用于制造集成MEMS换能器设备的方法和集成MEMS换能器设备与流程

本公开涉及一种诸如平行板电容式换能器的集成mems换能器的制造方法。

mems传感器通常用于广泛的应用中，诸如汽车、消费、工业和医疗以及许多其他应用中。mems设备通常包括悬置物体，该悬置物体通过在制造过程结束前去除牺牲层来形成。将物体悬置需要良好地控制蚀刻以去除牺牲层。一般地，为了将mems设备的部件悬置，通过氢氟酸(hf)，特别是通过hf蒸气蚀刻，来去除与待悬置的部件相邻的牺牲材料。

待实现的目的是提供一种用于制造具有低功率要求和高灵敏度的集成mems换能器设备的改进方法。

该目的利用独立权利要求的主题来实现。该改进方法的实施例和改进方案在从属权利要求中限定。

通常，用于制造mems设备的牺牲层由诸如二氧化硅(sio2)的单一材料组成，该材料通过采用hf蒸气(vhf)作为蚀刻剂来进行去除。在该过程期间，添加了通常是水或醇的催化剂，以将hf蒸气电离，从而引发并维持牺牲材料的蚀刻：

从以上利用醇a作为催化剂的反应方程式中可以看出，即使vhf蚀刻构成了干法蚀刻过程，也会形成反应副产物水(h2o)。这些水同样充当了蚀刻过程的催化剂：

为了防止不受控制的蚀刻，并因此实现最佳蚀刻结果以避免蚀刻表面的不均匀性，必须良好地控制整个蚀刻过程期间所形成水的量。

常规方法建议在高温下去除牺牲层，然而这会降低牺牲材料与蚀刻停止层(esl)之间的蚀刻选择性，该蚀刻停止层通常用于终止蚀刻过程并因此防止对其他层和/或材料的不期望的蚀刻。这导致了需要厚的esl以避免过度蚀刻，这限制了mems换能器的灵敏度，因为出于保护目的，esl通常会保留在最终产品上。

一种替代的常规方法是采用牺牲层材料，该牺牲层材料的特征在于低的水分含量和低的蚀刻速率，以使得在蚀刻过程期间仅形成少量的水。然而，这种方法导致了产量的减少和制造成本的增加。

为了克服常规制造方法的局限性，本改进方法基于以下思想，即借助于去除包括不同材料的子层的牺牲层来使换能器中的物体悬置，诸如隔膜或膜片。选择这些材料，以便在蚀刻过程中形成的水和蚀刻持续时间之间达到最佳折衷，其中与去除常规单层牺牲层相比，蚀刻过程自身的参数(诸如温度和/或hf浓度)得以保持。

根据本改进方法的用于制造mems换能器设备的方法包括向衬底主体提供表面，并且在该表面上沉积蚀刻停止层(esl)。该方法还包括在esl上沉积牺牲层、在牺牲层上沉积隔膜层以及去除牺牲层。这其中，沉积牺牲层包括沉积第一材料的第一子层以及沉积第二材料的第二子层，其中第一材料和第二材料是不同的材料。

衬底主体例如包括半导体(诸如硅)衬底，并且可以包括有源电路，例如用于读出目的的专用集成电路(asic)，该有源电路布置在表面上或者部分地或完全地布置在衬底内。

蚀刻停止层(esl)是针对hf蚀刻而言具有更低蚀刻速率的材料，例如电介质(诸如富硅氮化硅、碳化硅、碳氮化硅或氧化铝)，并且沉积在衬底主体的表面上。为了维持足够的灵敏度，通常在垂直于衬底主体表面的竖直方向上沉积厚度为20至500nm的esl。

牺牲层沉积在esl上，即沉积在esl中的背离衬底主体的表面上，并且包括第一材料和第二材料，该第一材料和第二材料在vhf蚀刻方面与esl的材料相比具有较高的选择性，即与诸如富硅的sin的esl的材料相比具有显著更高的蚀刻速率。牺牲层的第一材料和第二材料可以彼此不同，使得在去除牺牲层期间，第一材料和第二材料的蚀刻行为不同。例如，蚀刻速率或蚀刻的各向同性不同。例如，第一材料和第二材料在组成、水分含量和/或密度方面彼此不同。

隔膜层包括待悬置的物体，并且该隔膜层沉积在牺牲层上，即沉积在牺牲层中的背离衬底主体的表面上。例如，待悬置的物体是mems膜片，并且包括电容式mems换能器的电极，诸如顶部电极。与常规压阻式换能器相比，电容式换能器具有低功耗、高灵敏度和高精度的特点。因此，隔膜层可以包括导电材料，诸如金属，如钨、钛和氮化钛。在本文中，“顶部电极”是指在垂直于衬底主体的主延伸平面的竖直方向上布置在距衬底主体最大距离处的换能器电极。该距离是由esl和牺牲层的组合厚度来确定的，并且通常为约200nm至5μm。

与采用了由于温度要求而必须与读出电路分开制造的硅基隔膜的常规换能器设备不同，所建议的材料的优点使得能够在不需要可能会产生额外噪声并因此限制灵敏度的键合线的情况下，对整个换能器设备进行组合的单片cmos兼容制造。

遵循本改进方法来制造mems换能器设备，使得能够良好控制地去除牺牲层以使隔膜悬置，因此防止了esl的过度蚀刻，这可能导致潜在的底层结构和材料暴露。

在一些实施例中，第一子层沉积在esl上，并且第二子层沉积在第一子层上。

在这种配置中，通常例如穿过隔膜层中的开口来侵蚀牺牲层中面向隔膜层的表面的蚀刻剂，在能够蚀刻第一子层之前首先去除第二子层。因此，形成了叠层的第一子层和第二子层的这种布置进一步增加了对蚀刻过程的控制，因为可以预先确定第一子层和第二子层的厚度以便针对特定换能器设计来优化第一子层和第二子层的蚀刻。

在一些实施例中，第一材料和第二材料是电介质，诸如氧化物。

如同上述用于esl的材料选择，氧化物(诸如二氧化硅)是cmos兼容材料，其针对hf基蚀刻而言与esl的材料相比提供了所需的高选择性。例如，在vhf蚀刻过程中，二氧化硅的特征在于其蚀刻速率比富硅的氮化硅高20至100倍。这允许有效去除牺牲层，而无需提供厚的esl以防止过度蚀刻。例如，esl的厚度比牺牲层的厚度小一个数量级。

在一些实施例中，针对诸如vhf或水基hf酸的释放式蚀刻剂而言，第一材料和第二材料在蚀刻速率方面彼此不同。

第一材料和第二材料的不同蚀刻速率在良好控制地去除牺牲层与去除整个牺牲层所需的可接受总蚀刻时间之间提供了折衷。例如，通过第一材料和第二材料的不同水分含量或密度来实现不同的蚀刻速率。更致密的材料或者具有更低水分含量的材料所产生的作为副产物的水更少，并且因此导致了与具有更高水分含量的材料或更低密度材料相比更低的蚀刻速率。此外，由于形成的水较少并用作催化剂，导致了不受控制的蚀刻行为，因此与具有更高水分含量或更低密度的材料相比，具有更低水分含量或更高密度的材料可以进行更各向同性地蚀刻。

在一些实施例中，第二材料是非掺杂硅玻璃(usg)。

通过低密度cvd技术所沉积的非掺杂硅玻璃包含大量的水分含量，一旦引发了蚀刻过程，这就会导致高的蚀刻速率。在蚀刻剂在侵蚀第一子层之前侵蚀了第二子层的实施例中，作为第二材料的usg可以导致在对去除第一子层期间的蚀刻进行良好控制之前快速地去除第二子层。此外，在去除第二子层之后剩余的水残留可以增加第一材料的初始蚀刻速率，该第一材料例如具有低水分含量或更高的密度。

在一些实施例中，第一材料是氟化硅玻璃(fsg)或经由高密度等离子体化学气相沉积(hdp-cvd)来沉积的硅玻璃。

pecvd沉积的掺杂硅玻璃(诸如氟掺杂剂浓度为约3.5％并通常用作低κ电介质的fsg)以及hdp-cvd沉积的硅玻璃是用于实现具有低水分含量和高密度的沉积电介质层的两种选择。在第一子层沉积在esl上并因此最后进行蚀刻的实施例中，这种缓慢地蚀刻第一材料导致了在去除牺牲层的最后阶段期间的良好控制的蚀刻行为。例如，与usg相比，fsg或hdp-cvd沉积的硅的释放式蚀刻具有更明显的各向同性，并且因此防止了释放式蚀刻之后esl的不均匀性。

在一些实施例中，将牺牲层沉积为使得该牺牲层在垂直于衬底主体的延伸主平面的竖直方向上的厚度等于或小于5μm，特别是等于或小于1μm。

如上所述，为了保持换能器设备的足够大的灵敏度，隔膜距衬底主体的表面的距离通常仅为约几个微米。如所期望的，esl尽可能地薄，例如远远薄于1μm，所述距离基本上是由牺牲层的厚度来确定的。对于厚度为1μm的牺牲层而言，例如，为了实现上述折衷，第一子层的厚度可以为650nm，并且第二子层的厚度可以为350nm。

在一些实施例中，沉积牺牲层还包括沉积第三材料的第三子层，其中第三材料不同于第一材料和第二材料，或者对应于第一材料。

隔膜层的一些材料选择(例如钛或氮化钛)不能完全抵抗hf基酸，使得在牺牲层去除期间隔膜层可能会受到侵蚀。为了防止隔膜层的蚀刻，可以沉积具有低蚀刻速率的材料的第三子层，以使得隔膜层沉积在所述第三层上。例如，与第一材料一样，第三材料是fsg或hdp-cvd沉积的硅。为了使制造过程的材料清单尽可能地短，第三材料理想地对应于第一材料，并且同样具有低水分含量和更高的密度。

在一些实施例中，衬底主体包括钝化层和/或电极层，并且表面是钝化层和/或电极层的表面。

电容式换能器的底部电极，即最靠近衬底主体的电极，可以通过沉积、图案化和结构化例如包括金属材料的电极层来实现，使得esl沉积在电极层中的背离衬底主体的表面上。为了防止短路，可以在衬底主体上附加地沉积钝化层。例如，钝化层包括电介质材料。

在一些实施例中，该方法还包括，特别是在去除牺牲层之前，对隔膜层进行图案化和结构化。

为了使vhf蚀刻剂能够侵蚀牺牲层的顶部表面，可以在隔膜中形成开口，例如以创建穿孔膜片。例如，这些开口可以在尺寸、形状和间隔方面进行设计以调节牺牲层的蚀刻行为。因此，所述开口充当蚀刻剂的入口。

在一些实施例中，沉积隔膜层包括沉积粘附层。

由于一些材料(诸如钨)的特征在于与其他材料(诸如氧化物)的粘附力低，因此能够通过附加的粘附层(例如包括钛和/或氮化钛)来促进粘附。为此，沉积隔膜层包括在牺牲层上沉积粘附层，然后沉积例如钨层，该钨层由于其导电性而用作电容式换能器中的顶部电极。

该目的还通过根据上述实施例之一的方法制造的集成mems换能器设备来解决。该设备包括：衬底主体，其在衬底上具有第一电极；具有第二电极的悬置的mems隔膜；以及具有锚定件的锚定结构，其将mems隔膜连接到衬底主体。

锚定结构例如包括通孔或沟槽，以用于将第二电极(即顶部电极)与布置在衬底主体上或衬底主体内的有源电路进行电互连。

在一些实施例中，集成mems换能器设备还包括在锚定结构的锚定件之间的牺牲层。

在去除牺牲层期间，蚀刻剂无法接近锚定结构内的间隔。因此，在这些实施例中，最终的换能器设备具有包括子层材料的叠层的牺牲层残留。

根据上述制造方法的实施例，集成mems换能器设备的其他实施例对于本领域技术人员而言是显而易见的。

该目的还通过包括根据上述实施例之一的集成mems换能器设备的压力传感器来解决。

该目的还通过一种电子设备来解决，该电子设备包括具有根据上述实施例之一的集成mems换能器设备的压力传感器。

在根据本改进方法所制造的集成换能器设备的应用包含环境传感器(诸如电容式cmos压力传感器)、在音频带中用作麦克风和/或扬声器并且用于超声应用的动态压力传感器。此外，所述换能器可以用在微加热板中并且用于红外探测。可以采用集成换能器设备的电子设备包括诸如智能电话和平板计算机之类的移动通信设备，还包括如智能手表之类的可穿戴设备。

以下对示例性实施例的附图说明可以进一步示出和解释本改进方法的各方面。具有相同结构和相同效果的集成换能器设备的部件和零件分别利用相同的附图标记来表示。就换能器设备的部件和零件在不同附图中的功能彼此对应而言，以下各附图均不再重复其描述。

图1a至1e示出了集成换能器设备的改进制造方法的示例性实施例的中间步骤的横截面；

图2a至2f示出了集成换能器设备的制造方法的另外的示例性实施例的中间步骤的横截面；

图3示出了利用改进方法所制造的最终集成换能器设备的横截面；以及

图4a至图4e示出了集成换能器设备的常规制造方法的中间步骤的横截面。

图1a至图1e示出了集成换能器设备的一个示例性制造方法的中间步骤的横截面。在该实施例中，沉积牺牲层3包括沉积第一子层4和第二子层5。

图1a示出了释放式蚀刻之前的换能器设备的中间产品的横截面。集成换能器设备包括由衬底材料制成的衬底主体1，该衬底材料可以是硅。衬底主体1还可以包括集成电路，该集成电路可以特别是具有有源电路和无源电路的cmos电路。这种集成电路本身是已知的并且在图中未示出。集成电路尤其可以提供为用于评估来自换能器的信号，诸如换能器的电容。

在衬底主体1的表面上施加覆盖层2，该覆盖层可以包含例如嵌入在金属间电介质层和/或钝化层中的布线。例如，金属间电介质层可以包括二氧化硅，并且钝化层可以包括二氧化硅和氮化硅的组合。换能器设备的包含衬底主体1和覆盖层2的部分可以类似于具有集成电路的常规半导体设备。换能器设备与这种半导体设备的不同之处在于，换能器元件布置在覆盖层2中的背离半导体主体1的表面上。覆盖层2的厚度可以为约100nm-5μm，或甚至为约100-200nm。

电极层7可以布置在覆盖层2中的背离衬底主体1的表面上，并且例如经由光刻和蚀刻来进行图案化和结构化，以形成换能器(尤其是例如电容式换能器)的第一电极。这种换能器的第一电极可以称为底部电极。蚀刻停止层(esl)8布置在电极层7中的背离衬底主体1的表面上。电极层7和esl8的厚度可以为约20-500nm，或甚至为约50-300nm。

牺牲层3布置在esl8中的背离衬底主体1的表面上。esl8由针对氟基蚀刻剂而言的蚀刻速率远远低于牺牲层3材料的材料制成。例如，esl8包括氮化硅(诸如富硅的氮化硅)，同时牺牲层3包括硅或二氧化硅。牺牲层3包括第一子层和第二子层4、5，其中第一子层是第一材料并布置在esl8的表面上，并且第二子层5是第二材料并布置在第一子层4上。第一材料可以是氟化硅玻璃(fsg)，其特征在于，与例如可以是非掺杂硅玻璃(usg)的第二材料相比具有低的水分含量。牺牲层的总厚度可以为约200nm-5μm，或甚至为约500nm至3μm。

隔膜层6沉积在牺牲层3中的背离衬底主体1的表面上，并且在后续步骤中进行图案化和结构化以用于形成开口10。隔膜层6可以包括一系列层，并且可以特别包含主层和粘附层。粘附层配置为有助于将隔膜层6布置在牺牲层3上。与主层材料相比，粘附层材料的特征在于对牺牲层3的粘附更大。粘附层可以例如包括钛、氮化钛(tin)或钛和tin的组合。主层可以是诸如钨的金属。隔膜层6的厚度可以为约50nm-2μm，或甚至为约50-300nm。在选择牺牲层3的第一子层和第二子层4、5这两者的厚度时，必须考虑开口10的参数(诸如尺寸和间隔)，因为这会影响蚀刻过程。

在以下的图1b至1e中，出于说明目的省略了附图标记。相应层的阴影在所有附图中均保持一致。

图1b示出了通过将vhf蚀刻剂穿过隔膜层6的开口10来引入以引发释放之后，根据图1a的中间产品的横截面。因为第二子层5的水分含量远远高于第一子层4，所以第二子层的蚀刻速率远远高于第一子层的刻蚀速率。

图1c示出了在已经完全去除第二子层5之后，根据图1b的中间产品的横截面。由于低的水分含量，第一子层4由于蚀刻而仅显示出很微小的厚度减小(如果有的话)。由于此时已完全释放隔膜层6，因此vhf蚀刻剂能够侵蚀第一子层4中的背离衬底主体1的整个表面，从而实现各向同性蚀刻，如图1e所示，该图示出了厚度减小的第一子层4。

图1e示出了在已经完全去除第一子层4并且因此已经完全去除整个牺牲层3之后，根据图1d的中间产品的横截面。esl8保留在最终的换能器上，并用作在其他情况下暴露的电极层7的保护层。

与图1a至1e所示出的实施例相反，子层4、5的相反顺序也是可以的。如果必须考虑对隔膜层进行保护，则可以采用这种情况，即第一子层4的特征在于，针对特定蚀刻剂而言，第一子层的蚀刻速率要快于第二子层5，同时esl8可以具有足够高的选择性以使得此时良好地控制刻蚀不是至关重要的。例如，在该实施例中，第一子层4可以包括usg，并且第二子层5可以包括fsg。在该实施例中，可以专门针对特定设计和/或制造过程来确定子层4、5的厚度。

图2a至2f示出了集成换能器设备的另外的示例性制造方法的中间步骤的横截面。与图1a至1e相比，在该实施例中，沉积牺牲层3还包括在第二子层5上沉积第三子层9。

图2a，类似于图1a，示出了在引发释放式蚀刻之前换能器设备的中间产品的横截面。例如，如果隔膜层包括ti和/或tin的粘附层，则该实施例是特别相关的。粘附层不仅促进了主层到牺牲层3的粘附，而且钛还充当了吸气剂材料，该吸气剂材料减小了空腔(即esl8与隔膜层6之间的空隙)中的氢分压。因此，应当避免蚀刻粘附层并且避免随之形成的tif4残留。为此，类似于第一子层4的第三子层9的第三材料的特征在于，低的水分含量导致低的蚀刻速率。例如，第一材料和第三材料是hdp-cvd硅玻璃。

在以下的图2b至2f中，出于说明目的省略了附图标记。各个层的阴影在所有附图中均保持一致。

图2b示出了通过将vhf蚀刻剂穿过隔膜层6的开口10来引入以引发释放之后的根据图2a的中间产品的横截面。在蚀刻穿过第三子层9之后，如图2c和2d所示，优先地蚀刻包括usg的第二子层5。由于该优先蚀刻，在已经完全去除第二子层5之后，第三子层9基本上覆盖了隔膜层6。

图2e示出了在已经完全去除第二子层和第三子层5、9并且第一子层4的厚度显著减小之后，根据图2d的中间产品的横截面。

图2f示出了在已经完全去除第一子层4并且因此已经完全去除整个牺牲层3之后，根据图2e的中间产品的横截面。如同在图1e的实施例中，esl8保留在最终的换能器上。

图3示出了在本改进方法的实施例之后所制造的最终的集成换能器设备的横截面。该换能器设备包括布置在覆盖层2上的结构化电极层7，其中该电极层7形成换能器的底部电极以及用于隔膜层6的接触部。根据前面的图中所描述的本改进制造方法，该电极层完全地覆盖有背离衬底主体1的esl8。隔膜层6构成穿孔的mems膜片，例如，其具有布置在粘附层6a与保护层6c之间的主层6b，从而在对主层6b的两个表面上进行释放式蚀刻期间保护主层6b。隔膜层6经由锚定结构的锚定件11与电极层的接触垫和/或例如属于集成电路的衬底主体的电路的接触部进行互连。

由于各个锚定件之间的牺牲层3从由esl8、隔膜层6和锚定结构所界定的空腔来进行密封，因此释放式蚀刻不会去除牺牲层3的所述部分，所述部分保留在最终的换能器中的所述锚定件之间。图3还示出了在释放式蚀刻之后沉积的盖层12，其用作换能器的保护层。

图4a至图4e，图2a至图2f示出了集成换能器设备的常规制造方法的中间步骤的横截面。该常规方法采用了由单个单层(例如usg)组成的牺牲层3。释放式蚀刻的步骤类似于图1a至1e和2a至2f所示出的步骤。单层导致了各向异性蚀刻，即，与在平行于衬底主体1的主延伸平面的横向方向上的蚀刻速率相比，在垂直于衬底主体1的方向上的蚀刻更快。这种各向异性蚀刻导致牺牲层的去除不均匀，并且可能导致esl8的去除不均匀，这反过来又影响顶部电极与底部电极之间的电容，并因此降低灵敏度。

如上所述的图1a至图3所示的实施例代表了本改进制造方法和集成换能器设备的示例性实施例，因此它们并不构成根据本改进方法的所有实施例的完整列表。实际的换能器设备配置例如可以在形状、尺寸和材料方面与所示的实施例不同。

附图标记说明

1衬底主体

2覆盖层

3牺牲层

4第一子层

5第二子层

6隔膜层

6a粘附层

6b主层

6c保护层

7电极层

8蚀刻停止层

9第三子层

10开口

11锚定件

12盖层。