TW202029327A - 具多層膜片的半導體傳感器裝置及製造具多層膜片的半導體傳感器裝置之方法 - Google Patents

Abstract

該半導體傳感器裝置包含懸設在半導體本體(1)上方的膜片(10)。該膜片(10)的第一層(9)包含耐包含氟或氟化合物的蝕刻劑的材料，並且覆蓋包含鈦及/或TiN的第二層(8)。因此，該第一層(9)作用成保護層，並且於使用HF氣體蝕刻犧牲層(5)以釋放該膜片(10)期間防止像氟化鈦的殘餘物的產生。

Description

具多層膜片的半導體傳感器裝置及製造具多層膜片的半導體傳感器裝置之方法

本發明是關於半導體，並且尤是關於半導體傳感器裝置。

半導體傳感器裝置(像是壓力感測器)的膜片可包含序列的層，其包括主要金屬層。該膜片(舉例來說MEMS膜)是施加在犧牲層上。TiN/Ti或TiN層可配置在該主要金屬層與該犧牲層之間，以促進黏著並提供擴散阻障和壓力補償，並且TiN層也可配置在該主要金屬層上。該犧牲層後來被移除，以釋放該膜片，特別是藉由氫氟酸，HF，氣體蝕刻。HF氣體與Ti的化學反應可產生殘餘物，例如，氟化鈦，其可能會對該膜片的性質不利地影響。

US2016/0023893 A1揭露用於電容式壓力感測器的懸掛膜，其包含沉積第一電性地傳導材料在犧牲層上方並且在邊界溝槽內、移除該第一電性地傳導材料的不平形貌的至少一部分、沉積第二電性地傳導材料 延伸超過該邊界溝槽、以及經由蝕刻開口而移除該犧牲層，因此形成腔室於該第二電性地傳導材料下方。

US8071486 B2揭露移除來自HF氣體中的處理的殘餘物的方法，其中，該製作的裝置是暴露至乾水蒸汽達到足以溶解該乾水蒸汽中的該殘餘物的一段時間。

本發明的目的是提出用於製造具有多層膜片的半導體傳感器裝置和製造具有多層膜片的半導體傳感器裝置的方法的改進概念，其特別地適合於HF氣體蝕刻釋放。

此目的以獨立請求項的發明標的達成。該改進概念的實施例和發展是定義在附屬請求項中。

該改進概念是基於提供具有膜片的半導體傳感器裝置的想法，該膜片包含耐氟基蝕刻劑(例如，氫氟酸)的額外層，使得在蝕刻程序期間防止殘餘物的產生。為了不複雜化該製造程序，需要該額外層以維持該整個製造程序的CMOS相容性。再者，為了不破壞該最終傳感器裝置的效能，例如，就敏感性及/或雜訊性能而言，僅需要該額外層以不顯著地(如果有的情況下)修飾該膜片的機械性質。依據該改進概念的該膜片的該額外層引致該整體製造程序保持簡單(以於氟基蝕刻程序期間或之後不再需要用來移除殘餘物的清潔步驟的方式)、但於此同時該產生的堅實性和良率顯著地增加的事實。應注意，該改進概念允許釋放該膜片而不會形成殘餘物，例如，氟化鈦，其可藉由破壞該傳感器的該膜片的機械性質而負面地影響該最終裝置的性能。

依據該改進概念的半導體傳感器裝置包含半導體本體和膜片，例如，MEMS膜，其具有第一層和第二層。該膜片可結構化，舉例來說，它被穿孔。該膜片的主要延伸面是配置平行於該半導體本體的表面，其中，該膜片是朝直立方向(其與該膜片的該主要延伸面垂直)懸設在與該半導體本體相距一距離處。該距離可小於10μm，舉例來說，在1至3μm的等級中。

該第二層包含鈦(Ti)/或氮化鈦(TiN)，但該第一層包含耐包含氟或氟化合物的蝕刻劑的材料。耐(resistant)在本文中是指該第一層的蝕刻速率是顯著地低於該膜片的該第二層的蝕刻速率。特別地，關於包含氟或氟化合物的蝕刻劑，該第一層的該材料的蝕刻速率是低於該第二層的該材料的蝕刻速率。該第二層是配置在該半導體本體與該第一層之間。

該膜片的該第一層可稱為保護層，相較於該第二層，該保護層是配置在與該半導體本體相距一較大距離處與接觸該第二層。因此，該第一層可視為是配置在該第二層面向離開該半導體本體的表面上。傳統傳感器的膜片包含第二層的材料，該材料包含Ti(例如，TiN)，作為擴散阻障並且用於應力補償的目的。不同於第二層因基於Ti的材料而可與氟基蝕刻劑(例如，HF)反應而形成不希望的殘餘物，依據該改進概念，該第一層是具有耐該蝕刻劑的材料。為了不顯著地破壞該膜片的機械性質，也就是，為了維持特定應力和應力梯度，該第一層是以小於200nm的厚度沉積，舉例來說，在40至100nm的範圍中，其總計至該膜片的總厚度的大約10%。

為了改進不同層之間的黏著性，該層的表面可於沉積後處理，使得該表面的粗糙度降低。舉例來說，可採用化學機械研磨(CMP)程序以達成該改進黏著性。

該半導體本體可包含應用特定積體電路(ASIC)的主動電路系統，其是配置在基底上或內，例如，矽基底。

在該半導體傳感器裝置的一些實施例中，該第一層的材料是選自由鎢(W)、鋁(Al)、氧化鋁(Al₂O₃)、碳化矽(SiC)和矽鍺(SiGe)所組成的群組。

舉例來說，該第一層的材料的適合選擇是鎢，因為它匹配於CMOS製作程序並且實踐耐氟基蝕刻步驟的要求，例如，氣體氣相HF(vHF)蝕刻。

在一些實施例中，該膜片復包含與該第二層接觸的第三層，相較於該第二層，該第三層與該半導體本體相距一較小距離。

像該第一層是配置在該第二層上並且因此覆蓋其面向離開該半導體本體的表面一樣，配置以接觸該第二層的第三層保護其面向該半導體本體的表面並且因此進一步有助於減少vHF蝕刻期間的殘餘物。替代地或額外地，該第三層可視為該膜片的該主要層。膜片的該主要層可舉例來說構成組構成電容式傳感器的半導體傳感器的頂部電極。頂部電極在本文中是指電容式傳感器配置的電極，該電極相較於另一電極是配置與該半導體本體相距一較大距離，該另一電極接著可稱為底部電極。

在一些另外實施例中，該第三層包含金屬。

像用於該第一層，該第三層與CMOS處理匹配的適合材料包括W、Al、Al₂O₃、SiC和SiGe。在該第三層是組構成頂部電極的情況中，金屬化材料提供所需要的電性傳導。舉例來說，為了保持材料的短清單(bill)並且因此該製造程序儘可能簡單、但卻維持完全CMOS匹配性，該第一和該第三層兩者均由鎢組成或包含鎢，其為具有合理地對機械和電性性質並且具有所需要的耐HF的材料。

在一些另外實施例中，該膜片復包含第四層，其包含Ti及/或TiN，與該第三層接觸，並且相較於該第三層是配置成與該半導體本體相距一較小距離。

傳統傳感器是依據程序製作，在該程序中，該膜片的懸設是藉由移除配置在該半導體本體與該膜片之間的犧牲層來實現。用於配置在最接近該半導體本體的該膜片的該層的常見選擇是Ti基材料。相較於舉例來說鎢(其由至該犧牲層的不良黏著性特性化，該犧牲層典型地包含矽或二氧化矽)，Ti和TiN由至這種犧牲層的顯著地較大黏著性特性化。因此，提供該第四層促進該製作程序。用於該第四層的Ti及/或TiN的選擇再次確保材料的短清單，因為此選擇對應於該第二層的該材料。

在一些實施例中，該半導體本體復包含積體電路。

該傳感器裝置可包含配置在該半導體本體上或內的ASIC，用於提供該膜片的偏向的讀數，舉例來說，因為應力改變。該讀數可舉例來說基於該傳感器的電容性的測量，如果該傳感器裝置是電容式傳感器，舉例來說。

在一些實施例中，該半導體傳感器復包含配置在該半導體本體與該膜片之間的電極層、互連該電極層與該半導體本體的通孔、以及互連該膜片與該半導體本體的另外通孔。

在這些實施例中，由金屬作成的電極層是配置在該半導體本體與該膜片之間與該膜片相距一距離處，舉例來說，該電極層接觸該半導體本體。以該電極層形成該傳感器的結構化底部電極，例如藉由測量形成在該頂部電極(其可為一層該膜片)與該底部電極之間的電容器的電容，致能決定該膜片的偏向。通孔(例如，貫穿基底通孔(TSV))可在該兩個電極與該半導體本體的主動電路系統之間提供電性互連。

在一些另外實施例中，覆蓋層是配置在該半導體本體與該電極層之間。

為了達成該電極層與該半導體本體的主動電路系統的電性絕緣，舉例來說，可利用覆蓋層。該覆蓋層可為介電質，例如，二氧化矽(SiO₂)。

在一些實施例中，該傳感器裝置復包含蝕刻停止層(ESL)配置在該半導體本體與該膜片之間。

當該懸設之膜片是藉由移除該膜片與該半導體本體之間的犧牲材料來傳統地實現時，可採用蝕刻停止層，以為了具有用來移除該犧牲材料的該vHF蝕刻的控制結束點。因此，該蝕刻停止層是組構以於該傳感器裝置的製作程序期間避免過度蝕刻。同樣，在該最終傳感器裝置上，該ESL可以用作該半導體本體的下覆主動電路系統的保護層及/或形成在該半導體本體的頂部或上方的底部電極。關於氟基蝕刻劑，該蝕刻停止層的材料相較於該犧牲材料具有顯著地較低蝕刻速率。該ESL的該材料為半導體材料(例如，碳化矽)或介電質(例如，氮化矽(silicon nitride)(例如，富矽氮化矽，舉例來說))。

前述的目的復由壓力感測器解決，其包含依據上方描述的該實施例的一者的半導體傳感器裝置。

該壓力感測器可組構以偵測靜態壓力改變或動態壓力改變，例如，壓力波，例如，在聲頻帶的音波。為了此目的，該壓力感測器可由該半導體傳感器裝置組成或可包含另外組件，例如，電路組件、印刷電路板及/或殼體。

該前述目的復由包含壓力感測器的行動裝置解決，該壓力感測器具有依據上方所描述的實施例的一者的半導體傳感器裝置。

該描述的半導體傳感器裝置的應用包括精簡型和高敏感性壓力感測器或麥克風，其舉例來說採用在智慧手機、智慧電話和平板式電腦中，其例如，該傳感器裝置是組構以全方向地偵測該行動裝置的環境中的靜態或動態壓力改變。

前述目的復由生產半導體傳感器裝置的方法解決。該方法包含提供半導體本體、以及形成犧牲層在該半導體本體的表面上或上方。該方法復包含施加膜片在該犧牲層上、以及移除該犧牲層。依據該改進概念施加該膜片包含施加、圖案化和結構化第一層和第二層，其中，施加該第一層包含施加耐包含氟或氟化合物的蝕刻劑的材料。移除該犧牲層包含引入包含氟或氟化合物的蝕刻劑至該膜片的開口內。

該方法的另外實施例對於本領域的熟習技術者從上方描述的該半導體傳感器裝置的實施例而變得明顯。

1:半導體本體

1A:基底

2:覆蓋層

3:電極層

4:蝕刻停止層

5:犧牲層

6:第四層

7:第三層

8:第二層

9:第一層

10:膜片

11:開口

12:互連

13:另外互連

14:積體電路

15:粗糙表面

16:平坦表面

示例性實施例的圖式的接下來描述可進一步說明和解釋該改進概念的態樣。該半導體傳感器裝置分別具有相同結構和相同效應的元件以等效參考編號出現。該半導體傳感器裝置的元件就不同圖式中的功能而言彼此對應，其描述沒有在各個接下來圖式中重覆。

第1圖顯示半導體傳感器裝置於配置膜片後的中間產品的剖面；

第2圖顯示依據第1圖於形成開口在該膜片中後的剖面；以及

第3圖顯示依據第2圖於釋放該膜片後的剖面。

第1圖是半導體傳感器裝置的中間產品的剖面，舉例來說，該半導體傳感器裝置可採用在壓力感測器中。在此實施例中的該半導體傳感器裝置包含半導體本體1(其包含基底1A，其可例如為矽)。該半導體本體1也可包括積體電路14，其可特別地是具有主動和被動電路系統的CMOS電路。這種積體電路其本身已知，並且該積體電路14的細節(其視個別應用而定)沒有顯示在圖式中。該積體電路14可特別地提供用於評估來自該傳感器的訊號，例如，該傳感器的電容。

覆蓋層2可包括嵌埋至金屬間介電質層及/或鈍化中的打線舉例來說，並可施加至該半導體本體1的表面上。該金屬間介電質層可包含二氧化矽，並且舉例來說，該鈍化可包含二氧化矽和氮化矽的組合。該半導體傳感器裝置包括該半導體本體1和該覆蓋層2的部件可類似於具有積體電路的傳統半導體裝置。該半導體傳感器裝置與這種半導體裝置不同之處在於，傳感器元件配置在該覆蓋層2面向離開該半導體本體1的表面上。

電極層3可配置在該覆蓋層2的該表面上，並且舉例來說，透過微影和蝕刻圖案化和結構化，以為了形成傳感器的第一電極，例如特別是電容性傳感器。這種傳感器的該第一電極可稱為該底部電極。蝕刻停止層4是配置在該結構化電極層3面向離開該半導體本體1的表面上。犧牲層5是配置在該蝕刻停止層4面向離開該半導體本體1的表面上。與該犧牲層5的材料相比，該蝕刻停止層4由對於氟基蝕刻劑具有明顯較低的蝕刻速率的材料製成。舉例來說，該蝕刻停止層4包含氮化矽，例如，富矽氮化矽，而該犧牲層包含矽或二氧化矽。

該膜片10是配置在該犧牲層5面向離開該半導體本體1的表面上。該膜片10包含一序列的層，並且可特別地包括第一層9、第二層8、第三層7和第四層6。該第四層6可設置成阻障層及/或該第四層6可促進該膜片10配置在該犧牲層5上。相較於該第三層7的材料，該第四層6的材料可由對於該犧牲層5具有較大黏著性特性化。該第四層6可舉例來說包含鈦、氮化鈦(TiN)或鈦和TiN的組合。

該膜片10的該第三層7可包含金屬，其可例如為鎢。該第三層7可為均勻或同質層、或一序列的至少兩個不同材料的個別層。該第三層7可稱為該膜片10的該主要層，其舉例來說，係構成電容性傳感器裝置的上電極。第二層8是配置在該第三層7上，用於應力補償。舉例來說，如該第四層6，該第二層8包含鈦、TiN或鈦和TiN的組合，並可組構成阻障層，作為擴散阻障及/或用於應力補償。

第一層9是配置成該膜片10的一層，該層是配置在與該半導體本體1相距該最大距離處。該第一層9包含耐包含氟或氟化合物(像氫氟酸(HF))的蝕刻劑的材料。如此一來，該第一層9可稱為保護層。舉例來說，適合材料選擇是鎢。舉例來說，該第一層9的其它適合材料包括鋁、氧化鋁、碳化矽或矽鍺。

可提供直立電性互連12以將該電極層3與該半導體本體1的電路系統的端子互連。舉例來說，這些互連由通孔實現，例如，貫穿基底通孔(TSV)。另外通孔可提供另外直立電性互連13，以將該膜片10(例如，由該第三層7所形成的頂部電極)與該半導體本體1的電路系統的另外端子互連。

第2圖是依據第1圖於形成開口在該膜片10中後的剖面。顯示於第1圖中的該中間產品的元件與顯示在第2圖中的該中間產品的元 件相對應，而以相同參考編號指示。第2圖顯示該膜片10中的該開口11。提供該開口11用於後續蝕刻步驟，其中，蝕刻劑是引入至該開口11中，以侵蝕並且移除該犧牲層5的該材料。如果將HF氣體用於蝕刻，則該第一層9用作該第二層8的保護層，以在該蝕刻劑侵蝕該第二層8的情況下，防止產生像氟化鈦的殘餘物。

第3圖是依據第2圖於移除該犧牲層5後的剖面，也就是，第3圖的該實施例可視為該最終傳感器裝置。顯示於第2圖中的該中間產品的元件與顯示在第3圖中的該中間產品的元件相對應，而以相同參考編號表示。該犧牲層5可完全地被移除。或者，該犧牲層5的殘餘物仍然在該另外通孔13之間。該蝕刻程序停止在該蝕刻停止層4上。第3圖顯示具有該膜片10的該主要部分釋放的該傳感器裝置，以致於該膜片10是懸設在該半導體本體1上方，並且沒有響應外部原因(特別是於壓力施加時)而偏向。該膜片10可僅藉由該另外通孔13而連接至該半導體本體1。或者，舉例來說，該膜片10可藉由夾止結構而連接至該半導體本體1。

顯示在第1至3圖中的該實施例代表該半導體傳感器裝置的示例性實施例，因此，依據該改進概念，它們不構成所有實施例的完整列表。舉例來說，實際的傳感器裝置組構可從所示的實施例在形狀、尺寸和材料而不同。

1:半導體本體

1A:基底

2:覆蓋層

3:電極層

4:蝕刻停止層

5:犧牲層

6:第四層

7:第三層

8:第二層

9:第一層

10:膜片

12:互連

13:另外互連

14:積體電路

Claims (17)

1. 一種半導體傳感器裝置，包含：

   半導體本體(1)；以及

   膜片(10)，具有第一層(9)和第二層(8)，

   其中，該膜片(10)的主要延伸面是配置平行於該半導體本體(1)的表面，該膜片(10)是懸設在垂直於該膜片(10)的該主要延伸面的方向上與該半導體本體(1)相距一距離處，

   該第二層(8)包含鈦及/或氮化鈦，

   該第一層(9)包含阻止包含氟或氟化合物的蝕刻劑的材料，以及

   該第二層(8)是配置在該半導體本體(1)與該第一層(9)之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體傳感器裝置，其中，關於包含氟或氟化合物的蝕刻劑，該第一層(9)的蝕刻速率低於該第二層(8)的蝕刻速率。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之半導體傳感器裝置，其中，該第一層(9)包含鎢、鋁、氧化鋁、碳化矽和矽鍺的至少一者。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述之半導體傳感器裝置，其中，該膜片(10)復包含與該第二層(8)接觸的第三層(7)，並且相較於該第二層(8)，該第三層(7)是配置成與該半導體本體(1)相距較小距離。
5. 如申請專利範圍第4項所述之半導體傳感器裝置，其中，該膜片(10)復包含第四層(6)，其中，該第四層(6)包含鈦及/或氮化鈦，並且相較於該第三層(7)，該第四層是配置成與該半導體本體(1)相距較小距離。
6. 如申請專利範圍第4項所述之半導體傳感器裝置，其中，該第三層(7)包含金屬。
7. 如申請專利範圍第1或2項所述之半導體傳感器裝置，其中，該半導體本體(1)復包含積體電路(14)。
8. 如申請專利範圍第1或2項所述之半導體傳感器裝置，復包含：

   電極層(3)，配置在該半導體本體(1)與該膜片(10)之間，

   通孔(12)，互連該電極層(3)和該半導體本體(1)，以及

   另外通孔(13)，互連該膜片(10)和該半導體本體(1)。
9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體傳感器裝置，復包含配置在該半導體本體(1)與該電極層(3)之間的覆蓋層(2)。
10. 如申請專利範圍第1或2項所述之半導體傳感器裝置，復包含配置在該半導體本體(1)與該膜片(10)之間的蝕刻停止層(4)。
11. 一種壓力感測器，包含依據申請專利範圍第1或2項所述的半導體傳感器裝置。
12. 一種行動裝置，包含具有如申請專利範圍第1或2項所述之半導體傳感器裝置的壓力感測器。
13. 一種生產半導體傳感器裝置的方法，包含：

    提供半導體本體(1)；

    形成犧牲層(5)在該半導體本體(1)的表面上方；

    施加膜片(10)在該犧牲層(5)上；以及

    移除該犧牲層(5)，其中，施加該膜片(10)包含施加、圖案化和結構化第一層(9)和第二層(8)，

    施加該第一層(9)包含施加耐包含氟或氟化合物的蝕刻劑的材料，以及

    移除該犧牲層(5)包含引入包含氟或氟化合物的蝕刻劑至該膜片(10)的開口(11)內。
14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中，關於包含氟或氟化合物的蝕刻劑，該第一層(9)的該材料的蝕刻速率是低於該第二層(8)的該材料的蝕刻速率。
15. 如申請專利範圍第13或14項所述之方法，其中，施加該第二層(8)包含施加鈦及/或氮化鈦，並且該第一層(9)是施加在該第一層(8)上。
16. 如申請專利範圍第13或14項所述之方法，其中，施加該膜片(10)復包含施加第三層(7)和第四層(6)，其中，該第三層(7)是施加在該第四層(6)上，施加該第四層(7)包含施加鈦及/或氮化鈦，而該第二層(8)是施加在該第三層(7)上。
17. 如申請專利範圍第13或14項所述之方法，復包含：

    施加電極層(3)在該半導體本體(1)與該膜片(10)之間，

    形成互連該電極層(3)和該半導體本體(1)的通孔(12)，以及

    形成互連該膜片(10)和該半導體本體(1)的另外通孔(13)。

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