CN103063351B - 微机电系统压力传感器及其制作方法、微机电系统 - Google Patents
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Abstract
一种微机电系统压力传感器及其制作方法、微机电系统，该方法在图形化敏感薄膜以形成释放开口的同时，在敏感薄膜内形成沟槽，部分沟槽与部分空腔交叠，在敏感薄膜上形成用于密封释放开口的覆盖层之后，填充在沟槽内的覆盖层内部会形成由空洞构成的第一通道，其上方设置有一个与其连通的第二通道，由此空腔可通过第一及第二通道与压力传感器的外部环境连通。这样，当将形成有第二通道的压力传感器置于气压为1个标准大气压、温度为常温的环境中之后即可使得空腔内的气压也为1个标准大气压，将第二通道密封之后可使得在常温条件下空腔内的气压固定在1个标准大气压，进而能够使压力传感器在测量大气压强时具有较佳的线性度及较大的测量范围。
Description
技术领域
本发明涉及微机电系统（MEMS）领域，特别是涉及一种微机电系统压力传感器及其制作方法，另外，本发明还涉及一种包含该压力传感器的微机电系统。
背景技术
微机电系统（Micro-ElectroMechanicalSystem，简称MEMS）主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
微机电系统可以利用微机电系统中的传感器接收外部信息，将转换出来的信号经处理电路放大，再由执行器去执行信息命令。换言之，微机电系统是一种获取信息、处理信息和执行机械操作的集成器件。微机电系统传感器可接收压力、位置、速度、加速度、磁场、温度和湿度等外部信息。其中，接收压力信息的传感器称之为压力传感器，压力传感器通过敏感薄膜接收外部的气体压力，然后再将其转换成电信号，从而测量出具体的压力信息。
根据压力传感器工作原理的不同，压力传感器可分为电容式、压电式、压阻式三种。其中，电容式压力传感器的工作原理是：敏感薄膜与一个与之平行的电极组成平板电容，当外界压力与压力传感器空腔压力之间存在压差时，敏感薄膜就会感应并发生变形，从而使得平板电容的电容大小发生变化，通过测量平板电容的电容变化即可计算出外界压力的大小。
下面结合图1至图6对现有一种微机电系统压力传感器的结构及其制作方法进行介绍。
如图1所示，提供半导体衬底1，半导体衬底1上形成有下电极2，在半导体衬底1上形成第一介电层3，对第一介电层3进行刻蚀以在第一介电层3内形成空腔3a。
如图2所示，在第一介电层3及空腔3a上形成牺牲层，对所述牺牲层进行平坦化处理直至露出第一介电层3，空腔3a被牺牲层4填满。在第一介电层3及牺牲层4上形成适于用作上电极的敏感薄膜5。对敏感薄膜5进行图形化处理，以在敏感薄膜5内形成多个释放开口5a。
结合图2及图3所示，通过释放开口5a去除牺牲层4，然后在第一介电层3、敏感薄膜5及释放开口5a上形成覆盖层6，覆盖层6覆盖在释放开口5a上方，使空腔3a得以密封。
如图4所示，在覆盖层6上形成第二介电层7。
结合图5及图6所示，其中，图5是沿图6中A-A截面的剖视图，图6中虚线部分表示具有释放开口5a的图形化的敏感薄膜5，对部分第二介电层7及覆盖层6进行干法刻蚀直至露出敏感薄膜5，形成设置在空腔3a上方的沟槽T，暴露在沟槽T中的敏感薄膜5构成支撑架5b，沟槽T将第二介电层7及覆盖层6分割为两个部分，其中一个部分的位置与空腔3a对应，位置与空腔3a对应的第二介电层7及覆盖层6构成微机电系统压力传感器的质量块8。
上述微机电系统压力传感器中，当外界压力与空腔3a内压力之间存在压差时，支撑架5b会发生变形，并带动位于质量块8下方的敏感薄膜5发生变形，使得敏感薄膜5与下电极2之间的距离发生变化，从而使得平板电容的电容大小发生变化，通过测量平板电容的电容变化即可计算出外界压力的大小。
其中，覆盖层6通常采用常压化学气相沉积（APCVD）方法形成，该方法的沉积温度设置在400℃左右，因此，沉积完成后温度会回落到常温，在常温条件下空腔3a内的气压变得很低，一般为400KPa（1KPa=1000Pa）左右，该气压只有1个标准大气压的一半左右。当外界压力与空腔3a内压力之间存在较大压差时，支撑架5b会发生较大变形，而随着支撑架5b变形量的增加，压力传感器的线性度和灵敏度会变差且测量范围会变小，因此，由上述方法形成的压力传感器用于测量大气压强时线性度和测量范围都较差，为了使微机电系统压力传感器具有较好的线性度及较大的测量范围，在常温条件下压力传感器的空腔3a内需要较高气压，当为1个标准大气压时压力传感器的线性度和测量范围同时达到最大。
更多的关于微机电系统压力传感器及其制作方法可参照于2009年6月10日公开、公开号为CN101450786A的中国专利。
发明内容
本发明要解决的问题是在常温条件下微机电系统压力传感器内的空腔气压不足，致使压力传感器的线性度不佳及测量范围较小。
为解决上述问题，本发明提供了一种微机电系统压力传感器的制作方法，其包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上设置有第一电极；
在所述半导体衬底的部分区域上形成牺牲层，所述牺牲层至少与部分所述第一电极交叠；
在所述牺牲层及所述牺牲层外的区域上形成适于用作第二电极的图形化的敏感薄膜，所述图形化的敏感薄膜内形成有释放开口及沟槽，所述释放开口的位置与所述牺牲层对应，所述沟槽的一部分与部分所述牺牲层交叠，其余部分设置在所述牺牲层外的区域上；
通过所述释放开口及沟槽去除所述牺牲层，在所述牺牲层所在的位置形成空腔；
在所述图形化的敏感薄膜、释放开口及沟槽上形成覆盖层，所述覆盖层将所述释放开口密封，填充在所述沟槽内的覆盖层内部形成有由空洞构成的第一通道，所述第一通道的一端与所述空腔连通；
在所述第一通道上方形成穿过所述覆盖层并与压力传感器外部环境连通的第二通道，所述第二通道与所述第一通道的另一端连通。
可选地，在所述半导体衬底的部分区域上形成牺牲层的步骤包括：
在所述半导体衬底上形成介电层，对所述介电层进行图形化处理，以在所述介电层内形成空腔；
在所述介电层及空腔上形成牺牲层，进行平坦化处理直至露出所述介电层；
在所述牺牲层及所述牺牲层外的区域上形成图形化的敏感薄膜的步骤包括：
在所述牺牲层及介电层上形成敏感薄膜，对部分所述敏感薄膜进行刻蚀以形成图形化的敏感薄膜，所述沟槽的一部分与部分所述牺牲层交叠，其余部分设置在所述介电层上。
可选地，在所述半导体衬底的部分区域上形成牺牲层的步骤包括：
在所述半导体衬底上形成牺牲层；
对部分牺牲层进行刻蚀直至露出半导体衬底；
在所述牺牲层及所述牺牲层外的区域上形成图形化的敏感薄膜的步骤包括：
在所述牺牲层及半导体衬底上形成敏感薄膜，对部分所述敏感薄膜进行刻蚀以形成图形化的敏感薄膜，所述沟槽的一部分与部分所述牺牲层交叠，其余部分设置在所述半导体衬底上。
可选地，所述图形化的敏感薄膜的材料为SiGe。
可选地，所述沟槽的深宽比为1:1-10:1。
可选地，所述牺牲层的材料为无定形碳。
可选地，利用O2产生的等离子体去除所述牺牲层，其工艺参数包括：O2流量为500-6000sccm，功率为1000-5000w。
可选地，所述覆盖层的材料为氧化硅。
可选地，所述覆盖层的形成方法为PETEOS或者HDPCVD。
可选地，当所述覆盖层的形成方法为PETEOS时，所述覆盖层的形成工艺参数包括：压强为1-10Torr，温度为360-420℃，射频功率为400-2000w，O2的流量为500-4000sccm，TEOS的流量为500-5000sccm，He的流量为1000-5000sccm；当所述覆盖层的形成方法为HDPCVD时，所述覆盖层的形成工艺参数包括：压强为3-10mTorr，温度为380-450℃，射频功率为4000-8000w，O2的流量为140-260sccm，SiH4的流量为3-50sccm，Ar的流量为50-200sccm。
可选地，所述第一电极是形成在所述半导体衬底上的金属互连线。
可选地，还包括在所述覆盖层上形成介电层的步骤，所述第二通道贯穿所述介电层并穿过所述覆盖层。
可选地，还包括对所述第二通道进行密封的步骤。
在上述微机电系统压力传感器制作方法的基础上，本发明还提供了一种微机电系统压力传感器，其包括半导体衬底、设置在所述半导体衬底上方的图形化的敏感薄膜，以及设置在图形化的敏感薄膜上方的覆盖层，其中：
所述半导体衬底上设置有第一电极；
所述第一电极与所述图形化的敏感薄膜之间设置有空腔，所述空腔至少与部分所述第一电极及部分图形化的敏感薄膜交叠；
所述图形化的敏感薄膜适于用作第二电极，其设置有沟槽，所述沟槽的一部分与部分所述空腔交叠，其余部分设置在所述空腔外的区域上，填充在所述沟槽内的覆盖层内部形成有由空洞构成的第一通道，所述第一通道的一端与所述空腔连通，另一端与设置在所述第一通道上方并穿过所述覆盖层的第二通道连通。
可选地，还包括设置在所述半导体衬底上方的图形化的介电层，所述图形化的介电层内设置有所述空腔，所述图形化的敏感薄膜设置在所述图形化的介电层及空腔顶部上方。
可选地，所述图形化的敏感薄膜设置在所述半导体衬底、空腔侧壁及空腔顶部上方。
可选地，所述图形化的敏感薄膜上还设置有释放开口，所述释放开口的位置与所述空腔对应，并被所述覆盖层密封。
可选地，所述图形化的敏感薄膜的材料为SiGe。
可选地，所述沟槽的深宽比为1:1-10:1。
可选地，所述覆盖层的材料为氧化硅。
可选地，所述第一电极是形成在所述半导体衬底上的金属互连线。
可选地，还包括设置在所述覆盖层上方的介电层，所述第二通道贯穿所述介电层并穿过所述覆盖层。
在上述微机电系统压力传感器的基础上，本发明还提供了一种微机电系统，其包括如上所述的微机电系统压力传感器。
另外，本发明还提供了另一种微机电系统压力传感器，其包括半导体衬底、设置在所述半导体衬底上方并适于用作第二电极的敏感薄膜，以及设置在敏感薄膜上方的覆盖层，其中：
所述半导体衬底上设置有第一电极；
所述第一电极与所述图形化的敏感薄膜之间设置有空腔，所述空腔至少与部分所述第一电极及部分敏感薄膜交叠，所述空腔上方设置有穿过所述覆盖层并与空腔连通的开口。
可选地，还包括设置在所述半导体衬底上方的图形化的介电层，所述图形化的介电层内设置有所述空腔，所述敏感薄膜设置在所述图形化的介电层及空腔顶部上方。
可选地，所述敏感薄膜设置在所述半导体衬底、空腔侧壁及空腔顶部上方。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
在图形化用作电极的敏感薄膜以形成用于去除填充在空腔内的牺牲层的释放开口的同时，在敏感薄膜内形成深宽比较大的沟槽，部分沟槽与部分空腔交叠，在敏感薄膜上形成用于密封释放开口的覆盖层之后，由于沟槽的深度较大和/或覆盖层的填充能力有限，故填充在沟槽内的覆盖层内部会形成空洞，该空洞构成一个第一通道，且第一通道的一端与空腔连通，然后在第一通道上方设置一个与其连通的第二通道，第二通道与压力传感器的外部环境连通，由此空腔可通过第一通道及第二通道与压力传感器的外部环境连通。这样，当将形成有第二通道的压力传感器置于气压为1个标准大气压、温度为常温的环境中之后即可使得空腔内的气压也为1个标准大气压，这样，将第二通道密封之后可使得在常温条件下空腔内的气压固定在1个标准大气压，进而能够使微机电系统压力传感器在常温条件下具有较佳的线性度及较大的测量范围。另外，由于第二通道设置在空腔外的区域上，故不会产生在对应空腔位置设置开口所带来的一系列问题。
进一步地，本发明技术方案所提供的微机电系统压力传感器制作方法中，沟槽是在图形化敏感薄膜的同一步骤中形成，第一通道是在形成覆盖层的同一步骤中形成，第二通道是在打开接触垫的同一步骤中形成，因此，与现有压力传感器制作工艺相比该方法并没有增加其它工艺步骤。
附图说明
图1至图6是现有一种微机电系统压力传感器在各个制作阶段的剖视图；
图7是在图6所示微机电系统压力传感器的空腔上方设置与空腔及压力传感器外部环境连通的开口之后的剖视图；
图8至图19是本发明的实施方式一中微机电系统压力传感器在各个制作阶段的剖视图；
图20至图32是本发明的实施方式二中微机电系统压力传感器在各个制作阶段的剖视图。
具体实施方式
为了解决在常温条件下微机电系统压力传感器内空腔气压不足致使压力传感器的线性度不佳及测量范围较小的问题，发明人有提出如下一种解决方案：如图7所示，对位于空腔3a上方的相应层进行刻蚀，以形成与空腔3a连通的开口9，即开口9的位置与空腔3a对应，当将形成有开口9的半导体衬底1置于气压为1个标准大气压、温度为常温的环境中之后即可使得空腔3a内的气压也为1个标准大气压，将开口9密封之后可使得在常温条件下空腔3a内的气压固定在1个标准大气压，进而能够使微机电系统压力传感器具有较佳的线性度及较大的测量范围。
但是，上述解决方案可能会存在以下缺陷：例如，对位于空腔3a上方的相应层进行刻蚀以在空腔3a上方形成开口9之后，由于开口9的位置与空腔3a对应，刻蚀过后的清洗过程会造成刻蚀，或者使清洗液体进入空腔3a造成黏附(Sticking)作用进而使得空腔3a上方的敏感薄膜5与其下方结构粘附在一起引起压力传感器失效；形成开口9之后需利用密封材料对其进行密封，由于开口9设置在质量块8内，而质量块8是可动结构，容易造成开口9的密封失效，同时会造成质量块8的质量不稳定，致使微机电系统压力传感器的可靠性和精度降低。
为此，发明人提出了另一种解决方案：在图形化用作电极的敏感薄膜以形成用于去除填充在空腔内的牺牲层的释放开口的同时，在敏感薄膜内形成深宽比较大的沟槽，部分沟槽与部分空腔交叠，在敏感薄膜上形成用于密封释放开口的覆盖层之后，由于沟槽的深度较大和/或覆盖层的填充能力有限，故填充在沟槽内的覆盖层内部会形成空洞，该空洞构成一个第一通道，且第一通道的一端与空腔连通，然后在第一通道上方设置一个与其连通的第二通道，第二通道与压力传感器的外部环境连通，由此空腔可通过第一通道及第二通道与压力传感器的外部环境连通。这样，当将形成有第二通道的压力传感器置于气压为1个标准大气压、温度为常温的环境中之后即可使得空腔内的气压也为1个标准大气压，这样，即使将第二通道密封之后依然可使得在常温条件下空腔内的气压固定在1个标准大气压，进而能够使微机电系统压力传感器在常温条件下具有较佳的线性度及较大的测量范围。另外，由于第二通道设置在空腔之外的区域上，故不会产生前面所述的在对应空腔位置设置开口所带来的一系列问题。
下面结合附图，通过具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的可实施方式的一部分，而不是其全部。根据这些实施例，本领域的普通技术人员在无需创造性劳动的前提下可获得的所有其它实施方式，都属于本发明的保护范围。
实施方式一
如图8所示，提供半导体衬底100，半导体衬底100上形成有第一电极110。第一电极110可利用金属制成，也可利用包含有掺杂剂的半导体材料（如包含锗的硅材料）制成，当然，第一电极110也可利用其它导电材料制成。另外，当半导体衬底100内形成有有源元件、无源元件或金属互连结构时，可利用相应的导电部件来兼作第一电极110。在一个实施例中，可利用半导体衬底100内的金属互连线来兼作第一电极110。第一电极110可以位于半导体衬底100的表面，也可以位于半导体衬底100的内部。
继续参照图8所示，在半导体衬底100上形成第一介电层120，在一个实施例中，第一介电层120的材料为氧化硅。对第一介电层120进行图形化处理，以在第一介电层120内形成空腔121，空腔121至少与部分第一电极110交叠。
如图9所示，在第一介电层120及空腔121上形成牺牲层，对所述牺牲层进行平坦化处理，直至露出第一介电层120，空腔121被牺牲层130填满。在一个实施例中，牺牲层130的材料为无定形碳（amorphouscarbon）。作为一个具体的实施例，可利用化学机械研磨工艺对所述牺牲层进行平坦化处理。
结合图10及图11所示，其中，图10是沿图11中A-A截面的剖视图，图11中虚线部分表示牺牲层130，结合图10及图11所示，在第一介电层120及牺牲层130上形成敏感薄膜，所述敏感薄膜适于用作压力传感器的第二电极。根据前面所述压力传感器的工作原理可知，所述敏感薄膜需具备较优的弹性变形能力，由于锗硅材料具有良好的弹性变形能力，在一个实施例中，所述敏感薄膜的材料为锗硅（SiGe）。
继续参照图10及图11所示，对部分所述敏感薄膜进行刻蚀，以形成图形化的敏感薄膜140。图形化的敏感薄膜140内形成有释放开口141，释放开口141的位置与牺牲层130对应。与此同时，图形化的敏感薄膜140内还形成有沟槽142，部分沟槽142暴露出部分牺牲层130，其余部分沟槽142暴露出第一介电层120，换言之，沟槽142的一部分与部分空腔121交叠，其余部分设置在第一介电层120上方。由图中可知，仅有小部分沟槽142的位置与空腔121对应，大部分沟槽142设置在空腔121外的区域即第一介电层120上。其中，沟槽142的深度为h1，宽度为w1。
沟槽142的长度可以根据具体情况来作调整。另外，如果将与空腔121交叠的沟槽部分作为沟槽142的始端，那么沟槽142的终端位置可以根据具体情况来作调整，可使沟槽142的终端距离空腔121很近，也可使沟槽142的终端距离空腔121很远。在一个实施例中，沟槽142以蛇形的方式布局，这样可以减少沟槽142占据的空间。当然，沟槽142也可以其它方式布局，例如一字型、L型等等，在此不一一列举。
结合图10及图12所示，通过释放开口141及设置在牺牲层130上方的沟槽142去除牺牲层130。当牺牲层130的材料为无定形碳时，可利用氧气作为反应气体，以将牺牲层130去除，作为一个具体的实施例，利用O2产生的等离子体去除牺牲层130，其工艺参数包括：O2流量为500-6000sccm，功率为1000-5000w。牺牲层130去除之后，第一介电层120内的空腔121与释放开口141连通。另外，由于部分沟槽142与部分空腔121交叠，因此空腔121还与沟槽142连通。
结合图13、图14、图15及图16所示，其中，图13中虚线表示的部分为不可见的空腔121，图14是沿图13中A-A截面的剖视图，图15是沿图13中B-B截面的剖视图，图16是沿图13中C-C截面的剖视图，在图形化的敏感薄膜140、释放开口141及沟槽142上形成覆盖层150。由于释放开口141的尺寸非常小，覆盖层150会将释放开口141密封。当沟槽142的深宽比（深度h1与宽度w1之比）较大时，覆盖层150很难将沟槽142完全填满，导致填充在沟槽142内的覆盖层150内部会形成空洞（如图14及图15所示），且空洞位于沟槽142的中央位置，填充在沟槽142内的覆盖层150内部的空洞构成第一通道151。由于部分沟槽142与部分空腔121是交叠的，因此，形成覆盖层150时部分覆盖层150会从与空腔121交叠的沟槽142内掉入空腔121内（如图14及图16所示），使得第一通道151的底部与空腔121连通，因而第一通道151的一端与空腔121连通（如图14及图16所示），另一端延伸到空腔121外的区域并被密封住。形成覆盖层150之后，空腔121被图形化的敏感薄膜140及覆盖层150密封为一个密封腔体。
另外，能否在位于沟槽142内的覆盖层150内部形成空洞不仅与沟槽142的深宽比有关，还与覆盖层150的材料及形成方法有关：当选用不同的材料时覆盖层150的填充能力会存在差异，当选择不同的方法来形成覆盖层150时覆盖层150的填充能力也会存在差异。在本发明中，应该选择填充能力较差的材料和/或填充能力较差的形成方法来制作覆盖层150，以使得覆盖层150内部会形成空洞。
发明人经过多次分析及试验后发现，当沟槽142的深宽比设置为1:1-10:1时能在覆盖层150内部形成空洞。优选地，沟槽142的深宽比设置为2:1-10:1。
另外，当利用PETEOS（PlasmaEnhancedTetraEthOxySilane）或者HDPCVD（HighDensityPlasmaChemicalVaporDeposition）方法形成材料为氧化硅的覆盖层150时可以使填充在沟槽142内的覆盖层150内部形成空洞。具体地，当覆盖层150的形成方法为PETEOS时，覆盖层150的形成工艺参数包括：压强为1-10Torr，温度为360-420℃，射频功率为400-2000w，O2的流量为500-4000sccm，TEOS的流量为500-5000sccm，He的流量为1000-5000sccm。当覆盖层150的形成方法为HDPCVD时，覆盖层150的形成工艺参数包括：压强为3-10mTorr，温度为380-450℃，射频功率为4000-8000w，O2的流量为140-260sccm，SiH4的流量为3-50sccm，Ar的流量为50-200sccm。
形成覆盖层150之后，空腔121的温度会回落到常温，在常温条件下空腔121内的气压会降低。如前所述，为了使微机电系统压力传感器具有较好的线性度及较大的测量范围，在常温条件下压力传感器的空腔内需要高气压，一般为1个标准大气压。为此，结合图17及图18所示，其中，图18是沿图17中D-D截面的剖视图，可在第一通道151上方形成与其连通的第二通道152，第二通道152穿过覆盖层150，且第二通道152与微机电系统压力传感器的外部环境连通。需强调的是，在本发明中，第二通道152的位置未与空腔121的位置对应，第二通道152可设置在对应沟槽142的终端位置，也可设置在对应沟槽142的始端与终端之间的位置。
填充在沟槽142内的覆盖层150内部形成有第一通道151，而第一通道151的顶部由于被覆盖层150覆盖住而不能与压力传感器的外部环境连通，由于第二通道152穿过覆盖层150，故第一通道151可通过第二通道152与压力传感器的外部环境连通，而第一通道151的一端与空腔121连通，故空腔121可通过第一通道151及第二通道152与压力传感器的外部环境连通。当将形成有第二通道152的压力传感器置于气压为1个标准大气压、温度为常温的环境中之后即可使得空腔121内的气压也为1个标准大气压，这样，将第二通道152密封之后可使得在常温条件下空腔121内的气压固定在1个标准大气压，进而能够使在微机电系统压力传感器在常温条件下具有较佳的线性度及较大的测量范围。在其它实施例中，也可以通过其它方式使得空腔121内的气压为1个标准大气压。
由上述可知，可根据第二通道152的位置来设置沟槽142的终端位置。由于第一通道151非常狭窄而且较长，在形成第二通道152之后的清洗制程中刻蚀液体会由于空腔121内的气压而无法进入空腔121，从而不会发生黏附作用，同时由于第二通道152设置在空腔121之外的区域内，故不会产生前面所述的在对应空腔121位置设置开口所带来的一系列问题。
可选地，如图19所示，其中，图19是在图13所示的压力传感器结构上形成第二介电层后沿A-A截面的剖视图，还可在覆盖层150上形成第二介电层160，然后进行刻蚀以形成环状沟槽161，部分图形化的敏感薄膜140暴露在环状沟槽161中，暴露在环状沟槽161中的图形化的敏感薄膜140称之为支撑架。可以在刚暴露出图形化的敏感薄膜140时即停止刻蚀，也可以对图形化的敏感薄膜140进行一定程度的过刻蚀之后再停止刻蚀。环状沟槽161将位于图形化的敏感薄膜140上方的相应层释放为可动结构，该可动结构称之为质量块162。
当覆盖层150上形成有第二介电层160时，第二通道152的制作步骤可以设置在第二介电层160的形成步骤之后，具体的方法可参照前面所述，在这种情况下，第二通道152贯穿第二介电层160并穿过覆盖层150。
在上述微机电系统压力传感器的制作方法中，沟槽142是在图形化敏感薄膜140的同一步骤中形成，第一通道151是在形成覆盖层150的同一步骤中形成，第二通道152可在打开接触垫（bondpad，在该实施方式中没有对该步骤作介绍）的同一步骤中形成，因此，上述方法并没有增加现有压力传感器的工艺步骤。
在上述微机电系统压力传感器制作方法的基础上，本发明提供了一种微机电系统压力传感器。结合图8至图19所示，所述微机电系统压力传感器包括半导体衬底100、设置在半导体衬底100上方的适于用作第二电极的图形化的敏感薄膜140，以及设置在图形化的敏感薄膜140上方的覆盖层150，其中：
半导体衬底100上设置有第一电极110。
半导体衬底100与图形化的敏感薄膜140之间设置有第一介电层120，第一介电层120内设置有空腔121，换言之，空腔121设置在第一电极110与图形化的敏感薄膜140之间。空腔121至少与部分第一电极110及部分图形化的敏感薄膜140交叠，因此，与空腔121交叠的图形化的敏感薄膜140可以沿着空腔121的深度方向作上下移动，使图形化的敏感薄膜140与第一电极110之间的垂直距离发生改变。
图形化的敏感薄膜140上设置有沟槽142，沟槽142的一部分与部分空腔121交叠，其余部分设置在空腔121外的区域即第一介电层120上。填充在沟槽142内的覆盖层150内部形成有由空洞构成的第一通道151，第一通道151的一端与空腔121连通，另一端与设置在第一通道151上方并穿过覆盖层150的第二通道152连通。需说明的是，第二通道152未与空腔121交叠。
在一个实施例中，图形化的敏感薄膜140内还设置有释放开口141，释放开口141的位置与空腔121对应。
为了使用作第二电极的图形化的敏感薄膜140具有较佳的弹性变形能力，在一个实施例中，图形化的敏感薄膜140的材料为SiGe。
为了使得填充在沟槽142内的覆盖层150内部会形成空洞，在一个实施例中，沟槽142的深宽比为1:1-10:1。优选地，沟槽142的深宽比为2:1-10:1。在一个实施例中，覆盖层150的材料为氧化硅。
在一个实施例中，第一电极110是形成在半导体衬底100上的金属互连线。
在一个实施例中，所述微机电系统压力传感器还包括设置在覆盖层150上方的第二介电层160，在这种情况下，第二通道152贯穿第二介电层160并穿过覆盖层150。
在上述微机电系统压力传感器的基础上，本发明还提供了一种微机电系统，其包括上述实施方式一所有实施例中的微机电系统压力传感器，除此之外，微机电系统还可包括处理电路及执行器，微机电系统利用压力传感器接收外部环境的压力信息之后，将转换出来的信号经处理电路放大，再由执行器去执行信息命令。
实施方式二
如图20所示，提供半导体衬底200，半导体衬底200上形成有第一电极210。第一电极210的结构可参照实施方式一中的第一电极。
继续参照图20所示，在半导体衬底200上形成牺牲层，对部分所述牺牲层进行刻蚀直至露出半导体衬底200，刻蚀后剩余的牺牲层为牺牲层220。牺牲层220至少与部分第一电极210交叠。在一个实施例中，牺牲层220的材料为无定形碳（amorphouscarbon）。
如图21所示，在半导体衬底200及牺牲层220上形成敏感薄膜230＇，敏感薄膜230＇覆盖在半导体衬底200、牺牲层220的侧壁及顶部上。敏感薄膜230＇适于用作压力传感器的第二电极。在一个实施例中，敏感薄膜230＇的材料为锗硅（SiGe）。
结合图22及图23所示，其中，图22是沿图23中A-A截面的剖视图，图23中虚线部分表示牺牲层220，对图21所示的部分敏感薄膜230＇进行刻蚀，以形成图形化的敏感薄膜230。图形化的敏感薄膜230内形成有释放开口231，释放开口231的位置与牺牲层220对应。与此同时，图形化的敏感薄膜230内还形成有沟槽232，部分沟槽232暴露出部分牺牲层220，其余部分沟槽232暴露出半导体衬底200，换言之，沟槽232的一部分与部分牺牲层220交叠，其余部分设置在半导体衬底200上方。由图中可知，仅有小部分沟槽232的位置与牺牲层220对应，大部分沟槽232设置在牺牲层220外的区域。其中，沟槽232的深度为h2，宽度为w2。
沟槽232的长度可以根据具体情况来作调整。另外，如果将与牺牲层220交叠的沟槽部分作为沟槽232的始端，那么沟槽232的终端位置可以根据具体情况来作调整，可使沟槽232的终端距离牺牲层220很近，也可使沟槽232的终端距离牺牲层220很远。在一个实施例中，沟槽232以蛇形的方式布局，这样可以减少沟槽232占据的空间。当然，沟槽232也可以其它方式布局，例如一字型、L型等等，在此不一一列举。
结合图24及图25所示，其中，图24是沿图25中A-A截面的剖视图，图24中虚线部分表示空腔240，通过释放开口231及沟槽232去除图22及图23所示的牺牲层220。当牺牲层220的材料为无定形碳时，利用氧气作为反应气体，以将图形化的牺牲层220去除。作为一个具体的实施例，利用O2产生的等离子体去除牺牲层220，其工艺参数包括：O2流量为500-6000sccm，功率为1000-5000w。牺牲层220去除之后，在牺牲层220所在的位置形成空腔240，空腔240与释放开口231连通，另外，由于沟槽232与部分牺牲层220交叠，故空腔240还与沟槽232连通。由图中可知，仅有小部分沟槽232的位置与空腔240对应，大部分沟槽232设置在空腔240外的区域即半导体衬底200上。由于敏感薄膜230＇覆盖在牺牲层220的侧壁及顶部上，故去除牺牲层220之后，图形化的敏感薄膜230设置在空腔240的侧壁及顶部上方。
结合图26、图27、图28及图29所示，其中，图26中虚线表示的部分为空腔240，图27是沿图26中A-A截面的剖视图，图28是沿图26中B-B截面的剖视图，图29是沿图26中C-C截面的剖视图，在图形化的敏感薄膜230、释放开口231及沟槽232上形成覆盖层250。由于释放开口231的尺寸非常小，覆盖层250会将释放开口231密封。当沟槽232的深宽比（深度h2与宽度w2之比）较大时，覆盖层250很难将沟槽232完全填满，导致填充在沟槽232内的覆盖层250内部会形成空洞，且空洞位于沟槽232的中央位置，填充在沟槽232内的覆盖层250内部的空洞构成第一通道251。由于部分沟槽232与部分空腔240是交叠的，因此，形成覆盖层250时部分覆盖层250会从与空腔240交叠的沟槽232内进入空腔240内（如图27及图29所示），使得第一通道251的底部与空腔240连通，因而第一通道251的一端与空腔240连通（如图27及图29所示），另一端延伸到空腔240外的区域并被密封住。形成覆盖层250之后，空腔240被图形化的敏感薄膜230及覆盖层250密封为一个密封腔体。
另外，能否在位于沟槽232内的覆盖层250内部形成空洞不仅与沟槽232的深宽比有关，还与覆盖层250的材料及形成方法有关：当选用不同的材料时覆盖层250的填充能力会存在差异，当选择不同的方法来形成覆盖层250时覆盖层250的填充能力也会存在差异。在本发明中，应该选择填充能力较差的材料和/或填充能力较差的形成方法来制作覆盖层250。
发明人经过多次分析及试验后发现，当沟槽232的深宽比设置为1:1-10:1时能在覆盖层250内部形成空洞。优选地，沟槽232的深宽比设置为2:1-10:1。
另外，当利用PETEOS（PlasmaEnhancedTetraEthOxySilane）或者HDPCVD（HighDensityPlasmaChemicalVaporDeposition）方法形成材料为氧化硅的覆盖层250时可以使填充在沟槽232内的覆盖层250内部形成空洞。具体地，当覆盖层250的形成方法为PETEOS时，覆盖层250的形成工艺参数包括：压强为1-10Torr，温度为360-420℃，射频功率为400-2000w，O2的流量为500-4000sccm，TEOS的流量为500-5000sccm，He的流量为1000-5000sccm。当覆盖层250的形成方法为HDPCVD时，覆盖层250的形成工艺参数包括：压强为3-10mTorr，温度为380-450℃，射频功率为4000-8000w，O2的流量为140-260sccm，SiH4的流量为3-50sccm，Ar的流量为50-200sccm。形成覆盖层250之后，空腔240的温度会回落到常温，在常温条件下空腔240内的气压会降低。如前所述，为了使微机电系统压力传感器具有较好的线性度及较大的测量范围，在常温条件下压力传感器的空腔内需要高气压，一般为1个标准大气压。为此，结合图30及图31所示，图31是沿图30中D-D截面的剖视图，可在第一通道251上方形成与其连通的第二通道252，第二通道252穿过覆盖层250，且第二通道252与微机电系统压力传感器的外部环境连通。需强调的是，在本发明中，第二通道252的位置未与空腔240的位置对应，第二通道252可设置在对应沟槽232的终端位置，也可设置在对应沟槽232的始端与终端之间的位置。
填充在沟槽232内的覆盖层250内部形成有第一通道251，而第一通道251的顶部由于被覆盖层250覆盖住而不能与压力传感器的外部环境连通，由于第二通道252贯穿覆盖层250，故第一通道251可通过第二通道252与压力传感器的外部环境连通，而第一通道251的一端与空腔240连通，故空腔240可通过第一通道251及第二通道252与压力传感器的外部环境连通。当将形成有第二通道252的压力传感器置于气压为1个标准大气压、温度为常温的环境中之后即可使得空腔240内的气压也为1个标准大气压，这样，将第二通道252密封之后可使得在常温条件下空腔240内的气压固定在1个标准大气压，进而能够使在微机电系统压力传感器在常温条件下具有较佳的线性度及较大的测量范围。在其它实施例中，也可以通过其它方式使得空腔121内的气压为1个标准大气压。
由上述可知，可根据第二通道252的位置来设置沟槽232的终端位置。由于第一通道251非常狭窄而且较长，在形成第二通道252之后的清洗制程中刻蚀液体会由于空腔240内的气压原因无法进入空腔240，从而不会发生黏附作用，同时由于第二通道252设置在空腔240之外的区域内，故不会产生前面所述的在对应空腔240位置设置开口所带来的一系列问题。
可选地，如图32所示，其中，图32是在图26所示的压力传感器上形成第二介电层之后沿A-A截面的剖视图，还可在覆盖层250上形成第二介电层260，然后进行刻蚀以形成环状沟槽261，部分图形化的敏感薄膜230暴露在环状沟槽261中，暴露在环状沟槽261中的图形化的敏感薄膜230称之为支撑架。环状沟槽261将位于图形化的敏感薄膜230上方的相应层释放为可动结构，该可动结构称之为质量块262。
当覆盖层250上形成有第二介电层260时，第二通道252的制作方法可参照实施方式一中第二通道的制作方法。
在上述微机电系统压力传感器的制作方法中，沟槽232是在图形化敏感薄膜230的同一步骤中形成，第一通道251是在形成覆盖层250的同一步骤中形成，第二通道252可在打开接触垫（bondpad，在该实施例中没有对该步骤作介绍）的同一步骤中形成，因此，上述方法并没有增加现有压力传感器的工艺步骤。
在上述微机电系统压力传感器制作方法的基础上，本发明提供了一种微机电系统压力传感器。结合图20至图32所示，所述微机电系统压力传感器包括半导体衬底200、设置在半导体衬底200上方的适于用作第二电极的图形化的敏感薄膜230，以及设置在图形化的敏感薄膜230上方的覆盖层250，其中：
半导体衬底200上设置有第一电极210。
第一电极210与图形化的敏感薄膜230之间设置有空腔240，且图形化的敏感薄膜230设置在半导体衬底200、空腔240的侧壁及顶部上方。空腔240至少与部分第一电极210及部分图形化的敏感薄膜230交叠，因此，与空腔240交叠的图形化的敏感薄膜230可以沿着空腔240的深度方向作上下移动，使图形化的敏感薄膜230与第一电极210之间的垂直距离发生改变。
图形化的敏感薄膜230上设置有沟槽232，沟槽232的一部分与部分空腔240交叠，其余部分设置在空腔240外的区域即半导体衬底200上。填充在沟槽232内的覆盖层250内部形成有由空洞构成的第一通道251，第一通道251的一端与空腔240连通，另一端与设置在第一通道251上方并穿过覆盖层250的第二通道252连通。需说明的是，第二通道252未与空腔240交叠。
在一个实施例中，图形化的敏感薄膜230内还设置有释放开口231，释放开口231的位置与空腔240对应。
在一个实施例中，图形化的敏感薄膜230的材料为SiGe。
为了使得填充在沟槽232内的覆盖层250内部会形成空洞，在一个实施例中，沟槽232的深宽比为1:1-10:1。优选地，沟槽232的深宽比为2:1-10:1。在一个实施例中，覆盖层250的材料为氧化硅。
在一个实施例中，第一电极210是形成在半导体衬底200上的金属互连线。
在一个实施例中，所述微机电系统压力传感器还包括设置在覆盖层250上方的第二介电层260，在这种情况下，第二通道252贯穿第二介电层260并穿过覆盖层250。
在上述微机电系统压力传感器的基础上，本发明还提供了一种微机电系统，其包括上述实施方式二所有实施例中的微机电系统压力传感器，除此之外，微机电系统还可包括处理电路及执行器，微机电系统利用压力传感器接收外部环境的压强信息之后，将转换出来的信号经处理电路放大，再由执行器去执行信息命令。
需要说明的是，上述两个实施方式中，在压力传感器上形成第二通道之后，将压力传感器置于气压为1个标准大气压、温度为常温的环境中之后即可使得空腔内的气压也为1个标准大气压，这样，即使将第二通道密封之后依然可使得在常温条件下空腔内的气压固定在1个标准大气压，进而能够使微机电系统压力传感器在常温条件下具有较佳的线性度及较大的测量范围，在这种情况下，压力传感器适于使用在气压与空腔内气压相近的环境中。
在本发明的其它实施方式中，也可以将压力传感器置于其它气压（不等于1个标准大气压）、温度为常温的环境中，之后即可使得空腔内的气压也为所述其它气压，这样，即使将第二通道密封之后依然可使得在常温条件下空腔内的气压固定在所述其它气压，进而能够使在微机电系统压力传感器在常温条件下具有较佳的线性度及较大的测量范围，在这种情况下，压力传感器适于使用在气压与空腔内气压相近的环境（气压不等于1个标准大气压）中。实施方式三
在实施方式三中提供了两种微机电系统压力传感器，其中一种微机电系统压力传感器的结构如图1至图7所示，其包括半导体衬底1、设置在半导体衬底1上方的适于用作第二电极的敏感薄膜5，以及设置在敏感薄膜5上方的覆盖层6，其中：
半导体衬底1上设置有第一电极2。
半导体衬底1与敏感薄膜5之间设置有介电层3，介电层3内设置有空腔3a，换言之，空腔3a设置在第一电极2与敏感薄膜5之间。空腔3a至少与部分第一电极2及部分敏感薄膜5交叠，因此，与空腔3a交叠的敏感薄膜5可以沿着空腔3a的深度方向作上下移动，使敏感薄膜5与第一电极2之间的垂直距离发生改变。所述空腔3a上方设置有与空腔3a连通的开口8（即开口9的位置与空腔3a对应），该开口9穿过所述覆盖层6。
另一种微机电系统压力传感器包括半导体衬底、设置在半导体衬底上方的适于用作第二电极的敏感薄膜，以及设置在敏感薄膜上方的覆盖层，其中：
半导体衬底上设置有第一电极。
第一电极与敏感薄膜之间设置有空腔，且敏感薄膜设置在半导体衬底、空腔的侧壁及顶部上方。空腔至少与部分第一电极及部分敏感薄膜交叠，因此，与空腔交叠的敏感薄膜可以沿着空腔的深度方向作上下移动，使敏感薄膜与第一电极之间的垂直距离发生改变。所述空腔上方设置有与空腔连通的开口（即开口的位置与空腔对应），该开口穿过所述覆盖层。
上述通过实施例的说明，应能使本领域专业技术人员更好地理解本发明，并能够再现和使用本发明。本领域的专业技术人员根据本文中所述的原理可以在不脱离本发明的实质和范围的情况下对上述实施例作各种变更和修改是显而易见的。因此，本发明不应被理解为限制于本文所示的上述实施例，其保护范围应由所附的权利要求书来界定。
Claims (23)
1.一种微机电系统压力传感器的制作方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上设置有第一电极；
在所述半导体衬底的部分区域上形成牺牲层，所述牺牲层至少与部分所述第一电极交叠；
在所述牺牲层及所述牺牲层外的区域上形成适于用作第二电极的图形化的敏感薄膜，所述图形化的敏感薄膜内形成有释放开口及沟槽，所述释放开口的位置与所述牺牲层对应，所述沟槽的一部分与部分所述牺牲层交叠，其余部分设置在所述牺牲层外的区域上；
通过所述释放开口及沟槽去除所述牺牲层，在所述牺牲层所在的位置形成空腔；
在所述图形化的敏感薄膜、释放开口及沟槽上形成覆盖层，所述覆盖层将所述释放开口密封，填充在所述沟槽内的覆盖层内部形成有由空洞构成的第一通道，所述第一通道的一端与所述空腔连通；
在所述第一通道上方形成穿过所述覆盖层并与压力传感器外部环境连通的第二通道，所述第二通道与所述第一通道的另一端连通。
2.根据权利要求1所述的微机电系统压力传感器的制作方法，其特征在于，在所述半导体衬底的部分区域上形成牺牲层的步骤包括：
在所述半导体衬底上形成介电层，对所述介电层进行图形化处理，以在所述介电层内形成空腔；
在所述介电层及空腔上形成牺牲层，进行平坦化处理直至露出所述介电层；
在所述牺牲层及所述牺牲层外的区域上形成图形化的敏感薄膜的步骤包括：
在所述牺牲层及介电层上形成敏感薄膜，对部分所述敏感薄膜进行刻蚀以形成图形化的敏感薄膜，所述沟槽的一部分与部分所述牺牲层交叠，其余部分设置在所述介电层上。
3.根据权利要求1所述的微机电系统压力传感器的制作方法，其特征在于，在所述半导体衬底的部分区域上形成牺牲层的步骤包括：
在所述半导体衬底上形成牺牲层；
对部分牺牲层进行刻蚀直至露出半导体衬底；
在所述牺牲层及所述牺牲层外的区域上形成图形化的敏感薄膜的步骤包括：
在所述牺牲层及半导体衬底上形成敏感薄膜，对部分所述敏感薄膜进行刻蚀以形成图形化的敏感薄膜，所述沟槽的一部分与部分所述牺牲层交叠，其余部分设置在所述半导体衬底上。
4.根据权利要求1所述的微机电系统压力传感器的制作方法，其特征在于，所述图形化的敏感薄膜的材料为SiGe。
5.根据权利要求1所述的微机电系统压力传感器的制作方法，其特征在于，所述沟槽的深宽比为1:1-10:1。
6.根据权利要求1所述的微机电系统压力传感器的制作方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为无定形碳。
7.根据权利要求6所述的微机电系统压力传感器的制作方法，其特征在于，利用O2产生的等离子体去除所述牺牲层，其工艺参数包括：O2流量为500-6000sccm，功率为1000-5000w。
8.根据权利要求1所述的微机电系统压力传感器的制作方法，其特征在于，所述覆盖层的材料为氧化硅。
9.根据权利要求8所述的微机电系统压力传感器的制作方法，其特征在于，所述覆盖层的形成方法为PETEOS或者HDPCVD。
10.根据权利要求9所述的微机电系统压力传感器的制作方法，其特征在于，
当所述覆盖层的形成方法为PETEOS时，所述覆盖层的形成工艺参数包括：压强为1-10Torr，温度为360-420℃，射频功率为400-2000w，O2的流量为500-4000sccm，TEOS的流量为500-5000sccm，He的流量为1000-5000sccm；
当所述覆盖层的形成方法为HDPCVD时，所述覆盖层的形成工艺参数包括：压强为3-10mTorr，温度为380-450℃，射频功率为4000-8000w，O2的流量为140-260sccm，SiH4的流量为3-50sccm，Ar的流量为50-200sccm。
11.根据权利要求1所述的微机电系统压力传感器的制作方法，其特征在于，所述第一电极是形成在所述半导体衬底上的金属互连线。
12.根据权利要求1所述的微机电系统压力传感器的制作方法，其特征在于，还包括在所述覆盖层上形成介电层的步骤，所述第二通道贯穿所述介电层并穿过所述覆盖层。
13.根据权利要求1所述的微机电系统压力传感器的制作方法，其特征在于，还包括对所述第二通道进行密封的步骤。
14.一种微机电系统压力传感器，其特征在于，包括半导体衬底、设置在所述半导体衬底上方的图形化的敏感薄膜，以及设置在图形化的敏感薄膜上方的覆盖层，其中：
所述半导体衬底上设置有第一电极；
所述第一电极与所述图形化的敏感薄膜之间设置有空腔，所述空腔至少与部分所述第一电极及部分图形化的敏感薄膜交叠；
所述图形化的敏感薄膜适于用作第二电极，其设置有沟槽，所述沟槽的一部分与部分所述空腔交叠，其余部分设置在所述空腔外的区域上，填充在所述沟槽内的覆盖层内部形成有由空洞构成的第一通道，所述第一通道的一端与所述空腔连通，另一端与设置在所述第一通道上方并穿过所述覆盖层的第二通道连通。
15.根据权利要求14所述的微机电系统压力传感器，其特征在于，还包括设置在所述半导体衬底上方的图形化的介电层，所述图形化的介电层内设置有所述空腔，所述图形化的敏感薄膜设置在所述图形化的介电层及空腔顶部上方。
16.根据权利要求14所述的微机电系统压力传感器，其特征在于，所述图形化的敏感薄膜设置在所述半导体衬底、空腔侧壁及空腔顶部上方。
17.根据权利要求14所述的微机电系统压力传感器，其特征在于，所述图形化的敏感薄膜上还设置有释放开口，所述释放开口的位置与所述空腔对应，并被所述覆盖层密封。
18.根据权利要求14所述的微机电系统压力传感器，其特征在于，所述图形化的敏感薄膜的材料为SiGe。
19.根据权利要求14所述的微机电系统压力传感器，其特征在于，所述沟槽的深宽比为1:1-10:1。
20.根据权利要求14所述的微机电系统压力传感器，其特征在于，所述覆盖层的材料为氧化硅。
21.根据权利要求14所述的微机电系统压力传感器，其特征在于，所述第一电极是形成在所述半导体衬底上的金属互连线。
22.根据权利要求14所述的微机电系统压力传感器，其特征在于，还包括设置在所述覆盖层上方的介电层，所述第二通道贯穿所述介电层并穿过所述覆盖层。
23.一种微机电系统，其特征在于，包括权利要求14至22任一项所述的微机电系统压力传感器。
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