压力传感器的制备方法与流程

本发明涉及微机电系统技术领域，特别是涉及一种压力传感器的制备方法。

背景技术：

微机电系统(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系统。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，压力感应层的接触不好，导致压力传感器的导电性较差。

技术实现要素：

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接触不好的问题。

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，所述半导体基板表面具有覆盖所述互连结构的上层金属层的层间介质层，且所述底部接触电极暴露在所述层间介质层之外；

形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述底部接触电极及部分所述层间介质层；

形成压力感应层，所述压力感应层覆盖所述牺牲层及剩余的层间介质层， 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，所述底壁位于所述层间介质层上；

刻蚀所述底壁以及所述层间介质层，以暴露至少部分所述上层金属层，且暴露至少部分所述底壁；以及

形成连接结构，所述连接结构覆盖暴露的上层金属层以及暴露的压力感应层。

进一步的，刻蚀所述底壁以及所述层间介质层的步骤包括：

在压力感应层上形成刻蚀停止层，使其暴露部分所述压力感应层的底壁；

刻蚀所述底壁以及所述层间介质层，暴露至少部分所述上层金属层。

进一步的，形成所述连接结构的步骤包括：

沉积连接金属层，所述连接金属层覆盖暴露的所述上层金属层、暴露的所述压力感应层的底壁以及所述刻蚀停止层；

刻蚀所述连接金属层，去除所述刻蚀停止层上的所述连接金属层；

去除所述刻蚀停止层，形成所述连接结构。

进一步的，所述刻蚀停止层的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或其任意组合，采用化学气相沉积工艺形成所述刻蚀停止层，化学气相沉积工艺采用的温度为400℃～500℃。

进一步的，所述刻蚀停止层的厚度为200nm～300nm。

进一步的，所述连接结构的材料为金属铝、钛、氮化钛中的一种或其任意组合，所述连接结构的形成温度低于所述压力感应层与所述连接结构之间形成合金的温度。

进一步的，采用物理气相沉积工艺形成所述连接结构，物理气相沉积工艺采用的温度为250℃～300℃。

进一步的，所述压力感应层的材料为锗化硅，采用等离子体增强化学气相沉积工艺形成锗化硅，等离子体增强化学气相沉积工艺的温度为400℃～450℃。

进一步的，所述上层金属层的材料为金属铝、钛、氮化钛中的一种或者其任意组合。

进一步的，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℃。

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：

本发明的压力传感器的制备方法中，在暴露出的上层金属层与暴露出的压力感应层的底壁上形成连接结构，通过连接结构实现压力感应层与上层金属层之间的电性连接。压力感应层与上层金属层、连接结构之间均不会形成合金，从而解决现有技术中压力感应层与上层金属层之间的阻值不均匀的问题，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10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，例如按照有关系统或有关商业的限制，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。

目前，压力传感器中的压力感应层需要与衬底中的互连结构电性连接，然 而，发明人发现，制备压力感应层与互连结构的金属之间易形成合金，并且，形成的合金分布不均匀，从而降低了压力感应层与互连结构之间的阻值均匀性，影响了压力传感器的性能。

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，在所述压力传感器的制备方法中，先不去除上层金属层上的层间介质层，直接沉积压力感应层，层间介质层将压力感应层与上层金属层隔绝，避免压力感应层与上层金属层之间形成合金。之后，刻蚀压力感应层以及层间介质层，暴露出部分上层金属层以及部分压力感应层的底壁。接着，在暴露出的上层金属层与压力感应层上形成连接结构，通过连接结构实现压力感应层与上层金属层之间的电性连接。连接结构的形成温度低于压力感应层与连接结构之间形成合金的温度。由此，压力感应层与上层金属层、连接结构之间均不会形成合金，解决了现有技术中压力感应层与上层金属层之间的阻值不均匀的问题，提高了压力传感器的性能。

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，所述半导体基板表面具有覆盖所述互连结构的上层金属层的层间介质层，且所述底部接触电极暴露在所述层间介质层之外；

步骤S12，形成牺牲层，所述牺牲层覆盖所述底部接触电极及部分所述层间介质层；

步骤S13，形成压力感应层，所述压力感应层覆盖所述牺牲层及剩余的层间介质层，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，所述底壁位于所述层间介质层上；

步骤S14，刻蚀所述底壁以及所述层间介质层，以暴露至少部分所述上层金属层，且暴露至少部分所述底壁；以及

步骤S15，形成连接结构，所述连接结构覆盖暴露的上层金属层以及暴露的压力感应层。

图2至图10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10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，并且，所述半导体基板10表面具有层间介质层13，所述层间介质层13用于保护互连结构11，所述层间介质层13覆盖所述互连结构11的上层金属层112，底部接触电极12暴露在所述层间介质层13之外，以作为后续压力传感器的下极板。本实施例中，所述层间介质层13为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或者他们的任意组合，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及部分所述层间介质层13上形成牺牲层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以及剩余的所述层间介质层13，所述压力感应层30包括顶壁31、底壁33和侧壁32，所述顶壁31位于所述牺牲层20上，所述侧壁32围绕在所述牺牲层 20的周围，所述底壁33位于所述层间介质层13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Si_1-xGe_x，x的取值范围在0.5到0.8之间，Si_1-xGe_x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，并且，锗化硅的沉积温度在形成该合金温度的附近，甚至高于形成该合金的温度。然而，在本实施例中，由于上层金属层112与压力感应层30之间存在层间介质层13，该层间介质层13可将铝金属与锗化硅隔绝，避免沉积锗化硅的过程中锗化硅与金属铝形成合金，影响接触性能。

再次，进行步骤S14，刻蚀所述压力感应层30以及所述层间介质层13，暴露出部分上层金属层112以及部分压力感应层30的底壁33。在本实施例中，步骤S14的步骤包括如下过程：

参考图5所示，在所述压力感应层30上形成刻蚀停止层40，刻蚀停止层40作为后续刻蚀压力感应层30的停止层和保护层。本实施例中，所述刻蚀停止层40的材料为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种或其组合。采用化学气相沉积工艺形成所述刻蚀停止层40，沉积所述刻蚀停止层40的温度为400℃～500℃，并且，沉积的所述刻蚀停止层40的厚度可以为200nm～300nm。

参考图6中所示，利用掩膜层(图中未示出)，在等离子体工艺下，刻蚀所述刻蚀停止层40，去除所述上层金属层112上的所述刻蚀停止层40，从而将所述压力感应层30的部分底壁33暴露出来。本实施例中，刻蚀停止层40为氧化硅，可以采用CF₄等离子体刻蚀所述刻蚀停止层40。若刻蚀停止层40的材料并非是氧化硅，也可以采用其他适宜的刻蚀气体，此为本领域金属人员所公知的，在此不作赘述。

参考图7所示，采用等离子体工艺继续刻蚀暴露的所述压力感应层30，去 除其下方的上层金属层112，暴露出层间介质层13。值得注意的是，为了后续过程中能够在所述压力感应层30的底壁33上形成金属互连，因此这里并不是去除所有的被刻蚀停止层暴露的压力感应层，而是利用掩膜层使得被刻蚀停止层40暴露的压力感应层30与刻蚀停止层40临近的部分在掩膜层的保护下，这样使得后续形成的暴露的层间介质层、压力感应层和刻蚀停止层为台阶结构；接着，继续刻蚀暴露的所述层间介质层13，从而暴露至少部分所述上层金属层112，从而所述压力感应层30的部分底壁33以及部分上层金属层112均暴露出来。

本实施例的图7中仅暴露了部分所述上层金属层112，可以理解的是，在本发明的其他实施例中，还可以将上层金属层112完全暴露出来。同样的，图7中仅暴露了压力感应层30的部分底壁33，在本发明的其他实施例中，还可以将压力感应层30的底壁33完全暴露出来。

最后，进行步骤S15，参考图8～10所示，沉积连接结构，所述连接结构覆盖暴露的所述上层金属层112以及暴露的所述压力感应层30的底壁33，连接结构实现上层金属层112与压力感应层30之间的电性连接。所述连接结构的材料为金属铝、钛、氮化钛中一种或其组合，并且，连接结构的形成温度低于压力感应层30与连接结构之间形成合金的温度。本实施例中，采用物理气相沉积工艺形成连接结构，物理气相沉积工艺过程中采用的温度为250℃～300℃。在此温度下，连接结构不会与暴露出来的压力感应层30之间形成合金。因此，本发明中，压力感应层30与连接结构连接的部分不会形成合金，从而在保证较好的电性连接的同时，改善压力感应层30与互连结构11之间的阻值均匀性，提高器件的性能。具体的，形成连接结构的步骤包括如下过程：

参考图8所示，沉积连接金属层51，所述连接金属层51覆盖暴露的所述上层金属层112、暴露的所述压力感应层30的底壁33以及刻蚀停止层40；

参考图9所示，刻蚀所述连接金属层51，去除所述刻蚀停止层40上的所述连接金属层51；

参考图10所示，去除所述刻蚀停止层40，形成连接结构50。

此外，本发明中，在后续的工艺步骤中，还可以去除所述牺牲层20，在压力感应层30与底部接触电极12之间形成空腔，此为本领域的技术人员可以理 解的，在此不作赘述。

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。