mems加速度与压力集成传感器及其制备方法
技术领域
1.本公开的实施例属于传感器集成技术领域，具体涉及一种mems加速度与压力集成传感器及其制备方法。
背景技术：
2.传感器可以将物理量变化转化为电信号变化从而便于测量，基于mems技术制造的传感器具有体积小、精度高、易集成等优点，在工业控制、环境监测、航空航天、汽车电子等领域应用广泛。在许多应用场合中，经常需要同时测量加速度、压力等多个物理量，mems集成传感器能够在同一芯片上集成多个不同种类的mems传感器，实现多个物理量的同时监测，并且具有体积小、单位成本低的优势，具有广泛的应用前景。
3.目前，常见的mems集成传感器将不同传感器的制备工艺进行整合，实现多个mems传感器的同时制备，但不同传感器间仍然是相对独立的平行系统，它们水平设置在不同位置，分别占用一定面积。
4.基于上述原因，目前mems集成传感器的集成化程度不高，占用较大的基片面积，导致了较高的制造成本。
技术实现要素：
5.本公开的实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，公开了一种mems加速度与压力集成传感器及其制备方法。
6.第一方面，本公开的实施例提供一种mems加速度与压力集成传感器，所述集成传感器包括：
7.第一衬底，设置有贯穿其厚度的空腔；
8.依次层叠设置于所述第一衬底的埋氧层、器件层和第一钝化层，并且三者对应所述空腔的部分共同形成敏感薄膜；
9.第一压敏电阻和第一欧姆接触区，均内嵌于所述器件层背离所述第一衬底的表面；
10.依次层叠设置于所述第一钝化层的牺牲层、结构层和第二钝化层，所述牺牲层位于所述空腔外侧，以使得所述结构层和所述第二钝化层对应所述空腔的部分悬空共同形成质量块和悬臂梁；
11.第二压敏电阻和第二欧姆接触区，均内嵌于悬空部分的所述结构层背离所述第一衬底的表面；
12.引线层和金属填充层，所述引线层设置于所述第二钝化层背离所述第一衬底的表面，所述金属填充层分别与所述引线层、第一欧姆接触区和第二欧姆接触区电连接；
13.第二衬底，与所述第一衬底背离所述第一钝化层的表面连接。
14.在一些实施例中，所述集成传感器包括多个第一压敏电阻；
15.每个所述第一压敏电阻分别位于所述空腔对应边的中央区域。
16.在一些实施例中，所述多个第一压敏电阻通过第一惠斯通电桥连接。
17.在一些实施例中，所述集成传感器包括多个第二压敏电阻；
18.其中至少两个所述第二压敏电阻分布在所述悬臂梁的应力集中区域，其余所述第二压敏电阻分布在所述悬臂梁上的零应力区域。
19.在一些实施例中，所述多个第二压敏电阻通过第二惠斯通电桥连接。
20.在一些实施例中，所述悬臂梁的应力集中区域处的所述至少两个第二压敏电阻对称分布；和/或，
21.所述悬臂梁的零应力区域处的所述其余第二压敏电阻对称分布。
22.在一些实施例中，所述金属填充层贯穿所述第二钝化层、结构层和第一钝化层。
23.在一些实施例中，所述集成传感器还包括绝缘层；
24.所述绝缘层围设于所述金属填充层周围。
25.在一些实施例中，所述牺牲层采用磷硅玻璃制作形成；和/或，所述牺牲层的厚度范围为1μm～10μm。
26.第二方面，本公开的实施例提供一种mems加速度与压力集成传感器的制备方法，包括：
27.提供soi片；其中，所述soi片包括依次层叠设置的第一衬底、埋氧层和器件层；
28.在所述器件层的表面分别掺杂形成第一压敏电阻和第一欧姆接触区；
29.在所述器件层的表面形成第一钝化层；
30.在所述第一钝化层的表面形成牺牲层，图形化所述牺牲层形成环形槽；
31.在所述牺牲层的表面和所述环形槽内形成结构层；
32.在所述结构层的表面分别形成第二压敏电阻和第二欧姆接触区；
33.在所述结构层的表面形成第二钝化层；
34.对所述第二钝化层、结构层、牺牲层和第一钝化层进行图形化，形成对应所述第一欧姆接触区的第一接触通孔；
35.在所述第一接触通孔的内侧壁形成绝缘层，并在所述第一接触通孔内填充金属填充层；
36.图形化所述第二钝化层形成对应所述第二欧姆接触区的第二接触通孔；
37.在所述第二钝化层上形成引线层；
38.对所述第二钝化层和所述结构层进行图形化以定义质量块和悬臂梁区域；
39.对所述第一衬底背离所述第一钝化层的表面进行图形化，得到贯穿其厚度的通槽；
40.提供第二衬底，将所述第二衬底的表面与所述第一衬底背离所述第一钝化层的表面连接，形成空腔；
41.将所述空腔部分对应的牺牲层去除，释放质量块与悬臂梁，同时形成敏感薄膜，完成所述mems加速度与压力集成传感器的制备。
42.本公开实施例的mems加速度与压力集成传感器及其制备方法，采用堆叠的方式将加速度计的质量块和悬臂梁制作在压力传感器的敏感薄膜上方。这种垂直整合结构节约了1/2的基片面积，大大提高了传感器芯片的集成化程度，降低了生产成本，提高了经济效益。此外，还利用牺牲层工艺，在释放质量块与悬臂梁的同时完成敏感薄膜的制备，简化了工艺
流程，降低了工艺难度，降低了生产成本，提高了经济效益。
附图说明
43.结合附图并参考以下具体实施方式，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，元件和元素不一定按照比例绘制。
44.图1为本公开实施例的mems加速度与压力集成传感器的剖面图；
45.图2为图1中所示的mems加速度与压力集成传感器的俯视图；
46.图3至图20为本公开实施例的mems加速度与压力集成传感器的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
47.为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。
48.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。
49.另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关本公开相关的部分。在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
50.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
51.如图1和图2所示，本公开的实施例涉及一种mems加速度与压力集成传感器，包括：第一衬底1、埋氧层2、器件层3、第一压敏电阻4、第一欧姆接触区5、第一钝化层6、牺牲层7、结构层8、第二压敏电阻9、第二欧姆接触区10、第二钝化层11、绝缘层12、金属填充层13、引线层14和第二衬底15。
52.请参考图1，第一衬底1设置有贯穿其厚度的空腔16，在一些实施例中，第一衬底1的材料为单晶硅，厚度范围为200μm～1000μm；第一衬底1上所形成的空腔16的具体形状不限制，在一些示例中，空腔16位于第一衬底1的中央区域，形状为长方体。
53.继续参考图1，埋氧层2位于第一衬底1上方，在一些实施例中，埋氧层2的材料为氧化硅，厚度范围为0.1μm～4μm。器件层3位于埋氧层2上方，在一些实施例中，器件层3的材料为单晶硅，厚度范围为0.2μm～50μm。第一钝化层6位于器件层3上方，该第一钝化层6的作用是实现器件层3与结构层8之间的电气隔离，在一些实施例中，第一钝化层6的材料为氮化硅，厚度范围为0.2μm～2μm。如图1所示，第一钝化层6、器件层3与埋氧层2中央正对空腔16的部分共同组成敏感薄膜17。
54.继续参考图1，第一压敏电阻4和第一欧姆接触区5均内嵌于所述器件层3的上表面。在一些实施例中，第一压敏电阻4的个数为多个，以第一压敏电阻4的个数为四个进行举例说明，该四个第一压敏电阻4分别设置在空腔16四边的中点正上方位置，这样做的目的是将第一压敏电阻4设置在敏感薄膜17的应力最大处，从而尽可能提高压力传感器的灵敏度，四个第一压敏电阻4通过第一惠斯通电桥连接。第一欧姆接触区5位于第一压敏电阻4的两
端，其作用是实现第一压敏电阻4与金属填充层13的电气互联。
55.接下来继续参考图1，牺牲层7位于第一钝化层6上方的边缘区域，在一些实施例中，牺牲层7的材料为磷硅玻璃(psg)，厚度范围为1μm～10μm。结构层8位于牺牲层7上方，在一些实施例中，结构层8的材料为多晶硅，厚度范围为3μm～20μm。第二钝化层11位于结构层8上方，第二钝化层11的作用是实现引线层14与结构层8之间的电气隔离，在一些实施例中，第二钝化层11的材料为氮化硅，厚度范围为0.2μm～2μm。一并结合图2，由于牺牲层7仅位于第一钝化层6上方的边缘区域，因此第二钝化层11和结构层8在对应空腔16的位置处悬空，从而形成质量块18与悬臂梁19。
56.紧接着，如图1所示，第二压敏电阻9和第二欧姆接触区10均内嵌于悬空部分的所述结构层8的上表面。在一些实施例中，第二压敏电阻9的个数为多个，以第二压敏电阻9的个数为四个进行举例说明，其中两个第二压敏电阻9优选地对称分布在悬臂梁19上的应力集中区域，另外两个第二压敏电阻9优选地对称分布在悬臂梁19上的零应力区域，这样做的目的是尽可能提高加速度传感器的灵敏度。第二欧姆接触区10位于第二压敏电阻9两端，其作用是实现第二压敏电阻9与引线层14的电气互联。
57.继续参考图1，金属填充层13位于第一欧姆接触区5末端，材料为w或cu的至少一种，结合当前深槽刻蚀和孔填充工艺的能力，宽度设置为2μm～10μm；金属填充层13的作用是实现第一压敏电阻4的电极引出。绝缘层12位于金属填充层13的四周，绝缘层12的作用是实现金属填充层13与结构层8的电气隔离，在一些实施例中，绝缘层12的材料为二氧化硅，厚度范围为50nm～500nm。
58.一并参考图1和图2，引线层14位于第二钝化层11上方，引线层14的作用是实现金属填充层13和第二压敏电阻9的电极引出。在一些实施例中，引线层14的材料为al、ti、au、cu、pt的至少一种，优选为au，厚度范围为100nm～500nm。
59.如图1所示，第二衬底15的上表面与第一衬底1的下表面键合连接，实现空腔16的真空密封，并为传感器芯片提供机械支撑。在一些实施例中，第二衬底15的材料为单晶硅或玻璃，优选为bf33型玻璃片，厚度范围为200μm～2000μm。
60.下文对本公开实施例的mems加速度与压力集成传感器的工作原理进行说明：
61.如图1和图2所示，当有外界压力作用在传感器上时，敏感薄膜17发生与压力成正比的形变，导致其四周产生相应的应力与应变，位于敏感薄膜17四边中心的四个第一压敏电阻4的阻值在压阻效应的作用下发生改变，这种改变经过惠斯通电桥转化为电信号输出。因此，通过测量第一惠斯通电桥的电信号输出就可以得到传感器所受压力的大小。
62.当有垂直方向的加速度作用在传感器上时，由于惯性力的作用，质量块18上下摆动，使悬臂梁19发生与加速度成正比的形变，在悬臂梁19上产生相应的应力和应变，位于悬臂梁19上的两个第二压敏电阻9的阻值在压阻效应的作用下发生改变，最后通过惠斯通电桥将阻值变化转化为电信号输出。因此，通过测量第二惠斯通电桥的电信号输出就可以得到传感器所受加速度的大小。
63.本公开实施例的mems加速度与压力集成传感器，采用堆叠的方式将加速度计的质量块和悬臂梁制作在压力传感器的敏感薄膜上方。这种垂直整合结构节约了1/2的基片面积，大大提高了传感器芯片的集成化程度，降低了生产成本，提高了经济效益。此外，本公开实施例的mems加速度与压力集成传感器，还利用牺牲层工艺，在释放质量块与悬臂梁的同
etching，rie)刻蚀第二钝化层11，通过反应耦合等离子体(inductively coupled plasma，icp)刻蚀多晶硅结构层8，通过hf腐蚀psg牺牲层7，再通过rie刻蚀第一钝化层6，最终形成第一接触通孔。
86.步骤十一、在所述第一接触通孔的内侧壁形成绝缘层。
87.具体地，在本步骤中，如图13所示，通过低温氧化工艺，在第二钝化层11上表面和第一接触通孔内沉积厚度为500nm的二氧化硅作为绝缘层12，并通过粒子束刻蚀(ion beam etching，ibe)刻蚀掉垂直方向上的二氧化硅，只保留第一接触通孔侧壁上的二氧化硅绝缘层12。
88.步骤十二、在所述第一接触通孔内填充金属填充层。
89.具体地，在本步骤中，如图14所示，通过钨的孔填充工艺在第一接触通孔内填充金属钨作为金属填充层13。
90.步骤十三、图形化所述第二钝化层形成对应所述第二欧姆接触区的第二接触通孔。
91.具体地，在本步骤中，如图15所示，通过rie刻蚀第二钝化层11形成第二接触通孔。
92.步骤十四、在所述第二钝化层上形成引线层。
93.具体地，在本步骤中，如图16所示，通过磁控溅射和光刻腐蚀在第二钝化层11上制备厚度为20nm的cr和200nm的au作为引线层14。
94.步骤十五、对所述第二钝化层和所述结构层进行图形化以定义质量块和悬臂梁区域。
95.具体地，在本步骤中，如图17所示，光刻图形化定义质量块与悬臂梁区域，通过rie刻蚀第二钝化层12，再通过icp刻蚀多晶硅结构层8。
96.步骤十六、对所述第一衬底背离所述第一钝化层的表面进行图形化，得到贯穿其厚度的通槽。
97.具体地，在本步骤中，如图18所示，对第一衬底1下表面光刻图形化，通过icp工艺进行深硅刻蚀，直到埋氧层2停止。
98.步骤十七、提供第二衬底，将所述第二衬底的表面与所述第一衬底背离所述第一钝化层的表面连接，形成空腔。
99.具体地，在本步骤中，如图19所示，选用500m厚的bf33型玻璃片作为第二衬底15，通过阳极键合工艺使第一衬底1下表面与第二衬底15紧密贴合，形成空腔16。
100.步骤十八、将所述空腔部分对应的牺牲层去除，释放质量块与悬臂梁，同时形成敏感薄膜，完成所述mems加速度与压力集成传感器的制备。
101.具体地，在本步骤中，如图20所示，通过hf腐蚀psg牺牲层7，释放质量块18与悬臂梁19，同时形成敏感薄膜17，完成所述mems加速度与压力集成传感器的制备。
102.本公开实施例的mems加速度与压力集成传感器的制备方法，采用堆叠的方式将加速度计的质量块和悬臂梁制作在压力传感器的敏感薄膜上方。这种垂直整合结构节约了1/2的基片面积，大大提高了传感器芯片的集成化程度，降低了生产成本，提高了经济效益。此外，还利用牺牲层工艺，在释放质量块与悬臂梁的同时完成敏感薄膜的制备，简化了工艺流程，降低了工艺难度，降低了生产成本，提高了经济效益。
103.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施
方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。