一种电容压力传感器及其制造方法与流程

1.本发明涉及半导体领域，具体而言涉及一种电容压力传感器及其制造方法。


背景技术：

2.随着智能手机的普及，mems压力传感器获得了广泛的发展。
3.已知的电容式压力传感器多采用多晶硅-牺牲层-多晶硅的结构，在制作现有电容式压力传感器的过程中，往往需要释放两层多晶硅结构，并且需要对牺牲层进行腐蚀，然而，多晶硅层往往存在残余应力，释放后易出现翘曲，导致其电极性能难以保证，且多晶硅的机械特性与单晶硅相比有较大差距，另一个方面，牺牲层的腐蚀释放时间长，不利于量产。
4.为解决上述问题，本发明提供一种电容压力传感器及其制造方法。


技术实现要素：

5.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。
6.本发明为了克服目前存在问题，本发明第一方面提供了一种电容压力传感器的制造方法，包括以下步骤：
7.提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有注入层；
8.在所述注入层上依次形成氧化物层和顶硅层；
9.刻蚀所述顶硅层以形成露出所述氧化物层的深槽矩阵；
10.刻蚀所述氧化物层以形成空腔；
11.使顶硅层形成连续的硅膜以封口所述空腔。
12.示例性地，还包括在所述注入层上依次形成氧化物层和顶硅层步骤之后，以及在所述刻蚀所述顶硅层以形成深槽矩阵步骤之前的顶硅层减薄步骤。
13.示例性地，所述氧化物层的厚度为所述电容压力传感器两个极板的间距。
14.示例性地，所述深槽矩阵的关键尺寸为0.6-1um和/或所述深槽矩阵中深槽的间距为0.6-1um。
15.示例性地，所述使顶硅层形成连续的硅膜以封口所述空腔，包括高温退火步骤，所述高温退火步骤使得硅迁移从而使顶硅层形成连续的硅膜。
16.示例性地，还包括电极端形成步骤，所述电极端包括上电极端和/或下电极端。
17.示例性地，所述电极端形成步骤包括刻蚀步骤，所述刻蚀步骤包括刻蚀顶硅层以露出氧化物层，刻蚀所述氧化物层以形成开口部，并在所述开口部中形成下电极端。
18.示例性地，所述深槽矩阵作为所述刻蚀所述氧化物层以形成空腔步骤的释放孔。
19.示例性地，所述氧化物层为氧化硅层。
20.本发明的第二方面还提供了一种采用上述的制造方法制备获得的电容压力传感
器。
21.通过采用硅迁移的技术进行封口，形成连续且封闭的上电极。并且，深槽做为空腔形成过程中的释放孔，工艺简单且效率很高，能够极大的提升产能和可靠性。
附图说明
22.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，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，
23.图1为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第一步骤形成的结构示意图；
24.图2为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第二步骤形成的结构示意图；
25.图3为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第三步骤形成的结构示意图；
26.图4为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第四步骤形成的结构示意图；
27.图5为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第五步骤形成的结构示意图；
28.图6为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第六步骤形成的结构示意图；
29.图7为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第七步骤形成的结构示意图；
30.图8为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第八步骤形成的结构示意图。
具体实施方式
31.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。
32.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。
33.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。
34.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。
35.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。
36.这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。
37.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。
38.本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种电容压力传感器的制造方法，包括以下步骤：
39.提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有注入层；
40.在所述注入层上依次形成氧化物层和顶硅层；
41.刻蚀所述顶硅层以形成露出所述氧化物层的深槽矩阵；
42.刻蚀所述氧化物层以形成空腔；使顶硅层形成连续的硅膜以封口所述空腔。
43.本发明通过使用son工艺制作电容式压力传感器，采用硅迁移的技术进行封口，形成连续且封闭的上电极。上电极形成连续的硅膜，机械特性优于多晶硅薄膜，能够大大降低残余应力，避免释放后出现翘曲，从而保证良好的电极性能。并且，深槽做为空腔形成过程中的释放孔，因此刻蚀氧化物层更快，相比于在边缘开少量的孔做释放孔，工艺的效率极大地提高，同时极大的提升了产能。用这个方式实现电容式压力传感器制作，相比于传统方式，工艺简单，可靠性高。
44.其中，son(silicon-on-nothing)工艺是一项为小尺寸cmos发展的高级混合技术。son通过“空桥”结构在沟道下形成局域的绝缘体上硅。采用择优腐蚀薄外延层，在栅堆栈下
形成空洞，空洞可以是空气间隙或者充满氧化物。son在器件制备中在沟道下自对准。在某些情况下，可以采用体硅代替较昂贵的soi基片作为原始晶片，大大降低了器件成本。
45.下面将结合图1至图8描述本发明的使用son工艺制作电容式压力传感器的过程，其中，图1为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第一步骤形成的结构示意图；图2为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第二步骤形成的结构示意图；图3为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第三步骤形成的结构示意图；图4为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第四步骤形成的结构示意图；图5为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第五步骤形成的结构示意图；图6为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第六步骤形成的结构示意图；图7为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第七步骤形成的结构示意图；图8为本发明的一个实施例所示出的电容压力传感器的第八步骤形成的结构示意图。
46.如图1所示，其中为电容压力传感器的第一步骤形成的结构示意图，通过步骤101：在衬底上110上进行掺杂注入，形成注入层120，以作为所述电容压力传感器的下电极。示例性地，注入层120的电阻率小于0.01ohm/cm。
47.其中，在本发明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。在一些情况下，硅衬底可以选择为体硅衬底，其能够大大降低器件成本。
48.其中，所述注入层120为浓掺注入，所述注入示例性地可为离子注入或原子注入。
49.在其他的实施方式中，注入层120也可以轻掺杂注入，本发明对此不做限定。
50.示例性地，可以掺杂磷或者砷等，例如通入含磷或砷的气体。
51.掺杂原子或离子的浓度对材料性质影响很大，在衬底进行注入的过程中可以选择采用气相沉积法或离子束溅射法掺杂。
52.如图2所示，其中为电容压力传感器的第二步骤形成的结构示意图，通过步骤102：形成氧化物层130，以及顶硅层140。
53.其中，所述氧化物层130的厚度为电容压力传感器的两个极板之间的间距。
54.示例性地，所述氧化物层可以选择为box层，具体地，其构成材料可以包括硅氧化物(siox)，形成氧化物层的作用是为了后续形成空腔做准备，且利用部分氧化物层形成电极的开口部，使得后续形成的电极部能够与注入层120接触。
55.其中，所述氧化物层的可以为热氧化层、氮的氧化物层、化学氧化层或者其他适合的薄膜层。并且，示例性地，可以采用热氧化、化学气相沉积(cvd)、原子层沉积(ald)或者物理气相沉积(pvd)等适合的工艺形成氧化物层。
56.示例性地，顶硅层140通过键合至氧化物层130后，还包括减薄步骤，例如，顶硅层140被磨抛至1～3um。
57.其中，所述顶硅层可以选择为单晶硅层或多晶硅层，并且可以采用外延法、化学气相沉积(cvd)、原子层沉积(ald)或者物理气相沉积(pvd)等适合的工艺形成顶硅层。
58.其中，减薄步骤可以选择用物理减薄或化学减薄的方法。具体地，物理减薄过程中，可选用磨床减薄，具体的可以采用金刚砂研磨。化学减薄的过程中，可选用混酸液体，实现顶硅层的化学减薄，示例性的，混算液体可以选用氢氟酸溶液，例如稀释的氢氟酸溶液
(dhf)、缓冲氧化物蚀刻剂(buffer oxide etchant(boe))或氢氟酸缓冲溶液(buffer solution of hydrofluoric acid(bhf))。
59.如图3所示，其中为电容压力传感器的第三步骤形成的结构示意图，通过步骤103：刻蚀深槽矩阵150。
60.示例性地，可以使用图案化的光刻胶作为掩膜，刻蚀形成的深槽矩阵的关键尺寸(cd)为0.6至1um,间距在0.6至1um。
61.其中，可以使用适合的干法刻蚀去除部分所述顶硅层140以形成深槽矩阵150。
62.例如，可以选择物理性刻蚀、化学性刻蚀或物理化学性刻蚀。其中物理性刻蚀又称为溅射刻蚀。其中，可以选择反应离子刻蚀(rie
--
reactive ion etching)和高密度等离子体刻蚀(hdp)。通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀，同时兼有各向异性和选择性好的优点。
63.示例性地，所述深槽矩阵还可以选择利用等离子体刻蚀方式实现，采用不同的速率刻蚀顶硅层140。选择最佳刻蚀比，可以快速地形成深槽矩阵。
64.如图4所示，其中为电容压力传感器的第四步骤形成的结构示意图，通过步骤104：刻蚀氧化物层130，形成连续空腔160。
65.示例性地，可以利用上述在氧化物层中形成的深槽矩阵作为自对准掩膜，使用适合的干法刻蚀或者湿法刻蚀的方法去除部分所述氧化物层130，其中，较佳地，可以使用湿法刻蚀的方法去除部分的所述氧化物层130。
66.其中，可以使用适合的干法刻蚀去除部分所述氧化物层130以形成连续空腔160。
67.例如，可以选择物理性刻蚀、化学性刻蚀或物理化学性刻蚀。其中物理性刻蚀又称为溅射刻蚀。其中，可以选择反应离子刻蚀(rie
--
reactive ion etching)和高密度等离子体刻蚀(hdp)。通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀，同时兼有各向异性和选择性好的优点。
68.示例性地，所述连续空腔160还可以选择利用等离子体刻蚀方式实现。
69.本发明结合son工艺，在步骤103中形成了深槽矩阵，也称trench矩阵，因此，在步骤104中，将深槽矩阵作为释放孔，刻蚀氧化物层的速度得到大大加快，相比于在边缘开少量的孔做释放孔，工艺的效率很高，极大的提升了产能。
70.如图5所示，其中为电容压力传感器的第五步骤形成的结构示意图，通过步骤105：高温退火，通过硅迁移使顶硅形成连续的硅膜150，将空腔封口。
71.例如，所述顶层硅为硅时，通过迁移形成的所述种子层为单晶硅，在外延之后形成的外延层仍为单晶结构。在该步骤中通过退火工艺使具有孔的顶层硅迁移形成空腔，所述退火工艺在非氧气气氛下进行，例如在氢气，氮气或其他惰性气体中间进行。所述退火温度大于800℃。
72.例如所述退火工艺的条件为：反应气体：氢气；反应温度：800℃～1200℃，例如1000℃左右。
73.其中，在该步骤中，采用硅迁移的技术进行封口，上电极形成连续的硅膜，机械特性优于多晶硅薄膜，并且，能够大大降低残余应力，避免释放后出现翘曲，从而保证良好的电极性能。
74.因此，用这个方式实现电容式压力传感器制作，相比于传统方式，工艺简单，可靠
性高。
75.如图6所示，其中为电容压力传感器的第六步骤形成的结构示意图，通过步骤106：刻蚀顶硅层140露出氧化物层130。
76.其中，所露出的氧化物层为氧化物层130的一部分。
77.示例性地，在所述氧化物层130上形成图案化的掩膜层，例如光刻胶层，然后以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述氧化物层130。
78.在该步骤中，选用氢氟酸hf或稀释氢氟酸dhf进行蚀刻，其中组成为hf:h2o＝1:2-1:10，所述蚀刻温度为20-25℃。
79.如图7所示，其中为电容压力传感器的第七步骤形成的结构示意图，通过步骤107：刻蚀下电极上的氧化物层。
80.其中，刻蚀下电极上的氧化物层130以形成开口部。其中，所述下电极为注入层120。
81.示例性地，在所述氧化物层130上形成图案化的掩膜层，例如光刻胶层，然后以所述掩膜层为掩膜蚀刻所述氧化物层130以形成开口部。也可以使用上述图案化的氧化物层作为自对准掩膜来进行上述蚀刻步骤，由于不需要额外使用光刻胶层，能更好地减低工艺的复杂度和成本。
82.在该步骤中，选用氢氟酸hf或稀释氢氟酸dhf进行蚀刻，其中组成为hf:h2o＝1:2-1:10，所述蚀刻温度为20-25℃。
83.如图8所示，其中为电容压力传感器的第八步骤形成的结构示意图，通过步骤108：淀积铝并形成电极端。
84.其中，分别在上电极和下电极上形成铝电极端。
85.示例性地，上电极端160形成于顶硅层140的表面，下电极端170形成于步骤107所形成的开口部中。
86.示例性地，下电极端170与注入层120接触进而实现电性连接。
87.其中，所述上电极端和下电极端的形成方法可以选用本领域常用的方法，在此不再赘述。
88.综上所述，结合son工艺的特征，采用硅迁移的技术进行封口，形成连续且封闭的上电极。上电极形成连续的硅膜，机械特性优于多晶硅薄膜，能够大大降低残余应力，避免释放后出现翘曲，从而保证良好的电极性能。并且，son工艺所需要做trench的矩阵，深槽做为空腔形成过程中的释放孔，因此刻蚀氧化物层更快，相比于在边缘开少量的孔做释放孔，工艺的效率很高，极大的提升了产能。用这个方式实现电容式压力传感器制作，相比于传统方式，工艺简单，可靠性高。
89.本发明还提供一种采用上述方法制备获得的电容式压力传感器。
90.由于本发明的半导体器件由前述方法制备获得，因此其具有和前述实施例相同的优点。
91.本发明另一实施例中还提供了一种电子装置，包括前述的电容式压力传感器，所述电容式压力传感器根据前述的方法制备得到。
92.本实施例的电子装置，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、数码相框、照相机、摄像机、录音笔、mp3、mp4、psp等任何电子产品或设
备，也可为任何包括电路的中间产品。本发明实施例的电子装置，由于使用了上述的半导体器件，因而具有更好的性能。
93.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。