CN110182753B - 高灵敏度加速度传感器结构的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高灵敏度加速度传感器结构的制作方法,包括：提供衬底；于衬底的正面及背面形成钝化层；于衬底的正面形成释放窗口；形成深槽；形成内部刻蚀缓冲腔体；去除钝化层；于释放窗口的侧壁、内部刻蚀缓冲腔体的侧壁及内部刻蚀缓冲腔体的上下表面形成低应力多晶硅层；于低应力多晶硅层表面形成氧化硅钝化层；于衬底正面进行硼离子注入；于衬底的背面形成沟槽；去除位于内部刻蚀缓冲腔体底部的氧化硅钝化层，并将进行高温退火形成压敏电阻；于衬底的正面制作引线孔、金属引线及焊盘；提供键合衬底，将键合衬底键合于所述衬底的背面；释放悬臂梁及质量块。本发明可以避免对悬臂梁过刻蚀，从而可以确保任意尺寸悬臂梁的厚度的可控性及均匀性。

Description

高灵敏度加速度传感器结构的制作方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别是涉及高灵敏度加速度传感器结构的制作方法。
背景技术
硅基加速度传感器作为惯性传感器领域最为火热的MEMS检测器件之一，广泛应用于航 空航天、汽车电子、可穿戴装置等消费类电子产品，尤其随着近几年VR/AR、智能汽车、物 联网以及智慧城市的兴起，加速度传感器将继续发挥着越来越重要的作用。同时随着MEMS 制作技术的不断进步，高灵敏度、小尺寸、低成本的加速度传感器已成为未来加速度传感器 的发展方向。
众所周知，悬臂梁+质量块式加速度传感器的灵敏度主要由悬臂梁厚度和质量块尺寸大小 所决定，悬臂梁越薄，质量块越大，传感器灵敏度也越高，但是质量块越大会导致传感器芯 片尺寸也越大，因此最好的办法是在一定质量块尺寸基础上尽可能地减薄悬臂梁厚度。因此， 如何以最小的制作成本在一块给定芯片尺寸上加工出高灵敏度的悬臂梁+质量块式加速度传 感器其关键技术难题在于超薄悬臂梁的加工关键技术难题。
为了解决该制作关键技术难题，科研人员也进行的大量研究并给出的各种不同的解决方案， 但其结果都不很理想。2012年中科院上海微系统所的Z.Ni等利用表面微机械工艺制作悬臂 梁+质量块式加速度传感器，该传感器结构采用低应力氮化硅薄膜作为悬臂梁结构材料，通过 在氮化硅薄膜上电镀高密度铜质量块的方法来提高传感器的高敏度[Z.Ni,C.Yang,D.Xu,et al,Monolithic composite“pressure+acceleration+temperature+infrared”sensor using a versatile single-sided“SiN/Poly-Si/Al”process-module,Sensors 2013,13:pp.1085-1101]。但是其存在以下 几点不足：(1)氮化硅悬臂梁力学性能不能单晶硅材料悬臂梁；(2)电镀后的铜质量块与 氮化硅之间残余应力问题会导致传感器温度特性很差，甚至于铜质量块脱落；(3)氮化硅薄 膜释放过程中的粘附失效问题；(4)以掺杂多晶硅作为压敏检测电阻，由于多晶硅压阻系数 远小于单晶硅压阻系数，因此灵敏度也不会太高。为了解决该难题，2017年中科院上海微系 统所的J.Wang等提出一种独有的单硅片单面体硅微机械加工技术来制作悬臂梁+质量块式加 速度传感器[J.Wang,Z.Ni,J.Zhou,et al,Pressure+X/Z two-axis acceleration compositesensors monolithically integrated non-SOI wafer for upgraded production ofTPMS(tire pressure monitoring systems,MEMS 2017,Las Vegas,NV,USA,January 22-26,pp:1359-1362]，该制作技 术虽然可以很好的控制单晶硅悬臂梁的薄厚程度，但由于质量块厚度受制作技术限制最大质 量块厚度不能超过100μm，因此该传感器结构虽然可以做到芯片尺寸小，但是传感器灵敏度 提高空间有限。为了解决上述这种薄悬臂梁和厚质量块不可兼得的矛盾，科研人员提出了采 用SOI硅片作为加速度传感器加工的衬底材料，利用SOI硅片中薄的顶层单晶硅和埋氧层通 过双面体硅微机械加工来制作悬臂梁+质量块结构式加速度传感器。其中，薄的悬臂梁通过硅 片背面DRIE刻蚀至SOI硅片中埋氧层后刻蚀自停止，然后通过正面DRIE刻蚀释放悬臂梁+ 质量块可动结构[W.Yeh,C.Chan,C.Hu,et al,Novel TPMS sensing chip pressure sensor embedded in accelerometer,Transducers2013,Barcelona,SPAIN,16-20June,pp:1759-1762]。虽 然采用SOI硅片可以实现薄悬臂梁和厚质量块的制作，进而实现加速度传感器的小尺寸和高 灵敏度，但是由于SOI硅片非常昂贵，因此制作成本很高。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高灵敏度加速度传感器结构 的制作方法，用于解决现有技术中无法在普通单晶硅片上实现悬臂梁+质量块式加速度传感器 中悬臂梁厚薄精确均匀可控的问题，以及使用SOI硅片实现悬臂梁+质量块式加速度传感器 中悬臂梁厚薄可控而存在的成本较高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高灵敏度加速度传感器结构的制作方 法，所述高灵敏度加速度传感器结构的制作方法包括如下步骤：
提供衬底；
于所述衬底的正面及背面形成钝化层；
于所述衬底的正面形成若干排平行间隔排布的释放窗口，所述释放窗口定义出悬臂梁的 位置、形状及厚度；
于所述释放窗口侧壁及底部沉积保护层；
去除所述释放窗口底部的所述保护层，并依据所述释放窗口继续刻蚀所述衬底以于所述 释放窗口下方形成自所述释放窗口底部延伸至所述衬底内的深槽；
依据所述深槽横向刻蚀所述衬底，以于所述衬底内形成内部刻蚀缓冲腔体；
去除所述衬底的正面及背面的所述钝化层；
于所述释放窗口的侧壁、所述内部刻蚀缓冲腔体的侧壁及所述内部刻蚀缓冲腔体的上下 表面形成低应力多晶硅层；
对上一步骤所得结构进行高温热氧化处理，以于所述低应力多晶硅层表面形成氧化硅钝 化层；
于所述衬底正面的预设位置进行硼离子注入；
自所述衬底背面刻蚀所述衬底直至位于所述内部刻蚀缓冲腔体底部的所述氧化硅钝化层， 以于所述衬底的背面形成沟槽，所述沟槽定义出所述悬臂梁及质量块的位置及形状；
去除位于所述内部刻蚀缓冲腔体底部的所述氧化硅钝化层，并进行高温退火使注入的 所述硼离子扩散以形成压敏电阻；
于所述衬底的正面制作引线孔，于所述引线孔内形成金属引线，并于位于所述衬底正面 的所述热氧化层的上表面形成焊盘；所述金属引线与所述压敏电阻相连接，所述焊盘与所述 金属引线及所述压敏电阻相连接；
提供键合衬底，所述键合衬底的一表面形成有凹槽，将所述键合衬底键合于所述衬底的 背面，所述键合衬底形成有所述凹槽的表面为键合面；所述键合衬底键合于所述衬底的背面 之后，所述凹槽覆盖所述悬臂梁及所述质量块对应的区域；
自所述衬底正面刻蚀所述衬底以释放所述悬臂梁及所述质量块。
可选地，所述衬底包括(111)单晶硅片，各排所述释放窗口沿<211>晶向排布。
可选地，于所述衬底的正面及背面形成钝化层之前还包括于所述衬底的正面及背面均形 成热氧化硅层的步骤，所述钝化层位于所述热氧化硅层的表面；去除所述衬底的正面及背面 的所述钝化层的同时，去除所述衬底的正面及背面的所述热氧化硅层。
可选地，所述氧化硅钝化层同时形成于所述低应力多晶硅层的表面及所述衬底的正面及 背面；形成所述压敏电阻之前还包括于位于所述衬底的正面的所述氧化硅钝化层内预设位置 形成通孔图形，所述通孔图形定义出所述压敏电阻的形状及位置；于所述通孔图形内形成所 述压敏电阻。
可选地，所述内部刻蚀缓冲腔体的侧壁及所述内部刻蚀缓冲腔体的上下表面的所述氧化 硅钝化层的厚度大于等于3000埃，释放所述悬臂梁及所述质量块后所述衬底的正面及背面保 留的所述氧化硅钝化层的厚度大于等于2000埃。
可选地，所述深槽的深度取自d1及d2中的最大值，其中，
d1≥20+T×n-h
d2≥L/tan(19.47°)
其中，d1及d2为所述深槽的深度，T为所述衬底背面到所述内部刻蚀缓冲腔体底部的所 述氧化硅钝化层间的厚度，h为所述悬臂梁的厚度，L为所述任意一排所述释放窗口中相邻所 述释放窗口之间的间距，n为干法刻蚀单晶硅衬底的均匀性。
可选地，位于所述释放窗口的侧壁的所述低应力多晶硅层的厚度小于所述释放窗口宽度 的一半。
可选地，所述低应力多晶硅层同时形成于所述释放窗口的侧壁、所述内部刻蚀缓冲腔体 的侧壁、所述内部刻蚀缓冲腔体的上下表面、所述衬底的正面及背面；所述热氧化处理之前 还包括去除位于所述衬底的正面及背面的所述低应力多晶硅层的步骤。
可选地，所述衬底的正面形成的所述低应力多晶硅层的厚度、所述释放窗口的宽度及所 述释放窗口侧壁形成的所述低应力多晶硅层的厚度与所述衬底的正面形成的所述低应力多晶 硅层的厚度的比值之间满足如下关系式：
0.3μm≤(r-t×n)≤0.6μm
其中，r为所述释放窗口的宽度的一半，t为所述衬底的正面形成的所述低应力多晶硅层 的厚度，n为所述释放窗口侧壁形成的所述低应力多晶硅层的厚度与所述衬底的正面形成的 所述低应力多晶硅层的厚度的比值。
可选地，相邻两排所述释放窗口的间距大于等于所述悬臂梁的宽度。
可选地，释放所述悬臂梁及所述质量块之后，还包括如下步骤：
提供一盖板；
将所述盖板键合于所述衬底的正面。
如上所述，本发明的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法具有以下有益效果：通过在 衬底内部的内部刻蚀缓冲腔体的上下表面形成氧化硅钝化层，在从衬底背面进行刻蚀时氧化 硅钝化层可以作为刻蚀自停止层，可以避免对悬臂梁过刻蚀，从而可以确保任意尺寸悬臂梁 的厚度的可控性及均匀性；利用内部刻蚀缓冲腔体可以保证从硅片背面深刻蚀后的质量块与 衬底之间还有足够厚度(悬臂梁厚度+内部刻蚀缓冲腔体厚度)的单晶硅相连接在一起，确保 的后续传感器加工工艺的良率；通过控制悬臂梁上表面及下表面的氧化硅层的厚度，可以彻 底消除悬臂梁上下表面之间氧化硅钝化层残余应力不匹配的问题，大大降低了传感器的热不 稳定性，提高传感器的检测精度；本发明的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法制作的加 速度传感器具有小尺寸、高灵敏度的优点的同时，还具有制作工艺简单及成本低的优点；本 发明可以广泛应用于低量程、高灵敏度的加速度传感器制作，在工业控制、汽车电子、物联 网、可穿戴设备或消费类电子产品等领域具有巨大的应用前景。
附图说明
图1显示为本发明提供的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法流程图。
图2至图16显示为本发明提供的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法中各步骤所得结 构的截面结构示意图。
元件标号说明
10 衬底
101 热氧化层
11 钝化层
12 释放窗口
121 深槽
13 保护层
14 内部刻蚀缓冲腔体
15 低应力多晶硅层
16 氧化硅钝化层
17 压敏电阻
18 沟槽
19 金属引线
20 焊盘
21 键合衬底
211、241 凹槽
22 悬臂梁
23 质量块
24 盖板
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图16。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明 的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状 及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局 形态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种高灵敏度加速度传感器结构的制作方法，所述高灵敏度加 速度传感器结构的制作方法包括如下步骤：
1)提供衬底；
2)于所述衬底的正面及背面形成钝化层；
3)于所述衬底的正面形成若干排平行间隔排布的释放窗口，所述释放窗口定义出悬臂梁 的位置、形状及厚度；
4)于所述释放窗口侧壁及底部沉积保护层；
5)去除所述释放窗口底部的所述保护层，并依据所述释放窗口继续刻蚀所述衬底以于所 述释放窗口下方形成自所述释放窗口底部延伸至所述衬底内的深槽；
6)依据所述深槽横向刻蚀所述衬底，以于所述衬底内形成内部刻蚀缓冲腔体；
7)去除所述衬底的正面及背面的所述钝化层；
8)于所述释放窗口的侧壁、所述内部刻蚀缓冲腔体的侧壁及所述内部刻蚀缓冲腔体的上 下表面形成低应力多晶硅层；
9)对上一步骤所得结构进行高温热氧化处理，以于所述低应力多晶硅层表面形成氧化硅 钝化层；
10)于所述衬底正面的预设位置进行硼离子注入；
11)自所述衬底背面刻蚀所述衬底直至位于所述内部刻蚀缓冲腔体底部的所述氧化硅钝 化层，以于所述衬底的背面形成沟槽，所述沟槽定义出所述悬臂梁及质量块的位置及形状；
12)去除位于所述内部刻蚀缓冲腔体底部的所述氧化硅钝化层，并进行高温退火使所述 硼离子注入进行硼主扩形成压敏电阻；
13)于所述衬底的正面制作引线孔，于所述引线孔内形成金属引线，并于位于所述衬底 正面的所述热氧化层的上表面形成焊盘；所述金属引线与所述压敏电阻相连接，所述焊盘与 所述金属引线及所述压敏电阻相连接；
14)提供键合衬底，所述键合衬底的一表面形成有凹槽，将所述键合衬底键合于所述衬 底的背面，所述键合衬底形成有所述凹槽的表面为键合面；所述键合衬底键合于所述衬底的 背面之后，所述凹槽覆盖所述悬臂梁及所述质量块对应的区域；
15)自所述衬底正面刻蚀所述衬底以释放所述悬臂梁及所述质量块。
在步骤1)中，请参阅图1中的S1步骤及图2，提供衬底10。
作为示例，所述衬底10包括硅衬底。优选的，本实施例中，所述衬底10包括(111)单晶硅片。
作为示例，步骤1)之后还包括于所述衬底10的正面及背面均形成热氧化硅层101的步 骤。
作为示例，可以采用热氧化工艺形成所述热氧化硅层101；所述热氧化硅层101的厚度 可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，所述热氧化硅层101的厚度可以包括但 不仅限于2000埃。
在步骤2)中，请参阅图1中的S2步骤及图3，于所述衬底10的正面及背面形成钝化层 11。
作为示例，所述钝化层11可以包括氧化硅钝化层，优选地，所述钝化层11可以包括但 不仅限于TEOS(正硅酸乙酯)氧化硅层。
作为示例，所述钝化层11的厚度可以根据实际需要进行设定，优选地，所述钝化层11 的厚度可以包括但不仅限于10000埃。
作为示例，所述衬底10的正面及背面形成有所述热氧化硅层101时，所述钝化层11形 成于所述热氧化硅层101远离所述衬底10的表面。
在步骤3)中，请参阅图1中的S3步骤及图4，于所述衬底10的正面形成若干排平行间 隔排布的释放窗口12，所述释放窗口12定义出悬臂梁的位置、形状及厚度。
作为示例，依次刻蚀位于所述衬底10正面的所述钝化层11及所述热氧化硅层101及所 述衬底10，以形成所述释放窗口12；所述释放窗口12的排数可以根据实际需要进行设定(譬 如，两排、四排或六排等等)，每排包括的所述释放窗口12的数量可以根据实际需要进行设 定。
作为示例，所述释放窗口12的横截面形状可以根据实际需要进行设定，可以为圆形或矩 形等等，所述释放窗口12的宽度可以根据实际需要进行设定，譬如，所述释放窗口12可以 包括半径为3.3μm的圆形开口。
作为示例，各排所述释放窗口12可以沿<211>晶向排布。
作为示例，相邻两排所述释放窗口12的间距应大于后续形成的悬臂梁的宽度。
作为示例，所述释放窗口12的深度即为后续形成的悬臂梁的厚度。
在步骤4)，请参阅图1中的S4步骤及图5，于所述释放窗口12的侧壁及底部沉积保护 层13。
作为示例，所述保护层13的材料可以包括TEOS氧化硅。
在步骤5)中，请参阅图1中的S5步骤及图5，去除所述释放窗口12底部的所述保护层 13，并依据所述释放窗口12继续刻蚀所述衬底10以于所述释放窗口12下方形成自所述释放 窗口12底部延伸至所述衬底内的深槽121。
作为示例，自所述释放窗口12向下继续刻蚀的深度可以根据实际需要进行设定，譬如可 以为但不仅限于20μm。
作为示例，可以采用反应离子刻蚀(RIE)工艺去除所述释放窗口12底部的所述保护层 13；可以采用深反应离子刻蚀(DRIE)工艺依据所述释放窗口12继续刻蚀所述衬底10以形 成所述深槽121。
作为示例，所述深槽121的深度取自d1及d2中的最大值，其中，
d1≥20+T×n-h
d2≥L/tan(19.47°)
其中，d1及d2为所述深槽121的深度，T为所述衬底背面到所述内部刻蚀缓冲腔体底部 的所述氧化硅钝化层间的厚度，h为所述悬臂梁的厚度，L为所述任意一排所述释放窗口12 中相邻所述释放窗口12之间的间距，n为干法刻蚀单晶硅衬底的均匀性。
在步骤6)中，请参阅图1中的S6步骤及图6，去依据所述深槽121横向刻蚀所述衬底10，以于所述衬底10内形成内部刻蚀缓冲腔体14。
作为示例，可以采用各向异性湿法腐蚀工艺通过所述深槽121横向刻蚀所述衬底10形成 所述内部刻蚀缓冲腔体14，具体的，可以采用TMAH(四甲基氢氧化铵)腐蚀溶液腐蚀所述 衬底10。
在步骤7)中，请参阅图1中的S7步骤及图7，去除所述衬底10的正面及背面的所述钝 化层11。
作为示例，可以采用缓冲氧化硅腐蚀溶液(BOE)去除所述衬底10的正面及背面的所述 钝化层11。
需要说明的是，所述衬底10的正面及背面形成有所述热氧化硅层101时，去除所述钝化 层11的同时去除位于所述衬底10的正面及背面的所述热氧化硅层101。
在步骤8)中，请参阅图1中的S8步骤及图8，于所述释放窗口12的侧壁、所述内部刻蚀缓冲腔体14的侧壁及所述内部刻蚀缓冲腔体14的上下表面形成低应力多晶硅层15。
作为示例，所述低应力多晶硅层15可以同时形成于所述释放窗口12的侧壁、所述内部 刻蚀缓冲腔体14的侧壁、所述内部刻蚀缓冲腔体14的上下表面及所述衬底10的正面及背面， 形成所述低应力多晶硅层15之后，还包括去除所述衬底10的正面及背面的所述低应力多晶 硅层15的步骤。
作为示例，位于所述释放窗口12的侧壁的所述低应力多晶硅层15的厚度小于所述释放 窗口12宽度的一半，以确保形成所述低应力多晶硅层15后所述释放窗口12并未被填满。
作为示例，所述低应力多晶硅层15可以为应力为几十兆帕的多晶硅层。
作为示例，所述衬底10的正面形成的所述低应力多晶硅层15的厚度、所述释放窗口12 的宽度及所述释放窗口12侧壁形成的所述低应力多晶硅层15的厚度与所述衬底10的正面形 成的所述低应力多晶硅层15的厚度的比值之间满足如下关系式：
0.3μm≤(r-t×n)≤0.6μm
其中，r为所述释放窗口12的宽度的一半，t为所述衬底10的正面形成的所述低应力多 晶硅层15的厚度，n为所述释放窗口12侧壁形成的所述低应力多晶硅层15的厚度与所述衬 底10的正面形成的所述低应力多晶硅层15的厚度的比值。
在步骤9)中，请参阅图1中的S9步骤及图9，对步骤8)所得结构进行高温热氧化处理，以于所述低应力多晶硅层15表面形成氧化硅钝化层16。
作为示例，位于所述释放窗口12及所述内部刻蚀缓冲腔体14内的所述氧化硅钝化层16 为通过氧化所述低应力多晶硅层15而形成，具体的，可以位于表面的部分所述低应力多晶硅 层15被氧化而形成所述氧化硅钝化层16，也可以为整个所述低应力多晶硅层15全部被氧化 而转变成所述氧化硅钝化层16。
作为示例，可以采用湿氧及干氧工艺对步骤8)所得到的结构进行处理以形成所述氧化 硅钝化层16；具体的，可以采用先湿氧处理后干氧处理的工艺对步骤8)所得到的结构进行 处理，处理的温度可以包括但不仅限于1050℃，处理的时间可以包括但不仅限于湿氧条件下 处理40分钟，干氧条件下处理10分钟。
需要说明的是，所述氧化硅钝化层16在形成于所述低应力多晶硅层15的表面同时，还 可以形成于所述衬底10的正面及背面。
需要进一步说明的是，形成所述氧化硅钝化层16之后，所述氧化硅钝化层16可以填满 所述释放窗口12内所述低应力多晶硅层12之间的间隙，即所述氧化硅钝化层16将所述释放 窗口12填满封闭。
作为示例，所述内部刻蚀缓冲腔体14的侧壁及所述内部刻蚀缓冲腔体的上下表面的所述 氧化硅钝化层16的厚度可以大于等于3000埃。
在步骤10)中，请参阅图1中的S10步骤及图10，于所述衬底10正面的预设位置进行硼离子注入。
作为示例，所述氧化硅钝化层16同时形成于所述低应力多晶硅层15的表面及所述衬底 的10正面及背面时，于所述衬底10正面的预设位置进行硼离子注入之前还包括于位于所述 衬底10的正面的所述氧化硅钝化层16内预设位置形成通孔图形(未示出)，所述通孔图形定 义出硼离子注入区域的形状及位置；于所述通孔图形内进行硼离子注入。具体的，硼离子注 入区域可以位于后续要形成的所述悬臂梁的根部。
在步骤11)中，请参阅图1中的S11步骤及图11，自所述衬底10背面刻蚀所述衬底10直至位于所述内部刻蚀缓冲腔体14底部的所述氧化硅钝化层16，以于所述衬底10的背面形成沟槽18，所述沟槽18定义出所述悬臂梁及质量块的位置及形状。
作为示例，可以采用深反应离子刻蚀工艺自所述衬底10背面刻蚀所述衬底10，在刻蚀 的过程中，位于所述内部刻蚀缓冲腔体14底部的所述氧化硅钝化层16作为刻蚀自停止层， 即该步骤中，刻蚀至位于所述内部刻蚀缓冲腔体14底部的所述氧化硅钝化层16时刻蚀停止。
在步骤12)中，请参阅图1中的S12步骤及图12，去除位于所述内部刻蚀缓冲腔体14底部的所述氧化硅钝化层16，并进行高温退火使注入的所述硼离子扩散以形成压敏电阻17。
作为示例，可以采用反应离子刻蚀工艺刻蚀去除位于所述内部刻蚀缓冲腔体14底部的所 述氧化硅钝化层16。
作为示例，进行高温退火处理的温度可以大于等于950℃。
在步骤13)中，请参阅图1中的S13步骤及图13，于所述衬底10的正面制作引线孔(未 示出)，于所述引线孔内形成金属引线19，并于位于所述衬底10正面的所述氧化硅钝化层16 的上表面形成焊盘20；所述金属引线19与所述压敏电阻17相连接，所述焊盘20与所述金 属引线19及所述压敏电阻17相连接。
作为示例，所述金属引线19的材料可以包括但不仅限于铝，所述焊盘20的材料可以包 括但不仅限于铝。
在步骤14)中，请参阅图1中的S14步骤及图14，提供键合衬底21，所述键合衬底21的一表面形成有凹槽211，将所述键合衬底21键合于所述衬底10的背面，所述键合衬底21形成有所述凹槽211的表面为键合面；所述键合衬底21键合于所述衬底20的背面之后，所述凹槽211覆盖所述悬臂梁及所述质量块对应的区域。
作为示例，所述键合衬底21可以包括但不仅限于硅衬底。
作为示例，所述键合衬底21可以与步骤13)所得结构经由苯并环丁烯(BCB)键合在一起。
在步骤15)中，请参阅图1中的S14步骤及图15，自所述衬底10正面刻蚀所述衬底10以释放所述悬臂梁22及所述质量块23。
作为示例，所述悬臂梁22一端与所述衬底10相连接，另一端与所述质量块23相连接。
作为示例，所述悬臂梁22上表面的氧化硅层的应力等于所述悬臂梁22下表面的氧化硅 层的应力。
作为示例，所述悬臂梁22及所述质量块23的尺寸可以根据实际需要进行设定，在一示 例中，所述悬臂梁22的长度可以为但不仅限于80μm，宽度可以为但不仅限于28μm，厚度 可以为但不仅限于7μm；所述质量块23的长度可以为但不仅限于440μm，宽度可以为但不仅限于100μm，厚度可以为但不仅限于450μm；加工后得到的所述高灵敏度加速度传感器 的尺寸可以为但不仅限0.8mm×0.8mm。
作为示例，释放所述悬臂梁22及所述质量块23后所述衬底10的正面及背面保留的所述 氧化硅钝化层16的厚度可以大于等于2000埃。
作为示例，请参阅图16，步骤1,5)之后还包括如下步骤：
提供一盖板24；
将所述盖板24键合于所述衬底10的正面。
作为示例，所述盖板24可以与步骤15)所得结构经由苯并环丁烯(BCB)键合在一起。
综上所述，本发明提供一种高灵敏度加速度传感器结构的制作方法，所述高灵敏度加速 度传感器结构的制作方法包括如下步骤：提供衬底；于所述衬底的正面及背面形成钝化层； 于所述衬底的正面形成若干排平行间隔排布的释放窗口，所述释放窗口定义出悬臂梁的位置、 形状及厚度；于所述释放窗口侧壁及底部沉积保护层；去除所述释放窗口底部的所述保护层， 并依据所述释放窗口继续刻蚀所述衬底以于所述释放窗口下方形成自所述释放窗口底部延伸 至所述衬底内的深槽；依据所述深槽横向刻蚀所述衬底，以于所述衬底内形成内部刻蚀缓冲 腔体；去除所述衬底的正面及背面的所述钝化层；于所述释放窗口的侧壁、所述内部刻蚀缓 冲腔体的侧壁及所述内部刻蚀缓冲腔体的上下表面形成低应力多晶硅层；对上一步骤所得结 构进行高温热氧化处理，以于所述低应力多晶硅层表面形成氧化硅钝化层；于所述衬底正面 的预设位置进行硼离子注入；自所述衬底背面刻蚀所述衬底直至位于所述内部刻蚀缓冲腔体 底部的所述氧化硅钝化层，以于所述衬底的背面形成沟槽，所述沟槽定义出所述悬臂梁及质 量块的位置及形状；去除位于所述内部刻蚀缓冲腔体底部的所述氧化硅钝化层，并进行高温 退火使注入的所述硼离子扩散以形成压敏电阻；于所述衬底的正面制作引线孔，于所述引线 孔内形成金属引线，并于位于所述衬底正面的所述热氧化层的上表面形成焊盘；所述金属引 线与所述压敏电阻相连接，所述焊盘与所述金属引线及所述压敏电阻相连接；提供键合衬底， 所述键合衬底的一表面形成有凹槽，将所述键合衬底键合于所述衬底的背面，所述键合衬底 形成有所述凹槽的表面为键合面；所述键合衬底键合于所述衬底的背面之后，所述凹槽覆盖 所述悬臂梁及所述质量块对应的区域；自所述衬底正面刻蚀所述衬底以释放所述悬臂梁及所 述质量块。本发明的高敏感加速度传感器结构的制作方法通过在衬底内部的内部刻蚀缓冲腔 体的上下表面形成氧化硅钝化层，在从衬底背面进行刻蚀时氧化硅钝化层可以作为刻蚀自停 止层，可以避免对悬臂梁过刻蚀，从而可以确保悬臂梁的厚度的可控性及均匀性；利用内部 刻蚀缓冲腔体可以保证从硅片背面深刻蚀后的质量块与衬底之间还有足够厚度(悬臂梁厚度+ 内部刻蚀缓冲腔体厚度)的单晶硅相连接在一起，确保的后续传感器加工工艺的良率；通过 控制悬臂梁上表面及下表面的氧化硅层的厚度，可以彻底消除悬臂梁上下表面之间氧化硅钝 化层残余应力不匹配的问题，大大降低传感器的热不稳定性，提高传感器的检测精度；本发 明的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法制作的加速度传感器具有小尺寸、高灵敏度的优点的同时，还具有制作工艺简单及成本低的优点；本发明可以广泛应用于低量程、高灵敏度的加速度传感器制作，在工业控制、汽车电子、物联网、可穿戴设备或消费类电子产品等领域具有巨大的应用前景。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种高灵敏度加速度传感器结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供衬底；
于所述衬底的正面及背面形成钝化层；
于所述衬底的正面形成若干排平行间隔排布的释放窗口，所述释放窗口定义出悬臂梁的位置、形状及厚度；
于所述释放窗口侧壁及底部沉积保护层；
去除所述释放窗口底部的所述保护层，并依据所述释放窗口继续刻蚀所述衬底以于所述释放窗口下方形成自所述释放窗口底部延伸至所述衬底内的深槽；
依据所述深槽横向刻蚀所述衬底，以于所述衬底内形成内部刻蚀缓冲腔体；
去除所述衬底的正面及背面的所述钝化层；
于所述释放窗口的侧壁、所述内部刻蚀缓冲腔体的侧壁及所述内部刻蚀缓冲腔体的上下表面形成低应力多晶硅层；
对上一步骤所得结构进行高温热氧化处理，以于所述低应力多晶硅层表面形成氧化硅钝化层；
于所述衬底正面的预设位置进行硼离子注入；
自所述衬底背面刻蚀所述衬底直至位于所述内部刻蚀缓冲腔体底部的所述氧化硅钝化层，以于所述衬底的背面形成沟槽，所述沟槽定义出所述悬臂梁及质量块的位置及形状；
去除位于所述内部刻蚀缓冲腔体底部的所述氧化硅钝化层，并进行高温退火使注入的所述硼离子扩散以形成压敏电阻；
于所述衬底的正面制作引线孔，于所述引线孔内形成金属引线，并于位于所述衬底正面的所述氧化硅钝化层的上表面形成焊盘；所述金属引线与所述压敏电阻相连接，所述焊盘与所述金属引线及所述压敏电阻相连接；
提供键合衬底，所述键合衬底的一表面形成有凹槽，将所述键合衬底键合于所述衬底的背面，所述键合衬底形成有所述凹槽的表面为键合面；所述键合衬底键合于所述衬底的背面之后，所述凹槽覆盖所述悬臂梁及所述质量块对应的区域；
自所述衬底正面刻蚀所述衬底以释放所述悬臂梁及所述质量块。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法，其特征在于，所述衬底包括(111)单晶硅片，各排所述释放窗口沿<211>晶向排布。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法，其特征在于，于所述衬底的正面及背面形成钝化层之前还包括于所述衬底的正面及背面均形成热氧化硅层的步骤，所述钝化层位于所述热氧化硅层的表面；去除所述衬底的正面及背面的所述钝化层的同时，去除所述衬底的正面及背面的所述热氧化硅层。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法，其特征在于，所述氧化硅钝化层同时形成于所述低应力多晶硅层的表面及所述衬底的正面及背面；形成所述压敏电阻之前还包括于位于所述衬底的正面的所述氧化硅钝化层内预设位置形成通孔图形，所述通孔图形定义出所述压敏电阻的形状及位置；于所述通孔图形内形成所述压敏电阻。
5.根据权利要求1所述的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法，其特征在于，所述内部刻蚀缓冲腔体的侧壁及所述内部刻蚀缓冲腔体的上下表面的所述氧化硅钝化层的厚度大于等于3000埃，释放所述悬臂梁及所述质量块后所述衬底的正面及背面保留的所述氧化硅钝化层的厚度大于等于2000埃。
6.根据权利要求1所述的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法，其特征在于：所述深槽的深度取自d1及d2中的最大值，其中，
d1≥20+T×n-h
d2≥L/tan(19.47°)
其中，d1及d2为所述深槽的深度，T为所述衬底背面到所述内部刻蚀缓冲腔体底部的所述氧化硅钝化层间的厚度，h为所述悬臂梁的厚度，L为若干排中任意一排所述释放窗口中相邻所述释放窗口之间的间距，n为干法刻蚀单晶硅衬底的均匀性。
7.根据权利要求1所述的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法，其特征在于，位于所述释放窗口的侧壁的所述低应力多晶硅层的厚度小于所述释放窗口宽度的一半。
8.根据权利要求1所述的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法，其特征在于，所述低应力多晶硅层同时形成于所述释放窗口的侧壁、所述内部刻蚀缓冲腔体的侧壁、所述内部刻蚀缓冲腔体的上下表面、所述衬底的正面及背面；所述热氧化处理之前还包括去除位于所述衬底的正面及背面的所述低应力多晶硅层的步骤。
9.根据权利要求8所述的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法，其特征在于，所述衬底的正面形成的所述低应力多晶硅层的厚度、所述释放窗口的宽度及所述释放窗口侧壁形成的所述低应力多晶硅层的厚度与所述衬底的正面形成的所述低应力多晶硅层的厚度的比值之间满足如下关系式：
0.3μm≤(r-t×n)≤0.6μm
其中，r为所述释放窗口的宽度的一半，t为所述衬底的正面形成的所述低应力多晶硅层的厚度，n为所述释放窗口侧壁形成的所述低应力多晶硅层的厚度与所述衬底的正面形成的所述低应力多晶硅层的厚度的比值。
10.根据权利要求1所述的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法，其特征在于，相邻两排所述释放窗口的间距大于等于所述悬臂梁的宽度。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的高灵敏度加速度传感器结构的制作方法，其特征在于，释放所述悬臂梁及所述质量块之后，还包括如下步骤：
提供一盖板；
将所述盖板键合于所述衬底的正面。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112938894B (zh) * 2021-03-11 2024-06-28 中北大学 一种多层次立体化的mems器件抗冲击防护结构的制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07260824A (ja) * 1994-03-25 1995-10-13 Omron Corp 半導体式物理量センサ
JP2001066320A (ja) * 1999-08-26 2001-03-16 Matsushita Electric Works Ltd 半導体加速度センサ
CN1376925A (zh) * 2002-03-29 2002-10-30 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 深沟侧壁扩散和电绝缘薄膜填充制造压阻加速度传感器
CN103518138A (zh) * 2011-03-03 2014-01-15 电子微系统公司 一种惯性传感器的制造方法
CN105174198A (zh) * 2015-08-12 2015-12-23 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种封装结构的加速度传感器及其制备方法
CN106526232A (zh) * 2016-11-14 2017-03-22 广东合微集成电路技术有限公司 一种复合传感器及其制造方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050172717A1 (en) * 2004-02-06 2005-08-11 General Electric Company Micromechanical device with thinned cantilever structure and related methods

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07260824A (ja) * 1994-03-25 1995-10-13 Omron Corp 半導体式物理量センサ
JP2001066320A (ja) * 1999-08-26 2001-03-16 Matsushita Electric Works Ltd 半導体加速度センサ
CN1376925A (zh) * 2002-03-29 2002-10-30 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 深沟侧壁扩散和电绝缘薄膜填充制造压阻加速度传感器
CN103518138A (zh) * 2011-03-03 2014-01-15 电子微系统公司 一种惯性传感器的制造方法
CN105174198A (zh) * 2015-08-12 2015-12-23 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种封装结构的加速度传感器及其制备方法
CN106526232A (zh) * 2016-11-14 2017-03-22 广东合微集成电路技术有限公司 一种复合传感器及其制造方法

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