[发明专利]高灵敏度加速度传感器结构的制备方法

说明书

本发明提供一种高灵敏度加速度传感器结构的制备方法,包括：提供衬底；于衬底正面进行硼离子注入；于衬底的正面及背面依次形成第一氧化硅层及低应力氮化硅层；于衬底的正面形成释放窗口；形成深槽；形成内部刻蚀缓冲腔体；于释放窗口的侧壁、内部刻蚀缓冲腔体的侧壁及内部刻蚀缓冲腔体的上下表面形成低应力多晶硅层；于低应力多晶硅层表面形成氧化硅钝化层；于衬底的背面形成沟槽；去除位于内部刻蚀缓冲腔体底部的氧化硅钝化层；于衬底的正面制备引线孔、金属引线及焊盘；提供键合衬底，将键合衬底键合于所述衬底的背面；释放悬臂梁及质量块。本发明可以避免对悬臂梁过刻蚀，从而可以确保任意尺寸悬臂梁的厚度的可控性及均匀性。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别是涉及高灵敏度加速度传感器结构的制备方法。

背景技术

硅基加速度传感器作为惯性传感器领域最为火热的MEMS检测器件之一，广泛应用于航空航天、汽车电子、可穿戴装置等消费类电子产品，尤其随着近几年VR/AR、智能汽车、物联网以及智慧城市的兴起，加速度传感器将继续发挥着越来越重要的作用。同时随着MEMS制造技术的不断进步，高灵敏度、小尺寸、低成本的加速度传感器已成为未来加速度传感器的发展方向。

众所周知，悬臂梁+质量块式加速度传感器的灵敏度主要由悬臂梁厚度和质量块尺寸大小所决定，悬臂梁越薄，质量块越大，传感器灵敏度也越高，但是质量块越大会导致传感器芯片尺寸也越大，因此最好的办法是在一定质量块尺寸基础上尽可能地减薄悬臂梁厚度。因此，如何以最小的制造成本在一块给定芯片尺寸上加工出高灵敏度的悬臂梁+质量块式加速度传感器其关键技术难题在于超薄悬臂梁的加工关键技术难题。

为了解决该制作关键技术难题，科研人员也进行的大量研究并给出的各种不同的解决方案，但其结果都不很理想。2012年中科院上海微系统所的Z.Ni等利用表面微机械工艺制备悬臂梁+质量块式加速度传感器，该传感器结构采用低应力氮化硅薄膜作为悬臂梁结构材料，通过在氮化硅薄膜上电镀高密度铜质量块的方法来提高传感器的高敏度[Z.Ni,C.Yang,D.Xu,et al,Monolithic composite“pressure+acceleration+temperature+infrared”sensor using a versatile single-sided“SiN/Poly-Si/Al”process-module,Sensors 2013,13:pp.1085-1101]。但是其存在以下几点不足：(1)氮化硅悬臂梁力学性能不能单晶硅材料悬臂梁；(2)电镀后的铜质量块与氮化硅之间残余应力问题会导致传感器温度特性很差，甚至于铜质量块脱落；(3)氮化硅薄膜释放过程中的粘附失效问题；(4)以掺杂多晶硅作为压敏检测电阻，由于多晶硅压阻系数远小于单晶硅压阻系数，因此灵敏度也不会太高。为了解决该难题，2017年中科院上海微系统所的J.Wang等提出一种独有的单硅片单面体硅微机械加工技术来制备悬臂梁+质量块式加速度传感器[J.Wang,Z.Ni,J.Zhou,et al,Pressure+X/Z two-axis acceleration composite sensors monolithicallyintegrated non-SOI wafer for upgraded production of TPMS(tire pressuremonitoring systems,MEMS 2017,Las Vegas,NV,USA,January 22-26,pp:1359-1362]，该制造技术虽然可以很好的控制单晶硅悬臂梁的薄厚程度，但由于质量块厚度受制造技术限制最大质量块厚度不能超过100μm，因此该传感器结构虽然可以做到芯片尺寸小，但是传感器灵敏度提高空间有限。为了解决上述这种薄悬臂梁和厚质量块不可兼得的矛盾，科研人员提出了采用SOI硅片作为加速度传感器加工的衬底材料，利用SOI硅片中薄的顶层单晶硅和埋氧层通过双面体硅微机械加工来制备悬臂梁+质量块结构式加速度传感器。其中，薄的悬臂梁通过硅片背面DRIE刻蚀至SOI硅片中埋氧层后刻蚀自停止，然后通过正面DRIE刻蚀释放悬臂梁+质量块可动结构[W.Yeh,C.Chan,C.Hu,et al,Novel TPMS sensing chippressure sensor embedded in accelerometer,Transducers 2013,Barcelona,SPAIN,16-20 June,pp:1759-1762]。虽然采用SOI硅片可以实现薄悬臂梁和厚质量块的制作，进而实现加速度传感器的小尺寸和高灵敏度，但是由于SOI硅片非常昂贵，因此制作成本很高。