CN106706175A - 压力传感器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种压力传感器的制备方法，包括：提供一半导体基板；形成压力感应层；在压力感应层上形成掩膜层；刻蚀压力感应层，在压力感应层的顶壁上未被掩膜层保护的区域形成开口；利用第一灰化工艺去除所述掩膜层；对刻蚀后的压力感应层进行湿法清洗；利用第二灰化工艺，通过所述开口去除牺牲层，从而通过湿法去除了之前工艺过程中产生的聚合物又化学溶液进入电容空腔，提高了电性的稳定性，改善了器件的性能。

Description

压力传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及微机电***技术领域，特别是涉及一种压力传感器的制备方法。
背景技术
微机电***(Microelectro Mechanical Systems，简称MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，是一种采用半导体工艺制造微型机电器件的技术。与传统机电器件相比，MEMS器件在耐高温、小体积、低功耗方面具有十分明显的优势。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一，它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。
压力传感器是一种将压力信号转换为电信号的微机电***。根据工作原理的不同其可分为压阻式压力传感器和电容式压力传感器。电容式压力传感器的原理为通过压力改变压力感应层和底部接触电极之间的电容，以此来测量压力。然而，现有技术的压力传感器中，压力感应层半导体衬底上的底部电极之间具有空腔，从而通过压力感应层和底部电极之间的电容变化来测量压力，然而现有技术中在形成空腔的过程中，会在压力感应层的顶部产生聚合物，该聚合物会影响后续导致压力传感器的电学特性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种压力传感器的制备方法，解决现有技术中压力感应层电学特性不好的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种压力传感器的制备方法，包括：
提供一半导体基板，所述半导体基板中形成有互连结构和底部接触电极；
形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述底部接触电极；
形成压力感应层，所述压力感应层覆盖所述牺牲层、互连结构的上层金属层及剩余的半导体基板表面，所述压力感应层包括顶壁、底壁和侧壁，所述顶壁位于所述牺牲层上，所述侧壁围绕在所述牺牲层的周围，所述底壁位于所述互连结构的上层金属层上；
在压力感应层上形成掩膜层；
刻蚀压力感应层，在压力感应层的顶壁上未被掩膜层保护的区域形成开口；
利用第一灰化工艺去除所述掩膜层；
对刻蚀后的压力感应层进行湿法清洗；
利用第二灰化工艺，通过所述开口去除牺牲层。
优选的，所述第一灰化工艺的工艺参数为：时间：20～30S/温度：170℃～300℃/功率：1000W～2000W/氧气：流量1510SCCM～3000SCCM。
优选的，所述第二灰化工艺的工艺参数为：时间：100S～150S/温度：170℃～300℃/功率：1000W～2000W/氧气流量：1510SCCM～3000SCCM/H2N2流量：140SCCM～300SCCM/CF4流量：3SCCM～8SCCM。
与现有技术相比，本发明提供的压力传感器的制备方法具有以下优点：
通过湿法去除了之前工艺过程中产生的聚合物又化学溶液进入电容空腔，提高了电性的稳定性，改善了器件的性能。
进一步的，把原来掩膜层和非晶碳一步灰化工艺改为两步，掩膜层去除用弱的灰化工艺，既去除了掩膜层又避免牺牲层的非晶碳的释放，提高了压力传感器的性能
附图说明
图1为本发明一实施例中压力传感器的制备方法的流程图；
图2至图9为本发明一实施例中压力传感器的制备过程中器件结构的剖面示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的压力传感器的制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关***或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在压力传感器的制造中，需要在压力感应层和半导体基底上的底部接触电极之间形成空腔，从而通过压力感应层和底部接触电极之间的电容变化反应压力的变化，然而现有技术中在形成空腔的过程中，会在压力感应层的顶部产生聚合物，该聚合物会影响后续导致压力传感器的电学特性。发明人经过研究发现，在现有技术中通常采用在压力感应层上形成掩膜层，然后利用掩膜层在压力感应层上刻蚀出开口，然后利用灰化同时去除压力感应层和底部接触电极之间的牺牲层和掩膜层，从而在灰化的步骤中，掩膜层会形成聚合物。但是鉴于目前的牺牲层和掩膜层的材料特性相近或相同，因此在同一灰化步骤中去除的，因此通常是采用在形成空腔之后采用湿法清洗的方法来去除聚合物，但是湿法清洗会使得清洗液进入空腔内，之后空腔内的清洗液便很难完全去除，从而大大的影响压力传感器的性能。
发明人经过研究，想到利用两步灰化的步骤，将去除掩膜层和去除牺牲层分别放在不同的灰化步骤中，从而在掩膜层灰化去除之后，采用湿法清洗去除该步骤产生的聚合物，然后再利用灰化去除牺牲层，避免了清洗液进入空腔。
参考图1所示，本发明的压力传感器的制备方法具体包括如下步骤：
步骤S11，提供一半导体基板，所述半导体基板中形成有互连结构和底部接触电极；
步骤S12，形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述底部接触电极；
步骤S13，形成压力感应层，所述压力感应层覆盖所述牺牲层、互连结构的上层金属层及剩余的半导体基板表面，所述压力感应层包括顶壁、底壁和侧壁，所述顶壁位于所述牺牲层上，所述侧壁围绕在所述牺牲层的周围，所述底壁位于所述互连结构的上层金属层上；
步骤S14，在压力感应层上形成掩膜层；
步骤S15，刻蚀压力感应层，在压力感应层的顶壁上未被掩膜层保护的区域形成开口；
步骤S16，利用第一灰化工艺去除所述掩膜层；
步骤S17，对刻蚀后的压力感应层进行湿法清洗；
步骤S18，利用第二灰化工艺，通过所述开口去除牺牲层。
图2至图9为本发明一实施例中压力传感器制备过程中器件结构的剖面示意图，以下结合图2至图9更详细的说明本发明的探测传感器及其制备方法。
首先，进行步骤S11，参考图2所示，提供一半导体基板10。
半导体基板10可以包括单晶的硅基底、锗硅基底、锗基底或本领域技术人员公知的其它半导体材料制成的基底，并且可以在基底上外延生长有多晶硅、锗或者锗硅材料，也可以外延生长有氧化硅等材料。
所述半导体基板10中内嵌有控制电路(图中未示出)、互连结构11以及底部接触电极12，所述互连结构的上层金属层112和接触电极12位于同一平面。底部接触电极12和上层金属层112的材料选自铝，但不限于铝，还可以为钛、氮化钛、银、金、铜、钨、钴、镍、钽、铂中的一种或者他们的任意组合。
需要说明的是，在半导体基底10内还可以形成有其他器件结构，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，形成这些器件结构的方法均可以为CMOS工艺。此外，互连结构11可以包括栓塞和下层金属层，其具体的结构需要根据实际情况确定，图2中的互连结构11仅起示意作用，并不对本发明做出任何限制。
其次，进行步骤S12，参考图3所示，在所述底部接触电极12和周围的半导体基板表面形成牺牲层20，所述牺牲层20后续被去除，从而在压力感应层与底部接触电极12之间形成空腔，感应电容的变化。
所述牺牲层20例如为非晶碳，形成非晶碳的方法为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺。等离子增强化学气相沉积工艺的参数例如为：温度范围为250℃～420℃，气压范围为1torr～20tort，RF功率范围为800W～2000W，反应气体包括C3H6和He，反应气体流量为1000sccm～4200sccm，其中C3H6：He的体积比例范围为2∶1～10∶1。需要说明的是，牺牲层20的材料并不限于非晶碳，也可以为本领域人员熟知的其它材料，例如二氧化硅、非晶硅、非晶锗、光阻材料、聚酰亚胺等。
接着，进行步骤S13，参考图4所示，形成压力感应层30覆盖所述牺牲层20、互连结构的上层金属层及剩余的半导体基板表面，所述压力感应层包括顶壁31、底壁33和侧壁32，所述顶壁位于所述牺牲层上，所述侧壁围绕在所述牺牲层的周围，所述底壁位于所述互连结构的上层金属层上；
所述压力感应层30的材料例如为锗化硅，可以采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或者低压化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积锗化硅。在本实施例中采用LPCVD，LPCVD的工艺参数为：温度范围为400℃-450℃，气压范围为150mtorr～200mtorr，形成的锗化硅的材料为Si1-xGex，x的取值范围在0.5到0.8之间，Si1-xGex的厚度在0.1μm～3.0μm之间。如前所述，也可以采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积锗化硅，但是优选采用LPCVD，其可以和后面的制程兼容，简化工艺。
需要说明的是，上层金属层112例如是铝金属与压力感应层30例如是锗化硅之间形成合金的温度在420℃附近，由于锗化硅的沉积温度在形成该合金温度的附近，因此在沉积锗化硅的过程中在金属铝的界面处容易形成合金，但是由于形成合金的过程不充分，从而形成的合金均匀性很差，也就是有的地方是合金，有的地方非合金，从而在界面处形成了合金和金属铝的不均匀界面，导致电阻特性很差，影响接触性能。
接着，进行步骤S14，参考图5，先在压力感应层30上形成一层光刻胶材料的光阻，然后利用光刻，在光阻中形成一些开口。具体的，可以采用旋涂光阻，光阻的厚度例如为0.1μm～3.0μm，并采用曝光、显影等步骤，形成图案化的光阻，即掩膜层600。
接着，进行步骤S15，参考图6，在掩膜层的保护下利用等离子体刻蚀工艺，刻蚀压力感应层形成所述第一开口310，并且，所述第一开口310暴露所述牺牲层20。具体的刻蚀工艺以图案化的光阻，即掩膜层600为掩膜刻蚀所述压力感应层，本实施例中，采用CF4等离子体刻蚀。并且，CF4离子能量较高，同时刻蚀所述掩膜层，去除部分掩膜层。
接着，执行步骤16，参考图7，利用灰化工艺去除掩膜层，具体的灰化工艺，时间：20～30S/温度：170℃～300℃/功率：1000W～2000W/氧气：流量1510SCCM～3000SCCM，例如在本实施例中，时间：30S/温度：270℃/功率：1500W/氧气：流量2510sccm。在该第一灰化步骤中，发明人进过研究发现会产生聚合物，该聚合物会堆积在压力感应层的表面，如果不去除，会对压力传感器的电学特性造成影响
接着，执行步骤17，参考吐8，对刻蚀后的压力感应层进行湿法清洗。
具体的，可以利用光刻之后去除光刻胶的清洗液，对刻蚀后的压力感应层进行清洗。
最后，执行步骤S18，参考图9，利用第二灰化工艺，通过所述开口去除牺牲层。所述第二灰化工艺的工艺参数为：时间：100S～150S/温度：170℃～300℃/功率：1000W～2000W/氧气流量：1510SCCM～3000SCCM/H2N2流量：140SCCM～300SCCM/CF4流量：3SCCM～8SCCM。具体在，在本实施例中，可以为，时间：150S/温度：270℃/功率：1500W/氧气流量：2510SCCM/H2N2流量：240SCCM/CF4流量：5SCCM。在所述压力感应层300和所述底部接触电极122之间形成所述空腔320。去除牺牲层200的方法为灰化工艺，即采用氧气等离子体刻蚀非晶碳，非晶碳与氧气生成二氧化碳气体，从第一开口310中挥发出去。
在此之后还可以包括在压力感应层上形成具有开口的保护层的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供一半导体基板，所述半导体基板中形成有互连结构和底部接触电极；
形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述底部接触电极；
形成压力感应层，所述压力感应层覆盖所述牺牲层、互连结构的上层金属层及剩余的半导体基板表面，所述压力感应层包括顶壁、底壁和侧壁，所述顶壁位于所述牺牲层上，所述侧壁围绕在所述牺牲层的周围，所述底壁位于所述互连结构的上层金属层上；
在压力感应层上形成掩膜层；
刻蚀压力感应层，在压力感应层的顶壁上未被掩膜层保护的区域形成开口；
利用第一灰化工艺去除所述掩膜层；
对刻蚀后的压力感应层进行湿法清洗；
利用第二灰化工艺，通过所述开口去除牺牲层。
2.如权利要求1所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述第一灰化工艺的工艺参数为：时间：20～30S/温度：170℃～300℃/功率：1000W～2000W/氧气：流量1510SCCM～3000SCCM。
3.如权利要求2所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述第二灰化工艺的工艺参数为：时间：100S～150S/温度：170℃～300℃/功率：1000W～2000W/氧气流量：1510SCCM～3000SCCM/H2N2流量：140SCCM～300SCCM/CF4流量：3SCCM～8SCCM。
4.如权利要求1所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述湿法清洗的参数为：湿法工艺化学溶液是ST-44，工艺时间是90～150分钟。
5.如权利要求1所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为非晶碳，采用等离子体增强化学气相沉积工艺形成所述牺牲层，等离子体增强化学气相沉积工艺采用的温度为400℃～500℃。
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