CN110361562B - 加速度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加速度传感器。公开了各种加速度传感器。在一些情形中，惯性质量可以在后端线（BEOL）期间形成。在其它情形中，薄膜可以具有弯曲、波动或蜿蜒的形状。在又其它实施例中，惯性质量可以横跨两个或更多个压力感测结构。

Description

加速度传感器

技术领域

本申请涉及加速度传感器以及对应的方法。

背景技术

加速度传感器被用于比如在汽车领域中的许多应用。在一些实施例中，加速度传感器可以简单地被用作“唤醒传感器”以检测车辆像汽车何时开始移动或达到某一速度并且响应于经由加速度检测到移动来激活其它传感器或部件。

在一些情形中，可能需要加速度传感器连同压力传感器比如用于胎压监测系统（TPMS）应用。在这样的传感器组合的一些传统实现中，压力传感器和加速度传感器被分开制造，或使用分开的结构（比如在晶片内形成的不同结构化的微机电系统（MEMS）部分）来集成。

附图说明

图1是依据实施例的加速度传感器的框图。

图2是依据实施例的用于制造加速度传感器的方法。

图3A和3B示出依据实施例的可以形成加速度传感器的基础的压力传感器的示意横截面视图。

图4示出在图3A和3B的压力传感器的基础上制造的依据实施例的加速度传感器的示意横截面视图。

图5示出依据实施例的加速度传感器的示意横截面视图。

图6示出依据进一步实施例的加速度传感器的示意横截面视图。

具体实施方式

在下面，参考附图将详细描述各种图解的实施例。应当指出这些实施例仅用作示例并且不要被理解为限制。

比如尽管可以描述包括多个特征或要素的实施例，但是在其它实施例中这些特征或要素中的一些可以被省略和/或被替选的要素取代。而且，在一些实施例中，除了示出和描述的特征或要素之外的附加的特征或要素可以被实施。来自不同实施例的特征或要素可以彼此组合，除非另外明确地指出。

任何方向性的术语仅仅被用来容易地指示附图中的部分或方向，并且不暗示实施例的实施方式的特定定向。

集成电路或其它半导体器件的制备经常被归类成包括前端线（front-end-of-line）（FEOL）和后端线（back-end-of-line）（BEOL）的至少两个阶段。在BEOL之后可以附加地存在后端工艺，其也被称为后加工（post fab）。如在该申请中使用的FEOL可以指定制备的第一阶段，其中比如用于微机电系统（MEMS）的机械结构和/或电阻器、电容器、晶体管（包含例如栅极形成）的单独器件在半导体晶片中被图案化。因此FEOL可以覆盖直到但不包含金属互连层的沉积的每件事。比如对于制造CMOS元件，FEOL可以包括：选择要被使用的晶片的类型、晶片的化学机械平坦化和清洗、浅槽隔离、阱形成、栅极模块形成以及源极和漏极模块形成。

如在本文中使用的BEOL是制备的第二阶段，其通常比如当在半导体晶片上沉积第一层金属时开始。BEOL包含接触、隔离层（例如氧化物或氮化物）、金属层和用于芯片到封装连接的键合侧的形成。比如在一些工艺中可以在BEOL中添加直到十层金属层，尽管取决于工艺也可以使用更少的金属层。

因此，FEOL和BEOL是明确限定的技术术语，并且对于本领域技术人员，给定器件的哪些部分在FEOL中制造以及哪些部分在BEOL中制造是清楚的。

在一些实施例中，加速度传感器包括：晶片，该晶片包括在其中形成的压力感测结构；以及设置在感测结构之上的在BEOL中形成的惯性质量，即BEOL结构。在实施例中的感测结构可以包括薄膜。

在一些实施例中，包括感测结构而没有惯性质量的晶片将可操作为压力传感器。

在一些实施例中，可以横跨在晶片上或在晶片中形成的至少两个压力感测结构（例如薄膜）设置惯性质量。该惯性质量可以是在BEOL中形成的惯性质量。利用这样的实施例，可以感测平行于晶片的平面（例如表面）的加速度。

在又其它实施例中，在薄膜上方提供惯性质量。在惯性质量外的薄膜的至少一部分可以具有蜿蜒的、弯曲的、或波动的形状。在一些实施例中，通过蜿蜒、弯曲或波动，可以增加灵敏度。

在一些实施例中，连同例如在FEOL和BEOL期间形成加速度传感器，比如电路的其它器件可以在相同的晶片中和/或在相同的晶片上形成并且与加速度传感器集成。比如一个或多个进一步传感器（例如压力传感器）和/或电路系统（例如控制和/或读取加速度传感器的电路系统）可以在一些实施例中以该方式与加速度传感器集成。

以上描述的实施例可以彼此组合，但是也可以彼此分开使用。

现在参考附图将讨论进一步实施例。

在图1中，示出依据实施例的加速度传感器（例如加速计）的横截面视图。图1的加速度传感器包括晶片10，比如像硅晶片的半导体晶片。如在本文中使用的晶片可以与术语“衬底”可互换地使用，并且通常指的是可以在其中或在其上形成结构（例如半导体器件结构）的实质上平坦或类平板材料。在图1的实施例中的晶片10具有在其中形成的压力感测结构11。在一些实施例中，压力感测结构11可以包括薄膜或任何其它压敏结构。在一个实施例中，压力感测结构11可以在FEOL中至少部分地制造。

在图1的晶片10的顶上提供BEOL层，即在BEOL期间制造的层。这些层比如可以包括像铜层（比如双大马士革（damascene）铜层）或铝层的一个或多个金属层，和/或可以包括像氧化层或氮化层的一个或多个电介质层。BEOL层的全部厚度可以大约是若干微米，比如在1μm和15 μm之间。在图1的实施例中，BEOL层已被结构化以通过间隙14将用作惯性质量12的部分与剩余的BEOL层13分开。可以使用任何传统的结构化技术。比如可以在沉积BEOL层前提供掩膜。

当图1的加速度传感器在与晶片10的表面垂直的方向（如由箭头14指示的方向）上加速时，取决于加速度的方向，惯性质量12在压力感测结构11上施加压力或从压力感测结构11去除压力。比如，由于惯性质量12的惯性，当加速计在图1中在向上方向上加速时在感测结构11上的压力增加，而随着在相对方向上的加速度，压力减小。这个压力改变可以被压力感测结构11检测到，因而检测到加速度。

应当指出术语“与晶片表面垂直的加速度”也包括其中只有一个分量与晶片表面垂直的加速度。

在一些实施例中，使用压力感测结构11的压力传感器可以通过提供惯性质量12来修改以变为加速度传感器。在一些实施例中，因此实质上相同的工艺可以被用于形成压力传感器以及用于形成图1的实施例的加速度传感器。图解该构思的实施例将在稍后参考图3和4被进一步讨论。

在图2中，示出依据实施例的方法。图2的方法比如可以被用来制造图1的加速度传感器，但是也可以被用来形成其它种类的加速度传感器，比如稍后参考图3-6将被解释的加速度传感器，但是不限制到此。

在20处，在晶片中形成一个或多个压力感测结构。比如可以形成使用薄膜的压力感测结构。

在21处，在BEOL期间惯性质量在压力感测结构上形成。在一些实施例中，惯性质量可以在单个压力感测结构上形成。如将在稍后被解释，在一些实施例中惯性质量也可以横跨两个或更多个感测结构以提供感测在与晶片的表面平行的方向上的加速度（例如与图1的箭头14垂直的加速度或加速度分量）的可能性。在一些实施例中，惯性质量也可以在与BEOL不同的制造阶段中形成。

接着参考图3和4将解释实施例，其中压力传感器被修改以变为加速度传感器。首先，参考图3A和3B将解释压力传感器的结构，并且然后参考图4将详细讨论依据实施例的加速度传感器。

在图3A中示出压力传感器的示意横截面视图。图3B示出该压力传感器的一些部分的放大视图。

图3A和3B的压力传感器包括在其中已形成用于感测压力的结构的晶片30。该结构包括薄膜31，其通过间隙34与在晶片30中形成的进一步部分和结构分开，所述间隙34可以具有大约50 nm到100 nm的宽度，但是不限制到这些值。薄膜31也可以被称为薄层（lamella）。

在薄膜31的边缘，形成通常标记为32的结构以感测施加在薄膜31上的压力，其压力导致薄膜31的张力的改变和/或位移。比如在晶片30内可以形成电阻性结构，所述电阻性结构取决于薄膜31的位移改变它们的电阻。对于形成以上提及的结构，可以使用为制造微机电系统（MEMS）或半导体器件传统采用的任何技术。

在晶片30的顶上形成BEOL层33。BEOL层比如可以包括交替金属层和电介质层并且可以用更厚的金属层35加帽，所述更厚的金属层35可以比如通过无电电镀来制造在顶上。描绘的层仅用作示例，并且也可以使用其它结构。如最佳在图3A中能够看出，BEOL层在薄膜31上方被去除以使得薄膜31经受环境压力，因而使图3的结构能够充当压力传感器。

应当指出如以上提及在FEOL和BEOL期间除了示出的压力传感器之外，附加的结构和器件（比如附加的传感器和/或电子电路）可以使用传统的制备技术在晶片30中形成。

在图4中示出依据实施例的在图3的压力传感器的基础上实施的加速度传感器。元件40-43对应于图3的压力传感器的元件30-33并且以上将不详细讨论。而且，参考图3讨论的任何添加或变动（例如附加的结构和器件的形成）也可以在一些情形中应用到图4的实施例。

与图3的压力传感器对比，用作惯性质量45的BEOL层堆叠保留在薄膜41的顶上。惯性质量45通过间隙46与剩余的BEOL层43分开。当图4的加速度传感器在如由箭头47指示的与晶片40的表面垂直的方向上加速时，通过惯性质量45的惯性，薄膜41被位移，这可以经由结构42来测量。加速度可以以该方式来测量。在图4的实施例中，在间隙46中，薄膜41的部分保留没有惯性质量45。

因此，通过在压力传感器的薄膜的顶上提供惯性质量45，该压力传感器可以被转换为加速度传感器。

像薄膜41的薄膜比如可以具有面积，所述面积的范围为5 μm·5 μm到30 μm·30μm，比如10 μm·10 μm或15 μm·15 μm，但是不限制到这些值，其给出仅作为示例。BEOL层比如可以包括氧化硅层、铜层、钽层、钨层、磷化镍（NiP）层、铂层和/或铝层。惯性质量的重量比如可以大约是5-6·10^-11 g/μm²。质量45的直径比如可以大约是9 μm，并且如所提及被惯性质量45覆盖的面积比如可以稍微小于薄膜41的面积。

在一些实施例中，比如可以获得足够检测到大约2，3·10^-4 kg·m/s²的加速度的灵敏度。这对于一些应用可以是足够的，比如对于在胎压监测系统（TPMS）中的唤醒应用。比如在其中图4的压力传感器被安装到带有面朝内（即朝向轮轴）的惯性质量45的轮胎的实施例中，在一些实施例中可以感测何时速度超过大约25 km/h的速率。

以上的数值仅仅被给出以图解一些实施例的能力并且不要被理解为限制。比如在其它实施例中为了增加灵敏度可以增加惯性质量45的质量，比如通过增加在惯性质量45的顶上提供的金属层（类似于图3A的金属层35）的厚度，或通过增加薄膜的面积。

在一些实施例中增加灵敏度的进一步可能性现在将参考图5来讨论。

图5示出依据进一步实施例的加速度传感器的简化的部分横截面视图。在图5的实施例中，作为压敏元件的薄膜51在晶片50中形成并且通过间隙在某一区域中与晶片50分开，如参考图3和4对薄膜31和41已经解释的。在薄膜51的顶上形成惯性质量52。在一些实施例中，惯性质量52可以是BEOL惯性质量（即在制造工艺的BEOL期间形成），并且可以包括在顶上的金属层53，其可以经由比如无电电镀来形成。在其它实施例中，可以提供其它种类的惯性质量。在图5的实施例中惯性质量52通过间隙57与剩余的BEOL层54分开。至此，图5的实施例可以对应于图4的实施例，并且在一些实施例中参考图4讨论的变动和修改和实施方式细节也可以应用到图5的实施例。

在薄膜51没有惯性质量52的间隙57内，在图5的实施例中如由56指出，薄膜51具有波动的、蜿蜒的和/或弯曲的形状。在图5的实施例中，该形状通过在晶片50上相邻于间隙57提供元件55来造成。这些元件55可以在FEOL期间被制造并且比如可以由在栅极形成工艺或在FEOL期间使用的其它多晶硅沉积工艺期间沉积的多晶硅构成。在其它实施例中，元件55可以使用其它工艺来沉积。通过提供元件55，在制造期间在晶片50和薄膜51之间的间隙也跟随元件55的形状以提供示出的波动的、弯曲的和/或蜿蜒的形状。元件55的厚度比如可以大约是50 μm到300 μm，比如大约240 μm，并且在实施例中可以大约是在薄膜51和晶片50之间的间隙的厚度。在图5中示出的元件的个数不要被理解成限制并且也可以使用其它个数。

利用至此讨论的加速度传感器的实施例，可以检测与晶片表面垂直的加速度或加速度分量。在一些应用中，可能附加期望的是检测与晶片表面平行的加速度或加速度分量。对应的实施例的示意横截面视图在图6中示出。

在图6的实施例中，在晶片60上提供彼此靠近的两个薄膜62、66。薄膜62、66中的每个可以如参考图3到5讨论的那样来配置和形成。换句话说，在一些实施例中每个薄膜62、66可以是独立压力传感器的独立可操作感测元件。横跨薄膜62、66，在晶片60上形成质量61。在一些实施例中，质量61可以在BEOL期间形成和/或可以包括氧化层、金属层、氮化层等等。

类似于至此讨论的实施例，利用图6的加速度传感器可以检测在与晶片60的平面垂直的方向上的加速度。附加地，在图6的实施例中，可以检测在与晶片60的表面平行的方向上的加速度，比如如由箭头65指示的加速度。对于这样的比如由箭头63、64指示的加速度，取决于惯性质量61在薄膜62、66上的分布，惯性质量61可以压在薄膜62上并且从薄膜66去除压力。这使得能够检测加速度。相反地，对于与晶片60的表面垂直的加速度，在薄膜62、66两者上的效果会实质上相同或至少在相同方向上。

应当指出的是尽管在图6的横截面视图中惯性质量61被示出为横跨两个薄膜62、66，但是在其它实施例中比如四个薄膜可以以方形配置来布置，并且惯性质量可以横跨这样的四个薄膜以使得能够检测在与晶片的表面平行的不同方向上的加速度。另外，尽管在图6中薄膜被示出为压敏元件，但是在其它实施例中可以使用其它压力感测结构。

以上描述的实施例仅用作图解的示例并且不要被理解为限制本申请的范围。

Claims (4)

1.一种加速度传感器，包括：

第一压力感测结构，在晶片中形成，

第二压力感测结构，横向相邻于所述第一压力感测结构，以及

惯性质量，在所述第一压力感测结构和所述第二压力感测结构上并且横跨所述第一压力感测结构和所述第二压力感测结构，

其中所述第一压力感测结构包括第一薄膜，并且其中所述第二压力感测结构包括第二薄膜，以及

其中在所述惯性质量外的所述第一薄膜和所述第二薄膜的至少部分可以具有蜿蜒的、弯曲的、或波动的形状。

2.权利要求1的所述加速度传感器，其中所述惯性质量是后端线惯性质量。

3.权利要求1的所述加速度传感器，其中所述第一压力感测结构能独立于所述第二压力感测结构操作。

4.权利要求1的所述加速度传感器，进一步包括至少一个进一步压力感测结构，所述至少一个进一步压力感测结构被定位成相邻于所述第一压力感测结构或所述第二压力感测结构中的至少一个，所述惯性质量也在所述至少一个进一步压力感测结构上并且横跨所述至少一个进一步压力感测结构。

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