CN104155035B - 压力传感器的形成方法 - Google Patents

Abstract

一种压力传感器的形成方法，包括：提供半导体基底；在所述半导体基底上形成底部电极层；在所述半导体基底上形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述底部电极层；形成顶部电极层，所述顶部电极层覆盖所述牺牲层的顶面、侧面以及部分所述半导体基底；对所述顶部电极层进行激光退火处理；在所述激光处理后，在所述顶部电极层中形成贯穿所述顶部电极层厚度的开口，所述开口暴露出所述牺牲层；通过所述开口去除所述牺牲层。所述形成方法能够提高所形成的压力传感器的性能。

Description

压力传感器的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种压力传感器的形成方法。

背景技术

随着微机电***(Micro-Electro-Mechanical-System，MEMS)技术的发展，各种传感器实现了微小型化。

目前各种微小型化的传感器中应用较多的一种为MEMS压力传感器，MEMS压力传感器可以利用MEMS中的敏感薄膜接收外部压力信息，将转换出来的信号经处理电路放大，从而测量出具体的压力信息。MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子比如TPMS(轮胎压力监测***)，消费电子比如胎压计、血压计，工业电子比如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等领域。

根据压力传感器工作原理的不同，压力传感器可分为电容式、压电式、压阻式三种。其中，电容式压力传感器的测压部件为敏感薄膜，该敏感薄膜用以覆盖压力传感器自身的空腔，换言之，该敏感薄膜的一个表面承受空腔压强，另一个表面承受外界压强，相应地，其实现测压的原理为：敏感薄膜与一个与之平行的电极组成平板电容，当外界压力发生变化时，敏感薄膜由于外界压强与自身空腔内的压强存在差异而发生变形，从而使得平板电容的电容大小发生变化，通过测量平板电容的电容变化即可计算出外界压力的大小。

然而，现有压力传感器的形成方法形成的压力传感器性能不佳。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种压力传感器的形成方法，以提高所形成的压力传感器的性能。

为解决上述问题，本发明提供一种压力传感器的形成方法，包括：

提供半导体基底；

在所述半导体基底上形成底部电极层；

在所述半导体基底上形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述底部电极层；

形成顶部电极层，所述顶部电极层覆盖所述牺牲层的顶面、侧面以及部分所述半导体基底；

对所述顶部电极层进行激光退火处理；

在所述激光处理后，在所述顶部电极层中形成贯穿所述顶部电极层厚度的开口，所述开口暴露出所述牺牲层；

通过所述开口去除所述牺牲层。

可选的，所述顶部电极层的材料为多晶锗硅。

可选的，所述顶部电极层的厚度范围为

可选的，所述激光退火处理采用的激光功率范围为0.5J/cm²～10J/cm²。

可选的，所述激光退火处理采用的激光为脉冲激光，所述脉冲激光的每个脉冲周期包括激光持续时间和间隔时间，所述激光持续时间为1ns～200ns，所述间隔时间为10ns～1000ns。

可选的，所述激光退火处理在室温条件下进行，并且在氮气或氩气的气氛条件下进行。

可选的，所述顶部电极层的长度范围为40μm～100μm，宽度范围为40μm～100μm。

可选的，采用低压化学气相沉积法形成所述顶部电极层。

可选的，形成所述顶部电极层采用的温度范围为420℃～440℃。

可选的，所述半导体基底包括控制电路、第一互连结构和第二互连结构，所述底部电极层通过所述第一互连结构电连接所述控制电路，所述顶部电极层通过所述第二互连结构电连接所述控制电路。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的技术方案中，在形成顶部电极层之后，对顶部电极层进行激光退火处理，激光退火处理可以使顶部电极层达到较高的退火温度，从而使顶部电极层得到充分的退火，使顶部电极层的内应力降低至充分小的水平，消除内应力带来的不利影响；另一方面降低所形成的顶部电极层的电阻率，提高顶部电极层的导电性能。因此，两方面都能够提高所形成的压力传感器的性能。并且所述激光退火处理能够仅对顶部电极层进行退火，而不会对压力传感器的其它部分造成不利影响。

进一步，激光退火处理采用的激光功率范围为0.5J/cm²～10J/cm²。激光功率选择与顶部电极层的厚度相关。如果激光功率大于10J/cm²，激光可能透过顶部电极层，对下面的电路器件造成损害，而如果激光功率小于0.5J/cm²，则无法对顶部电极层进行充分退火，进而无法使所形成的顶部电极层满足相应的内应力水平和电阻率水平。

附图说明

图1至图10是本发明实施例所提供的压力传感器的形成方法各步骤对应的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有方法形成的压力传感器性能不佳。进一步分析原因，原来，现有方法在形成压力传感器的顶部电极层时，通常采用炉管工艺形成，然而炉管工艺形成的顶部电极层内应力较大，并且电阻率也较大。而顶部电极层作为感应压力变化的腔体(腔***于底部电极与顶部电极之间)上极板，要求它的内应力尽量的低，以便可以得到准确的压力变化值，同时要求它的电阻尽量的低，以便可以得到更好的导电特性。而如果顶部电极层内应力较大，其本身容易裂开，使压力传感器失效。即使顶部电极层不裂开，也容易产生弯曲或翘曲，从而使得腔体电容值产生变化，进而导致测出的压力变化不准确，即压力传感器性能下降。

为解决上述问题，本发明提供一种压力传感器的形成方法，所述方法提供半导体基底，在所述半导体基底上形成底部电极层，在所述半导体基底上形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述底部电极层，形成顶部电极层，所述顶部电极层覆盖所述牺牲层的顶面、侧面以及部分所述半导体基底，对所述顶部电极层进行激光退火处理，在所述激光处理后，在所述顶部电极层中形成贯穿所述顶部电极层厚度的开口，所述开口暴露出所述牺牲层，通过所述开口去除所述牺牲层。所述方法在形成顶部电极层之后，对顶部电极层进行激光退火处理，一方面使顶部电极层的内应力降低至充分小的水平，消除内应力带来的不利影响，另一方面降低所形成的顶部电极层的电阻率，从而提高压力传感器的性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供一种压力传感器的形成方法，请结合参考图1至图10。

请参考图1，提供半导体基底，所述半导体基底包括半导体衬底(未示出)和位于所述半导体衬底上的介质层100。

本实施例中，所述半导体基底还包括控制电路(未示出)、第一互连结构和第二互连结构。图1中显示第一互连结构包括互连线101和插塞102，互连线101和插塞102电连接，并且互连线101电连接至所述控制电路。第二互连结构则包括互连线104、互连线107、插塞105和插塞108。互连线104电连接插塞105，互连线107电连接插塞108，互连线104电连接所述控制电路，互连线107电连接所述控制电路。

所述半导体衬底可以是硅衬底、锗衬底、Ⅲ-Ⅴ族元素化合物衬底、碳化硅衬底或其叠层结构，也可以是绝缘体上硅结构或金刚石衬底，还可以是本领域技术人员公知的其他半导体材料衬底。本实施例中，所述半导体衬底具体为硅衬底。

本实施例中，所述半导体基底内还可以包括其他器件结构，例如放大器、数/模转换器、模拟处理电路和/或数字处理电路、接口电路等，这些器件结构的形成方法均可以为CMOS工艺。

本实施例中，所述控制电路可以为CMOS电路，介质层的材料可以为氧化硅，互连线的材料可以为铝或者铜，插塞的材料可以为铜或者钨。介质层、互连线、和插塞的形成方法为本领域人员所熟知，在此不再赘述。

本实施例中，各插塞与介质层100之间还可以形成扩散阻挡层(未标注)。扩散阻挡层可以防止各插塞中的金属材料扩散至介质层100中。

请继续参考图1，在所述半导体基底上形成底部电极层103，互连线106和互连线109，其中，底部电极层103通过第一互连结构中的互连线101和插塞102电连接至所述控制电路。而互连线106和互连线109属于所述第二互连结构的一部分。

本实施例中，底部电极层103、互连线106和互连线109均被介质层100所包围。事实上，介质层100可以为多层结构，并且可以采用多个工艺步骤形成，从而使底部电极层103、互连线106和互连线109包围在介质层100中。

本实施例中，底部电极层103的材料可以为铝、钛、锌、银、金、铜、钨、钴、镍、钽、铂这些金属其中之一或者它们的任意组合；或者，也可以为多晶硅、非晶硅、多晶锗硅、非晶锗硅这些导电(掺杂)非金属或者他们的任意组合；或者，选自所述金属、导电非金属其中之一以及他们的任意组合，并且不限于这些材料，也可以为本领域技术人员公知的其他材料。

本实施例中，互连线106和互连线109的材料可以与底部电极层103的材料相同，并且它们可以采用相同的工艺一同形成，从而节省工艺步骤。

请参考图2，刻蚀介质层100以暴露互连线和互连线。

本实施例中，可以先在介质层100上形成图案化的光刻胶(未示出)，再以光刻胶为掩模，采用反应离子刻蚀(ReactiveIonEtching,RIE)工艺刻蚀介质层100，以暴露互连线106和互连线109。

请参考图3，在所述半导体基底上形成牺牲层110，牺牲层110覆盖底部电极层103。

本实施例中，底部电极层103的顶面和侧面包围在介质层100内(即底部电极层103的顶面和侧面被介质层覆盖，整个底部电极层103位于介质层100内部)，因此，可以通过在介质层100上形成牺牲层110，从而使牺牲层110覆盖所述底部电极层103，如图3所示。

需要说明的是，在本发明的其它实施例中，当所述底部电极层形成在半导体基底之后，如果底部电极层的顶面和侧面都暴露出来时，也可以在所述底部电极层的顶面和侧面形成牺牲层，即牺牲层直接覆盖底部电极层的侧面和顶面。

需要说明的是，在本发明的其它实施例中，当所述底部电极层形成在半导体基底之后，如果底部电极层的顶面和侧面都暴露出来时，也可以形成其它介质层仅覆盖所述底部电极层的侧面，而底部电极层的顶面被暴露出来(即介质层上表面与底部电极层的顶面齐平)，此时可以直接在所述底部电极层的顶面上形成牺牲层，并且所述牺牲层可以同时覆盖部分所述介质层，即所述牺牲层的平面面积大于所述底部电极层的平面面积。

本实施例中，牺牲层110的材料可以为非晶碳，但不限于非晶碳，也可以为本领域技术人员公知的其他材料，例如光阻材料或聚酰亚胺(PI)等。可以利用化学气相沉积方法沉积非晶碳，覆盖在底部电极层103上，之后利用光刻、刻蚀工艺去除部分非晶碳，剩余覆盖底部电极层103的非晶碳，即形成牺牲层110。

请参考图4，形成顶部电极层111，覆盖牺牲层110的顶面、侧面以及部分半导体基底，部分半导体基底在图4中具体为部分介质层100(即顶部电极层111覆盖部分介质层100)。并且顶部电极层111电连接前述步骤暴露出的互连线106和互连线109，并通过由各互连线和插塞构成的所述第二互连结构电连接至所述控制电路。

本实施例中，顶部电极层111的材料需要满足形成温度低，内应力低(小于20Mpa)和导电性能好的特点。因此可以选择为多晶锗硅。需要说明的是，在本发明的其它实施例中，顶部电极层111也可以选择其它满足形成温度低，内应力低(小于20Mpa)和导电性能好的材料。

本实施例中，可以采用低压化学气相沉积法(LowPressureChemicalVaporDeposition,LPCVD)形成顶部电极层111。所述低压化学气相沉积法可以在炉管(Furnace)设备中进行。LPCVD主要优点在于具有优异的薄膜均匀度，以及较佳的阶梯覆盖能力，并且可以沉积大面积的芯片。具体的，顶部电极层111的形成过程可以为：沉积导电层(未示出)，所述导电层覆盖牺牲层110的顶面和侧面和部分介质层100，然后利用光刻工艺对所述导电层进行图形化，形成顶部电极层111。

本实施例中，形成顶部电极层111采用的温度范围为420℃～440℃。因为形成顶部电极层111时，前面的(CMOS)电路已形成，为了保证电路不受高温影响，要求后面的工艺温度不超过450℃，并且同时为了保留一定工艺窗口(以保证形成温度可以有定的浮动范围)，将温度控制在440℃以下。但是另一方面，为能够采用LPCVD沉积形成所需的顶部电极层111，需要保证温度在420℃以上。

本实施例中，为了保证顶部电极层111满足压力传感器的制作要求，设置顶部电极层111的厚度范围为顶部电极层111的长度范围为40μm～100μm，顶部电极层111的宽度范围为40μm～100μm，即顶部电极层111的面积可以为(40μm×40μm)～(100μm×100μm)。

请结合参考图4和图5，对图4所示顶部电极层111进行激光退火处理处理，直至形成图5所示顶部电极层112。

本实施例中，激光退火处理采用的激光(如图4中的箭头所示，未标注)可以为脉冲激光，每个脉冲周期中，激光持续时间可以为1ns～200ns，间隔时间可以为10ns～1000ns。激光持续时间及间隔时间以不损坏下面的电路器件(CMOS器件)为前提，具体参数由顶部电极层111的厚度决定。由于本实施例中，顶部电极层111的厚度范围为因此激光持续时间可以为1ns～200ns，以保证相应厚度的顶部电极层111升高至相应的退火温度。而间隔时间则保证了顶部电极层111在相应退火温度条件下经历足够的退火时间，从而保证退火后形成的顶部电极层112的质量达到所需要求。

本实施例中，激光退火处理采用的激光功率范围为0.5J/cm²～10J/cm²。激光功率选择与顶部电极层111的厚度相关。如果激光功率大于10J/cm²，激光可能透过顶部电极层111，对下面的CMOS器件造成损害，而如果激光功率小于0.5J/cm²，则无法对顶部电极层111进行充分退火，进而无法使所形成的顶部电极层111满足相应的内应力水平和电阻率水平。

本实施例中，激光退火处理的退火温度是由激光功率(0.5J/cm²～10J/cm²)决定。激光退火处理采用的激光波长范围可以为200nm～600nm。当激光的波长和激光退火处理的功率固定时，退火温度就基本固定。本实施具体通过控制激光的功率和波长，可以使顶部电极层111的退火温度达到1000℃～1300℃，从而使顶部电极层111得到充分的退火处理，保证最终形成的顶部电极层111内应力和电阻率都降低到较为理想的水平。并且，采用激光退火处理还有一个十分重要的原因，即激光退火处理能够对顶部电极层111单独进行，除顶部电极层111之外，其它结构不受激光退火处理的影响。

本实施例中，激光退火处理可以在室温条件下进行，并且可以在氮气或氩气气氛条件下进行，氮气或氩气能够防止退火过程中高温的顶部电极层111与氧化等氧化性气体发生反应。

请参考图6，在顶部电极层112上形成粘附层113。

本实施例中，粘附层113的材料可以为氮化硅，因为氮化硅可以增强顶部电极层112与后续形成的介质层116(请参考图9)之间的粘附作用。也就是说，形成粘附层113目的是为了增加顶部电极层112与后续形成的介质层116之间的粘附性。如果没有粘附层113，顶部电极层112与介质层之间的粘附性比较差，在压力传感器工作过程中，介质层116可能会与顶部电极层112脱离，影响压力传感器的性能和耐用性。

需要说明的是，在本发明的其它实施例中，如果顶部电极层与后续形成的介质层之间粘附性良好，则无需形成粘附层。而如果两者之间粘附性不好，则需要选择合适的材料作为两者之间的粘附层。

请参考图7，在粘附层和顶部电极层112中形成开口114，开口114暴露出牺牲层110。

本实施例中，开口114的形成过程具体可以为：利用光刻和刻蚀工艺刻蚀粘附层113和顶部电极层112，以形成贯穿粘附层113和顶部电极层112中的开口114。

请参考图8，通过开口114去除牺牲层110，在粘附层113和顶部电极层112和底部电极层103之间形成空腔115。

本实施例中，牺牲层110的材料为非晶碳，因此去除牺牲层110的方法可以为：采用等离化的氧气形成氧等离子体，再将所述氧等离子体通入开口114，在温度范围为150℃～450℃的条件下，灰化所述非晶碳。本实施例在温度范围为150℃～450℃的条件下去除非晶碳，可以保证半导体基底内的控制电路及互连结构不受损伤。

请参考图9，形成介质层116覆盖顶部电极层112和介质层110。

本实施例中，介质层116的材料同样可以为二氧化硅，其形成工艺为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。

请参考图10，在介质层116上形成两个开口117，两个开口117之间的隔离出的顶部电极层112部分作为压力传感区。

本实施例所提供的压力传感器的形成方法中，在形成顶部电极层111之后，对顶部电极层111进行激光退火处理，从而一方面使激光退火处理后顶部电极层112的内应力降低至充分小的水平，消除内应力带来的不利影响，另一方面降低所形成的顶部电极层112的电阻率，从而提高压力传感器的性能。

具体的，采用本实施例所提供的压力传感器的形成方法能够使顶部电极层112的内应力控制在5MPa以下，甚至接近于零内应力，而电阻率控制在1mΩ·cm以下，从而使相应的压力传感器性能大幅提高。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种压力传感器的形成方法，其特征在于，包括：

提供半导体基底；

在所述半导体基底上形成底部电极层；

在所述半导体基底上形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述底部电极层；

形成顶部电极层，所述顶部电极层覆盖所述牺牲层的顶面、侧面以及部分所述半导体基底；

对所述顶部电极层进行激光退火处理；

在所述激光处理后，在所述顶部电极层中形成贯穿所述顶部电极层厚度的开口，所述开口暴露出所述牺牲层；

通过所述开口去除所述牺牲层；

所述激光退火处理采用的激光功率范围为0.5J/cm²～10J/cm²。

2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述顶部电极层的材料为多晶锗硅。

3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，所述顶部电极层的厚度范围为

4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述激光退火处理采用的激光为脉冲激光，所述脉冲激光的每个脉冲周期包括激光持续时间和间隔时间，所述激光持续时间为1ns～200ns，所述间隔时间为10ns～1000ns。

5.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述激光退火处理在室温条件下进行，并且在氮气或氩气的气氛条件下进行。

6.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述顶部电极层的长度范围为40μm～100μm，宽度范围为40μm～100μm。

7.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，采用低压化学气相沉积法形成所述顶部电极层。

8.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成所述顶部电极层采用的温度范围为420℃～440℃。

9.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述半导体基底包括控制电路、第一互连结构和第二互连结构，所述底部电极层通过所述第一互连结构电连接所述控制电路，所述顶部电极层通过所述第二互连结构电连接所述控制电路。