用于制造蚀刻停止层的方法和包括蚀刻停止层的MEMS传感器与流程

本公开涉及一种用于制造蚀刻停止层(esl)的方法，并且涉及一种包括esl的微机电系统(mems)传感器。

mems传感器通常应用在例如汽车、消费、工业和医疗以及许多其他应用的广泛应用中。mems器件通常包括悬浮物体，该悬浮物体通过在制造过程结束时去除牺牲层而形成。

us9,340,412b2涉及一种包括悬浮膜的电容式压力传感器。

使物体悬浮需要良好控制的蚀刻，以便去除牺牲层。通常，为了使mems器件的部件悬浮，通过氢氟酸(hf)，特别是通过hf蒸气蚀刻来去除在待悬浮部件下方的牺牲材料。常规地，在特定点处，即当牺牲材料被完全去除时，停止蚀刻过程以便例如避免其他材料的意外过度蚀刻是至关重要的。

常用的方法是使用所谓的蚀刻停止层(esl)，该蚀刻停止层由关于特定蚀刻剂具有抗性或具有非常低的蚀刻速率的材料制成。因此，通过中止蚀刻过程，esl为其下方的层和材料提供保护。

esl的性能能够受到其下方的层以及材料的现有形貌的负面影响。例如，蚀刻停止层的随后的形貌允许在esl材料中形成薄弱点，借助于蚀刻剂能够通过该薄弱点进入其下方的材料。

要实现的目的是提供一种制造蚀刻停止层以及一种包括蚀刻停止层的mems传感器的改进构思。

该目的通过独立权利要求的主题实现。在从属权利要求中限定了该改进构思的实施例和改进。

改进构思基于在沉积esl之前将esl下方的层进行平坦化的思想。这允许具有薄的esl，同时避免任何不需要的形貌以及随之而来的薄弱点的形成。特别地，对于电容式mems传感器，薄的esl对于保持传感器的高灵敏度而言是至关重要的，因为esl通常保留在成品上。通常，在制造过程中，esl沉积在结构化底部电极之上并留下。特别地，在例如为电容式传感器的电极对之间的esl越薄，它对电容器的电学性能的影响就越小。此外，改进构思允许采用平坦化esl，而不需要在高温下进行热处理，例如数百摄氏度的热处理。

特别地，改进构思提出了一种形成用于氢氟酸气相蚀刻工艺的平坦化蚀刻停止层的制造方法，其中，该方法包括在衬底表面之上提供第一平坦化层，该第一平坦化层包括图案化和结构化的金属材料以及填充材料。该方法还包括在第一平坦化层之上沉积具有低hf蚀刻速率的esl材料的第二平坦化层，其中，第二平坦化层的特征在于低表面粗糙度和小于150nm，特别是小于100nm的厚度。例如，esl的表面粗糙度小于10nm，特别是小于1nm。

通常，形成电容式传感器的底部电极的金属材料由ti、tin、alcu和/或titin组成。

改进构思还包括遵循根据改进构思的制造方法而制造的mems传感器。

在根据改进构思的各种实施例中，该方法是cmos兼容的制造工艺的一部分。

例如通过将传感器与集成电路进行单片集成，特别是在具有高精度和高灵敏度的专用集成电路(asic)系统中，能够实现将mems传感器与cmos技术相结合，同时保持小形状尺寸、低功耗以及降低的制造成本。

在根据改进构思的方法的各种实施例中，esl的材料是诸如碳化硅之类的半导体，或者诸如氮化硅，特别是富硅的氮化硅之类的电介质。

碳化硅和富硅的氮化硅是常用的材料，其特征在于关于氢氟酸蚀刻的非常低的蚀刻速率。因此，这两种材料构成了关于蚀刻停止层的合适选择。原则上，可以选择其特征在于低蚀刻速率的任何非导电的cmos兼容材料。

在根据改进构思的方法的至少一个实施例中，通过在衬底表面之上沉积第一材料、对第一材料进行图案化和结构化、在第一材料(特别是结构化的第一材料)以及衬底表面的暴露部分之上沉积第二材料、以及执行例如化学机械平坦化(cmp)的平坦化，在衬底上提供第一平坦化层。

在上述实施例的变型中，cmpesl材料设置在第一材料与第二材料之间，特别是在结构化的第一材料与第二材料之间。cmpesl材料的特征在于具有低cmp蚀刻速率。

此外，在实施例的至少一个变型中，cmpesl材料与esl材料相同。

在一些情况下，需要附加蚀刻停止层以用于cmp蚀刻工艺。cmpesl材料可以用作这样的附加蚀刻停止层，并且同样可以是氮化硅，特别是富硅的氮化硅。

在根据改进构思的方法的一些替代实施例中，通过在衬底表面之上沉积第一材料、在第一材料之上沉积牺牲材料、对第一材料和牺牲材料进行图案化和结构化、在结构化的牺牲材料和衬底表面的暴露部分之上沉积第二材料、以及执行牺牲材料的湿法蚀刻，在衬底上提供第一平坦化层。

在上述实施例的变型中，结构化的牺牲材料的侧壁是锥形的。

为了成功地将牺牲材料与在牺牲材料之上的第二材料一起去除，即所谓的剥离，可能需要锥形的侧壁。这些锥形的侧壁可以经由锥形等离子体工艺来实现，并确保牺牲材料保持适合于湿法蚀刻剥离工艺。牺牲材料可以例如是在对第一材料进行图案化和结构化之后剩余的抗蚀剂，或者是在对第一材料进行图案化和结构化之前沉积在第一材料与抗蚀剂之间的牺牲材料。

在上述实施例中，第一材料是金属材料，并且第二材料是填充材料。

替代地，第一材料是填充材料，并且第二材料是金属材料。

通过首先限定由金属材料制成的底部电极，并随后利用填充材料填充金属材料层中的间隙，或者反之亦然，通过在沉积金属材料之前首先对填充材料进行图案化和结构化以限定底部电极，能够实现在衬底表面上形成第一平坦化层。

在根据改进构思的方法的替代实施例中，通过在衬底表面之上沉积、图案化和结构化金属材料、在结构化的金属材料和衬底表面的暴露部分之上沉积填充材料、在填充材料之上沉积第一材料的平坦化层、以及执行非选择性等离子体蚀刻的工艺，在衬底上提供第一平坦化层。因此，第一材料的特征在于关于非选择性等离子体蚀刻具有与填充材料相似的蚀刻速率。

与在沉积之后第二材料的可能形貌并非至关重要的cmp工艺相反，对于非选择性等离子体蚀刻工艺，沉积第一材料使得其顶部表面是平坦的。例如，第一材料能够是经由旋涂而沉积的抗蚀剂。

在各种实施例中，该方法还包括将另外的材料的平坦化的牺牲层沉积到平坦化的esl上，其中，与esl材料相比，另外的材料具有高hf蚀刻速率，即另外的材料对esl材料具有高选择性。

在至少一个实施例中，另外的材料是电介质，特别是二氧化硅。

二氧化硅(sio2)的特征在于关于hf蚀刻的高蚀刻速率，尤其是与富硅的sin相比，该富硅的sin是用于平坦化的esl的优选材料。这使sio2成为牺牲层的合适材料。

在至少一个实施例中，另外的材料与填充材料相同。

为了使制造工艺尽可能简单，保持了简短的材料清单。

在各种实施例中，根据改进构思的方法还包括在牺牲层中形成沟槽、利用锚固材料填充沟槽、在牺牲层之上沉积、图案化和结构化第二金属材料、去除牺牲层、以及沉积密封层。

第二金属材料由tin和/或w组成，并且保护层的材料例如是sin。密封层和平坦化的esl均沉积在顶部电极上，以保护顶部电极并同样用作最终钝化。

还通过遵循根据改进构思，例如根据上述实施例之一的制造方法而制造的电容式mems传感器解决上述目的。传感器包括衬底，特别是cmos衬底，在该衬底之上设置有第一平坦化层。第一平坦化层包括结构化的金属材料以及在该结构化的金属材料的空隙中的填充材料。在第一平坦化层之上，设置有具有低hf蚀刻速率的esl材料的平坦化esl，其中，该平坦化esl具有低表面粗糙度以及小于150nm，特别是小于100nm的厚度。传感器还包括在esl上方的结构化的第二金属材料的悬浮层。

从上述制造方法的实施例中，传感器的另外的实施例对于技术人员而言是显而易见的。

示例性实施例的附图的以下描述可以进一步示出和解释改进构思的各方面。具有相同结构和相同效果的制造方法的元件分别利用相同的附图标记来表示。只要该方法的元件在其在不同附图中的功能方面彼此对应，就不对以下附图中的每个重复其描述。

图1a至1c示出了根据改进构思的方法的示例性实施例；

图2a至2c示出了图1a至1c中所示的示例性实施例的变型；

图3a至3d示出了根据改进构思的方法的另外的示例性实施例；

图4a至4c示出了根据改进构思的方法的另外的示例性实施例；

图5a至5c示出了图4a至4c中所示的示例性实施例的变型；以及

图6a至6d示出了根据改进构思的方法的另外的示例性实施例；

图7a至7d示出了根据改进构思的方法的示例性实施例，其最终确定了传感器制造。

图1a至1c示出了形成用于氢氟酸(hf)气相蚀刻工艺的平坦化蚀刻停止层(esl)的方法的示例性实施例。在该示例性实施例中，例如通过化学机械平坦化(cmp)来实现第一层的平坦化。该实施例采用附加的esl以用于cmp处理。

如图1a所示，附加的esl由cmpesl材料21和结构化的第一材料制成，该cmpesl材料沉积在未示出的衬底的顶部表面的暴露部分之上。在该实施例中，第一材料是形成底部电极的金属材料20。cmpesl材料21可以例如是sin，特别是富硅的sin，并且关于cmp蚀刻具有低蚀刻速率。金属材料20可以例如由ti、tin、alcu和/或titin组成。作为第二材料，填充材料22沉积在cmpesl材料21之上，特别用于填充包括金属材料20的层中的间隙。填充材料22可以是介电材料，例如sio2。

图1b示出了在执行cmp之后的第一平坦化层，该cmp随着到达由cmpesl材料21制成的附加esl而中止。由于cmp旨在平坦化其所施加的表面，所以结构的形貌，特别是在沉积填充材料22之后的结构的形貌不是至关重要的。

图1c示出了在平坦化的第一层之上形成期望的平坦化esl的esl材料23的应用。esl材料23可以是sin，特别是富硅的sin，其关于hf蚀刻剂具有低蚀刻速率。对于一些cmp工艺，为cmp采用附加的esl可以是可选的。

图2a至2c示出了图1a至1c中描述的实施例的变型。在该变型中，在沉积填充材料22之前，cmpesl材料21与金属材料20一起进行图案化和结构化。

特别地，cmpesl材料21可以用作掩模，因此消除了例如在施加cmpesl材料21之前使用抗蚀剂对金属材料20进行图案化和结构化的必要性，如图1a至1c所示。

在该变型中的cmp工艺也随着到达cmpesl材料21而中止，并因此形成第一平坦化层，如图2b所示。

因此，图2c示出了用于形成平坦化esl的esl材料23的沉积。

图3a至3d示出了作为根据改进构思的方法的替代实施例的工艺的变型。与图1a至1c和图2a至2c中描述的实施例相比，第一材料和第二材料被交换。

对于该实施例，填充材料22作为第一材料沉积在衬底表面上，并且随后被图案化和结构化，如图3a所示。

图3b示出了金属材料20作为第二材料的沉积，其在填充材料22的层中限定了底部电极。

在这种情况下，填充材料22能够被选择为关于cmp具有低蚀刻速率，使得第一层的平坦化随着到达填充材料22而中止，如图3c所示。

图3d示出了在沉积esl材料23以形成平坦化esl之后的结构。

图4a至4c示出了在平坦化的第一层之上形成平坦化esl的方法的替代实施例。

在该实施例中，金属材料20作为第一材料与牺牲材料25一起被图案化和结构化，如图4a所示。牺牲材料25可以例如是在对金属材料20进行结构化之后未被去除的抗蚀剂材料。例如，金属材料20和牺牲材料25的图案化和结构化经由锥形等离子体工艺实现，特别用于实现牺牲材料25的锥形侧壁26。

图4b示出了填充材料22作为第二材料的沉积，该填充材料能够被很好地控制，特别是用于填充包括金属材料20的第一层中的间隙，使得填充材料22的厚度对应于金属材料20的厚度。

图4c示出了在通过剥离工艺去除牺牲材料25之后的结果，例如，在第一层之上形成了平坦化的第一层，作为esl材料23的平坦化esl的基础。

图5a至5c示出了作为图4a至4c中所示的方法的替代实施例的反向工艺，在该工艺中，第一材料和第二材料被交换。

该实施例的原理类似于图3a至3d中所示的工艺，其中在第一步骤中，填充材料22作为第一材料与牺牲材料25一起在填充材料22之上进行图案化和结构化，如图5a所示。同样地，在该实施例中，牺牲材料25可以例如是在对填充材料22进行结构化之后未被去除的抗蚀剂材料。

图5b示出了在金属材料20作为第二材料沉积，特别是沉积在衬底表面的暴露部分上之后的结构，使得金属材料20的厚度对应于填充材料22的厚度。

图5c示出了在通过剥离工艺去除牺牲材料25之后的结果，例如，在第一层之上形成了平坦化的第一层，作为的esl材料23的平坦化esl的基础。

图6a至6d示出了在平坦化的第一层之上形成平坦化esl的方法的另外的替代实施例。与图1a和2a中所述的工艺类似，该实施例中的填充材料22沉积在结构化的金属材料20和衬底表面的暴露部分上，特别用于填充包括金属材料20的层中的间隙，如图6a所示。

之后，图6b示出了附加材料24在填充材料22之上的沉积，使得附加材料24的顶部表面是平坦的。例如，附加材料可以是抗蚀剂，该抗蚀剂例如经由旋涂而被施加有平坦的顶部表面。

图6c示出了在非选择性等离子体蚀刻之后的平坦化的第一层。该蚀刻旨在以相似的，特别是相等的速率来蚀刻填充材料22和附加材料24，以便实现第一层的平坦化表面。能够很好地控制等离子体蚀刻，从而防止过度蚀刻。

图6d再次示出了在沉积esl材料23以在平坦化的第一层之上形成平坦化esl之后的结构。

图7a至7d示出了在形成平坦化esl之后以用于制造包括平坦化esl的mems传感器的示例性步骤。

起点是图7a，该图示出了在平坦化的第一层之上的esl材料23的平坦化esl13，该平坦化的第一层包括金属材料20的底部电极11以及在底部电极11之间的间隙中的填充材料22。第一层设置在衬底10的表面之上，例如是在钝化中具有用于电连接的通孔的cmos衬底。

图7b示出了在沉积另外的材料的平坦化牺牲层16之后的结构。对于hf气相蚀刻剂，与esl材料23相比，另外的材料具有高蚀刻速率。例如，另外的材料可以与填充材料22，特别是sio2相同。对于hf蚀刻剂，sio2的特征在于对sin具有高选择性。sin，特别是富硅的sin，是优选的esl材料23。

图7c示出了牺牲层16内部的沟槽14。在第二金属材料的平坦化金属层12沉积在牺牲层16之上之前，该沟槽填充有导电锚固材料，例如金属材料。

在对平坦化的金属层12进行图案化和结构化以形成顶部电极15之后，通过hf气相蚀刻工艺去除牺牲层16，该hf气相蚀刻工艺使顶部电极15悬浮，现在形成悬浮膜，如图7d所示。平坦化esl13用作hf蚀刻的屏障，并且因此在不影响下方的底部电极11、填充材料22和衬底10的情况下停止蚀刻工艺。密封层26沉积在顶部电极15和平坦化esl13之上，以保护顶部电极15并用作最终的钝化。

遵循根据改进构思的方法的该实施例制造的示例性电容式传感器1是一个具体示例，并且可以例如是压力传感器。该方法能够应用于需要平面以及薄的esl的类似的传感器制造工艺。如果esl保留在完成的传感器上，并且要防止例如电学性能的显著下降，则特别如此。

附图标记

1传感器

10衬底

11底部电极

12平坦化金属层

13平坦化蚀刻停止层

14锚固材料

15顶部电极

16牺牲层

17第一平坦化层

20金属材料

21cmpesl材料

22填充材料

23esl材料

24附加材料

25牺牲材料

26密封层