被涂覆的电容传感器的制造方法

被涂覆的电容传感器的制造方法
【专利摘要】在一个实施例中，一种形成MEMS装置的方法包括：提供基体；在基体层之上形成牺牲层；在牺牲层上形成硅基工作部分；从牺牲层释放所述硅基工作部分，使得工作部分包括至少一个暴露外表面；在硅基工作部分的所述至少一个暴露外表面上形成第一层硅化物形成金属；以及利用第一层硅化物形成金属形成第一硅化物层。
【专利说明】被涂覆的电容传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机加工电容传感器以及制作这种装置的方法。
【背景技术】
[0002]表面微机加工用于制作许多微机电系统(MEMS)装置。通过使用表面微机加工，MEMS装置结构可使用诸如化学气相沉积的过程形成在硅基体上。这些过程允许MEMS结构包括小于数微米的层厚度和明显更大的面内尺寸。通常，这些装置包括被构造成能相对于装置的其他部分移动的部分。在这种类型的装置中，可移动的结构通常形成在材料的牺牲层上。在可移动结构形成之后，可移动结构可通过选择性地在含水氢氟酸(HF)中湿侵蚀牺牲层而被释放。在侵蚀之后，被释放的MEMS装置结构可在去离子水中漂洗，以去除侵蚀剂和侵蚀产物。
[0003]由于许多可移动结构具有大的表面积体积比，因此包这种结构的MEMS装置易于在释放过程中(释放粘合)或随后的装置使用过程中(使用粘合)产生层间或层与基体之间的粘合。这种粘合现象更普通称为静态阻力。静态阻力由于或在MEMS装置的释放后处理过程中或在随后使用时暴露给空气的过程中在硅表面上快速形成5-30埃厚的天生氧化物层而恶化。二氧化硅是亲水性的，这促使在天生氧化物表面上形成水层，当小的层间间隙暴露给高的潮湿环境下时可具有强的毛细力。而且，由于存在某些有机残留物而产生的凡得瓦尔力、氢键结合和静电力也会有助于层间吸引。这些结合力可强到足以将自由站立的释放层拉到与另一结构接触，从而引起不可取消的闭锁并会使得MEMS装置无效。
[0004]已经有人试图采用各种方法来最小化MEMS装置中的粘合。这些方法包括干燥技术、例如冷冻-升华干燥和超临界二氧化碳干燥，它们用于在释放过程中防止液体形成，从而，防止毛细塌陷和释放粘合。气相HF侵蚀通常用于减轻过程中的静态阻力。其他方法涉及通过最小化接触表面面积、设计在平面外方向上坚硬的MEMS装置以及密封封装降低静态阻力。
[0005]用于降低使用中的静态阻力和粘合问题的一种方法基于通过添加抗静态阻力涂层而对装置进行的表面修改。被修改的表面理想情况下通过添加材料涂层具有低的表面能，从而抑制被释放的MEMS装置中的使用中的粘合。绝大部分的涂覆过程的目的均是产生附着到天生二氧化硅的薄的表面层，该表面层相对于环境是疏水表面。特别地，用具有疏水尾基的自组装单分子层(SAM)涂覆MEMS装置表面已经展现出在降低使用中的粘合方面是有效的。SAM通常涉及在MEMS装置被释放之后从不含水的溶液沉积有机硅烷偶联剂、例如十八烷基三氯硅烷和全氟癸基三氯硅烷。甚至在没有抗静态阻力涂层的情况下，在硅表面上也会产生天生氧化物。
[0006]尽管采用上述各种方法，但使用中的粘合仍是MEMS装置的严重的可靠性问题。这种问题的一个方面是，即使施加了抗静态阻力涂层，底下的硅层仍可能保留各种电荷。例如，娃本身不是导体。为了将娃结构修改为导电的，一种物质掺入娃中。然而，由于功能娃层中的诱发应力，可实现的掺杂水平是有限的。因此，在制造过程中，电荷沉积在感测元件的硅表面上且电荷不立即被迁移。电荷由于用于限定各种结构的沟道形成过程而包括悬挂键。在电容式感测装置中，那些电荷可引起可靠性问题，这是因为它们不是全被束缚在本地。这些电荷具有一定的移动性，且根据温度或老化而流动。这可导致例如电容式传感器的灵敏度或误差的不良的流动效应。因此，为了不积聚表面电荷，位于所述结构的顶部上的高导电性的工作层(不是可能的W/硅)或至少高导电性的涂层是所期望的。
[0007]而且，硅的有限导电性可在包括电容式传感器的电子评估电路中产生不可接受的RC时间常数。具有例如IOpF的总电容(C)和IOkOhm的总电阻(R)的传感器元件可局限于大约IMHz的频率以下的操作。然而，在更高频率下的操作在某些应用场合下是所期望的，这是因为更高频率的操作可使传感器获得更好的信噪比性能。因此，MEMS装置中的能够实现较低的RC时间常数的增大的导电性是有益的。
[0008]因此，仍需要这样一种用于MEMS装置的可靠的涂层，其与MEMS制作过程兼容且可用于降低静态阻力、表面电荷和/或MEMS结构的电阻率。

【发明内容】

[0009]根据一个实施例，一种形成MEMS装置的方法包括:提供基体；在基体层之上形成牺牲层；在牺牲层上形成硅基工作部分；从牺牲层释放所述硅基工作部分，使得工作部分包括至少一个暴露外表面；在娃基工作部分的所述至少一个暴露外表面上形成第一层娃化物形成金属；以及利用第一层硅化物形成金属形成第一硅化物层。
[0010]在另一实施例中，一种MEMS装置包括:被释放的硅基工作部分；以及在硅基工作部分的所有本要暴露的表面上的第一硅化物层。
【专利附图】

【附图说明】
[0011]图1示出了根据本发明的原理的电容传感器装置的侧剖视图，该电容传感器装置具有硅化物层，所述硅化物层形成在所述装置的工作部分的本要暴露的表面上。
[0012]图2示出了类似于图1的装置的电容传感器装置在硅化物层形成在装置的工作部分的暴露表面上之前的侧剖视图。
[0013]图3示出了图2的装置在由硅化物形成材料构成的保护层已经沉积在装置的所有本要暴露的表面上之后的侧剖视图。
[0014]图4示出了图3的装置在退火已经在包括硅的本要暴露的表面上形成硅化物层之后的侧剖视图。
【具体实施方式】
[0015]为了更好地理解本发明的原理，现参看附图中所示的和以下文字描述中描述的多个实施例。应当理解，不是借此限制本发明的范围。还应当理解，本发明包括所示的实施例的任何替代方案和修改，且包括本发明所属【技术领域】的技术人员通常能想到的本发明的原理的其他应用。
[0016]图1中示出了 MEMS传感器100。所述MEMS传感器100包括基体102、下牺牲氧化物层104、掩埋硅层106、上牺牲氧化物层108和工作层110。基体102可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)基体或另一类型的基体。在该实施例中是硅晶片的基体102可包括一个或多个传感器100。
[0017]可热生长的下氧化物层104充当掩埋硅层106与基体102之间的绝缘层。可例如在等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapordeposition, PECVD)过程内沉积的上氧化物层108充当掩埋硅层106与工作层110之间的绝缘层。掩埋硅层106与工作层110的多个部分之间的电连通通过延伸穿过形成于上牺牲氧化物层108中的沟道的柱112/114来提供。掩埋硅层106从而通过柱112/114在形成在工作层110中的各个器件之间提供电连通。
[0018]工作层110包括电极部分116和锚固部分118，它们相对于基体102固定地定位。接触部120定位在电极部分116的上表面上。接触部120可由金属材料形成。
[0019]锚固部分118通过图1中未示出的结构支撑工作部分122。支撑结构(未示出)例如可以是悬臂。在此使用的术语“工作部分”是指在MEMS传感器100的正常操作过程中MEMS传感器100的用于相对于基体102移动的一部分。在图1的实施例中的工作部分122是在工作层110的平面内移动的电容件。在其他实施例中，工作部分可被构造成用于平面外运动。
[0020]工作部分122包括内部分124和定位在工作部分122的外表面上的硅化物层126。在图1的实施例中，附加硅化物层128、130、132和134形成在工作层110的外表面的本要暴露的部分上。术语“本要暴露”是指:器件的外表面在相关的硅化物层(或硅化物形成金属，下面将进一步进行讨论)从该外表面移除而使得器件的所有部分均不与硅化物或硅化物形成金属接触时暴露的部分。因此，工作层110的位于接触部120正下方的部分不是“本要暴露的”。同样，电极部分116的邻接掩埋硅层106且与柱112接合的下表面不是“本要暴露的”。
[0021]在图1的实施例中，硅化物层136也形成在基体102的本要暴露的部分上，硅化物层138形成在掩埋硅层106的本要暴露的部分上。硅化物层128还包括形成在掩埋硅层106的本要暴露的部分上的部分140。附加性地，硅化物层132包括部分142和部分144，它们形成在掩埋硅层106的本要暴露的部分上。
[0022]图1的装置可使用初始会产生硅基材料的可移除部分的任何期望的方法制作。示例性地，图2示出了可使用期望的制作过程制作的MEMS传感器160，其不具有任何硅化物层。MEMS传感器160包括基体162、下氧化物牺牲层164、掩埋娃层166、上牺牲氧化物层168和工作层170。
[0023]柱172/174延伸穿过形成在上牺牲氧化物层168中的沟道。柱172与电极部分176整体形成，柱174与锚固部分178整体形成。电极部分176和锚固部分178相对于基体162固定地定位。接触部180定位在电极部分176的上表面上。
[0024]锚固部分178通过图2中未示出的结构支撑工作部分182。工作部分182被构造成能在MEMS传感器160的正常操作过程中相对于基体162移动。工作部分182包括多个指状部184、186、188、190和192。每个指状部184、186、188、190和192的外表面如图2所
不完全暴露。
[0025]一旦工作部分182已经通过侵蚀上牺牲层168被释放，由硅化物形成材料构成的保护涂层就被施加到工作部分182上。产生的结构如图3中所示，其中，指状部184、186、188、190和192分别具有沉积在本要暴露的外表面上的相应的硅化物形成层部分194、196、198,200和202。每个硅化物形成层部分194、196、198、200和202是由硅化物形成材料构成的单个保护层204的一部分，该保护层204覆盖装置160的器件的每个本要暴露的部分。
[0026]硅化物形成材料是在提供热量的情况下与硅(Si)相互作用以形成包括硅化物形成材料和硅的硅化合物的材料。在该分类中一些常见金属包括镍(Ni)、钛(Ti)、钴(Co)、钥(Mo)和钼(Pt)。保护层204可由娃化物形成材料的原子层沉积(atomic layerdeposition, ALD)形成。ALD用于通过使基体依次暴露给多种不同的前体来沉积材料。典型的沉积循环通过使基体暴露给与基体表面相互作用直到饱和的前体“A”而开始。这称作“自终止相互作用”。接着，基体被暴露给与所述表面相互作用直到饱和的前体“B”。第二自终止相互作用再激活所述表面。再激活允许前体“A”与所述表面相互作用。典型地，ALD中使用的前体包括有机金属前体和氧化剂、例如水蒸汽或臭氧。
[0027]沉积循环理想地产生正在形成的一个原子层。随后，另一层可通过重复所述过程形成。相应地，保护层204的最后厚度通过基体暴露的循环次数控制。而且，使用ALD过程的沉积基本上不受材料要沉积到的特殊表面的方位影响。相应地，材料的极其均匀的厚度可在上水平表面和下水平表面以及竖直表面上实现。
[0028]在期望量的硅化物形成金属已经沉积在工作部分182的本要暴露的表面和硅化物层期望所在的任何其他包含硅的表面上之后，MEMS传感器160经受热量，例如通过执行快速的热退火(RTA)过程。进行退火的温度以及温度保持的时间基于特殊的硅化物形成材料以及期望的硅化物层的厚度确定。通常，在大约I秒至I分钟的退火持续时间下，250°C _800°C的温度是足够的。对于某些应用场合，小于450°C的退火温度是期望的。多种硅化物形成材料具有小于450°C的硅化温度。示例性地，当Ni在大约250°C的硅化温度下存在Si时用作硅化物材料时，则形成Ni2Si。
[0029]一些硅化物形成材料在硅化过程中产生体积收缩。“体积收缩”是这样一种现象:形成的硅化物的体积小于初始硅和硅化物形成材料的体积。上述金属中的每种在用于形成硅化物时均具有这种现象。示例性地，上述Ni2Si化合物比原始Si和Ni材料的体积少23%的体积。相应地，MEMS传感器160的器件的初始尺寸应在使用具有体积收缩的硅化物形成材料时基于特殊的硅化物形成材料的尺寸变化的认识进行选择。
[0030]当保护层204经受热量时，保护层204的具有可实现的硅供给的部分被转换为硅化物层，其中，消耗了保护层204的所述部分和源自邻近的具有硅的部分的一些硅。因此，在退火之后，获得了图4的结构。在图4中，硅化物部分210、212、214、216、218、220、222、224、226、228和230被形成，因为硅化物部分210-230形成时所在的表面能贡献硅。然而，保护层204的沉积在不能贡献硅的表面上的部分未被转换。因此，硅化物形成层204的部分232、234、236、238、240和242作为硅化物形成材料残留。部分232、234、236、238、240和242然后可被蚀刻掉而产生图1的装置100的结构。
[0031]上述的基本过程可以根据特殊的实施例以多种方式进行修改。示例性地，在形成的硅化物层是导电层的实施例中，硅化物层本身可用作接触部。因此，图1的实施例中的接触部120可被省去，且硅化物层128可用作接触部。
[0032]此外，不用硅化物层涂覆一些硅基器件可能是有利的。在这种实施例中，器件可被牺牲材料掩盖或覆盖，直到在硅化物形成材料被沉积之后。
[0033]尽管已经在附图和前面的描述中示出和描述了本发明，但这些本质上应理解为是说明性的而非限制性的。可以理解，仅提供了优选实施例，且期望保护落入本发明的精神内的所有变化、修改和进一步应用。
【权利要求】
1.一种形成MEMS装置的方法，包括: 提供基体； 在基体层之上形成牺牲层； 在牺牲层上形成硅基工作部分； 从牺牲层释放所述硅基工作部分，使得工作部分包括至少一个暴露外表面； 在硅基工作部分的所述至少一个暴露外表面上形成第一层硅化物形成金属；以及 利用第一层娃化物形成金属形成第一娃化物层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成第一层硅化物形成金属包括: 在所述娃基工作部分的所有暴露外表面上形成第一层娃化物形成金属。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，形成第一层硅化物形成金属包括: 通过原子层沉积(ALD)形成第一层硅化物形成金属。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括: 在形成第一硅化物层之后侵蚀硅化物形成金属的残留部分。
5.如权利要求4所述 的方法，其特征在于，形成第一硅化物层包括: 通过快速热退火(RTA)加热第一层硅化物形成金属。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,加热第一层娃化物形成金属包括: 将第一层硅化物形成金属加热到大约250°C -大约800°C的温度。
7.如权利要求5所述的方法,其特征在于,加热第一层娃化物形成金属包括: 将第一层硅化物形成金属加热到小于大约450°C的温度。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括: 通过形成第二硅化物层形成结合金属。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括: 向第一娃化物层施加有机抗静态阻力涂层。
10.一种MEMS装置，包括: 被释放的硅基工作部分；以及 在硅基工作部分的所有本要暴露的表面上的第一硅化物层。
11.如权利要求10所述的MEMS装置，其特征在于，第一硅化物层通过在被释放的硅基工作部分上的硅化物形成金属的原子层沉积(ALD)并随后退火以形成硅化物来形成。
12.如权利要求10所述的MEMS装置，其特征在于，还包括: 硅基基体，其具有位于被释放的硅基工作部分之下的本要暴露的部分；以及 位于硅基基体的本要暴露的部分上的第二硅化物层。
13.如权利要求10所述的MEMS装置，其特征在于，被释放的硅基工作部分限定在硅基工作层中，所述MEMS装置还包括: 限定在硅基工作层中的锚固部分；以及 在锚固部分的所有本要暴露的表面上的第二硅化物层。
14.如权利要求13所述的MEMS装置，其特征在于，还包括:形成在硅基工作层的结合部分的上表面上的结合垫；以及 位于结合部分的所有本要暴露的表面上的第三硅化物层。
15.如权利要求13所述的MEMS装置，其特征在于，还包括限定在硅基工作层中的结合部分；以及 位于结合部分的所有本要暴露的表面上的第三硅化物层。
16.如权利要求10所述的MEMS装置，其特征在于，还包括:施加到第一硅化物层的有机抗静态阻力 涂层。
【文档编号】B81B3/00GK103813974SQ201280045191
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2012年8月3日 优先权日:2011年8月4日
【发明者】A·费伊, J·克拉森 申请人:罗伯特·博世有限公司