CN102502479B - 复合集成传感器结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合集成传感器结构及其制造方法，该方法包括：提供基底，在其上形成掺杂区域；在基底表面淀积绝缘层；刻蚀绝缘层和基底形成槽；在基底表面和槽侧壁与底部淀积含掺杂元素的阻挡层；将其中的掺杂元素扩散至基底内，形成重掺杂层；去除槽底部的阻挡层，在槽侧壁上形成侧壁保护层；以侧壁保护层和绝缘层为掩模，继续刻蚀槽，形成深槽；腐蚀深槽，在基底内部形成腔体；在侧壁保护层之间填满隔离和/或填充材料；在基底表面制作导电引线和电极；在加速度传感器的区域淀积质量块，并作图形化；在质量块的周围形成隔离槽，质量块以悬臂形式与基底相连接。本发明采用正面的、与常规半导体工艺相兼容的工艺，具有实用、经济、高性能等优点。

Description

复合集成传感器结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)制造技术领域，具体来说，本发明涉及一种集成了温度传感器、加速度传感器和压力传感器的复合集成传感器结构及其制造方法。

背景技术

随着传感器技术的发展，传感器芯片不再是包含单一的传感器件，而是更多地以片上系统(SOC或者SIP)的形式出现。在一个片上系统中，往往集成有多个传感器器件单元，甚至还会包含外围的CMOS集成电路，构成系统化的片上复合集成传感器结构。片上传感系统的出现，使得传感器的集成度越来越高，功能越来越强，体积越来越小，与此同时成本也得到了显著的降低。

复合集成传感器的结构和制造方法不仅是影响传感器性能的关键，而且还将决定传感器芯片成本、最终决定传感器竞争力的主要因素。当前绝大多数传感器的工艺都需要背面的工艺，在背面工艺完成后，通过键合的方法实现腔体的密封。这些工艺是当前的主流，然而却与常规的半导体工艺不兼容，因此需要采用定制化特点的传感器加工生产线，增加了生产成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一种复合集成传感器结构及其制造方法，能够与常规的半导体工艺相兼容，简化制造工艺，降低生产成本。

为解决上述技术问题，本发明提供一种复合集成传感器结构的制造方法，所述复合集成传感器结构包括加速度传感器、温度传感器和压力传感器，所述制造方法包括步骤：

提供基底，在所述基底上形成掺杂区域，分别作为所述压力传感器的压阻阵列、所述加速度传感器的压阻单元和所述温度传感器单元；

在所述基底的表面淀积绝缘层；

依次刻蚀所述绝缘层和所述基底，在所述基底中形成用于制作腔体的槽；

在所述基底的表面和所述槽的侧壁与底部淀积含高浓度掺杂元素的阻挡层；

将所述阻挡层中的掺杂元素扩散至所述槽与所述阻挡层接触的基底表面内，在所述槽的侧壁与底部形成重掺杂层；

去除所述绝缘层的表面和所述槽的底部的所述阻挡层，在所述槽的侧壁上形成侧壁保护层；

以所述侧壁保护层和所述绝缘层为掩模，继续刻蚀所述槽，形成深槽；

采用湿法腐蚀法腐蚀所述深槽，在所述基底的内部分别形成所述压力传感器和所述加速度传感器的腔体；

在所述槽的侧壁保护层之间填满隔离和/或填充材料，形成插塞结构，将所述腔体与外界隔离；

在所述基底的表面制作导电引线和电极；

在所述加速度传感器的区域淀积质量块，并对其作图形化；

在所述质量块的周围形成隔离槽，所述隔离槽穿透所述加速度传感器的腔体上方的基底，所述质量块以悬臂形式与所述基底相连接。

可选地，所述基底为(111)晶向的硅。

可选地，在所述基底上形成掺杂区域的方法为离子注入法。

可选地，所述槽的形状和/或深度根据实际需要是可调的。

可选地，所述阻挡层是通过化学气相淀积法或者原子层淀积法形成的。

可选地，所述绝缘层的表面和所述槽的底部的阻挡层是通过回刻工艺去除的。

可选地，所述槽的深度为0.05～60μm。

可选地，所述深槽的深度为0.1～80μm。

可选地，所述湿法腐蚀法采用各向异性的腐蚀工艺在所述基底的内部形成腔体。

可选地，所述湿法腐蚀的溶液为KOH、NaOH、EPW和/或TMAH。

可选地，所述腔体的形状和/或深度是任意的。

可选地，通过化学气相淀积法或者原子层淀积法在所述槽的侧壁保护层之间填充隔离和/或填充材料。

可选地，所述隔离和/或填充材料为单层或者多层结构。

可选地，所述隔离和/或填充材料为多晶硅。

可选地，所述导电引线和/或所述电极的材料包括铝、铜、钨、钛、氮化钛、金、银及其任意合金。

可选地，所述淀积质量块的方法为物理气相淀积法或者化学电镀法。

可选地，所述质量块为单层或者多层结构。

可选地，所述质量块的材料包括铜、钨、镍。

可选地，围绕所述质量块的所述隔离槽的形状为多边形和任意不规则图形。

可选地，所述温度传感器单元为温阻传感器、PN二极管或者其他类型的温度传感器。

相应地，本发明还提供一种根据上述方法中任一项制造的复合集成传感器结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的复合集成传感器结构，采用正面的、与常规半导体工艺相兼容的工艺，在通用的半导体生产线上都能够实现大规模的制造，具有实用、经济、高性能等优点。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明一个实施例的复合集成传感器结构的平面结构示意图；

图2为图1所示的复合集成传感器结构沿着图中的A-A、B-B和C-C方向的剖面结构示意图；

图3为本发明一个实施例的复合集成传感器结构的制造方法的流程示意图；

图4至图18为本发明一个实施例的复合集成传感器结构的制造过程的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述地其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

图1为本发明一个实施例的复合集成传感器结构的平面结构示意图。如图所示，可以看到该种复合集成传感器结构上含有一个加速度传感器(位于图中上半部区域)、一个温度传感器(位于图中中部区域)以及一个压力传感器(位于图中下部区域)。在图1所显示的复合集成传感器结构的平面图中，在基底001上形成有加速度传感器的加速度质量块009、压阻单元007、压力传感器的压阻阵列004和温度传感器单元006。其中温度传感器单元006可以为温阻传感器、PN二极管或者其他类型的温度传感器。各单元通过导电引线003或者金属电极005连接，整个结构具有多个导电的电极002。为了更好地说明该复合集成传感器结构，对上述的复合集成传感器结构分别在A-A、B-B和C-C方向做剖面结构示意图，如图2所示。

图2为图1所示的复合集成传感器结构沿着图中的A-A、B-B和C-C方向的剖面结构示意图。从图2中可见，复合集成传感器结构在A-A、B-B和C-C方向的剖面结构图从左至右的分布分别是压力传感器、温度传感器和加速度传感器单元。压阻阵列004形成在具有一定的厚度的基底膜上，膜悬空在空隙010的上方，图中标号011所示的是隔离和/或填充材料；掺杂区域008的两端形成有电极005；加速度传感器的质量块是009，底下具有空隙010，形成悬臂梁结构，悬臂梁靠近基底侧有掺杂区域007，具备压阻效应，标号003为导电引线。

本领域的技术人员应该认识到，上述由图1和图2所示的复合集成传感器结构的分布图是示意性的。在此还要理解，其可以随意根据需要对复合传感器结构的内部各个传感器组件进行位置的排布和调整，都是在本发明申请的保护范围之内，而且根据需要可以选择加速度传感器、温度传感器和压力传感器中的一种或多种器件进行组合，即不一定同时实现上述三种器件，可以是单独的速度传感器和压力传感器，或是速度传感器和压力传感器的集成器件。另外，对于本发明中涉及质量块、温度单元、压阻单元的形状和/或尺寸也都是可以根据需要进行任意调整的。

图3是本发明一个实施例的复合集成传感器结构的制造方法的流程示意图。该复合集成传感器结构可以包括加速度传感器、温度传感器和压力传感器。如图所示，该方法流程可以包括：

执行步骤S101，提供基底，在基底上形成掺杂区域，分别作为压力传感器的压阻阵列、加速度传感器的压阻单元和温度传感器单元；

执行步骤S102，在基底的表面淀积绝缘层；

执行步骤S103，依次刻蚀绝缘层和基底，在基底中形成用于制作腔体的槽；

执行步骤S104，在基底的表面和槽的侧壁与底部淀积含高浓度掺杂元素的阻挡层；

执行步骤S105，将阻挡层中的掺杂元素扩散至槽与阻挡层接触的基底表面内，在槽的侧壁与底部形成重掺杂层；

执行步骤S106，去除绝缘层的表面和槽的底部的阻挡层，在槽的侧壁上形成侧壁保护层；

执行步骤S107，以侧壁保护层和绝缘层为掩模，继续刻蚀槽，形成深槽；

执行步骤S108，采用湿法腐蚀法腐蚀深槽，在基底的内部分别形成压力传感器和加速度传感器的腔体；

执行步骤S109，在槽的侧壁保护层之间填满隔离和/或填充材料，形成插塞结构，将腔体与外界隔离；

执行步骤S110，在基底的表面制作导电引线和电极；

执行步骤S111，在加速度传感器的区域淀积质量块，并对其作图形化；

执行步骤S112，在质量块的周围形成隔离槽，隔离槽穿透加速度传感器的腔体上方的基底，质量块以悬臂形式与基底相连接。

下面结合具体实施例和附图对本发明实施例的复合集成传感器结构的制造过程作进一步说明。

图4至图18为本发明一个实施例的复合集成传感器结构的制造过程的剖面结构示意图。该复合集成传感器结构可以包括加速度传感器、温度传感器和压力传感器。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

如图4所示，提供基底101，该基底101可以为(111)晶向的硅，也可以是其他基底，例如锗、锗硅等基底。然后如图5所示，利用离子注入法或者离子注入法加扩散的方法在基底101上形成掺杂区域102。该掺杂区域102可以具备一定的形状，可以根据通用的半导体工艺获得，几块分立的区域的离子注入条件可以相同也可以不同，分别作为压力传感器的压阻阵列004、加速度传感器的压阻单元007和温度传感器单元006。

在基底101的上方，在采用例如离子注入法对基底101进行掺杂的过程中，可以在基底101的不需要掺杂的区域上方覆盖掩模，例如掩模可以是氧化物、氮化物或者光刻胶等。在此基底101以(111)晶向的硅(Si)为例，但是本发明可以采用的基底材料显然不限于此，本领域技术人员可以根据实际的需要进行相应的调整。

在本实施例中，在形成制作腔体109的槽104之前还包括在基底101的表面淀积绝缘层103，其形成后的剖面结构示意图如图5所示。

如图6所示，依次刻蚀绝缘层103和基底101，在基底101中形成用于制作腔体的槽104，其中槽104的形状和/或深度根据实际需要是可调节的(adjustable)。而从俯视图(未图示)上看，槽104的投影可以使多边形(含矩形)，也可以是圆形，显然也可以是其他形状，在此不在赘述。槽104的深度可以为0.05～60μm。

如图7所示，利用例如化学气相淀积法在绝缘层103的表面和槽104的侧壁与底部淀积一层含高浓度掺杂元素的阻挡层105，也可以采用其他的例如原子层淀积法等方法代替，但是淀积的阻挡层105务必要覆盖槽104的侧壁。因此，本领域的技术人员应该认识到，具体采用何种的淀积方法取决于该种方法能否很好地覆盖槽104的侧壁。另外需要注意的是，含高浓度掺杂元素的阻挡层105可以是任何符合要求的材料，如含高浓度掺杂元素B和/或In的SiO₂和/或其他玻璃、陶瓷材料。

如图8所示，通过高温退火工艺使得阻挡层105中的掺杂元素扩散至槽104与阻挡层105接触的基底表面内，由此在槽104的侧壁与底部表面形成一层重掺杂层106。在后续的湿法腐蚀深槽的步骤中，这层重掺杂层106与阻挡层105对槽104的侧壁形成了双重保护。我们之后提到的后续湿法腐蚀是一种各向异性的腐蚀，在此过程中，若选用了KOH、NaOH、EPW和/或TMAH等腐蚀液，当腐蚀液碰到重掺杂层106时其腐蚀速率将显著下降。这是由于重掺杂区域与腐蚀液的相互作用生成了一层纳米钝化层，阻挡了腐蚀的进行，利用这一点可达到自动中止腐蚀的目的，对槽104侧壁起到了保护作用。

如图9所示，通过回刻工艺去除绝缘层103的表面和槽104的底部的阻挡层105，特别是要露出槽104的底部的基底材料，即完全去除底部的阻挡层105。该阻挡层105在槽104中附着于侧壁上未被去除的部分则成为槽104的侧壁保护层。

如图10所示，采用刻蚀工艺，以侧壁保护层和绝缘层103为掩模，继续刻蚀槽104，形成深槽108。该深槽108的深度可以为0.1～80μm。在此过程中，由于侧壁保护层和绝缘层103作为刻蚀过程中的硬掩膜存在，保护了其他区域，因此，选择的刻蚀条件需要较好的刻蚀选择比。通过深槽108的形成，在得到的结构中形成了“L”和反“L”形状的重掺杂层106，此种形状有助于在后续湿法腐蚀的过程中保护空腔上方基底不受腐蚀，如此能够更好地实现工艺的稳定性和均匀性(因为出于晶圆上不同区域均匀性的考虑，一般会选择对晶圆进行适当的过度腐蚀，“L”和反“L”形状的重掺杂层106有助于结构的保持)。

如图11所示，采用湿法腐蚀法腐蚀深槽108，在基底101的内部分别形成压力传感器和加速度传感器的腔体109。在此过程中，为了更好的控制腐蚀过程，形成比较理想的腔体109，所以，本领域的技术人员可以根据实际的需要，优选地采用各向异性的腐蚀工艺。当然也可以是其他的腐蚀方式。例如，选择(111)晶格取向的硅基底，在其内部腔体腐蚀时采用KOH、NaOH、EPW和/或TMAH等湿法腐蚀溶液对基底101进行各向异性的(选择性的)腐蚀，在其内部形成腔体109。在形成横向腔体的同时，因为“L”和反“L”结构的存在，腐蚀过程对于上下方基底的腐蚀极其有限，实现高质量的腐蚀和高可靠的控制。

因为侧壁保护层和绝缘层103的保护，加上KOH、NaOH、EPW和/或TMAH的各向异性腐蚀，被侧壁保护层和绝缘层103保护的区域保持完好，形成如图11所示的结构，图中的腔体109都是空心结构。需要注意的是，这里的显示的腔体109在截面上看是规则的矩形，然而，在此需要指出，视图不过是为了表述方便，实际得到的腔体109的形状和/或深度是任意的，与腐蚀工艺、基底和其他方面密切相关，并不是规则的矩形，例如腔体109的侧壁和底面之间可以形成一定的夹角，例如54.7度(如图12所示)。本领域的技术人员应该理解到腔体109的形状和/或深度并不是限制本发明的内容。

为了形成压力传感器等传感器组件，必须要形成密封的结构。如图13所示，优选通过化学气相淀积法或者原子层淀积法等工艺在槽104的侧壁保护层之间填满隔离和/或填充材料110，例如单层或者多层的多晶硅、氧化硅，氮化硅等，形成插塞结构，将腔体109与外界隔离。

如图14所示，不对基底101表面做平坦化，直接在基底101表面制作导电引线和电极111，该导电引线和/或电极111的材料可以包括铝、铜、钨、钛、钛钨、金、银及其任意选择的合金，优选为铝。

如图15所示，在加速度传感器的区域淀积质量块112，并对其作图形化，采用的方法可以是物理气相淀积法，也可以是化学电镀法。淀积的质量块112可以是单层的结构，也可以是多层的结构。质量块112的材料优选但不局限于铜、钨、镍等材料。对质量块112进行图形化的方法可以采用刻蚀方法。整个复合集成传感器结构形成了质量块112之后的俯视图如图16所示。

如图17所示，在质量块112的周围形成隔离槽113，该隔离槽113的形状可以为多边形和任意不规则图形。隔离槽113穿透加速度传感器的腔体109上方的基底101，可以看到质量块112仅仅是依靠悬臂粱的形式与基底101相连接。

最终形成的复合集成传感器结构的平面结构示意图如图18所示。在本发明中，如有加速度存在，那么加速度传感器在质量块的放大作用下，实现悬臂梁的扭曲，通过电桥实现信号的转换和放大，输出了加速度信号；温度传感器根据温度的变化输出不同的电阻；压力传感器根据压力的变化，形成硅薄膜的形变，通过电桥，将形变造成的电阻变化转换成与压力对应的电压输出。如此，就形成了复合的集成传感器。

本发明提供的复合集成传感器结构，采用正面的、与常规半导体工艺相兼容的工艺，在通用的半导体生产线上都能够实现大规模的制造，具有实用、经济、高性能等优点。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。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作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种复合集成传感器结构的制造方法，所述复合集成传感器结构包括压阻式加速度传感器、温度传感器和压阻式压力传感器，所述制造方法包括步骤：

提供基底(101)，在所述基底(101)上形成多个掺杂区域(102)，分别作为所述压力传感器的压阻阵列(004)、所述加速度传感器的压阻单元(007)和所述温度传感器单元(006)；

在所述基底(101)的表面淀积绝缘层(103)；

依次刻蚀所述绝缘层(103)和所述基底(101)，在所述基底(101)中形成用于制作所述加速度传感器和所述压力传感器的腔体(109)的多个浅槽(104)；

在所述绝缘层(103)的表面和多个所述浅槽(104)的侧壁与底部淀积含高浓度掺杂元素的阻挡层(105)；

将所述阻挡层(105)中的掺杂元素扩散至多个所述浅槽(104)与所述阻挡层(105)接触的基底表面内，在多个所述浅槽(104)的侧壁与底部形成重掺杂层(106)；

去除所述绝缘层(103)的表面和多个所述浅槽(104)的底部的所述阻挡层(105)，在多个所述浅槽(104)的侧壁上形成侧壁保护层；

以所述侧壁保护层和所述绝缘层(103)为掩模，继续刻蚀多个所述浅槽(104)，形成多个深槽(108)；

在所述基底(101)的内部采用湿法腐蚀法腐蚀多个所述深槽(108)，在所述基底(101)的内部分别形成所述压力传感器和所述加速度传感器的腔体(109)；

在多个所述浅槽(104)的侧壁保护层之间填满隔离和/或填充材料(110)，形成插塞结构，将所述腔体(109)与外界隔离；

在所述基底(101)的表面制作导电引线和电极(111)；

在所述加速度传感器的区域淀积质量块(112)，并对其作图形化；

在所述质量块(112)的周围形成隔离槽(113)，所述隔离槽(113)穿透所述加速度传感器的腔体(109)上方的基底(101)，所述质量块(112)以悬臂形式与所述基底(101)相连接。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述基底(101)为(111)晶向的硅。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，在所述基底(101)上形成掺杂区域(102)的方法为离子注入法。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述浅槽(104)的形状和/或深度根据实际需要是可调的。

5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述阻挡层(105)是通过化学气相淀积法或者原子层淀积法形成的。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述绝缘层(103)的表面和所述浅槽(104)的底部的阻挡层(105)是通过回刻工艺去除的。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述深槽(108)的深度为0.1～80μm。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述湿法腐蚀法采用各向异性的腐蚀工艺在所述基底(101)的内部形成腔体(109)。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述湿法腐蚀的溶液为KOH、NaOH、EPW和/或TMAH。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述腔体(109)的形状和/或深度是任意的。

11.根据权利要求10所述的制造方法，其特征在于，通过化学气相淀积法或者原子层淀积法在所述浅槽(104)的侧壁保护层之间填充隔离和/或填充材料(110)。

12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述隔离和/或填充材料(110)为单层或者多层结构。

13.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述隔离和/或填充材料(110)为多晶硅。

14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述导电引线和/或所述电极(111)的材料包括铝、铜、钨、钛、氮化钛、金、银及其任意合金。

15.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于，所述淀积质量块(112)的方法为物理气相淀积法或者化学电镀法。

16.根据权利要求15所述的制造方法，其特征在于，所述质量块(112)为单层或者多层结构。

17.根据权利要求16所述的制造方法，其特征在于，所述质量块(112)的材料包括铜、钨、镍。

18.根据权利要求17所述的制造方法，其特征在于，围绕所述质量块(112)的所述隔离槽(113)的形状为多边形和任意不规则图形。

19.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，温度传感器单元(006)为温阻传感器、PN二极管或者其他类型的温度传感器。

20.一种根据上述权利要求1至19中任一项所述的方法制造的复合集成传感器结构。