CN203643061U

CN203643061U - 电容式压力传感器和惯性传感器集成器件

Info

Publication number: CN203643061U
Application number: CN201420006664.4U
Authority: CN
Inventors: 季锋; 范伟宏; 闻永祥; 刘琛; 饶晓俊
Original assignee: Hangzhou Silan Integrated Circuit Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Silan Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2014-01-02
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2024-01-02

Abstract

本实用新型提供了一种电容式压力传感器和惯性传感器集成器件，该器件包括：半导体衬底；覆盖该半导体衬底的外延层，该外延层下方的压力传感器区域内的半导体衬底中具有空腔；位于外延层上的第一介质层；位于第一介质层上的第一导电层；位于第一导电层上的第二介质层；位于第二介质层上的第二导电层，空腔上方的第二导电层被图形化为多个并列的电容极板，惯性传感器区域的第二导电层被图形化为可动质量块；位于第二导电层上的电极层，压力传感器区域的电极层被图形化为压力传感器布线，惯性传感器区域的电极层被图形化为惯性传感器压点区。本实用新型将电容式压力传感器和惯性传感器集成在同一器件中，使得芯片面积更小，成本更低。

Description

电容式压力传感器和惯性传感器集成器件

技术领域

本实用新型涉及MEMS传感器技术领域，尤其涉及一种电容式压力传感器和惯性传感器集成器件。

背景技术

最早的压力传感器出现于1962年，随着微机电系统（MEMS）技术的不断发展以及硅微机械加工工艺的日趋成熟，使得敏感元件微型化，实现了压力传感器生产的批量化、低成本化，确立了其在压力测量领域的主导地位。特别是Bosch利用APSM多孔硅外延技术制造的压力传感器具有精度高、尺寸小等优点，代表了目前压力传感器制造的较高水平。

惯性传感器包括陀螺仪、加速度计传感器、速度计以及它们的单、双、三轴组合惯性测量单元（IMU）等。1991年电容式微加速度计研制成功，1998年陀螺仪研制成功，这些器件在惯性测量机构领域以及作为惯性导航的基本原件有着广泛的应用。基于MEMS技术生产的惯性传感器具有体积小、重量轻、功耗低、可大批量生产、成本低、可靠性高等一系列优点，被广泛应用在生产生活领域。

随着科学技术的发展，MEMS技术小型化的需求越来越强烈。如何将压力传感器与惯性传感器集成到单一芯片中，称为一个亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种电容式压力传感器和惯性传感器集成器件，将电容式压力传感器和惯性传感器集成在同一器件中，使得芯片面积更小，成本更低。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种电容式压力传感器和惯性传感器集成器件，包括：

半导体衬底，包括并列的压力传感器区域和惯性传感器区域；

覆盖该半导体衬底的外延层，该外延层下方的压力传感器区域内的半导体衬底中具有空腔；

位于所述外延层上的第一介质层；

位于所述第一介质层上的第一导电层，所述惯性传感器区域的第一导电层被图形化为惯性传感器布线；

位于所述第一导电层上的第二介质层；

位于所述第二介质层上的第二导电层，所述空腔上方的第二导电层被图形化为多个并列的电容极板，所述惯性传感器区域的第二导电层被图形化为可动质量块；

位于所述第二导电层上的电极层，所述压力传感器区域的电极层被图形化为压力传感器布线，所述惯性传感器区域的电极层被图形化为惯性传感器压点区；

其中，所述空腔上方的第一介质层、第一导电层和第二介质层开有窗口，所述可动质量块周围的空隙下方的第一介质层和第二介质层开有窗口。

根据本实用新型的一个实施例，所述外延层的材料为单晶硅。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一介质层和第二介质层的材料为氧化硅。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一导电层和第二导电层的材料为多晶硅。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型实施例的集成器件中，电容式压力传感器的空腔嵌入半导体衬底内，空腔上方的外延层薄膜作为电容式压力传感器的可动膜片，第一导电层图形化为惯性传感器布线，第二导电层图形化为电容式压力传感器的电容极板和惯性传感器的可动质量块，从而将电容式压力传感器和惯性传感器集成在同一芯片内，有利于减小芯片面积，降低成本。

本实用新型实施例的集成器件的形成方法中，采用电化学腐蚀形成多孔硅层，通过氢气退火、外延工艺形成电容式压力传感器的空腔，该空腔位于外延层（用作电容式压力传感器的可动膜片）下方且直接嵌入半导体衬底内；惯性传感器采用表面加工工艺来形成，惯性传感器的可动质量块和电容式压力传感器的电容极板可以通过对第二导电层的图形化得到，从而在同一工艺流程中形成了电容式压力传感器和惯性传感器。另外，该形成方法可以兼容于CMOS加工工艺，无需专门配置生产线，可以方便地应用于大规模生产。

附图说明

图1是本实用新型实施例的电容式压力传感器和惯性传感器集成器件的形成方法的流程示意图；

图2至图18是本实用新型实施例的电容式压力传感器和惯性传感器集成器件的形成方法中各步骤对应的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

参考图1，本实施例的电容式压力传感器和惯性传感器集成器件的形成方法包括如下步骤：

步骤S11，提供半导体衬底，该半导体衬底包括并列的压力传感器区域和惯性传感器区域；

步骤S12，在所述压力传感器区域的半导体衬底内形成多孔硅层；

步骤S13，使用氢气退火工艺使所述多孔硅层迁移，并使用外延工艺在所述半导体衬底表面形成外延层，所述多孔硅层经过所述氢气退火工艺和外延工艺后转化为空腔；

步骤S14，在所述外延层上形成第一介质层；

步骤S15，在所述第一介质层上形成第一导电层并对该第一导电层进行图形化，以将所述空腔上方的第一导电层移除，并将所述惯性传感器区域的第一导电层图形化为惯性传感器布线；

步骤S16，依次形成第二介质层、第二导电层和电极层；

步骤S17，对所述电极层进行图形化，将所述压力传感器区域的电极层图形化为压力传感器布线，将所述惯性传感器区域的电极层图形化为惯性传感器压点区；

步骤S18，对所述第二导电层进行图形化，以将所述空腔上方的第二导电层图形化为多个并列的电容极板，并将所述惯性传感器区域的第二导电层图形化为可动质量块；

步骤S19，通过所述电容极板和可动质量块周围的空隙对所述第一介质层和第二介质层进行腐蚀，将所述空腔上方的第一介质层和第二介质层移除，将所述可动质量块周围的空隙下方的第一介质层和第二介质层移除。

下面参考图2至图18进行详细说明。

参考图2，提供半导体衬底100，该半导体衬底100可以划分为并列的压力传感器区域和惯性传感器区域，两个区域的排布方式可以做适当的调整。作为一个非限制性的例子，本实施例中左边一侧为压力传感器区域，右边一侧为惯性传感器区域。该半导体衬底100例如可以是高掺杂的硅片，但并不限于此。

之后，在半导体衬底100上形成掩膜层，作为一个非限制性的例子，该掩膜层可以是叠层结构，包括氧化硅（SiO₂）层101和氮化硅（Si₃N₄）层102。该氧化硅层101的厚度例如约为左右，其形成方法可以是热氧化法。该氮化硅层102的厚度例如约是

其形成方法可以是低压化学气相沉积（LPVD）。

参考图3，在氮化硅层102上形成光刻胶层103，该光刻胶层103的厚度例如可以是1μm-3μm，之后可以通过光刻显影工艺在光刻胶层103上形成注入窗口A，该注入窗口A的位置对应于电容式压力传感器的空腔的位置。

参考图4，利用图形化后的光刻胶层为掩膜，对氮化硅层102和氧化硅层101进行刻蚀，将注入窗口A范围内的氮化硅层102和氧化硅层101刻蚀移除。之后可以将图形化后的光刻胶层去除，例如可以采用干法O₂等离子或者湿法将光刻胶层去除。

参考图5，对注入窗口A范围内的半导体衬底100进行P型离子注入，注入离子优选为硼离子，以形成P型掺杂层104。在离子注入之后，还可以进行退火。该P型掺杂层104位于注入窗口A范围内半导体衬底100的表面部分。

参考图6，对该P型掺杂层104（图5）及其下方的半导体衬底100进行电化学腐蚀，以形成多孔硅层，该多孔硅层包括上层多孔硅层105以及下层多孔硅层106。其中，上层多孔硅层105所处的位置与P型掺杂层104（图5）的位置大致对应，下层多孔硅层106位于上层多孔硅层105下方。

作为一个非限制性的例子，可以在HF与C₂H₅OH的混合溶液中进行电化学腐蚀，以形成该多孔硅层。

之后，可以将氮化硅层102和氧化硅层101（见图5）去除，例如可以使用HF与C₂H₅OH的混合溶液或者H₃PO₄溶液来去除。

参考图7，使用氢气退火工艺使得多孔硅层迁移，并使用外延工艺在半导体衬底100表面形成外延层107，在经过氢气退火工艺和外延工艺后，该上层多孔硅层和下层多孔硅层转化为空腔100a。空腔100a上方的外延层107即可作为电容式压力传感器的可动膜片。

作为一个非限制性的例子，可以在外延炉中进行该氢气退火工艺。该外延层107的材料可以是单晶硅，优选为P型掺杂的单晶硅。

需要说明的是，本实施例首先进行P型离子注入，然后再通过电化学腐蚀来形成双层结构的多孔硅层，之后再经由氢气退火和外延工艺来形成空腔100a，这样形成的空腔100a具有较好的形貌。当然，本领域技术人员应当理解，也可以不做P型离子注入，直接通过电化学腐蚀来形成单层结构的多孔硅层，然后经由氢气退火和外延工艺也能够形成空腔100a。

参考图8，在外延层107的表面形成第一介质层108。作为一个非限制性的例子，该第一介质层108的材料可以是氧化硅（SiO₂），其厚度可以是2～3μm，其形成方法可以是化学气相沉积。

参考图9，对已经形成的第一介质层108进行图形化，形成电容式压力传感器的可动膜片的连接孔B。具体而言，可以在第一介质层108的表面形成光刻胶层，然后光刻显影之后对第一介质层108进行刻蚀，从而在第一介质层108上形成连接孔B，之后将光刻胶层去除。该连接孔B可以位于空腔100a的一侧。

参考图10，形成第一导电层110，该第一导电层110覆盖第一介质层108并填充连接孔B（见图9）。作为一个非限制性的例子，该第一介质层108的材料可以是多晶硅，优选为P型掺杂的多晶硅，其厚度约为1μm，其形成方法可以是化学气相沉积。

参考图11，对该第一导电层110进行图形化，将位于空腔100a上方的第一导电层110移除，并将惯性传感器区域的第一导电层110图形化为惯性传感器布线。进一步而言，可以在第一导电层110上形成光刻胶层，该光刻胶层的厚度例如可以为1μm～3μm；然后通过光刻和刻蚀工艺对第一导电层110进行图形化。之后可以采用干法O₂等离子或者湿法将光刻胶层去除。

参考图12，形成第二介质层112，该第二介质层112覆盖第一导电层110以及暴露出的第一介质层108。作为一个非限制性的例子，该第二介质层112的材料可以是氧化硅，其厚度可以为2～3μm。

参考图13，对第二介质层112进行图形化，形成电容式压力传感器的通孔C以及惯性传感器的接触孔D。更加具体而言，可以在第二介质层112上形成光刻胶层，该光刻胶层的厚度可以为1μm～3μm；通过光刻和刻蚀工艺形成电容式压力传感器的通孔C以及惯性传感器的接触孔D；然后采用干法O₂等离子或者湿法去除光刻胶层。

参考图14，形成第二导电层114，该第二导电层114覆盖第二介质层110并填充通孔C和接触孔D（见图13）。该第二导电层114的材料可以是多晶硅，其形成方法优选为：首先在图形化的第二介质层112上沉积种子多晶硅层，然后外延生长形成多晶硅材质的第二导电层114。

参考图15，在第二导电层114表面形成电极层115。作为一个非限制性的例子，该电极层115的材料可以是铝，其厚度约为1μm，其形成方法可以是溅射沉积。当然，本领域技术人员应当理解，该电极层115的材料还可以是其他适当的导电材料。

参考图16，对电极层115进行图形化，形成压力传感器布线以及惯性传感器压点区。例如，可以在电极层115上形成光刻胶层，该光刻胶层的厚度可以是1μm～3μm；之后通过光刻和腐蚀工艺对电极层115进行图形化，形成惯性传感器压点区以及压力传感器布线；之后可以采用干法O₂等离子去除光刻胶层。

参考图17，对第二导电层114进行图形化，形成多个并列的电容极板114a以及可动质量块114b。例如，可以在图形化后的电极层115和第二导电层114上形成光刻胶层，光刻胶层的厚度可以为1μm～3μm；之后通过光刻和深槽刻蚀，形成电容式压力传感器的电容极板114a以及惯性传感器的可动质量块114b；之后采用干法O₂等离子去除光刻胶层。刻蚀之后，每个电容极板114a以及可动质量块114b周围都具有空隙。

参考图18，通过电容极板114a以及可动质量块114b周围的空隙，对暴露出的第一介质层108和第二介质层112进行腐蚀，将空腔100a上方的第一介质层108和第二介质层112去除，将可动质量块114b周围空隙下方的第一介质层108和第二介质层112去除。作为一个优选的实施例，可以采用HF气相熏蒸工艺对第一介质层108和第二介质层112进行腐蚀。

仍然参考图18，至此，本实施例形成的电容式压力传感器和惯性传感器集成器件包括：半导体衬底100，其包括并列的压力传感器区域和惯性传感器区域；外延层107，位于半导体衬底100上，在压力传感器区域内，该外延层107下方的半导体衬底100中具有空腔100a；第一介质层108，位于外延层107上，该第一介质层107位于空腔100a上方的部分以及位于可动质量块114b周围空隙下方的部分被移除后形成窗口，该第一介质层107上还可以形成有可动膜片的连接孔；第一导电层110，位于第一介质层108上并填充该可动膜片的连接孔，惯性传感器区域的第一导电层110被图形化为惯性传感器布线，空腔100a上方的第一导电层110被移除后形成窗口；第二介质层112，位于第一导电层110上，该第二介质层112位于空腔100a上方的部分以及位于可动质量块114b周围空隙下方的部分被移除后形成窗口，该第二介质层112上还可以形成有压力传感器的通孔C以及惯性传感器的接触孔D（见图13）；第二导电层114，位于第二介质层112上并填充通孔C以及接触孔D，空腔100a上方的第二导电层114被图形化为多个并列的电容极板114a，惯性传感器区域的第二导电层114被图形化为可动质量块114b；电极层115，位于第二导电层114上，压力传感器区域的电极层115被图形化为压力传感器布线，惯性传感器区域的电极层115被图形化为惯性传感器压点区。

其中，外延层107的材料可以是单晶硅；第一介质层108和第二介质层112的材料可以是氧化硅；第一导电层110和第二导电层114的材料可以是多晶硅；电极层115的材料可以是铝。但是，本领域技术人员应当理解，这些膜层的材料并不限于此，根据实际需要，也可以更换为其他适当的材料。

关于该电容式压力传感器和惯性传感器集成器件的更多信息，请参考前述实施例中关于电容式压力传感器和惯性传感器集成器件的形成方法的相关描述，这里不再赘述。

综上，本实施例的技术方案具有如下有益效果：

1.本实施例通过多孔硅技术以及表面工艺将电容式压力传感器与惯性传感器集成在同一芯片中，可以适用于各种适当的系统中，完成对加速度或者角速度和压力各参数的检测；

2.本实施例的技术方案具有表面微机械加工的优势，加工后的芯片便于封装，具有尺寸小、成本低、灵敏度高、稳定性好等优点，而且该形成方法与CMOS生产线兼容，用于大规模生产时不需要专门配置生产线。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，只是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单的修改、等同的变换，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种电容式压力传感器和惯性传感器集成器件，其特征在于，包括：

位于所述外延层上的第一介质层；

位于所述第一导电层上的第二介质层；

2.根据权利要求1所述的电容式压力传感器和惯性传感器集成器件，其特征在于，所述外延层的材料为单晶硅。

3.根据权利要求1所述的电容式压力传感器和惯性传感器集成器件，其特征在于，所述第一介质层和第二介质层的材料为氧化硅。

4.根据权利要求1所述的电容式压力传感器和惯性传感器集成器件，其特征在于，所述第一导电层和第二导电层的材料为多晶硅。