CN104614119B - 压力传感器及其形成方法 - Google Patents

Abstract

一种压力传感器及其形成方法，其中压力传感器包括：基底，在基底中形成有晶体管；位于基底上的层间介质层，所述层间介质层覆盖基底和晶体管，在层间介质层中形成有下极板，所述下极板的上表面暴露，所述下极板与晶体管电连接；位于所述层间介质层上的压力感应膜，所述压力感应膜覆盖层间介质层且与晶体管电连接，所述下极板与压力感应膜之间具有空腔；位于压力感应膜上的多个相互隔开的块状件，所述块状件位于空腔上方，所述压力感应膜上表面露出。本技术方案中，多个块状件的重力使压力感应膜本身的应力得到释放，压力传感器的灵敏性增强，性能较佳。

Description

压力传感器及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及压力传感器及其形成方法。

背景技术

微机电系统（MEMS）是一种集成了微电子电路和微机械制动器的微小器件，可以利用传感器接收外部信息，将转换出来的信号经电路处理放大，再由致动器变为机械操作，去执行信息命令。可以说，微机电系统是一种获取、处理信息和执行机械操作的集成器件。

现有的微机电系统压力传感器根据上述原理，通过感应膜接收外部的气体压力，然后再转换成电信号，测量出具体的压力信息。

现有技术形成压力传感器的方法包括：

参照图1，提供基底1，在基底1上形成有控制电路，该控制电路包括晶体管2；

参照图2，在基底1上形成层间介质层3，在层间介质层3层间介质层3覆盖晶体管2和基底1，接着在层间介质层3中形成互连结构（图中未示出）和下极板4，下极板4的上表面暴露，下极板4的下表面通过互连结构与晶体管电连接；

参照图3，在层间介质层3上形成无定形碳层5，无定形碳层5覆盖下极板4，接着沉积形成SiGe层6，SiGe层6覆盖下极板4和层间介质层3，该SiGe层6作为压力感应膜，SiGe层6通过互连结构与晶体管电连接；

参照图4，去除无定形碳层5（参照图4），在无定形碳层位置形成空腔7。

空腔7将下极板4与SiGe层6相互隔开构成一个电容器。当外界气体压力作用在SiGe层6上，SiGe层6发生形变，下极板4与下极板4上的SiGe层之间的距离减小，这改变了电容器的电容值。该变化的电容值传递至晶体管，包括该晶体管的控制电路将该电容信号转化为压力值输出。

但是，现有技术形成的压力传感器的敏感性较低，性能不佳。

发明内容

本发明解决的问题是，现有技术形成的压力传感器的敏感性较低，性能不佳。

为解决上述问题，本发明提供一种压力传感器，该压力传感器包括：

基底，在所述基底中形成有晶体管；

位于所述基底上的层间介质层，所述层间介质层覆盖基底和晶体管，在所述层间介质层中形成有下极板，所述下极板的上表面暴露，所述下极板与晶体管电连接；

位于所述层间介质层上的压力感应膜，所述压力感应膜覆盖层间介质层且与晶体管电连接，所述下极板与压力感应膜之间具有空腔；

位于所述压力感应膜上的多个相互隔开的块状件，所述块状件位于空腔上方，所述压力感应膜上表面露出。

可选地，所述多个相互隔开的块状件均匀分布。

可选地，所述多个相互隔开的块状件关于空腔上的压力感应膜的中心呈对称分布。

可选地，所述块状件中形成有环形沟槽。

可选地，所述块状件上表面的各边之间的夹角为光滑圆角。

可选地，所述块状件的材料为氧化硅、多晶硅或氮化硅。

本发明还提供一种压力传感器的形成方法，该压力传感器的形成方法包括：

提供基底，在所述基底中形成有晶体管；

在所述基底上形成层间介质层，所述层间介质层覆盖基底和晶体管，在所述层间介质层中形成有下极板，所述下极板的上表面暴露，所述下极板与晶体管电连接；

在所述层间介质层上形成压力感应膜，所述下极板与压力感应膜之间具有空腔；

在所述压力感应膜上形成应力层；

对所述应力层进行图形化，形成多个相互隔开的块状件，所述块状件位于空腔上方，所述压力感应膜上表面露出。

可选地，所述多个相互隔开的块状件均匀分布。

可选地，所述多个相互隔开的块状件关于空腔上的压力感应膜的中心对称分布。

可选地，对所述应力层进行图形化时，还在所述块状件中形成环形沟槽。

可选地，所述块状件上表面的各边之间的夹角为光滑圆角。

可选地，对所述应力层进行图形化的方法包括：

在所述应力层上形成光刻胶层；

对所述光刻胶层进行图形化，在光刻胶层中形成窗口，所述窗口的相邻两侧面之间的夹角为光滑圆角；

以所述图形化后的光刻胶层为掩模，刻蚀应力层形成多个相互隔开的块状件。

可选地，在所述压力感应膜上形成应力层的方法为低压化学气相沉积。

可选地，使用低压化学气相沉积形成应力层的温度范围为400～430℃。

可选地，所述应力层的材料为氧化硅、多晶硅或氮化硅。

可选地，在所述层间介质层上形成压力感应膜和空腔的方法包括：

在所述下极板上形成无定形碳层；

沉积形成压力感应膜，所述压力感应膜覆盖层间介质层和无定形碳层；

在所述无定形碳层上表面形成孔，所述孔露出无定形碳层；

使用灰化工艺去除无定形碳层形成空腔。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

在压力感应膜上形成多个相互隔开的块状件，所述块状件位于空腔上方，所述压力感应膜上表面露出。块状件具有一定质量，块状件的重力作用在空腔上的压力感应膜上，这样压力感应膜本身的应力与块状件的重力相抵消，块状件的重力使压力感应膜本身的应力得到释放。一方面，对应空腔位置的压力感应膜的应力较小甚至消失，防止压力感应膜发生翘曲，压力感应膜亦不会发生形变，与下极板相对的压力感应膜的表面积不会发生变化，下极板和压力感应膜构成的电容器的预期电容值不会变化，测得的压力值准确。

另一方面，最重要的是，由于对应空腔位置的压力感应膜的应力较小甚至消失，使得压力感应膜的敏感性增强，当空腔上方的压力作用在压力感应膜上，压力感应膜发生如预期设想的形变，电容信号传递至晶体管的控制电路，控制电路测得的压力值准确。这样，压力传感器的灵敏性显著增强，压力传感器的性能较佳。

附图说明

图1～图4是现有技术的压力传感器在形成过程中的剖面结构示意图；

图5～图9A是本发明具体实施例的压力传感器在形成过程中的剖面结构示意图；

图9B、图9C、图9D是本发明具体实施例的压力传感器在形成过程中的剖面结构示意图。

具体实施方式

对现有技术进行分析发现，参照图4，SiGe层6具有较大应力。一方面，较大应力的存在会使空腔7上的SiGe层发生翘曲，这会改变SiGe层与下极板4相对的表面积，使得电容器的预期电容值变化，这样测得的压力值不准确。

另一方面，较大应力存在，使得空腔7上的SiGe层的敏感性降低，当外界压力作用在空腔7上的SiGe层上，SiGe层本身的应力可能会抵消一部分外界压力，这样SiGe层不能发生如预期设想的形变，尤其是，当外界压力不大，SiGe层可能不会发生形变。使用现有的压力传感器测得的压力值不准确，压力传感器的性能不佳。

针对上述问题，尝试通过高温加热释放SiGe层的应力。但是高温环境中，层间介质层3中的互连结构的金属会发生熔化，而且晶体管2的特性也会受影响。

所以，本技术方案提出了一种新的压力传感器及其形成方法。使用该技术方案，在感应膜上形成多个具有一定质量的块状件，该块状件用于释放压力传感器的应力。

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。

参照图5，提供基底100，在基底100上形成有晶体管101。晶体管101的形成方法为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。

在具体实施例中，在基底100上形成有控制电路，该控制电路包括晶体管101，晶体管101用于接收电容值信号，包括该晶体管101的控制电路将电容值信号转换成压力值，进而测量出作用于压力传感器的压力值。

在具体实施例中，基底100为硅基底、锗基底或者绝缘体上硅基底等；或者基底100的材料还可以包括其它的材料，例如砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物。本领域的技术人员可以根据基底100上形成的晶体管类型选择基底，因此基底的类型不应限制本发明的保护范围。

参照图6，形成层间介质层102，层间介质层102覆盖基底100和晶体管101（参照图5），在层间介质层102中形成下极板103，下极板103的上表面暴露；在层间介质层102中还形成有互连线104，互连线104上表面暴露，互连线104与下极板103相互隔开，所述互连线104和下极板103均与晶体管电连接。所述互连线104和下极板103均与晶体管电连接，可以是分别与晶体管的源极、漏极或栅极一对一电连接。

在具体实施例中，所述互连结构可以是单层或多层互连结构，形成互连结构的方法为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。下极板103的材料为金属，可以与层间介质层102表面的互连线104在同一工艺步骤中形成。

在具体实施例中，层间介质层102的材料为氧化硅或其他可行材料，使用化学气相沉积形成，层间介质层102起到绝缘隔离作用。

参照图7，在层间介质层102上形成压力感应膜105，下极板103与压力感应膜105之间具有空腔106。

空腔106将压力感应膜105与下极板103隔开，压力感应膜105与下极板103构成一个电容器，空腔106上的压力感应膜105作为电容器的上极板。压力感应膜105还与互连线104暴露的上表面接触，实现电连接，这样，电容器的上极板和下极板均与晶体管电连接，当上极板受外界压力引起电容器电容值变化，电流传递至晶体管，控制电路将电信号转换成压力值输出。

在具体实施例中，在层间介质层102上形成压力感应膜105和空腔106的方法包括：

在下极板103上形成无定形碳层，无定形碳层定义空腔的位置，在具体实施中，可以是先沉积无定形碳材料，无定形碳材料覆盖层间介质层102、互连线104和下极板103，之后，对无定形碳材料进行图形化形成无定形碳层；

压力感应膜105的材料为SiGe，具体使用化学气相沉积或物理气相沉积形成压力感应膜105，压力感应膜105覆盖无定形碳层、层间介质层102和互连线104；

在压力感应膜105上表面形成孔（图中未示出），所述孔暴露无定形碳层；

使用灰化工艺去除无定形碳层，在对应无定形碳层的位置形成空腔106。在具体实施例中，灰化工艺中使用的灰化气体为O2。O2通过压力感应膜105上表面的孔进入无定形碳层，与无定形碳层反应生成挥发性气体，挥发性气体被排出。

参照图8，在压力感应膜105上形成应力层107。

在具体实施例中，使用低压化学气相沉积（LPCVD）形成应力层107，所述应力层107覆盖压力感应膜105。使用低压化学气相沉积形成应力层107的温度范围为400～430℃。如果温度低于400℃，压力感应膜105表面对反应气体的吸附力下降，而且反应物质的化学反应速度也会下降，这不仅降低工艺效率，还会造成应力层107的厚度不均匀。如果温度高于430℃，会使层间介质层102中的互连结构熔化，并影响晶体管的性能。

在具体实施例中，应力层107的材料为氧化硅、多晶硅、氮化硅或其他材料，这些材料使得应力层107具有刚性，具有一定质量。

参照图9A、图9B，图9B为俯视图，对所述应力层107（参照图8）进行图形化，形成多个相互隔开的块状件117和包围所述多个相互隔开的块状件117的边缘部127，所述边缘部127与所述多个块状件117相互隔开，边缘部127与多个块状件117之间为环形沟槽108，环形沟槽108所述块状件117位于空腔106上方，环形沟槽108底部为压力感应膜，压力感应膜上表面露出。

在其他实施例中，也可不实现边缘部。

在具体实施例中，对所述应力层进行图形化的方法包括：

在应力层上形成图形化的掩模层，图形化的掩模层定义块状件和边缘部的位置，图形化的掩模层的材料可以是光刻胶或其他硬掩模材料；

以所述图形化的掩模层为掩模，刻蚀应力层形成块状件117和边缘部127；

去除图形化的掩模层。

在具体实施例中，块状件117的形状为方形，块状件117上表面的各边之间的夹角为光滑圆角。考虑到，若各边之间的夹角为尖角，尖角容易聚集应力，应力在尖角集中，可能会造成尖角处的块状件部分脱落。因此，将块状件117上表面的各边之间的夹角设计为光滑圆角，起到分散应力作用，降低块状件脱落的可能性。

在具体实施例中，形成具有光滑圆角的块状件117的方法包括：

在应力层上形成光刻胶层；

对所述光刻胶层进行图形化，在光刻胶层中形成窗口，所述窗口的相邻两侧面之间的夹角为光滑圆角；

以所述图形化后的光刻胶层为掩模，刻蚀应力层形成多个相互隔开的块状件，对应光刻胶层中的窗口具有光滑圆角，形成的块状件117上表面各边之间的夹角为光滑圆角；

最后，去除图形化后的光刻胶层。

在具体实施例中，块状件117具有一定质量，块状件117的重力作用在空腔106上的压力感应膜上，这样压力感应膜本身的应力与块状件117的重力相抵消，块状件117的重力使压力感应膜本身的应力得到释放。一方面，对应空腔106位置的压力感应膜的应力较小甚至消失，防止压力感应膜发生翘曲，压力感应膜亦不会发生形变，与下极板103相对的压力感应膜的表面积不会发生变化，下极板103和压力感应膜构成的电容器的预期电容值不会变化，测得的压力值准确。

另一方面，最重要的是，由于对应空腔106位置的压力感应膜的应力较小甚至消失，使得压力感应膜的敏感性增强，当空腔上方的压力作用在压力感应膜上，压力感应膜发生如预期设想的形变，电容信号传递至晶体管的控制电路，控制电路测得的压力值准确。而且，当外界压力消失，环形沟槽108处的压力感应膜带动块状件117下的压力感应膜恢复形变。这样，压力传感器的灵敏性显著增强，压力传感器的性能较佳。

在具体实施例中，块状件117的分布可以是如图9B所示，块状件117均匀分布，这样压力感应膜的应力得到均匀释放。如果压力感应膜的应力释放不均匀，如某些位置存在较大应力，某些位置的应力很小甚至消失，当外界压力作用在压力感应膜上，压力感应膜的形变不均匀，会影响测量的压力值的准确性。

在具体实施例中，多个相互隔开的块状件117均匀分布，块状件117对压力感应膜105的重力均匀分布，压力感应膜105的应力得到均匀释放。

在具体实施例中，多个相互隔开的块状件117关于空腔106上的压力感应膜的中心呈对称分布，这刻蚀使空腔106上的压力感应膜的应力得到更均匀释放。

在具体实施例中，参照图9B，块状件117的数量为4个，但不受此限制。块状件117的数量可以是大于等于2个的多数个。

参照图9C，还可以在块状件中形成环形沟槽118，环形沟槽118将块状件分成环形子块状147件和子块状件157。

参照图9D，多个块状件117的形状可以不尽相同。

本发明还提供一种压力传感器。

参照图9A、图9B，本实施例的压力传感器包括：

基底100，在基底100中形成有晶体管（图中未标号）；

位于基底100上的层间介质层102，层间介质层102覆盖基底100和晶体管，在层间介质层102中具有下极板103和互连线104，下极板103暴露，互连线104和下极板103均与晶体管电连接；

压力感应膜105，压力感应膜105覆盖层间介质层102，在下极板103与压力感应膜105之间具有空腔106，压力感应膜105与互连线104接触电连接，这样压力感应膜亦与晶体管电连接，下极板103与空腔106上的压力感应膜构成一个电容器；

位于压力感应膜105上的多个相互隔开的块状件117和包围多个块状件117的边缘部127，块状件117与边缘部127相互隔开，所述块状件117位于空腔106上方，压力感应膜105暴露。

在具体实施例中，所述块状件117上表面的各边之间的夹角为光滑圆角。

在具体实施例中，所述多个相互隔开的块状件均匀分布。

在具体实施例中，所述多个相互隔开的块状件关于空腔106上的压力感应膜的中心呈对称分布。

在具体实施例中，参照图9C，在块状件中形成有环形沟槽118，环形沟槽118将块状件分成多个环形块状件147和子块状件157。

在具体实施例中，参照图9D，各个块状件117的形状可以不尽相同。

在具体实施例中，块状件117的材料为氧化硅、多晶硅或氮化硅。

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 (16)

1.一种电容式压力传感器，其特征在于，包括：

基底，在所述基底中形成有晶体管；

位于所述基底上的层间介质层，所述层间介质层覆盖基底和晶体管，在所述层间介质层中形成有下极板，所述下极板的上表面暴露，所述下极板与晶体管电连接；

位于所述层间介质层上的压力感应膜，所述压力感应膜覆盖层间介质层且与晶体管电连接，所述下极板与压力感应膜之间具有空腔，所述压力感应膜的材料为SiGe；

位于所述压力感应膜上的多个相互隔开的块状件，所述块状件位于空腔上方，所述压力感应膜上表面露出。

2.如权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述多个相互隔开的块状件均匀分布。

3.如权利要求2所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述多个相互隔开的块状件关于空腔上的压力感应膜的中心呈对称分布。

4.如权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述块状件中形成有环形沟槽。

5.如权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述块状件上表面的各边之间的夹角为光滑圆角。

6.如权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述块状件的材料为氧化硅、多晶硅或氮化硅。

7.一种电容式压力传感器的形成方法，其特征在于，包括：

提供基底，在所述基底中形成有晶体管；

在所述基底上形成层间介质层，所述层间介质层覆盖基底和晶体管，在所述层间介质层中形成有下极板，所述下极板的上表面暴露，所述下极板与晶体管电连接；

在所述层间介质层上形成压力感应膜，所述下极板与压力感应膜之间具有空腔，所述压力感应膜的材料为SiGe；

在所述压力感应膜上形成应力层；

对所述应力层进行图形化，形成多个相互隔开的块状件，所述块状件位于空腔上方，所述压力感应膜上表面露出。

8.如权利要求7所述的电容式压力传感器的形成方法，其特征在于，所述多个相互隔开的块状件均匀分布。

9.如权利要求8所述的电容式压力传感器的形成方法，其特征在于，所述多个相互隔开的块状件关于空腔上的压力感应膜的中心对称分布。

10.如权利要求7所述的电容式压力传感器的形成方法，其特征在于，对所述应力层进行图形化时，还在所述块状件中形成环形沟槽。

11.如权利要求7所述的电容式压力传感器的形成方法，其特征在于，所述块状件上表面的各边之间的夹角为光滑圆角。

12.如权利要求11所述的电容式压力传感器的形成方法，其特征在于，对所述应力层进行图形化的方法包括：

在所述应力层上形成光刻胶层；

对所述光刻胶层进行图形化，在光刻胶层中形成窗口，所述窗口的相邻两侧面之间的夹角为光滑圆角；

以所述图形化后的光刻胶层为掩模，刻蚀应力层形成多个相互隔开的块状件。

13.如权利要求7所述的电容式压力传感器的形成方法，其特征在于，在所述压力感应膜上形成应力层的方法为低压化学气相沉积。

14.如权利要求13所述的电容式压力传感器的形成方法，其特征在于，使用低压化学气相沉积形成应力层的温度范围为400～430℃。

15.如权利要求13所述的电容式压力传感器的形成方法，其特征在于，所述应力层的材料为氧化硅、多晶硅或氮化硅。

16.如权利要求7所述的电容式压力传感器的形成方法，其特征在于，在所述层间介质层上形成压力感应膜和空腔的方法包括：

在所述下极板上形成无定形碳层；

沉积形成压力感应膜，所述压力感应膜覆盖层间介质层和无定形碳层；

在所述无定形碳层上表面形成孔，所述孔露出无定形碳层；

使用灰化工艺去除无定形碳层形成空腔。