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TWI829795B - 製造具多層膜片的半導體傳感器裝置之方法及具多層膜片的半導體傳感器裝置 - Google Patents

製造具多層膜片的半導體傳感器裝置之方法及具多層膜片的半導體傳感器裝置 Download PDF

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TWI829795B
TWI829795B TW108140099A TW108140099A TWI829795B TW I829795 B TWI829795 B TW I829795B TW 108140099 A TW108140099 A TW 108140099A TW 108140099 A TW108140099 A TW 108140099A TW I829795 B TWI829795 B TW I829795B
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layer
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diaphragm
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semiconductor
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阿歷桑德羅 費西
喬治 西格斯
威廉 弗雷德里克 阿德里亞努斯 貝斯拉奇
雷姆 亨里克斯 威廉 皮尼布爾
Original Assignee
荷蘭商索賽恩斯私人有限責任公司
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Abstract

製造半導體傳感器裝置的方法，包含提供半導體本體(1)、形成犧牲層(5)在該半導體本體(1)的表面上方、鋪設膜片(10)在該犧牲層(5)上、以及藉由引進蝕刻劑至該膜片(10)的開口(11)內以移除該犧牲層(5)。鋪設該膜片(10)包含鋪設第一層(7)、減少該第一層(7)的表面(15)的粗糙度以達成已處理表面(16)、以及圖案化和結構化該第一層(7)以形成該開口(11)。

Description

製造具多層膜片的半導體傳感器裝置之方法及具多層膜片的半導體傳感器裝置
本發明是關於半導體，並且尤是關於半導體傳感器裝置。
半導體傳感器裝置(像是壓力感測器)的膜片可包含序列的層，其包括主要金屬層。該膜片(例如MEMS膜)是鋪設在犧牲層上。TiN/Ti或TiN層可配置在該主要金屬層與該犧牲層之間，以促進黏著並提供擴散阻障和應力補償，並且TiN層也可配置在該主要金屬層上。該犧牲層後來被移除，以釋放該膜片，特別是藉由氫氟酸、HF、氣相蝕刻。該膜在釋放後可傾向破裂，這可能會損害功能性裝置的良率。
US2016/0023893 A1揭露用於電容式壓力感測器的懸掛膜，其包含沉積第一電性傳導材料在犧牲層上方以及在邊界溝槽內、移除 該第一電性傳導材料的不平形貌的至少一部分、沉積第二電性傳導材料延伸超過該邊界溝槽、以及經由蝕刻開口而移除該犧牲層。
本發明的目的是呈現用來製造具有多層膜片的半導體傳感器裝置的改進概念，其在蝕刻釋放後獲得機械穩定性。
此目的以獨立請求項的發明標的達成。該改進概念的實施例和發展是定義在附屬請求項中。
該改進概念是基於提供半導體傳感器裝置的製作程序，其中，製造懸掛膜片包括形成該膜片的第一層、以及在接續步驟中製備該第一層具有預定平坦度的已處理表面。該膜片的第二層可鋪設在該第一層的該已處理表面上。
依據該改進概念的方法包含提供半導體本體、形成犧牲層在該半導體本體的表面上方、以及鋪設膜片在該犧牲層上。該膜片是MEMS膜，例如，其可結構化，例如，穿孔。該方法進一步包含藉由引進蝕刻劑，例如，HF氣體，至該膜片的開口內，而移除該犧牲層。依據該改進概念鋪設該膜片包含鋪設第一層、減少該第一層背向該半導體本體的表面的粗糙度以為了達成已處理表面、以及圖案化和結構化該第一層以形成該開口。
發生一些材料的沉積，導致該沉積層的表面的特徵在於顯著的粗糙度。這些表面上的凹口對於最終裝置的良率可能會有很大的負面影響，因為該凹口可作用為破裂初始地點。並且，跨越該沉積層的非同質應力分佈可導致最終裝置的懸掛組件的不穩定情況。對於半導體傳感器裝置 而言，因為該懸掛膜片於其釋放期間或之後(也就是，在移除該犧牲層期間或之後)的倒塌或破裂，這些效應可導致該製造程序的低良率。
在製造方法中實施一步驟，其中在沉積第一層之後，以減小其粗糙度至預定值的方式處理頂面(也就是，該第一層背向該半導體本體的表面)，該步驟可顯著地減少前述效果，並且因此導致該製造程序的高良率。
該半導體本體可包含特定應用積體電路(ASIC)的主動電路系統，其配置在基底(例如，矽基底)上或內。
該膜片的該第一層可視為該膜片的該主要層。膜片的該主要層可例如構成半導體傳感器的頂電極，其組構成電容性傳感器。本文中的頂電極是指電容性傳感器的電極，該電極是配置相較於另一電極與該半導體本體相距一較大距離，該另一電極接著稱為底電極。
在一些實施例中，該膜片是鋪設至該犧牲層的實質平坦表面上。換言之，例如，該犧牲層沒有來自下方層的形貌特徵。
在一些實施例中，減少該粗糙度包含研磨程序，例如，化學機械研磨，CMP。
可使用化學機械研磨程序以顯著地減少表面的粗糙度，例如，沉積材料的表面。雖然未處理的表面的粗糙度輪廓可具有數十奈米的級數的算術平均數Ra，但於CMP處理後的已處理表面顯示顯著地減少粗糙度，其粗糙度Ra在數奈米向下至埃等級的級數。
在一些實施例中，該已處理表面的粗糙度輪廓的算術平均數是介於2nm與10nm之間，例如等於或小於5nm。
可於該製作程序期間的各種階段檢查特定層的表面。存取表面粗糙度的方法包括使用光學或接觸測表面計(諸如，原子力顯微鏡)的輪廓測定法、以及比如藉由掃描式電子顯微鏡的剖面成像。該沉積第一層的 該粗糙度輪廓的測量顯示該未處理頂表面的該粗糙度的特徵在於大約18nm的Ra，其因為上方討論的結果而導致低生產良率。藉由特定CMP程序例如達成減少此數值至大約5nm，並且導致該生產良率的顯著改進。
採用特定漿料和研磨墊並配合按時的鎢CMP配方可幫助防止大的非均勻性和瑕疵，並且在僅十數次研磨後導致5nm的希望粗糙度輪廓。例如，增加兩倍的研磨時間可進一步減少該粗糙度輪廓至單一奈米等級，其對於特定製造程序是有益的。
在一些實施例中，鋪設該第一層包含鋪設金屬，例如，鎢。
用於該第一層的材料的適當選擇是例如鎢，因為它與CMOS製作程序匹配，並且實踐抵抗基於氟的蝕刻步驟(例如，氣相HF、vHF蝕刻)的要求。額外地，金屬材料提供形成電極(例如，電容性傳感器裝置的頂電極)所需的電性傳導。其它適當材料包括鋁、氧化鋁、碳化矽和矽鍺。
在一些實施例中，鋪設該膜片復包含鋪設第二層。該第二層是鋪設至該已處理表面上。
例如，該第二層可組構成阻障層，作為擴散阻障及/或用於應力補償。為了這個目的，該第二層是配置在該第一層的該已處理表面上，也就是，相較於該第一層，該第二層是配置與該半導體本體相距一較大距離。由於該第二層是沉積在該已處理表面上，因此，該第二層背向該半導體本體的該表面的特徵也在於低表面粗糙度。
在一些另外實施例中，鋪設該第二層包含鋪設鈦及/或氮化鈦(TiN)。
鈦、氮化鈦或此兩種材料的組合構成用於擴散阻障和應力平衡層的適當選擇。如此一來，保護該第一層的該第二層可被選擇為包含這些材料的至少一者。
在一些實施例中，鋪設該膜片復包含鋪設第三層。其中，該第一層是鋪設至該第三層背向該半導體本體的表面上。
在這些實施例中，第三層可配置在該犧牲層與該第一層之間，也就是，該第三層是鋪設至該犧牲層背向該半導體本體的表面上。如果該第一層的材料，例如，鎢，的特徵是對於該犧牲層的材料具有低黏著度，則可採用額外層，其對於這種犧牲層有顯著較大的黏著度，其典型地包含矽或二氧化矽，並且相較於該犧牲層的材料，該第一層的材料更優地黏著至該額外層。
在一些另外實施例中，鋪設該第三層包含鋪設鈦及/或氮化鈦(TiN)。
在移除該犧牲層後，該第一層面向該半導體本體的該表面將未被覆蓋而沒有第三層。該後者可因此在一些實施例中相同於該第二層，作為另一個阻障層及/或用於應力平衡目的。再者，特別是用於包含第二和第三層兩者的實施例，因為採用的材料的清單很短，因此對於該層的相同材料選擇確保製作程序儘可能地保持簡單。
在一些實施例中，依據該改進概念的方法復包含鋪設電極層在該半導體本體與該犧牲層之間、形成互連該電極層與該半導體本體的通孔、以及形成互連該膜片與該半導體本體的另外的通孔。
在這些實施例中，以金屬作成的電極層是配置在該半導體本體與該膜片之間與該膜片相距一距離，例如該電極層是與該半導體本體接觸。在該電極層形成該傳感器的結構化底電極的情況下，例如藉由測量形成在該頂電極(其可為一層該膜片)與該底電極之間的電容器的電容，致能決定該膜片的偏向。通孔(例如，貫穿基底通孔，TSV)可在該兩個電極與該半導體本體的主動電路系統之間提供電性互連。
在一些實施例中，該方法復包含鋪設覆蓋層在該半導體本體與該電極層之間。
為了達成該電極層與該半導體本體的主動電路系統之間的電性隔離，例如，可利用覆蓋層。該覆蓋層可為介電質，例如，二氧化矽，SiO2。
在一些實施例中，該方法復包含鋪設蝕刻停止層，ESL，配置在該半導體本體與該犧牲層之間。
當最終傳感器裝置的該懸掛膜片藉由移除該膜片與該半導體本體之間的犧牲材料而傳統地實現時，可採用蝕刻停止層，以便具有用於移除該犧牲材料的該vHF蝕刻的控制結束點。因此，該蝕刻停止層是組構成防止於該傳感器裝置的製作程序期間的過度蝕刻。並且，在該最終傳感器裝置上，該ESL可作為用於該半導體本體的下覆主動電路系統的保護層及/或形成在該半導體本體的頂部或上方的底電極。相較於該犧牲材料，就基於氟的蝕刻劑而言，該蝕刻停止層的材料具有顯著較低的蝕刻速率。比如，該ESL的材料是半導體材料(例如，碳化矽)或介電質(例如，氮化矽(例如，富矽氮化矽))。
前述目的復由半導體傳感器裝置解決，其包含半導體本體和具有第一層的膜片。其中，該膜片的主要延伸面是配置平行於該半導體本體的表面，並且該膜片是懸掛在朝與該膜片的該主要延伸面垂直的方向上與該半導體本體相距一距離處。此外，該第一層包含具有預定平坦度的已處理表面，其中，該已處理表面背向該半導體本體。
在一些實施例中，該半導體本體復包含積體電路。
該半導體傳感器裝置可包含配置在該半導體本體上或內的ASIC，用來提供該膜片例如因為壓力改變而造成的偏向的讀數。如果該傳感器裝置是電容性傳感器，該讀數可例如基於該傳感器的電容的測量。
透過上方所描述的該製造方法的實施例，該半導體傳感器裝置的其他實施例對於本領域的熟習技術者而言變得顯而易見。
前述目的復由包含依據上方所描述的其中一個實施例的半導體傳感器裝置的壓力感測器實現。
該壓力感測器可組構成偵測靜態壓力改變或動態壓力改變，例如，壓力波，例如，聲頻帶中的音波。為了此目的，該壓力感測器可由該半導體傳感器裝置組構、或可包含另外的組件，例如，電路組件、印刷電路板及/或殼體。
前述目的復由包含壓力感測器的行動裝置解決，該壓力感測器具有依據上方所描述的其中一個實施例的半導體傳感器裝置。
所描述的半導體傳感器裝置的應用包括精簡型和高敏感性壓力感測器或麥克風，其例如採用在智慧手機、智慧電話和平板電腦中，其中，比如該傳感器裝置是組構成全方向地偵測該行動裝置的環境中的靜態或動態壓力改變。
1:半導體本體
2:覆蓋層
3:電極層
4:蝕刻停止層
5:犧牲層
6:第三層
7:第一層
8:第二層
10:膜片
11:開口
12:通孔
13:另外的通孔
14:積體電路
15:表面、頂表面
16:已處理表面
範例實施例的圖式的接下來描述可復例示並解釋該改進概念的態樣。該半導體傳感器裝置分別具有相同結構和相同效應的元件以相同元件符號呈現。該半導體傳感器裝置的元件就不同圖式中的功能而言彼此對應，對於以下各圖式，將不再重覆其描述。
第1圖顯示於鋪設多層膜片的第一層後的半導體傳感器裝置的中間產品的剖面；
第2圖顯示依據第1圖於減少該第一層的表面的粗糙度的步驟後的剖面；
第3圖顯示依據第2圖於鋪設該膜片的第二層後的剖面；
第4圖顯示依據第3圖於形成開口在該膜片中後的剖面；以及
第5圖顯示依據第4圖於釋放該膜片後的剖面。
第1圖是半導體傳感器裝置的中間產品的剖面，其例如可被用在壓力感測器中。在此實施例中的該半導體傳感器裝置包含半導體本體1(其包含基底1A，舉例來說可為矽)。該半導體本體1也可包括積體電路14，其可特別地是具有主動和被動電路系統的CMOS電路。這種積體電路其本身已知，並且該積體電路14的細節(其視個別應用而定)沒有顯示在圖式中。該積體電路14可特別地提供用於評估來自該傳感器(例如，該傳感器的電容)的訊號。
例如，覆蓋層2可包括嵌埋至金屬間介電質層及/或鈍化中的打線，覆蓋層2係鋪設至該半導體本體1的表面上。該金屬間介電質層可包含二氧化矽，並且舉例來說，該鈍化可包含二氧化矽和氮化矽的組合。該半導體傳感器裝置包括該半導體本體1和該覆蓋層2的部件可類似於具有積體電路的傳統半導體裝置。該半導體傳感器裝置與這種半導體裝置不同之處在於傳感器元件配置在該覆蓋層2背向該半導體本體1的表面上。
電極層3可配置在該覆蓋層2的該表面上，並且例如透過微影和蝕刻而被圖案化和結構化，以便形成傳感器的第一電極，例如特別是電容性傳感器。這種傳感器的該第一電極可稱為底電極。蝕刻停止層4是配置在結構化電極層3背向該半導體本體1的表面上。犧牲層5是配置在該蝕刻停止層4背向該半導體本體1的表面上。該蝕刻停止層4是以具有相較於該犧牲層5的材料關於基於氟的蝕刻劑的顯著低蝕刻速率的材料作成。例如，該蝕刻停止層4包含氮化矽，例如，富矽氮化矽，而該犧牲層包含矽或二氧化矽。
該膜片10是配置在該犧牲層5背向該半導體本體1的表面上。該膜片10包含一序列的層，並且可特別地包括第一層7和第三層6。該第三層6可設置成阻障層及/或可促進該膜片10配置在該犧牲層5上。相較於該第一層7的材料，該第三層6的材料的特徵在於對於該犧牲層5具有較大黏著性。該第三層6可例如包含鈦、氮化鈦(TiN)或鈦和TiN的組合。
該膜片10的該第一層7可包含金屬，其可例如為鎢。該第一層7可為均勻或同質層、或一序列的至少兩個不同材料的個別層。該第一層7可稱為該膜片10的該主要層，其例如構成電容性傳感器裝置的上電極。特別地，第1圖顯示該半導體傳感器裝置於於鋪設該第一層7後的中間產品，其中，該第一層7背向該半導體本體1的未處理的表面15的特徵在於顯著的粗糙度，其粗糙度輪廓例如具有大約20nm的算術平均數Ra。
可提供直立電性互連以將該電極層3與該半導體本體1的電路系統的端子互連。例如，這些互連由通孔12實現，例如，貫穿基底通孔，TSV。可藉由另外的通孔13提供另外的直立電性互連，以將該膜片 10(例如，由該第三層6所形成的頂電極)與該半導體本體1的電路系統的另外端子互連。
第2圖是依據第1圖於減少該第一層7的該表面15的粗糙度後的剖面。顯示於第1圖中的該中間產品的元件與顯示在第2圖中的該中間產品的元件相對應，以相同元件符號指示。接續於鋪設該第一層7之後，其頂表面15(也就是，背向該半導體本體1的該表面)的粗糙度藉由化學機械研磨(CMP)步驟而實質地減低，該步驟產生具有預定平坦度的已處理表面16。因為具有減低和預定表面粗糙度的多層膜片較不傾向破裂，使得該CMP步驟改進製作良率。該研磨步驟也有助於強化形成該膜片的層堆疊的整體應力平衡。經顯示將表面粗糙度減少至大約5nm的Ra已經顯著地改進該傳感器裝置的生產良率。使用適合的漿料和研磨墊，可藉由採用10秒計時的W CMP程序而達成此數值。
第3圖是依據第2圖於鋪設該膜片10的第二層8後的剖面。顯示在第2圖中的該中間產品的元件與顯示在第3圖中的該中間產品的元件相對應，以相同元件符號指示。由於該第一層的該已處理表面16，因此，鋪設該第二層8是實質地改進，也就是，相較於鋪設該第二層在未處理的表面15上，該第二層8背向該半導體本體1的該表面的特徵同樣在於減低的粗糙度。
第4圖是依據第3圖於形成開口在該膜片10中後的剖面。顯示在第3圖中的該中間產品的元件與顯示在第4圖中的該中間產品的元件相對應，以相同元件符號指示。第4圖顯示該膜片10中的該開口11。該開口11是提供用於接續的蝕刻步驟，其中，蝕刻劑引進至該開口11內，以侵蝕和移除該犧牲層5的材料。
第5圖是依據第4圖於移除該犧牲層5後的剖面，也就是，第5圖的實施例可視為最終傳感器裝置。顯示在第4圖中的該中間產品的元件與顯示在第5圖中的該中間產品的元件相對應，以相同元件符號表示。該犧牲層5可完全地被移除。或者，該犧牲層5的殘餘仍然在另外的通孔13之間。該蝕刻程序停止在該蝕刻停止層4上。第5圖顯示該傳感器裝置，其中，該膜片10的該主要部分已釋放，以致於該膜片10是懸掛在該半導體本體1上方，並且響應外部原因而隨意偏向，特別是於施加壓力時。該膜片10可僅藉由另外的通孔13而連接至該半導體本體1。或者，該膜片10例如可藉由夾鉗結構而連接至該半導體本體1。
如所陳述，顯示在第1至3圖中的該實施例代表該半導體傳感器裝置的示例性實施例，因此，依據該改進概念，它們不構成所有實施例的完整清單。實際的傳感器裝置組構例如可在形狀、尺寸和材料與所顯示的該實施例不同。
1:半導體本體
2:覆蓋層
3:電極層
4:蝕刻停止層
5:犧牲層
6:第三層
7:第一層
12:通孔
13:另外的通孔
14:積體電路
16:已處理表面

Claims (14)

  1. 一種產生半導體傳感器裝置的方法，包含：提供半導體本體(1)；形成犧牲層(5)在該半導體本體(1)的表面上方，鋪設膜片(10)在該犧牲層(5)上；以及藉由引進蝕刻劑至該膜片(10)的開口(11)內，以移除該犧牲層(5)，其中，鋪設該膜片(10)包含：鋪設包含鈦及/或氮化鈦的第三層(6)，鋪設包含鎢的第一層(7)，其中，該第一層(7)鋪設在該第三層(6)的背向該半導體本體(1)的表面上，減低該第一層(7)背向該半導體本體(1)的表面(15)的粗糙度，以達成已處理表面(16)，其中，該已處理表面(16)的粗糙度輪廓具有介於2nm與10nm之間的算術平均數Ra，以及圖案化和結構化該第一層(7)，以形成該開口(11)。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，減低該粗糙度包含研磨。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該已處理表面(16)的粗糙度輪廓具有等於或小於5nm的算術平均數Ra。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中，該研磨為化學機械研磨(CMP)。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中，鋪設該膜片(10)進一步包含鋪設第二層(8)在該已處理表面(16)上。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中，鋪設該第二層(8)包含鋪設鈦及/或氮化鈦。
  7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，進一步包含：鋪設電極層(3)在該半導體本體(1)與該犧牲層(5)之間，形成互連接該電極層(3)與該半導體本體(1)的通孔(12)，以及形成互連接該膜片(10)與該半導體本體(1)的另外的通孔(13)。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，進一步包含鋪設覆蓋層(2)在該半導體本體(1)與該電極層(3)之間。
  9. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，進一步包含鋪設蝕刻停止層(4)在該半導體本體(1)與該犧牲層(5)之間。
  10. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中，該膜片(10)是鋪設在該犧牲層(5)的實質平坦表面上。
  11. 一種半導體傳感器裝置，包含：半導體本體(1)，以及膜片(10)，具有第一層(7)和第三層(6)，該第三層(6)包含鈦及/或氮化鈦，其中，該膜片(10)的主要延伸面是配置平行於該半導體本體(1)的表面，該膜片(10)是懸掛在朝與該膜片(10)的該主要延伸面垂直的方向上與該半導體本體(1)相距一距離處，該第一層(7)包含具有預定平坦度的已處理表面(16)，其中，該已處理表面(16)背向該半導體本體(1)，其中，該已處理表面(16)的粗糙度輪廓具有介於2nm與10nm之間的算術平均數Ra，該第一層(7)包含鎢並且設置在該第三層(6)的背向該半導體本體(1)的表面上。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之半導體傳感器裝置，其中，該半導體本體(1)進一步包含積體電路(14)。
  13. 一種壓力感測器，包含如申請專利範圍第11或12項所述之半導體傳感器裝置。
  14. 一種行動裝置，包含具有如申請專利範圍第11或12項所述之半導體傳感器裝置的壓力感測器。
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