CN108168580A - 一种用于硅基mems电容式传感器的防静电结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，该传感器具有固定的第一敏感电极和可动的第二敏感电极，其中，所述防静电结构包括分别连接在所述第一敏感电极与一地电极之间、所述地电极与一输出电极之间、所述输出电极与所述第二敏感电极之间的三个多晶硅结构层，其中，每个多晶硅结构层与其相邻的两个电极构成一对背靠背二极管。本发明能够保证电容式传感器两电极在非工作状态下不被吸合或击穿，同时又不会对传感器的正常工作产生影响。

Description

一种用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构

技术领域

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构及其应用电路。

背景技术

利用硅微机电技术(Micro Electro Mechanical System，MEMS)制作的硅基电容式传感器包括电容式加速度传感器、电容式压力传感器和电容式声发射传感器等已经成为硅基传感器领域广泛研究的方向之一。目前很多硅基 MEMS电容式传感器的工作原理就是通过MEMS工艺制作一个可动结构2作为电容式传感器的一个电极，如图1所示，它与衬底1构成一个检测电容，待测信号可驱动可动结构2振动引起传感器电容值的改变，通过测试电容的变化来实现对待测信号的检测。

在生产、运输和操作过程中，硅基MEMS电容式传感器没有连接在电路中，电容两极板间没有直流通路，因此，对静电敏感。这与集成电路中的MOS 器件类似，MOS管的结构如图2a所示，包括硅衬底3、源极4、栅极5、绝缘层6和漏极7，其中，MOS管衬底3与栅极5也构成一个电容，两者之间没有直流通路时，对静电也非常敏感。这是因为：电容式器件的电容值与电压满足的关系式为(式中C为两个电极间的电容值，Q为电极上的电荷量，V为电极间的电压差)，制作的硅基电容式器件的电容值往往很小，只有 pF量级，如果在电容式器件的两极板上积累一定的静电电荷Q，就很容易产生很大的电压V，引起硅基电容式器件的两电极板发生吸合或者击穿现象，造成硅基电容式器件不能正常工作，因此，做好硅基电容式器件的防静电工作，已成为保证硅基电容式器件正常工作的重要前提。

MOS结构常规的防静电措施是：在MOS管的栅极制作两个PN结二极管， MOS管防静电的结构示意如图2b所示，在MOS管8的栅极a端制作了两个 PN结二极管9和10，由于PN结存在漏电流，所以这两个PN结二极管的c 端和d端均与MOS管的衬底b端建立了直流通路关系(图中的虚线表示通路关系)，即MOS管没有连接到工作电路时，通过制作的PN结二极管9和10，在MOS管电容两端a和d端累积的静电电荷可在该直流通路上流动，从而保证了MOS管栅极5与衬底电极3不能产生大的电压差，MOS管栅极5与衬底3之间就不能造成击穿，使得MOS具备了静电防护的功能；当MOS管8 连接到工作电路中时，如图2c所示，积累的静电电荷可瞬间通过外接电路释放，此外，MOS管工作时输入信号的电压处于-V_dd与V_cc之间，这时PN结二极管9和10均处于反向偏置，即9和10处于开路状态，因此，MOS管制作的防静电结构不影响MOS管的正常工作。

MOS管防静电结构的核心思路是：(1)建立电容两极板间的直流通路； (2)该直流通路不影响器件在电路中正常工作。

MOS管的防静电方法难以直接用于硅基MEMS电容式传感器。这是因为：如果按照MOS管的防静电连接方式，在电容式传感器两端也制作类似的PN 结二极管，如图3a所示，在硅基MEMS电容式传感器11的b端和c端制作了四个PN结二极管12、13、14和15，电容式传感器的两极板间通过四个二极管构成了直流通路，也能保证电容式传感器两极板间积累的静电电荷不能形成大的电压差，保证硅基电容式传感器在无外接电路时两电极板不被吸合或击穿；但是，如果将该防静电结构连接到硅基MEMS电容式传感器的工作电路中时，如图3b所示，硅基MEMS电容式传感器11的电容比较小，检测过程引起的电流变化量也比较小，该微小的电流变化量可通过连接在传感器11的c端上的PN结二极管14或15以漏电流的方式流失，不能流入放大系统18中的反馈电阻R和反馈电容C的支路中，导致无法检测到传感器的输出信号，造成MEMS电容式传感器无法正常工作。因此，这种防静电连接方式影响MEMS电容式传感器的正常工作。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构及其应用电路，以保证电容式传感器两电极在非工作状态下不被吸合或击穿，同时又不会对传感器的正常工作产生影响。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，该传感器具有固定的第一敏感电极和可动的第二敏感电极，其特征在于，所述防静电结构包括分别连接在所述第一敏感电极与一地电极之间、所述地电极与一输出电极之间、所述输出电极与所述第二敏感电极之间的三个多晶硅结构层，其中，每个多晶硅结构层与其相邻的两个电极构成一对背靠背二极管。

进一步地，所述地电极、输出电极、第二敏感电极设置在所述第一敏感电极上，且所述地电极、输出电极、第二敏感电极与所述第一敏感电极之间设有氧化层。

进一步地，所述第一敏感电极上还设有通过金属焊盘与其连接的过渡电极，其中，与所述第一敏感电极连接的多晶硅结构层通过所述过渡电极与所述第一敏感电极相连。

进一步地，所述第一敏感电极由衬底硅制成，所述地电极、输出电极、第二敏感电极和过渡电极由顶层硅制成。

进一步地，所述第一敏感电极、输出电极、第二敏感电极设置在所述地电极上，且所述第一敏感电极、输出电极、第二敏感电极与所述地电极之间设有绝缘层。

进一步地，所述地电极由衬底硅制成，所述第一敏感电极、输出电极和第二敏感电极由多晶硅制成。

进一步地，所述第一敏感电极、地电极、输出电极、第二敏感电极上分别设有金属焊盘。

通过采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明提供的防静电结构在硅基MEMS电容式传感器的两敏感电极之间通过三对背靠背的PN结二极管建立了一个直流通路，电容传感器两电极之间积累的静电电荷可在该直流通路中流动，使得电容传感器两电极板不能产生大的电压差，保证电容式传感器两电极在非工作状态下不被吸合或击穿。

(2)所述的硅基电容式传感器积累在直流通路中的静电电荷在其连接到外部工作电路中时可以释放至大地。

(3)所述三对背靠背PN结二极管是通过在硅电极之间制作多晶硅结构层实现的，多晶硅结构层的掺杂类型与所有的硅电极相反，多晶硅结构层的两端与其相连接的两个硅电极形成两个PN结，它是一种背靠背的PN结二极管。

(4)防静电结构在应用时，连接在电源端子与接地端子之间的背靠背PN 结二极管寄生电阻要远大于电源内阻，对检测电容传感器输入信号无影响；所述的连接在接地端子与放大器输出端子之间的背靠背PN结二极管寄生电阻要远大于运放的输出电阻与负载电阻，对传感器输出信号没有影响；所述的连接在放大器输出端子与信号端子之间的背靠背的PN结二极管在适当的结面积以及掺杂浓度下，其寄生电阻远大于反馈电阻，远小于反馈电容的电阻，即对传感器信号的放大没有影响，因此，所述的三对背靠背的PN结二极管对硅基电容式传感器正常工作是没有影响的。

附图说明

图1为常规硅基MEMS电容式传感器的结构示意图；

图2a为常规MOS管的结构示意图；

图2b为MOS管的防静电结构在无外接电路时的连接图；

图2c为MOS管的防静电结构在有外接电路时的电路简化图；

图3a为类似MOS管防静电方式实现的MEMS电容式传感器在无外接电路时的连接图；

图3b为类似MOS管防静电方式实现的MEMS电容式传感器在工作电路中的连接图；

图4a为本发明用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构在无外接电路时的连接图；

图4b为本发明用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构在工作电路中的连接图；

图5a为本发明第一个实施例的硅基MEMS电容式敏感结构与防静电结构的俯视图；

图5b为沿图5a中虚线aa＇剖开的截面图；

图5c为与图5a对应的主视图；

图6a为本发明硅电极与多晶硅结构层形成的一种背靠背PN结二极管的示意图；

图6b为本发明硅电极与多晶硅结构层形成的另一种背靠背PN结二极管的示意图；

图7a本发明第二个实施例的硅基MEMS电容式敏感结构与防静电结构的俯视图；

图7b为沿图7a虚线bb＇的截面图；

图7c为图7a所示防静电区域的侧视图；

图8a为打开衬底硅电极窗口的截面示意图；

图8b为制作N型掺杂多晶硅结构层后的主视图；

图8c为刻蚀出硅梁、质量块结构及释放孔后的俯视图；

图8d为沿图8c虚线bb＇的截面图；

图8e为沉积氧化层、完成金属焊盘及金属布线后传感器的俯视图；

图8f为沿图8e虚线bb＇的截面图。

图8g为图8e所示防静电区域的主视图；

图8h为刻蚀出释放槽的俯视图；

图8i为完成整个硅基MEMS电容式声发射传感器工艺流程后的俯视图；

图8j为沿图8i虚线bb＇的截面图；

图8k为图8i所示防静电区域的主视图；

图9a为本发明第三个实施例的硅基MEMS电容式敏感结构与防静电结构的俯视图；

图9b为沿图9a虚线cc＇的截面图；

图10a为衬底硅上制作绝缘层的截面图；

图10b为制作多晶硅结构层的俯视图；

图10c为图10b沿虚线cc＇的截面图；

图10d为制作多晶硅敏感电极的截面图；

图10e为制作牺牲层的截面图；

图10f为在牺牲层上制作多晶硅敏感电极的截面图；

图10g为制作金属焊盘的截面图；

图10h为传感器释放牺牲层后的俯视图；

图10i为图10(h)沿虚线cc＇的截面图。

具体实施方式

为使本发明更加明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

为了实现硅基MEMS电容式传感器的静电防护，本发明提供了如图4a 所示的防静电结构，如图所示，电容式传感器11的b端、c端分别表示为第一敏感电极、第二敏感电极，a端表示为地电极、d端表示为输出电极。本发明的防静电结构是在四个电极之间制作了三对背靠背PN结二极管结构19、 20和21，即在第一敏感电极和第二敏感电极构成的电容式传感器之间串联三对背对背PN结二极管结构19、20和21。其中，第一对背靠背二极管19连接在c与d端之间，第二对背靠背二极管20连接在b与a端之间，第三对背靠背二极管21连接在a与d端之间。

本发明防静电结构的防静电原理为：在生产、运输和操作过程中，硅基 MEMS电容式传感器11无外接电路，如图4a所示，通过三对背靠背PN结二极管19、20与21，在传感器11的b端与c端建立了一个直流通路，传感器 11两敏感电极积累的静电电荷可以通过三对背靠背的PN结二极管流动，使两个敏感电极间不能形成大的电压差，从而保护硅基电容式传感器不发生吸合或击穿，起到了防静电的作用。由于敏感电容值很小，感应电荷量也很小，背靠背二极管不需要击穿，其漏电流就能够满足防静电的需要。

本发明防静电结构不影响电容传感器在电路中的正常工作，如图4b所示，示例性提供了该结构的一个应用电路说明其原理，然而其应用电路并不限于该电路，只需要是采用运算放大器反相放大工作原理的电容-电压变换电路均可，其中，上述两个敏感电极必须分别连接在运算放大器的负输入端和输出端。本发明防静电结构的工作原理为：在硅基MEMS电容式传感器11连接到工作电路中时，ab间背靠背二极管20与电源16并联，由于电源内阻远小于背靠背二极管20的寄生阻抗，背靠背二极管20对电容检测无影响。cd间的背靠背二极管19与反馈电阻和电容并联，通过减小背靠背二极管19的结面积，可以使背靠背二极管19的寄生电阻远大于反馈电阻，使背靠背二极管 19的寄生结电容远小于反馈电容，使cd间的背靠背二极管19对电容检测不产生影响。ad间的背靠背二极管21与运放18的输出端并联，由于电容-电压变换电路的输出电阻和负载电阻均远小于ad间的背靠背二极管21的寄生电阻，ad间的背靠背二极管21对电容检测输出信号无影响。即三对背靠背的 PN结二极管19、20和21不影响硅基MEMS电容式传感器11的正常工作。

图4a所示用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构可以采用多种结构实现。本发明以下面三个实施例的结构为例进行具体说明，但并不限于这三种结构。

图5a-5c以一种体微机械工艺制作的电容式传感器及防静电结构为本发明第一个实施例进行说明，具体说明如下：

本发明电容式传感器及防静电结构的四个电极在图5a-5c所示结构中分别对应：第一敏感电极为衬底硅电极26构成的固定结构，第二敏感电极为梁 -质量块结构22及其相连接的硅电极32构成可动结构，地电极、输出电极分别为顶层硅制作的电极结构28和电极结构30。其中，衬底硅电极26上还设有一顶层硅制成的过渡电极24，衬底硅电极26和电极24之间通过金属焊盘 23相连接，电极28、30和32与衬底硅电极26之间设有氧化层33。四个电极24、28、30和32上分别设有金属焊盘23、31、27和29，用于电学引出。

其中，图4中b端、c端、a端和d端分别对应图5中敏感电极26、敏感电极32、地电极28和输出电极30，三对背靠背PN结二极管分别制作在敏感电极26与地电极28之间、地电极28与输出电极30之间、输出电极30与敏感电极32之间，所述背对背PN结二极管是通过在相邻两个电极之间连接多晶硅结构层25形成的。

以电极30、32与多晶硅结构层25形成的一对背靠背PN结二极管为例说明：如图6a和图6b所示，如果电极30和32为N型，则制作的多晶硅结构层25为P型，如果硅电极30和32为P型，则制作多晶硅结构层25就为N 型，所以多晶硅结构层25的两端与两个电极30、32的接触面总是能形成两个PN结，如图6a和图6b中的虚线区域所示，且多晶硅结构层25应足够长，使电极30、32和多晶硅结构层25不能形成NPN型或PNP型三极管，而只能形成一对背靠背的PN结二极管。图6a和图6b所述的两种类型的背对背PN 结二极管对静电防护作用相同，只针对硅电极掺杂类型不同来制作。

图5a-5c所示的硅基电容式传感器及防静电结构完成制作以后，通过串联在敏感电极26和敏感电极32之间的三对背靠背PN结二极管，可实现对静电电荷的防护；在工作时，按照图4b电容式传感器正常工作时的连接方式，即焊盘23、27、29、31通过导线分别连接到图4b所示工作电路中的电源端b 端、地端a端、放大输出端d端和信号端c端，不会影响电容式传感器的正常工作。

在本实施例中，图5所示四个电极26、28、30和32之间通过刻蚀沟槽实现相互隔离，仅通过多晶硅结构层25相连接，即多晶硅结构层25是悬空的，但本发明背靠背PN结二极管制作方式不限于通过悬空多晶硅结构层25 才能实现，还可通过在硅电极之间制作绝缘层也能实现，如本发明第三个实施例所示。

图7a-7c以一种体微机械工艺制作的硅基MEMS电容式声发射传感及防静电结构为本发明第二个实施例进行说明，具体说明如下：

硅基电容式声发射传感器制作在SOI硅片上，电容式声发射传感器及防静电结构的四个电极为：第一敏感电极为衬底硅电极26构成的固定结构，第二敏感电极为梁39、质量块40及硅电极32构成的整体可动结构，地电极为电极结构28，输出电极为电极结构30，底硅电极26上还设有一过渡电极24，衬底硅电极26和过渡电极24之间通过金属焊盘23相连接。所述梁39、质量块40、电极32、地电极28与输出电极30及电极24均由顶层硅43刻蚀形成，四个电极24、28、30和32上分别设有金属焊盘23、27、29和31，用于电学引出。

本实施例防静电结构制作在防静电区域42，如图7a和图7c所示，三对背靠背PN结二极管通过在敏感电极26与地电极28之间、地电极28与输出电极30之间、输出电极30与敏感电极32之间分别连接多晶硅结构层25而形成的，由于使用的SOI硅片为P型，则多晶硅结构层25应掺杂为N型，背对背PN结二极管结构的形成原理与图6b相同，敏感电极26与硅电极24通过金属焊盘23相连接。

上述声发射传感器静电防护原理如下：通过在区域42制作三对背靠背二极管，在敏感电极26与敏感电极32之间为静电电荷建立了一个直流通路，在生产、运输和操作过程中，静电电荷不能在两敏感极板间产生大的电压，防止声发射传感器发生吸合。

该声发射传感器在工作时，将四个电极对应的金属焊盘23、27、29和31 通过金属导线分别按照图4b所示连接电源端b、接地端a、放大器输出端d 及信号端c端，四个电极26、28、30和32之间制作的防静电结构(三对背靠背PN结二极管)不会影响声发射传感器的正常工作。

基于MEMS工艺，上述硅基防静电结构电容式声发射传感器的制作过程如图8a-8k所示：

S1，首先提供由顶层硅43、氧化层33和衬底硅26构成的“三明治“结构，然后制作声发射传感器的防静电结构，将敏感电极26的窗口打开(即对氧化层33和衬底硅26进行腐蚀以将金属焊盘23的位置留出)，如图8a所示。

S2，通过低压化学气相沉积及离子注入技术制作N型多晶硅结构层25，如图8b所示。

S3，通过光刻、深反应离子刻蚀等技术刻蚀顶层硅43，制作出硅梁39、质量块结构40以及梁-质量块的释放孔41，如图8c和图8d所示；

S4，沉积氧化层33，开金属焊盘窗口，通过溅射技术制作金属导线及金属焊盘23、27、29与31，如图8e、图8f和图8g所示；

S5，通过刻蚀技术刻蚀顶层硅形成槽结构44，用于后续多晶硅结构层25 下方硅的释放，如图8h所示；

S6，通过湿法工艺将三个多晶硅结构层25下方的硅腐蚀，实现多晶硅结构层25的悬空，最后通过HF蒸汽腐蚀表面及硅梁39与质量块40下方的氧化层33，将梁-质量块结构释放，完成MEMS电容式声发射传感器及防静电结构的制作，如图8i、图8j与图8k所示。

图9a-9b以一种表面微机械工艺制作的硅基MEMS电容式声发射传感及防静电结构为本发明第三个实施例进行说明，具体说明如下：

本发明所述电容式传感器及防静电结构的四个电极在图9a-9b分别对应为：第一敏感电极为多晶硅制作的固定电极38，第二敏感电极为多晶硅制作的可动电极37，地电极为衬底硅34，输出电极为多晶硅制作的电极结构36。上述四个硅电极38、38、36、34分别通过金属焊盘23、31、27和29实现电学引出。敏感电极37、敏感电极38、输出电极36的下方制作了一层氮化硅绝缘层35，它们与地电极34之间通过绝缘层35实现隔离。

其中，图4中a端、b端、c端和d端分别对应图7的地电极34(焊盘27)、敏感电极38(焊盘23)、敏感电极37(焊盘31)和输出电极36(焊盘29)，三对背靠背PN结二极管分别制作在敏感电极38与地电极34之间、地电极 34与输出电极36之间、输出电极36与敏感电极37之间，所述背靠背PN结二极管是通过在相邻两个电极之间连接多晶硅结构层25形成的。制作背靠背 PN结二极管的结构与图6a和图6b结构说明一致，表面微机械制作的四个电极之间通过绝缘层35实现相互隔离，相邻两个电极之间仅通过多晶硅结构25 相连接，且多晶硅结构层25制作在绝缘层35上。

图9a所示的硅基电容式传感器及防静电结构完成制作以后，通过串联在敏感电极37和敏感电极38之间的三对背靠背PN结二极管，为静电电荷建立了微小的直流通路，可实现对静电电荷的防护；同时，按照图4b电容式传感器正常工作时的连接方式，即四个电极对应的焊盘23、27、29、31通过导线分别连接到图4b所示工作电路中的电源端b端、地端a端、放大输出端d端和信号端c端，所述防静电结构不会影响电容式传感器的正常工作。

基于MEMS工艺，上述硅基防静电结构电容式声发射传感器的制作过程如图10a-10i所示：

S1，在衬底硅34上生长一层氮化硅绝缘层35，如图10a所示。

S2，通过低压化学气相沉积技术制作多晶硅结构层25，如图10b和图10c 所示。

S3，通过低压化学气相沉积技术沉积多晶硅固定电极38作为第一敏感电极，如图10d所示。

S4，通过化学气相沉积技术生长一层绝缘层45作为后续释放的牺牲层，如图10e所示。

S5，通过低压气相化学沉积技术沉积多晶硅可动电极37及输出电极36，可动电极37作为第二敏感电极，如图10f所示。

S6，通过溅射制作四个金属焊盘23，27，29和31用于实现四个电极的电学引出，如图10g所示。

S7，通过湿法腐蚀工艺腐蚀绝缘层45，释放敏感电极37，完成电容式传感器的制作，如图10h和10i所示。

以上仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，该传感器具有固定的第一敏感电极和可动的第二敏感电极，其特征在于，所述防静电结构包括分别连接在所述第一敏感电极与一地电极之间、所述地电极与一输出电极之间、所述输出电极与所述第二敏感电极之间的三个多晶硅结构层，其中，每个多晶硅结构层与其相邻的两个电极构成一对背靠背二极管。

2.根据权利要求1所述的用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，其特征在于，所述地电极、输出电极、第二敏感电极设置在所述第一敏感电极上，且所述地电极、输出电极、第二敏感电极与所述第一敏感电极之间设有氧化层。

3.根据权利要求2所述的用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，其特征在于，所述第一敏感电极上还设有通过金属焊盘与其连接的过渡电极，其中，与所述第一敏感电极连接的多晶硅结构层通过所述过渡电极与所述第一敏感电极相连。

4.根据权利要求3所述的用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，其特征在于，所述第一敏感电极由衬底硅制成，所述地电极、输出电极、第二敏感电极和过渡电极由顶层硅制成。

5.根据权利要求1所述的用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，其特征在于，所述第一敏感电极、输出电极、第二敏感电极设置在所述地电极上，且所述第一敏感电极、输出电极、第二敏感电极与所述地电极之间设有绝缘层。

6.根据权利要求5所述的用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，其特征在于，所述地电极由衬底硅制成，所述第一敏感电极、输出电极和第二敏感电极由多晶硅制成。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，其特征在于，根据权利要求1所述的用于硅基MEMS电容式传感器的防静电结构，其特征在于，所述第一敏感电极、地电极、输出电极、第二敏感电极上分别设有金属焊盘。