CN106199072B - 一种含有自检测功能的多轴压阻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多轴压阻式加速度传感器，基于SOI晶圆，所述的SOI晶圆依次设置有衬底、中间氧化层、器件层，包括至少一个含有自检测功能的面内压阻式加速度传感器和至少一个含有自检测功能的面外压阻式加速度传感器，在至少一个面内加速度传感器的部分悬臂梁侧壁形成压阻条，部分悬臂梁侧壁形成自检测电极。本发明还提供了一种含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器的制作方法，实现可以进行晶圆级自检测的多轴压阻式加速度传感器的结构与加工工艺。

Description

一种含有自检测功能的多轴压阻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多轴压阻式加速度传感器及其制造方法。

背景技术

目前压阻式加速度传感器的晶圆级标定与检测非常困难。产业界还没有成熟的技术，一些测试厂家(例如芬兰的AFORE公司)提供了晶圆级的压阻式加速度测试方案，但是需要定制特殊的测试夹具和探针卡，使得测试的固定资产投入和成本很高。

目前压阻式加速度传感器只能在封装成模块产品以后利用测试台做模块级的检测。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加速度传感器，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。

美国专利US2006018542披露了一种采用在悬空薄膜上生长质量块，在悬空薄膜表面选择最佳位置制作压阻条的制作压阻式多轴加速度传感器，虽然实现了三轴加速度的检测，而且通过有限元模拟选择各轴加速度检测压阻条的最佳位置，但由于一点应力状态的复杂性，始终存在轴向串扰；此外，其没有晶圆级自检测功能，不利于芯片的产业化测试工作。

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多轴压阻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多轴压阻式加速度传感器，基于SOI晶圆，所述的SOI晶圆依次设置有衬底、中间氧化层、器件层，包括至少一个含有自检测功能的面内压阻式加速度传感器和至少一个含有自检测功能的面外压阻式加速度传感器，其特征在于，所述的器件层上设置有掩模层，所述的器件层设置有重掺杂电连接区、轻掺杂压阻条，所述的轻掺杂压阻条与相应的部分重掺杂电连接区部分电接触，贯穿所述掩模层、所述器件层、所述中间氧化层的释放槽、释放孔，通过所述释放槽、释放孔释放加速度传感器的可动结构，形成一种含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器的至少一个含有自检测功能的面外压阻式加速度传感器部分；所述可动结构具有悬臂梁，所述部分悬臂梁的侧壁设置有压阻条，所述部分悬臂梁的侧壁设置有自检测电极，形成一种含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器的至少一个含有自检测功能的面内压阻式加速度传感器部分。

优选地，所述的器件层为N型掺杂。

优选地，所述的重掺杂电连接区为P型掺杂，所述的轻掺杂压阻条为P型掺杂。

优选地，所述悬臂梁侧壁压阻条和所述侧壁自检测电极为P型轻掺杂。

优选地，所述器件层、所述中间氧化层设置有隔离槽，所述隔离槽侧壁为绝缘壁，填充隔离槽，所述部分释放槽与所述部分隔离槽具有部分重合，所述部分释放槽和所述部分重掺杂电连接区具有部分重合。

优选地，所述掩模层设置有接触孔，接触孔内沉积金属并与重掺杂电连接区电接触，通过掩膜层表面沉积的金属连线引出形成传感器金属引脚。

优选地，所述掩模层设置有钝化层，通过刻蚀所述钝化层暴露所述金属引脚。

优选地，所述钝化层设置有一质量块。

优选地，所述SOI晶圆上还设置有保护盖。

本发明还提供一种含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器制造方法，基于SOI晶圆，所述的SOI晶圆依次设置有衬底、中间氧化层、器件层，包括至少一个含有自检测功能的面内压阻式加速度传感器和至少一个含有自检测功能的面外压阻式加速度传感器，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、所述器件层和所述中间氧化层形成隔离槽；

去除第一层掩膜层并重新生产第二层掩膜层，图形化，在所述器件层预定位置形成重掺杂电连接区；

图形化，轻掺杂，在所述器件层预定位置形成轻掺杂压阻条，所述的轻掺杂压阻条与相应的部分重掺杂电连接区部分电接触；

图形化、刻蚀所述掩模层、所述器件层、所述中间氧化层形成释放槽、释放孔、加速度传感器结构；

侧面掺杂，在加速度传感器结构部分悬臂梁侧面形成压阻条，部分悬臂梁侧面形成部分自检测电极。

优选地，还包括如下步骤：

在所述隔离槽侧壁制作一层绝缘壁；

填充所述隔离槽。

优选地，所述部分释放槽与所述部分隔离槽具有部分重合，所述部分释放槽和所述部分重掺杂电连接区具有部分重合。

优选地，还包括如下步骤：

图形化，并刻蚀所述掩模层，形成接触孔；

在所述接触孔内沉积金属与重掺杂电连接区实现电接触，并通过掩膜层表面沉积的金属连线引出形成传感器金属引脚。

优选地，还包括如下步骤：

在所述掩模层上淀积钝化层并图形化、刻蚀出传感器金属引脚的打线孔，刻蚀所述部分钝化层露出所述释放槽和所述释放孔。

优选地，还包括如下步骤：

在所述加速度传感器可动结构上方的钝化层沉积一质量块。

优选地，还包括如下步骤：

通过所述释放槽和所述释放孔，释放加速度传感器的可动结构。

优选地，还包括如下步骤：

在所述SOI晶圆上健合一保护盖。

与现有技术相比，本发明的含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器，多轴压阻式加速度传感器至少包括两个加速度敏感方向，其面内加速度敏感方向的压阻采用侧面掺杂，在应力感应悬臂的侧面形成压阻条，减小轴向串扰，保证面内加速度部分器件零点输出较小，零点输出的一致性。面外加速度敏感方向的压阻采用在表面进行离子注入或者扩散方式进行掺杂，在应力感应悬臂的表面形成压阻条，这种工艺流程制作的器件，在结构上保证了各个加速度敏感方向的轴向串扰很小。其自检测的方式是利用静电力模拟加速度输入引起加速度传感器悬臂梁产生的形变，从而检测加速度传感器的性能，实现了晶圆级自检测，检测方式完全与IC检测探针台兼容。

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‐3N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8为本发明第一实施例的原理示意图。

图9本发明第二实施例的结构示意图。

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多轴压阻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‐3N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‐3N所示，一种含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器及其制造方法：

参看图3A，本发明实施例基于SOI晶圆1，依次设置有衬底101、中间氧化层102和器件层103，优选地，器件层103掺杂类型采用N型。

参看图2，步骤201，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表面生长制作一层掩模层104，图形化并刻蚀透掩模层104、器件层103和中间氧化层102形成隔离槽105，优选地，同时开导电孔122。

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105和导电孔122进行侧壁电绝缘处理，形成一层绝缘壁106。制作绝缘壁106的方法，可以采用低压化学气象淀积低应力的氮化硅材料，并去除晶圆表面和隔离槽105及导电孔122底部的氮化硅材料，只在隔离槽105及导电孔122侧壁保留氮化硅材料，最终形成一层绝缘壁106。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3Da‐3Db，3Da为横截面示意图，3Db为俯视示意图。

用材料107回填隔离槽105和导电孔122，回填隔离槽105和导电孔122的材料107，可以采用低压化学气象淀积低应力的多晶硅材料，并去除掩模层104上的多晶硅材料，只保留在隔离槽105和导电孔122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104，并重新生长一层新掩模层104；图形化，重掺杂，形成重掺杂电连接区108。重掺杂的方式可以是离子注入，也可以是扩散工艺，均是现有技术，在此不做赘述。优选地，采用P型重掺杂。

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。图形化，并进行轻掺杂，形成面外加速度敏感方向的敏感压阻条109，并与对应的重掺杂电连接区108实现部分电接触。轻掺杂的方式可以是离子注入，也可以是扩散工艺。优选地，采用P型轻掺杂。

步骤206，同时参看图3Ga‐3Gb，3Ga为横截面示意图，3Gb为俯视示意图。优选地，图形化，并进行重掺杂，形成重掺杂区110，以降低接触电阻，重掺杂的方式可以是离子注入，也可以是扩散工艺。优选地，采用N型掺杂。

步骤207，同时参看图3H，3H为横截面示意图。图形化并刻蚀掩模层104，形成接触孔111。

步骤208，同时参看图3Ia‐3Ib、3Ib‐A，3Ia为横截面示意图，3Ib为俯视示意图，3Ib‐A为3Ib图中A部分的局部放大图。图形化释放槽113和释放孔114。在掩模层104上先制作一层光刻胶112，图形化释放槽113，释放孔114。其中部分释放槽113与部分隔离槽105具有部分重合，部分释放槽113与部分重掺杂电连接区108部分重合，参见图3Ib‐A。

步骤209，同时参看图3Ja‐3Jb、3Ja为横截面示意图，3Jb为俯视示意图。在释放槽113槽内、释放孔114孔内，刻蚀透掩模层104、器件层103和中间氧化层102，形成的释放槽113、释放孔114直接贯通到衬底层101，从而使掩模层104、器件层103和中间氧化层102形成加速度传感器的结构116，加速度传感器结构116具有悬臂梁117。然后去除光刻胶112。

步骤210，同时参看图3Ka‐3Kb，3Ka为横截面示意图，3Kb为俯视示意图。侧面掺杂，在部分悬臂梁117侧面形成压阻条115，部分悬臂梁117侧面形成自检测可动电极123并形成自检测固定电极124。优选地，侧面掺杂采用P型掺杂，掺杂方式采用扩散方法。比如采用固态硼硅玻璃作为P型掺杂源，则扩散完成以后，在暴露的表面和侧壁会残留氧化硅材料，去除晶圆表面和释放槽113、释放孔114底部的氧化硅材料，保留释放槽113、释放孔114侧壁的氧化硅材料(用于后续释放过程中对侧壁的保护)；如果采取其他掺杂源，则掺杂完成以后淀积保护层，并去除晶圆表面和释放槽底部的保护层，保留释放槽113、释放孔114侧壁的保护层。

步骤211，同时参看图3La‐3Lb，3La为横截面示意图，3Lb为俯视示意图。淀积金属并图形化，形成加速度传感器的金属引脚。淀积金属，并图形化，形成加速度传感器的金属引脚118。

步骤212，同时参看图3M，3M为横截面示意图。淀积钝化层119并图形化、刻蚀出传感器金属引脚的打线孔，刻蚀部分钝化层119露出释放槽113、释放孔114。优选地，为增加加速度传感器灵敏度，可以在图形化打线孔之前可在钝化层119上增加一附加质量块120，质量块120可以通过电镀工艺加工。

步骤213，同时参看图3N，3N为横截面示意图。释放结构，键合保护盖121。通过释放槽113、释放孔114释放加速度传感器的可动结构，释放方法可以采用硅的干法各向同性刻蚀技术，例如使用二氟化氙气体；保护盖121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。

图4‐图8为本发明第一实施例的原理图，参见图4，本发明第一实施例为两轴压阻式加速度传感器(X轴，Z轴)，其中A部分为面内(X轴)加速度敏感方向，B部分为面外(Z轴)加速度敏感方向。301‐305、501‐503分别为相应的为A部分传感器金属脚，401‐404分别为相应的压阻条，通过重掺杂电连接区、隔离槽、释放槽及金属连线形成传感器金属引脚301‐305，从而形成面内(X轴)加速度部分的检测电阻电桥，其等效电路图如图5所示；通过重掺杂电连接区、隔离槽、释放槽及金属布线，形成传感器金属引脚501‐503，用以实现晶圆级检测功能，501为测试固定电极1，503为测试固定电极2，502为测试可动电极。在测试固定电极1(或者固定电极2)与测试可动电极502之间施加电压时，由于静电力作用，测试可动电极会带动加速度传感器结构A部分发生面内的位移，模拟受到面内加速度载荷的情况，其晶圆级检测原理示意图如图6所示；309‐312、504‐505为B部分传感器金属引脚，405‐408分别为相应的压阻条，通过重掺杂电连接区及金属连线形成传感器金属引脚309‐312，从而形成面外(Z轴)加速度检测电阻电桥，其等效电路图如图7所示；通过重掺杂电连接区及金属布线，形成传感器金属引脚504‐505，用以实现晶圆级检测功能，504为测试可动电极2，505为测试固定电极3。通过在固定电极3和可动电极2之间施加电压，由于静电力作用，测试可动电极2会带动加速度传感器结构发生面外的位移，模拟受到面外加速度载荷的情况，其晶圆级检测原理示意图如图8所示。这一测试方法不用施加真正的加速度载荷，只需要施加静电载荷，方便进行在线测试，检测方式完全与IC检测探针台兼容。

图9为本发明第二实施例的结构俯视示意图。本发明第二实施例为三轴压阻式加速度传感器，在第一实施例的基础上增加一个Y轴敏感方向的面内加速度传感器部分，该Y轴敏感方向的面内加速度传感器部分结构是将X轴敏感方向面内加速度部分旋转90°即可，其制造工艺流程完全与第一实施例完全相同，在此不再赘述。参见图9中C部分即为Y轴方向的面内加速度传感器部分。

同样，可以组合形成两轴面内加速度敏感方向的两轴压阻式加速度传感器(X轴，Y轴)，或者(Y轴，Z轴)两轴压阻式加速度传感器。

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多轴压阻式加速度传感器，基于SOI晶圆，所述的SOI晶圆依次设置有衬底、中间氧化层、器件层，包括至少一个含有自检测功能的面内压阻式加速度传感器和至少一个含有自检测功能的面外压阻式加速度传感器，其特征在于，所述的器件层上设置有掩模层，所述的器件层设置有重掺杂电连接区、轻掺杂压阻条，所述的轻掺杂压阻条与相应的部分重掺杂电连接区部分电接触，贯穿所述掩模层、所述器件层、所述中间氧化层的释放槽、释放孔，通过所述释放槽、释放孔释放加速度传感器的可动结构，形成一种含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器的至少一个含有自检测功能的面外压阻式加速度传感器部分；所述可动结构具有悬臂梁，所述部分悬臂梁的侧壁设置有压阻条，所述部分悬臂梁的侧壁设置有自检测电极，形成一种含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器的至少一个含有自检测功能的面内压阻式加速度传感器部分,所述器件层、所述中间氧化层设置有隔离槽，所述隔离槽侧壁为绝缘壁，并填充所述隔离槽，所述部分释放槽与所述部分隔离槽具有部分重合，所述部分释放槽和所述部分重掺杂电连接区具有部分重合。

2.根据权利要求1所述的含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器，其特征在于，所述的器件层为N型掺杂。

3.根据权利要求1所述的含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器，其特征在于，所述的重掺杂电连接区为P型掺杂，所述的轻掺杂压阻条为P型掺杂。

4.根据权利要求1所述的含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器，其特征在于，所述部分悬臂梁侧壁压阻条及所述部分悬臂梁侧壁设置的自检测电极为P型轻掺杂。

5.根据权利要求1所述的含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器，其特征在于，所述掩模层设置有接触孔，接触孔内沉积金属并与重掺杂电连接区电接触，通过掩膜层表面沉积的金属连线引出形成传感器金属引脚。

6.根据权利要求5所述的含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器，其特征在于，所述掩模层设置有钝化层，通过刻蚀所述钝化层暴露所述传感器金属引脚。

7.根据权利要求6所述的含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器，其特征在于，所述钝化层设置有一质量块。

8.根据1-7任一一项权利要求所述的含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器，其特征在于，所述SOI晶圆上还设置有保护盖。

9.一种含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器制造方法，基于SOI晶圆，所述的SOI晶圆依次设置有衬底、中间氧化层、器件层，包括至少一个含有自检测功能的面内压阻式加速度传感器和至少一个含有自检测功能的面外压阻式加速度传感器，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、所述器件层和所述中间氧化层形成隔离槽；

在所述隔离槽侧壁制作一层绝缘壁；

填充所述隔离槽；

去除第一层掩膜层并重新生产第二层掩膜层，图形化，重掺杂，在所述器件层预定位置形成重掺杂电连接区；

图形化，轻掺杂，在所述器件层预定位置形成轻掺杂压阻条，所述的轻掺杂压阻条与相应的部分重掺杂电连接区部分电接触；

图形化并刻蚀所述掩模层、所述器件层、所述中间氧化层形成释放槽、释放孔、加速度传感器结构；

进行侧壁掺杂，在加速度传感器结构的部分悬臂梁侧面形成压阻条，部分悬臂梁的侧壁形成部分自检测电极；

所述部分释放槽与所述部分隔离槽具有部分重合，所述部分释放槽和所述部分重掺杂电连接区具有部分重合；

图形化，并刻蚀所述掩模层，形成接触孔；

在所述接触孔内沉积金属与重掺杂电连接区实现电接触，并通过掩膜层表面沉积的金属连线引出形成传感器金属引脚；

在所述掩模层上淀积钝化层并图形化、刻蚀出传感器金属引脚的打线孔，刻蚀所述部分钝化层，露出所述释放槽和所述释放孔；

通过所述释放槽和所述释放孔，释放加速度传感器的可动结构。

10.根据权利要求9所述的含有自检测功能的多轴压阻式加速度传感器制造方法，其特征在于，还包括如下步骤：

在所述加速度传感器可动结构上方的钝化层上沉积一质量块。

11.根据权利要求 9所述的含有自检测功能的多轴压阻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SOI晶圆上健合一保护盖。