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顶部电极和底部接触电极之间的电容，以此来测量压力。

现有的压力传感器结构如图1a所示，包括：半导体基底10，半导体基底10上具有互连层11和底部接触电极12，在半导体基底10上具有压力感应层20，压力感应层20为导电材料，压力感应层20与半导体基底10围成一个空腔50，使得底部接触电极20和位于底部接触电极12上方的压力感应层20构成一对电容，当压力作用在压力感应层20上，则压力感应层20像底部接触电极12靠近，从而电容的电容值发生变化，通过测量电容值的变化可以测得压力。

如图1a所示，之后，需要在压力感应层20上形成刻蚀停止层50，并且，去除开口21上的刻蚀停止层50，以减小压力感应层20上的压力。之后，参考图1b所示，在压力感应层20上形成介质层40，介质层40中形成开口41，开口41作为压力传感器的感应区域。现有技术中的在去除刻蚀停止层50的步骤中通常会对空腔30内的器件造成损伤，从而严重影响形成的压力传感器的性能和成品率。

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，解决现有技术中对刻蚀停止层的刻蚀过程中对空腔以及压力感应层的损伤。

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；

在所述半导体基板表面形成一压力感应层，所述压力感应层与所述半导体基板之间形成一空腔，所述空腔上的所述压力感应层中具有至少一第一开口；

形成一非晶碳层，所述非晶碳层覆盖所述压力感应层，并填充部分所述第一开口；

形成一第一介质层，所述第一介质层覆盖所述非晶碳层，并完全覆盖所述第一开口；

刻蚀所述第一介质层，保留所述空腔边缘上的所述第一介质层；

以所述第一介质层为掩膜刻蚀所述非晶碳层；

形成一保护层，所述保护层覆盖所述压力感应层以及所述第一介质层；

刻蚀所述保护层，去除所述第一介质层上的所述保护层，在所述保护层中形成第二开口，所述第二开口作为压力传感器的压力传感区；

去除所述第二开口中的所述非晶碳层和所述第一介质层。

可选的，所述半导体基底包括具有控制电路的衬底以及层间介质层，所述层间介质层中形成有互连结构以及底部接触电极，所述压力感应层与所述互连结构电性连接，所述压力感应层与所述底部接触电极之间形成所述空腔。

可选的，所述第一介质层的材料为硅氧氮化合物，硅氧氮化合物的厚度为

可选的，刻蚀所述第一介质层的步骤包括：

在所述第一介质层上形成图案化的光阻；

采用等离子体刻蚀所述第一介质层，保留所述空腔边缘上的部分所述第一介质层。

可选的，采用CF4等离子体刻蚀所述第一介质层。

可选的，等离子体刻蚀所述第一介质层的同时，还刻蚀所述图案化的光阻，去除部分所述图案化的光阻。

可选的，采用O2等离子体刻蚀所述非晶碳层，保留所述第一介质层下的所述非晶碳层。

可选的，等离子体刻蚀所述非晶碳层的同时，还刻蚀所述图案化的光阻，并完全去除所述图案化的光阻。

可选的，所述非晶碳层的厚度为

可选的，采用等离子体干法刻蚀工艺去除所述第二开口中的所述第一介质层和所述非晶碳层。

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：

在所述压力传感器的制备方法中，先在压力感应层形成一非晶碳层，再在非晶碳层上形成一第一介质层，非晶碳层填充部分第一开口，而第一介质层完全覆盖住第一开口。在以图案化的光阻为掩膜，刻蚀第一介质层的过程中，非晶碳层保护压力感应层免受等离子体刻蚀的损伤。之后，以第一介质层为掩膜刻蚀非晶碳层的过程中，采用的氧气等离子体也不会对压力感应层造成损伤。此外，刻蚀非晶碳层的过程中，同时去除第一介质层上的图案化的光阻，免去了后续清洗图案化的光阻的过程，从而避免清洗溶液等杂质进行空腔。

附图说明

图1a为现有技术中为在压力感应层上形成刻蚀停止层的结构示意图；

图1b为现有技术中压力传感器的结构示意图；

图2为本发明一实施例中压力传感器的制备方法的流程图；

图3至图10为本发明一实施例中压力传感器的制备方法中器件结构的示意图。

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。

现有技术中，参考图1a所示，在刻蚀压力感应层20上的保护层40，形成压力感应区，即开口41的时候，刻蚀停止层50通常采用氧化硅，在用干法刻蚀去除氧化硅的过程中，刻蚀氧化硅的等离子体同时会损伤压力感应层20。

发明人经过试验，采用非晶碳作为刻蚀停止层，在非晶碳上形成光阻掩膜(图中未示出)，刻蚀压力感应区之外的非晶碳层。然而，由于非晶碳的封孔能力差，不能将压力感应层20中的开口21完全密封住，使得光阻掩膜会进入空腔30。并且，在后续去除光阻掩膜的过中，如果采用湿法刻蚀溶液清洗光阻掩膜时，则溶液容易进入空腔30。而干法去除光阻掩膜时，会同时去除非晶碳层，影响后续保护层的刻蚀工艺。

因此，当采用氧化硅或者非晶碳作为刻蚀停止层时，都会对压力感应层20或者空腔30产生影响，从而严重影响形成的压力传感器的性能和成品率。

本发明的核心思想在于利用非晶碳层和第一介质层的复合层作为刻蚀停止层，在以图案化的光阻为掩膜，刻蚀第一介质层的过程中，非晶碳层保护压力感应层免受等离子体刻蚀的损伤。之后，以第一介质层为掩膜刻蚀非晶碳层的过程中，采用的氧气等离子体也不会对压力感应层造成损伤。此外，刻蚀非晶碳层的过程中，同时去除第一介质层上的图案化的光阻，免去了后续清洗图案化的光阻的过程，从而避免清洗溶液等杂质进行空腔。并且在刻蚀保护层形成第二开口的压力感应区之后，利用等离子体工艺刻蚀去除刻蚀停止层，也不会损伤压力感应层。

根据上述核心思想，本发明提供的探测传感器的制备方法的流程图如图2所示，具体包括如下步骤：

步骤S11，提供一半导体基板；

步骤S12，在所述半导体基板表面形成一压力感应层，所述压力感应层与所述半导体基板之间形成一空腔，所述空腔上的所述压力感应层中具有至少一第一开口；

步骤S13，形成一非晶碳层，所述非晶碳层覆盖所述压力感应层，并填充部分所述第一开口；

步骤S14，形成一第一介质层，所述第一介质层覆盖所述非晶碳层，并完全覆盖所述第一开口；

步骤S15，刻蚀所述第一介质层，保留所述空腔边缘上的所述第一介质层；

步骤S16，以所述第一介质层为掩膜刻蚀所述非晶碳层；

步骤S17，形成一保护层，所述保护层覆盖所述压力感应层以及所述第一介质层；

步骤S18，刻蚀所述保护层，去除所述第一介质层上的所述保护层，在所述保护层中形成第二开口，所述第二开口作为压力传感器的压力传感区；

步骤S19，去除所述第二开口中的所述非晶碳层和所述第一介质层。

以下结合图3至图10，具体说明本发明的压力传感器的制备方法，图3至图10为本发明一实施例中压力传感器的制备方法中器件结构的示意图。

首先，进行步骤S11，如图3所示，提供一半导体基底100，所述半导体基底100包括具有控制电路(图中为示出)的衬底110以及位于所述衬底110上的层间介质层120，所述层间介质层120内具有互连结构121和底部接触电极122，所述底部接触电极122的厚度为0.5μm～4.0μm。另外，在半导体基底100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。其中，互连结构121可以包括栓塞和互连线，其具体的结构需要根据实际情况确定。底部接触电极122的材料选自铝、钛、锌、银、金、铜、钨、钴、镍、钽、铂这些金属其中之一或者他们的任意组合。

其次，进行步骤S12，参考图4所示，在所述半导体基板100表面形成一压力感应层300，所述压力感应层300与所述半导体基板100之间形成一空腔320，所述空腔320上的所述压力感应层300中具有至少一第一开口310，参考图3和图4中所示，在所述半导体基板100上形成空腔320的步骤包括如下过程：

参考图3所示，在所述半导体基板100上形成一牺牲层，在本实施例中，所述牺牲层例如为非晶碳，之后利用光刻、刻蚀工艺去除部分非晶碳，剩余底部接触电极板122上的非晶碳即为牺牲层200。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。

继续参考图3所示，在所述半导体基板100上形成所述压力感应层300，所述压力感应层300覆盖所述牺牲层200的顶面、侧面以及部分所述半导体基板100。所述压力感应层300还与互连结构121电性连接。本实施例中，所述压力感应层为Si_1-xGe_x，X的值在0.5到0.8之间，Si_1-xGe_x的厚度为0.5～3.0μm。

参考图4所示，在所述压力感应层300中形成所述第一开口310，并且，所述第一开口310暴露所述牺牲层200。

继续参考图4所示，通过所述第一开口310去除所述牺牲层200，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。

然后，进行步骤S13，参考图5所示，在所述压力感应层300上形成一非晶碳层410。同样的，沉积非晶碳层410的方法与沉积上述牺牲层200的方法相同，在此不作赘述。本实施例中，所述非晶碳层410的厚度例如为例如，等。并且，由于所述非晶碳层410的封孔能力较差，因此，非晶碳层410仅填充部分所述第一开口310，而难以完全填充第一开口310。

接着，进行步骤S14，继续参考图5所示，在非晶碳层410上形成第一介质层420，本实施例中，所述第一介质层420的材料为硅氧氮化合物，例如，第一介质层420可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、富硅氧化物中任意一种或者他们的任意组合，但第一介质层不限于这些材料，也可以为本领域技术人员公知的其他材料，本发明对此不做限制。硅氧氮化合物采用化学气相沉积工艺形成，并且，硅氧氮化合物的厚度为例如，等。由于硅氧氮化合物的填充性能较好，因此，硅氧氮化合物完全覆盖住所述第一开口310，从而，解决现有技术中非晶碳层410封孔能力差的问题。本发明中，非晶碳层410和第一介质层420同时作为后续刻蚀保护层时的压力感应层300的刻蚀停止层。

再次，进行步骤S15，刻蚀所述第一介质层420，形成如图6中所示的结构，仅保留作为感应区域上的第一介质层420，即空腔320边缘上的部分所述第一介质层420。在本实施例中，刻蚀所述第一介质层420的步骤包括如下过程：

参考图5所示，在所述第一介质层420上形成图案化的光阻600。具体的，在非晶碳层410上旋涂光阻，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600。需要说明的是，在形成图案化的光阻600的过程中，第一介质层420将所述第一开口310完全封住，从而可以避免光阻等杂志进入空腔320，并且，图案化的光阻600的位置为后续形成的压力传感器感应区域(第二开口)的位置。

以图案化的光阻600为掩膜刻蚀所述第一介质层420，本实施例中，采用CF₄等离子体刻蚀第一介质层420，刻蚀第一介质层420的过程中，非晶碳层410可以避免等离子体对压力感应层300的损伤。并且，CF₄离子能量较高，同时刻蚀所述图案化的光阻600，去除部分的图案化的光阻600。从而，如图6中所示，在非晶碳层410上仅保留所述空腔320边缘上的部分所述第一介质层420以及部分所述图案化的光阻600。

然后，进行步骤S16，参考图7所示，以第一介质层420和图案化的光阻500为掩膜刻蚀非晶碳层410。具体的，采用氧气等离子体刻蚀非晶碳层410。刻蚀非晶碳层410的过程中，氧气与非晶碳之间发生灰化反应，非晶碳与氧气生成二氧化碳等物质，从而去除非晶碳层，仅保留第一介质层420下方的非晶碳层410。并且，采用的氧气等离子体的能量较低，从而，不会对压力感应层300造成损伤。此外，氧气等离子体可以与图案化的光阻600反应，从而氧气等离子体还刻蚀图案化的光阻600，并可以完全去除图案化的光阻600。所以，本实施例中，不需要单独去除图案化的光阻600的步骤，从而，避免清洗图案化的光阻600的溶液进入空腔320。

进行步骤S17，参考图8所示，在所述半导体基板100上沉积保护层700，所述保护层700覆盖所述压力感应层300以及所述第一介质层420。所述保护层700例如可以为氧化硅、氮化硅等介质，保护层700用于后续保护压力传感器，防止压力传感器受到污染等。

接着，进行步骤S18，参考图9所示，刻蚀所述保护层700，去除所述非晶碳层410上的所述保护层700，在保护层700中形成暴露压力感应层300的第二开口710，从而所述第二开口720作为压力传感器的感应区域。在刻蚀所述保护层700时，非晶碳层410和第一介质层420作为压力感应层300的刻蚀停止层，保护压力感应层300。本发明中，采用非晶碳层410和第一介质层420的复合层作为刻蚀停止层，可以保护压力感应层以及空腔，提高压力传感器的性能。

最后，进行步骤S19，参考图10所示，完全去除所述第一介质层420以及所述非晶碳层310。本实施例中，可以采用等离子体干法刻蚀工艺去除，或者采用湿法刻蚀工艺，例如，采用CF₄等离子体刻蚀去除第一介质层420，接着采用O₂等离子体刻蚀去除非晶碳层410，去除非晶碳层410的过程中，O₂等离子体也不会损伤下面的压力感应层。

综上所述，本发明提供一种压力传感器的制备方法，先在压力感应层形成一非晶碳层，再在非晶碳层上形成一第一介质层，非晶碳层填充部分第一开口，而第一介质层完全覆盖住第一开口。在以图案化的光阻为掩膜，选择性刻蚀第一介质层的过程中，非晶碳层保护压力感应层免受等离子体刻蚀的损伤。之后，以第一介质层为掩膜刻蚀非晶碳层的过程中，采用的氧气等离子体也不会对压力感应层造成损伤。此外，刻蚀非晶碳层的过程中，同时去除第一介质层上的图案化的光阻，免去了后续清洗图案化的光阻的过程，从而避免清洗溶液等杂质进行空腔。

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。