CN104297520A - 一种单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子机械(MEMS)加工领域，尤其涉及一种单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器。本发明的目的在于，设计一种单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器，并给出一种制造该传感器的典型加工方法。所述复合传感器为一体式设计，所述加速度计包括带力敏电阻的质量块一弹性膜片结构，所述压力计包括带有力敏电阻的压力敏感膜片和密封的预制空腔。所述方法包括如下步骤：应力集中结构加工步骤(可选)；敏感电阻加工步骤；金属引线层加工步骤；加速度计质量块一弹性膜结构加工步骤。本发明将加速度计和压力计设计在同一区域本，节约了芯片面积，在较小面积下实现较高的灵敏度，所制造的传感器同时具有压力计和加速度计功能。
Description
技术领域
[0001] 本发明涉及微电子机械(MEMS)加工领域，尤其涉及一种单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器。
背景技术
[0002] tpms加速度传感器和压力传感器,在航天、航空、航海、石油化工、汽车制造、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域有着广泛的应用。微电子机械(MEMS)压阻式传感器，是通过MEMS加工技术，利用单晶硅的压阻效应，制造出的传感器芯片。因其具有体积小，精度高，成本低，可以批量生产的特点，而具有广泛的应用空间和市场前景。
[0003] 压阻式微电子机械传感器具有输出线性好，灵敏度高，工作温度范围大，动态响应特性好等优点。其工艺与1C工艺兼容。自上世纪70年代制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器以来，发展迅速。由于性能的不断提高和设计的不断完善，应用性不断提高。
[0004] 2009年，Quan Wang等人报道了一个集成热传导加速度计和压阻压力计的车用集成传感器，通过各向异性腐蚀获得热对流传导加速度计中的悬臂梁和表面牺牲层工艺制备压力计的腔体，并通过外加盖片对加速度计进行保护。该工艺的特点在于较小的加速度计体积，但由于热对流传导检测原理导致加速度机的响应频率较低。
[0005] 2011年，C.Z.Wei等人通过表面工艺，在硅上集成了一个量程550KPa的压力传感器和一个-25g〜+125g量程的压阻加速度计。该工艺通过表面牺牲层工艺制备压力计的真空腔体和加速度计质量块的活动间隙，并通过类LIGA工艺在质量块表面电镀9um铜层增加质量块的质量。该工艺具备小尺寸和高性能的优点，但由于表面工艺中多晶硅层较薄，需采用大厚度镀铜工艺增加质量块质量。
[0006] 2011年，Jiachou Wang等人报道了通过表面各向异性腐蚀在〈111〉晶面上制备形状，厚度可控的内埋空腔，并通过淀积多晶硅封闭腐蚀孔道获得真空腔的工艺，并通过该工艺得到的空腔制备集成加速度计和压力计的传感器。该传感器实现了较大厚度的带单晶硅膜空腔加工，但工艺限制为(111)晶面而非常用的(100)晶面，该晶面的横向压阻系数小导致器件灵敏度降低。
[0007] 上述设计中，表面牺牲层技术，由于受到多晶硅材料应变系数小且生长厚度受限，而以(111)晶面作为工艺面同样会降低器件灵敏度，导致传感器性能难以提高。且压力传感器与加速度传感器分开，占用基片面积较大。
发明内容
[0008] 本发明的目的在于，设计一种单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器，并给出一种制造该传感器的典型加工方法，以至少解决上述问题之一。
[0009] 本发明设计了一种单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器，并提供了一种典型的加工方法，所述复合传感器为一体式设计，加速度计与压力计在同一基片同一表面积上加工而成。所述加速度计包括带力敏电阻的质量块-弹性膜片结构，所述压力计包括带有力敏电阻的压力敏感膜片和密封的预制空腔。
[0010] 所述方法包括如下步骤:1.应力集中结构加工步骤(可选):在基片正面器件层上，利用腐蚀或刻蚀的方法加工出凹槽，形成应力集中带；2.敏感电阻加工步骤:在基片器件层上加工出一定掺杂浓度的电阻条，作为加速度计和压力计的力敏电阻。同时加工出用于温度补偿的温敏电阻。3.金属引线层加工步骤:在加工有敏感电阻的的基片表面加工出金属引线；4.加速度计质量块-弹性膜结构加工步骤:从基片背面，刻蚀或腐蚀出空腔，从而在正面形成厚度较薄的弹性膜以及未经过刻蚀厚度较大的质量块，构成可动的质量块-弹性膜结构。
[0011] 上述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的加工方法，优选所述应力集中结构加工步骤包括:在器件层表面通过刻蚀或者腐蚀的方法形成凹槽，形成应力集中带。
[0012] 上述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的加工方法的应力集中结构加工步骤中，所述刻蚀方法为反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀。所述腐蚀方法为TMAH腐蚀或Κ0Η腐蚀。
[0013] 上述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的加工方法，优选所述敏感电阻的加工步骤包括:器件层表面电阻掺杂步骤，通过扩散或注入在器件层特定区域进行与器件层原掺杂类型相反的掺杂，形成一定掺杂浓度的力敏电阻和温敏电阻；欧姆接触区掺杂步骤，通过扩散或注入在基片单晶硅器件层上形成重掺杂区，形成欧姆接触区。
[0014] 上述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的加工方法的敏感电阻加工步骤中，所述单晶硅圆片器件层初始掺杂类型为N型，晶向为(100)。
[0015] 上述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的加工方法的敏感电阻加工步骤中，所述单晶硅圆片器件层初始掺杂类型为N型，晶向为(100)。
[0016] 上述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的加工方法，优选金属引线层加工步骤包括:金属层生长步骤，在器件层表面生长金属，并光刻图形化形成电极和引线图形；钝化层生长步骤，在器件层表面生长钝化层，并光刻图形化形成钝化层图形，覆盖压焊电极之外的所有部分。
[0017] 上述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的加工方法的金属引线层加工步骤中，所述金属层成分为铝层，生长方法为溅射。
[0018] 上述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的加工方法的金属引线层加工步骤中，所述金属层图形化方法为剥离工艺。
[0019] 上述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的加工方法的金属引线层加工步骤中，所述钝化层成分为氮化硅。
[0020] 上述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的加工方法的金属引线层加工步骤中，所述钝化层图形化方法为反应离子刻蚀。
[0021] 上述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的加工方法优选加速度质量块-弹性膜结构加工步骤包括:从单晶硅圆片背面进行刻蚀或腐蚀，形成可动的质量块-弹性膜结构以及质量块随加速度变化移动所需的间隙。
[0022] 上述加工方法中，所述刻蚀为电感耦合等离子体刻蚀。
[0023] 上述加工方法中，所述腐蚀工艺为氢氧化钾腐蚀。如选择腐蚀工艺，则需要在上述敏感电阻加工步骤完成后，上述金属引线层加工步骤开始前，加入一步等离子增强化学气象淀积氮化硅，作为腐蚀掩膜。并在腐蚀前通过反应离子刻蚀将其图形化，其他步骤及顺序不变。
[0024] 上述加工方法中，所述刻蚀区域位于预制空腔所在区域以外，刻蚀不打通空腔。
[0025] 相对于现有技术，本发明具有如下优点:
[0026] 第一，本发明将加速度计和压力计设计在同一区域，不同于简单相加式的组合，而是在加速度传感器内部集成压力传感器，极大的提高了芯片表面利用率，实现同一器件的多功能化。
[0027] 第二，本发明中加速度计使用基片衬底层硅作为质量块，可以在较小面积下实现较高的灵敏度，减小单个器件所占面积，增加了每片基片上生成的器件个数。敏感膜结构相对于悬臂梁结构可靠性更高，不易损坏，提高成品率。从而提高产量降低成本。
[0028] 第三，本发明使用带有预制空腔的单晶硅圆片作为加工基片，预制的空腔作为压力传感器腔体，并且同时加工出两种传感器所需的敏感电阻以及温敏电阻，使加工工艺得至IJ简化，降低了加工难度，便于实际生产。
[0029] 第四，本发明所制造的传感器同时具有压力计和加速度计功能，既可同时工作互补影响，又可独立工作。适用于需要两种传感器共同工作的场合；同时与单独的加速度传感器和压力传感器相比，工艺并不更加复杂，尺寸也没有更大，在只需单一种类传感器的场合应用同样具有竞争力。因此，应用领域广泛。
附图说明
:
[0030] 图1A为本发明所述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的结构示意图；
[0031] 图1B为本发明所述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的A-A’方向剖面视图；
[0032] 图2为本发明所述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的加工流程图；
[0033] 图3为本发明所述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的主要工艺过程剖面示意图；
具体实施方式
:
[0034] 为使本发明的上述目的，特征和优点能够:更加明显易懂，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0035] 如图1A〜图1B所示，单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器包括压力传感器力敏电阻21，加速度传感器力敏电阻22，温敏电阻23，金属引线24，压焊电极25a_25 j。
[0036] 图2为本发明所述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器加工步骤流程图，包括应力集中结构加工步骤(可选)，力敏电阻加工步骤101:在所述预制空腔SOI基片的器件层上加工出一定掺杂浓度的力敏电阻条与重掺杂的欧姆接触区；金属引线层加工步骤102:在所述加工有力敏电阻与欧姆接触区的SOI基片上加工金属引线层；加速度计质量块-弹性膜结构加工步骤103:从SOI基片背面，刻蚀或腐蚀出空腔，从而在正面形成厚度较薄的弹性膜以及未经过刻蚀厚度较大的质量块，构成可动的质量块-弹性膜结构。
[0037] 图3(a)_3(q)为本发明所述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的主要工艺流程剖面图。使用原料基片以带有预制空腔的SOI单晶硅圆片为例，若使用非SOI基片，则不存在图三中的埋氧层2，其他结构和方法不变。
[0038] 图3(a)为制备集成加速度计和压力计的基片预制空腔的单器件层SOI单晶硅圆片，包含器件层1埋氧层2和衬底层3，以及预制空腔4。
[0039] 经过热氧化生长得到二氧化硅层5如图3(b)所示，并经过光刻、刻蚀工艺进行图形化后，在单器件层SOI单晶硅圆片的正面得到二氧化硅掩模，如图3(c)所示。
[0040] 如图3(d)所示以二氧化硅为掩模进行腐蚀，腐蚀完成后使用氢氟酸或者BHF溶液去除二氧化硅掩模，得到本专利所述应力集中结构6。
[0041] 再一次在器件层表面热氧化生长形成二氧化硅层7，如图3(e)所示。
[0042] 经过光刻图形化二氧化硅层形成离子注入掩模，如图3(f)所示。
[0043] 如图3(f)所示以二氧化硅为掩模进行离子注入，得到本专利所述重掺杂欧姆接触区8如图3(g)所示。
[0044] 在得到重掺杂欧姆接触区以后，经过光刻、刻蚀工艺进行图形化，在二氧化硅掩模上刻蚀出敏感电阻条的注入孔，如图3(h)所示。
[0045] 通过二氧化硅掩模上的注入孔进行离子注入，得到本专利所述力敏电阻条和温敏电阻条9如图3(i)。
[0046] 在得到力敏电阻条和温敏电阻条以后，去除二氧化硅掩模，如图所示淀积二氧化硅绝缘层10，并进行退火激活注入离子，在背面PECVD —层氮化硅16，如图3 (j)。
[0047] 如图3(k)所示，在二氧化硅绝缘层10上光刻并图形化引线孔11。
[0048] 在基片的正面溅射硅铝形成金属电极层12(a)，如图3(1)所示。
[0049] 腐蚀工艺光刻，图形化金属得到金属引线12(b)如图3(m)。
[0050] 在金属加工完成后，在基片表面淀积氮化硅钝化层13，并如图3 (η)所示。
[0051] 光刻，图形化出压焊窗口 14，将压焊电极15暴露在外如图3(0)。
[0052] 基片背面光刻刻蚀图形化氮化硅，形成背腔腐蚀掩膜，如图3 (ρ)。
[0053] 正面涂primer胶保护，氢氧化钾Κ0Η腐蚀背腔17，如图3 (q)。
[0054] 以上对本发明所述的一种单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器的加工方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上示例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器，所述加速度计包括带力敏电阻的质量块-弹性膜片结构，所述压力计包括带有力敏电阻的压力敏感膜片和密封的预制空腔。
2.上述传感器的加工方法包括:应力集中结构加工步骤(可选):在SOI基片正面器件层上，利用腐蚀或刻蚀的方法加工出凹槽，形成应力集中带；敏感电阻加工步骤:在SOI基片器件层上加工出一定掺杂浓度的电阻条，作为加速度计和压力计的力敏电阻。同时加工出用于温度补偿的温敏电阻。金属引线层加工步骤:在加工有敏感电阻的的SOI基片表面加工出金属引线；加速度计质量块-弹性膜结构加工步骤:从SOI基片背面，刻蚀或腐蚀出空腔，从而在正面形成厚度较薄的弹性膜以及未经过刻蚀厚度较大的质量块，构成可动的质量块-弹性膜结构。
3.根据权利要求1所述单片嵌入结构集成硅加速度和压力复合传感器，其特征在于将加速度计和压力计设计在同一区域，不同于简单相加式的组合，而是在加速度传感器内部集成压力传感器，极大的提高了芯片表面利用率，实现同一器件的多功能化；本发明使用带有预制空腔的单晶硅圆片作为加工基片，预制的空腔作为压力传感器腔体，并且同时加工出两种传感器所需的敏感电阻以及温敏电阻；本发明所制造的传感器同时具有压力计和加速度计功能，且既可同时工作，又可独立工作。
4.根据权利要求2所述的复合传感器的加工方法，其特征在于，所述应力集中结构加工步骤包括:在器件层表面通过刻蚀或者腐蚀的方法形成凹槽，形成应力集中带。所述刻蚀方法为反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀。所述腐蚀方法为TMAH腐蚀或KOH腐蚀。
5.根据权利要求2所述的复合传感器的加工方法，其特征在于，所述敏感电阻的加工步骤包括:器件层表面电阻掺杂步骤，通过扩散或注入在器件层特定区域进行与器件层原掺杂类型相反的掺杂，形成一定掺杂浓度的力敏电阻和温敏电阻；欧姆接触区掺杂步骤，通过扩散或注入在基片单晶硅器件层上形成重掺杂区，形成欧姆接触区。
6.根据权利要求2所述的复合传感器的加工方法，其特征在于，所述金属引线层加工步骤包括:金属层生长步骤，在器件层表面生长金属，并光刻图形化形成电极图形；钝化层生长步骤，在器件层表面生长钝化层，并光刻图形化形成钝化层图形。
7.根据权利要求2所述的复合传感器的加工方法，其特征在于，加速度质量块-弹性膜结构加工步骤包括:从单晶硅圆片背面进行刻蚀或腐蚀，形成可动的质量块-弹性膜结构以及质量块随加速度变化移动所需的间隙。所述刻蚀为电感耦合等离子体刻蚀；所述腐蚀工艺为氢氧化钾腐蚀。
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