CN105819393B

CN105819393B - 改善惯性传感器中金属损失的方法

Info

Publication number: CN105819393B
Application number: CN201510006098.6A
Authority: CN
Inventors: 倪梁; 汪新学
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2015-01-06
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2035-01-06
Also published as: CN105819393A

Abstract

本发明提供一种改善惯性传感器中金属损失的方法，通过在MEMS器件的键合工艺之前，先在器件表面制备一层有机物薄膜，以作为后续硅通孔刻蚀工艺中的保护层，保护其下方的金属层不被过刻蚀，并且，在硅通孔刻蚀工艺完成之后，能够通过氧气等离子体工艺将剩余的位于器件传感区域开口中的有机物薄膜去除，从而保证了金属层的完整性，减少了金属损失，同时又不影响最终所形成的传感器的灵敏度。

Description

改善惯性传感器中金属损失的方法

技术领域

本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及一种改善惯性传感器中金属损失的方法。

背景技术

微电子机械系统(MEMS)需要较高的高宽比、较好的垂直形貌、较好的特征尺寸控制以及刻蚀的均匀性，从而满足器件的需求。

基于上述原因，在一些器件中，需要将大约100nm厚的硅层刻穿至下方的氧化物凹槽，并且停止于氧化物凹槽下方的金属层暴露的表面上。所以，通常需要产生20％的过刻蚀，从而保证100um硅通孔的刻穿，而用于形成这些过刻蚀的致密的等离子体会加载至氧化物和金属层之间的界面上，从而造成金属层的损失。

对于金属层的损失，其通常会影响后续的化学气相沉积工艺(CVD)和及钨的沉积，从而影响导电率。

为了解决上述的问题，目前业界一般采用的方法是，在MEMS键合工艺前，先在器件表面覆盖一层薄的氧化物，通常为SiO₂，使其作为后续硅通孔刻蚀工艺(TSV)中的金属层的保护层。但是，由于在后续的形成传感区的通孔后，覆盖于器件传感区部分的氧化物并不能完全被去除，所以会导致最终的器件的灵敏度降低。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种改善惯性传感器中金属损失的方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案为：

一种改善惯性传感器中金属损失的方法，其中，包括：

步骤S1、提供一待进行MEMS传感器键合工艺的半导体结构，所述半导体结构包括氧化物层和嵌入所述氧化物层设置的金属层，所述氧化物层中设置有接触区域开口和传感区域开口，且所述接触区域开口和所述传感区域开口将下方的所述金属层的部分表面暴露；

步骤S2、在所述半导体结构的表面制备一层有机物薄膜，以覆盖暴露的所述氧化物层和暴露的所述金属层；

步骤S3、去除覆盖于所述氧化物层的顶部表面的有机物薄膜；

步骤S4、在去除有机物薄膜的氧化物层的顶部表面键合一硅层；

步骤S5、通过光刻工艺和刻蚀工艺在所述硅层中形成与所述接触区域开口连通的通孔；

步骤S6、通过刻蚀工艺，在位于所述传感区域开口上方的硅层中形成若干通孔；

步骤S7、去除位于传感区域开口和接触区域开口内剩余的所述有机物薄膜。

所述的方法，其中，所述步骤S5具体包括：

制备光刻胶覆盖所述硅层的表面；

通过曝光、显影在所述光刻胶中形成开口，所述开口位于所述接触区域开口的上方；

以形成有开口的光刻胶为掩膜对所述光刻胶进行刻蚀，形成所述通孔。

所述的方法，其中，所述有机物薄膜为无定形碳薄膜、底部抗反射薄膜或光刻胶薄膜。

所述的方法，其中，所述氧化物层的材质为二氧化硅。

所述的方法，其中，所述硅层的厚度为25～100um。

所述的方法，其中，步骤S7中，通过氧气等离子体灰化工艺去除剩余的所述有机物薄膜。

所述的方法，其中，剩余的所述有机物薄膜的厚度小于2um。

所述的方法，其中，所述金属层的材质为铝。

所述的方法，其中，所述氧化物层和所述金属层设置于一硅衬底的上方。

所述的方法，其中，还包括：

步骤S8、在步骤S5中的通孔内填充金属。

所述的方法，其中，步骤S8中，采用电镀工艺在步骤S5中的通孔内填充金属。

所述的方法，其中，在步骤S5中的通孔内填充的金属为钨。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明方法通过在MEMS器件进行键合工艺之前，先制备一层有机物薄膜覆盖在MEMS器件的表面，以作为后续硅通孔刻蚀工艺中的保护层，保护下方的金属层不被过刻蚀，并且，在硅通孔刻蚀工艺完成之后，能够通过氧气等离子体灰化工艺将剩余的位于器件传感区中的有机物薄膜去除，从而既保证了金属层的完整性，同时又不影响最终传感器的灵敏度。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1～图9是本发明方法中依次经过每个工艺步骤后的器件结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种改善惯性传感器中金属损失的方法，主要利用有机物薄膜既能够充当硅通孔刻蚀工艺中的保护层，又便于在硅通孔刻蚀工艺完成后去除的这一特性，以改善传感器中的金属损失，同时又不影响器件的灵敏度。

本发明主要包括以下步骤：

步骤S1、提供一待进行MEMS传感器键合工艺的半导体结构，半导体结构包括氧化物层和嵌入氧化物层设置的金属层，氧化物层中设置有接触区域开口和传感区域开口，且接触区域开口和传感区域开口将下方的金属层的部分表面暴露；

步骤S2、在MEMS传感器的表面制备一层有机物薄膜，以覆盖暴露的氧化物层和暴露的金属层；

步骤S3、去除覆盖于氧化物层的顶部表面的有机物薄膜；

步骤S5、通过光刻工艺和刻蚀工艺在硅层中形成与接触区域开口连通的通孔；

步骤S6、通过刻蚀工艺，在位于传感区域开口上方的硅层中形成若干通孔；

步骤S7、去除位于传感区域开口和接触区域开口内剩余的有机物薄膜。

下面结合具体实施例和附图对本发明方法进行详细说明。

首先，提供一待进行MEMS传感器键合工艺的半导体结构，如图1所示，该MEMS传感器中包含一硅衬底1，在该硅衬底上1设置有氧化物层2和金属层3，金属层3内嵌于该氧化物层2内，且在该氧化物层2中设置有传感区域开口21和接触区域开口22，并通过该传感区域开口21和接触区域开口22暴露出下方的部分金属层3。在本实施例中，上述的氧化物层2的材质为SiO₂，且上述金属层3的材质为铝，本领域的技术人员应该了解，上述的氧化物层2的材质并不限于SiO₂，上述的金属层3的材质并不限于铝。

然后，如图2所示，在上述的半导体结构表面制备一层有机物薄膜4，从而覆盖上述氧化物层2的表面和暴露的金属层3的表面。在该步骤中，该有机物薄膜4可以是无定形碳薄膜(A-C)，也可以是底部抗反射层(BARC)，也可以是光刻胶(PR)等。

接着，如图3所示，部分去除上述的有机物薄膜4，使得位于上述氧化物层2顶部的有机物薄膜4被完全去除，位于上述传感区域开口21和接触区域开口22内的有机物薄膜4’被保留一定的厚度，该厚度不易过薄，以至少能够抵御后续20％过刻蚀为宜，同时其也不能过厚，不宜超过上述的传感区域开口21和接触区域开口22的深度(一般为2um)。

随后，如图4所示，对经过上述步骤的半导体结构进行MEMS传感器键合工艺，具体的，在器件中的氧化物层2的顶部键合一硅层5，该硅层5的厚度一般为25～100um(如25um、30um、40um、100um等)，该硅层5的厚度可以根据具体的工艺需求进行相应的调整。在该硅层5键合之后，位于该硅层5下方的接触区域开口和传感区域开口与该硅层配合，分别形成空腔结构。

然后，如图5所示，制备一层光刻胶覆盖该硅层5的上表面，并对该光刻胶进行曝光、显影工艺，从而在光刻胶中位于接触区域开口上方的部分形成开口，进而形成图案化的光刻胶6。

如图6所示，以图案化的光刻胶6为掩膜对下方的硅层进行刻蚀，从而在硅层中形成通孔51，所形成的通孔51与下方的接触区域开口连通，由于在接触区域开口中覆盖有有机物薄膜，该有机物在通孔刻蚀的工艺中起到了保护下方金属层的作用，并且，可以通过控制刻蚀工艺中的参数的调整来使得刻蚀过后位于接触区域内的有机物薄膜被部分或完全去除，刻蚀完成后，去除剩余的光刻胶。

然后，如图7所示，通过刻蚀工艺，在上述的硅层5中，形成若干通孔52，该若干通孔52的位置位于上述的传感区域开口的上方，从而将传感区域开口与硅层所形成的空腔部分打开。

这时，位于传感区域开口内的有机物薄膜被重新暴露出来，通过氧气等离子体灰化工艺(O₂based process)可以将位于该传感区域开口内以及接触区域开口内的残留的有机物薄膜进行去除，以形成如图8所示的结构，由于在传感区域开口21能够完全暴露出下方的金属层，所以能够保证器件具有足够的灵敏度。在该步骤中，氧气等离子体灰化工艺的具体参数可根据传感区域开口内剩余的有机物薄膜的厚度进行调整。

最后，如图9所示，在接触区域和与接触区域连通的通孔内填充金属，一般可采用电镀的方式进行金属7的填充，优选的，可选择钨作为填充的金属。

综上所述，通过上述步骤加工后，由于在进行硅通孔刻蚀工艺前，暴露的金属上方具有一层有机物将其覆盖，从而能够在硅通孔刻蚀工艺中保护下方的金属层，使其不被过刻蚀，因此，位于接触区域开口内的金属不会在硅通孔刻蚀工艺中损失掉，从而不会影响后续的钨金属的填充，进而保证了导电率；另外，由于先前沉积的有机物薄膜容易与氧气等离子体反应而去除，所以在硅通孔刻蚀工艺之后，可以十分方便地将多余的位于感应区域开口内的有机物薄膜去除，从而保证了器件灵敏度。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims

1.一种改善惯性传感器中金属损失的方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

制备光刻胶覆盖所述硅层的表面；

以形成有开口的光刻胶为掩膜对所述硅层进行刻蚀，形成与所述接触区域开口连接的通孔。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机物薄膜为无定形碳薄膜、底部抗反射薄膜或光刻胶薄膜。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化物层的材质为二氧化硅。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅层的厚度为25～100um。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7中，通过氧气等离子体灰化工艺去除剩余的所述有机物薄膜。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，剩余的所述有机物薄膜的厚度小于2um。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属层的材质为铝。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化物层和所述金属层设置于一硅衬底的上方。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

步骤S8、在步骤S5中的通孔内填充金属。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤S8中，采用电镀工艺在步骤S5中的通孔内填充金属。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在步骤S5中的通孔内填充的金属为钨。