專利名稱：：復合集成傳感器結構及其制造方法
技術領域：
：本發明涉及微機電系統(MEMS)制造
技術領域：
，具體來說，本發明涉及一種集成了溫度傳感器、加速度傳感器和壓力傳感器的復合集成傳感器結構及其制造方法。
背景技術：
：隨著傳感器技術的發展，傳感器芯片不再是包含單一的傳感器件，而是更多地以片上系統(S0C或者SIP)的形式出現。在一個片上系統中，往往集成有多個傳感器器件單元，甚至還會包含外圍的CMOS集成電路，構成系統化的片上復合集成傳感器結構。片上傳感系統的出現，使得傳感器的集成度越來越高，功能越來越強，體積越來越小，與此同時成本也得到了顯著的降低。復合集成傳感器的結構和制造方法不僅是影響傳感器性能的關鍵，而且還將決定傳感器芯片成本、最終決定傳感器競爭力的主要因素。當前絕大多數傳感器的工藝都需要背面的工藝，在背面工藝完成后，通過鍵合的方法實現腔體的密封。這些工藝是當前的主流，然而卻與常規的半導體工藝不兼容，因此需要采用定制化特點的傳感器加工生產線，增加了生產成本。
發明內容本發明所要解決的技術問題是一種復合集成傳感器結構及其制造方法，能夠與常規的半導體工藝相兼容，簡化制造工藝，降低生產成本。為解決上述技術問題，本發明提供一種復合集成傳感器結構的制造方法，所述復合集成傳感器結構包括加速度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，所述制造方法包括步驟提供基底，在所述基底上形成摻雜區域，分別作為所述壓力傳感器的壓阻陣列、所述加速度傳感器的壓阻單元和所述溫度傳感器單元；在所述基底的表面淀積絕緣層；依次刻蝕所述絕緣層和所述基底，在所述基底中形成用于制作腔體的槽；在所述基底的表面和所述槽的側壁與底部淀積含高濃度摻雜元素的阻擋層；將所述阻擋層中的摻雜元素擴散至所述槽與所述阻擋層接觸的基底表面內，在所述槽的側壁與底部形成重摻雜層；去除所述絕緣層的表面和所述槽的底部的所述阻擋層，在所述槽的側壁上形成側壁保護層；以所述側壁保護層和所述絕緣層為掩模，繼續刻蝕所述槽，形成深槽；采用濕法腐蝕法腐蝕所述深槽，在所述基底的內部分別形成所述壓力傳感器和所述加速度傳感器的腔體；在所述槽的側壁保護層之間填滿隔離和/或填充材料，形成插塞結構，將所述腔體與外界隔離；在所述基底的表面制作導電引線和電極；在所述加速度傳感器的區域淀積質量塊，并對其作圖形化；在所述質量塊的周圍形成隔離槽，所述隔離槽穿透所述加速度傳感器的腔體上方的基底，所述質量塊以懸臂形式與所述基底相連接。可選地，所述基底為(111)晶向的硅。可選地，在所述基底上形成摻雜區域的方法為離子注入法。可選地，所述槽的形狀和/或深度根據實際需要是可調的。可選地，所述阻擋層是通過化學氣相淀積法或者原子層淀積法形成的。可選地，所述絕緣層的表面和所述槽的底部的阻擋層是通過回刻工藝去除的。可選地，所述槽的深度為0.0560μm。可選地，所述深槽的深度為0.180μm。可選地，所述濕法腐蝕法采用各向異性的腐蝕工藝在所述基底的內部形成腔體。可選地，所述濕法腐蝕的溶液為KOH、NaOH,EPff和/或TMAH。可選地，所述腔體的形狀和/或深度是任意的。可選地，通過化學氣相淀積法或者原子層淀積法在所述槽的側壁保護層之間填充隔離和/或填充材料。可選地，所述隔離和/或填充材料為單層或者多層結構。可選地，所述隔離和/或填充材料為多晶硅。可選地，所述導電引線和/或所述電極的材料包括鋁、銅、鎢、鈦、氮化鈦、金、銀及其任意合金。可選地，所述淀積質量塊的方法為物理氣相淀積法或者化學電鍍法。可選地，所述質量塊為單層或者多層結構。可選地，所述質量塊的材料包括銅、鎢、鎳。可選地，圍繞所述質量塊的所述隔離槽的形狀為多邊形和任意不規則圖形。可選地，所述溫度傳感器單元為溫阻傳感器、PN二極管或者其他類型的溫度傳感ο相應地，本發明還提供一種根據上述方法中任一項制造的復合集成傳感器結構。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明提供的復合集成傳感器結構，采用正面的、與常規半導體工藝相兼容的工藝，在通用的半導體生產線上都能夠實現大規模的制造，具有實用、經濟、高性能等優點。本發明的上述的以及其他的特征、性質和優勢將通過下面結合附圖和實施例的描述而變得更加明顯，其中圖1為本發明一個實施例的復合集成傳感器結構的平面結構示意圖；圖2為圖1所示的復合集成傳感器結構沿著圖中的A-A、B_B和C-C方向的剖面結構示意圖；圖3為本發明一個實施例的復合集成傳感器結構的制造方法的流程示意圖；圖4至圖18為本發明一個實施例的復合集成傳感器結構的制造過程的剖面結構示意圖。具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步說明，在以下的描述中闡述了更多的細節以便于充分理解本發明，但是本發明顯然能夠以多種不同于此描述地其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下根據實際應用情況作類似推廣、演繹，因此不應以此具體實施例的內容限制本發明的保護范圍。圖1為本發明一個實施例的復合集成傳感器結構的平面結構示意圖。如圖所示，可以看到該種復合集成傳感器結構上含有一個加速度傳感器(位于圖中上半部區域)、一個溫度傳感器(位于圖中中部區域)以及一個壓力傳感器(位于圖中下部區域)。在圖1所顯示的復合集成傳感器結構的平面圖中，在基底001上形成有加速度傳感器的加速度質量塊009、壓阻單元007、壓力傳感器的壓阻陣列004和溫度傳感器單元006。其中溫度傳感器單元006可以為溫阻傳感器、PN二極管或者其他類型的溫度傳感器。各單元通過導電引線003或者金屬電極005連接，整個結構具有多個導電的電極002。為了更好地說明該復合集成傳感器結構，對上述的復合集成傳感器結構分別在A-A、B-B和C-C方向做剖面結構示意圖，如圖2所示。圖2為圖1所示的復合集成傳感器結構沿著圖中的A-A、B_B和C-C方向的剖面結構示意圖。從圖2中可見，復合集成傳感器結構在A-A、B-B和C-C方向的剖面結構圖從左至右的分布分別是壓力傳感器、溫度傳感器和加速度傳感器單元。壓阻陣列004形成在具有一定的厚度的基底膜上，膜懸空在空隙010的上方，圖中標號011所示的是隔離和/或填充材料；摻雜區域008的兩端形成有電極005；加速度傳感器的質量塊是009，底下具有空隙010，形成懸臂梁結構，懸臂梁靠近基底側有摻雜區域007，具備壓阻效應，標號003為導電引線。本領域的技術人員應該認識到，上述由圖1和圖2所示的復合集成傳感器結構的分布圖是示意性的。在此還要理解，其可以隨意根據需要對復合傳感器結構的內部各個傳感器組件進行位置的排布和調整，都是在本發明申請的保護范圍之內，而且根據需要可以選擇加速度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器中的一種或多種器件進行組合，即不一定同時實現上述三種器件，可以是單獨的速度傳感器和壓力傳感器，或是速度傳感器和壓力傳感器的集成器件。另外，對于本發明中涉及質量塊、溫度單元、壓阻單元的形狀和/或尺寸也都是可以根據需要進行任意調整的。圖3是本發明一個實施例的復合集成傳感器結構的制造方法的流程示意圖。該復合集成傳感器結構可以包括加速度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器。如圖所示，該方法流程可以包括執行步驟S101，提供基底，在基底上形成摻雜區域，分別作為壓力傳感器的壓阻陣列、加速度傳感器的壓阻單元和溫度傳感器單元；執行步驟S102，在基底的表面淀積絕緣層；執行步驟S103，依次刻蝕絕緣層和基底，在基底中形成用于制作腔體的槽；執行步驟S104，在基底的表面和槽的側壁與底部淀積含高濃度摻雜元素的阻擋層；執行步驟S105，將阻擋層中的摻雜元素擴散至槽與阻擋層接觸的基底表面內，在槽的側壁與底部形成重摻雜層；執行步驟S106，去除絕緣層的表面和槽的底部的阻擋層，在槽的側壁上形成側壁保護層；執行步驟S107，以側壁保護層和絕緣層為掩模，繼續刻蝕槽，形成深槽；執行步驟S108，采用濕法腐蝕法腐蝕深槽，在基底的內部分別形成壓力傳感器和加速度傳感器的腔體；執行步驟S109，在槽的側壁保護層之間填滿隔離和/或填充材料，形成插塞結構，將腔體與外界隔離；執行步驟S110，在基底的表面制作導電引線和電極；執行步驟S111，在加速度傳感器的區域淀積質量塊，并對其作圖形化；執行步驟S112，在質量塊的周圍形成隔離槽，隔離槽穿透加速度傳感器的腔體上方的基底，質量塊以懸臂形式與基底相連接。下面結合具體實施例和附圖對本發明實施例的復合集成傳感器結構的制造過程作進一步說明。圖4至圖18為本發明一個實施例的復合集成傳感器結構的制造過程的剖面結構示意圖。該復合集成傳感器結構可以包括加速度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器。需要注意的是，這些以及后續其他的附圖均僅作為示例，其并非是按照等比例的條件繪制的，并且不應該以此作為對本發明實際要求的保護范圍構成限制。如圖4所示，提供基底101，該基底101可以為(111)晶向的硅，也可以是其他基底，例如鍺、鍺硅等基底。然后如圖5所示，利用離子注入法或者離子注入法加擴散的方法在基底101上形成摻雜區域102。該摻雜區域102可以具備一定的形狀，可以根據通用的半導體工藝獲得，幾塊分立的區域的離子注入條件可以相同也可以不同，分別作為壓力傳感器的壓阻陣列004、加速度傳感器的壓阻單元007和溫度傳感器單元006。在基底101的上方，在采用例如離子注入法對基底101進行摻雜的過程中，可以在基底101的不需要摻雜的區域上方覆蓋掩模，例如掩模可以是氧化物、氮化物或者光刻膠等。在此基底101以(111)晶向的硅(Si)為例，但是本發明可以采用的基底材料顯然不限于此，本領域技術人員可以根據實際的需要進行相應的調整。在本實施例中，在形成制作腔體109的槽104之前還包括在基底101的表面淀積絕緣層103，其形成后的剖面結構示意圖如圖5所示。如圖6所示，依次刻蝕絕緣層103和基底101，在基底101中形成用于制作腔體的槽104，其中槽104的形狀和/或深度根據實際需要是可調節的(adjustable)。而從俯視圖(未圖示)上看，槽104的投影可以使多邊形(含矩形)，也可以是圓形，顯然也可以是其他形狀，在此不在贅述。槽104的深度可以為0.0560μm。如圖7所示，利用例如化學氣相淀積法在絕緣層103的表面和槽104的側壁與底部淀積一層含高濃度摻雜元素的阻擋層105，也可以采用其他的例如原子層淀積法等方法代替，但是淀積的阻擋層105務必要覆蓋槽104的側壁。因此，本領域的技術人員應該認識至IJ，具體采用何種的淀積方法取決于該種方法能否很好地覆蓋槽104的側壁。另外需要注意的是，含高濃度摻雜元素的阻擋層105可以是任何符合要求的材料，如含高濃度摻雜元素B和/或h的SiA和/或其他玻璃、陶瓷材料。如圖8所示，通過高溫退火工藝使得阻擋層105中的摻雜元素擴散至槽104與阻擋層105接觸的基底表面內，由此在槽104的側壁與底部表面形成一層重摻雜層106。在后續的濕法腐蝕深槽的步驟中，這層重摻雜層106與阻擋層105對槽104的側壁形成了雙重保護。我們之后提到的后續濕法腐蝕是一種各向異性的腐蝕，在此過程中，若選用了Κ0Η、NaOH、EPW和/或TMAH等腐蝕液，當腐蝕液碰到重摻雜層106時其腐蝕速率將顯著下降。這是由于重摻雜區域與腐蝕液的相互作用生成了一層納米鈍化層，阻擋了腐蝕的進行，利用這一點可達到自動中止腐蝕的目的，對槽104側壁起到了保護作用。如圖9所示，通過回刻工藝去除絕緣層103的表面和槽104的底部的阻擋層105，特別是要露出槽104的底部的基底材料，即完全去除底部的阻擋層105。該阻擋層105在槽104中附著于側壁上未被去除的部分則成為槽104的側壁保護層。如圖10所示，采用刻蝕工藝，以側壁保護層和絕緣層103為掩模，繼續刻蝕槽104，形成深槽108。該深槽108的深度可以為0.180μm。在此過程中，由于側壁保護層和絕緣層103作為刻蝕過程中的硬掩膜存在，保護了其他區域，因此，選擇的刻蝕條件需要較好的刻蝕選擇比。通過深槽108的形成，在得到的結構中形成了“L”和反“L”形狀的重摻雜層106，此種形狀有助于在后續濕法腐蝕的過程中保護空腔上方基底不受腐蝕，如此能夠更好地實現工藝的穩定性和均勻性(因為出于晶圓上不同區域均勻性的考慮，一般會選擇對晶圓進行適當的過度腐蝕，“L”和反“L”形狀的重摻雜層106有助于結構的保持)。如圖11所示，采用濕法腐蝕法腐蝕深槽108，在基底101的內部分別形成壓力傳感器和加速度傳感器的腔體109。在此過程中，為了更好的控制腐蝕過程，形成比較理想的腔體109，所以，本領域的技術人員可以根據實際的需要，優選地采用各向異性的腐蝕工藝。當然也可以是其他的腐蝕方式。例如，選擇(111)晶格取向的硅基底，在其內部腔體腐蝕時采用K0H、Na0H、EPW和/或TMAH等濕法腐蝕溶液對基底101進行各向異性的(選擇性的)腐蝕，在其內部形成腔體109。在形成橫向腔體的同時，因為“L”和反“L”結構的存在，腐蝕過程對于上下方基底的腐蝕極其有限，實現高質量的腐蝕和高可靠的控制。因為側壁保護層和絕緣層103的保護，加上KOH、NaOH,EPff和/或TMAH的各向異性腐蝕，被側壁保護層和絕緣層103保護的區域保持完好，形成如圖11所示的結構，圖中的腔體109都是空心結構。需要注意的是，這里的顯示的腔體109在截面上看是規則的矩形，然而，在此需要指出，視圖不過是為了表述方便，實際得到的腔體109的形狀和/或深度是任意的，與腐蝕工藝、基底和其他方面密切相關，并不是規則的矩形，例如腔體109的側壁和底面之間可以形成一定的夾角，例如M.7度(如圖12所示)。本領域的技術人員應該理解到腔體109的形狀和/或深度并不是限制本發明的內容。為了形成壓力傳感器等傳感器組件，必須要形成密封的結構。如圖13所示，優選通過化學氣相淀積法或者原子層淀積法等工藝在槽104的側壁保護層之間填滿隔離和/或填充材料110，例如單層或者多層的多晶硅、氧化硅，氮化硅等，形成插塞結構，將腔體109與外界隔離。如圖14所示，不對基底101表面做平坦化，直接在基底101表面制作導電引線和電極111，該導電引線和/或電極111的材料可以包括鋁、銅、鎢、鈦、鈦鎢、金、銀及其任意選擇的合金，優選為鋁。如圖15所示，在加速度傳感器的區域淀積質量塊112，并對其作圖形化，采用的方法可以是物理氣相淀積法，也可以是化學電鍍法。淀積的質量塊112可以是單層的結構，也可以是多層的結構。質量塊112的材料優選但不局限于銅、鎢、鎳等材料。對質量塊112進行圖形化的方法可以采用刻蝕方法。整個復合集成傳感器結構形成了質量塊112之后的俯視圖如圖16所示。如圖17所示，在質量塊112的周圍形成隔離槽113，該隔離槽113的形狀可以為多邊形和任意不規則圖形。隔離槽113穿透加速度傳感器的腔體109上方的基底101，可以看到質量塊112僅僅是依靠懸臂粱的形式與基底101相連接。最終形成的復合集成傳感器結構的平面結構示意圖如圖18所示。在本發明中，如有加速度存在，那么加速度傳感器在質量塊的放大作用下，實現懸臂梁的扭曲，通過電橋實現信號的轉換和放大，輸出了加速度信號；溫度傳感器根據溫度的變化輸出不同的電阻；壓力傳感器根據壓力的變化，形成硅薄膜的形變，通過電橋，將形變造成的電阻變化轉換成與壓力對應的電壓輸出。如此，就形成了復合的集成傳感器。本發明提供的復合集成傳感器結構，采用正面的、與常規半導體工藝相兼容的工藝，在通用的半導體生產線上都能夠實現大規模的制造，具有實用、經濟、高性能等優點。本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以做出可能的變動和修改。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何修改、等同變化及修飾，均落入本發明權利要求所界定的保護范圍之內。權利要求1.一種復合集成傳感器結構的制造方法，所述復合集成傳感器結構包括加速度傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器，所述制造方法包括步驟提供基底(101)，在所述基底(101)上形成摻雜區域(102)，分別作為所述壓力傳感器的壓阻陣列(004)、所述加速度傳感器的壓阻單元(007)和所述溫度傳感器單元(006)；在所述基底(101)的表面淀積絕緣層(103)；依次刻蝕所述絕緣層(103)和所述基底(101)，在所述基底(101)中形成用于制作腔體(109)的槽(104)；在所述基底(101)的表面和所述槽(104)的側壁與底部淀積含高濃度摻雜元素的阻擋層(105)；將所述阻擋層(10中的摻雜元素擴散至所述槽(104)與所述阻擋層(10接觸的基底表面內，在所述槽(104)的側壁與底部形成重摻雜層(106)；去除所述絕緣層(10的表面和所述槽(104)的底部的所述阻擋層(105)，在所述槽(104)的側壁上形成側壁保護層；以所述側壁保護層和所述絕緣層(10為掩模，繼續刻蝕所述槽(104)，形成深槽(108)；采用濕法腐蝕法腐蝕所述深槽(108)，在所述基底(101)的內部分別形成所述壓力傳感器和所述加速度傳感器的腔體(109)；在所述槽(104)的側壁保護層之間填滿隔離和/或填充材料(110)，形成插塞結構，將所述腔體(109)與外界隔離；在所述基底(101)的表面制作導電引線和電極(111)；在所述加速度傳感器的區域淀積質量塊(112)，并對其作圖形化；在所述質量塊(112)的周圍形成隔離槽(113)，所述隔離槽(11穿透所述加速度傳感器的腔體(109)上方的基底(101)，所述質量塊(112)以懸臂形式與所述基底(101)相連接。2.根據權利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述基底(101)為(111)晶向的硅。3.根據權利要求2所述的制造方法，其特征在于，在所述基底(101)上形成摻雜區域(102)的方法為離子注入法。4.根據權利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述槽(104)的形狀和/或深度根據實際需要是可調的。5.根據權利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述阻擋層(10是通過化學氣相淀積法或者原子層淀積法形成的。6.根據權利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述絕緣層(10的表面和所述槽(104)的底部的阻擋層(105)是通過回刻工藝去除的。7.根據權利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述深槽(108)的深度為0.180μm08.根據權利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述濕法腐蝕法采用各向異性的腐蝕工藝在所述基底(101)的內部形成腔體(109)。9.根據權利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述濕法腐蝕的溶液為KOH、NaOH,EPff禾口/或TMAH。10.根據權利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述腔體(109)的形狀和/或深度是任意的。11.根據權利要求10所述的制造方法，其特征在于，通過化學氣相淀積法或者原子層淀積法在所述槽(104)的側壁保護層之間填充隔離和/或填充材料(110)。12.根據權利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述隔離和/或填充材料(110)為單層或者多層結構。13.根據權利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述隔離和/或填充材料(110)為多晶娃。14.根據權利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述導電引線和/或所述電極(111)的材料包括鋁、銅、鎢、鈦、氮化鈦、金、銀及其任意合金。15.根據權利要求14所述的制造方法，其特征在于，所述淀積質量塊(11的方法為物理氣相淀積法或者化學電鍍法。16.根據權利要求15所述的制造方法，其特征在于，所述質量塊(11為單層或者多層結構。17.根據權利要求16所述的制造方法，其特征在于，所述質量塊(11的材料包括銅、^^、^^ο18.根據權利要求17所述的制造方法，其特征在于，圍繞所述質量塊(112)的所述隔離槽(113)的形狀為多邊形和任意不規則圖形。19.根據權利要求1所述的制造方法，其特征在于，溫度傳感器單元(006)為溫阻傳感器、PN二極管或者其他類型的溫度傳感器。20.一種根據上述權利要1至19種任一項所述的方法制造的復合集成傳感器結構。全文摘要本發明提供一種復合集成傳感器結構及其制造方法，該方法包括提供基底，在其上形成摻雜區域；在基底表面淀積絕緣層；刻蝕絕緣層和基底形成槽；在基底表面和槽側壁與底部淀積含摻雜元素的阻擋層；將其中的摻雜元素擴散至基底內，形成重摻雜層；去除槽底部的阻擋層，在槽側壁上形成側壁保護層；以側壁保護層和絕緣層為掩模，繼續刻蝕槽，形成深槽；腐蝕深槽，在基底內部形成腔體；在側壁保護層之間填滿隔離和/或填充材料；在基底表面制作導電引線和電極；在加速度傳感器的區域淀積質量塊，并作圖形化；在質量塊的周圍形成隔離槽，質量塊以懸臂形式與基底相連接。本發明采用正面的、與常規半導體工藝相兼容的工藝，具有實用、經濟、高性能等優點。文檔編號G01D21/02GK102502479SQ20111036604公開日2012年6月20日申請日期2011年11月17日優先權日2011年11月17日發明者倪勝中,張挺,薛維佳,謝志峰申請人:上海先進半導體制造股份有限公司