CN102951592A - Mems传感器中的多层nonon膜 - Google Patents

Abstract

各种实施例涉及一种MEMS压力传感器及其制造方法。该MEMS压力传感器包括：下电极；第一绝缘层，在所述下电极上方；第二绝缘层，在所述第一绝缘层上方，在所述第一绝缘层和第二绝缘层之间形成腔体；上电极，在所述第二绝缘层上方，其中，所述腔体的一部分在所述上电极和下电极之间；以及NONON压力膜，在所述上电极上方。

Description

MEMS传感器中的多层NONON膜

技术领域

本文公开的各种示例性实施例一般地涉及MEMS传感器中的多层NONON压力膜。

背景技术

设计MEMS传感器以在严酷环境中操作提出了很多问题。示例是可充电锂离子电池系统中包括的MEMS压力传感器。为了保证可靠的操作，可能与电池内部的液体电解质直接接触的部分应有效地阻止水和锂离子的扩散以及典型地出现在这些电池中的其它重金属离子(Mn²⁺、Co²⁺、Fe^2+/3+)。尤其是可能与液体电解质直接接触的压力膜可能经受潜在的水和锂离子渗透，因为它可能是柔软的并且薄的。如果扩散产生在压力膜中，则压力传感器操作可能严重地劣化。因而，设计需要膜处于严酷环境中的精确MEMS传感器提出了很多问题，其中必须提供针对操作环境中出现的各种材料的有效阻挡

发明内容

因而，需要一种允许精确MEMS压力传感器在严酷环境中操作的膜。所提供的是使得能够将多层NONON膜用于MEMS压力传感器中的实施例。

提出各个示例性实施例的简要概述。在以下概述中可以进行一些简化和省略，这是为了强调并且介绍各个示例性实施例的一些方面，但不是限制本发明的范围。足以允许本领域技术人员进行和使用本发明的构思的优选示例性实施例的详细描述会在随后部分中描述。

各种实施例也可以涉及一种MEMS压力传感器，包括：下电极；第一绝缘层，在所述下电极上方；第二绝缘层，在所述第一绝缘层上方，在所述第一绝缘层和第二绝缘层之间形成腔体；上电极，在所述第二绝缘层上方，其中，所述腔体的一部分在所述上电极和下电极之间；以及NONON压力膜，在所述上电极上方。

各种实施例也可以涉及一种制造MEMS压力传感器的方法，包括：在衬底上形成下电极；在所述下电极上方形成第一绝缘层；在所述第一绝缘层上形成牺牲层；在所述牺牲层和所述第一绝缘层上方形成第二绝缘层；在所述第二绝缘层上形成上电极；在所述上电极和所述第二绝缘层上方形成第三绝缘层；形成通过所述第二绝缘层和第三绝缘层的孔，以暴露所述牺牲层；刻蚀所述牺牲层以形成腔体；以及以金属柱塞塞住所述孔以在所述腔体中产生真空。

附图说明

为了更好理解各个示例性实施例，参照附图，其中：

图1示出根据本发明实施例的MEMS压力传感器；

图2示出用于制造MEMS压力传感器的第一步骤；

图3示出通过刻蚀牺牲层来形成压力传感器腔体；

图4和图5示出在孔中形成柱塞(plug)；

图6示出形成具有最终封装的压力膜；

图7示出作为半径的函数并且针对各个压力的压力膜变形(deflection)图；

图8示出压力与电容和MEMS压力的灵敏度之间的关系图；以及

图9示出针对不同内部应力水平、间隙高度以及压力膜厚度的作为压力膜半径的函数的触碰点压力，杨氏模量为140MPa。

具体实施方式

现参照附图，其中，相似的标号指代相似的元件或步骤，公开各个示例性实施例的宽泛方面。

MEMS压力传感器依赖于悬挂的膜(例如硅、硅锗、氧化硅或氮化硅)的变形的精确测量。它们可能具有电容读出并且也是本领域公知的。可以密封膜下方的腔体而与环境隔开，以具有已知和稳定的参考压力。

例如，薄圆形悬挂SiN膜可以采用作为电容压力计。可以通过采用PECVD SiN工艺来密封SiN膜下方的腔体。可以主要通过该SiN薄膜的物理、机械和结构特性以及封闭孔以封闭腔体所需的柱塞的厚度来确定压力传感器性能。SiN薄膜的密度和成分可以确定排气行为(outgassing behavior)和扩散阻挡性质。SiN薄膜的内部应力和厚度可以确定膜刚性并且因此压力传感器的灵敏度。

当前多数微机加工压力传感器使用密闭地密封的膜，其密封处于特定仪表压力并且在一些情况下仪表压力是真空的基准腔体。因为外部压力与腔体中的压力之间的压力差在膜上产生使得膜变形的力，所以可以确定外部压力。然后通过电容传感器来测量这种变形。存在与现在讨论的这种压力传感器设计有关的若干问题。基准腔体中的气体压力需要十分稳定。这可能要求很高级别的压力膜的密封性。然而，为了具有大变形和灵敏度，压力膜的厚度应当薄和/或其应当具有大面积。因为制作十分薄的密闭膜提出了很多问题，所以这些可能是冲突的要求并且可能导致更大的传感器尺寸。

此外，需要最小化压力传感器中的层的排气。如果基准腔体不是真空，则其可能具有特定压力并且该压力可能是根据Boyle定律(P*V＝n*R*T)而是温度相关的。因此，压力传感器变得更加温度相关。

此外，在仍然足够柔软以变形的同时，压力传感器可能具有需要抵抗腐蚀、扩散等的与外部世界的界面。例如，在车辆可充电电池系统中，锂离子电解质出现，其可能容易地扩散通过压力捕获膜。在没有正确的帽盖(cap)或扩散阻挡的情况下，因为锂容易地扩散到硅，所以采用具有硅压力膜和压阻读出的压力传感器并不理想地适合于该目标。

另一重要方面是压力传感器尺寸和器件的制造成本。独立压力传感器可能需要单独的读出IC，因此可以具有由附加封装成本导致的大和更贵的缺点。压力传感器和读出管芯的集成可以改进性能并且减少尺寸和成本。

因此，已经致力于开发能够在足够薄并且柔软以能够以足够灵敏度来检测小压力改变的同时承受进入膜和/或腔体的气体和移动离子扩散的压力膜。此外，已经致力于开发制造工艺以在具有电容读出的CMOS电路的顶部构建MEMS腔体的制造工艺。

实施例可以包括MEMS压力传感器，其具有密封的腔体，所述密封的腔体具有电容读出的多层压力捕获膜。所述膜可以能够在薄的同时承受气体和移动离子扩散，并且可以足够柔软以能够检测小压力改变。膜可以包括NONON电介质堆叠以防止沿着界面、晶粒边界、缺陷、微粒或穿过堆叠层的针孔的扩散。多层方法可以在仍然足够薄并且柔软以捕获小压力变化的同时确保优异的密闭膜。

NONON堆叠可以包括产生NONON重复结构的多个交替氮化硅-氧化硅薄膜。SiN和SiO薄膜均可以提供不同功能。氮化硅薄膜可以更好地防止移动离子扩散，但可能重要的是，与氧化硅或氧氮化硅交替的氮化物层以保持排气进入腔体的氢气尽可能低，以减少/控制膜中的应力并且优化杨氏模量。

可以例如使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在一个工艺室中通过薄膜沉积来制造NONON堆叠。低温处理可以允许在CMOS器件的顶部上制造器件。

为了在NONON膜之下制造腔体，可以使用金属牺牲层。使用金属牺牲层(例如Mo或Al)可以允许控制腔体的间隙高度和横向尺寸。这是由于当例如采用基于HF蒸气的牺牲刻蚀时金属针对氮化硅的刻蚀选择性比氧化硅针对氮化硅的刻蚀选择性更好。

替代地，氧化硅可以用作牺牲层。这允许使用基于HF蒸气的干法刻蚀方法，其可以有利于避免粘连(sticking)。如果使用该方法，则腔体上覆的膜必须包括金属(例如Al、W、TiW或TiN)或是基于硅的(单晶Si、多晶Si、SiC、SiGe或金属硅化物)，以确保针对HF蒸气的足够选择性。

最后，Al柱塞可以用于密封腔体，其可以导致减少腔体内部的残余压力，这使得传感器更少温度相关。

图1示出根据本发明实施例的MEMS压力传感器。该实施例可以是可充电锂离子电池系统中包括的MEMS压力传感器100。为了具有可靠的操作，与电池内的液体电解质直接接触的MEMS压力传感器100的部分应有效地阻止水和锂离子的扩散以及典型地出现在这些电池中的其它重金属离子(Mn²⁺、Co²⁺、Fe^2+/3+)。可以与液体电解质直接接触的压力膜经受潜在的水和锂离子渗透，因为压力膜可能是柔软的并且薄的。如果扩散产生，则器件操作可能严重地劣化。

可以在具有以SiO₂制成的绝缘层104的硅衬底102上形成MEMS压力传感器100。同样可以通过其它绝缘材料来制成绝缘层104。MEMS压力传感器100包括绝缘层104上形成的下电极106。下电极可以是200nm厚的的Al层，但同样可以其它材料(例如W、TiN、Si、SiGe、金属硅化物)，并且可以根据MEMS压力传感器100和可以在相同硅衬底102上同时制造的其它器件的具体要求来使用厚度。接下来，可以在下电极106上方形成第一绝缘层108。该层可以包括Si₃N₄并且是100nm厚的，但同样可以使用其它绝缘材料(例如SiC)和其它厚度。

MEMS压力传感器100还包括真空腔体110。可以在第二绝缘层与第三绝缘层112之间形成真空腔体110。此外，第三绝缘层可以是300nm厚的SiN，但同样可以使用其它绝缘材料和厚度。接下来，在第三绝缘层上形成上电极114。上电极可以是200nm厚的的Al层，但同样可以其它材料(例如W、TiN、Si、SiGe、金属硅化物)，并且可以根据MEMS压力传感器100和可以在相同硅衬底102上同时制造的其它器件的具体要求来使用厚度。在上电极114上方，形成压力膜116。以下会更详细地描述压力膜116。

现在，提供用于制造MEMS压力传感器100的方法的实施例。图2示出用于制造MEMS压力传感器100的第一步骤。可以通过在衬底102上沉积并且随后图案化金属层来形成下电极106。该层可以例如以200nm厚的铝制成，并且可以使用物理气相沉积(PVD)来沉积。此外，衬底102可以还包括裸露硅晶片102上的氧化硅或氮化硅的衬底绝缘层104或其下具有集成电子电路的CMOS晶片的顶部上的绝缘层。接下来，可以使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或低压化学气相沉积(LPCVD)在下电极106和衬底102的顶部沉积以氮化硅、碳化硅或氧化硅制成的第一绝缘层108。

接下来，可以沉积牺牲层118。牺牲层118可以包括300-500nm厚的金属层(例如Mo、Al或Cr)或电介质层(例如SiO₂)。可以通过盖片(flap)120将牺牲层118图案化成圆形。同样可以将牺牲层118图案化为其它形状。盖片120在圆形外部，以提供在刻蚀牺牲层118期间用于到达该层的路径。较大的牺牲层厚度产生较大的间隙，并且可以允许较大的压力感测范围，但可能总体导致较小的灵敏度。较小的牺牲层118厚度可能导致对于去除牺牲层118的更大努力。

接下来，可以沉积第二绝缘层112。第二绝缘层的厚度可以影响下电极106与上电极114之间的电容。随着厚度减少，电容增加，而随着厚度增加，电容减少。增加下电极106与上电极114之间的电容可以增加所得MEMS压力传感器100的S/N比。

如果以SiO₂形成牺牲层118，则可以省略第一绝缘层108或第二绝缘层112，允许下电极106或上电极114与牺牲层118接触。在此情况下，无需保护下电极106和上电极114不受以SiO₂制成的牺牲层118的刻蚀。

然后通过沉积金属层并且图案化层来形成上电极114。上电极114可以是100-200nm厚的并且以Al制成，但同样可以使用其它材料(例如W、TiN、Si、SiGe、金属硅化物)。然后可以通过第三绝缘层122覆盖上电极114。可以使用PECVD沉积氮化硅或氧化硅层来形成第三绝缘层122。在进一步处理之后，第三绝缘层会变为压力膜116的一部分。

图3示出通过刻蚀牺牲层来形成压力传感器腔体。可以通过图案化和干法刻蚀第三绝缘层122而在第三绝缘层122中形成一个或多个孔124。这些孔124可以环形地设置在牺牲层118周围。此外，这些孔124也可以在上电极106和下电极114的区域外部并且直径可以是0.5-2μm。孔直径越大，就越容易去除牺牲层118。然而，对于较大孔124，后来也可能变得难以密封腔体。

接下来，可以通过刻蚀牺牲层118来形成腔体110(见图4)。可以通过以例如磷酸、硫酸和乙酸的混合物进行刻蚀来选择性地去除Al或Mo牺牲层118。可以通过以HF蒸气进行刻蚀来选择性地去除氧化硅牺牲层118。

图4和图5示出在孔中形成柱塞。可以通过在350℃的温度沉积Al来形成大约2μm厚的金属层128，以产生进入孔124的“Al回流”，从而有效地无缝密封孔。使用PVD沉积金属层128可以有利于减少基底压力并且避免由气体热膨胀导致的腔体110的不期望的压力变化。使用LPCVD或PECVD密封腔体110可能导致腔体内部相对较大的基底压力。因而，对于形成金属层128，使用PVD具有优于使用LPCVD或PECVD的优点。可能需要有效封闭的金属层128的厚度取决于孔124的直径和间隙高度。对于十分大直径的孔(例如2μm)，封闭需要3-5μm厚的金属层128，对于1μm直径的孔，需要1.5-2μm厚的金属层128。可以通过刻蚀从第三绝缘层122去除金属层128，以形成密封腔体110的金属柱塞130。如果MEMS压力传感器100的压力和温度灵敏度较不重要，则可以在相同刻蚀步骤中形成上电极114和金属柱塞130。

当暴露于周围压力时，一旦金属柱塞130存在，MEMS传感器器件就可以显现为如图5所示。上电极114示出为由于腔体110与周围压力之间的压力差而弯入腔体110。第二绝缘层112、上电极114和第三绝缘层112的精确结构会影响由压力差导致的压缩量。

一旦密封腔体110，就可以形成压力膜116。图6示出压力膜116的形成。可以通过使用PECVD工艺交替地沉积SiO和SiN而形成压力膜116。交替的SiO和SiN的层被称为NONON堆叠。替代地，可以使用SiON而不是SiN。为了描述，NONON包括至少两个不同的交替层，其中，一个层至少包括硅和氧，另一层至少包括硅和氮。在沉积NONON堆叠期间，腔体110内部和外部的压力差可能变小，压力膜116可能返回到其正常状态。在NONON沉积之后，压力膜116可以获得其最终刚性，并且当暴露于较高压力时可以示出小变形。

此时，可以通过标准方式来制造电连接和键合焊盘(bond pad)。作为最后步骤，可以在NONON顶部和对MEMS压力传感器100的任何电连接上沉积氮化物层以保护、隔离并且钝化电连接。

用作压力膜的单层薄膜(例如SiN)具有使用NONON膜而克服的问题。使用PECVD沉积的SiN薄膜可以具有高残余应力，其可能导致压力膜的故障或可能影响器件性能和灵敏度。SiN薄膜可以将氢气H₂排气到室110，增加腔体中的压力，其导致压力传感器的减小的精度和温度相关性。

通过使用NONON膜设计，可以克服与单个氮化硅膜的机械、结构和化学稳定性有关的任何问题。通过交替SiO和SiN层，可以减少压力膜中的应力。这允许增加的压力传感器灵敏度或增加的压力膜厚度。当传感器处于严酷环境中时，较厚的压力膜允许对移动离子扩散的增加的抵抗性。

与PECVD SiO组合的PECVD SiN的NONON堆叠可以允许精细调节所得压力膜的内部应力和杨氏模量。这可以允许沉积可以具有比低应力SiN薄膜更好的扩散阻挡性质和更低的氢渗出率的更多富氮SiN薄膜。因此在能够独立地改进PECVD SiN的扩散阻挡性质的同时，在层叠PECVD氮化硅与PECVD氧化硅时控制薄膜的应力和刚性。

为了示出NONON膜的扩散有效性，设置8×交替SiN和SiO作为在金属锂的顶部上的覆盖层。测试在3个月之后未显示劣化：穿过薄膜中的针孔的水或氧扩散会恒定地氧化下面的金属锂，这可以通过光学显微镜容易地检测。

可以调节MEMS压力传感器100的尺寸，使得膜的刚性大得足以抵抗正常压力。以下针对圆形膜的变形给出的等式可以用于计算封闭压力作为膜厚度、膜半径和间隙尺寸的函数。作为压力P的函数的弯曲刚性占优区域中的圆形膜的变形w_D(r，P)给出为：

$w_D(r,P)=\frac{{3\mathrm{P\πR}}^4(1-v^2)}{16\mathrm{\π}{\mathrm{Eh}}^3}{[1-{\left(\frac{r}{\text{R}}\right)}^2]}^2,$

其中，R是压力膜的半径，r是从中心到实际变形点的距离，v是泊松比，E是杨氏模量，h是膜厚度。

图7示出作为半径的函数并且针对各个压力的压力膜变形图。NONON压力膜具有50μm的半径和2.0μm厚度，腔体高度0.5μm。在图7中可见，压力膜的变形随着增加的压力而增加，并且在更靠近压力膜的中心时增加。

图8示出压力与电容和MEMS压力的灵敏度之间的关系图。随着压力膜变形增加，电容和灵敏度也增加。根据图1所示的结构，图8中使用的压力膜具有100μm的直径、1.5μm的膜厚度、0.5μm的腔体、100nm的第一绝缘层和300nm的第二绝缘层。

在没有任何内部应力的情况下，用于w_D(r，P)的等式对于压力膜有效。如果考虑内部应力，则膜变得更硬。如果内部应力变得比以下值大很多，则从拉伸到应力受控变形状态的转变可能产生。

$\mathrm{\σ}\≈\frac{{4\mathrm{Eh}}^2}{3R^2(1-v^2)}.$

对于1.8μm至2μm量级上的压力膜厚度，内部应力水平可以＞＞100MPa，对于大于200μm的直径应力占主导。在100MPa以下，压力膜会保持在弯曲刚性主导状态中。典型地采用尺寸在100μm至200μm之间的膜直径以分别具有15与1巴之间的膜封闭的压力工作范围。图9示出针对不同内部应力水平、间隙高度以及压力膜厚度的作为压力膜半径的函数的触碰点压力，杨氏模量为140MPa。

因而，通过调整膜半径而不是膜厚度、间隙高度或并非精细调节压力膜的内部应力来调整MEMS压力传感器的压力范围可能是最方便的。

从制造的观点来看的间隙高度可以在300nm至1000nm之间变化。较小的间隙对于去除牺牲层可能产生问题，尤其是如果膜半径较大，可能需要长的刻蚀时间，这对刻蚀剂的选择性提出约束。大间隙对于制造可能是更昂贵的，并且产生附加的形貌(topography)。此外，将膜完全变形到其触碰点可能需要较大压力，除非应用更薄的膜。

可以将膜的厚度选取为等于或大于间隙距离，以保持器件在弯曲刚性受控状态中。这可能是有利的，因为这可以减少由于工艺变化导致的残余应力对变形分布的影响。

下电极106和上电极114可以是200nm厚的Al。电极越薄，温度膨胀就越小。替代地，其它材料可以用于减少热膨胀系数或应力。在此，可以使用TiN、W、Si、SiGe、金属硅化物。此外，上电极116可以结构化以释放应力。

本发明的MEMS压力传感器100具有的优点在于：其可以构建在CMOS电路顶部上，从而其它功能可以嵌入并且与传感器集成在一起。另一优点是总的器件尺寸可以小，这允许在实际任何器件中的集成。此外，可以在无需改变并且优化工艺制造流程的情况下基于膜直径而选取压力感测范围。另一优点在于可以构建的不同直径的压力传感器阵列，其每个在特定压力范围中具有它们自身的优化灵敏度。

虽然对于在锂离子电池中的使用已经讨论了使用NONON薄膜作为压力传感器中的压力膜，但其可以用在需要压力传感器的任何其它情况下。这尤其适合于严酷环境中的使用。

本领域技术人员应理解，在此的框图表示实施本发明原理的示意性电路的构思性视图。相似地，应理解，任何状态转变图等表示可以基本上在机器可读介质中表示并且从而由计算机或处理器执行的各种处理，无论是否明确示出所述计算机或处理器。

虽然已经特别参照其特定示例性方面详细描述了各个示例性实施例，但应理解，本发明能够以实施例并且其细节能够在各个明显方面中的修改。本领域技术人员应理解，可以在保留在本发明的精神和范围的同时影响变化和修改。因而，前面的公开、描述和附图仅是为了说明而不是以任何方式限制本发明，本发明仅由权利要求限定。

Claims (22)

1.一种MEMS压力传感器，包括：

下电极；

上电极，在所述下电极上方；

绝缘层，在所述下电极与上电极之间，其在所述上下电极与下电极之间形成腔体；以及

NONON压力膜，在所述上电极上方。

2.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，还包括金属柱塞，其密封所述腔体。

3.如权利要求2所述的MEMS压力传感器，其中，所述金属柱塞完全在所述上电极与下电极之间的区域外部。

4.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中，所述MEMS压力传感器形成在衬底上的另一电路上。

5.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中，所述NONON压力膜防止所述腔体和电子电路的污染。

6.如权利要求1所述的MEMS压力传感器，其中，所述MEMS压力传感器在锂离子电池中。

7.一种制造MEMS压力传感器的方法，包括：

在衬底上形成下电极；

在所述第一下电极上方形成牺牲层；

在所述牺牲层和所述下电极上方形成第一绝缘层；

在所述第一绝缘层上方形成上电极；

在所述上电极和所述第一绝缘层上方形成第二绝缘层；

刻蚀所述牺牲层以形成腔体；

封闭所述腔体以在所述腔体中形成真空；以及

在所述第二绝缘层和所述腔体上方生长NONON压力膜。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述上电极和下电极是铝、钨、Ti、TiN、Si、SiGe和金属硅化物中的一个。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述牺牲层是氧化硅。

10.如权利要求7所述的方法，其中，封闭所述腔体包括：通过使用物理气相沉积来沉积金属而以金属柱塞塞住刻蚀孔。

11.如权利要求7所述的方法，其中，使用PECVD工艺来形成所述NONON膜。

12.如权利要求7所述的方法，其中，所述MEMS压力传感器形成在所述衬底的另一电路上。

13.如权利要求7所述的方法，还包括：在所述下电极与所述牺牲层之间形成第三绝缘层。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述牺牲层是钼、铝、铬、钛或钨中的一个。

15.一种制造MEMS压力传感器的方法，包括：

在衬底上形成下电极；

在所述下电极上方形成第一绝缘层；

在所述第一绝缘层上方形成牺牲层；

在所述牺牲层上方形成上电极；

刻蚀所述牺牲层以形成腔体；

封闭所述腔体以在所述腔体中形成真空；以及

在所述第二绝缘层和所述腔体上方生长NONON压力膜。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述上电极和下电极是铝、钨、Ti、TiN、Si、SiGe和金属硅化物中的一个。

17.如权利要求15所述的方法，其中，所述牺牲层是氧化硅。

18.如权利要求15所述的方法，其中，所述牺牲层是钼、铝、铬、钛或钨中的一个。

19.如权利要求15所述的方法，其中，封闭所述腔体包括：通过使用物理气相沉积来沉积金属而以金属柱塞塞住刻蚀孔。

20.如权利要求15所述的方法，其中，使用PECVD工艺来形成所述NONON膜。

21.如权利要求15所述的方法，其中，所述MEMS压力传感器形成在所述衬底的另一电路上。

22.如权利要求15所述的方法，还包括：在所述牺牲层与所述上电极之间形成第三绝缘层。

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