一種單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及微電子機(jī)械(MEMS)加工領(lǐng)域，尤其涉及一種單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器。本發(fā)明的目的在于，設(shè)計一種單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器，并給出一種制造該傳感器的典型加工方法。所述復(fù)合傳感器為一體式設(shè)計，所述加速度計包括帶力敏電阻的質(zhì)量塊一彈性膜片結(jié)構(gòu)，所述壓力計包括帶有力敏電阻的壓力敏感膜片和密封的預(yù)制空腔。所述方法包括如下步驟：應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)加工步驟(可選)；敏感電阻加工步驟；金屬引線層加工步驟；加速度計質(zhì)量塊一彈性膜結(jié)構(gòu)加工步驟。本發(fā)明將加速度計和壓力計設(shè)計在同一區(qū)域本，節(jié)約了芯片面積，在較小面積下實現(xiàn)較高的靈敏度，所制造的傳感器同時具有壓力計和加速度計功能。
【專利說明】
一種單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子機(jī)械(MEMS)加工領(lǐng)域，尤其涉及一種單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]tpms加速度傳感器和壓力傳感器,在航天、航空、航海、石油化工、汽車制造、動力機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。微電子機(jī)械(MEMS)壓阻式傳感器，是通過MEMS加工技術(shù)，利用單晶硅的壓阻效應(yīng)，制造出的傳感器芯片。因其具有體積小，精度高，成本低，可以批量生產(chǎn)的特點，而具有廣泛的應(yīng)用空間和市場前景。
[0003]壓阻式微電子機(jī)械傳感器具有輸出線性好，靈敏度高，工作溫度范圍大，動態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)點。其工藝與1C工藝兼容。自上世紀(jì)70年代制成了周邊固定支撐的電阻和硅膜片的一體化硅杯式擴(kuò)散型壓力傳感器以來，發(fā)展迅速。由于性能的不斷提高和設(shè)計的不斷完善，應(yīng)用性不斷提高。
[0004]2009年，Quan Wang等人報道了一個集成熱傳導(dǎo)加速度計和壓阻壓力計的車用集成傳感器，通過各向異性腐蝕獲得熱對流傳導(dǎo)加速度計中的懸臂梁和表面犧牲層工藝制備壓力計的腔體，并通過外加蓋片對加速度計進(jìn)行保護(hù)。該工藝的特點在于較小的加速度計體積，但由于熱對流傳導(dǎo)檢測原理導(dǎo)致加速度機(jī)的響應(yīng)頻率較低。
[0005]2011年，C.Z.Wei等人通過表面工藝，在硅上集成了一個量程550KPa的壓力傳感器和一個-25g?+125g量程的壓阻加速度計。該工藝通過表面犧牲層工藝制備壓力計的真空腔體和加速度計質(zhì)量塊的活動間隙，并通過類LIGA工藝在質(zhì)量塊表面電鍍9um銅層增加質(zhì)量塊的質(zhì)量。該工藝具備小尺寸和高性能的優(yōu)點，但由于表面工藝中多晶硅層較薄，需采用大厚度鍍銅工藝增加質(zhì)量塊質(zhì)量。
[0006]2011年，Jiachou Wang等人報道了通過表面各向異性腐蝕在〈111〉晶面上制備形狀，厚度可控的內(nèi)埋空腔，并通過淀積多晶硅封閉腐蝕孔道獲得真空腔的工藝，并通過該工藝得到的空腔制備集成加速度計和壓力計的傳感器。該傳感器實現(xiàn)了較大厚度的帶單晶硅膜空腔加工，但工藝限制為(111)晶面而非常用的(100)晶面，該晶面的橫向壓阻系數(shù)小導(dǎo)致器件靈敏度降低。
[0007]上述設(shè)計中，表面犧牲層技術(shù)，由于受到多晶硅材料應(yīng)變系數(shù)小且生長厚度受限，而以(111)晶面作為工藝面同樣會降低器件靈敏度，導(dǎo)致傳感器性能難以提高。且壓力傳感器與加速度傳感器分開，占用基片面積較大。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的在于，設(shè)計一種單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器，并給出一種制造該傳感器的典型加工方法，以至少解決上述問題之一。
[0009]本發(fā)明設(shè)計了一種單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器，并提供了一種典型的加工方法，所述復(fù)合傳感器為一體式設(shè)計，加速度計與壓力計在同一基片同一表面積上加工而成。所述加速度計包括帶力敏電阻的質(zhì)量塊-彈性膜片結(jié)構(gòu)，所述壓力計包括帶有力敏電阻的壓力敏感膜片和密封的預(yù)制空腔。
[0010]所述方法包括如下步驟:1.應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)加工步驟(可選):在基片正面器件層上，利用腐蝕或刻蝕的方法加工出凹槽，形成應(yīng)力集中帶；2.敏感電阻加工步驟:在基片器件層上加工出一定摻雜濃度的電阻條，作為加速度計和壓力計的力敏電阻。同時加工出用于溫度補(bǔ)償?shù)臏孛綦娮琛?.金屬引線層加工步驟:在加工有敏感電阻的的基片表面加工出金屬引線；4.加速度計質(zhì)量塊-彈性膜結(jié)構(gòu)加工步驟:從基片背面，刻蝕或腐蝕出空腔，從而在正面形成厚度較薄的彈性膜以及未經(jīng)過刻蝕厚度較大的質(zhì)量塊，構(gòu)成可動的質(zhì)量塊-彈性膜結(jié)構(gòu)。
[0011]上述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的加工方法，優(yōu)選所述應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)加工步驟包括:在器件層表面通過刻蝕或者腐蝕的方法形成凹槽，形成應(yīng)力集中帶。
[0012]上述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的加工方法的應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)加工步驟中，所述刻蝕方法為反應(yīng)離子刻蝕或電感耦合等離子體刻蝕。所述腐蝕方法為TMAH腐蝕或Κ0Η腐蝕。
[0013]上述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的加工方法，優(yōu)選所述敏感電阻的加工步驟包括:器件層表面電阻摻雜步驟，通過擴(kuò)散或注入在器件層特定區(qū)域進(jìn)行與器件層原摻雜類型相反的摻雜，形成一定摻雜濃度的力敏電阻和溫敏電阻；歐姆接觸區(qū)摻雜步驟，通過擴(kuò)散或注入在基片單晶硅器件層上形成重?fù)诫s區(qū)，形成歐姆接觸區(qū)。
[0014]上述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的加工方法的敏感電阻加工步驟中，所述單晶硅圓片器件層初始摻雜類型為N型，晶向為(100)。
[0015]上述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的加工方法的敏感電阻加工步驟中，所述單晶硅圓片器件層初始摻雜類型為N型，晶向為(100)。
[0016]上述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的加工方法，優(yōu)選金屬引線層加工步驟包括:金屬層生長步驟，在器件層表面生長金屬，并光刻圖形化形成電極和引線圖形；鈍化層生長步驟，在器件層表面生長鈍化層，并光刻圖形化形成鈍化層圖形，覆蓋壓焊電極之外的所有部分。
[0017]上述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的加工方法的金屬引線層加工步驟中，所述金屬層成分為鋁層，生長方法為濺射。
[0018]上述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的加工方法的金屬引線層加工步驟中，所述金屬層圖形化方法為剝離工藝。
[0019]上述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的加工方法的金屬引線層加工步驟中，所述鈍化層成分為氮化硅。
[0020]上述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的加工方法的金屬引線層加工步驟中，所述鈍化層圖形化方法為反應(yīng)離子刻蝕。
[0021]上述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的加工方法優(yōu)選加速度質(zhì)量塊-彈性膜結(jié)構(gòu)加工步驟包括:從單晶硅圓片背面進(jìn)行刻蝕或腐蝕，形成可動的質(zhì)量塊-彈性膜結(jié)構(gòu)以及質(zhì)量塊隨加速度變化移動所需的間隙。
[0022]上述加工方法中，所述刻蝕為電感耦合等離子體刻蝕。
[0023]上述加工方法中，所述腐蝕工藝為氫氧化鉀腐蝕。如選擇腐蝕工藝，則需要在上述敏感電阻加工步驟完成后，上述金屬引線層加工步驟開始前，加入一步等離子增強(qiáng)化學(xué)氣象淀積氮化硅，作為腐蝕掩膜。并在腐蝕前通過反應(yīng)離子刻蝕將其圖形化，其他步驟及順序不變。
[0024]上述加工方法中，所述刻蝕區(qū)域位于預(yù)制空腔所在區(qū)域以外，刻蝕不打通空腔。
[0025]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0026]第一，本發(fā)明將加速度計和壓力計設(shè)計在同一區(qū)域，不同于簡單相加式的組合，而是在加速度傳感器內(nèi)部集成壓力傳感器，極大的提高了芯片表面利用率，實現(xiàn)同一器件的多功能化。
[0027]第二，本發(fā)明中加速度計使用基片襯底層硅作為質(zhì)量塊，可以在較小面積下實現(xiàn)較高的靈敏度，減小單個器件所占面積，增加了每片基片上生成的器件個數(shù)。敏感膜結(jié)構(gòu)相對于懸臂梁結(jié)構(gòu)可靠性更高，不易損壞，提高成品率。從而提高產(chǎn)量降低成本。
[0028]第三，本發(fā)明使用帶有預(yù)制空腔的單晶硅圓片作為加工基片，預(yù)制的空腔作為壓力傳感器腔體，并且同時加工出兩種傳感器所需的敏感電阻以及溫敏電阻，使加工工藝得至IJ簡化，降低了加工難度，便于實際生產(chǎn)。
[0029]第四，本發(fā)明所制造的傳感器同時具有壓力計和加速度計功能，既可同時工作互補(bǔ)影響，又可獨立工作。適用于需要兩種傳感器共同工作的場合；同時與單獨的加速度傳感器和壓力傳感器相比，工藝并不更加復(fù)雜，尺寸也沒有更大，在只需單一種類傳感器的場合應(yīng)用同樣具有競爭力。因此，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。
【專利附圖】
【附圖說明】
:
[0030]圖1A為本發(fā)明所述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖1B為本發(fā)明所述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的A-A’方向剖面視圖；
[0032]圖2為本發(fā)明所述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的加工流程圖；
[0033]圖3為本發(fā)明所述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的主要工藝過程剖面示意圖；
【具體實施方式】
:
[0034]為使本發(fā)明的上述目的，特征和優(yōu)點能夠:更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0035]如圖1A?圖1B所示，單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器包括壓力傳感器力敏電阻21，加速度傳感器力敏電阻22，溫敏電阻23，金屬引線24，壓焊電極25a_25 j。
[0036]圖2為本發(fā)明所述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器加工步驟流程圖，包括應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)加工步驟(可選)，力敏電阻加工步驟101:在所述預(yù)制空腔SOI基片的器件層上加工出一定摻雜濃度的力敏電阻條與重?fù)诫s的歐姆接觸區(qū)；金屬引線層加工步驟102:在所述加工有力敏電阻與歐姆接觸區(qū)的SOI基片上加工金屬引線層；加速度計質(zhì)量塊-彈性膜結(jié)構(gòu)加工步驟103:從SOI基片背面，刻蝕或腐蝕出空腔，從而在正面形成厚度較薄的彈性膜以及未經(jīng)過刻蝕厚度較大的質(zhì)量塊，構(gòu)成可動的質(zhì)量塊-彈性膜結(jié)構(gòu)。
[0037]圖3(a)_3(q)為本發(fā)明所述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的主要工藝流程剖面圖。使用原料基片以帶有預(yù)制空腔的SOI單晶硅圓片為例，若使用非SOI基片，則不存在圖三中的埋氧層2，其他結(jié)構(gòu)和方法不變。
[0038]圖3(a)為制備集成加速度計和壓力計的基片預(yù)制空腔的單器件層SOI單晶硅圓片，包含器件層1埋氧層2和襯底層3，以及預(yù)制空腔4。
[0039]經(jīng)過熱氧化生長得到二氧化硅層5如圖3(b)所示，并經(jīng)過光刻、刻蝕工藝進(jìn)行圖形化后，在單器件層SOI單晶硅圓片的正面得到二氧化硅掩模，如圖3(c)所示。
[0040]如圖3(d)所示以二氧化硅為掩模進(jìn)行腐蝕，腐蝕完成后使用氫氟酸或者BHF溶液去除二氧化硅掩模，得到本專利所述應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)6。
[0041]再一次在器件層表面熱氧化生長形成二氧化硅層7，如圖3(e)所示。
[0042]經(jīng)過光刻圖形化二氧化硅層形成離子注入掩模，如圖3(f)所示。
[0043]如圖3(f)所示以二氧化硅為掩模進(jìn)行離子注入，得到本專利所述重?fù)诫s歐姆接觸區(qū)8如圖3(g)所示。
[0044]在得到重?fù)诫s歐姆接觸區(qū)以后，經(jīng)過光刻、刻蝕工藝進(jìn)行圖形化，在二氧化硅掩模上刻蝕出敏感電阻條的注入孔，如圖3(h)所示。
[0045]通過二氧化硅掩模上的注入孔進(jìn)行離子注入，得到本專利所述力敏電阻條和溫敏電阻條9如圖3(i)。
[0046]在得到力敏電阻條和溫敏電阻條以后，去除二氧化硅掩模，如圖所示淀積二氧化硅絕緣層10，并進(jìn)行退火激活注入離子，在背面PECVD —層氮化硅16，如圖3 (j)。
[0047]如圖3(k)所示，在二氧化硅絕緣層10上光刻并圖形化引線孔11。
[0048]在基片的正面濺射硅鋁形成金屬電極層12(a)，如圖3(1)所示。
[0049]腐蝕工藝光刻，圖形化金屬得到金屬引線12(b)如圖3(m)。
[0050]在金屬加工完成后，在基片表面淀積氮化硅鈍化層13，并如圖3 (η)所示。
[0051]光刻，圖形化出壓焊窗口 14，將壓焊電極15暴露在外如圖3(0)。
[0052]基片背面光刻刻蝕圖形化氮化硅，形成背腔腐蝕掩膜，如圖3 (ρ)。
[0053]正面涂primer膠保護(hù)，氫氧化鉀Κ0Η腐蝕背腔17，如圖3 (q)。
[0054]以上對本發(fā)明所述的一種單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器的加工方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進(jìn)行了闡述，以上示例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在【具體實施方式】及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
【權(quán)利要求】
1.一種單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器，所述加速度計包括帶力敏電阻的質(zhì)量塊-彈性膜片結(jié)構(gòu)，所述壓力計包括帶有力敏電阻的壓力敏感膜片和密封的預(yù)制空腔。
2.上述傳感器的加工方法包括:應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)加工步驟(可選):在SOI基片正面器件層上，利用腐蝕或刻蝕的方法加工出凹槽，形成應(yīng)力集中帶；敏感電阻加工步驟:在SOI基片器件層上加工出一定摻雜濃度的電阻條，作為加速度計和壓力計的力敏電阻。同時加工出用于溫度補(bǔ)償?shù)臏孛綦娮?。金屬引線層加工步驟:在加工有敏感電阻的的SOI基片表面加工出金屬引線；加速度計質(zhì)量塊-彈性膜結(jié)構(gòu)加工步驟:從SOI基片背面，刻蝕或腐蝕出空腔，從而在正面形成厚度較薄的彈性膜以及未經(jīng)過刻蝕厚度較大的質(zhì)量塊，構(gòu)成可動的質(zhì)量塊-彈性膜結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述單片嵌入結(jié)構(gòu)集成硅加速度和壓力復(fù)合傳感器，其特征在于將加速度計和壓力計設(shè)計在同一區(qū)域，不同于簡單相加式的組合，而是在加速度傳感器內(nèi)部集成壓力傳感器，極大的提高了芯片表面利用率，實現(xiàn)同一器件的多功能化；本發(fā)明使用帶有預(yù)制空腔的單晶硅圓片作為加工基片，預(yù)制的空腔作為壓力傳感器腔體，并且同時加工出兩種傳感器所需的敏感電阻以及溫敏電阻；本發(fā)明所制造的傳感器同時具有壓力計和加速度計功能，且既可同時工作，又可獨立工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合傳感器的加工方法，其特征在于，所述應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)加工步驟包括:在器件層表面通過刻蝕或者腐蝕的方法形成凹槽，形成應(yīng)力集中帶。所述刻蝕方法為反應(yīng)離子刻蝕或電感耦合等離子體刻蝕。所述腐蝕方法為TMAH腐蝕或KOH腐蝕。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合傳感器的加工方法，其特征在于，所述敏感電阻的加工步驟包括:器件層表面電阻摻雜步驟，通過擴(kuò)散或注入在器件層特定區(qū)域進(jìn)行與器件層原摻雜類型相反的摻雜，形成一定摻雜濃度的力敏電阻和溫敏電阻；歐姆接觸區(qū)摻雜步驟，通過擴(kuò)散或注入在基片單晶硅器件層上形成重?fù)诫s區(qū)，形成歐姆接觸區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合傳感器的加工方法，其特征在于，所述金屬引線層加工步驟包括:金屬層生長步驟，在器件層表面生長金屬，并光刻圖形化形成電極圖形；鈍化層生長步驟，在器件層表面生長鈍化層，并光刻圖形化形成鈍化層圖形。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合傳感器的加工方法，其特征在于，加速度質(zhì)量塊-彈性膜結(jié)構(gòu)加工步驟包括:從單晶硅圓片背面進(jìn)行刻蝕或腐蝕，形成可動的質(zhì)量塊-彈性膜結(jié)構(gòu)以及質(zhì)量塊隨加速度變化移動所需的間隙。所述刻蝕為電感耦合等離子體刻蝕；所述腐蝕工藝為氫氧化鉀腐蝕。
【文檔編號】B81B7/00GK104297520SQ201310293764
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月15日
【發(fā)明者】張揚熙, 高成臣, 楊琛琛, 孟凡瑞 申請人:蘇州美侖凱力電子有限公司