CN105329837A - 一种半导体器件及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体器件及电子装置，所述半导体器件包括：基底；位于所述基底上的层间介电层；位于所述层间介电层内的压力传感器底部电极；位于所述底部电极上方的压力传感器空腔；位于所述压力传感器空腔上方并覆盖部分所述层间介电层的感应膜；位于所述层间介电层和所述感应膜上方的覆盖层，其中所述覆盖层中还形成有开口，暴露部分所述感应膜；至少位于所述开口底部并覆盖于所述感应膜之上的高热膨胀系数材料层。本发明的优点在于：通过在敏感电容的感应膜表面上覆盖一层高热膨胀系数的材料，可减少环境温度变化引起的敏感电容的变化，同时敏感电容基本结构没有变化，而且对压力的敏感性也不会受到影响，进而提高了器件的可靠性和良率。

Description

一种半导体器件及电子装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种半导体器件及电子装置。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，在运动传感器(motionsensor)类产品的市场上，智能手机、集成CMOS和微机电***(MEMS)器件日益成为最主流、最先进的技术，并且随着技术的更新，这类传动传感器产品的发展方向是规模更小的尺寸，高质量的电学性能和更低的损耗。
其中，MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS、发动机机油压力传感器、汽车刹车***空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机共轨压力传感器；消费电子：如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器、空调压力传感器、洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；工业电子：如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。
一般MEMS电容式压力传感器包括敏感电容Cs和参考电容Cr，然而两者对温度变化的线性不一致，导致设计过程中无法给两者设定一个统一的补偿(offset)，致使最终测试的数据有误差，即产品的可靠性存在问题。图1A示出了常见电容式压力传感器的敏感电容的剖面示意图，图1B示出了常见电容式压力传感器的参考电容的剖面示意图，由图可以看出两种电容结构上存在差异，这种差异导致敏感电容更易受环境温度的影响，敏感电容的空腔中的气体易受到环境温度的影响而热胀冷缩，从而导致Cs发生变化。
因此，为了解决上述技术问题，有必要提出一种新的半导体器件。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了克服目前存在问题，本发明实施例一提出一种半导体器件，包括：基底；位于所述基底上的层间介电层；位于所述层间介电层内的压力传感器底部电极；位于所述底部电极上方的压力传感器空腔；位于所述压力传感器空腔上方并覆盖部分所述层间介电层的感应膜；位于所述层间介电层和所述感应膜上方的覆盖层，其中所述覆盖层中还形成有开口，暴露部分所述感应膜；至少位于所述开口底部并覆盖于所述感应膜之上的高热膨胀系数材料层。
进一步，所述感应膜的材料包括硅或者锗硅。
进一步，所述高热膨胀系数材料层分布于所述感应膜的边缘。
进一步，所述高热膨胀系数材料层呈环状分布于所述感应膜的边缘。
进一步，所述高热膨胀系数材料层的热膨胀系数大于所述感应膜的热膨胀系数。
进一步，所述高热膨胀系数材料层的热膨胀系数大于5.0ppm/K。
进一步，所述高热膨胀系数材料层的材料包括金属材料。
进一步，所述金属材料为金属铝。
进一步，所述高热膨胀系数材料层的厚度小于所述感应膜的厚度。
本发明实施例二提供一种电子装置，包括至少一个半导体器件，所述半导体器件包括：基底；位于所述基底上的层间介电层；位于所述层间介电层内的压力传感器底部电极；位于所述底部电极上方的压力传感器空腔；位于所述压力传感器空腔上方并覆盖部分所述层间介电层的感应膜；位于所述层间介电层和所述感应膜上方的覆盖层，其中所述覆盖层中还形成有开口，暴露部分所述感应膜；至少位于所述开口底部并覆盖于所述感应膜之上的高热膨胀系数材料层。
综上所述，根据本发明实施例中压力传感器敏感电容的结构，具有以下优点：通过在敏感电容的感应膜表面上覆盖一层高热膨胀系数的材料，可减少环境温度变化引起的敏感电容的变化，同时敏感电容基本结构没有变化，而且对压力的敏感性也不会受到影响，进而提高了器件的可靠性和良率。
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1A为常见电容式压力传感器的敏感电容的剖面示意图；
图1B为常见电容式压力传感器的参考电容的剖面示意图；
图2A为本发明实施例一中压力传感器的敏感电容的剖面示意图；
图2B为本发明实施例一中高膨胀系数材料层呈环状分布时的俯视图；
图2C为根据本发明实施一中压力传感器遇冷时感应膜的受力情况示意图；
图2D为根据本发明实施一中压力传感器遇热时感应膜的受力情况示意图。
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。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
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”，当在该说明书中使用时，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。
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技术方案。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。
实施例一
下面，参照图2A-2D对本发明的压力传感器的敏感电容结构做进一步的说明。
如图2A所示，提供一电容式压力传感器的敏感电容结构，包括基底200，所述基底200中形成有CMOS器件。
所述基底200至少包含半导体衬底，其中所述半导体衬底可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。所述半导体衬底中还形成有有源器件和/或无源器件，其中所述有源器件和无源器件的种类以及数目可以根据具体需要进行选择，并不局限于某一种。
所述压力传感器的敏感电容结构还进一步包括层间介电层201，所述层间介电层201位于所述基底200的上方，所述层间介电层可以使用氧化物或者氮化物，例如所述层间介电层可以使用例如SiO2、碳氟化合物(CF)、SiN、掺碳氧化硅(SiOC)或碳氮化硅(SiCN)等。示例性地，在本发明的一具体实施方式中选用SiO2，但并不局限于该实例。
其中，所述压力传感器的敏感电容结构包括位于中心部位的传感区域以及位于所述传感区域外侧的金属互连区域。
在所述层间介电层201中的传感区域中形成有底部电极202，所述底部电极202选用金属Al，但并不局限该材料，还可以选用本领域常用的其他材料，可以根据实际需要进行选择。
在一个示例中，在所述底部电极202的下方还形成有若干金属层，所述底部电极202与所述若干金属层之间，以及所述若干金属层之间通过金属通孔相互连接，其中最底层的金属层直接和所述基底200中的CMOS器件相连接，以实现所述底部电极202和所述CMOS器件200的连接。可选地，所述若干金属层选用金属Al，所述金属通孔选用金属W，但是并不局限于所述材料。
其中在所述层间介电层201中所述底部电极202外侧的金属互连区中还形成有顶部电极互连结构208，所述顶部电极互连结构208的一端连接所述基底200中的CMOS器件，所述顶部电极互连结构208的另一端连接感应膜。可选地，所述顶部电极互连结构208包括若干金属层，所述若干金属层之间通过通孔连接。其中，所述顶部电极互连结构208中的顶部金属层与感应膜相连接，所述顶部电极互连结构208中的底部金属层与所述基底200中的CMOS器件相连接。进一步，所述若干金属层选用金属Al，所述金属通孔选用金属W，但是并不局限于所述材料。
在所述传感区域中所述底部电极的上方还形成有压力传感器空腔203，所述压力传感器空腔用于形成所述压力传感器中电容的电介质，位于底部电极和顶部电极之间。
所述电容式压力传感器的敏感电容结构还包括感应膜204，位于所述压力传感器空腔203上方并覆盖部分所述层间介电层201。其中，所述感应膜204在外界的压力变化时引起形变，其相当于所述压力传感器中电容的上极板，所述感应膜204发生形变之后和所述底部电极202之间的距离发生变化，从而引起电容的变化，进而得到压力的变化，实现对压力的传感。可选地，所述感应膜204包括Si或SiGe的化合物。
电容式压力传感器的敏感电容结构还包括覆盖层205，位于所述层间介电层201和感应膜204的上方，填充感应膜204上的多个开口，其中所述覆盖层205中形成有开口206，暴露部分所述感应膜204。所述覆盖层205的材料选自氮化物，在一个示例中，所述覆盖层的材料包括氮化硅。
电容式压力传感器的敏感电容结构还包括高热膨胀系数材料层207，至少位于所述开口206底部覆盖于所述感应膜204之上。可选地，所述高热膨胀系数材料层207还可进一步覆盖整个覆盖层205的上表面和开口206的侧壁。高热膨胀系数材料层207分布于感应膜204的外部边缘区域，例如，以环状形式分布，如图2B所示。在此对高膨胀系数材料层的形状不作具体限制，可根据实际需要进行调整，还可以为矩形、多边形或椭圆形等。
进一步，高热膨胀系数材料层的热膨胀系数必须大于感应膜的热膨胀系数。在一个示例中，感应膜的材料为Si0.4Ge0.6,其热膨胀系数范围为4.2～5.0ppm/K，则可选择热膨胀系数大于5.0ppm/K的材料作为高热膨胀系数材料层的材质。
进一步，高热膨胀系数材料层的材料可以为金属材料，例如金属铝(热膨胀系数23.1ppm/K)。但并不限于此，还可以包括其他高热膨胀系数材料，例如铜、金、镁、锰、铂、银、钛、锌、锡、钨等金属中的一种或几种的合金。
进一步，高热膨胀系数材料层的厚度小于感应膜的厚度。在一个示例中，高热膨胀系数材料层的厚度小于4000埃。具体地，根据实际情况可进行调整，在此不作具体限制。
在本发明一个具体实例中，在感应膜SiGe的边缘覆盖一层金属铝膜，由于Al的热膨胀系数远大于SiGe，当环境温度变化时Al对SiGe的变化会有一个抑制的作用，因此能弱化Cs的变化。如图2C所示，当环境温度低时，敏感电容空腔203内的气体遇冷收缩，感应膜会产生如感应膜204a所示的变形，而根据本发明示例性实施例的器件，在感应膜的边缘覆盖一层金属铝膜，空腔内空气由于在遇冷收缩时，感应膜会受到金属铝膜的拉力，抑制其变形。如图2D所示，当环境温度高时，敏感电容空腔203内的气体遇热膨胀，导致感应膜产生如感应膜204b所示的变形，而金属铝膜的存在，会对感应膜产生一个压力，抑制其变形，因此能弱化Cs的变化，进而提高器件的可靠性。
综上所述，根据本发明实施例中压力传感器的敏感电容的结构，具有以下优点：通过在敏感电容的感应膜表面上覆盖一层高热膨胀系数的材料，可减少环境温度变化引起的敏感电容的变化，同时敏感电容基本结构没有变化，而且对压力的敏感性也不会受到影响，进而提高了器件的可靠性和良率。
实施例二
本发明还提供一种电子装置，其至少包括一个实施例一中所述的半导体器件，所述半导体器件包括：基底；位于所述基底上的层间介电层；位于所述层间介电层内的压力传感器底部电极；位于所述底部电极上方的压力传感器空腔；位于所述压力传感器空腔上方并覆盖部分所述层间介电层的感应膜；位于所述层间介电层和所述感应膜上方的覆盖层，其中所述覆盖层中还形成有开口，暴露部分所述感应膜；至少位于所述开口底部并覆盖于所述感应膜之上的高热膨胀系数材料层。
由于包括的半导体器件具有更高的良率和可靠性，该电子装置同样具有上述优点。
该电子装置，可以是手机、平板电脑、笔记本电脑、上网本、游戏机、电视机、VCD、DVD、导航仪、照相机、摄像机、录音笔、MP3、MP4、PSP等任何电子产品或设备，也可以是具有上述半导体器件的中间产品，例如：具有该集成电路的手机主板等。
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 (10)

1.一种半导体器件，包括：
基底；
位于所述基底上的层间介电层；
位于所述层间介电层内的压力传感器底部电极；
位于所述底部电极上方的压力传感器空腔；
位于所述压力传感器空腔上方并覆盖部分所述层间介电层的感应膜；
位于所述层间介电层和所述感应膜上方的覆盖层，其中所述覆盖层中还形成有开口，暴露部分所述感应膜；
至少位于所述开口底部并覆盖于所述感应膜之上的高热膨胀系数材料层。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述感应膜的材料包括硅或者锗硅。
3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述高热膨胀系数材料层分布于所述感应膜的边缘。
4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述高热膨胀系数材料层呈环状分布于所述感应膜的边缘。
5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述高热膨胀系数材料层的热膨胀系数大于所述感应膜的热膨胀系数。
6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述高热膨胀系数材料层的热膨胀系数大于5.0ppm/K。
7.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述高热膨胀系数材料层的材料包括金属材料。
8.根据权利要求7所述的器件，其特征在于，所述金属材料为金属铝。
9.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述高热膨胀系数材料层的厚度小于所述感应膜的厚度。
10.一种电子装置，其特征在于，包括至少一个半导体器件，所述半导体器件包括：基底；位于所述基底上的层间介电层；位于所述层间介电层内的压力传感器底部电极；位于所述底部电极上方的压力传感器空腔；位于所述压力传感器空腔上方并覆盖部分所述层间介电层的感应膜；位于所述层间介电层和所述感应膜上方的覆盖层，其中所述覆盖层中还形成有开口，暴露部分所述感应膜；至少位于所述开口底部并覆盖于所述感应膜之上的高热膨胀系数材料层。
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