一种MEMS集成复合传感器及其加工方法与流程

本发明涉及半导体产品加工技术领域，尤其涉及一种MEMS集成复合传感器及其加工方法。

背景技术：
随着MEMS技术的不断发展，硅微机械加工工艺的日趋成熟，集成硅微机械加速度传感器和压力传感器的复合传感器由于其价格低、精度高和适合于批量生产，而被广泛地应用于汽车胎压监测中。中国专利文献CN102285633B公开了供一种复合集成传感器结构的制造方法，包括步骤：提供基底，在其上形成掺杂区域；刻蚀基底，形成制作腔体的槽；在基底表面和槽侧壁与底部淀积阻挡层；去除基底表面和槽底部的阻挡层，在槽侧壁形成侧壁保护层；以基底上的硬掩膜和侧壁保护层共同作用，继续刻蚀槽，形成深槽；腐蚀深槽，在基底内部形成腔体；在槽的侧壁保护层之间填满隔离和/或填充材料，形成插塞结构，将腔体与外界隔离；将基底表面平坦化；在基底表面制作导电引线和电极；在加速度传感器的区域淀积质量块，并对其作图形化；在质量块的周围形成隔离槽，质量块以悬臂形式与基底相连接。本发明采用正面的、与常规半导体工艺相兼容的工艺，具有实用、经济、高性能等优点。该方案为了在不增加质量块面积的基础上增大加速度传感器的灵敏度，采用了在硅质量块上电镀其他材料(例如铜)增加质量的方式。这一方法缺点在于使用电镀方法淀积的材料其在整片晶圆上的厚度、密度的均匀性很差，导致同一片晶圆上加速度传感器的零点和灵敏度离散性很大，增加了后续芯片零点补偿以及灵敏度补偿的成本。该方法的另一个缺点在于，电镀工艺不是CMOS的标准工艺，很多IC厂商没有该设备，这一步工艺外包导致质量难以监控，而投资电镀设备又会增加固定资产投入。

技术实现要素：
本发明的一个目的在于：提供一种MEMS集成复合传感器，其采用传统硅晶圆进行生产，成本低廉且具有较高的灵敏度。本发明的另一个目的在于：提供一种MEMS集成复合传感器的加工方法，利用单面腐蚀工艺加工出多个不同厚度的硅膜，分别作为复合传感器的传感器结构，简化生产工艺，增加传感器灵敏度的同时节约生产成本，利于控制整片晶圆上传感器性能的一致性。为达上述目的，本发明采用以下技术方案：一方面，提供一种MEMS集成复合传感器，包括作为衬底硅材料的<111>晶向晶圆，所述晶圆的同一侧设置有加速度传感器以及压力传感器；所述加速度传感器具有悬臂梁，以及与所述悬臂梁连接的质量块，所述悬臂梁与所述质量块为一体结构，所述质量块的厚度大于所述悬臂梁的厚度；所述压力传感器具有敏感膜，所述敏感膜的厚度与所述悬臂梁的厚度相同或不同；所述悬臂梁与所述质量块均为所述晶圆的一部分，通过刻蚀加工而成。作为MEMS集成复合传感器的一种优选技术方案，还包括温度传感器。作为MEMS集成复合传感器的一种优选技术方案，所述加速度传感器的外部设置有用于保护所述加速度传感器的上盖板。另一方面，提供一种MEMS集成复合传感器的加工方法，其特征在于，在<111>晶向的晶圆上刻蚀用于决定质量块、悬臂梁以及敏感膜厚度的质量块开槽、悬臂梁开槽以及敏感膜开槽；二次刻蚀上述开槽，在各开槽底部形成第二级凹槽；通过刻蚀连通相应的第二级凹槽，在质量块、悬臂梁以及敏感膜的下方形成空腔，并保证所述质量块下方的空腔与所述悬臂梁下方的空腔连通；密封各开槽，并于所述晶圆表面生成加速度传感器的压敏电阻、压力传感器的压敏电阻以及温度传感器的温敏电阻，并进行金属布线；通过干法刻蚀刻开硅膜，释放加速度传感器结构。作为MEMS集成复合传感器的加工方法的一种优选技术方案，在所述质量块开槽以及所述敏感膜开槽的第二级凹槽加工完成后刻蚀所述悬臂梁开槽，具体包括以下步骤：步骤S1、采用〈111〉晶向的晶圆作为衬底硅，在所述晶圆的同一侧刻蚀不同深度的开槽，分别作为决定质量块厚度的质量块开槽以及决定敏感膜厚度敏感膜开槽；步骤S2、再次刻蚀所述晶圆，在所述质量块开槽以及敏感膜开槽的下部形成决定位于其各自下方的空腔高度的第二级凹槽；步骤S3、通过湿法刻蚀连通相应第二级凹槽，在所述质量块开槽以及所述敏感膜开槽的下方形成空腔；步骤S4、淀积一层或多层半导体材料将质量块开槽以及所述敏感膜开槽密封；步骤S5、在所述晶圆上与刻蚀质量块开槽相同的侧面上刻蚀作为悬臂梁的悬臂梁开槽；步骤S6、再次刻蚀所述晶圆，在所述悬臂梁开槽的下部形成决定位于其下方的空腔高度的第二级凹槽；步骤S7、通过湿法刻蚀连通悬臂梁开槽下部的第二级凹槽，在所述悬臂梁开槽下方形成空腔，并保证位于所述悬臂梁开槽下方的空腔与位于质量块开槽下方的空腔相互连通；步骤S8、淀积一层或多层半导体材料将悬臂梁开槽密封；步骤S9、于所述晶圆表面生成加速度传感器以及压力传感器的压敏电阻和温度传感器的温敏电阻，并进行金属布线；步骤S10、通过干法刻蚀刻开硅膜，释放加速度传感器结构。具体的，所述步骤S4中，淀积一层或多层半导体材料将质量块开槽以及所述敏感膜开槽密封，采用低压化学气相淀积(LPCVD)的方法进行。所述步骤S8中，淀积一层或多层半导体材料将悬臂梁开槽密封，采用低压化学气相淀积(LPCVD)的方法进行。作为MEMS集成复合传感器的加工方法的一种优选技术方案，于所述步骤：采用〈111〉晶向的晶圆作为衬底硅，在所述晶圆的同一侧刻蚀不同深度的开槽，分别作为决定质量块厚度的质量块开槽以及决定敏感膜厚度敏感膜开槽前，在所述晶圆表面生长第一掩膜层；于所述步骤：再次刻蚀所述晶圆，在所述质量块开槽以及敏感膜开槽的下部形成决定位于其各自下方的空腔高度的第二级凹槽前，在所述晶圆表面生长第二掩膜层，并刻蚀去除位于所述质量块开槽、敏感膜开槽底部的第二掩膜层。作为MEMS集成复合传感器的加工方法的一种优选技术方案，在所述悬臂梁开槽加工完成后刻蚀位于质量块开槽、悬臂梁开槽以及敏感膜开槽底部的第二级凹槽，具体包括以下步骤：步骤S1′、采用〈111〉晶向的晶圆作为衬底硅，在所述晶圆的同一侧刻蚀不同深度的开槽，分别作为决定质量块厚度的质量块开槽、决定悬臂梁厚度的悬臂梁开槽以及决定敏感膜厚度敏感膜开槽；步骤S2′、再次刻蚀所述晶圆，在所述质量块开槽、悬臂梁开槽以及敏感膜开槽的下部形成决定位于其各自下方的空腔高度的第二级凹槽；步骤S3′、通过湿法刻蚀连通相应第二级凹槽，在所述质量块开槽以及所述敏感膜开槽的下方形成空腔，并保证位于所述悬臂梁开槽下方的空腔与位于质量块开槽下方的空腔相互连通；步骤S4′、淀积一层或多层半导体材料将质量块开槽、悬臂梁开槽以及所述敏感膜开槽密封；步骤S5′、于所述晶圆表面生成加速度传感器以及压力传感器的压敏电阻和温度传感器的温敏电阻，并进行...