TW201413800A - 電容式微機電系統感測器及方法 - Google Patents

Abstract

一種用於形成一感測器裝置的系統及方法包括：界定一平面內電極於一矽基絕緣體(SOI)晶圓上的一裝置層中，形成一平面外電極於被設置在該裝置層之一上表面上方的一矽蓋罩層中，沉積一矽化物形成金屬於該矽蓋罩層的一頂部表面上，及將該被沉積的矽化物形成金屬退火，以形成一在該矽蓋罩層中的矽化物部分。

Description

電容式微機電系統感測器及方法

本申請案主張2012年8月20日所提申之美國第61/691,157號臨時申請案的權益。

本案揭示係有關一種電容式微機電系統(MEMS)感測器。

一電容式MEMS壓力感測器需要有二個在一施加壓力下相對彼此移動的電極。此一結構最常藉由具有一形成在一基板中的固定式電極(以下稱為下電極)以及一被提供在一可變形的薄膜中的可移動式電極(以下稱為上電極)來達成，該可變形的薄膜係暴露在待被感測的壓力下。一或多個電極典型地係以沉積一導電薄膜、電隔離一導電層、或藉由加入一介在二導電材料之間的氧化物層來形成的。

圖1圖示說明一例如是被說明於2011年9月14日所提申之美國第13/232,005號專利申請案中之MEMS壓力感測器10的側剖面視圖，該案之整體內容於此被併入本案參考。該壓力感測器10包括有一對被配置成相對彼此移動的電極。該壓力感測器10包括有一處理層12、一埋入的氧化物層14、及一裝置層16。一氧化物層18將該裝置層16和一蓋罩層20分隔開。一被動層22被設置在該蓋罩層20的上方。

在該裝置層16中，有一由二個蝕刻部分26及28所界定出 的平面內電極24。該平面內電極24由該氧化物層18的一蝕刻部分30和該蓋罩層20隔絕開。該等蝕刻部分26、28及30被蝕刻通過由該蓋罩層20所關閉之通氣孔32。

一平面外電極34被設置在該平面內電極24的上方，且由該 蝕刻部分30和該平面內電極24電隔絕開。該平面外電極34由二個分隔件36及38和該蓋罩層20的其餘部分隔絕開。該等分隔件36及38包括有一從該蝕刻部分30向上延伸的下氮化物部分40，及一從該氮化物部分40延伸至該蓋罩層20之上表面的上氧化物部分42。

形成類似該等分隔件36及38之分隔件44及46將一在該蓋 罩層20中的連接件48和該蓋罩層20的其餘部分隔絕開。該連接件48和一在該裝置層16中的連接件50電性連通。該連接件50和該平面內電極24電性連通，且由隔離桿52及54和該裝置層16的其餘部分隔絕開。該等隔離桿52及54從該埋入的氧化物層14延伸至該氧化物層18。一接合墊或接觸件56被設置在該被動層22上方，並和該連接件48電性連通。

一感測器裝置的接觸件，例如是圖1中之該壓力感測器10 的該接觸件56，通常是由一沉積在該感測器裝置之一頂部表面上的金屬層所形成的。然在該感測器裝置之該頂部表面上之金屬層的放置會導致該感測器特性的老化及緩慢的變化。此些特性的改變通常是由於缺乏金屬薄膜的機械穩定性。此外，被沉積在該感測器之該頂部表面上的該金屬層典型地被製有圖案，以提供個別的電性連接至不同的感測器構件，因而增加了額外的處理步驟。

所需要的是一種不使用一被施加之金屬層來提供電性連接 給在該裝置中之電極的電容式感測器。一種不使用一可以已知之製造程序被製造的被施加之金屬層的感測器將是更有利益的。

依據一實施例，一種形成一感測器裝置的方法包括，界定一平面內電極於一矽基絕緣體(SOI)晶圓上的一裝置層中，形成一平面外電極於被設置在該裝置層之一上表面上方的一矽蓋罩層中，沉積一矽化物形成金屬於該矽蓋罩層的一頂部表面上，及將該被沉積的矽化物形成金屬退火，以形成一在該矽蓋罩層中的矽化物部分。

在另一實施例中，一種感測器裝置，其包括有一平面內電極、一和該平面內電極的一上表面分隔開的蓋罩層、一被界定在該蓋罩層中的平面外電極、及一被形成於該蓋罩層中的矽化物部分。

圖1圖示說明一已知的感測器裝置的一側剖面視圖，該感測器裝置具有一被沉積及被製成圖案在該感測器的一頂部表面上的金屬層；圖2圖示說明一感測器裝置，其包括在一蓋罩層的一頂部分中的矽化物；圖3圖示說明一晶圓的一側剖面視圖，其中一裝置層被蝕刻以界定一平面內電極；圖4圖示說明圖3中之該晶圓的一俯視平面圖；圖5圖示說明圖3中之該晶圓，其中該等溝槽被填充有一氧化物材料， 及一氧化物層被形成在該裝置層上方；圖6圖示說明圖5中之該晶圓的一俯視平面圖；圖7圖示說明圖5中之該晶圓，其中一開口被蝕刻於位在該裝置層之一接點部分之上方的該氧化物層中；圖8圖示說明圖7中之該晶圓的一俯視平面圖；圖9圖示說明圖7中之該晶圓，其中一第一蓋罩層部分被形成在該氧化物層上方，及溝槽被形成在該氧化物層中；圖10圖示說明圖9中之該晶圓的一俯視平面圖；圖11圖示說明圖9中之該晶圓，其中該等溝槽被填充有一絕緣材料，該絕緣材料亦形成在該第一蓋罩層部分上方的一層，及一蝕刻停止層被形成在該絕緣層上方；圖12圖示說明圖11中之該晶圓的一俯視平面圖；圖13圖示說明圖11中之該晶圓在該絕緣層及蝕刻停止層已被蝕刻來界定用於一平面外電極及一裝置層接點的襯墊之後；圖14圖示說明圖13中之該晶圓的一俯視平面圖；圖15圖示說明圖13中之該晶圓在一第二蓋罩層部分已被沉積在該第一蓋罩層部分上方，及該等襯墊及該第二蓋罩層部分已被平面化之後；圖16圖示說明圖15中之該晶圓的一俯視平面圖；圖17圖示說明圖15中之該晶圓在蒸汽蝕刻通氣孔已被蝕刻貫通該第一蓋罩層部分及該第二蓋罩層部分，及該氧化物層之一部分、在該裝置層中之該氧化物材料、及一埋入的氧化物層之一部分已被蝕刻，藉以將一平面內電極電隔離開，並釋放開在該平面內電極上方的該第一蓋罩層部分之 後；圖18圖示說明圖17中之該晶圓的一俯視平面圖；圖19圖示說明圖17中之該晶圓在該等蒸汽蝕刻通氣孔已由一第三蓋罩層部分被密封之後；圖20圖示說明圖19中之該晶圓的一俯視平面圖；圖21圖示說明圖19中之該晶圓，其中溝槽被形成通過該第三蓋罩層部分及該第二蓋罩層部分至該等襯墊之上表面；圖22圖示說明圖21中之該晶圓的一俯視平面圖；圖23圖示說明圖21中之該晶圓，其中一絕緣材料被沉積在該等溝槽中，及一矽化物形成材料沿著該第三蓋罩層部分之上表面被沉積；圖24圖示說明圖23中之該晶圓的一俯視平面圖；及圖25圖示說明一晶圓的一側剖面視圖，該晶圓包括有一被形成於該蓋罩層之一上部分中的矽化物層。

為了提高對本案所揭示之原理的了解，現將以被圖示說明於圖式中及被說明於以下之書寫的說明書中的實施例作參考。應了解到不會因此打算要限制本案所揭示的範圍。更應了解到，本案揭示包括對所揭示之實施例的所有變化及改良，及包括本案所揭示之原理的進一步應用，因為此些對熟習相關本案所揭示之技術者而言通常是可想到的。

在許多此等實施例中，一MEMS感測器可被使用來感測一物理性狀態，例如是加速度、壓力、或溫度，及被使用來提供被感測到之物理狀態的一電信號代表。該等實施例可被實施在或連結到各種不同的應 用中，例如是汽車、家用設備、膝上型輕便電腦、手提式或攜帶型電腦、行動電話、智慧型電話、無線電裝置、平板電腦、個人資料助理(PDAs)、MP3播放器、相機、GPS接收器或導航系統、電子讀取顯示器、投影機、座艙控制器、遊戲控制台、耳機、頭戴式耳機、助聽器、可戴式顯示裝置、保全系統等等。

圖2圖示說明一壓力感測器100。該壓力感測器100包括有 一處理層102、一被埋入之氧化物層104、以及一裝置層106。一氧化物層108將該裝置層106和一蓋罩層110分隔開。一矽化物層112被設置在該蓋罩層110的上方。

在該裝置層106中，有一由二個蝕刻部分116及118所界定 出的平面內電極114。該平面內電極114由該氧化物層108的一蝕刻部分120和該蓋罩層110隔絕開。該等蝕刻部分116、118及120被蝕刻通過由該蓋罩層110所關閉之通氣孔122。

一平面外電極124被設置在該平面內電極114的上方，且由 該蝕刻部分120和該平面內電極114電隔絕開。該平面外電極124由二個非矽的分隔件126及128和該蓋罩層110的其餘部分隔絕開。該等分隔件126及128包括有一從該蝕刻部分120向上延伸的下氮化物部分130，及一從該氮化物部分130延伸至該蓋罩層110之上表面的上氧化物部分132。該偵測信號為介於電極114及124之間的電容量及或電容值的改變。該電極124被偏轉如該外部壓力的一函數。

形成類似該等分隔件126及128之分隔件134及136將一在該蓋罩層110中的連接件138和該蓋罩層110的其餘部分電性絕緣開。該連 接件138和一在該裝置層106中的連接件140電性連通。該連接件140和該平面內電極114電性連通，且由隔離桿142及144和該裝置層106的其餘部分隔絕開。該等隔離桿142及144從該埋入的氧化物層104延伸至該氧化物層108。

該等分隔件126及128亦界定並將一矽化物部分146和該矽 化物層112的其餘部分電性分隔開，而該等分隔件134及136則將一矽化物部分148和該矽化物層112的其餘部分電性分隔開。

矽化物為在半導體處理中的一般材料。矽化物具有一可比得 上金屬之阻抗值之非常低的電阻，且具有可比得上矽之機械特性的機械特性。此外，矽化物是高傳導性的。因此，矽化物材料是很適合做為機械傳感式壓力感測器薄膜。

在圖2之該壓力感測器100中的該等矽化物部分146及148 可從該壓力感測器100的一頂部表面和該等連接件138、140及該平面內電極114電性相連。如比較圖1及圖2所顯示的，在該壓力感測器100中的矽化物層112取代了該習知技術之壓力感測器10的該被動層22及該接觸件56。因此，用於形成該被動層22及該接觸件56的步驟被排除。或者，該被動層22可被加在該矽化物的頂部。

用於形成一例如是該壓力感測器100之感測器的程序係參 考圖3至25被討論說明。首先參考圖3及4，一包括有一處理層202、一被埋入之氧化物層204、以及一裝置層206的SOI晶圓200被初步蝕刻，以界定一平面內電極208及一用於該平面內電極208的下接點部分210。一連接件212被蝕刻介於該平面內電極208及該下接點部分210之間。該平面內電 極208係由一溝槽部分214被界定出，而該下接點部分210則係由一溝槽部分216被界定出，及該連接件212則係由一溝槽部分218被界定出。若有需求，該結構或處理層202可為一壓力化學氣相沉積(LPCVD)或磊晶多晶矽層。

該等溝槽部分214、216及218隨後使用一保形氧化物沉積 被填入一如圖5及6中所顯示的溝槽氧化物部分220。氧化物沉積進一步造成一在該裝置層206之上表面上的氧化物層222。該氧化物層222的厚度設定了如以下被更完整地討論說明之介於二電極之間的間隙。該氧化物層222可由任何例如是化學式機械磨光(CMP)之想要的技術被平坦化。

參考圖7及8，一接點開口224隨後被蝕刻貫穿該氧化物層 222，以露出該下接點部分210的上表面。在如圖9及10中所顯示地將一下蓋罩層部分228沉積在該氧化物層222上方時，一磊晶多沉積將該接點開口224填充有磊多晶之一下中間接點部分226。該下中間接點部分226因此從該下接點部分210之上表面延伸至該下蓋罩層部分228的上表面。在另一實施例中，該下蓋罩層部分228可為一使用一熔融膠合程序接著研磨/拋光或智慧切割技術以移除大量黏結晶圓所形成的單獨矽晶。在此另一實施例中，電性接點必須在熔融後形成。在又一實施例中，可使用一拋光的多晶矽裝置層。

圖9及10進一步顯示溝槽230及232，其等可在該下蓋罩層 部分228之CMP後被蝕刻。該溝槽230從該下蓋罩層部分228的上表面延伸至該氧化物層222的上表面以界定該下中間接點部分226。該溝槽232包括有一界定一下平面外電極部分236的溝槽部分234、一界定一連接件240的溝槽部分238，以及一界定一用於該下平面外電極部分236之下接點部分 244的溝槽部分242。

如圖11及12中所顯示的，一低應力氮化物接著被用於以溝 槽氮化物部分250及252填充該等溝槽230及232，而一低應力氮化物層254則被沉積在該下蓋罩層部分228的上表面上。一薄的氧化物層256被提供在該低應力氮化物層254的上表面上。該氧化物層256及該氮化物層254隨後被製作圖案及蝕刻造成圖13及14的構形。在圖13及14中，該氧化物層256的一剩餘部分258及該氮化物層254的一剩餘部分260形成一用於以下被更完整說明之一平面外電極的襯墊262。該氧化物層256的一剩餘部分264及該氮化物層254的一剩餘部分266形成一用於該平面內電極208之接觸的襯墊268。當從剖面觀看時，該等襯墊262及268的橫向範圍可被選用來提供用於因而被界定之構件之想要的絕緣特性。

一薄的磊晶多沉積層270隨後被形成在該下蓋罩層部分228 的上表面上及該等襯墊262及268的上表面上，以形成一中間蓋罩層部分272(見圖15及16)。該磊晶多沉積層可以2006年12月第15卷第6號之微機電系統雜誌中之肯德樂等人(Candler et al.)的〝用於MEMS共振器之新穎單晶圓真空封裝的長期及加速壽命試驗〞中所說明之方式被沉積。若有需求，該中間蓋罩層部分272可被平坦化。

參考圖17及18，在通氣孔274被形成之後，一HF蒸氣蝕 刻釋放被執行，其將該中間蓋罩層部分272從該平面內電極208釋放開。介於該平面內電極208之上表面及該中間蓋罩層部分272之下表面之間的該氧化物層222之被蝕刻的部分，因而設定了介於該平面內電極208及將成為平面外電極的下表面之間的間隙。隨後一乾淨的高溫密封在一磊晶反應器中 被執行以密封該等通氣孔274。或者，該等通氣孔274可使用氧化物、氮化物、矽轉移等來被密封。所造成的構形被顯示在圖19及20中，其中一層部分276被形成在該中間蓋罩層部分272上方。

一溝槽280及一溝槽282隨後如同圖21及22中所圖示說明 地被蝕刻。該溝槽280從該層部分276的上表面延伸至作為一蝕刻停止之該襯墊262的上表面。該溝槽282從該層部分276的上表面延伸至作為一蝕刻停止之該襯墊268的上表面。可為氧化物、氮化物等之一鈍化材料隨後被沉積在該等溝槽280及282中，以形成鈍化部分286及288並且被製圖形，以及一矽化物形成金屬290被沉積在該層部分276的上表面上(見圖23及24)。該矽化物形成材料290可為鈦(Ti)、鉭(Ta)、鎳(Ni)、鎢(W)、或鉑(Pt)。

在該矽化物形成材料290被沉積之後，該組合200經過一退 火程序。在某些實施例中，該退火程序的期間可在一秒鐘至一分鐘的範圍內。依據被使用在該程序中之矽化物形成金屬190的類型，在此些實施例中之該退火程序的溫度可在250℃至800℃的範圍內。在某些實施例中，該退火溫度係低於450℃。應瞭解到在此些實施例中之低於450℃的退火溫度並非是限定的，因為矽化物的形成僅需要一短的退火時間。

在該退火程序中，位在一矽材料正上方之矽化物形成材料和 該矽材料反應，以形成如圖25中所顯示的矽化物292。例如是鈍化部分286及288之位在非矽材料上方的矽化物形成材料並不反應。一金屬蝕刻程序被用來移除未被轉化成矽化物的殘餘金屬。

在某些實施例中，矽化物僅被形成在一蓋罩層的頂部分中。此一實施例的一個範例為一壓阻式壓力感測器，其具有形成在該蓋罩層之 頂部分中的矽化物以提供至一或多個壓阻器的連接。在其他實施例中，該矽化物被形成貫穿該蓋罩層的整個深度。

此被選定之矽化物形成程序可使用一在矽化物形成金屬被 沉積處之頂端上被製作有圖形之鈍化層來進行。在退火及矽化物形成之後，過量未被反應的金屬使用一金屬蝕刻被移除。另一種選擇為在退火程序之前將該矽化物形成金屬製作圖形。

所說明過的程序可進一步被使用，以便達成具有在該壓力感測器薄膜上及靠近側邊之低阻抗而不會影響機械特性的傳導性結構。

當揭示內容已詳細地被圖示及說明於諸圖式及前述說明中，所圖示說明的內容應被當成是解說用，而非是用於限制特徵。應了解到僅有較佳實施例被提出，且所有落在本案揭示之範圍中的變化、修改及進一步的應用都是要被保護的。

Claims (15)

1. 一種形成一感測器裝置的方法，其包括：界定一平面內電極於一矽基絕緣體(SOI)晶圓的一裝置層中；形成一平面外電極於一被設置在該裝置層之一上表面上方的一矽蓋罩層中；沉積一矽化物形成金屬於該矽蓋罩層之頂部表面上；及將該被沉積的矽化物形成金屬退火，以形成一在該矽蓋罩層中的矽化物部分。
2. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中將該被沉積的矽化物形成金屬退火包括將該被沉積的矽化物形成金屬快速升溫退火。
3. 根據申請專利範圍第1項的方法，其進一步包括：從該矽蓋罩層之頂部表面蝕刻一殘餘的矽化物形成金屬。
4. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中沉積該矽化物形成金屬包括：沉積一選自由鎳、鉭、鈦、鎢及鉑所組成之群組中的矽化物形成金屬。
5. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中將該被沉積的矽化物形成金屬退火包括：將該被沉積的矽化物形成金屬退火一段介於1秒鐘及10分鐘之間的期間。
6. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中將該被沉積的矽化物形成金屬退火包括：將該被沉積的矽化物形成金屬退火在一於250℃至800℃之範圍內的溫度。
7. 根據申請專利範圍第6項的方法，其中該退火溫度係低於450℃。
8. 根據申請專利範圍第1項的方法，其中將該被沉積的矽化物形成金屬退火包括：將該被沉積的矽化物形成金屬退火，使得該整個蓋罩層被轉化成矽化物。
9. 根據申請專利範圍第1項的方法，其進一步包括：在沉積該矽化物形成金屬之前，形成至少一非矽分隔件於該蓋罩層中。
10. 一種感測器裝置，其包括：一平面內電極；一和該平面內電極的一上表面分隔開的蓋罩層；一被界定在該蓋罩層中的平面外電極；及一被形成於該蓋罩層中的矽化物部分。
11. 根據申請專利範圍第10項的感測器裝置，其中該矽化物係藉由將一被沉積於該蓋罩層之一頂部表面上的矽化物形成金屬退火而被形成於該蓋罩層中。
12. 根據申請專利範圍第11項的感測器裝置，其中該矽化物形成金屬為鎳、鉭、鈦、鎢及鉑中的一或多個。
13. 根據申請專利範圍第10項的感測器裝置，其中該感測器裝置為一壓力感測器裝置，及該矽化物被形成貫穿該蓋罩層的整個深度。
14. 根據申請專利範圍第10項的感測器裝置，其中該感測器裝置為一壓阻式壓力感測器，及該矽化物係被形成在該蓋罩層的一頂部分中，以便能提供一至一或多個壓阻器的電性連接。
15. 根據申請專利範圍第10項的感測器裝置，其進一步包括：一從該蓋罩層的一上表面向下延伸的非矽分隔件，該非矽分隔件將該矽化物部分的一第一區域和該矽化物部分的一第二區域電性隔絕開。