)明并不局限于該具體實施例，本領域內(nèi)的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[0019]下面將結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明的壓電懸臂梁傳感器的制造方法進行詳細的說明。為了更好地說明本發(fā)明的技術方案，請參考圖1至圖13，其所示為本發(fā)明壓電懸臂梁傳感器制造方法剖視圖。
[0020]首先，請參考圖1，提供一 SOI (Silicon-On-1nsulator)襯底，SOI襯底由襯底硅層1、埋氧化層2和頂層硅層3構成。其中，SOI襯底上具有對應于形成于其上方的懸臂梁結(jié)構的懸臂梁區(qū)域。埋氧化層2和頂層硅層3是用作壓電懸梁臂傳感器懸梁臂的支撐結(jié)構，為保持懸臂梁傳感器的靈敏度并保持一定的彈性韌度，埋氧化層2和頂層硅層3的厚度約為I微米至2微米。
[0021]接著，請參見圖2至圖9，在懸臂梁區(qū)域上方依次形成下電極、壓電薄膜和上電極。其中上下電極均是采用光刻膠直接剝離工藝形成。如圖2所示，具體來說，先在SOI襯底上涂覆光刻膠4并經(jīng)曝光、顯影去除懸臂梁區(qū)域上覆蓋的光刻膠，形成下電極圖形，光刻膠4仍然覆蓋在懸臂梁區(qū)域以外。如圖3所示，采用PVD方法淀積Pt/Ti薄膜5，其中Pt膜厚度約為0.05微米?0.1微米，Ti膜厚度約為0.01微米?0.02微米。請繼續(xù)參考圖4，將整個結(jié)構浸入到剝離液，如丙酮溶液中，進行光刻膠剝離，隨著光刻膠的溶解，光刻膠4上的Pt/Ti薄膜5也隨其一起脫落，從而留下了 Pt/Ti下電極。之后如圖5和圖6所示，制備PZT壓電薄膜6并對其進行圖形化。其中PZT壓電薄膜6可采用溶膠一凝膠法(Sol-gel)制備，也可采用其他制備方法如派射法(Sputtering)、金屬有機化合物熱分解法(MOD)、金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)或脈沖激光沉積法(PLD)等。制備出的PZT壓電薄膜的厚度約為2微米。圖形化PZT壓電薄膜6的步驟可包括涂膠、曝光、顯影，然后采用含C12/Ar/02氣體的干法刻蝕工藝進行圖形化，其為本領域技術人員所熟知，在此不作贅述。在形成壓電薄膜6并圖形化之后，進行上電極的制備，上電極同樣采用光刻膠剝離工藝形成。請參考圖7至圖9，在圖6所示的結(jié)構上再次涂覆光刻膠4并經(jīng)曝光、顯影去除壓電薄膜6上覆蓋的光刻膠，形成上電極圖形，光刻膠4仍然覆蓋在壓電薄膜6以外區(qū)域的頂層硅層3上。采用PVD方法淀積Pt/Ti薄膜7，其中Pt膜厚度約為0.05微米?0.1微米，Ti膜厚度約為
0.01微米?0.02微米。將整個結(jié)構浸入到剝離液，如丙酮溶液中，進行光刻膠剝離，隨著光刻膠的溶解，光刻膠4上的Pt/Ti薄膜7也隨其一起脫落，從而留下了位于壓電薄膜6上的Pt/Ti上電極。
[0022]在形成懸臂梁結(jié)構的上下電極和壓電薄膜后，再次涂覆光刻膠且使其覆蓋Pt/Ti上電極，以該光刻膠為掩膜沿著懸臂梁區(qū)域的邊緣，依次刻蝕頂層硅層3、埋氧化層2和襯底硅層1，形成底部延伸至襯底硅層I的溝槽，如圖10所示，該溝槽具有與懸臂梁區(qū)域?qū)R的側(cè)壁。頂層硅層3、埋氧化層2和襯底硅層I的刻蝕方法例如為各向異性干法刻蝕。之后，請參見圖11，去除光刻膠，在整個結(jié)構表面沉積一層隔離層8，該隔離層作為后續(xù)釋放工藝的阻擋層。在本實施例中，隔離層為SiN層，厚度約為0.05微米?0.1微米，通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)方法沉積而成。接著，去除溝槽底部的隔離層8并露出襯底硅層1，以形成懸臂梁結(jié)構的釋放窗口。隔離層8可通過干法刻蝕去除。最后，通過懸臂梁結(jié)構的釋放窗口從SOI襯底正面進行釋放工藝，腐蝕懸臂梁區(qū)域下方的襯底硅層1，從而對應于懸臂梁區(qū)域，形成懸空的且由埋氧化層以及頂層硅層支撐的壓電懸臂梁結(jié)構。在本實施例中，釋放工藝為各向同性濕法刻蝕工藝。
[0023]綜上所述，本發(fā)明通過采用SOI作為壓電懸臂梁傳感器的襯底材料，利用SOI襯底中的埋氧化層以及頂層硅層作為壓電懸臂梁支撐結(jié)構，簡化了懸臂梁結(jié)構的制造工藝，且充分利用普遍采用的CMOS工藝完成，工藝簡單可控；此外，從襯底正面進行釋放工藝腐蝕SOI的襯底硅層來形成懸臂梁結(jié)構，也避免了體硅襯底用濕法刻蝕從背面釋放懸臂梁工藝中的污染問題以及濕法工藝引起的懸臂梁結(jié)構與襯底粘連的問題。
[0024]雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅為了便于說明而舉例而已，并非用以限定本發(fā)明，本領域的技術人員在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發(fā)明所主張的保護范圍應以權利要求書所述為準。
【權利要求】
1.一種壓電懸臂梁傳感器的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 提供一 SOI襯底，其包括襯底硅層，埋氧化層以及頂層硅層；所述SOI襯底具有與懸臂梁結(jié)構相對應的懸臂梁區(qū)域； 在所述懸臂梁區(qū)域上依次形成下電極、壓電薄膜和上電極； 沿所述懸臂梁區(qū)域邊緣依次刻蝕所述頂層硅層、所述埋氧化層和所述襯底硅層，形成底部延伸至所述襯底硅層的溝槽； 在上述結(jié)構上沉積隔離層； 去除所述溝槽底部的隔離層并露出所述襯底硅層，以形成所述懸臂梁結(jié)構的釋放窗口 ；以及 通過所述釋放窗口進行釋放工藝，刻蝕所述懸臂梁區(qū)域下方的所述襯底硅層，以形成所述懸臂梁結(jié)構。
2.根據(jù)權利要求1所述的壓電懸臂梁傳感器的制造方法，其特征在于，在所述懸臂梁區(qū)域上依次形成上電極、壓電薄膜和上電極的步驟包括: 通過光刻膠剝離工藝在所述懸臂梁區(qū)域上形成Pt/Ti下電極； 制備PZT壓電薄膜，并對其圖形化；以及 通過光刻膠剝離工藝在所述圖形化的PZT壓電薄膜上形成Pt/Ti上電極。
3.根據(jù)權利要求2所述的壓電懸臂梁傳感器的制造方法，其特征在于，通過光刻膠剝離工藝在所述懸臂梁區(qū)域上形成Pt/Ti下電極的步驟包括: 在所述頂層硅層上涂覆光刻膠，經(jīng)曝光顯影去除所述懸臂梁區(qū)域上方的所述光刻膠； 淀積Pt/Ti薄膜；以及 將上述結(jié)構浸泡于剝離液中進行光刻膠剝離，以在所述懸臂梁區(qū)域上形成所述Pt/Ti下電極。
4.根據(jù)權利要求2所述的壓電懸臂梁傳感器的制造方法，其特征在于，通過光刻膠剝離工藝在所述壓電薄膜上形成Pt/Ti上電極的步驟包括: 在上述結(jié)構上涂覆光刻膠，經(jīng)曝光顯影去除所述圖形化的PZT壓電薄膜上方的所述光刻膠; 淀積Pt/Ti薄膜；以及 將上述結(jié)構浸泡于剝離液中進行光刻膠剝離，以在所述圖形化的PZT壓電薄膜上形成所述Pt/Ti上電極。
5.根據(jù)權利要求2所述的壓電懸臂梁傳感器的制造方法，其特征在于，所述PZT壓電薄膜通過濺射法，溶膠一凝膠法，金屬有機化合物熱分解法，金屬有機化學氣相沉積法或脈沖激光沉積法制備而成。
6.根據(jù)權利要求1所述的壓電懸臂梁傳感器的制造方法，其特征在于， 通過干法刻蝕工藝沿所述懸臂梁區(qū)域邊緣依次刻蝕所述頂層硅層、所述埋氧化層和所述襯底娃層； 通過干法刻蝕工藝去除所述溝槽底部的隔離層并露出所述襯底硅層。
7.根據(jù)權利要求1所述的壓電懸臂梁傳感器的制造方法，其特征在于，所述釋放工藝為各向同性濕法刻蝕工藝。
8.根據(jù)權利要求1所述的壓電懸臂梁傳感器的制造方法，其特征在于，所述隔離層為SiN層，其通過等離子體增強化學氣相沉積法沉積而成，厚度為0.05微米~0.1微米。
9.根據(jù)權利要求1所述的壓電懸臂梁傳感器的制造方法，其特征在于，所述Pt/Ti薄膜中Pt膜的厚度為0.05微米~0.1微米，Ti膜的厚度為0.01微米~0.02微米。
10.根據(jù)權利要求1~9任 一項所述的制造方法所制造的壓電懸臂梁傳感器。
【文檔編號】H01L41/332GK103594617SQ201310630291
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權日:2013年11月29日
【發(fā)明者】楊冰 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司