CN102706369A - 三维集成悬空传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于传感器技术领域的三维集成悬空传感器及其制造方法。传感器和信号处理电路分别在绝缘衬底器件的两侧，传感器和信号处理电路通过三维互连线和平面金属互连线实现连接。本发明的有益效果为：利用三维互连线同时实现对传感器的机械支撑使其悬空并实现电信号连接，获得的传感器和处理电路集成。这种方法可以减小信号处理电路占用的面积、实现单片集成的单晶传感器结构，有利于提高传感器的填充因子、减小信号处理的噪声，并获得高性能的传感器。

Description

三维集成悬空传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及三维集成悬空传感器及其制造方法。

背景技术

传感器的信号处理电路包括多种功能，如调节和补偿（如电源电压调整、温度补偿等）、信号放大、阻抗变换、信号数字化等。将传感器与信号处理电路集成有很多优点。首先，处理电路靠近微结构，可以减小引线带来的寄生参数、抑制外部干扰，显著改善信号的信噪比，对易受分布参数影响电容等元件的信号检测能够实现更高的精度；其次，集成电源电压不仅降低传感器对外部电源的要求，使用更加方便，还能够改善输出信号的稳定性，集成温度补偿电路可以获得更接近传感器的温度测量和更准确的补偿；第三，集成模拟-数字转换电路，可以进一步提高信号传输过程的抗干扰能力；第四，集成传感器系统体积减小、功耗低、器件数量少、封装管脚少、可靠性高。

微电子机械系统（MEMS）技术的发展不但使越来越多的传感器可以在硅圆片上制造而实现微型化，而且有可能实现传感器与信号处理电路的集成，因此已经成为传感器的主流技术。目前常用的传感器与信号处理电路集成方法包括：交叉工艺、先MEMS后集成电路工艺和先集成电路后MEMS工艺。如ADI公司开发的iMEMS技术、美国Sandia国家实验室开发的Summit V等基于多晶硅结构的集成制造工艺。iMEMS工艺和Summit工艺尽管有一定的适用性，但是工艺顺序严重限制了传感器设计的灵活性；并且这些都是表面微加工与电路的集成方法，所制造的结构厚度仅有几个微米，有时无法满足使用的要求。反应离子深刻蚀技术（DRIE）的发展，为高深宽比结构与信号传感器的集成提供了可能，但是由于传感器与信号处理电路都位于芯片的同一表面，信号处理电路占用传感器的面积，对阵列式传感器带来很大的影响；同时在同一表面对制造悬空结构也有很大的困难。因此，由于MEMS工艺、材料与信号处理电路制造工艺、材料的差别，传感器与信号处理电路在制造过程中可能产生负面的相互影响，完全实现传感器与信号处理电路的集成还有较大的难度。

发明内容

本发明针对上述缺陷公开了三维集成悬空传感器及其制造方法。本发明提出一种利用三维互连实现传感器悬空并与信号处理电路进行单片集成的方法，将传感器与信号处理电路分别制造于信号处理电路所在芯片的上下两面，并且传感器由三维互连支撑，悬空在信号处理电路芯片的表面，二者通过三维互连实现电学连接。

三维集成悬空传感器，其特征在于，在绝缘衬底器件的上端制造传感器组合装置，在绝缘衬底器件的下端制造信号处理组合装置；信号处理组合装置通过m个三维互连线与传感器组合装置连接在一起实现电信号连接，m个三维互连线实现对传感器组合装置的机械支撑；

传感器组合装置由m个三维互连线机械支撑，悬空在信号处理组合装置的上方。

所述绝缘衬底器件由衬底、埋氧化层和顶层单晶材料组成；绝缘衬底器件为绝缘体上硅或绝缘体上锗；当绝缘衬底器件为绝缘体上硅时，顶层单晶材料为单晶硅时，衬底为硅衬底；当绝缘衬底器件为绝缘体上锗时，顶层单晶材料为单晶锗时，衬底为锗衬底硅衬底或锗衬底；

所述m个三维互连线均竖直地贯穿信号处理组合装置和传感器组合装置，m个三维互连线的两侧均为绝缘层，m个导电电极分别通过m个三维互连线连接传感器；

传感器组合装置的结构如下：顶层单晶材料的上部具有传感器，绝缘层淀积在顶层单晶材料和传感器的上方；n个深槽均竖直地贯穿绝缘层和顶层单晶材料；

信号处理组合装置的结构如下：衬底的下部具有信号处理电路，金属互连线与信号处理电路连接，m个导电电极均连接金属互连线，钝化层包围着金属互连线。

所述三维互连线实现支撑传感器组合装置的功能；

所述三维互连线的制作材料为单一金属、合金、掺杂的多晶硅材料或导电高分子材料；

单一金属为铜、钨、铝、镍、金、银或锡；

合金的制备过程如下：在铜、钨、铝、镍、金、银和锡中任选两种或两种以上的材料，然后将选取的材料制备成合金；

所述传感器的制备材料为单晶材料、多晶材料、无定形材料或金属材料；

所述单晶材料为单晶硅或单晶锗。

所述传感器包括微机械结构；微机械结构为光学微镜。

所述传感器为加速度传感器、陀螺、红外传感器阵列、麦克风、磁场传感器、电场传感器或组合传感器，组合传感器指在加速度传感器、陀螺、红外传感器阵列、麦克风、磁场传感器和电场传感器任选两种或两种以上形成的组合。

所述传感器的外表面具有电子器件，电子器件为二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管或这两者的组合；

所述传感器组合装置与信号处理组合装置之间的缝隙部分或全部填充固体材料；

所述固体材料为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、有机高分子材料苯并环丁烯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、树脂、光刻胶或热固性材料。

三维集成悬空传感器的制造方法括以下步骤：

1）在衬底的表面制造信号处理电路，在顶层单晶材料表面制造传感器；然后制造金属互连线和钝化层，实现传感器与金属互连线的连接，最后制造m个导电电极，实现金属互连线与导电电极的连接；

2）依次去除顶层单晶材料、埋氧化层、衬底和钝化层，从而形成m个通孔，m个通孔分别正对着m个导电电极，m个通孔均呈竖直形状；

3）在顶层单晶材料的表面和m个通孔的侧壁淀积绝缘层；

4）m个通孔均具有两个端口：上端口和下端口，m个通孔的上端口为m个通孔的顶端，m个通孔的下端口为m个通孔的底端；

从m个导电电极开始，自底向上地向m个通孔中填充单一金属、合金、掺杂的多晶硅材料或导电高分子材料，并且至少在上述两个端口中的一个端口形成蘑菇状凸头，从而形成了m个三维互连线，蘑菇状凸头的制作材料与m个通孔中填充的材料相同；

在顶层单晶材料的表面制造平面金属互连线，m个三维互连线通过平面金属互连线与传感器连接；

5）依次去除绝缘层和顶层单晶材料，从而形成n个深槽，n个深槽的底部均为埋氧化层；

6）将六氟化硫气体通过n个深槽引入埋氧化层，从而刻蚀埋氧化层。

在制造传感器时，通过注入和退火来制造传感器中的高温工艺器件，高温工艺器件为电阻、二极管和晶体管。

利用反应离子深刻蚀方法，依次去除顶层单晶材料、埋氧化层、衬底和钝化层；

利用反应离子深刻蚀方法，依次去除绝缘层和顶层单晶材料，从而形成n个深槽。

利用m个导电电极作为导电介质，实施自底向上的单向电镀，向m个竖直的通孔中填充单一金属、合金、掺杂的多晶硅材料或导电高分子材料。

本发明的有益效果为：利用三维互连线同时实现对传感器的机械支撑使其悬空并实现电信号连接，获得的传感器和处理电路集成。这种方法可以减小信号处理电路占用的面积、实现单片集成的单晶传感器结构，有利于提高传感器的填充因子、减小信号处理的噪声，并获得高性能的传感器。

附图说明

图1a是绝缘衬底器件的结构示意图；

图1b是三维集成悬空传感器的制造方法的第一示意图；

图2是三维集成悬空传感器的制造方法的第二示意图；

图3是三维集成悬空传感器的制造方法的第三示意图；

图4是三维集成悬空传感器的制造方法的第四示意图；

图5是三维集成悬空传感器的制造方法的第五示意图；

图6a是三维集成悬空传感器的结构示意图；

图6b是三维集成悬空传感器的结构的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图6a和图6b所示，在绝缘衬底器件105的上端制造传感器组合装置104，在绝缘衬底器件105的下端制造信号处理组合装置209；信号处理组合装置209通过m个三维互连线208与传感器组合装置104连接在一起实现电信号连接，m个三维互连线208实现对传感器组合装置104的机械支撑；m≥1；

传感器组合装置104由m个三维互连线208机械支撑，悬空在信号处理组合装置209的上方。

所述绝缘衬底器件105由衬底201、埋氧化层100和顶层单晶材料101组成；绝缘衬底器件105为绝缘体上硅或绝缘体上锗；当绝缘衬底器件105为绝缘体上硅时，顶层单晶材料101为单晶硅时，衬底201为硅衬底；当绝缘衬底器件105为绝缘体上锗时，顶层单晶材料101为单晶锗时，衬底201为锗衬底硅衬底或锗衬底；

所述m个三维互连线208均竖直地贯穿信号处理组合装置209和传感器组合装置104，m个三维互连线208的两侧均为绝缘层207，m个导电电极205分别通过m个三维互连线208连接传感器102；绝缘层207的材料为二氧化硅。

传感器组合装置104的结构如下：顶层单晶材料101的上部具有传感器102，绝缘层207淀积在顶层单晶材料101和传感器102的上方；n个深槽103均竖直地贯穿绝缘层207和顶层单晶材料101；n≥1；

信号处理组合装置209的结构如下：衬底201的下部具有信号处理电路202，金属互连线203与信号处理电路202连接，m个导电电极205均连接金属互连线203，钝化层204包围着金属互连线203。钝化层204的材料为二氧化硅。

所述三维互连线208实现支撑传感器组合装置104的功能；

所述三维互连线208的制作材料为单一金属、合金、掺杂的多晶硅材料或导电高分子材料。

所述单一金属为铜、钨、铝、镍、金、银或锡；

所述合金的制备过程如下：在铜、钨、铝、镍、金、银和锡中任选两种或两种以上的材料，然后将选取的材料制备成合金。

所述传感器102的制备材料为单晶材料、多晶材料、无定形材料或金属材料。

所述单晶材料为单晶硅或单晶锗。

所述传感器102包括微机械结构；微机械结构为光学微镜。

所述传感器102为加速度传感器、陀螺、红外传感器阵列、麦克风、磁场传感器、电场传感器或组合传感器，组合传感器指在加速度传感器、陀螺、红外传感器阵列、麦克风、磁场传感器和电场传感器任选两种或两种以上形成的组合；

所述传感器102的外表面具有电子器件，电子器件为二极管、金属氧化物半导体（MOS）场效应晶体管或这两者的组合。

所述传感器组合装置104与信号处理组合装置209之间的缝隙部分或全部填充固体材料；

所述固体材料为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、有机高分子材料苯并环丁烯（BCB）、聚酰亚胺（PI）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、树脂、光刻胶或热固性材料。

三维集成悬空传感器的制造方法包括以下步骤：

1）如图1a和图1b所示，衬底201、埋氧化层100和顶层单晶材料101依次叠加形成绝缘衬底器件105，当顶层单晶材料101为顶层单晶硅时且衬底201为硅衬底时，绝缘衬底器件105为绝缘体上硅；当顶层单晶材料101为顶层单晶锗时且衬底201为锗衬底时，绝缘衬底器件105为绝缘体上锗；

在衬底201的表面制造信号处理电路202，在顶层单晶材料101表面制造传感器102；然后制造金属互连线203和钝化层204，实现传感器102与金属互连线203的连接，最后制造m个导电电极205，实现金属互连线203与导电电极205的连接；

2）如图2所示，依次去除顶层单晶材料101、埋氧化层100、衬底201和钝化层204，从而形成m个通孔206，m个通孔206分别正对着m个导电电极205，m个通孔206均呈竖直形状；

3）如图3所示，在顶层单晶材料101的表面和m个通孔206的侧壁淀积绝缘层207；

4）如图4所示，m个通孔206均具有两个端口：上端口和下端口，m个通孔206的上端口为m个通孔206的顶端，m个通孔206的下端口为m个通孔206的底端；

从m个导电电极205开始，自底向上地向m个通孔206中填充单一金属、合金、掺杂的多晶硅材料或导电高分子材料，并且至少在上述两个端口中的一个端口形成蘑菇状凸头，从而形成了m个三维互连线208，蘑菇状凸头的制作材料与m个通孔206中填充的材料相同；

在顶层单晶材料101的表面制造平面金属互连线301，m个三维互连线208通过平面金属互连线301与传感器102连接；

5）如图5所示，依次去除绝缘层207和顶层单晶材料101，从而形成n个深槽103，n个深槽103的底部均为埋氧化层100；

6）如图6所示，将六氟化硫气体通过n个深槽103引入埋氧化层100，从而刻蚀埋氧化层100。

在制造传感器102时，通过注入和退火来制造传感器102中的高温工艺器件，高温工艺器件为电阻、二极管和晶体管等器件。

利用反应离子深刻蚀方法，依次去除顶层单晶材料101、埋氧化层100、衬底201和钝化层204；

利用反应离子深刻蚀方法，依次去除绝缘层207和顶层单晶材料101，从而形成n个深槽103。

利用m个导电电极205作为导电介质，实施自底向上的单向电镀，向m个竖直的通孔206中填充单一金属、合金、掺杂的多晶硅材料或导电高分子材料。

下面是三维集成悬空传感器的制造方法的一个实施例：

1）如图1a和图1b所示，首先在绝缘体上硅（SOI）的衬底201的表面制造信号处理电路203，在顶层单晶材料101表面制造传感器102；然后制造金属互连线203和钝化层204，实现传感器102与金属互连线203的连接，最后制造m个导电电极205，实现金属互连线203与导电电极205的连接；

2）如图2所示，依次去除顶层单晶材料101（此时顶层单晶材料101为顶层单晶硅）、埋氧化层100、衬底201（此时衬底201为硅衬底）和钝化层204，从而形成m个通孔206，m个通孔206分别正对着m个导电电极205，m个通孔206均呈竖直形状；

3）如图3所示，在顶层单晶材料101的表面和m个通孔206的侧壁淀积绝缘层207；

4）如图4所示，m个通孔206均具有两个端口：上端口和下端口，m个通孔206的上端口为m个通孔206的顶端，m个通孔206的下端口为m个通孔206的底端；

利用m个导电电极205作为导电介质，实施自底向上的单向电镀，把m个通孔206内部填充铜，并在上端口处填充铜形成蘑菇状凸头，从而形成m个三维互连线208，形成m个三维互连线208用来固定顶层单晶材料101；

在顶层单晶材料101的表面制造平面金属互连线301，m个三维互连线208通过平面金属互连线301与传感器102连接；

5）如图5所示，利用反应离子深刻蚀，依次去除绝缘层207和顶层单晶材料101，从而形成n个深槽103，n个深槽103的底部均为埋氧化层100；传感器102成为独立的单元；

6）如图6所示，将六氟化硫气体通过n个深槽103引入埋氧化层100，从而实现对埋氧化层100的刻蚀，最终实现传感器102的悬空。此时，m个三维互连线208作为支撑传感器102悬空的机械结构，实现与信号处理电路203的电信号连接。

本发明公开一种实现传感器悬空并与信号处理电路集成的制造方法，该方法利用三维互连线将位于信号处理电路和传感器进行电连接，并通过三维互连线将传感器支撑悬空在顶层单晶材料的表面的上方。由于信号处理电路与传感器分别位于绝缘衬底器件的上下两面，使得信号处理电路不占用传感器一侧的面积，能够在减小使用面积的前提下实现传感器与信号处理电路的单片集成，对于大规模阵列式传感器具有重要意义。另外三维互连线长度较小，与通过引线键合方式实现的传感器与信号处理电路集成的方法相比，可以有效降低引线造成的寄生效应，提高传感器的信噪比。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.三维集成悬空传感器，其特征在于，在绝缘衬底器件（105）的上端制造传感器组合装置（104），在绝缘衬底器件（105）的下端制造信号处理组合装置（209）；信号处理组合装置（209）通过m个三维互连线（208）与传感器组合装置（104）连接在一起实现电信号连接，m个三维互连线（208）实现对传感器组合装置（104）的机械支撑；

传感器组合装置（104）由m个三维互连线（208）机械支撑，悬空在信号处理组合装置（209）的上方。

2.根据权利要求1所述的．三维集成悬空传感器，其特征在于，所述绝缘衬底器件（105）由衬底（201）、埋氧化层（100）和顶层单晶材料（101）组成；绝缘衬底器件（105）为绝缘体上硅或绝缘体上锗；当绝缘衬底器件（105）为绝缘体上硅时，顶层单晶材料（101）为单晶硅时，衬底（201）为硅衬底；当绝缘衬底器件（105）为绝缘体上锗时，顶层单晶材料（101）为单晶锗时，衬底（201）为锗衬底硅衬底或锗衬底；

所述m个三维互连线（208）均竖直地贯穿信号处理组合装置（209）和传感器组合装置（104），m个三维互连线（208）的两侧均为绝缘层（207），m个导电电极（205）分别通过m个三维互连线（208）连接传感器（102）；

传感器组合装置（104）的结构如下：顶层单晶材料（101）的上部具有传感器（102），绝缘层（207）淀积在顶层单晶材料（101）和传感器（102）的上方；n个深槽（103）均竖直地贯穿绝缘层（207）和顶层单晶材料（101）；

信号处理组合装置（209）的结构如下：衬底（201）的下部具有信号处理电路（202），金属互连线（203）与信号处理电路（202）连接，m个导电电极（205）均连接金属互连线（203），钝化层（204）包围着金属互连线（203）。

3.根据权利要求1所述的三维集成悬空传感器，其特征在于，所述三维互连线（208）实现支撑传感器组合装置（104）的功能；

所述三维互连线（208）的制作材料为单一金属、合金、掺杂的多晶硅材料或导电高分子材料；

单一金属为铜、钨、铝、镍、金、银或锡；

合金的制备过程如下：在铜、钨、铝、镍、金、银和锡中任选两种或两种以上的材料，然后将选取的材料制备成合金；

所述传感器（102）的制备材料为单晶材料、多晶材料、无定形材料或金属材料；

所述单晶材料为单晶硅或单晶锗。

4.根据权利要求1所述的三维集成悬空传感器，其特征在于，所述传感器（102）包括微机械结构；微机械结构为光学微镜。

5.根据权利要求1所述的三维集成悬空传感器，其特征在于，所述传感器（102）为加速度传感器、陀螺、红外传感器阵列、麦克风、磁场传感器、电场传感器或组合传感器，组合传感器指在加速度传感器、陀螺、红外传感器阵列、麦克风、磁场传感器和电场传感器任选两种或两种以上形成的组合。

6.根据权利要求1所述的三维集成悬空传感器，其特征在于，所述传感器（102）的外表面具有电子器件，电子器件为二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管或这两者的组合；

所述传感器组合装置（104）与信号处理组合装置（209）之间的缝隙部分或全部填充固体材料；

所述固体材料为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、有机高分子材料苯并环丁烯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、树脂、光刻胶或热固性材料。

7.三维集成悬空传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在衬底（201）的表面制造信号处理电路（202），在顶层单晶材料（101）表面制造传感器（102）；然后制造金属互连线（203）和钝化层（204），实现传感器（102）与金属互连线（203）的连接，最后制造m个导电电极（205），实现金属互连线（203）与导电电极（205）的连接；

2）依次去除顶层单晶材料（101）、埋氧化层（100）、衬底（201）和钝化层（204），从而形成m个通孔（206），m个通孔（206）分别正对着m个导电电极（205），m个通孔（206）均呈竖直形状；

3）在顶层单晶材料（101）的表面和m个通孔（206）的侧壁淀积绝缘层（207）；

4）m个通孔（206）均具有两个端口：上端口和下端口，m个通孔（206）的上端口为m个通孔（206）的顶端，m个通孔（206）的下端口为m个通孔（206）的底端；

从m个导电电极（205）开始，自底向上地向m个通孔（206）中填充单一金属、合金、掺杂的多晶硅材料或导电高分子材料，并且至少在上述两个端口中的一个端口形成蘑菇状凸头，从而形成了m个三维互连线（208），蘑菇状凸头的制作材料与m个通孔（206）中填充的材料相同；

在顶层单晶材料（101）的表面制造平面金属互连线（301），m个三维互连线（208）通过平面金属互连线（301）与传感器（102）连接；

5）依次去除绝缘层（207）和顶层单晶材料（101），从而形成n个深槽（103），n个深槽（103）的底部均为埋氧化层（100）；

6）将六氟化硫气体通过n个深槽（103）引入埋氧化层（100），从而刻蚀埋氧化层（100）。

8.根据权利要求7所述的三维集成悬空传感器的制造方法，其特征在于，在制造传感器（102）时，通过注入和退火来制造传感器（102）中的高温工艺器件，高温工艺器件为电阻、二极管和晶体管。

9.根据权利要求7所述的三维集成悬空传感器的制造方法，其特征在于，利用反应离子深刻蚀方法，依次去除顶层单晶材料（101）、埋氧化层（100）、衬底（201）和钝化层（204）；

利用反应离子深刻蚀方法，依次去除绝缘层（207）和顶层单晶材料（101），从而形成n个深槽（103）。

10.根据权利要求7所述的三维集成悬空传感器的制造方法，其特征在于，利用m个导电电极（205）作为导电介质，实施自底向上的单向电镀，向m个竖直的通孔（206）中填充单一金属、合金、掺杂的多晶硅材料或导电高分子材料。

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