CN104003346B - 一种薄膜结构、压力传感器及电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种薄膜结构、压力传感器及电子装置，涉及半导体技术领域。本发明的薄膜结构，包括至少两层层叠的主体结构层，以及位于相邻的所述主体结构层之间的层间过渡层；其中，所述主体结构层的材料为导电材料，所述层间过渡层的材料为非晶态化合物。本发明的压力传感器，其包括上述的薄膜结构。本发明的电子装置，包括上述的压力传感器。相对于现有技术，本发明的薄膜结构具有更好的应力性能，更好的表面平整度，以及更小的应变梯度。本发明的压力传感器，使用了该薄膜结构，具有更好的敏感度和可靠性。本发明的电子装置，由于使用了上述压力传感器，因而亦具有更好的灵敏度和可靠性。

Description

一种薄膜结构、压力传感器及电子装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种薄膜结构、压力传感器及电子装置。

背景技术

现有技术中，传统的电容式半导体压力传感器的结构如图1所示，其包括：衬底1，位于衬底之上的固定电极5，以及位于衬底1和固定电极5的上方的可发生形变的导电的薄膜2。薄膜2通过支撑结构3固定于衬底1之上，在薄膜2与固定电极5之间形成有密闭空腔4。薄膜2与固定电极5形成一平板电容，固定电极5作为平板电容的下电极，薄膜2作为平板电容的上电极。并且，压力传感器通常还包括，薄膜晶体管（TFT）控制电路6，其一般设置于衬底1之上并与平板电容相连。在现有技术中，薄膜2通常为锗硅材料组成的单层膜。

下面，简要介绍图1所示的压力传感器的工作原理如下。当有压力施加在薄膜2（即，压力传感器的上电极）或者施加在薄膜2之上的压力发生变化时，薄膜2将发生形变，平板电容的电容将随之同时发生变化。因此，可以通过控制电路6检测平板电容的电容变化，来获悉压力传感器所受到的压力的变化。

在产业应用中，压力传感器的敏感度和可靠性是至关重要的因素。而压力传感器的敏感度和可靠性，主要取决于作为上电极的薄膜2的应力性能、应变梯度和表面平整度。

目前，采用微机电***(MEMS)技术制作的压力传感器由于具有检测灵敏度高、制造成本低等优势，得到了快速的发展。然而，随着实际应用中对压力传感器（例如，惯性传感器）的性能的要求不断的提高，现有技术中采用的用作压力传感器上电极的薄膜2已经难以满足实际需要。

在现有技术中，薄膜2为锗硅材料组成的单层膜，其厚度大约为2um。其往往存在如下问题：（1）在制造薄膜时，虽然可以通过优化工艺参数获得好的应力性能，但是，同时会导致薄膜的表面更加粗糙，降低了薄膜的表面平整度。而表面平整度的降低，必然导致在一定程度上降低压力传感器的敏感度。其中，图2示出了现有技术中在优化薄膜制造的工艺参数后制得的薄膜的表面平整度的变化情况，图2A和2B均为优化参数后制得的薄膜的SEM图，图2A示出了优化工艺参数后制得的薄膜的剖面结构的SEM图，图2B示出了优化工艺参数后制得的薄膜的表面的SEM图。（2）对于满足需要的薄膜，其应力目标值为0MPa，但允许的波动范围在±50MPa以内。现有技术中的薄膜的厚度与应力的对应关系曲线如图3所示。可见，现有技术中的薄膜的应力性能并不理想。（3）现有技术中的薄膜（即，锗硅材料组成的单层膜）的应变梯度一般比较大。

因此，为解决上述问题，有必要提出一种新的薄膜结构。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种薄膜、压力传感器及电子装置。

本发明提供一种薄膜结构，其包括至少两层层叠的主体结构层，以及位于相邻的所述主体结构层之间的层间过渡层；其中，所述主体结构层的材料为导电材料，所述层间过渡层的材料为非晶态化合物。

进一步的，所述主体结构层的材料可以为锗硅。

其中，所述层间过渡层的材料可以为氧化硅。

其中，所述至少两层层叠的主体结构层的层数优选为2~10。更优选的，层数为2~5。

其中，所述主体结构层的厚度为优选的，主体结构层的厚度为

其中，所述层间过渡层的厚度为优选的，层间过渡层的厚度为

其中，所述薄膜为通过炉管工艺制备。

本发明提供一种压力传感器，其包括上述任一项所述的薄膜结构。

其中，所述压力传感器为电容式半导体压力传感器。

本发明还提供一种电子装置，其包括如上所述的压力传感器。

相对于现有技术，本发明的薄膜结构具有更好的应力性能，更好的表面平整度，以及更小的应变梯度。本发明的压力传感器，使用了该薄膜结构，具有更好的敏感度和可靠性。本发明的电子装置，由于使用了上述压力传感器，因而亦具有更好的灵敏度和可靠性。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为现有技术中电容式半导体压力传感器的结构的示意性剖面图；

图2为现有技术中优化工艺参数后制得的薄膜的表面平整度情况示意图，其中，图2A示出了优化工艺参数后制得的薄膜的剖面结构的SEM图，图2B示出了优化工艺参数后制得的薄膜的表面的SEM图；

图3为现有技术中的薄膜的厚度与应力之间的关系的示意图；

图4为本发明的薄膜结构的示意图；

图5为本发明的薄膜的表面平整度情况示意图；其中，图5A为该薄膜一个示例的剖面结构的SEM图，图5B为该示例薄膜的表面的SEM图；

图6为本发明的薄膜的厚度与应力之间的关系的示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该规格书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

除非另外定义，在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明领域的普通技术人员所通常理解的相同的含义。还将理解，诸如普通使用的字典中所定义的术语应当理解为具有与它们在相关领域和/或本说明书的环境中的含义一致的含义，而不能在理想的或过度正式的意义上解释，除非这里明示地这样定义。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明提出的薄膜、压力传感器及电子装置。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

下面，参照图4至图6来描述本发明实施例提出的薄膜的示例性结构。其中，图4为本发明的薄膜的结构示意图；图5为本发明的薄膜的表面平整度情况示意图，其中，图5A为该薄膜一个示例的剖面结构的SEM图，图5B为该示例薄膜的表面的SEM图；图6为本发明的薄膜的厚度与应力之间的关系的示意图。

本发明实施例提供一种薄膜结构（简称薄膜），该薄膜主要用于压力传感器（例如，电容式半导体压力传感器），作为压力传感器的上电极。

本发明实施例的薄膜，包括至少两层层叠的主体结构层，以及位于相邻的主体结构层之间的层间过渡层，其中，主体结构层的材料为导电材料，优选为锗硅（SiGe）薄膜。层间过渡层的材料为非晶态化合物，优选为氧化硅。

图4A示出了本发明实施例的薄膜的一个示例，该薄膜包括层叠的两层主体结构层401和位于它们之间的层间过渡层402。

图4B示出了本发明实施例的薄膜的另一个示例，该薄膜包括层叠的三层主体结构层401，以及相邻的主体结构层之间的两个层间过渡层402。

在本发明实施例中，可以根据实际需要，对每个薄膜结构中的主体结构层的数量进行设定。在保证整体性的前提下，来达到降低应力梯度的目的。优选的，主体结构层的数量为2~10。此时，可以在保证薄膜结构具有较小的晶粒尺寸和较好的表面平整度的情况下，节省工艺时间。如果层数过多，虽然可以更好的控制应力梯度，但也意味着整体性会更差，在重复的机械运动后***破损的风险更大。如果层数过少，虽然整体性相对会好一些，但调解控制整体梯度的能力会相对较差。更优选的，主体结构层的数量为2~5。

其中，主体结构层的厚度是需要根据实际器件设计而定的，一般地，主体结构层的厚度为优选采用锗硅作为主体结构层。优选的，主体结构层的厚度为

其中，层间过渡层的厚度为为了保证薄膜整体的导电性，层间过渡层的这一厚度不能太厚，否则会绝缘，同时也会影响薄膜的整体性。优选的，层间过渡层的厚度为

本发明实施例的薄膜，可以采用炉管工艺（furnace process）制备，即每一层主体结构层的形成均采用炉管工艺。优选的，当选用锗硅材料作为主体结构层来制备本发明实施例的薄膜时，采用低压、低温、低气体流量以及高的锗组分。

本发明实施例的薄膜，由于将现有技术中的单层膜通过多层主体结构层的叠层结构的形式来实现，可以更好地调节晶粒的微观结构（即，使晶粒的微观结构得到平衡），限制晶粒尺寸的平均大小，使得薄膜具有更好的表面平整度。示例性的，图5B示出了本发明的薄膜（主体结构层为3层的情况）的表面平整度情况的示意图（SEM图），与现有技术（图2B）相比，显然本发明实施例的薄膜的晶粒尺寸更小，表面平整度更好。

同时，由于晶粒的微观结构得到平衡，可以使得薄膜具有更好的应变梯度均匀性，且应变梯度得到降低。

图6为本发明的薄膜（主体结构层为3层的情况）的厚度与应力之间的关系的示意图。显然，相对于图3本发明实施例的薄膜的应力性能更优。

图5和图6显示，本发明实施例的薄膜结构可以获得更小的晶粒尺寸以及更统一的应力分布。经实验我们可以发现，这一结构的薄膜的应变梯度大约为2×10^-4μm^-1。与现有技术中的单层膜相比，这一叠层结构的薄膜的应变梯度的绝对值更小。并且，随着层数的增加（即，主体结构层层数的增加），可以获得更好的晶粒尺寸以及更统一的应力分布。

简言之，本发明的薄膜相对于现有技术，具有更好的应力性能，更好的表面平整度，以及更小的应变梯度。因此，将这一薄膜应用于压力传感器时，将有效改善压力传感器的敏感度和可靠性。本领域的技术人员可以理解，本发明实施例的薄膜，也可以应用于其他需要导电薄膜的场合，而不局限于电容式压力传感器。

本发明实施例还提供一种压力传感器，该压力传感器使用了上述的薄膜。本发明实施例的压力传感器，并不限于电容式压力传感器，可以为使用了上述的薄膜的任意形式的压力传感器，如电阻式压力传感器。优选的，该压力传感器为电容式半导体压力传感器。上述的薄膜作为电容式半导体压力传感器的电极。本实施例的压力传感器，由于使用了本实施例的上述薄膜，因而具有更好的敏感度和可靠性。

进一步的，本发明实施例还提供一种电子装置，该电子装置使用了上述的压力传感器。本实施例的电子装置，可以为消费电子、水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等各个行业中所使用的通过电能驱动的装置，凡是使用了上述的压力传感器的电子装置，均落入本发明的保护范围。本实施例的电子装置，由于使用的压力传感器具有更好的敏感度和可靠性，因而其亦具备更好的灵敏度和可靠性。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (13)

1.一种可发生形变的导电薄膜结构，其特征在于，包括至少两层层叠的主体结构层，所述主体结构层的材料为导电材料，以及位于相邻的所述主体结构层之间的层间过渡层，所述层间过渡层的材料为非晶态化合物，以使所述导电薄膜结构具有更好的表面平整度和更小的应变梯度。

2.如权利要求1所述的导电薄膜结构，其特征在于，所述主体结构层的材料为锗硅。

3.如权利要求1所述的导电薄膜结构，其特征在于，所述层间过渡层的材料为氧化硅。

4.如权利要求1至3任一项所述的导电薄膜结构，其特征在于，所述至少两层层叠的主体结构层的层数为2～10。

5.如权利要求4所述的导电薄膜结构，其特征在于，所述至少两层层叠的主体结构层的层数为2～5。

6.如权利要求1至3任一项所述的导电薄膜结构，其特征在于，所述主体结构层的厚度为

7.如权利要求6所述的导电薄膜结构，其特征在于，所述主体结构层的厚度为

8.如权利要求1至3任一项所述的导电薄膜结构，其特征在于，所述层间过渡层的厚度为

9.如权利要求8所述的导电薄膜结构，其特征在于，所述层间过渡层的厚度为

10.如权利要求1至3任一项所述的导电薄膜结构，其特征在于，所述薄膜通过炉管工艺制备。

11.一种压力传感器，其特征在于，包括权利要求1至10任一项所述的导电薄膜结构。

12.如权利要求11所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器为电容式半导体压力传感器。

13.一种电子装置，其特征在于，包括权利要求11或12所述的压力传感器。