一種mems壓阻式加速度、壓力集成傳感器及製造方法

2023-07-24 15:56:46 1

一種mems壓阻式加速度、壓力集成傳感器及製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於陽極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器及其製造方法，所述的傳感器同時集成了壓阻式加速度傳感器和壓阻式壓力傳感器，並且具有第一鍵合玻璃-矽基-第二鍵合玻璃三明治結構；本發明MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器結構新穎、重量輕、體積小、穩定性好、抗汙染能力強；此外，本發明中，同一片晶片上使用相同的工藝，不同的設計來實現壓力測量和加速度測量這兩種能力，工藝流程簡單；本發明傳感器在航空航天、軍事、汽車、環境監測等領域具有一定的應用前景。
【專利說明】一種MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器及製造方法 (一）

【技術領域】
[0001] 本發明涉及MEMS(微機電系統）傳感器領域中的壓阻式加速度、壓力集成傳感器 及其製造方法，具體涉及一種基於陽極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器及 其製造方法。 (二）

【背景技術】
[0002] 隨著微加工技術的進步和小型智能傳感系統的應用需求，多個傳感器在單片上的 集成成為一種發展趨勢。在航空航天、軍事、汽車、環境監測等領域中，經常要同時測量加速 度、壓力、溫度等參數。但在這些應用中，由於環境適應性、體積、成本和功能等的嚴格限制， 要求傳感器具有微型化、集成化、多功能的特點。集成傳感器能夠在同一晶片上集成多個不 同的傳感器，用以對不同的物理量同時進行檢測，而且體積小、單位成本低，在上述領域具 有廣泛的潛在應用前景，因此受到國內外越來越多的關注。然而和集成電路相比，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工藝方法。 (三）


【發明內容】

[0003] 本發明的目的是提供一種基於陽極鍵合封裝技術、表面微加工、體微加工工藝的 MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器及其製造方法，實現直接將兩種傳感器在一個圓片上 的集成製造。
[0004] 為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：
[0005] -種MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器，所述的傳感器同時集成了壓阻式加速 度傳感器和壓阻式壓力傳感器，並且具有第一鍵合玻璃-矽基-第二鍵合玻璃三明治結構； 所述的矽基內部形成有壓阻式加速度傳感器懸臂梁和壓阻式壓力傳感器膈膜，矽基的正面 形成有兩個壓阻區域，分別是壓阻式加速度傳感器的壓阻區域和壓阻式壓力傳感器的壓阻 區域；所述壓阻式加速度傳感器的壓阻區域位於壓阻式加速度傳感器懸臂梁的上表面根 部，並且注入有淡硼形成4根淡硼擴散壓阻，同時淡硼擴散壓阻的內部注入有濃硼形成濃 硼歐姆接觸區；所述壓阻式壓力傳感器的壓阻區域位於壓阻式壓力傳感器膈膜的上表面， 也注入有淡硼形成4根淡硼擴散壓阻，並且淡硼擴散壓阻的內部注入有濃硼形成濃硼歐姆 接觸區；所述的兩個壓阻區域的上方沉積有二氧化矽層，二氧化矽層上方沉積有氮化矽層， 所述的二氧化矽層和氮化矽層一起作為絕緣鈍化層，所述的絕緣鈍化層開有引線孔，利用 金屬導線連通兩個壓阻區域，並且壓阻式加速度傳感器壓阻區域的4根淡硼擴散壓阻通過 金屬導線構成惠斯頓全橋連接，壓阻式壓力傳感器壓阻區域的4根淡硼擴散壓阻通過金屬 導線也構成惠斯頓全橋連接；所述絕緣鈍化層的上方沉積有非晶矽，所述的非晶矽與第一 鍵合玻璃陽極鍵合，並且，利用非晶矽作為臺階，所述的非晶矽與第一鍵合玻璃鍵合後形成 一個真空腔體，連通壓阻式加速度傳感器和壓阻式壓力傳感器；所述矽基的背面與第二鍵 合玻璃陽極鍵合，所述的第二鍵合玻璃帶有通氣孔，並且所述的通氣孔位於壓阻式壓力傳 感器膈膜的下方；所述矽基的正面還形成有濃硼導線，所述濃硼導線的上方連接有金屬管 腳，濃硼導線將傳感器工作區與金屬管腳連通。
[0006] 本發明MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器，優選所述的矽基為η型（100)矽片； 優選所述的絕緣鈍化層上方沉積的非晶矽的厚度為2?4 μ m。
[0007] 本發明MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器的工作原理如下：本發明MEMS壓阻 式加速度、壓力集成傳感器主要基於注入硼後單晶矽的壓阻特性，壓阻式加速度傳感器懸 臂梁和壓阻式壓力傳感器膈膜上的淡硼擴散壓阻受到力的作用後，電阻率發生變化，通過 惠斯頓全橋可以得到正比於力變化的電信號輸出，通過測量電信號輸出就能知道所測物理 量（包括加速度和壓力）的大小。本發明中我們向η型（100)晶向矽片注入硼來實現p型 壓阻，利用ΡΝ結實現壓阻的隔絕，由於壓阻的壓阻係數的各向異性，不同方向的應力對壓 阻有不同的影響，為了儘可能增加靈敏度，本發明所述的壓阻式加速度傳感器壓阻區域的 淡硼擴散壓阻和壓阻式壓力傳感器壓阻區域的淡硼擴散壓阻的排布方式為：縱向沿矽基的 (1，1，〇)晶向方向、橫向沿矽基的（1，_1，〇)晶向方向分布，縱向壓阻係數、橫向壓阻係數分 別為 71. 8, -66. 3。
[0008] 為了提高靈敏度，優選本發明所述的壓阻式加速度傳感器為單懸臂梁設計，所述 壓阻式加速度傳感器壓阻區域的淡硼擴散壓阻為4根，2根對橋臂淡硼擴散壓阻對稱分布 在懸臂梁上表面根部的應力集中區域，另外2根淡硼擴散壓阻對稱分布在零應力區。當然， 根據不同的靈敏度需要也可以採用不同的梁結構，如單邊雙梁、雙邊雙梁、雙邊四梁、四邊 四梁、四邊八梁等。並且，所述的淡硼擴散壓阻也可以採用不同的分布方式，4根淡硼擴散壓 阻（可以是4根，也可以8根對摺型等）通過金屬導線連接構成惠斯頓全橋，本發明壓阻式 加速度傳感器金屬管腳的一種連接方式為：第四管腳接電源正極，與本發明中壓阻式壓力 傳感器共用，第五管腳接壓阻式加速度傳感器輸出負，第六管腳接地，第七管腳接壓阻式加 速度傳感器輸出正。
[0009] 本發明壓阻式壓力傳感器採用長方膜設計，4根淡硼擴散壓阻平行排布，充分利用 橫向壓阻效應，這樣的壓阻式壓力傳感器具有橋臂阻值分布均勻，輸出線性度和一致性較 好的優點。當然，根據不同的靈敏度需要，所述的淡硼擴散壓阻可以採用不同的分布方式。 本發明壓阻式壓力傳感器4根淡硼擴散壓阻通過金屬導線連接構成惠斯頓全橋，並且，壓 阻式壓力傳感器金屬管腳的一種連接方式為：第一管腳接壓阻式壓力傳感器輸出正，第二 管腳接地，第三管腳接壓阻式壓力傳感器輸出負，第四管腳接電源正極，與本發明中壓阻式 加速度傳感器共用電源正極。
[0010] 本發明還提供了一種所述MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器的製造方法，所述 的製造方法按如下步驟進行：
[0011] a)取娃片作為娃基，雙面拋光，清洗，先雙面沉積一層二氧化娃，再雙面沉積一層 氮化矽，正面幹法刻蝕氮化矽、二氧化矽至矽基頂面；
[0012] b)在矽基正面熱氧長一層二氧化矽保護層，正面光刻膠作掩膜光刻出壓阻式加 速度傳感器的壓阻區域和壓阻式壓力傳感器的壓阻區域，然後分別在兩個壓阻區域注入淡 硼，形成淡硼擴散壓阻，去除光刻膠；
[0013] c)正面光刻膠作掩膜光刻出濃硼導線區域，並在淡硼擴散壓阻區域光刻出濃硼歐 姆接觸區域，然後注入濃硼，形成矽基內部濃硼導線，並在淡硼擴散壓阻內部形成濃硼歐姆 接觸區，去除光刻膠，退火；
[0014] d)先雙面沉積一層二氧化矽，再雙面沉積一層氮化矽，正面的二氧化矽層和氮化 娃層一起作為絕緣鈍化層；
[0015] e)正面光刻膠作掩膜光刻出分片槽區域，幹法反應離子刻蝕（RIE)氮化矽、二氧 化矽至矽基頂面，露出分片槽區域的矽基；
[0016] f)正面沉積一層非晶矽，在分片槽區域非晶矽與矽基頂面直接接觸；
[0017] g)正面光刻膠作掩膜光刻出工作區域以及金屬管腳區域圖形，RIE刻蝕非晶矽至 氮化矽層，去除光刻膠；
[0018] h)正面光刻膠作掩膜光刻出引線孔，幹法RIE刻蝕氮化矽、二氧化矽至矽基頂面， 去除光刻膠，形成引線孔；
[0019] i)正面沉積金屬導線層，正面光刻膠作掩膜光刻出金屬導線及管腳圖形，腐蝕沒 有光刻膠覆蓋區域的金屬，去除光刻膠，合金化處理，形成金屬導線及金屬管腳；
[0020] j)背面光刻膠作掩膜光刻出腐蝕矽窗口，RIE刻蝕氮化矽、二氧化矽至矽基底面， 去除光刻膠，氮化矽、二氧化矽層作掩膜溼法腐蝕矽基形成壓阻式加速度傳感器、壓阻式壓 力傳感器薄膜；
[0021] k)幹法RIE刻蝕背面剩餘的氮化矽、二氧化矽至矽基底面，背面進行矽-玻璃陽極 鍵合；
[0022] 1)正面光刻膠作掩膜光刻出懸臂梁釋放圖形，DRIE刻穿氮化矽、二氧化矽、矽基 形成壓阻式加速度傳感器的懸臂梁結構，去除光刻膠；
[0023] m)正面進行非晶矽-玻璃陽極鍵合；
[0024] η)劃片，實現單個晶片的封裝，劃片分兩次完成：第一次劃片，去除金屬管腳上方 玻璃；第二次劃片划去分片槽中結構，分離單個晶片，完成封裝。
[0025] 本發明所述的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器的製造方法步驟k)中，推薦 背面進行矽-玻璃陽極鍵合的工藝參數為：電壓300?500V，電流15?20mA，溫度300? 400°C，壓力 2000 ?3000N，時間 5 ?lOmin。
[0026] 本發明所述的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器的製造方法步驟m)中，推薦 正面進行非晶矽-玻璃陽極鍵合的工藝參數為：電壓450?1000V，電流15?25mA，溫度 300 ?400°C，壓力 2000 ?3000N，時間 15 ?25min。
[0027] 本發明所述的陽極鍵合技術是一種現有技術，該技術是本領域技術人員所熟知 的，其工作原理為：將直流電源正極接矽片，負極接玻璃片，由於玻璃在一定高溫下的性 能類似於電解質，而矽片在溫度升高到300°C?400°C時，電阻率將因本徵激發而降至 0. 1Ω ·πι，此時玻璃中的導電粒子（如Na+)在外電場作用下漂移到負電極的玻璃表面，而在 緊鄰矽片的玻璃表面留下負電荷，由於Na+的漂移使電路中產生電流流動，緊鄰矽片的玻璃 表面會形成一層極薄的寬度約為幾微米的空間電荷區（或稱耗盡層）。由於耗盡層帶負電 荷，矽片帶正電荷，所以矽片與玻璃之間存在著較大的靜電吸引力，使兩者緊密接觸，並在 鍵合面發生物理化學反應，形成牢固結合的Si-Ο共價鍵，將矽與玻璃界面牢固地連接在一 起。根據所述的原理，陽極鍵合技術並不適合在注入硼的η型矽與玻璃的鍵合中使用，原因 在於：P摻雜的電阻條與η型矽基構成一個PN結，在陽極鍵合過程中鍵合電流通過矽-玻 璃鍵合面時，500?1500V的鍵合電壓容易將鍵合面附近的PN結反向擊穿，導致其漏電，破 壞了 MEMS器件上的電路，影響器件的性能。針對上述現有的陽極鍵合技術中存在的問題， 本發明第二次鍵合工藝利用非晶矽作為矽基、玻璃之間的導通層，使鍵合電流儘可能的沿 矽-非晶矽-玻璃方向通過，有效使所述的PN結避開強電場，最終實現上層非晶矽與玻璃 的陽極鍵合，實驗證明，這種非晶矽-玻璃陽極鍵合依舊能保證接近矽-玻璃的鍵合強度和 氣密性。所述基於陽極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器的封裝需要經過兩 次陽極鍵合，第一次鍵合是背面矽-玻璃陽極鍵合，相對比較容易實現，第二次鍵合是正面 非晶矽與玻璃的陽極鍵合，比較困難，可以適當加強鍵合電壓，增加鍵合時間。本發明中，利 用非晶矽與玻璃鍵合還有一個非常大的優點，所述鍵合方法避免了玻璃與矽的直接接觸， 杜絕了本來玻璃與矽鍵合表面可能會產生的Na+等離子的汙染。
[0028] 本發明MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器結構中，正面非晶矽-玻璃鍵合過程 中，利用非晶矽作為臺階形成一個真空腔體，來連通壓阻式加速度傳感器和壓阻式壓力傳 感器。所述的非晶矽作為臺階，並且兩個傳感器共用一個真空腔體的設計方法有兩個非常 顯著地優點：（1)去除了兩個傳感器之間的鍵合區域，減小了本發明MEMS壓阻式加速度、壓 力集成傳感器的體積，降低了單個晶片的成本；（2)第一鍵合玻璃不需要進行開槽加工直 接就能進行鍵合。本發明MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器結構中，真空腔體的厚度直 接取決於非晶矽沉積的厚度，由於非晶矽沉積得過厚其緻密度、粘附性都會受到影響，並且 會加大下步光刻的難度，所以為了避免在鍵合過程中玻璃與氮化矽直接鍵合，同時保證非 晶矽良好的性能，試驗證明，本發明傳感器中的非晶矽厚度可以取2?4μ m。
[0029] 本發明是利用陽極鍵合封裝的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器，該傳感器同 時集成了壓阻式加速度傳感器和壓阻式壓力傳感器，推薦用η型（100)矽片作矽基，採用 表面微加工技術與體微加工技術製造帶有淡硼擴散壓阻的懸臂梁、膈膜作為壓阻式加速度 傳感器、壓阻式壓力傳感器結構，並且利用二次陽極鍵合技術進行圓片級封裝，其中第一次 陽極鍵合採用矽-玻璃陽極鍵合，第二次陽極鍵合利用非晶矽層作為中間層來分擔鍵合電 流，保護傳感器ΡΝ結，實現非晶矽-玻璃陽極鍵合。本發明MEMS壓阻式加速度、壓力集成 傳感器結構新穎、重量輕、體積小、穩定性好、抗汙染能力強。此外，本發明中，同一片晶片上 使用相同的工藝，不同的設計來實現壓力測量和加速度測量這兩種能力，工藝流程簡單，利 用非晶矽-玻璃陽極鍵合技術的封裝解決了傳統矽-玻璃陽極鍵合過程中容易擊穿矽表面 PN結和易產生離子汙染等缺點。本發明傳感器在航空航天、軍事、汽車、環境監測等領域具 有一定的應用前景。 (四）【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1為本發明MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器的剖面結構示意圖；
[0031] 圖2為本發明MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器的俯視圖；
[0032] 圖3?圖16為本發明MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器的製造工藝流程剖面 不意圖：
[0033] 圖3為矽基先雙面沉積二氧化矽層、氮化矽層，然後正面幹法刻蝕氮化矽、二氧化 娃至娃基頂面的不意圖；
[0034] 圖4為形成壓阻式加速度傳感器壓阻區域的淡硼擴散壓阻和壓阻式壓力傳感器 壓阻區域的淡硼擴散壓阻的示意圖；
[0035] 圖5為形成濃硼導線和濃硼歐姆接觸區的示意圖；
[0036] 圖6為雙面沉積二氧化矽層、氮化矽層，形成絕緣鈍化層的示意圖；
[0037] 圖7為刻蝕出分片槽區域的示意圖；
[0038] 圖8為正面沉積非晶矽的示意圖；
[0039] 圖9為刻蝕非晶娃，形成傳感器工作區域以及金屬管腳區域圖形的示意圖；
[0040] 圖10為形成引線孔的示意圖；
[0041] 圖11為形成金屬導線及金屬管腳的示意圖；
[0042] 圖12為形成壓阻式加速度傳感器、壓阻式壓力傳感器薄膜的示意圖；
[0043] 圖13為背面進行矽-玻璃陽極鍵合的示意圖；
[0044] 圖14為形成壓阻式加速度傳感器的懸臂梁結構的示意圖；
[0045] 圖15為正面進行非晶矽-玻璃陽極鍵合的示意圖；
[0046] 圖16為劃片完成封裝的示意圖；
[0047] 圖1?圖16中：1 一正面絕緣保護層中的二氧化矽層、Γ 一背面第二二氧化矽層、 2 -正面絕緣保護層中的氮化矽層、2' 一背面第二氮化矽層、3 -金屬導線、4 一第一鍵合 玻璃、5 -非晶娃、6 -金屬管腳、7 -娃基、8 -濃硼導線、9 一壓阻式壓力傳感器的淡硼擴 散壓阻、10 -壓阻式壓力傳感器淡硼擴散壓阻內部的濃硼歐姆接觸區、11 一壓阻式加速度 傳感器的淡硼擴散壓阻、12 -壓阻式加速度傳感器淡硼擴散壓阻內部的濃硼歐姆接觸區、 13 -壓阻式加速度傳感器懸臂梁、14 一真空腔體、15 -通氣孔、16 -壓阻式壓力傳感器膈 膜、17 -第二鍵合玻璃、18 -正面第一二氧化娃層（後被刻蝕）、18' 一背面第一二氧化娃 層、19 一正面第一氮化矽層（後被刻蝕）、19' 一背面第一氮化矽層、20 -分片槽，並且，圖 2中8a?8g依次表示第一?第七管腳；
[0048] 圖17為本發明MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器的一種管腳連接方式；
[0049] 圖17中管腳定義：①一第一管腳接壓阻式壓力傳感器輸出正、②一第二管腳接 地、③一第三管腳接壓阻式壓力傳感器輸出負、④一第四管腳接電源正極、⑤一第五管腳接 壓阻式加速度傳感器輸出負、⑥一第六管腳接地、⑦一第七管腳接壓阻式加速度傳感器輸 出正。 (五）【具體實施方式】
[0050] 下面結合附圖對本發明作進一步描述，但本發明的保護範圍並不僅限於此。
[0051] 如圖1所示，所述一種MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器，採用了第一鍵合玻 璃-矽基-第二鍵合玻璃三明治結構，所述的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器主要包 括：矽基（7)、用於測量單軸加速度的壓阻式加速度傳感器懸臂梁（13)、用於測量壓力的壓 阻式壓力傳感器膈膜（16)、濃硼導線（8)、金屬管腳￠)、與矽基陽極鍵合的第二鍵合玻璃 (17)以及與非晶矽（5)進行陽極鍵合的第一鍵合玻璃（4)。
[0052] 其中，所述用於測量單軸加速度的壓阻式加速度傳感器懸臂梁（13)的上表面根 部注入了淡硼作為壓阻式加速度傳感器的淡硼擴散壓阻（11)，並在壓阻式加速度傳感器淡 硼擴散壓阻內部注入濃硼形成濃硼歐姆接觸區（12)，壓阻式加速度傳感器的壓阻區域上方 沉積有二氧化矽層（1)與氮化矽層（2)作為絕緣鈍化層，絕緣鈍化層上開有引線孔並利用 金屬導線（3)連通壓阻式加速度、壓力傳感器的壓阻區域；壓阻式加速度傳感器的壓阻區 域包含4根淡硼擴散壓阻，2根對橋臂淡硼擴散壓阻對稱分布在懸臂梁上表面根部的應力 集中區域，另外2根對橋臂淡硼擴散壓阻對稱分布在零應力區，並通過金屬導線（3)構成惠 斯頓全橋連接，當存在一個垂直於器件表面的加速度後，壓阻式加速度傳感器懸臂梁彎曲， 位於壓阻式加速度傳感器懸臂梁上表面根部的壓阻受到力的作用，電阻率發生變化，如圖2 所示壓阻式加速度傳感器懸臂梁上表面根部的壓阻位於惠斯頓全橋的對橋，通過惠斯頓全 橋可以得到正比於力變化的電信號輸出，通過測量電信號輸出就能知道加速度的大小。利 用惠斯頓全橋的設計提高了本發明中壓阻式加速度傳感器部分的靈敏度並且能保證良好 的線性。
[0053] 壓阻式壓力傳感器膈膜（16)可以用於測量流體壓力（包括壓力、水壓），所述壓阻 式壓力傳感器隔膜（16)的上表面注入有淡硼作為壓阻式壓力傳感器的淡硼擴散壓阻（9)， 壓阻式壓力傳感器淡硼擴散壓阻內部注入濃硼形成濃硼歐姆接觸區（10)，壓阻式壓力傳感 器的壓阻區域上方沉積有二氧化矽層（1)與氮化矽層（2)作為絕緣鈍化層，絕緣鈍化層上 開有引線孔並利用金屬導線（3)連通壓阻式加速度、壓力傳感器的壓阻區域；壓阻式壓力 傳感器的壓阻區域同樣包含4根淡硼擴散壓阻，並通過金屬導線（3)構成惠斯頓全橋連接， 當存在一個垂直於器件表面的壓力後，壓阻式壓力傳感器膈膜變形，位於壓力膈膜上的壓 阻受到力的作用，電阻率發生變化，如圖2所示壓阻式壓力傳感器膈膜上表面中部兩根壓 阻條和外側兩根壓阻條分別位於惠斯頓全橋的對橋，通過惠斯頓全橋可以得到正比於力變 化的電信號輸出，通過測量電信號輸出就能知道所測壓力的大小。利用惠斯頓全橋的設計 提高了本發明中壓阻式壓力傳感器部分的靈敏度並且能保證良好的線性。
[0054] 晶片的封裝採用二次陽極鍵合技術。第一次陽極鍵合是晶片背面帶有通氣孔（15) 的第二鍵合玻璃（17)與矽基的矽-玻璃陽極鍵合；第二次陽極鍵合採用非晶矽層作為中間 層使鍵合電流不通過PN結，保護傳感器PN結，實現正面非晶矽（5)與第一鍵合玻璃（4)的 陽極鍵合，第二次陽極鍵合沒有採用矽-玻璃鍵合的原因在於：矽-玻璃陽極鍵合面上存在 著PN結，鍵合時的強電壓容易擊穿PN結，破壞電路的電學性能。
[0055] 為了避免非晶矽（5)與第一鍵合玻璃（4)鍵合面的不平整性，保證封裝的氣密性， 所述的加速度、壓力集成傳感器並沒有採用金屬導線連接晶片工作區與金屬管腳（6)，而是 利用濃硼導線（8)作為內部導線將傳感器工作區與金屬管腳相連。
[0056] 如圖3?圖16所以，本發明所述的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器的製造工 藝包括如下步驟：
[0057] a)如圖3所示：取矽片作為矽基（7)，雙面拋光，清洗，先雙面熱氧化長1 μ m厚的 二氧化矽（18)、（18'），再採用低壓化學氣相沉積（LPCVD)雙面長0. 1 μ m厚的氮化矽（19)、 (19'），正面幹法刻蝕氮化矽（19)、二氧化矽（18)至矽基（7)頂面，同時形成背面腐蝕矽的 掩膜層；所述的娃基為η型（100)娃片；
[0058] b)如圖4所示：在矽基（7)正面熱氧長一層薄的二氧化矽保護層（使注入離子在 一定程度上偏離入射角，以避免離子剛好位於矽基原子間的空隙並沿著某一晶向注入而導 致沒有碰撞發生），正面光刻膠作掩膜光刻出壓阻式加速度傳感器的壓阻區域和壓阻式壓 力傳感器的壓阻區域，然後分別在兩個壓阻區域注入淡硼，形成壓阻式加速度傳感器的淡 硼擴散壓阻（11)和壓阻式壓力傳感器的淡硼擴散壓阻（9)，去除光刻膠；
[0059] c)如圖5所示：正面光刻膠作掩膜光刻出濃硼導線區域，並在壓阻式加速度傳感 器的淡硼擴散壓阻（11)區域和壓阻式壓力傳感器的淡硼擴散壓阻（9)區域分別光刻出濃 硼歐姆接觸區域，然後注入濃硼，形成矽基內部濃硼導線（8)，以及形成壓阻式加速度傳感 器淡硼擴散壓阻內部的濃硼歐姆接觸區（12)和壓阻式壓力傳感器淡硼擴散壓阻內部的濃 硼歐姆接觸區（10)，去除光刻膠，退火；
[0060] d)如圖6所示：先LPCVD雙面沉積0. 2 μ m厚的二氧化矽（1)、（Γ )，再LPCVD雙 面沉積(λ 2μπι厚的氮化矽（2)、（2'），二氧化矽層（1)和氮化矽層（2) -起作為絕緣鈍化 層；
[0061] e)如圖7所示：正面光刻膠作掩膜光刻出分片槽區域，幹法RIE刻蝕氮化矽（2)、 二氧化矽（1)至矽基（7)頂面，露出分片槽區域的矽基（7);
[0062] f)如圖8所示：正面採用等離子體增強型化學氣相沉積法（PECVD)沉積一層3 μ m 厚的非晶矽（5)，在分片槽區域非晶矽（5)與矽基（7)頂面直接接觸；
[0063] g)如圖9所示：正面光刻膠作掩膜光刻出工作區域以及金屬管腳（6)區域圖形， RIE刻蝕非晶矽（5)至氮化矽層（2)，去除光刻膠；
[0064] h)如圖10所示：正面光刻膠作掩膜光刻出引線孔，幹法RIE刻蝕氮化矽（2)、二氧 化矽（1)至矽基（7)頂面，去除光刻膠，形成引線孔；
[0065] i)如圖11所示：正面磁控濺射一層1 μ m鋁，正面光刻膠作掩膜光刻出金屬導線 (3)及金屬管腳（6)圖形，腐蝕沒有光刻膠覆蓋區域的鋁，去除光刻膠，合金化處理，形成鋁 導線及鋁管腳；
[0066] j)如圖12所示：背面光刻膠作掩膜光刻出腐蝕矽窗口，RIE刻蝕氮化矽（2'）、 (19'），二氧化矽（Γ )、（18'）至矽基（7)底面，去除光刻膠，氮化矽（2'）、（19'），二氧化 矽層（Γ )、（18'）一起作掩膜溼法腐蝕矽基（7)形成壓阻式加速度傳感器、壓阻式壓力傳 感器薄膜；
[0067] k)如圖13所示：幹法RIE刻蝕背面剩餘的氮化矽（2'）、（19'），二氧化矽（Γ )、 (18'）至矽基（7)底面，背面進行矽-玻璃陽極鍵合；
[0068] 1)如圖14所示：正面光刻膠作掩膜光刻出懸臂梁釋放圖形，深度反應離子刻蝕 (DRIE)刻穿氮化矽（2)、二氧化矽（1)、矽基（7)形成壓阻式加速度傳感器的懸臂梁結構 (13)，去除光刻膠；
[0069] m)如圖15所示：正面進行非晶矽-玻璃陽極鍵合；
[0070] η)如圖16所示：劃片，實現單個晶片的封裝，劃片分兩次完成：第一次劃片，去除 金屬管腳（6)上方玻璃（4);第二次劃片划去分片槽中結構，分離單個晶片，完成封裝。
[0071] 進一步地，按所述工藝流程製造的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器，壓阻式 加速度傳感器的懸臂梁和壓阻式壓力傳感器膈膜的厚度相同，為了獲得兩者不同的厚度來 調整壓阻式加速度、壓阻式壓力傳感器的靈敏度，所述工藝步驟（j)中背面矽腐蝕可以分 兩次完成，如圖12所示，根據壓阻式加速度、壓阻式壓力傳感器對靈敏度的不同要求，本 實施例中壓阻式加速度傳感器的懸臂梁厚度為12 μ m，而壓阻式壓力傳感器膈膜的厚度為 30 μ m，這時需要先腐蝕壓阻式壓力傳感器背腔，腐蝕出深度差後再一起腐蝕，具體工藝流 程為：背面光刻膠作掩膜光刻打開壓阻式壓力傳感器背面腐蝕窗口，RIE刻蝕掉氮化矽、二 氧化矽至矽基底面，氮化矽、二氧化矽層作掩膜，40 % KOH溶液溼法腐蝕矽基，腐蝕深度控 制在18 μ m，形成兩傳感器背腔的腐蝕深度差，然後再光刻膠作掩膜光刻打開壓阻式加速度 傳感器背面腐蝕窗口，RIE刻蝕掉氮化矽、二氧化矽至矽基底面，40% K0H溶液溼法腐蝕矽 基直到腐蝕出想要的壓阻式加速度傳感器懸臂梁與壓阻式壓力傳感器膈膜，兩次腐蝕以後 形成厚度不同的壓阻式加速度傳感器懸臂梁和壓阻式壓力傳感器膈膜結構。
[0072] 進一步，為了保證兩次陽極鍵合的質量，通過多次試驗，本發明給出了所述MEMS 壓阻式加速度、壓力集成傳感器的最優鍵合參數，如表1，2所示。
[0073] 表1第一次陽極鍵合（矽-玻璃）參數
[0074]

【權利要求】
1. 一種MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器，其特徵在於所述的傳感器同時集成了壓 阻式加速度傳感器和壓阻式壓力傳感器，並且具有第一鍵合玻璃-矽基-第二鍵合玻璃三 明治結構；所述的矽基內部形成有壓阻式加速度傳感器懸臂梁和壓阻式壓力傳感器膈膜， 矽基的正面形成有兩個壓阻區域，分別是壓阻式加速度傳感器的壓阻區域和壓阻式壓力傳 感器的壓阻區域；所述壓阻式加速度傳感器的壓阻區域位於壓阻式加速度傳感器懸臂梁的 上表面根部，並且注入有淡硼形成4根淡硼擴散壓阻，同時淡硼擴散壓阻的內部注入有濃 硼形成濃硼歐姆接觸區；所述壓阻式壓力傳感器的壓阻區域位於壓阻式壓力傳感器膈膜的 上表面，也注入有淡硼形成4根淡硼擴散壓阻，並且淡硼擴散壓阻的內部注入有濃硼形成 濃硼歐姆接觸區；所述的兩個壓阻區域的上方沉積有二氧化矽層，二氧化矽層上方沉積有 氮化矽層，所述的二氧化矽層和氮化矽層一起作為絕緣鈍化層，所述的絕緣鈍化層開有引 線孔，利用金屬導線連通兩個壓阻區域，並且壓阻式加速度傳感器壓阻區域的4根淡硼擴 散壓阻通過金屬導線構成惠斯頓全橋連接，壓阻式壓力傳感器壓阻區域的4根淡硼擴散壓 阻通過金屬導線也構成惠斯頓全橋連接；所述絕緣鈍化層的上方沉積有非晶矽，所述的非 晶矽與第一鍵合玻璃陽極鍵合，並且，利用非晶矽作為臺階，所述的非晶矽與第一鍵合玻璃 鍵合後形成一個真空腔體，連通壓阻式加速度傳感器和壓阻式壓力傳感器；所述矽基的背 面與第二鍵合玻璃陽極鍵合，所述的第二鍵合玻璃帶有通氣孔，並且所述的通氣孔位於壓 阻式壓力傳感器膈膜的下方；所述矽基的正面還形成有濃硼導線，所述濃硼導線的上方連 接有金屬管腳，濃硼導線將傳感器工作區與金屬管腳連通。
2. 如權利要求1所述的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器，其特徵在於所述的壓阻 式加速度傳感器壓阻區域的淡硼擴散壓阻和壓阻式壓力傳感器壓阻區域的淡硼擴散壓阻 的排布方式為：縱向沿矽基的（1，1，〇)晶向方向、橫向沿矽基的（1，_1，〇)晶向方向分布，縱 向壓阻係數、橫向壓阻係數分別為71. 8、-66. 3。
3. 如權利要求1所述的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器，其特徵在於所述的壓阻 式加速度傳感器為單懸臂梁設計，壓阻式加速度傳感器壓阻區域的淡硼擴散壓阻為4根， 其中2根對橋臂淡硼擴散壓阻對稱分布在懸臂梁根部的應力集中區域，另外2根淡硼擴散 壓阻對稱分布在零應力區。
4. 如權利要求1所述的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器，其特徵在於所述的壓 阻式壓力傳感器採用長方膜設計，壓阻式壓力傳感器壓阻區域的4根淡硼擴散壓阻平行排 布。
5. 如權利要求1所述的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器，其特徵在於所述的金屬 管腳有7個，第一管腳接壓阻式壓力傳感器輸出正、第二管腳接地、第三管腳接壓阻式壓力 傳感器輸出負、第四管腳接電源正極、第五管腳接壓阻式加速度傳感器輸出負、第六管腳接 地、第七管腳接壓阻式加速度傳感器輸出正，壓阻式壓力傳感器和壓阻式加速度傳感器共 用電源正極。
6. 如權利要求1?5所述的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器，其特徵在於所述的 矽基為η型（100)矽片。
7. 如權利要求1?5所述的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器，其特徵在於所述的 絕緣鈍化層上方沉積的非晶矽的厚度為2?4 μ m。
8. 如權利要求1所述的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器的製造方法，其特徵在於 所述的製造方法按如下步驟進行： a) 取娃片作為娃基，雙面拋光，清洗，先雙面沉積一層二氧化娃，再雙面沉積一層氮化 矽，正面幹法刻蝕氮化矽、二氧化矽至矽基頂面； b) 在矽基正面熱氧長一層二氧化矽保護層，正面光刻膠作掩膜光刻出壓阻式加速度傳 感器的壓阻區域和壓阻式壓力傳感器的壓阻區域，然後分別在兩個壓阻區域注入淡硼，形 成淡硼擴散壓阻，去除光刻膠； c) 正面光刻膠作掩膜光刻出濃硼導線區域，並在淡硼擴散壓阻區域光刻出濃硼歐姆接 觸區域，然後注入濃硼，形成矽基內部濃硼導線，並在淡硼擴散壓阻內部形成濃硼歐姆接觸 區，去除光刻膠，退火； d) 先雙面沉積一層二氧化娃，再雙面沉積一層氮化娃，正面的二氧化娃層和氮化娃層 一起作為絕緣鈍化層； e) 正面光刻膠作掩膜光刻出分片槽區域，幹法RIE刻蝕氮化矽、二氧化矽至矽基頂面， 露出分片槽區域的矽基； f) 正面沉積一層非晶矽，在分片槽區域非晶矽與矽基頂面直接接觸； g) 正面光刻膠作掩膜光刻出工作區域以及金屬管腳區域圖形，RIE刻蝕非晶矽至氮化 娃層，去除光刻膠； h) 正面光刻膠作掩膜光刻出引線孔，幹法RIE刻蝕氮化矽、二氧化矽至矽基頂面，去除 光刻膠，形成引線孔； i) 正面沉積金屬導線層，正面光刻膠作掩膜光刻出金屬導線及管腳圖形，腐蝕沒有光 刻膠覆蓋區域的金屬，去除光刻膠，合金化處理，形成金屬導線及金屬管腳； j) 背面光刻膠作掩膜光刻出腐蝕矽窗口，RIE刻蝕氮化矽、二氧化矽至矽基底面，去除 光刻膠，氮化矽、二氧化矽層作掩膜溼法腐蝕矽基形成壓阻式加速度傳感器、壓阻式壓力傳 感器薄膜； k) 幹法RIE刻蝕背面剩餘的氮化矽、二氧化矽至矽基底面，背面進行矽-玻璃陽極鍵 合； l) 正面光刻膠作掩膜光刻出懸臂梁釋放圖形，DRIE刻穿氮化矽、二氧化矽、矽基形成 壓阻式加速度傳感器的懸臂梁結構，去除光刻膠； m) 正面進行非晶矽-玻璃陽極鍵合； η)劃片，實現單個晶片的封裝，劃片分兩次完成：第一次劃片，去除金屬管腳上方玻 璃；第二次劃片划去分片槽中結構，分離單個晶片，完成封裝。
9. 如權利要求8所述的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器的製造方法，其特徵在於 步驟k)中背面進行矽-玻璃陽極鍵合的工藝參數為：電壓300?500V，電流15?20mA，溫 度 300 ?400°C，壓力 2000 ?3000N，時間 5 ?lOmin。
10. 如權利要求8所述的MEMS壓阻式加速度、壓力集成傳感器的製造方法，其特徵在 於步驟m)中正面進行非晶矽-玻璃陽極鍵合的工藝參數為：電壓450?1000V，電流15?25mA，溫度 3〇0 ?400°C，壓力 2〇00 ?3〇OON，時間 I5 ?25min。
【文檔編號】G01P15/12GK104062464SQ201410264513
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2014年6月13日
【發明者】董健, 蔣恆, 孫笠 申請人:浙江工業大學