CN114440879A - 一种传感器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种传感器芯片及其制备方法，传感器芯片包括：MEMS运动传感单元；信号处理单元；所述MEMS运动传感单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上，以形成所述传感器芯片。所述传感器芯片降低外接信号处理电路的寄生效应对输出的影响，提高了器件集成度，大幅降低了系统集成成本。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术领域，具体涉及一种传感器芯片及其制备方法。
背景技术
MEMS运动传感器，即MEMS惯性(组合)传感器又称惯性测量单元(InertialMeasurement Unit，简称IMU)，通常包含速度传感器(即加速计)、角速度传感器(即陀螺仪)、磁感应传感器(即磁力计)，这三类传感器的组合就形成了三轴、六轴或九轴惯性组合传感器。
加速度计(Accelerometer、G-Sensor)也叫重力感应器，实际上是可以感知任意方向上的加速度，加速度计通过测量组件在某个轴向的受力情况来得到结果，表现形式为轴向的加速度大小和方向。加速度计包括电容式加速度计，电容式加速度计的质量块与上下极板形成差分电容，通过外界加速度使质量块位移，从而改变与上下极板间的距离，输出得到输出信号。电容式加速度计的优点是具有较好的低频相应且有直流相应，且温漂特性好，灵敏度高。
陀螺仪(Gyroscope、GYRO-Sensor)也叫地感器，陀螺仪侦测的是角速度，基于科里奥利力的原理：当一个物体在设置的坐标系中直线移动时，假设坐标系做一个旋转，那么在旋转的过程中，物体会感受到一个垂直的力和垂直方向的加速度。三轴陀螺仪的工作原理是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角，并计算角速度，通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。三轴陀螺仪可以同时测定上、下、左、右、前、后等6个方向(合成方向同样可分解为三轴坐标)，最终可判断出设备的移动轨迹和加速度。陀螺仪的原理和加速度计类似，都采用电容差分结构，可采用体硅工艺制备而成。
地磁场传感器是可以测量地球磁场，在不受磁干扰的情况下，如果知道当地的经纬度和海拔，就可以在测量地磁场方向后，利用各种地球磁场模型计算磁倾角、磁偏角，然后就可以算出位置和姿态等。磁强计采用AMR材料(NiFe合金)制备的惠斯通电桥进行磁场检测，通过表面加工工艺可以完成结构制备。
九轴运动传感器是我们手机、平板电脑、游戏机等电子产品中常用的运动感测追踪元件，被用于各类软件、游戏中的交互操控。九轴运动传感器作为集成化传感器模块，减少了电路板和全体空间，更适合用在轻盈便携的电子设备和可穿戴产品中。集成化传感器模块的数据精确度除了器材自身的精度外，还涉及到焊接装配后的纠正，以及针对不同使用的配套算法。适宜的算法能够将来自多种传感器的数据融合，弥补了单个传感器在核算精确的方位和方向时的缺乏，然后完成高精度的运动检测。
对于小型化和提高性能来说，MEMS器件与CMOS的集成化已变得越来越重要，但是大量的MEMS产品仍采用模块组装方式，虽然这种方式的开发时间短，可以独立优化MEMS器件和读出电路，但是其装配和封装成本较高。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中压力监测系统集成度低、集成成本较高且寄生效应严重的问题，从而提供一种传感器芯片及其制备方法。
本发明提供一种传感器芯片，包括：MEMS运动传感单元；信号处理单元；所述MEMS运动传感单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上，以形成所述传感器芯片。
可选的，所述MEMS运动传感单元包括加速度计单元、陀螺仪单元和地磁场传感器单元。
可选的，所述加速度计单元为三轴加速度计单元，所述陀螺仪单元为三轴陀螺仪单元，所述地磁场传感器单元为三轴地磁场传感器单元。
可选的，所述传感器芯片在传感器芯片的厚度方向上包括依次层设的半导体衬底层、中层器件层和顶层器件层，所述中层器件层用于集成形成所述加速度计单元的第一固定结构和第一可动结构、以及所述陀螺仪单元的第二固定结构和第二可动结构，所述顶层器件层用于集成形成所述信号处理单元和所述地磁场传感器单元。
可选的，所述顶层器件层包括：在所述顶层器件层的厚度方向上依次层设的顶层半导体层、读出电路层和介质层；位于部分所述介质层背向所述读出电路层一侧表面的各向异性磁阻层，所述各向异性磁阻层与所述读出电路层电连接；位于部分所述介质层背向所述读出电路层一侧分立设置的第一顶电极层和第二顶电极层，所述第一顶电极层与所述读出电路层电连接且与部分所述第一可动结构相对设置，所述第二顶电极层与所述读出电路层电连接与部分所述第二可动结构相对设置。
可选的，所述顶层器件层还包括：贯穿所述介质层且间隔设置的第一导电连接件、第二导电连接件和第三导电连接件，所述第一导电连接件、第二导电连接件和第三导电连接件均与所述读出电路层电连接；所述各向异性磁阻层与所述第三导电连接件电连接；所述第一顶电极层与所述第一导电连接件连接，所述第二顶电极层与所述第二导电连接件连接。
可选的，所述中层器件层中具有空腔，所述空腔与所述各向异性磁阻层相对设置。
可选的，所述顶层器件层还包括：位于部分所述介质层背向所述读出电路层一侧的第一顶键合层和第二顶键合层，所述第一顶键合层和所述第二顶键合层均分别与所述读出电路层电连接；所述中层器件层还包括：位于所述第一固定结构背向所述半导体衬底层的一侧表面的第一底层键合层，位于第二固定结构背向所述半导体衬底层一侧表面的第二底层键合层，所述第一底层键合层与所述第一顶键合层相互键合，所述第二底层键合层与所述第二顶键合层相互键合。
可选的，所述顶层器件层还包括：贯穿所述介质层的若干个第四导电连接件，所述第四导电连接件与所述读出电路层电连接；所述第一顶键合层和所述第二顶键合层均分别与部分所述第四导电连接件连接。
可选的，还包括：位于所述半导体衬底层朝向所述中层器件层的一侧表面的第一绝缘层；位于所述第一绝缘层背向所述半导体衬底层一侧表面的第一半导体底电极和第二半导体底电极，所述第一半导体底电极与所述第一顶电极层相对，所述第二半导体底电极与所述第二顶电极层相对；位于所述第一绝缘层背向所述半导体衬底层一侧表面的掺杂键合层；至少部分所述掺杂键合层与所述第一固定结构和所述第二固定结构相互键合。
本发明还提供一种传感器芯片的制备方法，包括：形成MEMS运动传感单元；形成信号处理单元，所述MEMS运动传感单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上。
本发明还提供一种传感器芯片的制备方法，包括：提供第一晶圆、第二晶圆和第三晶圆；在部分所述第一晶圆的一侧形成相互间隔的第一半导体底电极和第二半导体底电极；在所述第二晶圆的一侧形成间隔的第一盖腔和第二盖腔；将所述第二晶圆和所述第一晶圆键合，所述第一盖腔朝向所述第一半导体底电极，所述第二盖腔朝向所述第二半导体底电极；图形化所述第二晶圆，以形成加速度计单元的第一固定结构和第一可动结构以及陀螺仪单元的第二固定结构和第二可动结构，部分第一可动结构与所述第一半导体底电极相对设置，部分第二可动结构与所述第二半导体底电极相对设置；在第三晶圆的一侧形成读出电路层；在所述读出电路层背向所述第三晶圆的一侧形成介质层；在部分所述介质层背向所述读出电路层的一侧表面形成地磁场传感器单元的各向异性磁阻层，所述各向异性磁阻层电连接所述读出电路层；在部分所述介质层背向所述读出电路层的一侧形成分立设置的第一顶电极层和第二顶电极层，所述第一顶电极层和所述第二顶电极层均与所述读出电路层电连接；将所述第三晶圆与所述第二晶圆背向所述第一晶圆的一侧键合，所述第一顶电极层与所述第一半导体底电极相对，所述第二顶电极层与所述第二半导体底电极相对。
可选的，还包括：在形成所述第一半导体底电极和第二半导体底电极的过程中，在部分所述第一晶圆的一侧形成掺杂键合层，所述掺杂键合层与第一半导体底电极和第二半导体底电极位于第一晶圆的同侧；将所述第二晶圆和所述第一晶圆键合的步骤为：将所述第二晶圆通过所述掺杂键合层和所述第一晶圆键合，至少部分所述掺杂键合层与所述第一固定结构和所述第二固定结构相互键合。
可选的，还包括：形成贯穿所述介质层且均和所述读出电路层电连接的第一导电连接件、第二导电连接件和第三导电连接件；所述各向异性磁阻层电连接所述第三导电连接件；所述第一顶电极层与所述第一导电连接件连接，所述第二顶电极层与所述第二导电连接件连接。
可选的，还包括:在图形化所述第二晶圆之前，在部分所述第二晶圆背向所述第一晶圆的一侧表面形成第一底层键合层和第二底层键合层；图形化所述第二晶圆之后，所述第一底层键合层位于所述第一固定结构背向所述第一晶圆的一侧表面，所述第二底层键合层位于所述第二固定结构背向所述第一晶圆的一侧表面；在部分所述介质层背向所述读出电路层的一侧形成第一顶键合层和第二顶键合层，所述第一顶键合层和第二顶键合层与所述各向异性磁阻层、第一顶电极层和第二顶电极层均间隔设置，所述第一顶键合层和所述第二顶键合层均与所述读出电路层电连接；将所述第三晶圆与所述第二晶圆背向所述第一晶圆的一侧键合的步骤包括：将所述第一顶键合层和所述第一底层键合层键合，将所述第二顶键合层和所述第二底层键合层键合。
可选的，还包括:形成贯穿所述介质层且和所述读出电路层电连接的第四导电连接件；所述第一顶键合层和所述第二顶键合层均分别与部分所述第四导电连接件连接。
可选的，还包括：在形成所述第一半导体底电极、第二半导体底电极和掺杂键合层之前，在所述第一晶圆的一侧表面形成第一绝缘层；所述第一半导体底电极、第二半导体底电极和掺杂键合层位于所述第一绝缘层背向所述第一晶圆的一侧表面。
可选的，在图形化所述第二晶圆的步骤中，还形成了贯穿第二晶圆的空腔，所述空腔分别与第一固定结构、第一可动结构、第二固定结构和第二可动结构间隔；将所述第三晶圆与所述第二晶圆背向所述第一晶圆的一侧键合之后，所述空腔与所述各向异性磁阻层相对设置。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明的技术方案提供的传感器芯片，由于所述MEMS运动传感单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上，不仅可以降低外接信号处理电路的寄生效应对输出的影响，提高了器件集成度，大幅降低了系统集成成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的传感器芯片的结构示意图；
图2至图10为本发明一实施例提供传感器芯片制备过程的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明一实施例提供一种传感器芯片，结合参考图1，包括：
MEMS运动传感单元；
信号处理单元；
所述MEMS运动传感单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上，以形成所述传感器芯片。
所述MEMS运动传感单元包括加速度计单元Q1、陀螺仪单元Q2和地磁场传感器单元Q3。
在一个实施例中，所述加速度计单元Q1为三轴加速度计单元，所述陀螺仪单元Q2为三轴陀螺仪单元，所述地磁场传感器单元Q3为三轴地磁场传感器单元。
所述传感器芯片在传感器芯片的厚度方向上包括依次层设的半导体衬底层100、中层器件层B和顶层器件层C，所述中层器件层B用于集成形成所述加速度计单元Q1的第一固定结构223和第一可动结构221、以及所述陀螺仪单元Q2的第二固定结构224和第二可动结构222，所述顶层器件层C用于集成形成所述信号处理单元和所述地磁场传感器单元Q3。
半导体衬底层100的材料包括硅或锗硅，半导体衬底层100还可以选择其他的材料。
所述中层器件层B包括第一器件区和第二器件区，所述第一器件区用于集成形成所述加速度计单元Q1的第一固定结构223和第一可动结构221，所述第二器件区用于集成形成所述陀螺仪单元Q2的第二固定结构224和第二可动结构222。所述中层器件层还包括第三器件区，所述第三器件区中具有空腔。
所述顶层器件层C包括：在所述顶层器件层的厚度方向上依次层设的顶层半导体层300、读出电路层301和介质层302；位于部分所述介质层302背向所述读出电路层301一侧表面的各向异性磁阻层350，所述各向异性磁阻层350与所述读出电路层301电连接；位于部分所述介质层302背向所述读出电路层301一侧分立设置的第一顶电极层351和第二顶电极层352，所述第一顶电极层351与所述读出电路层301电连接且与部分所述第一可动结构221相对设置，所述第二顶电极层352与所述读出电路层301电连接与部分所述第二可动结构222相对设置。
介质层302的材料包括氮化铝、氮化硅或氧化硅。
所述顶层器件层C还包括：贯穿所述介质层302且间隔设置的第一导电连接件、第二导电连接件和第三导电连接件，所述第一导电连接件、第二导电连接件和第三导电连接件均与所述读出电路层301电连接；所述各向异性磁阻层350与所述第三导电连接件电连接；所述第一顶电极层351与所述第一导电连接件连接，所述第二顶电极层352与所述第二导电连接件连接；贯穿所述介质层302的若干个第四导电连接件，所述第四导电连接件与所述读出电路层301电连接。
所述空腔与所述各向异性磁阻层350相对设置。
本实施例中，所述第一导电连接件包括第一中间连接层361和第一插塞341，具体的，第一中间连接层361的一端与所述读出电路层301电连接，第一中间连接层361的另一端与第一插塞341的一端连接，所述第一插塞341的另一端与所述第一顶电极层351电连接。
第二导电连接件包括第二中间连接层362和第二插塞342，具体的，第二中间连接层362的一端与所述读出电路层301电连接，第二中间连接层362的另一端与第二插塞342的一端连接，所述第二插塞342的另一端与所述第二顶电极层352电连接。
第三导电连接件包括第三中间连接层363和第三插塞343，具体的，第三中间连接层363的一端与所述读出电路层301电连接，第三中间连接层363的另一端与第三插塞343的一端连接，所述第三插塞343的另一端与所述各向异性磁阻层350电连接。
本实施例中，所述顶层器件层C还包括：引线层304，所述引线层304的一端与所述第三插塞343连接，所述引线层304的另一端与所述各向异性磁阻层350电连接。
所述第四导电连接件包括第四中间连接层364和第四插塞344，具体的，第四中间连接层364的一端与所述读出电路层301电连接，第四中间连接层364的另一端与第四插塞344的一端电连接。
所述顶层器件层还包括：位于部分所述介质层302背向所述读出电路层301一侧的第一顶键合层311和第二顶键合层312，所述第一顶键合层311和所述第二顶键合层312均分别与所述读出电路层301电连接；位于部分所述介质层302背向所述读出电路层301一侧的附加顶键合层305。附加顶键合层305、所述第一顶键合层311、第二顶键合层312、第一顶电极层351和第二顶电极层352间隔设置。
所述第一顶键合层311、第二顶键合层312和附加顶键合层305的材料包括锗、铝、金、多晶硅或非晶硅。
所述顶层器件层还包括：第二绝缘层303，所述第二绝缘层303位于所述介质层302背向所述读出电路层301一侧表面；所述第一顶键合层311、第二顶键合层312、附加顶键合层305、第一顶电极层351和第二顶电极层352覆盖部分所述第二绝缘层303背向所述介质层302的一侧。
第一顶电极层351和第二顶电极层352的材料包括金属。
所述中层器件层还包括：位于所述第一固定结构223背向所述半导体衬底层100的一侧表面的第一底层键合层211，位于第二固定结构224背向所述半导体衬底层100一侧表面的第二底层键合层212，所述第一底层键合层211与所述第一顶键合层311相互键合，所述第二底层键合层212与所述第二顶键合层312相互键合。
所述中层器件层还包括：与所述附加顶键合层305相对设置的附加底键合层，所述附加底键合层与所述附加顶键合层305键合在一起。
所述附加底键合层、第一底层键合层211和第二底层键合层212的材料包括锗、铝、金、多晶硅或非晶硅。
在一个具体的实施例中，所述附加底键合层、第一底层键合层211和第二底层键合层212的材料为锗，所述第一顶键合层311、第二顶键合层312和附加顶键合层305的材料为铝。在一个实施例中，附加底键合层、第一底层键合层211和第二底层键合层212的材料为金，所述第一顶键合层311、第二顶键合层312和附加顶键合层305的材料为多晶硅或非晶硅。
所述第一顶键合层311和所述第二顶键合层312均分别与部分所述第四导电连接件连接。具体的，第一顶键合层311与部分第四插塞344连接，第二顶键合层312与部分第四插塞344电连接。
所述传感器芯片还包括：位于所述半导体衬底层100朝向所述中层器件层B的一侧表面的第一绝缘层110；位于所述第一绝缘层110背向所述半导体衬底层100一侧表面的第一半导体底电极101和第二半导体底电极102，所述第一半导体底电极101与所述第一顶电极层第一顶电极层351相对，所述第二半导体底电极102与所述第二顶电极层352相对；位于所述第一绝缘层110背向所述半导体衬底层100一侧表面的掺杂键合层103，至少部分所述掺杂键合层103与所述第一固定结构223和所述第二固定结构224相互键合。
所述第一半导体底电极101、第二半导体底电极102以及掺杂键合层103相互间隔设置。所述第一半导体底电极101、第二半导体底电极102以及掺杂键合层103的材料包括P型多晶硅或N型多晶硅。在一个实施例中，所述掺杂键合层103、第一半导体底电极101、第二半导体底电极102的厚度均为2000埃-10000埃。
所述第一绝缘层110的材料包括氧化硅。在一个实施例中，第一绝缘层110的厚度为2000埃-10000埃。
本实施例中，还包括：位于所述顶层半导体层300和所述读出电路层301中的连接口，连接口暴露出部分与读出电路层301电连接的焊盘。
本实施例提供的传感器芯片，由于所述MEMS运动传感单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上，不仅可以降低外接信号处理电路的寄生效应对输出的影响，提高了器件集成度，大幅降低了系统集成成本。
本实施例提供的传感器芯片，地磁场传感器单元Q3与所述读出电路层301集成在同一晶圆，避免了地磁场传感器单元Q3与加速度计单元Q1的工艺混合流片的情形，避免了地磁场传感器单元Q3与陀螺仪单元Q2的工艺混合流片的情形，降低了工艺的复杂度。
本实施例提供的传感器芯片，结构简单，制备难度降低，能做到晶圆级真空封装。
本发明另一实施例还提供一种传感器芯片的制备方法，包括：形成MEMS运动传感单元；形成信号处理单元，所述MEMS运动传感单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上。
下面结合图2至图10进行详细的说明。
参考图2，提供第一晶圆100’。
本实施例中，所述第一晶圆100’的材料为单晶硅。在其他实施例中，第一晶圆的材料还可以是锗硅或三-五组化合物材料。
继续参考图2，在部分所述第一晶圆100’的一侧形成相互间隔的第一半导体底电极101’和第二半导体底电极102’。
本实施例中，还包括：在形成所述第一半导体底电极101’和第二半导体底电极102’的过程中，在部分所述第一晶圆100’的一侧形成掺杂键合层103’，所述掺杂键合层103’与第一半导体底电极101’和第二半导体底电极102’位于第一晶圆100’的同侧。所述第一半导体底电极101’、第二半导体底电极102’以及掺杂键合层103’相互间隔设置。
本实施例中，还包括：在形成所述第一半导体底电极101’、第二半导体底电极102’和掺杂键合层103’之前，在所述第一晶圆100’的一侧表面形成第一绝缘层110’；所述第一半导体底电极101’、第二半导体底电极102’和掺杂键合层103’位于所述第一绝缘层110’背向所述第一晶圆100’的一侧表面。
形成所述第一绝缘层110’的工艺包括热氧化工艺。所述第一绝缘层110’的材料包括氧化硅。
在一个实施例中，第一绝缘层110’的厚度为2000埃-10000埃。
形成所述第一半导体底电极101’、第二半导体底电极102’和掺杂键合层103’的步骤包括：所述第一绝缘层110’背向所述第一晶圆100’的一侧表面形成掺杂半导体膜；图形化所述掺杂半导体膜，使得掺杂半导体膜形成所述第一半导体底电极101’、第二半导体底电极102’和掺杂键合层103’。
所述掺杂键合层103’、第一半导体底电极101’、第二半导体底电极102’相互间隔。
所述掺杂半导体膜的材料包括：P型多晶硅或N型多晶硅。
在一个实施例中，所述掺杂键合层103’、第一半导体底电极101’、第二半导体底电极102’的厚度均为2000埃-10000埃。
本实施例中，掺杂键合层103’、第一半导体底电极101’、第二半导体底电极102’的材料相同。在其他实施例中，掺杂键合层103’、第一半导体底电极101’、第二半导体底电极102’的材料选择至少部分不同。
参考图3，提供第二晶圆200’。
所述第二晶圆200’的材料为单晶硅。在其他实施例中，第二晶圆的材料还可以是锗硅或三-五组化合物材料。
继续参考图3，在所述第二晶圆200’的一侧形成间隔的第一盖腔2001’和第二盖腔2002’。
具体的，在所述第二晶圆200’的一侧通过刻蚀工艺形成第一盖腔2001’和第二盖腔2002’。
参考图4，将所述第二晶圆200’和所述第一晶圆100’键合，所述第一盖腔2001’朝向所述第一半导体底电极101’，所述第二盖腔2002’朝向所述第二半导体底电极102’。
将所述第二晶圆200’和所述第一晶圆100’键合的步骤为：将所述第二晶圆200’通过所述掺杂键合层103’和所述第一晶圆100’键合。
所述第一盖腔2001’使得第一半导体底电极101’至第二晶圆200’之间具有间隙，第二盖腔2002’使得第二半导体底电极102’至第二晶圆200’之间具有间隙。
本实施例中，还包括：将所述第二晶圆200’和所述第一晶圆100’键合之后，从第二晶圆200’背向所述第一晶圆100’的一侧对所述第一晶圆100’进行减薄。
参考图5，在部分所述第二晶圆200’背向所述第一晶圆100’的一侧表面形成第一底层键合层211’和第二底层键合层212’。
本实施例中，所述第一底层键合层211’和第二底层键合层212’的材料相同且厚度相同。所述第一底层键合层211’和第二底层键合层212’的材料包括锗、铝、金、多晶硅或非晶硅。
在一个实施例中，所述第一底层键合层211’的厚度为1000埃-6000埃，所述第二底层键合层212’的厚度为1000埃-6000埃。
形成所述第一底层键合层211’和第二底层键合层212’的步骤包括：在所述第二晶圆200’背向所述第一晶圆100’的一侧表面形成底层键合膜；刻蚀所述底层键合膜以形成所述第一底层键合层211’和第二底层键合层212’。
本实施例中，还包括：在形成第一底层键合层211’和第二底层键合层212’的过程中，形成附加底键合层(未标示)。附加底键合层、第一底层键合层211’和第二底层键合层212’间隔设置。附加底键合层由部分底层键合膜形成。
参考图6，图形化所述第二晶圆200’，以形成加速度计单元的第一固定结构223’和第一可动结构221’以及陀螺仪单元的第二固定结构224’和第二可动结构222’，部分第一可动结构221’与所述第一半导体底电极101’相对设置，部分第二可动结构222’与所述第二半导体底电极102’相对设置。
在图形化所述第二晶圆200’的步骤中，还形成了贯穿第二晶圆200’的空腔K，所述空腔K分别与第一固定结构223’和第一可动结构221’、第二固定结构224’和第二可动结构222’间隔。
本实施例中，至少部分所述掺杂键合层103’与所述第一固定结构223’和所述第二固定结构224’相互键合。
图形化所述第二晶圆200’之后，所述第一底层键合层211’位于所述第一固定结构223’背向所述第一晶圆100’的一侧表面，所述第二底层键合层212’位于所述第二固定结构224’背向所述第一晶圆100’的一侧表面。
参考图7，提供第三晶圆300’。
所述第三晶圆300’的材料为单晶硅。在其他实施例中，第三晶圆的材料还可以是锗硅或三-五组化合物材料。
继续参考图7，在第三晶圆300’的一侧形成读出电路层301’。
本实施例中，形成所述读出电路层301’的制备工艺采用集成电路制备工艺。
继续参考图7，在所述读出电路层301’背向所述第三晶圆300’的一侧形成介质层302’；形成贯穿所述介质层302’且均和所述读出电路层301’电连接的第一导电连接件、第二导电连接件、第三导电连接件和第四导电连接件。
第一导电连接件、第二导电连接件、第三导电连接件和第四导电连接件相互间隔设置。
所述第一导电连接件包括第一中间连接层361’和第一插塞341’，具体的，第一中间连接层361’的一端与所述读出电路层301’电连接，第一中间连接层361’的另一端与第一插塞341’的一端连接。
第二导电连接件包括第二中间连接层362’和第二插塞342’，具体的，第二中间连接层362’的一端与所述读出电路层301’电连接，第二中间连接层362’的另一端与第二插塞342’的一端连接。
第三导电连接件包括第三中间连接层363’和第三插塞343’，具体的，第三中间连接层363’的一端与所述读出电路层301’电连接，第三中间连接层363’的另一端与第三插塞343’的一端连接。
所述第四导电连接件包括第四中间连接层364’和第四插塞344’，具体的，第四中间连接层364’的一端与所述读出电路层301’电连接，第四中间连接层364’的另一端与第四插塞344’的一端电连接。
介质层302’、第一导电连接件、第二导电连接件、第三导电连接件和第四导电连接件的形成步骤包括：在所述读出电路层301’背向所述第三晶圆300’的一侧形成第一中间连接层361’、第二中间连接层362’、第三中间连接层363’和第四中间连接层364’，所述第一中间连接层361’、第二中间连接层362’、第三中间连接层363’和第四中间连接层364’间隔设置；之后，在所述读出电路层301’背向所述第三晶圆300’的一侧形成介质层302’，所述介质层302’覆盖所述第一中间连接层361’、第二中间连接层362’、第三中间连接层363’和第四中间连接层364’；形成所述介质层302’之后，在所述介质层302’中形成第一插塞341’、第二插塞342’、第三插塞343’和第四插塞344’。
在一个实施例中，第一插塞341’、第二插塞342’、第三插塞343’和第四插塞344’同时形成，第一中间连接层361’、第二中间连接层362’、第三中间连接层363’和第四中间连接层364’同时形成，这样简化了工艺。在其他实施例中，第一插塞341’、第二插塞342’、第三插塞343’和第四插塞344’分别单独形成，第一中间连接层361’、第二中间连接层362’、第三中间连接层363’和第四中间连接层364’分别单独形成。
参考图8，在部分所述介质层302’背向所述读出电路层301’的一侧形成分立设置的第一顶电极层351’和第二顶电极层352’，所述第一顶电极层351’和所述第二顶电极层352’均与所述读出电路层301’电连接；在部分所述介质层302’背向所述读出电路层301’的一侧表面形成地磁场传感器单元的各向异性磁阻层350’，所述各向异性磁阻层350’电连接所述读出电路层301’。
本实施例中，在部分所述介质层302’背向所述读出电路层301’的一侧表面形成地磁场传感器单元的各向异性磁阻层350’，之后，在所述介质层302’背向所述读出电路层301’一侧表面形成第二绝缘层303’，所述第二绝缘层303’覆盖所述各向异性磁阻层350’；在所述第二绝缘层303’中形成第一开口、第二开口第三开口和第四开口，所述第一开口暴露出第一插塞341’，所述第二开口暴露出第二插塞342’，所述第三开口暴露出第三插塞343’，所述第四开口暴露出部分各向异性磁阻层350’；在第一开口中和第一开口周围的部分第二绝缘层303’的表面形成第一顶电极层351’；在第二开口中和第二开口周围的部分第二绝缘层303’的表面形成第二顶电极层352’；在所述第三开口和第四开口中以及部分第二绝缘层303’背向所述各向异性磁阻层350’的一侧表面形成引线层304’，所述引线层304’的一端与所述第三插塞343’连接，所述引线层304’的另一端与所述各向异性磁阻层350’电连接。
本实施例中，第一开口、第二开口第三开口和第四开口同时形成，简化了工艺。在其他实施例中，第一开口、第二开口第三开口和第四开口在不同的步骤中形成。
本实施例中，第一顶电极层351’、第二顶电极层352’和引线层304’同时形成，简化了工艺。
在其他实施例中，第一顶电极层351’、第二顶电极层352’和引线层304’在不同的步骤中形成。
第一顶电极层351’和第二顶电极层352’的材料包括金属。
参考图9，在部分所述介质层302’背向所述读出电路层301’的一侧形成第一顶键合层311’和第二顶键合层312’，所述第一顶键合层311’和所述第二顶键合层312’均分别与所述读出电路层301’电连接。
本实施例中，还包括：在形成第一顶键合层311’和第二顶键合层312’的过程中，在部分所述介质层302’背向所述读出电路层301’的一侧形成附加顶键合层305’。
所述附加顶键合层305’与所述读出电路层301’电学断开。
所述第一顶键合层311’和所述第二顶键合层312’均分别与部分第四导电连接件电连接。具体的，第一顶键合层311’与部分第四插塞344’连接，第二顶键合层312’与部分第四插塞344’电连接。
所述第一顶键合层311’和第二顶键合层312’、所述各向异性磁阻层350’、第一顶电极层351’和第二顶电极层352’均间隔设置。
本实施例中，还包括：在形成第一开口、第二开口第三开口和第四开口的同时，在介质层302’中形成第五开口，所述第五开口暴露出所述第四插塞344’。
在部分第五开口中和部分第五周围的第二绝缘层303’表面形成第一顶键合层311’，在部分第五开口中和部分第五周围的第二绝缘层303’表面形成第二顶键合层312’。
所述附加顶键合层305’位于部分第二绝缘层303’背向所述介质层302’的一侧表面。
参考图10，将所述第三晶圆300’与所述第二晶圆200’背向所述第一晶圆100’的一侧键合，所述第一顶电极层351’与所述第一半导体底电极101’相对，所述第二顶电极层352’与所述第二半导体底电极102’相对。
所述第三晶圆300’与第二晶圆200’键合的工艺为共晶体键合工艺。
将所述第三晶圆300’与所述第二晶圆200’背向所述第一晶圆100’的一侧键合的步骤包括：将所述第一顶键合层311’和所述第一底层键合层211’键合，将所述第二顶键合层312’和所述第二底层键合层212’键合。
将所述第三晶圆300’与所述第二晶圆200’背向所述第一晶圆100’的一侧键合的步骤还包括：将所述附加底键合层与所述附加顶键合层305’键合在一起。
将所述第三晶圆300’与所述第二晶圆200’背向所述第一晶圆100’的一侧键合之后，所述空腔与所述各向异性磁阻层350’相对设置。
具体的，所述第一顶键合层311’、第二顶键合层312’和附加顶键合层305’的材料包括锗、铝、金、多晶硅或非晶硅,所述附加底键合层、第一底层键合层211’和第二底层键合层212’的材料包括锗、铝、金、多晶硅或非晶硅。
在一个具体的实施例中，所述附加底键合层、第一底层键合层211’和第二底层键合层212’的材料为锗，所述第一顶键合层311’、第二顶键合层312’和附加顶键合层305’的材料为铝。在一个实施例中，附加底键合层、第一底层键合层211’和第二底层键合层212’的材料为金，所述第一顶键合层311’、第二顶键合层312’和附加顶键合层305’的材料为多晶硅或非晶硅。
本实施例中，还包括：对第三晶圆300’背向所述第二晶圆200’的一侧表面进行减薄，之后在所述第三晶圆300’和所述读出电路层301’中形成连接口，连接口暴露出部分与读出电路层301’电连接的焊盘。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (18)
1.一种传感器芯片，其特征在于，包括：
MEMS运动传感单元；
信号处理单元；
所述MEMS运动传感单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上，以形成所述传感器芯片。
2.根据权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于，所述MEMS运动传感单元包括加速度计单元、陀螺仪单元和地磁场传感器单元。
3.根据权利要求2所述的传感器芯片，其特征在于，所述加速度计单元为三轴加速度计单元，所述陀螺仪单元为三轴陀螺仪单元，所述地磁场传感器单元为三轴地磁场传感器单元。
4.根据权利要求2所述的传感器芯片，其特征在于，所述传感器芯片在传感器芯片的厚度方向上包括依次层设的半导体衬底层、中层器件层和顶层器件层，所述中层器件层用于集成形成所述加速度计单元的第一固定结构和第一可动结构、以及所述陀螺仪单元的第二固定结构和第二可动结构，所述顶层器件层用于集成形成所述信号处理单元和所述地磁场传感器单元。
5.根据权利要求4所述的传感器芯片，其特征在于，所述顶层器件层包括：在所述顶层器件层的厚度方向上依次层设的顶层半导体层、读出电路层和介质层；位于部分所述介质层背向所述读出电路层一侧表面的各向异性磁阻层，所述各向异性磁阻层与所述读出电路层电连接；位于部分所述介质层背向所述读出电路层一侧分立设置的第一顶电极层和第二顶电极层，所述第一顶电极层与所述读出电路层电连接且与部分所述第一可动结构相对设置，所述第二顶电极层与所述读出电路层电连接与部分所述第二可动结构相对设置。
6.根据权利要求5所述的传感器芯片，其特征在于，所述顶层器件层还包括：贯穿所述介质层且间隔设置的第一导电连接件、第二导电连接件和第三导电连接件，所述第一导电连接件、第二导电连接件和第三导电连接件均与所述读出电路层电连接；所述各向异性磁阻层与所述第三导电连接件电连接；所述第一顶电极层与所述第一导电连接件连接，所述第二顶电极层与所述第二导电连接件连接。
7.根据权利要求5所述的传感器芯片，其特征在于，所述中层器件层中具有空腔，所述空腔与所述各向异性磁阻层相对设置。
8.根据权利要求5所述的传感器芯片，其特征在于，所述顶层器件层还包括：位于部分所述介质层背向所述读出电路层一侧的第一顶键合层和第二顶键合层，所述第一顶键合层和所述第二顶键合层均分别与所述读出电路层电连接；
所述中层器件层还包括：位于所述第一固定结构背向所述半导体衬底层的一侧表面的第一底层键合层，位于第二固定结构背向所述半导体衬底层一侧表面的第二底层键合层，所述第一底层键合层与所述第一顶键合层相互键合，所述第二底层键合层与所述第二顶键合层相互键合。
9.根据权利要求8所述的传感器芯片，其特征在于，所述顶层器件层还包括：贯穿所述介质层的若干个第四导电连接件，所述第四导电连接件与所述读出电路层电连接；所述第一顶键合层和所述第二顶键合层均分别与部分所述第四导电连接件连接。
10.根据权利要求5所述的传感器芯片，其特征在于，还包括：位于所述半导体衬底层朝向所述中层器件层的一侧表面的第一绝缘层；位于所述第一绝缘层背向所述半导体衬底层一侧表面的第一半导体底电极和第二半导体底电极，所述第一半导体底电极与所述第一顶电极层相对，所述第二半导体底电极与所述第二顶电极层相对；位于所述第一绝缘层背向所述半导体衬底层一侧表面的掺杂键合层，至少部分所述掺杂键合层与所述第一固定结构和所述第二固定结构相互键合。
11.一种传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括：
形成MEMS运动传感单元；
形成信号处理单元，所述MEMS运动传感单元和所述信号处理单元集成在同一芯片上。
12.一种传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括：
提供第一晶圆、第二晶圆和第三晶圆；
在部分所述第一晶圆的一侧形成相互间隔的第一半导体底电极和第二半导体底电极；
在所述第二晶圆的一侧形成间隔的第一盖腔和第二盖腔；
将所述第二晶圆和所述第一晶圆键合，所述第一盖腔朝向所述第一半导体底电极，所述第二盖腔朝向所述第二半导体底电极；
图形化所述第二晶圆，以形成加速度计单元的第一固定结构和第一可动结构以及陀螺仪单元的第二固定结构和第二可动结构，部分第一可动结构与所述第一半导体底电极相对设置，部分第二可动结构与所述第二半导体底电极相对设置；
在第三晶圆的一侧形成读出电路层；
在所述读出电路层背向所述第三晶圆的一侧形成介质层；
在部分所述介质层背向所述读出电路层的一侧表面形成地磁场传感器单元的各向异性磁阻层，所述各向异性磁阻层电连接所述读出电路层；
在部分所述介质层背向所述读出电路层的一侧形成分立设置的第一顶电极层和第二顶电极层，所述第一顶电极层和所述第二顶电极层均与所述读出电路层电连接；
将所述第三晶圆与所述第二晶圆背向所述第一晶圆的一侧键合，所述第一顶电极层与所述第一半导体底电极相对，所述第二顶电极层与所述第二半导体底电极相对。
13.根据权利要求12所述的传感器芯片的制备方法，其特征在于，还包括：在形成所述第一半导体底电极和第二半导体底电极的过程中，在部分所述第一晶圆的一侧形成掺杂键合层，所述掺杂键合层与第一半导体底电极和第二半导体底电极位于第一晶圆的同侧；
将所述第二晶圆和所述第一晶圆键合的步骤为：将所述第二晶圆通过所述掺杂键合层和所述第一晶圆键合；
至少部分所述掺杂键合层与所述第一固定结构和所述第二固定结构相互键合。
14.根据权利要求12所述的传感器芯片的制备方法，其特征在于，还包括：形成贯穿所述介质层且均和所述读出电路层电连接的第一导电连接件、第二导电连接件和第三导电连接件；
所述各向异性磁阻层电连接所述第三导电连接件；所述第一顶电极层与所述第一导电连接件连接，所述第二顶电极层与所述第二导电连接件连接。
15.根据权利要求12所述的传感器芯片的制备方法，其特征在于，还包括:在图形化所述第二晶圆之前，在部分所述第二晶圆背向所述第一晶圆的一侧表面形成第一底层键合层和第二底层键合层；图形化所述第二晶圆之后，所述第一底层键合层位于所述第一固定结构背向所述第一晶圆的一侧表面，所述第二底层键合层位于所述第二固定结构背向所述第一晶圆的一侧表面；
在部分所述介质层背向所述读出电路层的一侧形成第一顶键合层和第二顶键合层，所述第一顶键合层和第二顶键合层与所述各向异性磁阻层、第一顶电极层和第二顶电极层均间隔设置，所述第一顶键合层和所述第二顶键合层均与所述读出电路层电连接；
将所述第三晶圆与所述第二晶圆背向所述第一晶圆的一侧键合的步骤包括：将所述第一顶键合层和所述第一底层键合层键合，将所述第二顶键合层和所述第二底层键合层键合。
16.根据权利要求15所述的传感器芯片的制备方法，其特征在于，还包括:形成贯穿所述介质层且和所述读出电路层电连接的第四导电连接件；
所述第一顶键合层和所述第二顶键合层均分别与部分所述第四导电连接件连接。
17.根据权利要求13所述的传感器芯片的制备方法，其特征在于，还包括：在形成所述第一半导体底电极、第二半导体底电极和掺杂键合层之前，在所述第一晶圆的一侧表面形成第一绝缘层；所述第一半导体底电极、第二半导体底电极和掺杂键合层位于所述第一绝缘层背向所述第一晶圆的一侧表面。
18.根据权利要求12所述的传感器芯片的制备方法，其特征在于，在图形化所述第二晶圆的步骤中，还形成了贯穿第二晶圆的空腔，所述空腔分别与第一固定结构、第一可动结构、第二固定结构和第二可动结构间隔；
将所述第三晶圆与所述第二晶圆背向所述第一晶圆的一侧键合之后，所述空腔与所述各向异性磁阻层相对设置。
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