CN103940535B - 压力传感器的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压力传感器的制造方法，其包括步骤：提供半导体基板，其中内嵌有层叠排列的CMOS电路、互连电路以及底部电极板，半导体基板暴露所述底部电极板外围的互连电路；在所述半导体基板上底部电极板的对应位置形成牺牲层；在所述牺牲层及所述半导体基板上形成压力感应层；去除所述牺牲层，所述压力感应层和半导体基底围成一个空腔；在所述压力感应层上形成压力传导层，其位于空腔的上方；其中，所述压力感应层的形成步骤包括：在牺牲层上形成锗硅层；对锗硅层进行激光脉冲照射使其呈熔融态。相比于现有技术：压力感应层该方法可以减小其中的应力，从而应力大大降低，提高了器件的性能。

Description

压力传感器的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种压力传感器的制造方法。

背景技术

微机电系统(MicroelectroMechanicalSystems，简称MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，是一种采用半导体工艺制造微型机电器件的技术。与传统机电器件相比，MEMS器件在耐高温、小体积、低功耗方面具有十分明显的优势。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一，它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。

压力传感器是一种将压力信号转换为电信号的换能器。根据工作原理的不同分为压阻式压力传感器和电容式压力传感器。电容式压力传感器的原理为通过压力改变顶部电极和底部电极之间的电容，以此来测量压力。

现有的压力传感器结构如图1所示：包括：半导体基底10，在半导体基底10上具有底部电极20，和互连层30，在半导体基底上具有压力感应层40，压力感应层40为导电材料，其与互连层30导电互连，压力感应层40a还与半导体基底10围成一个空腔50，使得底部电极20和位于底部电极20上方的压力感应层40a构成一对电容，当压力作用在压力感应层40a上，则压力感应层40a像底部电极20靠近，从而电容的电容值发生变化，通过测量电容值的变化可以测得压力。

在现有技术中在形成压力感应层时，如图1a所示，往往应力过大使得形成的空腔发生形变，电容的两个极板不平行，甚至晶圆发成形变弯曲，从而严重影响形成的压力传感器的性能和成品率。

发明内容

本发明解决的技术问题提供一种压力传感器的制造方法，大大提高压力传感器的成品率和性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种压力传感器的制造方法，包括步骤：

提供半导体基板，其中内嵌有层叠排列的CMOS电路、互连电路以及底部电极板，半导体基板暴露所述底部电极板外围的互连电路；

在所述半导体基板上底部电极板的对应位置形成牺牲层；

在所述牺牲层及所述半导体基板上形成压力感应层；

去除所述牺牲层，所述压力感应层和半导体基底围成一个空腔；

在所述压力感应层上形成压力传导层，其位于空腔的上方；

其中，所述压力感应层的形成步骤包括：

在牺牲层上形成锗硅层；

对锗硅层进行激光脉冲照射使其呈熔融态。

与现有技术相比，本发明主要具有以下优点：

本发明的压力传感器制造方法相比于现有技术：压力感应层利用激光脉冲照射的方法使锗硅呈熔融态，从而可以减小其中的应力，提高了器件的性能。

并且本发明中由于在半导体基板中内嵌有CMOS电路，因此如果高温例如大于550℃，会使得CMOS电路失效，因此本发明中进一步的利用了优选的在低温下进行激光脉冲照射，这样既使得应力问题得到解决，同时也使得CMOS器件的有效性可以得到保证。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是现有的一种压力传感器的结构示意图；

图1a是现有的一种压力传感器发生翘曲的示意图；

图2是本发明一实施例的压力传感器的制造方法流程图；

图3-图7是本发明一实施例的压力传感器的制造方法示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实现方式做详细的说明。为了便于理解本发明以一具体的电容式压力传感器为例进行详细的说明，但本发明并不一定局限于实施例中的结构，任何本领域技术人员可以根据现有技术进行替换的部分，都属于本发明公开和要求保护的范围。

如图2所示，本发明的传感器的制造方法包括下面步骤：

S10：提供半导体基板，其中内嵌有层叠排列的CMOS电路、互连电路以及底部电极板，半导体基板暴露所述底部电极板外围的互连电路；

S20：在所述半导体基板上底部电极板的对应位置形成牺牲层；

S30：在所述牺牲层及所述半导体基板上形成压力感应层；

S40：去除所述牺牲层，所述压力感应层和半导体基底围成一个空腔；

S50：在所述压力感应层上形成压力传导层，其位于空腔的上方；

其中，所述压力感应层的形成步骤包括在牺牲层上形成锗硅层；

对锗硅层进行激光脉冲照射使其呈熔融态。

在本发明的一具体实施例中，参考图3，结合步骤S10，首先提供半导体基板110，其可以包括单晶的硅基底、锗硅，锗基底，并且在基底上外延生长有多晶硅、锗或者锗硅材料，也可以外延生长有氧化硅等材料。在半导体基板110内形成有嵌在其内层叠排列的CMOS电路112、互连电路114以及底部电极板116，CMOS电路112位于最底层，互连电路114位于CMOS电路112上层，在互连电路114上层为底部电极板116，底部电极板116即为压力传感器的下极板。

接着，参考图4，结合步骤S20，在所述半导体基板110上底部电极板116的对应位置形成牺牲层130，牺牲层130的材料可以为非晶碳，但不限于非晶碳，也可以为本领域人员熟知的其它材料，例如二氧化硅、非晶硅、非晶锗、光阻材料、PI等。在本实施例中形成牺牲层13的方法为：等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺沉积非晶碳。所述等离子增强化学气相沉积工艺的参数为：温度范围为250℃～500℃，气压范围为1torr～20tort，RF功率范围为800W～2000W，反应气体包括：C3H6和HE，反应气体流量为1000sccm～5000sccm，其中C3H6：HE的体积比例范围为2：1～10：1。非晶碳覆盖半导体基底10上表面，之后利用光刻、刻蚀工艺去除部分非晶碳，剩余底部电极板116上的非晶碳，即为牺牲层130。

接着，结合图5，执行步骤S30，在牺牲层130上形成压力感应层140。具体的，压力感应层的材料为锗硅。在本实施例中，参考图5，先在牺牲层130上利用气相沉积的方法形成一层锗硅层，锗硅层的形成方法为：等离子增强化学气相沉积工艺的参数为：温度范围为350℃～450℃，气压范围为150mtorr-300mtorr，形成的锗硅层的厚度为0—3μm，例如2.5μm。

在本实施例中，所述锗硅具体为：Si_1-xGe_x通常X的值在0.5到0.8之间；例如x为0.5，锗硅为SiGe，Si_1-xGe_x的厚度在0到3um之间，然后采用一次激光脉冲照射的方法对锗硅层照射使其呈熔融态。激光的波长是290nm-320nm，例如300nm，脉冲持续时间是100ns-200ns，例如130ns，其能量范围是0.56J／Cm2—0.64J／Cm2。

在另一个实施例中采用低能量的激光来做多次照射，激光的波长是290nm-320nm，脉冲持续时间是100ns-200ns，其能力范围可以用0.20J／Cm2—0.40J／Cm2。

在现有技术中，通常仅形成一层非晶硅层或者锗硅层作为压力感应层，但是这样会存在缺陷使得制作该产品的晶圆在完成多晶硅层或者锗硅层的淀积之后在应力的作用下发生翘曲，如图1a所示，这样使得制作的压力传感器性能和灵敏度变差。由于本发明的压力传感器的半导体基板中具有CMOS器件，因此本发明中采用了激光脉冲照射的方式，使锗硅层呈熔融态，利用激光脉冲照射的方法，锗硅层可以达到800℃-1300℃，例如1100℃左右的温度，但其下方的CMOS器件温度不高于400C，或者在400℃以下，例如半导体基底温度会达到300℃，因此不会损伤。经过进一步研究发明人利用了低温激光脉冲照射的方法，使其表面一层的SiGe达到熔融后打乱之前晶格排列，并重新组合，形成一层新的SiGe层，通过这新的SiGe层来平衡整个SiGe薄膜的应力，可以使整个SiGe薄膜的应力调整到0MPa，而其本身的物理特性不会被改变，其电阻值只会有很微小的变化(几个欧姆)；这一熔融层的厚度可以通过调整激光的脉冲能量来调节，从而可以自由调节原始SiGe薄膜的整体应力。而且，而其下方的CMOS器件温度不高于400℃，从而不会引起失效。

在上述实施例中个的本发明的优选方案，是发明人经过长期的实验研究后获得的，因为锗硅层的锗硅含量的不同所需的照射的时间和能量就不同，所达到的应力以及电阻也不同。本发明目的在于形成一种压力传感器，因此压力传感器中的压力感应层是致关重要的部件，其电阻和应力也将影响到压力传感器的精确性和可靠性，本发明所采用的优选方案形成的压力传感器相比于现有技术可靠性和精确性都非常好。

在本发明的另一个实施例中，形成锗硅层的步骤之前还包括在所述牺牲层上形成底层非晶硅层。具体的，非晶硅层140b的形成方法可以为LPCVD或者PECVD，由于采用LPCVD可以和后面的制程兼容，简化工艺，因此在本实施例中优选的采用：LPCVD，参数为：反应气体为SiH₄和H₂，温度范围为400℃～430℃，气压范围为150mtorr-300mtorr，形成的非晶硅层的厚度为：0埃-100埃，例如50埃，该非晶硅层的电阻很大，因此如果过厚会影响压力感应层的电学特性，因此其越薄压力感应层的电学特性效果越好。除此之外，也可以采用增强等离子体化学气相沉积(PECVD)，参数为：反应气体为SiH₄和H₂，温度范围为250℃-280℃，气压范围为1500mtorr-2300mtorr，形成的非晶硅层的厚度为：0埃-100埃，例如50埃，采用PECVD可以通过调整反应气体比例调整应力的方向，例如H₂：SiH₄为4.6或者9.3时，使得非晶硅层的应力方向和锗硅层相反。

由于在牺牲层上直接形成的锗硅层比较困难，并且不稳定，容易滑动，因此在形成锗硅层之前现在牺牲层例如非定型碳层上形成一层非晶硅层作为籽晶依附层，用来调整后面SiGe薄膜的晶体生长方向和薄膜的均匀性，这样后续的锗硅层就可以沿着非晶硅晶格的方向向上生长，解决了稳定性差的问题。并且由于非晶硅层和锗硅层的应力方向相反，因此进一步减小了锗硅层带来的应力。

接着，执行步骤S40，参考图6，去除牺牲层130，具体的可以刻蚀压力感应层140，形成微小开口，这些开口暴露牺牲层。该步骤在本申请人的申请号：201010193493.7的专利里进行过公开，因此不再赘述。然后利用开口去除牺牲层，在本实施例中，去除材料为氧气，采用加热温度为350℃-450℃，在此温度下，致密活性炭并不会发生剧烈燃烧，而可以被氧化成二氧化碳气体，并通过通孔排出，牺牲层130能够彻底地去除，而器件的其余部分并不会受到影响。

接着，执行步骤S50，参考图7，在压力感应层140上形成压力传导层160。在本实施例中，具体的可以利用化学汽相淀积的方法在压力感应层140上形成一层氮化硅层，厚度为：3μm。具体的形成氮化硅层的方法为本领域技术人员所熟知，因此不再赘述。此外该压力传导层还可以为其他材料，例如氧化硅。然后对氮化硅层进行刻蚀，使得空腔上方保留有氮化硅层，并且和其他位置的氮化硅层隔离，即为压力传导层160。

当压力作用在压力传导层160上，则下层的压力感应层140会发生形变，从而向底部电极板116靠近，压力感应层140和底部电极板116形成的电容的电容值发生变化，从而可以通过对电容值的变化可以测得压力。

本发明利用了激光脉冲照射对压力感应层的锗硅层照射的方法，从而大大降低了形成压力感应层时应力引起的晶圆翘曲，从而优化了压力传感器的结构，使得形成的压力传感器精确性提高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种压力传感器的制造方法，其特征在于，包括步骤：

提供半导体基板，其中内嵌有层叠排列的CMOS电路、互连电路以及底部电极

板，半导体基板暴露所述底部电极板外围的互连电路；

在所述半导体基板上底部电极板的对应位置形成牺牲层；

在所述牺牲层及所述半导体基板上形成压力感应层；

去除所述牺牲层，所述压力感应层和半导体基底围成一个空腔；

在所述压力感应层上形成压力传导层，其位于空腔的上方；

其中，所述压力感应层的形成步骤包括：

在牺牲层上形成锗硅层；

对锗硅层进行激光脉冲照射使其呈熔融态。

2.如权利要求1所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，所述利用激光脉冲对锗硅层进行照射，其中锗硅具体为：Si_1-xGe_x通常X的值在0.5到0.8之间；Si_1-xGe_x的厚度小于或等于3μm之间。

3.如权利要求2所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，所述激光的波长是290nm-320nm，脉冲持续时间是100ns-200ns，能量范围是0.56J/Cm²-0.64J/Cm²。

4.如权利要求2所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，所述的激光脉冲照射分多次进行，290nm-320nm，脉冲持续时间是100ns-200ns，能量范围是0.20J/Cm²-0.40J/Cm²。

5.如权利要求2所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，所述形成压力感应层还包括在形成锗硅层之前先形成非晶硅层。

6.如权利要求1所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，所述压力感应层的形成步骤还包括在形成锗硅层之后继续形成非晶硅层和锗硅层的叠层结构。

7.如权利要求5所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，所述非晶硅层的形成方法为LPCVD，参数为：温度范围为400℃～430℃，气压范围为150mtorr-300mtorr，形成的非晶硅层的厚度小于或等于100埃。