CN105424090A - 一种mems压阻式复合传感器及其加工方法 - Google Patents

一种mems压阻式复合传感器及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种MEMS压阻式复合传感器，包括衬底硅以及用于形成加速度传感器、压力传感器以及温度传感器的顶层硅，衬底硅与顶层硅相对绝缘设置，顶层硅远离衬底硅的一侧为晶圆表面，晶圆表面并位于加速度传感器外部设置有电隔离沟槽，在顶层硅上并设置有连通晶圆表面以及衬底硅的导电结构，衬底硅与加速度传感器构成机械可动电容结构；通过设计一种MEMS压阻式复合传感器，其加速度传感器可以通过静电力使加速度传感器产生变形而引起压阻结构电阻值的变化，进而产生输出信号，从而实现晶圆级自检测功能，降低传感器检测成本。本发明还公开一种MEMS压阻式复合传感器的加工方法，用于加工如上的MEMS压阻式复合传感器。

Description

一种MEMS压阻式复合传感器及其加工方法
技术领域
本发明涉及传感器加工技术领域，尤其涉及一种MEMS压阻式复合传感器及其加工方法。
背景技术
复合传感器包括了压力传感器、加速度传感器及温度传感器。集成压阻式复合传感器的标定与检测都非常困难。其中压阻式压力传感器的标定与检测可以做到晶圆级，通常采用带环境压力控制腔体的探针台来进行。在进行晶圆级测试的时候，首先探针接触传感器的引脚区域，然后通过对实验腔体里施加不同的压力，来测试压力传感器的性能。而压阻式复合传感器中加速度传感器的晶圆级标定与检测就非常困难。一旦出现加速度传感器失效，那么损失的不仅包括加速度传感器，还包括压力传感器、温度传感器以及模块的封装成本以及模块内集成的其他器件，例如控制IC。因此产业界急需一种压阻式复合传感器，可以进行晶圆级的测试、标定，在封装成模块之前就剔除不良产品，降低由于传感器失效造成的成本损失。
中国专利文献CN102285633B公开复合集成传感器结构及其加工方法，该专利利用<111>晶向晶圆的湿法腐蚀特性，在晶圆的一面腐蚀出两个厚度一样的硅膜和空腔(大小不一样)。硅膜用来制造压力传感器的压力敏感膜和加速度传感器的悬臂梁及部分质量块。为了增加加速度传感器的灵敏度，在硅质量块的表面电镀其他材料(例如铜)来增加质量块的质量。
中国专利文献CN104058361A公开利用Cavity-SOI晶圆,制造压阻式复合传感器。预先做好的空腔和对应的硅膜分别用来制作压力传感器和加速度传感器。对于加速度传感器，利用硅膜和增厚的金属作为加速度传感器的质量块。
上述专利文献各自描述了压阻式复合传感器的制造方法，但是其压阻式加速度传感器部分本身都不具备晶圆级自检测功能，需要封装成模块以后才能标定、测试，导致生产的风险和成本较高。
发明内容
本发明的一个目的在于：通过设计一种MEMS压阻式复合传感器其可以通过静电力使其中的加速度传感器产生变形而引起压阻结构电阻值的变化，从而实现晶圆级自检测功能，降低传感器检测成本。
本发明的另一个目的在于：提供一种MEMS压阻式复合传感器的加工方法，用于加工如上所述的MEMS压阻式复合传感器。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，提供一种MEMS压阻式复合传感器，包括衬底硅以及用于形成加速度传感器、压力传感器以及温度传感器的顶层硅，所述衬底硅与所述顶层硅相对绝缘设置，所述顶层硅远离所述衬底硅的一侧为晶圆表面，所述晶圆表面并位于所述加速度传感器外部设置有电隔离沟槽，在所述顶层硅上并设置有连通所述晶圆表面以及所述衬底硅的导电结构，衬底硅与加速度传感器构成机械可动电容结构。
另一方面，提供一种MEMS压阻式复合传感器的加工方法，提供具有第一预制空腔以及第二预制空腔的衬底硅，在所述衬底硅上形成所述预制空腔的一侧制作绝缘层，在绝缘层表面制作顶层硅；生长第一层掩膜层，图形化包括了后续用于电隔离的沟槽图案和后续用于电连接衬底硅与晶圆表面的圆形或者矩形电连接孔，刻蚀掩膜层、顶层硅以及绝缘层，露出衬底硅，进行侧壁保护以后淀积导电连接层，去除晶圆表面的导电连接层以后进行压阻、参考电阻和电极接触区的图形化、掺杂与活化，淀积并图形化金属层以后淀积钝化层，淀积质量块并图形化，最后释放加速度传感器并键合上盖板进行保护。
作为MEMS压阻式复合传感器的加工方法的一种优选技术方案，其包括以下步骤：
步骤S1、提供衬底硅，在所述衬底硅上制作用于形成压力传感器的第一预制空腔以及用于形成加速度传感器悬臂梁以及质量块运动的第二预制空腔；
步骤S2、在所述衬底硅上形成所述预制空腔的一侧制作绝缘层，在绝缘层表面制作顶层硅；
步骤S3、生长第一层掩膜层，并在所述第一层掩膜层上进行图形化处理，形成电隔离沟槽图案以及电连接孔图案；
步骤S4、刻蚀掩膜层、顶层硅以及绝缘层，露出衬底硅,以形成电隔离沟槽以及电连接孔；
步骤S5、生长侧壁保护层，于步骤S4中形成的凹槽侧壁上形成保护层，对侧壁进行保护，所述侧壁保护层可以是二氧化硅或者二氧化硅和氮化硅的复合层；
步骤S6、生长电连接层，在电隔离沟槽和电连接孔中形成电连接层；
步骤S7、去除晶圆表面的第一层掩膜层，并重新生长第二层掩膜层；
步骤S8、图形化、掺杂并活化，分别形成温度传感器、压阻、参考电阻和电极接触区；
步骤S9、图形化第二层掩膜层并刻蚀，保证暴露出部分掺杂形成的温度传感器、压阻、参考电阻和电极接触区，形成接触孔；
步骤S10、淀积并图形化金属，所述图形化金属所采用的金属材料可以为铝或者铝硅；
步骤S11、淀积并图形化钝化层，露出部分金属；
步骤S12、图形化顶层硅，刻蚀穿钝化层、第二层掩膜层、顶层硅和绝缘氧化层，释放加速度传感器结构；
步骤S13、键合盖板，通过盖板保护加速度传感器的可动部分。
作为MEMS压阻式复合传感器的加工方法的一种优选技术方案，顶层硅和衬底硅都采用<100>晶向、N型掺杂。
作为MEMS压阻式复合传感器的加工方法的一种优选技术方案，步骤S5中所述生长侧壁保护层包括：
步骤S5a、于晶圆表面生长保护层；
步骤S5b、不图形化，直接刻蚀，去除晶圆表面和凹槽底部的保护层，只在凹槽的侧壁保留保护层。
作为MEMS压阻式复合传感器的加工方法的一种优选技术方案，步骤S6中所述生长电连接层可以是通过低压化学汽相淀积(LPCVD)或者外延生长掺杂多晶硅。
作为MEMS压阻式复合传感器的加工方法的一种优选技术方案，所述N型掺杂顶层硅的掺杂方式为：温度传感器、压阻和掺杂电阻采用P型掺杂，而其它电连接区域采用N型掺杂。
作为MEMS压阻式复合传感器的加工方法的一种优选技术方案，于所述步骤S10淀积并图形化金属之后进行步骤S101、淀积钝化层对金属进行保护，所述钝化层可以为等离子增强化学气相淀积(PECVD)的氮化硅或者氧化硅。
作为MEMS压阻式复合传感器的加工方法的一种优选技术方案，于所述步骤S101淀积钝化层对金属进行保护之后进行步骤S102、淀积并图形化质量块。
作为MEMS压阻式复合传感器的加工方法的一种优选技术方案，步骤S102所述淀积并图形化质量块为：在加速度传感器的悬臂梁活动端淀积并图形化一层配重材料，形成质量块，所述质量块的材料可以为金属或半导体材料。
本发明的有益效果为：所发明的MEMS压阻式复合传感器的加速度传感器的自检测的方式是利用静电力使加速度传感器的悬臂梁产生形变，进而导致压阻结构电阻值的变化,从而检测加速度传感器的性能；利用静电力的自检测方案与现有的晶圆级测试探针台完全兼容，无需额外配置其他设备，简化了测试设备的固定成本投入。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1A为实施例所述预制有空腔的晶圆结构横截面示意图。
图1B为实施例所述预制有空腔的晶圆结构俯视图。
图2A为实施例所述生长第一层掩膜层并图形化后结构横截面示意图。
图2B为实施例所述生长第一层掩膜层并图形化后结构俯视图。
图3为实施例所述生长第二层掩膜层结构横截面示意图。
图4为实施例所述刻蚀并形成侧壁保护层结构横截面示意图。
图5为实施例所述生长电连接层结构横截面示意图。
图6A为实施例所述刻蚀去除部分电连接层结构横截面示意图。
图6B为实施例所述刻蚀去除部分电连接层结构俯视图。
图7为实施例所述重新生长第二层掩膜层结构横截面示意图。
图8A为实施例所述形成温度传感器、压阻、参考电阻和电接触结构横截面示意图。
图8B为实施例所述形成温度传感器、压阻、参考电阻和电接触结构俯视图。
图9为实施例所述图形化第二层掩膜层，形成接触孔结构横截面示意图。
图10A为实施例所述淀积并图形化金属结构横截面示意图。
图10B为实施例所述淀积并图形化金属结构俯视图。
图11为实施例所述淀积钝化层结构横截面示意图。
图12A为实施例所述淀积并图形化质量块结构横截面示意图。
图12B为实施例所述淀积并图形化质量块结构俯视图。
图13为实施例所述图形化钝化层结构横截面示意图。
图14A为实施例所述释放加速度传感器结构横截面示意图。
图14B为实施例所述释放加速度传感器俯视图。
图15为实施例所述建和保护盖板结构横截面示意图。
图16为实施例所述MEMS压阻式复合传感器晶圆级测试状态横截面示意图。
图中：
100、衬底硅；101、第一空腔；102、第二空腔；103、绝缘层；104、顶层硅；105、第一层掩膜层；106、沟槽；107、电连接孔；108、侧壁保护层；109、电连接层；110、第二层掩膜层；111、电极接触区；112、压阻；113、参考电阻；114、温度传感器；115、金属层；116、钝化层；117、质量块；118、释放槽；119、盖板。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
一种MEMS压阻式复合传感器的加工方法，提供具有第一预制空腔以及第二预制空腔的衬底硅，在所述衬底硅上形成所述预制空腔的一侧制作绝缘层，在绝缘层表面制作顶层硅；生长第一层掩膜层，图形化包括了后续用于电隔离的沟槽图案和后续用于电连接衬底硅与晶圆表面的圆形或者矩形电连接孔，刻蚀掩膜层、顶层硅以及绝缘层，露出衬底硅，进行侧壁保护以后淀积导电连接层，去除晶圆表面的导电连接层以后进行温度传感器、压阻、参考电阻和电极接触区的图形化、掺杂与活化，淀积并图形化金属层以后淀积钝化层，淀积质量块并图形化，最后释放加速度传感器并键合上盖板进行保护。
具体包括以下步骤：
步骤S1、提供衬底硅，在所述衬底硅上制作用于形成压力传感器的第一预制空腔以及用于形成加速度传感器悬臂梁以及质量块运动的第二预制空腔；
步骤S2、在所述衬底硅上形成所述预制空腔的一侧制作绝缘层，在绝缘层表面制作顶层硅；
步骤S3、生长第一层掩膜层，并在所述第一层掩膜层上进行图形化处理，形成电隔离沟槽图案以及电连接孔图案；
步骤S4、刻蚀掩膜层、顶层硅以及绝缘层，露出衬底硅，以形成电隔离沟槽以及电连接孔；
步骤S5、生长侧壁保护层，于步骤S4中形成的凹槽侧壁上形成保护层，对侧壁进行保护，所述侧壁保护层可以是二氧化硅或者二氧化硅和氮化硅的复合层；
步骤S6、生长电连接层，在电隔离沟槽和电连接孔中形成电连接层；
步骤S7、去除晶圆表面的第一层掩膜层，并重新生长第二层掩膜层；
步骤S8、图形化、掺杂并活化顶层硅，分别形成温度传感器、参考电阻和电接触；
步骤S9、图形化第二层掩膜层并刻蚀，保证暴露出部分掺杂形成的温度传感器、压阻区、参考电阻区和电极，形成接触孔；
步骤S10、淀积并图形化金属，所述图形化金属所采用的金属材料可以为铝或者铝硅；
步骤S11、淀积并图形化钝化层，露出部分金属；
步骤S12、图形化顶层硅，干法刻蚀穿钝化层、第二层掩膜层、顶层硅和绝缘氧化层，释放加速度传感器结构；
步骤S13、键合盖板，通过盖板保护加速度传感器的可动部分。
本发明中，顶层硅和衬底硅都采用<100>晶向、N型掺杂。
步骤S5中所述生长侧壁保护层包括：
步骤S5a、于晶圆表面生保护层；
步骤S5b、不图形化，直接刻蚀，去除晶圆表面和凹槽底部的保护层，只在凹槽的侧壁保留保护层。
步骤S6中所述生长电连接层可以是通过低压化学汽相淀积(LPCVD)或者外延生长掺杂多晶硅。
所述N型掺杂顶层硅的掺杂方式为：温度传感器、压阻和掺杂电阻采用P型掺杂，而其它电连接区域采用N型掺杂。
于所述步骤S10淀积并图形化金属之后进行步骤S101、淀积钝化层对金属进行保护，所述钝化层可以为等离子增强化学气相淀积(PECVD)的氮化硅或者氧化硅。
于所述步骤S101淀积钝化层对金属进行保护之后进行步骤S102、淀积并图形化质量块。
步骤S102所述淀积并图形化质量块为：在加速度传感器的悬臂梁活动端淀积并图形化一层配重材料，形成质量块，所述质量块的材料可以为金属或半导体材料。
具体的，于本实施例中本工艺流程基于Cavity-SOI晶圆进行，如图1A、1B所示，晶圆包括衬底硅100，在衬底硅100上预制作有用于形成压力传感器的第一空腔101以及用于形成加速度传感器的第二空腔102、绝缘层103(二氧化硅)以及顶层硅104。顶层硅104和衬底硅100的掺杂浓度以及晶向可以根据实际需要自由选择，于本实施例中顶层硅104和衬底硅100都可采用＜100＞晶向、N型掺杂。
于晶圆表面生长第一层掩膜层105(例如二氧化硅)，附图2A、2B所示，图形化以后，刻蚀第一层掩膜层105、顶层硅104以及绝缘层103，露出衬底硅100。图形化的图案包括了后续用于电隔离的沟槽106图案和后续用于电连接衬底硅100的电连接孔107，所述电连接孔107可为圆形或者矩形孔或阵列。
生长侧壁保护层108，包括：如图3所示，生长侧壁保护层108；以及如图4所示，不经过图形化处理，直接干法刻蚀，去除晶圆表面和凹槽底部的侧壁保护层108，只在凹槽的侧壁留有侧壁保护层108。
侧壁保护层108具有绝缘性，防止后续工艺流程中顶层硅104与衬底硅100短路，一种典型的侧壁保护层108可以是二氧化硅或者二氧化硅和氮化硅的复合层。
生长电连接层109：包括生长电连接层109，如图5所示；
不经过图形化处理，直接刻蚀，去除晶圆表面的电连接层109，只保留电隔离沟槽106和电连接孔107里有电连接层109，如图6A、6B所示。电连接层109具有导电性，一种典型的材料是低压化学汽相淀积(LPCVD)或者外延(epitaxial)生长的掺杂(in-situdoping)多晶硅。
如图7所示，去除晶圆表面的第一掩膜层105，并重新生长第二层掩膜层109。
如图8A、8B所示，对顶层硅104及电连接孔107表面进行图形化、离子注入掺杂和活化，分别形成温度传感器114、压阻112、参考电阻113和电极接触区111。对于前文提及的N型顶层硅104，一个典型的掺杂方式为温度传感器114、压阻112和参考电阻113采用P型掺杂，而其他电连接区域采用N型掺杂。
如图9所示，图形化第二层掩膜层110，形成接触孔。
如图10A、10B所示，淀积并图形化金属层115，典型的金属层115材料可为铝(Al)或者铝硅(Al:Si)。
如图11所示，淀积钝化层116保护金属层115，典型的钝化层116材料可为等离子增强化学气相淀积(PECVD)的氮化硅或者氧化硅。
如图12A、12B所示，淀积并图形化质量块117：对于灵敏度要求较高的加速度传感器，可以淀积并图形化一层较厚的材料，形成质量块117。这层质量块117材料可以是金属，例如电镀的铜，或者是半导体材料，例如外延生长的多晶硅。
如图13所示，图形化钝化层116，露出部分金属，以方便后续的打线。
如图14A、14B所示，图形化顶层硅104，刻蚀穿钝化层116、第二层掩膜层110、顶层硅104和绝缘层103，形成释放槽118，释放加速度传感器结构。
如图15所示键合一个盖板119，保护加速度传感器的可动部分。
如图16所示，于本实施例中，本发明所述的一种MEMS压阻式复合传感器，包括衬底硅100以及用于形成加速度传感器、压力传感器以及温度传感器的顶层硅104，所述衬底硅100与所述顶层硅104相对绝缘设置，所述顶层硅104远离所述衬底硅100的一侧为晶圆表面，所述晶圆表面并位于所述加速度传感器外部设置有电隔离的沟槽106，在所述顶层硅104上并设置有连通所述晶圆表面以及所述衬底硅100的导电结构，从而衬底硅100与顶层硅104形成机械可动电容结构。
在测试过程中，MEMS压阻式复合传感器的加速度传感器在静电力的作用下发生如图中虚线所示的变形以用于检测。
于本文的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种MEMS压阻式复合传感器，其特征在于,包括衬底硅以及用于形成加速度传感器、压力传感器以及温度传感器的顶层硅，所述衬底硅与所述顶层硅相对绝缘设置，所述顶层硅远离所述衬底硅的一侧为晶圆表面，所述晶圆表面并位于所述加速度传感器外部设置有电隔离沟槽，在所述顶层硅上并设置有连通所述晶圆表面以及所述衬底硅的导电结构,衬底硅与加速度传感器构成机械可动电容结构。
2.一种MEMS压阻式复合传感器的加工方法，其特征在于，提供具有第一预制空腔以及第二预制空腔的衬底硅，在所述衬底硅上形成所述预制空腔的一侧制作绝缘层，在绝缘层表面制作顶层硅；生长第一层掩膜层，图形化包括了后续用于电隔离的沟槽图案和后续用于电连接衬底硅与晶圆表面的圆形或者矩形电连接孔，刻蚀掩膜层、顶层硅以及绝缘层，露出衬底硅。
3.根据权利要求2所述的MEMS压阻式复合传感器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、提供衬底硅，在所述衬底硅上制作用于形成压力传感器的第一预制空腔以及用于形成加速度传感器悬臂梁以及质量块运动的第二预制空腔；
步骤S2、在所述衬底硅上形成所述预制空腔的一侧制作绝缘层，在绝缘层表面制作顶层硅；
步骤S3、生长第一层掩膜层，并在所述第一层掩膜层上进行图形化处理，形成电隔离沟槽图案以及电连接孔图案；
步骤S4、刻蚀掩膜层、顶层硅以及绝缘层，露出衬底硅以形成电隔离沟槽以及电连接孔；
步骤S5、生长侧壁保护层，于步骤S4中形成的凹槽侧壁上形成保护层，对侧壁进行保护，所述侧壁保护层可以是二氧化硅或者二氧化硅和氮化硅的复合层；
步骤S6、生长电连接层，在电隔离沟槽和电连接孔中形成电连接层；
步骤S7、去除晶圆表面的第一层掩膜层，并重新生长第二层掩膜层；
步骤S8、图形化、掺杂并活化顶层硅，分别形成温度传感器、压阻、参考电阻和电极接触区；
步骤S9、图形化第二层掩膜层并刻蚀，保证暴露出部分离子注入形成的温度传感器、压阻、参考电阻和电极接触区，形成接触孔；
步骤S10、淀积并图形化金属，所述图形化金属所采用的金属材料可以为铝或者铝硅；
步骤S11、淀积并图形化钝化层，露出部分金属；
步骤S12、图形化顶层硅，刻蚀穿钝化层、第二层掩膜层、顶层硅和绝缘氧化层，释放加速度传感器结构；
步骤S13、键合盖板，通过盖板保护加速度传感器的可动部分。
4.根据权利要求3所述的MEMS压阻式复合传感器的加工方法，其特征在于，顶层硅和衬底硅都采用<100>晶向、N型掺杂。
5.根据权利要求3所述的MEMS压阻式复合传感器的加工方法，其特征在于，步骤S5中所述生长侧壁保护层包括：
步骤S5a、于晶圆表面生长保护层；
步骤S5b、干法刻蚀，去除晶圆表面和凹槽底部的保护层，只在凹槽的侧壁保留保护层。
6.根据权利要求3所述的MEMS压阻式复合传感器的加工方法，其特征在于，步骤S6中所述生长电连接层可以是通过低压化学汽相淀积(LPCVD)或者外延生长掺杂多晶硅。
7.根据权利要求4所述的MEMS压阻式复合传感器的加工方法，其特征在于，所述N型掺杂顶层硅的掺杂方式压阻和掺杂电阻采用P型掺杂，而其它电连接区域采用N型掺杂。
8.根据权利要求3所述的MEMS压阻式复合传感器的加工方法，其特征在于，于所述步骤S10淀积并图形化金属之后进行步骤S101、淀积钝化层对金属进行保护，所述钝化层可以为等离子增强化学气相淀积(PECVD)的氮化硅或者氧化硅。
9.根据权利要求8所述的MEMS压阻式复合传感器的加工方法，其特征在于，于所述步骤S101淀积钝化层对金属进行保护之后进行步骤S102、淀积并图形化质量块。
10.根据权利要求9所述的MEMS压阻式复合传感器的加工方法，其特征在于，步骤S102所述淀积并图形化质量块为：在加速度传感器的悬臂梁活动端淀积并图形化一层配重材料，形成质量块，所述质量块的材料可以为金属或半导体材料。
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