被塗覆的電容傳感器的製造方法
2023-06-21 14:42:06
被塗覆的電容傳感器的製造方法
【專利摘要】在一個實施例中，一種形成MEMS裝置的方法包括：提供基體；在基體層之上形成犧牲層；在犧牲層上形成矽基工作部分；從犧牲層釋放所述矽基工作部分，使得工作部分包括至少一個暴露外表面；在矽基工作部分的所述至少一個暴露外表面上形成第一層矽化物形成金屬；以及利用第一層矽化物形成金屬形成第一矽化物層。
【專利說明】被塗覆的電容傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及微機加工電容傳感器以及製作這種裝置的方法。
【背景技術】
[0002]表面微機加工用於製作許多微機電系統(MEMS)裝置。通過使用表面微機加工，MEMS裝置結構可使用諸如化學氣相沉積的過程形成在矽基體上。這些過程允許MEMS結構包括小於數微米的層厚度和明顯更大的面內尺寸。通常，這些裝置包括被構造成能相對於裝置的其他部分移動的部分。在這種類型的裝置中，可移動的結構通常形成在材料的犧牲層上。在可移動結構形成之後，可移動結構可通過選擇性地在含水氫氟酸(HF)中溼侵蝕犧牲層而被釋放。在侵蝕之後，被釋放的MEMS裝置結構可在去離子水中漂洗，以去除侵蝕劑和侵蝕產物。
[0003]由於許多可移動結構具有大的表面積體積比，因此包這種結構的MEMS裝置易於在釋放過程中(釋放粘合)或隨後的裝置使用過程中(使用粘合)產生層間或層與基體之間的粘合。這種粘合現象更普通稱為靜態阻力。靜態阻力由於或在MEMS裝置的釋放後處理過程中或在隨後使用時暴露給空氣的過程中在矽表面上快速形成5-30埃厚的天生氧化物層而惡化。二氧化矽是親水性的，這促使在天生氧化物表面上形成水層，當小的層間間隙暴露給高的潮溼環境下時可具有強的毛細力。而且，由於存在某些有機殘留物而產生的凡得瓦爾力、氫鍵結合和靜電力也會有助於層間吸引。這些結合力可強到足以將自由站立的釋放層拉到與另一結構接觸，從而引起不可取消的閉鎖並會使得MEMS裝置無效。
[0004]已經有人試圖採用各種方法來最小化MEMS裝置中的粘合。這些方法包括乾燥技術、例如冷凍-升華乾燥和超臨界二氧化碳乾燥，它們用於在釋放過程中防止液體形成，從而，防止毛細塌陷和釋放粘合。氣相HF侵蝕通常用於減輕過程中的靜態阻力。其他方法涉及通過最小化接觸表面面積、設計在平面外方向上堅硬的MEMS裝置以及密封封裝降低靜態阻力。
[0005]用於降低使用中的靜態阻力和粘合問題的一種方法基於通過添加抗靜態阻力塗層而對裝置進行的表面修改。被修改的表面理想情況下通過添加材料塗層具有低的表面能，從而抑制被釋放的MEMS裝置中的使用中的粘合。絕大部分的塗覆過程的目的均是產生附著到天生二氧化矽的薄的表面層，該表面層相對於環境是疏水表面。特別地，用具有疏水尾基的自組裝單分子層(SAM)塗覆MEMS裝置表面已經展現出在降低使用中的粘合方面是有效的。SAM通常涉及在MEMS裝置被釋放之後從不含水的溶液沉積有機矽烷偶聯劑、例如十八烷基三氯矽烷和全氟癸基三氯矽烷。甚至在沒有抗靜態阻力塗層的情況下，在矽表面上也會產生天生氧化物。
[0006]儘管採用上述各種方法，但使用中的粘合仍是MEMS裝置的嚴重的可靠性問題。這種問題的一個方面是，即使施加了抗靜態阻力塗層，底下的矽層仍可能保留各種電荷。例如，娃本身不是導體。為了將娃結構修改為導電的，一種物質摻入娃中。然而，由於功能娃層中的誘發應力，可實現的摻雜水平是有限的。因此，在製造過程中，電荷沉積在感測元件的矽表面上且電荷不立即被遷移。電荷由於用於限定各種結構的溝道形成過程而包括懸掛鍵。在電容式感測裝置中，那些電荷可引起可靠性問題，這是因為它們不是全被束縛在本地。這些電荷具有一定的移動性，且根據溫度或老化而流動。這可導致例如電容式傳感器的靈敏度或誤差的不良的流動效應。因此，為了不積聚表面電荷，位於所述結構的頂部上的高導電性的工作層(不是可能的W/矽)或至少高導電性的塗層是所期望的。
[0007]而且，矽的有限導電性可在包括電容式傳感器的電子評估電路中產生不可接受的RC時間常數。具有例如IOpF的總電容(C)和IOkOhm的總電阻(R)的傳感器元件可局限於大約IMHz的頻率以下的操作。然而，在更高頻率下的操作在某些應用場合下是所期望的，這是因為更高頻率的操作可使傳感器獲得更好的信噪比性能。因此，MEMS裝置中的能夠實現較低的RC時間常數的增大的導電性是有益的。
[0008]因此，仍需要這樣一種用於MEMS裝置的可靠的塗層，其與MEMS製作過程兼容且可用於降低靜態阻力、表面電荷和/或MEMS結構的電阻率。
【發明內容】
[0009]根據一個實施例，一種形成MEMS裝置的方法包括:提供基體；在基體層之上形成犧牲層；在犧牲層上形成矽基工作部分；從犧牲層釋放所述矽基工作部分，使得工作部分包括至少一個暴露外表面；在娃基工作部分的所述至少一個暴露外表面上形成第一層娃化物形成金屬；以及利用第一層矽化物形成金屬形成第一矽化物層。
[0010]在另一實施例中，一種MEMS裝置包括:被釋放的矽基工作部分；以及在矽基工作部分的所有本要暴露的表面上的第一矽化物層。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1示出了根據本發明的原理的電容傳感器裝置的側剖視圖，該電容傳感器裝置具有矽化物層，所述矽化物層形成在所述裝置的工作部分的本要暴露的表面上。
[0012]圖2示出了類似於圖1的裝置的電容傳感器裝置在矽化物層形成在裝置的工作部分的暴露表面上之前的側剖視圖。
[0013]圖3示出了圖2的裝置在由矽化物形成材料構成的保護層已經沉積在裝置的所有本要暴露的表面上之後的側剖視圖。
[0014]圖4示出了圖3的裝置在退火已經在包括矽的本要暴露的表面上形成矽化物層之後的側剖視圖。
【具體實施方式】
[0015]為了更好地理解本發明的原理，現參看附圖中所示的和以下文字描述中描述的多個實施例。應當理解，不是藉此限制本發明的範圍。還應當理解，本發明包括所示的實施例的任何替代方案和修改，且包括本發明所屬【技術領域】的技術人員通常能想到的本發明的原理的其他應用。
[0016]圖1中示出了 MEMS傳感器100。所述MEMS傳感器100包括基體102、下犧牲氧化物層104、掩埋矽層106、上犧牲氧化物層108和工作層110。基體102可以是互補金屬氧化物半導體(CMOS)基體或另一類型的基體。在該實施例中是矽晶片的基體102可包括一個或多個傳感器100。
[0017]可熱生長的下氧化物層104充當掩埋矽層106與基體102之間的絕緣層。可例如在等離子體增強化學氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapordeposition, PECVD)過程內沉積的上氧化物層108充當掩埋矽層106與工作層110之間的絕緣層。掩埋矽層106與工作層110的多個部分之間的電連通通過延伸穿過形成於上犧牲氧化物層108中的溝道的柱112/114來提供。掩埋矽層106從而通過柱112/114在形成在工作層110中的各個器件之間提供電連通。
[0018]工作層110包括電極部分116和錨固部分118，它們相對於基體102固定地定位。接觸部120定位在電極部分116的上表面上。接觸部120可由金屬材料形成。
[0019]錨固部分118通過圖1中未示出的結構支撐工作部分122。支撐結構(未示出)例如可以是懸臂。在此使用的術語「工作部分」是指在MEMS傳感器100的正常操作過程中MEMS傳感器100的用於相對於基體102移動的一部分。在圖1的實施例中的工作部分122是在工作層110的平面內移動的電容件。在其他實施例中，工作部分可被構造成用於平面外運動。
[0020]工作部分122包括內部分124和定位在工作部分122的外表面上的矽化物層126。在圖1的實施例中，附加矽化物層128、130、132和134形成在工作層110的外表面的本要暴露的部分上。術語「本要暴露」是指:器件的外表面在相關的矽化物層(或矽化物形成金屬，下面將進一步進行討論)從該外表面移除而使得器件的所有部分均不與矽化物或矽化物形成金屬接觸時暴露的部分。因此，工作層110的位於接觸部120正下方的部分不是「本要暴露的」。同樣，電極部分116的鄰接掩埋矽層106且與柱112接合的下表面不是「本要暴露的」。
[0021]在圖1的實施例中，矽化物層136也形成在基體102的本要暴露的部分上，矽化物層138形成在掩埋矽層106的本要暴露的部分上。矽化物層128還包括形成在掩埋矽層106的本要暴露的部分上的部分140。附加性地，矽化物層132包括部分142和部分144，它們形成在掩埋矽層106的本要暴露的部分上。
[0022]圖1的裝置可使用初始會產生矽基材料的可移除部分的任何期望的方法製作。示例性地，圖2示出了可使用期望的製作過程製作的MEMS傳感器160，其不具有任何矽化物層。MEMS傳感器160包括基體162、下氧化物犧牲層164、掩埋娃層166、上犧牲氧化物層168和工作層170。
[0023]柱172/174延伸穿過形成在上犧牲氧化物層168中的溝道。柱172與電極部分176整體形成，柱174與錨固部分178整體形成。電極部分176和錨固部分178相對於基體162固定地定位。接觸部180定位在電極部分176的上表面上。
[0024]錨固部分178通過圖2中未示出的結構支撐工作部分182。工作部分182被構造成能在MEMS傳感器160的正常操作過程中相對於基體162移動。工作部分182包括多個指狀部184、186、188、190和192。每個指狀部184、186、188、190和192的外表面如圖2所
不完全暴露。
[0025]一旦工作部分182已經通過侵蝕上犧牲層168被釋放，由矽化物形成材料構成的保護塗層就被施加到工作部分182上。產生的結構如圖3中所示，其中，指狀部184、186、188、190和192分別具有沉積在本要暴露的外表面上的相應的矽化物形成層部分194、196、198,200和202。每個矽化物形成層部分194、196、198、200和202是由矽化物形成材料構成的單個保護層204的一部分，該保護層204覆蓋裝置160的器件的每個本要暴露的部分。
[0026]矽化物形成材料是在提供熱量的情況下與矽(Si)相互作用以形成包括矽化物形成材料和矽的矽化合物的材料。在該分類中一些常見金屬包括鎳(Ni)、鈦(Ti)、鈷(Co)、鑰(Mo)和鉬(Pt)。保護層204可由娃化物形成材料的原子層沉積(atomic layerdeposition, ALD)形成。ALD用於通過使基體依次暴露給多種不同的前體來沉積材料。典型的沉積循環通過使基體暴露給與基體表面相互作用直到飽和的前體「A」而開始。這稱作「自終止相互作用」。接著，基體被暴露給與所述表面相互作用直到飽和的前體「B」。第二自終止相互作用再激活所述表面。再激活允許前體「A」與所述表面相互作用。典型地，ALD中使用的前體包括有機金屬前體和氧化劑、例如水蒸汽或臭氧。
[0027]沉積循環理想地產生正在形成的一個原子層。隨後，另一層可通過重複所述過程形成。相應地，保護層204的最後厚度通過基體暴露的循環次數控制。而且，使用ALD過程的沉積基本上不受材料要沉積到的特殊表面的方位影響。相應地，材料的極其均勻的厚度可在上水平表面和下水平表面以及豎直表面上實現。
[0028]在期望量的矽化物形成金屬已經沉積在工作部分182的本要暴露的表面和矽化物層期望所在的任何其他包含矽的表面上之後，MEMS傳感器160經受熱量，例如通過執行快速的熱退火(RTA)過程。進行退火的溫度以及溫度保持的時間基於特殊的矽化物形成材料以及期望的矽化物層的厚度確定。通常，在大約I秒至I分鐘的退火持續時間下，250°C _800°C的溫度是足夠的。對於某些應用場合，小於450°C的退火溫度是期望的。多種矽化物形成材料具有小於450°C的矽化溫度。示例性地，當Ni在大約250°C的矽化溫度下存在Si時用作矽化物材料時，則形成Ni2Si。
[0029]一些矽化物形成材料在矽化過程中產生體積收縮。「體積收縮」是這樣一種現象:形成的矽化物的體積小於初始矽和矽化物形成材料的體積。上述金屬中的每種在用於形成矽化物時均具有這種現象。示例性地，上述Ni2Si化合物比原始Si和Ni材料的體積少23%的體積。相應地，MEMS傳感器160的器件的初始尺寸應在使用具有體積收縮的矽化物形成材料時基於特殊的矽化物形成材料的尺寸變化的認識進行選擇。
[0030]當保護層204經受熱量時，保護層204的具有可實現的矽供給的部分被轉換為矽化物層，其中，消耗了保護層204的所述部分和源自鄰近的具有矽的部分的一些矽。因此，在退火之後，獲得了圖4的結構。在圖4中，矽化物部分210、212、214、216、218、220、222、224、226、228和230被形成，因為矽化物部分210-230形成時所在的表面能貢獻矽。然而，保護層204的沉積在不能貢獻矽的表面上的部分未被轉換。因此，矽化物形成層204的部分232、234、236、238、240和242作為矽化物形成材料殘留。部分232、234、236、238、240和242然後可被蝕刻掉而產生圖1的裝置100的結構。
[0031]上述的基本過程可以根據特殊的實施例以多種方式進行修改。示例性地，在形成的矽化物層是導電層的實施例中，矽化物層本身可用作接觸部。因此，圖1的實施例中的接觸部120可被省去，且矽化物層128可用作接觸部。
[0032]此外，不用矽化物層塗覆一些矽基器件可能是有利的。在這種實施例中，器件可被犧牲材料掩蓋或覆蓋，直到在矽化物形成材料被沉積之後。
[0033]儘管已經在附圖和前面的描述中示出和描述了本發明，但這些本質上應理解為是說明性的而非限制性的。可以理解，僅提供了優選實施例，且期望保護落入本發明的精神內的所有變化、修改和進一步應用。
【權利要求】
1.一種形成MEMS裝置的方法，包括: 提供基體； 在基體層之上形成犧牲層； 在犧牲層上形成矽基工作部分； 從犧牲層釋放所述矽基工作部分，使得工作部分包括至少一個暴露外表面； 在矽基工作部分的所述至少一個暴露外表面上形成第一層矽化物形成金屬；以及 利用第一層娃化物形成金屬形成第一娃化物層。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，形成第一層矽化物形成金屬包括: 在所述娃基工作部分的所有暴露外表面上形成第一層娃化物形成金屬。
3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，形成第一層矽化物形成金屬包括: 通過原子層沉積(ALD)形成第一層矽化物形成金屬。
4.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，還包括: 在形成第一矽化物層之後侵蝕矽化物形成金屬的殘留部分。
5.如權利要求4所述 的方法，其特徵在於，形成第一矽化物層包括: 通過快速熱退火(RTA)加熱第一層矽化物形成金屬。
6.如權利要求5所述的方法,其特徵在於,加熱第一層娃化物形成金屬包括: 將第一層矽化物形成金屬加熱到大約250°C -大約800°C的溫度。
7.如權利要求5所述的方法,其特徵在於,加熱第一層娃化物形成金屬包括: 將第一層矽化物形成金屬加熱到小於大約450°C的溫度。
8.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，還包括: 通過形成第二矽化物層形成結合金屬。
9.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，還包括: 向第一娃化物層施加有機抗靜態阻力塗層。
10.一種MEMS裝置，包括: 被釋放的矽基工作部分；以及 在矽基工作部分的所有本要暴露的表面上的第一矽化物層。
11.如權利要求10所述的MEMS裝置，其特徵在於，第一矽化物層通過在被釋放的矽基工作部分上的矽化物形成金屬的原子層沉積(ALD)並隨後退火以形成矽化物來形成。
12.如權利要求10所述的MEMS裝置，其特徵在於，還包括: 矽基基體，其具有位於被釋放的矽基工作部分之下的本要暴露的部分；以及 位於矽基基體的本要暴露的部分上的第二矽化物層。
13.如權利要求10所述的MEMS裝置，其特徵在於，被釋放的矽基工作部分限定在矽基工作層中，所述MEMS裝置還包括: 限定在矽基工作層中的錨固部分；以及 在錨固部分的所有本要暴露的表面上的第二矽化物層。
14.如權利要求13所述的MEMS裝置，其特徵在於，還包括:形成在矽基工作層的結合部分的上表面上的結合墊；以及 位於結合部分的所有本要暴露的表面上的第三矽化物層。
15.如權利要求13所述的MEMS裝置，其特徵在於，還包括限定在矽基工作層中的結合部分；以及 位於結合部分的所有本要暴露的表面上的第三矽化物層。
16.如權利要求10所述的MEMS裝置，其特徵在於，還包括:施加到第一矽化物層的有機抗靜態阻力 塗層。
【文檔編號】B81B3/00GK103813974SQ201280045191
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2012年8月3日 優先權日:2011年8月4日
【發明者】A·費伊, J·克拉森 申請人:羅伯特·博世有限公司