CN103278149B

CN103278149B - 单轴折叠弹簧梁叉指电容加速度计

Info

Publication number: CN103278149B
Application number: CN201310243993.0A
Authority: CN
Inventors: 薛惠琼; 王玮冰; 田龙坤
Original assignee: Jiangsu IoT Research and Development Center
Current assignee: Beijing Zhongke Micro Intellectual Property Service Co.,Ltd.
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2033-06-19
Also published as: CN103278149A

Abstract

本发明涉及一种单轴折叠弹簧梁叉指电容加速度计，包括基底及结构层，结构层包括上下锚点、左右弹性梁、质量块、左右锚点；所述上下锚点靠近质量块的侧面上设有极板组，每对极板组包括第一极板和第二极板，质量块的上下侧面设有第三极板；其特征是：所述第三极板、左弹性梁、右弹性梁和质量块的结构自底层向上依次为第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层、第三介质层、第三金属层和钝化层，第一金属层和第二金属层由第一钨塞连接，第二金属层和第三金属层由第二钨塞连接；在结构层上刻蚀形成多个垂直于基底的侧墙，在基底上设置悬空结构。本发明所述电容加速度计的灵敏度高，提高了可制造性，制造成本低。

Description

单轴折叠弹簧梁叉指电容加速度计

技术领域

本发明涉及一种单轴折叠弹簧梁叉指电容加速度计，尤其是一种基于CMOS DPTM（Double Poly Triple Metal）混合信号工艺的的单轴折叠弹簧梁叉指电容加速度计，属于MEMS器件设计制造技术领域。

背景技术

惯性测量是MEMS 技术的一个主要应用方面。集成惯性传感器有着广泛的应用领域，包括汽车工程，航空导航，消费电子和军事运用等方面。

如今主流的加速度检测技术有：电容检测技术、压阻检测技术以及隧道效应电流检测技术。由于固有的电阻热噪声和电阻值温度变化的特性，基于压阻检测技术的加速度计测量精度较低，主要用于满足低端市场需求。隧道效应电流检测技术可以用于实现精度极高加速度计，但是制作隧道器件要求在尖端和电极间形成极小的间隙（<10 埃）同时要形成高压（>10V）。所以制造器件的成本很高，也很难实现系统集成。相比于前两种技术，电容检测在以下几点有突出的优势：低的温度系数、低功耗、良好的噪声性能，低的制造成本以及可以和现有的VLSI 技术兼容性。这一系列的优势使基于电容检测技术加速度计有着巨大的市场潜力，也使这方面的研究成为热点。

基于制造方法，微机械器件可以被划分为两大类：体材料加工得到的微机械器件和表面薄膜加工得到的微机械器件。体电容式加速度计相比于表面薄膜电容式加速度计有较高的灵敏度和较低的噪声。表面微机械技术的优势是相对低的制造成本。同时也能容易地实现 MEMS 和信号检测电路的单片集成。

通过对比一系列 MEMS 工艺，发现 CMOS MEMS 工艺最容易实现低成本和高性能的结合。这主要是因为 CMOS MEMS 工艺可以使用标准 CMOS 工艺线加工 MEMS 系统，从而实现了低成本。同时该工艺允许 MEMS 电容和检测电路间采用金属互连，而且这两个模块可以布置的很近，这大大减小了互连寄生参数，从而保证了高精度和低噪声性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种单轴折叠弹簧梁叉指电容加速度计，所述电容加速度计的灵敏度高，提高了可制造性，制造成本低。

按照本发明提供的技术方案，所述单轴折叠弹簧梁叉指电容加速度计，包括基底及基底上的结构层，结构层包括上锚点、下锚点、左弹性梁、右弹性梁、质量块、左锚点和右锚点，质量块的左端通过左弹性梁连接左锚点，质量块的右端通过右弹性梁连接右锚点；所述上锚点靠近质量块的侧面、以及下锚点靠近质量块的侧面上设有呈梳齿状排列的极板组，每对极板组包括第一极板和第二极板，质量块的上、下侧面分别设有呈梳齿状排列与极板组交错配置的第三极板，每对极板组位于两个第三极板的空隙之间；其特征是：所述第三极板、左弹性梁、右弹性梁和质量块的结构自底层向上依次为第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层、第三介质层、第三金属层和钝化层，第一金属层和第二金属层由设置在第二介质层中的第一钨塞连接，第二金属层和第三金属层由设置在第三介质层中的第二钨塞连接；所述第一极板的结构自底层向上依次为第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层、第三介质层和钝化层，第一金属层和第二金属层由设置在第二介质层中的第一钨塞连接；所述第二极板的结构自底层向上依次为第一介质层、第二介质层、第三介质层、第三金属层和钝化层；在第三极板、左弹性梁、右弹性梁、质量块、第一极板和第二极板的结构层上刻蚀形成多个垂直于基底的侧墙，侧墙由钝化层的上表面延伸至基底的上表面，在第三极板、左弹性梁、右弹性梁、质量块、第一极板和第二极板结构层下部的基底上设置悬空结构；所述上锚点和下锚点上包括第一凹陷部和第一凸出部；所述第一凸出部的结构自底层向上依次为第一介质层、第二介质层、第三介质层、第三金属层和钝化层；所述第一凹陷部的结构自底层向上依次为第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层和第三介质层，第一金属层和第二金属层由设置在第二介质层中的第一钨塞连接；所述左锚点和右锚点上包括第二凹陷部和第二凸出部；所述第二凸出部的结构自底层向上依次为第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层、第三介质层、第三金属层和钝化层，第一金属层和第二金属层由设置在第二介质层中的第一钨塞连接，第二金属层和第三金属层由设置在第三介质层中的第二钨塞连接；所述第二凹陷部的结构自底层向上依次为第一介质层、第一金属层、第二介质层、第二金属层和第三介质层，第一金属层和第二金属层由设置在第二介质层中的第一钨塞连接。

所述悬空结构在宽度方向上由基底的一侧向基底的另一侧延伸，且悬空结构的宽度小于基底的宽度；所述悬空结构在高度方向上由基底的上表面向基底的下表面延伸，且悬空结构的高度小于基底的高度。

所述质量块由若干部分组成，每部分之间均由连接梁连接；所述连接梁的结构层与质量块的结构层一致。

所述基底为硅基底。

本发明具有以下优点：（1）本发明利用 CMOS 技术中的介质层和金属层来加工微结构，实现了 MEMS 器件的低成本制造，同时也使 MEMS 和 CMOS 模拟数字电路的无缝集成成为可能；（2）本发明的微机械结构和检测电路间使用金属进行互连，相比于在多晶表面 MEMS 加速度计中用多晶硅做互连线，金属互连线的电阻很小，这就极大的减小了互连线的电阻热噪声，有利于提加速度计的灵敏度；又因为在微结构悬梁下有比较大的空隙层而且接口电阻可以布置在离CMOS MEMS加速度计很近的位置所以互连线产生的寄生电容也比多晶硅 MEMS 加速度计中的寄生电容小很多；（3）本发明的微机械结构中包含多个金属层，这就使得更加复杂、灵活的布线连接成为可能，而用多晶硅加工的表面 MEMS 加速度计由于使用同质材料很难实现这些复杂的微结构；（4）本发明不需要额外的掩膜和特殊的加工步骤，制造成本很低，整个工艺流程可在几小时内完成，释放的过程仅包括两步简单的干法刻蚀。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2～图11为本发明的制造工艺流程图，其中：

图2为得到第一介质层的示意图。

图3为得到第一金属层的示意图。

图4为得到第二介质层的示意图。

图5为在第二介质层中填充第一钨塞的示意图。

图6为得到第二金属层的示意图。

图7为得到第三介质层的示意图。

图8为得到第三金属层的示意图。

图9为得到钝化层的示意图。

图10为刻蚀形成侧墙的示意图。

图11为形成悬空结构后的示意图。

图12为第一极板的剖视图。

图13为第二极板的剖视图。

图14为上锚点和下锚点的剖视图。

图15为左锚点和右锚点的剖视图。

图16为淀积第一金属层和第二金属层的掩膜版的示意图。

图17为淀积第三金属层的掩膜版的示意图。

图18为第一钨塞的掩膜版的示意图。

图19为第二钨塞的掩膜版的示意图。

图20为钝化层的掩膜版的示意图。

图中的序号为：上锚点1-1、下锚点1-2、第一极板2-1、第二极板2-2、第三极板2-3、左弹性梁3-1、右弹性梁3-2、质量块4、连接梁5、左锚点6-1、右锚点6-2、基底10、第一介质层11、第一金属层12、第二介质层13、第一钨塞14、第二金属层15、第三介质层16、第三金属层17、钝化层18、第二钨塞19、侧墙20、悬空结构21、第一凹陷部22-1、第二凹陷部22-2、第一凸出部23-1、第二凸出部23-2。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1所示：本发明所述单轴折叠弹簧梁叉指电容加速度计包括基底10及基底10上的结构层，结构层包括上锚点1-1、下锚点1-2、左弹性梁3-1、右弹性梁3-2、质量块4、连接梁5、左锚点6-1和右锚点6-2；所述质量块4的左端通过左弹性梁3-1连接左锚点6-1，质量块4的右端通过右弹性梁3-2连接右锚点6-2，所述质量块4可分成若干部分，每部分之间均由连接梁5连接，这种结构可以一定程度上避免释放时多层结构中残留的应力在质量块伸展方向上存在变化梯度引起的弯曲，影响叉指电容结构总电容量下降的问题；

如图1所示，所述上锚点1-1靠近质量块4的侧面、以及下锚点1-2靠近质量块4的侧面上设有呈梳齿状排列的极板组，每对极板组包括第一极板2-1和第二极板2-2，质量块4的上、下侧面分别设有呈梳齿状排列与极板组交错配置的第三极板2-3，每对极板组位于两个第三极板2-3的空隙之间；

工作的时候质量块4连接的第三叉指电容2-3和第四叉指电容2-4与上锚点1-1和下锚点1-2连接的第一叉指电容2-1和第二叉指电容2-2在弹性梁的作用下相互作用，改变总电容量；

其中，所述的基底10为硅基底；

其中，如图11所示，所述第三极板2-3、左弹性梁3-1、右弹性梁3-2、质量块4和连接梁5的结构自底层向上依次为第一介质层11、第一金属层12、第二介质层13、第二金属层15、第三介质层16、第三金属层17和钝化层18，第一金属层12和第二金属层15由设置在第二介质层13中的第一钨塞14连接，第二金属层15和第三金属层17由设置在第三介质层16中的第二钨塞19连接；在第三极板2-3、左弹性梁3-1、右弹性梁3-2、质量块4和连接梁5的结构层上刻蚀形成多个垂直于基底10的侧墙20，侧墙20由钝化层18的上表面延伸至基底10的上表面，在第三极板2-3、左弹性梁3-1、右弹性梁3-2、质量块4和连接梁5结构层下部的基底10上设置悬空结构21；所述悬空结构21在宽度方向上由基底10的一侧向基底10的另一侧延伸，且悬空结构21的宽度小于基底10的宽度；所述悬空结构21在高度方向上由基底10的上表面向基底10的下表面延伸，且悬空结构21的高度小于基底10的高度；

如图12所示，所述第一极板2-1的结构自底层向上依次为第一介质层11、第一金属层12、第二介质层13、第二金属层15、第三介质层16和钝化层18，第一金属层12和第二金属层15由设置在第二介质层13中的第一钨塞14连接；在第一极板2-1的结构层上刻蚀形成多个垂直于基底10的侧墙20，侧墙20由钝化层18的上表面延伸至基底10的上表面，在第一极板2-1结构层下部的基底10上设置悬空结构21；所述悬空结构21在宽度方向上由基底10的一侧向基底10的另一侧延伸，且悬空结构21的宽度小于基底10的宽度；所述悬空结构21在高度方向上由基底10的上表面向基底10的下表面延伸，且悬空结构21的高度小于基底10的高度；

如图13所示，所述第二极板2-2的结构自底层向上依次为第一介质层11、第二介质层13、第三介质层16、第三金属层17和钝化层18；在第二极板2-2的结构层上刻蚀形成多个垂直于基底10的侧墙20，侧墙20由钝化层18的上表面延伸至基底10的上表面，在第二极板2-2结构层下部的基底10上设置悬空结构21；所述悬空结构21在宽度方向上由基底10的一侧向基底10的另一侧延伸，且悬空结构21的宽度小于基底10的宽度；所述悬空结构21在高度方向上由基底10的上表面向基底10的下表面延伸，且悬空结构21的高度小于基底10的高度；

如图14所示，所述上锚点1-1和下锚点1-2上包括第一凹陷部22-1和第一凸出部23-1；所述第一凸出部23-1的结构自底层向上依次为第一介质层11、第二介质层13、第三介质层16、第三金属层17和钝化层18；所述第一凹陷部22-1的结构自底层向上依次为第一介质层11、第一金属层12、第二介质层13、第二金属层15和第三介质层16，第一金属层12和第二金属层15由设置在第二介质层13中的第一钨塞14连接；

如图15所示，所述左锚点6-1和右锚点6-2上包括第二凹陷部22-2和第二凸出部23-2；所述第二凸出部23-2的结构自底层向上依次为第一介质层11、第一金属层12、第二介质层13、第二金属层15、第三介质层16、第三金属层17和钝化层18，第一金属层12和第二金属层15由设置在第二介质层13中的第一钨塞14连接，第二金属层15和第三金属层15由设置在第三介质层16中的第二钨塞19连接；所述第二凹陷部22-2的结构自底层向上依次为第一介质层11、第一金属层12、第二介质层13、第二金属层15和第三介质层16，第一金属层12和第二金属层15由设置在第二介质层13中的第一钨塞14连接。

制备上述单轴折叠弹簧梁叉指电容加速度计的方法，采用以下工艺步骤：

第一步：如图2所示，在硅基底10上淀积SiO₂介质，得到第一介质层11；

第二步：如图3所示，在第一介质层11上根据工艺规则和器件需求选择如图16所示的掩膜版淀积得到第一金属层12，第一介质层11和第一金属层12无电学相关；在掩膜版上设置释放孔，第一金属层12上通过掩膜版形成释放孔，为后续器件释放作准备；

第三步：如图4所示，在第一金属层12上淀积SiO₂介质，得到第二介质层13；

第四步：如图5所示，在第二介质层13上根据工艺规则和器件需求选择如图18所示的掩膜版做通孔，并在通孔中填充第一钨塞14，第一钨塞14用于连接第一金属层12和第二金属层15；

第五步：如图6所示，在第二介质层13上根据工艺规则和器件需求选择如图16所示的掩膜版淀积得到第二金属层15，第一金属层12和第二金属层15通过第一钨塞14相连；在掩膜版上设置释放孔，第二金属层15上通过掩膜版形成释放孔，为后续器件释放作准备；

第六步：如图7所示，在第二金属层15上淀积SiO₂介质，得到第三介质层16；在第三介质层16上根据工艺规则和器件需求选择如图19所示的掩膜版做通孔，并在通孔中填充第二钨塞19；

第七步：如图8所示，在第三介质层16上根据工艺规则和器件需求选择如图17所示的掩膜版淀积得到第三金属层17；

第八步：如图9所示，选择如图20所示的掩膜版在第三金属层17上表面形成钝化层18，钝化层18的掩膜版设置释放孔，为后续器件释放作准备；

第九步：利用第三金属层17做掩膜版在CMOS工艺后添加两步干法刻蚀来释放微机械结构；如图10所示，利用第三金属层17作掩膜版进行干法刻蚀，具体为采用 CHF₃和 He混合气体进行各向异性反应离子刻蚀除去没有金属铝覆盖的 SiO₂介质直到到达硅基底，形成垂直于硅基底的侧墙20；

第十步：如图11所示，使用He和 O₂混合气体进行各向同性离子刻蚀，以去除微结构梁下的Si来释放相应的微结构，从而在硅基底上形成悬空结构21。

Claims

1. 一种单轴折叠弹簧梁叉指电容加速度计，包括基底（10）及基底（10）上的结构层，结构层包括上锚点（1-1）、下锚点（1-2）、左弹性梁（3-1）、右弹性梁（3-2）、质量块（4）、左锚点（6-1）和右锚点（6-2），质量块（4）的左端通过左弹性梁（3-1）连接左锚点（6-1），质量块（4）的右端通过右弹性梁（3-2）连接右锚点（6-2）；所述上锚点（1-1）靠近质量块（4）的侧面、以及下锚点（1-2）靠近质量块（4）的侧面上设有呈梳齿状排列的极板组，每对极板组包括第一极板（2-1）和第二极板（2-2），质量块（4）的上、下侧面分别设有呈梳齿状排列与极板组交错配置的第三极板（2-3），每对极板组位于两个第三极板（2-3）的空隙之间；其特征是：所述第三极板（2-3）、左弹性梁（3-1）、右弹性梁（3-2）和质量块（4）的结构自底层向上依次为第一介质层（11）、第一金属层（12）、第二介质层（13）、第二金属层（15）、第三介质层（16）、第三金属层（17）和钝化层（18），第一金属层（12）和第二金属层（15）由设置在第二介质层（13）中的第一钨塞（14）连接，第二金属层（15）和第三金属层（17）由设置在第三介质层（16）中的第二钨塞（19）连接；所述第一极板（2-1）的结构自底层向上依次为第一介质层（11）、第一金属层（12）、第二介质层（13）、第二金属层（15）、第三介质层（16）和钝化层（18），第一金属层（12）和第二金属层（15）由设置在第二介质层（13）中的第一钨塞（14）连接；所述第二极板（2-2）的结构自底层向上依次为第一介质层（11）、第二介质层（13）、第三介质层（16）、第三金属层（17）和钝化层（18）；在第三极板（2-3）、左弹性梁（3-1）、右弹性梁（3-2）、质量块（4）、第一极板（2-1）和第二极板（2-2）的结构层上刻蚀形成多个垂直于基底（10）的侧墙（20），侧墙（20）由钝化层（18）的上表面延伸至基底（10）的上表面，在第三极板（2-3）、左弹性梁（3-1）、右弹性梁（3-2）、质量块（4）、第一极板（2-1）和第二极板（2-2）结构层下部的基底（10）上设置悬空结构（21）；所述上锚点（1-1）和下锚点（1-2）上包括第一凹陷部（22-1）和第一凸出部（23-1）；所述第一凸出部（23-1）的结构自底层向上依次为第一介质层（11）、第二介质层（13）、第三介质层（16）、第三金属层（17）和钝化层（18）；所述第一凹陷部（22-1）的结构自底层向上依次为第一介质层（11）、第一金属层（12）、第二介质层（13）、第二金属层（15）和第三介质层（16），第一金属层（12）和第二金属层（15）由设置在第二介质层（13）中的第一钨塞（14）连接；所述左锚点（6-1）和右锚点（6-2）上包括第二凹陷部（22-2）和第二凸出部（23-2）；所述第二凸出部（23-2）的结构自底层向上依次为第一介质层（11）、第一金属层（12）、第二介质层（13）、第二金属层（15）、第三介质层（16）、第三金属层（17）和钝化层（18），第一金属层（12）和第二金属层（15）由设置在第二介质层（13）中的第一钨塞（14）连接，第二金属层（15）和第三金属层（15）由设置在第三介质层（16）中的第二钨塞（19）连接；所述第二凹陷部（22-2）的结构自底层向上依次为第一介质层（11）、第一金属层（12）、第二介质层（13）、第二金属层（15）和第三介质层（16），第一金属层（12）和第二金属层（15）由设置在第二介质层（13）中的第一钨塞（14）连接。

2.如权利要求1所述的单轴折叠弹簧梁叉指电容加速度计，其特征是：所述悬空结构（21）在宽度方向上由基底（10）的一侧向基底（10）的另一侧延伸，且悬空结构（21）的宽度小于基底（10）的宽度；所述悬空结构（21）在高度方向上由基底（10）的上表面向基底（10）的下表面延伸，且悬空结构（21）的高度小于基底（10）的高度。

3.如权利要求1所述的单轴折叠弹簧梁叉指电容加速度计，其特征是：所述质量块（4）由若干部分组成，每部分之间均由连接梁（5）连接；所述连接梁（5）的结构层与质量块（4）的结构层一致。

4.如权利要求1所述的单轴折叠弹簧梁叉指电容加速度计，其特征是：所述基底（10）为硅基底。