CN105384143B

CN105384143B - 一种半导体器件及其制作方法和电子装置

Info

Publication number: CN105384143B
Application number: CN201410446864.6A
Authority: CN
Inventors: 张先明; 丁敬秀
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2014-09-04
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2034-09-04
Also published as: CN105384143A

Abstract

本发明提供一种半导体器件及其制作方法和电子装置，所述制作方法包括：提供基底，在所述基底上形成有层间介电层，在所述层间介电层中形成有底部电极；在所述底部电极上方沉积形成牺牲层；在所述牺牲层和部分所述层间介电层上形成压力传感膜；蚀刻所述压力传感膜，以形成开口暴露部分所述牺牲层，并去除所述牺牲层；在所述压力传感膜和部分层间介电层上形成氧化物层，以填孔所述开口，以形成密闭的空腔；执行激光退火步骤，以释放所述压力传感膜内的应力。根据本发明的方法，在牺牲层释放后进行激光退火处理，其工艺窗口更大，对压力传感膜的应力具有比较好的调节效果，提高了压力传感器的灵敏度和良率。

Description

一种半导体器件及其制作方法和电子装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种半导体器件及其制作方法和电子装置。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，在运动传感器(motion sensor)类产品的市场上，智能手机、集成CMOS和微机电系统(MEMS)器件日益成为最主流、最先进的技术，并且随着技术的更新，这类传动传感器产品的发展方向是规模更小的尺寸，高质量的电学性能和更低的损耗。

其中，MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机共轨压力传感器；消费电子：如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器、空调压力传感器、洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；工业电子：如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。

在采用现有技术制作MEMS压力传感器时，形成的压力传感膜具有压应力(约200Mpa)，压应力的存在导致压力传感膜发生凸起变形，进而降低了MEMS压力传感器的灵敏度。理想的压力传感膜是平坦不存在应力的，激光退火是目前一种比较有效的释放压力传感膜应力的方法，但是现有的激光退火工艺容易导致作为牺牲层的无定形碳的脱层和无定形碳释放过程中锗硅层剥离问题的出现。

因此，为了解决上述技术问题，有必要提出一种新的半导体器件的制作方法。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了克服目前存在的问题，本发明实施例一提供一种半导体器件的制作方法，包括：

提供基底，在所述基底上形成有层间介电层，在所述层间介电层中形成有底部电极；

在所述底部电极上方沉积形成牺牲层；

在所述牺牲层和部分所述层间介电层上形成压力传感膜；

蚀刻所述压力传感膜，以形成开口暴露部分所述牺牲层，并去除所述牺牲层；

在所述压力传感膜和部分层间介电层上形成氧化物层，以填孔所述开口，以形成密闭的空腔；

执行激光退火步骤，以释放所述压力传感膜内的应力。

进一步，所述底部电极材料的熔点大于1000℃。

进一步，所述底部电极的材料为多晶锗硅或多晶硅。

进一步，所述压力传感膜的材料为多晶硅锗。

进一步，所述激光退火的能量密度为0.2J/cm²-0.8J/cm²。

进一步，在所述激光退火步骤后还包括在所述氧化物层上形成覆盖层的步骤。

进一步，在形成所述覆盖层后，还包括蚀刻所述覆盖层和所述氧化物层，停止于所述压力传感膜上，以形成沟槽的步骤。

进一步，所述基底中形成有CMOS器件。

本发明实施例二提供一种采用实施例一中所述的方法制作的半导体器件。

本发明实施例三提供一种电子装置，包括实施例二中所述的半导体器件。

综上所述，根据本发明实施例的方法，在牺牲层释放后进行激光退火处理，具有以下优点：

(1)空腔中的空气起到很好的隔热作用，在退火过程中，不会对CMOS器件产生热影响。

(2)其工艺窗口更大，而且不会对底部电极和底部的金属互连线造成任何负面的热损伤。顶部电极互连结构不会断开或者失效，提高了器件的性能和良率。

(3)使用比较低的激光能量即可满足压力传感膜对于热的要求，使压力传感膜的应力得以释放。对压力传感膜的应力具有比较好的调节效果，提高了压力传感器的灵敏度。

(4)避免了牺牲层的脱层和牺牲层释放过程中压力传感膜锗硅层剥离问题的出现。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为根据现有的一种MEMS压力传感器的制作方法依次实施步骤的流程图；

图2A-2B为根据现有的制作方法所获得MEMS压力传感器的剖面示意图；

图3为根据本发明实施例一的方法依次实施步骤的工艺流程图；

图4A-4C为本发明实施例一的方法依次实施所获得的MEMS压力传感器的剖面示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

下面参照附图1和图2A和2B对现有的一种MEMS压力传感器的制作方法进行描述。

参考图2A，首先，执行步骤101，提供基底200，在所述基底200上形成有层间介电层201，在所述层间介电层201中形成有底部电极202，在所述底部电极202上形成牺牲层204。在所述层间介电层201中还形成有顶部电极互连结构203。所述基底200中形成有CMOS器件(未示出)。

执行步骤102，在所述层间介电层201和所述牺牲层204上沉积形成压力传感器膜205，以作为顶部电极。所述压力传感膜的材料优选为锗硅。

执行步骤103，执行激光退火步骤，以释放所述压力传感膜205内的应力。图2A中箭头表示对所述压力传感膜进行激光退火。

执行步骤104，在压力传感器膜上形成开口，以去除牺牲层形成传感器空腔。

参考图2B所示，执行步骤105，依次沉积氧化物层206和氮化硅覆盖层207，以填充在所述压力传感膜205中形成的开口，形成封闭的压力传感器空腔。

执行步骤106，蚀刻所述氮化硅覆盖层206和所述氧化物层207，停止于所述压力传感膜205上，以形成沟槽208。

但是现有技术中所述压力传感膜205(SiGe层)通常通过LPCVD的方法形成，具有很强的抗压应力(compressive stress)。现有技术中通常选用激光退火(laser anneal)的方法改善所述压力传感膜205(SiGe层)的应力性能，但是仍存在很多不足之处。

根据图2A所示结构的实验数据可知，牺牲层无定形碳的存在与否，对于应力性能的影响很大，理论上完全释放0.4um的poly-SiGe的应力需要0.6J/cm²的激光能量密度(laser energy density)。但是由于无定形碳的存在，在0.2J/cm²的能量作用下，poly-SiGe和无定形碳的复合膜的应力已经接近0Mpa。原因就是激光的热量引起无定形碳的剧烈变化。在0.6J/cm²的激光退火作用下，会引起Al的熔化(melting)，导致互连结构被打开，产生互连结构接触不良的问题。

另外对图案化的晶圆进行观察发现，激光退火容易导致无定形碳牺牲层的脱层和在之后的无定形碳释放后顶部SiGe压力传感膜的剥离问题的出现。

上述问题的产生，降低了MEMS压力传感器的灵敏度，进而影响了器件的性能和良率。鉴于现有技术中存在的问题，本发明提出了一种新的制作方法。

实施例一

下面，参照图3和图4A-4C对本发明MEMS压力传感器的制作方法做详细的描述。

参考图4A,首先执行步骤301，提供基底400，在所述基底400上形成有层间介电层401，在所述层间介电层401中形成有底部电极402，在所述底部电极402上方沉积形成牺牲层404。在所述底部电极402的外侧还形成有顶部电极互连结构403。

所述基底400至少包含半导体衬底，其中所述半导体衬底可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。所述半导体衬底中还形成有有源器件和/或无源器件，其中所述有源器件和无源器件的种类以及数目可以根据具体需要进行选择，并不局限于某一种。所述基底400中形成有CMOS器件(图中未示出)。

在所述基底400上形成有层间介电层401，所述层间介电层401可以使用氧化物或者氮化物，例如所述层间介电层401可以使用例如SiO₂、碳氟化合物(CF)、SiN、掺碳氧化硅(SiOC)或碳氮化硅(SiCN)等。示例性地，在本发明的一具体实施方式中选用SiO₂，但并不局限于该实例。

在所述层间介电层401中的传感区域中形成有底部电极402，所述底部电极402选用具有高熔点的材料。可选地，所述底部电极402材料的熔点大于1000℃。在一个示例中，所述底部电极的材料为多晶锗硅或多晶硅。但并不局限上述材料，还可以选用本领域常用的其他材料，可以根据实际需要进行选择。

在一个示例中，在所述底部电极402的下方还形成有若干金属层，所述底部电极402与所述若干金属层之间，以及所述若干金属层之间通过金属通孔相互连接，其中最底层的金属层直接和所述基底中的CMOS器件相连接，以实现所述底部电极和所述CMOS器件的连接。可选地，所述若干金属层选用金属Al，所述金属通孔选用金属W，但是并不局限于所述材料。

其中在所述层间介电层401中所述底部电极402外侧的金属互连区中还形成有顶部电极互连结构403，所述顶部电极互连结构403的一端连接所述基底中的CMOS器件，所述顶部电极互连结构403的另一端用于连接顶部电极。可选地，所述顶部电极互连结构包括若干金属层，所述若干金属层之间通过通孔连接。进一步，所述若干金属层选用金属Al，所述金属通孔选用金属W，但是并不局限于所述材料。

在所述底部电极402上方沉积形成牺牲层404。所述牺牲层404的材料包括无定形碳、锗、多孔硅、二氧化硅、光刻胶和聚酰亚胺等。在一个示例中，牺牲层优选为无定形碳。可以采用本领域技术人员所熟习的各种适宜的工艺技术，例如，采用物理气相沉积工艺或者化学气相沉积形成。所述牺牲层的沉积可以选用化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法、原子层沉积(ALD)法、低压化学气相沉积(LPCVD)、激光烧蚀沉积(LAD)以及选择外延生长(SEG)中的一种。

执行步骤302，在所述牺牲层404和部分所述层间介电层401上形成压力传感膜405，以作为顶部电极，如图4A所示。

示例性地，所述压力传感膜405包括Si或SiGe的化合物。在一个示例中，所述压力传感膜405的材料为多晶硅锗，形成压力传感膜的方法，可以为低压化学气相沉积法(LPCVD)或其他合适的方法。在一个示例中，形成压力传感膜的方法为低压化学气相沉积法，通过热分解的方式形成锗硅层作为压力传感膜。其中，工艺的温度控制在450～800℃，压力控制在1～100托(Torr)。进一步地，反应气体包括SiH₄(或Si₂H₆)和GeH₄。可选地，所述压力传感膜的厚度为200～600nm，但并不限于此范围，可根据实际需要进行调整。通过沉积工艺形成的压力传感膜具有压应力。

执行步骤303，蚀刻所述压力传感膜405，以形成开口暴露部分所述牺牲层404，并去除所述牺牲层。

具体地，在所述压力传感膜405中形成开口，露出所述牺牲层404。再蚀刻去除所述牺牲层，为了在去除牺牲层的同时不会对所述压力传感膜造成影响，选用蚀刻选择比较大的方法进行蚀刻，在本发明具体实施例中可以选用干法蚀刻，反应离子蚀刻(RIE)、离子束蚀刻、等离子体蚀刻。

在该步骤中选用O基蚀刻剂蚀刻所述牺牲层，在本发明的一实施例中选用O₂的气氛，还可以同时加入其它少量气体例如CF₄、CO₂、N₂，所述蚀刻压力可以为50-200mTorr，优选为100-150mTorr，功率为200-600W，在本发明中所述蚀刻时间为5-80s，更优选10-60s，同时在本发明中选用较大的气体流量，作为优选，在本发明所述O₂的流量为30-300sccm，更优选为50-100sccm。

参考图4B，执行步骤304，在所述压力传感膜405和部分层间介电层401上形成氧化物层406，以填孔所述开口，以形成密闭的空腔407。

可选地，所述氧化物层406的材料为氧化硅。可采用一切适用的方法形成所述氧化物层406，例如等离子化学气相沉积、物理气相沉积或原子层沉积等方法。在一个实例中，所述氧化物层的厚度范围为300～800nm。

执行步骤305，执行激光退火步骤，以释放所述压力传感膜405内的应力，图4B中宽箭头表示对所述压力传感膜405进行激光退火。

为了提高所述压力传感器的灵敏度，则应该使所述压力传感膜405具有尽可能低的应力，通常选用激光退火(laser anneal)的方法改善所述压力传感膜(SiGe层)405的应力性能。

作为优选所述激光退火的能量为0.2J/cm²-0.8J/cm²，但并不局限于所述范围，所述激光退火的时间可以根据需要进行选择。

参考图4C，执行步骤306，在所述氧化物层406上形成覆盖层408。

可选地，所述覆盖层408的材料为氮化硅。在本实施例中覆盖层408的沉积方法可以为化学气相沉积(CVD)法、物理气相沉积(PVD)法或原子层沉积(ALD)法等。在一个示例中，形成覆盖层408的厚度范围为5000～50000埃。形成的覆盖层408可对压力传感器结构起保护作用。

执行步骤307，蚀刻所述覆盖层408和所述氧化物层406，停止于所述压力传感膜405上，以形成沟槽409。

蚀刻所述覆盖层408和所述氧化物层406，停止于压力传感膜405上。可选地，所述蚀刻具有所述覆盖层和所述氧化物层对压力传感膜的高蚀刻选择比。可采用本领域技术人员熟知的任何适用的方法，例如干法蚀刻或湿法蚀刻。干法蚀刻工艺包括但不限于：反应离子蚀刻(RIE)、离子束蚀刻、等离子体蚀刻或者激光切割。最好通过一个或者多个RIE步骤进行干法蚀刻。

通过在沟槽409暴露的所述压力传感膜405上方施加应力，改变所述传感器中电极之间的距离，使传感器的电容发生变化，以实现对压力的检测。

至此，完成了本发明实施例的半导体器件的制作方法的相关步骤的介绍。在步骤307之后，还可以包括形成晶体管的步骤以及其他相关步骤，此处不再赘述。并且，除了上述步骤之外，本实施例的制造方法还可以在上述各个步骤之中或不同的步骤之间包括其他步骤，这些步骤均可以通过现有技术中的各种工艺来实现，此处不再赘述。

与现有技术的不同在于，本发明的方法其激光退火步骤是在牺牲层释放后，与现有的在牺牲层去除前进行激光退火完全不同。

对本发明的叠层膜进行仿真模拟并与现有技术的仿真结果进行以下对比。

一、采用如图4B的结构，对应图4B中A箭头所指方向，进行仿真，结果如下：

1、采用本发明实施例的方法，牺牲层去除后，由氧化物层对形成的释放开口进行密封，形成了密闭的空腔，在进行激光退火时，空气可以作为隔热介质，由于空气是一种良好的隔热介质，退火的产生的热量不会传递到基底中CMOS器件，可很好的控制CMOS器件的温度低于50℃。

而采用现有技术的方法，进行退火处理时，仿真结果显示，CMOS器件的温度可高达200℃。

由此可看出，采用本发明的方法，空腔中的空气起到很好的隔热作用，在退火过程中，不会对CMOS器件产生热影响。

2、采用本发明的方法，使用比较低的激光能量即可满足顶部压力传感膜SiGe层对于热的要求，例如，当激光能量密度为0.4J/cm²时，熔融深度即可达到40nm以上。

而在无定形碳牺牲层释放前进行激光退火的方法的仿真结果对比，其在激光能量密度为0.4J/cm²时，熔融深度小于10nm。

由此可看出，采用本发明的方法，使用比较低的激光能量即可满足顶部压力传感膜SiGe层对于热的要求，使顶部压力传感膜SiGe层内的应力得以释放。

二、采用如图4B的结构，对应图4B中B箭头所指方向，进行仿真，结果如下：

本发明实施例中采用熔点大于1000℃的材料作为底部电极，例如SiGe层，在温度小于1060℃时，底部电极不会被熔化。而对于底部的Al金属互连线，在温度低于400℃时，不会对其产生热影响。

而采用本发明的方法，在激光退火能量密度低于0.8J/cm²时，其传递到底部电极的温度小于1060℃，因此底部电极不会被熔化，因此其工艺窗口足够大。

而对于底部的Al金属互连线，激光退火能量密度多大都不会对其造成热影响，因为无论使用多大的能量密度，其到达Al金属互连线表面的温度都低于其熔化温度。而采用现有技术的方法，在0.6J/cm²的激光退火作用下，就会引起Al金属互连线的熔化(melting)。

因此，采用本发明的方法，其工艺窗口更大，而且不会对底部电极和底部的金属互连线造成任何的负面热影响。

(2)其工艺窗口更大，而且不会对底部电极和底部的金属互连线造成任何负面的热损伤。顶部电极互连结构不会断开或者失效，提高器件的性能和良率。

(3)使用比较低的激光能量即可满足压力传感膜对于热的要求，使压力传感膜的应力得以释放。对压力传感膜的应力具有好的调节效果，提高了压力传感器的灵敏度。

(4)避免了牺牲层的脱层和牺牲层释放过程后压力传感膜锗硅层剥离问题的出现。

实施例二

本发明还提供一种采用实施例一中方法制作的半导体器件，其具有良好的可靠性和灵敏度。

实施例三

本发明还提供一种电子装置，其包括上述的半导体器件。

由于包括的半导体器件具有更高的灵敏度和可靠性，该电子装置同样具有上述优点。

该电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可以是具有上述半导体器件的中间产品，例如：具有该集成电路的手机主板等。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种半导体器件的制作方法，包括：

在所述底部电极上方沉积形成牺牲层；

在所述牺牲层和部分所述层间介电层上形成压力传感膜；

执行激光退火步骤，以释放所述压力传感膜内的应力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底部电极材料的熔点大于1000℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底部电极的材料为多晶锗硅或多晶硅。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力传感膜的材料为多晶硅锗。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光退火的能量密度为0.2J/cm²-0.8J/cm²。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述激光退火步骤后还包括在所述氧化物层上形成覆盖层的步骤。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在形成所述覆盖层后，还包括蚀刻所述覆盖层和所述氧化物层，停止于所述压力传感膜上，以形成沟槽的步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底中形成有CMOS器件。

9.一种采用权利要求1-8中任一项所述的方法制作的半导体器件。

10.一种电子装置，其特征在于，包括权利要求9所述的半导体器件。