CN102786027A

CN102786027A - 用于防止传感器腐蚀的方法和装置

Info

Publication number: CN102786027A
Application number: CN2012101575897A
Authority: CN
Inventors: Q.王; K.M.杰克逊; N.V.曼特拉瓦迪
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2012-11-21
Also published as: EP2524897A3; EP2524897A2; TW201306116A; CA2777575A1; JP2012247413A; US20120292770A1

Abstract

本发明涉及用于防止传感器腐蚀的方法和装置。公开了用于防止传感器腐蚀的装置及其制造方法，其中该装置包括覆盖硅传感器的金属化层（300）的绝缘层（400）和粘合层（200），其中抗腐蚀层（100）位于该粘合层（200）上。

Description

用于防止传感器腐蚀的方法和装置

技术领域

本文公开的主旨涉及基于半导体微机电的传感器（MEMS），其可以用于检测从机械应力、化学机械应力、热应力、电磁场等产生的小的力或挠曲。更具体地，本文公开的主旨涉及用于防止这样的传感器腐蚀的方法和装置。

背景技术

基于半导体微电子的传感器的发展已经极大地起到降低这样的传感器的尺寸和成本的作用。已经很好地记载了硅微传感器的电气和机械性质。硅微加工和半导体微电子技术已经发展成具有许多实际应用的极重要的传感器产业。例如，广泛地已知微加工的硅压力传感器、加速度传感器、流量传感器、湿度传感器、麦克风、机械振荡器、光学和RF开关和衰减器、微型阀、喷墨打印头、原子力显微镜针尖等进入高容量的医疗、航空、工业和汽车市场中的各种应用。硅的高屈服点、在室温的弹性和硬度性质使其对于例如可用于电子频率控制或传感器结构的共振结构是理想的基底材料。甚至例如手表、潜水设备和手持式轮胎压力计等消费品可包含硅微加工的传感器。

对于硅传感器在不断扩大的使用领域中的需求持续激发对为特定环境和应用而优化的新的且不同的硅微传感器几何形状和配置的需要。许多应用要求这些传感器在恶劣的环境条件内操作并且经受恶劣的环境条件，例如高湿度或酸度条件，其可以导致硅传感器的金属化层（例如提供到传感器以及来自传感器的导电的连接和引线接合盘）的腐蚀。这样的腐蚀可以导致传感器不准确、故障以及甚至失效。为了防止这样的腐蚀发生，一些传感器利用抗腐蚀的赤金（solid gold）金属化层。然而，金是容易被刮擦和损坏的软金属。许多传感器另外利用玻璃层，其接合到硅衬底层来使装置与其封装隔离。因为在完成硅到玻璃接合之后无法使用湿法蚀刻技术来加工金金属化层，金金属化的使用影响传统的制造工艺。此外，在进行硅到玻璃接合之前加工金金属化层将需要降低接合的质量以便防止金扩散进入硅的技术。

因此，需要有用于在硅传感器上制造抗腐蚀的电气连接的低成本装置和方法，其不仅耐用，还便于使用高质量的硅到玻璃接合技术。

上面的论述只对于一般背景信息提供并且不意在用作确定要求保护的主旨的范围的辅助手段。

发明内容

公开了用于防止传感器腐蚀的装置及其制造方法，其中该装置包括覆盖硅传感器的金属化层的绝缘层和粘合层，其中抗腐蚀层位于该粘合层上。可在描述的装置和制造方法的一些实施例的实践中实现的优势是其能够使用常规的硅到玻璃接合技术，同时使金适应用作抗腐蚀层。

在一个示范性实施例中，公开了用于防止传感器腐蚀的方法。该方法包括以下步骤：将绝缘层沉积在具有由硅组成的衬底层的传感器的金属化层上；蚀刻通过绝缘层的至少一个接触沟道蚀刻来暴露金属化层的一部分；将粘合层沉积在绝缘层的一部分以及该至少一个接触沟道的内表面上，该粘合层接触绝缘层的一部分以及金属化层的一部分；以及将抗腐蚀层沉积在该粘合层上。

在另一个示范性实施例中，公开了用于防止传感器腐蚀的装置。该装置包括：绝缘层，其位于具有由硅组成的衬底层的传感器的金属化层上；至少一个接触沟道，其延伸通过该绝缘层来暴露金属化层的一部分；粘合层，其位于绝缘层的一部分以及该至少一个接触沟道的内表面上，该粘合层接触绝缘层的一部分以及金属化层的一部分；以及抗腐蚀层，其位于该粘合层上。

在另一个示范性实施例中，装置包括：绝缘层，其包括位于具有由硅组成的衬底层的传感器的金属化层上的二氧化硅，该金属化层包括铝；玻璃层，其接合到衬底层的底部；至少一个接触沟道，其延伸通过绝缘层来暴露金属化层的一部分；位于绝缘层的一部分以及至少一个接触沟道的内表面上的粘合层，其包括钛钨，该粘合层接触绝缘层的一部分以及金属化层的一部分；以及位于该粘合层上的包括金的抗腐蚀层。

本发明的简要描述只意在根据一个或多个说明性实施例提供对本文公开的主旨的简要概述，并且不起到解释权利要求或起到限定或限制本发明的范围的指导的作用，本发明的范围仅由附上的权利要求限定。提供该简要描述以采用简化的形式介绍概念的说明性选择，在下文在详细说明中进一步描述这些概念。该简要描述不意在识别被要求保护的主旨的关键特征或基本特征，也不意在用作确定被要求保护的主旨的范围的辅助手段。被要求保护的主旨不限于解决在背景中指出的任何或全部劣势的实现。

附图说明

因此提供这样的方式，采用该方式，可以理解本发明的特征，可通过参考某些实施例（其中一些在附图中说明）来提供本发明的详细说明。然而，要注意，图只图示本发明的某些实施例并且因此不视为它的范围的限制，因为本发明的范围包含其他同等有效的实施例。图不必按比例绘制，重点一般放在图示本发明的某些实施例的特征上。在图中，类似的符号用于指示贯穿各种图的类似的部件。从而，为了进一步理解本发明，可以参考连同图阅读的下列详细说明，其中：

图1是本发明的示范性实施例中的传感器的接合盘的示范性横截面图；

图2是示出制造本发明的示范性实施例中的传感器的接合盘的步骤的示范性工艺流程；

图3是本发明的示范性实施例中的衬底层、钝化层和金属化层的示范性横截面图；

图4是本发明的示范性实施例中的衬底层和钝化层（其中蚀刻的金属化层在绝缘层中被覆盖）的示范性横截面图；

图5是本发明的示范性实施例中的衬底层、钝化层和在蚀刻的绝缘层（其具有接触沟道）中被覆盖的蚀刻的金属化层的示范性横截面图；

图6是本发明的示范性实施例中的衬底层、钝化层和在蚀刻的绝缘层（其具有由粘合层和抗腐蚀层覆盖的接触沟道）中被覆盖的蚀刻的金属化层的示范性横截面图。

具体实施方式

公开了用于防止传感器腐蚀的装置及其制造方法，其中该装置包括覆盖硅传感器的金属化层的绝缘层和粘合层，其中抗腐蚀层位于该粘合层上。可在描述的装置和制造方法的一些实施例的实践中实现的优势是其能够使用常规的硅到玻璃接合技术，同时使金适应用作抗腐蚀层。在制造期间，需要足够的热来产生优质的硅到玻璃阳极接合。因此，如果玻璃层通过使用赤金金属化层的常规技术接合到衬底层，形成优质的阳极接合所需要的热可以导致金扩散进入硅中。通过使用较低的温度改变硅到玻璃接合工艺可以导致质量较低的接合。备选地，如果玻璃层在使用金的常规金属化之前接合到衬底层，金金属化层的存在将在图案化金属化层中排除使用湿法加工技术，因为玻璃与这样的湿法加工将在化学上不相容。

可在描述的装置和制造方法的一些实施例的实践中实现的另外的优势是绝缘层不仅抗腐蚀（因为是抗腐蚀层），还防刮擦。因此，绝缘层的使用可以提高所得的传感器的整体耐久性，尤其是在易受例如引线或其他物理连接刮擦的接合盘联结处。可在描述的装置和制造方法的一些实施例的实践中实现的再另外的优势是抗腐蚀层可以制成非常薄。在金用作抗腐蚀材料的情况下，这可以减少制造传感器所需要的金的量并且降低其整体成本，因为金属化层可以仍旧是例如更低成本的铝。

图1示出本发明的示范性实施例中的传感器的接合盘10的横截面图。接合盘10可以在硅传感器的金属化层300与各种外部部件（例如引线或接触引脚）之间提供电气连接。接合盘10可以包括具有钝化层600的硅衬底层700。在一个实施例中，衬底层700可以是硅晶圆（其可以具有n型或p型掺杂），并且可以具有合适的厚度来满足被制造的硅传感器的设计和操作要求。钝化层600可以由例如二氧化硅层、氮化硅层或这两者的组合组成。钝化层600可以向衬底层700提供电气绝缘和保护。

接合盘10可以进一步包括金属化层300。金属化层300可以提供从硅传感器的外表面到感测元件的导电，并且可以由例如铝组成。该金属化层300可以由绝缘层400覆盖，该绝缘层400可以包括，例如低温氧化物（例如防刮擦的二氧化硅）的层。可以选择绝缘层400的性质使得它可以以相对低的温度（例如400℃）沉积在金属化层300上，使得它涂覆金属化层300的整个暴露表面来防止金属化层300的腐蚀和刮擦两者。因为绝缘层400可不导电，一个或多个接触沟道450可以被蚀刻通过绝缘层400以通过绝缘层400提供对金属化层300的接近。

接合盘10可以进一步包括粘合层200，其可以沉积在绝缘层400的一部分上并且沉积进入接触沟道450使得粘合层200覆盖接触沟道450的内表面，如在图1中示出的。在一些实施例中，粘合层200可只沉积在接触沟道450内。此外，抗腐蚀层100可以沉积在粘合层200上使得粘合层200位于抗腐蚀层100与绝缘层400和金属化层300的组合之间，如在图1中示出的。粘合层200可以由例如钛钨（TiW）或任何其他合适的合金的层组成，并且可以不仅充当抗腐蚀层100的粘合层，还充当防止抗腐蚀层100扩散进入衬底层700的屏障。粘合层200可以是导电的。抗腐蚀层100可以是，例如金或可以导电并且不易由环境因素（例如高的湿度或酸度）腐蚀的其他材料的层。抗腐蚀层100可以处于与外部部件（例如引线或接触引脚（未示出））物理接触，以在接合盘10和外部部件之间提供导电。

用于制造与在图1中图示的那个类似的接合盘10的示范性工艺参照图1至6解释。图2是用于制造本发明的一个实施例中的传感器的接合盘10的示范性工艺流程900。图3是本发明的示范性实施例中的衬底层700、钝化层600和金属化层300的示范性横截面图。参照图3，在图2的工艺步骤910中，金属化层300可以沉积在硅晶圆50的期望的部分之上。硅晶圆50可以包括具有钝化层600的衬底层700。衬底层700可以是硅（其可以具有n型或p型掺杂），并且可以具有合适的厚度来满足被制造的硅传感器的设计和制作要求。衬底层700可以是硅传感器的任何装置或其他层。钝化层600可以由例如二氧化硅层、氮化硅层或这两者的组合组成。钝化层600可以在制作和操作期间向衬底层700提供电气绝缘和保护。金属化层300可以使用溅射或蒸发技术沉积，并且可以由例如铝组成。金属化层300可以沉积到任何期望的厚度以适合于装置设计和制造要求。

在图2的工艺步骤920中，金属化层300被蚀刻并且图案化以满足正被制造的硅传感器的设计规格。金属化层300使用光阻掩模和干法或湿法蚀刻技术（例如DRIE、采用KOH或TMAH的湿法蚀刻或类似物）而图案化。图4是本发明的示范性实施例中的衬底层700和钝化层600（其中蚀刻的金属化层300在绝缘层400中被覆盖）的示范性横截面图。在图2的工艺步骤930中，绝缘层400（例如二氧化硅等低温氧化物）可以沉积在金属化层300和钝化层600上，如在图4中示出的。绝缘层400可以使用低压化学气相沉积（LPCVD）而沉积，其提供金属化层300的合适的台阶覆盖。

图5是本发明的示范性实施例中的衬底层700、钝化层600和在蚀刻的绝缘层400（其具有接触沟道450）中被覆盖的蚀刻的金属化层300的示范性横截面图。在图2的工艺步骤940中，使用光阻掩模500和干法或湿法蚀刻技术（例如DRIE、采用KOH或TMAH的湿法蚀刻或类似物）蚀刻并且图案化绝缘层400，如在图5中示出的。在工艺步骤940期间进行的蚀刻可以在离金属化层300选择的距离处将绝缘层400从钝化层600的表面去除。另外，一个或多个垂直的接触沟道450（其可以是通过绝缘层400向下延伸到金属化层300的空腔）可以使用例如湿法或干法蚀刻技术而形成。接触沟道450可以通过接触沟道450提供金属化层300的一部分的暴露。

图6是本发明的示范性实施例中的玻璃层800、衬底层700、钝化层600和在蚀刻的绝缘层400（其具有由粘合层200和抗腐蚀层100覆盖的接触沟道450）中被覆盖的蚀刻的金属化层300的示范性横截面图。在图2的工艺步骤950中，玻璃层800使用例如阳极接合等硅到玻璃接合技术而接合到衬底层700的底侧。玻璃层800可以使衬底层700的硅与可以环绕完成的传感器的装置封装隔离。

在图2的工艺步骤960中，硬掩模850（例如阴影掩模）可以置于接合盘10上使得该硬掩模850的开口部分留下蚀刻的绝缘层400的一部分和暴露的接触沟道450，如在图6中示出的。一旦硬掩模850就位，粘合层200可以使用溅射或蒸发工艺而沉积在绝缘层400的暴露部分和接触沟道450的内表面上，如在图6中示出的。在一些实施例中，粘合层200可以只沉积在接触沟道450内。粘合层200可以由例如钛钨（TiW）或任何其他合适的导电合金的层组成，并且可以不仅充当抗腐蚀层100的粘合层，还充当防止抗腐蚀层100扩散进入硅中的屏障。粘合层200可以沉积到任何厚度来满足设计规格，并且可以制成非常薄，例如100埃（如需要的话）。

最后，在图2的工艺步骤970中，抗腐蚀层100可以使用溅射或蒸发工艺而沉积在粘合层200和接触沟道450的暴露部分上，如在图6中示出的。抗腐蚀层100可以由例如金或其他抗腐蚀导电材料的层组成。抗腐蚀层100可以是薄的，例如近似0.1μm，但可以沉积到任何厚度来满足给定的设计参数。粘合层200和抗腐蚀层100一起提供从接合盘10的上表面到金属化层300的导电路径。粘合层200和抗腐蚀层100的形状可以由绝缘层400的厚度和接触沟道450的尺寸、形状和数量规定。一旦抗腐蚀层100被沉积，可以去除硬掩模850。

提供上文的详细描述以说明示范性实施例并且不意在为限制性的。尽管用于制造抗腐蚀传感器的方法已经被示出并且关于牵涉接合盘的实施例描述，相似的技术可以用于防止任何形式的硅传感器金属化或电气接触的腐蚀对于本领域内技术人员将是明显的。因此，应该认识到本文描述的装置和制作方法在本文没有明确描述的很多种其他应用中是有用的。在本发明的范围内的许多修改和变化是可能的，这对于本领域内技术人员也将是明显的。此外，如将由本领域内技术人员认识到的，许多其他材料和工艺可以在描述的示范性方法和结构的范围内使用。另外，在各种示范性实施例中识别并且描述的步骤的序列不必按描述的序列出现，并且在其他实施例中各种步骤可以组合、按不同的顺序、或连续、不连续或并行进行并且仍然实现相同的结果，这对于本领域内技术人员将是明显的。

该书面描述使用示例以公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统并且进行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想起的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。

Claims

1. 一种用于防止传感器腐蚀的装置，包括：

绝缘层（400），其位于所述传感器的金属化层（300）上，所述传感器具有由硅组成的衬底层（700）；

至少一个接触沟道（450），其延伸通过所述绝缘层（400）来暴露所述金属化层（300）的一部分；

粘合层（200），其位于所述绝缘层（400）的一部分和所述至少一个接触沟道（450）的内表面上，所述粘合层（200）接触所述绝缘层（400）的一部分和所述金属化层（300）的一部分；以及

抗腐蚀层（100），其位于所述粘合层（200）上。

2. 如权利要求1所述的装置，其进一步包括接合到所述衬底层（700）的底部的玻璃层（800）。

3. 如权利要求1所述的装置，其中所述绝缘层（400）由二氧化硅组成。

4. 如权利要求1所述的装置，其中所述金属化层（300）由铝组成。

5. 如权利要求1所述的装置，其中所述抗腐蚀层（100）由金组成。

6. 如权利要求1所述的装置，其中所述粘合层（200）由钛钨组成。

7. 如权利要求1所述的装置，其中所述装置是接合盘（10）。

8. 如权利要求1所述的装置，其中所述装置是电气接触。

9. 一种用于防止传感器腐蚀的方法，包括以下步骤：

将绝缘层（400）沉积在所述传感器的金属化层（300）上，所述传感器具有由硅组成的衬底层（700）；

形成通过所述绝缘层（400）的至少一个接触沟道（450）来暴露所述金属化层（300）的一部分；

将粘合层（200）沉积在所述绝缘层（400）的一部分和所述至少一个接触沟道（450）的内表面上，所述粘合层（200）接触所述绝缘层（400）的一部分和所述金属化层（300）的一部分；

将抗腐蚀层（100）沉积在所述粘合层（200）上。

10. 如权利要求9所述的方法，其中形成所述至少一个接触沟道（450）的步骤进一步包括将玻璃层（800）接合到所述传感器的所述衬底层（700）的步骤。

11. 如权利要求9所述的方法，其中所述绝缘层（400）由二氧化硅组成。

12. 如权利要求9所述的方法，其中所述金属化层（300）由铝组成。

13. 如权利要求9所述的方法，其中所述抗腐蚀层（100）由金组成。

14. 如权利要求9所述的方法，其中所述粘合层（200）由钛钨组成。

15. 如权利要求9所述的方法，其中沉积粘合层（200）的所述步骤和沉积所述抗腐蚀层（100）的所述步骤使用硬掩模和溅射工艺进行。