1.1 研究背景與動機
第一顆電晶體始於 1947 年，由貝爾實驗室的三位科學家巴丁(Bardeen)、布拉頓 (Brattain)、蕭克利(Shockley)所發明，並首先啟用了「電晶體(transister)」此一名稱，也 開啟了半導體時代。然往後半導體朝向「輕、薄、短、小」發展，帶動了許多產業，例 如：通訊、光電、電路電子、生物醫學、微型機械、生物化學等的發展。
理察-費曼（Richard P. Feynman）博士於 1959 年在美國物理學會年會的經典演 講:There's Plenty of Room at the Bottom，為微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System；MEMS)，引導了一個新領域的發展方向，也將工程科學的發展延伸至微小的 世界。現今拜半導體技術發展所致，使半導體材料做成的機械元件可以微小化，促成微 機電系統(Micro-Electro-Mechanical System;MEMS)的發展，進而得以和電子元件整合，
衍 生 出 互 補 式 金 屬 - 氧 化 層 - 半 導 體 微 機 電 系 統 (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor-MEMS) 的整合技術；也因為製程技術進步迅速，元件從微 米 等 級 進 步 到 奈 米 等 級 ， 使 得 微 機 電 系 統 也 進 步 到 奈 米 機 電 系 統 (Nano-Electro-Mechanical System；NEMS)的等級，進而感測元件也更為靈敏，而藉由與 電機、光電、生醫、機械、生物和許多領域的結合，其為一個非常有潛力的產業。而就 半導體產業的觀點來看，從ITRS 所提出的( International Technology for Semiconductors;
國際半導體技術藍圖)對於未來半導體技術之規劃，就清楚點明未來半導體持續發展的 基石將是奠基於(System on a chip；SOC) 技術的異質化元件整合技術；其中，與微機電 的整合 (Integrated MEMS)並被視為現階段可積極發展之技術。
半導體製程概分為三類：(1)薄膜成長，(2)微影罩幕，(3)蝕刻成型。許多微機電元 件的製造技術則是利用目前的半導體製造技術為基礎再加以延伸應用，例如面微加工 (Surface micromachining)，而體微加工(Bulk micromachining)和 LIGA（Lithographie GaVanoformung Abformung）的技術則是製作微機電元件常使用的技術。微機電元件的 研究大致應用有三類，微結構(Micro-Structure)、微感測器(Micro-Sensor)、微致動器
(Micro-Actuator)，將人的大腦比做電腦，那微機電系統中的微結構就好比是人的手、腳、
眼、鼻、耳、嘴等感官器官，而訊號傳遞中的神經就好比是微機電系統中的積體電路，
而微感測器與微致動器就像我們四肢這樣充斥著我們的生活，感測生活週遭中的光、
聲、色、壓力、溫度等微小細節…，再藉由感測出的訊號傳遞到大腦，使四肢致動做出 適時的反應。
壓阻效應的發展可由凱爾文(Lord Kelvin)在西元 1856 年第一次發現金屬的阻抗在 施加機械性負荷時會產生改變開始，到了西元1954 年，Charles S. Smith[1] 發現了半導 體材料裡的矽與鍺擁有高度的壓阻效應，且其壓阻效應大於金屬，從這之後開始出現各 式各樣的壓阻感測器，像是 1969 年 D. E. Fulkerson[2]將 P-type 電阻做在懸臂樑上 (Cantilever)，並利用惠斯頓電橋與放大器結合，可在加速度計上應用；1973 年 Samaun[3]
等人使用壓阻方式製作壓力感測器應用在生醫方面，並使用異向性蝕刻技術製作振動 板，其在1mmHg 壓力下有 14μV/V 之靈敏度；2000 年 A. Partridge[4]等人使用高深度反 應離子蝕刻(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)與斜向的離子佈植(Ion Implantation)做出 高效率的壓阻加速度計；2007 年 T. C. Duc [5] 等人發展了一個可以在微毫米(nanometer) 牛頓下感應的二維壓阻感測器，並應用體微加工技術製作懸臂樑，而在側面與垂直面的 感應度分別為100V/N 和 540V/N，其可應用生醫方面。
近幾年，由元件尺度微縮以提升金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET) 特性表現的方式似乎遭遇到微影製程技術瓶頸、昂貴花費 等因素，研究人員開始尋求其他方法改善其效能，像是高介電常數(High Dielectric Constant，High K)材料的尋找[6]，可解決閘極漏電流等問題；A. Tsutsui 使用鰭式電晶 體(FinFET)和雙閘極(Double Gate)[7]，以增強載子移動率和增加 MOS 通道寬度。E.
Akturk 使用新的 MOSFET 設計[8]，在通道上長一層成 Z 字型彎曲的奈米碳管(Carbon Nanotubes；CNTs)，研究顯示 CNTs 在低電場時有比較高的 mobility(1×105 cm2/V.s.)，
預期 MOSFET 的能力可以被提升，因其 CNTs 具有良好的電子特性，電子特性受其碳 管的直徑和繞在石墨烯(Graphene)上的角度而變。此外，近年來使用應變矽(Strained
於產業界，應變矽的使用可分為雙軸應變或稱全應變(Biaxial)及單軸應變或稱局部應變 (Uniaxial)，此技術往後章節有更深入探討。
本論文將使用一個壓阻感測方法，與過去使用MEMS 壓阻感測器不同，製程簡化、
低花費、整合性高及較不受摻雜濃度影響；此法亦是利用類似應變矽技術方法，改由從 外部施加應變應力，迫使MOS 通道內產生晶格變化，致使驅動電流產生影響，然從驅 動電流的變化與應力的大小取出壓阻係數，達成壓阻感測應用。
此外現今通訊產業及無線網路蓬勃發展，運用射頻微機電(Radio-Frequency；
RF-MEMS)解決目前通訊系統問題日益重要，研究顯示射頻微機電共振器(RF-MEMS Resonator) 製造的共振器品質因素(Quality factor；Q)值高達 1013。可應用於與矽整合並 具低損耗的元件，如濾波器(Filter)、振盪器(Oscillator)與開關(Switch)[13]。圖 1.1 為一 個多功能的手機通訊系統(CDMA-2000) [13]，圖中黑色部份為可由 MEMS 取代部份；
首先訊號藉由天線(Antenna)接收，經過開關(Switch)選擇我們要的功能，再經由帶通濾 波器(Band Pass Filter) 選擇我們要的頻段，與低雜訊放大器(Low Noise Amplifier)將訊號 提高並降低雜訊，在此訊號已降至中頻，再藉由混頻器(Mixer)與本地震盪結合，使頻 率降至低頻，供往後類比轉數位(Analog to Digital Converter)使用。在此過程中，中頻大 多使用標準積體電路製程來完成，但一般的IC 晶片 Q 值過低，其在超過 1G 或更高頻 的應用時效果不佳，與現今往高頻邁進的趨勢不符，而要是能使用 MEMS 就可以解決 Q 值過低問題；另外前段中頻和射頻部份通常需要高訊號/雜訊比、低功率損耗、高 Q 值，為了達到此要求，傳統通常使用分離元件(Discrete circuits)來完成，像是石英振盪 器、陶磁或表面聲波元件製作的帶通濾波器，但其製程與標準的IC 製程不相容無法與 現有的 IC 製程整合，而要是能使用 MEMS 就可以與矽製程整合，並達到高 Q 值的要 求。
為了瞭解RF-MEMS 對往後通訊產業的重要性，所以本論文也將探討 RF-MEMS 裡 的共振器與濾波器，以了解其發展原理、共振原理、驅動原理、製程原理、設計原理及 許多設計必須考慮的因素。
1.2 論文架構
為了解電晶體壓阻感測的影響，以及RF-MEMS 振盪器與濾波器的應用。我們應用 了幾種不同通道長度、幾種不同SOI 厚度及幾種不同應力大小的接觸蝕刻停止層(CESL) 的條件來做元件壓阻特性的分析，也使用環形振盪器(Ring Oscillator)電路來感測壓阻訊 號。另在RF-MEMS 方面對 Square-shaped 的擴張振盪模式加以分析。對於不同條件的 比較及實驗結果，將有條理的分為下面幾個章節來探討。
第二章主要利用基本電性和 C-V 量測方式來探討電晶體在受到壓縮應變應力下，
對元件特性所造成的影響差異；接著對不同 SOI 厚度的元件施以壓阻效應，探討元件 特性的變化差異。
第三章則使用環形振盪器為測試電路，測試不同 SOI 厚度與不同應力大小的接觸 蝕刻停止層元件，探討元件特性的變化；並利用第二章MOS 電晶體對壓阻效應的實驗 結果，使用以MOS 電晶體為主的環形振盪器電路來感測受到壓阻效應後訊號的影響；
這裡分為與元件共同製作在晶圓上的環形振盪器，以及透過 CIC 下線，經過設計的環 形振盪器。
第四章為MEMS 共振器與濾波器探討，簡述共振器的種類、驅動原理、MEMS 的 特殊製程和說明設計的考量，並應用CIC .35 CMOS MEMS 下線資料設計模擬與佈局。
第五章將對上述章節的研究成果做個總結，藉此了解電晶體壓阻感測的應用及 MEMS 共振器與濾波器的探討，並提出對感測元件及 MEMS 未來之展望。
圖1.1 通訊系統架構，其中灰階部分均可以用微機電製作[13]