CN106289334A - 一种具有自检测功能的电容式复合传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有自检测功能的电容式复合传感器，包括至少一个加速度传感器和一个压力传感器，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、器件层以及位于衬底的空腔，所述压力传感器设有空腔；每个所述加速度传感器亦设有空腔，所述加速度传感器的所述空腔的上方开设有贯穿所述器件层、所述绝缘层的释放槽。本发明的电容式复合传感器其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，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或/和刻蚀深度决定，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
技术领域
本发明涉及半导体制造技术，具体涉及具有自检测功能的电容式复合传感器及其制造方法。
背景技术
目前电容式加速度和压力复合传感器在汽车胎压监测中有广泛的应用，以提高车辆行驶的安全性。电容式加速度和压力复合传感器需要具有晶圆级自检测功能，以降低检测成本，由于压力传感器的晶圆级自检测业界已有成熟的带温控压力腔的探针台这样的成熟标准化设备，其晶圆级自检测已经很成熟，主要是加速度传感器晶圆级自检测需要加速度输入，比较困难，虽然业界也出现了一些具有晶圆级自检测功能的加速度和压力复合传感器，但具有晶圆级自检测功能的电容式复合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，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，提供一种具有自检测功能的电容式复合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：
一种具有自检测功能的电容式复合传感器，包括至少一个加速度传感器和一个压力传感器，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、器件层以及位于衬底的空腔，所述压力传感器设有空腔；所述加速度传感器亦相应设有空腔，所述加速度传感器的所述空腔的上方预定位置开设有贯穿所述器件层、所述绝缘层的释放槽。
优选地，所述压力传感器和所述加速度传感器还分别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，所述释放槽与相应所述加速度传感器的所述隔离槽具有部分重合。
优选地，所述加速度传感器为至少具有一个面内敏感方向的加速度传感器。
优选地，所述加速度传感器为一个面外敏感方向的加速度传感器，在所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层下表面预定位置处设有电极下错位槽，在所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层上表面预定位置处设有电极上错位槽，所述释放槽与所述部分电极下错位槽重合，所述释放槽与所述部分电极上错位槽重合。
优选地，所述加速度传感器由一个面外敏感方向的加速度传感器和至少具有一个面内敏感方向的加速度传感器组成，在所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层下表面预定位置处设有电极下错位槽，在所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层上表面预定位置处设有电极上错位槽，所述释放槽与所述部分电极下错位槽重合，所述释放槽与所述部分电极上错位槽重合。
优选地，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质量块，所述质量块位于所述加速度传感器所述预制空腔上方，所述预制空腔SOI晶圆上还设置有一保护盖。
本发明还提供一种具有自检测功能的电容式复合传感器制造方法，包括至少一个加速度传感器和一个压力传感器，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、器件层以及位于衬底的空腔，所述压力传感器设有空腔；所述加速度传感器亦相应设有空腔，所述制造方法包括以下步骤：
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；
沉积金属并填充在所述电接触孔，形成金属电极；
在所述加速度传感器的所述空腔上方刻蚀穿所述掩膜层、所述器件层、所述绝缘层，形成释放槽，所述释放槽与相应所述加速度传感器的所述隔离槽具有部分重合。
优选地，所述加速度传感器为至少具有一个面内敏感方向的加速度传感器。
优选地，所述加速度传感器为一个面外敏感方向的加速度传感器，所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层下表面预设有电极下错位槽，所述制造方法还包括如下步骤：
在所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层的上表面预定位置处图形化、刻蚀，形成电极上错位槽；
所述释放槽与所述部分电极下错位槽重合，所述释放槽与所述部分电极上错位槽重合。
优选地，所述加速度传感器由一个面外敏感方向的加速度传感器和至少具有一个面内敏感方向的加速度传感器组成，所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层的下表面预设有电极下错位槽，所述制造方法还包括如下步骤：
在所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层上表面预定位置处图形化、刻蚀，形成电极上错位槽；
所述释放槽与所述部分电极下错位槽重合，所述释放槽与所述部分电极上错位槽重合。
优选地，形成金属电极后，在所述掩膜层上沉积一层钝化层；
在所述钝化层上预定位置形成质量块，所述质量块位于所述加速度传感器预制空腔上方；
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：
在所述预制空腔SOI晶圆上键合一保护盖。
与现有技术相比，本发明的的电容式复合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，其检测差分电容及自检测驱动电容的极板面积及压力传感器压力敏感膜厚度由器件层厚度和/或刻蚀深度决定，一致性好；此外，压力传感器与加速度传感器的工艺流程完全兼容，利于批量生产，降低成本，其具有晶圆级自检测功能。采用叉指电容实现加速度传感器的自检测驱动和加速度信号的检测，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；利用在加速度传感器的自检测电极和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，从而引起加速度检测电容变化，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-3K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7为本发明第一实施例的原理示意图。
图8为本发明第二实施例的俯视结构示意图。
具体实施方式
附图1是本发明第一实施例的一种具有自检测功能的电容式复合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-3K为本发明第一实施例的制造方法的工艺流程示意图。
本发明第一实施例由一个面外敏感方向的加速度传感器部分A、一个面内敏感方向的加速度传感器部分B、一个压力传感器部分C组成，参见图4。
如图1、2、3A-3K所示，一种具有自检测功能的电容式复合传感器及其制造方法：
参看图3Aa-3Ab，预制空腔SOI晶圆1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的第一空腔104、第二空腔105、第三空腔106，器件层103下表面位于第一空腔104上方处设有电极下错位槽107。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102的材料采用二氧化硅。
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108，图形化、并刻蚀透掩模层108、器件层103和绝缘层102，形成隔离槽109、导电孔110。
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109和导电孔110进行侧壁电绝缘处理，形成一层绝缘壁111。制作绝缘壁111的方法，可以采用低压化学气相淀积低应力的氮化硅材料，并去除晶圆表面和隔离槽109和导电孔110底部的氮化硅材料，只在隔离槽109侧壁、和导电孔110侧壁保留氮化硅材料，最终形成一层绝缘壁111。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112回填隔离槽109和导电孔110，回填的材料110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108上的多晶硅材料，只保留在隔离槽109内和导电孔110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。图形化、刻蚀，在器件层103上表面位于第一空腔104上方处的预定位置形成电极上错位槽113。
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。去除掩模层108，并重新生长一层新掩模层108，图形化、刻蚀掩膜层108，形成电接触孔114。
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。淀积金属并图形化，形成金属电极115。沉积金属并填充在电接触孔114，图形化，形成金属电极115。优选的，形成金属电极115后，可以沉积一层钝化层116(参见图3H)。进一步，为了增加加速度传感器的灵敏度，在沉积钝化层116后可以在钝化层116上预定位置形成质量块117，质量块117位于加速度传感器空腔的上方(参见图3Ia-3Ib)，图形化、刻蚀部分钝化层116，开打线孔以露出金属电极115。钝化层116的材料可以是氮化硅材料，质量块117可以通过电镀铜工艺形成。
步骤207，同时参看图3Ja-3Jb，3Ja为横截面示意图，3Jb为俯视示意图。图形化、刻蚀刻穿钝化层116、掩膜层108、器件层103及绝缘层102，形成第一释放槽118、第二释放槽119，释放可动结构。第一释放槽118与隔离槽109具有部分重合，第二释放槽119与隔离槽109具有部分重合，以保证电极之间的电绝缘。第一释放槽118与部分电极下错位槽107重合，第一释放槽118与部分电极上错位槽113重合，形成A部分的自检测驱动电极和加速度检测电容的固定叉指和可动叉指。
步骤208，同时参看图3K，3K为横截面示意图。键合保护盖120，保护可动结构。保护盖120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：
图4-图7为本发明第一实施例的原理示意图，其中图6面外敏感方向的加速度传感器检测原理示意图，图6a为面外加速度输入之前可动叉指与固定叉指结构横截面示意图，图6b为面外加速度输入之后可动叉指与固定叉指结构横截面示意图。本发明第一实施例是一个面外加速度传感器、一个面内加速度传感器和一个压力传感器的复合传感器，参见图4-图7：A部分为面外加速的检测部分，B部分为面内加速度检测部分，C为压力检测部分，其中A部分的第一面外自检测固定电极301，A部分的第一面外检测固定电极302，A部分的面外可动电极303，A部分的第二面外自检测固定电极304，A部分的第二面外检测固定电极305，扭转梁306，B部分的面内可动电极307，B部分的面内自检测固定电极308，B部分的第一面内检测固定电极309，衬底接地电极310，B部分的第二面内检测固定电极311，压力可动电极312，压力固定电极313；面外可动电极303的可动叉指401，第一面外检测固定电极302的固定叉指402，第二面外检测固定电极305的固定叉指403。对于A部分，用于检测面外加速度大小，其工作原理为：当有面外加速度输入时，由于惯性力矩作用，会引起质量块绕扭转梁306转动，从而引起第一面外检测固定电极302、第二面外检测固定电极305与面外可动电极303形成的两个电容实现差分变化输出，实现面外加速度的检测，其电容差分变化原理示意图如图6a-图6b所示；对于B部分，用于检测如图5箭头所指的面内方向的加速度大小，其工作原理为：当有如图5箭头所指方向的面内加速度输入时，由于惯性力会引起面内加速度部分质量块沿加速度输入方向运动，从而引起第一面内检测固定电极309、第二面内检测固定电极311与面内可动电极307形成的两个电容实现差分变化输出，实现面内加速度的检测，对于图5中B部分未标注的三个电极，其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。对于A部分自检测的原理：通过在第一面外自检固定测电极301(或第二面外自检测固定电极304)与面外可动电极303之间施加电压，由于静电力矩的作用，引起A部分可动结构绕扭转梁306转动，从而引起从而第一面外检测固定电极302、第二面外检测固定电极305与面外可动电极303形成的两个电容实现差分变化输出，实现通过静电力矩模拟面外加速度输入，实现A部分的晶圆级自检测。对于面内加速度部分的自检测原理是：在面内自检测电极308与面内可动电极307之间施加电压，由于静电力的作用，引起质量块沿图5箭头所示面内加速度输入方向移动，从而引起第一面内检测固定电极309、第二面内检测固定电极311和面内可动电极307形成的两个电容差分变化输出，实现通过静电力模拟面内加速度输入，实现B部分的晶圆级自检测。对于压力检测部分的检测原理：当外界压力作用于压力传感器时，会引起压力传感器对应空腔上方的压力敏感膜产生变形，从而引起压力可动电极312与压力固定电极313之间形成的电容大小发生变化，实现压力的检测，以上A部分与B部分的晶圆级自检测方式完全与目前的IC检测探针台的检测方式完全兼容。
通过在衬底上的接地电极310，可以减小噪声信号对器件性能的影响，其减小噪声信号对器件性能影响的等效电路原理示意图如图7所示。
本发明也可以实现一个面外敏感方向的加速度传感器和一个压力传感器构成的复合传感器，或者一个面内敏感方向的加速度传感器和一个压力传感器构成的复合传感器，工艺流程完全相同，这里不再赘述。
图8是本发明第二实施例的结构俯视示意图，与本发明第一实施例相同，衬底上还是三个空腔，但其中面内双轴加速度传感器用一个质量块实现正交双轴的面内加速度的检测。如图8所示，其中A部分为面外方向加速度敏感部分，B部分为面内正交双轴加速度敏感部分，C部分为压力敏感部分，第二实施例的工艺流程和第一实施例工艺流程完全相同，这里不再赘述。
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 (12)
1.一种具有自检测功能的电容式复合传感器，包括至少一个加速度传感器和一个压力传感器，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、器件层以及位于衬底的空腔，其特征在于，所述压力传感器设有空腔；所述加速度传感器亦相应设有空腔，所述加速度传感器的所述空腔的上方预定位置开设有贯穿所述器件层、所述绝缘层的释放槽。
2.根据权利要求1所述的具有自检测功能的电容式复合传感器，其特征在于，所述压力传感器和所述加速度传感器还分别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，所述释放槽与相应所述加速度传感器的所述隔离槽具有部分重合。
3.根据权利要求2所述的具有自检测功能的电容式复合传感器，其特征在于，所述加速度传感器为至少具有一个面内敏感方向的加速度传感器。
4.根据权利要求2所述的具有自检测功能的电容式复合传感器，其特征在于，所述加速度传感器为一个面外敏感方向的加速度传感器，在所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层下表面预定位置处设有电极下错位槽，在所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层上表面预定位置处设有电极上错位槽，所述释放槽与所述部分电极下错位槽重合，所述释放槽与所述部分电极上错位槽重合。
5.根据权利要求2所述的具有自检测功能的电容式复合传感器，其特征在于，所述加速度传感器由一个面外敏感方向的加速度传感器和至少具有一个面内敏感方向的加速度传感器组成，在所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层下表面预定位置处设有电极下错位槽，在所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层上表面预定位置处设有电极上错位槽，所述释放槽与所述部分电极下错位槽重合，所述释放槽与所述部分电极上错位槽重合。
6.根据权利要求2-5所述的具有自检测功能的电容式复合传感器，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质量块，所述质量块位于所述加速度传感器所述预制空腔上方，所述预制空腔SOI晶圆上还设置有一保护盖。
7.一种具有自检测功能的电容式复合传感器制造方法，包括至少一个加速度传感器和一个压力传感器，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、器件层以及位于衬底的空腔，其特征在于，所述压力传感器设有空腔；所述加速度传感器亦相应设有空腔，所述制造方法包括以下步骤：
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；
沉积金属并在填充所述电接触孔，形成金属电极；
在所述加速度传感器的所述空腔上方刻蚀刻穿所述掩膜层、所述器件层、所述绝缘层，形成释放槽，所述释放槽与相应所述加速度传感器的所述隔离槽具有部分重合。
8.根据权利要求7所述的具有自检测功能的电容式复合传感器制造方法，其特征在于，所述加速度传感器为至少具有一个面内敏感方向的加速度传感器。
9.根据权利要求7所述的具有自检测功能的电容式复合传感器制造方法，其特征在于，所述加速度传感器为一个面外敏感方向的加速度传感器，所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层下表面预设有电极下错位槽，所述制造方法还包括如下步骤：
在所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方器件层的上表面预定位置处图形化、刻蚀，形成电极上错位槽；
所述释放槽与所述部分电极下错位槽重合，所述释放槽与所述部分电极上错位槽重合。
10.根据权利要求7所述的具有自检测功能的电容式复合传感器制造方法，其特征在于，所述加速度传感器由一个面外敏感方向的加速度传感器和至少具有一个面内敏感方向的加速度传感器组成，所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层下表面预设有电极下错位槽，所述制造方法还包括如下步骤：
在所述面外敏感方向的加速度传感器对应的所述空腔上方的器件层上表面预定位置处图形化、刻蚀，形成电极上错位槽；
所述释放槽与所述部分电极下错位槽重合，所述释放槽与所述部分电极上错位槽重合。
11.根据权利要求7所述的具有自检测功能的电容式复合传感器制造方法，其特征在于，形成金属电极后，在所述掩膜层上沉积一层钝化层；
在所述钝化层上预定位置形成质量块，所述质量块位于所述加速度传感器预制空腔上方；
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。
12.根据7-11任一一项权利要求所述的具有自检测功能的电容式复合传感器制造方法，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。
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