一种三轴热对流加速度传感器芯片的制作方法技术

本发明专利技术公开一种用于消费类电子产品的三轴热对流加速度传感器芯片的制作方法，先在衬底单晶硅片表面形成高温氧化硅层，在高温氧化硅层上形成第一氮化硅层，再形成多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻；开接触孔及形成金属互连线；最后制备复合悬臂梁结构和形成凹腔，键合成三轴热对流加速度传感器芯片；本发明专利技术利用与CMOS工艺兼容的表面微机械加工中复合薄膜内应力的不同，使得布置有热电堆的悬臂梁向下弯曲来测试Z轴的加速度。所制作的热对流加速度传感器芯片具有检测精度高，可靠性好，稳定性佳等优点，有利于实现芯片微型化和低成本化。?

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于消费类电子产品、能检测Z轴(上下方向)的加速度的三轴热对流加速度传感器芯片的制作方法，属于硅微机械传感器

技术介绍
目前，微机电系统(MEMS，Micro Electro-Mechanical System)已广泛应用于半导体行业，尤其是消费类电子产品中，例如iPod、Whone、Sony PS3，以及Wii等游戏和娱乐系列消费类电子产品，这些产品中都应用了加速度传感器作为动作操控和接收装置。在Wii 和PS3中，加速度传感器可以灵敏地感测游戏者的动作，并将其转换为游戏中的虚拟人物、 物品或交通工具的动作和状态等并显示在画面中。iPod和iPhone中的加速度传感器则可以根据用户的动作而相应地对菜单进行操作。加速度传感器也应用于汽车导航系统中，对 GPS卫星信号实现定位，基于MEMS技术的三轴加速度传感器配合陀螺仪或电子罗盘等元件一起可创建方位推算系统，对GPS系统实现互补性应用。此外，三轴加速度传感器还可用于硬盘抗冲击防护，电子计步器，为电子罗盘提供补偿功能，数码相机的防抖等。目前的加速度传感器有多种实现方式，主要分为压电式、电容式及热对流式三种， 这三种技术各有其优缺点。电容式加速度传感器能够感测不同方向的加速度或振动等运动状况，主要利用硅的机械特性，设计出可移动机构，机构中主要包括两组硅梳齿，一组固定， 相当于固定的电极，另一组随运动物体移动，相当于可移动电极，当可移动的梳齿产生了位移，就会随之产生与位移成比例电容值的改变。对于高量程的应用(如汽车安全气囊)，要求的灵敏度小，电容式加速度传感器可以将微型硅梳齿制作得相对牢固。但消费类电子产品属于小量程应用，量程小于士 10g，灵敏度则相对较大。在一定的信噪比前提下，要得到较大的灵敏度就必须降低微型硅梳齿的强度，但其结果导致了抗冲击能力的下降。热对流式加速度传感器是基于标准的CMOS制造工艺，质量块是气态，气态的质量块同传统的实体质量块相比抵抗冲击的能力强，能抵抗50000g的冲击。采用表面微机械加工，易于与CMOS兼容，满足单片集成，可以实现微型化和低成本化。公开号为CN101105502A、名称为“三轴热对流加速度传感器”的专利申请利用三层结构键合形成一体的结构，在X、Y、Z三个轴方向上分别设置有等距离对称布置的、特性值相同的温度传感器来实现检测三个轴向的加速度的功能。但是没有提供相关测试数据，显然利用键合的工艺形成三层的结构并且在腔体正中间制作出悬臂梁，是比较困难的。公开号为CN101430341A、名称为“圆片级三轴热对流加速度传感器”的专利申请公开了设置有开放的刻蚀腔，刻蚀腔内设置有加热器和温度传感器，底部有圆片集成信号处理电路和控制电路，当运动加速度向上时，加热器所处平面的气流会由边缘流向中心以补偿在加热器向上流出的气体，即加热器位置热气体上升，周围气流下降。温度传感器处的温度会随着加速度的方向和大小变化而改变，从而测得加速度，解决了 Z轴实际微分信号获取的问题。这种结构的加速度计基于详细的仿真计算获得Z轴方向上的加速度测试值，集成复杂的控制电路，制作工艺复杂，成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供，该方法制作的热对流加速度传感器芯片具有检测精度高、可靠性好、稳定性佳等优点，制作工艺与 IC工艺兼容，有利于实现芯片微型化和低成本化。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案 ，包括以下步骤步骤一、先在衬底单晶硅片表面利用高温干法热氧化形成高温氧化硅层，再利用低压化学气相沉积工艺在所述高温氧化硅层上形成低应力的第一氮化硅层；步骤二、先利用低压化学气相沉积工艺在所述第一氮化硅层上淀积多晶硅层，再对多晶硅层进行硼离子注入，然后利用电感耦合等离子体刻蚀所述多晶硅层，分别形成四组多晶硅温度敏感电阻和两组多晶硅加热电阻；最后再次利用低压化学气相沉积工艺在所述多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻上形成第二氮化硅层；步骤三、先利用反应离子刻蚀干法刻蚀第二氮化硅层，使所述多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻部分露出，在露出部分上溅射金属层；然后光刻金属层，使金属层形成金属互连线，所述金属互连线将所述多晶硅温度敏感电阻和所述金属层连接成热电堆、将所述热电堆和所述多晶硅加热电阻连接形成加速度传感器输出电路；四组热电堆中的其中两组用于X轴和Y轴的检测；另两组用于Z轴的检测；步骤四、先在所述金属层上利用增强等离子体化学汽相低温沉积高质氧化硅层，然后对高质氧化硅层进行光刻，刻蚀后仅保留用于Z轴检测部分的高质氧化硅层；再刻蚀部分第二氮化硅层、第一氮化硅层及高质氧化硅层以形成复合悬臂梁结构，露出下方的部分衬底单晶硅片，然后再深腐蚀衬底单晶硅片使衬底单晶硅片形成凹腔，四组热电堆以及两组多晶硅加热电阻通过复合悬臂梁结构支撑悬空于该凹腔上，完成器件硅片的制作；步骤五、制作具有深坑的盖板硅片，将盖板硅片与所述器件硅片键合，使盖板硅片的深坑与器件硅片的凹腔对接形成密闭空腔，即三轴热对流加速度传感器芯片。作为本专利技术的优选方案，步骤一所述的高温氧化硅层的厚度为0.30-0. 40 μ m，高温干法热氧化的温度为900-1100°C。作为本专利技术的优选方案，步骤二所述的低压化学气相沉积工艺的温度为 600-650°C，多晶硅层的厚度为0. 3-0. 5 μ m。作为本专利技术的优选方案，步骤二所述的硼离子注入的硼源为三氟化硼，注入能量为50-70KeV，剂量为3-5X1015/cm2 ；硼离子注入后在氮气保护下对多晶硅层进行退火，退火温度为950-1100°C，时间为20-40min。作为本专利技术的优选方案，步骤二所述的电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀的反应气体为C4F8和SF6。相对于现有技术，本专利技术的有益效果在于利用与CMOS工艺兼容的表面微机械加工中复合薄膜内应力的不同，使得布置有热电堆的悬臂梁向下弯曲，从而检测Z轴(上下方向)的加速度的两组热电堆分列在加热器的上下两侧，这样当器件受到上下方向的加速度时，上下位置的热电堆处温度发生变化，从而来测试Z轴的加速度。先在低应力氮化硅薄膜上沉积多晶硅薄膜，掺杂并图形化，形成电阻。在淀积绝缘层，溅射铝，光刻并腐蚀后与多晶硅电阻形成热电堆，再在铝层上用低温增强等离子体化学汽相沉积(PECVD)法沉积高质量氧化硅，由于热膨胀系数的不同引起的内应力，使得复合薄膜朝下弯曲，通过每层薄膜厚度的选择，使得复合薄膜得到最大的弯曲度。这样位于悬臂梁上的热电堆与参考热电堆的距离最大，二者所处位置的温度差最大，使得在ζ轴有加速度作用时，输出信号最大。所制作的热对流加速度传感器芯片具有检测精度高，可靠性好，稳定性佳等优点，制作工艺与IC 工艺兼容，有利于实现芯片微型化和低成本化。附图说明图Ia-Ii是本专利技术流程示意图2是三轴热对流加速度传感器芯片中的复合薄膜受内应力驱动弯曲的原理放大图； 图3是三轴热对流加速度传感器芯片的电镜SEM图中1.衬底单晶硅片；2.第一氮化硅层；3.高质氧化硅层；4.高温氧化硅层；5.多晶硅层；6.第二氮化硅层；7.金属互连线；8.复合悬臂梁结构；9.凹腔；10.盖板硅片。具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明 参见图la-1 i，制作三轴热对流加速度传感器芯片的步骤如下 步骤一本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种三轴热对流加速度传感器芯片的制作方法，其特征是包括如下步骤：步骤一、先在衬底单晶硅片（１）表面利用高温干法热氧化形成高温氧化硅层（４），再利用低压化学气相沉积工艺在所述高温氧化硅层（４）上形成低应力的第一氮化硅层（２）；步骤二、先利用低压化学气相沉积工艺在所述第一氮化硅层（２）上淀积多晶硅层（５），再对多晶硅层（５）进行硼离子注入，然后利用电感耦合等离子体刻蚀所述多晶硅层（５），分别形成四组多晶硅温度敏感电阻和两组多晶硅加热电阻；最后再次利用低压化学气相沉积工艺在所述多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻上形成第二氮化硅层（６）；步骤三、先利用反应离子刻蚀干法刻蚀第二氮化硅层（６），使所述多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻部分露出，在露出部分上溅射金属层；然后光刻该金属层，使该金属层形成金属互连线（７），所述金属互连线（７）将所述多晶硅温度敏感电阻和所述金属层连接成热电堆、并将所述热电堆和所述多晶硅加热电阻连接形成加速度传感器输出电路；四组热电堆中的其中两组用于Ｘ轴和Ｙ轴的检测，另两组用于Ｚ轴的检测；步骤四、先在所述金属层上利用增强等离子体化学汽相低温沉积高质氧化硅层（３），然后对高质氧化硅层（３）进行光刻，刻蚀后仅保留用于Ｚ轴检测部分的高质氧化硅层（３）；再刻蚀部分第二氮化硅层（６）、第一氮化硅层（２）及高质氧化硅层（３）以形成复合悬臂梁结构（８），露出下方的部分衬底单晶硅片（１），然后再深腐蚀衬底单晶硅片（１）使衬底单晶硅片（１）形成凹腔（９），所述四组热电堆以及两组多晶硅加热电阻通过复合悬臂梁结构（８）支撑悬空于该凹腔（９）上，完成器件硅片的制作；步骤五、制作具有深坑的盖板硅片（１０），将盖板硅片（１０）与所述器件硅片键合，使盖板硅片（１０）的深坑与器件硅片的凹腔（９）对接形成密闭空腔，即三轴热对流加速度传感器芯片。...

【技术特征摘要】
1.一种三轴热对流加速度传感器芯片的制作方法，其特征是包括如下步骤步骤一、先在衬底单晶硅片(1)表面利用高温干法热氧化形成高温氧化硅层(4)，再利用低压化学气相沉积工艺在所述高温氧化硅层(4)上形成低应力的第一氮化硅层(2)；步骤二、先利用低压化学气相沉积工艺在所述第一氮化硅层(2)上淀积多晶硅层(5)， 再对多晶硅层(5)进行硼离子注入，然后利用电感耦合等离子体刻蚀所述多晶硅层(5)，分别形成四组多晶硅温度敏感电阻和两组多晶硅加热电阻；最后再次利用低压化学气相沉积工艺在所述多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻上形成第二氮化硅层(6 )；步骤三、先利用反应离子刻蚀干法刻蚀第二氮化硅层(6)，使所述多晶硅温度敏感电阻和多晶硅加热电阻部分露出，在露出部分上溅射金属层；然后光刻该金属层，使该金属层形成金属互连线(7)，所述金属互连线(7)将所述多晶硅温度敏感电阻和所述金属层连接成热电堆、并将所述热电堆和所述多晶硅加热电阻连接形成加速度传感器输出电路；四组热电堆中的其中两组用于X轴和Y轴的检测，另两组用于Z轴的检测；步骤四、先在所述金属层上利用增强等离子体化学汽相低温沉积高质氧化硅层(3)，然后对高质氧化硅层(3)进行光刻，刻蚀后仅保留用于Z轴检测部分的高质氧化硅层(3)；再刻蚀部分第二氮化硅层(6)、第一氮化硅层(2)及高质氧化硅层(3)以形成复合悬臂梁结构 (8)，露...

【专利技术属性】
技术研发人员：王权，胡然，张进，李昕欣，杨平，陈林，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32