專利名稱：Mems傳感器中的多層nonon膜的制作方法
技術領域：
本文公開的各種示例性實施例一般地涉及MEMS傳感器中的多層NONON壓力膜。
背景技術：
設計MEMS傳感器以在嚴酷環(huán)境中操作提出了很多問題。示例是可充電鋰離子電池系統(tǒng)中包括的MEMS壓力傳感器。為了保證可靠的操作，可能與電池內部的液體電解質直接接觸的部分應有效地阻止水和鋰離子的擴散以及典型地出現在這些電池中的其它重金屬離子(Mn2+、Co2+、Fe2v3+)。尤其是可能與液體電解質直接接觸的壓力膜可能經受潛在的水和鋰離子滲透，因為它可能是柔軟的并且薄的。如果擴散產生在壓力膜中，則壓力傳感器操作可能嚴重地劣化。因而，設計需要膜處于嚴酷環(huán)境中的精確MEMS傳感器提出了很多問題，其中必須提供針對操作環(huán)境中出現的各種材料的有效阻擋

發(fā)明內容
因而，需要一種允許精確MEMS壓力傳感器在嚴酷環(huán)境中操作的膜。所提供的是使得能夠將多層NONON膜用于MEMS壓力傳感器中的實施例。提出各個示例性實施例的簡要概述。在以下概述中可以進行一些簡化和省略，這是為了強調并且介紹各個示例性實施例的一些方面，但不是限制本發(fā)明的范圍。足以允許本領域技術人員進行和使用本發(fā)明的構思的優(yōu)選示例性實施例的詳細描述會在隨后部分中描述。各種實施例也可以涉及一種MEMS壓力傳感器，包括下電極；第一絕緣層，在所述下電極上方；第二絕緣層，在所述第一絕緣層上方，在所述第一絕緣層和第二絕緣層之間形成腔體；上電極，在所述第二絕緣層上方，其中，所述腔體的一部分在所述上電極和下電極之間；以及NONON壓力膜，在所述上電極上方。各種實施例也可以涉及一種制造MEMS壓力傳感器的方法，包括在襯底上形成下電極；在所述下電極上方形成第一絕緣層；在所述第一絕緣層上形成犧牲層；在所述犧牲層和所述第一絕緣層上方形成第二絕緣層；在所述第二絕緣層上形成上電極；在所述上電極和所述第二絕緣層上方形成第三絕緣層；形成通過所述第二絕緣層和第三絕緣層的孔，以暴露所述犧牲層；刻蝕所述犧牲層以形成腔體；以及以金屬柱塞塞住所述孔以在所述腔體中產生真空。


為了更好理解各個示例性實施例，參照附圖，其中圖I示出根據本發(fā)明實施例的MEMS壓力傳感器；圖2示出用于制造MEMS壓力傳感器的第一步驟；圖3示出通過刻蝕犧牲層來形成壓力傳感器腔體；圖4和圖5示出在孔中形成柱塞(plug)；
圖6示出形成具有最終封裝的壓力膜；圖7示出作為半徑的函數并且針對各個壓力的壓力膜變形(deflection)圖；圖8示出壓力與電容和MEMS壓力的靈敏度之間的關系圖；以及圖9示出針對不同內部應力水平、間隙高度以及壓力膜厚度的作為壓力膜半徑的函數的觸碰點壓力，楊氏模量為140MPa。
具體實施例方式現參照附圖，其中，相似的標號指代相似的元件或步驟，公開各個示例性實施例的寬泛方面。
MEMS壓力傳感器依賴于懸掛的膜(例如硅、硅鍺、氧化硅或氮化硅)的變形的精確測量。它們可能具有電容讀出并且也是本領域公知的?？梢悦芊饽は路降那惑w而與環(huán)境隔開，以具有已知和穩(wěn)定的參考壓力。例如，薄圓形懸掛SiN膜可以采用作為電容壓力計?？梢酝ㄟ^采用PECVD SiN工藝來密封SiN膜下方的腔體?？梢灾饕ㄟ^該SiN薄膜的物理、機械和結構特性以及封閉孔以封閉腔體所需的柱塞的厚度來確定壓力傳感器性能。SiN薄膜的密度和成分可以確定排氣行為(outgassing behavior)和擴散阻擋性質。SiN薄膜的內部應力和厚度可以確定膜剛性并且因此壓力傳感器的靈敏度。當前多數微機加工壓力傳感器使用密閉地密封的膜，其密封處于特定儀表壓力并且在一些情況下儀表壓力是真空的基準腔體。因為外部壓力與腔體中的壓力之間的壓力差在膜上產生使得膜變形的力，所以可以確定外部壓力。然后通過電容傳感器來測量這種變形。存在與現在討論的這種壓力傳感器設計有關的若干問題。基準腔體中的氣體壓力需要十分穩(wěn)定。這可能要求很高級別的壓力膜的密封性。然而，為了具有大變形和靈敏度，壓力膜的厚度應當薄和/或其應當具有大面積。因為制作十分薄的密閉膜提出了很多問題，所以這些可能是沖突的要求并且可能導致更大的傳感器尺寸。此外，需要最小化壓力傳感器中的層的排氣。如果基準腔體不是真空，則其可能具有特定壓力并且該壓力可能是根據Boyle定律(P*V = n*R*T)而是溫度相關的。因此，壓力傳感器變得更加溫度相關。此外，在仍然足夠柔軟以變形的同時，壓力傳感器可能具有需要抵抗腐蝕、擴散等的與外部世界的界面。例如，在車輛可充電電池系統(tǒng)中，鋰離子電解質出現，其可能容易地擴散通過壓力捕獲膜。在沒有正確的帽蓋(cap)或擴散阻擋的情況下，因為鋰容易地擴散到硅，所以采用具有硅壓力膜和壓阻讀出的壓力傳感器并不理想地適合于該目標。另一重要方面是壓力傳感器尺寸和器件的制造成本。獨立壓力傳感器可能需要單獨的讀出1C，因此可以具有由附加封裝成本導致的大和更貴的缺點。壓力傳感器和讀出管芯的集成可以改進性能并且減少尺寸和成本。因此，已經致力于開發(fā)能夠在足夠薄并且柔軟以能夠以足夠靈敏度來檢測小壓力改變的同時承受進入膜和/或腔體的氣體和移動離子擴散的壓力膜。此外，已經致力于開發(fā)制造工藝以在具有電容讀出的CMOS電路的頂部構建MEMS腔體的制造工藝。實施例可以包括MEMS壓力傳感器，其具有密封的腔體，所述密封的腔體具有電容讀出的多層壓力捕獲膜。所述膜可以能夠在薄的同時承受氣體和移動離子擴散，并且可以足夠柔軟以能夠檢測小壓力改變。膜可以包括NONON電介質堆疊以防止沿著界面、晶粒邊界、缺陷、微?；虼┻^堆疊層的針孔的擴散。多層方法可以在仍然足夠薄并且柔軟以捕獲小壓力變化的同時確保優(yōu)異的密閉膜。NONON堆疊可以包括產生NONON重復結構的多個交替氮化硅-氧化硅薄膜。SiN和SiO薄膜均可以提供不同功能。氮化硅薄膜可以更好地防止移動離子擴散，但可能重要的是，與氧化硅或氧氮化硅交替的氮化物層以保持排氣進入腔體的氫氣盡可能低，以減少/控制膜中的應力并且優(yōu)化楊氏模量。可以例如使用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)在一個工藝室中通過薄膜沉積來制造NONON堆疊。低溫處理可以允許在CMOS器件的頂部上制造器件。為了在NONON膜之下制造腔體，可以使用金屬犧牲層。使用金屬犧牲層(例如Mo或Al)可以允許控制腔體的間隙高度和橫向尺寸。這是由于當例如采用基于HF蒸氣的犧 牲刻蝕時金屬針對氮化硅的刻蝕選擇性比氧化硅針對氮化硅的刻蝕選擇性更好。替代地，氧化硅可以用作犧牲層。這允許使用基于HF蒸氣的干法刻蝕方法，其可以有利于避免粘連(sticking)。如果使用該方法，則腔體上覆的膜必須包括金屬(例如Al、W、TiW或TiN)或是基于硅的(單晶Si、多晶Si、SiC、SiGe或金屬硅化物)，以確保針對HF蒸氣的足夠選擇性。最后，Al柱塞可以用于密封腔體，其可以導致減少腔體內部的殘余壓力，這使得傳感器更少溫度相關。圖I示出根據本發(fā)明實施例的MEMS壓力傳感器。該實施例可以是可充電鋰離子電池系統(tǒng)中包括的MEMS壓力傳感器100。為了具有可靠的操作，與電池內的液體電解質直接接觸的MEMS壓力傳感器100的部分應有效地阻止水和鋰離子的擴散以及典型地出現在這些電池中的其它重金屬離子(Mn2+、C02+、Fe2V3+)。可以與液體電解質直接接觸的壓力膜經受潛在的水和鋰離子滲透，因為壓力膜可能是柔軟的并且薄的。如果擴散產生，則器件操作可能嚴重地劣化。可以在具有以SiO2制成的絕緣層104的硅襯底102上形成MEMS壓力傳感器100。同樣可以通過其它絕緣材料來制成絕緣層104。MEMS壓力傳感器100包括絕緣層104上形成的下電極106。下電極可以是200nm厚的的Al層，但同樣可以其它材料(例如W、TiN、Si、SiGe、金屬硅化物)，并且可以根據MEMS壓力傳感器100和可以在相同硅襯底102上同時制造的其它器件的具體要求來使用厚度。接下來，可以在下電極106上方形成第一絕緣層108。該層可以包括Si3N4并且是IOOnm厚的，但同樣可以使用其它絕緣材料(例如SiC)和其它厚度。MEMS壓力傳感器100還包括真空腔體110。可以在第二絕緣層與第三絕緣層112之間形成真空腔體110。此外，第三絕緣層可以是300nm厚的SiN，但同樣可以使用其它絕緣材料和厚度。接下來，在第三絕緣層上形成上電極114。上電極可以是200nm厚的的Al層，但同樣可以其它材料(例如W、TiN、Si、SiGe、金屬硅化物)，并且可以根據MEMS壓力傳感器100和可以在相同硅襯底102上同時制造的其它器件的具體要求來使用厚度。在上電極114上方，形成壓力膜116。以下會更詳細地描述壓力膜116?，F在，提供用于制造MEMS壓力傳感器100的方法的實施例。圖2示出用于制造MEMS壓力傳感器100的第一步驟?？梢酝ㄟ^在襯底102上沉積并且隨后圖案化金屬層來形成下電極106。該層可以例如以200nm厚的鋁制成，并且可以使用物理氣相沉積(PVD)來沉積。此外，襯底102可以還包括裸露硅晶片102上的氧化硅或氮化硅的襯底絕緣層104或其下具有集成電子電路的CMOS晶片的頂部上的絕緣層。接下來，可以使用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)或低壓化學氣相沉積(LPCVD)在下電極106和襯底102的頂部沉積以氮化硅、碳化硅或氧化硅制成的第一絕緣層108。接下來，可以沉積犧牲層118。犧牲層118可以包括300_500nm厚的金屬層(例如Mo、Al或Cr)或電介質層(例如SiO2)?？梢酝ㄟ^蓋片(flap) 120將犧牲層118圖案化成圓形。同樣可以將犧牲層118圖案化為其它形狀。蓋片120在圓形外部，以提供在刻蝕犧牲層118期間用于到達該層的路徑。較大的犧牲層厚度產生較大的間隙，并且可以允許較大的壓力感測范圍，但可能總體導致較小的靈敏度。較小的犧牲層118厚度可能導致對于去除犧牲層118的更大努力。接下來，可以沉積第二絕緣層112。第二絕緣層的厚度可以影響下電極106與上 電極114之間的電容。隨著厚度減少，電容增加，而隨著厚度增加，電容減少。增加下電極106與上電極114之間的電容可以增加所得MEMS壓力傳感器100的S/N比。如果以SiO2形成犧牲層118，則可以省略第一絕緣層108或第二絕緣層112，允許下電極106或上電極114與犧牲層118接觸。在此情況下，無需保護下電極106和上電極114不受以SiO2制成的犧牲層118的刻蝕。然后通過沉積金屬層并且圖案化層來形成上電極114。上電極114可以是100-200nm厚的并且以Al制成，但同樣可以使用其它材料(例如W、TiN、Si、SiGe、金屬硅化物)。然后可以通過第三絕緣層122覆蓋上電極114。可以使用PECVD沉積氮化硅或氧化硅層來形成第三絕緣層122。在進一步處理之后，第三絕緣層會變?yōu)閴毫δ?16的一部分。圖3示出通過刻蝕犧牲層來形成壓力傳感器腔體?？梢酝ㄟ^圖案化和干法刻蝕第三絕緣層122而在第三絕緣層122中形成一個或多個孔124。這些孔124可以環(huán)形地設置在犧牲層118周圍。此外，這些孔124也可以在上電極106和下電極114的區(qū)域外部并且直徑可以是O. 5-2 μ m0孔直徑越大，就越容易去除犧牲層118。然而，對于較大孔124，后來也可能變得難以密封腔體。接下來，可以通過刻蝕犧牲層118來形成腔體110 (見圖4)。可以通過以例如磷酸、硫酸和乙酸的混合物進行刻蝕來選擇性地去除Al或Mo犧牲層118?？梢酝ㄟ^以HF蒸氣進行刻蝕來選擇性地去除氧化硅犧牲層118。圖4和圖5示出在孔中形成柱塞?？梢酝ㄟ^在350°C的溫度沉積Al來形成大約2 μ m厚的金屬層128，以產生進入孔124的“Al回流”，從而有效地無縫密封孔。使用PVD沉積金屬層128可以有利于減少基底壓力并且避免由氣體熱膨脹導致的腔體110的不期望的壓力變化。使用LPCVD或PECVD密封腔體110可能導致腔體內部相對較大的基底壓力。因而，對于形成金屬層128，使用PVD具有優(yōu)于使用LPCVD或PECVD的優(yōu)點?？赡苄枰行Х忾]的金屬層128的厚度取決于孔124的直徑和間隙高度。對于十分大直徑的孔(例如2 μ m)，封閉需要3-5 μ m厚的金屬層128，對于I μ m直徑的孔，需要1.5_2μπι厚的金屬層128?？梢酝ㄟ^刻蝕從第三絕緣層122去除金屬層128，以形成密封腔體110的金屬柱塞130。如果MEMS壓力傳感器100的壓力和溫度靈敏度較不重要，則可以在相同刻蝕步驟中形成上電極114和金屬柱塞130。
當暴露于周圍壓力時，一旦金屬柱塞130存在，MEMS傳感器器件就可以顯現為如圖5所示。上電極114示出為由于腔體110與周圍壓力之間的壓力差而彎入腔體110。第二絕緣層112、上電極114和第三絕緣層112的精確結構會影響由壓力差導致的壓縮量。一旦密封腔體110，就可以形成壓力膜116。圖6示出壓力膜116的形成?？梢酝ㄟ^使用PECVD工藝交替地沉積SiO和SiN而形成壓力膜116。交替的SiO和SiN的層被稱為NONON堆疊。替代地，可以使用SiON而不是SiN。為了描述，ΝΟΝΟΝ包括至少兩個不同的交替層，其中，一個層至少包括硅和氧，另一層至少包括硅和氮。在沉積NONON堆疊期間，腔體110內部和外部的壓力差可能變小，壓力膜116可能返回到其正常狀態(tài)。在NONON沉積之后，壓力膜116可以獲得其最終剛性，并且當暴露于較高壓力時可以示出小變形。此時,可以通過標準方式來制造電連接和鍵合焊盤(bond pad)。作為最后步驟,可 以在NONON頂部和對MEMS壓力傳感器100的任何電連接上沉積氮化物層以保護、隔離并且鈍化電連接。用作壓力膜的單層薄膜(例如SiN)具有使用NONON膜而克服的問題。使用PECVD沉積的SiN薄膜可以具有高殘余應力，其可能導致壓力膜的故障或可能影響器件性能和靈敏度。SiN薄膜可以將氫氣H2排氣到室110，增加腔體中的壓力，其導致壓力傳感器的減小的精度和溫度相關性。通過使用NONON膜設計，可以克服與單個氮化硅膜的機械、結構和化學穩(wěn)定性有關的任何問題。通過交替SiO和SiN層，可以減少壓力膜中的應力。這允許增加的壓力傳感器靈敏度或增加的壓力膜厚度。當傳感器處于嚴酷環(huán)境中時，較厚的壓力膜允許對移動離子擴散的增加的抵抗性。與PECVD SiO組合的PECVD SiN的NONON堆疊可以允許精細調節(jié)所得壓力膜的內部應力和楊氏模量。這可以允許沉積可以具有比低應力SiN薄膜更好的擴散阻擋性質和更低的氫滲出率的更多富氮SiN薄膜。因此在能夠獨立地改進PECVD SiN的擴散阻擋性質的同時，在層疊PECVD氮化硅與PECVD氧化硅時控制薄膜的應力和剛性。為了示出NONON膜的擴散有效性，設置8 X交替SiN和SiO作為在金屬鋰的頂部上的覆蓋層。測試在3個月之后未顯示劣化穿過薄膜中的針孔的水或氧擴散會恒定地氧化下面的金屬鋰，這可以通過光學顯微鏡容易地檢測?？梢哉{節(jié)MEMS壓力傳感器100的尺寸，使得膜的剛性大得足以抵抗正常壓力。以下針對圓形膜的變形給出的等式可以用于計算封閉壓力作為膜厚度、膜半徑和間隙尺寸的函數。作為壓力P的函數的彎曲剛性占優(yōu)區(qū)域中的圓形膜的變形WD(r，P)給出為
, 3PTfiV (I - r"} I #' ! jH' (Γ I } ......— ..... I I -';,
■…' —16威//-'\R； I其中，R是壓力膜的半徑，r是從中心到實際變形點的距離，V是泊松比，E是楊氏
模量，h是膜厚度。圖7示出作為半徑的函數并且針對各個壓力的壓力膜變形圖。NONON壓力膜具有5(^111的半徑和2.(^111厚度，腔體高度0.511111。在圖7中可見，壓力膜的變形隨著增加的壓力而增加，并且在更靠近壓力膜的中心時增加。圖8示出壓力與電容和MEMS壓力的靈敏度之間的關系圖。隨著壓力膜變形增加，電容和靈敏度也增加。根據圖I所示的結構，圖8中使用的壓力膜具有100 μ m的直徑、I. 5 μ m的膜厚度、O. 5 μ m的腔體、IOOnm的第一絕緣層和300nm的第二絕緣層。在沒有任何內部應力的情況下，用于wD(r，P)的等式對于壓力膜有效。如果考慮內部應力，則膜變得更硬。如果內部應力變得比以下值大很多，則從拉伸到應力受控變形狀態(tài)的轉變可能產生。
權利要求
1.一種MEMS壓力傳感器，包括 下電極； 上電極，在所述下電極上方； 絕緣層，在所述下電極與上電極之間，其在所述上下電極與下電極之間形成腔體；以及 NONON壓力膜，在所述上電極上方。
2.如權利要求I所述的MEMS壓力傳感器，還包括金屬柱塞，其密封所述腔體。
3.如權利要求2所述的MEMS壓力傳感器，其中，所述金屬柱塞完全在所述上電極與下電極之間的區(qū)域外部。
4.如權利要求I所述的MEMS壓力傳感器，其中，所述MEMS壓力傳感器形成在襯底上的另一電路上。
5.如權利要求I所述的MEMS壓力傳感器，其中，所述NONON壓力膜防止所述腔體和電子電路的污染。
6.如權利要求I所述的MEMS壓力傳感器，其中，所述MEMS壓力傳感器在鋰離子電池中。
7.一種制造MEMS壓力傳感器的方法，包括 在襯底上形成下電極； 在所述第一下電極上方形成犧牲層； 在所述犧牲層和所述下電極上方形成第一絕緣層； 在所述第一絕緣層上方形成上電極； 在所述上電極和所述第一絕緣層上方形成第二絕緣層； 刻蝕所述犧牲層以形成腔體； 封閉所述腔體以在所述腔體中形成真空；以及 在所述第二絕緣層和所述腔體上方生長NONON壓力膜。
8.如權利要求7所述的方法，其中，所述上電極和下電極是鋁、鎢、Ti、TiN、Si、SiGe和金屬硅化物中的一個。
9.如權利要求7所述的方法，其中，所述犧牲層是氧化硅。
10.如權利要求7所述的方法，其中，封閉所述腔體包括通過使用物理氣相沉積來沉積金屬而以金屬柱塞塞住刻蝕孔。
11.如權利要求7所述的方法，其中，使用PECVD工藝來形成所述NONON膜。
12.如權利要求7所述的方法，其中，所述MEMS壓力傳感器形成在所述襯底的另一電路上。
13.如權利要求7所述的方法，還包括在所述下電極與所述犧牲層之間形成第三絕緣層。
14.如權利要求13所述的方法，其中，所述犧牲層是鑰、鋁、鉻、鈦或鎢中的一個。
15.一種制造MEMS壓力傳感器的方法，包括 在襯底上形成下電極； 在所述下電極上方形成第一絕緣層； 在所述第一絕緣層上方形成犧牲層； 在所述犧牲層上方形成上電極；刻蝕所述犧牲層以形成腔體； 封閉所述腔體以在所述腔體中形成真空；以及 在所述第二絕緣層和所述腔體上方生長NONON壓力膜。
16.如權利要求15所述的方法，其中，所述上電極和下電極是鋁、鎢、Ti、TiN、Si、SiGe和金屬硅化物中的一個。
17.如權利要求15所述的方法，其中，所述犧牲層是氧化硅。
18.如權利要求15所述的方法，其中，所述犧牲層是鑰、鋁、鉻、鈦或鎢中的一個。
19.如權利要求15所述的方法，其中，封閉所述腔體包括通過使用物理氣相沉積來沉積金屬而以金屬柱塞塞住刻蝕孔。
20.如權利要求15所述的方法，其中，使用PECVD工藝來形成所述NONON膜。
21.如權利要求15所述的方法，其中，所述MEMS壓力傳感器形成在所述襯底的另一電路上。
22.如權利要求15所述的方法，還包括在所述犧牲層與所述上電極之間形成第三絕緣層。
全文摘要
各種實施例涉及一種MEMS壓力傳感器及其制造方法。該MEMS壓力傳感器包括下電極；第一絕緣層，在所述下電極上方；第二絕緣層，在所述第一絕緣層上方，在所述第一絕緣層和第二絕緣層之間形成腔體；上電極，在所述第二絕緣層上方，其中，所述腔體的一部分在所述上電極和下電極之間；以及NONON壓力膜，在所述上電極上方。
文檔編號B81B3/00GK102951592SQ201210280768
公開日2013年3月6日 申請日期2012年8月8日 優(yōu)先權日2011年8月11日
發(fā)明者威廉·弗雷德里克·亞德里亞內斯·貝什林 申請人:Nxp股份有限公司