CN115513365A

CN115513365A - 一种基于fbar的压力传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN115513365A
Application number: CN202211131706.2A
Authority: CN
Inventors: 孙成亮; 丁嘉祺; 刘炎; 蔡耀; 刘文娟; 谷曦宇; 魏民; 陈祥
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2022-09-16
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2022-12-23

Abstract

本申请公开了一种基于FBAR的压力传感器及其制备方法。本技术方案中，包括具有二氧化硅的衬底，衬底底部开有背腔，衬底顶部刻有凹槽，凹槽内有硅柱，衬底顶部覆盖有种子层，种子层和衬底顶部凹槽一起围成了空气隙；在种子层上方是一个压电振荡堆结构，包括上下的顶电极和底电极，和中间夹着的压电层；压电层中开有通孔，将底电极暴露出来；顶电极部分和底电极暴露区域上沉积有电势连接线，顶部其余区域覆盖有钝化层。压电层中还开有释放孔，连接外部环境和空气隙。本申请压力传感器，可通过压力作用于空气隙上方的压电层，使压电层产生应变，改变压电层的刚度系数，导致谐振器的谐振频率发生改变，进而实现了压力的测量。

Description

一种基于FBAR的压力传感器及其制备方法

技术领域

本申请涉及传感器的技术领域，尤其涉及一种基于FBAR的压力传感器及其制备方法。

背景技术

随着半导体与微电子技术的高速发展，微机电系统(MEMS)作为一种多学科交叉的前沿学科，也得到了更好的发展与应用。其中微传感器是微机电系统领域相对成熟的领域，微传感器相对于传统的传感器具有体积小、质量轻、功耗低和可集成等优点，因而得到了广泛的应用。而微压力传感器则是微传感器的一个重要门类，主要分为微压阻式压力传感器、微电容式压力传感器和微谐振式压力传感器。其中微谐振式压力传感器利用了固体声波器件的压电特性，在收到外界压力的作用下会发生振荡并产生电信号，这类微压力传感器具有更高的灵敏度、更好的温度特性和更快的响应速度，是微压力传感器的主要发展方向。

微谐振器主要分为两种，一种是声表面波谐振器(SAW)，一种是薄膜体声波谐振器(FBAR)。其中FBAR相对于SAW具有插损小、温度系数低尺寸小、抗静电冲击能力强和可集成性等特点，更适合用作微压力传感器。FBAR主要分为硅反面刻蚀型、空气隙型和固态装配型三种构型，其中空气隙型相对硅反面刻蚀型而言机械牢度更好，相对固态装配型而言成本低、Q值更高，更适合用作微传感器。但空气隙型的FBAR由于其硅衬底太厚，会影响传感器的灵敏度，且空气隙面积太小，传感器受力面积小，也会影响灵敏度，并导致基于其的压力传感器应用场景小。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种基于FBAR的压力传感器及其制备方法，能够克服相关技术中空气隙型FBAR灵敏度低的缺陷。

第一方面，本申请提供一种基于FBAR的压力传感器，包括衬底，在所述衬底底部沉积有硬掩膜层并开有背腔；在衬底顶部开有凹槽，凹槽内刻蚀有硅柱；所述衬底上方沉积有种子层，与所述衬底顶部凹槽包围形成空气隙；所述种子层上设有压电振荡堆，所述压电振荡堆从下到上依次包括底电极、压电层和顶电极，其中压电层开设有通孔以将部分底电极露出，围成所述通孔处的底电极区域上和顶电极部分表面上沉积有电势连接线；所述顶电极上沉积有钝化层；在所述空气隙上方的压电层还刻蚀有释放孔。

可选地，所述种子层材料为AlN，厚度应为20nm。

可选地，所述底电极材料为Mo，厚度应为200nm。

可选地，所述压电层材料为AlN或ScAlN，厚度为1000nm。

可选地，所述顶电极材料为Mo，厚度为200nm。

可选地，所述电势连接线材料为Au，厚度为1000nm。

可选地，所述钝化层材料为AlN，厚度为100nm。

第二方面，本申请提供一种如上述压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)在衬底的顶面刻蚀出一个凹槽，在所述凹槽内部刻蚀出硅柱；

2)在衬底顶面和所述凹槽内沉积二氧化硅层；

3)刻蚀所述二氧化硅层，保留凹槽内的二氧化硅以作为牺牲层；

4)利用化学机械抛光(CMP)工艺去除由于光刻及刻蚀工艺误差所导致的衬底顶部表面残留的二氧化硅；

5)在抛光后的衬底表面沉积AlN种子层；

6)在种子层上沉积Mo作为底电极；

7)通过刻蚀将底电极图形化；

8)在底电极上一步刻蚀露出的种子层上沉积压电层；

9)将压电层图形化，刻蚀出通孔，暴露出底电极；

10)在压电层、在底电极通孔处和通孔壁上沉积Mo作为顶电极；

11)通过刻蚀将顶电极图形化；

12)在图形化后的顶电极和露出的压电层上沉积一层钝化层，材料为AlN，并将钝化层图形化，露出两侧的电极接口；

13)利用解开-剥离工艺，在两侧露出的电极接口上沉积电势连接线；

14)利用深反应离子刻蚀(DRIE)，顶端刻蚀出一个释放孔，露出牺牲层；

15)在晶圆背部沉积Mo层，利用Mo作为硬掩膜，先将底部Mo层刻蚀为硬掩膜板，再将底部的SOI基底刻蚀掏空，露出埋氧层，形成一个背腔；

16)利用步骤14)刻蚀出的释放孔，注入刻蚀液将牺牲层去除，释放出空气隙，并保留空气隙内部的硅柱。

以上提供的基于FBAR的压力传感器及其制备方法，可以通过对FBAR空气隙上方施加压力，会导致空气隙上方的压电层产生应变，改变了压电层的刚度系数，导致压电层材料的声速发生改变，进而改变了谐振器的谐振频率，该传感器可以通过谐振频率的变化来测得压力的变化。本发明相对于现有技术，由于硅柱的存在，会导致硅柱处形成应力集中，使压电层的刚度系数变化较大，压电振荡区边缘处应力值明显大于对应位置的应力值，说明硅柱的存在导致了应力集中，进而提升了该传感器的灵敏度。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为基于FBAR的压力传感器制备方法流程示意图。

图2为基于FBAR的压力传感器的制备步骤1)加工后的结构示意图；

图3为基于FBAR的压力传感器的制备步骤2)加工后的结构示意图；

图4为基于FBAR的压力传感器的制备步骤3)加工后的结构示意图；

图5为基于FBAR的压力传感器的制备步骤4)加工后的结构示意图；

图6为基于FBAR的压力传感器的制备步骤5)加工后的结构示意图；

图7为基于FBAR的压力传感器的制备步骤6)加工后的结构示意图；

图8为基于FBAR的压力传感器的制备步骤7)加工后的结构示意图；

图9为基于FBAR的压力传感器的制备步骤8)加工后的结构示意图；

图10为基于FBAR的压力传感器的制备步骤9)加工后的结构示意图；

图11为基于FBAR的压力传感器的制备步骤10)加工后的结构示意图；

图12为基于FBAR的压力传感器的制备步骤11)加工后的结构示意图；

图13为基于FBAR的压力传感器的制备步骤12)加工后的结构示意图；

图14为基于FBAR的压力传感器的制备步骤13)加工后的结构示意图；

图15为基于FBAR的压力传感器的制备步骤14)加工后的结构示意图；

图16为基于FBAR的压力传感器的制备步骤15)加工后的结构示意图；

图17为基于FBAR的压力传感器的制备步骤16)加工后的结构示意图；

图18为基于FBAR的压力传感器的俯视结构图；

图19为空气隙中无硅柱时的应力图；

图20为空气隙中存在硅柱时的应力图；

其中，图中元件标识如下：

1-衬底、2-二氧化硅绝缘层、3-硅柱、4-牺牲层、5-种子层、6-底电极、7-压电层、8-顶电极、9-钝化层、10-电势连接线、11-牺牲层释放孔、12-硬掩膜、13-背腔、14-空气隙。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

实施例1

请参阅图17，本实施例中，一种基于FBAR的压力传感器，包括衬底1，该衬底1具有二氧化硅绝缘层2。在所述衬底1的底部，沉积有硬掩膜层12，并开有背腔13；在衬底顶部开有凹槽，凹槽内刻蚀有硅柱3；所述衬底上方沉积有种子层5，与所述衬底顶部凹槽包围形成空气隙14，优选地，所述种子层5材质采用AlN等，进一步的，种子层5的厚度约为200nm；所述种子层5上有压电振荡堆，所述压电振荡堆从下到上依次为底电极6、压电层7和顶电极8，所述的底电极沉积在所述种子层5上方，所述压电层7沉积在底电极6上方，所述顶电极8沉积在压电层7上方，其中压电层7中开有通孔，将部分底电极6露出，所述通孔处的底电极6区域上方和顶电极8部分区域上方沉积有电势连接线10，优选地，所述顶电极8和底电极6材质采用Mo等，进一步的，底电极6和顶电极8厚度均约为200nm，所述压电层7材质采用AlN或ScAlN，压电层厚度约为1μm，所述电势连接线10材质采用Au，厚度约为1μm；所述的压电振荡堆上方有钝化层9，所述钝化层9沉积在所述压电层7和所述顶电极8上方，所述电势连接线10上方不存在所述钝化层9，优选的，钝化层材质通常采用AlN，厚度约为100nm；在所述空气隙14上方的压电层7中，还刻蚀有释放孔11；

实施例2

请参阅图1～18，在实施例1的基础上，上述的一种基于FBAR的压力传感器的制备方法，包括刻蚀凹槽与硅柱、沉积牺牲层、去除顶部牺牲层、化学机械磨平、沉积种子层、沉积底电极、沉积压电层、制备底电极通孔、沉积顶电极、沉积钝化层、制备电势连接线、制备释放孔、沉积硬掩膜、背部凹槽释放和空气隙释放；具体包括以下步骤：

1)在具有二氧化硅绝缘层2的衬底1的顶面，刻蚀出一个凹槽，深度为3.5μm，凹槽内部刻蚀出多个硅柱3，硅柱高度为3.5μm；

2)在衬底1的顶部和步骤1刻蚀出的凹槽内，沉积一层二氧化硅层，厚度为3.5μm；

3)刻蚀掉SOI 1、2顶部沉积的二氧化硅，留下凹槽内的二氧化硅作为牺牲层4；

4)利用化学机械抛光(CMP)工艺去除由于光刻及刻蚀工艺误差所导致的SOI顶部表面残留的二氧化硅；

5)在抛光后的衬底1的表面沉积一层厚度为0.2μm的AlN种子层5；

6)在种子层上沉积一层厚度为200nm的Mo作为底电极6；

7)通过刻蚀将底电极6的图形化；

8)在底电极上一步刻蚀露出的种子层上沉积压电层7，压电层材料为AlN或ScAlN，厚度为1000nm；

9)将压电层图形化，刻蚀出通孔，暴露出底电极6。

10)在压电层上沉积一层厚度为200nm的Mo作为顶电极8，底电极通孔处和通孔壁上也需要沉积；

11)通过刻蚀将顶电极8图形化；

12)在图形化后的顶电极8和露出的压电层7上沉积一层钝化层9，材料为AlN，并将钝化层9图形化，露出两侧的电极接口；

13)利用解开-剥离工艺，在两侧露出的电极接口上沉积电势连接线10，材料为Au，厚度约为1000nm；

14)利用深反应离子刻蚀(DRIE)，顶端刻蚀出一个释放孔11，露出牺牲层4；

15)在晶圆背部沉积一层Mo厚度约为200nm，利用Mo作为硬掩膜，先将底部Mo层刻蚀为硬掩膜板12，再将底部的SOI基底刻蚀掏空，露出埋氧层2，形成一个背腔13；

16)利用步骤14)刻蚀出的释放孔11，注入刻蚀液将牺牲层4去除，释放出空气隙14，并保留空气隙内部的硅柱3。

如图19与图20所示，可以明显看出，在图20压电振荡区边缘处应力值明显大于图19处对应位置的应力值，说明硅柱的存在导致了应力集中，进而提升了该传感器的灵敏度。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种基于FBAR的压力传感器，其特征在于，包括衬底(1)，在所述衬底(1)底部沉积有硬掩膜层(12)并开有背腔(13)；在衬底(1)顶部开有凹槽，凹槽内刻蚀有硅柱(3)；所述衬底上方沉积有种子层(5)，与所述衬底顶部凹槽包围形成空气隙(14)；所述种子层(5)上设有压电振荡堆，所述压电振荡堆从下到上依次包括底电极(6)、压电层(7)和顶电极(8)，其中压电层(7)开设有通孔以将部分底电极(6)露出，围成所述通孔处的底电极(6)区域上和顶电极(8)部分表面上沉积有电势连接线(10)；所述顶电极(8)上沉积有钝化层(9)；在所述空气隙(14)上方的压电层(7)还刻蚀有释放孔(11)。

2.根据权利要求1所述压力传感器，其特征在于，所述种子层(5)材料为AlN，厚度应为20nm。

3.根据权利要求1所述压力传感器，其特征在于，所述底电极(6)材料为Mo，厚度应为200nm。

4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述压电层(7)材料为AlN或ScAlN，厚度为1000nm。

5.根据权利要求1所述一压力传感器，其特征在于，所述顶电极(8)材料为Mo，厚度为200nm。

6.根据权利要求1所述压力传感器，其特征在于，所述电势连接线(10)材料为Au，厚度为1000nm。

7.根据权利要求1所述压力传感器，其特征在于，所述钝化层(9)材料为AlN，厚度为100nm。

8.一种如权利要求1-7任一所述压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在衬底(1)的顶面刻蚀出一个凹槽，在所述凹槽内部刻蚀出硅柱(3)；

2)在衬底(1)顶面和所述凹槽内沉积二氧化硅层；

3)刻蚀所述二氧化硅层，保留凹槽内的二氧化硅以作为牺牲层(4)；

5)在抛光后的衬底(1)表面沉积AlN种子层(5)；

6)在种子层上沉积Mo作为底电极(6)；

7)通过刻蚀将底电极(6)图形化；

8)在底电极上一步刻蚀露出的种子层上沉积压电层(7)；

9)将压电层图形化，刻蚀出通孔，暴露出底电极(6)。

10)在压电层、在底电极通孔处和通孔壁上沉积Mo作为顶电极(8)；

11)通过刻蚀将顶电极(8)图形化；

12)在图形化后的顶电极(8)和露出的压电层(7)上沉积一层钝化层(9)，材料为AlN，并将钝化层(9)图形化，露出两侧的电极接口；

13)利用解开-剥离工艺，在两侧露出的电极接口上沉积电势连接线(10)；

14)利用深反应离子刻蚀(DRIE)，顶端刻蚀出一个释放孔(11)，露出牺牲层(4)；

15)在晶圆背部沉积Mo层，利用Mo作为硬掩膜，先将底部Mo层刻蚀为硬掩膜板(12)，再将底部的SOI基底刻蚀掏空，露出埋氧层(2)，形成一个背腔(13)；

16)利用步骤14)刻蚀出的释放孔(11)，注入刻蚀液将牺牲层(4)去除，释放出空气隙(14)，并保留空气隙内部的硅柱(3)。