一種含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器，至少具有一個面內(nèi)加速度敏感方向，基于預制空腔SOI晶圓，預制空腔SOI晶圓依次設置有襯底、絕緣層、器件層，以及位于襯底的空腔，器件層、絕緣層設置有釋放槽，通過釋放槽釋放加速度傳感器的可動結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的一種含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器基于預制空腔SOI晶圓制造，避免采用鍵合工藝或者犧牲層技術制作加速度傳感器結(jié)構(gòu)，刻蝕及可動結(jié)構(gòu)釋放都采用干法刻蝕工藝，整個制作工藝流程完全與標準CMOS工藝兼容；其檢測差分電容及自檢測驅(qū)動電容的極板面積由器件層厚度決定，一致性好；預制空腔SOI晶圓襯底上做有接地電極，減小噪聲信號對器件性能的影響。
【專利說明】
一種含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器及其制造方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及半導體制造技術，具體涉及含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器及其制造方法。
【背景技術】
[0002]目前電容式加速度傳感器有些帶有晶圓級自檢測功能，以便于器件在封裝前實現(xiàn)加速度傳感器的晶圓級檢測和標定。但目前業(yè)界帶有自檢測功能的電容式加速度傳感器一般都是通過采用犧牲層技術的表面微機械加工工藝制作；或者采用鍵合工藝制作相應結(jié)構(gòu)，而犧牲層技術由于需要采用濕法腐蝕去除犧牲層，釋放可動結(jié)構(gòu)，容易引起結(jié)構(gòu)發(fā)生粘附失效;鍵合工藝成本較高，尤其在形成差分電容結(jié)構(gòu)時，需要要求鍵合工藝要精確對準，從而進一步提高加工難度，降低良率，而硅-玻璃鍵合與標準CMOS工藝不兼容，不利于產(chǎn)品量產(chǎn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器及其制造方法以解決上述技術問題。
[0004]本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案為:
[0005]—種含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器，至少具有一個面內(nèi)加速度敏感方向，基于預制空腔SOI晶圓，所述的預制空腔SOI晶圓依次設置有襯底、絕緣層、器件層，以及位于所述襯底的至少一個空腔，所述器件層、所述絕緣層設置有釋放槽，通過所述釋放槽釋放加速度傳感器的可動結(jié)構(gòu)。
[0006]優(yōu)選地，所述預制空腔SOI晶圓的襯底和所述器件層采用100晶向的N型硅半導體材料，所述絕緣層材料采用二氧化硅材料。
[0007]優(yōu)選地，還設有貫穿所述器件層、所述絕緣層的隔離槽以及導電孔，所述隔離槽以及所述導電孔具有絕緣側(cè)壁，并填充所述隔離槽以及所述導電孔，所述器件層上設有一層掩膜層，所述掩膜層設有電接觸孔，所述電接觸孔設有電極。
[0008]優(yōu)選地，所述釋放槽與所述隔離槽具有部分重合。
[0009]優(yōu)選地，所述掩膜層上還設有一層鈍化層，所述鈍化層上預定位置設有一質(zhì)量塊。
[0010]優(yōu)選地，所述預制空腔SOI晶圓上還設置有一保護蓋。
[0011 ]本發(fā)明還提供一種含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器制造方法，至少具有一個面內(nèi)加速度敏感方向，基于預制空腔SOI晶圓，所述的預制空腔SOI晶圓依次設置有襯底、絕緣層、器件層，以及位于所述襯底的至少一個空腔，包括以下步驟:
[0012]在所述器件層生長第一層掩模層，圖形化并刻蝕透所述掩模層、所述器件層和所述絕緣層形成隔離槽和導電孔；
[0013]在所述隔離槽的側(cè)壁、所述導電孔的側(cè)壁制作一層絕緣壁，并填充所述隔離槽和所述導電孔；
[0014]去除第一層掩膜層并重新生產(chǎn)第二層掩膜層，圖形化、刻蝕掩膜層，形成電接觸孔；
[0015]圖形化、沉積金屬，填充所述電接觸孔并形成金屬電極；
[0016]圖形化、刻蝕所述掩膜層、所述器件層及所述絕緣層，形成釋放槽，釋放加速度傳感器的可動結(jié)構(gòu)。
[0017]優(yōu)選地，還包括如下步驟:
[0018]形成金屬電極后，在所述掩膜層上沉積一層鈍化層；
[0019]在所述鈍化層上形成一質(zhì)量塊；
[0020]圖形化、刻蝕所述部分鈍化層，開打線孔以暴露所述金屬電極。
[0021]優(yōu)選地，還包括如下步驟:所述釋放槽與所述隔離槽具有部分重合。
[0022]優(yōu)選地，還包括如下步驟:所述預制空腔SOI晶圓的襯底和器件層采用100晶向的N型硅半導體材料，所述絕緣層材料采用二氧化硅材料。
[0023]優(yōu)選地，還包括如下步驟:還包括如下步驟:
[0024]在所述預制空腔SOI晶圓上鍵合一保護蓋。
[0025]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器基于預制空腔SOI晶圓制造，避免采用鍵合工藝或者犧牲層技術制作加速度傳感器結(jié)構(gòu)，刻蝕及可動結(jié)構(gòu)釋放都采用干法刻蝕工藝，整個制作工藝流程完全與標準CMOS工藝兼容;其檢測差分電容及自檢測驅(qū)動電容的極板面積由器件層厚度決定，一致性好。采用叉指電容實現(xiàn)自檢測驅(qū)動和加速度的檢測，加速度傳感器的靈敏度大，可靈活設計自檢測驅(qū)動力和加速度傳感器靈敏度大小;利用在自檢測電極與可動電極間施加電壓模擬加速度輸入引起的加速度傳感器質(zhì)量塊的運動，從而引起檢測電容變化實現(xiàn)加速度傳感器的晶圓級標定和自檢測；SOI晶圓襯底上做有接地電極，減小噪聲信號對器件性能的影響。
[0026]下面結(jié)合附圖對該發(fā)明進行具體敘述。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2為本發(fā)明第一實施例的制造方法的流程圖。
[0029]圖3A-3J為本發(fā)明第一實施例的制造方法的工藝流程示意圖。
[0030]圖4-圖5為本發(fā)明第一實施例的原理示意圖。
[0031]圖6為本發(fā)明第二實施例結(jié)構(gòu)俯視示意圖；
[0032]圖7為本發(fā)明第三實施例結(jié)構(gòu)俯視示意圖；
【具體實施方式】
[0033]附圖1是本發(fā)明第一實施例的一種含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明第一實施例的制造方法的流程圖，圖3A-3J為本發(fā)明第一實施例的制造方法的工藝流程示意圖。
[0034]如圖1、2、3A-3J所示，一種含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器及其制造方法:
[0035]參看圖3Aa_3Ab，為預制空腔SOI晶圓結(jié)構(gòu)示意圖，3Aa為橫截面示意圖，3Ab為俯視示意圖，本發(fā)明實施例基于預制空腔SOI晶圓I，依次設置有襯底101、絕緣層102和器件層103，以及位于襯底101的空腔104。優(yōu)選地，襯底101和器件層103采用100晶向的N型硅半導體材料，絕緣層材料采用二氧化硅。
[0036]步驟201，參看圖2，同時參看圖3Ba_3Bb，3Ba為橫截面示意圖，3Bb為俯視示意圖。在器件層103上生長掩模層105，圖形化、并刻蝕透掩模層105、器件層103和絕緣層102，形成隔離槽106、導電孔107。
[0037]步驟202，同時參看圖3C，3C為橫截面示意圖。對刻蝕開的隔離槽106和導電孔107進行側(cè)壁電絕緣處理，形成一層絕緣壁108。制作絕緣壁108的方法，可以采用低壓化學氣相淀積低應力的氮化硅材料，并去除晶圓表面、隔離槽106和導電孔107底部的氮化硅材料，只在隔離槽106側(cè)壁、和導電孔107側(cè)壁保留氮化硅材料，最終形成一層絕緣壁108。也可以采用其他材料如熱氧化硅材料，或者熱氧化硅和氮化硅雙層材料等。
[0038]步驟203，同時參看圖3D，3D為橫截面示意圖。用材料109回填隔離槽106和導電孔107，回填的材料109可以采用低壓化學氣相淀積低應力的多晶硅材料，并去除掩模層105上的多晶硅材料，只保留在隔離槽1 6內(nèi)和導電孔1 7孔內(nèi)的多晶硅。
[0039]步驟204，同時參看圖3Ea_3Eb，3Ea為橫截面示意圖，3Eb為俯視示意圖。去除掩模層105，并重新生長一層新掩模層105，圖形化、刻蝕掩膜層，形成電接觸孔115。
[0040]步驟205，同時參看圖3Fa_3Fb，3Fa為橫截面示意圖，3Fb為俯視示意圖。淀積金屬并圖形化，形成金屬電極。沉積金屬填充電接觸孔115，并圖形化，形成金屬電極110。優(yōu)選的，形成電極110后，可以沉積一層鈍化層111(參見圖3G)。進一步，為了增加加速度傳感器的靈敏度，在沉積鈍化層111后可以在鈍化層111上預定位置形成一附加質(zhì)量塊112(參見圖3H)，圖形化、刻蝕部分鈍化層111，開打線孔露出金屬電極。鈍化層111的材料可以是氮化硅材料，質(zhì)量塊112可以通過電鍍銅工藝形成。
[0041 ] 步驟206，同時參看圖3Ia_3Ib，3Ia為橫截面示意圖，31b為俯視示意圖。圖形化、刻蝕刻穿鈍化層111、掩膜層105、器件層103及絕緣層102，形成釋放槽釋放槽113，釋放加速度傳感器的可動結(jié)構(gòu)。釋放槽113與隔離槽106具有部分重合，以保證電極之間的電絕緣。
[0042]步驟207，同時參看圖3J，3J為橫截面示意圖。鍵合保護蓋114，保護可動結(jié)構(gòu)。保護蓋114的鍵合可以采用金屬共晶鍵合，例如鋁鍺共晶鍵合技術，也可以使用有機鍵合材料，例如苯并環(huán)丁烯。
[0043]本發(fā)明第一實施例的原理:
[0044]本發(fā)明第一實施例具有一個面內(nèi)加速度敏感方向，圖4-圖5為本發(fā)明第一實施例的原理示意圖，參見圖4-圖5:其中301為自檢測固定電極，302為第一檢測固定電極，303為第二檢測固定電極，304為可動電極，305為襯底接地電極。其工作原理為:當有如圖4所示面內(nèi)方向加速度輸入時，由于慣性力作用，會引起質(zhì)量塊沿面內(nèi)加速度輸入方向上下移動，從而引起第一檢測固定電極302、第二檢測固定電極303和可動電極304形成的兩個電容差分變化輸出，實現(xiàn)面內(nèi)加速度的檢測;其自檢測原理是:在自檢測固定電極301與可動電極304之間施加電壓，由于靜電力的作用，引起質(zhì)量塊的移動，從而引起第一檢測固定電極302、第二檢測固定電極303和可動電極304形成的兩個電容差分變化輸出，通過靜電力模擬加速度輸入，實現(xiàn)加速度傳感器的晶圓級自檢測，對于圖4中未標注的三個電極，起作用和與其對稱的相應電極相同，以進一步增加加速度傳感器的靈敏度和自檢測驅(qū)動力。在襯底形成接地電極30 5，減小噪聲信號對傳感器輸出信號的干擾。
[0045]其減小噪聲信號干擾的原理示意圖如圖5所示，當有交流小信號(干擾或者耦合的噪聲信號)，由于有接地電極305的存在，交流的小信號就會通過接地電極305導走，從而不會對傳感器輸出信號造成影響。
[0046]圖6為本發(fā)明第二實施例的結(jié)構(gòu)俯視示意圖。本發(fā)明第一實施例具有一個面內(nèi)加速度敏感方向，本發(fā)明第二實施例則具有兩個正交的面內(nèi)加速度敏感方向，其中A部分的面內(nèi)加速度敏感方向是X方向，B部分的面內(nèi)加速度敏感方向為Y方向。B部分的結(jié)構(gòu)與本發(fā)明第一實施例相同，在此不做贅述。A部分的結(jié)構(gòu)是與本發(fā)明第一實施例的結(jié)構(gòu)逆時針旋轉(zhuǎn)90度，即獲得正交雙軸的帶有自檢測功能的面內(nèi)差分電容式加速度傳感器，第二實施例的制作工藝流程完全與第一實施例相同，只是所用的預制空腔SOI襯底中需要兩個預制空腔。
[0047]圖7為本發(fā)明第三實施例的結(jié)構(gòu)俯視示意圖。預制空腔SOI晶圓上只需要一個空腔，及一個質(zhì)量塊實現(xiàn)正交方向的雙軸帶有自檢測功能的面內(nèi)差分電容式加速度傳感器，其工藝流程與本發(fā)明第一實施例工藝流程相同，其結(jié)構(gòu)俯視示意圖如圖7所示，只是在單軸帶有自檢測功能的面內(nèi)差分電容式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)上增加了一個折疊彈性梁401和一組X方向固定叉指402和可動叉指403，形成X方向的自檢測驅(qū)動電極及加速度檢測電容。需要說明的時，彈性梁形狀在本發(fā)明中只是示意性畫出，根據(jù)具體設計，可以采用蛇形梁、U型梁、蟹腳梁等作為彈性支撐梁。
[0048]當然，此發(fā)明還可以有其他變換，并不局限于上述實施方式，本領域技術人員所具備的知識，還可以在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下作出各種變化，這樣的變化均應落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權項】
1.一種含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器，至少具有一個面內(nèi)加速度敏感方向，基于預制空腔SOI晶圓，所述的預制空腔SOI晶圓依次設置有襯底、絕緣層、器件層，以及位于所述襯底的至少一個空腔，其特征在于，所述器件層、所述絕緣層設置有釋放槽，通過所述釋放槽釋放加速度傳感器的可動結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權利要求1所述的含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器，其特征在于，所述預制空腔SOI晶圓的襯底和所述器件層采用100晶向的N型硅半導體材料，所述絕緣層材料采用二氧化硅材料。3.根據(jù)權利要求1所述的含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器，其特征在于，還設有貫穿所述器件層、所述絕緣層的隔離槽以及導電孔，所述隔離槽以及所述導電孔具有絕緣側(cè)壁，并填充材料，所述器件層上設有一層掩膜層，所述掩膜層設有電接觸孔，所述電接觸孔設有電極。4.根據(jù)權利要求3所述的含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器，其特征在于，所述釋放槽與所述隔離槽具有部分重合。5.根據(jù)權利要求3所述的含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器，其特征在于，所述掩膜層上還設有一層鈍化層，所述鈍化層預定位置設有一質(zhì)量塊。6.根據(jù)1-5任一權利要求所述的含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器，其特征在于，所述預制空腔SOI晶圓上還設置有一保護蓋。7.一種含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器制造方法，至少具有一個面內(nèi)加速度敏感方向，基于預制空腔SOI晶圓，所述的預制空腔SOI晶圓依次設置有襯底、絕緣層、器件層，以及位于所述襯底的至少一個空腔，其特征在于，包括以下步驟: 在所述器件層生長第一層掩模層，圖形化并刻蝕透所述掩模層、所述器件層和所述絕緣層形成隔離槽和導電孔； 在所述隔離槽的側(cè)壁、所述導電孔的側(cè)壁制作一層絕緣壁，并用材料填充所述隔離槽和所述導電孔； 去除第一層掩膜層并重新生長第二層掩膜層，圖形化、刻蝕掩膜層，形成電接觸孔； 圖形化、沉積金屬，填充所述電接觸孔并形成金屬電極； 圖形化、刻蝕所述掩膜層、所述器件層及所述絕緣層，形成釋放槽，釋放加速度傳感器的可動結(jié)構(gòu)。8.根據(jù)權利要求7所述的含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器制造方法，其特征在于，還包括如下步驟: 形成金屬電極后，在所述掩膜層上沉積一層鈍化層； 在所述鈍化層上形成一質(zhì)量塊； 圖形化、刻蝕所述部分鈍化層，開打線孔以暴露所述金屬電極。9.根據(jù)權利要求7所述的含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器制造方法，其特征在于，所述釋放槽與所述隔離槽具有部分重合。10.根據(jù)權利要求7所述的含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器制造方法，其特征在于，所述預制空腔SOI晶圓的襯底和器件層采用100晶向的N型硅半導體材料，所述絕緣層材料采用二氧化硅材料。11.根據(jù)權利要求7-10任意一項所述的含有自檢測功能的面內(nèi)電容式加速度傳感器制造方法，其特征在于，還包括如下步驟:在所述預制空腔SOI晶圓上鍵合一保護蓋。
【文檔編號】G01P21/00GK106018880SQ201610625432
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月2日
【發(fā)明人】周志健, 朱二輝, 陳磊, 楊力建, 鄺國華
【申請人】上海芯赫科技有限公司