CN106018880A - 一种含有自检测功能的面内电容式加速度传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含有自检测功能的面内电容式加速度传感器，至少具有一个面内加速度敏感方向，基于预制空腔SOI晶圆，预制空腔SOI晶圆依次设置有衬底、绝缘层、器件层，以及位于衬底的空腔，器件层、绝缘层设置有释放槽，通过释放槽释放加速度传感器的可动结构。本发明的一种含有自检测功能的面内电容式加速度传感器基于预制空腔SOI晶圆制造，避免采用键合工艺或者牺牲层技术制作加速度传感器结构，刻蚀及可动结构释放都采用干法刻蚀工艺，整个制作工艺流程完全与标准CMOS工艺兼容；其检测差分电容及自检测驱动电容的极板面积由器件层厚度决定，一致性好；预制空腔SOI晶圆衬底上做有接地电极，减小噪声信号对器件性能的影响。

Description

一种含有自检测功能的面内电容式加速度传感器及其制造 方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术，具体涉及含有自检测功能的面内电容式加速度传感器及其制造方法。

背景技术

目前电容式加速度传感器有些带有晶圆级自检测功能，以便于器件在封装前实现加速度传感器的晶圆级检测和标定。但目前业界带有自检测功能的电容式加速度传感器一般都是通过采用牺牲层技术的表面微机械加工工艺制作；或者采用键合工艺制作相应结构，而牺牲层技术由于需要采用湿法腐蚀去除牺牲层，释放可动结构，容易引起结构发生粘附失效；键合工艺成本较高，尤其在形成差分电容结构时，需要要求键合工艺要精确对准，从而进一步提高加工难度，降低良率，而硅-玻璃键合与标准CMOS工艺不兼容，不利于产品量产。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种含有自检测功能的面内电容式加速度传感器及其制造方法以解决上述技术问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：

一种含有自检测功能的面内电容式加速度传感器，至少具有一个面内加速度敏感方向，基于预制空腔SOI晶圆，所述的预制空腔SOI晶圆依次设置有衬底、绝缘层、器件层，以及位于所述衬底的至少一个空腔，所述器件层、所述绝缘层设置有释放槽，通过所述释放槽释放加速度传感器的可动结构。

优选地，所述预制空腔SOI晶圆的衬底和所述器件层采用100晶向的N型硅半导体材料，所述绝缘层材料采用二氧化硅材料。

优选地，还设有贯穿所述器件层、所述绝缘层的隔离槽以及导电孔，所述隔离槽以及所述导电孔具有绝缘侧壁，并填充所述隔离槽以及所述导电孔，所述器件层上设有一层掩膜层，所述掩膜层设有电接触孔，所述电接触孔设有电极。

优选地，所述释放槽与所述隔离槽具有部分重合。

优选地，所述掩膜层上还设有一层钝化层，所述钝化层上预定位置设有一质量块。

优选地，所述预制空腔SOI晶圆上还设置有一保护盖。

本发明还提供一种含有自检测功能的面内电容式加速度传感器制造方法，至少具有一个面内加速度敏感方向，基于预制空腔SOI晶圆，所述的预制空腔SOI晶圆依次设置有衬底、绝缘层、器件层，以及位于所述衬底的至少一个空腔，包括以下步骤：

在所述器件层生长第一层掩模层，图形化并刻蚀透所述掩模层、所述器件层和所述绝缘层形成隔离槽和导电孔；

在所述隔离槽的侧壁、所述导电孔的侧壁制作一层绝缘壁，并填充所述隔离槽和所述导电孔；

去除第一层掩膜层并重新生产第二层掩膜层，图形化、刻蚀掩膜层，形成电接触孔；

图形化、沉积金属，填充所述电接触孔并形成金属电极；

图形化、刻蚀所述掩膜层、所述器件层及所述绝缘层，形成释放槽，释放加速度传感器的可动结构。

优选地，还包括如下步骤：

形成金属电极后，在所述掩膜层上沉积一层钝化层；

在所述钝化层上形成一质量块；

图形化、刻蚀所述部分钝化层，开打线孔以暴露所述金属电极。

优选地，还包括如下步骤：所述释放槽与所述隔离槽具有部分重合。

优选地，还包括如下步骤：所述预制空腔SOI晶圆的衬底和器件层采用100晶向的N型硅半导体材料，所述绝缘层材料采用二氧化硅材料。

优选地，还包括如下步骤：还包括如下步骤：

在所述预制空腔SOI晶圆上键合一保护盖。

与现有技术相比，本发明的含有自检测功能的面内电容式加速度传感器基于预制空腔SOI晶圆制造，避免采用键合工艺或者牺牲层技术制作加速度传感器结构，刻蚀及可动结构释放都采用干法刻蚀工艺，整个制作工艺流程完全与标准CMOS工艺兼容；其检测差分电容及自检测驱动电容的极板面积由器件层厚度决定，一致性好。采用叉指电容实现自检测驱动和加速度的检测，加速度传感器的灵敏度大，可灵活设计自检测驱动力和加速度传感器灵敏度大小；利用在自检测电极与可动电极间施加电压模拟加速度输入引起的加速度传感器质量块的运动，从而引起检测电容变化实现加速度传感器的晶圆级标定和自检测；SOI晶圆衬底上做有接地电极，减小噪声信号对器件性能的影响。

下面结合附图对该发明进行具体叙述。

附图说明

图1为本发明第一实施例的结构示意图。

图2为本发明第一实施例的制造方法的流程图。

图3A-3J为本发明第一实施例的制造方法的工艺流程示意图。

图4-图5为本发明第一实施例的原理示意图。

图6为本发明第二实施例结构俯视示意图；

图7为本发明第三实施例结构俯视示意图；

具体实施方式

附图1是本发明第一实施例的一种含有自检测功能的面内电容式加速度传感器的结构示意图，图2为本发明第一实施例的制造方法的流程图，图3A-3J为本发明第一实施例的制造方法的工艺流程示意图。

如图1、2、3A-3J所示，一种含有自检测功能的面内电容式加速度传感器及其制造方法：

参看图3Aa-3Ab，为预制空腔SOI晶圆结构示意图，3Aa为横截面示意图，3Ab为俯视示意图，本发明实施例基于预制空腔SOI晶圆1，依次设置有衬底101、绝缘层102和器件层103，以及位于衬底101的空腔104。优选地，衬底101和器件层103采用100晶向的N型硅半导体材料，绝缘层材料采用二氧化硅。

步骤201，参看图2，同时参看图3Ba-3Bb，3Ba为横截面示意图，3Bb为俯视示意图。在器件层103上生长掩模层105，图形化、并刻蚀透掩模层105、器件层103和绝缘层102，形成隔离槽106、导电孔107。

步骤202，同时参看图3C，3C为横截面示意图。对刻蚀开的隔离槽106和导电孔107进行侧壁电绝缘处理，形成一层绝缘壁108。制作绝缘壁108的方法，可以采用低压化学气相淀积低应力的氮化硅材料，并去除晶圆表面、隔离槽106和导电孔107底部的氮化硅材料，只在隔离槽106侧壁、和导电孔107侧壁保留氮化硅材料，最终形成一层绝缘壁108。也可以采用其他材料如热氧化硅材料，或者热氧化硅和氮化硅双层材料等。

步骤203，同时参看图3D，3D为横截面示意图。用材料109回填隔离槽106和导电孔107，回填的材料109可以采用低压化学气相淀积低应力的多晶硅材料，并去除掩模层105上的多晶硅材料，只保留在隔离槽106内和导电孔107孔内的多晶硅。

步骤204，同时参看图3Ea-3Eb，3Ea为横截面示意图，3Eb为俯视示意图。去除掩模层105，并重新生长一层新掩模层105，图形化、刻蚀掩膜层，形成电接触孔115。

步骤205，同时参看图3Fa-3Fb，3Fa为横截面示意图，3Fb为俯视示意图。淀积金属并图形化，形成金属电极。沉积金属填充电接触孔115，并图形化，形成金属电极110。优选的，形成电极110后，可以沉积一层钝化层111(参见图3G)。进一步，为了增加加速度传感器的灵敏度，在沉积钝化层111后可以在钝化层111上预定位置形成一附加质量块112(参见图3H)，图形化、刻蚀部分钝化层111，开打线孔露出金属电极。钝化层111的材料可以是氮化硅材料，质量块112可以通过电镀铜工艺形成。

步骤206，同时参看图3Ia-3Ib，3Ia为横截面示意图，3Ib为俯视示意图。图形化、刻蚀刻穿钝化层111、掩膜层105、器件层103及绝缘层102，形成释放槽释放槽113，释放加速度传感器的可动结构。释放槽113与隔离槽106具有部分重合，以保证电极之间的电绝缘。

步骤207，同时参看图3J，3J为横截面示意图。键合保护盖114，保护可动结构。保护盖114的键合可以采用金属共晶键合，例如铝锗共晶键合技术，也可以使用有机键合材料，例如苯并环丁烯。

本发明第一实施例的原理：

本发明第一实施例具有一个面内加速度敏感方向，图4-图5为本发明第一实施例的原理示意图，参见图4-图5：其中301为自检测固定电极，302为第一检测固定电极，303为第二检测固定电极，304为可动电极，305为衬底接地电极。其工作原理为：当有如图4所示面内方向加速度输入时，由于惯性力作用，会引起质量块沿面内加速度输入方向上下移动，从而引起第一检测固定电极302、第二检测固定电极303和可动电极304形成的两个电容差分变化输出，实现面内加速度的检测；其自检测原理是：在自检测固定电极301与可动电极304之间施加电压，由于静电力的作用，引起质量块的移动，从而引起第一检测固定电极302、第二检测固定电极303和可动电极304形成的两个电容差分变化输出，通过静电力模拟加速度输入，实现加速度传感器的晶圆级自检测，对于图4中未标注的三个电极，起作用和与其对称的相应电极相同，以进一步增加加速度传感器的灵敏度和自检测驱动力。在衬底形成接地电极305，减小噪声信号对传感器输出信号的干扰。

其减小噪声信号干扰的原理示意图如图5所示，当有交流小信号(干扰或者耦合的噪声信号)，由于有接地电极305的存在，交流的小信号就会通过接地电极305导走，从而不会对传感器输出信号造成影响。

图6为本发明第二实施例的结构俯视示意图。本发明第一实施例具有一个面内加速度敏感方向，本发明第二实施例则具有两个正交的面内加速度敏感方向，其中A部分的面内加速度敏感方向是X方向，B部分的面内加速度敏感方向为Y方向。B部分的结构与本发明第一实施例相同，在此不做赘述。A部分的结构是与本发明第一实施例的结构逆时针旋转90度，即获得正交双轴的带有自检测功能的面内差分电容式加速度传感器，第二实施例的制作工艺流程完全与第一实施例相同，只是所用的预制空腔SOI衬底中需要两个预制空腔。

图7为本发明第三实施例的结构俯视示意图。预制空腔SOI晶圆上只需要一个空腔，及一个质量块实现正交方向的双轴带有自检测功能的面内差分电容式加速度传感器，其工艺流程与本发明第一实施例工艺流程相同，其结构俯视示意图如图7所示，只是在单轴带有自检测功能的面内差分电容式加速度传感器的结构上增加了一个折叠弹性梁401和一组X方向固定叉指402和可动叉指403，形成X方向的自检测驱动电极及加速度检测电容。需要说明的时，弹性梁形状在本发明中只是示意性画出，根据具体设计，可以采用蛇形梁、U型梁、蟹脚梁等作为弹性支撑梁。

当然，此发明还可以有其他变换，并不局限于上述实施方式，本领域技术人员所具备的知识，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化，这样的变化均应落在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种含有自检测功能的面内电容式加速度传感器，至少具有一个面内加速度敏感方向，基于预制空腔SOI晶圆，所述的预制空腔SOI晶圆依次设置有衬底、绝缘层、器件层，以及位于所述衬底的至少一个空腔，其特征在于，所述器件层、所述绝缘层设置有释放槽，通过所述释放槽释放加速度传感器的可动结构。

2.根据权利要求1所述的含有自检测功能的面内电容式加速度传感器，其特征在于，所述预制空腔SOI晶圆的衬底和所述器件层采用100晶向的N型硅半导体材料，所述绝缘层材料采用二氧化硅材料。

3.根据权利要求1所述的含有自检测功能的面内电容式加速度传感器，其特征在于，还设有贯穿所述器件层、所述绝缘层的隔离槽以及导电孔，所述隔离槽以及所述导电孔具有绝缘侧壁，并填充材料，所述器件层上设有一层掩膜层，所述掩膜层设有电接触孔，所述电接触孔设有电极。

4.根据权利要求3所述的含有自检测功能的面内电容式加速度传感器，其特征在于，所述释放槽与所述隔离槽具有部分重合。

5.根据权利要求3所述的含有自检测功能的面内电容式加速度传感器，其特征在于，所述掩膜层上还设有一层钝化层，所述钝化层预定位置设有一质量块。

6.根据1-5任一权利要求所述的含有自检测功能的面内电容式加速度传感器，其特征在于，所述预制空腔SOI晶圆上还设置有一保护盖。

7.一种含有自检测功能的面内电容式加速度传感器制造方法，至少具有一个面内加速度敏感方向，基于预制空腔SOI晶圆，所述的预制空腔SOI晶圆依次设置有衬底、绝缘层、器件层，以及位于所述衬底的至少一个空腔，其特征在于，包 括以下步骤：

在所述器件层生长第一层掩模层，图形化并刻蚀透所述掩模层、所述器件层和所述绝缘层形成隔离槽和导电孔；

在所述隔离槽的侧壁、所述导电孔的侧壁制作一层绝缘壁，并用材料填充所述隔离槽和所述导电孔；

去除第一层掩膜层并重新生长第二层掩膜层，图形化、刻蚀掩膜层，形成电接触孔；

图形化、沉积金属，填充所述电接触孔并形成金属电极；

图形化、刻蚀所述掩膜层、所述器件层及所述绝缘层，形成释放槽，释放加速度传感器的可动结构。

8.根据权利要求7所述的含有自检测功能的面内电容式加速度传感器制造方法，其特征在于，还包括如下步骤：

形成金属电极后，在所述掩膜层上沉积一层钝化层；

在所述钝化层上形成一质量块；

图形化、刻蚀所述部分钝化层，开打线孔以暴露所述金属电极。

9.根据权利要求7所述的含有自检测功能的面内电容式加速度传感器制造方法，其特征在于，所述释放槽与所述隔离槽具有部分重合。

10.根据权利要求7所述的含有自检测功能的面内电容式加速度传感器制造方法，其特征在于，所述预制空腔SOI晶圆的衬底和器件层采用100晶向的N型硅半导体材料，所述绝缘层材料采用二氧化硅材料。

11.根据权利要求7-10任意一项所述的含有自检测功能的面内电容式加速度传感器制造方法，其特征在于，还包括如下步骤：

在所述预制空腔SOI晶圆上键合一保护盖。