基於soi片襯底矽陽極鍵合的電容式溫度、溼度、氣壓和加速度傳感器集成製造方法
2023-05-05 22:48:56
基於soi片襯底矽陽極鍵合的電容式溫度、溼度、氣壓和加速度傳感器集成製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於SOI片襯底矽陽極鍵合的電容式溫度、溼度、氣壓和加速度傳感器集成製造方法，該方法利用分步深矽刻蝕技術和SOI片襯底矽與玻璃陽極鍵合技術相結合，同時製備了薄膜結構、高深寬比電容結構和密封腔體結構，通過深矽刻蝕、RIE刻蝕、幹法刻蝕等腐蝕技術以及離子注入等手段得到電容式溫度、溼度、氣壓和加速度傳感器相應結構，再經過SOI片襯底矽與玻璃進行陽極鍵合，最終通過刻蝕實現全電容敏感的溫度、溼度、氣壓和加速度傳感器的集成製造，實現了低功耗集成多傳感器集成結構。
【專利說明】基於SOI片襯底矽陽極鍵合的電容式溫度、溼度、氣壓和加速度傳感器集成製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種傳感器的製造方法，具體涉及一種基於SOI片襯底矽陽極鍵合的電容式溫度、溼度、氣壓和加速度傳感器集成製造方法。
【背景技術】
[0002]隨著微加工技術的進步和微型智能傳感系統的應用需求，多個傳感器在單片上的集成將成為一種發展趨勢。多個傳感器的單片集成方法可以分為兩大類，第一類是多個傳感器分別製造後利用多晶片組裝技術集成在同一基板上，這類技術相對成熟已被廣泛應用。多晶片組裝技術的優點是單個晶片的複雜度降低因此其研發成本降低，其缺點主要包括系統集成度低導致面積較大、互聯線路較長、可靠性降低等問題，因此基於多晶片組裝的多傳感器集成系統的性能難以突破。第二類就是直接將多傳感器在一個圓片上進行集成製造，這種方法能克服多晶片組裝技術的許多缺點，其優點包括系統尺寸減小、互連線長度減少可靠性提高、批量生產成本降低等，而其缺點將是研發難度增大因此研發的費用提高。和集成電路相比傳感器的集成顯得更為困難，原因是不同傳感器的工作原理和結構方案差別很大。從工作原理上看，有的傳感器是電阻敏感原理，有的傳感器是電容敏感原理；從結構方案上看，有些需要薄膜等特殊結構，有些則需要特殊的敏感材料。因此將這些不同原理和結構的傳感器進行集成製造，需要研究一套特定的加工方法。
【發明內容】
[0003]發明目的:針對上述現有技術，本發明提供一種基於SOI片襯底矽陽極鍵合的電容式溫度、溼度、氣壓和加速度傳感器集成製造方法，實現直接將多種傳感器在一個圓片上進行集成製造。
[0004]技術方案:基於SOI片襯底娃陽極鍵合的電容式溫度、溼度、氣壓和加速度傳感器集成製造方法，該方法基於SOI片襯底矽以及玻璃襯底實現，所述SOI片襯底矽由從下至上依次設置的襯底矽、氧化埋層、器件層矽組成；利用分步深矽刻蝕技術和SOI片襯底矽與玻璃襯底陽極鍵合技術相結合，同時製備薄膜結構、高深寬比電容結構和密封腔體結構，最終形成加速度傳感器、溼度傳感器、氣壓傳感器以及溫度傳感器集成結構；該方法包括如下步驟:
[0005]步驟I)，幹法刻蝕所述器件層矽，控制刻蝕深度得到氣壓和溫度傳感器的矽薄膜結構；採用離子注入技術降低所述器件層矽的電阻率，在所述矽薄膜結構以及所述器件層矽的表面生長介質層並分別刻蝕溼度傳感器、氣壓傳感器以及溫度傳感器的極板形狀圖形，得到溼度傳感器、氣壓傳感器以及溫度傳感器的介電應變層；
[0006]步驟2)，在所述介電應變層和所述器件層矽表面分別澱積金屬層並腐蝕圖形得到溼度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器以及加速度傳感器的電極；並在所述溼度傳感器的電極上塗敷溼敏材料並腐蝕圖形得到溼度傳感器的感溼層；[0007]步驟3)，深矽刻蝕所述襯底矽後，RIE刻蝕(反應離子刻蝕)所述氧化埋層，分別形成加速度傳感器、氣壓傳感器以及溫度傳感器背面腔體結構；
[0008]步驟4)，將所述SOI片襯底矽與所述玻璃襯底進行陽極鍵合，得到密封鍵合面，並且所述腔體結構與所述玻璃襯底之間形成密封腔體；
[0009]步驟5)，幹法刻蝕所述器件層矽，得到加速度傳感器的梳齒電容結構和溫度傳感器的多層懸臂梁結構；同時將各傳感器相互電隔離，得到加速度傳感器、溼度傳感器、氣壓傳感器和溫度傳感器集成結構。
[0010]有益效果:1)本發明可實現溫度、溼度、氣壓和加速度傳感器的片上集成，與分立器件組裝相比，集成結構的面積大大減小、互聯線長度降低系統可靠性提高；
[0011]2)本發明利用分步深矽刻蝕技術和SOI片襯底矽與玻璃陽極鍵合技術相結合，可同時製備薄膜結構、高深寬比電容結構和密封腔體結構；
[0012]3)本發明實現了全電容敏感的溫度、溼度、氣壓和加速度傳感器的片上集成，電容敏感傳感器沒有直流功耗，且電容測量時只需要使用交流小信號，因此溫度、溼度、氣壓和加速度傳感器集成系統的功耗極低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是SOI片器件層矽的刻蝕、離子注入和介質層刻蝕後結構示意圖；
[0014]圖2是製備金屬層和感溼層後結構示意圖；
[0015]圖3是為SOI片襯底矽和SOI氧化埋層刻蝕後結構示意圖；
[0016]圖4是SOI片襯底矽與玻璃陽極鍵合後結構示意圖；
[0017]圖5是得到的四個傳感器後結構示意圖；
[0018]圖6是得到的四個傳感器結構的俯視圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
[0020]—種基於SOI片襯底娃陽極鍵合的電容式溫度、溼度、氣壓和加速度傳感器集成製造方法，該方法基於SOI片襯底矽以及玻璃襯底8實現，SOI片襯底矽由從下至上依次設置的襯底矽1、氧化埋層2、器件層矽3組成。利用分步深矽刻蝕技術和SOI片襯底矽與玻璃襯底陽極鍵合技術相結合，同時製備薄膜結構、高深寬比電容結構和密封腔體結構，最終形成加速度傳感器、溼度傳感器、氣壓傳感器以及溫度傳感器集成結構。該方法包括如下步驟:
[0021]步驟I)，如圖1所示，幹法刻蝕器件層矽3，控制刻蝕深度得到氣壓和溫度傳感器的矽薄膜結構31 ;採用離子注入技術降低器件層矽3的電阻率，在矽薄膜結構31以及器件層矽3的表面生長介質層並分別刻蝕溼度傳感器、氣壓傳感器以及溫度傳感器的極板形狀圖形，得到溼度傳感器、氣壓傳感器以及溫度傳感器的介電應變層4 ；
[0022]步驟2)，如圖2所示，在介電應變層4和器件層矽3表面分別澱積金屬層並腐蝕相應傳感器電極的形狀圖形得到溼度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器以及加速度傳感器的電極5 ;並在溼度傳感器的電極上塗敷溼敏材料並腐蝕相應圖形得到溼度傳感器的感溼層
6;溼度傳感器對應的結構由底層至頂層分別為介電應變層4、電極5、感溼層6 ;其中，溼敏材料可採用聚醯亞胺、多孔矽。
[0023]步驟3)，如圖3所示，深矽刻蝕襯底矽I後，再RIE刻蝕氧化埋層2，分別形成加速度傳感器、氣壓傳感器以及溫度傳感器背面腔體結構7 ;腔體結構7分別位於對應的加速度傳感器、溫度傳感器以及氣壓傳感器背面，上方觸及SOI片器件層矽3底端；
[0024]步驟4)，如圖4所示，將SOI片襯底矽I與玻璃襯底8進行陽極鍵合，得到密封鍵合面9，並且腔體結構7與玻璃襯底8之間形成密封腔體；
[0025]步驟5)，如圖5所示，幹法刻蝕器件層矽3，得到加速度傳感器的高深寬比梳齒電容結構和溫度傳感器的多層懸臂梁結構。溫度傳感器的多層懸臂梁結構的自由端與襯底矽之間留有間隙，形成電容結構。同時幹法刻蝕器件層矽3，將各傳感器相互電隔離，得到最終的加速度傳感器10、溼度傳感器11、氣壓傳感器12和溫度傳感器13的集成結構，如圖6所
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[0026]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.基於SOI片襯底矽陽極鍵合的電容式溫度、溼度、氣壓和加速度傳感器集成製造方法，其特徵在於:該方法基於SOI片襯底矽以及玻璃襯底(8)實現，所述SOI片襯底矽由從下至上依次設置的襯底矽(I)、氧化埋層(2)、器件層矽(3)組成；利用分步深矽刻蝕技術和SOI片襯底矽與玻璃襯底陽極鍵合技術相結合，同時製備薄膜結構、高深寬比電容結構和密封腔體結構，最終形成加速度傳感器、溼度傳感器、氣壓傳感器以及溫度傳感器集成結構；該方法包括如下步驟: 步驟I)，幹法刻蝕所述器件層矽(3)，控制刻蝕深度得到氣壓和溫度傳感器的矽薄膜結構(31);採用離子注入技術降低所述器件層矽(3)的電阻率，在所述矽薄膜結構(31)以及所述器件層矽(3)的表面生長介質層並分別刻蝕溼度傳感器、氣壓傳感器以及溫度傳感器的極板形狀圖形，得到溼度傳感器、氣壓傳感器以及溫度傳感器的介電應變層(4)； 步驟2)，在所述介電應變層(4)和所述器件層矽(3)表面分別澱積金屬層並腐蝕圖形得到溼度傳感器、氣壓傳感器、溫度傳感器以及加速度傳感器的電極(5);並在所述溼度傳感器的電極上塗敷溼敏材料並腐蝕圖形得到溼度傳感器的感溼層(6)； 步驟3)，深矽刻蝕所述襯底矽(I)後，RIE刻蝕所述氧化埋層(2)，分別形成加速度傳感器、氣壓傳感器以及溫度傳感器背面腔體結構(7)； 步驟4)，將所述SOI片襯底矽(I)與所述玻璃襯底(8)進行陽極鍵合，得到密封鍵合面(9)，並且所述腔體結構(7)與所述玻璃襯底(8)之間形成密封腔體； 步驟5)，幹法刻蝕所述器件層矽(3)，得到加速度傳感器的梳齒電容結構和溫度傳感器的多層懸臂梁結構；同時將各傳感器相互電隔離，得到加速度傳感器(10)、溼度傳感器(11)、氣壓傳感器(12)和溫度傳感器(13)集成結構。
【文檔編號】B81B7/02GK103434999SQ201310392119
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月2日 優先權日:2013年9月2日
【發明者】王立峰, 張聰, 郭力, 黃慶安 申請人:東南大學