一種基于預制空腔soi基片的集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法

一種基于預制空腔soi基片的集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于預制空腔SOI基片的集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法。加速度計包括帶有力敏電阻的彈性梁-質量塊結構，壓力計包括帶有力敏電阻的壓力敏感膜片。該方法包括：在SOI基片的器件層上制備摻雜濃度的電阻條作為力敏電阻和溫敏電阻；加工金屬引線層和鈍化層；深刻蝕至預制空腔，釋放彈性梁-質量塊結構；鍵合蓋片以保護可動結構。相對于現有技術，本發明能夠在單面單步工藝中加工出對稱，尺寸精確的彈性梁-質量塊結構；同時加工出加速度計和壓力計的單晶硅敏感電阻及溫敏電阻，器件靈敏度高，工藝重復性好；省去了傳統絕壓壓力計的真空封裝步驟；所制備的彈性梁-質量塊結構具有通用性。
【專利說明】-種基于預制空腔SOI基片的集成壓阻式加速度計與壓力 計的加工方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及微電子機械（MEMS)加工領域，尤其涉及一種基于預制空腔SOI基片的 集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法。

【背景技術】
[0002] 通過MEMS技術制造的硅加速度計和壓力計，在汽車，消費電子，導航，軍事，石油 勘探，地質測試等方面均有廣泛的用途。硅微傳感器出現之后，具備體積小，精度高，響應速 度快，批量生產成本低，檢測方便等優點，在很大程度上取代了傳統傳感器。特別在汽車電 子領域，利用1C工藝生產的集成壓力計和加速度計的小體積多功能傳感器具有廣闊的市 場前景。
[0003] 壓阻式微傳感器利用硅半導體本身的壓阻效應，同時作為結構材料和傳感材料。 它具備動態響應特性和輸出線性好，工藝可與1C工藝兼容，接口檢測電路簡單的優點，自 20世紀70年代末研制成功，80年代末批量生產以來，已獲得了長足的發展。傳感器在應力 集中區域放置力敏電阻，慣性力或外界作用力使結構運動在力敏電阻上產生應力，通過壓 阻效應使力敏電阻的阻值發生變化，從而實現對外界作用力的測量。
[0004] 2009年，Quan Wang等人報道了一個集成熱傳導加速度計和壓阻壓力計的車用集 成傳感器，通過各向異性腐蝕獲得熱對流傳導加速度計中的懸臂梁和表面犧牲層工藝制備 壓力計的腔體，并通過外加蓋片對加速度計進行保護。該工藝的特點在于較小的加速度計 體積，但由于熱對流傳導檢測原理導致加速度機的響應頻率較低。
[0005] 2011年，C. Z. Wei等人通過表面工藝，在硅上集成了一個量程550KPa的壓力傳感 器和一個-25g?+125g量程的壓阻加速度計。該工藝通過表面犧牲層工藝制備壓力計的 真空腔體和加速度計質量塊的活動間隙，并通過類LIGA工藝在質量塊表面電鍍9um銅層增 加質量塊的質量。該工藝具備小尺寸和高性能的優點，但由于表面工藝中多晶硅層較薄，需 采用大厚度鍍銅工藝增加質量塊質量。
[0006] 2011年，Jiachou Wang等人報道了通過表面各向異性腐蝕在〈111>晶面上制備形 狀，厚度可控的內埋空腔，并通過淀積多晶硅封閉腐蝕孔道獲得真空腔的工藝，并通過該工 藝得到的空腔制備集成加速度計和壓力計的傳感器。該傳感器實現了較大厚度的帶單晶硅 膜空腔加工，但工藝限制為（111)晶面而非常用的（100)晶面，該晶面的橫向壓阻系數小導 致器件靈敏度降低。
[0007] 在上述設計中，采用表面犧牲層工藝時制備壓阻傳感器時均采用擴散摻雜多晶硅 作為力敏電阻，一方面由于多晶硅的應變系數較小導致傳感器靈敏度低，另一方面多晶硅 的特性受生長，退火過程影響大容易導致傳感器性能偏離設計值，并且該方法制備的多晶 硅膜厚度受限，不利于將多晶硅膜應用于加速度計作為結構材料，而須附加鍍銅等步驟增 加工藝復雜度。在（111)晶面上運用各向異性腐蝕工藝制備內埋空腔可以獲得較厚的單 晶硅膜，克服多晶硅膜壓阻電阻存在的缺點。但工藝的基片限制為（111)晶面而非常用的 (100)晶面，該晶面的橫向壓阻系數小導致器件靈敏度降低，并在工藝中難以對腐蝕進度進 行檢測。


【發明內容】

[0008] 本發明的目的在于，提供一種基于預制空腔SOI基片的集成壓阻式加速度計，壓 力計的加工方法，以至少解決上述技術問題之一。
[0009] 本發明提供了一種基于預制空腔SOI基片的集成壓阻式加速度計，壓力計的加工 方法，所述加速度計包括帶有力敏電阻的彈性梁-質量塊結構的可動硅結構組件和硅制底 座，所述壓力計包括帶有力敏電阻的壓力敏感膜片和硅制底座。所述方法包括如下步驟：1， 敏感電阻加工步驟，在所述預制空腔SOI基片的器件層上加工出一定摻雜濃度的電阻條， 作為加速度計和壓力計的力敏電阻，并可同時加工溫敏電阻；2,金屬引線層加工步驟，在所 述加工有敏感電阻的SOI基片上加工金屬引線層；3,加速度計質量塊調整步驟（可選），在 所述加工完金屬引線的SOI基片上淀積金屬以增大加速度計的質量塊的質量；4,加速度計 的可動懸臂梁和質量塊加工步驟，，在所述加工完金屬引線的S0I基片上深刻蝕至預制空 腔，釋放加速度計的可動懸臂梁和質量塊結構。5,鍵合蓋片加工步驟，在完成釋放后的加速 度計上鍵合蓋片，以保護加速度計的可動懸臂梁和質量塊結構。
[0010] 上述集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法，優選所述敏感電阻加工步驟包 括：器件層表面電阻區摻雜步驟，通過擴散或注入在器件層表面摻雜，摻雜類型與在所述 S0I單晶硅圓片器件層摻雜類型相反，形成一定摻雜濃度的力敏電阻和溫敏電阻；歐姆接 觸區摻雜步驟，通過擴散或注入在S0I基片單晶硅器件層上形成重摻雜區，形成歐姆接觸 區。
[0011] 上述集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法的敏感電阻加工步驟中，所述S0I 單晶硅圓片器件層初始摻雜類型為N型，晶向為（100)。
[0012] 上述集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法的敏感電阻加工步驟中，所述擴散 或注入摻雜類型為P型。
[0013] 上述集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法，優選金屬引線層加工步驟包括： 金屬層生長步驟，在器件層表面生長金屬，并光刻圖形化形成電極和引線圖形；鈍化層生長 步驟，在器件層表面生長鈍化層，并光刻圖形化形成鈍化層圖形，覆蓋壓焊電極之外的所有 部分。
[0014] 上述集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法的金屬引線層加工步驟中，所述金 屬層成分為鋁層，生長方法為濺射。
[0015] 上述集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法的金屬引線層加工步驟中，所述金 屬層圖形化方法為剝離工藝。
[0016] 上述集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法的金屬引線層加工步驟中，所述鈍 化層成分為氮化娃。
[0017] 上述集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法的金屬引線層加工步驟中，所述鈍 化層圖形化方法為反應離子刻蝕。
[0018] 上述加速度計的加工方法，優選所述質量塊調整的加工步驟包括：淀積金屬并光 刻圖形化，在質量塊位置制備金屬層，增加質量塊質量。
[0019] 上述加速度計的加工方法的質量塊的調整步驟中，所述淀積的金屬材料為銅，生 長/圖形化方式為電鍍；或所述淀積的金屬材料為鎢，生長方式為化學汽相淀積，圖形化方 式為腐蝕。
[0020] 上述加速度計的加工方法，優選所述可動懸臂梁和質量塊加工步驟包括：懸臂 梁-質量塊結構釋放步驟，從所述SOI單晶硅圓片器件層正面進行深刻蝕，釋放懸臂梁-質 量塊結構，得到所述懸臂梁-質量塊結構的可動硅結構組件。
[0021] 上述加速度計的加工方法的可動懸臂梁和質量塊加工步驟中，所述深刻蝕為電感 耦合等離子體刻蝕。
[0022] 上述加速度計的加工方法的可動懸臂梁和質量塊加工步驟中，所述深刻蝕區域位 于預制空腔上方，刻蝕穿通鈍化層和器件層到達空腔。
[0023] 上述加速度計的加工方法，優選所述鍵合蓋片保護步驟包括，在完成釋放后的加 速度計上鍵合蓋片，以保護加速度計。
[0024] 上述加速度計的加工方法的鍵合蓋片保護步驟中，所述鍵合蓋片為帶有空腔的硅 片，所述鍵合方式為硅硅鍵合；或所述鍵合蓋片為帶有空腔的玻璃片，所述鍵合方式為陽極 鍵合。
[0025] 相對于現有技術中，本發明具有如下優點：
[0026] 第一，本發明采用帶有預制空腔的單器件層SOI單晶硅圓片通過深刻蝕方法制備 加速度計和壓力計的可動硅力敏結構件，該方法能夠在單面單步工藝中加工出完全對稱， 側面垂直度高，厚度和尺寸精確的彈性梁-質量塊結構，實現力敏結構的精密控制。相對表 面犧牲層釋放技術可以更為精確控制固支結構尺寸并獲得力學性能更好的較厚單晶硅結 構（lum?100um)。相對于（111)硅片上的各向異性腐蝕制備空腔結構的方法與1C工藝兼 容性和工藝重復性更好。
[0027] 第二，該方法可以同時加工出加速度計和壓力計的敏感電阻以及溫敏電阻，能夠 進一步簡化工藝。所獲得（1〇〇)面單晶硅力敏電阻相對于表面犧牲層釋放技術獲得的多晶 硅力敏電阻和（111)硅片上各向異性腐蝕制備空腔結構的方法制備的（100)面單晶硅力敏 電阻壓阻系數更大，器件性能和工藝重復性更好。
[0028] 第三，本發明采用預制空腔的SOI基片作為加工基片，當預設空腔為真空密封時， 形成的壓力計為絕壓壓力計，省去了傳統絕壓壓力計的真空封裝步驟，簡化了后期封裝工 藝，降低了成本。加工完成的器件自帶襯底，可以直接封裝管殼。
[0029] 第四，本發明中彈性梁-質量塊結構可動硅力敏結構件具有通用性，通過不同的 梁-質量塊結構尺寸設計和力敏電阻條的位置調整，可以適應各種量程加速度計的需要。

【專利附圖】

【附圖說明】：

【專利附圖】

【附圖說明】 [0030]
[0031] 圖1A為本發明所加工的基于預制空腔S0I基片的集成壓阻式加速度計與壓力計 的結構不意圖；
[0032] 圖1B為圖1A中所述的基于預制空腔S0I基片的集成壓阻式加速度計與壓力計的 A-/V向剖面視圖；
[0033] 圖1C為圖1A中所述的基于預制空腔S0I基片的集成壓阻式加速度計與壓力計的 加速度計懸臂梁部分的放大圖；
[0034] 圖2A為本發明所述基于預制空腔SOI基片的集成壓阻式加速度計與壓力計的加 工基片，該加工基片為帶有預制空腔的單器件層SOI單晶硅圓片；
[0035] 圖2B為圖2A中所述帶有預制空腔的單器件層SOI單晶硅圓片的A-A'向剖面視 圖；
[0036] 圖3為本發明所加工的基于預制空腔SOI基片的集成壓阻式加速度計與壓力計的 加工方法的步驟流程圖；
[0037] 圖4(a)?圖4(m)為本發明中，集成壓阻式加速度計與壓力計的主要制備過程示 意圖；

【具體實施方式】：
[0038] 為使本發明的上述目的，特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖及具體實 施方式對本發明作進一步詳細的說明。
[0039] 圖1A?圖1C為本發明所述的基于預制空腔SOI基片的集成壓阻式加速度計與壓 力計的結構示意圖。圖1A為本發明所加工的基于預制空腔S0I基片的集成壓阻式加速度 計與壓力計的結構示意圖，圖1B為圖1A中所述的基于預制空腔S0I基片的集成壓阻式加 速度計與壓力計的A-A'向剖面視圖，圖1C為圖1A中所述的基于預制空腔S0I基片的集 成壓阻式加速度計與壓力計的加速度計懸臂梁部分的放大圖。如圖1A?圖1B所示，壓力 計具有力敏電阻20a?20d，金屬引線21a?21d，壓焊電極22a?22d ;如圖1A?圖1C所 示，加速度計具有質量塊23,懸臂梁24,金屬引線26a?26d，力敏電阻27a?27d，壓焊電 極25a?25d，質量塊調整層28。壓力計與加速度計下面各有一個預制空腔5。在壓力計 和加速度計之外還有溫度傳感器，具有溫敏電阻29,金屬引線30a?30b，壓焊電極31a? 31b。
[0040] 圖2A為本發明的預制空腔單器件層SOI單晶硅圓片1的三維視圖，圖2B為圖2A 的剖面視圖，如圖2B所示單器件層單晶硅圓片具有3層結構，此種S0I片具有一個單晶硅 襯片4,單晶硅襯片4的正面有二氧化硅絕緣層3,在二氧化硅絕緣層3上有（100)晶面的 單晶硅層器件層2。在單晶硅襯片4和二氧化硅絕緣層3之間，有預制的空腔5。
[0041] 圖3為本發明一種基于預制空腔S0I基片的集成壓阻式加速度計與壓力計的加 工方法的步驟流程圖，所述方法包括：力敏電阻加工步驟101，在所述預制空腔S0I基片的 器件層上加工出一定摻雜濃度的力敏電阻條與重摻雜的歐姆接觸區；金屬引線層加工步驟 102,在所述加工有力敏電阻與歐姆接觸區的S0I基片上加工金屬引線層；加速度計的質量 塊的調整步驟103,淀積金屬以調整加速度計的質量塊的質量；加速度計的可動懸臂梁和 質量塊加工步驟104,在所述S0I基片上深刻蝕至預制空腔，釋放可動懸臂梁和質量塊結 構。鍵合蓋片步驟105,在所述S0I基片上鍵合帶有空腔的蓋片，保護可動懸臂梁和質量塊 結構。
[0042] 圖4(a)至圖4(m)為本發明所述的基于預制空腔S0I基片的集成壓阻式加速度計 與壓力計的主要制備過程。
[0043] 所述集成加速度計與壓力計采用帶有預制空腔的單器件層S0I單晶硅圓片1作為 結構加工基片。在加工過程中，通過擴散或注入在器件層表面摻雜形成力敏電阻條和溫敏 電阻條，摻雜類型與在所述SOI單晶硅圓片器件層摻雜類型相反；通過擴散或注入在SOI基 片單晶硅器件層上形成重摻雜過渡區，形成重摻雜歐姆接觸區。在器件層表面生長金屬，并 光刻圖形化形成電極和引線圖形。在器件層表面生長鈍化層，并光刻圖形化形成鈍化層圖 形，覆蓋壓焊電極之外的所有部分。淀積金屬光刻圖形化，留下覆蓋在質量塊上的金屬。從 SOI單晶硅圓片1器件層正面進行垂直深刻蝕，刻穿鈍化層和器件層，釋放加速度計的懸臂 梁質量塊結構，得到帶有所述懸臂梁-質量塊結構的可動硅結構組件，并鍵合蓋片保護加 速度計結構，完成加速度計的加工。
[0044] 下面結合圖4 (a)至圖4 (m)具體進行說明。
[0045] 圖4(a)所示為制備集成加速度計和壓力計的基片預制空腔5的單器件層SOI單 晶硅圓片1 ;經過熱氧化生長得到二氧化硅層，并經過光刻、刻蝕工藝進行圖形化后，在單 器件層SOI單晶硅圓片的正面得到二氧化硅掩模6。如圖4(b)所示以二氧化硅掩模6為掩 模進行離子注入，得到本專利所述重摻雜歐姆接觸區7。在得到重摻雜歐姆接觸區以后，經 過光刻、刻蝕工藝進行圖形化，在二氧化硅掩模6上刻蝕出敏感電阻條的注入孔，如圖4(c) 所示以通過二氧化硅掩模上的注入孔進行離子注入，得到本專利所述力敏電阻條20a? 20d，27a?27d和溫敏電阻條29。在得到力敏電阻條和溫敏電阻條以后，去除二氧化硅掩 模6,如圖4 (d)所示淀積二氧化硅絕緣層9,并進行退火激活注入離子。
[0046] 如圖4(e)所示，在二氧化硅絕緣層9上光刻并圖形化引線孔10,在基片的正面 濺射硅鋁形成金屬電極層，如圖4(f)所示腐蝕工藝光刻，圖形化金屬得到金屬引線21a? 21d，26a?26d，30a?30b。在金屬加工完成后，在基片表面淀積氮化硅鈍化層12,并如圖 4 (g)所示光刻，圖形化出壓焊窗口 13,將壓焊電極22a?22d，25a?25d，31a?31b暴露 在外。完成鈍化層加工后，通過化學汽相淀積法淀積金屬鎢，并如圖4(h)所示光刻腐蝕鎢， 留下覆蓋在質量塊上的質量塊調整層31 ;
[0047] 在基片的正面旋涂光刻膠層，并如圖4 (i)所示光刻形成深刻蝕掩模15,露出待刻 蝕孔16 ;以如圖4(j)所示深刻蝕掩模15為掩模在電感耦合等離子體刻蝕中刻蝕穿通，即 得到可動的質量塊23和單晶硅懸臂梁24。如圖4(k)所示去除光刻膠層掩膜15。
[0048] 如圖4(1)在硅制蓋片上光刻并腐蝕出空腔16,留下鍵合環17 ;如圖4(m)所示將 帶有空腔的蓋片與S0I基片鍵合，并劃片形成傳感器成品，完成加工。
[0049] 以上對本發明所提供的一種基于預制空腔S0I基片的集成壓阻式加速度計與壓 力計的加工方法進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行 了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領 域的一般技術人員，依據本發明的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處，綜 上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
【權利要求】
1. 一種基于預制空腔SOI基片的集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法，所述加速 度計包括硅制底座，硅制懸臂梁，硅制敏感質量塊，硅制力敏電阻，以及金屬引線。所述壓力 計包括硅制底座，硅制敏感膜片，硅制力敏電阻，以及金屬引線。其特征在于，所述方法包括 以下步驟： 力敏電阻加工步驟，在所述預制空腔SOI基片的器件層上加工出一定摻雜濃度的電阻 條； 金屬引線層加工步驟，在所述加工有力敏電阻的SOI基片上加工金屬引線層； 可動懸臂梁和質量塊加工步驟，在所述加工有力敏電阻的SOI基片上深刻蝕至預制空 腔，釋放可動懸臂梁和質量塊結構； 鍵合蓋片加工步驟，在完成釋放后的加速度計上鍵合蓋片，以保護可動結構。
2. 根據權利要求1所述的集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法，其特征在于，所 述力敏電阻加工步驟包括： 電阻條摻雜步驟，在SOI基片單晶硅器件層上形成低摻雜電阻條； 歐姆接觸區摻雜步驟，在SOI基片單晶硅器件層上形成重摻雜歐姆接觸區。
3. 根據權利要求2中所述的集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法，其特征在于， 所述力敏電阻加工步驟中，還可在同一步驟內加工對溫度敏感的參考電阻，輸出信號可供 壓力計和加速度計溫度補償之用，也可作為單獨的溫度傳感器使用。
4. 根據權利要求1所述的集成壓阻式加速度計與壓力計的加工方法，其特征在于，所 述金屬引線層加工步驟包括： 金屬層生長步驟，在器件層表面生長金屬，并光刻圖形化形成電極圖形； 鈍化層生長步驟，在器件層表面生長鈍化層，并光刻圖形化形成鈍化層圖形。
5. 根據權利要求1所述的集成壓阻式加速度計和壓力計的加工方法，其特征在于，所 述金屬引線層加工步驟中，還可增加加速度計質量塊質量的調整步驟： 加速度計質量塊質量的調整步驟，在所述加工完鈍化層的SOI基片上淀積金屬，光刻 圖形化以在加速度計質量塊位置制備金屬層，增大質量塊的質量。
6. 根據權利要求1所述的集成壓阻式加速度計和壓力計的加工方法，其特征在于，所 述加速度計的可動懸臂梁和質量塊加工步驟包括： 懸臂梁-質量塊結構釋放步驟，從所述SOI單晶硅圓片器件層正面進行深刻蝕，穿通鈍 化層和器件層到達預制空腔，釋放懸臂梁-質量塊結構，得到所述懸臂梁-質量塊結構的 可動硅結構組件。
7. 根據權利要求6中所述的加速度計的加工方法，其特征在于，所述可動懸臂梁和質 量塊加工步驟中，所述深刻蝕為電感耦合等離子體刻蝕。
8. 根據權利要求1所述的集成壓阻式加速度計和壓力計的加工方法，其特征在于，所 述加速度計的鍵合蓋片加工步驟包括： 在完成釋放后的加速度計懸臂梁-質量塊結構上鍵合帶有空腔的蓋片，以保護可動結 構。
【文檔編號】G01L1/22GK104058361SQ201310090309
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年3月20日 優先權日:2013年3月20日
【發明者】張揚熙, 楊琛琛, 高成臣 申請人:北京大學