一種單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的製造方法
2023-06-13 00:36:16 4
一種單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及微電子機械(MEMS)加工領域，尤其涉及一種單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器。本發明的目的在於，設計一種單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器，並給出一種製造該傳感器的典型加工方法。所述複合傳感器為一體式設計，所述加速度計包括帶力敏電阻的質量塊一彈性膜片結構，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製空腔。所述方法包括如下步驟：應力集中結構加工步驟(可選)；敏感電阻加工步驟；金屬引線層加工步驟；加速度計質量塊一彈性膜結構加工步驟。本發明將加速度計和壓力計設計在同一區域本，節約了晶片面積，在較小面積下實現較高的靈敏度，所製造的傳感器同時具有壓力計和加速度計功能。
【專利說明】
一種單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及微電子機械(MEMS)加工領域，尤其涉及一種單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器。
【背景技術】
[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、汽車製造、動力機械、生物醫學工程、氣象、地質、地震測量等各個領域有著廣泛的應用。微電子機械(MEMS)壓阻式傳感器，是通過MEMS加工技術，利用單晶矽的壓阻效應，製造出的傳感器晶片。因其具有體積小，精度高，成本低，可以批量生產的特點，而具有廣泛的應用空間和市場前景。
[0003]壓阻式微電子機械傳感器具有輸出線性好，靈敏度高，工作溫度範圍大，動態響應特性好等優點。其工藝與1C工藝兼容。自上世紀70年代製成了周邊固定支撐的電阻和矽膜片的一體化矽杯式擴散型壓力傳感器以來，發展迅速。由於性能的不斷提高和設計的不斷完善，應用性不斷提高。
[0004]2009年，Quan Wang等人報導了一個集成熱傳導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加速度計中的懸臂梁和表面犧牲層工藝製備壓力計的腔體，並通過外加蓋片對加速度計進行保護。該工藝的特點在於較小的加速度計體積，但由於熱對流傳導檢測原理導致加速度機的響應頻率較低。
[0005]2011年，C.Z.Wei等人通過表面工藝，在矽上集成了一個量程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製備壓力計的真空腔體和加速度計質量塊的活動間隙，並通過類LIGA工藝在質量塊表面電鍍9um銅層增加質量塊的質量。該工藝具備小尺寸和高性能的優點，但由於表面工藝中多晶矽層較薄，需採用大厚度鍍銅工藝增加質量塊質量。
[0006]2011年，Jiachou Wang等人報導了通過表面各向異性腐蝕在〈111〉晶面上製備形狀，厚度可控的內埋空腔，並通過澱積多晶矽封閉腐蝕孔道獲得真空腔的工藝，並通過該工藝得到的空腔製備集成加速度計和壓力計的傳感器。該傳感器實現了較大厚度的帶單晶矽膜空腔加工，但工藝限制為(111)晶面而非常用的(100)晶面，該晶面的橫向壓阻係數小導致器件靈敏度降低。
[0007]上述設計中，表面犧牲層技術，由於受到多晶矽材料應變係數小且生長厚度受限，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，佔用基片面積較大。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在於，設計一種單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器，並給出一種製造該傳感器的典型加工方法，以至少解決上述問題之一。
[0009]本發明設計了一種單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器，並提供了一種典型的加工方法，所述複合傳感器為一體式設計，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量塊-彈性膜片結構，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製空腔。
[0010]所述方法包括如下步驟:1.應力集中結構加工步驟(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。同時加工出用於溫度補償的溫敏電阻。3.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.加速度計質量塊-彈性膜結構加工步驟: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過刻蝕厚度較大的質量塊，構成可動的質量塊-彈性膜結構。
[0011]上述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的加工方法，優選所述應力集中結構加工步驟包括:在器件層表面通過刻蝕或者腐蝕的方法形成凹槽，形成應力集中帶。
[0012]上述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的加工方法的應力集中結構加工步驟中，所述刻蝕方法為反應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]上述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的加工方法，優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，通過擴散或注入在器件層特定區域進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；歐姆接觸區摻雜步驟，通過擴散或注入在基片單晶矽器件層上形成重摻雜區，形成歐姆接觸區。
[0014]上述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的加工方法的敏感電阻加工步驟中，所述單晶矽圓片器件層初始摻雜類型為N型，晶向為(100)。
[0015]上述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的加工方法的敏感電阻加工步驟中，所述單晶矽圓片器件層初始摻雜類型為N型，晶向為(100)。
[0016]上述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的加工方法，優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，並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，並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]上述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複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]上述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複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]上述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複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矽。
[0020]上述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複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離子刻蝕。
[0021]上述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的加工方法優選加速度質量塊-彈性膜結構加工步驟包括:從單晶矽圓片背面進行刻蝕或腐蝕，形成可動的質量塊-彈性膜結構以及質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後，上述金屬引線層加工步驟開始前，加入一步等離子增強化學氣象澱積氮化矽，作為腐蝕掩膜。並在腐蝕前通過反應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，所述刻蝕區域位於預製空腔所在區域以外，刻蝕不打通空腔。
[0025]相對於現有技術，本發明具有如下優點:
[0026]第一，本發明將加速度計和壓力計設計在同一區域，不同於簡單相加式的組合，而是在加速度傳感器內部集成壓力傳感器，極大的提高了晶片表面利用率，實現同一器件的多功能化。
[0027]第二，本發明中加速度計使用基片襯底層矽作為質量塊，可以在較小面積下實現較高的靈敏度，減小單個器件所佔面積，增加了每片基片上生成的器件個數。敏感膜結構相對於懸臂梁結構可靠性更高，不易損壞，提高成品率。從而提高產量降低成本。
[0028]第三，本發明使用帶有預製空腔的單晶矽圓片作為加工基片，預製的空腔作為壓力傳感器腔體，並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，便於實際生產。
[0029]第四，本發明所製造的傳感器同時具有壓力計和加速度計功能，既可同時工作互補影響，又可獨立工作。適用於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，工藝並不更加複雜，尺寸也沒有更大，在只需單一種類傳感器的場合應用同樣具有競爭力。因此，應用領域廣泛。
【專利附圖】
【附圖說明】
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[0030]圖1A為本發明所述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的結構示意圖；
[0031]圖1B為本發明所述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的A-A』方向剖面視圖；
[0032]圖2為本發明所述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的加工流程圖；
[0033]圖3為本發明所述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的主要工藝過程剖面示意圖；
【具體實施方式】
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[0034]為使本發明的上述目的，特徵和優點能夠:更加明顯易懂，下面結合附圖及【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0035]如圖1A?圖1B所示，單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複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為本發明所述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器加工步驟流程圖，包括應力集中結構加工步驟(可選)，力敏電阻加工步驟101:在所述預製空腔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摻雜的歐姆接觸區；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的SOI基片上加工金屬引線層；加速度計質量塊-彈性膜結構加工步驟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過刻蝕厚度較大的質量塊，構成可動的質量塊-彈性膜結構。
[0037]圖3(a)_3(q)為本發明所述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的主要工藝流程剖面圖。使用原料基片以帶有預製空腔的SOI單晶矽圓片為例，若使用非SOI基片，則不存在圖三中的埋氧層2，其他結構和方法不變。
[0038]圖3(a)為製備集成加速度計和壓力計的基片預製空腔的單器件層SOI單晶矽圓片，包含器件層1埋氧層2和襯底層3，以及預製空腔4。
[0039]經過熱氧化生長得到二氧化矽層5如圖3(b)所示，並經過光刻、刻蝕工藝進行圖形化後，在單器件層SOI單晶矽圓片的正面得到二氧化矽掩模，如圖3(c)所示。
[0040]如圖3(d)所示以二氧化矽為掩模進行腐蝕，腐蝕完成後使用氫氟酸或者BHF溶液去除二氧化矽掩模，得到本專利所述應力集中結構6。
[0041]再一次在器件層表面熱氧化生長形成二氧化矽層7，如圖3(e)所示。
[0042]經過光刻圖形化二氧化矽層形成離子注入掩模，如圖3(f)所示。
[0043]如圖3(f)所示以二氧化矽為掩模進行離子注入，得到本專利所述重摻雜歐姆接觸區8如圖3(g)所示。
[0044]在得到重摻雜歐姆接觸區以後，經過光刻、刻蝕工藝進行圖形化，在二氧化矽掩模上刻蝕出敏感電阻條的注入孔，如圖3(h)所示。
[0045]通過二氧化矽掩模上的注入孔進行離子注入，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後，去除二氧化矽掩模，如圖所示澱積二氧化矽絕緣層10，並進行退火激活注入離子，在背面PECVD —層氮化矽16，如圖3 (j)。
[0047]如圖3(k)所示，在二氧化矽絕緣層10上光刻並圖形化引線孔11。
[0048]在基片的正面濺射矽鋁形成金屬電極層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]在金屬加工完成後，在基片表面澱積氮化矽鈍化層13，並如圖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矽，形成背腔腐蝕掩膜，如圖3 (ρ)。
[0053]正面塗primer膠保護，氫氧化鉀Κ0Η腐蝕背腔17，如圖3 (q)。
[0054]以上對本發明所述的一種單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器的加工方法進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上示例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在【具體實施方式】及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
【權利要求】
1.一種單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器，所述加速度計包括帶力敏電阻的質量塊-彈性膜片結構，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製空腔。
2.上述傳感器的加工方法包括:應力集中結構加工步驟(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。同時加工出用於溫度補償的溫敏電阻。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；加速度計質量塊-彈性膜結構加工步驟: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過刻蝕厚度較大的質量塊，構成可動的質量塊-彈性膜結構。
3.根據權利要求1所述單片嵌入結構集成矽加速度和壓力複合傳感器，其特徵在於將加速度計和壓力計設計在同一區域，不同於簡單相加式的組合，而是在加速度傳感器內部集成壓力傳感器，極大的提高了晶片表面利用率，實現同一器件的多功能化；本發明使用帶有預製空腔的單晶矽圓片作為加工基片，預製的空腔作為壓力傳感器腔體，並且同時加工出兩種傳感器所需的敏感電阻以及溫敏電阻；本發明所製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.根據權利要求2所述的複合傳感器的加工方法，其特徵在於，所述應力集中結構加工步驟包括:在器件層表面通過刻蝕或者腐蝕的方法形成凹槽，形成應力集中帶。所述刻蝕方法為反應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.根據權利要求2所述的複合傳感器的加工方法，其特徵在於，所述敏感電阻的加工步驟包括:器件層表面電阻摻雜步驟，通過擴散或注入在器件層特定區域進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；歐姆接觸區摻雜步驟，通過擴散或注入在基片單晶矽器件層上形成重摻雜區，形成歐姆接觸區。
6.根據權利要求2所述的複合傳感器的加工方法，其特徵在於，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，並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，並光刻圖形化形成鈍化層圖形。
7.根據權利要求2所述的複合傳感器的加工方法，其特徵在於，加速度質量塊-彈性膜結構加工步驟包括:從單晶矽圓片背面進行刻蝕或腐蝕，形成可動的質量塊-彈性膜結構以及質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 優先權日:2013年7月15日
【發明者】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