CN102275860A - 惯性微机电传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种惯性微机电传感器及其制造方法，该惯性微机电传感器，能够相对移动的主体和质量块，所述主体包括具有第一表面的第一主体和垂直并连接所述第一表面的第二主体，所述第一主体内具有平行于所述第一表面的第一电极，所述第二主体内具有垂直于所述第一表面的第二电极；所述质量块悬置在所述第二主体和第一主体形成的空间内，所述质量块包括平行且相对于所述第一表面的第三电极、垂直于所述第一表面的第四电极和质量层，所述第三电极和第四电极相连并构成U型凹槽，所述质量层填充于所述U型凹槽内，可以有效地提高惯性质量块的重量，提高惯性微机电传感器的精确度，并降低制造成本。

Description

惯性微机电传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种惯性微机电传感器及其制造方法。
背景技术
MEMS(Microelectromechanical System，微机电系统)技术是指对微米/纳米(micro/nanotechnology)材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。MEMS是由机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。MEMS通常应用在位置传感器、旋转装置或者惯性传感器中，例如加速度传感器、陀螺仪和声音传感器。
现有的一种传统的惯性微机电传感器通常包括主体和一个或多个惯性质量块，所述惯性质量块相对于主体为悬置的分立结构，惯性质量块可以由悬臂支撑而成悬置。而惯性质量块、主体及惯性质量块和主体之间的气体层构成电容。所述惯性质量块和主体可以相对移动，当惯性质量块和主体相对移动，例如上下移动或者左右移动，则所述电容的电容值将发生变化，从而通过连续测量所述电容值可以获得所述惯性质量块和主体相对左右运动或者上下移动的速度或加速度。上述通过测量电容值来测量所述惯性质量块和主体之间相对运动的惯性微机电传感器也叫做电容式惯性微机电传感器。
上述电容式惯性微机传感器通常利用半导体制造工艺形成。例如，利用半导体衬底作为电容式惯性微机传感器的主体，在半导体衬底上形成悬置的惯性质量块。由于所述电容式惯性微机电传感器通常利用半导体制造工艺形成，因此在传统技术中，电容式惯性微机电传感器和CMOS接口电路(Read-out integrated circuit，ROIC)通常采用相同制造工艺形成。通常电容式惯性微机电传感器和CMOS接口电路在同一半导体衬底上形成，也就是将电容式惯性微机电传感器嵌入CMOS接口电路中。例如在美圆专利文献“US2010116057A1”中公开了一种惯性传感器。
然而，随着工艺尺寸的减小，膜层的厚度也越来越薄，因此在具有CMOS器件的半导体衬底上制造电容式惯性微机电传感器也越来越困难。通常惯性质量块是由一个整体的导电材料形成的，所述导电材料要求导电性好、性质稳定、密度较大，例如较常用的是锗硅材料，但是上述性质的导电材料价格都非常昂贵。而且，对于电容式惯性微机电传感器来说，惯性质量块的重量越大则惯性越大，惯性微机电传感器的精确度越高；而为了使惯性质量块的惯性更大就需要使用非常多的所述导电材料，这样就造成惯性微机电传感器的成本非常高。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种惯性微机电传感器，可以有效地提高惯性质量块的重量，提高惯性微机电传感器的精确度，并降低制造成本。
为了解决上述问题，本发明提供了一种惯性微机电传感器及其制造方法，该惯性微机电传感器，能够相对移动的主体和质量块，所述主体包括具有第一表面的第一主体和垂直并连接所述第一表面的第二主体，所述第一主体内具有平行于所述第一表面的第一电极，所述第二主体内具有垂直于所述第一表面的第二电极；所述质量块悬置在所述第二主体和第一主体形成的空间内，所述质量块包括平行且相对于所述第一表面的第三电极、垂直于所述第一表面的第四电极和质量层，所述第三电极和第四电极相连并构成U型凹槽，所述质量层填充于所述U型凹槽内，
优选的，所述第一主体还包括位于所述第一电极下方的半导体材料层，所述半导体材料层内具有MOS器件。
优选的，所述第一电极的材料为：铝、钛、铜、钴、镍、钽、铂、银和金的其中一种或其任意组合。
优选的，所述第二主体的材料为：氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅和碳氮氧化硅的其中一种或其任意组合。
优选的，所述第二电极的材料为：铝、钛、铜、钨和钽的其中一种或其任意组合。
优选的，所述第三电极和第四电极的材料为：铝、钛、铜、钴、镍、钽、铂、银和金的其中一种或其任意组合。
优选的，所述质量层的材料为：钨、锗硅、锗、铝、氧化物和氮化硅的其中一种或其任意组合。
相应的，本发明还提供了一种惯性微机电传感器的制造方法，包括步骤：
提供主体，所述主体包括相互垂直连接的第一主体和第二主体，第一主体具有第一表面，所述第一主体内具有平行于所述第一表面的第一电极，所述第二主体内具有垂直于第一表面的第二电极；
在所述第一主体上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成绝缘层，所述绝缘层和所述牺牲层围成U型凹槽；
淀积形成覆盖所述牺牲层和绝缘层的导电层；
在所述牺牲层上的导电层上形成质量层，所述质量层的顶部和所述绝缘层顶部的导电层齐平；
去除所述绝缘层顶部的导电层和部分质量层，所述质量层的顶部和所述绝缘层顶部的导电层齐平；
去除所述绝缘层；
去除所述牺牲层。
优选的，所述牺牲层的材料为纯度大于50％的碳。
优选的，所述形成牺牲层是利用等离子体增强化学气相沉积工艺，且温度为350℃～450℃。
优选的，所述去除牺牲层的方法为：利用氧气或者氮气的等离子体进行灰化。
优选的，所述淀积形成覆盖所述牺牲层和绝缘层的导电层的方法包括化学气相淀积和物理气相淀积。
与现有技术相比，本发明主要具有以下优点：
本发明通过在惯性微机电传感器中设置垂直电容和水平电容，从而使得惯性微机电传感器可以测量水平方向和垂直方向上的移动或者旋转，并且所述质量块包括第三电极和第四电极，所述第三电极和第四电极相连并构成U型凹槽，所述U型凹槽内具有质量层，这样所述质量块可以通过向所述U型凹槽内填充价格较低制作容易的质量层，从而在增加质量块的重量的同时，降低了惯性微机电传感器的制造成本。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是本发明的惯性微机电传感器一实施例的结构示意图；
图2是本发明的惯性微机电传感器制造方法的流程图；
图3至图10是本发明的惯性微机电传感器制造方法的示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，传统技术中为了降低制造难度，通常惯性质量块是一个整体的导电材料形成的，所述导电材料要求导电性好、性质稳定、密度较大，例如较常用的是锗硅材料，但是上述性质的导电材料价格都非常昂贵，然而为了使惯性质量块的惯性更大就需要使用更多所述导电材料，这样就造成惯性微机电传感器的成本非常高。
经过发明人的大量研究，得到了一种惯性微机电传感器。本发明通过在惯性微机电传感器中设置垂直电容和水平电容，从而使得惯性微机电传感器可以测量水平方向和垂直方向上的移动或者旋转，并且所述质量块包括第三电极和第四电极，所述第三电极和第四电极相连并构成U型凹槽，所述U型凹槽内具有质量层，这样所述质量块可以通过向所述U型凹槽内填充价格较低的质量层，从而在增加质量块的重量的同时，降低了惯性微机电传感器的制造成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实现方式做详细的说明。本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
图1是本发明的惯性微机电传感器一实施例的结构示意图。如图1所示，惯性微机电传感器包括：主体10和质量块200，所述质量块200和所述主体10活动连接，其可以相对移动，当所述主体10移动或旋转，所述质量块200可以保持静止，反之亦可。所述主体10和质量块200的连接方式本领域技术人员可以参考电容式惯性加速传感器或者陀螺仪中的质量块和主体的连接方式，例如所述质量块200可以通过悬臂连接位于半导体衬底上的支撑环。通过支撑环及悬臂的支撑，使质量块200悬置于主体上。其中，支撑环位于主体10上的旋转轴外围，从而，支撑环、悬臂和质量块可以一起绕主体的旋转轴旋转，从而使得主体10和质量块200可以相对移动或者旋转。
另外，也可以所述质量块外围连接有悬臂，所述悬臂搭接在主体上，从而也使得所述质量块200悬置在所述主体上方或者侧面，并且使得主体10和质量块200可以相对移动。
所述主体10包括相互垂直连接的第一主体100和第二主体300，在一实施例中所述第一主体为水平方向的主体，所述第二主体为垂直方向的主体。所述第一主体100具有第一表面100a，所述第一主体100内具有平行于所述第一表面100a的第一电极110，所述第二主体300内具有垂直于第一表面100a的第二电极310。
所述第二主体300和第一主体100形成L型结构(1个第二主体300)或者U型结构(2个第二主体300)。所述质量块200包括平行且相对于所述第一表面100a的第三电极211和垂直于第一表面100a的第四电极231。所述第三电极211和第四电极231相连并构成U型凹槽，所述U型凹槽内具有质量层233，因为只在质量块的外围使用了导电材料，因此这样的结构，即能增加质量块的重量，又能减少制作电极所用的导电材料。
所述第三电极211与所述第一电极110相对，从而所述第三电极211与所述第一电极110之间的气体及所述第三电极211和所述第一电极110构成水平电容611。所述第四电极231与所述第二电极310相对，从而所述第四电极231与所述第二电极310之间的气体及所述第四电极231和所述第二电极310构成垂直电容621。
本实施例中，所述第二主体300为1个或者多个，所述第二主体300的材料为：氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅和碳氮氧化硅的其中一种或及其组合。
本实施例中，所述第一主体100为半导体基底，所述第二主体300位于半导体基底上，可以通过在半导体基底上淀积绝缘物质，然后通过刻蚀，保留半导体基底部分区域上的绝缘物质，从而使得第二主体300和第一主体100形成L型结构(1个第二主体300)或者U型结构(2个第二主体300)。
本实施例中，所述第一电极110的材料可以为：铝、钛、铜、钴、镍、钽、铂、银和金的其中一种或其任意组合。
本实施例中，所述第二电极310的材料为：铝、钛、铜、钨和钽的其中一种或其任意组合。
本实施例中，所述第三电极211和第四电极231的材料为：铝、钛、铜、钴、镍、钽、铂、银和金的其中一种或其任意组合。
本实施例中，所述质量层233的材料可以为：钨、锗硅、锗、铝、氧化物和氮化硅的其中一种或其任意组合。
另外，所述第一主体100还可以包括位于所述第二电极110下方的半导体材料层105，例如半导体材料层可以为单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以是绝缘体上硅(SOI)，还可以包括其它的材料，例如锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓。所述半导体材料层105内具有MOS器件。
具体的，质量块200还可以包括金属层235，例如铝材料层，所述金属层235覆盖所述质量层233和第四电极231。
在本发明中由于在惯性质量块的侧壁上设置有第四电极231，第二主体300中设置有第二电极310，在主体10移动时，惯性作用使得质量块200静止；如果沿平行于第一主体100的第一表面100a方向移动，则第四电极231和第二电极310之间的距离将发生变化，从而垂直电容621的电容值发生变化，这样通过测量垂直电容621的电容值可以获得主体10的移动的参数，例如在加速度传感器中可以获得主体10沿平行于第一主体100的第一表面100a方向移动的加速度。同样由于在惯性质量块的侧壁上设置有第三电极211，第一主体100中设置有第一电极110，因此在主体10移动时，如果沿垂直于第一主体100的第一表面100a方向移动，质量块200静止，则第三电极211和第一电极110之间的距离将发生变化，从而水平电容611的电容值发生变化，这样通过测量水平电容611的电容值可以获得主体10的移动的参数，例如在加速度传感器中可以获得主体10沿垂直于第一主体100第一表面100a方向移动的加速度。
在本发明中由于质量块200采用了内层和外层的两层结构，内层用成本较低的质量层，外层利用制作电极的材料，从而可以通过将质量块的体积增大来增加其重量，由于质量层的成本比较低，从而增加重量只要利用增加质量层的材料，因此不会造成成本的升高，所以本发明在提高质量块重量的同时，降低了成本。
图2是本发明的惯性微机电传感器制造方法的流程图；图3至图10是本发明的惯性微机电传感器制造方法的示意图。下面结合图2至图10对图1所示的惯性微机电传感器的制造方法进行说明。
如图2所示，包括步骤：
S10，提供主体，所述主体包括相互垂直连接的第一主体和第二主体，第一主体具有第一表面，所述第一主体内具有平行于所述第一表面的第一电极，所述第二主体内具有垂直于第一表面的第二电极；
S20，在所述第一主体上形成牺牲层；
S30，在所述牺牲层上形成绝缘层，所述绝缘层和所述牺牲层围成U型凹槽；
S40，淀积形成覆盖所述牺牲层和绝缘层的导电层；
S50，在所述牺牲层上的导电层上形成质量层，所述质量层的顶部和所述绝缘层顶部的导电层齐平；
S60，去除所述绝缘层顶部的导电层；
S70，去除所述绝缘层顶部的导电层和部分质量层，所述质量层的顶部和所述绝缘层顶部的导电层齐平；
S80，去除所述牺牲层。
下面结合图3至图10进行详细说明。
首先，进行步骤S10，如图3所示，提供主体10，所述主体10包括第一主体100和第二主体300。所述第一主体100可以为半导体基底，所述半导体基底可以是单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以是绝缘体上硅(SOI)，还可以包括其它的材料，例如锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓。在第一主体内100内具有第一电极110，所述第一电极110平行于所述第一主体100的第一表面100a(即上表面)设置。所述第一电极110的材料可以为：铝、钛、铜、钴、镍、钽、铂、银和金的其中一种或其任意组合。另外在所述第一主体100内的第一电极110下方还可以包括半导体材料层105，例如硅层，在半导体材料层105内可以具有已经制造好的MOS器件。
在所述第一主体100的部分区域上具有第二主体300，所述第二主体300可以为绝缘介质，例如氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅和碳氮氧化硅的其中一种或其任意组合。在所述第二主体300中具有垂直于所述第一主体100第一表面100a的第二电极310。所述第二电极310的材料为：铝、钛、铜、钨和钽的其中一种或其任意组合。
接着，进行步骤S20，如图4所示，在所述第一主体100上形成牺牲层102，所述牺牲层102覆盖所述第一主体100的第一表面100a，例如可以采用化学气相淀积(CVD)的方法形成牺牲层102。所述牺牲层102的材料可以为：碳、锗或者聚酰胺(polyamide)。另外所述牺牲层的材料为纯度大于50％的碳。具体的牺牲层102可以为非晶碳(Amorphous Carbon)，利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺，在温度为350℃～450℃，气压：1torr～20torr，RF功率：800W～1500W，反应气体包括：C3H6和HE，反应气体流量为1000sccm～3000sccm，其中C3H6∶HE 2∶1～5∶1。
接着，进行步骤S30，如图5所示，在所述牺牲层102上形成绝缘层104，所述绝缘层104至少包括互不相连的两部分，第一部分104a和第二部分104b。例如可以采用CVD的方法在所述牺牲层102上形成绝缘层104，所述绝缘层104的材料可以为：氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅或碳氮氧化硅及其组合。所述所述绝缘层104的厚度为1μm～15μm。
接着，进行步骤S40，如图6所示，在利用气相淀积方法，具体的可以利用化学气相淀积(CVD)或物理气相淀积(PVD)，在所述牺牲层102和绝缘层104上淀积形成导电层230。所述导电层230的材料为：铝、钛、铜、钴、镍、钽、铂、银、金或其组合。所述导电层230的厚度为
接着，进行步骤S50，参考图7，在所述牺牲层102上的导电层230上形成质量层233，然后利用化学机械研磨(CMP)的方法研磨，使得所述质量层233的顶部和所述绝缘层104顶部的导电层230齐平。
接着，进行步骤S60，参考图8，可以利用CMP去除所述绝缘层104顶部的导电层230和部分质量层233。从而导电层230剩余的部分就包括位于绝缘层104侧壁上的部分，即第四电极231，和位于牺牲层102上的部分，即第三电极211。
接着，进行步骤S70，参考图9，去除所述绝缘层104，例如可以采用刻蚀或者清洗的方法去除所述绝缘层104。
接着，进行步骤S80，参考图10，去除所述牺牲层102。具体的，可以利用清洗或者灰化的方法去除牺牲层，例如所述灰化方法可以为利用氧气或氮气的等离子体进行灰化。在本实施例中所述牺牲层材质为PECVD化学气相沉积工艺所形成的致密活性炭，所述去除材料为氧气，采用加热为350℃～450℃，在此温度下，致密活性炭并不会发生剧烈燃烧，而可以被氧化成二氧化碳气体，并通过通孔排出，牺牲层能够彻底地去除，而器件的其余部分并不会受到影响。
在上述步骤之后，所述第四电极231、第三电极211和质量层233就构成惯性质量块。所述第四电极、第二电极及其之间的气体构成电容器，即垂直电容。所述第三电极、第一电极及其之间的气体构成电容器，即水平电容。本发明在主体中设置了第二电极，因此当主体发生水平方向的移动或者旋转，质量块保持不动，则第二电极和第四电极构成的垂直电容的电容值发生变化，从而对其进行测量，可以获得主体的运动情况，例如加速度、移动的距离、旋转的角度或者旋转的速度等等。同样，当主体发生垂直于水平方向的移动或者旋转，质量块保持不动，则第一电极和第三电极构成的水平电容的电容值发生变化，从而对其进行测量，可以获得主体的运动情况，例如加速度、移动的距离、旋转的角度或者旋转的速度等等，因此上述实施例可用于形成个各种功能的传感器。
在本发明中的质量块采用了两层的结构，外层为电极内层为质量层，外层为了保证形成特性较好的电容可以采用锗硅等材料，内层的质量层由于只是起到增加重量的作用，因此可以采用价格相对便宜的氧化硅等材料，由于质量层的价格便宜，因此可以做的质量块的体积较大，即使增大质量块的体积，由于外层很薄因此锗硅需要的并不多，因此这样可以增加质量重量而成本不会升高，相反的降低了成本。
在上述的制造过程中，可以在步骤S20之前将所述第二主体利用掩膜层掩蔽，从而在步骤S80之后将所述掩膜层去除。
另外在步骤S60之后还可以在质量层233和第四电极231上形成金属层，例如铝材料层、铜材料层等等。
对于不同的应用环境还可以进一步的将所述惯性质量快与所述主体10活动连接，例如在加速传感器中可以设置水平方向的弹性部件将所述惯性质量块在水平方向和主体相连，另外设置垂直于水平方向的弹性部件，将所述惯性质量快在垂直于水平方向与主体10相连。对于陀螺仪中可以将主体中设置旋转轴及可以绕旋转轴旋转的悬臂，所述惯性质量块和主体之间通过悬臂相连，从而惯性质量块可以绕旋转轴旋转，对于不同的传感器中的应用，本领域技术人员可以根据相关经验获得，在此不一一赘述。
另外，上述实施例中只对具有一个质量块的传感器进行了说明，除此之外本发明还可以用于制造具有多个质量块的传感器，方法可参考前述实施例，不再赘述。另外还可以在主体中设置多个第二主体和第二电极。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (12)

1.一种惯性微机电传感器，包括能够相对移动的主体和质量块，
所述主体包括具有第一表面的第一主体和垂直并连接所述第一表面的第二主体，所述第一主体内具有平行于所述第一表面的第一电极，所述第二主体内具有垂直于所述第一表面的第二电极，
其特征在于，所述质量块悬置在所述第二主体和第一主体形成的空间内，所述质量块包括平行且相对于所述第一表面的第三电极、垂直于所述第一表面的第四电极和质量层，所述第三电极和第四电极相连并构成U型凹槽，所述质量层填充于所述U型凹槽内。
2.根据权利要求1所述的惯性微机电传感器，其特征在于，所述第一主体还包括位于所述第一电极下方的半导体材料层，所述半导体材料层内具有MOS器件。
3.根据权利要求1所述的惯性微机电传感器，其特征在于，所述第一电极的材料为：铝、钛、铜、钴、镍、钽、铂、银和金的其中一种或其任意组合。
4.根据权利要求1所述的惯性微机电传感器，其特征在于，所述第二主体的材料为：氧化硅、氮化硅、碳化硅、氮氧化硅和碳氮氧化硅的其中一种或其任意组合。
5.根据权利要求1所述的惯性微机电传感器，其特征在于，所述第二电极的材料为：铝、钛、铜、钨和钽的其中一种或其任意组合。
6.根据权利要求1所述的惯性微机电传感器，其特征在于，所述第三电极和第四电极的材料为：铝、钛、铜、钴、镍、钽、铂、银和金的其中一种或其任意组合。
7.根据权利要求1所述的惯性微机电传感器，其特征在于，所述质量层的材料为：钨、锗硅、锗、铝、氧化物和氮化硅的其中一种或其任意组合。
8.一种权利要求1所述的惯性微机电传感器的制造方法，其特征在于，包括步骤：
提供主体，所述主体包括相互垂直连接的第一主体和第二主体，第一主体具有第一表面，所述第一主体内具有平行于所述第一表面的第一电极，所述第二主体内具有垂直于第一表面的第二电极；
在所述第一主体上形成牺牲层；
在所述牺牲层上形成绝缘层，所述绝缘层和所述牺牲层构成U型凹槽；
淀积形成覆盖所述牺牲层和绝缘层的导电层；
在所述牺牲层上的导电层上形成质量层，所述质量层的顶部和所述绝缘层顶部的导电层齐平；
去除所述绝缘层顶部的导电层和部分质量层，所述质量层的顶部和所述绝缘层顶部的导电层齐平；
去除所述绝缘层；
去除所述牺牲层。
9.根据权利要求8所述的惯性微机电传感器的制造方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为纯度大于50％的碳。
10.根据权利要求8所述的惯性微机电传感器的制造方法，其特征在于，所述形成牺牲层是利用等离子体增强化学气相沉积工艺，且温度为350℃～450℃。
11.根据权利要求8所述的惯性微机电传感器的制造方法，其特征在于，所述去除牺牲层的方法为：利用氧气或者氮气的等离子体进行灰化。
12.根据权利要求8所述的惯性微机电传感器的制造方法，其特征在于，所述淀积形成覆盖所述牺牲层和绝缘层的导电层的方法包括化学气相淀积和物理气相淀积。
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