微機(jī)械系統(tǒng)和用于制造微機(jī)械系統(tǒng)的方法
【專利說明】微機(jī)械系統(tǒng)和用于制造微機(jī)械系統(tǒng)的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的引用
本申請(qǐng)是于2014年6月26日提交的共同待審的美國專利申請(qǐng)N0.14/315，979的部分繼續(xù)申請(qǐng)并要求其優(yōu)先權(quán)，其整體通過引用結(jié)合在此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于制造微機(jī)械系統(tǒng)的方法以及涉及該微機(jī)械系統(tǒng)。本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例涉及傳感器元件，或更一般地MEMS元件在CMOS技術(shù)中的集成。
【背景技術(shù)】
[0003]術(shù)語“微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)”或“微機(jī)械系統(tǒng)”常常用于指代組合電子和機(jī)械組件的小型集成器件或系統(tǒng)。當(dāng)關(guān)注于微機(jī)械部分時(shí)，術(shù)語“微機(jī)械系統(tǒng)”可以用于描述包括一個(gè)或多個(gè)微機(jī)械元件以及可能但并非必需的電氣組件和/或電子組件的小型集成器件或系統(tǒng)。
[0004]微機(jī)械系統(tǒng)可以用作例如致動(dòng)器、換能器或傳感器，例如壓力傳感器。壓力傳感器是現(xiàn)在汽車電子和消費(fèi)者商品電子的大批量產(chǎn)品。對(duì)于這些應(yīng)用中的許多而言，使用在特定應(yīng)用集成電路(ASIC)中集成傳感器的系統(tǒng)。例如，Infineon Technologies AG提供這樣的系統(tǒng)作為側(cè)面氣囊傳感器。
[0005]具體地，微機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械激活(mechanically active)元件通常會(huì)需要相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，諸如凹進(jìn)、梁、懸臂、底切、空腔等。可能要求相對(duì)高數(shù)目的制作步驟。此外，用于執(zhí)行微機(jī)械系統(tǒng)的工藝會(huì)需要與例如用于產(chǎn)生電氣和/或電子組件的可能的后續(xù)制造步驟兼容。
[0006]本發(fā)明涉及例如薄片(lamella)或薄膜至例如130 nm結(jié)點(diǎn)的集成，對(duì)于集成在襯底中的薄片或薄膜，僅有過微小程度的研究，并且本發(fā)明描述了用于制造薄片或薄膜而不會(huì)影響在前實(shí)現(xiàn)的CMOS結(jié)構(gòu)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的實(shí)施例涉及用于制造微機(jī)械系統(tǒng)的方法。該方法包括在晶體管區(qū)域中形成前段制程(FE0L)工藝晶體管的步驟。在FE0L工藝之后，在晶體管區(qū)域中沉積保護(hù)層，其中保護(hù)層包括隔離材料，例如氧化物。至少在不是晶體管區(qū)域的區(qū)域中形成結(jié)構(gòu)化犧牲層。此外，形成至少部分覆蓋結(jié)構(gòu)化犧牲層的功能層。在形成功能層之后，去除犧牲層以便在功能層與犧牲層沉積于其上的表面之間產(chǎn)生空腔。保護(hù)層保護(hù)晶體管以避免在M0L (中間段制程)和BE0L (后段制程)工藝中的進(jìn)一步處理步驟中，尤其是在蝕刻工藝期間被損傷。將氧化物用于所述保護(hù)層是有利的，因?yàn)橄嗤难趸锟梢杂米鰾E0L中的金屬化工藝的基礎(chǔ)。因此，通常用作晶體管的保護(hù)保護(hù)層可以保留在晶體管上方并且不需要像犧牲層那樣被去除。因此，在BE0L工藝之前施加的保護(hù)層變成氧化物覆蓋的一部分。
[0008]根據(jù)實(shí)施例，該方法可以包括進(jìn)一步步驟，其中進(jìn)行熱處理，其中熱處理可以激活功能層的摻雜原子并且提供功能層的原子結(jié)構(gòu)的重新結(jié)構(gòu)化。原子結(jié)構(gòu)的重新結(jié)構(gòu)化還在產(chǎn)生功能層中產(chǎn)生張力。
[0009]實(shí)施例示出犧牲層的高度，其小于100 nm或小于75 nm或小于50 nm。傳感器，
例如壓力傳感器的靈敏度直接涉及薄膜與對(duì)電極之間的空腔的高度(以及由此犧牲層的高度)。空腔的高度越小，傳感器的靈敏度越高。
[0010]本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例涉及用于制造壓力傳感器的方法。該方法包括在半導(dǎo)體襯底的表面處形成犧牲層，其中形成覆蓋犧牲層的功能層。此外，形成至少一個(gè)空洞并且通過至少一個(gè)空洞應(yīng)用去除工藝以產(chǎn)生空腔來去除犧牲層。附加地，在550 °(:與750 °C之間的溫度下提供熱處理并且封閉該至少一個(gè)空洞。
[0011]本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例，涉及微機(jī)械系統(tǒng)，其包括在晶體管區(qū)域中具有至少一個(gè)晶體管的半導(dǎo)體襯底以及在至少一個(gè)晶體管上方的至少一個(gè)金屬層，其中至少一個(gè)金屬層的下表面具有第一垂直層次。此外，微機(jī)械系統(tǒng)包括在MEMS區(qū)域中的功能MEMS層，其中功能層具有在低于第一垂直層次的第二垂直層次處的上表面。
[0012]本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例涉及用于制造微機(jī)械系統(tǒng)的方法。該方法包括在襯底的晶體管區(qū)域中形成至少一個(gè)晶體管的步驟。在襯底的MEMS區(qū)域中提供結(jié)構(gòu)化犧牲層，其中形成至少部分覆蓋結(jié)構(gòu)化犧牲層的功能MEMS層，并且在功能MEMS層中提供蝕刻空洞。此外，去除犧牲層以產(chǎn)生空腔并且形成封閉蝕刻空洞的另一層，其中該另一層在晶體管區(qū)域的至少一部分上方延伸并且形成至少一個(gè)金屬層。
【附圖說明】
[0013]以下利用附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中:
圖1A-1F通過根據(jù)實(shí)施例的制造工藝的若干階段時(shí)的微機(jī)械系統(tǒng)示出示意截面圖；
圖2A-2E通過根據(jù)實(shí)施例的制造工藝的若干階段時(shí)的微機(jī)械系統(tǒng)示出示意截面圖；
圖3A-3G通過根據(jù)實(shí)施例的制造工藝的若干階段時(shí)的微機(jī)械系統(tǒng)示出示意截面圖；
圖4通過根據(jù)實(shí)施例的微機(jī)械系統(tǒng)示出示意截面圖；
圖5A-f5D通過根據(jù)實(shí)施例的制造工藝的若干階段時(shí)的微機(jī)械系統(tǒng)示出示意截面圖；
圖6示出根據(jù)實(shí)施例的微機(jī)械系統(tǒng)的示意截面圖；
圖7示出根據(jù)實(shí)施例的微機(jī)械系統(tǒng)的一段，通過FIB (聚焦離子束)獲得示意截面圖； 圖8示意性示出薄膜在1 bar壓強(qiáng)作用在其上的位移的數(shù)值模擬的結(jié)果；
圖9A-9I示出在制造工藝的若干階段時(shí)微機(jī)械系統(tǒng)的示意截面圖；
圖10A-10C示出包括碳犧牲層作為保護(hù)層的晶體管的示意截面圖；
圖11A-11L示出根據(jù)實(shí)施例的制造工藝的若干階段時(shí)微機(jī)械系統(tǒng)的示意截面圖；
圖12示出根據(jù)實(shí)施例的微機(jī)械系統(tǒng)的示意截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]在利用附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例之前，應(yīng)指出相同或功能等同的元件在附圖中以相同或相似的附圖標(biāo)記表示，并且通常省略提供有相同或相似附圖標(biāo)記的元件的重復(fù)描述。因此，對(duì)于具有相同或相似附圖標(biāo)記的元件的描述是相互可交換的。
[0015]微機(jī)械系統(tǒng)，例如壓力傳感器和其他傳感器是大批量制造產(chǎn)品。有時(shí)，該傳感器或若干傳感器被集成為例如特定應(yīng)用集成電路(ASIC)形式的系統(tǒng)。當(dāng)向新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)迀移時(shí)，挑戰(zhàn)之一是集成這些系統(tǒng)，使得例如CMOS (互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝的復(fù)雜性并不必然增加并且CMOS電路的現(xiàn)存集成方案可以較高程度地保留，而優(yōu)選地基本上無需或僅需極小的研發(fā)工作。
[0016]圖la-e示出襯底10的示意截面以說明用于獲得微機(jī)械系統(tǒng)的制造工藝。圖la示出在例如襯底10上的晶體管區(qū)域27中，在前段制程(FE0L)工藝中形成的晶體管25或多個(gè)晶體管。在FE0L工藝完成之后，關(guān)于圖lb，示出包括隔離材料的保護(hù)層的沉積。隔離材料是例如氧化物，例如圖lc示出在包括犧牲層20的形成的進(jìn)一步處理步驟中的襯底，犧牲層20可以包括碳。在圖1d中，犧牲層被結(jié)構(gòu)化以形成結(jié)構(gòu)化犧牲層20。圖le示出進(jìn)一步處理步驟中的襯底10。形成至少部分覆蓋結(jié)構(gòu)化犧牲層的功能層30，其中如圖1f中所示，犧牲層20被去除。此外，存在應(yīng)用于襯底10的可選步驟。關(guān)于圖lla-Ι，示出本發(fā)明的實(shí)施例，其中氧化物層作為保護(hù)層沉積在晶體管區(qū)域中的晶體管上方，這尤其對(duì)于使用具有低高度的犧牲層20的工藝(參照?qǐng)D10a-c)是有利的。低高度可以低于150 nm，低于100 nm或低于75 nm。
[0017]制造工藝還可以包括熱處理，其中熱處理激活功能層30的摻雜原子并且提供功能層30的原子結(jié)構(gòu)的重新結(jié)構(gòu)化?？蛇x地，功能層可以完全覆蓋犧牲層20。因此，可以在功能層30中產(chǎn)生空洞?？斩纯梢杂糜趹?yīng)用去除工藝以去除犧牲層20，從而在功能層30與半導(dǎo)體襯底的表面之間產(chǎn)生空腔，并且其中在功能層的接近空洞的表面設(shè)置一層，其中該層的高度低于600 nm。該層可以包括氮化物或氧化物。
[0018]制造工藝還可以包括后段制程(BE0L)工藝，其中在BE0L中形成至少一個(gè)金屬層，其可以至少在MEMS區(qū)域的一部分中去除以例如在晶體管區(qū)域27中結(jié)構(gòu)化至少一個(gè)金屬線。在結(jié)構(gòu)化至少一個(gè)金屬線之后，可以在晶體管區(qū)域和MEMS區(qū)域中形成至少一個(gè)介電層。此外，可以對(duì)功能層30提供熱處理，以對(duì)功能層提供張力，其中熱處理的溫度可以在550 °(:與 750 °C之間。
[0019]圖2a_e示出半導(dǎo)體襯底10的示意截面以說明用于獲得壓力傳感器201的制造工藝。圖2a示出半導(dǎo)體襯底10，其中在半導(dǎo)體襯底10的表面15處形成犧牲層20。圖2b示出進(jìn)一步處理步驟中的半導(dǎo)體襯底10，其中形成覆蓋犧牲層20的功能層30。在圖2c中，在功能層30中形成至少一個(gè)空洞75，其中通過至少一個(gè)空洞75應(yīng)用去除工藝來去除犧牲層20以產(chǎn)生空腔35，其在圖2d中示出。此外，對(duì)于半導(dǎo)體襯底10提供溫度在550°C與750°C之間的熱處理。圖2e示出壓力傳感器，其中空洞75例如以填充材料77封閉?？蛇x地，制造工藝可以在FE0L與BE0L之間執(zhí)行。此外，熱處理可以可選地提供功能層的原子結(jié)構(gòu)的重新結(jié)構(gòu)化以及摻雜原子的激活，其中熱處理可以將功能層中的非晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч琛?br>[0020]圖3a_e示出襯底10的示意截面以說明用于獲得微機(jī)械系統(tǒng)的制造工藝。圖3a示出形成在襯底10的晶體管區(qū)域27中的晶體管25。在圖3b中，在襯底的MEMS區(qū)域60中提供結(jié)構(gòu)化犧牲層20，其中如圖3c所示，形成至少部分覆蓋結(jié)構(gòu)化犧牲層的功能層30，例如功能MEMS層。圖3d示出進(jìn)一步處理步驟中的襯底10，其中在功能層30中提供一空洞75，或多個(gè)例如蝕刻空洞75。在圖3e中，去除犧牲層以產(chǎn)生空腔35。在圖3f中，形成另一層45以封閉蝕刻空洞。層45在晶體管區(qū)域27的至少一部分上方延伸。圖3g示出微機(jī)械系統(tǒng)，其中形成至少一個(gè)金屬層65?？蛇x地，層45是在晶體管區(qū)域的至少一部分上方延伸的介電層，其中至少一個(gè)金屬層形成在介電層上方。在晶體管區(qū)域中可以至少部分去除層45 ο