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;
在所述半导体衬底上形成图形化的第一介电层,所述图形化的第一介电层内形成有空腔及与空腔连通的沟槽,所述空腔至少与部分所述第一电极交叠;
在所述空腔及沟槽内形成牺牲层;
在所述图形化的第一介电层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位置与所述空腔对应的释放开口,所述空腔及沟槽中至少所述空腔与所述图形化的敏感薄膜交叠;
通过所述释放开口去除所述空腔及沟槽内的牺牲层;
当所述空腔及沟槽中,仅所述空腔与所述图形化的敏感薄膜交叠时,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,然后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;
当所述空腔及沟槽中,所述空腔及整个沟槽与所述图形化的敏感薄膜交叠时,在所述图形化的敏感薄膜及释放开口上形成覆盖层,所述覆盖层将所述释放开口密封,然后在所述沟槽上方形成贯穿所述图形化的敏感薄膜并与压力传感器外部环境连通的第二通道;
当所述空腔及沟槽中,所述空腔及部分沟槽与所述图形化的敏感薄膜交叠时,在所述图形化的敏感薄膜、释放开口及未被所述图形化的敏感薄膜覆盖住的沟槽上形成覆盖层,所述覆盖层将所述释放开口密封,填充在沟槽内的覆盖层内部形成有由空洞构成的第一通道,然后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连通,或者,在被所述图形化的敏感薄膜覆盖住的沟槽上方形成贯穿所述图形化的敏感薄膜并与压力传感器外部环境连通的第二通道。
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,所述覆盖层的形成工艺参数包括: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第二介电层的步骤,所述第二通道贯穿所述第二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,所述半导体衬底上设置有第一电极;
设置在半导体衬底上方的图形化的第一介电层,所述图形化的第一介电层内设置有空腔及与所述空腔连通的沟槽,所述空腔至少与部分所述第一电极交叠;
设置在所述图形化的第一介电层上方的适于用作第二电极的图形化的敏感薄膜,且所述空腔及沟槽中至少所述空腔与所述图形化的敏感薄膜交叠;
当所述空腔及沟槽中,仅所述空腔与所述图形化的敏感薄膜交叠时,所述图形化的敏感薄膜及沟槽上设置有覆盖层,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;
当所述空腔及沟槽中,所述空腔及整个沟槽与所述图形化的敏感薄膜交叠时,所述图形化的敏感薄膜上设置有覆盖层,所述沟槽上方设置有与其连通的第二通道,所述第二通道贯穿所述图形化的敏感薄膜及覆盖层;
当所述空腔及沟槽中,所述空腔及部分沟槽与所述图形化的敏感薄膜交叠时,所述图形化的敏感薄膜及未被所述图形化的敏感薄膜覆盖住的沟槽上设置有覆盖层,填充在沟槽内的覆盖层内部形成有由空洞构成的第一通道,被所述图形化的敏感薄膜覆盖住的沟槽上方或第一通道上方设置有第二通道,所述第二通道贯穿所述图形化的敏感薄膜及覆盖层以与被所述图形化的敏感薄膜覆盖住的沟槽连通,或者,所述第二通道穿过所述覆盖层以与所述第一通道连通。
可选地,所述图形化的敏感薄膜内还设置有位置与所述空腔对应的释放开口,所述释放开口被所述覆盖层密封。
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第二介电层,所述第二通道贯穿所述第二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。
与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下优点:
在图形化介电层以形成空腔的同时,在介电层内形成与空腔连通的沟槽,然后在介电层上形成用作电极的敏感薄膜、覆盖层,空腔及沟槽中至少空腔与敏感薄膜交叠。当空腔及沟槽中仅空腔与敏感薄膜交叠时,未与敏感薄膜交叠的沟槽内会填充覆盖层,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;当空腔及沟槽中空腔及沟槽均与敏感薄膜交叠时,与敏感薄膜交叠的沟槽上方设置有与其连通的第二通道;当空腔及沟槽中空腔及部分沟槽与敏感薄膜交叠时,与敏感薄膜交叠的沟槽部分与空腔连通,未与敏感薄膜交叠的沟槽部分内部填充有覆盖层,且该覆盖层内部会形成由空洞构成的第一通道,可以直接在与敏感薄膜交叠的沟槽部分上方设置一个与其连通的第二通道,或者在第一通道上方设置一个与其连同的第二通道,由于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测量大气压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,沟槽是在图形化介电层的同一步骤中形成,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。
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,发明人提供了一种解决方案:在图形化介电层以形成空腔的同时,在介电层内形成与空腔连通的沟槽,然后在介电层上形成用作电极的敏感薄膜、覆盖层,空腔及沟槽中至少空腔与敏感薄膜交叠。当空腔及沟槽中仅空腔与敏感薄膜交叠时,未与敏感薄膜交叠的沟槽内会填充覆盖层,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;当空腔及沟槽中空腔及沟槽均与敏感薄膜交叠时,与敏感薄膜交叠的沟槽上方设置有与其连通的第二通道;当空腔及沟槽中空腔及部分沟槽与敏感薄膜交叠时,与敏感薄膜交叠的沟槽部分与空腔连通,未与敏感薄膜交叠的沟槽部分内部填充有覆盖层,且该覆盖层内部会形成由空洞构成的第一通道,可以直接在与敏感薄膜交叠的沟槽部分上方设置一个与其连通的第二通道,或者在第一通道上方设置一个与其连同的第二通道。
由于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。
如图8所示,提供半导体衬底300,半导体衬底300上设置有第一电极310。第一电极310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310也可利用其它导电材料制成。另外,当半导体衬底300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310。在一个实施例中,可利用半导体衬底300内的金属互连线来兼作第一电极310。第一电极310可以位于半导体衬底300的表面,也可以位于半导体衬底300的内部。
结合图8及图9所示,其中,图8是沿图9中A-A截面的剖视图,在半导体衬底300上形成图形化的第一介电层320。图形化的第一介电层320内形成有空腔321及沟槽322,空腔321至少与部分第一电极310交叠,且空腔321与沟槽322连通。沟槽322的长度可以根据具体情况来作调整。另外,如果将与空腔321连通的沟槽部分作为沟槽322的始端,那么沟槽322的终端位置可以根据具体情况来作调整,可使沟槽322的终端距离空腔321很近,也可使沟槽322的终端距离空腔321很远。在一个实施例中,沟槽322以蛇形的方式布局,这样可以减少沟槽322占据的空间。当然,沟槽322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。其中,沟槽322的深度为h3,宽度为w3。
结合图10及图11所示,图10是沿图11中A-A截面的剖视图,在图形化的第一介电层320、空腔321及沟槽322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320,空腔321及沟槽322被牺牲层330填满。在一个实施例中,牺牲层330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。
在图形化的第一介电层320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)。
对部分所述敏感薄膜进行刻蚀,以形成图形化的敏感薄膜340。图形化的敏感薄膜340内形成有位置与空腔321对应的释放开口341,空腔321及沟槽322中至少空腔321与图形化的敏感薄膜340交叠,换言之,空腔321及沟槽322中至少有空腔321会被图形化的敏感薄膜340覆盖住。下面通过三个实施例说明在图形化的敏感薄膜340与空腔321、沟槽322之间不同相对位置下压力传感器的结构。
第一实施例
在第一实施例中,结合图12及图13所示,其中,图12是沿图13中A-A截面的剖视图,空腔321及沟槽322中仅空腔321与图形化的敏感薄膜340交叠,换言之,整个沟槽322均未被图形化的敏感薄膜340覆盖。
结合图14及图15所示,其中,图14是沿图15中A-A截面的剖视图,通过释放开口341及未被图形化的敏感薄膜340覆盖住的沟槽322去除图12及图13所示的牺牲层330。当牺牲层330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330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330,其工艺参数包括:O2流量为500-6000sccm,功率为1000-5000w。牺牲层330去除之后,图形化的第一介电层320内的空腔321与释放开口341连通。
结合图16、图17及图18所示,其中,图16中虚线部分分别表示空腔321、沟槽322,图17是沿图16中A-A截面的剖视图,图18是沿图16中B-B截面的剖视图,在图形化的敏感薄膜340、释放开口341及未被图形化的敏感薄膜340覆盖住的沟槽322上形成覆盖层350。由于释放开口341的尺寸非常小,覆盖层350会将释放开口341密封。当沟槽322的深宽比(深度h3与宽度w3之比)较大时,覆盖层350很难将沟槽322完全填满,导致填充在沟槽322内的覆盖层350内部会形成空洞,且空洞位于沟槽322的中央位置。填充在沟槽322内的覆盖层350内部的空洞构成第一通道351,且第一通道351的一端与空腔321连通(如图17所示),另一端延伸到空腔321外的区域并被密封住。形成覆盖层350之后,空腔321被图形化的敏感薄膜340及覆盖层350密封为一个密封腔体。
另外,能否在位于沟槽322内的覆盖层350内部形成空洞不仅与沟槽322的深宽比有关,还与覆盖层350的材料及形成方法有关:当选用不同的材料时覆盖层350的填充能力会存在差异,当选择不同的方法来形成覆盖层350时覆盖层350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350。
发明人经过多次分析及试验后发现,当沟槽322的深宽比设置为1:1-10:1时能在覆盖层350内部形成空洞。优选地,沟槽322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350时可以使填充在沟槽322内的覆盖层350内部形成空洞。具体地,当覆盖层350的形成方法为PETEOS时,覆盖层350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350的形成方法为HDPCVD时,覆盖层350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350之后,空腔321的温度会回落到常温,在常温条件下空腔321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19及图20所示,其中,图19是沿图20中C-C截面的剖视图,可在第一通道351上方形成与其连通的第二通道352,第二通道352穿过覆盖层350,且第二通道352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352的位置未与空腔321的位置对应,第二通道352可设置在对应沟槽322的终端位置,也可设置在对应沟槽322的始端与终端之间的位置。
填充在沟槽322内的覆盖层350内部形成有第一通道351,而第一通道351的顶部由于被覆盖层350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352穿过覆盖层350,故第一通道351可通过第二通道352与压力传感器的外部环境连通,而第一通道351的一端与空腔321连通,故空腔321可通过第一通道351及第二通道352与压力传感器的外部环境连通。当将形成有第二通道352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321内的气压也为1个标准大气压,这样,将第二通道352密封之后可使得在常温条件下空腔321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321内的气压为1个标准大气压。
由上述可知,可根据第二通道352的位置来设置沟槽342的终端位置。由于第一通道351非常狭窄而且较长,在形成第二通道352之后的清洗制程中刻蚀液体会由于空腔321内的气压而无法进入空腔321,从而不会发生黏附作用,同时由于第二通道352设置在空腔321之外的区域内,故不会产生前面所述的在对应空腔321位置设置开口所带来的一系列问题。
可选地,如图21所示,其中,图21是在图16所示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350上形成第二介电层360,然后进行刻蚀以形成环状沟槽361,部分图形化的敏感薄膜340暴露在环状沟槽361中,暴露在环状沟槽361中的图形化的敏感薄膜340称之为支撑架。可以在刚暴露出图形化的敏感薄膜340时即停止刻蚀,也可以对图形化的敏感薄膜340进行一定程度的过刻蚀之后再停止刻蚀。环状沟槽361将位于图形化的敏感薄膜340上方的相应层释放为可动结构,该可动结构称之为质量块362。
当覆盖层350上形成有第二介电层360时,第二通道352的制作步骤可以设置在第二介电层360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352贯穿第二介电层360并穿过覆盖层350。
在上述微机电系统压力传感器的制作方法中,沟槽322是在图形化第一介电层320的同一步骤中形成,第一通道351是在形成覆盖层350的同一步骤中形成,第二通道352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。
在上述第一实施例中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21所示,该微机电系统压力传感器包括:
半导体衬底300,半导体衬底300上设置有第一电极310;
设置在半导体衬底300上方的图形化的第一介电层320,图形化的第一介电层320内设置有空腔321及与空腔321连通的沟槽322,空腔321至少与部分第一电极310交叠;
设置在图形化的第一介电层320上方的适于用作第二电极的敏感薄膜340,空腔321及沟槽322中仅空腔321与敏感薄膜340交叠,与空腔321交叠的敏感薄膜340可以沿着空腔321的深度方向作上下移动,使敏感薄膜340与第一电极310之间的垂直距离发生改变;
敏感薄膜340及未被敏感薄膜340覆盖住的沟槽322上设置有覆盖层350,填充在沟槽322内的覆盖层350内部形成有由空洞构成的第一通道351,第一通道351的一端与空腔321连通,另一端与设置在第一通道351上方并穿过覆盖层350的第二通道352连通,需说明的是,第二通道352未与空腔321交叠。
在一个实施例中,敏感薄膜340内还设置有释放开口341,释放开口341的位置与空腔321对应。
为了使用作第二电极的敏感薄膜340具有较佳的弹性变形能力,在一个实施例中,敏感薄膜340的材料为SiGe。
为了使得填充在沟槽322内的覆盖层350内部会形成空洞,在一个实施例中,沟槽322的深宽比为1:1-10:1。优选地,沟槽322的深宽比为2:1-10:1。在一个实施例中,覆盖层350的材料为氧化硅。
在一个实施例中,第一电极310是形成在半导体衬底300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350上方的第二介电层360,在这种情况下,第二通道352贯穿第二介电层360并穿过覆盖层350。
第二实施例
在第二实施例中,在图8至图11的前提下,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中虚线部分表示空腔321、沟槽322,空腔321及沟槽322中空腔321及整个沟槽322均与图形化的敏感薄膜340交叠。
如图24所示,通过释放开口341去除图22及图23所示的牺牲层330。当牺牲层330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330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330,其工艺参数包括:O2流量为500-6000sccm,功率为1000-5000w。牺牲层330去除之后,图形化的第一介电层320内的空腔321与释放开口341连通。
结合图25、图26及图27所示,其中,图26是沿图25中A-A截面的剖视图,图27是沿图25中B-B截面的剖视图,在图形化的敏感薄膜340及释放开口341上形成覆盖层350。由于释放开口341的尺寸非常小,覆盖层350会将释放开口341密封。形成覆盖层350之后,空腔321被图形化的敏感薄膜340及覆盖层350密封为一个密封腔体,且由于空腔321及沟槽322内未填充牺牲层,故空腔321与沟槽322是连通的。
形成覆盖层350之后,空腔321的温度会回落到常温,在常温条件下空腔321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28及图29所示,其中,图28是沿图29中C-C截面的剖视图,可在被图形化的敏感薄膜340覆盖住的沟槽322上方形成与其连通的第二通道352,第二通道352贯穿覆盖层350及图形化的敏感薄膜340,且第二通道352与微机电系统压力传感器的外部环境连通。故空腔321可通过沟槽322及第二通道352与压力传感器的外部环境连通。当将形成有第二通道352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321内的气压也为1个标准大气压,这样,将第二通道352密封之后可使得在常温条件下空腔321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321内的气压为1个标准大气压。
需强调的是,在本发明中,第二通道352的位置未与空腔321的位置对应,第二通道352可设置在对应沟槽322的终端位置,也可设置在对应沟槽322的始端与终端之间的位置。
由上述可知,可根据第二通道352的位置来设置沟槽342的终端位置。由于沟槽322非常狭窄而且较长,在形成第二通道352之后的清洗制程中刻蚀液体会由于空腔321内的气压原因无法进入空腔321,从而不会发生黏附作用,同时由于第二通道352设置在空腔321之外的区域内,故不会产生前面所述的在对应空腔321位置设置开口所带来的一系列问题。
可选地,如图30所示,其中,图30是在图25所示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350上形成第二介电层360,然后进行刻蚀以形成环状沟槽361,部分图形化的敏感薄膜340暴露在环状沟槽361中,暴露在环状沟槽361中的图形化的敏感薄膜340称之为支撑架。可以在刚暴露出图形化的敏感薄膜340时即停止刻蚀,也可以对图形化的敏感薄膜340进行一定程度的过刻蚀之后再停止刻蚀。环状沟槽361将位于图形化的敏感薄膜340上方的相应层释放为可动结构,该可动结构称之为质量块362。
当覆盖层350上形成有第二介电层360时,第二通道352的制作步骤可以设置在第二介电层360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352同时贯穿第二介电层360、覆盖层350及图形化的敏感薄膜340。
在上述微机电系统压力传感器的制作方法中,沟槽322是在图形化第一介电层320的同一步骤中形成,第二通道352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。
在上述第二实施例中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11以及图22至图30所示,该微机电系统压力传感器包括:
半导体衬底300,半导体衬底300上设置有第一电极310;
设置在半导体衬底300上方的图形化的第一介电层320,图形化的第一介电层320内设置有空腔321及与空腔321连通的沟槽322,空腔321至少与部分第一电极310交叠;
设置在图形化的第一介电层320上方的适于用作第二电极的敏感薄膜340,空腔321及沟槽322中空腔321及沟槽322均与敏感薄膜340交叠,与空腔321交叠的敏感薄膜340可以沿着空腔321的深度方向作上下移动,使敏感薄膜340与第一电极310之间的垂直距离发生改变;
敏感薄膜340上设置有覆盖层350,由于沟槽322被敏感薄膜340覆盖住,故沟槽322未被覆盖层350填充,沟槽322依然与空腔321连通,沟槽322上方设置有与其连通的第二通道352,第二通道352贯穿敏感薄膜340及覆盖层350,需说明的是,第二通道352未与空腔321交叠。
在一个实施例中,敏感薄膜340内还设置有释放开口341,释放开口341的位置与空腔321对应。
为了使用作第二电极的敏感薄膜340具有较佳的弹性变形能力,在一个实施例中,敏感薄膜340的材料为SiGe。
在一个实施例中,覆盖层350的材料为氧化硅。
在一个实施例中,第一电极310是形成在半导体衬底300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350上方的第二介电层360,在这种情况下,第二通道352贯穿第二介电层360、覆盖层350及敏感薄膜340。
第三实施例
在第三实施例中,在图8至图11的前提下,结合图31及图32所示,其中,图31是沿图32中A-A截面的剖视图,空腔321及沟槽322中,空腔321及部分沟槽322与图形化的敏感薄膜340交叠,换言之,空腔321及沟槽322中仅有部分沟槽322未被图形化的敏感薄膜340覆盖。
结合图33及图34所示,其中,图33是沿图34中A-A截面的剖视图,通过释放开口341及未被图形化的敏感薄膜340覆盖住的沟槽322去除图31及图32所示的牺牲层330。当牺牲层330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330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330,其工艺参数包括:O2流量为500-6000sccm,功率为1000-5000w。牺牲层330去除之后,图形化的第一介电层320内的空腔321与释放开口341连通。
结合图35、图36、图37及图38所示,其中,图35中虚线部分分别表示空腔321、沟槽322,图36是沿图35中A-A截面的剖视图,图37是沿图35中B-B截面的剖视图,图38是沿图35中C-C截面的剖视图,在B-B截面处沟槽322被图形化的敏感薄膜340覆盖,在C-C截面处沟槽322未被图形化的敏感薄膜340覆盖,在图形化的敏感薄膜340、释放开口341及未被图形化的敏感薄膜340覆盖住的沟槽322上形成覆盖层350。由于部分沟槽322被图形化的敏感薄膜340覆盖住,故此部分沟槽322不会被覆盖层350填充,因而该部分沟槽322能与空腔321连通。由于释放开口341的尺寸非常小,覆盖层350会将释放开口341密封。当沟槽322的深宽比(深度h3与宽度w3之比)较大时,覆盖层350很难将未被图形化的敏感薄膜340覆盖住的沟槽322完全填满,导致填充在沟槽322内的覆盖层350内部会形成空洞,且空洞位于沟槽322的中央位置。填充在沟槽322内的覆盖层350内部的空洞构成第一通道351,且第一通道351的一端与被图形化的敏感薄膜340覆盖住的沟槽322连通(如图36所示),另一端延伸到空腔321外的区域并被密封住。形成覆盖层350之后,空腔321被图形化的敏感薄膜340及覆盖层350密封为一个密封腔体。
另外,能否在位于沟槽322内的覆盖层350内部形成空洞不仅与沟槽322的深宽比有关,还与覆盖层350的材料及形成方法有关:当选用不同的材料时覆盖层350的填充能力会存在差异,当选择不同的方法来形成覆盖层350时覆盖层350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350。
发明人经过多次分析及试验后发现,当沟槽322的深宽比设置为1:1-10:1时能在覆盖层350内部形成空洞。优选地,沟槽322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350时可以使填充在沟槽322内的覆盖层350内部形成空洞。具体地,当覆盖层350的形成方法为PETEOS时,覆盖层350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350的形成方法为HDPCVD时,覆盖层350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350之后,空腔321的温度会回落到常温,在常温条件下空腔321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39及图40所示,其中,图40是沿图39中D-D截面的剖视图,可在第一通道351上方形成与其连通的第二通道352,第二通道352贯穿覆盖层350,且第二通道352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352的位置未与空腔321的位置对应,第二通道352可设置在对应沟槽322的终端位置,也可设置在对应沟槽322的始端与终端之间的位置。
填充在沟槽322内的覆盖层350内部形成有第一通道351,而第一通道351的顶部由于被覆盖层350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352穿过覆盖层350,故第一通道351可通过第二通道352与压力传感器的外部环境连通,而第一通道351的一端与未被图形化的敏感薄膜340覆盖住的沟槽322连通,故空腔321可通过沟槽322、第一通道351及第二通道352与压力传感器的外部环境连通。当将形成有第二通道352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321内的气压也为1个标准大气压,这样,将第二通道352密封之后可使得在常温条件下空腔321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。
另外,结合图39及图41所示,图41是沿图39中E-E截面的剖视图,可在被图形化的敏感薄膜340覆盖住的沟槽322上方形成与其连通的第二通道352,第二通道352贯穿覆盖层350及图形化的敏感薄膜340,且第二通道352与微机电系统压力传感器的外部环境连通。故空腔321可通过沟槽322及第二通道352与压力传感器的外部环境连通。当将形成有第二通道352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321内的气压也为1个标准大气压,这样,即使将第二通道352密封之后依然可使得在常温条件下空腔321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。
由上述可知,可根据第二通道352的位置来设置沟槽342的终端位置。由于第一通道351及沟槽322非常狭窄而且较长,在形成第二通道352之后的清洗制程中刻蚀液体会由于空腔321内的气压原因无法进入空腔321,从而不会发生黏附作用,同时由于第二通道352设置在空腔321之外的区域内,故不会产生前面所述的在对应空腔321位置设置开口所带来的一系列问题。
可选地,同第一实施例及第二实施例中所述,还可在覆盖层350上形成第二介电层(未图示),然后进行刻蚀以形成环状沟槽,部分图形化的敏感薄膜暴露在环状沟槽中,暴露在环状沟槽中的图形化的敏感薄膜称之为支撑架。可以在刚暴露出图形化的敏感薄膜时即停止刻蚀,也可以对图形化的敏感薄膜进行一定程度的过刻蚀之后再停止刻蚀。环状沟槽将位于图形化的敏感薄膜340上方的相应层释放为可动结构,该可动结构称之为质量块。
当覆盖层350上形成有第二介电层时,第二通道352的制作步骤可以设置在第二介电层的形成步骤之后,具体的方法可参照前面所述。
在上述微机电系统压力传感器的制作方法中,沟槽322是在图形化第一介电层320的同一步骤中形成,第一通道351是在形成覆盖层350的同一步骤中形成,第二通道352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。
在上述第三实施例中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11以及图31至图41所示,该微机电系统压力传感器包括:
半导体衬底300,半导体衬底300上设置有第一电极310;
设置在半导体衬底300上方的图形化的第一介电层320,图形化的第一介电层320内设置有空腔321及与空腔321连通的沟槽322,空腔321至少与部分第一电极310交叠;
设置在图形化的第一介电层320上方的适于用作第二电极的敏感薄膜340,空腔321及沟槽322中空腔321及部分沟槽322与敏感薄膜340交叠,与空腔321交叠的敏感薄膜340可以沿着空腔321的深度方向作上下移动,使敏感薄膜340与第一电极310之间的垂直距离发生改变;
敏感薄膜340及未被敏感薄膜340覆盖住的沟槽322上设置有覆盖层350,由于仅有部分沟槽322与敏感薄膜340交叠,故与敏感薄膜340交叠的沟槽322未被覆盖层350填充,该部分沟槽322依然与空腔321连通,未与敏感薄膜340交叠的沟槽322内填充有覆盖层350,填充在该部分沟槽322内的覆盖层350内部形成有由空洞构成的第一通道351,第一通道351与和敏感薄膜340交叠的沟槽322连通。
在一个实施例中,第一通道351上方设置有与其连通的第二通道352,第二通道352穿过覆盖层350,第二通道352未与空腔321交叠。
在另一个实施例中,被敏感薄膜340覆盖住的沟槽322上方设置有与其连通的第二通道352,第二通道352贯穿敏感薄膜340及覆盖层350。
在一个实施例中,敏感薄膜340内还设置有释放开口341,释放开口341的位置与空腔321对应。
为了使用作第二电极的敏感薄膜340具有较佳的弹性变形能力,在一个实施例中,敏感薄膜340的材料为SiGe。
为了使得填充在沟槽322内的覆盖层350内部会形成空洞,在一个实施例中,沟槽322的深宽比为1:1-10:1。优选地,沟槽322的深宽比为2:1-10:1。在一个实施例中,覆盖层350的材料为氧化硅。
在一个实施例中,第一电极310是形成在半导体衬底300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350上方的第二介电层,在这种情况下,第二通道352贯穿第二介电层、覆盖层350及敏感薄膜340。
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,上述三个实施方式中,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。
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。