CN106768593A - 一种复合传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合传感器及其制造方法，制造中使用的晶圆原材料具有刻蚀自停止层，通过机械减薄实现压力敏感膜和加速度传感器悬臂梁所需的厚度，因而厚度精确，一致性好、采用干法刻蚀，芯片尺寸小、加速度传感器通过形成自检测电极，用静电力模拟加速度输入，可以具有自检测功能，降低测试成本、避免采用电镀铜工艺，工艺完全和CMOS工艺兼容，同时提高芯片性能。

Description

一种复合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，具体涉及一种复合传感器及其制造方法。

背景技术

目前压阻式加速度传感器和压阻式压力传感器组成的单芯片复合传感器由于其制作工艺简单，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。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模拟加速度输入，比较困难。目前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(probe card)，使得测试的固定资产投入和成本很高。此外，目前业界为了提高复合传感器中加速度传感器的灵敏度，一些工艺通过电镀金属材料来增加质量块的质量，以增大加速度传感器的灵敏度，但电镀金属材料工艺难于精确控制质量块的形状，会对后续工艺造成一定影响，而且电镀金属材料后，后续工艺过程中由于金属材料和硅的热膨胀系数相差较大，会产生较大的热应力，容易导致器件失效；也有通过湿法腐蚀形成压力腔和加速度传感器的相应结构，通过两次键合实现加速度传感器和压力传感器组成的单芯片复合传感器结构，不需要电镀金属材料，但压力敏感膜厚度及加速度传感器悬臂梁高度是靠湿法腐蚀工艺控制，由于腐蚀深度很深，腐蚀时间很长，难以精确控制压力敏感膜厚度和加速度传感器悬臂梁高度，而且由于是湿法腐蚀，需要开更大的腐蚀窗口，因而会增大芯片的面积。

中国专利CN104058361A公开了一种基于预制空腔SOI基片的单芯片集成压阻式加速度计与压力计的加工方法，该专利利用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形成的Cavity-SOI晶圆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，最后键合保护盖板，保护加速度传感器的可动结构，从而形成单颗芯片的压阻式加速度传感和压阻式压力传感器组成的单芯片复合传感器，由于通过电镀金属材料(例如铜)来增大加速度传感器的敏感质量块的质量，增大其灵敏度，但由于电镀铜工艺难以控制铜质量块的形状，因而一致性较差，也可能对后续工艺造成一定的影响；由于铜和硅的热膨胀系数相差较大，在后续工艺中将产生较大的热应力，容易导致器件失效。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种性能优良、加工简易的复合传感器。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：

一种复合传感器，包括加速度传感器和压力传感器，所述复合传感器基于的晶圆包含器件层、刻蚀自停止掩膜层，刻蚀自停止掩膜层上健合有衬底层，衬底层设置有压力空腔和加速度传感器限位空腔，所述加速度传感器限位空腔内设置有附加质量块，器件层表面生长有掩膜层，器件层在加速度传感器一侧注入有加速度压阻条，以及在压力传感器一侧注入有压力压阻条，加速度传感器一侧刻蚀有释放槽。

优选地，掩膜层形成有接触孔，在器件层形成电接触区，并沉积金属，形成金属连线及传感器的金属引脚。

优选地，还包括刻穿掩膜层、器件层和刻蚀自停止掩膜层形成的电连接通道，电连接通道侧壁设置有电隔离层，电连接通道中间填充导电材料。

优选地，电连接通道上方形成有第一自检测电极和第二自检测电极。

优选地，压力空腔内还设置有压力限位结构，压力限位结构低于压力空腔高度。

优选地，复合传感器的加速度传感器上还键合有保护盖。

本发明还提供一种性能优良、加工简易的复合传感器其制造方法。

一种复合传感器制造方法，所述的复合传感器包括加速度传感器和压力传感器，复合传感器基于的晶圆包含器件层、中间的刻蚀自停止掩膜层和半导体结构层，所述制造方法包括以下步骤：

a)在晶圆的半导体结构层图形化、刻蚀形成附加质量块；

b)在一衬底层材料上图形化、刻蚀形成压力传感器的压力空腔和加速度传感器的加速度限位空腔，并键合衬底层到刻蚀自停止掩膜层上；

c)在器件层表面生长掩膜层；

d)图形化掩膜层，离子注入，在器件层形成压力传感器的压力压阻条和加速度传感器的加速度压阻条；

e)图形化掩膜层、刻蚀形成接触孔，离子注入，形成电接触区，并沉积金属，与电连接区形成电接触，图形化、刻蚀金属，形成金属连线及金属引脚；

f)在加速度传感器一侧刻蚀刻穿钝化层、掩膜层、器件层和刻蚀自停止层，形成释放槽，释放加速度传感器可动结构。

优选地，第a)步骤的刻蚀方法为干法刻蚀。

优选地，实施第c)步骤前对器件层进行减薄工艺。

优选地，第c)步骤还包括如下步骤：刻穿掩膜层、器件层和刻蚀自停止掩膜层形成电连接通道，在电连接通道侧壁形成电隔离层并对电连接通道进行回填。

优选地，第e)步骤还包括如下步骤：在电连接通道上方形成第一自检测电极、第二自检测电极。

优选地，e)步骤后还包括在掩膜层上生长钝化层，图形化、刻蚀钝化层，形成打线孔。

优选地，第a)步骤还包括如下步骤：在半导体结构层图形化、刻蚀形成压力限位结构，压力限位结构设置在压力空腔内并低于压力空腔高度。

优选地，压力限位结构表面设置有绝缘层。

优选地，附加质量块表面设置有绝缘层。

优选地，在所述复合传感器的加速度传感器上键合保护盖。

与现有技术相比，本发明的方案的制造方法基于干法刻蚀形成加速度传感器和压力传感器的相关结构，然后通过键合实现该复合传感器结构，不需要电镀铜工艺就可以增加加速度传感器的灵敏度；由于制造中使用的晶圆原材料具有刻蚀自停止层，通过机械减薄实现压力敏感膜和加速度传感器悬臂梁所需的厚度，因而压力敏感膜和加速度传感器悬臂梁厚度精确，一致性好；由于采用干法刻蚀形成加速度传感器相应的质量块和压力传感器空腔结构，不存在湿法腐蚀因为腔体是斜面的问题，因而芯片体积小；避免采用电镀金属工艺增加加速度传感器的敏感质量块质量，提高后续加工工艺的冗余度；加速度传感器通过形成自检测电极，用静电力模拟加速度输入，可以具有自检测功能。

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横截面示意图。

图2为本发明第一实施例的制造方法的流程图。

图3A-3P为本发明第一实施例的制造方法的工艺流程结构示意图。

图4A-4B为本发明第一实施例的保护盖的制造方法工艺流程结构示意图。

图5为本发明第二实施例的结构横截面示意图。

图6为本发明第三实施例的结构横截面示意图。

图7为本发明第四实施例的结构横截面示意图。

图8为本发明第五实施例的结构横截面示意图。

图9为本发明第一实施例的复合传感器的加速度传感器静电自检测原理示意图。

具体实施方式

本发明第一实施例：

图1是本发明第一实施例的一种复合传感器的结构横截面示意图，图2为本发明第一实施例的制造方法的流程图，图3A-3P为本发明第一实施例的制造方法的工艺流程结构示意图，图4A-4B为本发明第一实施例的保护盖的制造方法工艺流程结构示意图。

一种复合传感器制造方法，本实施例基于的晶圆材料，包含器件层101、中间的刻蚀自停止掩膜层102和半导体结构层103，如图3A所示。该晶圆材料可以采用两种较典型的方法制作，第一种方法如下：

a：在器件层101(晶圆掺杂类型优选的采用N型)表面制作刻蚀自停止掩膜层102，该刻蚀自停止掩膜层102的材料可以是二氧化硅、氮化硅，制作方法可以是热氧化或者化学气相沉积；

b：在刻蚀自停止掩膜层102生长半导体结构层103，该半导体结构层103优选采用N掺杂的多晶硅，生长方法优选采用外延生产；

c：完成半导体结构层103生长后，去除器件层101一边的半导体结构层103和刻蚀自停止掩膜层102，优选地，通过化学机械研磨方式使半导体结构层103表面平坦化，以便于后续键合工艺。

另外一种简单的方法是直接采用SOI晶圆。

参看图2，步骤201，半导体结构层图形化、刻蚀形成附加质量块。在图3A所示的晶圆材料的半导体结构层103表面图形化，并干法刻蚀部分半导体结构层103，形成加速度传感器的附加质量块105，完成该步工艺后其结构如图3Ba-3Bb所示，3Ba为横截面示意图，3Bb为俯视示意图。

步骤202，在一衬底层材料上图形化、刻蚀形成压力传感器的压力空腔和加速度传感器的加速度限位空腔，并键合衬底层到刻蚀自停止掩膜层上。用一片新的晶圆材料作为衬底层106(优选为N型掺杂)，图形化、干法刻蚀，形成压力传感器的压力空腔104和加速度传感器的的加速度限位空腔123，刻蚀深度由加速度附加质量块105的高度和限位高度决定。完成该步工艺后结构示意图如图3C所示，3C为横截面示意图。随后将衬底层106键合到刻蚀自停止层102上，键合完成后结构横截面示意图如图3D所示。优选的，衬底层106键合完成后，翻转整个晶圆，通过机械方式减薄器件层101，减薄的方法可以采用化学机械研磨，也可以采用其他方法。减薄后器件层101的厚度根据具体设计确定。减薄完成后结构横截面示意图如图3E所示。

步骤203，生长掩膜层，刻蚀并形成电连接通道。器件层101减薄完成后，在器件层101表面生长掩膜层108，图形化并刻穿掩膜层108、器件层101和刻蚀自停止掩膜层102，形成电连接通道107。完成后结构示横截面意图如图3Fa-3Fab所示，3Fa为横截面示意图，3Fb为俯视示意图。

步骤204，形成电隔离层，对电连接通道进行回填。在形成的电连接通道107侧壁形成电隔离层109。可以采用化学气相沉积方法生成电隔离层109，沉积结束后去除器件层101表面和电连接通道107底部的电隔离层109，保留侧壁电隔离层109，电隔离层109材料可以选用二氧化硅或者氮化硅材料，也可以是二氧化硅和氮化硅组成的双层电隔离层等。完成后横截面结构示意图如果3G所示。然后对电连接通道107进行回填导电材料110。一种方法是低压化学气象淀积低应力的多晶硅材料，优选为N型掺杂，并去除器件层上多晶硅材料，只保留在电连接通道107内的多晶硅。完成后结构示意图如图3Ha-3Hb所示，3Ha为横截面示意图，3Hb为俯视示意图。

步骤205，形成压力压阻条、加速度压阻条和电接触区。去除器件层101表面的掩膜层108并重新生长一层掩膜层108，图形化掩膜层108、离子注入，P型轻掺杂，形成压力传感器的压力压阻条112和加速度传感器的加速度压阻条111，完成后结构横截面示意图如图3I所示。然后图形化、刻蚀掩膜层108，形成接触孔，再次离子注入，p型重掺杂，形成电接触区113。完成后结构横截面示意图如图3J所示。

步骤206，形成自检测电极电接触区并沉积金属，形成金属连线及金属引脚。图形化、刻蚀掩膜层108，形成接触孔，并进行重掺杂，优选为N型重掺杂，高温活化，形成压力压阻条112和加速度压阻条111及电连接通道107。完成后结构示意图如图3Ka-3Kb所示，3Ka为横截面示意图，3Kb为俯视示意图。随后在掩膜层上沉积金属层，图形化、刻蚀金属层，形成金属连线115及金属引脚114、第一自检测电极116、第二自检测电极117，然后高温退火，实现电接触，形成芯片的金属引脚。完成后结构示意图如图3La-3Lb所示，3La为横截面示意图，3Lb为俯视示意图。

步骤207，生长钝化层，图形化、刻蚀钝化层，形成打线孔。在掩膜层108上生长钝化层119，图形化、刻蚀，形成打线孔118。钝化层119材料可以为氮化硅，生长方法可以采用化学气相沉积。完成后结构横截面示意图如图3M所示。

步骤208，形成释放槽，释放加速度传感器可动结构。在加速度传感器一侧刻蚀，刻穿钝化层119、掩膜层108、器件层101和刻蚀自停止层102，形成释放槽120，释放加速度传感器可动结构。完成后结构示意图如图3Na-3Nb所示，3Na为横截面示意图，3Nb为俯视示意图。

步骤209，键合保护盖，加工保护盖并暴露压力敏感膜。键合保护盖121的键合方法可以采用苯并环丁烯(BCB)键合。完成后结构横截面示意图如图3O所示。对压力传感器上的保护盖121结构进行加工，例如半切工艺，暴露压力敏感膜。完成后横截面结构示意图如图3P所示。

保护盖121采用一片新的晶圆制作，表面生长掩膜层，图形化、刻蚀掩膜层，开对准标记的腐蚀窗口。然后在晶圆的另一面掩膜层图形化、刻蚀掩膜层，开腐蚀窗口，形成深腔刻蚀窗口，开完对准标记腐蚀窗口和深腔刻蚀窗口后，湿法腐蚀，形成对准标记1211和深腔1212，深腔的刻蚀深度由后续工艺决定，例如可以为60μm-70μm，完成后结构横截面示意图如图4A所示。图形化、刻蚀掩膜层，形成浅腔腐蚀窗口，并继续进行湿法腐蚀，形成浅腔1213，最终形成保护保护盖121，保护盖121浅腔的深度由加速度传感器的限位距离决定，完成后结构横截面示意图如图4B所示。

本发明第一实施例的复合传感器的加速度传感器自检测原理是：

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，从而检测加速度传感器的性能；其自检测原理图如图9所示，通过给第一自检测电极116与第二自检测电极117之间施加电压，由于静电力作用，引起加速度传感器悬臂梁产生变形，如图9虚线所示，从而引起压阻条阻值变化，实现了用静电力模拟加速度输入，完成器件的晶圆级自检测。

本发明第二实施例：

本发明第一实施例的复合传感器的压力传感器是没有过载保护功能的，在本发明第二实施例中，其结构及制作工艺流程是在本发明第一实施例的基础上在压力传感器中增加过载保护功能结构，即在压力空腔104内增加一个压力限位结构122，参见图5。该压力限位结构122是在第一实施例的步骤201中，刻透半导体结构层103，形成压力限位结构122及加速度传感器的附加质量块105，具体结构形式及压力限位结构122的位置根据压力传感器的线性度和灵敏度综合考虑，可以有不同的形状和分布，这里不再赘述。

本发明第三实施例：

本发明第一实施例的复合传感器的加速度传感器具有过载限位功能，但压力传感器的压力空腔深度较深(与加速度传感器加速度限位空腔一致)而不具有过载限位功能，本实施例是另一种改进的压力传感器具有过载限位功能的实施例，压力传感器的过载限位是通过压力敏感膜和衬底上的压力空腔之间的距离来实现，通过刻蚀压力空腔的深度决定压力传感器的限位距离。最终的成品横截面示意图如图6所示。该实施例是在第一实施例的步骤202中，图形化、刻蚀结构层103中，分两步图形化。刻蚀结构层，分两次分别形成加速度限位空腔123和压力空腔104。压力空腔104和加速度限位空腔123的深度由具体设计决定，这里不再赘述。

本发明第四实施例：

本发明第一实施例、第二实施例、第三实施例的复合传感器的加速度传感器具有过载限位功能，但其附加质量块和衬底之间没有绝缘层，一旦出现附加质量块和衬底之间接触，就会造成短路现象，而且第二实施例和第三实施例的压力传感器也具有过载限位功能，其过载限位结构之间也没有绝缘层，一旦出现接触，也会造成短路；此外，在干法刻蚀半导体结构层，形成附加质量块和/或压力限位结构时，可能造成刻蚀自停止层表面比较粗糙，不利于后续键合工艺，为了避免出现由于突发接触造成的短路现象，也为了便于后续键合，有如下所述的第四实施例：改进第四实施例的复合传感器的结构可以是第一实施例、第二实施例、第三实施例中任何一种结构。第四实施例和第一实施例的工艺流程区别点在于，干法刻蚀部分半导体结构层形成加速度传感器的附加质量块后，去除晶圆材料中的刻蚀自停止层，重新在器件层及附加质量块表面生长一层绝缘层124，绝缘层材料可以是二氧化硅或者氮化硅，生长方法可以采用热氧化或者化学气相沉积。最终的成品横截面示意图如图7所示。

本发明第五实施例：

本发明前述的复合传感器的加速度传感器具有自检测功能，但工艺流程复杂，成本较高，当加速度传感器不需要具有自检测功能时，为了节约成本，可以采用第五实施例。第五实施例与本发明其他实施例相比，减少第一自检测电极116和第二自检测电极117。其结构可以是第一实施例的压力传感器不带压力限位结构122，也可以是第二实施例的压力传感器带压力限位结构122的。完成后结构横截面示意图如图8所示，这里示意性按照第一实施例压力传感器不带压力限位结构122的。

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 (16)

1.一种复合传感器，包括加速度传感器和压力传感器，其特征在于，所述复合传感器基于的晶圆包含器件层、刻蚀自停止掩膜层，刻蚀自停止掩膜层上健合有衬底层，衬底层设置有压力空腔和加速度传感器限位空腔，所述加速度传感器限位空腔内设置有附加质量块，器件层表面生长有掩膜层，器件层在加速度传感器一侧注入有加速度压阻条，以及在压力传感器一侧注入有压力压阻条，加速度传感器一侧刻蚀有释放槽。

2.根据权利要求1所述的复合传感器，其特征在于，掩膜层形成有接触孔，在器件层形成电接触区，并沉积金属，形成金属连线及传感器的金属引脚。

3.根据权利要求1所述的复合传感器，其特征在于，还包括刻穿掩膜层、器件层和刻蚀自停止掩膜层形成的电连接通道，电连接通道侧壁设置有电隔离层，电连接通道中间填充导电材料。

4.根据权利要求3所述的复合传感器，其特征在于，电连接通道上方形成有第一自检测电极和第二自检测电极。

5.根据权利要求1所述的复合传感器，其特征在于，压力空腔内还设置有压力限位结构，压力限位结构低于压力空腔高度。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的复合传感器，其特征在于，复合传感器的加速度传感器上还键合有保护盖。

7.一种复合传感器制造方法，所述的复合传感器包括加速度传感器和压力传感器，其特征在于，复合传感器基于的晶圆包含器件层、中间的刻蚀自停止掩膜层和半导体结构层，所述制造方法包括以下步骤：

a)在晶圆的半导体结构层图形化、刻蚀形成附加质量块；

b)在一衬底层材料上图形化、刻蚀形成压力传感器的压力空腔和加速度传感器的加速度限位空腔，并键合衬底层到刻蚀自停止掩膜层上；

c)在器件层表面生长掩膜层；

d)图形化掩膜层，离子注入，在器件层形成压力传感器的压力压阻条和加速度传感器的加速度压阻条；

e)图形化掩膜层、刻蚀形成接触孔，离子注入，形成电接触区，并沉积金属，与电连接区形成电接触，图形化、刻蚀金属，形成金属连线及金属引脚；

f)在加速度传感器一侧刻蚀，刻穿钝化层、掩膜层、器件层和刻蚀自停止层，形成释放槽，释放加速度传感器可动结构。

8.根据权利要求7所述的复合传感器制造方法，其特征在于，第a)步骤的刻蚀方法为干法刻蚀。

9.根据权利要求7所述的复合传感器制造方法，其特征在于，实施第c)步骤前对器件层进行减薄工艺。

10.根据权利要求7所述的复合传感器制造方法，其特征在于，第c)步骤还包括如下步骤：刻穿掩膜层、器件层和刻蚀自停止掩膜层形成电连接通道，在电连接通道侧壁形成电隔离层并对电连接通道进行回填。

11.根据权利要求10所述的复合传感器制造方法，其特征在于，第e)步骤还包括如下步骤：在电连接通道上方形成第一自检测电极、第二自检测电极。

12.根据权利要求7所述的复合传感器制造方法，其特征在于，e)步骤后还包括在掩膜层上生长钝化层，图形化、刻蚀钝化层，形成打线孔。

13.根据权利要求7所述的复合传感器制造方法，其特征在于，第a)步骤还包括如下步骤：在半导体结构层图形化、刻蚀形成压力限位结构，压力限位结构设置在压力空腔内并低于压力空腔高度。

14.根据权利要求13所述的复合传感器制造方法，其特征在于，压力限位结构表面设置有绝缘层。

15.根据权利要求7或13所述的复合传感器制造方法，其特征在于，附加质量块表面设置有绝缘层。

16.根据权利要求7-14任一权利要求所述的复合传感器制造方法，其特征在于，在所述复合传感器的加速度传感器上键合保护盖。