微机械系统和用于制造微机械系统的方法
【专利说明】微机械系统和用于制造微机械系统的方法
[0001]相关申请的引用
本申请是于2014年6月26日提交的共同待审的美国专利申请N0.14/315，979的部分继续申请并要求其优先权，其整体通过引用结合在此。
技术领域
[0002]本发明的实施例涉及用于制造微机械系统的方法以及涉及该微机械系统。本发明的进一步实施例涉及传感器元件，或更一般地MEMS元件在CMOS技术中的集成。
【背景技术】
[0003]术语“微机电系统(MEMS)”或“微机械系统”常常用于指代组合电子和机械组件的小型集成器件或系统。当关注于微机械部分时，术语“微机械系统”可以用于描述包括一个或多个微机械元件以及可能但并非必需的电气组件和/或电子组件的小型集成器件或系统。
[0004]微机械系统可以用作例如致动器、换能器或传感器，例如压力传感器。压力传感器是现在汽车电子和消费者商品电子的大批量产品。对于这些应用中的许多而言，使用在特定应用集成电路(ASIC)中集成传感器的系统。例如，Infineon Technologies AG提供这样的系统作为侧面气囊传感器。
[0005]具体地，微机械系统的机械激活(mechanically active)元件通常会需要相对复杂的结构，诸如凹进、梁、悬臂、底切、空腔等。可能要求相对高数目的制作步骤。此外，用于执行微机械系统的工艺会需要与例如用于产生电气和/或电子组件的可能的后续制造步骤兼容。
[0006]本发明涉及例如薄片(lamella)或薄膜至例如130 nm结点的集成，对于集成在衬底中的薄片或薄膜，仅有过微小程度的研究，并且本发明描述了用于制造薄片或薄膜而不会影响在前实现的CMOS结构的方法。
【发明内容】
[0007]本发明的实施例涉及用于制造微机械系统的方法。该方法包括在晶体管区域中形成前段制程(FE0L)工艺晶体管的步骤。在FE0L工艺之后，在晶体管区域中沉积保护层，其中保护层包括隔离材料，例如氧化物。至少在不是晶体管区域的区域中形成结构化牺牲层。此外，形成至少部分覆盖结构化牺牲层的功能层。在形成功能层之后，去除牺牲层以便在功能层与牺牲层沉积于其上的表面之间产生空腔。保护层保护晶体管以避免在M0L (中间段制程)和BE0L (后段制程)工艺中的进一步处理步骤中，尤其是在蚀刻工艺期间被损伤。将氧化物用于所述保护层是有利的，因为相同的氧化物可以用作BE0L中的金属化工艺的基础。因此，通常用作晶体管的保护保护层可以保留在晶体管上方并且不需要像牺牲层那样被去除。因此，在BE0L工艺之前施加的保护层变成氧化物覆盖的一部分。
[0008]根据实施例，该方法可以包括进一步步骤，其中进行热处理，其中热处理可以激活功能层的掺杂原子并且提供功能层的原子结构的重新结构化。原子结构的重新结构化还在产生功能层中产生张力。
[0009]实施例示出牺牲层的高度，其小于100 nm或小于75 nm或小于50 nm。传感器，
例如压力传感器的灵敏度直接涉及薄膜与对电极之间的空腔的高度(以及由此牺牲层的高度)。空腔的高度越小，传感器的灵敏度越高。
[0010]本发明的进一步实施例涉及用于制造压力传感器的方法。该方法包括在半导体衬底的表面处形成牺牲层，其中形成覆盖牺牲层的功能层。此外，形成至少一个空洞并且通过至少一个空洞应用去除工艺以产生空腔来去除牺牲层。附加地，在550 °(:与750 °C之间的温度下提供热处理并且封闭该至少一个空洞。
[0011]本发明的进一步实施例，涉及微机械系统，其包括在晶体管区域中具有至少一个晶体管的半导体衬底以及在至少一个晶体管上方的至少一个金属层，其中至少一个金属层的下表面具有第一垂直层次。此外，微机械系统包括在MEMS区域中的功能MEMS层，其中功能层具有在低于第一垂直层次的第二垂直层次处的上表面。
[0012]本发明的进一步实施例涉及用于制造微机械系统的方法。该方法包括在衬底的晶体管区域中形成至少一个晶体管的步骤。在衬底的MEMS区域中提供结构化牺牲层，其中形成至少部分覆盖结构化牺牲层的功能MEMS层，并且在功能MEMS层中提供蚀刻空洞。此外，去除牺牲层以产生空腔并且形成封闭蚀刻空洞的另一层，其中该另一层在晶体管区域的至少一部分上方延伸并且形成至少一个金属层。
【附图说明】
[0013]以下利用附图详细描述本发明的实施例，在附图中:
图1A-1F通过根据实施例的制造工艺的若干阶段时的微机械系统示出示意截面图；
图2A-2E通过根据实施例的制造工艺的若干阶段时的微机械系统示出示意截面图；
图3A-3G通过根据实施例的制造工艺的若干阶段时的微机械系统示出示意截面图；
图4通过根据实施例的微机械系统示出示意截面图；
图5A-f5D通过根据实施例的制造工艺的若干阶段时的微机械系统示出示意截面图；
图6示出根据实施例的微机械系统的示意截面图；
图7示出根据实施例的微机械系统的一段，通过FIB (聚焦离子束)获得示意截面图； 图8示意性示出薄膜在1 bar压强作用在其上的位移的数值模拟的结果；
图9A-9I示出在制造工艺的若干阶段时微机械系统的示意截面图；
图10A-10C示出包括碳牺牲层作为保护层的晶体管的示意截面图；
图11A-11L示出根据实施例的制造工艺的若干阶段时微机械系统的示意截面图；
图12示出根据实施例的微机械系统的示意截面图。
【具体实施方式】
[0014]在利用附图详细描述本发明的实施例之前，应指出相同或功能等同的元件在附图中以相同或相似的附图标记表示，并且通常省略提供有相同或相似附图标记的元件的重复描述。因此，对于具有相同或相似附图标记的元件的描述是相互可交换的。
[0015]微机械系统，例如压力传感器和其他传感器是大批量制造产品。有时，该传感器或若干传感器被集成为例如特定应用集成电路(ASIC)形式的系统。当向新的技术节点迀移时，挑战之一是集成这些系统，使得例如CMOS (互补金属氧化物半导体)工艺的复杂性并不必然增加并且CMOS电路的现存集成方案可以较高程度地保留，而优选地基本上无需或仅需极小的研发工作。
[0016]图la-e示出衬底10的示意截面以说明用于获得微机械系统的制造工艺。图la示出在例如衬底10上的晶体管区域27中，在前段制程(FE0L)工艺中形成的晶体管25或多个晶体管。在FE0L工艺完成之后，关于图lb，示出包括隔离材料的保护层的沉积。隔离材料是例如氧化物，例如图lc示出在包括牺牲层20的形成的进一步处理步骤中的衬底，牺牲层20可以包括碳。在图1d中，牺牲层被结构化以形成结构化牺牲层20。图le示出进一步处理步骤中的衬底10。形成至少部分覆盖结构化牺牲层的功能层30，其中如图1f中所示，牺牲层20被去除。此外，存在应用于衬底10的可选步骤。关于图lla-Ι，示出本发明的实施例，其中氧化物层作为保护层沉积在晶体管区域中的晶体管上方，这尤其对于使用具有低高度的牺牲层20的工艺(参照图10a-c)是有利的。低高度可以低于150 nm，低于100 nm或低于75 nm。
[0017]制造工艺还可以包括热处理，其中热处理激活功能层30的掺杂原子并且提供功能层30的原子结构的重新结构化。可选地，功能层可以完全覆盖牺牲层20。因此，可以在功能层30中产生空洞。空洞可以用于应用去除工艺以去除牺牲层20，从而在功能层30与半导体衬底的表面之间产生空腔，并且其中在功能层的接近空洞的表面设置一层，其中该层的高度低于600 nm。该层可以包括氮化物或氧化物。
[0018]制造工艺还可以包括后段制程(BE0L)工艺，其中在BE0L中形成至少一个金属层，其可以至少在MEMS区域的一部分中去除以例如在晶体管区域27中结构化至少一个金属线。在结构化至少一个金属线之后，可以在晶体管区域和MEMS区域中形成至少一个介电层。此外，可以对功能层30提供热处理，以对功能层提供张力，其中热处理的温度可以在550 °(:与 750 °C之间。
[0019]图2a_e示出半导体衬底10的示意截面以说明用于获得压力传感器201的制造工艺。图2a示出半导体衬底10，其中在半导体衬底10的表面15处形成牺牲层20。图2b示出进一步处理步骤中的半导体衬底10，其中形成覆盖牺牲层20的功能层30。在图2c中，在功能层30中形成至少一个空洞75，其中通过至少一个空洞75应用去除工艺来去除牺牲层20以产生空腔35，其在图2d中示出。此外，对于半导体衬底10提供温度在550°C与750°C之间的热处理。图2e示出压力传感器，其中空洞75例如以填充材料77封闭。可选地，制造工艺可以在FE0L与BE0L之间执行。此外，热处理可以可选地提供功能层的原子结构的重新结构化以及掺杂原子的激活，其中热处理可以将功能层中的非晶硅转变为多晶硅。
[0020]图3a_e示出衬底10的示意截面以说明用于获得微机械系统的制造工艺。图3a示出形成在衬底10的晶体管区域27中的晶体管25。在图3b中，在衬底的MEMS区域60中提供结构化牺牲层20，其中如图3c所示，形成至少部分覆盖结构化牺牲层的功能层30，例如功能MEMS层。图3d示出进一步处理步骤中的衬底10，其中在功能层30中提供一空洞75，或多个例如蚀刻空洞75。在图3e中，去除牺牲层以产生空腔35。在图3f中，形成另一层45以封闭蚀刻空洞。层45在晶体管区域27的至少一部分上方延伸。图3g示出微机械系统，其中形成至少一个金属层65。可选地，层45是在晶体管区域的至少一部分上方延伸的介电层，其中至少一个金属层形成在介电层上方。在晶体管区域中可以至少部分去除层45 ο
【专利说明】微机械系统和用于制造微机械系统的方法
[0001]相关申请的引用
本申请是于2014年6月26日提交的共同待审的美国专利申请N0.14/315，979的部分继续申请并要求其优先权，其整体通过引用结合在此。
技术领域
[0002]本发明的实施例涉及用于制造微机械系统的方法以及涉及该微机械系统。本发明的进一步实施例涉及传感器元件，或更一般地MEMS元件在CMOS技术中的集成。
【背景技术】
[0003]术语“微机电系统(MEMS)”或“微机械系统”常常用于指代组合电子和机械组件的小型集成器件或系统。当关注于微机械部分时，术语“微机械系统”可以用于描述包括一个或多个微机械元件以及可能但并非必需的电气组件和/或电子组件的小型集成器件或系统。
[0004]微机械系统可以用作例如致动器、换能器或传感器，例如压力传感器。压力传感器是现在汽车电子和消费者商品电子的大批量产品。对于这些应用中的许多而言，使用在特定应用集成电路(ASIC)中集成传感器的系统。例如，Infineon Technologies AG提供这样的系统作为侧面气囊传感器。
[0005]具体地，微机械系统的机械激活(mechanically active)元件通常会需要相对复杂的结构，诸如凹进、梁、悬臂、底切、空腔等。可能要求相对高数目的制作步骤。此外，用于执行微机械系统的工艺会需要与例如用于产生电气和/或电子组件的可能的后续制造步骤兼容。
[0006]本发明涉及例如薄片(lamella)或薄膜至例如130 nm结点的集成，对于集成在衬底中的薄片或薄膜，仅有过微小程度的研究，并且本发明描述了用于制造薄片或薄膜而不会影响在前实现的CMOS结构的方法。
【发明内容】
[0007]本发明的实施例涉及用于制造微机械系统的方法。该方法包括在晶体管区域中形成前段制程(FE0L)工艺晶体管的步骤。在FE0L工艺之后，在晶体管区域中沉积保护层，其中保护层包括隔离材料，例如氧化物。至少在不是晶体管区域的区域中形成结构化牺牲层。此外，形成至少部分覆盖结构化牺牲层的功能层。在形成功能层之后，去除牺牲层以便在功能层与牺牲层沉积于其上的表面之间产生空腔。保护层保护晶体管以避免在M0L (中间段制程)和BE0L (后段制程)工艺中的进一步处理步骤中，尤其是在蚀刻工艺期间被损伤。将氧化物用于所述保护层是有利的，因为相同的氧化物可以用作BE0L中的金属化工艺的基础。因此，通常用作晶体管的保护保护层可以保留在晶体管上方并且不需要像牺牲层那样被去除。因此，在BE0L工艺之前施加的保护层变成氧化物覆盖的一部分。
[0008]根据实施例，该方法可以包括进一步步骤，其中进行热处理，其中热处理可以激活功能层的掺杂原子并且提供功能层的原子结构的重新结构化。原子结构的重新结构化还在产生功能层中产生张力。
[0009]实施例示出牺牲层的高度，其小于100 nm或小于75 nm或小于50 nm。传感器，
例如压力传感器的灵敏度直接涉及薄膜与对电极之间的空腔的高度(以及由此牺牲层的高度)。空腔的高度越小，传感器的灵敏度越高。
[0010]本发明的进一步实施例涉及用于制造压力传感器的方法。该方法包括在半导体衬底的表面处形成牺牲层，其中形成覆盖牺牲层的功能层。此外，形成至少一个空洞并且通过至少一个空洞应用去除工艺以产生空腔来去除牺牲层。附加地，在550 °(:与750 °C之间的温度下提供热处理并且封闭该至少一个空洞。
[0011]本发明的进一步实施例，涉及微机械系统，其包括在晶体管区域中具有至少一个晶体管的半导体衬底以及在至少一个晶体管上方的至少一个金属层，其中至少一个金属层的下表面具有第一垂直层次。此外，微机械系统包括在MEMS区域中的功能MEMS层，其中功能层具有在低于第一垂直层次的第二垂直层次处的上表面。
[0012]本发明的进一步实施例涉及用于制造微机械系统的方法。该方法包括在衬底的晶体管区域中形成至少一个晶体管的步骤。在衬底的MEMS区域中提供结构化牺牲层，其中形成至少部分覆盖结构化牺牲层的功能MEMS层，并且在功能MEMS层中提供蚀刻空洞。此外，去除牺牲层以产生空腔并且形成封闭蚀刻空洞的另一层，其中该另一层在晶体管区域的至少一部分上方延伸并且形成至少一个金属层。
【附图说明】
[0013]以下利用附图详细描述本发明的实施例，在附图中:
图1A-1F通过根据实施例的制造工艺的若干阶段时的微机械系统示出示意截面图；
图2A-2E通过根据实施例的制造工艺的若干阶段时的微机械系统示出示意截面图；
图3A-3G通过根据实施例的制造工艺的若干阶段时的微机械系统示出示意截面图；
图4通过根据实施例的微机械系统示出示意截面图；
图5A-f5D通过根据实施例的制造工艺的若干阶段时的微机械系统示出示意截面图；
图6示出根据实施例的微机械系统的示意截面图；
图7示出根据实施例的微机械系统的一段，通过FIB (聚焦离子束)获得示意截面图； 图8示意性示出薄膜在1 bar压强作用在其上的位移的数值模拟的结果；
图9A-9I示出在制造工艺的若干阶段时微机械系统的示意截面图；
图10A-10C示出包括碳牺牲层作为保护层的晶体管的示意截面图；
图11A-11L示出根据实施例的制造工艺的若干阶段时微机械系统的示意截面图；
图12示出根据实施例的微机械系统的示意截面图。
【具体实施方式】
[0014]在利用附图详细描述本发明的实施例之前，应指出相同或功能等同的元件在附图中以相同或相似的附图标记表示，并且通常省略提供有相同或相似附图标记的元件的重复描述。因此，对于具有相同或相似附图标记的元件的描述是相互可交换的。
[0015]微机械系统，例如压力传感器和其他传感器是大批量制造产品。有时，该传感器或若干传感器被集成为例如特定应用集成电路(ASIC)形式的系统。当向新的技术节点迀移时，挑战之一是集成这些系统，使得例如CMOS (互补金属氧化物半导体)工艺的复杂性并不必然增加并且CMOS电路的现存集成方案可以较高程度地保留，而优选地基本上无需或仅需极小的研发工作。
[0016]图la-e示出衬底10的示意截面以说明用于获得微机械系统的制造工艺。图la示出在例如衬底10上的晶体管区域27中，在前段制程(FE0L)工艺中形成的晶体管25或多个晶体管。在FE0L工艺完成之后，关于图lb，示出包括隔离材料的保护层的沉积。隔离材料是例如氧化物，例如图lc示出在包括牺牲层20的形成的进一步处理步骤中的衬底，牺牲层20可以包括碳。在图1d中，牺牲层被结构化以形成结构化牺牲层20。图le示出进一步处理步骤中的衬底10。形成至少部分覆盖结构化牺牲层的功能层30，其中如图1f中所示，牺牲层20被去除。此外，存在应用于衬底10的可选步骤。关于图lla-Ι，示出本发明的实施例，其中氧化物层作为保护层沉积在晶体管区域中的晶体管上方，这尤其对于使用具有低高度的牺牲层20的工艺(参照图10a-c)是有利的。低高度可以低于150 nm，低于100 nm或低于75 nm。
[0017]制造工艺还可以包括热处理，其中热处理激活功能层30的掺杂原子并且提供功能层30的原子结构的重新结构化。可选地，功能层可以完全覆盖牺牲层20。因此，可以在功能层30中产生空洞。空洞可以用于应用去除工艺以去除牺牲层20，从而在功能层30与半导体衬底的表面之间产生空腔，并且其中在功能层的接近空洞的表面设置一层，其中该层的高度低于600 nm。该层可以包括氮化物或氧化物。
[0018]制造工艺还可以包括后段制程(BE0L)工艺，其中在BE0L中形成至少一个金属层，其可以至少在MEMS区域的一部分中去除以例如在晶体管区域27中结构化至少一个金属线。在结构化至少一个金属线之后，可以在晶体管区域和MEMS区域中形成至少一个介电层。此外，可以对功能层30提供热处理，以对功能层提供张力，其中热处理的温度可以在550 °(:与 750 °C之间。
[0019]图2a_e示出半导体衬底10的示意截面以说明用于获得压力传感器201的制造工艺。图2a示出半导体衬底10，其中在半导体衬底10的表面15处形成牺牲层20。图2b示出进一步处理步骤中的半导体衬底10，其中形成覆盖牺牲层20的功能层30。在图2c中，在功能层30中形成至少一个空洞75，其中通过至少一个空洞75应用去除工艺来去除牺牲层20以产生空腔35，其在图2d中示出。此外，对于半导体衬底10提供温度在550°C与750°C之间的热处理。图2e示出压力传感器，其中空洞75例如以填充材料77封闭。可选地，制造工艺可以在FE0L与BE0L之间执行。此外，热处理可以可选地提供功能层的原子结构的重新结构化以及掺杂原子的激活，其中热处理可以将功能层中的非晶硅转变为多晶硅。
[0020]图3a_e示出衬底10的示意截面以说明用于获得微机械系统的制造工艺。图3a示出形成在衬底10的晶体管区域27中的晶体管25。在图3b中，在衬底的MEMS区域60中提供结构化牺牲层20，其中如图3c所示，形成至少部分覆盖结构化牺牲层的功能层30，例如功能MEMS层。图3d示出进一步处理步骤中的衬底10，其中在功能层30中提供一空洞75，或多个例如蚀刻空洞75。在图3e中，去除牺牲层以产生空腔35。在图3f中，形成另一层45以封闭蚀刻空洞。层45在晶体管区域27的至少一部分上方延伸。图3g示出微机械系统，其中形成至少一个金属层65。可选地，层45是在晶体管区域的至少一部分上方延伸的介电层，其中至少一个金属层形成在介电层上方。在晶体管区域中可以至少部分去除层45 ο
再多了解一些
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