[發(fā)明專利]壓電懸臂梁傳感器及其制造方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310630291.8
• 申請(qǐng)日: 2013-11-29
• 公開（公告）號(hào): CN103594617A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊冰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海集成電路研發(fā)中心有限公司
• 主分類號(hào): H01L41/332
• 分類號(hào): H01L41/332;H01L41/113
• 代理公司: 上海天辰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31275
• 代理人: 吳世華;林彥之

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造工藝領(lǐng)域，特別涉及一種基于SOI襯底的壓電懸臂梁傳感器結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)

壓電原理是實(shí)現(xiàn)微傳感器的另一種新途徑。通過壓電效應(yīng)，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(yīng)使微傳感器可以通過施加外電壓驅(qū)動(dòng)微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，從而同時(shí)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(shì)，是微傳感器研究發(fā)展的新領(lǐng)域。

基于壓電效應(yīng)的傳感器是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成，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(cè)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(cè)量力和能變換為力的非電物理量。它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠和重量輕等。而壓電懸臂梁結(jié)構(gòu)是壓電傳感器最簡(jiǎn)單的微結(jié)構(gòu)，利用它可以探測(cè)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。

目前，國(guó)際上多個(gè)研究機(jī)構(gòu)都已經(jīng)開展了對(duì)壓電懸臂梁傳感器技術(shù)的研究，在壓電懸臂梁微結(jié)構(gòu)的原理、結(jié)構(gòu)、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(shí)際中應(yīng)用的卻很少，其關(guān)鍵問題：一是壓電薄膜的微細(xì)加工技術(shù)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(gòu)的釋放需采用硅襯底背面腐蝕工藝，工藝復(fù)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(gòu)與襯底粘連的問題，導(dǎo)致成品率降低。這些問題也是發(fā)展鐵電不揮發(fā)存儲(chǔ)器、室溫型熱釋電紅外探測(cè)器等新型器件亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

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(jiǎn)化了懸臂梁結(jié)構(gòu)的制造工藝，與現(xiàn)有CMOS工藝完全兼容。

為達(dá)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(gòu)相對(duì)應(yīng)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(gòu)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(gòu)的釋放窗口；以及通過所述釋放窗口進(jìn)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(gòu)。

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(duì)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。

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(gòu)浸泡于剝離液中進(jìn)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。

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(gòu)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(gòu)浸泡于剝離液中進(jìn)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。

優(yōu)選地，所述PZT壓電薄膜通過濺射法，溶膠－凝膠法，金屬有機(jī)化合物熱分解法，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法或脈沖激光沉積法制備而成。

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硅層。

優(yōu)選地，所述釋放工藝為各向同性濕法刻蝕工藝。

優(yōu)選地，所述隔離層為SiN層，其通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法沉積而成，其厚度為0.05微米～0.1微米。

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。

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。