CN111573615A - 一种惯性传感器及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种惯性传感器，自下而上包括：衬底，隔离层，下电极、上电极和质量体；其中，所述上电极通过导电支撑结构悬设于所述隔离层上，并在所述上电极与所述下电极之间形成谐振腔，所述支撑结构为弹性支撑结构。本发明可使用与CMOS工艺兼容的表面硅技术制造高性能惯性传感器，并可制作形成一组阵列式惯性传感器，能有效提升性能。

Description

一种惯性传感器及制作方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路和传感器技术领域，特别是涉及一种基于表面硅工艺的电容阵列式高性能惯性传感器及制作方法。
背景技术
传统惯性传感器产品通常使用体硅MEMS工艺制造，其工艺与CMOS工艺并不兼容，需要将处理电路和体硅MEMS结构通过封装或键合连接在一起。因此其性能会受到影响和下降，并会造成其成本上升。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种惯性传感器及制作方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种惯性传感器，自下而上包括：衬底，隔离层，下电极、上电极和质量体；其中，所述上电极通过导电支撑结构悬设于所述隔离层上，并在所述上电极与所述下电极之间形成谐振腔，所述支撑结构为弹性支撑结构。
进一步地，所述弹性支撑结构为弹簧结构。
进一步地，所述弹性支撑结构上沿其两侧侧壁的竖直方向对应设有多个周期性排列的凹陷结构，任意两个相邻的所述凹陷结构之间形成突起结构。
进一步地，所述凹陷结构为内凹的弧形结构。
进一步地，所述支撑结构包括金属层和覆盖在所述金属层外侧上的阻挡层，所述金属层的上端连接所述上电极，所述金属层的下端通过设于所述隔离层上的连接电极与所述衬底相连。
进一步地，所述隔离层中设有金属互连层，所述金属互连层连接所述衬底上设有的电路结构，所述下电极和所述连接电极分别通过通孔连接所述金属互连层。
进一步地，所述下电极上设有停止结构，用于防止所述上电极与所述下电极相接触。
进一步地，所述停止结构上方的所述上电极上对应设有释放孔，所述释放孔被保护层所封闭。
进一步地，所述上电极的下方设有光波导器件，所述光波导器件包括波导通道和包围所述波导通道的介质层，所述介质层与所述上电极的下表面相连，所述波导通道设有光接收端和光发射端，所述光接收端和光发射端分设于所述波导通道的两端上。
进一步地，多个所述惯性传感器并列排列，形成阵列式结构，任意两个相邻的所述惯性传感器之间以空气相隔离。
一种惯性传感器的制作方法，包括以下步骤：
提供一形成有电路结构的衬底，在所述衬底上形成隔离层；
在所述隔离层中形成金属互连层，以及在所述金属互连层上形成通孔；
在所述隔离层上形成下电极和连接电极，使所述下电极和连接电极与对应的所述通孔分别连接；
在所述隔离层上形成第一牺牲层；
在所述第一牺牲层上形成支撑结构掩模，采用各向同性刻蚀工艺刻蚀所述第一牺牲层，在所述支撑结构掩模两侧的所述第一牺牲层中分别形成空腔，露出所述隔离层；在所述空腔之间形成具有横向尺寸呈周期性大小变化的支撑结构图形；
在所述隔离层上形成第二牺牲层，没过所述支撑结构图形，并平坦化；
去除所述支撑结构图形，在所述第二牺牲层中形成沟槽结构；
在所述沟槽结构中填充金属层，并平坦化，在所述第二牺牲层中形成连接所述连接电极的导电支撑结构；
在所述第二牺牲层上形成上电极，使所述上电极与所述支撑结构的上端相连，并在所述上电极上形成释放孔；
在所述上电极上形成质量体；
通过所述释放孔，将所述上电极下方的所述第二牺牲层释放去除，在所述上电极与所述下电极之间形成谐振腔，并形成具有弹性的所述支撑结构；
在真空状态下沉积保护层，使部分保护层材料透过所述释放孔滴落在所述下电极上，形成用于防止所述上电极与所述下电极相接触的停止结构，并通过保护层材料将所述释放孔封闭，形成惯性传感器内的真空。
进一步地，形成所述支撑结构图形时，具体包括：通过多步各向同性刻蚀工艺，在所述空腔的两侧侧壁上形成沿竖直方向周期性排列的多个凹陷结构，使任意两个相邻的所述凹陷结构之间形成突起结构，形成由剩余的所述第一牺牲层材料构成的支撑结构图形。
进一步地，位于所述支撑结构图形两侧侧壁上的所述凹陷结构之间和所述突起结构之间分别相对应。
本发明利用上、下电极和谐振腔形成具有电容式结构的惯性传感器，并使用各向同性刻蚀工艺形成支撑电容上、下电极的弹簧结构，以及利用上电极上的释放孔，在释放后通过薄膜沉积形成防止上、下电极接触的停止(stop)结构，可使用与CMOS工艺兼容的表面硅技术制造高性能惯性传感器，并可制作形成一组阵列式惯性传感器，有效提升了性能。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例的一种惯性传感器示意图。
图2本发明一较佳实施例的一种阵列式惯性传感器平面结构示意图。
图3是本发明一较佳实施例的一种设有光波导器件的惯性传感器示意图。
图4是本发明一较佳实施例的一种光波导器件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参考图1，图1是本发明一较佳实施例的一种惯性传感器示意图。如图1所示，本发明的一种惯性传感器，建立在半导体衬底(图略)上。半导体衬底可采用例如硅衬底，但不限于此。本发明的惯性传感器自下而上可包括：衬底(硅衬底)，设于衬底上的隔离层1，设于隔离层1上的下电极9和连接电极4，通过导电支撑结构5悬空设于隔离层1上方的上电极6，以及设于上电极6上的质量体8。
其中，衬底上可设有CMOS电路结构。隔离层1中可设有一至多层金属互连层2；金属互连层2中的最下一层连接衬底上设有的电路结构，金属互连层2中的最上一层可通过通孔3分别连接下电极9和连接电极4。下电极9和连接电极4相分离设置。
支撑结构5(支撑柱)中设有金属层，从而形成导电支撑结构5。在金属层外侧上还可覆盖阻挡层。
支撑结构5中金属层的上端连接上电极6，金属层的下端通过连接电极4与金属互连层2和衬底相连。从而上电极6可通过支撑柱5连接到下方的电路结构上，而下电极9可直接通过通孔3连接到下方的电路结构上。
在上电极6与下电极9之间形成谐振腔12。位于上电极6上的质量体8，用于感应惯性运动。
支撑结构5采用弹性支撑结构5。例如，弹性支撑结构5可以是弹簧结构。
请参考图1。作为一优选的实施方式，弹簧结构5上沿其两侧侧壁的竖直方向对应设有按周期性方式排列的多个凹陷结构52。其中，任意两个相邻的凹陷结构52之间形成有突起结构51。这样，在支撑结构5上就形成具有横向尺寸呈周期性大小变化的由凹陷结构52和突起结构51交替变化组成的弹簧结构5。
进一步地，凹陷结构52可为内凹的弧形结构。突起结构51可为尖角形。
请参考图1。作为一优选的实施方式，在下电极9上还可设有向上方突出的停止(stop)结构11；停止结构11位于谐振腔12内。停止结构11可用于防止上电极6与下电极9相接触而发生粘连的问题。
进一步地，停止结构11上方的上电极6上对应设有释放孔10，释放孔10用于形成谐振腔12时的释放工艺。释放孔10被保护层7所封闭，使谐振腔12成为封闭空间，并形成惯性传感器内的真空。
保护层7可进一步将质量体8和上电极6完全覆盖。
请参考图2。利用上述本发明的多个惯性传感器IS，可按并列且多行的排列方式，形成电容阵列式惯性传感器，组成高性能惯性传感器。其中，任意两个相邻的惯性传感器IS之间通过空气相隔离。上述阵列式惯性传感器可共同设于同一个衬底上。
下面通过具体实施方式并结合附图1(图2)，对本发明的一种惯性传感器的制作方法进行详细说明。
本发明的一种惯性传感器的制作方法，可用于制备例如图1(图2)的一种惯性传感器，并可包括以下步骤：
首先，提供一形成有CMOS电路结构的衬底，例如硅衬底。
然后，在衬底上形成一至多层介质隔离层1，并在每层隔离层1中对应形成一层金属互连层2。其中，形成金属互连层2时，使金属互连层2中的最下一层连接衬底上的电路结构，并在金属互连层2中的最上一层上制作多个通孔3。通孔3位于隔离层1中。
接着，在隔离层1上定义下电极9和连接电极4图形，沉积金属材料，并图形化，形成下电极9和连接电极4，并使下电极9和连接电极4与其下方的对应通孔3分别连接。
然后，在隔离层1上覆盖形成第一牺牲层。
接着，在第一牺牲层上形成支撑结构掩模，并采用各向同性刻蚀工艺，刻蚀第一牺牲层，在支撑结构掩模两侧的第一牺牲层中分别形成空腔，露出下方的隔离层1表面。两个空腔之间剩余的第一牺牲层材料即构成支撑结构5图形。
其中，在形成空腔时，可通过多步各向同性刻蚀工艺，在空腔的两侧侧壁上形成沿竖直方向周期性排列的多个凹陷结构52，并使任意两个相邻的凹陷结构52之间形成突起结构51，且使得位于支撑结构5图形两侧侧壁上的凹陷结构52之间和突起结构51之间分别相对应。
接着，在隔离层1上形成第二牺牲层，使第二牺牲层没过支撑结构5图形上端，并对第二牺牲层表面进行平坦化，露出支撑结构5图形上端。
然后，去除支撑结构5图形，即去除剩余的第一牺牲层材料，在第二牺牲层中形成沟槽结构。其中，使沟槽结构的下端与连接电极4的表面相连。
接着，可先沿沟槽结构内壁沉积阻挡层，然后再在沟槽结构中填充金属层，并平坦化，去除第二牺牲层表面多余的阻挡层和金属层材料，从而在第二牺牲层中形成连接连接电极4的导电支撑结构5。
然后，在第二牺牲层上定义上电极6图形，沉积金属材料，并图形化，形成上电极6，并使上电极6与支撑结构5的上端相连。接着，在上电极6上形成释放孔10。
接着，在上电极6上沉积质量体8材料，并图形化，形成质量体8。
然后，采用释放工艺并通过释放孔10，将上电极6下方的第二牺牲层释放去除，从而在上电极6与下电极9之间形成谐振腔12。同时，支撑结构5也因失去第二牺牲层的支撑而具有了弹性。
接着，可通过CVD工艺，并在一定真空度下，在上电极6上沉积保护层7薄膜材料，利用工艺特性，使部分保护层7材料可以透过上电极6上的释放孔10，并在重力及负压作用下，滴落在下电极9上，从而在下电极9上形成用于防止上电极6与下电极9相接触的停止结构11。同时，进一步通过保护层7材料将释放孔10封闭，形成惯性传感器内的真空。
请参考图3。作为其他可选的实施方式，还可以在上电极6的下方设置一个平面光波导器件13。
光波导器件13可包括波导通道131和包围波导通道的介质层132，如图4所示。
介质层132与上电极6的下表面相连。波导通道131设有光接收端和光发射端，光接收端和光发射端分设于波导通道131的两端上。
当上电极6发生弯曲时，光波导器件13会随之被拉伸，导致光在波导通道131中的传输距离变长或相位发生变化。这样，可通过在光波导器件13的一侧设置光发射器件，并在另外一侧设置例如TOF(飞行时间)等光接受器件，即可利用光学传输距离的变化或者相位的变化等光学探测手段，来感应质量体8的运动状态，从而提高了传感器的探测灵敏度和响应速度。
较佳地，波导通道131可为螺旋状结构，但不限于此。光接收端和光发射端可分设于螺旋状结构外侧的波导通道131的两端上。波导通道131可采用例如硅材料制作形成，但不限于此。介质层132可采用常规介质材料。波导通道131需要避开释放孔10的位置。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种惯性传感器，其特征在于，自下而上包括：衬底，隔离层，下电极、上电极和质量体；其中，所述上电极通过导电支撑结构悬设于所述隔离层上，并在所述上电极与所述下电极之间形成谐振腔，所述支撑结构为弹性支撑结构。
2.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述弹性支撑结构为弹簧结构。
3.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述弹性支撑结构上沿其两侧侧壁的竖直方向对应设有多个周期性排列的凹陷结构，任意两个相邻的所述凹陷结构之间形成突起结构。
4.根据权利要求3所述的惯性传感器，其特征在于，所述凹陷结构为内凹的弧形结构。
5.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述支撑结构包括金属层和覆盖在所述金属层外侧上的阻挡层，所述金属层的上端连接所述上电极，所述金属层的下端通过设于所述隔离层上的连接电极与所述衬底相连。
6.根据权利要求5所述的惯性传感器，其特征在于，所述隔离层中设有金属互连层，所述金属互连层连接所述衬底上设有的电路结构，所述下电极和所述连接电极分别通过通孔连接所述金属互连层。
7.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述下电极上设有停止结构，用于防止所述上电极与所述下电极相接触。
8.根据权利要求7所述的惯性传感器，其特征在于，所述停止结构上方的所述上电极上对应设有释放孔，所述释放孔被保护层所封闭。
9.根据权利要求1所述的惯性传感器，其特征在于，所述上电极的下方设有光波导器件，所述光波导器件包括波导通道和包围所述波导通道的介质层，所述介质层与所述上电极的下表面相连，所述波导通道设有光接收端和光发射端，所述光接收端和光发射端分设于所述波导通道的两端上。
10.根据权利要求1-9任一所述的惯性传感器，其特征在于，多个所述惯性传感器并列排列，形成阵列式结构，任意两个相邻的所述惯性传感器之间以空气相隔离。
11.一种惯性传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一形成有电路结构的衬底，在所述衬底上形成隔离层；
在所述隔离层中形成金属互连层，以及在所述金属互连层上形成通孔；
在所述隔离层上形成下电极和连接电极，使所述下电极和连接电极与对应的所述通孔分别连接；
在所述隔离层上形成第一牺牲层；
在所述第一牺牲层上形成支撑结构掩模，采用各向同性刻蚀工艺刻蚀所述第一牺牲层，在所述支撑结构掩模两侧的所述第一牺牲层中分别形成空腔，露出所述隔离层；在所述空腔之间形成具有横向尺寸呈周期性大小变化的支撑结构图形；
在所述隔离层上形成第二牺牲层，没过所述支撑结构图形，并平坦化；
去除所述支撑结构图形，在所述第二牺牲层中形成沟槽结构；
在所述沟槽结构中填充金属层，并平坦化，在所述第二牺牲层中形成连接所述连接电极的导电支撑结构；
在所述第二牺牲层上形成上电极，使所述上电极与所述支撑结构的上端相连，并在所述上电极上形成释放孔；
在所述上电极上形成质量体；
通过所述释放孔，将所述上电极下方的所述第二牺牲层释放去除，在所述上电极与所述下电极之间形成谐振腔，并形成具有弹性的所述支撑结构；
在真空状态下沉积保护层，使部分保护层材料透过所述释放孔滴落在所述下电极上，形成用于防止所述上电极与所述下电极相接触的停止结构，并通过保护层材料将所述释放孔封闭，形成惯性传感器内的真空。
12.根据权利要求11所述的惯性传感器的制作方法，其特征在于，形成所述支撑结构图形时，具体包括：通过多步各向同性刻蚀工艺，在所述空腔的两侧侧壁上形成沿竖直方向周期性排列的多个凹陷结构，使任意两个相邻的所述凹陷结构之间形成突起结构，形成由剩余的所述第一牺牲层材料构成的支撑结构图形。
13.根据权利要求12所述的惯性传感器的制作方法，其特征在于，位于所述支撑结构图形两侧侧壁上的所述凹陷结构之间和所述突起结构之间分别相对应。
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