CN109642840B - 压力传感器模块 - Google Patents
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Abstract
压力传感器模块(10)包括围绕底部电极(15)的至少一部分的基电极(14)和基电极(14)之上的锚装置(20)，该锚装置(20)包括至少两个导电壁(19)，该至少两个导电壁(19)都围绕底部电极(15)的至少一部分。压力传感器模块(10)还包括至少覆盖底部电极(15)和锚装置(20)的导电层(18)，使得在底部电极(15)、锚装置(20)和导电层(18)之间形成空腔(17)。导电壁(19)在与底部电极(15)的平面平行的平面中的横截面中的比例面积等于或小于10％，其中所述横截面从锚装置(20)的内壁的面向空腔(17)的表面(32)延伸到锚装置(20)的最外壁的背离空腔(17)的表面(33)。
Description
技术领域
本申请涉及具有锚装置的压力传感器模块和用于形成压力传感器模块的方法。
背景技术
电容式压力传感器能够单片集成在互补金属氧化物半导体器件的顶部。为此，在底部电极和顶部电极之间形成空腔，其中顶部电极用作悬浮膜。为了将悬浮膜保持在底部电极上方，可以使用锚。锚主要用作悬浮膜的支撑件。所述锚还形成从下部的层到顶部电极的电连接。如果底部电极和顶部电极之间的空腔经由蚀刻形成，则锚还能够用作侧面的蚀刻停止件。因此，锚使得蚀刻受控空间，即空腔。此外，在压力传感器模块的组装过程中，使用不同的工艺，诸如贴扎(taping)、磨削和切割。在这些工艺过程中，锚是结构的最高点，并且在组装过程中锚承受大部分的力。因此，锚需要是刚性的。
用于形成锚的方法涉及使牺牲层图案化，以形成沟槽。锚的材料沉积在沟槽和牺牲层的顶部，使得沟槽中填满锚的材料。在下一步骤中，通过化学机械抛光(CMP)去除牺牲层之上的多余材料。这意味着，如果锚的区域中存在大量沟槽，则锚的材料在锚的区域中所占的比例很高。例如，沟槽内的材料的面积在锚区域的横截面中所占的比例能够高于30％，例如在18μm的锚区域中具有8个宽度为0.8μm的沟槽。例如，如果用钨填充沟槽，则在锚区域中发生由CMP导致的侵蚀。该侵蚀导致锚的高度降低。此外，在锚区域和剩余的牺牲层之间引入高度的台阶或差。
这种由CMP引起的锚区域中的侵蚀导致压力传感器模块的若干问题。首先，由于锚区域中的结构的高度降低，所以结构的总高度被不正确的估计。因此，膜灵敏度未被正确计算并且因此压力传感器读数不准确。此外，锚不具有相同的高度并且因此在一些锚上引起额外的应力。这导致结构的稳健性降低。而且，由于锚和剩余牺牲层之间的高度差，引入了额外的工艺可变性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有锚装置的压力传感器模块，其中压力传感的精确度增加。本发明的目的还在于提供用于形成这种具有锚装置的压力传感器模块的方法。
压力传感器模块包括围绕底部电极的至少一部分的基电极。两个电极都包含导电材料。压力传感器模块还包括基电极之上的锚装置，该锚装置包括至少两个导电壁，该至少两个导电壁都围绕底部电极的至少一部分。锚装置的所述至少两个导电壁能够例如由钨制成。导电壁的材料能够例如经由化学气相沉积来进行沉积。导电壁的长度能够达到100μm以上。
压力传感器模块还包括导电层，该导电层至少覆盖底部电极和锚装置，使得在底部电极、锚装置和导电层之间形成空腔。
在压力传感器模块中，导电壁在与底部电极的平面平行的平面中的横截面中的比例面积等于或小于10％，其中所述横截面从锚装置的内壁的面向空腔的表面延伸到锚装置的最外壁的背离空腔的表面。
导电壁的比例面积的另一种表述是导电壁的材料的部分。比例面积还能够涉及导电壁的材料在给定区域中的比例，或者涉及未以克每立方厘米给出而是以百分比给出的密度。这意味着，导电壁在横截面内的比例面积涉及该材料在给定区域(例如横截面)内的百分比。
锚装置的横截面涉及锚装置中的区域。该区域由内壁的直接面向空腔的表面和最外壁的离内壁最远并且背离空腔的表面限定。该横截面涉及锚装置内的与底部电极的平面平行的平面中的任何区域。锚装置的横截面的区域位于空腔的一侧上，而不位于空腔的不同侧上。
锚装置的横截面还能够由沿着锚装置的线限定。该线连接并且包括界定锚装置的两个壁，这意味着该线连接了锚装置的内壁的面向空腔的表面和锚装置的最外壁的背离空腔的表面。
锚装置的横截面也可以定义为锚装置内的空间。如果锚装置例如是矩形的，则能够限定锚装置内的立方体，其中立方体的一侧由连接内壁的面向空腔的表面和最外壁的背离空腔的表面并且侧垂直于这些表面的线给出。立方体的另一侧在平行于底部电极的平面并且垂直于立方体的第一侧的平面中给出。立方体的第三侧垂直于立方体的第一侧和第二侧。如果锚装置的横截面被定义为空间，则导电壁在横截面内的比例空间等于或小于10％。
与上述情况相比，其中导电壁在锚装置的横截面中比例面积达到高于30％，能够通过减小沟槽的数量或通过增加锚装置的大小来减小比例面积。还可以将沟槽的宽度减小到0.8μ.以下或采用所述这些示例的结合。
在一个实施例中，使用气化的氢氟酸(HF)蚀刻空腔。
在一个实施例中，在沉积导电层之前沉积粘合层。粘合层能够改善到下层的粘附并且能够与导电壁产生良好的欧姆接触。
在一个实施例中，在导电层之上沉积另一粘合层。在一个实施例中，一个粘合层沉积在导电层的底部并且另一个粘合层沉积在导电层之上。
由于导电壁在锚装置的横截面内的比例面积等于或小于10％，CMP步骤期间的侵蚀减小了。因此，能够更精确地估计结构的高度，从而提高了计算灵敏度并且还提高了压力传感器模块的精确度。此外，由于更均匀的高度，锚装置上的应力减小，因此压力传感器模块更稳健。而且工艺可变性降低，使得每晶片的产量更高而成本更低。
在一个实施例中，导电层形成悬浮膜。
在一个实施例中，锚装置的导电壁与基电极电接触和机械接触。这意味着导电壁直接位于基电极之上。
在一个实施例中，导电壁在横截面中的比例面积，与在位于导电层和基电极之间的与底部电极平行的所有平面中具有大约相同的值。换言之，导电壁的材料在锚装置的横截面内的百分比在基电极和导电层之间的距离上是均匀的。
在一个实施例中，压力传感器模块位于集成电路之上。集成电路能够是例如互补金属氧化物半导体器件。这样，能够减小器件的大小，因为压力传感器模块位于集成电路之上而不是其挨着。
在一个实施例中，锚装置中的导电壁沿着横截面的比例面积至少为0.5％。
在一个实施例中，锚装置是矩形的。在该情况下，横截面可以被定义为正方形区域，其中正方形的一侧是从锚装置的内壁的面向空腔的表面延伸到锚装置的最外壁的背离空腔的表面的线。此外，该线垂直于壁的表面。正方形的另一侧垂直于正方形的第一侧，并且位于与底部电极的平面平行的平面中。
在其他的实施例中，锚装置的形状能够是任意的。
在一个实施例中，锚装置还包括在锚装置的至少两个导电壁之间的导电通孔。该通孔是圆形的，并且所述通孔与基电极连接并且与导电层连接。在该实施例中，导电壁和导电通孔在与底部电极的平面平行的平面中的总横截面中的比例面积为0.5％到10％，其中总横截面从锚装置的内壁的面向空腔的表面延伸到该锚装置的最外壁的背离空腔的表面。换言之，锚装置的总横截面由在与底部电极的平面平行的平面中界定锚装置的两个壁之间并且包括所述两个壁的总面积给出。
在一个实施例中，锚装置还包括在锚装置的至少两个导电壁之间的导电结构。导电壁之间的导电结构能够是任意形状的并且与基电极和导电层连接。在该实施例中，导电壁和导电结构在与底部电极的平面平行的平面中总横截面中的比例面积为0.5％到10％，其中总横截面从锚装置的内壁的面向空腔的表面延伸到锚装置的最外壁的背离空腔的表面。导电结构的形状能够例如是环状、矩形或十字形。并且，在该实施例中，锚装置的总横截面指由在与底部电极的平面平行的平面中界定锚装置的两个壁之间并且包括所述两个壁的总面积。
在一个实施例中，由于化学机械抛光(CMP)，锚装置的导电壁的面向导电层的顶部在形貌结构上是平坦的。为了形成锚装置的壁，在牺牲层中的沟槽内和牺牲层之上沉积壁的导电材料。通过CMP去除牺牲层之上的不平地形，以便能够将导电层沉积到平坦表面上。通过使导电壁在锚装置的横截面的比例面积等于或小于10％，在CMP步骤期间的侵蚀减小，使得锚装置的壁具有相同的高度。换言之，在CMP步骤之后，锚装置和牺牲层的表面在形貌结构上是近似平坦的。
在一个实施例中，在底部电极之上且在空腔之下形成隔离层。
用于形成压力传感器模块的方法包括通过使牺牲层图案化，来形成围绕区域的至少一部分的至少两个沟槽。该方法还包括在牺牲层之上和沟槽中沉积导电材料，使得形成包括至少两个导电壁的锚装置。该方法还包括去除导电材料的一部分，并且沉积至少覆盖锚装置和牺牲层的导电层。该方法还包括通过导电层中的至少一个蚀刻开口去除牺牲层，使得在导电层之下形成空腔，其中导电壁在与导电层的平面平行的平面中的横截面中的比例面积为0.5％到10％，其中所述横截面从锚装置的内壁的面向空腔的表面延伸到所述锚装置的最外壁的背离空腔的表面。导电壁的材料抵抗至少一种蚀刻剂。这意味着，例如，在空腔的蚀刻期间，气化的氢氟酸不会腐蚀导电壁。
通过使导电壁在锚装置的横截面内的比例面积等于或小10％，CMP步骤期间的侵蚀减小。因此，能够更精确地估计结构的高度，从而提高了计算灵敏度，并且还提高了压力传感器模块的精确度。此外，由于更均匀的高度，锚装置上的应力减小，因此压力传感器更稳健。而且工艺可变性降低，使得每晶片的产量更高而成本更低。
在一个实施例中，该方法还包括在导电层之上沉积介电密封层，以便密封空腔。
在该方法的一个实施例中，导电层形成悬浮膜。
在该方法的一个实施例中，压力传感器模块位于集成电路之上。
在该方法的一个实施例中，通过CMP去除导电材料的一部分。这意味着，在沉积了锚装置的壁的导电材料后，通过CMP去除牺牲层之上的该材料的一部分。导电壁的材料能够例如是钨。在这种情况下，因为导电壁在锚装置的横截面中的比例面积的给定范围，使得锚装置的壁具有大约相同的高度，并且锚装置和牺牲层的表面在形貌结构上大约是平坦的，从而减小了由CMP步骤导致的侵蚀。
附图说明
以下对附图的描述进一步解释说明了示例性实施例。功能相同或具有相同效果的部件由相同的附图标记表示。对于相同或实际相同的部件，可能仅针对它们首先出现的附图来说明。不一定在后续的图中重复做重复说明。
图1示出了压力传感器模块的示例性实施例的剖视图；
图2示出了在基电极之上的锚装置的示例性实施例的顶视图；
图3A示出了两个不同器件的高度轮廓；
图3B示出了具有封闭的顶部电极的器件的剖视图；
图3C示出了具有悬浮膜的器件的剖视图；
图3D示出了锚装置的示例性实施例的剖视图；
图4A和4B示出了锚装置的一部分的顶视图；
图5A示出了方形锚装置的示例性实施例的顶视图；
图5B示出了沿着在图5A中示出的锚装置的高度轮廓；
图6A示出了图5B的高度轮廓的放大；
图6B示出了压力传感器模块的示例性实施例的一部分的剖视图；
图7A、7B和7C示出了锚装置的不同的实施例的剖视图；
图8A-8E示出了锚装置内的导电结构的示例性实施例的顶视图；
图9A示出了锚装置的示例性实施例的一部分的剖视图；
图9B示出了沿着在图9A中示出的实施例的高度轮廓；
图9C示出了锚装置的另一个示例性实施例的剖视图。
具体实施方式
图1示出了在集成电路12的钝化层11之上的压力传感器模块10的示例性实施例的剖视图。集成电路12能够是例如互补金属氧化物半导体器件。该半导体器件可以包括接触垫13。在钝化层11之上存在围绕底部电极15的至少一部分的基电极14。基电极14和底部电极15通过在基电极14和底部电极15之上及之间的蚀刻停止层16而彼此电隔离。在蚀刻停止层16之上，导电层18之下，形成空腔17，并且空腔17由锚装置20界定。锚装置20包括至少两个导电壁19，所述至少两个导电壁19与基电极14和导电层18连接，并且围绕底部电极15的至少一部分。在导电层18之下，可以存在粘合层21，并且在导电层18之上，可以存在另一个粘合层22。导电层18以及粘合层21和22包括几个蚀刻开口23。在导电层18和粘合层21、22之上，存在密封层24，该密封层24还在器件的其他部分上横向延伸。通孔25将压力传感器模块10连接到集成电路12的导电层18。沿着x轴或y轴给出了半导体器件或压力传感器模块10的剖视图，并且沿着z轴给出了顶视图。
由于压力传感器模块10位于集成电路12之上而不挨着集成电路12，所以能够减小器件的大小，使得该器件在芯片上占用更少的面积。
图2示出了锚装置20的示例性实施例的顶视图。所述至少两个导电壁19布置在基电极14之上并且围绕底部电极15。锚装置20的内壁的表面32面向空腔17，并且锚装置20的最外壁的表面33背离空腔17。
图3A示出了两个不同的器件沿x轴的两个高度轮廓。轮廓26是器件的高度轮廓，该器件中牺牲层27位于导电层18之下。高度轮廓是沿横向方向x在锚装置20和牺牲层27之上记录的。在锚装置20位置处，与牺牲层27相比，高度降低。这种高度差被称为台阶高度28。轮廓29是在横向方向x上沿着压力传感器模块10的高度轮廓。这意味着，空腔17在锚装置20、底部电极15和导电层18之间。高度轮廓示出了导电壁19和锚装置20的高度不同。这意味着，在这种情况下，也记录为台阶高度28。所记录的台阶高度能够是30到80nm。
图3B示出了在底部电极15和导电层18之间具有牺牲层27的器件的一部分的剖视图。如图3B所示，记录了器件的轮廓26。
图3C示出具有悬浮膜30的器件的一部分的剖视图。在悬浮膜30、底部电极15和锚装置20之间存在空腔17。如图3C所示，记录了器件的轮廓29。
图3D示出了锚装置20的示例性实施例的剖视图。牺牲层27位于基电极14和底部电极15之上，并且锚装置20的导电壁19位于基电极14之上。由于CMP工艺导致的侵蚀，导电壁19可能不都具有相同的高度。因此，与牺牲层27的厚度相比，锚装置20的实际高度减小。锚装置20的壁19下方的箭头示出了锚装置20的横截面的大小。
图4A示出了矩形的锚装置20的示例性实施例的一部分的顶视图。锚装置20包括彼此平行的几个导电壁19。
图4B示出了锚装置20的示例性实施例的一部分的顶视图，该锚装置20中的导电壁19彼此平行。正方形区域31可以定义为在x-y平面中锚装置20的横截面。
图5A示出了正方形的锚装置20的示例性实施例的顶视图。导电壁19彼此平行。
图5B示出了沿图5A中示出的锚装置20的沿着x轴的高度轮廓。两个圈起来的区域对应于锚装置20的两个部分。在该实施例中，导电壁19的在锚装置20的横截面中的比例面积的百分比高，使得与牺牲层27的高度相比，锚装置20内的高度减小。
图6A示出了图5B中所示的高度轮廓的放大。较小的图片示出了在高度轮廓中对应位置处的锚装置20的导电壁19的顶视图。高度轮廓再次示出了锚装置20的区域中的高度减小。
图6B示出了锚装置20、牺牲层27和导电层18的一部分的示意性剖视图。由于CMP步骤期间的氧化物损失，导电壁19可以比牺牲层27的剩余部分高约20nm。
图7A示出了没有基电极14的锚装置20的一部分的示意性剖视图。锚装置20中的导电壁19的导电材料也沉积在牺牲层27之上。
图7B示出了与图7A中相同的在CMP步骤后的结构。由于导电壁19的材料在锚装置20的横截面内的比例高，在CMP步骤期间在锚装置20之上发生侵蚀。因此，导电壁19不具有相同的高度，并且与周围的牺牲层27的高度相比，锚装置20的中间的导电壁19的高度明显减小。
图7C示出了锚装置20的示意性剖视图，其中与图7B所示的情况相比，导电壁19的材料在锚装置20的横截面内的比例减小。随着在锚装置20内的导电壁19的材料部分减少，在CMP步骤期间的侵蚀也减小并且导电壁19的高度与剩余的牺牲层27的高度近似相同。锚装置20的壁19下方的箭头示出了过锚装置20的横截面的大小。
图8A示出了锚装置20的一部分的顶视图。在该示例性实施例中，圆形通孔34位于锚装置20的导电壁19之间。
图8B示出了锚装置20的一部分的顶视图。在该示例性实施例中，另外的导电结构35位于锚装置20的导电壁19之间。在示例性实施例中，这些另外的导电结构35能够是环形的。
图8C示出了锚装置20的一部分的顶视图。在该示例性实施例中，导电结构35形成正方形的外边缘。
图8D示出了锚装置20的一部分的顶视图。在该示例性实施例中，导电结构35形成矩形的外边缘。
图8E示出了锚装置20的一部分的顶视图。在该示例性实施例中，导电结构35形成为导电壁19之间的十字形。
图9A示出了牺牲层27的一部分和锚装置20的剖视图。在锚装置20的横截面内的导电壁19的材料的部分很高，使得CMP步骤导致锚装置20的区域中的侵蚀。因此，与相邻的空腔17相比，在锚装置20的区域中，锚装置20和牺牲层27之上的导电层18的高度减小。
图9B示出了沿着在图9A中示出的结构的高度轮廓。
图9C示出了具有牺牲层27的一部分的锚装置20的剖视图，其中与图9A所示的情况相比，在锚装置20的横截面中的导电壁19的材料所占的比例减小。因此，CMP步骤不会引起锚装置20的区域中的侵蚀并且因此导电壁19全都具有近似相同的高度，并且导电层18中的高度没有差异。
附图标记列表
10：压力传感器模块
11：钝化层
12：集成电路
13：接触垫
14：基电极
15：底部电极
16：蚀刻停止层
17：空腔
18：导电层
19：导电壁
20：锚装置
21：粘合层
22：粘合层
23：蚀刻开口
24：密封层
25：通孔
26：高度轮廓
27：牺牲层
28：台阶高度
29：高度轮廓
30：悬浮膜
31：正方形区域
32：表面
33：表面
34：通孔
35：导电结构
Claims (15)
1.一种压力传感器模块(10)，包括：
-基电极(14)，其围绕底部电极(15)的至少一部分，
-在基电极(14)之上的锚装置(20)，所述锚装置(20)包括至少两个导电壁(19)，所述至少两个导电壁(19)都围绕底部电极(15)的至少一部分，
-导电层(18)，其至少覆盖底部电极(15)和锚装置(20)，使得在底部电极(15)、锚装置(20)和导电层(18)之间形成空腔(17)，并且
-其中，导电壁(19)在与底部电极(15)的平面平行的平面中的横截面中的比例面积等于或小于10％，其中所述横截面从锚装置(20)的内壁的面向空腔(17)的表面(32)延伸到锚装置(20)的最外壁的背离空腔(17)的表面(33)。
2.根据权利要求1所述的压力传感器模块(10)，其中，所述导电层(18)形成为悬浮膜(30)。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器模块(10)，其中，锚装置(20)的导电壁(19)与基电极(14)电接触和机械接触。
4.根据权利要求1或2所述的压力传感器模块(10)，其中，导电壁(19)在横截面中的比例面积，与在位于导电层(18)和基电极(14)之间的与底部电极(15)平行的所有平面中的比例面积具有近似相同的值。
5.根据权利要求1或2所述的压力传感器模块(10)，其中，压力传感器模块(10)设置于集成电路(12)之上。
6.根据权利要求1或2所述的压力传感器模块(10)，其中，锚装置(20)中的导电壁(19)在所述横截面内的比例面积为至少0.5％。
7.根据权利要求1或2所述的压力传感器模块(10)，其中，锚装置(20)是矩形的。
8.根据权利要求1或2所述的压力传感器模块(10)，其中，锚装置(20)还包括在锚装置(20)的所述至少两个导电壁(19)之间的导电通孔(34)，所述导电通孔(34)也连接到基电极(14)并且连接到导电层(18)，并且其中导电壁(19)和通孔(34)在与底部电极(15)的平面平行的平面中的总横截面中的比例面积为0.5％到10％，其中所述总横截面从锚装置(20)的内壁的面向空腔(17)的表面(32)延伸到锚装置(20)的最外壁的背离空腔(17)的表面(33)。
9.根据权利要求1或2所述的压力传感器模块(10)，其中，锚装置(20)还包括在锚装置(20)的所述至少两个导电壁(19)之间的导电结构(35)，所述导电结构(35)也连接到基电极(14)和导电层(18)，并且其中导电壁(19)和结构(35)在与底部电极(15)的平面平行的平面中的总横截面中的比例面积为0.5％到10％，其中所述总横截面从锚装置(20)的内壁的面向空腔(17)的表面(32)延伸到锚装置(20)的最外壁的背离空腔(17)的表面(33)。
10.根据权利要求1或2所述的压力传感器模块(10)，其中，由于化学机械抛光(CMP)，锚装置(20)的导电壁(19)的面向导电层(18)的顶部在形貌结构上是平坦的。
11.根据权利要求1或2所述的压力传感器模块(10)，其中，隔离层(16)形成在底部电极(15)之上并且在空腔(17)之下。
12.一种用于形成压力传感器模块(10)的方法，所述方法包括：
-通过对牺牲层(27)进行图案化，形成围绕区域的至少一部分的至少两个沟槽，
-在牺牲层(27)之上和所述沟槽中沉积导电材料，使得形成包括至少两个导电壁(19)的锚装置(20)，
-去除导电材料的一部分，
-沉积导电层(18)，其至少覆盖锚装置(20)和牺牲层(27)，并且
-通过导电层(18)中的至少一个蚀刻开口(23)去除牺牲层(27)，使得在导电层(18)之下形成空腔(17)，其中导电壁(19)在与导电层(18)的平面平行的平面中的横截面中的比例面积为0.5％到10％，其中所述横截面从锚装置(20)的内壁的面向空腔(17)的表面(32)延伸到锚装置(20)的最外壁的背离空腔(17)的表面(33)。
13.根据权利要求12所述的用于形成压力传感器模块(10)的方法，其中，导电层(18)形成为悬浮膜(30)。
14.根据权利要求12或13所述的用于形成压力传感器模块(10)的方法，其中，压力传感器模块(10)设置于集成电路(12)之上。
15.根据权利要求12或13所述的用于形成压力传感器模块(10)的方法，其中，通过化学机械抛光(CMP)去除导电材料的一部分。
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