TWI640467B - 半導體裝置和製造壓力感測器的方法 - Google Patents
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Abstract
一種製造壓力感測器的方法,其中包含執行一化學汽相沉積(CVD)製程,藉以將具有第一厚度的第一可犧牲層沉積在一基板上。然後將該第一可犧牲層的一局部向下移除至該基板,藉以形成外露矽質的中央範圍。接著執行熱氧化製程與原子層沉積製程的其一者,藉以在該基板上構成一於該中央範圍內具有小於該第一厚度之第二厚度的第二可犧牲層。然後將一帽蓋層沉積在該等第一及第二可犧牲層上。自該中央範圍移除該第二可犧牲層,並且自該基板上一至少部份地環繞該中央範圍之週緣範圍移除該等第一及第二可犧牲層,藉以在該帽蓋層與該基板之間構成一接續性、結構性缺口,同時該結構性缺口在該中央範圍內具有第一寬度並且在該週緣範圍內具有第二寬度,而該第二寬度大於該第一寬度。
Description
本揭示是關於一種電容式微機電系統(MEMS)壓力感測器。
一般說來,電容式MEMS壓力感測器包含可構成一平行極板電容器之一極板的固定電極,或者是包含可構成該平行極板電容器之另一極板的可移動電極。該固定電極通常是供設於即如矽質晶圓的基板裡。而該可移動電極則是併入在懸空於該基板表面上之固定電極上方處的可變形薄膜內。該可變形薄膜係經組態設定以在所施加壓力下朝向該基板偏彎,從而改變該固定電極與該可移動電極之間的的缺口,因此獲致這兩個電極之間的電容值變化。藉由監視該固定電極與該可移動電極之間的電容值變化,即能決定施加於該可變形薄膜之壓力的規模大小。
該等電極可為按照各種不同方式所構成,像是藉由導體膜層的沉積、導體層的電性隔離、在兩個導體層之間的間隔層增置,以及對矽質基板進行摻雜植入。在一些電容式MEMS壓力感測器中,該等可變形薄膜與可移動電極是由一磊晶沉積多晶矽(Epi-poly)帽蓋層所構成。在感測器的製造過程中,該帽蓋層係於該固定電極的區域內沉積在經構成於該基板的可去除氧化物層上。然後移除該磊晶沉積多晶矽帽蓋層與該基板之間的可犧牲層,藉以釋放出薄膜並且在該薄膜內的可移動電極與該基板內的固
定電極之間構成腔洞,此者即定義該電容式缺口。
該磊晶沉積多晶矽帽蓋層以及該電容式缺口的幾何與維度可在一定程度上進行裁調,藉以提供具有所欲精確度、敏感度及/或線性度的壓力感測器。較高的壓力敏感度通常需要彈性較高的薄膜,而較高的精確度與線性度則是要求彈性較低的薄膜。薄膜彈性是部份地依照薄膜的尺寸(即如橫向延展)與厚度所決定。具有較高彈性的薄膜通常是藉由增大薄膜的尺寸或橫向研展,以及/或是縮減薄膜的厚度,所達成。相反地,具有較高精確度與線性度的薄膜則通常是藉由減少薄膜的橫向研展以及/或是增加薄膜的厚度所達成。
要獲得所欲感測器精確度、敏感度及/或線性度水準的能力會至少部份地依照該等用以定義此裝置結構之覆層的精準度與均勻度而定,尤其是定義該磊晶沉積多晶矽帽蓋層與該基板間之電容式缺口的可犧牲氧化物層。精準且均勻的可犧牲層可在該感測器內促成精確且均勻的電容式缺口,如此又能藉由更密切地匹配於設計目標並且藉由降低整體裝置上的變異度來改善感測器的效能。
而可犧牲層的精準度和均勻度是由用以製造該感測器的製程所界定。先前眾知的製造方法通常是運用低壓化學汽相沉積(LPCVD)製程或者熱氧化製程以構成二氧化矽可犧牲層。LPCVD製程雖可提供較厚的沉積結果(即如大於2μm),然沉積物的精準度和均勻度會受到限制。熱氧化作業可提供極佳的精準度和均勻度(即如在整個晶圓上可為數埃),然處理過程緩慢。因此,較厚的沉積結果需令基板長時間地受曝出高溫下,但在製造程序的熱能規劃上這是不被允許的。
根據本揭示之一具體實施例,一種製造壓力感測器的方法,其中包含執行一化學汽相沉積(CVD)製程,藉以將具有第一厚度的第一可犧牲層沉積在一基板上。然後將該第一可犧牲層的一局部向下移除至該基板,藉以形成外露矽質的中央範圍。接著執行熱氧化製程與原子層沉積製程的其一者,藉以在該基板上構成一於該中央範圍內具有小於該第一厚度之第二厚度的第二可犧牲層。然後將一帽蓋層沉積在該等第一及第二可犧牲層上。自該中央範圍移除該第二可犧牲層,並且自該基板上一至少部份地環繞該中央範圍之週緣範圍移除該等第一及第二可犧牲層,藉以在該帽蓋層與該基板之間構成一接續性、結構性缺口,同時該結構性缺口在該中央範圍內具有第一寬度並且在該週緣範圍內具有第二寬度,而該第二寬度大於該第一寬度。
如所述之方法,其中該帽蓋層包含磊晶沉積的多晶矽。
如所述之方法,其中該第一可犧牲層含有二氧化矽。
如所述之方法,其中該第一可犧牲層是藉由蝕刻以自該外露矽質的中央範圍移除。
如所述之方法,其中該第二可犧牲層是利用熱氧化製程所構成,使得該第二可犧牲層含有一熱氧化物,該熱氧化物在該基板的中央範圍內係經成長至該第二厚度,並且在該基板中受該第一可犧牲層所覆蓋的範圍內則成長至一第三厚度,而該第三厚度是小於該第二厚度。
如所述之方法,其中該第二可犧牲層是利用原子層沉積製程所構成,使得該第二可犧牲層含有氧化矽,該熱氧化物在該基板的中央範
圍內係經成長至該第二厚度,並且在該基板中受該第一可犧牲層所覆蓋的範圍內則成長至一第三厚度,而該第三厚度是小於該第二厚度。
如所述之方法,其中該第二厚度約為1-1000nm。
如所述之方法,其中該結構性缺口是藉由在該基板的中央範圍和該週緣範圍之內蝕刻該等第一及第二可犧牲層所形成。
如所述之方法,其進一步包含密封該帽蓋層。
根據本揭示的另一具體實施例,在製造作業的中介步驟裡提供一種半導體裝置,該裝置包含一基板,而該基板定義感測範圍以及至少部份地環繞該感測範圍的週緣範圍。一第一可犧牲層係經沉積於該基板上並具有第一厚度,該第一可犧牲層是位於該週緣範圍內。利用熱氧化製程或原子層沉積製程以將一第二可犧牲層沉積於該基板上,該第二可犧牲層在該感測範圍內具有第二厚度,而該第二厚度小於該第一厚度。在該感測範圍和該週緣範圍內將一帽蓋層沉積於該等第一及第二可犧牲層上。
如所述之半導體裝置,其中該基板在該感測範圍內含有第一電極。
如所述之半導體裝置,其中該帽蓋層含有磊晶沉積的多晶矽,而此者係經組態設定以構成在該感測範圍上延伸的第二電極。
如所述之半導體裝置,其中該第二可犧牲層含有利用熱氧化製程所構成的熱氧化物。
如所述之半導體裝置,其中該第二可犧牲層在該週緣範圍內具有第三厚度,而此第三厚度小於該第二厚度。
根據又另一具體實施例,提供一種半導體裝置,此裝置包含
基板,該基板的表面上定義有一感測範圍,並且含有一位於該感測範圍內的第一電極。該裝置在該基板上含有一支撐層,此者定義環繞該感測範圍的週緣。該支撐層係分隔於該感測範圍,藉以在該基板上定義一環繞該感測範圍的週緣範圍。該裝置包含一具有第二電極的彈性薄膜。該彈性薄膜係經排置在該支撐層上且延伸於該感測範圍,藉以將該第二電極放置在該第一電極上方。該彈性薄膜具有一面朝該基板的下表面。該下表面含有中央局部和週緣局部,該中央局部是位於該基板的感測範圍上方,而該週緣局部則是位於該基板的週緣範圍上方。該薄膜之下表面的中央局部是以第一距離分隔於該基板的表面,並且該下表面的週緣局部是以第二距離分隔於該基板的表面,而該第二距離大於該第一距離。
如所述之半導體裝置,其中該彈性薄膜含有一磊晶沉積的多晶矽(Epi-poly)帽蓋層。
如所述之半導體裝置,其中該基板包含矽質基板。
如所述之半導體裝置,其中該薄膜的下表面在該薄膜與該基板之間定義一電容式缺口,此缺口在該下表面的中央局部與該基板之間具有第一缺口寬度,並且在該下表面的週緣局部與該基板之間具有第二缺口寬度,而該第二缺口寬度大於該第一缺口寬度。
10‧‧‧電容式MEMS壓力感測器
12‧‧‧基板
14‧‧‧磊晶沉積的多晶矽(Epi-poly)帽蓋層
16‧‧‧支撐層
18‧‧‧腔洞
20‧‧‧電極/下方電極
22‧‧‧感測範圍
24‧‧‧彈性薄膜
26‧‧‧上方電極/可移動電極
28‧‧‧上方表面
30‧‧‧下表面
32‧‧‧中央缺口局部
34‧‧‧週緣缺口局部
36‧‧‧中央薄膜局部
38‧‧‧週緣薄膜局部
40‧‧‧第一可犧牲層
42‧‧‧外露矽質
46‧‧‧第二可犧牲層
48‧‧‧氧化物膜層
50‧‧‧週緣範圍
G1、G2‧‧‧寬度
T1、T2‧‧‧厚度
X1、X2、X3‧‧‧厚度
圖1描繪一根據本揭示具有結構性缺口之電容式MEMS壓力感測器的具體實施例。
圖2描繪用以實作圖1電容式MEMS壓力感測器之基板的具體實施例在沉積該第一可犧牲層之後的截面視圖。
圖3描繪在蝕刻該第一可犧牲層以在該基板的感測範圍內構成外露矽質範圍之後的圖2基板。
圖4描繪在利用熱氧化製程以構成該第二可犧性層之後的圖3基板。
圖5描繪在既已於該等可犧牲層上沉積該磊晶沉積多晶矽帽蓋層並經拋光之後的圖4基板。
為促進瞭解本揭示原理之目的,現將參照於圖式中所描繪並且在後文書面說明中所敘述的具體實施例。然應瞭解確無意藉此限制本揭示的範疇。應進一步瞭解本揭示涵蓋對該等所述具體實施例的任何替換與修改,同時包含本揭示原理的進一步應用項目,即如熟諳本揭示所歸屬之技藝的人士能夠尋常構思者。
現參照附圖,圖1描繪一根據本揭示的教示所製造之電容式MEMS壓力感測器10的具體實施例。該感測器10含有一基板12,以及一磊晶沉積多晶矽(Epi-poly)帽蓋層14。在圖1的具體實施例裡,該基板12包含矽質基板或晶圓。在替代性具體實施例裡,該基板可包含矽上絕緣(SOI)基板。該磊晶沉積多晶矽帽蓋層14係以一支撐層16懸空於該基板12之上,藉此在該帽蓋層14與該基板12之間構成腔洞18。該腔洞18定義一對於該感測器10的電容式缺口,並且通常是按真空或接近真空所設置;因此,該壓力感測器10為絕對壓力感測器。在其他的具體實施例裡,除其他因素以外,該腔洞18是依照該壓力感測器的操作環境而定於不同於真空或接近真空的壓力位準處。
該基板12含有一電極20,此者係經構成於該基板12的一感測範圍22內,並且組態設定以作為該電容式壓力感測器10的下方電極或固定電極。該下方電極20可為依照任何適當方式所構成,像是藉由導體膜層的沉積、導體層的電性隔離、在兩個導體層之間的間隔層增置,以及對矽質基板進行摻雜植入。該基板12之下方電極20的精確實作方式是部份地依據該感測器的所欲效能特徵以及製造定義該感測器之結構所使用的製程和材料而定。
該磊晶沉積的多晶矽帽蓋層14含有磊晶沉積的多晶矽,此者可藉該支撐層16構成懸空於該下方電極20上的彈性薄膜24。此外,該磊晶沉積的多晶矽帽蓋層14的導體多晶矽可供該薄膜24作為對於該電容式壓力感測器10的上方電極或可移動電極26。該薄膜24含有上方表面28及下表面30。該上方表面係面朝離於該基板,而該下表面則面朝向於該基板並定義該腔洞的其一局部。
該磊晶沉積的多晶矽帽蓋層14係經沉積於可犧牲氧化物層上,然後予以移除俾曝出該缺口18並且釋放該薄膜24。接取開口(未予圖示)通常是經由帽蓋層所構成,藉此接取至該可犧牲氧化物以引入蝕刻材料。一旦既已移除該可犧牲氧化物並釋放該薄膜24之後,即可密封該帽蓋層14以關閉並密封該腔洞,藉此保護該感測器的構件不致受到污染。
該薄膜24之下表面30與該基板12之表面間的缺口18是在製造作業過程中由該等可犧性氧化物層所定義。即如後文詳述,該等可犧牲氧化物層是利用化學汽相沉積(CVD)與熱氧化或原子層沉積的組合所沉積在該基板上,該組合可供在基板上形成一種結構性的可犧牲氧化物層,
此覆層在該等上方及下方電極之間於該感測範圍內具有精準受控且大致均勻的厚度,而在環繞該感測範圍但並未用於感測處理的範圍裡則具有較大厚度。
現參照圖1,該結構性可犧牲層可獲得一經定義於該薄膜24與該基板12之間的結構性缺口18。該結構性缺口18含有一中央缺口局部32與一週緣缺口局部34。該中央缺口局部32是設置在該基板之感測範圍22內的下方電極20上方,並且在該基板12的表面與該薄膜24的下表面30之間具有寬度G1。該週緣缺口局部34在該基板12之感測範圍22的外部環繞該中央缺口局部32,同時其寬度G2是小於寬度G1。該寬度G1是對應於該電容式缺口在該感測器之上方與下方電極20、26間的所欲寬度。該電容式缺口的寬度G1是依照包含該感測器之所欲操作參數在內的眾多變數而定,並且通常可位在約1~1000nm之範圍內的任意處。在一具體實施例裡,當利用熱氧化作業以在該感測範圍22內沉積該可犧牲層時,此缺口寬度G1約為2μm或較小,而且在特定具體實施例中約為1μm。而當利用ALD以在該感測範圍22內沉積可犧牲層時,該缺口寬度G1則可約為100nm或更小。
該結構性可犧牲層亦可致使該薄膜層的下表面30具有一種步階式組態,此組態包含具有不同厚度的中央薄膜局部和週緣薄膜局部。該中央薄膜局部36是位於該下方電極20的正上方,並且在該等上方與下表面28、30之間具有厚度T1。而該週緣薄膜局部38環繞該中央薄膜局部36,並且其厚度T2是小於該厚度T1。該中央薄膜局部36的厚度T1可為任何適當厚度。即如其一範例,該厚度T1可為自約10nm厚至數個μm厚的範圍
內,然確可使用其他更大或更小的厚度值。該厚度T2是依照厚度T1而定,且經選定以在該週緣薄膜局部38上能夠容允一定程度的彈性,然又不致對該薄膜的結構整體性造成影響。在一具體實施例裡,根據厚度T1而定,厚度T2是在自約5nm厚至約1μm厚的範圍內。該等中央及週緣薄膜局部的厚度T1與T2可為選定以對應於一預定比例值。例如,該週緣薄膜局部38的厚度T2可經選定而為該中央薄膜局部之厚度T1的約1/2。亦可採用任何適當的比例值,即如1/5、1/4、1/3等等。
自該可犧牲氧化物層之多步驟構成作業所獲得的缺口18及薄膜24結構性組態可具備機械性和電性兩方面上的優點。例如,該薄膜24之中央局部36的厚度增大可提高薄膜的硬度,如此可獲得回應於感測器的改善線性度。該薄膜之中央局部內的所增厚度可由該薄膜24之週緣局部38內的較小厚度所移離,如此可提高彈性並有助於該薄膜之中央局部36在所施加壓力下的偏彎。位於該感測範圍22之外的較大缺口可提升強固度,這是因為能夠增加對於任何其他裝置或結構的行旅性。該感測範圍外部的較大缺口亦可獲致減少與此範圍相關聯的寄生電容。由這兩個可犧牲氧化物層級所產生的步驟亦可用以產生對於其他裝置及結構的垂直上行旅停阻。
現將參照圖2-5來說明一種用以製造具有結構性缺口和薄膜之電容式MEMS壓力感測器的製程。即如圖2所示,一第一可犧牲層40係依厚度X1構成於一矽質基板12。在一具體實施例裡,該第一可犧牲層40含有利用CVD製程所形成的矽質二氧化矽層。或另者,該第一可犧牲層40可為利用熱氧化製程所製成。在另一替代性具體實施例裡,該基板可含有SOI基板。一用於電容式壓力感測器的下方電極20係經設置在該基板12之
上或之內,並且可為依照任何適當方式所構成,像是藉由導體膜層的沉積、導體層的電性隔離、在兩個導體層之間的間隔層增置,以及對矽質基板進行摻雜植入。
現參照圖3,該第一可犧牲層40在該感測範圍22內係經微影蝕刻圖案化並且被朝下移除至該基板12,而該電極20則設置於此以構成該外露矽質42的範圍。在一具體實施例裡,該第一可犧牲層40是利用像是六氟化硫(SF6)的蝕刻劑所移除。圖3中雖未描繪,然確可對該第一可犧牲層施以其他或不同圖案,俾於完成該裝置的製造作業後能夠該基板上實作其他的3D結構。
在移除該感測範圍22內的第一可犧牲層40之後,接著可利用熱氧化製程或ALD製程以將一第二可犧牲層46沉積在該基板12上。一利用熱氧化製程以沉積第二可犧牲層46的範例可如圖4所示。即如自圖4所見,矽質的熱氧化可促使在該感測範圍22內的外露矽質上成長出精準受控的熱氧化物而達一厚度X2。同時,在該基板12上於受到該第一可犧牲層40覆蓋之基板範圍內亦形成一具有厚度X3的氧化物膜層48。然該第一可犧牲層40會顯著程度地減緩熱氧化物的成長,如此導致該氧化物膜層48在這些範圍內會遠為更薄。
可利用一種ALD製程來作為熱氧化處理的替代方法,藉以在該感測範圍內將該第二可犧牲層沉積至一精準受控的厚度。然當應用ALD時,會在該第一可犧牲層的上方而非該第一可犧牲層的下方處構成氧化物膜層,即如圖4所示者。在另一替代性具體實施例裡,可藉由利用一種即如遮罩的選擇性區域沉積技術以令該第二可犧牲層46僅沉積在該感測
範圍22上,而無須延伸入該週緣範圍內。
這項用於可犧牲層的二步驟沉積製程可在非用於按精準受控厚度進行感測的範圍之內獲得較厚的可犧牲層,藉以在對於熱氧化作業的微影蝕刻圖樣化區域裡定義缺口寬度。即如圖5所描繪者,該磊晶沉積的多晶矽帽蓋層14是沉積在該等第一及第二可犧牲層40、46的上方。該磊晶沉積的多晶矽帽蓋層14可為依照如Candleret等人在2006年12月之「Journal of Micro-Electrical Mechanical Systems,vol.15,no.6」中的「Long-Term and Accelerated Life Testing of a Novel Single-Wafer Vacuum Encapsulation for MEMS Resonators」乙文所述方式沉積。在圖5的具體實施例裡,該帽蓋層14的上方表面28係經拋光以利獲致均勻、平面性的頂部表面。
在構成該帽蓋層14之後,即可在如圖1所描繪的感測範圍22內從該帽蓋層14之下表面26與該基板12之表面間的區域移除該第二可犧牲層46。同時亦可自環繞該基板上之感測範圍22的週緣範圍50移除該等第一及第二可犧牲層40、46。此蝕刻處理可為藉由任何所欲製程所達成。在該等可犧牲層既經蝕刻並且該帽蓋層中位於該感測範圍上方的局部既經釋出之後,即如圖5所描繪者,即可密封該帽蓋層以封閉該腔洞並保護該腔洞不受污染。
自該可犧牲氧化物層的多步驟構成作業所獲之缺口及帽蓋層/薄膜結構性組態可具備機械性和電性兩方面上的優點。例如,薄膜之中央局部的厚度增大可提高薄膜的硬度,如此可獲得回應於感測器的改善線性度。該薄膜之中央局部內的所增厚度可由該薄膜之週緣局部內的較小厚度所移離,如此可提高彈性並有助於該薄膜之中央局部在所施加壓力下的
偏彎。位於該感測範圍之外的較大缺口可提升強固度,這是因為能夠增加對於任何其他裝置或結構的行旅性。該感測範圍外部的較大缺口亦可獲致減少與此範圍相關聯的寄生電容。雖未予圖示,然由這兩個可犧牲氧化物層級所產生的步驟亦可用以產生對於其他裝置及結構的垂直上行旅停阻。
雖既已於隨附圖式與前文中詳細陳述並說明本揭示,然應僅將該等視為示範性而非限制性。應瞭解前文說明僅呈現較佳具體實施例,而所有歸屬於本揭示精神的變化、修飾和進一步應用皆確為在法規保護範圍之內。
Claims (10)
- 一種製造壓力感測器的方法,其中包含:執行化學汽相沉積(CVD)製程,藉以將具有第一厚度的第一可犧牲層沉積在一基板上;將該第一可犧牲層的一局部向下移除至該基板,藉以形成外露矽質的中央範圍;執行熱氧化製程與原子層沉積製程的其中一者,藉以在該基板上構成一第二可犧牲層,而該第二可犧牲層在該中央範圍內具有第二厚度,且此第二厚度是小於該第一厚度;將一帽蓋層沉積在該等第一與第二可犧牲層上;以及自該中央範圍移除該第二可犧牲層,並且自該基板上一至少部份地環繞該中央範圍之週緣範圍移除該等第一及第二可犧牲層,藉以在該帽蓋層與該基板之間構成一接續性、結構性缺口,同時該結構性缺口在該中央範圍內具有第一寬度並且在該週緣範圍內具有第二寬度,而該第二寬度大於該第一寬度。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中該帽蓋層包含磊晶沉積的多晶矽。
- 如申請專利範圍第2項所述之方法,其中該第一可犧牲層含有二氧化矽。
- 如申請專利範圍第3項所述之方法,其中該第一可犧牲層是藉由蝕刻以自該外露矽質的中央範圍移除。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中該第二可犧牲層是利用熱氧化製程所構成,使得該第二可犧牲層含有一熱氧化物,該熱氧化物在該基板的中央範圍內係經成長至該第二厚度,並且在該基板中受該第一可犧牲層所覆蓋的範圍內則成長至一第三厚度,而該第三厚度是小於該第二厚度。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中該第二可犧牲層是利用原子層沉積製程所構成,使得該第二可犧牲層含有氧化矽,該熱氧化物在該基板的中央範圍內係經成長至該第二厚度,並且在該基板中受該第一可犧牲層所覆蓋的範圍內則成長至一第三厚度,而該第三厚度是小於該第二厚度。
- 如申請專利範圍第2項所述之方法,其中該第二厚度約為1-1000nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,其中該結構性缺口是藉由在該基板的中央範圍和該週緣範圍之內蝕刻該等第一及第二可犧牲層所形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法,進一步包含:密封該帽蓋層。
- 一種半導體裝置,其中包含:基板,此者具有平面性的上表面並且定義感測範圍以及至少部份地環繞該感測範圍的週緣範圍;用於電容式壓力感測器的下方電極,此者經形成在該基板的該感測範圍中;第一可犧牲層,此者係經沉積於該基板的該上表面上並且具有第一厚度,該第一可犧牲層只有位於該週緣範圍內;第二可犧牲層,此者是利用熱氧化製程或原子層沉積製程所沉積於該下方電極之上的該基板的該上表面上,該第二可犧牲層在該感測範圍內具有第二厚度,而該第二厚度小於該第一厚度;以及帽蓋層,此者是在該感測範圍和該週緣範圍內沉積於該等第一及第二可犧牲層上,其中該帽蓋層是磊晶沉積的多晶矽,其經建構以作為用於該電容式壓力感測器的上方電極。
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