一種MEMS集成複合傳感器及其加工方法與流程
2023-11-08 07:15:28
本發明涉及半導體產品加工技術領域，尤其涉及一種MEMS集成複合傳感器及其加工方法。
背景技術：
隨著MEMS技術的不斷發展，矽微機械加工工藝的日趨成熟，集成矽微機械加速度傳感器和壓力傳感器的複合傳感器由於其價格低、精度高和適合於批量生產，而被廣泛地應用於汽車胎壓監測中。中國專利文獻CN102285633B公開了供一種複合集成傳感器結構的製造方法，包括步驟：提供基底，在其上形成摻雜區域；刻蝕基底，形成製作腔體的槽；在基底表面和槽側壁與底部澱積阻擋層；去除基底表面和槽底部的阻擋層，在槽側壁形成側壁保護層；以基底上的硬掩膜和側壁保護層共同作用，繼續刻蝕槽，形成深槽；腐蝕深槽，在基底內部形成腔體；在槽的側壁保護層之間填滿隔離和/或填充材料，形成插塞結構，將腔體與外界隔離；將基底表面平坦化；在基底表面製作導電引線和電極；在加速度傳感器的區域澱積質量塊，並對其作圖形化；在質量塊的周圍形成隔離槽，質量塊以懸臂形式與基底相連接。本發明採用正面的、與常規半導體工藝相兼容的工藝，具有實用、經濟、高性能等優點。該方案為了在不增加質量塊面積的基礎上增大加速度傳感器的靈敏度，採用了在矽質量塊上電鍍其他材料(例如銅)增加質量的方式。這一方法缺點在於使用電鍍方法澱積的材料其在整片晶圓上的厚度、密度的均勻性很差，導致同一片晶圓上加速度傳感器的零點和靈敏度離散性很大，增加了後續晶片零點補償以及靈敏度補償的成本。該方法的另一個缺點在於，電鍍工藝不是CMOS的標準工藝，很多IC廠商沒有該設備，這一步工藝外包導致質量難以監控，而投資電鍍設備又會增加固定資產投入。
技術實現要素：
本發明的一個目的在於：提供一種MEMS集成複合傳感器，其採用傳統矽晶圓進行生產，成本低廉且具有較高的靈敏度。本發明的另一個目的在於：提供一種MEMS集成複合傳感器的加工方法，利用單面腐蝕工藝加工出多個不同厚度的矽膜，分別作為複合傳感器的傳感器結構，簡化生產工藝，增加傳感器靈敏度的同時節約生產成本，利於控制整片晶圓上傳感器性能的一致性。為達上述目的，本發明採用以下技術方案：一方面，提供一種MEMS集成複合傳感器，包括作為襯底矽材料的晶向晶圓，所述晶圓的同一側設置有加速度傳感器以及壓力傳感器；所述加速度傳感器具有懸臂梁，以及與所述懸臂梁連接的質量塊，所述懸臂梁與所述質量塊為一體結構，所述質量塊的厚度大於所述懸臂梁的厚度；所述壓力傳感器具有敏感膜，所述敏感膜的厚度與所述懸臂梁的厚度相同或不同；所述懸臂梁與所述質量塊均為所述晶圓的一部分，通過刻蝕加工而成。作為MEMS集成複合傳感器的一種優選技術方案，還包括溫度傳感器。作為MEMS集成複合傳感器的一種優選技術方案，所述加速度傳感器的外部設置有用於保護所述加速度傳感器的上蓋板。另一方面，提供一種MEMS集成複合傳感器的加工方法，其特徵在於，在晶向的晶圓上刻蝕用於決定質量塊、懸臂梁以及敏感膜厚度的質量塊開槽、懸臂梁開槽以及敏感膜開槽；二次刻蝕上述開槽，在各開槽底部形成第二級凹槽；通過刻蝕連通相應的第二級凹槽，在質量塊、懸臂梁以及敏感膜的下方形成空腔，並保證所述質量塊下方的空腔與所述懸臂梁下方的空腔連通；密封各開槽，並於所述晶圓表面生成加速度傳感器的壓敏電阻、壓力傳感器的壓敏電阻以及溫度傳感器的溫敏電阻，並進行金屬布線；通過幹法刻蝕刻開矽膜，釋放加速度傳感器結構。作為MEMS集成複合傳感器的加工方法的一種優選技術方案，在所述質量塊開槽以及所述敏感膜開槽的第二級凹槽加工完成後刻蝕所述懸臂梁開槽，具體包括以下步驟：步驟S1、採用〈111〉晶向的晶圓作為襯底矽，在所述晶圓的同一側刻蝕不同深度的開槽，分別作為決定質量塊厚度的質量塊開槽以及決定敏感膜厚度敏感膜開槽；步驟S2、再次刻蝕所述晶圓，在所述質量塊開槽以及敏感膜開槽的下部形成決定位於其各自下方的空腔高度的第二級凹槽；步驟S3、通過溼法刻蝕連通相應第二級凹槽，在所述質量塊開槽以及所述敏感膜開槽的下方形成空腔；步驟S4、澱積一層或多層半導體材料將質量塊開槽以及所述敏感膜開槽密封；步驟S5、在所述晶圓上與刻蝕質量塊開槽相同的側面上刻蝕作為懸臂梁的懸臂梁開槽；步驟S6、再次刻蝕所述晶圓，在所述懸臂梁開槽的下部形成決定位於其下方的空腔高度的第二級凹槽；步驟S7、通過溼法刻蝕連通懸臂梁開槽下部的第二級凹槽，在所述懸臂梁開槽下方形成空腔，並保證位於所述懸臂梁開槽下方的空腔與位於質量塊開槽下方的空腔相互連通；步驟S8、澱積一層或多層半導體材料將懸臂梁開槽密封；步驟S9、於所述晶圓表面生成加速度傳感器以及壓力傳感器的壓敏電阻和溫度傳感器的溫敏電阻，並進行金屬布線；步驟S10、通過幹法刻蝕刻開矽膜，釋放加速度傳感器結構。具體的，所述步驟S4中，澱積一層或多層半導體材料將質量塊開槽以及所述敏感膜開槽密封，採用低壓化學氣相澱積(LPCVD)的方法進行。所述步驟S8中，澱積一層或多層半導體材料將懸臂梁開槽密封，採用低壓化學氣相澱積(LPCVD)的方法進行。作為MEMS集成複合傳感器的加工方法的一種優選技術方案，於所述步驟：採用〈111〉晶向的晶圓作為襯底矽，在所述晶圓的同一側刻蝕不同深度的開槽，分別作為決定質量塊厚度的質量塊開槽以及決定敏感膜厚度敏感膜開槽前，在所述晶圓表面生長第一掩膜層；於所述步驟：再次刻蝕所述晶圓，在所述質量塊開槽以及敏感膜開槽的下部形成決定位於其各自下方的空腔高度的第二級凹槽前，在所述晶圓表面生長第二掩膜層，並刻蝕去除位於所述質量塊開槽、敏感膜開槽底部的第二掩膜層。作為MEMS集成複合傳感器的加工方法的一種優選技術方案，在所述懸臂梁開槽加工完成後刻蝕位於質量塊開槽、懸臂梁開槽以及敏感膜開槽底部的第二級凹槽，具體包括以下步驟：步驟S1′、採用〈111〉晶向的晶圓作為襯底矽，在所述晶圓的同一側刻蝕不同深度的開槽，分別作為決定質量塊厚度的質量塊開槽、決定懸臂梁厚度的懸臂梁開槽以及決定敏感膜厚度敏感膜開槽；步驟S2′、再次刻蝕所述晶圓，在所述質量塊開槽、懸臂梁開槽以及敏感膜開槽的下部形成決定位於其各自下方的空腔高度的第二級凹槽；步驟S3′、通過溼法刻蝕連通相應第二級凹槽，在所述質量塊開槽以及所述敏感膜開槽的下方形成空腔，並保證位於所述懸臂梁開槽下方的空腔與位於質量塊開槽下方的空腔相互連通；步驟S4′、澱積一層或多層半導體材料將質量塊開槽、懸臂梁開槽以及所述敏感膜開槽密封；步驟S5′、於所述晶圓表面生成加速度傳感器以及壓力傳感器的壓敏電阻和溫度傳感器的溫敏電阻，並進行...