CN114577371B - 电容式压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电容式压力传感器及其制造方法。所述电容式压力传感器，包括基板、硅层、氧化层、第一氮化硅层与第二氮化硅层。氧化层设置于基板与硅层之间。硅层具有多个孔洞。氧化层具有一开口，以使氧化层与硅层构成一空腔。第一氮化硅层填入每个孔洞中，以密封所述空腔。第二氮化硅层则介于第一氮化硅层与硅层的外缘之间以及介于第一氮化硅层与氧化层的外缘之间，且所述第二氮化硅层的厚度小于第一氮化硅层的厚度。

Description

电容式压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种压力传感器技术，且特别是涉及一种电容式压力传感器及其制造方法。

背景技术

压力传感原理及方法有许多种类，因应用范围不同而有不同的设计方法及考量，各种方法皆有其优缺点，目前市面上商用的压力传感器，依其传感原理常见的可分为三种：电容式(capacitive)、电阻式(piezoresistive)以及压电式(piezoelectric)。

目前已有使用绝缘层上覆硅(SOI)基板制作的电容式压力传感器，可利用半导体工艺技术制作出精密的压力传感器。然而，因为工艺窗口(process window)小，所以容易发生如氧化物残留导致的传感器空腔体积变小，而影响传感精确度的问题。

发明内容

本发明是提供一种电容式压力传感器，在传感器空腔内无残留物，进而改善传感精确度。

本发明另提供一种电容式压力传感器的制造方法，能扩大工艺窗口，确保传感器的空腔体积。

根据本发明的一实施例，电容式压力传感器包括基板、硅层、氧化层、第一氮化硅层与第二氮化硅层。基板具有一传感区域。硅层形成于所述基板上方，且所述硅层具有多个孔洞分布于所述传感区域内。氧化层则设置于基板与硅层之间，且于传感区域内的氧化层具有一开口，以在所述基板上由所述氧化层与所述硅层构成一空腔。所述氧化层的外缘大于所述硅层的外缘。第一氮化硅层覆盖传感区域外的所述硅层与所述氧化层，且所述第一氮化硅层填入每个孔洞中，以密封所述空腔。第二氮化硅层介于第一氮化硅层与硅层的外缘之间以及介于第一氮化硅层与氧化层的外缘之间，且第二氮化硅层的厚度小于第一氮化硅层的厚度。

在根据本发明的实施例的电容式压力传感器中，上述第一氮化硅层还可延伸出每个孔洞，而覆盖每个孔洞的洞口周缘，且上述第二氮化硅层可位于每个孔洞的所述洞口周缘与第一氮化硅层之间。

根据本发明的另一实施例，电容式压力传感器的制造方法包括提供一基板，所述基板具有一传感区域。在基板上依序形成一氧化层与一硅层，所述氧化层的外缘大于所述硅层的外缘。然后，利用低压化学气相沉积在所述基板上全面地沉积一第二氮化硅层，再在第二氮化硅层中形成多个孔洞，露出传感区域内的所述硅层。以所述第二氮化硅层作为掩膜，蚀刻露出的所述硅层，直到露出传感区域内的氧化层，以将孔洞图案移转到所述硅层。接着，通过硅层的所述孔洞去除氧化层，以在所述基板上形成一空腔。在基板上全面地沉积一第一氮化硅层，且所述第一氮化硅层填入每个孔洞中，以密封所述空腔。移除所述传感区域内的部分第一氮化硅层，以保留每个孔洞中的所述第一氮化硅层。

在根据本发明的实施例的制造方法中，形成上述氧化层与上述硅层的步骤包括：在基板上依序沉积氧化层与硅层，然后进行第一图案化工艺，以移除部分硅层，使其外缘具有第一倾斜面，再进行第二图案化工艺，以移除部分氧化层，使其外缘具有第二倾斜面。

在根据本发明的实施例的制造方法中，上述第一倾斜面与上述第二倾斜面为不连续面。

在根据本发明的实施例的制造方法中，形成上述空腔的方法包括使用缓冲氧化硅蚀刻液(BOE)蚀刻所述氧化层。

在根据本发明的实施例的制造方法中，上述缓冲氧化硅蚀刻液对第一氮化硅层的蚀刻率是对第二氮化硅层的蚀刻率的10倍以上。

在根据本发明的实施例的制造方法中，形成上述孔洞的方法包括：进行第三图案化工艺，以移除部分所述第二氮化硅层。

在根据本发明的实施例的制造方法中，上述移除传感区域内的部分第一氮化硅层的方法包括：进行第四图案化工艺。

在根据本发明的实施例的制造方法中，沉积上述第一氮化硅层的方法例如等离子体化学气相沉积。

基于上述，本发明通过工艺改良，使传感器空腔内无残留物，进而改善传感精确度，并可扩大工艺窗口。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明的一实施例的一种电容式压力传感器的剖面示意图。

图2A至图2F是依照本发明的另一实施例的一种电容式压力传感器的制造流程剖面示意图。

附图标记说明：

100、200：基板；

102、206：硅层；

102a、104a、204a、206a：外缘；

104、112、204、208：氧化层；

106、218：第一氮化硅层；

108、210：第二氮化硅层；

110、202：传感区域；

114、214：孔洞；

114a、214a：洞口周缘；

116：开口；

118、216：空腔；

212、220：图案化光刻胶层；

t1、t2：厚度。

具体实施方式

以下实施例中所附的图式是为了能更完整地描述本发明的实施例，然而本发明仍可使用许多不同的形式来实施，不限于所记载的实施例。此外，为了清楚起见，各个区域或膜层的相对厚度、距离及位置可能缩小或放大。另外，在附图中使用相似或相同的元件符号表示相似或相同的部位或特征的存在。

图1是依照本发明的一实施例的一种电容式压力传感器的剖面示意图。

请参照图1，本实施例的电容式压力传感器包括基板100、硅层102、氧化层104、第一氮化硅层106与第二氮化硅层108。基板100具有一传感区域110，且在本实施例中另有一层氧化层112形成于基板100的背面，用以保护基板100免于工艺期间被蚀刻；然而，本发明并不限于此。硅层102形成于所述基板100上方，且所述硅层102具有多个孔洞114分布于所述传感区域110内。氧化层104则设置于基板100与硅层102之间，且于传感区域110内的氧化层104具有一开口116，以在所述基板100上由氧化层104与硅层102构成一空腔118。在本实施例中，氧化层102的外缘102a大于硅层104的外缘104a，因此有利于工艺期间光刻胶的涂布与覆盖程度，其中外缘102a与104a之间的距离越大，光刻胶的覆盖程度越佳。而且，氧化层102的外缘102a与硅层104的外缘104a若为倾斜面，更加有利于光刻胶的涂布。

请继续参照图1，第一氮化硅层106覆盖传感区域110外的硅层102与氧化层104，且第一氮化硅层106还填入每个孔洞114中，以密封所述空腔118。第二氮化硅层108则介于第一氮化硅层106与硅层102的外缘102a之间以及介于第一氮化硅层106与氧化层104的外缘104a之间，且第二氮化硅层108的厚度t1小于第一氮化硅层106的厚度t2。在本实施例中，第一氮化硅层106还可延伸出每个孔洞114，而覆盖每个孔洞114的洞口周缘114a，且第二氮化硅层108可位于每个孔洞114的洞口周缘114a与第一氮化硅层106之间，但是在孔洞114并无第二氮化硅层108。

图2A至图2F是依照本发明的另一实施例的一种电容式压力传感器的制造流程剖面示意图。

请先参照图2A，提供一基板200，其具有一传感区域202。在基板200上依序形成一氧化层204与一硅层206，使氧化层204的外缘204a大于硅层206的外缘206a。在本实施例中，形成上述氧化层204与硅层206的步骤，例如先在基板200上依序沉积整面的氧化层204与硅层206，然后进行第一图案化工艺，以移除部分硅层206，使其外缘206a具有第一倾斜面，再进行第二图案化工艺，以移除部分氧化层204，使其外缘204a具有第二倾斜面，且第一倾斜面与第二倾斜面可为不连续面，以利于工艺期间光刻胶的涂布与覆盖程度，其中外缘204a与206a之间的距离越大，光刻胶的覆盖程度越佳，图案化工艺的精确度也更好。此外，为了保护基板200的背面，也可在沉积氧化层204的同时，在基板200的背面形成另一氧化层208。

然后，请参照图2B，利用低压(LP)化学气相沉积在基板200上全面地沉积一第二氮化硅层210，以作为后续蚀刻工艺的蚀刻掩膜以及保护传感区域202之外的构造的保护层。在第二氮化硅层210形成后可进行第三图案化工艺，例如先在第二氮化硅层210表面涂布光刻胶，并进行曝光显影，以形成图案化光刻胶层212。由于低压化学气相沉积形成的第二氮化硅层210较为致密，所以其需求厚度t1可控制在比等离子体化学气相沉积形成的氮化硅层要薄的范围，并搭配外缘204a大于外缘206a的轮廓，因此在涂布光刻胶的时候不会产生光刻胶分布不均，所造成后续孔洞无法吃开的问题。

接着，请参照图2C，以图2B的图案化光刻胶层212作为蚀刻掩膜，移除部分的第二氮化硅层210，以在第二氮化硅层210中形成多个孔洞214，露出传感区域202内的硅层206。之后，以第二氮化硅层210作为掩膜，蚀刻露出的硅层206，直到露出传感区域202内的氧化层204，以将孔洞214图案移转到所述硅层206。随后，可将图2B的图案化光刻胶层212移除干净。

然后，请参照图2D，通过硅层206的孔洞214去除氧化层204，以在基板200上形成一空腔216。形成空腔216的方法例如使用缓冲氧化硅蚀刻液(BOE)蚀刻氧化层204，且可通过浸泡的方式将整个基板200接触BOE一段时间，以便完全去除空腔216内的氧化层。由于缓冲氧化硅蚀刻液对第二氮化硅层210的蚀刻率很低，所以即使第二氮化硅层210会在形成空腔216的过程中变薄，也能保护传感区域202之外的构造(如氧化层204、硅层206与基板200)，所以不需要另外形成保护层，并因此可省略一道光掩膜(即图案化工艺)，进而降低制造成本。

接着，请参照图2E，在基板200上全面地沉积一第一氮化硅层218，且所述第一氮化硅层218填入每个孔洞214中，以密封所述空腔216，其中沉积第一氮化硅层218的方法例如等离子体化学气相沉积。在第一氮化硅层218形成后可进行第四图案化工艺，例如先在第一氮化硅层218表面涂布光刻胶，并进行曝光显影，以形成图案化光刻胶层220。

然后，请参照图2F，以图2E的图案化光刻胶层220作为蚀刻掩膜，移除传感区域202内的部分第一氮化硅层218，并保留每个孔洞214中的第一氮化硅层218。随后，可将图2E的图案化光刻胶层220移除干净。另外，由于第四图案化工艺的图案对准关系，传感区域202内还可留有部分第一氮化硅层218延伸出每个孔洞214，而覆盖于每个孔洞214的洞口周缘214a，且第二氮化硅层210会因此存在于每个孔洞214的洞口周缘214a与第一氮化硅层218之间。

综上所述，本发明的方法可通过工艺改良，改善图案化工艺的精确度，并防止传感区域边缘的孔洞无法吃开的情形发生，以使电容式压力传感器的空腔内无氧化层残留，进而改善压力传感的精确度，并扩大工艺窗口。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电容式压力传感器，其特征在于，包括：

基板，具有传感区域；

硅层，形成于所述基板上方，且所述硅层具有多个孔洞分布于所述传感区域内；

氧化层，设置于所述基板与所述硅层之间，所述氧化层的外缘大于所述硅层的外缘，且于所述传感区域内的所述氧化层具有一开口，以在所述基板上由所述氧化层与所述硅层构成一空腔；

第一氮化硅层，覆盖所述传感区域外的所述硅层与所述氧化层，且所述第一氮化硅层填入每个所述孔洞中，以密封所述空腔；以及

第二氮化硅层，介于所述第一氮化硅层与所述硅层的所述外缘之间以及介于所述第一氮化硅层与所述氧化层的所述外缘之间，且所述第二氮化硅层的厚度小于所述第一氮化硅层的厚度。

2.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述第一氮化硅层更延伸出每个所述孔洞，而覆盖每个所述孔洞的洞口周缘，且所述第二氮化硅层位于每个所述孔洞的所述洞口周缘与所述第一氮化硅层之间。

3.一种电容式压力传感器的制造方法，其特征在于，包括：

提供基板，所述基板具有传感区域；

在所述基板上依序形成氧化层与硅层，其中所述氧化层的外缘大于所述硅层的外缘；

利用低压化学气相沉积在所述基板上全面地沉积第二氮化硅层；

在所述第二氮化硅层中形成多个孔洞，露出所述传感区域内的所述硅层；

以所述第二氮化硅层作为掩膜，蚀刻露出的所述硅层，直到露出所述传感区域内的所述氧化层，以将所述多个孔洞图案移转到所述硅层；

通过所述硅层的所述多个孔洞去除所述氧化层，以在所述基板上形成一空腔；

在所述基板上全面地沉积第一氮化硅层，且所述第一氮化硅层填入每个所述孔洞中，以密封所述空腔；以及

移除所述传感区域内的部分所述第一氮化硅层，以保留每个所述孔洞中的所述第一氮化硅层。

4.根据权利要求3所述的电容式压力传感器的制造方法，其特征在于，形成所述氧化层与所述硅层的步骤包括：

在所述基板上依序沉积所述氧化层与所述硅层；

进行第一图案化工艺，以移除部分所述硅层，使所述硅层的所述外缘具有第一倾斜面；以及

进行第二图案化工艺，以移除部分所述氧化层，使所述氧化层的所述外缘具有第二倾斜面。

5.根据权利要求4所述的电容式压力传感器的制造方法，其特征在于，所述第一倾斜面与所述第二倾斜面为不连续面。

6.根据权利要求3所述的电容式压力传感器的制造方法，其特征在于，形成所述空腔的方法包括使用缓冲氧化硅蚀刻液蚀刻所述氧化层。

7.根据权利要求6所述的电容式压力传感器的制造方法，其特征在于，所述缓冲氧化硅蚀刻液对所述第一氮化硅层的蚀刻率是对所述第二氮化硅层的蚀刻率的10倍以上。

8.根据权利要求3所述的电容式压力传感器的制造方法，其特征在于，形成所述多个孔洞的方法包括：进行第三图案化工艺，以移除部分所述第二氮化硅层。

9.根据权利要求3所述的电容式压力传感器的制造方法，其特征在于，移除所述传感区域内的部分所述第一氮化硅层的方法包括：进行第四图案化工艺。

10.根据权利要求3所述的电容式压力传感器的制造方法，其特征在于，沉积所述第一氮化硅层的方法包括等离子体化学气相沉积。

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