CN104609359B - 电容式mems惯性传感器的形成方法 - Google Patents

Abstract

一种电容式MEMS惯性传感器的形成方法，包括：提供具有CMOS控制电路、及与电路电连接的固定电极的基底；形成与固定电极具有正对面积的牺牲层；形成覆盖基底、固定电极及牺牲层的第一介质层、覆盖第一介质层的用于形成可动电极的半导体材料层、覆盖半导体材料层的第二介质层；在第二介质层内形成露出半导体材料层的第一开口，第一开口与牺牲层在基底表面上的投影错开；形成填充第一开口、并与半导体材料层电连接的控制电极；形成覆盖第二介质层及控制电极的钝化层；进行干法刻蚀以在钝化层及第二介质层内形成露出半导体材料层的第二开口，第二开口与牺牲层具有正对面积。解决了利用现有方法所形成的惯性传感器可靠性不高的问题。

Description

电容式MEMS惯性传感器的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种电容式MEMS（Micro-ElectroMechanicalSystem，简称MEMS）惯性传感器的形成方法。

背景技术

电容式MEMS惯性传感器被广泛的应用在汽车制造业、工业、消费业和手持电子应用设备中。现有一种电容式MEMS惯性传感器的形成方法包括：

如图1所示，提供具有CMOS控制电路（未图示）的基底1，在基底1上形成与所述CMOS控制电路电连接的固定电极2，固定电极2可以由互连结构中的互连线充当；在基底1及固定电极2上形成牺牲层3，牺牲层3与固定电极2具有正对面积（即牺牲层3和固定电极2在基底1表面上的投影交叠）；形成覆盖基底1、固定电极2及牺牲层3的第一介质层4；在第一介质层4上形成材料为硅的半导体材料层5，半导体材料层5用于形成惯性传感器的可动电极；在半导体材料层5上形成第二介质层6；在第二介质层6、半导体材料层5及第一介质层4内形成与固定电极2电连接的导电插塞7。

如图2所示，对第二介质层6进行图形化，以在第二介质层6内形成露出部分半导体材料层5的第一开口61和第二开口62，第一开口61和第二开口62中，仅第一开口61与牺牲层3具有正对面积（即仅第一开口61和牺牲层3在基底1表面上的投影交叠，第二开口62和牺牲层3在基底1表面上的投影错开）。

如图3所示，形成覆盖第二介质层6、导电插塞7、并填充第一开口61和第二开口62的金属层8，金属层8的材料为铝、并与第一开口61下方的半导体材料层5接触。

如图4所示，对金属层8进行图形化，以形成与导电插塞7电连接的金属垫81、与位于第二开口62下方的半导体材料层5接触电连接的控制电极82，图形化之后，金属层8中对应第一开口61的部分被去除。

如图5所示，形成覆盖第二介质层6、金属垫81、控制电极82及半导体材料层5的钝化层9。

如图6所示，对钝化层9进行图形化，以在钝化层9内形成露出部分金属垫81的开口（未标识）、露出部分控制电极82的开口（未标识）、及露出第一开口61下方的半导体材料层5的开口（未标识）。

如图7所示，对第一开口61下方的半导体材料层5进行刻蚀，以在第一开口61下方的半导体材料层5内形成露出牺牲层3（图6所示）的通孔10；去除牺牲层3，以在牺牲层3所在位置形成空腔31，使得半导体材料层5中对应空腔31的部分可以上下移动，构成惯性传感器的可动电极。

由于惯性传感器的固定电极2和可动电极（即半导体材料层5中对应空腔31的部分）之间设置有空腔31，使得固定电极和可动电极形成一对电容。如果在特定方向提供一个惯性力，则可动电极沿着惯性力的方向移动，即相对固定电极移动，该相对的移动导致固定电极和可动电极形成电容的电容值发生改变。通过测量该电容值相对于器件静止时的电容参考值的变化，从而可以测量出可动电极相对固定电极的移动，计算得到惯性力。

但是，研究发现利用上述方法所形成的电容式MEMS惯性传感器可靠性不高。

另外，结合图3和图4所示，由于第二介质层6具有第一开口61和第二开口62，因此金属层8会呈现高低不平的形貌，且第二介质层6和第一开口61过渡位置处（即位于第一开口边缘处的金属层）的金属层8的厚度，大于其他位置金属层的厚度，导致在对金属层8进行图形化时，第二介质层6和第一开口61过渡位置处的金属层8不容易去除干净。

发明内容

本发明要解决的问题是：利用现有方法所形成的电容式MEMS惯性传感器可靠性不高。

为解决上述问题，本发明提供了一种电容式MEMS惯性传感器的形成方法，包括：

提供具有CMOS控制电路、及与所述CMOS控制电路电连接的固定电极的基底；

在所述基底及固定电极上形成与固定电极具有正对面积的牺牲层；

形成覆盖所述基底、固定电极及牺牲层的第一介质层；

形成覆盖所述第一介质层的用于形成可动电极的半导体材料层；

形成覆盖所述半导体材料层的第二介质层；

对所述第二介质层进行图形化，以在所述第二介质层内形成露出部分半导体材料层的第一开口，所述第一开口与牺牲层在基底表面上的投影错开；

形成填充所述第一开口、并与所述半导体材料层电连接的控制电极；

形成覆盖所述第二介质层及控制电极的钝化层；

进行干法刻蚀以在所述钝化层及第二介质层内形成露出部分半导体材料层的第二开口，所述第二开口与牺牲层具有正对面积，所述干法刻蚀步骤中所述第二介质层与半导体材料层之间的刻蚀选择比大于1：1。

可选的，所述半导体材料层的材料为多晶硅。

可选的，所述第二介质层的材料为氧化硅。

可选的，所述钝化层的材料为氧化硅。

可选的，所述干法刻蚀所采用气体包括氧气及含氟气体，所述含氟气体包括C₄F₆、C₅F₈中的一种或两种。

可选的，进行所述干法刻蚀以形成第二开口的同时，在所述钝化层内形成露出部分控制电极的第三开口。

可选的，所述控制电极的材料为铝。

可选的，对所述第二介质层进行图形化之前，还包括：

在所述第二介质层、半导体材料层及第一介质层内形成与所述固定电极电连接的导电插塞。

可选的，所述控制电极的形成方法包括：

形成覆盖所述第二介质层及导电插塞、并填充所述第一开口的金属层；

对所述金属层进行图形化，以形成所述控制电极。

可选的，在对所述金属层进行图形化以形成控制电极的同时，形成与所述导电插塞电连接的金属垫。

可选的，形成所述第二开口之后，还包括：

在所述第二开口下方的半导体材料层内形成露出所述牺牲层的通孔；

形成所述通孔之后，去除所述牺牲层。

可选的，所述牺牲层的材料为无定形碳。

可选的，去除所述牺牲层的方法为灰化方法。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

图形化第二介质层时，仅在第二介质层中未与牺牲层对应的位置形成露出半导体材料层的第一开口、而未在第二介质层中与牺牲层对应的位置形成露出半导体材料层的开口，使得即使在利用干法刻蚀形成控制电极时，也不会对半导体材料层对应牺牲层的部分的表面造成损伤；而后在对钝化层及第二介质层进行干法刻蚀，以在对应牺牲层的位置形成露出半导体材料层的第二开口时，通过控制干法刻蚀步骤中第二介质层与半导体材料层之间的刻蚀选择比大于1：1，能够防止对第二开口下方的半导体材料层表面造成损伤。

附图说明

图1至图7是现有一种电容式MEMS惯性传感器的形成方法中惯性传感器在不同制作阶段的剖面结构示意图；

图8至图15是本发明的一个实施例中电容式MEMS惯性传感器在不同制作阶段的剖面结构示意图。

具体实施方式

经研究发现，造成利用现有方法所形成的电容式MEMS惯性传感器可靠性不高的原因在于：

结合图3和图4所示，在对金属层8进行图形化时，所述图形化工艺为各向异性干法刻蚀，第一开口61所在位置金属层的刻蚀是终止在半导体材料层5表面上，其他位置金属层的刻蚀是终止在第二介质层6表面上。综合考虑多种因素之后，所采用刻蚀气体包括Cl₂和BCl₃，但是，在这种刻蚀条件下，金属层8和半导体材料层5之间的刻蚀选择比约为1：1，因此会对第一开口61下方的半导体材料层5表面造成损伤；另外，在由BCl₃所产生等离子体的轰击下，第一开口61下方的半导体材料层5表面也会被损伤。

为了解决上述问题，本发明提供了一种改进的电容式MEMS惯性传感器的形成方法，该方法在图形化第二介质层时，仅在第二介质层中未与牺牲层对应的位置形成露出半导体材料层的第一开口、而未在第二介质层中与牺牲层对应的位置形成露出半导体材料层的开口，使得即使在利用干法刻蚀形成控制电极时，也不会对半导体材料层对应牺牲层的部分的表面造成损伤；而后在对钝化层及第二介质层进行干法刻蚀，以在对应牺牲层的位置形成露出半导体材料层的第二开口时，通过控制干法刻蚀步骤中第二介质层与半导体材料层之间的刻蚀选择比大于1：1，能够防止对第二开口下方的半导体材料层表面造成损伤。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图8所示，提供具有CMOS控制电路（未图示）、及与所述CMOS控制电路电连接的固定电极110的基底100。

在本实施例中，固定电极110可以用互连线充当，基底100的形成方法包括：提供衬底，所述衬底可以为硅衬底或锗硅衬底；利用CMOS工艺在所述衬底上形成CMOS控制电路；形成覆盖所述衬底及CMOS控制电路的介质层；在所述介质层内形成与所述CMOS控制电路电连接的导电插塞（未图示）；在所述介质层上形成与所述导电插塞电连接的固定电极110。

所述CMOS控制电路用于将惯性传感器的物理量变化转换成电信号变化。固定电极110与所述CMOS控制电路电连接，以此来检测固定电极110的电性变化。

继续参照图8所示，在基底100及固定电极110上形成与固定电极110具有正对面积的牺牲层120。换言之，固定电极110与牺牲层120在基底100表面上的投影交叠。

在本实施例中，牺牲层120的形成方法包括：形成覆盖基底100及固定电极110的牺牲材料层，所述牺牲材料层的形成方法可以为化学气相沉积；对所述牺牲材料层进行图形化，以形成牺牲层120。

在后续工艺中，牺牲层120会被去除。在后续去除牺牲层120时，为了能够将牺牲层120去除干净、并不会损伤惯性传感器上的其他结构，在本实施例中，牺牲层120的材料设置为无定型碳。在其他实施例中，牺牲层120也可以选择其它容易在后续工艺去除的材料，不应仅局限于本实施例。

继续参照图8所示，形成覆盖基底100、固定电极110及牺牲层120的第一介质层130。

在本实施例中，第一介质层130的形成方法包括：形成覆盖基底100、固定电极110及牺牲层120的第一介质材料层；对所述第一介质材料层进行化学机械研磨处理，使得剩余的表面平坦的所述第一介质材料层构成第一介质层130。第一介质层130的材料可以为氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等介质材料。

继续参照图8所示，形成覆盖第一介质层130的半导体材料层140，半导体材料层140用于形成惯性传感器的可动电极。

半导体材料层140的材料为导电材料，在本实施例中，所述导电材料为掺杂过的多晶硅。在其他实施例中，所述导电材料也可以为其他适于用作可动电极的材料，如掺杂过的外延生长硅。

可以直接利用淀积工艺使半导体材料层140覆盖第一介质层130，也可以利用键合工艺使半导体材料层140覆盖第一介质层130。半导体材料层140与基底100上的所述CMOS控制电路电连接，以此来检测可动电极的电性变化。

继续参照图8所示，形成覆盖半导体材料层140的第二介质层150。

在本实施例中，第二介质层150的形成方法包括：形成覆盖半导体材料层140的第二介质材料层；对所述第二介质材料层进行化学机械研磨处理，使得剩余的表面平坦的所述第二介质材料层构成第二介质层150。

在本实施例中，第二介质层150的材料为氧化硅。在其他实施例中，第二介质层150也可以采用其他介质材料，如氮化硅、氮氧化硅等。

继续参照图8所示，在第二介质层150、半导体材料层140及第一介质层130内形成与固定电极110电连接的导电插塞160。

在本实施例中，导电插塞160的形成方法包括：对第二介质层150、半导体材料层140及第一介质层130进行刻蚀，以形成露出固定电极110的通孔（未标识）；形成覆盖第二介质层150、并填充所述通孔的导电材料层，所述导电材料层的材料可以为钨；进行化学机械研磨处理，直至露出第二介质层150，剩余的填充在所述通孔内的导电材料层构成导电插塞160。

在本实施例中，在形成覆盖第二介质层150、并填充所述通孔的导电材料层之前，还包括：在所述通孔的侧壁形成绝缘层（未标识），以防止导电插塞160与半导体材料层140电连接。

如图9所示，对第二介质层150进行图形化，以在第二介质层150内形成露出部分半导体材料层140的第一开口151，第一开口151与牺牲层130在基底100表面上的投影错开。在后续工艺中，用于在第一开口151所在位置形成与半导体材料层140电连接的控制电极。在本实施例中，所述图形化方法为干法刻蚀。

形成填充第一开口、并与半导体材料层电连接的控制电极，以及与导电插塞电连接的金属垫。

在本实施例中，所述控制电极及金属垫的形成方法包括：如图10所示，形成覆盖第二介质层150及导电插塞160、并填充第一开口151的金属层170；在金属层170上形成图形化光刻胶层（未图示），所述图形化光刻胶层用于定义所述控制电极及金属垫的位置；以所述图形化光刻胶层为掩模，结合图11所示，对金属层170进行图形化，以形成填充第一开口151、并与半导体材料层140电连接的控制电极171，同时形成与导电插塞160电连接的金属垫172；形成控制电极171及金属垫172后，去除所述图形化光刻胶层。

在本实施例中，金属层170的图形化工艺为各向异性干法刻蚀。在所述各向异性干法刻蚀步骤中，刻蚀终止在第二介质层150上，半导体材料层140中对应牺牲层120的部分（该部分与牺牲层120在基底100表面上的投影重合）在第二介质层150的保护作用下，不会暴露在等离子体环境下，因而不会对半导体材料层140中对应牺牲层130的部分的表面造成损伤。

另外，如图10所示，由于第二介质层150中对应牺牲层130的位置未形成有开口，因此，不会存在第二介质层150和所述开口过渡位置处的金属层170厚度，大于其他位置金属层厚度的问题，进而不会出现在对金属层170进行图形化时，第二介质层150和所述开口过渡位置处的金属层170不容易去除干净的问题。

控制电极171与半导体材料层140电连接，以此向惯性传感器施加电信号。在本实施例中，用于形成控制电极171及金属垫172的金属层材料为铝，所述干法刻蚀的工艺参数包括：所采用刻蚀气体包括Cl₂和BCl₃，偏置功率为100至150w。

如图12所示，形成覆盖第二介质层150、控制电极171及金属垫172的钝化层180。

钝化层180可以保护惯性传感器，防止惯性传感器受到外部环境的污染。在本实施例中，钝化层180的材料为氧化硅。在其他实施例中，钝化层180也可以采用其他起钝化作用的材料。

如图13所示，进行干法刻蚀以在钝化层180及第二介质层150内形成露出部分半导体材料层140的第二开口181，并在钝化层180内形成露出部分控制电极171的第三开口（未标识）、露出部分金属垫172的第四开口（未标识），第二开口181与牺牲层120具有正对面积。

在干法刻蚀时，第二开口181所在位置的钝化层180及第二介质层150的刻蚀是终止在半导体材料层140表面上，所述第三开口所在位置的钝化层180的刻蚀是终止在控制电极171上，所述第四开口所在位置的钝化层180的刻蚀是终止在金属垫172上。

研究结果表明，通过选择干法刻蚀所采用刻蚀气体，即可很容易控制钝化层180与半导体材料层140之间的刻蚀选择比、第二介质层150与半导体材料层140之间的刻蚀选择比、以及钝化层180与金属层170之间的刻蚀选择比均维持在较大值，使得在干法刻蚀以露出部分控制电极171及金属垫172的同时，不会对第二开口181下方的半导体材料层140表面造成损伤。

在本实施例中，所述干法刻蚀采用刻蚀气体包括氧气及含氟气体，所述含氟气体包括C₄F₆、C₅F₈中的一种或两种。在这种刻蚀条件下，钝化层180与半导体材料层140之间的刻蚀选择比、以及第二介质层150与半导体材料层140之间的刻蚀选择比均大于10：1，钝化层180与金属层170之间的刻蚀选择比大于20：1。

需说明的是，所述干法刻蚀所采用刻蚀气体并不局限于本实施例，也可以选择其他能使第二介质层150与半导体材料层140之间的刻蚀选择比大于1:1的刻蚀气体，这样即可防止对第二开口181下方的半导体材料层140表面造成损伤，在本发明中就不再一一举例。当第二介质层150与半导体材料层140之间的刻蚀选择比越大时，对第二开口181下方的半导体材料层140的保护越可靠。

另外，在其他实施例中，第二开口181、所述第三开口、第四开口也可以不在同一刻蚀步骤中形成。

在第二开口181、所述第三开口、第四开口在同一刻蚀步骤中形成的前提下，当钝化层180、第二介质层150、半导体材料层140及金属层170的材料与本实施例有所区别时，可以根据具体情况选择合适的刻蚀气体，确保钝化层180与半导体材料层140之间的刻蚀选择比、第二介质层150与半导体材料层140之间的刻蚀选择比、以及钝化层180与金属层170之间的刻蚀选择比均维持在较大值。

如图14所示，对第二开口181下方的半导体材料层140进行刻蚀，以在半导体材料层140内形成露出牺牲层130的通孔141。

如图15所示，通过通孔141去除牺牲层120（图14所示），以在牺牲层120所在位置形成空腔121，使得半导体材料层140中对应空腔121的部分可以上下移动，构成惯性传感器的可动电极。

在本实施例中，利用灰化方法去除牺牲层120，灰化工艺中可以采用氧气。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (12)

1.一种电容式MEMS惯性传感器的形成方法，其特征在于，包括：

提供具有CMOS控制电路、及与所述CMOS控制电路电连接的固定电极的基底；

在所述基底及固定电极上形成牺牲层，所述固定电极与牺牲层在基底表面上的投影交叠；

形成覆盖所述基底、固定电极及牺牲层的第一介质层；

形成覆盖所述第一介质层的用于形成可动电极的半导体材料层；

形成覆盖所述半导体材料层的第二介质层；

对所述第二介质层进行图形化，以在所述第二介质层内形成露出部分半导体材料层的第一开口，所述第一开口与牺牲层在基底表面上的投影错开；

形成填充所述第一开口、并与所述半导体材料层电连接的控制电极；

形成覆盖所述第二介质层及控制电极的钝化层；

进行干法刻蚀以在所述钝化层及第二介质层内形成露出部分半导体材料层的第二开口，所述第二开口与牺牲层在基底表面上的投影交叠，所述干法刻蚀步骤中所述第二介质层与半导体材料层之间的刻蚀选择比大于1：1。

2.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述半导体材料层的材料为多晶硅。

3.根据权利要求2所述的形成方法，其特征在于，所述第二介质层的材料为氧化硅。

4.根据权利要求3所述的形成方法，其特征在于，所述钝化层的材料为氧化硅。

5.根据权利要求3或4所述的形成方法，其特征在于，所述干法刻蚀所采用气体包括氧气及含氟气体，所述含氟气体包括C₄F₆、C₅F₈中的一种或两种。

6.根据权利要求5所述的形成方法，其特征在于，进行所述干法刻蚀以形成第二开口的同时，在所述钝化层内形成露出部分控制电极的第三开口。

7.根据权利要求6所述的形成方法，其特征在于，所述控制电极的材料为铝。

8.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，对所述第二介质层进行图形化之前，还包括：

在所述第二介质层、半导体材料层及第一介质层内形成与所述固定电极电连接的导电插塞。

9.根据权利要求8所述的形成方法，其特征在于，所述控制电极的形成方法包括：

形成覆盖所述第二介质层及导电插塞、并填充所述第一开口的金属层；

对所述金属层进行图形化，以形成所述控制电极。

10.根据权利要求9所述的形成方法，其特征在于，在对所述金属层进行图形化以形成控制电极的同时，形成与所述导电插塞电连接的金属垫。

11.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成所述第二开口之后，还包括：

在所述第二开口下方的半导体材料层内形成露出所述牺牲层的通孔；

形成所述通孔之后，去除所述牺牲层。

12.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为无定形碳。